WO2017093476A1 - Thermoelektrisches modul - Google Patents

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Reinhard Sottong
Martin Schmücker
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    • H10N10/851—Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions
    • H10N10/854—Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions comprising only metals

Definitions

  • the invention relates to a thermoelectric module.
  • Thermoelectric modules are used to convert a temperature gradient between the two ends of a thermoelectric element into an electrical voltage.
  • thermoelectric modules are usually produced according to the prior art in planar geometry, wherein the elements that make up a thermoelectric module, are non-positively or materially interconnected.
  • the basic structure of a thermoelectric module is shown in three different variants in FIG. 1 shown. Common to all variants is that between a hot side 18 and a cold side 20, the thermoelectric module 10 is arranged. In the variant according to FIG. la takes place for a better contacting an external force application by a screw. In Fig. Lb there is a frictional connection by a geunterenen structure while in Fig. Lc a continuous cohesive structure is shown.
  • thermoelectric module 10 The exact structure of a thermoelectric module 10 known from the prior art is shown in FIG. 2 shown.
  • the individual thermoelectric elements 12a, 12b are electrically connected to each other via metal plates 34, 36. These simultaneously serve a thermal conduction, so that the Heat of the hot medium, for example, the thermoelectric element 12a, 12b can be supplied.
  • the module has an insulating ceramic carrier plate 32 which electrically decouples the metallic bridge elements. By this carrier plate environmental influences are further reduced, which can act on the thermoelectric module.
  • a metal plate 38 may additionally be attached to the outer side of the ceramic plate 32. It is also possible to apply a ceramic insulating layer as a layer to the metal.
  • metal bridges 38a, 38b, 38c may be arranged on the outside of the ceramic plate 32 instead of this continuous metal plate 38 (see FIG. 2c).
  • thermoelectric element 10 has different coefficients of thermal expansion, so that heating of the thermoelectric element 10 results in deformation thereof, which is caused by the fact that the hot side of the thermoelectric element expands more than its cold side Fig. 3).
  • the deflection of the thermoelectric element leads to a deterioration of the thermal coupling between the heat source and the heat sink.
  • this deformation and the different expansions of different materials at contact points between them induce high thermo-mechanical stresses which can lead to delamination or cracks at these points and thus destroy the module.
  • thermal resistances which are of particular importance because thermal resistances between different materials (eg, ceramic and metal) are particularly large.
  • these thermal resistances are shown in detail.
  • the first results from the heat transfer between the hot medium, such as a gas, and the outer metal plate 38.
  • further thermal resistances develop in the direction of the heat sink.
  • thermoelectric elements 12a, 12b High thermal resistances lead to a lower temperature gradient between the two ends of the thermoelectric elements 12a, 12b, which leads to a reduced yield of electrical voltage.
  • CN101894905-A CN101894905-B, Jiangxi Namike Thermoelectricity Electronics Co Ltd, Zheng J., Nov. 24, 2010
  • thermoelectric modules
  • the object of the invention is to provide a thermoelectric module with a higher efficiency and extended life.
  • thermoelectric module comprises a thermoelectric element for converting a temperature gradient between the two ends of the thermoelectric element into an electrical voltage.
  • thermoelectric module has a plurality of such thermoelectric elements, which are arranged side by side in the thermoelectric module.
  • thermoelectric module further includes an electrically conductive heat conducting member arranged to thermally couple the high temperature side of the thermoelectric element with a warm medium between the thermoelectric element and the warm medium.
  • thermoelectric module comprises an electrically conductive heat conducting element, which is arranged for thermally coupling the low temperature side of the thermoelectric element with a cold medium between the thermoelectric element and the cold medium.
  • the electrically conductive heat conducting element is thus arranged between the thermoelectric element and the heat source or the heat sink.
  • the electrically conductive heat conducting element is designed as a spring element which is resilient parallel to the direction of the course of the temperature gradient.
  • thermoelectric module no longer have to be manufactured so precisely.
  • electrically conductive heat-conducting element an electrical contacting takes place at at least one end of the thermoelectric element, so that the voltage generated by this can be dissipated.
  • thermoelectric modules thus had higher thermal resistance.
  • the electrically conductive heat conducting element comprises a metal or a metal alloy. In this way, a particularly good heat conduction from the heat source or the heat sink to the respective side of the thermoelectric element can be ensured.
  • the thermoelectric module comprises an electrically insulating flat fiber-ceramic carrier element for supporting the electrically conductive heat-conducting element. This runs in particular perpendicular to the course of the temperature gradient.
  • the fiber-ceramic carrier element has at least one recess through which the electrically conductive heating element is passed, so that an outer part of the heat-conducting element is arranged outside the fiber-ceramic carrier element and an inner part of the heat-conducting element is arranged inside the fiber-ceramic carrier element.
  • thermoelectric module Compared to previously used monolithic ceramic plates, a composite ceramic has a higher resistance to mechanical and thermomechanical load peaks, so that the life of the thermoelectric module is increased. Furthermore, it is possible to produce the thermoelectric module due to the fiber composite ceramic in any module geometries away from a planar shape.
  • the electrically conductive heat conducting element is formed loop-shaped, wherein the loop has a first and second open end which extend parallel to the fiber-ceramic support element outside of this and form a contact surface to the hot or cold medium.
  • These two open ends of the loop can preferably be moved towards and away from each other, so that mechanical stresses parallel to the module surface, which arise due to thermal expansions, can be compensated via the shape of the loop-shaped heat conducting element without mechanical stresses on the contact surface to the thermoelectric element occur.
  • a heat distribution plate for homogeneous heat distribution at the first and second end of the thermoelectric element is disposed between the heat conducting element and the thermoelectric element.
  • This preferably has a metal or a metal alloy. It is preferred that between the heat-conducting element and the thermoelectric element exclusively a heat distribution plate is arranged, so that there are no further components provided. In this way, a reduction of the thermal resistance between the heat source or the heat sink and the thermoelectric element can be achieved because, for example, the heat passes from the heat source to the heat conducting, is passed from there to the heat distribution plate and passes from this directly into the thermoelectric element.
  • the heat conduction member and the heat distribution plate may both be formed of metal, the thermal resistance between these two components is relatively small. In particular, it is not necessary according to the invention to provide a heat transfer between a ceramic and a metal component, which would result in an increased thermal resistance. This is due to the fact that ceramic components on the thermoelectric module according to the invention are not involved in the heat conduction.
  • the heat-conducting element forms a bridge between two adjacent thermoelectric elements, for which purpose a heat-conducting element in particular has two loops, of which the first for contacting the first thermoelectric element and the second serves for contacting the second thermoelectric element.
  • insulation can be effected by the fiber-ceramic carrier element.
  • the thermal expansion coefficient of the heat distribution plate i. W. is identical to the heat distribution coefficient of the thermoelectric element.
  • the thermal expansion coefficient of the heat distribution plate i. W. is identical to the heat distribution coefficient of the thermoelectric element.
  • the contact surface to the thermoelectric element in particular in a direction parallel to the module surface within a certain range is movable, relative movements between the heat conducting element and the heat distribution plate can be compensated in a direction parallel to the module surface.
  • the heat-conducting element and the heat distribution plate can also be connected to one another in a material-locking manner.
  • the spring function takes over a reduction of the occurring thermo-mechanical stresses.
  • thermoelectric element there is a direct metallic connection between the thermoelectric element and the hot or cold medium. As a result, an improved thermal coupling over the prior art can be achieved.
  • the size and shape of the recesses of the fiber-ceramic support element is adapted to the size and shape of the heat-conducting element, so that the fiber-ceramic element rests directly on the outer edge of the heat-conducting element and isolates the thermoelectric element with respect to the hot or cold medium.
  • the efficiency of the thermoelectric module can be further increased. It is preferred that all of the described components are present in the thermoelectric module multiple times, so that the thermoelectric module has a plurality of thermoelectric elements which are electrically connected to one another via the electrically conductive heat conducting elements. The plurality of heat-conducting elements is held by the fiber-ceramic carrier element, which thus gives the thermoelectric module its mechanical stability.
  • FIGS. 1 and 2 are identical to FIGS. 1 and 2
  • thermoelectric modules according to the prior art
  • thermoelectric module 3 shows the deformation of a thermoelectric module according to the prior art
  • thermoelectric module 4 shows the thermal resistances in a thermoelectric module according to the prior art
  • thermoelectric module 5 shows a first embodiment of the thermoelectric module according to the invention
  • FIGS. 7 and 8 further embodiments of a thermoelectric element according to the invention.
  • thermoelectric element 9 shows the thermal resistances in one embodiment of the thermoelectric element according to the invention.
  • FIG. 3 shows how a thermoelectric module 10 known from the prior art expands more on its hot side 18 than on its cold side 20. This leads to a deformation of the module, to a deteriorated thermal coupling of the individual components and thus to a reduction in the achievable electrical power of the thermoelectric module 10th
  • the fiber-ceramic carrier element 22, 24 is not used as a heat conductor, but only for the electrical insulation of the heat-conducting elements 14a, 14b, 16a, 16b and for a mechanical stabilization of the thermoelectric module (see, inter alia, Figures 7 and 9).
  • FIG. 9 it can be seen that the thermal resistances between the heat source or heat sink and the thermoelectric module 10 can be reduced by the thermoelectric module 10 according to the invention.
  • This relates both to the number of thermal resistors and to their type, since, for example, a heat transfer between a keeper Ra- mischen material and metal is completely avoided and ceramics with high thermal resistance are not involved in the heat conduction. As a result, a higher heat flow and thus a more efficient use of the available amount of heat is possible.
  • thermoelectric module 10 An exemplary construction of a thermoelectric module 10 according to the invention is shown in FIG.
  • a metal heat distribution plate 30 whose coefficient of thermal expansion is preferably identical to that of the thermoelectric element 12a, 12b so that no thermo-mechanical stresses occur at the junction between these two elements.
  • Thermally and electrically coupled to the top of the heat distribution plates is the electrically conductive heat conducting element 14a.
  • This has two loops, of which the first loop of contacting the left heat distribution plate 30 and the second loop of contacting the right heat distribution plate 30 is used. This contacting takes place in each case through the round central element of the loop, whereby in addition the respective first and second open end 26, 28 of each loop are thermally coupled to the heat source, not shown.
  • FIG. 6 shows the way in which the heat-conducting element 14a can elastically deform:
  • elastic deformation in one direction parallel to the module surface, that is perpendicular to the direction of the temperature gradient t is possible.
  • the heat-conducting element 14a can expand without exposing the thermoelectric elements 12a, 12b or the heat distribution plates 30 to significant mechanical stresses.
  • the round central portion 27 of each loop is also movable independently of the two open ends 26, 28 of the loop parallel to the surface of the module, so that movements that occur at the open ends 26, 28 of the loop balanced can be.
  • the heat-conducting element which is designed as a spring element, has elastic properties in the direction of the temperature gradient t, so that, for example, height differences in the thermoelectric elements 12a, 12b can be compensated for.
