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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Moduls sowie auf ein Vorprodukt zur Verwendung in einem derartigen Verfahren.
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Thermoelektrische Module ermöglichen – in einem thermoelektrischen Generator integriert – Stromerzeugung unter Ausnutzung eines Temperaturgefälles in einem System. In 1 ist eine klassische Bauart eines thermoelektrischen Moduls 100 dargestellt, das in ein System mit einer heißen Seite 160 und einer kalten Seite 162 integriert ist. Das Modul 100 wird von zwei wärmeleitfähigen, elektrisch isolierenden Platten 134, 135 eingefasst. Es beinhaltet eine alternierende Reihung thermoelektrischer Schenkelelemente vom p-Typ (Leitungsmechanismus durch Defektelektronen) 102 und n-Typ (Leitungsmechanismus durch Elektronen) 103, die abwechselnd über Leiterbahnen 125 auf der heißen Seite 160 und Leiterbahnen 124 auf der kalten Seite 162 elektrisch derart miteinander verbunden sind, dass sich eine Reihenschaltung ergibt, deren beide Endpunkte an zwei Anschlussleiterbahnen 123 nach außen geführt sind.
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2 greift in einer schematisch vereinfachten Vorderansicht ein Paar thermoelektrischer Schenkelelemente 102, 103 des thermoelektrischen Moduls 100 aus 1 heraus, die an ihren oberen Enden 105 über eine obere Leiterbahn 125 mechanisch verbunden und elektrisch miteinander in Reihe geschaltet sind. An ihren unteren Enden 104 sind die Schenkelelemente 102, 103 an je eine weitere, untere Leiterbahn 124 angebunden, die die Reihenschaltung in Richtung nicht gezeigter benachbarter weiterer Schenkelelemente fortsetzt oder als Anschlussleiterbahn dient. Zwischen den Leiterbahnen 124, 125 und den Schenkelelementen 102, 103 ist jeweils eine stoffschlüssige Verbindung 200 ausgebildet. Werden die Schenkelelemente 102, 103 aus thermoelektrischem Material an einem Ende 105 auf hoher Temperatur und dem gegenüberliegenden Ende 104 auf niedriger Temperatur gehalten, entsteht durch den Temperaturgradienten zwischen den Enden 104, 105 an jedem Schenkelelement 102, 103 eine elektrische Spannung mit vom Leitungstyp abhängigem Vorzeichen, verursacht durch die Wärmediffusion von Elektronen bzw. Defektelektronen in Richtung des Temperaturgradienten. Aufgrund der Reihenschaltung addieren sich die Spannungen der einzelnen Schenkelelemente 102, 103. Werden die Endkontakte der Reihenschaltung, z.B. in 2 die beiden unteren Leiterbahnen 124, elektrisch miteinander verbunden, fließt ein elektrischer Strom 202, der es erlaubt, den Temperaturgradienten direkt als elektrische Leistung nutzbar zu machen.
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Im Generatorbetrieb des thermoelektrischen Moduls aus 1 wird ein von der in 1 ohne Beschränkung der Allgemeinheit oben liegend dargestellten heißen Seite 160 aus in das Modul 100 eintretender Wärmestrom 150 durch die obere elektrisch isolierende Platte 135 und die oberen Leiterbahnen 125 in die oberen Enden 105 der thermoelektrischen Schenkelelemente 102, 103 eingeleitet, und gleichzeitig ein um eine an den Anschlussleiterbahnen 123 abgegebene elektrische Leistung 154 verringerter Wärmestrom 152 aus den unteren Enden 104 der Schenkelelemente 102, 103 durch die unteren Leiterbahnen 124 und die untere elektrisch isolierende Platte 134 heraus geleitet. Ein thermoelektrisches Modul 100 der in 1 dargestellten Bauart ermöglicht auch eine umgekehrte Betriebsart, z.B. in einer Kühl- oder Heizvorrichtung, bei der die Anschlussleiterbahnen 123 mit einer externen Spannungsquelle verbunden und mit einem elektrischen Strom beaufschlagt werden, um ein gewünschtes Temperaturgefälle hervorzurufen.
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Aufgrund der Vielzahl an Bauteilen in einem thermoelektrischen Modul der anhand von 1 und 2 erläuterten Bauart ist die kostengünstige Herstellung des Moduls eine große Herausforderung. Die Anzahl der Leiterbahnen in einem Modul entspricht ungefähr der Anzahl der Schenkelelemente, sodass z.B. in einem Modul mit 200 Schenkelelementen fast 200 Leiterbahnen gesetzt werden müssen. Dieser Vorgang beinhaltet neben dem Platzieren der Schenkelelemente auch das aufwendige Platzieren der einzelnen Leiterbahnen auf die Kontaktflächen der Schenkelelemente. Die Leiterbahnen müssen mit hoher Präzision platziert werden, da ein Versatz der Leiterbahnen zu Störungen durch Kurzschlüsse, unzureichende Kontaktierung u. ä. im Modul führen kann. Darüber hinaus müssen vor dem Platzieren die Leiterbahnen oder/und die Kontaktflächen der Schenkelelemente mit Verbindungsmaterial für die stoffschlüssige Verbindung beschichtet werden. Es besteht somit Bedarf, eine präzise Platzierung von Schenkelelementen und Leiterbahnen bei der Herstellung thermoelektrischer Module auf einfache und zuverlässige Weise sicherzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Demgemäß vorgesehen ist ein Herstellungsverfahren für ein thermoelektrisches Modul mit einer Mehrzahl thermoelektrischer Schenkelelemente, die jeweils gegenüberliegende Enden aufweisen und über diese elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die Schenkelelemente können, sofern sie gegenüberliegende Enden aufweisen, grundsätzlich beliebig geometrisch geformt sein. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Anordnens der Schenkelelemente auf einer elektrisch leitenden Platte, einen Schritt des Verbindens der Schenkelelemente mit der elektrisch leitenden Platte und einen Schritt des Zerschneidens der elektrisch leitenden Platte in eine Mehrzahl von Leiterbahnen, die jeweils zwei der Schenkelelemente miteinander verbinden. Da die Schenkelelemente mit der elektrischen Platte verbunden und durch das Zerschneiden die elektrisch leitende Platte in die Mehrzahl der Leiterbahnen verwandelt wird, erfolgt das Zerschneiden nach dem Verbinden der Schenkelelemente mit der elektrisch leitenden Platte. Hier ist durch den Ausdruck „auf“ lediglich das Anordnen der Schenkelelemente auf einer Flächenseite der elektrisch leitenden Platte gemeint, nicht jedoch eine besondere Ausrichtung der Platte in Bezug auf die Schwerkraft impliziert. Der Begriff „elektrisch leitende Platte“ kann auch eine strukturierte, z.B. mehrschichtige Platte mit einer elektrisch leitenden Schicht bedeuten, sofern durch das Verbinden der Schenkelelemente mit der Platte eine elektrische Verbindung zwischen den Schenkelelementen und der elektrisch leitenden Schicht zustande kommt.
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Vorteile der Erfindung
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Dass die Leiterbahnen durch das Zerschneiden der elektrisch leitenden Platte zu einem Zeitpunkt gebildet werden, zu dem die thermoelektrischen Schenkelelemente bereits mit der Platte verbunden sind, kommt das erfinderische Herstellungsverfahren vollständig ohne einen Schritt des gesonderten Platzierens der Leiterbahnen in Bezug auf Schenkelelemente aus. Dies verringert aufgrund der großen Zahl von Leiterbahnen in typischen thermoelektrischen Modulen die Zahl der erforderlichen Platzierungsvorgänge erheblich, sodass die Herstellung des Moduls mit geringem Aufwand in kurzer Zeit erfolgen kann. Da die Leiterbahnen eine Reihenschaltung der Schenkelelemente bilden, besteht auch nach dem Zerschneiden der Platte ein mechanischer Zusammenhalt des thermoelektrischen Moduls, was ermöglicht, einen durch z.B. die Schnittbreite auf einfach Weise vorgebbaren Mindestabstand der Leiterbahnen so präzise einzuhalten, dass das Entstehen von Kurzschlüssen innerhalb des Moduls z.B. bei mechanischer Flexion mit hoher Sicherheit verhindert wird. Hierdurch sind sehr geringe Toleranzen in den Spaltmaßen zwischen den Leiterbahnen realisierbar, ohne ein Risiko einzugehen im Hinblick auf einen Kurzschluss. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die ursprüngliche Genauigkeit der Anordnung der thermoelektrischen Schenkelelemente auf einfache und zuverlässige Weise auch zu einer genauen Anordnung der Schenkelelemente im fertiggestellten Modul führt, da die Anordnung durch das Verbinden mit der elektrisch leitenden Platte in einem frühen Stadium fixiert und z.B. durch Erschütterungen während des Zerschneidens der elektrisch leitenden Platte nicht mehr beeinflussbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfinderischen Herstellungsverfahrens ist zusätzlich ein Schritt des Ausbildens einer Nut im Bereich mindestens einer Leiterbahn vorgesehen, vor dem Zerschneiden der elektrisch leitenden Platte. Der Begriff Nut kann dabei sowohl eine Einprägung oder einen Einschnitt in Dickenrichtung der Leiterbahn als auch einen Einschnitt in einer parallel zur Fläche der Leiterbahn verlaufenden Richtung bezeichnen. Diese Maßnahme ermöglicht, die mechanischen Eigenschaften der Leiterbahn nach Bedarf zu beeinflussen, ohne dass eine aufwändige oder die mechanische Stabilität des Moduls möglicherweise gefährdende Bearbeitung der Leiterbahnen vorgenommen werden müsste, wenn eine Verbindung mit den Schenkelelementen bereits besteht. Zum Beispiel kann durch insbesondere Längsnuten in Dickenrichtung eine mechanische Versteifung des Moduls, oder es kann durch Quernuten in Dicken- oder einer Flächenrichtung eine mechanische Flexibilisierung des Moduls erzielt werden. Letzteres ermöglicht zudem, ähnlich wie die Ausbildung einer Schwächungszone zwischen Leiterbahnbereichen, dass sich die Leiterbahnbereiche bereits vor dem Verbinden mit den Schenkelelementen innerhalb bestehender Toleranzgrenzen Maßabweichungen der Schenkelelemente anpassen können, sodass auf schonende Weise mit nur geringem Anpressdruck eine besonders sichere Verbindung zwischen Leiterbahnbereichen und Schenkelelementen ausgebildet werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung erfolgt das Anordnen der Schenkelelemente in Reihen. Dabei weist das Herstellungsverfahren ferner einen Schritt des Einsetzens mindestens eines Reihenabstandhalters in mindestens einen Reihenzwischenraum zwischen benachbarten Reihen der Schenkelelemente auf. Dies ermöglicht einen durch den Abstandhalter vorgebbaren Abstand der Reihen der Schenkelelemente sicherzustellen, insbesondere bis die Position der Schenkelelemente durch das Verbinden mit der elektrisch leitenden Platte fixiert ist. Vorzugsweise erfolgt das Einsetzen des mindestens einen Reihenabstandhalters vor dem Anordnen der Schenkelelemente, was den Vorgang des Anordnens erleichtert und vermeidet, dass bereits angeordnete Schenkelelemente beim Einsetzen angestoßen werden. Vorzugsweise erfolgt das Einsetzen zudem in den unteren Teil einer Spannvorrichtung, was vorteilhaft ohne Gefährdung der Anordnung durch Transport eine anschließende Stabilisierung mittels der Spannvorrichtung ermöglicht.
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Vorzugsweise erfolgt das Anordnen der Schenkelelemente auch in Spalten, die zu den Reihen gewinkelt verlaufen, z.B. im rechten Winkel zu diesen, wobei das Herstellungsverfahren einen weiteren Schritt des Einsetzens mindestens eines Spaltenabstandhalters in mindestens einen Spaltenzwischenraum zwischen benachbarten Spalten der Schenkelelemente aufweist. Dies ermöglicht einen durch den Abstandhalter vorgebbaren Abstand auch der Spalten der Schenkelelemente sicherzustellen und damit die Position der Schenkelelemente in der Plattenebene mit hoher Genauigkeit und Zuverlässigkeit vollständig festzulegen, insbesondere bis die Position der Schenkelelemente durch das Verbinden mit der elektrisch leitenden Platte fixiert ist. Der Begriff "Reihen" ist in einem weiteren Bedeutungssinne auch auf die Spalten anzuwenden, ebenso die Begriffe "Reihenzwischenraum", "Reihenabstandhalter" usw. auf die entsprechenden auf Spalten bezogenen Begriffe.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung erfolgt das Verbinden der Schenkelelemente mit der elektrisch leitenden Platte durch Ausbilden einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen den Schenkelelementen und der elektrisch leitenden Platte. Dies ermöglicht eine mechanisch stabile Verbindung mit geringem elektrischem Verbindungswiderstand. Vorzugsweise umfasst das Herstellungsverfahren hierzu einen Schritt des Aufbringens eines Verbindungsmaterials für die stoffschlüssige Verbindung auf die elektrisch leitende Platte oder/und die Schenkelelemente. Dies ermöglicht, durch die Nutzung eines dritten Materials, das hinsichtlich der gewünschten mechanischen und/oder elektrischen Verbindungseigenschaften optimierbar ist, eine besonders hohe mechanische und/oder elektrische Verbindungsqualität zu erzielen. Das Ausbilden der stoffschlüssigen Verbindung erfolgt vorzugsweise durch eine Wärmebehandlung zum Aufschmelzen oder/und Sintern des Verbindungsmaterials. Auf diese Weise lässt sich der Schritt des Verbindens präzise von außen steuern, ohne das mechanischer Zugang zur Verbindungsstelle erforderlich ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung erfolgt das Zerschneiden der elektrisch leitenden Platte mittels eines Laserstrahls, eines Elektronenstrahls, eines Hochdruckwasserstrahls oder einer Trennscheibe. Auf diese Weise können die Leiterbahnen schonend ausgebildet werden, ohne den Verbund aus Schenkelelementen und elektrisch leitender Platte bzw. den daraus entstehenden Leiterbahnen durch große mechanische Kräfte zu gefährden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung beinhaltet das Herstellungsverfahren ferner einen Schritt des Anordnens einer weiteren elektrisch leitenden Platte auf den Schenkelelementen, gegenüber der elektrisch leitenden Platte, d.h. auf der dieser Platte abgewandten Seite der Schenkelelemente. Zusätzlich sind vorgesehen ein Schritt des Verbindens der Schenkelelemente mit der weiteren elektrisch leitenden Platte und ein Schritt des Zerschneidens der weiteren elektrisch leitenden Platte in eine weitere Mehrzahl von Leiterbahnen, die jeweils zwei der Schenkelelemente miteinander verbinden, nach dem Verbinden der Schenkelelemente mit der elektrisch leitenden Platte und dem Verbinden der Schenkelelemente mit der weiteren elektrisch leitenden Platte. Dies ermöglicht, auf einfache Weise die Leiterbahnen auf beiden Seiten des thermoelektrischen Moduls mit hoher Präzision zu platzieren.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung beinhaltet das Herstellungsverfahren ferner einen Schritt des Einfüllens einer pulverförmigen Substanz zwischen die elektrisch leitende Platte und die weitere elektrisch leitende Platte, vor dem Zerschneiden der elektrisch leitenden Platte und/oder dem Zerschneiden der weiteren elektrisch leitenden Platte. Dies ermöglicht, die Schneidwirkung des zum Zerschneiden verwendeten Werkzeugs auf die zu zerschneidende elektrisch leitende Platte bzw. weitere elektrisch leitende Platte zu beschränken, um so eine Beschädigung der gegenüberliegenden weiteren elektrisch leitenden Platte bzw. elektrisch leitenden Platte, der Schenkelelemente oder eines ggf. zwischen den Schenkelelementen eingelegten Abstandhalters zu vermeiden.
