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技術 熱電モジュールおよびその動作方法

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 2013年5月24日 (7年8ヶ月経過) 出願番号 2015-515466
公開日 2015年8月20日 (5年5ヶ月経過) 公開番号 2015-524171
状態 特許登録済
技術分野 熱電素子 特殊な電動機、発電機
主要キーワード クリープ傾向 セラミック中空体 弾性膨張 内側ダクト 膨張エレメント 横収縮 命令的 電気消費
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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(2015年8月20日)のものです。
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図面 (7)

課題・解決手段

本発明は、熱電モジュール(1)に、およびその動作のための方法に関する。熱電モジュール(1)は、少なくとも1つの第1の壁(2)、その反対側に配置される第2の壁(3)、熱電材料(5)で作られて両者間に配置されるエレメント(4)を備える。さらに、すべてのエレメント(4)を互いに離間させる充填材料(6)、および第1の壁(2)から第2の壁(3)まで延びる主たる熱流方向(8)が設けられる。

概要

背景

熱電モジュールは、個々に使用されることができて、または、温度ポテンシャルから、そして結果として生じる熱流から電気エネルギーを発生させる熱電発電機として、かなりの数において使用されることができる。電気エネルギーは、いわゆるゼーベック効果に基づいて発生する。熱電モジュールは、電気的に相互接続されたpドープトおよびnドープト熱電材料から造られる。熱電材料は、いわゆる高温側および反対側に配置される低温側を有する。そしてそれらは、隣接して配置されるさらなる熱電材料に対して交互のやり方で、いずれの場合も導電性のやり方において接続される。ここで、高温側は、熱媒体によって影響を及ぼされる熱電モジュールの壁に対して熱伝導のやり方で接続される。対応して、熱電材料の低温側は、冷却媒体によって影響を及ぼされる熱電モジュールの他の壁に対して熱伝導のやり方で接続される。

この種の熱電発電機は、自動車両において特に使用されるが、熱電発電機の配置を通して電気エネルギーの発生のために温度ポテンシャルが利用可能な他の技術分野においても使用される。

熱電発電機の使用において、電気エネルギーへの熱エネルギーの変換に関するドロップイン効率は、熱電発電機の有効寿命にわたって一般に観察される。動作中に発生するこの劣化現象は、熱電材料と熱電モジュールの第1の壁に対するおよび/または第2の壁に対するさらなる接続層との間の接続が次第に悪化するという事実に特に帰することができる。熱伝導および/または導電性接続のこの劣化は、熱電モジュールが定期的な変動または温度および温度ポテンシャルの変化を受けるという事実によって特に生じる。熱電モジュールは、変動する熱膨張および結果として生じる熱応力によって対応して負荷を受ける。さらに、前記負荷は、個々の接続層の異なる熱膨張係数によって強化される。

概要

本発明は、熱電モジュール(1)に、およびその動作のための方法に関する。熱電モジュール(1)は、少なくとも1つの第1の壁(2)、その反対側に配置される第2の壁(3)、熱電材料(5)で作られて両者間に配置されるエレメント(4)を備える。さらに、すべてのエレメント(4)を互いに離間させる充填材料(6)、および第1の壁(2)から第2の壁(3)まで延びる主たる熱流方向(8)が設けられる。

目的

本発明の目的である

効果

実績

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請求項1

第1の壁(2)、反対側に配置される第2の壁(3)、熱電材料(5)から成り、導電性やり方で互いに接続されて間に置かれる複数のエレメント(4)、すべての前記エレメントを互いに離間させる充填材料(6)、および、前記第1の壁(2)によって形成される高温側(17)から前記第2の壁(3)まで延びる主たる熱流方向(8)、を少なくとも有する熱電モジュール(1)であって、前記熱電モジュール(1)の動作中に、前記高温側で少なくとも50〜600℃の温度範囲において、前記主たる熱流方向(8)において前記エレメント(4)上に作用する第2の圧縮応力(11)が、少なくとも、第1の限界応力(34)であって、前記第1の限界応力(34)の超過が生じた場合に、用いる前記熱電材料(5)の横収縮が始まる、第1の限界応力(34)を超えないか、または、少なくとも、第2の限界応力(35)であって、前記第2の限界応力(35)の超過が生じた場合に、用いる熱電材料(5)の塑性変形が始まる、第2の限界応力(35)を超えない、ことを特徴とする、熱電モジュール(1)。

請求項2

第1の壁(2)、反対側に配置される第2の壁(3)、熱電材料(5)から成り、導電性のやり方で互いに接続されて間に置かれる複数のエレメント(4)、すべての前記エレメントを互いに離間させる充填材料(6)、および、前記第1の壁(2)から前記第2の壁(3)まで延びる主たる熱流方向(8)、を少なくとも有する熱電モジュール(1)であって、少なくとも、前記第1の壁(2)と前記第2の壁(3)との間の温度ポテンシャル(10)が少なくとも50ケルビンである範囲(9)において、前記主たる熱流方向(8)に対して垂直な第1の圧縮応力(7)が前記主たる熱流方向(8)における第2の圧縮応力(11)の少なくとも50%であるように、前記熱電モジュール(1)が少なくとも1つの圧縮力(15)によって補強される、ことを特徴とする、熱電モジュール(1)。