  • the loop-shaped heat-conducting elements 14a, 14b, 16a, 16b according to the invention can be used in various ways: according to FIG. 7a, they are used both on the upper side and on the lower side of the thermoelectric elements 12a, 12b, in each case by a fiber-ceramic carrier plate 22, 24 are held, having recesses through which the loops of the heat conducting elements are passed. Through the fiber-ceramic support plate 22, 24 also takes place a thermal insulation of the space between the thermoelectric elements 12a, 12b relative to the heat source and heat sink instead.
  • thermoelectric element 10 is formed, for example, the cold side according to the prior art by using for the electrical contacting of the thermoelectric elements 12a, 12b metal bridges 34, which are supported by a ceramic plate 32, which in turn an external metal plate is connected (see Fig. 7b).
  • This configuration of the cold side of the thermoelectric element 10 corresponds to the embodiment of the prior art shown in FIG. Ib.
  • thermoelectric module 10 may also have a curved shape. This is made possible by the use of the fiber-ceramic carrier element.
  • thermoelectric elements 12a, 12b it is possible for the thermoelectric elements 12a, 12b to be interconnected in each case offset via an electrically conductive heat conducting element 14a, 14b, 16a, 16b.
  • the two left-hand thermoelectric elements 12 a 12 b are connected to one another via the heat-conducting element 14 a, while the second and third thermoelectric elements 12 b, 12 a are connected to one another via the lower heat-conducting element 16 a.
  • the third and fourth thermoelectric elements 12a, 12b are connected again via the upper heat conduction member 14b, etc. By doing so, a series connection of a plurality of thermoelectric elements can be achieved, as known in the art.

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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Abstract

Thermoelektrisches Modul mit einem thermoelektrischen Element (12a, 12b) zum Umwandeln eines Temperaturgradienten zwischen den zwei Enden des thermoelektrischen Elements 12a, 12b in eine elektrische Spannung, einem elektrisch leitenden Wärmeleitelement (14a, 14b), das zum thermischen Koppeln der Hochtemperaturseite des thermoelektrischen Elements (12a, 12b) mit einem warmen Medium (18) zwischen dem thermoelektrischen Element (12a, 12b) und dem warmen Medium (18) angeordnet ist und/oder einem elektrisch leitenden Wärmeelement (16a, 16b), das zum thermischen Koppeln der Niedrigtemperaturseite des thermoelektrischen Elements (12a, 12b) mit einem kalten Medium 20 zwischen dem thermoelektrischen Element (12a, 12b) und dem kalten Medium (20) angeordnet ist. Dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Wärmeleitelement (14a, 14b, 16a, 16b) als Federelement ausgebildet ist, das parallel zur Richtung des Verlaufs des Temperaturgradienten t federnd ist.

Description

Thermoelektrisches Modul
Die Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Modul.
Thermoelektrische Module werden zum Umwandeln eines Temperaturgradienten zwischen den zwei Enden eines thermoelektrischen Elements in eine elektrische Spannung verwendet.
Thermoelektrische Module werden gemäß dem Stand der Technik meist in planarer Geometrie hergestellt, wobei die Elemente, aus denen ein thermoelektrisches Modul besteht, kraft- oder stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Der grundsätzliche Aufbau eines thermoelektrischen Moduls ist in drei verschiedenen Varianten in Fig . 1 dargestellt. Allen Varianten gemein ist, dass zwischen einer Heißseite 18 und einer kalten Seite 20 das thermoelektrische Modul 10 angeordnet ist. In der Variante gemäß Fig . la erfolgt für eine bessere Kontaktierung eine externe Kraftaufbringung durch eine Verschraubung. In Fig. lb erfolgt ein Kraftschluss durch einen geschossenen Aufbau während in Fig. lc ein durchgängig stoffschlüssiger Aufbau dargestellt ist.
Der genaue Aufbau eines thermoelektrischen Moduls 10, das aus dem Stand der Technik bekannt ist, ist in Fig . 2 dargestellt. Die einzelnen thermoelektrischen Elemente 12a, 12b sind elektrisch über Metallplatten 34, 36 miteinander verbunden. Diese dienen gleichzeitig einer thermischen Leitung, so dass die Wärme des heißen Mediums beispielsweise dem thermoelektrischen Element 12a, 12b zugeführt werden kann. Das Modul weist eine isolierende keramische Trägerplatte 32 auf, die die metallischen Brückenelemente elektrisch entkoppelt. Durch diese Trägerplatte werden ferner Umwelteinflüsse verringert, die auf das thermoelektrische Modul einwirken können. Gemäß Fig. 2b kann auf der äußeren Seite der Keramikplatte 32 zusätzlich eine Metallplatte 38 angebracht sein. Es kann auch eine keramische Isolierschicht als Schicht auf das Metall aufgebracht sein. Alternativ können anstelle dieser durchgehenden Metallplatte 38 an der Außenseite der Keramikplatte 32 auch metallische Brücken 38a, 38b, 38c angeordnet sein (Siehe Fig . 2c).
Nachteilig an dem genannten Aufbau ist, dass die unterschiedlichen Materialien unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, so dass es bei einer Aufheizung des thermoelektrischen Elements 10 zu einer Verformung desselben kommt, die dadurch verursacht wird, dass die Heißseite des thermoelektrischen Elements sich stärker ausdehnt als seine Kaltseite (Siehe Fig. 3). Die Durchbiegung des thermoelektrischen Elements führt zu einer Verschlechterung der thermischen Kopplung zwischen Wärmequelle und Wärmesenke. Außerdem werden durch diese Verformung und die verschiedenen Ausdehnungen unterschiedlicher Materialien an Kontaktstellen zwischen diesen (insbesondere am Übergang von metallischer Brücke zu thermoelektrischem Material) hohe thermomechanische Spannungen induziert, die zu Ablösungen oder Rissen an diesen Stellen führen können und so das Modul zerstören.
Weiterhin entstehen durch die Vielzahl der verwendeten Materialien zahlreiche thermische Widerstände, die insbesondere deswegen ins Gewicht fallen, weil thermische Widerstände zwischen unterschiedlichen Materialien (z. B. Keramik und Metall) besonders groß ausfallen. In Fig. 4 sind diese thermischen Widerstände im Einzelnen dargestellt. Der erste entsteht durch den Wärmeübergang zwischen dem heißen Medium, beispielsweise einem Gas, und der äußeren Metallplatte 38. Der nächste entsteht beim Übergang zwischen der Metallplatte 38 und der Keramikplatte 32. Der nächste entsteht beim Übergang zwischen der Keramikplatte 32 und der Metallbrücke 34. Der nächste entsteht beim Übergang zwischen der Metallbrücke 34 und den thermoelektrischen Elementen 12a, 12b. Ähnlich entstehen weitere thermische Widerstände in Richtung der Wärmesenke.
Hohe thermische Widerstände führen zu einem geringeren Temperaturgradienten zwischen den beiden Enden der thermoelektrischen Elemente 12a, 12b, was zu einer verringerten Ausbeute an elektrischer Spannung führt.
Informationen zum Stand der Technik, insbesondere zu flexiblen thermoelektrischen Elementen können den folgenden Veröffentlichungen entnommen werden :
WO2015050077-A1; Fuji Film Corp, Maruyama Yoichi, Hayashi Naoyuki, 09.Apr 2015
WO2014001337-A1; DE102012105743-A1, ElringKlinger AG, Beyerlein G., 03. Jan 2014
DE102012105086-A1; WO2013185903-A1; DE102012105086-B4; Karlsruher Inst Technologie, Gall A; Gueltig M; Kettlitz S; Lemmer U, 19. Dec 2013
CN202888246-U; Jiangsu Internet Things Res Dev Cent, Wang R; Cao E; Chen L; Wu Q, 17. Apr. 2013
CN202855804-U; Jiangsu Internet Things Res Dev Cent, Wu Q, Chen L; Cao E; Wang R; 03. Apr. 2013
CN202855806-U; Jiangsu Internet Things Res Dev Cent, Chen L; Wu Q, Cao E; 03. Apr. 2013 CN102931337-A; Jiangsu Internet Things Res Dev Cent, Cao E; Wang R; Chen L; Wu Q, 13. Feb. 2013
DE102010031829-A1; Novaled AG, Blochwitz-Nimoth J; Werner A, 03. Feb 2011
US 20110016888 AI, WO2011009935-A1; CA2768902-A1; EP2457270-A1; EP2457270-B1 BASF Se, Frank Haass, Madalina Andreea Stefan, Georg Degen, 27. Jan. 2011
CN101894905-A; CN101894905-B, Jiangxi Namike Thermoelectricity Electronics Co Ltd, Zheng J., 24. Nov. 2010
SU 1175312-A; Bovin A V; Kirsanov V S; Pustovalov A A; 30. Nov 1990
Informationen zu den thermomechanischen Spannungen, die in thermoelektri- schen Modulen entstehen, können den folgenden Veröffentlichungen entnommen werden :
Klein Altstedde, M .; Sottong, R. ; Freitag, O.; Kober, M .; Dreißigacker, V. ; Zabrocki, K.; Szabo, P., J. electron. mater. 44, 6 (2015) 1716-1723; doi : 10.1007/S11664-014-3523-5
J. Sharp, J. Bierschenk, J. electron. mater. 44, 6 (2015) 1763-1767, doi : 10.1007/S11664-014-3544-0
T. Ochi et al ., J. electron. mater. 43, 6 (2014) 2344-2347 doi : 10.1007/S11664-014-3060-2
S. Turenne, Th. Clin, D. Vasilevskiy, R.A. Masut, J. electron. mater. 39, 9 (2010) 1926-1933 doi : 10.1007/sl l664-009-1049-z E. Suhir, A. Shakouri, J. appl . mech. 80, 2 (2013) 021012 doi : 10.1115/1.4007524
T. Sakamoto, T. Iida et al ., J. electron. mater. 43, 6 (2014) 1620-1629 doi : 10.1007/S11664-013-2814-6
Aufgabe der Erfindung ist es, ein thermoelektrisches Modul mit einem höheren Wirkungsgrad und verlängerter Lebensdauer bereitzustellen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Das erfindungsgemäße thermoelektrische Modul weist ein thermoelektrisches Element zum Umwandeln eines Temperaturgradienten zwischen den zwei Enden des thermoelektrischen Elements in eine elektrische Spannung auf. Vorzugsweise weist das thermoelektrische Modul eine Vielzahl solcher thermo- elektrischer Elemente auf, die in dem thermoelektrischen Modul nebeneinander angeordnet sind.
Das thermoelektrische Modul weist ferner ein elektrisch leitendes Wärmeleitelement auf, das zum thermischen Koppeln der Hochtemperaturseite des thermoelektrischen Elements mit einem warmen Medium zwischen dem thermoelektrischen Element und dem warmen Medium angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich weist das thermoelektrische Modul ein elektrisch leitendes Wärmeleitelement auf, das zum thermischen Koppeln der Niedrigtemperaturseite des thermoelektrischen Elements mit einem kalten Medium zwischen dem thermoelektrischen Element und dem kalten Medium angeordnet ist.
Das elektrisch leitende Wärmeleitelement ist somit zwischen dem thermoelektrischen Element und der Wärmequelle bzw. der Wärmesenke angeordnet. Erfindungsgemäß ist das elektrisch leitende Wärmeleitelement als Federelement ausgebildet, das parallel zur Richtung des Verlaufs des Temperaturgradienten federnd ist.
Hierdurch können Bauteiltoleranzen ausgeglichen werden, so dass die Bauteile des thermoeiektrischen Moduls nicht mehr so exakt gefertigt werden müssen. Durch das elektrisch leitende Wärmeleitelement erfolgt eine elektrische Kon- taktierung an mindestens einem Ende des thermoeiektrischen Elements, so dass die durch dieses erzeugte Spannung abgeführt werden kann.
Im Stand der Technik erfolgte die elektrische Kontaktierung der thermoeiektrischen Elemente bisher durch Metallbrücken, die auf der Innenseite der Keramikplatte in Richtung der thermoeiektrischen Elemente angeordnet waren. Die Wärmeleitung von der Wärmequelle zu den thermoeiektrischen Elementen erfolgte somit über die Keramikplatte und anschließend erst über die Metallbrücken. Derartige thermoelektrische Module aus dem Stand der Technik wiesen somit einen höheren thermischen Widerstand auf. Im Gegensatz hierzu ist es erfindungsgemäß möglich, eine direkte thermische Kopplung zwischen der Wärmequelle und dem thermoeiektrischen Element über das elektrisch leitende Wärmeleitelement herzustellen, so dass der thermische Widerstand verringert werden kann. Hierdurch kann der Temperaturgradient zwischen den beiden Enden des thermoeiektrischen Elements erhöht werden, was zu einer erhöhten Spannungsausbeute führt.
Es ist bevorzugt, dass das elektrisch leitende Wärmeleitelement ein Metall oder eine Metalllegierung aufweist. Hierdurch kann eine besonders gute Wärmeleitung von der Wärmequelle bzw. der Wärmesenke zu der jeweiligen Seite des thermoeiektrischen Elements gewährleistet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das thermoelektrische Modul ein elektrisch isolierendes flächiges faserkeramisches Trägerelement zum Tragen des elektrisch leitenden Wärmeleitelements. Dieses verläuft insbesondere senkrecht zum Verlauf des Temperaturgradienten. Das faserkeramische Trägerelement weist mindestens eine Ausnehmung auf, durch die das elektrisch leitende Wärmeelement hindurchgeführt ist, so dass ein äußerer Teil des Wärmeleitelements außerhalb des faserkeramischen Trägerelements und ein innerer Teil des Wärmeleitelements innerhalb des faserkeramischen Trägerelements angeordnet ist. Durch ein derartiges Trägerelement aus Faserverbundkeramik werden die elektrisch leitenden Wärmeleitelemete elektrisch voneinander isoliert. Gegenüber bisher verwendeten monolithischen Keramikplatten weist eine Verbundkeramik eine höhere Beständigkeit gegenüber mechanischen und thermomechanischen Lastspitzen auf, so dass die Lebensdauer des thermoelektrischen Moduls erhöht wird. Weiterhin ist es möglich, das thermoelektrische Modul aufgrund der Faserverbundkeramik in beliebigen Modulgeometrien abseits einer planaren Form herzustellen.
In bevorzugter Ausführungsform ist das elektrisch leitende Wärmeleitelement schlaufenförmig ausgebildet, wobei die Schlaufe ein erstes und zweites offenes Ende aufweist, die jeweils parallel zum faserkeramischen Trägerelement außerhalb von diesem verlaufen und eine Kontaktfläche zum warmen bzw. kalten Medium bilden. Diese beiden offenen Enden der Schlaufe können vorzugsweise aufeinander zu und voneinander weg bewegt werden, so dass mechanische Spannungen parallel zur Moduloberfläche, die aufgrund thermischer Ausdehnungen entstehen, über die Form des schlaufenförmigen Wärmeleitelements kompensiert werden können, ohne dass an der Kontaktfläche zum thermoelektrischen Element mechanische Spannungen auftreten. Dies liegt darin begründet, dass eine Expansion des Wärmeleitelements parallel zu Oberfläche des thermoelektrischen Moduls (d.h. senkrecht zur Richtung des Temperaturgradienten) sich zumindest hauptsächlich auf das erste und zweite offene Ende der Schlaufe auswirkt und sich somit nicht auf den Teil des Wärmeleitelements auswirkt, der in Kontakt zu dem thermoelektrischen Element steht. Hierbei handelt es sich um das runde Mittelelement der Schlaufe, das stoffschlüssig und/oder formschlüssig mit dem thermoelektrischen Element verbunden ist. Durch diesen Teil des schlaufenförmigen Teils des Wärmeelements können insbesondre Höhenunterschiede parallel zur Richtung des Temperaturgradienten ausgeglichen werden, da das Wärmeleitelement in dieser Richtung federnde Eigenschaften aufweist.
In bevorzugter Ausführungsform ist zwischen dem Wärmeleitelement und dem thermoelektrischen Element eine Wärmeverteilungsplatte zur homogenen Wärmeverteilung an dem ersten bzw. zweiten Ende des thermoelektrischen Elements angeordnet. Diese weist vorzugsweise ein Metall oder eine Metalllegierung auf. Es ist bevorzugt, dass zwischen dem Wärmeleitelement und dem thermoelektrischen Element ausschließlich eine Wärmeverteilungsplatte angeordnet ist, so dass dort keine weiteren Komponenten vorgesehen sind. Hierdurch kann eine Verringerung des thermischen Widerstands zwischen der Wärmequelle bzw. der Wärmesenke und dem thermoelektrischen Element erreicht werden, da beispielsweise die Wärme von der Wärmequelle auf das Wärmeleitelement übergeht, von dort auf die Wärmeverteilungsplatte geleitet wird und von dieser direkt in das thermoelektrische Element übergeht. Da das Wärmeleitelement und die Wärmeverteilungsplatte beispielsweise beide aus Metall ausgebildet sein können, ist der thermische Widerstand zwischen diesen beiden Komponenten relativ gering. Insbesondere ist es erfindungsgemäß nicht notwendig, einen Wärmeübergang zwischen einer keramischen und einer Metallkomponente vorzusehen, was einen erhöhten thermischen Widerstand zur Folge hätte. Dies liegt darin begründet, dass keramische Komponenten am erfindungsgemäßen thermoelektrischen Modul nicht an der Wärmeleitung beteiligt sind .
Es ist bevorzugt, dass das thermoelektrische Element eine planare oder auch gebogene Form aufweist. Die Formwahl wird durch die Ausgestaltung des Trägerelements als Faserverbundkeramik ermöglicht.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass das Wärmeleitelement eine Brücke zwischen zwei benachbarten thermoelektrischen Elementen bildet, wobei hierzu ein Wärmeleitelement insbesondere zwei Schlaufen aufweist, von denen die erste zur Kontaktierung des ersten thermoelektrischen Elements dient und die zweite zur Kontaktierung des zweiten thermoelektrischen Elements dient.
Gegenüber dem jeweils benachbarten Wärmeleitelement, das ebenfalls aus zwei Schlaufen bestehen kann, kann eine Isolierung durch das faserkeramische Trägerelement erfolgen.
Es ist bevorzugt, dass der Wärmeausdehungskoeffizient der Wärmeverteilungsplatte i. W. identisch mit dem Wärmeverteilungskoeffizienten des thermoelektrischen Elements ist. Hierdurch kann erreicht werden, dass bei einer Ausdehnung der Wärmeverteilungsplatte aufgrund des Temperaturanstiegs keine großen Spannungen am thermoelektrischen Element entstehen. Aufgrund der flexiblen Ausgestaltung des Wärmeleitelements, dessen Kontaktfläche zum thermoelektrischen Element insbesondere auch in einer Richtung parallel zur Moduloberfläche innerhalb eines bestimmten Bereichs bewegbar ist, können Relativbewegungen zwischen dem Wärmeleitelement und der Wärmeverteilungsplatte in eine Richtung parallel zur Moduloberfläche ausgeglichen werden. Alternativ können Wärmeleitelement und Wärmeverteilungsplatte auch stoffschlüssig miteinander verbunden sein. Hier übernimmt die Federfunktion eine Reduktion der auftretenden thermomechanischen Spannungen.
Es ist bevorzugt, dass eine direkte metallische Verbindung zwischen dem thermoelektrischen Element und dem heißen bzw. kalten Medium besteht. Hierdurch kann eine verbesserte thermische Kopplung gegenüber dem Stand der Technik erreicht werden .
Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Größe und Form der Ausnehmungen des faserkeramischen Trägerelements an die Größe und Form des Wärmeleitelements angepasst ist, so dass das faserkeramische Element direkt am äußeren Rand des Wärmeleitelements anliegt und das thermoelektrische Element gegenüber dem heißen bzw. kalten Medium isoliert. Hierdurch kann der Wirkungsgrad des thermoelektrischen Moduls weiterhin erhöht werden. Es ist bevorzugt, dass sämtliche beschriebene Komponenten im thermoelektrischen Modul mehrfach vorhanden sind, so dass das thermoelektrische Modul eine Vielzahl von thermoelektrischen Elementen aufweist, die elektrisch über die elektrisch leitenden Wärmeleitelemente miteinander verbunden sind. Die Vielzahl der Wärmeleitelemente wird vom faserkeramischen Trägerelement gehalten, das so dem thermoelektrischen Modul seine mechanische Stabilität verleiht.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren erläutert.
Es zeigen :
Fign. 1 und 2
den Aufbau von thermoelektrischen Modulen gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 3 die Verformung eines thermoelektrischen Moduls gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 4 die thermischen Widerstände in einem thermoelektrischen Modul gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 5 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen thermoelektrischen Moduls,
Fig. 6 eine isolierte Darstellung eines erfindungsgemäßen Wärmeleitelements,
Fign. 7 und 8 weitere Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen thermoelektri- schen Elements,
Fig. 9 die thermischen Widerstände in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen thermoelektrischen Elements.
Die Fign. 1 und 2 wurden bereits in Zusammenhang mit dem Stand der Technik erläutert.
In Fig. 3 ist dargestellt, wie sich ein aus dem Stand der Technik bekanntes thermoelektrisches Modul 10 an seiner heißen Seite 18 stärker ausdehnt als an seiner Kaltseite 20. Dies führt zu einer Verformung des Moduls, zu einer verschlechterten thermischen Kopplung der einzelnen Komponenten und somit zu einer Verringerung der erreichbaren elektrischen Leistung des thermoelektrischen Moduls 10.
Dieser Effekt wird weiterhin dadurch verstärkt, dass aus dem Stand der tech- nik bekannte thermoelektrische Module eine Vielzahl verschiedener Materialschichten verwenden, zwischen denen hohe thermische Widerstände existieren (siehe Fig. 4). Dies gilt insbesondere, da der Wärmeübergang zwischen verschiedenen Materialien beispielsweise zwischen Metall und Keramik einem hohen thermischen Widerstand unterliegt.
Erfindungsgemäß wird dagegen das faserkeramische Trägerelement 22, 24 nicht als Wärmeleiter, sondern nur zur elektrischen Isolierung der Wärmeleitelemente 14a, 14b, 16a, 16b sowie für eine mechanische Stabilisierung des thermoelektrischen Moduls verwendet (siehe unter anderem Fign. 7 und 9). Insbesondere in Fig . 9 ist sichtbar, dass durch das erfindungsgemäße thermoelektrische Modul 10 die thermischen Widerstände zwischen der Wärmequelle bzw. Wärmesenke und dem thermoelektrischen Modul 10 verringert werden können. Dies bezieht sich sowohl auf die Zahl der thermischen Widerstände als auch auf deren Art, da beispielsweise ein Wärmeübergang zwischen einem ke- ramischen Material und Metall vollständig vermieden wird und Keramiken mit hohem thermischen Widerstand nicht an der Wärmeleitung beteiligt sind. Hierdurch wird ein höherer Wärmestrom und somit eine effizientere Nutzung der vorhandenen Wärmemenge möglich.
Ein beispielhafter Aufbau eines erfindungsgemäßen thermoelektrischen Moduls 10 ist in Fig. 5 dargestellt. An der Oberseite jedes thermoelektrischen Elements 12a, 12b ist jeweils eine Wärmeverteilungsplatte 30 aus Metall angebracht, deren Wärmeausdehnungskoeffizient vorzugsweise mit dem des thermoelektrischen Elements 12a, 12b identisch ist, so dass es am Übergang zwischen diesen beiden Elementen zu keinen thermomechanischen Spannungen kommt. Thermisch und elektrisch gekoppelt mit der Oberseite der Wärmeverteilungsplatten ist das elektrisch leitende Wärmeleitelement 14a. Dieses weist zwei Schlaufen auf, von denen die erste Schlaufe der Kontaktierung der linken Wärmeverteilungsplatte 30 und die zweite Schlaufe der Kontaktierung der rechten Wärmeverteilungsplatte 30 dient. Diese Kontaktierung erfolgt jeweils durch das runde Mittelelement der Schlaufe, wodurch zusätzlich das jeweilige erste und zweite offene Ende 26, 28 einer jeden Schlaufe thermisch mit der nicht dargestellten Wärmequelle gekoppelt sind.
In Fig. 6 ist dargestellt, auf welche Weise sich das Wärmeleitelement 14a elastisch verformen kann : Einerseits ist eine elastische Verformung in einer Richtung parallel zur Moduloberfläche, das heißt senkrecht zur Richtung des Temperaturgradienten t möglich. In diese Richtung kann sich das Wärmeleitelement 14a ausdehnen, ohne die thermoelektrischen Elemente 12a, 12b oder die Wärmeverteilungsplatten 30 wesentlichen mechanischen Spannungen auszusetzen. Dies liegt darin begründet, dass der runde Mittelteil 27 einer jeden Schlaufe ebenfalls unabhängig von den beiden offenen Enden 26, 28 der Schlaufe parallel zur Oberfläche des Moduls bewegbar ist, so dass Bewegungen, die an den offenen Enden 26, 28 der Schlaufe entstehen, ausgeglichen werden können. Zusätzlich weist das Wärmeleitelement, das als Federelement ausgebildet ist, in Richtung des Temperaturgradienten t federnde Eigenschaften auf, so dass hierdurch beispielsweise Höhenunterschiede in den thermoelektrischen Elementen 12a, 12b ausgeglichen werden können.
Die erfindungsgemäßen schlaufenförmigen Wärmeleitelemente 14a, 14b, 16a, 16b können auf verschiedene Weisen verwendet werden : gemäß Fig. 7a werden sie sowohl an der Oberseite als auch an der Unterseite der thermoelektrischen Elemente 12a, 12b verwendet, wobei sie jeweils durch eine faserkeramische Trägerplatte 22, 24 gehalten werden, die Ausnehmungen aufweist, durch die die Schlaufen der Wärmeleitelemente hindurchgeführt sind. Durch die faserkeramische Trägerplatte 22, 24 findet außerdem eine thermische Isolierung des Raumes zwischen den thermoelektrischen Elementen 12a, 12b gegenüber der Wärmequelle und Wärmesenke statt.
Alternativ ist es möglich, dass eine Seite des thermoelektrischen Elements 10 beispielsweise die Kaltseite gemäß dem Stand der Technik ausgebildet ist, indem für die elektrische Kontaktierung der thermoelektrischen Elemente 12a, 12b Metallbrücken 34 verwendet werden, die durch eine Keramikplatte 32 gestützt werden, die wiederum mit einer außen liegenden Metallplatte verbunden ist (siehe Fig. 7b). Diese Ausgestaltung der Kaltseite des thermoelektrischen Elements 10 entspricht der Ausgestaltung aus dem Stand der Technik gemäß Fig. Ib.
Weiterhin kann gemäß Fig. 7c eine Seite des thermoelektrischen Elements, beispielsweise die Kaltseite, auf der äußeren Seite der Keramikplatte 32 einzelne Metallplatten 38a, 38b, 38c aufweisen (DBD-, DCB-Substrate mit eventuell angepasster Metallisierung)
Gemäß Fig. 8 kann das thermoelektrische Modul 10 auch eine gekrümmte Form aufweisen. Dies wird durch die Verwendung des faserkeramischen Trägerelements möglich. Bei allen Ausführungsformen des thermoelektrischen Moduls ist es möglich, dass die thermoelektrischen Elemente 12a, 12b jeweils versetzt über ein elektrisch leitendes Wärmeleitelement 14a, 14b, 16a, 16b miteinander verbunden sind. Wie in Fig. 7a sichtbar sind die beiden linken thermoelektrischen Elemente 12 a 12b über das Wärmeleitelement 14a miteinander verbunden, während das zweite und dritte thermoelektrische Element 12b, 12a über das untere Wärmeleitelement 16a miteinander verbunden sind. Das dritte und vierte thermoelektrische Element 12a, 12b sind erneut über das obere Wärmeleitelement 14b verbunden usw. Hierdurch kann eine Reihenschaltung einer Vielzahl thermoelektrischer Elemente erreicht werden, so wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist.

Claims

Patentansprüche
Thermoelektrisches Modul mit einem thermoelektrischen Element (12a, 12b) zum Umwandeln eines Temperaturgradienten zwischen den zwei Enden des thermoelektrischen Elements (12a, 12b) in eine elektrische Spannung, einem elektrisch leitenden Wärmeleitelement (16a, 16b), das zum thermischen Koppeln der Hochtemperaturseite des thermoelektrischen Elements (12a, 12b) mit einem warmen Medium (18) zwischen dem thermoelektrischen Element (12a, 12b) und dem warmen Medium (18) angeordnet ist, und/oder einem elektrisch leitenden Wärmeelement (16a, 16b), das zum thermischen Koppeln der Niedrigtemperaturseite des thermoelektrischen Elements (12a, 12b) mit einem kalten Medium (20) zwischen dem thermoelektrischen Element (12a, 12b) und dem kalten Medium (20) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein elektrisch leitendes Wärmeleitelement (14a, 14b, 16a, 16b) als Federelement ausgebildet ist, das parallel zur Richtung des Verlaufs des Temperaturgradienten (t) federnd ist.
Thermoelektrisches Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Wärmeleitelement (14a, 14b, 16a, 16b) ein Metall oder eine Metalllegierung aufweist.
3. Thermoelektrisches Modul nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein elektrisch isolierendes flächiges faserkeramisches Trägerele- ment (22, 24) zum Tragen des elektrisch leitenden Wärmeleitelements (14a, 14b, 16a, 16b), wobei das faserkeramische Trägerelement (22, 24) insbesondere senkrecht zum Verlauf des Temperaturgradienten (t) verläuft, wobei das faserkeramische Trägerelement (22, 24) mindestens eine Ausnehmung aufweist, durch die das elektrisch leitende Wärmeleitelement (14a, 14b, 16a, 16b) hindurchgeführt ist, so dass ein äußerer Teil des elektrisch leitenden Wärmeleitelements (14a, 14b, 16a, 16b) außerhalb des faserkeramischen Trägerelements (22, 24) und ein innerer Teil des elektrisch leitenden Wärmeleitelements innerhalb des faserkeramischen Trägerelements (22, 24) angeordnet ist.
4. Thermoelektrische Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Wärmeleitelement (14a, 14b, 16a, 16b) schlaufenförmig ausgebildet ist, wobei die Schlaufe ein erstes und zweites offenes Ende (26, 28) aufweist, die jeweils parallel zum faserkeramischen Trägerelement (22, 24) außerhalb von diesem verlaufen und eine Kontaktfläche zum warmen bzw. kalten Medium (18,20) bilden und das runde Mittelelement (27) der Schlaufe stoffschlüssig und/oder formschlüssig mit dem thermoelektrischen Element (12a, 12b) verbunden ist.
5. Thermoelektrisches Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem elektrisch leitenden Wärmeleitelement (14a, 14b, 16a, 16b) und dem thermoelektrischen Element (12a, 12b), insbesondere ausschließlich, eine Wärmeverteilungsplatte (30) zur homogenen Wärmeverteilung an dem ersten bzw. zweiten Ende des thermoelektrischen Elements (12a, 12b) angeordnet ist, wobei die Wärmeverteilungsplatte (30) vorzugsweise ein Metall oder eine Metalllegierung aufweist.
6. Thermoelektrisches Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoelektrische Modul (10) eine planare oder gebogene Form aufweist.
7. Thermoelektrisches Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Wärmeleitelement (14a, 14b, 16a, 16b) eine Brücke zwischen zwei benachbarten thermoelektri- schen Elementen (12a, 12b) bildet, wobei hierzu das elektrisch leitende Wärmeleitelement (14a, 14b, 16a, 16b) insbesondere zwei Schlaufen aufweist, von denen die erste zur Kontaktierung des ersten thermo- elektrischen Elements (12a) dient und die zweite zur Kontaktierung des zweiten thermoelektrischen Elements (12b) dient.
8. Thermoelektrisches Modul, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeausdehungskoeffizient der Wärmeverteilungplatte (30) identisch mit dem Wärmeverteilungskoeffizienten des thermoelektrischen Elements (12a, 12b) ist.
9. Thermoelektrisches Modul, nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine direkte metallische Verbindung zwischen dem thermoelektrischen Element (12a, 12b) und dem heißen bzw. kalten Medium (18, 20) besteht.
10. Thermoelektrisches Modul, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe und Form der Ausnehmung des faserkeramischen Trägerelements (22, 24) an die Größe und Form des elektrisch leitenden Wärmeleitelements (14a, 14b, 16a, 16b) angepasst ist, so dass das faserkeramische Trägerelement (22, 24) direkt am äußeren Rand des elektrisch leitenden Wärmeleitelements (14a, 14b, 16a, 16b) anliegt und das thermoelektri- sehe Element (12a, 12b) gegenüber dem heißen bzw. kalten Medium (18, 20) isoliert.
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