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DE102007035931A1 - Thermoelectric generator arrangement for internal combustion engine of vehicle, has base plates positively connected with hot and cold upper surfaces respectively, where one plate has dimension that is three millimeter longer than matrix - Google Patents

Thermoelectric generator arrangement for internal combustion engine of vehicle, has base plates positively connected with hot and cold upper surfaces respectively, where one plate has dimension that is three millimeter longer than matrix Download PDF

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DE102007035931A1
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temperature side
side base
thermoelectric generator
dimension
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Rainer Dr. Richter
Gunter Schröter
Alois Dr. Hiebl
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Bayerische Motoren Werke AG
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Bayerische Motoren Werke AG
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; 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
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  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

Anordnung für einen thermoelektrischen Generator (1), insbesondere zur Wandlung einer Brennkraftmaschinenabwärme in elektrischen Strom, bestehend aus einer hochtemperaturseitigen Grundplatte (2) und einer niedertemperaturseitigen Grundplatte (3), mit einer zwischen den Grundplatten (2, 3) angeordneten Halbleitermatrix (4), wobei die niedertemperaturseitige und die hochtemperaturseitige Grundplatte (2, 3) eine im wesentlichen zweidimensionale Abmessung aufweisen und wobei die hochtemperaturseitige Grundplatte mit einer heißen Oberfläche (5) stoffschlüssig verbindbar ist und/oder die niedertemperaturseitige Grundplatte (3) mit einer kalten Oberfläche (5) stoffschlüssig verbindbar ist und wobei die hochtemperaturseitige und/oder die niedertemperaturseitige Grundplatte (2, 3) zumindest einer Dimension um mindestens 3 mm länger als die Halbleitermatrix (4) ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann der thermoelektrische Generator ohne thermische Überhitzung stoffschlüssig auf einer Oberfläche angeordnet werden.Arrangement for a thermoelectric generator (1), in particular for converting an internal combustion engine waste heat into electric current, consisting of a high-temperature-side base plate (2) and a low-temperature-side base plate (3), with a semiconductor matrix (4) arranged between the base plates (2, 3), wherein the low temperature side and the high temperature side base plate (2, 3) have a substantially two-dimensional dimension and wherein the high temperature side base plate with a hot surface (5) is firmly bonded and / or the low temperature side base plate (3) with a cold surface (5) cohesively is connectable and wherein the high-temperature side and / or the low-temperature side base plate (2, 3) of at least one dimension is at least 3 mm longer than the semiconductor matrix (4). Due to the configuration of the invention, the thermoelectric generator can be cohesively arranged on a surface without thermal overheating.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung für einen thermoelektrischen Generator mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The The invention relates to an arrangement for a thermoelectric Generator having the features of the preamble of the claim 1.

Sie geht von der deutschen Offenlegungsschrift DE 198 06 048 A1 aus. In dieser ist ein System zum Liefern von elektrischer Leistung beschrieben für Fahrzeuge mit einer Motorabtriebswellen-Stromgeneratoreinrichtung und einer Motorabgas-Stromgeneratoreinrichtung, die elektrische Leistung unter Nutzung von kinetischer Energie und von Motorabgasenergie erzeugen. Das System umfasst einen Akkumulator, eine Antriebszustandsbeurteilungseinrichtung, die den Antriebszustand des Fahrzeuges ermittelt, eine Elektrizitätsspeicherzustandsbeurteilungseinrichtung, die den Elektrizitätsspeicherzustand des Akkumulators beurteilt und eine Einrichtung zur Steuerung der elektrischen Leistung, die die Lieferung der im Fahrzeug erforderlichen elektrischen Leistung steuert. Unter der Steuerung der Steuereinrichtung werden die von der Motorabtriebswellen-Stromgeneratoreinrichtung erzeugte elektrische Leistung und die von der Motorabgas-Stromgeneratoreinrichtung erzeugte elektrische Leistung in Übereinstimmung mit Informationen gesteuert, die von der Antriebszustandsbeurteilungseinrichtung und von der Elektrizitätsspeicherzustandsbeurteilungseinrichtung erhalten werden. Dadurch kann vom Motor abgegebene Energie in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Fahrzeuges wiedergewonnen werden, wodurch der Kraftstoffverbrauch reduziert werden kann. Die Motorabgasstromgeneratoreinrichtung umfasst thermoelektrische Generatoren, bestehend aus einer hochtemperaturseitigen Grundplatte und einer niedertemperaturseitigen Grundplatte, zwischen denen eine Halbleitermatrix sowie Stromdrähte angeordnet sind. Derartige thermoelektrische Generatoren können außer in Plattenbauweise auch zylindrisch oder kastenförmig ausgeführt sein.It starts from the German publication DE 198 06 048 A1 out. In this, a system for supplying electric power is described for vehicles having an engine output shaft power generating device and an engine exhaust gas generating device that generate electric power using kinetic energy and engine exhaust energy. The system includes an accumulator, a drive state judging means that detects the driving state of the vehicle, an electricity storage state judging means that judges the electricity storage state of the accumulator, and an electric power control device that controls the supply of the electric power required in the vehicle. Under the control of the control means, the electric power generated by the engine output shaft power generating means and the electric power generated by the engine exhaust gas generating means are controlled in accordance with information obtained from the drive state judging means and the electricity storage state judging means. Thereby, energy output from the engine can be recovered depending on the operating state of the vehicle, whereby the fuel consumption can be reduced. The engine exhaust gas generating device includes thermoelectric generators consisting of a high temperature side base plate and a low temperature side base plate, between which a semiconductor matrix and power wires are arranged. Such thermoelectric generators can be executed except in plate construction also cylindrical or box-shaped.

