Термоэлектрическое устройство



Термоэлектрическое устройство
Термоэлектрическое устройство

 


Владельцы патента RU 2525868:

ЭМИТЕК ГЕЗЕЛЬШАФТ ФЮР ЭМИССИОНСТЕХНОЛОГИ МБХ (DE)

Сущность: изобретение относится к термоэлектрическому преобразованию энергии. Сущность: термоэлектрическое устройство (1) содержит по меньшей мере один первый проточный канал (8) первым несущим слоем (3) и по меньшей мере один второй проточный канал со вторым несущим слоем (4). Между первым несущим слоем (3) и вторым несущим слоем (4) имеется промежуточное пространство (5). Несколько легированных примесью p-типа и n-типа полупроводниковых элементов (7) расположены в промежуточном пространстве (5) и электрически соединены друг с другом. Относительное первое тепловое расширение первого несущего слоя и относительное второе расширение второго несущего слоя в условиях эксплуатации являются одинаковыми. устройства (1) в системе выпуска отработавшего газа автомобиля. Первый несущий слой имеет коэффициент расширения от 2·10-6/К до 10,2·10-6/К, а второй несущий слой имеет коэффициент расширения от 12·10-6/К до 28,4·10-6/К. Технический результат: уменьшение термических напряжений. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Настоящее изобретение относится к термоэлектрическому устройству для выработки электрической энергии, например из отработавшего газа (ОГ) двигателя внутреннего сгорания (ДВС), посредством термоэлектрического генератора. Под этим имеется в виду, прежде всего, генератор для преобразования тепловой энергии ОГ в электрическую энергию.

ОГ из двигателя автомобиля обладает тепловой энергией, которая посредством термоэлектрического генератора или же аппарата может быть преобразована в электрическую энергию для того, чтобы, например, наполнять батарею или другой аккумулятор энергии или подводить необходимую энергию непосредственно к электрическим потребителям. Тем самым, автомобиль эксплуатируется с лучшим энергетическим кпд, и энергия для эксплуатации автомобиля имеется в распоряжении в большем объеме.

Такой термоэлектрический генератор имеет, по меньшей мере, несколько термоэлектрических элементов-преобразователей. Термоэлектрические элементы-преобразователи таковы, что они могут эффективно преобразовывать тепловую энергию в электрическую энергию (эффект Зеебека) и наоборот (эффект Пельтье). «Эффект Зеебека» основан на явлении преобразования тепловой энергии в электрическую энергию и используется для выработки термоэлектрической энергии. «Эффект Пельтье» - это инверсия «эффекта Зеебека» и явление, которое происходит с поглощением тепла и вызывается в отношении к прохождению тока через различные материалы. «Эффект Пельтье» уже был предложен, например, для термоэлектрического охлаждения.

Предпочтительно, такие термоэлектрические элементы-преобразователи имеют несколько термоэлектрических элементов, которые расположены между так называемой горячей стороной и так называемой холодной стороной. Термоэлектрические элементы содержат, например, по меньшей мере два полупроводниковых элемента (легированных примесью p-типа и n-типа), которые на своей верхней и нижней стороне (в направлении горячей стороны или же холодной стороны) взаимно снабжены электрически проводящими перемычками. Керамические пластины или же керамические покрытия и/или сходные материалы служат для электрической изоляции металлических перемычек и, поэтому, предпочтительно, расположены между металлическими перемычками. Если с обеих сторон полупроводниковых элементов создается перепад температур, то образуется потенциал напряжения. При этом на горячей стороне первого полупроводникового элемента поглощается тепло, при этом электроны одной стороны попадают на энергетически более высокую зону проводимости следующего полупроводникового элемента. Тогда на холодной стороне электроны могут высвобождать энергию и попадают на следующий полупроводниковый элемент с более низким уровнем энергии. Таким образом при соответствующем перепаде температур может возникать электрический ток.

Возникающая в термоэлектрическом генераторе в системе выпуска ОГ автомобиля большая разность температур между горячей стороной и холодной стороной является высокой нагрузкой для применяемых материалов и их структуры. Температуры в термоэлектрическом генераторе в системе выпуска ОГ обычно составляют на холодной стороне от 20°С до 110°С, а на горячей стороне от 150°С до 500°С. Большая разность температур приводит к разному по силе расширению материалов на горячей стороне и холодной стороне. В свою очередь, разное по силе расширение приводит к напряжениям в термоэлектрическом генераторе, которые могут на длительный срок ухудшить прочность и/или функцию генератора. Уже предлагались компенсационные элементы в термоэлектрическом генераторе для того, чтобы уменьшить напряжения. Однако дополнительный компенсационный элемент в термоэлектрическом генераторе увеличивает техническую трудоемкость при его изготовлении.

Исходя из этого задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы, по меньшей мере частично, решить описанные со ссылкой на уровень техники проблемы. Прежде всего, должно быть разработано термоэлектрическое устройство, которое адаптировано к применению в термоэлектрическом генераторе в системе выпуска ОГ. Термоэлектрическое устройство должно, несмотря на разность температур в эксплуатации, уменьшать термические напряжения между горячей и холодной стороной.

Эти задачи решены с помощью устройства согласно признакам п.1 формулы изобретения, а также способа изготовления термоэлектрического устройства согласно п.8 формулы изобретения. Предпочтительные конструктивные варианты устройства согласно изобретению, а также интеграция этого устройства в конструктивные узлы, которым оно подчинено, указаны в сформулированных как зависимые пунктах формулы изобретения. Необходимо указать на то, что приведенные в формуле изобретения отдельно признаки могут быть скомбинированы между собой любым, технологически рациональным образом и показывают дополнительные варианты осуществления изобретения. Описание, прежде всего, в связи с фигурами, поясняет изобретение и приводит дополняющие примеры осуществления изобретения.

Термоэлектрическое устройство согласно изобретению имеет по меньшей мере один первый проточный канал и по меньшей мере один второй проточный канал с:

- по меньшей мере одним соотнесенным по меньшей мере с одним первым проточным каналом первым несущим слоем и по меньшей мере одним, соотнесенным по меньшей мере с одним вторым проточным каналом вторым несущим слоем,

- по меньшей мере одним промежуточным пространством между первым несущим слоем и вторым несущим слоем,

- несколькими легированными примесью p-типа и n-типа полупроводниковыми элементами, которые расположены по меньшей мере в одном промежуточном пространстве и электрически соединены друг с другом,

при этом относительное первое тепловое расширение первого несущего слоя и относительное второе тепловое расширение второго несущего слоя в условиях эксплуатации являются одинаковыми.

Предложенное здесь термоэлектрическое устройство расположено, прежде всего, между отдельным первым проточным каналом и отдельным вторым проточным каналом, или же между несколькими первыми проточными каналами и несколькими вторыми проточными каналами. По проточным каналам по обе стороны устройства соответственно проводятся потоки текучих сред, то есть газов или жидкостей. Одна сторона термоэлектрического устройства называется горячей стороной, при этом по соотнесенным с горячей стороной проточным каналам протекает горячая текучая среда. Другая сторона термоэлектрического устройства соответственно называется холодной стороной, при этом по соотнесенным с холодной стороной проточным каналам протекает текучая среда с более низкой температурой. В последующем всегда исходят из того, что по меньшей мере один первый проточный канал образует горячую сторону, а по меньшей мере один второй проточный канал образует холодную сторону. В общем, они могут быть поменяны местами. В дальнейшем, первый несущий слой соотносится с горячей стороной, а второй несущий слой - с холодной стороной, однако изобретение не ограничивается этим сочетанием. В автомобиле, как правило, горячая сторона соотносится с газами системы выпуска ОГ, а холодная сторона - с жидкостью системы охлаждения.

Прежде всего, соотнесенный по меньшей мере с одним первым проточным каналом первый несущий слой и соотнесенный по меньшей мере с одним вторым проточным каналом второй несущий слой образуют, по меньшей мере частично, ограничение соответствующих проточных каналов, то есть, например, часть стенки отдельных или нескольких проточных каналов. Таким образом, первый несущий слой и второй несущий слой находятся в термической связи с текучей средой горячей стороны или же с текучей средой холодной стороны. Таким образом перепад температур переносится на расположенные между несущими слоями полупроводниковые элементы, которые на основе «эффекта Зеебека» могут вырабатывать ток.

Следовательно, несущие слои образуют ограничение термоэлектрического устройства. Между несущими слоями предусмотрено промежуточное пространство, в котором расположены полупроводниковые элементы. При этом промежуточное пространство имеет, прежде всего, расширение, которое, по существу, задано только высотой и количеством, а также расположением полупроводниковых элементов. Для реализации целенаправленного прохождения тока через легированные примесью p-типа и n-типа полупроводниковые элементы несущие слои могут иметь соответственно, по меньшей мере частично, электрический изоляционный слой, на котором зафиксированы и электрически соединены между собой полупроводниковые элементы. Что касается электрического изоляционного слоя, необходимо обратить внимание на то, чтобы он чрезмерно не мешал теплопереносу от внешней стороны несущего слоя в направлении полупроводниковых элементов.

В качестве проводящих материалов для легированных примесью p-типа и n-типа полупроводниковых элементов может быть применен, например, теллурит висмута (Вi2Те3). Кроме того, могут быть применены следующие материалы (до следующих максимальных температур в °С):

n-тип:

Bi2Te3 (ок. 250°С); РbТе (ок. 500°С); Ва0,3Со3,95Ni0,05Sb12 (ок. 600°С); Baу(Co,Ni)4Sb12 (ок. 600°С); CoSb3 (ок. 700°С); Ba8Ga16Ge30 (ок. 850°С); La2Te3 (ок. 1100°С); SiGe (ок. 1000°С); Mg2(Si, Sn) (ок. 700°С);

p-тип:

(Bi, Sb)2TE3 (ок. 200°С); Zn4Sb3 (ок. 380°С); TAGS (ок. 600°С); РbТе (ок. 500°С); SnTe (ок. 600°С); CeFe4Sb12 (ок. 700°С); Yb14MnSb11 (ок. 1000°С); SiGe (ок. 1000°С); Mg2(Si,Sb) (ок. 600°С).

Таким образом, в термоэлектрическом устройстве согласно изобретению два несущего слоя применяются для ограничения промежуточного пространства и для теплопереноса от проточных каналов в направлении полупроводниковых элементов. При этом полупроводниковые элементы могут быть изготовлены, например, по типу небольших прямоугольных параллелепипедов из материала разной электрической проводимости. Предпочтительно, по два различных полупроводниковых элемента (дотированных примесью p-типа и примесью n-типа) электрически соединены друг с другом так, что вместе они дают последовательное соединение. Один из обоих несущих слоев поглощает поступающий тепловой поток (горячая сторона), в то время как другой несущий слой отдает вытекающий тепловой поток (холодная сторона). Применительно к конструкции устройства или же соединению отдельных полупроводниковых элементов, вид, форма и/или положение полупроводниковых элементов могут быть адаптированы к монтажному пространству, желательному тепловому потоку, проведению тока и т.д., при этом они, прежде всего также и при этом, могут отличаться. Прежде всего, термоэлектрическое устройство имеет одну или несколько групп последовательно соединенных друг с другом полупроводниковых элементов, при этом группы образуют соответственно независимые друг от друга цепи или соединены друг с другом посредством электрического параллельного соединения.

Относительное тепловое расширения получается из произведения усредненного коэффициента расширения несущего слоя и разности температур, которой этот несущий слой подвержен при условиях эксплуатации термоэлектрического устройства. Под усредненным коэффициентом расширения имеется в виду отношение изменения длины при повышении температуры к общей длине при исходной температуре. Единицей усредненного коэффициента расширения является 1/Кельвин. Изменение длины при определении усредненного коэффициента расширения здесь определяется как разность длины несущего слоя при исходной температуре и длины несущего слоя при (максимальной) рабочей температуре. Разность температур получается из разности (максимальной) рабочей температуры и исходной температуры (при условиях эксплуатации).

Исходная температура как для первого несущего слоя, так и для второго несущего слоя, типичным образом составляет от -20°C до 40°C, предпочтительно от 0°C до 20°C, особо предпочтительно ровно 10°C. (Максимальная) рабочая температура горячей стороны составляет от 150°C до 900°C, предпочтительно от 250°C до 700°C, особо предпочтительно ровно 325°C (для термоэлектрических устройств в системе рециркуляции ОГ) или же ровно 625°C (для термоэлектрических устройств в системе выпуска ОГ на днище кузова автомобиля). Рабочая температура холодной стороны составляет от -20°C до 120°C, предпочтительно от 50°C до 80°C, особо предпочтительно ровно 65°C.

Возможные методы измерений для определения изменения длины специалисту известны. Предпочтительно измерения проводятся при особо предпочтительных температурах.

При «одинаковом» выполнении относительного первого теплового расширения первого несущего слоя и относительного второго теплового расширения второго несущего слоя величины отличаются друг от друга лишь несущественно, прежде всего, с допуском (в среднем или даже абсолютно) максимально 10%, прежде всего максимально 1,0 или даже максимально лишь 0,1%.

Это, прежде всего, показывает, что первый несущий слой и второй несущий слой имеют разные средние коэффициенты расширения для того, чтобы образовать одинаковое выполнение относительных тепловых расширений. Таким образом, согласно изобретению большая разность температур между первым несущим слоем и вторым несущим слоем, следствием которого обычно являются разные расширения этих конструктивных деталей, в работе или же в условиях эксплуатации компенсируется на основе адаптированных средних коэффициентов расширения. При этом меньшее относительное тепловое расширение должно быть в пределах указанного диапазона допуска большего относительного теплового расширения.

В соответствии с изобретением первый несущий слой предлагаемого термоэлектрического устройства имеет коэффициент расширения от 2*10-6/К до 10,2*10-6/К, а второй несущий слой - коэффициент расширения от 12*10-6/К до 28,4*10-6/К. Указанные коэффициенты расширения по измерительно-техническим причинам могут иметь погрешность до 5% и указаны в качестве «усредненных» величин. При этом особенно предпочтительно, чтобы первый несущий слой имел коэффициент расширения от 5,5*10-6/К до 8*10-6/К, а второй несущий слой - коэффициент расширения от 18*10-6/К до 28,4*10-6/К.

За счет выбора сплава с указанными коэффициентами расширения первый несущий слой имеет коэффициент расширения, который практически соответствует коэффициенту расширения полупроводниковых элементов, а второй несущий слой при имеющейся при эксплуатации разности температур величиной примерно до 450°C расширяется так же сильно, как и несущий слой горячей стороны. Испытания и анализы показали, что с помощью таких материалов может быть получено термоэлектрическое устройство с особо низкими внутренними напряжениями, а поэтому и долговечное даже при очень многих переменных нагрузках.

Таким образом, достигаемый при осуществлении изобретения технический результат заключается в снижении внутренних напряжений и повышении долговечности заявленного устройства.

Для определения коэффициента расширения использованного материала первого несущего слоя или второго несущего слоя тестовая полоса материала, который может быть получен, либо путем извлечения из термоэлектрического устройства, либо в виде сырьевого материала, может сначала быть зажата с одной стороны. Тестовая полоса после измерения при исходной температуре путем нагрузки подходящей средой нагревается до (максимальной) рабочей температуры. Если тестовая полоса подвержена воздействию среды достаточно долго, так что тестовая полоса полностью приобрела температуру среды, измеряется длина полосы по меньшей мере в одном измерении. Затем температура среды целенаправленно повышается на несколько градусов и через определенное время, за которое тестовая полоса приобретает повышение температуры, длина тестовой полосы измеряется еще раз. Из длины, разности измерения длины и разности температур определяется коэффициент расширения.

В расчете на применение такого устройства в системе рециркуляции ОГ рабочая температура холодной стороны типичным образом составляет от 50°C до 80°C (прежде всего, точно 65°C), а горячей стороны от 250°C до 400°C (прежде всего, точно 325°C). Для измерения коэффициента расширения материала холодной стороны может быть применена водяная ванна с соответствующей нагревательной плитой, с помощью которой температура водяной ванны может регулироваться как можно более точно. Кроме того, можно себе представить, что тестовая полоса подвергается воздействию потока текучей среды, прежде всего потока газа, температура которого является контролируемой. Такой горячий поток текучей среды подходит и для измерения на материале горячей стороны. Но материал для горячей стороны может быть также нагрет в печи, температура которой поддается точному контролю.

В одной предпочтительной конструктивной форме термоэлектрического устройства, которая и независимо, сама по себе, может рассматриваться как имеющая изобретательский уровень, по меньшей мере, первый несущий слой или второй несущий слой состоит из сплава, в котором содержится:

- доля никеля - по меньшей мере 9,0% по массе,

- доля кремния не более 1,0% по массе,

а также по меньшей мере один элемент из группы, включающей в себя марганец, хром, углерод, молибден, кобальт, алюминий, титан, медь и ниобий, и железо.

