WO2016173965A1 - Thermoelektrisches modul - Google Patents

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WO2016173965A1
WO2016173965A1 PCT/EP2016/059128 EP2016059128W WO2016173965A1 WO 2016173965 A1 WO2016173965 A1 WO 2016173965A1 EP 2016059128 W EP2016059128 W EP 2016059128W WO 2016173965 A1 WO2016173965 A1 WO 2016173965A1
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conductor bridges
electrical insulation
side wall
thermoelectric module
insulation layer
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PCT/EP2016/059128
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English (en)
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Thomas Himmer
Christopher Lämmle
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Mahle International GmbH
Original Assignee
Mahle International GmbH
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    • 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
    • H10N10/13—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 heat-exchanging means at the junction
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N10/80—Constructional details
    • H10N10/81—Structural details of the junction
    • H10N10/813—Structural details of the junction the junction being separable, e.g. using a spring

Definitions

  • thermoelectric module with a module housing which encloses a module interior and with a plurality of thermoelectric elements arranged in the module interior, according to the preamble of claim 1.
  • thermoelectric module has a plurality of thermoelectric elements in the form of positively and negatively doped thermoelectric semiconductor materials, which are electrically interconnected via a plurality of conductor bridges, in particular in series.
  • the thermoelectric module has a first and a second side wall, each thermally conductive with a plurality of conductor bridges, electrically isolated and fixedly connected. If there is now a temperature difference between the first side wall and the second side wall, the thermoelectric elements generate an electrical voltage. The voltage difference between the first side wall and the second side wall, which generates the electrical voltage, causes mechanical stresses in the thermoelectric module which limit the maximum temperature and temperature differences.
  • the present invention has for its object to provide an improved or at least other embodiment of a thermoelectric module, which is characterized in particular by an extended usable temperature range. This object is achieved by the subject of the independent claim. Advantageous developments are the subject of the dependent subclaims.
  • the invention is based on the general idea to produce the thermal contact between one of the two side walls and corresponding conductor bridges over a liquid metal layer.
  • a material has excellent thermal conductivity and can at the same time serve as a kind of sliding film, so that no mechanical stresses occur due to the different thermal expansion of the first side wall and the second side wall.
  • the thermoelectric module has a liquid metal layer which is arranged between the first conductor bridges and the first side wall.
  • the first conductor bridges are only thermally contacted with the first side wall, while a relative movement of the first conductor bridges to the first side wall is possible.
  • the different thermal expansions of the first side wall and the second side wall which are in operation at different temperature levels, can be compensated.
  • higher temperature differences between the first side wall and the second side wall can be used, so that the efficiency and the power density of the thermoelectric module can be improved.
  • a liquid metal layer is understood to mean a layer which comprises a metal or a metal alloy which is liquid at least at an operating temperature.
  • the material of the liquid metal layer may thus be solid at room temperature.
  • Such metals or metal alloys preferably have a melting point between 50 and 250 ° C.
  • Such alloys may include, for example, gallium, bismuth, indium, copper, silver or tin.
  • an alloy of 32.5% bismuth, 16.5% tin, and 51% indium is known as and has a melting point of about 62 ° C.
  • Another alloy is, for example, 58.0% bismuth 42.0% tin and has a melting point at 138 ° C.
  • Other such alloys are also possible.
  • an operating temperature is understood to mean the temperature during operation of the thermoelectric module. Since different temperatures are usually applied to the first side and the second side of the thermoelectric module, a temperature gradient runs in the thermoelectric module. Consequently, the operating temperature is dependent on the position in the thermoelectric module. For example, the operating temperature of a liquid metal layer in the vicinity of one of the side walls, which is heated in operation, is higher than the temperature of a liquid metal layer in the vicinity of the other side, which is cooled in operation.
  • thermoelectric module is a cold side and the second side of the thermoelectric module is a hot side.
  • the liquid metal layer lies on the colder side of the thermoelectric module. Therefore, a melting point of the material of the liquid metal layer should be below 80 ° C.
  • thermoelectric module is a hot side and the second side of the thermoelectric module is a cold side.
  • the liquid metal layer is on the warmer side of the thermoelectric module.
  • a melting point of the liquid metal layer should therefore be below 250 ° C, preferably below 150 ° C.
  • thermoelectric module has an electrical insulation layer which is arranged between the first conductor bridges and the first side wall and that at least one liquid tall slaughter between the first conductor bridges and the electrical insulation layer is arranged.
  • the first conductor bridges and thus the thermoelectric elements of the electrical insulation layer are mechanically decoupled. Thermally induced mechanical stresses in the thermoelectric elements can be reduced in this way.
  • the at least one liquid metal layer is arranged between the electrical insulation layer and the first side wall.
  • the electrical insulation layer is mechanically decoupled from the first side wall. Thermally induced mechanical stresses can be reduced as a result.
  • An advantageous solution provides that the at least one liquid metal layer is electrically insulated from the conductor bridges. In this way, the risk of electrical short circuits, which could be caused by the liquid metal layer, reduced.
  • the electrically insulating layer is formed by a structured ceramic body and that the structured ceramic body has webs on a side facing the conductor bridges, which webs separate regions assigned to the individual conductor bridges.
  • the structuring of the ceramic body and thus of the electrical insulation layer facilitates the assembly of the thermoelectric module and increases the stability of the thermoelectric module.
  • the structured ceramic body has a plurality of metallized surfaces and that on the side facing the conductor bridges the metallized surfaces are interrupted by the webs.
  • the metallized surfaces improve the contact between the ceramic body and metals. This can be advantageous, for example, during soldering. Furthermore, the contact of a liquid metal layer to the ceramic body is improved by the metallized surfaces.
  • a metallized surface is understood to mean a surface on which a metal layer is applied. This can be done for example by baking a metallizing paste. Such metallization pastes may comprise, for example, copper, silver or tungsten. In addition, the baked metallization paste can be coated with nickel and / or silver.
  • a plurality of liquid metal layers between the metallized surfaces and the conductor bridges are arranged.
  • a liquid metal layer is provided per conductor bridge.
  • the liquid metal layer can be made a thermal contact between the conductor bridges and the electrically insulating layer, wherein the conductor bridges are mechanically decoupled from the electrically insulating layer.
  • a favorable variant provides that a liquid metal layer is arranged between each pair of metallized surface and conductor bridge.
  • all the conductor bridges can be tempered, so that an optimal heat transfer from the first conductor bridges to the first side wall is made possible.
  • liquid metal layer are each in contact with at least one of the metallized surfaces.
  • thermal contact with the insulating layer is also produced.
  • the structured ceramic body on a side facing the first side wall has a continuous metallized surface. Thereby, contact with a liquid metal layer extending between the electrical insulation layer and the first side wall can be improved. Thus, thermal contact between the first side wall and the electrical insulation layer can be improved.
  • Another particularly favorable variant provides that a liquid metal layer is applied to the contiguous metallized surface. This improves the thermal contact between the structured ceramic body, that is to say the electrical insulation layer and the liquid metal layer. This also improves the thermal contact from the side wall to the electrical insulation layer, which also improves the thermal contact between the first side wall and the first conductor bridges.
  • the electrical insulation layer is formed by a plurality of ceramic elements, and that the first conductor bridges are formed by metallized surfaces on the ceramic elements.
  • the conductor bridges can be made very compact on the one hand.
  • a very good thermal contact between the conductor bridges and the ceramic elements so that overall the thermal contact is improved from the conductor bridges to the first side wall.
  • the metallized areas forming the conductor bridges a thickness of 150 ⁇ to 300 ⁇ on. Such a thickness is sufficient to provide sufficient electrical conductivity between the thermoelectric elements connected by the first conductor bridges.
  • the first side wall has a plurality of metallized surfaces, that in each case a liquid metal layer is applied to the metallized surfaces of the first side wall, that the ceramic elements have metallized surfaces on the side facing away from the conductor bridges, and that the liquid metal layers each have a metallized one Surface of the ceramic elements abut.
  • the liquid metal layers respectively abut against a metallized surface of the first sidewall and on a metallized surface of a ceramic element, so that the liquid metal layers produce a thermal connection between the ceramic elements and the first sidewall.
  • the ceramic elements and the first side wall remain mechanically decoupled from each other, so that a thermal stress compensation is achieved.
  • a particularly advantageous possibility provides that the first side wall is formed double-walled, and that the first side wall has an inner wall and an outer wall, and that a liquid metal layer between the inner wall and the outer wall is arranged. In this way, the mechanical decoupling takes place between the inner wall and the outer wall. At the same time, the thermal conductivity between the inner wall and the outer wall is maintained, so that heat can continue to be conducted from or to the first conductor bridges.
  • a favorable solution provides that on a the conductor bridges facing side of the inner wall, the electrical insulation layer is applied.
  • the electrical insulation layer can be designed to be particularly thin, since this does not have to be mechanically self-supporting. As a result, good thermal contact can be maintained via the electrical insulation layer.
  • Another favorable solution provides that the electrical insulation layer is formed by baking a dielectric on the inner wall. This is an easy way to achieve a thin electrical insulation layer.
  • a particularly favorable solution provides that the electrical insulation layer is formed by thermal spraying of a ceramic on the inner wall. In this way, a reliable thin ceramic layer can be formed.
  • the electrical insulation layer is formed by a ceramic body which is soldered onto the inner wall. This allows a robust connection between the electrical insulation layer and the inner wall.
  • an advantageous variant provides that the electrical insulation layer is applied to the conductor bridges.
  • a particularly thin electrical insulation layer can be achieved, since this does not have to be sustainable itself. It can thereby be achieved a sufficient electrical insulation and at the same time high thermal thermal conductivity of the electrical insulation layer.
  • the conductor bridges are provided from five sides with the electrical insulation layer. Only the side to which the conductor bridges are connected to the thermoelectric elements is not provided with the electrical insulation layer.
  • the electrical insulation layer may be applied by an immersion bath on the conductor bridges, or be sprayed by spraying on the conductor bridges or printed on the conductor bridges.
  • the first side wall has a plurality of metallized surfaces, that in each case a liquid metal layer is applied to the metallized surfaces of the first side wall, that the conductor bridges each have a metallized surface on the electrical insulation layer, and that the liquid metal layers are each metallized Surface of the insulation layer abut.
  • thermoelectric module Show, in each case schematically, a sectional view through a thermoelectric module according to a first embodiment
  • thermoelectric module 2 is a sectional view through a thermoelectric module according to a second embodiment
  • Fig. 3 is a sectional view through a thermoelectric module according to a third embodiment.
  • thermoelectric module 4 is a sectional view through a thermoelectric module according to a fourth embodiment.
  • thermoelectric module 10 shown in FIG. 1 is used to generate electrical energy from thermal energy.
  • the thermoelectric module 10 can be used in the residual heat utilization in the exhaust system of a motor vehicle.
  • the thermoelectric module 10 has a module housing 12, which encloses a module interior 14.
  • a plurality of thermoelectric elements 16 are arranged, which are electrically connected by a plurality of conductor bridges 18.
  • the thermoelectric elements 16 are electrically connected in series through the conductor bridges 18.
  • the module housing 12 has, on a first side 20, a first side wall 22, which is connected in a heat-conducting manner to a plurality of first conductor bridges 24.
  • the module housing 12 on a second side 26 on a second side wall 28 which is thermally conductively connected to a plurality of second conductor bridges 30, wherein the thermoelectric elements 16 between the first conductor bridges 24 and the second conductor bridges 30 extend.
  • the conductor bridges 18 each have an electrical insulation layer 32 with the respective side walls 22, 28 connected. As a result, the conductor bridges 18 are electrically separated from the side walls 22, 28.
  • the first conductor bridges 24 are electrically conductively connected to the thermoelectric elements 16.
  • Such an electrically conductive connection 33 can be produced for example by soldering or silver sintering. In a solder joint, a solder is preferably used which has a melting point of over 120 ° C, for example, a silver-copper compound.
  • the conductor bridges 18 preferably have copper, nickel or iron.
  • the conductor bridges 18 can have an adhesive base, for example titanium, silver, nickel or copper, for improving the connection.
  • the conductor bridges 18 may have a barrier layer, for example nickel.
  • a first electrical insulation layer 34 is disposed between the first conductor bridges 24 and the first side wall 22.
  • the first conductor bridges 24 are each in contact with the first electrical insulation layer 34 via a liquid metal layer 36.
  • the first conductor bridges 24 and the first electrical insulation layer 34 each have metallized areas 38.
  • the metallized areas 38 improved the wetting with the liquid metal of the liquid metal layer 36.
  • the metallized areas 38 can be made by, for example, baking a metallization paste.
  • Such metallization pastes may comprise, for example, copper, silver or tungsten.
  • the thickness of the metallization layer is preferably between 20 ⁇ and 300 ⁇ .
  • the layers formed by the metallization pastes are additionally coated with nickel and / or silver.
  • the liquid metal layers 36 comprise a metal or metal alloy which is liquid at an operating temperature of the thermoelectric module 10. Since a temperature gradient exists in the thermoelectric module 10 during operation, the operating temperature is dependent on the position of the respective element in the thermoelectric module 10.
  • the liquid metal layer 36 is on a heated first side 20 of the thermoelectric module 10, a higher melting point may be sufficient. As if the liquid metal layer 36 would lie on a cooled side of the thermoelectric module 10.
  • metals or metal alloys having a melting point between 50 ° C and 250 ° C are used. Such metal alloys are, for example, gallium, bismuth, indium, copper, silver and / or tin-containing alloys.
  • the first electrical insulation layer 34 is formed by a ceramic body 40, which has a plurality of webs 42.
  • the webs 42 divide the ceramic body 40 into a plurality of areas, which are each associated with a first conductor bridge 24.
  • the first conductor bridges 24 are thermally connected via the liquid metal layers 36 with their associated areas.
  • the webs 42 separate the metallized surfaces 38 on the ceramic body 40 from each other. In addition, the webs 42 separate the liquid metal layers 36 from each other so that there is no electrical contact between the liquid metal layers 36.
  • the ceramic body 40 likewise has a metallized surface 38, which improves contact with a further liquid metal layer 36, which is arranged between the first electrical insulation layer 34 and the first side wall 22 and thermal contact between produces these two.
  • the first side wall 22 may also be provided with a metallised surface 38.
  • the first conductor bridges and thus the thermoelectric elements 16 are mechanically decoupled from the first electrical insulation layer 34, so that thermally induced mechanical stresses can be compensated. Furthermore, the first electrical insulation layer 34 is also mechanically decoupled from the first side wall 22, so that here too the thermally induced mechanical stresses can be reduced. Overall, such a structure allows a higher operating temperature of the thermoelectric module 10, whereby a significantly improved efficiency can be achieved.
  • the second side wall 28 is provided with a second electrical insulation layer 45.
  • This second electrical insulation layer 45 can be produced, for example, by burning in a dielectric or by thermal spraying of a ceramic layer or by soldering on a ceramic body.
  • Al 2 O 3 , AlN or Si 3 N 4 ceramics can be used.
  • the second conductor bridges 30 are connected to the second electrical insulation layer 45.
  • Such an electrically conductive connection 47 may preferably be a solder joint.
  • a soft solder having a melting point above 120 ° C, such as tin may be used.
  • a brazing alloy for example a silver-copper alloy or an active solder, for example a silver-copper-titanium alloy, is possible.
  • the connection 47 between the second conductor bridges 30 and the second electrical insulation layer 45 can be produced by silver sintering. In order to improve the wetting of the second electrical insulation layer 45, it may also be provided with a metallised surface 38.
  • the second conductor bridges 30 are electrically connected to the thermoelectric elements 16.
  • a connection 49 could for example be a solder joint.
  • the solder for example, a soft solder with a melting point of about 120 °, a brazing alloy, for example, a silver-copper alloy can be used.
  • the second conductor bridges 30 may be connected to the thermoelectric elements 16 by means of a silver sintering.
  • the first side 20 of the thermoelectric module 10 is used as a hot side and the second side 26 of the thermoelectric module 10 is used as a cold side.
  • the solder joints on the second side 26, which is then the hot side should not be made by means of a soft solder.
  • the solder joints on the first side 20, which is then the cold side can also be formed by means of a soft solder.
  • thermoelectric module 10 shown in FIG. 2 differs from the first embodiment of the thermoelectric module 10 shown in FIG. 1 in that the first electrical insulation layer 34 is formed by a plurality of ceramic elements 44 and in that the first conductor bridges 24 each are formed by a metallized surface 38 on the ceramic elements 44 of the first electrical insulation layer 34.
  • the ceramic elements 44 of the first electrical insulation layer 34 are mechanically fixed to the thermoelectric via the first conductor bridges 24 Elements 16 connected.
  • the metallic surfaces 38, which form the first conductor bridges 24, preferably have a thickness of 150 ⁇ to 300 ⁇ on. As a result, a sufficient conductivity can be achieved.
  • the ceramic elements 44 furthermore each have a second metallized surface 38, which are arranged on the side of the ceramic elements 44 facing the first conductor bridge 24, that is, the first side wall 22. These metallized areas 38 serve for improved wetting of liquid metal layers 36, which are arranged between the first electrical insulation layer 34 and the first side wall 22. Since the first electrical insulation layer 34 is formed by a plurality of ceramic elements 44, the metallized areas 38 are interrupted, whereby the liquid metal layer 36 is interrupted and thus each ceramic element 44 is thermally connected to the first side wall 22 by its own liquid metal layer 36.
  • thermoelectric module 10 illustrated in FIG. 2 coincides with the first embodiment of the thermoelectric module 10 shown in FIG. 1 with regard to structure and function, to the above description of which reference is made in this respect.
  • a third embodiment of the thermoelectric module 10 shown in FIG. 3 differs from the first embodiment of the thermoelectric module 10 shown in FIG. 1 in that the first side wall 22 is double-walled and a liquid metal layer 36 is provided between an inner wall 46 and an outer wall 48 of the first side wall 22 extends.
  • the inner wall 46 and the outer wall 48 may each be provided with a metallized surface 38 to enhance wetting with the liquid metal layer 36.
  • the inner wall 46 On a side facing the first conductor bridges 24, the inner wall 46 has the first electrical insulation layer 34.
  • the first electrical insulation layer 34 can be formed, for example, by burning in a dielectric. Alternatively or additionally, the first electrical insulation layer 34 can also be formed by thermal spraying of a ceramic onto the inner wall 46. Furthermore, the first electrical insulation layer 34 may also be formed by a ceramic body, which is soldered onto the inner wall 46.
  • the first conductor bridges 24 are connected to the first electrical insulation layer 34.
  • a connection 51 may be, for example, a brazed joint with solder or active solder.
  • the first conductor bridges 24 may also be connected to the first electrical insulation layer 34 by means of silver sintering.
  • thermoelectric module 10 shown in FIG. 3 coincides in structure and function with the first embodiment of the thermoelectric module 10 shown in FIG. 1, to the above description of which reference is made.
  • thermoelectric module 10 shown in FIG. 4 differs from the first embodiment of the thermoelectric module 10 shown in FIG. 1 in that the first electrical insulation layer 34 is formed by a coating of the first conductor bridges 24.
  • the first electrical insulation layer 34 is thus subdivided into a plurality of layer sections which respectively coat the first conductor bridges 24.
  • the first electrical insulation layer 34 is applied from several sides to the respective first conductor bridge 24. Only the side, with which the first conductor bridges 24 are connected to the thermoelectric elements 16 is not covered by the first electrical insulation layer 34.
  • the first electrical insulation layer 34 may be formed for example by a dielectric, which is applied by dipping, spraying or printing on the conductor bridges.
  • the first conductor bridges 24 may be cuboid or cuboid with rounded corners. Alternatively or additionally, the first conductor bridges 24 may also be formed as a convex-shaped sheet, wherein one side of the conductor bridges, which is connected to the thermoelectric elements 16, is flat.
  • a liquid metal layer 36 is disposed between the first electrical insulation layer 34 and the first sidewall 22 and forms a thermal contact between the first sidewall 22 and the first conductor bridges 24.
  • both the first electrical insulation layer 34 and the first sidewall 22 may be provided with a be provided metallized surface 38.
  • thermoelectric module 10 shown in FIG. 4 coincides in structure and function with the first embodiment of the thermoelectric module 10 shown in FIG. 1, to the above description of which reference is made.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Modul, mit einem Modulgehäuse (12), das einen Modulinnenraum (14) umschließt, mit mehreren im Modulinnenraum (14) angeordneten thermoelektrischen Elementen (16), mit mehreren im Modulinnenraum (14) angeordneten Leiterbrücken (18) zum elektrischen Verschalten der thermoelektrischen Elemente (16), wobei das Modulgehäuse (12) an einer ersten Seite (20) eine erste Seitenwand (22) aufweist, die mit mehreren ersten Leiterbrücken (24) wärmeleitend verbunden ist, wobei das Modulgehäuse (12) an einer zweiten Seite (26) eine zweite Seitenwand (28) aufweist, die mit mehreren zweiten Leiterbrücken (30) wärmeleitend verbunden ist, wobei sich die thermoelektrischen Elemente (16) zwischen den ersten und zweiten Leiterbrücken (24, 30) erstrecken. Erfindungswesentlich ist dabei, dass das thermoelektrische Modul (10) eine Flüssigmetallschicht (36) aufweist, die zwischen den ersten Leiterbrücken (24) und der ersten Seitenwand (22) angeordnet ist.

Description

Thermoelektrisches Modul
Die Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Modul mit einem Modulgehäuse, das einen Modulinnenraum umschließt und mit mehreren im Modulinnenraum angeordneten thermoelektrischen Elementen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .
Ein thermoelektrisches Modul weist mehrere thermoelektrische Elemente in Form von positiv und negativ dotierten thermoelektrischen Halbleitermaterialien auf, die über mehrere Leiterbrücken elektrisch, insbesondere in Reihe, verschaltet sind. Das thermoelektrische Modul weist eine erste und eine zweite Seitenwand auf, die jeweils mit mehreren Leiterbrücken wärmeleitend, elektrisch isoliert und fest verbunden sind. Liegt nun eine Temperaturdifferenz zwischen der ersten Seitenwand und der zweiten Seitenwand an, erzeugen die thermoelektrischen Elemente eine elektrische Spannung. Durch den zur elektrischen Spannung erzeugenden benötigten Temperaturunterschied zwischen der ersten Seitenwand und der zweiten Seitenwand entstehen mechanische Spannungen im thermoelektrischen Modul, welche die maximale Temperatur und Temperaturunterschiede begrenzen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte oder zumindest andere Ausführungsform eines thermoelektrischen Moduls anzugeben, die sich insbesondere durch einen erweiterten nutzbaren Temperaturbereich auszeichnet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Unteransprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den thermischen Kontakt zwischen einer der beiden Seitenwände und entsprechenden Leiterbrücken über eine Flüssigmetallschicht zu erzeugen. Eine solche ist hervorragend wärmeleitend und kann gleichzeitig als eine Art Gleitfilm dienen, so dass keine mechanischen Spannungen aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung der ersten Seitenwand und der zweiten Seitenwand auftreten. Zweckmäßig ist es, dass das thermoelektrische Modul eine Flüssigmetallschicht aufweist, die zwischen den ersten Leiterbrücken und der ersten Seitenwand angeordnet ist.
Dadurch sind die ersten Leiterbrücken lediglich thermisch mit der ersten Seitenwand kontaktiert, während eine Relativbewegung der ersten Leiterbrücken zur ersten Seitenwand möglich ist. Auf diese Weise können die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen der ersten Seitenwand und der zweiten Seitenwand, welche im Betrieb auf unterschiedlichen Temperaturniveaus liegen, ausgeglichen werden. Dadurch können höhere Temperaturunterschiede zwischen der ersten Seitenwand und der zweiten Seitenwand verwendet werden, so dass der Wirkungsgrad und die Leistungsdichte des thermoelektrischen Moduls verbessert werden können.
In der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen wird unter einer Flüssigmetallschicht eine Schicht verstanden, welche ein Metall oder einen Metalllegierung aufweist, welche zumindest bei einer Betriebstemperatur flüssig ist. Das Material der Flüssigmetallschicht kann also bei Zimmertemperatur fest sein. Solche Metalle oder Metalllegierungen weisen vorzugsweise einen Schmelzpunkt zwischen 50 und 250 °C auf. Solche Legierungen können beispielsweise Gallium, Bismut, Indium, Kupfer, Silber oder Zinn enthalten. Beispielsweise ist eine Legierung aus 32,5% Bismut, 16,5% Zinn und 51 % Indium als Fieldsches Metall bekannt und hat einen Schmelzpunkt von ca. 62 °C. Eine weitere Legierung ist zum Beispiel 58,0% Bismut 42,0% Zinn und hat einen Schmelzpunkt bei 138 °C. Andere derartige Legierungen sind ebenfalls möglich.
In der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen wird unter einer Betriebstemperatur die Temperatur während des Betriebs des thermoelektrischen Moduls verstanden. Da üblicherweise an der ersten Seite und der zweite Seite des thermoelektrischen Moduls unterschiedliche Temperaturen anliegen, verläuft ein Temperaturgradient im thermoelektrischen Modul. Folglich ist die Betriebstemperatur abhängig von der Lage im thermoelektrischen Modul. Beispielsweise ist die Betriebstemperatur einer Flüssigmetallschicht in der Nähe einer der Seitenwände, die im Betrieb beheizt wird höher als die Temperatur einer Flüssigmetallschicht in der Nähe der anderen Seite, die im Betrieb gekühlt wird.
Eine günstige Möglichkeit sieht vor, dass die erste Seite des thermoelektrischen Moduls eine Kaltseite und die zweite Seite des thermoelektrischen Moduls eine Warmseite ist. Dadurch liegt die Flüssigmetallschicht auf der kälteren Seite des thermoelektrischen Moduls. Daher sollte ein Schmelzpunkt des Materials der Flüssigmetallschicht unter 80 °C liegen.
Eine weitere günstige Möglichkeit sieht vor, dass die erste Seite des thermoelektrischen Moduls eine Warmseite und die zweite Seite des thermoelektrischen Moduls eine Kaltseite ist. Dadurch liegt die Flüssigmetallschicht auf der wärmeren Seite des thermoelektrischen Moduls. Ein Schmelzpunkt der Flüssigmetallschicht sollte daher unter 250 °C liegen, vorzugsweise unter 150 °C.
Eine besonders günstige Möglichkeit sieht vor, dass das thermoelektrische Modul eine elektrische Isolationsschicht aufweist, die zwischen den ersten Leiterbrücken und der ersten Seitenwand angeordnet ist und dass mindestens eine Flüssigme- tallschicht zwischen den ersten Leiterbrücken und der elektrischen Isolationsschicht angeordnet ist. Auf diese Weise werden die ersten Leiterbrücken und damit die thermoelektrischen Elemente von der elektrischen Isolationsschicht mechanisch entkoppelt. Thermisch induzierte mechanische Spannungen in den thermoelektrischen Elementen können auf diese Weise reduziert werden.
Eine weitere besonders günstige Möglichkeit sieht vor, dass die mindestens eine Flüssigmetallschicht zwischen der elektrischen Isolationsschicht und der ersten Seitenwand angeordnet ist. Auf diese Weise ist die elektrische Isolationsschicht mechanisch von der ersten Seitenwand entkoppelt. Thermisch induzierte mechanische Spannungen können dadurch reduziert werden.
Eine vorteilhafte Lösung sieht vor, dass die mindestens eine Flüssigmetallschicht zu den Leiterbrücken elektrisch isoliert ist. Auf diese Weise kann das Risiko von elektrischen Kurzschlüssen, welche durch die Flüssigmetallschicht verursacht werden könnten, reduziert.
Eine weitere vorteilhafte Lösung sieht vor, dass die elektrisch isolierende Schicht durch einen strukturierten Keramikkörper gebildet ist und dass der strukturierte Keramikkörper auf einer den Leiterbrücken zugewandten Seite Stege aufweist, welche den einzelnen Leiterbrücken zugeordnete Bereiche voneinander trennt. Die Strukturierung des Keramikkörpers und damit der elektrischen Isolationsschicht erleichtert die Montage des thermoelektrischen Moduls und erhöht die Stabilität des thermoelektrischen Moduls.
Eine besonders vorteilhafte Lösung sieht vor, dass der strukturierte Keramikkörper mehrere metallisierte Flächen aufweist und dass auf der den Leiterbrücken zugewandten Seite die metallisierten Flächen durch die Stege unterbrochen sind. Die metallisierten Flächen verbessern den Kontakt zwischen dem Keramikkörper und Metallen. Dies kann beispielsweise beim Löten vorteilhaft sein. Ferner ist auch der Kontakt einer Flüssigmetallschicht zu dem Keramikkörper durch die metallisierten Flächen verbessert.
In der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen wird unter einer metallisierten Fläche eine Fläche verstanden, auf welcher eine Metallschicht aufgebracht ist. Dies kann beispielsweise durch Einbrennen einer Metallisierungspaste erfolgen. Solche Metallisierungspasten können beispielsweise Kupfer, Silber oder Wolfram aufweisen. Zusätzlich kann die eingebrannte Metallisierungspaste mit Nickel und/oder Silber beschichtet werden.
Eine weitere besonders vorteilhafte Lösung sieht vor, dass mehrere Flüssigmetallschichten zwischen den metallisierten Flächen und den Leiterbrücken angeordnet sind. Vorzugsweise ist je Leiterbrücke eine Flüssigmetallschicht vorgesehen. So kann die Flüssigmetallschicht einen thermischen Kontakt zwischen den Leiterbrücken und der elektrisch isolierenden Schicht erzeugt werden, wobei die Leiterbrücken mechanisch von der elektrisch isolierenden Schicht entkoppelt sind.
Eine günstige Variante sieht vor, dass zwischen jedem Paar aus metallisierter Fläche und Leiterbrücke eine Flüssigmetallschicht angeordnet ist. Somit können alle Leiterbrücken temperiert werden, so dass eine optimale Wärmeübertragung von den ersten Leiterbrücken zu der ersten Seitenwand ermöglicht wird.
Eine weitere günstige Variante sieht vor, dass die Flüssigmetallschicht jeweils in Kontakt mit mindestens einer der metallisierten Flächen stehen. Dadurch wird auch der thermische Kontakt zu der isolierenden Schicht hergestellt. Eine besonders günstige Variante sieht vor, dass der strukturierte Keramikkörper auf einer der ersten Seitenwand zugewandten Seite eine zusammenhängende metallisierte Fläche aufweist. Dadurch kann ein Kontakt zu einer Flüssigmetallschicht verbessert werden, welche zwischen der elektrischen Isolationsschicht und der ersten Seitenwand verläuft. Somit kann ein thermischer Kontakt zwischen der ersten Seitenwand und der elektrischen Isolationsschicht verbessert werden.
Eine weitere besonders günstige Variante sieht vor, dass eine Flüssigmetallschicht an der zusammenhängenden metallisierten Fläche anliegt. Dadurch wird der thermische Kontakt zwischen dem strukturierten Keramikkörper, also der elektrischen Isolationsschicht und der Flüssigmetallschicht verbessert. Dadurch wird auch der thermische Kontakt von der Seitenwand zur elektrischen Isolationsschicht verbessert, wodurch auch der thermische Kontakt zwischen der ersten Seitenwand und den ersten Leiterbrücken verbessern wird.
Eine vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass die elektrische Isolationsschicht durch mehrere Keramikelemente gebildet ist, und dass die ersten Leiterbrücken durch metallisierte Flächen auf den Keramikelementen gebildet sind. Auf diese Weise können die Leiterbrücken zum einen sehr kompakt ausgebildet werden. Zum anderen entsteht ein sehr guter thermischer Kontakt zwischen den Leiterbrücken und den Keramikelementen, so dass insgesamt der thermische Kontakt von den Leiterbrücken zu der ersten Seitenwand verbessert ist.
Vorzugsweise weisen die metallisierten Flächen, welche die Leiterbrücken bilden, eine Dicke von 150 μιτι bis 300 μιτι auf. Eine solche Dicke ist ausreichen, um eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit zwischen den durch die ersten Leiterbrücken verbundenen thermoelektrischen Elementen bereitzustellen. Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass die erste Seitenwand mehrere metallisierte Flächen aufweist, dass an den metallisierten Flächen der ersten Seitenwand jeweils eine Flüssigmetallschicht anliegt, dass die Keramikelemente an der den Leiterbrücken abgewandten Seite metallisierte Flächen aufweisen, und dass die Flüssigmetallschichten jeweils an einer metallisierten Fläche der Keramikelemente anliegen. Dadurch liegen die Flüssigmetallschichten jeweils an einer metallisierten Fläche der ersten Seitenwand und an einer metallisierten Fläche eines Keramikelements an, so dass die Flüssigmetallschichten eine thermische Verbindung zwischen den Keramikelementen und der ersten Seitenwand erzeugen. Gleichzeitig bleiben die Keramikelemente und die erste Seitenwand voneinander mechanisch entkoppelt, so dass ein thermischer Spannungsausgleich erzielt ist.
Eine besonders vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass die erste Seitenwand dop- pelwandig ausgebildet ist, und dass die erste Seitenwand eine Innenwand und eine Außenwand aufweist, und dass eine Flüssigmetallschicht zwischen der Innenwand und der Außenwand angeordnet ist. Auf diese Weise erfolgt die mechanische Entkopplung zwischen der Innenwand und der Außenwand. Gleichzeitig bleibt die thermische Leitfähigkeit zwischen der Innenwand zu der Außenwand erhalten, so dass weiterhin Wärme von oder zu den ersten Leiterbrücken geleitet werden kann.
Eine günstige Lösung sieht vor, dass auf einer den Leiterbrücken zugewandten Seite der Innenwand die elektrische Isolationsschicht aufgebracht ist. Dadurch kann die elektrische Isolationsschicht besonders dünn ausgestaltet sein, da diese selbst mechanisch nicht tragend sein muss. Dadurch kann ein guter Wärmekontakt über die elektrische Isolationsschicht erhalten bleiben. Eine weitere günstige Lösung sieht vor, dass die elektrische Isolationsschicht durch Einbrennen eines Dielektrikums auf die Innenwand gebildet ist. Dies ist eine einfache Möglichkeit eine dünne elektrische Isolationsschicht zu erzielen.
Eine besonders günstige Lösung sieht vor, dass die elektrische Isolationsschicht durch thermisches Spritzen einer Keramik auf die Innenwand gebildet ist. Auf diese Weise kann eine zuverlässige dünne Keramikschicht gebildet werden.
Dadurch kann eine gute elektrische Isolation bei gleichzeitiger guter thermischer Wärmeleitung erreicht werden.
Eine weitere besonders günstige Lösung sieht vor, dass die elektrische Isolationsschicht durch einen Keramikkörper gebildet ist, der auf die Innenwand aufgelötet ist. Dies ermöglicht eine robuste Verbindung zwischen der elektrischen Isolationsschicht und der Innenwand.
Eine vorteilhafte Variante sieht vor, dass die elektrische Isolationsschicht auf die Leiterbrücken aufgebracht ist. Dadurch kann eine besonders dünne elektrische Isolationsschicht erzielt werden, da diese selbst nicht tragfähig sein muss. Es kann dadurch eine ausreichende elektrische Isolation und gleichzeitig hohe thermische Wärmeleitfähigkeit der elektrischen Isolationsschicht erzielt werden.
Vorzugsweise sind die Leiterbrücken von fünf Seiten mit der elektrischen Isolationsschicht versehen. Lediglich die Seite, an welcher die Leiterbrücken mit den thermoelektrischen Elementen verbunden sind, ist nicht mit der elektrischen Isolationsschicht versehen. Beispielsweise kann die elektrische Isolationsschicht durch ein Tauchbad auf die Leiterbrücken aufgebracht sein, oder durch Spritzen auf die Leiterbrücken aufgesprüht sein oder auf die Leiterbrücken aufgedruckt sein. Eine weitere vorteilhafte Variante sieht vor, dass die erste Seitenwand mehrere metallisierte Flächen aufweist, dass an den metallisierten Flächen der ersten Seitenwand jeweils eine Flüssigmetallschicht anliegt, dass die Leiterbrücken jeweils auf der elektrischen Isolationsschicht eine metallisierte Fläche aufweisen, und dass die Flüssigmetallschichten jeweils an einer metallisierten Fläche der Isolationsschicht anliegen. Dadurch kann ein thermischer Kontakt zwischen der elektrischen Isolationsschicht und der ersten Seitenwand erzielt werden, so dass auch ein thermischer Kontakt zwischen der ersten Seitenwand und den ersten Leiterbrücken hergestellt ist. Gleichzeitig sind die ersten Leiterbrücken mechanisch von der ersten Seitenwand entkoppelt, so dass thermische Spannungen reduziert sind.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch, eine Schnittdarstellung durch ein thermoelektrisches Modul gemäß einer ersten Ausführungsform,
Fig. 2 eine Schnittdarstellung durch ein thermoelektrisches Modul gemäß einer zweiten Ausführungsform,
Fig. 3 eine Schnittdarstellung durch ein thermoelektrisches Modul gemäß einer dritten Ausführungsform, und
Fig. 4 eine Schnittdarstellung durch ein thermoelektrisches Modul gemäß einer vierten Ausführungsform.
Ein in Fig. 1 dargestelltes thermoelektrisches Modul 10 wird zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Wärmeenergie verwendet. Beispielsweise kann das thermoelektrische Modul 10 bei der Restwärmenutzung im Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden. Das thermoelektrische Modul 10 weist ein Modulgehäuse 12 auf, das einen Modulinnenraum 14 umschließt. In dem Modulinnenraum 14 sind mehrere thermoelektrische Elemente 16 angeordnet, welche durch mehrere Leiterbrücken 18 elektrisch verbunden sind. Vorzugsweise sind die thermoelektrischen Elemente 16 durch die Leiterbrücken 18 elektrisch in Reihe geschaltet. Das Modulgehäuse 12 weist an einer ersten Seite 20 eine erste Seitenwand 22 auf, die mit mehreren ersten Leiterbrücken 24 wärmeleitend verbunden ist. Ferner weist das Modulgehäuse 12 an einer zweiten Seite 26 eine zweite Seitenwand 28 auf, die mit mehreren zweiten Leiterbrücken 30 wärmeleitend verbunden ist, wobei sich die thermoelektrischen Elemente 16 zwischen den ersten Leiterbrücken 24 und den zweiten Leiterbrücken 30 erstrecken. Sowohl an der ersten Seite 20 als auch an der zweiten Seite 26 sind die Leiterbrücken 18 jeweils über eine elektrische Isolationsschicht 32 mit den jeweiligen Seitenwänden 22, 28 verbunden. Dadurch sind die Leiterbrücken 18 elektrischen von den Seitenwänden 22, 28 getrennt.
Die ersten Leiterbrücken 24 sind elektrisch leitend mit den thermoelektrischen Elementen 16 verbunden. Eine solche elektrisch leitende Verbindung 33 kann beispielsweise durch Löten oder Silbersintern hergestellt sein. Bei einer Lötverbindung wird vorzugsweise ein Lot verwendet, welches einen Schmelzpunkt von über 120 °C hat, beispielsweise eine Silberkupferverbindung. Die Leiterbrücken 18 weisen vorzugsweise Kupfer, Nickel oder Eisen auf. Die Leiterbrücken 18 können zur Verbesserung der Anbindung einen Haftgrund, beispielsweise Titan, Silber, Nickel oder Kupfer, aufweisen. Des Weiteren können die Leiterbrücken 18 eine Barriereschicht, beispielsweise Nickel, aufweisen.
Eine erste elektrische Isolationsschicht 34 ist zwischen den ersten Leiterbrücken 24 und der ersten Seitenwand 22 angeordnet. Die ersten Leiterbrücken 24 stehen jeweils über eine Flüssigmetallschicht 36 in Kontakt mit der ersten elektrischen Isolationsschicht 34.
Vorzugsweise weisen die ersten Leiterbrücken 24 und die erste elektrische Isolationsschicht 34 jeweils metallisierte Flächen 38 auf. Die metallisierten Flächen 38 verbesserten die Benetzung mit dem Flüssigmetall der Flüssigmetallschicht 36. Die metallisierten Flächen 38 können beispielsweise durch Einbrennen einer Metallisierungspaste hergestellt werden. Solche Metallisierungspasten können beispielsweise Kupfer, Silber oder Wolfram aufweisen. Die Dicke der Metallisierungsschicht liegt vorzugsweise zwischen 20 μιτι und 300 μιτι. Vorzugsweise sind die durch die Metallisierungspasten gebildeten Schichten zusätzlich mit Nickel und/oder Silber beschichtet. Die Flüssigmetallschichten 36 weisen ein Metall oder eine Metalllegierung auf, welche bei einer Betriebstemperatur des thermoelektrischen Moduls 10 flüssig ist. Da in den thermoelektrischen Modul 10 während des Betriebs ein Temperaturgradient vorliegt, ist die Betriebstemperatur abhängig von der Lage des jeweiligen Elementes in dem thermoelektrischen Modul 10. Liegt die Flüssigmetallschicht 36 beispielsweise an einer geheizten ersten Seite 20 des thermoelektrischen Moduls 10 kann ein höherer Schmelzpunkt ausreichen, als wenn die Flüssigmetallschicht 36 an einer gekühlten Seite des thermoelektrischen Moduls 10 liegen würde. Vorzugsweise werden Metalle oder Metalllegierungen mit einem Schmelzpunkt zwischen 50 °C und 250 °C verwendet. Solche Metalllegierungen sind beispielsweise Gallium, Bismut, Indium, Kupfer, Silber und/oder zinnhaltige Legierungen.
Die erste elektrische Isolationsschicht 34 ist durch einen Keramikkörper 40 gebildet, welcher mehrere Stege 42 aufweist. Die Stege 42 unterteilen den Keramikkörper 40 in mehrere Bereiche, die jeweils einer ersten Leiterbrücke 24 zugeordnet sind. Die ersten Leiterbrücken 24 sind über die Flüssigmetallschichten 36 mit den ihnen zugeordneten Bereichen thermisch verbunden.
Die Stege 42 trennen die metallisierten Flächen 38 auf dem Keramikkörper 40 voneinander. Darüber hinaus trennen die Stege 42 die Flüssigmetallschichten 36 voneinander, so dass kein elektrischer Kontakt zwischen den Flüssigmetallschichten 36 vorliegt.
Des Weiteren weist der Keramikkörper 40 auf einer der ersten Seitenwand 22 zugewandten Seite ebenfalls eine metallisierte Fläche 38 auf, welche den Kontakt zu einer weiteren Flüssigmetallschicht 36 verbessert, welche zwischen der ersten elektrischen Isolationsschicht 34 und der ersten Seitenwand 22 angeordnet ist und einen thermischen Kontakt zwischen diesen beiden herstellt. Zur Verbesserung der Benetzung der ersten Seitenwand 22 mit der Flüssigmetallschicht 36 kann auch die erste Seitenwand 22 mit einer metallisierten Fläche 38 versehen sein.
Durch diese Anordnung sind die ersten Leiterbrücken und damit die thermo- elektrischen Elemente 16 zu der ersten elektrischen Isolationsschicht 34 mechanisch entkoppelt, so dass sich thermisch induzierte mechanische Spannungen ausgleichen können. Des Weiteren ist auch die erste elektrische Isolationsschicht 34 von der ersten Seitenwand 22 mechanisch entkoppelt, so dass auch hier die thermisch induzierten mechanischen Spannungen reduziert sein können. Insgesamt erlaubt ein solcher Aufbau eine höhere Betriebstemperatur des thermo- elektrischen Moduls 10, wodurch ein erheblich verbesserter Wirkungsgrad erzielt werden kann.
An der zweiten Seite 26 des thermoelektrischen Moduls 10 ist die zweite Seitenwand 28 mit einer zweiten elektrischen Isolationsschicht 45 versehen. Diese zweite elektrische Isolationsschicht 45 kann beispielsweise durch Einbrennen eines Dielektrikums oder durch thermisches Aufspritzen einer keramischen Schicht oder durch Auflöten eines Keramikkörpers hergestellt werden. Beispielsweise können AI2O3, AIN oder Si3N4-Keramiken verwendet werden.
Die zweiten Leiterbrücken 30 sind mit der zweiten elektrischen Isolationsschicht 45 verbunden. Eine solche elektrisch leitende Verbindung 47 kann vorzugsweise eine Lötverbindung sein. Beispielsweise kann ein Weichlot mit einem Schmelzpunkt über 120 °C, wie beispielsweise Zinn verwendet werden. Ebenso ist ein Hartlot, beispielsweise eine Silberkupferlegierung oder ein Aktivlot, beispielsweise eine Silberkupfertitanlegierung möglich. Alternativ oder ergänzend hierzu kann die Verbindung 47 zwischen den zweiten Leiterbrücken 30 und der zweiten elektrischen Isolationsschicht 45 durch Silbersintern hergestellt werden. Um die Benetzung der zweiten elektrischen Isolationsschicht 45 zu verbessern, kann auch diese mit einer metallisierten Fläche 38 versehen sein.
Die zweiten Leiterbrücken 30 sind mit den thermoelektrischen Elementen 16 elektrisch verbunden. Eine solche Verbindung 49 könnte beispielsweise eine Lötverbindung sein. Das Lot kann beispielsweise ein Weichlot mit einem Schmelzpunkt von über 120°, ein Hartlot, beispielsweise eine Silberkupferlegierung verwendet werden. Alternativ oder ergänzend hierzu können die zweiten Leiterbrücken 30 mit den thermoelektrischen Elementen 16 mittels einer Silbersinterung verbunden sein.
Bei dieser beschriebenen Variante wird die erste Seite 20 des thermoelektrischen Moduls 10 als Heißseite genutzt und die zweite Seite 26 des thermoelektrischen Moduls 10 als Kaltseite genutzt. Selbstverständlich ist auch eine komplementäre Verwendung möglich. Dann sollten allerdings die Lötverbindungen auf der zweiten Seite 26, die dann die Heißseite ist nicht mittels eines Weichlotes hergestellt sein. Dafür können die Lötverbindungen auf der ersten Seite 20, die dann die Kaltseite ist, auch mittels eines Weichlotes gebildet werden.
Eine in Fig. 2 dargestellte zweite Ausführungsform des thermoelektrischen Moduls 10 unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsform des thermoelektrischen Moduls 10 dadurch, dass die erste elektrische Isolationsschicht 34 durch mehrere Keramikelemente 44 gebildet ist und dadurch, dass die ersten Leiterbrücken 24 jeweils durch eine metallisierte Fläche 38 auf den Keramikelementen 44 der ersten elektrischen Isolationsschicht 34 gebildet sind.
Dadurch sind die Keramikelemente 44 der ersten elektrischen Isolationsschicht 34 über die ersten Leiterbrücken 24 mechanisch fest mit den thermoelektrischen Elementen 16 verbunden. Die metallische Flächen 38, welche die ersten Leiterbrücken 24 bilden, weisen vorzugsweise eine Dicke von 150 μιτι bis 300 μιτι auf. Dadurch kann eine ausreichende Leitfähigkeit erzielt werden.
Die Keramikelemente 44 weisen ferner jeweils eine zweite metallisierte Fläche 38 auf, welche an der den ersten Leiterbrücken 24 gegenüberliegenden Seite, also der ersten Seitenwand 22 zugewandten Seite der Keramikelemente 44 angeordnet sind. Diese metallisierten Flächen 38 dienen zur verbesserten Benetzung von Flüssigmetallschichten 36, welche zwischen der ersten elektrischen Isolationsschicht 34 und der ersten Seitenwand 22 angeordnet sind. Da die erste elektrische Isolationsschicht 34 durch mehrere Keramikelemente 44 gebildet ist, sind die metallisierten Flächen 38 unterbrochen, wodurch auch die Flüssigmetallschicht 36 unterbrochen ist und somit jeder Keramikelemente 44 durch eine eigene Flüssigmetallschicht 36 thermisch mit der ersten Seitenwand 22 verbunden ist.
Im Übrigen stimmt die in Fig. 2 dargestellte zweite Ausführungsform des thermo- elektrischen Moduls 10 mit der in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsform des thermoelektrischen Moduls 10 hinsichtlich Aufbau und Funktion überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in Fig. 3 dargestellte dritte Ausführungsform des thermoelektrischen Moduls 10 unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsform des thermoelektrischen Moduls 10 dadurch, dass die erste Seitenwand 22 doppel- wandig ausgebildet ist und eine Flüssigmetallschicht 36 zwischen einer Innenwand 46 und einer Außenwand 48 der ersten Seitenwand 22 verläuft. Die Innenwand 46 und die Außenwand 48 können jeweils mit einer metallisierten Fläche 38 versehen sein, um die Benetzung mit der Flüssigmetallschicht 36 zu verbessern. Auf einer den ersten Leiterbrücken 24 zugewandten Seite weist die Innenwand 46 die erste elektrische Isolationsschicht 34 auf. Die erste elektrische Isolationsschicht 34 kann beispielsweise durch Einbrennen eines Dielektrikums gebildet werden. Alternativ oder ergänzend hierzu kann die erste elektrische Isolationsschicht 34 auch durch thermisches Spritzen einer Keramik auf die Innenwand 46 gebildet werden. Ferner kann die erste elektrische Isolationsschicht 34 auch durch einen Keramikkörper gebildet sein, der auf die Innenwand 46 aufgelötet ist.
Die ersten Leiterbrücken 24 sind mit der ersten elektrischen Isolationsschicht 34 verbunden. Eine solche Verbindung 51 kann beispielsweise eine Lötverbindung mit Hartlot oder Aktivlot sein. Alternativ hierzu können die ersten Leiterbrücken 24 auch mittels Silbersinterung mit der ersten elektrischen Isolationsschicht 34 verbunden sein.
Um die Benetzung der ersten elektrischen Isolationsschicht 34 zu verbessern, kann diese mit einer metallisierten Fläche 38 versehen sein. Im Übrigen stimmt die in Fig. 3 dargestellte dritte Ausführungsform des thermoelektrischen Moduls 10 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsform des thermoelektrischen Moduls 10 überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in Fig. 4 dargestellte vierte Ausführungsform des thermoelektrischen Moduls 10 unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsform des thermoelektrischen Moduls 10 dadurch, dass die erste elektrische Isolationsschicht 34 durch eine Beschichtung der ersten Leiterbrücken 24 gebildet ist. Die erste elektrische Isolationsschicht 34 ist also unterteilt in mehrere Schichtabschnitte, welche jeweils die ersten Leiterbrücken 24 beschichten.
Die erste elektrische Isolationsschicht 34 ist dabei von mehreren Seiten auf die jeweilige erste Leiterbrücke 24 aufgebracht. Lediglich die Seite, mit welcher die ersten Leiterbrücken 24 mit den thermoelektrischen Elementen 16 verbunden sind, ist nicht durch die erste elektrische Isolationsschicht 34 bedeckt. Die erste elektrische Isolationsschicht 34 kann beispielsweise durch ein Dielektrikum gebildet sein, welches durch Tauchen, Sprühen oder Drucken auf die Leiterbrücken aufgebracht ist. Die ersten Leiterbrücken 24 können dabei quaderförmig oder quaderförmig mit abgerundeten Ecken ausgebildet sein. Alternativ oder ergänzend hierzu können die ersten Leiterbrücken 24 auch als konvex geformtes Blech gebildet sein, wobei eine Seite der Leiterbrücken, die mit den thermoelektrischen Elementen 16 verbunden ist, eben ist.
Eine Flüssigmetallschicht 36 ist zwischen der ersten elektrischen Isolationsschicht 34 und der ersten Seitenwand 22 angeordnet und bildet einen thermischen Kontakt zwischen der ersten Seitenwand 22 und den ersten Leiterbrücken 24. Zur besseren Benetzung können sowohl die erste elektrische Isolationsschicht 34 als auch die erste Seitenwand 22 mit einer metallisierten Fläche 38 versehen sein.
Im Übrigen stimmt die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform des thermoelektrischen Moduls 10 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsform des thermoelektrischen Moduls 10 überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.

Claims

Ansprüche
1 . Therme-elektrisches Modul,
mit einem Modulgehäuse (12), das einen Modulinnenraum (14) umschließt, mit mehreren im Modulinnenraum (14) angeordneten thermoelektrischen Elementen (16),
mit mehreren im Modulinnenraum (14) angeordneten Leiterbrücken (18) zum elektrischen Verschalten der thermoelektrischen Elemente (16),
wobei das Modulgehäuse (12) an einer ersten Seite (20) eine erste Seitenwand (22) aufweist, die mit mehreren ersten Leiterbrücken (24) wärmeleitend verbunden ist,
wobei das Modulgehäuse (12) an einer zweiten Seite (26) eine zweite Seitenwand (28) aufweist, die mit mehreren zweiten Leiterbrücken (30) wärmeleitend verbunden ist,
wobei sich die thermoelektrischen Elemente (16) zwischen den ersten und zweiten Leiterbrücken (24, 30) erstrecken,
dadurch gekennzeichnet,
dass das thermoelektrische Modul (10) eine Flüssigmetallschicht (36) aufweist, die zwischen den ersten Leiterbrücken (24) und der ersten Seitenwand (22) angeordnet ist.
2. Thermoelektrisches Modul nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, - dass die erste Seite (20) des thernnoelektnschen Moduls (10) eine Kaltseite ist und die zweite Seite (26) des thermoelekthschen Moduls (10) eine Warmseite ist, oder
- dass die erste Seite (20) des thermoelekthschen Moduls (10) eine Warmseite ist und die zweite Seite (26) des thermoelekthschen Moduls (10) eine Kaltseite ist.
3. Thermoelektrisches Modul nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
- dass das thermoelektrische Modul (10) eine erste elektrische Isolationsschicht (34) aufweist, die zwischen den ersten Leiterbrücken (24) und der ersten Seitenwand (22) angeordnet ist,
- dass mindestens eine Flüssigmetallschicht (36) zwischen den ersten Leiterbrücken (24) und der ersten elektrischen Isolationsschicht (34) angeordnet ist, und/oder
- dass mindestens eine Flüssigmetallschicht (36) zwischen der ersten elektrischen Isolationsschicht (34) und der ersten Seitenwand (22) angeordnet ist.
4. Thermoelektrisches Modul nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
- dass die erste elektrische Isolationsschicht (34) durch einen strukturierten Keramikkörper (40) gebildet ist,
- dass der strukturierte Keramikkörper (40) auf einer den Leiterbrücken zugewandten Seite Stege (42) aufweist, welche den einzelnen Leiterbrücken (24) zugeordneten Bereiche voneinander trennt.
5. Thermoelektrisches Modul nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, - dass der strukturierte Keramikkorper (40) mehrere metallisierte Flächen (38) aufweist,
- dass auf der den Leiterbrücken (18, 24, 30) zugewandten Seite die metallisierten Flächen (38) durch die Stege (42) unterbrochen sind.
6. Thermoelektrisches Modul nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der strukturierte Keramikkörper (40) auf einer der ersten Seitenwand (22) zugewandten Seite eine zusammenhängende metallisierte Fläche (38) aufweist.
7. Thermoelektrisches Modul nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
- dass die erste elektrische Isolationsschicht (34) durch mehrere Keramikelemente (44) gebildet ist,
- dass die ersten Leiterbrücken durch metallisierte Flächen auf den Keramikelementen (44) gebildet sind,
8. Thermoelektrisches Modul nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
- dass die erste Seitenwand (22) mehrere metallisierte Flächen (38) aufweist,
- dass an den metallisierten Flächen (38) der ersten Seitenwand (22) jeweils eine Flüssigmetallschicht (36) anliegt,
- dass die Keramikelemente (44) an der den Leiterbrücken (18, 24, 30) abgewandten Seite metallisiert Flächen (38) aufweisen, und
- dass die Flüssigmetallschichten (36) jeweils an einer metallisierten Fläche (38) der Keramikelemente (44) anliegen.
9. Thermoelektrisches Modul nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, - dass die erste Seitenwand (22) doppelwandig ausgebildet ist,
- dass die erste Seitenwand (22) eine Innenwand (46) und eine Außenwand (48) aufweist,
- dass eine Flüssigmetallschicht (36) zwischen der Innenwand (46) und der Außenwand (48) angeordnet ist.
10. Thermoelektrisches Modul nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass auf einer den Leiterbrücken (18, 24, 30) zugewandten Seite der Innenwand (46) die erste elektrische Isolationsschicht (34) aufgebracht ist.
1 1 . Thermoelektrisches Modul nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste elektrische Isolationsschicht (34) auf die Leiterbrücken (24) aufgebracht ist.
12. Thermoelektrisches Modul nach Anspruch 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
- dass die erste Seitenwand (22) mehrere metallisierte Flächen (38) aufweist,
- dass an den metallisierten Flächen (38) der ersten Seitenwand (22) jeweils eine Flüssigmetallschicht (36) anliegt,
- dass die Leiterbrücken (24) jeweils auf der ersten elektrischen Isolationsschicht (34) eine metallisierte Fläche (38) aufweisen,
- dass die Flüssigmetallschichten (36) jeweils an einer metallisierten Fläche (38) der ersten elektrischen Isolationsschicht (34) anliegen.
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