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技術 封止要素を有する自動車の熱電発電装置のための熱電モジュール

出願人 エミテックゲゼルシヤフトフユアエミツシオンステクノロギーミツトベシユレンクテルハフツング
発明者 ブリュックロルフリンベックジーグリッド
出願日 2011年8月22日 (8年1ヶ月経過) 出願番号 2013-527533
公開日 2013年11月21日 (5年10ヶ月経過) 公開番号 2013-542701
状態 特許登録済
技術分野 特殊な電動機、発電機 排気消音装置 熱電素子
主要キーワード 収集構成 適合構成 構造的ユニット 周囲要素 材料接続 内側ハウジング部分 導電ブリッジ 突き合わせジョイント
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特許:約8,000万件, クラウドファンディング:約100万年件, 科研費・グラントデータ:約500万件, 発明者・研究者情報:約600万人

この項目の情報は公開日時点(2013年11月21日)のものです。
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図面 (7)

課題・解決手段

各々の場合、高温側(18)または低温側(19)に配置される内側円周面(2)および外側円周面(4)を有し、それらの間に配置される中間空間(17)および幾何学的な軸(3)および少なくとも1つの封止要素(7)を有する熱電モジュール(1)であって、前記封止要素(7)は、少なくとも部分的に内側円周面(2)を形成するか、またはそれらに配置される高温側(18)もしくは低温側(19)から電気絶縁層(16)のみによって分離され、低温側(19)に対して少なくとも前記中間空間(17)を封止し、熱電モジュール(1)に配置される少なくとも1つの熱電素子(6)を、熱電モジュール(1)の外側に配置される少なくとも1つの第2の導電体(9)に接続する少なくとも1つの導電体(8)を有する、熱電モジュール(1)。

概要

背景

自動車内燃エンジンからの排気ガスは、例えば、バッテリーまたは一部の他のエネルギー貯蔵装置充電するため、ならびに/あるいは必要なエネルギー電気負荷部に直接供給するために、熱電発電装置により電気エネルギーに変換され得る熱エネルギーを含む。このように、自動車は改善されたエネルギー効率で作動され、自動車を作動するのに多くのエネルギーが利用可能となる。

この種の熱電発電装置は少なくとも1つの熱電モジュールを有する。熱電モジュールは、例えば、交互の導電性ブリッジを有する、上側および下側に設けられる(高温側または低温側を向く)、少なくとも2つの半導体素子(pドープおよびnドープ)を備える。これらの2つの半導体素子は、最小の熱電ユニットまたは熱電素子を形成する。熱電材料は、それらが効果的な方法で熱エネルギーを電気エネルギーに(ゼーベック効果)、およびその逆に(ペルチェ効果)変換できるような種類のものである。温度勾配が半導体素子の両側に設けられる場合、電位が半導体素子の端部の間に形成される。高温側における電荷担体は、高温により高い程度まで伝導バンド内に励起される。伝導バンド内におけるこのプロセスの間に生じる濃度の相違に起因して、電荷担体は半導体素子の低温側に拡散し、電位差が生じる。熱電モジュールにおいて、多数の半導体素子が直列電気的に接続される場合、好適である。連続した半導体素子において生成される電位差を確実にするために、互いに相殺せず、交互の半導体素子が常に、異なる多数の電荷担体(nドープおよびpドープ)と直接電気接触する。接続された負荷抵抗器により、回路が閉じられ得るので、電力を取り出すことができる。

半導体素子が持続したベースで作動するように適合されることを確実にするために、拡散障壁が通常、導電ブリッジと熱電材料との間に配置され、熱電材料内への導電ブリッジの材料に含まれる材料の拡散を防き、それ故、半導体材料および熱電素子の有効性損失または機能不全を防ぐ。熱電モジュールおよび半導体素子の構築は通常、個々のコンポーネント、すなわち熱電材料、拡散障壁、導電ブリッジ、絶縁体、必要な場合、追加のハウジング要素を組み立てることにより達成されて、熱電モジュールが形成し、それを高温または低温媒体が流れる。多数の個々のコンポーネントのこのアセンブリはまた、個々のコンポーネント交差の正確な適合、および高温側から低温側への熱伝導許容、および生成される熱電材料を通る電流の流れを可能にする導電性ブリッジの適切な接触を必要とする。

熱電モジュールにおけるこのような半導体素子の構成のために、ハウジング壁および/または支持管が通常、設けられて、モジュールとの外側境界を規定し、半導体素子はそれらに取り付けられる。特に、これにより、一方で、電気接点に対する、および他方で、ハウジング位置に対する半導体素子の正確な適合構成を達成するために、製造において高度耐性要件がもたらされる。外側および内側ハウジング部分における異なる熱負荷についての別の問題は、これらのコンポーネントの異なる膨張挙動が特に熱電材料内に高ストレスを導入せずに補償されなければならないことである。まさに熱電モジュールの製造に関して、取り付けおよび扱いを簡単にするために、また、アセンブリプロセスにおいて軽いが安定した構造を生成するために、多数のコンポーネントを互いに容易に組み合わせることが望まれる。上述の要件は、熱電モジュール、特にこの種の管状モジュールのそれぞれの端部を封止する封止要素に同様に適用され、各場合、一方の側で熱電モジュールを取り囲む高温媒体または低温媒体は、熱電モジュールに配置される熱電素子から恒久的に分離される。気体および/または液体媒体に対する熱電モジュールの封止を考慮して、可能な限り頑構築物が必要とされ、特にこれらのコンポーネントの場合、適合の正確性に関して、またはこれらの封止要素の組み立てに関して、過度に高い要件を避けることができる。