Problematisch bei derartigen gattungsgemäßen thermoelektrischen Generatoren ist jedoch deren Anbindung an heiße Oberflächen, da beispielsweise bei einer Verschweißung eine Überhitzung der Halbleitermatrix stattfinden kann.Problematic in such generic thermoelectric However, generators is their connection to hot surfaces, because, for example, in a welding overheating the semiconductor matrix can take place.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung für einen thermoelektrischen Generator aufzuzeigen, bei dem die Gefahr einer Überhitzung der Halbleitermatrix während der Befestigung an einer heißen Oberfläche verhindert wird.task The present invention is an arrangement for a thermoelectric generator, where the risk of overheating the semiconductor matrix during attachment to a hot Surface is prevented.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.These The object is achieved by the features in the characterizing part of the claim 1 solved.

Im Idealfall ist die hochtemperaturseitige Grundplatte bzw. die niedertemperaturseitige Grundplatte aus dem gleichen Material wie die heiße Oberfläche oder die kalte Oberfläche. Durch den Abstand der Halbleitermatrix zu der entfernten Verbindungsstelle wird die Halbleitermatrix bei der stofflichen Verbindung vor Überhitzung (Zerstörung) verschont.in the Ideally, the high temperature side base plate or the low temperature side Base plate made of the same material as the hot surface or the cold surface. Due to the distance of the semiconductor matrix to the remote junction, the semiconductor matrix becomes the material connection against overheating (destruction) spared.

Durch die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 wird der thermoelektrische Generator isoliert von einem zu heißen Bauteil positioniert, wodurch auch in diesem Fall eine Überhitzung des thermoelektrischen Generators bzw. der Halbleitermatrix verhindert ist.By the embodiment according to claim 2 becomes the thermoelectric generator isolated from one Component positioned, which also in this case overheating of the thermoelectric generator or the semiconductor matrix prevented is.

Durch die Maßnahme gemäß Patentanspruch 3 wird der Wärmefluss von der Verbindungsstelle zur Halbleitermatrix nochmals verringert, was ebenfalls einer thermischen Zerstörung der Halbleitermatrix entgegenwirkt.By The measure according to claim 3 is the heat flow from the junction to the semiconductor matrix again reduced, which is also a thermal destruction the semiconductor matrix counteracts.

Durch die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 4 ist sichergestellt, dass bei einer unebenen Oberfläche bzw. heißen Oberfläche diese Unebenheit durch die komplementäre Oberfläche ausgeglichen wird, wodurch der Wärmeübergang und somit der Wirkungsgrad des thermoelektrischen Generators verbessert wird.By the embodiment according to claim 4 is ensured that at an uneven surface or hot Surface this unevenness through the complementary Surface is balanced, reducing the heat transfer and thus the efficiency of the thermoelectric generator improved becomes.

Die stoffschlüssigen Verbindungen der Grundplatten gemäß Patentanspruch 5 sind besonders bevorzugte Verbindungen.The cohesive connections of the base plates according to claim 5 are particularly preferred compounds.

Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines besonders bevorzugten Ausführungsbeispieles in zwei Figuren näher erläutert.in the The following is the invention with reference to a particularly preferred embodiment explained in two figures.

1 zeigt die Aufsicht auf eine dreidimensional, schematisch dargestellte erfindungsgemäße Anordnung für einen thermoelektrischen Generator. 1 shows the top view of a three-dimensional, schematically illustrated inventive arrangement for a thermoelectric generator.

