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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Modul, mit
in einer ersten Lage angeordneten elektrischen Leitelementen, mit
in einer zweiten, zur ersten Lage beabstandeten Lage angeordneten elektrischen
Leitelementen, mit einer zwischen der ersten Lage und der zweiten
Lage angeordneten Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen, und mit
mindestens einer Isolierschicht, mittels welcher die in der ersten
Lage angeordneten elektrischen Leitelemente relativ zu einer Wärmequelle
oder die in der zweiten Lage angeordneten elektrischen Leitelemente
relativ zu einer Wärmesenke elektrisch isolierbar sind.
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Die
Erfindung betrifft ferner einen thermoelektrischen Generator mit
mindestens einem thermoelektrischen Modul der eingangs genannten
Art, wobei mittels der mindestens einen Isolierschicht die in der
ersten Lage angeordneten elektrischen Leitelemente relativ zu einer
Wärmequelle oder die in der zweiten Lage angeordneten elektrischen
Leitelemente relativ zu einer Wärmesenke elektrisch isoliert sind.
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Ein
solcher thermoelektrischer Generator und ein eingangs genanntes
thermoelektrisches Modul sind in der
US
6,028,623 offenbart.
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Mit
einem thermoelektrischen Generator kann eine elektrische Leistung
erzeugt werden, indem Wärme aus einer Wärmequelle über
die thermoelektrischen Elemente einer Wärmesenke zugeführt wird.
Die an elektrischen Anschlüssen eines thermoelektrischen
Moduls abgreifbare Spannung ist u. a. abhängig von den
für die thermoelektrischen Elemente verwendeten Materialien
und von der über den thermoelektrischen Elementen anliegenden
Temperaturdifferenz.
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Üblicherweise
werden jeweils zwei thermoelektrische Elemente eines Moduls zu einem
Paar zusammengefasst. Ein erstes thermoelektrisches Element eines
solchen Paars weist ein positiv dotiertes Material auf, ein zweites
thermoelektrisches Element eines solchen Paars weist ein negativ
dotiertes Material auf. Eine an einem Paar thermoelektrischer Elemente
abgreifbare Spannung ist relativ klein. Daher wird üblicherweise
eine Mehrzahl von Paaren miteinander in Serie geschaltet, um die über
diesen Paaren abgreifbare Spannung zu erhöhen. Unterschiedliche Paare
thermoelektrischer Elemente und/oder unterschiedliche Gruppen mit
miteinander in Serie geschalteten Paaren können zur Einstellung
einer Strom-Spannungs-Charakteristik eines thermoelektrischen Moduls
oder mehrerer thermoelektrischer Module auch parallel geschaltet
werden.
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Um
einen Wärmestrom durch einen thermoelektrischen Generator
zu leiten, wird ein guter Wärmekontakt des thermoelektrischen
Moduls zu der Wärmequelle und/oder zu der Wärmesenke
angestrebt. Andererseits muss ein elektrischer Kontakt zwischen
den elektrischen Leitelementen einer Lage des thermoelektrischen
Moduls und der Wärmequelle bzw. der Wärmesenke
vermieden werden. Daher werden Isolierschichten verwendet, welche
eine gute Wärmeleitung von der Wärmequelle hin
zu der ersten Lage und/oder von der zweiten Lage hin zu der Wärmesenke
ermöglichen, hierbei jedoch die elektrischen Leitelemente
relativ zu der Wärmequelle bzw. zu der Wärmesenke
elektrisch isolieren.
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Thermoelektrische
Generatoren haben den Vorteil, dass sie verschleißfrei
arbeiten, da sie keine bewegten Bauteile aufweisen. Nachteilig ist
jedoch, dass die thermoelektrischen Generatoren einen vergleichsweise
niedrigen Wirkungsgrad aufweisen und dass für einen guten
Wärmekontakt der einzelnen Lagen bzw. Schichten des thermoelektrischen
Generators Raum greifende und schwere Vorrichtungen erforderlich
sind, welche die einzelnen Lagen bzw. Schichten gegeneinander verspannen.
Erschwerend kommt hinzu, dass sich ein thermoelektrischer Generator
während des Betriebs in Abhängigkeit von der anliegenden
Temperaturdifferenz ausdehnt. Die Vorrichtungen, mit denen die einzelnen
Lagen bzw. Schichten des thermoelektrischen Generators miteinander
verspannt werden, müssen also eine Kompensation dieser
thermisch bedingten Ausdehnungen erlauben.
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Hiervon
ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein thermoelektrisches Modul und einen thermoelektrischen Generator
der eingangs genannten Art zu schaffen, welche einen guten Wirkungsgrad,
eine kompakte Bauweise und einen möglichst spannungsfreien
Betrieb eines thermoelektrischen Generators ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird bei einem thermoelektrischen Modul und bei einem thermoelektrischen
Generator der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass
die mindestens eine Isolierschicht eine Mehrzahl von Isolierschichtabschnitten
umfasst, welche voneinander getrennt sind.
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Mit
Hilfe der Mehrzahl von Isolierschichtabschnitten können
kleinflächige Verbindungselemente zwischen einer Wärmequelle
und der ersten Lage des thermoelektrischen Moduls und/oder zwischen einer
Wärmesenke und der zweiten Lage des thermoelektrischen
Moduls geschaffen werden. Durch die Auftrennung oder Segmentierung
einer großflächigen elektrischen Isolierschicht
in eine Mehrzahl kleinflächiger Isolierschichtabschnitte
ist es möglich, die durch eine Erwärmung des thermoelektrischen Generators
und des thermoelektrischen Moduls auftretenden thermomechanischen
Spannungen zwischen einzelnen Lagen und/oder Schichten des Moduls
und des Generators zu verringern. Dies ist besonders vorteilhaft,
wenn aneinander angrenzende Bauteile des Moduls, beispielsweise
die elektrischen Leitelemente der ersten Lage und mindestens ein Isolierschichtabschnitt,
aus Materialien mit voneinander stark abweichenden Wärmeausdehnungskoeffizienten
hergestellt sind.
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Im
Rahmen der Erfindung ist es möglich, dass das thermoelektrische
Modul bzw. der thermoelektrische Generator lediglich eine Isolierschicht
mit voneinander getrennten Isolierschichtabschnitten aufweist. Eine
solche Isolierschicht kann eine elektrische Isolierung gegenüber
einer Wärmequelle oder gegenüber einer Wärmesenke
ermöglichen. Vorteilhaft ist es, wenn der thermoelektrische
Generator jeweils eine Isolierschicht zur Isolierung gegenüber
einer Wärmequelle und gegenüber einer Wärmesenke aufweist.
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Nach
einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist mindestens
einem Isolierschichtabschnitt der Mehrzahl von Isolierschichtabschnitten genau
ein thermoelektrisches Element zugeordnet. Dies ermöglicht
eine weitestgehend vollständige Vermeidung von thermomechanisch
bedingten Spannungen zwi schen den zueinander benachbarten Schichten
des Moduls und/oder des Generators.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn die Anzahl der Isolierschichtabschnitte der
mindestens einen Isolierschicht gleich der Anzahl der thermoelektrischen
Elemente ist. Hierdurch ist es möglich, jedem thermoelektrischen
Element des Moduls genau einen Isolierschichtabschnitt zuzuordnen.
Dies ist besonders vorteilhaft bei einem thermoelektrischen Modul, dessen
thermoelektrische Elemente über eine größere
Fläche verteilt sind. Bei einem solchen Modul können
thermomechanische Spannungen sogar dann unterbunden werden, wenn über
dieser Fläche ein Temperaturgefälle anliegt.
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Günstig
ist es ferner, wenn mindestens einem Isolierschichtabschnitt der
Mehrzahl von Isolierschichtabschnitten mindestens zwei thermoelektrische
Elemente zugeordnet sind. Hierdurch kann die Anzahl der bereitzustellenden
Isolierschichtabschnitte verringert werden, wodurch sich der Aufbau
des Moduls vereinfacht.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn zwei Isolierschichtabschnitten genau ein
elektrisches Leitelement zugeordnet ist. Hierdurch ist es möglich,
dass die üblicherweise aus einem metallischen Material hergestellten
elektrischen Leitelemente sich stark ausdehnen können und
dabei trotzdem in einem großflächigen Kontakt
mit zwei voneinander getrennten Isolierschichtabschnitten stehen
können, ohne dass erhöhte thermomechanische Spannungen
auftreten.
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Günstig
ist es ferner, wenn mindestens einem Isolierschichtabschnitt der
Mehrzahl von Isolierschichtabschnitten mindestens zwei elektrische
Leit elemente zugeordnet sind. Hierdurch kann der Aufbau des Moduls
vereinfacht werden.
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Bevorzugt
ist es, wenn mindestens ein Isolierschichtabschnitt der Mehrzahl
von Isolierschichtabschnitten eine den thermoelektrischen Elementen zugewandte
Kontaktfläche aufweist. Diese Kontaktfläche ermöglicht
einen guten Wärmeübergang von dem Isolierschichtabschnitt
hin zu einem elektrischen Leitelement. Hierdurch kann ein Wärmestrom
in effektiver Weise von der Wärmequelle den thermoelektrischen
Elementen zugeleitet und/oder von den thermoelektrischen Elementen über
ein elektrisches Leitelement einer Wärmesenke zugeleitet
werden.
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Vorzugsweise
ist die Kontaktfläche mindestens so groß wie ein
zu der Kontaktfläche paralleler Querschnitt mindestens
eines thermoelektrischen Elements. Hierdurch ist gewährleistet,
dass die Trennung der Isolierschicht in eine Mehrzahl von Isolierschichtabschnitte
keinen negativen Einfluss auf den Wärmeübergang
zwischen einer Wärmequelle und den thermoelektrischen Elementen
und/oder den thermoelektrischen Elementen und der Wärmesenke hat.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist mindestens
ein Isolierschichtabschnitt der Mehrzahl von Isolierschichtabschnitten
eine den thermoelektrischen Elementen zugewandte, rechteckförmige,
insbesondere quadratische Kontaktfläche auf. Solche Kontaktflächen
eignen sich besonders gut für im Querschnitt quadratische
thermoelektrische Elemente.
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Bevorzugt
ist es, wenn die Kontaktfläche mindestens 0,1 mm2 groß ist. Weiterhin ist es bevorzugt,
wenn die Kontaktfläche maximal 600 mm2 groß ist.
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Insbesondere
ist es bevorzugt, wenn die Kontaktfläche maximal 400 mm2 groß ist. Kontaktflächen
mit den genannten Größen ermöglichen
einerseits eine gute Wärmeübertragung und tragen
andererseits zu einer effektiven Vermeidung von thermomechanischen
Spannungen des Moduls bei.
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Günstig
ist es, wenn mindestens ein Isolierschichtabschnitt der Mehrzahl
von Isolierschichtabschnitten eine den thermoelektrischen Elementen abgewandte
Fläche zur Kontaktierung einer Wärmequelle oder
einer Wärmesenke aufweist, um einen guten Wärmeübergang
zwischen der Isolierschicht und der Wärmequelle bzw. der
Wärmesenke zu ermöglichen.
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Vorteilhaft
ist es, wenn zwei zueinander benachbarte Isolierschichtabschnitte
der mindestens einen Isolierschicht unmittelbar aneinander anliegen. Dies
bedeutet, dass zwei zueinander benachbarte Isolierschichtabschnitte
"auf Stoß" aneinander angrenzen. Hierdurch können
die Wärme übertragenden Kontaktflächen
der zueinander benachbarten Isolierschichtabschnitte maximiert werden.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung
ist vorgesehen, dass zwei zueinander benachbarte Isolierschichtabschnitte
der mindestens einen Isolierschicht relativ zueinander beabstandet
sind. Dieser Abstand kann wenige Mikrometer, beispielsweise 50 μm
oder auch mindestens 1 mm betragen, so dass sich zueinander benachbarte
Isolierschichtabschnitte relativ zueinander ausdehnen können.
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Bevorzugt
ist es, wenn die mindestens eine Isolierschicht eine Isolierschichtstärke
aufweist, welche zwischen 0,5 μm und 500 μm beträgt.
Diese geringen Schichtstärken ermöglichen einen
besonders gute Wärmeleitung.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung
ist vorgesehen, dass die mindestens eine Isolierschicht eine Isolierschichtstärke
aufweist, welche zwischen 10 μm und 2 mm beträgt.
Hierdurch kann eine mechanisch stabile, insbesondere freitragende
Isolierschicht bereitgestellt werden.
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Vorteilhaft
ist es, wenn die Isolierschichtabschnitte der mindestens einen Isolierschicht
aus einem keramischen Material hergestellt sind. Ein solches Material
weist eine hohe Wärmebeständigkeit auf.
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Ferner
ist es bevorzugt, wenn die Isolierschichtabschnitte der mindestens
einen Isolierschicht Aluminiumoxid umfassen. Hierdurch kann ein guter
elektrischer Isolator bereitgestellt werden.
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Ferner
ist es bevorzugt, wenn die Isolierschichtabschnitte der mindestens
einen Isolierschicht Aluminiumnitrid umfassen. Aluminiumnitrid weist
eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit auf.
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Nach
einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind
die Isolierschichtabschnitte der mindestens einen Isolierschicht
und die zu isolierenden elektrischen Leitelemente kraftschlüssig
miteinander verbunden. Auf diese Weise kann ein guter Wärmeübergang
zwischen den Isolierschichtabschnitten und den zu isolierenden elektrischen
Leitelementen geschaffen werden.
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Für
einen besonders guten Wärmeübergang wird vorgeschlagen,
dass zwischen den Isolierschichtabschnitten der mindestens einen
Isolierschicht und den zu isolierenden elektrischen Leitelementen
eine zusätzliche Wärmeleitschicht angeordnet ist.
Zur Herstellung der Wärmeleitschicht kann beispielsweise
eine Wärmeleitpaste verwendet werden.
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Nach
einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
ist vorgesehen, dass die Isolierschichtabschnitte der mindestens
einen Isolierschicht und die zu isolierenden elektrischen Leitelemente
stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Dies ermöglicht
einen optimalen Wärmeübergang. Darüber
hinaus ist es gegebenenfalls auch möglich, auf Spannvorrichtungen,
welche einzelne Lagen und/oder Schichten des Moduls und/oder des
Generators gegeneinander verspannen, zu verzichten. Hierdurch können
das Gewicht und der Bauraum eines thermoelektrischen Generators
wesentlich reduziert werden. Zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung
eignen sich die Fügeverfahren Kleben, Löten oder
Schweißen besonders gut.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn die Isolierschichtabschnitte der mindestens
einen Isolierschicht durch ein Beschichtungsverfahren auf die zu isolierenden
elektrischen Leitelemente aufgebracht sind. Dies ermöglicht
eine einfache Herstellung von Isolierschichtabschnitten mit einer
niedrigen Schichtstärke und eine zuverlässige
Befestigung der Isolierschichtabschnitte der Isolierschicht an den
zu isolierenden elektrischen Leitelementen.
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Im
Rahmen der Erfindung ist jede der vorstehend unter Bezugnahme auf
die Ansprüche 1 bis 25 beschriebenen Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen thermoelektrischen Moduls
mit einem erfindungsgemäßen thermoelektrischen
Generator gemäß Anspruch 26 kombinierbar.
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Nach
einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen thermoelektrischen
Generators sind die Isolierschichtabschnitte der mindestens einen
Isolierschicht des thermoelektrischen Moduls und die Wärmequelle
kraftschlüssig miteinander verbunden. Hierdurch kann ein
guter Wärmeübergang zwischen der Wärmequelle
und der mindestens einen Isolierschicht hergestellt werden.
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Zur
Verbesserung des Wärmeübergangs kann zwischen
den Isolierschichtabschnitten der mindestens einen Isolierschicht
und der Wärmequelle eine zusätzliche Wärmeleitschicht,
insbesondere unter Verwendung einer Wärmeleitpaste, angeordnet sein.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn die Isolierschichtabschnitte der mindestens
einen Isolierschicht und die Wärmequelle stoffschlüssig
miteinander verbunden sind. Hierdurch kann ein optimaler Wärmeübergang
zwischen der Wärmequelle und der Isolierschicht bereitgestellt
werden. Die Isolierschicht und die Wärmequelle können
durch Löten, Kleben oder Schweißen miteinander
verbunden werden.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass
die Isolierschichtabschnitte der mindestens einen Isolierschicht
durch ein Beschichtungsverfahren auf die Wärmequelle aufgebracht sind.
Dies ermöglicht eine einfache Herstellung von Isolierschichtabschnitten
mit einer niedrigen Schichtstärke und eine zuverlässige
Befestigung der Isolierschichtabschnitte der Isolierschicht an der
Wärmequelle.
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Die
vorstehend unter Bezugnahme auf die Unteransprüche 27 bis
30 beschriebenen Vorteile einzelner Ausgestaltungen zur Verbindung
der Isolierschicht mit einer Wärmequelle ergeben sich sinngemäß auch
bei entsprechender Ausgestaltung der Verbindung zwischen einer Isolierschicht
und einer Wärmesenke. Diese Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen
31 bis 34 beschrieben.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn die Wärmequelle durch ein Abgassystem
einer diskontinuierlich arbeitenden Verbrennungseinrichtung gebildet ist,
insbesondere durch ein Abgassystem des Verbrennungsmotors eines
Kraftfahrzeugs. Eine solche Wärmequelle kann beispielsweise
einen Wärmeübertrager umfassen, in welchem das
heiße Abgas eines Verbrennungsmotors geführt ist.
Dieser Wärmeübertrager überträgt
die Wärme des Abgases hin zu der mindestens einen Isolierschicht
des thermoelektrischen Moduls, welches eine elektrische Spannung bereitstellt.
Dies hat den Vorteil, dass die sonst ungenutzte Abwärme
eines Kraftfahrzeugs genutzt werden kann, um elektrische Energie
zu erzeugen und in ein Bordnetz einzuspeisen. Somit kann der Gesamtwirkungsgrad
des Kraftfahrzeugs erhöht werden.
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Ferner
ist es bevorzugt, wenn die Wärmequelle durch ein Abgassystem
einer kontinuierlich arbeitenden Verbrennungseinrichtung gebildet
ist, beispielsweise durch ein Abgassystem einer Brennkammer oder
eines Heizkessels insbesondere eines Kraftwerks. Hierdurch kann
der Gesamtwirkungsgrad eines Kraftwerks erhöht werden.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden
Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1:
eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generators;
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2:
eine Draufsicht einer Ausführungsform einer Isolierschicht
eines erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generators.
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Gleiche
oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren
mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
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Eine
Ausführungsform eines mit dem Bezugszeichen 8 bezeichneten
thermoelektrischen Generators ist in der 1 dargestellt.
Der Generator 8 umfasst eine insgesamt mit 12 bezeichnete
Wärmequelle. Die Wärmequelle 12 weist
einen Wärmeübertrager 14 auf, mit einer
umfangsseitig geschlossenen Heißgasführung 16 zur
Durchführung von Heißgas, beispielsweise dem Abgas
eines Verbrennungsmotors.
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Die
Heißgasführung 16 ist durch eine Wandung 18 begrenzt.
Die Wandung 18 kann insbesondere aus einem metallischen
Material hergestellt sein.
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Die
Wandung 18 weist auf einer der Heißgasführung 16 abgewandten
Außenseite eine ebene Wandfläche 20 auf.
Die Wandfläche 20 dient zur Anordnung eines insgesamt
mit 10 bezeichneten thermoelektrischen Moduls oder einer
Mehrzahl von Modulen 10. Ein Modul 10 kann sich über
einen Teilabschnitt der Wandfläche 20 oder auch über
die gesamte Wandfläche 20 erstrecken.
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Das
Modul 10 weist eine flächige Isolierschicht 22 auf.
Die Isolierschicht 22 ist in eine Mehrzahl von Isolierschichtabschnitten 24 segmentiert. Die
einzelnen Isolierschichtabschnitte 24 sind voneinander
getrennt. Die Isolierschichtabschnitte 24 sind auf der
Wandfläche 20 des Wärmeübertragers 14 verteilt
angeordnet.
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Das
Modul 10 weist ferner eine erste Lage 26 von elektrischen
Leitelementen 28 auf. Die erste Lage 26 ist benachbart
zu der Isolierschicht 22 angeordnet. Die elektrischen Leitelemente 28 erstrecken sich
in einer zu der Isolierschicht 22 zumindest annähernd
parallelen Ebene.
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Ferner
umfasst das Modul 10 eine Mehrzahl von mit 30 bezeichneten
thermoelektrischen Elementen. Die Elemente 30 sind zwischen
der ersten Lage 26 und einer zweiten Lage 32 des
Generators 8 angeordnet. Die zweite Lage 32 umfasst
eine Mehrzahl von elektrischen Leitelementen 34. Die elektrischen Leitelemente 34 erstrecken
sich in einer Ebene, welche zumindest annähernd parallel
zu der Isolierschicht 22 verläuft.
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In
der 1 sind zur Verbesserung der Übersichtlichkeit
nur jeweils eine Teilmenge der Isolierschichtabschnitte 24,
der elektrischen Leitelemente 28 und 34 sowie
der thermoelektrischen Elemente 30 des Moduls 10 dargestellt.
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Die
Isolierschichtabschnitte 24 der Isolierschicht 22 weisen
jeweils eine den thermoelektrischen Elementen 30 zugeordnete
Kontaktfläche 36 auf. Die Kontaktflächen 36 sind
quadratisch und jeweils mindestens genauso groß wie ein
zu den Kontaktflächen 36 paralleler Querschnitt
eines thermoelektrischen Elements 30.
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Bei
dem in der 1 dargestellten Modul 10 ist
jedem thermoelektrischen Element 30 ein eigener Isolierschichtabschnitt 24 zugeordnet.
Ferner ist zwei zueinander benachbarten Isolierschichtabschnitten 24 genau
ein elektrisches Leitelement 28 der ersten Lage 26 zugeordnet.
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Die
elektrischen Leitelemente 28 und 34 der ersten
Lage 26 und 32 des Moduls 10 sind so
angeordnet, dass die thermoelektrischen Elemente 30 miteinander
in Reihe geschaltet sind, um eine an dem Modul 10 abgreifbare
Spannung zu erhöhen. Es können auch Gruppen von
thermoelektrischen Elementen 30 miteinander parallel geschaltet
werden. Für den Abgriff einer mit einem Modul 10 erzeugbaren
Spannung weist dieses zwei elektrische Anschlüsse 38 und 40 auf.
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Die
Isolierschichtabschnitte 24 der Isolierschicht 22 sind
jeweils über eine den thermoelektrischen Elementen 30 abgewandte
Fläche 42 insbesondere stoffschlüssig
mit der Wandfläche 20 des Wärmeübertragers 14 verbunden.
Ein solcher Stoffschluss kann beispielsweise hergestellt werden,
indem die Isolierschichtabschnitte 24 auf die Wandfläche 20 aufgeklebt,
gelötet oder aufgeschweißt werden. Besonders bevorzugt
ist es, wenn die Isolierschicht abschnitte 24 durch ein
Beschichtungsverfahren auf die Wandfläche 20 aufgetragen
sind.
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Die
Verbindung zwischen der Isolierschicht 22 und den elektrischen
Leitelementen 28 der ersten Lage 26 kann durch
einen Kraftschluss hergestellt werden, insbesondere unter Zwischenschaltung
einer zusätzlichen Wärmeleitschicht. Alternativ
hierzu können auch die elektrischen Leitelemente 28 der ersten
Lage 26 und die Isolierschichtabschnitte 24 der
Isolierschicht 22 stoffschlüssig miteinander verbunden
werden, insbesondere durch Kleben, Löten oder Schweißen.
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Die
elektrischen Leitelemente 34 der zweiten Lage 32 und
die thermoelektrischen Elemente 30 können ebenfalls
kraftschlüssig oder stoffschlüssig miteinander
verbunden werden.
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Das
Modul 10 kann eine in der 1 nicht dargestellte
weitere Isolierschicht aufweisen, welche auf der den thermoelektrischen
Elementen 30 abgewandten Seite der elektrischen Leitelemente 34 angeordnet
ist. Auch diese weitere Isolierschicht weist vorzugsweise voneinander
getrennte Isolierschichtabschnitte 24 auf. Diese weitere
Isolierschicht kann in Berührkontakt mit einer in der Zeichnung
nicht dargestellten Wärmesenke stehen. Diese Wärmesenke kann
beispielsweise einen Wärmeübertrager umfassen,
der in seinem Aufbau dem Wärmeübertrager 14 der
Wärmequelle 12 entspricht. Durch einen solchen Wärmeübertrager
kann anstelle von Heißgas ein gekühltes Medium,
beispielsweise Kühlwasser, geleitet werden, um die Temperaturdifferenz
zwischen der Wärmequelle 12 und der Wärmesenke
zu erhöhen.
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Für
den Aufbau des Generators 8 werden vorzugsweise folgende
Materialien verwendet: Die Wandung 18 des Wärmeübertragers 14 ist
vorzugsweise aus einem metallischen und somit wärmebeständigen
Material hergestellt.
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Die
Isolierschichtabschnitte 24 der Isolierschicht 22 sind
vorzugsweise aus einem keramischen Material hergestellt. Insbesondere
umfasst ein solches Material Aluminiumoxid und/oder Aluminiumnitrid.
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Die
elektrischen Leitelemente 28 und 34 sind vorzugsweise
aus einem metallischen Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit,
insbesondere aus Kupfer oder Aluminium, hergestellt.
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Die
thermoelektrischen Elemente 30 können beispielsweise
Bleitelluride und/oder Wismuttelluride umfassen.
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Während
des Betriebs des thermoelektrischen Generators 8 wird Heißgas
durch die Heißgasführung 16 des Wärmeübertragers 14 geleitet.
Hierdurch erwärmt sich die Wandung 18 und somit
die Wandfläche 20 des Generators 8. Die
Wandfläche 20 überträgt die
Wärme auf die Isolierschichtabschnitte 24 der
Isolierschicht 22, welche ihrerseits die Wärme über
die elektrischen Leitelemente 28 den thermoelektrischen
Elementen 30 zuleiten. Von diesen aus führt der
Wärmestrom über die elektrischen Leitelemente 34 der
zweiten Lage 32 hin zu einer nicht dargestellten Wärmesenke,
vorzugsweise unter Zwischenschaltung einer weiteren Isolierschicht,
welche insbesondere voneinander getrennte Isolierschichtabschnitte 24 aufweist.
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Durch
den beschriebenen Wärmestrom wird mit Hilfe der thermoelektrischen
Elemente 30 unter Ausnutzung des Seebeck-Effekts eine elektrische Spannung
erzeugt, welche an den elektrischen Anschlüssen 38 und 40 des
Moduls 10 abgreifbar ist.
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In 2 ist
eine Ausführungsform einer Isolierschicht 22 dargestellt,
welche ebenfalls eine Mehrzahl von voneinander getrennten Isolierschichtabschnitten 24 aufweist.
Diese Isolierschichtabschnitte 24 sind im Unterschied zu
den in 1 dargestellten Isolierschichtabschnitten nicht
relativ zueinander beabstandet, sondern liegen unmittelbar aneinander
an.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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