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Title:
THERMOELECTRIC MODULE FOR GENERATING POWER, AND CORRESPONDING PRODUCTION METHOD
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/166390
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a thermoelectric module (7) for thermoelectrically generating power, in particular in the exhaust line of an internal combustion engine, comprising a base (8) and a plurality of thermoelements, each of which has two limbs (13), wherein the thermoelements are electrically connected in series and are mounted on the base (8). According to the invention, the base (8) consists of a metal material, which facilitates an inexpensive production, allows substantially larger formats, and makes the thermoelectric module (7) substantially more mechanically insensitive than in a conventional base made of ceramic. The invention additionally relates to a corresponding production method.

Inventors:
MARIEN, Jan (Beethovenstraße 15, Herborn, 35745, DE)
ZUCKERMANN, Daniel (Zur Heide 1, Sinn, 35764, DE)
HERBERT, Samuel (Fauleborn 37, Dillenburg-Manderbach, 35685, DE)
Application Number:
EP2019/054652
Publication Date:
September 06, 2019
Filing Date:
February 26, 2019
Export Citation:
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Assignee:
ISABELLENHÜTTE HEUSLER GMBH & CO. KG (Eibacher Weg 3-5, Dillenburg, 35683, DE)
International Classes:
H01L35/32; F01N5/02; H01L35/30; H01L35/34
Foreign References:
US20160204329A12016-07-14
DE102016006064A12017-11-23
US20160315242A12016-10-27
US20070028955A12007-02-08
US20110017254A12011-01-27
EP3156622A12017-04-19
DE102016006064A12017-11-23
US20160204329A12016-07-14
US20110017254A12011-01-27
JP2005317834A2005-11-10
US20020189661A12002-12-19
US20160315242A12016-10-27
Attorney, Agent or Firm:
V. BEZOLD & PARTNER PATENTANWÄLTE - PARTG MBB (Akademiestraße 7, München, 80799, DE)
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Claims:
ANSPRÜCHE

1. Thermoelektrisches Modul (7) zur thermoelektrischen Stromerzeugung, insbesondere in ei nem Abgasstrang eines Verbrennungsmotors, mit

a) einer Grundplatte (8) und

b) einer Vielzahl von Thermoelementen (22) mit jeweils zwei Schenkeln (13), wobei die Ther moelemente (22) mindestens teilweise elektrisch in Reihe geschaltet und auf der Grund platte (8) montiert sind,

dadurch gekennzeichnet,

c) dass die Grundplatte (8) aus einem metallischen Werkstoff besteht.

2. Thermoelektrisches Modul (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das ther moelektrische Modul (7) eine Warmseite und eine Kaltseite aufweist, wobei die metallische Grund platte (8) auf der Kaltseite des thermoelektrischen Moduls (7) angeordnet ist.

3. Thermoelektrisches Modul (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

gekennzeichnet durch

a) eine kaltseitige Isolierschicht (9) zwischen der metallischen Grundplatte (8) einerseits und den Thermoelementen (22) andererseits zur elektrischen Isolierung der metallischen Grundplatte (8) gegenüber den Thermoelementen (22), wobei die kaltseitige Isolierschicht (9) vorzugsweise

al) eine Kleberschicht ist, die auf der metallischen Grundplatte (8) aufgeklebt ist, und/o der

a2) mindestens teilweise mit Keramikmaterial gefüllt ist, um eine gute Wärmeleitfähig keit der Isolierschicht (9) zu erreichen, und/oder

b) eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen Kontaktflächen (10) auf der kaltseitigen Isolier schicht (9) zur elektrischen Kontaktierung von jeweils zwei Schenkeln (13) verschiedener Thermoelemente (22) für eine elektrische Reihenschaltung der Thermoelemente (22), und/oder

c) eine kaltseitige Korrosionsschutzschicht (11), welche die Kontaktflächen (10) auf der kalt seitigen Isolierschicht (9) abdeckt und vor Korrosion schützt, insbesondere als Nickel-Gold- Schicht, und/oder

d) eine warmseitige Wärmeleiterplatte (15), insbesondere aus Edelstahl, zur thermischen An kopplung des thermoelektrischen Moduls (7) an eine Wärmequelle, und/oder e) eine warmseitige erste Zwischenlage (16), insbesondere als Graphitfolie, zwischen der Wär meleiterplatte (15) und den Thermoelementen (22) zum Ausgleichen von Oberflächen unebenheiten, und/oder

f) eine warmseitige Isolierschicht (17), insbesondere als Keramikschicht, zur elektrischen Iso lierung der Thermoelemente (22) gegenüber der Wärmeleiterplatte (15), und/oder g) eine warmseitige zweite Zwischenlage (18), insbesondere als Graphitfolie, zwischen der warmseitigen Isolierschicht (17) und den Thermoelementen (22) zum Ausgleichen von Oberflächenunebenheiten, und/oder

h) eine Vielzahl von warmseitigen, elektrisch leitfähigen Kontaktflächen (19) zur elektrischen Kontaktierung von jeweils zwei Schenkeln (13) verschiedener Thermoelemente (22) für eine elektrische Reihenschaltung der Thermoelemente (22), und/oder

i) eine warmseitige Korrosionsschutzschicht (20) auf den warmseitigen Kontaktflächen (19) zum Schutz der warmseitigen Kontaktflächen (19) vor Korrosion, insbesondere als Nickel- Gold-Schicht.

