DE102012214704A1

DE102012214704A1 - Thermoelektrisches Modul

Info

Publication number: DE102012214704A1
Application number: DE102012214704.7A
Authority: DE
Inventors: Thomas Himmer
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2012-08-17
Filing date: 2012-08-17
Publication date: 2014-03-27
Also published as: CN104641480B; CN104641480A; WO2014027011A1; US20150155466A1; US9735333B2

Abstract

Thermoelektrisches Modul (11, 32) mit einem Gehäuse (4), welches zumindest zwei gegenüberliegende Wandungen aufweist, mit einer Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen (1), welche zumindest zwei gegenüberliegende Flächen aufweisen, mit einer Mehrzahl von Leitungsbrücken (2), wobei zumindest zwei thermoelektrische Elemente (1) mit einer Leitungsbrücke (2) verbunden sind und die thermoelektrischen Elemente (1) mit einer ihrer Flächen mit einem Trägerelement (3, 20) in thermischen Kontakt stehen, wobei jeweils eine Gruppierung von mindestens zwei thermoelektrischen Elementen (1) und einer Leitungsbrücke (2) mit einem Trägerelement (3, 20) in thermischen Kontakt stehen.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Modul mit einem Gehäuse, welches zumindest zwei gegenüberliegende Wandungen aufweist, mit einer Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen, welche zumindest zwei gegenüberliegende Flächen aufweisen, mit einer Mehrzahl von Leitungsbrücken, wobei zumindest zwei thermoelektrische Elemente mit einer Leitungsbrücke verbunden sind und die thermoelektrischen Elemente mit einer ihrer Flächen mit einem Trägerelement in thermischen Kontakt stehen, wobei jeweils eine Gruppierung von mindestens zwei thermoelektrischen Elementen und einer Leitungsbrücke mit einem Trägerelement in thermischen Kontakt stehen.
Stand der Technik
Um Energie, die beispielsweise im Abgas eines Kraftfahrzeuges enthalten ist, zu nutzen, können thermoelektrische Elemente eingesetzt werden, die unter Ausnutzung des Seebeck-Effekts elektrische Energie erzeugen.
Diese thermoelektrischen Elemente bestehen aus thermoelektrisch aktiven Materialien, die es erlauben elektrische Energie aus einer Temperaturdifferenz an den Grenzflächen der thermoelektrischen Elemente zu erzeugen. Hierzu müssen die thermoelektrischen Materialien einer Temperaturdifferenz ausgesetzt werden, so dass eine ihrer Grenzflächen mit einem Fluid hoher Temperatur und eine ihrer Grenzflächen, im Idealfall die der ersten Grenzfläche gegenüberliegende Fläche, mit einem Fluid niederer Temperatur beaufschlagt wird.
Als Quelle, für ein Fluid hoher Temperatur, bietet sich insbesondere im Kraftfahrzeug, der Abgasstrang an. Die Abgastemperaturen liegen über den gesamten Abgasstrang sehr hoch, so dass eine thermoelektrische Vorrichtung, welche thermoelektrische Materialien beinhaltet, an einer Vielzahl von Stellen in den Abgasstrang integriert werden kann.
Als Quelle, für ein Fluid niederer Temperatur, bietet sich zum Beispiel ein Kühlmittelstrom des Fahrzeuges an. Hierzu kann entweder ein bereits vorhandener Kühlmittelkreislauf erweitert werden, oder nötigenfalls ein weiterer Kühlmittelkreislauf integriert werden.
Als thermoelektrisches Material können unter anderem Telluride, Skutterudite, Silizide oder Half-Heusler-Materialien eingesetzt werden.
Diesen und anderen thermoelektrischen Materialien ist gemein, dass sie empfindlich gegenüber mechanischen Einwirkungen, wie etwas Spannungen und Stößen sind. In heute bekannten thermoelektrischen Vorrichtungen treten mitunter thermisch bedingte Spannungen auf. Diese resultieren aus Ausdehnungen und Stauchungen des Materials, welche das Material infolge von Temperatureinwirkungen erfährt.
Nachteilig am Stand der Technik ist insbesondere die nicht optimale Vermeidung von thermischen Spannungen innerhalb von thermoelektrischen Vorrichtungen und damit der Schutz von thermoelektrischen Elementen vor Beschädigung.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein thermoelektrisches Modul bereitzustellen, welches die Entstehung von thermischen Spannungen möglichst stark reduziert, und auftretende thermische Spannungen besonders vorteilhaft aufnimmt, um so einen negativen Einfluss auf die thermoelektrischen Materialien zu vermeiden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch ein thermoelektrisches Modul mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Modul mit einem Gehäuse, welches zumindest zwei gegenüberliegende Wandungen aufweist, mit einer Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen, welche zumindest zwei gegenüberliegende Flächen aufweisen, mit einer Mehrzahl von Leitungsbrücken, wobei zumindest zwei thermoelektrische Elemente mit einer Leitungsbrücke verbunden sind und die thermoelektrischen Elemente mit einer ihrer Flächen mit einem Trägerelement in thermischen Kontakt stehen, wobei jeweils eine Gruppierung von mindestens zwei thermoelektrischen Elementen und einer Leitungsbrücke mit einem Trägerelement in thermischen Kontakt stehen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Vorrichtung zum Ausgleich von thermischen Spannungen im thermoelektrischen Modul angeordnet ist, wobei die Vorrichtung zum Ausgleich von thermischen Spannungen durch zumindest ein erstes plattenförmiges Trägerelement gebildet ist.
Eine Vorrichtung zum Abbau thermischer Spannungen dient zur Entlastung der thermoelektrischen Elemente und den sie verbindenden Leitungsbrücken. Insbesondere die thermoelektrischen Elemente sind besonders empfindlich gegen mechanische Belastungen. Aufgrund der starken Temperaturdifferenz welche sich zwischen den gegenüberliegenden Wandungen des thermoelektrischen Moduls ergibt, und der thermischen Belastung auf der Seite des heißen Fluids, kommt es teilweise zu Ausdehnungen des Moduls und infolge dessen zu einer mechanischen Belastung der thermoelektrischen Module.
Durch die Vorrichtung zum Ausgleich der thermischen Spannungen kann dieser schädigende Einfluss für die thermoelektrischen Elemente reduziert werden.
Die Verwendung von plattenförmigen Trägerelementen als Vorrichtung zum Ausgleich thermischer Spannungen ist besonders vorteilhaft, da sie die thermoelektrischen Elemente aufnehmen können, durch ihre plattenförmige Gestalt sehr flach bauen und so einfach in die Wandung eines Gehäuses zu integrieren sind.
In einer besonders günstigen Weiterbildung der Erfindung, kann es vorgesehen sein, dass die Vorrichtung zum Ausgleich von thermischen Spannungen durch eine Mehrzahl von plattenförmigen Trägerelementen gebildet ist, wobei einzelne Trägerelemente an ihren Randbereichen mit anderen Trägerelementen elastisch verbunden sind.
Durch die Mehrzahl der plattenförmigen Trägerelemente, besteht die Möglichkeit größere Längenänderungen auszugleichen. Im Gegensatz zu einer Ausführung mit nur einem Trägerelement, welches nur zu dem Gehäuse beweglich ist, können hier auch die einzelnen Trägerelemente relativ zueinander bewegt werden.
Außerdem ist es vorteilhaft, wenn das als Vorrichtung zum Ausgleich von thermischen Spannungen vorgesehene zumindest erste Trägerelement elastisch mit einer Wandung des Gehäuses verbunden ist.
Durch die elastische Verbindung des Trägerelements mit dem Gehäuse ist eine Relativbewegung des Trägerelements zu dem Gehäuse möglich, was dem Abbau der thermischen Spannungen dient.
Es ist vorteilhaft, wenn die Vorrichtung zum Ausgleich von thermischen Spannungen im thermoelektrischen Modul durch ein erstes plattenförmiges Trägerelement gebildet ist, welches elastisch mit einer Wandung des Gehäuses und/oder einem zweiten plattenförmigen Trägerelement verbunden ist.
Auch ist es zweckmäßig, wenn eine Wandung des Gehäuses eine Aussparung aufweist.
In diese Aussparung können die plattenförmigen Trägerelemente eingesetzt werden und dort für eine Kompensation der Längenveränderung sorgen. Die Aussparung wird dabei entweder von einem plattenförmigen Trägerelement alleine oder von einer Mehrzahl von plattenförmigen Trägerelementen überdeckt.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn ein oder mehrere plattenförmige Trägerelemente die Aussparung im Gehäuse des thermoelektrischen Moduls überdecken und fluiddicht abschließen.
Durch den Einsatz von mehreren plattenförmigen Trägerelementen können Aussparungen verschiedener Größen überdeckt werden. Je nach dem notwendigen Längenausgleich und der vorgesehenen Anzahl an thermoelektrischen Elementen, kann es vorteilhaft sein eine Mehrzahl von plattenförmigen Trägerelementen einzusetzen. Die Anzahl an thermoelektrischen Elementen auf jedem plattenförmigen Trägerelement sollte nicht zu groß gewählt werden und liegt im Idealfall bei zwei. Je mehr thermoelektrische Elemente auf jedem plattenförmigen Element angeordnet sind, umso größer wird der schädigende Einfluss auf die thermoelektrischen Elemente, aufgrund der thermischen Spannungen.
Da lediglich die plattenförmigen Trägerelemente die Aussparung oder Aussparungen im Gehäuse überdecken, ist eine fluiddichte Verbindung der plattenförmigen Trägerelemente mit dem Gehäuse vorteilhaft. Es wird so ein Eindringen des Fluids, welches das thermoelektrische Modul umströmt, in das Innere des Moduls verhindert.
Bei dem Verbindungsmittel ist darauf zu achten, dass es sowohl eine genügend hohe Duktilität aufweist, als auch eine genügend hohe Temperaturbeständigkeit.
Auch ist es zweckmäßig, wenn die thermoelektrischen Elemente mit jeweils einer ihrer Flächen mit einer der Wandungen des Gehäuses in thermischen Kontakt stehen und mit der jeweils anderen Fläche mit einem plattenförmigen Trägerelement in thermischen Kontakt stehen.
Da die plattenförmigen Trägerelemente einerseits und die den plattenförmigen Trägerelementen gegenüberliegende Wandung des Gehäuses andererseits die Elemente darstellen, die von den, das thermoelektrische Modul, umströmenden Fluiden beaufschlagt werden, ist es zu bevorzugen, wenn die thermoelektrischen Elemente thermisch leitend an diese angebunden sind. Dadurch wird der thermische Widerstand möglichst klein gehalten und der Wirkungsgrad des thermoelektrischen Moduls erhöht.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, ein plattenförmiges Trägerelement an einer Verbindungsstelle zwischen dem Trägerelement und dem Gehäuse, das Gehäuse überlappt und/oder an einer Verbindungsstelle zwischen dem Trägerelement und einem weiteren Trägerelement das Trägerelement überlappt.
Durch eine Überlappung ist es besonders vorteilhaft realisierbar, die Trägerelemente untereinander und die Trägerelemente mit dem Gehäuse fluiddicht zu verbinden. Der Bereich der Überlappung bildet außerdem den Verbindungsbereich, in welchen das Verbindungsmittel eingebracht wird. Ein größerer Überlappungsbereich ermöglicht zudem stärkere Relativbewegungen einerseits der plattenförmigen Trägerelemente untereinander, und andererseits der plattenförmigen Trägerelemente zu dem Gehäuse.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die plattenförmigen Trägerelemente relativ zueinander und relativ zum Gehäuse des thermoelektrischen Moduls verschiebbar sind.
Durch die Verschiebbarkeit relativ zueinander kann ein Längenausgleich stattfinden, wodurch die thermoelektrischen Elemente entlastet werden.
Auch ist es zu bevorzugen, wenn die plattenförmigen Trägerelemente an ihrem Randbereich einen zumindest teilweise umlaufenden Flanschbereich aufweisen.
Dieser Flanschbereich ermöglicht es, die einzelnen Trägerelemente zueinander oder auch zum Gehäuse besser ausrichten zu können. Außerdem ist die Verbindung der plattenförmigen Trägerelemente untereinander leichter herzustellen. Der Flansch erhöht, durch die von ihm verursachte Überlappung, außerdem zusätzlich die Stabilität des thermoelektrischen Moduls.
Weiterhin kann der Flansch als Aufnahmebereich für ein Verbindungsmittel dienen, was den Montageprozess vereinfacht.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn bei einem thermoelektrischen Modul, die Vorrichtung zum Ausgleich von thermischen Spannungen im thermoelektrischen Modul durch eine Mehrzahl von wannenförmigen Trägerelementen gebildet ist, die einen Bodenbereich und einen von dem Bodenbereich abstehenden umlaufenden Rand aufweisen.
Die wannenförmigen Trägerelemente dienen hierbei der Aufnahme von zwei oder mehr thermoelektrischen Elementen. Ähnlich wie bei den plattenförmigen Trägerelementen sollte die Anzahl der thermoelektrischen Elemente pro wannenförmigen Trägerelement nicht zu groß werden, um den schädigenden Einfluss von thermischen Spannungen, aufgrund einer Längenausdehnung eines der wannenförmigen Trägerelemente, auf die thermoelektrischen Elemente möglichst gering zu halten.
Es ist weiterhin zu bevorzugen, wenn die wannenförmigen Trägerelemente im Bereich ihres umlaufenden Randes miteinander verbunden sind, wobei zwischen den Bodenbereichen der wannenförmigen Trägerelemente jeweils ein Spalt belassen ist.
Durch den Spalt, welcher zwischen den Bodenbereichen benachbarter wannenförmiger Trägerelemente entsteht, ist ein Längenausgleich infolge von thermisch bedingter Ausdehnung möglich. Durch ein Ausdehnen der einzelnen wannenförmigen Trägerelemente wird der Spalt verkleinert. Die absoluten Außenmaße des thermoelektrischen Moduls, werden durch eine Längenänderung der wannenförmigen Trägerelement nicht oder nur unwesentlich beeinflusst.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn jedes der wannenförmigen Trägerelemente zumindest zwei thermoelektrische Elemente aufweist, die mit einer Leitungsbrücke verbunden sind.
Eine Anordnung von mindestens zwei thermoelektrischen Elementen pro wannenförmigen Trägerelement ist zu bevorzugen, da die Verbindung der einzelnen thermoelektrischen Elemente untereinander mit Leitungsbrücken realisiert wird, welche abwechselnd auf zwei sich gegenüberliegenden Flächen der thermoelektrischen Elementen angeordnet sind. Die Verbindung eines einzelnen thermoelektrischen Elementes mit einem einzelnen thermoelektrischen Element in einem benachbarten wannenförmigen Trägerelement, würde zu einer komplexen Formgebung der Leitungsbrücken führen, welche nachteilig hinsichtlich der Fertigung und der Kosten ist.
Die Anzahl der thermoelektrischen Elemente pro wannenförmigen Trägerelement sollte jedoch auch nicht wesentlich größer als zwei sein, da sonst die Gefahr besteht, dass in die einzelnen thermoelektrischen Elemente Spannungen aufgrund der Ausdehnung des wannenförmigen Trägerelementes selbst auftreten und so zu Beschädigungen der thermoelektrischen Elemente führen.
Auch ist es zu bevorzugen, wenn zumindest zwei thermoelektrische Elemente, zweier benachbarter wannenförmiger Trägerelemente über eine Leitungsbrücke miteinander verbunden sind.
Über die Verbindung der thermoelektrischen Elemente über die wannenförmigen Trägerelemente hinweg wird eine Vernetzung der thermoelektrischen Elemente miteinander erreicht. Die thermoelektrischen Elemente sind dabei in Reihe geschaltet. Die beiden jeweils in einem wannenförmigen Trägerelement angeordneten thermoelektrischen Elemente sind mit einer weiteren Leitungsbrücke verbunden. Die Leitungsbrücken sind hier jeweils mit den Flächen der thermoelektrischen Elemente verbunden, die dem Bodenbereich der wannenförmigen Trägerelemente zugewandt sind.
In einer alternativen Ausführungsform ist es vorteilhaft, wenn das Gehäuse des thermoelektrischen Moduls durch einen kastenförmigen Deckel und die wannenförmigen Trägerelemente gebildet ist, wobei die erste Wandung des Gehäuses durch den Bodenbereich des kastenförmigen Deckels und die zweite Wandung durch die Bodenbereiche der wannenförmigen Trägerelemente gebildet ist.
Der kastenförmige Deckel kann über die Anordnung der wannenförmigen Trägerelemente gestülpt werden und schließlich mit den wannenförmigen Trägerelementen verbunden werden. So entsteht ein kompaktes Gehäuse mit einer geringen Anzahl an Elementen. Dies macht die Herstellung des Gehäuses kostengünstig und einfach.
Auch ist es zweckmäßig, wenn die thermoelektrischen Elemente mit jeweils einer ihrer Flächen mit einem Bodenbereich eines wannenförmigen Trägerelementes in thermischen Kontakt stehen und mit der jeweils anderen Fläche in thermischen Kontakt mit dem Bodenbereich des kastenförmigen Deckels stehen.
Dies ist vorteilhaft, da die Bodenbereiche der wannenförmigen Elemente und der Bodenbereich des kastenförmigen Deckels jeweils die Grenzflächen des thermoelektrischen Moduls bilden, welche im Betrieb mit heißen und kalten Fluiden beaufschlagt werden. Eine thermische Anbindung der thermoelektrischen Elemente an diese Grenzflächen verbessert somit den Wirkungsgrad des thermoelektrischen Moduls.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn der kastenförmige Deckel einen zumindest teilweise umlaufenden Flansch aufweist.
über den zumindest teilweise umlaufenden Flansch kann der kastenförmige Deckel an andere Elemente des thermoelektrischen Moduls angebunden werden. Außerdem kann der Flanschbereich genutzt werden, um das thermoelektrische Modul in einer Vorrichtung zu positionieren.
Weiterhin ist es zu bevorzugen, wenn zwischen dem umlaufenden Rand der wannenförmigen Trägerelemente und dem kastenförmigen Deckel eine Platte angeordnet ist, welche Aussparungen für die thermoelektrischen Elemente aufweist.
Diese Platte erhöht zusätzlich die Stabilität des thermoelektrischen Moduls.
Außerdem ist es vorteilhaft, wenn der umlaufende Rand der wannenförmigen Trägerelemente mit einer Seite der Platte verbunden ist und der kastenförmige Deckel mit der anderen Seite der Platte verbunden ist.
Durch die Verbindung der wannenförmigen Trägerelemente mit der Platte und dem kastenförmigen Deckel mit der Platte, wird eine weitere Steigerung der Stabilität des thermoelektrischen Moduls erreicht.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in der folgenden Figurenbeschreibung und den Unteransprüchen beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung detailliert erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 einen Schnitt durch eine Gehäuse eines thermoelektrischen Moduls, mit einzelnen thermoelektrischen Elementen und Trägerelementen auf die die thermoelektrischen Elemente aufgesetzt sind,
2 eine Teilansicht eines Gehäuses eines thermoelektrischen Moduls in einer Aufsicht, sowie zwei Schnitte durch diese Ansicht,
3 eine perspektivische Teilansicht eines Gehäuses eines thermoelektrischen Moduls gemäß der 2, wobei hier eine Innenansicht des Gehäuseteils gezeigt ist, weshalb die im thermoelektrischen Modul enthaltenen thermoelektrischen Elemente und Leitungsbrücken dargestellt sind,
4 eine perspektivische Teilansicht gemäß der 2 und 3, wobei hier eine Sicht auf die Außenseite des Gehäuseteils gezeigt ist,
5 eine seitliche Teilansicht eines thermoelektrischen Moduls, mit Trägerelementen, die innerhalb des thermoelektrischen Moduls angeordnet sind, mit thermoelektrischen Elementen und Leitungsbrücken,
6 eine perspektivische Teilansicht des thermoelektrischen Moduls gemäß 5, mit einer Sicht auf die Außenseite des Gehäuses im oberen Teil der 6 und einer Sicht auf die Innenseite des Gehäuses im unteren Teil der 6,
7 eine seitliche Teilansicht einer alternativen Ausführungsform eines thermoelektrischen Moduls, mit Trägerelementen, die außerhalb des thermoelektrischen Moduls angeordnet sind, mit thermoelektrischen Elementen und Leitungsbrücken,
8 eine perspektivische Teilansicht des thermoelektrischen Moduls gemäß 7, mit einer Sicht auf die Außenseite des Gehäuses im oberen Teil der 8 und einer Sicht auf die Innenseite des Gehäuses im unteren Teil der 8,
9 eine perspektivische Ansicht zweier wannenförmiger Trägerelemente,
10 eine Mehrzahl von miteinander verbundenen wannenförmigen Trägerelementen, im oberen Teil der 10 eine Sicht auf die Innenseite der wannenförmigen Trägerelemente und im unteren Teil der 10 eine Sicht auf die Außenseite der wannenförmigen Trägerelemente,
11 eine Aufsicht auf eine Mehrzahl von wannenförmigen Trägerelementen gemäß dem oberen Teil der 10, mit thermoelektrischen Elementen, die innerhalb der wannenförmigen Elemente eingesetzt sind,
12 eine perspektivische Ansicht eines kastenartigen Deckels, der einen umlaufenden Flansch aufweist, und auf die Anordnung gemäß 11 aufgesetzt werden kann,
13 eine Aufsicht auf ein thermoelektrisches Modul, das aus den Elementen gemäß der 11 und 12 gebildet ist, dargestellt im unteren Teil der 13 und weiterhin einen Schnitt durch dieses thermoelektrische Modul im oberen Teil der 13,
14 eine Platte mit Aussparungen für die thermoelektrischen Elemente im oberen Teil der 14 und eine Anordnung von thermoelektrischen Elementen in wannenförmigen Trägerelementen gemäß der 11 im unteren Teil der 14,
15 eine perspektivische Ansicht eines Zusammenbaus der Elemente aus 14 mit zusätzlichen Leitungsbrücken, die nach dem Auflegen der Platte auf die wannenförmigen Elemente, auf die thermoelektrischen Elemente aufgebracht worden sind,
16 eine perspektivische Ansicht eines thermoelektrischen Moduls gemäß 15, mit aufgesetztem Deckel, und
17 eine Aufsicht auf ein thermoelektrisches Modul gemäß 16 im unteren Teil der 17, und einen Schnitt durch das thermoelektrische Modul im oberen Teil der 17.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die nachfolgenden 1 bis 8 zeigen jeweils ein unvollständiges thermoelektrisches Modul 11. Unter anderem ist ein Teil des Gehäuses 4, welcher die thermoelektrischen Elemente 1 und die plattenförmigen Trägerelemente 3 umschließt und diese nach außen hin fluiddicht abdichtet aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. In einer vollständigen Darstellung, würden die Flächen der thermoelektrischen Elemente 1, welche den plattenförmigen Trägerelementen gegenüberliegen mit einer Wandung des Gehäuses 4 in thermischen Kontakt stehen.
In der nachfolgenden Figurenbeschreibung wird auf die nicht gezeigten Elemente des thermoelektrischen Moduls 11 nicht weiter eingegangen.
Die 1 zeigt eine Anordnung mehrerer thermoelektrischer Elemente 1, welche mit Leitungsbrücken 2 jeweils paarweise miteinander verbunden sind. Die thermoelektrischen Elemente 1 sind dabei auf plattenförmigen Trägerelementen 3 angeordnet. In der in 1 gezeigten Darstellung sind jeweils zwei zueinander benachbart liegende thermoelektrische Elemente 1 auf jeweils einem plattenförmigen Trägerelement 3 angeordnet.
Die plattenförmigen Trägerelemente 3, welche miteinander verbunden sind, überdecken hierbei eine Aussparung 9 in einer Wandung 7, 8 eines Gehäuses 4. Dazu weisen die plattenförmigen Trägerelemente 3 an den Stoßstellen zu entweder dem Gehäuse 4 oder einem benachbart liegenden plattenförmigen Trägerelement 3 einen Flanschbereich 5 auf. Zwischen den benachbart liegenden plattenförmigen Trägerelementen 3 oder den plattenförmigen Trägerelementen 3 und dem Gehäuse 4 entstehen Überlappungsbereiche 6.
Die Flansche 5 der plattenförmigen Trägerelemente 3 sind in dem in 1 gezeigten Beispiel durch einen L-förmigen Winkel gebildet, welcher sich an die plattenähnliche Bereich des plattenförmigen Trägerelementes 3 seitlich anschließt.
In alternativen Ausführungsformen sind auch von der gezeigten Form des Flansches 5 abweichende Ausführungen vorsehbar. So ist ein C-förmig geformter Flansch verwendbar, der das benachbarte Element in seiner Aussparung aufnimmt.
An den Stoßstellen zwischen dem Gehäuse 4 und den plattenförmigen Trägerelementen 3 bzw. den Stoßstellen zwischen zwei plattenförmigen Trägerelementen 3 ist ein Verbindungsmittel eingebracht, welches das Gehäuse 4 mit den plattenförmigen Trägerelementen 3 sowie die plattenförmigen Trägerelemente 3 untereinander verbindet.
Das Verbindungsmittel ist hierbei ein Verbindungsmittel, welches eine ausreichend hohe Duktilität aufweist, sodass die plattenförmigen Trägerelemente 3 gegeneinander und gegen das Gehäuse 4 beweglich. Weiterhin muss das Verbindungmittel ausreichend temperaturresistent sein, um die Beaufschlagung mit einem heißen Fluid, welches beispielsweise das Abgas in einem Abgasstrang sein kann, schadlos auszuhalten.
Die Anordnung der plattenförmigen Trägerelemente 3 in einer Aussparung 9 des Gehäuses 4 dient zur Aufnahme von Spannungskräften, welche infolge von Temperaturdifferenzen im Umfeld des Gehäuses 4 auftreten.
In einem regulären Betrieb werden die Anordnungen, wie sie in den 1 bis 8 gezeigt sind, auf der den thermoelektrischen Elementen 1 abgewandten Fläche 8 der plattenförmigen Trägerelemente 3 mit einem Fluid hoher Temperatur beaufschlagt. Die den plattenförmigen Trägerelementen 3 gegenüberliegenden Fläche der thermoelektrischen Elemente 1, wird in einer funktionsfähigen Anordnung mit dem Gehäuse 4, welches in den 1 bis 8 jedoch nicht dargestellt ist, in thermischen Kontakt gebracht. Dieser nicht dargestellte Teil des Gehäuses 4 wird dann mit einem Fluid niederer Temperatur beaufschlagt. Auf diese Weise entsteht über die Materialstärke der thermoelektrischen Elemente 1 eine Temperaturdifferenz.
Aufgrund der höheren Temperatur an der Oberfläche der plattenförmigen Trägerelemente 3 dehnen sich diese aus. Da sowohl die thermoelektrischen Elemente 1 als auch die Leitungsbrücken 2 empfindlich gegen mechanischen Spannungen, wie sie z. B. durch thermische Spannungen auftreten können, sind, muss eine Schutzmaßnahme getroffen werden, welche eine Beschädigung der thermoelektrischen Elemente 1 und der Leitungsbrücken 2 verhindert. In den 1 bis 8 ist dies jeweils durch die gegeneinander verschiebbaren plattenförmigen Trägerelemente 3 realisiert.
Die 2 zeigt eine Aufsicht auf das Gehäuse 4, wie es bereits in 1 dargestellt ist. Zu erkennen sind in der Mitte der 4 die plattenförmigen Trägerelemente 3, welche sich gegenseitig und Teile des Gehäuses 4 überlappen. Links neben dieser Ansicht ist eine Schnittansicht entlang der Schnittachse D-D dargestellt. Im unteren Teil der 2 ist eine Schnittansicht entlang der Schnittachse C-C dargestellt.
Der prinzipielle Aufbau der thermoelektrischen Elemente 1 sowie der Leitungsbrücken 2 stimmt mit dem in 1 gezeigten Aufbau überein. Lediglich die Anordnung der plattenförmigen Trägerelemente 3 zueinander weicht in der 2 von dem Beispiel der 1 ab.
Die linken vier plattenförmigen Trägerelemente 3 sind auf der dem Betrachter zugewandten Fläche 8 des Gehäuses 4 angeordnet. Die rechten vier plattenförmigen Trägerelemente 3 sind auf der dem Betrachter abgewandten Fläche 7 des Gehäuses 4 angeordnet. Die linken vier plattenförmigen Trägerelemente 3 überlappen sich jeweils gegenseitig an ihren Stoßstellen und außerdem das Gehäuse 4 auf der dem Betrachter zugewandten Fläche 8. Die rechten vier plattenförmigen Trägerelemente 3 überlappen sich ebenfalls gegenseitig und zusätzlich die vom Betrachter abgewandte Fläche 7 des Gehäuses 4.
Die plattenförmigen Trägerelemente 3 bilden in ihrer Gesamtheit die Vorrichtung zum Ausgleich thermischer Spannungen 12. Diese überdeckt die Aussparung 9 des Gehäuses 4 vollständig.
Auf jedem der plattenförmigen Trägerelemente 3 sind jeweils wieder zwei thermoelektrische Elemente 1 angeordnet. Jeweils zwei thermoelektrische Elemente 1 sind ebenfalls über eine Leitungsbrücke 2 miteinander verbunden.
Die 3 zeigt eine perspektivische Ansicht auf die Innenseite des thermoelektrischen Moduls 11, welches bereits in 2 in den Schnittansichten dargestellt wurde. In der perspektivischen Ansicht der 3 ist noch einmal gut zu erkennen, dass die linken vier plattenförmigen Trägerelemente 3 auf der mit Fläche 7 bezeichneten Innenseite des Gehäuses 4 angeordnet sind. Die rechten plattenförmigen Trägerelemente 3 sind im Gegensatz dazu auf der der Innenfläche 7 gegenüberliegenden Außenfläche des Gehäuses 4 angeordnet.
In 3 ist ebenfalls zu erkennen, dass die einzelnen plattenförmigen Trägerelemente 3 sich gegenseitig in einem Bereich 6 überlappen und ebenso das Gehäuse 4 in seinen Randbereichen der Aussparung 9 überlappen.
Die 4 zeigt eine Ansicht auf die den thermoelektrischen Elementen 1 abgewandte außen liegende Fläche 8 des Gehäuses 4. Hier sind nun besonders die plattenförmigen Trägerelemente 3 zu erkennen, welche von der außen liegenden Fläche 8 an das Gehäuse 4 angebracht sind. Ebenso sind auch die auf der innen liegenden Fläche 7 angebrachten plattenförmigen Trägerelemente 3 zu erkennen. Wie bereits beschrieben überlappen sich die plattenförmigen Trägerelemente 3 gegenseitig und auch das Gehäuse 4. Die thermoelektrischen Elemente 1 sowie die Leitungsbrücken 2 entsprechen den bereits in 3 beschriebenen Elementen.
Die plattenförmigen Trägerelemente 3, welche auf der Innenfläche 7 und der Außenfläche 8 angeordnet sind, bilden zusammen die Vorrichtung zum Ausgleich thermischer Spannungen 12. Durch Relativbewegung der einzelnen plattenförmigen Trägerelemente 3 zueinander und zum Gehäuse 4 kann die Vorrichtung zum Ausgleich thermischer Spannungen 12 die infolge der Temperatur stattfindenden Längenausdehnungen kompensieren und so Spannungen im thermoelektrischen Modul 11 abbauen.
Die 5 zeigt einen weiteren Schnitt durch eine mögliche Ausgestaltung und Anordnung von plattenförmigen Trägerelementen 3 innerhalb eines thermoelektrischen Moduls 11.
Wie auch in den vorangegangenen Figuren weist jedes der plattenförmigen Trägerelemente 3 zwei thermoelektrische Elemente 1 auf. Dies gilt auch für die nachfolgenden 6 bis 8 und wird deswegen nicht weiter erwähnt.
In der 5 sind die plattenförmigen Trägerelemente 3 auf der innen liegenden Fläche 7 des Gehäuses 4 angeordnet.
Der obere Teil der 6 zeigt eine Sicht von außen auf das Gehäuseteil 4. Es ist hier besonders zu erkennen, dass nun anstelle einer großen Aussparung 9 kleine Aussparungen 10 im Gehäuse 4 vorgesehen sind.
Jede dieser Aussparung 10 wird von einem eigenen plattenförmigen Trägerelement 3, welches auf der Innenseite 7 des Gehäuses 4 angeordnet ist, überdeckt. Die einzelnen plattenförmigen Trägerelemente 3 haben keinen direkten körperlichen Kontakt zu den jeweils benachbarten plattenförmigen Trägerelementen 3. Die plattenförmigen Trägerelemente 3 sind jeweils nur mit dem Gehäuse 4 verbunden und weisen abweichen zu den 1 bis 4 keine Flansche 5 mehr an ihren Außenkanten auf.
Die einzelnen plattenförmigen Trägerelemente 3 sind jedoch über die Leitungsbrücken 2, welche die thermoelektrischen Elemente 1, die auf den plattenförmigen Trägerelementen 3 angeordnet sind miteinander verbunden. Die Gesamtheit der plattenförmigen Trägerelemente 3 bildet die Vorrichtung zum Ausgleich thermischer Spannungen 12.
Der untere Teil der 6 zeigt eine Sicht auf die innen liegende Fläche 7 des Gehäuses 4. Es ist hier besonders die räumliche Distanz der einzelnen plattenförmigen Trägerelemente 3 zueinander zu erkennen.
Die 7 zeigt eine zur 5 abweichende alternative Ausführungsform. Im Falle der 7 sind die plattenförmigen Trägerelemente 3 von der außen liegenden Fläche 8 am Gehäuse 4 angeordnet. Wie auch in den 5 und 6 zu erkennen, weist auch die 7 mehrere einzelne Aussparungen 10 auf, welche durch die plattenförmigen Trägerelemente 3 einzeln überdeckt werden.
Die 8 zeigt wiederum ähnlich der 6 zwei perspektivische Ansichten der Anordnung des thermoelektrischen Moduls 11. Die plattenförmigen Trägerelemente 3 sind, wie schon in 7 erwähnt, von der außen liegenden Fläche 8 des Gehäuses 4 angebracht. Die untere Hälfte der 8 zeigt eine Aufsicht auf die innen liegende Fläche 7 des Gehäuses 4, außerdem die thermoelektrischen Elemente 1 und die sie verbindenden Leitungsbrücken 2.
Ähnlich wie in 6 beschrieben, bildet hier die Gesamtheit aller plattenförmiger Trägerelemente 3 die Vorrichtung zum Ausgleich thermischer Spannungen 12.
Kernidee der in den 1 bis 8 gezeigten Ausführungsformen ist, dass sich jeweils die plattenförmigen Trägerelemente 3 relativ zum Gehäuse 4 oder zu den übrigen plattenförmigen Trägerelementen 3 bewegen können. Auf diese Weise können thermische Spannungen aufgrund von Längenausdehnungen kompensiert werden, ohne dass die absoluten Längenmaße des Gehäuses 4 beeinflusst werden. Die plattenförmigen Trägerelemente 3 verkleinern bei Ausdehnung infolge von Hitze lediglich die Abstände zu den anderen plattenförmigen Trägerelementen 3 bzw. zum Gehäuse 4. Dadurch wird die mechanische Belastung auf die thermoelektrischen Elemente 1 minimal gehalten, sodass Beschädigungen infolge von Spannungen wirksam vermieden werden.
Als ein geeignetes Verbindungsmittel zwischen den plattenförmigen Trägerelementen 3 und dem Gehäuse 4 kann Glaslot eingesetzt werden. Glaslot besitzt vorteilhafterweise in gewissen definierten Temperaturbereichen eine ausreichend hohe Duktilität und gibt somit eine gute Möglichkeit zur Entkopplung der einzelnen Elemente untereinander. Darüber hinaus weist Glaslot eine ausreichend hohe Temperaturbeständigkeit auf und ist zudem geeignet, um Gehäuseteile, auch unter Temperaturbelastung, fluiddicht miteinander zu verbinden. Alternativ ist auch der Einsatz von anderen elastischen Klebern und Materialien, die eine genügend duktile und dennoch temperaturresistente Verbindung zulassen, vorsehbar.
Die 9 zeigt zwei einzelne wannenähnliche Trägerelemente 20. Die wannenähnlichen Trägerelemente 20 weisen jeweils einen Bodenbereich 21 auf und einen dem Bodenbereich 21 gegenüberliegend angeordneten umlaufenden Rand 22. Die in 9 gezeigten wannenähnlichen Trägerelemente 20 weisen im Wesentlichen eine rechteckige kastenförmige Grundform auf. Jedes der gezeigten wannenförmigen Trägerelemente 20 weist vier Seitenwandungen 23 auf.
Das linke wannenförmige Trägerelement 20 weist im oberen, dem umlaufenden Rand benachbarten Bereich der Wandung 23 einen oberen Seitenwandungsbereich 24 auf. Dieser obere Seitenwandungsbereich 24 steht senkrecht zum Bodenbereich 21 des wannenförmigen Trägerelements 20. Die unter dem oberen Seitenwandungsbereich 24 angeordneten Seitenwandungen 23 verlaufen in einem zum Mittelpunkt des wannenförmigen Trägerelements 20 geneigten Winkel leicht konisch hin bis zum Bodenbereich 21.
Das wannenförmige Trägerelement 20, welches in der rechten Hälfte der 9 dargestellt ist, weist diesen senkrecht zur Bodenfläche 21 stehenden oberen Randbereich 24 nicht auf. Die Seitenwandungen 23 des rechten wannenförmigen Trägerelements 20 verlaufen jedoch ebenso in einem nach innen geneigten Winkel konisch hin bis zum Bodenbereich 21.
Die 10 zeigt zwei Ansichten einer Anordnung von mehreren wannenförmigen Trägerelementen 20. Die beiden Anordnungen der 10 sind hier jeweils aus eine Mehrzahl von wannenförmigen Trägerelementen 20, wie es in der rechten Hälfte der 9 gezeigt ist, aufgebaut.
Im Falle der 10 ist eine Anordnung aus drei wannenförmigen Trägerelementen 20 in der Breite und vier wannenförmigen Trägerelementen 20 in der Länge gezeigt. Die einzelnen wannenförmigen Trägerelemente 20 sind im Bereich ihres umlaufenden Randes 22 miteinander verbunden und bilden so in ihrem oberen Bereich die Verbindungsstelle 25. Der obere Teil der 10 zeigt eine Aufsicht auf die von oben offenen wannenförmigen Trägerelemente 20.
Alternativ ist der gleiche Aufbau auch mit den in 9 links gezeigten wannenförmigen Trägerelementen 20 möglich. Hierdurch würde sich aufgrund der senkrechten Abschnitte der oberen Seitenwandung 24 eine größere Verbindungsstelle 25 zwischen den einzelnen wannenförmigen Trägerelementen 20 ergeben, was die Stabilität der Anordnung zusätzlich erhöhen würde.
Die Gesamtheit der wannenförmigen Trägerelemente 20 bildet die Vorrichtung zum Ausgleich thermischer Spannungen 34.
Der untere Bereich der 10 zeigt eine Aufsicht auf den Bodenbereich 21 der wannenförmigen Trägerelemente 20. Durch die konisch zulaufende Form der Seitenwandungen 23 ergibt sich zwischen den einzelnen benachbart zueinander liegenden wannenförmigen Trägerelementen 20 ein Spalt 26.
Die 11 zeigt eine Erweiterung der in 10 gezeigten Anordnung der wannenförmigen Trägerelemente 20. Zusätzlich sind nun in 11 in jedes wannenförmige Trägerelement 20 jeweils zwei thermoelektrische Elemente 1 eingesetzt. In der Figur nicht zu erkennen ist, dass die jeweils in einem wannenförmigen Trägerelement 20 angeordneten thermoelektrischen Elemente 1 über eine Leitungsbrücke 2 miteinander elektrisch leitend verbunden sind. Über die Leitungsbrücken 2 stehen die gezeigten thermoelektrischen Elemente 1 mit den wannenförmigen Trägerelementen 20 in thermischen Kontakt.
Wie bereits in 10 sind auch die Stoßstellen 25 zwischen den wannenförmigen Trägerelementen 20 sowie die Spalten 26, welche sich in der Nähe des Bodenbereichs zwischen den benachbarten wannenförmigen Trägerelementen 20 ergeben, zu erkennen.
Alle wannenförmigen Trägerelemente 20 bilden zusammen die Vorrichtung zum Ausgleich thermischer Spannungen 34.
Die 12 zeigt einen kastenartigen Deckel 27, welcher einen Bodenbereich 28 aufweist. Der kastenartige Deckel 27 ist nach unten hin weg vom Bodenbereich 28 offen ausgeführt und so dimensioniert, dass die in der 11 gezeigte Anordnung in den kastenförmigen Deckel 27 einsteckbar ist. Die Seitenwandungen des kastenartigen Deckels 27 verlaufen im Wesentlichen senkrecht zum Bodenbereich 28. An den unteren Rand des kastenartigen Deckels 27 schließt sich ein Flanschbereich 29 an, welcher im Falle der 12 vollständig umlaufend ausgeführt ist.
In alternativen Ausführungsformen für den kastenartigen Deckel wären auch, wie schon bei den wannenförmigen Trägerelementen 20, konisch zulaufende Seitenwände vorsehbar. Ebenso wäre ein nur teilweise umlaufender Flanschbereich 29 vorsehbar.
Die 13 zeigt nun in ihrem unteren Bereich eine Aufsicht auf ein thermoelektrisches Modul 32. Dieses besteht aus der Anordnung, welche bereits in 11 dargestellt wurde sowie dem kastenartigen Deckel 27 der 12, welcher von oben auf die thermoelektrischen Elemente 1 und die wannenförmigen Trägerelemente 20 aufgesetzt wurde.
Die in 13 im unteren Bereich gezeigte Ansicht zeigt dem Betrachter zugewandt den Bodenbereich 21 der wannenförmigen Trägerelemente 20, die in Gesamtheit die Vorrichtung zum Ausgleich thermischer Spannungen 34 bilden. Um die Anordnung der wannenförmigen Trägerelemente 20 ist der umlaufende Flansch 29 des kastenartigen Deckels 27 dargestellt. Mit dem Bodenbereich 21 bildet der kastenartige Deckel 27 das Gehäuse 33 des thermoelektrischen Moduls 32.
Im oberen Teil der 13 ist eine Ansicht entlang der Schnittachse F-F dargestellt. Gut zu erkennen in der Schnittansicht F-F ist der innere Aufbau des thermoelektrischen Moduls 32. Wie bereits in den vorausgegangenen Figuren beschrieben, weist jedes der wannenförmigen Trägerelemente 20 jeweils zwei thermoelektrische Elemente 1 auf, welche jeweils innerhalb des wannenförmigen Trägerelements 20 mit einer Leitungsbrücke 2 verbunden sind. Jeweils zwei thermoelektrische Elemente 1 von zwei benachbarten wannenförmigen Trägerelementen 20 sind weiterhin auf der dem wannenförmigen Trägerelement 20 abgewandten Seite der thermoelektrischen Elemente 1 über Leitungsbrücken 2 miteinander verbunden. Auf diese Weise sind alle der im thermoelektrischen Modul 32 angeordneten thermoelektrischen Elemente 1 miteinander elektrisch leitend verbunden.
Der Bodenbereich 28 des kastenartigen Deckels 27 bildet in 13 die erste Wandung des Gehäuses 33 aus. Die Bodenbereiche 21 der Anordnung der wannenförmigen Trägerelemente 20 bilden die zweite Wandung des Gehäuses 33 aus, welche der ersten Wandung gegenüberliegt.
Im Betriebsfall werden nun die Bodenbereiche 21 mit einem heißen Fluid beaufschlagt. Der Bodenbereich 28 wird hingegen mit einem kalten Fluid beaufschlagt.
Durch den Wärmeeintrag des heißen Fluids dehnen sich die Bodenbereiche 21 aus. Dadurch werden die zwischen den wannenförmigen Trägerelementen 20 angeordneten Spalte 26, welche sowohl zwischen den einzelnen wannenförmigen Trägerelementen 20 als auch zwischen dem kastenartigen Deckel 27 und den jeweils außen liegenden wannenförmigen Trägerelementen 20 angeordnet sind, verkleinert.
Auf diese Weise findet nur eine Längenausdehnung der einzelnen wannenförmigen Trägerelemente 20 statt. Das thermoelektrische Modul 32 erfährt insgesamt keine Längenänderung. Dies führt ähnlich wie in den 1 bis 8 zu einer Entlastung der thermoelektrischen Elemente 1 und der sie verbindenden Leitungsbrücken 2.
Abweichend zu den wannenförmigen Trägerelementen 20 der 11 weisen die wannenförmigen Trägerelemente 20 der 13 nun ebenfalls einen oberen Seitenwandungsbereich 24 auf, welcher senkrecht zum Bodenbereich 21 angeordnet ist. Im Bereich dieses oberen Seitenwandungsbereichs 24 sind die wannenförmigen Trägerelemente 20 miteinander verbunden. Ebenfalls sind die äußeren wannenförmigen Trägerelemente 20 im Bereich ihrer oberen Seitenwandung 24 mit den Seitenwandungen des kastenförmigen Deckels 27 verbunden. Der umlaufende Flansch 29 des kastenartigen Deckels 27 liegt im montierten Zustand in einer Ebene mit den Bodenbereichen 21 der wannenförmigen Trägerelemente 20.
Die 14 zeigt eine Abwandlung des Aufbaus der 11. Zusätzlich zu den wannenförmigen Trägerelementen 20, welche bereits jeweils zwei thermoelektrische Elemente 1 aufweisen, wird nun von oben auf die Anordnung eine Platte 30 aufgebracht, welche entsprechend der thermoelektrischen Elemente 1 angeordnete Aussparungen 31 aufweist. Diese Platte 30 kommt nach der Montage auf den Stoßstellen 25 der wannenförmigen Trägerelemente 20 zum Liegen und wird dort mit den wannenförmigen Trägerelementen 20 verbunden. Der restliche Aufbau der 14 stimmt mit dem der 11 überein.
Die 15 zeigt nun eine weitere Fortbildung der 14. Nachdem die Platte 30 auf die Anordnung der wannenförmigen Trägerelemente 20 aufgebracht worden ist, werden die einzelnen thermoelektrischen Elemente 1 mit Leitungsbrücken 2 miteinander elektrisch leitend verbunden.
Die Verbindung der thermoelektrischen Elemente 1 erfolgt, wie bereits in der 13 angedeutet, so, dass jeweils zwei thermoelektrische Elemente 1, welche in zueinander benachbart liegenden wannenförmigen Trägerelementen 20 angeordnet sind, miteinander verbunden werden. Die Aussparungen 31 der Platte 30 sind dabei jeweils so angeordnet, dass jeweils die zwei thermoelektrischen Elemente 1, welche innerhalb eines wannenförmigen Trägerelements 20 angeordnet sind, durch eine Aussparung 31 hindurch passen.
Die 16 zeigt eine weitere Fortbildung des Aufbaus der 14 und 15. Zusätzlich ist nun von oben auf die Platte 30 ein kastenförmiger Deckel 27 aufgebracht, welcher einen umlaufenden Flanschbereich 29 aufweist. Am Flanschbereich 29 ist dieser kastenartige Deckel 27 mit der Platte 30 verbunden. Durch den kastenartigen Deckel 27 wird das thermoelektrische Modul 32 abgeschlossen. Die wannenförmigen Trägerelemente 20 bilden dadurch mit dem kastenartigen Deckel 27 das Gehäuse 33 des thermoelektrischen Moduls 32.
Die 17 zeigt eine Ansicht des thermoelektrischen Moduls 32 der 16. Im unteren Bereich ist eine Sicht auf die wannenförmigen Trägerelemente 20 dargestellt. Im oberen Bereich der 17 ist eine Schnittansicht entlang der Schnittachse E-E dargestellt.
Es ist auch hier wieder zu erkennen, dass jeweils zwei thermoelektrische Elemente 1 innerhalb eines wannenförmigen Trägerelements 20 über eine Leitungsbrücke 2 miteinander verbunden sind. Jeweils zueinander benachbart liegende thermoelektrische Elemente 1 sind auf der dem Bodenbereich 21 gegenüberliegenden Fläche mit einer Leitungsbrücke 2 miteinander elektrisch leitend verbunden.
Die Bodenbereiche 21 bilden wie in 13 die eine Wandung des Gehäuses 33, welches im Betriebszustand mit einem heißen Fluid beaufschlagt wird. Diese Wandung des Gehäuses 33 bildet zugleich die Vorrichtung zum Ausgleich thermischer Spannungen 34 welche aus der Gesamtheit der wannenförmigen Trägerelemente 20 besteht.
Der Bodenbereich 28 bildet die zweite Wandung des Gehäuses 33, welches im Betriebszustand mit einem kalten Fluid beaufschlagt wird. Die zwischen den wannenförmigen Trägerelementen 20 entstehenden Spalten 25 dienen auch hier wieder als Freiraum zur Kompensation der Ausdehnung der einzelnen wannenförmigen Trägerelemente 20 infolge von hohen Temperaturen.
Abweichend zum thermoelektrischen Modul 32, welches in 13 gezeigt wurde, werden nun die Seitenwandungen des Gehäuses 33 sowohl durch den kastenartigen Deckel 27 als auch durch die Seitenwandungen 23 der außen liegenden wannenförmigen Trägerelemente 20 gebildet. Der kastenartige Deckel 27 weist keinen direkten Verbindungspunkt mit den wannenförmigen Trägerelementen 20 auf. Sowohl der kastenartige Deckel 27 als auch die wannenförmigen Trägerelemente 20 sind jeweils nur mit der Platte 30 verbunden.
In alternativen Ausführungsformen sind ebenfalls von der rechteckigen Grundform der wannenförmigen Trägerelemente 20 abweichende Grundformen vorsehbar. Dies ist nicht nur begrenzt auf Grundformen mit geradlinigen Seitenwandungen, jedoch ist diesen aus herstellungstechnischer Sicht der Vorzug zu geben.
Maßgeblich für die wannenförmigen Trägerelemente 20 ist, dass die Gestaltung der Seitenwandungen so ist, dass sie von ihren umlaufenden Rand 22 hin zum Bodenbereich 21 konisch zulaufen. Durch diese sich verjüngende Form wird der Spalt 26 zwischen den einzelnen wannenförmigen Trägerelementen 20 gebildet. Dieser Spalt 26 ist wichtig, um die Längenausdehnung der einzelnen wannenförmigen Trägerelemente 20 kompensieren zu können und damit die thermoelektrischen Elemente 1 und die sie verbindenden Leitungsbrücken vor Beschädigungen schützen zu können.

Claims

Thermoelektrisches Modul (11, 32) mit einem Gehäuse (4), welches zumindest zwei gegenüberliegende Wandungen aufweist, mit einer Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen (1), welche zumindest zwei gegenüberliegende Flächen aufweisen, mit einer Mehrzahl von Leitungsbrücken (2), wobei zumindest zwei thermoelektrische Elemente (1) mit einer Leitungsbrücke (2) verbunden sind und die thermoelektrischen Elemente (1) mit einer ihrer Flächen mit einem Trägerelement (3, 20) in thermischen Kontakt stehen, wobei jeweils eine Gruppierung von mindestens zwei thermoelektrischen Elementen (1) und einer Leitungsbrücke (2) mit einem Trägerelement (3, 20) in thermischen Kontakt stehen.
Thermoelektrisches Modul (11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Vorrichtung zum Ausgleich von thermischen Spannungen (12) im thermoelektrischen Modul (11, 32) angeordnet ist, wobei die Vorrichtung zum Ausgleich von thermischen Spannungen durch zumindest ein erstes plattenförmiges Trägerelement (3) gebildet ist.
Thermoelektrisches Modul (11) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Ausgleich von thermischen Spannungen (12) durch eine Mehrzahl von plattenförmigen Trägerelementen (3) gebildet ist, wobei einzelne Trägerelemente (3) an ihren Randbereichen mit anderen Trägerelementen (3) elastisch verbunden sind.
Thermoelektrisches Modul (11) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das als Vorrichtung zum Ausgleich von thermischen Spannungen (12) vorgesehene zumindest erste Trägerelement elastisch mit einer Wandung des Gehäuses (4) verbunden ist.
Thermoelektrisches Modul (11) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wandung des Gehäuses (4) eine Aussparung (9) aufweist.
Thermoelektrisches Modul (11) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere plattenförmige Trägerelemente (3) die Aussparung (9) im Gehäuse (4) des thermoelektrischen Moduls (11) überdecken und fluiddicht abschließen.
Thermoelektrisches Modul (11) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Elemente (1) mit jeweils einer ihrer Flächen mit einer der Wandungen des Gehäuses (4) in thermischen Kontakt stehen und mit der jeweils anderen Fläche mit einem plattenförmigen Trägerelement (3) in thermischen Kontakt stehen.
Thermoelektrisches Modul (11) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein plattenförmiges Trägerelement (3) an einer Verbindungsstelle zwischen dem Trägerelement (3) und dem Gehäuse (4), das Gehäuse (4) überlappt und/oder an einer Verbindungsstelle zwischen dem Trägerelement (3) und einem weiteren Trägerelement (3) das Trägerelement (3) überlappt.
Thermoelektrisches Modul (11) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die plattenförmigen Trägerelemente (3) relativ zueinander und relativ zum Gehäuse (4) des thermoelektrischen Moduls verschiebbar sind.
Thermoelektrisches Modul (11) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die plattenförmigen Trägerelemente (3) an ihrem Randbereich einen zumindest teilweise umlaufenden Flanschbereich (5) aufweisen.
Thermoelektrisches Modul (32) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Ausgleich von thermischen Spannungen (34) im thermoelektrischen Modul (32) durch eine Mehrzahl von wannenförmigen Trägerelementen (20) gebildet ist, die einen Bodenbereich (21) und einen von dem Bodenbereich (21) abstehenden umlaufenden Rand (22) aufweisen.
Thermoelektrisches Modul (32) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die wannenförmigen Trägerelemente (20) im Bereich ihres umlaufenden Randes (22) miteinander verbunden sind, wobei zwischen den Bodenbereichen (21) der wannenförmigen Trägerelemente (20) jeweils ein Spalt (26) belassen ist.
Thermoelektrisches Modul (32) nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der wannenförmigen Trägerelemente (20) zumindest zwei thermoelektrische Elemente (1) aufweist, die mit einer Leitungsbrücke (2) verbunden sind.
Thermoelektrisches Modul (32) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei thermoelektrische Elemente (1), zweier benachbarter wannenförmiger Trägerelemente (20) über eine Leitungsbrücke (2) miteinander verbunden sind.
Thermoelektrisches Modul (32) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (33) des thermoelektrischen Moduls (32) durch einen kastenförmigen Deckel (27) und die wannenförmigen Trägerelemente (20) gebildet ist, wobei die erste Wandung des Gehäuses (33) durch den Bodenbereich (28) des kastenförmigen Deckels (27) und die zweite Wandung durch die Bodenbereiche (21) der wannenförmigen Trägerelemente (20) gebildet ist.
Thermoelektrisches Modul (32) nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Elemente (1) mit jeweils einer ihrer Flächen mit einem Bodenbereich (28) eines wannenförmigen Trägerelementes (20) in thermischen Kontakt stehen und mit der jeweils anderen Fläche in thermischen Kontakt mit dem Bodenbereich (28) des kastenförmigen Deckels (27) stehen.
Thermoelektrisches Modul (32) nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der kastenförmige Deckel (27) einen zumindest teilweise umlaufenden Flansch (29) aufweist.
Thermoelektrisches Modul (32) nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem umlaufenden Rand (22) der wannenförmigen Trägerelemente (20) und dem kastenförmigen Deckel (27) eine Platte (30) angeordnet ist, welche Aussparungen (31) für die thermoelektrischen Elemente (1) aufweist.
Thermoelektrisches Modul (32) nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der umlaufende Rand (22) der wannenförmigen Trägerelemente (20) mit einer Seite der Platte (30) verbunden ist und der kastenförmige Deckel (27) mit der anderen Seite der Platte (30) verbunden ist.