WO2010142699A2 - Thermoelektrisches modul mit paarweise angeordneten p- und n-dotierten schenkeln - Google Patents

Thermoelektrisches modul mit paarweise angeordneten p- und n-dotierten schenkeln Download PDF

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WO2010142699A2
WO2010142699A2 PCT/EP2010/058036 EP2010058036W WO2010142699A2 WO 2010142699 A2 WO2010142699 A2 WO 2010142699A2 EP 2010058036 W EP2010058036 W EP 2010058036W WO 2010142699 A2 WO2010142699 A2 WO 2010142699A2
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thermoelectric module
doped
elements
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80—Constructional details
    • H10N10/81—Structural details of the junction
    • H10N10/817—Structural details of the junction the junction being non-separable, e.g. being cemented, sintered or soldered
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device

Definitions

  • thermoelectric module with paired p- and n-doped legs, which are connected in series at opposite ends via electrically conductive contact elements, wherein the p- and n-doped legs are arranged in pairs in a V-position and each each other inclined ends of the legs are electrically connected by means of the contact elements.
  • thermoelectric module has a structure which is described in DE 10 2005 057 763 Al.
  • the thermoelectric module has a plurality of thermoelectric half-elements (or p- and n-doped legs), wherein each half-element is cuboid or column-shaped and the individual elements are arranged in parallel.
  • the arrangement is such that half-elements of alternating materials (p- or n-type doped semiconductors) are connected in series.
  • At opposite ends of printed circuit boards are attached to the half-elements, which electrically conductively connect a p- and an n-doped leg.
  • the circuit boards of each side form a plane in which substantially directly a heat exchanger plate is contacted.
  • a similar arrangement of parallel aligned p- and one n-doped legs, which are electrically connected to each other with electrode plates made of steel or a steel alloy, is known from US 6,759,586 B2.
  • thermoelectric generator for converting thermal energy into electrical energy, which is equipped with a plurality of Peltier elements interconnected to form a module, which are arranged between a heat source and a heat sink.
  • Each Peltier element consists of a p-doped leg and an n-doped leg, which are arranged parallel to each other and electrically conductively connected at their ends by electrodes. Both the p-doped and the n-doped legs of the individual Peltier elements have different materials whose efficiency is optimized with regard to different temperature values at the contact points of the individual Peltier elements to the heat source.
  • Fe-based skutterudites for example Ce 0 .9 Fe 3 CoSbi 2 , or Ybo.75 Fe 3.5 Ni , are used in the p-doped legs.
  • 5 Sbi 2 and Co-based skutterudites used in the n-doped legs for example YbyCo 4-x Pt x Sbi 2, or Ba 0 .3C ⁇ 3.95Ni 0 .o5Sbi 2.
  • JP 05-299704 A shows a thermo module whose b- and n-doped legs are arranged in pairs V-shaped, wherein the opposite ends of the legs are electrically connected by means of contact elements. To achieve a specific temperature distribution at one end of the legs, these form a gap area which is aligned in a normal manner with respect to the contact elements and which is partially bridged by a connecting element arranged above the middle of the legs.
  • the individual legs thus have a complicated shape to produce, with an inclined surface at one end and two an angle of 90 ° enclosing inclined surfaces at the other end (prismatic structure with five-sided base). This shape is not only disadvantageous in production, but also in terms of an inhomogeneous streamline density, as well as an irregular temperature distribution within the legs.
  • thermomodule with parallel legs (TEG-Legs) is known in which a slight tolerance compensation only possible when TEG-Legs are used with beveled end surfaces, which bear against corresponding tapered electrical contact elements.
  • TEG-Legs thermomodule with parallel legs
  • a variety of different TEG Legs to be machined trapezoidal prisms, rhombic prisms and prisms with mutually twisted inclined end faces
  • the object of the invention is, starting from known thermoelectric modules, to propose improvements with which the production of thermoelectric modules can be simplified, the requirements for the accuracy of the individual TEG legs and the other components should be minimized.
  • the electrically conductive contact elements are designed in the form of a double wedge, the two wedge surfaces with the base surface of the contact elements each include an acute angle corresponding to the tilt angle of the individual legs. It can be easily used to produce cuboid legs without fine machining. Furthermore, similar, prefabricated contact elements can be used, for example, by soldering, thermocompression or Diffusion welding electrically conductively connected to the p- and n-doped legs.
  • the individual legs on a tilt angle between 5 ° and 15 °.
  • the inventive V-position of the individual, cuboid legs whose length can be adjusted by means of the contact elements in the form of a double wedge to a predetermined module height, so that in a simple way tolerance compensation is possible. Due to the omission of a mechanical fine machining of the individual cuboid legs and allowing a length tolerance in the range of 50 .mu.m, with a typical total length of the legs of about 3 to 7 mm, the production can be significantly simplified because after the shaping of the legs (eg Pressing or sintering), a subsequent fine machining can be omitted and any division into length classes is also eliminated or simplified.
  • the p- and n-doped legs of a module are arranged in several parallel rows, wherein a balancing contact element in the form of a double wedge with parallel wedge tips is provided for connecting two adjacent rows, the two contact surfaces with the base surface a Include acute angle corresponding to the tilt angle.
  • the p- and n-doped leg of a high-temperature module can consist of a ruditen resistant for temperatures above 400 0 C material, for example of Fe-based or Co-based Skutte-.
  • thermoelectric module 1 shows a thermoelectric module in a sectional view according to the prior art
  • FIG. 2 shows a thermoelectric module according to the invention in a sectional view according to FIG. 1, FIG.
  • FIG. 3 shows a detail of FIG. 2 in a three-dimensional representation
  • FIG. 4 shows a device for producing a thermoelectric module according to FIG. 2 in a three-dimensional representation
  • FIG. 5 shows a variant of the thermoelectric module according to FIG. 2 in a three-dimensional representation
  • Fig. 6 shows a detail of the variant of FIG. 5 in an enlarged view
  • FIGS. 7 to 9 show a comparison of known embodiments (FIGS. 7 and 8) in comparison with the invention (FIG. 9).
  • thermoelectric module 1 shows a thermoelectric module 1 according to the prior art with parallel p- and n-doped legs 2, 3 (P and N legs), each leg consisting of one of two thermoelectric materials and having two opposite ends , which are each connected together with an electrically conductive contact element 4, 5 with an adjacent leg.
  • the arrangement is such that the legs 2, 3 are electrically connected in series.
  • the individual contact elements 4, 5 are - optionally via an adhesive connector 13 - substantially directly connected to not further specified heat exchanger elements 11, 12.
  • thermoelectric module 1 shows a thermoelectric module 1 according to the invention, in which the p- and n-doped legs 2, 3 are arranged in pairs in a V-position.
  • two wedge surfaces 6, 6 'of the same inclination are formed, which form an angle with the base surface 7 of the double wedge, which corresponds to the tilt angle ⁇ of the individual legs 2, 3.
  • the tilt angle ⁇ (angular deviation from the parallel position) is the same for all elements and double wedges of a thermoelectric module and is preferably between 5 ° and 15 °.
  • the V-position thus has an opening angle of 2 ⁇ .
  • Between the contact elements 4, 5 and the respective associated heat exchanger elements 11, 12 may be arranged as thin as possible electrically insulating layer 13 with good thermal conductivity.
  • thermoelectric module in a simple manner, a tolerance compensation for the correction of dimensional inaccuracies in the length of the legs 2, 3 can be effected.
  • This one uses one Template with two parallel guide elements 14, with which the height of the manufactured thermoelectric module is specified. In this case, first a first unit, consisting of a lower contact element 5 and a p-doped leg 2, inserted between the guide elements 14 and a second unit, consisting of an n-doped leg 3 with an upper contact element 4, nachgeschoben until by one Displacement on the wedge surface 6 'the inserted unit fits snugly against the upper guide element 14.
  • a third unit consisting of a lower contact element 5 and a p-doped leg 2, as indicated by arrow 15, subsequently inserted. This process is continued until the desired number of paired p- and n-doped legs 2, 3 is reached. Minor differences in length of the legs 2, 3 can be compensated by the inventive measures by small, the function of the module not influencing differences in the average distances of the legs 2, 3.
  • FIG. 5 shows a preferred embodiment variant in which the p- and n-doped legs 2, 3 of a module 1 are arranged in four parallel rows 8, with a compensating contact element 9 in the form of a connecting element for connecting two adjacent rows 8 special double wedge is provided.
  • a double wedge 9 is shown in detail in Fig. 6 and is equipped with parallel wedge tips 10, 10 ', wherein also here the wedge surfaces 6, 6' with the base surface 7 include an acute angle corresponding to the tilt angle ⁇ .
  • the balancing contact elements 9 can also be used as electrical connection elements of the module.
  • Fig. 7 shows a conventional parallel arrangement of the legs 2, 3 between the contact elements 4, 5, which are shown here as thin platelets of a material with high thermal and electrical conductivity.
  • the electrical contact elements made of silver, copper, aluminum, etc., which have an electrical conductivity> 60 * 10 6 Sm "1 and a thermal conductivity> 200 Wm -1 K " 1 have.
  • many of the known conductive materials are not suitable for high temperature applications because these materials are not permanently compatible with the TEG leg materials.
  • the temperature gradient is considered along an overall height H, which is composed of h_el of the upper contact element 4, h_leg of the leg 2 and h_el of the lower contact element 5, in which case h_el ⁇ h_leg.
  • Fig. 8 shows a thermoelectric module for high temperature applications, with parallel TEG legs 2, 3 made of high temperature materials, in which case the contact elements 4, 5 are made for example of a steel alloy and only a moderate thermal (about 10 to 40 Wm -1 K “1 ) or electrical conductivity (l * 10 6 to 10 * 10 6 Sm " 1 ) have.
  • the existing temperature gradient can thus be better utilized by the V position.

Landscapes

  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Modul (1) mit paarweise angeordneten p- und n-dotierten Schenkeln (2, 3), die an gegenüberliegenden Enden über elektrisch leitende Kontaktelemente (4, 5) in Reihe geschaltet sind, wobei die p- und n-dotierten Schenkel (2, 3) paarweise in einer V-Stellung angeordnet sind und die jeweils einander zugeneigten Enden der Schenkel (2, 3) mittels der Kontaktelemente (4, 5) elektrisch leitend verbunden sind. Erfindungsgemäß sind die elektrisch leitenden Kontaktelemente (4, 5) in Form eines Doppelkeils ausgebildet, dessen beide Keilflächen (6, 6') mit der Basisfläche (7) der Kontaktelemente (4, 5) jeweils einen spitzen Winkel einschließen, der dem Kippwinkel (α) der einzelnen Schenkel (2, 3) entspricht.

Description

Thermoelektrisches Modul mit paarweise angeordneten p- und n-dotier- ten Schenkeln
Die Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Modul mit paarweise angeordneten p- und n-dotierten Schenkeln, die an gegenüberliegenden Enden über elektrisch leitende Kontaktelemente in Reihe geschaltet sind, wobei die p- und n-dotierten Schenkel paarweise in einer V-Stellung angeordnet sind und die jeweils einander zugeneigten Enden der Schenkel mittels der Kontaktelemente elektrisch leitend verbunden sind.
Ein thermoelektrisches Modul gemäß Stand der Technik weist beispielsweise einen Aufbau auf, der in der DE 10 2005 057 763 Al beschrieben ist. Das thermo- elektrische Modul weist eine Mehrzahl von thermoelektrischen Halbelementen (bzw. p- und n-dotierte Schenkel) auf, wobei jedes Halbelement quader- oder säulenförmig ist und die einzelnen Elemente parallel angeordnet sind. Die Anordnung ist dergestalt, dass Halbelemente aus einander abwechselnden Werkstoffen (p- oder n-leitend dotierte Halbleiter) in Reihe geschaltet sind. An gegenüberliegenden Enden sind Leiterplättchen an den Halbelementen befestigt, welche jeweils einen p- und einen n-dotierten Schenkel elektrisch leitend verbinden. Die Leiterplättchen jeder Seite bilden eine Ebene, in der im Wesentlichen direkt eine Wärmetauscherplatte kontaktiert wird. Eine ähnliche Anordnung von parallel ausgerichteten p- und einen n-dotierten Schenkeln, die mit Elektrodenplättchen aus Stahl oder einer Stahllegierung elektrisch leitend miteinander verbunden sind, ist aus der US 6,759,586 B2 bekannt.
Weiters ist aus der WO 2008/155406 A2 ein thermoelektrischer Generator zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie bekannt, welcher mit mehreren zu einem Modul zusammengeschalteten Peltierelementen ausgestattet ist, die zwischen einer Wärmequelle und einer Wärmesenke angeordnet sind. Jedes Peltierelement besteht aus einem p-dotierten Schenkel und einem n-dotierten Schenkel, die parallel zueinander angeordnet und an deren Enden durch Elektroden elektrisch leitend verbunden sind. Sowohl die p-dotierten als auch die n-dotierten Schenkel der einzelnen Peltierelemente weisen unterschiedliche Materialien auf, deren Wirkungsgrad im Hinblick auf unterschiedliche Temperaturwerte an den Kontaktstellen der einzelnen Peltierelemente zur Wärmequelle optimiert ist. Für Hochtemperaturanwendungen werden in den p-dotierten Schenkeln Fe-basierte Skutterudite, beispielsweise Ce0.9Fe3CoSbi2, oder Ybo.75Fe3.5- Nio.5Sbi2 und in den n-dotierten Schenkeln Co-basierte Skutterudite, beispielsweise YbyCo4-xPtxSbi2, oder Ba0.3Cθ3.95Ni0.o5Sbi2 verwendet.
Als Folge der parallelen Anordnung der einzelnen Schenkel ist die Einhaltung von sehr geringen Fertigungstoleranzen erforderlich, um eine ebene Kontaktfläche zu den Kontaktelektroden bzw. den Wärmetauscherelementen kostengünstig mittels vorgeformter Kontakt- oder Elektrodenelemente herstellen zu können. So sind hier Fertigungstoleranzen im Bereich von lOμm erforderlich, was hohe Anforderungen an die Feinbearbeitung der p- und n- Schenkel nach sich zieht. Insbesondere bei Hochtemperaturanwendungen werden für die Schenkel bevorzugt Materialien, wie beispielsweise die eingangs erwähnten Skutterudite, verwendet, die nur mit größerem Aufwand einer Feinbearbeitung zugeführt werden können.
Die JP 05-299704 A zeigt ein Thermomodul, dessen b- und n-dotierte Schenkel paarweise V-förmig angeordnet sind, wobei die gegenüberliegenden Enden der Schenkel mittels Kontaktelementen elektrisch leitend verbunden sind. Zur Erzielung einer speziellen Temperaturverteilung an einem Ende der Schenkel bilden diese einen in Bezug auf die Kontaktelemente normal ausgerichteten Spaltbereich aus, der teilweise von einem oberhalb der Mitte der Schenkel angeordneten Verbindungselement überbrückt wird. Die einzelnen Schenkel weisen dadurch eine kompliziert herzustellende Form auf, mit einer Schrägfläche an einem Ende und zwei einen Winkel von 90° einschließenden Schrägflächen am anderen Ende (prismatische Struktur mit fünfseitiger Grundfläche). Diese Form ist nicht nur in der Herstellung von Nachteil, sondern auch im Hinblick auf eine inhomogene Stromliniendichte, sowie eine unregelmäßige Temperaturverteilung innerhalb der Schenkel.
Aus der JP 2007-294689 A ist ein Thermomodul mit parallel angeordneten Schenkeln (TEG-Legs) bekannt bei welchen ein geringfügiger Toleranzausgleich nur dann möglich, wenn TEG-Legs mit abgeschrägten Endflächen verwendet werden, die an entsprechend abgeschrägten elektrischen Kontaktelementen anliegen. Bei einer räumlichen Anordnung mehrerer b- und n-dotierte Schenkel kommt eine Vielfalt von unterschiedlich zu bearbeitenden TEG-Legs (trapezförmige Prismen, rhombische Prismen und Prismen mit zueinander verdreht angeordneten schrägen Endflächen) zum Einsatz, wodurch ein erheblicher Mehraufwand beim Herstellen und Anordnen der einzelnen Legs gegeben ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend von bekannten thermoelektrischen Modulen, Verbesserungen vorzuschlagen, mit welchen die Herstellung von thermoelektrischen Modulen vereinfacht werden kann, wobei die Anforderungen an die Genauigkeit der einzelnen TEG-Legs sowie der übrigen Bauteile minimiert werden sollen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäße dadurch gelöst, dass die elektrisch leitenden Kontaktelemente in Form eines Doppelkeils ausgebildet sind, dessen beide Keilflächen mit der Basisfläche der Kontaktelemente jeweils einen spitzen Winkel einschließen, der dem Kippwinkel der einzelnen Schenkel entspricht. Es können dadurch einfach herzustellende, quaderförmige Schenkel ohne Feinbearbeitung verwendet werden. Weiters können gleichartige, vorgefertigte Kontaktelemente eingesetzt werden, die beispielsweise durch Löten, Thermokompression oder Diffusionsschweißen elektrisch leitend mit den p- und n-dotierten Schenkeln verbunden werden.
Bevorzugt weisen die einzelnen Schenkel einen Kippwinkel zwischen 5° und 15° auf. Durch die erfindungsgemäße V-Stellung der einzelnen, quaderförmigen Schenkel kann deren Länge mit Hilfe der Kontaktelemente in Form eines Doppelkeils an eine vorgegebene Modul-Höhe angepasst werden, so dass auf einfache Weise ein Toleranzausgleich möglich ist. Durch den Entfall einer mechanischen Feinbearbeitung der einzelnen quaderförmigen Schenkel und das Zulassen einer Längentoleranz im Bereich von 50μm, bei einer typischen Gesamtlänge der Schenkel von ca. 3 bis 7 mm, kann die Herstellung wesentlich vereinfacht werden, da nach der Formgebung der Schenkel (z.B. durch Pressen oder Sintern), eine nachfolgende Feinbearbeitung entfallen kann und eine allfällige Einteilung in Längenklassen ebenfalls entfällt, bzw. vereinfacht wird.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die p- und n-dotierten Schenkel eines Moduls in mehreren parallelen Reihen angeordnet sind, wobei zur Verbindung zweier benachbarter Reihen ein Ausgleichs-Kontaktelement in Form eines Doppelkeils mit parallel ausgerichteten Keilspitzen vorgesehen ist, dessen beide Kontaktflächen mit der Basisfläche einen spitzen Winkel einschließen, der dem Kippwinkel entspricht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante können die p- und n-dotierten Schenkel eines Hochtemperatur-Moduls aus einem für Temperaturen über 4000C beständigen Material, beispielsweise aus Fe-basierten bzw. Co-basierten Skutte- ruditen bestehen.
Bevorzugt werden dann Kontaktelemente aus einem temperaturfesten Material mit mittlerer elektrischer Leitfähigkeit im Bereich von l*106 bis 10*106 Sm"1 und einer mittleren thermischen Leitfähigkeit im Bereich von 10 bis 40 Wm-1K"1 eingesetzt, die beispielsweise aus einfach bearbeitbarem, legiertem Stahl bestehen können.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von zum Teil schematischen Darstellungen näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein thermoelektrisches Modul in einer Schnittdarstellung gemäß Stand der Technik,
Fig. 2 ein erfindungsgemäßes thermoelektrisches Modul in einer Schnittdarstellung gemäß Fig. 1,
Fig. 3 ein Detail aus Fig. 2 in einer dreidimensionalen Darstellung,
Fig. 4 eine Vorrichtung zur Herstellung eines thermoelektrischen Moduls gemäß Fig. 2 in einer dreidimensionalen Darstellung, Fig. 5 eine Variante des thermoelektrischen Moduls gemäß Fig. 2 in einer dreidimensionalen Darstellung,
Fig. 6 ein Detail der Variante gemäß Fig. 5 in einer vergrößerten Darstellung sowie die
Fig. 7 bis 9 eine Gegenüberstellung bekannter Ausführungen (Fig. 7 und Fig. 8) im Vergleich mit der Erfindung (Fig. 9).
Fig. 1 zeigt ein thermoelektrisches Modul 1 gemäß Stand der Technik mit parallel angeordneten p- und n-dotierten Schenkeln 2, 3 (P- und N-Legs), wobei jeder Schenkel aus einem von zwei thermoelektrischen Werkstoffen besteht und zwei einander gegenüberliegende Enden aufweist, die jeweils mit einem elektrisch leitenden Kontaktelement 4, 5 mit einem benachbarten Schenkel zusammengeschaltet sind. Die Anordnung ist dergestalt, dass die Schenkel 2, 3 elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die einzelnen Kontaktelemente 4, 5 sind - gegebenenfalls über einen Haftverbinder 13 - im Wesentlichen direkt mit nicht weiter spezifizierten Wärmetauscherelementen 11, 12 verbunden. Beispielsweise kann als Wärmetauscherelement 11 ein Kühlmittelwärmetauscher und als Wärmetauscherelement 12 ein Abgaswärmetauscher eingesetzt sein. Bei zu großen Längentoleranzen der einzelnen Schenkel 2, 3 können Mängel in der thermischen Kontaktierung auftreten, wodurch der Wirkungsgrad des Moduls verschlechtert wird.
Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes thermoelektrisches Modul 1, bei welchem die p- und n-dotierten Schenkel 2, 3 paarweise in einer V-Stellung angeordnet sind. Die jeweils einander zugeneigten Enden der quaderförmigen Schenkel 2, 3, deren Seitenflächen normal aufeinander stehen, liegen an den elektrisch leitenden Kontaktelementen 4, 5 satt an, wobei diese - wie in Fig. 3 im Detail darstellt - prismatisch, in Form eines Doppelkeils ausgebildet sind, bei welchem die Keilspitzen 10, 10' in entgegengesetzte Richtungen weisen. Es werden somit zwei Keilflächen 6, 6' gleicher Neigung ausgebildet, die mit der Basisfläche 7 des Doppelkeiles einen Winkel einschließen, der dem Kippwinkel α der einzelnen Schenkel 2, 3 entspricht. Der Kippwinkel α (Winkelabweichung von der Parallelstellung) ist für alle Elemente und Doppelkeile eines thermoelektrischen Moduls gleich und liegt vorzugsweise zwischen 5° und 15°. Die V-Stellung weist somit eine Öffnungswinkel von 2α auf. Zwischen den Kontaktelementen 4, 5 und den jeweils zugeordneten Wärmetauscherelementen 11, 12 kann eine möglichst dünne elektrisch isolierende Schicht 13 mit guter thermischer Leitfähigkeit angeordnet sein.
Wie in Fig. 4 dargestellt, kann bei der Herstellung des thermoelektrischen Moduls auf einfache Weise ein Toleranzausgleich zur Behebung von Maßungenauigkeiten in der Länge der Schenkel 2, 3 bewirkt werden. Dazu bedient man sich einer Schablone mit zwei parallel angeordneten Führungselementen 14, mit welchen die Höhe des herzustellenden thermoelektrischen Moduls vorgegeben wird. Dabei wird zunächst eine erste Einheit, bestehend aus einem unteren Kontaktelement 5 und einem p-dotierten Schenkel 2, zwischen die Führungselemente 14 eingeschoben und eine zweite Einheit, bestehend aus einem n-dotierten Schenkel 3 mit einem oberen Kontaktelement 4, nachgeschoben, bis durch eine Verschiebung auf der Keilfläche 6' die eingeschobene Einheit satt am oberen Führungselement 14 anliegt. Danach wird in weiterer Folge eine dritte Einheit, bestehend aus einem unteren Kontaktelement 5 und einem p-dotierten Schenkel 2, wie mit Pfeil 15 angedeutet, eingeschoben. Dieser Vorgang wird solange fortgesetzt, bis die gewünschte Anzahl an paarweise angeordneten p- und n-dotierten Schenkeln 2, 3 erreicht ist. Geringfügige Längenunterschiede der Schenkel 2, 3 können durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen durch kleine, die Funktion des Moduls nicht beeinflussende Differenzen der mittleren Abstände der Schenkel 2, 3 kompensiert werden.
Fig. 5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsvariante, bei welcher die p- und n-dotierten Schenkel 2, 3 eines Moduls 1 in vier parallelen Reihen 8 angeordnet sind, wobei hier zur Verbindung zweier benachbarter Reihen 8 ein Ausgleichs-Kontakt- element 9 in Form eines speziellen Doppelkeils vorgesehen ist. Ein Doppelkeil 9 ist im Detail in Fig. 6 dargestellt und ist mit parallel ausgerichteten Keilspitzen 10, 10' ausgestattet, wobei auch hier die Keilflächen 6, 6' mit der Basisfläche 7 einen spitzen Winkel einschließen, der dem Kippwinkel α entspricht. Als Ausgleich für allfällige Längenunterschiede der einzelnen Reihen 8 weisen die beiden Keile des Doppelkeils unterschiedliche Längen auf. Die Ausgleichs-Kontaktelement 9 können auch als elektrische Anschlusselemente des Moduls verwendet werden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung wird in den Fig. 7 bis 9 thematisiert. Fig. 7 zeigt eine herkömmliche parallele Anordnung der Schenkel 2, 3 zwischen den Kontaktelementen 4, 5, die hier als dünne Plättchen eines Materials mit hoher thermischer und elektrischer Leitfähigkeit dargestellt sind. Beispielsweise können hier die elektrischen Kontaktelemente aus Silber, Kupfer, Aluminium, etc. bestehen, die eine elektrische Leitfähigkeit > 60*106 Sm"1 und eine thermische Leitfähigkeit > 200 Wm-1K"1 aufweisen. Für Hochtemperaturanwendungen sind allerdings viele der bekannte Leitermaterialien nicht geeignet, da diese Materialien mit den Materialien der TEG Schenkel nicht dauerhaft kompatibel sind. Der Temperaturgradient wird entlang einer Gesamthöhe H betrachtet, die sich aus h_el des oberen Kontaktelements 4, h_leg des Schenkels 2 und h_el des unteren Kontaktelements 5 zusammensetzt, wobei in diesem Fall h_el < < h_leg gilt.
Fig. 8 zeigt nun ein thermoelektrisches Modul für Hochtemperaturanwendungen, mit parallelen TEG-Schenkeln 2, 3 aus Hochtemperaturmaterialien, wobei hier die Kontaktelemente 4, 5 beispielsweise aus einer Stahllegierung bestehen und nur eine mäßige thermische (ca. 10 bis 40 Wm-1K"1) bzw. elektrische Leitfähigkeit (l*106 bis 10*106 Sm"1) aufweisen. Die Kontaktelemente müssen daher bei gegebener Strombelastung dicker ausgeführt werden, wobei hier für den Temperaturgradienten bei der parallelen Anordnung eine Höhe H = h_leg + 2*h_el wirksam ist.
Die in Fig. 9 dargestellte V-Anordnung hat den Vorteil, dass die Kontaktelemente 4, 5 als Doppelkeil ausgebildet sind, wobei an der Stelle der größten Strombelastung (zwischen den einander zugeneigten Enden der Schenkel 2, 3) der größte Querschnitt aufscheint und die für den Temperaturgradienten wirksame Höhe H = h_leg + l*h_el ist, wenn man zweimal die halbe Keilhöhe berücksichtigt. Der vorhandene Temperaturgradient kann somit durch die V-Stellung besser ausgenützt werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Thermoelektrisches Modul (1) mit paarweise angeordneten p- und n-dotier- ten Schenkeln (2, 3), die an gegenüberliegenden Enden über elektrisch leitende Kontaktelemente (4, 5) in Reihe geschaltet sind, wobei die p- und n- dotierten Schenkel (2, 3) paarweise in einer V-Stellung angeordnet sind und die jeweils einander zugeneigten Enden der Schenkel (2, 3) mittels der Kontaktelemente (4, 5) elektrisch leitend verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitenden Kontaktelemente (4, 5) in Form eines Doppelkeils ausgebildet sind, dessen beide Keilflächen (6, 6') mit der Basisfläche (7) der Kontaktelemente (4, 5) jeweils einen spitzen Winkel einschließen, der dem Kippwinkel (α) der einzelnen Schenkel (2, 3) entspricht.
2. Thermoelektrisches Modul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Schenkel (2, 3) einen Kippwinkel (α) zwischen 5° und 15° aufweisen.
3. Thermoelektrisches Modul (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitenden Kontaktelemente (4, 5) prismatisch ausgebildet sind und entgegengesetzt ausgerichtete Keilspitzen (10, 10') aufweisen.
4. Thermoelektrisches Modul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die p- und n-dotierten Schenkel (2, 3) eines Moduls (1) in mehreren parallelen Reihen (8) angeordnet sind, wobei zur Verbindung zweier benachbarter Reihen (8) ein Ausgleichs-Kontaktelement (9) in Form eines Doppelkeils mit parallel ausgerichteten Keilspitzen (10, 10') vorgesehen ist, dessen beide Kontaktflächen (6, 6') mit der Basisfläche (7) jeweils einen spitzen Winkel einschließen, der dem Kippwinkel (α) entspricht.
5. Thermoelektrisches Modul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisflächen (7) der Kontaktelemente (4, 5) parallele Kontaktflächen zu angrenzenden Wärmetauscherelementen (11, 12) bilden.
6. Thermoelektrisches Modul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die p- und n-dotierten Schenkel (2, 3) eines Hochtemperatur-Moduls (1) aus einem für Temperaturen über 4000C beständigen Material, beispielsweise aus Fe-basierten bzw. Co-basierten Skutteru- diten bestehen.
7. Thermoelektrisches Modul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente (4, 5) aus einem temperatur- festen Material mit mittlerer elektrischer Leitfähigkeit im Bereich von l*106 bis 10*106 Sm"1 und einer mittleren thermischen Leitfähigkeit im Bereich von 10 bis 40 Wm-1K"1, beispielsweise aus legiertem Stahl, bestehen.
2010 06 08
Lu/Sc
PCT/EP2010/058036 2009-06-09 2010-06-08 Thermoelektrisches modul mit paarweise angeordneten p- und n-dotierten schenkeln WO2010142699A2 (de)

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