DE102011017387A1

DE102011017387A1 - Thermoelektrisches Modul und Verwendung eines thermoelektrischen Moduls

Info

Publication number: DE102011017387A1
Application number: DE201110017387
Authority: DE
Inventors: Dr. Ihle Jan; Werner Kahr; Steffen Mehlig
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2011-04-18
Publication date: 2012-06-21
Also published as: WO2012080417A1

Abstract

Es wird ein thermoelektrisches Modul (1) angegeben, das eine Hülse (2), ein zumindest teilweise keilförmiges Thermistorelement (3) und ein zumindest teilweise keilförmiges Befestigungselement (4) aufweist. Das Thermistorelement (3) ist dabei mit dem Befestigungselement (4) in der Hülse (2) derart verklemmt, dass eine formschlüssige Anbindung des Thermistorelements (3) an die Hülse (2) erfolgt. Weiterhin wird eine Verwendung eines thermoelektrischen Moduls (1) als Heizpatrone zur Erwärmung eines Mediums, das das thermoelektrische Modul (1) umgibt, angegeben.

Description

Es wird ein thermoelektrisches Modul angegeben. Weiterhin wird eine Verwendung eines thermoelektrischen Moduls als Heizpatrone zur Erwärmung eines Mediums angegeben.
Im Automobilbereich werden bei Thermostaten üblicherweise einfache Wachs- beziehungsweise Paraffin-Aktoren eingesetzt, die in Abhängigkeit von der Kühlflüssigkeitstemperatur arbeiten. Wenn beispielsweise die Kühlflüssigkeitstemperatur 105°C überschreitet, schmilzt das Wachs und ein Ventil öffnet sich, so dass die Kühlflüssigkeit zum Kühler gelangt. Dies geschieht ohne eine elektrische Steuerung.
Eine neuere Anforderung besteht darin, das Ventil auch elektrisch ansteuern zu können.
Seit einigen Jahren werden Aktoren mit einer integrierten Festwiderstandsheizung hergestellt. Es werden zum Beispiel derartige Aktoren produziert, wobei die integrierten Festwiderstandsheizungen beispielsweise einen Widerstand von 9,5 Ohm +/– 1 Ohm sowie eine durch Pulsweitenmodulation (PWM) eingestellte Maximalleistung von 9,5 W aufweisen. Indem Wärme mittels der Heizung, die durch Pulsweitenmodulation geregelt wird, zugeführt wird, kann die Temperatur, bei der das Ventil öffnet, für eine Kühlflüssigkeitstemperatur zwischen 89°C und 105°C eingestellt werden. Die Möglichkeit einer solchen Regelung wird unter anderem aufgrund von Verbrauchs- und Emissionsvorschriften immer häufiger verlangt.
In verschiedenen Anwendungen werden für die Beheizung von hülsenförmigen, ringförmigen oder flanschähnlichen Elementen beispielsweise PTC-Heizelemente eingesetzt. Die Beheizung erfolgt dabei meist durch flächige PTC-Heizelemente, insbesondere Scheiben- oder Rechteckelemente, die vorwiegend an metallische Elemente mechanisch und zum thermischen Kontakt angebracht sind. Um einen entsprechenden thermischen Kontakt zu realisieren muss die Berührungsstelle abgeflacht sein. Nachteil bei den bekannten Anwendungen ist ein geringer Wirkungsgrad aufgrund der ungeeigneten konstruktiven Auslegung, bei der die Wärmequelle, also beispielsweise das PTC-Heizelement, weit entfernt von der Stelle angeordnet werden muss, an der die Wärme benötigt wird. Durch diese ungünstige thermische Anbindung ist nur ein geringes Leistungsaufnahmevermögen erzielbar. Eine ausreichende elektrische Dimensionierung kann daher nur durch eine parallele Schaltung einer größeren Anzahl von PTC-Elementen erfolgen. Es ist nach dem Stand der Technik somit nicht möglich sehr kurze Aufheiz- beziehungsweise Reaktionszeiten zu realisieren. Daher müssen meist erheblich höhere Heizleistungen vorgesehen werden und/oder es sind Kompromisse in der konstruktiven Gestaltung notwendig. Dies führt wiederum zu einer Steigerung der Kosten.
Eine Aufgabe zumindest einiger Ausführungsformen ist es, ein thermoelektrisches Modul mit einem hohen Wirkungsgrad anzugeben. Eine weitere Aufgabe zumindest einiger Ausführungsformen ist es, eine Verwendung eines thermoelektrischen Moduls als Heizpatrone zur Erwärmung eines Mediums, das das thermoelektrische Modul umgibt, anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Gegenstands gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
Ein thermoelektrisches Modul gemäß zumindest einer Ausführungsform weist ein zumindest teilweise keilförmiges Thermistorelement auf. Beispielsweise kann das Thermistorelement eine Kontaktfläche aufweisen, die keilförmig ausgebildet ist. Das Thermistorelement kann zum Beispiel ein PTC-Element aufweisen oder sein, das heißt ein Thermistorelement mit einem positiven Temperaturkoeffizienten, das auch als Kaltleiter bezeichnet wird. Vorzugsweise kann das PTC-Element eine Funktionskeramik auf Basis von BaTiO₃ aufweisen.
Durch Verwendung eines Thermistorelements, also beispielsweise eines PTC-Elements, kann es im Vergleich zu herkömmlichen Aktoren wie etwa solchen mit Festwiderstandsheizungen möglich sein Kosten zu sparen und die Verlässlichkeit sowie die Leistung der Aktoren zu verbessern. Dadurch kann es insbesondere möglich sein, aufgrund der Ersetzung der bisher verwendeten Festwiderstandsheizung durch ein Thermistorelement, beispielsweise ein PTC-Heizelement, die Leistung zu steigern und die Reaktionszeit zu verkürzen.