概要

各々の場合、高温側(18)または低温側(19)に配置される内側円周面(2)および外側円周面(4)を有し、それらの間に配置される中間空間(17)および幾何学的な軸(3)および少なくとも1つの封止要素(7)を有する熱電モジュール(1)であって、前記封止要素(7)は、少なくとも部分的に内側円周面(2)を形成するか、またはそれらに配置される高温側(18)もしくは低温側(19)から電気絶縁層(16)のみによって分離され、低温側(19)に対して少なくとも前記中間空間(17)を封止し、熱電モジュール(1)に配置される少なくとも1つの熱電素子(6)を、熱電モジュール(1)の外側に配置される少なくとも1つの第2の導電体(9)に接続する少なくとも1つの導電体(8)を有する、熱電モジュール(1)。

目的

本発明の目的は、従来技術に関して説明されている問題を少なくとも部分的に解決することである

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
2件

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請求項1

高温側(18)または低温側(19)にそれぞれ配置される、内側円周面(2)および外側円周面(4)を有し、それらの間に配置される、中間空間(17)、および幾何学的な軸(3)および少なくとも1つの封止要素(7)を有する、熱電モジュール(1)であって、前記封止要素(7)は、前記内側円周面(2)を少なくとも部分的に形成するか、またはそれらに配置される前記高温側(18)もしくは低温側(19)から電気絶縁層(16)によってのみ分離され、少なくとも前記低温側(19)に対して前記中間空間(17)を封止し、前記熱電モジュール(1)に配置される少なくとも1つの熱電素子(6)を、前記熱電モジュール(1)の外側に配置される少なくとも1つの第2の導電体(9)に接続する、少なくとも1つの導電体(8)を有する、熱電モジュール(1)。

請求項2

前記封止要素(7)は単一部品として設けられる、請求項1に記載の熱電モジュール(1)。

請求項3

前記封止要素(7)は、複数の層(10)により形成され、少なくとも以下の機能:前記軸(3)の方向において前記封止要素(7)を通して電流(15)を導くための導電体(8)の形成、前記熱電モジュール(1)の半径方向(11)における電気絶縁のための絶縁層(16)、液体および/または気体媒体(12)に対する前記中間空間(17)の封止を実施する、請求項1または2に記載の熱電モジュール(1)。

請求項4

前記封止要素(7)は少なくとも1つの電気絶縁層(16)を有し、前記絶縁層(16)は少なくとも部分的に雲母材料を含み、非嵌合的にのみ前記封止要素(7)に接続される、請求項1〜3のいずれか一項に記載の熱電モジュール(1)。

請求項5

前記熱電モジュール(1)の前記外側円周面(4)はスリーブ(14)により少なくとも部分的に形成され、前記熱電モジュール(1)の前記中間空間(17)は、前記スリーブ(14)および前記封止要素(7)により形成される、封止面(25)により少なくとも前記高温側(18)および/または前記低温側(19)に対して封止される、請求項1〜4のいずれか一項に記載の熱電モジュール(1)。

請求項6

内燃エンジン(21)と、排気システム(22)と、冷却システム(23)とを有する自動車(20)であって、請求項1〜5のいずれか一項に記載の少なくとも1つの熱電モジュール(1)を有する熱電発電装置(24)が設けられ、前記排気システム(22)は前記熱電モジュール(1)の前記内側円周面(2)を通して延び、前記冷却システム(23)は前記熱電モジュール(1)の前記外側円周面(4)の外側に沿って延びる、自動車(20)。

技術分野

0001

本発明は、特に、自動車で使用される熱電発電装置に使用するための熱電モジュールであって、少なくとも1つの封止要素を有する、熱電モジュールに関する。

背景技術

0002

自動車の内燃エンジンからの排気ガスは、例えば、バッテリーまたは一部の他のエネルギー貯蔵装置充電するため、ならびに/あるいは必要なエネルギー電気負荷部に直接供給するために、熱電発電装置により電気エネルギーに変換され得る熱エネルギーを含む。このように、自動車は改善されたエネルギー効率で作動され、自動車を作動するのに多くのエネルギーが利用可能となる。

