DE102012022328B4 - Thermoelectric module - Google Patents
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Abstract
Thermoelektrisches Modul, das mit mehreren elektrisch in Reihe geschalteten thermoelektrischen Elementen gebildet ist, die mittels mindestens einem Substrat miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) oder die Substrate aus stoffschlüssig miteinander verbundenen Metallfasern oder dünnen Metalldrähten gebildet ist oder jeweils gebildet sind und das Substrat (1) oder die Substrate eine Netzwerkstruktur bildet oder jeweils bilden, in der Hohl- oder Freiräume vorhanden sind, und dass elektrische Kontakte (5) vorhanden sind, die elektrisch leitende Verbindungen zwischen nebeneinander angeordneten thermoelektrischen Elementen herstellen, und dass das Substrat (1) oder die Substrate an einer den thermoelektrischen Werkstoffen (6) der thermoelektrischen Elemente zugewandten Seite und/oder an einer den elektrischen Kontakten (5) zur elektrisch leitenden Verbindung zwischen nebeneinander angeordneten thermoelektrischen Elementen zugewandten Seite eine dielektrische Oberflächenbeschichtung oder eine dielektrische Schicht (2) aufweist oder jeweils aufweisen. Thermoelectric module which is formed with a plurality of thermoelectric elements connected in series, which are interconnected by means of at least one substrate, characterized in that the substrate (1) or the substrates of materially interconnected metal fibers or thin metal wires is formed or are each formed and the substrate (1) or the substrates form or form a network structure in which cavities or free spaces are present, and in that there are electrical contacts (5) which produce electrically conductive connections between juxtaposed thermoelectric elements, and in that the substrate (1) or the substrates on a side facing the thermoelectric materials (6) of the thermoelectric elements side and / or on a the electrical contacts (5) for electrically conductive connection between juxtaposed thermoelectric elements side facing a dielektris Surface coating or a dielectric layer (2) comprises or each have.
Description
Die Erfindung betrifft thermoelektrische Module, die mit elektrisch in Reihe verschalteten Bausteinen aus thermoelektrisch aktiven Materialien (Thermoelektrika) gebildet sind. Die Thermoelektrika zeichnen sich dadurch aus, dass die drei Eigenschaften elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie Thermokraft (Seebeck-Koeffizient) in einer für die thermoelektrische Effizienz günstigen Relation vorhanden sind. Die thermoelektrische Effizienz wird mit dem dimensionslosen ZT-Wert beschrieben, der sich aus der Formel ZT= S2· σ/κ · Tm (S-Seebeck-Koeffizient, σ-elektrische Leitfähigkeit, κ- thermische Leitfähigkeit, Tm-mittlere Temperatur an einem Thermoschenkel) errechnet und für eine technisch verwertbare Effizienz >1 sein sollte. Um eine technisch verwertbare elektrische Spannung mit einem thermoelektrischen Generator zu erzeugen, ist es vorteilhaft, mit geeigneter elektrischer Verbindung ein Modul auch nur aus n- oder p-leitenden Schenkeln aufzubauen, so dass p- und n-leitende Schenkel miteinander kombiniert werden und ein möglichst hoher Temperaturgradient an den thermoelektrischen Schenkeln anliegt, denn die Höhe der erreichbaren thermoelektrische Spannung ergibt sich aus Uth= S·ΔT. Aus den genannten thermoelektrischen Erfordernisse ergeben sich eine Reihe von thermomechanischen Anforderungen. Es ist nicht bei allen thermoelektrischen Materialien möglich, p-leitende und n-leitende Werkstoffe durch unterschiedliche Dotierungen bereitzustellen. Einige Werkstoffe sind entweder nur n-leitend (z.B. Titansuboxid) oder nur p-leitend (z.B. Borcarbid). Solche Werkstoffe können zahlreiche Vorteile gegenüber anderen thermoelektrischen Materialien besitzen, wie z.B. hohe Temperaturbeständigkeit, hohe Verfügbarkeit, niedrige Produktionskosten. Um p- und n-leitende Materialien nutzen zu können, müssen beim Aufbau eines thermoelektrischen Generators/Moduls unterschiedliche Werkstoffe/Materialien verwendet werden. Solche Werkstoffe weisen aber unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten auf (z.B. TiOx α=9·10-6 K-1 und BxC α=4·10-6K-1). Da diese Werkstoffe gemeinsam in einem thermoelektrischen Modul/Generator eingesetzt werden und gemeinsam erwärmt werden, kommt es zu unterschiedlichen