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Die Erfindung betrifft thermoelektrische Module, die mit elektrisch in Reihe verschalteten Bausteinen aus thermoelektrisch aktiven Materialien (Thermoelektrika) gebildet sind. Die Thermoelektrika zeichnen sich dadurch aus, dass die drei Eigenschaften elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie Thermokraft (Seebeck-Koeffizient) in einer für die thermoelektrische Effizienz günstigen Relation vorhanden sind. Die thermoelektrische Effizienz wird mit dem dimensionslosen ZT-Wert beschrieben, der sich aus der Formel ZT = S2·σ/κ·Tm (S-Seebeck-Koeffizient, α-elektrische Leitfähigkeit, κ-thermische Leitfähigkeit, Tm-mittlere Temperatur an einem Thermoschenkel) errechnet und für eine technisch verwertbare Effizienz > 1 sein sollte. Um eine technisch verwertbare elektrische Spannung mit einem thermoelektrischen Generator zu erzeugen, ist es vorteilhaft mit geeigneter elektrischer Verbindung ein Modul auch nur aus n- oder p-leitenden Schenkeln aufzubauen, so dass p- und n-leitende Schenkel miteinander kombiniert werden und ein möglichst hoher Temperaturgradient an den thermoelektrischen Schenkeln anliegt, denn die Höhe der erreichbaren thermoelektrische Spannung ergibt sich aus Uth = S·ΔT. Aus den genannten thermoelektrischen Erfordernisse ergeben sich eine Reihe von thermomechanischen Anforderungen. Es ist nicht bei allen thermoelektrischen Materialien möglich p-leitende und n-leitende Werkstoffe durch unterschiedliche Dotierungen bereitzustellen. Einige Werkstoffe sind entweder nur n-leitend (z. B. Titansuboxid) oder nur p-leitend (z. B. Borcarbid). Solche Werkstoffe können zahlreiche Vorteile gegenüber anderen thermoelektrischen Materialien besitzen, wie z. B. hohe Temperaturbeständigkeit, hohe Verfügbarkeit, niedrige Produktionskosten. Um p- und n-leitende Materialien nutzen zu können, müssen beim Aufbau eines thermoelektrischen Generators/Moduls unterschiedliche Werkstoffe/Materialien verwendet werden. Solche Werkstoffe weisen aber unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten auf (z. B. TiOx α = 9·10–6K–1 und BxC α = 4·10–611–1). Da diese Werkstoffe gemeinsam in einem thermoelektrischen Modul/Generator eingesetzt werden und gemeinsam erwärmt werden, kommt es zu unterschiedlichen Längenausdehnungen bei Veränderung der Temperatur, was zur Zerstörung der elektrischen Verbindungen oder zum Bruch der als Generatorbasis dienenden Substrate führen kann.
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Weiterhin ist es erforderlich, zur Generierung einer thermoelektrischen Spannung eine möglichst große Temperaturdifferenz an den beiden Schenkeln zu erreichen. Die Temperaturdifferenz führt dazu, dass sich der n- und p-leitende Thermoschenkel über die Länge unterschiedlich stark ausdehnen und daher an den Verbindungspositionen zum Substrat unterschiedliche Dehnungen auftreten, die zu mechanischen Spannungen führen. Ebenso dehnen sich die Substratplatten auf der kalten und warmen Seite des Moduls/Generators unterschiedlich stark aus, so dass die Schenkel aufgrund dieser unterschiedlichen Substratdehnung mechanisch beansprucht werden. Aus diesen Gründen ist es erforderlich folgende Maßnahmen zu ergreifen:
- 1. die n- und p-leitenden Schenkelwerkstoffe sollten möglichst gleiche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen
- 2. Schenkelwerkstoffe und Substratwerkstoffe sollten möglichst gleiche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen
- 3. der Temperaturgradient im Generator sollte möglichst klein bleiben
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Diese drei Forderungen sind nicht immer gleichzeitig umsetzbar. So steht die Anforderung 3. der Anforderung nach einem hohen Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung entgegen, was natürlich kontraproduktiv ist.
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Bei bisher bekannten technischen Lösungen wurde versucht, die oben genannten Maßnahmen weitgehend einzuhalten. Hinsichtlich der Werkstoffe ist dieses in der Regel aber nicht möglich, da thermoelektrische Werkstoffe mit einem hohen ZT-Wert nur in geringer Zahl vorhanden sind, so dass es hier nur wenige Optionen gibt.
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Die Substratmaterialien sind üblicherweise entweder Keramiken (
WO 2008/127017 A1 ,
JP 2005340559 A ) oder Kunststoffe (
US 2011/0030754 A1 ,
JP 2009267316 A ). Metalle sind nicht geeignet, da sie im direkten Kontakt mit den thermoelektrischen Werkstoffen den Generator elektrisch kurz schließen würden. Elektrisch isolierende Schichten können auf Metallen aufgebracht werden (
KR 2008089926 A ) würden dann allerdings prinzipiell wieder zu den keramik- bzw. kunststoffspezifischen Problemen führen. Kunststoffe lassen lediglich maximale Anwendungstemperaturen von 250°C–300°C zu und sind in den meisten Fällen thermisch isolierend. Hier gibt es nur wenige Lösungen, wie z. B. Kapton-Substrate (
US 6,096,964 B1 ), die über eine ausreichende Temperaturbeständigkeit und thermische Leitfähigkeit verfügen. Keramiken sind zwar bei hohen Temperaturen einsetzbar und bieten auch eine ausreichend hohe thermische Leitfähigkeit in Verbindung mit elektrischer Isolation. Sie sind allerdings spröde und besitzen hohe E-Module. Deshalb sind sie beim Auftreten von thermomechanischen Spannungen bruchanfällig und können bei zu hohen Temperaturgradienten keine Stabilität für die thermoelektrischen Module bieten. Sie sind nicht in der Lage Dehnungsunterschiede in thermoelektrischen Werkstoffen/Materialien bedingt durch den Temperaturgradienten oder durch unterschiedliche Werkstoffe auszugleichen.
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Um diese Bruchanfälligkeit zu kompensieren, können metallische Gleitschichten auf die Keramiken aufgebracht werden (
WO 2008/053736 A1 ,
WO 2007/105510 A1 ). Deren Wirksamkeit ist allerdings limitiert und nicht geeignet eine Langzeitstabilität zu gewährleisten.
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Der Verzicht auf eine feste stoffliche Anbindung zwischen den n- und p-leitenden Schenkeln und den Substraten und der Verbund über elektrische Kontakte bei den n- und p-leitenden Schenkeln ermöglicht eine hohe Flexibilität eines thermoelektrischen Moduls/Generators (
JP 2009043752 A ). Diese Lösung verringert allerdings die wünschenswerte thermische Anbindung der thermoelektrischen Werkstoffe an die Wärmeüberträge des Moduls/Generators und führt zu mechanischen Instabilitäten und zur Störanfälligkeit des elektrischen Stromkreises. Auch die Verwendung von extrem dünnen Substraten kann die Störanfälligkeit solcher Konstruktionen nicht überwinden. Lediglich die Flexibilität der Module kann soweit gesteigert werden, dass auch gekrümmte Oberflächen mit dem Modul besetzt werden können (
US 6,410,971 B1 ).
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Zur Verstärkung eines Moduls bei Temperaturwechselbelastungen wurden anstelle von thermoelektrischen Werkstoffen, Werkstoffe mit höherer Festigkeit in ein Modul eingebaut (
JP 2004235367 A ). Nachteilig ist es dabei, dass der Bauraum im Modul nicht vollständig von thermoelektrischen Werkstoffen besetzt bzw. ausgenutzt werden kann, so dass der Wirkungsgrad solcher Module kleiner wird. Die Verwendung von Keramiksubstraten mit höherer Festigkeit, wie Si
3N
4-Substrate, ist zwar prinzipiell günstiger für die Beständigkeit der Module (
US 2002/0164475 A1 ,
JP 2002252379 A ) löst allerdings die Problematik nicht vollständig, da in diesem Fall die thermoelektrischen Werkstoffe als erste Komponente versagen werden.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung thermoelektrische Module zur Verfügung zu stellen, die großen Temperaturdifferenzen, mit erhöhtem Wirkungsgrad bei erhöhter Lebendsauer und Zuverlässigkeit einsetzbar sind.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem thermoelektrischen Modul, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
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Ein erfindungsgemäßes thermoelektrisches Modul ist mit mehreren thermoelektrischen Elementen, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, ausgebildet. Dabei werden die thermoelektrischen Elemente mit mindestens einem Substrat verbunden und zusammengehalten. Das Substrat ist dabei aus stoffschlüssig miteinander verbundenen Metallfasern oder dünnen Metalldrähten gebildet. Bei einer stoffschlüssigen Verbindung sollten die Metallfasern oder Drähte miteinander versintert sein. Dabei sollen lediglich punktuelle Verbindungen zwischen nebeneinander angeordneten Fasern oder Drähten mittels Sinterbrücken hergestellt sein. Dadurch bleiben Hohl- oder Freiräume in einer entsprechend ausgebildeten Netzwerkstruktur, die eine elastische Verformung eines solchen Substrates zulassen.
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Der Anteil an Hohlräumen bzw. die Porosität kann bei der Auswahl eines bei der Erfindung einsetzbaren Substrats berücksichtigt werden. Dabei kann die gewünschte Wärmeleitfähigkeit, die oberhalb 10 W/mK, bevorzugt oberhalb 20 W/mK liegen sollte, in Verbindung mit der gewünschten Verformbarkeit, bei den infolge unterschiedlicher thermischer Ausdehnungen auftretenden mechanischen Spannungen, berücksichtigt werden. Ein Substrat kann eine Porosität im Bereich von 70% bis 90% und mittlere Porengrößen im Bereich 10 μm bis 1000 μm aufweisen.
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Um die thermomechanischen Probleme beim Aufbau eines thermoelektrischen Moduls zu lösen und gleichzeitig einen hohen thermoelektrischen Wirkungsgrad zu ermöglichen, sollten die Substrate so verändert werden, dass sie thermomechanische Spannungen kompensieren und dabei gleichzeitig hochtemperaturbeständig und gut wärmeleitfähig sind. Die genannten Merkmale der Substrate können gleichzeitig realisiert werden, indem aus Metallfasern oder dünnen Metalldrähten gebildete Elemente als Substrate für thermoelektrische Module eingesetzt werden. Die Metallfasern oder Metalldrähte sind dabei stoffschlüssig miteinander verbunden. Besonders vorteilhaft sind miteinander versinterte Metallfasern. Die Metalle können nach den jeweiligen Einsatzbedingungen ausgewählt werden. Dabei können die auftretenden Temperaturen, die Umgebungsatmosphäre oder ein Medium, das in Kontakt mit dem Metall kommt, berücksichtigt werden. Außerdem besteht die Möglichkeit eine Optimierung durchzuführen, wobei die Verformbarkeit infolge unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten und die Wärmeleitfähigkeit des Substrats, besonders vorteilhaft auch richtungsabhängig berücksichtigt werden können.
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Hierzu können die Metallfasern oder dünnen Metalldrähte zumindest überwiegend in mehreren parallel zueinander ausgerichteten Ebenen so angeordnet und entsprechend ausgerichtet sein, so dass sich eine anisotrope thermische und elektrische Leitfähigkeit ausnutzen lässt. Dabei kann eine erhöhte Temperaturdifferenz zwischen der warmen und der kalten Seite des Moduls eingehalten werden.
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Aus Metallfasern oder Drähten gebildete Elemente, die z. B. Platten oder streifenförmige Elemente sein können, verfügen über eine ausreichend hohe Wärmeleitfähigkeit, da sie inhärent ein Netzwerk aus Metallfasern oder Drähten enthalten. Dieses Netzwerk kann bei geeigneter Werkstoffwahl und geeigneter Netzwerkstruktur eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit erreichen. Gleichzeitig sind solche Netzwerke in der Lage, sich beim Wirken mechanischer Spannungen lokal elastisch zu verformen, so dass die äußere geometrische Form und Dimensionierung eines mit Metallfasern oder dünnen Drähten gebildeten Elements unverändert bleiben kann und Verformungen lediglich in Bereichen, in denen mechanische Spannungen infolge unterschiedlicher thermischer Ausdehnung auftreten, erfolgen. Die auftretenden thermomechanischen Spannungen werden dadurch lokal innerhalb eines so ausgebildeten Substrats abgebaut und haben keine Wirkung auf die mit dem Substrat verbundenen Baugruppen oder weiteren Elemente. Dadurch können unterschiedliche Dehnungen der eingesetzten unterschiedlichen thermoelektrischen und anderer an einem Modul eingesetzten Werkstoffe über die Länge und über das Substrat lokal innerhalb des Substrats kompensiert werden, so dass das Gesamtmodul mechanisch stabil bleibt.
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Die generierten mechanischen Spannungen zwischen der kalten und warmen Seite des Moduls werden durch die beschriebene lokale Kompensation ebenfalls minimiert, so dass das Modul deutlich höhere Temperaturdifferenzen nutzen kann, ohne mechanisch beschädigt oder gar zerstört zu werden.
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Als Werkstoff für Metallfasern oder Metalldrähte können bevorzugt Eisen, Aluminium oder Kupfer bzw. Legierungen davon eingesetzt werden.
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Ein Substrat sollte an einem thermoelektrischen Werkstoff und/oder einem elektrischen Leiter zur elektrisch leitenden Verbindung von nebeneinander angeordneten thermoelektrischen Elementen zugewandten Seite eine dielektrische Oberflächenbeschichtung oder eine dielektrische Schicht aufweisen, die bevorzugt aus einem Oxid gebildet ist. Diese Beschichtung oder die dielektrische Schicht sollte bei Temperaturen von mindestens 400°C einsetzbar sein.
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Ein Substrat kann dabei an dieser Oberfläche zusätzlich oxidiert werden, um eine oxidische Beschichtung mit ausreichender Dicke an der Metalloberfläche auszubilden, die ausreichend elektrisch isolierend ist. Dadurch können Kurzschlüsse oder elektrische Leckströme vermieden werden. Die dielektrischen Schichten oder Elemente sollten möglichst dünn sein, um bei einer ausreichenden elektrischen Isolation auch eine gute thermische Leitfähigkeit einzuhalten.
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Die elektrische Isolation der miteinander verbundenen Metallfasern oder Drähte kann durch eine elektrisch isolierende Beschichtung gewährleistet werden. Diese Beschichtung kann als Mehrschichtaufbau aus thermisch beständigen Metall/Keramikschichten aufgebaut sein. Dadurch kann sicher gestellt werden, dass die elektrische Isolation zwischen Substrat und thermoelektrischen Werkstoffen vorhanden ist, dass mechanische Spannungen zwischen Substrat und thermoelektrischem Werkstoffen minimal gehalten und dass elektrische Verbindungen zwischen den n- und p-leitenden Einzelschenkeln des Moduls hergestellt werden können. Der Schichtaufbau erhöht die Zuverlässigkeit der elektrischen Verbindungen, indem er im unmittelbaren Bereich der elektrischen Kontakte Ausdehnungsunterschiede zwischen elektrischem Kontakt am jeweiligen thermoelektrischen Werkstoff und elektrischem Leiter sowie zwischen elektrischem Leiter und Substrat kompensiert bzw. minimiert. Hierzu können metallische und keramische Werkstoffe kombiniert werden, um thermische Ausdehnungskoeffizienten, elektrische Leitfähigkeit, Plastizität, Elastizität und E-Module aufeinander abstimmen zu können.
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An einem Substrat können die Metallfasern oder Metalldrähte zumindest überwiegend so miteinander verbunden und ausgerichtet sein, dass die thermische Leitfähigkeit von einer äußeren Oberfläche in Richtung der thermoelektrischen Elemente größer als in eine senkrecht dazu ausgerichtete Richtung ist. Allein oder zusätzlich dazu kann die Verformbarkeit in die senkrecht zu der von einer äußeren Oberfläche in Richtung thermoelektrischer Elemente ausgerichtete Richtung größer sein. Durch diese anisotropen Eigenschaften kann die Wärmeleitung von außen in Richtung thermoelektrischer Werkstoffe verbessert bzw. die mechanischen Spannungen die in Verbindungsbereichen des Substrats mit weiteren Elementen des thermoelektrischen Moduls, die als nebeneinander angeordnete thermoelektrische Elemente mit einem Substrat verbunden sind, auftreten kann, besser kompensiert werden.
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Ein Modul, das mit Metallfasern oder dünnen metallischen Drähten gebildeten Substraten und einem oder mehreren thermoelektrischen Werkstoff(en) gebildet ist, kann beispielsweise folgendermaßen aufgebaut sein:
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Metallfaserplatte als Modulsubstrat (z. B. Al-Faserplatte gesintert)
- 2
- Oxidschicht (Aluminiumoxid) zur elektrischen Isolation zwischen Substrat und elektrischem Kontakt
- 3
- thermisch-mechanische Anbindung (Aktivlot) zum Substrat
- 4
- elektrischer Leiter zum Verbinden von thermoelektrischen Schenkeln
- 5
- elektrische Kontaktierung auf dem thermoelektrischen Werkstoff
- 6
- thermoelektrischer Werkstoff (n- oder p-leitend)
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Das Modul kann spiegelbildlich zur anderen Seite aufgebaut sein und sich die unter den Punkten 1–5 beschriebenen Elemente wiederholen, wobei ein anderer entweder n- oder p-leitender thermoelektrischer Werkstoff zum Einsatz kommen kann. Es besteht auch die Möglichkeit, ein anderes Metall oder eine andere Metalllegierung für ein dort angeordnetes Substrat einzusetzen. Dadurch können beispielsweise andere Temperaturen und äußere Bedingungen an dieser Seite des Moduls berücksichtigt werden. Dies betrifft beispielsweise einen möglichen Korrosionsangriff, durch entsprechend korrosiv wirkende Medien, die nur an einer Seite des Moduls auftreten.
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Hinsichtlich des Schichtaufbaus für die Oxidschicht 2 (Aluminiumoxid) zur elektrischen Isolation zwischen Substrat und elektrischem Leiter zum thermoelektrischen Werkstoff 6 zur lokalen Spannungskompensation im Kontaktbereich können verschiedene zweckdienliche Varianten genutzt werden, die entsprechend der konkreten Werkstoffkombinationen im Modul gewählt werden können. Es kann beispielsweise ein mehrschichtiger Aufbau aus einer metallischen Schicht (z. B. Al-Folie) und der Oxidschicht 2 (Aluminiumoxid) zur elektrischen Isolation zwischen Substrat und elektrischem Leiter 1–4 realisiert werden.
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Die eingesetzten Werkstoffe können aufeinander abgestimmt werden. Als thermoelektrische Werkstoffe können etablierte thermoelektrische Werkstoffe, wie z. B. Bismuttellurid, Bleitellurid oder Si-Ge-Verbindungen, wie auch andere thermoelektrische Werkstoffe, z. B. Skutterudite, Chlatrate, keramische Thermoelektrika (Oxide, Nitride, Carbide, Boride) eingesetzt werden.
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Die Metalle für die Substrate können auch entsprechend der Einsatzbedingungen des Moduls gewählt werden. Dabei sollte die lokale Verformbarkeit der Substrate berücksichtigt werden. Dies kann durch das gewählte Metall, die Dicke und/oder Länge von Metallfasern oder dünnen Drähten und/oder die Art und Weise der gewählten Verbindung zwischen Metallfasern bzw. -drähten, sowie die Porosität oder den Anteil an Metall zu Umgebungsatmosphäre pro Volumeneinheit berücksichtigt werden.
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Bei der Erfindung ist der lokale Abbau von thermomechanischen Spannungen innerhalb der Metallfaser- bzw. Drahtstruktur des Substrats in Verbindung mit nach außen hoher mechanischer Stabilität des Gesamtmoduls gegenüber dem Stand der Technik besonders vorteilhaft. Die Gewährleistung von guter thermischer Ankopplung und Kompensation von Unterschieden thermomechanischer und chemischer Art bietet die Möglichkeit, langzeitstabile thermoelektrische Module für hohe Temperaturen bzw. Temperaturdifferenzen (> 400°C) aufzubauen. Mit diesen können höhere Wirkungsgrade realisiert werden. Es ist sowohl eine elektrische Nutzung, bei der Wärme in Elektroenergie umgewandelt werden kann, wie auch eine temperierende Nutzung zur Erwärmung oder Kühlung möglich.
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Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
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Dabei zeigt:
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1 in schematischer Schnittdarstellung einen Aufbau eines Beispiels eines erfindungsgemäßen thermoelektrischen Moduls.
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In 1 ist ein Beispiel eines erfindungsgemäßen thermoelektrischen Moduls gezeigt, bei dem mehrere thermoelektrische Elemente elektrisch in Reihe geschaltet und nebeneinander angeordnet sind. Bei diesem Beispiel ist das Modul an zwei gegenüberliegenden Seiten von jeweils einem Substrat 1 eingefasst. Die Substrate 1 sind aus miteinander versinterten Aluminiumfasern gebildet. Die Fasern haben dabei eine Länge von 10 mm und einen mittleren kreisäquivalenten Durchmesser von 200 μm. Das Substrat hat eine Porosität von 81,4%. Es ist in Form einer Platte mit den Abmessungen L·B·H (30 × 30 × 5 mm) ausgebildet und erreicht eine thermische Leitfähigkeit von 12 W/mK.
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Metallische Fasern aus einer Legierung bestehend aus 95 Masse-% Aluminium und 5 Masse-% Kupfer wurden mittels Schmelzextraktion zu Kurzfasern mit einer mittleren Länge von 6,8 mm und einem mittleren Äquivalenzdurchmesser von 133 μm hergestellt. Die Fasern wurden mittels Siebtrommel auf eine plane Unterlage geschüttet und unter Gewichtsauflage zu einer 10 mm dicken Platte mit einer Gesamtporosität von ca. 80% versintert. Aus dieser Platte wurden mittels Laserstrahl rechteckige streifenförmige Elemente mit einer Breite von 5 mm geschnitten. Das Substrat wird aus den um 90° um ihre Längsachse gedrehten Streifen aufgebaut, um niedrige Steifigkeiten in Längsrichtung der Faserstreifen bzw. Plattenebene sowie hohe thermische Leitfähigkeiten senkrecht dazu zu erhalten. Die Streifen werden nebeneinander angeordnet und auf der Ober- und Unterseite mit einer sehr dünnen (0,05 mm bis 0,1 mm) Aluminium-Folie versintert oder verlötet. Auf diese Folie kann eine nichtleitende, extrem dünne Keramikschicht 2 (Aluminiumoxid) aufgesputtert oder mit anderen Verfahren abgeschieden, welche die elektrische Isolierung gegenüber den thermoelektrischen Bauteilen darstellt. Hierauf werden die thermoelektrischen Bauteile montiert. Die Metallfasern sind in den Streifen so ausgerichtet, dass sie in zumindest nahezu gleicher Ausrichtung in mehreren parallel zueinander ausgerichteten Ebenen und darin wiederum ebenfalls zumindest überwiegend parallel zueinander ausgerichtet sind, so dass sie richtungsabhängige Eigenschaften aufweisen, was insbesondere die thermische Leitfähigkeit und Steifigkeit betrifft. Unter Berücksichtigung einer für die Anwendung günstigen thermischen Leitfähigkeit sollen sie in der Richtung ausgerichtet sein in der eine gute Wärmeleitung gewünscht wird, also in Richtung von Substratplatte zum Thermoschenkel auf der Warmseite und vom Thermoschenkel zum Substrat auf der Kaltseite.
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Damit kann zwischen den Substraten 1 und dem thermoelektrischen Werkstoff 6 eine möglichst verlustfreie thermische Leitung realisiert werden. Die Aluminiumoxidschicht 2 bildet einen elektrischen Isolator zwischen Substrat 1 und elektrischem Kontakts. Das so beschichtete Substrat 1 kann mit einem eine ausreichend hohe bzw. geeignete Schmelztemperatur aufweisenden Aktivlot 3 mit streifenförmigen Elementen, die aus den Metallfasern, die wie vorab beschrieben hergestellt worden sind, stoffschlüssig verbunden werden und dadurch eine sehr gute thermische Anbindung gewährleisten.
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Zwischen den Leitern 4 und dem die thermoelektrischen Elemente bildenden thermoelektrischen Werkstoff 6 sind elektrische Kontakte 5 ausgebildet, über die der thermoelektrische Werkstoff 6 mit den elektrischen Leitern 4 elektrisch leitend verbunden sind. Die elektrischen Leiter 4 sind aus einem metallisch leitenden Werkstoff, vorzugsweise Kupfer, Nickel oder Siliciden, die elektrischen Kontakte 5 sind aus einem metallischem Aktivlot, beispielsweise Silber/Kupfer/Titan gebildet. Als thermoelektrischer Werkstoff 6 wurde bei diesem Beispiel Titansuboxid als n-leitende Schenkel und Borcarbid als p-leitende Schenkel eingesetzt.
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Der beschriebene Aufbau wiederholt sich auf der Seite, die den aus thermoelektrischem Werkstoff 6 gebildeten Elementen gegenüberliegt, also an der kalten Seite des Moduls.
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Das thermoelektrische Modul wurde mit folgenden Parametern betrieben:
Warmseite: 500°C
Kaltseite: 100°C
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Eine Schädigung infolge thermomechanischer oder thermischer Belastungen konnte über einen Zeitraum von 100 h nicht festgestellt werden.
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Das Modul kann so betrieben werden, dass ein Substrat 1 mit einem warmen bzw. heißen Medium und das jeweils andere Substrat mit einem kälteren in Kontakt steht. Dadurch kann eine elektrische Spannung von den in elektrisch in Reihe geschalteten thermoelektrischen Elementen des Moduls an nicht dargestellten Kontakten abgegriffen werden.
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Das Modul kann auch anders betrieben werden, indem an die nicht dargestellten äußeren Kontakte eine elektrische Spannung angelegt wird und das Modul an einer Seite über das entsprechende Substrat zur Kühlung und das jeweils andere Substrat zur Erwärmung genutzt werden kann, je nach Richtung des elektrischen Stromflusses kann die jeweilige kalte oder warme Seite gewählt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2008/127017 A1 [0005]
- JP 2005340559 A [0005]
- US 2011/0030754 A1 [0005]
- JP 2009267316 A [0005]
- KR 2008089926 A [0005]
- US 6096964 B1 [0005]
- WO 2008/053736 A1 [0006]
- WO 2007/105510 A1 [0006]
- JP 2009043752 A [0007]
- US 6410971 B1 [0007]
- JP 2004235367 A [0008]
- US 2002/0164475 A1 [0008]
- JP 2002252379 A [0008]
