Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
THERMOELECTRIC MODULE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2016/008606
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a thermoelectric module comprising a plurality of thermoelectric elements which are electrically conductively connected to one another and have a hot side and a cold side, wherein each thermoelectric element has one thermal limb which is composed of n-conducting thermoelectrically active material and one thermal limb which is composed of p-conducting thermoelectrically active material, which limbs are electrically conductively connected to one another on the hot side. In order to propose a module which can be produced with a low level of expenditure and has a plurality of thermoelectric elements, in which module tensile and shear stresses in the thermoelectrically active material are avoided, it is proposed that the thermal limbs of each thermoelectric element of the module are fastened in a cohesive manner to a single heat sink on the cold side, and the two thermal limbs of each thermoelectric element are fastened to a carrying segment, with a heat collector, on the hot side, said heat collector being designed to introduce heat radiation and/or a heat flow from a heat source. Shielding largely prevents the heat radiation and/or the heat flow also being introduced into the cold side of the thermoelectric element of the module.

Inventors:
SPAN, Gerhard (Himmelreichweg 4, 6112 Wattens, AT)
HOPPE, Stefan (Cheruskerweg 16, Dorsten, 46286, DE)
DIOT, Jean-Luc (1 quai Crequi, Grenoble, 38000, FR)
Application Number:
EP2015/058828
Publication Date:
January 21, 2016
Filing Date:
April 23, 2015
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
O-FLEXX TECHNOLOGIES GMBH (Auf der Höhe 49, Duisburg, 47059, DE)
NOVAPACK SAS (Batiment ATOLL, 14 Rue des Glairaux, Egrève, 38120, FR)
International Classes:
H01L35/30; H01L35/32
Domestic Patent References:
WO2011003685A12011-01-13
Foreign References:
US20050126184A12005-06-16
EP2698833A12014-02-19
DE102007060312A12009-02-26
Attorney, Agent or Firm:
KOHLMANN, Kai (Donatusstr. 1, Aachen, 52078, DE)
Download PDF:
Claims:
Thermoelektrisches Modul (1) umfassend mehrere elektrisch leitend miteinander verbundene thermoelektrische Elemente (2) mit einer heißen Seite (2.1) und einer kalten Seite (2.2) , wobei jedes thermoelektrische Element (2) einen

Thermoschenkel (2.4) aus n-leitendem thermoelektrisch aktivem Material und einen Thermoschenkel (2.3) aus p-leitendem thermoelektrisch aktivem Material

aufweist , jedes thermoelektrische Element (2) mindestens ein erstes wärmeleitendes Trägersegment (2.5) an der kalten Seite (2.2) sowie ein von jedem ersten

Trägersegment (2.5) durch einen Spalt (2.7)

beabstandetes zweites wärmeleitendes Trägersegment (2.7) an der heißen Seite (2.1) aufweist, die beiden Thermoschenkel (2.3, 2.4) jedes

thermoelektrischen Elements (2) den Spalt (2.7) überbrückend an dem ersten Trägersegment (2.5) oder jeweils an einem der beiden ersten Trägersegmente (2.5) und an dem zweiten Trägersegment (2.6)

befestigt sind, jedes erste Trägersegment (2.5) Stoffschlüssig mit einer Oberfläche (1.1.1) eines einzigen

wärmeleitendem Substrats (1.1) verbunden ist, im Abstand zu der Oberfläche (1.1.1) des Substrats (1.1) unter Ausbildung eines Zwischenraums (1.2) eine Abschirmung (1.3) mit Durchgängen (1.3.1) angeordnet ist und sich jedes zweite Trägersegment (2.6) aus dem

Zwischenraum (1.2) durch einen der Durchgänge (1.3.1) hindurch nach Außen erstreckt.

Thermoelektrisches Modul nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, dass jeder Durchgang (1.3.1) in der

Abschirmung (1.3) derart dimensioniert und angeordnet ist, dass jedes zweite Trägersegment (2.6) weder bei Umgebungstemperatur noch bei Übertragung thermischer Energie von einer Wärmequelle auf das zweite

Trägersegment (2.6) mit den Rändern des Durchgangs

(1.3.1) in Berührung gelangt.

Thermoelektrisches Modul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1.1) als Platte ausgebildet ist, jedes erste Trägersegment (2.5) als Winkelprofil mit einem ersten und einem zweiten Schenkel (2.5.1,

2.5.2) ausgebildet ist,

der erste Schenkel (2.5.1) Stoffschlüssig mit der Oberfläche (1.1.1) des Substrats (1.1) verbunden ist, der zweite Schenkel (2.5.2) sich rechtwinklig von der Oberfläche (1.1.1) des Substrats (1.1) erstreckt, jedes zweite Trägersegment (2.6) zumindest innerhalb des Zwischenraums (1.2) plattenförmig ausgebildet ist und der zweite Schenkel (2.5.2) des mindestens einen ersten Trägersegments (2.5) und der plattenförmige Abschnitt (2.6.2) des zweiten Trägersegments (2.6) jedes thermoelektrischen Elements (2) in einer rechtwinklig zur Oberfläche (1.1.1) des Substrats

(1.1) verlaufenden Ebene (2.9) angeordnet sind.

Thermoelektrisches Modul nach Anspruch 3, dadurch

gekennzeichnet, dass der Spalt (2.7) zwischen jedem ersten Trägersegment (2.5) und dem zweiten Trägersegment (2.6) jedes thermoelektrischen Elementes (2) parallel zur Oberfläche (1.1.1) des Substrats (1.1) verläuft.

Thermoelektrisches Modul nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem ersten Trägersegment (2.5) und jedem zweiten Trägersegment (2.6) eines

thermoelektrischen Elementes (2) eine den Spalt (2.7) überbrückende Aussteifung (2.8) aus wärmeisolierendem Material befestigt ist.

Thermoelektrisches Modul nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedes thermoelektrische Element (2) zwei erste

Trägersegmente (2.5) umfasst, die aus einem

elektrisch leitfähigen Material bestehen und

die Trägersegmente durch einen rechtwinklig zur

Oberfläche (1.1.1) des Substrats (1.1) verlaufenden Spalt (2.7) beabstandet sind. Thermoelektrisches Modul nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedes thermoelektrische Element (2) nur ein erstes Trägersegment (2.5) umfasst, das die Thermoschenkel (2.3, 2.4) an der kalten Seite (2.2) des thermoelektrischen Elementes elektrisch

voneinander trennt.

Thermoelektrisches Modul nach einem der Ansprüche 3 bis

7, dadurch gekennzeichnet, dass jedes thermoelektrische Element (2) ein zweites Trägersegment (2.6) umfasst, das die Thermoschenkel (2.3, 2.4) an der heißen Seite (2.1) des thermoelektrischen Elementes (2) elektrisch

miteinander verbindet.

Thermoelektrisches Modul nach einem der Ansprüche 3 bis

8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (1.3) als Platte mit als Längsschlitzen ausgebildeten Durchgängen (1.3.1) für die zweiten Trägersegmente (2.6) ausgebildet ist .

Thermoelektrisches Modul nach einem der Ansprüche 3 bis

9, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Trägersegmente (2.5, 2.6) in Bezug zu der Oberfläche (1.1.1) des

Substrats (1.1) gleich ausgerichtet sind. Thermoelektrisches Modul nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der sich nach außen erstreckende Wärmekollektor-Abschnitt (2.6.1) jedes zweiten Trägersegments (2.6) um einen spitzen Winkel gegenüber der rechtwinklig zur Oberfläche des Substrats verlaufenden Ebene (2.9) abgewinkelt ist. 12. Thermoelektrisches Modul nach Anspruch 11, dadurch

gekennzeichnet, dass die in Richtung der Abschirmung (1.3) weisende Seite des Wärmekollektor-Abschnitts (2.6.1) eine wärmeabsorbierende Oberfläche (2.6.2) und die gegenüberliegende Seite sowie vorzugsweise auch die nach außen weisende Seite der Abschirmung eine

reflektierende Oberfläche (2.6.3, 1.3.2) aufweisen.

Thermoelektrisches Modul nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der sich nach außen erstreckende Wärmekollektor-Abschnitt (2.6.1) zumindest bereichsweise breiter als der plattenförmige Abschnitt (2.6.2) des zweiten Trägersegments (2.6) ist.

Thermoelektrisches Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche (1.1.1) des wärmeleitendem Substrats (1.1) Leiterbahnen derart angeordnet sind, um die thermoelektrischen

Elemente (2) elektrisch miteinander zu verbinden. Thermoelektrisches Modul (1) umfassend mehrere elektrisch leitend miteinander verbundene thermoelektrische Elemente (2) mit einer heißen Seite (2.1) und einer kalten Seite (2.2) , wobei jedes thermoelektrische Element (2) einen

Thermoschenkel (2.4) aus n-leitendem thermoelektrisch aktivem Material und einen Thermoschenkel (2.3) aus p-leitendem thermoelektrisch aktivem Material

aufweist, die an der heißen Seite (2.1) elektrisch leitend miteinander verbunden sind, die Thermoschenkel (2.3, 2.4) jedes

thermoelektrischen Elements (2) des Moduls (1) an der kalten Seite (2.2) stoffschlüssig an einer einzigen Wärmesenke (1.1) befestigt sind und die beiden Thermoschenkel (2.3, 2.4) jedes

thermoelektrischen Elements (2) an der heißen Seite (2.1) an einem separaten Wärmekollektor (2.6) befestigt sind, der für eine Wärmeeinkopplung einer Wärmestrahlung und/oder einer Wärmeströmung von einer Wärmequelle eingerichtet ist.

