WO2010018162A2 - Thermoelektrische vorrichtung - Google Patents

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WO2010018162A2
WO2010018162A2 PCT/EP2009/060371 EP2009060371W WO2010018162A2 WO 2010018162 A2 WO2010018162 A2 WO 2010018162A2 EP 2009060371 W EP2009060371 W EP 2009060371W WO 2010018162 A2 WO2010018162 A2 WO 2010018162A2
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    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N5/00—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy
    • F01N5/02—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using heat
    • F01N5/025—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using heat the device being thermoelectric generators
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    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/17—Thermoelectric 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
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a device for generating electrical energy z. B. from the exhaust gas of an internal combustion engine by means of a generator.
  • This means in particular, a generator for converting thermal energy of an exhaust gas into electrical energy, that is to say a so-called thermoelectric generator.
  • the exhaust gas from an engine of a motor vehicle has thermal energy, which can be converted by means of a thermoelectric generator or apparatus into electrical energy, for example, to fill a battery or other energy storage or electrical consumers to supply the required energy directly. This is available for the operation of the motor vehicle energy to a greater extent.
  • thermoelectric generator has at least a plurality of thermoelectric conversion elements.
  • Thermoelectric materials are of a type that can effectively convert thermal energy into electrical energy (Seebeck effect) and vice versa (Peltier effect).
  • the "Seebeck Effect” is based on the phenomenon of the conversion of heat energy into electrical energy and is used to generate thermoelectric energy.
  • the "Peltier effect” is the reversal of the Seebeck effect and a phenomenon associated with heat adsorption and in relation to a current flow caused by different materials.
  • the Peltier effect has already been proposed for thermoelectric cooling, for example.
  • thermoelectric conversion elements preferably have a plurality of thermoelectric elements which are positioned between a so-called “warm side” and a so-called “cold side”.
  • Thermoelectric elements include, for. B. at least two semiconductor cuboid (p- and n-doped), which are mutually connected on its top and bottom (toward the "warm side” or “cold side") with electrically conductive bridges. Ceramic plates or ceramic coatings and / or similar materials serve to insulate the metal bridges and are thus preferably arranged between the metal bridges. If a temperature gradient is provided on both sides of the semiconductor block, voltage potential is formed.
  • thermoelectric generators for use in motor vehicles, especially passenger cars.
  • thermoelectric generators usually require very large space and therefore difficult to integrate into the existing exhaust systems.
  • thermoelectric device should be specified, which allows improved efficiency with regard to the conversion of provided thermal energy into electrical energy, which is able to cope with the changing demands in the exhaust system of mobile internal combustion engines and has a very compact design.
  • thermoelectric device comprises at least: a first metal foil having a first material thickness, a second metal foil having a second material thickness, a gap between the first metal foil and the second metal foil, an electrical insulation coating on the first metal foil and the second metal foil towards the first Space, a plurality of first semiconductor particles and second semiconductor particles which are fixed in the space on the insulation coating and electrically connected to each other.
  • thermoelectric device in particular, a layered or layered module for a thermoelectric apparatus or a thermoelectric generator is specified.
  • the semiconductor particles are arranged between two metal foils.
  • the term "metal foil” is intended to express in particular that here a very thin metallic wall is provided for the thermoelectric device, so that the heat transfer or the heat introduction towards the semiconductor particles is particularly favorable Very flat, so that used here too particularly limited spaces for integration into a motor vehicle can be.
  • the first metal foil and the second metal foil can fulfill different functions, so that, for example, the first metal foil forms the so-called “warm side” and should therefore be resistant to high temperatures could also be more dimensionally stable (ie have a larger second material thickness) to withstand the pressure of the coolant passing there. Accordingly, it is preferable that the first metal foil and the second metal foil are made separately.
  • the two metal foils form, for. B. like a sandwich, between them a gap. It is possible that the gap is limited solely by the metal foils; but this is not mandatory.
  • the gap is preferably substantially no higher than the semiconductor particles contained therein.
  • the metallic foils In order to realize a targeted current flow through the first semiconductor particles and the second semiconductor particles, it is proposed to at least partially provide the metallic foils with an electrical insulation coating on which the semiconductor particles are fixed or electrically connected to one another.
  • at least one aluminum oxide layer is considered as an insulation coating.
  • the coating thickness should be smaller than the first material thickness and / or the second material thickness of the metal foils, ie z. B. smaller than 300 microns (microns).
  • the electrical insulation coating care must be taken to ensure that it does not unduly hinder the heat transfer from an outer side of the metal foil to the semiconductor particles. This can in particular also be achieved by actually providing the insulation coating only in the region of the contact points of the semiconductor particles. In any case, such an electrical insulation coating is to be made so tight that it is not penetrable for the connecting means, in particular solder, so that electrically insulating connections towards the metal foil and / or adjacent current paths are avoided by the insulation coating.
  • thermocouples of thermocouples which are formed here with a multiplicity of first semiconductor particles and second semiconductor particles, are in particular p-doped and n-doped semiconductor materials.