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Unter einem weiteren Gesichtspunkt stellt die Erfindung ein Vorprodukt für die Herstellung eines thermoelektrischen Moduls nach einem solchen Verfahren bereit. Das Vorprodukt umfasst eine elektrisch leitende Platte mit einer Mehrzahl von Leiterbahnbereichen zur Bildung von Leiterbahnen, wobei in einer Zone im Grenzbereich zwischen einem Bereich einer Leiterbahn und einem weiteren Bereich der elektrisch leitenden Platte die elektrisch leitende Platte durch eine entsprechende z.B. mechanische oder chemische Vorbehandlung eine geringere mechanische Stabilität aufweist, als in den Leiterbahnbereichen. Diese Zone wird im Folgenden als Schwächungszone bezeichnet. Ein derartiges Vorprodukt, indem es bei dem obigen Verfahren als die elektrisch leitende Platte verwendet wird, ermöglicht eine besonders rasche Herstellung des thermoelektrischen Moduls, da aufgrund der bereits bestehenden Schwächungszone der Schritt des Zerschneidens der Platte im Bereich der Schwächungszone einen geringeren Schneideaufwand erfordert. Zudem ermöglicht das Vorprodukt eine begrenzte Beweglichkeit, z.B. durch geringfügige Flexion, der Leiterbahnbereiche gegeneinander entlang der Schwächungszone, sodass sich die Leiterbahnbereiche bereits vor dem Verbinden mit den Schenkelelementen innerhalb bestehender Toleranzgrenzen Maßabweichungen der Schenkelelemente anpassen können, was auf schonende Weise ermöglicht, mit nur geringem Anpressdruck eine besonders sichere Verbindung zwischen Leiterbahnbereichen und Schenkelelementen auszubilden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Vorprodukts weist die Schwächungszone mindestens eine Aussparung in der elektrisch leitenden Platte oder/und eine im Verhältnis zu den Leiterbahnbereichen geringere Dicke der elektrisch leitenden Platte auf. Beispielsweise kann die Schwächungszone durch eine Vielzahl kleiner Aussparungen perforiert sein, oder die Schwächungszone durch große nur durch dünne Stege unterbrochene Aussparungen gebildet sein.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist mindestens eine Nut innerhalb mindestens eines Leiterbahnbereichs ausgebildet. Beispielsweise bilden in einem oder mehreren Leiterbahnbereichen mehrere Nuten eine mäanderförmige Kontur, sodass auf einfache Weise die Herstellung eines flexiblen thermoelektrischen Moduls ermöglicht wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine angeschnittene perspektivische Ansicht eines beispielhaften thermoelektrischen Moduls;
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2 ist eine schematische Darstellung eines Paars thermoelektrischer Schenkelelemente eines thermoelektrischen Moduls, die über Leiterbahnen in Reihe geschaltet sind;
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3A–B sind Draufsichten auf einen obere bzw. eine untere elektrisch leitende Platte, die in einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zur Herstellung eines thermoelektrischen Moduls bereitgestellt werden;
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4A–B sind Draufsichten auf die obere und untere elektrisch leitende Platte aus 3, nachdem in einem weiteren Schritt des Herstellungsverfahrens Verbindungsmaterial aufgebracht wurde;
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5A–F sind Vorderansichten eine Spannvorrichtung bei der Verwendung in Verfahrensschritten eines Herstellungsverfahrens gemäß einer Ausführungsform;
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6 ist eine Draufsicht auf eine elektrisch leitende Platte während des Einsetzens von Abstandhaltern in einem Herstellungserfahren gemäß einer Ausführungsform;
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7A–B sind Schnittansichten eines thermoelektrischen Moduls zu Beginn bzw. nach Beendigung eines Schritts, in einem Herstellungserfahren gemäß einer Ausführungsform, in dem elektrisch leitende Platten zerschnitten werden;
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8A–B sind schematische Draufsichten auf jeweilige Leiterbahnebenen, die sich in einem Herstellungserfahren gemäß einer Ausführungsform durch Zerschneiden einer unteren bzw. einer oberen elektrisch leitenden Platte ergeben;
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9 ist eine Draufsicht auf ein Vorprodukt gemäß einer Ausführungsform für die Herstellung eines thermoelektrischen Moduls; und
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10 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, zur Herstellung eines thermoelektrischen Moduls.
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Sofern nicht ausdrücklich anders erwähnt, beziehen sich gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche oder äquivalente Elemente. Ebenso sollen, sofern nicht ausdrücklich anders erwähnt, räumliche Bezeichnungen wie „oben“, „unten“, „obere“, „untere“, „oberhalb“, „unterhalb“, „auf“, „über“, „unter“, usw. keine bestimmte Anordnung von Elementen in Bezug auf die Richtung der Schwerkraft ausdrücken, sondern werden nur zum Zwecke einer leicht verständlichen Beschreibung der relativen Anordnung unterschiedlicher Elemente verwendet.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Im Folgenden soll mit Bezug auf 3A bis 8B ein Herstellungsverfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beschrieben werden, mit dem ein thermoelektrisches Modul der oben anhand von 1 und 2 erläuterten grundsätzlichen Bauart hergestellt wird.
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Gemäß dem Verfahren wird zunächst eine in 3A gezeigte untere elektrisch leitende Platte 114 bereitgestellt, aus der in einem späteren Verfahrensschritt die in 1 in einer Ebene unterhalb der Schenkelelemente 102, 103 liegenden Leiterbahnen 124 gebildet werden sollen. Ebenso wird eine in 3B gezeigte obere elektrisch leitende Platte 115 bereitgestellt, aus der in einem späteren Verfahrensschritt die in 1 dargestellten oberen Leiterbahnen 125 entstehen sollen.
