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技術 熱電材料を有する糸および熱電モジュール用の部品の製造のための方法

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 ブリュックロルフミュラーヴィルフリート
出願日 2013年6月25日 (5年4ヶ月経過) 出願番号 2015-517809
公開日 2015年9月24日 (3年2ヶ月経過) 公開番号 2015-528203
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 ホットサイド ペースト塊 電気伝導材料 横断面領域 ペルティエ効果 外部円筒 電気消費 熱伝導部品
関連する未来課題
重要な関連分野

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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9月24日)のものです。
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図面 (11)

課題・解決手段

本発明は、広がり(2)を有する糸(1)に関し、糸(1)は、少なくとも部分的に熱電材料(3)を備える。さらに、本発明は、熱電モジュール(15)用の部品(12)の製造のための方法に向けられ、少なくとも以下のステップを含む:a)広がり(2)を有する糸(1)を提供するステップ、b)外側周囲面(14)を有する管状のレセプタクルを提供するステップ、c)その少なくとも1つの糸(1)をその管状のレセプタクル(13)の周りに巻き、外側周囲面(14)に、熱電モジュール(15)用の少なくとも1つの環状の部品(12)が形成されるようにするステップ。

概要

背景

熱電モジュールは、例えば発電機によって内燃機関排ガスから、電気エネルギーを生成するのに適している。これは、特に、電気エネルギーへ排ガスの熱エネルギーを変換するための発電機、つまりいわゆる熱電発電機、のことを言う。

自動車の内燃機関からの排ガスは、熱エネルギーを有し、熱エネルギーは、例えば、バッテリーまたは他のエネルギー貯蔵装置充電するために、および/または電気消費物に必要なエネルギーを直接に供給するために、熱電発電装置によって電気エネルギーに変換されることができる。このようにして、自動車は、改善されたエネルギー効率で作動され、より多くのエネルギーが、自動車の作動のために利用できる。

熱電モジュールは、少なくとも、複数の熱電素子を備える。熱電材料は、有効に熱エネルギーを電気エネルギーに変換でき(ゼーベック効果)、その逆(ペルティエ効果)も同様であるような、性質のものである。熱電素子は、例えば、少なくとも2つの半導体素子(pドープおよびnドープ)を含み、少なくとも2つの半導体素子は、ホットサイドの方におよびコールドサイドの方にそれぞれ向けられる、それらの互いに相対する端部に、電気伝導材料から成るブリッジが交互に備えられる。熱電モジュールでは、多くのこのような半導体素子が、電気的に直列に接続される。直列の半導体素子による生じたポテンシャル差が互いに相殺されないように、常に、異なった多数電荷キャリア(nドープおよびpドープ)を有する半導体素子は、交互に、直接的電気接触が提供される。接続された負荷抵抗器により、電流回路は閉じられることができ、それで電力が取り出されることができる。

自動車における、特に乗用自動車における、使用のための相応の熱電モジュールを提供することが、すでに試みられてきた。これらは、けれども、大抵、製造コストが高く、比較的低い効率により特徴付けられる。従って、まだ大量生産適性が得られていない。

特に、熱電モジュールの製造のための方法は、複雑で費用がかかる。多数の部品が、熱電モジュールを形成するのに組み立てられなければならず、相応に、部品公差が、互いに合わせられなければならないからである。

概要

本発明は、広がり(2)を有する糸(1)に関し、糸(1)は、少なくとも部分的に熱電材料(3)を備える。さらに、本発明は、熱電モジュール(15)用の部品(12)の製造のための方法に向けられ、少なくとも以下のステップを含む:a)広がり(2)を有する糸(1)を提供するステップ、b)外側周囲面(14)を有する管状のレセプタクルを提供するステップ、c)その少なくとも1つの糸(1)をその管状のレセプタクル(13)の周りに巻き、外側周囲面(14)に、熱電モジュール(15)用の少なくとも1つの環状の部品(12)が形成されるようにするステップ。

目的

自動車における、特に乗用自動車における、使用のための相応の熱電モジュールを提供する

効果

実績

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請求項1

広がり(2)を有する糸(1)であって、糸(1)は、少なくとも部分的に、熱電材料(3)を備える、糸。

請求項2

請求項1に記載の糸(1)であって、糸(1)は、広がり(2)に沿って、少なくとも異なった熱電材料(3)または非熱電材料(4)を備える、糸。

請求項3

請求項1または2に記載の糸(1)であって、糸(1)は、広がり(2)に沿って、材料(3,4)でコーティングされる、糸。

請求項4

請求項1〜3の1つに記載の糸(1)であって、糸(1)は、以下の特性の少なくとも1つ:‐少なくとも200N/mm2の引張強さを有する、少なくとも1つの繊維(5)、‐互いにねじれた、複数の繊維(5)、‐少なくとも、径方向(9)に、または広がりの方向(10)に、異なった材料特性(11)、‐空洞(8)であって、空洞(8)は、以下のグループから選ばれた少なくとも1つの材料で少なくとも部分的に満たされる:熱電材料(3)、電気絶縁材料(6)、電気伝導材料(31)、熱絶縁材料(7)、熱伝導材料(32)、シール材料(34)、を備える、糸。

請求項5

請求項1〜4の1つに記載の糸(1)であって、糸(1)は、広がり(2)の方向に、異なった横断面領域(35)を備える、糸。

請求項6

請求項1〜5の1つに記載の糸(1)であって、糸(1)は、管状のレセプタクル(13)の外側周囲面(14)に、径方向(9)に複数の層を備える巻きに、巻きつけ可能であり、従って、nドープまたはpドープされた、少なくとも1つの環状の熱電半導体素子(38)が形成されることができ、前記熱電半導体素子(38)は、他の環状の部品(12)と共に、管状の熱電モジュール(15)の外スリーブ(25)と内スリーブ(26)との間に、配置可能である、糸。

請求項7

熱電モジュール(15)用の部品(12)の製造のための方法であって、少なくとも以下のステップ:a)広がり(2)を有する少なくとも1つの糸(1)を提供するステップ、b)外側周囲面(14)を有する管状のレセプタクル(13)を提供するステップ、c)熱電材料(3)を前記少なくとも1つの糸(1)に適用するステップ、d)前記少なくとも1つの糸(1)を前記管状のレセプタクル(13)の周りに巻き、外側周囲面(14)に、熱電モジュール(15)用の少なくとも1つの環状の部品(12)が形成されるようにするステップ、を含む方法。

請求項8

請求項7に記載の方法であって、前記管状のレセプタクル(13)は、周囲方向(16)に少なくとも部分的に周りに延びる、少なくとも1つのウェブ(17)を備え、ポケット(19)が、軸方向(18)に、前記管状のレセプタクル(13)の外側周囲面(14)に、形成されるようになっており、ポケット(19)は、前記少なくとも1つの糸(1)によって少なくとも部分的に満たされる、方法。

請求項9

請求項7または8に記載の方法であって、複数の糸(1)が提供され、複数の糸(1)は、前記管状のレセプタクル(13)に、同時にステップd)で適用される、方法。

請求項10

請求項7〜9の1つに記載の方法であって、非熱電材料(4)から成る少なくとも1つの糸(1)が、共に巻きつけられる、方法。

請求項11

請求項7〜10の1つに記載の方法であって、ステップc)は、ステップd)と少なくとも部分的に同時にまたはステップd)の後で実行される、方法。

請求項12

管状の熱電モジュール(15)であって、少なくとも、コールドサイド(20)、ホットサイド(21)、およびその間に配置された環状の部品(12)を備え、前記部品(12)は、‐熱電材料(3)を含む、部品(12)、‐電気絶縁材料(6)を含む、部品(12)、‐熱絶縁材料(7)を含む、部品(12)、‐電気伝導材料(31)を含む、部品(12)、‐熱伝導材料(32)を含む、部品(12)、‐シール材料(34)を含む、部品(12)、のグルーブから選ばれた少なくとも1つの部品(12)を備え、さらに、少なくとも1つの環状の部品(12)は、請求項7〜11の1つに記載の方法で製造される、管状の熱電モジュール。

技術分野

0001

本発明は、熱電材料を備える糸と、熱電モジュール用の部品の製造のための方法と、に関する。

背景技術

0002

熱電モジュールは、例えば発電機によって内燃機関排ガスから、電気エネルギーを生成するのに適している。これは、特に、電気エネルギーへ排ガスの熱エネルギーを変換するための発電機、つまりいわゆる熱電発電機、のことを言う。

0003

自動車の内燃機関からの排ガスは、熱エネルギーを有し、熱エネルギーは、例えば、バッテリーまたは他のエネルギー貯蔵装置充電するために、および/または電気消費物に必要なエネルギーを直接に供給するために、熱電発電装置によって電気エネルギーに変換されることができる。このようにして、自動車は、改善されたエネルギー効率で作動され、より多くのエネルギーが、自動車の作動のために利用できる。

0004

熱電モジュールは、少なくとも、複数の熱電素子を備える。熱電材料は、有効に熱エネルギーを電気エネルギーに変換でき(ゼーベック効果)、その逆(ペルティエ効果)も同様であるような、性質のものである。熱電素子は、例えば、少なくとも2つの半導体素子(pドープおよびnドープ)を含み、少なくとも2つの半導体素子は、ホットサイドの方におよびコールドサイドの方にそれぞれ向けられる、それらの互いに相対する端部に、電気伝導材料から成るブリッジが交互に備えられる。熱電モジュールでは、多くのこのような半導体素子が、電気的に直列に接続される。直列の半導体素子による生じたポテンシャル差が互いに相殺されないように、常に、異なった多数電荷キャリア(nドープおよびpドープ)を有する半導体素子は、交互に、直接的電気接触が提供される。接続された負荷抵抗器により、電流回路は閉じられることができ、それで電力が取り出されることができる。

0005

自動車における、特に乗用自動車における、使用のための相応の熱電モジュールを提供することが、すでに試みられてきた。これらは、けれども、大抵、製造コストが高く、比較的低い効率により特徴付けられる。従って、まだ大量生産適性が得られていない。

0006

特に、熱電モジュールの製造のための方法は、複雑で費用がかかる。多数の部品が、熱電モジュールを形成するのに組み立てられなければならず、相応に、部品公差が、互いに合わせられなければならないからである。

発明が解決しようとする課題

0007

ここから出発して、本発明の課題は、先行技術に関連して示された問題を、少なくとも部分的に解決することである。特に、構成要素の数を減少し、今まで必要であった個々の公差を合わせることを、低減し、または回避さえできるようにすることにより、管状の熱電モジュールの製造のための方法を簡単にすることが意図される。

課題を解決するための手段

0008

この課題は、請求項1の特徴による糸によって、および/または請求項7の特徴による熱電モジュール用の部品の製造のための方法によって、解決される。本発明の有利な構成、およびまた、(そのように製造された)部品の、(例えば熱電モジュールまたは熱電発電機のような)上位の構造ユニットへの統合は、従属請求項に示される。請求項に個々に挙げられた特徴は、任意に、技術的に有意な方法で、互いに組み合わせ可能であり、本発明のさらなる構成を示す。これは、特に、糸に関する説明が、同じように、部品の製造のための方法に、および熱電モジュールにも、応用でき、その逆もそうであることを、意味する。明細書は、特に図と関連して、本発明を説明し、本発明のさらなる実施例を挙げる。

0009

糸は、広がりを有し、少なくとも部分的に熱電材料を備える。広がりは、特に糸の長さを記述し、糸は、さらに、糸の横断面の(最大)直径として定義される直径により、記述される。

0010

糸は、特に、(熱電材料なしに)容易に変形可能、巻くことが可能等である。糸は、一部分から成って、または複数部分から成って(例えば、複数の繊維/フィラメントで)、構成されることができる。糸が複数部分から成って構成される場合、これは、例えば、繊維/フィラメントの数および/または配置が、いろいろな糸領域/部分で異なることによって、部分が異なることもできる。

0011

糸は、特に広がりを呈し、それは、技術的意味で、連続的と表現される。連続的は、糸が、それが(熱電部品用の製造方法において使用される際に、通常切られる長さであるような広がりを呈することを、ここでは意味する。特に、広がりは、少なくとも50mm[ミリメートル]であり、特に少なくとも500mmであり、望ましくは1000mmを上回る。

0012

糸には、異なった材料から成る繊維も使用されることができる。望ましくは、糸は、少なくとも部分的に、
セラミック材料
ガラス繊維材料
炭素繊維
金属材料
‐熱電材料、
グループから選ばれる少なくとも1つの材料により、形成される。繊維の材料の選択により、糸の特性を、特に個々の部分において、利用に合わせて調節することができる。糸は、従って、特に以下の特性を(単独でまたは組み合わせで)呈する:熱電性電気伝導性電気絶縁性熱伝導性熱絶縁性シール性、および/または高い機械的強度

0013

熱電材料として、特に以下の材料が使用される。

0014

望ましい構成によると、糸は、広がりに沿って異なった熱電材料を備える。換言すると、特に、広がりの方向に(連続して、または互いに隣接して)少なくとも2つの糸領域が形成され、少なくとも2つの糸領域は、異なる熱電材料を備える。これは、特に、糸がまだ熱電部品の製造用出発要素としてある、つまり特にあとでさらに糸領域の間で分割される場合に、当てはまる。特に、これらの異なった熱電材料は、温度依存性の効率最大値に関して異なる。どの熱電材料も、固有の最適使用温度を備え、固有の最適使用温度では、電気エネルギーへの熱エネルギーの変換に関して、最大効率が達成される。糸領域の熱電材料は、異なってドープされることが、可能である。

0015

特に、糸は、広がりに沿って非熱電材料も備える。特に、これは、広がりに沿って非熱電材料のみによって形成される部分が設けられることを、意味する。特に、糸は、少なくとも部分的に交互に熱電材料と非熱電材料とを有する、複数の部分を備える。

0016

糸の特に有利な構成によると、糸は、広がりに沿って、材料(熱電材料、非熱電材料)で(追加的に)コーティングされる。これは、特に、糸にまたは糸表面上に、コーティングが設けられ、コーティングは、熱電材料および/または非熱電材料を含むことを、意味する。異なる材料が(個々の)糸に設けられる場合、これらのコーティングは、通常、重なり合ってではなく、互いに並んで設けられる。層厚さは、同様に変化することができるが、これはしかし不可欠ではない。望ましくは、層厚さは、糸表面から進んで、閉じた表面が形成されるが、糸が(場合によってはまだしっかり固定されない)コーティングでまだ変形できるように、定められる。

0017

特に、糸は、少なくとも1つの繊維を備え、特に少なくとも200N/mm2の引張強さRmを有する繊維である。

0018

望ましくは、その上、糸の繊維の少なくとも1つは、以下のグループ:
‐熱電材料、
‐非熱電材料、
電気絶縁材料
‐電気伝導材料、
熱絶縁材料
熱伝導材料
シール材料気体および/または液体に対して)、
から選ばれた少なくとも1つの材料でコーティングされる。相対的に示される特性または材料特性は、電気エネルギーへの熱エネルギーの変換の目的で使用される、熱電材料に関係付けられる。これは、特に、「電気絶縁性」は、材料の電気伝導度が、熱電材料の電気伝導度よりも低いということを、意味する。同じことが、「電気伝導性」(この場合さらに高い限り)、「熱絶縁性」、「熱伝導性」、および「シール性」について言える。

0019

特に、糸は、異なった部分に、異なったコーティングを備え、特に、上に示されたグルーブから選ばれた、少なくとも1つの材料でコーティングされる。個々の部分では、これらの特性または材料の組み合わせも可能である。特に、電気絶縁性も熱絶縁性もある材料がコーティングとして存在する、部分が設けられ得る。

0020

特に、糸は、互いにねじれた、複数の繊維を備える。繊維の数は、例えば2〜30であることができ、2〜10の繊維の使用が望ましい。

0021

糸のねじれた配置は、特に、繊維がその広がりに沿って互いに接して置かれ、互いに絡み合ったときに、現れる。ねじれは、特に、繊維が互いによじれる、および/または繊維がらせん状に互いに巻かれる、と解釈される。

0022

望ましくは、異なった特性を有する少なくとも2つの種類の繊維が、糸の同じ部分で一緒にねじられる。従って、熱電特性を有する繊維を、非熱電および熱絶縁およびまた電気絶縁特性を備える繊維と、組み合わせることができる。糸は、特に、高い機械的強度を有する繊維により、強化されることができる。

0023

糸の特に有利な構成によると、糸は、空洞を備える。空洞は、例えば細孔のように、構成され得る。それに関し、空洞は、閉鎖および/または互いに接続され得る。通常、空洞は、少なくとも部分的に、糸のまたは繊維の材料によって形成/画定される。空洞は、繊維の間におよび/または繊維内に形成され得る。

0024

特に、空洞は、以下のグループ:
‐熱電材料、
‐非熱電材料、
‐電気絶縁材料、
‐電気伝導材料、
‐熱絶縁材料、
‐熱伝導材料、
‐シール材料(気体および/または液体に対して)、
から選ばれた少なくとも1つの材料で、少なくとも部分的に満たされる。

0025

望ましくは、糸は、少なくとも、径方向に、または広がりの方向に、異なった材料特性を備える。従って、糸は、両方の方向に、異なった材料特性を備えることができる。特に、異なった材料特性は、異なった材料の使用により、および糸の異なった構造により、および/または糸の製造の間の異なった処理により、生じる。そのような処理は、例えば、熱処理、および/または圧力による処理または同様のものを含むことができる(例えば焼結法)。

0026

特に有利な構成によると、糸は、特に、広がりの方向に、異なった横断面領域を備える。「異なった」は、ここでは、横断面領域の直径または大きさが、広がりの方向に変化することを、意味する。この変化は、段階的におよび/または連続的に起こる。これらの異なった横断面領域により、非常に薄い層が、熱電モジュールに生じることもでき、特に、熱電モジュール全体も、少なくとも部分的に、1つ以上の提案された糸から製造可能である。

0027

特に、糸は、管状のレセプタクル外側周囲面に、径方向に複数の層を備える巻きに、巻きつけ可能であり、従って、nドープまたはpドープされた、少なくとも1つの環状の熱電半導体素子が形成されることができ、熱電半導体素子は、他の環状の部品と共に、管状の熱電モジュールの外スリーブ内スリーブとの間に、配置可能である、

0028

糸は、今度は、追加的に、熱電モジュール用の部品の製造のための望ましい方法と関連して使用される。

0029

熱電モジュールの部品の製造のための本方法は、少なくとも以下のステップを含む:
a)広がりを有する少なくとも1つの糸を提供するステップ、
b)熱電材料をその少なくとも1つの糸に適用するステップ、
c)外側周囲面を有する管状のレセプタクルを提供するステップ、
d)その少なくとも1つの糸をその管状のレセプタクルの周りに巻き、外側周囲面に、熱電モジュール用の少なくとも1つの環状の部品が形成されるようにするステップ。

0030

熱電モジュール用の部品として、特に、環状の熱電半導体素子を挙げることができる。複数のそのような、nドープおよびpドープ半導体素子は、後に、交互に連続して配置され、相応の電気相互接続で、管状の熱電モジュールを形成するように組み立てられる。交互の電気相互接続は、熱電モジュールにある温度ポテンシャルが、電流に変換されることを、可能にする。熱電部品に加えて、電気絶縁性または熱絶縁性の環状の部品も作り出されることができ、かかる環状の部品は、熱電部品の間に配置される。さらに、電気伝導性およびまた熱伝導性の部品も作り出されることができ、かかる部品は、例えば、個々の熱電部品の電気伝導接続のために、用いられる。

0031

本方法は、特に、熱電モジュール用の少なくとも個々の部品を作り出すこと、および特にまた、個々の糸または複数の糸を有する熱電モジュールを、相次いでおよび/または並行して製造すること、に適している。特に、(連続的な)糸が提供され、糸は、同じおよび/または個々の部分で、異なった材料および/または異なった特性を備える。

0032

糸の特性は、例えば:‐温度ポテンシャルを電流に変換するための熱電特性、
‐電気絶縁性、つまり熱電材料よりも低い電気伝導度[アンペア/(ボルト・メートル)]、
‐電気伝導性、つまり熱電材料よりも高い電気伝導度[アンペア/(ボルト・メートル)]、
‐熱絶縁性、つまり熱電材料よりも低い比熱伝導度ワット/(ケルビン・メートル)]、
‐熱伝導性、つまり、熱電材料よりも高い比熱伝導度[ワット/(ケルビン・メートル)]、
‐高い機械的強度(特に200N/mmを上回る引張強さ)、
‐気体および/または液体に対するシール性、
であり得る。ここで挙げられた、「電気絶縁性」、「電気伝導性」、「熱絶縁性」、「熱伝導性」についての定義は、糸の特性にだけでなく、コーティング、繊維、部品、および空洞内に配置された材料にも適用される。

0033

原則として、本方法のステップは、ここで文字により示された順序で実行され得るが、これはしかし不可欠ではない。特に、いくつかの/全てのステップは、また少なくとも同時に実行され得る。従って、糸は、例えば糸枠から引き出されることができ(ステップa))、コーティング浴槽を通って引き抜かれることができ(ステップc))、さらにレセプタクルに導かれてそこで巻きつけられることができる(ステップb)およびd))。糸が熱電材料なしでレセプタクルに置かれ、そのあとで熱電材料が(例えばこうして形成された空洞の中に)適用されることも、可能である。さらに、糸をコーティング浴槽の中で巻きつけることが、可能である。その上、例えば、複数の糸および/またはレセプタクルの提供、および必要に応じて熱電材料の再三の適用(糸の異なる部分におよび/または異なる時点で)のように、必要に応じてステップが繰り返して実行されることも、可能である。

0034

ステップd)は、望ましくは、レセプタクルの外側周囲面の少なくとも一部が、熱電材料を含む糸により覆われるように、実行される。特に、従って、径方向に外側へ、多数重なった巻きが糸で形成され、環状の部品の径方向厚さが、糸直径の倍数になるようになっている。それに関し、複数の糸および/または異なった配向を有する巻きが、設けられることができる。

0035

特に有利な構成によると、管状のレセプタクルは、周囲方向に少なくとも部分的に周りに延びる、少なくとも1つのウェブを備え、ポケットが、軸方向に、管状のレセプタクルの外側周囲面に、形成されるようになっており、ポケットは、少なくとも1つの糸によって少なくとも部分的に満たされる。

