DE102012105743A1

DE102012105743A1 - Wärmeabschirmvorrichtung mit thermoelektrischer Energienutzung

Info

Publication number: DE102012105743A1
Application number: DE102012105743.5A
Authority: DE
Inventors: Gerd-Sebastian Beyerlein
Original assignee: ElringKlinger AG
Current assignee: ElringKlinger AG
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2012-06-29
Publication date: 2014-01-02
Also published as: WO2014001337A1

Abstract

Vorrichtung zum Wärmeabschirmen umfassend zumindest ein blechartiges flächiges Element, welches eine einer Wärme abgebenden Wärmeeinrichtung zuzuwendende Fläche und eine der Wärme abgebenden Einrichtung abzuwendende Fläche besitzt, wobei zumindest teilbereichsweise eine Schaltung von thermoelektrischen Generatoren bzw. eine thermoelektrische Generatoranordnung dann zumindest einer Fläche der Vorrichtung angeordnet ist und einen Oberflächenverlauf des flächigen Elements insbesondere einer Krümmung, einer Bombierung oder einem Radius folgend ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abschirmen von Wärme mit einer Einrichtung zur Energieerzeugung durch thermoelektrische Energieumwandlung.
Wärmeabschirmelemente sind bekannt. Insbesondere im Bereich von mit Verbrennungskraftmaschinen betriebenen Kraftfahrzeugen werden diese eingesetzt, um bei immer begrenzteren Bauräumen in Fahrzeugen insbesondere Anbauteile von Motoren gegen abgestrahlte Hitze beispielsweise von Abgaskrümmern oder Turboladern zu schützen. Derartige Abschirmbleche sind ein- oder mehrschichtige Bleche aus Stahlblech oder Aluminium, die zum Teil auch mehrschichtig mit dämmendem Material gefüllt ausgebildet sein können.
Elemente zur thermoelektrischen Umwandlung sind unter der Abkürzung TEG (thermo electric generator) ebenfalls bekannt. Aus der EP 1 976 034 A2 ist beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung der einzelnen Elemente und eines thermoelektrischen Generators hieraus bekannt.
Aus der WO 2010/106156 A2 ist eine thermoelektrische Vorrichtung bekannt, wobei die thermoelektrische Vorrichtung bzw. eine Mehrzahl derselben in einem thermoelektrischen Generator angeordnet ist, wobei diese vom Abgas eines Verbrennungsmotors nacheinander durchströmbar angeordnet sind.
Aus der DE 102 31 445 A1 ist ein thermoelektrisches Element und ein Verfahren zum Herstellen desselben bekannt, wobei das thermoelektrische Element einen Gesamtschichtstapel aus einem ersten Schichtstapel mit einer ersten elektrisch isolierenden Trägerschicht und einer ersten elektrisch leitfähigen Funktionsschicht aufweist sowie einem darauf angeordnet zweiten Schichtstapel mit einer zweiten elektrisch isolierenden Trägerschicht und einer zweiten elektrisch leitfähigen Funktionsschicht und eine elektrisch leitfähige Verbindungsschicht, welche an mindestens einer Seitenfläche des Gesamtschichtstapels die erste Funktionsschicht mit der zweiten Funktionsschicht elektrisch koppelt, wobei die erste Funktionsschicht und die zweite Funktionsschicht ein Thermopaar bilden.
Aus der EP 2 131 406 A1 ist ebenfalls ein Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Generators bekannt, wobei hier ebenfalls als thermoelektrische Generatoren n- und p-dotierte kleine Säulen zusammengeschaltet werden.
Aus der DE 10 2008 005 694 A1 ist ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Bauelements bekannt, wobei zumindest ein thermoelektrisches Schenkelpaar vorhanden ist, das einen n-Schenkel und einen p-Schenkel aufweist, wobei beide Schenkel mit einem elektrisch leitfähigen Kontaktmaterial verschweißt werden, wobei der n-Schenkel und der p-Schenkel des Schenkelpaares in separaten Schweißschritten mit dem Kontaktmaterial verschweißt werden, sowie ein thermoelektrisches Bauelement.
Aus der DE 10 2010 031 829 A1 sind thermoelektrische Bauelemente mit dünnen Schichten bekannt, wobei hier ein Substrat und eine Schichtanordnung vorhanden sind, die auf dem Substrat gebildet ist, wobei die Schichtanordnung eine flächige Grundelektrode eine flächige Deckelektrode, flächige p-dotierte Bereiche und flächige n-dotierte Bereiche besitzt, die zwischen der Grund- und der Deckelektrode nebeneinander angeordnet und alternierend elektrisch in Reihe geschaltet sind und eine Passivierungsstruktur, die jeweils zwischen benachbarten p-dotierten und n-dotierten Bereichen flächig gebildet und elektrisch sowie thermisch isolierend ausgeführt ist.
Dieses Bauelement soll aufgrund des flexiblen Substrats eine gewisse Flexibilität besitzen.
Aus der DE 10 2006 055 120 A1 sind thermoelektrische Elemente, Verfahren zu deren Herstellung und deren Verwendung bekannt, wobei die thermoelektrischen Elemente in einer porösen Matrix bzw. eines porösen Substrats hergestellt werden und die Matrix aus einem elektrisch isolierenden ausreichend thermisch und chemisch beständigen Material mit möglichst geringer Wärmeleitfähigkeit bestehen soll.
Aus der DE 10 2008 042 592 A1 ist ein thermoelektrischer Generator sowie ein Herstellungsverfahren bekannt, wobei der thermoelektrische Generator mindestens ein in Abhängigkeit einer Temperaturdifferenz eine elektrische Spannung erzeugendes Thermopaar besitzt sowie ein erstes und ein zweites Polymersubstrat, wobei die Thermopaare zwischen den Polymersubstraten angeordnet sind.
Aus der DE 10 2008 038 985 A1 ist eine thermoelektrische Vorrichtung bekannt, welche eine erste Metallfolie mit einer ersten Materialdicke, eine zweite Metallfolie mit einer zweiten Materialdicke einen Zwischenraum zwischen der ersten Metallfolie und der zweiten Metallfolie aufweist, eine elektrische Isolationsbeschichtung auf der ersten Metallfolie und der zweiten Metallfolie hin zum Zwischenraum und eine Vielzahl von ersten Halbleiterteilchen und zweiten Halbleiterteilchen, die im Zwischenraum auf der Isolationsbeschichtung fixiert und abwechselnd miteinander elektrisch verbunden sind. Die Metallfolie soll dabei insbesondere eine sehr dünne metallische Wandung für die thermoelektrische Vorrichtung sein, so dass der Wärmeübergang bzw. Wärmeeinleitung hin zu den Halbleiterteilchen besonders günstig ist.
Aus der EP 2 019 438 A2 ist ebenfalls ein thermoelektrisches Element bekannt, welches gewebeartig ausgebildet sein soll.
Aus der US 2010/0269879 A1 ist ebenfalls ein thermoelektrisches Modul bekannt.
Aus der WO 03/007391 A1 ist ein thermoelektrisches Modul mit Dünnfilmsubstraten bekannt, wobei dieses thermoelektrische Modul flexibel sein soll mit einem Paar von flexiblen Substraten und einer Mehrzahl von elektrisch leitenden Kontakten auf einer Seite jedes der flexiblen Substrate und einer Mehrzahl von p- und n-Typ thermoelektrischen Elementen, die elektrisch miteinander verbunden sind, wobei die p- und n-Typ Elemente in an sich bekannterweise in Serie geschaltet sind. Das jeweils durchgängige Substrat soll so flexibel sein, dass der Gesamtverbund ineinander verschiebbar bzw. flexibel ist ohne dass jedoch angegeben wird, wie dies realisiert sein soll.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Wärmeabschirmelement bzw. eine Vorrichtung zum Abschirmen von Wärme zu schaffen, welche zwischen zumindest zwei äußeren das Wärmeabschirmelement definierenden Blechen zumindest teilbereichsweise einen thermoelektrischen Generator besitzt.
Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.
Erfindungsgemäß wird eine Abschirmvorrichtung mit einem zwischen zumindest zwei äußeren, das Abschirmblech definierenden und begrenzenden Blechen ein Hohlraum ausgebildet, in dem eine Schaltung thermoelektrischer Generatoren bzw. eine thermoelektrische Generatorenanordnung vorhanden ist. Erfindungsgemäß werden thermoelektrische Generatoren bzw. eine Anordnung derselben gewählt, welche eine hohe Flexibilität und Formbarkeit ermöglicht. Da derartige Wärmeabschirmbleche insbesondere in Verbrennungskraftmaschinen getriebenen Kraftfahrzeugen üblicherweise gewölbt, bombiert oder in einer sonstigen Weise eine nicht nur zweidimensionale Form aufweisen, ist es notwendig, die thermoelektrischen Generatoren auf diese Form anzupassen oder diese Form anzunehmen, insbesondere beim Einbau.
Hierbei können die thermoelektrischen Generatoren beispielsweise zunächst eben ausgebildet und eingebaut sein und es kann anschließend eine gemeinsame Umformung mit dem Wärmeabschirmelement stattfinden.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand einer Zeichnung erläutert, es zeigen dabei
1 beispielhaft den Aufbau eines thermoelektrischen Generators;
2 eine erste Ausführungsform des Aufbaus eines thermoelektrischen Generators;
3 mögliche Verbindervarianten des Aufbaus nach 2;
4 drei unterschiedliche Varianten der Anordnung eines thermoelektrischen Generators nach 2;
5 eine weitere mögliche Anordnung des thermoelektrischen Generators nach 2;
6 bis 9 verschiedene Phasen bei der Herstellung eines erfindungsgemäß geprägten thermoelektrischen Generators;
10 bis 12 ein weiteres Fertigungsverfahren für einen thermoelektrischen Generator nach der Erfindung;
13 bis 16 eine weitere Ausführungsform eines thermoelektrischen Generators und seine Herstellung nach der Erfindung;
17 bis 20 eine weitere Ausführungsform und ein weiteres Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generators;
21 die Überlappungsbereiche bei thermoelektrischen Generatoren entsprechend der 10 bis 12, 13 bis 16 und 17 bis 20;
22 die Verbindung nach 20 mit einer elektrisch leitenden Verbindungsschicht.
Der grundsätzliche Aufbau eines thermoelektrischen Generators ist vereinfacht in 1 dargestellt. Ein derartiger thermoelektrischer Generator 1 besitzt eine Heißseite A und eine Kaltseite B.
Der thermoelektrische Generator wird sowohl auf der Heißseite A als auch auf der Kaltseite B von je einem Substrat zwei begrenzt. Innerhalb der Substrate sind die zum Betreiben des thermoelektrischen Generators notwendigen sogenannten Thermoschenkel 3, 4 angeordnet. Hierbei sind die Thermoschenkel 3, 4 Halbleiterelemente, die beispielsweise säulenartig ausgebildet sind, wobei jeder der Thermoschenkel 3 beispielsweise ein p-dotierter Halbleiter ist und jeder der Thermoschenkel ein n-dotierter Halbleiter ist. Diese Thermoschenkel sind bezüglich ihrer Längserstreckung quer zur Längserstreckung der Substrate 2 angeordnet und somit parallel zueinander angeordnet, wobei p- und n-dotierte Halbleiter bzw. Thermoschenkel 3, 4 alternierend, wechselnd abfolgend angeordnet sind. Jeweils zwei Enden benachbarter Thermoschenkel 3, 4 sind über Verbindungselemente 5 miteinander elektrisch leitend verbunden. Die Verbindungselemente sind dabei derart alternierend ausgebildet, dass jeder Thermoschenkel an einer Stirnseite 3a mit dem benachbarten Thermoschenkel an dessen Stirnseite 3a verbunden ist und mit der gegenüberliegenden Stirnseite 3b mit dem erstgenannten Thermoschenkel gegenüberliegenden Thermoschenkel. Zu einer an der Innenseite der Substrate 2 zugewandten Seite der Verbindungselemente ist eine elektrische Isolationsschicht 6 angeordnet, welche die Substrate elektrisch gegen die Verbindungselemente isoliert, wobei zwischen den Verbindungselementen und der Isolationsschicht je eine Lotschicht 7 zur Befestigung vorhanden ist. Zwischen den elektrischen Isolationsschichten 6 und den jeweiligen Thermoschenkeln 3, 4 kann eine wie auch immer geartete Matrix 8 z. B. aus Kunststoffschäumen vorhanden sein.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung (2, 3) sind die Thermoschenkel (3, 4) nach Art einer Kette miteinander verbunden, wobei im Bereich freier Enden 9 der Thermoschenkel 3, 4 Endverbinder 10 vorhanden sind, wobei diese Endverbinder 10 entsprechend auch der 1 alternierend an den freien Enden 9 der Thermoschenkel angeordnet sind. Hierbei können die Endverbinder 10 beispielsweise aus Metallblechen wie Kupferblechen gefertigt sein, wobei diese Metallbleche vorzugsweise formschlüssig weiter bevorzugt mit einer leichten Presspassung auf den freien Enden 9 der Thermoschenkel 3, 4 so angeordnet sind, dass eine Beweglichkeit um die Längsachse eines jeden Thermoschenkels 3, 4 besteht. Dies ist selbstverständlich nur dann möglich, wenn die Umfangsform des Thermoschenkels 3, 4 (in 2 kreisrund) mit Ausnehmungen 11 in dem Endverbinder übereinstimmt. Sind die Thermoschenkel 3, 4 eckig ausgebildet, bietet es sich an auch die Ausnehmung 11 entsprechend der eckigen Form anzupassen (3). Die Endverbinder 10 sind insbesondere mit Sperrschichten beschichtet um zu verhindern, dass Metallionen in das dotierte Material der Thermoschenkel 3, 4 diffundieren kann bzw. umkehrt. Eine geeignete Sperrschicht ist beispielsweise eine Nickelbeschichtung.
In 2 erkennt man, dass eine Biegung der gesamten Kettenanordnung jeweils um die Querachse der Verbindungselemente 10 möglich ist. Selbstverständlich ist auch eine Biegung bzw. Krümmung um die Längsachsen der Schenkel möglich, da eine Verformbarkeit jedoch um die Querachse der Verbindungselemente 10 notwendig ist, um eine Anpassung an eine Wölbung des Abschirmbleches zu erreichen, ist der Spielraum, den die Kettenanordnung hierfür hat, entscheidend. Um die Biegbarkeit bzw. Beweglichkeit in diese entsprechende Richtung, d. h. um die Querachsen der Verbinderelemente 10 zu ermöglichen bzw. zu verbessern, kann es sinnvoll sein, eine Verschränkung der Kettenanordnung um die Längsachse der Thermoschenkel 3, 4 vorzunehmen. Solche Verschränkungsmöglichkeiten sind in 4 gezeigt, wobei die Linien in dieser Figur die vereinfachten Endverbinder 10 und die Punkte, die Schenkel 3, 4 darstellen. Aufgrund derartiger Verschränkungen kommt es bei Verbiegung auf der Druckseite nicht dazu, dass sich die Endverbinder 10 mit Stirnflächen berühren, was einen Kurzschluss hervorrufen würde. Um eine Biegung zum Zwecke der Radienverfolgung im Hohlraum eines Abschirmelements in einer zusätzlichen Achse zu ermöglichen können in den Endverbindern 10 zusätzliche Sollknickstellen vorhanden sein, welche diese Biegung ermöglichen.
Um den Hohlraum in einem Wärmeabgleitblech auszufüllen, können die entsprechenden thermoelektrischen Generatoren bzw. die Kette entsprechend der Anordnung in 5 innerhalb des Hohlraums verlegt werden, wobei die Kette in Schleifen gelegt wird und an den Enden somit die gesamte Kette verbunden ist. In 5 ist die Kette hierfür erheblich verkürzt dargestellt entsprechend der Ausdehnung des Hohlraumes kann selbstverständlich eine Mehrzahl der in 5 gezeigten Anordnungen gemäß a) in der 4, aber auch b) oder c) oder jede andere versetzte bzw. verschränkte Anordnung möglich und sinnvoll sein.
Bei einer Biegung der Kettenanordnung um die Querachsen der Endverbinder 10 bzw. Verbindungselemente 10 wird hierbei vermieden, dass sich die Endverbinder berühren. Um eine zusätzliche Fixierung zwischen den einzelnen Kettenreihen zu erreichen, können die Kettenreihen mit Abstandshalteelementen wie Schaumstoffstreifen oder Ähnlichem beabstandet sein oder in eine entsprechende Matrix eingelegt sein.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform (7 bis 9) sind die Thermoschenkel nicht säulenartig, sondern treppenstufenartig plättchenförmig ausgebildet, wobei die Thermoschenkel entsprechend 6 zunächst aus einem langgestreckten p- oder n-dotierten Halbleiterblech bei Bedarf im erwärmten Zustand gestanzt und umgeformt werden, wobei die Formgebung abweichend auch in Gussverfahren, Pulver-Injection-Molding-Verfahren oder vergleichbaren Verfahren erfolgen kann, welche eine dünne Schicht erzeugen. Erfolgt die Formgebung und das Stanzen aus einem Halbleiterblech bzw. einer Halbleiterfolie, verbleibt ein Restgitter, mit welchem die entsprechenden Thermoschenkel positioniert werden können (7), wobei jeweils ein freies Ende 15 des n- oder p-dotierten Schenkels 16, 17 flächig aufeinander zu liegen kommen. Diese Flächen werden dann miteinander verlötet oder verklebt, wobei in diesen Bereichen noch Trennschichten vorhanden sein können, um eine Diffusion der Dotierungselemente in den jeweils anderen Thermoschenkel 16, 17 zu verhindern. Insbesondere kann dies eine dünne Nickelbeschichtung sein.
Nachdem die Elemente in dieser Weise aufeinander gesetzt und miteinander verbunden wurden, werden die verbliebenen Gitter bzw. Rahmen 18 abgetrennt und es verbleibt treppenstufenartig alternierend die thermoelektrische Generatoranordnung gemäß 9, welche auf einem Substrat 19 angeordnet ist. Eine solche Anordnung kann aufgrund dieser entsprechenden Ausformung und einer bestehenden Restflexibilität der einzelnen treppenstufenartigen Elementen entsprechend an eine Wölbung angepasst werden.
