Die Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Modul mit mehreren thermoelektrischen Elementen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .

Ein thermoelektrisches Modul weist mehrere thermoelektrische Elemente in Form von positiv und negativ dotierten thermoelektrischen Halbleitermaterialien auf, die über mehrere Leiterbrücken elektrisch, insbesondere in Reihe, verschaltet sind. Das thermoelektrische Modul weist eine erste und eine zweite Seitenwand auf, die jeweils mit mehreren Leiterbrücken wärmeleitend, elektrisch isoliert und fest verbunden sind. Liegt nun eine Temperaturdifferenz zwischen der ersten Seitenwand und der zweiten Seitenwand an, erzeugen die thermoelektrischen Elemente aufgrund des Seebeck-Effekts eine elektrische Spannung. Durch den zum Erzeugen der elektrischen Spannung benötigten Temperaturunterschied zwischen der ersten Seitenwand und der zweiten Seitenwand entstehen thermisch bedingte mechanische Spannungen im thermoelektrischen Modul, welche die maximale Temperatur auf der Warmseite und die maximalen Temperaturunterschiede begrenzen.

Thermoelektrische Module können beispielsweise bei Kraftfahrzeugen zur Energierückgewinnung zur Anwendung kommen, um aus Abwärme elektrische Energie zurückzugewinnen. Zweckmäßig lassen sich derartige thermoelektrische Module in Wärmeübertrager integrieren, die ein als Wärmequelle dienendes erstes Fluid mit einem als Wärmesenke dienenden zweiten Fluid wärmeübertragend miteinander koppeln. Innerhalb des jeweiligen Wärmeübertragers sind dann diese ther- moelektrischen Module in einem Wärmeübertragungspfad angeordnet, entlang dem die Wärme von der Wärmequelle auf die Wärmesenke übertragen wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte oder zumindest andere Ausführungsform eines thermoelektrischen Moduls anzugeben, die sich insbesondere durch reduzierte thermisch bedingte mechanische Spannungen im Modul und vorzugsweise durch einen erweiterten nutzbaren Temperaturbereich auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Unteransprüche.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, in einem wärmeübertragenden Kopplungspfad, der von wenigstens einer der beiden Seitenwände zu den zugeordneten Leiterbrücken führt, zumindest eine Flüssigmetallschicht vorzusehen. Hierdurch ist in diesem wärmeübertragenden Kopplungspfad die mechanische Fixierung zwischen der jeweiligen Seitenwand und den zugehörigen Leiterbrücken aufgehoben, während die Wärmeübertragung erhalten bleibt. Eine solche Flüssigmetallschicht kann hervorragend wärmeleitend ausgestaltet sein und kann gleichzeitig als eine Art Gleitfilm dienen, so dass keine mechanischen Spannungen aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung der ersten Seitenwand und der zweiten Seitenwand auftreten. Zweckmäßig ist es, dass das thermoelektrische Modul zumindest eine solche Flüssigmetallschicht aufweist, die zwischen den ersten Leiterbrücken und einer von den ersten Leiterbrücken abgewandten Außenseite der ersten Seitenwand angeordnet ist. Dadurch sind die ersten Leiterbrücken lediglich thermisch mit der ersten Seitenwand kontaktiert, während keine mechanische Fixierung vorliegt, so dass eine Relativbewegung der ersten Leiterbrücken zur ersten Seitenwand möglich ist. Auf diese Weise können die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen der ersten Seitenwand und der zweiten Seitenwand, welche im Betrieb auf unterschiedlichen Temperaturniveaus liegen, ausgeglichen werden. Dadurch können höhere Temperaturen und auch höhere Temperaturunterschiede zwischen der ersten Seitenwand und der zweiten Seitenwand verwendet werden, so dass der Wirkungsgrad und die Leistungsdichte des thermoelektrischen Moduls verbessert werden können.

In der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen wird unter einer Flüssigmetallschicht eine Schicht verstanden, welche ein Metall oder einen Metalllegierung aufweist, welche zumindest bei einer Betriebstemperatur flüssig ist. Das Material der Flüssigmetallschicht kann also insbesondere bei Zimmertemperatur fest sein. Grundsätzlich sind dabei je nach Anwendungsgebiet des thermoelektrischen Moduls bereits Schmelztemperaturen von maximal 350 °C realisierbar. Typische Flüssigmetalle können Metall-Keramik-Dispersionen sein. Bevorzugt werden bei thermoelektrischen Modulen aufgrund der höheren thermischen Leitfähigkeit im Wesentlichen reine Metalle bzw. Metalllegierungen zum Einsatz. Die Formulierung "im Wesentlichen rein" deutet dabei an, dass herstellungsbedingt eine absolute Reinheit nicht erzielbar ist und dass herstellungsbedingt immer ein vernachlässigbarer Anteil von nichtmetallischen Verunreinigungen in einer solchen "reinen" Metalllegierung enthalten sein kann. Solche Metalle oder Metalllegierungen weisen vorzugsweise einen Schmelzpunkt zwischen 50 und 250 °C auf. Solche Legierungen können beispielsweise Gallium, Bismut, Indium, Kupfer, Silber oder Zinn enthalten. Beispielsweise ist eine Legierung aus 32,5% Bismut, 16,5% Zinn und 51 % Indium als Fieldsches Metall bekannt und hat einen Schmelzpunkt von ca. 62 °C. Eine weitere Legierung ist zum Beispiel 58,0% Bismut 42,0% Zinn und hat einen Schmelzpunkt bei 138 °C. Andere derartige Legierungen sind ebenfalls möglich. In der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen wird unter einer Betriebstemperatur die Temperatur während des Betriebs des thermoelektrischen Moduls verstanden. Da im Betrieb üblicherweise an der ersten Seite und der zweite Seite des thermoelektrischen Moduls unterschiedliche Temperaturen anliegen, verläuft ein Temperaturgradient im thermoelektrischen Modul. Folglich ist die Betriebstemperatur abhängig von der Lage im thermoelektrischen Modul. Beispielsweise ist die Betriebstemperatur einer Flüssigmetallschicht in der Nähe einer der Seitenwände, die im Betrieb beheizt wird, höher als die Temperatur einer Flüssigmetallschicht in der Nähe der anderen Seite, die im Betrieb gekühlt wird.

Die Erfindung schlägt außerdem vor, in wenigstens einer solchen Flüssigmetallschicht wenigstens ein Distanzelement anzuordnen. Hierdurch kann in der Flüssigmetallschicht eine vorgesehene bzw. vorbestimmte Mindestschichtdicke gewährleistet werden, auch wenn die beiden Seitenwände im Betrieb des thermoelektrischen Moduls aufeinander zu gedrückt werden. Letzteres ist insbesondere dann der Fall, wenn zur Verbesserung der Kontaktierung und somit zur verbesserten Wärmeübertragung eine vorgespannte Anlage der jeweiligen Seitenwand mit einer Wand der Wärmequelle bzw. der Wärmesenke erfolgt. Beispielsweise kann besagte Seitenwand an ein Rohr angedrückt werden, in dem ein Fluid geführt ist, das Wärme zuführt bzw. abführt. Ohne ein derartiges Distanzelement besteht die Gefahr, dass die im Betrieb flüssige Flüssigmetallschickt stark und im Extremfall sogar vollständig verdrängt wird, wodurch sie ihre Funktion nicht oder nur noch eingeschränkt erfüllen kann. Das jeweilige Distanzelement verbessert also die Funktionsweise des mit wenigstens einer solchen Flüssigmetallschicht ausgestatteten thermoelektrischen Moduls. Ein derartiges Distanzelement besteht bevorzugt aus einem Metall bzw. aus einer Metalllegierung oder aus einer Keramik, z.B. aus einem Glas, und besitzt einen höheren Schmelzpunkt als die Flüssigmetallschicht. Zweckmäßig liegt der Schmelzpunkt des jeweiligen Distanzele- ments (deutlich) oberhalb der Betriebstemperaturen des thermoelektrischen Moduls.

Besonders vorteilhaft ist dabei eine Ausführungsform, bei der in der jeweiligen Flüssigmetallschicht mehrere solche Distanzelemente angeordnet sind. Hierdurch kann im Betrieb eine breite Abstützung zur Gewährleistung einer gewünschten Flüssigmetallschichtdicke geschaffen werden. Zweckmäßig können die Distanzelementen dabei voneinander beabstandet angeordnet sein.

Bei einer anderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das jeweilige Distanzelement bezüglich der jeweiligen ersten Leiterbrücke separat ist, so dass es bezüglich der ersten Leiterbrücken beweglich ist. Alternativ kann vorgesehen sein, dass das jeweilige Distanzelement bezüglich der ersten Seitenwand separat ist, so dass es bezüglich der ersten Seitenwand beweglich ist. Bevorzugt ist das jeweilige Distanzelement jedoch sowohl bezüglich der ersten Leiterbrücken als auch bezüglich der ersten Seitenwand separat, so dass es sowohl bezüglich der ersten Leiterbrücken als auch bezüglich der ersten Seitenwand beweglich ist.

Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der das jeweilige Distanzelement als Wälzkörper ausgestaltet ist. Hierdurch kann das Distanzelement den Bewegungen zwischen der ersten Seitenwand und den ersten Leiterbrücken besonders reibungsarm folgen. Vorteilhaft kann der jeweilige Wälzkörper zylindrisch oder kugelförmig ausgestaltet sein.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die Flüssigmetallschicht an einer der jeweiligen ersten Leiterbrücke zugewandten Seite mit einer inneren festen Begrenzungswand in Kontakt steht, wobei das jeweilige Distanzelement diese innere Begrenzungswand direkt berührt. Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass die Flüssigmetallschicht an einer der ersten Seitenwand zugewandten Seite mit einer äußeren festen Begrenzungswand in Kontakt steht, wobei das jeweilige Distanzelement diese äußere Begrenzungswand direkt berührt. Die innere und äußere Begrenzungswand sind durch die Flüssigmetallschicht voneinander mechanisch entkoppelt und thermisch miteinander gekoppelt. Die jeweilige Begrenzungswand kann dabei unmittelbar durch einen Bereich der jeweiligen Seitenwand bzw. der jeweiligen Leiterbrücke gebildet sein. Bevorzugt kommen jedoch in einem solchen thermoelektrischen Modul weitere Schichten zum Einsatz, z.B. zur elektrischen Isolation der Leiterbrücken gegenüber den Seitenwänden. Ebenso können metallisierte Flächen vorgesehen sein, um eine elektrische und/oder thermische Kopplung zu verbessern. An manchen Stellen können metallisierte Flächen zum Einsatz kommen, um mechanische Verbindungen, z.B. Lötverbindungen, zu verbessern oder zu ermöglichen. Verschiedene Ausgestaltungen dieser Begrenzungswände werden nachfolgen näher erläutert. Sie sind jeweils daran zu erkennen, dass sie mit der Flüssigmetallschicht unmittelbar in Kontakt stehen.

Eine günstige Möglichkeit sieht vor, dass die erste Seite des thermoelektrischen Moduls eine Kaltseite und die zweite Seite des thermoelektrischen Moduls eine Warmseite ist. Dadurch liegt die Flüssigmetallschicht auf der kälteren Seite des thermoelektrischen Moduls. Daher sollte ein Schmelzpunkt des Materials der Flüssigmetallschicht unter 80 °C liegen.

Eine weitere günstige Möglichkeit sieht vor, dass die erste Seite des thermoelektrischen Moduls eine Warmseite und die zweite Seite des thermoelektrischen Moduls eine Kaltseite ist. Dadurch liegt die Flüssigmetallschicht auf der wärmeren Seite des thermoelektrischen Moduls. Ein Schmelzpunkt der Flüssigmetallschicht sollte daher unter 250 °C liegen, vorzugsweise unter 150 °C. Eine besonders günstige Möglichkeit sieht vor, dass das thermoelektrische Modul eine elektrische Isolationsschicht aufweist, die zwischen den ersten Leiterbrücken und der ersten Seitenwand angeordnet ist und dass mindestens eine Flüssigmetallschicht zwischen den ersten Leiterbrücken und der elektrischen Isolationsschicht angeordnet ist. Auf diese Weise werden die ersten Leiterbrücken und damit die thermoelektrischen Elemente von der elektrischen Isolationsschicht mechanisch entkoppelt. Thermisch induzierte mechanische Spannungen in den thermoelektrischen Elementen können auf diese Weise reduziert werden.

Eine weitere besonders günstige Möglichkeit sieht vor, dass die mindestens eine Flüssigmetallschicht zwischen der elektrischen Isolationsschicht und der ersten Seitenwand angeordnet ist. Auf diese Weise ist die elektrische Isolationsschicht mechanisch von der ersten Seitenwand entkoppelt. Thermisch induzierte mechanische Spannungen können dadurch reduziert werden.

Eine vorteilhafte Lösung sieht vor, dass die mindestens eine Flüssigmetallschicht zu den Leiterbrücken elektrisch isoliert ist. Auf diese Weise kann das Risiko von elektrischen Kurzschlüssen, welche durch die Flüssigmetallschicht verursacht werden könnten, reduziert.

Eine weitere vorteilhafte Lösung sieht vor, dass die elektrisch isolierende Schicht durch einen strukturierten Keramikkörper gebildet ist und dass der strukturierte Keramikkörper auf einer den Leiterbrücken zugewandten Seite Stege aufweist, welche den einzelnen Leiterbrücken zugeordnete Bereiche voneinander trennt. Die Strukturierung des Keramikkörpers und damit der elektrischen Isolationsschicht erleichtert die Montage des thermoelektrischen Moduls und erhöht die Stabilität des thermoelektrischen Moduls. Eine besonders vorteilhafte Lösung sieht vor, dass der strukturierte Keramikkorper mehrere metallisierte Flächen aufweist und dass auf der den Leiterbrücken zugewandten Seite die metallisierten Flächen durch die Stege unterbrochen sind. Die metallisierten Flächen verbessern den Kontakt zwischen dem Keramikkörper und Metallen. Dies kann beispielsweise beim Löten vorteilhaft sein. Ferner ist auch der Kontakt einer Flüssigmetallschicht zu dem Keramikkörper durch die metallisierten Flächen verbessert.

In der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen wird unter einer metallisierten Fläche eine Fläche verstanden, auf welcher eine Metallschicht aufgebracht ist. Dies kann beispielsweise durch Einbrennen einer Metallisierungspaste erfolgen. Solche Metallisierungspasten können beispielsweise Kupfer, Silber oder Wolfram aufweisen. Zusätzlich kann die eingebrannte Metallisierungspaste mit Nickel und/oder Silber beschichtet werden.

Eine weitere besonders vorteilhafte Lösung sieht vor, dass mehrere Flüssigmetallschichten zwischen den metallisierten Flächen und den Leiterbrücken angeordnet sind. Vorzugsweise ist je Leiterbrücke eine Flüssigmetallschicht vorgesehen. So kann die Flüssigmetallschicht einen thermischen Kontakt zwischen den Leiterbrücken und der elektrisch isolierenden Schicht erzeugt werden, wobei die Leiterbrücken mechanisch von der elektrisch isolierenden Schicht entkoppelt sind.

Eine günstige Variante sieht vor, dass zwischen jedem Paar aus metallisierter Fläche und Leiterbrücke eine Flüssigmetallschicht angeordnet ist. Somit können alle Leiterbrücken temperiert werden, so dass eine optimale Wärmeübertragung von den ersten Leiterbrücken zu der ersten Seitenwand ermöglicht wird. Eine weitere günstige Variante sieht vor, dass die Flüssigmetallschicht jeweils in Kontakt mit mindestens einer der metallisierten Flächen stehen. Dadurch wird auch der thermische Kontakt zu der isolierenden Schicht hergestellt.

Eine besonders günstige Variante sieht vor, dass der strukturierte Keramikkörper auf einer der ersten Seitenwand zugewandten Seite eine zusammenhängende metallisierte Fläche aufweist. Dadurch kann ein Kontakt zu einer Flüssigmetallschicht verbessert werden, welche zwischen der elektrischen Isolationsschicht und der ersten Seitenwand verläuft. Somit kann ein thermischer Kontakt zwischen der ersten Seitenwand und der elektrischen Isolationsschicht verbessert werden.

Eine weitere besonders günstige Variante sieht vor, dass eine Flüssigmetallschicht an der zusammenhängenden metallisierten Fläche anliegt. Dadurch wird der thermische Kontakt zwischen dem strukturierten Keramikkörper, also der elektrischen Isolationsschicht und der Flüssigmetallschicht verbessert. Dadurch wird auch der thermische Kontakt von der Seitenwand zur elektrischen Isolationsschicht verbessert, wodurch auch der thermische Kontakt zwischen der ersten Seitenwand und den ersten Leiterbrücken verbessern wird.

Eine vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass die elektrische Isolationsschicht durch mehrere Keramikelemente gebildet ist, und dass die ersten Leiterbrücken durch metallisierte Flächen auf den Keramikelementen gebildet sind. Auf diese Weise können die Leiterbrücken zum einen sehr kompakt ausgebildet werden. Zum anderen entsteht ein sehr guter thermischer Kontakt zwischen den Leiterbrücken und den Keramikelementen, so dass insgesamt der thermische Kontakt von den Leiterbrücken zu der ersten Seitenwand verbessert ist.

Vorzugsweise weisen die metallisierten Flächen, welche die Leiterbrücken bilden, eine Dicke von 150 μιτι bis 300 μιτι auf. Eine solche Dicke ist ausreichen, um eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit zwischen den durch die ersten Leiterbrücken verbundenen thermoelektrischen Elementen bereitzustellen.

Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass die erste Seitenwand mehrere metallisierte Flächen aufweist, dass an den metallisierten Flächen der ersten Seitenwand jeweils eine Flüssigmetallschicht anliegt, dass die Keramikelemente an der den Leiterbrücken abgewandten Seite metallisierte Flächen aufweisen, und dass die Flüssigmetallschichten jeweils an einer metallisierten Fläche der Keramikelemente anliegen. Dadurch liegen die Flüssigmetallschichten jeweils an einer metallisierten Fläche der ersten Seitenwand und an einer metallisierten Fläche eines Keramikelements an, so dass die Flüssigmetallschichten eine thermische Verbindung zwischen den Keramikelementen und der ersten Seitenwand erzeugen. Gleichzeitig bleiben die Keramikelemente und die erste Seitenwand voneinander mechanisch entkoppelt, so dass ein thermischer Spannungsausgleich erzielt ist.

Eine besonders vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass die erste Seitenwand dop- pelwandig ausgebildet ist, und dass die erste Seitenwand eine Innenwand und eine Außenwand aufweist, und dass eine Flüssigmetallschicht zwischen der Innenwand und der Außenwand angeordnet ist. Auf diese Weise erfolgt die mechanische Entkopplung zwischen der Innenwand und der Außenwand. Gleichzeitig bleibt die thermische Leitfähigkeit zwischen der Innenwand zu der Außenwand erhalten, so dass weiterhin Wärme von oder zu den ersten Leiterbrücken geleitet werden kann.

Eine günstige Lösung sieht vor, dass auf einer den Leiterbrücken zugewandten Seite der Innenwand die elektrische Isolationsschicht aufgebracht ist. Dadurch kann die elektrische Isolationsschicht besonders dünn ausgestaltet sein, da diese selbst mechanisch nicht tragend sein muss. Dadurch kann ein guter Wärmekontakt über die elektrische Isolationsschicht erhalten bleiben.

Eine weitere günstige Lösung sieht vor, dass die elektrische Isolationsschicht durch Einbrennen eines Dielektrikums auf die Innenwand gebildet ist. Dies ist eine einfache Möglichkeit eine dünne elektrische Isolationsschicht zu erzielen.

Eine besonders günstige Lösung sieht vor, dass die elektrische Isolationsschicht durch thermisches Spritzen einer Keramik auf die Innenwand gebildet ist. Auf diese Weise kann eine zuverlässige dünne Keramikschicht gebildet werden.

Dadurch kann eine gute elektrische Isolation bei gleichzeitiger guter thermischer Wärmeleitung erreicht werden.

Eine weitere besonders günstige Lösung sieht vor, dass die elektrische Isolationsschicht durch einen Keramikkörper gebildet ist, der auf die Innenwand aufgelötet ist. Dies ermöglicht eine robuste Verbindung zwischen der elektrischen Isolationsschicht und der Innenwand.

Eine vorteilhafte Variante sieht vor, dass die elektrische Isolationsschicht auf die Leiterbrücken aufgebracht ist. Dadurch kann eine besonders dünne elektrische Isolationsschicht erzielt werden, da diese selbst nicht tragfähig sein muss. Es kann dadurch eine ausreichende elektrische Isolation und gleichzeitig hohe thermische Wärmeleitfähigkeit der elektrischen Isolationsschicht erzielt werden.

Vorzugsweise sind die Leiterbrücken von fünf Seiten mit der elektrischen Isolationsschicht versehen. Lediglich die Seite, an welcher die Leiterbrücken mit den thermoelektrischen Elementen verbunden sind, ist nicht mit der elektrischen Isolationsschicht versehen. Beispielsweise kann die elektrische Isolationsschicht durch ein Tauchbad auf die Leiterbrücken aufgebracht sein, oder durch Spritzen auf die Leiterbrücken aufgesprüht sein oder auf die Leiterbrücken aufgedruckt sein.

Eine weitere vorteilhafte Variante sieht vor, dass die erste Seitenwand mehrere metallisierte Flächen aufweist, dass an den metallisierten Flächen der ersten Seitenwand jeweils eine Flüssigmetallschicht anliegt, dass die Leiterbrücken jeweils auf der elektrischen Isolationsschicht eine metallisierte Fläche aufweisen, und dass die Flüssigmetallschichten jeweils an einer metallisierten Fläche der Isolationsschicht anliegen. Dadurch kann ein thermischer Kontakt zwischen der elektrischen Isolationsschicht und der ersten Seitenwand erzielt werden, so dass auch ein thermischer Kontakt zwischen der ersten Seitenwand und den ersten Leiterbrücken hergestellt ist. Gleichzeitig sind die ersten Leiterbrücken mechanisch von der ersten Seitenwand entkoppelt, so dass thermische Spannungen reduziert sind.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform sieht ein Modulgehäuse vor, das einen Modulinnenraum umschließt, wobei die thermoelektrischen Elemente und die Leiterbrücken in diesem Modulinnenraum angeordnet sind. Die erste Seitenwand bildet eine zum Kontaktieren einer Wärmequelle (oder Wärmesenke) vorgesehene erste Seite des Modulgehäuses, während die zweite Seitenwand eine zum Kontaktieren einer Wärmesenke (oder Wärmequelle) vorgesehene zweite Seite des Modulgehäuses bildet.

Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung auch einen Wärmeübertrager, in den wenigstens ein thermoelektrisches Modul der vorstehend beschriebenen Art integriert ist. Im Wärmeübertrager sind ein als Wärmequelle dienendes erstes Fluid und ein als Wärmequelle dienendes zweites Fluid wärmeübertragend gekoppelt. Die Integration des jeweiligen thermoelektrischen Moduls erfolgt dabei so, dass die eine Seitenwand des thermoelektrischen Moduls wärmeübertragend mit der Wärmequelle verbunden ist, während die andere Seitenwand mit der Wärmesenke verbunden ist.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.

Es zeigen, jeweils schematisch,

Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch ein thermoelektrisches Modul gemäß einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung durch ein thermoelektrisches Modul gemäß einer zweiten Ausführungsform, eine Schnittdarstellung durch ein thermoelektrisches Modul gemäß einer dritten Ausführungsform, und Fig. 4 eine Schnittdarstellung durch ein thermoelektrisches Modul gemäß einer vierten Ausführungsform.

Ein in den Fig. 1 bis 4 dargestelltes thermoelektrisches Modul 10 wird zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Wärmeenergie verwendet. Beispielsweise kann das thermoelektrische Modul 10 bei der Restwärmenutzung im Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden. Das thermoelektrische Modul 10 weist ein Modulgehäuse 12 auf, das einen Modulinnenraum 14 umschließt. In dem Modulinnenraum 14 sind mehrere thermoelektrische Elemente 16 angeordnet, welche durch mehrere Leiterbrücken 18 elektrisch verbunden sind. Vorzugsweise sind die thermoelektrischen Elemente 16 durch die Leiterbrücken 18 elektrisch in Reihe geschaltet. Das Modulgehäuse 12 weist an einer ersten Seite 20 eine erste Seitenwand 22 auf, die mit mehreren ersten Leiterbrücken 24 wärmeleitend verbunden ist. Ferner weist das Modulgehäuse 12 an einer zweiten Seite 26 eine zweite Seitenwand 28 auf, die mit mehreren zweiten Leiterbrücken 30 wärmeleitend verbunden ist, wobei sich die thermoelektrischen Elemente 16 zwischen den ersten Leiterbrücken 24 und den zweiten Leiterbrücken 30 erstrecken. Sowohl an der ersten Seite 20 als auch an der zweiten Seite 26 sind die Leiterbrücken 18 jeweils über eine elektrische Isolationsschicht 32 mit den jeweiligen Seitenwänden 22, 28 verbunden. Dadurch sind die Leiterbrücken 18 elektrischen von den Seitenwänden 22, 28 getrennt.

Die ersten Leiterbrücken 24 sind elektrisch leitend mit den thermoelektrischen Elementen 16 verbunden. Eine solche elektrisch leitende Verbindung 33 kann beispielsweise durch Löten oder Silbersintern hergestellt sein. Bei einer Lötverbindung wird vorzugsweise ein Lot verwendet, welches einen Schmelzpunkt von über 120 °C hat, beispielsweise eine Silberkupferverbindung. Die Leiterbrücken 18 weisen vorzugsweise Kupfer, Nickel oder Eisen auf. Die Leiterbrücken 18 können zur Verbesserung der Anbindung einen Haftgrund, beispielsweise Titan, Sil- ber, Nickel oder Kupfer, aufweisen. Des Weiteren können die Leiterbrücken 18 eine Barriereschicht, beispielsweise Nickel, aufweisen.

Eine erste elektrische Isolationsschicht 34 ist zwischen den ersten Leiterbrücken 24 und der ersten Seitenwand 22 angeordnet. Die ersten Leiterbrücken 24 stehen jeweils über eine Flüssigmetallschicht 36 in Kontakt mit der ersten elektrischen Isolationsschicht 34.

Vorzugsweise weisen die ersten Leiterbrücken 24 und die erste elektrische Isolationsschicht 34 jeweils metallisierte Flächen 38 auf. Die metallisierten Flächen 38 verbesserten die Benetzung mit dem Flüssigmetall der Flüssigmetallschicht 36. Die metallisierten Flächen 38 können beispielsweise durch Einbrennen einer Metallisierungspaste hergestellt werden. Solche Metallisierungspasten können beispielsweise Kupfer, Silber oder Wolfram aufweisen. Die Dicke der Metallisierungsschicht liegt vorzugsweise zwischen 20 μιτι und 300 μιτι. Vorzugsweise sind die durch die Metallisierungspasten gebildeten Schichten zusätzlich mit Nickel und/oder Silber beschichtet.

Die Flüssigmetallschichten 36 weisen ein Metall oder eine Metalllegierung auf, welche bei einer Betriebstemperatur des thermoelektrischen Moduls 10 flüssig ist. Da in den thermoelektrischen Modul 10 während des Betriebs ein Temperaturgradient vorliegt, ist die Betriebstemperatur abhängig von der Lage des jeweiligen Elementes in dem thermoelektrischen Modul 10. Liegt die Flüssigmetallschicht 36 beispielsweise an einer geheizten ersten Seite 20 des thermoelektrischen Moduls 10 kann ein höherer Schmelzpunkt ausreichen, als wenn die Flüssigmetallschicht 36 an einer gekühlten Seite des thermoelektrischen Moduls 10 liegen würde. Vorzugsweise werden Metalle oder Metalllegierungen mit einem Schmelzpunkt zwischen 50 °C und 250 °C verwendet. Solche Metalllegierungen sind beispielsweise Gallium, Bismut, Indium, Kupfer, Silber und/oder zinnhaltige Legierungen. Wie sich den Beispielen der Fig. 1 bis 4 entnehmen lässt, ist die jeweilige Flüssigmetallschicht 36 jeweils zwischen einer von den ersten Leiterbrücken 24 abgewandten Außenseite 58 der ersten Seitenwand 22 angeordnet. Gezeigt sind Ausführungsformen, bei denen genau eine solche Flüssigmetallschicht 36 vorgesehen ist, z.B. in Fig. 3, und Ausführungsformen, bei denen mehrere solche Flüssigmetallschichten 36 vorgesehen sind, z.B. in den Fig. 1 , 2 und 4. Bei allen Ausführungsformen ist in wenigstens einer dieser Flüssigmetallschichten 36 wenigstens ein Distanzelement 50 angeordnet. Bevorzugt ist dabei in jeder solchen Flüssigmetallschicht 36 wenigstens ein solches Distanzelement 50 angeordnet. Zweckmäßig sind in der jeweiligen Flüssigmetallschicht 36 jeweils mehrere solche Distanzelemente 50 angeordnet. Gezeigt ist dabei eine Anordnung, bei der die einzelnen Distanzelemente 50 zu einander beabstandet sind. Es ist jedoch auch denkbar, dass sich zumindest zwei solche Distanzelemente 50 berühren. Ferner sind die Distanzelemente 50 bevorzugt bezüglich der jeweiligen ersten Leiterbrücke 24 und bezüglich der ersten Seitenwand 22 als separate Bauteile ausgestaltet. Ferner ist hier vorgesehen, dass das jeweilige Distanzelement 50 als Wälzkörper 52 ausgestaltet ist. In den Beispielen ist der jeweilige Wälzkörper 52 zylindrisch oder kugelförmig ausgestaltet. Bevorzugt ist eine Ausführungsform mit kugelförmigen Wälzkörpern 52 bzw. Distanzelementen 50, z.B. aus Metall oder Keramik, insbesondere aus Glas.

Ferner ist hier vorgesehen, dass die jeweilige Flüssigmetallschicht 36 an einer der jeweiligen ersten Leiterbrücke 24 zugewandten Seite mit einer inneren Begrenzungswand 54 in Kontakt steht und dass die Flüssigmetallschicht 36 an einer der ersten Seitenwand 22 zugewandten Seite mit einer äußeren Begrenzungswand 56 in Kontakt steht. Bevorzugt berührt nun das jeweilige Distanzelement 50 diese innere Begrenzungswand 54 und diese äußere Begrenzungswand 56 je- weils direkt, so dass es bei Relativbewegungen zwischen der ersten Seitenwand 22 und den ersten Leiterbrücken 24 daran reibungsarm abrollen kann.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist die erste elektrische Isolationsschicht 34 durch einen Keramikkörper 40 gebildet, welcher mehrere Stege 42 aufweist. Die Stege 42 unterteilen den Keramikkörper 40 in mehrere Bereiche, die jeweils einer ersten Leiterbrücke 24 zugeordnet sind. Die ersten Leiterbrücken 24 sind über die Flüssigmetallschichten 36 mit den ihnen zugeordneten Bereichen thermisch verbunden.

Die Stege 42 trennen die metallisierten Flächen 38 auf dem Keramikkörper 40 voneinander. Darüber hinaus trennen die Stege 42 die Flüssigmetallschichten 36 voneinander, so dass kein elektrischer Kontakt zwischen den Flüssigmetallschichten 36 vorliegt.

Des Weiteren weist der Keramikkörper 40 auf einer der ersten Seitenwand 22 zugewandten Seite ebenfalls eine metallisierte Fläche 38 auf, welche den Kontakt zu einer weiteren Flüssigmetallschicht 36 verbessert, welche zwischen der ersten elektrischen Isolationsschicht 34 und der ersten Seitenwand 22 angeordnet ist und einen thermischen Kontakt zwischen diesen beiden herstellt.

Zur Verbesserung der Benetzung der ersten Seitenwand 22 mit der Flüssigmetallschicht 36 kann auch die erste Seitenwand 22 mit einer metallisierten Fläche 38 versehen sein.

Durch diese Anordnung sind die ersten Leiterbrücken und damit die thermo- elektrischen Elemente 16 zu der ersten elektrischen Isolationsschicht 34 mechanisch entkoppelt, so dass sich thermisch induzierte mechanische Spannungen ausgleichen können. Des Weiteren ist auch die erste elektrische Isolationsschicht 34 von der ersten Seitenwand 22 mechanisch entkoppelt, so dass auch hier die thermisch induzierten mechanischen Spannungen reduziert sein können. Insgesamt erlaubt ein solcher Aufbau eine höhere Betriebstemperatur des thermo- elektrischen Moduls 10, wodurch ein erheblich verbesserter Wirkungsgrad erzielt werden kann.

An der zweiten Seite 26 des thermoelektrischen Moduls 10 ist die zweite Seitenwand 28 mit einer zweiten elektrischen Isolationsschicht 45 versehen. Diese zweite elektrische Isolationsschicht 45 kann beispielsweise durch Einbrennen eines Dielektrikums oder durch thermisches Aufspritzen einer keramischen Schicht oder durch Auflöten eines Keramikkörpers hergestellt werden. Beispielsweise können AI ₂ O ₃ , AIN oder Si ₃ N ₄ -Keramiken verwendet werden.

Die zweiten Leiterbrücken 30 sind mit der zweiten elektrischen Isolationsschicht 45 verbunden. Eine solche elektrisch leitende Verbindung 47 kann vorzugsweise eine Lötverbindung sein. Beispielsweise kann ein Weichlot mit einem Schmelzpunkt über 120 °C, wie beispielsweise Zinn verwendet werden. Ebenso ist ein Hartlot, beispielsweise eine Silberkupferlegierung oder ein Aktivlot, beispielsweise eine Silberkupfertitanlegierung möglich. Alternativ oder ergänzend hierzu kann die Verbindung 47 zwischen den zweiten Leiterbrücken 30 und der zweiten elektrischen Isolationsschicht 45 durch Silbersintern hergestellt werden.

Um die Benetzung der zweiten elektrischen Isolationsschicht 45 zu verbessern, kann auch diese mit einer metallisierten Fläche 38 versehen sein.

Die zweiten Leiterbrücken 30 sind mit den thermoelektrischen Elementen 16 elektrisch verbunden. Eine solche Verbindung 49 könnte beispielsweise eine Lötverbindung sein. Das Lot kann beispielsweise ein Weichlot mit einem Schmelzpunkt von über 120°, ein Hartlot, beispielsweise eine Silberkupferlegierung ver- wendet werden. Alternativ oder ergänzend hierzu können die zweiten Leiterbrücken 30 mit den thermoelektrischen Elementen 16 mittels einer Silbersinterung verbunden sein.

Bei dieser beschriebenen Variante wird die erste Seite 20 des thermoelektrischen Moduls 10 als Heißseite genutzt und die zweite Seite 26 des thermoelektrischen Moduls 10 als Kaltseite genutzt. Selbstverständlich ist auch eine komplementäre Verwendung möglich. Dann sollten allerdings die Lötverbindungen auf der zweiten Seite 26, die dann die Heißseite ist nicht mittels eines Weichlotes hergestellt sein. Dafür können die Lötverbindungen auf der ersten Seite 20, die dann die Kaltseite ist, auch mittels eines Weichlotes gebildet werden.

Eine in Fig. 2 dargestellte zweite Ausführungsform des thermoelektrischen Moduls 10 unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsform des thermoelektrischen Moduls 10 dadurch, dass die erste elektrische Isolationsschicht 34 durch mehrere Keramikelemente 44 gebildet ist und dadurch, dass die ersten Leiterbrücken 24 jeweils durch eine metallisierte Fläche 38 auf den Keramikelementen 44 der ersten elektrischen Isolationsschicht 34 gebildet sind.

Dadurch sind die Keramikelemente 44 der ersten elektrischen Isolationsschicht 34 über die ersten Leiterbrücken 24 mechanisch fest mit den thermoelektrischen Elementen 16 verbunden. Die metallische Flächen 38, welche die ersten Leiterbrücken 24 bilden, weisen vorzugsweise eine Dicke von 150 μιτι bis 300 μιτι auf. Dadurch kann eine ausreichende Leitfähigkeit erzielt werden.

Die Keramikelemente 44 weisen ferner jeweils eine zweite metallisierte Fläche 38 auf, welche an der den ersten Leiterbrücken 24 gegenüberliegenden Seite, also der ersten Seitenwand 22 zugewandten Seite der Keramikelemente 44 angeordnet sind. Diese metallisierten Flächen 38 dienen zur verbesserten Benetzung von Flüssigmetallschichten 36, welche zwischen der ersten elektrischen Isolationsschicht 34 und der ersten Seitenwand 22 angeordnet sind. Da die erste elektrische Isolationsschicht 34 durch mehrere Keramikelemente 44 gebildet ist, sind die metallisierten Flächen 38 unterbrochen, wodurch auch die Flüssigmetallschicht 36 unterbrochen ist und somit jeder Keramikelemente 44 durch eine eigene Flüssigmetallschicht 36 thermisch mit der ersten Seitenwand 22 verbunden ist.

Im Übrigen stimmt die in Fig. 2 dargestellte zweite Ausführungsform des thermo- elektrischen Moduls 10 mit der in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsform des thermoelektrischen Moduls 10 hinsichtlich Aufbau und Funktion überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.

Eine in Fig. 3 dargestellte dritte Ausführungsform des thermoelektrischen Moduls 10 unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsform des thermoelektrischen Moduls 10 dadurch, dass die erste Seitenwand 22 doppel- wandig ausgebildet ist und eine Flüssigmetallschicht 36 zwischen einer Innenwand 46 und einer Außenwand 48 der ersten Seitenwand 22 verläuft. Die Innenwand 46 und die Außenwand 48 können jeweils mit einer metallisierten Fläche 38 versehen sein, um die Benetzung mit der Flüssigmetallschicht 36 zu verbessern.

Auf einer den ersten Leiterbrücken 24 zugewandten Seite weist die Innenwand 46 die erste elektrische Isolationsschicht 34 auf. Die erste elektrische Isolationsschicht 34 kann beispielsweise durch Einbrennen eines Dielektrikums gebildet werden. Alternativ oder ergänzend hierzu kann die erste elektrische Isolationsschicht 34 auch durch thermisches Spritzen einer Keramik auf die Innenwand 46 gebildet werden. Ferner kann die erste elektrische Isolationsschicht 34 auch durch einen Keramikkörper gebildet sein, der auf die Innenwand 46 aufgelötet ist. Die ersten Leiterbrücken 24 sind mit der ersten elektrischen Isolationsschicht 34 verbunden. Eine solche Verbindung 51 kann beispielsweise eine Lötverbindung mit Hartlot oder Aktivlot sein. Alternativ hierzu können die ersten Leiterbrücken 24 auch mittels Silbersinterung mit der ersten elektrischen Isolationsschicht 34 verbunden sein.

Um die Benetzung der ersten elektrischen Isolationsschicht 34 zu verbessern, kann diese mit einer metallisierten Fläche 38 versehen sein. Im Übrigen stimmt die in Fig. 3 dargestellte dritte Ausführungsform des thermoelektrischen Moduls 10 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsform des thermoelektrischen Moduls 10 überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.

Eine in Fig. 4 dargestellte vierte Ausführungsform des thermoelektrischen Moduls 10 unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsform des thermoelektrischen Moduls 10 dadurch, dass die erste elektrische Isolationsschicht 34 durch eine Beschichtung der ersten Leiterbrücken 24 gebildet ist. Die erste elektrische Isolationsschicht 34 ist also unterteilt in mehrere Schichtabschnitte, welche jeweils die ersten Leiterbrücken 24 beschichten.

Die erste elektrische Isolationsschicht 34 ist dabei von mehreren Seiten auf die jeweilige erste Leiterbrücke 24 aufgebracht. Lediglich die Seite, mit welcher die ersten Leiterbrücken 24 mit den thermoelektrischen Elementen 16 verbunden sind, ist nicht durch die erste elektrische Isolationsschicht 34 bedeckt. Die erste elektrische Isolationsschicht 34 kann beispielsweise durch ein Dielektrikum gebildet sein, welches durch Tauchen, Sprühen oder Drucken auf die Leiterbrücken aufgebracht ist. Die ersten Leiterbrücken 24 können dabei quaderförmig oder quaderförmig mit abgerundeten Ecken ausgebildet sein. Alternativ oder ergänzend hierzu können die ersten Leiterbrücken 24 auch als konvex geformtes Blech gebildet sein, wobei eine Seite der Leiterbrücken, die mit den thermoelektrischen Elementen 16 verbunden ist, eben ist.

Eine Flüssigmetallschicht 36 ist zwischen der ersten elektrischen Isolationsschicht 34 und der ersten Seitenwand 22 angeordnet und bildet einen thermischen Kontakt zwischen der ersten Seitenwand 22 und den ersten Leiterbrücken 24. Zur besseren Benetzung können sowohl die erste elektrische Isolationsschicht 34 als auch die erste Seitenwand 22 mit einer metallisierten Fläche 38 versehen sein.

Im Übrigen stimmt die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform des thermoelektrischen Moduls 10 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsform des thermoelektrischen Moduls 10 überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.