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Stand der Technik
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Abgaswärme, beispielsweise von Kraftwerken oder Kraftfahrzeugen, wird häufig ungenutzt an die Umwelt abgegeben. Eine effektive Nutzung dieser Wärmeenergie würde jedoch einen höheren Wirkungsgrad mit sich bringen. Eine Möglichkeit der Nutzung dieser Abgaswärme, sind thermoelektrische Generatoren (TEG), die aufgrund des Seebeck-Effektes, teilweise auch als thermoelektrischer Effekt bezeichnet, bei einer Temperaturdifferenz eine elektrische Spannung erzeugen. Vorrichtungen zur Erzeugung von Energie aus Abgaswärme sind beispielsweise in
DE 10 2008 005 334 A1 offenbart.
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Bisher werden thermoelektrische Generatoren oft in Stapelbauweise eingesetzt. Dies geht zum Beispiel aus der
DE 10 2005 009 480 A1 hervor. Bei diesem Aufbau wechseln sich thermoelektrische Module (TEM) und andere Wärmetauscherbauteile (Kalt- und Heißseite) in Stapeln übereinander ab. Diese Stapel werden mechanisch verspannt. Durch den Stapelaufbau der thermoelektrischen Module entstehen zusätzliche Wärmeübergänge, wobei es zu Wärmeverlusten kommt, die den Wirkungsgrad des thermoelektrischen Generators reduzieren. Ist eine mechanische Verspannung vorgesehen, erhöht sich außerdem durch die Verspannbauteile das Gesamtgewicht des thermoelektrischen Generators.
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Auch
DE 103 33 084 A1 offenbart einen thermoelektrischen Generator mit einem Stapelaufbau, bei dem die Thermoelemente jedoch nicht bündig übereinander angeordnet sind und bei dem in einer möglichen Ausführungsvariante die Schenkel der Thermoelemente in einer Mäanderform auf einer Trägerfolie angeordnet sind. Dadurch können die in der Thermoelementkette aufeinander folgenden thermoelektrischen Kontaktstellen, vorzugsweise metallische Kontaktleitbrücken, mit einer hohen Dichte und einem großen Abstand zu den entgegen gesetzten Rändern der Thermoelemente angeordnet werden. Diese Anordnung erlaubt einen vereinfachten, mechanisch stabilen Aufbau und wirkt sich vorteilhaft auf die Langzeitstabilität der Thermoelementkette aus, jedoch wird keine Verbesserung des Wirkungsgrades erreicht. Zudem umfasst die Präparation der Thermoelemente auf Trägerfolien vorzugsweise eine Dünnschichtabscheidung von thermoelektrischen Materialien und Metallen und nachträgliche Strukturierung durch nasschemisches Ätzen, was mit einem hohen Zeit- und Materialaufwand bei der Herstellung verbunden ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Durch den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Aufbau von p-n-Schenkeln wird die Anzahl von Wärmeübergängen reduziert, wodurch der Wirkungsgrad des thermoelektrischen Generators verbessert wird. Da auf eine mechanische Verspannung wie bei dem herkömmlichen Stapelaufbau verzichtet wird, ist zusätzlich das Gewicht der Komponenten verringert, so dass ein gewichtsreduziertes und kompaktes Bauteil mit reduzierten Herstellungskosten erhalten wird.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist die Möglichkeit, aufgrund der guten Zugänglichkeit eine stoffschlüssige thermische und elektrische Verbindung herzustellen. Auch kann durch den direkten Kontakt der p-n-Thermopaare auf ein Abwinkeln von Thermoelementschenkeln verzichtet werden, was Einsparungen hinsichtlich des eingesetzten Materials und des Gewichts und durch den Wegfall eines Montageschrittes an Prozesszeit mit sich bringt.
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Voraussetzung für die thermoelektrische Energiegewinnung ist ein ausreichend großer Temperaturunterschied, der durch eine Wärmequelle (beispielsweise Abgas) und Wärmesenke (beispielsweise Kühlwasser) erzeugt wird. Dazwischen befindet sich der thermoelektrische Generator. Der Temperaturunterschied zwischen der heißen und der kalten Seite des thermoelektrischen Generators entspricht einem bestimmten Wärmestrom. Der thermoelektrische Generator wandelt einen Teil dieses Wärmestroms in elektrische Leistung um.
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Der thermoelektrische Generator kann aus mehreren thermoelektrischen Modulen aufgebaut sein, welche aus einer Vielzahl von thermoelektrischen Elementen bestehen.
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Ein thermoelektrisches Modul umfasst mehrere p-n-Schenkel, wobei jeweils benachbarte Schenkel aus jeweils unterschiedlichen Materialien gefertigt sein können. Besonders bevorzugt ist die Bildung der Thermoelemente aus p- und n-leitenden Halbleitern, da sich diese durch einen hohen thermoelektrischen Effekt, insbesondere durch einen hohen Seebeck-Koeffizienten auszeichnen und zudem für p-(positiv, Elektronenmangel) und n-(negativ, Elektronenüberschuss) leitende Halbleiter-Kombinationen eine Strukturierungstechnologie verfügbar ist.
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Die Ausrichtung der einzelnen p-n-Schenkel ist dabei so beschaffen, dass sie elektrisch in Serie und thermisch parallel geschaltet sind und p-leitende und n-leitende Schenkel einander abwechseln.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es zeigen:
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1 Frontansicht eines Thermoelements gemäß des Standes der Technik,
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2 Frontansicht eines thermoelektrischen Generators mit mäanderförmiger Anordnung von p- und n-Schenkeln in einem Block, und
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3 eine perspektivische Ansicht eines Blockes aus p- und n-Schenkeln, in Streifenform.
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Zur besseren Erläuterung der Erfindung wird in 1 ein aus dem Stand der Technik bekanntes Thermoelement oder ein thermoelektrisches Modul 10 dargestellt.
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Ein thermoelektrisches Modul 10 besteht üblicherweise aus zwei dünnen elektrisch isolierenden Platten 12, 14 zwischen denen abwechselnd kleine Quader 16 aus unterschiedlichem Material angeordnet sind. Jeweils zwei Quader 16 unterschiedlichen Materials sind mittels Kontaktinseln 18 so miteinander verbunden, dass sie eine elektrische Reihenschaltung 20 ergeben. Eine der beiden Platten 12 nimmt den einfließenden Wärmestrom 22 auf (Heißseite), während die andere Platte 14 den ausfließenden Wärmestrom 24 abgibt (Kaltseite). Alle Quader 16 werden parallel vom Wärmestrom, der von der heißen zur kalten Seite fließt, durchströmt.
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Ausführungsvarianten der Erfindung
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2 zeigt eine Frontansicht eines erfindungsgemäßen thermoelektrischen Moduls 50 mit einer Vielzahl von p- und n-Schenkeln 54, 56, die reihenförmig in einem Block 58 angeordnet sind.
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Ein p-n-Paar 60 wird durch Leiterpaar aus Halbleiter-Materialien gebildet, das an einem Ende 62 verbunden ist und den thermoelektrischen Effekt nutzt. In dem hier illustrierten Ausführungsbeispiel gemäß der 2 und 3, umfasst das p-n-Paar 60 jeweils einen p-dotierten Halbleiter 54 und einen n-dotierten Halbleiter 56.
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Eine Vielzahl p-n-Paaren 60, in Form von Schenkeln 54, 56 werden nebeneinander in Reihe in einem Block 58 angeordnet. Benachbarte Schenkel 54, 56 sind jeweils aus p-n-leitenden Materialien gefertigt.
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An einer Grenzlinie zwischen zwei benachbarten Schenkel 54, 56, die ein p-n-Paar 60 bilden, werden die beiden Schenkel 54, 56 teilweise getrennt und dadurch elektrisch isoliert, sodass ein Spalt 66 entsteht. Die Länge des Spaltes 66 ist in der 2 durch Bezugszeichen 68 angedeutet.
