[發明專利]車輛熱電發電機的熱電模塊

有效

• 申請號: 201180053067.6
• 申請日: 2011-10-14
• 公開（公告）號: CN103503184B
• 公開（公告）日: 2016-11-09
• 發明（設計）人: A·埃德爾;S·諾伊格鮑爾;M·林德;S·林貝克;R·布呂科
• 申請（專利權）人: 排放技術有限公司;寶馬股份公司
• 主分類號: H01L35/32
• 分類號: H01L35/32;F02G5/00
• 代理公司: 北京市中咨律師事務所 11247
• 代理人: 楊曉光;于靜

技術領域

本發明涉及熱電模塊。更具體地說，本發明涉及在車輛用熱電發電機中使用的熱電模塊。

背景技術

車輛內燃機產生的廢氣本身帶有熱能，這些熱能可通過熱電發電機轉換為電能，例如用于為電池或其它蓄電裝置充電和/或直接將必要的能量提供給電消費產品。從而以改善的能量效率操作車輛，增加可用于車輛操作的能量。

此類熱電發電機包括至少一個熱電模塊。熱電模塊例如包括至少兩個半導體元件（p型和n型），這兩個半導體元件交替地具有位于其上側和下側（分別面向熱側和冷側）的導電橋，這兩個半導體元件還形成最小的熱電單元或熱電元件。熱電材料的類型能夠將熱能轉換為電能（塞貝克效應）以及將電能轉換為熱能（帕爾貼效應）。如果同時在半導體元件的兩側提供溫度梯度，則在半導體元件的端部之間形成電勢。熱側上的載荷子通過較高溫度逐漸被激勵到導帶。由于導帶中具有此過程產生的濃度差，因此電荷載流子擴展到半導體元件的冷側，從而產生電勢差。在熱電模塊中，大量半導體元件優選地進行電串聯。為了使所產生的串聯半導體元件的電勢差不會彼此抵消，半導體元件始終交替地與不同的多數電荷載流子（n型和p型）直接進行電接觸。可通過連接的負載電阻接通電路，從而允許分接電源。

為了確保半導體元件始終可用，通過在導電橋與熱電材料之間設置擴散阻擋層，該擴散阻擋層防止電橋或銅材料中包含的材料擴散到熱電材料中，從而防止半導體材料或熱電元件出現效率損失或功能故障。熱電模塊和半導體元件一般通過組裝個別部件（熱電材料、擴散阻擋層、導電橋、絕緣及其它任何外殼元件）以形成上面流動熱或冷介質的熱電模塊構造而成。組裝大量個別部件還需要精確地協調個別部件容差并允許熱量從熱端傳遞到冷端，另外還需充分地接觸導電橋，從而可通過熱電模塊產生電流。

為了在熱電模塊中設置這些半導體元件，通常提供外殼、壁和/或與半導體元件附接的支撐管來從外部確定模塊。這樣具體可導致具有高容差要求的設置，首先可以實現半導體元件相對于電連接和外殼位置的精確安裝配置。其它問題包括：由于內外外殼部分上的熱負荷不同，還必須在不向熱電材料引入特別高的應力的情況下，補償這些部件的不同膨脹性質。明確地為了制造此類熱電模塊，需要將多個部件輕松地相互組合，以便于存儲和處理，同時在組裝這些部件之時產生輕型穩定的結構。

基于此，本發明的目標是至少部分地解決所列出的與當前發展狀況有關的問題。具體而言，旨在規定從技術上很容易制造的熱電模塊，此模塊的部件數量更少，可以穩定地實現所需目的和/或另外具有更高的效率，從而能夠通過廢氣的熱能產生電能。

這些目標通過根據權利要求1的熱電模塊實現。本發明進一步的有利開發在所附權利要求中指定。在權利要求中單獨描述的特征可以通過技術上適當的方式相互組合并且列出本發明的進一步開發。所述描述具體與附圖結合，進一步對本發明進行了解釋并且引述本發明的其它示例性實施例。

發明內容

根據本發明的熱電模塊具有內周向表面、軸和外周向表面，包括熱電材料的多個半導體元件沿所述軸方向被設置在所述內周向表面與所述外周向表面之間并且依次進行電互連。此外，所述半導體元件的至少一部分包括至少一個內框部分或外框部分。而且，至少內框部分形成中斷的內周向表面或外框部分形成中斷的外周向表面。

所述熱電模塊具體組成熱電發電機的單獨部件。在此處，熱電模塊優選地包括連接，所述改接可用于將此類熱電模塊電連接到多個其它熱電模塊。具體而言，所有集成半導體元件的電連接因此在熱電模塊內部完成。此類熱電模塊現在在一側暴露到冷卻介質，在另一側暴露熱介質。這里主要考慮熱電模塊通過其外周向表面與冷卻介質的接觸以及通過內周向表面與熱介質（具體是指廢氣）的接觸，并且這些介質穿通過周向表面和/或圍繞周向表面流動。因此，內周向表面實際形成所謂的熱電模塊的熱側，外周向表面形成所謂的熱電模塊的冷側。

而且，所述熱電模塊優選地采取細長型設計，也就是說，例如采取軌道或管狀形式。盡管所述熱電模塊最優選地大體采取圓柱形或管狀形式進行設計，但是形成并非絕對如此。具體而言，也可以針對此類熱電模塊采用橢圓橫截面或多邊形橫截面。根據此設計，然后也可以識別中心軸、內周向表面和外周向表面。內周向表面在這里具體確定內部管道，熱介質（廢氣）可以流過此管道。