JP2014500618A - 車両の熱電発生器用の熱電モジュール - Google Patents

Abstract

本発明は、内周面２、軸３および外周面４を備える熱電モジュール１に関する。複数の半導体エレメント５は、軸３の方向に、そして内周面２と外周面４との間に、熱電材料６を有して配置されて、交互の仕方で電気的に相互接続される。半導体エレメント５の少なくとも一部は、少なくとも１つの内側フレーム部７または外側フレーム部８を有する。そして、内側フレーム部７のうちの少なくともいくつかは、中断される内周面２を形成するか、または、外側フレーム部８は、中断される外周面４を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱電モジュールに関し、特に車両に用いられる熱電発生器用の熱電モジュールに関する。

自動車両の内燃機関からの排ガスは、熱エネルギーを保有する。そしてそれは、バッテリまたは他のエネルギー蓄積装置を充電するためにおよび／または電気消費部に必要なエネルギーを直接分配するために、例えば熱電発生器によって電気エネルギーに変換されることができる。自動車両は、これにより、改良されたエネルギー効率によって作動され、そして、より多くのエネルギーは、自動車両の作動に利用できる。

この種の熱電発生器は、少なくとも１つの熱電モジュールを備える。熱電モジュールは、例えば、少なくとも２つの半導体エレメント（ｐ型およびｎ型）を備える。そしてそれは、それらの上側および下側（それぞれ高温側および低温側に面する）上に導電性ブリッジを交互に備え、そして、最小の熱電ユニットすなわち熱電エレメントを形成する。熱電材料は、それらが熱エネルギーを電気エネルギーに（セーベック効果）およびその逆に（ペルチェ効果）変換することができるような種類のものである。温度勾配が半導体エレメントの両側に供給される場合、電位は、半導体エレメントの両端間に形成される。より高温側の電荷担体は、より高い温度によって伝導帯へとますます励起される。このプロセスによって発生する伝導帯の濃度差のせいで、電荷担体は、半導体エレメントのより低温側に拡散し、それによって、電位差を生み出す。熱電モジュールにおいて、多数の半導体エレメントは、好ましくは電気的に直列に接続される。直列の半導体エレメントの生成された電位差が互いに相殺されないように、半導体エレメントは、異なる大多数の電荷担体（ｎ型およびｐ型）を有する直接電気接点へと常に交互にもたらされる。回路は、接続した負荷抵抗によって閉じることができる。したがって、電力は、取り出されることができる。

半導体エレメントが常に有用なことを確実にするために、電気的ブリッジにまたはろう付け材料に含まれる材料が熱電材料へと拡散することを防止して、これにより、半導体材料または熱電エレメントの効率の損失または機能的不具合を防止する拡散障壁は、導電性ブリッジと熱電材料との間に通常配置される。熱電モジュールおよび半導体エレメントは、通常、熱電モジュール（その上に高温または低温の媒体が流れる）を形成するために個々のコンポーネント（熱電材料、拡散障壁、導電性ブリッジ、絶縁、および他の任意のハウジングエレメント）を組み立てることによって製作される。多数の個々のコンポーネントのこの組み立てはまた、個々のコンポーネントの、高温側から低温側までの熱伝導のための許容度および許容誤差の正確な調整を必要とし、そして、電流の流れが熱電モジュールを通って発生することができるように、導電性ブリッジの十分な接触を必要とする。

熱電モジュールにおけるこの種の半導体エレメントの配列のために、半導体エレメントが取り付けられるハウジング、壁および／または支持管は、モジュールを外部的に定義するために通常設けられる。これは、電気的接続およびハウジングの位置に関して半導体エレメントの正確に適切な配列を第１に達成するために、特に、高い許容度の必要条件の設定に至る。さらなる課題は、外部のおよび内部のハウジング部品上の異なる熱負荷のせいで、これらのコンポーネントの異なる膨張特性はまた、特に高い応力を熱電材料にもたらさずに補償されなければならない、ということである。熱電モジュールのこの種の生産を正確に視野に入れて、これらを組み立てるときに、複数のコンポーネントを互いに容易に結合することを可能にすること、保管および取り扱いを容易にすること、そしてまた軽量で安定した構造を生産することは、望ましい。

これから進んで、本発明の目的は、現状技術に関して概説される課題を少なくとも部分的に解決することである。特に、製造するのが技術的に容易であり、より少ない部品点数を有し、所望の目的のために安定であり、および／または、排ガスの熱エネルギーから電気エネルギーを発生させるために高いレベルの効率を有する熱電モジュールを特定することを、目的とする。

これらの目的は、請求項１の特徴による熱電モジュールによって達成される。本発明のさらに有利な展開は、従属請求項において特定される。請求項において個々に記載されている特徴は、いかなる技術的に適切な様式でも互いに組み合わされてよく、そして本発明のさらなる展開を明らかにしてよい。特に図と関連した記述は、本発明をさらに説明して、本発明の追加の例示的実施形態を挙げる。