請求項3

少なくとも50〜600℃の温度範囲において、前記充填材料(6)は、前記熱電材料(5)よりも大きい熱膨張係数を有する、請求項1に記載の熱電モジュール(1)。

請求項4

少なくとも50〜600℃の温度範囲において、前記充填材料(6)は、前記熱電材料(5)よりも低い熱伝導率ワット/(メートル*ケルビン)]を呈する、請求項1に記載の熱電モジュール(1)。

請求項5

少なくとも前記主たる熱流方向(8)と平行な方向(16)において見て、前記充填材料(5)は、第1の壁(2)と第2の壁(3)との間の中間スペース(12)を完全には満たさない、請求項1〜4のいずれか1項に記載の熱電モジュール(1)。

請求項6

前記主たる熱流方向(8)に対して垂直な方向(16)において前記熱電モジュール(1)上に圧縮力(15)を生成するための補強デバイス(14)は、低温側(13)上に配置される、請求項1〜5のいずれか1項に記載の熱電モジュール(1)。

請求項7

熱電モジュール(1)の動作のための方法であって、前記熱電モジュール(1)は、第1の壁(2)、第2の壁(3)、および、熱電材料(5)から成り、導電性のやり方で互いに接続されて間に置かれる複数のエレメント(4)、を有し、動作中に、温度ポテンシャル(10)は、第1の壁(2)と第2の壁(3)との間に広がり、主たる熱流方向(8)は、前記第1の壁(2)から前記第2の壁(3)まで延び、前記動作のための方法は、少なくとも、a)第1の壁(2)と第2の壁(3)との間に温度ポテンシャルを生成するステップ、b)前記主たる熱流方向(8)に対して垂直な第1の圧縮応力(7)であって、前記エレメント(4)の少なくとも大多数に作用する、第1の圧縮応力(7)を生成するための少なくとも1つの圧縮力(15)を適用するステップ、c)少なくとも、第1の壁(2)と第2の壁(3)との間の温度ポテンシャル(10)が少なくとも50ケルビンである範囲(9)において、前記第1の圧縮応力(7)が前記主たる熱流方向(8)における第2の圧縮応力(11)の少なくとも50%であることを確実にするステップ、を有する、方法。

請求項8

前記主たる熱流方向(8)に対して垂直な前記第1の圧縮応力(7)は、前記少なくとも1つの圧縮力(15)の外部調節を通して影響される、請求項7に記載の方法。

請求項9

前記第1の圧縮応力(7)は、自動調節のやり方において変化する、請求項7に記載の方法。

請求項10

請求項1〜6のいずれか1項に記載の2つの熱電モジュール(1)を少なくとも有する熱電発電機(18)であって、前記熱電モジュール(1)は、前記熱電発電機(18)のコンポーネント(19)によって、第1の圧縮応力(7)を生成するための少なくとも1つの圧縮力(15)と共同で作用される、熱電発電機(18)。

請求項11

請求項1〜6のいずれか1項に記載の熱電モジュール(1)を少なくとも有するか、または請求項10に記載の熱電発電機(18)を少なくとも有する、自動車両(20)。

技術分野

0001

本発明は、熱電モジュールに、および熱電モジュールを動作するための方法に関する。

背景技術

0002

熱電モジュールは、個々に使用されることができて、または、温度ポテンシャルから、そして結果として生じる熱流から電気エネルギーを発生させる熱電発電機として、かなりの数において使用されることができる。電気エネルギーは、いわゆるゼーベック効果に基づいて発生する。熱電モジュールは、電気的に相互接続されたpドープトおよびnドープト熱電材料から造られる。熱電材料は、いわゆる高温側および反対側に配置される低温側を有する。そしてそれらは、隣接して配置されるさらなる熱電材料に対して交互のやり方で、いずれの場合も導電性のやり方において接続される。ここで、高温側は、熱媒体によって影響を及ぼされる熱電モジュールの壁に対して熱伝導のやり方で接続される。対応して、熱電材料の低温側は、冷却媒体によって影響を及ぼされる熱電モジュールの他の壁に対して熱伝導のやり方で接続される。

0003

この種の熱電発電機は、自動車両において特に使用されるが、熱電発電機の配置を通して電気エネルギーの発生のために温度ポテンシャルが利用可能な他の技術分野においても使用される。

0004

熱電発電機の使用において、電気エネルギーへの熱エネルギーの変換に関するドロップイン効率は、熱電発電機の有効寿命にわたって一般に観察される。動作中に発生するこの劣化現象は、熱電材料と熱電モジュールの第1の壁に対するおよび/または第2の壁に対するさらなる接続層との間の接続が次第に悪化するという事実に特に帰することができる。熱伝導および/または導電性接続のこの劣化は、熱電モジュールが定期的な変動または温度および温度ポテンシャルの変化を受けるという事実によって特に生じる。熱電モジュールは、変動する熱膨張および結果として生じる熱応力によって対応して負荷を受ける。さらに、前記負荷は、個々の接続層の異なる熱膨張係数によって強化される。

発明が解決しようとする課題

0005

したがって、従来技術に関して強調される課題を少なくとも部分的に解決することは、本発明の目的である。特に、長い有効寿命にわたって電気エネルギーへの熱エネルギーの変換において一様に高い効率を呈する熱電モジュールを特定しようとする。さらに、効率が次第に低下することのない熱電モジュールの長い有効寿命を実現することを同様に可能にする熱電モジュールを動作するための方法を特定しようとする。

課題を解決するための手段

0006

前記目的は、請求項1のまたは請求項2の特徴による熱電モジュールによって、そして、請求項7による熱電モジュールの動作のための方法によって達成される。本発明の有利な実施形態は、従属する特許クレームにおいて特定される。請求項において個々に特定される特徴がいかなる所望の技術的に好都合仕方で互いに組み合されてもよく、本発明のさらなる実施形態を形成してもよい点に留意する必要がある。記載は、特に図に関連して、本発明をさらに説明して、本発明の補助的な例示的実施形態を特定する。熱電モジュールに関して記載される実施形態が熱電モジュールを動作するための方法に技術的に好都合な仕方で同様に適用されることができる、そして逆もまた同じであるとも指摘される。

0007

本発明の熱電モジュールは、第1の壁、反対側に配置される第2の壁、熱電材料から成り、導電性のやり方で互いに接続されて間に置かれる複数のエレメントを少なくとも有する。さらに、すべてのエレメントを互いに離間させる充填材料が設けられる。ここで、主たる熱流方向は、第1の壁によって形成される高温側から第2の壁まで延びる。熱電モジュールの動作中に、高温側で少なくとも50〜600℃[摂氏度]の温度範囲において、主たる熱流方向においてエレメント上に作用する第2の圧縮応力が、少なくとも第1の限界応力を超えないか、または少なくとも第2の限界応力を超えないと定められる。第1の限界応力は、それを超えると、用いる熱電材料の横収縮が始まる、熱電材料から成るエレメントの(温度依存)特性である。第2の限界応力は、それを超えると、用いる熱電材料の塑性変形が始まる、熱電材料から成るエレメントの(温度依存)特性である。

0008

特に、第2の限界応力に達するときに、熱電材料の横収縮は、すでに始まっている。

0009

本発明のさらなる熱電モジュールは、第1の壁、反対側に配置される第2の壁、熱電材料から成り、導電性のやり方で互いに接続されて間に置かれる複数のエレメントを少なくとも有する。さらに、すべてのエレメントを互いに離間させる充填材料が設けられる。主たる熱流方向は、第1の壁から第2の壁まで延びる。熱電モジュールは、少なくとも、第1の壁と第2の壁との間の温度ポテンシャルが少なくとも50ケルビン、特に少なくとも200ケルビンである範囲において、主たる熱流方向に対して垂直な第1の圧縮応力が主たる熱流方向における第2の圧縮応力の少なくとも50%、特に少なくとも75%、および好ましくは少なくとも等しい(100%を超過)であるように、熱電モジュールが少なくとも1つの圧縮力によって補強される。特に、第1の圧縮応力(および好ましくは第2の圧縮応力も)は、この場合、熱電モジュールの範囲内のエレメントの大部分に、好ましくはすべてに作用する。

0010

本発明の上述の特徴は、互いに組み合わせて設けられてもよい。

0011

本発明は、熱電モジュールの異なる実施形態に適用可能である。これらは、特に管状構造の熱電モジュールまたはプレートタイプ構造の熱電モジュールを含む。例えば、管状熱電モジュールの場合、環状の熱電材料が用いられてもよい。

0012

特に、第1の壁は、熱電モジュールの高温側に割り当てられる。そしてそれは、したがって、熱媒体(例えば排気ガス)によって影響を及ぼされる。対応して、熱電モジュールの第2の壁は、低温側に割り当てられる。そしてそれは、冷却媒体(例えば冷却水)によって影響を及ぼされる。温度ポテンシャルは、特に50K[ケルビン]〜600Kの範囲において、動作中に熱媒体と冷却媒体との間に一般に広がる。熱電材料から成るエレメントは、第1の壁と第2の壁との間に配置される。熱電材料は、高温側または低温側を対応して面する2つの反対側を有する。そうすると、温度ポテンシャルは、熱電材料全体を形成して、それに対応して、主たる熱流方向は、高温側から低温側まで発生する。ゼーベック効果のせいで、そしてnドープトおよびpドープト熱電材料の交互の導電性接続のせいで、電流は、前記温度ポテンシャルからの熱電モジュールの範囲内で発生する。熱電材料から成るこの種のエレメントの電気的相互接続基本構造は、当業者に知られている。必要に応じて、これに関するさらなる情報は、出願人の先行文献から集められてもよい。

