Die Erfindung betrifft ein Trägerelement umfassend eine

Anbindung an eine Wärmequelle und eine Anbindung an eine Wärmesenke sowie ein auf dem Trägerelement zwischen der

Anbindung an die Wärmequelle und der Anbindung an die

Wärmesenke angeordnetes thermoelektrisches

Dünnschichtelement. Außerdem betrifft die Erfindung ein Modul mit mehreren Trägerelementen.

Die direkte Wandlung von Wärme in elektrische Energie ist mit einem als Generator betriebenen thermoelektrischen Element möglich. Man verwendet hierfür vorzugsweise unterschiedlich dotierte Halbleitermaterialien, wodurch sich die Effizienz gegenüber Thermoelementen mit zwei unterschiedlichen und an einem Ende miteinander verbundenen Metallen wesentlich steigern lässt. Gebräuchliche Halbleitermaterialien sind Bi ₂ Te3, PbTe, SiGe, BiSb und FeSi ₂ . Um ausreichend hohe

Spannungen zu erzeugen, sind in einem thermoelektrischen Element üblicherweise eine Vielzahl von Thermopaaren

elektrisch in Reihe geschaltet.

Die Wirkungsweise eines thermoelektrischen Elementes beruht auf dem thermoelektrischen Effekt, nachfolgend als Seebeck- Effekt bezeichnet. Beim Seebeck-Effekt entsteht zwischen 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 Elemente bestehen aus mehreren Quadern aus thermoelektrisch aktivem Halbleitermaterial, die abwechselnd oben und unten durch Metallbrücken elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Die Metallbrücken bilden zugleich die thermischen Kontaktflächen und sind durch eine aufliegende Keramikplatte isoliert .

Darüber hinaus sind aus dem Stand der Technik

thermoelektrische Dünnschichtelemente bekannt:

Aus der DE 10 2006 031 164 AI ist ein thermoelektrisches Dünnschichtelement mit einer Trägerstruktur bekannt, auf der mehrere Thermoschenkel aus einem ersten leitfähigen Material und mehrere Thermoschenkel aus einem zweiten leitfähigen Material aufgebracht sind, wobei das erste und zweite

leitfähige Material eine unterschiedliche Leitfähigkeit aufweisen und die Thermoschenkel derart miteinander

elektrisch gekoppelt sind, dass jeweils zwei Thermoschenkel ein Thermopaar bilden, wobei sämtliche Thermoschenkel aus dem ersten und zweiten leitfähigen Material nebeneinander auf der Trägerstruktur angeordnet sind. Die kalte Seite des

thermoelektrischen Dünnschichtelementes befindet sich auf einer Seite der elektrisch leitfähigen ersten und zweiten Materialien und die heiße Seite auf der gegenüberliegenden Seite der elektrisch leitfähigen ersten und zweiten

Materialien .

Aus der DE 101 22 679 AI ist schließlich ein

thermoelektrisches Dünnschichtelement bekannt, das ein flexibles Substratmaterial aufweist, auf dem Dünnschicht- Thermopaare aufgebracht sind. Die Dünnschicht-Thermopaare werden aus einer Materialkombination von zwei

unterschiedlichen Materialien gebildet, wobei das erste und das zweite Material derart eingerichtet und derart miteinander thermisch gekoppelt sind, dass sie zusammen ein Thermopaar bilden. Die beiden Materialien werden auf die flexible Folie aufgedruckt oder mittels üblicher

Abscheideverfahren abgeschieden. Es werden nebeneinander angeordnete Streifen beispielsweise aus Nickel als erstem Material und Streifen aus Chrom als zweitem Material

gebildet, wobei die Streifen an ihren Enden jeweils paarweise über eine Kopplungsstruktur aus dem zweiten Material

elektrisch miteinander verbunden sind. Durch die gekoppelten Streifen wird eine Serienschaltung von mehreren Thermopaaren auf einer kleinen Fläche gebildet. Die hohe Anzahl der

Dünnschicht-Thermopaare führt zu einer hohen Ausgangsspannung des Thermoelementes. Die elektrischen Kopplungsstrukturen auf der einen Seite des thermoelektrischen Dünnschichtelementes bilden dessen heiße Seite, die Kopplungsstrukturen auf der gegenüberliegenden Seite des thermoelektrischen

Dünnschichtelementes bilden dessen kalte Seite aus, wobei die heiße Seite mit einem Ankopplungselement an eine Wärmequelle und die kalte Seite mit einer Wärmesenke verbunden ist.

Aus der DE 10 2008 032 856 AI ist ein Wärmeüberträger für ein thermoelektrisches Dünnschichtelement mit einer heißen und einer kalten Seite bekannt, wobei das flexible

Dünnschichtelement an der heißen Seite zwischen zwei Profilen eines Ankopplungselementes und an der kalten Seite zwischen zwei Profilen einer Wärmesenke eingeklemmt ist. Die

Wärmesenke wird im dargestellten Ausführungsbeispiel von den Klemmprofilen gebildet, an denen sich von den Klemmprofilen weg erstreckende Kühlrippen angeordnet sind.

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 Gleitlagerung 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 Trägerelement mit einem auf dem Trägerelement angeordneten thermoelektrischen

Dünnschichtelement vorzuschlagen, mit dem bei guter

thermischer Anbindung an eine Wärmequelle und Wärmesenke schädliche Zug- und Scherbeanspruchungen in dem

thermoelektrischen Dünnschichtelement, insbesondere in dem thermoelektrisch aktiven Material vermieden werden können.

Diese Aufgabe wird bei einem Trägerelement der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, dass mindestens ein elastischer und/oder flexibler Kompensationsabschnitt des Trägerelementes zwischen der Anbindung an die Wärmequelle und der Anbindung an die Wärmesenke derart eingerichtet ist, dass er

unterschiedliche Ausdehnungen der Wärmequelle und der

Wärmesenke durch eine Formänderung des

Kompensationsabschnitts ausgleicht .