2 zeigt schematisch beispielhaft eine mögliche Anordnung eines erfindungsgemäß ausgestalteten thermoelektrischen Generators an einer heißen Oberfläche. 2 schematically shows an example of a possible arrangement of a thermoelectric generator according to the invention designed on a hot surface.

1 zeigt die Aufsicht auf eine dreidimensional, schematisch dargestellte erfindungsgemäße Anordnung für einen thermoelektrischen Generator 1. Zwischen einer hochtemperaturseitigen Grundplatte 2 und einer niedertemperaturseitigen Grundplatte 3 ist eine Halbleitermatrix 4 angeordnet. Während die niedertemperaturseitige Grundplatte 3 in etwa die gleichen zweidimensionalen Abmaße, in die X- und in die Y-Richtung, aufweist wie die Halb leitermatrix 4, ist erfindungsgemäß die hochtemperaturseitige Grundplatte 2 in zwei Dimensionen, in X- und in Y-Richtung, 3 mm größer als die Halbleitermatrix 4. In einem einfachen Ausführungsbeispiel reicht es auch aus, die hochtemperaturseitige Grundplatte 2 nur in einer Dimension, in die X- oder in die Y-Richtung, zumindest um 3 mm länger zu gestalten als die Halbleitermatrix ist. Wiederum in einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, die niedertemperaturseitige Grundplatte 3 in zumindest einer Dimension, in die X- oder die Y-Richtung, um zumindest 3 mm größer als die Halbleitermatrix 4 auszugestalten. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise auch die Kühlung des Thermoelektrischen Generators 1 verbessert werden. 1 shows the top view of a three-dimensional, schematically illustrated inventive arrangement for a thermoelectric generator 1 , Between a high temperature side base plate 2 and a low temperature side base plate 3 is a semiconductor matrix 4 arranged. While the low temperature side base plate 3 in approximately the same two-dimensional dimensions, in the X and in the Y direction, as the semiconductor matrix 4 , According to the invention is the high temperature side base plate 2 in two dimensions, in the X and Y directions, 3 mm larger than the semiconductor matrix 4 , In a simple embodiment, it is also sufficient, the high temperature side base plate 2 only in one dimension, in the X or Y direction, at least 3 mm longer than the semiconductor matrix. Again in another Embodiment, it is also possible, the low temperature side base plate 3 in at least one dimension, in the X or Y direction, at least 3 mm larger than the semiconductor matrix 4 embody. This can advantageously also the cooling of the thermoelectric generator 1 be improved.

Bei dem aus dem Stand der Technik bekannten thermoelektrischen Generator sind üblicherweise sowohl die hochtemperaturseitige als auch die niedertemperaturseitige Grundplatte in ihrer zweidimensionalen Ausdehnung in etwa genauso groß wie die Halbleitermatrix. Wird dieser aus dem Stand der Technik bekannte thermoelektrische Generator stoffschlüssig mit einer Oberfläche verbunden, so kann es bei dieser Verbindung, beispielsweise einem Löt- oder Schweißvorgang, geschehen, dass die an den Grundplatten auftretende Temperatur beim stoffschlüssigen Verbinden so hoch wird, dass die Halbleitermatrix des thermoelektrischen Generators zerstört oder zumindest beschädigt wird.at the known from the prior art thermoelectric generator are usually both the high-temperature side than also the low-temperature side base plate in its two-dimensional Extension approximately the same size as the semiconductor matrix. Will this known from the prior art thermoelectric Generator cohesively with a surface connected, so it can in this connection, for example a Soldering or welding, done that At the base plates occurring temperature at cohesive Connect so high that the semiconductor matrix of the thermoelectric Generator destroyed or at least damaged becomes.

Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, die hochtemperaturseitige Grundplatte 2 und/oder die niedertemperaturseitige Grundplatte 3 zumindest in einer Dimension, in die X- und/oder die Y-Richtung, um mindestens 3 mm länger als die Halbleitermatrix 4 auszugestalten.According to the invention is therefore proposed, the high-temperature side base plate 2 and / or the low temperature side base plate 3 at least one dimension, in the X and / or Y direction, at least 3 mm longer than the semiconductor matrix 4 embody.

Für die stoffschlüssige Verbindung wird vorzugsweise ein Löt- und/oder ein Schweißverfahren eingesetzt. Hierunter fällt beispielsweise auch Hochfrequenzschweißen.For the cohesive connection is preferably a soldering and / or a welding process used. This falls for example, high-frequency welding.

2 zeigt schematisch die Aufsicht auf eine dreidimensional dargestellte Wärmequelle, beispielsweise einer im Querschnitt rechteckig ausgestalteten Abgasanlage. Die thermische Quelle weist hierbei eine heiße Oberfläche 5 auf, die mit einem Isoliermaterial 6 umgeben ist. Das Isoliermaterial 6 weist selbst wieder eine außen liegende Oberfläche 7 auf, die vorzugsweise aus dem gleichen Material ist wie die hochtemperaturseitige Grundplatte 2. Wenn der thermoelektrische Generator 1 aus 1 nun auf der Oberfläche 7 stoffschlüssig verbunden wird, so ist die Verbindungsstelle zwischen der hochtemperaturseitigen Grundplatte 2 mit der Oberfläche 7 so weit von der Halbleitermatrix 4 entfernt, dass nur ein geringer Wärmeeintrag in die Halbleitermatrix 4 eingebracht wird und diese nicht zerstört wird. Das Isoliermaterial 6 um die heiße Oberfläche 5 dient ebenfalls dem Schutz vor einer Überhitzung des thermoelektrischen Generators 1. 2 schematically shows the top view of a three-dimensionally illustrated heat source, for example, a rectangular cross-section designed exhaust system. The thermal source in this case has a hot surface 5 on that with an insulating material 6 is surrounded. The insulating material 6 again has an external surface 7 on, which is preferably made of the same material as the high-temperature side base plate 2 , When the thermoelectric generator 1 out 1 now on the surface 7 is firmly bonded, so is the junction between the high temperature side base plate 2 with the surface 7 so far from the semiconductor matrix 4 removes that only a small heat input into the semiconductor matrix 4 is introduced and this is not destroyed. The insulating material 6 around the hot surface 5 also serves to protect against overheating of the thermoelectric generator 1 ,

In einer weiteren Ausführungsform weist die Oberfläche 7 auf dem Isoliermaterial 6 eine Ausnehmung auf, die in etwa so groß ist wie die Halbleitermatrix 4. Durch diese Maßnahme wird der Wärmeübergang von der Verbindungsstelle zur Halbleitermatrix 4 nochmals verschlechtert, wodurch der Wärmeeintrag in die Halbleitermatrix 4 nochmals reduziert wird.In a further embodiment, the surface 7 on the insulating material 6 a recess which is about as large as the semiconductor matrix 4 , By this measure, the heat transfer from the connection point to the semiconductor matrix 4 again deteriorates, causing the heat input into the semiconductor matrix 4 is reduced again.

In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die hochtemperaturseitige Grundplatte 2 eine zu der heißen Oberfläche 5 oder der Oberfläche 7 komplementäre Oberfläche auf. Durch diese Maßnahme wird erzielt, dass Oberflächenunebenheiten beim Verbindungsvorgang verhindert werden. Dies führt zum einen zu einem verbesserten Wärmeübergang beim späteren Betrieb des Thermoelektrischen Generators 1 und zur Anpassung von der Grundform des thermoelektrischen Generators 1 an die zu applizierende Oberfläche.In a further preferred embodiment, the high temperature side base plate 2 one to the hot surface 5 or the surface 7 complementary surface on. By this measure is achieved that surface irregularities are prevented during the connection process. This leads to a better heat transfer during later operation of the thermoelectric generator 1 and for adaptation of the basic form of the thermoelectric generator 1 to the surface to be applied.

Vorzugsweise wird die stoffschlüssige Verbindung durch Löten und/oder Schweißen hergestellt.Preferably is the cohesive connection by soldering and / or welding.

Wie bereits erwähnt, ist in einem weiteren Ausführungsbeispiel auch die niedertemperaturseitige Grundplatte 3 größer als die Halbleitermatrix 4. Hiermit wird eine bessere Kühlung der Halbleitermatrix 4 erzielt, wodurch der Wirkungsgrad des thermoelektrischen Generators verbessert wird. Zusammengefasst kann gesagt werden:
Der thermoelektrische Generator 1 wird auf der Heißseite mit einem Blech so ausgeführt, dass es zum Rand des thermoelektrischen Generators 1 hin herausragt. Der Werkstoff des Bleches ist idealerweise der gleiche wie der Werkstoff der Heißquelle. Dieser thermoelektrische Generator 1 wird vorzugsweise in eine Aussparung der Hitzeschutzfolie, der Oberfläche 7, eingelötet oder geschweißt. Durch den Abstand von Löt- oder Schweißstelle (Herausragung) zur Halbleitermatrix 4 wird der thermoelektrische Generator 1 bei der stofflichen Verbindung vor Überhitzung (= Zerstörung) verschont.As already mentioned, in a further embodiment, the low temperature side base plate 3 larger than the semiconductor matrix 4 , This will provide better cooling of the semiconductor matrix 4 achieved, whereby the efficiency of the thermoelectric generator is improved. In summary, it can be said:
The thermoelectric generator 1 is performed on the hot side with a metal sheet so that it is the edge of the thermoelectric generator 1 sticking out. The material of the sheet is ideally the same as the material of the hot source. This thermoelectric generator 1 is preferably in a recess of the heat protection film, the surface 7 , soldered or welded. Due to the distance from the soldering or welding point (protrusion) to the semiconductor matrix 4 becomes the thermoelectric generator 1 in the material connection from overheating (= destruction) spared.