0003

この種の熱電発電装置は少なくとも1つの熱電モジュールを有する。熱電モジュールは、例えば、交互の導電性ブリッジを有する、上側および下側に設けられる(高温側または低温側を向く)、少なくとも2つの半導体素子(pドープおよびnドープ)を備える。これらの2つの半導体素子は、最小の熱電ユニットまたは熱電素子を形成する。熱電材料は、それらが効果的な方法で熱エネルギーを電気エネルギーに(ゼーベック効果)、およびその逆に(ペルチェ効果)変換できるような種類のものである。温度勾配が半導体素子の両側に設けられる場合、電位が半導体素子の端部の間に形成される。高温側における電荷担体は、高温により高い程度まで伝導バンド内に励起される。伝導バンド内におけるこのプロセスの間に生じる濃度の相違に起因して、電荷担体は半導体素子の低温側に拡散し、電位差が生じる。熱電モジュールにおいて、多数の半導体素子が直列電気的に接続される場合、好適である。連続した半導体素子において生成される電位差を確実にするために、互いに相殺せず、交互の半導体素子が常に、異なる多数の電荷担体(nドープおよびpドープ)と直接電気接触する。接続された負荷抵抗器により、回路が閉じられ得るので、電力を取り出すことができる。

0004

半導体素子が持続したベースで作動するように適合されることを確実にするために、拡散障壁が通常、導電ブリッジと熱電材料との間に配置され、熱電材料内への導電ブリッジの材料に含まれる材料の拡散を防き、それ故、半導体材料および熱電素子の有効性損失または機能不全を防ぐ。熱電モジュールおよび半導体素子の構築は通常、個々のコンポーネント、すなわち熱電材料、拡散障壁、導電ブリッジ、絶縁体、必要な場合、追加のハウジング要素を組み立てることにより達成されて、熱電モジュールが形成し、それを高温または低温媒体が流れる。多数の個々のコンポーネントのこのアセンブリはまた、個々のコンポーネント交差の正確な適合、および高温側から低温側への熱伝導許容、および生成される熱電材料を通る電流の流れを可能にする導電性ブリッジの適切な接触を必要とする。

0005

熱電モジュールにおけるこのような半導体素子の構成のために、ハウジング壁および/または支持管が通常、設けられて、モジュールとの外側境界を規定し、半導体素子はそれらに取り付けられる。特に、これにより、一方で、電気接点に対する、および他方で、ハウジング位置に対する半導体素子の正確な適合構成を達成するために、製造において高度耐性要件がもたらされる。外側および内側ハウジング部分における異なる熱負荷についての別の問題は、これらのコンポーネントの異なる膨張挙動が特に熱電材料内に高ストレスを導入せずに補償されなければならないことである。まさに熱電モジュールの製造に関して、取り付けおよび扱いを簡単にするために、また、アセンブリプロセスにおいて軽いが安定した構造を生成するために、多数のコンポーネントを互いに容易に組み合わせることが望まれる。上述の要件は、熱電モジュール、特にこの種の管状モジュールのそれぞれの端部を封止する封止要素に同様に適用され、各場合、一方の側で熱電モジュールを取り囲む高温媒体または低温媒体は、熱電モジュールに配置される熱電素子から恒久的に分離される。気体および/または液体媒体に対する熱電モジュールの封止を考慮して、可能な限り頑構築物が必要とされ、特にこれらのコンポーネントの場合、適合の正確性に関して、またはこれらの封止要素の組み立てに関して、過度に高い要件を避けることができる。

発明が解決しようとする課題

0006

これらのことを出発点として考慮して、本発明の目的は、従来技術に関して説明されている問題を少なくとも部分的に解決することである。特に、本発明は、高温媒体および低温媒体に対して同時に封止され得る熱電モジュールを特定し、技術的に簡潔化し、少ない数の部品を有することである。さらに、所望の使用に関して耐久性があるべきであり、さらに、排気ガスの熱エネルギーから最大の電気エネルギーを生成するために高効率を有するべきである。

課題を解決するための手段

0007

これらの目的は請求項1の特徴に係る熱電モジュールにより達成される。本発明のさらなる有益な実施形態は従属請求項において示される。特許請求の範囲に個々に提示した特徴は、任意の技術的に有意な方法で組み合わされてもよく、本発明のさらなる実施形態を生じさせる。特に図面と併せた詳細は本発明をさらに説明し、本発明のさらなる実施形態を提示する。

0008

本発明に係る熱電モジュールは、高温側または低温側にそれぞれ配置される内側円周面および外側円周面を有する。内側円周面と外側円周面との間に中間空間が配置される。熱電モジュールは幾何学的な軸および少なくとも1つの封止要素を有し、その封止要素は、内側円周面を少なくとも部分的に形成するか、またはそれらに配置される高温側もしくは低温側から電気絶縁層によってのみ分離される。さらに、封止要素は少なくとも低温側に対して中間空間を封止する。さらに、封止要素は、熱電モジュールに配置される少なくとも1つの熱電素子を、熱電モジュールの外側にそれ自体で配置される少なくとも1つの第2の導電体に接続する、少なくとも1つの導電体を有する。

0009

封止要素はさらに好ましくは、熱電モジュールの外側円周面を少なくとも部分的に形成するか、または外側円周面に配置される高温側もしくは低温側から電気絶縁層のみによって分離される。特に、封止要素はまた、少なくとも高温側に対して中間空間をさらに封止する。