0013

熱電エレメント間の充填材料は、第1に、特に相互に隣接して配置される熱電材料の電気的絶縁として、および/または、第2に、高温側と低温側との間の断熱として役立つ。そうすると、熱流の大部分は、熱電エレメントを介して伝導される。利用可能な温度ポテンシャルからの熱エネルギーの電気エネルギーへの効率的な変換は、したがって、可能である。

0014

第2に、充填材料は、相互に隣接して配置される熱電材料を互いに離間させる間隔のために、換言すれば、すべての動作条件下で前記熱電材料を(予め定められた)間隔に維持するために、特に設けられる。特に、充填材料は、したがって、空気または真空によって形成されるのではなく、しかし、熱電材料の位置を互いに関して永久に固定する少なくとも1つの固体によって形成される。熱電材料と第1の壁および/または第2の壁との間に、および/または熱電材料と充填材料との間にも、さらなるコンポーネントまたは接続層が配置されてもよい。そしてそのさらなるコンポーネントまたは接続層は、例えば腐食の防止、固定した(例えば接着力)接続の生成、導電層の提供、熱伝導層の提供、電気的絶縁および/または断熱、などの特定のタスク遂行する。

0015

充填材料として、特に、マイカまたは圧力耐性セラミックが使用されてもよい。使用するセラミックは、好ましくはセラミック中空体の形である。さらに、使用する充填材料は、二重T形のプロファイルの形状でもよい。使用する充填材料は、好ましくは寸法的に堅い構造の形であり、特にフレームワーク様の構造の形である。その中に設けられるキャビティは、特に空気、ガスまたは真空で満たされる。

0016

広がる温度ポテンシャルによって生じる熱負荷のせいで、そして特に関連する熱応力のせいで、熱電材料が横収縮についての増加した傾向および/またはクリープについての傾向または塑性変形についての傾向を呈することが、目下述べられた。そしてそのいずれの場合も、熱電材料と特に第1の壁に対する、および第2の壁に対するさらなる接続層との間の接続の劣化に至る。前記熱応力は、実質的に寸法的に安定な熱電モジュールにおける熱電材料の配置によっても特に生じる。そうすると、熱電材料は、応力の下でだけ膨張することができる。

0017

高温側で少なくとも50℃〜600℃[摂氏度]の温度範囲において、主たる熱流方向においてエレメント上に作用する第2の圧縮応力が第2の限界応力を超えないように熱電モジュールが特に造られることによって、前記クリープ傾向/塑性変形は、目下減少されることができるかまたは除去されることができる。第2の限界応力は、熱電材料上に作用する応力である。そしてそれで、用いる熱電材料の塑性変形は始まる。

0018

高温側で少なくとも50℃〜600℃[摂氏度]の温度範囲において、主たる熱流方向においてエレメント上に作用する第2の圧縮応力が第1の限界応力を超えないように熱電モジュールが特に造られることによって、横収縮は、目下減少されることができるかまたは除去されることができる。第1の限界応力は、熱電材料上に作用する応力である。そしてそれで、用いる熱電材料の弾性変形はすでに始まる。

0019

横収縮は、ほぼ変わらない量を有する固体の変形の現象である。それは、引張力または圧縮力(この場合、第2の圧縮応力)の影響下で固体のふるまいを記載する。固体は、力(この場合、第2の圧縮応力)の方向における長さの変化(この場合、主たる熱流方向の短縮)によって、そして、それに垂直な(主たる熱流方向に対して垂直な方向の)直径または厚みの減少または増加(この場合、広がり、すなわち熱電材料の厚みの増加)によって反応する。1軸の引張力下での長さの変化は、線形弾性レンジにおいて、単純化したフックの法則によって定義されることができる。しかしながら、その単純化したフックの法則は、厚みの変化に関していかなる情報も与えない。

0020

特に、第1の限界応力は、第2の限界応力よりも(かなり)低い。

0021

この種の構造にとって、第1の壁および/または第2の壁のための材料が熱膨張、熱伝導および強さに関して熱電材料および/または充填材料によって調整されることは、特に必要である。特に、熱電モジュールの構造の構造設計を適合させることは、加えて必要でもよい。例えば、第1の壁のおよび/または第2の壁の弾性変形を許容する膨張要素が設けられてもよい。そうすると、エレメントに作用している(第2の)圧縮応力は最小化される。

0022

第1および第2の限界応力は、いずれの場合も特に用いる熱電材料に特有であり、そして、特に熱電材料の温度に少なくとも依存する。さらに、第1および第2の限界応力は、熱電材料の膨張(第1/第2の限界応力の場合)の方向またはクリープ傾向(第2の限界応力の場合)の方向に対して反対に熱電材料上に作用している応力に依存する。これは、熱電材料上に作用している第1の圧縮応力が増加する場合、熱電材料の第1および第2の限界応力が影響されうる(増加する)ことを特に意味する。例えば、熱電材料間の充填材料が加熱されるときに熱電モジュール全体としてよりも主たる熱流方向に対して垂直な方向においてより強く膨張するという事実によって、これは、自動調整のやり方において特に起こる。