Längenausdehnungen bei Veränderung der Temperatur, was zur Zerstörung der elektrischen Verbindungen oder zum Bruch der als Generatorbasis dienenden Substrate führen kann.The invention relates to thermoelectric modules which are formed with electrically interconnected components of thermoelectrically active materials (thermoelectrics). The thermoelectrics are characterized by the fact that the three properties of electrical and thermal conductivity as well as thermoelectricity (Seebeck coefficient) are present in a favorable relationship for the thermoelectric efficiency. The thermoelectric efficiency is described by the dimensionless ZT value, which is defined by the formula ZT = S 2 .σ / κ .T m (S-Seebeck coefficient, σ-electrical conductivity, κ-thermal conductivity, T m -middle temperature on a thermo leg) and should be> 1 for a technically usable efficiency. In order to produce a technically utilizable electrical voltage with a thermoelectric generator, it is advantageous to construct a module with suitable electrical connection also only of n- or p-type legs, so that p- and n-type legs are combined and one as possible high temperature gradient is applied to the thermoelectric legs, because the height of the achievable thermoelectric voltage results from U th = S · ΔT. From the mentioned thermoelectric requirements arise a number of thermomechanical requirements. It is not possible with all thermoelectric materials to provide p-type and n-type materials by different doping. Some materials are either only n-type (eg titanium suboxide) or only p-type (eg boron carbide). Such materials can have many advantages over other thermoelectric materials, such as high temperature resistance, high availability, low production costs. In order to be able to use p- and n-type materials, different materials must be used in the construction of a thermoelectric generator / module. However, such materials have different coefficients of expansion (eg TiO x α = 9 × 10 -6 K -1 and B × C α = 4 × 10 -6 K -1 ). Since these materials are used together in a thermoelectric module / generator and are heated together, it comes to different length expansions when changing the temperature, which can lead to the destruction of the electrical connections or breakage of serving as a generator base substrates.
Weiterhin ist es erforderlich, zur Generierung einer thermoelektrischen Spannung eine möglichst große Temperaturdifferenz an den beiden Schenkeln zu erreichen. Die Temperaturdifferenz führt dazu, dass sich der n- und der p-leitende Thermoschenkel über die Länge unterschiedlich stark ausdehnen und dass daher an den Verbindungspositionen zum Substrat unterschiedliche Dehnungen auftreten, die zu mechanischen Spannungen führen. Ebenso dehnen sich die Substratplatten auf der kalten und auf der warmen Seite des Moduls/Generators unterschiedlich stark aus, so dass die Schenkel aufgrund dieser unterschiedlichen Substratdehnung mechanisch beansprucht werden. Aus diesen Gründen ist es erforderlich, folgende Maßnahmen zu ergreifen:
- 1. die n- und p-leitenden Schenkelwerkstoffe sollten möglichst gleiche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen;
- 2. Schenkelwerkstoffe und Substratwerkstoffe sollten möglichst gleiche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen;
- 3. der Temperaturgradient im Generator sollte möglichst klein bleiben.
- 1. the n- and p-type leg materials should have the same thermal expansion coefficients as possible;
- 2. Schenkelwerkstoffe and substrate materials should preferably have the same thermal expansion coefficient;
- 3. The temperature gradient in the generator should remain as small as possible.
Diese drei Forderungen sind nicht immer gleichzeitig umsetzbar. So steht die Anforderung
Bei bisher bekannten technischen Lösungen wurde versucht, die oben genannten Maßgaben weitgehend einzuhalten. Hinsichtlich der Werkstoffe ist dies in der Regel aber nicht möglich, da thermoelektrische Werkstoffe mit einem hohen ZT-Wert nur in geringer Zahl vorhanden sind, so dass es hier nur wenige Optionen gibt.In previously known technical solutions has been trying to largely comply with the above requirements. With regard to materials, however, this is generally not possible since thermoelectric materials with a high ZT value are present only in small numbers, so that there are only a few options here.
Die Substratmaterialien sind üblicherweise entweder Keramiken (
Um diese Bruchanfälligkeit zu kompensieren, können metallische Gleitschichten auf die Keramiken aufgebracht werden (
Der Verzicht auf eine feste stoffliche Anbindung zwischen den n- und den p-leitenden Schenkeln und den Substraten und der Verbund über elektrische Kontakte bei den n- und den p-leitenden Schenkeln ermöglicht eine hohe Flexibilität eines thermoelektrischen Moduls/ Generators (
Zur Verstärkung eines Moduls bei Temperaturwechselbelastungen wurden anstelle von thermoelektrischen Werkstoffen, Werkstoffe mit höherer Festigkeit in ein Modul eingebaut (
Ein thermoelektrisches Wandlerelement ist in
Die
Aus
Bei der aus
Die
Es ist daher Aufgabe der Erfindung thermoelektrische Module zur Verfügung zu stellen, die bei großen Temperaturdifferenzen mit erhöhtem Wirkungsgrad bei erhöhter Lebendsauer und Zuverlässigkeit einsetzbar sind.It is therefore an object of the invention to provide thermoelectric modules available that can be used at high temperature differences with increased efficiency with increased life duration and reliability.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem thermoelektrischen Modul, das die Merkmale des Anspruchs
Ein erfindungsgemäßes thermoelektrisches Modul ist mit mehreren thermoelektrischen Elementen, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, ausgebildet. Dabei werden die thermoelektrischen Elemente mit mindestens einem Substrat verbunden und zusammengehalten. Das Substrat ist dabei aus stoffschlüssig miteinander verbundenen Metallfasern oder dünnen Metalldrähten gebildet. Bei einer stoffschlüssigen Verbindung sollten die Metallfasern oder Drähte miteinander versintert sein. Dabei sollen lediglich punktuelle Verbindungen zwischen nebeneinander angeordneten Fasern oder Drähten mittels Sinterbrücken hergestellt sein. Dadurch bleiben Hohl- oder Freiräume in einer entsprechend ausgebildeten Netzwerkstruktur, die eine elastische Verformung eines solchen Substrates zulassen.An inventive thermoelectric module is formed with a plurality of thermoelectric elements, which are electrically connected in series. In this case, the thermoelectric elements are connected to at least one substrate and held together. The substrate is formed from cohesively interconnected metal fibers or thin metal wires. In a cohesive connection, the metal fibers or wires should be sintered together. In this case, only selective connections between juxtaposed fibers or wires should be made by means of sintered bridges. As a result, cavities or free spaces remain in a correspondingly formed network structure, which allows an elastic deformation of such a substrate.
Der Anteil an Hohlräumen bzw. die Porosität kann bei der Auswahl eines bei der Erfindung einsetzbaren Substrats berücksichtigt werden. Dabei kann die gewünschte Wärmeleitfähigkeit, die oberhalb 10 W/mK, bevorzugt oberhalb 20 W/mK liegen sollte, in Verbindung mit der gewünschten Verformbarkeit bei den infolge unterschiedlicher thermischer Ausdehnungen auftretenden mechanischen Spannungen, berücksichtigt werden. Ein Substrat kann eine Porosität im Bereich von 70 % bis 90 % und mittlere Porengrößen im Bereich von 10 µm bis 1000 µm aufweisen.The proportion of cavities or the porosity can be taken into account in the selection of a usable substrate in the invention. In this case, the desired thermal conductivity, which should be above 10 W / mK, preferably above 20 W / mK, in conjunction with the desired deformability at the mechanical stresses occurring as a result of different thermal expansions, be taken into account. A substrate may have a porosity in the range of 70% to 90% and average pore sizes in the range of 10 μm to 1000 μm.
