Seebeck-Elementanordnung, Seebeck-Elementvorrichtung und Verfahren zum Herstellen einer Seebeck-Elementanordnung Die Erfindung betrifft eine Seebeck-Elementanordnung, eine Seebeck-Elementvorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer Seebeck-Elementanordnung.

Stand der Technik Die Autoren I. M. Mal'tsev und V. G. Petriko beschreiben in ihrer im Jahre 1993 verfassten Druckschrift mit dem Titel„Installation for electric pulsed sintering of conducting powders during rolling", erschienen in der Fachzeitschrift "Powder Metallurgy and Metal Ceramics" in der Ausgabe 32, Nummer 3 auf den Seiten 277-279 die direkte, kontinuierliche

Herstellung von dünnen Bändern aus Pulvern. Dabei wird beim dem dort beschrieben Verfahren das zu sinternde Pulver während des Herstellungsprozesses zwischen zwei Rollen elektrisch kontaktiert und dabei durch hohe elektrische Ströme erhitzt und gleichzeitig unter Druck gesintert. Eine dort beschriebene Vorrichtung 5 ist beispielhaft in der Figur 9 dargestellt. Die Druckschrift SU 174 894 3 A1 beschreibt eine Methode und eine Vorrichtung zur Elektro-Impuls-Sinterung von metallischen Pulvern.

Die Figur 7 zeigt beispielhaft den Aufbau eines thermoelektrischen Moduls 100, welches einzelne thermoelektrische Schenkel 122, 124 sowie die thermoelektrischen Schenkel 122, 124 verbindende Brückenelektroden 1 12, 1 14, 1 16 aufweist. Dabei sieht der Aufbau des thermoelektrischen Moduls 100 ein Alternieren des thermoelektrischen Schenkels 122 als p-Typ mit einem vorherrschenden Leitungsmechanismus durch Defektelektronen und des thermoelektrischen Schenkels 124 als n-Typ mit einem vorherrschenden

Leitungsmechanismus durch Elektronen vor.

Wird ein thermoelektrischer Schenkel 122, 124 aus thermoelektrischem Material auf einer Seite auf einer erhöhten Temperatur und auf der anderen Seite auf einer im Vergleich hierzu erniedrigten Temperatur gehalten, entsteht durch den zwischen den beiden Seiten des thermoelektrischen Schenkels 122, 124 vorherrschenden Temperaturgradienten eine elektrische Spannung zwischen den beiden Seiten des thermoelektrischen Schenkels 122, 124. Werden die beiden Seiten der thermoelektrischen Schenkel 122, 124 elektrisch miteinander verbunden, fließt ein elektrischer Strom entlang eines Strompfades SP.

Dadurch kann an den Seiten der thermoelektrischen Schenkel 122, 124 abgeführte Wärme direkt in elektrische Leistung umgewandelt werden. Die elektrische Spannung im thermoelektrischen Schenkel 122, 124 wird durch die Thermodiffusion von Elektronen und durch die Thermodiffusion von Defektelektronen in Richtung des vorherrschenden Temperaturgradienten verursacht. Dieser Effekt wird als Seebeck-Effekt bezeichnet. Der den Seebeck-Effekt eines jeweiligen Materials charakterisierende Seebeck-Koeffizient hat die Dimension einer elektrischen Spannung pro Temperaturdifferenz, Volt/Kelvin, und beträgt beispielsweise für Skutterudite circa 100 - 300 μν/Κ.

Je größer der Temperaturgradient am Schenkel zwischen heißer und kalter Seite der thermoelektrischen Schenkel 122, 124 ist, umso höher ist die aus dem Seebeck-Effekt resultierende elektrische Spannung.

Dennoch ist die Spannung sehr gering, die an einem thermoelektrischen Schenkel 122, 124 abfällt. Bei einem Temperaturgradienten von etwa 400 °C liegen bei einem Material mit einem Seebeck-Koeffizient von 250 μν/Κ gerade mal 100 mV an. Um zu hohe elektrische Ströme zu vermieden, wird eine Vielzahl von thermoelektrischen Schenkeln 122, 124 in Reihe geschaltet. Dadurch wird bei gleicher elektrischer Leistung, auf die

Querschnittsfläche bezogen, die Spannung erhöht und der Strom entsprechend reduziert. Diese Reihenschaltung ist der Grund für die weitverbreitete Bauart von Modulen, wie in Figur 8 beispielhaft dargestellt ist. Die Figur 8 zeigt beispielhaft ein Modul mit in Reihe geschalteten thermoelektrischen Schenkeln. Durch die Vielzahl der in Reihe geschalteten thermoelektrischen Schenkel, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit eines Modulausfalls, da bereits eine Unterbrechung des Stromflusses in einem einzigen thermoelektrischen Schenkel, beispielsweise durch einen Riss oder eine abgelösten Lötstelle, dazu führt, dass das gesamte Modul ausfällt.

