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WO2014027011A1 - Thermoelektrisches modul - Google Patents

Thermoelektrisches modul Download PDF

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WO2014027011A1
WO2014027011A1 PCT/EP2013/066958 EP2013066958W WO2014027011A1 WO 2014027011 A1 WO2014027011 A1 WO 2014027011A1 EP 2013066958 W EP2013066958 W EP 2013066958W WO 2014027011 A1 WO2014027011 A1 WO 2014027011A1
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WO
WIPO (PCT)
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elements
thermoelectric
shaped
trough
plate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2013/066958
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Himmer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mahle Behr GmbH and Co KG
Original Assignee
Behr GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Behr GmbH and Co KG filed Critical Behr GmbH and Co KG
Priority to CN201380043912.0A priority Critical patent/CN104641480B/zh
Publication of WO2014027011A1 publication Critical patent/WO2014027011A1/de
Priority to US14/619,684 priority patent/US9735333B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80—Constructional details
    • H10N10/82—Interconnections

Definitions

  • thermoelectric module having a housing which has at least two opposite walls, with a plurality of thermoelectric elements, which have at least two opposite surfaces, with a plurality of cable bridges, wherein at least two thermoelectric elements connected to a conductive bridge and the thermoelectric elements are in thermal contact with one of their surfaces with a carrier element, wherein in each case a grouping of at least two thermoelectric elements and a conduction bridge are in thermal contact with a carrier element.
  • thermoelectric elements In order to use energy which is contained for example in the exhaust gas of a motor vehicle, thermoelectric elements can be used which generate electrical energy by utilizing the Seebeck effect. These thermoelectric elements consist of thermoelectrically active materials that allow electrical energy from a temperature difference at the For this purpose, the thermoelectric materials must be exposed to a temperature difference, so that one of its interfaces with a high-temperature fluid and one of their interfaces, in the ideal case, the surface opposite the first interface, is acted upon by a low-temperature fluid.
  • thermoelectric device As a source, for a fluid high temperature, offers itself in particular in the 'motor vehicle, the exhaust system.
  • the exhaust gas temperatures are very high over the entire exhaust line, so that a thermoelectric device, which includes thermoelectric materials can be integrated at a variety of locations in the exhaust system.
  • a fluid low temperature for example, offers a coolant flow of the vehicle.
  • either an already existing coolant circuit can be extended, or, if necessary, a further coolant circuit can be integrated.
  • thermoelectric material tellurides, skutterudites, silicides or half-heusler materials can be used. Common to these and other thermoelectric materials is that they are sensitive to mechanical stresses such as tension and shock. In today's known thermoelectric devices sometimes thermally induced stresses occur. These result from expansions and compressions of the material that the material experiences as a result of temperature effects.
  • a disadvantage of the prior art is in particular the non-optimal avoidance of thermal stresses within thermoelectric devices and thus the protection of thermoelectric elements from damage. Presentation of the invention, task, solution. advantages
  • thermoelectric module which reduces the formation of thermal stresses as much as possible, and particularly advantageously absorbs occurring thermal stresses so as to avoid a negative influence on the thermoelectric materials.
  • thermoelectric module having the features according to claim 1.
  • thermoelectric module having a housing which has at least two opposite walls »with a plurality of thermoelectric elements, which have at least two opposite surfaces, with a plurality of line bridges, wherein at least two thermoelectric elements are connected to a line bridge and the thermoelectric elements are in thermal contact with one of their surfaces with a carrier element, wherein in each case a grouping of at least two thermoelectric elements and a line bridge with a carrier element are in thennischen contact.
  • thermoelectric module arranged in the thermoelectric module, wherein the device for compensating for thermal stresses is formed by at least one first plate-shaped carrier element.
  • thermoelectric elements are particularly sensitive to mechanical loads. Due to the strong temperature difference which results between the opposite walls of the thermoelectric module, and the Thermal stress on the side of the hot fluid, it comes partly to expansions of the module and as a result to a mechanical load on the thermoelectric modules.
  • thermoelectric elements By means of the device for compensating the thermal stresses, this harmful influence on the thermoelectric elements can be reduced.
  • plate-shaped support elements as a device for compensating thermal stresses is particularly advantageous because they can accommodate the thermoelectric elements, build very flat by their plate-like shape and are so easy to integrate into the wall of a housing.
  • the device for compensating thermal stresses is formed by a plurality of plate-shaped carrier elements, wherein individual carrier elements are elastically connected at their edge regions to other carrier elements.
  • the device designed to compensate for thermal stresses provided at least first support member is elastically connected to a wall of the housing.
  • the device for compensating thermal stresses in the thermoelectric module is formed by a first plate-shaped carrier element, which is elastically connected to a wall of the housing and / or a second plate-shaped carrier element. It is also expedient if a wall of the housing has a recess.
  • the plate-shaped support elements can be used and there, provide for a compensation of the change in length.
  • the recess is thereby covered either by a plate-shaped carrier element alone or by a plurality of plate-shaped carrier elements.
  • one or more plate-shaped carrier elements cover the recess in the housing of the thermoelectric module and terminate in a fluid-tight manner.
  • thermoelectric elements Through the use of several plate-shaped support elements recesses of different sizes can be covered. Depending on the necessary length compensation and the intended number of thermoelectric elements, it may be advantageous to use a plurality of plate-shaped support elements.
  • the number of thermoelectric elements on each plate-shaped support element should not be too large, ideally two. The more thermoelectric elements are arranged on each plate-shaped element, the greater the damaging effect on the thermoelectric elements, due to the thermal stresses.
  • thermoelectric elements each with one of its surfaces, to be in thermal contact with one of the walls of the housing and to be in thermal contact with the respective other surface with a plate-shaped carrier element.
  • thermoelectric elements Since the plate-shaped carrier elements on the one hand and the wall of the housing opposite the plate-shaped carrier elements on the other hand represent the elements which are acted upon by the fluids flowing around the thermoelectric module, it is preferable if the thermoelectric elements are thermally conductively connected to them. As a result, the thermal resistance is kept as small as possible and the efficiency of the thermoelectric module is increased.
  • a plate-shaped carrier element at a connection point between the carrier element and the housing, the housing and / or overlaps the carrier element at a connection point between the carrier element and a further carrier element.
  • the region of the overlap also forms the connection region into which the connection means is introduced.
  • a larger overlap area also allows stronger relative movements on the one hand, the plate-shaped support elements with each other, and on the other hand, the plate-shaped support members to the housing.
  • the plate-shaped carrier elements are displaceable relative to one another and relative to the housing of the thermoelectric module. Due to the displaceability relative to each other, a length compensation can take place, whereby the thermoelectric elements are relieved.
  • the plate-shaped carrier elements have an at least partially encircling flange region at their edge region.
  • This flange area makes it possible to align the individual support elements to each other or to the housing better.
  • the connection of the plate-shaped carrier elements with each other is easier to manufacture.
  • the flange also increases the stability of the thermoelectric module due to the overlap it causes.
  • the flange can serve as a receiving area for a connecting means, which simplifies the assembly process.
  • the device for compensating thermal stresses in the thermoelectric module is formed by a plurality of trough-shaped carrier elements which have a bottom region and a peripheral edge projecting from the bottom region.
  • the trough-shaped carrier elements serve to receive two or more thermoelectric elements. Similar to the plate-shaped support elements, the number of thermoelectric elements per trough-shaped support element should not be too large, in order to minimize the damaging influence of thermal stresses due to a linear expansion of one of the trough-shaped support elements to the thermoelectric elements as low as possible.
  • the trough-shaped carrier elements are connected to each other in the region of their peripheral edge, wherein in each case a gap is left between the bottom regions of the trough-shaped carrier elements. »Is through the gap arising between the bottom portions of adjacent support members wannenför- miger a length compensation possible as a result of thermally induced expansion. By extending the individual trough-shaped support elements of the gap is reduced.
  • the absolute external dimensions of the thermoelectric module are not or only insignificantly influenced by a change in length of the trough-shaped carrier element.
  • each of the trough-shaped carrier elements has at least two thermoelectric elements which are connected to a line bridge
  • thermoelectric elements per trough-shaped carrier element An arrangement of at least two thermoelectric elements per trough-shaped carrier element is to be preferred, since the connection of the individual thermoelectric elements is realized with each other with wire bridges, which are arranged alternately on two opposite surfaces of the thermoelectric elements.
  • the connection of a single thermoelectric element with a single thermoelectric element in an adjacent trough-shaped carrier element would lead to a complex shape of the cable bridges, which is disadvantageous in terms of manufacturing and cost.
  • the number of thermoelectric elements per trough-shaped carrier element should not be significantly greater than two, otherwise there is a risk that in the individual thermoelectric elements tensions due to the expansion of the trough-shaped carrier element itself occur and thus lead to damage of the thermoelectric elements,
  • thermoelectric elements of two adjacent trough-shaped carrier elements are connected to one another via a line bridge. Via the connection of the thermoelectric elements via the trough-shaped carrier elements, cross-linking of the thermoelectric elements is ensured. reached each other.
  • the thermoelectric elements are connected in series.
  • the two thermoelectric elements each arranged in a trough-shaped carrier element are connected to a further line bridge.
  • the line bridges are here in each case connected to the surfaces of the thermoelectric elements, which face the bottom region of the trough-shaped carrier elements.
  • the housing of the thermoelectric module is formed by a box-shaped lid and the trough-shaped carrier elements, wherein the first wall of the housing is formed by the bottom portion of the box-shaped lid and the second wall by the bottom portions of the trough-shaped carrier elements,
  • the box-shaped lid can be slipped over the arrangement of the trough-shaped carrier elements and finally connected to the trough-shaped carrier elements. This results in a compact housing with a small number of elements. This makes the manufacture of the housing inexpensive and easy.
  • thermoelectric elements each have one of their surfaces in thermal contact with a bottom region of a trough-shaped carrier element and are in thermal contact with the bottom region of the box-shaped lid with the respective other surface.
  • thermoelectric module This is advantageous because the bottom regions of the trough-shaped elements and the bottom region of the box-shaped cover each form the interfaces of the thermoelectric module, which are acted upon in operation with hot and cold fluids. A thermal connection of the thermoelectric elements to these interfaces thus improves the efficiency of the thermoelectric module. Moreover, it is advantageous if the box-shaped lid has an at least partially circumferential flange.
  • About the at least partially circumferential flange of the box-shaped lid can be connected to other elements of the thermoelectric module.
  • the flange portion can be used to position the thermoelectric module in a device.
  • thermoelectric elements there is preferable if, between the peripheral edge of the vane-shaped carrier elements and the box-shaped lid, a plate is arranged which has recesses for the thermoelectric elements.
  • This plate additionally increases the stability of the thermoelectric module.
  • peripheral edge of the trough-shaped carrier elements is connected to one side of the plate and the box-shaped lid is connected to the other side of the plate.
  • thermoelectric module By connecting the tub-shaped support elements with the plate and the box-shaped lid with the plate, a further increase in the stability of the thermoelectric module is achieved.
  • thermoelectric module 1 shows a section through a housing of a thermoelectric module, with individual thermoelectric elements and support elements on which the thermoelectric elements are placed,
  • thermoelectric module 2 is a partial view of a housing of a thermoelectric module in a plan view, and two sections through this view,
  • thermoelectric module 3 shows a perspective partial view of a housing of a thermoelectric module according to FIG. 2, an interior view of the housing part being shown here, for which reason the thermoelectric elements and cable bridges contained in the thermoelectric module are shown,
  • FIG. 4 shows a perspective partial view according to FIGS. 2 and 3, wherein here a view of the outside of the housing part is shown;
  • FIG. 5 shows a partial lateral view of a thermoelectric module with support elements which are arranged inside the thermoelectric module, with thermoelectric elements and jumpers,
  • Fig. 6 is a partial perspective view of the thermoelectric module of Figure 5, with a view of the outside of the housing in the upper part of the figure
  • thermoelectric module 7 shows a partial side view of an alternative embodiment of a thermoelectric module, with carrier elements which are arranged outside the thermoelectric module, with thermoelectric elements and cable bridges,
  • Fig. 8 is a partial perspective view of the thermoelectric module of Figure 7, with a view of the outside of the housing in the upper part of the figure 8 and a view of the inside of the housing in the lower part of the figure
  • FIG. 9 shows a perspective view of two trough-shaped carrier elements
  • FIG. 10 shows a plurality of interconnected trough-shaped carrier elements, in the upper part of FIG. 10 a view of the inside of the trough-shaped carrier elements and in the lower part of FIG. 10 a view of the outside of the trough-shaped carrier elements 1 1 is a plan view of a plurality of trough-shaped support elements according to the upper part of Figure 10, with thermoelectric elements which are inserted within the trough-shaped elements,
  • FIG. 12 is a perspective view of a box-like lid, which has a circumferential flange, and can be placed on the arrangement of Figure 1 1,
  • thermoelectric module 13 is a plan view of a thermoelectric module formed from the elements according to FIGS. 11 and 12, shown in the lower part of FIG. 13, and furthermore a section through this thermoelectric module in the upper part of FIG. 13;
  • thermoelectric elements 14 shows a plate with recesses for the thermoelectric elements in the upper part of FIG. 14 and an arrangement of thermoelectric elements in trough-shaped carrier elements according to FIG. 11 in the lower part of FIG. 14
  • Fig. 15 is a perspective view of an assembly of the elements of FIG.
  • thermoelekthschen module according to Figure 15, with attached lid, and
  • thermoelekthsches module according to Figure 16 in the lower part of Figure 17, and a section through the thermoelectric module in the upper part of the figure 17th
  • thermoelekthsches module 1 1st each show an incomplete thermoelekthsches module 1 1st Among other things, a part of the housing 4, which surrounds the thermoelekthschen elements 1 and the plate-shaped support members 3 and this fluid-tight seals to the outside for reasons of clarity is not shown. In a complete illustration, the surfaces of the thermoelekthschen elements 1, which are opposite to the plate-shaped support elements with a wall of the housing 4 in thermal contact.
  • thermoelekthschen module 1 1, not shown.
  • FIG. 1 shows an arrangement of a plurality of thermoelectric elements 1, which are connected to each other in pairs by wire bridges 2.
  • the thermoelectrical elements 1 are arranged on plate-shaped carrier elements 3.
  • two adjacent thermoelectric elements 1 are arranged on a respective plate-shaped carrier element 3.
  • the plate-shaped carrier elements 3 which are connected to one another, hereby cover a recess 9 in a wall 7, 8 of a housing 4.
  • the plate-shaped carrier elements 3 at the joints point to either the housing 4 or an adjacent lying plate-shaped support member 3, a flange 5 on.
  • the flanges 5 of the plate-shaped support members 3 are formed in the example shown in Figure 1 by an L-shaped angle, which extends to the plate-like region of plate-shaped support element 3 connects laterally.
  • deviating embodiments can also be provided by the shape of the flange 5 shown.
  • a C-shaped flange is used, which receives the adjacent element in its recess.
  • a connecting means is introduced, which connects the housing 4 with the plate-shaped support members 3 and the plate-shaped support members 3 with each other.
  • the connecting means here is a connecting means, which has a sufficiently high ductility, so that the plate-shaped support elements 3 against each other and against the housing 4 movable. Furthermore, the connection means must be sufficiently temperature-resistant to withstand the exposure to a hot fluid, which may be, for example, the exhaust gas in an exhaust line, harmless.
  • the arrangement of the plate-shaped support elements 3 in a recess 9 of the housing 4 serves to absorb stress forces which occur as a result of temperature differences in the environment of the housing 4.
  • the arrangements, as shown in FIGS. 1 to 8, are located on the surface 8 facing away from the thermoelectric elements 1 plate-shaped support members 3 is acted upon by a fluid of high temperature.
  • the surface of the thermoelectric elements 1 opposite the plate-shaped carrier elements 3 is brought into thermal contact with the housing 4, which is not shown in FIGS. 1 to 8, in a functional arrangement. This not shown part of the housing 4 is then acted upon by a fluid of low temperature. In this way, on the Mate allock the thermoelectric elements 1 is a temperature difference.
  • thermoelectric elements 1 and the lead bridges 2 Due to the higher temperature at the surface of the plate-shaped support elements 3, these expand. Since both the thermoelectric elements 1 and the lead bridges 2 sensitive to mechanical stresses, such as z. B. can occur due to thermal stresses are, a protective measure must be taken, which prevents damage to the thermoelectric elements 1 and the lead bridges 2. In FIGS. 1 to 8, this is realized in each case by the mutually displaceable plate-shaped carrier elements 3.
  • FIG. 2 shows a plan view of the housing 4, as already shown in FIG. Evident are in the middle of Figure 4, the plate-shaped support members 3, which overlap each other and parts of the housing 4. To the left of this view, a sectional view along the section axis D - D is shown. In the lower part of FIG. 2, a sectional view along the section axis C - C is shown.
  • thermoelectric elements 1 and the line bridges 2 are consistent with the construction shown in FIG. Only the arrangement of the plate-shaped carrier elements 3 to one another differs in the figure 2 from the example of Figure 1 from.
  • the left four plate-shaped support elements 3 are arranged on the surface 8 of the housing 4 facing the viewer.
  • the right four plate-shaped support elements 3 are on the surface facing away from the viewer 7 of the housing 4 arranged.
  • the left four plate-shaped support elements 3 overlap each other at their joints and also the housing 4 on the surface facing the viewer 8.
  • the right four plate-shaped support elements 3 also overlap each other and additionally facing away from the viewer surface 7 of the housing 4th
  • the plate-shaped support elements 3 in their entirety form the device for compensating thermal stresses 12, this covers the recess 9 of the housing 4 completely.
  • two thermoelectric elements 1 are each again arranged.
  • Two thermoelectric elements 1 are also connected to each other via a line bridge 2.
  • thermoelectric see module 1 shows a perspective view of the inside of the thermoelectric see module 1 1, which has already been shown in Figure 2 in the sectional views.
  • the left four plate-shaped support members 3 are arranged on the designated surface 7 side of the housing 4.
  • the right-hand plate-shaped carrier elements 3 are arranged on the outer surface of the housing 4 which lies opposite the inner surface 7.
  • FIG. 4 shows a view of the outer surface 8 of the housing 4 facing away from the thermoelectric elements 1.
  • the plate-shaped carrier elements 3 can be seen, which are attached to the housing 4 from the outer surface 8.
  • the attached on the inner surface 7 plate-shaped support elements 3 can be seen.
  • the plate-shaped support elements 3 overlap each other and also the housing 4.
  • the thermoelectric elements 1 and the line bridges 2 correspond to the elements already described in FIG.
  • the device for compensating thermal stresses 12 can Compensate due to the temperature occurring length expansions and so reduce stresses in the thermoelectric module 1 1.
  • FIG. 5 shows a further section through a possible embodiment and arrangement of plate-shaped carrier elements 3 within a thermoelectric module 11.
  • each of the plate-shaped support elements 3 has two thermoelectric elements 1. This also applies to the following figures 6 to 8 and is therefore not mentioned further.
  • the plate-shaped support members 3 are arranged on the inner surface 7 of the housing 4.
  • FIG. 6 shows a view from the outside on the housing part 4. It is particularly noticeable that now instead of a large recess 9 small recesses 10 are provided in the housing 4.
  • Each of these recess 10 is covered by a separate plate-shaped support element 3, which is arranged on the inner side 7 of the housing 4.
  • the individual plate-shaped carrier elements 3 have no direct physical contact with the respectively adjacent plate-shaped carrier elements 3.
  • the plate-shaped carrier elements 3 are each connected only to the housing 4 and extend beyond the plate-shaped carrier elements 3. sen to deviate to the figures 1 to 4 no more flanges 5 at their outer edges.
  • the individual plate-shaped carrier elements 3 are connected to one another via the line bridges 2, which are the thermoelectric elements 1, which are arranged on the plate-shaped carrier elements 3.
  • the entirety of the plate-shaped support elements 3 forms the device for compensating thermal stresses 12.
  • FIG. 6 shows a view of the inner surface 7 of the housing 4.
  • the spatial distance of the individual plate-shaped carrier elements 3 relative to one another can be seen.
  • FIG. 7 shows an alternative embodiment to FIG. 5.
  • the plate-shaped carrier elements 3 are arranged on the housing 4 from the outer surface 8.
  • FIG. 7 also has a plurality of individual recesses 10, which are individually covered by the plate-shaped carrier elements 3.
  • FIG. 8 in turn, similar to FIG. 6, shows two perspective views of the arrangement of the thermoelectric module 11.
  • the plate-shaped support elements 3 are, as already mentioned in Figure 7, mounted by the outer surface 8 of the housing 4.
  • the lower half of Figure 8 shows a plan view of the inner surface 7 of the housing 4, also the thermoelectric elements 1 and the connecting them line bridges. 2
  • the core idea of the embodiments shown in FIGS. 1 to 8 is that in each case the plate-shaped carrier elements 3 can move relative to the housing 4 or to the other plate-shaped carrier elements 3. That way you can thermal stresses due to linear expansion can be compensated without affecting the absolute length dimensions of the housing 4.
  • the plate-shaped support elements 3 reduce in expansion due to heat only the distances to the other plate-shaped support elements 3 and the housing 4.
  • the mechanical stress on the thermoelectric elements 1 is minimized, so that damage due to voltages can be effectively avoided.
  • glass solder As a suitable connecting means between the plate-shaped support members 3 and the housing 4 glass solder can be used.
  • Glass solder advantageously has sufficiently high ductility in certain defined temperature ranges and thus provides a good possibility for decoupling the individual elements from one another.
  • glass solder has a sufficiently high temperature resistance and is also suitable to connect housing parts, even under temperature load, fluid-tight with each other.
  • the use of other elastic adhesives and materials that allow a sufficiently ductile and yet temperature-resistant connection, providable bar can be used.
  • FIG. 9 shows two individual tray-like carrier elements 20.
  • the tray-like carrier elements 20 each have a bottom area 21 and a peripheral edge 22 arranged opposite the bottom area 21.
