DE102013105292A1

DE102013105292A1 - Thermoelektrisches Modul, thermoelektrische Generatorvorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Moduls

Info

Publication number: DE102013105292A1
Application number: DE102013105292.4A
Authority: DE
Inventors: Mirko Klein Altstedde; Steffen Wolf; Reinhard Sottong; Martin Kober; Volker Dreißigacker; Patric Szabo
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2013-05-23
Filing date: 2013-05-23
Publication date: 2014-11-27

Abstract

Thermoelektrisches Modul, umfassend einen ersten Träger, an welchem eine erste elektrische Isolierschicht stoffschlüssig aufgetragen ist, einen zweiten Träger, an welchem eine zweite elektrische Isolierschicht stoffschlüssig aufgetragen ist, und einen ersten thermoelektrischen Schenkel und einen zweiten thermoelektrischen Schenkel, welche zwischen der ersten Isolierschicht und der zweiten Isolierschicht angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Modul.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine thermoelektrische Generatorvorrichtung.
Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Moduls.
Thermoelektrische Module werden eingesetzt, um beispielsweise aus Abgaswärme elektrischen Strom zu gewinnen. Eine Temperaturdifferenz zwischen einer Heißseite und einer Kaltseite eines ersten thermoelektrischen Schenkels und eines zweiten thermoelektrischen Schenkels erzeugt durch den entsprechenden Wärmefluss eine nutzbare elektrische Spannung.
Aus der DE 100 22 161 C1 ist ein Verfahren zum Bilden einer Oberflächenschicht mit einer dendritenähnlichen Struktur auf einem Trägermaterial, die aus pulver- oder partikelförmigen Ausgangsmaterialien aufgebaut ist, bekannt.
Aus der DE 10 2010 042 603 A1 ist eine thermoelektrische Generatorvorrichtung bekannt, umfassend ein fluiddichtes erstes Gehäuse, mindestens ein fluiddichtes zweites Gehäuse, welche in dem ersten Gehäuse angeordnet ist, wobei zwischen dem ersten Gehäuse und dem mindestens einen zweiten Gehäuse ein erster Mediumstrom geführt ist, ein fluiddichtes drittes Gehäuse, welches in dem mindestens einen zweiten Gehäuse angeordnet ist, wobei in dem dritten Gehäuse ein zweiter Mediumstrom geführt ist, und mindestens ein thermoelektrisches Modul, welches zwischen dem mindestens einen zweiten Gehäuse und dem dritten Gehäuse angeordnet ist und mit einer ersten Seite in thermischem Kontakt mit dem zweiten Gehäuse steht und mit einer zweiten Seite in thermischem Kontakt mit dem dritten Gehäuse steht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein thermoelektrisches Modul der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches auf einfache Weise herstellbar ist, eine hohe mechanische Stabilität aufweist und geringe Wärmeübergangswiderstände aufweist.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten thermoelektrischen Modul erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein erster Träger vorgesehen ist, an welchem eine erste elektrische Isolierschicht stoffschlüssig aufgetragen ist, ein zweiter Träger vorgesehen ist, an welchem eine zweite elektrische Isolierschicht stoffschlüssig aufgetragen ist, und ein erster thermoelektrischer Schenkel und ein zweiter thermoelektrischer Schenkel vorgesehen sind, welche zwischen der ersten Isolierschicht und der zweiten Isolierschicht angeordnet sind.
Die erste elektrische Isolierschicht und die zweite elektrische Isolierschicht trennen den ersten Träger und den zweiten Träger, welche insbesondere aus einem metallischen Material sind, elektrisch von den thermoelektrischen Schenkeln. Es kann dann ein nutzbarer elektrischer Strom abgegriffen werden. Grundsätzlich verursacht die elektrische Isolierung einen Wärmeübergangswiderstand. Durch eine stoffschlüssige Auftragung der ersten elektrischen Isolierschicht und der zweiten elektrischen Isolierschicht lässt sich dieser Wärmeübergangswiderstand minimieren.
Die erste elektrische Isolierschicht und die zweite elektrische Isolierschicht lassen sich dünn ausbilden. Beispielsweise lassen sie sich ausbilden in einem Dickenbereich zwischen 10 µm und 100 µm.
Durch die stoffschlüssige Verbindung der elektrischen Isolierschicht mit dem zugehörigen Träger wird der Wärmeübergangswiderstand minimiert. Es lässt sich dadurch ein minimierter Temperaturabfall über die elektrische Isolierschicht erreichen.
