DE102017115168A1

DE102017115168A1 - Thermoelektrisches Modul

Info

Publication number: DE102017115168A1
Application number: DE102017115168.0A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Span; Stefan Hoppe
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2017-07-06
Filing date: 2017-07-06
Publication date: 2019-01-10
Anticipated expiration: 2037-07-07
Also published as: DE102017115168B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Modul. umfassend mehrere Thermopaare.
Um ein thermoelektrisches Modul zu schaffen, das äußerst kompakt baut und sich daher auch in kleinste Bauräume, beispielsweise Armbänder oder Kreditkarten integrieren lässt, ohne die Umwandlungseffizienz zu beeinträchtigen, wird eine Lösung vorgeschlagen, die auf einer örtlichen Trennung der thermischen und elektrischen Kontaktierung auf dem Substrat sowie der Nutzung des Substrats als Wärmeleiter des in Dünnschichttechnik aufgebauten thermoelektrischen Moduls beruht. Der Wärmefluss erfolgt in der Ebene des Substrats aus einem thermisch leitfähigen Material von der Wärmequelle zur Wärmesenke. Der an der Vorder- und Rückseite entlang des oberen Längsrandes des Moduls angeordnete erste thermische Kontaktierungsbereich lässt sich unmittelbar an die Wärmesenke und der entlang des unteren Längsrandes auf der Vorder- und Rückseite angeordnete zweite thermische Kontaktierungsbereich unmittelbar an eine Wärmequelle anbinden. Die elektrische Kontaktierung zwischen den Thermopaaren erfolgt indes in dem räumlich von dem ersten und zweiten Kontaktierungsbereich getrennten thermoelektrisch aktiven Bereich zwischen den beiden thermischen Kontaktierungsbereichen.

Description

Die Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Modul.
Um ausreichend hohe Spannungen zu erzeugen, werden mehrere Thermopaare elektrisch in Reihe geschaltet zu einem thermoelektrischen Modul zusammengefasst. Jedes Thermopaar umfasst ein erstes und ein zweites thermoelektrisch aktives Material, insbesondere ein p-dotiertes und ein n-dotiertes Halbleitermaterial.
Durch den thermoelektrischen Effekt, auch als Seebeck-Effekt bezeichnet, entsteht zwischen zwei Punkten eines elektrischen Leiters bzw. Halbleiters, die eine verschiedene Temperatur haben, eine elektrische Spannung. Der Seebeck-Effekt beschreibt die umkehrbare Wechselwirkung zwischen Temperatur und Elektrizität. Die Seebeck-Spannung wird bestimmt durch: $U_{Seebeck} = α \times δ T$
mit

δT: Temperaturdifferenz zwischen heißer und kalter Seite
α -: Seebeck - Koeffizient bzw. Thermokraft

Der Seebeck-Koeffizient hat die Dimension einer elektrischen Spannung pro Temperaturdifferenz (V/K). Die Größe des Seebeck-Koeffizienten ist maßgeblich für die Höhe der Seebeck-Spannung verantwortlich.
Die thermoelektrischen Elemente bestehen vorzugsweise aus unterschiedlich dotierten Halbleitermaterialien, wodurch sich die Effizienz gegenüber Thermoelementen aus Metallen, wesentlich steigern lässt. Gebräuchliche Halbleitermaterialien sind Bi2Te3, PbTe, Bi2Se3, SiGe, BiSb oder FeSi2.
Ein herkömmliches thermoelektrisches Modul besteht üblicherweise aus mehreren Quadern aus p- und n-dotiertem Halbleitermaterial, die abwechselnd oben und unten mit Metallbrücken versehen sind. Die Metallbrücken bilden die thermischen und elektrischen Kontakte der thermoelektrischen Elemente auf einer heißen und einer kalten Seite des thermoelektrischen Moduls und sind zumeist zwischen zwei im Abstand zueinander angeordneten Keramikplatten angeordnet. Die unterschiedlich dotierten Quader sind durch die Metallbrücken derart miteinander verbunden, dass sie eine Reihenschaltung ergeben. Wird eine unterschiedlich hohe Temperatur an den gegenüberliegenden Keramikplatten angelegt, wird abhängig von der Temperaturdifferenz ein Stromfluss in den Quadern des Moduls hervorgerufen. Die Kantenlänge der Quader senkrecht zu den Keramikplatten beträgt etwa 3 - 5mm.
Die Umwandlungseffizienz der bekannten Module beträgt weniger als 5%. Das bedeutet, dass der in das Halbleitermaterial eingekoppelte Wärmestrom mehr als das 20-fache der benötigten elektrischen Leistung betragen muss. Des Weiteren benötigen herkömmliche Module aufgrund der üblichen Kantenlänge der Quader einen nicht unerheblichen Bauraum.
Die WO 2013/124094 A2 offenbart ein thermoelektrisches Modul in Dünnschicht-Technologie, das gegenüber einem herkömmlichen thermoelektrischen Modul mit vergleichbarer Leistung wesentlich kompakter baut und weniger Halbleitermaterial benötigt. Das thermoelektrische Modul umfasst ein Substrat, beispielsweise eine Platte oder Folie, aus einem thermisch und elektrisch isolierenden Material, beispielsweise Polyimid. Auf der Substratvorderseite sind mehrere Schichten aus einem ersten thermoelektrisch wirksamen Material, beispielsweise einem n-dotierten Halbleitermaterial und Kontakte zur elektrischen und thermischen Kontaktierung der n-dotierten Schichten an der heißen und kalten Seite aufgebracht.
Auf der Substratrückseite sind ebenfalls mehrere Schichten aus einem zweiten, thermoelektrisch wirksamen Material, beispielsweise einem p-dotiertem Halbleitermaterial und Kontakte zur elektrischen und thermischen Kontaktierung der p-dotierten Schichten an der heißen und kalten Seite aufgebracht.
Jede thermoelektrisch wirksame Schicht aus p- oder n-dotiertem Material verfügt über einen Kontakt zur elektrischen und thermischen Kontaktierung an der heißen und einen Kontakt zur elektrischen und thermischen Kontaktierung an der kalten Seite des Substrats. Die Kontakte sind in der Aufsicht rechteckig und entlang des oberen Längsrandes beziehungsweise des unteren Längsrandes auf der Vorder- und Rückseite des Substrats angeordnet. In einer als Graben ausgeführten Unterbrechung zwischen einem Kontakt an der kalten Seite und einem Kontakt an der heißen Seite ist jeweils eine der thermoelektrisch wirksamen Schichten derart angeordnet, dass diese bündig an den seitlichen Begrenzungsflächen der Kontakte anliegt. Mithilfe von abwechselnd auf der kalten und heißen Seite angeordneten Durchkontaktierungen zwischen den Kontakten werden die thermoelektrisch wirksamen Schichten auf der Vorder- und Rückseite des Substrats zu Thermopaaren und in Reihe zusammengeschaltet.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein thermoelektrisches Modul zu schaffen, das äußerst kompakt baut und sich daher auch in kleinste Bauräume, beispielsweise Armbänder oder Kreditkarten integrieren lässt, ohne die Umwandlungseffizienz zu beeinträchtigen.
Die Lösung dieser Aufgabe beruht auf dem Gedanken einer örtlichen Trennung der thermischen und elektrischen Kontaktierung auf dem Substrat sowie der Nutzung des Substrats als Wärmeleiter des in Dünnschichttechnik aufgebauten thermoelektrischen Moduls.
Im Einzelnen wird die Aufgabe durch ein thermoelektrisches Modul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die einzelnen Schichten des thermoelektrischen Moduls weisen eine maximale Schichtdicke von weniger als 100 µm auf.
Der Wärmefluss erfolgt in der Ebene des Substrats aus einem thermisch leitfähigen Material von der Wärmequelle zur Wärmesenke. Das Substrat ist beispielsweise als dünne Platte oder Folie mit einer maximale Dicke von weniger als 400 µm ausgeführt.
Der an der Vorder- und Rückseite entlang des oberen Längsrandes des Substrats angeordnete erste thermische Kontaktierungsbereich lässt sich unmittelbar an die Wärmesenke und der entlang des unteren Längsrandes auf der Vorder- und Rückseite angeordnete zweite thermische Kontaktierungsbereich unmittelbar an eine Wärmequelle anbinden. Die elektrische Kontaktierung zwischen den n- und p-Schichten der einzelnen Thermopaare erfolgt indes in dem räumlich von dem ersten und zweiten Kontaktierungsbereich getrennten thermoelektrisch aktiven Bereich.