  • bismuth tellurite Ba 2 , Te 3
  • the following materials [at the following temperature ranges in Kelvin] could be used: p-type: CsBi 4 Te 6 : SbI 3 (0.005%) [approx. 225K];
  • the two thin metal foils are used to confine the gap and to transfer heat to the first semiconductor particles and second semiconductor particles.
  • the first semiconductor particles and second semiconductor particles may be provided and soldered, for example, in the manner of small cuboids and / or small elongated rods made of differently conductive material.
  • two different semiconductor particles are electrically connected to each other so that they result in a series connection.
  • One of the two metal foils absorbs the incoming heat flow ("warm side"), while the other metal foil releases the outflowing heat flow (“cold side").
  • the type and / or shape and / or position of the first semiconductor particles and / or second semiconductor particles may be adapted to the installation space, the heat flow, the current routing, etc. in particular, they may also differ here.
  • the electrical connection of the first semiconductor particles and second semiconductor particles is, at least for a part of the semiconductor particles, preferably carried out alternately - thus, in particular, a series connection of the different semiconductor particles is provided.
  • a parallel connection can also be implemented so that (at least a plurality) of similar semiconductor particles are electrically connected to one another.
  • the first metal foil is a steel foil with the alloying constituents chromium and aluminum and has a first material thickness that is in the range of 30 ⁇ m to 300 ⁇ m.
  • the steel foil proposed here with the alloy components chromium and aluminum is, in particular, resistant to high temperatures and is corrosion-resistant for exhaust gases which originate from mobile internal combustion engines.
  • steel foils are proposed here, as they were used in the treatment of exhaust gas with metallic honeycomb bodies. Both metal foils with the following composition are preferred: about 18-25% by weight chromium, about 3-6% by weight aluminum, additions of titanium, yttrium and zirconium between about 0.04 and 0.08% by weight. % and iron as base.
  • first metal foil with a first material thickness of, for example, up to 2 mm, but in particular also the range from 50 ⁇ m to 300 ⁇ m is preferred.
  • first material thickness of, for example, up to 2 mm, but in particular also the range from 50 ⁇ m to 300 ⁇ m is preferred.
  • second material thickness of the second metal foil can be chosen independently thereof, but should also not exceed 2 mm and in particular be greater than the first material thickness.
  • first metal foil may also be provided that this facing away on one of the electrical insulation coating
  • a catalyst support layer is in particular a zeolite layer and / or so-called washcoat into consideration.
  • the catalyst support layer actually comprises a catalyst, in particular noble metals, which are arranged distributed in or on the catalyst support layer. In the case of the layer height of the catalyst support layer, it should be taken into account that this does not significantly hinder the heat transfer from the exhaust gas to the semiconductor particles in the intermediate space of the thermoelectric device. Optionally, this can be compensated for by initiating exothermic reactions with the catalyst on the outside, so that additional heat can be released here on site.
  • the plurality of first semiconductor particles and second semiconductor particles with solder material are electrically connected to one another on the insulation coating. It is preferred that the soldering points used to fix the semiconductor particles do not substantially exceed the cross-section or the contact area of the semiconductor particles. In particular, solder points with an area of, for example, between 0.8 mm 2 to 5 mm 2 , and preferably between 1 mm 2 to 2 mm 2 (square millimeters) can be realized.
  • the solder material is preferably applied by printing an adhesive on the insulation coating at the desired locations, and then bringing the metal foil into contact with powder which is then put into contact with these predetermined adhesive sites.
  • the grain size of the soldering material is to be chosen such that exactly as much soldering material is made available that the desired soldering location is formed.
  • the multiplicity of first semiconductor particles and second semiconductor particles have a particle height of 1 mm to 5 mm (millimeters).
  • this leads to a very compact design of the thermoelectric device and on the other hand ensures a sufficient temperature difference between the first metal foil and the second metal foil across the gap.
  • Very particular preference is given to a particle height in the range from 1 to 2 mm. Regularly all semiconductor particles will have the same particle height.
  • first metal foil and the second metal foil are directly connected to each other.
  • soldering and / or welding compounds come into consideration.
  • additional mechanical clamping means and / or sealing means can be used for this purpose.
  • the intermediate space may also be useful to carry out the intermediate space with a filler which at least partially surrounds the multiplicity of first semiconductor particles and second semiconductor particles. It is very particularly preferred that the filler fills the entire intermediate space.
  • a filler for example, a potting compound, such as silicate, into consideration.
  • thermoelectric apparatus which has a plurality of thermoelectric devices of the type described according to the invention, which are formed in the manner of a layer module, which are respectively arranged opposite to each other, so that the first metal foils hot runners and the second Metal foils limit cold runners.
  • thermoelectric apparatus now preferably has a plurality of layers one above the other, with the orientation of the devices alternating, so that always in pairs first metal foils delimit hot channels and second metal foils form cold passages.
  • channels it is possible that only individual channels are formed between the individual devices, but it is also possible for a plurality of such channels to be formed, for example by means of corresponding separating structures. It is also possible, in particular with regard to the cold channels, that they are designed with additional pipes.
  • a motor vehicle with an internal combustion engine, an exhaust system, a water cooling circuit and a thermoelectric apparatus of the type described above is proposed, in which the exhaust system with the hot runners and the water cooling circuit with the Kaltkanä- len are connected.
  • FIGS. show particularly preferred embodiments of the invention, but this is not limited thereto. They show schematically:
  • thermoelectric device 1 shows a detail of a variant of a thermoelectric device
  • FIG. 1 schematically illustrates, in a partial cross-section, an embodiment variant of the thermoelectric device.
  • the thermoelectric device 1 has its hot side (marked by the black arrow) at the top and its cold side (indicated by a white arrow) at the bottom.
  • thermoelectric device 1 is now bounded on the outside by a first metal foil 2 and a second metal foil 4.
  • the catalyst carrier layer 11, which is embodied with a catalyst 23, is illustrated in a section.
  • the first metal foil 2 is designed with a first material thickness 3 which is very thin, for example in the range from 50 ⁇ m to 300 ⁇ m.
  • the second metal foil is designed here with a larger second material thickness 5, for example in the range of 120 ⁇ m to 2 mm. Both the first metal foil 2 and the second metal foil 4 are executed here towards the interior 6 with an electrical insulation coating 7.
  • thermocouples are now formed on this electrical insulation coating 7.
  • the first (p-doped) semiconductor particles 8 and the second (n-doped) semiconductor particles 9 are fixed with solder material 12 on the insulation coating 7 and electrically connected (in series alternately).
  • the first semiconductor particles 8 and the second semiconductor particles 9 have a particle height 13 of 1 mm to 5 mm.
  • thermoelectric apparatus 15 having a plurality of the thermoelectric device 1 is formed such that the thermoelectric device 1 is formed in the manner of sheet modules 16 layered to each other.
  • Layer modules 16 each arranged opposite to each other, so that the first metal foils 2 hot channels 17 and the second metal foils 4 cold channels 18 limit.
  • FIG. 2 also illustrates that the hot exhaust gas produced in the internal combustion engine 20 flows along the exhaust system 21 and is passed through the hot runners 17.
  • the water cooling circuit 22 is connected to the cold channels 18, wherein the water preferably flows in countercurrent to the exhaust gas.
  • thermoelectric device 1 thermoelectric device

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Abstract

Thermoelektrische Vorrichtung (1) aufweisend zumindest: eine erste Metallfolie (2) mit einer ersten Materialdicke (3), eine zweite Metallfolie (4) mit einer zweiten Materialdicke (5), einen Zwischenraum (6) zwischen der ersten Metallfolie (2) und der zweiten Metallfolie (4), eine elektrische Isolationsbeschichtung (7) auf der ersten Metallfolie (2) und der zweiten Metallfolie (4) hin zum Zwischenraum (6) und eine Vielzahl von ersten Halbleiterteilchen (8) und zweiten Halbleiterteilchen (9), die im Zwischenraum (6) auf der Isolationsbeschichtung (7) fixiert und miteinander elektrisch verbunden sind.

Description

Thermoelektrische Vorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie z. B. aus dem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine mittels eines Generators. Damit ist insbesondere ein Generator zur Umwandlung thermischer E- nergie eines Abgases in elektrische Energie gemeint, also ein so genannter ther- moelektrischer Generator.
Das Abgas aus einem Motor eines Kraftfahrzeugs besitzt thermische Energie, welche mittels eines thermoelektrischen Generators bzw. Apparates in elektrische Energie umgewandelt werden kann, um beispielsweise eine Batterie oder einen anderen Energiespeicher zu füllen oder elektrischen Verbrauchern die benötigte Energie direkt zuzuführen. Damit steht für den Betrieb des Kraftfahrzeugs Energie in größerem Umfang zur Verfügung.
Ein solcher thermoelektrischer Generator weist zumindest eine Mehrzahl thermo- elektrischer Wandlerelemente auf. Thermoelektrische Materialien sind von einer Art, dass diese effektiv thermische Energie in elektrische Energie umwandeln können (Seebeck-Effekt) und umgekehrt (Peltier-Effekt). Der „Seebeck-Effekt" basiert auf dem Phänomen der Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie und wird zur Erzeugung thermoelektrischer Energie genutzt. Der „Peltier- Effekt" ist die Umkehrung des Seebeck-Effektes und ein Phänomen, welches mit Wärmeadsorption einhergeht und in Relation zu einem Stromfluss durch unterschiedliche Materialien verursacht wird. Der Peltier-Effekt ist beispielsweise zum thermoelektrischen Kühlen bereits vorgeschlagen worden.
Solche thermoelektrischen Wandlerelemente weisen bevorzugt eine Vielzahl von thermoelektrischen Elementen auf, die zwischen einer so genannten „Warmseite" und einer so genannten „Kaltseite" positioniert sind. Thermoelektrische Elemente umfassen z. B. wenigstens zwei Halbleiterquader (p- und n-dotiert), die auf ihrer Oberseite und Unterseite (hin zur „Warmseite" bzw. „Kaltseite") wechselseitig mit elektrisch leitenden Brücken verbunden sind. Keramikplatten bzw. Keramik- beschichtungen und/oder ähnliche Materialien dienen zur Isolierung der Metall- brücken und sind somit bevorzugt zwischen den Metallbrücken angeordnet. Wird ein Temperaturgefälle beidseits der Halbleiterquader bereitgestellt, so bildet sich Spannungspotential aus. Auf der einen Kontaktstelle wird dabei Wärme aufgenommen („Warmseite"), wobei die Elektronen der einen Seite auf das energetische höher liegende Leitungsband des folgenden Quaders gelangen. Auf der ande- ren Seite können die Elektronen nun Energie freisetzen, um wieder auf die andere Seite mit niedrigerem Energieniveau zu gelangen („Kaltseite"). Somit kann sich bei einem entsprechenden Temperaturgefälle ein Stromfluss einstellen.
Es ist bereits versucht worden, entsprechende thermoelektrische Generatoren für die Anwendung in Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftfahrzeugen, bereitzustellen. Diese waren jedoch meist sehr teuer in der Herstellung und gekennzeichnet durch einen relativ geringen Wirkungsgrad. Damit konnte noch keine Serientauglichkeit erlangt werden. Außerdem konnte festgestellt werden, dass die bekannten thermoelektrischen Generatoren meist sehr großen Bauraum verlangen und deshalb nur schwer in die bestehenden Abgasanlagen integriert werden können.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Ins- besondere solle eine thermoelektrische Vorrichtung angegeben werden, die einen verbesserten Wirkungsgrad hinsichtlich der Umwandlung von bereitgestellter thermischer Energie in elektrische Energie ermöglicht, den wechselnden Beanspruchungen im Abgassystem mobiler Verbrennungskraftmaschinen gewachsen ist und sehr kompakt aufgebaut ist. Diese Aufgaben werden gelöst mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie die Integration dieser Vorrichtung in übergeordnete Baueinheiten sind in den abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzu- weisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, erläutert die Erfindung weiter und führt ergänzende Ausführungsbeispiele der Erfindung an.
Die erfindungsgemäße thermoelektrische Vorrichtung weist zumindest Folgendes auf: eine erste Metallfolie mit einer ersten Materialdicke, eine zweite Metallfolie mit einer zweiten Materialdicke, - einen Zwischenraum zwischen der ersten Metallfolie und der zweiten Metallfolie, eine elektrische Isolationsbeschichtung auf der ersten Metallfolie und der zweiten Metallfolie hin zum Zwischenraum, eine Vielzahl von ersten Halbleiterteilchen und zweiten Halbleiterteilchen, die im Zwischenraum auf der Isolationsbeschichtung fixiert und miteinander elektrisch verbunden sind.
Mit der hier vorgeschlagenen thermoelektrischen Vorrichtung ist insbesondere ein lagenweises bzw. schichtartiges Modul für einen thermoelektrischen Apparat bzw. einen thermoelektrischen Generator angegeben. Dabei sind die Halbleiterteilchen zwischen zwei Metallfolien angeordnet. Der Begriff „Metallfolie" soll dabei insbesondere zum Ausdruck bringen, dass hier eine sehr dünne metallische Wandung für die thermoelektrische Vorrichtung vorgesehen ist, so dass der Wärmeübergang bzw. die Wärmeeinleitung hin zu den Halbleiterteilchen besonders günstig ist. Zudem baut die thermoelektrische Vorrichtung sehr dünn bzw. sehr flach, so dass auch hier besonders begrenzte Räume zur Integration in ein Kraftfahrzeug genutzt werden können. Gegebenenfalls können die erste Metallfolie und die zweite Metallfolie unterschiedliche Funktionen erfüllen, so dass beispielsweise die erste Metallfolie die so genannte „Warmseite" ausbildet und demnach hochtemperaturbeständig sein sollte. Im Gegensatz dazu könnte die zweite Metallfolie die „Kalt- seite" bilden, wobei diese beispielsweise auch formstabiler sein könnte (also eine größere zweite Materialdicke aufweisen), um dem Druck des dort vorbeilaufenden Kühlmittels standzuhalten. Demnach ist bevorzugt, dass die erste Metallfolie und die zweite Metallfolie separat ausgeführt sind.
Die beiden Metallfolien bilden, z. B. nach Art eines Sandwich, zwischen sich einen Zwischenraum aus. Dabei ist möglich, dass der Zwischenraum allein durch die Metallfolien begrenzt ist; dies ist aber nicht zwingend erforderlich. Der Zwischenraum ist dabei bevorzugt im Wesentlichen nicht höher als die darin befindlichen Halbleiterteilchen.
