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Die Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Modul mit einer Vielzahl von thermoelektrischen Elementen sowie zwei alternative Verfahren zum Herstellen eines solchen thermoelektrischen Moduls.
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Gegenwärtig sind vollständige thermoelektrische Module bekannt, welche starr mit keramischen Deckplatten verbunden sind oder in Dünnschichttechnik flexibel mit polymeren Substraten angefertigt sind. Ebenfalls bekannt sind thermoelektrische Module in rohrförmiger Ausführung. Module mit polymeren Substraten sind hinsichtlich ihrer Temperaturbeständigkeit begrenzt und höchstens bis etwa 250° C einsetzbar.
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Thermoelektrische Module, welche starr in keramische Deckschichten integriert sind, sind ungünstig für eine flexible Handhabung bei ihrer Verbauung. Rohrförmige thermoelektrische Module sind ebenfalls in ihren Einsatzbereichen begrenzt.
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Es stellt sich nun die Aufgabe ein Verfahren zur Herstellung von verbesserten thermoelektrischen Modulen und flächige thermoelektrische Module anzugeben, welche sowohl flexibel handhabbar als auch zur Wärmeabschirmung von Temperaturen oberhalb von 250°C ausgelegt sind.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch das erfindungsgemäße thermoelektrische Modul nach Anspruch 1 und zwei alternativen Herstellungsverfahren eines thermoelektrischen Moduls nach Anspruch 5 bzw. Anspruch 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein erfindungsgemäßes thermoelektrisches Modul umfasst eine Vielzahl von thermoelektrischen Elementen, die in einer Matrix aus Verbundmaterial eingebettet sind. Erfindungsgemäß sind die thermoelektrischen Elemente elektrisch miteinander kontaktiert. Zumindest eine Komponente des Verbundmaterials ist ein Aerogel, so dass das Gewicht eines Wärmeabschirmschilds, welches das erfindungsgemäße thermoelektrische Modul in seine Bauform integriert im Vergleich zu herkömmlichen Wärmeabschirmschilden reduziert ist. Erfindungsgemäß können Teile, welche aus dem thermoelektrischen Modul gefertigt sind, zumindest teilweise an 3D-geformte Oberflächenkonturen angepasst werden, so dass durch die flexible Handhabbarkeit des erfindungsgemäßen thermoelektrischen Moduls ein breiter Einsatzbereich im Motorraum denkbar ist.
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In einer vorteilhaften Ausführung des thermoelektrischen Moduls sind weitere keramische Komponenten, insbesondere Silicatkomponenten oder Mineralwollfasern vorgesehen, welche gute wärmedämmende Eigenschaften und gleichzeitig gute elektrische Isolationseigenschaften aufweisen.
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Eine erfindungsgemäße Ausführung des thermoelektrischen Moduls umfasst ein Polymeraerogel, und/oder ein Silicaaerogel und/oder ein Metalloxidaerogel als Komponente des Verbundmaterials.
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Zwingender Weise ist das als Verbundmaterial eingesetzte Aerogel im erfindungsgemäßen thermoelektrischen Modul ein elektrischer Isolator, so dass Leckströme in den einzelnen thermoelektrischen Elementen zuverlässig unterbunden sind und ein optimaler Wirkungsgrad des thermoelektrischen Moduls gewährleistet ist. Der Wirkungsgrad ist sowohl im Bezug auf Wärmedämmung als auch im Bezug auf die erzeugte elektrische Leistung optimiert.
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Ein erstes Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Moduls weist erfindungsgemäß folgende Schritte auf:
- – Bereitstellen einer Vielzahl von geeigneten thermoelektrischen Elementen;
- – Bereitstellen eines zur Aerogelbildung geeigneten Stoffs in einer Solphase;
- – Einlegung der thermoelektrischen Elemente in eine vorteilhafter Weise beliebig geformte Vorform, so dass das Endprodukt flexibel an gegebene geometrische Strukturen anpassbar ist;
- – Vergießen der thermoelektrischen Elemente mittels der Solphase, um bereits vor einer Gelierung eine definierte Textur aus thermoelektrischen Elementen im Zwischenprodukt festzulegen;
- – Anschließendes Gelieren der Solphase und Trocknen des Gels derart, dass eine Aerogelmatrix mit einer Textur aus einer Vielzahl von thermoelektrischen Elementen ausgebildet wird und Kontaktieren und Verschalten der thermoelektrischen Elemente, insbesondere zur Verwendung des thermoelektrischen Moduls um stromerzeugenden Wärmeabschirmungen, bevorzugt bei Temperaturen oberhalb von 250°C.
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Ein zweites Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Moduls weist erfindungsgemäß die folgenden Schritte auf:
- – Bereitstellen einer Vielzahl von geeigneten thermoelektrischen Elementen;
- – Bereitstellen eines zur Aerogelbildung geeigneten Stoffs in seiner Solphase;
- – Vergießen des Sols in eine Form, wobei zur Aufnahme der thermoelektrischen Elemente Aufnahmeräume freigelassen werden, wodurch die Anzahl und die Positionen der einzubringenden thermoelektrischen Elemente frei bestimmt werden kann, was sowohl die flexible als auch die biegsame Handhabbarkeit des Endprodukts erhöht;
- – Anschließendes Gelieren der Solphase und Trocknung des Gels derart, dass eine Aerogelmatrix mit Aufnahmeräumen ausgebildet wird wodurch eine Anwendung im Temperaturbereich von oberhalb 250°C garantiert ist.
- – zumindest teilweises Einlegen der thermoelektrischen Elemente in die freigelassenen Aufnahmeräume, wobei eine Aerogelmatrix mit einer beliebig gestaltbaren Textur aus einer Vielzahl von thermoelektrischen Elemente ausgebildet wird und Kontaktieren und Verschalten der thermoelektrischen Elemente, insbesondere zur Verwendung des thermoelektrischen Moduls um stromerzeugenden Wärmeabschirmungen, insbesondere bei Temperaturen oberhalb von 250°C.
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Von Vorteil ist, dass in den erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren die Trocknung des Gels als überkritische oder als atmosphärische Trocknung erfolgen kann, so dass die verfahrenstechnische Prozessführung flexibel gestaltbar ist.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, dass als zur Ausbildung eines Aerogels geeigneter Stoff ein zur Ausbildung eines Polymeraerogels geeigneter Stoff verwendet wird, wodurch eine gute Vernetzung der Matrix gewährleistet ist und die thermoelektrischen Elemente fest, insbesondere hitzebeständig in die Matrix eingebunden sind.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, dass als zur Ausbildung eines Aerogels geeigneter Stoff ein zur Ausbildung eines Silicaaerogels oder ein zur Ausbildung eines Polymeraerogels oder ein zur Ausbildung eines Metalloxydaerogels geeigneter Stoff verwendet wird. Durch die Verwendung von verschiedenartigen Solen sind die physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften der Verbundmatrix in vielfacher Weise varierbar. Weiterhin ist es vorteilhaft, dass als zur Ausbildung eines Aerogels geeigneter Stoff ein zur Ausbildung eines reversibel komprimierbaren (flexiblen) Aerogels geeigneter Stoff, bevorzugt auf Silica-Basis, verwendet wird. Eine derartige Matrix kann Spannungen aufnehmen, die durch die thermische Ausdehnung der thermoelektrischen Elemente entsteht, und wird hierbei elastisch verformt, ohne also selbst Schaden zu nehmen oder andere Komponenten des thermoelektrischen Moduls zu schädigen.
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Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Konzept ist einerseits, dass durch den vorgeschlagenen Materialaufbau des thermoelektrischen Moduls und die beschriebenen Herstellungsverfahren für das thermoelektrische Modul beliebig gestaltete Endformen hergestellt werden können. Erfindungsgemäß weisen diese Endformen mit integrierten thermoelektrischen Modulen eine hervorragende thermische Abschirmung und gleichzeitig eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte thermoelektrische Leistung auf, wobei es durch eine geeignete Wahl der Matrix-Füllstoffe außerdem möglich ist, komplette thermoelektrische Module in bestimmten Grenzen flexibel, d.h. biegsam zu gestalten.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielhaft beschrieben.
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Es zeigt:
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1 eine perspektivische Ansicht (von schräg oben) auf ein thermoelektrisches Modul gemäß der Erfindung.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes flächiges thermoelektrisches Modul 1 dargestellt. Eine Vielzahl von thermoelektrischen Elementen 2 ist in einer Matrix 4 eingebettet. Mittels elektrisch leitfähiger Kontakte 3 sind die thermoelektrischen Elemente 2 mit einander verbunden, wobei in einem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen thermoelektrischen Moduls 1 diese Kontakte 3 außerhalb der Matrix 4 angebracht sind.
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In einem zweiten, hier nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel sind elektrische Kontakte 3 im Wesentlichen innerhalb der Matrix 4 angebracht. Höchstens zwei elektrische Anschlusskontakte 5a und 5b sind in diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen, um das thermoelektrische Modul 1 zur Weiterleitung von elektrischem Strom mit Verbrauchern und/oder Speichereinrichtungen zu verbinden.
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Erfindungsgemäß besteht die Matrix 4 aus einem Verbundmaterial mit zumindest zwei Komponenten, wobei zumindest eine Komponente ein elektrisch nicht leitfähiges Aerogel ist. Weitere Komponenten können Keramiken, insbesondere Silicatkeramiken oder Mineralwollfasern sein.
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Das Aerogel kann ein Polymeraerogel, ein Metalloxidaerogel oder ein Silicaaerogel sein.
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Das Herstellungsverfahren für ein erfindungsgemäßes thermoelektrisches Modul 1 umfasst folgende Schritte:
Vorbereiten und Bereitstellen einer Vielzahl von geeigneten thermoelektrischen Elementen 2 als ersten Ausgangsstoff zur Einbindung in eine Matrix 4, insbesondere in eine aerogele und hochtemperaturfähige Matrix;
Bereitstellen eines geeigneten Stoffs als zweiten Ausgangsstoff, wobei dieser vorerst in einer Solphase vorliegt und anschließend in weiteren physikalisch-chemischen Prozessen letztendlich ein Aerogel bildet;
Einlegung der thermoelektrischen Elemente 2 in eine Vorform zum anschließenden Vergießen der thermoelektrischen Elemente 2 mittels bzw. mit der Solphase;
Anschließendes Gelieren der Solphase, die nun eine Vielzahl von thermoelektrischen Elementen 2 enthält und Trocknen des Gels derart, dass eine Matrix 4 aus Aerogel mit darin enthaltenen thermoelektrischen Elementen 2 ausgebildet wird;
Abschließendes Anbringen von elektrischen Kontakten 3 zwischen den thermoelektrischen Elementen 2 und Verschalten der thermoelektrischen Elemente 2.
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In einem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Kontaktierung der thermoelektrischen Elemente 2 als letzter Schritt, so dass die elektrischen Kontakte 3 außerhalb der Matrix 4 aus Aerogel liegen.
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In einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Kontaktierung der thermoelektrischen Elemente 2 vor der Gelbildung, wobei nach dem Aufbringen der thermoelektrischen Elemente 2 das Zwischenprodukt mit Sol flüssig vergossen wird, so dass die elektrischen Kontakte 3 nach dem Sol-Gel-Übergang des Zwischenprodukts innerhalb der Matrix 4 aus Aerogel liegen. Lediglich zwei Anschlusskontakte 5, 5a werden in einem letzten Schritt außerhalb der Matrix 4 angebracht.
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Ein alternatives Herstellungsverfahren für ein erfindungsgemäßes thermoelektrisches Modul 1 umfasst die folgenden Schritte:
Vorbereiten und Bereitstellen einer Vielzahl von geeigneten thermoelektrischen Elementen 2 als ersten Ausgangsstoff zur Einbindung in eine Matrix 4, insbesondere in eine aerogele und hochtemperaturfähige Matrix 4;
Bereitstellen eines geeigneten Stoffs als zweiten Ausgangsstoff, wobei dieser vorerst in einer Solphase vorliegt und anschließend in weiteren physikalisch-chemischen Prozessen letztendlich ein Aerogel bildet;
Vergießen des als Sol vorliegenden zweiten Ausgangsstoffs in eine Form, die die zur Aufnahme der thermoelektrischen Elemente 2 vorgesehenen Aufnahmeräume 6 von der Vergießung mit dem Sol ausspart;
Anschließendes Gelieren der Solphase ohne thermoelektrische Elemente 2 und Trocknung des Gels derart, dass eine Aerogelmatrix mit Aufnahmeräumen 6 für eine Vielzahl von thermoelektrischen Elementen 2 ausgebildet wird;
Einlegen der thermoelektrischen Elemente 2 in freigelassene Aufnahmeräume 6 und Kontaktieren und Verschalten der thermoelektrischen Elemente 2.
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In einem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen alternativen Verfahrens sind die Aufnahmeräume 6 für die thermoelektrischen Elemente 2 vorkontaktiert. Als letzter Schritt werden zumindest zwei Anschlusskontakte 5a, 5b außerhalb der Matrix 4 angebracht.
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In einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen alternativen Verfahrens erfolgt die Kontaktierung der thermoelektrischen Elemente 2 vor der Gelbildung, wobei nach dem Einbringen der thermoelektrischen Elemente 2 in die Aufnahmeräume 6 das Zwischenprodukt nochmals mit Sol vergossen wird, so dass die elektrischen Kontakte 3 nach dem Sol-Gel-Übergang des Zwischenprodukts innerhalb der Matrix 4 aus Aerogel liegen. Lediglich zwei Anschlusskontakte 5, 5a werden in einem letzten Schritt außerhalb der Matrix 4 angebracht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- thermoelektrisches Modul
- 2
- thermoelektrisches Element
- 3
- elektrischer Kontakt
- 4
- Matrix
- 5
- Anschlusskontakte 5a, 5b
- 6
- Aufnahmeraum