Alternativ kann bereits bei der Umformung eine entsprechende Wölbung realisiert werden.
Eine derartige Anordnung ist jedoch nicht in Schleifen verlegbar, so dass bei einer derartigen Anordnung Reihen entsprechend 9 nebeneinander voneinander mit Zwischenlagen isoliert im Hohlraum des Abschirmbleches verlegt werden und die Enden alternierend elektrisch verbunden werden, um eine Reihenschaltung zu erzielen.
Diese Anordnung kann insbesondere ebenfalls zwischen zwei Substraten 19 angeordnet sein, welche im Prinzip gleicherweise wie bei der ersten Ausführungsform an den thermoelektrischen Elementen bzw. Generatoren anliegen und dementsprechend isoliert sind. Auch in diesem Fall kann in den Hohlräumen, die sich zwischen den Substraten ergibt, eine Matrix 8 vorhanden sein.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform (10 bis 12) werden die p- und n-dotierten Bereiche durch entsprechende 3D-Druckverfahren als insbesondere L-förmige Elemente 20 auf ein entsprechendes Substrat 21 aufgedruckt. Hierbei werden z. B. zunächst die n-dotierten Bereiche 20 auf das Substrat 21 aufgedruckt und sodann die p-dotierten Bereiche 22 (11). Die entsprechenden L-förmigen Bereiche 20, 22 sind hierbei alternierend derart angeordnet, dass immer eine Stirnseite 23 eines langen L-Schenkels auf einem kurzen L-Schenkel 24 des jeweils angrenzenden Elements 20, 22 anliegt. Auch hier können elektrisch leitende Sperrschichten realisiert sein. Wenn es aufgrund des für die Thermoschenkel verwendeten Materials sinnvoll und nötig ist, erfolgt eine Sinterung der gedruckten Materialien dann über z. B. Lasersintern oder nach der nachfolgend beschriebenen Weiterverarbeitung im Einbauzustand komplett z. B. in einem Ofen. Bei einigen Verfahren, z. B. Injekt-Druck kann ein Sintern ggf. entfallen. Anschließend kann die derart bedruckte Folie aufrecht bzw. bezogen auf das Substrat 21 hochkant aufgestellt werden und aufgerollt werden oder ebenfalls in Bahnen in dem entsprechenden Hohlraum des Abschirmblechs eingelegt werden. Hierbei ist es zudem möglich, dass die Folie bzw. das Substrat 21 in hochkanter Orientierung bereits eine Krümmung bzw. einen Radius oder eine Biegung aufweist, die der Einbausituation entspricht, wobei bereits beim Druckverfahren diese Folie bzw. Substrat 21 entsprechend bedruckt wird, so dass hierbei eine hohe Flexibilität bezüglich der Formgebung besteht.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird ebenfalls auf ein vorzugsweise folienartiges Substrat 30 die entsprechende Struktur aus L-förmigen n-dotierten und p-dotierten Bereichen 31, 32 mit einem Sputterverfahren, z. B. einem PVD-Verfahren abgeschieden. Die L-förmigen Bereiche entsprechend hierbei in etwa den Bereichen aus der zuvor beschriebenen Ausführungsform, wobei zum Abscheiden das Substrat zunächst derart vorbehandelt wird, dass das Substrat mit einer isolierenden Maske ausgebildet wird, welche die zu beschichtenden Bereiche freilässt (17). Dann wird eine thermoelektrische Schicht maskiert, wobei eine entsprechende weitere Maske 34 verwendet wird, welche den Bereich einer ersten thermoelektrischen Schicht frei lässt und anschließend die Maske getauscht, so dass die Maskierung der zweiten thermoelektrischen Schicht entspricht und anschließend die zweite thermoelektrische Schicht gesputtert und dann die Maske entfernt, so dass die entsprechenden L-förmigen Bereiche 31, 32 auf dem Substrat 30 vorhanden sind (19). Auch dieses Substrat 30 kann anschließend hochkant gestellt und aufgerollt und entsprechend eingebaut werden, wobei sowohl beim Drucken als auch beim Sputtern selbstverständlich entsprechende Krümmungen die benötigt werden, um der Krümmung eines Hohlraumes in einem Abschirmblech zu folgen, bereits beim Zuschneiden des Substrates berücksichtigt werden können und dementsprechend auch die Maske und damit das Sputterergebnis an die Krümmung angepasst werden können.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform (13 bis 16) wird anstelle eines Druck- oder Sputterverfahrens ein Lasersinterverfahren verwendet. Hierzu wird zunächst wie in den anderen Verfahren auch ein Substrat 40 bereitgestellt. Auf dieses Substrat 40 wird eine erste Pulverschicht 41 aufgebracht und diese erste Pulverschicht 41 anschließend in den Bereichen, in denen L-förmige dotierte Schenkel 42 (14) entstehen sollen, mittels eines Laserstrahls gesintert. Anschließend wird das Restpulver entfernt, beispielsweise durch Abblasen. Anschließend wird das zweite thermoelektrische Material flächig als zweite Pulverschicht 43 aufgebracht und anschließend so lasergesintert, dass die zweiten L-förmigen Bereiche 44 entstehen, welche wiederum in bereits beschriebener Weise an den anderen L-förmigen Bereichen angeordnet sind. Auch dieses Substrat kann anschließend hochkant gestellt werden, wobei selbstverständlich auch bei diesem Verfahren mit dem Zuschnitt des Substrats 40 und der entsprechenden Anpassung der Form der lasergesinterten Elemente 42, 44 auf Krümmungen eingegangen werden kann. Wenn die thermoelektrischen Elemente eher spröde sind, ist hierbei ein Aufwickeln nicht unbedingt erforderlich oder möglich, sondern die Substrate werden entsprechend in Reihen verlegt, wobei die Rückseite 45 eines Substrats zudem auch auf den Elementen 42, 44 aufliegt und diese gegeneinander bzw. die Reihen gegeneinander isoliert. Hierdurch kann wie bei den anderen Verfahren auch eine günstige hohe Packungsdichte erreicht werden. Die entsprechenden Reihenenden werden dann wieder alternierend elektrisch leitend miteinander verbunden, um eine Reihenschaltung herbeizuführen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform (nicht gezeigt) wird entsprechend der 13 bis 16 das thermoelektrische Material nicht in Pulverform, sondern in Form einer Gießfolie bzw. eines Foliengießverfahrens aufgebracht und anschließend lasergesintert und durchläuft dann einen weiteren Foliengießschritt, in dem das andere Material aufgebracht und lasergesintert wird. Verbliebenes Material wird ebenfalls entfernt und kann wiederverwendet werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform (nicht gezeigt) werden die L-förmigen Elemente in einem Foliengießverfahren erzeugt und anschließend die Folie entsprechend L-förmig geschnitten. Hieran können sich zwei unterschiedliche Prozesse anschließen. Entweder die L-förmigen Elemente werden auf das Substrat gebracht, wobei das Substrat oder die L-förmigen Elemente mit entsprechenden Haftvermittlern so ausgebildet sind, dass beim Auflegen, Anwalzen und anschließenden Abziehen der Folie nur die L-förmigen Elemente auf dem Substrat verbleiben. Dies wird in gleicher Weise mit den L-förmigen Elementen des jeweils anderen Dotierunszustandes in entsprechender geometrischer Anordnung so wiederholt, dass sich ebenfalls die gewünschte alternierende Abfolge der L-förmigen Elemente mit Kontakt zueinander ergibt.
Um die Kontaktfläche zu vergrößern, ist es möglich, die L-förmigen Elemente überlappend auszubilden (20, 21) in dem sowohl beim Lasersinterverfahren mit Pulver, aber auch mittels Folienverfahren die entsprechenden Kontaktflächen der zuerst aufgebrachten Elemente mit einer Stufe versehen werden, so dass das Material des jeweils anderen dotierten Materials in diese stufenförmigen Bereiche überlappend aufgebracht werden kann, wobei zwischen beiden Materialien p und n eine Sperrschicht 50 vorhanden sein kann, welche ebenfalls aufgedruckt, aufgesputtert oder in sonstiger Weise aufgebracht ist.
Anstelle von L-förmigen n- und p-dotierten Bereichen bzw. Thermoschenkeln können diese auch flach rechteckig, d. h. ohne kurzen L-Schenkel ausgebildet sein, wobei diese flach rechteckförmigen, bzw. täffel- oder stäbchenförmigen Elemente zueinander gewinkelt angeordnet sind und im Bereich ihrer freien Enden aneinanderstoßen oder überlappend aufeinander gelegt sind, wobei benachbarte derart ausgebildete plättchen-, tafel- oder stäbchenförmige Elemente einen vorzugsweise spitzen Winkel miteinander einschließen. Im Übrigen lassen sich derartige Elemente auf die vorbeschriebenen Weisen in gleicher Weise herstellen wie die L-förmigen Elemente.
Darüber hinaus lassen sich diese Dünnschichten nicht nur mit den vorbeschriebenen Verfahren herstellen sondern es können auch z. B. teilweise überlagerte Dünnschichten dadurch hergestellt werden, dass zunächst eine Matrix aus einem Schaummaterial, insbesondere Hartschaummaterial entsprechend ausgeschnitten oder ausgebrandt wird und anschließend die Dünnschichten mit wechselnder Dotierung in dieser Matrix erstellt werden. Hierbei können wiederum zunächst Dünnschichten einer ersten Dotierung und anschließend Dünnschichten einer zweiten Dotierung erzeugt wurden wobei die Bereiche der jeweils anderen Dotierung zunächst maskiert werden. Hierbei kann insbesondere auch ein Verfahren zur Anwendung kommen, bei dem diese Bereiche als kristaline Schichten aufwachsen bzw. sich abscheiden gelassen werden.
Bei der Erfindung ist von Vorteil, dass auf eine effektive und automatisierbare Weise thermoelektrische Generatoren erzeugt werden, die in Wärmeabschirmblechen eingesetzt werden können, wobei die Wärmeabschirmbleche einen Hohlraum besitzen, der eine Packung aus diesen thermoelektrischen Generatoren aufnimmt. Hierbei können die entsprechenden Generatorenanordnungen in einfacher Weise an entsprechende Krümmungen angepasst werden.
Um die thermoelektrische Effektivität zu erhöhen, können die Wärmeleitbleche auf ihre kalten Seite zusätzlich Einrichtungen zum Heranführen oder beschleunigen einer kühlenden Anströmung aus dem Umgebungsraum besitzen, um die Temperaturdifferenz zwischen Heiß- und Kaltseite zu erhöhen.
Bezugszeichenliste

2: Substrate
3: Thermoschenkel
3a: Stirnseite
3b: Stirnseite
4: Thermoschenkel
6: Isolationsschicht
7: Lotschicht
8: Matrix
9: freie Enden
10: Endverbinder
15: freies Ende
16: Thermoschenkel
17: Thermoschenkel
18: Rahmen
19: Substrat
20: Elemente
21: Substrat
22: Bereich
23: Stirnseite
24: L-Schenkel
30: Substrat
31: n-dotierter Bereich
32: p-dotierter Bereich
40: Substrat/Matrix
41: Pulverschicht
42: L-förmig dotierter Schenkel
43: Pulverschicht
44: L-förmiger Bereich
45: Rückseite
50: Sperrschicht
A: Heißseite
B: Kaltseite

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1976034 A2 [0003]
WO 2010/106156 A2 [0004]
DE 10231445 A1 [0005]
EP 2131406 A1 [0006]
DE 102008005694 A1 [0007]
DE 102010031829 A1 [0008]
DE 102006055120 A1 [0010]
DE 102008042592 A1 [0011]
DE 102008038985 A1 [0012]
EP 2019438 A2 [0013]
US 2010/0269879 A1 [0014]
WO 03/007391 A1 [0015]

Claims

Vorrichtung zum Wärmeabschirmen umfassend zumindest ein blechartiges flächiges Element, welches eine einer Wärme abgebenden Wärmeeinrichtung zuzuwendende Fläche und eine der Wärme abgebenden Einrichtung abzuwendende Fläche besitzt, wobei zumindest teilbereichsweise eine Schaltung von thermoelektrischen Generatoren bzw. eine thermoelektrische Generatoranordnung dann zumindest einer Fläche der Vorrichtung angeordnet ist und einen Oberflächenverlauf des flächigen Elements insbesondere einer Krümmung, einer Bombierung oder einem Radius folgend ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei blechartige flächige Elemente vorhanden sind, wobei die Elemente zwischen je zwei zugewandten Flächen einen Hohlraum begrenzen der teilbereichsweise oder vollständig geschlossen ist, in welchem die thermoelektrischen Generatoren bzw. die thermoelektrische Generatorenanordnung aufgenommen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrische Generatorenanordnung in sich flexibel oder formbar ist, um an einen Oberflächenverlauf anpassbar zu sein oder entsprechend der Oberfläche geformt hergestellt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrische Generatorenanordnung aus zumindest einem Paar von Thermoschenkeln 3, 4 ausgebildet wird, von denen ein Thermoschenkel (3) ein n-dotierter Halbleiter und der andere Thermoschenkel (4) ein p-dotierter Halbleiter ist, wobei der n-dotierte und der p-dotierte Thermoschenkel (3, 4) an einem Ende elektrisch leitend verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoschenkel (3, 4) nach Art einer Kette miteinander verbunden sind, wobei im Bereich freier Enden (9) der Thermoschenkel (3, 4) Endverbinder (10) vorhanden sind, wobei diese Endverbinder alternierend an den freien Enden (9) der Thermoschenkel (3, 4) angeordnet sind, so dass die Thermoschenkel (3, 4) in Reihe geschaltet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Thermoschenkel (3, 4) nach Art einer Kette in eine flexible Matrix, insbesondere eine Matrix aus Schaumstoff oder dergleichen eingesetzt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Endverbinder (10) aus Metallblechen wie Kupferblechen, verkupferten oder vernickelten Blechen gefertigt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallbleche (10) formschlüssig oder mit einer leichten Presspassung auf den freien Enden (9) der Thermoschenkel (3, 4) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass beim Querschnitt die kreisrunden Thermoschenkeln (3, 4) die Endverbinder (10) so angeordnet sind, dass eine Beweglichkeit um die Längsachse eines jeden Thermoschenkels (3, 4) besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anordnung aus Thermoschenkeln (3, 4) und Endverbindern (10) derart in Reihen bzw. Schlaufen in dem Hohlraum der Vorrichtung angeordnet ist, dass um die Längsachse der Thermoschenkel (3, 4) eine Verschränkung derart vorhanden ist, dass bei einer Biegung um die Querachse der Endverbinder (10) die Thermoschenkel die von dem Endverbinder verbunden werden, ohne sich zu berühren, verschwenkbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoschenkel (3, 4) treppenstufenartig plättchenförmig ausgebildet sind, wobei die Thermoschenkel aus einem Halbleiterblech bzw. einer Halbleiterfolie, welche die entsprechende Dotierung aufweist ausgestanzt und verformt, insbesondere warmverformt sind, wobei jeweils ein freies Ende (15) des n- oder p-dotierten Schenkels (16, 17) flächig aufeinander zu liegen kommt und diese Flächen miteinander verlötet, verklebt oder versintert sind und gegebenenfalls zwischen den freien Enden (15) Trennschichten vorhanden sind, um eine Diffusion der Dotierungselemente zu verhindern.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die p- und n-dotierten Bereiche durch 3D-Druckverfahren und/oder Sieb- oder Offsetdruckverfahren und/oder Inkjetverfahren auf einer Substratfolie aufgebracht sind und anschließend versintert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoschenkel (20, 22) L-förmig mit einem langen und einem kurzen L-Schenkel ausgebildet sind, wobei die entsprechenden L-förmigen Bereiche (20, 22) alternierend derart angeordnet sind, dass immer eine Stirnseite (23) eines langen L-Schenkels eines Elements (20) auf bzw. an einem kurzen L-Schenkel (24) des jeweils angrenzenden anderen L-förmigen Elements (22) anliegt, wobei zur Anordnung eines thermoelektrischen Generators in dem Hohlraum die Folie bzw. das Substrat (21) aufrecht gestellt und gerollt und anschließend oder davor gesintert wird, wobei das Substrat 21 in hochkanter Orientierung bereits eine Krümmung bzw. einen Radius oder eine Biegung aufweist, die der Einbausituation entspricht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoschenkel mit einem Sputterverfahren wie einem PVD-Verfahren auf einem folienartigen Substrat (30) abgeschieden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoschenkel mittels Lasersinter-Verfahren hergestellte Thermoschenkel sind, wobei auf ein Substrat eine erste Pulverschicht aufgebracht ist, welche mittels Lasersintern in der entsprechenden gewünschten Form der ersten Thermoschenkel (42) entsprechend der gewünschten Form gesintert ist, und anschließend ein zweites Pulver aufgebracht wird, welches die zweiten L-förmigen Bereiche bildet, welche ebenfalls durch selektives Lasersintern erzeugt werden, an den Stellen, an denen die L-förmigen Bereiche (44) vorhanden sein sollen und anschließend das Pulver entfernt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoelektrische Material in Form einer Gießfolie bzw. eines Foliengießverfahrens aufgebracht und anschließend lasergesintert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoschenkel in einem Foliengießverfahren erzeugt sind und entsprechend aus einer durch Folienguss erzeugten Folie in der gewünschten Form ausgeschnitten sind und anschließend auf ein Substrat aufgeklebt wurden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vergrößerung der Kontaktfläche bei aneinander liegenden Thermoschenkeln und insbesondere L-förmigen Thermoschenkeln die L-förmigen Elemente überlappend ausgebildet sind, wobei die entsprechenden Bereiche der L-förmigen Schenkel mit einer Stufe derart versehen sind, dass die Stufe des jeweils anderen L-Schenkels den ersteren in diesem Bereich überlappt und in die Stufe eingreift.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoschenkel (3, 4) mit flexiblen elektrischen Leiterverbindungen verbunden sind und/oder in den Bereichen in denen die Thermoschenkel (3, 4) aufeinanderliegen zur Herstellung der elektrischen Leitung Carbon Nanotubes oder elektrisch leitende, vorzugsweise flexible Aerogele angeordnet sind.