DE102014209045A1

DE102014209045A1 - Thermoelektrisches Modul

Info

Publication number: DE102014209045A1
Application number: DE102014209045.8A
Authority: DE
Inventors: Hans-Heinrich Angermann
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2013-05-13
Filing date: 2014-05-13
Publication date: 2014-11-13
Also published as: FR3005529A1; US9831411B2; FR3005529B1; US20140332049A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Modul (1) mit einem ersten Gehäuseelement (2, 3) und mit einem zweiten Gehäuseelement (2, 3), wobei zwischen den Gehäuseelementen (2, 3) zumindest zwei thermoelektrische Elemente (8, 9) angeordnet sind, wobei zumindest jeweils zwei thermoelektrische Elemente (8, 9) über erste elektrische Kontaktierungen (6, 7, 20) oder über zweite elektrische Kontaktierungen (6, 7, 20) miteinander elektrisch verbunden sind oder über erste elektrische Kontaktierungen (6, 7, 20) und/oder zweite elektrische Kontaktierungen (6, 7, 20) mit einem Stromkreis elektrisch verbunden sind, wobei die ersten elektrischen Kontaktierungen (6, 7, 20) dem ersten Gehäuseelement (2, 3) zugeordnet sind und die zweiten elektrischen Kontaktierungen (6, 7, 20) dem zweiten Gehäuseelement (2, 3) zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gehäuseelement (2, 3) und/oder das zweite Gehäuseelement (2, 3) zumindest eine Öffnung (22) aufweist, welche von zumindest einem Teilbereich der ersten elektrischen Kontaktierungen (6, 7, 20) und/oder der zweiten elektrischen Kontaktierungen (6, 7, 20) überdeckt wird, wobei die ersten elektrischen Kontaktierungen (6, 7, 20) und/oder die zweiten elektrischen Kontaktierungen (6, 7, 20) mit dem ersten Gehäuseelement (2, 3) und/oder dem zweiten Gehäuseelement (2, 3) verbunden sind.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Modul mit einem ersten Gehäuseelement und mit einem zweiten Gehäuseelement, wobei zwischen den Gehäuseelementen zumindest zwei thermoelektrische Elemente angeordnet sind, wobei zumindest jeweils zwei thermoelektrische Elemente über erste elektrische Kontaktierungen oder über zweite elektrische Kontaktierungen miteinander elektrisch verbunden sind oder über erste elektrische Kontaktierungen und/oder zweite elektrische Kontaktierungen mit einem Stromkreis elektrisch verbunden sind, wobei die ersten elektrischen Kontaktierungen dem ersten Gehäuseelement zugeordnet sind und die zweiten elektrischen Kontaktierungen dem zweiten Gehäuseelement zugeordnet sind.
Stand der Technik
Thermoelektrische Module können sowohl als sogenannte Peltier-Elemente eingesetzt werden als auch als thermoelektrische Generatoren. Dabei kann entweder aufgrund einer anliegenden Spannung ein Wärmetransport realisiert werden, oder aufgrund einer Temperaturdifferenz entlang eines thermoelektrischen Moduls Strom erzeugt werden.
Der Aufbau der thermoelektrischen Module ist dabei in beiden Anwendungsfällen im Prinzip gleich. Thermoelektrische Module können beispielsweise aus mehreren aufeinander gestapelten Schichten und Bauelementen erzeugt werden. Oft sind thermoelektrische Elemente mittels elektrischer Kontaktierungen miteinander verschaltet. Die thermoelektrischen Elemente sind dabei in einem Gehäuse integriert. Zwischen dem Gehäuse und den elektrischen Kontaktierungen, beziehungsweise zwischen dem thermoelektrischen Elementen und dem Gehäuse kann eine elektrische Isolierung vorgesehen sein. Eine elektrische Isolierung ist insbesondere dann vorgesehen, wenn das Gehäuse aus einem elektrisch leitenden Material gebildet ist.
Um eine möglichst große Stromausbeute zu erzielen, ist eine möglichst große Temperaturdifferenz über das thermoelektrische Modul vorteilhaft. Obwohl über das thermoelektrische Modul Wärme von einer Außenfläche zu einer anderen Außenfläche transportiert, ergibt sich aus der gewollten geringen Wärmeleitfähigkeit der TE-Bausteine eine Temperaturdifferenz zwischen den jeweiligen Außenflächen. Je weniger Wärme transportiert wird, desto großer ist die auftretende Temperaturdifferenz.
Nachteilig bei thermoelektrischen Modulen ist insbesondere, dass es aufgrund der großen Temperaturdifferenzen zu unterschiedlichen Ausdehnungen des thermoelektrischen Moduls auf der jeweils heißen und der jeweils kalten Seite kommt. Dies resultiert in hohen mechanischen Beanspruchungen der thermoelektrischen Module und kann zum Versagen der thermoelektrischen Module führen.
Nachteilig an den Lösungen im Stand der Technik ist insbesondere die nicht optimale Werkstoffauswahl für die jeweilige heiße Seite und die jeweilige kalte Seite der thermoelektrischen Module.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein thermoelektrisches Modul bereitzustellen, welches gegenüber dem Stand der Technik optimiert ist und sich insbesondere durch anwendungsgerechte Materialien und einen verbesserten Wärmeübertrag auszeichnet.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch ein thermoelektrisches Modul mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Modul mit einem ersten Gehäuseelement und mit einem zweiten Gehäuseelement, wobei zwischen den Gehäuseelementen zumindest zwei thermoelektrische Elemente angeordnet sind, wobei zumindest jeweils zwei thermoelektrische Elemente über erste elektrische Kontaktierungen oder über zweite elektrische Kontaktierungen miteinander elektrisch verbunden sind oder die zumindest jeweils zwei thermoelektrischen Elemente über erste elektrische Kontaktierungen und/oder zweite elektrische Kontaktierungen mit einem Stromkreis elektrisch verbunden sind, wobei die ersten elektrischen Kontaktierungen dem ersten Gehäuseelement zugeordnet sind und die zweiten elektrischen Kontaktierungen dem zweiten Gehäuseelement zugeordnet sind, wobei das erste Gehäuseelement und/oder das zweite Gehäuseelement zumindest eine Öffnung aufweist, welche von zumindest einem Teilbereich der ersten elektrischen Kontaktierungen und/oder der zweiten elektrischen Kontaktierungen überdeckt ist, wobei die ersten elektrischen Kontaktierungen und/oder die zweiten elektrischen Kontaktierungen mit dem ersten Gehäuseelement und/oder dem zweiten Gehäuseelement verbunden sind.
Thermoelektrische Module werden für ihren Einsatz oft einer Umgebung ausgesetzt, die sich insbesondere durch große Temperaturdifferenzen auszeichnet. Die Temperaturdifferenz kann beim thermoelektrischen Generator beispielsweise durch zwei Medien unterschiedlicher Temperatur erzeugt werden, die das thermoelektrische Modul umströmen. Dabei werden besonders die Gehäuseelemente den grollen Temperaturdifferenzen ausgesetzt. Im Wesentlichen findet der Wärmeübertrag zwischen dem thermoelektrischen Modul und den Medien über die Gehäuseelemente statt.