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Die Trennung erfolgt nicht vollständig, sondern so, dass zwei benachbarte Schenkel 54, 56 durch einen Steg 70 verbunden bleiben. Der Steg 70 stellt einen elektrischen Kontakt dar, da im Bereich des Steges 70 die p- und n-Schenkel 54, 56 der p-n-Paare 60 elektrisch und thermisch miteinander verbunden sind.
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Durch den Spalt 66 kann die Wärmeleitung eingeschränkt werden. Der Spalt 66, zur elektrischen Isolierung der p-n-Schenkel 54, 56 der p-n-Paare 60 voneinander, wird durch eine spanabhebende Fertigungstechnik, beispielsweise durch Sägen, Schneiden oder Fräsen, erzeugt. Die elektrische Isolierung kann beispielsweise durch Luft oder Dotierung mit einem nicht-leitenden Material erfolgen oder der Spalt 66 wird mit einem elektrisch isolierenden Material aufgefüllt.
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Die Anbindung des Blocks 58 an ein Gehäuse 72 eines Wärmetauschers erfolgt über eine elektrisch isolierende Schicht 74, beispielsweise aus keramischen Material oder einem nicht-leitenden Kleber. Zusätzlich kann auch zwischen der elektrisch isolierenden Schicht 74 und dem Gehäuse 72 des Wärmetauschers eine Schicht 76, die den Block 58 mechanisch von dem Gehäuse 72 des Wärmetauschers entkoppelt, eingebracht sein. Die Verwendung eines nicht-leitenden Klebers als elektrisch isolierende Schicht 74 besitzt den Vorteil, dass die elektrisch isolierende Schicht 74 damit gleichzeitig die Schicht 76, die den Block mechanisch von dem Gehäuse 72 des WT entkoppelt, bildet.
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Die elektrisch isolierende Schicht 74 zur Anbindung des Blocks 58 an das Gehäuse 72 des Wärmetauschers kann zum Beispiel auch über den Prozess des Niedertemperatursinterns oder durch Beschichten hergestellt werden, beispielsweise durch eine Schicht aus Aluminiumoxid, z. B. AL2O3..
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Eine weitere Ausführungsvariante ergibt sich durch die Fertigung des Wärmetauschers komplett aus Keramik. In diesem Fall stellt eine Wand des Keramikwärmetauschers die elektrisch isolierende Schicht 74 dar. Diese vermeidet einen zusätzlichen Wärmeübergang.
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Aus der Darstellung gemäß 2 geht hervor, dass das thermoelektrische Modul gemäß dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Aufbau eine Vielzahl von wechselweise p- und n-leitenden Schenkeln 54, 56, die nebeneinander in Reihe innerhalb des Blocks 58 angeordnet sind, umfasst. Durch die wechselweise Anordnung der zueinander benachbart angeordneten p-n-dotierten Schenkel 54, 56, die bevorzugt aus einem Halbleitermaterial gefertigt werden, wird bereits bei der Fertigung des Blocks 58 sicher gestellt, dass sich bei Betrieb des erfindungsgemäß vorgeschlagenen thermoelektrischen Moduls in Form eines Blockes 58 ein mäanderförmiger beziehungsweise schleifenförmiger Stromfluss I, vgl. Bezugszeichen 52 in 2, einstellt. Aufgrund des Vorhandenseins der Spalte 66, die sich über eine Spaltlänge 68 erstrecken und der jeweils verbleibenden Stege 70 stellt sich ein schleifenförmiger beziehungsweise mäanderartig verlaufender Stromfluss I, vgl. Position 52 in 2 ein. Einerseits bewirkt die wechselweise angeordnete Ausbildung der Spalte 66 durch Sägen oder Schneiden oder ein anderes spanabhebendes Verfahren und das korrespondierend dazu folgende, Vorhandensein von Stegen 70, eine wechselweise elektrisch leitende Verbindung derart, dass sich der in 2 dargestellte mäanderförmige Stromfluss I durch den Block 48 aus p-n-Paaren 60 von p-n-Schenkeln 54, 56 einstellt. Aufgrund der alternierenden Abfolge von Stegen 70 und Spalten 66, die mit Luft oder mit einem elektrisch isolierenden Material verfüllt sein können, stellt sich eine jeweils wechselweise an Ober- und Unterseite der p-n-Thermopaaren 60 ausgebildete elektrisch leitende Verbindung ein. Hierdurch ergibt sich im Betrieb des erfindungsgemäß vorgeschlagenen thermoelektrischen Moduls der in 2 durch Bezugszeichen 52 kenntlich gemachte, streifenförmige, beziehungsweise mäanderförmige Stromfluss I.
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Die Thermospannung ist abhängig von den Seebeck-Koeffizienten der Materialien der p-n-Schenkeln 54, 56 und der effektiv nutzbaren Temperaturdifferenz, die an der Kontaktstelle der p-n-Schenkel 54, 56 vorliegt, d. h. im Bereich der im Material verbleibenden Stege 70, welche eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den einzelnen p-n-Schenkeln 54, 56 bilden. Da bei der erfindungsgemäßen Anordnung auf Kontaktschichten verzichtet werden kann, entfallen Wärmeübergänge, die mit Wärmeverlusten verbunden sind, so dass die effektiv nutzbare Temperaturdifferenz ansteigt. Je größer die effektiv nutzbare Temperaturdifferenz ist, desto größer ist die Thermospannung und desto größer ist auch der Wirkungsgrad des thermoelektrischen Generators.
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In 3 ist eine perspektivische Ansicht einer Anordnung von p- und n-Schenkeln 54, 56 dargestellt.
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Der Aufbau des Blocks 58 kann derartig erfolgen, dass die p-n-Schenkel 54, 56 als lang gestreckte, riegelförmige Elemente 100, deren Länge 102 der streifenförmigen p-n-Schenkel 54, 56 größer ist als deren Breite ausgebildet ist.
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Dazu sind die Vielzahl von streifenförmigen p-n-Schenkeln 54, 56, wie in 2 dargestellt, in dem Block 58 angeordnet. Zur elektrischen Isolierung werden die riegelförmigen Elemente 100 entlang ihrer Länge 102 mit Hilfe eines spanabhebenden Werkzeugs bis auf die elektrisch isolierende Schicht 74 in Abschnitte 106 getrennt. Diese Abschnitte 106 sind somit von den anderen entlang der Länge 102 angrenzenden Abschnitten 106 elektrisch entkoppelt. Auch hier kann die elektrische Isolierung beispielsweise durch Luft oder Dotierung mit einem nicht-leitenden Material erfolgen oder der elektrisch isolierende Spalt 66 wird durch ein elektrisch isolierendes Material aufgefüllt.
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Der elektrische Kontakt zwischen den einzelnen Abschnitten 106 ist über mindestens eine Strom leitende Verbindung 108 hergestellt.
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Zur Herstellung der Anordnung aus p- und n-Schenkeln 54, 56 der p-n-Thermopaare 60 und deren Anbindung an ein Gehäuse 72 eines Wärmetauschers sind unterschiedliche Techniken denkbar. Beispielsweise kann die elektrisch isolierende Schicht 74, beispielsweise Aluminiumoxid, durch Beschichtung, beispielsweise Bedrucken, oder ein Sinterverfahren, vorzugsweise Niedertemperatursintern, auf dem Block 58 aufgebracht werden. Diese Fertigung bietet sich vor allem an, wenn die isolierende Schicht 74 aus keramischen Materialen gefertigt wird.
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Ebenfalls ist es im Sinne der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung, vorgefertigte Blöcke 58 zusammenzufügen und nachträglich durch spanabhebende Fertigungsverfahren, wie beispielsweise Sägen oder Schlitzen, zu trennen. Anschließend werden die entstandenen Zwischenräume, d. h. die Spalten 66 beispielsweise mit nicht leitenden Materialien verfüllt.
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An den Kontaktstellen zwischen den p- und n-leitenden Materialien der p-n-Schenkel 54, 56 kann zusätzlich auch eine Diffusionssperre realisiert werden, um eine noch bessere Trennung der Materialien der beiden benachbarten p-n-Schenkel 54, 56 zu erreichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008005334 A1 [0001]
- DE 102005009480 A1 [0002]
- DE 10333084 A1 [0003]
