CN102456829A - 具有曲折形状的p-n布置的热电模块的热电发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热电模块50，它具有许多p-n偶60，其中分别有两个相邻的p-n-腿54，56构成p-n偶60。p-n-腿54，56分别由导电材料制成。许多p-n偶60的p-n-腿54，56以交替的次序，通过一种产生曲折形通过电流I52的电绝缘间隙66而分开。

Description

具有曲折形状的p-n布置的热电模块的热电发电机

背景技术

废气热量，例如电厂或者汽车的废气热量经常没有利用就排放到环境里。然而有效地利用这种热能会提高效率。利用这种废气热量的一种方法是热电发电机（TEG），它们根据塞贝克-效应，部分也称为热电效应，在有温度差时产生一个电压。用于从废气热量产生能量的装置例如在DE 10 2008 005 334 A1里已经公开。

以前热电发电机常常以堆叠结构形式被使用。这例如可见DE 10 2005 009 480 A1。在这种结构中热电模块（TEM）和其它的热交换构件（冷-和热边）在堆叠里上下相互交替。这些堆叠被机械夹紧。由于热电模块的堆叠结构产生了附带的传热，其中这导致热损失，这种损失降低了热电发电机的效率。如果设计有一种机械夹紧，那么此外还通过夹紧构件而加大了热电发电机的总重。

DE 103 33 084 A1也公开了一种具有堆叠结构的热电发电机，其中热电偶然而并不是相互平齐地布置，而且其中在一种可能的实施方案中，热电偶的腿以一种曲折形状布置在一个载体薄膜上。因此可以使热电偶链里相互紧随的热电接触位置，优选是金属的接触线桥，布置成具有高的密度并与热电偶的反向边缘有大的间距。这种布置可以保证一种简化的，机械稳定的结构，并且有利地对热电偶链的长时稳定性产生影响，然而不会改善效率。此外热电偶在载体薄膜上的制备优选包括了热电材料和金属的薄层沉积，和通过湿化学腐蚀形成的补充构造，这造成制造时间长，材料花费多。

发明内容

通过按照本发明建议的p-n腿的结构减少传热的数量，因而改善热电发电机的效率。因为放弃一种机械夹紧，如同在通常的堆叠结构里那样，附带地减小了部件的重量，从而得到一种重量减小和紧凑的构件，其制造成本也降低。

按照本发明的布置的另外一个优点是，可以根据良好的可触及性建立一种材料的热和电的连接。也可以通过p-n-热偶的直接接触而放弃热电偶腿的折弯，这节省了所用材料和重量，并通过取消安装步骤节省了过程时间。

热电方法获得能量的前提条件是足够大的温度差，这种温差通过热源（例如废气）和冷却源（例如冷却水）而产生。热电发电机位于这之间。在热电发电机的热边和冷边之间的温度差对应于一定的热流。热电发电机将一部分的这种热流转变成电功率。

热电发电机可以由若干个热电模块构成，这些模块有由许多热电元件组成。

一个热电模块包括有多个p-n-腿，其中相邻的腿分别可以由各自不同的材料制成。热电偶特别优选地由p-和n-导通半导体构成，因为这些半导体的特征在于高的热电效应，尤其是高的热电系数，而且还可以为p-（正的，缺少电子）和n-（负的，电子多余）的导通半导体组合提供一种形成构造的工艺。

单个p-n-腿的方向这样设置，使得它们从电来说是串联，而从热来说是并联，并且p-导通的和n-导通的腿相互交替。

附图说明

以下根据附图对本发明进行详细说明。所示为：

图1  按照现有技术的一个热电偶的正视图；

图2  在一个部件里具有曲折形布置的p-和n-腿的一个热电发电机的正视图；

图3 由p-和n-腿组成的部件的一个立体图，成条带状。

具体实施方式

为了更好地说明此发明，在图1中表示了一种由现有技术已知的热电偶或者热电模块10。

热电模块10通常由两个薄的电绝缘板12，14组成，在这些板之间交替布置了由不同材料组成的小直平行六面体16。不同材料的两个直平行六面体16分别借助于接触小岛18相互连接，从而其形成一种电串联线路20。两个板中的一个板12接受流入的热流22（热边），而另一个板14则放出流出的热流24（冷边）。所有的直平行六面体16平行地由热流流过，该热流从热边流向冷边。

图2表示了一种按照本发明的具有许多p-和n- 腿54，56的热电模块50的正视图，这些腿成串联状布置在一个部件块58里。

p-n-偶60由半导体材料的双导体构成，其在一端62连接并且利用热电效应。在这里所示的实施例中，按照图2和3，p-n-偶60分别包括有一个p- 掺杂的半导体54和一个n-掺杂的半导体56。

许多p-n-偶60，以腿54，56的形式，相互并排地成列布置在一个部件块58里。相邻的腿54，56分别由p-n-传导的材料制成。

在两个构成一个p-n-偶60 的，相邻腿54，56之间的边界线上，两个腿54，56部分地分离开，并因此电绝缘，从而形成一个间隙66。间隙66的长度在图2中用标号68 表示。

分开并不是完全地进行，而是使得两个相邻的腿54，56通过一个连片70保持连接。连片70是一个电接点，因为在连片70部位里，p-n-偶60的p-和n-腿54，56相互之间电和热连接。

通过间隙66可以限制导热。用于使p-n-偶60的 p-n-腿54，56相互电绝缘的间隙66通过一种切削加工技术，例如通过锯削、切削或者铣削来制成。电绝缘例如可以通过空气或者掺杂一种非导通材料来进行，或者用一种电绝缘材料装满间隙66。

部件块58通过一个电绝缘层74，其例如由陶瓷材料或者一种非导通粘接剂组成，连接在热交换器的一个外壳72上。此外也可以在电绝缘层74和热交换器外壳72之间设有一个薄层76，这薄层使部件块58机械地与热交换器外壳72脱开。应用一种非导通的粘接剂作为电绝缘层74的优点在于：电绝缘层74因此同时构成使部件块机械地与WT（热交换器）外壳72脱开的薄层76 。

用于使部件块58连接在热交换器外壳72上的电绝缘层74例如也可以通过低温烧结过程或者通过涂层来制造，例如通过一种由氧化铝，例如AL₂O₃的薄层。

另外一个实施方案是加工安全由陶瓷组成的热交换器。在这种情况下，陶瓷热交换器的一个壁是电绝缘层74。这避免了附带的传热。

由图2得知：热电模块按照本发明所建议的构造包括有许多交替为p-和n-导通腿54，56，这些腿相互并排地成列布置在部件块58之内。通过相互相邻布置的p-n-掺杂的腿54，56交替布置，这些腿优选由一种半导体材料制成，在制造部件块58时就确保了：在按照本发明建议的，一种部件块58形式的热电模块运行时，形成了一种曲折形状的或者说条带形状的电流I，参照图2的附图标记52。由于存在有在一个间隙长度68上延伸的间隙66，和各自保留的连片70，形成一个条带形状的或者说曲折形状的电流I，参照图2的位置52。交替布置的间隙66的结构一方面通过锯削或者切削或者另一种切削方法，并通过与之对应一致的以下情况而引起：存在有连片70，一种交替导通的连接，从而通过由p-n-腿54，56的 p-n-偶60组成的部件块48形成图2所示的曲折形电流I。由于连片70和可以用空气或者用电绝缘材料填充的间隙66的交替序列，产生了一种分别交替设于p-n-热电偶60的上面和下面上的导电连接。因此在按照本发明建议的热电模块运行时，产生了图2中通过附图标记52表示的条带状，或者说曲折形的电流I。

热电压取决于p-n-腿54，56的材料的热电系数和可以有效利用的温度差，这种温度差存在于p-n-腿54，56的接触位置上，也就是说，在留在材料里的连片70的部位里，这些连片在单个p-n-腿54，56之间形成一种导电连接。因为在按照本发明的布局中可以不用接触层，因此就没有引起热损失的热传导，从而提高了可以有效利用的温度差。可以有效利用的温度差越大，热电压就越大，而且热电发电机的效率也就越高。

图3表示了一种p-和n-腿54，56布局的立体图。

部件块58的构成可以这样进行，使得p-n-腿54，56设计成纵向延伸的锁栓状元件100，其条带状p-n-腿54，56的长度102大于其宽度。

为此在部件块58里布置了许多条带状p-n-腿54，56，如图2所示那样。为了实现电绝缘，借助于一种切削工具将锁栓状元件100沿着其长度102一直到电绝缘层74切开成部段106。这些部段106因此与其它沿着长度102紧邻的部段106电脱开。这里也可以例如通过空气或者用非导通材料的掺杂来实现电绝缘，或者通过一种电绝缘材料填充电绝缘间隙66。

在单个部段106之间的电接触通过至少一种导电连接108来建立。

为了形成p-n-热偶60的p-和n-腿54，56组成的布局并使其接在一个热交换器的外壳72上，可以考虑各种不同的技术。例如可以在部件块58上，通过涂覆，例如印刷，或者一种烧结法，优选为低温烧结，设置涂上电绝缘层74，例如氧化铝。如果绝缘层74由陶瓷材料制成，那么首先进行这种加工。

按照本发明所建议的方案，同样也可以将预先加工的部件块58组合起来，并随后通过切削加工方法，例如锯削或者切槽分开。接着例如用非导通材料填充所形成的中间腔，也就是间隙66。

在p-n-腿54，56的p-和n-导体材料之间的接触位置上，也可以附带地实现扩散闭塞，以便达到两个相邻p-n-腿54，56的材料的更好的分开。

Claims (13)

1.热电模块（50），它具有许多p-n偶（60），其中每两个相邻的p-n-腿（54，56）构成一个p-n偶（60），并由导通材料制成，其特征在于，p-n-腿（54，56）以交替的序列，通过产生曲折形电流I 的电绝缘间隙（66）而相互分开。

2.按权利要求1所述的热电模块（50），其特征在于，在p-n-腿（54，56）之间以交替的序列保留有连片（70）。

3.按权利要求1或者2 所述的热电模块（50），其特征在于，用空气或者电绝缘材料装满间隙（66），或者用非导电材料掺杂，以实现电绝缘。

4.按上述权利要求中的一项所述的热电模块（50），其特征在于，p-n-偶（60）包括有p-掺杂的半导体（54）和n-掺杂的半导体（56）。

5.按上述权利要求中的一项所述的热电模块（50），其特征在于，在热交换器的电绝缘层（74）和外壳（72）之间设有薄层（76），该薄层使由许多p-n-腿（54，56）组成的部件块（58）机械地与热交换器（72）的外壳脱离开。

6.按权利要求5所述的热电模块（50），其特征在于，电绝缘层（74）是非导通的粘接剂，电绝缘层（74）同时又是使部件块（58）机械地与热交换器的外壳（72）脱离开的薄层（76）。

7.按上述权利要求中的一项所述的热电模块（50），其特征在于，电绝缘层（74）包括有非导电材料，优选是陶瓷材料。

8.按上述权利要求中的一项所述的热电模块（50），其特征在于，p-n-腿（54，56）是锁栓状元件（100）。

9.按权利要求8所述的热电模块（50），其特征在于，借助于切削工具将锁栓状元件（100）一直到电绝缘层74分开成部段（106），并通过至少一种导电连接（108），在单个部段（106）之间实现电接触。

10.按权利要求5所述的热电模块（50），其特征在于，部件块（58）相对于热交换器的外壳（72）电绝缘，尤其是通过氧化铝层（74），尤其是AL₂O₃。

11.按上述权利要求中的一项所述的热电模块（50），其特征在于，p-n-腿（54，56）交替地导电连接于上面和下面上，并用于产生条带状或者曲折形的电流（52）。

12.按权利要求1至11中的一项所述热电模块（50）的制造方法，其特征在于，通过涂覆技术或者烧结法将电绝缘层（74）施加在部件块（58）上。

13.按上述权利要求中的一项所述的热电模块（50）的制造方法，其特征在于，为使p-n-偶（60）电绝缘间隙（66）通过切削加工制造。

Images