11
Thermoelektrischer Generatorthermoelectric generator
22
hochtemperaturseitige Grundplattehigh-temperature side baseplate
33
niedertemperaturseitige Grundplattelow temperature side baseplate
44
HalbleitermatrixSemiconductor matrix
55
heiße Oberflächename is surface
66
Isoliermaterialinsulating material
77
Oberflächesurface
88th
Ausnehmungrecess

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 19806048 A1 [0002] - DE 19806048 A1 [0002]

Claims (5)

Anordnung für einen Thermoelektrischen Generator (1), insbesondere zur Wandlung einer Brennkraftmaschinenabwärme in elektrischen Strom, bestehend aus einer hochtemperaturseitigen Grundplatte (2) und einer niedertemperaturseitigen Grundplatte (3), mit einer zwischen den Grundplatten (2, 3) angeordneten Halbleitermatrix (4), wobei die niedertemperaturseitige und die hochtemperaturseitige Grundplatte (2, 3) eine im Wesentlichen zweidimensionale Abmessung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die hochtemperaturseitige Grundplatte (2) mit einer heißen Oberfläche (5) stoffschlüssig verbindbar ist und/oder die niedertemperaturseitige Grundplatte (3) mit einer kalten Oberfläche (5) stoffschlüssig verbindbar ist und wobei die hochtemperaturseitige und/oder die niedertemperaturseitige Grundplatte (2, 3) in zumindest einer Dimension um mindestens 3 mm länger als die Halbleitermatrix (4) ist.Arrangement for a thermoelectric generator ( 1 ), in particular for converting an internal combustion engine waste heat into electricity, consisting of a high-temperature-side base plate ( 2 ) and a low-temperature side base plate ( 3 ), with one between the base plates ( 2 . 3 ) arranged semiconductor matrix ( 4 ), wherein the low temperature side and the high temperature side base plate ( 2 . 3 ) have a substantially two-dimensional dimension, characterized in that the high-temperature side base plate ( 2 ) with a hot surface ( 5 ) is cohesively connectable and / or the low-temperature side base plate ( 3 ) with a cold surface ( 5 ) is cohesively connectable and wherein the high-temperature side and / or the low-temperature side base plate ( 2 . 3 ) in at least one dimension at least 3 mm longer than the semiconductor matrix ( 4 ). Anordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der heißen Oberfläche (5) und dem Thermoelektrischen Generator (1) ein Isoliermaterial (6) mit einer Oberfläche (7) angeordnet ist, mit der die hochtemperaturseitige Grundplatte (2) stoffschlüssig verbindbar ist.Arrangement according to claim 1, characterized in that between the hot surface ( 5 ) and the thermoelectric generator ( 1 ) an insulating material ( 6 ) with a surface ( 7 ) is arranged, with which the high-temperature side base plate ( 2 ) is cohesively connectable. Anordnung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (7) eine Ausnehmung (8) aufweist mit im Wesentlichen der gleichen zweidimensionalen Abmessung wie die Halbleitermatrix (4).Arrangement according to claim 2, characterized in that the surface ( 7 ) a recess ( 8th ) having substantially the same two-dimensional dimension as the semiconductor matrix ( 4 ). Anordnung nach einem der Patentansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die hochtemperaturseitige Grundplatte (2) eine zu der heißen Oberfläche (5) oder der Oberfläche (7) komplementäre Oberfläche aufweist.Arrangement according to one of the claims 2 or 3, characterized in that the high temperature side base plate ( 2 ) one to the hot surface ( 5 ) or the surface ( 7 ) has complementary surface. Anordnung nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Verbindung durch Löten und/oder Schweißen herstellbar ist.Arrangement according to one of the claims 1 to 4, characterized in that the cohesive Connection produced by soldering and / or welding is.
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