Um die thermomechanischen Probleme beim Aufbau eines thermoelektrischen Moduls zu lösen und gleichzeitig einen hohen thermoelektrischen Wirkungsgrad zu ermöglichen, sollten die Substrate so verändert werden, dass sie thermomechanische Spannungen kompensieren und dabei gleichzeitig hochtemperaturbeständig und gut wärmeleitfähig sind. Die genannten Merkmale der Substrate können gleichzeitig realisiert werden, indem aus Metallfasern oder dünnen Metalldrähten gebildete Elemente als Substrate für thermoelektrische Module eingesetzt werden. Die Metallfasern oder Metalldrähte sind dabei stoffschlüssig miteinander verbunden. Besonders vorteilhaft sind miteinander versinterte Metallfasern. Die Metalle können nach den jeweiligen Einsatzbedingungen ausgewählt werden. Dabei können die auftretenden Temperaturen, die Umgebungsatmosphäre oder ein Medium, das in Kontakt mit dem Metall kommt, berücksichtigt werden. Außerdem besteht die Möglichkeit, eine Optimierung durchzuführen, wobei die Verformbarkeit infolge unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten und die Wärmeleitfähigkeit des Substrats, besonders vorteilhaft auch richtungsabhängig, berücksichtigt werden können.In order to solve the thermomechanical problems in the construction of a thermoelectric module while allowing a high thermoelectric efficiency, the substrates should be changed so that they compensate for thermo-mechanical stresses while high-temperature resistant and good thermal conductivity. The mentioned features of the substrates can be realized simultaneously by using elements formed of metal fibers or thin metal wires as substrates for thermoelectric modules. The metal fibers or metal wires are while firmly bonded together. Particularly advantageous are mutually sintered metal fibers. The metals can be selected according to the respective conditions of use. In this case, the temperatures occurring, the ambient atmosphere or a medium which comes into contact with the metal, can be taken into account. It is also possible to carry out an optimization, wherein the deformability due to different thermal expansion coefficients and the thermal conductivity of the substrate, particularly advantageous depending on the direction, can be taken into account.
Hierzu können die Metallfasern oder dünnen Metalldrähte zumindest überwiegend in mehreren parallel zueinander ausgerichteten Ebenen so angeordnet und entsprechend ausgerichtet sein, dass sich eine anisotrope thermische und elektrische Leitfähigkeit ausnutzen lässt. Dabei kann eine erhöhte Temperaturdifferenz zwischen der warmen und der kalten Seite des Moduls eingehalten werden.For this purpose, the metal fibers or thin metal wires may at least predominantly be arranged in a plurality of planes aligned parallel to one another and correspondingly aligned such that an anisotropic thermal and electrical conductivity can be utilized. In this case, an increased temperature difference between the hot and the cold side of the module can be maintained.
Aus Metallfasern oder Drähten gebildete Elemente, die z.B. Platten oder streifenförmige Elemente sein können, verfügen über eine ausreichend hohe Wärmeleitfähigkeit, da sie inhärent ein Netzwerk aus Metallfasern oder Drähten enthalten. Dieses Netzwerk kann bei geeigneter Werkstoffwahl und geeigneter Netzwerkstruktur eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit erreichen. Gleichzeitig sind solche Netzwerke in der Lage, sich beim Wirken mechanischer Spannungen lokal elastisch zu verformen, so dass die äußere geometrische Form und Dimensionierung eines mit Metallfasern oder dünnen Drähten gebildeten Elements unverändert bleiben kann und Verformungen lediglich in Bereichen, in denen mechanische Spannungen infolge unterschiedlicher thermischer Ausdehnung auftreten, erfolgen. Die auftretenden thermomechanischen Spannungen werden dadurch lokal innerhalb eines so ausgebildeten Substrats abgebaut und haben keine Wirkung auf die mit dem Substrat verbundenen Baugruppen oder weiteren Elemente. Dadurch können unterschiedliche Dehnungen der eingesetzten unterschiedlichen thermoelektrischen und anderer an einem Modul eingesetzten Werkstoffe über die Länge und über das Substrat lokal innerhalb des Substrats kompensiert werden, so dass das Gesamtmodul mechanisch stabil bleibt.Elements formed of metal fibers or wires, e.g. Plates or strip-like elements have a sufficiently high thermal conductivity because they inherently contain a network of metal fibers or wires. This network can achieve a relatively high thermal conductivity with a suitable choice of material and suitable network structure. At the same time, such networks are able to elastically deform locally when mechanical stresses are applied, so that the outer geometric shape and dimensioning of a metal fiber or thin wire element can remain unchanged and deformations only in areas where mechanical stresses due to different thermal stresses occur Extension occur, take place. The occurring thermo-mechanical stresses are thereby degraded locally within such a substrate formed and have no effect on the associated with the substrate assemblies or other elements. As a result, different strains of the different thermoelectric and other materials used on a module over the length and over the substrate locally within the substrate can be compensated, so that the total module remains mechanically stable.
Die generierten mechanischen Spannungen zwischen der kalten und der warmen Seite des Moduls werden durch die beschriebene lokale Kompensation ebenfalls minimiert, so dass das Modul deutlich höhere Temperaturdifferenzen nutzen kann, ohne mechanisch beschädigt oder gar zerstört zu werden.The generated mechanical stresses between the cold and the warm side of the module are also minimized by the described local compensation, so that the module can use significantly higher temperature differences without being mechanically damaged or even destroyed.
