WO2015124343A1 - Verbesserungen betreffend kontaktbrücken thermoelektrischer bauelemente - Google Patents

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WO2015124343A1
WO2015124343A1 PCT/EP2015/050929 EP2015050929W WO2015124343A1 WO 2015124343 A1 WO2015124343 A1 WO 2015124343A1 EP 2015050929 W EP2015050929 W EP 2015050929W WO 2015124343 A1 WO2015124343 A1 WO 2015124343A1
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WO
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contact bridge
substrate
thermoelectric component
component according
thermoelectric
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/050929
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jens Busse
Sascha Hoch
Magdalena KERN
Mareike GIESSELER
Thorsten Schultz
Patrik Stenner
Original Assignee
Evonik Degussa Gmbh
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Filing date
Publication date
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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 component having an electrically and thermally insulating substrate arranged between a hot side and a cold side, having at least two thermoelectric active material thermo legs extending through the substrate from the hot side to the cold side, and located on one of the Both sides are electrically contacted by means of a contact bridge with each other and thus form a thermocouple, and its use,
  • thermoelectric component is an energy converter, which converts thermal energy into electrical energy by utilizing the thermoelectric effect described by Peltier and Seebeck. Since the thermoelectric effect is reversible, each thermoelectric component can also be used for the conversion of electrical energy into thermal energy: so-called Peltier elements serve under electrical power consumption for cooling or heating of objects. Peltier elements are therefore also understood as thermoelectric components in the context of the invention.
  • Thermoelectric devices used to convert thermal energy into electrical energy are often referred to as thermoelectric generators (TEGs). Examples and introductions to thermoelectric devices can be found at:
  • thermoelectric components A simple and economically favorable process for the production of thermoelectric components is described in WO 2013/144106 A2.
  • thermoelectrically active materials For example, alloys from the class of semiconducting bismuth tellurides (in particular with additional amounts of selenium and / or antimony) from which - on the one hand p-type and on the other hand n-type doped - a thermocouple can be constructed are suitable for commercial use.
  • thermoelectrically active classes are: semi-Heusler materials,
  • Silicon germanides especially germanium-based. Beside these
  • thermoelectric devices Semiconductor materials are also thermoelectric devices
  • thermocouples for temperature measurement is the case, for.
  • Ni-CrNi Ni-CrNi.
  • thermoelectric devices typically have a plurality of closely spaced and spaced thermal legs which
  • thermocouples alternately consisting of n- and p-doped semiconductor material.
  • these legs In order to form active thermocouples, these legs must be mutually connected to one another electrically, so that typically a series connection of alternately n- and p-doped semiconductor legs is produced.
  • the electrical connection of each two semiconductor legs to a thermocouple is referred to as a contact bridge.
  • the outer termination of the TE component usually forms a cladding layer of electrically insulating ceramic materials or polymers.
  • a conventional TE device consists of different layers of mechanically bonded together materials, which often have very different thermal expansion coefficients.
  • a high temperature gradient is perpendicular to this layer structure in the operating state. All this leads to high
  • thermomechanical stresses in and at the joints between the individual materials To counteract mechanical damage to cracking, delamination and / or deformation, either sufficiently elastic intermediate layers must be provided, or the components must be dimensioned sufficiently massive to withstand.
  • the outermost layers on both sides of a TE component which are intended to ensure electrical insulation to the outside and protection against the effects of substances on the internal current-carrying components, are not firmly connected to the underlying contact bridges, but only applied to them or over them elastic adhesive layers or thermal compounds connected.
  • thermo-mechanical shear stresses between these insulating layers usually made of ceramic materials, with low thermal expansion coefficients
  • the underlying contact bridges made of highly electrically conductive metals, usually with very high thermal expansion coefficients
  • the heat transfer between the outside of the TE device and its internal semiconductor structures suffers significantly.
  • the TE component as a thermoelectric generator part of the externally available temperature gradient for the conversion in thermoelectrically active inner part lost, so that the efficiency and the achievable electrical power decline.
  • thermoelectric components of the type mentioned is known from WO2008061823A1.
  • a special feature of these components is that extend its thermo legs through a so-called substrate, which thus separates the hot side of the cold side. This allows a particularly cost-effective production.
  • the substrate still has good thermal insulation effect, such a thermoelectric device also has an improved electrical efficiency under the same given hot and cold side conditions over conventional
  • thermoelectric device has thermoelectric components.
  • this thermoelectric device also has the disadvantages described above. In the light of this prior art, it is an object of the invention
  • thermoelectric device that avoids such disadvantages.
  • the contact bridge Preferably executed cranked, that is, it preferably has at least one convolution or curvature, so that the contact bridge extends not only planar orthogonal to the macroscopic heat flow direction through the TE device, but also has a preferably variable extension in the direction of heat flow.
  • the contact bridge has on its side facing the hot side and / or the cold side to a surface whose surface area is greater than the surface area of a lying in the substrate plane comparison surface, which by an imaginary
  • the contact bridge according to the invention is designed so that it extends between the contact surfaces of both associated thermo legs along a path which is longer than the shortest possible path between these two contact surfaces.
  • the contact bridges thus no longer necessarily form a planar surface orthogonal to the direction of the heat flow flowing through the thermoelectric component.
  • the areas of the contact bridges according to the invention which are located between the attachment zones to the TE-legs, protrude from this imaginary plane or into this imaginary plane (see figures).
  • the former is hardly compatible with the construction of a conventional TE component in which electrically insulating plates / layers rest on the contact bridges and form the outer shell of the components.
  • a component with a substrate that fixes the TE legs should have a sufficiently large free space between the outside of the substrate and the contact bridge, which is most easily achieved by the TE legs together with the front side diffusion barrier layer and electrical connection layer (eg solder). protrude from the substrate plane, or the contact bridge itself should be formed in side section, for example, M-shaped, with parallel to Heat flow direction formed legs, which make contact with the TE thighs.
  • Overflow through a heat transfer medium may additionally result in turbulence zones.
  • Efficiency of the TE device may increase. However, it is important that, if necessary, be avoided by external protective coatings and / or waterproofing chemical or physical attacks and / or undesirable effects on the components of the TE component. Also, the electrical resistances in the inventively designed contact bridges must be kept low; For this, it may be necessary to compensate for an extended path for current flow through larger material cross-sections or the selection of materials with even lower resistivities.
  • thermomechanical stresses General concept of the invention and therefore the subject of the invention is a
  • thermoelectric device having an electrically and thermally insulating substrate disposed between a hot side and a cold side, having at least two thermoelectric active material thermo legs extending through the substrate from the hot side to the cold side, and having one of the two sides
  • Contact bridge are electrically contacted with each other and thus form a thermocouple, which is characterized in that the contact bridge on its hot side and / or cold side facing side has an (enlarged) surface whose surface area is greater than the surface area of a lying in the substrate plane comparison surface , which is formed by an imaginary (vertical) projection of the contact bridge on the substrate plane (or in other words: the area of the surface, which is formed by an imaginary contour of the contact bridge on the substrate plane must be smaller al s the
  • Another important basic idea of the invention is to provide the contact bridge with a triple function, namely with the electrical contacting of the thermo leg to the construction of the thermocouple, with the compensation of
  • thermoelectric component according to the invention can therefore also be understood as a thermoelectrically active heat exchanger, in contrast to systems with conventional thermoelectric
  • thermoelectric device can be used as a heat pump with no moving parts that absorb electrical power
  • the thermoelectric device has a contact bridge, which is not flat, preferably such a contact bridge having an elevation from the plane, which may face the substrate or facing away from the substrate.
  • Particularly preferred components according to the invention have a contact bridge, which forms a loop, dimple or bulge, which may face the substrate or be remote from the substrate.
  • Such a contact bridge can be produced particularly easily by means of forming technology.
  • the sling can also be parallel to
  • the contact bridge is cranked or bent executed.
  • Inner sides of the bends can facilitate production (bending / folding) of the contact bridges, and further improve the bending flexibility / elasticity of the component in the installed state.
  • Fillets in such a configuration are easy to manufacture. However, they increase the susceptibility to corrosion and make it difficult to apply a closed protective coating.
  • thermoelectric component according to the invention may have a contact bridge, in which the surface of the contact bridge at least partially
  • Structuring is preferably formed from elevations and / or depressions, has.
  • the contact bridge is embodied as a rib, it preferably has an at least partially, preferably three-dimensionally structured surface, with it the heat transfer between the heat transfer fluid and contact bridge is further improved.
