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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der thermoelektrischen Elemente zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie bzw. thermischer Energie in elektrische Energie.
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Thermoelektrische Elemente werden für verschiedene technische Anwendungen, beispielsweise zur Kühlung und Temperierung, eingesetzt. Die Funktion derartiger thermoelektrischer Elemente beruht beispielsweise auf dem sogenannten Peltier-Effekt, wonach ein elektrischer Stromfluss eine Temperaturdifferenz erzeugen kann. Die Umkehrung des Peltier-Effekts ist der sogenannte Seebeck-Effekt, wonach eine Temperaturdifferenz einen elektrischen Stromfluss erzeugen kann.
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Bekannte thermoelektrische Elemente sind üblicherweise derart aufgebaut, dass einzelne Halbleiterelemente zwischen zwei, in der Regel parallel zueinander angeordneten Basisflächen angeordnet sind. Die Basisflächen leiten den elektrischen Strom dabei nicht oder lediglich unbedeutend. Diese Basisflächen sind üblicherweise rechteckig oder rund ausgestaltet und weisen für bestimmte Anwendungen gegebenenfalls Aussparungen auf. Zwischen diesen Basisflächen befinden sich üblicherweise quaderförmige Halbleiterelemente verschiedener Energieniveaus der Leitungsbänder und gleicher geometrischer Form. Die Halbleiterelemente können beispielsweise aus den Halbleitermaterialien Bismuttellurid oder Siliciumgermanium hergestellt sein.
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Die Halbleiterelemente sind üblicherweise über Metallbrücken miteinander elektrisch leitend verbunden. Diese Metallbrücken sind wiederum an die Basisflächen direkt oder mittelbar angebunden. Die Anordnung der Halbleiterelemente ist üblicherweise derart, dass jeweils ein p-dotiertes Halbleiterelement neben einem n-dotierten Halbleiterelement positioniert ist. Benachbarte Halbleiterelemente werden dann derart über die Metallbrücken miteinander elektrisch leitend verbunden, dass ein elektrischer Strom durch alle Halbleiterelemente fließen kann. In der Regel sind die Halbleiterelemente dabei elektrisch in Reihe geschaltet. Die Metallbrücken fungieren zugleich auch als thermische Kontaktflächen zwischen den Basisflächen und den Halbleiterelementen. Dabei wird die eine Basisfläche bei Stromfluss erwärmt und als Warmseite bezeichnet, während sich die andere Basisfläche abkühlt und als Kaltseite bezeichnet wird. Typische thermoelektrische Elemente weisen zumindest ein n-dotiertes Halbleiterelement und zumindest ein p-dotiertes Halbleiterelement auf.
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Bedingt durch die Bauart der bekannten thermoelektrischen Elemente ist es bei diesen üblicherweise unabdingbar, dass deren beide Basisflächen (a) weitgehend parallel zueinander angeordnet sind, (b) im Bereich der Metallbrücken die gleiche Fläche aufweisen, und (c) weitgehend in jenem Abstand zueinander angeordnet sind, welcher der Höhe der Halbleiterelemente unter Berücksichtigung der Metallbrücken entspricht. Ferner sind die Kaltseite und die Warmseite derartiger bekannter thermoelektrischer Elemente räumlich eng benachbart angeordnet. Hierdurch können die möglichen Anwendungsgebiete jedoch erheblich beschränkt sein.
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Zudem kann die Zuverlässigkeit bekannter thermoelektrischer Elemente durch die starre Verbindung der beiden Basisflächen über die Halbleiterelemente beeinträchtigt sein. Denn durch die gleichzeitige Erwärmung der einen Basisfläche und Abkühlung der anderen Basisfläche erfolgt eine thermische Ausdehnung bzw. Kontraktion der jeweiligen Basisfläche bzw. der zugehörigen Metallbrücken, wodurch Scherkräfte auf die Halbleiterelemente wirken.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein thermoelektrisches Element zu schaffen, welches die vorgenannten Nachteile bekannter thermoelektrischer Elemente behebt oder zumindest lindert. Ausführungsformen der Erfindung ermöglichen insbesondere eine gesteigerte Flexibilität der Anordnung der Basisflächen und/oder eine Erhöhung der Lebensdauer des thermoelektrischen Elementes und/oder eine Verringerung des Wärmeflusses zwischen den Basisflächen des thermoelektrischen Elementes.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Zeichnungen.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die obige Aufgabe dadurch gelöst werden kann, dass die übliche starre Verbindung der beiden Basisflächen untereinander über die Halbleiterelemente aufgehoben wird. Die Aufhebung der starren Verbindung der beiden Basisflächen untereinander wird beispielsweise dadurch erreicht, dass die vorhandenen Halbleiterelemente zwischen den beiden Basisflächen derart durchtrennt werden, dass kleinere Halbleiterelemente auf den jeweiligen Metallbrücken verbleiben. Auch durch andere Maßnahmen kann erreicht werden, dass die starre Verbindung der beiden Basisflächen über die vorhandenen Halbleiterelemente nicht mehr gegeben ist. Beispielsweise können von vornherein einzelne Halbleiterelemente auf den jeweiligen Metallbrücken angeordnet werden.