Als Werkstoff für Metallfasern oder Metalldrähte können bevorzugt Eisen, Aluminium oder Kupfer bzw. Legierungen davon eingesetzt werden.As a material for metal fibers or metal wires, iron, aluminum or copper or alloys thereof may preferably be used.
Ein Substrat soll an einem thermoelektrischen Werkstoff und/oder einem elektrischen Leiter zur elektrisch leitenden Verbindung von nebeneinander angeordneten thermoelektrischen Elementen zugewandten Seite eine dielektrische Oberflächenbeschichtung oder eine dielektrische Schicht aufweisen, die bevorzugt aus einem Oxid gebildet ist. Diese Beschichtung oder die dielektrische Schicht sollte bei Temperaturen von mindestens 400 ° C einsetzbar sein.A substrate should have on a thermoelectric material and / or an electrical conductor for the electrically conductive connection of juxtaposed thermoelectric elements facing side a dielectric surface coating or a dielectric layer, which is preferably formed from an oxide. This coating or the dielectric layer should be usable at temperatures of at least 400 ° C.
Ein Substrat kann dabei an dieser Oberfläche zusätzlich oxidiert werden, um eine oxidische Beschichtung mit ausreichender Dicke an der Metalloberfläche auszubilden, die ausreichend elektrisch isolierend ist. Dadurch können Kurzschlüsse oder elektrische Leckströme vermieden werden. Die dielektrischen Schichten oder Elemente sollten möglichst dünn sein, um bei einer ausreichenden elektrischen Isolation auch eine gute thermische Leitfähigkeit einzuhalten.A substrate can additionally be oxidized on this surface in order to form an oxidic coating with sufficient thickness on the metal surface, which is sufficiently electrically insulating. As a result, short circuits or electrical leakage currents can be avoided. The dielectric layers or elements should be as thin as possible in order to maintain a good thermal conductivity with sufficient electrical insulation.
Die elektrische Isolation der miteinander verbundenen Metallfasern oder -drähte kann durch eine elektrisch isolierende Beschichtung gewährleistet werden. Diese Beschichtung kann als Mehrschichtaufbau aus thermisch beständigen Metall/Keramikschichten aufgebaut sein. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die elektrische Isolation zwischen Substrat und thermoelektrischen Werkstoffen vorhanden ist, dass mechanische Spannungen zwischen Substrat und thermoelektrischem Werkstoffen minimal gehalten und dass elektrische Verbindungen zwischen den n- und der p-leitenden Einzelschenkeln des Moduls hergestellt werden können. Der Schichtaufbau erhöht die Zuverlässigkeit der elektrischen Verbindungen, indem er im unmittelbaren Bereich der elektrischen Kontakte Ausdehnungsunterschiede zwischen elektrischem Kontakt am jeweiligen thermoelektrischen Werkstoff und elektrischem Leiter sowie zwischen elektrischem Leiter und Substrat kompensiert bzw. minimiert. Hierzu können metallische und keramische Werkstoffe kombiniert werden, um thermische Ausdehnungskoeffizienten, elektrische Leitfähigkeit, Plastizität, Elastizität und E-Module aufeinander abstimmen zu können.The electrical insulation of the interconnected metal fibers or wires can be ensured by an electrically insulating coating. This coating can be constructed as a multilayer structure of thermally resistant metal / ceramic layers. This can ensure that the electrical insulation between substrate and thermoelectric materials is present, that mechanical stresses between the substrate and thermoelectric materials minimized and that electrical connections between the n- and the p-type single legs of the module can be made. The layer structure increases the reliability of the electrical connections by compensating or minimizing, in the immediate area of the electrical contacts, expansion differences between electrical contact on the respective thermoelectric material and electrical conductor and between the electrical conductor and substrate. For this purpose, metallic and ceramic materials can be combined in order to be able to coordinate thermal expansion coefficients, electrical conductivity, plasticity, elasticity and E-modules.
