CN102714268B - 具有成对设置的p和n掺杂的柱的热电模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有成对设置的p和n掺杂的柱(2、3)的热电模块(1)，柱(2、3)在相对的端部通过导电的接触元件(4、5)串联，其中p和n掺杂的柱(2、3)成对地布置成V形，并且柱(2、3)的每个互相倾斜的端部借助于接触元件(4、5)导电连接。根据本发明，导电的接触元件(4、5)构成双楔形状，双楔的两个楔面(6、6’)与接触元件(4、5)的基面(7)分别形成对应于各个柱(2、3)的倾斜角(α)的锐角。

Description

具有成对设置的p和n掺杂的柱的热电模块
本发明涉及一种具有成对设置的p和n掺杂的柱(Schenkel)的热电模块，柱在相对的端部通过导电的接触元件串联，其中p和n掺杂的柱成对地布置成V形，并且柱的各个互相倾斜的端部借助接触元件导电连接。
根据现有技术的热电模块例如具有在DE 10 2005 057 763 A1中描述的结构。该热电模块具有多个热电的半元件(或者p和n掺杂的柱)，其中每个半元件为长方体形或者柱形，并且各个元件平行设置。结构构造成使由相互交替的材料(p和n导电掺杂的半导体)制成的半元件串联。在相对的端部处，小印刷电路板固定在半元件处，这些电路板分别导电连接p掺杂和n掺杂的柱。每一侧的小印刷电路板构成一个平面，在该平面内基本上直接接触热交换板。从US 6,759,586 B2中已知一种平行定向的p和n掺杂的柱的相似结构，这些柱与钢制或者钢合金制的小电极板彼此导电连接。
另外从WO 2008/155406 A2中已知一种用于将热能转换成电能的热电发电机，其装备有多个联接成一个模块的珀尔帖元件，这些珀尔帖元件设置在热源和散热器之间。每个珀尔帖元件由p掺杂的柱和n掺杂的柱组成，这些柱彼此平行并且在它们的端部处通过电极导电连接。各个珀尔帖元件的p掺杂的和n掺杂的柱都具有不同的材料，它们的效率关于在朝向热源的各个珀尔帖元件的接触位置处的不同温度值而进行优化。对于高温应用场合，在p掺杂的柱内使用铁基方钴矿，例如Ce0.9Fe3CoSb12，或者Yb0.75Fe3.5Ni0.5Sb12，并在n掺杂的柱内使用钴基方钴矿，例如YbyCo4-xPtxSb12，或者Ba0.3Co3.95Ni0.05Sb12。
平行设置各条柱的结果是，保持非常小的制造公差是必要的，以便能够低成本地借助于预成形的接触元件或者电极元件产生对于接触电极或者热交换元件的平坦的接触面。这样，在此需要10μm范围内的制造公差，这将引起对于p和n柱的精加工的较高要求。特别在高温应用场合中，为了柱较佳地使用像例如在开始时提到的方钴矿这样的材料，这种材料只有用较大的花费才能够进行精加工。
JP 05-299704 A示出一种热模块，它的b和n掺杂的柱成对地布置成V形，其中柱的相对的端部借助接触元件导电连接。为在柱的端部处实现特定的温度分布，它们构成关于接触元件垂直定向的缝隙区，该缝隙区部分地由设置在柱中心之上的连接元件跨接。由此，各个柱具有复杂的待制造的形状，即在一端具有倾斜面，并且在另一端具有两个构成90°角的倾斜面(具有5边基面的棱柱形结构)。该形状不仅在制造方面有缺点，而且鉴于不均匀的流线密度以及在柱内部不规则的温度分布也具有缺点。
从JP 2007-294689 A获知一种具有平行设置的柱(TEG-柱)的热模块，其中仅当使用带有倾斜端面的TEG柱，这些柱紧靠相应倾斜的电气接触元件时，才可能实现微小的公差补偿。在空间设置多个b和n掺杂的柱的情况下使用多种不同待加工的TEG柱(梯形棱柱、菱形棱柱和具有彼此旋转设置的倾斜端面的棱柱)，由此在制造和设置各个柱时需要很大的额外花费。
本发明的任务在于，从已知的热电模块出发建议改进的方案，借助改进方案能够简化热电模块的制造，其中应将对于各个TEG柱以及其余部件的精度要求减到最小。
根据本发明该任务如下解决，即导电的接触元件构成双楔形状，双楔的两个楔面与接触元件的基面分别形成锐角，该锐角相应于各个柱的倾斜角。由此能够使用可简单制造的、无须精加工的长方体状的柱。此外能够使用同类的、预先加工的接触元件，它们例如通过钎焊、热压或者扩散焊接与p和n掺杂的柱导电连接。
较佳地，各个柱具有5°和15°之间的倾斜角。通过本发明的各个长方体状的柱的V形位置，它们的长度可借助于呈双楔形式的接触元件而与预先规定的模块高度配合，以使得能够以简单的方式实现公差补偿。通过取消各个长方体状的柱的机械的精加工和在大约3到7mm的柱的典型的总长度的情况下允许50μm范围的长度公差，能够显著简化制造，这是因为在柱成形(例如通过压制或者烧结)之后可以取消后续的精加工并且同样取消或者简化任何长度级的划分。
根据本发明规定，模块的p和n掺杂的柱设置成多个平行的行，在此为了连接两个相邻的行而设置有呈具有平行定向的楔尖的双楔形式的补偿接触元件，其两个接触面与基面形成锐角，该锐角对应于倾斜角。
按照一较佳的实施例，高温模块的p和n掺杂的柱可以由耐超过400℃温度的材料构成，例如由铁基或者钴基方钴矿构成。
然后接触元件较佳地由具有1*106到10*106Sm-1(西门子/米)范围内的中等电导率和具有10到40Wm-1K-1(瓦/米·开尔文)范围内的中等导热率的耐温材料制成，例如由易加工的合金钢制成。
下面根据部分示意表示的附图来进一步阐述本发明。附图中：
图1以剖视图示出根据现有技术的热电模块，
图2以按照图1的剖视图来示出本发明的热电模块，
图3以三维视图示出图2的细部，
图4以三维视图示出用于制造根据图2的热电模块的装置，
图5以三维视图示出根据图2的热电模块的变型，
图6以放大的视图示出根据图5的变型的细部，
图7到图9示出已知的实施方式(图7和图8)与本发明(图9)的对照。
图1表示根据现有技术的热电模块1，其具有平行设置的p和n掺杂的柱2、3(P和N柱)，其中每条柱由两种热电材料中的一种构成，并且具有两个彼此相对的端部，这些端部分别通过导电的接触元件4、5与相邻的柱连接在一起。该结构构造成使柱2、3电气串联。各个接触元件4、5有可能经由粘接件(Haftverbinder)13基本上直接与不另作详细说明的热交换元件11、12连接。例如，冷却剂热交换器可用作热交换元件11，而废气热交换器可用作热交换元件12。在各个柱2、3的长度公差都过大的情况下会出现热接触不足，由此使该模块的效率变差。
图2示出根据本发明的热电模块1，其中p和n掺杂的柱2、3成对地布置成V形。其侧面彼此垂直设置的长方体状的柱2、3的各个互相倾斜的端部紧靠导电的接触元件4、5，其中如在图3的详图中所示，导电接触元件4、5构成双楔形状的棱柱形，其中楔角10、10’朝向相反的方向。因此，构造出相等倾角的两个楔面6、6’，这些楔面与双楔的基面7形成与各个柱2、3的倾斜角α相对应的角度。倾斜角α(从平行位置的角度偏离)对于热电模块的所有元件和双楔都相等，并且较佳地在5°和15°之间。因此，V形位置具有张角2α。在接触元件4、5和各所属的热交换元件11、12之间可以设置尽可能薄的具有良好导热性的电绝缘层13。
如图4中所示，在制造热电模块时，公差补偿能够以简单的方式起作用，以消除柱2、3的长度上的尺寸误差。为此，采用具有两个平行设置的引导元件14的模板(Schablone)，借助于这些引导元件预先规定待制造的热电模块的高度。在此，首先把由下接触元件5和一个p掺杂的柱2组成的第一单元推入引导元件14之间，并且把由n掺杂的柱3与上接触元件4组成的第二单元随之推入，直到通过在楔面6’上推动，被推入的单元紧靠上引导元件14。之后，接着把由下接触元件5和p掺杂的柱2组成的第三单元如用箭头15所示推入。这一过程一直继续，直到达到希望数目的成对设置的p和n掺杂的柱2、3。柱2、3的微小的长度差能够通过本发明的措施由较小的、不影响模块功能的柱2、3的中心距之差来补偿。
图5表示一种较佳的实施方式变型，其中模块1的p和n掺杂的柱2、3设置成四个平行的行8，在此为连接两个相邻的行8而设置特定的双楔形式的补偿接触元件9。双楔9在图6中详细示出并配备平行定向的楔尖10、10’，在此楔面6、6’也与基面7形成相应于倾斜角α的锐角。作为用于各行8的所有长度差的补偿，该双楔的两个楔具有不同的长度。平衡接触元件9也可用作模块的电气连接元件。
本发明的另一个优点在图7到图9中说明。图7示出柱2、3在接触元件4、5之间常见的平行设置，接触元件4、5在此表示为具有高导热性和高导电性的材料的薄板。在此，电气接触元件例如可以由银、铜、铝等构成，其具有＞60*106Sm-1的电导率和＞200Wm-1K-1的热导率。但是对于高温应用场合，许多已知的导电材料是不适合的，因为这些材料不能持久地与TEG柱的材料兼容。沿总高度H观察温度梯度，该总高度H由上接触元件4的(h_元件)(h_el)、柱2的h_柱(h_leg)和下接触元件5的h_元件(h_el)组成，其中在这种情况下h_元件＜＜h_柱(h_el＜＜h_leg)适用。
现在图8示出用于高温应用场合的热电模块，其具有由高温材料制成的平行的TEG柱2、3，在此接触元件4、5例如由钢合金制成并且仅具有适度的导热率(约10到40Wm-1K-1)或者导电率(1*106到10*106Sm-1)。因此，接触元件在给定的电流负载的情况下必须实施成较厚的，这里对于平行设置时的温度梯度，高度H＝h_柱+2*h_元件(H＝h_leg+2*h_el)适用。
图9中示出的V形结构具有接触元件4、5构造成双楔的优点，其中在最大的电流负载的位置(在柱2、3的互相倾斜的端部之间)出现最大的横截面，并且当两次考虑一半的楔高度时对于温度梯度有效的高度为H＝h_柱+1*h_元件(H＝h_leg+1*h_el)。因此，可通过V形位置更好地充分利用已有的温度梯度。

Claims (9)

1.一种具有成对设置的p和n掺杂的柱(2、3)的热电模块(1)，所述柱(2、3)在相对的端部处通过导电的接触元件(4、5)串联，其中p和n掺杂的柱(2、3)成对地布置成V形，并且所述柱(2、3)的各个互相倾斜的端部借助于所述接触元件(4、5)导电连接，其特征在于，导电的接触元件(4、5)构造成双楔的形式，所述双楔的两个楔面(6、6’)与所述接触元件(4、5)的基面(7)分别形成对应于各个柱(2、3)的倾斜角(α)的锐角，其中，p掺杂的柱(2)的各端面以及n掺杂的柱(3)的各端面分别彼此平行并且垂直于对应的柱(2、3)的轴线，并且，与一个p掺杂的柱(2)或者n掺杂的柱(3)的端面直接接触的、与所述基面(7)构成锐角的相对的楔面(6、6’)也分别彼此平行。
2.如权利要求1所述的热电模块(1)，其特征在于，各个柱(2、3)具有5°和15°之间的倾斜角(α)。
3.如权利要求1或2所述的热电模块(1)，其特征在于，导电的接触元件(4、5)构造成棱柱形，并且具有相反定向的楔尖(10、10’)。
4.如权利要求1或2所述的热电模块(1)，其特征在于，模块(1)的p和n掺杂的柱(2、3)设置成多个平行的行(8)，为了连接两个相邻的行(8)设置呈具有平行定向的楔尖(10、10’)的双楔形式的补偿接触元件(9)，所述补偿接触元件的两个接触面(6、6’)与所述基面(7)分别形成对应于倾斜角(α)的锐角。
5.如权利要求1或2所述的热电模块(1)，其特征在于，所述接触元件(4、5)的所述基面(7)构成与邻接的热交换元件(11、12)平行的接触面。
6.如权利要求1或2所述的热电模块(1)，其特征在于，所述热电模块(1)的p和n掺杂的柱(2、3)由耐超过400℃温度的材料构成。
7.如权利要求1或2所述的热电模块(1)，其特征在于，所述接触元件(4、5)由具有1×106到10×106Sm-1范围内的中等电导率和具有10到40Wm-1K-1范围内的中等导热率的耐温材料制成。
8.如权利要求6所述的热电模块(1)，其特征在于，所述热电模块(1)的p和n掺杂的柱(2、3)由铁基或者钴基方钴矿构成。
9.如权利要求7所述的热电模块(1)，其特征在于，所述接触元件(4、5)由合金钢制成。
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