4. Thermoelektrisches Modul (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

gekennzeichnet durch

a) eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen Kontaktflächen (19) auf der Warmseite des thermo elektrischen Moduls (7) zur elektrischen Kontaktierung von jeweils zwei Schenkeln (13) ver schiedener Thermoelemente (22) für eine elektrische Reihenschaltung der Thermoele mente (22), wobei die warmseitigen Kontaktflächen (19) durch eine Hartlötverbindung (21) mit den Schenkeln (13) der Thermoelemente (22) verbunden sind, und

b) eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen Kontaktflächen (10) auf der Kaltseite des thermo elektrischen Moduls (7) zur elektrischen Kontaktierung von jeweils zwei Schenkeln (13) ver schiedener Thermoelemente (22) für eine elektrische Reihenschaltung der Thermoele mente (22), wobei die kaltseitigen Kontaktflächen (10) durch eine Weichlötverbindung (14) mit den Schenkeln (13) der Thermoelemente (22) verbunden sind.

5. Thermoelektrisches Modul (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoelemente (22) aus verschiedenen thermoelektrischen Materialien bestehen, die bei den verschiedenen Thermoelementen (22) auf unterschiedliche Betriebstempe raturen ausgelegt sind.

6. Thermoelektrisches Modul (7) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, a) dass das thermoelektrische Modul (7) im Betrieb an der Warmseite einem Temperaturgra dienten parallel zu der Warmseite ausgesetzt ist, so dass die Temperatur an der Warmseite des thermoelektrischen Moduls (7) von einem Hochtemperaturbereich (23) hin zu einem Niedertemperaturbereich (24) abnimmt, und

b) dass die Thermoelemente (22) in dem Hochtemperaturbereich (23) auf eine größere Be triebstemperatur ausgelegt sind als in dem Niedertemperaturbereich (24).

7. Thermoelektrisches Modul (7) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

a) dass die Thermoelemente (22) in dem Hochtemperaturbereich (23) mindestens teilweise aus einem der folgenden Materialien bestehen:

al) hochtemperaturstabile Halb-Heusler-Legierung,

a2) Skutterudit,

a3) Silicid,

a4) Bleitellurid, und/oder

b) dass die Thermoelemente (22) in dem Niedertemperaturbereich (24) mindestens teilweise aus Bismuttellurid bestehen.

8. Thermoelektrisches Modul (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

a) dass die Anzahl der Thermoelemente (22) in dem thermoelektrischen Modul (7) größer ist als 100, 200, 400 oder 600, und/oder

b) dass die einzelnen Kontaktflächen für die Thermoelemente (22) jeweils eine Länge von 2mm-10mm, 3mm-7mm oder 4mm-5mm aufweisen, und/oder

c) dass die einzelnen Kontaktflächen (10, 19) für die Thermoelemente (22) jeweils eine Breite von 0,5mm-4mm, lmm-3mm oder l,5mm-2mm aufweisen, und/oder

d) dass die einzelnen Kontaktflächen (10, 19) für die Thermoelemente (22) jeweils eine Dicke von 0,lmm-lmm, 0,2mm-0,5mm oder 0,25mm-0,35mm aufweisen, und/oder e) dass die einzelnen Schenkel (13) der Thermoelemente (22) jeweils eine Dicke von 0,5mm- 2mm, 0,7mm-l,5mm oder 0,8mm-l,2mm aufweisen, und/oder

f) dass die einzelnen Schenkel (13) der Thermoelemente (22) jeweils eine Länge von 0,5mm- 3mm, lmm-2mm oder l,3mm-l,7mm aufweisen, und/oder

g) dass die Grundplatte (8) eine Kantenlänge mindestens 2cm, 4cm oder 8cm aufweist, und/o der

h) dass die Isolierschicht (9) auf der metallischen Grundplatte (8) eine Schichtdicke von 10pm-100pm, 20pm-70pm oder 30pm-50pm aufweist, und/oder i) dass der metallische Werkstoff der metallischen Grundplatte (8) einer der folgenden Werk stoffe ist:

11) Kupfer oder Kupferlegierung,

12) Aluminium oder Aluminiumlegierung,

13) Edelstahl.

9. Abgasstrang eines Verbrennungsmotors zur Ableitung eines Heißgasstroms von dem Ver brennungsmotor mit einem thermoelektrischen Modul (7), das in dem Heißgasstrom angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoelektrische Modul (7) nach einem der vorhergehen den Ansprüche ausgebildet ist.

10. Abgasstrang nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,

a) dass das thermoelektrische Modul (7) auf seiner Kaltseite einem Kühlmittelstrom, insbe sondere einem Kühlwasserstrom, ausgesetzt ist, der quer, insbesondere rechtwinklig, zu dem Heißgasstrom an der Warmseite des thermoelektrischen Moduls (7) ausgerichtet ist, und/oder

b) dass an der Warmseite des thermoelektrischen Moduls (7) ein Temperaturgradient quer zu dem Kühlmittelstrom auftritt, so dass die Temperatur an der Warmseite des thermoelektri schen Moduls (7) von einem Hochtemperaturbereich (23) hin zu einem Niedertemperatur bereich (24) abnimmt, und/oder

c) dass die Thermoelemente (22) in dem Hochtemperaturbereich (23) auf eine größere Be triebstemperatur ausgelegt sind als in dem Niedertemperaturbereich (24).

