AT508277A1 - Thermoelektrisches modul mit paarweise angeordneten p- und n- dotierten schenkeln - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Modul mit paarweise angeordneten p- und n-dotierten Schenkeln (P- und N-Legs), die an gegenüberliegenden Enden über elektrisch leitende Kontaktelemente in Reihe geschaltet sind.

Ein thermoelektrisches Modul gemäß Stand der Technik weist beispielsweise einen Aufbau auf, der in der DE 10 2005 057 763 Al beschrieben ist. Das thermoelektrische Modul weist eine Mehrzahl von thermoelektrischen Halbelementen (bzw. p- und n-dotierte Schenkel) auf, wobei jedes Halbelement quader- oder säulenförmig ist und die einzelnen Elemente parallel angeordnet sind. Die Anordnung ist dergestalt, dass Halbelemente aus einander abwechselnden Werkstoffen (p- oder n-leitend dotierte Halbleiter) in Reihe geschaltet sind. An gegenüberliegenden Enden sind Leiterplättchen an den Halbelementen befestigt, welche jeweils einen p- und einen n-dotierten Schenkel elektrisch leitend verbinden. Die Leiterplättchen jeder Seite bilden eine Ebene, in der im Wesentlichen direkt eine Wärmetauscherplatte kontaktiert wird. Eine ähnliche Anordnung von parallel ausgerichteten p- und einen n-dotierten Schenkeln, die mit Elektrodenplättchen aus Stahl oder einer Stahllegierung elektrisch leitend miteinander verbunden sind, ist aus der US 6,759,586 B2 bekannt.

Weiters ist aus der WO 2008/155406 A2 ein thermoelektrischer Generator zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie bekannt, welcher mit mehreren zu einem Modul zusammengeschalteten Peltierelementen ausgestattet ist, die zwischen einer Wärmequelle und einer Wärmesenke angeordnet sind. Jedes Peltierelement besteht aus einem p-dotierten Schenkel und einem n-dotierten Schenkel, die parallel zueinander angeordnet und an deren Enden durch Elektroden elektrisch leitend verbunden sind. Sowohl die p-dotierten als auch die n-dotierten Schenkel der einzelnen Peltierelemente weisen unterschiedliche Materialien auf, deren Wirkungsgrad im Hinblick auf unterschiedliche Temperaturwerte an den Kontaktstellen der einzelnen Peltierelemente zur Wärmequelle optimiert ist. Für Hochtemperaturanwendungen werden in den p-dotierten Schenkeln Fe-basierte Skutterudite, beispielsweise Ce0.9Fe3CoSbi2, oder Ybo.75Fe3.5Ni0.5Sbi2 und in den n-dotierten Schenkeln Co-basierte Skutterudite, beispielsweise YbyCo4-xPtxSbi2, oder Bao.sCos.gsNio.osSb^ verwendet.

Als Folge der parallelen Anordnung der einzelnen Schenkel ist die Einhaltung von sehr geringen Fertigungstoleranzen erforderlich, um eine ebene Kontaktfläche zu den Kontaktelektroden bzw. den Wärmetauscherelementen kostengünstig mittels vorgeformter Kontakt- oder Elektrodenelemente hersteilen zu können. So sind hier Fertigungstoleranzen im Bereich von 10pm erforderlich, was hohe Anforde- - 2 - ·· ·· ···· ·· · • · · · · · ♦ · ·« ··· rungen an die Feinbearbeitung der p- und n- Schenkel nach sich zieht. Insbesondere bei Hochtemperaturanwendungen werden für die Schenkel bevorzugt Materialien, wie beispielsweise die eingangs erwähnten Skutterudite, verwendet, die nur mit größerem Aufwand einer Feinbearbeitung zugeführt werden können.

Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend von bekannten thermoelektrischen Modulen, Verbesserungen vorzuschlagen, mit welchen die Herstellung von thermoelektrischen Modulen vereinfacht werden kann, wobei die Anforderungen an die Genauigkeit der einzelnen TEG-Legs sowie der übrigen Bauteile minimiert werden sollen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäße dadurch gelöst, dass die p- und n-dotier-ten Schenkel paarweise in einer V-Stellung angeordnet sind, wobei die jeweils einander zugeneigten Enden der Schenkel mittels der Kontaktelemente elektrisch leitend verbunden sind. Es können dadurch gleichartige, vorgefertigte Kontaktelemente verwendet werden, die beispielsweise durch Löten, Thermokompres-sion oder Diffusionsschweißen elektrisch leitend mit den p- und n-dotierten Schenkeln verbunden werden.