Durch die stoffschlüssige Auftragung ergibt sich eine hohe mechanische Belastbarkeit des entsprechenden Aufbaus mit einer hohen Hochtemperaturbeständigkeit.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die erste Isolierschicht auf den ersten Träger und/oder die zweite Isolierschicht auf den zweiten Träger durch thermisches Spritzen und insbesondere Plasmaspritzen aufgetragen ist. Es lässt sich dadurch eine stoffschlüssige Verbindung erreichen. Die entsprechende Isolierschicht lässt sich dünn herstellen. Es wird ein optimierter thermischer Kontakt zwischen der elektrischen Isolierschicht und dem Träger, auf dem diese hergestellt ist, erreichen. Es lassen sich auch kompliziertere Geometrien als planare Geometrien realisieren. Bei entsprechender Einstellung der Verfahrensführung und insbesondere Temperatursteuerung lassen sich auch gezielt Eigenspannungen einbauen, um beispielsweise während des Betriebs eines thermoelektrischen Moduls entstehende mechanische Spannungen mindestens teilweise kompensieren zu können.
Günstigerweise stützen sich der erste Schenkel und der zweite Schenkel über elektrisch leitende Brücken an dem ersten Träger und dem zweiten Träger ab. Über eine Brücke lässt sich beispielsweise ein elektrischer Kontakt zwischen dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel realisieren. Über weitere Brücken lässt sich eine nutzbare Spannung abgreifen.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn eine erste Brückeneinrichtung stoffschlüssig mit der ersten Isolierschicht verbunden ist. Dadurch wird ein geringer Wärmeübergangswiderstand zwischen der entsprechenden Brückeneinrichtung und der zugeordneten Isolierschicht erreicht; es erfolgt ein minimierter Temperaturabfall. Es wird ein guter thermischer Kontakt zwischen der ersten Brückeneinrichtung und der ersten Isolierschicht erreicht. Die erste Brückeneinrichtung lässt sich dünn auftragen, um so einen geringen Temperaturabfall zu realisieren.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist die erste Brückeneinrichtung eine erste Brücke auf, welche dem ersten Schenkel zugeordnet ist, und eine beabstandete zweite Brücke auf, welche dem zweiten Schenkel zugeordnet ist. Zwischen der ersten Brücke und der zweiten Brücke liegt ein Luftspalt, welcher eine elektrische Isolierung bildet. Zwischen der ersten Brücke und der zweiten Brücke lässt sich dann eine nutzbare elektrische Spannung abgreifen.
Aus den genannten Gründen ist es ebenfalls vorteilhaft, wenn eine zweite Brückeneinrichtung stoffschlüssig mit der zweiten Isolierschicht verbunden ist. Dadurch ist auch das Herstellungsverfahren für das thermoelektrische Modul bezüglich einer Kaltseite und einer Heißseite im Wesentlichen identisch. Es ist günstig, wenn die zweite Brückeneinrichtung eine dritte Brücke aufweist, welche elektrisch sowohl den ersten Schenkel als auch den zweiten Schenkel kontaktiert. Es wird dadurch für die elektrische Verbindung zwischen dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel gesorgt, um einen Stromfluss zu ermöglichen. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die dritte Brücke an eine Kaltseite gekoppelt und die erste Brücke und die zweite Brücke sind an eine Heißseite gekoppelt.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Brücke an der ersten Isolierschicht und/oder eine Brücke an der zweiten Isolierschicht durch thermisches Spritzen und insbesondere Plasmaspritzen aufgetragen ist. Die entsprechende Brücke lässt sich dadurch mit gutem thermischem Kontakt an der ersten Isolierschicht bzw. der zweiten Isolierschicht herstellen. Sie lässt sich dünn ausbilden, so dass der Temperaturabfall über sie relativ gering ist. Typischerweise lässt sich eine Brücke mit einer Dicke im Bereich zwischen 10 µm und 100 µm herstellen.
Bei einem Ausführungsbeispiel stützen sich der erste Schenkel und/oder der zweite Schenkel kraftschlüssig an Brücken ab, wobei gegebenenfalls mindestens eine Zwischenschicht zwischen einem Schenkel und einer Brücke angeordnet ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden der erste Schenkel und der zweite Schenkel zwischen Träger-Isolierschicht-Brückeneinrichtung-Kombinationen eingespannt.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn der ersten Schenkel und/oder der zweite Schenkel stoffschlüssig mit Brücken oder mindestens einer Zwischenschicht verbunden sind, wobei insbesondere die mindestens eine Zwischenschicht stoffschlüssig mit einem Träger für die Zwischenschicht verbunden ist. Der Träger für eine Zwischenschicht ist beispielsweise eine Haftvermittlungsschicht oder selber eine Brücke. Es wird dadurch eine mechanisch stabile und hochtemperaturbeständige Verbindung zwischen einem Schenkel und einer Brücke realisiert. Es wird ein guter elektrischer Kontakt und guter thermischer Kontakt erreicht. Es ergibt sich dadurch eine optimierte Einkopplung eines Wärmestroms in die Schenkel. Weiterhin lässt sich ein solches thermoelektrisches Modul als im Ganzen handhabbare Einheit herstellen, welche dann auf entsprechende Weise als Ganzes bei der Herstellung einer thermoelektrischen Generatorvorrichtung positionierbar ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die mindestens eine Zwischenschicht eine Diffusionsbarriereschicht, welche insbesondere zwischen einem Schenkel und einer Brücke angeordnet ist. Eine solche Diffusionsbarriereschicht verhindert insbesondere das Eindiffundieren von Material aus einer Brücke in einen Schenkel, um so nicht die thermoelektrischen Eigenschaften zu verschlechtern.
Es kann auch vorgesehen sein, dass zwischen einer Brücke und einem Schenkel oder zwischen einer Brücke und einer Diffusionsbarriereschicht eine Haftvermittlungsschicht angeordnet ist, um eine bessere Anhaftung eines Schenkels zu bewirken.
Insbesondere wird die stoffschlüssige Verbindung durch Löten, Hartlöten, Diffusionsschweißen oder Sintern hergestellt.
Es ist günstig, wenn das thermoelektrische Modul eine handhabbare Einheit bildet, d. h. die Einzelkomponenten des thermoelektrischen Moduls sind miteinander verbunden und insbesondere stoffschlüssig miteinander verbunden, wobei benachbarte Lagen stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Ein solches thermoelektrisches Modul lässt sich dann als Ganzes bei der Herstellung einer thermoelektrischen Generatorvorrichtung verwenden und es muss keine zusätzliche Einspannung, um die einzelnen Komponenten zusammenzuhalten, vorgesehen werden.
Insbesondere sind der erste Träger und/oder der zweite Träger Teil eines Wärmeübertragers oder sind zur thermischen Kontaktierung mit einem Wärmeübertrager vorgesehen. Der erste Träger und der zweite Träger sind insbesondere aus einem metallischen Material hergestellt.
Eine erfindungsgemäße thermoelektrische Generatorvorrichtung umfasst mindestens ein erfindungsgemäßes thermoelektrisches Modul, einen ersten Wärmeübertrager, welcher thermisch an eine Heißseite des mindestens einen thermoelektrischen Moduls gekoppelt ist, und einen zweiten Wärmeübertrager, welcher thermisch an eine Kaltseite des mindestens einen thermoelektrischen Moduls gekoppelt ist.
Eine solche thermoelektrische Generatorvorrichtung weist eine hohe massenspezifische Leistungsdichte auf. Die Wärmeübergangswiderstände in dem mindestens einen thermoelektrischen Modul sind minimiert. Es ergibt sich eine hohe mechanische Stabilität mit hoher Hochtemperaturbeständigkeit.
Insbesondere ist der erste Träger Teil des ersten Wärmeübertragers oder ist an diesen thermisch gekoppelt und der zweite Träger ist Teil des zweiten Wärmeübertragers oder an diesen thermisch gekoppelt.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem sich ein thermoelektrisches Modul mit hoher mechanischer Stabilität, großer Hochtemperaturbeständigkeit und optimierter Leistungsdichte realisieren lässt.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass auf einen ersten Träger eine erste elektrische Isolierschicht stoffschlüssig auftragen wird, auf einen zweiten Träger eine zweite elektrische Isolierschicht stoffschlüssig aufgetragen wird, auf die erste Isolierschicht und auf die zweite Isolierschicht jeweils elektrisch leitende Brücken stoffschlüssig aufgetragen werden, und ein erster thermoelektrischer Schenkel und ein zweiter thermoelektrischer Schenkel zwischen den Brücken positioniert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen thermoelektrischen Modul erläuterten Vorteile auf.
Insbesondere werden der erste Schenkel und der zweite Schenkel stoffschlüssig mit Brücken oder über eine oder mehrere Zwischenschichten mit Brücken verbunden.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
1 eine schematische Explosionsdarstellung einer thermoelektrischen Generatorvorrichtung;
2(a) schematisch eine Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen thermoelektrischen Moduls;
2(b) eine Explosionsdarstellung des thermoelektrischen Moduls gemäß 2(a);
3 eine schematische Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen thermoelektrischen Moduls in Explosionsdarstellung; und
4 schematisch eine Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen thermoelektrischen Moduls in Explosionsdarstellung.