An einem Substrat können die Metallfasern oder Metalldrähte zumindest überwiegend so miteinander verbunden und ausgerichtet sein, dass die thermische Leitfähigkeit von einer äußeren Oberfläche in Richtung der thermoelektrischen Elemente größer als in eine senkrecht dazu ausgerichtete Richtung ist. Allein oder zusätzlich dazu kann die Verformbarkeit in die senkrecht zu der von einer äußeren Oberfläche in Richtung thermoelektrischer Elemente ausgerichtete Richtung größer sein. Durch diese anisotropen Eigenschaften kann die Wärmeleitung von außen in Richtung thermoelektrischer Werkstoffe verbessert bzw. die mechanischen Spannungen, die in Verbindungsbereichen des Substrats mit weiteren Elementen des thermoelektrischen Moduls, die als nebeneinander angeordnete thermoelektrische Elemente mit einem Substrat verbunden sind, auftreten, besser kompensiert werden.On a substrate, the metal fibers or metal wires may at least predominantly be interconnected and oriented so that the thermal conductivity from an outer surface towards the thermoelectric elements is greater than in a direction perpendicular thereto. Alone or in addition, the ductility in the direction perpendicular to that of an outer surface in the direction of thermoelectric Elements oriented direction to be larger. By means of these anisotropic properties, the heat conduction from the outside towards thermoelectric materials can be improved or the mechanical stresses which occur in connection areas of the substrate with further elements of the thermoelectric module, which are connected to a substrate as juxtaposed thermoelectric elements, can be better compensated.
Ein Modul, das mit aus Metallfasern oder dünnen metallischen Drähten gebildeten Substraten und einem oder mehreren thermoelektrischen Werkstoff(en) gebildet ist, kann beispielsweise folgendermaßen aufgebaut sein:
- 1. Metallfaserplatte als Modulsubstrat (z.B. AI-Faserplatte gesintert)
- 2. Oxidschicht (Aluminiumoxid) zur elektrischen Isolation zwischen Substrat und elektrischem Kontakt
- 3. thermisch-mechanische Anbindung (Aktivlot) zum Substrat
- 4. elektrischer Leiter zum Verbinden von thermoelektrischen Schenkeln
- 5. elektrische Kontaktierung auf dem thermoelektrischen Werkstoff
- 6. thermoelektrischer Werkstoff (n- oder p-leitend)
- 1. Metal fiber plate as module substrate (eg Al-fiber board sintered)
- 2. oxide layer (aluminum oxide) for electrical insulation between substrate and electrical contact
- 3. thermal-mechanical connection (active solder) to the substrate
- 4. electrical conductor for connecting thermoelectric legs
- 5. electrical contact on the thermoelectric material
- 6. thermoelectric material (n- or p-type)
Das Modul kann spiegelbildlich zur anderen Seite aufgebaut sein und es können sich die unter den Punkten
Hinsichtlich des Schichtaufbaus für die Oxidschicht
Die eingesetzten Werkstoffe können aufeinander abgestimmt werden. Als thermoelektrische Werkstoffe können etablierte thermoelektrische Werkstoffe, wie z.B. Bismuttellurid, Bleitellurid oder Si-Ge-Verbindungen, wie auch andere thermoelektrische Werkstoffe, z.B. Skutterudite, Chlatrate, keramische Thermoelektrika (Oxide, Nitride, Carbide, Boride) eingesetzt werden.The materials used can be coordinated with each other. As thermoelectric materials, established thermoelectric materials, e.g. Bismuth telluride, lead telluride or Si-Ge compounds, as well as other thermoelectric materials, e.g. Skutterudite, Chlatrate, ceramic thermoelectrics (oxides, nitrides, carbides, borides) can be used.
Die Metalle für die Substrate können auch entsprechend der Einsatzbedingungen des Moduls gewählt werden. Dabei sollte die lokale Verformbarkeit der Substrate berücksichtigt werden. Dies kann durch das gewählte Metall, die Dicke und/oder Länge von Metallfasern oder dünnen Drähten und/oder die Art und Weise der gewählten Verbindung zwischen Metallfasern bzw. - drähten, sowie die Porosität oder den Anteil an Metall zu Umgebungsatmosphäre pro Volumeneinheit berücksichtigt werden.The metals for the substrates can also be chosen according to the conditions of use of the module. The local deformability of the substrates should be considered. This may be accounted for by the metal chosen, the thickness and / or length of metal fibers or thin wires, and / or the manner of the selected interconnection between metal fibers, as well as the porosity or metal to ambient atmosphere per unit volume.