Insbesondere ist vorgesehen, dass die elektrisch leitenden Kontaktelemente prismatisch, vorzugsweise in Form eines Doppelkeils mit entgegengesetzt ausgerichteten Keilspitzen, ausgebildet sind, dessen beide Keilflächen mit der Basisfläche jeweils einen spitzen Winkel einschließen, der dem Kippwinkel entspricht. Beispielsweise können die einzelnen Schenkel einen Kippwinkel α zwischen 5° und 15° aufweisen. Durch die erfindungsgemäße V-Stellung der einzelnen Schenkel kann deren Länge mit Hilfe der Kontaktelemente in Form eines Doppelkeils an eine vorgegebene Modul-Höhe angepasst werden, so dass auf einfache Weise ein Toleranzausgleich möglich ist. Durch den Entfall einer mechanischen Feinbearbeitung der einzelnen Schenkel und das Zulassen einer Längentoleranz im Bereich von 50pm, bei einer typischen Gesamtlänge der Schenkel von ca. 3 bis 7 mm, kann die Herstellung wesentlich vereinfacht werden, da nach der Formgebung der Schenkel (z.B. durch Pressen oder Sintern), eine nachfolgende Feinbearbeitung entfallen kann und eine allfällige Einteilung in Längenklassen ebenfalls entfällt, bzw. vereinfacht wird.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die p- und n-dotierten Schenkel eines Moduls in mehreren parallelen Reihen angeordnet sind, wobei zur Verbindung zweier benachbarter Reihen ein Ausgleichs-Kontaktelement in Form eines Doppelkeils mit parallel ausgerichteten Keilspitzen vorgesehen ist, dessen beide Kontaktflächen mit der Basisfläche einen spitzen Winkel einschließen, der dem Kippwinkel entspricht. - 3 - ···· ·· • · • ·

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante können die p- und n-dotierten Schenkel eines Hochtemperatur-Moduls aus einem für Temperaturen über 400°C beständigen Material, beispielsweise aus Fe-basierten bzw. Co-basierten Skutte-ruditen bestehen. Bevorzugt werden dann Kontaktelemente aus einem temperaturfesten Material mit mittlerer elektrischer Leitfähigkeit im Bereich von 1*106 bis 10*106 Sm'1 und einer mittleren thermischen Leitfähigkeit im Bereich von 10 bis 40 Wm"1^1 eingesetzt, die beispielsweise aus einfach bearbeitbarem, legiertem Stahl bestehen können.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von zum Teil schematischen Darstellungen näher erläutert.

Es zeigen Fig. 1 ein thermoelektrisches Modul in einer Schnittdarstellung gemäß Stand der Technik, Fig. 2 ein erfindungsgemäßes thermoelektrisches Modul in einer Schnittdarstellung gemäß Fig. 1, Fig. 3 ein Detail aus Fig. 2 in einer dreidimensionalen Darstellung, Fig. 4 eine Vorrichtung zur Herstellung eines thermoelektrischen Moduls gemäß Fig. 2 in einer dreidimensionalen Darstellung, Fig. 5 eine Variante des thermoelektrischen Moduls gemäß Fig. 2 in einer dreidimensionalen Darstellung, Fig. 6 ein Detail der Variante gemäß Fig. 5 in einer vergrößerten Darstellung sowie die Fig. 7 bis 9 eine Gegenüberstellung bekannter Ausführungen (Fig. 7 und Fig. 8) im Vergleich mit der Erfindung (Fig. 9).

Fig. 1 zeigt ein thermoelektrisches Modul 1 gemäß Stand der Technik mit parallel angeordneten p- und n-dotierten Schenkeln 2, 3 (P- und N-Legs), wobei jeder Schenkel aus einem von zwei thermoelektrischen Werkstoffen besteht und zwei einander gegenüberliegende Enden aufweist, die jeweils mit einem elektrisch leitenden Kontaktelement 4, 5 mit einem benachbarten Schenkel zusammengeschaltet sind. Die Anordnung ist dergestalt, dass die Schenkel 2, 3 elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die einzelnen Kontaktelemente 4, 5 sind - gegebenenfalls über einen Haftverbinder 13 - im Wesentlichen direkt mit nicht weiter spezifizierten Wärmetauscherelementen 11, 12 verbunden. Beispielsweise kann als Wärmetauscherelement 11 ein Kühlmittelwärmetauscher und als Wärmetauscherelement 12 ein Abgaswärmetauscher eingesetzt sein. Bei zu großen Längentoleranzen der einzelnen Schenkel 2, 3 können Mängel in der thermischen Kontaktierung auftreten, wodurch der Wirkungsgrad des Moduls verschlechtert wird.

Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes thermoelektrisches Modul 1, bei welchem die p- und n-dotierten Schenkel 2, 3 paarweise in einer V-Stellung angeordnet sind. Die jeweils einander zugeneigten Enden der Schenkel 2, 3 liegen an den elektrisch leitenden Kontaktelementen 4, 5 satt an, wobei diese - wie in Fig. 3 im Detail darstellt - in Form eines Doppelkeils ausgebiidet sind, bei welchem die

Keilspitzen 10, 10' in entgegengesetzte Richtungen weisen. Es werden somit zwei Keilflächen 6, 6' gleicher Neigung ausgebildet, die mit der Basisfläche 7 des Doppelkeiles einen Winkel einschließen, der dem Kippwinkel α der einzelnen Schenkel 2, 3 entspricht. Der Kippwinkel α (Winkelabweichung von der Parallelstellung) ist für alle Elemente und Doppelkeile eines thermoelektrischen Moduls gleich und liegt vorzugsweise zwischen 5° und 15°. Die V-Stellung weist somit eine Öffnungswinkel von 2a auf. Zwischen den Kontaktelementen 4, 5 und den jeweils zugeordneten Wärmetauscherelementen 11, 12 kann eine möglichst dünne elektrisch isolierende Schicht 13 mit guter thermischer Leitfähigkeit angeordnet sein.

Wie in Fig. 4 dargestellt, kann bei der Herstellung des thermoelektrischen Moduls auf einfache Weise ein Toleranzausgleich zur Behebung von Maßungenauigkeiten in der Länge der Schenkel 2, 3 bewirkt werden. Dazu bedient man sich einer Schablone mit zwei parallel angeordneten Führungselementen 14, mit welchen die Höhe des herzustellenden thermoelektrischen Moduls vorgegeben wird. Dabei wird zunächst eine erste Einheit, bestehend aus einem unteren Kontaktelement 5 und einem p-dotierten Schenkel 2, zwischen die Führungselemente 14 eingeschoben und eine zweite Einheit, bestehend aus einem n-dotierten Schenkel 3 mit einem oberen Kontaktelement 4, nachgeschoben, bis durch eine Verschiebung auf der Keilfläche 6' die eingeschobene Einheit satt am oberen Führungselement 14 anliegt. Danach wird in weiterer Folge eine dritte Einheit, bestehend aus einem unteren Kontaktelement 5 und einem p-dotierten Schenkel 2, wie mit Pfeil 15 angedeutet, eingeschoben. Dieser Vorgang wird solange fortgesetzt, bis die gewünschte Anzahl an paarweise angeordneten p- und n-dotierten Schenkeln 2, 3 erreicht ist. Geringfügige Längenunterschiede der Schenkel 2, 3 können durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen durch kleine, die Funktion des Moduls nicht beeinflussende Differenzen der mittleren Abstände der Schenkel 2, 3 kompensiert werden.

Fig. 5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsvariante, bei welcher die p- und n-dotierten Schenkel 2, 3 eines Moduls 1 in vier parallelen Reihen 8 angeordnet sind, wobei hier zur Verbindung zweier benachbarter Reihen 8 ein Ausgleichs-Kontaktelement 9 in Form eines speziellen Doppelkeils vorgesehen ist. Ein Doppelkeil 9 ist im Detail in Fig. 6 dargestellt und ist mit parallel ausgerichteten Keilspitzen 10, 10' ausgestattet, wobei auch hier die Keilflächen 6, 6' mit der Basisfläche 7 einen spitzen Winkel einschließen, der dem Kippwinkel α entspricht. Als Ausgleich für allfällige Längenunterschiede der einzelnen Reihen 8 weisen die beiden Keile des Doppelkeils unterschiedliche Längen auf. Die Ausgleichs-Kontaktelement 9 können auch als elektrische Anschlusselemente des Moduls verwendet werden.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung wird in den Fig. 7 bis 9 thematisiert. Fig. 7 zeigt eine herkömmliche parallele Anordnung der Schenkel 2, 3 zwischen den Kontaktelementen 4, 5, die hier als dünne Plättchen eines Materials mit hoher thermischer und elektrischer Leitfähigkeit dargestellt sind. Beispielsweise können hier die elektrischen Kontaktelemente aus Silber, Kupfer, Aluminium, etc. bestehen, die eine elektrische Leitfähigkeit > 60*106 Sm"1 und eine thermische Leitfähigkeit > 200 Wm^K'1 aufweisen. Für Hochtemperaturanwendungen sind allerdings viele der bekannte Leitermaterialien nicht geeignet, da diese Materialien mit den Materialien der TEG Schenkel nicht dauerhaft kompatibel sind. Der Temperaturgradient wird entlang einer Gesamthöhe H betrachtet, die sich aus h_el des oberen Kontaktelements 4, hjeg des Schenkels 2 und h_el des unteren Kontaktelements 5 zusammensetzt, wobei in diesem Fall h_el << h_leg gilt.