Je nach Ausführungsform des Moduls ist der thermoelektrisch aktive Bereich ausschließlich auf der Vorder- oder Rückseite oder auf Vorder- und Rückseite des Substrats angeordnet. Eine dielektrische Beschichtung des thermoelektrisch aktiven Bereichs verhindert einen elektrischen Kurzschluss zwischen den p- und n-Schichten der Thermopaare durch das thermisch und elektrisch leitfähige Material des Substrats. Die p- und n-Schichten jedes Thermopaares sind daher ausschließlich auf der dielektrischen Beschichtung aufgebracht. Die dielektrische Beschichtung ist hinreichend dünn, um die Wärmeleitung in die thermoelektrischen Schichten aus p- und n-dotiertem Halbleitermaterial mit geringem Wärmewiderstand zu gewährleisten.
Unterhalb des ersten und oberhalb des zweiten Kontaktierungsbereichs und zwischen der linken und rechten Stirnseite des Substrates erstreckt sich eine Unterbrechung, die das Substrat in ein oberes und unteres Teil aufteilt. Hierdurch werden die beiden Teile des Substrates thermisch und auch elektrisch voneinander getrennt. Die Unterbrechung bewirkt, dass die Temperaturdifferenz zwischen der heißen und kalten Seite in jeder n- beziehungsweise p-Schicht wirksam wird, da sich jede Schicht über die Unterbrechung hinweg zwischen dem oberen und unteren Teil des Substrates hinweg erstreckt.
Durch die räumliche Trennung der elektrischen und thermischen Kontaktierung kann bei der vorgesehenen thermischen Parallelschaltung der thermoelektrischen Schichten aus p- und n-dotiertem Halbleitermaterial sowohl der erste als auch der zweite thermische Kontaktierungsbereich einteilig, d.h. durchgehend entlang des gesamten oberen beziehungsweise unteren Längsrandes des Substrates ausgeführt sein. Hierdurch wird eine größtmögliche Fläche des Substrates für die Einkopplung beziehungsweise Auskopplung der Wärme genutzt, was eine kompakte Bauform bei gleichzeitig hoher thermischer Effektivität des Moduls begünstigt.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist in dem ersten und zweiten thermischen Kontaktierungsbereich auf der Vorder- und Rückseite des Substrates ebenfalls eine dielektrische Beschichtung aufgebracht. Die thermische Kontaktierung erfolgt durch erste und zweite Auflageschichten aus thermisch leitfähigem Material, die auf die dielektrischen Beschichtung in dem ersten und zweiten Kontaktierungsbereich aufgebracht sind. Die dielektrische Beschichtung erhöht den thermischen Widerstand gegenüber einer unmittelbaren Anbindung der thermischen Kontaktierungsbereiche an die Wärmequelle oder Wärmesenke; sie kann jedoch erforderlich sein, um elektromagnetische Störungen elektrischer Bauteile im Umfeld des thermoelektrischen Moduls zu vermeiden.
Die n- und p-Schichten sämtlicher Thermopaare können wahlweise nur auf der Vorder- oder Rückseite des Substrats aufgebracht werden. Im Interesse einer möglichst kompakten Bauform ist es jedoch vorteilhaft, die Packungsdichte der p- und n-Schichten dadurch zu erhöhen, dass eine dielektrische Beschichtung auf der Vorder- und Rückseite auf dem Substrat aufgebracht ist und die n-Schichten sämtlicher Thermopaare auf einer Seite des Substrates und die p-Schichten sämtlicher Thermopaare auf der anderen Seite des Substrates angeordnet sind. Vorzugsweise sind die n- und p-Schichten auf der Substratvorder- und rückseite versetzt zueinander angeordnet Die n-Schichten und die p-Schichten sind abwechselnd durch den oberen und durch den unteren Teil des Substrats hindurch elektrisch leitend miteinander verbunden. Die gegenüber dem Substrat elektrisch isolierten Durchkontaktierungen verbinden die n- und p-Schichten zu Thermopaaren, die eine Reihenschaltung bilden.
Die Anbindung des ersten und/oder zweiten thermischen Kontaktierungsbereichs mit oder ohne Auflageschichten an die Wärmesenke und/oder Wärmequelle erfolgt vorzugsweise form- oder stoffschlüssig. Eine stoffschlüssige Anbindung kann durch Verkleben oder Löten hergestellt werden. Als formschlüssige Verbindung kommen Klemm- und Steckverbindungen in Betracht. Die stoffschlüssige Anbindung ermöglicht bei einem mit einer formschlüssigen Anbindung vergleichbarem thermischem Widerstand kleinere thermische Kontaktierungsbereiche und begünstigt damit einen kompakten Bauraum. Die formschlüssige Klemmverbindung bietet den Vorteil einer einfach lösbaren Verbindung des Moduls mit der Wärmesenke beziehungsweise Wärmequelle.
In einer Ausgestaltung der Erfindung kann die Wärmesenke einen Kühlkörper und eine Klemm- oder Steckverbindung aufweisen, die zur Anbindung des ersten thermischen Kontaktierungsbereichs eingerichtet ist. Die Steckverbindung kann als Längsnut ausgeführt sein, in die der erste Kontaktierungsbereich des Substrates formschlüssig eingreift. Der Kühlkörper kann beispielsweise als Kühlblech ausgeführt sein.
In einer Ausgestaltung der Erfindung kann die Wärmequelle eine Klemm- oder Steckverbindung aufweisen, die zur Anbindung des zweiten thermischen Kontaktierungsbereichs eingerichtet ist.
Bei den thermisch leitfähigen Materialien des Substrats, der Auflageschicht, der Klemm- oder Steckverbindung handelt es sich in Abgrenzung zu thermischen Isolatoren um gute Wärmeleiter, insbesondere Metalle mit einer Wärmeleitfähigkeit λ ≥ 30 W/(m * K). Vorzugsweise handelt es sich bei den thermisch leitfähigen Materialien um Kupfer beziehungsweise Kupferlegierungen mit einer Wärmeleitfähigkeit λ ≥ 200 W/(m * K).
Die dielektrischen Beschichtungen bestehen aus elektrisch schwach- oder nicht leitenden, nicht metallischen Materialien, deren Ladungsträger praktisch nicht frei beweglich sind. Die dielektrische Beschichtung begrenzt den elektrischen Stromfluss auf die spannungsführenden Teile, namentlich die n- und p-Schichten der Thermopaare sowie die elektrisch leitenden Verbindungen (Durchkontaktierungen) zwischen den Schichten sowie die elektrischen Anschlüsse des Moduls. Die dielektrische Beschichtung weist einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand von mindestens 10⁶ Ω * mm² /m auf. Bei der dielektrischen Beschichtung handelt es sich beispielsweise um Beschichtungen aus folgenden Materialien: Polyimid, Glas, Silciumnitrid, Aluminiumnitrid, keramische Pasten.
Um den thermischen Widerstand zwischen dem ersten und/oder zweiten thermischen Kontaktierungsbereich sowie der Wärmesenke beziehungsweise Wärmequelle weiter zu reduzieren, kann der erste und/oder zweite thermische Kontaktierungsbereich mehrere Kontaktfinger aufweisen, die sich parallel zu den Stirnseiten des Substrats erstrecken. Durch die Klemmverbindung nach Art einer Stecker-Buchse-Verbindung wird die Fläche zwischen der Wärmequelle beziehungsweise Wärmesenke und dem thermischen Kontaktierungsbereich vergrößert, der thermische Widerstand reduziert und dadurch die Effizienz des Moduls verbessert.
Um das obere und untere Teil des Substrates thermisch voneinander zu trennen, ist in der Unterbrechung vorzugsweise ein Wärmedämmmaterial angeordnet. Das Wärmedämmmaterial weist vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit λ ≤ 0,5 W/(m * K) auf. Als Wärmedämmmaterialien kommen beispielsweise folgende Materialien in Betracht: Glas, Polyimid, Epoxidharz, Fr-4. Das Wärmedämmmaterial verbindet zudem das obere und untere Teil des Substrates mechanisch miteinander.
Handelt es sich bei der Unterbrechung um einen Luftspalt muss der Zusammenhalt zwischen dem oberen und unteren Teil des Substrates anderweit, beispielsweise durch eine oder mehrere Brücken aus thermisch isolierendem Material und/oder die den Spalt überbrückenden Schichten gewährleistet werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen

1a eine Aufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel eines thermoelektrischen Moduls,
1b Schnitte entlang der Linien A-A sowie B-B nach 1a,
2a eine Aufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel eines thermoelektrischen Moduls,
2b einen Schnitt entlang der Linie A-A nach 2a,
3 eine Aufsicht auf ein drittes Ausführungsbeispiel eines thermoelektrischen Moduls,
4 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Anbindung eines thermoelektrischen Moduls nach 1 an eine Wärmequelle und eine Wärmesenke in Seitenansicht und in perspektivischer Ansicht,
5 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Anbindung eines thermoelektrischen Moduls nach 1 an eine Wärmequelle und eine Wärmesenke in Seitenansicht und in perspektivischer Ansicht sowie
6 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Anbindung eines thermoelektrischen Moduls nach 2 an eine Wärmequelle und eine Wärmesenke in Seitenansicht und in perspektivischer Ansicht.