Um nunmehr einen gezielten Stromfluss durch die ersten Halbleiterteilchen und die zweiten Halbleiterteilchen zu realisieren, wird vorgeschlagen, die metallischen Folien zumindest teilweise mit einer elektrischen Isolationsbeschichtung zu versehen, auf der die Halbleiterteilchen fixiert bzw. miteinander elektrisch verbunden sind. Als Isolationsbeschichtung kommt insbesondere wenigstens eine Aluminiumoxidschicht in Betracht. Die Beschichtungsdicke sollte dabei kleiner sein als die erste Materialdicke und/oder die zweite Materialdicke der Metallfolien, also z. B. kleiner als 300 μm (Mikrometer) betragen. Bei der elektrischen Isolationsbeschichtung ist darauf zu achten, dass diese den Wärmeübergang von einer Außen- seite der Metallfolie hin zu den Halbleiterteilchen nicht übermäßig behindert. Dies kann insbesondere auch dadurch erreicht werden, dass die Isolationsbeschichtung tatsächlich nur im Bereich der Kontaktpunkte der Halbleiterteilchen vorgesehen ist. Jedenfalls ist eine solche elektrische Isolationsbeschichtung so dicht auszuführen, dass sie für das Verbindungsmittel, insbesondere Lot, nicht durchdringbar ist, so dass durch die Isolationsbeschichtung sicher elektrisch leitende Verbindungen hin zu der Metallfolie und/oder benachbarten Strompfaden vermieden sind.
- A - Als leitfähige Materialien für Thermopaare von Thermoelementen, die hier mit einer Vielzahl von ersten Halbleiterteilchen und zweiten Halbleiterteilchen gebildet sind, kommen insbesondere p-dotierte und n-dotierte Halbleitermaterialien in Betracht. Hierbei könnte beispielsweise Wismut-Tellurit (Bi2, Te3) eingesetzt werden. Darüber hinaus könnten folgende Materialien [bei folgenden Temperaturbereichen in Kelvin] eingesetzt werden: p-Typ: CsBi4Te6: SbI3 (0,005 %) [ca. 225 K];
((Sb2 Te3)V2Bi2TeS)25(Sb2 Se3)3 [ca. 300 K]; Tl9BiTe6 [ca. 500 K];
GeTei-x(AgSbTe2)x [ca. 700 K]; n-Typ: Bio,85 Sbo,i5 [ca. 80 K];
(Sb2Te3)5(Bi2Te3)9o(Sb2 Se3)5 [ca. 300 K]; Bi2Te2,7Se0,3 [ca. 450 K]; Pbo,75Sno,25Se [ca. 800 K].
Bei dieser thermoelektrischen Vorrichtung werden also die zwei dünnen Metallfolien zur Begrenzung des Zwischenraums und für einen Wärmeübergang hin zu den ersten Halbleiterteilchen und zweiten Halbleiterteilchen genutzt. Die ersten Halbleiterteilchen und zweiten Halbleiterteilchen können dabei beispielsweise nach Art von kleinen Quadern und/oder kleinen länglichen Stäbchen aus unterschiedlich leitendem Material bereitgestellt und eingelötet sein. Jeweils zwei unterschiedliche Halbleiterteilchen sind so miteinander elektrisch verbunden, dass sie eine Reihenschaltung ergeben. Eine der beiden Metallfolien nimmt den ein- fließenden Wärmestrom auf („Warmseite"), während die andere Metallfolie den ausfließenden Wärmestrom abgibt („Kaltseite").
Im Hinblick auf das Design zur Anordnung bzw. Verschaltung der einzelnen ersten Halbleiterteilchen und zweiten Halbleiterteilchen können Art und/oder Gestalt und/oder Position der ersten Halbleiterteilchen und/oder zweiten Halbleiterteilchen an den Bauraum, den Wärmefluss, die Stromführung etc. angepasst sein, wobei sie sich insbesondere auch hierbei unterscheiden können. Die elektrische Verbindung der ersten Halbleiterteilchen und zweiten Halbleiterteilchen ist, zumindest für einen Teil der Halbleiterteilchen, bevorzugt abwechselnd ausgeführt - damit ist insbesondere eine Reihenschaltung der verschiedenen Halbleiterteilchen vorgesehen. Gleichwohl kann alternativ oder kumulativ auch eine Parallelschaltung realisiert sein, so dass (zumindest eine Mehrzahl) gleichartiger Halbleiterteilchen miteinander elektrisch verbunden sind.
Besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung der thermoelektrischen Vorrichtung, bei der die erste Metallfolie eine Stahlfolie mit den Legierungsbestandteilen Chrom und Aluminium ist und eine erste Materialdicke aufweist, die im Bereich von 30 μm bis 300 μm liegt. Die hier vorgeschlagene Stahlfolie mit den Legierungsbestandteilen Chrom und Aluminium ist insbesondere hochtemperaturbeständig und korrosionsfest für Abgase, die aus mobilen Verbrennungskraftma- schinen hervorkommen. Insoweit werden hier insbesondere auch Stahlfolien vorgeschlagen, wie sie bei der Behandlung von Abgas mit metallischen Wabenkörpern eingesetzt wurden. Dabei sind beide Metallfolien mit der folgenden Zusammensetzung bevorzugt: ca. 18 - 25 Gew.-% Chrom, etwa 3 - 6 Gew.-% Aluminium, Zusätze von Titan, Yttrium und Zirkon zwischen etwa 0,04 und 0,08 Gew.-% sowie Eisen als Basis. Grundsätzlich könnte es sinnvoll sein, die erste Metallfolie mit einer ersten Materialdicke von beispielsweise bis zu 2 mm auszuführen, bevorzugt ist jedoch insbesondere auch der Bereich von 50 μm bis 300 μm. Hierbei kann gleichzeitig ein guter Wärmeübergang und andererseits eine ausreichende Stabilität für die thermoelektrische Vorrichtung bereitgestellt werden. Die zweite Materialdicke der zweiten Metallfolie kann hiervon unabhängig gewählt werden, sollte aber 2 mm ebenfalls nicht überschreiten und insbesondere größer als die erste Materialdicke sein.
Im Hinblick auf die Ausführung der ersten Metallfolie kann zudem vorgesehen sein, dass diese auf einer der elektrischen Isolationsbeschichtung abgewandten
Außenseite eine Katalysatorträgerschicht aufweist. Das kann insbesondere dazu führen, dass die erste Metallfolie über ihre Außenseite mit den Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine direkt in Kontakt kommt. Als Katalysatorträgerschicht kommt insbesondere eine Zeolith- Schicht und/oder so genannter Washco- at in Betracht. Zudem ist möglich, dass die Katalysatorträgerschicht tatsächlich einen Katalysator umfasst, insbesondere Edelmetalle, die in bzw. auf der Katalysatorträgerschicht verteilt angeordnet sind. Bei der Schichthöhe der Katalysatorträgerschicht ist zu berücksichtigen, dass diese den Wärmeübergang vom Abgas hin zu den Halbleiterteilchen im Zwischenraum der thermoelektrischen Vorrichtung nicht signifikant behindert. Gegebenenfalls kann dies dadurch kompensiert werden, dass exotherme Reaktionen mit dem Katalysator auf der Außenseite in Gang gesetzt werden, so dass hier vor Ort zusätzliche Wärme freigesetzt werden kann.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird auch vorgeschlagen, dass die Vielzahl von ersten Halbleiterteilchen und zweiten Halbleiterteilchen mit Lotmaterial auf der Isolationsbeschichtung miteinander elektrisch verbunden sind. Bevorzugt ist dabei, dass die zur Fixierung der Halbleiterteilchen dienenden Lötpunkte im Wesentlichen den Querschnitt bzw. die Kontaktfläche der Halbleiterteilchen nicht überschreitet. So sind insbesondere Lotpunkte mit einer Fläche von beispielsweise zwischen 0,8 mm2 bis 5 mm2, und bevorzugt zwischen 1 mm2 bis 2 mm2 (Quadratmillimeter) zu realisieren. Das Lotmaterial wird bevorzugt dadurch aufgebracht, dass auf die Isolationsbeschichtung an den gewünschten Stellen ein Haftmittel aufgedruckt wird, und die Metallfolie mit dann pul verförmigen Lot in Kontakt gebracht wird, welches an diesen vorgegebenen Haftmittel-Stellen haften bleibt. Die Körnung des Lotmaterials ist dabei so zu wählen, dass genau so viel Lotmaterial zur Verfügung gestellt wird, dass die gewünschte Lotstelle ausgebildet wird.
Darüber hinaus wird als vorteilhaft angesehen, dass die Vielzahl von ersten HaIb- leiterteilchen und zweiten Halbleiterteilchen eine Teilchenhöhe von 1 mm bis 5 mm (Millimeter) aufweisen. Dies führt einerseits zu einer sehr kompakten Aus- gestaltung der thermo elektrischen Vorrichtung und gewährleistet andererseits eine ausreichende Temperaturdifferenz zwischen der ersten Metallfolie und der zweiten Metallfolie über den Zwischenraum hinweg. Ganz besonders bevorzugt ist eine Teilchenhöhe im Bereich von 1 bis 2 mm. Regelmäßig werden alle Halblei- terteilchen die gleiche Teilchenhöhe aufweisen.
Außerdem wird auch vorgeschlagen, dass die erste Metallfolie und die zweite Metallfolie direkt miteinander verbunden sind. Als direkte Verbindung kommen insbesondere Löt- Verbindungen und/oder Schweiß -Verbindungen in Betracht. Ganz besonders sollte darauf geachtet werden, dass die Verbindung miteinander gasdicht ist, also insbesondere das Eindringen von Abgas und/oder Sauerstoff in den Zwischenraum vermieden wird. Gegebenenfalls können hierzu auch zusätzliche mechanische Klemmmittel und/oder Dichtungsmittel eingesetzt werden.
Gerade in diesem Zusammenhang kann auch sinnvoll sein, den Zwischenraum mit einem, die Vielzahl von ersten Halbleiterteilchen und zweiten Halbleiterteilchen zumindest teilweise umschließenden Füllstoff auszuführen. Ganz besonders bevorzugt ist, dass der Füllstoff den gesamten Zwischenraum ausfüllt. Als Füllstoff kommt beispielsweise eine Vergussmasse, wie beispielsweise Silikat, in Betracht. Auch wenn diese Variante bevorzugt ist, können gleichermaßen andere konstruktiven Maßnahmen zur Vermeidung eines Kontakts eines Abgases mit den Halbleiterteilchen verwirklicht sein, wie z. B. auch eine Kappe, ein Deckel, eine Blende oder ähnliches.