Die thermoelektrischen Schenkel 122, 124 sind mit den Brückenelektroden 1 12, 1 14, 1 16 in Serie geschaltet. Auf der Ober- und Unterseite aufliegende Keramikplatten 132, 134 isolieren das Modul elektrisch nach außen hin. Ferner umfasst das Modul Anschlusselektroden 142, 144.

Die weiteren Bezugszeichen der Figur 8 sind bereits in der Figurenbeschreibung der Figur 7 beschrieben worden und werden daher nicht weiter erläutert.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft gemäß dem Patentanspruch 1 eine Seebeck- Elementanordnung mit einer ersten Brückenelektrode, mit einem thermoelektrischen Schenkel, welcher mindestens zwei thermoelektrische Schenkelelemente aufweist, die jeweils mit der ersten Brückenelektrode über erste Kontaktflächen verbunden sind, und mit einer zweiten Brückenelektrode, welche mit den mindestens zwei thermoelektrischen Schenkelelementen jeweils über zweite Kontaktflächen verbunden ist.

Die vorliegende Erfindung schafft ferner gemäß dem Patentanspruch 7 eine Seebeck- Elementvorrichtung umfassend zwei Seebeck-Elementanordnungen, wobei die zwei Seebeck-Elementanordnungen über die zweite Brückenelektrode in Serie geschaltet sind. Die vorliegende Erfindung schafft ferner gemäß dem Patentanspruch 9 ein Verfahren zum Herstellen einer Seebeck-Elementanordnung mit den Schritten: Bilden eines

thermoelektrischen Schenkelelementes aus einem thermoelektrischen Material,

Beschichten des thermoelektrischen Schenkelelementes mit einem

Beschichtungsmaterial, Bilden eines Verbundes durch Zusammenfügen von mindestens zwei beschichteten thermoelektrischen Schenkelelementen, Verbinden der

thermoelektrischen Schenkelelemente mit einer ersten Brückenelektrode jeweils über erste Kontaktflächen und mit einer zweiten Brückenelektrode jeweils über zweite

Kontaktflächen und Entfernen des Beschichtungsmaterials zwischen den mindestens zwei thermoelektrischen Schenkelelementen.

Vorteile der Erfindung

Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, einen thermoelektrischen Schenkel nicht aus einem einzigen Block eines thermoelektrischen Materials aufzubauen, sondern aus einer Vielzahl von einzelnen Prismen auszubilden, nachfolgend auch thermoelektrische

Schenkelelemente genannt, wobei die Prismen ein thermoelektrisches Material aufweisen. Die Erfindung erlaubt die einfache Herstellung von thermoelektrischen Schenkeln, die aus einer Vielzahl von Prismen aus thermoelektrischem Material ausgebildet sind, die sich gegenseitig nicht berühren. Da die einzelnen thermoelektrischen Schenkelelemente wesentlich kleinere Kontaktflächen als die gesamte Querschnittsfläche der

thermoelektrischen Schenkel besitzen, sind die thermisch induzierten mechanischen Spannungen zum Lot sowie zur Leiterbahn an den Kontaktflächen zu den

Brückenelektroden wesentlich geringer.

Vorteilhaft erlaubt dies, falls eines der thermoelektrischen Schenkelelemente, die in ihrer Gesamtheit einen thermoelektrischen Schenkel bilden, ausfällt, dennoch die Seebeck- Elementanordnung weiterhin thermoelektrisch funktionsfähig zu halten. Dadurch kann die Lebensdauer der thermoelektrischen Schenkel erheblich verbessert werden.

