WO2017207129A1 - Thermoelektrisches modul - Google Patents

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WO2017207129A1
WO2017207129A1 PCT/EP2017/057448 EP2017057448W WO2017207129A1 WO 2017207129 A1 WO2017207129 A1 WO 2017207129A1 EP 2017057448 W EP2017057448 W EP 2017057448W WO 2017207129 A1 WO2017207129 A1 WO 2017207129A1
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WO
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thermoelectric
channel
thermoelectric module
channel body
conductor bridges
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Application number
PCT/EP2017/057448
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen Grünwald
Stefan Hirsch
Volker Schall
Dominique WEINMANN
Original Assignee
Mahle International Gmbh
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Publication date
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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
    • H10N10/80—Constructional details
    • H10N10/82—Connection of interconnections
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/38—Cooling arrangements using the Peltier effect
    • 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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    • H10N10/10—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
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    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device

Definitions

  • the present invention relates to a thermoelectric module having a plurality of thermoelectric elements electrically connected by means of conductor bridges according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a thermoelectric generator for recovering electricity from a temperature difference or a thermoelectric heat pump or a thermoelectric cooler for generating heat flows against the natural temperature gradient, which are each equipped with a plurality of such thermoelectric modules.
  • thermoelectric modules with several thermoelectric elements are well known in the art.
  • a common problem is the optimization of heat transfer between a hot side and a cold side.
  • thermoelectric module which has a heat sink on a hot side or cold side and a closed steam chamber on the other side of the thermoelectric module. Between the thermoelectric module and the heat sink and on the other side between the thermoelectric module and the steam chamber electrically non-conductive layers are provided, which serves for the isolation of the flanged heat sink and the steam chamber with the conductor bridges.
  • thermoelectric module with a plurality of thermoelectric elements is also known from DE 10 2013 214 988 A1, which are arranged at a distance from each other, wherein two thermoelectric elements each are electrically connected by means of a conductor bridge, wherein at least partially an electrical insulation on a side facing away from the thermoelectric element side of the conductor bridge and / or is arranged on a thermoelectric element side facing the conductor bridge, wherein the electrical insulation is disposed on the surface of the conductor bridge, wherein the electrical insulation and the conductor bridge are thermo-mechanically decoupled.
  • thermoelectric elements and the respective conductor bridges are in direct contact with a heat transfer medium, in particular a dielectric thermal fluid.
  • the thermal fluid flows around the thermoelectric elements and conductor bridges.
  • thermoelectric heat exchanger which allows a needs-based cooling and heating of components, in particular of high-performance batteries of hybrid and electric vehicles known.
  • the thermoelectric heat exchanger comprises a first component having a first channel, a second component having a second channel and a thermoelectric element for generating a heat flow.
  • thermoelectric module which realizes an advantageous heat transfer and, in particular, is less expensive to manufacture, especially with regard to the lighter production process.
  • thermoelectric module according to the invention by the subject matter of independent claim 1, for a thermoelectric Generator solved by the subject of claim 12 and for a thermoelectric heat pump or a thermoelectric cooler by the subject of claim 13.
  • Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
  • thermoelectric module with the respective conductor bridge on the hot side and / or on the cold side of the thermoelectric module is in contact with an electrically insulating, thermally conductive channel body, which is traversed by a fluid.
  • heat energy for example, from the fluid directly to the channel body and on to the conductor bridges are transmitted or the heat energy emitted from the conductor bridges to the channel body and further to the fluid become.
  • the solution according to the invention thus reduces heat transfer losses while at the same time simplifying production and efficient operation.
  • the channel body serves the purpose of isolation between the current-carrying conductor bridges and the fluid, which thus does not have to possess any dielectric properties.
  • the channel body is preferably made of a material having the property of increased heat conductivity.
  • the channel body on a side facing the conductor bridges, recesses, in each of which one of these conductor bridges can be inserted.
  • the advantage is that the relevant for the heat transfer contact surface is increased by the additional lateral sheathing of the conductor bridges, through the channel body.
  • the recesses are expediently of the dimensions designed so that a full-surface contact between the channel body and the Lei adjoining the bridge. In other words, the recesses represents an exact negative of a conductor bridge.
  • thermoelectric elements are arranged in a common thermally insulating filling body.
  • a thermally insulating filler body By such a thermally insulating filler body, the heat flow is concentrated on contact sides of the thermoelectric elements, which are in communication with the conductor bridges.
  • the square-shaped, for example, in cross-section thermoelectric elements are surrounded on their side surfaces of the filler body over its entire surface.
  • the filler is a solid body, which consists for example of a plastic material or a ceramic foam.
  • the filler serves to protect the thermoelectric elements from environmental influences or other media attacks.
  • Another advantageous effect of the filler is that the thermoelectric elements can be mechanically fixed position and then the thermoelectric modules have a suitable protection against mechanical, external influences, such as shock or vibration.
  • the filler also serves to facilitate assembly of the channel body, which is supported with a thermoelectric element facing side on such a packing.