Die unterschiedlichen Ausdehnungen der Wärmequelle und der Wärmesenke werden von dem Kompensationsabschnitt vollständig durch Formänderung aufgenommen, so dass die übrigen Bereiche des Trägerelementes aufgrund der thermisch unterschiedlichen Ausdehnungen nicht verformt werden. Insbesondere das für Scherbelastungen empfindliche thermoelektrisch aktive

Material wird in den übrigen Bereichen angeordnet und dadurch keinen Scherbelastungen ausgesetzt.

Der erfindungsgemäß vorgesehene Kompensationsabschnitt erlaubt eine Stoffschlüssige Anbindung des Trägerelementes an die Wärmequelle und die Wärmesenke. Durch eine

Stoffschlüssige Anbindung entfällt die Notwendigkeit, große Druckkräfte zwischen Wärmequelle bzw. Wärmesenke und der Anbindung des Trägerelements an die Wärmequelle bzw.

Wärmesenke aufzubauen, um einen geringen thermischen

Widerstand zu erzielen. Außerdem erlaubt die Stoffschlüssige Anbindung größere Fertigungstoleranzen sowohl des

Trägerelementes als auch der Wärmequelle bzw. Wärmesenke. Etwaige Fertigungstoleranzen können beispielsweise durch einen Kleber oder ein Lot zur Herstellung der

Stoffschlüssigen Verbindung ausgeglichen werden.

Um eine hohe Zyklenfestigkeit zu erreichen, weist jeder Kompensationsabschnitt vorzugsweise ein linear-elastisches Verhalten auf.

Der Kompensationsabschnitt kann durch Prägung erzeugte

Erhebungen und/oder Vertiefungen aufweisen, um die

Belastungen aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungen der Wärmequelle und Wärmesenke auszugleichen.

Vorzugsweise weist der Kompensationsabschnitt jedoch eine genoppte Struktur mit einer zweidimensionalen Anordnung von Erhebungen und Vertiefungen auf. Eine solche Noppenstruktur lässt Kompensationsbewegungen der in dem

Kompensationsabschnitt auftretenden Kräfte in allen

Raumrichtungen zu. Der elastische Kompensationsabschnitt kann darüber hinaus nach Art eines Rohrkompensators als elastischer Balg - auch als Faltenbalg bezeichnet- ausgestaltet sein. Jeder Balg kann mit mindestens einem, vorzugsweise mehreren Schlitzen

versehen sein, die sich quer zum Verlauf der Falten des Balgs erstrecken. Sofern die Falten des Balgs rechtwinklig zur Hauptausdehnungrichtung der Wärmequelle verlaufen, werden durch die Schlitze Ausdehnungen der Wärmequelle gegenüber der Wärmesenke senkrecht zur Hauptausdehnungsrichtung

kompensiert. Ähnlich wie der mit Noppenstruktur versehene Kompensationsabschnitt lässt auch der geschlitzte Balg

Kompensationsbewegungen der in dem Kompensationsabschnitt auftretenden Kräfte in allen Raumrichtungen zu.

Der elastische Kompensationsabschnitt kann aus demselben Material wie die übrigen Bereiche des Trägerelementes

bestehen. Als Werkstoff für das Trägerelement und den

geprägten elastischen Kompensationsabschnitt kommen

beispielsweise Metalle zum Einsatz, die insbesondere

aggressiven Medien und hohen Temperaturen gut standhalten können. Der elastische Kompensationsabschnitt kann jedoch abweichend zu den übrigen Bereichen des Trägerelementes auch aus Weichstoff, wie technischen Geweben oder Elastomeren bestehen .

Das thermoelektrische Dünnschichtelement weist ein Substrat und auf dem Substrat aufgebrachtes thermoelektrisch aktives Material auf. Das thermoelektrisch aktive Material weist eine Schichtdicke von maximal 150 ym auf.

Das Substrat ist elektrisch isolierend, um voneinander getrennte Bereiche aus thermoelektrisch aktivem Material abwechselnd auf der heißen und kalten Seite des

Dünnschichtelementes durch auf dem Substrat aufgebrachte metallisierte Bereiche elektrisch leitend miteinander zu verbinden. Um einen Wärmefluss von der heißen zur kalten Seite durch das Substrat hindurch zu vermeiden, weist das Material des Substrats eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Die Bereiche aus thermoelektrisch aktivem Material sind vorzugsweise in Reihe geschaltet.

Das Substrat kann flexibel, beispielsweise als Polyimid-Folie ausgebildet sein. Das als Folie ausgebildete Substrat ist vorzugsweise streifenförmig mit der heißen und kalten Seite an gegenüberliegenden Längsseiten des Streifens. Die flexible Folie kann auch dem Kompensatorabschnitt ganz oder teilweise überlappend auf dem Trägerelement angeordnet und befestigt werden. Bei der Anordnung und Befestigung der Folie auf dem Trägerelement ist jedoch darauf zu achten, dass sich kein thermoelektrisch aktives Material im Bereich oberhalb des Kompensatorabschnitts befindet.

Das Substrat kann auch aus einem biegesteifen Material bestehen. In diesem Fall befindet sich jeder

Kompensatorabschnitt in einem nicht mit dem Substrat

überlappenden Bereich des Trägerelementes. Andernfalls würde das elastische und/oder flexible Verhalten des

Kompensatorabschnitts durch das biegesteife Material des Substrats unterbunden. Das thermoelektrische Dünnschichtelement ist Stoffschlüssig mit einer insbesondere ebenen Oberfläche des Trägerelements verbunden, beispielsweise durch Verkleben oder Verlöten. Um das Verlöten zu erleichtern, kann die zu verlötende Rückseite des Substrats metallisiert sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Trägerelement eine Platte zum Aufbringen des

thermoelektrischen Dünnsichtelementes auf. Die ebene

Oberfläche ist für die Befestigung des thermoelektrischen Dünnschichtelementes besonders geeignet. Darüber hinaus lässt sich in eine relativ dünne Platte der Kompensatorabschnitt unmittelbar, insbesondere durch Prägen einbringen.

Sofern auf dem Tragelement, insbesondere der Platte, ein thermoelektrisches Dünnschichtelement mit einem flexiblen

Substrat angebracht ist, kann die Platte und das Substrat in den überlappenden Abschnitten miteinander fluchtende Schlitze aufweisen, die in den überlappenden Abschnitten auftretende Spannungen ausgleichen. Die Schlitze in der Platte und dem Substrat verlaufen zu diesem Zweck insbesondere senkrecht zur Hauptausdehnungsrichtung der Wärmequelle. Ist der

Kompensationsabschnitt als Balg ausgebildet, verlaufen die Schlitze senkrecht zu dessen Falten. Für eine vorzugsweise Stoffschlüssige Anbindung des

Trägerelementes an die Wärmequelle und die Wärmesenke sind an der Platte Verbindungselemente angeordnet, die sich winklig, insbesondere senkrecht zur Plattenebene erstrecken. Sofern die Verbindungselemente als Laschen ausgeführt sind, können diese durch Abkanten der Platte an gegenüberliegenden

Längsseiten hergestellt werden. Zur Anbindung des

Trägerelementes an rohrförmige Wärmequellen bzw. Wärmesenken sind die Verbindungselemente vorzugsweise hülsenförmig ausgebildet. Die Größe der Kontaktfläche zwischen der Hülse und dem Rohr führt zu einer sehr guten thermischen Anbindung. Sofern die Hülse die Platte durchsetzt, kann das Rohr der Wärmesenke bzw. Wärmequelle durch die Hülse hindurchgeführt werden. Um eine gleichmäßige Wärmeeinkopplung bzw.

Auskopplung zu erreichen, sind mehrere Verbindungselemente gleichmäßig entlang der heißen bzw. kalten Seite des

thermoelektrischen Dünnschichtelementes angeordnet. Ist nur ein Verbindungselement an der heißen und ein

Verbindungselement an der kalten Seite des thermoelektrischen Dünnsichtelementes angeordnet, entspricht die

Längserstreckung des Verbindungselementes in der Plattenebene in etwa der Längserstreckung des thermoelektrischen

Dünnschichtelementes entlang der heißen und kalten Seite.

Um die Wärmeleitung zur Wärmequelle bzw. Wärmesenke zu verbessern, kann das Tragelement in Teilbereichen mit einer Funktionsschicht versehen sein, die eine höhere

Wärmeleitfähigkeit als das Tragelement aufweist. Das

Tragelement besteht beispielsweise aus Edelstahl und die Funktionsschicht aus Kupfer. Die Funktionsschicht wird insbesondere im Bereich der Anbindung zur Wärmequelle bzw. Wärmesenke sowie im Überlappungsbereich zwischen Tragelement und thermoelektrischem Dünnschichtelement aufgebracht. In dem Bereich, in dem sich das thermoelektrisch aktive Material befindet, ist die Funktionsschicht unterbrochen, um

Verlustwärmeströme zwischen der kalten und heißen Seite des thermoelektrische Elementes zu vermeiden, das mit seinem Substrat auf die Funktionsschicht aufgebracht ist. Die

Unterbrechung der Funktionsschicht kann als Spalt ausgeführt sein .

Abhängig von der Wärmeleitfähigkeit des Tragelementes kann eine weitere Entkopplung der Wärmequelle von der Wärmesenke dadurch erreicht werden, dass das Tragelement, insbesondere dessen Platte, durch mindestens einen Schlitz geteilt ist, wobei ein erster Teil der Platte auf einer Seite des

Schlitzes mit der Wärmequelle und ein zweiter Teil der Platte auf der gegenüberliegenden Seite des Schlitzes mit der

Wärmesenke in wärmeleitender Verbindung steht.

Aus Stabilitätsgründen können der erste und zweite Teil der Platte durch mindestens einen, vorzugsweise mehrere den

Schlitz überbrückende im Verhältnis zur Längserstreckung des Schlitzes schmale Stege miteinander verbunden sein. Über die im Verhältnis zur Schlitzlänge schmalen Stege fließen nur geringe parasitäre Verlustwärmeströme von der heißen zur kalten Seite. Sofern eine Funktionsschicht auf dem Trägerelement vorgesehen ist, ist diese im Bereich der Stege unterbrochen .

Sofern derartige Stege vorgesehen sind, kann der Stegansatz an dem ersten und/oder zweiten Teil der Platte als

Kompensationsabschnitt ausgebildet sein. Um im Stegansatz ein elastisches und/oder flexibles Verhalten zu erzielen, können die Materialstärke und/oder die Materialeigenschaften des Steges im Bereich des Ansatzes gegenüber den übrigen

Bereichen des Trägerelementes verändert werden. Das

thermoelektrisch aktive Material des Dünnschichtelementes befindet sich ausschließlich in einem Bereich oberhalb des Schlitzes in Bezug auf die Plattenoberfläche, wobei die metallisierten Bereiche des Dünnschichtelementes abwechselnd auf dessen heißer Seite mit dem ersten Teil auf dessen kalter Seite mit dem zweiten Teil der Platte bzw. Funktionsschicht wärmeleitend verbunden sind. Die als Kompensationsabschnitte wirkenden Stegansätze legen auf beiden Seiten des

thermoelektrisch aktiven Materials jeweils ein Biegelinie zur Aufnahme der unterschiedlichen Ausdehnungen der Wärmequelle und Wärmesenke fest. Die Biegelinien verlaufen entlang der Übergangsbereiche des thermoelektrisch aktiven Materials zu den metallisierten Kontaktbereichen auf dem flexiblen

Substrat. In diesem Übergangsbereich kann das Substrat einer Drehbewegung um die Biegelinie des Trägerelementes folgen, ohne dass thermoelektrisch aktive Material durch Scherkräfte zu belasten. Sofern der Schlitz beispielsweise eine

Schlitzbreite von 4 mm und das thermoelektrisch aktive

Material in Richtung der Schlitzbreite eine Erstreckung von 2 mm aufweist, entsteht bei zentraler Anordnung des

thermoelektrisch aktiven Materials in dem Schlitz ein

Übergangsbereich von jeweils 1 mm auf beiden Seiten. In diesem Übergangsbereich verläuft die Biegelinie. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Wärmesenke und/oder Wärmequelle mindestens ein Rohr für einen Wärmeträger, an das das Trägerelement angebunden ist. Hierdurch lässt sich beispielsweise die Abwärme aus einem Heizkreislauf in einem oder mehreren thermoelektrischen Dünnschichtelementen nutzen.

Indem sich die Rohre der Wärmequelle bzw. Wärmesenke und die diese aufnehmenden hülsenförmigen Verbindungselemente senkrecht zu der Platte des Trägerelementes erstrecken, verläuft der Wärmestrom in den thermoelektrischen

Dünnschichtelementen quer zur Fließrichtung des Wärmeträgers in jedem Rohr. Hierdurch wird ein Temperaturabfall entlang des thermoelektrischen Dünnschichtelementes vermieden, was eine deutliche Leistungssteigerung zur Folge hat. Darüber hinaus erlaubt eine Anordnung der Trägerelemente quer zur Längserstreckung der Wärmequelle und Wärmesenke die

einwandfreie Funktion des Kompensationsabschnitts in dem Stegansatz .

Sofern jedes Rohr einer Wärmesenke und/oder Wärmequelle an mehrere Trägerelemente angebunden ist, lässt sich eine

Kaskade von thermoelektrischen Dünnschichtelementen zu einem Modul zusammenfassen. Die auf den mehreren Trägerelementen angebrachten Dünnschichtelemente können abhängig vom

Temperaturverlauf entlang der Rohre teilweise elektrisch in Serie oder parallel geschaltet werden.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Platte des Trägerelementes ringförmig und durch einen Schlitz in zwei konzentrische Kreisringe geteilt. Ein derart geformtes

Tragelement erlaubt eine Anbindung an eine lang gestreckte, insbesondere rohrförmige Wärmequelle und Wärmesenke, die beide senkrecht zu der ringförmigen Platte verlaufen. Die Verbindungselemente zur Anbindung an die Wärmequelle und Wärmesenke erstrecken sich ebenfalls senkrecht zur

Plattenebene . Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Figur la eine schematische Seitenansicht eines ersten

Ausführungsbeispiels eines Trägerelementes mit einem flexiblen thermoelektrischen

Dünnschichtelement vor und nach einer

thermomechanischen Ausdehnung,

Figur lb eine Vorderansicht des Trägerelementes nach

Figur la,

Figur 2 eine schematische Seitenansicht eines zweiten

Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Trägerelementes mit einem thermoelektrischen Dünnsichtelement, das auf einem biegesteifen Substrat angeordnet ist,

Figur 3a eine bevorzugte Ausführungsform eines

Kompensationsabschnitts mit einer Noppenstruktur in perspektivischer Ansicht,

Figur 3b Seitenansichten der Noppenstruktur nach Figur

3a,

Figur 4a eine Vorderansicht eines dritten

Ausführungsbeispiels eines Trägerelementes angebunden an eine ein Rohrbündel umfassende Wärmequelle und Wärmesenke,

Figur 4b ein mit mehreren Trägerelementen nach Figur 4a aufgebautes Modul in perspektivischer Ansicht,

Figur 5a ein Vorderansicht eines vierten

Ausführungsbeispiels eines Trägerelementes mit ovaler Kontur, Figur 5b eine Vorderansicht eines fünften

Ausführungsbeispiels eines Trägerelementes angebunden an eine jeweils ein rechteckiges Rohr umfassende Wärmequelle und Wärmesenke,

Figur 5c eine Vorderansicht eines sechsten

Ausführungsbeispiels eines Trägerelementes mit Anbindung an eine zentrale Wärmequelle und zwei Wärmesenken,

Figur 6a ein siebtes Ausführungsbeispiel eines

ringförmigen Trägerelementes mit darauf angebrachtem flexiblen thermoelektrischen Dünnschichtelement in Vorderansicht und

Seitenansicht,

Figur 6b eine Darstellung entsprechend Figur 6a, jedoch ohne das thermoelektrische Dünnschichtelement,

Figur 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines

ringförmigen Trägerelementes mit darauf angeordnetem thermoelektrischen

Dünnschichtelement mit biegesteifem Substrat in Seitenansicht,

Figur 8a ein mit mehreren Trägerelementen nach Figuren

6 oder 7 aufgebautes Modul in Seitenansicht sowie

Figur 8b das Modul nach Figur 8 a in perspektivischer

Ansicht .

Figur la zeigt eine geschnittene Seitenansicht eines

erfindungsgemäßen Trägerelementes (10) auf dem ein

thermoelektrisches Dünnschichtelement (20) angeordnet ist . Das Trägerelement (10) ist als Blechteil, beispielsweise aus Edelstahlblech ausgeführt und besteht aus einer länglichen rechteckigen Platte (11), die an ihren Längsrändern mit

Verbindungselementen (13 a, b) versehen ist, die in dem

Ausführungsbeispiel nach Figur 1 als Laschen ausgeführt sind. Die Laschen können abgekantete Abschnitte des Blechteils sein. Das untere Verbindungselement (13a) dient zur Anbindung an eine Wärmesenke (30) und das obere Verbindungselement (13b) zur Anbindung an eine Wärmequelle (40) . Die Wärmesenke (30) und die Wärmequelle (40) umfassen jeweils ein Rohr (31, 41) mit einem länglichen, rechteckigen Querschnitt für einen Wärmeträger, der die Rohre (31, 41) quer zur Plattenebene durchströmt .

Wie insbesondere aus Figur lb erkennbar, erstreckt sich der Rohrquerschnitt über die gesamte Länge des auf dem

Trägerelement (10) aufgebrachten, streifenförmigen

thermoelektrischen Dünnschichtelementes (20). Das als Lasche ausgeführte obere Verbindungselement (13b) ist stoffschlüssig mit der Unterseite des Rohres (41) und das als Lasche

ausgeführte untere Verbindungselement (13a) ist

stoffschlüssig an der Oberseite des Rohres (31) angebunden. Die stoffschlüssige Anbindung erfolgt insbesondere durch ein Lot. Die Platte (11) des Trägerelementes (10) wird mittig durch einen parallel zu deren Längsrändern (12) verlaufenden Schlitz (14) in einen ersten und einen zweiten Teil (IIa, IIb) geteilt, wobei der erste Teil (IIa) der Platte (11) mit der Wärmequelle (40) und der zweite Teile (IIb) der Platte auf der gegenüberliegenden Längsseite des Schlitzes (14) mit der Wärmesenke (30) in wärmeleitender Verbindung steht.

An den Seitenrändern der Platte (11) sind der erste Teil (IIa) und der zweite Teile (IIb) der Platte (11) durch einen den Schlitz (14) überbrückenden Steg (15) miteinander

verbunden. Die Stegansätze (15a) an dem ersten Teil (IIa) und die Stegansätze (15b) an den zweiten Teil (IIb) der Platte (11) definieren zwei Biegelinien als Kompensationsabschnitte (16), die parallel zu den Längsrändern (12) der Platte (11) verlaufen. Die derart gebildeten Kompensationsabschnitte (16) des Trägerelementes (10) gleichen unterschiedliche

thermomechanische Ausdehnungen der Wärmequelle (40) und der Wärmesenke (30) aus.

Das thermoelektrische Dünnschichtelement (20) weist in dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 a, b ein flexibles,

streifenförmiges Substrat (21), beispielsweise in Form einer Polyimid-Folie auf, auf der das thermoelektrisch aktive

Material (22) in voneinander getrennten Bereichen

(23) aufgebracht ist. Das Aufbringen kann beispielsweise im Wege der Sputterdeposition oder anderen an sich bekannten Verfahren zur Abscheidung von Schichten erfolgen. Die

voneinander getrennten Bereiche (23) aus thermoelektrisch aktivem Material (22) sind abwechselnd auf einer heißen Seite

(24) und einer kalten Seite (25) des thermoelektrischen

Dünnschichtelementes (20) durch metallisierte Bereiche (26) elektrisch leitend miteinander zu einer Reihenschaltung verbunden. Die heiße und kalte Seite (24, 25) des

thermoelektrischen Dünnschichtelementes verlaufen parallel zu den Längsrändern (12) der Platte (11) des Trägerelementes (10) . Die heiße Seite (24) ist wärmeleitend mit dem

Verbindungselement (13b) zur Anbindung an die Wärmequelle (40) und die kalte Seite (25) wärmeleitend mit dem

Verbindungselement (13a) an die Wärmesenke (30) verbunden.

Zur Herstellung der wärmeleitenden Verbindung ist das

Trägerelement (10) in Teilbereichen mit einer

Funktionsschicht (17) (schraffierte Darstellung) versehen, die eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Trägerelement (10) aufweist. Die Funktionsschicht besteht in dem

Ausführungsbeispiel aus Kupfer. Die Platte (11) des

Trägerelementes (10) ist im Bereich des ersten und zweiten Teils (IIa, IIb) der Platte (11) mit der Funktionsschicht (17) versehen. Im Bereich der Stege (15) ist indes keine Funktionsschicht angebracht, um parasitäre Verlustwärmeströme zwischen der heißen und kalten Seite (24, 25) zu reduzieren. Die Funktionsschicht (17) ist darüber hinaus auf den mit den Rohren (31, 41) in Kontakt gelangenden Oberflächen der

Verbindungselemente (13a, 13b) aufgebracht, um eine gute thermische Anbindung an die Wärmesenke (30) bzw. Wärmequelle (14) zu erreichen. Um das flexible Substrat (21) der thermoelektrischen

Dünnschichtelementes (20) auf der Funktionsschicht (17) des Trägerelementes zu befestigen, ist das Substrat auf seiner rückwärtigen, der Funktionsschicht (17) zugewandten Seite mit einer Beschichtung, insbesondere Metallisierung versehen, die ein Auflöten des thermoelektrischen Dünnschichtelementes (20) auf dem mit der Funktionsschicht (17) versehenen

Trägerelement (10) ermöglicht.

Insbesondere aus der Seitenansicht nach Figur la ist

erkennbar, dass die getrennten Bereiche (23) mit

thermoelektrisch aktivem Material (22) sich zwischen der heißen und kalten Seite (24, 25) nicht über die gesamte

Schlitzbreite (14a) erstrecken. Im dargestellten

Ausführungsbeispiel beträgt die Schlitzbreite 4 mm, während sich die Bereiche (23) mit dem thermoelektrisch aktiven

Material (22) lediglich über eine Länge von 2 mm erstrecken. Das mittig über dem Schlitz (14) angeordnete thermoelektrisch aktive Material (22) gewährleistet, dass sich kein

thermoelektrisch wirksames Material im Bereich der durch die Stegansätze (15a, 15b) definierten Biegelinien befindet.

Entlang dieser Biegelinien befindet sich ausschließlich das flexible Substrat (21), das durch die Biegung nicht

beeinträchtigt wird. Das Trägerelement (10) nach Figur 1 arbeitet wie folgt: Bei Erwärmung des Rohres (41) der Wärmequelle (40) dehnt sich das Rohr (41) relativ zu dem Rohr (31) der Wärmesenke (30) in erster Linie quer zur Oberfläche der Platte (11) aus, wie dies in der rechten Bildhälfte der Figur 1 a dargestellt ist. Spannungen aufgrund der thermomechanischen Ausdehnung

zwischen der Wärmequelle (40) und der Wärmesenke (30) werden in die Stege (15) des Trägerelementes (10) eingeleitet und bewirken in den Stegansätzen (15a, 15b) eine Biegebewegung, um die durch die Stegansätze (15a, 15b) definierten

Biegelinien, die parallel zu den Längsrändern (12) verlaufen. Durch die Biegung um die in der Plattenebene liegenden

Biegelinien lassen sich die Ausdehnungen quer zur

Plattenebene vollständig in den Kompensationsabschnitten (16) ausgleichen .

Figur 2 zeigt eine Ausführungsform eines Trägerelementes (10) auf dem ein thermoelektrisches Dünnschichtelement (20) mit einem biegesteifen Substrat (27) angeordnet ist. Das aus Kupferblech bestehende Trägerelement (10) ist insbesondere für Hochtemperaturanwendungen geeignet. Es weist in

Übereinstimmung mit der Ausführungsform nach Figur 1 eine durch einen Schlitz (14), allerdings mit deutlich größerer Schlitzbreite (14a), in einen ersten Teil (IIa) und einen zweiten Teil (IIb) geteilte Platte (11) auf, an der das biegesteife Substrat (27) des thermoelektrischen

Dünnschichtelementes (20) wärmeleitend befestigt ist,

beispielsweise durch Verlöten. Die Verbindungselemente (13a, 13b) zur Anbindung an die Wärmesenke (30) bzw. Wärmequelle (40) sind ebenfalls als Laschen ausgeführt. Das obere

Verbindungselement (13b) ist über einen

Kompensationsabschnitt (16) mit dem oberen Längsrand (12) der Platte (11) verbunden. Das untere Verbindungselement (13b) ist über einen Kompensationsabschnitt (16) mit dem unteren Längsrand (12) der Platte (11) verbunden. Die beiden

Kompensationsabschnitte (16) überlappen nicht mit dem

biegesteifen Substrat (27), sondern erstrecken sich von den Längsrändern (12) der Platte (11) in Richtung der Wärmesenke (30) bzw. der Wärmequelle (40) . Die als Laschen ausgeführten Verbindungselemente (13a, 13b) sind in gleicher Weise

Stoffschlüssig an die Wärmequelle bzw. Wärmesenke (30, 40) angebunden, wie bei de Ausführungsbeispiel nach Figur 1.

In dem Ausführungsbeispiel nach Figur 2 sind die

Kompensationsabschnitte (16) als elastischer Balg (18) ausgestaltet, der sich über die gesamte Länge des

Trägerelementes (10) erstreckt. Alternativ kann der

Kompensationsabschnitt (16) eine zweidimensionale Abfolge von Erhebungen (16a) und Vertiefungen (16b) aufweisen, wie dies in Figur 3a erkennbar ist. Eine derart gebildete

Noppenstruktur lässt Ausgleichsbewegungen in allen

Raumrichtungen zu.

Das Trägerelement (10) nach Figur 2 arbeitet wie folgt:

Bei Erwärmung des Rohres (41) der Wärmequelle (40) dehnt sich das Rohr (41) relativ zu dem Rohr (31) der Wärmesenke (30) in erster Linie quer zur Oberfläche der Platte (11) aus.

Spannungen aufgrund der thermomechanischen Ausdehnung

zwischen der Wärmequelle (40) und der Wärmesenke (30) werden in die elastischer Balge (18) des Trägerelementes (10) eingeleitet und bewirken durch deren Verformung den Ausgleich der unterschiedlichen Ausdehnungen von Wärmequelle (40) und Wärmesenke (30) . Das auf der Platte (11) angeordnete

thermoelektrische Dünnschichtelement (20) wird nicht

belastet .

Das Trägerelement (10) nach Figur 4a stimmt im Aufbau mit dem Trägerelement (10) nach Figur la, b weitgehend überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die dortigen

Ausführungen vollinhaltlich Bezug genommen wird. Unterschiede ergeben sich hinsichtlich des Aufbaus der Wärmesenke und der Wärmequelle (30, 40) sowie der Anbindung des Trägerelementes an die Wärmequelle und Wärmesenke (30, 40) . Die Wärmesenke (30) und die Wärmequelle (40) umfassen jeweils ein Rohrbündel (32, 42) . Die Rohre eines Rohrbündels (32, 42) verlaufen parallel und im Abstand zueinander, wobei sich jedes Rohr der Rohrbündel (32, 42) senkrecht zur Plattenebene des

Trägerelementes (10) erstreckt. An der Platte (11) des

Trägerelementes (10) sind auf der heißen und kalten Seite (24, 25) des thermoelektrischen Dünnschichtelementes (20) entsprechend der Anzahl der Rohre der Rohrbündel (32, 42) als Hülsen ausgebildete Verbindungselemente (13a, 13b)

angeordnet. Der Außenmantel jedes Rohres ist vorzugsweise Stoffschlüssig, beispielsweise mittels einer Lötverbindung mit einer der Hülsen verbunden. Die großflächige Anbindung des Trägerelementes (10) über die Hülsen an die Rohre der Wärmesenke bzw. Wärmequelle (30, 40) erhöht die

Wärmestromdichte und steigert die Effizienz des mit dem

Trägerelement (10) in wärmeleitender Verbindung stehenden thermoelektrischen Dünnschichtelementes (20). Das Trägerelement (10) nach Figur 4 a arbeitet wie folgt:

Bei Erwärmung der Rohre des Rohrbündels (42) dehnt sich die Wärmequelle (40) relativ zu den Rohren des Rohrbündels (32) der Wärmesenke (30) in erster Linie quer zur Oberfläche der Platte (11) aus. Spannungen aufgrund der unterschiedlichen

Ausdehnungen zwischen der Wärmequelle (40) und der Wärmesenke (30) werden in die Stege (15) des Trägerelementes (10) eingeleitet und bewirken in den Stegansätzen (15a, 15b) eine Biegebewegung, um die durch die Stegansätze (15a, 15b) definierten Biegelinien, die parallel zu den Längsrändern

(12) der Platte (11) verlaufen. Durch die Biegung um die in der Plattenebene liegenden Biegelinien lassen sich die

Ausdehnungen quer zur Plattenebene vollständig in den

Kompensationsabschnitten (16) ausgleichen. Figur 4b zeigt ein Modul (50), das mehrere baugleiche

Trägerelemente (10) nach Figur 4a umfasst, wobei sämtliche Trägerelemente (10) in gleicher Weise, nach Art eines

Stapels, an die Rohrbündel (32, 42) der Wärmesenke (30) bzw. Wärmequelle (40) angebunden sind. Jedes Rohr der beiden

Rohrbündel (32, 42) verläuft senkrecht zur Plattenebene der Trägerelemente (20) .

Bei dem Ausführungsbeispiel des Trägerelementes nach Figur 5a umfasst die Wärmesenke (30) bzw. Wärmequelle (40) jeweils nur ein einziges im Querschnitt kreisförmiges Rohr (31, 41) . Die Kontur des Trägerelementes (10) ist abweichend zu den

vorangegangenen Ausführungsbeispielen nicht rechteckig, sondern oval. Die Verbindungselemente (13a, 13b) sind

entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach Figur 4a als Hülsen ausgeführt. Die ovale Platte ist ebenfalls durch einen horizontal verlaufenden Schlitz (14) geteilt. Der erste Teil (IIa) und der zweite Teile (IIb) der Platte sind durch die beiden äußeren, den Schlitz überbrückenden Stege (15) miteinander verbunden. Übereinstimmend mit den übrigen

Ausführungsbeispielen bilden die Stegansätze (15a, 15b) an dem ersten und zweiten Teil (IIa, IIb) der Platte (11) den elastischen Kompensationsabschnitt (16) des Trägerelementes. Auf der Vorderansicht auf das Trägerelement (10) ist

erkennbar, dass die gut wärmeleitende Funktionsschicht (17) nicht im Bereich der Stege (15) sowie im Bereich des

Schlitzes (14) vorgesehen ist. An den Innenfläche der Hülsen ist die Funktionsschicht jedoch aufgebracht, um die

thermische Anbindung an die Oberfläche der Wärmequelle bzw. Wärmesenke (30, 40) zu verbessern. Auch bei dieser

Ausführungsform können mehrere übereinstimmende baugleiche Trägerelemente (10) in einer Art Stapel hintereinander auf dem Rohr der Wärmesenke (30) bzw. dem Rohr der Wärmequelle (40) angeordnet sein. Die Ausführungsform des Trägerelementes (10) nach Figur 5b entspricht der Ausführungsform des Trägerelementes nach Figur 4a mit dem Unterschied, dass die Wärmequelle und die

Wärmesenke (30, 40) nicht als Rohrbündel (32, 42) ausgebildet ist, sondern als ein im Querschnitt rechteckiges Rohr (31, 41), das sich über die volle Breite des in Figur 5b nicht dargestellten thermoelektrischen Dünnschichtelementes (20) mit flexiblem Substrat (21) erstreckt. Die Funktionsweise des Kompensationsabschnitts (16) entspricht derjenigen nach den Ausführungsbeispielen gemäß der Figuren 1, 4 und 5, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die dortigen

Ausführungen Bezug genommen wird.

Das Trägerelement (10) nach Figur 5c ist für die Anordnung von zwei streifenförmigen, in Figur 5c nicht dargestellten flexiblen thermoelektrischen Dünnschichtelementen (20) geeignet. Mittig erstreckt sich über die Länge des

Trägerelementes (10) ein als lang gestreckte rechteckige Hülse ausgebildetes Verbindungselement (13a) für die

Anbindung an die Wärmequelle (40) durch ein zentrales, im Querschnitt rechteckiges Rohr (41).

Im Bereich der Längsränder (12) des Trägerelementes

erstrecken sich in gleicher Richtung wie das

Verbindungselement (13a) zwei als lang gestreckte rechteckige Hülsen ausgebildete Verbindungselemente (13b) zur Anbindung des Trägerelementes an jeweils ein im Querschnitt

rechteckiges Rohr (31) einer Wärmsenke (30) . Zwischen dem Verbindungselement (13a) und den beiden Verbindungselementen (13b) ist die Platte (11) des Trägerelementes jeweils durch einen Schlitz (14) geteilt, wobei jeweils ein erster Teil (IIa) der Platte (11) auf einer Längsseite des Schlitzes (14) mit der Wärmequelle (40) und jeweils ein zweiter Teil (IIb) der Platte (11) auf der gegenüberliegenden Seite jedes

Schlitzes (14) mit einem der beiden Rohre (31) der Wärmesenke (30) in wärmeleitender Verbindung steht. Zu beiden Seiten der beiden Schlitze (14) befinden sich Verbindungsstege (15), deren Stegansätze (15a, 15b) die Kompensationsabschnitte (16) des Trägerelementes zwischen der Anbindung an die Wärmequelle (40) und der Anbindung an die Wärmesenken (30) darstellen.

Die Figuren 6a, 6b zeigen ein Ausführungsbeispiel eines

Trägerelementes (10) mit einer ringförmigen Platte (11) auf der ringförmig ein flexibles thermoelektrisches

Dünnschichtelement (20) angeordnet ist. Wie insbesondere aus Figur 6 b erkennbar, ist die ringförmige Platte (11) durch einen kreisförmigen Schlitz (14) in zwei konzentrische

Kreisringe (19a, 19b) geteilt. Die Kreisringe (19a, 19b) sind an vier um 90 Grad versetzt zueinander angeordneten Stellen den Schlitz (14) überbrückend durch Stege (15) miteinander verbunden. Am äußeren Umfang der ringförmigen Platte (11) ist ein über den gesamten Umfang umlaufendes Verbindungselement (13a) zur Anbindung an eine Wärmequelle (40) angeordnet. Am inneren Umfang der ringförmigen Platte ist ein über den gesamten Umfang umlaufendes Verbindungselement (13b) für die Anbindung an eine Wärmesenke (30) angeordnet. Die als Laschen ausgebildete Verbindungselemente (13a, 13b) verlaufen

rechtwinklig zur Plattenoberfläche. In den Stegansätzen (15a, 15b) der Verbindungsstege liegen die Kompensationsabschnitte (16) des Trägerelementes (10). Die Funktionsschicht (17) aus gut wärmeleitendem Material ist auf der nach außen weisenden ringförmigen Oberfläche der Kreisringe (19a, 19b), die mit dem thermoelektrischen Dünnschichtelement in Berührung kommt, angebracht. Um parasitäre Wärmeströme von der heißen zur kalten Seite (24, 25) zu vermeiden, sind die Oberflächen der Stege (15) nicht mit der Funktionsschicht (17) versehen.

Darüber hinaus befindet sich die Funktionsschicht (17) auf den Oberflächenbereichen der Verbindungselemente (13a, 13b), die der Anbindung an die Wärmequelle (40) und der Wärmesenke (30) dienen. Das ringförmige Trägerelement (10) ermöglicht eine koaxiale Anordnung von Wärmequelle (40) und Wärmesenke (30), wie sie nachfolgend anhand der Figur 8 erläutert wird.

Unterschiedliche Ausdehnungen zwischen der Wärmequelle (40) und der Wärmesenke (30) parallel zur Erstreckung der

Verbindungselemente (13a, 13b) werden in den Stegansätzen (15a, 15b) der Stege (15) durch Biegung ausgeglichen. Die Anordnung der thermoelektrisch aktiven Materialien (22) des flexiblen thermoelektrischen Dünnschichtelementes (20) in Bezug zu dem Schlitz (14) entspricht der Anordnung nach

Figuren 1, 4 und 5.

Das Ausführungsbeispiel nach Figur 7 unterscheidet sich von dem ringförmigen Trägerelement (10) nach Figur 6 a, b

dadurch, dass das auf dem Trägerelement (10) aufgebrachte thermoelektrische Dünnschichtelement (20) ein biegesteifes Substrat (27) aufweist. Die Anordnung der

Kompensationsabschnitte (16) sowie der Verbindungselemente (13a, 13b) entspricht dem Aufbau nach Figur 2, so dass auf die dortigen Ausführungen vollumfänglich Bezug genommen wird. Die Verbindungsabschnitte (13a, 13b) des Trägerelementes (10) sind mit koaxial zueinander angeordneten Rohren einer

Wärmesenke (30) und Wärmequelle (40) verbunden. Das

Trägerelement (10) besteht insbesondere aus einem

Kupferblech. Die Verbindungselemente (13 a, b) werden durch Verlöten, Kleben oder Schweißen stoffschlüssig an die Rohre (31, 41) von Wärmesenke und Wärmequelle (30, 40) angebunden. Das Trägerelement nach Figur 7 eignet sich insbesondere für Anwendungen im Temperaturbereich oberhalb von 250 Grad

Celsius, da das biegesteife Substrat (27) ebenfalls aus hochtemperatur-beständigem Material bestehen kann.

Figur 8 zeigt ein Modul (50) umfassend mehrere baugleiche Trägerelemente (10) in einer Ausführungsform nach Figur 6 oder 7. Die Trägerelemente (10) werden hintereinander in gleichmäßigem Abstand auf einem Rohr (31) der Wärmesenke (30) angeordnet und mit Hilfe der Verbindungselemente (13b) stoffschlüssig mit der Mantelfläche des Rohres (31)

verbunden. Die am äußeren Umfang der kreisringförmigen

Trägerelemente angeordneten Verbindungselemente (13a) sind an ein inneres Mantelrohr (33) der Wärmequelle (40) angeordnet. Die Wärmequelle (40) umfasst weiter ein äußeres Mantelrohr (34), das unter Ausbildung eines Ringraums (35) das innere Mantelrohr (33) umgibt. Stirnseitig verschließen

Abschlussbleche (36a, 36b) den Ringraum (35) . Im Bereich der beiden Stirnseiten (51a, 51b) des Moduls (50) sind am äußeren Mantelrohr (34) der Wärmequelle (40) Anschlussstutzen (52a, 52b) angeordnet. Ein Wärmeträger wird über den

Anschlussstutzen (52a) in den Ringraum (35) geleitet und verlässt den Ringraum über den Anschlussstutzen (52b) .

Bezugszeichenliste

Nr . Bezeichnung Nr . Bezeichnung

10 Trägerelement 30 Wärmesenke

11 Platte 31 Rohr

11 a erster Teil 32 Rohrbündel

11 b zweiter Teil 33 Mantelrohr inneres

12 Längsränder 34 Mantelrohr äußeres

13 a, b Verbindungselement 35 Ringraum

14 Schlitz 36 a, b Abschlussbleche

14 a Schlitzbreite

15 Steg

15 a Stegansatz

15 b Stegansatz 40 Wärmequelle

16 Kompensationsabschnitt 41 Rohr

16 a Erhebungen 42 Rohrbündel

16 b Vertiefungen

17 FunktionsSchicht

18 elastischer Balg

19 a, b Kreisringe 50 Modul

51 a, b Stirnseiten

52 a, b Anschlussstutzen

20 thermoelektrisches

Dünnschichtelernent

21 flexibles Substrat

22 thermoelektrisch

aktives Material

23 getrennte Bereiche

24 heiße Seite

25 kalte Seite

26 metallisierte Bereiche

27 biegesteifes Substrat