Des Weiteren ist bei bekannten Anwendungen mit Heizdraht eine elektronische Regelung notwendig, die beim Einsatz von PTC-Elementen entfallen kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das thermoelektrische Modul ein zumindest teilweise keilförmiges Befestigungselement auf. Das Befestigungselement kann hier und im Folgenden auch als Arretierungselement oder als Arretierung bezeichnet werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Befestigungselement zumindest in einem Bereich eine Keilform auf, welche erlaubt, das Thermistorelement und das Befestigungselement derart aneinander anzuordnen, dass eine formschlüssige Anbindung des Befestigungselements an das Thermistorelement erfolgt. Dazu können das Thermistorelement und das Befestigungselement Keilflächen aufweisen, die bei Anordnung in der Hülse möglichst formschlüssig aufeinander angeordnet sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das zumindest teilweise keilförmige Thermistorelement in einer Hülse angeordnet. Die Hülse kann beispielsweise Metall aufweisen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Hülse einen nichtrostenden Stahl auf. Die Hülse kann zum Beispiel durch Tiefziehen herstellbar sein oder hergestellt sein. Hier und im Folgenden kann die Hülse auch als Außenhülse oder als Metallhülse bezeichnet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Befestigungselement zumindest teilweise in der Hülse angeordnet. Vorzugsweise können das zumindest teilweise keilförmige Thermistorelement und das zumindest teilweise keilförmige Befestigungselement gegeneinander gerichtet in der Hülse angeordnet sein. Beispielsweise kann das Befestigungselement eine dem Thermistorelement entgegen gerichtete Keilform aufweisen. Weiterhin können das Thermistorelement und das Befestigungselement besonders bevorzugt miteinander in der Hülse verklemmt sein. Insbesondere kann die Keilform des Thermistorelements ein schmales Ende und ein breites Ende aufweisen, wobei das Thermistorelement hinsichtlich seiner Keilform so in die Hülse, die vorzugsweise an einem Ende verschlossen ist, eingeschoben wird, dass das breite Ende der Keilform zum verschlossenen Ende der Hülse gerichtet ist oder besonders bevorzugt am geschlossenen Ende der Hülse anliegt. Das Befestigungselement weist ist diesem Fall eine der Keilform des Thermistorelements entgegen gerichtete Keilform auf und wird mit einem schmalen Keilende in Richtung des Thermistorelements auf das Thermistorelement aufgeschoben, bis sich das Befestigungselement zwischen der Hülsenwand und dem Thermistorelement verklemmt. Die Klemmung und die Formen des Thermistorelements, des Befestigungselements sowie der Hülse können mit Vorteil so ausgestaltet sein, dass eine formschlüssige Anbindung des Thermistorelements und/oder des Befestigungselements an die Hülse erfolgt. Dazu können das Thermistorelement und das Befestigungselement ihrer jeweiligen Keilfläche gegenüberliegende Mantelflächen aufweisen, die eine der Wandform der Hülse entsprechende Form aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Befestigungselement elektrisch isolierende beziehungsweise nicht leitende Eigenschaften auf. Das Befestigungselement kann zum Beispiel einen Kunststoff, insbesondere einen thermoplastischen Kunststoff, aufweisen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Befestigungselement zumindest eines der Materialen Polybutylenterephthalat (PBT), Polyamid (PA) oder Flüssigkristallpolymer (liquid crystal polymer, LCP) auf. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Befestigungselement Polybutylenterephthalat PBT-GF30 auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Befestigungselement elektrische und/oder thermoelektrische Eigenschaften auf. Beispielsweise kann das Befestigungselement als elektrische Zuführung beziehungsweise als elektrische Kontaktierung des Thermistorelements dienen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Befestigungselement als weiteres Thermistorelement ausgeführt. Das thermoelektrische Modul kann somit wenigstens zwei zumindest teilweise keilförmige Thermistorelemente aufweisen, die in der Hülse angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Thermistorelemente in der Hülse gegeneinander gerichtet angeordnet und in der Hülse miteinander so verklemmt, eine formschlüssige Anbindung der Thermistorelemente an die Hülse erfolgt. Bei einem derartig ausgeführten thermoelektrischen Modul kann vorteilhafterweise ein besonders guter Wärmeübergang gewährleistet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Befestigungselement mehrere Einzelteile auf. Das Befestigungselement kann beispielsweise zweiteilig oder mehrteilig ausgebildet sein. Insbesondere kann das Befestigungselement aus zwei oder mehreren Einzelteilen in Form eines Verbundbefestigungselements aufgebaut sein. Im Falle einer zwei- oder mehrteiligen Ausbildung können alle Einzelteile des Befestigungselements zumindest teilweise eine Keilform aufweisen. Es kann aber auch sein, dass das Befestigungselement seine zumindest teilweise keilförmige Ausgestaltung erst nach einem Zusammensetzen der Einzelteile erhält.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein Kontaktelement vorgesehen. Vorzugsweise ist das Kontaktelement zumindest teilweise in der Hülse angeordnet und kontaktiert das Thermistorelement. Das Kontaktelement kann beispielsweise als metallisches Kontaktelement ausgebildet sein und kann im Folgenden auch als Kontaktstreifen beziehungsweise als innerer Kontaktstreifen bezeichnet werden. Vorzugsweise weist das Kontaktelement nichtrostenden Stahl und/oder Kupfer und/oder Aluminium auf. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Kontaktelement zwischen dem Thermistorelement und dem Befestigungselement angeordnet. Mit anderen Worten kann das Kontaktelement zwischen den Keilflächen des Thermistorelements und des Befestigungselements angeordnet und verklemmt sein. Dabei ragt das Kontaktelement vorzugsweise mit einem Ende aus der Hülse heraus.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Thermistorelement eine keilförmige Nut, im Folgenden auch als Kontaktnut bezeichnet, auf. Vorzugsweise ist das Kontaktelement zumindest teilweise in der Kontaktnut angeordnet. Beispielsweise kann das Kontaktelement in der Kontaktnut des Thermistorelements fixiert sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das Kontaktelement von dem Befestigungselement zumindest teilweise eingeschlossen und ist mit dem Befestigungselement verklemmt angeordnet. Insbesondere kann das Kontaktelement zwischen zwei oder mehr Einzelteilen, welche nach dem Zusammensetzen das Befestigungselement ausbilden, angeordnet sein. Beispielsweise kann das Kontaktelement zumindest teilweise von zwei Einzelteilen umschlossen sein.
Gemäß einer Ausführungsform ist das zumindest teilweise keilförmige Thermistorelement in der Hülse mit dem Kontaktelement durch das Befestigungselement so verklemmt, dass eine formschlüssige Anbindung des Thermistorelements an die Hülse erfolgt.
Vorzugsweise kann das Kontaktelement in das Befestigungselement, das als Arretierung dienen kann, so eingelassen sein, dass beim Verklemmen des Thermistorelements in der Hülse das Kontaktelement durch das oder zwischen dem Thermistorelement, insbesondere zwischen dem Thermistorelement und der Arretierung, eingepresst ist.
Hinsichtlich der Ausführungsform, bei der das Befestigungselement als weiteres Thermistorelement ausgeführt ist, sind die Thermistorelemente vorzugsweise in ihrer zugewandten Innenfläche jeweils mit einer Kontaktnut versehen. Beispielsweise weist die Nut jeweils eine Tiefe auf, die geringer ist als die halbe Dicke eines darin eingeklemmten Kontaktelements. Dadurch kann gewährleistet werden, dass beim Verklemmen der Thermistorelemente in der Hülse das Kontaktelement zwischen den Thermistorelementen eingepresst ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die formschlüssige Verbindung zwischen dem Thermistorelement und der Hülse nicht starr ausgebildet. Das kann beispielsweise bedeuten, dass die Verbindung auf einer Klemmung beziehungsweise Pressung basiert und vorzugsweise geringe Bewegungen der einzelnen Elemente zueinander aufgrund von unterschiedlichen thermischen Dehnungen zulässt. Eine starre Verbindung, die zum Beispiel durch Kleben oder Löten erzielt wird, könnte hingegen zu einer mechanischen Beschädigung des Thermistorelements führen.
Durch die formschlüssige, aber nicht starre Verbindung zwischen dem Thermistorelement und der Hülse kann ein guter thermischer Kontakt und somit ein optimaler Wärmeübergang erreicht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Thermistorelement an seiner Außenseite eine metallisierte Mantelfläche auf. Dabei wird bevorzugt, dass das Thermistorelement an einer der Hülse zugewandten Seite eine metallisierte Mantelfläche aufweist. Ist das Befestigungselement als weiteres Thermistorelement ausgeführt, so kann das weitere Thermistorelement an seiner Außenseite ebenfalls eine metallisierte Mantelfläche aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Hülse, beispielsweise als Metallhülse, elektrisch leitend ausgeführt, wobei eine elektrische Kontaktierung des Thermistorelements mittels der Hülse erfolgen kann. Vorzugsweise erfolgt dabei die elektrische Kontaktierung des Thermistorelements über dessen metallisierte äußere Mantelfläche, die an die Innenseite der Hülse angepresst ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zwischen der Metallhülse und dem Thermistorelement eine einseitig mit Metall beschichtete, nichtleitende Folie angeordnet. Die Folie ist dabei mit ihrer mit Metall beschichteten Seite dem Thermistorelement zugewandt. Dadurch kann, sofern erforderlich, mit Vorteil erreicht werden, dass an der Außenhülse kein Potential anliegt, da die nichtleitende Folie das Thermistorelement von der Hülse elektrisch isoliert. Damit kann zum einen der elektrische Kontakt zu dem Thermistorelement ermöglicht und zum anderen die Isolation zur Außenhülse bei einer gleichzeitig guten thermischen Anbindung gewährleistet werden. In einer weiteren Ausführungsform kann die Außenhülse auch nicht metallische Materialien wie zum Beispiel Keramik, Glas oder Kunststoff aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform ist zwischen der Hülse und der der Hülse zugewandten Mantelfläche des Thermistorelements ein elektrisches Außenkontaktelement, das beispielsweise wie oben für das Kontaktelement beschrieben ausgeführt sein kann, in elektrischem Kontakt mit dem Thermistorelement angeordnet. Das Außenkontaktelement kann wie das Kontaktelement durch Klemmung in der Hülse befestigt sein.
Eine Verhinderung mechanischer Schädigungen durch die unterschiedlichen Wärmedehnungen der Materialien sowie eine sehr gute thermische als auch elektrische Kontaktierung werden durch eine dauerhafte Klemmkontaktierung realisiert. Die auftretenden Klemmkräfte, die auf das keramische Thermistorelement wirken, erzeugen lediglich Druckspannungen. Zugspannungen werden in der Thermistorkeramik vermieden und somit können Schädigungen ausgeschlossen werden.
Das Thermistorelement kann weiterhin derart ausgeführt sein, dass es einen Teil eines zylindrischen Körpers aufweist. Weiterhin kann das Thermistorelement derart ausgeführt sein, dass es einem Körper gleicht, der durch einen diagonalen Schnitt durch die Längsachse eines zylindrischen Körpers entsteht. Weiterhin kann das Thermistorelement einen zylindrischen Körper aufweisen, der eine keilförmige Aussparung entlang der Zylinderachse aufweist.