11. Verbrennungsmotor, insbesondere Ottomotor oder Dieselmotor, mit einem Abgasstrang nach einem der Ansprüche 9 oder 10.

12. Herstellungsverfahren für ein thermoelektrisches Modul (7) zur thermoelektrischen Strom erzeugung, insbesondere für ein thermoelektrisches Modul (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit den folgenden Schritten:

a) Bereitstellung einer Grundplatte (8),

b) Montage einer Vielzahl von Thermoelementen (22) auf der Grundplatte (8),

dadurch gekennzeichnet,

c) dass die Grundplatte (8) aus einem metallischen Werkstoff besteht.

13. Herstellungsverfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Aufbringen einer kaltseitigen Isolierschicht (9), insbesondere einer Kleberschicht, auf die metallische Grundplatte (8) zur elektrischen Isolierung der metallischen Grundplatte (8) ge genüber den Thermoelementen (22), wobei die Grundplatte (8) kaltseitig angeordnet ist, und/oder

b) Aufbringen einer Vielzahl von elektrisch leitfähigen Kontaktflächen (10) auf die Isolier schicht (9), und/oder

c) Aufbringen einer Korrosionsschutzschicht (11) auf die Kontaktflächen (10), und/oder d) Aufbringen einer Zwischenlage (12), insbesondere als Graphitfolie, auf die Kontaktflächen (10) zum Ausgleichen von Oberflächenunebenheiten, und/oder

e) Montage der Thermoelemente (22) auf den Kontaktflächen (10) auf der Isolierschicht (9), und/oder

f) Aufbringen einer ersten Zwischenlage (18), insbesondere als Graphitfolie, auf die Thermo elemente (22) zum Ausgleichen von Oberflächenunebenheiten, und/oder

g) Aufbringen einer warmseitigen Isolierschicht (17) zur elektrischen Isolierung, und/oder h) Aufbringen einer zweiten Zwischenlage (16), insbesondere als Graphitfolie, auf die Isolier schicht (17) zum Ausgleichen von Oberflächenunebenheiten, und/oder

i) Aufbringen einer warmseitigen Wärmeleiterplatte (15), insbesondere aus Edelstahl, zur thermischen Ankopplung des thermoelektrischen Moduls (7) an eine Wärmequelle.

14. Herstellungsverfahren nach Anspruch 12 oder 13, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Verbinden von jeweils zwei Schenkeln (13) aus einem thermoelektrischen Material mit ei ner elektrisch leitfähigen Kontaktfläche durch Hartlöten zu einem Thermoelement (22), und b) Verbinden des Thermoelements (22) mit der kaltseitigen Grundplatte (8) durch Weichlöten.

15. Herstellungsverfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,

a) dass die Thermoelemente (22) einzeln vormontiert werden,

b) dass die vormontierten Thermoelemente (22) dann gemeinsam mit der metallischen Grundplatte (8) verbunden werden.

16. Herstellungsverfahren nach einem der Schritte 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, a) dass das thermoelektrische Modul (7) im Betrieb einem Temperaturgradienten parallel zu der Warmseite ausgesetzt ist, so dass die Temperatur an der Warmseite des thermoelektri schen Moduls (7) von einem Hochtemperaturbereich (23) hin zu einem Niedertemperatur bereich (24) abnimmt, und b) dass die Thermoelemente (22) in dem Hochtemperaturbereich (23) auf eine größere Be triebstemperatur ausgelegt sind als in dem Niedertemperaturbereich (24).

Description:
BESCHREIBUNG

Thermoelektrisches Modul zur Stromerzeugung und zugehöriges Herstellungsverfahren

Die Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Modul zur thermoelektrischen Stromerzeugung, ins besondere in einem Abgasstrang eines Verbrennungsmotors. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein solches thermoelektrisches Modul.

Klassische thermoelektrische Module zur Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie bestehen aus einer Reihenschaltung mehrerer Thermoelemente. Jedes dieser Thermoelemente be steht aus mindestens einem p-Typ-Bauelement (Schenkel), einem n-Typ-Bauelement (Schenkel) und einer diese beiden Bauelemente elektrisch verbindenden, meist aus Metall bestehenden Kon taktbrücke (Figuren 4A, 4b). In Reihe geschaltet werden mehrere Thermoelemente durch das elekt rische Verbinden des p-Typ-Bauelements eines Thermoelements mit dem n-Typ-Bauelement des nächsten Thermoelements usw. Eine solche Verschaltung von Thermoelementen wird als Thermo elektrisches Modul bezeichnet. Durch das Erzeugen eines Wärmestroms durch das p-Typ- und n- Typ-Bauelement, von einer Kontaktierungsebene zur anderen Kontaktierungsebene, wird mittels Seebeck Effekt eine elektrische Spannung erzeugt.

Typische Wärmequellen für einen solchen Prozess sind z.B. Heißgasströme, wie sie in Abgasanlagen von Verbrennungsmotoren vorherrschen. Aber auch jede andere Wärmequelle ist denkbar. Um zum Beispiel Wärme aus dem Abgas zu entziehen und zum Thermoelement zu leiten bzw. um nicht in elektrische Energie umgewandelte Restwärme abzuführen, werden in der Regel metallische Wär metauscher-Systeme eingesetzt. Um einen Kurzschluss zwischen Wärmetauschern und Kontakt brücken zu vermeiden, ist eine elektrische Isolierung der Kontaktbrücken hin zu den Wärmetau schern zwingend notwendig.