0010

特に、熱電モジュールは、熱電発電装置の別個構造的ユニットを形成する。この場合、好ましい選択として、熱電モジュールは端子を有し、それによって、このような熱電モジュールは、適切な場合、複数のさらなる熱電モジュールに電気的に接続され得る。特に、前記熱電モジュール内に組み込まれた全ての熱電素子の電気接続または相互接続は、したがって、前記モジュール内で行われる。次いでこのような熱電モジュールは、高温側において高温媒体に曝露され、低温側において低温媒体に曝露される。ここで、焦点が特に、その外側円周面により低温媒体と接触し、その内側円周面により高温媒体(特に排気ガス)と接触する熱電モジュールに当てられるか、またはモジュールを通るかもしくはモジュール周囲の前記媒体の存在する流れに当てられる。実際に、したがって、内側円周面は「高温側」を形成し、外側円周面は熱電モジュールの「低温側」を形成する。

0011

熱電モジュールが細長い設計、すなわち、例えばレールまたは管の形態である場合、さらに好ましい。たとえ、熱電モジュールがほぼ円筒形または管の形態で構成されていたとしても非常に特に好ましく、そのような形状は強制されない。特に、楕円形の断面または多角形の断面もまた、このような熱電モジュールのために考慮されてもよい。この構造に従って、次いで、中心の幾何学的な軸および内側円周面および外側円周面を特定することが可能となる。特に、この場合、内側円周面は内側ダクト画定し、その内側ダクトを通して、高温媒体(排気ガス)が流れることができる。熱電素子は内側円周面と外側円周面との間の熱電モジュールの中間空間に配置される。複数のこのような熱電素子は、熱電モジュールの幾何学的な軸の方向において互いに配置されてもよいか、または積み重ねられてもよく、特にそれにより、pドープ熱電材料を含む半導体素子およびnドープ熱電材料を含む半導体素子が交互に配置され、互いに隣接する。この点で、規定のドープを有する半導体素子が、例えば円盤または環の形態で内側円周面周囲に完全に延びる場合、非常に特に好ましい。次いでこの熱電材料は、接続要素と以下に称される、導電性ブリッジにより構成される。次いで熱電材料はこれらの接続要素により少なくとも部分的に構成され、それにより、内側円周面および外側円周面は接続要素により形成される。接続要素は好ましくは、内側および外側の両方で完全に熱電材料を囲む。半導体素子の形状に従って、接続要素は、例えば環または(中空)円筒形のように設けられる。

0012

熱電材料が、特にはんだまたは接着剤を使用せずに、非嵌合(non−positively)で(圧力により)接続要素に接続される場合、特に好ましい。接続要素が、熱電材料および導電体についての拡散障壁から同時に形成される場合、さらに好ましい。前記接続要素についての材料としてニッケルまたはモリブデンが好ましく、各々の場合、それらが接続要素の材料の少なくとも95重量%から構成される場合、非常に特に好ましい。

0013

熱電材料または半導体素子は、次いで、接続要素により交互に互いに電気的に接続され、熱電材料および熱電モジュールを通る電流の流れが、内側円周面と外側円周面との間の温度差により生じる。熱電材料間の電気接続はまた、金属ブリッジケーブル、はんだなどにより達成されてもよい。既に説明したように、電気接続は好ましくは、接続要素(のみ)により達成される。

0014

次いで、本発明に従って提供される封止要素は、熱電モジュールの端部の各々において外側から熱電モジュールの中間空間を閉鎖し、それにより、中間空間は、少なくとも低温側、好ましくはまた高温側に対して封止され、低温媒体または高温媒体が中間空間に進入することを防ぐことを確実にする。この場合、封止要素は好ましくは、別個のコンポーネントであり、半導体材料、接続要素により、または熱電モジュールを囲む外側もしくは内側環により形成されない。このように、封止要素は、熱電モジュールの中間空間の長さの多くとも20%、好ましくは多くとも10%である、軸の方向において延長部を有する。熱電モジュールの中間空間の長さは、軸の方向において半導体材料の間の最大距離により規定される。この場合、封止要素は、熱電モジュール内の少なくとも1つの接続要素と接触し、それにより、封止要素を通して熱電モジュール内に生じる電流を、外側における第2の導電体に流すことができる、少なくとも1つの導電体を有する。

0015

特に、封止要素は内側円周面および外側円周面を少なくとも部分的に形成する。このことは、高温および/または低温媒体が封止要素上を直接流れることを意味する。適切な場合、封止要素は、スリーブのみにより外側円周面に配置される低温側から分離されるので、封止要素を介して低温側と高温側との間の熱の流れを可能にする。しかしながら、封止要素は、軸の方向において長い延長部を有さないので、この熱の流れは、封止要素のさらなる断熱がなくても、わずかな範囲でのみ熱電モジュールの効率に影響を与え得る。低温側および/または高温側に対する中間空間の封止は、特に、外側円周面および/または内側円周面を生成する封止要素と接続要素との間の材料接続により達成される。封止要素は好ましくは、導電体により内側円周面に配置される接続要素に導電的に接続されるので、熱電モジュールの内側円周面に配置される高温側に対する中間空間の封止がここで確実にされる。外側円周面における封止は好ましくは、スリーブと封止要素との間の封止面の形成により生成される。特に、スリーブは低温側に対する接続要素の電気絶縁として機能する。この種の電気絶縁層はまた、熱電モジュールの内側円周面に設けられてもよい。この電気絶縁層はまた、特に前記面に封止要素を取り付けた後に熱電モジュールの内側円周面に配置されてもよい。この場合、封止要素は、熱電モジュールの内側円周面に配置される低温側または高温側から電気絶縁層のみによって分離される。

0016

封止要素は、熱電モジュールの内側円周面、および特にさらに、外側円周面を少なくとも部分的に形成するので、熱電モジュールの中間空間を封止するため、および同時に、熱電モジュール内で生じる電流を外側に運搬するための簡単な設計の解決策が見出される。本発明に係る封止要素が、熱電モジュールの両方の端部で設けられる場合、好ましく、熱電モジュールにおける封止要素の異なる実施形態を構成することが可能となる。

0017

特に好ましい実施形態によれば、封止要素は単一部品として設けられる。このことは、一方の側で少なくとも低温側に対して封止され、他方の側で熱電モジュールの外側に配置される第2の導電体に導電的に接続される熱電モジュールについての単一部品を加えることにより可能となる。このように、熱電モジュールの作動のための低コストのアセンブリおよび持続した適合性を確実にし得る簡単な解決策が提供される。ここで、「単一部品」とは、熱電モジュールによる組み立ての前に、封止要素が単一の構造的ユニットを形成すること、特に、非嵌合(non−positively)、嵌合(positively)または物質的に互いに接続される複数の個々のコンポーネントから生成されることを意味する。

0018

別の特に好ましい熱電モジュールの実施形態によれば、封止要素は、複数の層により形成され、以下の機能:
軸の方向において封止要素を通して電流を導くための導電体の形成、
熱電モジュールの半径方向における電気絶縁のための絶縁層
液体および/または気体媒体に対する中間空間の封止
を実施する。

0019

特にしたがって、封止要素は、少なくとも1つのセラミック絶縁層および軸の方向における封止要素を通して半径方向において他方の内に一方が延びる少なくとも1つの導電体から構築されるので、封止要素が生成される。適切な場合、電気のために適しているセラミック材料、必要に応じて、また、封止要素の断熱が構成され、対応して金属支持要素により安定化される。さらに、セラミック絶縁層の代わりに雲母の層が使用されてもよい。少なくとも一方の側で、導電体は好ましくは、セラミック材料から設けられるか、または雲母材料に接続され、各々の場合、封止要素およびまた個々の層は、環状または環状部分形状の設計であり、他方の内側に一方が配置される。個々の層は好ましくは一緒に押され、少なくとも非嵌合であるが、可能な場合また、個々の層の間の材料接続を生じる。封止要素の導電体は好ましくは、軸の方向において封止要素から突出するので、導電的、特に材料的、例えば溶接またははんだにより、熱電モジュールの接続要素に接続されてもよく、それにより、第2の導電体まで導電体を介して熱電モジュールを通過する電流の流れが可能となる。雲母材料を使用することにより、支持要素(複数も含む)、導電体および絶縁層の間で単に非嵌合接続を達成することが可能となる。したがってここで、材料接続(例えばはんだ付けによる)を省略することも可能である。したがって、個々の層を一緒に押すことにより、絶縁層と導電体または支持要素との間でフレキシブルな接続を達成することが可能となり、補償される半径および軸方向における熱膨張が可能となる。さらに、この種の非嵌合接続は、固定具による熱電発電装置におけるまたはハウジングにおける熱電モジュールの固定に起因して、維持されるベースで、封止要素を介して伝わる有意な力を吸収するのに、より適している。セラミック絶縁層を介する保持力の伝達はここで、封止要素の機能不全をもたらす。

0020

雲母は、2つの対向する4面体シート(Ts)の間の8面体シート(Os)からなる標準的な構造であるフィロケイ酸塩である。これらのシートは層を形成し、その層は、未水和中間層カチオン(I)の領域により隣接する層から分離される。配列は:....I Ts Os Ts I Ts Os Ts....である。Tsの組成はT2O5である。8面体配位カチオン(M)周囲の配位アニオンは、隣接するTsおよびアニオンAの酸素原子からなる。中間層カチオンの配位は名目上、12倍であり、以下に記載できる簡略化した式を有する:
IM2−3X1−0T4O10A2
式中、
I=Cs、K、Na、NH4、Rb、Ba、Ca
M=Li、Fe++または+++、Mg、Mn++または+++、Zn、Al、Cr、V、Ti
T=Be、Al、B、Fe+++、Si
A=Cl、F、OH、O(オキシ−雲母)、S

0021

以下の材料がこれに関して非常に特に好ましい:熱伝導に対する高耐性を有するマイカナイト(すなわち特に、大きな雲母フィルムを形成するために圧縮され、合成樹脂裏打ちされた雲母断片)。

0022

熱電モジュールの別の特定の実施形態は、封止要素が、少なくとも1つの電気絶縁層を有するようなものであり、その電気絶縁層は少なくとも部分的に雲母材料を含む。この場合、絶縁層は非嵌合でのみ封止要素に接続される。特に、封止要素は、互いに材料的、非嵌合、および/または嵌合で接続されるさらなる部品(周囲要素、接続要素)を有する。しかしながら、絶縁層は、適切な場合、封止要素の個々の部品に非嵌合でのみ、例えば部品を一緒にプレスすることにより接続される。特に、絶縁層は雲母だけにより形成される。

0023

熱電モジュールの別の好ましい実施形態によれば、熱電モジュールの外側円周面は少なくとも部分的にスリーブにより形成され、熱電モジュールの中間空間は、少なくとも封止面により高温側および/または低温側に対して封止され、その封止面はスリーブおよび封止要素により形成される。スリーブは特に外側円周面の接続要素にわたって延びるので、熱電モジュールの外側円周面を形成する。このスリーブはしたがって、それらの外側で接続要素により少なくとも部分的に導電的に互いに接続される、熱電モジュールの熱電素子を囲む。スリーブはここで、外側円周面にいずれに配置されるとしても、高温側または低温側に対して熱電モジュールの中間空間を封止することが提案され、封止要素と一緒に封止面を生成するので、熱電モジュールの端部において封止要素により熱電モジュールの中間空間の封止を確実にする。この場合、封止要素は特に、円周方向の周囲に延び、その一部について、スリーブにより囲まれる封止面を有してもよい。特に、接着剤がスリーブと封止要素の封止面との間に配置され、一方における前記接着剤は、スリーブと封止要素との間の接続の疲労強度および同時に封止の改善を確実にする。封止面はさらにまた、特に、封止要素、例えば、溝、または代替的に、スリーブ自体に配置される、(接着剤に加えてまたは代わりに)Oリングを有してもよく、Oリングは円周方向において封止要素を囲む。Oリングが封止要素内の溝に配置される場合、スリーブは好ましくはさらに、さらなる固定要素により囲まれ、その固定要素は、Oリングに対して、または封止面に対してスリーブを押し、中間空間の恒久的な封止を確実にする。特に、この実施形態はまた、熱電モジュールの内側円周面において実施され得る。この場合、熱電モジュールの内側円周面は少なくとも部分的にスリーブにより形成され、中間空間は、スリーブおよび封止要素により形成される少なくとも封止面により封止される。したがって、スリーブは内側円周面の接続要素にわたって延びるので、熱電モジュールの内側円周面を形成する。その結果として、このスリーブは、それらの内側で接続要素により少なくとも部分的に導電的に互いに接続される、熱電モジュールの熱電素子を囲む。ここで提案されるスリーブは、内側円周面に配置されるときはいつでも、高温側または低温側に対して熱電モジュールの中間空間を封止し、封止面を突出するので、熱電モジュールの端部において中間空間の封止を確実にする。接着剤および/またはOリングの配置に関して上記した他の記載が対応して適用される。

0024

特に、内燃エンジンと、排気システムと、冷却システムとを有する自動車がさらに提供され、前記自動車は、本発明に係る少なくとも1つの熱電モジュールを有する熱電発電装置を備える。排気システムは熱電モジュールの内側円周面を通して延び、冷却システムは熱電モジュールの外側円周面の外側に沿って延びる。すなわち、このことはまた、例えば、冷却システムの低温媒体が、熱電モジュールの外側円周面の外側に沿って通過するので、熱電モジュールの外側円周面は低温側を表わすことを意味する。このことはまた、高温排気ガスが、熱電モジュールの内側円周面により画定されるダクトを通して内側に流れるので、次いで内側円周面が高温側を表わすことを意味する。ここで特に、熱電発電装置が管束の形態で構築されることが好ましく、その場合、一方で、複数の前記熱電モジュールが排気システムに次いで接続され、そにより、高温排気ガスの流れが前記モジュールを通り、他方で、熱電モジュールは、共通の(間隔をあけた)ハウジングに配置され、例えばそれにより、それらの周囲に一緒に流れる冷却剤の流れを可能にする。もちろん、対応する電気端子およびリード線が、信頼できる発電ならびに電力、冷却剤および排気ガスの送達を実施するために提供されなければならない。特に、冷却システムの冷媒は、熱電モジュールの内側円周面により画定されるダクトの内側を通して流れることができる。この場合、外側円周面は高温側を形成し、内側円周面は低温側を形成する。

0025

本発明および関連技術は図面を参照して以下により詳細に説明される。示される実施形態は好ましいが、本発明はそれらに限定されないことは留意されるべきである。

図面の簡単な説明

0026

熱電発電装置および複数の熱電モジュールを有する自動車を示す。
管状熱電モジュールを示す。
封止要素を有する熱電モジュールの一端を示す。
別の封止要素を有する熱電モジュールの一端を示す。
第3の封止要素を有する熱電モジュールの一端を示す。
第4の封止要素を有する熱電モジュールの一端を示す。

