專利名稱：具有成對設置的p和n摻雜的柱的熱電模塊的制作方法
具有成對設置的P和η摻雜的柱的熱電模塊本發明涉及一種具有成對設置的P和η摻雜的柱(Schenkel)的熱電模塊，柱在相對的端部通過導電的接觸元件串聯，其中P和η摻雜的柱成對地布置成V形，并且柱的各個互相傾斜的端部借助接觸元件導電連接。根據現有技術的熱電模塊例如具有在DE 10 2005 057 763 Al中描述的結構。該熱電模塊具有多個熱電的半元件(或者P和η摻雜的柱)，其中每個半元件為長方體形或者柱形，并且各個元件平行設置。結構構造成使由相互交替的材料(P和η導電摻雜的半導體)制成的半元件串聯。在相對的端部處， 小印刷電路板固定在半元件處，這些電路板分別導電連接P摻雜和η摻雜的柱。每一側的小印刷電路板構成一個平面，在該平面內基本上直接接觸熱交換板。從US 6，759，586 Β2中已知一種平行定向的ρ和η摻雜的柱的相似結構，這些柱與鋼制或者鋼合金制的小電極板彼此導電連接。另外從WO 2008/155406 Α2中已知一種用于將熱能轉換成電能的熱電發電機，其裝備有多個聯接成一個模塊的珀爾帖元件，這些珀爾帖元件設置在熱源和散熱器之間。每個珀爾帖元件由P摻雜的柱和η摻雜的柱組成，這些柱彼此平行并且在它們的端部處通過電極導電連接。各個珀爾帖元件的P摻雜的和η摻雜的柱都具有不同的材料，它們的效率關于在朝向熱源的各個珀爾帖元件的接觸位置處的不同溫度值而進行優化。對于高溫應用場合，在P摻雜的柱內使用鐵基方鈷礦，例如Cea9Fe3CoSb12，或者Yba75Fe15Nia5Sb12,并在η摻雜的柱內使用鈷基方鈷礦，例如YbyCcvxPtxSb12，或者Baa 3Co3.95Ni0.05Sb12。平行設置各條柱的結果是，保持非常小的制造公差是必要的，以便能夠低成本地借助于預成形的接觸元件或者電極元件產生對于接觸電極或者熱交換元件的平坦的接觸面。這樣，在此需要10 μ m范圍內的制造公差，這將引起對于P和η柱的精加工的較高要求。特別在高溫應用場合中，為了柱較佳地使用像例如在開始時提到的方鈷礦這樣的材料，這種材料只有用較大的花費才能夠進行精加工。JP 05-299704 A示出一種熱模塊，它的b和η摻雜的柱成對地布置成V形，其中柱的相對的端部借助接觸元件導電連接。為在柱的端部處實現特定的溫度分布，它們構成關于接觸元件垂直定向的縫隙區，該縫隙區部分地由設置在柱中心之上的連接元件跨接。由此，各個柱具有復雜的待制造的形狀，即在一端具有傾斜面，并且在另一端具有兩個構成90°角的傾斜面(具有5邊基面的棱柱形結構)。該形狀不僅在制造方面有缺點，而且鑒于不均勻的流線密度以及在柱內部不規則的溫度分布也具有缺點。從JP 2007-294689 A獲知一種具有平行設置的柱(TEG-柱)的熱模塊，其中僅當使用帶有傾斜端面的TEG柱，這些柱緊靠相應傾斜的電氣接觸元件時，才可能實現微小的公差補償。在空間設置多個b和η摻雜的柱的情況下使用多種不同待加工的TEG柱(梯形棱柱、菱形棱柱和具有彼此旋轉設置的傾斜端面的棱柱)，由此在制造和設置各個柱時需要很大的額外花費。本發明的任務在于，從已知的熱電模塊出發建議改進的方案，借助改進方案能夠簡化熱電模塊的制造，其中應將對于各個TEG柱以及其余部件的精度要求減到最小。根據本發明該任務如下解決，即導電的接觸元件構成雙楔形狀，雙楔的兩個楔面與接觸元件的基面分別形成銳角，該銳角相應于各個柱的傾斜角。由此能夠使用可簡單制造的、無須精加工的長方體狀的柱。此外能夠使用同類的、預先加工的接觸元件，它們例如通過釬焊、熱壓或者擴散焊接與P和η摻雜的柱導電連接。較佳地，各個柱具有5°和15°之間的傾斜角。通過本發明的各個長方體狀的柱的V形位置，它們的長度可借助于呈雙楔形式的接觸元件而與預先規定的模塊高度配合，以使得能夠以簡單的方式實現公差補償。通過取消各個長方體狀的柱的機械的精加工和在大約3到7mm的柱的典型的總長度的情況下允許50 μ m范圍的長度公差，能夠顯著簡化制造，這是因為在柱成形(例如通過壓制或者燒結)之后可以取消后續的精加工并且同樣取消或者簡化任何長度級的劃分。
根據本發明規定，模塊的P和η摻雜的柱設置成多個平行的行，在此為了連接兩個相鄰的行而設置有呈具有平行定向的楔尖的雙楔形式的補償接觸元件，其兩個接觸面與基面形成銳角，該銳角對應于傾斜角。 按照一較佳的實施例，高溫模塊的P和η摻雜的柱可以由耐超過400°C溫度的材料構成，例如由鐵基或者鈷基方鈷礦構成。然后接觸元件較佳地由具有1*106到K^lO6SnT1 (西門子/米)范圍內的中等電導率和具有10到AOWnr1Ir1 (瓦/米·開爾文)范圍內的中等導熱率的耐溫材料制成,例如由易加工的合金鋼制成。下面根據部分示意表示的附圖
來進一步闡述本發明。附圖中圖I以剖視圖示出根據現有技術的熱電模塊，圖2以按照圖I的剖視圖來示出本發明的熱電模塊，圖3以三維視圖示出圖2的細部，圖4以三維視圖示出用于制造根據圖2的熱電模塊的裝置，圖5以三維視圖示出根據圖2的熱電模塊的變型，圖6以放大的視圖示出根據圖5的變型的細部，圖7到圖9示出已知的實施方式(圖7和圖8)與本發明(圖9)的對照。圖I表示根據現有技術的熱電模塊1，其具有平行設置的P和η摻雜的柱2、3(Ρ和N柱)，其中每條柱由兩種熱電材料中的一種構成，并且具有兩個彼此相對的端部,這些端部分別通過導電的接觸元件4、5與相鄰的柱連接在一起。該結構構造成使柱2、3電氣串聯。各個接觸元件4、5有可能經由粘接件(Haftverbinder) 13基本上直接與不另作詳細說明的熱交換元件11、12連接。例如，冷卻劑熱交換器可用作熱交換元件11，而廢氣熱交換器可用作熱交換元件12。在各個柱2、3的長度公差都過大的情況下會出現熱接觸不足，由此使該模塊的效率變差。圖2示出根據本發明的熱電模塊I，其中P和η摻雜的柱2、3成對地布置成V形。其側面彼此垂直設置的長方體狀的柱2、3的各個互相傾斜的端部緊靠導電的接觸元件4、5，其中如在圖3的詳圖中所示，導電接觸元件4、5構成雙楔形狀的棱柱形，其中楔角10、10’朝向相反的方向。因此，構造出相等傾角的兩個楔面6、6’，這些楔面與雙楔的基面7形成與各個柱2、3的傾斜角α相對應的角度。傾斜角α (從平行位置的角度偏離)對于熱電模塊的所有元件和雙楔都相等，并且較佳地在5°和15°之間。因此，V形位置具有張角2α。在接觸元件4、5和各所屬的熱交換元件11、12之間可以設置盡可能薄的具有良好導熱性的電絕緣層13。如圖4中所示，在制造熱電模塊時，公差補償能夠以簡單的方式起作用，以消除柱2、3的長度上的尺寸誤差。為此，采用具有兩個平行設置的引導元件14的模板(Schablone)，借助于這些引導元件預先規定待制造的熱電模塊的高度。在此，首先把由下接觸元件5和一個P摻雜的柱2組成的第一單元推入引導元件14之間，并且把由η摻雜的柱3與上接觸元件4組成的第二單元隨之推入，直到通過在楔面6’上推動，被推入的單元緊靠上引導元件14。之后，接著把由下接觸元件5和P摻雜的柱2組成的第三單元如用箭 頭15所示推入。這一過程一直繼續，直到達到希望數目的成對設置的P和η摻雜的柱2、3。柱2、3的微小的長度差能夠通過本發明的措施由較小的、不影響模塊功能的柱2、3的中心距之差來補償。圖5表示一種較佳的實施方式變型，其中模塊I的P和η摻雜的柱2、3設置成四個平行的行8，在此為連接兩個相鄰的行8而設置特定的雙楔形式的補償接觸元件9。雙楔9在圖6中詳細示出并配備平行定向的楔尖10、10’，在此楔面6、6’也與基面7形成相應于傾斜角α的銳角。作為用于各行8的所有長度差的補償，該雙楔的兩個楔具有不同的長度。平衡接觸元件9也可用作模塊的電氣連接元件。本發明的另一個優點在圖7到圖9中說明。圖7示出柱2、3在接觸元件4、5之間常見的平行設置，接觸元件4、5在此表示為具有高導熱性和高導電性的材料的薄板。在此，電氣接觸元件例如可以由銀、銅、鋁等構成，其具有〉的電導率和〉ZOOWnr1K-1的熱導率。但是對于高溫應用場合，許多已知的導電材料是不適合的，因為這些材料不能持久地與TEG柱的材料兼容。沿總高度H觀察溫度梯度，該總高度H由上接觸元件4的(h_元件)(h_el)、柱2的h_柱(h_leg)和下接觸元件5的h_元件(h_el)組成，其中在這種情況下 h_ 元件< < h_ 柱(h_el < < h_leg)適用。現在圖8示出用于高溫應用場合的熱電模塊，其具有由高溫材料制成的平行的TEG柱2、3，在此接觸元件4、5例如由鋼合金制成并且僅具有適度的導熱率(約10到 ^Wnr1IT1)或者導電率(1*106到Kmo6SnT1^因此，接觸元件在給定的電流負載的情況下必須實施成較厚的，這里對于平行設置時的溫度梯度，高度H = h_柱+2*h_元件(H = h_leg+2*h_el)適用。圖9中示出的V形結構具有接觸元件4、5構造成雙楔的優點，其中在最大的電流負載的位置(在柱2、3的互相傾斜的端部之間)出現最大的橫截面，并且當兩次考慮一半的楔高度時對于溫度梯度有效的高度為H =心柱+l*h_元件(H = h_leg+l*h_el)。因此，可通過V形位置更好地充分利用已有的溫度梯度。
權利要求
1.一種具有成對設置的P和n摻雜的柱(2、3)的熱電模塊(1)，所述柱(2、3)在相對的端部處通過導電的接觸元件(4、5)串聯，其中p和n摻雜的柱(2、3)成對地布置成V形，并且所述柱(2、3)的各個互相傾斜的端部借助于所述接觸元件(4、5)導電連接，其特征在于，導電的接觸元件(4、5)構造成雙楔的形式，所述雙楔的兩個楔面(6、6’ )與所述接觸元件(4、5)的基面(7)分別形成對應于各個柱(2、3)的傾斜角(a)的銳角。
2.如權利要求I所述的熱電模塊(I)，其特征在于，各個柱(2、3)具有5°和15°之間的傾斜角U)。
3.如權利要求I或2所述的熱電模塊(1)，其特征在于，導電的接觸元件(4、5)構造成棱柱形，并且具有相反定向的楔尖(10、10’)。
4.如權利要求I至3中任一項所述的熱電模塊(I)，其特征在于，模塊(I)的p和n摻雜的柱(2、3)設置成多個平行的行(8)，為了連接兩個相鄰的行(8)設置呈具有平行定向的楔尖(10、10’ )的雙楔形式的補償接觸元件(9)，所述補償接觸元件的兩個接觸面(6、6’ )與所述基面(7)分別形成對應于傾斜角(a)的銳角。
5.如權利要求I至4中任一項所述的熱電模塊(I)，其特征在于，所述接觸元件(4、5)的所述基面(7)構成與鄰接的熱交換元件(11、12)平行的接觸面。
6.如權利要求I至5中任一項所述的熱電模塊(1)，其特征在于，高溫模塊(I)的p和n摻雜的柱(2、3)由耐超過400°C溫度的材料，例如由鐵基或者鈷基方鈷礦構成。
7.如權利要求I至6中任一項所述的熱電模塊(I)，其特征在于，所述接觸元件(4、5)由具有1*106到IO^lO6Snr1范圍內的中等電導率和具有10到AOWnT1K-1范圍內的中等導熱率的耐溫材料,例如由合金鋼制成。
全文摘要
本發明涉及一種具有成對設置的p和n摻雜的柱(2、3)的熱電模塊(1)，柱(2、3)在相對的端部通過導電的接觸元件(4、5)串聯，其中p和n摻雜的柱(2、3)成對地布置成V形，并且柱(2、3)的每個互相傾斜的端部借助于接觸元件(4、5)導電連接。根據本發明，導電的接觸元件(4、5)構成雙楔形狀，雙楔的兩個楔面(6、6’)與接觸元件(4、5)的基面(7)分別形成對應于各個柱(2、3)的傾斜角(α)的銳角。
文檔編號H01L35/08GK102714268SQ201080025983
公開日2012年10月3日 申請日期2010年6月8日 優先權日2009年6月9日
發明者K·薩茲伯格 申請人:Avl里斯脫有限公司