Благоприятный сплав имеет широкий диапазон коэффициента расширения при, впрочем, сходных механических и тепловых свойствах. Коэффициент расширения сплава согласно изобретению составляет от 1,0∗10-6/К до 31,7∗10-6/К в температурном диапазоне от 20°С до 500°С. Широкий диапазон коэффициента расширения позволяет адаптировать сплав несущих слоев как к данным рабочим температурам, так и к свойствам материалов используемых полупроводниковых элементов. За счет содержания никеля в сплаве может быть в значительной мере оказано влияние на коэффициент расширения. Так, железоникелевый сплав с содержанием никеля 36% по массе имеет минимум коэффициента расширения. За счет содержания кремния в сплаве может быть в значительной мере оказано влияние на его прочность на растяжение и предел текучести. Наряду с указанными согласно изобретению долями материалов, сплав также может иметь типичные примеси, которые здесь, однако, незначительны.

По меньшей мере, первый несущий слой или второй несущий слой состоит из преимущественного сплава. Однако является предпочтительным, что как первый несущий слой, так и второй несущий слой выполнены с использованием сплава согласно изобретению.

Соответствующий выбор сплавов согласно изобретению для первого несущего слоя и/или второго несущего слоя обеспечивает то, что абсолютные расширения первого несущего слоя и второго несущего слоя при эксплуатации устройства имеют сходную величину, хотя может присутствовать разность температур до 450°С. Таким образом, практически не возникает (значительных) напряжений между первым несущим слоем и вторым несущим слоем. Это, прежде всего, означает, что точки на внутренней поверхности первого несущего слоя и точки на внутренней поверхности второго несущего слоя, соединительные линии которых в состоянии без разности температур расположены ортогонально к внутренним поверхностям, сохраняют почти тоже расстояние в состоянии с большой разностью температур.

В одной особо предпочтительной конструктивной форме сплав первого несущего слоя при эксплуатации совершает сходное расширение, как и полупроводниковые элементы и как сплав второго несущего слоя.

Согласно одному усовершенствованию термоэлектрического устройства первый несущий слой содержит первый сплав, в котором:

- содержание никеля составляет по меньшей мере 32,0% по массе,

- содержание марганца - не более 1,0% по массе,

а также содержится по меньшей мере один элемент из группы, включающей в себя кремний, хром, углерод, молибден, кобальт, алюминий, титан, медь и ниобий, и железо.

Первый сплав этого усовершенствования имеет коэффициент расширения от 2,0∗10-6/К до 10,2∗10-6/К в температурном диапазоне от 200°С до 500°С. Низкий коэффициент расширения в этом температурном диапазоне первого сплава позволяет применять первый сплав при относительно высоких температурах в качестве материала для несущего слоя на горячей стороне.

Согласно еще одному благоприятному варианту термоэлектрического устройства первый несущий слой состоит из первого сплава, в котором

- содержание никеля составляет от 28,0% по массе до 30,0% по массе,

- содержание кобальта - от 16,0% по массе до 18,0% по массе,

- содержание хрома - не более 0,1% по массе,

- содержание углерода - не более 0,05% по массе,

- содержание марганца - не более 0,5% по массе, и

- содержание кремния - не более 0,3% по массе,

а остальное образовано из железа и неизбежных примесей.

Этот вышеуказанный сплав в дальнейшем также называется «предпочтительным материалом горячей стороны».

За счет того, что этот первый сплав имеет коэффициент расширения от 5,8∗10-6/К до 6,1∗10-6/К в температурном диапазоне от 200°С до 500°С, первый сплав благоприятно адаптирован к коэффициенту расширения соответствующих полупроводниковых элементов. Является особо благоприятным, если первый сплав применяется в качестве несущего слоя на горячей стороне.

За счет кобальта сдерживается рост зерна при более высоких температурах. Тем самым, улучшаются устойчивость против отпуска и теплостойкость. С другой стороны, кобальт благоприятствует образованию графита. При повышенной концентрации повышается и теплопроводность. Хром повышает прочность сплавов на растяжение при незначительном ухудшении удлинения. Более высокие содержания хрома улучшают теплостойкость.

Также может быть благоприятным, если первый несущий слой состоит из первого сплава, в котором содержится доля никеля от 32,0% по массе до 37,0% по массе, доля марганца не более 0,6% по массе, и по меньшей мере один элемент из группы, включающей в себя кремний, хром, кобальт, титан и ниобий, и железо. Первый сплав отличается коэффициентом расширения от 2,0∗10-6/К до 10,2∗10-6/К в температурном диапазоне от 200°С до 500°С. Тем самым, эти сплавы особо подходят для несущего слоя горячей стороны. Молибден повышает прочность на растяжение и особо теплостойкость. При легировании вместе с хромом и никелем могут быть достигнуты высокие пределы текучести и показатели вязкости.

Также является возможным, что первый несущий слой состоит из первого сплава, в котором содержание никеля составляет от 37,0% по массе до 43,5% по массе, содержание марганца - не более 1,0% по массе, содержание кремния - не более 0,4% по массе, и содержание углерода - не более 1,0% по массе, и не содержится алюминия, молибдена и меди. Первый сплав отличается коэффициентом расширения от 3,5∗10-6/К до 9,3∗10-6/К в температурном диапазоне от 200°С до 500°С. Тем самым это сплав особо подходит для несущего слоя горячей стороны.

Также является благоприятным, если первый несущий слой состоит из первого сплава, в котором содержится доля никеля от 45,0% по массе до 52,0% по массе, доля марганца не более 0,8% по массе, доля кремния не более 0,5% по массе и по меньшей мере один элемент из группы, включающей углерод, хром и алюминий, и железо. Первый сплав отличается коэффициентом расширения от 8,0∗10-6/К до 10,0∗10-6/К в температурном диапазоне от 200°С до 500°С. Тем самым эти сплавы особо подходят для несущего слоя горячей стороны и могут быть благоприятным образом комбинированы с полупроводниковыми элементами, которые имеют соответствующий коэффициент расширения.

Также является благоприятным, если первый несущий слой состоит из первого сплава, в котором содержится доля никеля от 41,0% по массе до 43,5% по массе, доля марганца не более 0,6% по массе, доля кремния не более 1,0% по массе, доля хрома не более 6,0% по массе, и по меньшей мере один элемент из группы, включающей в себя алюминий, кобальт и титан, и железо. Первый сплав отличается коэффициентом расширения от 7,3∗10-6/К до 14,4∗10-6/К в температурном диапазоне от 200°С до 500°С.

Также является благоприятным, если второй несущий слой состоит из второго сплава, в котором:

- содержание никеля составляет от 12,5% по массе до 23,0% по массе,

- содержание марганца - не более 7,0% по массе,

- содержание кремния - не более 1,0% по массе, и

- содержание углерода - 0,65% по массе,

и, возможно, содержится хром и железо.

Этот сплав отличается коэффициентом расширения от 18,9∗10-6/К до 20,7∗10-6/К в температурном диапазоне от 20°С до 200°С. Тем самым, этот сплав подходит для несущего слоя холодной стороны, если различие в расширении горячей и холодной стороны компенсируется коэффициентом расширения такой величины. Таким образом абсолютные расширения второго несущего слоя, который находится в термическом контакте с холодной стороной, и первого несущего слоя, который находится в термическом контакте с горячей стороной, и при очень больших отличиях температур являются почти одинаковыми.

В еще одном благоприятном варианте термоэлектрического устройства второй несущий слой состоит из второго сплава, в котором:

- содержание никеля составляет от 9,0% по массе до 11,0% по массе,

- содержание меди - от 17,0% по массе до 19,0% по массе,

- содержание железа - не более 1,0% по массе,

- содержание углерода - не более 0,1% по массе, и

- содержание кремния - не более 0,25% по массе,

а остальное состоит из марганца.

Это вышеуказанный второй сплав в дальнейшем также называется «предпочтительным материалом холодной стороны».

Этот сплав согласно изобретению имеет коэффициент расширения от 26,8∗10-6/К до 28,4∗10-6/К в температурном диапазоне от 20°С до 200°С. Благодаря высокому коэффициенту расширения сплав особо подходит для того, чтобы образовывать второй несущий слой, который находится в термическом контакте с холодной стороной.

Особо предпочтительной является комбинация, при которой «предпочтительный материал горячей стороны» образует первый несущий слой, а «предпочтительный материал холодной стороны» образует второй несущий слой. Таким образом, первый несущий слой имеет коэффициент расширения, который почти соответствует коэффициенту расширения полупроводниковых элементов, а второй несущий слой при имеющейся в процессе эксплуатации разности температур до 450°С расширяется точно так же сильно, как и несущий слой горячей стороны.

В еще одном предпочтительном варианте термоэлектрического устройства первый несущий слой и второй несущий слой имеют цилиндрическую форму и расположены концентрически относительно друг друга. Под цилиндрической формой имеется в виду продолговатое тело, которое имеет сходное с окружностью поперечное сечение. Прежде всего, поперечное сечение не является точно окружностью, а может быть и примерно эллиптическим. Кроме того, может быть также применена труба прямоугольного поперечного сечения. Первый несущий слой и второй несущий слой выполнены таким образом, что внешняя сторона первого несущего слоя в том случае, если первый несущий слой образует внутренний несущий слой, везде имеет почти одинаковое расстояние до внутренней стороны второго несущего слоя. При такой цилиндрической компоновке внутренняя поверхность первого несущего слоя образует, по меньшей мере, первый проточный канал, а внешняя поверхность второго несущего слоя образует часть ограничения, по меньшей мере, второго проточного канала. Таким образом образуется что-то типа концентрической двойной трубы, при этом термоэлектрический генератор может содержать несколько таких двойных труб, тогда проточные каналы для одной из текучих сред образованы внутри двойных труб, в то время как по меньшей мере один проточный канал для другой текучей среды образован снаружи двойных труб.

Кроме того, предлагается автомобиль с двигателем внутреннего сгорания, системой выпуска ОГ, системой охлаждения и по меньшей мере одним термическим генератором с несколькими термоэлектрическими устройствами согласно изобретению, при этом по меньшей мере один первый проточный канал соединен с системой выпуска ОГ, а по меньшей мере один второй проточный канал соединен с системой охлаждения.

Кроме того, предлагается способ изготовления термоэлектрического устройства, который включает в себя, по меньшей мере, следующие стадии:

- обеспечение первого несущего слоя, состоящего из сплава по одному из пп.3 или 4 формулы изобретения,

- обеспечение первого электрического изоляционного слоя для первого несущего слоя,

- обеспечение второго электрического изоляционного слоя для второго несущего слоя,

- обеспечение второго несущего слоя, состоящего из сплава по п.5 формулы изобретения,

- расположение нескольких легированных примесью p-типа и n-типа полупроводниковых элементов между первым несущим слоем и вторым несущим слоем,

- монтаж первого несущего слоя и второго несущего слоя, так что полупроводниковые элементы расположены между ними.

Перечисление отдельных стадий не следует понимать в смысле последовательности, несколько стадий могут повторяться, комбинироваться и/или меняться местами.

Сначала обеспечивается первый несущий слой из сплава согласно изобретению, при этом несущий слой может состоять из круглых и/или прямоугольных пластин, однако в качестве первого несущего слоя может быть также применена труба. Предпочтительно, поперечное сечение трубы является сходным с окружностью, но может также иметь форму эллипса. Кроме того, также возможна труба с прямоугольным поперечным сечением.

С помощью погружной ванны, способа трафаретной печати, способа ионно-плазменного напыления или другого способа электрический изоляционный слой наносится, предпочтительно, на первый несущий слой. При этом электрический изоляционный слой, предпочтительно, состоит из диэлектрика, особо предпочтительно из SiO2.

Несколько легированных примесью p-типа и n-типа полупроводниковых элементов, которые могут иметь, например, прямоугольную форму или же кольцеобразную форму, электрически соединяются между собой и, прежде всего, попеременно последовательно. Легированные примесью p-типа и n-типа полупроводниковые элементы подключаются, прежде всего, посредством электрически проводящих соединений таким образом, что они в качестве термоэлектрических элементов могут вырабатывать ток. Полупроводниковые элементы могут уже перед установкой быть легированы примесью p-типа или же n-типа, но могут также получать по меньшей мере одно легирование (примесью p-типа или n-типа) лишь после установки.

При этом второй несущий слой образован, прежде всего, из «предпочтительного материала холодной стороны» и покрыт электрическим изоляционным слоем. Затем первый несущий слой, предпочтительно образованный из «предпочтительного материала горячей стороны», и второй несущий слой соединяются таким образом, что полупроводниковые элементы расположены между первым несущим слоем и вторым несущим слоем. Монтаж может происходить с помощью пайки, сварки или других способов соединения, а также с помощью крепежных средств, таких как рамки, разъемные соединения или винты.

Кроме того, применение первого сплава согласно «предпочтительному материалу горячей стороны» и/или применение второго сплава согласно «предпочтительному материалу холодной стороны» для установки полупроводниковых элементов в термоэлектрическом генераторе рассматривается как особо благоприятное. По возможностям применения в деталях можно здесь вернуться ко всему раскрытию в целом.

Далее изобретение и технический контекст поясняются на фигурах. Следует указать на то, что на фигурах показаны особо предпочтительные варианты осуществления изобретения, но оно ими не ограничено. Схематически показано на:

Фиг.1: термоэлектрическое устройство в поперечном разрезе, и

Фиг.2: автомобиль с термоэлектрическим устройством.

На фиг.1 показана цилиндрическая структура термоэлектрического устройства 1 в изображении в разрезе по продольной оси. В этом конструктивном примере первый несущий слой 3 образует внешнюю оболочку, которая находится в термически проводящем контакте с первой текучей средой 16, и таким образом образует часть ограничения первого проточного канала 8. На внутренней стороне первого несущего слоя 3 находится первый изоляционный слой 2, который электрически изолирует первый несущий слой 3 от полупроводниковых элементов 7, но оказывает малое влияние на тепловой поток между первым несущим слоем 3 и полупроводниковыми элементами 7. Полупроводниковые элементы 7 расположены в промежуточном пространстве 5 между первым несущим слоем 3 и вторым несущим слоем 4. Легированные примесью p-типа и n-типа полупроводниковые элементы 7 расположены попеременно между первым изоляционным слоем 2 и вторым изоляционным слоем 6 и электрически соединены между собой посредством последовательного включения. Второй изоляционный слой 6 образует электрическую изоляцию полупроводниковых элементов 7 от второго несущего слоя 4. Второй несущий слой 4 находится в термически проводящем контакте со второй текучей средой 17 и в этом конструктивном примере образует второй проточный канал 9. Как первый проточный канал 8, так и второй проточный канал 9 могут образовывать горячую сторону 14, так что второй/первый проточный канал образует холодную сторону 15.

В одном конструктивном примере (для системы рециркуляции ОГ), по меньшей мере, первый несущий слой 3 или второй несущий слой 4 изготовлены из сплава согласно изобретению. Сплав другого (второго или первого) несущего слоя может состоять из другого материала. В одной конструктивной форме сплавы, из которых состоят первый несущий слой 3 и второй несущий слой 4, выбраны так, что расширение первого несущего слоя 3 при разности температур компенсируется относительно второго несущего слоя 4. При этом температуры в процессе эксплуатации составляют от 20°С до 110°С, типичным образом от 50°С до 80°С, на холодной стороне 15, и от 150°С до 500°С, типичным образом от 250°С до 400°С, на горячей стороне 14.

В еще одной благоприятной конструктивной форме сплав для первого несущего слоя 3 на горячей стороне 14 выбирается так, что коэффициент расширения сплава практически соответствует коэффициенту расширения полупроводниковых элементов 7. Таким образом, не возникает напряжений между первым несущим слоем 3 и полупроводниковыми элементами 7 при изменении температуры. Сплав для второго несущего слоя 4 на холодной стороне 15 выбирается так, что он в процессе эксплуатации, несмотря на более низкую температуру, расширяется так же сильно, как и первый несущий слой 3.

На фиг.2 схематически изображен автомобиль 10 с термоэлектрическим устройством 1, двигателем 11 внутреннего сгорания, системой 12 выпуска ОГ, и системой 13 охлаждения. Двигатель 11 внутреннего сгорания подсоединен к системе 12 выпуска ОГ и предоставляет в распоряжение первую текучую среду 16, которая обусловливает горячую сторону 14 и течет по первому проточному каналу 8. Система 13 охлаждения предоставляет в распоряжение вторую текучую среду 17, которая обусловливает холодную сторону 15 и направляется по второму проточному каналу 9. При этом может быть образовано несколько первых проточных каналов 8 и вторых проточных каналов 9 с расположенными между ними термоэлектрическими устройствами 1.

Между проточными каналами расположены термоэлектрические устройства 1. При этом первый несущий слой 3 находится в термически проводящем контакте с первой текучей средой 16, которая образует горячую сторону 14, а второй несущий слой 4 находится в термически проводящем контакте со второй текучей средой 17, которая образует холодную сторону 15. В промежуточном пространстве 5 между первым несущим слоем 3 и вторым несущим слоем 4 расположены полупроводниковые элементы 7, которые на основе разности температур между горячей стороной 14 и холодной стороной 15 вырабатывают ток («эффект Зеебека»). При этом сплавы первого несущего слоя 3 и второго несущего слоя 4 выбраны так, что их тепловое расширение при различных температурах компенсируется.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

1 Термоэлектрическое устройство
2 Первый изоляционный слой
3 Первый несущий слой
4 Второй несущий слой
5 Промежуточное пространство
6 Изоляционный слой
7 Полупроводниковые элементы
8 Первый проточный канал
9 Второй проточный канал
10 Автомобиль
11 Двигатель внутреннего сгорания
12 Система выпуска ОГ
13 Система охлаждения
14 Горячая сторона
15 Холодная сторона
16 Первая текучая среда
17 Вторая текучая среда

1. Термоэлектрическое устройство (1), имеющее по меньшей мере один первый проточный канал (8) и по меньшей мере один второй проточный канал (9), с:
- по меньшей мере одним соотнесенным по меньшей мере с одним первым проточным каналом (8) первым несущим слоем (3) и по меньшей мере одним соотнесенным по меньшей мере с одним вторым проточным каналом (9) вторым несущим слоем (4),
- по меньшей мере одним промежуточным пространством (5) между первым несущим слоем (3) и вторым несущим слоем (4),
- несколькими легированными примесью p-типа и n-типа полупроводниковыми элементами (7), которые расположены по меньшей мере в одном промежуточном пространстве (5) и электрически соединены друг с другом,
при этом относительное первое тепловое расширение первого несущего слоя и относительное второе расширение второго несущего слоя в условиях эксплуатации являются одинаковыми, первый несущий слой имеет коэффициент расширения от 2·10-6/К до 10,2·10-6/К, а второй несущий слой имеет коэффициент расширения от 12·10-6/К до 28,4·10-6/К.

2. Термоэлектрическое устройство (1) по п.1, в котором по меньшей мере первый несущий слой (3) или второй несущий слой (4) состоит из сплава, в котором содержится доля никеля по меньшей мере 9,0% по массе, доля кремния не более 1,0% по массе, а также по меньшей мере один элемент из группы, включающей в себя марганец, хром, углерод, молибден, кобальт, алюминий, титан, медь, ниобий и железо.

3. Термоэлектрическое устройство (1) по п.2, в котором первый несущий слой (3) состоит из первого сплава, в котором содержание никеля составляет по меньшей мере 32,0% по массе, а содержание марганца не более 1,0% по массе, и который не содержит меди.

4. Термоэлектрическое устройство (1) по п.2, в котором первый несущий слой (3) состоит из сплава, в котором содержание никеля составляет от 28,0% по массе до 30,0% по массе, содержание кобальта от 16,0% по массе до 18,0% по массе, содержание хрома не более 0,1% по массе, содержание углерода не более 0,05% по массе, содержание марганца не более 0,5% по массе, и содержание кремния не более 0,3% по массе.

5. Термоэлектрическое устройство по п.2, в котором второй несущий слой (4) состоит из второго сплава, в котором содержание никеля составляет от 9,0% по массе до 11,0% по массе, содержание меди от 17,0% по массе до 19,0% по массе, содержание железа не более 1,0% по массе, содержание углерода не более 0,1% по массе, и содержание кремния не более 0,25% по массе, а остальное состоит из марганца.

6. Термоэлектрическое устройство (1) по п.1 или 2, в котором первый несущий слой (3) и второй несущий слой (4) имеют цилиндрическую форму и расположены концентрически относительно друг друга.

7. Автомобиль (10) с двигателем (11) внутреннего сгорания, системой (12) выпуска отработавшего газа (ОГ), системой (13) охлаждения и по меньшей мере одним термическим генератором с несколькими термоэлектрическими устройствами (1) по одному из предшествующих пунктов, при этом первый проточный канал (8) соединен с системой (12) выпуска ОГ, а второй проточный канал (9) соединен с системой (13) охлаждения.

8. Способ изготовления термоэлектрического устройства (1), включающий в себя, по меньшей мере, следующие стадии:
- обеспечение первого несущего слоя (3), состоящего из сплава по п.2 или 3,
- обеспечение первого электрического изоляционного слоя (6) для первого несущего слоя (3),
- обеспечение второго электрического изоляционного слоя (6) для второго несущего слоя (4),
- обеспечение второго несущего слоя (4), состоящего из сплава по п.5,
- расположение нескольких легированных примесью p-типа и n-типа полупроводниковых элементов (7) между первым несущим слоем (3) и вторым несущим слоем (4),
- монтаж первого несущего слоя и второго несущего слоя, так что полупроводниковые элементы расположены между ними.



 

Похожие патенты:

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Устройство (1) для выработки электрической энергии с использованием тепла отработавших газов (ОГ), образующихся при работе двигателя внутреннего сгорания, имеет генератор (3) с входным патрубком (4) для ОГ и выходным патрубком (5) для ОГ.

Согласно изобретению предложенный генератор (100) на солнечной энергии содержит термоэлектрические элементы, примыкающие к солнечным элементам и расположенные ниже солнечных элементов.

Изобретение относится к области медицинской техники, а конкретно к диагностическим приборам, основывающимся на определении температурной чувствительности кожи человека.

Изобретение относится к термоэлектрическому приборостроению, в частности к конструкциям термоэлектрических батарей. .

Изобретение относится к конструкциям твердотельных систем охлаждения, нагревания и выработки электроэнергии. .

Изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. .

Изобретение относится к осветительным устройствам с встроенным источником энергии. .

Изобретение относится к твердотельным устройствам для преобразования тепловой энергии в электрическую или к устройствам, использующим электрическую энергию для охлаждения.

Изобретение относится к области энергетики, в частности к катодной защите магистральных газопроводов от коррозии. .

Изобретение относится к области энергетики, в частности к катодной защите магистральных газопроводов от коррозии. .

Изобретение относится к устройству для выработки электрической энергии в газовой турбине. Сущность: устройство содержит множество термоэлектрических элементов (44), имеющих поверхность, окружающую источник (SC) тепла. Источник тепла образован кольцевыми зонами, в которых проходит часть отработавшего газа, образующего горячую текучую среду, по спиральной траектории наружу кольцевых зон. Источник холода образован кольцевыми зонами, по которым проходит холодная текучая среда по спиральной траектории к центру сопла турбины. По меньшей мере один кольцевой узел термоэлектрических элементов установлен концентрично так, что одна из поверхностей узла находится в контакте с холодной текучей средой, а другая поверхность - с горячей текучей средой, тем самым обеспечивая цилиндрический противоточный теплообменник. Технический результат: повышение эффективности. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к термоэлектрическому преобразованию энергии. Сущность: устройство (1) для генерирования электрической энергии включает по меньшей мере одну нагреваемую теплопроводную основу (2) по меньшей мере с одним выступом (3) и несколькими термоэлектрическими элементами (4), которые продольно установлены по меньшей мере на одном выступе (3). Термоэлектрическая эффективность каждого термоэлектрического элемента (4) и выдаваемая тепловая мощность по меньшей мере одного выступа (3) согласованы друг с другом. Технический результат: повышение эффективности преобразования энергии. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к термоэлектрическим устройствам, работа которых основана на эффектах Пельтье и Зеебека, и может найти применение в нагревательных и охлаждающих устройствах, а также в оборудовании для кондиционирования воздуха, в измерительной и медицинской технике. Технический результат: снижение риска повреждения модуля при приложении механической нагрузки к токовым выводам. Термоэлектрический модуль содержит полупроводниковые элементы проводимости p-типа и n-типа, коммутационные токопроводы, электрически соединяющие полупроводниковые элементы между собой и образующие в совокупности с ними активную структуру, токовые выводы и теплопроводы, между которыми расположена активная структура. Теплопроводы соединены между собой по периметру и/или внутри активной структуры клеящим компаундом. Токовые выводы имеют зигзагообразную форму на концах, примыкающих к активной структуре. При этом один конец каждого токового вывода припаян к коммутационному токопроводу, а второй конец свободен для подключения в термоэлектрическую систему. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к камере сгорания и способу сжигания, а также к устройству и способу производства электрической энергии. Техническим результатом является повышение эффективности работы камеры сгорания, при которой возможна дополнительная подача продуктов сгорания, содержащих твердые компоненты, которые затем используют в устройстве производства электроэнергии. Способ сожжения, в рамках которого осуществляется сожжение продуктов сгорания внутри камеры сгорания, включает в себя: процесс подачи продуктов сгорания в камеру сгорания, входящую в конструкцию устройства сгорания; процесс поджога и сгорания указанных продуктов сгорания; процесс подачи воздуха или газа, необходимого для сгорания, в пламя, возникающее в результате сгорания указанных продуктов сгорания за пределами зоны пламени; процесс вторичного горения продуктов сгорания при подаче воздуха или другого газа; процесс образования дыма на выходе; и, в частности, процесс дополнительной подачи продуктов сгорания, которые содержат как минимум долю твердых веществ, в упомянутую выше камеру сгорания по время сгорания продуктов сгорания. 5 н. и 20 з.п. ф-лы, 16 ил.

Изобретение относится к области термоэлектрического преобразования энергии. Технический результат: повышение эффективности и надежности термоэлектрического модуля посредством увеличения теплопроводности и электроизоляционных свойств теплоконтактных электроизолирующих средств соединения коммутационных токопроводов с теплопроводами. Сущность: термоэлектрический модуль содержит полупроводниковые элементы p-типа проводимости и полупроводниковые элементы n-типа проводимости, коммутационные токопроводы, контактирующие с торцевыми частями полупроводниковых элементов, металлические теплопроводы, соединенные с коммутационными токопроводами, и теплоконтактные электроизолирующие средства соединения коммутационных токопроводов с теплопроводами. В качестве теплоконтактных электроизолирующих средств соединения коммутационных токопроводов с теплопроводами использованы слои одного или нескольких полупроводниковых материалов с широкой запрещенной зоной. Указанные слои нанесены на поверхность теплопроводов вакуумным электродуговым методом с сепарацией плазменного потока. В качестве полупроводникового материала с широкой запрещенной зоной могут быть использованы нитрид алюминия AlN, оксид цинка ZnO или оксид олова (IV) SnO2 (примечание: у AlN самая большая ширина запрещенной зоны из полупроводников, обладающих теплопроводностью в диапазоне от 50 до 200 Вт/(м·K) и электроизоляционными свойствами до 500 В. Толщина нанесенных слоев составляет преимущественно от 5 до 40 мкм. В качестве металла теплопровода могут быть использованы медь, алюминий или их сплавы. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх