CN102318097B - 热电器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种热电器件(1)，其至少包括：至少一个模块(2)，其具有第一载体层(3)和第二载体层(4)；所述第一载体层(3)与所述第二载体层(4)之间的间距(5)；在所述第一载体层(3)和所述第二载体层(4)上的朝向所述间距(5)的电绝缘层(6)；多个p掺杂的和n掺杂的半导体元件(7)，其被交替地设置在所述绝缘层(6)之间的所述间距(5)中并被交替地彼此电连接。
Description
技术领域
本发明涉及用于通过发电器例如从内燃机的排气产生电能的热电器件。这用来表示，特别地，用于将排气的热能转换成电能的发电器，即所谓的热电发电器。
背景技术
来自机动车的引擎的排气具有热能，该热能可通过热电发电器或装置而转换成电能，以便例如充填电池或某种其他能量存储或者直接向电负载供给所需要的能量。机动车由此以更好的能量效率操作，并且能量由此可以更大的程度用于机动车的操作。
这样的热电发电器包括至少多个热电转换元件。热电材料为这样的类型，以便它们可以将热能有效地转换成电能(塞贝克效应)，反之亦然(帕尔贴效应)。“塞贝克效应”基于热能向电能的转换的现象，并被用于产生热电能量。“帕尔贴效应”与“塞贝克效应”相反，其是伴随热吸附并关于通过不同材料的电流而引起的现象。“帕尔贴效应”已被提议用于例如热电冷却。
这样的热电转换元件优选具有位于所谓的热侧与所谓的冷侧之间的多个热电元件。热电元件包括例如至少两个半导体平行六面体(p掺杂的和n掺杂的)，在其顶侧和下侧(分别朝向热侧和冷侧)上交替地设置有导电桥。陶瓷板或陶瓷涂层和/或类似的材料用于绝缘这些金属桥并因此而优选设置在这些金属桥之间。如果在半导体平行六面体的两端上提供温度梯度，则形成电势。在第一半导体平行六面体的热侧，在该情况下热被吸收，其中一侧的电子移动到下一个平行六面体的较高能量的导带。在冷侧，电子现在可以释放能量并移动到具有较低能级的下一个半导体平行六面体。因而，在给定的对应温度梯度下，可以建立电流流动。
已经试图提供用于机动车，特别是用于客车中的应用的对应热电发电器。然而，这些热电发电器大多制造非常昂贵，并且以相对低的效率为特征。因此，还适于批量生产。此外，已经可以确定，已知的热电发电器通常要求非常大的结构空间，因此仅仅可被很困难地集成到现有的排气系统中。
发明内容
将这一点作为出发点，本发明的目的是解决关于现有技术总结出的问题中的至少部分问题。特别地，本发明规定一种热电器件，其适合多种使用情况，其能够改善将所提供的热能转换成电能的效率。在该情况下，热电器件旨在适合尽可能灵活地适于不同功率要求。
通过根据专利权利要求1的特征的器件而实现这些目的。在以从属方式陈述的专利权利要求中规定了根据本发明的器件的有利配置和该器件在高级结构单元中的集成。应指出：在专利权利要求中单独地给出的特征可以以任何技术上有利的方式彼此组合并标明本发明的进一步的配置。特别地结合附图的描述进一步阐明了本发明并提到本发明的补充示例性实施例。
根据本发明的热电器件包括至少下列：
至少一个模块，其具有第一载体层和第二载体层；
所述第一载体层与所述第二载体层之间的间距；
在所述第一载体层和所述第二载体层上的朝向所述间距的电绝缘层；
多个p掺杂的和n掺杂的半导体元件，其被交替地设置在所述绝缘层之间的所述间距中并被交替地彼此电连接。
这里提出的热电器件特别地以层叠或层状方式与特别地多个(相同的)模块装配而形成热电发电器。特别地，多个互连的模块形成热电器件。在该情况下，热电器件被特别地设置在外壳中，在所述外壳中，多个热电器件也被设置在一起作为用于形成热电发电器的结构单元。除了所述模块之外，所述热电器件还具有，特别地，密封工具，所述密封工具封闭朝向外部的所述间距，以及用于产生电路的连接元件，所述电路可将在模块中产生的电流传导到机动车的存储装置(store)或负载。
所述半导体元件特别地彼此并排地被设置在两个载体层之间，这两个载体层特别地形成热电器件的外边界。在该情况下，外部载体层主要地形成热传递层，该热传递层能够从热电器件向在热电器件周围流动的流体传递热。在该情况下，第一/第二载体层被导热连接到所谓的热侧，特别地，具有高温的流体，并且另一(第二/第一)载体层被导热连接到冷侧，特别地，具有低温的流体。结果，通过热电器件形成载体层之间的热势，由于“塞贝克效应”，所述热势产生通过彼此交替连接的半导体元件的电流。载体层特别地至少部分由钢和/或铝构成。
在载体层之间设置间距，半导体元件被设置在所述间距中。该间距由此具有特别地仅仅这样的范围，该范围基本上仅由半导体元件的高度和数目以及半导体元件的设置预先确定。
为了实现通过p掺杂和n掺杂的半导体元件的目标电流，载体层至少部分地具有电绝缘层，在该电绝缘层上，半导体元件被彼此固定和彼此连接。特别地，氧化铝层适合作为绝缘层。关于电绝缘层，应仔细确保不过度地阻止从载体层的外部向半导体元件的热传递。这也可特别地通过实际上仅仅被设置在半导体元件与载体层的接触区的区域中的电绝缘层而实现。所有情况中，这样的电绝缘层应以充分不可渗透的方式实施为对电互连半导体元件的工具不可渗透，并且电绝缘层可靠地防止朝向载体层和/或朝向邻近的电流路径的导电连接。特别地，在第一和第二载体层的情况下可以使用不同的电绝缘层。
通过实例，可以将碲酸铋(bismuthtellurite)(Bi2Te3)用作用于p掺杂和n掺杂的半导体元件的导电材料。此外，可以使用以下材料[最高到以℃为单位的以下最高温度]：
n型：Bi2Te3[约250℃]；
PbTe[约500℃]；
Ba0.3Co3.95Ni0.05Sb12[约600℃]；
Bay(Co，Ni)4Sb12[约600℃]；
CoSb3[约700℃]；
Ba8Ga16Ge30[约850℃]；
La2Te3[约1100℃]；
SiGe[约1000℃]；
Mg2(Si，Sn)[约700℃]；
p型：(Bi，Sb)2Te3[约200℃]；
Zn4Sb3[约380℃]；
TAGS[约600℃]；
PbTe[约500℃]；
SnTe[约600℃]；
CeFe4Sb12[约700℃]；
Yb14MnSb11[约1000℃]；
SiGe[约1000℃]；
Mg2(Si，Sb)[约600℃]。
因此，在该热电器件的情况下，将两个载体层用于对间距定界并用于向半导体元件热传递。在该情况下，可以例如以由具有不同电导率的材料构成的小平行六面体和/或小细长杆的方式提供半导体元件。两个不同半导体元件(p掺杂和n掺杂的)分别被以共同产生串联电路的方式彼此电连接。两个载体层中的一个吸收流入的热流(热侧)，而另一个载体层散发流出的热流(冷侧)。关于单独的半导体元件的设置和/或互连的设计，半导体元件的类型和/或形状和/或位置可适于结构空间、热流速率、电流传导等等，其中在该情况下它们可以特别地也不同。特别地，热电器件具有彼此串联连接的半导体元件的一个或多个组，其中在每种情况下这些组具有彼此独立的电路或者通过电并联电路而彼此连接。
根据热电器件的一种改进，用于所述至少一种载体层的材料包括塑料。这里可以使用特别地还具有金属包含物的塑料以改善热传导。特别地，这里提到适合200到390℃的温度范围且具有高疲劳强度的塑料。优选地，所述塑料可在其外表面(背离间距)上具有涂层，所述涂层特别地被实施为对在载体层上流动的腐蚀介质有耐性。特别地，由于塑料可被成本有效地提供、可被灵活地生产、可以灵活地适于不同的需要并可以通过种类繁多的制造方法制造和处理，因此这里塑料的使用是有利的。特别地，这里提议将聚醚酮(例如PEKK)作为用于载体层的塑料，这是因为，聚醚酮耐高温且具有高于300℃的温度的熔点，同时，对许多有机和无机化学品有耐性。因此，还可以特别地将聚醚酮用作载体层而没有附加的涂层。
根据热电器件的另一有利配置，所述半导体元件的至少一部分被以环状方式配置，并且各自通过外周区和内周区而被连接到所述电绝缘层。术语“以环状方式”由此意味着半导体元件形成环形的至少一个区段。以该方式成型的半导体元件被特别地提议用于至少部分地为管状的热电器件。在该情况下，载体层形成管的外周区和内周区，从而形成双管壁，在双管壁的间距中设置半导体元件。在以该方式构造的热电器件中，一种流体流过通过管的内周区形成的通道，另一种流体在外周区上的所述器件上流动，从而可以跨过双管壁而产生热势。半导体元件被设置在双管壁内，并被特别地以周向封闭的方式实施为环状的形式。半导体元件可以特别地还具有环状区段的形状。这里，同样地，半导体元件被彼此并排设置或者沿着管的轴向一个在另一个之后。优选半导体元件的环状或环状区段形状配置，这是因为，在曲线区上彼此并排设置的柱状或平行六面体半导体元件之间，产生沿径向扩展的在半导体元件之间的空隙，这导致间距的容积的较小利用率。在该情况下，环状形状可特别地对应于圆形形状，但椭圆形实施例也是可能的。关于互连，这里例如半导体元件还可以具有180°环状形状，然后以偏移/交替方式彼此电连接。
根据热电器件的一种有利改进，所述p掺杂和n掺杂的半导体元件通过在所述电绝缘层上的焊料材料而彼此电连接，并且满足以下条件中的至少一个：
a)所述p掺杂和n掺杂的半导体元件各自具有相同尺寸的电流传输区；
b)所述焊料材料具有焊料厚度，并且所述半导体元件的高度与所述焊料厚度的比值大于5∶1；
c)所述焊料材料是选自活性焊料、银焊料的元素。
这里优选这样的情况，即，用于固定所述半导体元件的焊接点或焊接区不超过所述半导体元件与所述绝缘层的接触区。优选通过在希望位置处印刷到所述电绝缘层上的粘合剂施加所述焊料材料，以便随后使所述载体层与附着到这些预定粘合位置的粉状焊料材料接触。在该情况下，焊料材料的粒度应被选择为使得可得的焊料材料的量精确地足够用于通过将要形成的焊料材料形成的希望的接触区。在该情况下，半导体元件在其接触区的每一个上具有相同尺寸的电流传输区，这些电流传输区由焊料材料设置并由半导体元件的接触区的那些区域限定。结果，获得在半导体元件与用作导体路径的焊料材料之间的尽可能相同的接触电阻。特别地在半导体元件以环状方式或以环状区段形状方式配置的情况下以及在半导体元件具有不同尺寸的接触区的情况下，为了提供相同尺寸的电流传输区进行设置。在该情况下，半导体元件的外周区规则地大于内周区。因此，可以使外电流传输区窄于被设置在半导体元件的内周区处的电流传输区。这特别地有利于用于产生热电器件的工艺，在该工艺中，导体路径在一个载体层上的定位与另一载体层上的导体路径配合，以便实现半导体元件的交替电连接，从而可以通过热电器件产生串联电路。因此，电流传输区的宽度的由此可能的减小可以加宽在通过施加焊料材料而产生导体路径时以及在安装单独的部件时的制造容差。由此可以在制造所提议的热电器件时显著地降低制造故障和制造成本。
所使用的所述半导体元件优选具有1到5mm的高度。这导致热电器件的特别紧凑的配置，并确保跨过间距在载体层之间的足够温度差。所有半导体元件将规则地具有相同的高度。在该情况下，半导体元件的高度与焊料厚度的比值特别地大于10∶1，优选大于20∶1，特别优选大于50∶1。焊料厚度的限制同样促进了热电器件的紧凑设计。
优选地，所述焊料材料应选自活性焊料、银焊料，并且特别地选自根据欧洲标准EN1044：1999的焊料材料：AG301、AG302、AG303、AG304、AG305、AG306、AG307、AG308、AG309、AG351、AG401、AG402、AG403、AG501、AG502、AG503、AG101、AG102、AG103、AG104、AG105、AG106、AG107、AG108、AG201、AG202、AG203、AG204、AG205、AG206、AG207、AG208。如果合适，考虑到应用，当然还可以使用与半导体材料配合的其他耐高温焊料。
根据热电器件的一种有利改进，经所述电绝缘层的所述第一载体层与所述半导体元件之间的第一接触区和所述第二载体层与所述半导体元件之间的第二接触区具有不同的尺寸，并且第一接触区与第二接触区的比值达到为1∶3。在该情况下，第一接触区和第二接触区在每种情况下都被限定为通过电绝缘层或通过焊料材料分别连接到第一和第二载体层的半导体元件的区域。第一和第二接触区的不同实施例同样允许在热电器件的制造时的高生产率。结果增加了被设置为通过焊料材料形成接触的半导体元件的区域，因此可以使制造容差更大，并相应地确保热电器件的可靠且无故障的制造。特别地，在该情况下，利用模块的管状配置，半导体元件具有较大的外接触区。因此，半导体元件可以具有确保这样的不同接触区的向外扩展的形状(特别地，锥形)。此外，可以通过半导体元件的环状或环状区段形状的实施例满足这样的条件。特别地，较大的接触区被规则地设置在气流在其上流动的载体层处。在机动车中的热电器件的设置的情况下，其中第一载体层被连接到热侧且排气流由此在其上流动，并且其中第二载体层被连接到冷侧且特别地冷却液体流在其上流动，第一接触区应被实施为大于第二接触区。具体是，在气流在其上流动的第一载体层处具有较高热传输阻力。冷却液体在其上流动的第二载体层可以更好地传导热，从而这里可以设置较小的第二接触区。
根据另一有利配置，将所述模块的有用容积限定为所述模块中的所述半导体元件的容积之和与所述模块的密封容积的比值，并且所述有用容积大于90％。特别地通过外载体层以及(如果合适)热电器件的壁或模块的壁来限定模块的密封容积。因此，优选地，载体层之间的间距应被半导体元件尽可能完全地填充。因此，有用容积应特别地大于95％，优选大于98％。特别地，这通过沿周向不具有分隔面的环状半导体元件而实现，并因此实现热电器件或模块的大有用容积。
根据热电器件的另一有利改进，所述半导体元件在彼此面对的侧区上具有电绝缘物，其中特别地通过由云母或陶瓷构成的层而形成所述电绝缘物。术语云母表示叶硅酸盐(phyllosilicate)的组。在该情况下，半导体元件之间的空隙被填充材料形式或涂层形式的云母或陶瓷填充。优选地，该绝缘物可以在热电器件的装配工艺之前已被施加到半导体元件，以便半导体元件可被设置为在载体层或电绝缘层上具有高封装密度并被彼此支撑。因此这里不需要半导体元件之间的空气隙，该空气隙从现有技术可知并在制造工程方面仅仅可困难地被构建。由此，这里通过分隔层而实现在半导体元件彼此之间的绝缘，从而仅通过焊料材料以串联电路的形式使半导体元件彼此电连接。在该情况下，半导体元件的侧区之间的绝缘物特别有利地具有小于50μm、优选小于20μm、特别优选小于5μm的绝缘物宽度。该措施还获得热电器件的紧凑设计，并同样获得简化的制造。
根据热电器件的另一有利配置，所述模块的面积利用度被定义为被半导体元件覆盖的第一和第二载体层的面积与可被半导体元件覆盖的第一和第二载体层的总面积的比值，并且所述模块的面积利用度大于85％。该参数同样旨在特别地限定热电器件或模块的可能的最紧凑设计。在该情况下，第一和第二载体层的可覆盖的总面积受到设置在外边缘的半导体元件的限制，由此要考虑在半导体元件之间存在的电绝缘空隙。模块的面积利用度应被实施为特别地大于95％，特别地大于98％。
根据热电器件的另一有利改进，所述载体层中的至少一个与所述半导体元件之间的所述电绝缘层具有小于70μm的绝缘层厚度。特别地，该绝缘层厚度应被实施为小于50μm，特别优选小于20μm。
根据热电器件的另一有利配置，所述半导体元件的高度与所述电绝缘层的绝缘层厚度的比值大于8∶1，优选大于80∶1，特别优选大于100∶1。该参数同样阐明了用于半导体元件的设置的热电器件的现有容积的高利用率，由此提供了尽可能高效的热电器件。
根据热电器件的另一有利配置，所述第一载体层具有20μm与500μm之间、优选40μm与250μm之间的第一厚度。在该情况下，特别地，在热电器件的操作期间，第一载体层被设置在热侧。
特别地，仅仅第一载体层具有至少一个轴向补偿元件，所述轴向补偿元件补偿模块在轴向上的热膨胀。可以例如以波形管的方式或根据波形凸起而实施该轴向补偿元件，从而可以在该区域中压缩或膨胀，由此补偿第一载体层(热侧)与第二载体层(冷侧)之间的不同热膨胀，所述不同热膨胀是由温度差引起的。
特别地，将所述第二载体层设置为具有200μm与1.5mm之间、优选400μm与1.2mm之间的的第二厚度。显著大于第一厚度的该第二厚度确保了热电器件或模块的尺寸稳定性。
特别优选地，一种热电器件至少包括具有第一载体层和第二载体层的至少一个模块、所述第一载体层与所述第二载体层之间的间距、在所述第一载体层和所述第二载体层上朝向所述间距的电绝缘层、多个p掺杂和n掺杂的半导体元件，所述半导体元件被交替地设置在所述绝缘层之间的所述间距中并被交替地彼此电连接，其中存在上述特征中的至少一个：
1.所述模块中的所述半导体元件的容积之和与所述模块的密封容积的比值导致大于90％的有用容积；
2.通过由云母或陶瓷构成的层或涂层而形成电绝缘物；
3.所述半导体元件之间的空隙小于50μm；
4.所述半导体元件的高度与所述绝缘层的厚度的比值大于8∶1；
5.焊料材料具有焊料厚度，并且所述半导体元件的高度与所述焊料厚度的比值大于5∶1。
还特别优选彼此组合地利用上述特征中的至少三个或甚至全部。上述顺序在当前被视为表示用于改进已知器件的特征的关联性。
有利地，所述第二载体层包括具有大于所述第一载体层的热导率的材料，从而，尽管第二厚度较大，第二载体材料仍然呈现相当大的热耗散。
根据热电器件的另一有利改进，以沿轴向在每种情况下至多10mm的距离设置多个轴向补偿元件。
根据另一有利配置，至少一个模块具有至少一个轴向补偿元件，所述轴向补偿元件是通过沿轴向倾斜地设置的至少多个半导体元件而形成的，从而模块在轴向上的热膨胀被至少部分地转换成径向上的热膨胀。作为沿轴向倾斜地设置半导体元件的结果，由于第一载体层与第二载体层相比不同的热膨胀，因此可以通过半导体元件的倾斜位置的改变来补偿这些载体层的相对移动。结果，引起径向膨胀，代替了在一侧上模块的长度的改变。在该情况下，至少在热电器件不工作的同时沿轴向倾斜地设置至少多个半导体元件。在工作期间，由于半导体元件以被设置的方式周向热膨胀，所述半导体元件特别地垂直于载体层或轴向地伸直。该径向热膨胀可导致这样的截面的限制，该截面邻接外载体层并且流体流过该截面，其中作为结果，对沿载体层的流体容积流速的控制同样成为可能。因此，可以以自调制的方式控制在具有多个热电器件和多个通道或载体层的热电发电器中的流体流动，其中流体流过所述通道或者流体在载体层上流动，从而确保或促进了可得的热功率在热电器件的所有可得表面上的流体流动中的均匀分布。
根据另一有利改进，通过用于具有不同热膨胀系数的所述载体层的材料产生对所述热膨胀的补偿。热侧的载体层具有相应地低的热膨胀系数，而冷侧的载体层具有相应地高的热膨胀系数。
热电器件的另一特别优选的配置提供了：至少多个模块可沿轴向被彼此连接。这能够实现适于先前限定的功率要求的热电器件。这特别有利于用于不同应用的热电器件的制造和提供。在该情况下，特别地至少通过彼此焊料连接来使模块互连，其中，特别地，将相互绝缘的电导体路径设置为能够实现单独的模块的半导体元件的串联电连接。特别地，在该情况下，还产生单独的模块的不漏流体的互连，从而，特别地，具有腐蚀效应的周围介质，例如排气，不能渗入两个模块之间的区域中。特别地，优选将模块的管状配置用于至少多个模块的该连接。
有利地，模块可具有相对于周围介质或流体(特别地相对于冷却回路或排气)而密封所述载体层之间的所述间距的填充物。特别地，载体层还可通过使第一载体层和第二载体层形成彼此(直接)连接而密封所述间距。然而，在多个模块一个设置在另一个之后的设置的情况下，优选地，第一载体层被连接到第一载体层和/或第二载体层被连接到第二载体层，以便在不使载体层必须被导体路径贯穿的情况下各单独的模块内的电导体路径可被连接到邻近的模块的导体路径。
根据另一有利配置，一种热电装置具有多个根据本发明的热电器件，其中所述第一载体层被连接到热侧，而所述第二载体层被连接到冷侧。
尤其优选地，这里提供一种机动车，其包括内燃机、排气系统、冷却回路、以及多个根据本发明的热电器件，其中所述第一载体层被连接到热侧，而所述第二载体层被连接到冷侧，并且其中，在所述机动车中，所述排气系统被连接到所述热侧，而所述冷却回路被连接到所述冷侧。
附图说明
下面将参考附图更详细地说明本发明和技术领域。应指出，附图示出了本发明的特别优选的实施例变型，但本发明不受此限制。在示意性的附图中：
图1示出了在机动车中的热电装置的实施例变型；
图2示出了热电器件的模块的实施例变型；
图3示出了半导体元件的实施例变型；
图4示出了热电器件的模块的另一实施例变型；
图5示出了半导体元件的另一实施例变型；
图6示出了热电器件的实施例变型；以及
图7示出了模块的实施例变型的细节。
具体实施方式
图1示出了在包括内燃机35和排气系统36的机动车34中的热电装置33的实施例变型，其中具有高温的第二流体23(特别地，排气)流过热电装置33。热电装置33具有多个包括模块2的热电器件1。第二流体23在热侧38在所述模块2上流动，而第一流体14在冷侧39在所述模块上流动，所述第一流体被指派到冷却回路37。通过模块2的第一载体层3对热电器件1的热侧38定界。同样的，通过模块2的第二载体层4对冷侧39定界。半导体元件7被设置在第一载体层3与第二载体层4之间的间距5中。此外，图1示出了模块2的密封容积19，其在这里由第一载体层3和第二载体层4定界或封闭。
图2示出了热电器件1的模块2的实施例变型的细节。在该情况下，模块2被示例为具有第一载体层3和第二载体层4，在第一载体层3和第二载体层4之间具有间距5，在间距5中，半导体元件7被交替地设置为n掺杂和p掺杂的半导体元件。通过焊料材料10而使半导体元件7交替地彼此电连接，由此产生通过n掺杂和p掺杂的半导体元件形成的串联电路。这里，焊料材料10具有焊料厚度12。通过具有绝缘层厚度26的电绝缘层6而使焊料材料10分别与第一载体层3和第二载体层4分隔开。这里，第一载体层3具有第一厚度27，该第一厚度27特别地被实施为小于第二载体层4的第二厚度28。在半导体元件7之间设置具有绝缘物宽度22的绝缘物21，绝缘物21旨在防止流过半导体元件7的电子跨越(crossover)，因此确保了半导体元件7仅仅通过形成导体路径42的焊料材料10而串联连接。此外，模块2具有总面积25，该总面积可被半导体元件7覆盖并由最外的半导体元件7定界。相比而言，覆盖的面积24是模块2的被半导体元件7覆盖的面积部分之和。
图3示出了半导体元件7的实施例变型。半导体元件7在此被实施为平行六面体方式或小杆的形式，并具有第一接触区15和第二接触区16，半导体元件7通过这两个接触区而被分别经电绝缘层连接到第一载体层和第二载体层。此外，半导体元件7具有通过使半导体元件7与焊料材料10接触而形成的电流传输区11，模块内的各半导体元件通过该电流传输区11而在串联电路中彼此连接。半导体元件7还具有侧区20，侧区20与第一和第二接触区15、16一起对半导体元件7的容积定界。半导体元件7还具有高度13。
图4示出了热电器件1的模块2的另一实施例变型，这里示出了热电器件1或模块2的管状实施例。特别地，第二流体23流过管状模块2的内通道41。由此，在这里示出的实施例变型中，内通道41形成热电器件1的热侧38。第一流体14在热电器件1的冷侧39上流动，从而跨过半导体元件7而形成热势。通过第一载体层3形成管的内周区并由此形成内通道41，而这里通过第二载体层4形成模块2的外周区。为了对间距5定界并且为了防止可能具有腐蚀效应的流体的进入，通过填充材料40来密封间距5。
图5示出了半导体元件7的另一实施例变型。在该情况下，这里示出了具有外周区8和内周区9的环状半导体元件7。该半导体元件7特别地适合用于例如根据图4的管状热电器件。在该情况下，半导体元件7通过第一接触区15而被连接到第一载体层并通过第二接触区16而被连接到第二载体层。此外，半导体元件7具有侧区20以及在内周区9与外周区8之间形成的高度13。环状半导体元件7在其外周区15上具有电流传输区11且在其内周区16上具有通过与焊料材料10接触而形成的另一电流传输区。
图6示出了热电器件1的实施例变型，其中通过焊接连接43使多个模块2彼此连接而形成热电器件1。在该情况下，特别地，确保了各模块2相对于可能具有腐蚀效应的流体的密封。这里，多个模块2被连接而形成热电器件1，从而热电器件1可适于对电能的提供或所存在的热能向电能的转换的种类繁多的要求。通过连接工具45而使各模块2彼此电连接，从而通过热电器件1内的多个模块2同样确保了由半导体元件形成的串联电路。
图7示出了模块2的优选实施例变型的细节，其中在此提供了相对于轴向31倾斜的半导体元件7，其形成轴向补偿元件29，从而可以通过改变半导体元件7的倾斜度而将轴向31上的热膨胀30至少部分地转换成径向44上的热膨胀30。此外，轴向补偿元件29被设置在第一载体层3(热侧)上，以彼此相距距离32而设置所述补偿元件。
参考符号列表
1热电器件
2模块
3第一载体层(热侧)
4第二载体层(冷侧)
5间距
6绝缘层
7半导体元件
8外周区
9内周区
10焊料材料
11电流传输区
12焊料厚度
13高度
14第一流体
15第一接触区
16第二接触区
17有用容积
18容积
19密封容积
20侧区
21绝缘物
22绝缘物宽度
23第二流体
24覆盖面积
25可覆盖的总面积
26绝缘层厚度
27第一厚度
28第二厚度
29轴向补偿元件
30热膨胀
31轴向
32距离
33热电发电器
34机动车
35内燃机
36排气系统
37冷却回路
38热侧
39冷侧
40填充材料
41内通道
42导体路径
43焊料连接
44径向
45连接元件
Claims (11)
1.一种热电器件(1)，其至少包括：
至少一个模块(2)，其具有第一载体层(3)和第二载体层(4)；
在所述第一载体层(3)与所述第二载体层(4)之间的间距(5)；
在所述第一载体层(3)和所述第二载体层(4)上的朝向所述间距(5)的电绝缘层(6)；
多个p掺杂的和n掺杂的半导体元件(7)，其被交替地设置在所述绝缘层(6)之间的所述间距(5)中并被交替地彼此电连接；
其中所述半导体元件(7)以环状方式或以环状区段形状方式配置并且通过外周区(8)和内周区(9)而被连接到所述电绝缘层(6)，其中所述p掺杂的和n掺杂的半导体元件(7)各自具有在所述外周区(8)上和所述内周区(9)上的相同尺寸的电流传输区(11)。
2.根据权利要求1的热电器件(1)，其中用于所述至少一个载体层(3，4)的材料包括塑料。
3.根据前述权利要求中任一项的热电器件(1)，其中所述p掺杂和n掺杂的半导体元件(7)通过在所述电绝缘层(6)上的焊料材料(10)而彼此电连接，并且满足以下条件中的至少一个：
a)所述焊料材料(10)具有焊料厚度(12)，并且所述半导体元件(7)的高度(13)与所述焊料厚度(12)的比值大于5:1；
b)所述焊料材料(10)是选自活性焊料、银焊料的元素。
4.根据权利要求1或2的热电器件(1)，其中经所述电绝缘层(6)的所述第一载体层(3)与所述半导体元件(7)之间的第一接触区(15)和所述第二载体层(4)与所述半导体元件(7)之间的第二接触区(16)具有不同的尺寸，并且第一接触区(15)与第二接触区(16)的比值达到1:3。
5.根据权利要求1或2的热电器件(1)，其中将所述模块(2)的有用容积(17)限定为所述模块(2)中的所述半导体元件(7)的容积(18)之和与所述模块(2)的密封容积(19)的比值，并且所述有用容积(17)大于90％。
6.根据权利要求1或2的热电器件(1)，其中所述半导体元件(7)在彼此面对的侧区(20)上具有电绝缘物(21)，其中所述电绝缘物(21)特别地通过由云母或陶瓷构成的层形成。
7.根据权利要求1或2的热电器件(1)，其中所述半导体元件(7)的高度(13)与所述电绝缘层(6)的绝缘层厚度(26)的比值大于8:1。
8.根据权利要求1或2的热电器件(1)，其中所述第一载体层(3)具有至少一个轴向补偿元件(29)，所述轴向补偿元件(29)补偿所述模块(2)在轴向(31)上的热膨胀(30)。
9.根据权利要求1或2的热电器件(1)，其中所述至少一个模块(2)具有至少一个轴向补偿元件(29)，所述轴向补偿元件(29)是通过沿轴向(31)倾斜地设置的至少多个半导体元件(7)而形成的，从而所述模块(2)在轴向(31)上的热膨胀(30)被至少部分地转换成在径向(44)上的热膨胀(30)。
10.根据权利要求1或2的热电器件(1)，其中至少多个模块(2)能够沿轴向(31)彼此连接。
11.一种机动车(34)，其包括内燃机(35)、排气系统(36)、冷却回路(37)、以及多个根据前述权利要求中任一项的热电器件(1)，其中所述第一载体层(3)被连接到热侧(38)，而所述第二载体层(4)被连接到冷侧(39)，并且其中，在所述机动车(34)中，所述排气系统(36)被连接到所述热侧(38)，而所述冷却回路(37)被连接到所述冷侧(39)。
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