Der zylindrische Körper kann beispielsweise einen runden, etwa einen kreisrunden oder elliptischen, Querschnitt aufweisen. Es ist jedoch auch möglich, dass das Thermistorelement einen Körper, vorzugsweise einen zylindrischen Körper oder einen Teil davon, mit rechteckigem oder mehreckigem Querschnitt aufweist. Der Querschnitt des zylindrischen Körpers kann insbesondere dem Innenquerschnitt der Hülse entsprechen, um eine entlang der Innenmantelfläche der Hülse allseitige thermische Ankopplung des Thermistorelements an die Hülse zu erreichen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das Thermistorelement über seine Keilfläche, beispielsweise über die in der Keilfläche ausgebildete Kontaktnut, die zum Beispiel metallisiert sein kann, und über seine Mantelfläche, die ebenfalls metallisiert sein kann, kontaktiert. Die Kontaktierung des Thermistorelements über seine Keilfläche kann auch als Innenkontakt, die Kontaktierung des Thermistorelements über seine Mantelfläche als Außenkontakt bezeichnet werden. Das Thermistorelement ist vorzugsweise so geformt, dass an einer Stirnseite des Thermistorelements, beispielsweise am schmalen Ende des Thermistorelements, ein minimaler Kontaktabstand zwischen Innen- und Außenkontakt einem Kontaktabstand entspricht, welcher durch den geringsten Kontaktabstand zwischen der längs verlaufenden inneren Kontaktnut und der metallisierten Mantelfläche gebildet wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Kontaktelement außerhalb der Hülse eine oder mehrere Anschlussfahnen auf, die als zusätzlicher elektrischer Kontakt dienen können. Die Anschlussfahnen können beispielsweise so ausgeführt sein, dass handelsübliche Flachstecker angeschlossen werden können. Beispielsweise können die Anschlussfahnen als Kontaktbleche ausgeführt sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind zur elektrischen Kontaktierung an den Anschlussfahnen, beispielsweise an den Kontaktblechen, Crimp-Anschlüsse vorgesehen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird zwischen dem Thermistorelement und der Hülse eine thermische Leitpaste angeordnet. Dadurch kann ein noch besserer Wärmetransport zwischen dem Thermistorelement und der Hülse erzielt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das hier beschriebene thermoelektrische Modul beispielsweise als Heizpatrone zur Erwärmung von Medien verwendet werden, die die Hülse umschließen. Dabei erfolgt bei dem hier beschriebenen thermoelektrischen Modul eine Kombination von einem elektrischen Funktionselement, beispielsweise des Thermistorelements zur Heizung, und einer mechanischen Klemmung, welche mittels der zumindest teilweisen keilförmigen Ausgestaltungen des Thermistorelements und des Befestigungselementes realisiert werden kann, in einem Bauelement. Damit kann eine derartige Heizanordnung in einer zum Beispiel tiefgezogenen Metallhülsen ohne große Wärmeübergangsverluste erfolgen. Dadurch zeichnet sich eine solche Heizpatrone, die zur Erwärmung von Medien, die das Modul umfließen, eingesetzt wird, durch eine hohe Effizienz aus.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen des thermoelektrischen Moduls ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den 1A bis 9C beschriebenen Ausführungsformen.
Es zeigen:
Figuren 1A bis 1D und 2A bis 2D schematische Ansichten von Thermistorelementen gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen,
3A bis 3C schematische Ansichten eines Befestigungselements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
4A bis 4C schematische Ansichten eines thermoelektrischen Moduls gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
5A bis 5F schematische Ansichten einzelner Prozessschritte beim Zusammenbau des thermoelektrischen Moduls gemäß dem Ausführungsbeispiel der 4A bis 4C,
6A bis 6C schematische Ansichten eines thermoelektrischen Moduls gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, und
7A bis 7C schematische Schnittzeichnungen des thermoelektrischen Moduls gemäß dem Ausführungsbeispiel der 6A bis 6C.
In den 1A bis 1D ist ein Thermistorelement 3 gemäß einem Ausführungsbeispiel in einer schematischen Darstellung gezeigt. Das Thermistorelement 3, das im gezeigten Ausführungsbeispiel als PTC-Element ausgeführt ist und eine Funktionskeramik auf Basis von BaTiO₃ aufweist, weist eine Keilform mit einem schmalen Ende 34 und einem breiten Ende 35 auf. Vom schmalen Ende 34 zum breiten Ende 35 erstreckt sich eine Keilfläche 33 sowie eine Mantelfläche 32, die das schmale und das breite Ende 34, 35 miteinander verbinden. Die Grundform des Thermistorelements 3 kann beispielsweise gedanklich durch einen diagonalen Schnitt durch die Längsache eines der Thermistorelementform zugrunde liegenden Zylinders gegeben sein. Dabei geht die Mantelfläche 32 des Thermistorelements 3 aus einem Teilbereich der Mantelfläche des Zylinders hervor. Die Keilfläche 33 entspricht der Schnittfläche beim Schnitt durch den Zylinder.
Zur Kontaktierung des Thermistorelements 3 kann dieses auf der Mantelfläche 32 eine Metallisierung aufweisen. Weiterhin weist die Keilfläche 33 im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Kontaktnut 31 auf, die auch metallisiert sein kann und die sich rinnenförmig vom breiten Ende 35 zum schmalen Ende 34 erstreckt. Alternativ dazu kann das Thermistorelement 3 auch ohne rinnenförmige Kontaktnut 31 oder mit einer andersartig geformten Kontaktnut ausgeführt sein. Die Funktion der Kontaktnut 31 wird weiter unten noch näher erläutert.
Die Pfeile 14 bis 16 zeigen jeweils verschiedene Blickrichtungen auf das Thermistorelement 3 in 1A, wobei die daraus resultierenden Ansichten des Thermistorelements 3 in den 1B bis 1D dargestellt sind. Insbesondere ist in 1B eine seitliche Ansicht aus der Blickrichtung 16 auf die Mantelfläche 32 des Thermistorelements 3 gezeigt. 1C zeigt aus der Blickrichtung 15 eine Ansicht auf das breite Ende 35 und 1D aus der Blickrichtung 14 eine Ansicht auf das schmale Ende 34 des keilförmigen Thermistorelements 3.
Alternativ zum kreisrunden Querschnitt des dem Thermistorelement zugrunde liegenden Zylinders kann dieser beispielsweise auch eine ovale, elliptische oder mehreckige Form oder eine Kombination daraus aufweisen.
In den 2A bis 2D sind schematische Ansichten eines Thermistorelements 3 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt. Das Thermistorelement 3 ist wie im vorangegangenen Ausführungsbeispiel als PTC-Element ausgeführt und weist wiederum ein schmales Ende 34 und ein breites Ende 35 sowie eine das schmale und das breite Ende 34, 35 verbindende Mantelfläche 32 auf.
Des Weiteren weist das Thermistorelement 3 eine Rinne beziehungsweise rinnenförmige Keilfläche 33 auf, die sich vom breiten Ende 35 zum schmalen Ende 34 erstreckt. Die rinnenförmige Keilfläche 33 kann gleichzeitig eine Kontaktnut 31 bilden, die vorzugsweise metallisiert sein kann und deren Funktionsweise weiter unten beschrieben wird.
Die Grundform des Thermistorelements 3 entspricht einem zylinderförmigen Körper, der eine keilförmige Ausnehmung zur Bildung der rinnenförmigen Keilfläche 33 aufweist. Die dem Thermistorelement 3 der 2A bis 2D zugrunde liegende Zylinderform kann alternativ zum gezeigten kreisrunden Querschnitt auch eine ovale, elliptische oder mehreckige Form oder eine Kombination daraus aufweisen. Die Mantelfläche 32 kann zur besseren Kontaktierung auch metallisiert sein.
Weiterhin weist das Thermistorelement 3 am breiten Ende 35 eine runde Außenform beziehungsweise Außenfläche auf. Die runde Außenform kann insbesondere an eine entsprechende runde Innenform einer Hülse angepasst sein, wie beispielsweise in Verbindung mit den Ausführungsbeispielen in den 4A bis 5F und insbesondere in 4C gezeigt ist. Dadurch kann die Kontaktfläche zwischen dem Thermistorelement 3 und einer solchen Hülse vergrößert werden.
Die Pfeile 14 und 15 stellen Blickrichtungen auf das schmale Ende 34 beziehungsweise breite Ende 35 des Thermistorelements 3 dar und das Bezugszeichen 19 bezeichnet eine Schnittebene durch das Thermistorelement 3 quer zur Haupterstreckungsrichtung der rinnenförmigen Keilfläche 33.
2B zeigt eine Ansicht aus Blickrichtung 14 auf das breite Ende 35 des Thermistorelements 3, 2D zeigt eine Ansicht aus Blickrichtung 15 auf das schmale Ende 34 des Thermistorelements 3, und 2C zeigt eine Schnittansicht entlang der Schnittebene 19 durch das Thermistorelement 3. Wie aus den 2A bis 2D erkennbar ist, flacht die Keilfläche 33 des Thermistorelements 3 vom breiten Ende 35 zum schmalen Ende 34 hin ab.
3A zeigt eine schematische Ansicht eines Befestigungselements 4 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, wobei das Befestigungselement 4 rein beispielhaft elektrisch isolierend ausgeführt ist und einen thermoplastischen Kunststoff aufweist. Alternativ dazu kann das Befestigungselement 4 auch elektrische und/oder thermoelektrische Eigenschaften aufweisen und dazu ein entsprechendes elektrisch leitendes und/oder thermoelektrisches Material aufweisen oder daraus sein.
Das Befestigungselement 4 ist zumindest teilweise keilförmig ausgebildet. Das Befestigungselement 4 weist insbesondere eine Keilfläche 43 und eine Mantelfläche 42, die ein schmales Ende 44 mit einem breiten Ende 45 des keilförmigen Bereichs des Befestigungselements 4 verbinden, auf.
Vorzugsweise ist das Befestigungselement hinsichtlich seiner äußeren Form derart ausgebildet, dass es mit seiner Keilfläche 43 formschlüssig an die Keilfläche eines Thermistorelements 3 angeordnet werden kann.
Die Bezugszeichen 17 und 18 stellen eine Blickrichtung auf das schmale Ende 44 und eine Schnittebene durch das Befestigungselement 4 am breiten Ende 45 des keilförmigen Bereichs dar. Die entsprechenden Ansichten des Befestigungselements 4 sind in den 3B beziehungsweise 3C gezeigt.
In den 4A bis 4C ist ein thermoelektrisches Modul 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt. Das thermoelektrische Modul 1 kann hier und im Folgenden auch als Heizmodul oder als Heizlanzenmodul bezeichnet werden.
4A zeigt das thermoelektrische Modul 1 in einer Explosionsdarstellung. Das thermoelektrische Modul 1 weist eine Hülse 2 auf, die als Metallhülse ausgebildet ist und bevorzugt einen nichtrostenden Stahl beziehungsweise einen Edelstahl aufweist oder daraus ist. Rein beispielhaft weist die Metallhülse 2 im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Länge von 60,2 mm auf.