Das Gehäuseelement, welches dem Medium mit der höheren Temperatur ausgesetzt ist, bildet eine heiße Seite des thermoelektrischen Moduls aus. Das jeweils andere Gehäuseelement bildet entsprechend eine kalte Seite des thermoelektrischen Moduls aus. Dies trifft zumindest für thermoelektrische Module zu, die zur Stromerzeugung verwendet werden.
Thermoelektrische Module, die dazu genutzt werden, Wärme zu transportieren, können auch zwei Medien gleicher Temperatur ausgesetzt sein. Durch Leitung von elektrischem Strom über das thermoelektrische Modul bilden sich am thermoelektrischen Modul auch jeweils eine heiße Seite und eine kalte Seite aus.
Die elektrischen Kontaktierungen, welche die vorhandenen Öffnungen in den Gehäuseelementen überdecken, werden aufgrund der vorhandenen Öffnungen direkt mit den jeweiligen Medien, die die Gehäuseelemente überströmen, beaufschlagt. Dadurch kann ein besserer Wärmeübertrag stattfinden. Die Öffnungen werden dabei von der Innenseite des thermoelektrischen Moduls aus durch die elektrischen Kontaktierungen überdeckt, welche die thermoelektrischen Elemente miteinander oder mit dem Stromkreis verbinden. Auf diese Weise werden die Öffnungen derart abgeschlossen, dass ein das Gehäuseelement außen überströmendes Medium nicht in das innere des thermoelektrischen Moduls eindringen kann. Hierzu kann die Verbindung zwischen den elektrischen Kontaktierungen und dem Gehäuseelement durch ein geeignetes Mittel abgedichtet werden.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann es vorgesehen sein, dass die ersten elektrischen Kontaktierungen und das erste Gehäuseelement und/oder die zweiten elektrischen Kontaktierungen und das zweite Gehäuseelement jeweils aus dem gleichen Material gefertigt sind.
Dies ist insbesondere vorteilhaft für den Fall, dass zwischen den elektrischen Kontaktierungen und dem jeweiligen Gehäuseelement ein Fügematerial, insbesondere ein elastisches Fügematerial, vorgesehen ist. Durch die Wahl des gleichen Materials ist sichergestellt, dass die Ausdehnungen oder Stauchungen des Gehäuseelementes und der jeweiligen elektrischen Kontaktierungen ähnlich groß ausfallen. Insgesamt wird so die thermomechanische Belastung des thermoelektrischen Moduls und speziell die Belastung des Fügematerials reduziert.
Weiterhin ist es zu bevorzugen, wenn der die Öffnung überdeckende Bereich der ersten elektrischen Kontaktierungen und/oder der zweiten elektrischen Kontaktierungen eine elektrisch isolierende Schicht und/oder eine vor Korrosion schützende Schicht aufweist.
Der die Öffnung überdeckende Bereich der elektrischen Kontaktierungen wird direkt mit dem Medium beaufschlagt, welches das jeweilige Gehäuseelement überströmt. Daher kann es vorgesehen werden, dass dieser Bereich eine elektrisch isolierende Schicht aufweist, die einen Kurzschluss zwischen der elektrischen Kontaktierung und dem Medium beziehungsweise dem Gehäuseelement verhindert. Eine elektrisch isolierende Schicht kann beispielsweise durch eine keramische Beschichtung gebildet sein. Vorteilhafterweise weist die elektrisch isolierende Schicht eine vernachlässigbare thermische Isolierungswirkung auf.
Zusätzlich oder alternativ kann der die Öffnung überdeckende Bereich auch eine Schutzschicht aufweisen, die die elektrischen Kontaktierungen vor korrosiven Einflüssen schützt.
Ob eine elektrisch isolierende Schicht oder eine vor korrosiven Einflüssen schützende Sicht vorgesehen wird, ist abhängig von dem verwendeten Medium, welches das jeweilige Gehäuseelement überströmt und vom Material der elektrischen Kontaktierung. Für den Fall, dass von diesem Medium keine korrosiven Einflüsse ausgehen und/oder das Medium nicht elektrisch leitend ist, müssen keine Schutzschichten vorgesehen werden. Sie können jedoch auch prophylaktisch vorgesehen werden.
Vorteilhafterweise können auch die Bereiche der elektrischen Kontaktierung, welche nicht die Öffnung überbrücken mit einer elektrisch isolierenden Schicht und/oder mit einer vor korrosiven Einflüssen schützenden Schicht beschichtet sein.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die ersten elektrischen Kontaktierungen und/oder die zweiten elektrischen Kontaktierungen mit dem ersten Gehäuseelement und/oder mit dem zweiten Gehäuseelement durch ein Fügematerial verbunden sind.
Die erste elektrische Kontaktierung kann abweichend von einer zweidimensionalen Geometrie auch so ausgebildet sein, dass sie eine oder mehrere rippenähnliche Ausbildungen aufweist, die durch die Öffnungen des ersten Gehäuseelements in das Kühlmedium hineinragen und die Wärmeabfuhr in das Kühlmedium verbessern. Die rippenähnlichen Ausbildungen können der ersten elektrischen Kontaktierung entweder durch Umformung aufgeprägt werden oder einer zweidimensionalen ersten elektrischen Kontaktierung durch Schweißen, Löten etc. aufgefügt werden.
Über ein Fügematerial, welches vorteilhafterweise elastische Eigenschaften aufweist, können die elektrischen Kontaktierungen besonders einfach mit den jeweiligen Gehäuseelementen verbunden werden. Das Fügematerial kann dabei beispielsweise ein Klebstoff sein. Vorteilhafterweise wird durch das Fügematerial eine Entkopplung der elektrischen Kontaktierungen von den jeweiligen Gehäuseelementen erreicht.
Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn das Fügematerial eine mechanische und/oder elektrische Isolierung zwischen dem jeweiligen Gehäuseelement und den jeweiligen elektrischen Kontaktierungen erzeugt, wobei das Fügematerial entweder durch ein Silikon und/oder durch ein Polyurethan gebildet ist.
Insbesondere eine mechanische Entkopplung ist für die Lebensdauer des thermoelektrischen Moduls besonders vorteilhaft. Eine mechanische Entkopplung kann bevorzugt über elastische Materialien, wie beispielsweise Silikon oder Polyurethan, erreicht werden. Das elastische Fügematerial kann bevorzugt die Ausdehnungen und Stauchungen aufnehmen, die infolge der thermomechanischen Spannungen im Betrieb entstehen. Zusätzlich kann das Fügematerial vorteilhaft eine elektrisch isolierende Funktion aufweisen, welche dann zumindest teilweise eine elektrisch isolierende Schicht auf dem Gehäuseelement oder dem elektrischen Kontaktmaterial ersetzen kann.
Das verwendete Fügematerial ist insbesondere abhängig von den Eigenschaften des Mediums zu wählen, mit welchem das Fügematerial im Betrieb des thermoelektrischen Moduls in Kontakt gerät. Weiterhin ist die Umgebungstemperatur des thermoelektrischen Moduls maßgeblich, da das Fügematerial geeignet sein muss die auftretenden Umgebungstemperaturen im Betrieb auszuhalten ohne dabei Schaden zu nehmen.
