WO2011047404A2 - Thermogenerator - Google Patents

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WO2011047404A2
WO2011047404A2 PCT/AT2010/000403 AT2010000403W WO2011047404A2 WO 2011047404 A2 WO2011047404 A2 WO 2011047404A2 AT 2010000403 W AT2010000403 W AT 2010000403W WO 2011047404 A2 WO2011047404 A2 WO 2011047404A2
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WO
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thermoelectric elements
thermogenerator
thermoelectric
elements
strips
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PCT/AT2010/000403
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German (de)
French (fr)
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Michael Waste
Raimund Ratzi
Georg Leonardelli
Katrin Barbara Tauber
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Miba Sinter Austria Gmbh
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Publication of WO2011047404A3 publication Critical patent/WO2011047404A3/en

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01NGAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N5/00Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting from exhaust energy
    • F01N5/02Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting from exhaust energy the devices using heat
    • F01N5/025Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting from exhaust energy the devices using heat the device being thermoelectric generators
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/17Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Definitions

  • thermogenerator comprising a plurality of thermoelectric elements distributed over a length, wherein each two thermoelectric elements are arranged at a distance to each other, a thermoelectric generator comprising a plurality of thermoelectric elements distributed over a length, each two thermoelectric elements arranged at a distance from each other and with a Guide element are electrically connected, and a device for generating electrical energy from heat, comprising a heat source and at least one thermal generator.
  • thermoelectric modules in order to generate electric current from heat sources.
  • thermoelectric modules deliver electrical current when there is a temperature difference due to the Seebeck effect.
  • thermoelectric modules are now manufactured in the form of arrays to almost reach the voltage required in the load circuit. These arrays are designed for use in a stationary temperature environment that is as uniform as possible over the area of the array. In addition, these arrays are usually used in combination with so-called heat spreaders in order to achieve the most uniform possible distribution of the heat emitted by the heat source to the array.
  • a thermoelectric module is known for example from DE 10 2007 063 168 AI.
  • thermoelectric elements This consists of arranged in a first position, electrical guide elements, arranged in a second, spaced apart from the first layer position, electrical guide elements, from a disposed between the first layer and the second layer plurality of thermoelectric elements, of at least one insulating layer, by means of which the arranged in the first layer, the electrical guide elements relative to a heat source or arranged in the second layer, electrical guide elements are electrically insulated relative to a heat sink.
  • the at least one insulating layer is formed from a plurality of Isolier Anlagenrcisabismeen, which are separated from each other.
  • the exhaust system is called a discontinuous combustion device, in particular an exhaust system of the internal combustion engine of a motor vehicle. It is thus achieved the task of creating a thermoelectric module, which to enable a good Wir- "degree of efficiency, a compact design and as tension-free operation of a thermoelectric generator.
  • Comparable thermoelectric modules are also described in DE 10 2007 063 173 AI and DE 10 2007 063 196 AI.
  • the object of the present invention is to further develop a thermal generator or a device for generating electrical energy from heat such that this or these can be better integrated into the temperature field of an exhaust system of a motor vehicle, in order to improve their or their cost-effectiveness.
  • This object is achieved independently by the above-mentioned thermal generator in which at least one of the distances between two thermoelectric elements, in particular in the x and / or y direction, is different from the further distances between two thermoelectric elements and / or in which these Thermoelectric elements are arranged in strips, and by the aforementioned device for generating electrical energy from heat which comprises at least one thermal generator according to the invention.
  • Another object of the present invention is to improve one
  • Thermogenerator or an improved device for generating electrical energy from heat to create such is a known device for generating electrical energy from heat to create such.
  • thermogenerator in which the guide element with two thermoelectric Elements is connected to an adhesive or that the guide element is applied to each two electrically conductively connected thermoelectric elements by a, in particular thermal, spraying or by means of low temperature connection technology, or in which the thermoelectric elements are arranged on a DCB substrate, and by the above said device for generating electrical energy from heat in which the thermal generator is designed according to the invention.
  • thermoelectric generator is understood to mean a thermoelectric generator for converting thermal energy into electrical energy.
  • thermoelectric elements As a result of this variable arrangement of the thermoelectric elements, it becomes possible to better compensate for temperature field fluctuations, that is to say fluctuations in the temperature with which the inventive thermogenerator or the device according to the invention is applied during operation, so that one thereby causes
  • thermoelectric generators the voltage-emitting, thermoelectric elements are connected in series, in order for the subsequent voltage conversion to electrical system level, that is to the level of the motor vehicle, favorable starting base for a high Have converter efficiency.
  • this causes a poor voltage yield in the case of small-scale temperature changes, since thermoelectric elements of high voltage are connected in series with those of low voltage.
  • thermoelectric elements can be achieved with the inventive arrangement of the thermoelectric elements, a longer life of the thermal generator or the device according to the invention, since said small-scale temperature differences are not or not essential leads to a tightening of the mechanical stress of the thermo generator according to the invention or the device according to the invention.
  • thermoelectric elements Due to the strip-shaped arrangement of the thermoelectric elements and their handling during installation easier to make and thus the number of
  • thermoelectric elements are arranged at a lower density than in that area when entering the hot gas, in which the hot gas has already experienced a cooling.
  • thermoelectric elements are combined to form an element strip, but in the context of the invention the division of the thermoelectric elements onto a plurality of element strips is preferred. Furthermore, there is the possibility that an element strip consists only of a thermoelectric element.
  • the adhesive layer can be equipped within certain limits with a flexibility, for example by running it with a higher layer thickness, whereby the mechanical stress of the contact points during use of the thermal generator can be further reduced.
  • thermoelectric elements By using a DCB substrate for the arrangement of the thermoelectric elements, the advantage is achieved that, with simple means, different surface sizes and shapes can be made available for different arrangements of the thermoelectric elements. In addition, it can be a relatively even
  • thermoelectric elements are provided, which is in the further industrial production of the thermal generator, in particular with regard to the arrangement of the thermoelectric elements, an advantage.
  • a complete array of thermoelectric elements can be constructed inexpensively and the variability of array design is also advantageous.
  • the distance between two thermoelectric elements changes over the length of the thermal generator with an exponential function. It can thus be further improved the efficiency of the device according to the invention.
  • a longitudinal extent of the element strip formed by the strip-shaped thermoelectric elements is aligned at least approximately perpendicular to a predeterminable flow direction of the heat flow from the heat source, so that the element strips are each preferably aligned parallel to the isotherms of the device for generating electrical energy , Essentially, therefore, the element strips are at least approximately at right angles to the flow direction of an exhaust system of a motor vehicle or generally to the flow direction of the heat flow of a heat source. It is advantageous that small temperature fluctuations in the individual zones or layers of the heat flow, that is, for example, in the exhaust gas flow, have a smaller influence on the voltage of the generated electrical energy.
  • At least two of the element strips can be combined to form a module, wherein the thermal generator comprises at least one such module.
  • the thermal generator comprises at least one such module.
  • several such modules are distributed over the length of the thermal generator. Due to the modular design, a faster assembly of the thermal generator is possible and beyond the adaptation to different heat sources with different temperatures is simplified by the modular design. The replacement of entire modules is thereby simplified, in particular with regard to the contacting.
  • the module can be housed at least partially. On the one hand to facilitate the handling of the modules, on the other hand to better protect the module against the attack of corrosive constituents of an exhaust gas.
  • at least one insulating element can be arranged in the space between two thermoelectric elements.
  • a corresponding thermal insulation or a reduction of the heat radiation can be achieved, which in turn the efficiency of the device or the thermal generator can be improved, on the other hand, the insulating element also serves the better electrical insulation of the thermoelectric elements.
  • thermoelectric elements in strip form, it is possible that they are contacted at the opposite longitudinal extension in the distal end regions. It can thus be achieved the advantage that these contact points are also arranged outside the application of heat in a range which is less critical with respect to the corrosive attack and / or the temperature load, whereby a better protection of these contacts is possible.
  • thermogenerator Due to the modular design, it is also possible that several element strips are optionally electrically connected together in series or in parallel in the thermogenerator in order to achieve a better adaptation to the respective voltage requirements, and thus also to achieve a higher efficiency.
  • thermoelectric elements are formed from a skutterudite or powder composition of the class of skutterudites.
  • this material, filled or unfilled, has proven to be advantageous because of its resistance in the field of high temperature applications of thermoelectric elements in automotive exhaust systems.
  • thermogenerator At least two element strips are arranged one above the other in the thermogenerator, which in turn can increase the efficiency of the thermogenerator.
  • the arrangement of several element strips in the flow direction of the heat flow that is, for example, the exhaust gases, can be continued.
  • a ratio of the length in millimeters to the cross-sectional area in square millimeters of the thermoelectric elements can be selected from a range with a lower limit of 1: 100 and an upper limit of 4: 1. In the course of testing the invention, with such geometrical dimensions particular effect can be observed with regard to the efficiency of the thermogenerator.
  • thermoelectric elements preferably have a rectangular cross-section - viewed in the direction of the longitudinal extent. Although other cross-sectional shapes are also possible in principle, rectangular cross-sections have proven to be advantageous both in terms of the degree of efficiency and in terms of installation and handling of the thermoelectric elements in the course of testing the invention.
  • the adhesive is an oxygen-curing adhesive. It is thus achieved that oxygen, which is optionally present on the surface of the thermoelectric elements, is consumed by the setting reaction of the adhesive, whereby the use of oxidation-sensitive materials for the thermoelectric elements can be simplified.
  • a diffusion barrier layer may be arranged to prevent the diffusion of constituents of the material of the guide element, in particular when it is applied to the thermoelectric elements by a thermal spraying method.
  • Diffusion barrier layer but also advantages in view of the high temperatures when using the thermal generator, especially when it is integrated into an exhaust system of a motor vehicle. It is thus possible for the guide element to use materials from which at the prevailing temperatures there is a risk that components diffuse into the thermoelectric elements. This results in the advantage that with regard to the choice of material for the guide element but also for the thermoelectric elements - the diffusion barrier layer can also be designed so that it prevents diffusion from the thermoelectric elements into the guide element - a larger bandwidth is possible, whereby special Material combinations for the guide element and the thermoelectric elements essentially does not have to be taken into account, so even materials can be used for the elements, which allow a higher energy yield. It also improves the long-term stability of the thermogenerator.
  • thermoelectric elements have a top surface, a bottom surface and side surfaces lying between them, wherein at least one of the side surfaces
  • Oxidation barrier layer and / or a sublimation barrier layer can be arranged so that the thermoelectric element better against environmental influences, such as. the
  • thermoelectric Matrial To protect the risk of oxidation or sublimation under the prevailing high temperatures of material components, resulting in the loss of active thermoelectric Matrial and thus the reduction of the degree of rotation.
  • thermoelectric elements may be arranged meandering on the DCB substrate for better handling and minimizing the number of external terminals. For a simpler production of larger modules to achieve a good thermal cycling is possible.
  • the DCB substrate is arranged between the meandering
  • thermoelectric elements having recesses in order to better compensate for thermal stresses during use of the thermal generator, whereby the
  • Thermoelectric elements and the contact points can be better protected against damage due to the thermal load of the thermogenerator.
  • these recesses are slit-shaped, so that therefore the DCB substrate is substantially adapted to the meandering course of the arrangement of the thermoelectric elements, whereby the above-mentioned effect of avoiding damage to the thermoelectric elements and the contact points can be improved.
  • At least one corner region of the recesses can be rounded.
  • the DCB substrate may additionally be metallized on the underside, whereby the flatness of the substrate and the heat dissipation is improved.
  • underside is that page or Surface facing the surface having the thermoelectric elements.
  • thermoelectric elements can be housed at least partially, on the one hand to simplify the handling of the thermoelectric elements, on the other hand to better protect the thermoelectric elements against the attack of corrosive constituents of an exhaust gas or from the ambient air or by (spray) water or water vapor.
  • the heat source is an exhaust system of a motor vehicle, whereby the
  • thermoelectric elements are or will be arranged.
  • a simple installation or replacement in the event of a repair of the thermal generator is possible by namely the entire heat exchanger can be exchanged.
  • this exhaust gas is at least partially recycled in the heat exchanger, in turn, in this feedback region thermoelectric elements can be arranged.
  • thermoelectric elements can be arranged.
  • thermoelectric elements with variable distance from each other that is, with different occupation density over the length of the heat exchanger, proven advantageous because the hot exhaust gases gradually cool over the length of the heat exchanger. Nevertheless, higher densities with thermoelectric elements in colder zones mean that a corresponding voltage can be achieved, due to the lower occupation density at the beginning of the
  • Heat exchanger that is in the inlet region of the hot exhaust gases, no voltage spikes occur. It is also possible in this case that the heat exchanger for the guidance of the hot exhaust gases is designed meandering. For a better understanding of the invention, this will be explained in more detail with reference to the following figures.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a device according to the invention with strip-shaped thermoelectric elements arranged in an oblique view.
  • Fig. 3 shows the arrangement of thermoelectric elements on a heat exchanger
  • Fig. 4 shows an embodiment of the thermoelectric elements in modular design in
  • FIG. 5 a side view of a variant of a device according to the invention with a meandering heat exchanger tube;
  • thermogenerator 6 shows a detail of a thermogenerator in an exploded view
  • Fig. 7 shows the detail of FIG. 1 with an additional thermoelectric element in
  • thermoelectric elements 8 is a plan view of a DCB substrate with partially arranged thermoelectric elements
  • thermogenerator 9 shows an embodiment variant of a thermogenerator according to the invention with stripe-shaped thermoelectric elements in oblique view
  • FIG. 11 shows the arrangement of thermoelectric elements on a heat exchanger in FIG.
  • Fig. 12 shows an embodiment of the thermoelectric elements in modular design in
  • Side view cut; 13 shows a variant of a device according to the invention with a meandering heat exchanger tube cut in side view.
  • thermoelectric elements 2 which are arranged in strips to form six element strips 3, wherein the thermoelectric elements 2 may be interconnected within an element strip 3, so that the element strips 3 may be integrally constructed of several parts.
  • One of the element strips 3 is shown in Fig. 2 in side view.
  • the thermoelectric elements 2 consist of a semiconductor material and are p-doped and n-doped, with a sequence of alternating p- and n-doped, thermoelectric elements 2 being arranged in the thermal generator 1 or in the element strips 3.
  • the element strips 3 each consist of a thermoelectric element 2, so that therefore the element strips 3 are each only p- or n-doped.
  • an element strip 3 preferably has at least one p-type and at least one n-doped thermoelectric element 2.
  • the element strips 3 may be straight.
  • an element strip 3 may also be formed meander-shaped.
  • the thermal generator 1 may also have less than or more than six such element strips 3, that is, for example, two, three, four, five, seven, eight, nine, ten, etc.
  • the thermoelectric elements 2 are electrically conductively connected to one another via guide elements 4, wherein the contact is made such that the thermoelectric elements 2 are connected in series with each other.
  • the contacting of the thermoelectric elements 2 with the guide elements 3 preferably takes place in the distal end regions 5 of the element strips 3.
  • the contacting can, however, also be arranged in another region of the thermoelectric elements 2.
  • thermoelectric elements 2 As shown in FIG. 2, is not shown in FIG. 1 for reasons of better illustration.
  • thermoelectric elements 2 and the guide elements 4 thereto. It is also possible that between the thermoelectric elements 2 and the guide elements 4, one or more intermediate layers are arranged and connected thereto. It is also possible that the contacting of the element strips 3 with each other as shown in Fig. 1 alternately top and bottom or these contacts are each arranged on the same side, ie only above or only below, based on the relative position of the element strips 3 in Fig. 1. Within an element strip 3, the individual thermoelectric elements 2 are connected in series with each other in an electrically conductive manner.
  • thermoelectric elements 2 For tapping the voltage generated in the thermoelectric elements 2 electrical lines 6, 7 are provided in the form of a positive pole 8 and a negative pole 9, wherein these two terminals 5, 6 are in turn arranged in the distal end portions 5 of the element strips 3 and After the thermoelectric elements 2 are contacted with each other in series, respectively, these terminals 5, 6 are formed on the first and last element strips 3, respectively, as shown in FIG.
  • the guide elements 4 are electrically conductively connected to the thermoelectric elements 2 or element strips 3.
  • the temperature prevailing at the place of use must of course be taken into consideration, in particular if the thermal generator 1 is preferably in an exhaust system of a motor vehicle, for example before or after the catalytic converter of an exhaust system a motor vehicle, is arranged, as can prevail in these areas temperatures up to 700 ° C. In any case, an interruption of the contacts must be avoided.
  • thermoelectric elements 2 and, as a consequence, the element strips 3, as shown in FIG. 1, preferably have a rectangular cross section. However, it is within the scope of the invention, although this is not the preferred embodiment, to choose other cross-sectional shapes, such as square, hexagonal, octagonal, round, etc.
  • a base material for the production of the thermoelectric elements 2 is preferably a skutterudite or a powder composition from the class of Skutterudite or a corresponding mixture of the respective elements used. Skutterudites have the advantage, in particular with regard to the temperature resistance compared to conventional semiconductor materials, that they can be exposed to a higher temperature load and, in addition, that better efficiencies can be achieved.
  • thermogenerator 1 Within the scope of the invention with the thermogenerator 1, it is possible to achieve efficiencies of up to almost or just over 10%, whereas to date, efficiencies of around 6% have been achieved with thermoelectric generators from the prior art.
  • thermoelectric elements 2 As a p or n element, this base material from the class of skutterudites is p-doped or n-doped accordingly.
  • this base material from the class of skutterudites is p-doped or n-doped accordingly.
  • the dotie For example, at least one of Ba, Ca, Ce, Eu, Fe, Ge, In, La, Nd, Ni, Os, Pd, Pr, Pt, Ru, Sm, Sn, Sr, Te, Yb can be used.
  • skutterudites is the preferred embodiment of the invention, it is also possible within the scope of the invention to use other semiconductor materials, in particular for temperature applications well below 700 ° C. Examples of these are Bi 2 Te 3 / Sb 2 Te 3 , PbTe-PbSe-PbS, (SiGe), Chlatrate, such as Ba 8 Ga 6 Ge 3 o, Zn 4 Sb 3 , etc.
  • the element strips 3 are at a distance 10 to each other arranged. According to the invention, it is now provided that this distance 10 over an entire length 11, which is indicated in Fig. 1 with an arrow and over which the individual, element strips 3 are arranged distributed, is not constant, but this distance 10 changes over this length 11.
  • At least one of the distances 10 between two element strips 3 is different from the further distances 10 between the element strips 3, that is to say that in the simplest case, the remaining distances 10 can be constant except for one of the distances 10 and only one of the distances 10 be different.
  • these distances 10 are generally variable, so that these distances 10, ie their values, change over the entire length 11 between each of the element strips 3.
  • the distance 10 between two elemental strips 3 in that region in which the temperature is greatest will be greatest and will already prevail in areas in which due to the cooling of the heat source, for example the exhaust gases of a motor vehicle, lower temperatures prevail the distance 10 is reduced accordingly.
  • the density of the arrangement of the ElmentestAIN 3, and thus the thermoelectric elements 2, in the temperature field of the heat source over the length 11 of the thermal generator 1 is varied, wherein in the relatively lower temperature regions, a higher density of thermoelectric elements 2 is arranged as in areas of relatively high temperature. It is thus achieved that the efficiency of the thermal generator 1, that is, the efficiency of the thermal generator 1, can be improved by namely voltage fluctuations due to the temperature fluctuations in the thermal generator 1 can be better compensated or better taken into account.
  • the distances in the y direction ie the distances between the individual thermoelectric elements 2, be varied ,
  • the thermal generator 1 in an exhaust system of a motor vehicle is that the element strips 3 vertically, that is at least approximately at right angles to the flow direction of the exhaust gases or in other words perpendicular to the longitudinal extent, that is the length 11th of the thermal generator 1 are aligned, as shown in Fig. 1.
  • FIG. 3 shows a device 12 which, in addition to the thermogenerator 1, also comprises a heat exchanger 13 as a heat source for the thermogenerator 1.
  • this heat exchanger 13 is formed by a heat exchanger tube or a heat exchanger profile with at least approximately rectangular cross section, wherein according to arrow 14, the exhaust gases forming the primary heat source are introduced into this heat exchanger profile and flow through this.
  • the thermoelectric elements 2 of the thermogenerator 1 in the form of the element strips 3 are arranged, according to the statements to the thermogenerator 1 according to FIG. 1.
  • the element strips 3 by means of a connecting means 15th be thermally conductively connected to the surface of the heat exchanger 13 and the heat exchanger profile.
  • connection means 15 are known from the prior art.
  • the distance 10 between two element strips 3 in the flow direction of the exhaust gases according to arrow 14 over the length 11 of the device 12 is varied according to the invention, wherein upon entry of hot exhaust gases (in the left part of Fig. 3) in the heat exchanger 13 the distance 10 is selected to be greater than when the exhaust gases exit (in the right-hand part of FIG. 3) from the heat exchanger 13.
  • the device 12 can be housed at least approximately entirely with a sheath 16, whereby the thermoelectric elements 2 can be better protected against environmental influences.
  • this also creates a Device 12, which can be installed as an entire unit in the exhaust system of a motor vehicle, so for example in the exhaust pipes, or this device 12 can even replace a part of an exhaust pipe of a motor vehicle, similar to the installation of a catalyst.
  • thermoelectric elements 2 due to the strip-shaped arrangement of the thermoelectric elements 2, a variable arrangement over the length 11 of the device 12 becomes possible, that is to say that the distances 10 correspond to the expected temperature profile of the heat source over the length 11 can be adapted to the device 12, so that a further optimization of the economy of the device 12 can be achieved.
  • the individual element strips 3 may also be provided with a covering 17.
  • a section of a device 12 is shown in cross section.
  • two element strips 3 of the thermal generator 1 are combined to form a module, wherein in this embodiment, between the element strips 3 of a
  • an insulating member 18 is arranged, which preferably fills the entire area between the element strips 3.
  • the insulating element 18 consists of an electrically and thermally insulating material, for example of a ceramic. With the aid of the insulating element 18, a reduction of the heat radiation is achieved by the thermoelectric elements 2, whereby the efficiency of the thermal generator 1 can be improved. Alternatively or additionally, it is also possible, as shown in Fig. 2, that between the thermoelectric elements 2, ie in the y direction, such insulating elements 18 are arranged.
  • the device 12 according to FIG. 4 comprises at least two of these modules, wherein optionally the area between the modules can also be filled with an insulating element 16, not shown, if required.
  • thermoelectric elements 2 are connected in series in series with each other.
  • a module can also have only one element strip 3, as shown in FIG. It is therefore not absolutely necessary for a module to comprise a plurality of element strips 3.
  • modules for example three, four, five, six, etc.
  • a module to have more as two element strips 3, for example, three, four, five, six, etc., may have.
  • the modules not only include the thermoelectric elements 2 and possibly the insulating elements 18, but a complete, modular design of the device 1 takes place, so that the modules include the heat exchanger 13 and in the subsequent application, the individual modules accordingly of the invention with non-constant distance 10 between the element strips 3 over the length 11 in or on one
  • FIG. 5 shows a variant embodiment of the device 12 in which the heat exchanger 13 is meander-shaped, that is, the heat exchanger profile has at least one return, wherein the heat exchanger profile according to the embodiment of FIG. 5 in the illustrated cross-sectional variant is S-shaped.
  • the heat exchanger 13 may comprise a plurality of heat exchanger profiles and to be arranged on at least a plurality of the heat exchanger profiles, preferably on all, thermoelectric elements 2.
  • thermoelectric elements 2 can be arranged in the device 12.
  • thermoelectric elements 2 in FIG. 5 are only indicated more in the modular design according to FIG. 4 and reference is made to details for this, for example, to the embodiment according to FIG. 4 or FIG.
  • thermoelectric elements 2 and the modules are arranged not only in the flow direction of the exhaust gases according to arrow 14 in succession, but that as shown in Fig. 5 is shown in broken lines, such modules or element strips 3 are also arranged one above the other , In this case, the modules can lie directly against one another or else be arranged at a distance from one another.
  • Such a possibility of arrangement exists both in the thermal generator 1 and in the device 12.
  • each module has at least partially such a casing 16 for itself, which can have mutually corresponding recesses at the corresponding points for contacting, that is to say for the electrically conductive connection of the individual modules to arrange the electrical guide elements 4.
  • the sheath 16 may be made of plastic, a ceramic or preferably of metal or of combinations of these materials, for example.
  • thermoelectric elements 2 preferably have a height 19 (FIG. 1) of at least 1 mm. This height 19 is oriented perpendicular to the entire length 11 of the device 12 and the thermogenerator 1, as shown in Fig. 1. A cross-sectional area of the thermoelectric elements 2, viewed in the direction of a contacted end face of the thermoelectric elements 2, is preferably at least 4 mm
  • a ratio of the height 19 in millimeters to the cross-sectional area in square millimeters of the thermoelectric elements 2 is selected from a range with a lower limit of 1: 100 and an upper limit of 4: 1, wherein the ratio is considered dimensionless is.