本発明による熱電モジュールは、内周面、軸および外周面を有する。そして、熱電材料を有する複数の半導体エレメントは、軸の方向に、そして内周面と外周面との間に配置されて、次々に電気的に相互接続される。さらに、半導体エレメントの少なくとも一部は、少なくとも１つの内側フレーム部または外側フレーム部を備える。さらに、少なくとも内側フレーム部は、中断される内周面を形成するか、または、外側フレーム部は、中断される外周面を形成する。

熱電モジュールは、特に、熱電発生器の別々のコンポーネントを構成する。ここで、熱電モジュールは、この種の熱電モジュールを複数の他の熱電モジュールに電気的に接続するのに役立ってよい接続を好ましくは備える。特に、すべての統合された半導体エレメントの電気的接続は、したがって、熱電モジュールの内部で完遂される。この種の熱電モジュールは、目下、一方の側で冷却媒体に、そして他方の側で熱媒体にさらされる。ここでの主要な考慮は、熱電モジュールがその外周面を介して冷却媒体との接触をもたらされ、そしてその内周面を介して熱媒体（特に排ガス）との接触をもたらされて、これらの媒体がそれを通って／その周りに流れることである。内周面は、これにより、熱電モジュールのいわゆる高温側を事実上形成し、外周面は、熱電モジュールのいわゆる低温側を形成する。

熱電モジュールは、好ましくはさらに、細長い設計であり、すなわち、例えばレールまたは管の様式である。熱電モジュールが最も好ましくは円筒または管の形に概略的に設計される場合であっても、この種の形状は、不可欠でない。特に、卵形の断面またはポリゴン形の断面は、この種の熱電モジュールのために考慮されてもよい。この設計によれば、中心軸および内周面および外周面は、次いで確認される（ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄ）こともできる。特にここでの内周面は、それを通って熱媒体（排ガス）が流れることのできる内部ダクトを定義する。

熱電材料は、この内周面と外周面との間に配置される。これらの材料は、各々、いわゆる半導体エレメントに割り当てられる。複数のこの種の半導体エレメントは、特に、ｐ型の熱電材料を有する半導体エレメントおよびｎ型の熱電材料を有する半導体エレメントが互いに隣接して交互に配置されるというような様式で、軸の方向において一方が他方の頂部に積み重って配置されてもよい。この点で、定義済みドーピングタイプの半導体エレメントは、最も好ましくは、例えばディスクまたはリングの様式で、内周面全体の周辺に延びる。この熱電材料は、目下、内側フレーム部および／または外側フレーム部によって囲まれる。半導体エレメントは、いずれの場合も、好ましくは内側フレーム部および外側フレーム部を備える。そしてそれは、いずれの場合も、内部的におよび外部的に熱電材料を完全に囲む。フレーム部は、例えば、半導体エレメントの形状に一致するリングまたは円筒の様式で設計される。。

熱電材料は、より好ましくは、フレーム部に（押圧されて）非積極的に接続している。「非積極的な接続」は、力の伝達によって生成される。これらは、例えば、圧縮力および／または摩擦力を含む。非積極的な接続の結合力は、作用力によって単に確保される。

フレーム部が熱電材料および導電体のための拡散障壁を同時に形成することは、さらに好ましい。ニッケルまたはモリブデンは、フレーム部用の材料として好ましい。これらの材料は、いずれにせよ、最も好ましくはフレーム部の材料の質量で少なくとも９５パーセントを占める。以下の材料は、特に、適切な熱電材料として考えられる。
ｎ型：Ｂｉ_２Ｔｅ_３； ＰｂＴｅ； Ｂａ_０．３Ｃｏ_３．９５Ｎｉ_０．０５Ｓｂ_１２； Ｂａ_ｙ（Ｃｏ，Ｎｉ）_４Ｓｂ_１２； ＣｏＳｂ_３； Ｂａ_８Ｇａ_１６Ｇｅ_３０； Ｌａ_２Ｔｅ_３； ＳｉＧｅ； Ｍｇ_２（Ｓｉ，Ｓｎ）。
ｐ型：（Ｂｉ，Ｓｂ）_２ＴＥ_３； Ｚｎ_４Ｓｂ_３； ＴＡＧＳ； ＰｂＴｅ； ＳｎＴｅ； ＣｅＦｅ_４Ｓｂ_１２； Ｙｂ_１４ＭｎＳｂ_１１； ＳｉＧｅ； Ｍｇ_２（Ｓｉ，Ｓｂ）。

熱電材料および半導体エレメントは、目下、次々に電気的に相互接続される。その結果、電流の流れは、内周面と外周面との間の温度差のせいで、熱電モジュールおよび熱電材料を通って形成される。電気的接続は、金属ブリッジ、ケーブル、ろう付け材料等を介して達成されることができる。すでに述べられるように、電気的接続は、フレーム部によって（のみ）好ましくは達成される。

本発明による熱電モジュールの展開において、内側フレーム部は、目下、閉じた内周面を形成しないおよび／または、外側フレーム部は、閉じた外周面を形成しない。これは、特に、内周面および／または外周面が、閉じたハウジング壁の様式で設計されず、代わりに開口がここで設けられることを意味する。熱電モジュールが例えば管の形で具体化される場合、円筒状の内周面および／または円筒状の外周面は、存在する。しかしながら、内側フレーム部は、目下円筒状の内周面の一部だけを形成する。その結果、この（概念的な）円筒状の内周面の一部は、開放されるかまたは中断される。これは、対応する（概念的な）円筒状の外周面にあてはまる。そしてそれは、同様に外側フレーム部によって完全には表現されない。これが管状の熱電モジュールのためにここで示されるにもかかわらず、この観察は、熱電モジュールの他の断面形状へ類似して移転されてよい。外周面のこれらの開口は、例えば、半導体エレメントの組み立ての後でさえ、アセンブリおよび／または結合動作のための内側フレーム部への外部アクセスを可能にする。ここで提案される開口のさらなる理由は、熱電モジュールおよび、外周面または内周面の領域における半導体エレメントの積み重ねられたおよび／または接合された配列は、軸の方向に強固ではないが、しかし開口は、その代わりに、熱膨張および／または生産のばらつきを補償するために用いることができる、ということである。さらに、各（中央に配置された）半導体エレメントについて、隣接する半導体エレメントに対する接続領域が内周面の領域および外周面の領域の両方において（すなわち、例えば、外側フレーム部を介した端面で、および内側フレーム部を介した端面で）形成される場合、熱電モジュールの本質的に安定な設計は、この配列を安定させるかまたは支持するためにさらなるハウジングを必要とすることなく作成されることができる。特に、付加的な内側ケーシング管および／または外側ケーシング管とともに分配することは、可能である。これから、半導体エレメントのこの配列および、それぞれのフレーム部のプロファイリングおよび接続は、達成するのが技術的に容易であることを直ちに知られることができる。熱電発生器のさらなる機械加工作業およびそれに続く使用に耐え得る堅牢な装置を製作することは、さらに可能である。

熱電モジュールの展開によれば、半導体エレメントは、内側フレーム部と外側フレーム部との間に配置される熱電材料を備え、内側フレーム部および外側フレーム部は、各々、それらが隣接するフレーム部とともに本質的にしっかりした接続領域を形成する部分において熱電材料を越えて一側上に突出することが提案される。この文脈において、（最初のおよび最後の半導体エレメントを除く）熱電モジュールのすべての半導体エレメントは、最も好ましくは隣接するフレーム部とともに対応する接続領域を形成する。ここで、外側フレーム部は、最も好ましくは外側フレーム部に常に接続している。そして、内側フレーム部は、内側フレーム部に。この点で、単一の半導体エレメントの内側フレーム部および外側フレーム部が軸と平行に異なる方向へ突出する場合、それは有利である。この文脈において、ここでの各フレーム部が熱電材料の一方の側に関してだけ突出することは、可能である。しかしながら、最初に内側フレーム部が、次いで外側フレーム部が熱電材料の２つの側の各々上にはるかに突出しなければならないことは、好ましい。この種の本質的に安定した接続領域は、例えば、ろう付けされた接続、粘着的に接着する接続、または溶接接続によって達成されることができる。接続領域は、これらが車両の熱電発生器の作動において軸の方向におよび／または半径方向に発生する静的な、動的なおよび熱的な力を吸収することができるように、特に目下、設計される。この目的のために、接続領域は、例えば隣接する外側フレーム部間の、および隣接する内側フレーム部間の周囲の溶接シームとして、いずれの場合も最も好ましくはフレーム部の周囲全体を通じて延びる。これらの接続領域は、特に、複数の半導体エレメントの拘束された配列を産み出すために、熱電モジュールが本質的にしっかりしてそして安定していることを、目下、確実にする。ここでは、この種の熱電モジュールにおいて、１０以上の、特に３０以上の、および好ましくは５０以上のこの種の半導体エレメントは、接続領域を用いて、積み重ねられ、交互に形成される。この種の大きく、細長い熱電モジュールでさえ、安定させる、付加的な内壁および／または付加的な外壁は、分配されることができて、特に、製造コストおよび材料経費を減少させることを可能にする。

熱電モジュールの好適な展開によれば、少なくとも内側フレーム部または外側フレーム部は、絶縁層を備える。この絶縁層は、内側フレーム部および／または外側フレームの全表面の領域だけのおよび／またはそれを越える領域に設けられてよく、そして特に、電流経路の電気的絶縁として役立ってよい。特に、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を含む絶縁層等は、ここで可能である。

加えて、中断される外周面において隣接する外側フレーム部間に、隣接する半導体エレメントの熱電材料の間隔に対応する空きスペースを形成することは、有利であると考えられる。これは、特に、最大の可能な空きスペースが外周面における開口の領域に作られて、そしてこの空きスペースが外側フレーム部の突出領域によって特に制限されないように、外側フレーム部を有する半導体エレメントが配置されることを意味する。これは、特に、例えばこの空きスペースの内側フレーム部間に外側から接続領域を形成するために、ここでの最大の利用可能な空きスペースの使用をできるようにする。したがって、特に溶接デバイスによって、この比較的大きい空きスペースを通って内側フレーム部間に溶接シームを生じることは、可能である。これは、特に、外側フレーム部が熱電材料の側面と同一平面で終了するという点で、達成される。隣接する外側フレーム部は、これにより、目下、隣接する熱電材料の上側および下側の間隔と同じくらい互いに広く分離される。組み立てられた状態において、円周方向に全体周りに延びる空きスペースは、しばしば形成される。そしてそれは、隣接する内側フレーム部の半径方向外周面、隣接する熱電材料の対向する上側および下側、そして外周面の関連する開口によって定義される。したがって、円筒状、管状の熱電モジュールの場合、空きスペースは、軸と同心的に配置されて、隣接する熱電材料間を延びるリングの形状を実質的に有する。

１つの展開によれば、多孔性絶縁材で満たされる空きスペースは、少なくとも中断される外周面で、隣接する外側フレーム部間に形成される。これは、特に、隣接する熱電材料間で半径方向外側からアクセス可能な空きスペースが空気で（もっぱら）満たされないことを、しかしここでは、多孔性絶縁材が（加えて）設けられることを意味する。材料は、特に、隣接する半導体エレメント間の移行性領域に電気的絶縁を提供するのに、目下、役立つ。絶縁材は、空きスペースの領域における内周面と外周面との間の重要な温度等化を減少させるかまたは防止するのに等しく役立ってよい。絶縁材の多孔性設計は、特に、これが非常に軽量であり、それにもかかわらず熱絶縁物としてかなりの比率の空気を有することができることを意味する。この種の多孔性絶縁材が特に考えるに値することは、非常に多孔質の固体であり、例えば、体積の少なくとも９５％の、または少なくとも９９％でさえの孔から成ることである。ここでの絶縁材は、特に、比較的安定した、スポンジのような網目構造が形成されるように、好ましくは非常に樹枝状の構造（すなわち、開いた孔の形の多数の隙間を有する粒状鎖の分岐）を有する。いわゆるエアロゲル（例えば、ケイ酸塩ベースのもの）の使用は、ここでは最も好ましい。

加えて、本質的に不安定なケーシングが少なくとも中断される内周面上にまたは中断される外周面上に設けられることは、有利であると考えられる。この種の本質的に不安定なケーシングの配置は、特に、不要な物質が熱電材料と半導体エレメントとの間の中間領域に入り込むのを防止するのに役立つ。この種の本質的に不安定なケーシングは、熱電モジュールの低温側に特に適切である。いわゆるシュリンクホースのようなプラスチックフィルムは、例えば、ちょうどこの目的のために用いることができる。したがって、例えば、本質的に不安定なケーシングによって、外周面の周辺を流れる水が熱電モジュール内の電気回路および／または熱電材料と接触することを防止することは、可能である。用語「本質的に不安定な」ケーシングは、ここでは特に、熱電モジュールの安定度がわずかな範囲だけに、またはこのケーシングによって無視できる範囲だけに影響されることを意味することを目的とする。この安定度は、隣接するフレーム部の接続領域によって達成される。

これに関して、本質的に不安定なケーシングと、外周面および／または内周面との間に接着剤を配置することは、有利であると考えられる。特に、この接着剤は、本質的に不安定なケーシングと、外周面を形成する外側フレーム部との間に配置される。少なくとも１５０℃の、特に少なくとも２００℃の「低い」温度耐性を有する対応する接着剤は、したがって、熱電モジュールのいわゆる低温側に用いることができる。ここで、最大温度耐性は、特に２５０℃である。接着剤は、特に、熱伝導性である。その結果、熱電モジュール上の熱の流れは、わずかな範囲だけに影響される。