Ein thermoelektrisches Modul (1) nach 1b umfasst ein Substrat (2) aus Kupfer mit einer Vorderseite (2.1) und einer Rückseite (2.2), das durch einen oberen Längsrand (2.3), einen unteren Längsrand (2.4) sowie eine linke Stirnseite (2.5) und eine rechte Stirnseite (2.6) begrenzt ist (vgl. 1a). Entlang des oberen Längsrandes (2.3) ist auf der Vorder- und Rückseite (2.1, 2.2) ein erster thermischer Kontaktierungsbereich (3.1) angeordnet, der zur Anbindung des Substrates (2) an eine Wärmesenke eingerichtet ist. Entlang des unteren Längsrandes (2.4) ist auf der Vorder- und Rückseite (2.1, 2.2) ein zweiter thermischer Kontaktierungsbereich (3.2) angeordnet, der zur Anbindung des Substrates an eine Wärmequelle eingerichtet ist. Die Wärmesenke und die Wärmequelle sind der Übersichtlichkeit halber in den 1a, 1b nicht dargestellt.
Zwischen den beiden thermischen Kontaktierungsbereichen (3.1, 3.2) erstreckt sich eine Unterbrechung (4), die das Substrat (2) in einen oberen Teil und einen unteren Teil aufteilt, die thermisch durch die Unterbrechungen (4) voneinander getrennt sind. Die Unterbrechung (4) überlappend erstreckt sich zwischen dem ersten und zweiten Kontaktierungsbereich (3.1, 3.2) auf der Vorder- und Rückseite des Substrates (2) ein thermoelektrisch aktiver Bereich (3.3). Der thermoelektrisch aktive Bereich (3.3) weist eine vollflächige dielektrische Beschichtung (5.1) auf beiden Seiten des Substrates (2) auf, die die Unterbrechung (4) überlappt. Eine separate dielektrische Beschichtung (5.2) ist auch in dem ersten und zweiten Kontaktierungsbereich (3.1, 3.2) auf der Vorder- und Rückseite des Substrates (2) aufgebracht (vgl. 1b).
Aus der Aufsicht in 1a ist erkennbar, dass auf der Vorderseite (2.1) eine Vielzahl von streifenförmigen n-Schichten (6.1) aus n-dotiertem Halbleitermaterial auf der dielektrischen Beschichtung (5.1) parallel zu den Stirnseiten (2.5, 2.6) des Substrates (2) aufgebracht sind. Die n-Schichten (6.1) sind in geringem Abstand parallel zueinander ausschließlich auf der dielektrischen Beschichtung (5.1) aufgebracht, sodass sich die n-Schichten nicht berühren.
Auf der Rückseite (2.2) sind eine Vielzahl von streifenförmigen p-Schichten (6.2) aus p-dotiertem Halbleitermaterial auf der dielektrischen Beschichtung (5.1) parallel zu den Stirnseiten (2.5, 2.6) des Substrates (2) aufgebracht sind. Die p-Schichten (6.2) sind in geringem Abstand parallel zueinander ausschließlich auf der dielektrischen Beschichtung (5.1) aufgebracht, sodass sich die p-Schichten nicht berühren.
Die p-Schichten (6.2) auf der Rückseite (2.2) sind um eine halbe Streifenbreite versetzt zu den gleich breiten n-Schichten auf der Vorderseite (2.1) angeordnet. Die n-Schichten (6.1) und die p-Schichten (6.2) sind abwechselnd an der kalten Seite durch den oberen Teil und an der heißen Seite durch den unteren Teil des Substrats hindurch elektrisch leitend derart miteinander verbunden, dass die Thermopaare eine Reihenschaltung bilden. Die elektrischen Verbindungen werden durch Durchkontaktierung (7.1, 7.2) hergestellt, die gegenüber dem Substrat (2) elektrisch isoliert sind. Die elektrische Isolation kann als isolierender Mantel die Durchkontaktierungen (7.1, 7.2) umgeben und verhindert im Zusammenwirken mit der dielektrischen Beschichtung (5.1), dass der in dem Modul (1) generierte Strom unkontrolliert über das elektrisch leitende Substrat (2) fließt.