  • thermoelectric elements 2 and / or the element strips 3 have a different cross-section, so for example the
  • thermoelectric elements 2 or the element strips 3 in the direction of the length 11 of the device 12 and the thermogenerator 1 is greater.
  • an element strip 3 is understood to be an element whose length is at least twice, preferably at least four times, in particular six times, as large as the smallest dimension defining the cross section of the element.
  • an edge length of 1.5 mm of a rectangular cross-section in the sense of the definition, the shorter edge length of the two edge lengths is used here). means) so the length can be at least 3 mm. So it has the strip on a significant length.
  • Another heat exchanger is arranged with at least one coolant line.
  • thermoelectric elements 2 and the thermoelectric generator 1 are operated by utilizing the Seebeck effect, which is known to generate an electrical voltage by the different temperature at the different semiconductor materials.
  • Seebeck effect which is known to generate an electrical voltage by the different temperature at the different semiconductor materials.
  • thermoelectric elements 2 are operated by utilizing the Peltier effect, ie that power is supplied and thus a cooling of the environment of the thermoelectric elements 2 is achieved.
  • the thermoelectric elements 2 can in principle be produced by processes known from the prior art, they are preferably produced by means of a sintering process in such a way that no or only minimal reworking of the elements 2 is required.
  • FIGS. 6 and 7 show a detail of a preferred embodiment of a
  • thermoelectric generator 101 in exploded view or oblique view.
  • This thermoelectric generator 101 comprises a plurality of thermoelectric elements 102.
  • the thermogenerator 101 it is preferred for reasons of achievable performance that the thermoelectric generator 101 has more than two thermoelectric elements 102, the exact number of thermoelectric elements 102 directed to the desired voltage.
  • the thermal generator 101 a Array of thermoelectric elements 102 having between 20 and 300 thermoelectric elements 102.
  • thermoelectric elements 102 As base material for the production of the thermoelectric elements 102, a skutterudite or a powder composition from the class of skutterudites or a corresponding mixture of the respective elements is preferably used. Skutterudites have the advantage, in particular with regard to the temperature resistance compared to conventional semiconductor materials, that they can be exposed to a higher temperature load and, in addition, that better efficiencies can be achieved.
  • thermoelectric generator 101 it is possible to achieve efficiencies of up to approximately or just over 10%, whereas to date, efficiencies of around 6% have been achieved with thermoelectric generators from the prior art.
  • this base material from the class of skutterudites is p-doped or n-doped accordingly.
  • doping for example, at least one of Ba, Ca, Ce, Eu, Fe, Ge, In, La, Nd, Ni, Os, Pd, Pr, Pt, Ru, Sm, Sn, Sr, Te, Yb may be used become.
  • skutterudites is the preferred embodiment of the invention, it is also possible within the scope of the invention to use other semiconductor materials, in particular for temperature applications well below 700 ° C.
  • examples include Bi2Te3 / Sb2Te3, PbTe-PbSe-PbS, (SiGe), Chlatrate, such as Ba8Gal6Ge30, Zn4Sb3, etc.
  • thermoelectric elements 102 are manufactured by a sintering process. These can be prepared as already finished elements or cut out of a larger sintered block or a sintered plate.
  • the thermal generator further comprises a substrate 103 on which the thermoelectric elements 102 are arranged.
  • This substrate 103 is formed in particular planar and preferably consists of a ceramic.
  • the substrate 103 may be selected from at least one ceramic selected from the group consisting of or consisting of Al 2 O 3, AlN, Si 3 N 4 and glass ceramics.
  • the substrate 103 consists of A1 2 0 3rd
  • the substrate 103 is preferably provided on at least one surface 104 with a metallic layer 105, preferably also on the surface 104 opposite
  • the metallic layer 105 is formed by copper or a copper alloy.
  • the metallic layer (s) 105 are in particular applied directly to the substrate 103, for example by vapor deposition of the substrate 103.
  • the substrate 103 may have a layer thickness selected from a range with a lower limit of 0.1 mm, in particular 0 , 3 mm and an upper limit of 2 mm, in particular 1.5 mm.
  • the metallic layer 105 may have a layer thickness selected from a range having a lower limit of 0.1 mm and an upper limit of 0.5 mm, especially 0.3 mm.
  • DGB direct copper bonded
  • a diffusion barrier layer 107 is preferably disposed on a bottom surface of the thermoelectric elements 102.
  • the diffusion barrier layer 107 may be in direct contact with the respective thermoelectric element 103.
  • the thermoelectric element 102 may be coated with the material for the diffusion barrier layer 107, for example by a PVD method, such as e.g. Magnetron sputtering, atomic layer deposition (ALD), laser ablation.
  • a material selected from a group consisting of Nb, Ni, W, Mo, Ru, Pd, Ti, Ta is preferably used.
  • the diffusion barrier layer 107 is nitrides of these elements.
  • the diffusion barrier layer 107 may have a layer thickness selected from a range having a lower limit of 60 nm and an upper limit of 100 ⁇ m.
  • the thermoelectric element 102 optionally with the diffusion barrier layer 107 arranged, is connected to the substrate 103, which is the cold side of the thermal generator 101, via a connection layer 108 arranged between the thermoelectric element 102 and the substrate 103.
  • This bonding layer 108 may be made as a soldering layer by soldering or by NVT (Low Temperature Bonding) technique.
  • the material for the connecting layer 108 may be adapted to the respective materials of the further layers of the thermal generator, for example, be formed from a Mo-Cu, a Fe-Ni or a Ni-Ti alloy.
  • the connection layer 108 may have a layer thickness selected from a range having a lower limit of 10 ⁇ and an upper limit of 300 ⁇ .
  • thermoelectric elements 102 of the thermogenerator 101 arranged next to one another are electrically conductively connected to one another via a conductor element 109.
  • the electrically conductive connection of two juxtaposed thermoelectric elements 102 on the cold side in the region of the substrate 103 takes place in the illustrated embodiment via the metallic layer 105, in particular over a copper layer.
  • the electrically conductive connection is made in such a way that the thermoelectric elements 102 are connected in series, ie that the two juxtaposed thermoelectric elements 102 are connected in an electrically conductive manner alternately on the cold side and the hot side.
  • a material for the guide member 109 is a metal or a metal alloy can be used, or the selected comprising or consisting of Mo, Cu from the group Mo 5 OCU 50, Mo 70 Cu 30 Fe-Ti alloys, Fe-Ni alloys.
  • the guide element 109 consists of Mo 65 Cu35 or of a Ni-Ti alloy or a Fe-Ni alloy, in particular with an oxidation protective coating.
  • Ni-Ti alloys or an Fe-Ni alloys used which a Wäremausdehnungs- coefficient of maximum ⁇ "6 K " 1 and / or an electrical conductivity of at least 4 ⁇ 10 -6 m- 1 and / or a thermal conductivity of at least 15 W / mK
  • a FesoNiso can be used.
  • the oxidation protection coating of a guide element 109 can represent an independent invention, regardless of how the thermo generator 101 is further constructed or which materials are used for the individual layers.
  • connection of the guide element 109 via an adhesive layer or a sprayed-on layer or a layer produced according to a low-temperature connection technique is advantageous but not absolutely necessary.
  • a guide element 109 for thermal generators 101 provided with the oxidation protection coating or at least one oxidation protection layer constitutes an independent invention.
  • the guide element 109 may have a layer thickness selected from a range having a lower limit of 0.1 mm and an upper limit of 1.5 mm.
  • the connection of the guide element 109 is carried out according to a first embodiment via an adhesive 110 which forms an adhesive layer 111.
  • the adhesive 110 may, for example, consist of an inorganic binder composition in which silver particles are contained. In particular, a high temperature adhesive is used. 110 pyro- ® is particularly preferred as an adhesive duct used. According to a preferred embodiment, an adhesive 110 is used, the required oxygen to setting or hardening, such as Pyroduct ®.
  • thermoelectric layer 111 preference is given to using an adhesive 110 whose thermal expansion coefficient has a value of not more than ⁇ 20%, in particular not more than ⁇ 10%, of the thermal expansion coefficient of the material of the thermoelectric elements.
  • the adhesive layer 111 may have a layer thickness selected from a range with a lower limit of 10 ⁇ and an upper limit of 300 ⁇ .
  • the guide element 109 by means of a, in particular thermal, spraying method, such as plasma spraying, flame spraying, HVOF, plasma precision syringes, or combinations of these methods, or by means of low-temperature Connection technology, such as silver sintering, sprayed directly onto the thermoelectric elements 102 to be joined on the top surface. Since the thermal spraying processes are known in principle, reference is made to the relevant literature for further details.
  • the guide element 109 in this case may have a layer thickness selected from a range with a lower limit of 0.2 mm and an upper limit of 2 mm.
  • a diffusion barrier layer 112 which is connected to the thermoelectric element 102 and the adhesive layer 111 or the guide element 109, to be disposed between the adhesive layer 111 and the sprayed guide element 109.
  • This diffusion barrier layer 112 may be the same as described above diffusion barrier layer 107 between the connection layer 108 and the thermoelectric element 102 on the cold side.
  • nitrides of these elements are used for the diffusion layer 112.
  • the formation of the diffusion layer 112 may be accomplished by directly coating the surface facing the baffle 109, i. the top surface of the thermoelectric element 102, for example by a PVD method, sputtering, atomic layer deposition (ALD), laser ablation.
  • PVD physical vapor deposition
  • ALD atomic layer deposition
  • an oxidation barrier layer 117 and / or sublimation barrier layer may be arranged, in particular connected to the thermoelectric element 102.
  • the oxidation barrier layer 117 and / or Sublimationssperr GmbH may consist of a material which is selected from a group comprising or consisting of Cr, Si, A1 2 0 3, Zr0 2, Al 2 Ti0 3, NbN, TaN, WN, and combinations thereof. In particular, A1 2 0 3 is used . It is also possible that the oxidation barrier layer 117 simultaneously forms the sublimation barrier layer, ie, not two separate layers are applied to the thermoelectric element 102. In this case, the oxidation barrier layer may consist of Al 2 O 3 .
  • the oxidation barrier layer 117 and / or the sublimation barrier layer may have a layer thickness which is (in each case) selected from a region having a lower limit of 60 nm and an upper limit of 300 ⁇ m.
  • the oxidation barrier layer 117 and / or the sublimation barrier layer can be produced, for example, by one of the methods mentioned or, for example, by electron beam vapor deposition
  • thermoelectric elements 102 extend over only a partial region of the height of the thermoelectric elements 102, it goes without saying that there is the possibility that this layer (s) extends over the entire height of the thermoelectric elements 102 or extend.
  • thermoelectric elements 102 shows a top view of a substrate 103, preferably a DCB substrate, with thermoelectric elements 102 arranged thereon.
  • the connection of the thermoelectric elements 102 is preferably carried out as described with reference to FIGS. 6 and 7 via the connection layer 108, not shown, if desired Intermediate arrangement of the diffusion barrier layer 107.
  • the structure and the arrangement of the individual further layers of the thermal generator 101 formed with this substrate 103 with the thermoelectric elements 102 which are likewise not shown in FIG.
  • thermoelectric elements 102 are arranged in the embodiment of FIG. 3 in the form of rows 118, wherein on the substrate 103, a plurality of rows 118 are arranged side by side. For example, 36 thermoelectric elements 102 may be arranged on the substrate 103, which are divided into 6 rows 118. These details have but in terms of the invention only exemplary character, so that a different number of thermoelectric elements 102 may be present.
  • thermoelectric elements 102 may be connected in series entirely, so that therefore the thermoelectric elements 102 have a meandering course.
  • thermoelectric elements 102 are connected in series within a row 118, but that the rows 118 are connected in parallel to each other.
  • the substrate 103 has a positive pole 119 (on the right) and a negative pole 120
  • the two external contacts are arranged on the same side of the substrate 103, but there is also the possibility that one of the poles is arranged on another side, for example the opposite side.
  • the two poles consist of a metal or a metallic alloy, in particular of Cu or a Cu alloy.
  • thermoelectric elements 102 are electrically connected to the thermoelectric elements 102.
  • thermoelectric elements 102 are arranged and electrically conductively connected to each other.
  • this has recesses 121, in particular openings, between the rows 118 of thermoelectric elements 102 for the reasons stated above.
  • These recesses 121 are in particular slit-shaped, as shown in Fig. 3.
  • these Ausnelimungen 121 but also have a different shape.
  • the closed corner region 122 is rounded in the slot base or executed with a cross-sectional widening, wherein a radius of curvature may be selected from a range having a lower limit of 0.2 mm and an upper limit of 1 mm.
  • the cross-sectional widening may, for example, be in the form of a bore having a diameter which is greater than the width of the slot.
  • the substrate also receives a meander-shaped appearance through the slot-shaped recesses 121, likewise in plan view.
  • thermogenerator 101 which, owing to the thermoelectric elements 102 arranged on the cold side on the substrate 103, has good handleability and, moreover, by the skeleton structure on the hot side - the thermoelectric elements 102 are here only via the guide elements 109 communicating with each other to form an open structure on the hot side-allowing thermal expansion of the thermal generator 101, thereby reducing the risk of damaging the thermal generator 101.
  • FIG. 9 shows an oblique view of a thermal generator 101 according to the invention.
  • this comprises a plurality of p-doped and n-doped thermoelectric elements 102, which are arranged in strips to form six element strips 123, wherein the thermoelectric elements 102 can be interconnected within an element strip 123, so that the element strips 123 are integrally formed from a plurality Parts can be constructed.
  • One of the element strips 123 is shown in side view in FIG. But it is also possible that the element strips 123 each consist of a thermoelectric element 102, so that therefore the element strips 123 are each only p- or n-doped.
  • the thermal generator 101 may also have fewer or more than six such element stripes 123, e.g. also two, three, four, five, seven, eight, nine, ten, etc.
  • thermoelectric elements 102 are electrically conductively connected to one another via the guide elements 109 in series. As can be seen from FIG. 9, the contacting takes place thermoelectric elements 102 with the guide elements 109 preferably in the distal end regions 124 of the element strips 123. However, the contacting can also be arranged in another region of the thermoelectric elements 102. It should be noted at this point that in Fig. 6, only the contacting of the element strips 123 is shown together. The contacting of the thermoelectric elements 102 can be carried out as described above for FIGS. 6 and 7.
  • thermoelectric elements 102 are connected in series with each other in an electrically conductive manner.
  • thermoelectric elements 102 For tapping the voltage generated in the thermoelectric elements 102, the positive pole 119 and the negative pole 120 are provided.
  • the thermoelectric elements 102 and, in sequence, the element stripes 123 e.g. in the figure shown on a rectangular cross-section.
  • thermoelectric elements 102 is perpendicular, that is at least approximately at right angles to the flow direction of the exhaust gases or in other words perpendicular to the Longitudinal extension, that is, the length of the thermal generator 101, are aligned, as shown in Fig. 9. It is also possible in the above-described embodiment of the thermogenerator 101 with slotted DCB substrate between the individual rows - as viewed in the longitudinal direction of the slot-shaped recesses 121 - to use different distances from thermoelectric elements 102. For example, the slot-shaped recesses 121 may at least partially have a different slot width.
  • FIG. 11 shows a device 125 which, in addition to the thermogenerator 101, also comprises a heat exchanger 126 as a heat source for the thermogenerator 101.
  • this heat exchanger 126 is formed by a heat exchanger tube or a heat exchanger profile with at least approximately rectangular cross section, wherein according to arrow
  • thermoelectric elements 102 of the thermogenerator 101 are arranged in the form of the element strips 123.
  • the elementary test strips 123 can be thermally conductively connected to the surface of the heat exchanger 126 or the heat exchanger profile by means of a connection means 128.
  • connection means 128 are known from the prior art.
  • thermoelectric elements may be housed at least approximately entirely with a sheath 129, whereby the thermoelectric elements
  • this also creates a device 125, which can be installed as an entire unit in the exhaust system of a motor vehicle, so for example in the exhaust pipes, or this device 125 even replace a part of an exhaust pipe of a motor vehicle, similar to the installation of a catalyst.
  • the individual element strips 123 may also be provided with a covering 130.
  • FIG. 12 shows a section of a device 125 in cross-section.
  • an insulating element 131 is arranged, which preferably fills the entire area between the element strips 123.
  • the insulating element 131 consists of an electrically and thermally insulating material, for example of a ceramic. With the aid of the insulating member 131, a reduction of the heat radiation from the thermoelectric elements 102 is achieved, whereby the efficiency of the thermal generator 101 can be improved.
  • thermoelectric elements 102 it is also possible, as shown in FIG. 10, for such insulating elements 131 to be arranged between the thermoelectric elements 102.
  • the device 125 according to FIG. 12 comprises at least two of these modules, wherein optionally the area between the modules can also be filled with an insulating element 131, not shown, if required.
  • the modules themselves may in turn be connected via a connecting means 128 to the surface of the heat exchanger 126. Likewise, contacting takes place by means of the guide elements 109 between the modules, as a result of which the thermoelectric elements 102 are connected in series with one another in their entirety.
  • a module can also have only one element strip 123, as shown in FIG. 10. It is therefore not absolutely necessary for a module to comprise a plurality of element strips 123.
  • thermo-generator 101 thermo-generator 101
  • one module also more as two element strips 123 for example, three, four, five, six, etc., may have.
  • the modules can comprise not only the thermoelectric elements 102 and, if appropriate, the insulating elements 131 and the above-described FIGS. 6 to 8. but a complete, modular design of the device 125 is carried out, so that the modules and the heat exchanger 126th
  • FIG. 13 shows a variant embodiment of the device 125 in which the heat exchanger 126 is meander-shaped, that is to say the heat exchanger profile has at least one return, wherein the heat exchanger profile according to the embodiment variant according to FIG. 13 is S-shaped in the illustrated cross-sectional variant.
  • the heat exchanger 126 may comprise a plurality of heat exchanger profiles and to be arranged on at least a plurality of the heat exchanger profiles, preferably on all the thermoelectric elements 102.
  • thermoelectric elements 102 in FIG. 13 are only indicated in the modular design and, for details, reference is made, for example, to the embodiment variant according to FIG. 12.
  • thermoelectric elements 102 and the modules are arranged not only in the flow direction of the exhaust gases according to arrow 127 in succession, but that as shown in Fig. 13 by dashed lines, such modules or element strips 123 are also arranged one above the other , In this case, the modules can lie directly against each other or even spaced from each other.
  • Such an arrangement possibility exists both in the thermal generator 101 and in the device 125.
  • each module has at least partially such an enclosure 129 for itself, which can have mutually corresponding recesses at the corresponding points for contacting, that is to say for the electrically conductive connection of the individual modules to arrange the electrical guide elements 109.
  • the sheath 129 may be made of plastic, a ceramic or preferably of metal or of combinations of these materials, for example.
  • thermoelectric elements 102 preferably have a height of at least 1 mm. This height is oriented perpendicular to the entire length of the device 125 and the thermo generator 101st
  • thermoelectric elements 102 viewed in the direction of a contacted end face of the thermoelectric elements 102, is preferably at least 4 mm 2 .
  • a ratio of the height in millimeters to the cross-sectional area in square millimeters of the thermoelectric elements 102 is selected from a range with a lower limit of 1: 100 and an upper limit of 4: 1, wherein the ratio is to be considered dimensionless ,
  • thermoelectric elements 102 and / or the element strips 123 have a different cross section, that is, for example, the cross section of the individual thermoelectric elements 102 or the element strips 123 in the direction of the length of the device 125 and the thermal generator 101 is larger.
  • an element strip 123 is understood to mean an element whose length is at least twice, preferably at least four times, in particular six times as large as the smallest dimension defining the cross section of the element.
  • the length can therefore be at least 3 mm.
  • the strip has a clear longitudinal extent.
  • thermoelectric elements 102 and the thermal generator 101 are operated by utilizing the Seebeck effect, which is known to generate an electrical voltage by the different temperature at the different semiconductor materials.
  • thermoelectric elements 102 always have the possibility that they are operated by utilizing the Peltier effect, ie, that power is supplied and thus a cooling of the surroundings of the thermoelectric elements 102 is achieved.
  • the thermoelectric elements 102 can in principle be produced according to methods known from the prior art, they are preferably produced by means of a sintering process in such a way that no or only minimal reworking of the elements 102 is required. It is also possible that the outer surfaces of the thermoelectric elements
  • thermoelectric elements 102 are made by sintering as a tool from a powder having a composition corresponding to a skutterudite.
  • the diffusion barrier layers 107 of NbN or WN or TaN are deposited by ALD.
  • the thermoelectric elements 102 are connected via the diffusion barrier layers 107 with the connecting layers 108 of Pyroduct ® or by silver sintering with the substrate 103 of A1 2 0 3 .
  • the substrate 103 has a double-sided Cu coating and is designed as shown in FIG. 8.
  • the Diffusionssperrschich- are ten 112 of NbN TaN or WN or deposited by ALD and the contacting with the guide elements 109 MoCu via the adhesive layer 111 from Pyroduct ®.
  • the oxidation barrier layers 117 of Al 2 O 3 + Zr0 2 are deposited by ALD prior to their arrangement on the substrate 103.
  • thermoelectric elements 102 which are connected in series.
  • Embodiment 2 is a diagrammatic representation of Embodiment 1:
  • the embodiment 1 is readjusted, wherein, however, not the adhesive layer III is used for contacting the thermoelectric elements 102 with the guide element 109, but the guide element 109 directly to the provided with the diffusion barrier layer 112 top surfaces of the thermoelectric elements 102 by thermal spraying of Mo and Cu is sprayed.
  • the exemplary embodiments show possible embodiments of the thermal generator 1, 101 wherein it should be noted at this point that the invention is not limited to the specifically illustrated embodiments of the same, but rather also various combinations of the individual embodiments are mutually possible and these variations Possibility due to the doctrine of technical action by objective invention in the skill of working in this technical field expert.
  • thermogenerators 1, 101 of these or their components have been shown partially unevenly and / or enlarged and / or reduced in size.
  • Thermogenerator 101 Thermogenerator 101.

Abstract

The invention relates to a thermogenerator (1, 101) comprising several thermoelectric elements (2, 102) arranged over a length (11) thereof, wherein in each case two thermoelectric elements (2, 102) are arranged at a distance (10) from each other. At least one of the distances (10) between two thermoelectric elements (2, 102), in particular in the x- and/or y-direction, differs from the other distances (10) and/or the thermoelectric elements (2, 102) are arranged in a strip-like manner as element strips (3, 123). Furthermore, two thermoelectric elements (2, 102) can be electroconductively connected to a conducting element (4, 109) respectively, wherein the conducting element (4, 109) is connected with in each case two thermoelectric elements (2, 102) to an adhesive (110) or wherein the conducting element (4, 109) is applied onto two thermoelectric elements (2, 102), respectively, which are electroconductively connected to each other by means of a, particularly thermal, spraying process or by means of low-temperature connection technology.

Description

Thermo gener ator  Thermal generators
Die Erfindung betrifft einen Thermogenerator umfassend über eine Länge verteilt mehrere thermoelektrische Elemente, wobei jeweils zwei thermoelektrische Elemente in einem Abstand zueinander angeordnet sind, einen Thermogenerator umfassend über eine Länge verteilt mehrere thermoelektrische Elemente, wobei jeweils zwei thermoelektrische Elemente in einem Abstand zueinander angeordnet und mit einem Leitelement elektrisch leitend verbunden sind, sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Wärme, umfassend eine Wärmequelle sowie zumindest einen Thermogenerator. The invention relates to a thermogenerator comprising a plurality of thermoelectric elements distributed over a length, wherein each two thermoelectric elements are arranged at a distance to each other, a thermoelectric generator comprising a plurality of thermoelectric elements distributed over a length, each two thermoelectric elements arranged at a distance from each other and with a Guide element are electrically connected, and a device for generating electrical energy from heat, comprising a heat source and at least one thermal generator.
Steigende Energiekosten sowie ein verstärktes Umweltbewusstsein forcieren in letzter Zeit Systeme, mit denen elektrische Energie aus Abwärme, die in der Vergangenheit ungenutzt an die Umwelt abgegeben wurde, gewonnen werden kann. Bekanntlich ist bei Verbrennungs- kraftmaschinen der Wirkungsgrad deutlich unter 100 %. Abgase von Kraftfahrzeugen, welche über das Abgassystem an die Umwelt abgegeben werden, haben üblicherweise noch Temperaturen von mehreren 100 °C. Andererseits ist es im Stand der Technik schon seit längerem bekannt, so genannte thermoelektrische Module einzusetzen, um aus Wärmequellen elektrischen Strom zu erzeugen. Bekanntlich liefern derartige thermoelektrische Module bei einer vorhandenen Temperaturdifferenz aufgrund des Seebeck-Effektes elektrischen Strom. Diese Module werden daher auch Seebeck-Module genannt. Increasing energy costs as well as increased environmental awareness have recently been forcing systems to extract electrical energy from waste heat that has been released to the environment in the past. As is known, in internal combustion engines, the efficiency is well below 100%. Exhaust gases of motor vehicles, which are discharged via the exhaust system to the environment, usually still have temperatures of several 100 ° C. On the other hand, it has long been known in the prior art to use so-called thermoelectric modules in order to generate electric current from heat sources. As is known, such thermoelectric modules deliver electrical current when there is a temperature difference due to the Seebeck effect. These modules are therefore also called Seebeck modules.
Thermoelektrische Module werden heute in Form von Arrays hergestellt, um annähernd die im Verbraucherstromkreis erforderliche Spannung zu erreichen. Diese Arrays sind für den Einsatz in einem stationären, über die Fläche des Arrays möglichst gleichmäßigen Temperaturumfeld konzipiert. Zusätzlich werden dabei üblicherweise diese Arrays in Kombination mit so genannten Heatspreadern eingesetzt, um eine möglichst gleichmäßige Verteilung der von der Wärmequelle abgegebenen Wärme auf das Array zu erreichen. Ein derartiges thermoelektrisches Modul ist beispielsweise aus der DE 10 2007 063 168 AI bekannt. Dieses besteht aus in einer ersten Lage angeordneten, elektrischen Leitelementen, aus in einer zweiten, zur ersten Lage beabstandeten Lage angeordneten, elektrischen Leitelementen, aus einer zwischen der ersten Lage und der zweiten Lage angeordneten Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen, aus mindestens einer Isolierschicht, mittels welcher die in erster Lage angeordneten, elektrischen Leitelemente relativ zu einer Wärmequelle oder die in der zweiten Lage angeordneten, elektrischen Leitelemente relativ zu einer Wärmesenke elektrisch isolierbar sind. Die mindestens eine Isolierschicht ist dabei aus einer Mehrzahl von Isolierschichtabschnitten gebildet, welche voneinander getrennt sind. Als Wärmequelle wird das Abgassystem einer diskontinuierlich arbeitenden Verbrennungseinrichtung genannt, insbesondere ein Abgassystem des Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges. Es wird damit die Aufgabe gelöst, ein thermoelektrisches Modul zu schaffen, welches einen guten Wir- " kungsgrad, eine kompakte Bauweise und einen möglichst spannungsfreien Betrieb eines thermoelektrischen Generators zu ermöglichen. Thermoelectric modules are now manufactured in the form of arrays to almost reach the voltage required in the load circuit. These arrays are designed for use in a stationary temperature environment that is as uniform as possible over the area of the array. In addition, these arrays are usually used in combination with so-called heat spreaders in order to achieve the most uniform possible distribution of the heat emitted by the heat source to the array. Such a thermoelectric module is known for example from DE 10 2007 063 168 AI. This consists of arranged in a first position, electrical guide elements, arranged in a second, spaced apart from the first layer position, electrical guide elements, from a disposed between the first layer and the second layer plurality of thermoelectric elements, of at least one insulating layer, by means of which the arranged in the first layer, the electrical guide elements relative to a heat source or arranged in the second layer, electrical guide elements are electrically insulated relative to a heat sink. The at least one insulating layer is formed from a plurality of Isolierschichtabschnitten, which are separated from each other. As a heat source, the exhaust system is called a discontinuous combustion device, in particular an exhaust system of the internal combustion engine of a motor vehicle. It is thus achieved the task of creating a thermoelectric module, which to enable a good Wir- "degree of efficiency, a compact design and as tension-free operation of a thermoelectric generator.
Vergleichbare thermoelektrische Module werden auch in der DE 10 2007 063 173 AI bzw. der DE 10 2007 063 196 AI beschrieben. Die Aufgabe vorliegender Erfindung besteht darin, einen Thermogenerator bzw. eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Wärme derart weiterzuentwickeln, dass dieser bzw. diese besser in das Temperaturfeld eines Abgassystems eines Kraftfahrzeuges integriert werden kann, um damit deren bzw. dessen Wirtschaftlichkeit zu verbessern. Gelöst wird diese Aufgabe jeweils eigenständig durch den eingangs genannten Thermogenerator, bei dem zumindest einer der Abstände zwischen zwei thermoelektrischen Elementen, insbesondere in x- und/oder y-Richtung, zu den weiteren Abständen zwischen zwei thermoelektrischen Elementen unterschiedlich ist und/oder bei dem diese thermoelektrischen Elemente streifenförmig angeordnet sind, sowie durch die eingangs genannte Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Wärme die zumindest einen erfindungsgemäßen Thermogenerator umfasst. Comparable thermoelectric modules are also described in DE 10 2007 063 173 AI and DE 10 2007 063 196 AI. The object of the present invention is to further develop a thermal generator or a device for generating electrical energy from heat such that this or these can be better integrated into the temperature field of an exhaust system of a motor vehicle, in order to improve their or their cost-effectiveness. This object is achieved independently by the above-mentioned thermal generator in which at least one of the distances between two thermoelectric elements, in particular in the x and / or y direction, is different from the further distances between two thermoelectric elements and / or in which these Thermoelectric elements are arranged in strips, and by the aforementioned device for generating electrical energy from heat which comprises at least one thermal generator according to the invention.
Eine weitere Aufgabe vorliegender Erfindung besteht darin, einen verbesseten Another object of the present invention is to improve one
Thermogenerator bzw. eine verbesserte Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Wärme derart zu schaffen. Thermogenerator or an improved device for generating electrical energy from heat to create such.
Diese Aufgabe der Erfindung wird jeweils eigenständig durch einen eingangs genannten Thermogenerator gelöst, bei dem das Leitelement mit jeweils zwei thermoelektrischen Elementen mit einem Kleber verbunden ist oder dass das Leitelement auf jeweils zwei miteinander elektrisch leitend verbundene thermoelektrische Elemente durch ein, insbesondere thermisches, Spritzverfahren oder mittels Niedertemperaturverbindungstechnik aufgebracht ist, oder bei dem die thermoelektrischen Elemente auf einem DCB-Substrat angeordnet sind, sowie durch die eingangs genannte Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Wärme bei der der Thermogenerator erfindungsgemäß ausgebildet ist. This object of the invention is achieved independently by a thermogenerator mentioned above, in which the guide element with two thermoelectric Elements is connected to an adhesive or that the guide element is applied to each two electrically conductively connected thermoelectric elements by a, in particular thermal, spraying or by means of low temperature connection technology, or in which the thermoelectric elements are arranged on a DCB substrate, and by the above said device for generating electrical energy from heat in which the thermal generator is designed according to the invention.
Unter einem Thermogenerator wird im Sinne der Erfindung ein thermoelektrischer Generator zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie verstanden. In the context of the invention, a thermoelectric generator is understood to mean a thermoelectric generator for converting thermal energy into electrical energy.
Durch diese variable Anordenbarkeit der thermoelektrischen Elemente wird es möglich, Temperaturfeldschwankungen, das heißt Schwankungen in der Temperatur, mit der der erfin- dungsgemäße Thermogenerator bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung während des Betrie- bes beaufschlagt wird, besser ausgleichen zu können, sodass einer dadurch verursachtenAs a result of this variable arrangement of the thermoelectric elements, it becomes possible to better compensate for temperature field fluctuations, that is to say fluctuations in the temperature with which the inventive thermogenerator or the device according to the invention is applied during operation, so that one thereby causes
„Verstimmung" des Thermogenerators bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung besser entgegen gewirkt werden kann. Dies hat zur Folge, dass die Leistungsausbeute der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen aus dem Stand der Technik mit gleichem effektiven Volumen an thermoelektrischen Elementen zumindest im Wesentli- chen durch diese„Verstimmung" nicht negativ beeinflusst wird, dass heißt, dass die Leistungsausbeute nicht massiv durch derartige Temperaturschwankungen sinkt. Der Grund für das Sinken der Leistungsausbeute bei bekannten, thermoelektrischen Generatoren liegt darin, dass die spannungabgebenden, thermoelektrischen Elemente in Serie geschaltet werden, um eine für die nachfolgende Spannungswandlung auf Bordnetz-Niveau, das heißt auf das Niveau des Kraftfahrzeuges, günstige Ausgangsbasis für einen hohen Wandlerwirkungsgrad zu haben. Dies bewirkt allerdings bei kleinräumigen Temperaturänderungen eine schlechte Spannungsausbeute, da thermoelektrische Elemente mit hoher Spannung mit solchen mit niedriger Spannung in Serie geschaltet sind. Zudem kann mit der erfindungsgemäßen Anordnung der thermoelektrischen Elemente eine höhere Lebensdauer des Thermogenerators bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreicht werden, da die genannten kleinräumigen Temperaturunterschiede nicht bzw. nicht wesentlich zu einer Verschärfung der mechanischen Beanspruchung des erfindungsgemäßen Thermoge- nerators bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung führt. This has the consequence that the power output of the device according to the invention in comparison with known devices of the prior art with the same effective volume of thermoelectric elements at least substantially by this "detuning" is not adversely affected, that is, that the power output does not decrease massively by such temperature fluctuations. The reason for the decrease in the power output in known, thermoelectric generators is that the voltage-emitting, thermoelectric elements are connected in series, in order for the subsequent voltage conversion to electrical system level, that is to the level of the motor vehicle, favorable starting base for a high Have converter efficiency. However, this causes a poor voltage yield in the case of small-scale temperature changes, since thermoelectric elements of high voltage are connected in series with those of low voltage. In addition, can be achieved with the inventive arrangement of the thermoelectric elements, a longer life of the thermal generator or the device according to the invention, since said small-scale temperature differences are not or not essential leads to a tightening of the mechanical stress of the thermo generator according to the invention or the device according to the invention.
Durch die streifenförmige Anordnung der thermoelektrischen Elemente ist auch deren Handhabung während des Einbaus einfacher zu gestalten und kann damit die Anzahl der Due to the strip-shaped arrangement of the thermoelectric elements and their handling during installation easier to make and thus the number of
Außenanschlüsse reduziert werden. Insbesondere wird es damit möglich, diese thermoelektrischen Elemente hinsichtlich ihrer Verteilung in der verfügbaren Wärmequelle bzw. umgekehrt die Verteilung der verfügbaren Wärmemenge aus der Wärmequelle entsprechend einfach anzupassen, indem beispielsweise beim Eintritt des Heißgases die thermoelektrischen Elemente in geringerer Dichte angeordnet werden als in jenem Bereich, in dem das Heiß gas bereits eine Abkühlung erfahren hat. External connections are reduced. In particular, this makes it possible to adapt these thermoelectric elements according to their distribution in the available heat source or vice versa, the distribution of the available amount of heat from the heat source accordingly, for example, by the thermoelectric elements are arranged at a lower density than in that area when entering the hot gas, in which the hot gas has already experienced a cooling.
Es sei darauf hingewiesen, dass prinzipiell die Möglichkeit besteht, dass die thermoelektrischen Elemente zu einem Elementestreifen zusammengefasst werden, jedoch im Rahmen der Erfindung die Aufteilung der thermoelektrischen Elemente auf mehrere Elementestreifen bevorzugt wird. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass ein Elementestreifen lediglich aus einem thermoelektrischen Element besteht. It should be noted that, in principle, there is the possibility that the thermoelectric elements are combined to form an element strip, but in the context of the invention the division of the thermoelectric elements onto a plurality of element strips is preferred. Furthermore, there is the possibility that an element strip consists only of a thermoelectric element.
Durch die Klebeverbindung bzw. die durch thermisches Spritzen erzeugte Schicht können relativ dünn ausgeführt werden, wodurch eine höhere Lebensdauer des Thermogenerators bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreicht werden kann, da kleinräumige Due to the adhesive bond or the layer produced by thermal spraying can be made relatively thin, whereby a longer life of the thermal generator or the device according to the invention can be achieved as small-scale
Temperaturunterschiede nicht bzw. nicht wesentlich zu einer Verschärfung der mechanischen Beanspruchung des erfindungsgemäßen Thermogenerators bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung führen. Zur weiteren Verbesserung dieses Effektes kann insbesondere die Klebeschicht in bestimmten Grenzen mit einer Flexibilität ausgestattet werden, beispielsweise indem diese mit einer höheren Schichtdicke ausgeführt wird, wodurch die mechanische Beanspruchung der Kontaktstellen während der Verwendung des Thermogenerators weiter reduziert werden kann. Darüber hinaus ist damit auch eine gute Haftfestigkeit der Verbinung erreichbar und sind die genannten Verbindungsmethoden in der industriellen Fertigung gut beherrschbar, wodurch die industrielle Fertigung von Thermogeneratoren - vielfach werden diese noch per Hand zusammengebaut - ermöglicht wird, und in der Folge hochwertige Thermogeneratioren kostengünstiger herstellbar sind. Durch die Verwendung eines DCB-Substrates zur Anordnung der thermoelektrischen Elemente wird der Vorteil erreicht, dass damit mit einfachen Mitteln unterschiedliche Ober- flächengrößen und -gestalten für unterschiedliche Anordnungen der thermoelektrischen Elemente zur Verfügung gestellt werden können. Zudem kann damit eine relativ eben Temperature differences do not or not significantly lead to a tightening of the mechanical stress of the thermal generator or the device according to the invention. To further improve this effect, in particular the adhesive layer can be equipped within certain limits with a flexibility, for example by running it with a higher layer thickness, whereby the mechanical stress of the contact points during use of the thermal generator can be further reduced. In addition, thus a good bond strength of the compound can be achieved and the said connection methods in industrial manufacturing are well manageable, whereby the industrial production of thermal generators - many of which are still assembled by hand - is made possible, and as a result high-quality Thermogeneratioren are cheaper to produce , By using a DCB substrate for the arrangement of the thermoelectric elements, the advantage is achieved that, with simple means, different surface sizes and shapes can be made available for different arrangements of the thermoelectric elements. In addition, it can be a relatively even
Oberfläche zur Verfügung gestellt werden, die in der weiteren industriellen Fertigung des Thermogenerators, insbesondere in Hinblick auf die Anordnung der thermoelektrischen Elemente, von Vorteil ist. Zudem kann damit ein komplettes Array von thermoelektrischen Elementen kostengünstig aufgebaut werden und ist dabei auch die Variabiltät der Array- gestaltung von Vorteil. Surface are provided, which is in the further industrial production of the thermal generator, in particular with regard to the arrangement of the thermoelectric elements, an advantage. In addition, a complete array of thermoelectric elements can be constructed inexpensively and the variability of array design is also advantageous.
Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass sich der Abstand zwischen zwei thermoelektrischen Elementen über die Länge des Thermogenerators mit einer Exponentialfunktion ändert. Es kann damit der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Vorrichtung weiter verbessert werden. According to an embodiment variant of the invention, it is provided that the distance between two thermoelectric elements changes over the length of the thermal generator with an exponential function. It can thus be further improved the efficiency of the device according to the invention.
Es ist weiters möglich, dass eine Längserstreckung des durch die streifenförmig angeordneten thermoelektrischen Elemente gebildeten Elementestreifens zumindest annähernd senkrecht zu einer vorbestimmbaren Flussrichtung des Wärmestroms aus der Wärmequelle ausgerichtet ist, sodass die Elementestreifen jeweils bevorzugt parallel zu den Isothermen der Vorrichtung zu Erzeugung von elektrischer Energie ausgerichtet sind. Im Wesentlichen stehen dabei also die Elementestreifen zumindest annähernd im rechten Winkel zur Strömungsrichtung eines Abgassystems eines Kraftfahrzeuges bzw. generell zur Flussrichtung des Wärmestroms einer Wärmequelle. Es ist dabei von Vorteil, dass geringe Temperaturschwankungen in den einzelnen Zonen bzw. Schichten des Wärmestroms, also beispielsweise im Abgasstrom, einen ge- ringeren Einfluss auf die Spannung der erzeugten elektrischen Energie hat. It is also possible that a longitudinal extent of the element strip formed by the strip-shaped thermoelectric elements is aligned at least approximately perpendicular to a predeterminable flow direction of the heat flow from the heat source, so that the element strips are each preferably aligned parallel to the isotherms of the device for generating electrical energy , Essentially, therefore, the element strips are at least approximately at right angles to the flow direction of an exhaust system of a motor vehicle or generally to the flow direction of the heat flow of a heat source. It is advantageous that small temperature fluctuations in the individual zones or layers of the heat flow, that is, for example, in the exhaust gas flow, have a smaller influence on the voltage of the generated electrical energy.
Zumindest zwei der Elementestreifen können zu einem Modul zusammengefasst werden, wobei der Thermogenerator zumindest ein derartiges Modul umfasst. Bevorzugt sind mehrere derartige Module über die Länge des Thermogenerators verteilt angeordnet. Durch die modu- lare Bauweise ist ein rascherer Zusammenbau des Thermogenerators möglich und darüber hinaus ist die Anpassung an unterschiedliche Wärmequellen mit verschiedenen Temperaturen durch die modulare Bauweise vereinfacht. Auch der Austausch gesamter Module wird dadurch vereinfacht, insbesondere im Hinblick auf die Kontaktierung. Das Modul kann zumindest teilweise eingehaust sein. Einerseits um wiederum die Handhabung der Module zu vereinfachen, andererseits um das Modul besser gegen den Angriff von korrosiven Bestandteilen eines Abgases zu schützen. Im Zwischenraum zwischen zwei thermoelektrischen Elementen kann zumindest ein Isolationselement angeordnet sein. Einerseits kann eine entsprechende Wärmedämmung bzw. eine Reduktion der Wärmeabstrahlung erreicht werden, wodurch wiederum die Effizienz der Vorrichtung bzw. des Thermogenerators verbessert werden kann, andererseits dient das Isolationselement auch der besseren elektrischen Isolierung der thermoelektrischen Elemente. At least two of the element strips can be combined to form a module, wherein the thermal generator comprises at least one such module. Preferably, several such modules are distributed over the length of the thermal generator. Due to the modular design, a faster assembly of the thermal generator is possible and beyond the adaptation to different heat sources with different temperatures is simplified by the modular design. The replacement of entire modules is thereby simplified, in particular with regard to the contacting. The module can be housed at least partially. On the one hand to facilitate the handling of the modules, on the other hand to better protect the module against the attack of corrosive constituents of an exhaust gas. In the space between two thermoelectric elements, at least one insulating element can be arranged. On the one hand, a corresponding thermal insulation or a reduction of the heat radiation can be achieved, which in turn the efficiency of the device or the thermal generator can be improved, on the other hand, the insulating element also serves the better electrical insulation of the thermoelectric elements.
Durch die Anordnung der thermoelektrischen Elemente in Streifenform ist es möglich, dass diese an den in Längserstreckung einander gegenüberliegenden, distalen Endbereichen kontaktiert werden. Es kann damit der Vorteil erreicht werden, dass diese Kontaktstellen auch außerhalb der Wärmebeaufschlagung in einem Bereich angeordnet werden, der hinsichtlich des korrosiven Angriffs und/oder der Temperaturbelastung unkritischer ist, wodurch ein besserer Schutz dieser Kontaktierungen ermöglicht wird. The arrangement of the thermoelectric elements in strip form, it is possible that they are contacted at the opposite longitudinal extension in the distal end regions. It can thus be achieved the advantage that these contact points are also arranged outside the application of heat in a range which is less critical with respect to the corrosive attack and / or the temperature load, whereby a better protection of these contacts is possible.
Aufgrund der modularen Bauweise ist es weiters möglich, dass mehrere Elementestreifen wahlweise in Serie oder parallel im Thermogenerator miteinander elektrisch leitend verbun- den werden, um damit eine an die jeweiligen Spannungsbedürfnisse bessere Anpassung zu erreichen, und um damit auch einen höheren Wirkungsgrad zu erreichen. Due to the modular design, it is also possible that several element strips are optionally electrically connected together in series or in parallel in the thermogenerator in order to achieve a better adaptation to the respective voltage requirements, and thus also to achieve a higher efficiency.
Bevorzugt sind die thermoelektrischen Elemente aus einem Skutterudit oder einer Pulverzusammensetzung aus der Klasse der Skutterudite gebildet. Insbesondere dieses Material, gefüllt oder ungefüllt, hat sich aufgrund dessen Beständigkeit im Bereich der Hochtemperaturanwendungen von thermoelektrischen Elementen in Abgassystemen von Kraftfahrzeugen als vorteilhaft erwiesen. Preferably, the thermoelectric elements are formed from a skutterudite or powder composition of the class of skutterudites. In particular, this material, filled or unfilled, has proven to be advantageous because of its resistance in the field of high temperature applications of thermoelectric elements in automotive exhaust systems.
Gemäß einer anderen Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass im Thermogenerator zumin- dest zwei Elementestreifen übereinander angeordnet sind, wodurch wiederum eine Effizienzsteigerung des Thermogenerators erreicht werden kann. Selbstverständlich kann das Überei- nanderanordnen mehrerer Elementestreifen in Flussrichtung des Wärmestroms, also zum Beispiel der Abgase, fortgesetzt sein. Ein Verhältnis der Länge in Millimeter zur Querschnittsfläche in Quadratmillimeter der ther- moelektrischen Elemente kann ausgewählt sein aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 1 : 100 und einer oberen Grenze von 4 : 1. Im Zuge der Erprobung der Erfindung konnte mit derartigen geometrischen Abmessungen ein besonderer Effekt hinsichtlich des Wirkungs- grades des Thermogenerators beobachtet werden. According to another embodiment variant, it is provided that at least two element strips are arranged one above the other in the thermogenerator, which in turn can increase the efficiency of the thermogenerator. Of course, the arrangement of several element strips in the flow direction of the heat flow, that is, for example, the exhaust gases, can be continued. A ratio of the length in millimeters to the cross-sectional area in square millimeters of the thermoelectric elements can be selected from a range with a lower limit of 1: 100 and an upper limit of 4: 1. In the course of testing the invention, with such geometrical dimensions particular effect can be observed with regard to the efficiency of the thermogenerator.
Bevorzugt weisen die thermoelektrischen Elemente einen rechteckförmigen Querschnitt auf - in Richtung der Längserstreckung betrachtet. Obwohl auch andere Querschnittsformen prinzipiell möglich sind, haben sich rechteckförmige Querschnitte sowohl hinsichtlich des Wir- kungsgrades als auch hinsichtlich des Einbaus und der Handhabung der thermoelektrischen Elemente im Zuge der Erprobung der Erfindung als vorteilhaft erwiesen. The thermoelectric elements preferably have a rectangular cross-section - viewed in the direction of the longitudinal extent. Although other cross-sectional shapes are also possible in principle, rectangular cross-sections have proven to be advantageous both in terms of the degree of efficiency and in terms of installation and handling of the thermoelectric elements in the course of testing the invention.
Gemäß einer Ausführungsvariante des Thermogenerators ist vorgesehen, dass der Kleber ein sauerstoffhärtender Kleber ist. Es wird damit erreicht, dass Sauerstoff, der gegebenenfalls an der Oberfläche der thermoelektrischen Elemente vorhanden ist, durch die Abbindereaktion des Klebers verbraucht wird, wodurch der Einsatz von oxidationsempfindliche Werkstoffen für die thermoelektrischen Elemente vereinfacht werden kann. According to an embodiment variant of the thermogenerator, it is provided that the adhesive is an oxygen-curing adhesive. It is thus achieved that oxygen, which is optionally present on the surface of the thermoelectric elements, is consumed by the setting reaction of the adhesive, whereby the use of oxidation-sensitive materials for the thermoelectric elements can be simplified.
Zwischen dem Leitelement und den thermoelektrischen Elementen kann eine Diffusions- Sperrschicht angeordnet sein, um das Eindiffundieren von Bestandteilen des Werkstoffes des Leitelementes zu verhindern, insbesondere wenn dieses durch ein thermisches Spritzverfahren auf die thermoelektrischen Elemente aufgebracht wird. Darüber hinaus bietet die Between the guide element and the thermoelectric elements, a diffusion barrier layer may be arranged to prevent the diffusion of constituents of the material of the guide element, in particular when it is applied to the thermoelectric elements by a thermal spraying method. In addition, the
Diffusionssperrschicht aber auch Vorteile in Hinblick auf die hohen Temperaturen bei der Verwendung des Thermogenerators, insbesondere wenn dieser in ein Abgassystem eines Kraftfahrzeuges integriert wird. Es ist damit möglich für das Leitelement auch Werkstoffe zu verwenden, aus denen bei den vorherrschenden Temperaturen die Gefahr besteht, dass Bestandteile in die thermoelektrischen Elemente eindiffundieren. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass hinsichtlich der Materialauswahl für das Leitelement aber auch für die thermoelektrischen Elemente - die Diffusionssperrschicht kann auch so ausgeführt sein, dass sie die Diffusion aus den thermoelektrischen Elementen in das Leitelement unterbindet - eine größere Bandbreite möglich ist, wodurch auf spezielle Materialkombinationen für das Leitelement und die thermoelektrischen Elemente im Wesentlichen nicht Rücksicht genommen werden muss, also auch Werkstoffe für die Elemente verwendet werden können, die eine höhere Energieausbeute ermöglichen. Es wird damit auch die Langzeitstabilität des Thermogenerators verbessert. Diffusion barrier layer but also advantages in view of the high temperatures when using the thermal generator, especially when it is integrated into an exhaust system of a motor vehicle. It is thus possible for the guide element to use materials from which at the prevailing temperatures there is a risk that components diffuse into the thermoelectric elements. This results in the advantage that with regard to the choice of material for the guide element but also for the thermoelectric elements - the diffusion barrier layer can also be designed so that it prevents diffusion from the thermoelectric elements into the guide element - a larger bandwidth is possible, whereby special Material combinations for the guide element and the thermoelectric elements essentially does not have to be taken into account, so even materials can be used for the elements, which allow a higher energy yield. It also improves the long-term stability of the thermogenerator.