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Da die Wirkungsweise des thermoelektrischen Elementes dadurch bedingt ist, dass ein elektrischer Strom durch die Halbleiterelemente fliesen kann, wird der Stromfluss dadurch gewährleistet, dass die entsprechenden Halbleiterelemente der einen Basisfläche jeweils elektrisch leitend mit den entsprechenden Halbleiterelementen der anderen Basisfläche verbunden werden. Diese Verbindung erfolgt dabei über ein elektrisch leitendes Verbindungselement, welches unterschiedliche mechanische, geometrische oder materielle Eigenschaften aufweisen kann. Das Verbindungselement kann beispielsweise in Form eines flexiblen Kabels oder einer flexiblen Litze realisiert werden.
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Dadurch, dass die starre Verbindung der einen Basisfläche über die Halbleiterelemente mit der anderen Basisfläche nicht mehr gegeben ist, können die Basisflächen, welche bei bekannten thermoelektrischen Elementen zumeist als Platten ausgeführt sind, in unterschiedlichen geometrischen Formen ausgebildet sein, sofern die gewählte geometrische Form ein Aufbringen der Metallbrücken erlaubt. Insbesondere können die jeweiligen geometrischen Formen der beiden Basisflächen auch unterschiedlich sein. Dadurch, dass bei der Auswahl und Zusammensetzung der Halbleitermaterialien der Halbleiterelemente nicht mehr auf deren Wärmeleitvermögen in dem bisherigen Ausmaß Rücksicht genommen zu werden braucht, da der Wärmetransport von der Warmseite zur Kaltseite gemäß einer Ausführungsform reduziert werden kann, können alternative Halbleitermaterialien mit alternativen Bestandteilen und/oder geänderten Dotierungs- bzw. Mischungsverhältnissen zum Erzeugen des thermoelektrischen Effektes verwendet werden.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die bekannte elektrische Reihenschaltung aller Halbleiterelemente weiterhin möglich, jedoch nicht notwendig ist. So können Teile der Halbleiterelemente je in Reihe, diese jedoch wiederum elektrisch parallel angebunden werden; insbesondere, wenn die Warmseite oder Kaltseite oder beide Seiten aus mehreren Basisflächen bestehen sollten. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass nicht, wie bei bekannten thermoelektrischen Elementen, jeweils nur eine Art von p-dotiertem Halbleitermaterial mit einer Art von n-dotiertem Halbleitermaterial verwendet werden können, sondern mehrere, verschiedenartige Halbleitermaterialien und/oder unterschiedliche Dotierungskonzentrationen zum Einsatz kommen können. Die p-dotierten bzw. n-dotierten Halbleiterelemente können zur Optimierung des Wirkungsgrades jeweils auch unterschiedliche Geometrien aufweisen. Folglich wird durch das thermoelektrische Element die Flexibilität der Anordnung der Komponenten erhöht.
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Im Gegensatz zu herkömmlichen thermoelektrischen Elementen, bei welchen die einzelnen Metallbrücken jeweils die gleiche geometrische Form und entsprechend die gleichen Abstände zueinander aufweisen, können gemäß einer Ausführungsform des thermoelektrischen Elementes die jeweiligen Metallbrücken und deren Abstände untereinander weitgehend unterschiedlich ausgestaltet sein.
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Das thermoelektrische Element kann beispielsweise ein Peltier-Element sein. Das thermoelektrische Element kann somit besonders vorteilhaft bei Kühlvorrichtungen zum Kühlen eines Kühlraumes verwendet werden, da die Kaltseite und die Warmseite des thermoelektrischen Elementes räumlich im Vergleich zu bekannten thermoelektrischen Elementen weiter voneinander beabstandet bzw. entfernt angeordnet werden können. Zudem kann das thermoelektrische Element besonders vorteilhaft bei Kühlanordnungen zum Kühlen eines Objektes mit einer nicht-planaren Oberfläche verwendet werden, da die übliche starre Verbindung der Kaltseite mit der Warmseite des thermoelektrischen Elementes aufgehoben werden kann. Bei entsprechender Schalt- und/oder Steuerungsanbindung kann alternativ zum Kühlvorgang auch eine Temperierung vorgenommen werden. Ferner kann das thermoelektrische Element auf einem bekannten thermoelektrischen Element in Form einer Kaskade angeordnet werden.
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Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein thermoelektrisches Element. Das thermoelektrische Element umfasst eine erste thermisch leitfähige Basisfläche, auf welcher eine erste Metallbrücke angeordnet ist, wobei die erste Metallbrücke mit einem ersten Halbleiterelement elektrisch kontaktiert ist. Das thermoelektrische Element umfasst ferner eine zweite thermisch leitfähige Basisfläche, auf welcher eine zweite Metallbrücke angeordnet ist, wobei die zweite Metallbrücke mit einem zweiten Halbleiterelement elektrisch kontaktiert ist. Das thermoelektrische Element umfasst ferner ein elektrisch leitendes Verbindungselement, welches mit dem ersten Halbleiterelement und dem zweiten Halbleiterelement elektrisch kontaktiert ist, um das erste Halbleiterelement mit dem zweiten Halbleiterelement elektrisch zu verbinden.
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Gemäß einer Ausführungsform sind das erste Halbleiterelement und das zweite Halbleiterelement jeweils n-dotierte Halbleiterelemente. Dadurch wird bewirkt, dass Halbleiterelemente derselben Dotierungspolarität elektrisch miteinander verbunden werden.
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Gemäß einer Ausführungsform sind das erste Halbleiterelement und das zweite Halbleiterelement jeweils p-dotierte Halbleiterelemente. Dadurch wird bewirkt, dass Halbleiterelemente derselben Dotierungspolarität elektrisch miteinander verbunden werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weisen das erste Halbleiterelement und das zweite Halbleiterelement dasselbe Halbleitermaterial und/oder dieselbe Dotierung, insbesondere dieselbe Dotierungskonzentration, auf. Dadurch wird bewirkt, dass das thermoelektrische Element besonders einfach hergestellt werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform weisen das erste Halbleiterelement und das zweite Halbleiterelement unterschiedliche Halbleitermaterialien und/oder unterschiedliche Dotierungen, insbesondere unterschiedliche Dotierungskonzentrationen, auf. Dadurch wird bewirkt, dass die thermoelektrische Wirkung unterschiedlich sein kann.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das erste Halbleiterelement aus Bismuttellurid oder aus Siliciumgermanium hergestellt. Das erste Halbleiterelement kann zusätzlich weitere Bestandteile, beispielsweise Dotierstoffe und/oder Metall und/oder Halbleiter, aufweisen. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass das erste Halbleiterelement besonders einfach hergestellt werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das zweite Halbleiterelement aus Bismuttellurid oder aus Siliciumgermanium hergestellt. Das zweite Halbleiterelement kann zusätzlich weitere Bestandteile, beispielsweise Dotierstoffe und/oder Metall und/oder Halbleiter, aufweisen. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass das zweite Halbleiterelement besonders einfach hergestellt werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Verbindungselement aus Metall, insbesondere aus Kupfer, aus Aluminium, aus Silber, oder aus Gold, einer Metalllegierung, oder aus einem nicht-metallischen stromleitenden Material, insbesondere aus einem organischen Stromleitermaterial, hergestellt. Dadurch wird bewirkt, dass das erste Halbleiterelement mit dem zweiten Halbleiterelement besonders effizient elektrisch verbunden werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Verbindungselement in Form eines Kabels oder einer Litze ausgebildet. Dadurch wird bewirkt, dass das Verbindungselement besonders einfach hergestellt werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das thermoelektrische Element eine Leiterplatte, wobei das Verbindungselement in Form einer Leiterbahn auf der Leiterplatte aufgebracht ist. Dadurch wird bewirkt, dass der Verlauf des Verbindungselementes besonders einfach festgelegt werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Verbindungselement einen elektrischen Isolationsmantel oder einen elektrischen Isolationslack auf. Dadurch wird bewirkt, dass Kurzschlüsse zwischen mehreren Verbindungselementen vermieden werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die erste Metallbrücke und die zweite Metallbrücke jeweils aus Kupfer, aus Silber oder aus Gold, oder einer Metalllegierung hergestellt. Dadurch wird bewirkt, dass die erste Metallbrücke und die zweite Metallbrücke besonders einfach realisiert werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die erste thermisch leitfähige Basisfläche und/oder die zweite thermisch leitfähige Basisfläche jeweils aus Keramikmaterial hergestellt. Dadurch wird bewirkt, dass die erste Basisfläche und die zweite Basisfläche besonders einfach realisiert werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die erste thermisch leitfähige Basisfläche und/oder die zweite thermisch leitfähige Basisfläche jeweils aus einem elektrisch isolierenden organischen Material hergestellt. Dadurch wird bewirkt, dass die erste Basisfläche und die zweite Basisfläche besonders einfach realisiert werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die erste thermisch leitfähige Basisfläche und/oder die zweite thermisch leitfähige Basisfläche jeweils aus einem Metall hergestellt, auf welches ein elektrisch isolierendes Material aufgebracht ist. Dadurch wird bewirkt, dass eine hohe mechanische Stabilität und zugleich eine hohe Wärmeleitfähigkeit der Basisflächen erreicht werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform weisen die erste thermisch leitfähige Basisfläche und/oder die zweite thermisch leitfähige Basisfläche unterschiedliche Größen und/oder unterschiedliche Geometrien auf. Dadurch wird bewirkt, dass das thermoelektrische Element flexibel an unterschiedliche Anwendungen angepasst werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform weisen die erste thermisch leitfähige Basisfläche und die zweite thermisch leitfähige Basisfläche jeweils eine ebene Oberfläche auf. Dadurch wird bewirkt, dass die erste Basisfläche und die zweite Basisfläche besonders einfach hergestellt werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die ebene Oberfläche der ersten thermisch leitfähigen Basisfläche und die ebene Oberfläche der zweiten thermisch leitfähigen Basisfläche nicht-parallel zueinander angeordnet. Dadurch wird bewirkt, dass die geometrische Form des thermoelektrischen Elements an einen gewünschten Anwendungsfall flexibel angepasst ist.