Description:
Thermoelektrisches Modul

Die Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Modul umfassend mehrere elektrisch leitend miteinander verbundene

thermoelektrische Elemente mit einer heißen und einer kalten Seite .

Die direkte Wandlung von Wärme in elektrische Energie ist mit einem als Generator betriebenen thermoelektrischen Element möglich. Ein Thermoelement weist vorzugsweise unterschiedlich dotierte Halbleitermaterialien als Thermoschenkel auf, wodurch sich die Effizienz gegenüber thermoelektrischen

Elementen mit zwei unterschiedlichen und an einem Ende miteinander verbundenen Metallen wesentlich steigern lässt.

Gebräuchliche, thermoelektrisch aktive Halbleitermaterialien sind Bi 2 Te 3 , PbTe, SiGe, BiSb und FeSi 2 . Um ausreichend hohe Spannungen zu erzeugen, sind in einem thermoelektrischen Modul üblicherweise eine Vielzahl von thermoelektrischen Elementen elektrisch in Reihe geschaltet.

Die Wirkungsweise eines thermoelektrischen Elementes beruht auf dem thermoelektrischen Effekt, nachfolgend als Seebeck- Effekt bezeichnet. Beim Seebeck-Effekt entsteht zwi schen zwei Punkten eines elektrischen Leiters bzw. Halbleiters , die eine verschiedene Temperatur haben, eine elektrische Spannung. Die entstehende Spannung ist bestimmt durch

Useebeck = Οί X ΔΤ mit ΔΤ Temperaturdifferenz zwischen zwei Punkten des

Leiter/Halbleiters an den Kontaktstellen, Seebeck-Koeffizient.

Herkömmliche thermoelektrische Module bestehen aus mehreren thermoelektrischen Elementen, die jeweils einen Quader aus n- leitendem thermoelektrisch aktivem Halbleitermaterial und einen Quader aus p-leitendem thermoelektrisch aktivem

Halbleitermaterial aufweisen. Die Quader der

thermoelektrischen Elemente sind abwechselnd oben und unten durch Metallbrücken elektrisch leitend miteinander verbunden. Die Metallbrücken bilden zugleich die thermischen

Kontaktflächen zur Leitung eines Wärmestroms von der heißen zur kalten Seite der thermoelektrischen Elemente. Die

thermischen Kontaktflächen sind auf beiden Seiten des Moduls durch eine aufliegende Keramikplatte elektrisch isoliert. Über die Keramikplatte auf der heißen Seite ist das Modul an eine Wärmequelle und über die Keramikplatte an der kalten Seite an eine Wärmesenke angebunden.

Gute thermoelektrische Materialien sind spröde und mechanisch nur auf Druck belastbar. Zug- und Scherbelastung führen daher nicht zu einer plastischen Verformung, sondern zum Bruch der thermoelektrisch aktiven Materialien. Um die thermoelektrisch aktiven Materialien herkömmlicher thermoelektrischer Elemente trotz unterschiedlicher Ausdehnungen der Wärmequelle und der Wärmesenke nach Möglichkeit nur auf Druck zu belasten, erfolgt die Anbindung der Keramikplatte auf der heißen Seite an die Wärmequelle gleitend. Der im Interesse eines hohen Wirkungsgrades des thermoelektrischen Elementes angestrebte geringe thermische Widerstand zwischen der Wärmequelle und der Keramikplatte erfordert grundsätzlich eine sehr hohe Anpresskraft, die sich jedoch aufgrund der zum Ausgleich unterschiedlicher Ausdehnungen erforderlichen Gleit lagerung verbietet. Um insoweit einen optimalen Kompromiss zu finden, ist über die gesamte Oberfläche der gleitgelagerten

Keramikplatte ein gleichförmiger Kraftschluss erforderlich, der nur mit außerordentlich großem, bisher nicht

automatisierbaren Herstellungsaufwand realisierbar ist.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein mit geringerem Aufwand

herstellbares Modul mit mehreren thermoelektrischen Elementen vorzuschlagen, bei dem Zug- und Scherbeanspruchungen in dem thermoelektrisch aktiven Material vermieden werden.

Diese Aufgabe wird durch ein thermoelektrisches Modul der eingangs erwähnten Art gelöst, wobei jedes thermoelektrische Element einen Thermoschenkel aus n-leitendem thermoelektrisch aktivem Material und einen Thermoschenkel aus p-leitendem thermoelektrisch aktivem Material aufweist, jedes thermoelektrische Element mindestens ein erstes wärmeleitendes Trägersegment an der kalten Seite sowie ein von jedem ersten Trägersegment durch einen Spalt beabstandetes zweites wärmeleitendes Trägersegment an der heißen Seite aufweist, die beiden Thermoschenkel jedes thermoelektrischen

Elements den Spalt überbrückend an dem ersten

Trägersegment oder jeweils an einem der beiden ersten Trägersegmente und an dem zweiten Trägersegment befestigt sind, jedes erste Trägersegment Stoffschlüssig mit einer

Oberfläche eines einzigen wärmeleitendem Substrats verbunden ist, im Abstand zu der Oberfläche des Substrats unter

Ausbildung eines Zwischenraums eine Abschirmung mit

Durchgängen angeordnet ist und sich jedes zweite Trägersegment aus dem Zwischenraum durch einen der Durchgänge hindurch nach Außen erstreckt.

Die schädlichen Zug- und Scherspannungen in dem

thermoelektrisch aktiven Material der Thermoschenkel wird vermieden, indem die Thermoschenkel über die ersten

Trägersegmente Stoffschlüssig mit der Oberfläche des einzigen wärmeleitenden Substrats verbunden sind, während die

Ankopplung an eine Wärmequelle durch ein jedem

thermoelektrischen Element zugeordnetes zweites Trägersegment erfolgt, wobei der sich aus dem Zwischenraum nach außen erstreckende Teil jedes zweiten Trägersegmentes einen

Wärmekollektor bildet, der für eine Wärmeeinkopplung einer Wärmestrahlung und/oder eine Wärmeströmung von einer

Wärmequelle eingerichtet ist. Durch den Verzicht auf eine Wärmeleitung zwischen der Wärmequelle und der heißen Seite jedes thermoelektrischen Elementes werden die nachteiligen Folgen unterschiedlicher Ausdehnung der Wärmequelle und der Wärmesenke auf das thermoelektrisch aktive Material

vermieden .

Jedes erste wärmeleitende Trägersegment an der kalten Seite weist in vorteilhadter Ausgestaltung der Erfindung eine Wärme1eitfähigkeit von mindestens 20 W/mK auf, vorzugsweise von mindestens 80 W/mK.

Jedes zweite wärmeleitende Trägersegment an der heißen Seite weist in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung eine

Wärmeleitfähigkeit von mindestens 80 W/mK auf.

Das wärmeleitende Substrat weist in vorteilhafter

Ausgestaltung der Erfindung eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 20 W/mK auf, vorzugsweise von mindestens 80 W/mK.

Der Spalt zwischen jedem ersten Trägersegment und dem zweiten Trägersegment jedes thermoelektrischen Elementes entkoppelt dessen heiße Seite von dessen kalter Seite, so dass der zwischen heißer und kalter Seite angelegte Temperaturgradient in den den Spalt überbrückenden Thermoschenkeln wirksam wird.

Die Abschirmung verhindert weitgehend, das die Wärmestrahlung und/oder die Wärmeströmung auch in die kalte Seite des thermoelektrischen Elementes des Moduls eingekoppelt wird.

Um die Bewegung der zweiten Trägersegmente bei der

Einkopplung thermischer Energie nicht zu behindern, ist jeder Durchgang in der Abschirmung vorzugsweise derart

dimensioniert und angeordnet, dass jedes zweite Trägersegment weder bei Umgebungstemperatur noch bei Übertragung

thermischer Energie von der Wärmequelle, sei es im Wege einer Wärmestrahlung oder einer Wärmeströmung, mit den Rändern des Durchgangs in Berührung gelangt. Die Erfindung betrifft insbesondere auch eine Anordnung umfassend ein

thermoelektrisches Modul und eine Wärmequelle, die zur

Übertragung thermischer Energie auf das zweite Trägersegment (2.6) von der Wärmequelle, sei es im Wege einer

Wärmestrahlung oder einer Wärmeströmung, eingerichtet ist.

Ein konstruktiv vorteilhaftes Modul ist dadurch

gekennzeichnet, dass das Substrat als Platte ausgebildet ist, jedes erste Trägersegment als Winkelprofil mit einem ersten und einem zweiten Schenkel ausgebildet ist, der erste

Schenkel Stoffschlüssig mit der Oberfläche des Substrats verbunden ist, der zweite Schenkel sich rechtwinklig von der Oberfläche des Substrats erstreckt, jedes zweite

Trägersegment zumindest innerhalb des Zwischenraums

plattenförmig ausgebildet ist und der zweite Schenkel des mindestens einen ersten Trägersegments und der plattenförmige Abschnitt des zweiten Trägersegments jedes thermoelektrischen Elements in einer rechtwinklig zur Oberfläche des Substrats verlaufenden Ebene angeordnet sind.

Die Wärmesenke des Moduls wird von dem plattenförmigen

Substrat gebildet, das aus einem thermisch gut leitfähigen Material besteht. In Betracht kommt insbesondere eine IMS- Leiterplatte, die wie folgt aufgebaut ist: Auf einem

Aluminium-Substrat befindet sich eine Polymer-Schicht. Auf die Polymer-Schicht wird vollflächig eine Kupferschicht aufgebracht, die mit herkömmlichen Verfahren zu Leiterbahnen strukturiert wird, die die einzelnen thermoelektrischen

Elemente des Moduls elektrisch miteinander verbindet. Die thermoelektrischen Elemente des Moduls werden zur Erhöhung der Ausgangsspannung insbesondere in Reihe geschaltet.

Der erste Schenkel des Winkelprofils kann vorteilhaft als Befestigungsabschnitt zur stoffschlüssigen Verbindung des ersten Trägersegments auf der Oberfläche des wärmeleitenden Substrats genutzt werden. Die Stoffschlüssige Verbindung erfolgt vorzugsweise im Wege des Lötens. Der zweite sich rechtwinklig von der Oberfläche des Substrats erstreckende Schenkel jedes ersten Trägersegmentes bildet in Verbindung mit dem plattenförmigen Abschnitt des zweiten Trägersegments eine Montageoberfläche, auf der die vorzugsweise

quaderförmigen Thermoschenkel den Spalt überbrückend gut befestigt werden können. Die Befestigung der Thermoschenkel erfolgt beispielsweise mit einem gut wärmeleitenden

Klebstoff.

Bei dem vorstehend erläuterten, konstruktiv vorteilhaften thermoelektrischen Modul verläuft der Spalt zur Entkopplung der heißen von der kalten Seite jedes thermoelektrischen Elementes vorzugsweise parallel zur Oberfläche des Substrats

Zur mechanischen Stabilisierung und zur Entlastung der den Spalt überbrückenden Thermoschenkel kann an jedem ersten Trägersegment und jedem zweiten Trägersegment eines

thermoelektrischen Elementes eine den Spalt überbrückende Aussteifung aus wärmeisolierendem Material befestigt sein. Die Aussteifung besteht aus einem wärmeisolierenden Material mit einer Wärmeleitung von maximal 0,5 Watt/mK.

Beispielsweise handelt es sich um ein Polymer, das als

Spritzgussteil an die ersten und zweiten Trägersegmente angespritzt wird. Die Aussteifung befindet sich vorzugsweise auf der der Montageoberfläche der Thermoschenkel abgewandten Rückseite der Trägersegmente.

Sofern das thermoelektrische Element zwei erste

Trägersegmente umfasst, die aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen und die Trägersegmente durch ein rechtwinklig zur Oberfläche des Substrats verlaufenden Spalt beabstandet sind, können die ersten Trägersegmente

vollständig aus einem metallischen Werkstoff gefertigt werden, um die beiden Thermoschenkel thermisch an die

Wärmesenke anzubinden. Der metallische Werkstoff kann

zugleich als elektrischer Leiter dienen, um die

thermoelektrischen Elemente des Moduls in Verbindung mit den vorzugsweise auf der Oberfläche der Wärmesenke angeordneten Leiterbahnstrukturen elektrisch leitend miteinander zu verbinden .

Wird indes nur ein erstes Trägersegment je thermoelektrisches Element verbaut, muss dieses aus einem thermisch gut

leitenden, jedoch elektrisch isolierenden Material bestehen, um Kurzschlüsse zwischen den Thermoschenkeln des

thermoelektrischen Elementes zu vermeiden. Die elektrische Kontaktierung der Thermoschenkel erfolgt dann entweder über separate Kabel oder auf den Oberflächen des thermisch

leitenden ersten Trägersegmentes aufgebrachte

Leiterbahnstrukturen, die von der Leiterbahnstrukturen auf der Oberfläche der Wärmesenke bis zu dem Befestigungsbereich der beiden Thermoschenkel auf dem ersten Trägersegment führen. Geeignet sind keramische Materialien, die thermisch gut leitend sind und elektrisch isolierende Eigenschaften aufweisen. Alternativ können Metalle, wie Kupfer oder

Aluminium, als thermisch gut leitende Materialien zum Einsatz kommen, die an der Oberfläche eine elektrische

Isolationsschicht aufweisen.

Sofern jedes thermoelektrische Element ein zweites

Trägersegment umfasst, das die Thermoschenkel an der heißen Seite des thermoelektrischen Elementes elektrisch miteinander verbindet, ist eine separate elektrische Verbindung der

Thermoschenkel des thermoelektrischen Elementes an der heißen Seite nicht erforderlich. Als Material für das zweite

Trägersegment kommen insbesondere Metalle, wie Kupfer oder Aluminium, als thermisch und elektrisch gut leitende

Materialien in Betracht.

Eine kompakte Bauform eines Moduls bei gleichzeitig hoher Leistungsdichte wird dadurch erreicht, dass sämtliche

Trägersegmente auf der Oberfläche des Substrats gleich ausgerichtet sind. Im Interesse einer kompakten Bauform ist die Abschirmung als Platte mit als Längsschlitzen

ausgebildeten Durchgängen für die zweiten Trägersegmente ausgebildet. Die plattenförmige Abschirmung ist parallel zur Oberfläche des plattenförmigen Substrats unter Ausbildung des Zwischenraums angeordnet, so dass sich ein im wesentlichen quaderförmiger Aufbau des Moduls ergibt, an dessen Oberseite die sich nach außen erstreckenden Wärmekollektor-Abschnitte jedes zweiten Trägersegmentes herausragen.

Sofern die Wärme in die Wärmekollektor-Abschnitte im Wege der Wärmeströmung eingetragen wird, beispielsweise durch eine Heißgas-Strömung, sind die zweiten Trägersegmente

vorzugsweise als Platten ausgebildet, die sich ausgehend von der Oberfläche des Substrats senkrecht nach oben erstrecken. Die Gasströmung erfolgt parallel zu den Oberflächen der zweiten Segmente, die vorzugsweise sämtlich gleich

ausgerichtet sind.

Sofern die Einkopplung von Wärme in die Wärmekollektor- Abschnitte durch elektromagnetische Strahlung, insbesondere in einem Wellenlängenbereich von λ = 300 pm - λ = 315 nm erfolgt, ist der sich nach außen erstreckende Wärmekollektor- Abschnitt jedes zweiten Trägersegments um einen spitzen

Winkel gegenüber einer rechtwinklig zur Oberfläche des Substrats verlaufenden Ebene abgewinkelt.

Sofern die in Richtung der Abschirmung weisende Seite jedes Wärmekollektor-Abschnitts eine wärmeabsorbierende Oberfläche und die gegenüberliegende Seite eine reflektierende

Oberfläche aufweist, bilden die abgewinkelten, gleich

ausgerichteten Wärmekollektor-Abschnitte eine Strahlenfalle. Eine weitere Verbesserung der Effizienz der Strahlenfalle kann dadurch erzielt werden, dass auch die nach außen

weisende Seite der Abschirmung eine reflektierende Oberfläche aufweist .

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, kann der sich nach außen erstreckende Wärmekollektor- Abschnitt zumindest bereichsweise breiter als der

plattenförmige Abschnitt des zweiten Trägersegmentes

ausgebildet sein, um die Wärmeübertragung von der Wärmequelle in das zweite Trägersegment zu verbessern.

In einer Ausgestaltung der Erfindung kann der Zwischenraum zwischen den thermoelektrischen Elementen mit einer

thermischen Isolierung ausgefüllt sein, um die heiße Seite jedes thermoelektrischen Elementes noch wirksamer von der kalten Seite zu entkoppeln. Als Isoliermaterial kommen beispielsweise flexible Keramikschnüre in Betracht, die den Zwischenraum optimal ausfüllen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von

Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 schematische Vorderansicht eines ersten

Ausführungsbeispiels eines thermoelektrischen Moduls,

Figur 2 eine Seitenansicht des thermoelektrischen

Moduls nach Figur 1,

Figur 3 eine Seitenansicht eines zweiten

Ausführungsbeispiels eines thermoelektrischen Moduls und

Figur 4 eine Darstellung eines einzelnen

thermoelektrischen Elementes eines

thermoelektrischen Moduls mit vergrößerter Heißseite in Vorder- und Seitenansicht.

Figur 1 zeigt in Verbindung mit Figur 2 ein erstes

Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Moduls (1) umfassend mehrere elektrisch in Reihe geschaltete

thermoelektrische Elemente (2) mit einer heißen Seite

und einer kalten Seite (2.2) .

Jedes der thermoelektrischen Elemente (2) weist einen

Thermoschenkel (2.3) aus n-leitendem thermoelektrisch aktivem Material und einen Thermoschenkel (2.4) aus p-leitendem thermoelektrisch aktivem Material auf. Die Thermoschenkel sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel quaderförmig.

Jedes thermoelektrische Element (2) weist an der kalten Seite (2.2) zwei erste, aus gut wärmeleitendem Material,

insbesondere Metall bestehende Trägersegmente (2.5) auf, die jeweils als Winkelprofil mit einem ersten Schenkel (2.5.1) und einem zweiten Schenkel (2.5.2) ausgeführt sind.

Des Weiteren weist jedes thermoelektrische Element (2) ein zweites gut wärmeleitendes, insbesondere aus Metall

bestehendes Trägersegment (2.6) auf, das von den beiden ersten Trägersegmenten (2.5) durch einen horizontal

verlaufenden Spalt (2.7) beabstandet ist. Der Abstand wird derart bestimmt, dass die Wärmeübertragung in jedem

thermoelektrischen Element (2) zwischen heißer und kalter Seite (2.1, 2.2) in erster Linie durch die Thermoschenkel (2.3, 2.4) erfolgt.

Aus den Figuren 1 und 2 ist erkennbar, dass die

Thermoschenkel (2.3, 2.4) den Spalt (2.7) überbrücken und jeweils an einem der beiden ersten Trägersegmente (2.5) und an dem zweiten Trägersegment (2.6) befestigt sind. Die

Befestigung erfolgt insbesondere mittels einer Lötverbindung oder eines wärmeleitenden Klebstoffs.

Die ersten Trägersegmente (2.5) jedes thermoelektrischen Elementes (2) sind Stoffschlüssig mit einer Oberfläche

(1.1.1) eines wärmeleitenden, als Platte ausgebildeten

Substrats (1.1) verbunden. Die Befestigung erfolgt

insbesondere durch eine Lötung. Im Abstand zu der Oberfläche (1.1.1) ist unter Ausbildung eines Zwischenraums (1.2) eine als Platte ausgebildete Abschirmung (1.3) mit Durchgängen (1.3.1) angeordnet, die in dem Ausführungsbeispiel als Längsschlitze ausgebildet sind.

Die zweiten Trägersegmente (2.6) erstrecken sich aus dem Zwischenraum (1.2) durch einen der Durchgänge (1.3.1) hindurch nach außen. Dabei ist mit „außen" der Bereich oberhalb der Abschirmung (1.3) gemeint. Der sich nach außen erstreckende Teil jedes zweiten Trägersegmentes (2.6) wird als Wärmekollektorabschnitt (2.6.1) bezeichnet.

Wie insbesondere aus der Seitenansicht in Figur 2 erkennbar, erstreckt sich der zweite Schenkel (2.5.2) jedes ersten

Trägersegmentes (2.5) rechtwinklig von der Oberfläche (1.1.1) des Substrats (1.1) nach oben. Des Weiteren ist aus der

Seitenansicht nach Figur 2 erkennbar, dass jedes zweite

Trägerelement (2.6) innerhalb des Zwischenraums (1.2) plattenförmig ausgebildet ist. Der zweite Schenkel (2.5.2) jedes ersten Trägersegmentes (2.5) und der plattenförmige Abschnitt (2.6.2) des zweiten Trägersegmentes (2.6) bilden eine in einer Ebene (2.9) liegende Montageoberfläche für die Thermoschenkel (2.3, 2.4) auf einer Seite der ersten und zweiten Trägersegmente (2.5, 2.6).

Auf der gegenüberliegenden Seite der Montageebene befindet sich eine Aussteifungsstruktur (2.8) aus wärmeisolierendem Material, insbesondere einem Polymer. Hierdurch wird eine Wärmeleitung durch die Aussteifungsstruktur (2.8) über den Spalt (2.7) hinweg wirksam verhindert. Der horizontale obere Schenkel (2.8.1) der Aussteifungsstruktur (2.8) ist an das zweite Tragsegment (2.6) und der untere horizontale Schenkel

(2.8.2) an die beiden ersten Tragsegmente (2.5) angespritzt. Die beiden horizontalen Schenkel (2.8.1, 2.8.2) sind durch die den Spalt (2.7) überbrückenden vertikalen Schenkel

(2.8.3) zu einem Rahmen miteinander verbunden.

Aus der Zusammenschau nach den Figuren 1 und 2 ist erkennbar, dass sämtliche Trägersegmente (2.5, 2.6) in gleicher Orientierung und Ausrichtung in zwei Reihen auf der

Oberfläche (1.1.1) des Substrats (1.1) angeordnet sind. Zudem sind sämtliche thermoelektrischen Elemente (2) des Moduls (1) baugleich .

Die Ankopplung des thermoelektrischen Moduls (1) nach den Figuren 1 und 2 an eine nicht dargestellte Wärmequelle erfolgt im Wege einer Wärmeströmung, insbesondere einer

Heißgasströmung, die durch den in Figur 1 dargestellten Pfeil (3) angedeutet wird. Die Wärme der Wärmequelle wird durch die Heißgasströmung (3) an den Wärmekollektorabschnitt (2.6.1) jedes zweiten Trägersegmentes (2.6) übertragen. Der

Wärmekollektorabschnitt (2.6.1) aus gut wärmeleitendem

Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 80 W/mK überträgt die durch Wärmeströmung eingekoppelte Wärme durch Wärmeleitung von der heißen Seite (2.1) in Richtung der kalten Seite (2.2) des thermoelektrischen Elementes (2). Das aus einem gut wärmeleitenden Material mit einer

Wärmeleitfähigkeit von mindestens 20 W/mK bestehende Substrat (1.1) dient dabei als Wärmesenke.

Das Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Moduls nach Figur 3 ist weitgehend baugleich mit dem Modul nach den

Figuren 1 und 2. Soweit der Aufbau übereinstimmt, wird vollumfänglich auf die Ausführungen zu Figuren 1, 2 Bezug genommen. Die Einkopplung der thermischen Energie in die Wärmekollektorabschnitte (2.6.1) erfolgt bei dem

Ausführungsbeispiel nach Figur 3 abweichend zu dem

Ausführungsbeispiel nach Figur 2 nicht durch Wärmeströmung, sondern durch Wärmestrahlung. Unterschiede ergeben sich konstruktiv insoweit, dass der sich nach außen erstreckende Wärmekollektor-Abschnitt (2.6.1) jedes zweiten Trägersegmentes (2.6) um einen spitzen Winkel gegenüber der rechtwinklig zur Oberfläche (1.1.1) des

Substrats (1.1) verlaufenden Montageebene (2.9) abgewinkelt ist .

Die in Richtung der Abschirmung (1.3) weisende Seite des Wärmekollektorabschnitts (2.6.1) weist eine

wärmeabsorbierende Oberfläche (2.6.2) und die

gegenüberliegende Seite sowie die nach außen weisende Seite der Abschirmung eine reflektierende Oberfläche (2.6.3, 1.3.2) auf. Hierdurch bilden die sämtlich gleich ausgerichteten Wärmekollektorabschnitte (2.6.1) zusammen mit den

wärmeabsorbierenden und reflektierenden Oberflächen (2.6.2, 2.6.3, 1.3.2) Strahlenfallen für die Absorption von

elektromagnetischer Strahlung einer Wärmequelle, deren

Verlauf (4) in Figur 3 durch gestrichelte Pfeile angedeutet ist. Die elektromagnetische Strahlung bewegt sich in einem Wellenlängenbereich von λ = 300 pm - λ = 315 nm.

Sowohl bei der Ausführungsform des thermoelektrischen Moduls (1) nach den Figuren 1 und 2 sowie nach Figur 3 sind die schlitzförmigen Durchgänge (1.3.1) in der Abschirmung (1.3) derart dimensioniert und angeordnet, dass jedes zweite

Trägersegment (2.6) weder bei Umgebungstemperatur noch bei Übertragung thermischer Energie von einer Wärmequelle auf das zweite Trägersegment (2.6) in Folge thermischer Ausdehnung mit den Rändern des Durchgangs (1.3.1) in Berührung gelangt. Das hierzu erforderliche Spiel zwischen den Rändern und der Oberfläche der zweiten Trägersegmente (2.6) ist insbesondere aus den Figuren 2 und 3 deutlich erkennbar. Figur 4 zeigt ein thermoelektrisches Element (2) für ein Modul (1) nach den Figuren 1 und 2, bei dem der

Wärmekollektorabschnitt (2.6.1) breiter als der

plattenförmige Abschnitt (2.6.2) des zweiten Trägersegmentes (2.6) ist. Hierdurch wird die Fläche zur Einkopplung der thermischen Energie vergrößert und damit die thermische Ankopplung an die Wärmequelle verbessert. Eine derartige Verbreiterung des Wärmekollektorabschnitts

(2.6.1) gegenüber dem plattenförmigen Abschnitt (2.6.2) ist selbstverständlich auch bei einer Ausführungsform des Moduls (1) nach Figur 3 realisierbar.

Bezugszeichenliste

Nr. Bezeichnung

1 Modul

1.1 Substrat

1.1.1 Oberfläche

1.2 Zwischenraum

1.3 Abschirmung

1.3.1 Durchgänge

1.3.2 reflektierende Oberfläche

2 Thermoelektrische Elemente

2.1 heiße Seite

2.2 kalte Seite

2.3 p-ThermoSchenkel

2.4 n-ThermoSchenkel

2.5 erstes Trägersegment

2.5.1 erster Schenkel

2.5.2 zweiter Schenkel

2.6 zweites Trägersegment

2.6.1 Wärmekollektorabschnitt

2.6.2 wärmeabsorbierende Oberfläche

2.6.2 plattenförmiger Abschnitt

2.6.3 reflektierende Oberfläche

2.7 Spalt

2.8 Aussteifung

2.8.1 horizontaler oberer Schenkel

2.8.2 horizontaler unterer Schenkel

2.8.3 vertikale Schenkel

2.9 Montageebene

3 Heißgasströmung

4 Verlauf elektromagnetischer Strahlung