Ein Ausführungsbeispiel einer thermoelektrischen Generatorvorrichtung, welche in 1 schematisch gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, ist mehrlagig aufgebaut. Die thermoelektrische Generatorvorrichtung 10 weist einen ersten Wärmeübertrager 12 und einen zweiten Wärmeübertrager 14 auf. Der erste Wärmeübertrager 12 ist ein Heißseiten-Wärmeübertrager und der zweite Wärmeübertrager 14 ist ein Kaltseiten-Wärmeübertrager. An den ersten Wärmeübertrager 12 ist eine Wärmequelle gekoppelt. Diese Wärmequelle ist beispielsweise ein strömendes Fluid wie beispielsweise ein Abgas. Dies ist in 1 durch das Bezugszeichen 16 angedeutet. Der zweite Wärmeübertrager 14 ist ein Kaltseiten-Wärmeübertrager. An ihn ist eine Wärmesenke gekoppelt. Die Wärmesenke ist beispielsweise ein strömendes Fluid wie beispielsweise Kühlluft. Dies ist in 1 durch das Bezugszeichen 18 angedeutet. Zwischen dem ersten Wärmeübertrager 12 und dem zweiten Wärmeübertrager 14 ist eine thermoelektrische Funktionslage 20 angeordnet. Die thermoelektrische Funktionslage umfasst ein oder mehrere thermoelektrische Module.
Zwischen dem ersten Wärmeübertrager 12 und dem zweiten Wärmeübertrager 14 strömt ein Wärmestrom 22. Dieser Wärmestrom 22 ist durch die Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Wärmeübertrager 12 und dem zweiten Wärmeübertrager 14 getrieben. In der thermoelektrischen Funktionslage 20 bewirkt der Wärmestrom 22 eine elektrische Spannung.
Der erste Wärmeübertrager 12 und der zweite Wärmeübertrager 14 stehen in thermischem Kontakt mit der thermoelektrischen Funktionslage 20.
Ein erstes Ausführungsbeispiel eines thermoelektrischen Moduls, welches in den 2(a) und 2(b) (dort in Explosionsdarstellung) gezeigt und mit 24 bezeichnet ist, umfasst einen ersten Träger 26 und einen zweiten Träger 28 (vgl. 2(b)). Der erste Träger 26 ist bei der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10 in thermischem Kontakt mit dem ersten Wärmeübertrager 12. Er kann dabei ein von dem ersten Wärmeübertrager 12 und insbesondere von einem entsprechenden Wärmeübertragungselement des ersten Wärmeübertragers 12 getrenntes Element sein, welches an dem ersten Wärmeübertrager 12 in thermischem Kontakt gekoppelt ist. Es kann auch vorgesehen sein, dass der erste Träger 26 selber Teil des ersten Wärmeübertragers ist und beispielsweise ein Wärmeübertragungselement des ersten Wärmeübertragers 12 ist.
Entsprechend ist der zweite Träger 28 thermisch an den zweiten Wärmeübertrager 14 gekoppelt oder ist ein Teil des zweiten Wärmeübertragers 14.
Der erste Träger 26 und der zweite Träger 28 sind insbesondere aus einem metallischen Material hergestellt.
Auf dem ersten Träger 26 sitzt stoffschlüssig eine erste elektrische Isolierschicht 30. Die erste Isolierschicht 30 ist stoffschlüssig auf den ersten Träger 26 aufgetragen. Sie ist insbesondere durch ein thermisches Spritzverfahren wie Plasmaspritzen aufgetragen.
Die erste Isolierschicht 30 weist typischerweise eine Dicke zwischen 10 µm und 100 µm auf.
Die erste Isolierschicht 30 stellt eine elektrische Isolierung dar. Sie lässt den Wärmestrom 22 durch. Insbesondere hat das Material der ersten Isolierschicht 30 eine metallische Wärmeleitfähigkeit.
Das Material für die erste Isolierschicht 30 ist beispielsweise Manganoxid, Aluminiumoxid oder Zirkonoxid oder eine Mischung von mindestens zwei der genannten Materialien. Beispielsweise ist die erste Isolierschicht 30 aus Mangan-Aluminium-Spinell hergestellt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Isolierschicht 30 aus CaO-stabilisiertem Zirkonoxid hergestellt.
Auf dem zweiten Träger 28 sitzt stoffschlüssig eine zweite Isolierschicht 32. Die zweite Isolierschicht 32 entspricht in ihrer Ausbildung und Herstellung der ersten Isolierschicht 30 und weist die genannten Eigenschaften auf.