  • the tray-like carrier elements 20 shown in FIG. 9 essentially have a rectangular box-shaped basic shape.
  • Each of the trough-shaped carrier elements 20 shown has four side walls 23.
  • the left trough-shaped carrier element 20 has an upper side wall region 24 in the upper region of the wall 23 adjacent to the peripheral edge. This upper side wall region 24 is perpendicular to the bottom region 21 of the trough-shaped carrier element 20.
  • the side walls 23 arranged below the upper side wall region 24 extend slightly conically toward the base region 21 at an angle inclined to the center point of the trough-shaped carrier element 20.
  • the trough-shaped carrier element 20 which is shown in the right half of FIG. 9, does not have this upper edge region 24, which is perpendicular to the bottom surface 21.
  • the side walls 23 of the right-hand trough-shaped carrier element 20 also extend cylindrically in an inwardly inclined angle as far as the bottom region 21.
  • FIG. 10 shows two views of an arrangement of a plurality of trough-shaped carrier elements 20.
  • the two arrangements of FIG. 10 are each constructed here from a plurality of trough-shaped carrier elements 20, as shown in the right half of FIG.
  • FIG. 10 an arrangement of three trough-shaped carrier elements 20 in the width and four trough-shaped carrier elements 20 in the length is shown.
  • the individual trough-shaped carrier elements 20 are connected to one another in the region of their peripheral edge 22 and thus form the connection point 25 in their upper region.
  • the upper part of FIG. 10 shows a plan view of the trough-shaped carrier elements 20 open from above.
  • the same structure is also possible with the trough-shaped carrier elements 20 shown on the left in FIG.
  • the trough-shaped carrier elements 20 shown on the left in FIG.
  • a larger joint 25 between the individual trough-shaped support elements 20 would result, which would additionally increase the stability of the arrangement.
  • the entirety of the trough-shaped carrier elements 20 forms the device for compensating thermal stresses 34.
  • FIG. 10 shows a plan view of the bottom region 21 of the trough-shaped carrier elements 20.
  • the conically tapering shape of the side walls 23 results in a gap 26 between the individual trough-shaped carrier elements 20 lying adjacent to one another.
  • FIG. 11 shows an extension of the arrangement of the trough-shaped carrier elements 20 shown in FIG. 10.
  • two thermoelectric elements 1 are now inserted in each trough-shaped carrier element 20 in FIG. The figure does not show that the thermoelectric elements 1 arranged in each case in a trough-shaped carrier element 20 are electrically conductively connected to one another via a line bridge 2.
  • the illustrated thermoelectric elements 1 are in thermal contact with the trough-shaped carrier elements 20 via the cable bridges 2.
  • the joints 25 between the trough-shaped carrier elements 20 and the gaps 26 which result in the vicinity of the bottom area between the adjacent trough-shaped carrier elements 20 can be seen. All trough-shaped carrier elements 20 together form the device for compensating thermal stresses 34th
  • FIG. 12 shows a box-type cover 27 which has a bottom area 28.
  • the box-like cover 27 is designed to be open at the bottom away from the bottom portion 28 and dimensioned so that the arrangement shown in Figure 1 1 in the box-shaped lid 27 can be inserted.
  • the side walls of the box-like lid 27 extend substantially perpendicular to the bottom portion 28.
  • a flange 29 connects, which is performed in the case of Figure 12 is completely circumferential.
  • FIG. 13 now shows in its lower area a plan view of a thermoelectric module 32. This consists of the arrangement which has already been shown in FIG. 11 and the box-type cover 27 of FIG. 12, which from above is placed on the thermoelectric elements 1 and the trough-shaped support elements 20 has been placed.
  • the view shown in the lower area in FIG. 13 shows, facing the observer, the bottom area 21 of the trough-shaped carrier elements 20, which as a whole form the device for compensating thermal stresses 34.
  • the circumferential flange 29 of the box-like cover 27 is shown. With the bottom portion 21 of the box-like lid 27 forms the housing 33 of the thermoelectric module 32nd
  • each of the trough-shaped carrier elements 20 has two thermoelectric elements 1, which each have a thermoelectric element within the trough-shaped carrier element 20 Line bridge 2 are connected.
  • two thermoelectric elements 1 of two adjacent trough-shaped carrier elements 20 are furthermore connected to one another on the side facing away from the trough-shaped carrier element 20 of the thermoelectric elements 1 via cable bridges 2.
  • all of the thermoelectric elements 1 arranged in the thermoelectric module 32 are connected to one another in an electrically conductive manner.
  • the bottom portion 28 of the box-like lid 27 forms in Figure 13, the first wall of the housing 33.
  • the bottom regions 21 of the arrangement of the trough-shaped carrier elements 20 form the second wall of the housing 33, which lies opposite the first wall.
  • the bottom portions 21 are now subjected to a hot fluid.
  • the bottom portion 28, however, is acted upon by a cold fluid. Due to the heat input of the hot fluid, the bottom portions 21 expand.
  • thermoelectric module 32 experiences no change in length overall. As in FIGS. 1 to 8, this leads to a relief of the thermoelectric elements 1 and the conductor bridges 2 connecting them.
  • the trough-shaped carrier elements 20 of FIG. 13 now likewise have an upper side wall region 24, which is arranged perpendicular to the bottom region 21.
  • the trough-shaped carrier elements 20 are connected to one another.
  • the outer trough-shaped support members 20 are connected in the region of its upper side wall 24 with the side walls of the box-shaped lid 27.
  • the circumferential flange 29 of the box-like cover 27 is in the assembled state in a plane with the bottom portions 21 of the trough-shaped support elements 20th
  • FIG. 14 shows a modification of the structure of FIG.
  • a plate 30 is now applied to the arrangement from above, which has recesses 31 arranged corresponding to the thermoelectric elements 1. After assembly, this plate 30 comes to lie on the abutment points 25 of the trough-shaped carrier elements 20 and is connected there to the trough-shaped carrier elements 20.
  • FIG. 15 now shows a further development of FIG. 14. After the plate 30 has been applied to the arrangement of the trough-shaped carrier elements 20, The individual thermoelectric elements 1 are electrically connected to each other with cable bridges 2.
  • thermoelectric elements 1 takes place such that in each case two thermoelectric elements 1, which are arranged in trough-shaped carrier elements 20 adjacent to one another, are connected to one another.
  • the recesses 31 of the plate 30 are each arranged so that each of the two thermoelectric elements 1, which are arranged within a trough-shaped support member 20, pass through a recess 31 therethrough.
  • FIG. 16 shows a further development of the structure s of FIGS. 14 and 15.
  • a box-shaped cover 27 is now applied to the plate 30 from above and has a circumferential flange region 29. At the flange portion 29 of this box-like lid 27 is connected to the plate 30.
  • the thermoelectric module 32 is completed.
  • the trough-shaped carrier elements 20 thereby form, with the box-type lid 27, the housing 33 of the thermoelectric module 32.
  • FIG. 17 shows a view of the thermoelectric module 32 of FIG. 16. In the lower area, a view of the trough-shaped carrier elements 20 is shown. In the upper area of FIG. 17, a sectional view along the section axis E - E is shown.
  • thermoelectric elements 1 are connected to one another within a trough-shaped carrier element 20 via a line bridge 2. Respectively adjacent thermoelectric elements 1 are electrically connected to each other on the opposite surface of the bottom area 21 with a line bridge 2.
  • the bottom regions 21 form the one wall of the housing 33, which in the operating state is acted upon by a hot fluid.
  • This wall Formation of the housing 33 at the same time forms the device for compensating thermal stresses 34 which consists of the entirety of the trough-shaped carrier elements 20.
  • the bottom region 28 forms the second wall of the housing 33, which is acted upon in the operating state with a cold fluid.
  • the resulting between the trough-shaped support members 20 columns 26 serve again as a free space to compensate for the expansion of the individual trough-shaped support members 20 due to high temperatures.
  • the side walls of the housing 33 are now formed both by the box-like cover 27 and by the side walls 23 of the outer trough-shaped carrier elements 20.
  • the box-like lid 27 has no direct connection point with the trough-shaped carrier elements 20. Both the box-like cover 27 and the trough-shaped support elements 20 are each connected only to the plate 30.
  • basic shapes deviating from the rectangular basic shape of the trough-shaped carrier elements 20 can likewise be provided. This is not only limited to basic shapes with straight side walls, but this is from a manufacturing point of view to give preference.
  • the design of the side walls is such that they taper from their peripheral edge 22 towards the bottom region 21.
  • the gap 26 is formed between the individual trough-shaped carrier elements 20. This gap 26 is important in order to be able to compensate for the longitudinal extent of the individual trough-shaped carrier elements 20 and thus to be able to protect the thermoelectric elements 1 and the line bridges connecting them from damage.

Landscapes

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Description

Thermoelektrisches Modul
Beschreibung
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Modul mit einem Gehäuse, welches zumindest zwei gegenüberliegende Wandungen aufweist, mit einer Mehrzahl von ther- moelektrischen Elementen, welche zumindest zwei gegenüberliegende Flächen aufweisen, mit einer Mehrzahl von Leitungsbrücken, wobei zumindest zwei thermoelekt- rische Elemente mit einer Leitungsbrücke verbunden sind und die thermoelektrischen Elemente mit einer ihrer Flächen mit einem Trägerelement in thermischen Kontakt stehen, wobei jeweils eine Gruppierung von mindestens zwei thermoelektrischen Elementen und einer Leitungsbrücke mit einem Tragerelement in thermischen Kontakt stehen.
Stand der Technik
Um Energie, die beispielsweise im Abgas eines Kraftfahrzeuges enthalten ist, zu nutzen, können thermoeiektrische Elemente eingesetzt werden, die unter Ausnutzung des Seebeck-Effekts elektrische Energie erzeugen. Diese thermoelektrischen Elemente bestehen aus thermoelektrisch aktiven Materialien, die es erlauben elektrische Energie aus einer Temperaturdifferenz an den Grenzflächen der thermoelektrischen Elemente zu erzeugen» Hierzu müssen die thermoelektrischen Materialien einer Temperaturdifferenz ausgesetzt werden, so dass eine ihrer Grenzflächen mit einem Fluid hoher Temperatur und eine ihrer Grenzflächen, im Idealfall die der ersten Grenzfläche gegenüberliegende Fläche, mit einem Fluid niederer Temperatur beaufschlagt wird.
Als Quelle, für ein Fluid hoher Temperatur, bietet sich insbesondere im' Kraftfahrzeug, der Abgasstrang an. Die Abgastemperaturen liegen über den gesamten Abgasstrang sehr hoch, so dass eine thermoelektrische Vorrichtung, welche thermo- elektrische Materialien beinhaltet, an einer Vielzahl von Steilen in den Abgasstrang integriert werden kann.
Als Quelle, für ein Fluid niederer Temperatur, bietet sich zum Beispiel ein Kühlmittelstrom des Fahrzeuges an. Hierzu kann entweder ein bereits vorhandener Kühlmittelkreislauf erweitert werden, oder nötigenfalls ein weiterer Kühlmittelkreislauf inte- g riert werden.
Ais thermoelektrisches Material können unter anderem Telluride, Skutterudite, Silizi- de oder Half-Heusler-Materialien eingesetzt werden. Diesen und anderen thermoelektrischen Materialien ist gemein, dass sie empfindlich gegenüber mechanischen Einwirkungen, wie etwas Spannungen und Stößen sind. In heute bekannten thermoelektrischen Vorrichtungen treten mitunter thermisch bedingte Spannungen auf. Diese resultieren aus Ausdehnungen und Stauchungen des Materials, weiche das Material infolge von Temperatureinwirkungen erfährt.
Nachteilig am Stand der Technik ist insbesondere die nicht optimale Vermeidung von thermischen Spannungen innerhalb von thermoelektrischen Vorrichtungen und damit der Schutz von thermoelektrischen Elementen vor Beschädigung. Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung. Vorteile
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein thermoelektrisches Modul bereitzustellen, welches die Entstehung von thermischen Spannungen möglichst stark reduziert, und auftretende thermische Spannungen besonders vorteilhaft auf- nimmt, um so einen negativen Einfluss auf die thermoeiektrischen Materialien zu vermeiden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch ein thermoelektrisches Modul mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Modul mit einem Gehäuse, welches zumindest zwei gegenüberliegende Wandungen aufweist» mit einer Mehrzahl von thermoeiektrischen Elementen, welche zumindest zwei gegenüberliegende Flächen aufweisen, mit einer Mehrzahl von Leitungsbrücken, wobei zumindest zwei thermoelektrische Elemente mit einer Leitungsbrücke verbunden sind und die thermoeiektrischen Elemente mit einer ihrer Flächen mit einem Trägerelement in thermischen Kontakt stehen, wobei jeweils eine Gruppierung von mindestens zwei thermoeiektrischen Elementen und einer Leitungsbrücke mit einem Trägerelement in thennischen Kontakt stehen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Vorrichtung zum Ausgleich von thermischen Spannungen im thermoeiektrischen Modul angeordnet ist, wobei die Vorrichtung zum Ausgleich von thermischen Spannungen durch zumindest ein erstes plattenförmiges Trägerelement gebil- det ist.
Eine Vorrichtung zum Abbau thermischer Spannungen dient zur Entlastung der thermoeiektrischen Elemente und den sie verbindenden Leitungsbrücken. Insbesondere die thermoeiektrischen Elemente sind besonders empfindlich gegen mechani- sehe Belastungen. Aufgrund der starken Temperaturdifferenz welche sich zwischen den gegenüberliegenden Wandungen des thermoeiektrischen Moduls ergibt, und der thermischen Belastung auf der Seite des heißen Fluids, kommt es teilweise zu Ausdehnungen des Moduls und infolge dessen zu einer mechanischen Belastung der thermoelektrischen Module.
Durch die Vorrichtung zum Ausgleich der thermischen Spannungen kann dieser schädigende Einfluss für die thermoelektrischen Elemente reduziert werden.
Die Verwendung von plattenförmigen Trägerelementen als Vorrichtung zum Ausgleich thermischer Spannungen ist besonders vorteilhaft, da sie die thermoelektrischen Elemente aufnehmen können, durch ihre plattenförmige Gestalt sehr flach bauen und so einfach in die Wandung eines Gehäuses zu integrieren sind.
In einer besonders günstigen Weiterbildung der Erfindung, kann es vorgesehen sein, dass die Vorrichtung zum Ausgleich von thermischen Spannungen durch eine Mehrzahl von plattenförmigen Trägerelementen gebildet ist, wobei einzelne Trägerele- mente an ihren Randbereichen mit anderen Trägerelementen elastisch verbunden sind.
Durch die Mehrzahl der plattenförmigen Trägerelemente, besteht die Möglichkeit größere Längenänderungen auszugleichen. Im Gegensatz zu einer Ausführung mit nur einem Trägerelement, welches nur zu dem Gehäuse beweglich ist, können hier auch die einzelnen Trägerelemente relativ zueinander bewegt werden.
Außerdem ist es vorteilhaft, wenn das als Vorrichtung zum Ausgleich von thermischen Spannungen vorgesehene zumindest erste Trägerelement elastisch mit einer Wandung des Gehäuses verbunden ist.
Durch die elastische Verbindung des Trägerelements mit dem Gehäuse ist eine Relativbewegung des Trägerelements zu dem Gehäuse möglich, was dem Abbau der thermischen Spannungen dient. die Vorrichtung zum Ausgleich von thermischen Spannungen im thermoeiektrischen Modul durch ein erstes plattenförmiges Trägerelement gebildet ist, welches elastisch mit einer Wandung des Gehäuses und/oder einem zweiten plattenformigen Trägerelement verbunden ist. Auch ist es zweckmäßig, wenn eine Wandung des Gehäuses eine Aussparung aufweist.
In diese Aussparung können die plattenformigen Trägerelemente eingesetzt werden und dort, für eine Kompensation der Längenveränderung sorgen. Die Aussparung wird dabei entweder von einem plattenformigen Trägerelement alleine oder von einer Mehrzahl von plattenformigen Trägerelementen überdeckt.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn ein oder mehrere plattenförmige Trägerelemente die Aussparung im Gehäuse des thermoeiektrischen Moduls überdecken und fluid- dicht abschließen.
Durch den Einsatz von mehreren plattenformigen Trägerelementen können Aussparungen verschiedener Größen überdeckt werden. Je nach dem notwendigen Längenausgleich und der vorgesehenen Anzahl an thermoeiektrischen Elementen, kann es vorteilhaft sein eine Mehrzahl von plattenformigen Trägerelementen einzusetzen. Die Anzahl an thermoeiektrischen Elementen auf jedem plattenformigen Trägerelement sollte nicht zu groß gewählt werden und liegt im Idealfall bei zwei. Je mehr thermoelektrische Elemente auf jedem plattenformigen Element angeordnet sind, umso größer wird der schädigende Einfluss auf die thermoeiektrischen Elemente, aufgrund der thermischen Spannungen.
Da lediglich die plattenformigen Trägerelemente die Aussparung oder Aussparungen im Gehäuse überdecken, ist eine fluiddichte Verbindung der plattenformigen Trägerelemente mit dem Gehäuse vorteilhaft, Es wird so ein Eindringen des Fluids, wel- ches das thermoelektrische Modul umströmt, in das Innere des Moduls verhindert. Bei dem Verbindungsmittel ist darauf zu achten» dass es sowohl eine genügend hohe Duktilität aufweist, als auch eine genügend hohe Temperaturbeständigkeit.
Auch ist es zweckmäßig, wenn die thermoelektrischen Elemente mit jeweils einer ihrer Flächen mit einer der Wandungen des Gehäuses in thermischen Kontakt stehen und mit der jeweils anderen Fläche mit einem plattenförmigen Trägerelement in thermischen Kontakt stehen.
Da die plattenförmigen Trägerelemente einerseits und die den plattenförmigen Trägerelementen gegenüberliegende Wandung des Gehäuses andererseits die Elemen- te darstellen, die von den, das thermoelektrische Modul, umströmenden Fluiden beaufschlagt werden, ist es zu bevorzugen, wenn die thermoelektrischen Elemente thermisch leitend an diese angebunden sind. Dadurch wird der thermische Widerstand möglichst klein gehalten und der Wirkungsgrad des thermoelektrischen Moduls erhöht.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, ein plattenförmiges Trägerelement an einer Verbindungsstelle zwischen dem Trägerelement und dem Gehäuse, das Gehäuse überlappt und/oder an einer Verbindungsstelle zwischen dem Trägerelement und einem weiteren Trägerelement das Trägerelement überlappt.
Durch eine Überlappung ist es besonders vorteilhaft realisierbar, die Trägerelemente untereinander und die Trägerelemente mit dem Gehäuse fluiddicht zu verbinden. Der Bereich der Überlappung bildet außerdem den Verbindungsbereich, in welchen das Verbindungsmittel eingebracht wird. Ein größerer Überlappungsbereich ermöglicht zudem stärkere Relativbewegungen einerseits der plattenförmigen Trägerelemente untereinander, und andererseits der plattenförmigen Trägerelemente zu dem Gehäuse.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die plattenförmigen Trägerelemente relativ zueinander und relativ zum Gehäuse des thermoelektrischen Moduls verschiebbar sind. Durch die Verschiebbarkeit relativ zueinander kann ein Längenausgleich stattfinden, wodurch die thermoelektrischen Elemente entlastet werden.
Auch ist es zu bevorzugen, wenn die plattenförmigen Trägerelemente an ihrem Randbereich einen zumindest teilweise umlaufenden Flanschbereich aufweisen.
Dieser Flanschbereich ermöglicht es, die einzelnen Trägerelemente zueinander oder auch zum Gehäuse besser ausrichten zu können. Außerdem ist die Verbindung der plattenförmigen Trägerelemente untereinander leichter herzustellen. Der Flansch erhöht, durch die von ihm verursachte Überlappung, außerdem zusätzlich die Stabili- tat des thermoelektrischen Moduls.
Weiterhin kann der Flansch als Aufnahmebereich für ein Verbindungsmittel dienen, was den Montageprozess vereinfacht. In einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn bei einem thermoelektrischen Modul, die Vorrichtung zum Ausgleich von thermischen Spannungen im thermoelektrischen Modul durch eine Mehrzahl von wannenförmigen Trägerelementen gebildet ist, die einen Bodenbereich und einen von dem Bodenbereich abstehenden umlaufenden Rand aufweisen.
Die wannenförmigen Trägerelemente dienen hierbei der Aufnahme von zwei oder mehr thermoelektrischen Elementen. Ähnlich wie bei den plattenförmigen Trägerelementen sollte die Anzahl der thermoelektrischen Elemente pro wannenförmigen Trägerelement nicht zu groß werden, um den schädigenden Einfluss von thermi- sehen Spannungen, aufgrund einer Längenausdehnung eines der wannenförmigen Trägerelemente, auf die thermoelektrischen Elemente möglichst gering zu halten.