Völlig getrennt von den elektrischen Durchkontaktierungen (7.1, 7.2) sind zur ausschließlichen thermischen Kontaktierung erste Auflageschichten (8.1) aus Kupfer auf beiden Seiten des Substrats (2) ausschließlich auf die dielektrische Beschichtung (5.2) im dem ersten thermischen Kontaktierungsbereich (3.1)aufgebracht. Außerdem sind zur ausschließlichen thermischen Kontaktierung zweite Auflageschichten (8.2) aus Kupfer auf beiden Seiten des Substrats (2) ausschließlich auf die dielektrische Beschichtung (5.2) im dem zweiten thermischen Kontaktierungsbereich (3.2)aufgebracht.
Die ersten und zweiten Auflageschichten (8.1, 8.2) sind über wenigstens eine thermische Durchkontaktierung (9.1, 9.2) jeweils thermisch leitend mit dem Substrat (2) verbunden. Die dünne dielektrische Beschichtung (5.2) erhöht geringfügig den thermischen Widerstand bei der Einkopplung der Wärme an der heißen Seite über die zweiten Auflageschichten (8.2) in das Substrat (2) und bei der Auskopplung der Wärme über die ersten Auflageschichten (8.1) in die Wärmesenke. Die dielektrische Beschichtung (5.2) in den thermischen Kontaktierungsbereichen (3.1, 3.2) ist bei der Ausführungsform nach 1 vorgesehen, um elektromagnetische Störungen benachbarter Bauteile im Umfeld des thermoelektrischen Moduls zu vermeiden.
Sind derartige Störungen nicht zu befürchten, kann in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wie sie in 2 dargestellt ist, auf die dielektrische Beschichtung (5.2) in den thermischen Kontaktierungsbereichen (3.1, 3.2) verzichtet werden. Im Übrigen stimmt der Aufbau der Ausführungsformen des Moduls nach 2 mit dem Modul nach 1 überein, sodass auf die Erläuterungen zu 1 vollumfänglich Bezug genommen wird.
Die Ausführungsform nach 3 unterscheidet sich von dem Modul nach 2 dadurch, dass der erste und zweite thermische Kontaktierungsbereich (3.1, 3.2) jeweils mehrere Kontaktfinger (3.4, 3.5) aufweist, die sich parallel zu den Stirnseiten (2.5, 2.6) des Substrates erstrecken.
Nachfolgend wird anhand der 4 - 6 die Anbindung der thermischen Kontaktbereiche (3.1, 3.2) der Module an eine Wärmequelle beziehungsweise Wärmesenke näher erläutert:
4 zeigt die Anbindung eines thermoelektrischen Moduls (1) gemäß 1 an eine nur teilweise dargestellte Wärmequelle (10) mit einer Klemmleiste (10.1) zur beidseitigen Klemmung der zweiten Auflageschichten (8.2).
Die Klemmleiste (10.1) weist mehrere Klammern (10.2) auf, die an beiden Seiten der zweiten Auflageschichten (8.2) zur Anlage gelangen. Die Wärmesenke (11) umfasst einen Kühlkörper (11.1) und eine an deren unterem Rand befestigte Steckleiste (11.2) aus thermisch gut leitendem Material. Die Steckleiste (11.2) weist eine Längsnut (11.3) auf, die den ersten thermischen Kontaktierungsbereich (3.1) soweit aufnimmt, dass die ersten Auflageschichten (8.1) an den Nut-Innenflächen zur Anlage gelangen.
Die in 5 dargestellte Anbindung des Moduls (1) nach 1 an die Wärmequelle und Wärmesenke unterscheidet sich insoweit, als die Wärmesenke (11) anstelle der Steckleiste (11.2) ebenfalls über eine Klemmleiste (11.4) mit Klammern (11.5) verfügt, die auf beiden Seiten des Substrats (2) an den ersten Auflageschichten (8.1) zur Anlage gelangen.