Durch die vollständige, räumliche Trennung zwischen den Prismen wird ein

thermoelektrischer Schenkel aus einer Vielzahl von parallel geschalteten

thermoelektrischen Prismen, im weiteren auch thermoelektrische Schenkelelemente genannt, ausgebildet. Fällt eines oder mehrere dieser parallel geschalteten Prismen aus, beispielsweise durch Degradation oder durch mechanische Schädigung oder durch einen Produktionsfehler bei der Herstellung des Primas, bleibt der thermoelektrische Schenkel dennoch weiterhin funktionsfähig.

Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die mindestens zwei

thermoelektrischen Schenkelelemente des thermoelektrischen Schenkels voneinander getrennt ausgebildet. Dies erlaubt vorteilhaft, die Funktionsfähigkeit des

thermoelektrischen Schenkels auch bei Ausfall eines oder mehrerer der

thermoelektrischen Schenkelelemente aufrecht zu erhalten.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die erste Brückenelektrode ein Metall oder ein hoch-dotiertes Halbleitermaterial. Dadurch kann zuverlässig eine elektrische Zusammenschaltung der einzelnen thermoelektrischen Schenkel erreicht werden.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die zweite Brückenelektrode ein Metall oder ein hoch-dotiertes Halbleitermaterial. Dies ermöglicht eine zuverlässige elektrische Verbindung der einzelnen thermoelektrischen Schenkel. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfassen die mindestens zwei

thermoelektrischen Schenkelelemente des thermoelektrischen Schenkels ein

Halbleitermaterial oder ein Halbmetall.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfassen die mindestens zwei

thermoelektrischen Schenkelelemente des thermoelektrischen Schenkels Skutterudit- Verbindungen, Bismut-Telluride, Bismuth-Chalkogene, Halb-Heusler-Legierungen, Silizium-Germanium-Verbindungen, Bleitelluride, Clathrate, Silicide oder Magnesium- Verbindungen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Seebeck-Elementvorrichtung umfasst einer der thermoelektrischen Schenkel einen n-dotierten Halbleiter und einer der

thermoelektrischen Schenkel umfasst einen p-dotierten Halbleiter.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Verbund der mindestens zwei beschichteten thermoelektrischen Schenkelelemente vor dem Verbinden mit der ersten Brückenelektrode und der zweiten Brückenelektrode in thermoelektrische Schenkel vereinzelt.

Die beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren.

Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der

Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im

Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im

Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die dargestellten Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt. eine schematische Darstellung einer Seebeck-Elementvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; jeweils eine schematische Darstellung von einzelnen Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Herstellen einer Seebeck-Elementanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms eines Verfahrens zum Herstellen einer Seebeck-Elementanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; eine beispielhafte Darstellung eines thermoelektrischen Moduls; eine beispielhafte Darstellung eines Seebeck-Elements mit in Reihe geschalteten thermoelektrischen Schenkels; und eine beispielhafte Darstellung einer Vorrichtung zur Elektro-Impuls- Sinterung von metallischen Pulvern.

In den Figuren der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente, Bauteile, Komponenten oder Verfahrensschritte, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.

Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Seebeck-Elementvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Eine Seebeck-Elementvorrichtung 300 umfasst zwei Seebeck-Elementanordnungen 200, 200a, welche über eine zweite Brückenelektrode 214 in Serie geschaltet sind. In einem thermoelektrischen Schenkel befindet sich eine Vielzahl von Seebeck- Elementvorrichtungen 300, die jeweils über erste und zweite Brückenelektroden 212, 216 und 214 miteinander verbunden sind und in Reihe geschaltet sind. Die Seebeck- Elementvorrichtung 300 ist beispielsweise in Form von thermoelektrischen

Schenkelpaaren ausgebildet.

Die Seebeck-Elementanordnungen 200, 200a umfassen jeweils eine erste

Brückenelektrode 212, 216, eine zweite, gemeinsam genutzte Brückenelektrode 214 und einen thermoelektrischen Schenkel 222, 224. Die Seebeck-Elementanordnungen 200, 200a sind beispielsweise jeweils als ein thermoelektrisches Schenkelpaar ausgebildet.

Die beispielsweise als Metallbrücken ausgebildeten ersten und zweiten

Brückenelektroden 212, 214, 216 bilden zugleich die thermischen Kontaktflächen der

Seebeck-Elementanordnungen 200, 200a und sind durch eine aufliegende Folie oder eine Keramikplatte elektrisch nach außen hin isoliert.

Die thermoelektrischen Schenkel 222, 224 weisen mindestens zwei thermoelektrische Schenkelelemente 222a, 222b, 222c, 224a, 224b, 224c auf, die jeweils mit der ersten Brückenelektrode 212; 216 über erste Kontaktflächen KF1 verbunden sind.

Beispielsweise sind die thermoelektrischen Schenkel 222, 224 je aus einem p- und einem n-dotiertem Halbleitermaterial ausgebildet.

Ferner sind die mindestens zwei thermoelektrischen Schenkelelemente 222a, 222b, 222c, 224a, 224b, 224c jeweils mit der zweiten Brückenelektrode 214 über zweite

Kontaktflächen KF2 verbunden. Die thermoelektrischen Schenkelelemente 222a, 222b, 222c, 224a, 224b, 224c sind beispielsweise als thermoelektrische Schenkelelemente ausgebildet.

Die Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung von einzelnen Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Herstellen einer Seebeck-Elementanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Das Verfahren beginnt mit einem ersten Verfahrensschritt, mit welchem ein Bilden S1 eines thermoelektrischen Schenkelelementes 222a aus einem thermoelektrischen

Material erfolgt. Ferner erfolgt ein Beschichten S2 des thermoelektrischen

Schenkelelementes mit einem Beschichtungsmaterial 225.

Eine wichtige Komponente für den Aufbau der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Schenkel sind die verwendeten Beschichtungsmaterialien 225, die auf dem

thermoelektrischen Schenkelelement 222a haften oder durch einen Haftvermittler eine ausreichend hohe Haftung erreichen können. Solche Beschichtungsmaterialien 225 können auf verschiedene Art und Weise aufgebracht werden. Besonders vorteilhaft ist das Beschichtungsmaterial als Folie auf das thermoelektrische Schenkelelement 222a aufzubringen. Weiterhin vorteilhaft ist das Beschichtungsmatenal in Form eines Lackes auf das thermoelektrische Schenkelelement 222a aufzutragen. Dabei sind sogenannte Backlacke, wie sie aus der Herstellung von elektrischen Spulen bekannt sind, gut geeignet. Diese Backlacke besitzen nach dem Auftragen und Trocknen weiterhin eine klebrige Oberfläche, so dass damit beschichtete Bauteile mittels des Backlacks miteinander zusammengefügt werden können.

Anschließend erfolgt ein Ausbilden S3 eines Verbundes 230 aus einer Vielzahl von beschichteten thermoelektrischen Schenkelelementen 222a, 222b, 222c, 222d, welche jeweils durch das Beschichtungsmatenal 225 voneinander räumlich getrennt sind.

Ferner kann der Verbund 230, der mindestens zwei beschichtete thermoelektrische Schenkelelemente 222a, 222b, 222c, 222d aufweist, in einzelne thermoelektrische Schenkel vereinzelt werden.

Die Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung von einzelnen Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Herstellen einer Seebeck-Elementanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Ein Verbund 230 mit vier thermoelektrischen Schenkelelementen 222a, 222b, 222c, 222d wird mit einer ersten Brückenelektrode 212, 216 und mit einer zweiten Brückenelektrode 214 verbunden. Dabei wird der Verbund 230 aus Prismen und dem

Beschichtungsmatenal 225 mit der ersten Brückenelektroden 212, 216 und der zweiten Brückenelektrode 214 an der Ober- und Unterseite der thermoelektrischen

Schenkelelementen 222a, 222b, 222c, 222d stoffschlüssig verbunden. Dabei bilden die thermoelektrische Schenkelelemente 222a, 222b, 222c, 222d jeweils ein Prisma.

Anschließend erfolgt ein Entfernen S5 des Beschichtungsmaterials 225 zwischen den vier Schenkelelementen 222a, 222b, 222c, 222d. Dies geschieht dann besonders vorteilhaft, wenn die thermoelektrischen Schenkelelemente 222a, 222b, 222c, 222d mit ersten und zweiten Brückenelektroden 212, 214 und 216 verbunden sind und dadurch in Reihe geschaltet sind. Dies stellt dann den thermoelektrisch aktiven Teil der Seebeck- Elementanordnungen 200, 200a dar. Das Beschichtungsmatenal 225 lässt sich beispielsweise durch einen geeigneten Prozess rückstandsfrei aus den vier thermoelektrischen Schenkelelementen 222a, 222b, 222c, 222d des fertig gestellten thermoelektrischen Schenkels entfernen. Besonders vorteilhaft ist dabei eine derartige Ausgestaltung des Prozesses, bei welcher sich das Beschichtungsmaterial 225 mit geringem Aufwand zwischen den

thermoelektrischen Schenkelelementen 222a, 222b, 222c, 222d entfernen lässt. Dies kann je nach gewähltem Beschichtungsmaterial 255 durch eine thermische Zersetzung oder durch eine katalytisch induzierte Zersetzung oder mit einem Lösemittel durchgeführt werden. Beispielsweise werden überkritisches Kohlenstoffdioxid oder Aceton als

Lösemittel verwendet.

