DE102016208070A1

DE102016208070A1 - Thermoelektrisches Modul

Info

Publication number: DE102016208070A1
Application number: DE102016208070.9A
Authority: DE
Inventors: Thomas Himmer
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2016-04-18
Filing date: 2016-05-11
Publication date: 2017-10-19

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Thermoelektrisches Modul (1), umfassend mehrere thermoelektrische Elemente (2), die beabstandet voneinander zwischen einer Heißseite (3) des Moduls (1) und einer Kaltseite (4) des Moduls (1) angeordnet sind, mehrere Leiterbrücken (5) zum elektrischen Verschalten der thermoelektrischen Elemente (2), ein die Heißseite (3) bildenden heißseitigen Substrat (7), ein die Kaltseite (4) bildenden kaltseitigen Substrat (8) und eine elektrisch isolierte Halterung (20) zum Positionieren der thermoelektrischen Elemente (2) zwischen den Substraten (7, 8), die für jedes thermoelektrische Element (2) eine separate Durchgangsöffnung (21) aufweist. Eine Reduzierung der thermomechanischen Belastung lässt sich erreichen, wenn die zum heißseitigen Substrat (7) proximalen Leiterbrücken (5’) am heißseitigen Substrat (7) lose anliegen, und/oder wenn die zum kaltseitigen Substrat (8) proximalen Leiterbrücken (5’’) am kaltseitigen Substrat (8) lose anliegen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Modul mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Ein gattungsgemäßes thermoelektrisches Modul ist beispielsweise aus der DE 10 2013 214 988 A1 oder aus der EP 2 159 854 A1 bekannt. Ein derartiges Modul umfasst mehrere thermoelektrische Elemente, die beabstandet voneinander zwischen einer Heißseite des Moduls und einer Kaltseite des Moduls angeordnet sind. Ferner sind mehrere Leiterbrücken zum elektrischen Verschalten der thermoelektrischen Elemente sowie zum Kontaktieren mit elektrischen Anschlüssen des Moduls vorgesehen. Ein die Heißseite bildendes heißseitiges Substrat besteht aus einem elektrisch isolierenden Material oder weist an einer den thermoelektrischen Elementen zugewandten Innenseite eine elektrische Isolierung auf. Analog dazu bildet ein kaltseitiges Substrat die Kaltseite und besteht aus einem elektrisch isolierenden Material oder weist an einer den thermoelektrischen Elementen zugewandten Innenseite eine elektrische Isolierung auf. Bei dem aus der EP 2 159 854 A1 bekannten thermoelektrischen Modul ist zusätzlich eine elektrisch isolierende Halterung zum Positionieren der thermoelektrischen Elemente zwischen den Substraten bekannt, wobei die Halterung für jedes thermoelektrische Element eine separate Durchgangsöffnung aufweist, in die das jeweilige thermoelektrische Element eingesetzt ist.
Thermoelektrische Elemente bestehen aus thermoelektrischen Halbleitermaterialien, die eine Temperaturdifferenz in eine Potentialdifferenz, also in eine elektrische Spannung wandeln und umgekehrt. Auf diese Weise kann ein Wärmestrom in einen elektrischen Strom umgewandelt werden und umgekehrt. Die thermoelektrischen Module beruhen auf dem Peltier-Effekt, wenn sie elektrische Energie in Wärme wandeln, und auf dem Seebeck-Effekt, wenn sie Wärme in elektrische Energie wandeln. Innerhalb eines thermoelektrischen Moduls sind p-dotierte und n-dotierte thermoelektrische Elemente miteinander verschaltet. Üblicherweise werden mehrere derartige thermoelektrische Module zu einem thermoelektrischen Generator zusammengeschaltet, der je nach Bestromung zum Kühlen oder zum Heizen genutzt werden kann oder aus einer Temperaturdifferenz in Verbindung mit einem entsprechenden Wärmestrom einen elektrischen Strom generieren kann.
Beispielsweise können derartige thermoelektrische Module bzw. thermoelektrische Generatoren bei Brennkraftmaschinen, insbesondere bei Kraftfahrzeugen, zur Abwärmerückgewinnung zum Einsatz kommen, beispielsweise um im Abgas enthaltene Abwärme in elektrische Energie umzuwandeln. Problematisch bei derartigen Anwendungen sind die in einem großen Temperaturbereich variierenden Temperaturen in Verbindung mit der Anforderung, dass eine möglichst effiziente Wärmeübertragung innerhalb des thermoelektrischen Moduls zwischen den thermoelektrischen Elementen und den Substraten erwünscht ist, während gleichzeitig an dieser Stelle eine elektrische Isolation vorliegen muss. Materialien, die thermisch gut leiten, besitzen in der Regel eine schlechte elektrische Isolierung. Ferner besitzen Materialien, die thermisch gut isolieren, in der Regel eine schlechte elektrische Leitfähigkeit. Darüber hinaus können die variierenden Temperaturen zu thermisch bedingten Dehnungseffekten führen, die Relativbewegungen der einzelnen Komponenten innerhalb des thermoelektrischen Moduls nach sich ziehen. Derartige Relativbewegungen können die mechanische Belastung des thermoelektrischen Moduls erhöhen. Derartige thermomechanische Belastungen beeinträchtigen die Lebensdauer eines solchen thermoelektrischen Moduls. Die thermomechanischen Belastungen treten dabei einerseits zwischen den thermoelektrischen Elementen und den Leiterbrücken und andererseits zwischen den Leiterbrücken und den Substraten auf. Ferner treten derartige thermomechanische Belastungen auch zwischen elektrischen Kontakten und den damit verbundenen Leiterbrücken auf.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein thermoelektrisches Modul der vorstehend beschriebenen Art eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, die sich durch eine reduzierte thermomechanische Belastung auszeichnet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß insbesondere durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Lösungen und weitere vorteilhafte Ausführungsformen finden sich auch in der nachfolgenden Beschreibung.
Gemäß einem ersten Aspekt beruht die vorliegende Erfindung auf der Idee, die Leiterbrücken jeweils mit einem Brückenkörper auszustatten, der thermisch und elektrisch leitend sowie elastisch verformbar ausgestaltet ist. Durch die elektrische Leitfähigkeit dieses Brückenkörpers lassen sich die der jeweiligen Leiterbrücke zugeordneten thermoelektrischen Elemente elektrisch miteinander verbinden. Durch die thermische Leitfähigkeit des Brückenkörpers lässt sich der Wärmestrom zwischen den der Leiterbrücke zugeordneten thermoelektrischen Elementen und dem zugehörigen Substrat verbessern. Die elastische Verformbarkeit des Brückenkörpers kann thermisch bedingte Relativbewegungen zwischen den thermoelektrischen Elementen und den Substraten kompensieren und somit die thermomechanischen Belastungen reduzieren. Da folglich die thermomechanischen Belastungen innerhalb des Brückenkörpers weitgehend kompensiert werden, bewirkt der Brückenkörper und somit die damit ausgestattete Leiterbrücke eine thermomechanische Entkopplung zwischen den zugehörigen thermoelektrischen Elementen und dem zugehörigen Substrat. Insoweit lässt sich die Lebensdauer des thermoelektrischen Moduls verbessern.
Leiterbrücken, die mit einem derartigen Brückenkörper ausgestattet sind, können zwischen den thermoelektrischen Elementen und dem heißseitigen Substrat angeordnet sein. Ebenso können die mit einem solchen Brückenkörper ausgestatteten Leiterbrücken zwischen den thermoelektrischen Elementen und dem kaltseitigen Substrat angeordnet sein. Vorzugsweise sind alle dem heißseitigen Substrat zugeordneten Leiterbrücken und/oder alle dem kaltseitigen Substrat zugeordneten Leiterbrücken jeweils mit einem solchen Brückenkörper ausgestattet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann die jeweilige Leiterbrücke an ihrer den thermoelektrischen Elementen zugewandten Innenseite einen metallischen Leitkörper aufweisen, der außerhalb des Brückenkörpers zwischen den beiden durch diese Leiterbrücke elektrisch miteinander verbundenen thermoelektrischen Elementen angeordnet ist. Es hat sich gezeigt, dass mit Hilfe eines derartigen Leitkörpers der elektrische Widerstand des Brückenkörpers signifikant reduziert werden kann. Dementsprechend verbessert sich die elektrische Leitfähigkeit der Leiterbrücke, was die energetische Effizienz des thermoelektrischen Moduls verbessert.
Gemäß einer Weiterbildung kann der jeweilige Leitkörper elektrisch mit dem Brückenkörper verbunden sein, was den vorstehend beschriebenen Effekt verbessert.
Des Weiteren kann der jeweilige Leitkörper von den beiden durch die jeweilige Leiterbrücke elektrisch miteinander verbundenen thermoelektrischen Elementen beabstandet angeordnet sein. Der jeweilige Leitkörper bewirkt somit keinen Kurzschluss zur Umgehung des Brückenkörpers und bewirkt somit keine direkte elektrische Verbindung zwischen den betroffenen thermoelektrischen Elementen.
Vielmehr wird durch den Leiterkörper nur die elektrische Leitfähigkeit des Brückenkörpers verbessert.
Zusätzlich oder alternativ kann sich der jeweilige Leitkörper ausschließlich zwischen den beiden thermoelektrischen Elementen entlang des Brückenkörpers erstrecken. Somit ist der jeweilige Leitkörper vergleichsweise klein und dementsprechend preiswert. Vorzugsweise kann sich der jeweilige Leitkörper über die gesamte Breite des Brückenkörpers erstrecken, wobei sich der Leitkörper außerdem quer zur Längsrichtung des Brückenkörpers erstreckt.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann der jeweilige Brückenkörper durch Graphitfolie gebildet sein. Graphitfolie zeichnet sich durch eine vergleichsweise gute elektrische Leitfähigkeit einerseits sowie durch eine vergleichsweise gute thermische Leitfähigkeit andererseits aus. Besonders vorteilhaft an Graphitfolie ist jedoch ihre elastische Verformbarkeit.
Alternativ dazu kann der jeweilige Brückenkörper durch eine poröse Metallstruktur gebildet sein. Metalle sind in der Regel gute elektrische und thermische Leiter. Durch die Porosität der Metallstruktur wird deren elastische Verformbarkeit signifikant erhöht. Beispiele für poröse Metallstrukturen sind beispielsweise Metallgeflecht, Metallkissen, Metallgewebe, Metallschaum, Metalltextil oder Drahtgestrick sowie beliebige Kombinationen von mindestens zwei derartigen Strukturen. Somit lässt sich vergleichsweise einfach und preiswert ein Brückenkörper bereitstellen, der eine vergleichsweise hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit besitzt und außerdem in einem vergleichsweise hohen Maße elastisch verformbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann die jeweilige, den Brückenkörper aufweisende Leiterbrücke am jeweiligen Substrat lose anliegen. Mit anderen Worten, bei dieser Ausführungsform wird auf eine feste Verbindung zwischen Leiterbrücke und Substrat verzichtet. Diese Maßnahme erleichtert Relativbewegungen zwischen der Leiterbrücke und dem jeweiligen Substrat und reduziert die Gefahr thermisch induzierter mechanischer Spannungen.
Gemäß einer Weiterbildung kann der jeweilige Brückenkörper am jeweiligen Substrat direkt lose anliegen. Dabei kann der Brückenkörper an der Innenseite des Substrats bzw. an der gegebenenfalls dort vorgesehenen elektrischen Isolierung anliegen, die zum Umfang des Substrats gehört.
Bei einer anderen Ausführungsform kann der jeweilige Brückenkörper an einer den thermoelektrischen Elementen zugewandten Innenseite eine Metallbeschichtung aufweisen, die fest, insbesondere stoffschlüssig, mit den beiden durch die jeweilige Leiterbrücke elektrisch verbundenen thermoelektrischen Elementen mechanisch verbunden ist. Durch die Metallbeschichtung kann zusammen mit der festen mechanischen Verbindung die elektrische Kontaktierung zwischen den zugeordneten thermoelektrischen Elementen verbessert werden.
Alternativ dazu ist es ebenso möglich, zumindest eines der Substrate an seiner Innenseite mit einer Metallschicht auszustatten, wobei der jeweilige Brückenkörper an einer dem jeweiligen Substrat zugewandten Außenseite eine Metallbeschichtung aufweist, die fest, insbesondere stoffschlüssig, mit der Metallschicht des jeweiligen Substrats mechanisch verbunden ist. Eine derartige feste Anbindung verbessert die Wärmeübertragung zwischen Leiterbrücke und Substrat.
Bei einer anderen Ausführungsform kann die jeweilige Leiterbrücke an einer den thermoelektrischen Elementen zugewandten Innenseite des Brückenkörpers eine Metallbrücke aufweisen, die zwischen dem Brückenkörper und dem jeweiligen Substrat zugewandten Stirnseiten der beiden durch die Leiterbrücke miteinander elektrisch verbunden thermoelektrischen Elemente angeordnet ist. Bei einer derartigen Ausführungsform wird die elektrische Leiterfunktion der Leiterbrücke weitgehend durch die Metallbrücke erfüllt, während der Brückenkörper weiterhin die Funktion der thermomechanischen Entkopplung erfüllt. In diesem Fall muss der Brückenkörper selbst nicht zwingend elektrisch leitfähig sein.
Bei einer Weiterbildung kann die jeweilige Metallbrücke mit den Stirnseiten der beiden thermoelektrischen Elemente fest, insbesondere stoffschlüssig, mechanisch verbunden sein. Diese feste Verbindung verbessert einerseits die Wärmeübertragung und andererseits auch die elektrische Kontaktierung.
Bei einer anderen Ausführungsform kann die jeweilige Metallbrücke an der jeweiligen Stirnseite über zumindest einen weiteren thermisch und elektrisch leitenden sowie elastisch verformbaren Brückenkörper abgestützt sein. Insoweit wird hier eine Sandwichstruktur vorgeschlagen, bei welcher die Metallbrücke zwischen wenigstens zwei Brückenkörpern angeordnet ist. Grundsätzlich kann ein gemeinsamer weiterer Brückenkörper vorgesehen sein, der sich von dem einen thermoelektrischen Element bis zum anderen thermoelektrischen Element erstreckt. Alternativ dazu können zwei separate weitere Brückenkörper vorgesehen sein, so dass der eine weitere Brückenkörper dem einen thermoelektrischen Element zugeordnet ist, während der andere weitere Brückenkörper dem anderen thermoelektrischen Element zugeordnet ist. Zwischen diesen beiden weiteren Brückenkörpern erstreckt sich zweckmäßig ein Spalt, der bis zur Metallbrücke durchgehend ausgestaltet ist.
Gemäß einer Weiterbildung kann der wenigstens eine weitere Brückenkörper lose an der jeweiligen Stirnseite anliegen oder eine Metallbeschichtung aufweisen und fest, insbesondere stoffschlüssig, mit der jeweiligen Stirnseite mechanisch verbunden sein. Zusätzlich oder alternativ kann der wenigstens eine weitere Brückenkörper lose an der Metallbrücke anliegen oder eine Metallbeschichtung aufweisen und fest, insbesondere stoffschlüssig, mit der Metallbrücke mechanisch verbunden sein.
Ferner kann auch der eigentliche Brückenkörper lose an der Metallbrücke anliegen oder eine Metallbeschichtung aufweisen und fest, insbesondere stoffschlüssig, mit der Metallbrücke verbunden sein.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung geht von einem thermoelektrischen Modul aus, das mit einer Halterung zum Positionieren der thermoelektrischen Elemente zwischen den Substraten ausgestattet ist. Diese Halterung ist elektrisch isoliert ausgestaltet; beispielsweise ist sie aus mindestens einem elektrisch isolierenden Material hergestellt, wie z.B. Kunststoff oder Keramik. Diese Halterung kann besonders vorteilhaft mit den vorstehend genannten Brückenkörpern zum Einsatz kommen, die eine thermomechanische Entkopplung zwischen der jeweiligen Leiterbrücke und dem jeweiligen Substrat ermöglichen, das die Halterung die thermoelektrischen Elemente relativ zueinander positioniert.
Gemäß einem ersten Unteraspekt dieses zweiten Aspekts wird nun vorgeschlagen, die zum heißseitigen Substrat proximalen Leiterbrücken, also die dem heißseitigen Substrat zugeordneten Leiterbrücken am heißseitigen Substrat lose anzulegen. Zusätzlich oder alternativ wird vorgeschlagen, die zum kaltseitigen Substrat proximalen Leiterbrücken, also die dem kaltseitigen Substrat zugeordneten Leiterbrücken am kaltseitigen Substrat lose anzulegen. Die lose Anlage der Leiterbrücken am zugehörigen Substrat ermöglicht Relativbewegungen zwischen den Leiterbrücken und dem jeweiligen Substrat, wodurch thermisch bedingte Spannungen zwischen Leiterbrücken und Substrat reduziert werden. In Verbindung mit der Halterung kann dabei eine gewünschte Relativlage zwischen den thermoelektrischen Elementen weiterhin gewährleistet werden, so dass sich die thermoelektrischen Elemente quasi als zusammenhängender Block relativ zum jeweiligen Substrat verschieben können.
Gemäß einem zweiten Unteraspekt des zweiten Aspekts, der zusätzlich oder alternativ zum vorstehend beschriebenen ersten Unteraspekt verwirklicht werden kann, wird vorgeschlagen, die Halterung mit einem dem heißseitigen Substrat zugewandten Heißbereich aus einem ersten Werkstoff und mit einem dem kaltseitigen Substrat zugewandten Kaltbereich aus einem vom ersten Werkstoff verschiedenen zweiten Werkstoff auszustatten. Hierdurch handelt es sich bei der Halterung nicht um ein homogenes Bauteil aus einem einzigen Werkstoff, sondern um ein Hybridbauteil, das zumindest zwei Bereiche aus verschiedenen Werkstoffen besitzt. Hierdurch kann die Halterung hinsichtlich der thermischen Belastungen, die innerhalb des thermoelektrischen Moduls auftreten, optimiert werden. Beispielsweise besitzt der erste Werkstoff des Heißbereichs, der sich proximal zur Heißseite des Moduls befindet, eine höhere thermische Festigkeit als der zweite Werkstoff des Kaltbereichs, der proximal zur Kaltseite des Moduls angeordnet ist. Insbesondere lässt sich dadurch auch der Temperaturbereich, in dem ein derartiges thermoelektrisches Modul verwendet werden kann, hin zu höheren Temperaturen vergrößern.
Insbesondere kann gemäß einer Weiterbildung vorgesehen sein, dass der Heißbereich aus Keramik hergestellt ist, während der Kaltbereich aus Kunststoff hergestellt ist. Der keramische Heißbereich erhält dadurch eine sehr hohe thermische Beständigkeit, während der aus Kunststoff hergestellte Kaltbereich die Herstellungskosten der Halterung reduziert.
Bei einer anderen Weiterbildung kann die Halterung ein erstes Halterungsteil, das den Haltebereich bildet, und ein zweites Halteteil, das den Kaltbereich bildet, aufweisen, die aneinander angebaut sind. Die beiden Halteteile werden somit separat hergestellt und anschließend zusammengebaut, um die Halterung zu bilden. Alternativ ist ebenso denkbar, zuerst das eine Halteteil herzustellen, um daran dann das andere Halteteil durch Angießen oder Anspritzen herzustellen.
Bei einer anderen Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die Durchgangsöffnungen zum Einsetzen der thermoelektrischen Elemente nur am Heißbereich oder nur am Kaltbereich ausgebildet sind. Auch diese Maßnahme reduziert die Herstellungskosten für die Halterung. Der jeweilige andere Bereich kann dann z.B. als Rahmen ausgestaltet sein, der die thermoelektrischen Elemente umgreift.
Gemäß einem dritten Unteraspekt des zweiten Aspekts, der zusätzlich oder alternativ zu den vorstehend genannten Unteraspekten realisiert sein kann, wird vorgeschlagen, dass die Halterung für die zum heißseitigen Substrat proximalen Leiterbrücken und/oder für die zum kaltseitigen Substrat proximalen Leiterbrücken Aussparungen aufweist, in welche die Leiterbrücken eingesetzt sind, so dass sich für die Leiterbrücken in der Halterung eine vertiefte Anordnung ergibt. Somit erfolgt durch die Halterung nicht nur eine Positionierung der thermoelektrischen Elemente, sondern auch eine Positionierung der Leiterbrücken. Dies vereinfacht die Herstellung und Handhabung einer Einheit aus Halterung, thermoelektrischen Elementen und Leiterbrücke.
Grundsätzlich können die Aussparungen so dimensioniert sein, dass die Leiterbrücken nur teilweise darin eingesetzt werden können. In der Folge besitzt die Halterung zum heißseitigen Substrat und/oder zum kaltseitigen Substrat einen Abstand. Der Abstand reduziert Wechselwirkungen zwischen der Halterung und dem Substrat. Insbesondere wird dadurch die Wärmeleitung durch die Halterung reduziert und stattdessen auf die thermoelektrischen Elemente konzentriert.
Alternativ ist es ebenso möglich, die Leiterbrücken in den Aussparungen so weit vertieft anzuordnen, dass sie mit einer dem jeweiligen Substrat zugewandten Außenseite der Halterung bündig abschließen. In der Folge liegt die jeweilige Außenseite der Halterung am zugewandten Substrat direkt an. Diese Maßnahme kann die Montage des Moduls vereinfachen und gibt dem Modul eine erhöhte Stabilität.
Gemäß einem vierten Unteraspekt des zweiten Aspekts, der zusätzlich oder alternativ zu den vorstehend genannten Unteraspekten realisiert werden kann, wird vorgeschlagen, dass die Halterung ein zum heißseitigen Substrat proximales Heißteil und ein zum kaltseitigen Substrat proximales Kaltteil aufweist, wobei die Durchgangsöffnungen sowohl im Heißteil als auch im Kaltteil ausgebildet sind. Durch diese Maßnahme wird die Positionierungsfunktion der Halterung verbessert.
Gemäß einer Weiterbildung kann das Heißteil am heißseitigen Substrat befestigt sein, während das Kaltteil relativ zum Heißteil entlang der thermoelektrischen Elemente verstellbar angeordnet ist. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass das Kaltteil am kaltseitigen Substrat befestigt ist, während das Heißteil relativ zum Kaltteil entlang der thermoelektrischen Elemente verstellbar angeordnet ist. Mit anderen Worten, gemäß dieser Ausführungsform ist das eine Halterungsteil am zugehörigen Substrat befestigt, während das andere Halterungsteil relativ zu den Substraten entlang der thermoelektrischen Elemente verstellbar ist. Diese Bauweise hat Montagevorteile. Beispielsweise kann zum Vormontieren ein vergleichsweise großer Abstand zwischen den Halterungsteilen eingestellt werden, um die eingesetzten thermoelektrischen Elemente relativ zueinander sicher positionieren zu können. Nach dem Fixieren des einen Halteteils am zugehörigen Substrat kann dieser Abstand zwischen den Halterungsteilen reduziert werden, so dass die Halterung nach der Montage des anderen Substrats hierzu einen (größeren) Abstand besitzt.
Gemäß einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass das Heißteil und das Kaltteil über eine Führung verstellbar aneinander angeordnet sind. Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Halteteil das Heißteil und das Kaltteil über eine gelenkige und/oder elastische Verbindung aneinander befestigt sind, welche die Relativverstellung zulässt. Ebenso kann eine starre Verbindung vorgesehen sein, die eine Sollbruchstelle enthält, um bei gebrochener Verbindung die Relativverstellung zu ermöglichen. Auch diese Maßnahmen erleichtern die Montage des Moduls.
Bei einer anderen Ausführungsform kann im Bereich der thermoelektrischen Elemente zwischen dem Heißteil und dem Kaltteil ein Zwischenraum ausgebildet sein, in dem Heißteil und Kaltteil voneinander beabstandet sind. Hierdurch besitzt die Halterung vergleichsweise wenig Volumen, was den Materialeinsatz und somit die Herstellungskosten reduziert. Auch wird die Wärmeleitung zwischen den Substraten durch die Halterung reduziert und stattdessen auf die thermoelektrischen Elemente konzentriert.
Gemäß einem fünften Unteraspekt des zweiten Aspekts, der zusätzlich oder alternativ zu den vorstehend beschriebenen Unteraspekten realisiert werden kann, wird vorgesehen, dass die Halterung einen die Durchlassöffnungen aufweisenden Positionierbereich aufweist, der über Haltebereiche an wenigstens einem der Substrate abgestützt ist. Ferner ist vorgesehen, dass dieser Positionierbereich vom heißseitigen Substrat einen größeren Abstand aufweist als vom kaltseitigen Substrat. Auf diese Weise wird die thermische Belastung des Positionierbereichs und somit der Halterung signifikant reduziert.
Gemäß einer Weiterbildung kann der jeweilige Haltebereich mit dem jeweiligen Substrat verclipst oder verschraubt oder verstiftet oder verklebt sein. Aufgrund der unterschiedlichen Temperaturen können am heißseitigen Substrat einerseits und am kaltseitigen Substrat andererseits auch unterschiedliche Befestigungstechniken zur Anwendung kommen. Beispielsweise ist der jeweilige Haltebereich mit dem heißseitigen Substrat verclipst oder verschraubt, während er mit dem kaltseitigen Substrat verstiftet oder verklebt ist.
Entsprechend einem sechsten Unteraspekt des zweiten Aspekts, der zusätzlich oder alternativ zu den vorstehend beschriebenen Unteraspekten realisiert werden kann, ist vorgesehen, dass wenigstens eine Leiterbrücke mittels eines Halteelements an der Halterung fixiert ist. Hierdurch ergibt sich eine verbesserte Positionierung der Leiterbrücken relativ zur Halterung. In Verbindung mit einem losen Kontakt zwischen den Leiterbrücken und dem jeweiligen Substrat kann dadurch eine zusammenhängende Einheit aus Halterung, thermoelektrischen Elementen und Leiterbrücken gebildet werden, die als Ganzes relativ zum jeweiligen Substrat schwimmend gelagert ist. Zweckmäßig sind mehrere, vorzugsweise alle Leiterbrücken mittels solcher Halteelemente fest mit der Halterung verbunden. Besonders vorteilhaft ist diese Bauweise, wenn die Leiterbrücken auch mit den thermoelektrischen Elementen nur lose in Kontakt stehen.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass das Halteelement eine Haltelementbasis aufweist, von der wenigstens ein Halteelementschaft ausgeht, der eine in der jeweiligen Leiterbrücke ausgebildete Leiterbrückenöffnung durchdringt und in die Halterung eindringt, wobei sich die Haltelementbasis an einer von der Halterung abgewandten Außenseite der jeweiligen Leiterbrücke abstützt. Hierdurch ergibt sich eine besonders effiziente formschlüssige Fixierung für die jeweilige Leiterbrücke an der Halterung.
Gemäß einer Weiterbildung kann die jeweilige Leiterbrücke an ihrer Außenseite eine Vertiefung aufweisen, in der die Halteelementbasis des jeweiligen Halteelements versenkt angeordnet ist. Somit kann ein Kontakt des Haltelements mit dem jeweiligen Substrat vermieden werden, ebenso wie eine damit verbundene Beschädigungsgefahr bei Relativbewegungen.
Eine andere Weiterbildung sieht vor, dass das jeweilige Halteelement als Nagel oder als Krampen oder als Klammer ausgestaltet ist. Hierdurch lässt sich das jeweilige Haltelement besonders preiswert realisieren und einfach sowie automatisiert montieren.
Entsprechend einem siebten Unteraspekt des zweiten Aspekts, der zusätzlich oder alternativ zu den vorstehend beschriebenen Unteraspekten realisiert werden kann, ist vorgesehen, dass am heißseitigen Substrat und/oder am kaltseitigen Substrat mindestens ein Fixierelement fest angeordnet ist, mit dem die Halterung am jeweiligen Substrat befestigt ist. Hierdurch lässt sich die Halterung besonders einfach am jeweiligen Substrat festlegen. Über die am jeweiligen Substrat festgelegte Halterung sind dann auch die damit positionierten thermoelektrischen Elemente und gegebenenfalls die daran fixierten Leiterbrücken relativ zum jeweiligen Substrat positioniert.
Bei einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass das jeweilige Fixierelement einen vom jeweiligen Substrat abstehenden Fixierdorn aufweist, der in die Halterung eindringt. Diese Bauform arbeitet zuverlässig.
Eine Verbesserung sieht nun vor, dass das jeweilige Fixierelement an seinem Fixierdorn wenigstens einen Fixierwiderhaken aufweist, der mit der Halterung in Eingriff steht. Hierdurch ergibt sich eine einfache Montage bei zuverlässiger Fixierung.
Besonders vorteilhaft ist eine Weiterbildung, bei der das jeweilige Fixierelement integral am Substrat ausgeformt ist und bei der das jeweilige Fixierelement an dem jeweiligen als Metallblech ausgestalteten Substrat freigeschnitten und ausgestellt ist. Hierdurch wird die integrale Ausgestaltung der Fixierelemente am jeweiligen Substrat vereinfacht. Beispielsweise entfällt eine separate Befestigung der Fixierelemente am Substrat. Außerdem lassen sich die ausgestellten Fixierelemente durch einen Stanz- und Biegevorgang serientauglich realisieren.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung, der zusätzlich oder alternativ zum vorstehend genannten ersten Aspekt und/oder zum vorstehend genannten zweiten Aspekt realisierbar ist, wird vorgeschlagen, dass zumindest ein solcher elektrischer Anschluss des Moduls mit einem Kontaktelement ausgestattet ist, das mittels einer Vorspanneinrichtung vorgespannt an einer solchen Leiterbrücke anliegt. Während üblicherweise eine stoffschlüssige Verbindung zwischen einem Kontaktelement des elektrischen Anschlusses und der jeweiligen Leiterbrücke bevorzugt wird, ermöglicht eine vorgespannte Anlage auch den Verzicht auf eine stoffschlüssige Verbindung und ermöglicht in der Folge auch für die Leiterbrücke die Verwendung von Materialien, bei denen eine stoffschlüssige Verbindung nicht oder nicht ohne weiteres möglich ist. Mit Hilfe der Vorspanneinrichtung kann die gewünschte vorgespannte Anlage des Kontaktelements an der jeweiligen Leiterbrücke realisiert werden. Hierdurch wird eine hinreichende elektrische Kontaktierung gewährleistet, die außerdem auf thermisch bedingte Relativbewegungen elastisch reagieren kann. Die Vorspannrichtung ist dabei zweckmäßig parallel zu einer Abstandsrichtung zwischen den Substraten orientiert. In der Folge liegt das Kontaktelement an einer Innenseite der Leiterbrücke an, die von demjenigen Substrat abgewandt ist, dem diese Leiterbrücke zugeordnet ist und an dem diese Leiterbrücke ihrerseits anliegt. Somit bilden die Leiterbrücke, das Kontaktelement und das zugehörige Substrat eine Sandwichstruktur, in der das jeweilige Substrat und das Kontaktelement außen liegen, während die Leiterbrücke innenliegend angeordnet ist.
Vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der die Vorspanneinrichtung das Kontaktelement in Richtung auf das eine Substrat gegen die jeweilige Leiterbrücke vorspannt und sich dabei am anderen Substrat abstützt. Die Vorspannkraft der Vorspanneinrichtung repräsentiert eine Aktion, die gemäß den Grundlagen der Physik eine entsprechende Reaktion erfordert, nämlich eine entgegengesetzt orientierte Abstützkraft. Diese Abstützkraft wird gemäß diesem Vorschlag demnach am gegenüberliegenden Substrat abgestützt. Somit wird innerhalb des thermoelektrischen Moduls ein geschlossener Kraftpfad gebildet.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung kann sich die Vorspanneinrichtung parallel zu einer Abstandsrichtung der Substrate fluchtend zum Kontaktelement am anderen Substrat abstützen. Hierdurch baut die Vorspanneinrichtung extrem kompakt.
Bei einer anderen Weiterbildung kann die Vorspanneinrichtung ein Abstützelement aufweisen, das am anderen Substrat abgestützt ist. Hierdurch wird die Kraftübertragung zwischen der Vorspanneinrichtung und dem anderen Substrat verbessert.
Bei einer Weiterbildung kann dieses Abstützelement am Kontaktelement längsverstellbar geführt sein. Somit sind Abstützelement und Kontaktelement zueinander positioniert, was die Erzeugung der Vorspannkraft verbessert.
Abstützelement und Kontaktelement können zur Ausbildung einer Teleskopführung ineinander gesteckt sein. Hierdurch wird eine besonders effiziente Längsführung zwischen den Elementen der Vorspanneinrichtung mit gegenseitiger Zentrierung realisiert.
Vorteilhaft kann die Vorspanneinrichtung ein Federelement aufweisen, das sich einerseits am Abstützelement und andererseits am Kontaktelement abstützt. Somit befindet sich das Federelement zwischen den Substraten und somit insbesondere innerhalb des Moduls. Hierdurch erhält die Vorspanneinrichtung eine besonders kompakte Bauform.
Vorteilhaft kann nun vorgesehen sein, dass das Federelement zentrisch zu einer Verbindungsgeraden angeordnet ist, die sich parallel zur Abstandsrichtung der Substrate erstreckt und die direkt von einer Kontaktstelle, über die das Kontaktelement an der jeweiligen Leiterbrücke anliegt, zu einer Abstützstelle führt, über die sich das Abstützelement am jeweiligen Substrat abstützt. Auch dies bewirkt eine extrem kompakte Ausführung für die Vorspanneinrichtung.
Besonders zweckmäßig ist eine Weiterbildung, bei der das Federelement in der Teleskopführung angeordnet ist. Auch diese Ausführungsform zeichnet sich durch eine extrem kompakte Bauweise aus.
Alternativ dazu kann die Vorspanneinrichtung einen das Kontaktelement aufweisenden Kontakthebel und einen das Abstützelement aufweisenden Abstützhebel aufweisen, die um eine senkrecht zur Abstandsrichtung der Substrate verlaufende Schwenkachse verschwenkbar aneinander gelagert sind. Die Ausstattung der Vorspanneinrichtung mit derartigen Hebeln ermöglicht es, die Hebel aus dem Bereich der Substrate und somit aus einem Innenraum des Moduls herauszuführen. Üblicherweise steht außerhalb des Moduls mehr Bauraum zur Verfügung, beispielsweise um die Vorspannkraft zu erzeugen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Vorspanneinrichtung ein Federelement aufweisen, das an einer vom Kontaktelement und vom Abstützelement abgewandten Seiten der Schwenkachse am Kontakthebel und am Abstützhebel vorgespannt abgestützt ist. Dieses Federelement befindet sich somit zweckmäßig außerhalb der Substrate und insbesondere außerhalb eines Innenraums des Moduls. Hierdurch kann insbesondere ein größeres und/oder stärkeres Federelement verwendet werden.
Bei einer anderen Weiterbildung kann vorzugsweise der Kontakthebel oder der Abstützhebel an einem vom Kontaktelement und vom Abstützelement entfernten Ende eine Anschlussstelle zum Anschließen eines elektrischen Kabels aufweisen. Mit Hilfe der Hebel lässt sich somit diese Anschlussstelle ebenfalls außerhalb der Substrate bzw. außerhalb eines Innenraums des Moduls anordnen, was die Montage des Moduls vereinfacht.
Während das Kontaktelement und gegebenenfalls der Kontakthebel aus einem elektrisch leitenden Material, z.B. Metall, hergestellt sind, können das Abstützelement und gegebenenfalls der Abstützhebel aus einem elektrisch isolierenden Material, z.B. Kunststoff, hergestellt sein.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann das Abstützelement an einer von dem einen Substrat abgewandten Außenseite einen abstehenden Zapfen aufweisen, der in eine am anderen Substrat ausgebildete Zapfenaufnahme eingreift. Hierdurch wird eine sichere Lagefixierung für das Abstützelement am anderen Substrat realisiert.
Das Kontaktelement kann an einer der Leiterbrücke zugewandten Außenseite mit einer Kontaktkontur ausgestattet sein, die mehrere linienförmige und/oder punktförmige Kontaktzonen zur Kontaktierung mit der Leiterbrücke besitzt. Beispielsweise kann die Kontaktkontur mehrere zur Leiterbrücke hin spitz zulaufende Stege und/oder mehrere spitz zulaufende, pyramidenartige oder kegelartige Vorsprünge aufweisen. Durch die Vorspannkraft kann die Kontaktkontur mehr oder weniger tief in die Leiterbrücke eindringen, je nach Werkstoff der Leiterbrücke. Dies kann die elektrische Kontaktierung erheblich verbessern.
Unabhängig davon, ob es sich um den ersten, zweiten oder dritten Aspekt der Erfindung handelt, kann das Modul ein Gehäuse besitzen, das einen hermetisch verschlossenen Innenraum enthält, in dem die thermoelektrischen Elemente angeordnet sind. Hierdurch sind die thermoelektrischen Elemente im Innenraum vor schädlichen Umwelteinflüssen schützt, beispielsweise vor Verunreinigungen und Feuchtigkeit. Der Innenraum kann evakuiert oder mit einem Schutzgas befüllt sein. Alternativ dazu ist es wieder unabhängig davon, ob es sich um den ersten, zweiten oder dritten Aspekt der Erfindung handelt, grundsätzlich möglich, dass das heißseitige Substrat ein Bestandteil einer Wand eines Heizkanals zum Führen eines Heizfluids ist, wobei zusätzlich oder alternativ vorgesehen sein kann, dass das kaltseitige Substrat ein Bestandteil einer Wand eines Kühlkanals zum Führen eines Kühlfluids ist. Durch die Integration des jeweiligen Substrats in die Wand eines solchen Kanals verbessert sich die Wärmeübertragung zwischen dem Substrat und dem jeweiligen Fluid, da eine direkte Kontaktierung des jeweiligen Fluids mit dem jeweiligen Substrat erfolgt.
Ebenfalls unabhängig vom jeweiligen Aspekt der vorliegenden Erfindung und von den zugehörigen Ausführungsformen und deren Kombinationen kann das jeweilige heißseitige Substrat und/oder das jeweilige kaltseitige Substrat aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen oder an einer den thermoelektrischen Elementen zugewandten Innenseite eine elektrische Isolierung aufweisen.
Das jeweilige thermoelektrische Modul ist bei allen genannten Aspekten zweckmäßig als ebener, plattenförmiger Körper konfiguriert. Dementsprechend sind die Substrate ebenfalls plattenförmige Körper, die sich jeweils in einer Ebene erstrecken. Alternativ dazu ist es grundsätzlich möglich, ein derartiges thermoelektrisches Modul zylindrisch oder zylindersegmentförmig auszugestalten, so dass die Substrate entsprechende gekrümmte Formen besitzen.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die vorliegende Offenbarung umfasst somit insbesondere auch sämtliche Kombinationen, die sich durch beliebiges Kombinieren der drei genannten Aspekte und deren Unteraspekte sowie deren Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben können.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,
1–19 jeweils eine stark vereinfachte Schnittansicht eines thermoelektrischen Moduls bei verschiedenen Ausführungsformen,
20 eine Seitenansicht auf einen Anschlussbereich des Modul aus 19 entsprechend einer Blickrichtung XX,
21 eine Schnittansicht des Moduls wie in den 1 bis 19, jedoch bei einer anderen Ausführungsform,
22 eine Schnittansicht des Moduls aus 21 entsprechend Schnittlinien XXII,
23 eine Schnittansicht des Moduls wie in den 1 bis 19 und 21, jedoch bei einer weiteren Ausführungsform,
24 eine Draufsicht des Moduls aus 23 entsprechend einer Blickrichtung XXIV.
Die anhand der 1 bis 24 nachfolgend beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen sind grundsätzlich beliebig miteinander kombinierbar, soweit dies sinnvoll ist. Ferner gehören die Ausführungsformen zu drei grundsätzlichen Aspekten der vorliegenden Erfindung, die sich ebenfalls beliebig miteinander kombinieren lassen, soweit dies sinnvoll ist. Der zweite dieser Aspekte weist mehrere Unteraspekte auf, die ebenfalls beliebig miteinander kombinierbar sind, soweit dies sinnvoll ist.
Entsprechend den 1 bis 24 umfasst ein thermoelektrisches Modul 1 mehrere thermoelektrische Elemente 2. In den Darstellungen der 1 bis 19, 21 und 23 sind rein exemplarisch genau vier derartige thermoelektrische Elemente 2 erkennbar; in den 22 und 24 sind sechzehn thermoelektrische Elemente 2 erkennbar. Es ist klar, dass ein derartiges Modul 1 grundsätzlich beliebig viele derartige thermoelektrische Elemente 2 aufweisen kann, die vorzugsweise zumindest zweidimensional angeordnet sind, also nicht nur nebeneinander wie in den 1 bis 19, 21 und 23, sondern auch hintereinander wie in den 22 und 24 erkennbar. Die thermoelektrischen Elemente 2 sind voneinander beabstandet zwischen einer Heißseite 3 des Moduls 1 und einer Kaltseite 4 des Moduls 1 angeordnet. Des Weiteren weist das Modul 1 mehrere Leiterbrücken 5 auf, die zum elektrischen Verschalten der thermoelektrischen Elemente 2 sowie zum Anschließen elektrischer Anschlüsse 6 dienen, von denen je Modul 1 zumindest zwei vorhanden sind, von denen jedoch nur in den 1 und 16 bis 19 jeweils einer dargestellt ist, nur die Ansicht gemäß 20 zeigt zwei solche Anschlüsse 6. Die der Heißseite 3 zugeordneten bzw. zugewandten Leiterbrücken 5 können im Folgenden auch mit 5’ bezeichnet werden. Die der Kaltseite 4 zugeordneten bzw. zugewandten Leiterbrücken 5 können im Folgenden auch mit 5’’ bezeichnet werden. Die zum Anschließen eines elektrischen Anschlusses 6 vorgesehene Leiterbrücke 5 kann im Folgenden auch mit 5’’’ bezeichnet werden.
Die Heißseite 3 ist durch ein heißseitiges Substrat 7 gebildet. Die Kaltseite 4 ist durch ein kaltseitiges Substrat 8 gebildet. Im Beispiel der 2 sind die beiden Substrate 7, 8 jeweils aus einem elektrisch isolierenden Material, wie zum Beispiel aus einer Keramik, hergestellt. Bei allen übrigen Ausführungsformen sind die Substrate 7, 8 aus einem elektrisch leitenden Material, vorzugsweise aus einem Metall, insbesondere Edelstahl, hergestellt und an ihrer den thermoelektrischen Elementen 2 zugewandten Innenseite 9 bzw. 10 mit einer elektrischen Isolierung 11 ausgestattet, die einen Bestandteil des jeweiligen Substrat 7, 8 bildet.
Die Leiterbrücken 5 können grundsätzlich aus jedem beliebigen elektrisch und thermisch leitenden Material hergestellt sein. Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weisen zumindest die einem der Substrate 7, 8 zugeordneten Leiterbrücken 5 jeweils einen Brückenkörper 12 auf, der thermisch und elektrisch leitend sowie elastisch verformbar ausgestaltet ist. Zweckmäßig sind sowohl die Leiterbrücken 5’, die der Heißseite 13 zugeordnet sind, als auch die Leiterbrücken 5’’, die der Kaltseite 4 zugeordnet sind, jeweils mit einem derartigen Brückenkörper 12 ausgestattet.
Gemäß 1 können die Brückenkörper 12 direkt am jeweiligen Substrat 7, 8, insbesondere an dessen Isolierung 11 anliegen. Im Beispiel der 2 stützen sich die Brückenkörper 12 jeweils über eine Metallbeschichtung 13 am jeweiligen Substrat 7, 8 ab. Die Metallbeschichtung 13 kann dabei am jeweiligen Brückenkörper 12 oder am jeweiligen Substrat 7, 8 ausgebildet sein.
Im Beispiel der 3 weist die jeweilige Leiterbrücke 5 am zugehörigen Brückenkörper 12 sowohl an einer dem jeweiligen Substrat 7, 8 zugewandten Außenseite als auch an einer dem jeweiligen thermoelektrischen Element 2 zugewandten Innenseite jeweils eine Metallbeschichtung 13 auf. Ferner ist in 3 bei den beiden rechts angeordneten Brückenkörpern 12 angedeutet, dass die jeweilige Metallschicht 13 auch umlaufend ausgestaltet sein kann, so dass letztlich die gesamte Oberfläche des Brückenkörpers 12 durch die Metallschicht 13 gebildet ist.
Gemäß 4 kann die jeweilige Leiterbrücke 5 an ihrer den thermoelektrischen Elementen 2 zugewandten Innenseite einen metallischen Leitkörper 14 aufweisen. Der Leitkörper 14, zum Beispiel ein Drahtstück, das hier zweckmäßig einen rechteckigen Querschnitt besitzt, ist dabei außerhalb des Brückenkörpers 12 zwischen den beiden thermoelektrischen Elementen 2 angeordnet, die durch die jeweilige Leiterbrücke 5 elektrisch miteinander verbunden sind. Der jeweilige Leitkörper 14 ist elektrisch mit dem jeweiligen Brückenkörper 12 verbunden. Im Beispiel der 4 erfolgt dies durch eine Kontaktierung des Leitkörpers 14 mit der Metallschicht 13. Insbesondere kann der Leitkörper 14, vorzugsweise stoffschlüssig, mit der Metallschicht 13 verbunden sein. Denkbar ist vor allem eine Lötverbindung. Im Beispiel der 4 ist der jeweilige Leitkörper 14 von den beiden thermoelektrischen Elementen 2, die durch die jeweilige Leiterbrücke 5 elektrisch miteinander verbunden sind, beabstandet angeordnet. In 4 sind entsprechende Lücken oder Spalte erkennbar, die nicht näher bezeichnet sind. Zweckmäßig erstreckt sich der jeweilige Leitkörper 14 nur zwischen diesen beiden thermoelektrischen Elementen 2, die durch die zugehörige Leiterbrücke 5 elektrisch miteinander verbunden sind, entlang des zugehörigen Brückenkörpers 12. Vorzugsweise erstreckt sich der jeweilige Leitkörper 14 dabei nur über die gesamte Breite des Brückenkörpers 12 und ist dabei quer zur Längsrichtung des Brückenkörpers 12 orientiert. In den hier gezeigten Schnittansichten erstrecken sich die geradlinigen Leitkörper 14 mit ihrer Längsrichtung senkrecht zur Zeichnungsebene. Die Längsrichtung der zugehörigen Brückenkörper 12 liegt in der Zeichnungsebene.
Der Brückenkörper 12 ist zweckmäßig durch eine Graphitfolie gebildet, was beispielsweise in den Ausführungsformen der 1 bis 6 und 8 bis 18 der Fall sein kann. Rein exemplarisch ist in 7 eine andere Ausführungsform angedeutet, bei welcher der jeweilige Brückenkörper 12 durch eine poröse Metallstruktur 15 gebildet ist. Es ist klar, dass grundsätzlich auch bei den anderen Ausführungsformen der Brückenkörper 12 durch eine derartige Metallstruktur 15 gebildet sein kann. Die poröse Metallstruktur 15 ist dabei zweckmäßig durch ein Mitglied aus der Gruppe Metallgeflecht, Metallkissen, Metallgewebe, Drahtgestrick, Metallschaum, Metalltextil oder aus einer beliebigen Kombination von zwei oder mehr Mitgliedern dieser Gruppe gebildet.
Sofern der jeweilige Brückenkörper 12 gemäß den 3 und 4 an seiner den thermoelektrischen Elementen 2 zugewandten Innenseite die Metallbeschichtung 13 aufweist, lässt sich der Brückenkörper 12 über die Metallbeschichtung 13 fest, vorzugsweise stoffschlüssig, mit den jeweiligen thermoelektrischen Elementen 2 verbinden.
Unabhängig davon, ob eine derartige Metallbeschichtung 13 vorhanden ist oder nicht, kann gemäß einer anderen Ausführungsform vorgesehen sein, dass die jeweilige mit dem Brückenkörper 12 ausgestattete und im Extremfall durch den Brückenkörper 12 gebildete Leiterbrücke 5 am jeweiligen Substrat 7, 8 lose anliegt. Insbesondere kann dabei der jeweilige Brückenkörper 12 am jeweiligen Substrat 7, 8 direkt lose anliegen. Eine derartige direkte Kontaktierung ist in 1 gezeigt. Dort liegt der Brückenkörper 12 zwar an der jeweiligen Isolierung 11 an, diese bildet jedoch einen Bestandteil des jeweiligen Substrats 7, 8.
Sofern dagegen eine feste Fixierung zwischen der jeweiligen Leiterbrücke 5 und dem jeweiligen Substrat 7, 8 erwünscht ist, lässt sich dies beispielsweise durch die Metallbeschichtung 13 an dem Brückenkörper 12 realisieren, die hierzu zumindest an einer dem jeweiligen Substrat 7, 8 zugewandten Außenseite des Brückenkörpers 12 ausgebildet ist. Zweckmäßig kann dann auch die Isolierung 11 des jeweiligen Substrats 7, 8 metallisiert sein oder mit einer Metallschicht versehen sein, die rein exemplarisch nur in den 3 bis 7 angedeutet und mit 16 bezeichnet ist. Somit lässt sich auch hier eine stoffschlüssige Verbindung, vorzugsweise eine Lötverbindung, realisieren. Entsprechendes gilt für die in 7 gezeigte Ausführungsform, bei der die poröse Metallstruktur 15 direkt mit der Metallschicht 16 der Isolierung 11 fest verbunden werden kann.
In den Beispielen der 5 und 6 ist die jeweilige Leiterbrücke 5 außerdem mit einer Metallbrücke 17 ausgestattet, die zusätzlich zum Brückenkörper 12 vorgesehen ist und die sich dabei an einer den thermoelektrischen Elementen 2 zugewandten Innenseite des jeweiligen Brückenkörpers 12 befindet. Die Metallbrücke 17 erstreckt sich zweckmäßig über die gesamte Länge des zugehörigen Brückenkörpers 12 und ist somit letztlich zwischen dem Brückenkörper 12 und axialen Stirnseiten der beiden thermoelektrischen Elemente 2 angeordnet, denen der jeweilige Brückenkörper 12 bzw. die jeweilige Leiterbrücke 5 zugeordnet ist. Die genannten Stirnseiten der thermoelektrischen Elemente 2 sind dem jeweiligen Substrat 7, 8 zugewandt. Im Beispiel der 5 steht die jeweilige Metallbrücke 17, die selbstredend aus einem metallischen Werkstoff besteht, direkt mit den Stirnseiten der beiden thermoelektrischen Elemente 2 in Kontakt. Zweckmäßig wird dabei auch eine feste, vorzugsweise stoffschlüssige, Verbindung bevorzugt.
Im Unterschied dazu zeigt 6 eine Ausführungsform, bei der die jeweilige Metallbrücke 17 an der jeweiligen Stirnseite über wenigstens einen weiteren Brückenkörper 12’ abgestützt ist, der ebenfalls thermisch und elektrisch leitend sowie elastisch verformbar ausgestaltet ist. Im Beispiel der 6 sind dabei je Metallbrücke 17 zwei separate weitere Brückenkörper 12’ vorgesehen. Grundsätzlich ist jedoch ein gemeinsamer, durchgehender weiterer Brückenkörper 12’ denkbar. In 6 ist bei den Leiterbrücken 5’’, die dem kaltseitigen Substrat 8 zugeordnet sind, vorgesehen, dass der Brückenkörper 12 direkt am kaltseitigen Substrat 8 und direkt an der Metallbrücke 17 anliegt. Außerdem ist dort vorgesehen, dass die weiteren Brückenkörper 12’ einerseits an den thermoelektrischen Elementen 2 und andererseits an der Metallbrücke 17 jeweils direkt anliegen. Je nach Material des Brückenkörpers 12 bzw. des weiteren Brückenkörpers 12’ kommt dabei eine lose Anlage oder eine, vorzugsweise stoffschlüssige, Fixierung in Betracht. In 6 ist bei den drei linken thermoelektrischen Elementen 2 vorgesehen, dass die dem heißseitigen Substrat 7’ zugeordneten Leiterbrücken 5’ weiterhin so konfiguriert sind, dass die zugehörigen Brückenkörper 12 und auch die weiteren Brückenkörper 12’ jeweils an ihrer dem heißseitigen Substrat 7 zugewandten Außenseite mit der Metallbeschichtung 13 und auch an ihrer dem kaltseitigen Substrat 8 zugewandten Innenseite mit der Metallbeschichtung 13 ausgestattet sind. Somit ist insbesondere eine Ausführungsform möglich, bei welcher der Brückenkörper 12 über die Metallbeschichtung 13 und die gegebenenfalls an der Isolierung 11 vorgesehene weitere Metallschicht 16 am heißseitigen Substrat 7 befestigt sind. Ferner sind diese Brückenkörper 12 über die Metallbeschichtung 13 auch an der Metallbrücke 17 befestigt. Die weiteren Brückenkörper 12’ sind hierbei einerseits am jeweiligen thermoelektrischen Element 2 und andererseits an der jeweiligen Metallbrücke 17 jeweils über die Metallbeschichtung 13 befestigt.
Zweckmäßig besitzt das Modul 1 außerdem ein Gehäuse 18, das in den 1 bis 19, 21 und 23 nur teilweise dargestellt ist und das bevorzugt einen nach außen hermetisch verschlossenen Innenraum 19 enthält. In diesem Innenraum 19 sind die thermoelektrischen Elemente 2 angeordnet. Zweckmäßig sind zwei voneinander abgewandte bzw. zwei voneinander entfernte Wände des Gehäuses 19 durch die Substrate 7, 8 gebildet. Bei einer alternativen Bauweise kann das heißseitige Substrat 7 einen Bestandteil einer Wand eines Heizkanals bilden, in dem ein Heizfluid geführt ist. Zusätzlich oder alternativ kann das kaltseitige Substrat 8 einen Bestandteil einer Wand eines Kühlkanals bilden, in dem ein Kühlmittel geführt ist. Hierdurch lassen sich die Module 1 besonders einfach in einen Wärmetauscher integrieren.
Gemäß den 8 bis 15 und 21 bis 24 kann entsprechend einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung das Modul 1 außerdem eine elektrisch isolierende Halterung 20 aufweisen, die zum Positionieren der thermoelektrischen Elemente 2 zwischen den Substraten 7, 8 dient. Eine derartige Halterung 20 kann grundsätzlich bei allen hier gezeigten Ausführungsformen vorgesehen sein. Sofern ein Gehäuse 18 vorhanden ist, ist die Halterung 20 im Innenraum 19 angeordnet. Die Halterung 20 weist für jedes thermoelektrische Element 2 eine separate Durchgangsöffnung 21 auf, in die das jeweilige thermoelektrische Element 2 eingesetzt ist. Zweckmäßig ist ein Innenquerschnitt der jeweiligen Durchgangsöffnung 21 so auf einen Außenquerschnitt des jeweiligen thermoelektrischen Elements 2 abgestimmt, dass sich eine sichere Lagefixierung für das jeweilige thermoelektrische Element 2 in der Durchgangsöffnung 21 an der Halterung 20 einstellt.
Eine derartige Halterung 20 kann beispielsweise dann zum Einsatz kommen, wenn die zum heißseitigen Substrat 7 proximalen Leiterbrücken 5’ am heißseitigen Substrat 7 bzw. an dessen Isolierung 11 lose anliegen und/oder wenn die zum kaltseitigen Substrat 8 proximalen Leiterbrücken 5’’ am kaltseitigen Substrat 8 bzw. an dessen Isolierung 11 lose anliegen. Dies entspricht einem ersten Unteraspekt dieses zweiten Aspekts der Erfindung. Insbesondere kann dadurch ein in 8 mit 22 bezeichneter Block geschaffen werden, der zwischen den Substraten 7, 8 quasi schwimmend gelagert ist. Alternativ dazu kann die Halterung 20 selbst über geeignete Verbindungsstellen 23 mit dem heißseitigen Substrat 7 und/oder mit dem kaltseitigen Substrat 8 fest verbunden sein. Beispielsweise ist die Halterung 20 nur in einem Umlaufbereich 24, der die thermoelektrischen Elemente 2 in der Umlaufrichtung einfasst, am jeweiligen Substrat 7, 8 befestigt.
9 zeigt einen zweiten Unteraspekt dieses zweiten Aspekts der Erfindung. Hierzu ist vorgesehen, dass die Halterung 20 einen dem heißseitigen Substrat 7 zugewandten Heißbereich 25 und einen dem kaltseitigen Substrat 8 zugewandten Kaltbereich 26 aufweist, die aus verschiedenen Werkstoffen hergestellt sind. Dementsprechend ist der Heißbereich 25 aus einem ersten Werkstoff hergestellt, bei dem es sich beispielsweise um eine Keramik handeln kann. Im Unterschied dazu ist der Kaltbereich 26 aus einem zweiten Werkstoff hergestellt, der vom ersten Werkstoff verschieden ist und bei dem es sich beispielsweise um einen Kunststoff handeln kann. Im Beispiel der 9 ist der Heißbereich 25 durch wenigstens ein erstes Halterungsteil 27 gebildet, während der Kaltbereich 26 durch wenigstens ein zweites Halterungsteil 28 gebildet ist. Die verschiedenen Halteteile 27, 28 sind aneinander angebaut. Im Beispiel der 9 ist eine Steckverbindung 64 zwischen den beiden Halterungsteilen 27, 28 ausgebildet, die am ersten Halterungsteil 27 kegelförmige oder keilförmige Vorsprünge aufweist und am zweiten Halterungsteil 28 dazu komplementäre kegelförmige oder keilförmige Vertiefungen besitzt. Erstes Halterungsteil 27 und zweites Halterungsteil 28 sind in 9 so konfiguriert, dass die vorstehend genannten Durchgangsöffnungen 21 ausschließlich am zweiten Halterungsteil 28 bzw. am Heißbereich 26 ausgebildet sind.
10 zeigt einen dritten Unteraspekt des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung. Hierbei weist die Halterung 20 für die zum heißseitigen Substrat 7 proximalen Leiterbrücken 5’ und/oder für die zum kaltseitigen Substrat 8 proximalen Leiterbrücken 5’’ jeweils eine Aussparung 29 auf, in denen die Leiterbrücken 5 vertieft angeordnet sind. Gezeigt ist dabei eine spezielle Ausführungsform, bei denen die Aussparungen 29 so dimensioniert sind, dass die Leiterbrücken 5 darin so weit vertieft angeordnet sind, dass sie mit einer dem jeweiligen Substrat 7, 8 zugewandten Außenseite 30 der Halterung 20 jeweils bündig abschließen. Hierdurch liegt besagte Außenseite 30 am jeweiligen Substrat 7, 8 flächig an.
Entsprechend den 11 und 12 kann gemäß einem vierten Unteraspekt des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass die Halterung 20 ein zum heißseitigen Substrat 7 proximales Heißteil 31 und ein zum kaltseitigen Substrat 8 proximales Kaltteil 32 aufweist. Die zuvor genannten Durchgangsöffnungen 21 sind dabei sowohl im Heißteil 31 als auch im Kaltteil 32 ausgebildet. Ferner ist in den 11 und 12 gezeigt, dass im Heißteil 31 und im Kaltteil 32 ebenfalls die mit Bezug auf 10 erläuterten Aussparungen 29 ausgebildet sein können.
Vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der das Heißteil 31 am heißseitigen Substrat 7 befestigt ist, während das Kaltteil 32 relativ zum Heißteil 31 entlang der thermoelektrischen Elemente 2 verstellbar ist. Mit anderen Worten, das Kaltteil 32 ist bei dieser Bauform nicht am kaltseitigen Substrat 8 befestigt. Bei umgekehrter Bauweise ist dagegen das Kaltteil 32 am kaltseitigen Substrat 8 befestigt, während das Heißteil 31 am heißseitigen Substrat 7 nicht befestigt ist, sondern relativ zum Kaltteil 32 entlang der thermoelektrischen Elemente 2 verstellbar angeordnet ist. In 11 ist rein exemplarisch eine Führung 33 gezeigt, welche die Verstellbarkeit von Heißteil 31 und Kaltteil 32 relativ zueinander verbessert. In 12 ist dagegen eine Verbindung 34 zwischen dem Heißteil 31 und dem Kaltteil 32 gezeigt, die gelenkig und/oder elastisch ausgestaltet sein kann und die insbesondere zumindest eine Sollbruchstelle 35 enthalten kann. Die gelenkige oder elastische Verbindung 34 kann die gewünschten Relativbewegungen zulassen. Ebenso kann die Sollbruchstelle 35 bei hinreichender Kraft brechen und dann die gewünschte Relativverstellung ermöglichen.
Wie sich den 11 und 12 entnehmen lässt, kann außerdem im Bereich der thermoelektrischen Elemente 2 zwischen dem Heißteil 31 und dem Kaltteil 32 ein Zwischenraum 36 ausgebildet sein, in dem Heißteil 31 und Kaltteil 32 voneinander beabstandet sind. Bei einer Relativverstellung des Heißteils 31 bezüglich des Kaltteils 32 verringert sich dieser Abstand.
Bei einer anderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass einerseits das Heißteil 31 fest mit dem heißseitigen Substrat 7 verbunden ist, während andererseits das Kaltteil 32 mit dem kaltseitigen Substrat 8 fest verbunden ist. Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass das Heißteil 31 dem vorstehend genannten Heißbereich 25 entspricht und dementsprechend aus dem ersten Werkstoff hergestellt ist, während das Kaltteil 32 dem Kaltbereich 26 entspricht und aus dem zweiten Werkstoff hergestellt ist.
In den Beispielen der 9 und 13 bis 15 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, die einem fünften Unteraspekt des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung entspricht. Demgemäß weist die Halterung 20 einen Positionierbereich 37 auf, in dem die Durchgangsöffnungen 21 ausschließlich ausgebildet sind. Dieser Positionierbereich 37 ist über wenigstens einen Haltebereich 38 an wenigstens einem der Substrate 7, 8, vorzugsweise an beiden Substraten 7, 8 abgestützt. Bemerkenswert ist bei diesen Ausführungsformen, dass der Positionierbereich 37 vom heißseitigen Substrat 7 einen größeren Abstand aufweist als vom kaltseitigen Substrat 8. Zweckmäßig ist der Abstand des Positionierbereichs 37 vom heißseitigen Substrat 7 mindestens doppelt so groß wie vom kaltseitigen Substrat 8. Sofern nur ein gemeinsamer Haltebereich 38 vorgesehen ist, kann dieser als Rahmen ausgestaltet sein, der den Bereich, in dem die thermoelektrischen Elemente 2 angeordnet sind, in Umfangsrichtung geschlossen einfasst. Alternativ können auch mehrere separate Haltebereiche 38 vorgesehen sein, z.B. in den vier Ecken einen rechteckigen Moduls 1, die ebenfalls außerhalb des Bereichs der thermoelektrischen Elemente 2 angeordnet sind. Der oder die Haltebereiche 38 erstrecken sich somit in dem zuvor genannten Umlaufbereich 24.
Der oder die Haltebereiche 38 können auf unterschiedliche, geeignete Weise mit dem jeweiligen Substrat 7, 8 fest verbunden sein. 9 zeigt Steckverbindungen 39 zwischen den Haltebereichen 38 und dem heißseitigen Substrat 7. 9 zeigt außerdem Clipsverbindungen 40 zwischen den Haltebereichen 38 und dem kaltseitigen Substrat 8. 13 zeigt Clipsverbindungen 40 zwischen den Haltebereichen 38 und dem heißseitigen Substrat 7 einerseits und dem kaltseitigen Substrat 8 andererseits. 14 zeigt Schraubverbindungen 41 zwischen den Haltebereichen 38 und dem heißseitigen Substrat 7 sowie Stiftverbindungen 42 zwischen den Haltebereichen 38 und dem kaltseitigen Substrat 8. In 15 sind dagegen Klebverbindungen 43 gezeigt, mit denen die Haltebereiche 38 am heißseitigen Substrat 7 sowie am kaltseitigen Substrat 8 fixiert sind.
Gemäß den 21 bis 24 kann ein sechster Unteraspekt des zweiten Aspekts, der zusätzlich oder alternativ zu den vorstehend beschriebenen Unteraspekten realisiert werden kann, vorsehen, dass die Leiterbrücken 5 jeweils mittels eines Halteelements 68 an der Halterung 20 fixiert ist. In Verbindung mit einem losen Kontakt zwischen den Leiterbrücken 5 und dem jeweiligen Substrat 7, 8 kann dadurch eine zusammenhängende Einheit, die dem vorstehend genannten Block 22 entspricht, aus Halterung 20, thermoelektrischen Elementen 2 und Leiterbrücken 5 gebildet werden, die als Ganzes relativ zum jeweiligen Substrat 7, 8 schwimmend gelagert ist. Im Beispiel sind mehrere, vorzugsweise alle Leiterbrücken 5 mittels solcher Halteelemente 68 fest mit der Halterung 20 verbunden. Besonders vorteilhaft ist diese Bauweise, wenn die Leiterbrücken 5 auch mit den thermoelektrischen Elementen 2 nur lose in Kontakt stehen.
In den gezeigten Beispielen weist das jeweilige Halteelement 68 jeweils eine Haltelementbasis 69 auf, von der wenigstens ein Halteelementschaft 70 ausgeht, der eine in der jeweiligen Leiterbrücke 5 ausgebildete Leiterbrückenöffnung 71 durchdringt und in die Halterung 20 eindringt. Die Haltelementbasis 69 stützt sich dabei an einer von der Halterung 20 abgewandten Außenseite der jeweiligen Leiterbrücke 5 ab. Hierdurch ergibt sich eine besonders effiziente formschlüssige Fixierung für die jeweilige Leiterbrücke 5 an der Halterung 20.
Gemäß den hier gezeigten Beispielen weist die jeweilige Leiterbrücke 5 an ihrer Außenseite eine Vertiefung 72 aufweisen, in der die Halteelementbasis 69 des jeweiligen Halteelements 68 versenkt angeordnet ist. Somit kann ein Kontakt des Haltelements 68 mit dem jeweiligen Substrat 7, 8 vermieden werden.
Die in den 21 und 23 erkennbaren Halteelemente 68 sind jeweils als Nagel 73 ausgestaltet. In der Ansicht der 22 sind mehrere Halteelemente 68 jeweils als Nagel 73 ausgestaltet, während mehrere andere Halteelemente 68 als Krampen 74 oder als Klammern 74 ausgestaltet sind.
Entsprechend einem siebten Unteraspekt des zweiten Aspekts, der zusätzlich oder alternativ zu den vorstehend beschriebenen Unteraspekten realisiert werden kann, ist gemäß den 21 bis 24 vorgesehen, dass am heißseitigen Substrat 7 und am kaltseitigen Substrat 8 jeweils mindestens ein Fixierelement 75 fest angeordnet ist, mit dem die Halterung 20 am jeweiligen Substrat 7, 8 befestigt ist. Über die am jeweiligen Substrat 7, 8 festgelegte Halterung 20 ist dann der genannte Block 22 und somit auch die damit positionierten thermoelektrischen Elemente 2 und gegebenenfalls die daran fixierten Leiterbrücken 5 relativ zum jeweiligen Substrat 7, 8 positioniert.
In den Beispielen ist vorgesehen, dass das jeweilige Fixierelement 75 einen vom jeweiligen Substrat 7, 8 abstehenden Fixierdorn 76 aufweist, der in die Halterung 20 eindringt. Das jeweilige Fixierelement 75 weist an seinem Fixierdorn 76 wenigstens einen Fixierwiderhaken 77 auf, der mit der Halterung 20 verhakt ist bzw. in Eingriff steht.
Die 23 und 24 zeigen ein Beispiel, bei dem das jeweilige Fixierelement 75 integral am Substrat 7 bzw. 8 ausgeformt ist und bei dem das jeweilige Fixierelement 75 an dem jeweiligen als Metallblech ausgestalteten Substrat 7, 8 freigeschnitten und ausgestellt ist. In 24 sind die beiden links gezeigten Fixierelemente 75 erst freigeschnitten und noch nicht ausgestellt, während die beiden rechts gezeigten Fixierelemente 75 bereits ausgestellt sind auf die vom Betrachter abgewandte Seite.
Wie vorstehend bereits erläutert, zeigen die 1 und 16 bis 19 einen von wenigstens zwei elektrischen Anschlüssen 6 des Moduls 1. Dabei ist es gemäß 1 grundsätzlich möglich, den elektrischen Anschluss 6 direkt mit einer der Leiterbrücken 5, hier mit der Leiterbrücke 5’’’ zu verbinden, sofern sich der Werkstoff dieser Leiterbrücke 5’’’ für eine solche Verbindung eignet. Vorzugsweise kommen hier Lötverbindungen zum Einsatz.
Entsprechendes gilt auch für die in den 16 und 19 gezeigten Ausführungsformen, bei welcher der Anschluss 6 letztlich mit Hilfe einer großvolumigen Lötstelle 44 realisiert wird, mit der ein Kontaktelement 45 des Anschlusses 6 mit der jeweiligen Leiterbrücke 5’’’ und/oder mit einer Metallbeschichtung 13 der Isolierung 11 elektrisch leitend und mechanisch fest verbunden ist. Am Kontaktelement 45 ist ein Anschlusselement 46 ausgebildet, das eine Anschlussstelle 47 zum Anschließen eines elektrischen Kabels definiert.
In den Beispielen der 19 und 20 ist außerdem ein Klemmsteg 79 vorgesehen, der an einem der Substrate 7, 8, hier am heißseitigen Substrat 7 angeordnet ist. Im Beispiel sind mehrere Klemmstege 79 zu einem Klemmrahmen 78 zusammengesetzt, der die thermoelektrischen Elemente 2 umschließt. Der Klemmrahmen 78 ist somit bevorzugt aus vier rechteckig angeordneten Stegen 79 gebildet. Der einzige Klemmsteg 79 oder einer der Klemmstege 79 erstreckt sich im Bereich der Anschlüsse 6 seitlich neben den thermoelektrischen Elementen 2. Dieser Klemmsteg 79 weit für wenigstens einen der Anschlüsse 6 eine Klemme 80 auf, die das jeweilige Anschlusselement 46 mittels Klemmkraft am Klemmsteg 79 festlegt. Hierdurch ergibt sich eine sichere Fixierung für das Anschlusselement 46, die mechanische Belastungen, die über das genannte Kabel am Anschlusselement 46 angreifen können, von der Lötstelle 44 entkoppelt. Außerdem lässt sich die Lötstelle 44 leichter maschinell herstellen, wenn das Anschlusselement 46 bereits mit dem Klemmsteg 79 an der richtigen Stelle positioniert ist.
In den 17 und 18 ist nunmehr eine andere Ausführungsform zur Realisierung eines derartigen elektrischen Anschlusses 6 gezeigt, die einen dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung darstellt. Hierzu umfasst der elektrische Anschluss 6 eine Vorspanneinrichtung 48, die das Kontaktelement 45 mittels einer Vorspannkraft 49 gegen die jeweilige Leiterbrücke 5’’’ andrückt. Dementsprechend liegt das Kontaktelement 45 vorgespannt an einer den thermoelektrischen Elementen 2 zugewandten Innenseite der jeweiligen Leiterbrücke 5 an, die hier auch mit 5’’’ bezeichnet ist. Die Vorspannkraft 49 ist dabei parallel zur Abstandsrichtung 65 der Substrate 7, 8 orientiert.
In den Beispielen der 17 und 18 ist das Kontaktelement 45 hierzu mit einer Kontaktkontur 50 ausgestattet, die Erhebungen besitzt, die spitz zulaufen und dementsprechend eine linienförmige und/oder punktförmige Kontaktierung mit der Leiterbrücke 5 ermöglichen. In den gezeigten Schnittansichten lässt sich ein sägezahnförmiges Profil erkennen. Dementsprechend besitzt die Kontaktkontur 50 eine Vielzahl paralleler, spitz zulaufender Stege und/oder eine Vielzahl spitz zulaufender Pyramiden oder Kegel. Sofern hier ein weicher Werkstoff für die Leiterbrücke 5 bzw. deren Brückenkörper 12 verwendet wird, kann die Kontaktkontur 50 in die Oberfläche der Leiterbrücke 5 eindringen und dadurch einen besonders innigen Kontakt herstellen.
Die Vorspanneinrichtung 48 spannt das Kontaktelement 45 in Richtung auf das eine Substrat, hier in Richtung auf das heißseitige Substrat 7 gegen die jeweilige Leiterbrücke 5 vor und stützt sich dabei an dem anderen Substrat, hier am kaltseitigen Substrat 8 ab. Ferner stützt sich die Vorspanneinrichtung 48 parallel zur Abstandsrichtung der Substrate 7, 8 fluchtend zum Kontaktelement 45 am kaltseitigen Substrat 8 ab.
Zweckmäßig weist die Vorspanneinrichtung 48 ein Abstützelement 51 auf, das am kaltseitigen Substrat 8 abgestützt ist. Das Abstützelement 51 stützt sich dabei in einer Abstützstelle 52 am kaltseitigen Substrat 8 ab. Im Unterschied dazu stützt sich das Kontaktelement 45 in einer Kontaktstelle 53 an der jeweiligen Leiterbrücke 5 ab.
Bei der in 17 gezeigten Ausführungsform sind das Abstützelement 51 und das Kontaktelement 45 längsverstellbar aneinander geführt. Insbesondere ist hierzu eine Teleskopführung 54 zwischen dem Abstützelement 51 und dem Kontaktelement 45 ausgebildet. Diese Längsführung bzw. die Teleskopführung 54 ist dabei parallel zur Vorspannkraft 49 orientiert, die sich ihrerseits parallel zur Abstandsrichtung 65 der beiden Substrate 7, 8 erstreckt.
Bei beiden Ausführungsformen weist die Vorspanneinrichtung 48 ein Federelement 55 auf, das zur Erzeugung der Vorspannkraft 49 komprimiert ist. Somit handelt es sich um eine Druckfeder.
Im Beispiel der 17 ist das Federelement 45 so positioniert, dass es sich einerseits am Abstützelement 51 und andererseits am Kontaktelement 45 abstützt. Ferner ist das Federelement 55 hier zentrisch zu einer gedachten Verbindungsgeraden 56 ausgerichtet, die direkt von der Kontaktstelle 53 zur Abstützstelle 52 führt. Diese Verbindungsgerade 56 erstreckt sich dabei parallel zu einer Abstandsrichtung 65 der Substrate 7, 8, in der die Substrate 7, 8 voneinander beabstandet sind. Insbesondere ist das Federelement 55 hier innerhalb der Teleskopführung 54 angeordnet.
Im Beispiel der 18 weist die Vorspanneinrichtung 48 einen Kontakthebel 57, der das Kontaktelement 45 aufweist, sowie einen Abstützhebel 58 auf, an dem das Abstützelement 51 ausgebildet ist. Kontakthebel 57 und Abstützhebel 58 sind um eine Schwenkachse 59 verschwenkbar aneinander gelagert. Ein entsprechendes Lager ist hierbei mit 60 bezeichnet. Die Schwenkachse 59 erstreckt sich senkrecht zur Abstandsrichtung 65 der Substrate 7, 8 und steht in 18 senkrecht auf der Zeichnungsebene. Das Federelement 55 ist an einer vom Kontaktelement 45 und vom Abstützelement 51 abgewandten Seite der Schwenkachse 59 am Kontakthebel 57 und am Abstützhebel 58 abgestützt, und zwar in einem komprimierten Zustand, um die Vorspannung 49 zu erzeugen. Die Anschlussstelle 47 ist hier an einem vom Anschlusselement 45 entfernten Ende 61 des Anschlusshebels 57 angeordnet. Am Abstützhebel 58 ist an einem vom Abstützelement 52 entfernten Ende 62 eine Führung 63 für das Federelement 55 ausgebildet.
Bei den in den 17 und 18 gezeigten Ausführungsformen weist das Abstützelement 51 außerdem einen Zapfen 66 auf, der an einer vom heißseitigen Substrat 7 abgewandten Seite des Abstützelements 51 absteht und in eine am kaltseitigen Substrat 8 ausgebildete Zapfenaufnahme 67 eingreift. Während das Kontaktelement 45 und der gegebenenfalls vorhandene Kontakthebel 57 aus einem elektrisch leitenden Werkstoff, vorzugsweise aus einem Metall, bestehen, kann das Abstützelement 51 und der gegebenenfalls vorhandene Abstützhebel 58 aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, vorzugsweise aus einem Kunststoff bestehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102013214988 A1 [0002]
EP 2159854 A1 [0002, 0002]

Claims

Thermoelektrisches Modul – mit mehreren thermoelektrischen Elementen (2), die beabstandet voneinander zwischen einer Heißseite (3) des Moduls (1) und einer Kaltseite (4) des Moduls (1) angeordnet sind, – mit mehreren Leiterbrücken (5) zum elektrischen Verschalten der thermoelektrischen Elemente (2), – mit einem die Heißseite (3) bildenden heißseitigen Substrat (7), – mit einem die Kaltseite (4) bildenden kaltseitigen Substrat (8), – mit einer elektrisch isolierten Halterung (20) zum Positionieren der thermoelektrischen Elemente (2) zwischen den Substraten (7, 8), die für jedes thermoelektrische Element (2) eine separate Durchgangsöffnung (21) aufweist, dadurch gekennzeichnet, – dass die zum heißseitigen Substrat (7) proximalen Leiterbrücken (5’) am heißseitigen Substrat (7) lose anliegen, und/oder – dass die zum kaltseitigen Substrat (8) proximalen Leiterbrücken (5’’) am kaltseitigen Substrat (8) lose anliegen.
Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Leiterbrücke (5) mittels eines Halteelements (68) an der Halterung (20) fixiert ist.
Modul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (68) eine Haltelementbasis (69) aufweist, von der wenigstens ein Halteelementschaft (70) ausgeht, der eine in der jeweiligen Leiterbrücke (5) ausgebildete Leiterbrückenöffnung (71) durchdringt und in die Halterung (20) eindringt, wobei sich die Haltelementbasis (69) an einer von der Halterung (20) abgewandten Außenseite der jeweiligen Leiterbrücke (5) abstützt.
Modul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Leiterbrücke (5) an ihrer Außenseite eine Vertiefung (72) aufweist, in der die Halteelementbasis (69) des jeweiligen Halteelements (68) versenkt angeordnet ist.
Modul nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Halteelement (68) als Nagel oder als Krampen oder als Klammer ausgestaltet ist.
Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass am heißseitigen Substrat (7) und/oder am kaltseitigen Substrat (8) mindestens ein Fixierelement (75) fest angeordnet ist, mit dem die Halterung (20) am jeweiligen Substrat (7, 8) befestigt ist.
Modul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Fixierelement (75) einen vom jeweiligen Substrat (7, 8) abstehenden Fixierdorn (76) aufweist, der in die Halterung (20) eindringt.
Modul nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Fixierelement (75) an seinem Fixierdorn (76) wenigstens einen Fixierwiderhaken (77) aufweist, der mit der Halterung (20) in Eingriff steht.
Modul nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, – dass das jeweilige Fixierelement (75) integral am Substrat (7, 8) ausgeformt ist, – dass das jeweilige Fixierelement (75) an dem jeweiligen als Metallblech ausgestalteten Substrat (7, 8) freigeschnitten und ausgestellt ist.
Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (20) nur in einem die thermoelektrischen Elemente (2) in Umfangsrichtung einfassenden Umlaufbereich (24) am heißseitigen Substrat (7) und/oder am kaltseitigen Substrat (8) befestigt ist.
Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (20) einen dem heißseitigen Substrat (7) zugewandten Heißbereich (25) aus einem ersten Werkstoff und einem dem kaltseitigen Substrat (8) zugewandten Kaltbereich (26) aus einem vom ersten Werkstoff verschiedenen zweiten Werkstoff aufweist.
Modul nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Heißbereich (25) aus Keramik hergestellt ist, während der Kaltbereich (26) aus Kunststoff hergestellt ist.
Modul nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Heißbereich (25) durch wenigstens ein erstes Halterungsteil (27) gebildet ist, während der Kaltbereich (26) durch wenigstens ein zweites Halterungsteil (28) gebildet ist, wobei das wenigstens eine erste Halterungsteil (27) und das wenigstens eine zweite Halterungsteil (28) aneinander angebaut sind.
Modul nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsöffnungen (21) zum Einsetzen der thermoelektrischen Elemente (2) nur am Heißbereich (25) oder nur am Kaltbereich (26) ausgebildet sind.
Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (20) für die zum heißseitigen Segment (7) proximalen Leiterbrücken (5) und/oder für die zum kaltseitigen Substrat (8) proximalen Leiterbrücken (5) Aussparungen (29) aufweist, in denen die Leiterbrücken (5) vertieft angeordnet sind.
Modul nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbrücken (5) in den Aussparungen (29) so weit vertieft angeordnet sind, dass sie mit einer dem jeweiligen Substrat (7, 8) zugewandten Außenseite (30) der Halterung (20) bündig abschließen.
Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, – dass die Halterung (20) ein zum heißseitigen Substrat (7) proximales Heißteil (31) und ein zum kaltseitigen Substrat (8) proximales Kaltteil (32) aufweist, – dass die Durchgangsöffnungen (21) im Heißteil (31) und im Kaltteil (32) ausgebildet sind.
Modul nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, – dass das Heißteil (31) am heißseitigen Segment (7) befestigt ist und das Kaltteil (32) relativ zum Heißteil (31) entlang der thermoelektrischen Elemente (2) verstellbar ist, oder – dass das Kaltteil (32) am kaltseitigen Substrat (8) befestigt ist und das Heißteil (31) relativ zum Kaltteil (32) entlang der thermoelektrischen Elemente (2) verstellbar ist.
Modul nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, – dass das Heißteil (31) und das Kaltteil (32) über eine Führung (33) verstellbar aneinander angeordnet sind, oder – dass das Heißteil (31) und das Kaltteil (32) über eine Verbindung (34) aneinander befestigt sind, die gelenkig und/oder elastisch ausgestaltet und/oder mit einer Sollbruchstelle ausgestattet ist und die Relativverstellungen zwischen Heißteil (31) und Kaltteil (32) zulässt.
Modul nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der thermoelektrischen Elemente (2) zwischen dem Heißteil (31) und dem Kaltteil (32) ein Zwischenraum (36) ausgebildet ist, in dem Heißteil (31) und Kaltteil (32) voneinander beabstandet sind.
Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, – dass die Halterung (20) einen die Durchgangsöffnungen (21) aufweisenden Positionierbereich (37) aufweist, der über Haltebereiche (38) an wenigstens einem der Substrate (7, 8) abgestützt ist, – dass der Positionierbereich (37) vom heißseitigen Substrat (7) einen größeren Abstand aufweist als vom kaltseitigen Substrat (8).
Modul nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Haltebereich (38) mit dem jeweiligen Substrat (7, 8) verclipst oder verschraubt oder verstiftet oder verklebt ist.
Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, – dass das heißseitige Substrat (7) und das kaltseitige Substrat (8) Bestandteil eines Gehäuses (18) des Moduls (1) sind, das einen hermetisch verschlossenen Innenraum (19) enthält, in dem die thermoelektrischen Elemente (2) angeordnet sind, oder – dass das heißseitige Substrat (7) Bestandteil einer Wand eines Heizkanals zum Führen eines Heizfluids ist und/oder das kaltseitige Substrat (8) Bestandteil einer Wand eines Kühlkanals zum Führen eines Kühlfluids ist.