Термоэлектрический модуль со средствами компенсации теплового расширения
Изобретение относится к термоэлектрическим устройствам и их изготовлению. Сущность: термоэлектрический модуль (1), который простирается в продольном направлении (9), с внешней трубкой (2) и расположенной внутри внешней трубки (2) внутренней трубкой (3). Модуль содержит по меньшей мере одну первую полосовидную структуру (5) и одну вторую полосовидную структуру (7). Первая полосовидная структура (5), начиная от первого соединения (6) на внутренней трубке (3), а вторая полосовидная структура (7), начиная от второго соединения (12) на внешней трубке (2), простираются в соответственно противоположных направлениях (11) наклонно к поверхности трубки и по меньшей мере, частично образуют перекрытие (10). В области перекрытия (10) расположена по меньшей мере одна пара полупроводниковых элементов (13). Технический результат: повышение термостойкости и усталостной прочности термоэлектрического модуля за счет компенсации тепловых расширений отдельных компонентов термоэлектрического модуля. 4 н. и 4 з.п. ф-лы, 10 ил.
Настоящее изобретение относится к термоэлектрическому модулю трубчатой формы, а также к способу его изготовления. Термоэлектрический модуль применяется для создания термоэлектрического генератора, который пригоден для преобразования тепловой энергии отработавшего газа (ОГ) в электрическую энергию.
Отработавший газ (ОГ) из двигателя внутреннего сгорания (ДВС) автомобиля обладает тепловой энергией, которая с помощью термоэлектрического генератора может быть преобразована в электрическую энергию, например, чтобы наполнить аккумуляторную батарею или другой накопитель энергии и/или подводить необходимую энергию прямо на электрические потребители. За счет этого автомобиль эксплуатируется с улучшенным энергетическим кпд, и энергия для эксплуатации автомобиля имеется в распоряжении в большем объеме.
Такой термоэлектрический генератор имеет по меньшей мере один термоэлектрический модуль, причем, как правило, множество таких (аналогично сконструированных) модулей электрически соединены так, что вместе они образуют термоэлектрический генератор. Термоэлектрические материалы для этого являются материалами такого вида, что они могут эффективно преобразовывать термическую энергию в электрическую энергию (эффект Зеебека) и наоборот (эффект Пельтье). Такие термоэлектрические модули предпочтительно имеют множество термоэлектрических элементов, которые расположены между так называемой горячей стороной и так называемой холодной стороной. Термоэлектрические элементы содержат, например, по меньшей мере два полупроводниковых элемента, которые легированы примесью p-типа и n-типа, и вместе образуют наименьшую термоэлектрическую единицу. Эти два полупроводниковых элемента на своей верхней и нижней стороне (обращенной к горячей стороне или же холодной стороне) взаимно снабжены электропроводными перемычками, так что легированные соответственно примесью n-типа и p-типа полупроводниковые элементы соединены между собой. Обычно эти электропроводные перемычки электрически изолируются от вмещающего термоэлектрические элементы корпуса. Если по обе стороны полупроводниковых элементов создается перепад температуры, то между концами полупроводниковых элементов образуется потенциал напряжения. Носители заряда на более горячей стороне за счет более высокой температуры усиленно возбуждаются в зону проводимости. В результате созданной при этом разности в концентрации в зоне проводимости носители заряда диффундируют на более холодную сторону полупроводникового элемента, в результате чего возникает разность потенциалов. В термоэлектрическом модуле, прежде всего, многочисленные полупроводниковые элементы включены последовательно. Чтобы сгенерированная разность потенциалов последовательных полупроводниковых элементов взаимно не уничтожалась, всегда попеременно полупроводниковые элементы с разными основными носителями заряда (легированные примесью n-типа и p-типа) приведены в прямой электрический контакт. Посредством подсоединенного нагрузочного сопротивления цепь тока может быть замкнута, и тем самым может быть отведена электрическая мощность.
Для применения в автомобилях подходят, прежде всего, трубчатые термоэлектрические модули, в которых полупроводниковые элементы в форме колец расположены друг за другом между внутренней трубкой и внешней трубкой, причем внутренняя трубка или внешняя трубка омываются ОГ или горячей средой. Вследствие имеющегося над термоэлектрическим модулем температурного потенциала термоэлектрический модуль нагружается разными тепловыми расширениями отдельных компонентов. Чтобы получить усталостно прочный термоэлектрический модуль, эти разные тепловые расширения внутри термоэлектрического модуля или же внутри термоэлектрического генератора должны компенсироваться.
Исходя из этого, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы, по меньшей мере, частично решить указанные со ссылкой на уровень техники проблемы. Прежде всего, должен быть указан трубчатый термоэлектрический модуль, который может компенсировать разные тепловые расширения отдельных компонентов термоэлектрического модуля, и таким образом достигается высокая усталостная прочность термоэлектрического модуля и в процессе его эксплуатации. За счет этого должен быть изготавливаемым термостойкий и усталостно прочный термоэлектрический модуль.
Эти задачи решены с помощью термоэлектрического модуля согласно признакам п. 1 формулы изобретения. Благоприятные варианты осуществления изобретения, а также способ изготовления термоэлектрического модуля согласно изобретению указаны в сформулированных как зависимые пунктах формулы изобретения. Следует указать на то, что приведенные в формуле по отдельности признаки могут комбинироваться между собой любым, технологически рациональным, образом и показывают дополнительные варианты осуществления изобретения. Описание, прежде всего, в связи с фигурами, поясняет изобретение дальше и приводит дополнительные примеры осуществления изобретения. Термоэлектрический модуль согласно изобретению простирается в продольном направлении и имеет внешнюю трубку и расположенную внутри внешней трубки внутреннюю трубку, а также расположенное между ними промежуточное пространство, в котором расположены по меньшей мере одна первая полосовидная структура и по меньшей мере одна вторая полосовидная структура, причем первая полосовидная структура, начиная от первого соединения на внутренней трубке, а вторая полосовидная структура, начиная от второго соединения на внешней трубке, простираются во взаимно противоположных направлениях к соответственно противоположной трубке в радиальном направлении, а также в периферическом направлении и/или в продольном направлении и по меньшей мере частично образуют перекрытие, в области которого расположен по меньшей мере один полупроводниковый элемент или пара полупроводниковых элементов. Таким образом, в предлагаемом в изобретении модуле первая и вторая полосовидные структуры простираются к соответственно противоположной трубке во взаимно противоположных направлениях в радиальном направлении и либо в периферическом направлении, либо в продольном направлении, либо одновременно в периферическом и продольном направлениях, т.е. по спирали. Во всех этих случаях первая и вторая полосовидные структуры расположены наклонно по отношению к радиальному направлению, а также по отношению к периферическому и/или продольному направлениям.
При этом модуль выполнен, прежде всего, по типу двойной трубки, причем внешняя трубка и внутренняя трубка расположены концентрично друг другу, а кольцевой зазор между ними служит в качестве промежуточного пространства, в котором предусмотрены термоэлектрические элементы. Предпочтительно, форма трубки является по существу цилиндрической, но это не является настоятельно необходимым. Так, могут быть применены, прежде всего, и прямоугольные или квадратные формы трубки, которые дают частично даже еще лучшие результаты относительно минимизации напряжений и/или точности изготовления. При этом, в частности, не важно, расположена ли так называемая горячая сторона на внешней трубке или внутренней трубке.
Прежде всего, первые и/или вторые полосовидные структуры образованы полосами из металлического листа, которые между двумя концами образуют длину, между двумя сторонами - ширину, а между двумя поверхностями - толщину. Перекрытие полосовидных структур относится, по меньшей мере, к части длины и части ширины соответственно рассматриваемых пар из первой и второй полосовидной структуры. Вторые полосовидные структуры одним из своих концов соединены с внешней трубкой, в то время как первые полосовидные структуры, в свою очередь, одним концом соединены с внутренней трубкой. При этом первое и/или второе соединение, предпочтительно, выполнено сплошным (прежде всего, посредством сварного шва или паяного соединения). Сплошное соединение имеет место тогда, когда партнеры по соединению удерживаются вместе атомарными и/или молекулярными силами. Соответственно другой конец полосовидных структур вдается в промежуточное пространство. Прежде всего, для этого полосовидные структуры простираются, по меньшей мере, частично в продольном направлении и/или в периферическом направлении трубок, при необходимости, к тому же и в радиальном направлении к противолежащей трубке. При этом перекрывается по меньшей мере одна пара из первой и второй полосовидной структуры (по меньшей мере, частично). Эта область перекрытия используется для того, чтобы располагать между ними полупроводниковые элементы, которые, следовательно, полосовидными структурами находятся в теплопроводном контакте, с одной стороны, с горячей стороной, а с другой стороны с холодной стороной.
На поверхности полосовидных структур расположены полупроводниковые элементы, которые монтируются, прежде всего, прямо на полосовидных структурах, например, печатным способом. Прежде всего, этот монтаж полупроводниковых элементов на полосовидных структурах происходит слоями, так что полупроводниковые элементы с разными свойствами относительно термостойкости, теплопроводности или т.п. могут быть рассчитаны для соответствующего случая применения и места установки. Прежде всего, полупроводниковые элементы, которые располагаются в области перекрытия, выполнены прямоугольными, цилиндрическими и/или в форме сегментов кольца. В качестве способа печати для нанесения полупроводниковых элементов, прежде всего, может быть применен один из следующих способов: Drop-on-Demand (капля по требованию), Continuous Inkjet (непрерывная краскоструйная печать), Bubble-Jet (пузырьково-струйная печать). Эти способы, среди прочего, известны из технического контекста нанесения слоя для пайки металлических сотовых тел (см., например, WO-A1-2005021198, которая здесь в полном объеме может быть привлечена в качестве примера для представления способов). Эти способы также могут быть применены для нанесения полупроводникового материала на указанных здесь полосовидных структурах. Прежде всего, полосовидные структуры изготавливаются в виде бесконечного материала, так что полупроводниковые материалы могут наноситься экономичным и высокопродуктивным способом изготовления. Лишь после этого полосовидные структуры разрезают на необходимые размеры или же соответствующим способом резания.
Чтобы соответственно попеременно электрически соединить между собой легированные примесью n-типа и p-типа полупроводниковые элементы, так чтобы получался термоэлектрический элемент, на полосовидных структурах расположены, прежде всего, электропроводные перемычки или же электрические проводниковые структуры. Предпочтительно, полосовидные структуры являются металлическими и имеют электрическую изоляцию, которая изолирует электрические проводниковые структуры от полосовидных структур. Прежде всего, на каждой паре из первой и второй полосовидной структуры расположен лишь соответственно один термоэлектрический элемент, так что термоэлектрические элементы на отдельных парах полосовидных структур также являются соединяемыми между собой параллельно или последовательно. Естественно, также является возможным располагать на каждой паре полосовидных структур только один единственный полупроводниковый элемент, так что лишь в результате электрического соединения с другой парой полосовидных структур образуется термоэлектрический элемент. Прежде всего, полосовидные структуры имеют такую большую ширину, что множество термоэлектрических элементов могут быть расположены друг за другом в направлении ширины и электрически последовательно соединены между собой. При этом соответственно два полупроводниковых элемента, которые объединяются в термоэлектрический элемент, предпочтительно расположены рядом друг с другом в направлении длины. Прежде всего, более одного термоэлектрического элемента расположены рядом друг с другом в направлении длины полосовидной структуры с последовательным или параллельным включением, так что обеспечивается эффективное использование промежуточного пространства между внешней трубкой и внутренней трубкой термоэлектрическими элементами.
