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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft thermoelektrische Module, insbesondere zum Einsatz als thermoelektrische Generatoren.
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Thermoelektrische Module ermöglichen – in einem entsprechenden Generator integriert – eine Stromerzeugung unter Ausnutzung eines Temperaturgefälles in einem System.
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Der grundsätzliche Aufbau eines bekannten thermoelektrischen Moduls (TEMs) ist in 1 skizziert. Auf einem keramischen Grundträger 100 sind Leiterbahnen 102 aus Metall angeordnet. Diese dienen der Schaltungsentflechtung einer Mehrzahl von thermoelektrischen Halbleitern vom N-Typ 104 bzw. vom P-Typ 106. Die Leiterbahnen 102 können beispielsweise aus Kupfer bestehen. Die Halbleiter- bzw. Thermoelemente 104 können beidseitig von Leiterbahnen 102 und Grundplatten 100 eingefasst sein.
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In 2 ist eine bekannte Integration eines thermoelektrischen Moduls als thermoelektrischer Generator 200 in ein System mit einer heißen Seite 202 und einer kalten Seite 203 ist in 2 skizziert. Der heißen Seite 202 zugewandt befindet sich ein Wärmetauscher 204, der an einem Isolator 206 angebracht ist. Auf diesem befindet sich eine Leiter bzw. eine Leiterbahn 208, die beispielsweise einer der Leiterbahnen 102 aus 1 entsprechen kann. Mit der Leiterbahn 208 verbunden sind über metallische Bereiche 210 ein Thermoelement vom n-Typ 212 und ein Thermoelement vom p-Typ 213 (jeweils beispielsweise entsprechend einem der Thermoelemente 104 bzw. 106 aus 1). Metallische Bereiche 214, Leiter bzw. Leiterbahnen 216, Isolator 218 und Wärmetauscher 220 entsprechen den Komponenten 210, 208, 206 bzw. 204, wie vorstehend beschrieben. Der Wärmetauscher 220 ist der kalten Seite 203 des Systems zugewandt.
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Als Material der Wärmetauscher 204 bzw. 220 werden üblicherweise Metalle, wie Aluminium, Edelstahl, Titan oder Kupfer verwendet. Das Zusammenfügen der Wärmetauscher 204 und 220 mit der meist keramischen Grundplatte bzw. dem Grundträger 206 bzw. 218 (entsprechend dem Träger 100 aus 1) kann beispielsweise durch Schweißen, Hart- oder Weichlöten, Kleben oder kraftschlüssige Fügeprozesse erreicht werden.
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Für einen robusten Einsatz des thermoelektrischen Generators 200, das heißt seinen zuverlässigen und langlebigen Betrieb, ist es notwendig, auftretende thermomechanische Spannungen innerhalb des Generators 200 zu minimieren. Dieses Problem ergibt sich insbesondere auf der der heißen Seite 202 zugewandten Seite des Generators 200 und hier dem Metall-Keramikverbund der Schichten 204 und 206. Spannungen können sich aus den unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der eingesetzten Materialien ergeben. Bisherige Lösungen zeigen mit den bisher eingesetzten Materialien auch sehr hohe thermische Widerstände. Es stehen bisher keine Lösungen zur Verfügung, die eine einfache Anpassung eines allgemeinen thermoelektrischen Moduls bzw. Generators an unterschiedliche Systeme bzw. Prozesse oder Prozessumgebungen ermöglichen würden. Umgekehrt ist ein konkretes Modul nur für eine bestimmte Umgebung bzw. einen bestimmten Prozesse optimal ausgelegt und kann nicht einfach an andere Prozessumgebungen verwendet oder angepasst werden, ohne dass seine Zuverlässigkeit und Langlebigkeit beeinträchtigt wird.
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Aufgrund hoher Kosten für die Entwicklung und Anpassung an konkrete Prozessumgebungen und/oder dementsprechend eingeschränkte Effizienz werden thermoelektrische Generatoren bisher überwiegend nur im Umfeld der Luft- und Raumfahrtechnik genutzt. Die Bereitstellung thermoelektrischer Module, die leichter an konkrete Prozessumgebungen anpassbar wären, würde aber auch beispielsweise den Fahrzeugbau als Anwendungsfeld erschließen, wo derartige Module bzw. Generatoren die effizientere Nutzung der Abwärme von Verbrennungsmaschinen oder Elektromotoren ermöglichen würden.
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Darstellung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein thermoelektrisches Modul vorgeschlagen, welches die folgenden Komponenten aufweist: Thermoelektrische Halbleiterelemente, Leiterbahnen aus Metall zur Verschaltung der Halbleiterelemente, und mindestens ein Grundträger für die Leiterbahnen. Der Grundträger umfasst einen Metallmatrix-Verbundwerkstoff.
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Bei einer Ausführungsform des thermoelektrischen Moduls weist ein Metallgehalt des Metallmatrix-Verbundwerkstoffes zwischen einer den Leiterbahnen zugewandten Seite des Grundträgers und einer von den Leiterbahnen abgewandten Seite des Grundträgers einen Gradienten auf.
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Beispielsweise kann der Metallmatrix-Verbundwerkstoff auf der den Leiterbahnen zugewandten Seite des Grundträgers 0 Volumenprozent (Vol.-%) Metall aufweisen. Weißt der Verbundwerkstoff beispielsweise eine (poröse) keramische Grundsubstanz auf, deren Porosität auf der den Leiterbahnen zugewandten Seite des Grundträgers Null ist, liegt hier eine isolierende Keramikschicht vor, welche die Isolatorfunktion übernimmt. Auf der von den Leiterbahnen abgewandten Seite des Grundträgers weist der Metall-Keramik-Verbundwerkstoff einen Metallgehalt von 0 bis 100% auf.
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Bei anderen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen thermoelektrischen Moduls liegt ein beidseitiger Gradient im Metallgehalt vor, der von maximalen Werten auf der den Leiterbahnen zugewandten Seite des Grundträgers und der von den Leiterbahnen abgewandten Seite des Grundträgers auf ein dazwischenliegendes Minimum im Metallgehalt abfällt. Bei dieser Ausführungsform ist mindestens ein Teil der Leiterbahnen durch die Bereiche des Grundträgers mit maximalen Werten des Metallgehalts selbst realisiert. Das dazwischenliegende Minimum sollte vorzugsweise bei 0 Vol.-% Metallgehalt liegen. Die maximalen Werte des Metallgehalts auf beiden Seiten des Grundträgers können voneinander unterschieden sein. Werden die Leiterbahnen durch die Metallisierung des Metallmatrix-Verbundwerkstoffes selbst ausgebildet, ist ein Maximalwert anzustreben, der eine ausreichende Stromleitung und damit Verschaltung der Thermoelemente ermöglicht. Der Maximalwert auf der von den Leiterbahnen abgewandten Seite des Grundträgers ist so zu wählen, dass Wärmeausdehnung sowie Anbindung an die kalte bzw. heiße Seite des Systems optimiert wird.
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Bei bestimmten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen thermoelektrischen Moduls umfasst der Grundträger auf der den Leiterbahnen zugewandten Seite des Metallmatrix-Verbundwerkstoffes einen weiteren Werkstoff mit 0 Vol.-% Metall. Hierbei kann es sich insbesondere um 100 Vol.-% eines keramischen Werkstoffs handeln. Beispielsweise kann eine Keramik mit 100% Volumenerfüllung etwa durch ein Sinterbondverfahren aufgebracht werden. Zusätzlich oder alternativ kann der Grundträger auf der von den Leiterbahnen abgewandten Seite des Metallmatrix-Verbundwerkstoffes einen Bereich mit 100 Vol.-% Metall umfassen. Eine entsprechende Metallschicht kann beispielsweise durch Umguss auf den Metallmatrix-Verbundwerkstoff aufgebracht werden.
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Erfindungsgemäß wird weiterhin ein thermoelektrischer Generator vorgeschlagen, der insbesondere für ein Antriebssystem im Transportwesen ausgelegt ist, beispielsweise für eine Verbrennungsmaschine oder einen Elektromotor eines Fahrzeugs. Dieser Generator weist ein thermoelektrisches Modul wie vorstehend skizziert auf.
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Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Moduls wie vorstehend skizziert vorgeschlagen, welches die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen einer keramischen Preform als Grundträger des thermoelektrischen Moduls; und Infiltrieren der keramischen Preform mit Metall.
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Beim infiltrieren kann bei entsprechendem Preform-Design mit Porositätsgradient ein Gradient im Metallgehalt des späteren Grundträgers erzeugt werden.
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Bei bestimmten Ausführungsformen des Verfahrens erfolgt ein weiterer vor- oder nachgelagerter Schritt des Aufbringens eines weiteren Werkstoffes mit 0 Vol.-% Metall. Hierbei kann es sich insbesondere um einen keramischen Werkstoff handeln. Dieser wird auf einer Seite der Preform aufgebracht. Das Aufbringen kann beispielsweise durch ein Sinterbondverfahren vor oder nach der Metall-Infiltration erfolgen.
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Zusätzlich oder alternativ kann ein weiterer vor- oder nachgelagerter Schritt des Aufbringens eines Bereiches mit 100 Vol.-% Metall auf eine (andere) Seite der Preform vorgesehen werden. Beispielsweise kann eine Metallschicht auf die von den späteren Leiterbahnen abgewandte Seite der Preform mittels Umgussverfahren aufgebracht werden. Hierdurch kann ein Wärmetauscher mit einer Umgebung des späteren Generators oder aber einer Anbindung an einen solchen Wärmetauscher realisiert werden.
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Erfindungsgemäß wird weiterhin die Verwendung eines Metallmatrix-Verbundwerkstoffes für thermoelektrische Module oder thermoelektrische Generatoren vorgeschlagen.
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Vorteile der Erfindung
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Die Verwendung eines Metallmatrix-Verbundwerkstoffs in einem Grundträger eines thermoelektrischen Moduls ermöglicht eine Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten innerhalb des Moduls bei gleichzeitig hoher Wärmeleitfähigkeit je nach konkreter Prozessumgebung. Das Vorsehen eines Gradienten im Metallgehalt des Metallmatrix-Verbundwerkstoffs ermöglicht die Realisierung der beiden Funktionalitäten (1) der Isolierung der Leiterbahnen als auch (2) der optimierten Anbindung an die heiße bzw. kalte Seite eines Systems durch den Verbundwerkstoff des Grundträgers.
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Beispielsweise kann der Metallmatrix-Verbundwerkstoff auf der den Leiterbahnen zugewandten Seite des Grundträgers 0 Vol.-% Metall aufweisen. Weißt der Verbundwerkstoff beispielsweise eine (poröse) keramische Grundsubstanz auf, deren Porosität auf der den Leiterbahnen zugewandten Seite des Grundträgers Null ist, liegt hier eine isolierende Keramikschicht vor, die die Isolatorfunktion übernimmt. Der Metallmatrix-Verbundwerkstoff weist auf der von den Leiterbahnen abgewandten Seite des Grundträgers einen Metallgehalt von 0 bis 100% auf.
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Die geeignete Wahl des Metallgehalts erlaubt eine hohe Wärmeleitfähigkeit und gleichzeitig eine optimierte Anbindung an das System, in dem das Modul bzw. der Generator zum Einsatz kommt, wobei gleichzeitig die Stabilität des Grundträgers gewährleistet ist.
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Das skizzierte Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Moduls ermöglicht die Verwendung von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen als Grundplatten oder als Grundträger von thermoelektrischen Modulen, bei denen auf einfache Weise eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Isolator auf der einen Seite und Wärmetauscher auf der anderen Seite gewährleistet werden kann mit einem optimalen Wärmetransport und optimierten thermischen Ausdehnungskoeffizienten innerhalb des Moduls, und daher den entsprechenden Auswirkungen auf die Robustheit des Moduls bzw. Generators.
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Ein Gradient im Metallgehalt des späteren Grundträgers stellt die optimale Anbindung an die Umgebung des Moduls bzw. Generators einerseits sowie die Isolation der Leiterbahnen andererseits sicher. Das Verfahren ermöglicht auf einfache Weise die Anpassung der dergestalt hergestellten Module an konkrete Prozessumgebungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden nunmehr anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Hierbei zeigt:
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1 in schematischer Form den allgemeinen Aufbau eines thermoelektrischen Moduls im Stand der Technik;
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2 in schematischer Form den allgemeinen Aufbau eines thermoelektrischen Generators nach dem Stand der Technik;
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3 in schematischer Form ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen thermoelektrischen Moduls/Generators;
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4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen thermoelektrischen Moduls/Generators;
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5 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen thermoelektrischen Moduls/Generators; und
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6 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines thermoelektrischen Moduls.
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Ausführungsformen der Erfindung
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen thermoelektrischen Moduls 300. Das Modul 300 umfasst eine Mehrzahl thermoelektrischer Halbleiter vom p-Typ 302 sowie thermoelektrischer Halbleiter vom n-Typ 304, die jeweils über eine Verbindungsschicht 306 mittels Leiterbahnen 308 in geeigneter Weise miteinander verschaltet sind. Die Leiterbahnen 308 können zum Beispiel aus Cu bestehen. Die Leiterbahnen 308 befinden sich auf einem Grundträger 310, der einen gradierten Metallmatrix-Verbundwerkstoff („Metal-Matrix-Composite”, MMC) umfasst. Die Gradierung des MMC ist durch einen in Richtung zunehmenden Metallgehalts deutenden Pfeil 311 gekennzeichnet. In dem Beispiel der 3 ist die Gradierung diskret, d. h. der Grundträger 310 umfasst insgesamt fünf unterschiedliche Schichten, die mit den Bezugsziffern 312–320 bezeichnet sind. Die Schichten unterscheiden sich in der Porosität des Preforms, aus dem der Grundträger 310 hergestellt wurde, bzw. unterscheiden sich entsprechend im Metallgehalt. Die Gradierung kann aber auch kontinuierlich ausgeführt sein.
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Konkret kann die Schicht 312, die auf der den Leiterbahnen 308 zugewandten Seite 322 des Grundträgers 310 liegt und als Träger und Isolator für die Leiterbahnen 308 dient, beispielsweise zu 100% aus einem keramischen Werkstoff bestehen, d. h. die ursprüngliche Preform hatte 0% Porosität im Bereich der Schicht 312. Die auf der von den Leiterbahnen 308 abgewandten Seite 324 des Grundträgers 310 liegende Schicht 320 dient hingegen beim Einsatz des Moduls 300 als Generator selbst als Backplate, Wärmetauscher und/oder zum Anschluss an einen Wärmetauscher, der eine heiße Seite eines Systems repräsentiert, und besteht daher aus 100% Metall. Die zwischen der Isolatorschicht 312 und der Wärmetauscher- bzw. Anschlussschicht 320 befindlichen Schichten 314, 316 und 318 verfügen über einen abgestuften Metallgehalt von beispielsweise 25%, 50%, 75% Metallgehalt; wobei die Preform analog dazu beispielsweise eine Porosität von 25%, 50%, 75% Porosität hatte.
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In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßes thermoelektrischen Moduls 400 dargestellt. Thermoelemente vom n-Typ 402 bzw. p-Typ 404 sind auf Leiterstrukturen 406 aufgebracht, die in diesem Beispiel einstückig mit der Grundplatte bzw. dem Grundträger 408 ausgeführt sind. Die einstückige Ausführung von Grundträger 408 mit Leiterstrukturen 406 vereinfacht insbesondere die Herstellung des Moduls 400. Anders als in dem Ausführungsbeispiel 300 der 3, wo der Gradient 311 einseitig verläuft, liegt bei dem Grundträger 408 einschließlich Leiterstrukturen 406 ein beidseitiger Gradient 410 vor. Dieser hat ein Minimum im Metallgehalt in einem Bereich 412 auf einer den Leiterbahnen 406 zugewandten Seite 413, während sowohl ein auf der von den Leiterstrukturen 406 abgewandten Seite 418 liegender Bereich 414 als auch ein Bereich der Leiterbahnen 406 jeweils ein Maximum des Metallgehalts aufweisen.
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Der Metallgehalt in den Bereichen 416 bzw. 414 muss geeignet sein, um eine Verschaltung der Thermoelemente 402, 404 zu bewirken (416), bzw. einen thermischen Anschluss an das System herzustellen, in dem das Modul 400 eingesetzt werden soll (414). Somit kann der Metallgehalt in den Bereichen 416 und/oder 414 von 100% verschieden sein.
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In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen thermoelektrischen Moduls 500 dargestellt. In diesem Beispiel sind Thermoelemente von n-Typ 502 und p-Typ 504 auf Leiterstrukturen 506 aufgebracht, die in Ausnehmungen einer Grundplatte 508 eingebracht wurden. Das Einbringen kann beispielsweise mittels Druckguss, Squeeze Casting oder Gasdruckinfiltration von Metall erfolgen. In dem Beispiel der 5 ist ein Gradient 510 im Metallgehalt des Trägers 508 einseitig und verläuft beispielsweise von 0% Porosität eines keramischen Preforms der Grundplatte 508 in einem Bereich 512 auf der den Leiterbahnen 506 zugewandten Seite 513 des Grundträgers 508 zu einem Maximum im Metallgehalt in einem Bereich 514 auf der von den Leiterbahnen 506 abgewandten Seite 515 zum Anschluss an ein System.
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Anhand des in 6 skizzierten Flussdiagramms wird ein Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Moduls (602) beschrieben. In Schritt 604 wird eine keramische Preform mit Porositätsgradient als Grundträger des späteren thermoelektrischen Moduls bereitgestellt. In Schritt 606 wird die keramische Preform mit Metall infiltriert. Bei diesem Schritt wird entsprechend ein Gradient im Metallgehalt des späteren Grundträgers erzeugt. In Schritt 608 wird ein weiterer Werkstoff mit 0 Volumenprozent Metall auf eine Seite der Preform aufgebracht. Alternativ kann dieser Werkstoff bereits mit dem Schritt 604 dargestellt werden. In Schritt 610 wird ein Bereich mit 100 Volumenprozent Metall auf die andere Seite der Preform aufgebracht. Alternativ kann der Bereich mit 100 Volumenprozent Metall auf der dem Grundträger abgewandten Seite in Schritt 606 erzeugt werden. In Schritt 612 endet der Herstellungsprozess.
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Während der Gradient 311 in 3 ein gestufter Gradient ist, kann ein beidseitiger Gradient (410) oder ein einseitiger Gradient (510) auch stufenlos verlaufen, d. h. kontinuierlich von einem Minimal- zu einem Maximalwert des Metallgehalts (bzw. einer Porosität einer keramischen Preform) verlaufen.
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Der Metallmatrix-Verbundwerkstoff der Träger 310, 408 bzw. 508 kann aus porösen keramischen Preforms über Metall-Infiltration hergestellt werden, etwa mit Druckunterstützung, beispielsweise Druckguss, Squeeze Casting oder Gasdruckinfiltration (Schritt 606). Hierdurch kann der thermische Ausdehnungskoeffizient („Coefficient of Thermal Expansion”, CTE) innerhalb des Moduls an die Systemanforderungen angepasst werden, wobei gleichzeitig eine hohe Wärmeleitfähigkeit gewährleistet ist. Die keramische Preform kann einen Porositätsgradienten von beispielsweise 0 Vol.-% in den Bereichen 312, 412, 512 bis hin zu beispielsweise einem Maximum von 50 Vol.-%–75 Vol.-%, insbesondere etwa 65 Vol.-% in dem Bereich 318, 414, 514 aufweisen, wobei noch eine genügende mechanische Stabilität gewährleistet ist.
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Die Bereiche 312 bzw. 512 mit 100 Vol.-% Keramik bzw. 0 Vol.-% Porosität können auch durch ein Sinterbondverfahren, wahlweise vor oder nach einer Metall-Infiltration, auf die Preform bzw. den Grundträger aufgebracht werden (Schritt 608). Bereiche 320, 414, bzw. 514, in denen die Porosität 100 Vol.-% bzw. der Metallgehalt 100 Vol.-% erreicht, können etwa durch Umguss von Metall während der Metallinfiltration auf den Grundträger aufgebracht werden (Schritt 610).
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Die Erfindung ermöglicht somit eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Isolatorschicht 312, 412, bzw. 512 und Wärmetauscher bzw. Anschlussseite an das System 320, 414, bzw. 514. Hierdurch wird ein optimaler Wärmetransport gewährleistet bei gleichzeitig minimalen thermomechanischen Spannungen innerhalb des Moduls bzw. Generators.
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Auf der Isolator- bzw. Keramikseite bietet der aus Metall-Matrix-Verbundwerkstoff bestehende Grundträger 310, 408 bzw. 508 weiterhin eine isolierende Grundlage für die Schaltungsentflechtung 308, 406 bzw. 506, während auf der Seite mit hohem Metallgehalt 318/320, 414, bzw. 514 eine im Wärmeleitkoeffizienten CTE angepasste Grenzfläche für die Metalle von Wärmetauschern des Generators bzw. Systems und/oder die entsprechende heiße oder kalte Seite des Systems zur Verfügung steht.
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Dadurch, dass der CTE im Modul optimal an die Systemanforderung angepasst werden kann, bietet das erfindungsgemäß ausgebildete Modul im Vergleich zu konventionellen TEMs eine deutlich höhere Zuverlässigkeit bezüglich thermomechanischer Belastungen. Gleichzeitig wird die Flexibilität bezüglich der einsetzbaren Aufbau- und Verbindungstechniken und in Bezug auf den Bauraum (benötigtes Volumen und benötigte Formgebung) innerhalb des Systems bei Einsatz als thermoelektrischer Generator erhöht. Dies ist von Bedeutung für Anwendungen beispielsweise im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors.
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Erfindungsgemäß aus gradierten Preform-MMCs bestehende thermoelektrische Module bzw. Generatoren können zu vergleichsweise niedrigen Kosten und erhöhter Energieeffizienz wirtschaftlich sinnvoll zur effizienten Nutzung der Abwärme etwa von Verbrennungsmaschinen oder Elektromotoren im Transportwesen (Fahrzeugbau) eingesetzt werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt; vielmehr sind innerhalb des durch die anhängenden Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handels liegen.