Es ist weiterhin zu bevorzugen, wenn die wannenförmigen Trägerelemente im Bereich ihres umlaufenden Randes miteinander verbunden sind, wobei zwischen den Bodenbereichen der wannenförmigen Trägerelemente jeweils ein Spalt belassen ist. Durch den Spalt, welcher zwischen den Bodenbereichen benachbarter wannenför- miger Trägerelemente entsteht» ist ein Längenausgleich infolge von thermisch bedingter Ausdehnung möglich. Durch ein Ausdehnen der einzelnen wannenförmigen Trägerelemente wird der Spalt verkleinert. Die absoluten Außenmaße des thermoelektrischen Moduls, werden durch eine Längenänderung der wannenförmigen Trä- gerelement nicht oder nur unwesentlich beeinflusst,
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn jedes der wannenförmigen Trägerelemente zumindest zwei thermoelektrische Elemente aufweist, die mit einer Leitungsbrücke verbunden sind,
Eine Anordnung von mindestens zwei thermoelektrischen Elementen pro wannenförmigen Trägerelement ist zu bevorzugen, da die Verbindung der einzelnen thermoelektrischen Elemente untereinander mit Leitungsbrücken realisiert wird, welche abwechselnd auf zwei sich gegenüberliegenden Flächen der thermoelektrischen Ele- menten angeordnet sind. Die Verbindung eines einzelnen thermoelektrischen Elementes mit einem einzelnen thermoelektrischen Element in einem benachbarten wannenförmigen Trägerelement, würde zu einer komplexen Formgebung der Leitungsbrücken führen, welche nachteilig hinsichtlich der Fertigung und der Kosten ist. Die Anzahl der thermoelektrischen Elemente pro wannenförmigen Trägerelement sollte jedoch auch nicht wesentlich größer als zwei sein, da sonst die Gefahr besteht, dass in die einzelnen thermoelektrischen Elemente Spannungen aufgrund der Ausdehnung des wannenförmigen Trägerelementes selbst auftreten und so zu Beschädigungen der thermoelektrischen Elemente führen,
Auch ist es zu bevorzugen, wenn zumindest zwei thermoelektrische Elemente, zweier benachbarter wannenförmiger Trägerelemente über eine Leitungsbrücke miteinander verbunden sind, Über die Verbindung der thermoelektrischen Elemente über die wannenförmigen Trägerelemente hinweg wird eine Vernetzung der thermoelektrischen Elemente mit- einander erreicht. Die thermoelektrischen Elemente sind dabei in Reihe geschaltet. Die beiden jeweils in einem wannenförmigen Trägerelement angeordneten thermoelektrischen Elemente sind mit einer weiteren Leitungsbrücke verbunden. Die Leitungsbrücken sind hier jeweils mit den Flächen der thermoelektrischen Elemente verbunden, die dem Bodenbereich der wannenförmigen Trägerelemente zugewandt sind.
In einer alternativen Ausführungsform ist es vorteilhaft, wenn das Gehäuse des thermoelektrischen Moduls durch einen kastenförmigen Deckel und die wannenförmigen Trägerelemente gebildet ist, wobei die erste Wandung des Gehäuses durch den Bodenbereich des kastenförmigen Deckels und die zweite Wandung durch die Bodenbereiche der wannenförmigen Trägerelemente gebildet ist,
Der kastenförmige Deckel kann über die Anordnung der wannenförmigen Trägerelemente gestülpt werden und schließlich mit den wannenförmigen Trägerele- menten verbunden werden. So entsteht ein kompaktes Gehäuse mit einer geringen Anzahl an Elementen. Dies macht die Herstellung des Gehäuses kostengünstig und einfach.
Auch ist es zweckmäßig, wenn die thermoelektrischen Elemente mit jeweils einer ihrer Flächen mit einem Bodenbereich eines wannenförmigen Trägerelementes in thermischen Kontakt stehen und mit der jeweils anderen Fläche in thermischen Kontakt mit dem Bodenbereich des kastenförmigen Deckels stehen.
Dies ist vorteilhaft, da die Bodenbereiche der wannenförmigen Elemente und der Bodenbereich des kastenförmigen Deckels jeweils die Grenzflächen des thermoelektrischen Moduls bilden, welche im Betrieb mit heißen und kalten Fluiden beaufschlagt werden. Eine thermische Anbindung der thermoelektrischen Elemente an diese Grenzflächen verbessert somit den Wirkungsgrad des thermoelektrischen Moduls. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn der kastenförmige Deckel einen zumindest teilweise umlaufenden Flansch aufweist.
Über den zumindest teilweise umlaufenden Flansch kann der kastenförmige Deckel an andere Elemente des thermoelektrischen Moduls angebunden werden. Außerdem kann der Flanschbereich genutzt werden, um das thermoelektrische Modul in einer Vorrichtung zu positionieren.
Weiterhin ist es zu bevorzugen, wenn zwischen dem umlaufenden Rand der wan- nenförmigen Trägerelemente und dem kastenförmigen Deckel eine Platte angeord- net ist, welche Aussparungen für die thermoelektrischen Elemente aufweist.
Diese Platte erhöht zusätzlich die Stabilität des thermoelektrischen Moduls.
Außerdem ist es vorteilhaft, wenn der umlaufende Rand der wannenförmigen Trä- gerelemente mit einer Seite der Platte verbunden ist und der kastenförmige Deckel mit der anderen Seite der Platte verbunden ist.
Durch die Verbindung der wannenförmigen Trägerelemente mit der Platte und dem kastenförmigen Deckel mit der Platte, wird eine weitere Steigerung der Stabilität des thermoelektrischen Moduls erreicht.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in der folgenden Figurenbeschreibung und den Unteransprüchen beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung detailliert erläutert. In der Zeichnung zeigen: Fig.1 einen Schnitt durch eine Gehäuse eines thermoelektrischen Moduls, mit einzelnen thermoelektrischen Elementen und Trägerelementen auf die die thermoelektrischen Elemente aufgesetzt sind,
Fig. 2 eine Teilansicht eines Gehäuses eines thermoelektrischen Moduls in einer Aufsicht, sowie zwei Schnitte durch diese Ansicht,
Fig. 3 eine perspektivische Teilansicht eines Gehäuses eines thermoelektrischen Moduls gemäß der Figur 2, wobei hier eine Innenansicht des Gehäuseteils gezeigt ist, weshalb die im thermoelektrischen Modul enthaltenen thermo- elektrischen Elemente und Leitungsbrücken dargestellt sind,
Fig. 4 eine perspektivische Teilansicht gemäß der Figuren 2 und 3, wobei hier eine Sicht auf die Außenseite des Gehäuseteils gezeigt ist, Fig. 5 eine seitliche Teilansicht eines thermoelektrischen Moduls, mit Trägerelementen, die innerhalb des thermoelektrischen Moduls angeordnet sind, mit thermoelektrischen Elementen und Leitungsbrücken,
Fig. 6 eine perspektivische Teilansicht des thermoelektrischen Moduls gemäß Figur 5, mit einer Sicht auf die Außenseite des Gehäuses im oberen Teil der Figur
6 und einer Sicht auf die Innenseite des Gehäuses im unteren Teil der Figur 6,
Fig, 7 eine seitliche Teilansicht einer alternativen Ausführungsform eines thermo- elektrischen Moduls, mit Trägerelementen, die außerhalb des thermoelektrischen Moduls angeordnet sind, mit thermoelektrischen Elementen und Leitungsbrücken,
Fig. 8 eine perspektivische Teilansicht des thermoelektrischen Moduls gemäß Figur 7, mit einer Sicht auf die Außenseite des Gehäuses im oberen Teil der Figur 8 und einer Sicht auf die Innenseite des Gehäuses im unteren Teil der Figur
8,
Fig. 9 eine perspektivische Ansicht zweier wannenförmiger Trägerelemente, Fig. 10 eine Mehrzahl von miteinander verbundenen wannenförmigen Trägerelementen, im oberen Teil der Figur 10 eine Sicht auf die Innenseite der wannenförmigen Trägerelemente und im unteren Teil der Figur 10 eine Sicht auf die Außenseite der wannenförmigen Trägerelemente, Fig. 1 1 eine Aufsicht auf eine Mehrzahl von wannenförmigen Trägerelementen gemäß dem oberen Teil der Figur 10, mit thermoelektrischen Elementen, die innerhalb der wannenförmigen Elemente eingesetzt sind,
Fig. 12 eine perspektivische Ansicht eines kastenartigen Deckels, der einen umlau- fenden Flansch aufweist, und auf die Anordnung gemäß Figur 1 1 aufgesetzt werden kann,
Fig. 13 eine Aufsicht auf ein thermoelektrisches Modul, das aus den Elementen gemäß der Figuren 1 1 und 12 gebildet ist, dargestellt im unteren Teil der Figur 13 und weiterhin einen Schnitt durch dieses thermoelektrische Modul im oberen Teil der Figur 13,
Fig. 14 eine Platte mit Aussparungen für die thermoelektrischen Elemente im oberen Teil der Figur 14 und eine Anordnung von thermoelektrischen Elementen in wannenförmigen Trägerelementen gemäß der Figur 1 1 im unteren Teil der
Figur 14,
Fig. 15 eine perspektivische Ansicht eines Zusammenbaus der Elemente aus Figur
14 mit zusätzlichen Leitungsbrücken, die nach dem Auflegen der Platte auf die wannenförmigen Elemente, auf die thermoelektrischen Elemente aufgebracht worden sind, Fig. 16 eine perspektivische Ansicht eines thermoelekthschen Moduls gemäß Figur 15, mit aufgesetztem Deckel, und
Fig. 1 7 eine Aufsicht auf ein thermoelekthsches Modul gemäß Figur 16 im unteren Teil der Figur 17, und einen Schnitt durch das thermoelektrische Modul im oberen Teil der Figur 17.
Bevorzugte Ausfuhrung der Erfindung
Die nachfolgenden Figuren 1 bis 8 zeigen jeweils ein unvollständiges thermoelekthsches Modul 1 1 . Unter anderem ist ein Teil des Gehäuses 4, welcher die thermoelekthschen Elemente 1 und die plattenförmigen Trägerelemente 3 umschließt und diese nach außen hin fluiddicht abdichtet aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. In einer vollständigen Darstellung, würden die Flächen der thermoelekthschen Elemente 1 , welche den plattenförmigen Trägerelementen gegenüberliegen mit einer Wandung des Gehäuses 4 in thermischen Kontakt stehen.
In der nachfolgenden Figurenbeschreibung wird auf die nicht gezeigten Elemente des thermoelekthschen Moduls 1 1 nicht weiter eingegangen.
Die Figur 1 zeigt eine Anordnung mehrerer thermoelektrischer Elemente 1 , welche mit Leitungsbrücken 2 jeweils paarweise miteinander verbunden sind. Die thermoelekthschen Elemente 1 sind dabei auf plattenförmigen Trägerelementen 3 angeord- net. In der in Figur 1 gezeigten Darstellung sind jeweils zwei zueinander benachbart liegende thermoelektrische Elemente 1 auf jeweils einem plattenförmigen Trägerelement 3 angeordnet.
Die plattenförmigen Trägerelemente 3, welche miteinander verbunden sind, überde- cken hierbei eine Aussparung 9 in einer Wandung 7, 8 eines Gehäuses 4. Dazu weisen die plattenförmigen Trägerelemente 3 an den Stoßstellen zu entweder dem Ge- häuse 4 oder einem benachbart liegenden plattenformigen Trägerelement 3 einen Flanschbereich 5 auf. Zwischen den benachbart liegenden plattenformigen Trägerelementen 3 oder den plattenformigen Trägerelementen 3 und dem Gehäuse 4 entstehen Überlappungsbereiche 6, Die Flansche 5 der plattenformigen Trägerelemente 3 sind in dem in Figur 1 gezeigten Beispiel durch einen L-förmigen Winkel gebildet, welcher sich an die plattenähnliche Bereich des plattenformigen Trägerelementes 3 seitlich anschließt.
In alternativen Ausführungsformen sind auch von der gezeigten Form des Flansches 5 abweichende Ausführungen vorsehbar. So ist ein C-förmig geformter Flansch verwendbar, der das benachbarte Element in seiner Aussparung aufnimmt.
An den Stoßstellen zwischen dem Gehäuse 4 und den plattenformigen Trägerelementen 3 bzw. den Stoßstellen zwischen zwei plattenformigen Trägerelementen 3 ist ein Verbindungsmittel eingebracht, welches das Gehäuse 4 mit den plattenformigen Trägerelementen 3 sowie die plattenformigen Trägerelemente 3 untereinander verbindet.
Das Verbindungsmittel ist hierbei ein Verbindungsmittel, welches eine ausreichend hohe Duktilität aufweist, sodass die plattenformigen Trägerelemente 3 gegeneinander und gegen das Gehäuse 4 beweglich. Weiterhin muss das Verbindungmittel ausreichend temperaturresistent sein, um die Beaufschlagung mit einem heißen Fluid, welches beispielsweise das Abgas in einem Abgasstrang sein kann, schadlos auszuhalten.
Die Anordnung der plattenformigen Trägerelemente 3 in einer Aussparung 9 des Gehäuses 4 dient zur Aufnahme von Spannungskräften, welche infolge von Temperaturdifferenzen im Umfeld des Gehäuses 4 auftreten. In einem regulären Betrieb werden die Anordnungen, wie sie in den Figuren 1 bis 8 gezeigt sind , auf der den thermoelektrischen Elementen 1 abgewandten Fläche 8 der plattenförmigen Trägerelemente 3 mit einem Fluid hoher Temperatur beaufschlagt. Die den plattenförmigen Trägerelementen 3 gegenüberliegenden Fläche der thermo- elektrischen Elemente 1 , wird in einer funktionsfähigen Anordnung mit dem Gehäuse 4, welches in den Figuren 1 bis 8 jedoch nicht dargestellt ist, in thermischen Kontakt gebracht. Dieser nicht dargestellte Teil des Gehäuses 4 wird dann mit einem Fluid niederer Temperatur beaufschlagt. Auf diese Weise entsteht über die Mate alstärke der thermoelektrischen Elemente 1 eine Temperaturdifferenz.
Aufgrund der höheren Temperatur an der Oberfläche der plattenförmigen Trägerelemente 3 dehnen sich diese aus. Da sowohl die thermoelektrischen Elemente 1 als auch die Leitungsbrücken 2 empfindlich gegen mechanischen Spannungen, wie sie z. B. durch thermische Spannungen auftreten können, sind, muss eine Schutzmaßnahme getroffen werden, welche eine Beschädigung der thermoelektrischen Elemente 1 und der Leitungsbrücken 2 verhindert. In den Figuren 1 bis 8 ist dies jeweils durch die gegeneinander verschiebbaren plattenförmigen Trägerelemente 3 reali- siert.
Die Figur 2 zeigt eine Aufsicht auf das Gehäuse 4, wie es bereits in Figur 1 dargestellt ist. Zu erkennen sind in der Mitte der Figur 4 die plattenförmigen Trägerelemente 3, welche sich gegenseitig und Teile des Gehäuses 4 überlappen. Links neben dieser Ansicht ist eine Schnittansicht entlang der Schnittachse D - D dargestellt. Im unteren Teil der Figur 2 ist eine Schnittansicht entlang der Schnittachse C - C dargestellt.
Der prinzipielle Aufbau der thermoelektrischen Elemente 1 sowie der Leitungsbrü- cken 2 stimmt mit dem in Figur 1 gezeigten Aufbau überein. Lediglich die Anordnung der plattenförmigen Trägerelemente 3 zueinander weicht in der Figur 2 von dem Beispiel der Figur 1 ab.
Die linken vier plattenförmigen Trägerelemente 3 sind auf der dem Betrachter zuge- wandten Fläche 8 des Gehäuses 4 angeordnet. Die rechten vier plattenförmigen Trägerelemente 3 sind auf der dem Betrachter abgewandten Fläche 7 des Gehäuses 4 angeordnet. Die linken vier plattenförmigen Trägerelemente 3 überlappen sich jeweils gegenseitig an ihren Stoßstellen und außerdem das Gehäuse 4 auf der dem Betrachter zugewandten Fläche 8. Die rechten vier plattenförmigen Trägerelemente 3 überlappen sich ebenfalls gegenseitig und zusätzlich die vom Betrachter abgewandte Fläche 7 des Gehäuses 4.
Die plattenförmigen Trägerelemente 3 bilden in ihrer Gesamtheit die Vorrichtung zum Ausgleich thermischer Spannungen 12, Diese überdeckt die Aussparung 9 des Gehäuses 4 vollständig. Auf jedem der plattenförmigen Trägerelemente 3 sind jeweils wieder zwei thermo- elektrische Elemente 1 angeordnet. Jeweils zwei thermoelektrische Elemente 1 sind ebenfalls über eine Leitungsbrücke 2 miteinander verbunden.
Die Figur 3 zeigt eine perspektivische Ansicht auf die Innenseite des thermoelektri- sehen Moduls 1 1 , welches bereits in Figur 2 in den Schnittansichten dargestellt wurde. In der perspektivischen Ansicht der Figur 3 ist noch einmal gut zu erkennen, dass die linken vier plattenförmigen Trägerelemente 3 auf der mit Fläche 7 bezeichneten Innenseite des Gehäuses 4 angeordnet sind. Die rechten plattenförmigen Trägerelemente 3 sind im Gegensatz dazu auf der der Innenfläche 7 gegenüberliegen- den Außenfläche des Gehäuses 4 angeordnet.
In Figur 3 ist ebenfalls zu erkennen, dass die einzelnen plattenförmigen Trägerelemente 3 sich gegenseitig in einem Bereich 6 überlappen und ebenso das Gehäuse 4 in seinen Randbereichen der Aussparung 9 überlappen.
Die Figur 4 zeigt eine Ansicht auf die den thermoelektrischen Elementen 1 abgewandte außen liegende Fläche 8 des Gehäuses 4. Hier sind nun besonders die plattenförmigen Trägerelemente 3 zu erkennen, welche von der außen liegenden Fläche 8 an das Gehäuse 4 angebracht sind. Ebenso sind auch die auf der innen liegenden Fläche 7 angebrachten plattenförmigen Trägerelemente 3 zu erkennen. Wie bereits beschrieben überlappen sich die plattenförmigen Trägerelemente 3 gegenseitig und auch das Gehäuse 4. Die thermoelektrischen Elemente 1 sowie die Leitungsbrücken 2 entsprechen den bereits in Figur 3 beschriebenen Elementen.
Die plattenförmigen Trägerelemente 3, welche auf der Innenfläche 7 und der Außenfläche 8 angeordnet sind, bilden zusammen die Vorrichtung zum Ausgleich thermi- scher Spannungen 12, Durch Relativbewegung der einzelnen plattenförmigen Trägerelemente 3 zueinander und zum Gehäuse 4 kann die Vorrichtung zum Ausgleich thermischer Spannungen 12 die infolge der Temperatur stattfindenden Längenausdehnungen kompensieren und so Spannungen im thermoelektrischen Modul 1 1 abbauen.
Die Figur 5 zeigt einen weiteren Schnitt durch eine mögliche Ausgestaltung und Anordnung von plattenförmigen Trägerelementen 3 innerhalb eines thermoelektrischen Moduls 11 . Wie auch in den vorangegangenen Figuren weist jedes der plattenförmigen Trägerelemente 3 zwei thermoelektrische Elemente 1 auf. Dies gilt auch für die nachfolgenden Figuren 6 bis 8 und wird deswegen nicht weiter erwähnt.
In der Figur 5 sind die plattenförmigen Trägerelemente 3 auf der innen liegenden Fläche 7 des Gehäuses 4 angeordnet.
Der obere Teil der Figur 6 zeigt eine Sicht von außen auf das Gehäuseteil 4. Es ist hier besonders zu erkennen, dass nun anstelle einer großen Aussparung 9 kleine Aussparungen 10 im Gehäuse 4 vorgesehen sind.
Jede dieser Aussparung 10 wird von einem eigenen plattenförmigen Trägerelement 3, welches auf der Innenseite 7 des Gehäuses 4 angeordnet ist, überdeckt. Die einzelnen plattenförmigen Trägerelemente 3 haben keinen direkten körperlichen Kontakt zu den jeweils benachbarten plattenförmigen Trägerelementen 3. Die platten- förmigen Trägerelemente 3 sind jeweils nur mit dem Gehäuse 4 verbunden und wei- sen abweichen zu den Figuren 1 bis 4 keine Flansche 5 mehr an ihren Außenkanten auf.
Die einzelnen plattenförmigen Trägerelemente 3 sind jedoch über die Leitungsbrücken 2, welche die thermoelektrischen Elemente 1 , die auf den plattenförmigen Trä- gerelementen 3 angeordnet sind miteinander verbunden. Die Gesamtheit der plattenförmigen Trägerelemente 3 bildet die Vorrichtung zum Ausgleich thermischer Spannungen 12.
Der untere Teil der Figur 6 zeigt eine Sicht auf die innen liegende Fläche 7 des Ge- häuses 4. Es ist hier besonders die räumliche Distanz der einzelnen plattenförmigen Trägerelemente 3 zueinander zu erkennen.
Die Figur 7 zeigt eine zur Figur 5 abweichende alternative Ausführungsform. Im Falle der Figur 7 sind die plattenförmigen Trägerelemente 3 von der außen liegenden Flä- che 8 am Gehäuse 4 angeordnet. Wie auch in den Figuren 5 und 6 zu erkennen, weist auch die Figur 7 mehrere einzelne Aussparungen 10 auf, welche durch die plattenförmigen Trägerelemente 3 einzeln überdeckt werden.
Die Figur 8 zeigt wiederum ähnlich der Figur 6 zwei perspektivische Ansichten der Anordnung des thermoelektrischen Moduls 1 1 . Die plattenförmigen Trägerelemente 3 sind , wie schon in Figur 7 erwähnt, von der außen liegenden Fläche 8 des Gehäuses 4 angebracht. Die untere Hälfte der Figur 8 zeigt eine Aufsicht auf die innen liegende Fläche 7 des Gehäuses 4, außerdem die thermoelektrischen Elemente 1 und die sie verbindenden Leitungsbrücken 2.
Ähnlich wie in Figur 6 beschrieben, bildet hier die Gesamtheit aller plattenförmiger Trägerelemente 3 die Vorrichtung zum Ausgleich thermischer Spannungen 12.
Kernidee der in den Figuren 1 bis 8 gezeigten Ausführungsformen ist, dass sich je- weils die plattenförmigen Trägerelemente 3 relativ zum Gehäuse 4 oder zu den übrigen plattenförmigen Trägerelementen 3 bewegen können. Auf diese Weise können thermische Spannungen aufgrund von Längenausdehnungen kompensiert werden, ohne dass die absoluten Längenmaße des Gehäuses 4 beeinflusst werden. Die plattenförmigen Trägerelemente 3 verkleinern bei Ausdehnung infolge von Hitze lediglich die Abstände zu den anderen plattenförmigen Trägerelementen 3 bzw. zum Gehäuse 4. Dadurch wird die mechanische Belastung auf die thermoelektrischen Elemente 1 minimal gehalten, sodass Beschädigungen infolge von Spannungen wirksam vermieden werden.
Als ein geeignetes Verbindungsmittel zwischen den plattenförmigen Trägerelementen 3 und dem Gehäuse 4 kann Glaslot eingesetzt werden. Glaslot besitzt vorteilhaf- terweise in gewissen definierten Temperaturbereichen eine ausreichend hohe Duktili- tät und gibt somit eine gute Möglichkeit zur Entkopplung der einzelnen Elemente untereinander. Darüber hinaus weist Glaslot eine ausreichend hohe Temperaturbeständigkeit auf und ist zudem geeignet, um Gehäuseteile, auch unter Temperaturbelastung, fluiddicht miteinander zu verbinden. Alternativ ist auch der Einsatz von ande- ren elastischen Klebern und Materialien, die eine genügend duktile und dennoch temperaturresistente Verbindung zulassen, vorseh bar.
Die Figur 9 zeigt zwei einzelne wannenähnliche Trägerelemente 20. Die wannenähnlichen Trägerelemente 20 weisen jeweils einen Bodenbereich 21 auf und einen dem Bodenbereich 21 gegenüberliegend angeordneten umlaufenden Rand 22. Die in Figur 9 gezeigten wannenähnlichen Trägerelemente 20 weisen im Wesentlichen eine rechteckige kastenförmige Grundform auf. Jedes der gezeigten wannenförmigen Trägerelemente 20 weist vier Seitenwandungen 23 auf. Das linke wannenförmige Trägerelement 20 weist im oberen, dem umlaufenden Rand benachbarten Bereich der Wandung 23 einen oberen Seitenwandungsbereich 24 auf. Dieser obere Seitenwandungsbereich 24 steht senkrecht zum Bodenbereich 21 des wannenförmigen Trägerelements 20. Die unter dem oberen Seitenwandungsbereich 24 angeordneten Seitenwandungen 23 verlaufen in einem zum Mittel- punkt des wannenförmigen Trägerelements 20 geneigten Winkel leicht konisch hin bis zum Bodenbereich 21 . Das wannenförmige Trägerelement 20, welches in der rechten Hälfte der Figur 9 dargestellt ist, weist diesen senkrecht zur Bodenfläche 21 stehenden oberen Randbereich 24 nicht auf. Die Seitenwandungen 23 des rechten wannenförmigen Trägerelements 20 verlaufen jedoch ebenso in einem nach innen geneigten Winkel ko- nisch hin bis zum Bodenbereich 21 .
Die Figur 10 zeigt zwei Ansichten einer Anordnung von mehreren wannenförmigen Trägerelementen 20. Die beiden Anordnungen der Figur 10 sind hier jeweils aus eine Mehrzahl von wannenförmigen Trägerelementen 20, wie es in der rechten Hälfte der Figur 9 gezeigt ist, aufgebaut.
Im Falle der Figur 10 ist eine Anordnung aus drei wannenförmigen Trägerelementen 20 in der Breite und vier wannenförmigen Trägerelementen 20 in der Länge gezeigt. Die einzelnen wannenförmigen Trägerelemente 20 sind im Bereich ihres umlaufen- den Randes 22 miteinander verbunden und bilden so in ihrem oberen Bereich die Verbindungsstelle 25. Der obere Teil der Figur 10 zeigt eine Aufsicht auf die von oben offenen wannenförmigen Trägerelemente 20.
Alternativ ist der gleiche Aufbau auch mit den in Figur 9 links gezeigten wannenför- migen Trägerelementen 20 möglich. Hierdurch würde sich aufgrund der senkrechten Abschnitte der oberen Seitenwandung 24 eine größere Verbindungsstelle 25 zwischen den einzelnen wannenförmigen Trägerelementen 20 ergeben, was die Stabilität der Anordnung zusätzlich erhöhen würde. Die Gesamtheit der wannenförmigen Trägerelemente 20 bildet die Vorrichtung zum Ausgleich thermischer Spannungen 34.
Der untere Bereich der Figur 10 zeigt eine Aufsicht auf den Bodenbereich 21 der wannenförmigen Trägerelemente 20. Durch die konisch zulaufende Form der Sei- tenwandungen 23 ergibt sich zwischen den einzelnen benachbart zueinander liegenden wannenförmigen Trägerelementen 20 ein Spalt 26. Die Figur 1 1 zeigt eine Erweiterung der in Figur 10 gezeigten Anordnung der wannenförmigen Trägerelemente 20. Zusätzlich sind nun in Figur 1 1 in jedes wannen- förmige Trägerelement 20 jeweils zwei thermoelektrische Elemente 1 eingesetzt. In der Figur nicht zu erkennen ist, dass die jeweils in einem wannenförmigen Trä- gerelement 20 angeordneten thermoelektrischen Elemente 1 über eine Leitungsbrücke 2 miteinander elektrisch leitend verbunden sind. Über die Leitungsbrücken 2 stehen die gezeigten thermoelektrischen Elemente 1 mit den wannenförmigen Trägerelementen 20 in thermischen Kontakt. Wie bereits in Figur 10 sind auch die Stoßstellen 25 zwischen den wannenförmigen Trägerelementen 20 sowie die Spalten 26, welche sich in der Nähe des Bodenbereichs zwischen den benachbarten wannenförmigen Trägerelementen 20 ergeben, zu erkennen, Alle wannenförmigen Trägerelemente 20 bilden zusammen die Vorrichtung zum Ausgleich thermischer Spannungen 34.
Die Figur 12 zeigt einen kastenartigen Deckel 27, welcher einen Bodenbereich 28· aufweist. Der kastenartige Deckel 27 ist nach unten hin weg vom Bodenbereich 28 offen ausgeführt und so dimensioniert, dass die in der Figur 1 1 gezeigte Anordnung in den kastenförmigen Deckel 27 einsteckbar ist. Die Seitenwandungen des kastenartigen Deckels 27 verlaufen im Wesentlichen senkrecht zum Bodenbereich 28. An den unteren Rand des kastenartigen Deckels 27 schließt sich ein Flanschbereich 29 an, welcher im Falle der Figur 12 vollständig umlaufend ausgeführt ist.
In alternativen Ausführungsformen für den kastenartigen Deckel wären auch, wie schon bei den wannenförmigen Trägerelementen 20, konisch zulaufende Seitenwände vorsehbar. Ebenso wäre ein nur teilweise umlaufender Flanschbereich 29 vorsehbar. Die Figur 13 zeigt nun in ihrem, unteren Bereich eine Aufsicht auf ein thermo elektrisches Modul 32. Dieses besteht aus der Anordnung, welche bereits in Figur 1 1 dargestellt wurde sowie dem kastenarttgen Deckel 27 der Figur 12, welcher von oben auf die thermoelektrischen Elemente 1 und die wannenförmigen Trägerelemente 20 aufgesetzt wurde.
Die in Figur 13 im unteren Bereich gezeigte Ansicht zeigt dem Betrachter zugewandt den Bodenbereich 21 der wannenförmigen Trägerelemente 20, die in Gesamtheit die Vorrichtung zum Ausgleich thermischer Spannungen 34 bilden. Um die Anordnung der wannenförmigen Trägerelemente 20 ist der umlaufende Flansch 29 des kasten- artigen Deckels 27 dargestellt. Mit dem Bodenbereich 21 bildet der kastenartige Deckel 27 das Gehäuse 33 des thermoelektrischen Moduls 32.
Im oberen Teil der Figur 13 ist eine Ansicht entlang der Schnittachse F - F dargestellt. Gut zu erkennen in der Schnittansicht F - F ist der innere Aufbau des thermo- elektrischen Moduls 32. Wie bereits in den vorausgegangenen Figuren beschrieben, weist jedes der wannenförmigen Trägerelemente 20 jeweils zwei thermoelektrische Elemente 1 auf, welche jeweils innerhalb des wannenförmigen Trägerelements 20 mit einer Leitungsbrücke 2 verbunden sind. Jeweils zwei thermoelektrische Elemente 1 von zwei benachbarten wannenförmigen Trägerelementen 20 sind weiterhin auf der dem wannenförmigen Trägerelement 20 abgewandten Seite der thermoelektrischen Elemente 1 über Leitungsbrücken 2 miteinander verbunden. Auf diese Weise sind alle der im thermoelektrischen Modul 32 angeordneten thermoelektrischen Elemente 1 miteinander elektrisch leitend verbunden. Der Bodenbereich 28 des kastenartigen Deckels 27 bildet in Figur 13 die erste Wandung des Gehäuses 33 aus. Die Bodenbereiche 21 der Anordnung der wannenförmigen Trägerelemente 20 bilden die zweite Wandung des Gehäuses 33 aus, welche der ersten Wandung gegenüberliegt. Im Betriebsfall werden nun die Bodenbereiche 21 mit einem heißen Fluid beaufschlagt. Der Bodenbereich 28 wird hingegen mit einem kalten Fluid beaufschlagt. Durch den Wärmeeintrag des heißen Fluids dehnen sich die Bodenbereiche 21 aus. Dadurch werden die zwischen den wannenförmigen Trägerelementen 20 angeordneten Spalte 26, welche sowohl zwischen den einzelnen wannenförmigen Trägerelementen 20 als auch zwischen dem kastenartigen Deckel 27 und den jeweils außen liegenden wannenförmigen Trägerelementen 20 angeordnet sind, verkleinert.
Auf diese Weise findet nur eine Längenausdehnung der einzelnen wannenförmigen Trägerelemente 20 statt. Das thermoelektrische Modul 32 erfährt insgesamt keine Längenänderung. Dies führt ähnlich wie in den Figuren 1 bis 8 zu einer Entlastung der thermoelektrischen Elemente 1 und der sie verbindenden Leitungsbrücken 2.
Abweichend zu den wannenförmigen Trägerelementen 20 der Figur 1 1 weisen die wannenförmigen Trägerelemente 20 der Figur 13 nun ebenfalls einen oberen Seitenwandungsbereich 24 auf, welcher senkrecht zum Bodenbereich 21 angeordnet ist. Im Bereich dieses oberen Seitenwandungsbereichs 24 sind die wannenförmigen Trägerelemente 20 miteinander verbunden. Ebenfalls sind die äußeren wannenförmigen Trägerelemente 20 im Bereich ihrer oberen Seitenwandung 24 mit den Seitenwandungen des kastenförmigen Deckels 27 verbunden. Der umlaufende Flansch 29 des kastenartigen Deckels 27 liegt im montierten Zustand in einer Ebene mit den Bodenbereichen 21 der wannenförmigen Trägerelemente 20.
Die Figur 14 zeigt eine Abwandlung des Aufbaus der Figur 1 1 . Zusätzlich zu den wannenförmigen Trägerelementen 20, welche bereits jeweils zwei thermoelektrische Elemente 1 aufweisen, wird nun von oben auf die Anordnung eine Platte 30 aufgebracht, welche entsprechend der thermoelektrischen Elemente 1 angeordnete Aus- sparungen 31 aufweist. Diese Platte 30 kommt nach der Montage auf den Stoßstellen 25 der wannenförmigen Trägerelemente 20 zum Liegen und wird dort mit den wannenförmigen Trägerelementen 20 verbunden. Der restliche Aufbau der Figur 14 stimmt mit dem der Figur 1 1 überein. Die Figur 15 zeigt nun eine weitere Fortbildung der Figur 14. Nachdem die Platte 30 auf die Anordnung der wannenförmigen Trägerelemente 20 aufgebracht worden ist, werden die einzelnen thermoelektrischen Elemente 1 mit Leitungsbrücken 2 miteinander elektrisch leitend verbunden.
Die Verbindung der thermoelektrischen Elemente 1 erfolgt, wie bereits in der Figur 13 angedeutet, so, dass jeweils zwei thermoelektrische Elemente 1 , welche in zuei- nander benachbart liegenden wannenförmigen Trägerelementen 20 angeordnet sind, miteinander verbunden werden. Die Aussparungen 31 der Platte 30 sind dabei jeweils so angeordnet, dass jeweils die zwei thermoelektrischen Elemente 1 , welche innerhalb eines wannenförmigen Trägerelements 20 angeordnet sind, durch eine Aussparung 31 hindurch passen.
Die Figur 16 zeigt eine weitere Fortbildung des Aufbau s der Figuren 14 und 15. Zusätzlich ist nun von oben auf die Platte 30 ein kastenförmiger Deckel 27 aufgebracht, welcher einen umlaufenden Flanschbereich 29 aufweist. Am Flanschbereich 29 ist dieser kastenartige Deckel 27 mit der Platte 30 verbunden. Durch den kastenartigen Deckel 27 wird das thermoelektrische Modul 32 abgeschlossen. Die wannenförmigen Trägerelemente 20 bilden dadurch mit dem kastenartigen Deckel 27 das Gehäuse 33 des thermoelektrischen Moduls 32.
Die Figur 17 zeigt eine Ansicht des thermoelektrischen Moduls 32 der Figur 16. Im unteren Bereich ist eine Sicht auf die wannenförmigen Trägerelemente 20 dargestellt. Im oberen Bereich der Figur 17 ist eine Schnittansicht entlang der Schnittachse E - E dargestellt.
Es ist auch hier wieder zu erkennen, dass jeweils zwei thermoelektrische Elemente 1 innerhalb eines wannenförmigen Trägerelements 20 über eine Leitungsbrücke 2 miteinander verbunden sind. Jeweils zueinander benachbart liegende thermoelektrische Elemente 1 sind auf der dem Bodenbereich 21 gegenüberliegenden Fläche mit einer Leitungsbrücke 2 miteinander elektrisch leitend verbunden. Die Bodenbereiche 21 bilden wie in Figur 13 die eine Wandung des Gehäuses 33, welches im Betriebszustand mit einem heißen Fluid beaufschlagt wird. Diese Wan- dung des Gehäuses 33 bildet zugleich die Vorrichtung zum Ausgleich thermischer Spannungen 34 welche aus der Gesamtheit der wannenförmigen Trägerelemente 20 besteht.
Der Bodenbereich 28 bildet die zweite Wandung des Gehäuses 33, welches im Be- triebszustand mit einem kalten Fluid beaufschlagt wird. Die zwischen den wannenförmigen Trägerelementen 20 entstehenden Spalten 26 dienen auch hier wieder als Freiraum zur Kompensation der Ausdehnung der einzelnen wannenförmigen Trägerelemente 20 infolge von hohen Temperaturen. Abweichend zum thermoelektrischen Modul 32, welches in Figur 13 gezeigt wurde, werden nun die Seitenwandungen des Gehäuses 33 sowohl durch den kastenartigen Deckel 27 als auch durch die Seitenwandungen 23 der außen liegenden wannenförmigen Trägerelemente 20 gebildet. Der kastenartige Deckel 27 weist keinen direkten Verbindungspunkt mit den wannenförmigen Trägerelementen 20 auf. Sowohl der kastenartige Deckel 27 als auch die wannenförmigen Trägerelemente 20 sind jeweils nur mit der Platte 30 verbunden.
In alternativen Ausführungsformen sind ebenfalls von der rechteckigen Grundform der wannenförmigen Trägerelemente 20 abweichende Grundformen vorsehbar. Dies ist nicht nur begrenzt auf Grundformen mit geradlinigen Seitenwandungen, jedoch ist diesen aus herstellungstechnischer Sicht der Vorzug zu geben.
Maßgeblich für die wannenförmigen Trägerelemente 20 ist, dass die Gestaltung der Seiten Wandungen so ist, dass sie von ihren umlaufenden Rand 22 hin zum Bodenbe- reich 21 konisch zulaufen. Durch diese sich verjüngende Form wird der Spalt 26 zwischen den einzelnen wannenförmigen Trägerelementen 20 gebildet. Dieser Spalt 26 ist wichtig, um die Längenausdehnung der einzelnen wannenförmigen Trägerelemente 20 kompensieren zu können und damit die thermoelektrischen Elemente 1 und die sie verbindenden Leitungsbrücken vor Beschädigungen schützen zu können.

Claims

Patentansprüche
1 . Thermoelektrisches Modul (1 1 , 32) mit einem Gehäuse (4), welches zumindest zwei gegenüberliegende Wandungen aufweist, mit einer Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen (1 ), welche zumindest zwei gegenüberliegende Flächen aufweisen, mit einer Mehrzahl von Leitungsbrücken (2), wobei zumindest zwei thermoelektrische Elemente (1 ) mit einer Leitungsbrücke (2) verbunden sind und die thermoelektrischen Elemente (1 ) mit einer ihrer Flächen mit einem Trägerelement (3, 20) in thermischen Kontakt stehen, wobei jeweils eine Gruppierung von mindestens zwei thermoelektrischen Elementen (1 ) und einer Leitungsbrücke (2) mit einem Trägerelement (3, 20) in thermischen Kontakt stehen.
2. Thermoelektrisches Modul (1 1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Vorrichtung zum Ausgleich von thermischen Spannungen (12) im thermoelektrischen Modul (1 1 , 32) angeordnet ist, wobei die Vorrichtung zum Ausgleich von thermischen Spannungen durch zumindest ein erstes plattenförmiges Trägerelement (3) gebildet ist.
3. Thermoelektrisches Modul (1 1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Ausgleich von thermischen Spannungen (12) durch eine Mehrzahl von plattenförmigen Trägerelementen (3) gebildet ist, wobei einzelne Trägerelemente (3) an ihren Randbereichen mit anderen Trägerelementen (3) elastisch verbunden sind.
4. Thermoelektrisches Modul (1 1 ) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das als Vorrichtung zum Ausgleich von thermischen Spannungen (12) vorgesehene zumindest erste Trägerelement elastisch mit einer Wandung des Gehäuses (4) verbunden ist.
5. Thermoelektrisches Modul (1 1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wandung des Gehäuses (4) eine Aussparung (9) aufweist.
6. Thermoelektrisches Modul (11 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere plattenförmige Trägerelemente (3) die Aussparung (9) im Gehäuse (4) des thermoelektrischen Moduls (1 1 ) überdecken und fluiddicht abschließen.
7. Thermoelektrisches Modul (11 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Elemente (1 ) mit jeweils einer ihrer Flächen mit einer der Wandungen des Gehäuses (4) in thermischen Kontakt stehen und mit der jeweils anderen Fläche mit einem plattenförmigen Trägerelement (3) in thermischen Kontakt stehen.
8. Thermoelektrisches Modul (1 1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein plattenförmiges Trägerelement (3) an einer Verbindungsstelle zwischen dem Trägerelement (3) und dem Gehäuse (4), das Gehäuse (4) überlappt und/oder an einer Verbindungsstelle zwischen dem
Trägerelement (3) und einem weiteren Trägerelement (3) das Trägerelement (3) überlappt
9. Thermoelektrisches Modul (1 1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die plattenförmigen Trägerelemente (3) relativ zueinander und relativ zum Gehäuse (4) des thermoelektrischen Moduls verschiebbar sind.
10. Thermoelektrisches Modul (1 1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die plattenförmigen Trägerelemente (3) an ihrem
Randbereich einen zumindest teilweise umlaufenden Flanschbereich (5) aufweisen.
1 1 . Thermoelektrisches Modul (32) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Ausgleich von thermischen Spannungen (34) im thermoelektrischen Modul (32) durch eine Mehrzahl von wannenförmigen Trägerelementen (20) gebildet ist, die einen Bodenbereich (21 ) und einen von dem Bodenbereich (21 ) abstehenden umlaufenden Rand (22) aufweisen.
12. Thermoelektrisches Modul (32) nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die wannenförmigen Trägerelemente (20) im Bereich ihres umlaufenden Randes (22) miteinander verbunden sind, wobei zwischen den Bodenbereichen (21 ) der wannenförmigen Trägerelemente (20) jeweils ein Spalt (26) be- lassen ist.
13. Thermoelektrisches Modul (32) nach einem der Ansprüchen bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der wannenförmigen Trägerelemente (20) zumindest zwei thermoelektrische Elemente (1 ) aufweist, die mit einer Leitungs- brücke (2) verbunden sind.
14. Thermoelektrisches Modul (32) nach einem der Ansprüche 1 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei thermoelektrische Elemente (1 ), zweier benachbarter wannenförmiger Trägerelemente (20) über eine Lei- tungsbrücke (2) miteinander verbunden sind.
15. Thermoelektrisches Modul (32) nach einem der Ansprüche 1 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (33) des thermoelektrischen Moduls (32) durch einen kastenförmigen Deckel (27) und die wannenförmigen Trägerelemente (20) gebildet ist, wobei die erste Wandung des Gehäuses
(33) durch den Bodenbereich (28) des kastenförmigen Deckels (27) und die zweite Wandung durch die Bodenbereiche (21 ) der wannenförmigen Trägerelemente (20) gebildet ist. 16. Thermoelektrisches Modul (32) nach einem der Ansprüche 1 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Elemente (1 ) mit jeweils einer ihrer Flächen mit einem Bodenbereich (28) eines wannenförmigen Trägerelementes (20) in thermischen Kontakt stehen und mit der jeweils anderen Fläche in thermischen Kontakt mit dem Bodenbereich (28) des kastenför- migen Deckels (27) stehen.
7. Therme-elektrisches Modul (32) nach einem der Ansprüche 1 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der kastenförmige Deckel (27) einen zumindest teilweise umlaufenden Flansch (29) aufweist.
18. Therme-elektrisches Modul (32) nach einem der Ansprüche 1 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem umlaufenden Rand (22) der wannenförmigen Trägerelemente (20) und dem kastenförmigen Deckel (27) eine Platte (30) angeordnet ist, welche Aussparungen (31 ) für die thermo- elektrischen Elemente (1 ) aufweist.
19. Thermoelektrisches Modul (32) nach einem der Ansprüche 1 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der umlaufende Rand (22) der wannenförmigen Trägerelemente (20) mit einer Seite der Platte (30) verbunden ist und der kastenförmige Deckel (27) mit der anderen Seite der Platte (30) verbunden ist.
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