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Die vorliegende Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Generator und ein Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Generators.
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Herkömmliche thermoelektrische Generatoren (TEG), die aus Wärme erhaltene elektrische Energie bereitstellen, werden für gewöhnlich aus einem p-leitenden und einem n-leitenden Material hergestellt. Bei den derzeit kommerziell verwendeten Materialien handelt es sich gewöhnlich um Halbmetall-Legierungen oder Halbleiterverbindungen. Ein entsprechend aufgebauter thermoelektrischer Generator ist aus der Druckschrift
WO 2010/084059 A2 bekannt.
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Diese Materialien liegen meist als Pulver vor und müssen anschließend unter hohem Druck gesintert werden. Gesinterte Pellets werden in Würfel mit Kantenlängen von mehreren Millimetern geschnitten und anschließend zu thermoelektrischen Generatoren verbaut. Ein Paar aus einem p-leitenden und einem n-leitenden Pellet wird dabei als Thermopaar bezeichnet. Nachteilig an dieser Methode ist, dass die Prozedur viele Arbeitsschritte beinhaltet und mit relativ viel Handarbeit verbunden ist. Zudem sind die verwendeten Materialien in der Regel sehr spröde.
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Polymere Materialien bieten hinsichtlich ihrer Verarbeitung demgegenüber mehrere Vorteile. Diese Materialien können aus einer flüssigen Phase verarbeitet werden und weisen eine deutlich verringerte Sprödigkeit bis hin zu einem hohen Grad an Flexibilität auf. Arbeitsschritte wie Sintern und Schneiden werden dadurch überflüssig. Die Fertigung eines thermoelektrischen Generators lässt sich bei der Verwendung von polymeren Materialien, z. B. mit Hilfe der Drucktechnik, automatisieren.
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Die meisten für die Thermoelektrik geeigneten Polymere liegen dabei als Dispersion mit wenigen Gewichtsprozent Feststoffanteil vor (in der Drucktechnik spricht man je nach Viskosität des verwendeten Materials von Pasten, die zähflüssiger sind, oder Tinten, die eher dünnflüssig sind). Hierdurch ist der Aufbau eines Thermopaars, d. h. eines p-leitenden Bereichs und eines n-leitenden Bereichs, mit einer vertikalen Höhe von einigen Millimetern über die Drucktechnik nur sehr schwer zu realisieren, da sich ein einige Millimeter hoher, dreidimensionaler Aufbau nur schwer durch einen gewöhnlichen (2D-)Drucker realisieren lässt. Thermoelektrische Materialien, wie z. B. Polymere, die in flüssiger oder pastenartiger Form vorliegen, können zwar durch verschiedene Drucker (z. B. Dispenser) verarbeitet werden, die Schichtdicken liegen jedoch oft nur im Mikrometerbereich pro Schicht. Dies erfordert ein mehrfaches Überdrucken der Bereiche um höhere Strukturen zu erzeugen. Dieses Verfahren ist sehr aufwendig und man benötigt viele aufeinander folgende Druck- und Trocknungsschritte.
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Der vorliegenden Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, einen thermoelektrischen Generator sowie ein Verfahren zur Herstellung des thermoelektrischen Generators vorzuschlagen, mit dem die genannten Nachteile vermieden werden, also ein mechanisch stabiler thermoelektrischer Generator mit beliebiger Höhe einfach und schnell herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen thermoelektrischen Generator nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Generators nach Anspruch 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Ein thermoelektrischer Generator weist einen ersten Bereich auf, der mit mindestens einem thermoelektrischen Material versehen ist. Das thermoelektrische Material ist auf einem porösen, zumindest bereichsweise elektrisch isolierenden Stützmaterial des thermoelektrischen Generators aufgebracht und mit einem zweiten Bereich der Oberfläche des Stützmaterials, der mit einem weiteren thermoelektrischen Material oder mit einer elektrisch leitenden Beschichtung beschichtet ist, elektrisch leitend oder elektrisch halbleitend verbunden oder das thermoelektrische Material ist mit einem elektrischen Leiter elektrisch leitend verbunden.
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Durch die Verwendung eines Stützmaterials, das als Gerüst dient, kann eine dreidimensionale Struktur erzeugt werden, die durchgängig mit dem jeweiligen thermoelektrischen Material benetzt ist und die Einstellung einer fast beliebigen Höhe des thermoelektrischen Generators durch Vorgabe einer Höhe des Stützmaterials ermöglicht. Es kann somit ein Körper in beliebigen lateralen und nur leicht eingeschränkten vertikalen Dimensionen hergestellt werden. Durch das thermoelektrische Material kann ein Strom auf einem vorgegebenen Weg durch das Stützmaterial fließen.
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Im Rahmen dieser Schrift soll unter einem elektrisch isolierendem bzw. elektrisch nicht leitfähigem Material ein Material verstanden werden, dass eine Bandlücke von mehr als 4 Elektronenvolt aufweist, also eine elektrische Leitfähigkeit von typischerweise weniger als 10–8 S/m hat. Das elektrisch isolierende Material kann hierbei sowohl einzelne elektrisch isolierende Bereiche aufweisen, so dass ein Stromfluss durch das Material unterbunden wird, als auch insgesamt, also in allen Bereichen, elektrisch isolierend sein. Als poröse Struktur soll eine Struktur aufgefasst werden, bei der innerhalb eines Gesamtvolumens des betrachteten Materials mehrere miteinander in Verbindung stehende Hohlräume vorgegeben sind, sodass ein in das poröse Material eindringendes weiteres Material von einer Eintrittsseite zu einer der Eintrittsseite gegenüberliegende Seite gelangen kann, indem es von einem Hohlraum in den nächsten gelangt. Unter einem porösen Stützmaterial soll im Rahmen dieser Schrift also insbesondere ein offen poröses Material verstanden werden. Durch das poröse Material ist eine flächige Bedeckung von Poren mit thermoelektrischem Material und somit auch eine elektrische Kontaktierung verschiedener Seiten des Stützmaterials möglich, während gleichzeitig eine Flexibilität des thermoelektrischen Generators innerhalb bestimmter Grenzen gewährleistet ist. Durch ein Durchdringen des porösen Stützmaterials mit thermoelektrischem Material können somit auch einander gegenüberliegende Seiten des Stützmaterials zur weiteren elektrischen Kontaktierung genutzt werden.
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Typischerweise ist das thermoelektrische Material ein n-leitendes Material oder ein p-leitendes Material. Unter einem p-leitenden thermoelektrischen Material soll hierbei ein Material verstanden werden, bei dem eine Leitfähigkeit des Materials auf positiven Löchern beruht. Analog soll unter einem n-leitenden bzw. n-dotierten Material ein Material verstanden werden, dessen Leitfähigkeit auf Elektronen beruht. P-leitende und n-leitende Materialien sind Halbleiter, also Materialien, deren elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern stark temperaturabhängig ist und typischerweise eine Bandlücke von weniger als 4 Elektronenvolt aufweisen.
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Es kann vorgesehen sein, dass der erste Bereich mindestens einen p-leitenden Bereich und der zweite Bereich mindestens einen n-leitenden Bereich bildet. Alternativ kann der erste Bereich einen n-leitenden Bereich und der zweite Bereich einen p-leitenden Bereich bilden. Der p-leitende Bereich und der n-leitende Bereich können durch ein elektrisch leitfähiges, also elektrisch leitendes Kontaktelement bzw. einen elektrisch leitfähigen Kontakt miteinander verbunden und vorzugsweise räumlich an voneinander abgewandten Oberflächen in einem Abstand zueinander angeordnet sein. Der n-leitende Bereich ist hierbei mit einem ersten thermoelektrischen Material und der p-leitende Bereich mit einem zweiten thermoelektrischen Material gebildet oder beschichtet. Das erste thermoelektrische Material und das zweite thermoelektrische Material sind vorzugsweise jeweils auf dem porösen, elektrisch isolierenden Stützmaterial des thermoelektrischen Generators aufgebracht. Durch die räumliche Separation des n-leitenden und des p-leitenden Bereichs, worunter verstanden werden soll, dass die genannten Bereiche nicht in einem direktem mechanischem Kontakt miteinander stehen, bei dem die genannten Bereiche ohne verbindende Zwischenstücke aneinander grenzen, wird gewährleistet, dass ein Strom in dem thermoelektrischen Generator nur über den die genannten Bereiche verbindenden elektrisch leitfähigen Kontakt durch das Kontaktelement geführt werden kann. Das elektrisch leitfähige Kontaktelement erlaubt hierbei eine gute elektrische Verbindung zum Führen des Stroms, allerdings kann auch der n-leitende Bereich direkt mit dem p-leitenden Bereich in mechanischem und elektrisch halbleitendem Kontakt stehen, also direkt aneinander angrenzen. Das verwendete thermoelektrische Material kann im ersten Bereich und im zweiten Bereich identisch sein, wobei eine elektrische Kontaktierung in diesem Fall durch ein zwischen dem thermoelektrischen Material angeordnetes elektrisch leitendes Kontaktelement bzw. den elektrischen Leiter erfolgt. Es können aber auch bereichsweise verschiedene thermoelektrische Materialien eingesetzt werden, die in direktem elektrischen Kontakt miteinander stehen oder auch durch das elektrisch leitende Kontaktelement bzw. den elektrischen Leiter miteinander verbunden sind.
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Typischerweise umfasst der thermoelektrische Generator mehr als ein Thermopaar, das aus dem p-leitenden Bereich und dem n-leitenden Bereich gebildet ist. So können mindestens zwei derartige Thermopaare vorgesehen sein, die vorzugsweise in einer Reihenschaltung miteinander verbunden sind, wobei besonders vorzugsweise alternierend an gegenüberliegenden Enden der jeweiligen dotierten Bereiche thermoelektrischen Materials mit jeweils einem elektrisch leitfähigem Kontaktelement eine elektrisch leitfähige Verbindung hergestellt wird.
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Es kann dementsprechend vorgesehen sein, dass das elektrisch leitfähige Kontaktelement auf einer Oberfläche des Stützmaterials angeordnet ist. Zum Verbinden des thermoelektrischen Generators mit einer Spannungsquelle bzw. einer Stromquelle, wenn der thermoelektrische Generator als Peltier-Element genutzt werden soll, ist typischerweise jeweils ein Kontaktelement vorgesehen, das mit einem ersten Pol der Spannungsquelle bzw. Stromquelle und einem p-leitenden Bereich verbunden werden kann, sowie ein weiteres Kontaktelement, das mit einem dem ersten Pol entgegengesetzten zweiten Pol der Spannungsquelle und einem n-leitenden Bereich verbunden werden kann. Der thermoelektrische Generator kann auch direkt als Spannungsquelle bzw. Stromquelle genutzt werden. Alternativ oder zusätzlich kann der thermoelektrische Generator auch mit einem elektrischen Verbraucher verbunden sein.
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Vorzugsweise umfasst das Stützmaterial ein Vlies oder eine Stützstruktur mit Säulen, wobei zwischen den Säulen Freiräume oder Poren gebildet und angeordnet sind. Die Verwendung eines Vlieses erlaubt eine einfache durchgängige Benetzung des Stützmaterials mit dem thermoelektrischen Material. Ebenso kann als poröse Stützstruktur bzw. als Gerüst die mit Säulen versehene Stützstruktur aufgefasst werden, bei der die Hohlräume der porösen Struktur durch einen zwischen den Säulen existierenden Raum gegeben ist, und bei der ebenfalls durch Benetzen der Säulen mit dem thermoelektrischen Material der thermoelektrische Generator mit einer durch eine Höhe der Säulen vorgegebenen Gesamthöhe herstellbar ist.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass das Stützmaterial verformbar bzw. flexibel ist, um den thermoelektrischen Generator an eine Geometrie eines Einsatzorts einfach anpassen zu können. Unter Verformbarkeit soll hierbei insbesondere sowohl eine Dehnbarkeit also auch eine Biegbarkeit bei Raumtemperatur verstanden werden, ohne dass die Stützstruktur bei einer durch eine äußere Krafteinwirkung hervorgerufenen Formänderung bricht. Durch eine derartige Elastizität der Stützstruktur, bei der nach Wegfall einer einwirkenden Kraft eine Ursprungsform des Stützmaterials wieder eingenommen wird, wird das Stützmaterial einerseits für die Bearbeitung einfach anwendbar, erlaubt andererseits aber auch einen an die jeweilige Geometrie angepassten Einsatz des thermoelektrischen Generators.
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Vorzugsweise umfasst das thermoelektrische Material ein Polymer, bzw. das Material ist ein Polymer. Polymere sind einfach zu verarbeiten und können das Stützmaterial in flüssiger oder pastenförmiger Form einfach und schnell durchdringen. Beispielsweise können als thermoelektrische Materialen Poly-(3,4-ethylendioxythiopen):Poly-(styrolsulfonsäure), Polyanilin, Polycarbazol, Ethylendithiolat oder Polydialkoxyphenylenevinylen verwendet werden.
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Das Stützmaterial und somit der thermoelektrische Generator können eine Dicke von maximal 1 cm, vorzugsweise maximal 5 mm, besonders vorzugsweise maximal 3 mm aufweisen. Hierdurch wird ein dreidimensionaler Aufbau vorgegeben, d. h., dass auch die Dicke des thermoelektrischen Generators im Millimeterbereich liegt.
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Typischerweise ist sowohl eine Länge als auch eine Breite des Stützmaterials bzw. des thermoelektrischen Generators größer als die Dicke der genannten Elemente. Es wird somit ein flächiger thermoelektrischer Generator bereitgestellt. Hierdurch ergibt sich sowohl eine erste Oberfläche als auch eine zweite Oberfläche, die erhitzt bzw. gekühlt werden kann und aufgrund ihres Flächeninhalts einen entsprechenden Wirkungsgrad ermöglicht.
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Das Stützmaterial kann als ein einteiliges Stück vorliegen, auf dem das thermoelektrische Material aufgebracht ist. Vorzugsweise sind abwechselnd p-leitende und bzw. oder n-leitende Bereiche aufgebracht, Dies erlaubt eine mechanisch stabile Verbindung der genannten Bereiche über das Stützmaterial, wobei auch der elektrische Kontakt mechanisch stabil auf dem Stützmaterial aufgebracht werden kann. Alternativ können auch mehrere einzelne Teile des Stützmaterials verwendet werden, wobei beispielsweise auf einen dieser Teile ein n-leitender und auf ein weiteres dieser Teile ein p-leitender Bereich aufgebracht wird. Es werden somit einzelne Stützmaterialteile vorbereitet, die durch ein elektrisches Kontaktelement, das nur an den p-leitenden Bereich und den n-leitenden Bereich mit dem Stützmaterial in Verbindung steht, verbunden sind. In einer weiteren Ausgestaltung können mehrere einzelne Teile des Stützmaterials bereitgestellt werden und zwischen zwei dieser einzelnen Teile durch Aufbringen eines des ersten thermoelektrischen Materials bzw. des zweitens thermoelektrischen Materials eine Verbindung zwischen den einzelnen Teilen erreicht werden. Das elektrische Kontaktelement verbindet auch in diesem Fall den p-leitenden Bereich und den n-leitenden Bereich, liegt jedoch auf dem Stützmaterial auf.
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Das Stützmaterial muss auch keineswegs aus einem einzigen Material bestehen, sondern kann insbesondere bei Verwendung mehrerer einzelner Teile auch eine Kombination unterschiedlicher Materialien umfassen. Die unterschiedlichen Materialien für das Stützmaterial können unterschiedliche elektrische Leitfähigkeiten und unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten aufweisen.
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Vorzugsweise wird eine Kombination von Vliesen mit unterschiedlichen, an einen sich in dem thermoelektrischen Generator einstellenden Temperaturgradienten optimal angepassten thermoelektrischen Materialien verwendet. Hierdurch wird eine Verbesserung des Wirkungsgrads des thermoelektrischen Generators erreicht.
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Der thermoelektrische Generator ist vorzugsweise auf einer gekrümmten Oberfläche, einem Zylinder und bzw. oder einem Rohr derart angeordnet, dass die gekrümmte Oberfläche von dem thermoelektrischen Generator abgedeckt bzw. die gekrümmte Oberfläche, der Zylinder und bzw. oder das Rohr zumindest bereichsweise von dem thermoelektrischen Generator umschlossen sind.
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Bei einem Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Generators wird ein poröses, zumindest bereichsweise elektrisch isolierendes Stützmaterial in einem ersten Bereich einer Oberfläche des Stützmaterials mit einem ersten thermoelektrischen Material beschichtet und mit einem zweiten thermoelektrischen Material, das auf einem zweiten Bereich der Oberfläche des Stützmaterials vorhanden ist, oder einer auf dem zweiten Bereich der Oberfläche ausgebildeten elektrisch leitenden Beschichtung, elektrisch leitend oder elektrisch halbleitend verbunden oder das thermoelektrische Material wird mit einem elektrischen Leiter elektrisch leitend verbunden.
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Typischerweise umfasst das Verfahren mehrere Schritte. Zunächst wird das poröse, elektrisch isolierende, also elektrisch nicht leitfähige Stützmaterial bereitgestellt. In beliebiger Reihenfolge wird nun zumindest ein erster Teils des Stützmaterials mit einem p-leitenden thermoelektrischen Material beschichtet und zumindest ein zweiter Teil des Stützmaterials mit einem n-leitenden thermoelektrischen Material beschichtet. Der erste Teil ist von dem zweiten Teil vorzugsweise räumlich beabstandet. Anschließend wird ein elektrisch leitendes Kontaktelement zwischen dem p-leitenden thermoelektrischen Material und dem n-leitenden thermoelektrischen Material aufgebracht. Hierdurch wird ein vertikaler Aufbau eines Thermopaares so gestaltet, dass ein mehrfaches Überdrucken derselben Struktur nicht notwendig ist, sondern vielmehr beliebige Höhen der Thermopaare und somit des thermoelektrischen Generators unabhängig vom Zeitaufwand realisiert werden können. Die Beschichtung erfolgt hierbei nicht nur auf einer Oberfläche, vielmehr wird das gesamte poröse Stützmaterial von dem aufgebrachten thermoelektrischen Material durchdrungen.
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Das Beschichten des Stützmaterials mit dem thermoelektrischen Materials wird vorzugsweise durch ein Drucken des thermoelektrischen Materials oder durch eine Tauchbeschichtung mit dem jeweiligen thermoelektrischen Material durchgeführt. Bei Verwendung des ersten thermoelektrischen Materials und des zweiten thermoelektrischen Materials kann das Drucken oder die Tauchbeschichtung mit mindestens einem der thermoelektrischen Materialien erfolgen, wobei die thermoelektrischen Materialien auch mit unterschiedlichen Methoden auf das Stützmaterial aufgebracht werden können.
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Hierdurch wird eine durchgehende Benetzung des Stützmaterials mit dem thermoelektrischen Material gewährleistet, während gleichzeitig das thermoelektrische Material in einfacher und zuverlässiger Weise auf das Stützmaterial aufgebracht werden kann. Das jeweilige thermoelektrische Material kann hierzu als Tinte oder als zähflüssigere Paste vorliegen und auf das Stützmaterial aufgebracht werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass zumindest ein Teil des Stützmaterials durch Elektrospinnen eines thermoelektrischen Materials hergestellt wird. Hierzu wird zunächst nur ein p-leitendes oder ein n-leitendes thermoelektrisches Material verwendet und durch Elektrospinnen zu dem porösen Stützmaterial verarbeitet. Vorzugsweise erfolgt anschließend ein Tauchen in dasselbe thermoelektrische Material, sodass schnell ein reines bulkartiges thermoelektrisches Material hergestellt werden kann. Bei einem Zusammenfügen zu dem thermoelektrischen Generator, bei dem das hergestellte Element in Verbindung mit einem weiteren auf dem Stützmaterial angeordneten thermoelektrischen Material gebracht wird, muss das Stützmaterial auch einen Bereich aufweist, der nicht aus thermoelektrischen Fasern besteht und elektrisch isolierend ist. Dieser Bereich realisiert Abstände zwischen den Bereichen mit thermoelektrischem Material, um einen Kurzschluss zu verhindern. Der genannte Bereich kann durch Einbringen weiterer Materialien oder Strukturierung des Stützmaterials erzeugt werden. Alternativ können auch einzelne Blöcke mit bulkartigem thermoelektrischem Material hergestellt werden und räumlich voneinander getrennt zu dem thermoelektrischen Generator verbunden werden, indem zwischen den einzelnen Blöcken jeweils ein Kontaktelement angeordnet ist.
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Nach dem Beschichten mit dem p-leitenden thermoelektrischen Material bzw. dem Beschichten mit dem n-leitenden thermoelektrischen Material kann ein Trocknungsschritt vorgesehen sein, bei dem die Materialien fest werden, wobei das Trocknen vorzugsweise durch Erhitzen der Materialien unterstützt wird.
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Das Stützmaterial kann auch vor dem Beschichten mit dem thermoelektrischen Material strukturiert werden, vorzugsweise durch Einbringen von Löchern mittels eines Lasers. Hierdurch kann ein Kanal oder es können mehrere Kanäle entstehen, wodurch ein durchgängiges Benetzen des Stützmaterials erleichtert wird. Ebenso können nach dem Beschichten der erste Bereich und der zweite Bereich durch eine zusätzliche Strukturierung besser räumlich voneinander getrennt werden.
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Der beschriebene thermoelektrische Generator wird typischerweise mit dem beschriebenen Verfahren hergestellt bzw. das beschriebene Verfahren dazu verwendet, den genannten thermoelektrischen Generator herzustellen.
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Der thermoelektrische Generator wird vorzugsweise als Ummantelung eines Rohrs oder einer anderen gekrümmten Oberfläche, als Wärmeflusssensor, in einem Elektrogerät und/oder in einem Bekleidungsstück verwendet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der 1 bis 4 erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine seitliche Ansicht eines thermoelektrischen Generators mit einem durchgehenden Stützmaterial,
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2 eine 1 entsprechende Ansicht eines thermoelektrischen Generators mit einem mehrteiligen Stützmaterial, wobei das thermoelektrische Material zwischen dem Stützmaterial angeordnet ist,
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3 eine 1 entsprechende Ansicht eines thermoelektrischen Generators mit einem mehrteiligen Stützmaterial, wobei das thermoelektrische Material in dem Stützmaterial angeordnet ist, und
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4 eine 1 entsprechende seitliche Ansicht eines thermoelektrischen Generators mit lediglich einem einzigen thermoelektrischen Material.
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In 1 ist in einer seitlichen Ansicht ein thermoelektrischer Generator gezeigt. Der thermoelektrische Generator umfasst ein Vlies 1 als Stützmaterial, wobei in das Vlies 1 vier Bereiche mit einem p-leitenden thermoelektrischen Material 2 eingebracht sind, sowie vier Bereiche mit einem n-leitenden thermoelektrischen Material 3. Das p-leitende Material 2 und das n-leitende Material 3 sind aus Polyanilin und alternierend entlang einer Längsachse des Vlieses 1 angeordnet, wobei jeweils ein Bereich mit einem p-leitenden thermoelektrischen Material 2 und ein Bereich mit einem n-leitenden thermoelektrischen Material 3 ein Thermopaar bildet. Dementsprechend sind in 1 mehrere Thermopaare nebeneinander entlang der Längsachse des Vlieses 1 angeordnet. Das p-leitende Material 2 und das n-leitende Material 3 sind jeweils über elektrische Kontakte 4 aus Metall miteinander verbunden. Die Kontakte 4 sind gedruckt und an einander gegenüberliegenden Seiten des p-leitenden Materials 2 und des n-leitenden Materials 3 angeordnet, um einen Stromfluss durch das jeweilige Material 2, 3 zu erzwingen. Hierdurch ergibt sich eine Reihenschaltung der Thermopaare.
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Die elektrischen Kontakte 4, die alternierend zueinander auf einer Oberseite des Vlieses 1 und einer Unterseite angeordnet sind, sind der einzige elektrische Kontakt zwischen dem p-leitenden Material 2 und dem n-leitenden Material 3. Ein mechanischer Kontakt zwischen den genannten Materialien 2, 3 ist nur noch indirekt durch das Vlies 1 möglich. Bereiche mit p-leitendem Material 2 und n-leitendem Material 3 sind somit räumlich voneinander beabstandet. Das Vlies 1 selbst ist ein poröses Material und aus einem elektrischen Isolator hergestellt. Das Vlies 1 dient als Grundkörper sowie als Stützmaterial für den thermoelektrischen Generator und eine Höhe des Vlieses 1 entspricht einer Höhe des thermoelektrischen Generators. Alternativ zu dem Vlies 1 könnte auch eine Stützstruktur mit Säulen aus einem ebenfalls elektrisch isolierenden Material eingesetzt werden.
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Das thermoelektrische Material 2, 3 wurde in Form einer Paste oder als Tinte durch Drucken auf das Vlies 1 aufgebracht. Durch in dem Vlies 1 vorhandene Hohlräume gelangt das thermoelektrische Material 2, 3 von einer Eintrittsseite zu einer der Eintrittsseite gegenüberliegende Seite des Vlieses 1. An das Aufbringen der Paste bzw. der Tinte kann sich beim Herstellen des in 1 gezeigten thermoelektrischen Generators ein separater Trocknungsschritt anfügen, bei dem der gesamte Aufbau geheizt wird. Das p-leitende thermoelektrische Material 2 und das n-leitende thermoelektrische Material 3 sind als Polymere auf das Vlies 1 aufgebracht. Das Vlies 1 selbst ist flexibel, d. h. elastisch bzw. verformbar, also insbesondere dehnbar und biegbar bei Raumtemperatur und weist eine Höhe von 3 mm auf. Eine Länge und eine Breite des Vlieses 1 und somit des thermoelektrischen Generators sind gegenüber der Höhe deutlich größer, also mindestens doppelt so lang bzw. breit.
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Mit der in 1 gezeigten Ausführungsform wird somit der vertikale Aufbau eines polymeren Thermopaares so gestaltet, dass ein mehrfaches Überdrucken derselben Struktur nicht notwendig ist. Ein poröses, elektrisch nicht leitfähiges Material wie das in 1 dargestellte Vlies 1, kann somit als Gerüst eingesetzt werden, auf die die thermoelektrische Paste bzw. Tinte 2, 3 definiert gedruckt wird. Werden derartige poröse Materialien mit den thermoelektrisch aktiven Materialien 2, 3 bedruckt oder in diese getaucht, wird das poröse Material als Gerüst durchgängig benetzt. Auf diese relativ einfache Weise kann eine dreidimensionale Struktur erzeugt werden.
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Die Dicke des Vlieses 1 reicht hierbei bis in den Millimeterbereich, wodurch ein relativ hoher dreidimensionaler Aufbau erfolgen kann. Das thermoelektrisch aktive Material 2, 3 fließt nach dem Drucken von der Oberseite des porösen Materials in Richtung der Unterseite und benetzt das poröse Material durchgängig, wodurch leitfähige Pfade entstehen und ein thermoelektrischer Generator realisiert werden kann. Das in 1 gezeigte unstrukturierte Vlies 1 wurde mit p-leitendem Material 2 und n-leitendem Material 3 bedruckt.
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Ebenso wurden die Kontakte 4 gedruckt, sodass die dargestellte Struktur nun als thermoelektrischer Generator eingesetzt werden kann.
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In weiteren Ausführungsformen können das p-leitende Material 2 und das n-leitende Material 3 auch in unmittelbarem, also direktem Kontakt stehen und somit auf den elektrischen Kontakt 4 als zusätzliches Kontaktelement verzichtet werden. Ebenso kann es in weiteren Ausführungsformen möglich sein, nur ein einziges thermoelektrisches Material 2, 3 auf das Vlies 1 aufzubringen.
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Außerdem kann auch eine Strukturierung des Vlieses und der Materialien 2, 3 durch einen Laser erfolgen, um Kanäle zu schaffen, in denen das jeweilige thermoelektrische Material 2, 3 in das Vlies 1 eindringen kann oder um eine definierte räumliche Trennung zwischen einzelnen Bereichen herzustellen.
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2 zeigt in einer 1 entsprechenden Ansicht eine weitere Ausführungsform eines thermoelektrischen Generators, bei dem das Vlies 1 nicht einteilig ausgestaltet ist wie in 1, sondern mehrere einzelne Blöcke umfasst. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser wie auch in der folgenden Figur mit identischen Bezugszeichen versehen.
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Je einer der Blöcke des Vlieses 1 wurde mit einer Seite durch eine Tauchbeschichtung mit dem p-leitenden Material 2 bzw. n-leitenden Material 3 versehen. An eine weitere Seite des thermoelektrischen Materials 2, 3 wird ein weiterer Block des Vlieses 1 eingebracht, solange die Paste bzw. die Tinte noch in einem fließfähigen Zustand ist. Alternativ kann das Verfahren auch durch Bedrucken strukturierter Vliese erfolgen, wobei eine Strukturierung hierbei in dem Vorsehen von einzelnen Blöcken des Vlieses 1 besteht. Die strukturierten Bereiche, die als Löcher zwischen den einzelnen Blöcken des Vlieses 1 aufgefasst werden können, erleichtern die durchgängige Benetzung des Vlieses 1, das als Trägermaterial des thermoelektrischen Generators dient.
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Die Kontakte 4 sind ebenfalls aufgedruckt und liegen auf dem Vlies 1 auf. Das Vlies 1 dient somit auch zur mechanischen Stabilisierung der Kontakte 4. Auf die Kontakte 4 können zu erhitzende bzw. zu kühlende Platten, typischerweise Keramikplatten, aufgebracht sein.
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In 3 ist in einer 1 entsprechenden Ansicht eine weitere Ausführungsform des thermoelektrischen Generators gezeigt, bei der wie bei der in 2 gezeigten Ausführungsform das Vlies 1 als in mehrere Blöcke strukturiertes Vlies vorliegt, nun jedoch einzelne Vlieswürfel komplett tauchbeschichtet sind. Durch diese Tauchbeschichtung (dip-coating) einzelner Würfel des Vlieses 1 mit den aktiven Materialien 2, 3 lassen sich relativ einfach auf Polymeren basierende thermoelektrische Generatoren bauen. Jeder der Vlieswürfel wird hierzu entweder in ein p-leitendes Polymer 2 oder ein n-leitendes Polymer 3 eingetaucht, sodass das Vlies 1 nahezu vollständig mit dem jeweiligen Polymer benetzt ist. Anschließend wird der jeweilige Vlieswürfel getrocknet. Nach der Anordnung der beschichteten Vlieswürfel zu Thermopaaren wird zur elektrischen Kontaktierung einer der Kontakte 4 aufgebracht. Die Thermopaare sind in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispielen in Reihe geschaltet, wobei einer der Kontakte 4 nur mit einem p-leitenden Material 2 und ein weiterer der Kontakte 4 ausschließlich mit einem n-leitenden Material 3 verbunden ist und zur Inbetriebnahme des thermoelektrischen Generators als Peltier-Element an einer Spannungsquelle angeschlossen werden. Alle anderen Kontakte 4 sind mit einem Ende an einem p-leitenden Material 2 und mit einem diesem Ende gegenüberliegenden zweiten Ende mit einem n-leitenden Material 3 verbunden.
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Der thermoelektrische Generator umfasst somit die dargestellte Figur und dient als Spannungsquelle, wobei der Strom in einem mäanderförmigen Pfad durch die p-leitenden Bereiche 2 und die n-leitenden Bereiche 3 sowie die Kontakte 4 läuft. Der thermoelektrische Generator kann somit als Peltier-Element betrieben werden und aufgrund der unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeiten wird eine Abkühlung bzw. Erhitzung von einer Oberseite und einer Unterseite der dargestellten Struktur ermöglicht. Alternativ kann durch einen äußeren Einfluss eine Seite erwärmt und eine weitere Seite abgekühlt werden, wobei durch eine sich ausbildende Temperaturdifferenz zwischen den Seiten eine elektrische Spannung und ein Stromfluss generiert wird.
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Die in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiele können schnell, d. h. ohne einen Mehrfachdruck oder Multischichtendruck in beliebig lateral und leicht eingeschränkten vertikalen Dimensionen hergestellt werden. Durch einen Verzicht auf den Multilagendruck und den Einsatz des Vlieses 1 als Gerüst ist die erforderliche Höhe der Thermopaare durch das Gerüstmaterial vorgegeben. Faktisch können beliebige Höhen der Thermopaare unabhängig vom Zeitaufwand realisiert werden. Eine Kombination von Vliesen 1 mit unterschiedlichen, an den sich einstellenden Temperaturgradienten optimal angepassten thermoelektrischen Materialien erlaubt einen höheren Aufbau und eine Verbesserung des Wirkungsgrades gegenüber bekannten thermoelektrischen Generatoren. Insbesondere bei den in den Ausführungsbeispielen der 2 und 3 gezeigten Aufbauten können die einzelnen Vlieswürfel nicht aus einem Material, sondern aus mindestens zwei unterschiedlichen Materialien bestehen, wobei typischerweise einer der Vlieswürfel lediglich eines der Materialien umfasst.
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Das Vlies 1 kann aus dem verwendeten thermoelektrischen Material hergestellt werden, beispielsweise durch Elektrospinnen eines thermoelektrischen Materials (M-Faser) und anschließendes Tauchen in dasselbe thermoelektrische Material (M-Dispersion) kann schnell ein bulkartiges thermoelektrisches Material hergestellt werden. Die derartig hergestellten thermoelektrischen Generatoren können für verschiedene flexible Anwendungen genutzt werden. Einerseits können sie z. B. für die Umwicklung von Rohren genutzt werden und um beliebige gekrümmte Oberflächen gelegt werden, andererseits können sie auch für diverse andere Anwendungen genutzt werden, wie beispielsweise Integration in Kleidung oder Elektrogeräten.
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In 4 ist in einer 1 entsprechenden seitlichen Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel des thermoelektrischen Generators gezeigt, bei dem nur ein n-leitendes thermoelektrisches Material 3 auf das Vlies 1 aufgebracht bzw. in das Vlies 1 eingebracht ist. Einzelne mit dem n-leitenden Material 3 versehene Bereiche sind mit gebogenen Kontakten 4 elektrisch leitend miteinander verbunden. Die Kontakte 4 verbinden jeweils eine Oberseite eines der Bereiche mit n-leitendem thermoelektrischem Material 3 mit einer Unterseite eines weiteren Bereichs. In weiteren Ausführungsformen können jedoch auch die Kontakte 4 alternierend die Oberseiten und die Unterseiten miteinander verbinden. Das thermoelektrische Material 3 ist in dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel in das Vlies 1 eingebettet.
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Ein linkes Kontaktelement 4 bildet in dem dargestellten Ausführungsbeispiel je nachdem ob das thermoelektrische Material p- oder n-leitend ist und in Abhängigkeit von der Kalt- und der Warmseite einen Minuspol, während ein rechtes Kontaktelement 4 dann dementsprechend einen Pluspol bildet und somit ein elektrischer Strom mäanderförmig durch den thermoelektrischen Generator fließt.
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Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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