Zwischen der ersten Isolierschicht 30 und der zweiten Isolierschicht 32 sitzt ein thermoelektrisches Element 34 aus thermoelektrischem Material. Das thermoelektrische Element weist einen ersten Schenkel 36 und einen zweiten Schenkel 38 auf. Der erste Schenkel 36 und der zweite Schenkel 38 sind beabstandet zueinander insbesondere mit einem Luftspalt 40 zwischen ihnen, welcher auch eine elektrische Isolierung bildet.
Der erste Schenkel 36 sitzt über eine erste Brückeneinrichtung 42 auf der ersten Isolierschicht 30. Er sitzt über eine zweite Brückeneinrichtung 44 an der zweiten Isolierschicht 32.
Die erste Brückeneinrichtung 42 und die zweite Brückeneinrichtung 44 umfassen Brücken 46 aus einem elektrisch leitenden Material.
Die Brücken 46 sind beispielsweise aus Stahl, Titan, Nickel, Aluminium oder Mischungen davon wie beispielsweise Nickelaluminium oder Nickelaluminiummolybdän hergestellt.
Eine typische Schichtdicke der Brücken 46 liegt im Bereich zwischen 10 µm und 100 µm.
Die Brücken 46 sind stoffschlüssig mit der zugehörigen Isolierschicht 30 bzw. 32 verbunden. Sie sind insbesondere auf die zugehörige erste Isolierschicht 30 bzw. zweite Isolierschicht 32 aufgetragen und insbesondere durch ein thermisches Spritzverfahren und insbesondere durch Plasmaspritzen aufgetragen.
Bei einem Ausführungsbeispiel (2(a) und (b)) ist der erste Schenkel 36 an einer ersten Brücke 48 der ersten Brückeneinrichtung 42 angeordnet. Es ist eine zweite Brücke 50 vorgesehen, welche beabstandet zu der ersten Brücke 48 ist. An dieser zweiten Brücke 50 ist der zweite Schenkel 38 angeordnet. Zwischen der ersten Brücke 48 und der zweiten Brücke 50 liegt ein Luftspalt, d. h. diese sind elektrisch voneinander getrennt.
Die erste Brücke 48 und die zweite Brücke 50 sind wie oben beschrieben stoffschlüssig auf die erste Isolierschicht 30 als Beschichtung aufgetragen.
Der erste Schenkel 36 und der zweite Schenkel 38 weisen eine gemeinsame dritte Brücke 52 auf, welche mit dem ersten Schenkel 36 und dem zweiten Schenkel 38 thermisch und elektrisch verbunden ist. Die dritte Brücke 52 sitzt stoffschlüssig an der zweiten Isolierschicht 32. Die dritte Brücke 52 stellt einen elektrischen Kontakt zwischen dem ersten Schenkel 36 und dem zweiten Schenkel 38 bereit.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist das thermoelektrische Element 34 mit seinen Schenkeln 36 und 38 zwischen dem ersten Träger 26 und dem zweiten Träger 28 kraftschlüssig eingespannt.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sitzen der erste Schenkel 36 und der zweite Schenkel 38 stoffschlüssig an der ersten Brückeneinrichtung 42 und der zweiten Brückeneinrichtung 44. Die stoffschlüssige Verbindung ist beispielsweise eine Lötverbindung, eine Hartlötverbindung, durch Diffusionsschweißen hergestellt oder die Brücken 46 sind auf die zugehörige Isolierschicht 30 bzw. 32 aufgesintert.
Bei einer stoffschlüssigen Verbindung des thermoelektrischen Elements 34 an die zugehörigen Brückeneinrichtungen 42 und 44 bildet das thermoelektrische Modul 24 eine als Ganzes handhabbare Einheit, bei welcher die Einzelkomponenten (erster Träger 26, erste Isolierschicht 30, erste Brückeneinrichtung 42, thermoelektrisches Element 34, zweite Brückeneinrichtung 44, zweite Isolierschicht 32, zweiter Träger 28) aneinander fixiert sind, wobei benachbarte Lagen direkt miteinander stoffschlüssig verbunden sind. Eine solche Einheit lässt sich auf vorteilhafte Weise für die thermoelektrische Generatorvorrichtung 10 einsetzen und diese lässt sich auf einfache Weise herstellen.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel eines thermoelektrischen Moduls, welches in 3 gezeigt und dort mit 54 bezeichnet ist, sind der erste Träger 26, der zweite Träger 28, die erste Isolierschicht 30, die zweite Isolierschicht 32 und die erste Brückeneinrichtung 42 sowie die zweite Brückeneinrichtung 44 grundsätzlich gleich ausgebildet wie bei dem thermoelektrischen Modul 24. Auch der erste Schenkel 36 und der zweite Schenkel 38 sind grundsätzlich gleich ausgebildet. Es werden deshalb die gleichen Bezugszeichen wie für das thermoelektrische Modul 24 verwendet. Bei dem thermoelektrischen Modul 54 sitzen der erste Schenkel 36 und der zweite Schenkel 38 des thermoelektrischen Elements 34 nicht direkt an der jeweiligen ersten Brückeneinrichtung 42 bzw. der zweiten Brückeneinrichtung 44, sondern es ist eine jeweilige Zwischenschicht 56 vorgesehen, welche eine Diffusionsbarriere ist. Diese Diffusionsbarriereschicht dient insbesondere zur Verhinderung der Eindiffusion von Material aus den entsprechenden Brückeneinrichtungen 42 und 44 in das thermoelektrische Material des thermoelektrischen Elements 34 mit den Schenkeln 36 und 38.
Die Diffusionsbarriereschicht ist beispielsweise aus Molybdän, Tantal, Wolfram, Nickel, Titan oder einer Mischung von zwei oder mehreren dieser Materialien hergestellt.
Die Zwischenschicht 56 ist insbesondere durch ein thermisches Spritzverfahren und insbesondere durch Plasmaspritzen auf die erste Brückeneinrichtung 42 bzw. die zweite Brückeneinrichtung 44 aufgetragen.
Die Diffusionsbarriereschicht 56 weist eine Schichtdicke beispielsweise im Bereich zwischen 2 µm und 20 µm auf.
Ein drittes Ausführungsbeispiel eines thermoelektrischen Moduls, welches in 4 gezeigt und dort mit 58 bezeichnet ist, ist grundsätzlich gleich ausgebildet wie das thermoelektrische Modul 54. Für gleiche Elemente werden gleiche Bezugszeichen verwendet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist zwischen der Diffusionsbarriereschicht 56 und der zugeordneten Brückeneinrichtung 42 bzw. 44 eine weitere Zwischenschicht 60 vorgesehen, welche eine Haftvermittlungsschicht ist, um eine bessere Haftung der Diffusionsbarriereschicht 56 an der jeweiligen Brückeneinrichtung 42, 44 zu ermöglichen.
Die Zwischenschicht 60 ist insbesondere stoffschlüssig an der zugeordneten Brückeneinrichtung 42 bzw. 44 aufgetragen und insbesondere durch ein thermisches Spritzverfahren und insbesondere Plasmaspritzen aufgetragen.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist die elektrische Isolierschicht 30 auf den ersten Träger 26 und die elektrische Isolierschicht 32 auf den zweiten Träger 28 stoffschlüssig aufgetragen. Die erste Isolierschicht 30 und die zweite Isolierschicht 32 lassen sich dadurch mit geringen Schichtdicken herstellen. Bei der Auftragung durch ein thermisches Spritzverfahren und insbesondere Plasmaspritzen ergibt sich eine hohe Temperaturstabilität. Es ergibt sich ein sehr guter thermischer Kontakt zwischen der jeweiligen elektrischen Isolierschicht und dem jeweiligen Träger 26. Dadurch ist der Wärmeübergangswiderstand minimiert. Gleichzeitig ergibt sich eine hohe mechanische Stabilität.
Es lässt sich dabei der Träger 26 bzw. 28 mit der Isolierschicht 30 bzw. 32 sowohl an der Heißseite als auch an der Kaltseite versehen.
Grundsätzlich kann es beim Betrieb einer thermoelektrischen Generatorvorrichtung zu hohen thermomechanischen Spannungen kommen. Durch den Herstellungsprozess über thermisches Spritzen und insbesondere Plasmaspritzen lassen sich bei entsprechender Temperaturführung gegebenenfalls gezielt Eigenspannungen erzeugen, um beispielsweise eine gewisse Kompensation für thermomechanische Spannungen während des Betriebs der thermoelektrischen Generatorvorrichtung zu erreichen.
Das thermische Spritzverfahren erfolgt beispielsweise so wie in der DE 100 22 161 C1 beschrieben. Auf diese Druckschrift wird ausdrücklich und vollinhaltlich Bezug genommen.
Die erste Brückeneinrichtung 42 ist stoffschlüssig mit der ersten Isolierschicht 30 verbunden. Ebenso ist die zweite Isolierschicht 32 stoffschlüssig mit der zweiten Brückeneinrichtung 44 verbunden. Die Brückeneinrichtungen 42 und 44 sind insbesondere durch thermisches Spritzen wie Plasmaspritzen hergestellt. Bezüglich der Verfahrensführung wird beispielhaft auf die DE 100 22 161 C1 Bezug genommen.