Die Schichtdicke des elastischen Fügematerials liegt zwischen 0,05 und 2 mm, bevorzugt zwischen 0,1 und 1,5 mm und besonders bevorzugt zwischen 0,2 und 1,0 mm.
Ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht vor, dass das erste Gehäuseelement aus zumindest einem der Materialien Aluminium, Magnesium, Zink, Kupfer und Mangan gebildet ist oder aus einer Legierung von zumindest einem der Materialien Aluminium, Magnesium, Zink, Kupfer, Mangan und Eisen gebildet ist.
Für das Gehäuseelement der kalten Seite kommen bevorzugt Materialien zum Einsatz, welche sich durch einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten α oder zumindest durch einen deutlich höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Gehäuseelement auf der heißen Seite auszeichnen. Weiterhin ist flankierend ein möglichst geringer Elastizitätsmodul E vorteilhaft. Das thermoelektrische Modul erfährt im Betrieb aufgrund der Temperaturen der umgebenden Medien mechanische Spannungen, welche in einer Dehnung oder Stauchung des thermoelektrischen Moduls resultieren. Um den elastischen Anteil an der auftretenden Verformung infolge der Erwärmung beziehungsweise der Abkühlung möglichst groß zu halten, ist ein möglichst geringer Elastizitätsmodul E vorteilhaft.
Als Materialien für das Gehäuseelement der kalten Seite kommen daher bevorzugt Aluminium, Aluminiumlegierungen, Magnesium, Magnesiumlegierungen, Zink oder Zinklegierungen, Mangan und Manganlegierungen sowie austenitische Fe-Legierungen in Frage. Kupfer oder Kupferlegierungen sind ebenfalls vorsehbar. Sie weisen jedoch einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten α auf. Unter den austenitischen Fe-Legierungen sind besonders die üblichen kostengünstigen austenitischen Edelstähle wie 1.4301 zu nennen, die zwar auch bei Raumtemperatur einen eher niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten von ca. 16·10^–6 1/k aufweisen, was jedoch wegen der Verwendung eines elastischen Fügematerials zwischen Gehäuseelement und elektrischer Kontaktierung auf der kalten Seite und der darauf beruhenden mechanischen Entkopplung nicht nachteilig sein muss.
Insbesondere vorteilhaft ist hier das Material Aluminium oder dessen Legierungen. Aluminium weist sowohl einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten α als auch einen niedrigen Elastizitätsmodul E auf. Darüber hinaus sind Aluminium und dessen Legierungen kostengünstig, global verfügbar, leicht verarbeitbar und relativ korrosionsbeständig. Diese Vorteile gelten ebenso für die elektrischen Kontaktierungen (Leiterbahnen) der kalten Seite. Darüber hinaus lässt sich auf Gehäusewerkstoff aus Aluminium leicht eine elektrisch isolierende Schicht aufbringen. Dies kann beispielsweise durch Eloxieren erfolgen.
Materialien mit besonders hohem thermischem Ausdehnungskoeffizienten wie beispielsweise Pernifer 1407, Pernifer 2002, Pernifer 2006, Pernifer 2206, Pernifer 2508 und Pernima 72) können ebenfalls eingesetzt werden. Pernima 72 zeichnet sich besonders durch einen sehr hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten α aus.

Nachfolgend ist eine Tabelle mit unterschiedlichen Materialien dargestellt, welche vorteilhafterweise für das Gehäuseelement der kalten Seite verwendet werden können. Es sind der Wärmeausdehnungskoeffizient α, der spezifische elektrische Widerstand σ und der Elastizitätsmodul E bei Raumtemperatur dargestellt.

	α in 10^–6/K	σ in Ωmm²/m	E in GPa
Aluminium (Al)	23,8	2,7E-02	68
Magnesium (Mg)	24,5	4,5E-02	45
Zink (Zn)	29,8	5,9E-02	94
Kupfer (Cu)	16,5	1,7E-02	125
Mangan (Mn)	21,7	1,6	191
Austenitischer Edelstahl, z. B. 1.4301	16,0	0,73	200

Tabelle 1: Materialparameter ausgewählter Materialien, insbesondere für das Gehäuseelement der kalten Seite, bei Raumtemperatur

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das zweite Gehäuseelement aus einem Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten (α) gebildet ist, der kleiner als 20 × 10^–6 1/K ist, dabei vorzugsweise kleiner als 16 × 10^–6 1/k ist, dabei vorzugsweise kleiner als 12 × 10^–6 1/K ist.
Je niedriger der Wärmeausdehnungskoeffizient α ist, umso vorteilhafter ist das Material für das Gehäuseelement der heißen Seite. Der niedrige Wärmeausdehnungskoeffizient α führt zu einer geringeren Ausdehnung des Gehäuseelementes infolge hoher Temperaturen. Dies ist insbesondere der Dauerhaltbarkeit des thermoelektrischen Moduls zuträglich, da die Belastungen durch eine geringere Ausdehnung oder Stauchung ebenfalls verringert werden.
Außerdem kann es besonders vorteilhaft sein, wenn das zweite Gehäuseelement aus zumindest einem der Materialien, Wolfram, Tantal, Niob, Chrom, Nickel, Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Zirkonoxid, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid gebildet ist oder aus einer Legierung aus zumindest einem der Materialien Molybdän, Wolfram, Tantal, Niob, Chrom, Nickel und Eisen gebildet ist.
Für das zweite Gehäuseelement, also das Gehäuseelement der heißen Seite, kommen besonders Eisenwerkstoffe und Legierungen auf Eisenbasis in Frage. Hierzu zählen beispielsweise die ferritischen Edelstähle 1.4016, 1.4509, 1.4737 sowie Pernifer 2918 mit niedrigem thermischem Ausdehnungskoeffizienten. Weiterhin sind Refraktärmetalle wie Molybdän, Wolfram, Tantal, Niob, Chrom sowie deren jeweilige Legierungen für das Gehäuseelement der heißen Seite verwendbar. In Frage kommen auch Ni und Ni-Legierungen wie z. B. 2.4856, die zwar einen erhöhten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, jedoch auch bei erhöhten Temperaturen noch eine Streckgrenze von ca. 400 MPa haben.
Als Alternative zu metallischen Gehäuseelementen können auch keramische Materialien verwendet werden. Hierzu zählen beispielsweise Aluminiumoxid (Al₂O₃), Aluminiumnitrid (AlN), Zirkonoxid (ZrO₂), Siliziumcarbid (SiC), Siliziumnitrid (Si₃N₄) sowie Mischoxide. Dies gilt mit Blick auf den Wärmeausdehnungskoeffizienten α insbesondere für das Gehäuseelement der heißen Seite.

In der nachfolgenden Tabelle sind die Parameter Wärmeausdehnungskoeffizient α, spezifischer elektrische Widerstand σ sowie der Elastizitätsmodul E für verschiedene besonders geeignete Stähle, Refraktärmetalle und eine Keramik dargestellt. Auch hier wird der spezifische elektrische Widerstand der Metalle mit aufgeführt vor dem Hintergrund der Anwendung dieser Materialien als Leiterbahnen auf der heißen Seite.