Weiterhin weist das thermoelektrische Modul 1 ein Thermistorelement 3 auf, das rein beispielhaft wie das im Zusammenhang mit den 2A bis 2D beschriebene Thermistorelement ausgeführt ist, sowie ein Befestigungselement 4, das zumindest teilweise wie das im Zusammenhang mit den 3A bis 3C beschriebene Befestigungselement ausgeführt sein kann. Im Unterschied zu dem in den 3A bis 3C gezeigten Befestigungselement ist das Befestigungselement 4 hier zweiteilig ausgebildet und umfasst somit zwei Einzelteile 401, 402. Die Einzelteile 401, 402 des Befestigungselements 4 weisen jeweils einen keilförmigen Bereich auf, der an die Form der rinnenförmigen Keilfläche 33 des Thermistorelements 3 angepasst ist. Die rinnenförmige Keilfläche 33 des Thermistorelements 3 ist derart ausgebildet, dass sich das Thermistorelement 3 und die Einzelteile 401, 402 des Befestigungselements 4 mit ihren keilförmigen Teilen nach einem Einsetzen in die Metallhülse 2 verklemmen können.
Die Einzelteile 401, 402 des Befestigungselements 4 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem thermoplastischen Kunststoff, zum Beispiel aus Polybutylenterephthalat (PBT), aus Polyamid (PA) oder aus einem Flüssigkristallpolymer (liquid crystal polymer, LCP).
Des Weiteren weist das thermoelektrische Modul 1 ein Kontaktelement 5 aus einem nichtrostenden Stahl auf, das als Kontaktstreifen ausgeführt ist. Alternativ kann das Kontaktelement 5 auch aus Kupfer oder Aluminium sein oder zumindest eines der genannten Materialien aufweisen. Die als metallisierte Kontaktnut 31 ausgebildete rinnenförmige Keilfläche 33 des Thermistorelements 3 dient der Kontaktierung mit dem Kontaktelement 5. Zur externen Kontaktierung außerhalb der Hülse 2 weist das Kontaktelement 5 eine Anschlussfahne 51 auf.
Wie weiter unten im Zusammenhang mit den 5A bis 5F beschrieben ist, werden beim Zusammenbau des thermoelektrischen Moduls 1 das Befestigungselement 4 und das Kontaktelement 5 derart zusammengefügt, dass das Kontaktelement 5 zumindest teilweise von den Einzelteilen 401, 402 des Befestigungselement 4 umschlossen wird. Nach dem Einsetzen des Thermistorelements 3 und des das Kontaktelement 5 einschließenden Befestigungselements 4 in die Metallhülse 2 wird das thermoelektrische Modul 1 mit einem Verschlusselement 6, beispielsweise ein Klebstoff oder eine einen Klebstoff aufweisende Plombe, verschlossen und abgedichtet. Das Verschlusselement 6 kann dazu, wie in den 4A und 4C zu erkennen ist, eine Öffnung in Form eines Schlitzes aufweisen, durch den das Kontaktelement 5 hindurchragen kann. Die Öffnung im Verschlusselement 6 kann bereits vor dem Zusammenbau vorhanden sein oder durch das Einsetzen in die Hülse 2 gebildet werden.
Die 4B und 4C zeigen das thermoelektrische Modul 1 aus 4A in zusammengesetzter Form, wobei 4C eine Schnittdarstellung des thermoelektrischen Moduls 1 zeigt, so dass die Anordnung des Thermistorelements 3, des Befestigungselement 4 und des Kontaktelements 5 in der Hülse 2 zu erkennen ist.
Das Thermistorelement 3 kann an der Keilfläche 33 mittels des über die Metallhülse 2 hinausragenden Kontaktelements 5 kontaktiert werden.
Der Außenkontakt des thermoelektrischen Moduls 1 erfolgt im gezeigten Ausführungsbeispiel über die Metallhülse 2 und die an die Innenseite der Metallhülse 2 angepresste metallisierte äußere Mantelfläche 32 des Thermistorelements 3.
Alternativ dazu kann beispielsweise auch zumindest ein Außenkontaktelement zwischen der Hülse 2 und dem Thermistorelement 3 eingeklemmt sein, über das die Mantelfläche 32 des Thermistorelements 3 kontaktiert werden kann. Dies kann insbesondere im Falle einer elektrisch isolierenden Hülse oder einer potentialfrei angeordneten Hülse, wie oben im allgemeinen Teil beschrieben ist, vorteilhaft sein.
Das das Kontaktelement 5 einschließende, zumindest teilweise keilförmige Befestigungselement 4 und das zumindest teilweise keilförmige Thermistorelement 3 sind gegeneinander gerichtet in der Hülse 2 miteinander verklemmt. Dadurch kann erreicht werden, dass das Befestigungselement 4 und das Thermistorelement 3 jeweils an Teile der Innenseite der Hülse 2 gedrückt werden.
Durch die formschlüssige Verbindung des Thermistorelements 3 und der Hülse 2 kann beispielsweise eine Heizanordnung in einer tiefgezogenen Metallhülse realisiert werden, bei der Wärmeübergangsverluste vermieden werden können.
In den 5A bis 5F ist ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung des thermoelektrischen Moduls 1 aus den 4A bis 4C dargestellt.
5A zeigt einen ersten Verfahrensschritt beim Zusammenbau des thermoelektrischen Moduls 1. Dabei wird das Thermistorelement 3 in die bereitgestellte Hülse 2 eingesetzt, wobei das breite Ende 35 des Thermistorelements 3 zum verschlossenen Ende der Hülse 2 gerichtet ist. Der Pfeil 10 stellt die Richtung dar, entlang derer die das Thermistorelement 3 in die Hülse 2 eingeführt wird. Zum Einführen des Thermistorelements 3 in die Metallhülse 2 kann beispielsweise eine Ausricht-Vorrichtung verwendet werden. Nach dem Einsetzen in die Hülse 2 liegt das Thermistorelement 3 am geschlossenen Ende der Hülse an.
In 5B ist ein weiterer Verfahrensschritt dargestellt, bei dem die Einzelteile 401, 402 des Befestigungselements 4 vormontiert werden. Hierbei werden die zwei Plastik aufweisende Einzelteile 401 und 402, die auch als linksseitiges Befestigungsteil 401 und rechtsseitiges Befestigungsteil 402 bezeichnet werden können und die nach dem Zusammenfügen ein Verbundbefestigungselement bilden, derart miteinander verbunden, dass sie das Kontaktelement 5 zumindest teilweise einschließen. Die Einzelteile 401 und 402 weisen jeweils eine Nut auf, in der das Kontaktelement 5 bis zum keilförmigen Bereich der Einzelteile 401 und 402 verläuft. Im keilförmigen Bereich der Einzelteile 401 und 402 verläuft das Kontaktelement offen liegend entlang der Keilfläche. Das Zusammenfügen der beiden Einzelteile 401, 402 wird mittels der Pfeile 11 verdeutlicht. Das das Kontaktelement 5 zumindest teilweise einschließende Verbundbefestigungselement 4 weist nach dem Zusammenfügen die oben beschriebene Keilform auf.
In einem nächsten Verfahrensschritt, der in 5C gezeigt ist, wird das Befestigungselement 4 zusammen mit dem Kontaktelement 5 in die Metallhülse 2 eingeführt. Dazu kann wiederum eine Ausricht-Vorrichtung verwendet werden. Der Pfeil 12 stellt die Einführrichtung dar. Die Keilform des das Kontaktelement 5 zumindest teilweise einschließenden Befestigungselements 4 ist der Keilform des Thermistorelements 3 entgegen gerichtet, indem das Befestigungselement 4 mit dem schmalen Ende 44 in Richtung des verschlossenen Endes der Hülse 2 auf das Thermistorelement 3 aufgeschoben wird.
Anschließend werden das Befestigungselement 4 und das Kontaktelement 5, wie in 5D gezeigt ist, zur Befestigung und zur Verklemmung mit dem Thermistorelement 3 gegen das Thermistorelement 3 gedrückt. Die angewandte Kraft beziehungsweise der angewandte Druck 13 sorgt für eine Klemmkraft, die einen elektrischen und thermischen Kontakt sowohl zwischen dem Thermistorelement 3 und der Metallhülse 2 als auch zwischen dem Thermistorelement 3 und dem Kontaktelement 5 gewährleistet.
5E zeigt das thermoelektrische Modul 1 nach Durchführung der Verfahrensschritte 5A bis 5D mit Blickrichtung auf die Öffnung der Hülse 2.
Zum Verschließen des thermoelektrischen Moduls 1 wird, wie in 5F gezeigt ist, ein Verschlusselement 6, beispielsweise gebildet durch einen Klebstoff wie etwa einen aushärtenden Klebstoff, in die ringförmige Öffnung der Metallhülse 2 auf das Ende des Befestigungselements 4 und zwischen das Kontaktelement 5 und die Metallhülse 2 eingeführt. Dadurch wird gewährleistet, dass das thermoelektrische Modul 1 dauerhaft verschlossen und abgedichtet wird.
In den 6A bis 6C ist ein thermoelektrisches Modul 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt, wobei 6A das thermoelektrische Modul 1 in einer Explosionsdarstellung und 6B das thermoelektrische Modul 1 in einer Schnittdarstellung zeigt.
Das Befestigungselement 4 des thermoelektrischen Moduls 1 ist hier als weiteres Thermistorelement in Form eines PTC-Elements ausgeführt. Das thermoelektrisches Modul 1 weist somit zwei keilförmige Thermistorelemente 3, 4 auf, die jeweils wie das im Zusammenhang mit den Figuren 1A bis 1D beschriebene Thermistorelement ausgeführt sind. Die Thermistorelemente 3, 4 sind in einer Metallhülse 2 angeordnet. Zwischen den beiden Thermistorelementen 3, 4 ist ein Kontaktelement 5 angeordnet, wobei die Thermistorelemente 3, 4 innerhalb der Metallhülse 2 das Kontaktelement 5 einschließen.
Des Weiteren weist das Kontaktelement 5 eine Anschlussfahne 51 auf, über die das Kontaktelement 5 und damit die Thermistorelemente 3, 4 an deren jeweiliger Keilfläche kontaktiert werden können.
Die zwei keilförmigen Thermistorelemente 3, 4 sind in der Hülse 2 gegeneinander gerichtet angeordnet. Sie sind insbesondere gegeneinander gerichtet in der Hülse 2 so miteinander verklemmt, dass sie jeweils mit ihrer Mantelfläche an die Innenseite der Hülse 2 gedrückt werden und so eine formschlüssige Anbindung an die Hülse 2 erfolgt. Durch die formschlüssige Anbindung der Thermistorelemente 3, 4 an die Hülse 2 kann beispielsweise eine Heizanordnung in zum Beispiel einer tiefgezogenen Metallhülse realisiert werden, bei der Wärmeübergangsverluste vermieden werden können, da ein optimaler Wärmeübergang zwischen den Thermistorelementen 3, 4 und der Metallhülse 2 erreicht werden kann.
6C zeigt eine schematische Ansicht des thermoelektrischen Moduls 1 aus 5 in einer Aufsicht auf eine Oberseite der Hülse 2, die zur Kontaktierung des Moduls 1 vorgesehen ist. Das Kontaktelement 5, welches als streifenförmiges Kontaktelement ausgeführt ist, ragt auf dieser Seite der Metallhülse 2 über die Hülse 2 hinaus. Im Inneren der Hülse 2 wird das Kontaktelement 5 hingegen von den zwei keilförmigen Thermistorelementen 3, 4 eingeschlossen. Die metallisierte Kontaktnut 31 der Thermistorelemente 3, 4 dient jeweils zur Kontaktierung mit dem Kontaktelement 5. Die Kontaktnut 31 weist jeweils eine Tiefe auf, die geringer ist als die halbe Dicke des darin eingeklemmten Kontaktelements 5. Dadurch wird erreicht, dass beim Verklemmen der PTC-Elemente 3, 4 in der Hülse 2 das Kontaktelement 5 zwischen den PTC-Elementen 3, 4 eingepresst ist.
Der Außenkontakt über die Mantelflächen der Thermistorelemente 3, 4 erfolgt über die Metallhülse 2 und insbesondere über die an die Innenseite der Metallhülse 2 jeweils angepresste metallisierte äußere Mantelflächen der Thermistorelemente 3, 4.
Alternativ dazu kann beispielsweise auch zumindest ein Außenkontaktelement zwischen der Hülse 2 und zumindest einem und vorzugsweise beiden Thermistorelementen 3, 4 eingeklemmt sein, über das die Mantelflächen der Thermistorelemente 3, 4 kontaktiert werden können. Dies kann insbesondere im Falle einer elektrisch isolierenden Hülse oder einer potentialfrei angeordneten Hülse wie oben im allgemeinen Teil beschrieben vorteilhaft sein.
Die 7A bis 7C zeigen schematische Schnittzeichnungen und eine Außenansicht des thermoelektrischen Moduls 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 6A bis 6C aus verschiedenen Richtungen. Dabei sind rein beispielhaft Bemaßungen für ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel gezeigt, das bereits als Prototyp getestet wurde.
Die in den Figuren gezeigten thermoelektrischen Module 1 können insbesondere als Heizpatronen zur Erwärmung von Medien dienen, die das thermoelektrische Modul 1 umgeben.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: thermoelektrisches Modul
2: Hülse
3: Thermistorelement
31: Kontaktnut
32, 42: Mantelfläche
33, 43: Keilfläche
34, 44: schmales Ende
35, 45: breites Ende
4: Befestigungselement
401, 402: Einzelteil
5: Kontaktelement
51: Anschlussfahne
6: Verschlusselement
10 bis 17: Richtung
18, 19: Schnittebene

Claims

Thermoelektrisches Modul (1), aufweisend – eine Hülse (2), – ein zumindest teilweise keilförmiges Thermistorelement (3) und – ein zumindest teilweise keilförmiges Befestigungselement (4), wobei das Thermistorelement (3) mit dem Befestigungselement (4) in der Hülse (2) derart verklemmt ist, dass eine formschlüssige Anbindung des Thermistorelements (3) an die Hülse (2) erfolgt.
Thermoelektrisches Modul (1) nach Anspruch 1, bei dem das Befestigungselement (4) elektrisch isolierend ist.
Thermoelektrisches Modul (1) nach Anspruch 2, bei dem das Befestigungselement (4) einen thermoplastischen Kunststoff, wie zum Beispiel Polybutylenterephthalat, Polyamid oder Flüssigkristallpolymer aufweist.
Thermoelektrisches Modul (1) nach Anspruch 1, bei dem das Befestigungselement (4) elektrische und/oder thermoelektrische Eigenschaften aufweist.
Thermoelektrisches Modul (1) nach Anspruch 4, bei dem das Befestigungselement (4) als weiteres Thermistorelement ausgeführt ist.
Thermoelektrisches Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Befestigungselement (4) mehrere Einzelteile (401, 402) aufweist und jedes der Einzelteile (401, 402) zumindest teilweise eine Keilform aufweist.
Thermoelektrisches Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Kontaktelement (5) zwischen dem Thermistorelement (3) und dem Befestigungselement (4) angeordnet ist und aus der Hülse (2) herausragt.
Thermoelektrisches Modul (1) nach Anspruch 7, bei dem das Befestigungselement (4) mehrere Einzelteile (401, 402) aufweist und das Kontaktelement (5) zwischen zwei Einzelteilen (401, 402) des Befestigungselements (4) angeordnet ist.
Thermoelektrisches Modul (1) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei dem das Thermistorelement (3) eine Kontaktnut (31) aufweist, in der das Kontaktelement (5) zumindest teilweise angeordnet ist.
Thermoelektrisches Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Thermistorelement (3) an einer der Hülse (2) zugewandten Seite eine metallisierte Mantelfläche (32) aufweist.
Thermoelektrisches Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Hülse (2) elektrisch leitend ausgeführt ist und eine elektrische Kontaktierung des Thermistorelements (3) mittels der Hülse (2) erfolgt.
Thermoelektrisches Modul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem zwischen dem Thermistorelement (3) und der Hülse (2) eine einseitig mit Metall beschichtete, nichtleitende Folie angeordnet ist, wobei die Folie mit ihrer mit Metall beschichteten Seite dem Thermistorelement (3) zugewandt ist.
Thermoelektrisches Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Thermistorelement (3) eine der Hülse (2) zugewandte Mantelfläche (32) aufweist und zwischen der Hülse (2) und der Mantelfläche (32) ein elektrisches Kontaktierelement angeordnet ist, das teilweise aus der Hülse (2) herausragt.
Thermoelektrisches Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Thermistorelement (3) und der Hülse (2) eine thermische Leitpaste angeordnet ist.
Verwendung des thermoelektrischen Moduls (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 als Heizpatrone zur Erwärmung eines das thermoelektrische Modul (1) umgebenden Mediums.