  • the conductor bridges on the hot side and / or the cold side are flush with the filling body.
  • An end face of the filler body thus lies in a plane with an end face of the conductor bridge.
  • the filler is also in contact with the respective channel body.
  • a layer of adhesion promoter is present between the conductor bridges and the channel body, wherein the adhesion promoter at the interfaces designed close physical or chemical bond.
  • the conductor bridges, the channel body and the bonding agent are thermally coupled. Furthermore, it is possible to apply a layer of heat transfer agent between the conductor bridges and the channel body.
  • the channel body has a channel main body and a manhole cover, wherein the manhole cover closes the channel main body to form a fluid-tight channel.
  • the channel main body and the manhole cover for example, sealed together with a welded or adhesive joint.
  • the channel body is to be manufactured as an injection molded part. In principle, a one-piece channel body is possible according to the invention.
  • heat transfer elements which project into the channel and can flow around the fluid, are arranged on the channel main body.
  • the heat transfer elements are designed so that the manhole cover is supported on this.
  • An advantageous embodiment provides that both the hot side and the cold side are each provided with such a channel body.
  • An alternative embodiment on the other hand, provides that such a channel body is arranged on the hot side or cold side, while a rib structure or profile structure is arranged on the respective other side.
  • thermoelectric generator has a plurality of thermoelectric modules of the type described above which are electrically connected to one another, the channel bodies of at least two thermoelectric modules being formed by sections of a common channel body.
  • thermoelectric heat pump or a thermoelectric cooler likewise have, like the generator, a plurality of thermoelectric modules which are in communication with one another. At least two thermoelectric modules form a common channel body with their channel body sections.
  • thermoelectric module 1 is an isometric view of a thermoelectric module with channel bodies both on a hot side and on a cold side
  • FIG. 2 is an isometric view of a plurality of thermoelectric elements of the module arranged in a plane.
  • FIG. 3 shows the isometric view of FIG. 2, which are arranged in a common thermally insulating filling body, FIG.
  • FIG. 4 shows the isometric view from FIG. 3 with attached conductor bridges, FIG.
  • FIG. 5 shows the isometric view from FIG. 4 with an attached channel main body, FIG.
  • FIG. 6 is the isometric view of FIG. 5 with an attached manhole cover
  • thermoelectric generator 7 a thermoelectric generator or a thermoelectric
  • thermoelectric cooler having a plurality of thermoelectric modules, which are electrically connected to each other, wherein the channel body of a plurality of thermoelectric modules are formed by body portions of a common channel.
  • Fig. 1 shows a schematic sectional view of an advantageous embodiment of a thermoelectric module 1 according to the invention with arranged channel bodies 10 each on a hot side 4 and on a cold side 5.
  • Thermoelectric elements 2 are spaced from each other in a plane.
  • the thermoelectric elements 2 are surrounded in common by a thermally insulating filling body 20.
  • the thermoelectric elements 2 are interconnected by means of conductor bridges 3.
  • a p-doped and an n-doped thermoelectric element 2 are electrically connected to either the hot side 4 or the cold side 5 in pairs by means of one of the conductor bridges 3.
  • the filling body 20 is electrically non-conductive and thus isolates the thermoelectric elements 2 from one another and the filling body 20 also insulates the conductor bridges 3 from the hot side 4 to the conductor bridges 3 from the cold side 5.
  • the filling body 20 is preferably a solid body from a thermally and electrically non-conductive material, for example from a plastic material or a ceramic foam.
  • the channel body 10 are in this embodiment, in each case in two parts with a channel body 1 1 and a manhole cover 12 configured.
  • the manhole cover 12 has the task to close the main channel body 1 1 to a fluid-tight channel.
  • the channel body 10 may be made in one piece by, for example, an extruded material.
  • the task of the channel body 10 is firstly the electrical insulation between the conductor bridges 3 and the fluid 6, 6 'and secondly an advantageous temperature transfer between such conductor bridges 3 and the fluid 6, 6'.
  • the channel body 10 is preferably made of a material having a high thermal conductivity, which is electrically insulating.
  • the channel body 10 has at the locations of the conductor bridges 3 recesses 13, in which let the conductor bridges 3 sink.
  • the conductor bridges 3 thus transmit the heat not only orthogonally to the channel body 10 but also over the side surfaces of the conductor bridges 3, which are in direct contact with the side surfaces of the recesses 13 of the channel body 10.
  • the problem of a hot-spot formation can thus be reduced by increasing the area for the transmission of heat energy.
  • heat transfer elements 14 are preferably arranged on a side remote from the thermoelectric element 2 side of the channel body 1 1 .
  • the heat transfer elements 14 serve for improved heat transfer between the channel body 10 and a fluid 6, 6 'guided therethrough.
  • circular, cylindrical or truncated cone Heat transfer elements 14 serve in the example at the same time as a support surface for the manhole cover 12, which is supported in addition to the side walls of the channel main body 1 1 on the end faces of the heat transfer elements 14.
  • the manhole cover 12 may be attached to the heat transfer elements 14.
  • the heat transfer elements 14 may also be configured as rib-shaped, knob-like or lamellar as an example, with basically any shaping for heat transfer being possible.
  • heat transfer elements 14 are integrally formed on the channel body 10.
  • the fluid 6, 6 'flowing through the channel can be liquid or gaseous, for example a coolant or a heating medium.
  • the fluid 6 is heated when flowing through the channel body 10 on the hot side 4, wherein the fluid 6 'is cooled when flowing through the channel body 10 on the cold side 5.
  • FIGS. 2 to 6 schematically show the construction of the previously described thermoelectric module 2 from FIG. 1.
  • thermoelectric elements 2 show schematically a plurality of thermoelectric elements 2, which are spaced from each other in a plane.
  • pairs of p-doped and n-doped thermoelectric elements 2 are always formed, which are also referred to as Peltier element.
  • the thermoelectric elements 2 comprise a thermoelectrically active material.
  • Fig. 3 shows juxtaposed thermoelectric elements 2, which are spaced from each other and arranged in a plane and are surrounded by such a filling body 20.
  • the filling body 20 concentrates the heat flow on contact sides 8 of the thermoelectric elements 2.
  • the thermoelectric elements 2 are completely surrounded by the filling body 20 on their side surfaces.
  • 4 schematically shows the conductor bridges 3, which each electrically connect a p-doped and an n-doped thermoelectric element 2 to one another.
  • the electrical connection by means of the conductor bridges 3 takes place in the figure, for example, in a series connection, in which alternately on the hot side 4 and on the cold side 5 each a p-doped with an n-doped thermoelectric element 2 is connected.
  • An advantageous embodiment provides that the conductor bridges 3 on the hot side 4 and / or on the cold side 5 flush with the filler body 20.
  • the conductor bridges 3 and the packing 20 are on the respective end faces in a plane.
  • Fig. 5 shows the patch channel body 1 1, which is supported on the conductor bridges 3 and the packing 20.
  • the main channel body 1 1 covers the conductor bridges 3 almost entirely, only two contact surfaces 7 of two conductor bridges 3 are exposed for connection to a power source or when used as a thermoelectric generator 100 at the power generator.
  • a layer of adhesion promoter can be arranged between the conductor bridges 3 and the channel body 10.
  • Fig. 6 shows such a fluid-tight channel, which is formed by placing the manhole cover 12 on the channel body 1 1.
  • the manhole cover 12 may consist of a different material than the main channel body 1 1.
  • FIG. 7 schematically illustrates a thermoelectric generator 100 or a thermoelectric heat pump or a thermoelectric cooler 101, which consist of a plurality of the previously described thermoelectric modules 1.
  • the modules 1 have a modular property and are thus to be assembled in any number.
  • the individual thermoelectric modules are electrically interconnected.
  • the contact surfaces 7 in the embodiment to a thermoelectric generator 100 or to a thermoelectric heat pump or a thermoelectric cooler 101 in the thermoelectric modules 1 are not available. Rather close the contact surfaces 7 with the thermoelectric modules 1 in plan from.
  • the separate channel bodies 10 in the flow direction of the fluid 6, 6 'guided therein complement one another to form a common channel on the hot side 4 and cold side 5 expediently extends over all modules 1. If, as in the example shown, a plurality of modules 1 are arranged next to one another transversely to the flow direction of the fluid 6, 6 ', a plurality of such common channels then result, which lie next to one another and extend parallel to one another.
  • the associated channel body 10 each have a longitudinal portion of a continuous form common channel body.
  • this common channel body extends in the flow direction of the fluid 6, 6 'guided therein over all the modules 1 of the generator 100 or the heat pump or the cooler 101.
  • the common channel body may optionally also extend over at least two, preferably over all modules 1. In extreme cases, a single common channel body can thus be provided on the hot side 4 or on the cold side 5, which extends over all the modules 1 of the generator 100 or the heat pump or the cooler 101.

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Abstract

Thermoelektrisches Modul (1) mit mehreren mittels Leiterbrücken (3) elektrisch verbundenen thermoelektrischen Elementen (2), wobei die jeweilige Leiterbrücke (3) an einer Heißseite (4) und/oder an einer Kaltseite (5) des thermoelektrischen Moduls (1) mit einem elektrisch isolierenden, thermische leitenden Kanalkörper (10) in Kontakt steht, welcher von einem Fluid (6, 6') durchströmbar ist.

Description

Thermoelektrisches Modul
Die vorliegende Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Modul mit mehreren mittels Leiterbrücken elektrisch verbundenen thermoelektrischen Elementen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 . Die Erfindung betrifft außerdem einen thermoelektrischen Generator zur Rückgewinnung von Strom aus einer Temperaturdifferenz beziehungsweise eine thermoelektrische Wärmepumpe oder einen thermoelektrischen Kühler zur Erzeugung vom Wärmeströmen entgegen dem natürlichen Temperaturgefälle, die jeweils mit mehreren derartigen thermoelektrischen Modulen ausgestattet sind.
Aus dem Stand der Technik sind thermoelektrische Module mit mehreren thermoelektrischen Elementen allgemein bekannt. Ein häufiges Problem ist dabei die Optimierung der Wärmeübertragung zwischen einer Heißseite und einer Kaltseite.
Aus der US 2006/0000500 A1 ist ein gattungsgemäßes thermoelektrisches Modul bekannt, das einen Kühlkörper an einer Heißseite oder Kaltseite und eine geschlossenen Dampfkammer an der jeweils anderen Seite des thermoelektrischen Moduls aufweist. Zwischen dem thermoelektrischen Modul und dem Kühlkörper sowie auf der anderen Seite zwischen dem thermoelektrischen Modul und der Dampfkammer sind elektrisch nicht leitende Schichten vorgesehen, die zur Isolation von dem angeflanschten Kühlkörper und der Dampfkammer mit den Leiterbrücken dient.
Aus der DE 10 2013 214 988 A1 ist ebenfalls ein gattungsgemäßes thermoelektrisches Modul mit mehreren thermoelektrischen Elementen bekannt, die beabstandet voneinander angeordnet sind, wobei jeweils zwei thermoelektrische Ele- mente mittels einer Leiterbrücke elektrisch verbunden sind, wobei zumindest abschnittsweise eine elektrische Isolierung an einer dem thermoelektrischen Element abgewandten Seite der Leiterbrücke und/oder an einer dem thermoelektrischen Element zugewandten Seite der Leiterbrücke angeordnet ist, wobei die elektrische Isolierung an der Oberfläche der Leiterbrücke angeordnet ist, wobei die elektrische Isolierung und die Leiterbrücke thermomechanisch entkoppelt sind.
Aus der DE 30 32 498 A1 ist eine Vorrichtung zur thermoelektrischen Stromerzeugung mittels thermoelektrischen Elementen bekannt, wobei in einer dargestellten Ausführungsform die thermoelektrischen Elemente und die jeweiligen Leiterbrücken in direktem Kontakt mit einem Wärmetransportmedium, insbesondere einer dielektrischen Thermoflüssigkeit stehen. Die Thermoflüssigkeit umströmt die thermoelektrischen Elemente und Leiterbrücken.
Gemäß der DE 10 2012 222 635 A1 ist ein thermoelektrischer Wärmeübertrager, welcher eine bedarfsgerechte Kühlung und Heizung von Komponenten, insbesondere von Hochleistungsbatterien von Hybrid- und Elektrofahrzeugen erlaubt, bekannt. Der thermoelektrische Wärmeübertrager umfasst eine erste Komponente mit einem ersten Kanal, eine zweite Komponente mit einem zweiten Kanal und ein thermoelektrisches Element zur Generierung eines Wärmestroms.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform eines thermoelektrischen Moduls zu schaffen, welches eine vorteilhafte Wärmeübertragung realisiert und insbesondere hinsichtlich des leichteren Herstellungsprozesses zudem kostengünstiger zu fertigen ist.
Dieses Problem wird für ein thermoelektrisches Modul erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 , für einen thermoelektrischen Generator durch den Gegenstand des Anspruches 12 und für eine thermoelektri- sche Wärmepumpe oder einen thermoelektrischen Kühler durch den Gegenstand des Anspruches 13 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, dass bei einem solchen thermoelektrischen Modul mit die jeweilige Leiterbrücke an der Heißseite und/oder an der Kaltseite des thermoelektrischen Moduls mit einem elektrisch isolierenden, thermisch leitenden Kanalkörper in Kontakt steht, welcher von einem Fluid durchströmbar ist. Durch den unmittelbaren Kontakt des Kanalkörpers einerseits mit den Leiterbrücken und andererseits mit dem Fluid kann eine Wärmeenergie, beispielsweise ausgehend vom Fluid direkt an den Kanalkörper und weiter an die Leiterbrücken übertragen werden beziehungsweise die Wärmeenergie ausgehend von den Leiterbrücken an den Kanalkörper und weiter an das Fluid abgegeben werden. Die erfindungsgemäße Lösung reduziert somit Wärmeübergangsverluste bei gleichzeitig vereinfachter Herstellung und effizienter Funktion. Weiter dient der Kanalkörper dem Zweck der Isolation zwischen den stromführenden Leiterbrücken und des Fluides, welches somit keine dielektrischen Eigenschaften besitzen muss. Der Kanalkörper wird bevorzugt aus einem Material mit der Eigenschaft einer erhöhten Wärmeleitfähigkeit hergestellt.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist der Kanalkörper, an einer den Leiterbrücken zugewandten Seite, Aussparungen auf, in denen sich jeweils eine dieser Leiterbrücken einfügen lässt. Der Vorteil besteht darin, dass die für die Wärmeübertragung relevante Kontaktfläche sich durch die zusätzliche seitliche Ummantelung der Leiterbrücken, durch den Kanalkörper, vergrößert. Die Aussparungen sind zweckmäßig von den Ausmaßen so ausgestaltet, dass sich ein vollflächiger Kontakt zwischen dem Kanalkörper und der Lei- terbrücke einstellt. Anders gesagt stellt die Aussparungen ein exaktes Negativ einer Leiterbrücke dar.
Zweckmäßig sind die thermoelektrischen Elemente in einem gemeinsamen thermisch isolierenden Füllkörper angeordnet. Durch einen solchen thermisch isolierenden Füllkörper konzentriert sich der Wärmestrom auf Kontaktseiten der thermoelektrischen Elemente, welche mit den Leiterbrücken in Verbindung stehen. Die beispielsweise im Querschnitt quadratisch ausgebildeten thermoelektrischen Elemente sind an ihren Seitenflächen von dem Füllkörper vollflächig umgeben. Vorteilhafterweise ist der Füllkörper ein Festkörper, welcher beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial oder einer Schaumkeramik besteht. Ferner dient der Füllkörper zum Schutz der thermoelektrischen Elemente vor Umwelteinflüssen oder anderen Medienangriffen. Ein weiterer vorteilhafter Effekt durch den Füllkörper besteht darin, dass sich die thermoelektrischen Elemente mechanisch fix positionieren lassen und die thermoelektrischen Module daraufhin einen geeigneten Schutz vor mechanischen, äußerlichen Einwirkungen aufweisen, beispielsweise Schläge oder Vibrationen. Der Füllkörper dient zudem zu einer leichteren Montage des Kanalkörpers, welcher sich mit einer zum thermoelektrischen Element zugewandten Seite auf einen solchen Füllkörper abstützt.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung schließen die Leiterbrücken an der Heißseite und/oder der Kaltseite bündig mit dem Füllkörper ab. Eine Stirnseite des Füllkörpers liegt somit in einer Ebene mit einer Stirnseite der Leiterbrücke. Somit steht auch der Füllkörper mit dem jeweiligen Kanalkörper in Kontakt.
Bei einer zweckmäßigen Weiterbildung ist zwischen den Leiterbrücken und dem Kanalkörper eine Schicht Haftvermittler vorhanden, wobei der Haftvermittler an den Grenzflächen enge physikalische oder chemische Bindung ausgestaltet. Die Leiterbrücken, der Kanalkörper und der Haftvermittler sind thermisch gekoppelt. Ferner ist es möglich eine Schicht Wärmeleitvermittler zwischen den Leiterbrücken und dem Kanalkörper aufzubringen.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist der Kanalkörper einen Kanalgrundkörper und einen Kanaldeckel auf, wobei der Kanaldeckel den Kanalgrundkörper zu einem fluiddichten Kanal verschließt. Der Kanalgrundkörper und der Kanaldeckel sind beispielsweise mit einer Schweiß- oder Klebeverbindung miteinander dicht verschlossen. Bevorzugt ist der Kanalgrundkörper als ein Spritzgussteil zu fertigen. Grundsätzlich ist ein einteiliger Kanalkörper erfindungsgemäß möglich.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn auf dem Kanalgrundkörper, an einer von den Leiterbrücken abgewandten Seite, Wärmeübertragungselemente angeordnet sind, die in den Kanal vorstehen und vom Fluid umströmbar sind. Bevorzugt sind die Wärmeübertragungselemente so ausgestaltet, dass sich der Kanaldeckel auf diesen abstützt.
Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass sowohl die Heißseite als auch die Kaltseite mit je einem solchen Kanalkörper versehen sind.
Eine alternative Ausführungsform sieht dagegen vor, dass ein solcher Kanalkörper an der Heißseite oder Kaltseite angeordnet ist, während auf der jeweils anderen Seite eine Rippenstruktur oder Profilstruktur angeordnet ist.
Ein erfindungsgemäßer thermoelektrischer Generator weist mehrere thermoelekt- rische Module der vorstehend beschriebenen Art auf, die elektrisch miteinander verbunden sind, wobei die Kanalkörper von wenigstens zwei thermoelektrischen Modulen durch Abschnitte eines gemeinsamen Kanal körpers gebildet sind. Eine erfindungsgemäße thermoelekthsche Wärmepunnpe oder ein thermoelektri- scher Kühler weisen ebenfalls, wie der Generator, mehrere thermoelektrische Module auf, die miteinander in Verbindung stehen. Mindestens zwei thermoelektrische Module bilden mit ihren Kanalkörperabschnitten einen gemeinsamen Kanalkörper aus.
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.
Dabei zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1 eine isometrische Ansicht eines thermoelektrisches Moduls mit Kanalkörpern sowohl an einer Heißseite als auch an einer Kaltseite,
Fig. 2 eine isometrische Ansicht mehrerer, in einer Ebene angeordneter thermoelektrischer Elemente des Moduls, Fig. 3 die isometrische Ansicht aus Fig. 2, welche in einem gemeinsamen thermisch isolierenden Füllkörper angeordnet sind,
Fig. 4 die isometrische Ansicht aus Fig. 3 mit aufgesetzten Leiterbrücken,
Fig. 5 die isometrische Ansicht aus Fig. 4 mit einem aufgesetzten Kanalgrundkörper,
Fig. 6 die isometrische Ansicht aus Fig. 5 mit einem aufgesetzten Kanaldeckel,
Fig. 7 einen thermoelektrischer Generator bzw. eine thermoelektrische
Wärmepumpe oder einen thermoelektrischen Kühler mit mehreren thermoelektrische Modulen, die elektrisch miteinander verbunden sind, wobei die Kanalkörper von einer Mehrzahl an thermoelektrischen Modulen durch Abschnitte eines gemeinsamen Kanal körpers gebildet sind.
Fig. 1 zeigt in schematischer Schnittdarstellung eine vorteilhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen thermoelektrischen Moduls 1 mit angeordneten Kanalkörpern 10 jeweils an einer Heißseite 4 als auch an einer Kaltseite 5. Thermoelektrische Elemente 2 sind beabstandet voneinander in einer Ebene angeordnet. Umgeben sind die thermoelektrischen Elemente 2 gemeinsam von einem thermisch isolierenden Füllkörper 20. Die thermoelektrischen Elemente 2 sind mittels Leiterbrücken 3 miteinander verbunden. Jeweils ein p-dotiertes und ein n- dotiertes thermoelektrisches Element 2 sind an entweder der Heißseite 4 oder der Kaltseite 5 paarweise mittels einer der Leiterbrücken 3 elektrisch verbunden. Der Füllkörper 20 ist elektrisch nicht leitend und isoliert somit zum einen die ther- moelektrischen Elemente 2 voneinander und zum anderen isoliert der Füllkörper 20 auch die Leiterbrücken 3 von der Heißseite 4 zu den Leiterbrücken 3 von der Kaltseite 5. Der Füllkörper 20 ist bevorzugt ein Festkörper aus einem thermisch und elektrisch nicht leitenden Material, beispielsweise aus einem Kunststoffmate- rial oder einer Schaumkeramik.
Die Kanalkörper 10 sind in dieser Ausführungsform jeweils zweiteilig mit einem Kanalgrundkörper 1 1 und einem Kanaldeckel 12 ausgestaltet. Der Kanaldeckel 12 hat zur Aufgabe den Kanalgrundkörper 1 1 zu einem fluiddichten Kanal zu verschließen. Grundsätzlich kann der Kanalkörper 10 einteilig durch beispielsweise ein extrudiertes Material hergestellt sein. Die Aufgabe des Kanalkörpers 10 ist zum einen die elektrische Isolation zwischen den Leiterbrücken 3 und dem Fluid 6, 6' und zum anderen eine vorteilhafte Temperaturübertragung zwischen solcher Leiterbrücken 3 und dem Fluid 6, 6'. Der Kanalkörper 10 besteht bevorzugt aus einem Material mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit, welches elektrisch isolierend ist. Der Kanalkörper 10 weist an den Stellen der Leiterbrücken 3 Aussparungen 13 auf, in denen sich die Leiterbrücken 3 versenken lassen. Vorteilhafterweise übertragen die Leiterbrücken 3 die Wärme somit nicht nur orthogonal an den Kanalkörper 10 sondern auch über die Seitenflächen der Leiterbrücken 3, die in direktem Kontakt mit den Seitenflächen der Aussparungen 13 des Kanalkörpers 10 stehen. Die Problematik einer Hot-Spot Bildung kann somit durch die Vergrößerung der Fläche zur Übertragung der Wärmeenergie verringert werden.
Auf einer vom thermoelektrischen Element 2 abgewandten Seite des Kanalgrundkörpers 1 1 sind bevorzugt Wärmeübertragungselemente 14 angeordnet. Die Wärmeübertragungselemente 14 dienen zur verbesserten Wärmeübertragung zwischen dem Kanalkörper 10 und einem hindurch geführten Fluid 6, 6'. Die beispielsweise im Querschnitt kreisförmigen, zylindrischen oder kegelstumpfformigen Wärmeübertragungselemente 14 dienen im Beispiel gleichzeitig als Auflagefläche für den Kanaldeckel 12, welcher sich zusätzlich zu den Seitenwänden des Kanalgrundkörpers 1 1 auf den Stirnseiten der Wärmeübertragungselemente 14 abstützt. Auch kann der Kanaldeckel 12 an den Wärmeübertragungselementen 14 befestigt sein. Die Wärmeübertragungselemente 14 können alternativ auch exemplarisch rippenförmig, noppenartig oder lamellenförmig ausgestaltet sein, wobei grundsätzlich jegliche Ausformung zur Wärmeübertragung möglich ist. Bevorzugt sind die derartigen Wärmeübertragungselemente 14 integral an dem Kanalkörper 10 ausgeformt. Das durch den Kanal strömende Fluid 6, 6' kann flüssig oder gasförmig, beispielsweise ein Kühlmittel oder ein Heizmittel, sein. Das Fluid 6 wird beim durchströmen des Kanalkörpers 10 an der Heißseite 4 erhitzt, wobei das Fluid 6' beim durchströmen des Kanalkörpers 10 an der Kaltseite 5 abgekühlt wird. Die Figuren 2 bis 6 zeigen schematisch den konstruktiven Aufbau des vorher beschriebenen thermoelektrischen Moduls 2 aus Fig. 1 .
Fig. 2 zeigt schematisch mehrere thermoelektrische Elemente 2 auf, die beabstandet voneinander in einer Ebene angeordnet sind. Hierbei werden immer Paare von p-dotierten und n-dotierten thermoelektrischen Elementen 2 gebildet, welche auch als Peltier-Element bezeichnet werden. Die thermoelektrischen Elemente 2 weisen ein thermoelektrisch aktives Material auf.
Fig. 3 zeigt nebeneinander angeordnete thermoelektrische Elemente 2 auf, die beabstandet voneinander und in einer Ebene angeordnet sind und von einem solchen Füllkörper 20 umgeben sind. Der Füllkörper 20 konzentriert den Wärmestrom auf Kontaktseiten 8 der thermoelektrischen Elemente 2. Die thermoelektrischen Elemente 2 sind an ihren Seitenflächen vollflächig von dem Füllkörper 20 umgeben. Fig. 4 zeigt schematisch die Leiterbrücken 3 auf, welche jeweils ein p-dotiertes und ein n-dotiertes thermoelektrische Element 2 elektrisch miteinander verbindet. Die elektrische Verbindung mittels der Leiterbrücken 3 erfolgt in der Abbildung beispielsweise in einer Reihenschaltung, bei der abwechselnd auf der Heißseite 4 und auf der Kaltseite 5 jeweils ein p-dotiertes mit einem n-dotierten thermoelektri- sches Element 2 verbunden ist. Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Leiterbrücken 3 an der Heißseite 4 und/oder an der Kaltseite 5 bündig mit dem Füllkörper 20 abschließen. Die Leiterbrücken 3 und der Füllkörper 20 liegen auf den jeweiligen Stirnseiten in einer Ebene.
Fig. 5 zeigt den aufgesetzten Kanalgrundkörper 1 1 , welcher sich auf den Leiterbrücken 3 und dem Füllkörper 20 abstützt. Der Kanalgrundkörper 1 1 ummantelt die Leiterbrücken 3 fast gänzlich, lediglich zwei Kontaktflächen 7 von zwei Leiterbrücken 3 liegen frei zum Anschluss an eine Stromquelle oder bei der Verwendung als ein thermoelektrischer Generator 100 am Stromerzeuger. Zweckmäßig kann zwischen den Leiterbrücken 3 und dem Kanalkörper 10 eine Schicht Haftvermittler angeordnet sein. Ferner ist es möglich eine Schicht Wärmeleitvermittler zwischen den Leiterbrücken 3 und dem Kanalkörper 10 aufzubringen.
Fig. 6 zeigt einen solchen fluiddichten Kanal auf, welcher durch aufsetzen des Kanaldeckels 12 auf den Kanalgrundkörper 1 1 gebildet ist. Bei der zweiteiligen Ausführung des Kanalkörpers 10 kann beispielsweise der Kanaldeckel 12 aus einem unterschiedlichen Material bestehen als der Kanalgrundkörper 1 1 .
Fig. 7 stellt schematisch einen thermoelektrischen Generator 100 bzw. eine thermoelektrische Wärmepumpe oder einen thermoelektrischen Kühler 101 dar, welche aus einer Mehrzahl der vorher beschriebenen thermoelektrischen Modulen 1 bestehen. Im Schnitt A-A ist zu erkennen, dass die Module 1 eine modulare Eigenschaft besitzen und somit in einer beliebigen Anzahl zusammenzusetzen sind. Die einzelnen thermoelektrischen Module sind miteinander elektrisch verschaltet. Zweckmäßig stehen die Kontaktflächen 7 bei der Ausführung zu einem thermoelektrischen Generator 100 bzw. zu einer thermoelektrischen Wärmepumpe oder einem thermoelektrischen Kühler 101 bei den thermoelektrischen Modulen 1 nicht vor. Vielmehr schließen die Kontaktflächen 7 mit den thermoelektrischen Modulen 1 an sich plan ab.
Wenn die Module 1 im Generator 100 bzw. in der Wärmepumpe oder im Kühler 101 als separate Einheiten mit separaten Kanalkörpern 10 verwendet werden, ergänzen sich die separaten Kanalkörper 10 in der Strömungsrichtung des darin geführten Fluids 6, 6' zu einem gemeinsamen Kanal, der sich an der Heißseite 4 bzw. Kaltseite 5 zweckmäßig über alle Module 1 erstreckt. Wenn wie im gezeigten Beispiel mehrere Module 1 quer zur Strömungsrichtung des Fluids 6, 6' nebeneinander angeordnet sind, ergeben sich dann dementsprechend mehrere solche gemeinsame Kanäle, die nebeneinander liegen und parallel zueinander verlaufen. Alternativ dazu kann bei einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen sein, dass zumindest bei zwei Modulen 1 , die bezüglich der jeweiligen Strömungsrichtung des Fluids 6, 6' an der Heißseite 4 oder an der Kaltseite 5 hintereinander angeordnet sind, die zugehörigen Kanalkörper 10 jeweils einen Längsabschnitt eines durchgehenden gemeinsamen Kanalkörpers bilden. Zweckmäßig erstreckt sich dieser gemeinsame Kanalkörper in der Strömungsrichtung des darin geführten Fluids 6, 6' über alle Module 1 des Generators 100 bzw. der Wärmepumpe oder des Kühlers 101 . Sofern wie im gezeigten Beispiel mehrere Module 1 quer zur Strömungsrichtung nebeneinander angeordnet sind, kann sich der gemeinsame Kanalkörper optional auch über wenigstens zwei, vorzugsweise über alle Module 1 erstrecken. Im Extremfall kann an der Heißseite 4 bzw. an der Kaltseite 5 somit ein einziger gemeinsamer Kanalkörper vorgesehen sein, der sich über alle Module 1 des Generators 100 bzw. der Wärmepumpe oder des Kühlers 101 erstreckt.

Claims

Ansprüche
1 . Thermoelektrisches Modul (1 ) mit mehreren mittels Leiterbrücken (3)
elektrisch verbundenen thermoelektrischen Elementen (2), dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Leiterbrücke (3) an einer Heißseite (4) und/oder an einer Kaltseite (5) des thermoelektrischen Moduls (1 ) mit einem elektrisch isolierenden, thermische leitenden Kanalkörper (10) in Kontakt steht, welcher von einem Fluid (6, 6') durchströmbar ist.
2. Thermoelektrisches Modul (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalkörper (10), an einer zu den Leiterbrücken (3) zugewandten Seite, Aussparungen (13) aufweist, in denen jeweils eine dieser Leiterbrücken (3) angeordnet ist.
3. Thermoelektrisches Modul (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Elemente (2) in einem gemeinsamen thermisch isolierenden Füllkörper (20) angeordnet sind.
4. Thermoelektrisches Modul (1 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbrücken (3) an der Heißseite (4) und/oder der Kaltseite (4) bündig mit dem Füllkörper (20) abschließen.
5. Thermoelektrisches Modul (1 ) nach einem der Ansprüche 1 -4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Leiterbrücken (3) und dem Kanalkörper (10) eine Schicht Haftvermittler vorhanden ist.
6. Thermoelektrisches Modul (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalkörper (10) einen Kanalgrundkörper (1 1 ) und einen Kanaldeckel (12) aufweist, wobei der Kanaldeckel (12) den Kanalgrundkörper (1 1 ) zu einem fluiddichten Kanal verschließt.
7. Thermoelektrisches Modul (1 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalgrundkörper (1 1 ) ein Spritzgussteil ist.
8. Thermoelektrisches Modul (1 ) nach den Ansprüchen 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalgrundkörper (1 1 ), auf einer von den Leiterbrücken (3) abgewandten Seite, Wärmeübertragungselemente (14) aufweist, die in dem Kanalkörper (10) vorstehen und von Fluid (6, 6') umströmbar sind.
9. Thermoelektrisches Modul (1 ) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanaldeckel (12) an den Wärmeübertragungselementen (14) abgestützt ist.
10. Thermoelektrisches Modul (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Heißseite (4) als auch die Kaltseite (4) mit einem Kanalkörper (10) versehen ist.
1 1 .Thermoelektrisches Modul (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Kanalkörper (10) an der Heißseite (4) oder Kaltseite (4) angeordnet ist, wobei auf der anderen Seite eine Rippenstruktur oder Profil struktur angeordnet ist.
12. Thernnoelektnscher Generator (100) mit mehreren thermoelektrischen Modulen (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Module (1 ) elektrisch miteinander verbunden sind, wobei die Kanalkörper (10) von wenigstens zwei thermoelektrischen Modulen (1 ) durch Abschnitte eines gemeinsamen Kanalkörpers gebildet sind.
13. Thermoelektrische Wärmepumpe oder thermoelektrischer Kühler (101 ) mit mehreren thermoelektrischen Modulen (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Module (1 ) elektrisch miteinander verbunden sind, wobei die Kanalkörper (10) von wenigstens zwei thermoelektrischen Modulen (1 ) durch Abschnitte eines gemeinsamen Kanalkörpers gebildet sind.
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