	α in 10^–6/K	σ in Ωmm²/m	E in GPa
1.4016/1.4509	10,0	6,0E-01	220
1.4737	10,5	6,0E-01	220
Pernifer 2918	6,5	4,9E-01	160
Molybdän (Mo)	5,0	5,1E-02	336
Wolfram (W)	4,5	5,5E-02	415
Tantal (Ta)	6,6	1,2E-01	188
Niob (Nb)	8,6	1,3E-01	160
Chrom (Cr)	7,2	1,4E-01	190
Nickel (Ni)	13,4	1,4	200
Al₂O₃ (99,7%)	8,5	---	380

Tabelle 2: Materialparameter ausgewählter Materialien, insbesondere für das Gehäuseelement der heißen Seite, bei Raumtemperatur

Besonders bevorzugt sind für das Gehäuseelement der heißen Seite Materialien auf Eisenbasis. Diese sind global gut verfügbar, weisen eine gute Verarbeitbarkeit auf und sind kostengünstig am Markt zu beziehen; auch Ni-Legierungen gehören dazu wegen der überragend hohen Warmstreckgrenze, die auch bei erhöhten thermomechanischen Spannungen noch eine elastische Verformung erlaubt.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient α des ersten Gehäuseelementes und/oder der ersten elektrischen Kontaktierungen (Kaltseite) größer ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient α des zweiten Gehäuseelementes und/oder der zweiten elektrischen Kontaktierungen (Heißseite).
Auf der heißen Seite können typischerweise Temperaturen von ungefähr 400° bis 550° Celsius auftreten. Auf der kalten Seite hingegen können Temperaturen bis ungefähr 120° Celsius auftreten. Die Verwendung von gleichen Materialien führt daher zu einer stark unterschiedlichen Entstehung von mechanischen Spannungen an dem Gehäuseelement der kalten Seite und dem Gehäuseelement der heißen Seite. Dies kann zu Beeinträchtigungen der Dauerhaltbarkeit des thermoelektrischen Moduls oder zum Ausfall des thermoelektrischen Moduls führen.
Daher ist es besonders vorteilhaft, wenn die Gehäuseelemente und die elektrischen Kontaktierungen auf der heißen Seite, welche sich durch eine flächige Ausdehnung auszeichnen, aus einem Material gebildet sind, welches sich durch einen möglichst geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten α auszeichnet. Die Gehäuseelemente und die elektrischen Kontaktierungen auf der kalten Seite sind vorteilhafterweise aus einem Material mit einem hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten α gebildet.
Der hohe Wärmeausdehnungskoeffizient α an der kalten Seite ist insbesondere vorteilhaft, da auch an der kalten Seite eine gewisse Erwärmung gegenüber Umgebungstemperatur im Betrieb auftritt. Durch ein Material mit einem hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten α auf der kalten Seite können die Ausdehnungsunterschiede zwischen der heißen Seite und der kalten Seite abgemildert werden.
Die Ausführungen sind gültig, auch wenn auf der Kaltseite ein elastisches Fügematerial verwendet wird, das unterschiedliche thermische Ausdehnungen zwischen Gehäuseelementen auf der kalten und der heißen Seite wirksam entkoppelt. Der Grund ist, dass zwischen Gehäuseelement auf der heißen Seite und der elektrischen Kontaktierung auf der kalten Seite eine stoffschlüssige und starre Fügeverbindung besteht, die möglichst geringen thermomechanischen Spannungen ausgesetzt werden soll.
Auch ist es zu bevorzugen, wenn das erste Gehäuseelement und/oder das zweite Gehäuseelement eine Dicke von weniger als 0,3 mm, dabei bevorzugt weniger als 0,2 mm, dabei bevorzugt weniger als 0,1 mm aufweist.
Über eine vorteilhafte Gestaltung des Gehäuseelementes der kalten Seite kann zusätzlich auf die Vermeidung von hohen thermomechanischen Spannungen hingewirkt werden. Insbesondere durch eine möglichst dünne Gestaltung des Gehäuseelementes der kalten Seite können durch elastische oder ggf. plastische Verformungen thermomechanische Spannungen abgebaut werden. Vorteilhafterweise kann das Gehäuseelement der kalten Seite dabei aus einem folienartigen Material gebildet sein. Dies ist insbesondere bei der Verwendung von metallischen Werkstoffen vorteilhaft.
Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, wenn jeweils zwischen den ersten elektrischen Kontaktierungen und dem ersten Gehäuseelement und/oder zwischen den zweiten elektrischen Kontaktierungen und dem zweiten Gehäuseelement eine elektrische Isolierung angeordnet ist.
Um Kurzschlüsse zu vermeiden, können zwischen den elektrischen Kontaktierungen und den jeweiligen Gehäuseelementen elektrische Isolierungen vorgesehen sein. Dies gilt besonders dann, wenn für die Gehäuseelemente elektrisch leitenden Materialien verwendet werden. Im Allgemeinen wird die elektrische Isolierung vollflächig auf die Gehäuseelemente aufgetragen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die elektrische Isolierung zwischen den elektrischen Kontaktierungen und den Gehäuseelementen nicht vollflächig aufgebracht ist, da dadurch die thermomechanischen Spannungen besser abgebaut werden können.
Es ist daher zu bevorzugen, wenn die elektrische Isolierung nur soweit über die elektrischen Kontaktierungen hinaussteht, dass ein elektrischer Kontakt zwischen den Gehäuseelementen und den elektrischen Kontaktierungen vermieden wird. Dies ist bevorzugt zu erreichen, indem die elektrische Isolierung um beispielsweise 0,1 mm bis 1,0 mm, bevorzugt 0,25 bis 0,75 mm über die elektrischen Kontaktierungen hinaussteht. Falls gewünscht kann der Überstand der elektrischen Isolierungen nach dem Aufbringen der elektrischen Leiterbahnen auch ganz oder zumindest teilweise entfernt werden.
Auch ist es zu bevorzugen, wenn die elektrische Isolierung und/oder die elektrischen Kontaktierungen durch thermisches Spritzen auf die Gehäuseelemente und/oder die thermoelektrischen Elemente aufgebracht sind.
Durch thermisches Aufspritzen der elektrischen Isolierung und/oder der elektrischen Kontaktierungen auf die Gehäuseelemente und/oder die thermoelektrischen Elemente kann auf besonders einfache Weise eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem jeweils aufgespritztem Material und dem jeweiligen Trägermaterial erzeugt werden. Der Prozess des thermischen Aufspritzens ist dabei einfach in einem industriellen Prozess automatisierbar, so dass die Bearbeitung kostengünstig erfolgen kann.
Besonders vorteilhaft können keramische Schichten wie z. B. Al₂O₃ zur elektrischen Isolierung aufgebracht werden. Falls nötig kann die Haftung der gespritzten Schichten durch Aufbringung von Haft-/Pufferzwischenschichten wie z. B. NiCrAlY verbessert werden. Dies bietet sich insbesondere für das Gehäuseelement der kalten Seite an. NiCrAlY stellt mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von ca. 14·10^–6 1/K eine Übergangsschicht zwischen dem hohen Wert für das Gehäuseelement der kalten Seite und der isolierenden Keramik dar. Vorteilhaft wirkt sich in diesem Zusammenhang der poröse Charakter einer thermisch gespritzten isolierenden Keramikschicht aus, die mithilft, mechanische Spannungen durch gewisse Bewegungen innerhalb der Schicht abbauen zu können.
In einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist es außerdem vorgesehen, dass für das erste Gehäuseelement und/oder die ersten elektrischen Kontaktierungen ein Material verwendet wird, dessen Elastizitätsmodul E in einem Bereich von 5 GPa bis 200 GPa, bevorzugt von 15 GPa bis 120 GPa, dabei bevorzugt von 20 GPa bis 100 GPa liegt.
Ein möglichst geringer Elastizitätsmodul E ist besonders vorteilhaft, um einen möglichst hohen elastischen Verformungsanteil an der Gesamtverformung zu erreichen. insbesondere für das Gehäuseelement und/oder die elektrischen Kontaktierungen auf der kalten Seite sind dabei vorzugsweise Materialien mit einem Elastizitätsmodul E in einem oben genannten Bereich vorteilhaft. Ein möglichst hoher elastischer Verformungsanteil ist der Lebensdauer des thermoelektrischen Moduls zuträglich, da der plastische Verformungsanteil entsprechend geringer ausfällt.
Auch ist es vorteilhaft, wenn für das zweite Gehäuseelement und/oder die zweiten elektrischen Kontaktierungen ein Material verwendet wird, dessen Elastizitätsmodul E in einem Bereich von 100 GPa bis 500 GPa, bevorzugt von 140 GPa bis 300 GPa, dabei bevorzugt von 160 GPa bis 250 GPA liegt.
Für das Gehäuseelement und/oder die elektrischen Kontaktierungen der heißen Seite wird vorteilhafterweise ein Material verwendet, welches einen Elastizitätsmodul E im eben stehenden Bereich aufweist. Dies ist dem Umstand geschuldet, dass primäres Auswahlkriterium für Materialien der Heißseite ein niedriger thermischer Ausdehnungskoeffizient ist und solche Werkstoffe einen Wert des E-Moduls im eher höheren Bereich aufweisen. Grundsätzlich gilt aber hier auch, dass ein möglichst niedriger Elastizitätsmodul E zu bevorzugen ist. Im Vergleich zu den Materialien, welche für das Gehäuseelement und/oder die elektrischen Kontaktierungen der kalten Seite verwendet werden, liegt der vorteilhafte Bereich des Elastizitätsmoduls E für das Gehäuseelement und/oder die elektrischen Kontaktierungen der heißen Seite höher.
Auch auf der heißen Seite ist ein möglichst niedriger Wert für den Elastizitätsmodul E zu wählen.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die ersten elektrischen Kontaktierungen und/oder die zweiten elektrischen Kontaktierungen aus einem mehrlagigen Material gebildet sind.
Die elektrischen Kontaktierungen können beispielsweise durch Leiterbahnen gebildet sein. Insbesondere für die elektrischen Kontaktierungen der kalten Seite kann vorteilhaft Aluminium oder eine Aluminiumlegierung verwendet werden. Dies ist durch die für den Einsatzzweck guten Materialparameter begründet. Aluminium oder Aluminiumlegierungen weisen einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten α auf, ein niedrigen Elastizitätsmodul E und einen niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand σ. Ein möglichst niedriger elektrischer Widerstand der Leiterbahn ist wünschenswert, daher wird im Allgemeinen der Reinstoff, in diesem Fall Aluminium, der Legierung, in diesem Fall der Al-Legierung, vorgezogen. Wie zwischen Gehäuseelement und elektrischer Isolierschicht kann auch zwischen elektrischer Isolierschicht und elektrischer Kontaktierschicht eine Haft-/Pufferschicht aufgebracht sein.
Um einen besseren Haftgrund, etwa für die Verbindung mit den thermoelektrischen Elementen oder den Gehäuseelementen, zu schaffen, kann beispielsweise eine weitere Materiallage auf das Basismaterial der elektrischen Kontaktierungen aufgebracht werden. Dabei kann beispielsweise eine Silberschicht durch Verfahren wie das thermische Spritzen, das Galvanisieren oder das Tampongalvanisieren auf die elektrischen Kontaktierungen aufgebracht werden.
Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, wenn die ersten elektrischen Kontaktierungen und oder die zweiten elektrischen Kontaktierungen durch Leiterbahnen gebildet sind, wobei diese bevorzugt mehr als 1 mm, dabei bevorzugt mehr als 2 mm, dabei bevorzugt mehr als 3 mm zueinander beabstandet sind. Dies gilt auch für die elektrischen Isolierungen. Das ist vorteilhaft, damit das Gehäuseelement sich unter im Betrieb auftretenden Spannungen verformen kann. Der vorher angegebene Abstand zwischen den elektrischen Kontaktierungen verringert sich für die elektrischen Isolierschichten um den doppelten Überstand der elektrischen Isolierschichten über die elektrischen Kontaktierschichten.
Auch kann es zweckmäßig sein, wenn das Fügen des jeweiligen Gehäuseelementes, der jeweiligen elektrischen Kontaktierungen und der thermoelektrischen Elemente bei einer Temperatur erfolgt, welche in einem Intervall von ±50° Celsius um eine Mitteltemperatur zwischen der Umgebungstemperatur und der jeweiligen Anwendungstemperatur des thermoelektrischen Moduls liegt.
Dies ist insbesondere vorteilhaft, da bei der jeweiligen Fügetemperatur die thermomechanischen Spannungen im Material gleich Null sind. Aus thermomechanischer Sicht ist es für das thermoelektrische Modul besonders vorteilhaft, wenn die thermomechanische Spannung, welche das Modul zwischen dem Betriebszustand und dem Ruhezustand erfährt, um einen Nullwert pendelt.
Ein mögliches Fügeverfahren zur Fügung des Gehäuseelementes und der jeweiligen elektronischen Kontaktierungen ist beispielsweise das Silbersintern. Silbersintern kann insbesondere auch eingesetzt werden, um die elektrischen Kontaktierungen mit den thermoelektrischen Elementen zu verbinden.
Weiterhin kann es besonders vorteilhaft sein, wenn die ersten elektrischen Kontaktierungen und/oder die zweiten elektrischen Kontaktierungen aus einem Material gebildet sind, das einen möglichst niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand σ von kleiner 0,6 Ωmm²/m aufweist, dabei vorzugsweise kleiner als 0,1 Ωmm²/m, dabei vorzugsweise kleiner als 0,06 Ωmm²/m.
Generell ist es sowohl für die elektrischen Kontaktierungen auf der kalten Seite als auch für die elektrischen Kontaktierungen auf der heißen Seite vorteilhaft, wenn der spezifische elektrische Widerstand σ möglichst gering ist, damit bei einer gegebenen Leiterbahndicke die ohmsche Verlustleistung möglichst gering ist. Umgekehrt bleibt die Leiterbahndicke bei einer vorgegebenen maximalen ohmschen Verlustleistung ebenfalls möglichst gering.
Insbesondere für das Material der elektrischen Kontaktierungen auf der heißen Seite kommen vorteilhafterweise Materialien mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten α und einem niedrigen spezifischen elektrischen Widerstands σ zum Einsatz. Daher sind besonders Molybdän, Wolfram sowie deren Legierungen vorteilhaft. Ein Beispiel für eine vorteilhafte Legierung ist Molybdän-Rhenium 5 (MoRe5), welche zusätzlich eine vorteilhafte Duktilität aufweist.
Wolfram und Wolframlegierungen haben gegenüber Molybdän und Molybdänlegierungen den Vorteil, dass sie einen noch niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten α aufweisen und bei höheren Temperaturen eine höhere Beständigkeit gegen Oxidation aufweisen.
Vorteilhaft werden vor dem Hintergrund von Kosten und einer geringen Differenz der thermischen Ausdehnung zwischen zweitem Gehäuseelement vorteilhaft aus einem ferritischen Edelstahl wie 1.4016 oder 1.4509) und zweiter elektrischer Kontaktierung wird die zweite elektrische Kontaktierung aus Fe, Ni oder Cu gefertigt.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann es vorgesehen sein, dass das erste Gehäuseelement und das zweite Gehäuseelement über ein Fügeverfahren, wie beispielsweise Schweißen, Löten oder Kleben, miteinander verbunden sind, wobei das erste Gehäuseelement und das zweite Gehäuseelement aus dem gleichen Material gebildet sind. Für das Material gilt in diesem Fall die Werkstoffvorschrift für das zweite Gehäuseelement, d. h. das Material sollte einen niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen wie das z. B. beim 1.4016 der Fall ist.
Als Fügeverfahren kommen prinzipiell alle Fügeverfahren in Frage, die dazu geeignet sind eine fluiddichte Verbindung zwischen den oben beschriebenen möglichen Materialkombinationen zu erzeugen. Um Verfahren wie etwa das Schweißen oder das Löten besonders einfach durchführen zu können, ist es vorteilhaft, wenn beide Gehäuseelemente aus dem gleichen Material gefertigt sind.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1 im oberen Teil eine Schnittansicht durch ein thermoelektrisches Modul mit einer Mehrzahl zueinander benachbart angeordneter thermoelektrischer Elemente, wobei die thermoelektrischen Elemente über elektrische Kontaktierungen miteinander verbunden sind und über elektrische Isolierungen von den Gehäuseelementen elektrisch isoliert sind und im unteren Teil der 1 eine Detailansicht des Fußbereichs eines der thermoelektrischen Elemente, und
2 eine Aufsicht auf ein Gehäuseelement von unten, wobei drei Öffnungen gezeigt sind, welche von elektrischen Kontaktierungen überdeckt sind, und
3 eine seitliche Schnittansicht des Gehäuseelementes der 2, wobei eine Öffnung gezeigt ist, die von einer elektrischen Kontaktierung überdeckt ist.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die 1 zeigt in der oberen Darstellung den grundsätzlichen Aufbau eines thermoelektrischen Moduls 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt ist eine Schnittansicht durch das thermoelektrische Modul 1.
Das thermoelektrische Modul 1 weist ein erstes Gehäuseelement 2 und ein zweites Gehäuseelement 3 auf. Die Gehäuseelemente 2, 3 sind in 1 als im Wesentlichen ebene Körper dargestellt. 1 zeigt nur einen Teilbereich des thermoelektrischen Moduls 1. Im nicht gezeigten Bereich können die Gehäuseelemente 2, 3 derart fortgesetzt sein, dass sie miteinander in Kontakt treten und das thermoelektrische Modul nach außen hin abschließen. Ebenso kann es vorgesehen sein, dass die Gehäuseelemente nicht parallel zueinander verlaufen oder beispielsweise Oberflächenelemente wie Rippen aufweisen.
Die Gehäuseelemente 2, 3 sind jeweils aus einem Grundmaterial hergestellt. Als Grundmaterial kommen insbesondere sowohl metallische Materialien als auch keramische Materialien in Frage. Genauere Ausführungen zu den in Frage kommenden Materialien und die jeweils zu bevorzugenden Materialparameter sind in der vorausgegangenen Beschreibungseinleitung enthalten.
In der 1 ist auf jedem der Gehäuseelemente 2, 3 eine elektrische Isolierung 4, 5 im Wesentlichen über die gesamte Fläche aufgebracht. Die elektrische Isolierung 4, 5 ist insbesondere dann erforderlich, wenn die Gehäuseelemente 2, 3 aus einem metallischen Material oder einem anderen elektrisch leitenden Material gefertigt sind. Als elektrische Isolierung 4, 5 können insbesondere keramische Schichten vorgesehen sein. Diese können beispielsweise thermisch aufgespritzt werden. Zwischen den Gehäuseelementen 2, 3 und den elektrischen Isolierschichten 4, 5 können Haftvermittlungs-/Pufferschichten wie z. B. NiCrAlY, Al-Bronzen oder Al-Si aufgebracht werden (in 1 nicht dargestellt).
Die elektrischen Isolierungen 4, 5 trennen die Gehäuseelemente 2, 3 von den elektrischen Kontaktierungen 6, 7, welche die thermoelektrischen Elemente 8, 9 miteinander und mit einem nicht gezeigten Stromkreis verbinden.
Die elektrischen Kontaktierungen 6, 7 können dabei wie in 1 gezeigt durch Leiterbahnen gebildet sein, welche entweder auf die elektrische Isolierung 4, 5, die Gehäuseelemente 2, 3 oder die thermoelektrischen Elemente 8, 9 aufgebracht sind. Die Leiterbahnen können durch eine metallische Lage gebildet sein, welche beispielsweise durch thermisches Spritzen aufgebracht wird.
Bei den thermoelektrischen Elementen 8, 9 handelt es sich um p-dotierte Halbleiter und n-dotierte Halbleiter. Diese sind über die elektrischen Kontaktierungen 6, 7 abwechselnd in Reihe geschaltet. Es ist dabei abwechselnd ein p-dotierter Halbleiter mit einem benachbarten n-dotierten Halbleiter verschaltet. Die Anzahl der thermoelektrischen Elemente 8, 9 ist dabei variabel. Abweichend zur gezeigten Reihenschaltung können die thermoelektrischen Elemente auch in abweichenden Schaltungsanordnungen angeordnet sein.
Im unteren Bereich der 1 ist beispielhaft ein Fußbereich eines p-dotierten Halbleiters gezeigt, der mit einer elektrischen Kontaktierung 7 verbunden ist. Dabei sind verschiedene Zwischenschichten zwischen dem p-dotierten Halbleiter und der elektrischen Kontaktierung 7 angeordnet. Der gezeigte Fußbereich ist dem unteren Gehäuseelement 3 zugewandt. Für einen n-dotierten Halbleiter, die elektrischen Kontaktierungen 6 sowie die dazwischen angeordneten Zwischenschichten gelten die Ausführungen analog. Ebenso gelten die Ausführungen für den jeweiligen Kopfbereich der thermoelektrischen Elemente 8, 9, welche dem oberen Gehäuseelement 2 zugewandt sind, analog.