0023

下記の熱電材料は、定まった温度で、そして、さらなる圧縮荷重(例えば、加えて第1の圧縮応力の結果として)なしで、それを超えると塑性変形が予想される以下の第2の限界応力を呈する。
Pb2Te3(nドープト):室温で100N/mm2
300℃で40N/mm2
Pb2Te3(pドープト):300℃まで塑性変形なし
BiTe(nドープトまたはpドープト):室温で110N/mm2
250℃で30N/mm2
CoSb4(nドープトまたはpドープト):300℃まで塑性変形なし
500℃で300N/mm2

0024

熱電モジュールのさらなる実施形態において、第1の圧縮応力が主たる熱流方向に対して垂直なエレメント上に作用するように、少なくとも圧縮力によって作用されている熱電モジュールによって、横収縮および/またはクリープ傾向/塑性変形は、減少されることができるかまたは除去されることができる。可能な限りエレメントのうちのかなりの数またはすべてが前記圧縮力によって作用されることがここで好ましい。これは、定まった温度ポテンシャルが広がる範囲において少なくとも起こる。そうすると、前記第1の圧縮応力は、次いで、主たる熱流方向における第2の圧縮応力の少なくとも50%に達する。

0025

第2の圧縮応力は、第1の壁から第2の壁までの方向、すなわち主たる熱流方向における熱電材料の隙間のない配置のせいで、特にもたらされる。温度ポテンシャルは、第1の壁と第2の壁との間に配置される熱電モジュールのそれらのコンポーネントの熱膨張に結果としてなる。そうすると、主たる熱流方向における第2の圧縮応力は、発生するかまたは増加する。前記第2の圧縮応力は、主たる熱流方向における個々のコンポーネントの熱膨張に反対に作用して、特に熱電材料の場合、膨張(横収縮の結果として)におよび/または主たる熱流方向に対して垂直な方向のクリープ傾向に至る。横収縮および/またはクリープ傾向は、驚くべきことに、主たる熱流方向に対して垂直な少なくとも第1の圧縮応力の適用によって、減少されることができるかまたは完全に除去されることができる。特に、前記横収縮および/または前記クリープ傾向が主たる熱流方向に対して垂直なすべての方向において減少されるかまたは完全に除去されるように、さらに第1の圧縮応力は、対応して提供されなければならない。移動補償手段を用いて熱膨張を許容する従来の考えに反して、熱電モジュールの場合、エレメント用の一種圧縮フレームが有効寿命にわたって改良された効率につながることが初めてこのように認識もされた。

0026

熱電モジュールの1つの有利な実施形態において、少なくとも50℃〜600℃の温度範囲で、充填材料は、熱電材料よりも大きい熱膨張係数を有することが提供される。充填材料は、少なくとも主たる熱流方向に対して垂直な方向において、熱電材料が充填材料を介して(そして適切な場合、さらなるコンポーネントまたは接続層を介して)互いにサポートされるように、すなわち特にこの方向において互いに隙間なく配置されるように、熱電材料間に配置される。充填材料は、したがって、互いに関してそれらのそれぞれの位置において熱電材料を固定する。熱電材料よりも大きい熱膨張係数によって構成されている充填材料のせいで、充填材料および加熱されている熱電モジュールにおけるさらなるコンポーネントの場合、主たる熱流方向に対して垂直な方向における圧縮力または圧縮応力が発生する(動作中の最初の時)かまたは(著しく)増加することは、可能である。特に、主たる熱流方向に対して垂直なこの方向において熱電モジュールの実質的に寸法的に安定な設計を確実にすることが、この目的のために必要である。エレメントのほとんど(またはすべて)が十分な圧縮応力によって作用されるように、圧縮応力が熱電モジュールの範囲内で対応して発生するように、圧縮力が熱電モジュールに対して外部的に適用されることは、次いで必要ない。その代わりに、前記圧縮応力は、熱電材料との交互作用において充填材料によってエレメントのほとんど(またはすべて)の間に発生することができる。

0027

熱電モジュールのさらに有利な実施形態において、少なくとも50℃〜600℃の温度範囲で、充填材料は、熱電材料よりも低い熱伝導率ワット/(メートル*ケルビン)]を呈することが提供される。特に、充填材料の熱伝導率の値は、熱電材料の値の多くても10%、好ましくは多くても1%に達する。

0028

熱電モジュールのさらに有利な実施形態は、少なくとも主たる熱流方向と平行な方向において見て、充填材料は、第1の壁と第2の壁との間の中間スペースを完全には満たさないことが提供される。充填材料が互いに関して熱電材料の位置を固定するが、しかし同時に、いずれの場合も隣接して配置された熱電材料の面する熱電材料のその側面の全体をカバーしない場合、それは特に有利である。特に、前記側面の多くても80%、好ましくは多くても50%、そして特に好ましくは多くても20%は、充填材料によって圧縮応力を受ける。これは、単一のモジュールのすべてのエレメントまたは熱電材料に等しくあてはまる必要があるわけではない。圧縮力または圧縮応力は、充填材料を介して熱電材料に伝えられる。特に、第1の壁と第2の壁との間の断熱は、充填材料の対応する配置を通して特に有利な仕方で実施することができる。そして、充填材料は、この断熱特性命令的に与える必要はない。例えば、空気、真空またはいくらかの他の熱的に絶縁する材料が、充填材料に加えて用いられてもよい。