Als Isolierung werden in der Regel mehrere Zehntelmillimeter dicke Keramikplatten, z.B. aus Alu miniumoxyd oder Aluminiumnitrid, verwendet. Um einen optimalen Wärmeübergang zwischen Iso lierung und Kontaktbrücke zu gewährleisten, haben sich stoffschlüssige Verbindungen etabliert. Gängig ist die Verwendung sogenannter DBC oder DCB (DBC: direct bond copper; DCB: direct cop- per bond) Verbundwerkstoffsubstrate. Dabei wird Kupfer direkt auf eine Keramikplatte auflami niert. Diese Substrate besitzen eine gute elektrische Isolierung und Wärmeleitfähigkeit. Nachteilig ist jedoch, dass diese Substrate in ihrer Größe herstellungsbedingt auf etwa 130 mm x 180 mm beschränkt sind. Außerdem besitzen massive Keramiken keine plastische Verformbarkeit und sind damit anfällig für mechanische Beanspruchung. Ein weiterer Nachteil der DCB Technologie ist ein hoher Herstellungspreis der Laminate.

Figur 1 zeigt eine Perspektivansicht eines herkömmlichen thermoelektrischen Moduls 1 zur Um wandlung von thermischer in elektrischer Energie mittels Seebeck-Effekt, wobei das thermoelekt rische Modul 1 gemäß der DCB-Verbindungstechnik (DCB: Direct Copper Bond) hergestellt ist. So weist das bekannte thermoelektrische Modul 1 zwei parallele Keramikplatten 2 auf, die warmseitig bzw. kaltseitig angeordnet sind. In der Zeichnung ist die untere Keramikplatte 2 kaltseitig angeord net und trägt zahlreiche Kontaktflächen 3 aus Kupfer, wobei die einzelnen Kontaktflächen 3 jeweils einen p-Typ-Schenkel 4 und einen n-Typ- Schenkel 5 elektrisch kontaktieren, um die einzelnen Ther moelemente elektrisch in Reihe zu schalten. Die Verbindung zwischen den p-Typ-Schenkeln 4 bzw. den n-Typ- Schenkeln 5 und den zugehörigen Kontaktflächen 3 erfolgt hierbei durch Sinter-, Klebe oder Lötverbindungen 6.

Nachteilig an der bekannten DCB-Verbindungstechnik sind zunächst die relativ hohen Herstellungs kosten. Darüber hinaus sind die Keramikplatten 2 auch stoß- und thermoschockempfindlich. Schließlich ist das bekannte thermoelektrische Modul 1 hinsichtlich seiner Größe und der seitlichen Ausdehnung beschränkt.

Zum technischen Hintergrund der Erfindung ist auch hinzuweisen auf DE 10 2016 006 064 Al, US 2016/0 204 329 Al, US 2011/0 017 254 Al, JP 2005-317 834 A, US 2002/0 189 661 Al und US 2016/0

315 242A1.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein entsprechend verbessertes thermoelektri sches Modul zu schaffen.

Das erfindungsgemäße thermoelektrische Modul weist zunächst in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik eine Grundplatte auf. Hierbei ist zu erwähnen, dass die Grundplatte und dann auch die sonstigen Schichten des thermoelektrischen Moduls vorzugsweise eben sind. Es ist jedoch theoretisch auch möglich, dass die Grundplatte und die sonstigen Schichten gebogen sind.

Darüber hinaus enthält das erfindungsgemäße thermoelektrische Modul in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik eine Vielzahl von Thermoelementen mit jeweils zwei Schenkeln, wobei die Thermoelemente elektrisch in Reihe geschaltet und auf der Grundplatte montiert sind. Zur Vermei dung von Missverständnissen ist zu bemerken, dass im Rahmen der Erfindung nicht alle Thermo elemente elektrisch in Reihe geschaltet sein müssen. Es besteht beispielsweise auch die Möglich keit, dass die Thermoelemente jeweils in Gruppen in Reihe geschaltet sind, wobei die Gruppen dann parallel geschaltet sind.

Im Gegensatz zum Stand der Technik besteht die Grundplatte jedoch bei dem erfindungsgemäßen thermoelektrischen Modul nicht aus einem keramischen Material, sondern aus einem metallischen Werkstoff (z. B. Kupfer, Aluminium, Edelstahl).

Dies bietet den Vorteil, dass sich das thermoelektrische Modul kostengünstiger hersteilen lässt. Darüber hinaus sind mit einer Metallplatte als Grundplatte wesentlich größere Formate möglich. Schließlich ist das erfindungsgemäße thermoelektrische Modul auch mechanisch wesentlich un empfindlicher als bei einer Grundplatte aus Keramik.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die metallische Grundplatte auf der Kaltseite des thermoelektrischen Moduls angeordnet, d. h. auf der Seite des thermoelektrischen Moduls, die im Betrieb einer geringeren Temperatur ausgesetzt ist als die gegenüberliegende Warmseite.

Darüber hinaus weist das thermoelektrische Modul eine kaltseitige Isolierschicht auf, die zwischen der metallischen Grundplatte einerseits und den Thermoelementen andererseits angeordnet ist und dazu dient, die metallische Grundplatte gegenüber den Thermoelementen elektrisch zu isolie ren und die Thermoelemente auf der Grundplatte zu fixieren . Diese Isolierschicht besteht aus einer organischen Kleberschicht.

