热电模块及其运行方法技术

本发明专利技术涉及一种热电模块(1)和一种运行该热电模块的方法。该热电模块(1)至少具有第一壁(2)和相对设置的第二壁(3)以及布置在第一壁与第二壁之间的、由热电材料(5)制成的元件(4)。此外设有填充材料(6)，通过该填充材料将所有的元件(4)彼此隔开，还设有主热流方向(8)，该主热流方向从第一壁(2)朝向第二壁(3)走向。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
[0001 ] 本专利技术涉及一种热电模块和一种运行热电模块的方法。
技术介绍
热电模块可以被单独地或大量地用作热电发电机，该热电发电机由温度势(Temperaturpotential)和由此得出的热流产生电能。电能基于所谓的塞贝克效应产生。热电模块由相互电连接的P型掺杂和η型掺杂的热电材料构成。热电材料具有所谓的热侧和相对布置的冷侧，热电材料通过该热侧和冷侧分别导电地交替与相邻布置的其它热电材料相连。热侧在此与热电模块的壁导热连接，该壁被加载热介质。相应地，热电材料的冷侧与热电模块的被加载了冷介质的另一壁导热连接。 这种热电发电机特别在机动车中、但也在其它
中得到应用，在所述
中温度势可以通过热电发电机的布置结构被充分用于产生电能。 在使用热电发电机时，通常在热电发电机的运行时间中观察到在热能转换为电能方面的效率下降。这种在运行期间出现的损耗现象特别可以归因于，在热电材料与朝向热电模块的第一壁和/或第二壁的其它连接层之间的连接逐渐变差。这种导热和/或导电连接的损坏特别是由以下原因引起:热电模块一般暴露于交替的或变化的温度和温度势之下。热电模块相应地被加载交替的热膨胀和由此产生的热应力。此外，各个连接层中的不同的热膨胀系数增强了这种负载。
技术实现思路
因此本专利技术的目的是，至少部分地解决关于现有技术所提出的问题。特别应提出一种热电模块，该热电模块在长时间运行时在热能转换为电能方面具有稳定的高效率。此外应提出一种运行热电模块的方法，该方法同样能实现延长热电模块的运行时间，而同时不会使效率逐渐地下降。 该目的通过一种根据权利要求1或权利要求2的特征的热电模块和一种根据权利要求7的运行热电模块的方法来实现。本专利技术的有利的设计方案在从属权利要求中给出。要指出的是，在权利要求中单独列出的特征能够以任意的技术上合理的方式相互组合并且呈现出本专利技术的其它设计方案。特别是结合附图给出的描述进一步说明本专利技术并提出本专利技术的补充的实施例。还要指出的是，关于热电模块所述的设计方案能够同样以技术上合理的方式应用于运行热电模块的方法，并且反之亦然。 根据本专利技术的热电模块至少具有第一壁和相对设置的第二壁以及布置在第一壁与第二壁之间的、由热电材料制成的元件，所述元件相互导电连接。此外设有填充材料，通过该填充材料将所有的元件彼此隔开。在此，主热流方向从由第一壁形成的热侧朝向第二壁走向。在此提出，在所述热电模块运行期间，至少在热侧上50到600°C [摄氏度]的温度范围内，沿主热流方向作用于所述元件上的第二压应力不超过至少一第一阈值应力或不超过至少一第二阈值应力。第一阈值应力是由热电材料制成的元件的(和温度相关的)特性，当超过第一阈值应力时，所使用的热电材料横向收缩。第二阈值应力是由热电材料制成的元件的(和温度相关的)特性，当超过第二阈值应力时，所使用的热电材料塑性变形。 特别适用的是，当达到第二阈值应力时，热电材料已经开始横向收缩。 另一种根据本专利技术的热电模块至少具有第一壁和相对设置的第二壁以及布置在第一壁与第二壁之间的、由热电材料制成的元件，其中，所述热电材料相互导电连接。此外设有填充材料，通过该填充材料将所有的元件彼此隔开。主热流方向从第一壁朝向第二壁走向。所述热电模块通过至少一个压紧力这样紧固，使得横交于主热流方向的第一压应力至少在一区域中为沿主热流方向的第二压应力的至少50%、特别为至少75%以及优选至少和第二压应力一样大(大于100% )，在所述区域中，在第一壁与第二壁之间的温度势为至少50开尔文、特别为至少200开尔文。特别地，第一压应力(以及优选第二压应力)在此作用到热电模块内部的大多数的、优选所有的元件上。 前述的根据本专利技术的特征也可以相互组合。 本专利技术可应用于不同实施方式的热电模块。在此特别举出管状构造的热电模块或板形构造的热电模块，其中，例如在管状的热电模块中可使用环形的热电材料。 特别地，第一壁被分配有热电模块的热侧，该热侧也就是被热介质(例如排气)加载。相应地，热电模块的第二壁被分配有冷侧，该冷侧被冷介质(例如冷却水)加载。在热介质与冷介质之间在运行时通常存在温度势，特别是在50K[开尔文]到600Κ范围内的温度势。在第一壁与第二壁之间布置有由热电材料制成的元件，其中，热电材料具有两个相对设置的侧面，该侧面相应地朝向热侧或冷侧，从而形成通过热电材料的温度势并相应地形成从热侧到冷侧的主热流方向。由于塞贝克效应，由这种温度势并通过P型掺杂和η型掺杂的热电材料的以交替方式的导电连接在热电模块内部产生电流。这种由热电材料制成的元件的电连接的基本构造对于本领域技术人员来说是已知的，对此必要时可以由 申请人:的在先公开申请中获取其它信息。 在热电元件之间的填充材料一方面特别用于使彼此相邻布置的热电材料电绝缘和/或另一方面用于热侧与冷侧之间的热绝缘/隔热，从而热流的大部分通过热电元件导弓I。因此能实现由当前的温度势将热能高效地转换为电能。 