В соответствии с этим соединенные между собой полупроводниковыми элементами полосовидные структуры образуют нечто типа соединительной перемычки для обеих трубок. И эта соединительная перемычка в состоянии переводить расширение по меньшей мере одной трубки в перемещение трубки или же так компенсировать расширение по меньшей мере одной трубки, что перемещение по меньшей мере одной трубки не приводит к ухудшению работы термоэлектрического модуля, когда, например, повреждаются расположенные между трубками полупроводниковые элементы или их электрические проводниковые структуры. При этом соединительные перемычки предпочтительно выполнены так, что тепловые расширения не только компенсируются деталями в промежуточном пространстве, но и, по меньшей мере, частично переводятся в относительное перемещение внутренней трубки относительно внешней трубки. Другими словами, тепловое расширение отдельных деталей термоэлектрического модуля, при определенных условиях, компенсируется тем, что они полностью поглощаются или же компенсируются полосовидными структурами, и/или что, по меньшей мере, внешняя трубка и внутренняя трубка могут перемещаться относительно друг друга, и это перемещение компенсируется деталями в промежуточном пространстве (то есть полосовидными структурами, полупроводниковыми элементами и т.д.) так, что уменьшаются напряжения, и не происходит повреждений деталей термоэлектрического модуля. Ориентация или же направление полосовидных структур в продольном направлении делает возможным, например, смещение и/или ориентацию или же направление полосовидных структур в периферическом направлении, проворачивание трубок относительно друг друга, так как продольное расширение этих полос или же расширение по меньшей мере одной трубки приводит к соответствующему относительному перемещению или же делает возможным это перемещение (при этом уменьшаются напряжения внутри термоэлектрического модуля). При этом следует обратить внимание на то, что тогда средняя область с полупроводниковыми элементами может работать с особо низкими внутренними напряжениями, несмотря на переменную термическую нагрузку.
Даже если выше описаны комплексные (то есть, прежде всего, совместные и/или одновременные) компенсационные перемещения между внешней трубкой, внутренней трубкой и компонентами в промежуточном пространстве, то компенсационное перемещение, главным образом или даже (по существу), может быть проведено исключительно компонентами в промежуточном пространстве.
В соответствии с одним конструктивным вариантом внешняя трубка и внутренняя трубка расположены подвижно относительно друг друга так, что тепловое расширение модуля компенсируется за счет перемещения внешней трубки относительно внутренней трубки или наоборот. Тем самым имеется в виду, прежде всего, то, что вся внутренняя трубка движется относительно внешней трубки или наоборот, то есть, что, прежде всего, ни в какой точке внешняя трубка по своему положению не является жестко фиксированной относительно внутренней трубки.
При этом внешняя трубка и внутренняя трубка (прямо или опосредованно) соединены между собой так и/или расположены так, что в целом они могут взаимно перемещаться относительно друг друга, когда они вследствие температурной нагрузки расширяются и/или сжимаются. Это, прежде всего, означает, что становится возможным смещение положения внутренней трубки и внешней трубки, в результате чего происходит минимизация напряжений между этими трубками.
Таким образом, тепловое расширение отдельных компонентов (внешней трубки, внутренней трубки, полупроводниковых элементов и т.д.) трубчатого модуля, при определенных условиях, дополнительно приводит к (относительному) перемещению в периферическом направлении (то есть, с прокручиванием или же вращением относительно друг друга и/или в продольном направлении (то есть, например, с аксиальным смещением относительно друг друга) и/или в радиальном направлении термоэлектрического модуля. Это, прежде всего, означает, что по меньшей мере один из элементов - внутренняя трубка или внешняя трубка - при термической нагрузке совершает перемещение, или, прежде всего, обе относительно друг друга. В результате этого (относительного) перемещения уменьшаются и термические напряжения внутри термоэлектрического модуля, так что, прежде всего, обычно очень хрупкие полупроводниковые элементы не повреждаются, и поэтому получается усталостно прочный термоэлектрический модуль.
Эта концепция подвижных относительно друг друга трубок также может быть реализована независимо от выполнения модуля с полосовидными структурами и парой полупроводниковых элементов в области перекрытия, так что указанные вначале задачи (независимо от этого) также решаются описанным ниже термоэлектрическим модулем.
Трубчатый термоэлектрический модуль, который простирается в продольном направлении, с внешней трубкой и расположенной внутри внешней трубки внутренней трубкой, а также расположенным между ними промежуточным пространством, причем внешняя трубка и внутренняя трубка расположены относительно друг друга так, что тепловое расширение модуля компенсируется относительным перемещением внешней трубки относительно внутренней трубки.
Для пояснения этой основополагающей концепции можно в полном объеме обращаться к вышеприведенным и последующим описаниям.
Еще один вариант термоэлектрического модуля согласно изобретению заключается в том, что термоэлектрический модуль простирается в продольном направлении и имеет внешнюю трубку и расположенную внутри внешней трубки внутреннюю трубку, а также расположенное между ними промежуточное пространство. Внешняя трубка и внутренняя трубка расположены относительно друг друга так, что тепловое расширение модуля компенсируется расположенными в промежуточном пространстве компонентами. Прежде всего, находящиеся в промежуточном пространстве термоэлектрические элементы должны быть расположены так, чтобы вызванное разным тепловым расширением относительное перемещение трубок относительно друг друга не приводило к повреждению расположенных в промежуточном пространстве конструктивных деталей. То есть, предпочтительно, чтобы относительное перемещение внешней трубки относительно внутренней трубки компенсировалось исключительно расположенными в промежуточном пространстве компонентами термоэлектрического модуля. В связи с принципиально обусловленной разностью температур происходят разностные расширения между внутренней трубкой и внешней трубкой, которые также должны быть максимально разрешены в расчете на минимизацию напряжений. Таким образом, решение состоит в том, что находящиеся между ними чувствительные к напряжениям полупроводниковые элементы располагаются так (как таковые и/или на соответственно выполненных «опорах» или же полосовидных структурах), что они как можно лучше (с как можно меньшей нагрузкой) испытывают относительное перемещение обеих трубок. К указанным компонентам относятся, прежде всего, по меньшей мере, полупроводниковые элементы и/или соответственно выполненные опоры или же полосовидные структуры, на которых расположены полупроводниковые элементы.