6 zeigt die thermische Anbindung eines Moduls (1) nach 2 an eine Wärmequelle (10) und eine Wärmesenke (11). Die Anbindung sowohl an die Wärmequelle (10) als auch die Wärmesenke (11) erfolgt durch eine stoffschlüssige Verbindung, nämlich durch Verlöten des ersten thermischen Kontaktierungsbereiches (3.1) mit der Wärmesenke (11) und durch Verlöten des zweiten thermischen Kontaktierungsbereiches (3.2) mit der Wärmequelle (10).
Die vorstehenden Ausführungsbeispiele verdeutlichen, dass durch den Wärmefluss in Richtung der Ebene des Substrats (2) eine flache Bauform realisierbar ist. Insbesondere die stoffschlüssige Anbindung an die Wärmequelle (10) und Wärmesenke (11), wie in 6 dargestellt, erlaubt die Realisierung kleiner Anschlussflächen.
Die thermoelektrisch aktiven Schichten (6.1, 6.2) auf beiden Seiten des Substrats lassen sich einfach herstellen, in dem diese mit Hilfe von Maskierungen oder anderen Strukturierungen auf die zuvor vollflächig aufgebrachte dielektrische Schicht (5.1) aufgebracht werden.

Die Größe und Anzahl der elektrischen Durchkontaktierungen (7.1, 7.2) kann für die in den Ausführungsbeispielen dargestellte Reihenschaltung der p- und n-Schichten (6.1, 6.2) auf unterschiedlichen Seiten des Substrates (2) so klein gehalten werden, dass der thermische Widerstand in den thermoelektrisch wirksamen Schichten maximal um 5 % erhöht wird.

Nr.	Bezeichnung
1.	Modul
2.	Substrat
2.1.	Vorderseite
2.2.	Rückseite
2.3	Oberer Längsrand
2.4	Unterer Längsrand
2.5	Linke Stirnseite
2.6	Rechte Stirnseite
3.1	Erster thermischer Kontaktierungsbereich
3.2	Zweiter thermischer Kontaktierungsbereich
3.3	Thermoelektrisch aktiver Bereich
3.4	Kontaktfinger
3.5	Kontaktfinger
4 .	Unterbrechung
5.1	Dielektrische Beschichtung
5.2	Dielektrische Beschichtung
6.1	n-Schicht
6.2	p-Schicht
7.1	Obere elektrische Durchkontaktierung
7.2	Untere elektrische Durchkontaktierung
8.1	Erste Auflageschicht
8.2	Zweite Auflageschicht
9.1	Thermische Durchkontaktierung
9.2	Thermische Durchkontaktierung
10.	Wärmequelle
10.1	Klemmleiste
10.2	Klammern
11.	Wärmesenke
11.1	Kühlkörper
11.2	Steckleiste
11.3	Längsnut
11.4	Klemmleiste
11.5	Klammern

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2013/124094 A2 [0008]

Claims

Thermoelektrisches Modul (1) umfassend - ein Substrat (2) aus einem thermisch leitfähigem Material mit einer Vorder- und einer Rückseite (2.1, 2.2), das durch einen oberen und einen unteren Längsrand (2.3, 2.4) sowie eine linke und rechte Stirnseite (2.5, 2.6) begrenzt ist, - einen entlang des oberen Längsrandes (2.3) auf der Vorder- und Rückseite (2.1, 2.2) angeordneten ersten thermischen Kontaktierungsbereich (3.1), der zur Anbindung des Substrats (2) an eine Wärmesenke (11) eingerichtet ist, - einen entlang des unteren Längsrandes (2.4) auf der Vorder- und Rückseite (2.1, 2.4) angeordneten zweiten thermischen Kontaktierungsbereich (3.2), der zur Anbindung des Substrats (2) an eine Wärmequelle (10) eingerichtet ist, - eine sich unterhalb des ersten und oberhalb des zweiten thermischen Kontaktierungsbereichs (3.1, 3.2) und zwischen der linken und rechten Stirnseite (2.5, 2.6) erstreckende Unterbrechung (4), die das Substrat (2) in ein oberes und unteres Teil aufteilt, die thermisch voneinander getrennt sind, - einen zwischen dem ersten und zweiten thermischen Kontaktierungsbereich (3.1, 3.2) auf der Vorder- und/oder Rückseite (2.1, 2.2) des Substrats (2) angeordneten thermoelektrisch aktiven Bereich (3.3), - eine dielektrische Beschichtung (5.1), die in dem thermoelektrisch aktiven Bereich (3.3) die Unterbrechung (4) überlappend auf dem Substrat (2) aufgebracht ist, - mehrere elektrisch miteinander verbundene Thermopaare umfassend jeweils eine p-Schicht (6.2) aus p-dotiertem Halbleitermaterial und eine n-Schicht (6.1) aus n-dotiertem Halbleitermaterial, wobei die p-Schicht (6.2) und die n-Schicht (6.1) jedes Thermopaares ausschließlich auf der dielektrischen Beschichtung (5.1) aufgebracht sind und sich zwischen dem oberen und unteren Teil des Substrats (2) über die Unterbrechung (4) hinweg erstrecken.