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Beide elektrisch leitenden Platten 114, 115 können aus dem gleichen Material gebildet sein und identische Abmessungen besitzen, die in der vorliegenden Ausführungsform mit den rechteckförmigen Flächenabmessungen des herzustellenden thermoelektrischen Moduls übereinstimmt. Das Material für die elektrisch leitenden Platten 114, 115 besitzt vorzugsweise einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der nur geringfügig von dem des thermoelektrischen Materials in den Schenkelelementen des herzustellenden thermoelektrischen Moduls abweicht, und weist vorzugsweise sowohl eine gute elektrische als auch eine hohe thermische Leitfähigkeit auf. Insbesondere geeignet sind Metalle und metallische Verbundwerkstoffe wie z.B. Nickel, Kobalt, Eisen, Niob, Titan, Zirconium, Molybdän, Molybdän-Kupfer, Molybdän-Nickel, Magnesium-Kohlefaser und Kupfer-Kohlefaser. Neben Vollmaterialien können zur Bereitstellung der elektrisch leitenden Platten 114, 115 auch z.B. mehrschichtige Materialien mit mindestens einer elektrisch leitenden Schicht verwendet werden. Die Platten werden gereinigt und getrocknet, so dass sich keine Verunreinigungen mehr auf der Oberfläche befinden und möglicherweise vorhandene Oberflächenoxide entfernt sind.
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Anschließend werden die elektrisch leitenden Platten 114, 115 wie in 4A und 4B gezeigt mit einem Verbindungsmaterial 400 zur Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung beschichtet. Dieses Verbindungsmaterial 400 kann zum Beispiel in Form einer zinnhaltigen Folie, einer Paste aus Hartlot, Weichlot oder einem silberhaltigen Pulver vorliegen und kann z.B. im Fall einer Paste durch Siebdruck, Schablonendruck oder mit einem geeigneten Sprühverfahren auf jeweils eine Seite der elektrisch leitenden Platten 114, 115 aufgebracht werden, wobei bei Verwendung eines Schichtmaterials mit nur einer elektrisch leitenden Seite das Verbindungsmaterial auf die elektrisch leitende Seite aufgebracht wird. In der vorliegenden Ausführungsform wird das Verbindungsmaterial 400 nur an solchen Stellen aufgebracht, an denen später thermoelektrische Schenkel entsprechend ihrer beabsichtigten Position im herzustellenden thermoelektrischen Modul angeordnet werden sollen. Dabei werde im Falle der unteren elektrisch leitenden Platte zwei Freistellen 113 in Ecken zur späteren Anbringung von Anschlussleiterbahnen ohne Verbindungsmaterial 400 gelassen. In alternativen Ausführungsformen können die elektrisch leitenden Platten 114, 115 auch z.B. ganzflächig, mit oder ohne Aussparen von Freistellen für Anschlussleiterbahnen, mit dem Verbindungsmaterial bedeckt werden.
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Die nächsten Verfahrensschritte werden in einer in 5A–F in Vorderansicht gezeigten zweiteiligen Spannvorrichtung 504, 505 mit einem unteren Teil 504 und einem oberen Teil 505 ausgeführt. Zunächst wird wie in 5A gezeigt der untere Teil 504 der Spannvorrichtung, die eine Flächenabmessung mindestens entsprechend der Fläche des herzustellenden thermoelektrischen Moduls aufweist, geöffnet bereitgestellt. In diesen unteren Teil 504 wird in einem weiteren Verfahrensschritt wie in 5B gezeigt die untere elektrisch leitende Platte 114 derart eingelegt, dass die mit dem Verbindungsmaterial 400 versehene Seite nach oben, d.h. vom unteren Teil 504 der Spannvorrichtung 504, 505 weg weist.
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Anschließend wird die untere elektrisch leitende Platte 114 zuerst mit thermoelektrischen Schenkelelementen 102 vom p-Typ bestückt, wie in 5C dargestellt ist. Hierbei wird jeweils schachbrettartig alternierend auf jede zweite mit dem Verbindungsmaterial 400 versehene Stelle ein Schenkelelement 102 gesetzt. Der einfachen Darstellung wegen zeigt 5C nur eine in der Zeichenebene liegende Reihe von Schenkelelementen 102, während weiter hinten positionierte Schenkelelemente in hinter der Zeichenebene liegenden Reihen weggelassen sind. In die verbleibenden Lücken werden wie in 5D gezeigt Schenkelelemente 103 vom n-Typ gesetzt. In alternativen Ausführungsformen kann das Setzen der Schenkelelemente 102, 103 auch gleichzeitig oder in beliebig anderer Reihenfolge erfolgen. Die Schenkelelemente 102, 103 bestehen aus einem geeigneten thermoelektrischen Material des entsprechenden Leitungstyps, z.B. Skutterudit, Halb-Heusler-Legierung, Bleitellurid, Silizium oder Wismuttellurid, und haben in der vorliegenden Ausführungsform die geometrische Gestalt von Säulen mit einer quadratischen Grundfläche, deren Seitenlänge 2,4 mm beträgt.
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Zur Vereinfachung des Bestückens können, wie in 6 in einer schematischen Draufsicht auf die schachbrettartig alternierend mit den Schenkelelementen 102, 103 bestückte untere elektrisch leitende Platte 114 gezeigt, zweckmäßig zwei kammartige Hilfswerkzeuge (Fixierkämme) 620, 621 eingelegt werden, die mit ihren Zinken 610, 611 in einem Winkel von 90° zueinander stehen. Dabei bilden die Zinken 610 des ersten Fixierkamms 620 jeweils einen Reihenabstandhalter, der einen Abstand 630 zwischen benachbarten Reihen 600 der Schenkelelemente 102, 103 sicherstellt, und die Zinken 611 des zweiten Fixierkamms 621 jeweils einen Spaltenabstandhalter, der einen Abstand 631 zwischen benachbarten Spalten 601 der Schenkelelemente 102, 103 sicherstellt. Durch die Fixierkämme 620, 621 wird ein Verschieben oder Verdrehen der Schenkelelemente 102, 103 verhindert. Der Übersichtlichkeit halber sind die Fixierkämme 620, 621 nicht in 5A–F dargestellt.
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In einem nachfolgenden Schritt, der in 5E gezeigt ist, wird die obere elektrisch leitende Platte 115 auf die Schenkelelemente 102, 103 abgelegt, wobei ihre mit dem Verbindungsmaterial versehene Seite nach unten weist, sodass das Verbindungsmaterial mit den Schenkelelementen 102, 103 in Berührung kommt. Dabei kann über eine geeignete, nicht gezeigte Hilfskonstruktion wie z.B. einen Zentrierstift sichergestellt werden, dass die obere elektrisch leitende Platte 115 exakt über der unteren elektrisch leitenden Platte 114 positioniert wird und es keine Differenzen oder Fluchtungsfehler zwischen den beiden Platten 114, 115 gibt.
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Auf die so entstandene dreischichtige Anordnung aus der unteren elektrisch leitenden Platte 114, den Schenkelelementen 102, 103 und der oberen elektrisch leitenden Platte 115 Platte wird wie in 5F gezeigt der obere Teil 505 der Spannvorrichtung 504, 505 aufgelegt und mit dem unteren Teil 504 verspannt. Dadurch steht die dreischichtige Anordnung 114, 102, 103, 115 unter Druck, und ein Verrutschen oder Verdrehen der Schenkelelemente 102, 103 ist nicht mehr möglich. Die in der Spannvorrichtung 504, 505 verspannte dreischichtige Anordnung 114, 102, 103, 115 wird in einen nicht gezeigten Ofen für eine Wärmebehandlung 502 gegeben. Nach der Wärmebehandlung 502 wird die Spannvorrichtung 504, 505 geöffnet und der entstandene dreischichtige stoffschlüssige Verbund aus der unteren elektrisch leitenden Platte 114, den Schenkelelementen 102, 103 und der oberen elektrisch leitenden Platte 115 entnommen.
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7A zeigt in einer schematischen Schnittansicht den so aus der unteren elektrisch leitenden Platte 114, den Schenkelelementen 102, 103 und der oberen elektrisch leitenden Platte 115 entstandenen dreischichtigen stoffschlüssigen Verbund nach seiner Entnahme aus der Spannvorrichtung. Im einem nachfolgenden Verfahrensschritt werden die beiden elektrisch leitenden Platten 114, 115 mittels eines geeignetes Schneidprozesses so geschnitten, dass aus ihnen die Leiterbahnen 124, 125 entstehen. Als Schneidwerkzeug kann z.B. ein mittels eines Lasers 720 erzeugter Laserstrahl 700, ein mittels einer Elektronenstrahlquelle 722 erzeugter Elektronenstrahl 702, ein aus einer Düse 724 gerichteter Hochdruckwasserstrahl 704 oder eine dünne Trennscheibe 706 verwendet werden. Selbstverständlich reicht die Auswahl eines der in 7A beispielhaft gezeigten, vorgenannten Schneidmittel 700, 702, 704, 706 aus.
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Vor der Ausführung des Schneidprozesses, insbesondere falls dieser mit Hilfe eines Laserstrahls 700 oder Elektronenstrahls 702 ausgeführt werden soll, wird der zwischen den elektrisch leitenden Platten 114, 115 noch verbliebene freie Raum mit einer Schutzsubstanz 710 verfüllt, um eine Beschädigung der Schenkelelemente 102, 103, der Bereiche der jeweils gegenüberliegenden Leiterbahnen 124, 125 oder gegebenenfalls verwendeter Hilfswerkzeuge wie z.B. den Zinken 611 eines Fixierkamms zu verhindern. Als Schutzsubstanz 710 kann z.B. ein Aluminiumoxidpulver oder ein Magnesiumoxidpulver eingesetzt werden. Der Schneidprozess selbst wird in der vorliegenden Ausführungsform zunächst für die untere elektrisch leitende Platte 114 durchgeführt, die zu diesem Zweck in 7A dem Schneidmittel 700, 702, 704, 706 zugewandt nach oben gekehrt ist. Nach dem Zerschneiden der unteren elektrisch leitenden Platte 114 in die unteren Leiterbahnen 124 wird der dreischichtige stoffschlüssige Verbund umgedreht, sodass die obere elektrisch leitende Platte 115 in Richtung des Schneidmittels 700, 702, 704, 706 weist. Nach dem Zerschneiden der oberen elektrisch leitenden Platte 115 in die oberen Leiterbahnen 125 werden eventuell verwendete Hilfswerkzeuge wie Fixierkämme und die Schutzsubstanz 710 aus dem Inneren des thermoelektrischen Moduls 100 entfernt. Diese Reinigung kann zum Beispiel durch Absaugen, Ausblasen oder durch Ausspülen durchgeführt werden.
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8A zeigt eine schematische Draufsicht auf die durch das Zerschneiden der unteren elektrisch leitenden Platte 114 gebildeten Leiterbahnen 124, die gemeinsam eine untere Leiterbahnebene des thermoelektrischen Moduls bilden. Der Übersichtlichkeit halber wurde auf die Darstellung weiterer Bestandteile des thermoelektrischen Moduls verzichtet. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Leiterbahnen 124 aus Nickelblech einer Stärke von 1 mm gebildet und besitzen jeweils die Form eines Rechtecks, bei dem die lange Seite eine Länge 800 von 7,5 mm, und die kurze Seite eine Länge 801 von 3,5 mm aufweist. Zwischen den Leiterbahnen 124 ist jeweils ein durch die Schnittbreite entstandener Spalt 754 mit einer Weite 803 von 0,5 mm entstanden. An den Freistellen 113, wo die untere elektrisch leitende Platte 114 nicht mit dem Verbindungsmaterial versehen worden war, sind nicht benötigte Teile entfernt worden, um in einem nachfolgenden Schritt die Anschlussleiterbahnen zur externen Beschaltung des thermoelektrischen Moduls an den unter den Freistellen 113 freigelegten unteren Enden der dort befindlichen Schenkelelemente (in 8A nicht gezeigt) anzubringen.
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8B zeigt entsprechend eine schematische Draufsicht auf die durch das Zerschneiden der oberen elektrisch leitenden Platte 115 gebildeten Leiterbahnen 125, die gemeinsam eine obere Leiterbahnebene des thermoelektrischen Moduls bilden. Auch hier wurde der Übersichtlichkeit halber auf die Darstellung weiterer Bestandteile des thermoelektrischen Moduls verzichtet. Material und Abmessungen 801, 802 der Leiterbahnen sowie die Weite 803 des durch das Zerschneiden der oberen elektrisch leitenden Platte gebildeten Schnittspalts 755 sind wie in 8A.
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In der oben beschriebenen Ausführungsform des Herstellungsverfahrens wurden als die elektrisch leitenden Platten 114, 115 massive Platten mit einfacher Rechteckform verwendet. 9 zeigt ein Beispiel einer elektrisch leitenden Platte 114, die als ein Vorprodukt 900 für ein Herstellungsverfahren gemäß einer weiteren Ausführungsform durch Stanzen u. ä. vorgeformt wurde. Die elektrisch leitende Platte 114 weist zwischen Leiterbahnbereichen 902 gebildete Schwächungszonen 904 auf. Letztere sind physikalisch oder chemisch vorbehandelte Grenzbereiche zwischen den jeweils auszubildenden Leiterbahnen und der übrigen elektrisch leitenden Platte 114. In der vorliegenden Ausführungsform bestehen die Schwächungszonen 904 aus je einer ausgestanzten Aussparung, sodass zwischen den Leiterbahnbereichen nur noch dünne Stege 914, 913 verbleiben, wobei die von vier Leiterbahnbereichen umgebenen Stege 913 kreuzförmig ausgeführt sind. Hierdurch wird sowohl der Zeitbedarf für das spätere Zerschneiden als auch die erforderliche Leistung des Schneidmittels, z.B. eines Lasers reduziert. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Flexibilität der Platte 114 erhöht wird und dadurch eine bessere Anpassung an Höhentoleranzen der Schenkelelemente möglich ist und ein Verzug der Platte 114 sich mit wesentlich geringerer Anpresskraft beim Verbinden mit den Schenkelelementen ausgleichen lässt. Darüber hinaus wird ein möglicher Verzug der Platte 114 während einer Wärmebehandlung beim Verbinden durch die Flexibilität der elektrisch leitenden Platte 114 vermieden.
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Das in 9 gezeigte Vorprodukt 900 umfasst weitere beispielhaft dargestellte Vorstrukturierungen 908, 910, 912, durch welche die Eigenschaften des herzustellenden thermoelektrischen Moduls sowie der Ablauf des Herstellungsverfahrens nach Bedarf beeinflussbar sind. So ist in einem ersten strukturierten Leiterbahnbereich 902´ eine Mäanderstruktur 908 durch drei alternierend von beiden Seiten des Leiterbahnbereichs 902´ aus in seitlicher Richtung eingeschnittene Nuten 910 ausgebildet. Die Mäanderstruktur 908 ist mittig im Leiterbahnbereich 902´ angeordnet, sodass die im fertigen Modul ausgebildete Leiterbahn zwischen den von dieser verbundenen Schenkelelemente eine erhöhte Elastizität aufweist. In einem zweiten strukturierten Leiterbahnbereich 902´´ ist ebenfalls mittig eine quer zum Leiterbahnbereich 902´´ gerichtete Nut 911 ausgebildet, die eine ähnlich flexibilisierende Wirkung hat. In einem dritten strukturierten Leiterbahnbereich 902´´´ sind zwei parallel zum Leiterbahnbereich 902´´´ gerichtete Nuten 912 ausgebildet, durch die der betreffende Leiterbahnbereich eine wellblechartige Strukturierung erhält, die zu einer besonderen Steifheit des Leiterbahnbereichs 902´´´ und damit des gesamten thermoelektrischen Moduls führt.
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10 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, das der Herstellung eines thermoelektrischen Moduls dient, in dem eine Mehrzahl thermoelektrischer Schenkelelemente an gegenüberliegenden Enden über Leiterbahnen elektrisch in Reihe geschaltet sind. In Schritt 940 werden eine obere und untere elektrisch leitende Platte aus einem massiven Blechmaterial bereitgestellt. In Schritt 942 werden bei beiden elektrisch leitenden Platten zwischen Leiterbahnbereichen, die im fertigen Modul als Leiterbahnen die Schenkelelemente miteinander verbinden sollen, durch Pressen Schwächungszonen im Grenzbereich der Leiterbahnen ausgebildet, in denen die Dicke der jeweiligen Platte herabgesetzt ist. In alternativen Ausführungsformen können die Schwächungszonen z.B. auch durch Perforieren ausgebildet werden. Gleichzeitig mit Schritt 942 werden als Schritt 944 Nuten eingeprägt, die die mechanische Stabilität im Bereich der Leiterbahnen selbst durch Welligkeit erhöhen.
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In Schritt 946 werden die elektrisch leitenden Platten mit einer Silberpulver enthaltenden Paste beschichtet, wobei die Beschichtung insbesondere an Stellen, an denen später säulenförmige Schenkelelemente aus einem thermoelektrischen Material vom Leitungstyp n und vom Leitungstyp p positioniert werden sollen, erfolgt. In alternativen Ausführungsformen kann die Paste an beiden Grundflächen der Säulenform auf die Schenkelelemente aufgetragen werden. Anschließend wird die untere elektrisch leitende Platte, die für die spätere Kaltseite des Moduls bestimmt ist, in eine Spannvorrichtung eingelegt. In Schritt 948 werden zwei kammartige Hilfswerkzeuge über der unteren elektrisch leitenden Platte derart angeordnet, dass sich zwischen den Zinken der Hilfswerkzeuge in der Projektion auf die Ebene der unteren elektrisch leitenden Platte freibleibende rechteckige Bereiche gleichmäßiger Größe bilden, die im Querschnitt den säulenförmigen Schenkelelementen entsprechen. In Schritt 950 werden die Schenkelelemente, die eine gleiche, die Hilfswerkzeuge übersteigende Höhe aufweisen, alternierend in die freigebliebenen Bereiche eingesetzt, sodass sich ein schachbrettartiges Muster von Schenkelelementen der Leitungstypen n und p ergibt. An zwei Ecken, an denen in Schritt 946 keine Silberpaste auf die elektrisch leitende Platte aufgebracht wurde, werden dabei keine Schenkelelemente gesetzt.
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In Schritt 952 wird die obere elektrisch leitende Platte auf die oberen Enden der Schenkelelemente aufgelegt, und die so entstandene Anordnung aus unterer elektrisch leitender Platte, Schenkelelementen und oberer elektrisch leitender Platte in der Spannvorrichtung verspannt. In einer anschließenden Wärmebehandlung der Anordnung werden in Schritt 954 die unteren Enden der Schenkelelemente mit der unteren elektrisch leitenden Platte stoffschlüssig verbunden, während gleichzeitig in Schritt 955 die oberen Enden der Schenkelelemente mit der oberen elektrisch leitenden Platte stoffschlüssig verbunden werden, da es zum Sintern des in den Bereichen zwischen den Enden der Schenkelelemente und der angrenzenden jeweiligen elektrisch leitenden Platte befindlichen Silberpulvers kommt.
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In Schritt 960 wird der durch die Wärmebehandlung in Schritt 954 und 955 entstandene stoffschlüssigen Verbund aus unterer elektrisch leitender Platte, Schenkelelementen und oberer elektrisch leitender Platte aus der Spannvorrichtung gelöst, die kammartigen Hilfswerkzeuge seitlich aus dem Verbund gezogen, und ein Aluminiumoxidpulver in den freien Raum zwischen den Schenkelelementen eingefüllt.
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In Schritt 964 wird der Verbund in eine Elektronenstrahlschneidvorrichtung eingelegt und mittels eines Elektronenstrahls die untere elektrisch leitende Platte entlang der in Schritt 942 ausgebildeten Schwächungszonen in eine erste Vielzahl von Leiterbahnen zerschnitten, von denen jede zwei benachbarte Schenkelelemente unterschiedlichen Leitungstyps elektrisch wie mechanisch miteinander verbindet. Anschließend wird in Schritt 965 der Verbund gewendet und mittels des Elektronenstrahls die obere elektrisch leitende Platte entlang der in Schritt 942 ausgebildeten Schwächungszonen in eine zweite Vielzahl von Leiterbahnen zerschnitten, von denen jede zwei benachbarte Schenkelelemente unterschiedlichen Leitungstyps elektrisch wie mechanisch miteinander verbindet, sodass sich insgesamt eine elektrische Reihenschaltung der Schenkelelemente ergibt.
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In Schritt 966 werden ggf. je nach Gestaltung des Moduls zwischen den Leiterbahnbereichen verbliebene überflüssige Bereiche der oberen und/oder unteren elektrisch leitenden Platte entfernt. In alternativen Ausführungsformen kann dieser Schritt entfallen. In Schritt 968 wird das Aluminiumoxidpulver mittels eines Gebläses aus dem Verbund entfernt.
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In Schritt 970 werden zur externen Beschaltung an den Eckpositionen, die in Schritt 950 nicht mit Schenkeln bestückt wurden, Anschlussleiterbahnen durch Hartlöten angebracht. In Schritt 970 wird das so entstandene thermoelektrische Modul zwischen zwei wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Deckplatten eingefasst.