另一方面，填充材料特别设计用于将彼此相邻布置的热电材料彼此隔开，或换言之也使热电材料在所有运行条件下保持一(预定)距离。特别地，填充材料因而不是通过空气或真空形成，而是通过至少一个将热电材料的位置相对于彼此持久地固定的固体形成。在热电材料与第一壁和/或第二壁之间和/或也在热电材料与填充材料之间可以布置其它部件或连接层，来满足特殊目的，例如:避免腐蚀，产生牢固的(例如材料结合的)连接，提供导电层，提供导热层，电绝缘和/或热绝缘。 特别可以将云母或耐压的陶瓷用作填充材料。所使用的陶瓷优选地为陶瓷空心体。此外可以使用双T形轮廓的形式的填充材料。优选地使用形状坚固的构造形式的填充材料，特别使用框架类构造形式的填充材料。在此设置的空腔特别被填充空气、气体或真空。 现在观察到，通过由于存在的温度势引起的热负荷和特别是通过与之相关的热应力，热电材料具有增强的横向收缩趋势和/或蠕变趋势或塑性变形趋势，这分别导致热电材料与其它连接层之间的连接一特别是到与第一壁或与第二壁的连接——变差。这种热应力特别也通过热电材料在尽可能形状稳固的热电模块中的布置而引起，从而热电材料仅能在应力下膨胀。 这种蠕变趋势/塑性变形现在可以特别通过如下所述构造热电模块而被减小或防止:在热侧上至少在50°C到600°C [摄氏度]之间的温度范围内，沿主热流方向作用到元件上的第二压应力不超过第二阈值应力。第二阈值应力是作用到热电材料上的应力，在该应力下，所使用的热电材料开始塑性变形。 热电材料的横向收缩可以特别通过如下所述构造热电模块而被减小或防止:在热侧上至少在50°C到600°C [摄氏度]之间的温度范围内，沿主热流方向作用到元件上的第二压应力不超过第一阈值应力。第一阈值应力是作用到热电材料上的应力，在该应力下，所使用的热电材料已经开始弹性变形。 横向收缩是固体在体积近似不变的情况下的变形现象。它描述了固体在拉力或压力(在此是第二压应力)的影响之下的特性。物体所作出的反应是在力(在此是第二压应力)的方向上的长度变化(在此是沿主热流方向缩短)和在与该力垂直的方向上(沿横交于主热流方向的方向)其直径或其厚度的减小或增大(在此是膨胀、也就是热电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热电模块(1)，该热电模块至少具有第一壁(2)和相对设置的第二壁(3)以及布置在第一壁与第二壁之间的、由热电材料(5)制成的元件(4)，所述元件相互导电连接，该热电模块还具有填充材料(6)，通过该填充材料将所有的元件(4)彼此隔开，该热电模块还设有主热流方向(8)，该主热流方向从由第一壁(2)形成的热侧(17)朝向第二壁(3)走向，其特征在于，在所述热电模块(1)运行期间，至少在热侧上50℃到600℃的温度范围内，沿主热流方向(8)作用于元件(4)上的第二压应力(11)不超过至少一第一阈值应力(34)，其中，当超过第一阈值应力(34)时所使用的热电材料(5)横向收缩，或者该第二压应力不超过至少一第二阈值应力(35)，其中，当超过第二阈值应力(35)时所使用的热电材料(5)塑性变形。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.06.06 DE 102012104927.01.一种热电模块(I)，该热电模块至少具有第一壁(2)和相对设置的第二壁(3)以及布置在第一壁与第二壁之间的、由热电材料(5)制成的元件(4)，所述元件相互导电连接，该热电模块还具有填充材料￠)，通过该填充材料将所有的元件(4)彼此隔开，该热电模块还设有主热流方向(8)，该主热流方向从由第一壁(2)形成的热侧(17)朝向第二壁(3)走向，其特征在于，在所述热电模块(I)运行期间，至少在热侧上50°C到600°C的温度范围内，沿主热流方向(8)作用于元件(4)上的第二压应力(11)不超过至少一第一阈值应力(34)，其中，当超过第一阈值应力(34)时所使用的热电材料(5)横向收缩，或者该第二压应力不超过至少一第二阈值应力(35)，其中，当超过第二阈值应力(35)时所使用的热电材料(5)塑性变形。2.一种热电模块(I)，该热电模块至少具有第一壁(2)和相对设置的第二壁(3)以及布置在第一壁与第二壁之间的、由热电材料(5)制成的元件(4)，所述元件相互导电连接，该热电模块还具有填充材料￠)，通过该填充材料将所有的元件(4)彼此隔开，该热电模块还设有主热流方向(8)，该主热流方向从第一壁(2)朝向第二壁(3)走向，其特征在于，所述热电模块(I)通过至少一个压紧力(15)这样紧固，使得横交于主热流方向(8)的第一压应力(7)至少在一区域(9)中为沿主热流方向(8)的第二压应力(11)的至少50%，在所述区域中，在第一壁⑵与第二壁⑶之间的温度势(10)为至少50开尔文。3.根据权利要求1所述的热电模块(I)，其特征在于，所述填充材料(6)至少在50°C到600°C的温度范围内具有比所述热电材料(5)大的热膨胀系数。4.根据权利要求1所述的热电模块(I)，其特征在于，所述填充材料(6)至少在50°C到600°C的温度范围内具有比所述热电材料(5)低的导热率[瓦...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·布吕科，S·林贝克，
申请(专利权)人：排放技术有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE