DE102019207556A1 - Thermoelectric module - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Modul (1) mit aufeinanderfolgenden und zueinander beabstandeten thermoelektrisch aktiven Thermoelementen (2), welche mit Hilfe von Leiterbrücken (7) in der Art einer elektrisch seriellen Anordnung (8) miteinander verbunden sind. Eine erhöhte Effizienz sowie eine verbesserte Beständigkeit des thermoelektrischen Moduls (1) werden dadurch erreicht, dass zumindest eine der Leiterbrücken (7) eine Nanolage (9) aus einer elektrisch leitenden Nanostruktur (10) aufweist.The present invention relates to a thermoelectric module (1) with successive and spaced apart thermoelectrically active thermocouples (2) which are connected to one another by means of conductor bridges (7) in the manner of an electrically serial arrangement (8). Increased efficiency and improved durability of the thermoelectric module (1) are achieved in that at least one of the conductor bridges (7) has a nano-layer (9) made of an electrically conductive nanostructure (10).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Modul, insbesondere ein Peltier-Element, mit mehreren thermoelektrisch aktiven Thermoelementen sowie Leiterbrücken, welche die Thermoelemente in einer elektrisch seriellen Anordnung elektrisch miteinander verbinden.The present invention relates to a thermoelectric module, in particular a Peltier element, with a plurality of thermoelectrically active thermocouples and conductor bridges, which electrically connect the thermocouples to one another in an electrically serial arrangement.
Ein thermoelektrisches Modul weist üblicherweise mehrere thermoelektrisch aktive Elemente, nachfolgend auch Thermoelemente genannt, auf, die beispielsweise thermoelektrisch aktive Halbleiter sein können. Die Thermoelemente sind in der Regel mittels Leiterbrücken elektrisch seriell miteinander verbunden. Im Betrieb des thermoelektrischen Moduls erfolgt beim Bestromen des Moduls ein Temperaturunterschied zwischen den unterschiedlichen Stirnseiten der Thermoelemente, welche entsprechende Seiten des Moduls bilden. Bei einer solchen Ausgestaltung ist es also möglich, Wärme von der einen Seite auf die andere Seite zu pumpen. Dabei ist das thermoelektrische Modul insbesondere als ein Peltier-Modul ausgestaltet. Alternativ können unterschiedliche, an den Seiten herrschende Temperaturen zu einer elektrischen Spannung zwischen unterschiedlichen Seiten des Moduls führen, die abgegriffen und verwendet werden kann.A thermoelectric module usually has several thermoelectrically active elements, also referred to below as thermocouples, which can be thermoelectrically active semiconductors, for example. The thermocouples are usually connected electrically in series with one another by means of conductor bridges. When the thermoelectric module is in operation, when the module is energized, there is a temperature difference between the different end faces of the thermocouples, which form corresponding sides of the module. With such a configuration, it is therefore possible to pump heat from one side to the other. The thermoelectric module is designed in particular as a Peltier module. Alternatively, different temperatures prevailing on the sides can lead to an electrical voltage between different sides of the module, which voltage can be tapped and used.
Im Betrieb derartiger thermoelektrischer Module herrschen also zwischen den Stirnseiten der Thermoelemente und den Seiten des Moduls hohe Temperaturunterschiede, welche, je nach Betrieb, wenige Grad Celsius oder mehrere 100°C betragen können.During operation of such thermoelectric modules, there are high temperature differences between the end faces of the thermocouples and the sides of the module, which, depending on the operation, can be a few degrees Celsius or several 100 ° C.
Derartige thermoelektrische Module werden üblicherweise durch eine stoffschlüssige Verbindung der Thermoelemente mit den sie elektrisch miteinander verbindenden Leiterbrücken hergestellt. Auch werden gewöhnlich auf den von den Thermoelementen abgewandten Seiten der Leiterbrücken vorgesehene elektrische Isolatoren, wie beispielsweise Isolierplatten, stoffschlüssig mit den Leiterbrücken verbunden. Gewöhnlich kommen hierbei Lötverfahren und Schweißverfahren zum Einsatz. Die stoffschlüssige Verbindung der Bestandteile des thermoelektrischen Moduls führen einerseits zu einer zuverlässigen Verbindung dieser Bestandteile, begrenzen jedoch andererseits die Möglichkeit des Moduls, thermische und thermomechanische Spannungen auszugleichen. Dieser Umstand ist verstärkt, wenn zwischen den Stirnseiten der Thermoelemente und/oder den Seiten des thermoelektrischen Moduls hohe Temperaturunterschiede herrschen, die zu entsprechend hohen thermischen und thermomechanischen Spannungen führen. Dies kann zu einem Bruch oder zumindest einer Beschädigung der Verbindungen und/oder der Bestandteile führen, die wiederum zu einer Reduzierung der elektrischen Verbindungen bzw. einer Erhöhung des elektrischen Widerstands sowie zu einer Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit innerhalb des Moduls führen, so dass das Modul insgesamt anfälliger ist und/oder eine verbesserungswürdige Beständigkeit aufweist.Such thermoelectric modules are usually produced by a material connection of the thermocouples with the conductor bridges that electrically connect them to one another. Also, electrical insulators, such as insulating plates, provided on the sides of the conductor bridges facing away from the thermocouples are usually materially connected to the conductor bridges. Soldering processes and welding processes are usually used here. The material connection of the components of the thermoelectric module leads on the one hand to a reliable connection of these components, but on the other hand limits the possibility of the module to compensate for thermal and thermomechanical stresses. This fact is intensified when there are high temperature differences between the end faces of the thermocouples and / or the sides of the thermoelectric module, which lead to correspondingly high thermal and thermomechanical stresses. This can lead to breakage or at least damage to the connections and / or the components, which in turn lead to a reduction in the electrical connections or an increase in the electrical resistance as well as a reduction in the thermal conductivity within the module, making the module more susceptible overall and / or has a durability that is in need of improvement.
Aus der
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der Aufgabe, für ein thermoelektrisches Modul der eingangs genannten Art eine verbesserte oder zumindest andere Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine erhöhte Beständigkeit und/oder eine erhöhte Effizienz des thermoelektrischen Moduls auszeichnet.The present invention is concerned with the object of specifying an improved or at least different embodiment for a thermoelectric module of the type mentioned at the outset, which is characterized in particular by increased durability and / or increased efficiency of the thermoelectric module.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved according to the invention by the subject matter of independent claim 1. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, in einem thermoelektrischen Modul mit mehreren thermoelektrisch aktiven Thermoelementen sowie Leiterbrücken zum elektrischen Verbinden der Thermoelemente die Leiterbrücken zumindest teilweise aus einer Nanolage auszubilden, die eine metallisch leitende Nanostruktur aufweist, insbesondere daraus besteht. Mit der Nanolage erfolgt ein verbesserter Ausgleich von Rauigkeiten, welche an den mit der Nanolage in Kontakt stehenden Bestandteilen des thermoelektrischen Moduls, insbesondere der Thermoelemente und/oder der Leiterbrücke, herrschen, so dass auch im Betrieb bei hohen thermischen bzw. thermomechanischen Beanspruchungen des Moduls der elektrische Kontakt zwischen den Thermoelementen verbessert ist und/oder der elektrische Widerstand zwischen den Thermoelementen reduziert ist, so dass das thermoelektrische Modul eine erhöhte Effizienz aufweist. Zudem erfolgt mit der Nanolage ein vereinfachter Ausgleich von thermisch oder thermomechanisch bedingten Dimensionsänderungen innerhalb des Moduls, so dass wiederum auch unter solchen Bedingungen die elektrische und thermische Verbindung zwischen den Thermoelementen und den Leiterbrücken verbessert ist, was wiederum zu einer erhöhten Effizienz des thermoelektrischen Moduls und eine Reduzierung von Beschädigungen des Moduls und somit einer erhöhten Beständigkeit des Moduls führt.The present invention is based on the general idea of at least partially forming the conductor bridges in a thermoelectric module with several thermoelectrically active thermocouples and conductor bridges for electrically connecting the thermocouples from a nano-layer which has, in particular consists of, a metallically conductive nanostructure. With the nano-layer there is an improved compensation of roughness, which prevails on the components of the thermoelectric module in contact with the nano-layer, in particular the thermocouples and / or the conductor bridge, so that even during operation with high thermal or thermomechanical loads on the module electrical contact between the thermocouples is improved and / or the electrical resistance between the thermocouples is reduced, so that the thermoelectric module has an increased efficiency. In addition, the nano-layer simplifies the compensation of thermally or thermomechanically induced dimensional changes within the module, so that the electrical and thermal connection between the thermocouples and the conductor bridges is improved even under such conditions, which in turn leads to increased efficiency of the thermoelectric module and a Reduction of damage to the module and thus an increased resistance of the module.
Dem Erfindungsgedanken entsprechend weist das thermoelektrische Modul mehrere aufeinanderfolgende und zueinander beabstandete thermoelektrisch aktive Elemente und somit Thermoelemente auf, wobei das jeweilige Thermoelement eine erste Stirnseite und eine zweite Stirnseite aufweist. Die Stirnseiten der Thermoelemente bilden entsprechende Seiten des Moduls. Das heißt, dass die ersten Stirnseiten eine erste Seite und die zweiten Stirnseiten eine zweite Seite des Moduls bilden. Mit den Leiterbrücken erfolgt eine elektrische Kontaktierung der Thermoelemente, derart, dass die Leiterbrücken mit den Thermoelementen eine elektrisch serielle Anordnung bilden. Dabei sind die Leiterbrücken entlang der Stirnseiten der Thermoelemente abwechselnd an der ersten Seite und der zweiten Seite angeordnet und verbinden jeweils zwei der ersten Stirnseiten oder zwei der zweiten Stirnseiten elektrisch miteinander. Erfindungsgemäß weist zumindest eine der Leiterbrücken zumindest eine Nanolage aus einer metallisch leitenden Nanostruktur auf.According to the inventive concept, the thermoelectric module has several successive and spaced apart thermoelectrically active elements and thus thermocouples, the respective thermocouple one having a first end face and a second end face. The front sides of the thermocouples form corresponding sides of the module. This means that the first end faces form a first side and the second end faces form a second side of the module. The conductor bridges are used to make electrical contact with the thermocouples in such a way that the conductor bridges form an electrically serial arrangement with the thermocouples. The conductor bridges are arranged along the end faces of the thermocouples alternately on the first side and the second side and electrically connect two of the first end faces or two of the second end faces to one another. According to the invention, at least one of the conductor bridges has at least one nano-layer made of a metallically conductive nanostructure.
Eine Nanostruktur im vorliegenden Sinne ist eine Struktur, die mehrere Strukturbestandteile aufweist, welche jeweils Dimensionen zwischen wenigen Nanometern und mehreren hundert Nanometern aufweisen.A nanostructure in the present sense is a structure that has several structural components, each of which has dimensions between a few nanometers and several hundred nanometers.
Die Nanolage an sich hat demgegenüber nicht zwingend Dimensionen in Nanometerbereich, kann aber eine solche Dimension auch aufweisen.In contrast, the nano-layer itself does not necessarily have dimensions in the nanometer range, but can also have such a dimension.
In einer Variante sind besagte Strukturbestandteile Nanodrähte, welche Durchmesser von wenigen Nanometern bis hundert Nanometern, insbesondere von 60 nm, aufweisen. Derartige Nanodrähte weisen ferner Längen von wenigen Mikrometern, insbesondere zwischen 1 µm und 10 µm, auf.In one variant, said structural components are nanowires which have a diameter of a few nanometers to a hundred nanometers, in particular 60 nm. Such nanowires also have lengths of a few micrometers, in particular between 1 μm and 10 μm.
In einer weiteren Variante sind derartige Strukturbestandteile Nanoteilchen, welche Durchmesser von wenigen hundert Nanometern, beispielsweise zwischen 300 nm und 400 nm aufweisen.In a further variant, such structural components are nanoparticles which have a diameter of a few hundred nanometers, for example between 300 nm and 400 nm.
Selbstverständlich sind auch Varianten vorstellbar, bei denen die Nanostruktur sowohl Nanodrähte als auch Nanoteilchen aufweist.Of course, variants are also conceivable in which the nanostructure has both nanowires and nanoparticles.
Die erste Stirnseite und die zweite Stirnseite des jeweiligen Thermoelements sind bevorzugt voneinander abgewandte Seiten des Thermoelements. Dementsprechend sind die erste Seite und zweite Seite des thermoelektrischen Moduls einander gegenüberliegende Seiten des Moduls. Im Betrieb des Moduls, insbesondere beim Bestromen des Moduls mit einem elektrischen Strom und somit bei einer Ausgestaltung des Moduls als Peltier-Modul, weisen die erste Seite und die zweite Seite unterschiedliche Temperaturen auf. Insbesondere kann es sich bei der ersten Seite um eine Kaltseite und bei der zweiten Seite um eine Warmseite des Moduls oder umgekehrt handeln.The first end face and the second end face of the respective thermocouple are preferably sides of the thermocouple facing away from one another. Accordingly, the first side and second side of the thermoelectric module are opposite sides of the module. When the module is in operation, in particular when the module is energized with an electrical current and thus when the module is configured as a Peltier module, the first side and the second side have different temperatures. In particular, the first side can be a cold side and the second side a warm side of the module or vice versa.
Die Bestandteile der Nanostruktur, das heißt insbesondere die Nanodrähte und/oder Nanoteilchen, können prinzipiell aus einem beliebig elektrisch leitenden Material oder Werkstoff hergestellt sein.The components of the nanostructure, that is to say in particular the nanowires and / or nanoparticles, can in principle be produced from any electrically conductive material or material.
Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen die Strukturbestandteile, insbesondere die Nanodrähte und/oder die Nanoteilchen, aus Silber oder einer silberhaltigen Legierung hergestellt sind. Silber ist ein edles und zugleich kostengünstiges Material. Zudem ist Silber oxidationsbeständig und weich sowie duktil. Ferner weist Silber eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf. In der Folge führen die Strukturbestandteile bei einer kostengünstigen Herstellung zu einem vorteilhaften Ausgleich der Rauigkeiten. Zugleich weisen die Strukturbestandteile eine erhöhte Lebensdauer auf und führen zu einer verbesserten Effizienz des thermoelektrischen Moduls.Embodiments are preferred in which the structural components, in particular the nanowires and / or the nanoparticles, are made from silver or a silver-containing alloy. Silver is a noble and at the same time inexpensive material. In addition, silver is resistant to oxidation and is soft and ductile. Furthermore, silver has a high electrical conductivity. As a result, the structural components lead to an advantageous compensation of the roughness in a cost-effective production. At the same time, the structural components have a longer service life and lead to an improved efficiency of the thermoelectric module.
Die Nanostruktur wird vorteilhaft zunächst in einer Lösung, beispielsweise in Alkohol, insbesondere Ethanol und/oder Isopropanol, Wasser, eine Phosphatgepufferten Salzlösung, insbesondere PBS, und dergleichen oder Mischungen daraus bereitgestellt und anschließend an die gewünschten Bestandteile, insbesondere an weitere Bestandteile der Leiterbrücke und/oder an der zugehörigen Stirnseite des Thermoelements angebracht. Dies erlaubt einerseits ein vereinfachtes Vorsehen der Nanolage und andererseits eine gleichmäßige und somit homogene Verteilung der Strukturbestandteile innerhalb der später durch diese gebildeten Nanolage.The nanostructure is advantageously initially provided in a solution, for example in alcohol, in particular ethanol and / or isopropanol, water, a phosphate-buffered saline solution, in particular PBS, and the like or mixtures thereof, and then to the desired components, in particular to further components of the conductor bridge and / or attached to the associated face of the thermocouple. This allows, on the one hand, a simplified provision of the nano-layer and, on the other hand, a uniform and thus homogeneous distribution of the structural components within the nano-layer later formed by them.
Besonders hohe Effizienzen und Beständigkeiten des thermoelektrischen Moduls lassen sich erreichen, wenn die Leiterbrücken und die Thermoelemente frei von stoffschlüssigen Verbindungen miteinander verbunden sind. Das heißt insbesondere, dass auf stoffschlüssige Verbindungen zwischen der Leiterbrücke und den Thermoelementen verzichtet wird. In einer solchen Variante werden also einerseits die mit einer stoffschlüssigen Verbindung zusammenhängenden, durch thermische und/oder thermoelektrische Beanspruchungen bedingten, Beschädigungen des Thermomoduls verhindert und andererseits ein verbesserter Ausgleich der besagten Beanspruchungen erzielt. Zudem besteht durch die Nanostruktur auch bei entsprechenden Beanspruchungen ein ausreichender, elektrischer und wärmeübertragender Kontakt zwischen den Stirnseiten und den zugehörigen Leiterbrücken, so dass die Effizienz des thermoelektrischen Moduls deutlich ist.Particularly high efficiencies and resistances of the thermoelectric module can be achieved if the conductor bridges and the thermocouples are connected to one another without any material connections. This means in particular that there are no material connections between the conductor bridge and the thermocouples. In such a variant, on the one hand, the damage to the thermal module associated with a material connection caused by thermal and / or thermoelectric stresses is prevented and, on the other hand, an improved compensation of the said stresses is achieved. In addition, due to the nanostructure, there is sufficient electrical and heat-transferring contact between the end faces and the associated conductor bridges, even with corresponding loads, so that the efficiency of the thermoelectric module is clear.
Die Verbindung der Thermoelemente und der Leiterbrücken kann hierbei insbesondere durch Kraftschluss, stoffschlussfreies Fügen, Pressen und dergleichen realisiert sein. Die Thermoelemente und die Leiterbrücken können insbesondere also lose miteinander verbunden und bevorzugt lediglich durch Gegeneinanderpressen relativ zueinander fixiert sein.The connection of the thermocouples and the conductor bridges can in this case be realized in particular by frictional connection, non-material joining, pressing and the like. The thermocouples and the conductor bridges can in particular be loosely connected to one another and preferably only be fixed relative to one another by pressing them against one another.
Vorstellbar sind Ausführungsformen, bei denen die Leiterbrücke und die Thermoelemente mit einem Druck miteinander verbunden, insbesondere gegeneinander beaufschlagt sind, der zwischen 100 Newton pro Quadratmillimeter und 1500 Newton pro Quadratmillimeter beträgt. Genutzt wird hierbei die überraschende Kenntnis, dass sich die Eigenschaften des thermoelektrischen Moduls, insbesondere die Effizienz, mit erhöhtem Druck verbessern, wobei die Verbesserungen sich einem Maximum nähren. Bei Drücken zwischen 100 Newton pro Quadratmillimeter und 500 Newton pro Quadratmillimeter tritt eine überraschend hohe Verbesserung der Eigenschaften, insbesondere der Effizienz, des Moduls ein, die mit zunehmendem Druck weniger ausgeprägt ist. Bevorzugt sind Werte zwischen 200 Newton pro Quadratmilimeter und 1500 Newton pro Quadratmilimeter.Embodiments are conceivable in which the conductor bridge and the thermocouples are connected to one another, in particular acted upon one another, with a pressure which is between 100 Newtons per square millimeter and 1500 Newtons per square millimeter. Use is made here of the surprising knowledge that the properties of the thermoelectric module, in particular the efficiency, improve with increased pressure, the improvements approaching a maximum. At pressures between 100 Newtons per square millimeter and 500 Newtons per square millimeter, there is a surprisingly high improvement in the properties, in particular the efficiency, of the module, which is less pronounced with increasing pressure. Values between 200 Newtons per square millimeter and 1500 Newtons per square millimeter are preferred.
Das thermoelektrische Modul kann neben den Thermoelementen und den Leiterbrücken auch elektrisch isolierende Schichten aufweisen, welche auf der von den Thermoelementen abgewandten Seiten der Leiterbrücken angebracht sind. Bevorzugt weisen diese elektrisch isolierenden Schichten eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Insbesondere kann es sich dabei um eine Schicht oder eine Platte aus Keramik handeln.In addition to the thermocouples and the conductor bridges, the thermoelectric module can also have electrically insulating layers which are applied to the side of the conductor bridges facing away from the thermocouples. These electrically insulating layers preferably have a high thermal conductivity. In particular, it can be a layer or a plate made of ceramic.
Vorstellbar ist es, dass der jeweiligen Stirnseite eine eigene Nanolage zugeordnet ist. Bevorzugt ist es hierbei, wenn die zugehörige Nanolage die Stirnseite flächig, vorteilhaft gänzlich, bedeckt. Dabei kann die jeweilige Nanolage an einer Stirnseite oder an zwei Stirnseiten angebracht sein, welche die zugehörige Leiterbrücke elektrisch miteinander verbindet.It is conceivable that the respective end face is assigned its own nano-layer. It is preferred here if the associated nano-layer covers the face over a large area, advantageously entirely. The respective nano-layer can be attached to one end face or to two end faces, which electrically connects the associated conductor bridge to one another.
Als bevorzugt sind Ausführungsformen zu betrachten, bei denen zumindest eine der Nanolagen, vorzugsweise die jeweilige Nanolage, an der Stirnseite einer der zugehörigen Thermoelemente oder an den Stirnseiten beider zugehöriger Thermoelemente angebracht ist, wobei die Nanolage sich vorteilhaft flächig entlang der Stirnseite erstreckt und diese bevorzugt flächig, besonders bevorzugt gänzlich, überdeckt. Somit ist es möglich, Rauigkeiten, auch Rauheiten genannt, an der zugehörigen Stirnseite des Thermoelements verbessert auszugleichen und somit den elektrischen Kontaktwiderstand zu reduzieren.Embodiments are to be considered as preferred in which at least one of the nano-layers, preferably the respective nano-layer, is attached to the end face of one of the associated thermocouples or to the end faces of both associated thermocouples, the nano-layer advantageously extending flat along the end face and this preferably flat , particularly preferably completely, covered. It is thus possible to better compensate for roughness, also called roughness, on the associated end face of the thermocouple and thus to reduce the electrical contact resistance.
Die Dimensionen der Strukturbestandteile, insbesondere der Nanodrähte, sind vorteilhaft derart an die Rauigkeit der unmittelbar angrenzenden Bestandteile des Moduls, insbesondere der Stirnseiten und/der der Leiterbrücken, angepasst, dass die Strukturbestandteile die Rauigkeit ausgleichen. Dies erfolgt vorteilhaft derart, dass Hohlräume, die sich aufgrund der Rauigkeiten beim Verbinden der Verbindungspartner im Kontaktbereich ergeben durch die Strukturbestandteile geschlossen oder zumindest verkleinert sind. Insbesondere sind die Strukturbestandteile, beispielsweise die Nanodrähte, kleiner als die Hohlräume, so dass sie die Hohlräume zumindest teilweise füllen. Beispielsweise beträgt die mittlere Rauheit Ra zwischen 0,2 und 1,6.The dimensions of the structural components, in particular the nanowires, are advantageously adapted to the roughness of the directly adjacent components of the module, in particular the end faces and / of the conductor bridges, in such a way that the structural components compensate for the roughness. This is advantageously carried out in such a way that cavities which arise due to the roughness when connecting the connection partners in the contact area are closed or at least reduced in size by the structural components. In particular, the structural components, for example the nanowires, are smaller than the cavities, so that they at least partially fill the cavities. For example, the mean roughness R a is between 0.2 and 1.6.
Die jeweilige Leiterbrücke kann prinzipiell gänzlich aus der Nanolage bestehen.The respective ladder bridge can in principle consist entirely of the nano layer.
Vorteilhaft weist die Leiterbrücke zusätzlich zu der zumindest einen Nanolage ein elektrisch leitendes Leitelement, auf. Somit kann die Leiterbrücke kostengünstiger und/oder variabler hergestellt werden.In addition to the at least one nano-layer, the conductor bridge advantageously has an electrically conductive guide element. The conductor bridge can thus be manufactured more cost-effectively and / or in a more variable manner.
Bei dem Leitelement kann es sich prinzipiell um ein Blech oder eine Folie handeln.The guide element can in principle be a sheet metal or a foil.
Denkbar sind auch Ausführungsformen, bei denen zumindest eines der Leitelemente ein Metallgeflecht aufweist, insbesondere ein Metallgeflecht ist. Ein solches Metallgeflecht weist elastische, insbesondere federnde Eigenschaften auf, so dass ein Ausgleich von mechanischen, thermischen und thermomechanischen Beanspruchungen des Moduls vereinfacht erfolgt.Embodiments are also conceivable in which at least one of the guide elements has a metal mesh, in particular is a metal mesh. Such a metal mesh has elastic, in particular resilient properties, so that the mechanical, thermal and thermomechanical stresses on the module can be compensated for in a simplified manner.
Vorstellbar sind auch Ausführungsformen, bei denen das Leitelement, insbesondere das Metallgeflecht, schaumartig oder in der Art eines Bandes hergestellt sind.Embodiments are also conceivable in which the guide element, in particular the metal mesh, is produced in the form of a foam or in the manner of a band.
Das Modul kann ein Substrat oder ein Gehäuse aufweisen, das außenseitig an den Leiterbrücken und/oder der elektrisch isolierenden Isolierschicht angebracht ist und der Verbindung mit einer Wärmesenke bzw. einer Wärmequelle dient. Bei der Wärmesenke bzw. der Wärmequelle kann es sich jeweils um ein Fluid oder einen festen Körper handeln, auf das/den Wärme übertragen bzw. von dem Wärme abgezogen wird.The module can have a substrate or a housing which is attached on the outside of the conductor bridges and / or the electrically insulating insulating layer and is used for connection to a heat sink or a heat source. The heat sink or the heat source can be a fluid or a solid body to which heat is transferred or from which heat is withdrawn.
Bevorzugt ist das Gehäuse bzw. das Substrat gegenüber den Leiterbrücken elektrisch isoliert. Dies kann mittels besagter Isolierschicht erfolgen, welche beispielsweise als eine dielektrische Beschichtung an der den Leiterbrücken zugewandten Seite des Substrats bzw. des Gehäuses angebracht ist. Vorteilhaft sind Varianten, bei denen das Dielektrikum auf der der Leiterbrücken zugewandten Seite mit einem Metall oder einer Metalllegierung, beispielsweise mit Silber oder Kupfer, beschichtet ist, um einerseits eine verbesserte Verbindung zwischen dem Dielektrikum und der Leiterbrücke zu ermöglichen und andererseits eine verbesserte elektrische Verbindung der Thermoelemente.The housing or the substrate is preferably electrically insulated from the conductor bridges. This can be done by means of said insulating layer, which is applied, for example, as a dielectric coating to the side of the substrate or of the housing facing the conductor bridges. Variants are advantageous in which the dielectric is coated on the side facing the conductor bridges with a metal or a metal alloy, for example with silver or copper, in order to enable an improved connection between the dielectric and the conductor bridge and an improved electrical connection between the Thermocouples.
Alternativ oder zusätzlich kann das Substrat bzw. das Gehäuse aus einem metallischen Blech, beispielsweise aus Edelstahl, hergestellt sein und auf der den Leiterbrücken zugewandten Seite mit einem Metalloxid beschichtet, insbesondere lackiert, sein. Hierbei handelt es sich insbesondere um eine Siliziumoxid-Beschichtung bzw. um einen Siliziumoxid-Lack. Vorstellbar sind auch Beschichtungen und Lacke mit Bornitrid.As an alternative or in addition, the substrate or the housing can be made from a metal sheet, for example from stainless steel, and coated, in particular painted, with a metal oxide on the side facing the conductor bridges. This is in particular a silicon oxide coating or a silicon oxide lacquer. Coatings and varnishes with boron nitride are also conceivable.
Vorstellbar sind ebenso Ausführungsformen, bei denen das Substrat bzw. Gehäuse selbst elektrisch isolierend ist. Zu denken ist insbesondere an ein Substrat bzw. Gehäuse aus einer Keramik, beispielsweise Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid und dergleichen. In diesem Fall kann eine separate elektrische Isolierung entfallen. Vorteilhaft ist es dabei, wenn das Substrat bzw. Gehäuse, insbesondere die Keramik, im Bereich der Leiterbrücken metallisch beschichtet ist, um eine verbesserte Verbindung zwischen der Leiterbrücke und dem Gehäuse bzw. Substrat zu ermöglichen.Embodiments are also conceivable in which the substrate or housing is itself electrically insulating. A substrate or housing made of a ceramic, for example aluminum oxide, aluminum nitride and the like, should be considered in particular. In this case, separate electrical insulation can be omitted. It is advantageous if the substrate or housing, in particular the ceramic, is coated with metal in the area of the conductor bridges in order to enable an improved connection between the conductor bridge and the housing or substrate.
Das thermoelektrische Modul kann prinzipiell beliebig ausgestaltet sein. Insbesondere ist das thermoelektrische Modul als ein Peltier-Modul ausgestaltet, welches beim Bestromen der Thermoelemente Wärme von der ersten Seite auf die zweite Seite pumpt oder umgekehrt.The thermoelectric module can in principle be designed in any way. In particular, the thermoelectric module is designed as a Peltier module which, when energizing the thermocouples, pumps heat from the first side to the second side or vice versa.
Das thermoelektrische Modul kann in einer beliebigen Anwendung zum Einsatz kommen. Zu denken ist insbesondere an den Einsatz in Klimaanlagen zum Klimatisieren eines Fluids, insbesondere von Luft. Derartige Anwendungen kommen beispielsweise in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz.The thermoelectric module can be used in any application. One should think in particular of the use in air conditioning systems for air conditioning a fluid, in particular air. Such applications are used, for example, in a motor vehicle.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Further important features and advantages of the invention emerge from the subclaims, from the drawings and from the associated description of the figures on the basis of the drawings.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the present invention.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.Preferred exemplary embodiments of the invention are shown in the drawings and are explained in more detail in the following description, with the same reference symbols referring to the same or similar or functionally identical components.
Es zeigen, jeweils schematisch
-
1 eine Seitenansicht eines thermoelektrischen Moduls, -
2 eine Explosionsdarstellung des thermoelektrischen Moduls.
-
1 a side view of a thermoelectric module, -
2 an exploded view of the thermoelectric module.
Ein thermoelektrisches Modul
Im gezeigten Beispiel ist die jeweilige Nanolage
Die Nanostruktur
Die Leitelemente
Die Leiterbrücken
Die Thermoelemente
Vorzugsweise weisen die Nanostrukturen
Im gezeigten Beispiel sind die Thermoelemente
Endseitig der Anordnung
Auf der von den Thermoelementen
Auf der von den Thermoelementen
Sofern das Substrat
Bevorzugt sind auch die Isolierschicht
Das thermoelektrische Modul
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- WO 2010/010783 A1 [0005]WO 2010/010783 A1 [0005]
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|---|---|---|---|---|
| WO2011054756A1 (en) * | 2009-11-03 | 2011-05-12 | Basf Se | Use of porous metallic materials as contact connection in thermoelectric modules |
| US20190044042A1 (en) * | 2015-09-28 | 2019-02-07 | Mitsubishi Materials Corporation | Thermoelectric conversion module and thermoelectric conversion device |
-
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