加えて、シールによって架橋される隙間が中断される内周面において隣接する内側フレーム部間に形成されることは、可能である。隣接する半導体エレメントの外側フレーム部および内側フレーム部が各々同一タイプの他のものに接続していることが好ましいという事実からみて、内周面および外周面は、軸の方向にみて、各々交互に中断される。外周面の領域で開口を記述するためにここで選択される用語は、空きスペース（ｆｒｅｅ ｓｐａｃｅ）である。内周面の領域に存在する開口に用いる用語は、隙間（ｇａｐ）である。ここでの隙間は、内側フレーム部の対向する端面間に形成される割れ目（ｉｎｔｅｒｓｔｉｃｅ）の領域に関する。円筒状、管状の熱電モジュールの場合、したがって、隙間は、軸と実質的に同心の環状の形状を有する。内周面の開口すなわち隙間は、次いで、対向する内側フレーム部のプロファイリングにしたがって大きさが異なる。ここでの隣接する半導体エレメントの内側フレーム部が熱電材料を越えて突出しない場合、隙間は、隣接する半導体エレメントの熱電材料の間隔と実質的に同じ広さである。内側フレーム部が半導体エレメントの少なくとも一方側に突出するように設計されている場合、この隙間は、より小さくなる。特に、熱い排ガスが熱電モジュールを通って内周面の内側に供給される所で、排ガスは、この隙間を（そして、これの背後にある空きスペースへと）通ることを防止され、そして、例えば、内周面と外周面との間でそこで温度等化を引き起こすことを防止される。このために、隙間がシールされることは、したがって提案される。この目的のために、対応するシール材料は、１つの半導体エレメントの内側フレーム部と、隣接する半導体エレメントの内側フレーム部との間に位置する。互いに関連する内側フレーム部の（わずかな）動きの場合でさえ、および／または隙間の一様でないプロファイリングを有するときでさえ、隙間の実質的に気密な閉鎖がそれにもかかわらずすべての動作条件で達成されるように、ここでのシールは、特に配置される。この目的のために、シールは、例えば内側フレーム部と積極的に連動する（ｉｎｔｅｒｌｏｃｋ）ように設計されてよく、および／または、それは可動設計でもよい。（積極的に連動する接続は、少なくとも２つの相互部品（ｍａｔｉｎｇ ｐａｒｔｓ）のかみあいによってなされる。機械的接続は、伝達力の欠如または割込みにおいてさえ、相互部品が互いに分離できないことを意味する。）ここでのシールは、特に、最高４００℃のまたは最高７００℃でさえの温度に耐えることに適する。同様に、シール材料は、隙間またはシールの領域における隣接する半導体エレメントの熱膨張特性が補償されることができるように、好ましくは設計される。

熱電モジュールのさらなる展開によれば、半導体エレメントは、中断される内周面の領域においてシール材料のためのレセプタクルを形成する。この種のレセプタクルは、例えば、空きスペースによって形成されてよい。そしてそのうちのいくつかまたはすべてには、例えば外側フレーム部、熱電材料およびおそらく（部分的に）内側フレーム部に載置することによって、シール材料が配置される。シール材料およびフレーム部が、例えば溝形接続（ｔｏｎｇｕｅ−ａｎｄ−ｇｒｏｏｖｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）の様式において積極的な連動を形成することもまた、可能である。このシール材料の特定の機能は、作動中もまた内周面と外周面との間の温度勾配をここで維持するために、熱電材料間の排ガスの拡散を遅らせて防止さえすることである。シール材料は、電気的絶縁を構成するのに役立ってもよい。マイカ（アルミノケイ酸塩）またはシール材料として匹敵する材料の使用は、特に好ましい。

加えて、半導体エレメントの熱電材料がコーティングを少なくとも部分的に備えることは、有利であると考えられる。この種のコーティングは、特に、熱電材料の組成または構成を永久に確保するのに役立つ。特に、コーティングは、熱電材料の側面および上側および／または下側の全表面にわたって設けられる。その結果、熱電材料は、最も好ましくは内側フレーム部、外側フレーム部およびこのコーティングによって完全に囲まれる。

本発明は、特に車両（特に自動車両）における適用を有する。したがって、内燃機関、排気系統および冷却系統を有する自動車両であって、本発明による本明細書で記載された複数のモジュールを備える熱電発生器が設けられ、排気系統は、熱電モジュールの内周面を通って延びて、冷却系統は、熱電モジュールの外周面に沿って外部的に延びる自動車両は、提唱される。すなわち、換言すれば、冷却系統の冷却液は、熱電モジュールの外周面に沿って導かれる。その結果、熱電モジュールの外周面は、低温側を構成する。これはまた、熱い排ガスは、熱電モジュールの内周面によって定義されるダクトの中を流れることを意味する。その結果、内周面は、次いで、高温側を構成する。ここで、熱電発生器は、より好ましくは管束（ｔｕｂｅ ｂｕｎｄｌｅ）の様式で製作される。一方では、複数のこれらの熱電モジュールは、次いで排気系統に接続されて、その結果、熱い排ガスは、排気系統の中を流れる。そして、他方では、熱電モジュールは、例えば共通の（間隔を置いた）ハウジング内に配置されて、その結果、冷却液の流れは、これらと共に両者の周辺を流れることができる。信頼性が高い電流の生成および、電流、冷却液および排ガスの伝送を提供するために、対応する電気的接続およびラインは、明らかに設けられる。

本発明および技術状態は、図を参照して以下でさらに詳細に説明される。図に示す例示的実施形態は、好ましいが、しかし本発明は、これらに制限されないと指摘されなければならない。

図１は、熱電モジュールを形成する複数の半導体エレメントの配列を示す。 図２は、熱電モジュールの設計変形による断面図を示す。 図３は、半導体エレメントのさらなる設計変形による断面図を示す。 図４は、半導体エレメントのさらなる設計変形による断面図を示す。 図５は、熱電発生器を有する車両のための線図を示す。

図１は、複数の半導体エレメント５がどのようにして本発明による特性を有する熱電モジュールを生産するために組み立てられることができるかについて概略的に示す。すべての半導体エレメント５が、特に外側フレーム部８、熱電材料６および内側フレーム部７の配置および大きさに関して実質的に同一の設計である点に、ここでまず留意される。熱電エレメントの対応する接続および所望の構造は、半導体エレメント５が軸３の方向において互いに交互に対向するように配置されるという点で目下達成される。これは、次いで、スタッキング・プロセスにおいて、隣接する半導体エレメント５が内側フレーム部７または外側フレーム部８のいずれかを（単に）介して互いに接触することを意味する。ここで、軸３に沿って第１の方向に整列されるすべての半導体エレメント５の熱電材料６は、最も好ましくは同じドーピング（例えばｎ型）を有する。それらの各々の間に配置されて、軸３に沿って第２の対向する方向に整列される半導体エレメント５は、他のドーピング（例えばｐ型）を有する。

ここで記載される設計変形において、半導体エレメント５は、リング状のディスクの様式で具体化される。そして、熱電材料６は、特に環状ディスクの様式で具体化される。熱電材料６の半径方向内周面および外周面は、いずれの場合も、それぞれ（不可欠な）外側フレーム部８および（不可欠な）内側フレーム部７によってカバーされる。外側フレーム部８が熱電材料６一方の側に突起９を形成し、内側フレーム部７が熱電材料６を越えて反対側に突起９を形成するように、半導体エレメント５は、さらに設計される。これらの突起の交互に対向する方向とともにこのプロファイリングによって、次いで、隣接する半導体エレメント５は、一方では内側フレーム部７を介して、そして隣接する外側フレーム部８を介して、接続領域１０を形成することができる。ここで、突起９は、一種のリング状のカラーを形成する。そしてそれは、端面で（縁部と縁部とを）組み立てられることができる。この縁部領域は、成形密着材料接続（ｆｏｒｍｉｎｇ ｃｏｈｅｓｉｖｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）、特に円周溶接シーム（例えば、接着結合、ろう付け、溶接、その他の場合のように、被接続部品が原子のおよび／または分子の力によって一緒に保持される接続は、結合力のある材料接続と呼ばれる）として特に役立つ。

図１から、このようにして組み立てられる半導体エレメント５は、閉じた内周面２も閉じた外周面４も形成しないことも、すでに知られることができる。これは、内側フレーム部７の接続領域１０が形成される断面図において、外側フレーム部８が外側に設けられないという事実、およびその逆の事実から、特に見られることができる。これはまた、（単一の）外側フレーム部８は、隣接する半導体エレメント５の２つの隣接する外側フレーム部８と同時に接触しないことを特に意味する。同様に、半導体エレメント５の（単一の）内側フレーム部７は、隣接する半導体エレメント５の２つのフレーム部７、８と接触しない。したがって、外側フレーム部８は、外側の（概念的な）外周面４を完全に満たさない。そして、内側フレーム部７は、内周面２全体を満たさない。その代わり、開口２５は、両方の場合に形成される。ここでの特定の仮定は、内周面２および外周面４が、軸３から実質的に同じ距離である周面の部分によって記述されることができるという点である。例えば、円筒状、管状の熱電モジュールの場合、例えば外側フレーム部８および内側フレーム部７は、同様に円筒状に形成される。そうすると、その結果、円筒状の内周面２および外周面４も形成される。そしてそれは、それぞれの外側フレーム部８および内側フレーム部７を通って延びる。例えば、フレーム部が楕円のまたはポリゴンの周面を形成する場合、対応する観察は、なされることができる。全体として熱電モジュールは、次いで、したがってまた、外側フレーム部および内側フレーム部の対応する周囲部がそれぞれ収容される楕円のまたはポリゴンの内周面／外周面を有する。外側フレーム部８および内側フレーム部７が中断された、すなわち閉じた面よりむしろ不完全に満たされた内周面／外周面を形成する状況は、次いで、本発明と特に整合する。

図２は、目下、熱電モジュール１の組み立てられた設計変形を示す。ここで、半導体エレメント５は、目下、軸３に沿って縁部と縁部とを交互に配置されて、互いに取り付けられる。半導体エレメント５は、内側フレーム部７が互いに載置されて、接続領域１０（例えば溶接シーム）を形成するというような方法で、交互に配置される。その結果、それに隣接して空きスペース１１は形成される。そしてそれは、外周面４まで半径方向外方へ延びる。空きスペース１１は、これが隣接する半導体エレメント５の熱電材料６の間隔１２に対応するように、目下構成される。図示の便宜上、したがって、にもかかわらず実際には動作のために設けられるコンポーネント（絶縁材１３）は、図２の右上領域から省略される。

本質的に不安定なケーシング１４が中断される外周面４上に設けられることも、ここで知られることができる。これは、例えば熱電モジュール１の内部コンポーネントの配置または準備の後、外側から半導体エレメント５に適用されることができる。プラスチックフィルム（例えばいわゆるシュリンクホース）は、この目的に特に適する。このシュリンクホースまたはこの本質的に不安定なケーシング１４は、次いで、外周面４の内側領域に水分が浸入することができないことを確実にする。同時に、半導体エレメント５および外側フレーム部８に対する良好な熱伝導または冷却は、確保される。この目的のために、ケーシング１４は、対応して薄く設計される。ここで、接着剤は、本質的に不安定なケーシング１４と外側フレーム部８との間に配置される。その結果、特に、シール接続は、外側フレーム部８と本質的に不安定なケーシング１４との間に達成される。特に、接着剤は、本質的に不安定なケーシング１４と外側フレーム部８との間で熱電モジュール１の端部の各々だけに配置される。その結果、ここでは、例えばシール接続は、冷却系統に関して達成される。

多孔性絶縁材１３は、目下さらに、これらの空きスペース１１の領域において半径方向に外側に開いて設けられる。この材料は、特にいわゆるエアロゲルである。これは、一方では望ましい大きい温度勾配、そして他方では空きスペース１１の電気的中性を確保するのに役立つ。多孔性絶縁材１３は、ここでは好ましくは空きスペース１１の全ての外側開口を充填する。

中断される内周面２上の状況も、図２の中間領域に示される。そして同様に、コンポーネント（シール１６）を省略する。そこでは、互いに対向して突出する外側フレーム部８によって接続される隣接する半導体エレメント５は、突出する内側フレーム部７を有して設計される。但し、これらは、互いに接触しなくて、代わりにそれらの間に隙間１５を形成する。この点でこの隙間１５に達するものは、シール１６である。そしてそれは、隙間１５によって切り離される内側フレーム部７と、接続領域１０によって互いに接続している外側フレーム部８との間に延びる空きスペース１１にも部分的に配置される。ここで、シール１６は、最も好ましくは隣接する内側フレーム部７間に実質的にちょうど置かれる。すなわち、それは、特に、隙間１５の５倍以下である体積を結果として有する。

図３は、この種の熱電モジュール用の半導体エレメント５の設計変形の断面図を示す。ここで、半導体エレメント５は、円筒形、矩形、または卵形の設計である。ここで示される設計変形において、実質的にリング状の熱電材料６は、再び設けられる。そしてそれは、例えば、押圧された粉体から成る。同時に、この熱電材料６は、内側フレーム部７および／または外側フレーム部８に押圧することによって、非積極的に（および／または結合力のある材料接続によって）好ましくは接続される。上向きの大きい突起９が外側フレーム部８とともに形成され、下向きの小さい突起９が外側フレーム部８とともに形成され、大きい突起９が内側フレーム部７とともに形成されることは、目下ここで提案される。このようにして、装置内の隣接する半導体エレメントに向かう接触領域または空きスペースは、必要に応じて熱電モジュールへと形成されることができる。熱電材料６を例えば化学的応力から、熱応力からおよび／または損傷から保護するために、熱電材料６は、内側フレーム部７または外側フレーム部８によってカバーされない境界面上のコーティング１９を備える。ここでのコーティング１９は、少なくともしばしば、外側フレーム部、内側フレーム部および／または熱電材料６自体の壁厚未満である厚みを有する。このコーティング１９のための１つの可能な材料は、例えば、ニッケルまたはモリブデンを含むコーティング１９であり、特に、ほぼ完全にこれらの材料から成るものである。ここでのコーティング１９は、熱電材料６のための拡散障壁として役立つ。

図４は、半導体エレメントのさらなる設計変形を示す。そして、ここでの内側フレーム部７は、シール材料１８のためのレセプタクル１７を形成するために用いる。これらは、溝または同様に適切な形成エレメントとして、同様に周囲のカラーの様式で形成されてよい。レセプタクル１７が内側フレーム部７と一体に形成されることは、さらに可能である。示されるシール材料１８は、特に、隣接する内側フレーム部７間の隙間をシールするのに役立つ。絶縁層２６も、ここで示される。

最後に、図５はまた、車両２０の製作を概略的に示す。そしてそれは、内燃機関２１、排気系統２２および冷却系統２３を有する車両２０は、熱電発生器２４をさらに備える。そしてそれは、本明細書で記述される複数の発明の熱電モジュール１を備える。熱電発生器２４は、低温側がモジュール１の外周面４上に形成され、そして高温側が熱電モジュール１の内周面２上に形成されるように、排気系統２２および冷却系統２３とともに設計される。この目的のために、少なくとも一部分の排ガスは、排気系統２２（または内燃機関２１）にフィードバックされる前に、個々の熱電モジュール１を通って導かれる。熱電モジュール１に関して必要な温度プロフィールを形成するために、冷却液（ｃｏｏｌａｎｔ）は、冷却系統２３によって熱電発生器２４にさらに供給される。その結果、冷却液は、熱電モジュール１の外側周辺に流れて、最終的に冷却系統２３（または内燃機関２１）まで送給される。冷却系統２３および／または排気系統２２が排ガスおよび／または冷却液のための二次回路とともに設計されることは、明らかに可能である。同時に、排気系統において、例えば、付加的な熱交換器、バルブ、触媒コンバータ、その他を提供することは、可能である。熱電発生器２４がまた、例えば適切な電流消費部、電流貯蔵装置、コントロールなどを介して車両２０にも電気的に接続していることも、明白である。

本発明は、これにより、現状の技術に関して概説される課題を少なくとも部分的に解決する。特に、熱電モジュールは、特定された。そしてそれは、製造するのが技術的に容易であり、部品点数がより少なく、所望の目的のために安定であり、そして、排ガスの熱エネルギーから電気エネルギーを発生させるために高いレベルの効率を有する。

１…熱電モジュール
２…内周面
３…軸
４…外周面
５…半導体エレメント
６…熱電材料
７…内側フレーム部
８…外側フレーム部
９…突起
１０…接続領域
１１…空きスペース
１２…間隔
１３…絶縁材
１４…ケーシング
１５…隙間
１６…シール
１７…レセプタクル
１８…シール材料
１９…コーティング
２０…車両
２１…内燃機関
２２…排気系統
２３…冷却系統
２４…熱電発生器
２５…開口
２６…絶縁層

Claims (11)

1. 内周面（２）、軸（３）および外周面（４）を有する熱電モジュール（１）であって、熱電材料（６）を有する複数の半導体エレメント（５）は、前記軸（３）の方向に、かつ前記内周面（２）と前記外周面（４）との間に配置されて、次々に電気的に相互接続され、前記半導体エレメント（５）の少なくとも一部は、少なくとも１つの内側フレーム部（７）または外側フレーム部（８）を備え、少なくとも１つの内側フレーム部（７）は、中断される内周面（２）を形成するか、または、外側フレーム部（８）は、中断される外周面（４）を形成する、熱電モジュール（１）。
2. 半導体エレメント（５）は、内側フレーム部（７）と外側フレーム部（８）との間に配置される熱電材料（６）を備え、前記内側フレーム部（７）および前記外側フレーム部（８）は、各々、それらが隣接するフレーム部とともに本質的にしっかりした接続領域（１０）を形成する部分において前記熱電材料（６）を越えて一側上に突出する、請求項１に記載の熱電モジュール（１）。
3. 少なくとも前記内側フレーム部（７）または前記外側フレーム部（８）は、絶縁層（２６）を備える、請求項１または２に記載の熱電モジュール（１）。
4. 隣接する半導体エレメント（５）の前記熱電材料（６）の間隔（１２）に対応する空きスペース（１１）は、前記中断される外周面（４）において隣接する外側フレーム部（８）間に形成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱電モジュール（１）。
5. 多孔性絶縁材（１３）で満たされる空きスペース（１１）は、少なくとも前記中断される外周面（４）で、隣接する外側フレーム部（８）間に形成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱電モジュール（１）。
6. 本質的に不安定なケーシング（１４）は、少なくとも前記中断される内周面（２）上または前記中断される外周面（４）上に設けられる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱電モジュール（１）。
7. 接着剤は、前記本質的に不安定なケーシング（１４）と、前記外周面（４）および／または前記内周面（２）との間に配置される、請求項６に記載の熱電モジュール（１）。
8. シール（１６）によって架橋される隙間（１５）は、前記中断される内周面（２）において隣接する内側フレーム部（７）間に形成される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱電モジュール（１）。
9. 前記半導体エレメント（５）は、前記中断される内周面（２）の領域においてシール材料（１８）のためのレセプタクル（１７）を形成する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の熱電モジュール（１）。
10. 前記半導体エレメント（５）の前記熱電材料（６）は、コーティング（１９）を少なくとも部分的に備える、請求項１〜９のいずれか１項に記載の熱電モジュール（１）。
11. 内燃機関（２１）、排気系統（２２）および冷却系統（２３）を有する車両（２０）であって、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の複数の熱電モジュール（１）を備える熱電発生器（２４）は、設けられ、前記排気系統（２２）は、前記熱電モジュール（１）の前記内周面（２）を通って延びて、前記冷却系統（２３）は、前記熱電モジュール（１）の前記外周面（４）に沿って外部的に延びる、車両（２０）。

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