Die erste Brückeneinrichtung 42 und die zweite Brückeneinrichtung 44 mit ihren Brücken 46 lassen sich dadurch mit relativ geringer Schichtdicke herstellen. Dadurch wird der Wärmeübergangswiderstand minimiert. Ferner liegt ein guter thermischer Kontakt zwischen der entsprechenden Brückeneinrichtung 42 bzw. 44 und der zugehörigen Isolierschicht 30 bzw. 32 vor. Dabei ist die mechanische Stabilität und auch die Hochtemperatur-Stabilität gewährleistet.
Die thermoelektrischen Schenkel 36 und 38 sind wiederum stoffschlüssig mit den zugehörigen Brückeneinrichtungen 32, 44 verbunden und liegen zwischen diesen, wobei noch eine oder mehrere Zwischenschichten 56, 60 vorhanden sein können. Auch dadurch ergibt sich ein guter thermischer Kontakt mit geringem Wärmeübergangswiderstand, wobei auch ein guter elektrischer Kontakt hergestellt ist.
Das entsprechende thermoelektrische Modul 24 bzw. 54 bzw. 58 bildet dann eine Einheit, bei welcher die einzelnen Komponenten stoffschlüssig aneinander gehalten sind, so dass diese Einheit als Ganzes handhabbar ist und bei der Herstellung der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10 positionierbar ist.
Ein erfindungsgemäßes thermoelektrisches Modul 24 bzw. 54 bzw. 58 weist eine hohe massenspezifische Leistungsdichte auf, da durch die Minimierung der Wärmeübergangswiderstände zwischen den einzelnen Lagen sich eine hohe Temperaturdifferenz über das entsprechende thermoelektrische Element 34 ergibt.
Die thermoelektrischen Module 24, 54, 58 lassen sich auf einfache und kostengünstige Weise herstellen.
Durch die Auftragung der Isolierschichten 30, 32 auf die Träger 26 und 28 und der Brückeneinrichtung 42, 44 auf die Isolierschichten 30, 32 lassen sich auch kompliziertere geometrische Ausgestaltungen im Vergleich zu der planaren Ausgestaltung bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 2 bis 4 realisieren.
Im Betrieb funktioniert ein erfindungsgemäßes thermoelektrisches Modul 24, 54, 58 wie folgt:
Das thermoelektrische Element 34 hat eine Heißseite 62 und eine Kaltseite 64. Die Heißseite 62 steht in Wärmekontakt mit einer Wärmequelle. Die Kaltseite 64 steht in Wärmekontakt mit einer Wärmesenke. Es liegt ein Temperaturgradient zwischen der Heißseite 62 und der Kaltseite 64; über das thermoelektrische Element 34 liegt eine Temperaturdifferenz.
Diese Temperaturdifferenz erzeugt durch den Wärmefluss 22 eine elektrische Spannung. Der erste Schenkel 36 und der zweite Schenkel 38 des thermoelektrischen Elements 34 sind dabei über die dritte Brücke 52 elektrisch miteinander verbunden. Die nutzbare elektrische Spannung ist zwischen der ersten Brücke 48 und der zweiten Brücke 50 abgreifbar.
Bezugszeichenliste

10: thermoelektrische Generatorvorrichtung
12: erster Wärmeübertrager
14: zweiter Wärmeübertrager
16: Fluid
18: Fluid
20: thermoelektrische Funktionslage
22: Wärmestrom
24: thermoelektrisches Modul (erstes Ausführungsbeispiel)
26: erster Träger
28: zweiter Träger
30: erste Isolierschicht
32: zweite Isolierschicht
34: thermoelektrisches Element
36: erster Schenkel
38: zweiter Schenkel
40: Luftspalt
42: erste Brückeneinrichtung
44: zweite Brückeneinrichtung
46: Brücke
48: erste Brücke
50: zweite Brücke
52: dritte Brücke
54: thermoelektrisches Modul (zweites Ausführungsbeispiel)
56: Zwischenschicht (Diffusionsbarriereschicht)
58: thermoelektrisches Modul (drittes Ausführungsbeispiel)
60: Zwischenschicht (Haftvermittlungsschicht)
62: Heißseite
64: Kaltseite

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10022161 C1 [0005, 0072, 0073]
DE 102010042603 A1 [0006]

Claims

Thermoelektrisches Modul, umfassend einen ersten Träger (26), an welchem eine erste elektrische Isolierschicht (30) stoffschlüssig aufgetragen ist, einen zweiten Träger (28), an welchem eine zweite elektrische Isolierschicht (32) stoffschlüssig aufgetragen ist, und einen ersten thermoelektrischen Schenkel (36) und einen zweiten thermoelektrischen Schenkel (38), welche zwischen der ersten Isolierschicht (30) und der zweiten Isolierschicht (32) angeordnet sind.