Thermoelektrisches Modul nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch - eine dielektrische Beschichtung (5.2), die in dem ersten thermischen Kontaktierungsbereich (3.1) auf der Vorder- und Rückseite (2.1, 2.2) des Substrats (2) aufgebracht ist, - erste Auflageschichten (8.1) aus thermisch leitfähigem Material, die auf beiden Seiten des Substrats (2) ausschließlich auf der dielektrischen Beschichtung (5.2) in dem ersten thermischen Kontaktierungsbereich (3.1) aufgebracht sind, - eine thermische Durchkontaktierung (9.1) die die ersten Auflageschichten (8.1) auf beiden Seiten des Substrats (2) thermisch leitend mit dem Substrat (2) verbindet, - eine dielektrische Beschichtung (5.2), die in dem zweiten thermischen Kontaktierungsbereich (3.2) auf der Vorder- und Rückseite (2.1, 2.2) des Substrats(2) aufgebracht ist, - zweite Auflageschichten (8.2) aus thermisch leitfähigem Material, die auf beiden Seiten des Substrats (2) ausschließlich auf der dielektrischen Beschichtung (5.2) im zweiten thermischen Kontaktierungsbereich (3.2) aufgebracht sind und - eine thermische Durchkontaktierung (9.2), die die zweiten Auflageschichten (8.2) auf beiden Seiten des Substrats (2) thermisch leitend mit dem Substrat (2) verbindet.
Thermoelektrisches Modul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass - die dielektrische Beschichtung (5.1) auf der Vorder- und Rückseite (2.1, 2.2) auf dem Substrat (2) aufgebracht ist, - die n-Schichten (6.1) sämtlicher Thermopaare auf einer Seite des Substrats und die p-Schichten (6.2) sämtlicher Thermopaare auf der anderen Seite des Substrats angeordnet sind und - die n-Schichten (6.1) und die p-Schichten (6.2) abwechselnd durch den oberen und durch den unteren Teil des Substrats (2) hindurch elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
Thermoelektrisches Modul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass gegenüber dem Substrat (2) elektrisch isolierte Durchkontaktierungen (7.1, 7.2) die n-Schichten (6.1) und die p-Schichten (6.2) elektrisch leitend miteinander verbinden.
Thermoelektrisches Modul nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitenden Verbindungen derart angeordnet sind, dass die Thermopaare eine Reihenschaltung bilden.
Thermoelektrisches Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anbindung des ersten und/oder zweiten thermischen Kontaktierungsbereichs (3.1, 3.2) an die Wärmesenke (11) und/oder Wärmequelle (10) form- oder stoffschlüssig erfolgt.
Thermoelektrisches Modul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (11) einen Kühlkörper (11.1) und eine Klemm- oder Steckverbindung aufweist, die zur Anbindung des ersten thermischen Kontaktierungsbereichs (3.1) eingerichtet ist.
Thermoelektrisches Modul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle eine Klemm- oder Steckverbindung aufweist, die zur Anbindung des zweiten thermischen Kontaktierungsbereichs (3.2) eingerichtet ist.
Thermoelektrisches Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 8 5, dadurch gekennzeichnet, dass das thermisch leitfähige Material eine Wärmeleitfähigkeit λ ≥ 30 W/(m * K), vorzugsweise λ ≥ 200 W/(m * K) aufweist.
Thermoelektrisches Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder zweite thermische Kontaktierungsbereich (3.1, 3.2) mehrere Kontaktfinger (3.4, 3.5) aufweist, die sich parallel zu den Stirnseiten (2.5, 2.6) des Substrats (2) erstrecken.
Thermoelektrisches Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Unterbrechung (4) ein Wärmedämmmaterial angeordnet ist.