  • a three-dimensionally structured surface can be achieved simply by roughening.
  • thermoelectric components according to the invention have a
  • Contact bridge which extends between the two thermo legs along a path, preferably a path which corresponds to the distance measured in the substrate plane of the two thermo legs or longer and has at least one comb, preferably at least one of the
  • the contact bridge preferably has at least one comb extending along the path and pointing away from the substrate plane.
  • inventive thermoelectric Preferably inventive thermoelectric
  • Components have a contact bridge, which advantageously has a U, M, I, T or double T-shaped cross-section, preferably a U-shaped cross-section, wherein preferably at least one of the legs facing away from the substrate plane forms a comb.
  • a contact bridge which advantageously has a U, M, I, T or double T-shaped cross-section, preferably a U-shaped cross-section, wherein preferably at least one of the legs facing away from the substrate plane forms a comb.
  • a U-shaped cross-section one or both, preferably both, of the legs of the U, which are preferably of the
  • Line welding (or other material connection) have a partial decoupling of the functions "electrical line” and “thermal conduction heat input” have. In this way, a shorter path for the stream can be realized.
  • the material of the substrate may be selected from a wide variety of suitable materials.
  • the substrate may be flat, kinked, curved or bent.
  • the substrate may be inflexible / inflexible or flexible / bendable. If the substrate is flexible or bendable, the inventive
  • thermoelectric device in a simple way the structural conditions be adjusted.
  • Preferred thermoelectric components according to the invention are those in which the substrate is symmetrical with respect to the substrate plane, and is preferably flat, bent, curved or bent.
  • thermoelectric component according to the invention has a preferably substantially parallel to the substrate, preferably the contract bridges at least selectively contacting shell layer.
  • the cladding layer is designed in such a way that a space extending between the cladding layer and the substrate is bounded, through which the contact bridge extends. It may be advantageous if this space is filled with a standing or flowing heat transfer fluid.
  • thermoelectric device in addition to or instead of the cladding layer, the thermoelectric device according to the invention with a contact bridges and / or the substrate, preferably the contact bridge and the substrate, particularly preferably the entire component (with the exception of the electrical supply and discharge lines) electrically insulating, preferably against media present be provided resistant coating.
  • the coating layer and / or the coating may, for.
  • a thermoplastic polymer such as polyethylene, polypropylene, polyamide, or aluminum nitride contain or consist of or on an alkoxysilane-containing composition, such as tetraethoxysilane-containing compositions based.
  • Cladding layer is preferably formed by a component made of a plastic.
  • the coating may, for. B. be formed by a paint, a potting compound, a film or a deposit.
  • thermoelectric components according to the invention can be provided with the cladding layer and / or a coating by known technical methods.
  • the cladding layer may in particular by techniques such. As pressing or sticking or foil deep drawing can be applied.
  • the coating may, for. B. be applied by spraying, dipping or deposition.
  • a particular embodiment of the invention provides an enveloping layer arranged essentially parallel to the substrate, which contacts the contact bridge at its
  • Heat exchange between fluid and thermo leg is particularly effective.
  • thermoelectric components according to the invention can be carried out as described in the prior art.
  • the production of the thermoelectric components according to the invention preferably takes place as described in WO 2013/144106 A2, to which reference is made, in particular with regard to the materials used and the production method of the individual components and the joining to the thermoelectric component.
  • the heat transfer fluid is in particular when it is necessary to couple the heat from outside the cladding layer in the contact bridge; The heat transfer fluid then has only the task here, in the free space between the substrate, cladding and
  • standing fluid also be a curing or cured polymer or a potting compound, which requires only a certain viscosity or flowability for the introduction into the previously free space.
  • the heat can also be actively transported via the heat transfer fluid to the contact bridges.
  • a thanks to external drive (eg pump) flowing heat transfer fluid is selected.
  • heat transfer fluid are preferably liquid or gaseous media into consideration, which have a high specific heat capacity, such as, for example, water, alcohol, oils based on hydrocarbons or silicone. It can also be used as a heat transfer fluid air. Although air does not have a high heat capacity, it is often simple, inexpensive and clean, so the disadvantage of its low heat capacity
  • thermoelectric component can be used as a thermoelectric generator, that is, for converting a heat flow from the hot side to the cold side into an electric power.
  • the tension is picked off at the thighs. In this way, heat energy can be converted into electrical energy.
  • the TEG according to the invention can be used for the exploitation of low calorific heat sources such as groundwater, ground heat, exhaust air, exhaust gases, waste water or warm cooling water.
  • low calorific heat sources such as groundwater, ground heat, exhaust air, exhaust gases, waste water or warm cooling water.
  • heat fluxes are common in nature and in technology and have hitherto been able to do so due to their low volatility
  • thermoelectric use is possible with the present invention.
  • thermoelectric device can be used to convert an electrical power into a heat flow from the cold side to the hot side, ie as a heat pump.
  • the heat pump is particularly suitable for hot water in the home, accordingly, to be heated water is placed on the hot side and ambient air on the cold side. The water can then be heated electrically efficient energy.
  • the invention is therefore also a plant for
  • Hot water preparation which has a thermoelectric component according to the invention. Conversely, one is also in a system for water heating
  • inventive thermoelectric device object of the invention If available, the above-mentioned low calorific heat sources can be used instead of ambient air for water heating.
  • thermocouple formed of two by means of a contact bridge electrically contacted with each other, spaced from each other extending thermo legs from
  • the contact bridge is designed so that it has on its side facing the hot side and / or the cold side a surface whose surface area is greater than the area of lying in the substrate plane comparison surface which by an imaginary ( vertical) projection of the contact bridge is formed on the substrate plane.
  • the contact bridge extends between the two thermo legs along a path which is longer than the shortest between the two thermo legs
  • Thermo legs measured distance.
  • Figure 1 first embodiment with slightly cranked contact bridge
  • FIG. 2 second embodiment with a heavily cranked contact bridge
  • FIG 3 as Figure 2, but with fillets
  • Figure 4 fourth embodiment with wrapped inside
  • FIG 5 as Figure 4, but with reinforced bridgehead
  • FIG. 6 as in FIG. 5, but with the contact bridge wound outwards
  • Figure 7 single thermocouple with cranked contact bridge.
  • the first embodiment of the thermoelectric component according to the invention is shown in FIG. It comprises a substrate 1 made of an electrically and thermally insulating material such as a ceramic, a polymer or a composite material.
  • the substrate 1 is a substantially flat structure, in the simplest case a flat plate.
  • the substrate 1 separates a hot side 2 from a cold side 3 of the thermoelectric device.
  • the substrate may also be curved.
  • the flat portion of the substrate shown in the figures can then be understood as an infinitesimal part of a curved substrate, so that the geometric described here
  • thermo legs 4n, 4p Inserted into the substrate 1 are two thermo legs 4n, 4p, of which the first 4n consists of an n-doped thermoelectrically active semiconductor material, such as bismuth telluride.
  • the second thermo leg 4p consists of the
  • thermo legs 4n, 4p extend perpendicular to the plane of the substrate 1 through the latter from the hot side 2 to the cold side 3.
  • the two thermo legs 4n, 4p are electrically connected to a thermocouple. This is done via a contact bridge 5 made of an electrically and thermally conductive material such as silver, copper or aluminum.
  • the contact bridge 5 is soldered to the thermo legs 4n, 4p (but could also be attached elsewhere).
  • a barrier layer 7 z. B. may consist of nickel, which prevents diffusion of the solder 6 in the semiconductor material.
  • the contact bridge 5 extends between the two thermo legs 4n, 4p along a path W which is longer than the distance d measured along the substrate 1 of the two thermo legs 4n, 4p. The reason for this is a loop 8 of the contact bridge 5, with which the contact bridge 5 away from the substrate 1.
  • thermo legs 4n, 4p Tapping on thermo legs 4n, 4p.
  • thermo legs By applying an electrical voltage to the thermo legs, a heat flow from the cold side to the hot side can be induced.
  • thermoelectric element then works as a heat pump, d. H. as a cooling element with respect to the cold side and as a heating element with respect to the hot side.
  • the substrate consists of a thermally insulating material.
  • the thermal conductivity of the substrate material is lower than that of the thermoelectric active material. This has the effect that hardly any heat exchange takes place between the hot side and the cold side over the substrate itself, but predominantly, preferably exclusively, via the thermo legs.
  • thermoelectric device is therefore much more efficient, since almost the entire heat flow between the hot and cold side is thermoelectrically used.
  • the substrate material must avoid a thermal short circuit between hot and cold side.
  • thermocouples provided. These are usually connected in series by means of associated contact bridges in order to achieve a higher electrical voltage.
  • 4p contact bridges 5 on both the hot and on the cold side.
  • thermocouples with a contact bridge 5 has been shown on the hot side.
  • Figure 2 shows a second embodiment of the invention, in which the contact bridge 5 is more cranked than in Fig .1, resulting in a further significant extension of the path W along which the contact bridge 5 extends, with respect to the distance d of the thermo legs 4n, 4p results ,
  • the contact bridge 5 thus has a large surface in contact with a heat transfer fluid 9.
  • the surface of the contact bridge 5 can roughened or otherwise structured in three dimensions to further increase the surface and thus to further improve the heat exchange between the heat transfer fluid 9 and the contact bridge 5.
  • this embodiment has been developed to the effect that the contact bridge 5 has been provided inside bend with grooves 10 in order to improve the bending ability of the contact bridge 5 on.
  • the contact bridge 5 can respond better to thermal stresses caused by different expansion coefficients of the materials of substrate 1 contacted with one another, thermoelectric active material 4n, 4p, nickel barrier 7, solder 6 and contact bridge 5.
  • the outwardly bent contact bridge 5 acts like a
  • FIG 4 shows a further embodiment of the invention is shown, which is characterized by an outer shell layer 1 1.
  • the cladding layer 1 1 is used for electrical insulation and encapsulation of the thermoelectric device. she can
  • the cladding layer 1 1 extends substantially parallel to the substrate 1 and lies on the
  • Bridgeheads 12 of the contact bridge 5 on.
  • a cavity 13 is formed between the cladding layer 1 1 and substrate 1, through which extends the inwardly facing loop 8 of the contact bridge 5 extends.
  • the cavity 13 can be flooded with a stationary or flowing heat transfer fluid. The flow can also be done from the outside.
  • the contact bridge in the region of their bridgeheads 12 each provided with a base 14. This allows an extension of the loop and thus the path length of the contact bridge and additionally one
  • the cavity 13 is filled with a heat transfer fluid 9.
  • the loop 8 can also be bent outwards so that it faces away from the substrate 1.
  • the pedestals 14 are accordingly to be arranged between the bridgehead 12 and the envelope 1 1.
  • thermoelectric device as a heat pump in a plant for water heating.
  • water to be heated on the hot side 2 on either side of or beyond any enveloping layer is provided as the heat transfer fluid 9.
  • On the cold side 3 is ambient air or other available low caloric heat source.
  • the thermoelectric device then works like a heat pump, but comes without moving parts, especially compressors, and without
  • the system may be provided with an additional, alternative heating for the water to be heated, such as an electrical resistance heater or a gas or oil burner.
  • thermoelectric component then serves rather for additional energy-efficient heating of the boiler water by utilizing the in the ambient air
  • FIG. 7 shows that the contact bridges which are advantageously designed according to the invention can also be used without a substrate in a thermocouple formed from two thermo-legs 4n, 4p made of thermoelectrically active material which are electrically connected to one another by means of a contact bridge 5, in which the contact bridge 5 between the extends two thermo legs 4n, 4p along a path W, which is longer than the shortest measured between the thermo legs distance d.
  • the thermo legs do not have to run parallel.
  • thermo leg (p-type)

Landscapes

  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Bauelement mit einem zwischen einer Heißseite und einer Kaltseite angeordneten, elektrisch und thermisch isolierenden Substrat, mit zumindest zwei Thermoschenkeln aus thermoelektrisch aktivem Material, die sichdurch das Substrat hindurch von der Heißseite zu der Kaltseite erstrecken, und welche auf einer der beiden Seiten mittels einer Kontaktbrücke elektrisch miteinander kontaktiert sind und so ein Thermopaar bilden, sowie dessen Verwendung, insbesondere in einem Wasserkessel. Es ist Aufgabe der Erfindung ein thermoelektrisches Bauelement anzugeben, welches Probleme mit thermomechanischen Spannungen zwischen unterschiedlichen Werkstoffen vermeidet und die Wärmeeinkopplung verbessert. Zur Lösung dieser Aufgabe wird die Kontaktbrücke so ausgestaltet, dass sie auf ihrer der Heißseite und/oder der Kaltseite zugewandten Seite eine Oberfläche aufweist, deren Flächeninhalt größer ist als der Flächeninhalt einer in der Substratebene liegenden Vergleichsfläche, welche durch eine gedachte (senkrechte) Projektion der Kontaktbrücke auf die Substratebene gebildet wird.

Description

Verbesserungen betreffend Kontaktbrücken thermoelektrischer Bauelemente
Die Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Bauelement mit einem zwischen einer Heißseite und einer Kaltseite angeordneten, elektrisch und thermisch isolierenden Substrat, mit zumindest zwei Thermoschenkeln aus thermoelektrisch aktivem Material, die sich durch das Substrat hindurch von der Heißseite zu der Kaltseite erstrecken, und welche auf einer der beiden Seiten mittels einer Kontaktbrücke elektrisch miteinander kontaktiert sind und so ein Thermopaar bilden, sowie dessen Verwendung,
insbesondere in einer Anlage zur Bereitung von Warmwasser. Außerdem betrifft die Erfindung ein Thermopaar. Ein thermoelektrisches Bauelement ist ein Energiewandler, welcher thermische Energie unter Ausnutzung des von Peltier und Seebeck beschriebenen thermoelektrischen Effekts in elektrische Energie umsetzt. Da der thermoelektrische Effekt reversibel ist, kann jedes thermoelektrisches Bauelement auch zur Umsetzung von elektrischer Energie in thermische Energie genutzt werden: so genannte Peltier-Elemente dienen unter elektrischer Leistungsaufnahme zum Kühlen bzw. Wärmen von Objekten. Peltier- Elemente verstehen sich daher auch als thermoelektrische Bauelemente im Sinne der Erfindung. Thermoelektrische Bauelemente, die zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie dienen, werden oft als thermoelektrische Generatoren (TEG) bezeichnet. Beispiele und Einführungen zu thermoelektrischen Bauelementen finden sich unter:
• Thermoelectrics Handbook, D.M. Rowe (ed.), Taylor&Francis, 2006, ISBN 978-0- 8493-2264-8
• Thermoelectrics Goes Automotive, D. Jänsch (ed.), expert verlag GmbH, 201 1 , ISBN 978-3-8169-3064-8;
· JP2006032850A;
• EP0773592A2;
• US6872879B1 ;
• US200501 12872A1 ; • JP2004265988A.
Ein einfaches und wirtschaftlich günstiges Verfahren zur Herstellung thermoelektrischer Bauelemente wird in WO 2013/144106 A2 beschrieben.
Im Stand der Technik ist eine Vielzahl von thermoelektrisch aktiven Materialien beschrieben. Für den kommerziellen Einsatz eignen sich beispielsweise Legierungen aus der Klasse der halbleitenden Wismuthtelluride (insbesondere mit zusätzlichen Anteilen von Selen und/oder Antimon) aus welchen sich - einerseits p-leitend und andererseits n-leitend dotiert - ein Thermopaar aufbauen lässt.
Weitere thermoelektrisch aktive Stoffklassen sind: Halb-Heusler-Materialien,
verschiedene Silizide (insbesondere Magnesium, Eisen), verschiedene Telluride (Blei, Zinn, Lanthan, Antimon, Silber), verschiedene Antimonide (Zink, Cer, Eisen, Ytterbium, Mangan, Cobalt, Wismut; teilweise auch als Zintl-Phasen bezeichnet), TAGS,
Siliziumgermanide, Clathrate (insbes. auf Germanium-Basis). Neben diesen
Halbleitermaterialien lassen sich thermoelektrische Bauelemente auch aus
Kombinationen der meisten gewöhnlichen Metalle herstellen, wie dies z. B. bei handelsüblichen Thermoelementen zur Temperaturmessung der Fall ist, z. B. Ni-CrNi. Jedoch sind die so erzielbaren sog. Gütezahlen (thermoelektrische„Wirkungsgrade") deutlich geringer als bei den genannten Halbleitermaterialien.
Technisch ausgeführte thermoelektrische Bauelemente weisen typischerweise eine Vielzahl eng benachbarter und beabstandeter Thermoschenkel auf, welche
abwechselnd aus n- und p-dotiertem Halbleitermaterial bestehen. Zur Bildung von aktiven Thermopaaren müssen diese Schenkel wechselseitig elektrisch miteinander verbunden werden, so dass typischerweise eine Reihenschaltung aus abwechselnd n- und p-dotierten Halbleiterschenkeln entsteht. Die elektrische Verbindung je zweier Halbleiterschenkel zu einem Thermopaar wird als Kontaktbrücke bezeichnet.
Hohe Leitfähigkeiten für Strom und Wärme werden in den Kontaktbrücken gemeinhin vorrangig durch die Materialauswahl sichergestellt, so dass hier bevorzugt Kupfer, Silber und Aluminium oder spezielle Legierungen zum Einsatz kommen. In den meisten gegenwärtigen TE-Bauelementen kommen Halbleiter zum Einsatz, die nur bis ca.
250 °C einsetzbar sind, so dass für die elektrische und mechanische Verbindung von TE-Schenkeln und Kontaktbrücke meistens gängige Zinn- oder Silberbasislote verwendet werden. Den äußeren Abschluss des TE-Bauelementes bildet meistens eine Hüllschicht aus elektrisch isolierenden keramischen Materialien oder Polymeren.
Ein konventionelles TE-Bauelement besteht aus verschiedenen Schichten mechanisch fest miteinander verbundener Materialien, die oft sehr unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Zudem liegt senkrecht zu dieser Schichtstruktur im Betriebszustand ein hohes Temperaturgefälle an. All dies führt zu hohen
thermomechanischen Spannungen in und an den Verbindungsstellen zwischen den einzelnen Materialien. Um mechanische Beschädigungen bis hin zu Rissbildung, Delaminationen und/oder Verformungen entgegen zu wirken, müssen entweder hinreichend elastische Zwischenschichten vorgesehen werden, oder die Bauteile ausreichend massiv dimensioniert werden, um Stand zu halten. Teilweise werden die jeweils beidseitig äußersten Schichten eines TE-Bauelementes, welche die elektrische Isolation nach außen hin sowie einen Schutz vor Stoffeinwirkungen auf die inneren stromführenden Bauteile sicherstellen sollen, nicht fest mit den darunter liegenden Kontaktbrücken verbunden, sondern auf diese nur aufgelegt oder mit diesen über elastische Klebeschichten oder Wärmeleitpasten verbunden. Dadurch können sich thermomechanische Schubspannungen zwischen diesen Isolationsschichten (meist aus Keramik-Werkstoffen, mit geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten) und den darunter liegenden Kontaktbrücken (aus elektrisch gut leitenden Metallen, mit zumeist sehr hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten) nicht übertragen, womit schädliche mechanische Einwirkungen vermieden werden können. Jedoch leidet unter diesem reinen Berühr-, Klebe- oder Pastenkontakt der Wärmetransport zwischen Außenseite des TE-Bauelementes und seinen inneren Halbleiterstrukturen erheblich. Damit geht im Falle der Nutzung des TE-Bauelementes als thermoelektrischer Generator ein Teil des außen zur Verfügung stehenden Temperaturgefälles für die Umwandlung im thermoelektrisch aktiven inneren Teil verloren, so dass der Wirkungsgrad und die erzielbare elektrische Leistung sinken. Im Falle der Nutzung als Peltier-Element verringert sich analog die Leistungskennziffer, so dass bei gleicher eingebrachter elektrischer Leistung ein geringerer Wärmestrom von der Kalt- zur Heißseite resultiert. Eine besondere Ausgestaltung thermoelektrischer Bauelemente der eingangs genannten Gattung ist aus der WO2008061823A1 bekannt. Eine Besonderheit dieser Bauelemente besteht darin, dass sich seine Thermoschenkel durch ein sogenanntes Substrat hindurch erstrecken, welches damit die Heißseite von der Kaltseite trennt. Dies erlaubt eine besonders kostengünstige Herstellung. Sofern das Substrat darüber hinaus noch gute thermische Isolationswirkung besitzt kann ein derartiges thermoelektrisches Bauelement zudem einen verbesserten elektrischen Wirkungsgrad unter gleichen gegebenen Heiß- und Kaltseitenbedingungen gegenüber konventionellen
thermoelektrischen Bauelementen aufweisen. Allerdings weist dieses thermoelektrische Bauelement ebenfalls die oben geschilderten Nachteile auf. Im Lichte dieses Standes der Technik ist es Aufgabe der Erfindung ein
thermoelektrisches Bauelement anzugeben, das solche Nachteile vermeidet.
Insbesondere sollen Probleme mit thermomechanischen Spannungen zwischen den unterschiedlichen Werkstoffen gelöst und die Wärmeübertragung zwischen dem TE- Bauelement und Wärmeträgermedien verbessert werden. Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Kontaktbrücke in dem erfindungsgemäßen
Bauelement wie folgt ausgeführt:
Anstatt einer ebenen (flachen) und damit möglichst kurzen Verbindung zwischen den Kontaktpunkten zweier benachbarter TE-Schenkel wird die Kontaktbrücke
vorzugsweise gekröpft ausgeführt, d. h. sie weist vorzugsweise mindestens eine Faltung oder Wölbung auf, so dass sich die Kontaktbrücke nicht nur planar orthogonal zur makroskopischen Wärmeflussrichtung durch das TE-Bauelement erstreckt, sondern auch eine vorzugsweise variable Erstreckung in Richtung des Wärmeflusses besitzt. Die Kontaktbrücke weist auf ihrer der Heißseite und/oder der Kaltseite zugewandten Seite eine Oberfläche auf, deren Flächeninhalt größer ist als der Flächeninhalt einer in der Substratebene liegenden Vergleichsfläche, welche durch eine gedachte
(senkrechte) Projektion der Kontaktbrücke auf die Substratebene gebildet wird.
Bevorzugt wird die Kontaktbrücke erfindungsgemäß so gestaltet, dass sie sich zwischen den Kontaktflächen beider zugeordneter Thermoschenkel entlang eines Weges erstreckt, welcher länger ist als der kürzest mögliche Weg zwischen diesen beiden Kontaktflächen .
Dies wirkt im Zusammenhang mit thermomechanischen Spannungen ähnlich den im Rohrleitungsbau üblichen Ausgleichsbögen und reduziert damit insbesondere
Schubspannungen in den Fügestellen zwischen Kontaktbrücken und Thermoschenkeln.
Durch die Faltung/Kröpfung/Ausbuchtung bilden die Kontaktbrücken somit nicht mehr notwendiger Weise eine ebene Fläche orthogonal zur Richtung des durch das thermoelektrische Bauelement fließenden Wärmestromes aus. Je nach
Ausführungsform können die Bereiche der erfindungsgemäßen Kontaktbrücken, die sich zwischen den Anbindezonen zu den TE-Schenkeln befinden, aus dieser gedachten Ebene heraus oder in diese hineinragen (siehe Abbildungen). Ersteres verträgt sich natürlich kaum mit dem Aufbau eines konventionellen TE-Bauelements, bei welchem elektrisch isolierende Platten/Schichten auf den Kontaktbrücken aufliegen und die äußere Hülle der Bauelemente bilden. Zweitens bedingt in einem ansonsten
konventionellen Design, dass die Kontaktbrücken„nach innen", d. h. zwischen die TE- Schenkel hinein, ausreichenden freien Raum zur Ausdehnung haben. In einem TE- Bauelement ohne die TE-Schenkel fixierendes Substrat ist dies in der Regel intrinsisch gegeben. In einem TE-Bauelement mit die TE-Schenkel fixierendem Substrat sollte sich zwischen der Außenseite des Substrates und der Kontaktbrücke ein ausreichend großer freier Raum befinden. Am einfachsten wird dies erreicht, indem die TE-Schenkel mitsamt der stirnseitigen Diffusionsbarriereschicht und elektrischen Verbindungsschicht (z. B. Lot) aus der Substratebene herausragen, oder aber die Kontaktbrücke selber sollte im Seitenschnitt z. B. M-förmig ausgebildet sein, mit parallel zur Wärmeflussrichtung ausgebildeten Beinen, welche den Kontakt zu den TE-Schenkeln herstellen.
Ragt die Faltung/Kröpfung/Ausbuchtung der Kontaktbrücken von den TE-Schenkeln fort, so weisen diese Kontaktbrücken eine vergrößerte Kontaktfläche zur
Wärmeübertragung verglichen mit einfachen konventionellen planaren Kontaktbrücken auf. Somit entsteht auf der Außenseite des TE-Bauelementes eine strukturierte anstatt einer glatten Außenfläche, analog berippter Wärmetauscherstrukturen. Bei
Überströmung durch ein Wärmeträgermedium (Fluid) entstehen dadurch zusätzlich unter Umständen Turbulenzzonen. Erhöhte Kontaktfläche und Erzeugung von
Turbulenzen erhöhen signifikant den Wärmeübergangskoeffizienten zwischen
Wärmeträgermedium und Kontaktbrücken. Dadurch sinkt der thermische Widerstand des Systems aus Wärmeträgermedien und TE-Bauelement und der elektrische
Wirkungsgrad des TE-Bauelementes kann steigen. Wichtig ist dann aber, dass ggfs. durch äußere Schutzbeschichtungen und/oder Abdichtungen chemische oder physikalische Angriffe und/oder unerwünschte Einwirkungen auf die Bauteile des TE- Bauelementes vermieden werden. Auch müssen die elektrischen Widerstände in den erfindungsgemäß ausgestalteten Kontaktbrücken niedrig gehalten werden; Dazu kann es notwendig werden, einen verlängerten Weg für den Stromfluss durch größere Materialquerschnitte oder die Auswahl von Materialien mit noch geringeren spezifischen elektrischen Widerständen zu kompensieren.
Mit der hier beschriebenen Gestaltung werden die folgenden Vorteile erzielt: a) Geringerer thermischer Widerstand des TE-Bauelementes zwischen Heiß- und Kaltseite, damit Erzielung eines optimalen elektrischen Wirkungsgrades und maximaler elektrischer Leistung. b) Besserer Wärmeübergang zwischen Wärmeträgermedien und TE-Bauelement im Falle der Ausführungsform der Kontaktbrücken als Rippen. c) Vermeidung von Beschädigungen des TE-Bauelementes durch
thermomechanische Spannungen. Allgemeiner Erfindungsgedanke und demnach Gegenstand der Erfindung ist ein
Thermoelektrisches Bauelement mit einem zwischen einer Heißseite und einer Kaltseite angeordneten, elektrisch und thermisch isolierenden Substrat, mit zumindest zwei Thermoschenkeln aus thermoelektrisch aktivem Material, die sich durch das Substrat hindurch von der Heißseite zu der Kaltseite erstrecken, und welche auf einer der beiden Seiten mittels einer Kontaktbrücke elektrisch miteinander kontaktiert sind und so ein Thermopaar bilden, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die Kontaktbrücke auf ihrer der Heißseite und/oder der Kaltseite zugewandten Seite eine (vergrößerte) Oberfläche aufweist, deren Flächeninhalt größer ist als der Flächeninhalt einer in der Substratebene liegenden Vergleichsfläche, welche durch eine gedachte (senkrechte) Projektion der Kontaktbrücke auf die Substratebene gebildet wird (oder anders ausgedrückt: der Flächeninhalt der Fläche, die durch einen gedachten Umriss der Kontaktbrücke auf der Substratebene gebildet wird muss kleiner sein als der
Flächeninhalt der Fläche, die gebildet wird durch die der Heißseite und/oder der
Kaltseite zugewandten Seite der Oberfläche der Kontaktbrücke, unter der Annahme, dass diese Oberfläche in einer Ebene liegt). Vorzugsweise erstreckt sich die
Kontaktbrücke zwischen den beiden Thermoschenkeln entlang eines Weges, welcher länger ist als der entlang des Substrats gemessene Abstand der beiden
Thermoschenkel.
Ein weiterer wichtiger Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die Kontaktbrücke mit einer Dreifachfunktion zu versehen, nämlich mit der elektrischen Kontaktierung der Thermoschenkel zum Aufbau des Thermopaares, mit dem Ausgleich von
thermomechanischer Spannungen und mit der thermischen Kopplung von fluiden Wärmeträgermedien und Thermoschenkeln. Das erfindungsgemäße thermoelektrische Bauelement kann mithin auch als thermoelektrisch aktiver Wärmetauscher aufgefasst werden, der im Gegensatz zu Systemen mit konventionellen thermoelektrischen
Bauelementen bereits über intrinsische Wärmetauscherstrukturen verfügt, während diese in konventionellen Systemen üblicherweise in angrenzenden, separaten und noch effektiv thermisch anzubindenden Bauteilen enthalten sind.
Umgekehrt kann das thermoelektrische Bauelement als eine Wärmepumpe ohne bewegliche Teile eingesetzt werden, die unter Aufnahme elektrischer Leistung
Wärmeenergie von der kalten Seite auf die heiße Seite überträgt. Auf diese Weise kann die Kaltseite gekühlt bzw. die Heißseite beheizt werden.
Vorzugsweise weist das thermoelektrische Bauelement eine Kontaktbrücke auf, die nicht eben ist, bevorzugt eine solche Kontaktbrücke die eine Erhebung aus der Ebene aufweist, welche dem Substrat zugewandt oder vom Substrat abgewandt sein kann. Besonders bevorzugte erfindungsgemäße Bauelemente weisen eine Kontaktbrücke auf, die eine Schlinge, Delle oder Beule ausbildet, welche dem Substrat zugewandt oder vom Substrat abgewandt sein kann. Eine solche Kontaktbrücke lässt sich besonders einfach mittels Umformtechnik herstellen. Die Schlinge kann auch parallel zur
Substratebene ausgeformt sein. Bevorzugt wird die Kontaktbrücke gekröpft oder gebogen ausgeführt.
Um ihre Flexibilität zu steigern, kann es vorteilhaft sein, die Kontaktbrücke
biegeinnenseitig mit Hohlkehlen zu versehen. Zusätzliche Hohlkehlen auf den
Innenseiten der Biegungen können Herstellung (Biegung/Faltung) der Kontaktbrücken erleichtern, und verbessern im verbauten Zustand weiter die Biegewilligkeit/Elastizität des Bauteiles. Hohlkehlen in derartiger Konfiguration sind leicht herzustellen. Sie erhöhen jedoch die Anfälligkeit für Korrosion und erschweren die Aufbringung einer geschlossenen Schutzbeschichtung.
Das erfindungsgemäße thermoelektrische Bauelement kann eine Kontaktbrücke aufweisen, bei der die Oberfläche der Kontaktbrücke zumindest teilweise eine
strukturierte, bevorzugt dreidimensional strukturierte Oberfläche, wobei die
Strukturierung vorzugsweise aus Erhebungen und/oder Vertiefungen gebildet wird, aufweist. Bei Ausführung der Kontaktbrücke als Rippe weist diese bevorzugt eine zumindest teilweise, vorzugsweise dreidimensional strukturierte Oberfläche auf, damit der Wärmeübergang zwischen Wärmeträgerfluid und Kontaktbrücke weiter verbessert wird. Eine dreidimensional Strukturierte Oberfläche kann einfachstenfalls über eine Aufrauhung erzielt werden.
Bevorzugte erfindungsgemäße thermoelektrische Bauelemente weisen eine
Kontaktbrücke auf, die sich zwischen den beiden Thermoschenkeln entlang eines Weges erstreckt, vorzugsweise eines Weges, welcher dem in der Substratebene gemessenen Abstand der beiden Thermoschenkel entspricht oder länger ist und mindestens einen Kamm aufweist, vorzugsweise mindestens einen von der
Substratebene fortweisenden Kamm. Die Kontaktbrücke weist vorzugsweise mindestens einen sich entlang des Weges erstreckenden, von der Substratebene fortweisenden Kamm auf. Bevorzugt erfindungsgemäße thermoelektrische
Bauelemente weisen eine Kontaktbrücke auf, die vorteilhafterweise einen U-, M-, I-, T- oder Doppel-T-förmigen Querschnitt, bevorzugt einen U-förmigen Querschnitt aufweisen, wobei vorzugsweise mindestens einer der von der Substratebene fortweisenden Schenkel einen Kamm bildet. Bei U-förmigem Querschnitt können einer oder beide, bevorzugt beide der Schenkel des U, die vorzugsweise von der
Substratebene wegweisen, (jeweils) einen Kamm bilden.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die Kontaktbrücke durch eine Punkt- oder
Linienschweissung (oder andere stoffliche Verbindung) eine teilweise Entkopplung der Funktionen "elektrische Leitung" und "thermische LeitungVWärmeeinkopplung" aufweisen. Auf diese Weise kann ein kürzerer Weg für den Strom realisiert werden.
In dem erfindungsgemäßen thermoelektrischen Bauelement kann das Material des Substrats aus den verschiedensten geeigneten Materialien ausgewählt sein.
Bevorzugte Materialien sind z. B. in der WO 2013/144106 A2 beschrieben. Das Substrat kann eben bzw. flach, geknickt, gekrümmt oder gebogen ausgeführt sein. Das Substrat kann unflexibel / unbiegbar oder flexibel / biegbar ausgeführt sein. Ist das Substrat flexibel oder biegbar ausgeführt, kann das erfindungsgemäße
thermoelektrische Bauelement auf einfache Weise den baulichen Gegebenheiten angepasst werden. Bevorzugte erfindungsgemaße thermoelektrische Bauelemente sind solche, bei denen das Substrat bezüglich der Substratebene symmetrisch ist, und vorzugsweise eben bzw. flach, geknickt, gekrümmt oder gebogen ausgeführt ist.
Es kann vorteilhaft sein, wenn das erfindungsgemäße thermoelektrische Bauelement eine vorzugsweise im Wesentlichen parallel zum Substrat angeordnete, bevorzugt die Kontraktbrücken zumindest punktuell berührende Hüllschicht, aufweist. Besonders bevorzugt ist die Hüllschicht dergestalt ausgeführt, dass ein sich zwischen Hüllschicht und Substrat erstreckender Raum umgrenzt wird, durch welchen die Kontaktbrücke verläuft, aufweist. Es kann vorteilhaft sein, wenn dieser Raum mit einem stehenden oder fließenden Wärmeübertragungsfluid gefüllt ist.
Neben oder anstelle der Hüllschicht kann das erfindungsgemäße thermoelektrische Bauelement mit einer die Kontaktbrücken und/oder das Substrat, vorzugsweise die Kontaktbrücke und das Substrat, besonders bevorzugt das gesamte Bauelement (mit Ausnahme der elektrischen Zu- bzw. Ableitungen) elektrisch isolierenden, vorzugsweise gegen anwesende Medien beständigen Beschichtung versehen sein.
Die Hüllschicht und/oder die Beschichtung können z. B. ein thermoplastisches Polymer, wie beispielsweise Polyethylen, Polypropylen, Polyamid, oder Aluminiumnitrid enthalten oder daraus bestehen oder auf einer Alkoxysilan-haltigen Zusammensetzung, wie beispielsweise Tetraethoxysilan-haltigen Zusammensetzungen, basieren. Die
Hüllschicht wird vorzugsweise durch ein Bauteil aus einem Kunststoff gebildet. Die Beschichtung kann z. B. durch einen Lack, eine Vergussmasse, eine Folie oder eine Abscheidung gebildet werden.
Die erfindungsgemäßen thermoelektrischen Bauelemente können durch bekannte technische Verfahren mit der Hüllschicht und/oder einer Beschichtung versehen werden. Die Hüllschicht kann insbesondere durch Techniken wie z. B. Aufpressen oder Aufkleben oder Folien-Tiefziehen aufgebracht werden. Die Beschichtung kann z. B. durch Sprühen, Tauchen oder Abscheiden aufgebracht werden. Eine besondere Ausführungsform der Erfindung sieht eine im Wesentlichen parallel zum Substrat angeordnete Hüllschicht vor, welche die Kontaktbrücke an ihren
Brückenköpfen berührt, dergestalt, dass ein sich zwischen Hüllschicht und Substrat erstreckender Raum umgrenzt wird, durch welchen die Kontaktbrücke verläuft und welcher mit einem stehenden oder durch einen äußeren Antrieb (z. B. Pumpe) fließenden Wärmeträgerfluid gefüllt sein kann. Bei einer solchen Konstellation ist die Kontaktbrücke vom Wärmeträgerfluid umgeben bzw. umflossen, sodass der
Wärmeaustausch zwischen Fluid und Thermoschenkel besonders effektiv ist.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Bauelemente kann wie im Stand der Technik beschrieben erfolgen. Vorzugsweise erfolgt die Herstellung der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Bauelemente wie in WO 2013/144106 A2 beschrieben, auf weiche insbesondere bezüglich der eingesetzten Materialien sowie der Herstellverfahren der einzelnen Komponenten sowie der Zusammenfügung zum thermoelektrischen Bauelement verwiesen wird. Das Wärmeträgerfluid steht insbesondere dann, wenn es gilt die Wärme von außerhalb der Hüllschicht in die Kontaktbrücke einzukoppeln; das Wärmeträgerfluid hat hier dann lediglich die Aufgabe, im freien Raum zwischen Substrat, Hüllschicht und
Kontaktbrücken einen geringeren Wärmewiderstand zu erzielen, als jener der sich ergäbe wenn der freie Raum nur mit Gas (z. B. Luft) gefüllt wäre. Somit sinkt der thermische Widerstand des gesamten Bauelementes zwischen Heiß- und Kaltseite, was den elektrischen Wirkungsgrad erhöhen kann. Mithin kann es sich bei diesem
stehenden Fluid auch um ein aushärtendes oder ausgehärtetes Polymer oder eine Vergussmasse handeln, welche lediglich für die Einbringung in den vormals freien Raum eine gewisse Viskosität bzw. Fließfähigkeit benötigt. Die Wärme kann aber auch aktiv über das Wärmeträgerfluid an die Kontaktbrücken herantransportiert werden. In diesem Falle wird ein dank äußerem Antrieb (z.B. Pumpe) fließendes Wärmeträgerfluid gewählt. Als Wärmeträgerfluid kommen bevorzugt flüssige oder gasförmige Medien in Betracht, die eine hohe spezifische Wärmekapazität haben, wie beispielsweise, Wasser, Alkohol, Öle auf Kohlenwasserstoff- oder Silikonbasis. Es kann auch Luft als Wärmeträgerfluid verwendet werden. Zwar hat Luft keine hohe Wärmekapazität, ist aber oft einfach, kostengünstig und sauber verfügbar, sodass der Nachteil ihrer geringen
Wärmekapazität ausgeglichen werden kann.
Das thermoelektrische Bauelement kann als thermoelektrischer Generator verwendet werden, also zur Umwandlung eines Wärmeflusses von der Heißseite auf die Kaltseite in eine elektrische Leistung. Die Spannung wird an den Schenkeln abgegriffen. Auf diese Weise kann Wärmenergie in elektrische Energie umgesetzt werden.
Insbesondere kann der erfindungsgemäße TEG zur Ausbeutung niederkalorischer Wärmequellen wie Grundwasser, Bodenwärme, Abluft, Abgase, Abwasser oder warmem Kühlwasser genutzt werden. Solche Wärmeströme finden sich in der Natur und in der Technik häufig und konnten bisher aufgrund ihres niedrigen
Temperaturniveaus thermodynamisch kaum wirtschaftlich genutzt werden. Die thermoelektrische Nutzung ist mit der vorliegenden Erfindung möglich.
Umgekehrt kann das thermoelektrische Bauelement zur Umwandlung einer elektrischen Leistung in einen Wärmefluss von der Kaltseite auf die Heißseite verwendet werden, also als Wärmepumpe. Die Wärmepumpe eignet sich insbesondere zur Warmwasserbereitung im Haushalt, dementsprechend wird auf der Heißseite zu erhitzendes Wasser angeordnet und auf der Kaltseite Umgebungsluft. Das Wasser kann dann energieeffizient elektrisch beheizt werden. Gegenstand der Erfindung ist mithin auch eine Anlage zur
Warmwasserbereitung, welche ein erfindungsgemäßes thermoelektrisches Bauelement aufweist. Umgekehrt ist auch ein in einer Anlage zur Warmwasserbereitung
eingesetztes, erfindungsgemäßes thermoelektrisches Bauelement Gegenstand der Erfindung. Sofern verfügbar, können auch die oben genannten niederkalorischen Wärmequellen anstelle von Umgebungsluft zur Wasserbeheizung genutzt werden.
Da die besondere Gestaltung der Kontaktbrücke erfindungswesentlich ist, ist auch ein Thermopaar, gebildet aus zwei mittels einer Kontaktbrücke elektrisch miteinander kontaktierten, beabstandet zueinander verlaufenden Thermoschenkeln aus
thermoelektrisch aktivem Material Gegenstand der Erfindung, sofern die Kontaktbrücke so ausgeführt ist, dass sie auf ihrer der Heißseite und/oder der Kaltseite zugewandten Seite eine Oberfläche aufweist, deren Flächeninhalt größer ist als der Flächeninhalt einer in der Substratebene liegenden Vergleichsfläche, welche durch eine gedachte (senkrechte) Projektion der Kontaktbrücke auf die Substratebene gebildet wird.
Bevorzugt erstreckt sich die Kontaktbrücke zwischen den beiden Thermoschenkeln entlang eines Weges, welcher länger ist als der kürzeste zwischen den
Thermoschenkeln gemessene Abstand.
Die Erfindung soll nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Hierfür zeigen:
Figur 1 : erste Ausführungsform mit leicht gekröpfter Kontaktbrücke;
Figur 2: zweite Ausführungsform mit stark gekröpfter Kontaktbrücke;
Figur 3: wie Figur 2, jedoch mit Hohlkehlen;
Figur 4: vierte Ausführungsform mit nach innen geschlungener
Kontaktbrücke, zusätzlich mit äußerer Hüllschicht;
Figur 5: wie Figur 4, jedoch mit verstärktem Brückenkopf;
Figur 6: wie Figur 5, jedoch mit nach außen geschlungener Kontaktbrücke;
Figur 7: einzelnes Thermopaar mit gekröpfter Kontaktbrücke.
Die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen thermoelektrischen Bauelements ist in Figur 1 dargestellt. Es umfasst ein Substrat 1 aus einem elektrisch und thermisch isolierenden Material wie beispielsweise einer Keramik, einem Polymer oder einem Kompositmaterial. Bei dem Substrat 1 handelt es sich um ein im Wesentlichen flächiges Gebilde, im einfachsten Fall um eine ebene Platte. Das Substrat 1 trennt eine Heißseite 2 von einer Kaltseite 3 des thermoelektrischen Bauelements. Das Substrat kann auch gekrümmt ausgeführt sein. Der in den Figuren dargestellte ebene Abschnitt des Substrats kann dann als infinitesimaler Teil eines gekrümmten Substrats aufgefasst werden, sodass die hier geschilderten geometrischen
Betrachtungen sich auch auf gekrümmte Substrate anwenden lassen.
In das Substrat 1 eingebracht sind zwei Thermoschenkel 4n, 4p, von denen der erste 4n aus einem n-dotierten thermoelektrisch aktiven Halbleitermaterial wie beispielsweise Wismuthtellurid besteht. Der zweite Thermoschenkel 4p besteht aus dem
korrespondierenden p-dotierten Halbleitermaterial. Beide Thermoschenkel 4n, 4p erstrecken sich senkrecht zur Ebene des Substrats 1 durch dieses hindurch von der Heißseite 2 zur Kaltseite 3. Auf der Heißseite 2 sind die beiden Thermoschenkel 4n, 4p zu einem Thermopaar elektrisch miteinander verbunden. Dies geschieht über eine Kontaktbrücke 5 aus einem elektrisch und thermisch leitfähigen Material wie beispielsweise Silber, Kupfer oder Aluminium. Die Kontaktbrücke 5 ist auf die Thermoschenkel 4n, 4p aufgelötet (könnte aber auch anderweitig angefügt sein). Zwischen Lot 6 und Thermoschenkel 4n, 4p befindet sich jeweils eine Barriereschicht 7 die z. B. aus Nickel bestehen kann, die ein Eindiffundieren des Lotes 6 in das Halbleitermaterial verhindert.
Die Kontaktbrücke 5 erstreckt sich zwischen den beiden Thermoschenkeln 4n, 4p entlang eines Weges W, welcher länger ist als der entlang des Substrats 1 gemessene Abstand d der beiden Thermoschenkel 4n, 4p. Grund dafür ist eine Schlinge 8 der Kontaktbrücke 5, mit welcher die Kontaktbrücke 5 vom Substrat 1 fortweist. Die
Verlängerung der Kontaktbrücke 5 durch ihre Schlinge 8 bewirkt eine größere
Oberfläche der Kontaktbrücke 5, sodass der Wärmefluss über die Kontaktbrücke verbessert wird. Die Wärme fließt über die Kontaktbrücke 5 und durch die Schenkel 4n, 4p in Richtung der Kaltseite 3. Aufgrund der thermoelektrischen Aktivität der Halbleitermaterialien lässt sich dann eine elektrische Spannung an den
Thermoschenkeln 4n, 4p abgreifen.
Umgekehrt kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung an den Thermoschenkeln ein Wärmestrom von der Kaltseite auf die Heißseite induziert werden. Das
thermoelektrische Element arbeitet dann als Wärmepumpe, d. h. als Kühlelement bezüglich der Kaltseite und als Heizelement bezüglich der Heißseite.
Erfindungsgemäß besteht das Substrat aus einem thermisch isolierenden Material. Darunter ist zu verstehen, dass die Wärmeleitfähigkeit des Substratmaterials geringer ist als die des thermoelektrischen Aktivmaterials. Dies bewirkt, dass über das Substrat selbst kaum Wärmeaustausch zwischen Heiß- und Kaltseite stattfindet, sondern vornehmlich, vorzugsweise ausschließlich, über die Thermoschenkel. Das
thermoelektrische Bauelement ist deswegen deutlich effizienter, da nahezu der gesamte Wärmefluss zwischen Heiß- und Kaltseite thermoelektrisch genutzt wird. Das Substratmaterial muss einen thermischen Kurzschluss zwischen Heiß- und Kaltseite vermeiden.
Vorteilhafterweise wird innerhalb des Substrats 1 eine Vielzahl von solchen
Thermopaaren vorgesehen. Diese werden üblicherweise mittels ihnen zugeordneter Kontaktbrücken in Reihe geschaltet, um eine höhere elektrische Spannung zu erzielen. Somit finden sich in einem derartigen Bauteil mit mehr als zwei Thermoschenkeln 4n, 4p Kontaktbrücken 5 sowohl auf der Heiß- wie auch auf der Kaltseite. Zur vereinfachten Darstellung der Erfindung wurde jedoch nur ein Thermopaar mit einer Kontaktbrücke 5 auf der Heißseite dargestellt.
Figur 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei der die Kontaktbrücke 5 stärker gekröpft ist als in Fig .1 , was eine weitere deutliche Verlängerung des Weges W, entlang dessen sich die Kontaktbrücke 5 erstreckt, gegenüber dem Abstand d der Thermoschenkel 4n, 4p ergibt. Die Kontaktbrücke 5 weist mithin eine große Oberfläche in Kontakt mit einem Wärmeträgerfluid 9 auf. Die Oberfläche der Kontaktbrücke 5 kann aufgeraut oder in anderer Weise dreidimensional strukturiert werden, um die Oberfläche weiter zu vergrößern und damit den Wärmeaustausch zwischen dem Wärmeträgerfluid 9 und der Kontaktbrücke 5 weiter zu verbessern.
In Figur 3 ist diese Ausführungsform dahingehend weitergebildet worden, dass die Kontaktbrücke 5 biegeinnenseitig mit Hohlkehlen 10 versehen worden ist, um die Biegewilligkeit der Kontaktbrücke 5 weiter zu verbessern. Auf diese Weise kann die Kontaktbrücke 5 besser auf Thermospannungen reagieren, die durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten der miteinander kontaktierten Materialien von Substrat 1 , thermoelektrischem Aktivmaterial 4n, 4p, Nickelbarriere 7, Lot 6 und Kontaktbrücke 5 entsteht. Die nach außen abgekröpfte Kontaktbrücke 5 wirkt dabei wie ein
Ausdehnungsbogen einer Rohrleitung.
In Figur 4 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die durch eine äußere Hüllschicht 1 1 gekennzeichnet ist. Die Hüllschicht 1 1 dient zur elektrischen Isolation und Einkapselung des thermoelektrischen Bauelements. Sie kann
insbesondere aus Kunststoff, Keramik, wie z. B. Aluminiumnitrid, Verbundstoffen beider vorgenannter Klassen oder elektrisch isolierend beschichtetem Metall. Die Hüllschicht 1 1 erstreckt sich im Wesentlichen parallel zum Substrat 1 und liegt auf den
Brückenköpfen 12 der Kontaktbrücke 5 auf. Auf diese Weise wird zwischen Hüllschicht 1 1 und Substrat 1 ein Hohlraum 13 ausgebildet, durch welchen sich die hier nach innen gewandte Schlinge 8 der Kontaktbrücke 5 erstreckt. Der Hohlraum 13 kann mit einem stehenden oder fließenden Wärmeträgerfluid geflutet werden. Die Anströmung kann aber auch von außen erfolgen.
Zur Vergrößerung des Hohlraums 13 wurde bei der in Figur 5 dargestellten
Ausführungsform der Erfindung die Kontaktbrücke im Bereich ihrer Brückenköpfe 12 jeweils mit einem Sockel 14 versehen. Dies ermöglicht eine Verlängerung der Schlinge und damit der Weglänge der Kontaktbrücke und zusätzlich eine
Kontaktflächenvergrößerung im Bereich der Sockel 14. In Figur 5 ist der Hohlraum 13 mit einem Wärmeträgerfluid 9 gefüllt. Wie in Figur 6 gezeigt, kann die Schlinge 8 auch nach außen gebogen werden, sodass sie von dem Substrat 1 weg weist. Die Sockel 14 sind dementsprechend zwischen Brückenkopf 12 und Hüllschicht 1 1 anzuordnen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, das thermoelektrische Bauelement als Wärmepumpe in einer Anlage zur Warmwasserbereitung einzusetzen. Hierzu wird auf der Heißseite 2 diesseits oder jenseits einer etwaigen Hüllschicht zu erhitzendes Wasser als Wärmeträgerfluid 9 vorgesehen. Auf der Kaltseite 3 befindet sich Umgebungsluft oder eine andere verfügbare niederkalorische Wärmequelle. Durch Anlegen einer Spannung an den Thermoschenkeln 4n, 4p wird die Wärme aus der kälteren Umgebung auf der Kaltseite 3 über die Thermoschenkel 4n, 4p und die Kontaktbrücke 5 auf das zu erhitzende Wasser übertragen und dieses damit beheizt. Das thermoelektrische Bauelement arbeitet dann nach Art einer Wärmepumpe, kommt dabei aber ohne bewegliche Teile, insbesondere Verdichter, sowie ohne
(klimaschädliche) Kältemittel aus. Selbstverständlich kann die Anlage noch mit einer zusätzlichen, alternativen Heizung für das zu erhitzende Wasser versehen sein, etwa eine elektrische Widerstandsheizung oder ein Gas- oder Ölbrenner. Das
thermoelektrische Bauelement dient dann vielmehr zur zusätzlichen energieeffizienten Beheizung des Kesselwassers unter Ausnutzung der in der Umgebungsluft
vorhandenen Wärme. Figur 7 zeigt, dass die erfindungsgemäß vorteilhaft ausgebildeten Kontaktbrücken auch ohne Substrat nutzbar sind in einem Thermopaar, gebildet aus zwei mittels einer Kontaktbrücke 5 elektrisch miteinander kontaktierten, beabstandet zueinander verlaufenden Thermoschenkeln 4n, 4p aus thermoelektrisch aktivem Material, bei welchem sich die Kontaktbrücke 5 zwischen den beiden Thermoschenkeln 4n, 4p entlang eines Weges W erstreckt, welcher länger ist als der kürzeste zwischen den Thermoschenkeln gemessene Abstand d. Die Thermoschenkel müssen dabei nicht parallel verlaufen. Bezugszeichenliste
1 Substrat
2 Heißseite
3 Kaltseite
4n erster Thermoschenkel (n-leitend)
4p zweiter Thermoschenkel (p-leitend)
5 Kontaktbrücke
6 Lot
7 Barriereschicht
W Weg der Kontaktbrücke zwischen Mitten der Thermoschenkel d kürzester Mitten-Abstand der Thermoschenkel
8 Schlinge
9 Wärmeträgerfluid
10 Hohlkehle
1 1 Hüllschicht
12 Brückenkopf
13 Hohlraum
14 Sockel

Claims

Patentansprüche
1 . Thermoelektrisches Bauelement mit einem zwischen einer Heißseite und einer Kaltseite angeordneten, sich in einer Substratebene erstreckenden, elektrisch und thermisch isolierenden Substrat, mit zumindest zwei Thermoschenkeln aus thermoelektrisch aktivem Material, die sich durch das Substrat hindurch von der Heißseite zu der Kaltseite erstrecken, und welche auf einer der beiden Seiten mittels einer Kontaktbrücke elektrisch miteinander kontaktiert sind und so ein Thermopaar bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktbrücke auf ihrer der Heißseite und/oder der Kaltseite
zugewandten Seite eine Oberfläche aufweist, deren Flächeninhalt größer ist als der Flächeninhalt einer in der Substratebene liegenden Vergleichsfläche, welche durch eine gedachte Projektion der Kontaktbrücke auf die Substratebene gebildet wird.
2. Thermoelektrisches Bauelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kontaktbrücke zwischen den beiden Thermoschenkeln entlang eines Weges erstreckt, welcher länger ist als der in der Substratebene
gemessene Abstand der beiden Thermoschenkel.
3. Thermoelektrisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die
Kontaktbrücke eine Schlinge, Beule oder Delle ausbildet, welche dem Substrat zugewandt oder vom Substrat abgewandt ist.
4. Thermoelektrisches Bauelement nach Anspruch 3, bei welchem die
Kontaktbrücke gekröpft oder gebogen ist. Thermoelektrisches Bauelement nach Anspruch 3 oder 4, bei welchem die Kontaktbrücke biegeinnenseitig mit Hohlkehlen versehen ist.
Thermoelektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktbrücke einen Kamm aufweist.
Thermoelektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktbrücke einen U-, M-, I-, T- oder Doppel-T-förmigen Querschnitt aufweist, wobei vorzugsweise mindestens einer der von der Substratebene fortweisenden Schenkel einen Kamm bildet.
Thermoelektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Kontaktbrücke zumindest teilweise eine strukturierte Oberfläche, vorzugsweise aus Erhebungen und/oder Vertiefungen aufweist.
Thermoelektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat flach bzw. eben oder gekrümmt ist.
10. Thermoelektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine im Wesentlichen parallel zum Substrat angeordnete, die Kontraktbrücken zumindest punktuell berührende Hüllschicht, dergestalt, dass ein sich zwischen Hüllschicht und Substrat erstreckender Raum umgrenzt wird, durch welchen die Kontaktbrücke verläuft.
1 1 . Thermoelektrisches Bauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum mit einem stehenden oder fließenden Wärmeübertragungsfluid gefüllt ist.
12. Thermoelektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktbrücken und/oder das Substrat mit einer elektrisch isolierenden, gegen anwesende Medien beständigen Beschichtung versehen ist/sind, wobei die Beschichtung insbesondere ein thermoplastisches Polymer, wie
beispielsweise Polyethylen, Polypropylen, Polyamid, oder Aluminiumnitrid enthält oder daraus besteht oder auf einer Alkoxysilan-haltigen Zusammensetzung wie beispielsweise Tetraethoxysilan basiert.
13. Verwendung eines thermoelektrischen Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Umwandlung elektrischer Leistung in einen Wärmefluss von der Kaltseite auf die Heißseite oder zur Umwandlung eines Wärmeflusses von der
Heißseite auf die Kaltseite in elektrische Leistung.
14. Verwendung nach Anspruch 13 zum Erhitzen von Wasser unter Aufnahme
elektrischer Leistung, wobei auf der Heißseite das zu erhitzende Wasser und auf der Kaltseite eine niederkalorische Wärmequelle wie insbesondere Abgas, Abluft, Umgebungsluft, Bodenwärme, Grundwasser, Abwasser, Brauchwasser,
Rücklauf-Kühlwasser oder anders lauwarmes Wasser angeordnet ist.
15. Anlage für die Warmwasserbereitung, gekennzeichnet durch ein
thermoelektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
16. Thermopaar, gebildet aus zwei mittels einer Kontaktbrücke elektrisch miteinander kontaktierten, beabstandet zueinander verlaufenden Thermoschenkeln aus thermoelektrisch aktivem Material, dadurch gekennzeichnet, dass die sich die
Kontaktbrücke zwischen den beiden Thermoschenkeln entlang eines Weges erstreckt, welcher länger ist als der kürzeste zwischen den Thermoschenkeln gemessene Abstand.
PCT/EP2015/050929 2014-02-21 2015-01-20 Verbesserungen betreffend kontaktbrücken thermoelektrischer bauelemente WO2015124343A1 (de)

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