Bei der Erfindung ist der lokale Abbau von thermomechanischen Spannungen innerhalb der Metallfaser- bzw. Drahtstruktur des Substrats in Verbindung mit nach außen hoher mechanischer Stabilität des Gesamtmoduls gegenüber dem Stand der Technik besonders vorteilhaft. Die Gewährleistung von guter thermischer Ankopplung und Kompensation von Unterschieden thermomechanischer und chemischer Art bietet die Möglichkeit, langzeitstabile thermoelektrische Module für hohe Temperaturen bzw. Temperaturdifferenzen (>400°C) aufzubauen. Mit diesen können höhere Wirkungsgrade realisiert werden. Es ist sowohl eine elektrische Nutzung, bei der Wärme in Elektroenergie umgewandelt werden kann, wie auch eine temperierende Nutzung zur Erwärmung oder Kühlung möglich.In the invention, the local degradation of thermo-mechanical stresses within the metal fiber or wire structure of the substrate in conjunction with outwardly high mechanical stability of the overall module over the prior art is particularly advantageous. Ensuring good thermal coupling and compensation for thermomechanical and chemical differences offers the possibility of building long-term stable thermoelectric modules for high temperatures or temperature differences (> 400 ° C). With these higher efficiencies can be realized. It is both an electrical use, in which heat can be converted into electrical energy, as well as a tempering use for heating or cooling possible.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail by way of example in the following.
Dabei zeigt die einzige Figur in schematischer Schnittdarstellung einen Aufbau eines Beispiels eines erfindungsgemäßen thermoelektrischen Moduls.The single figure in a schematic sectional view shows a structure of an example of a thermoelectric module according to the invention.
In der Figur ist ein Beispiel eines erfindungsgemäßen thermoelektrischen Moduls gezeigt, bei dem mehrere thermoelektrische Elemente elektrisch in Reihe geschaltet und nebeneinander angeordnet sind. Bei diesem Beispiel ist das Modul an zwei gegenüberliegenden Seiten von jeweils einem Substrat
Metallische Fasern aus einer Legierung bestehend aus 95 Masse-% Aluminium und 5 Masse-% Kupfer wurden mittels Schmelzextraktion zu Kurzfasern mit einer mittleren Länge von 6,8 mm und einem mittleren Äquivalenzdurchmesser von 133 µm hergestellt. Die Fasern wurden mittels Siebtrommel auf eine plane Unterlage geschüttet und unter Gewichtsauflage zu einer 10 mm dicken Platte mit einer Gesamtporosität von ca. 80 % versintert. Aus dieser Platte wurden mittels Laserstrahl rechteckige streifenförmige Elemente mit einer Breite von 5 mm geschnitten. Das Substrat wird aus den um 90° um ihre Längsachse gedrehten Streifen aufgebaut, um niedrige Steifigkeiten in Längsrichtung der Faserstreifen bzw. der Plattenebene sowie hohe thermische Leitfähigkeiten senkrecht dazu zu erhalten. Die Streifen werden nebeneinander angeordnet und auf der Ober- und Unterseite mit einer sehr dünnen (0,05 mm bis 0,1 mm) Aluminium-Folie versintert oder verlötet. Auf diese Folie kann eine nichtleitende, extrem dünne Keramikschicht
Damit kann zwischen den Substraten
Zwischen den Leitern
Der beschriebene Aufbau wiederholt sich auf der Seite, die den aus thermoelektrischem Werkstoff
Das thermoelektrische Modul wurde mit folgenden Parametern betrieben:
- Warmseite: 500°C
- Kaltseite: 100°C
- Warm side: 500 ° C
- Cold side: 100 ° C
Eine Schädigung infolge thermomechanischer oder thermischer Belastungen konnte über einen Zeitraum von 100 h nicht festgestellt werden.Damage due to thermomechanical or thermal stress could not be determined over a period of 100 h.
Das Modul kann so betrieben werden, dass ein Substrat
Das Modul kann auch anders betrieben werden, indem an die nicht dargestellten äußeren Kontakte eine elektrische Spannung angelegt wird und das Modul an einer Seite über das entsprechende Substrat zur Kühlung und das jeweils andere Substrat zur Erwärmung genutzt werden kann; je nach Richtung des elektrischen Stromflusses kann die jeweilige kalte oder warme Seite gewählt werden.The module can also be operated differently by an electrical voltage is applied to the outer contacts, not shown, and the module can be used on one side via the corresponding substrate for cooling and the respective other substrate for heating; Depending on the direction of the electrical current flow, the respective cold or warm side can be selected.
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