Fig. 8 zeigt nun ein thermoelektrisches Modul für Hochtemperaturanwendungen, mit parallelen TEG-Schenkeln 2, 3 aus Hochtemperaturmaterialien, wobei hier die Kontaktelemente 4, 5 beispielsweise aus einer Stahllegierung bestehen und nur eine mäßige thermische (ca. 10 bis 40 Wm^K"1) bzw. elektrische Leitfähigkeit (1*106 bis 10*106 Sm'1) aufweisen. Die Kontaktelemente müssen daher bei gegebener Strombelastung dicker ausgeführt werden, wobei hier für den Temperaturgradienten bei der parallelen Anordnung eine Höhe H = h_leg+2*h_el wirksam ist.

Die in Fig. 9 dargestellte V-Anordnung hat den Vorteil, dass die Kontaktelemente 4, 5 als Doppelkeil ausgebildet sind, wobei an der Stelle der größten Strombelastung (zwischen den einander zugeneigten Enden der Schenkel 2, 3) der größte Querschnitt aufscheint und die für den Temperaturgradienten wirksame Höhe H = h_leg+l*h_el ist, wenn man zweimal die halbe Keilhöhe berücksichtigt. Der vorhandene Temperaturgradient kann somit durch die V-Stellung besser ausgenützt werden.

Claims (7)

1. »· ·» ···· ·· · * ·*··· · · · · • · · · ·*· ·· · · ♦ · • ♦ · · ·· ···♦#·♦·· ··♦· · · · « · β g _ ·· ·* ·♦· ·· · · PATENTANSPRÜCHE 1. Thermoelektrisches Modul (1) mit paarweise angeordneten p- und n-dotier-ten Schenkeln (2, 3), die an gegenüberliegenden Enden über elektrisch leitende Kontaktelemente (4, 5) in Reihe geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die p- und n-dotierten Schenkel (2, 3) paarweise in einer V-Stellung angeordnet sind, wobei die jeweils einander zugeneigten Enden der Schenkel (2, 3) mittels der Kontaktelemente (4, 5) elektrisch leitend verbunden sind.
2. 2. Thermoelektrisches Modul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Schenkel (2, 3) einem Kippwinkel (a) zwischen 5° und 15° aufweisen.
3. 3. Thermoelektrisches Modul (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitenden Kontaktelemente (4, 5) prismatisch, vorzugsweise in Form eines Doppelkeils mit entgegengesetzt ausgerichteten Keilspitzen (10, 10') ausgebildet sind, dessen beide Keilflächen (6, 6') mit der Basisfläche (7) jeweils einen spitzen Winkel einschließen, der dem Kippwinkel (a) entspricht.
4. 4. Thermoelektrisches Modul (1) Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die p- und n-dotierten Schenkel (2, 3) eines Moduls (1) in mehreren parallelen Reihen (8) angeordnet sind, wobei zur Verbindung zweier benachbarter Reihen (8) ein Ausgleichs-Kontaktelement (9) in Form eines Doppelkeils mit parallel ausgerichteten Keilspitzen (10, 10') vorgesehen ist, dessen beide Kontaktflächen (6, 6') mit der Basisfläche (7) jeweils einen spitzen Winkel einschließen, der dem Kippwinkel (a) entspricht.
5. 5. Thermoelektrisches Modul (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisflächen (7) der Kontaktelemente (4, 5) parallele Kontaktflächen zu angrenzenden Wärmetauscherelementen (11, 12) bilden.
6. 6. Thermoelektrisches Modul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die p- und n-dotierten Schenkel (2, 3) eines Hochtemperatur-Moduls (1) aus einem für Temperaturen über 400°C beständigen Material, beispielsweise aus Fe-basierten bzw. Co-basierten Skutteru-diten bestehen.
7. 7. Thermoelektrisches Modul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente (4, 5) aus einem temperaturfesten Material mit mittlerer elektrischer Leitfähigkeit im Bereich von 1*106 bis 10* 106 Sm'1 und einer mittleren thermischen Leitfähigkeit im Bereich von 10 bis 40 Wm^K'1, beispielsweise aus legiertem Stahl, bestehen. 2009 06 09 Lu/Sc 5v~(/T>;^ßntanwalt Dipl.-Ing. Mag. Michael Babeluk A-1150 Wien, Mariahilfer Gürtel 3S/17 Tel.: (+43 1) 892 89 33-0 Fax: (+43 1) 892 89 333 ««mall: