DE102013016438B4 - Thermoelectric generator arrangement - Google Patents

Abstract

Thermoelektrische Generatoranordnung, die mit auf flächigen dielektrischen Substratelementen (1) flächig ausgebildeten Dünnschicht-Thermogeneratorelementen, abgekürzt DTGE (2), gebildet ist, die jeweils mehrere aus mindestens einem thermoelektrisch-aktiven Material gebildete elektrische Leiterelemente (2.1/2.2) aufweisen, die an Verbindungspunkten (2.3/2.4), die in Randbereichen sich gegenüberliegend angeordneter Randseiten (1.1/1.2) der flächigen dielektrischen Substratelemente (1) ausgebildet sind, elektrisch leitend verbunden sind; und jeweils eine dieser Randseiten (1.1/1.2) der flächigen dielektrischen Substratelemente (1) einer Wärmequelle zugewandt ist und die flächigen dielektrischen Substratelemente (1) jeweils mindestens einen Durchkontaktierungsdurchbruch (3) aufweisen, wobei in dem mindestens einen Durchkontaktierungsdurchbruch (3) zur elektrischen Kontaktierung von DTGE's (2) senkrecht zur Substratebene der flächigen dielektrischen Substratelemente (1) ein elektrisch leitfähiges Füllmaterial eingebracht ist; dadurch gekennzeichnet, dass die flächigen dielektrischen Substratelemente (1) eine Flächengeometrie (4) aufweisen, die an einer der Wärmequelle zugewandten Randseite (1.1/1.2) der Oberflächenform und/oder der Oberflächenkontur der Wärmequelle angepasst ist und die DTGE's (2) und/oder die flächigen dielektrischen Substratelemente (1) eine kreisring- oder teilkreisringförmige Flächengeometrie (4) aufweisen.Thermoelectric generator assembly formed with flat dielectric substrate elements (1) flat thin-film thermogenerator elements, abbreviated DTGE (2), each having a plurality of at least one thermoelectric-active material formed electrical conductor elements (2.1 / 2.2), which at connection points (2.3 / 2.4), which are formed in edge regions of oppositely arranged edge sides (1.1 / 1.2) of the sheet-like dielectric substrate elements (1) are electrically conductively connected; and in each case one of these edge sides (1.1 / 1.2) of the planar dielectric substrate elements (1) faces a heat source and the planar dielectric substrate elements (1) each have at least one via perforation (3), wherein in the at least one via perforation (3) for electrical contacting DTGE's (2) an electrically conductive filler material is introduced perpendicular to the substrate plane of the planar dielectric substrate elements (1); characterized in that the planar dielectric substrate elements (1) have a surface geometry (4), which is adapted to one of the heat source edge side (1.1 / 1.2) of the surface shape and / or the surface contour of the heat source and the DTGE's (2) and / or the flat dielectric substrate elements (1) have a circular ring or partial circular ring-shaped surface geometry (4).

Description

Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Generatoranordnung.The invention relates to a thermoelectric generator arrangement.

Thermoelektrische Module, die unter Ausnutzung des thermoelektrischen Effekts zur elektrischen Stromerzeugung bzw. in umkehrbarer Weise zum Heizen und/oder Kühlen eingesetzt werden, sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt. Üblicherweise sind solche thermoelektrischen Module derart aufgebaut, dass zwei elektrische Leiter unterschiedlicher Materialien abwechselnd über Verbindungsleiter miteinander elektrisch in Reihe verbunden sind, wobei die Verbindungsleiter thermische Kontaktflächen einer sogenannten Warmseite und einer sogenannten Kaltseite ausbilden. Zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie sind die thermoelektrischen Module als Generatoren überall dort einsetzbar, wo eine Temperaturdifferenz zwischen der Warmseite und der Kaltseite gegeben ist, wobei der Wirkungsgrad umso größer ist, je größer die Differenz der Arbeitstemperaturen zwischen der Warmseite und der Kaltseite ist. Es ist daher wesentlich, dass ein möglichst großer Wärmestrom durch das thermoelektrische Modul realisiert werden kann. Dazu ist es zunächst erforderlich, eine möglichst große Kontaktfläche zwischen der Wärmeseite und der Oberfläche einer Wärmequelle zu erreichen, um einen möglichst großen Wärmeübergang zu erzielen.Thermoelectric modules, which are used by utilizing the thermoelectric effect for electrical power generation or in a reversible manner for heating and / or cooling, are well known in the prior art. Typically, such thermoelectric modules are constructed such that two electrical conductors of different materials are alternately connected electrically in series via connecting conductors, wherein the connecting conductors form thermal contact surfaces of a so-called hot side and a so-called cold side. For the conversion of thermal energy into electrical energy, the thermoelectric modules are used as generators everywhere, where a temperature difference between the hot side and the cold side is given, the efficiency is greater, the greater the difference in working temperatures between the hot side and the cold side , It is therefore essential that the largest possible heat flow through the thermoelectric module can be realized. For this purpose, it is first necessary to achieve the largest possible contact surface between the heat side and the surface of a heat source in order to achieve the greatest possible heat transfer.

Problematisch ist, dass klassische thermoelektrische Module einen starren Aufbau aufweisen und daher bauartbedingt Einschränkungen hinsichtlich der Oberflächenanpassung an mögliche Wärmequellen unterliegen, die oft komplexe bzw. unregelmäßige Oberflächenkonturen aufweisen können, wie das beispielsweise bei Abgasrohren, Kesseln oder Wärmetauschern der Fall ist. Mit den üblicherweise planar ausgebildeten thermoelektrischen Modulen können daher keine verbesserten Wärmeübergänge an konturierten Wärmeoberflächen erzielt werden. Ferner sind Anpassungen an konturierte Wärmeoberflächen aus fertigungstechnischer Sicht nur mit hohem Aufwand realisierbar.The problem is that classical thermoelectric modules have a rigid structure and therefore design-related restrictions on the surface adaptation to possible heat sources subject, which can often have complex or irregular surface contours, as is the case for example in exhaust pipes, boilers or heat exchangers. With the usually planar formed thermoelectric modules therefore no improved heat transfer can be achieved on contoured heat surfaces. Furthermore, adjustments to contoured heat surfaces from a manufacturing point of view can be realized only with great effort.

Aus dem Stand der Technik sind bereits Lösungen zur Fertigung von thermoelektrischen Dünnschicht-Modulen bekannt, bei denen der klassische Aufbau auf flexiblen Bändern oder Folien realisiert ist, wobei die Warmseite und die Kaltseite jeweils an den Randbereichen der Bänder oder Folien ausgebildet sind. Zuschnitte solcher Bänder oder Folien sind dabei flächig übereinander angeordnet und über an ihren Randbereichen ausgebildeten Kontaktelementen miteinander elektrisch verbunden. Dabei ist die elektrische Kontaktierung insbesondere einzelner Bänder oder Folien über ihre Randbereiche vornehmlich dann erheblich erschwert, wenn die flächig übereinander angeordneten Folien oder Bänder voneinander abweichende Längen oder Flächengeometrien aufweisen. Solche voneinander abweichenden Längen oder Flächengeometrien sind jedoch erforderlich, um eine Anpassung der Warmseite an eine Oberflächenkontur einer Wärmequelle erreichen zu können.Solutions for the production of thermoelectric thin-film modules are already known from the prior art, in which the classical structure is realized on flexible tapes or films, wherein the hot side and the cold side are respectively formed at the edge regions of the bands or foils. Blanks of such strips or foils are arranged one above the other over the surface and are electrically connected to one another via contact elements formed on their edge regions. In this case, the electrical contacting, in particular of individual strips or foils, is considerably impeded by their edge regions, especially when the foils or strips arranged one above the other face one another have different lengths or surface geometries. However, such differing lengths or surface geometries are required in order to be able to achieve an adaptation of the hot side to a surface contour of a heat source.

So ist es aus DE 297 23 309 U1 und DE 10 2010 022 668 A1 bekannt, elektrisch leitende Durchkontaktierungen an Elementen eines thermoelektrischen Generators oder eines thermoelektrischen Moduls einzusetzen.That's the way it is DE 297 23 309 U1 and DE 10 2010 022 668 A1 known to use electrically conductive vias on elements of a thermoelectric generator or a thermoelectric module.

DE 195 27 867 A1 betrifft ein Metall-Substrat für elektrische und/oder elektronische Schaltkreise, die auch bei Pelltierelementen eingesetzt werden können. DE 195 27 867 A1 relates to a metal substrate for electrical and / or electronic circuits, which can also be used in Pelltierelementen.

Eine thermoelektrische Vorrichtung, bei der thermoelektrische Materialien als Dünnschicht an zwei Seiten eines Substrats angeordnet bzw. ausgebildet sind, ist aus US 2009/0165835 A1 bekannt.A thermoelectric device in which thermoelectric materials are formed as a thin film on two sides of a substrate is made US 2009/0165835 A1 known.

In US 5 022 928 A ist eine thermoelektrische Wärmepumpe bzw. Energiequelle beschrieben.In US 5 022 928 A a thermoelectric heat pump or energy source is described.

Die DE 10 2004 030 043 A1 betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Thermoelements.The DE 10 2004 030 043 A1 relates to a method of manufacturing a thermocouple.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine thermoelektrische Generatoranordnung vorzuschlagen, die hinsichtlich ihrer einer Wärmequelle zugewandten Oberfläche auf einfache Weise flexibel gestaltet werden kann und einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist.The present invention is therefore based on the object to propose a thermoelectric generator arrangement which can be made flexible in terms of their heat source facing surface in a simple manner and has an improved efficiency.

Die Aufgabe wird durch eine thermoelektrische Generatoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.The object is achieved by a thermoelectric generator arrangement with the features of claim 1. Advantageous embodiments and further developments can be realized with features described in the subordinate claims.

Gegenstand der Erfindung ist eine thermoelektrische Generatoranordnung, die mit auf flächigen dielektrischen Substratelementen flächig ausgebildeten Dünnschicht-Thermogeneratorelementen (DTGE) gebildet ist, die jeweils mehrere aus mindestens einem thermoelektrisch-aktiven Material gebildete elektrische Leiterelemente aufweisen, die an Verbindungspunkten, die in Randbereichen sich gegenüberliegend angeordneter Randseiten der flächigen dielektrischen Substratelemente ausgebildet sind, elektrisch leitend verbunden sind. Dabei ist jeweils eine dieser Randseiten der flächigen dielektrischen Substratelemente einer Wärmequelle zugewandt. Ferner weisen die flächigen dielektrischen Substratelemente jeweils mindestens einen Durchkontaktierungsdurchbruch auf, wobei in dem mindestens einen Durchkontaktierungsdurchbruch zur elektrischen Kontaktierung von DTGE's senkrecht zur Substratebene der flächigen dielektrischen Substratelemente ein elektrisch leitfähiges Füllmaterial eingebracht ist.The invention relates to a thermoelectric generator arrangement, which is formed with on flat dielectric substrate elements areally formed thin-film thermogenerator elements (DTGE), each having a plurality of at least one thermoelectric-active material formed electrical conductor elements, which are arranged at connection points in the edge regions opposite each other Edge sides of the sheet-like dielectric substrate elements are formed, are electrically conductively connected. In each case, one of these edge sides of the planar dielectric substrate elements faces a heat source. Furthermore, the planar dielectric substrate elements each have at least one via perforation, wherein in the at least one via perforation electrical contacting of DTGE's perpendicular to the substrate plane of the sheet-like dielectric substrate elements, an electrically conductive filler material is introduced.

Zur besseren Verständlichkeit soll die Randseite der flächigen dielektrischen Substratelemente, die der Wärmequelle zugewandt ist, nachfolgend als Warmseite und die der Warmseite gegenüberliegende Randseite der flächigen dielektrischen Substratelemente, als Kaltseite verstanden werden.For better understanding, the edge side of the sheet-like dielectric substrate elements, which faces the heat source, is to be understood as a hot side and the warm side opposite edge side of the sheet-like dielectric substrate elements, as a cold side.

Dadurch, dass die flächigen dielektrischen Substratelemente Durchkontaktierungsdurchbrüche der jeweils auf ihren Oberflächen ausgebildeten DTGE's aufweisen, sind die DTGE's untereinander so elektrisch kontaktierbar, dass der gesamte äußere Rand bzw. die Randseiten der flächigen dielektrischen Substratelemente für einen Wärmeübergang der Wärme einer Wärmequelle (bzw. Wärmesenke) zur Verfügung steht/stehen, ohne dass Wärmeübertragungsverluste durch äußere elektrische Kontaktierungen bzw. randseitige elektrische Kontaktelemente auftreten.Due to the fact that the flat dielectric substrate elements have via openings of the respective DTGEs formed on their surfaces, the DTGEs are electrically contactable with one another such that the entire outer edge or the edge sides of the planar dielectric substrate elements for a heat transfer of the heat of a heat source (or heat sink). is / are available without heat transfer losses caused by external electrical contacts or peripheral electrical contact elements.

Die DTGE's sind vorzugsweise mit mindestens zwei Leiterelementen aus unterschiedlichen elektrisch leitfähigen Materialen gebildet, von denen mindestens ein elektrisch leitfähiges Material eine thermoelektrisch-aktive Eigenschaft aufweist. So kann ein erstes Leiterelement beispielsweise aus thermoelektrisch aktivem PEDOT (Poly-3,4-ethylendioxythiophen) und das zweite elektrische Leiterelement beispielsweise aus einem Silbermaterial gebildet sein. Es ist jedoch auch möglich, dass die DTGE's mit jeweils zwei elektrischen Leiterelementen verschiedener thermoelektrisch-aktiver Materialen (Thermopaare) gebildet sind. Die verschiedenen elektrischen Leiterelemente können abwechselnd auf der Oberfläche des flächigen dielektrischen Substratelements ausgebildet sein, wobei eine elektrische leitende Verbindung/Kontaktierung zwischen den verschiedenen Leiterelementen an den Verbindungspunkten gebildet ist, die an den gegenüberliegenden Randseiten des Substratelements ausgebildet sind. Dabei sind die Leiterelemente wechselseitig so mit einander elektrisch leitend verbunden, dass eine elektrisch serielle Verbindung der Verbindungsleiter eines DTGE's realisiert ist.The DTGE's are preferably formed with at least two conductor elements made of different electrically conductive materials, of which at least one electrically conductive material has a thermoelectric-active property. Thus, for example, a first conductor element made of thermoelectrically active PEDOT (poly-3,4-ethylenedioxythiophene) and the second electrical conductor element may be formed of a silver material. However, it is also possible that the DTGE's are each formed with two electrical conductor elements of different thermoelectrically active materials (thermocouples). The various electrical conductor elements may be alternately formed on the surface of the sheet-like dielectric substrate member, wherein an electrical conductive connection / contact between the various conductor elements is formed at the connection points formed on the opposite edge sides of the substrate member. In this case, the conductor elements are mutually connected electrically conductively with one another such that an electrically serial connection of the connection conductors of a DTGE is realized.

Durchkontaktierungsdurchbrüche können vorzugsweise senkrecht durch ein flächiges dielektrisches Substratelement in dafür vorgesehenen Kontaktflächen des auf dem entsprechenden flächigen dielektrischen Substratelements ausgebildeten DTGE's ausgebildet sein. Durch das in die Durchkontaktierungsdurchbrüche eingebrachte elektrisch leitfähige Material ist zwischen mehreren DTGE's, die jeweils auf entsprechend angeordneten flächigen dielektrischen Substratelement ausgebildet sind, eine elektrisch leitende Verbindung realisiert. Jedes DTGE kann mindestens zwei solcher Kontaktflächen aufweisen, die vorzugsweise aus Silber gebildet sind.Via perforations can preferably be formed vertically through a planar dielectric substrate element in contact areas of the DTGE formed on the corresponding planar dielectric substrate element. As a result of the electrically conductive material introduced into the plated-through openings, an electrically conductive connection is realized between a plurality of DTGEs which are each formed on a correspondingly arranged flat dielectric substrate element. Each DTGE may have at least two such contact surfaces, which are preferably formed of silver.

Die flächigen dielektrischen Substratelemente weisen eine Flächengeometrie auf, die an einer der Wärmequelle zugewandten Randseite einer Oberflächenform und/oder der Oberflächenkontur der Wärmequelle angepasst ist, so dass eine optimale geometrische Anpassung der Warmseite der flächigen dielektrischen Substratelemente an die Oberflächenkontur bzw. Oberflächenform der Wärmequelle erreicht werden kann. Dabei kann auch die Kontur der Kaltseite entsprechend einer gewünschten Oberflächenkontur bzw. Oberflächenform ausgebildet sein. So können die mehreren angeordneten flächigen dielektrischen Substratelemente eine thermoelektrische Generatoranordnung mit konturangepasster Oberfläche (Warm- und/oder Kaltseite) ausbilden. Die der Wärmequelle zugewandten Randseiten von nebeneinander angeordneten flächigen dielektrischen Substratelementen können unterschiedlich geometrisch gestaltet und lokal von der äußeren Kontur der Wärmequelle angepasst sein.The planar dielectric substrate elements have a surface geometry which is adapted to a surface shape of the heat source facing the heat source and / or the surface contour of the heat source, so that an optimal geometric adaptation of the hot side of the planar dielectric substrate elements to the surface contour or surface shape of the heat source is achieved can. In this case, the contour of the cold side can be formed corresponding to a desired surface contour or surface shape. Thus, the plurality of arranged planar dielectric substrate elements can form a thermoelectric generator arrangement with a contour-matched surface (hot and / or cold side). The side faces of side-by-side planar dielectric substrate elements which face the heat source can have different geometric shapes and be adapted locally by the outer contour of the heat source.

Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn die flächigen dielektrischen Substratelemente mit ihrer Warmseite auch unmittelbar mit der Oberflächenkontur der Wärmequelle kontaktiert sind. Entsprechend der randseitigen Konturierung (Flächengeometrie) der Warmseite der flächigen dielektrischen Substratelemente sollten auch die Verbindungspunkte der elektrischen Leiterelemente der DTGE's angeordnet sein. Dabei können auch die jeweiligen elektrischen Verbindungspunkte der Kaltseite einer vorgebbaren Kontur der Randseite der flächigen dielektrischen Substratelemente folgen. Zur Ausbildung eines erforderlichen Temperaturgradienten (zwischen Warm- und Kaltseite) sollten die Kaltseiten auf einer der Wärmequelle abgewandten Seite zugerichtet sein.It may be advantageous if the flat dielectric substrate elements are also contacted with their hot side directly to the surface contour of the heat source. Corresponding to the marginal contouring (surface geometry) of the hot side of the planar dielectric substrate elements, the connection points of the electrical conductor elements of the DTGEs should also be arranged. In this case, the respective electrical connection points of the cold side of a predeterminable contour of the edge side of the sheet-like dielectric substrate elements can also follow. To form a required temperature gradient (between hot and cold side), the cold sides should be trimmed on a side facing away from the heat source.

Die flächigen dielektrischen Substratelemente können auch so angeordnet sein, dass sie die Oberflächenkontur der Wärmequelle randseitig kontaktieren und dabei vertikal zur Oberflächenkontur der Wärmequelle ausgerichtet sind. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist es vorgesehen, die flächigen dielektrischen Substratelemente flächig nebeneinander liegend anzuordnen oder zu stapeln, um einen möglichst kompakten Aufbau zu realisieren. Dabei sollten die flächigen dielektrischen Substratelemente so nebeneinander liegend angeordnet sein, dass sich die DTGE's nicht unmittelbar berühren. Andernfalls könnten unmittelbare Berührungskontakte zwischen den DTGE's auch durch elektrische Isolierungen, beispielsweise in Form von elektrisch isolierenden Schutzschichten oder mit zwischen den Substratelementen angeordneten Abstandshaltern vermieden werden. Die elektrische Kontaktierung der DTGE's soll jeweils nur durch die Durchkontaktierungsdurchbrüche gewährleistet werden. Für eine besonders kompakte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Generatoranordnung kann es sinnvoll sein, wenn DTGE's beidseitig auf den flächigen dielektrischen Substratelementen ausgebildet sind.The planar dielectric substrate elements can also be arranged so that they contact the surface contour of the heat source at the edge and are aligned vertically to the surface contour of the heat source. In an advantageous embodiment, it is provided to arrange the sheet-like dielectric substrate elements lying flat next to each other or to stack in order to realize a compact construction as possible. In this case, the flat dielectric substrate elements should be arranged lying side by side so that the DTGE's do not touch directly. Otherwise, direct contact between the DTGE's could also be avoided by electrical insulation, for example in the form of electrically insulating protective layers or spacers arranged between the substrate elements. The electrical contact of the DTGE's should be guaranteed only by the Durchkontaktierungsdurchbrüche. For a particularly compact embodiment of the generator arrangement according to the invention, it may be useful if DTGE's are formed on both sides of the planar dielectric substrate elements.

Die Anordnung und geometrische Gestaltung der elektrischen Leiterelemente bzw. der Thermopaare der DTGE's kann jeweils an die durch das flächige dielektrische Substratelement vorgegebene Flächengeometrie angepasst sein. So können auch die elektrischen Leiterelemente bzw. die Thermopaare verschiedene Flächengeometrien aufweisen.The arrangement and geometric design of the electrical conductor elements or the thermocouples of the DTGE's can each be adapted to the predetermined by the planar dielectric substrate element surface geometry. Thus, the electrical conductor elements or the thermocouples may have different surface geometries.

Die flächigen dielektrischen Substratelemente können vorzugsweise gleitend aufeinander angeordnet sein, so dass geringe Konturunterschiede oder Temperaturdifferenzen beim Aufliegen auf einer Oberfläche einer Wärmequelle durch geringe Verschiebungen der flächigen dielektrischen Substratelemente ausgeglichen werden können.The flat dielectric substrate elements may preferably be arranged so as to slide on one another, so that small contour differences or temperature differences when resting on a surface of a heat source can be compensated by small displacements of the planar dielectric substrate elements.

Die Flächengeometrie der DTGE's und/oder der flächigen dielektrischen Substratelemente soll kreisring- oder teilkreisringförmig ausgebildet sein. Diese Formgebung erweist sich vorteilhaft zur Ummantelung von Rohren oder Kesseln als Wärmequelle, wobei ein besonders guter Wärmestrom dadurch gewährleistet werden kann, dass die gesamte Warm- und Kaltseite eines so gebildeten thermoelektrischen Generators frei von elektrischen Kontaktierungen der einzelnen DTGE's sind. Insbesondere zur Ummantelung von Rohren können die flächigen dielektrischen Substratelemente in Form von Ringscheiben ausgebildet sein.The surface geometry of the DTGE's and / or the planar dielectric substrate elements should be designed in the form of circular rings or partial circular rings. This shaping proves advantageous for the sheathing of pipes or boilers as a heat source, with a particularly good heat flow can be ensured by the fact that the entire hot and cold side of a thermoelectric generator thus formed are free of electrical contacts of the individual DTGE's. In particular, for the sheathing of pipes, the planar dielectric substrate elements may be in the form of annular disks.

Die flächigen dielektrischen Substratelemente können mit einer flexiblen Polymerfolie gebildet sein. Die DTGE's können durch Drucken, Rakeln, Gasabscheidungsverfahren (CVD/PVD), Elektroplattieren, Galvanisieren, Elektropolymerisation oder Lithographieverfahren in dünnen Schichten aufgebracht werden, wobei die Schichtdicken im Bereich von 10 nm bis 100 μm variieren können.The sheet-like dielectric substrate elements may be formed with a flexible polymer film. The DTGE's may be applied in thin layers by printing, knife coating, gas deposition (CVD / PVD), electroplating, electroplating, electropolymerization or lithographic techniques, wherein the layer thicknesses may vary in the range of 10 nm to 100 μm.

Die äußeren Ränder der flächigen dielektrischen Substratelemente und/oder der DTGE's können zumindest der der Wärmequelle und der einer Wärmesenke (Kaltseite) zugewandten Seite mit einem dielektrischen Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit bedeckt oder beschichtet sein.The outer edges of the sheet-like dielectric substrate elements and / or the DTGEs may be covered or coated with at least the heat source and the heat sink (cold side) facing side with a high thermal conductivity dielectric material.

Der Aufbau der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generatoranordnung kann vorzugsweise so realisiert sein, dass die Durchkontaktierungsdurchbrüche der flächigen dielektrischen Substratelemente miteinander korrespondieren. So kann das Einbringen des elektrisch leitfähigen Füllmaterials auf einfache Weise beispielsweise mit einer Dispensernadel erfolgen, die in die korrespondierenden Durchkontaktierungsdurchbrüche eingeführt wird.The construction of the thermoelectric generator arrangement according to the invention can preferably be realized in such a way that the through-passage openings of the planar dielectric substrate elements correspond to one another. Thus, the introduction of the electrically conductive filling material can be carried out in a simple manner, for example with a dispenser needle, which is introduced into the corresponding Durchkontaktierungsdurchbrüche.

Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generatoranordnung kann es vorgesehen sein, dass mehrere der flächigen dielektrischen Substratelemente wechselseitig jeweils nur einen Durchkontaktierungsdurchbruch aufweisen, so dass bei einer entsprechend stapelförmigen, bzw. zumindest flächig aneinander liegenden Anordnung der flächigen dielektrischen Substratelemente, eine serielle elektrische Verbindung der DTGE's realisierbar ist. Für den Fall, dass flächig aneinander angeordnete flächige dielektrische Substratelemente jeweils zwei Durchkontaktierungsdurchbrüche aufweisen, können einzelne Durchkontaktierungsdurchbrüche von elektrisch leitfähigem Füllmaterial freigehalten sein, um eine gewünschte serielle elektrische Verbindung der DTGE's zu realisieren. Hierzu kann insbesondere bei korrespondierenden Durchkontaktierungsdurchbrüchen elektrisch leitfähiges Füllmaterial beispielsweise mit der vorab bereits erwähnten Dispensernadel positionsgenau dosiert appliziert werden, so dass eine Befüllung einzelner der korrespondierenden Durchkontaktierungsdurchbrüche realisiert ist und dadurch jeweils nur eine einfache elektrische Kontaktierung zu einem weiteren DTGE erreicht wird. Als elektrisch leitfähiges Füllmaterial kann eine elektrische leifähige Paste, eine Lot, ein Klebstoff und/oder eine Tinte eingesetzt werden. Es ist weiterhin möglich, elektrisch leitfähige Drähte als elektrische Kontaktierung der DTGE's zu verwenden, die in die korrespondierenden Durchkontaktierungsdurchbrüche eingeführt werden. Durch die Steifigkeit der Drähte könnte bei Freiformflächen einer Oberfläche einer Wärmequelle eine zusätzliche Stabilität der einzelnen DTGE's erreicht werden, so dass das Gesamtpaket eine verbesserte Verwindungssteifigkeit aufweist.In one embodiment of the thermoelectric generator arrangement according to the invention, it may be provided that a plurality of planar dielectric substrate elements each have only one through-breakdown opening so that, in the case of a corresponding stacked or at least flat arrangement of the planar dielectric substrate elements, a serial electrical connection of the DTGEs is feasible. In the event that areal planar dielectric substrate elements arranged in a planar manner each have two via openings, individual via openings of electrically conductive filler material may be kept free in order to realize a desired serial electrical connection of the DTGEs. For this purpose, in particular with corresponding Durchkontaktierungsdurchbrüchen electrically conductive filler, for example, with the previously mentioned dispensing needle can be applied accurately positioned doses, so that a filling of individual of the corresponding Durchkontaktierungsdurchbrüche is realized and thereby only a simple electrical contact with another DTGE is achieved. An electrically conductive paste, a solder, an adhesive and / or an ink can be used as the electrically conductive filling material. It is also possible to use electrically conductive wires as electrical contacting of the DTGE's which are inserted into the corresponding via openings. Due to the rigidity of the wires, in the case of free-form surfaces of a surface of a heat source, additional stability of the individual DTGEs could be achieved so that the overall package has improved torsional rigidity.

Neben der elektrisch seriellen und parallelen Kontaktierung der DTGE's können auch Kombinationen der genannten elektrischen Kontaktierungen realisiert werden.In addition to the electrical serial and parallel contacting of the DTGE's also combinations of said electrical contacts can be realized.

Nachfolgend wird die erfindungsgemäße thermoelektrische Generatoranordnung anhand von Figuren und einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.The thermoelectric generator arrangement according to the invention will be explained in more detail below with reference to figures and an embodiment.

Es zeigen:Show it:

1: eine schematische Darstellung eines Beispiels einer erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generatoranordnung 1 : a schematic representation of an example of a thermoelectric generator arrangement according to the invention

2a/b/c: schematische Darstellungen von DTGE's, die a) elektrisch seriell b) elektrisch parallel und c) elektrisch seriell/parallel kombiniert verbunden sind. 2a / b / c: schematic representations of DTGE's which are connected a) electrically serial b) electrically parallel and c) electrically serial / parallel combined.

Die 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generatoranordnung, die mit mehreren flächigen dielektrischen Substratelementen 1 gebildet ist. Für eine vereinfachte Veranschaulichung ist in 1 nur ein Substratelement 1 dargestellt. Auf der Oberfläche des Substratelements 1 sind einseitig mehrere elektrische Leiterelemente 2.1 und 2.2 ausgebildet, die an Verbindungspunkten 2.3 und 2.4, die in Randbereichen sich gegenüberliegend angeordneten Randseiten 1.1 und 1.2 (mit Pfeilen dargestellt) der flächigen dielektrischen Substratelemente 1 ausgebildet sind, elektrisch leitend verbunden sind. Mit dem Bezugszeichen 2.5 sind Kontaktflächen der elektrisch seriell verbundenen elektrischen Leiterelemente 2.1 und 2.2 dargestellt. Die elektrischen Leiterelemente 2.1 und 2.2 bilden zusammen mit den elektrischen Verbindungspunkten 2.3 und 2.4 sowie den Kontaktflächen 2.5 ein flächig auf dem Substratelement 1 ausgebildetes Dünnschicht Thermogeneratorelement (DTGE) 2, das in dieser Form auch auf den weiteren, nicht dargestellten Substratelementen 1 ausgebildet ist. Mindestens eines der beiden elektrischen Leiterelemente 2.1 und 2.2 ist aus einem thermoelektrisch-aktivem Material gebildet. Im vorliegenden Beispiel ist die Randseite 1.1 des flächigen dielektrischen Substratelements 1 einer Wärmequelle 5 zugewandt und kann daher als Warmseite bezeichnet werden, wobei alle Verbindungspunkte 2.4 am warmseitigen Rand 1.1 des flächigen dielektrischen Substratelementes 1 angeordnet sind. Entsprechend kann die der Warmseite gegenüberliegende Randseite 1.2 als Kaltseite angesehen werden, in deren Randbereich alle Verbindungspunkte 2.3 angeordnet sind. Mehrere der flächigen dielektrischen Substratelemente 1 sind im vorliegenden Beispiel flächig übereinanderliegend angeordnet und weisen jeweils mindestens zwei senkrecht durch die Substratebene der flächigen dielektrischen Substratelemente 1 führende Durchkontaktierungsdurchbrüche 3 auf, die jeweils im Bereich der Kontaktflächen 2.5 ausgebildet sind. Zur elektrischen Kontaktierung der DTGE's 2 ist in den Durchkontaktierungsdurchbrüchen 3 ein elektrisch leitfähiges Füllmaterial eingebracht. The 1 shows an embodiment of the thermoelectric generator assembly according to the invention, with several flat dielectric substrate elements 1 is formed. For a simplified illustration, see 1 only one substrate element 1 shown. On the surface of the substrate element 1 are unilaterally several electrical conductor elements 2.1 and 2.2 formed at connecting points 2.3 and 2.4 in the marginal areas opposite arranged edge sides 1.1 and 1.2 (Shown with arrows) of the sheet-like dielectric substrate elements 1 are formed, are electrically connected. With the reference number 2.5 are contact surfaces of the electrically connected electrical conductor elements 2.1 and 2.2 shown. The electrical conductor elements 2.1 and 2.2 make up together with the electrical connection points 2.3 and 2.4 as well as the contact surfaces 2.5 a flat on the substrate element 1 formed thin film thermogenerator element (DTGE) 2 , in this form on the other, not shown substrate elements 1 is trained. At least one of the two electrical conductor elements 2.1 and 2.2 is formed of a thermoelectric-active material. In this example, the edge page 1.1 the planar dielectric substrate element 1 a heat source 5 facing and can therefore be referred to as warm side, with all connection points 2.4 on the warm side edge 1.1 the planar dielectric substrate element 1 are arranged. Accordingly, the warm side opposite edge side 1.2 be regarded as a cold side, in the edge region all connection points 2.3 are arranged. Several of the sheet-like dielectric substrate elements 1 In the present example, they are arranged over one another in a planar manner and each have at least two perpendicularly through the substrate plane of the planar dielectric substrate elements 1 leading via breakthroughs 3 on, each in the area of contact surfaces 2.5 are formed. For electrical contacting of the DTGE's 2 is in the via breakthroughs 3 introduced an electrically conductive filler.

Das Bezugszeichen 4 zeigt die randseitige im wesentlichen radial verlaufende Flächengeometrie (Warmseite) des flächigen dielektrische Substratelements 1, die an die Oberflächenform und/oder die Oberflächenkontur der Wärmequelle 5 angepasst ist. Die in der Zeichnungsebene hinter dem dargestellten ersten dielektrischen Substratelement 1 flächig aneinander liegend angeordneten weiteren flächigen dielektrischen Substratelemente 1 können insbesondere an ihrer Randseite 1.1 eine sich einer verändernden Oberflächenkontur und/oder Oberflächenform der Wärmequelle 5 angepasste Flächengeometrie 4 aufweisen, die von der Kontur und/oder Form der Randseite 1.1 weiterer Substratelemente 1 abweicht.The reference number 4 shows the edge-side substantially radially extending surface geometry (hot side) of the sheet-like dielectric substrate element 1 to the surface shape and / or the surface contour of the heat source 5 is adjusted. The in the drawing plane behind the illustrated first dielectric substrate element 1 lying flat against each other further planar dielectric substrate elements 1 especially on its edge 1.1 a changing surface contour and / or surface shape of the heat source 5 adapted surface geometry 4 have, by the contour and / or shape of the edge side 1.1 further substrate elements 1 differs.

Die 2 zeigt vereinfacht dargestellt drei Beispiele zur elektrischen Kontaktierung von auf flächigen dielektrischen Substratelementen 1 (nicht gezeigt) ausgebildeten DTGE's 2. In 2a ist eine Reihenschaltung von DTGE's realisiert, indem in jeder der korrespondierenden Durchkontaktierungsdurchbrüche 3 einzelne Durchkontaktierungsdurchbrüche 3 abwechselnd von elektrisch leitfähigem Füllmaterial freigehalten sind. Alternativ weisen die aufeinanderfolgenden flächigen dielektrischen Substratelemente 1 jeweils nur einen jeweils wechselseitig angeordneten Durchkontaktierungsdurchbruch 3 auf, so dass dadurch eine elektrisch serielle Verbindung zwischen den DTGE's realisiert ist.The 2 shows in simplified form three examples for electrical contacting of planar dielectric substrate elements 1 (not shown) trained DTGE's 2 , In 2a a series connection of DTGE's is realized by placing in each of the corresponding via openings 3 single via breakthroughs 3 alternately kept free of electrically conductive filler. Alternatively, the successive planar dielectric substrate elements 1 in each case only one mutually arranged Durchkontaktierungsdurchbruch 3 on, so that thereby an electrical serial connection between the DTGE's is realized.

In 2b sind die korrespondierenden Durchkontaktierungsdurchbrüche 3 vollständig mit elektrisch leitfähigem Füllmaterial befüllt, so dass eine elektrische Parallelschaltung der DTGE's realisiert ist. Die 2c zeigt eine Kombination der in den 2a und 2b dargestellten Varianten.In 2 B are the corresponding via breakthroughs 3 completely filled with electrically conductive filling material, so that an electrical parallel connection of the DTGE's is realized. The 2c shows a combination of the in the 2a and 2 B variants shown.

Das nachfolgende Ausführungsbeispiel beschreibt eine mit Unileg DTGE's 2 gebildete thermoelektrische Generatoranordnung, bei der die elektrischen Leiterelemente 2.1 und 2.2 der DTGE's 2 jeweils mit einem p-dotierten leitfähigem thermoelektrischen Material und Silber gebildet sind.The following embodiment describes one with Unileg DTGE's 2 formed thermoelectric generator assembly, wherein the electrical conductor elements 2.1 and 2.2 the DTGE's 2 each formed with a p-doped conductive thermoelectric material and silver.

Zunächst werden auf ein flächiges dielektrisches Substratmaterial 1, das im vorliegenden Beispiel mit einer Polymerfolie (z. B. Polyamid oder Polycarbonat) gebildet ist und eine Dicke von 75 μm aufweist, entsprechend einer vorgegebenen oder gescannten Oberflächenform einer Wärmequelle ca. 60 jeweils 1 mm breite und ca. 10 mm lange Linien aus Silber-Kontaktierungspaste in Abständen von 3 mm gedruckt und anschließend bei 200°C getrocknet bzw. gesintert. Jeweils seitlich neben der ersten und der letzten gedruckten Linie werden 5 mm breite Silberkontaktflächen (Kontaktflächen 2.5) aufgedruckt. Nachfolgend werden die so gebildeten Silberlinien und Silberkontaktflächen mit jeweils 1 mm breiten und ca. 10 mm langen Linien aus PEDOT:PSS (leitfähiges Polymer mit thermoelektrischen Eigenschaften) leicht überlappend bedruckt und dabei miteinander elektrisch seriell verbunden. Die elektrischen Leiterelemente Silber/PEDOT:PSS können dabei entsprechend einer gewünschten Flächenform dimensioniert werden. Zur Vergrößerung der elektrischen Kontaktfläche (und damit Verkleinerung des Kontaktwiderstandes) oder Verkleinerung des elektrischen Widerstandes im DTGE (Innenwiderstand) können die elektrischen Leiterelemente Silber/PEDOT:PSS auch breiter als vorab beschreiben gedruckt werden. Durch eine Anpassung der Breite der elektrischen Leiterelemente Silber/PEDOT:PSS kann der Wärmedurchgang durch das DTGE 2 optimiert werden. In einem weiteren Schritt werden die elektrischen Leiterelemente Silber/PEDOT:PSS d. h. mit ihnen die gesamte Polymerfolie bei 60°C für 24 h getrocknet. Verteilt auf die Fläche der Polymerfolie können mehrere solcher DTGE's 2 gedruckt werden. Dabei können die Ausrichtung und die geometrische Gestaltung der Leiterelemente Silber/PEDOT:PSS und ihrer Verbindungspunkte 2.3 und 2.4 einer gekrümmten Oberflächenkontur bzw. Oberflächenform einer Wärmequelle angepasst werden.First, a sheet of dielectric substrate material is used 1 , which is formed in the present example with a polymer film (eg polyamide or polycarbonate) and has a thickness of 75 microns, according to a predetermined or scanned surface shape of a heat source about 60 each 1 mm wide and about 10 mm long lines Printed silver contact paste at intervals of 3 mm and then dried at 200 ° C or sintered. At each side of the first and the last printed line, 5 mm wide silver contact surfaces (contact surfaces 2.5 ). Subsequently, the thus formed silver lines and silver contact surfaces, each with 1 mm wide and 10 mm long lines of PEDOT: PSS (conductive polymer with thermoelectric properties) printed slightly overlapping and thereby electrically connected together in series. The electrical conductor elements silver / PEDOT: PSS can be dimensioned according to a desired surface shape. To increase the electrical contact area (and thus reduce the contact resistance) or reduce the electrical resistance in the DTGE (internal resistance), the electrical conductor elements silver / PEDOT: PSS can also be printed wider than previously described. By adjusting the width of the electrical conductor elements silver / PEDOT: PSS, the heat transfer through the DTGE 2 be optimized. In a further step, the electrical conductor elements silver / PEDOT: PSS ie with them the entire polymer film at 60 ° C for 24 h dried. Distributed on the surface of the polymer film, several such DTGE's 2 to be printed. The alignment and the geometric design of the conductor elements Silver / PEDOT: PSS and their connection points can be used 2.3 and 2.4 be adapted to a curved surface contour or surface shape of a heat source.

Die bedruckte Polymerfolie wird nach dem Trocknen und Sintern mittels Laserstrahlung in die gewünschte Form, d. h. in die der gescannten Oberflächenkontur der Wärmequelle entsprechenden Flächengeometrie 4 geschnitten. Gleichzeitig erfolgt das Einbringen von jeweils mindestens einem Durchkontaktierungsdurchbruch 3 mit einem Durchmesser von 500 μm in eine der seitlichen Silberkontaktflächen 2.5 eines DTGE's.After being dried and sintered by means of laser radiation, the printed polymer film becomes the desired shape, ie, the surface geometry corresponding to the scanned surface contour of the heat source 4 cut. At the same time the introduction of at least one via perforation occurs 3 with a diameter of 500 microns in one of the lateral silver contact surfaces 2.5 a DTGE's.

Alternativ kann der Zuschnitt der Polymerfolie bzw. das Einbringen der Durchkontaktierungsdurchbrüche 3 auch mit einer Stanze realisiert werden.Alternatively, the blank of the polymer film or the introduction of the Durchkontaktierungsbrbrüche 3 also be realized with a punch.

Anschließend werden die einzelnen Polymerfolienausschnitte entsprechend der Formgebung der Oberfläche der Wärmequelle flächig übereinander gelegt. Die elektrische Kontaktierung der DTGE's erfolgt abschließend durch das Einbringen von Silberpaste in die korrespondierenden Durchkontaktierungsdurchbrüche 3, so dass nach Aushärten der Silberpaste ein fester Verbund einer thermoelektrischen Generatoranordnung gebildet ist, die eine konturangepasste Oberfläche aufweist.Subsequently, the individual polymer film cutouts are laid flat over one another according to the shape of the surface of the heat source. The electrical contacting of the DTGE's is finally carried out by the introduction of silver paste in the corresponding via openings 3 such that after curing of the silver paste, a solid composite of a thermoelectric generator arrangement is formed, which has a contour-matched surface.

Claims (6)

Thermoelektrische Generatoranordnung, die mit auf flächigen dielektrischen Substratelementen (1) flächig ausgebildeten Dünnschicht-Thermogeneratorelementen, abgekürzt DTGE (2), gebildet ist, die jeweils mehrere aus mindestens einem thermoelektrisch-aktiven Material gebildete elektrische Leiterelemente (2.1/2.2) aufweisen, die an Verbindungspunkten (2.3/2.4), die in Randbereichen sich gegenüberliegend angeordneter Randseiten (1.1/1.2) der flächigen dielektrischen Substratelemente (1) ausgebildet sind, elektrisch leitend verbunden sind; und jeweils eine dieser Randseiten (1.1/1.2) der flächigen dielektrischen Substratelemente (1) einer Wärmequelle zugewandt ist und die flächigen dielektrischen Substratelemente (1) jeweils mindestens einen Durchkontaktierungsdurchbruch (3) aufweisen, wobei in dem mindestens einen Durchkontaktierungsdurchbruch (3) zur elektrischen Kontaktierung von DTGE's (2) senkrecht zur Substratebene der flächigen dielektrischen Substratelemente (1) ein elektrisch leitfähiges Füllmaterial eingebracht ist; dadurch gekennzeichnet, dass die flächigen dielektrischen Substratelemente (1) eine Flächengeometrie (4) aufweisen, die an einer der Wärmequelle zugewandten Randseite (1.1/1.2) der Oberflächenform und/oder der Oberflächenkontur der Wärmequelle angepasst ist und die DTGE's (2) und/oder die flächigen dielektrischen Substratelemente (1) eine kreisring- oder teilkreisringförmige Flächengeometrie (4) aufweisen.Thermoelectric generator arrangement that can be used with on planar dielectric substrate elements ( 1 ) surface-formed thin-film thermogenerator elements, abbreviated DTGE ( 2 ), each of which comprises a plurality of electrical conductor elements formed from at least one thermoelectrically active material ( 2.1 / 2.2 ) at connection points ( 2.3 / 2.4 ), which are located in edge regions of oppositely disposed edge sides ( 1.1 / 1.2 ) of the planar dielectric substrate elements ( 1 ) are formed, are electrically connected; and one of these marginal pages ( 1.1 / 1.2 ) of the planar dielectric substrate elements ( 1 ) faces a heat source and the planar dielectric substrate elements ( 1 ) each at least one via hole ( 3 ), wherein in the at least one via perforation ( 3 ) for the electrical contacting of DTGEs ( 2 ) perpendicular to the substrate plane of the planar dielectric substrate elements ( 1 ) an electrically conductive filler material is introduced; characterized in that the planar dielectric substrate elements ( 1 ) a surface geometry ( 4 ), which on one of the heat source facing edge side ( 1.1 / 1.2 ) is adapted to the surface shape and / or the surface contour of the heat source and the DTGE's ( 2 ) and / or the planar dielectric substrate elements ( 1 ) an annular or semi-annular surface geometry ( 4 ) exhibit. Thermoelektrische Generatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die flächigen dielektrischen Substratelemente (1) mit einer flexiblen Polymerfolie gebildet sind, auf der die DTGE's (2) durch Drucken, Rakeln, Gasabscheidungsverfahren (CVD/PVD), Elektroplattieren/Galvanisieren, Elektropolymerisation oder Lithographieverfahren in dünnen Schichten aufgebracht sind.Thermoelectric generator arrangement according to claim 1, characterized in that the planar dielectric substrate elements ( 1 ) are formed with a flexible polymer film on which the DTGE's ( 2 ) are applied in thin layers by printing, knife coating, gas deposition (CVD / PVD), electroplating / electroplating, electropolymerization or lithographic processes. Thermoelektrische Generatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenränder (1.1/1.2) der flächigen dielektrischen Substratelemente (1) mit einem dielektrischen Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit bedeckt sind.Thermoelectric generator arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the side edges ( 1.1 / 1.2 ) of the planar dielectric substrate elements ( 1 ) are covered with a dielectric material having high thermal conductivity. Thermoelektrische Generatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchkontaktierungsdurchbrüche (3) mehrerer der flächigen dielektrischen Substratelemente (1) miteinander korrespondieren.Thermoelectric generator arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the through-perforations ( 3 ) of a plurality of the planar dielectric substrate elements ( 1 ) correspond with each other. Thermoelektrische Generatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der flächigen dielektrischen Substratelemente (1) wechselseitig an gegenüberliegend angeordneten Randseiten jeweils nur einen Durchkontaktierungsdurchbruch (3) aufweisen, so dass eine serielle elektrische Verbindung der DTGE's realisierbar ist.Thermoelectric generator arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of the planar dielectric substrate elements ( 1 ) mutually on oppositely disposed edge sides in each case only one Durchkontaktierungsdurchbruch ( 3 ), so that a serial electrical connection of the DTGE's can be realized. Thermoelektrische Generatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Füllmaterial eine Paste, eine Lot, ein Klebstoff, eine Tinte ist und/oder ein plastisch oder elastisch verformbares Element ist.Thermoelectric generator arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the electrically conductive filler material is a paste, a solder, an adhesive, an ink and / or a plastically or elastically deformable element.

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