実施例

0027

図1は、内燃エンジン21、排気システム22、冷却システム23および複数の熱電モジュール1を有する熱電発電装置24を有する自動車20を示す。熱電モジュール1は排気システム22に接続されるので、排気ガスは熱電モジュール1を流れ、冷却システム23は、熱電モジュール1の外側にわたって冷却媒体の流れが存在するように熱電発電装置24に接続される。

0028

図2は、内側円周面2、外側円周面4ならびに接続要素26により内側円周面2および外側円周面4において交互に互いに電気的に接続されるnおよびpドープ半導体素子5により形成される熱電素子6を有する管状熱電モジュール1を示す。これらの熱電素子6は、熱電モジュール1の軸3に沿って内側円周面2と外側円周面4との間に延びる、中間空間17に配置される。(高温)媒体12(排気ガス)は内側円周面2を通して流れ、(低温)媒体12(冷却水)は外側円周面4上に流れ、その結果として、「低温側」19は外側円周面4に形成され、「高温側」18は内側円周面2に形成される。絶縁層16がさらに、外側円周面4と熱電素子6および接続要素26との間に配置され、その結果として、冷却側19における媒体12は接続要素26から電気的に絶縁される。軸3に沿って配置されるその端部33の各々において、熱電モジュール1はそれぞれの封止要素7を有し、この場合、その封止要素7はスリーブ14内に配置され、外側円周面4および内側円周面2を少なくとも部分的に形成する。封止要素7は、接続要素26を、熱電モジュール1の外側に配置される第2の導電体9に導電的に接続する導電体8を有する。この第2の導電体9を通して、複数の熱電モジュール1は直列または並列に接続され得るので、複数の熱電モジュール1から熱電発電装置を構築することが可能となる。熱電モジュール1の中間空間17は、最も外側の半導体素子5の間の距離34により規定される軸3の方向において長さを有する。封止要素7は軸3の方向において範囲35を有する。

0029

図3は封止要素7を有する熱電モジュール1の一端33を示す。熱電モジュール1の内側円周面2は、接続要素26により、および封止要素の導電体8により少なくとも部分的に形成され、外側円周面4はスリーブ14により少なくとも部分的に形成される。半導体素子5は各々、nおよびpドープであり、接続要素26により交互に互いに導電的に接続される。ここで、接続要素26は連続した内側円周面2および外側円周面4を形成せず、それ故、封止部28はさらに、少なくとも内側円周面2に設けられ、熱電モジュール1の中間空間17内、および半導体素子5の間の間隙13内への高温側18からの媒体12の進入を防ぐ。

0030

封止部28は好ましくは、それらが、内側円周面2により囲まれるダクト内の接続要素26により形成される内側円周面2を超えて突出するように設けられる。したがって、封止部28は、媒体12のさらなる乱流をもたらす乱流発生装置を形成でき、それにより、媒体12と熱電モジュール1との間の熱伝導を改良する。

0031

封止要素7は端部33において外側に対して熱電モジュール1を封止し、それにより、媒体12が、少なくとも低温側19から熱電モジュール1の中間空間17に進入することを防ぐ。この目的のために、封止面25はスリーブ14と封止要素7との間に形成され、ここで、前記封止面は、電気を囲む支持要素29および必要に応じて断熱層16により形成される。この支持要素29は、絶縁層16を安定させる機能をし、好ましくはセラミックである。その部分に関して、絶縁層16は、結合プロセスのために外側円周面4を介して利用可能である、ここで示されるジョイント27により熱電モジュール1の接続要素26に導電的に接続される封止要素7の導電体8を囲む。

0032

ここで、熱電モジュール1の外側円周面4および内側円周面2を少なくとも部分的に形成するために封止要素7が設けられ、これはまた、封止要素7に属する固定具36のみが媒体12と直接接触する状況を含む。固定具36によって、必要な場合、さらなる熱電モジュール1と共に熱電モジュール1はハウジング内に固定されるので、熱電発電装置を形成する。ここで、軸3の方向において封止要素7の範囲35は、封止要素7の両端において突出する導電体8により規定される。導電体8は第2の導電体9と接触し、それにより、熱電モジュール1は並列または直列で他の熱電モジュール1に電気的に接続され得る。

0033

図4はさらなる封止要素7を有する熱電モジュール1の一端33を示す。ここでもまた、熱電モジュール1の中間空間17は内側円周面2および外側円周面4により囲まれ、外側円周面4はスリーブ14により少なくとも部分的に形成される。間隙13はさらに、ここで示されるように、半導体素子5の間に形成され、高温側18に対して内側円周面2を通る開口部37を有する。しかしながら、高温側18に対するこの開口部37は封止部28により封止されるので、半導体素子5および接続要素26が、特に空気または適切な絶縁材で充填される、間隙13により熱および電気的に絶縁されることを確保する。さらなる封止要素7が、熱電モジュール1において生成される電流15が、導電体8に対してジョイント27を介して接続要素26から流れ、導電体8に配置される第2の導電体9の形態で収集構成を介して、さらなる導電体8に接続され得るように、ジョイント27を介して接続要素26に接続される。封止要素7は、複数の層10から半径方向11において構築され、その内側および外側円周面において、特に金属構造であり、絶縁層16としてそれらの間に配置される環状絶縁体を保持する支持要素29を有する。この絶縁層16は冷却側19から導電体8の電気絶縁を提供する機能をする。

0034

図5は熱電モジュール1の一端33における封止要素7の第3の変形例の実施形態を示す。熱電モジュール1は、軸3に沿って熱電素子6から中間空間17に配置される、半導体素子5を有する。半導体素子5の間に間隙13が配置され、その間隙13は、内側円周面2に配置される高温側18に接続される。半導体素子5は接続要素26により交互に互いに導電的に接続され、冷却側19および高温側18が設けられる場合、電流が熱電モジュール1により生成することを可能にする。端部33において、熱電モジュール1は封止要素7により封止され、外側環状支持要素29は絶縁層16を囲み、その一部に関して、絶縁層16は導電体8を囲む。導電体8はジョイント27を介して接続要素26に導電的に接続される。封止要素7の配置後、さらなる絶縁層16が内側円周面2に適用され、前記絶縁層はまた、半導体素子5の間のそれぞれの間隙13内に内側円周面2において開口部37を通して延び、少なくとも部分的にこれらの空洞を充填する。熱電モジュール1のこの特に好ましい変形例の実施形態により、熱電モジュール1の特に簡単な製造を可能にし、密閉要素7の配置後、スリーブ14が外側円周面4に配置されるので、熱電モジュール1の外側円周面4を形成する。ここで、封止要素7の配置後に付加される絶縁層16は、その後、内側円周面2の領域において再び除去されてもよく、その結果として、間隙13および開口部37のみが絶縁材料で充填されるが、内側円周面2は、接続要素26により、および導電体8により少なくとも部分的に形成される。

0035

図6は、熱電モジュール1の一端33に配置される、封止要素7の第4の変形の実施形態を示す。ここで、外側円周面4に配置される接続要素26に導電的に接続される複数部分の封止要素7が設けられる。ここで、導電体8はスリーブとして構築され、その一部に関して、絶縁層16により導電体8から電気的に絶縁される封止要素7のさらなる要素38を保持する。この場合、スリーブ14は外側円周面4に配置され、Oリング31および固定要素30と共に封止要素7上に封止面25を形成する。さらに、接着剤32が提供され、冷却側19から中間空間17を封止するのにさらに役立つ。導電体8は、ジョイント27、ここで溶接ジョイントによって接続要素26に導電的に接続される。内側円周面2は、接続要素26により、および封止要素7の導電体8により少なくとも部分的に形成される。ここで、半導体素子5の間または半導体素子5と封止要素7との間に存在し得る電気的に絶縁されている間隙13は、封止部28により高温側18から気密様式で分離される。

0036

封止要素7は、後でさらなる機能、すなわち、封止要素7を介して熱電モジュール1を熱電発電装置24に接続する機能を有し、封止要素7は固定具36により熱電発電装置内の熱電モジュール1の機械的固定を確実にする。固定具36から、さらなる要素38を介して、導電体8までの力伝達を改良するために、絶縁層16として雲母材料が好ましい。絶縁層16、導電体8およびさらなる要素38は機械的に一緒に押され、それにより、部品間に単に非嵌合(non−positive)接続を生じる。したがって、熱および機械的ストレスならびに機能を損なわずに部品の膨張の差を補償できる接続が生じる。さらに、電気絶縁が導電体8とさらなる要素38との間に配置され得、導電体8およびさらなる要素38は、部品間のフレキシブルな接続のために、軸3の方向における相対的移動により接触しないことを確実にする。このさらなる電気絶縁の代わりに、このような接触を防ぐ機械的停止を提供することも可能である。

0037

封止要素7は、設計に関して非常に簡単な様式で熱電モジュール1の中間空間17の封止を確実にする。なぜなら、封止要素7は、外側円周面4の範囲まで内側円周面2から延び、適切な場合、そこに配置される低温側19からスリーブ14のみにより分離されるからである。スリーブ14が、封止要素7を固定した後にのみ配置されるという事実により、複雑な交差解析の手間を省くことができる。なぜなら、封止要素7は、軸3の方向において熱電モジュール1の個々のコンポーネントに随伴するからであり、剛性のスリーブ14内に押されないからである。その場合、対応する適合が封止を確実にする。反対に、突き合わせジョイントが、封止要素7の導電体8とジョイント27における接続要素26との間に形成され、中間空間17の封止が、ジョイント27により一端で達成され、他端で、特に外側円周面4で、封止要素7と共にスリーブ14により達成される。

0038

1熱電モジュール
2内側円周面
3 軸
4外側円周面
5半導体素子
6熱電素子
7封止要素
8導電体
9 第2の導電体
10 層
11半径方向
12媒体
13間隙
14スリーブ
15電流
16絶縁層
17中間空間
18高温側
19低温側
20自動車
21内燃エンジン
22排気システム
23 冷却システム
24熱電発電装置
25封止面
26接続要素
27ジョイント
28封止部
29支持要素
30固定要素
31 Oリング
32接着剤
33 端部
34 距離
35 範囲
36固定具
37 開口部
38 さらなる要素

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