Thermoelektrisches Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Isolierschicht (30) auf den ersten Träger (26) und/oder die zweite Isolierschicht (32) auf den zweiten Träger (28) durch thermisches Spritzen und insbesondere Plasmaspritzen aufgetragen ist.
Thermoelektrisches Modul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schenkel (36) und der zweite Schenkel (38) sich über elektrisch leitende Brücken (44) an dem ersten Träger (26) und dem zweiten Träger (28) abstützen.
Thermoelektrisches Modul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Brückeneinrichtung (42) stoffschlüssig mit der ersten Isolierschicht (30) verbunden ist.
Thermoelektrisches Modul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Brückeneinrichtung (42) eine erste Brücke (48) aufweist, welche dem ersten Schenkel (36) zugeordnet ist, und eine beabstandete zweite Brücke (50) aufweist, welche dem zweiten Schenkel (38) zugeordnet ist.
Thermoelektrisches Modul nach einem der Ansprüche 3 bis 5, gekennzeichnet durch eine zweite Brückeneinrichtung (44), welche stoffschlüssig mit der zweiten Isolierschicht (32) verbunden ist.
Thermoelektrisches Modul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Brückeneinrichtung (44) eine dritte Brücke (52) aufweist, welche elektrisch sowohl den ersten Schenkel (36) als auch den zweiten Schenkel (38) kontaktiert.
Thermoelektrisches Modul nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Brücke (46) an der ersten Isolierschicht (30) und/oder eine Brücke (46) an der zweiten Isolierschicht (32) durch thermisches Spritzen und insbesondere Plasmaspritzen aufgetragen ist.
Thermoelektrisches Modul nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schenkel (36) und/oder der zweite Schenkel (38) sich kraftschlüssig an Brücken (46) abstützen, wobei gegebenenfalls mindestens eine Zwischenschicht zwischen einem Schenkel (36; 38) und einer Brücke (46) angeordnet ist.
Thermoelektrisches Modul nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schenkel (36) und/oder der zweite Schenkel (38) stoffschlüssig mit Brücken (46) oder mindestens einer Zwischenschicht (56) verbunden sind, wobei insbesondere die mindestens eine Zwischenschicht (56) stoffschlüssig mit einem Träger (42; 44; 60) für die Zwischenschicht (56) verbunden ist.
Thermoelektrisches Modul nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Zwischenschicht (56) eine Diffusionsbarriereschicht ist, welche insbesondere zwischen einem Schenkel (36; 38) und einer Brücke (46) angeordnet ist.
Thermoelektrisches Modul nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer Brücke (46) und einem Schenkel (36; 38) oder zwischen einer Brücke (46) und einer Diffusionsbarriereschicht (56) eine Haftvermittlungsschicht (60) angeordnet ist.
Thermoelektrisches Modul nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Verbindung durch Löten, Hartlöten, Diffusionsschweißen oder Sintern hergestellt ist.
Thermoelektrisches Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ausbildung als handhabbare Einheit.
Thermoelektrisches Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Träger (26) und/oder der zweite Träger (28) Teil eines Wärmeübertragers (12; 14) sind oder zur thermischen Kontaktierung mit einem Wärmeübertrager (12; 14) vorgesehen sind.
Thermoelektrische Generatorvorrichtung, umfassend mindestens ein thermoelektrisches Modul (24; 54; 58) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, einen ersten Wärmeübertrager (12), welcher thermisch an eine Heißseite (62) des mindestens einen thermoelektrischen Moduls (24; 54; 58) gekoppelt ist, und einen zweiten Wärmeübertrager (14), welcher thermisch an eine Kaltseite (64) des mindestens einen thermoelektrischen Moduls (24; 54; 58) gekoppelt ist.
Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Träger (26) Teil des ersten Wärmeübertragers (12) ist oder an diesen thermisch gekoppelt ist und der zweite Träger (28) Teil des zweiten Wärmeübertragers (14) ist oder an diesen thermisch gekoppelt ist.
Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Moduls, bei dem auf einem ersten Träger eine erste elektrische Isolierschicht stoffschlüssig aufgetragen wird, auf einem zweiten Träger eine zweite elektrische Isolierschicht stoffschlüssig aufgetragen wird, auf die erste Isolierschicht und auf die zweite Isolierschicht jeweils elektrisch leitende Brücken stoffschlüssig aufgetragen werden, und ein erster thermoelektrischer Schenkel und ein zweiter thermoelektrischer Schenkel zwischen den Brücken positioniert werden.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schenkel und der zweite Schenkel stoffschlüssig mit Brücken oder über eine oder mehrere Zwischenschichten mit Brücken verbunden werden.