Außerdem wird auch als vorteilhaft angesehen, dass zumindest einen schichtweise Aufbau aufweist. Gegebenenfalls kann auch ein Teil der ersten Halbleiterteilchen und zweiten Halbleiterteilchen oder es könne auch alle Halbleiterteilchen schichtweise aufgebaut sein. Da hier eine besonders filigrane thermoelektrische Vorrichtung erzeugt werden kann, ist die schichtweise Applikation (z. B. mittels Aufdrucken) des Materials auf die Metallfolien besonders einfach und prozesssicher zu realisieren. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird ein thermoelektrischer Apparat vorgeschlagen, der eine Vielzahl von thermoelektrischen Vorrichtungen der erfindungsgemäß beschriebenen Art aufweist, die nach Art eines Lagenmoduls ausge- bildet sind, wobei diese jeweils entgegengesetzt zueinander angeordnet sind, so dass die ersten Metallfolien Heißkanäle und die zweiten Metallfolien Kaltkanäle begrenzen. Der thermoelektrische Apparat weist nunmehr also bevorzugt mehrere Lagen übereinander auf, wobei die Orientierung der Vorrichtungen alterniert, so dass immer paarweise erste Metallfolien Heißkanäle und zweite Metallfolien Kaltkanäle begrenzen. Im Hinblick auf die Kanäle ist möglich, dass zwischen den einzelnen Vorrichtungen nur einzelne Kanäle ausgebildet sind, es kann aber auch eine Vielzahl solcher Kanäle, beispielsweise mittels entsprechender Trennstrukturen, ausgebildet sein. Auch ist möglich, insbesondere im Hinblick auf die Kaltkanäle, dass diese mit zusätzlichen Rohren ausgeführt sind.
Ganz besonders bevorzugt wird hier ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, einer Abgasanlage, einem Wasser- Kühlkreislauf und einem thermoelektrischen Apparat der vorstehend beschriebenen Art vorgeschlagen, bei dem die Abgasanlage mit den Heißkanälen und der Wasser-Kühlkreislauf mit den Kaltkanä- len verbunden sind.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren besonders bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung aufzeigen, diese jedoch nicht dar- auf beschränkt ist. Es zeigen schematisch:
Fig. 1 : ein Detail einer Ausführungsvariante einer thermoelektrischen Vorrichtung, und
Fig. 2: eine Ausführungsvariante eines thermoelektrischen Apparates in einem Kraftfahrzeug. In der Fig. 1 ist schematisch in einem Teilquerschnitt eine Ausführungsvariante der thermoelektrischen Vorrichtung veranschaulicht. Die thermoelektrische Vorrichtung 1 hat oben ihre Heißseite (gekennzeichnet durch den schwarzen Pfeil) und unten ihre Kaltseite (gekennzeichnet durch einen weißen Pfeil).
Die thermoelektrische Vorrichtung 1 wird nun außen durch eine erste Metallfolie 2 und eine zweite Metallfolie 4 begrenzt. Auf der Außenseite 10 der ersten Metallfolie 2 ist in einem Ausschnitt die Katalysatorträgerschicht 11 veranschau- licht, die mit einem Katalysator 23 ausgeführt ist. Um nunmehr auf dieser Warmseite einen guten Temperaturübergang hin zum Zwischenraum 6 zu ermöglichen, ist die erste Metallfolie 2 mit einer ersten Materialdicke 3 ausgeführt, die sehr dünn ist, beispielsweise im Bereich von 50 μm bis 300 μm. Dem gegenüber ist die zweite Metallfolie hier mit einer größeren zweiten Materialdicke 5 ausgeführt, beispielsweise im Bereich von 120 μm bis 2 mm. Sowohl die erste Metallfolie 2 als auch die zweite Metallfolie 4 sind hier hin zum Innenraum 6 mit einer elektrischen Isolationsbeschichtung 7 ausgeführt.
Auf dieser elektrischen Isolationsbeschichtung 7 sind nun die Thermopaare aus- gebildet. Hierfür sind die ersten (p-dotierten) Halbleiterteilchen 8 und die zweiten (n-dotierten) Halbleiterteilchen 9 mit Lotmaterial 12 auf der Isolationsbeschichtung 7 fixiert und elektrisch (in Reihe abwechselnd) miteinander verbunden. Für eine besonders kompakte Anordnung wird vorgeschlagen, dass die ersten Halbleiterteilchen 8 und die zweiten Halbleiterteilchen 9 eine Teilchenhöhe 13 von 1 mm bis 5 mm aufweisen.
In Fig. 2 soll die Integration der thermoelektrischen Vorrichtung in ein Kraftfahrzeug 19 schematisch veranschaulicht werden. In diesem Fall ist ein thermoelektri- scher Apparat 15 mit einer Mehrzahl der thermoelektrischen Vorrichtung 1 derart gebildet, dass die thermoelektrische Vorrichtung 1 nach Art von Lagenmodulen 16 ausgebildet sind, die schichtweise zueinander angeordnet sind. Dabei sind die Lagenmodule 16 jeweils entgegengesetzt zueinander angeordnet, so dass die ersten Metallfolien 2 Heißkanäle 17 und die zweiten Metallfolien 4 Kaltkanäle 18 begrenzen. In Fig. 2 ist nun auch veranschaulicht, dass das in dem Verbrennungsmotor 20 erzeugte heiße Abgas entlang der Abgasanlage 21 strömt und da- bei durch die Heißkanäle 17 hindurchgeführt wird. Zur Generierung eines großen Temperaturunterschiedes zwischen der Warmseite und der Kaltseite der thermo- elektrischen Vorrichtung werden diese einseitig auch mit kaltem Wasser eines Wasser-Kühlkreislaufs 22 in Wärmekontakt gebracht. Der Wasser- Kühlkreislauf 22 ist dabei mit den Kaltkanälen 18 verbunden, wobei das Wasser bevorzugt im Gegenstrom zum Abgas strömt.
Bezugszeichenliste
1 thermoelektrische Vorrichtung
2 erste Metallfolie
3 ersten Materialdicke
4 zweite Metallfolie
5 zweite Materialdicke 6 Zwischenraum
7 Isolationsbeschichtung
8 erstes Halbleiterteilchen (z. B. p-dotiert)
9 zweites Halbleiterteilchen (z. B. n-dotiert)
10 Außenseite 11 Katalysatorträgerschicht
12 Lotmaterial
13 Teilchenhöhe
14 Füllstoff
15 thermoelektrischer Apparat 16 Lagenmodul
17 Heißkanal
18 Kaltkanal
19 Kraftfahrzeug
20 Verbrennungsmotor 21 Abgasanlage
22 Wasser-Kühlkreislauf
23 Katalysator

Claims

Patentansprüche
1. Thermoelektrische Vorrichtung (1) aufweisend zumindest: - eine erste Metallfolie (2) mit einer ersten Materialdicke (3), eine zweite Metallfolie (4) mit einer zweiten Materialdicke (5), einen Zwischenraum (6) zwischen der ersten Metallfolie (2) und der zweiten Metallfolie (4), eine elektrische Isolationsbeschichtung (7) auf der ersten Metallfolie (2) und der zweiten Metallfolie (7) hin zum Zwischenraum (6), eine Vielzahl von ersten Halbleiterteilchen (8) und zweiten Halbleiterteilchen (9), die im Zwischenraum (6) auf der Isolationsbeschichtung (7) fixiert und miteinander elektrisch verbunden sind.
2. Thermoelektrische Vorrichtung (1) nach Patentanspruch 1, bei der die erste Metallfolie (2) eine Stahlfolie mit den Legierungsbestandteilen Chrom und Aluminium ist und eine erste Materialdicke (3) aufweist, die im Bereich von 30 μm bis 300 μm liegt.
3. Thermoelektrische Vorrichtung (1) nach Patentanspruch 1 oder 2, bei der die erste Metallfolie (2) auf einer, der elektrischen Isolationsbeschichtung (7) abgewandten Außenseite (10) eine Katalysatorträgerschicht (11) aufweist.
4. Thermoelektrische Vorrichtung (1) nach einem der vorhergegangenen Patent- anspräche, bei der die Vielzahl von ersten Halbleiterteilchen (8) und zweiten
Halbleiterteilchen (9) mit Lotmaterial (12) auf der Isolationsbeschichtung (7) miteinander elektrisch verbunden sind.
5. Thermoelektrische Vorrichtung (1) nach einem der vorhergegangenen Patent- anspräche, bei der die Vielzahl von ersten Halbleiterteilchen (8) und zweiten
Halbleiterteilchen (9) eine Teilchenhöhe (13) von 1 bis 5 mm aufweisen.
6. Thermoelektrische Vorrichtung (1) nach einem der vorhergegangenen Patentansprüche, bei der die erste Metallfolie (2) und die zweite Metallfolie (4) direkt miteinander verbunden sind.
7. Thermoelektrische Vorrichtung (1) nach einem der vorhergegangenen Patentansprüche, bei der der Zwischenraum (6) einen die Vielzahl von ersten Halbleiterteilchen (8) und zweiten Halbleiterteilchen (9) wenigstens teilweise umschließenden Füllstoff (14) aufweist.
8. Thermoelektrische Vorrichtung (1) nach einem der vorhergegangenen Patentansprüche, bei der zumindest ein Teil der ersten Halbleiterteilchen (8) oder zweiten Halbleiterteilchen (9) einen schichtweise Aufbau aufweist.
9. Thermoelektrischer Apparat (15), aufweisend eine Vielzahl von thermoelektrische Vorrichtungen (1) gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche nach Art eines Lagenmoduls (16), die jeweils entgegengesetzt zu einander angeordnet sind, wobei die ersten Metallfolien (2) Heißkanäle (17) und die zweiten Metallfolien (4) Kaltkanäle (18) begrenzen.
10. Kraftfahrzeug (19) mit einem Verbrennungsmotor (20), einer Abgasanlage (21), einem Wasser- Kühlkreislauf (22) und einem thermoelektrischen Apparat (15) gemäß Patentanspruch 9, bei dem die Abgasanlage (21) mit den Heißkanälen (17) und der Wasser-Kühlkreislauf (22) mit den Kaltkanälen (18) verbunden sind.
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