Die thermoelektrischen Elemente weisen eine Deckfläche, eine Bodenfläche sowie da- zwischen liegende Seitenflächen auf, wobei an zumindest einer der Seitenflächen eineThe thermoelectric elements have a top surface, a bottom surface and side surfaces lying between them, wherein at least one of the side surfaces
Oxidationssperrschicht und/oder eine Sublimationssperrschicht angeordnet sein kann, um damit die thermoelektrischen Element besser vor Umwelteinflüssen, wie z.B. die Oxidation barrier layer and / or a sublimation barrier layer can be arranged so that the thermoelectric element better against environmental influences, such as. the
Oxidationsgefahr bzw. die Sublimation unter den vorherrschenden hohen Temperaturen von Materialbestandteilen zu schützen, welche den Verlust an aktivem thermoelektrischen Matrial und damit die Reduktion des Winrkungsgrades zur Folge haben. To protect the risk of oxidation or sublimation under the prevailing high temperatures of material components, resulting in the loss of active thermoelectric Matrial and thus the reduction of the degree of rotation.
Die thermoelektrischen Elemente können zur besseren Hantierbarkeit und Minimierung der Anzahl der Außenanschlüsse mäanderförmig auf dem DCB Substrat angeordnet sein. Damit ist auch eine einfachere Herstellung größerer Module zur Erzielung einer guten thermischen Wechselfestigkeit möglich. The thermoelectric elements may be arranged meandering on the DCB substrate for better handling and minimizing the number of external terminals. For a simpler production of larger modules to achieve a good thermal cycling is possible.
Es ist möglich, dass das DCB-Substrat zwischen den mäanderförmig angeordneten It is possible that the DCB substrate is arranged between the meandering
thermoelektrischen Elementen Ausnehmungen aufweist, um Wärmespannungen während des Einsatzes des Thermogenerators besser ausgleichen zu können, wodurch die thermoelectric elements having recesses in order to better compensate for thermal stresses during use of the thermal generator, whereby the
thermoelektrischen Elemente sowie die Kontaktierungsstellen besser vor einer Beschädigung aufgrund der thermischen Belastung des Thermogenarators geschützt werden können. Thermoelectric elements and the contact points can be better protected against damage due to the thermal load of the thermogenerator.
Bevorzugt sind diese Ausnehmungen schlitzförmig ausgebildet, sodass also das DCB-Substrat im Wesentlichen dem mäanderförmigen Verlauf der Anordnung der thermoelektrischen Elemente angepasst ist, wodurch der voranstehend genannte Effekt der Vermeidung der Beschädigung der thermoelektrischen Elemente und der Kontaktstellen verbessert werden kann. Preferably, these recesses are slit-shaped, so that therefore the DCB substrate is substantially adapted to the meandering course of the arrangement of the thermoelectric elements, whereby the above-mentioned effect of avoiding damage to the thermoelectric elements and the contact points can be improved.
Zur Reduktion der Kerbwirkung kann zumindest ein Eckbereich der Ausnehmungen gerundet ausgebildet sein. To reduce the notch effect, at least one corner region of the recesses can be rounded.
Das DCB-Substrat kann zusätzlich auf der Unterseite metallisiert sein, wodurch die Ebenheit des Substrates und die Wärmeabfuhr verbessert wird. Mit Unterseite ist dabei jene Seite bzw. Oberfläche gemeint, die der die thermoelektrischen Elemente aufweisenden Oberfläche gegenüberliegt. The DCB substrate may additionally be metallized on the underside, whereby the flatness of the substrate and the heat dissipation is improved. With underside is that page or Surface facing the surface having the thermoelectric elements.
Die thermoelektrischen Elemente können zumindest teilweise eingehaust sein, einerseits um die Handhabung der thermoelektrischen Elemente zu vereinfachen, andererseits um die thermoelektrischen Elemente besser gegen den Angriff von korrosiven Bestandteilen eines Abgases oder aus der Umgebungsluft bzw. durch (Spritz)-Wasser oder Wasserdampf zu schützen. Bevorzugt ist die Wärmequelle ein Abgassystem eines Kraftfahrzeuges, wodurch der The thermoelectric elements can be housed at least partially, on the one hand to simplify the handling of the thermoelectric elements, on the other hand to better protect the thermoelectric elements against the attack of corrosive constituents of an exhaust gas or from the ambient air or by (spray) water or water vapor. Preferably, the heat source is an exhaust system of a motor vehicle, whereby the
Wirkungsgrad der Energiegewinnung eines Kraftfahrzeuges verbessert werden kann. Energy efficiency of a motor vehicle can be improved.
Es ist aber auch möglich, dass der Wärmequelle ein Wärmetauscher zugeordnet ist, an dem die thermoelektrischen Elemente bzw. der Thermogenerator angeordnet werden bzw. wird. Durch diese Ausführung der Erfindung ist ein einfacher Einbau bzw. Austausch im Falle einer Reparatur des Thermogenerators möglich, indem nämlich der gesamte Wärmetauscher getauscht werden kann. Andererseits ist damit aber auch eine bessere Ausnutzung der Energie in Abgas möglich, indem dieses Abgas im Wärmetauscher zumindest teilweise rückgeführt wird, wobei in diesem Rückführungsbereich wiederum thermoelektrische Elemente angeordnet werden können. In diesem Fall hat sich die Anordnung der thermoelektrischenBut it is also possible that the heat source is associated with a heat exchanger on which the thermoelectric elements or the thermal generator are or will be arranged. By this embodiment of the invention, a simple installation or replacement in the event of a repair of the thermal generator is possible by namely the entire heat exchanger can be exchanged. On the other hand, however, a better utilization of the energy in exhaust gas is possible by this exhaust gas is at least partially recycled in the heat exchanger, in turn, in this feedback region thermoelectric elements can be arranged. In this case, the arrangement of the thermoelectric
Elemente mit variablen Abstand zueinander, das heißt mit unterschiedlicher Belegungsdichte über die Länge des Wärmetauschers, als vorteilhaft erwiesen, da die heißen Abgase über die Länge des Wärmetauschers allmählich abkühlen. Durch höhere Belegungsdichten mit thermoelektrischen Elementen in kälteren Zonen kann trotzdem eine entsprechende Spannung erzielt werden, wobei aufgrund der geringeren Belegungsdichte am Beginn des Elements with variable distance from each other, that is, with different occupation density over the length of the heat exchanger, proven advantageous because the hot exhaust gases gradually cool over the length of the heat exchanger. Nevertheless, higher densities with thermoelectric elements in colder zones mean that a corresponding voltage can be achieved, due to the lower occupation density at the beginning of the
Wärmetauschers, das heißt im Eintrittsbereich der heißen Abgase, keine Spannungsspitzen auftreten. Es ist in diesem Fall auch möglich, dass der Wärmetauscher für die Führung der heißen Abgase mäanderförmig ausgeführt ist. Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.  Heat exchanger, that is in the inlet region of the hot exhaust gases, no voltage spikes occur. It is also possible in this case that the heat exchanger for the guidance of the hot exhaust gases is designed meandering. For a better understanding of the invention, this will be explained in more detail with reference to the following figures.
Es zeigen jeweils in schematisch vereinfachter Darstellung: Fig. 1 eine erste Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit streifenförmig angeordneten thermoelektrischen Elementen in Schrägansicht; Each shows in a schematically simplified representation: 1 shows a first embodiment of a device according to the invention with strip-shaped thermoelectric elements arranged in an oblique view.
Fig. 2 eine Elementestreifen in Seitenansicht; 2 shows an element strip in side view;
Fig. 3 die Anordnung von thermoelektrischen Elementen an einem Wärmetauscher in Fig. 3 shows the arrangement of thermoelectric elements on a heat exchanger in
Seitenansicht geschnitten;  Side view cut;
Fig. 4 eine Ausführungsvariante der thermoelektrischen Elemente in Modulbauweise in Fig. 4 shows an embodiment of the thermoelectric elements in modular design in
Seitenansicht geschnitten;  Side view cut;
Fig. 5 eine Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit mäanderför- mig ausgebildeten Wärmetauscherrohr in Seitenansicht geschnitten; FIG. 5 a side view of a variant of a device according to the invention with a meandering heat exchanger tube; FIG.
Fig. 6 einen Ausschnitt aus einem Thermogenerator in Explosionsdarstellung; 6 shows a detail of a thermogenerator in an exploded view;
Fig. 7 den Ausschnitt nach Fig. 1 mit einem zusätzlichen thermoelektrischen Element in Fig. 7 shows the detail of FIG. 1 with an additional thermoelectric element in
Schrägansicht;  Tilt;
Fig. 8 die Draufsicht auf ein DCB-Substrat mit teilweise angeordneten thermoelektrischen Elementen; 8 is a plan view of a DCB substrate with partially arranged thermoelectric elements;
Fig. 9 eine Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Thermogenerators mit streifenförmig angeordneten thermoelektrischen Elementen in Schrägansicht; 9 shows an embodiment variant of a thermogenerator according to the invention with stripe-shaped thermoelectric elements in oblique view;
Fig. 10 einen Elementestreifen in Seitenansicht; 10 shows an element strip in side view;
Fig. 11 die Anordnung von thermoelektrischen Elementen an einem Wärmetauscher in 11 shows the arrangement of thermoelectric elements on a heat exchanger in FIG
Seitenansicht geschnitten;  Side view cut;
Fig. 12 eine Ausführungsvariante der thermoelektrischen Elemente in Modulbauweise in Fig. 12 shows an embodiment of the thermoelectric elements in modular design in
Seitenansicht geschnitten; Fig. 13 eine Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit mäanderför- mig ausgebildeten Wärmetauscherrohr in Seitenansicht geschnitten. Side view cut; 13 shows a variant of a device according to the invention with a meandering heat exchanger tube cut in side view.
Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen. Weiters können auch Einzelmerkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispielen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen. In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Thermogenerator 1 in Schrägansicht dargestellt. Dieser umfasst in der dargestellten Variante mehrere thermoelektrische Elemente 2, die streifenförmig unter Ausbildung von sechs Elementestreifen 3 angeordnet sind, wobei die thermoelektrischen Elemente 2 innerhalb eines Elementestreifens 3 miteinander verbunden sein können, sodass also die Elementestreifen 3 einstückig aus mehreren Teilen aufgebaut sein können. Einer der Elementestreifen 3 ist in Fig. 2 in Seitenansicht dargestellt. Die thermoelektrischen Elemente 2 bestehen aus einem Halbleitermaterial und sind p- und n-dotiert, wobei im Thermogenerator 1 bzw. in den Elementestreifen 3 eine Abfolge von abwechselnd p- und n- dotierten, thermoelektrischen Elementen 2 angeordnet ist. Es ist im Rahmen der Erfindung aber auch möglich, dass die Elementestreifen 3aus jeweils einem thermoelektrischen Element 2 besteht, sodass also die Elementestreifen 3 jeweils nur p- oder n-dotiert sind. Bevorzugt weist aber ein Elementestreifen 3 zumindest ein p- und zumindest ein n-dotiertes thermoelekt- risches Element 2 auf. By way of introduction, it should be noted that in the differently described embodiments, the same parts are provided with the same reference numerals or the same component names, wherein the disclosures contained in the entire description can be mutatis mutandis to the same parts with the same reference numerals or component names. Also, the location information chosen in the description, such as top, bottom, side, etc. related to the immediately described and illustrated figure and are to be transferred to the new situation mutatis mutandis when a change in position. Furthermore, individual features or combinations of features from the different exemplary embodiments shown and described can also represent independent, inventive or inventive solutions. In Fig. 1, a thermal generator 1 according to the invention is shown in an oblique view. This comprises in the illustrated variant a plurality of thermoelectric elements 2, which are arranged in strips to form six element strips 3, wherein the thermoelectric elements 2 may be interconnected within an element strip 3, so that the element strips 3 may be integrally constructed of several parts. One of the element strips 3 is shown in Fig. 2 in side view. The thermoelectric elements 2 consist of a semiconductor material and are p-doped and n-doped, with a sequence of alternating p- and n-doped, thermoelectric elements 2 being arranged in the thermal generator 1 or in the element strips 3. However, it is also possible within the scope of the invention that the element strips 3 each consist of a thermoelectric element 2, so that therefore the element strips 3 are each only p- or n-doped. However, an element strip 3 preferably has at least one p-type and at least one n-doped thermoelectric element 2.
Es ist weiters nicht zwingend erforderlich, wenngleich bevorzugt, dass die Elementestreifen 3 gerade ausgeführt sind. Beispielsweise kann ein Elementestreifen 3 auch mäanderförmig ausgebildet sein. Selbstverständlich kann der Thermogenerator 1 auch weniger oder mehr als sechs derartige Elementestreifen 3 aufweisen, also z.B. auch zwei, drei, vier, fünf, sieben, acht neun, zehn, etc. Die thermoelektrischen Elemente 2 sind über Leitelemente 4 miteinander elektrisch leitend verbunden, wobei die Kontaktierung derart erfolgt, dass die thermoelektrischen Elemente 2 in Serie miteinander geschaltet sind. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, erfolgt die Kontaktierung der thermoelektrischen Elemente 2 mit den Leitelementen 3 bevorzugt in distalen Endbereichen 5 der Elementestreifen 3. Die Kontaktierung kann aber auch in einem anderen Bereich der thermoelektrischen Elemente 2 angeordnet sein. Furthermore, it is not absolutely necessary, although preferred, for the element strips 3 to be straight. For example, an element strip 3 may also be formed meander-shaped. Of course, the thermal generator 1 may also have less than or more than six such element strips 3, that is, for example, two, three, four, five, seven, eight, nine, ten, etc. The thermoelectric elements 2 are electrically conductively connected to one another via guide elements 4, wherein the contact is made such that the thermoelectric elements 2 are connected in series with each other. As can be seen from FIG. 1, the contacting of the thermoelectric elements 2 with the guide elements 3 preferably takes place in the distal end regions 5 of the element strips 3. The contacting can, however, also be arranged in another region of the thermoelectric elements 2.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass in Fig. 1 nur die Kontaktierung der Elementestreifen 3 miteinander dargestellt ist. Die Kontaktierung der thermoelektrischen Elemente 2, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, ist in Fig.l aus Gründen der besseren Darstellung nicht ge- zeigt. It should be noted at this point that in Fig. 1, only the contacting of the element strips 3 is shown together. The contacting of the thermoelectric elements 2, as shown in FIG. 2, is not shown in FIG. 1 for reasons of better illustration.
Es ist weiters möglich, dass zwischen den thermoelektrischen Elementen 2 und den Leitelementen 4 eine oder mehrere Zwischenschichten angeordnet und mit diesen verbunden sind. Es ist zudem möglich, dass die Kontaktierung der Elementestreifen 3 miteinander wie in Fig. 1 dargestellt wechselweise oben und unten erfolgt oder diese Kontaktierungen jeweils an der selben Seite angeordnet sind, also nur oben oder nur unten, bezogen auf die relative Lage der Elementestreifen 3 in Fig. 1. Innerhalb eines Elementestreifens 3 sind die einzelnen thermoelektrischen Elemente 2 seriell miteinander elektrisch leitend verbunden. It is also possible that between the thermoelectric elements 2 and the guide elements 4, one or more intermediate layers are arranged and connected thereto. It is also possible that the contacting of the element strips 3 with each other as shown in Fig. 1 alternately top and bottom or these contacts are each arranged on the same side, ie only above or only below, based on the relative position of the element strips 3 in Fig. 1. Within an element strip 3, the individual thermoelectric elements 2 are connected in series with each other in an electrically conductive manner.
Zum Abgreifen der in den thermoelektrischen Elementen 2 erzeugten Spannung sind elektrische Leitungen 6, 7 in Form eines Plus-Pols 8 sowie eines Minus-Pols 9 vorgesehen, wobei diese beiden Anschlüsse 5, 6 wiederum in den distalen Endbereichen 5 der Elementestreifen 3 angeordnet werden und, nachdem die thermoelektrischen Elemente 2 in Serie miteinander kontaktiert sind bzw. verbunden sind, sind diese Anschlüsse 5, 6 jeweils am ersten bzw. am letzten Elementestreifen 3 ausgebildet, wie in Fig. 1 dargestellt. Die Leitelemente 4 sind mit den thermoelektrischen Elementen 2 bzw. Elementestreifen 3 elektrisch leitend verbunden. Bei der Auswahl der Verbindungsmethode bzw. Kontaktie- rungsmethode sowie der verwendeten Werkstoffe für die Leitelemente 4 ist selbstverständlich auf die am Einsatzort vorherrschende Temperatur Rücksicht zu nehmen, insbesondere wenn der Thermogenerator 1 vorzugsweise in einem Abgassystem eines Kraftfahrzeuges, beispielsweise vor oder nach dem Katalysator eines Abgassystems eine Kraftfahrzeuges, angeordnet wird, da in diesen Bereichen Temperaturen bis zu 700 °C vorherrschen können. Es muss jedenfalls eine Unterbrechung der Kontakte vermieden werden. Nachdem derartige Verwendungszwecke von thermoelektrischen Generatoren für Abgassysteme von Kraftfahr- zeugen bereits bekannt ist, beispielsweise aus den eingangs genannten Dokumenten zumFor tapping the voltage generated in the thermoelectric elements 2 electrical lines 6, 7 are provided in the form of a positive pole 8 and a negative pole 9, wherein these two terminals 5, 6 are in turn arranged in the distal end portions 5 of the element strips 3 and After the thermoelectric elements 2 are contacted with each other in series, respectively, these terminals 5, 6 are formed on the first and last element strips 3, respectively, as shown in FIG. The guide elements 4 are electrically conductively connected to the thermoelectric elements 2 or element strips 3. When selecting the connection method or contacting method and the materials used for the guide elements 4, the temperature prevailing at the place of use must of course be taken into consideration, in particular if the thermal generator 1 is preferably in an exhaust system of a motor vehicle, for example before or after the catalytic converter of an exhaust system a motor vehicle, is arranged, as can prevail in these areas temperatures up to 700 ° C. In any case, an interruption of the contacts must be avoided. After such uses of thermoelectric generators for exhaust systems of motor vehicles is already known, for example, from the documents mentioned above for
Stand der Technik, erübrigen sich hierzu weitere Ausführungen, da der Fachmann aufgrund seines Fachwissens entsprechende Werkstoffe und Verbindungsmethoden auswählen wird. State of the art, further explanations are unnecessary for this, since the skilled person will select suitable materials and connection methods on the basis of his specialist knowledge.
Bevorzugt weisen die thermoelektrischen Elemente 2 und in der Folge die Elementestreifen 3 wie in Fig. 1 dargestellt einen rechteckförmigen Querschnitt auf. Es besteht jedoch im Rahmen der Erfindung auch die Möglichkeit, wenngleich dies nicht die bevorzugte Ausführung ist, andere Querschnittsformen zu wählen, beispielsweise quadratische, sechseckige, achteckige, runde, etc. Als Grundmaterial für die Herstellung der thermoelektrischen Elemente 2 wird bevorzugt ein Skutterudit bzw. eine Pulverzusammensetzung aus der Klasse der Skutterudite bzw. eine entsprechende Mischung aus den jeweiligen Elementen verwendet. Skutterudite weisen insbesondere im Hinblick auf die Temperaturbelastbarkeit gegenüber herkömmlichen Halbleitermaterialien den Vorteil auf, dass diese einer höheren Temperaturbelastung ausgesetzt werden können und zudem damit bessere Wirkungsgrade erzielt werden können. The thermoelectric elements 2 and, as a consequence, the element strips 3, as shown in FIG. 1, preferably have a rectangular cross section. However, it is within the scope of the invention, although this is not the preferred embodiment, to choose other cross-sectional shapes, such as square, hexagonal, octagonal, round, etc. As a base material for the production of the thermoelectric elements 2 is preferably a skutterudite or a powder composition from the class of Skutterudite or a corresponding mixture of the respective elements used. Skutterudites have the advantage, in particular with regard to the temperature resistance compared to conventional semiconductor materials, that they can be exposed to a higher temperature load and, in addition, that better efficiencies can be achieved.
Es ist im Rahmen der Erfindung mit dem Thermogenerator 1 möglich, Wirkungsgrade von bis annähernd bzw. knapp über 10 % zu erreichen, wohingegen mit thermoelektrischen Generatoren aus dem Stand der Technik bislang Wirkungsgrade um die 6 % erreicht wurden. Within the scope of the invention with the thermogenerator 1, it is possible to achieve efficiencies of up to almost or just over 10%, whereas to date, efficiencies of around 6% have been achieved with thermoelectric generators from the prior art.
Je nach Ausbildung der thermoelektrischen Elemente 2 als p- oder n- Element wird dieses Grundmaterial aus der Klasse der Skutterudite entsprechend p- oder n-dotiert. Für die Dotie- rung kann beispielsweise zumindest eines der Elemente Ba, Ca, Ce, Eu, Fe, Ge, In, La, Nd, Ni, Os, Pd, Pr, Pt, Ru, Sm, Sn, Sr, Te, Yb, verwendet werden. Depending on the design of the thermoelectric elements 2 as a p or n element, this base material from the class of skutterudites is p-doped or n-doped accordingly. For the dotie For example, at least one of Ba, Ca, Ce, Eu, Fe, Ge, In, La, Nd, Ni, Os, Pd, Pr, Pt, Ru, Sm, Sn, Sr, Te, Yb can be used.
Obwohl die Verwendung von Skutteruditen die bevorzugte Ausführungsvariante der Erfin- dung ist, besteht im Rahmen der Erfindung aber auch die Möglichkeit, andere Halbleitermaterialien, insbesondere für Temperatur anwendungen deutlich unterhalb von 700 °C, zu verwenden. Beispiele hierfür sind Bi2Te3/Sb2Te3, PbTe-PbSe-PbS, (SiGe), Chlatrate, wie zum Beispiel Ba8Gai6Ge3o, Zn4Sb3, etc. Die Elementestreifen 3 sind in einem Abstand 10 zueinander angeordnet. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass dieser Abstand 10 über eine gesamte Länge 11, die in Fig. 1 mit einem Pfeil angedeutet ist und über die die einzelnen, Elementestreifen 3 verteilt angeordnet sind, nicht konstant ist, sondern verändert sich dieser Abstand 10 über diese Länge 11. Dabei ist zumindest einer der Abstände 10 zwischen zwei Elementestreifen 3 zu den weiteren Ab- ständen 10 zwischen den Elementenstreifen 3 unterschiedlich, das heißt also im einfachsten Fall können bis auf einen der Abstände 10 die weiteren Abstände 10 konstant sein und lediglich einer der Abstände 10 unterschiedlich sein. In der bevorzugten Ausführung, das heißt abhängig vom Temperaturfeld, in dem der Thermogenerator 1 angeordnet wird, sind allerdings diese Abstände 10 generell variabel, sodass sich also diese Abstände 10, d.h. deren Werte, über die gesamte Länge 11 zwischen jedem der Elementestreifen 3 verändern. Insbesondere wird dabei der Abstand 10 zwischen zwei Elementestreifen 3 in jenem Bereich, in dem die Temperatur am größten ist, am größten sein und wird in Bereichen in denen aufgrund der Abkühlung der Wärmequelle, also beispielsweise der Abgase eines Kraftfahrzeugs, bereits niedrigere Temperaturen vorherrschen, auch der Abstand 10 entsprechend verringert. Mit anderen Worten ausgedrückt, wird die Dichte der Anordnung der Elmentestreifen 3, und damit der thermoelektrischen Elemente 2, im Temperaturfeld der Wärmequelle über die Länge 11 des Thermo generators 1 variiert, wobei im Bereichen relativ niedrigerer Temperatur eine höhere Dichte an thermoelektrischen Elementen 2 angeordnet wird als in Bereichen relativ hoher Temperatur. Es wird damit erreicht, dass die Wirtschaftlichkeit des Thermogenerators 1, das heißt der Wirkungsgrad des Thermogenerators 1, verbessert werden kann, indem nämlich Spannungsschwankungen aufgrund der Temperaturschwankungen im Thermogenerator 1 besser ausgeglichen werden können bzw. besser berücksichtigt werden können. Neben der Ausbildung eines variablen Abstandes 10 zwischen den Elementestreifen 3 in x- Richtung besteht im Rahmen der Erfindung auch die Möglichkeit, dass alternativ oder zusätzlich dazu die Abstände in y-Richtung, also die Abstände zwischen den einzelnen thermo- elektrischen Elementen 2, variiert werden. Although the use of skutterudites is the preferred embodiment of the invention, it is also possible within the scope of the invention to use other semiconductor materials, in particular for temperature applications well below 700 ° C. Examples of these are Bi 2 Te 3 / Sb 2 Te 3 , PbTe-PbSe-PbS, (SiGe), Chlatrate, such as Ba 8 Ga 6 Ge 3 o, Zn 4 Sb 3 , etc. The element strips 3 are at a distance 10 to each other arranged. According to the invention, it is now provided that this distance 10 over an entire length 11, which is indicated in Fig. 1 with an arrow and over which the individual, element strips 3 are arranged distributed, is not constant, but this distance 10 changes over this length 11. At least one of the distances 10 between two element strips 3 is different from the further distances 10 between the element strips 3, that is to say that in the simplest case, the remaining distances 10 can be constant except for one of the distances 10 and only one of the distances 10 be different. In the preferred embodiment, that is, depending on the temperature field in which the thermal generator 1 is arranged, however, these distances 10 are generally variable, so that these distances 10, ie their values, change over the entire length 11 between each of the element strips 3. In particular, the distance 10 between two elemental strips 3 in that region in which the temperature is greatest will be greatest and will already prevail in areas in which due to the cooling of the heat source, for example the exhaust gases of a motor vehicle, lower temperatures prevail the distance 10 is reduced accordingly. In other words, the density of the arrangement of the Elmentestreifen 3, and thus the thermoelectric elements 2, in the temperature field of the heat source over the length 11 of the thermal generator 1 is varied, wherein in the relatively lower temperature regions, a higher density of thermoelectric elements 2 is arranged as in areas of relatively high temperature. It is thus achieved that the efficiency of the thermal generator 1, that is, the efficiency of the thermal generator 1, can be improved by namely voltage fluctuations due to the temperature fluctuations in the thermal generator 1 can be better compensated or better taken into account. In addition to the formation of a variable distance 10 between the element strips 3 in the x direction, there is also the possibility within the scope of the invention that, alternatively or additionally, the distances in the y direction, ie the distances between the individual thermoelectric elements 2, be varied ,
Es ist weiters bevorzugt, nachdem die bevorzugte Verwendung des Thermogenerators 1 in einem Abgassystem eines Kraftfahrzeuges ist, dass die Elementestreifen 3 senkrecht, das heißt im zumindest annährend rechten Winkel zur Flussrichtung der Abgase oder mit anderen Worten senkrecht auf die Längserstreckung, das heißt die Länge 11 des Thermogenerators 1, ausgerichtet sind, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. It is further preferred, after the preferred use of the thermal generator 1 in an exhaust system of a motor vehicle is that the element strips 3 vertically, that is at least approximately at right angles to the flow direction of the exhaust gases or in other words perpendicular to the longitudinal extent, that is the length 11th of the thermal generator 1 are aligned, as shown in Fig. 1.
Die Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung 12 die neben dem Thermogenerator 1 auch einen Wärmetauscher 13 als Wärmequelle für den Thermogenerator 1 umfasst. Im einfachsten Fall ist dieser Wärmetauscher 13 durch ein Wärmetauscherrohr bzw. einen Wärmetauscherprofil mit zumindest annährend rechteckförmigem Querschnitt gebildet, wobei gemäß Pfeil 14 die die primäre Wärmequelle bildenden Abgase in dieses Wärmetauscherprofil eingeführt werden und dieses durchströmen. An der äußeren Oberfläche des Wärmetauschers 13, das heißt des Wärmetauscherprofils, sind die thermoelektrischen Elemente 2 des Thermogenerators 1 in Form der Elementestreifen 3 angeordnet, entsprechend den Ausführungen zum Thermogene- rator 1 nach Fig. 1. Insbesondere können die Elementestreifen 3 mittels eines Verbindungsmittels 15 mit der Oberfläche des Wärmetauschers 13 bzw. des Wärmetauscherprofils thermisch leitend verbunden sein. Derartige Verbindungsmittel 15 sind aus dem Stand der Technik bekannt. Auch bei dieser Ausführungsvariante der Erfindung wird erfindungsgemäß der Abstand 10 zwischen zwei Elementestreifen 3 in Flussrichtung der Abgase gemäß Pfeil 14 über die Länge 11 der Vorrichtung 12 variiert, wobei beim Eintritt der heißen Abgase (im linken Teil der Fig. 3) in den Wärmetauscher 13 der Abstand 10 größer gewählt wird als beim Austritt der Abgase (im rechten Teil der Fig. 3) aus dem Wärmetauscher 13. FIG. 3 shows a device 12 which, in addition to the thermogenerator 1, also comprises a heat exchanger 13 as a heat source for the thermogenerator 1. In the simplest case, this heat exchanger 13 is formed by a heat exchanger tube or a heat exchanger profile with at least approximately rectangular cross section, wherein according to arrow 14, the exhaust gases forming the primary heat source are introduced into this heat exchanger profile and flow through this. On the outer surface of the heat exchanger 13, that is, the heat exchanger profile, the thermoelectric elements 2 of the thermogenerator 1 in the form of the element strips 3 are arranged, according to the statements to the thermogenerator 1 according to FIG. 1. In particular, the element strips 3 by means of a connecting means 15th be thermally conductively connected to the surface of the heat exchanger 13 and the heat exchanger profile. Such connection means 15 are known from the prior art. Also in this embodiment of the invention, the distance 10 between two element strips 3 in the flow direction of the exhaust gases according to arrow 14 over the length 11 of the device 12 is varied according to the invention, wherein upon entry of hot exhaust gases (in the left part of Fig. 3) in the heat exchanger 13 the distance 10 is selected to be greater than when the exhaust gases exit (in the right-hand part of FIG. 3) from the heat exchanger 13.
Strichliert ist in Fig. 3 angedeutet, dass die Vorrichtung 12 zumindest annähernd zur Gänze mit einer Umhüllung 16 eingehaust sein kann, wodurch die thermoelektrischen Elemente 2 besser vor Umwelteinflüssen geschützt werden können. Insbesondere entsteht damit auch eine Vorrichtung 12, die als gesamte Baueinheit in das Abgassystem eines Kraftfahrzeuges eingebaut werden kann, also beispielsweise in die Auspuffleitungen, bzw. kann diese Vorrichtung 12 sogar ein Teil einer Auspuffleitung eines Kraftfahrzeuges ersetzen, ähnlich dem Einbau eines Katalysators. Dashed line is indicated in Fig. 3, that the device 12 can be housed at least approximately entirely with a sheath 16, whereby the thermoelectric elements 2 can be better protected against environmental influences. In particular, this also creates a Device 12, which can be installed as an entire unit in the exhaust system of a motor vehicle, so for example in the exhaust pipes, or this device 12 can even replace a part of an exhaust pipe of a motor vehicle, similar to the installation of a catalyst.
Im unteren Teil der Fig. 3 ist ein möglicher Temperaturverlauf über die Länge 11 der Vorrichtung 12 gezeigt. Dabei nimmt die Temperatur kurvenförmig ab. Für diese Ausführungsvariante ist es von Vorteil, dass wenn die Abstände 10 zwischen den einzelnen, Elementestreifen 3 über die Länge 11 mit einer Exponentialfunktion verändert werden. In the lower part of FIG. 3, a possible temperature profile over the length 11 of the device 12 is shown. The temperature decreases in curves. For this embodiment, it is advantageous that when the distances 10 between the individual, element strips 3 are changed over the length 11 with an exponential function.
Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass auch andere Temperaturverläufe über die Länge 11 möglich sind. Gerade hier hat die Erfindung den Vorteil, dass aufgrund der streifenförmigen Anordnung der thermoelektrischen Elemente 2 eine variable Anordnung über die Länge 11 der Vorrichtung 12 möglich wird, das heißt also, dass die Abstände 10 entsprechend dem er- warteten Temperaturverlauf der Wärmequelle über die Länge 11 der Vorrichtung 12 ange- passt werden können, sodass eine weitere Optimierung der Wirtschaftlichkeit der Vorrichtung 12 erreicht werden kann. It should be noted, however, that other temperature profiles over the length 11 are possible. It is precisely here that the invention has the advantage that, due to the strip-shaped arrangement of the thermoelectric elements 2, a variable arrangement over the length 11 of the device 12 becomes possible, that is to say that the distances 10 correspond to the expected temperature profile of the heat source over the length 11 can be adapted to the device 12, so that a further optimization of the economy of the device 12 can be achieved.
In einer Abwandlung dazu besteht die Möglichkeit, wie dies Fig. 2 zeigt, dass alternativ oder zusätzlich zur Einhausung der Vorrichtung 12 auch die einzelnen Elementestreifen 3 mit einer Umhüllung 17 versehen sein können. In a modification to this, it is possible, as shown in FIG. 2, that as an alternative or in addition to the housing of the device 12, the individual element strips 3 may also be provided with a covering 17.
In Fig. 4 ist ein Ausschnitt aus einer Vorrichtung 12 im Querschnitt gezeigt. Insbesondere sind dabei jeweils zwei Elementestreifen 3 des Thermogenerators 1 zu einem Modul zusam- mengefasst, wobei bei dieser Ausführungsvariante zwischen den Elementestreifen 3 eines4, a section of a device 12 is shown in cross section. In particular, in each case two element strips 3 of the thermal generator 1 are combined to form a module, wherein in this embodiment, between the element strips 3 of a
Moduls, also in x-Richtung, ein Isolierelement 18 angeordnet ist, das bevorzugt den gesamten Bereich zwischen den Elementestreifen 3 ausfüllt. Das Isolierelement 18 besteht aus einem elektrisch und thermisch isolierenden Material, z.B. aus einer Keramik. Mit Hilfe des Isolierelementes 18 wird eine Reduktion der Wärmeabstrahlung von den thermoelektrischen Ele- menten 2 erreicht, wodurch der Wirkungsgrad des Thermogenerators 1 verbessert werden kann. Alternativ oder zusätzlich dazu besteht auch die Möglichkeit, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, dass zwischen den thermoelektrischen Elementen 2, also in y-Richtung, derartige Isolierelemente 18 angeordnet sind. Die Vorrichtung 12 nach Fig. 4 umfasst zumindest zwei dieser Module, wobei gegebenenfalls der Bereich zwischen den Modulen bedarfsweise auch mit einem nicht dargestellten Isolierelement 16 ausgefüllt werden kann. Die Module selbst können wiederum über ein Verbindungsmittel 15 mit der Oberfläche des Wärmetauschers 12 verbunden sein. Ebenso erfolgt eine ontaktierung mittels der Leitelemente 4 zwischen den Modulen, wodurch insgesamt ein Aufbau entsteht, der zu jenem nach Fig. 1 ähnlich ist, also die thermoelektrischen Elemente 2 in ihrer Gesamtheit seriell miteinander verbunden sind. Module, ie in the x direction, an insulating member 18 is arranged, which preferably fills the entire area between the element strips 3. The insulating element 18 consists of an electrically and thermally insulating material, for example of a ceramic. With the aid of the insulating element 18, a reduction of the heat radiation is achieved by the thermoelectric elements 2, whereby the efficiency of the thermal generator 1 can be improved. Alternatively or additionally, it is also possible, as shown in Fig. 2, that between the thermoelectric elements 2, ie in the y direction, such insulating elements 18 are arranged. The device 12 according to FIG. 4 comprises at least two of these modules, wherein optionally the area between the modules can also be filled with an insulating element 16, not shown, if required. The modules themselves may in turn be connected via a connecting means 15 to the surface of the heat exchanger 12. Likewise, an ontaktierung by means of the guide elements 4 between the modules, whereby a total structure results, which is similar to that of FIG. 1, so the thermoelectric elements 2 are connected in series in series with each other.
Es sei jedoch an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass es im Rahmen der Erfindung möglich ist, dass derartige Module nicht nur seriell sondern auch parallel elektrisch leitend miteinander verbunden werden können, wobei auch Mischformen von seriell und parallel möglich sind. However, it should be noted at this point that it is possible within the scope of the invention that such modules can be electrically connected to one another not only serially but also in parallel, wherein also mixed forms of serial and parallel are possible.
Erfindungsgemäß kann aber ein Modul auch nur einen Elementestreifen 3 aufweisen, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Es ist also nicht zwingend notwendig, dass ein Modul mehrere Elementstreifen 3 umfasst. According to the invention, however, a module can also have only one element strip 3, as shown in FIG. It is therefore not absolutely necessary for a module to comprise a plurality of element strips 3.
Des Weiteren sei darauf hingewiesen, dass es selbstverständlich möglich ist, dass in der Vorrichtung 12 bzw. im Thermogenerator 1 einerseits mehr als zwei Module, beispielsweise drei, vier, fünf, sechs, etc., angeordnet werden, und andererseits dass ein Modul auch mehr als zwei Elementestreifen 3, beispielsweise drei, vier, fünf, sechs, etc., aufweisen kann. Furthermore, it should be pointed out that it is of course possible for more than two modules, for example three, four, five, six, etc., to be arranged in the device 12 or in the thermal generator 1, and on the other hand for a module to have more as two element strips 3, for example, three, four, five, six, etc., may have.
Des Weiteren ist es möglich, dass die Module nicht nur die thermoelektrischen Elemente 2 und gegebenenfalls die Isolierelemente 18 umfassen, sondern eine komplette, modulare Bauweise der Vorrichtung 1 erfolgt, sodass die Module auch die Wärmetauscher 13 umfassen und in der späteren Anwendung die einzelnen Module entsprechend der Erfindung mit nicht kon- stantem Abstand 10 zwischen den Elementestreifen 3 über die Länge 11 in bzw. an einerFurthermore, it is possible that the modules not only include the thermoelectric elements 2 and possibly the insulating elements 18, but a complete, modular design of the device 1 takes place, so that the modules include the heat exchanger 13 and in the subsequent application, the individual modules accordingly of the invention with non-constant distance 10 between the element strips 3 over the length 11 in or on one
Wärmequelle, also beispielsweise dem Abgassystem eines Kraftfahrzeuges, angeordnet werden. Fig. 5 zeigt schließlich eine Ausführungsvariante der Vorrichtung 12 bei der der Wärmetauscher 13 mäanderförmig ausgebildet ist, also das Wärmetauscherprofil zumindest eine Rückführung aufweist, wobei das Wärmetauscherprofil nach der Ausführungsvariante nach Fig. 5 in der dargestellten Querschnittsvariante S-förmig ausgebildet ist. Heat source, so for example, the exhaust system of a motor vehicle, are arranged. Finally, FIG. 5 shows a variant embodiment of the device 12 in which the heat exchanger 13 is meander-shaped, that is, the heat exchanger profile has at least one return, wherein the heat exchanger profile according to the embodiment of FIG. 5 in the illustrated cross-sectional variant is S-shaped.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass es im Rahmen der Erfindung möglich ist, dass der Wärmetauscher 13 mehrere Wärmetauscherprofile umfasst und an zumindest mehreren der Wärmetauscherprofile, bevorzugt an allen, thermoelektrische Elemente 2 angeordnet werden. It should be noted at this point that it is possible within the scope of the invention for the heat exchanger 13 to comprise a plurality of heat exchanger profiles and to be arranged on at least a plurality of the heat exchanger profiles, preferably on all, thermoelectric elements 2.
Mit der Ausführung nach Fig. 5 wird einerseits eine kompaktere Ausbildung der Vorrichtung 12 erreicht, wobei auch hier wiederum eine weitere Steigerung der Wirtschaftlichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 12 erreicht werden kann, indem nämlich die Länge 11 (Fig. 1) der Vorrichtung 12 entsprechend verlängert wird und damit mehr thermoelektrische Elemente 2 in der Vorrichtung 12 angeordnet werden können. With the embodiment according to FIG. 5, on the one hand a more compact design of the device 12 is achieved, whereby here again a further increase in the economic efficiency of the device 12 according to the invention can be achieved, namely by lengthening the length 11 (FIG and thus more thermoelectric elements 2 can be arranged in the device 12.
Es sei darauf hingewiesen, dass die thermoelektrischen Elemente 2 in Fig. 5 nur mehr in der modularen Bauweise nach Fig. 4 angedeutet sind und sei zu Einzelheiten hierzu beispielsweise auf die Ausführungsvariante nach Fig. 4 oder Fig. 1 verwiesen. It should be pointed out that the thermoelectric elements 2 in FIG. 5 are only indicated more in the modular design according to FIG. 4 and reference is made to details for this, for example, to the embodiment according to FIG. 4 or FIG.
Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass die thermoelektrischen Elemente 2 bzw. die Module nicht nur in Flussrichtung der Abgase gemäß Pfeil 14 hintereinander angeordnet werden, sondern dass wie dies in Fig. 5 strichliert dargestellt ist, derartige Module bzw. Elementestreifen 3 auch übereinander angeordnet werden. Dabei können die Module direkt aneinander an- liegen oder auch beabstandet zueinander angeordnet werden. Eine derartige Anordnungsmöglichkeit besteht sowohl beim Thermogenerator 1 als auch in der Vorrichtung 12. Furthermore, there is the possibility that the thermoelectric elements 2 and the modules are arranged not only in the flow direction of the exhaust gases according to arrow 14 in succession, but that as shown in Fig. 5 is shown in broken lines, such modules or element strips 3 are also arranged one above the other , In this case, the modules can lie directly against one another or else be arranged at a distance from one another. Such a possibility of arrangement exists both in the thermal generator 1 and in the device 12.
Es besteht auch hier die Möglichkeit einer Umhüllung 16 der gesamten Vorrichtung 12, wie dies in Fig. 5 strichpunktiert angedeutet ist. There is also the possibility of a sheath 16 of the entire device 12, as indicated in phantom in Fig. 5.
Es ist im Rahmen der Erfindung auch möglich, dass die Module selbst zumindest teilweise eingehaust werden, wie dies in Fig. 4 mit der teilweisen Anordnung der Umhüllung 16 an den Modulen angedeutet ist, wobei in der speziellen Ausführungsvariante nach Fig. 4 die Umhül- lung 16 sich über zumindest einen Teil beider dargestellter Module erstreckt. Es besteht jedoch im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, dass jedes Modul für sich selbst zumindest teilweise eine derartige Umhüllung 16 aufweist, die an den entsprechenden Stellen zur Kon- taktierung, das heißt zur elektrisch leitenden Verbindung der einzelnen Module miteinander entsprechende Ausnehmungen aufweisen können, um die elektrischen Leitelemente 4 anzuordnen. It is also possible within the scope of the invention for the modules themselves to be at least partially enclosed, as indicated in FIG. 4 by the partial arrangement of the enclosure 16 on the modules, wherein in the specific embodiment according to FIG. ment 16 extends over at least a portion of both modules shown. However, within the scope of the invention, it is possible that each module has at least partially such a casing 16 for itself, which can have mutually corresponding recesses at the corresponding points for contacting, that is to say for the electrically conductive connection of the individual modules to arrange the electrical guide elements 4.
Die Umhüllung 16 kann beispielsweise aus Kunststoff, einer Keramik oder bevorzugt aus Metall oder aus Kombinationen dieser Materialien bestehen. The sheath 16 may be made of plastic, a ceramic or preferably of metal or of combinations of these materials, for example.
Bevorzugt weisen die thermoelektrischen Elemente 2 eine Höhe 19 (Fig. 1) von mindestens 1 mm auf. Diese Höhe 19 ist dabei senkrecht orientiert zur gesamten Länge 11 der Vorrichtung 12 bzw. des Thermogenerators 1, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Eine Querschnittsfläche der thermoelektrischen Elemente 2 in Richtung auf eine kontaktierte Stirnfläche der thermoelektrischen Elemente 2 betrachtet, beträgt bevorzugt mindestens 4 mm The thermoelectric elements 2 preferably have a height 19 (FIG. 1) of at least 1 mm. This height 19 is oriented perpendicular to the entire length 11 of the device 12 and the thermogenerator 1, as shown in Fig. 1. A cross-sectional area of the thermoelectric elements 2, viewed in the direction of a contacted end face of the thermoelectric elements 2, is preferably at least 4 mm
Gemäß einer weiteren, bevorzugten Ausführungsvariante ist ein Verhältnis der Höhe 19 in Millimeter zur Querschnittsfläche in Quadratmillimeter der thermoelektrischen Elemente 2 ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 1 : 100 und einer oberen Grenze von 4 :1, wobei das Verhältnis jeweils dimensionslos zu betrachten ist. According to a further preferred embodiment, a ratio of the height 19 in millimeters to the cross-sectional area in square millimeters of the thermoelectric elements 2 is selected from a range with a lower limit of 1: 100 and an upper limit of 4: 1, wherein the ratio is considered dimensionless is.
Es besteht weiters die Möglichkeit, dass die thermoelektrischen Elemente 2 und/oder die Elementestreifen 3 einen unterschiedlichen Querschnitt aufweisen, also beispielsweise derThere is also the possibility that the thermoelectric elements 2 and / or the element strips 3 have a different cross-section, so for example the
Querschnitt der einzelnen thermoelektrischen Elemente 2 oder der Elementestreifen 3 in Richtung der Länge 11 der Vorrichtung 12 bzw. des Thermogenerators 1 größer wird. Cross-section of the individual thermoelectric elements 2 or the element strips 3 in the direction of the length 11 of the device 12 and the thermogenerator 1 is greater.
Ergänzend sei angemerkt, dass in Sinne der Erfindung unter einem Elementestreifen 3 ein Element verstanden wird, dessen Länge mindestens zweimal, bevorzugt mindestens viermal, insbesondere sechsmal, so groß ist wie die kleinste, den Querschnitt des Elementes definierende Abmessung. Bei einer Kantenlänge von 1,5 mm eines rechteckförmigen Querschnittes (es ist hier im Sinne der Definition die kürzere Kantenlänge der beiden Kantenlängen ge- meint) kann also die Länge zumindest 3 mm betragen. Es weist also der Streifen eine deutliche Längserstreckung auf. In addition, it should be noted that in the context of the invention an element strip 3 is understood to be an element whose length is at least twice, preferably at least four times, in particular six times, as large as the smallest dimension defining the cross section of the element. With an edge length of 1.5 mm of a rectangular cross-section (in the sense of the definition, the shorter edge length of the two edge lengths is used here). means) so the length can be at least 3 mm. So it has the strip on a significant length.
Es ist weiters zur Steigerung des Wirkungsgrades möglich, dass ein weiterer Wärmetauscher mit zumindest einer Kühlmittelleitung angeordnet ist. It is further possible to increase the efficiency that another heat exchanger is arranged with at least one coolant line.
Bevorzugt werden die thermoelektrischen Elemente 2 bzw. der Thermogenerator 1 unter Ausnutzung des Seebeck-Effektes betrieben, wodurch bekanntlich durch die unterschiedliche Temperatur an den verschiedenen Halbleitermaterialien eine elektrische Spannung erzeugt wird. Es besteht bei derartigen thermoelektrischen Elementen 2 aber immer auch die Möglichkeit, dass diese unter Ausnutzung des Peltier-Effektes betrieben werden, dass also Strom zugeführt wird und damit ein Abkühlung der Umgebung der thermoelektrischen Elemente 2 erreicht wird. Obwohl die thermoelektrischen Elemente 2 prinzipiell nach aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren hergestellt werden können, werden diese bevorzugt über ein Sinterverfahren werkzeugfallend hergestellt, sodass keine bzw. nur eine minimale Nachbearbeitung der Elemente 2 erforderlich ist. Es wird dazu auf die von der Anmelderin am selben Tag beim österreichischen Patentamt eingereichte Anmeldung mit dem Titel„Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Elementes" verwiesen, die in diesem Umfang des Sinterverfahrens zur Offenbarung gegenständlicher Erfindung zählt, insbesondere die Ausführungen zum um 90 0 zur Pressrichtung verdrehten Anordnung der Elemente 2 im Thermogenerator 1 bzw. der Vorrichtung 12. Die Fig. 6 und 7 zeigen einen Ausschnitt aus einer bevorzugten Ausführungsvariante einesPreferably, the thermoelectric elements 2 and the thermoelectric generator 1 are operated by utilizing the Seebeck effect, which is known to generate an electrical voltage by the different temperature at the different semiconductor materials. However, there is always the possibility with such thermoelectric elements 2 that they are operated by utilizing the Peltier effect, ie that power is supplied and thus a cooling of the environment of the thermoelectric elements 2 is achieved. Although the thermoelectric elements 2 can in principle be produced by processes known from the prior art, they are preferably produced by means of a sintering process in such a way that no or only minimal reworking of the elements 2 is required. Reference is here made to the filed with the Austrian Patent Office on the same day application with the title "Method for producing a thermoelectric element", which counts in this scope of the sintering process to the disclosure of this invention, in particular the execution of 90 0 to the pressing direction twisted arrangement of the elements 2 in the thermal generator 1 and the device 12. FIGS. 6 and 7 show a detail of a preferred embodiment of a
Thermogenerators 101 in Explosionsdarstellung bzw. Schrägansicht. Dieser Thermogenerator 101 umfasst mehrere thermoelektrische Elemente 102. In den Fig. 6 bzw. 7 sind zur besseren Darstellung lediglich eines bzw. zwei derartige thermoelektrischen Elemente dargestellt. Obwohl es im Rahmen der Erfindung möglich ist, dass der Thermogenerator 101 nur zwei dieser thermoelektrischen Elemente 102 aufweist, ist es aus Gründen der erzielbaren Leistung bevorzugt, dass der Thermogenerator 101 mehr als zwei thermoelektrischen Elemente 102 aufweist, wobei sich die genaue Anzahl an thermoelektrischen Elementen 102 nach der gewünschten elektrischen Spannung richtet. Beispielsweise kann der Thermogenerator 101 ein Array an thermoelektrischen Elementen 102 aufweisen, das zwischen 20 und 300 thermo- elektrische Elemente 102 aufweist. Thermogenerators 101 in exploded view or oblique view. This thermoelectric generator 101 comprises a plurality of thermoelectric elements 102. In FIGS. 6 and 7, only one or two such thermoelectric elements are shown for better illustration. Although it is possible within the scope of the invention for the thermogenerator 101 to have only two of these thermoelectric elements 102, it is preferred for reasons of achievable performance that the thermoelectric generator 101 has more than two thermoelectric elements 102, the exact number of thermoelectric elements 102 directed to the desired voltage. For example, the thermal generator 101 a Array of thermoelectric elements 102 having between 20 and 300 thermoelectric elements 102.
Als Grundmaterial für die Herstellung der thermoelektrischen Elemente 102 wird bevorzugt ein Skutterudit bzw. eine Pulverzusammensetzung aus der Klasse der Skutterudite bzw. eine entsprechende Mischung aus den jeweiligen Elementen verwendet. Skutterudite weisen insbesondere im Hinblick auf die Temperaturbelastbarkeit gegenüber herkömmlichen Halbleitermaterialien den Vorteil auf, dass diese einer höheren Temperaturbelastung ausgesetzt werden können und zudem damit bessere Wirkungsgrade erzielt werden können. As base material for the production of the thermoelectric elements 102, a skutterudite or a powder composition from the class of skutterudites or a corresponding mixture of the respective elements is preferably used. Skutterudites have the advantage, in particular with regard to the temperature resistance compared to conventional semiconductor materials, that they can be exposed to a higher temperature load and, in addition, that better efficiencies can be achieved.
Es ist im Rahmen der Erfindung mit dem Thermogenerator 101 möglich, Wirkungsgrade von bis annähernd bzw. knapp über 10 % zu erreichen, wohingegen mit thermoelektrischen Generatoren aus dem Stand der Technik bislang Wirkungsgrade um die 6 % erreicht wurden. Je nach Ausbildung der thermoelektrischen Elemente 102 als p- oder n- Element wird dieses Grundmaterial aus der Klasse der Skutterudite entsprechend p- oder n-dotiert. Für die Dotierung kann beispielsweise zumindest eines der Elemente Ba, Ca, Ce, Eu, Fe, Ge, In, La, Nd, Ni, Os, Pd, Pr, Pt, Ru, Sm, Sn, Sr, Te, Yb, verwendet werden. Obwohl die Verwendung von Skutteruditen die bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung ist, besteht im Rahmen der Erfindung aber auch die Möglichkeit, andere Halbleitermaterialien, insbesondere für Temperaturanwendungen deutlich unterhalb von 700 °C, zu verwenden. Beispiele hierfür sind Bi2Te3/Sb2Te3, PbTe-PbSe-PbS, (SiGe), Chlatrate, wie zum Beispiel Ba8Gal6Ge30, Zn4Sb3, etc. Within the scope of the invention with the thermogenerator 101, it is possible to achieve efficiencies of up to approximately or just over 10%, whereas to date, efficiencies of around 6% have been achieved with thermoelectric generators from the prior art. Depending on the design of the thermoelectric elements 102 as a p or n element, this base material from the class of skutterudites is p-doped or n-doped accordingly. For doping, for example, at least one of Ba, Ca, Ce, Eu, Fe, Ge, In, La, Nd, Ni, Os, Pd, Pr, Pt, Ru, Sm, Sn, Sr, Te, Yb may be used become. Although the use of skutterudites is the preferred embodiment of the invention, it is also possible within the scope of the invention to use other semiconductor materials, in particular for temperature applications well below 700 ° C. Examples include Bi2Te3 / Sb2Te3, PbTe-PbSe-PbS, (SiGe), Chlatrate, such as Ba8Gal6Ge30, Zn4Sb3, etc.
Vorzugsweise werden die thermoelektrischen Elemente 102 nach einem Sinterverfahren hergestellt. Dazu können diese als bereits fertige Elemente hergestellt oder aus einem größeren Sinterblock bzw. einer Sinterscheibe herausgeschnitten werden. Der Thermogenerator umfasst weiters ein Substrat 103 auf dem die thermoelektrischen Elemente 102 angeordnet werden. Dieses Substrat 103 ist insbesondere ebenflächig ausgebildet und besteht bevorzugt aus einer Keramik. Beispielsweise kann das Substrat 103 durch zumindest eine Keramik ausgewählt aus einer Gruppe umfassend oder bestehend aus AI2O3, A1N, Si3N4 und Glaskeramiken, gebildet sein. In der bevorzugten Ausführung des Thermogenera- tors 1 besteht das Substrat 103 aus A1203. Preferably, the thermoelectric elements 102 are manufactured by a sintering process. These can be prepared as already finished elements or cut out of a larger sintered block or a sintered plate. The thermal generator further comprises a substrate 103 on which the thermoelectric elements 102 are arranged. This substrate 103 is formed in particular planar and preferably consists of a ceramic. For example, the substrate 103 may be selected from at least one ceramic selected from the group consisting of or consisting of Al 2 O 3, AlN, Si 3 N 4 and glass ceramics. In the preferred embodiment of the thermogenerator 1, the substrate 103 consists of A1 2 0 3rd
Das Substrat 103 ist bevorzugt auf zumindest einer Oberfläche 104 mit einer metallischen Schicht 105 versehen, vorzugsweise auch auf der der Oberfläche 104 gegenüberliegendenThe substrate 103 is preferably provided on at least one surface 104 with a metallic layer 105, preferably also on the surface 104 opposite
Oberfläche 106. Die metallische Schicht 105 ist durch Kupfer bzw. eine Kupferlegierung gebildet. Die metallische(n) Schicht(en) 105 sind insbesondere unmittelbar auf dem Substrat 103 aufgebracht, beispielsweise durch bedampfen des Substrats 103. Das Substrat 103 kann eine Schichtdicke aufweisen, ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 0,1 mm, insbesondere 0,3 mm und einer oberen Grenze von 2 mm, insbesondere 1,5 mm. Surface 106. The metallic layer 105 is formed by copper or a copper alloy. The metallic layer (s) 105 are in particular applied directly to the substrate 103, for example by vapor deposition of the substrate 103. The substrate 103 may have a layer thickness selected from a range with a lower limit of 0.1 mm, in particular 0 , 3 mm and an upper limit of 2 mm, in particular 1.5 mm.
Die metallische Schicht 105 kann eine Schichtdicke aufweisen, ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 0,1 mm und einer oberen Grenze von 0,5 mm, insbesondere 0,3 mm. The metallic layer 105 may have a layer thickness selected from a range having a lower limit of 0.1 mm and an upper limit of 0.5 mm, especially 0.3 mm.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist das Substrat 103 durch ein DCB-Substrat (DGB = Direct copper bonded) gebildet, wie diese aus der Halbleitertechnik bekannt sind. According to a preferred embodiment of the invention, the substrate 103 is formed by a DCB substrate (DGB = direct copper bonded), as they are known from semiconductor technology.
Zwischen den thermoelektrischen Elementen 102 und dem Substrat 103 ist vorzugsweise an einer Bodenfläche der thermoelektrischen Elemente 102 eine Diffusionssperrschicht 107 angeordnet. Die Diffusionssperrschicht 107 kann in direktem Kontakt mit dem jeweiligen ther- moelektrischen Element 103 stehen. Dazu kann das thermoelektrische Element 102 mit der dem Werkstoff für die Diffusionssperrschicht 107 beschichtet werden, beispielsweise durch ein PVD- Verfahren, wie z.B. Magnetronsputtern, Atomlagenabscheidung (ALD), Laserabla- tion. Als Werkstoff für die Diffusionssperrschicht 107 wird vorzugsweise ein Material ausgewählt aus einer Gruppe umfassend bzw. bestehend aus Nb, Ni, W, Mo, Ru, Pd, Ti, Ta ver- wendet. Vorzugsweise besteht die Diffusionssperrschicht 107 aus Nitriden dieser Elemente. Between the thermoelectric elements 102 and the substrate 103, a diffusion barrier layer 107 is preferably disposed on a bottom surface of the thermoelectric elements 102. The diffusion barrier layer 107 may be in direct contact with the respective thermoelectric element 103. For this purpose, the thermoelectric element 102 may be coated with the material for the diffusion barrier layer 107, for example by a PVD method, such as e.g. Magnetron sputtering, atomic layer deposition (ALD), laser ablation. As the material for the diffusion barrier layer 107, a material selected from a group consisting of Nb, Ni, W, Mo, Ru, Pd, Ti, Ta is preferably used. Preferably, the diffusion barrier layer 107 is nitrides of these elements.
Die Diffusionssperrschicht 107 kann eine Schichtdicke aufweisen, ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 60 nm und einer oberen Grenze von 100 μηι. Das thermoelektrische Element 102 wird, gegebenenfalls mit der angeordneten Diffusions- sperrschicht 107, mit dem Substrat 103, das die Kaltseite des Thermogenerators 101 darstellt, über eine zwischen dem thermoelektrischen Element 102 und dem Substrat 103 angeordnete Verbindungsschicht 108 verbunden. Diese Verbindungsschicht 108 kann als Lötschicht durch Löten oder durch NVT-Technik (Niedertemperaturverbindungstechnik) hergestellt sein. Der Werkstoff für die Verbindungsschicht 108 kann an die jeweiligen Werkstoffe der weiteren Schichten des Thermogenerators angepasst sein, beispielsweise aus einer Mo-Cu-, einer Fe- Ni- oder einer Ni-Ti-Legierung gebildet sein. Die Verbindungsschicht 108 kann eine Schichtdicke aufweisen, ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 10 μτη und einer oberen Grenze von 300 μκα. The diffusion barrier layer 107 may have a layer thickness selected from a range having a lower limit of 60 nm and an upper limit of 100 μm. The thermoelectric element 102, optionally with the diffusion barrier layer 107 arranged, is connected to the substrate 103, which is the cold side of the thermal generator 101, via a connection layer 108 arranged between the thermoelectric element 102 and the substrate 103. This bonding layer 108 may be made as a soldering layer by soldering or by NVT (Low Temperature Bonding) technique. The material for the connecting layer 108 may be adapted to the respective materials of the further layers of the thermal generator, for example, be formed from a Mo-Cu, a Fe-Ni or a Ni-Ti alloy. The connection layer 108 may have a layer thickness selected from a range having a lower limit of 10 μτη and an upper limit of 300 μκα.
Auf der, der dem Substrat 103 gegenüberliegenden Heißseite werden jeweils zwei nebeneinander angeordnete thermoelektrische Elemente 102 des Thermogenerators 101 über ein Lei- telement 109 elektrisch leitend miteinander verbunden. On the hot side opposite the substrate 103, in each case two thermoelectric elements 102 of the thermogenerator 101 arranged next to one another are electrically conductively connected to one another via a conductor element 109.
Die elektrisch leitende Verbindung jeweils zweier nebeneinander angeordneter thermoelektri- scher Elemente 102 an der Kaltseite im Bereich des Substrats 103 erfolgt bei der dargestellten Ausführungsvariante über die metallische Schicht 105, insbesondere über einer Kupfer- schicht. Die elektrisch leitende Verbindung erfolgt dabei so, dass die thermoelektrischen Elemente 102 in Serie geschaltet sind, d.h. dass die jeweils zwei nebeneinander angeordnete thermoelektrischen Elemente 102 alternierend an der Kaltseite und der Heißseite elektrisch leitend verbunden werden. Als Werkstoff für das Leitelement 109 kann ein Metall oder eine metallische Legierung verwendet werden, das bzw. die ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend bzw. bestehend aus Mo, Cu, Mo5oCu50, Mo70Cu30, Fe-Ti-Legierungen, Fe-Ni-Legierungen. Vorzugsweise besteht das Leitelement 109 aus Mo65Cu35 oder aus einer Ni-Ti- Legierung oder einer Fe-Ni- Legierung., insbesondere mit einer Oxidationsschutzbeschichtung Bevorzugt werden dabei Ni-Ti- Legierungen oder einer Fe-Ni-Legierungen verwendet die einen Wäremausdehnungs- koeffizienten von maximal ΙΟχΙΟ"6 K"1 und/oder eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 4x l^ D'm"1 und/oder eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 15 W/mK aufweist. Beispielsweise kann eine FesoNiso verwendet werden. Es sei darauf hingewiesen, dass die Oxidationsschutzbeschichtung eines Leitelementes 109 eine für sich eigenständige Erfindung darstellen kann, unabhängig davon, wie der Thermoge- nerator 101 weiter aufgebaut ist bzw. welche Werkstoffe für die einzelnen Schichten verwendet werden. Insbesondere ist in diesem Fall die Verbindung des Leitelementes 109 über eine Kleberschicht oder eine aufgespritzte Schicht oder eine nach einer Niedertemperaturverbin- dungstechnik hergestellte Schicht zwar vorteilhaft aber nicht zwingend erforderlich. Mit anderen Worten ausgedrückt stellt ein mit der Oxidationsschutzbeschichtung bzw. zumindest einer Oxidationsschutzschicht versehenes Leitelement 109 für Thermogeneratoren 101 eine eigenständige Erfindung dar. The electrically conductive connection of two juxtaposed thermoelectric elements 102 on the cold side in the region of the substrate 103 takes place in the illustrated embodiment via the metallic layer 105, in particular over a copper layer. The electrically conductive connection is made in such a way that the thermoelectric elements 102 are connected in series, ie that the two juxtaposed thermoelectric elements 102 are connected in an electrically conductive manner alternately on the cold side and the hot side. As a material for the guide member 109 is a metal or a metal alloy can be used, or the selected comprising or consisting of Mo, Cu from the group Mo 5 OCU 50, Mo 70 Cu 30 Fe-Ti alloys, Fe-Ni alloys. Preferably, the guide element 109 consists of Mo 65 Cu35 or of a Ni-Ti alloy or a Fe-Ni alloy, in particular with an oxidation protective coating. Preference is given here Ni-Ti alloys or an Fe-Ni alloys used which a Wäremausdehnungs- coefficient of maximum ΙΟχΙΟ "6 K " 1 and / or an electrical conductivity of at least 4 × 10 -6 m- 1 and / or a thermal conductivity of at least 15 W / mK For example, a FesoNiso can be used. It should be noted that the oxidation protection coating of a guide element 109 can represent an independent invention, regardless of how the thermo generator 101 is further constructed or which materials are used for the individual layers. In particular, in this case the connection of the guide element 109 via an adhesive layer or a sprayed-on layer or a layer produced according to a low-temperature connection technique is advantageous but not absolutely necessary. In other words, a guide element 109 for thermal generators 101 provided with the oxidation protection coating or at least one oxidation protection layer constitutes an independent invention.
Das Leitelement 109 kann eine Schichtdicke aufweisen, ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 0,1 mm und einer oberen Grenze von 1,5 mm. The guide element 109 may have a layer thickness selected from a range having a lower limit of 0.1 mm and an upper limit of 1.5 mm.
Die Verbindung des Leitelementes 109 erfolgt gemäß einer ersten Ausführungsvariante über eine Kleber 110 der eine Kleberschicht 111 ausbildet. Der Kleber 110 kann beispielsweise aus einer anorganischen Bindermasse bestehen, in der Silberpartikel enthalten sind. Insbesondere wird ein Hochtemperaturkleber verwendet. Besonders bevorzugt wird als Kleber 110 Pyro- duct ® verwendet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante wird ein Kleber 110 verwendet, der zum Abbinden bzw. Härten Sauerstoff benötigt, wie beispielsweise Pyroduct ®. The connection of the guide element 109 is carried out according to a first embodiment via an adhesive 110 which forms an adhesive layer 111. The adhesive 110 may, for example, consist of an inorganic binder composition in which silver particles are contained. In particular, a high temperature adhesive is used. 110 pyro- ® is particularly preferred as an adhesive duct used. According to a preferred embodiment, an adhesive 110 is used, the required oxygen to setting or hardening, such as Pyroduct ®.
Um eine Spannungsbruch der Kleberschicht 111 besser vermeiden zu können, wird bevorzugt ein Kleber 110 verwendet, dessen thermischer Expansionskoeffizient einen Wert von maxi- mal ±20%, insbesondere maximal ±10%, des thermischen Expansionskoeffizienten des Werkstoffes der thermoelektrischen Elemente 102 aufweist. In order to be able to better avoid a stress rupture of the adhesive layer 111, preference is given to using an adhesive 110 whose thermal expansion coefficient has a value of not more than ± 20%, in particular not more than ± 10%, of the thermal expansion coefficient of the material of the thermoelectric elements.
Die Kleberschicht 111 kann eine Schichtdicke aufweisen, ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 10 μηι und einer oberen Grenze von 300 μπι. The adhesive layer 111 may have a layer thickness selected from a range with a lower limit of 10 μηι and an upper limit of 300 μπι.
Gemäß einer anderen Ausführungsvariante wird das Leitelement 109 mittels eines, insbesondere thermischen, Spritzverfahrens, wie z.B. Plasmaspritzen, Flammspritzen, HVOF, Plasmapräzisionsspritzen, oder Kombinationen dieser Verfahren, oder mittels Niedertemperatur- verbindungstechnik, wie z.B. Silbersintern, direkt auf die zu verbindenden thermoelektrischen Elemente 102 auf deren Deckfläche aufgespritzt. Da die thermischen Spritzverfahren prinzipiell bekannt sind, sei zu weiteren Einzelheiten dazu auf die einschlägige Literatur verwiesen. Das Leitelement 109 kann in diesem Fall eine Schichtdicke aufweisen, ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 0,2 mm und einer oberen Grenze von 2 mm. According to another embodiment, the guide element 109 by means of a, in particular thermal, spraying method, such as plasma spraying, flame spraying, HVOF, plasma precision syringes, or combinations of these methods, or by means of low-temperature Connection technology, such as silver sintering, sprayed directly onto the thermoelectric elements 102 to be joined on the top surface. Since the thermal spraying processes are known in principle, reference is made to the relevant literature for further details. The guide element 109 in this case may have a layer thickness selected from a range with a lower limit of 0.2 mm and an upper limit of 2 mm.
Es ist weiters möglich, dass zwischen der Kleberschicht 111 bzw. dem gespritzten Leitelement 109 eine Diffusionssperrschicht 112 angeordnet ist, die mit dem thermoelektrischen Element 102 und der Kleberschicht 111 bzw. dem Leitelement 109 verbunden ist. Diese Diffusionssperrschicht 112 kann gleich aufgebaut sein wie voranstehend beschrieben Diffusionssperrschicht 107 zwischen der Verbindungsschicht 108 und dem thermoelektrischen Element 102 auf der Kaltseite. Es ist jedoch bevorzugt, nachdem die Diffusionssperrschicht 112 auf der Heißseite des Thermogenerators 101 angeordnet ist, dass diese aus einem Werkstoff be- steht, der ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend bzw. bestehend aus b, Ni, W, Mo, Ru, Pd, Ti, Ta. Insbesondere werden Nitride dieser Elemente für die Diffusionsschicht 112 verwendet. Die Herstellung der Diffusionsschicht 112 kann durch direktes Beschichten der dem Leitelement 109 zugewandten Oberfläche, d.h. der Deckfläche, des thermoelektrischen Elementes 102 erfolgen, beispielsweise durch ein PVD- Verfahren, Sputtern, Atomlagenabschei- dung (ALD), Laserablation. It is further possible for a diffusion barrier layer 112, which is connected to the thermoelectric element 102 and the adhesive layer 111 or the guide element 109, to be disposed between the adhesive layer 111 and the sprayed guide element 109. This diffusion barrier layer 112 may be the same as described above diffusion barrier layer 107 between the connection layer 108 and the thermoelectric element 102 on the cold side. However, after the diffusion barrier layer 112 is disposed on the hot side of the thermal generator 101, it is preferable that it is made of a material selected from a group consisting of b, Ni, W, Mo, Ru, Pd. Ti, Ta. In particular, nitrides of these elements are used for the diffusion layer 112. The formation of the diffusion layer 112 may be accomplished by directly coating the surface facing the baffle 109, i. the top surface of the thermoelectric element 102, for example by a PVD method, sputtering, atomic layer deposition (ALD), laser ablation.
An zumindest einer der zwischen der Bodenfläche und der Deckfläche des thermoelektrischen Elementes 102 liegenden Seitenfläche 113 bis 116, bevorzugt an allen, kann eine Oxidationssperrschicht 117 und/oder Sublimationssperrschicht angeordnet, insbesondere mit dem ther- moelektrischen Element 102 verbunden sein. On at least one of the side surface 113 to 116 located between the bottom surface and the top surface of the thermoelectric element 102, preferably at all, an oxidation barrier layer 117 and / or sublimation barrier layer may be arranged, in particular connected to the thermoelectric element 102.
Die Oxidationssperrschicht 117 und/oder Sublimationssperrschicht kann aus einem Werkstoff bestehen, der ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend bzw. bestehend aus Cr, Si, A1203, Zr02, Al2Ti03, NbN, TaN, WN und Kombinationen daraus. Insbesondere wird A1203 ver- wendet. Es ist weiters möglich dass die Oxidationssperrschicht 117 gleichzeitig die Sublimationssperrschicht bildet, also nicht zwei getrennte Schichten auf das thermoelektrische Element 102 aufgebracht werden. In diesem Fall kann die Oxidationssperrschicht aus AI2O3 bestehen. Die Oxidationssperrschicht 117 und/oder die Sublimationssperrschicht kann bzw. können eine Schichtdicke aufweisen, die (jeweils) ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 60 nm und einer oberen Grenze von 300 μηι. Die Oxidationssperrschicht 117 und/oder die Sublimationssperrschicht kann bzw. können beispielsweise mit einem der genannten Verfahren oder z.B. mit Elektronenstrahlbedampfen hergestellt werden The oxidation barrier layer 117 and / or Sublimationssperrschicht may consist of a material which is selected from a group comprising or consisting of Cr, Si, A1 2 0 3, Zr0 2, Al 2 Ti0 3, NbN, TaN, WN, and combinations thereof. In particular, A1 2 0 3 is used . It is also possible that the oxidation barrier layer 117 simultaneously forms the sublimation barrier layer, ie, not two separate layers are applied to the thermoelectric element 102. In this case, the oxidation barrier layer may consist of Al 2 O 3 . The oxidation barrier layer 117 and / or the sublimation barrier layer may have a layer thickness which is (in each case) selected from a region having a lower limit of 60 nm and an upper limit of 300 μm. The oxidation barrier layer 117 and / or the sublimation barrier layer can be produced, for example, by one of the methods mentioned or, for example, by electron beam vapor deposition
Obwohl sich die Oxidationssperrschicht 117 und/oder die Sublimationssperrschicht bei der Darstellung in Fig. 2 nur über einen Teilbereich der Höhe der thermoelektrischen Elemente 102 erstreckt, besteht selbstverständlich die Möglichkeit, dass sich diese Schicht(en) über die gesamte Höhe der thermoelektrischen Elemente 102 erstreckt bzw. erstrecken. Although the oxidation barrier layer 117 and / or the sublimation barrier layer in the illustration in FIG. 2 extends over only a partial region of the height of the thermoelectric elements 102, it goes without saying that there is the possibility that this layer (s) extends over the entire height of the thermoelectric elements 102 or extend.
Fig. 8 zeigt eine Draufsicht auf ein Substrat 103, vorzugsweise ein DCB-Substrat, mit darauf angeordneten thermoelektrischen Elementen 102. Die Verbindung der thermoelektrischen Elemente 102 erfolgt bevorzugt wie zu den Fig. 6 und 7 beschrieben über die nicht dargestellte Verbindungsschicht 108, gegebenenfalls unter Zwischenanordnung der Diffusionssperr- Schicht 107. Generell sei hinsichtlich des Aufbaus und der Anordnung der einzelnen weiteren Schichten des mit diesem Substrat 103 mit den thermoelektrischen Elementen 102 gebildeten Thermogenerators 101, die in Fig. 8 ebenfalls aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind, also dem Leitelement 109, der Kleberschicht 111, der Diffusionssperrschicht 112, der Oxidationssperrschicht 117 und/oder der Sublimationsschicht, sowie der auf der Kaltseite gegebenenfalls angeordneten metallischen Schicht 105, auf voranstehende Ausführungen verwiesen, und können diese Ausführungen auf diese Ausführungsvariante entsprechend angewandt werden. 8 shows a top view of a substrate 103, preferably a DCB substrate, with thermoelectric elements 102 arranged thereon. The connection of the thermoelectric elements 102 is preferably carried out as described with reference to FIGS. 6 and 7 via the connection layer 108, not shown, if desired Intermediate arrangement of the diffusion barrier layer 107. In general, with regard to the structure and the arrangement of the individual further layers of the thermal generator 101 formed with this substrate 103 with the thermoelectric elements 102, which are likewise not shown in FIG. 8 for reasons of clarity, that is the guide element 109, the adhesive layer 111, the diffusion barrier layer 112, the oxidation barrier layer 117 and / or the sublimation layer, as well as on the cold side, if necessary, arranged metallic layer 105, referred to above, and can applanate these embodiments according to this embodiment variant dt be.
Die thermoelektrischen Elemente 102 sind bei der Ausführungsvariante nach Fig. 3 in Form von Reihen 118 angeordnet, wobei auf dem Substrat 103 ein Mehrzahl an Reihen 118 nebeneinander angeordnet sind. Beispielsweise können 36 thermoelektrische Elemente 102 auf dem Substrat 103 angeordnet werden, die auf 6 Reihen 118 aufgeteilt sind. Diese Angaben haben aber in Hinblick auf die Erfindung nur beispielhaften Charakter, sodass auch eine dazu unterschiedliche Anzahl an thermoelektrischen Elementen 102 vorhanden sein kann. The thermoelectric elements 102 are arranged in the embodiment of FIG. 3 in the form of rows 118, wherein on the substrate 103, a plurality of rows 118 are arranged side by side. For example, 36 thermoelectric elements 102 may be arranged on the substrate 103, which are divided into 6 rows 118. These details have but in terms of the invention only exemplary character, so that a different number of thermoelectric elements 102 may be present.
Die einzelnen thermoelektrischen Elemente 102 können dabei zur Gänze in Serie geschaltet sein, sodass also die thermoelektrischen Elemente 102 einen mäanderförmigen Verlauf aufweisen. The individual thermoelectric elements 102 may be connected in series entirely, so that therefore the thermoelectric elements 102 have a meandering course.
Andererseits besteht auch die Möglichkeit, dass die thermoelektrischen Elemente 102 innerhalb einer Reihe 118 seriell verbunden geschaltet sind, dass aber die Reihen 118 zueinander parallel geschaltet werden. On the other hand, there is also the possibility that the thermoelectric elements 102 are connected in series within a row 118, but that the rows 118 are connected in parallel to each other.
Je nach der gewählten Schaltung - ausschließlich seriell oder in Kombination mit parallel - sind an dem Substrat 103 eine unterschiedliche Anzahl an Außenkontakten in Form eines Pluspols 119 und eines Minuspols 120 vorhanden. Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausfüh- rungsvariante weist das Substrat 103 einen Pluspol 119 (rechts) und einen Minuspol 120Depending on the circuit selected-exclusively in series or in combination with parallel-a different number of external contacts in the form of a positive pole 119 and a negative pole 120 are present on the substrate 103. In the embodiment variant shown in FIG. 3, the substrate 103 has a positive pole 119 (on the right) and a negative pole 120
(links) auf. Vorzugsweise sind die beiden Außenkontakt auf derselben Seite des Substrats 103 angeordnet, es besteht aber auch die Möglichkeit, dass einer der Pole auf einer anderen, beispielsweise der gegenüberliegenden, Seite angeordnet ist. Die beiden Pole bestehen aus einem Metall oder einer metallischen Legierung, insbesondere aus Cu oder einer Cu-Legierung. (left). Preferably, the two external contacts are arranged on the same side of the substrate 103, but there is also the possibility that one of the poles is arranged on another side, for example the opposite side. The two poles consist of a metal or a metallic alloy, in particular of Cu or a Cu alloy.
Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass die beiden Pole elektrisch leitend mit den thermoelektrischen Elementen 102 verbunden sind. For completeness, it should be noted that the two poles are electrically connected to the thermoelectric elements 102.
Des Weitern sei der Vollständigkeit halber angemerkt, dass - wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist - abwechselnd p- und n-dotierte thermoelektrische Elemente 102 angeordnet und elektrisch leitend miteinander verbunden werden. Furthermore, it should be noted for the sake of completeness that - as is known from the prior art - alternately p- and n-doped thermoelectric elements 102 are arranged and electrically conductively connected to each other.
In der bevorzugten Ausführung des Substrates 103 weist dieses zwischen den Reihen 118 an thermoelektrischen Elementen 102 aus voranstehend genannten Gründen Ausnehmungen 121 auf, insbesondere Durchbrüche. Diese Ausnehmungen 121 sind insbesondere schlitzförmig ausgebildet, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Prinzipiell können diese Ausnelimungen 121 aber auch eine andere Form aufweisen. Von Vorteil ist dabei, wenn die geschlossenen Eckbereich 122 im Schlitzgrund gerundet oder mit einer Querschnittserweiterung ausgeführt sind, wobei ein Rundungsradius ausgewählt sein kann aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 0,2 mm und einer oberen Grenze von 1 mm. Die Querschnittserweiterung kann beispielsweise in Form einer Bohrung ausgeführt sein, die einen Durchmesser aufweist, der größer ist als die Breite des Schlitzes. Prinzipiell sind auch andere Formen der Querschnittser- Weiterung möglich, wobei bevorzugt runde Formen, also beispielsweise auch ovale, verwendet werden. Im Wesentlichen erhält also das Substrat durch die schlitzförmigen Ausnehmungen 121 ebenfalls in Draufsicht ein mäanderförmiges Aussehen. In the preferred embodiment of the substrate 103, this has recesses 121, in particular openings, between the rows 118 of thermoelectric elements 102 for the reasons stated above. These recesses 121 are in particular slit-shaped, as shown in Fig. 3. In principle, these Ausnelimungen 121 but also have a different shape. It is advantageous if the closed corner region 122 is rounded in the slot base or executed with a cross-sectional widening, wherein a radius of curvature may be selected from a range having a lower limit of 0.2 mm and an upper limit of 1 mm. The cross-sectional widening may, for example, be in the form of a bore having a diameter which is greater than the width of the slot. In principle, other forms of cross-sectional expansion are possible, with preferably round shapes, that is, for example, also oval, are used. In essence, therefore, the substrate also receives a meander-shaped appearance through the slot-shaped recesses 121, likewise in plan view.
Durch diese Ausführungsvariante wird ein Thermogenerator 101 zur Verfügung gestellt, der aufgrund der auf dem Substrat 103 auf der Kaltseite angeordneten thermoelektrischen Elemente 102 eine gute Hantierbarkeit aufweist, und zudem durch die Skelettstruktur auf der Heißseite - die thermoelektrischen Elemente 102 sind hier nur über die Leitelemente 109 miteinander in Verbindung, wodurch eine offene Struktur auf der Heißseite entsteht - thermische Ausdehnungen des Thermogenerators 101 ermöglicht, wodurch die Gefahr der Beschädigung des Thermogenerators 101 verringert wird. This embodiment variant provides a thermogenerator 101 which, owing to the thermoelectric elements 102 arranged on the cold side on the substrate 103, has good handleability and, moreover, by the skeleton structure on the hot side - the thermoelectric elements 102 are here only via the guide elements 109 communicating with each other to form an open structure on the hot side-allowing thermal expansion of the thermal generator 101, thereby reducing the risk of damaging the thermal generator 101.
In Fig. 9 ist ein erfindungsgemäßer Thermogenerator 101 in Schrägansicht dargestellt. Dieser umfasst in der dargestellten Variante mehrere p- und n-dotierte thermoelektrische Elemente 102, die streifenförmig unter Ausbildung von sechs Elementestreifen 123 angeordnet sind, wobei die thermoelektrischen Elemente 102 innerhalb eines Elementestreifens 123 miteinander verbunden sein können, sodass also die Elementestreifen 123 einstückig aus mehreren Teilen aufgebaut sein können. Einer der Elementestreifen 123 ist in Fig. 10 in Seitenansicht dargestellt. Es ist aber auch möglich, dass die Elementestreifen 123 aus jeweils einem thermoelektrischen Element 102 besteht, sodass also die Elementestreifen 123 jeweils nur p- oder n-dotiert sind. FIG. 9 shows an oblique view of a thermal generator 101 according to the invention. In the illustrated variant, this comprises a plurality of p-doped and n-doped thermoelectric elements 102, which are arranged in strips to form six element strips 123, wherein the thermoelectric elements 102 can be interconnected within an element strip 123, so that the element strips 123 are integrally formed from a plurality Parts can be constructed. One of the element strips 123 is shown in side view in FIG. But it is also possible that the element strips 123 each consist of a thermoelectric element 102, so that therefore the element strips 123 are each only p- or n-doped.
Selbstverständlich kann der Thermogenerator 101 auch weniger oder mehr als sechs derartige Elementestreifen 123 aufweisen, also z.B. auch zwei, drei, vier, fünf, sieben, acht neun, zehn, etc. Of course, the thermal generator 101 may also have fewer or more than six such element stripes 123, e.g. also two, three, four, five, seven, eight, nine, ten, etc.
Die thermoelektrischen Elemente 102 sind über die Leitelemente 109 in Serie miteinander elektrisch leitend verbunden. Wie aus Fig. 9 ersichtlich ist, erfolgt die Kontaktierung der thermoelektrischen Elemente 102 mit den Leitelementen 109 bevorzugt in distalen Endbereichen 124 der Elementestreifen 123. Die Kontaktierung kann aber auch in einem anderen Bereich der thermoelektrischen Elemente 102 angeordnet sein. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass in Fig. 6 nur die Kontaktierung der Elementestreifen 123 miteinander dargestellt ist. Die Kontaktierung der thermoelektrischen Elemente 102 kann wie voranstehend zu den Fig. 6 und 7 beschrieben erfolgen. The thermoelectric elements 102 are electrically conductively connected to one another via the guide elements 109 in series. As can be seen from FIG. 9, the contacting takes place thermoelectric elements 102 with the guide elements 109 preferably in the distal end regions 124 of the element strips 123. However, the contacting can also be arranged in another region of the thermoelectric elements 102. It should be noted at this point that in Fig. 6, only the contacting of the element strips 123 is shown together. The contacting of the thermoelectric elements 102 can be carried out as described above for FIGS. 6 and 7.
Es ist zudem möglich, dass die Kontaktierung der Elementestreifen 123 miteinander, wie in Fig. 9 dargestellt, wechselweise oben und unten erfolgt oder diese Kontaktierungen jeweils an derselben Seite angeordnet sind, also nur oben oder nur unten, bezogen auf die relative Lage der Elementestreifen 123 in Fig. 9. It is also possible that the contacting of the element strips 123 with each other, as shown in Fig. 9, alternately up and down or these contacts are each arranged on the same side, ie only above or only below, based on the relative position of the element stripes 123th in Fig. 9.
Innerhalb eines Elementestreifens 123 sind die einzelnen thermoelektrischen Elemente 102 seriell miteinander elektrisch leitend verbunden. Within an element strip 123, the individual thermoelectric elements 102 are connected in series with each other in an electrically conductive manner.
Zum Abgreifen der in den thermoelektrischen Elementen 102 erzeugten Spannung sind der Pluspol 119 sowie der Minuspol 120 vorgesehen. Bevorzugt weisen die thermoelektrischen Elemente 102 und in der Folge die Elementestreifen 123, wie z.B. in den Fig. dargestellt einen rechteckförmigen Querschnitt auf. Es besteht jedoch im Rahmen der Erfindung auch die Möglichkeit, wenngleich dies nicht die bevorzugte Ausführung ist, andere Querschnittsformen zu wählen, beispielsweise quadratische, sechseckige, achteckige, runde, etc. For tapping the voltage generated in the thermoelectric elements 102, the positive pole 119 and the negative pole 120 are provided. Preferably, the thermoelectric elements 102 and, in sequence, the element stripes 123, e.g. in the figure shown on a rectangular cross-section. However, it is within the scope of the invention also the possibility, although this is not the preferred embodiment, to choose other cross-sectional shapes, such as square, hexagonal, octagonal, round, etc.
Es ist weiters bevorzugt, nachdem die bevorzugte Verwendung des Thermogenerators 101 in einem Abgassystem eines Kraftfahrzeuges ist, dass die Elementestreifen 123 und/oder die thermoelektrischen Elemente 102 senkrecht, das heißt im zumindest annährend rechten Winkel zur Flussrichtung der Abgase oder mit anderen Worten senkrecht auf die Längserstre- ckung, das heißt die Länge des Thermogenerators 101, ausgerichtet sind, wie dies in Fig. 9 dargestellt ist. Es ist auch möglich in der voranstehend beschriebenen Ausführungsform des Thermogenera- tors 101 mit geschlitztem DCB-Substrat zwischen den einzelnen Reihen - in Längsrichtung der schlitzförmigen Ausnehmungen 121 betrachtet - von thermoelektrischen Elementen 102 unterschiedliche Abstände zu verwenden. Beispielsweise können dabei auch die schlitzförmi- gen Ausnehmungen 121 zumindest teilweise eine unterschiedliche Schlitzbreite aufweisen. It is further preferred, after the preferred use of the thermal generator 101 in an exhaust system of a motor vehicle, that the element strips 123 and / or the thermoelectric elements 102 is perpendicular, that is at least approximately at right angles to the flow direction of the exhaust gases or in other words perpendicular to the Longitudinal extension, that is, the length of the thermal generator 101, are aligned, as shown in Fig. 9. It is also possible in the above-described embodiment of the thermogenerator 101 with slotted DCB substrate between the individual rows - as viewed in the longitudinal direction of the slot-shaped recesses 121 - to use different distances from thermoelectric elements 102. For example, the slot-shaped recesses 121 may at least partially have a different slot width.
Die Fig. 11 zeigt eine Vorrichtung 125 die neben dem Thermogenerator 101 auch einen Wärmetauscher 126 als Wärmequelle für den Thermogenerator 101 umfasst. Im einfachsten Fall ist dieser Wärmetauscher 126 durch ein Wärmetauscherrohr bzw. einen Wärmetauscher- profil mit zumindest annährend rechteckförmigem Querschnitt gebildet, wobei gemäß PfeilFIG. 11 shows a device 125 which, in addition to the thermogenerator 101, also comprises a heat exchanger 126 as a heat source for the thermogenerator 101. In the simplest case, this heat exchanger 126 is formed by a heat exchanger tube or a heat exchanger profile with at least approximately rectangular cross section, wherein according to arrow
127 die die primäre Wärmequelle bildenden Abgase in dieses Wärmetauscherprofil eingeführt werden und dieses durchströmen. An der äußeren Oberfläche des Wärmetauschers 126, das heißt des Wärmetauscherprofils, sind die thermoelektrischen Elemente 102 des Thermogene- rators 101 in Form der Elementestreifen 123 angeordnet. Insbesondere können die Elemen- testreifen 123 mittels eines Verbindungsmittels 128 mit der Oberfläche des Wärmetauschers 126 bzw. des Wärmetauscherprofils thermisch leitend verbunden sein. Derartige Verbindungsmittel 128 sind aus dem Stand der Technik bekannt. 127, the exhaust gases forming the primary heat source are introduced into this heat exchanger profile and flow through it. On the outer surface of the heat exchanger 126, that is to say of the heat exchanger profile, the thermoelectric elements 102 of the thermogenerator 101 are arranged in the form of the element strips 123. In particular, the elementary test strips 123 can be thermally conductively connected to the surface of the heat exchanger 126 or the heat exchanger profile by means of a connection means 128. Such connection means 128 are known from the prior art.
Strichliert ist in Fig. 11 angedeutet, dass die Vorrichtung 125 zumindest annähernd zur Gänze mit einer Umhüllung 129 eingehaust sein kann, wodurch die thermoelektrischen ElementeDashed line is indicated in Fig. 11, that the device 125 may be housed at least approximately entirely with a sheath 129, whereby the thermoelectric elements
102 besser vor Umwelteinflüssen geschützt werden können. Insbesondere entsteht damit auch eine Vorrichtung 125, die als gesamte Baueinheit in das Abgassystem eines Kraftfahrzeuges eingebaut werden kann, also beispielsweise in die Auspuffleitungen, bzw. kann diese Vorrichtung 125 sogar ein Teil einer Auspuffleitung eines Kraftfahrzeuges ersetzen, ähnlich dem Einbau eines Katalysators. 102 can be better protected against environmental influences. In particular, this also creates a device 125, which can be installed as an entire unit in the exhaust system of a motor vehicle, so for example in the exhaust pipes, or this device 125 even replace a part of an exhaust pipe of a motor vehicle, similar to the installation of a catalyst.
In einer Abwandlung dazu besteht die Möglichkeit, wie dies Fig. 10 zeigt, dass alternativ oder zusätzlich zur Einhausung der Vorrichtung 125 auch die einzelnen Elementestreifen 123 mit einer Umhüllung 130 versehen sein können. In a modification to this, it is possible, as FIG. 10 shows, that alternatively or additionally to the housing of the device 125, the individual element strips 123 may also be provided with a covering 130.
In Fig. 12 ist ein Ausschnitt aus einer Vorrichtung 125 im Querschnitt gezeigt. Insbesondere sind dabei jeweils zwei Elementestreifen 123 des Thermogenerators 101 zu einem Modul zusammengefasst, wobei bei dieser Ausführungsvariante zwischen den Elementestreifen 123 eines Moduls ein Isolierelement 131 angeordnet ist, das bevorzugt den gesamten Bereich zwischen den Elementestreifen 123 ausfüllt. Das Isolierelement 131 besteht aus einem elektrisch und thermisch isolierenden Material, z.B. aus einer Keramik. Mit Hilfe des Isolierelementes 131 wird eine Reduktion der Wärmeabstrahlung von den thermoelektrischen Elementen 102 erreicht, wodurch der Wirkungsgrad des Thermogenerators 101 verbessert werden kann. FIG. 12 shows a section of a device 125 in cross-section. In particular, in each case two element strips 123 of the thermal generator 101 are combined to form a module, wherein in this embodiment variant between the element strips 123 a module, an insulating element 131 is arranged, which preferably fills the entire area between the element strips 123. The insulating element 131 consists of an electrically and thermally insulating material, for example of a ceramic. With the aid of the insulating member 131, a reduction of the heat radiation from the thermoelectric elements 102 is achieved, whereby the efficiency of the thermal generator 101 can be improved.
Alternativ oder zusätzlich dazu besteht auch die Möglichkeit, wie dies in Fig. 10 dargestellt ist, dass zwischen den thermoelektrischen Elementen 102 derartige Isolierelemente 131 angeordnet sind. Alternatively or additionally, it is also possible, as shown in FIG. 10, for such insulating elements 131 to be arranged between the thermoelectric elements 102.
Die Vorrichtung 125 nach Fig. 12 umfasst zumindest zwei dieser Module, wobei gegebenenfalls der Bereich zwischen den Modulen bedarfsweise auch mit einem nicht dargestellten Isolierelement 131 ausgefüllt werden kann. Die Module selbst können wiederum über ein Verbindungsmittel 128 mit der Oberfläche des Wärmetauschers 126 verbunden sein. Ebenso er- folgt eine Kontaktierung mittels der Leitelemente 109 zwischen den Modulen, wodurch die thermoelektrischen Elemente 102 in ihrer Gesamtheit seriell miteinander verbunden sind. The device 125 according to FIG. 12 comprises at least two of these modules, wherein optionally the area between the modules can also be filled with an insulating element 131, not shown, if required. The modules themselves may in turn be connected via a connecting means 128 to the surface of the heat exchanger 126. Likewise, contacting takes place by means of the guide elements 109 between the modules, as a result of which the thermoelectric elements 102 are connected in series with one another in their entirety.
Es sei jedoch an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass es im Rahmen der Erfindung möglich ist, dass derartige Module nicht nur seriell sondern auch parallel elektrisch leitend miteinander verbunden werden können, wobei auch Mischformen von seriell und parallel möglich sind. However, it should be noted at this point that it is possible within the scope of the invention that such modules can be electrically connected to one another not only serially but also in parallel, wherein also mixed forms of serial and parallel are possible.
Ein Modul kann aber auch nur einen Elementestreifen 123 aufweisen, wie dies in Fig. 10 dargestellt ist. Es ist also nicht zwingend notwendig, dass ein Modul mehrere Elementstreifen 123 umfasst. However, a module can also have only one element strip 123, as shown in FIG. 10. It is therefore not absolutely necessary for a module to comprise a plurality of element strips 123.
Des Weiteren sei darauf hingewiesen, dass es selbstverständlich möglich ist, dass in der Vorrichtung 125 bzw. im Thermogenerator 101 einerseits mehr als zwei Module, beispielsweise drei, vier, fünf, sechs, etc., angeordnet werden, und andererseits dass ein Modul auch mehr als zwei Elementestreifen 123, beispielsweise drei, vier, fünf, sechs, etc., aufweisen kann. Furthermore, it should be noted that it is of course possible that more than two modules, for example three, four, five, six, etc., are arranged in the device 125 or in the thermo-generator 101, and on the other hand that one module also more as two element strips 123, for example, three, four, five, six, etc., may have.
Des Weiteren ist es möglich, dass die Module nicht nur die thermoelektrischen Elemente 102 und gegebenenfalls die Isolierelemente 131 sowie den voranstehend zu den Fig. 6 bis 8 be- schriebenen Schichtaufbau umfassen, sondern eine komplette, modulare Bauweise der Vorrichtung 125 erfolgt, sodass die Module auch die Wärmetauscher 126. Furthermore, it is possible for the modules to comprise not only the thermoelectric elements 102 and, if appropriate, the insulating elements 131 and the above-described FIGS. 6 to 8. but a complete, modular design of the device 125 is carried out, so that the modules and the heat exchanger 126th
Fig. 13 zeigt schließlich eine Ausführungsvariante der Vorrichtung 125 bei der der Wärme- tauscher 126 mäanderförmig ausgebildet ist, also das Wärmetauscherprofil zumindest eine Rückführung aufweist, wobei das Wärmetauscherprofil nach der Ausführungsvariante nach Fig. 13 in der dargestellten Querschnittsvariante S-förmig ausgebildet ist. Finally, FIG. 13 shows a variant embodiment of the device 125 in which the heat exchanger 126 is meander-shaped, that is to say the heat exchanger profile has at least one return, wherein the heat exchanger profile according to the embodiment variant according to FIG. 13 is S-shaped in the illustrated cross-sectional variant.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass es im Rahmen der Erfindung möglich ist, dass der Wärmetauscher 126 mehrere Wärmetauscherprofile umfasst und an zumindest mehreren der Wärmetauscherprofile, bevorzugt an allen, thermoelektrische Elemente 102 angeordnet werden. It should be noted at this point that it is possible within the scope of the invention for the heat exchanger 126 to comprise a plurality of heat exchanger profiles and to be arranged on at least a plurality of the heat exchanger profiles, preferably on all the thermoelectric elements 102.
Mit der Ausführung nach Fig. 13 wird einerseits eine kompaktere Ausbildung der Vorrich- tung 125 erreicht, wobei auch hier wiederum eine weitere Steigerung der Wirtschaftlichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 125 erreicht werden kann, indem nämlich die Länge der Vorrichtung 125 entsprechend verlängert wird und damit mehr thermoelektrische Elemente 102 in der Vorrichtung 125 angeordnet werden können. Es sei darauf hingewiesen, dass die fhermoelektrischen Elemente 102 in Fig. 13 nur mehr in der modularen Bauweise angedeutet sind und sei zu Einzelheiten hierzu beispielsweise auf die Ausführungsvariante nach Fig. 12 verwiesen. With the embodiment according to FIG. 13, on the one hand a more compact design of the device 125 is achieved, whereby here again a further increase in the economic efficiency of the device 125 according to the invention can be achieved by lengthening the length of the device 125 accordingly and thus more thermoelectric Elements 102 can be arranged in the device 125. It should be pointed out that the thermoelectric elements 102 in FIG. 13 are only indicated in the modular design and, for details, reference is made, for example, to the embodiment variant according to FIG. 12.
Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass die thermoelektrischen Elemente 102 bzw. die Module nicht nur in Flussrichtung der Abgase gemäß Pfeil 127 hintereinander angeordnet werden, sondern dass wie dies in Fig. 13 strichliert dargestellt ist, derartige Module bzw. Elementestreifen 123 auch übereinander angeordnet werden. Dabei können die Module direkt aneinander anliegen oder auch beabstandet zueinander angeordnet werden. Eine derartige Anordnungsmöglichkeit besteht sowohl beim Thermogenerator 101 als auch in der Vorrich- tung 125. Furthermore, there is the possibility that the thermoelectric elements 102 and the modules are arranged not only in the flow direction of the exhaust gases according to arrow 127 in succession, but that as shown in Fig. 13 by dashed lines, such modules or element strips 123 are also arranged one above the other , In this case, the modules can lie directly against each other or even spaced from each other. Such an arrangement possibility exists both in the thermal generator 101 and in the device 125.
Es besteht auch hier die Möglichkeit einer Umhüllung 129 der gesamten Vorrichtung 125, wie dies in Fig. 13 strichpunktiert angedeutet ist. Es ist im Rahmen der Erfindung auch möglich, dass die Module selbst zumindest teilweise eingehaust werden, wie dies in Fig. 12 mit der teilweisen Anordnung der Umhüllung 129 an den Modulen angedeutet ist, wobei in der speziellen Ausführungsvariante nach Fig. 12 die Umhüllung 129 sich über zumindest einen Teil beider dargestellter Module erstreckt. Es be- steht jedoch im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, dass jedes Modul für sich selbst zumindest teilweise eine derartige Umhüllung 129 aufweist, die an den entsprechenden Stellen zur Kontaktierung, das heißt zur elektrisch leitenden Verbindung der einzelnen Module miteinander entsprechende Ausnehmungen aufweisen können, um die elektrischen Leitelemente 109 anzuordnen. There is also the possibility of a sheath 129 of the entire device 125, as indicated by dash-dotted lines in Fig. 13. It is also possible within the scope of the invention that the modules themselves are at least partially enclosed, as indicated in FIG. 12 with the partial arrangement of the enclosure 129 on the modules, wherein in the special embodiment of FIG. 12 the enclosure 129 itself extends over at least a portion of both illustrated modules. Within the scope of the invention, however, there is the possibility that each module has at least partially such an enclosure 129 for itself, which can have mutually corresponding recesses at the corresponding points for contacting, that is to say for the electrically conductive connection of the individual modules to arrange the electrical guide elements 109.
Die Umhüllung 129 kann beispielsweise aus Kunststoff, einer Keramik oder bevorzugt aus Metall oder aus Kombinationen dieser Materialien bestehen. The sheath 129 may be made of plastic, a ceramic or preferably of metal or of combinations of these materials, for example.
Bevorzugt weisen die thermoelektrischen Elemente 102 eine Höhe von mindestens 1 mm auf. Diese Höhe ist dabei senkrecht orientiert zur gesamten Länge der Vorrichtung 125 bzw. des Thermogenerators 101. The thermoelectric elements 102 preferably have a height of at least 1 mm. This height is oriented perpendicular to the entire length of the device 125 and the thermo generator 101st
Eine Querschnittsfläche der thermoelektrischen Elemente 102 in Richtung auf eine kontaktierte Stirnfläche der thermoelektrischen Elemente 102 betrachtet, beträgt bevorzugt mindes- tens 4 mm 2. A cross-sectional area of the thermoelectric elements 102, viewed in the direction of a contacted end face of the thermoelectric elements 102, is preferably at least 4 mm 2 .
Gemäß einer weiteren, bevorzugten Ausführungsvariante ist ein Verhältnis der Höhe in Millimeter zur Querschnittsfläche in Quadratmillimeter der thermoelektrischen Elemente 102 ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 1 : 100 und einer oberen Grenze von 4 :1, wobei das Verhältnis jeweils dimensionslos zu betrachten ist. According to a further preferred embodiment, a ratio of the height in millimeters to the cross-sectional area in square millimeters of the thermoelectric elements 102 is selected from a range with a lower limit of 1: 100 and an upper limit of 4: 1, wherein the ratio is to be considered dimensionless ,
Es besteht weiters die Möglichkeit, dass die thermoelektrischen Elemente 102 und/oder die Elementestreifen 123 einen unterschiedlichen Querschnitt aufweisen, also beispielsweise der Querschnitt der einzelnen thermoelektrischen Elemente 102 oder der Elementestreifen 123 in Richtung der Länge der Vorrichtung 125 bzw. des Thermogenerators 101 größer wird. There is also the possibility that the thermoelectric elements 102 and / or the element strips 123 have a different cross section, that is, for example, the cross section of the individual thermoelectric elements 102 or the element strips 123 in the direction of the length of the device 125 and the thermal generator 101 is larger.
Ergänzend sei angemerkt, dass in Sinne der Erfindung unter einem Elementestreifen 123 ein Element verstanden wird, dessen Länge mindestens zweimal, bevorzugt mindestens viermal, insbesondere sechsmal, so groß ist wie die kleinste, den Querschnitt des Elementes definierende Abmessung. Bei einer Kantenlänge von 1,5 mm eines rechteckförmigen Querschnittes (es ist hier im Sinne der Definition die kürzere Kantenlänge der beiden Kantenlängen gemeint) kann also die Länge zumindest 3 mm betragen. Es weist also der Streifen eine deutli- che Längserstreckung auf. In addition, it should be noted that for the purposes of the invention an element strip 123 is understood to mean an element whose length is at least twice, preferably at least four times, in particular six times as large as the smallest dimension defining the cross section of the element. With an edge length of 1.5 mm of a rectangular cross-section (meaning here the shorter edge length of the two edge lengths in the sense of the definition), the length can therefore be at least 3 mm. Thus, the strip has a clear longitudinal extent.
Bevorzugt werden die thermoelektrischen Elemente 102 bzw. der Thermogenerator 101 unter Ausnutzung des Seebeck-Effektes betrieben, wodurch bekanntlich durch die unterschiedliche Temperatur an den verschiedenen Halbleitermaterialien eine elektrische Spannung erzeugt wird. Es besteht bei derartigen thermoelektrischen Elementen 102 aber immer auch die Möglichkeit, dass diese unter Ausnutzung des Peltier-Effektes betrieben werden, dass also Strom zugeführt wird und damit ein Abkühlung der Umgebung der thermoelektrischen Elemente 102 erreicht wird. Obwohl die thermoelektrischen Elemente 102 prinzipiell nach aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren hergestellt werden können, werden diese bevorzugt über ein Sinterverfahren werkzeugfallend hergestellt, sodass keine bzw. nur eine minimale Nachbearbeitung der Elemente 102 erforderlich ist. Es ist weiters möglich, dass auch die äußeren Oberflächen der thermoelektrischen ElementePreferably, the thermoelectric elements 102 and the thermal generator 101 are operated by utilizing the Seebeck effect, which is known to generate an electrical voltage by the different temperature at the different semiconductor materials. However, such thermoelectric elements 102 always have the possibility that they are operated by utilizing the Peltier effect, ie, that power is supplied and thus a cooling of the surroundings of the thermoelectric elements 102 is achieved. Although the thermoelectric elements 102 can in principle be produced according to methods known from the prior art, they are preferably produced by means of a sintering process in such a way that no or only minimal reworking of the elements 102 is required. It is also possible that the outer surfaces of the thermoelectric elements
102 bzw. der Elementestreifen 123 mit einem Isolierelement 131 auf voranstehenden Gründen versehen sind. 102 and the element strips 123 are provided with an insulating member 131 on the above reasons.
Ausführungsbeispiel 1: Embodiment 1
Die thermoelektrischen Elemente 102 werden werkzeugfallend aus einem Pulver, das eine Zusammensetzung entsprechend einem Skutterudit aufweist, sintertechnisch hergestellt. Auf den Bodenflächen der thermoelektrischen Elemente 102 werden die Diffusionssperrschichten 107 aus NbN oder WN oder TaN durch ALD aufgebracht. In der Folge werden die thermoelektrischen Elemente 102 über die Diffusionssperrschichten 107 mit den Verbindungsschichten 108 aus Pyroduct ® oder durch Silbersintern mit dem Substrat 103 aus A1203 verbunden. Das Substrat 103 weist eine beidseitige Cu-Beschichtung auf und ist wie in Fig. 8 dargestellt ausgeführt. The thermoelectric elements 102 are made by sintering as a tool from a powder having a composition corresponding to a skutterudite. On the bottom surfaces of the thermoelectric elements 102, the diffusion barrier layers 107 of NbN or WN or TaN are deposited by ALD. As a result, the thermoelectric elements 102 are connected via the diffusion barrier layers 107 with the connecting layers 108 of Pyroduct ® or by silver sintering with the substrate 103 of A1 2 0 3 . The substrate 103 has a double-sided Cu coating and is designed as shown in FIG. 8.
Auf den Deckflächen der thermoelektrischen Elemente 102 werden die Diffusionssperrschich- ten 112 aus NbN oder WN oder TaN durch ALD aufgebracht und erfolgt die Kontaktierung mit den Leitelementen 109 aus MoCu über die Kleberschicht 111 aus Pyroduct ®. On the top surfaces of the thermoelectric elements 102, the Diffusionssperrschich- are ten 112 of NbN TaN or WN or deposited by ALD and the contacting with the guide elements 109 MoCu via the adhesive layer 111 from Pyroduct ®.
An den Seitenflächen 113 bis 116 der thermoelektrischen Elemente 102 werden vor deren Anordnung auf dem Substrat 103 die Oxidationssperrschichten 117 aus Al203+Zr02 durch ALD abgeschieden. On the side surfaces 113 to 116 of the thermoelectric elements 102, the oxidation barrier layers 117 of Al 2 O 3 + Zr0 2 are deposited by ALD prior to their arrangement on the substrate 103.
Es wird auf diese Weise ein Modul hergestellt, dass eine Anzahl von 36 mäanderförmig angeordnete thermoelektrische Elemente 102 aufweist, die in Serie geschaltet sind. Die Kontaktierung des Moduls nach außen erfolgt über Cu-Elektroden, die bereits vor der Anordnung der thermoelektrischen Elemente 102 auf dem Substrat 103 durch Löten hergestellt werden. In this way, a module is produced that has a number of 36 meander-shaped thermoelectric elements 102, which are connected in series. The contacting of the module to the outside via Cu electrodes, which are prepared prior to the arrangement of the thermoelectric elements 102 on the substrate 103 by soldering.
Ausführungsbeispiel 2: Embodiment 2:
Im Wesentlichen wird das Ausführungsbeispiel 1 nachgestellt, wobei allerdings zur Kontaktierung der thermoelektrischen Elemente 102 mit dem Leitelement 109 nicht die Kleber- schicht III verwendet wird, sondern das Leitelement 109 direkt auf die mit der Diffusionssperrschicht 112 versehenen Deckflächen der thermoelektrischen Elemente 102 durch thermisches Spritzen von Mo und Cu aufgespritzt wird. Essentially, the embodiment 1 is readjusted, wherein, however, not the adhesive layer III is used for contacting the thermoelectric elements 102 with the guide element 109, but the guide element 109 directly to the provided with the diffusion barrier layer 112 top surfaces of the thermoelectric elements 102 by thermal spraying of Mo and Cu is sprayed.
Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten des Thermogenerators 1, 101 wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass die Erfindung nicht auf die speziell dargestellten Ausführungsvarianten derselben eingeschränkt ist, sondern vielmehr auch diverse Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind und diese Variations- möglichkeit aufgrund der Lehre zum technischen Handeln durch gegenständliche Erfindung im Können des auf diesem technischen Gebiet tätigen Fachmannes liegt. The exemplary embodiments show possible embodiments of the thermal generator 1, 101 wherein it should be noted at this point that the invention is not limited to the specifically illustrated embodiments of the same, but rather also various combinations of the individual embodiments are mutually possible and these variations Possibility due to the doctrine of technical action by objective invention in the skill of working in this technical field expert.
Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus Thermogenerators 1, 101 dieser bzw. dessen Bestandteile teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt wurden. For the sake of order, it should finally be pointed out that for a better understanding of the structure, thermogenerators 1, 101 of these or their components have been shown partially unevenly and / or enlarged and / or reduced in size.
Bezugszeichenaufstellung REFERENCE NUMBERS
Thermogenerator 101. Thermogenerator Element 102. Element Thermogenerator 101. Thermogenerator Element 102. Element
Elementestreifen 103. Substrat Element stripes 103. Substrate
Leitelement 104. Oberfläche Guide element 104. Surface
Endbereich 105. Schicht End area 105. shift
Leitung 106. Oberfläche Line 106. Surface
Leitung 107. Diffusionssperrschicht Pol 108. Verbindungsschicht Pol 109. Leitelement Conduction 107. Diffusion barrier layer Pol 108. Connection layer Pol 109. Conductor element
Abstand 110. Kleber Distance 110. Adhesive
Länge 111. Kleberschicht Length 111. Adhesive layer
Vorrichtung 112. Diffusionssperrschicht Wärmetauscher 113. Seitenfläche Device 112. Diffusion barrier layer heat exchanger 113. Side surface
Pfeil 114. Seitenfläche Arrow 114. side surface
Verbindungsmittel 115. Seitenfläche Connecting means 115. Side surface
Umhüllung wrapping
116. Seitenfläche  116. side surface
Umhüllung 117. Oxidationssperrschicht Isolierelement Envelope 117. Oxidation barrier insulating element
118. Reihe  118th row
Höhe height
119. Pluspol  119. Plus pole
120. Minuspol  120th negative pole
121. Ausnehmung  121. recess
122. Eckbereich  122. corner area
123. Elementestreifen 123. Element stripes
124. Endbereich 124. End area
125. Vorrichtung  125th device
126. Wärmetauscher 126. Heat exchanger
127. Pfeil 127. arrow
128. Verbindungsmittel 128. Connecting means
129. Umhüllung 129. Serving
130. Umhüllung  130. Serving
131. Isolierelement 131. Insulating element

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Thermogenerator (1) umfassend über eine Länge (11) verteilt mehrere thermo- elektrische Elemente (2), wobei jeweils zwei thermoelektrische Elemente (2) in einem Abstand (10) zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Abstände (10) zwischen zwei thermoelektrischen Elementen (2), insbesondere in x- und/oder y-Richtung, zu den weiteren Abständen (10) unterschiedlich ist und/oder dass die thermo- elektrischen Elemente (2) streifenförmig als Elementestreifen (3) angeordnet sind. 1. Thermogenerator (1) comprising a plurality of thermoelectric elements (2) distributed over a length (11), wherein in each case two thermoelectric elements (2) are arranged at a distance (10) from each other, characterized in that at least one of the distances ( 10) between two thermoelectric elements (2), in particular in the x and / or y direction, to the further distances (10) is different and / or that the thermoelectric elements (2) are arranged in strips as element strips (3) ,
2. Thermogenerator (101) umfassend über eine Länge verteilt mehrere thermoelektrische Elemente (102), wobei jeweils zwei thermoelektrische Elemente (102) in einem Abstand zueinander angeordnet und mit einem Leitelement (109) elektrisch leitend verbunden sind, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitelement (109) mit jeweils zwei thermoelektrischen Elementen (102) mit einem Kleber (110) verbunden ist oder dass das Leitelement (109) auf jeweils zwei miteinander elektrisch leitend verbundene thermoelektrische Elemente (102) durch ein, insbesondere thermisches, Spritzverfahren oder mittels Niedertemperaturverbindungstechnik aufgebracht ist. 2. Thermogenerator (101) comprising a plurality of thermoelectric elements distributed over a length (102), wherein each two thermoelectric elements (102) arranged at a distance from each other and electrically conductively connected to a guide element (109), in particular according to claim 1, characterized in that the guide element (109) is connected to an adhesive (110) by two thermoelectric elements (102), respectively, or that the guide element (109) is connected to two thermoelectric elements (102) electrically conductively connected to each other by a, in particular thermal, spraying method or is applied by means of low temperature connection technology.
3. Thermogenerator (101) nach 2, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Elemente (102) streifenförmig als Elementestreifen (123) angeordnet sind. 3. thermoelectric generator (101) according to 2, characterized in that the thermoelectric elements (102) are arranged in strips as element strips (123).
4. Thermogenerator (1,101) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn- zeichnet, dass sich der Abstand (10) zwischen zwei thermoelektrischen Elementen (2, 102) über die Länge (11) des Thermogenerators (1, 101) mit einer Exponentialfunktion ändert. 4. Thermogenerator (1,101) according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the distance (10) between two thermoelectric elements (2, 102) over the length (11) of the thermal generator (1, 101) with a Exponential function changes.
5. Thermogenerator (1, 101) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Längserstreckung des durch die streifenförmig angeordneten thermo- elektrischen Elemente (2, 102) gebildeten Elementestreifens (3, 123) zumindest annähernd senkrecht zu einer vorbestimmbaren Flussrichtung des Wärmestroms aus der Wärmequelle ausgerichtet ist. 5. thermoelectric generator (1, 101) according to one of claims 1 to 4, characterized in that a longitudinal extent of the element strip (3, 123) formed by the strip-shaped thermoelectric elements (2, 102) at least approximately perpendicular to a predeterminable flow direction the heat flow from the heat source is aligned.
6. Thermogenerator (1, 101) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei der Elementestreifen (3, 123) zu einem Modul zusammenge- fasst sind und dass der Thermogenerator (1, 101) zumindest ein derartiges Modul umfasst. 6. thermoelectric generator (1, 101) according to one of claims 1 to 5, characterized in that at least two of the element strips (3, 123) are summarized to form a module and that the thermal generator (1, 101) comprises at least one such module ,
7. Thermogenerator (1, 101) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das7. Thermogenerator (1, 101) according to claim 6, characterized in that the
Modul zumindest teilweise eingehaust ist. Module is at least partially housed.
8. Thermogenerator (1, 101) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Zwischenraum zwischen zwei thermoelektrischen Elemen- ten (2, 102) zumindest ein Isolierelement (18) angeordnet ist. 8. Thermogenerator (1, 101) according to one of claims 1 to 7, characterized in that at least one insulating element (18) is arranged in at least one intermediate space between two thermoelectric elements (2, 102).
9. Thermogenerator (1, 101) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Elementestreifen (3, 123) an den in Längserstreckung einander gegenüberliegenden distalen Endbereichen (5) kontaktiert sind. 9. thermoelectric generator (1, 101) according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the element strips (3, 123) are contacted at the opposite longitudinal extension in the distal end regions (5).
10. Thermogenerator (1, 101) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Module aus mehreren Elementestreifen (3, 123) in Serie oder parallel geschaltet sind. 10. Thermogenerator (1, 101) according to one of claims 1 to 9, characterized in that the modules of a plurality of element strips (3, 123) are connected in series or in parallel.
11. Thermogenerator (1, 101) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Elementen (2, 102) aus einem Skutterudit oder einer Pulverzusammensetzung aus der Klasse der Skutterudite gebildet sind. 11. Thermogenerator (1, 101) according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the thermoelectric elements (2, 102) are formed from a skutterudite or a powder composition of the class of Skutterudite.
12. Thermogenerator (1, 101) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn- zeichnet, dass im Thermogenerator (1, 101) zumindest zwei Elementestreifen (3, 123) übereinander angeordnet sind. 12. Thermogenerator (1, 101) according to any one of claims 1 to 11, characterized in that in the thermal generator (1, 101) at least two element strips (3, 123) are arranged one above the other.
13. Thermogenerator (1, 101) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis der Länge in mm zum Querschnitt in mm2 der thermoelektri- sehen Elemente (2, 102) ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 1 : 100 und einer oberen Grenze von 4 : 1. 13. thermoelectric generator (1, 101) according to any one of claims 1 to 12, characterized in that a ratio of the length in mm to the cross section in mm 2 of the thermoelectric see elements (2, 102) is selected from a range with a lower limit of 1: 100 and an upper limit of 4: 1.
14. Thermogenerator (1, 101) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Elemente (2, 102) einen rechteckförmigen Querschnitt - in Richtung der Längserstreckung betrachtet - aufweisen. 14. Thermogenerator (1, 101) according to any one of claims 1 to 13, characterized in that the thermoelectric elements (2, 102) has a rectangular cross-section - viewed in the direction of the longitudinal extension - have.
15. Thermogenerator (1, 101) nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kleber (110) ein Sauerstoff abbindender Kleber (110) ist. 15. Thermogenerator (1, 101) according to any one of claims 2 to 14, characterized in that the adhesive (110) is an oxygen-setting adhesive (110).
16. Thermogenerator (1, 101) nach einem der Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Leitelement (9, 109) und den thermoelektrischen Elementen (2, 102) eine Diffusionssperrschicht (107, 112) angeordnet ist. 16. Thermogenerator (1, 101) according to any one of claims 2 to 15, characterized in that between the guide element (9, 109) and the thermoelectric elements (2, 102), a diffusion barrier layer (107, 112) is arranged.
17. Thermogenerator (1, 101) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Elemente (2, 102) eine Deckfläche, eine Bodenfläche sowie dazwischen liegende Seitenflächen (113 bis 116) aufweisen, wobei an zumindest einer der Seitenflächen (113 bis 116) eine Oxidationssperrschicht (117) und/oder eine Sublimationssperrschicht angeordnet ist. 17, thermoelectric generator (1, 101) according to one of claims 1 to 16, characterized in that the thermoelectric elements (2, 102) have a top surface, a bottom surface and intermediate side surfaces (113 to 116), wherein on at least one of the side surfaces (113 to 116) an oxidation barrier layer (117) and / or a sublimation barrier layer is arranged.
18. Thermogenerator (1, 101) umfassend über eine Länge verteilt mehrere thermo- elektrische Elemente (2, 102), wobei jeweils zwei thermoelektrische Elemente (2, 102) in einem Abstand zueinander angeordnet und mit einem Leitelement (9, 109) elektrisch leitend verbunden sind, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Elemente (2, 102) auf einem DCB-Substrat angeordnet sind. 18. Thermogenerator (1, 101) comprising a plurality of distributed over a length of several thermoelectric elements (2, 102), wherein each two thermoelectric elements (2, 102) arranged at a distance from one another and with a guide element (9, 109) electrically conductive are connected, in particular according to one of the preceding claims, characterized in that the thermoelectric elements (2, 102) are arranged on a DCB substrate.
19. Thermogenerator (1, 101) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Elemente (2, 102) mäanderförmig auf dem DGB Substrat angeordnet sind. 19. Thermogenerator (1, 101) according to claim 18, characterized in that the thermoelectric elements (2, 102) are arranged meandering on the DGB substrate.
20. Thermogenerator (1, 101) nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass das DCB-Substrat zwischen den mäanderförmig angeordneten thermoelektrischen Ele- menten (2, 102) zumindest eine Ausnehmung (121) aufweist. 20. Thermogenerator (1, 101) according to claim 18 or 19, characterized in that the DCB substrate between the meandering arranged thermoelectric elements (2, 102) has at least one recess (121).
21. Thermogenerator (1, 101) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die21. Thermogenerator (1, 101) according to claim 20, characterized in that the
Ausnehmung (121) schlitzförmig ausgebildet sind. Recess (121) are slot-shaped.
22. Thermogenerator (1, 101) nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Eckbereich (122) der Ausnehmung (121) gerundet ausgebildet ist. 22. Thermogenerator (1, 101) according to claim 20 or 21, characterized in that at least one corner region (122) of the recess (121) is rounded.
23. Thermogenerator (1, 101) nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch ge- kennzeichnet, dass beide einander gegenüberliegende Oberflächen (104, 106) des DCB- Substrats metallisiert sind. 23. Thermal generator (1, 101) according to any one of claims 18 to 22, character- ized in that both opposing surfaces (104, 106) of the DCB substrate are metallized.
24. Vorrichtung (12, 125) zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Wärme, umfassend eine Wärmequelle sowie zumindest einen Thermogenerator (1, 101), dadurch ge- kennzeichnet, dass der Thermogenerator (1, 101) entsprechend einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist. 24. A device (12, 125) for generating electrical energy from heat, comprising a heat source and at least one thermal generator (1, 101), characterized in that the thermal generator (1, 101) is designed according to one of the preceding claims.
25. Vorrichtung (12, 125) nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle ein Abgassystem eines Kraftfahrzeuges ist. 25. Device (12, 125) according to claim 24, characterized in that the heat source is an exhaust system of a motor vehicle.
26. Vorrichtung (12, 125) nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmequelle ein Wärmetauscher (13, 126) zugeordnet ist. 26. Device (12, 125) according to claim 24 or 25, characterized in that the heat source is associated with a heat exchanger (13, 126).
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