Als Beschichtungsmaterial 225 werden beispielsweise Polyethylen, Ethylenvinylacetat, Acrylester-Copolymere, Polystyrol, Styrolacrylnitril oder sonstige Imidoverbindungen verwendet.

Die Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung von einzelnen Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Herstellen einer Seebeck-Elementanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Die in Figur 4 dargestellten thermoelektrischen Schenkelelemente 222a, 222b, 222c, 222d mit jeweils quadratischem Querschnitt sind in einer matrizenförmigen Struktur angeordnet und ergeben einen thermoelektrischen Schenkel mit einem ebenfalls quadratischen Querschnitt, welcher durch ein Entfernen S5 des Beschichtungsmaterials 225 ausgebildet wird.

Die Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung von einzelnen Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Herstellen einer Seebeck-Elementanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Die in Figur 5 dargestellten thermoelektrischen Schenkelelemente 222a, 222b, 222c, 222d mit rechteckigen Querschnitten sind in einer matrizenförmigen Struktur als ein Verbund 230 angeordnet und ergeben nach dem Entfernen des Beschichtungsmaterials 225 einen thermoelektrischen Schenkel mit einem quadratischen Querschnitt.

Die Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms eines Verfahrens zum Herstellen einer Seebeck-Elementanordnung gemäß einer weiteren

Ausführungsform der Erfindung.

Dabei erfolgt als ein erster Verfahrensschritt ein Bilden S1 eines thermoelektrischen Schenkelelementes 222a aus einem thermoelektrischen Material. Ein Beispiel für ein solches thermoelektrisches Material umfasst gefüllte Skutterudite der Alkali-, Erdalkali- und Seltenerd-Metalle oder eine sonstige binäre Skutterudit-Struktur mit Leerstellen, welche beispielsweise mit Ytterbium, Lanthan, Barium, Natrium oder Kalium aufgefüllt sind. Als ein zweiter Verfahrensschritt folgt ein Beschichten S2 des thermoelektnschen

Schenkelelementes 222a mit einem Beschichtungsmaterial 225. Das Beschichten kann als Aufdampfen eines Materials oder als ein Aufbringen oder Aufpressen einer Folie aus Beschichtungsmaterial 225 ausgeführt werden. Als ein dritter Verfahrensschritt wird ein Bilden S3 eines Verbundes 230 durch

Zusammenfügen von mindestens zwei beschichteten thermoelektnschen

Schenkelelementen 222a, 222b, 222c, 222d vorgenommen. Dabei können die

mindestens zwei beschichteten thermoelektnschen Schenkelelementen 222a, 222b, 222c, 222d durch Druck- und/oder Hitzeeinwirkung verpresst werden.

Anschließend erfolgt ein Verbinden S4 der thermoelektnschen Schenkelelemente 222a, 222b, 222c, 222d mit einer ersten Brückenelektrode 212, 216 über erste Kontaktflächen KF1 und mit einer zweiten Brückenelektrode 214 über zweite Kontaktflächen KF2 als ein vierter Verfahrensschritt. Dabei können auf den ersten Kontaktflächen KF1 und den zweiten Kontaktflächen KF2 Lotmaterialien aufgebracht werden. Ferner können zum Verbinden Schweißungen, Bondverbindungen, Kaltpressschweißungen,

Klebverbindungen oder Lötungen verwendet werden.

Als ein fünfter Verfahrensschritt erfolgt ein Entfernen S5 des Beschichtungsmaterials 225 zwischen den mindestens zwei thermoelektnschen Schenkelelementen 222a, 222b, 222c, 222d.

Dabei kann die Seebeck-Elementanordnung 200, 200a einer erhöhten Temperatur ausgesetzt werden, bei welcher das Beschichtungsmaterial 225 desorbiert, abschmilzt oder verdampft.

Ausführungsformen der Erfindung

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.