Zur Erreichung einer guten Wärmeleitfähigkeit der organischen Isolierschicht kann die Isolierschicht mindestens teilweise mit Keramikmaterial gefüllt sein.

Darüber hinaus umfasst das thermoelektrische Modul gemäß der Erfindung vorzugsweise eine Viel zahl von elektrisch leitfähigen Kontaktflächen auf der kontaktseitigen Isolierschicht. Die einzelnen Kontaktflächen dienen jeweils zur Kontaktierung von zwei Schenkeln verschiedener Thermoele mente für eine elektrische Reihenschaltung der Thermoelemente in dem erfindungsgemäßen Ther moelektrischen Modul. Ferner weist das erfindungsgemäße thermoelektrische Modul vorzugsweise eine kaltseitige Korro sionsschutzschicht auf, welche die Kontaktflächen auf der Isolierschicht abdeckt und vor Korrosion schützt. Beispielsweise kann diese Korrosionsschutzschicht aus einer Nickel-Gold-Schicht bestehen, wie es an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist.

Darüber hinaus ist warmseitig eine elektrische Isolierschicht (z. B. Keramikschicht) vorgesehen, um die Thermoelemente gegenüber der elektrisch leitfähigen Wärmeleiterplatte zu isolieren.

Zwischen der warmseitigen Isolierschicht und den Thermoelementen kann eine weitere Zwischen lage (z. B. Graphitfolie) angeordnet werden, um Oberflächenunebenheiten auszugleichen.

Darüber hinaus ist warmseitig eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen Kontaktflächen vorgesehen, um jeweils zwei Schenkel verschiedener Thermoelement für eine elektrische Reihenschaltung der Thermoelemente zu kontaktieren.

Die warmseitigen Kontaktflächen können hierbei ebenfalls - wie auf der Kaltseite - durch eine Kor rosionsschutzschicht (z. B. Nickel-Gold-Schicht) bedeckt werden, um Korrosion an den Kontaktflä chen zu vermeiden.

Darüber hinaus umfasst die Erfindung auch einen weiteren Erfindungsaspekt, der unabhängig von dem vorstehend beschriebenen ersten Erfindungsaspekt (Grundplatte aus Metall) Schutz genießt. So sieht dieser zweite Erfindungsaspekt vor, dass die Kontaktierung der Thermoelemente auf der Warmseite einerseits und auf der Kaltseite andererseits bei unterschiedlichen Fügetemperaturen erfolgt. Dabei erfolgt die Verbindung zwischen den Kontaktflächen einerseits und den Schenkeln der Thermoelemente andererseits auf der Warmseite vorzugsweise durch eine höhere Fügetem peratur als auf der Kaltseite, beispielsweise durch eine Flartlötverbindung bei einer Temperatur von beispielsweise 900 °C. Auf der Kaltseite erfolgt die Verbindung zwischen den Kontaktflächen und den Schenkeln der Thermoelemente dagegen bei einer niedrigeren Temperatur beispielsweise durch Weichlöten bei einer Temperatur von beispielsweise 300 °C. Die Flartlötverbindungen auf der Warmseite des thermoelektrischen Moduls sind dann sinnvoll, wenn das thermoelektrische Modul bei einem Einsatz in einem Abgasstrang eines Verbrennungsmotors an seiner Warmseite Tempera turen von bis zu 600 °C Stand halten muss. Hierfür ist ein Hartlot (z. B. ein Silberbasislot) notwendig, wohingegen eine Weichlötverbindung diesen relativ hohen Temperaturen nicht Stand halten würde. An der Kaltseite des thermoelektrischen Moduls herrschen dagegen im Betrieb nur Tempe raturen bis maximal 150 °C, so dass dort Weichlötverbindungen ausreichen.

Die einzelnen Thermoelemente werden deshalb vorzugsweise zunächst vormontiert, wobei im Rah men der Vormontage eine Hartlötverbindung hergestellt wird. Anschließend werden die vormon tierten, hartgelöteten Thermoelemente dann auf der Grundplatte montiert und durch eine Weich lötverbindung kontaktiert. Bei dieser Weichlötverbindung muss das gesamte thermoelektrische Modul nur auf ungefähr 300 °C aufgeheizt werden, was wesentlich weniger ist als bei einer Hartlöt verbindung. Dadurch werden die mechanischen Spannungen in dem thermoelektrischen Modul verringert. Darüber hinaus werden durch diese Temperaturabsenkungen im Rahmen des Herstel lungsprozesses die Fertigungskosten verringert. Ferner sind auch wesentlich größere Module mög lich. Schließlich können die Schenkelpaare auch für verschiedene Modultypen genutzt werden, was eine Standardisierung ermöglicht.

Zusätzlich zu den beiden vorstehend genannten Erfindungsaspekten (Grundplatte aus Metall, Hart löten auf Warmseite und Weichlöten auf Kaltseite) umfasst die Erfindung auch einen dritten Erfin dungsaspekt, der nachfolgend beschrieben wird.