0029

熱電モジュールの1つの有利な実施形態において、主たる熱流方向に対して垂直な方向において熱電モジュール上に圧縮力を生成するための補強デバイス(bracing device)は、低温側上に配置されることが提供される。特に、前記配置は、例えば第2の壁に接続している補強デバイスから成る。前記補強デバイスは、第1の壁に関して熱的に絶縁されるように特に設計される。このようにして、広くゆきわたる温度ポテンシャルにもかかわらず、補強デバイスは、低熱膨張を呈して、問題の温度範囲にわたって主たる熱流方向に対して垂直な方向における熱電モジュールの寸法安定を確実にすることができる。補強デバイスは、特に機械的または油圧デバイスでもよい。特に、前記補強デバイスは、問題の温度範囲において、熱電材料および充填材料に関して(実質的に均一のまたは適している)圧縮力が補強デバイスによって発生されることができるように、低温側のまたは第2の壁の特に寸法的に剛性設計によって形成される。

0030

特に、補強デバイスは、第1の壁(高温側)上に(加えて)設けられる。

0031

補強デバイスは、特に、変形が進むとともに、対応してより高い圧縮応力を熱電モジュールにもたらすことができる弾性的に変形可能なエレメントから成ってもよい。例えば、熱電モジュールの膨張が進むとともに、または主たる熱流方向に対して垂直な方向におけるエレメントの膨張によって、対応して増加する圧縮応力を発生させる圧縮ばねが設けられてもよい。前記増加する圧縮応力の結果、主たる熱流方向に対して垂直な方向における弾性膨張または熱電材料の塑性変形は、減少されるかまたは防止される。

0032

本発明は、熱電モジュールの動作のための方法であって、熱電モジュールは、第1の壁および第2の壁を有し、そして、熱電材料から成り、導電性のやり方で互いに接続されて間に置かれる複数のエレメントを有する、方法にも向けられる。熱電モジュールの動作の間、温度ポテンシャルは、第1の壁と第2の壁との間に広がる。そして、対応して、主たる熱流方向は、第1の壁から第2の壁まで延びる。動作のための方法は、少なくとも、
a)第1の壁と第2の壁との間に温度ポテンシャルを生成するステップ
b)主たる熱流方向に対して垂直な第1の圧縮応力であって、エレメントの少なくとも大多数に作用する、第1の圧縮応力を生成するための少なくとも1つの圧縮力を適用するステップ、
c)少なくとも、第1の壁と第2の壁との間の温度ポテンシャルが少なくとも50ケルビンである範囲において、第1の圧縮応力が主たる熱流方向における第2の圧縮応力の少なくとも50%であることを確実にするステップ、
を有する。

0033

それぞれの熱電モジュールに関して作られる文章は、熱電モジュールを動作するための方法に対応して適用する。そして、逆もまた同じである。特に、本発明によるここで記載される方法は、いずれの場合も本発明による熱電モジュールの動作のために適している。

0034

ステップa)による温度ポテンシャルの生成は、第1の壁上の熱媒体の影響を及ぼすこと、および第2の壁上の冷却媒体の影響を及ぼすことを含む。特に、排気ガスまたは液状媒体は、熱媒体として提供されなければならない。そして、例えば、水または類似の液体(でなければ、ガス状媒体)は、冷却媒体として提供されなければならない。

0035

ステップb)は、少なくとも圧縮力の適用を含む。そしてそれは、補強デバイスによって熱電モジュールに対して特に外部的に適用されてもよく、および/または、例えば熱電材料の、および充填材料の対応する膨張係数によって熱電モジュールの範囲内で発生されてもよい。

0036

ステップc)による圧縮応力の比率を確実にすることは、動作の開始の前でさえ、特に熱電モジュールの対応する構造設計を含む。特に、確実にするステップは、第1のおよび/または第2の圧縮応力がなんとかして算出されるか、測定されるかまたは決定されるように、そして、対応する第1の圧縮応力が発生されるように、監視するおよび対応する動きを含む。特に、「確実にする」は、圧縮力(適切な場合、動作中も)の監視、設定および/または適合を意味すると理解されるべきでもある。

0037

方法の1つの有利な実施形態において、主たる熱流方向に対して垂直な第1の圧縮応力は、少なくとも1つの圧縮力の外部調節を通して影響される。前記外部調節は、例えば、調節可能な機械的および/または油圧的圧縮力が発生することができる補強デバイスを通して実現されてもよい。

0038

1つの有利な実施形態において、第1の圧縮応力は、自動調節のやり方において変化する。これは、熱電材料および充填材料の材料特性の対応する構成を通して特に確実にされてもよい。ここで、「自動調節」は、圧縮応力の能動的な外部調節が遂行されないことを特に意味する。そしてその代わりに、特に、定義済み圧縮応力比が異なる温度範囲において熱電モジュールの動作中に自動的にまたは受動的適応するように、設計は構成される。外部調節および自動調節手段は、互いに特に都合よく組み合わされる。

0039

さらに、本発明による熱電モジュールを少なくとも2つ有する熱電発電機は、提唱される。熱電モジュールは、熱電発電機の(特に単一)コンポーネントによって、第1の圧縮応力を生成するための少なくとも1つの圧縮力と共同で作用される。熱電発電機のすべての個々の熱電モジュールがそれぞれ個々に生成された圧縮力によって作用されるのではなく、そしてその代わりに、例えば、複数の熱電モジュールが同時に対応して作用されることができるように、共通の補強デバイスが構造的に設計されることは、したがって、この場合特に都合がよい。特に、圧縮力が熱電モジュール間にも伝えられるように、複数の熱電モジュールは、互いに前後に対応して配置されてもよい。

0040

さらに、本発明による熱電モジュールまたは本発明による熱電発電機を少なくとも有する自動車両は、提案される。ここで、前記モジュールおよび/または前記発電機は、本発明による記載された方法を用いて動作するために設計されてもよい。

0041

本発明および技術分野は、図に基づいて以下でさらに詳細に説明される。図は、特に好適な例示的実施形態を示す。しかしながら、本発明は、それに制限されない。

図面の簡単な説明

0042

図1は、側面図において熱電モジュールを示す。
図2は、図1の熱電モジュールの詳細を示す。
図3は、管状熱電モジュールを示す。
図4は、圧縮応力のプロファイルを示す。
図5は、熱電発電機を示す。
図6は、自動車両を示す。

実施例

0043

図1は、側面図において熱電モジュール1を示す。そしてその外側は、第1の壁2および第2の壁3によって形成される。第1の壁2および第2の壁3は、熱電材料5から成るエレメント4および、熱電モジュール1のさらなるコンポーネント19(絶縁体23、接続24、接続層31、エレメント4など)が配置される中間スペース12を囲む。第1の壁2は、高温側17に割り当てられる。そして、反対側に配置された第2の壁3は、低温側13に対応して割り当てられる。第1の壁2と熱電材料5との間の接続層31としての絶縁体23は、いずれの場合も、第1の壁2上におよび第2の壁3上に配置される。相互に隣接して配置される熱電材料5から成るエレメント4は、接続24(導体路ケーブルなど)によって、いずれの場合も交互に、導電性のやり方で互いに接続している。

0044

熱電材料5は、充填材料6によって互いに離間している。ここで、充填材料6の異なる例示的実施形態は、示される。ここで、充填材料6は、熱電材料5のすべての側面32にわたって延びるのではなく、その代わりに側面32のサブ領域上だけに作用する。適切な場合、複数の充填材料6は、相互に隣接して配置されるエレメント4間にも設けられる。さらに、充填材料6は、それが熱電材料5のすべての側面32にわたって延びて、そしてさらに、第1の壁2または第2の壁3上の絶縁体23まで、接続24を越えて延びることが示される。

0045

温度ポテンシャルは、高温側17と低温側13との間に形成される。そうすると、熱電材料5を優先的に通る高温側17から低温側13への主たる熱流方向8において熱流が発生する。前記熱流の結果、熱電材料5は、ゼーベック効果のせいで、接続24を介して、熱電モジュール1の外側で対応する電気消費者(バッテリ、電気的消費部など)で抜き取られる電流を生成する。エレメント4は、熱電モジュール1の外側からの圧縮力15によって、主たる熱流方向8に対して垂直な方向16において作用を受ける。

0046

図2は、図1の詳細を示す。ここで、熱電材料5から成るエレメント4は、拡大して示される。高温側17と低温側13との間に、温度ポテンシャル10が発生する。そしてそれは、熱電材料5を通って高温側17と低温側13との間に熱流を生成する。熱電材料5は、接続24によって、交互に導電性のやり方において互いに接続され、そして、絶縁体23によって第1の壁2からおよび第2の壁3から分離される。

0047

図1に示される圧縮力15は、熱電材料5の間に配置される充填材料6を経由して、主たる熱流方向8に対して垂直な方向16において熱電材料5に作用する第1の圧縮応力7を発生させる。熱負荷のせいで、熱電材料5は、主たる熱流方向8に対して平行な方向において、主たる熱流方向8に対して垂直な方向16における熱電材料5の横収縮および/またはクリープにより膨張を生じさせる第2の圧縮応力11によって作用される。充填材料6は、熱電材料5の側面32上に配置される。熱電材料5の横収縮および/またはクリープのせいで、主たる熱流方向8に対して垂直な方向16の膨張は、第1の圧縮応力7のせいで防止される。

0048

第2の圧縮応力11が第1の壁2においておよび/または第2の壁3においておよび/または第1、第2の壁2、3の間において膨張要素33によって減少されることができることも図2に示される。

0049

熱電材料5の側面32がさらに接続層31(この場合、例えば電気的絶縁体)を有してもよいこともここで示される。熱電材料5が、一方において、第1の壁2および第2の壁3に対して接続24および絶縁体23によって熱伝導のやり方で接続される2つの反対側30を有することもここで示される。

0050

図3は、第1の壁2および第2の壁3を有する管状熱電モジュール1を示す。ここで、第2の壁3は、管状熱電モジュール1の内側ダクトを形成する。前記内側ダクトは、この場合、低温側13として設計されて、それを通って例えば冷却水がこのように流れることができる。第2の壁2によって形成される熱電モジュール1の外周面は、高温側17として設計されて、例えば熱い排気ガスの流れによって影響を及ぼされることができる。熱流は、主たる熱流方向8の方向において高温側17から低温側13まで発生する。これは、主たる熱流方向8に対して平行な方向における、そして対応する第2の圧縮応力11における熱電材料5の膨張に結果としてなる。前記第2の圧縮応力11は、熱電モジュール1の個々のコンポーネントの、例えば熱電材料5の、そして第1の壁2および第2の壁3の異なる膨張によって生じる。目下、熱電材料5間に第1の圧縮応力7を発生させる圧縮力15の適用を通して、前記第2の圧縮応力11は、主たる熱流方向8に対して垂直な方向16における熱電材料5の横収縮および/またはクリープおよび/または塑性変形の結果としての膨張が発生しない限りにおいて補償される。

0051

熱電材料5間の中間スペース12もここで示される。そしてその中間スペースには、充填材料6が配置されて、その中間スペースによって、相互に隣接して配置される熱電エレメント4は、互いに離間される。さらに、絶縁体23および接続24は、第1の壁2上におよび第2の壁3上にいずれの場合も提供される。

0052

図4は、例として、熱電モジュール1の動作範囲における圧縮応力のプロファイルを示す。温度25は、左側の縦軸上にプロットされる。そして、圧縮応力の大きさ27は、右側の縦軸上にプロットされる。横軸は、動作時間26を示す。動作時間26が進むにつれて、高温側17の温度25が上がるおよび/または特定のプロファイルを取ることが分かる。対応して、主たる熱流の結果として、熱電モジュール1の低温側13の温度25も上がる。横軸上に示される動作範囲9において、温度ポテンシャル10は、発生する。前記動作範囲9において、主たる熱流方向8に平行な方向において熱電材料5上に作用する第2の圧縮応力11は、主たる熱流方向8に対して垂直な方向16において熱電材料5上に作用する第1の圧縮応力7よりも小さい。主たる熱流方向8に対して垂直な方向において(第1の限界応力34の超過が生じた場合の)横収縮の結果として、または(第2の限界応力35の超過が生じた場合の塑性変形の結果として膨張すべきエレメント4の傾向は、第2の圧縮応力11によって作用されるエレメント4の結果として減少されるかまたは除去される。熱電エレメント4の前記「補強(bracing)」は、熱電材料の第1の限界応力34および/または第2の限界応力35が超過されるのを防止するのに特に役立つ。

0053

図5は、2つの熱電モジュール1を有する熱電発電機18を示す。前記熱電モジュールは、各々、高温側17および低温側13を有する。そしてその間に、主たる熱流方向8において熱流が発生する。熱電モジュール1は、それらのそれぞれの低温側13上に、または低温側13を形成するそれらの第2の壁3上に、補強デバイス14を有する。前記補強デバイス14は、熱電発電機18上に、またはそのハウジング上にサポートされて、2つの熱電モジュール1のそれぞれの低温側13上に同様に作用する。

0054

図6は、内燃機関29、冷却装置28および排気系統22を有する自動車両20を示す。冷却装置28からの冷却媒体21は、熱電発電機18の中に配置される熱電モジュール1を通って流れる。さらに、内燃機関からの、または排気系統22からの熱媒体21は、熱電モジュール1を通って流れる。熱媒体21としての排気ガスの、そして冷却媒体21としての冷却液の影響のせいで、前記熱電モジュール全体に温度ポテンシャルが発生する。そうすると、熱電モジュール1において電流が発生することができる。

0055

1…熱電モジュール
2…第1の壁
3…第2の壁
4…エレメント
5…熱電材料
6…充填材料
7…第1の圧縮応力
8…主たる熱流方向
9…動作範囲
10…温度ポテンシャル
11…第2の圧縮応力
12…中間スペース
13…低温側
14…補強デバイス
15…圧縮力
16…方向
17…高温側
18…熱電発電機
19…コンポーネント
20…自動車両
21…媒体
22…排気系統
23…絶縁体
24…接続
25…温度
26…動作時間
27…圧縮応力
28…冷却装置
29…内燃機関
30…側
31…接続層
32…側面
33…膨張エレメント
34…第1の限界応力
35…第2の限界応力

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