Es ist zu erkennen, dass der p-dotierte Halbleiter über ein Fügematerial 10 an die elektrische Kontaktierung 7 angebunden ist. Zwischen dem Fügematerial 10 und dem p-dotierten Halbleiter ist eine Schicht 11 angeordnet. Zwischen der elektrischen Kontaktierung 7 und dem Fügematerial 10 ist eine Schicht 12 angeordnet. In 1 entspricht die Schicht 11 einer Diffusionsbarriere und Haftvermittlungsschicht und die Schicht 12 einer Haftvermittlungsschicht. Diese Schichten können einlagig oder bevorzugt mehrlagig sein, wobei jede Schicht aus einem anderen Material besteht.
Zwischen dem Gehäuseelement und der elektrischen Isolierschicht kann eine Pufferschicht angeordnet sein, welche die schädliche Auswirkung von unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten beseitigt oder mildert wie z. B. NiCrAlY, Al-Bronzen oder Al-Si. Eine solche Pufferschicht kann auch zwischen der elektrischen Isolierung und der elektrischen Kontaktierung angeordnet sein. Die Diffusionsbarriere 11 verhindert eine Eindiffusion von Atomen oder Molekülen aus dem Fügematerial 10 in das thermoelektrisch aktive Material des thermoelektrischen Elementes 8. Die Haftvermittlungsschicht 12 erlaubt eine gute Haftung des Fügematerials. Eine Eindiffusion könnte eine Verschlechterung der thermoelektrischen Eigenschaften des thermoelektrischen Elementes 8 nach sich ziehen.
Das Fügematerial 10 kann beispielsweise unter Anwendung einer temperaturunterstützten Pressung aufgebracht werden. Alternativ kann das Fügematerial 10 über thermisches Aufspritzen aufgetragen werden oder in Form einer Paste aufdosiert, aufgedruckt etc. oder in Form einer Folie aufgelegt sein.
Die Haftvermittlungsschicht 12 kann beispielsweise über thermisches Aufspritzen auf die elektrische Kontaktierung 7 aufgebracht werden. Die Haftvermittlungsschicht 12 kann vorteilhafterweise durch Silber oder ein Material auf Silberbasis gebildet sein.
Alternativ oder zusätzlich kann auch die Schicht, welche in der 1 die Diffusionsbarriere 11 bildet, als Haftvermittlungsschicht ausgebildet sein oder eine entsprechende Teilschicht aufweisen, die eine derartige Haftunterstützungsfunktion erfüllt. Ferner ist es auch vorsehbar, dass die zweite Schicht, welche die Haftvermittlungsschicht 12 bildet, eine Barrierewirkung gegen eine Ausdiffusion von Atomen oder Molekülen aus dem Fügematerial 10 aufweist. Bei geeigneter Wahl der Materialien der elektrischen Kontaktierung 7 und des Fügematerials 10 können die Schichten, welche die Haftvermittlungsschicht 12 und die Diffusionsbarriere 11 bilden, auch entfallen.
Zur Herstellung eines thermoelektrischen Moduls können beispielsweise sandgestrahlte, vorzugsweise beidseitig sandgestrahlten Grundmaterialien, verwendet werden. Natürlich kommen auch andere bekannte Verfahren zur Oberflächenaktivierung in Frage wie Beizen, Schleifen, Plasmabehandlung etc. Auf diese werden mittels thermischen Spritzens elektrische Isolierungen 4, 5 aufgebracht. Hierzu kann beispielsweise eine keramische Schicht aufgetragen werden. Bei dickeren keramischen Schichten wird zunächst eine Zwischenschicht aufgetragen, um Spannungen während der Beschichtung mit der keramischen Schicht zu verringern. Die Zwischenschicht kann dabei beispielsweise eine Pufferschicht bilden bzgl. Unterschiede im thermischen Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Werkstoffe.
Auf der keramischen Schicht erfolgt, beispielsweise wiederum durch thermisches Spritzen, die Abscheidung von elektrischen Kontaktierungen 6, 7. Die elektrischen Kontaktierungen 6, 7 können mit einer weiteren Schicht 11, vorzugsweise auch durch thermisches Spritzen, belegt werden. Diese weitere Schicht 11 dient beispielsweise als Barriere gegen die Interdiffusion von Elementen und/oder als Haftgrund. Auch zwischen den elektrischen Kontaktierungen 6, 7 und den elektrischen Kontaktierungen 4, 5 können selbstverständlich wieder Pufferschichten aufgebracht sein.
Sowohl die elektrischen Isolierungen, welche durch keramische Schichten 4, 5 gebildet sind, als auch die elektrischen Kontaktierungen 6, 7 werden beispielsweise über Masken aufgespritzt. Dieses Vorgehen ist hier nicht näher beschrieben.
Die 2 zeigt Aufsicht auf ein Gehäuseelement 2, 3 eines thermoelektrischen Moduls. Dabei sind in der oberen linken Ecke des Gehäuseelementes 2, 3 drei Öffnungen 22 gezeigt, die jeweils von einer elektrischen Kontaktierung 20 überdeckt sind. Der Blick ist dabei auf die Außenseite des Gehäuseelementes 2, 3 gerichtet, so dass die elektrischen Kontaktierungen 20 auf der vom Betrachter abgewandten Seite des Gehäuseelementes 2, 3 angeordnet sind.
Die 2 zeigt, dass die Öffnungen 22 von den elektrischen Kontaktierungen 20 derart überragt werden, dass eine Überlappung zwischen dem Gehäuseelement 2, 3 und den elektrischen Kontaktierungen 20 entsteht. In diesem Überlappungsbereich sind die elektrischen Kontaktierungen 20 mit dem Gehäuseelement 2, 3 durch ein Fügematerial 26 verbunden.
Das Fügematerial 26 kann dabei sowohl eine Entkopplungsfunktion als auch eine Verbindungsfunktion erfüllen. Vorteilhafterweise ist das Fügematerial 26 aus einem elastischen Material, wie beispielsweise Silikon oder Polyurethan, gebildet.
Der Bereich 23 der elektrischen Kontaktierungen 20, welcher die Öffnung 22 überdeckt kann eine oder mehrere Beschichtungen aufweisen, die insbesondere eine elektrische Isolierung und/oder einen Schutz gegen korrosive Eigenschaften des Mediums darstellen, welches das Gehäuseelement 2, 3 überströmt.
Die drei gezeigten Öffnungen 22 sind beispielhaft. Eine abweichende Anzahl ist ebenso wie eine abweichende Positionierung in alternativen Ausführungsformen vorsehbar.
Die 3 zeigt eine seitliche Schnittansicht einer Öffnung 22 gemäß der 2. Im Schnitt ist zu erkennen, dass die elektrische Kontaktierung 20 über ein Fügematerial 26 an dem Gehäuseelement 2, 3 angebunden ist. Das Fügematerial 26 verläuft dabei vollständig umlaufend um die Öffnung 22. Das Fügematerial 26 bildet somit eine fluiddichte Verbindung zwischen den elektrischen Kontaktierungen 20 und dem Gehäuseelement 2, 3.
Die elektrische Kontaktierung 20 überlappt das Gehäuseelement 2, 3 in einem Bereich 27. Über diesen Bereich 27 ist das Fügematerial 26 aufgetragen, um eine Verbindung zwischen der elektrischen Kontaktierung 20 und dem Gehäuseelement 2, 3 herzustellen. Der Bereich 27 wird dabei bevorzugt derart gewählt, dass eine ausreichend grolle Überdeckung gewährleistet ist, um eine dauerhafte haltbare Verbindung zwischen den elektrischen Kontaktierungen 20 und dem Gehäuseelement 2, 3 herzustellen. Gleichzeitig soll aber auch der Bereich 23, der die Öffnung 22 überdeckt möglichst groß gestaltet werden, um einen möglichst guten Wärmeübertrag zu erreichen.
Der Bereich 23 kann eine oder mehrere Beschichtungen aufweisen. In 3 ist eine Schicht 24 angedeutet, welcher eine elektrische Isolierung darstellt. Außerdem ist eine Schicht 25 angedeutet, welche eine Schutzschicht gegen korrosive Einflüsse von außen darstellt.
Die in 3 gezeigte Gestaltung der Öffnung 22 ist beispielhaft. In alternativen Ausgestaltungen können beispielsweise die Übergänge von der Außenfläche des Gehäuseelementes zu dem die Öffnung überragenden Bereich der elektrischen Kontaktierungen durch Schrägen abgeflacht werden. Dadurch lassen sich Stauungen des Mediums, welches das Gehäuseelement überströmt, in dem durch die Öffnung gebildeten Absatz vermeiden.
Zusätzlich kann die elektrische Kontaktierung 20 rippenähnliche Ausbildungen 28 aufweisen, die sich durch die Öffnung 22 in das Kühlmedium erstrecken. Dadurch wird die Wärmeabfuhr in das Kühlmedium verbessert.
Die in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiele sind beispielhaft und dienen der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens. Sie sind miteinander kombinierbar und besitzen keinen einschränkenden Charakter.

Claims

Thermoelektrisches Modul (1) mit einem ersten Gehäuseelement (2, 3) und mit einem zweiten Gehäuseelement (2, 3), wobei zwischen den Gehäuseelementen (2, 3) zumindest zwei thermoelektrische Elemente (8, 9) angeordnet sind, wobei zumindest jeweils zwei thermoelektrische Elemente (8, 9) über erste elektrische Kontaktierungen (6, 7, 20) oder über zweite elektrische Kontaktierungen (6, 7, 20) miteinander elektrisch verbunden sind oder die zumindest jeweils zwei thermoelektrischen Elemente über erste elektrische Kontaktierungen (6, 7, 20) und/oder zweite elektrische Kontaktierungen (6, 7, 20) mit einem Stromkreis elektrisch verbunden sind, wobei die ersten elektrischen Kontaktierungen (6, 7, 20) dem ersten Gehäuseelement (2, 3) zugeordnet sind und die zweiten elektrischen Kontaktierungen (6, 7, 20) dem zweiten Gehäuseelement (2, 3) zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gehäuseelement (2, 3) und/oder das zweite Gehäuseelement (2, 3) zumindest eine Öffnung (22) aufweist, welche von zumindest einem Teilbereich der ersten elektrischen Kontaktierungen (6, 7, 20) und/oder der zweiten elektrischen Kontaktierungen (6, 7, 20) überdeckt ist, wobei die ersten elektrischen Kontaktierungen (6, 7, 20) und/oder die zweiten elektrischen Kontaktierungen (6, 7, 20) mit dem ersten Gehäuseelement (2, 3) und/oder dem zweiten Gehäuseelement (2, 3) verbunden sind.
Thermoelektrisches Modul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten elektrischen Kontaktierungen (6, 7, 20) und das erste Gehäuseelement (2, 3) und/oder die zweiten elektrischen Kontaktierungen (6, 7, 20) und das zweite Gehäuseelement (2, 3) jeweils aus dem gleichen Material gefertigt sind.
Thermoelektrisches Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der die Öffnung (22) überdeckende Bereich (23) der ersten elektrischen Kontaktierungen (6, 7, 20) und/oder der zweiten elektrischen Kontaktierungen (6, 7, 20) eine elektrisch isolierende Schicht (24) und/oder eine vor Korrosion schützende Schicht (25) aufweist.
Thermoelektrisches Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten elektrischen Kontaktierungen (6, 7, 20) und/oder die zweiten elektrischen Kontaktierungen (6, 7, 20) mit dem ersten Gehäuseelement (2, 3) und/oder mit dem zweiten Gehäuseelement (2, 3) durch ein Fügematerial (26) verbunden sind.
Thermoelektrisches Modul (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügematerial (26) eine mechanische und/oder thermische und/oder elektrische Isolierung zwischen dem jeweiligen Gehäuseelement (2, 3) und den jeweiligen elektrischen Kontaktierungen (6, 7, 20) erzeugt, wobei das Fügematerial (26) entweder durch ein Silikon und/oder durch ein Polyurethan gebildet ist.
Thermoelektrisches Modul (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest auf dem ersten Gehäuseelement (2, 3) und auf der ersten elektrischen Kontaktierung (6, 7, 20) keine elektrisch isolierende Schicht aufgebracht ist.
Thermoelektrisches Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gehäuseelement (2, 3) aus zumindest einem der Materialien Aluminium, Magnesium, Zink, Kupfer und Mangan gebildet ist oder aus einer Legierung von zumindest einem der Materialien Aluminium, Magnesium, Zink, Kupfer Mangan und Eisen gebildet ist.
Thermoelektrisches Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Gehäuseelement (2, 3) aus einem Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten (α) gebildet ist, der kleiner als 20 × 10^–6 1/K ist, dabei vorzugsweise kleiner als 16 × 10^–6 1/K ist, dabei vorzugsweise kleiner als 12 × 10^–6 1/K ist.
Thermoelektrisches Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Gehäuseelement (2, 3) aus zumindest einem der Materialien Molybdän, Wolfram, Tantal, Mob, Chrom, Nickel, Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Zirkonoxid, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid oder aus einer Legierung von zumindest einem der Materialien Molybdän, Wolfram, Tantal, Niob, Chrom, Nickel und Eisen gebildet ist.
Thermoelektrisches Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient (α) des ersten Gehäuseelementes (2, 3) und/oder der ersten elektrischen Kontaktierungen (6, 7, 20) größer ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient (α) des zweiten Gehäuseelementes (2, 3) und/oder der zweiten elektrischen Kontaktierungen (6, 7, 20).
Thermoelektrisches Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwischen den ersten elektrischen Kontaktierungen (6, 7, 20) und dem ersten Gehäuseelement (2, 3) und/oder zwischen den zweiten elektrischen Kontaktierungen (6, 7, 20) und dem zweiten Gehäuseelement (2, 3) eine elektrische Isolierung (4, 5, 21) angeordnet ist.
Thermoelektrisches Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gehäuseelement (2, 3) und das zweite Gehäuseelement (2, 3) über ein Fügeverfahren, wie beispielsweise Schweißen, Löten oder Kleben, miteinander verbunden sind, wobei das erste Gehäuseelement (2, 3) und das zweite Gehäuseelement (2, 3) aus dem gleichen Material gebildet sind.
Thermoelektrisches Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an die ersten elektrischen Kontaktierungen (6, 7, 20) rippenähnliche Ausbildungen durch Umformung oder Fügen angebracht sind, die in das Kühlmedium hineinragen.