Dieser dritte Erfindungsaspekt beruht auf der Erkenntnis, dass die Betriebstemperatur auf der Warmseite des thermoelektrischen Moduls räumlich schwankt, so dass es sinnvoll ist, die einzelnen Thermoelemente in Abhängigkeit von ihrem Montageort innerhalb des thermoelektrischen Moduls an die örtlich vorherrschenden Betriebstemperaturen anzupassen. Es ist deshalb vorzugsweise vor gesehen, dass die Thermoelemente aus verschiedenen thermoelektrischen Materialien bestehen, die bei den verschiedenen Thermoelementen auf unterschiedliche Betriebstemperaturen hin aus gelegt sind.

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das thermoelektrische Modul im Betrieb an der Warmseite einem Temperaturgradienten parallel zu der Warmseite ausgesetzt, so dass die Temperatur an der Warmseite des thermoelektrischen Moduls von einem Hochtemperaturbereich hin zu einem Niedertemperaturbereich abnimmt. Die Thermoelemente in dem Hochtemperatur bereich sind dann vorzugsweise auf eine größere Betriebstemperatur ausgelegt als in dem Nieder temperaturbereich.

Beispielsweise können die Thermoelemente in dem Hochtemperaturbereich mindestens teilweise aus hochtemperaturstabilen Halb-Heusler-Legierungen, Skutterudit, Silicid oder Bleitellurid beste hen, während die Thermoelemente in dem Niedertemperaturbereich mindestens teilweise aus Bis- muttellurid bestehen.

Der erfindungsgemäße Aufbau des thermoelektrischen Moduls ermöglicht eine sehr große Anzahl von Thermoelementen in dem thermoelektrischen Modul, wobei die Anzahl der Thermoelemente beispielsweise größer als 100, 200, 400 oder sogar größer als 600 sein kann.

Die einzelnen Kontaktflächen für die Thermoelemente können beispielsweise eine Länge von 2 mm - 10 mm, eine Breite von 0,5 mm - 4 mm und eine Dicke von 0,1 mm - 1 mm aufweisen.

Die einzelnen Schenkel der Thermoelemente können jeweils eine Dicke von 0,3 mm - 3 mm und eine Länge von 0,3 mm - 3 mm aufweisen.

Die Grundplatte des thermoelektrischen Moduls kann beispielsweise eine Kantenlänge von min destens 2 cm, 4 cm oder sogar 15 cm aufweisen.

Zu der Isolierschicht auf der metallischen Grundplatte ist zu erwähnen, dass diese eine Schichtdicke von beispielsweise 5 pm - 100 pm aufweisen kann.

Der metallische Werkstoff der metallischen Grundplatte kann beispielsweise Kupfer, eine Kupfer legierung, Aluminium, eine Aluminiumlegierung oder Edelstahl sein, um nur einige Beispiele zu nen nen. Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich des metallischen Werkstoffs der metallischen Grundplatte nicht auf diese Beispiele beschränkt.

Weiterhin ist zu erwähnen, dass die Erfindung nicht nur Schutz beansprucht für das vorstehend beschriebene thermoelektrische Modul als einzelnes Bauteil. Vielmehr beansprucht die Erfindung auch Schutz für einen kompletten Abgasstrang eines Verbrennungsmotors mit einem derartigen thermoelektrischen Modul zur Stromerzeugung aus der Abwärme des Heißgasstroms.

Ferner beansprucht die Erfindung auch Schutz für einen kompletten Verbrennungsmotor (z. B. Ot tomotor, Dieselmotor) mit einem Abgasstrang, in dem ein erfindungsgemäßes thermoelektrisches Modul angeordnet ist.

Schließlich beansprucht die Erfindung auch Schutz für ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Die einzelnen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ergeben sich aus der vorstehenden Beschreibung des thermoelektrischen Moduls, so dass auf eine separate Be schreibung der einzelnen Verfahrensschritte verzichtet werden kann.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine Perspektivansicht eines herkömmlichen thermoelektrischen Moduls zur

Stromerzeugung,

Figur 2 eine Perspektivansicht eines Ausschnitts eines erfindungsgemäßen thermoelektri schen Moduls,

Figur 3 eine Schnittansicht durch ein Thermoelement des erfindungsgemäßen thermo elektrischen Moduls zur Verdeutlichung des Schichtaufbaus,

Figur 4A eine Seitenansicht auf ein einzelnes Thermoelement des erfindungsgemäßen ther moelektrischen Moduls,

Figur 4B eine Aufsicht auf das Thermoelement gemäß Figur 4A,

Figur 5 eine Aufsicht auf eine metallische Grundplatte des erfindungsgemäßen thermo elektrischen Moduls,

Figur 6 ein Flussdiagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfah rens, sowie

Figur 7 eine schematische Darstellung eines Thermoelements zur Stromversorgung einer elektrischen Last.

Die Figuren 2 bis 5 zeigen verschiedene Ansichten zu einem erfindungsgemäßen thermoelektri schen Modul 7, das beispielsweise zur thermoelektrischen Stromerzeugung eingesetzt werden kann, indem das thermoelektrische Modul 7 einem heißen Abgasstrom eines Verbrennungsmotors (z. B. Ottomotor, Dieselmotor) ausgesetzt wird. Das erfindungsgemäße thermoelektrische Modul 7 weist zunächst eine kaltseitige Grundplatte 8 aus Metall (z. B. Kuper, Aluminium, Edelstahl) auf.

Die metallische Grundplatte 8 trägt eine elektrisch isolierende Isolierschicht 9 aus einem organi schen Klebstoff, so dass die Kontaktflächen 10 einfach auf die Grundplatte 8 aufgeklebt werden kann.

Auf die Isolierschicht 9 sind wiederrum elektrisch leitfähige Kontaktflächen 10 aufgebracht, die wie- derrum von einer Korrosionsschutzschicht 11 (z. B. Nickel-Gold-Schicht) abgedeckt werden, um eine Korrosion an den Kontaktflächen 10 zu vermeiden. Die Isolierschicht 9 verhindert hierbei einen Kurzschluss zwischen den Kontaktflächen 10 über die elektrisch leitfähige Grundplatte 8.

In dem thermoelektrischen Modul 7 sind die Schenkel 13 der Thermoelemente 22 durch eine Weichlötverbindung 12 mit den kaltseitigen Kontaktflächen 11 verbunden.

Angrenzend an die Warmseite des thermoelektrischen Moduls 7 befindet sich zunächst eine Wär meleiterplatte 15, die beispielsweise aus Edelstahl bestehen kann und zur thermischen Ankopplung an die auszunutzende Wärmequelle (z. B. Heißgasstrom) dient. Diese Wärmeleiterplatte gehört nicht zum eigentlichen thermoelektrischen Modul selbst und ist nur zur Veranschaulichung darge stellt.

Darunter befindet sich eine Zwischenlage 16, die beispielsweise aus einer Graphitfolie bestehen kann und die Aufgabe hat, Oberflächenunebenheiten auszugleichen.

Daran schließt sich dann eine Isolierschicht 17 an, die aus Keramik besteht, damit sie den an der Warmseite des thermoelektrischen Moduls 7 auftretenden hohen Temperaturen Stand halten kann.

Als nächstes schließt sich dann optional eine weitere Zwischenlage 18 an, um Oberflächenuneben heiten auszugleichen. Diese Lage kann beispielsweise aus Grafit, Bornitrid oder einem metallischen Lot bestehen.

Dann folgen die einzelnen Kontaktflächen 19, die wiederrum von einer Korrosionsschutzschicht (z. B. Nickel-Gold-Schicht) ummantelt sind. Die Isolierschicht 17 verhindert hierbei einen Kurz schluss zwischen den Kontaktflächen 19 über die elektrisch leitfähige Wärmeleiterplatte 15.

Die Verbindung zwischen den Schenkeln 13 der einzelnen Thermoelemente einerseits und den warmseitigen Kontaktflächen 19 andererseits erfolgt hierbei zum Beispiel durch Hartlötverbindun gen 21, die den auf der Warmseite des thermoelektrischen Moduls 7 auftretenden hohen Tempe raturen Stand halten können.

Figur 3 zeigt hierbei eine Schnittansicht durch ein einzelnes Thermoelement 22. Aus Figur 5 ist je doch ersichtlich, dass die Grundplatte 8 eine Vielzahl von Kontaktflächen 10 trägt, so dass das ther moelektrische Modul 7 entsprechend eine Vielzahl der Thermoelemente 22 enthalten kann, die elektrisch in Reihe geschaltet sind.

Aus den Figuren 4A und 4B ist ersichtlich, dass die warmseitigen Kontaktflächen 19 beispielsweise eine Länge L = 4,5 mm, eine Dicke D = 0,3 mm und eine Breite B = 1,8 mm aufweisen können.

Die einzelnen Schenkel 13 der Thermoelemente 22 können jeweils eine Dicke b = 1 mm aufweisen.

Darüber hinaus ist ersichtlich, dass die wärmeseitigen Kontaktflächen 19 einen Radius R = 0,9 mm aufweisen können, wobei die abgerundete Seite eine Ausrichtungserkennung ermöglicht.

Aus Figur 5 ist weiterhin ersichtlich, dass das thermoelektrische Modul 7 einem Heißgasstrom aus gesetzt ist, der in der Zeichnung in senkrechter Richtung von oben nach unten verläuft. Auf der Kaltseite des thermoelektrischen Moduls 7 verläuft dagegen ein Kühlwasserstrom in der Zeichnung in waagerechter Richtung von links nach rechts. Dies hat zur Folge, dass die Temperatur an der Warmseite des thermoelektrischen Moduls 7 nicht einheitlich ist. Vielmehr ist die Temperatur in einem Hochtemperaturbereich 23 größer als in einem anschließenden Niedertemperaturbereich 24 an der Warmseite des thermoelektrischen Moduls 7. Die einzelnen Thermoelemente 22 werden deshalb an die örtlich schwankenden Betriebstemperaturen angepasst. So bestehend die Thermo elemente 22 in dem Hochtemperaturbereich 23 aus Halb-Heusler-Legierungen, die extrem hoch temperaturstabil sind. Die Thermoelemente 22 in dem Niedertemperaturbereich 24 bestehen da gegen aus Bismuttelluriden, die für niedrigere Temperaturbereiche optimiert sind.

Im Folgenden wird nun das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren beschrieben, das in Figur 6 in Form eines Flussdiagramms dargestellt ist. In einem ersten Schritt S1 werden zunächst die einzelnen Thermoelemente 22 hergestellt, indem die Schenkel 13 beispielsweise durch eine Hartlötverbindung mit den warmseitigen Kontaktflächen 19 verbunden werden. Um Missverständnisse zu vermeiden sei gesagt, dass auch jede andere Fü getechnologie, wie z.B. Sintern, möglich ist, die den Anforderungen an elektrische Leitfähigkeit und Temperaturstabilität gerecht wird. Die Hartlötverbindung auf der Warmseite des thermoelektri schen Moduls 7 ist vorteilhaft, weil das thermoelektrische Modul 7 dann auf der Warmseite sehr hohen Betriebstemperaturen ausgesetzt werden kann.

In einem Schritt S2 werden die Kontaktflächen 10 durch die Isolierschicht 9 auf die Grundplatte 8 aufgeklebt.

In einem Schritt S3 wird dann die Korrosionsschutzschicht 11 auf die Kontaktflächen 10 aufge bracht.

In einem Schritt S4 werden die vormontierten Thermoelemente 22 dann mit den elektrischen Kon taktflächen 10 auf der Kaltseite verbunden. Diese Verbindung erfolgt z.B. durch ein Weichlöten bei circa 300 °C. Wichtig ist, dass die Fügetemperatur bei diesem Vorgang niedriger ist als die Tempe ratur, welche nötig wäre, um die Vormontage der Thermoelemente wider zu lösen. Bei einem hier vorteilhaften Weichlötvorgang treten wesentlich geringere Temperaturen auf als bei einem Hart lötvorgang an der Warmseite des thermoelektrischen Moduls 7. Dies hat den Vorteil, dass das ther moelektrische Modul 7 nur auf circa 300 °C aufgeheizt werden muss. Dadurch werden auch die beim Lötvorgang entstehenden mechanischen Spannungen in dem thermoelektrischen Modul 7 verringert. Ein weiterer Vorteil besteht in der Verringerung der Fertigungskosten und es sind grö ßere thermoelektrische Module 7 möglich. Schließlich können die einzelnen Schenkelpaare auch für verschiedene Modultypen genutzt werden, was eine Standardisierung ermöglicht.

Auf der Warmseite wird dann in einem Schritt S5 optional die Zwischenlage 18 aufgebracht, um Oberflächenunebenheiten auszugleichen.

In einem Schritt S6 wird dann die warmseitige Isolierschicht 17 aus Keramik aufgebracht. Die Ver wendung von Keramik als Material für die Isolierschicht 17 ist wichtig, da warmseitig sehr hohe Temperatur auftreten, so dass die Isolierschicht 17 entsprechend Temperaturbeständig sein muss. Anschließend wird dann in einem Schritt S7 die Zwischenlage 16 aufgebracht, um Oberflächen unebenheiten auszugleichen.

Die Zwischenräume zwischen den Schenkeln 13 der einzelnen Thermoelemente 22 bleiben hierbei leer und sind somit im Betrieb mit Luft gefüllt, was eine gute Wärmeisolation bewirkt. Optional können die Zwischenräume jedoch auch mit einem hoch wärmedämmenden Feststoff, wie z.B. ei nem Faserzement, gefüllt werden.

Aus der schematischen Darstellung in Figur 7 ist ersichtlich, dass die Schenkel des Thermoelements kaltseitig und warmseitig jeweils einen metallischen Kontakt berühren. Der Wärmestrom dQ/dt von der warmseitigen Wärmeleiterplatte 15 zu der kaltseitigen Grundplatte 8 ist hierbei Folge einer entsprechenden Temperaturdifferenz, die eine entsprechende Thermospannung erzeugt.

Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel be- schränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. Insbesondere beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den jeweils in Bezug genommenen Ansprüchen und insbesondere auch ohne die Merkmale des Hauptanspruchs. Weiterhin ist zu erwähnen, dass die Erfindung folgende Erfindungs- aspekte umfasst, die unabhängig voneinander Schutz genießen:

- Grundplatte aus Metall anstelle von Keramik,

- Hartlötverbindung auf der Warmseite und Weichlötverbindung auf der Kaltseite,

- unterschiedliche Thermoelementmaterialien in Abhängigkeit von der örtlichen Schwankung der Betriebstemperatur.

Diese Erfindungsaspekte können also unabhängig voneinander Schutz genießen.

Bezugszeichenliste:

1 Thermoelektrisches Modul gemäß Stand der Technik

2 Keramikplatten

3 Kontaktflächen

4 p-Typ-Schenkel der Thermoelemente

5 n-Typ-Schenkel der Thermoelemente

6 Lötverbindung

7 Thermoelektrisches Modul gemäß Erfindung

8 Kaltseitige Grundplatte aus Metall (z.B. Kupfer)

9 Isolierschicht aus Klebstoff

10 Kaltseitige Kontaktflächen

11 Korrosionsschutzschicht auf den kaltseitigen Kontaktflächen

12 Kaltseitige Zwischenlage aus Graphit zum Ausgleichen von Oberflächenunebenheiten

13 Schenkel der Thermoelemente

14 Weichlötverbindung auf der Kaltseite

15 Wärmeleiterplatte auf der Warmseite

16 Warmseitige Zwischenlage aus Graphit zum Ausgleichen von Oberflächenunebenheiten

17 Warmseitige Isolierschicht aus Keramik

18 Warmseitige Zwischenlage aus Graphit zum Ausgleichen von Oberflächenunebenheiten

19 Warmseitige Kontaktflächen

20 Warmseitige Korrosionsschutzschicht auf der Warmseite

21 Hartlötverbindung auf der Warmseite

22 Thermoelement

23 Hochtemperaturbereich an der Warmseite des thermoelektrischen Moduls

24 Niedertemperaturbereich an der Warmseite des thermoelektrischen Moduls