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Die Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Bauelement mit einem zwischen einer Heißseite und einer Kaltseite angeordneten, elektrisch und thermisch isolierenden Substrat, mit zumindest zwei Thermoschenkeln aus thermoelektrisch aktivem Material, die sich durch das Substrat hindurch von der Heißseite zu der Kaltseite erstrecken, und welche auf einer der beiden Seiten mittels einer Kontaktbrücke elektrisch miteinander kontaktiert sind und so ein Thermopaar bilden, sowie dessen Verwendung, insbesondere in einer Anlage zur Bereitung von Warmwasser. Außerdem betrifft die Erfindung ein Thermopaar.
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Ein thermoelektrisches Bauelement ist ein Energiewandler, welcher thermische Energie unter Ausnutzung des von Peltier und Seebeck beschriebenen thermoelektrischen Effekts in elektrische Energie umsetzt. Da der thermoelektrische Effekt reversibel ist, kann jedes thermoelektrisches Bauelement auch zur Umsetzung von elektrischer Energie in thermische Energie genutzt werden: so genannte Peltier-Elemente dienen unter elektrischer Leistungsaufnahme zum Kühlen bzw. Wärmen von Objekten. Peltier-Elemente verstehen sich daher auch als thermoelektrische Bauelemente im Sinne der Erfindung. Thermoelektrische Bauelemente, die zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie dienen, werden oft als thermoelektrische Generatoren (TEG) bezeichnet.
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Beispiele und Einführungen zu thermoelektrischen Bauelementen finden sich unter:
- • Thermoelectrics Handbook, D.M. Rowe (ed.), Taylor&Francis, 2006, ISBN 978-0-8493-2264-8
- • Thermoelectrics Goes Automotive, D. Jänsch (ed.), expert verlag GmbH, 2011, ISBN 978-3-8169-3064-8;
- • JP2006032850A ;
- • EP0773592A2 ;
- • US6872879B1 ;
- • US20050112872A1 ;
- • JP2004265988A .
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Ein einfaches und wirtschaftlich günstiges Verfahren zur Herstellung thermoelektrischer Bauelemente wird in
WO 2013/144106 A2 beschrieben.
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Im Stand der Technik ist eine Vielzahl von thermoelektrisch aktiven Materialien beschrieben. Für den kommerziellen Einsatz eignen sich beispielsweise Legierungen aus der Klasse der halbleitenden Wismuthtelluride (insbesondere mit zusätzlichen Anteilen von Selen und/oder Antimon) aus welchen sich – einerseits p-leitend und andererseits n-leitend dotiert – ein Thermopaar aufbauen lässt.
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Weitere thermoelektrisch aktive Stoffklassen sind: Halb-Heusler-Materialien, verschiedene Silizide (insbesondere Magnesium, Eisen), verschiedene Telluride (Blei, Zinn, Lanthan, Antimon, Silber), verschiedene Antimonide (Zink, Cer, Eisen, Ytterbium, Mangan, Cobalt, Wismut; teilweise auch als Zintl-Phasen bezeichnet), TAGS, Siliziumgermanide, Clathrate (insbes. auf Germanium-Basis). Neben diesen Halbleitermaterialien lassen sich thermoelektrische Bauelemente auch aus Kombinationen der meisten gewöhnlichen Metalle herstellen, wie dies z. B. bei handelsüblichen Thermoelementen zur Temperaturmessung der Fall ist, z. B. Ni-CrNi. Jedoch sind die so erzielbaren sog. Gütezahlen (thermoelektrische „Wirkungsgrade“) deutlich geringer als bei den genannten Halbleitermaterialien.
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Technisch ausgeführte thermoelektrische Bauelemente weisen typischerweise eine Vielzahl eng benachbarter und beabstandeter Thermoschenkel auf, welche abwechselnd aus n- und p-dotiertem Halbleitermaterial bestehen. Zur Bildung von aktiven Thermopaaren müssen diese Schenkel wechselseitig elektrisch miteinander verbunden werden, so dass typischerweise eine Reihenschaltung aus abwechselnd n- und p-dotierten Halbleiterschenkeln entsteht. Die elektrische Verbindung je zweier Halbleiterschenkel zu einem Thermopaar wird als Kontaktbrücke bezeichnet.
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Hohe Leitfähigkeiten für Strom und Wärme werden in den Kontaktbrücken gemeinhin vorrangig durch die Materialauswahl sichergestellt, so dass hier bevorzugt Kupfer, Silber und Aluminium oder spezielle Legierungen zum Einsatz kommen. In den meisten gegenwärtigen TE-Bauelementen kommen Halbleiter zum Einsatz, die nur bis ca. 250 °C einsetzbar sind, so dass für die elektrische und mechanische Verbindung von TE-Schenkeln und Kontaktbrücke meistens gängige Zinn- oder Silberbasislote verwendet werden. Den äußeren Abschluss des TE-Bauelementes bildet meistens eine Hüllschicht aus elektrisch isolierenden keramischen Materialien oder Polymeren.
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Ein konventionelles TE-Bauelement besteht aus verschiedenen Schichten mechanisch fest miteinander verbundener Materialien, die oft sehr unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Zudem liegt senkrecht zu dieser Schichtstruktur im Betriebszustand ein hohes Temperaturgefälle an. All dies führt zu hohen thermomechanischen Spannungen in und an den Verbindungsstellen zwischen den einzelnen Materialien. Um mechanische Beschädigungen bis hin zu Rissbildung, Delaminationen und/oder Verformungen entgegen zu wirken, müssen entweder hinreichend elastische Zwischenschichten vorgesehen werden, oder die Bauteile ausreichend massiv dimensioniert werden, um Stand zu halten. Teilweise werden die jeweils beidseitig äußersten Schichten eines TE-Bauelementes, welche die elektrische Isolation nach außen hin sowie einen Schutz vor Stoffeinwirkungen auf die inneren stromführenden Bauteile sicherstellen sollen, nicht fest mit den darunter liegenden Kontaktbrücken verbunden, sondern auf diese nur aufgelegt oder mit diesen über elastische Klebeschichten oder Wärmeleitpasten verbunden. Dadurch können sich thermomechanische Schubspannungen zwischen diesen Isolationsschichten (meist aus Keramik-Werkstoffen, mit geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten) und den darunter liegenden Kontaktbrücken (aus elektrisch gut leitenden Metallen, mit zumeist sehr hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten) nicht übertragen, womit schädliche mechanische Einwirkungen vermieden werden können. Jedoch leidet unter diesem reinen Berühr-, Klebe- oder Pastenkontakt der Wärmetransport zwischen Außenseite des TE-Bauelementes und seinen inneren Halbleiterstrukturen erheblich. Damit geht im Falle der Nutzung des TE-Bauelementes als thermoelektrischer Generator ein Teil des außen zur Verfügung stehenden Temperaturgefälles für die Umwandlung im thermoelektrisch aktiven inneren Teil verloren, so dass der Wirkungsgrad und die erzielbare elektrische Leistung sinken. Im Falle der Nutzung als Peltier-Element verringert sich analog die Leistungskennziffer, so dass bei gleicher eingebrachter elektrischer Leistung ein geringerer Wärmestrom von der Kalt- zur Heißseite resultiert.
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Eine besondere Ausgestaltung thermoelektrischer Bauelemente der eingangs genannten Gattung ist aus der
WO2008061823A1 bekannt. Eine Besonderheit dieser Bauelemente besteht darin, dass sich seine Thermoschenkel durch ein sogenanntes Substrat hindurch erstrecken, welches damit die Heißseite von der Kaltseite trennt. Dies erlaubt eine besonders kostengünstige Herstellung. Sofern das Substrat darüber hinaus noch gute thermische Isolationswirkung besitzt kann ein derartiges thermoelektrisches Bauelement zudem einen verbesserten elektrischen Wirkungsgrad unter gleichen gegebenen Heiß- und Kaltseitenbedingungen gegenüber konventionellen thermoelektrischen Bauelementen aufweisen. Allerdings weist dieses thermoelektrische Bauelement ebenfalls die oben geschilderten Nachteile auf.
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Im Lichte dieses Standes der Technik ist es Aufgabe der Erfindung ein thermoelektrisches Bauelement anzugeben, das solche Nachteile vermeidet. Insbesondere sollen Probleme mit thermomechanischen Spannungen zwischen den unterschiedlichen Werkstoffen gelöst und die Wärmeübertragung zwischen dem TE-Bauelement und Wärmeträgermedien verbessert werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Kontaktbrücke in dem erfindungsgemäßen Bauelement wie folgt ausgeführt:
Anstatt einer ebenen (flachen) und damit möglichst kurzen Verbindung zwischen den Kontaktpunkten zweier benachbarter TE-Schenkel wird die Kontaktbrücke vorzugsweise gekröpft ausgeführt, d. h. sie weist vorzugsweise mindestens eine Faltung oder Wölbung auf, so dass sich die Kontaktbrücke nicht nur planar orthogonal zur makroskopischen Wärmeflussrichtung durch das TE-Bauelement erstreckt, sondern auch eine vorzugsweise variable Erstreckung in Richtung des Wärmeflusses besitzt.
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Die Kontaktbrücke weist auf ihrer der Heißseite und/oder der Kaltseite zugewandten Seite eine Oberfläche auf, deren Flächeninhalt größer ist als der Flächeninhalt einer in der Substratebene liegenden Vergleichsfläche, welche durch eine gedachte (senkrechte) Projektion der Kontaktbrücke auf die Substratebene gebildet wird. Bevorzugt wird die Kontaktbrücke erfindungsgemäß so gestaltet, dass sie sich zwischen den Kontaktflächen beider zugeordneter Thermoschenkel entlang eines Weges erstreckt, welcher länger ist als der kürzest mögliche Weg zwischen diesen beiden Kontaktflächen.
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Dies wirkt im Zusammenhang mit thermomechanischen Spannungen ähnlich den im Rohrleitungsbau üblichen Ausgleichsbögen und reduziert damit insbesondere Schubspannungen in den Fügestellen zwischen Kontaktbrücken und Thermoschenkeln.
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Durch die Faltung/Kröpfung/Ausbuchtung bilden die Kontaktbrücken somit nicht mehr notwendiger Weise eine ebene Fläche orthogonal zur Richtung des durch das thermoelektrische Bauelement fließenden Wärmestromes aus. Je nach Ausführungsform können die Bereiche der erfindungsgemäßen Kontaktbrücken, die sich zwischen den Anbindezonen zu den TE-Schenkeln befinden, aus dieser gedachten Ebene heraus oder in diese hineinragen (siehe Abbildungen). Ersteres verträgt sich natürlich kaum mit dem Aufbau eines konventionellen TE-Bauelements, bei welchem elektrisch isolierende Platten/Schichten auf den Kontaktbrücken aufliegen und die äußere Hülle der Bauelemente bilden. Zweitens bedingt in einem ansonsten konventionellen Design, dass die Kontaktbrücken „nach innen“, d. h. zwischen die TE-Schenkel hinein, ausreichenden freien Raum zur Ausdehnung haben. In einem TE-Bauelement ohne die TE-Schenkel fixierendes Substrat ist dies in der Regel intrinsisch gegeben. In einem TE-Bauelement mit die TE-Schenkel fixierendem Substrat sollte sich zwischen der Außenseite des Substrates und der Kontaktbrücke ein ausreichend großer freier Raum befinden. Am einfachsten wird dies erreicht, indem die TE-Schenkel mitsamt der stirnseitigen Diffusionsbarriereschicht und elektrischen Verbindungsschicht (z. B. Lot) aus der Substratebene herausragen, oder aber die Kontaktbrücke selber sollte im Seitenschnitt z. B. M-förmig ausgebildet sein, mit parallel zur Wärmeflussrichtung ausgebildeten Beinen, welche den Kontakt zu den TE-Schenkeln herstellen.
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Ragt die Faltung/Kröpfung/Ausbuchtung der Kontaktbrücken von den TE-Schenkeln fort, so weisen diese Kontaktbrücken eine vergrößerte Kontaktfläche zur Wärmeübertragung verglichen mit einfachen konventionellen planaren Kontaktbrücken auf. Somit entsteht auf der Außenseite des TE-Bauelementes eine strukturierte anstatt einer glatten Außenfläche, analog berippter Wärmetauscherstrukturen. Bei Überströmung durch ein Wärmeträgermedium (Fluid) entstehen dadurch zusätzlich unter Umständen Turbulenzzonen. Erhöhte Kontaktfläche und Erzeugung von Turbulenzen erhöhen signifikant den Wärmeübergangskoeffizienten zwischen Wärmeträgermedium und Kontaktbrücken. Dadurch sinkt der thermische Widerstand des Systems aus Wärmeträgermedien und TE-Bauelement und der elektrische Wirkungsgrad des TE-Bauelementes kann steigen. Wichtig ist dann aber, dass ggfs. durch äußere Schutzbeschichtungen und/oder Abdichtungen chemische oder physikalische Angriffe und/oder unerwünschte Einwirkungen auf die Bauteile des TE-Bauelementes vermieden werden. Auch müssen die elektrischen Widerstände in den erfindungsgemäß ausgestalteten Kontaktbrücken niedrig gehalten werden; Dazu kann es notwendig werden, einen verlängerten Weg für den Stromfluss durch größere Materialquerschnitte oder die Auswahl von Materialien mit noch geringeren spezifischen elektrischen Widerständen zu kompensieren.
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Mit der hier beschriebenen Gestaltung werden die folgenden Vorteile erzielt:
- a) Geringerer thermischer Widerstand des TE-Bauelementes zwischen Heiß- und Kaltseite, damit Erzielung eines optimalen elektrischen Wirkungsgrades und maximaler elektrischer Leistung.
- b) Besserer Wärmeübergang zwischen Wärmeträgermedien und TE-Bauelement im Falle der Ausführungsform der Kontaktbrücken als Rippen.
- c) Vermeidung von Beschädigungen des TE-Bauelementes durch thermomechanische Spannungen.
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Allgemeiner Erfindungsgedanke und demnach Gegenstand der Erfindung ist ein Thermoelektrisches Bauelement mit einem zwischen einer Heißseite und einer Kaltseite angeordneten, elektrisch und thermisch isolierenden Substrat, mit zumindest zwei Thermoschenkeln aus thermoelektrisch aktivem Material, die sich durch das Substrat hindurch von der Heißseite zu der Kaltseite erstrecken, und welche auf einer der beiden Seiten mittels einer Kontaktbrücke elektrisch miteinander kontaktiert sind und so ein Thermopaar bilden, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die Kontaktbrücke auf ihrer der Heißseite und/oder der Kaltseite zugewandten Seite eine (vergrößerte) Oberfläche aufweist, deren Flächeninhalt größer ist als der Flächeninhalt einer in der Substratebene liegenden Vergleichsfläche, welche durch eine gedachte (senkrechte) Projektion der Kontaktbrücke auf die Substratebene gebildet wird (oder anders ausgedrückt: der Flächeninhalt der Fläche, die durch einen gedachten Umriss der Kontaktbrücke auf der Substratebene gebildet wird muss kleiner sein als der Flächeninhalt der Fläche, die gebildet wird durch die der Heißseite und/oder der Kaltseite zugewandten Seite der Oberfläche der Kontaktbrücke, unter der Annahme, dass diese Oberfläche in einer Ebene liegt). Vorzugsweise erstreckt sich die Kontaktbrücke zwischen den beiden Thermoschenkeln entlang eines Weges, welcher länger ist als der entlang des Substrats gemessene Abstand der beiden Thermoschenkel.
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Ein weiterer wichtiger Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die Kontaktbrücke mit einer Dreifachfunktion zu versehen, nämlich mit der elektrischen Kontaktierung der Thermoschenkel zum Aufbau des Thermopaares, mit dem Ausgleich von thermomechanischer Spannungen und mit der thermischen Kopplung von fluiden Wärmeträgermedien und Thermoschenkeln. Das erfindungsgemäße thermoelektrische Bauelement kann mithin auch als thermoelektrisch aktiver Wärmetauscher aufgefasst werden, der im Gegensatz zu Systemen mit konventionellen thermoelektrischen Bauelementen bereits über intrinsische Wärmetauscherstrukturen verfügt, während diese in konventionellen Systemen üblicherweise in angrenzenden, separaten und noch effektiv thermisch anzubindenden Bauteilen enthalten sind.
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Umgekehrt kann das thermoelektrische Bauelement als eine Wärmepumpe ohne bewegliche Teile eingesetzt werden, die unter Aufnahme elektrischer Leistung Wärmeenergie von der kalten Seite auf die heiße Seite überträgt. Auf diese Weise kann die Kaltseite gekühlt bzw. die Heißseite beheizt werden.
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Vorzugsweise weist das thermoelektrische Bauelement eine Kontaktbrücke auf, die nicht eben ist, bevorzugt eine solche Kontaktbrücke die eine Erhebung aus der Ebene aufweist, welche dem Substrat zugewandt oder vom Substrat abgewandt sein kann. Besonders bevorzugte erfindungsgemäße Bauelemente weisen eine Kontaktbrücke auf, die eine Schlinge, Delle oder Beule ausbildet, welche dem Substrat zugewandt oder vom Substrat abgewandt sein kann. Eine solche Kontaktbrücke lässt sich besonders einfach mittels Umformtechnik herstellen. Die Schlinge kann auch parallel zur Substratebene ausgeformt sein. Bevorzugt wird die Kontaktbrücke gekröpft oder gebogen ausgeführt.
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Um ihre Flexibilität zu steigern, kann es vorteilhaft sein, die Kontaktbrücke biegeinnenseitig mit Hohlkehlen zu versehen. Zusätzliche Hohlkehlen auf den Innenseiten der Biegungen können Herstellung (Biegung/Faltung) der Kontaktbrücken erleichtern, und verbessern im verbauten Zustand weiter die Biegewilligkeit/Elastizität des Bauteiles. Hohlkehlen in derartiger Konfiguration sind leicht herzustellen. Sie erhöhen jedoch die Anfälligkeit für Korrosion und erschweren die Aufbringung einer geschlossenen Schutzbeschichtung.
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Das erfindungsgemäße thermoelektrische Bauelement kann eine Kontaktbrücke aufweisen, bei der die Oberfläche der Kontaktbrücke zumindest teilweise eine strukturierte, bevorzugt dreidimensional strukturierte Oberfläche, wobei die Strukturierung vorzugsweise aus Erhebungen und/oder Vertiefungen gebildet wird, aufweist. Bei Ausführung der Kontaktbrücke als Rippe weist diese bevorzugt eine zumindest teilweise, vorzugsweise dreidimensional strukturierte Oberfläche auf, damit der Wärmeübergang zwischen Wärmeträgerfluid und Kontaktbrücke weiter verbessert wird. Eine dreidimensional Strukturierte Oberfläche kann einfachstenfalls über eine Aufrauhung erzielt werden.
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Bevorzugte erfindungsgemäße thermoelektrische Bauelemente weisen eine Kontaktbrücke auf, die sich zwischen den beiden Thermoschenkeln entlang eines Weges erstreckt, vorzugsweise eines Weges, welcher dem in der Substratebene gemessenen Abstand der beiden Thermoschenkel entspricht oder länger ist und mindestens einen Kamm aufweist, vorzugsweise mindestens einen von der Substratebene fortweisenden Kamm. Die Kontaktbrücke weist vorzugsweise mindestens einen sich entlang des Weges erstreckenden, von der Substratebene fortweisenden Kamm auf. Bevorzugt erfindungsgemäße thermoelektrische Bauelemente weisen eine Kontaktbrücke auf, die vorteilhafterweise einen U-, M-, I-, T- oder Doppel-T-förmigen Querschnitt, bevorzugt einen U-förmigen Querschnitt aufweisen, wobei vorzugsweise mindestens einer der von der Substratebene fortweisenden Schenkel einen Kamm bildet. Bei U-förmigem Querschnitt können einer oder beide, bevorzugt beide der Schenkel des U, die vorzugsweise von der Substratebene wegweisen, (jeweils) einen Kamm bilden.
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Es kann vorteilhaft sein, wenn die Kontaktbrücke durch eine Punkt- oder Linienschweissung (oder andere stoffliche Verbindung) eine teilweise Entkopplung der Funktionen "elektrische Leitung" und "thermische Leitung"/“Wärmeeinkopplung“ aufweisen. Auf diese Weise kann ein kürzerer Weg für den Strom realisiert werden.
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In dem erfindungsgemäßen thermoelektrischen Bauelement kann das Material des Substrats aus den verschiedensten geeigneten Materialien ausgewählt sein. Bevorzugte Materialien sind z. B. in der
WO 2013/144106 A2 beschrieben. Das Substrat kann eben bzw. flach, geknickt, gekrümmt oder gebogen ausgeführt sein. Das Substrat kann unflexibel / unbiegbar oder flexibel / biegbar ausgeführt sein. Ist das Substrat flexibel oder biegbar ausgeführt, kann das erfindungsgemäße thermoelektrische Bauelement auf einfache Weise den baulichen Gegebenheiten angepasst werden. Bevorzugte erfindungsgemäße thermoelektrische Bauelemente sind solche, bei denen das Substrat bezüglich der Substratebene symmetrisch ist, und vorzugsweise eben bzw. flach, geknickt, gekrümmt oder gebogen ausgeführt ist.
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Es kann vorteilhaft sein, wenn das erfindungsgemäße thermoelektrische Bauelement eine vorzugsweise im Wesentlichen parallel zum Substrat angeordnete, bevorzugt die Kontraktbrücken zumindest punktuell berührende Hüllschicht, aufweist. Besonders bevorzugt ist die Hüllschicht dergestalt ausgeführt, dass ein sich zwischen Hüllschicht und Substrat erstreckender Raum umgrenzt wird, durch welchen die Kontaktbrücke verläuft, aufweist. Es kann vorteilhaft sein, wenn dieser Raum mit einem stehenden oder fließenden Wärmeübertragungsfluid gefüllt ist.
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Neben oder anstelle der Hüllschicht kann das erfindungsgemäße thermoelektrische Bauelement mit einer die Kontaktbrücken und/oder das Substrat, vorzugsweise die Kontaktbrücke und das Substrat, besonders bevorzugt das gesamte Bauelement (mit Ausnahme der elektrischen Zu- bzw. Ableitungen) elektrisch isolierenden, vorzugsweise gegen anwesende Medien beständigen Beschichtung versehen sein.
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Die Hüllschicht und/oder die Beschichtung können z. B. ein thermoplastisches Polymer, wie beispielsweise Polyethylen, Polypropylen, Polyamid, oder Aluminiumnitrid enthalten oder daraus bestehen oder auf einer Alkoxysilan-haltigen Zusammensetzung, wie beispielsweise Tetraethoxysilan-haltigen Zusammensetzungen, basieren. Die Hüllschicht wird vorzugsweise durch ein Bauteil aus einem Kunststoff gebildet. Die Beschichtung kann z. B. durch einen Lack, eine Vergussmasse, eine Folie oder eine Abscheidung gebildet werden.
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Die erfindungsgemäßen thermoelektrischen Bauelemente können durch bekannte technische Verfahren mit der Hüllschicht und/oder einer Beschichtung versehen werden. Die Hüllschicht kann insbesondere durch Techniken wie z. B. Aufpressen oder Aufkleben oder Folien-Tiefziehen aufgebracht werden. Die Beschichtung kann z. B. durch Sprühen, Tauchen oder Abscheiden aufgebracht werden.
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Eine besondere Ausführungsform der Erfindung sieht eine im Wesentlichen parallel zum Substrat angeordnete Hüllschicht vor, welche die Kontaktbrücke an ihren Brückenköpfen berührt, dergestalt, dass ein sich zwischen Hüllschicht und Substrat erstreckender Raum umgrenzt wird, durch welchen die Kontaktbrücke verläuft und welcher mit einem stehenden oder durch einen äußeren Antrieb (z. B. Pumpe) fließenden Wärmeträgerfluid gefüllt sein kann. Bei einer solchen Konstellation ist die Kontaktbrücke vom Wärmeträgerfluid umgeben bzw. umflossen, sodass der Wärmeaustausch zwischen Fluid und Thermoschenkel besonders effektiv ist.
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Die Herstellung der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Bauelemente kann wie im Stand der Technik beschrieben erfolgen. Vorzugsweise erfolgt die Herstellung der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Bauelemente wie in
WO 2013/144106 A2 beschrieben, auf welche insbesondere bezüglich der eingesetzten Materialien sowie der Herstellverfahren der einzelnen Komponenten sowie der Zusammenfügung zum thermoelektrischen Bauelement verwiesen wird.
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Das Wärmeträgerfluid steht insbesondere dann, wenn es gilt die Wärme von außerhalb der Hüllschicht in die Kontaktbrücke einzukoppeln; das Wärmeträgerfluid hat hier dann lediglich die Aufgabe, im freien Raum zwischen Substrat, Hüllschicht und Kontaktbrücken einen geringeren Wärmewiderstand zu erzielen, als jener der sich ergäbe wenn der freie Raum nur mit Gas (z. B. Luft) gefüllt wäre. Somit sinkt der thermische Widerstand des gesamten Bauelementes zwischen Heiß- und Kaltseite, was den elektrischen Wirkungsgrad erhöhen kann. Mithin kann es sich bei diesem stehenden Fluid auch um ein aushärtendes oder ausgehärtetes Polymer oder eine Vergussmasse handeln, welche lediglich für die Einbringung in den vormals freien Raum eine gewisse Viskosität bzw. Fließfähigkeit benötigt.
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Die Wärme kann aber auch aktiv über das Wärmeträgerfluid an die Kontaktbrücken herantransportiert werden. In diesem Falle wird ein dank äußerem Antrieb (z.B. Pumpe) fließendes Wärmeträgerfluid gewählt.
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Als Wärmeträgerfluid kommen bevorzugt flüssige oder gasförmige Medien in Betracht, die eine hohe spezifische Wärmekapazität haben, wie beispielsweise, Wasser, Alkohol, Öle auf Kohlenwasserstoff- oder Silikonbasis. Es kann auch Luft als Wärmeträgerfluid verwendet werden. Zwar hat Luft keine hohe Wärmekapazität, ist aber oft einfach, kostengünstig und sauber verfügbar, sodass der Nachteil ihrer geringen Wärmekapazität ausgeglichen werden kann.
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Das thermoelektrische Bauelement kann als thermoelektrischer Generator verwendet werden, also zur Umwandlung eines Wärmeflusses von der Heißseite auf die Kaltseite in eine elektrische Leistung. Die Spannung wird an den Schenkeln abgegriffen. Auf diese Weise kann Wärmenergie in elektrische Energie umgesetzt werden.
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Insbesondere kann der erfindungsgemäße TEG zur Ausbeutung niederkalorischer Wärmequellen wie Grundwasser, Bodenwärme, Abluft, Abgase, Abwasser oder warmem Kühlwasser genutzt werden. Solche Wärmeströme finden sich in der Natur und in der Technik häufig und konnten bisher aufgrund ihres niedrigen Temperaturniveaus thermodynamisch kaum wirtschaftlich genutzt werden. Die thermoelektrische Nutzung ist mit der vorliegenden Erfindung möglich.
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Umgekehrt kann das thermoelektrische Bauelement zur Umwandlung einer elektrischen Leistung in einen Wärmefluss von der Kaltseite auf die Heißseite verwendet werden, also als Wärmepumpe.
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Die Wärmepumpe eignet sich insbesondere zur Warmwasserbereitung im Haushalt, dementsprechend wird auf der Heißseite zu erhitzendes Wasser angeordnet und auf der Kaltseite Umgebungsluft. Das Wasser kann dann energieeffizient elektrisch beheizt werden. Gegenstand der Erfindung ist mithin auch eine Anlage zur Warmwasserbereitung, welche ein erfindungsgemäßes thermoelektrisches Bauelement aufweist. Umgekehrt ist auch ein in einer Anlage zur Warmwasserbereitung eingesetztes, erfindungsgemäßes thermoelektrisches Bauelement Gegenstand der Erfindung.
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Sofern verfügbar, können auch die oben genannten niederkalorischen Wärmequellen anstelle von Umgebungsluft zur Wasserbeheizung genutzt werden.
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Da die besondere Gestaltung der Kontaktbrücke erfindungswesentlich ist, ist auch ein Thermopaar, gebildet aus zwei mittels einer Kontaktbrücke elektrisch miteinander kontaktierten, beabstandet zueinander verlaufenden Thermoschenkeln aus thermoelektrisch aktivem Material Gegenstand der Erfindung, sofern die Kontaktbrücke so ausgeführt ist, dass sie auf ihrer der Heißseite und/oder der Kaltseite zugewandten Seite eine Oberfläche aufweist, deren Flächeninhalt größer ist als der Flächeninhalt einer in der Substratebene liegenden Vergleichsfläche, welche durch eine gedachte (senkrechte) Projektion der Kontaktbrücke auf die Substratebene gebildet wird. Bevorzugt erstreckt sich die Kontaktbrücke zwischen den beiden Thermoschenkeln entlang eines Weges, welcher länger ist als der kürzeste zwischen den Thermoschenkeln gemessene Abstand.
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Die Erfindung soll nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Hierfür zeigen:
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1: erste Ausführungsform mit leicht gekröpfter Kontaktbrücke;
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2: zweite Ausführungsform mit stark gekröpfter Kontaktbrücke;
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3: wie 2, jedoch mit Hohlkehlen;
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4: vierte Ausführungsform mit nach innen geschlungener Kontaktbrücke, zusätzlich mit äußerer Hüllschicht;
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5: wie 4, jedoch mit verstärktem Brückenkopf;
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6: wie 5, jedoch mit nach außen geschlungener Kontaktbrücke;
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7: einzelnes Thermopaar mit gekröpfter Kontaktbrücke.
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Die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen thermoelektrischen Bauelements ist in 1 dargestellt. Es umfasst ein Substrat 1 aus einem elektrisch und thermisch
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isolierenden Material wie beispielsweise einer Keramik, einem Polymer oder einem Kompositmaterial. Bei dem Substrat 1 handelt es sich um ein im Wesentlichen flächiges Gebilde, im einfachsten Fall um eine ebene Platte. Das Substrat 1 trennt eine Heißseite 2 von einer Kaltseite 3 des thermoelektrischen Bauelements.
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Das Substrat kann auch gekrümmt ausgeführt sein. Der in den Figuren dargestellte ebene Abschnitt des Substrats kann dann als infinitesimaler Teil eines gekrümmten Substrats aufgefasst werden, sodass die hier geschilderten geometrischen Betrachtungen sich auch auf gekrümmte Substrate anwenden lassen.
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In das Substrat 1 eingebracht sind zwei Thermoschenkel 4n, 4p, von denen der erste 4n aus einem n-dotierten thermoelektrisch aktiven Halbleitermaterial wie beispielsweise Wismuthtellurid besteht. Der zweite Thermoschenkel 4p besteht aus dem korrespondierenden p-dotierten Halbleitermaterial. Beide Thermoschenkel 4n, 4p erstrecken sich senkrecht zur Ebene des Substrats 1 durch dieses hindurch von der Heißseite 2 zur Kaltseite 3.
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Auf der Heißseite 2 sind die beiden Thermoschenkel 4n, 4p zu einem Thermopaar elektrisch miteinander verbunden. Dies geschieht über eine Kontaktbrücke 5 aus einem elektrisch und thermisch leitfähigen Material wie beispielsweise Silber, Kupfer oder Aluminium. Die Kontaktbrücke 5 ist auf die Thermoschenkel 4n, 4p aufgelötet (könnte aber auch anderweitig angefügt sein). Zwischen Lot 6 und Thermoschenkel 4n, 4p befindet sich jeweils eine Barriereschicht 7 die z. B. aus Nickel bestehen kann, die ein Eindiffundieren des Lotes 6 in das Halbleitermaterial verhindert.
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Die Kontaktbrücke 5 erstreckt sich zwischen den beiden Thermoschenkeln 4n, 4p entlang eines Weges W, welcher länger ist als der entlang des Substrats 1 gemessene Abstand d der beiden Thermoschenkel 4n, 4p. Grund dafür ist eine Schlinge 8 der Kontaktbrücke 5, mit welcher die Kontaktbrücke 5 vom Substrat 1 fortweist. Die Verlängerung der Kontaktbrücke 5 durch ihre Schlinge 8 bewirkt eine größere Oberfläche der Kontaktbrücke 5, sodass der Wärmefluss über die Kontaktbrücke verbessert wird. Die Wärme fließt über die Kontaktbrücke 5 und durch die Schenkel 4n, 4p in Richtung der Kaltseite 3. Aufgrund der thermoelektrischen Aktivität der Halbleitermaterialien lässt sich dann eine elektrische Spannung an den Thermoschenkeln 4n, 4p abgreifen.
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Umgekehrt kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung an den Thermoschenkeln ein Wärmestrom von der Kaltseite auf die Heißseite induziert werden. Das thermoelektrische Element arbeitet dann als Wärmepumpe, d. h. als Kühlelement bezüglich der Kaltseite und als Heizelement bezüglich der Heißseite.
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Erfindungsgemäß besteht das Substrat aus einem thermisch isolierenden Material. Darunter ist zu verstehen, dass die Wärmeleitfähigkeit des Substratmaterials geringer ist als die des thermoelektrischen Aktivmaterials. Dies bewirkt, dass über das Substrat selbst kaum Wärmeaustausch zwischen Heiß- und Kaltseite stattfindet, sondern vornehmlich, vorzugsweise ausschließlich, über die Thermoschenkel. Das thermoelektrische Bauelement ist deswegen deutlich effizienter, da nahezu der gesamte Wärmefluss zwischen Heiß- und Kaltseite thermoelektrisch genutzt wird. Das Substratmaterial muss einen thermischen Kurzschluss zwischen Heiß- und Kaltseite vermeiden.
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Vorteilhafterweise wird innerhalb des Substrats 1 eine Vielzahl von solchen Thermopaaren vorgesehen. Diese werden üblicherweise mittels ihnen zugeordneter Kontaktbrücken in Reihe geschaltet, um eine höhere elektrische Spannung zu erzielen. Somit finden sich in einem derartigen Bauteil mit mehr als zwei Thermoschenkeln 4n, 4p Kontaktbrücken 5 sowohl auf der Heiß- wie auch auf der Kaltseite. Zur vereinfachten Darstellung der Erfindung wurde jedoch nur ein Thermopaar mit einer Kontaktbrücke 5 auf der Heißseite dargestellt.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei der die Kontaktbrücke 5 stärker gekröpft ist als in 1, was eine weitere deutliche Verlängerung des Weges W, entlang dessen sich die Kontaktbrücke 5 erstreckt, gegenüber dem Abstand d der Thermoschenkel 4n, 4p ergibt. Die Kontaktbrücke 5 weist mithin eine große Oberfläche in Kontakt mit einem Wärmeträgerfluid 9 auf. Die Oberfläche der Kontaktbrücke 5 kann aufgeraut oder in anderer Weise dreidimensional strukturiert werden, um die Oberfläche weiter zu vergrößern und damit den Wärmeaustausch zwischen dem Wärmeträgerfluid 9 und der Kontaktbrücke 5 weiter zu verbessern.
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In 3 ist diese Ausführungsform dahingehend weitergebildet worden, dass die Kontaktbrücke 5 biegeinnenseitig mit Hohlkehlen 10 versehen worden ist, um die Biegewilligkeit der Kontaktbrücke 5 weiter zu verbessern. Auf diese Weise kann die Kontaktbrücke 5 besser auf Thermospannungen reagieren, die durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten der miteinander kontaktierten Materialien von Substrat 1, thermoelektrischem Aktivmaterial 4n, 4p, Nickelbarriere 7, Lot 6 und Kontaktbrücke 5 entsteht. Die nach außen abgekröpfte Kontaktbrücke 5 wirkt dabei wie ein Ausdehnungsbogen einer Rohrleitung.
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In 4 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die durch eine äußere Hüllschicht 11 gekennzeichnet ist. Die Hüllschicht 11 dient zur elektrischen Isolation und Einkapselung des thermoelektrischen Bauelements. Sie kann insbesondere aus Kunststoff, Keramik, wie z. B. Aluminiumnitrid, Verbundstoffen beider vorgenannter Klassen oder elektrisch isolierend beschichtetem Metall. Die Hüllschicht 11 erstreckt sich im Wesentlichen parallel zum Substrat 1 und liegt auf den Brückenköpfen 12 der Kontaktbrücke 5 auf. Auf diese Weise wird zwischen Hüllschicht 11 und Substrat 1 ein Hohlraum 13 ausgebildet, durch welchen sich die hier nach innen gewandte Schlinge 8 der Kontaktbrücke 5 erstreckt. Der Hohlraum 13 kann mit einem stehenden oder fließenden Wärmeträgerfluid geflutet werden. Die Anströmung kann aber auch von außen erfolgen.
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Zur Vergrößerung des Hohlraums 13 wurde bei der in 5 dargestellten Ausführungsform der Erfindung die Kontaktbrücke im Bereich ihrer Brückenköpfe 12 jeweils mit einem Sockel 14 versehen. Dies ermöglicht eine Verlängerung der Schlinge und damit der Weglänge der Kontaktbrücke und zusätzlich eine Kontaktflächenvergrößerung im Bereich der Sockel 14. In 5 ist der Hohlraum 13 mit einem Wärmeträgerfluid 9 gefüllt.
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Wie in 6 gezeigt, kann die Schlinge 8 auch nach außen gebogen werden, sodass sie von dem Substrat 1 weg weist. Die Sockel 14 sind dementsprechend zwischen Brückenkopf 12 und Hüllschicht 11 anzuordnen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, das thermoelektrische Bauelement als Wärmepumpe in einer Anlage zur Warmwasserbereitung einzusetzen. Hierzu wird auf der Heißseite 2 diesseits oder jenseits einer etwaigen Hüllschicht zu erhitzendes Wasser als Wärmeträgerfluid 9 vorgesehen. Auf der Kaltseite 3 befindet sich Umgebungsluft oder eine andere verfügbare niederkalorische Wärmequelle. Durch Anlegen einer Spannung an den Thermoschenkeln 4n, 4p wird die Wärme aus der kälteren Umgebung auf der Kaltseite 3 über die Thermoschenkel 4n, 4p und die Kontaktbrücke 5 auf das zu erhitzende Wasser übertragen und dieses damit beheizt. Das thermoelektrische Bauelement arbeitet dann nach Art einer Wärmepumpe, kommt dabei aber ohne bewegliche Teile, insbesondere Verdichter, sowie ohne (klimaschädliche) Kältemittel aus. Selbstverständlich kann die Anlage noch mit einer zusätzlichen, alternativen Heizung für das zu erhitzende Wasser versehen sein, etwa eine elektrische Widerstandsheizung oder ein Gas- oder Ölbrenner. Das thermoelektrische Bauelement dient dann vielmehr zur zusätzlichen energieeffizienten Beheizung des Kesselwassers unter Ausnutzung der in der Umgebungsluft vorhandenen Wärme.
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7 zeigt, dass die erfindungsgemäß vorteilhaft ausgebildeten Kontaktbrücken auch ohne Substrat nutzbar sind in einem Thermopaar, gebildet aus zwei mittels einer Kontaktbrücke 5 elektrisch miteinander kontaktierten, beabstandet zueinander verlaufenden Thermoschenkeln 4n, 4p aus thermoelektrisch aktivem Material, bei welchem sich die Kontaktbrücke 5 zwischen den beiden Thermoschenkeln 4n, 4p entlang eines Weges W erstreckt, welcher länger ist als der kürzeste zwischen den Thermoschenkeln gemessene Abstand d. Die Thermoschenkel müssen dabei nicht parallel verlaufen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Substrat
- 2
- Heißseite
- 3
- Kaltseite
- 4n
- erster Thermoschenkel (n-leitend)
- 4p
- zweiter Thermoschenkel (p-leitend)
- 5
- Kontaktbrücke
- 6
- Lot
- 7
- Barriereschicht
- W
- Weg der Kontaktbrücke zwischen Mitten der Thermoschenkel
- d
- kürzester Mitten-Abstand der Thermoschenkel
- 8
- Schlinge
- 9
- Wärmeträgerfluid
- 10
- Hohlkehle
- 11
- Hüllschicht
- 12
- Brückenkopf
- 13
- Hohlraum
- 14
- Sockel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2006032850 A [0003]
- EP 0773592 A2 [0003]
- US 6872879 B1 [0003]
- US 20050112872 A1 [0003]
- JP 2004265988 A [0003]
- WO 2013/144106 A2 [0004, 0026, 0032]
- WO 2008061823 A1 [0010]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- D.M. Rowe (ed.), Taylor&Francis, 2006, ISBN 978-0-8493-2264-8 [0003]
- D. Jänsch (ed.), expert verlag GmbH, 2011, ISBN 978-3-8169-3064-8 [0003]