0036

提供された管状のレセプタクルは、特に、管状の熱電モジュールの内スリーブを表す。特に、管状のレセプタクルは、しかし熱電モジュールから独立して製造することができ、環状の部品が、レセプタクルから離れることができるようになっている。管状のレセプタクルは、特に、環状の部品にとっての内部形状として役立ち、従って、少なくとも1つの糸が、管状のレセプタクルから進んで、環状の部品を、連続的に、径方向におよび周囲方向におよび軸方向にも、作り出す。

0037

特に、ウェブは、管状のレセプタクルに、形態嵌めの態様でまたは材料的に結合される。形態嵌め結合の場合、例えば係合により、結合パートナーの一方は、他方の行く手にある、つまりそれが移動する可能性を阻止する。材料的な結合は、結合パートナーが原子のまたは分子の力によって結び付けられる、全ての結合が挙げられる。特に、ウェブは、軸方向における巻きの進捗に応じて、順次、管状のレセプタクルに適用される。

0038

個々のウェブの間に、ポケットが形成され、ポケットは、特に、個々の、本方法により製造された環状の部品を、軸方向に互いから分ける。

0039

特に、複数の、さらに異なる糸が、用いられることができ、糸は、異なったまたはさらに同じポケットに、相次いでまたは同時に、環状の部品を作り出す。

0040

方法の特別な構成によると、複数の糸が提供され、複数の糸は、同時にステップd)で管状のレセプタクルに適用される。この場合、複数の糸は、同じまたは異なった材料を備え得る。さらに、複数の糸は、少なくとも部分的に等しく構成される。

0041

特に、ウェブは、例えば電気絶縁性糸により、作り出されることができ、場合によっては、同時に糸の熱絶縁特性が存在する。使用される糸が、異なった部分で、対応して異なった特性を備えることも可能であり、先に定められた箇所で、管状のレセプタクルに沿って、熱電部品、電気絶縁部品熱伝導部品またはシール部品が、作り出されることができるようになっている。これらの異なった部品は、軸方向に沿っておよび/または周囲方向に沿って互いに並んでおよび/または径方向に重なり合って、作り出されることおよび配置されることができる。

0042

特に、こうして作り出された部品は、先にただ部分的に作り出された後でも、さらなる方法ステップに供給され得る。これらの方法ステップは、例えば熱処理および/または圧力処理(例えば焼結法)を含み得る。さらに、コーティングの適用のための方法ステップが導入され得る。

0043

特に、追加的に、非熱電材料から成る少なくとも1つの糸が、共に巻きつけられる。これは、例えば、空洞の生成のためにおよび/または所望の強度の調節のために、設けられることができる。

0044

特に有利な構成によると、ステップc)は、少なくとも部分的にステップd)と同時におよび/またはステップd)の後に実行される。

0045

熱電材料は、例えばコーティングの形で、例えばスプレー法によりまたはペースト塊を広げることにより、少なくとも部分的に製造された部品に、適用されることができる。場合によっては、さらなる方法ステップが後に続くおよび/またはその間に実行される(熱または圧力処理)。

0046

特に、本方法には、少なくとも1つの糸が用いられることができ、糸は、特に、広がりに沿って異なった横断面を備える。これらの異なった横断面により、非常に薄い層が、熱電モジュールに作り出されることもでき、特に、熱電モジュール全体も、少なくとも部分的に、提案された1つ以上の糸から製造できるようになっている。

0047

さらに、管状の熱電モジュールが提案され、少なくとも、コールドサイド、ホットサイド、およびその間に配置された環状の部品を備え、かかる部品は、
‐熱電材料を含む部品、
‐電気絶縁材料を含む部品、
‐熱絶縁材料を含む部品、
‐電気伝導材料を含む部品、
‐シール材料を含む部品、
‐熱伝導材料を含む部品、
のグルーブから選ばれた少なくとも1つの部品を備え、さらに、少なくとも1つの環状の部品は、ここで提案された方法によって製造される。

0048

とりわけ望ましくは、管状の熱電モジュールの全ての環状の部品は、糸を備えるそのような部品で設計される。管状の熱電モジュールは、それに関し、望ましくは、高温または低温媒体が周囲を流れ得る、内部チャネルおよび外部円筒表面を有し、その間に配置された環状の部品が、内部でおよび外部で、異なる温度ポテンシャルにさらされるようになっている(ホットサイド、コールドサイド)。

0049

本発明および技術周辺は、以下で図に基づいてより詳細に説明される。図は特に好ましい実施形態を示すが、本発明はそれに限定されない。個々の図の中の同じ物には、同じ参照符号が付けられる。図では、概略的に示している。

図面の簡単な説明

0050

広がりを有する糸を示す。
糸を縦断面図で示す。
図2に示される糸を横断面図で示す。
さらなる糸を横断面図で示す。
方法ステップa)を示す。
方法ステップb)を示す。
方法ステップc)およびd)を示す。
方法ステップd)の後のウェブを有するレセプタクルを示す。
熱電モジュールを示す。
広がりに沿って変わる横断面領域を有する糸を示す。

実施例

0051

図1は、広がり2を有する糸1を示す。広がり2に沿って、糸1は、いくつかの部分24(または糸領域)に分けられ、いくつかの部分24は、広がり10の方向に沿って、互いにつながる。左の部分24では、糸1は熱電材料3を備える。中央の部分24では、糸1は電気絶縁材料6を備える。右の部分24では、糸1は熱絶縁材料7を備える。異なった部分24には、異なった材料特性11があり得る。糸1は、少なくとも1つの繊維5から成る。左の部分24では、セクションIIが識別される。

0052

図2は、図1に示されるセクションIIおよび(具体的に示すために拡大した)糸1を縦断面図で示す。糸1は、広がり10の方向に延び、複数の互いに撚り合わせた繊維5により形成される。特に、個々の繊維5は、異なった特性を呈する。ここでは、糸1は、熱電材料3から、電気絶縁材料6から、および熱絶縁材料7から、作られた繊維5により、形成される。繊維5は、さらにコーティング33が施される。

0053

図3は、図2に示される糸1を横断面図23で示す。糸1はコーティング33を備え、コーティング33は、糸1の繊維5を径方向9に外側で(完全に)取り囲む。

0054

図4は、さらなる糸1を横断面図23で示す。糸は、(最大)直径22を備える。糸1は、複数の繊維5により形成され、複数の繊維5は、横断面図23で互いに並んで配置されている。繊維5により、空洞8が形成され、空洞8は、ここではコーティング33により補充される。繊維5は、異なった材料特性11を備え、その結果、糸1が、異なった材料特性11を、周囲方向16に、および径方向9にも、備えるようになっている。

0055

図5は、本方法のステップa)を示し、広がり2を有する糸1が提供される。糸1が、広がりの方向10に沿って異なった部分24に分割されることが、認識できる。これらの部分24のそれぞれで、糸1は、異なった特性を備える。1つの部分24では、糸1は、熱電材料3を備え、他の部分24では、電気絶縁材料6および熱絶縁材料7を備える。

0056

図6は、本方法のステップb)を示し、外側周囲面14を有する管状のレセプタクル13が提供される。

0057

図7は、方法ステップc)およびd)を示し、複数の糸1は、管状のレセプタクル13の周りに巻かれ、レセプタクル13の外側周囲面14に、環状の部品12が形成されるようになっている。環状の部品12は、軸方向18に並んで配置される。

0058

熱電材料の適用は、今度は、巻きつけるプロセスの、前に、間に、および/または後に、なされることができ、ここで例えばスプレープロセスにより異なる時点で示されるようにである。

0059

特に、追加的な方法ステップが設けられることができ、追加的な方法ステップは、特に、高くされた温度および/または高くされた圧力での焼結法ステップを含む。これは、例えば、次に存在するような配置が、焼結プロセス送り込まれ得ることを意味し、糸配置は、材料と共に、必要に応じて、圧縮され、硬化され、および/または熱処理される。それに関し、ポケットは、必要に応じて、分けられて別々に処理されることもできる。

0060

当然、当業者には、ここでさらなる(下位の)プロセスが組み入れられ得ることが、すぐに明らかとなり、例えば、糸の長さの切断、管状のレセプタクルの分解、等である。

0061

図8は、ウェブ17を有する管状のレセプタクル13を示し、ウェブ17は、周囲方向16に、管状のレセプタクル13の周りに延びる。ウェブ17により、ポケット19が、ウェブ17の間におよび外側周囲面14の上に形成され、ポケット19は、糸1により、少なくとも部分的に満たされる。ウェブ17は、ここでは電気絶縁材料6から製造されるので、糸1により作り出される、熱電材料3から成る環状の部品12が、軸方向18に、互いから電気的に絶縁されて配置され得るようになっている。それに関し、特に、隣り合うポケット19内に、nドープおよびpドープ熱電材料3があるので、ポケット19内に、環状のnドープおよびpドープ半導体素子38が形成されるようになっている。

0062

ポケット19内に、熱電材料3の他に、非熱電材料4もあることが、ここでさらに示される。特に、この非熱電材料4は、熱電材料3よりも低い電気伝導性および同じく低い熱伝導性を有する。熱電材料3と非熱電材料4との組み合わせは、環状の部品12のいわゆる「フィルレシオ」に影響を与え得る。フィルレシオに関連して、独国特許出願公開第102010030259A1号明細書が参照され、その全範囲がここで引き合いに出される。フィルレシオに関連して、熱電モジュールの効率は、ホットサイドとコールドサイドとの間の熱電材料の、可能な限り大きな割合のみによって大きくなるのではなく、ホットサイドとコールドサイドとの間の最大温度ポテンシャルの保持によることも、そこで詳述される。

0063

作り出すことができる、熱電モジュールの電力は、簡単に言えば、モジュール熱電効率と、熱電モジュールのホットサイドで生じる熱流Qとの積で、表される。一般に、熱電効率は、ホットサイドとコールドサイドとの間の機能層熱抵抗の増加と共に、大きくなる。それによってホットサイドとコールドサイドとの間の温度差が大きくなるからである。一方、流れる熱流は、大きくなった熱抵抗によって減少する。これは、特に、電力が、熱電モジュールの熱抵抗の作用であることを、意味する。熱電モジュールの熱抵抗は、半導体素子(ここではつまり熱電材料3および非熱電材料4)の熱伝導度、半導体素子の幾何学的寸法、半導体素子の間に配置された電気絶縁体(例えばここではウェブ17)の熱伝導度、およびその幾何学的寸法、から明らかになる。

0064

図9は、管状の熱電モジュール15を示し、それは、内スリーブ26および外スリーブ25により形成される。管状の熱電モジュール15は、中心軸27に沿って延び、内スリーブ26の内側にチャネル28を備える。冷却剤29がチャネル28を流れ通り、高温流体30が外スリーブ25を流れる。それに伴って、外スリーブ25に、熱電モジュール15のホットサイド21が形成され、そして対応して内スリーブ26に、熱電モジュール15のコールドサイド20が形成される。けれども、本発明はこの配置の逆も含む。

0065

少なくとも熱電材料3から成る環状の部品12は、内スリーブ26と外スリーブ25との間に配置され、電気伝導材料31により交互に互いに接続される。熱電材料3(および必要であれば追加的に非熱電材料4)から成る環状の部品12の他に、特に、熱電モジュール15の他の全ての部品も、対応して製造される環状の部品12により、形成され得る。これは、特に、望ましくは熱伝導材料32から形成される外スリーブ25および内スリーブ26に、外スリーブ25上のおよび内スリーブ26上の電気絶縁材料6に、熱電材料3(半導体素子38)の間の電気および熱絶縁材料6,7に、熱電モジュール15を外へ漏れ止めする材料34に、熱電材料3から成る環状の部品12を交互に互いに接続する電気伝導材料31に、当てはまる。

0066

図10は、広がり2に沿って変わる横断面領域35を有する糸1を示す。それに関し、直径22または横断面領域35の大きさは、広がり2に沿って、段36でまたは連続的変化37の形で変化する。

0067

述べられた糸の使用により、環状の部品用のおよび熱電モジュール用の、新しい製造方法が提案される。かかる熱電モジュールは、費用効果的に、装置に関して大きな支出をせずに、製造できる。部品交差が、ここでは少ない程度でのみ考慮されるからである。

0068

糸の使用により、特に熱電モジュールの周囲方向における負荷、つまり特に熱膨張により誘発される応力が、より良く補償され、または不具合なく持ちこたえられる。周囲方向に巻かれた糸は、個々の環状の部品の、およびこのように作り出された熱電モジュールの、高い機械的強度を生じさせる。

0069

環状の部品は、円形のまたは楕円形の構造に限定されず、例えば直方体状の、多角形の部品も、等しく製造可能である。特に、本発明によって製造される環状の部品は、従来通りに焼結材料または中実材料から成って製造される環状の部品と、組み合わせることができる。

0070

1 糸
2広がり
3熱電材料
4 非熱電材料
5 繊維
6電気絶縁材料
7熱絶縁材料
8 空洞
9径方向
10 広がりの方向
11材料特性
12部品
13レセプタクル
14外側周囲面
15熱電モジュール
16 周囲方向
17ウェブ
18 軸方向
19ポケット
20コールドサイド
21ホットサイド
22 直径
23横断面
24 部分
25外スリーブ
26内スリーブ
27中心軸
28チャネル
29冷却剤
30高温流体
31電気伝導材料
32熱伝導材料
33コーティング
34シール材料
35横断面領域
36 段
37 連続的変化
38 半導体素子

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