DE102007016676A1 - Semiconductor block element and power generation system formed therefrom - Google Patents

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    • 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
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterblockelement zur Erzeugung von elektrischer Energie, welches direkt durch das temperaturführende Medium angeströmt wird, sowie ein aus den erfindungsgemäßen Halbleiterblockelementen gebildetes Energieerzeugungssystem.The invention relates to a semiconductor block element for generating electrical energy, which is directly flowed through the temperature-carrying medium, and a power generation system formed from the semiconductor block elements according to the invention.

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterblockelement zur Erzeugung von elektrischer Energie, welches direkt durch das temperaturführende Medium angeströmt wird sowie ein aus den erfindungsgemäßen Halbleiterblockelementen gebildetes Energieerzeugungssystem.The The invention relates to a semiconductor block element for generating electrical energy, which directly through the temperature-leading Medium is flown as well as a from the invention Semiconductor block elements formed power generation system.

Bekannte Thermoelemente haben die Eigenschaft, dass, wenn sie stromdurchflossen sind, sich drei thermoelektrische Effekte in ihnen überlagern. Dies sind der Seebeck-, Peltier- und Thomsoneffekt.Known Thermocouples have the property that when they flow through are three superimposed thermoelectric effects in them. This are the Seebeck, Peltier and Thomson effect.

Wenn ein elektrischer Strom einen Zweileiterkreis durchfließt, wird je nach Stromrichtung an der einen Kontaktstelle Wärme erzeugt, wogegen an der anderen Kontaktstelle Wärme absorbiert wird. Hierbei wird vom Peltiereffekt gesprochen. Die dabei je Zeiteinheit erzeugte bzw. absorbierte Wärmemenge QP ist proportional zur elektrischen Stromstärke I.When an electric current flows through a two-wire circuit, heat is generated at one pad depending on the current direction, while heat is absorbed at the other pad. This is spoken by the Peltier effect. The amount of heat Q P generated or absorbed per unit of time is proportional to the electric current I.

Dabei gilt QP = π1,2·I,wobei Π1,2 als Peltierkoeffizient der Leiterkombination bezeichnet wird. Der Peltierkoeffizient ist positiv, wenn der Stromfluss von Leiter 1 nach Leiter 2 Wärmeentwicklung an der Kontaktstelle bewirkt.It applies Q P = π 1.2 · I, where Π 1,2 is called the Peltier coefficient of the ladder combination. The Peltier coefficient is positive when the current flow from conductor 1 after ladder 2 Heat development causes at the contact point.

Die Umkehrung des Peltiereffekts ist der Seebeckeffekt. Werden in einem offenen Zweileiterkreis, bestehend aus den Leitern 1 und 2, die Kontaktstellen auf verschiedene Temperaturen TW und TK gebracht, so wird an den freien Leiterenden eine elektrische Spannung US erzeugt. Diese Thermospannung ist proportional zur Temperaturdifferenz zwischen den Kontaktstellen.The inverse of the Peltier effect is the sea bass effect. Are in an open two-wire circuit, consisting of the conductors 1 and 2 , The contact points brought to different temperatures T W and T K , an electrical voltage U S is generated at the free conductor ends. This thermoelectric voltage is proportional to the temperature difference between the contact points.

Dabei gilt US = α1,2(TW und TK) It applies U S = α 1.2 (T W and T. K )

Der Proportionalitätsfaktor α1,2 wird als Thermokraft oder Seebeckkoeffizient der Leiterkombination bezeichnet. Definitionsgemäß ist αα1,2 1,2 positiv, wenn im geschlossenen Kreis der (konventionelle) Thermostrom an der kälteren Kontaktstelle vom Leiter 1 zum Leiter 2 fließt.The proportionality factor α 1,2 is referred to as the thermo-power or Seebeck coefficient of the ladder combination. By definition, αα 1,2 1,2 is positive when in the closed loop the (conventional) thermo-current at the colder contact point of the conductor 1 to the leader 2 flows.

Da die Erfindung eine Anordnung zur Energieerzeugung betrifft, wird sich hier insbesondere mit den so genannten Seebeck-Elementen auseinandergesetzt.There the invention relates to an arrangement for power generation is Here in particular with the so-called Seebeck elements dealt with.

Solche Seebeck-Elemente sind seit geraumer Zeit bekannt und werden zur Energieerzeugung eingesetzt.Such Seebeck elements have been known for some time and become the Energy generation used.

Hierzu gibt es vielfältige Lösungen bezüglich der Kontaktierung der Oberflächen der Seebeck-Elemente mit unterschiedlichen Temperaturen.For this There are many solutions regarding the Contacting the surfaces of the Seebeck elements with different temperatures.

Allgemein wird bei den bekannten Seebeck-Elementen Keramik beziehungsweise seine Verbindungen als Isolationsmaterial und Stabilisator des Elementes als solches verwendet.Generally is in the known Seebeck elements ceramic or its compounds as insulation material and stabilizer of the element used as such.

Nachteilig ist dabei, dass durch die Materialauswahl lediglich geringe Variabilität bezüglich der Konstruktion von Verbundelementen bestehen. Und die Oberfläche, Rauhigkeit und Beschaffenheit nur in Verbindung mit Wärmeleitstoffen zur Auflagefläche ausgeglichen werden können. Damit erhöht sich der Wärmeübertragungskoeffizient.adversely is there by the material selection only low variability concerning the construction of composite elements. And the surface, roughness and texture only in conjunction balanced with heat transfer to the support surface can be. This increases the heat transfer coefficient.

So ist es beispielsweise aus der OS 29 13 000 bekannt, mehrerer thermoelektrischer Generatoren zu verketten.So it is known for example from OS 29 13 000, several thermoelectric Concatenate generators.

Bekannt ist auch beispielsweise eine matrixartige Anordnung aus p- und n-leitenden Halbleitern aus der DE 198 56 771 .Also known, for example, a matrix-like arrangement of p-type and n-type semiconductors from the DE 198 56 771 ,

Nachteilig bei den vorgenannten bekannten Lösungen ist jedoch der hohe Aufwand zur Fertigung der Elemente und der Trägerelemente.adversely in the aforementioned known solutions, however, is the high effort to manufacture the elements and the support elements.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Halbleiterblockelement zur Erzeugung von Elektroenergie vorzuschlagen, welche die Nachteile des bekannten Standes der Technik beseitigt und eine optimale Elektroenergieerzeugung realisiert.task The invention is a semiconductor block element for the production of To propose electric energy, which the disadvantages of the prior art technology eliminates and optimal power generation realized.

Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 in Zusammenhang mit den Merkmalen des Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The Solution of the problem of the invention arises from the characterizing features of claim 1 in Connection with the characteristics of the generic term. Further advantageous Embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand der 1 bis 4 näher erläutert werden.The invention is based on the 1 to 4 be explained in more detail.

Die erfindungsgemäße Lösung gemäß 1 zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Halbleiterblockelementes 1 mit einer Anordnung von Seebeck-Elementen 2 im Verbund. Die Anordnung der Elemente 2 zueinander ist dabei lediglich beispielhaft dargestellt, jedwede abweichende Anordnung der Elemente zueinander ist als dem Schutzumfang zugehörig zu betrachten.The solution according to the invention 1 shows a variant of the semiconductor block element according to the invention 1 with an arrangement of Seebeck elements 2 networked. The arrangement of the elements 2 To each other is merely exemplified, any deviating arrangement of the elements to each other is to be regarded as belonging to the scope of protection.

Erfindungsgemäß werden die Seebeck-Elemente 2 zueinander definiert auf einer Ebene angeordnet fixiert. Die Seebeck-Elemente 2 mit einem Montageabstand umschließend ist ein Verbundrahmen 3 angeordnet, welcher auch die Größe des erfindungsgemäßen Halbleiterblockelementes definiert.According to the invention, the Seebeck elements 2 fixed to each other defined on a plane fixed. The Seebeck elements 2 enclosing with a mounting distance is a composite frame 3 arranged, which also defines the size of the semiconductor block element according to the invention.

Die Seebeck-Elemente 2 sind in dem Verbundrahmen 3 mittels einer geeigneten Vergussmasse 4 zusammengefügt.The Seebeck elements 2 are in the composite frame 3 by means of a suitable potting compound 4 together.

Vorzugsweise ist der Verbundrahmen 3 aus einem temperaturbeständigen Plastwerkstoff gefertigt, die Vergussmasse 4 ist vorzugsweise ein temperaturbeständiges Gießharz oder Silikon.Preferably, the composite frame 3 Made of a temperature-resistant plastic material, the potting compound 4 is preferably a temperature resistant cast resin or silicone.

Erfindungsgemäß werden bei den im Halbleiterblockelement 1 eingesetzten Seebeck- Elementen 2 als Stabilisator Metalle und deren Verbindungen mit hoher Wärmeleitfähigkeit eingesetzt, als Isolator wird vorzugsweise eine physikalisch- chemische Trennschicht verwendet. Eine solche physikalisch- chemische Trennschicht kann beispielsweise eine Oxidationsschicht sein.According to the invention in the semiconductor block element 1 used Seebeck elements 2 used as a stabilizer metals and their compounds with high thermal conductivity, as an insulator preferably a physico-chemical separation layer is used. Such a physicochemical separation layer can be, for example, an oxidation layer.

Die Stabilisierung des erfindungsgemäßen Halbleiterblockelementes 1 wird erreicht durch die Anwendung einer direkten Kontaktierung, welche durch die Ausführung eines Innenvergusses der Seebeck-Elemente 2 ermöglicht wird. Gleichzeitig wird dadurch eine elektrische Isolierung der Kontakte realisiert.The stabilization of the semiconductor block element according to the invention 1 is achieved by the application of a direct contact, which by the execution of an internal encapsulation of the Seebeck elements 2 is possible. At the same time an electrical insulation of the contacts is realized.

2 zeigt eine mögliche Ausführungsform in Form einer möglichen Verbindung von Halbleiterblockelementen 1 zu einem Energieerzeugungssystem 5 im Schnitt. 2 shows a possible embodiment in the form of a possible connection of semiconductor block elements 1 to a power generation system 5 on average.

Dieses Energieerzeugungssystem 5 wird von einer äußeren Hülle 6 umgeben, welche vorzugsweise von den temperaturführenden Medien durchströmt wird.This power generation system 5 is from an outer shell 6 surrounded, which is preferably flowed through by the temperature-carrying media.

Beispielhaft wird das Energieerzeugungssystem 5 in der dargestellten Variante gebildet aus innenliegenden gekoppelten Halbleiterbiockelementen 1i . Diese bilden einen inneren Strömungsbereich K1, welcher von einem niedrig-temperaturführenden Medium durchströmt wird.An example is the power generation system 5 formed in the illustrated variant of internally coupled Halbleiterbiockelementen 1 i , These form an inner flow area K1, which is flowed through by a low-temperature-carrying medium.

Ein mittlerer Strömungsbereich H1 wird von einem äußeren weiteren Ring gekoppelter Halbleiterblockelementen 1a begrenzt und wird von einem hoch-temperaturführenden Medium durchströmt.A middle flow region H1 is formed by an outer further ring of coupled semiconductor block elements 1 a limited and is flowed through by a high-temperature-carrying medium.

Zwischen der äußeren Hülle 6 und den Halbleiterblockelementen 1a strömt wiederum ein niedrig-temperaturführendes Medium K2.Between the outer shell 6 and the semiconductor block elements 1 a in turn flows a low-temperature-carrying medium K2.

Mittels dieser Anwendungsform 5 ist unter optimaler Raumnutzung eine optimale Ausnutzung der Seebeck-Elemente 2 gegeben.By means of this application form 5 is under optimal use of space optimal utilization of Seebeck elements 2 given.

Eine paarweise Erweiterung dieses Systems um weitere Strömungsbereiche K und H ist ohne weiteres möglich und dem Schutzumfang zugehörig zu betrachten.A pairwise expansion of this system by further flow ranges K and H is readily possible and the scope of protection to be considered.

Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass in den Strömungsbereichen (K1, H1, K2, H2 ...) Elemente angeordnet sind, welche geeignet sind, eine Umwandlung von laminarer Strömung in turbulente Strömung auszulösen.A further embodiment of the solution according to the invention is that in the flow areas (K1, H1, K2, H2 ...) elements are arranged, which are suitable, a Conversion of laminar flow into turbulent flow trigger.

Diese Ausgestaltung bewirkt den Vorteil, dass dadurch eine Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit erreicht wird, welche eine Optimierung des Wärmeübergangs in geschlossenen Systemen bei definiertem vorgegebenem Druck ermöglicht.These Design has the advantage that thereby reducing the flow velocity is reached, which is a Optimization of heat transfer in closed Systems at a defined predetermined pressure allows.

3 und 4 zeigen eine weitere Variante einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung, wobei 3 einen Vertikalschnitt und 4 einen Horizontalschnitt zeigen. 3 and 4 show a further variant of an embodiment of the inventive solution, wherein 3 a vertical section and 4 show a horizontal section.

Dieses hier vorgeschlagene Energieerzeugungssystem 5 wird von einer äußeren Hülle 6 umgeben, welche die Zuführung der Strömungsbereiche K und H aufnimmt beziehungsweise bildet Beispielhaft wird das Energieerzeugungssystem 5 in der dargestellten Variante gebildet aus aufeinander liegenden gekoppelten Halbleiterblockelementen 1i . Diese bilden parallel abwechselnd angeordnete Strömungsbereiche K, welche von einem niedrig-temperaturführenden Medium durchströmt werden und Strömungsbereiche H, welche von einem hoch-temperaturführenden Medium durchströmt werden, so dass eine vorzugsweise einem Mäander ähnelnde Durchströmung stattfindet.This proposed power generation system 5 is from an outer shell 6 which receives or forms the supply of the flow areas K and H. The power generation system becomes exemplary 5 formed in the illustrated variant of stacked semiconductor block elements 1 i , These form parallel alternately arranged flow regions K, which are traversed by a low-temperature-carrying medium and flow areas H, which are flowed through by a high-temperature-carrying medium, so that a preferably a meander-like flow takes place.

Der Aufbau dieser Art Blockelement ist dabei so ausgeführt, dass eine möglichst große Anzahl von Halbleiterelementen in verschiedenen Ebenen zusammengefasst sind.Of the Structure of this type block element is designed so that the largest possible number of semiconductor elements are summarized in different levels.

Mittels dieser weiteren Anwendungsform ist unter optimaler Raumnutzung ebenfalls eine optimale Ausnutzung der Seebeck-Elemente 2 gegeben.By means of this further application form, optimum utilization of the Seebeck elements is also possible under optimal use of space 2 given.

Eine ebenenweise Erweiterung dieses Systems um weitere Halbleiterblockelemente 1 und dementsprechende Strömungsbereiche K und H ist ohne weiteres möglich und dem Schutzumfang zugehörig zu betrachten.A planar expansion of this system by more semiconductor block elements 1 and corresponding flow areas K and H are readily possible and to be considered belonging to the scope of protection.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 19856771 [0014] - DE 19856771 [0014]

Claims (8)

Halbleiterblockelement, bestehend aus einer Anordnung von Seebeck-Elementen (2) im Verbund, wobei die Halbleiterelemente 2 zueinander definiert in einem Verbundrahmen (3) mittels einer geeigneten Vergussmasse (4) fixiert sind.Semiconductor block element consisting of an arrangement of Seebeck elements ( 2 ) in the composite, wherein the semiconductor elements 2 defined in a composite frame ( 3 ) by means of a suitable potting compound ( 4 ) are fixed. Halbleiterblockelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Stabilisator der Halbleiterelemente (2) Metalle und deren Verbindungen mit hoher Wärmeleitfähigkeit und als Isolator eine physikalisch-chemische Trennschicht eingesetzt ist.Semiconductor block element according to claim 1, characterized in that as a stabilizer of the semiconductor elements ( 2 ) Metals and their compounds with high thermal conductivity and as insulator a physical-chemical separation layer is used. Halbleiterblockelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die physikalisch-chemische Trennschicht eine Oxidationsschicht ist.Semiconductor block element according to Claim 2, characterized that the physicochemical separation layer is an oxidation layer is. Halbleiterblockelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisierung des Halbleiterblockelementes 1 durch eine direkte Kontaktierung und die Ausführung eines Innenvergusses der Seebeck-Elemente 2 realisiert ist.Semiconductor block element according to claim 2, characterized in that the stabilization of the semiconductor block element 1 by a direct contact and the execution of a Innenvergusses the Seebeck elements 2 is realized. Halbleiterblockelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Kombination mehrerer Halbleiterblockelemente (1) Energieerzeugungssysteme zusammen zu stellen sind.Semiconductor block element according to one of the preceding claims, characterized in that by means of combination of a plurality of semiconductor block elements ( 1 ) Energy generation systems. Halbleiterblockelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterelemente ohne Trennschicht direkt am Isolator vom Medium angeströmt werden.Semiconductor block element according to Claim 1, characterized that the semiconductor elements without separation layer directly on the insulator be streamed by the medium. Energieerzeugungssystem, dadurch gekennzeichnet, dass das längsdurchströmte Energieerzeugungssystem 4 von einer äußeren Hülle 5 gebildet wird und durch Halbleiterblockelemente (2i , 2a ) gebildete und voneinander abgegrenzte zu durchströmende Strömungsbereiche (K1, H1, K2, H2 ...) aufweist, welche abwechselnd kalt- bzw. warmdurchströmt werdenPower generation system, characterized in that the longitudinal flow-through power generation system 4 from an outer shell 5 formed by semiconductor block elements ( 2 i . 2 a ) formed and separated from each other to be flowed through flow areas (K1, H1, K2, H2 ...), which are alternately flows through cold and warm Energieerzeugungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in den Strömungsbereichen (K1, H1, K2, H2 ...) Elemente angeordnet sind, welche geeignet sind, eine Umwandlung von laminarer Strömung in turbulente Strömung auszulösen.Power generation system according to claim 5, characterized characterized in that in the flow areas (K1, H1, K2, H2 ...) elements are arranged, which are suitable, a Conversion of laminar flow into turbulent flow trigger.
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