Предпочтительно, компенсация разного теплового расширения обеспечивается не за счет конструктивных мер на внешней трубке или внутренней трубке (например, за счет фальцеваний или т.п.), а исключительно за счет относительного перемещения внешней трубки относительно внутренней трубки и/или за счет соответствующего расположения или же компенсационного перемещения расположенных в промежуточном пространстве компонентов.
Согласно еще одному особо предпочтительному варианту термоэлектрического модуля первое соединение и второе соединение расположены косо относительно периферического направления и/или продольного направления термоэлектрического модуля. При такой ориентации или же направлении соединений большая длина полосовидных структур посредством процесса соединения (например, твердая или мягкая пайка или сварка) может быть соединена с внутренней трубкой или же внешней трубкой, за счет чего могут быть уменьшены затраты на изготовление. Это относится, прежде всего, к тому случаю, когда нужно использовать как можно меньше полосовидных структур и, тем не менее, достигнуть как можно более высокой степени использования пространства для полупроводниковых элементов в промежуточном пространстве.
Согласно еще одному особо предпочтительному варианту термоэлектрического модуля первые соединения на внутренней трубке и вторые соединения на внешней трубке проходят спиралеобразно. При этом является совершенно особо предпочтительным, чтобы все первые полосовидные структуры были закреплены (прежде всего, сварены или спаяны) одним единственным спиралевидным первым соединением на внутренней трубке и/или все вторые полосовидные структуры одним единственным спиралевидным вторым соединением на внешней трубке.
За счет расположения полупроводниковых элементов на полосовидных структурах, которые расположены в промежуточном пространстве между внешней трубкой и внутренней трубкой, тепловое расширение термоэлектрического модуля по меньшей мере в одном радиальном направлении может быть эластично поглощено через полосовидные структуры. Расширение в продольном направлении термоэлектрического модуля через один из компонентов - внешнюю трубку или внутреннюю трубку - или же через обе трубки относительно друг друга может быть компенсировано, либо за счет расположения полосовидных структур, причем их концы обращены соответственно в этом продольном направлении, либо за счет наклонного расположения полосовидных структур к продольному направлению, причем компенсируется только часть разного теплового расширения в продольном направлении. Тогда другая часть подлежащего компенсации теплового расширения поглощается в радиальном направлении и/или в периферическом направлении термоэлектрического модуля. При компенсации этих разных тепловых расширений внутренняя трубка перемещается относительно внешней трубки. Также может начаться перемещение в связи с соответственно возникающим тепловым расширением внутренней трубки и внешней трубки, и соединяющие их полосовидные структуры или же полупроводниковые элементы соответственно смещаются. Полосовидные структуры могут эластично компенсировать термическое напряжение в радиальном направлении. Проходящее в периферическом направлении или в продольном направлении термоэлектрического модуля тепловое расширение, которое одновременно означает напряжение сдвига относительно полупроводниковых элементов, уменьшается за счет перемещения внутренней трубки относительно внешней трубки и за счет соответствующего опрокидывания полосовидных структур. По этой причине по меньшей мере один компонент группы - внешняя трубка или внутренняя трубка - может быть выполнен подвижным, так что становится возможным относительное перемещение внутренней трубки относительно внешней трубки.
При подвижном расположении внутренней трубки и/или внешней трубки термоэлектрического модуля, прежде всего, необходимо обратить внимание на присоединения внутренней трубки или же внешней трубки внутри термоэлектрического генератора, причем должна поддерживаться герметичность, прежде всего, промежуточного пространства, но и герметичность горячей стороны относительно холодной стороны. По этой причине на соответствующем конце трубки должна быть предусмотрена скользящая посадка для внутренней трубки и/или внешней трубки, так чтобы она могла в незначительной мере перемещаться относительно зажимного устройства или корпуса термоэлектрического генератора без нарушения герметичности самого термоэлектрического модуля или же герметичности горячей стороны относительно холодной стороны.
Согласно еще одному особо благоприятному варианту термоэлектрического модуля, по меньшей мере, в периферическом направлении или в продольном направлении термоэлектрического модуля расположено несколько первых полосовидных структур и несколько вторых полосовидных структур. Прежде всего, предлагается, что в каждом случае по меньшей мере шесть (6) пар из первых и вторых полосовидных структур расположены в периферическом направлении друг за другом, которые простираются, прежде всего, спиралевидно, то есть в продольном направлении и в периферическом направлении термоэлектрического модуля, через весь термоэлектрический модуль и тем самым принимают множество полупроводниковых элементов между соответственно первой полосовидной структурой и соответственно второй полосовидной структурой. Прежде всего, таким образом, в расчете на пары расположено более 20, прежде всего более 50, и особо благоприятным образом более 100, термоэлектрических элементов. Это множество термоэлектрических элементов может быть нанесено на, прежде всего, бесконечные полосовидные структуры, например, способом печати, которые после печати, по меньшей мере, полупроводниковыми материалами отделяются в соответствующие первые и/или вторые полосовидные структуры желательной длины или же ширины.
Даже если является предпочтительным, чтобы внутренняя трубка и/или внешняя трубка были отдельной конструктивной деталью, это не является настоятельно необходимым. Так, такая внутренняя трубка/внешняя трубка может быть образована самими полосовидными структурами, например, когда эти полосовидные структуры в концевой области выполнены намотанными в стабильную трубку. Тогда одна концевая область полосовидных структур, по меньшей мере, частично образует соответствующую трубку, а другая концевая область полосовидных структур - перекрытие с полупроводниковыми элементами. Прежде всего, несколько полосовидных структур расположены рядом друг с другом и спиралевидно наматываются, так что получается внутренняя трубка или внешняя трубка с соответствующими перекрытиями для полупроводниковых элементов.
Промежуточное пространство между внутренней трубкой и внешней трубкой заполнено, прежде всего, воздухом, вакуумом или атмосферой защитного газа, так что тепловое расширение отдельных компонентов в радиальном направлении, в продольном направлении и в периферическом направлении, но и пружинистость полосовидных структур в радиальном направлении является возможным без ограничения. В то же время, посредством воздуха, вакуума или атмосферы защитного газа обеспечивается электрическая изоляция между полупроводниковыми элементами, а также хорошая термическая изоляция между горячей стороной и холодной стороной.
Степень наполнения промежуточного пространства полупроводниковыми элементами предпочтительно составляет от 20% до 80%, прежде всего от 20% до 40%. При этом степень наполнения промежуточного пространства относится к объему между внутренней трубкой и внешней трубкой, который теоретически без полосовидных структур мог бы быть полностью заполнен полупроводниковым материалом. Полностью заполненное полупроводниковым материалом между внутренней трубкой и внешней трубкой промежуточное пространство соответственно имело бы степень наполнения 100%.
Согласно еще одному аспекту изобретения предлагается способ изготовления предлагаемого в изобретении термоэлектрического модуля, который имеет, по меньшей мере, следующие стадии:
а) обеспечение по меньшей мере одной первой полосовидной структуры и по меньшей мере одной второй полосовидной структуры,
б) нанесение электропроводной проводниковой структуры, по меньшей мере, на первую полосовидную структуру или вторую полосовидную структуру,
в) нанесение полупроводниковых элементов на проводниковую структуру по меньшей мере одной полосовидной структуры,
г) расположение по меньшей мере одной первой полосовидной структуры и по меньшей мере одной второй полосовидной структуры между внешней трубкой и внутренней трубкой с образованием соответствующей пары, причем первая полосовидная структура и вторая полосовидная структура в одной области образуют перекрытие, так что полупроводниковые элементы соответственно через электрическую проводниковую структуру соединены с полосовидными структурами с образованием термоэлектрического элемента, который при приложении температурного потенциала пригоден для выработки электрического тока.
Прежде всего, эти полосовидные структуры лишь после стадии г) сплошным образом соединяются с внутренней трубкой и/или внешней трубкой, например, способом сварки, способом пайки и/или клеевым соединением, так что получается термоэлектрический модуль.
Также следует отметить, что, прежде всего, в том случае, если полосовидные структуры являются металлическими, перед проведением стадии б) еще должен быть нанесен электрический изоляционный слой, чтобы обеспечить электрическое разъединение металлических структур от проводниковой структуры.
В другом варианте осуществления способа по меньшей мере одну из внешней трубки и внутренней трубки по меньшей мере частично выполняют из полосовидных структур. Это, прежде всего, означает, что к внутренней трубке и/или внешней трубке не добавляется никакой дополнительный трубчатый элемент, а внутренняя трубка и/или внешняя трубка образуются исключительно полосовидными структурами. При необходимости, могут быть, прежде всего, предусмотрены концевые области трубки, которые имеют уже особое исполнение, так что они имеют скользящую посадку относительно корпуса термоэлектрического генератора и таким образом могут поглощать относительное перемещение внутренней трубки или внешней трубки внутри термоэлектрического модуля и обеспечивать плотность относительно других компонентов.
Кроме того, имеется технологически простой способ, если нанесение полупроводниковых элементов происходит способом печати. При этом полосовидные структуры могут непрерывно подаваться, например, на печатающее устройство, которое быстро и надежно наносит там термоэлектрический материал в желаемых положениях. При необходимости, так, до того и/или параллельно, может быть произведена и проводниковая структура.
Кроме того, предлагается термоэлектрический генератор, который имеет множество термоэлектрических модулей согласно изобретению или изготовленных способом согласно изобретению термоэлектрических модулей, которые электрически соединены между собой. Прежде всего, термоэлектрический модуль располагается в корпусе или термоэлектрическом генераторе так, что, по меньшей мере, холодная сторона термоэлектрического модуля своими соответствующими концами расположена фиксированно в пространстве. Кроме того, прежде всего, пространственно фиксированным является один конец горячей стороны, так что реализуется перемещение внутренней трубки относительно внешней трубки только в результате расширения расположенной на горячей стороне трубки. Прежде всего, по меньшей мере, горячая сторона, а, при необходимости, также и холодная сторона не имеет других компенсационных возможностей для уменьшения тепловых расширений, например, фальцовок трубки или т.п.
Изобретение находит применение, прежде всего, в автомобиле. При этом горячая сторона термоэлектрического генератора омывается ОГ двигателя автомобиля, в то время как холодная сторона образована циркуляцией воды.
Далее изобретение, а также технический контекст поясняются более детально на фигурах. Следует указать на то, что на фигурах показаны особо предпочтительные варианты осуществления изобретения, однако оно ими не ограничено. Схематически показано на:
Фиг.1: трубчатый термоэлектрический модуль,
Фиг.2: фрагмент фиг.1,
Фиг.3: еще один конструктивный вариант трубчатого термоэлектрического модуля,
Фиг.4: стадия а) способа изготовления термоэлектрического модуля,
Фиг.5: стадия б) способа изготовления термоэлектрического модуля,
Фиг.6: стадия в) способа изготовления термоэлектрического модуля,
Фиг.7: стадия г) способа изготовления термоэлектрического модуля,
Фиг.8: расположение полупроводникового элемента между полосовидными структурами,
Фиг.9: расположение термоэлектрического модуля между двумя зажимными устройствами,
Фиг.10: автомобиль с термоэлектрическим генератором. На фиг.1 показан термоэлектрический модуль 1, который имеет внешнюю трубку 2 и внутреннюю трубку 3, которые простираются в продольном направлении 9. При этом внутренняя трубка 3 соединена с горячей стороной 22 (например, потоком ОГ ДВС), а внешняя трубка 2 с холодной стороной 23. Между внешней трубкой 2 и внутренней трубкой 3 образовано промежуточное пространство 4, в котором расположены первые полосовидные структуры 5 и вторые полосовидные структуры 7. Эти первые полосовидные структуры 5 через первое соединение 6, которое проходит в периферическом направлении, соединены с внутренней трубкой 3. Первые полосовидные структуры 5 простираются от первого соединения 6 в продольном направлении 9 и в радиальном направлении 24 в направлении 11. Вторые полосовидные структуры 7 через второе соединение 12 соединены с внешней трубкой 2 и простираются от второго соединения 12 в противоположном направлении 11 к первым полосовидным структурам 5. Между парой из первой полосовидной структуры 5 и второй полосовидной структуры 7 образуется перекрытие 10, внутри которого расположены полупроводниковые элементы 13, которые соединены с первыми полосовидными структурами 5 и вторыми полосовидными структурами 7.
На фиг.2 показан фрагмент фиг.1, на котором должна быть наглядно проиллюстрирована компенсация теплового расширения. Первая полосовидная структура 5 через первое соединение 6 соединена с внутренней трубкой 3. Вследствие расположения внутренней трубки 3 на горячей стороне 22 происходит расширение внутренней трубки 3 как в продольном направлении 9, так и в радиальном направлении 24. Это тепловое расширение приводит к перемещению 21, которое должно быть компенсировано относительно внешней трубки 2. Вторая полосовидная структура 7 через второе соединение 12 соединена с внешней трубкой 2 и образует с первой полосовидной структурой 5 перекрытие 10, внутри которого расположен полупроводниковый элемент 13. Таким образом первая полосовидная структура 5 и вторая полосовидная структура 7 образуют пару 16. Пара 16 имеет высоту 17 сегмента, которая определяет расстояние в радиальном направлении 24 между первым соединением 6 и вторым соединением 12. Кроме того, пара 16 имеет длину 20 сегмента, которая определяет расстояние в продольном направлении 9 между первым соединением 6 и вторым соединением 12. Кроме того, пара 16 имеет угол 19 диагонали, который расположен между внешней трубкой 2 и длиной 18 диагонали, которая соединяет первое соединение 6 и второе соединение 12, или же между внутренней трубкой 6 и длиной 18 диагонали.
Таким образом, тепловые расширения, как в продольном направлении 9, так и в радиальном направлении 24 компенсируются относительным перемещением 21 внутренней трубки, так что может быть предотвращено действующее на полупроводниковые элементы 13 напряжение сдвига. Перемещение 21 внутренней трубки 3 в продольном направлении 9 и в радиальном направлении 24 приводит к изменению угла 19 диагонали, который тем самым становится меньше (см. направление стрелки). Кроме того, в результате теплового расширения внутренней трубки 3 в радиальном направлении 24 изменяется длина 18 диагонали, так что в полупроводниковый элемент индуцировались бы напряжения сдвига. Это изменение длины 18 диагонали компенсируется относительным перемещением 21 внутренней трубки 3, которое тем самым удаляет первое соединение 6 от второго соединения 12. За счет этого длина 18 диагонали остается постоянной, и предотвращается напряжение сдвига, которое могло бы действовать на полупроводниковые элементы 13. Благодаря этой комбинированной компенсационной возможности, с одной стороны, за счет возможного относительного перемещения 21 внутренней трубки 3 относительно внешней трубки 2, а с другой стороны, за счет эластичного расположения полосовидных структур 5, 7, напряжения сдвига на полупроводниковые элементы 13 не переносятся, так что они не испытывают никакой структурной нагрузки. Компенсационный эффект реализуется, прежде всего, за счет того, что тепловое расширение полупроводниковых элементов на полосовидных структурах (то есть, диагонали) согласовано с тепловым расширением окружения (то есть, относительным перемещением внутренняя трубка/внешняя трубка).
Кроме того, путем особого выбора параметров длина 18 диагонали и угол 19 диагонали является возможным уменьшить относительное перемещение 21 внутренней трубки 3 относительно внешней трубки 2 так, что изменение длины в продольном направлении 9 расположенной на горячей стороне 22 трубки 2, 3 происходит только в связи с тепловым расширением, и не требуется никакого дополнительного относительного перемещения 21, чтобы компенсировать тепловое расширение в радиальном направлении 24. Высокая температура на одной из трубок 2, 3 приводит к тепловому расширению в радиальном направлении 24 на относительное перемещение 21, которое уменьшает высоту 17 сегмента, и кроме того, к тепловому расширению в продольном направлении 9 на относительное перемещение 21, которое увеличивает длину 20 сегмента. Эти тепловые расширения и соответствующие относительные перемещения 21, прежде всего, охватывают и дополнительные тепловые расширения отдельных компонентов 34, например, полосовидных структур 5, 7 и т.д. Посредством адаптированных исходных величин длины 18 диагонали и угла 19 диагонали известные для определенного температурного диапазона тепловые расширения в радиальном направлении 24 и продольном направлении 9 могут взаимно компенсироваться. Эта компенсация происходит полностью, когда укорачивание длины 18 диагонали вследствие уменьшения высоты 17 сегмента компенсируется удлинением длины 18 диагонали вследствие увеличения сегментной длины 20.
На фиг.3 показан еще один конструктивный вариант термоэлектрического модуля 1, в котором термоэлектрический модуль 1 имеет круглую внешнюю трубку 2 и круглую внутреннюю трубку 3, с проходящими в периферическом направлении 8 и в радиальном направлении 24 первыми полосовидными структурами 5 и вторыми полосовидными структурами 7. Эти первые полосовидные структуры 5 и вторые полосовидные структуры 7 образуют соответственно одно перекрытие 10, внутри которого расположены два полупроводниковых элемента 13, которые образуют соответственно один термоэлектрический элемент. Расширение соединенной с горячей стороной 22 внутренней трубки 3 в радиальном направлении 24 компенсируется, с одной стороны, имеющим форму эвольвенты расположением полосовидных структур 5, 7 и, при определенных условиях, дополнительно направленным в периферическом направлении 8 перемещением 21 внутренней трубки 3 относительно внешней трубки 2. Тем самым одновременно происходит компенсация расширения первой полосовидной структуры 5 вследствие нагрева с горячей стороны 22. Указанные со ссылкой на фиг.2 определения могут быть соответственно перенесены на вариант согласно фиг.3. В результате расширения внутренней трубки 3 в радиальном направлении 24, с одной стороны, уменьшается высота сегмента и, тем самым, также длина диагонали. Для компенсации происходит относительное перемещение 21 внутренней трубки 3 в периферическом направлении 8, так что длина диагонали увеличивается на соответствующую величину, и предотвращаются напряжения сдвига, которые могут привести к разрушению проводниковых элементов 13. Кроме того, за счет наклонного расположения полосовидных структур 5, 7 на внешней трубке 2 или же внутренней трубке 3 может быть компенсировано продольное расширение внутренней трубки 3 относительно внешней трубки 2. Это обеспечивается, прежде всего, при спиралевидном расположении полосовидных структур 5, 7. Также и здесь посредством особого выбора параметров длина диагонали и угол диагонали, по меньшей мере, частично может быть предотвращено дополнительное относительное перемещение 21 внутренней трубки 3, так как необходимое в периферическом направлении 8 перемещение 21 внутренней трубки 3 для увеличения длины диагонали тогда, по меньшей мере, частично компенсируется за счет теплового расширения внутренней трубки 3.
На фиг.4 показана стадия а) способа изготовления термоэлектрического модуля 1, на которой приготавливаются первая полосовидная структура 5 и вторая полосовидная структура 7. Полосовидные структуры 5, 7 имеют между двумя концами 25 длину 26 и между двумя сторонами 27 ширину 28. Кроме того, полосовидная структура ограничивается двумя поверхностями 29, которые разнесены между собой толщиной 30.
На фиг.5 показана стадия б) способа изготовления термоэлектрического модуля 1, на которой на первую полосовидную структуру 5 и на вторую полосовидную структуру 7 нанесены электропроводные проводниковые структуры 14. Показанные в правой части изображения заштрихованные проводниковые структуры 14 расположены на лежащей внизу поверхности второй полосовидной структуры 7.
На фиг.6 показана стадия в) способа изготовления термоэлектрического модуля 1, на которой полупроводниковые элементы 13 нанесены на проводниковой структуре 14 первой полосовидной структуры 5.
На фиг.7 показана стадия г) способа изготовления термоэлектрического модуля 1, на которой первая полосовидная структура 5 и вторая полосовидная структура 7 расположены в паре 16, которая образует перекрытие 10, так что полупроводниковые элементы 13 между первой полосовидной структурой 5 и второй полосовидной структурой 7 могут быть расположены на электропроводных проводниковых структурах 14. Таким образом, эта пара 16 образует термоэлектрический элемент, который при приложении температурного потенциала пригоден для выработки электрического тока 15.
На фиг.8 показано расположение полупроводникового элемента 13 между полосовидными структурами 5, 7, которые образуют пару 16. Полупроводниковый элемент 13 расположен в области перекрытия 10.
На фиг.9 показано расположение термоэлектрического модуля 1 между двумя зажимными устройствами 32. Внутренняя трубка 3 соединена с горячей стороной 22, внешняя трубка 2 с холодной стороной 23. Внутренняя трубка 3 соответственно выполнена в одном зажимном устройстве 32 со скользящей посадкой 33, так что может происходить относительное перемещение 21 внутренней трубки 3 относительно внешней трубки 2.
Фиг.10 должна проиллюстрировать предпочтительное применение изобретения в автомобиле 35. При этом автомобиль 35 имеет ДВС 36 или другой источник тепла. Производимый в ДВС 36 горячий ОГ проводится через выпускной трубопровод 37, причем он также проходит через термоэлектрический генератор 31, который содержит несколько (трубчатых) термоэлектрических модулей 1. Кроме того, термоэлектрический генератор 31 соединен с трубопроводом 39 системы охлаждения (например, контуром водяного охлаждения двигателя), так что ОГ может омываться горячая сторона, а охлаждающим средством холодная сторона термоэлектрического генератора 31. Это может быть устроено и/или контролироваться контрольным устройством 38, так что оттуда, при необходимости, через обратную связь через работу системы выпуска ОГ и/или ДВС (обозначено стрелками) может происходить работа термоэлектрического генератора 31.
Таким образом, настоящее изобретение, по меньшей мере, частично решает указанные со ссылкой на уровень техники проблемы. Прежде всего, указан трубчатый термоэлектрический модуль, который может компенсировать разные тепловые расширения отдельных компонентов термоэлектрического модуля и поэтому достигает высокой усталостной прочности термоэлектрического модуля, в том числе и при эксплуатации. Так был показан термостойкий и усталостно прочный термоэлектрический модуль.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
| 1 | Термоэлектрический модуль |
| 2 | Внешняя трубка |
| 3 | Внутренняя трубка |
| 4 | Промежуточное пространство |
| 5 | Первая полосовидная структура |
| 6 | Первое соединение |
| 7 | Вторая полосовидная структура |
| 8 | Периферическое направление |
| 9 | Продольное направление |
| 10 | Перекрытие |
| 11 | Направление |
| 12 | Второе соединение |
| 13 | Полупроводниковый элемент |
| 14 | Проводниковые структуры |
| 15 | Ток |
| 16 | Пара |
| 17 | Высота сегмента |
| 18 | Длина диагонали |
| 19 | Угол диагонали |
| 20 | Длина сегмента |
| 21 | Перемещение |
| 22 | Горячая сторона |
| 23 | Холодная сторона |
| 24 | Радиальное направление |
| 25 | Конец |
| 26 | Длина |
| 27 | Сторона |
| 28 | Ширина |
| 29 | Поверхность |
| 30 | Толщина |
| 31 | Термоэлектрический генератор |
| 32 | Зажимное устройство |
| 33 | Скользящая посадка |
| 34 | Компонент |
| 35 | Автомобиль |
| 36 | ДВС |
| 37 | Выпускной трубопровод |
| 38 | Контрольное устройство |
| 39 | Трубопровод системы охлаждения |
1. Термоэлектрический модуль (1), который простирается в продольном направлении (9) и содержит внешнюю трубку (2) и расположенную внутри внешней трубки (2) внутреннюю трубку (3), между которыми имеется промежуточное пространство (4), в котором расположены по меньшей мере одна первая полосовидная структура (5) и по меньшей мере одна вторая полосовидная структура (7), причем первая полосовидная структура (5), начиная от первого соединения (6) на внутренней трубке (3), а вторая полосовидная структура (7), начиная от второго соединения (12) на внешней трубке (2), простираются во взаимно противоположных направлениях (11) к соответственно противоположной трубке (2, 3) в радиальном направлении (24), а также в периферическом направлении (8) и/или в продольном направлении (9) и по меньшей мере частично образуют перекрытие (10), в области которого расположена по меньшей мере одна пара полупроводниковых элементов (13).
2. Термоэлектрический модуль (1) по п. 1, в котором внешняя трубка (2) и внутренняя трубка (3) расположены подвижно относительно друг друга так, что тепловое расширение модуля (1) компенсируется за счет перемещения (21) внешней трубки (2) относительно внутренней трубки (3) или наоборот.
3. Термоэлектрический модуль (1) по п. 1 или 2, в котором первое соединение (6) и второе соединение (12) расположены косо относительно периферического направления (8) или продольного направления (9) термоэлектрического модуля.
4. Термоэлектрический модуль (1) по п. 1 или 2, в котором, по меньшей мере, в периферическом направлении (8) или в продольном направлении (9) термоэлектрического модуля (1) расположено несколько структур (5).
5. Способ изготовления трубчатого термоэлектрического модуля (1) по одному из предшествующих пунктов, имеющий, по меньшей мере, следующие стадии:
а) обеспечение по меньшей мере одной первой полосовидной структуры (5) и по меньшей мере одной второй полосовидной структуры (7),
б) нанесение электропроводной проводниковой структуры (14), по меньшей мере, на первую полосовидную структуру (5) или вторую полосовидную структуру (7),
в) нанесение полупроводниковых элементов (13) на проводниковую структуру (14) по меньшей мере одной полосовидной структуры,
г) расположение по меньшей мере одной первой полосовидной структуры (5) и по меньшей мере одной второй полосовидной структуры (7) между внешней трубкой (2) и внутренней трубкой (3) с образованием соответствующей пары (16), причем первая полосовидная структура (5) и вторая полосовидная структура (7) в одной области образуют перекрытие (10), так что полупроводниковые элементы (13) соответственно через электрическую проводниковую структуру (14) соединены с полосовидными структурами с образованием термоэлектрического элемента, который при приложении температурного потенциала пригоден для выработки электрического тока (15).
6. Способ изготовления трубчатого термоэлектрического модуля (1), имеющий по меньшей мере следующие стадии:
а) обеспечение по меньшей мере одной первой полосовидной структуры (5) и по меньшей мере одной второй полосовидной структуры (7),
б) нанесение электропроводной проводниковой структуры (14), по меньшей мере, на первую полосовидную структуру (5) или вторую полосовидную структуру (7),
в) нанесение полупроводниковых элементов (13) на проводниковую структуру (14) по меньшей мере одной полосовидной структуры,
г) расположение по меньшей мере одной первой полосовидной структуры (5) и по меньшей мере одной второй полосовидной структуры (7) между внешней трубкой (2) и внутренней трубкой (3), по меньшей мере одну из которых по меньшей мере частично выполняют из полосовидных структур (5, 7), с образованием соответствующей пары (16), причем первая полосовидная структура (5) и вторая полосовидная структура (7) в одной области образуют перекрытие (10), так что полупроводниковые элементы (13) соответственно через электрическую проводниковую структуру (14) соединены с полосовидными структурами с образованием термоэлектрического элемента, который при приложении температурного потенциала пригоден для выработки электрического тока (15).
7. Способ по п. 5 или 6, в котором полупроводниковые элементы (13) наносят методом печати.
8. Термоэлектрический генератор (31), состоящий из множества электрически соединенных между собой термоэлектрических модулей (1), выполненных по одному из пп. 1-4 и/или изготовленных способом по одному из пп. 5-7.