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die erste thermisch leitfähige Basisfläche, die erste Metallbrücke und das erste Halbleiterelement unter Verwendung eines elektrisch isolierenden Vergussmaterials, insbesondere eines Kunststoffs, eines Silikons oder eines Harzes, vergossen. Dadurch wird bewirkt, dass das thermoelektrische Element gegenüber Umwelteinflüssen, insbesondere Feuchtigkeit und/oder Verschmutzung, wirksamer geschützt werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die zweite thermisch leitfähige Basisfläche, die zweite Metallbrücke und das zweite Halbleiterelement unter Verwendung eines elektrisch isolierenden Vergussmaterials, insbesondere eines Kunststoffs, eines Silikons oder eines Harzes, vergossen. Dadurch wird bewirkt, dass das thermoelektrische Element gegenüber Umwelteinflüssen, insbesondere Feuchtigkeit und/oder Verschmutzung, wirksamer geschützt werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das thermoelektrische Element ein Peltier-Element. Dadurch wird bewirkt, dass das thermoelektrische Element elektrische Energie in thermische Energie wandeln kann.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das thermoelektrische Element ein Seebeck-Element. Dadurch wird bewirkt, dass das thermoelektrische Element thermische Energie in elektrische Energie wandeln kann.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Kühlvorrichtung. Die Kühlvorrichtung umfasst zumindest ein thermoelektrisches Element gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, wobei die erste thermisch leitfähige Basisfläche des thermoelektrischen Elementes eine Kaltseite des thermoelektrischen Elementes bildet, und wobei die zweite thermisch leitfähige Basisfläche des thermoelektrischen Elementes eine Warmseite des thermoelektrischen Elementes bildet. Die Kühlvorrichtung umfasst ferner einen Kühlraum, welcher durch eine Wandung begrenzt ist, wobei die Kaltseite des thermoelektrischen Elementes an einer Innenfläche der Wandung oder beabstandet von der Innenfläche der Wandung angeordnet ist, wobei die Warmseite des thermoelektrischen Elementes an einer Außenfläche der Wandung oder beabstandet von der Außenfläche der Wandung angeordnet ist, und wobei das Verbindungselement des thermoelektrischen Elementes durch die Wandung verläuft. Die Kaltseite kann beliebig in dem Kühlraum angeordnet sein.
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Die Kühlvorrichtung kann alternativ oder zusätzlich auch als Temperierungsvorrichtung verwendet werden. Hierfür wird lediglich die Polarität des Stromes, welcher durch das thermoelektrische Element fließt, umgekehrt.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die Kaltseite des thermoelektrischen Elementes und die Warmseite des thermoelektrischen Elementes gegenüber zueinander an der Wandung angeordnet. Dadurch wird bewirkt, dass das Verbindungselement des thermoelektrischen Elementes besonders einfach durch die Wandung verlegt werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die Kaltseite des thermoelektrischen Elementes und die Warmseite des thermoelektrischen Elementes versetzt zueinander an der Wandung angeordnet. Dadurch wird bewirkt, dass die thermische Entkopplung der Kaltseite von der Warmseite des thermoelektrischen Elementes verbessert werden kann.
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Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung eine Kühlanordnung. Die Kühlanordnung umfasst zumindest ein thermoelektrisches Element gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, wobei die erste thermisch leitfähige Basisfläche des thermoelektrischen Elementes eine Kaltseite des thermoelektrischen Elementes bildet, und wobei die zweite thermisch leitfähige Basisfläche des thermoelektrischen Elementes eine Warmseite des thermoelektrischen Elementes bildet. Die Kühlanordnung umfasst ferner ein zu kühlendes Objekt, welches eine nicht-planare Oberfläche aufweist, wobei die Kaltseite des thermoelektrischen Elementes auf der nicht-planaren Oberfläche des Objektes angeordnet ist. Die nicht-planare Oberfläche kann beispielsweise gekrümmt sein, gekantet sein, oder eine beliebige andere drei-dimensionale Form aufweisen.
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Die Kühlanordnung kann alternativ oder zusätzlich auch als Temperierungsanordnung verwendet werden. Hierfür wird lediglich die Polarität des Stromes, welcher durch das thermoelektrische Element fließt, umgekehrt.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die nicht-planare Oberfläche eine zylinderförmige Oberfläche. Dadurch wird bewirkt, dass beispielsweise eine Kühlung eines Rohres als zu kühlendes Objekt erreicht werden kann.
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Gemäß einem vierten Aspekt betrifft die Erfindung eine Anordnung. Die Anordnung umfasst zumindest ein thermoelektrisches Element gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, und ein weiteres thermoelektrisches Element, wobei das thermoelektrische Element und das weitere thermoelektrische Element thermisch leitend miteinander verbunden sind. Das thermoelektrische Element und das weitere thermoelektrische Element können beispielsweise in Form einer Kaskade aufeinander angeordnet sein.
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Das weitere thermoelektrische Element kann ein bekanntes thermoelektrisches Element sein. Das weitere thermoelektrische Element kann jedoch auch ein thermoelektrisches Element gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung sein.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Anordnung eine thermisch leitfähige Schicht, welche zwischen der ersten thermisch leitfähigen Basisfläche und dem weiteren thermoelektrischen Element, oder zwischen der zweiten thermisch leitfähigen Basisfläche und dem weiteren thermoelektrischen Element angeordnet ist. Dadurch wird bewirkt, dass die thermische Kopplung zwischen dem thermoelektrischen Element und dem weiteren thermoelektrischen Element verbessert werden kann.
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Weitere Ausführungsbeispiele werden Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1a ein schematisches Diagramm eines thermoelektrischen Elementes;
- 1b ein schematisches Diagramm eines thermoelektrischen Elementes;
- 1c ein schematisches Diagramm eines thermoelektrischen Elementes;
- 2a ein schematisches Diagramm einer Kühlvorrichtung;
- 2b ein schematisches Diagramm einer Wandung einer Kühlvorrichtung;
- 2c ein schematisches Diagramm einer Wandung einer Kühlvorrichtung;
- 3 ein schematisches Diagramm einer Kühlanordnung; und
- 4 ein schematisches Diagramm einer Anordnung.
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1a und 1b zeigen jeweils ein schematisches Diagramm eines thermoelektrischen Elementes 100. Das thermoelektrische Element 100 kann beispielsweise ein Peltier-Element sein.
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Das thermoelektrische Element 100 umfasst eine thermisch leitfähige Basisfläche 101, auf welcher Metallbrücken 103a-c angeordnet sind. Die Metallbrücke 103a ist mit Halbleiterelementen 105a-b elektrisch kontaktiert; die Metallbrücke 103b ist mit Halbleiterelementen 105c-d elektrisch kontaktiert; und die Metallbrücke 103c ist mit Halbleiterelementen 105e-f elektrisch kontaktiert.
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Das thermoelektrische Element 100 umfasst ferner eine thermisch leitfähige Basisfläche 107, auf welcher Metallbrücken 109a-d angeordnet sind. Die Metallbrücke 109a ist mit Halbleiterelement 111a elektrisch kontaktiert; die Metallbrücke 109b ist mit Halbleiterelementen 111b-c elektrisch kontaktiert; die Metallbrücke 109c ist mit Halbleiterelementen 111d-e elektrisch kontaktiert; und die Metallbrücke 109d ist mit Halbleiterelement 111f elektrisch kontaktiert.
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Die Basisfläche 101 und die Basisfläche 107 können jeweils aus Keramikmaterial oder aus einem elektrisch isolierenden organischen Material hergestellt sein. Die Metallbrücken 103a-c und die Metallbrücken 109a-d können jeweils aus Kupfer, aus Silber oder aus Gold, oder einer Metalllegierung hergestellt sein. Die Halbleiterelemente 105a, 105c, 105e, 111a, 111c, 111e sind exemplarisch p-dotierte Halbleiterelemente und die Halbleiterelemente 105b, 105d, 105f, 111b, 111d, 111f sind exemplarisch n-dotierte Halbleiterelemente. Zwischen den jeweiligen Basisflächen 101 bzw. 107 und den jeweiligen Metallbrücken 103a-c bzw. 109a-d können zusätzlich u.a. zur Erhöhung der Lebensdauer, eine oder mehrere Schichten vorgesehen sein, beispielsweise aus einem haftvermittelnden flexiblen Harz.
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Die Halbleiterelemente 105a-f bzw. 111a-f können jeweils quaderförmig ausgebildet sein. Insbesondere können die Halbleiterelemente 105a-f bzw. 111a-f gemäß einem Höhe-zu-Breite-Verhältnis von 1:2, 1:3, 1:4, 1:5, 1:6, 1:7, 1:8, 1:9 oder 1:10 ausgeführt sein. Die Halbleiterelemente 105a-f bzw. 111a-f können beispielsweise jeweils 1mm, 2mm, 3mm, 4mm oder 5mm hoch sein.
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Das thermoelektrische Element 100 umfasst ferner elektrisch leitende Verbindungselemente 113a-f, wobei das Verbindungselement 113a mit den Halbleiterelementen 105a und 111a elektrisch kontaktiert ist, wobei das Verbindungselement 113b mit den Halbleiterelementen 105b und 111b elektrisch kontaktiert ist, wobei das Verbindungselement 113c mit den Halbleiterelementen 105c und 111c elektrisch kontaktiert ist, wobei das Verbindungselement 113d mit den Halbleiterelementen 105d und 111d elektrisch kontaktiert ist, wobei das Verbindungselement 113e mit den Halbleiterelementen 105e und 111e elektrisch kontaktiert ist, und wobei das Verbindungselement 113f mit den Halbleiterelementen 105f und 111f elektrisch kontaktiert ist. Die Verbindungselemente 113a-f können beispielsweise jeweils aus Metall, insbesondere aus Kupfer, aus Aluminium, aus Silber oder aus Gold, einer Metalllegierung, oder aus einem nicht-metallischen stromleitenden Material, insbesondere aus einem organischen Stromleitermaterial, hergestellt sein. Die jeweiligen Verbindungselemente 113a-f können an die jeweiligen Halbleiterelemente 105a-f bzw. 111a-f beispielsweise angelötet, oder anderweitig stromleitend verbunden sein. In 1a sind die Verbindungselemente 113a-f beispielhaft jeweils als flexible Kabel ausgeführt, welche jeweils einen elektrischen Isolationsmantel oder einen elektrischen Isolationslack aufweisen können. Alternativ können die Verbindungselemente 113a-f jedoch auch jeweils als flexible Litze ausgeführt sein. In 1b sind die Verbindungselemente 113a-f beispielhaft jeweils als starre Elemente ausgeführt.
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Je nach Anwendung können die Dotierungskonzentrationen und/oder die Halbleitermaterialien der Halbleiterelemente 105a-f sowie 111a-f beliebig gewählt werden. Insbesondere können die Halbleiterelemente 105a und 111a, die Halbleiterelemente 105b und 111b, die Halbleiterelemente 105c und 111c, die Halbleiterelemente 105d und 111d, die Halbleiterelemente 105e und 111e, und die Halbleiterelemente 105f und 111f jeweils unterschiedliche Dotierungskonzentrationen aufweisen. Zudem können für die Halbleiterelemente 105a und 111a, die Halbleiterelemente 105b und 111b, die Halbleiterelemente 105c und 111c, die Halbleiterelemente 105d und 111d, die Halbleiterelemente 105e und 111e, und die Halbleiterelemente 105f und 111f jeweils unterschiedliche Halbleitermaterialien verwendet werden.
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Zudem kann die relative Anordnung der Basisflächen 101 und 107 beliebig gewählt werden. Insbesondere können eine ebene Oberfläche der Basisfläche 101 und eine ebene Oberfläche der Basisfläche 107 schräg bzw. nicht-parallel zueinander angeordnet sein.
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Zusätzlich kann das thermoelektrische Element 100 einen Lüfter 115 umfassen, welcher ausgebildet ist, eine Konvektion von Umgebungsluft in Teilbereiche der Verbindungselemente 113a-f zu erzeugen. Insbesondere kann durch den Betrieb des Lüfters 115 etwaige Wärme von den Verbindungselementen 113a-f abgeführt werden. Gemäß einer Ausführungsform wird die Konvektion der Umgebungsluft insbesondere derart geleitet, dass die sich erwärmenden Verbindungselemente 113a-f des thermoelektrischen Elementes 100 gekühlt werden. Insbesondere können die Kontaktstellen zwischen den Verbindungselementen 113a-f und den jeweiligen Halbleiterelementen 105a-f bzw. 111a-f gekühlt werden. Der Lüfter 115 kann beispielsweise mittels eines Ventilators und eines zugehörigen Elektromotors realisiert werden. Anstelle des Lüfters 115 kann jedoch auch eine Flüssigkeitskühlung bzw. eine Wasserkühlung vorgesehen sein.
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Zusätzlich können die Basisfläche 101, die Metallbrücken 103a-c sowie die Halbleiterelemente 105a-f unter Verwendung eines elektrisch isolierenden Vergussmaterials, beispielsweise eines Kunststoffs, Silikons oder Harzes, vergossen werden. Ferner können die Basisfläche 107, die Metallbrücken 109a-d sowie die Halbleiterelemente 111a-f unter Verwendung eines elektrisch isolierenden Vergussmaterials, beispielsweise eines Kunststoffs, Silikons oder Harzes, vergossen werden. Dadurch kann erreicht werden, dass das thermoelektrische Element 100 gegenüber Umwelteinflüssen, insbesondere Feuchtigkeit und/oder Verschmutzung, wirksamer geschützt werden kann.
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Die Basisfläche 101 des thermoelektrischen Elementes 100 kann beispielsweise eine Kaltseite des thermoelektrischen Elementes 100 bilden, und die Basisfläche 107 des thermoelektrischen Elementes 100 kann beispielsweise eine Warmseite des thermoelektrischen Elementes 100 bilden. Im Betrieb als Peltier-Element kann das thermoelektrische Element 100 beispielsweise eine nutzbare Temperaturdifferenz von etwa 75 °C zwischen der Kaltseite und der Warmseite erzeugen. Das thermoelektrische Element 100 kann jedoch alternativ auch als Seebeck-Element verwendet werden.
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In weiteren Ausgestaltungen können auch mehr als zwei Basisflächen vorgesehen sein, um ein sogenanntes Kaskaden- bzw. Mehrstufen- (Multi-Stage) Element zu erhalten. Dieses kann beispielsweise aus mehreren aneinander gefügten, thermisch miteinander verbundenen Elementen bestehen. Dabei kann eine Basisfläche gleichzeitig die Warmseite einer Anordnung und die Kaltseite einer anderen Anordnung bilden.
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1c zeigt ein schematisches Diagramm eines thermoelektrischen Elementes 100. Das thermoelektrische Element 100 weist dieselben Merkmale auf, wie das thermoelektrische Element 100, welches in 1a oder 1b gezeigt ist. Das thermoelektrische Element 100 umfasst jedoch zusätzlich eine Leiterplatte 117, wobei exemplarisch die Verbindungselemente 113a-d in Form von Leiterbahnen auf der Leiterplatte 117 aufgebracht sind. Entsprechend können auch alle weiteren Verbindungselemente jeweils in Form einer Leiterbahn auf der Leiterplatte 117 aufgebracht sein. Die Leiterplatte 117 kann beispielsweise einlagig oder mehrlagig ausgebildet sein, und kann beispielsweise aus Alucore-, Starrflex-, oder Flex-Leiterplattenmaterial hergestellt sein.
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2a zeigt ein schematisches Diagramm einer Kühlvorrichtung 200. Die Kühlvorrichtung 200 umfasst einen Kühlraum 201, welcher durch Wandungen begrenzt ist. Exemplarisch sind drei Wandungen 203a-c gezeigt. Der Kühlraum 201 kann ferner durch weitere Wandungen (nicht gezeigt) begrenzt sein. Die Wandungen der Kühlvorrichtung 200 können thermisch isolierend ausgeführt sein.
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Die Kühlvorrichtung 200 umfasst zudem ein thermoelektrisches Element, welches an oder beabstandet von einer beliebigen Wandung, beispielsweise der Wandung 203a, angeordnet sein kann. Es können zudem weitere thermoelektrische Elemente an oder beabstandet von beliebigen weiteren Wandungen angeordnet sein.
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Die Basisfläche 101 des thermoelektrischen Elementes 100 kann beispielsweise eine Kaltseite des thermoelektrischen Elementes 100 bilden, und die Basisfläche 107 des thermoelektrischen Elementes 100 kann beispielsweise eine Warmseite des thermoelektrischen Elementes 100 bilden. Die Kaltseite des thermoelektrischen Elementes 100 kann an oder beabstandet von einer Innenfläche der Wandung 203a angeordnet sein, die Warmseite des thermoelektrischen Elementes 100 kann an oder beabstandet von einer Außenfläche der Wandung 203a angeordnet sein, und die Verbindungselemente 113a-f des thermoelektrischen Elementes 100 können durch die Wandung 203a verlaufen. Die Verbindungselemente 113a-f können hierfür beispielsweise als flexible Kabel oder als flexible Litze ausgeführt sein.
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2b und 2c zeigen jeweils ein schematisches Diagramm einer Wandung 203a einer Kühlvorrichtung 200. An der Wandung 203a ist ein thermoelektrisches Element 100 angeordnet, welches eine Basisfläche 101, Metallbrücken 103a-c, Halbleiterelemente 105a-f, eine Basisfläche 107, Metallbrücken 109a-d, Halbleiterelemente 111a-f und Verbindungselemente 113a-f umfasst. Die Verbindungselemente 113a-f können beispielsweise als flexible Kabel oder als flexible Litze ausgeführt sein.
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In 2b sind die Kaltseite des thermoelektrischen Elementes 100 und die Warmseite des thermoelektrischen Elementes 100 gegenüber zueinander an der Wandung 203a angeordnet. Die Verbindungselemente 113a-f des thermoelektrischen Elementes 100 können dadurch besonders einfach durch die Wandung 203a verlegt werden.
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In 2c sind die Kaltseite des thermoelektrischen Elementes 100 und die Warmseite des thermoelektrischen Elementes 100 versetzt zueinander an der Wandung 203a angeordnet. Dadurch kann die thermische Entkopplung der Kaltseite von der Warmseite des thermoelektrischen Elementes 100 verbessert werden.
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Zusätzlich kann das thermoelektrische Element 100 an einer Basisfläche oder an mehreren oder an allen Basisflächen zumindest einen Wärmetauscher (nicht gezeigt) umfassen. Der Wärmetauscher kann beispielsweise an der Warmseite des thermoelektrischen Elementes 100 angeordnet sein, und kann ausgebildet sein, Wärme effizient an die Umgebung oder ein Kühlmedium, wie beispielsweise eine Kühlflüssigkeit oder Kühlluft, abzuführen. Der Wärmetauscher kann beispielsweise aus einem Metall oder aus einem sonstigen wärmeleitenden Material hergestellt sein, und kann eine Mehrzahl von Rippen, Bohrungen, oder sonstigen, wärmeaustauschenden Flächen aufweisen. Alternativ kann der Wärmetauscher jedoch auch an einer Kaltseite des thermoelektrischen Elementes 100 angeordnet sein.
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Entsprechend können an beliebigen weiteren Wandungen der Kühlvorrichtung 200, beispielsweise an den Wandungen 203b-c, weitere thermoelektrische Elemente angeordnet werden, wobei die jeweilige Kaltseite und die jeweilige Warmseite des jeweiligen weiteren thermoelektrischen Elementes jeweils gegenüber zueinander oder versetzt zueinander angeordnet werden können. Auch können die Warmseiten außerhalb der Kühlvorrichtung ohne Anbindung zu dieser beliebig angebracht werden. Es können folglich mehrere Basisflächen als Warmseiten oder als Kaltseiten eingesetzt werden. Die Basisflächen brauchen mit den Wandungen mechanisch nicht fest verbunden zu werden.
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Die Kühlvorrichtung 200 kann alternativ oder zusätzlich auch als Temperierungsvorrichtung verwendet werden. Hierfür wird lediglich die Polarität des Stromes, welcher durch das thermoelektrische Element fließt, umgekehrt.
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3 zeigt ein schematisches Diagramm einer Kühlanordnung 300. Die Kühlanordnung 300 umfasst ein thermoelektrisches Element 100, wobei die erste thermisch leitfähige Basisfläche 101 des thermoelektrischen Elementes 100 eine Kaltseite des thermoelektrischen Elementes 100 bildet, und wobei die zweite thermisch leitfähige Basisfläche 107 des thermoelektrischen Elementes 100 eine Warmseite des thermoelektrischen Elementes 100 bildet.
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Die Kühlanordnung 300 umfasst ferner ein zu kühlendes Objekt 301, welches eine nicht-planare Oberfläche 303 aufweist, wobei die Kaltseite des thermoelektrischen Elementes 100 auf der nicht-planaren Oberfläche 303 des Objektes 301 angeordnet ist. Die Warmseite des thermoelektrischen Elementes 100 ist von dem zu kühlenden Objekt 301 beabstandet bzw. entfernt angeordnet, um einer Erwärmung des zu kühlenden Objektes 301 entgegenzuwirken.
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Das zu kühlende Objekt 301 ist exemplarisch als Rohr ausgestaltet. Die nicht-planare Oberfläche 303 umfasst dabei eine zylinderförmige Oberfläche. Die Kaltseite des thermoelektrischen Elementes 100 kann hierfür beispielsweise schmal ausgebildet sein, und sich entlang einer Längsachse des Objektes 301 erstrecken. Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Kaltseite nur eine Reihe von Metallbrücken und Halbleiterelementen.
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Das zu kühlende Objekt 301 bzw. die nicht-planare Oberfläche 303 können jedoch alternativ jede beliebige andere Form aufweisen. Beispielsweise kann die nicht-planare Oberfläche 303 gekrümmt sein, gekantet sein, oder eine beliebige andere drei-dimensionale Form aufweisen. Das zu kühlende Objekt 301 kann beispielsweise auch ein Mehrkantenrohr, insbesondere ein 4-Kantrohr, sein, welches zumindest eine ebene Oberfläche aufweisen kann. Dadurch, dass die jeweiligen Basisflächen 101 und 107 des jeweiligen thermoelektrischen Elementes 100 beliebig beabstandet bzw. entfernt voneinander angeordnet werden können, können somit beliebige Objekte - auch Objekte mit nicht-planaren Oberflächen - effizient gekühlt bzw. temperiert werden.
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Zusätzlich können weitere derartig ausgebildete thermoelektrische Elemente auf dem zu kühlenden Objekt 301 bzw. der nicht-planaren Oberfläche 303 angeordnet sein.
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Die Kühlanordnung 300 kann alternativ oder zusätzlich auch als Temperierungsanordnung verwendet werden. Hierfür wird lediglich die Polarität des Stromes, welcher durch das thermoelektrische Element 100 fließt, umgekehrt.
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4 zeigt ein schematisches Diagramm einer Anordnung 400. Die Anordnung 400 umfasst zumindest ein thermoelektrisches Element 100, und ein weiteres thermoelektrisches Element 401, wobei das thermoelektrische Element 100 und das weitere thermoelektrische Element 401 thermisch leitend miteinander verbunden sind. Das thermoelektrische Element 100 und das weitere thermoelektrische Element 401 können beispielsweise in Form einer Kaskade aufeinander angeordnet sein. Das gezeigte thermoelektrische Element 100 weist beispielsweise die Merkmale des thermoelektrischen Elementes aus 1a auf. Das weitere thermoelektrische Element 401 ist beispielsweise ein bekanntes thermoelektrisches Element.
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Die Anordnung 400 umfasst ferner eine thermisch leitfähige Schicht 403, welche zwischen der ersten thermisch leitfähigen Basisfläche 101 des thermoelektrischen Elementes 100 und dem weiteren thermoelektrischen Element 401 angeordnet ist. Die thermisch leitfähige Schicht 403 kann durch eine Wärmeleitpaste oder durch eine Graphitfolie gebildet sein.
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Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung gezeigten und/oder beschriebenen Merkmale können in beliebiger Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Thermoelektrisches Element
- 101
- Basisfläche
- 103a-c
- Metallbrücke
- 105a-f
- Halbleiterelement
- 107
- Basisfläche
- 109a-d
- Metallbrücke
- 111a-f
- Halbleiterelement
- 113a-f
- Verbindungselement
- 115
- Lüfter
- 117
- Leiterplatte
- 200
- Kühlvorrichtung
- 201
- Kühlraum
- 203a
- Wandung
- 203b
- Wandung
- 203c
- Wandung
- 300
- Kühlanordnung
- 301
- Objekt
- 303
- Oberfläche
- 400
- Anordnung
- 401
- Weiteres thermoelektrisches Element
- 403
- Schicht
