DE102010001539A1

DE102010001539A1 - Thermoelectric module for producing electric power, has P-and N-doped semiconductor bodies whose side carries dissipation layers and insulation layer that extends from each dissipation layer to carrier and channels extend within carriers

Info

Publication number: DE102010001539A1
Application number: DE102010001539A
Authority: DE
Inventors: Ulrich 75438 Kappenstein; Winfried 75433 Ziegler; Miroslaw 71665 Brzoza
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-02-03
Filing date: 2010-02-03
Publication date: 2011-08-04

Abstract

The module (10) has P-doped semiconductor bodies (20a-20c) and N-doped semiconductor bodies (22a-22c) whose external side carries electrical dissipation layers (30a-30g). Each electrical dissipation layer is directly arranged on carriers (40a, 40b) or over an insulation layer on the carriers, where the insulation layer extends from the electrical dissipation layer to the carrier. Fluid channels (50) are provided in the carriers, where the fluid channels extend within the carriers. Liquid cooling medium i.e. cooling water, is fed via the channels. An independent claim is also included for a method for producing a thermoelectric module with thermoelectric active material.

Description

Stand der TechnikState of the art

Es ist bekannt, thermoelektrische Module zu verwenden, um elektrische Leistung zu erzeugen. Hierzu werden Module verwendet, die gemäß dem Peltier-Effekt oder gemäß dem Seebeck-Effekt arbeiten. Anhand einer Temperaturdifferenz, die von einer Wärmequelle und einer Wärmesenke bereitgestellt wird, ermöglichen thermoelektrische Module die Erzeugung von elektrischem Storm bzw. elektrischer Spannung, insbesondere um Abwärme elektrisch nutzbar zu machen.It is known to use thermoelectric modules to generate electrical power. For this purpose, modules are used which work according to the Peltier effect or according to the Seebeck effect. Based on a temperature difference, which is provided by a heat source and a heat sink, thermoelectric modules allow the generation of electrical current or voltage, in particular to make waste heat electrically usable.

Die Module bestehen üblicherweise aus thermoelektrisch aktivem Material, das sich zwischen zwei Wärmeübertragungsplatten befindet. Diese werden über weitere Befestigungsmechanismen mit der Wärmequelle bzw. mit der Wärmesenke (üblicherweise weitere Metallstücke wie Rohre) befestigt. In einem typischen Aufbau gemäß dem Stand der Technik folgt üblicherweise auf das thermoelektrisch aktive Material (insbesondere halbdotierte Halbleiterschenkel) zunächst eine elektrische Verbindung, auf die wiederum ein Wärmeverteiler folgt. Ferner ist eine elektrische Isolation vorgesehen, die zwischen der elektrischen Kontaktierung und dem Wärmeverteiler oder zwischen dem Wärmeverteiler und einem weiteren Wärmeleitmedium, insbesondere einer Kupferplatte, angeordnet ist. Das Wärmeleitmedium selbst ist dem Modul zuzuordnen, wohingegen eine daran stoßende Wärmesenke oder Wärmequelle beispielsweise einem Abgasstrang zugeordnet ist. Das Wärmeleitmedium kann ferner ein Wärmeleitkörper sein bzw. Wärmeleitpaste. Diese stößt an die Wärmesenke, beispielsweise in Form einer Fluidkanalwand, die als Abgasrohr ausgestaltet ist.The modules usually consist of thermoelectrically active material, which is located between two heat transfer plates. These are fastened by means of further fastening mechanisms with the heat source or with the heat sink (usually further metal pieces such as pipes). In a typical construction according to the prior art, usually the thermoelectrically active material (in particular semi-doped semiconductor legs) is first followed by an electrical connection, which in turn is followed by a heat distributor. Further, an electrical insulation is provided, which is arranged between the electrical contact and the heat spreader or between the heat spreader and another heat conducting medium, in particular a copper plate. The heat-conducting medium itself is assigned to the module, whereas an abutting heat sink or heat source, for example, is assigned to an exhaust gas line. The heat-conducting medium may also be a heat-conducting body or thermal compound. This abuts the heat sink, for example in the form of a fluid channel wall, which is designed as an exhaust pipe.

Somit wird im Stand der Technik von eigenständigen Modulen ausgegangen, beispielsweise geschlossenen Modulen auf Keramikbasis oder eingegossenen Modulen, die auch als offene Module bezeichnet werden, die eigene elektrische Kontakte, elektrische Isolationsschichten, Wärmespreizelemente und Wärmekontaktflächen aufweisen. Diese eigenständigen Module werden mit den Kontaktflächen über ein weiteres Wärmeleitmedium (beispielsweise Wärmeleitpaste) an den Körper angebracht, der die Wärmequelle bzw. Wärmesenke bildet. Dies betrifft sowohl den Anschluss einer Kontaktfläche an die Wärmequelle als auch den Anschluss der entgegengesetzten Kontaktfläche an die Wärmesenke.Thus, the prior art is based on independent modules, for example closed modules based on ceramics or cast-in modules, which are also referred to as open modules, which have their own electrical contacts, electrical insulation layers, heat spreading elements and thermal contact surfaces. These self-contained modules are attached to the contact surfaces via another heat-conducting medium (for example heat-conducting paste) to the body, which forms the heat source or heat sink. This applies both to the connection of a contact surface to the heat source and the connection of the opposite contact surface to the heat sink.

Es wurde somit als Problem erkannt, dass zwischen dem thermoelektrischen Material und dem Wärmemedium bzw. Kühlmedium (beispielsweise Abgas und Wasser) zahlreiche Elemente angeordnet sind, die die Effizienz verringern. Da die Effizienz unmittelbar von der Temperaturdifferenz abhängt, die für das thermoelektrische Material vorgesehen ist, ergeben sich durch die zahlreichen Kontaktübergangsstellen und durch die verwendeten Elemente Wärmedifferenzverluste durch die Elemente selbst, da sich auch bei hochgradig wärmeleitendem Material ein zu berücksichtigender Wärmewiderstand ergibt.It has thus been recognized as a problem that between the thermoelectric material and the heat medium or cooling medium (for example, exhaust gas and water), numerous elements are arranged, which reduce the efficiency. Since the efficiency depends directly on the temperature difference, which is provided for the thermoelectric material, resulting from the numerous contact transition points and the elements used heat loss losses through the elements themselves, as even with highly thermally conductive material results in a thermal resistance to be considered.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Erfindung ermöglicht eine deutliche Reduktion der Elemente, die den Wärmeübergang zwischen thermoelektrisch aktivem Material und Wärme-/Kühlmedium vorsehen. Dadurch lässt sich eine höhere Integrationsdichte erreichen. Darüber hinaus ergibt sich eine deutlich verbesserte Effizienz, da die Wärmeankopplung substanziell verbessert ist, insbesondere ergeben sich deutlich weniger Wärmeübergangsstellen. Durch die Reduktion der einzelnen Komponenten und die damit verbundene Verringerung der notwendigen Befestigungen ergibt sich auch eine geringere Anfälligkeit für mechanische Belastungen und somit auch eine Ausfallsicherheit. Ebenso ergibt sich eine deutlich höhere Baudichte, wodurch mehr elektrische Leistung pro Volumen des Bauteils erzeugt werden kann. Da Wärmeübergangsstellen und die zahlreichen Verbindungselemente im Stand der Technik zu einer verringerten nutzbaren Temperaturdifferenz führen, ergibt sich für Module gemäß dem Stand der Technik eine höhere notwendige Temperaturdifferenz im Gegensatz zu der erfindungsgemäßen Anordnung, mit der auch bei geringen Temperaturdifferenzen hohe Effizienzen erreicht werden können.The invention enables a significant reduction of the elements that provide the heat transfer between thermoelectrically active material and heat / cooling medium. As a result, a higher integration density can be achieved. In addition, there is a significantly improved efficiency, since the heat coupling is substantially improved, in particular, there are significantly fewer heat transfer points. The reduction of the individual components and the associated reduction of the necessary fastenings also results in a lower susceptibility to mechanical loads and thus also a failure safety. Likewise, a significantly higher building density results, whereby more electrical power per volume of the component can be generated. Since heat transfer points and the numerous connecting elements in the prior art lead to a reduced usable temperature difference, results in a higher required temperature difference for modules according to the prior art in contrast to the inventive arrangement, with the high efficiencies can be achieved even at low temperature differences.

Das der Erfindung zugrunde liegende Konzept ist es, das thermoelektrische Modul unmittelbar auf einen Träger aufzubringen, der selbst von Fluidkanälen durchzogen ist. Damit wird ein Teil des Moduls mit einem Teil der Wärmequelle bzw. Wärmesenke integriert, wodurch zahlreiche Komponenten, insbesondere der Wärmespreizer und Verbindungskomponenten des Moduls entfallen können. Der Träger stößt unmittelbar an das thermoelektrisch aktive Material an, wodurch sich eine optimale Wärmeübertragung ergibt. Lediglich die elektrische Ableitungsschicht und gegebenenfalls eine zugehörige elektrische Isolationsschicht (falls der Träger selbst leitend ist) trennen das thermoelektrisch aktive Material selbst von dem Träger. Durch die Fluidkanäle wird der Träger unmittelbar erwärmt, so dass zwischen dem Fluid innerhalb des Trägers und dem thermoelektrisch aktiven Material lediglich eine Ableitungsschicht und gegebenenfalls eine Isolationsschicht vorgesehen sind. Abhängig von der Anordnung können Wärme leitende Elemente wie Wärmeleitpaste oder Wärmeleitfolien verwendet werden, die zwischen Träger und thermoelektrisch aktivem Material vorgesehen sind, jedoch sind insbesondere keinerlei Metallplatten oder andere Wärme spreizende Elemente vorgesehen, die gemäß dem Stand der Technik die einzelnen selbständigen Module abschließen oder auch verwendet werden, um selbständige Module an eine Wärmesenke oder Wärmequelle (beispielsweise ein Rohr) anzubringen und mit diesem Wärme übertragend zu verbinden.The concept underlying the invention is to apply the thermoelectric module directly to a support which itself is traversed by fluid channels. This part of the module is integrated with a part of the heat source or heat sink, whereby many components, in particular the heat spreader and connection components of the module can be omitted. The carrier abuts directly on the thermoelectrically active material, resulting in optimum heat transfer. Only the electrical dissipation layer and optionally an associated electrical insulation layer (if the support itself is conductive) separate the thermoelectrically active material itself from the support. The carrier is heated directly by the fluid channels, so that only one dissipation layer and possibly an insulating layer are provided between the fluid within the carrier and the thermoelectrically active material. Depending on the arrangement, heat-conducting elements such as thermal paste or heat conducting foils can be used, which are provided between the carrier and thermoelectrically active material, but in particular no metal plates or other heat-spreading elements are provided, which according to the Stand The technique of the individual self-contained modules complete or can be used to attach self-contained modules to a heat sink or heat source (for example, a pipe) and connect heat-transferring with this.

Der Träger, welcher das thermoelektrisch aktive Material (und dessen elektrische Anschlüsse) trägt, ist selbst mit Fluidkanälen vorgesehen, wodurch das thermoelektrisch aktive Material unmittelbar auf der Wärmequelle aufsitzt. In diesem Fall wird als Wärmequelle das Fluid betrachtet, das in den Fluidkanälen vorgesehen ist und das unmittelbar seine Umgebung, d. h. den Träger erwärmt. Gleiches gilt für ein kühlendes Medium, das die Wärmesenke darstellt. Das thermoelektrisch aktive Material ist über die elektrische Ableitungsschicht mit dem Träger verbunden, wobei die elektrische Ableitungsschicht eine Elektrode (vorzugsweise eine Metall- oder Kupferelektrode) ist, um die Elektronen- oder Löcherleitung zu dem thermoelektrisch aktiven Material zu ermöglichen und insbesondere, um ein erstes thermoelektrisch aktives Element mit einem weiteren, insbesondere benachbarten Element zu verbinden. Die Elemente sind vorzugsweise Halbleiterelemente, wobei miteinander über die Ableitungsschicht verbundene Elemente, welche benachbart sind, unterschiedlich dotiert sind (d. h. mit einem Donor einerseits und einem Akzeptor andererseits).The carrier, which carries the thermoelectrically active material (and its electrical connections), is itself provided with fluid channels, whereby the thermoelectrically active material is seated directly on the heat source. In this case, the heat source considered is the fluid which is provided in the fluid passages and which immediately surrounds its environment, i. H. heated the carrier. The same applies to a cooling medium that represents the heat sink. The thermoelectrically active material is connected to the carrier via the electrical discharge layer, wherein the electrical discharge layer is an electrode (preferably a metal or copper electrode) to allow the electron or hole conduction to the thermoelectrically active material, and in particular to a first thermoelectric to connect active element with another, in particular adjacent element. The elements are preferably semiconductor elements, wherein elements connected to each other via the dissipation layer which are adjacent are differently doped (i.e., having a donor on the one hand and an acceptor on the other hand).

Gemäß einer erfindungsgemäßen Alternative erstrecken sich mehrere Fluidkanäle durch den Träger hindurch. Diese erstrecken sich vorzugsweise parallel zueinander und in eine Längserstreckungsrichtung des Trägers. Der Träger wird in diesem Fall durch eine Platte mit Kanälen oder eine profilierte Form, beispielsweise mit dünnen Wänden konstanter Dicke, beispielsweise Blech, gebildet. Gleichermaßen lässt sich die Erfindung realisieren durch einen Träger mit nur einem Kanal. Der Träger kann gebildet sein durch ein Rohr mit einem im Wesentlichen beliebigen Querschnitt sowie mit beliebigem Wanddickenverlauf. Bevorzugt wird jedoch als Träger ein Rohr verwendet mit einer konstanten Wanddicke und einem beliebigen Querschnitt, bevorzugt jedoch mit einem rechteckigen Querschnitt (oder auch runden Querschnitt). Der Träger kann bei einer Realisierung, bei der ein Träger nur einen Kanal aufweist durch ein Stahlrohr ausgeführt werden, beispielsweise mit einer Wanddicke von 0,2 mm–3 mm.According to an alternative of the invention, a plurality of fluid channels extend through the carrier. These preferably extend parallel to one another and in a longitudinal extension direction of the carrier. The carrier is in this case formed by a plate with channels or a profiled shape, for example with thin walls of constant thickness, for example sheet metal. Likewise, the invention can be realized by a carrier with only one channel. The carrier may be formed by a tube with a substantially arbitrary cross section and with any wall thickness profile. However, a tube with a constant wall thickness and an arbitrary cross section, but preferably with a rectangular cross section (or also round cross section), is preferably used as the carrier. The carrier can be carried out in a realization in which a carrier has only one channel through a steel pipe, for example with a wall thickness of 0.2 mm-3 mm.

Das thermoelektrisch aktive Material ist vorzugsweise mit seiner Ableitungsschicht entweder auf einem erfindungsgemäßen Träger als Beschichtung angeordnet, der eine elektrisch isolierende, Wärme leitende, dünne Schicht trägt, beispielsweise aus Keramik, Al₂O₃, AlN, Steatit, Fosterit, Emaille, wärmebeständiger und Wärme leitender Kunststoff oder ähnliches. Die Schicht weist eine Dicke auf, die eine ausreichende elektrische Isolation ermöglicht und beispielsweise für Potentialdifferenzen von 100 V, 200 V, 500 V oder 1 kV einen Durchschlag verhindert. Die Schichtdicke kann insbesondere weniger als 1 mm, 500 μm, 200 μm, 100 μm, 50 μm, 20 μm oder 10 μm betragen. Die Schicht ist zwischen Ableitungsschicht und Träger vorgesehen und kann auch als äußere elektrische Isolationsschicht der Ableitungsschicht betrachtet werden, beispielsweise als die Lackschicht einer Leiterplatte oder das nichtleitende, dünne Substrat einer Leiterplatte, wobei die Leiterplatte die Ableitungsschicht (als Kaschierung) trägt.The thermoelectrically active material is preferably arranged with its dissipation layer either on a support according to the invention as a coating, which carries an electrically insulating, heat-conducting, thin layer, for example of ceramic, Al ₂ O ₃ , AlN, steatite, fosterite, enamel, heat-resistant and heat conductive plastic or similar. The layer has a thickness which allows sufficient electrical insulation and, for example, prevents breakdown for potential differences of 100 V, 200 V, 500 V or 1 kV. The layer thickness may in particular be less than 1 mm, 500 μm, 200 μm, 100 μm, 50 μm, 20 μm or 10 μm. The layer is provided between the drainage layer and the support and may also be considered as an outer electrical insulation layer of the drainage layer, for example as the resist layer of a printed circuit board or the non-conductive thin substrate of a printed circuit board, the circuit board carrying the drainage layer (as a lamination).

Alternativ kann die Ableitungsschicht des thermoelektrisch aktiven Materials unmittelbar auf einer Isolationsschicht aufgebracht sein, die auf dem Träger angeordnet ist, insbesondere wenn dieser eine elektrisch leitende Oberfläche aufweist. Diese Isolationsschicht kann aus dem Material ausgeführt sein, das in der obigen Ausführungsform für die Beschichtung des Trägers verwendet wird.Alternatively, the dissipation layer of the thermoelectrically active material may be applied directly to an insulating layer which is arranged on the carrier, in particular if it has an electrically conductive surface. This insulating layer may be made of the material used for the coating of the carrier in the above embodiment.

Ferner wird als unmittelbare Anordnung einer Komponenten auf eine weitere Komponente auch die Verbindung über eine Wärmepasteschicht oder über ein Wärmepad betrachtet, da diese in ihrer Dicke vernachlässigbar sind und einen unmittelbaren Wärmeübertragungskontakt herstellen. Die Wärmepasteschicht können gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung auch als Isolationsschicht betrachtet werden soweit diese in Querrichtung im Wesentlichen nicht elektrisch leiten.Further, as a direct arrangement of a component on another component and the connection via a heat paste layer or a heat pad considered, since they are negligible in their thickness and produce a direct heat transfer contact. According to another aspect of the invention, the heat paste layer can also be regarded as an insulating layer as far as it does not conduct electricity in the transverse direction substantially.

Das erfindungsgemäße thermoelektrische Modul umfasst daher thermoelektrisch elektrisch aktives Material, vorzugsweise in Form mindestens eines zusammenhängenden Elements. Das thermoelektrisch aktive Material kann als Quader ausgebildet sein, beispielsweise in Form von Schenkeln, Platten, Plättchen, Würfeln, Scheiben, Barren, Stangen oder Ähnlichem. Vorzugsweise ist die Form aller Elemente gleich. Auf einer Außenseite des Materials ist eine elektrische Ableitungsschicht angebracht. Die Außenseite des Materials ist vorzugsweise planar und ist insbesondere bei quaderförmigen Elementen als eine Quaderfläche ausgebildet. Die elektrische Ableitungsschicht kann insbesondere aus einer einschichtigen Metallfolie gebildet sein, beispielsweise einer Aluminium- oder Kupferfolie. Die elektrische Ableitungsschicht weist einen geringen Wärmeüberstand auf, da sie zum einen sehr dünn ausgebildet wird (insbesondere weniger als 0,1 mm, beispielsweise in Form einer Kaschierung) und andererseits aus einem gut Wärme leitenden Material (insbesondere einem Metall oder einer Legierung) ausgestaltet ist.The thermoelectric module according to the invention therefore comprises thermoelectrically electrically active material, preferably in the form of at least one coherent element. The thermoelectrically active material may be formed as a cuboid, for example in the form of legs, plates, plates, cubes, disks, ingots, bars or the like. Preferably, the shape of all elements is the same. On an outside of the material, an electrical dissipation layer is attached. The outside of the material is preferably planar and, in particular in the case of cuboid elements, is designed as a cuboid surface. The electrical dissipation layer can in particular be formed from a single-layer metal foil, for example an aluminum or copper foil. The electrical dissipation layer has a low thermal projection, since it is designed to be very thin on the one hand (in particular less than 0.1 mm, for example in the form of a lamination) and on the other hand of a good heat conducting material (in particular a metal or an alloy) is configured ,

Je nach Ausgestaltung des Trägers kann die Ableitungsschicht auf dem Träger angeordnet sein oder kann über eine Isolationsschicht auf dem Träger angeordnet sein. Falls der Träger aus einem leitenden Material, insbesondere aus Metall vorgesehen ist, wird eine Isolationsschicht zwischen Träger und Ableitungsschicht vorgesehen. Die Ableitungsschicht kann unmittelbar auf der Außenseite bzw. auf dem Träger aufgebracht sein, beispielsweise mittels einer leitenden Klebeverbindung, wobei ferner auch Wärme vermittelndes Material in Form einer dünnen Schicht (beispielsweise Wärmeleitpaste) die Verbindung vorsehen kann. In gleicher Weise kann gegebenenfalls zwischen Isolationsschicht und Ableitungsschicht bzw. zwischen Isolationsschicht und Träger eine Klebeverbindung vorgesehen sein oder auch Wärme vermittelndes Material, beispielsweise in Form von Wärmeleitpaste. Falls eine Isolationsschicht verwendet wird, wird diese vorzugsweise ausgestaltet aus einem Wärme leitenden Material, das jedoch elektrisch nicht leitend ist. Beispielsweise kann hierbei Keramik oder Silikon verwendet werden, vorzugsweise in Form einer dünnen Schicht. Andere Wärme leitende Materialien, die elektrisch isolierend sind, können ebenso verwendet werden, beispielsweise Glimmer, Zinkoxid oder Kombinationen hiervon. In einer spezifischen Ausführungsform ist diese Isolationsschicht selbst als Wärmeleitpaste vorgesehen, die eine elektrische Isolation vorsieht. In diesem Fall erstreckt sich zwischen Ableitungsschicht und Träger lediglich eine Schicht Wärmeleitpaste. Grundsätzlich können als Isolationsschicht Materialien verwendet werden wie sie auch für Wärmeleitpads eingesetzt werden, beispielsweise Silikongummi, Glimmerscheiben, Keramikscheiben (vorzugsweise Aluminiumoxidkeramik), Wärme leitende Kunststofffolien oder Ähnliches. In spezifischen Fällen kann die Ableitungsschicht die Isolationsschicht in Form einer auf die Ableitungsschicht aufgebrachten Lackschicht oder auch Emailleschicht selbst tragen.Depending on the configuration of the carrier, the dissipation layer may be arranged on the carrier or may be connected via an insulating layer on the carrier Carrier be arranged. If the carrier is made of a conductive material, in particular metal, an insulating layer is provided between the carrier and the discharge layer. The dissipation layer can be applied directly on the outside or on the support, for example by means of a conductive adhesive bond, wherein also heat-conferring material in the form of a thin layer (for example thermal compound) can provide the compound. In the same way may optionally be provided between insulating layer and dissipation layer or between insulating layer and carrier an adhesive bond or heat-conveying material, for example in the form of thermal paste. If an insulating layer is used, it is preferably made of a heat-conducting material, which, however, is electrically non-conductive. For example, in this case ceramic or silicone can be used, preferably in the form of a thin layer. Other heat conductive materials which are electrically insulating may also be used, for example, mica, zinc oxide, or combinations thereof. In a specific embodiment, this insulating layer is itself provided as a thermal paste, which provides electrical insulation. In this case, only one layer of thermal compound extends between the dissipation layer and the carrier. In principle, materials such as silicone rubber, mica disks, ceramic disks (preferably alumina ceramic), heat-conductive plastic films or the like can be used as the insulation layer. In specific cases, the dissipation layer can carry the insulation layer itself in the form of a lacquer layer or enamel layer applied to the drainage layer.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Träger entweder aus elektrisch leitendem Material vorgesehen und die Ableitungsschicht ist über die Isolationsschicht mit dem Träger verbunden. In einer alternativen Ausführungsform ist der Träger aus elektrisch isolierendem Material vorgesehen und die Ableitungsschicht ist unmittelbar auf dem Träger vorgesehen. Elektrisch leitende Materialien sind insbesondere Aluminium, Kupfer oder auch Stahl, wobei Träger aus isolierendem Material beispielsweise aus Keramik, geeigneten Kunststoffen oder Ähnlichem ausgebildet sind. Insbesondere bei Ausführungen, bei denen der Träger aus elektrisch leitendem Material vorgesehen ist, besteht dieser aus spritzgegossenem Aluminium, wobei die Kanäle durch denselben Spritzgussprozess hergestellt sind, in dem auch der Träger erstellt wird. Der Träger kann auch als profiliertes Rohr (mit im wesentlichen konstanter Wanddicke) vorgesehen sein, insbesondere wenn nur wenige oder nur ein Kanal in dem Träger vorgesehen sind. Bei einteiliger oder zweiteiliger Ausführung kann der Träger als geformtes Blech (Kupfer, Aluminium, Stahl oder andere Metalle oder Legierungen) oder als Profil (Aluminium, insbesondere spritzgegossenes Aluminium, Kupfer, Stahl oder andere Metalle oder Legierungen) vorgesehen werden. Bei zweiteiliger Ausführungsform ergänzen sich die Profile zu einem oder zu mehreren Kanälen. Der Träger kann einteilig ausgebildet sein, wobei die Fluidkanäle durch Ausnehmungen in Vollmaterial, beispielsweise durch Bohrungen, gebildet werden. Ferner kann ein einteiliger Träger mittels eines Spritzgussverfahrens oder eines anderen Gussverfahrens hergestellt sein, bei dem das Material des Trägers in eine Form gegossen wird, in der bereits die Kanäle als Negativ vorgesehen sind. In diesem Fall ist der Träger einteilig ausgebildet und die Kanäle sind in diesem durch einen Gussprozess ausgeformt.According to a preferred embodiment, the carrier is provided either of electrically conductive material and the dissipation layer is connected via the insulating layer to the carrier. In an alternative embodiment, the carrier is provided of electrically insulating material and the dissipation layer is provided directly on the carrier. Electrically conductive materials are in particular aluminum, copper or even steel, with carriers made of insulating material, for example of ceramic, suitable plastics or the like. In particular, in embodiments in which the carrier is provided of electrically conductive material, this consists of injection-molded aluminum, wherein the channels are made by the same injection molding process, in which the carrier is created. The carrier can also be provided as a profiled tube (with a substantially constant wall thickness), in particular if only a few or only one channel is provided in the carrier. In one-piece or two-piece design, the support can be provided as a shaped sheet (copper, aluminum, steel or other metals or alloys) or as a profile (aluminum, especially injection molded aluminum, copper, steel or other metals or alloys). In two-part embodiment, the profiles complement each other to one or more channels. The carrier may be formed in one piece, wherein the fluid channels are formed by recesses in solid material, for example through holes. Further, a one-piece carrier may be made by an injection molding process or other casting method in which the material of the carrier is poured into a mold in which the channels are already provided as negative. In this case, the carrier is formed in one piece and the channels are formed in this by a casting process.

Eine alternative Ausführungsform sieht vor, dass der Träger aus zwei Teilen vorgesehen ist. Die zwei Teile sind an einer Schnittstelle zusammengefügt, wobei innerhalb der Schnittstelle auch die Fluidkanäle in Längsrichtung sind. Mit anderen Worten bildet die Schnittstelle eine Fläche oder vorzugsweise eine Ebene, die sich entlang eines Längsschnitts der Fluidkanäle erstreckt. Bei einer zweiteiligen Ausführungsform weisen die zwei Teile Ausnehmungen auf, die zusammen die Fluidkanäle bilden, beispielsweise in Form von Rinnen, Nuten oder Ähnlichem, die in Oberseiten der zwei Teile vorgesehen sind, wobei die Oberseiten aneinander angefügt werden, wodurch sich der volle Querschnitt der Fluidkanäle ergibt. Bei einer einteiligen Form der Fluidkanäle ist gewährleistet, dass ein dadurch fließendes Fluid Wärme unmittelbar an den gesamten Träger abgibt oder von diesem empfängt. Bei einer zweiteiligen Form ergibt sich zwar eine Schnittstelle, die gegebenenfalls mit einem Wärme übertragenden Medium (beispielsweise einem Wärmeleitpad oder Wärmeleitpaste) gefüllt ist, wodurch die beiden Teile Wärme übertragend verbunden werden. Insbesondere ist jedoch gegeben, dass die Wärmeübertragung zwischen Fluidkanal und thermoelektrisch aktivem Material durch einen der beiden Teile gewährleistet ist, der zwischen Fluidkanal und aktivem Material liegt. Darüber hinaus wird die Wärme von dem Fluid an den anderen Teil geleitet, der mit demjenigen Teil Wärme übertragend über die Schnittstelle verbunden ist, der (über die elektrische Ableitungsschicht und gegebenenfalls Isolationsschicht) mit dem thermoelektrisch aktiven Material verbunden ist.An alternative embodiment provides that the carrier is provided in two parts. The two parts are joined together at an interface, wherein within the interface, the fluid channels are in the longitudinal direction. In other words, the interface forms a surface or preferably a plane that extends along a longitudinal section of the fluid channels. In a two-part embodiment, the two parts have recesses which together form the fluid channels, for example in the form of grooves, grooves or the like provided in upper sides of the two parts, the tops being joined together, thereby obtaining the full cross-section of the fluid channels results. In the case of a one-part form of the fluid channels, it is ensured that a fluid flowing therethrough emits heat directly to or from the entire carrier. In the case of a two-part mold, an interface which optionally is filled with a heat-transferring medium (for example a heat-conducting pad or heat-conducting paste) results, whereby the two parts are heat-transferingly connected. In particular, however, given that the heat transfer between the fluid channel and thermoelectrically active material is ensured by one of the two parts, which lies between the fluid channel and active material. In addition, the heat is conducted from the fluid to the other part, which is connected to the part of heat transferring via the interface, which is connected (via the electrical dissipation layer and optionally insulating layer) to the thermoelectrically active material.

Das thermoelektrisch aktive Material wird vorzugsweise durch dotierte Halbleiterkörper vorgesehen oder auch durch andere thermoelektrisch aktive Materialien wie Keramiken, insbesondere als Nanomaterial. Bei der Verwendung von Halbleiterkörpern werden diese als p-dotierte und n-dotierte Halbeleiterkörper vorgesehen. Das Modul umfasst mindestens einen p- und einen n-dotierten Halbleiterkörper, wobei diese über eine gemeinsame elektrische Ableitungsschicht verbunden sind, um den geeigneten Austausch von Löchern bzw. Elektronen vorzusehen. Die Halbleiterkörper können ferner in Serie miteinander geschaltet sein, wobei sich p- und n-dotierte Halbleiterkörper abwechseln und auch abwechselnd Wärmesenke- und Wärmequellenseite miteinander über Ableitungsschichten verbunden sind. Die Ableitungsschicht verbindet vorzugsweise nur zwei benachbarte Halbleiterkörper, so dass die Ableitungsschicht eine Vielzahl von voneinander getrennten Abschnitten aufweist, die jeweils einen p- und einen n-dotierten Halbleiterkörper miteinander auf der Wärmesenkenseite oder auf der Wärmequellenseite verbinden. Insbesondere kann die Ableitungsschicht in Form von mehreren Leiterbahnstücken vorgesehen sein, die verschiedene aufeinander folgende Halbleiterkörper auf alternierenden Seiten (d. h. abwechselnd auf der Wärmesenken- und Wärmequellenseite) miteinander verbinden, wobei vorzugsweise nur unmittelbar zueinander benachbarte Halbleiterkörper miteinander verbunden werden, die ferner eine unterschiedliche Dotierungsart aufweisen. Auf diese Weise kann das thermoelektrische Modul die einzelnen erzeugten Spannungen der so gebildeten Halbleiterkörperpaare addieren, wodurch sich auch höhere Ausgangsspannungen, beispielsweise 12 V oder 14 V, 24 V oder 48 V erzeugen lassen. Gegebenenfalls können die von den Halbleiterpaaren vorgesehenen Spannungsquellen auch zum Teil parallel zueinander geschaltet werden, um eine gewünschte Stromstärke zu erreichen.The thermoelectrically active material is preferably provided by doped semiconductor bodies or by other thermoelectrically active materials such as ceramics, in particular as nanomaterial. When semiconductor bodies are used, these are provided as p-doped and n-doped half conductor bodies. The module comprises at least one p- and one n-doped semiconductor body, these having a common electrical Dissipation layer are connected to provide the appropriate exchange of holes or electrons. The semiconductor bodies can furthermore be connected in series with one another, wherein p- and n-doped semiconductor bodies alternate and also heat sink and heat source sides are connected to one another alternately via dissipation layers. The dissipation layer preferably connects only two adjacent semiconductor bodies, such that the dissipation layer has a plurality of mutually separated sections, which respectively connect a p- and an n-doped semiconductor body to one another on the heat sink side or on the heat source side. In particular, the dissipation layer can be provided in the form of a plurality of conductor track pieces, which connect different successive semiconductor bodies on alternating sides (ie alternately on the heat sink and heat source side), wherein preferably only directly adjacent semiconductor bodies are connected to each other, which also have a different doping , In this way, the thermoelectric module can add the individual generated voltages of the semiconductor body pairs thus formed, which can also produce higher output voltages, for example 12 V or 14 V, 24 V or 48 V. Optionally, the voltage sources provided by the semiconductor pairs can also be partially connected in parallel with one another in order to achieve a desired current intensity.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des thermoelektrischen Moduls mit einer derartigen Serienschaltung werden mehrere Thermopaare pro Modul vorgesehen. Zueinander benachbarte, verschiedenartige dotierte Halbleiterkörper, die über eine gemeinsame elektrische Ableitungsschicht verbunden sind, werden als Thermopaar bezeichnet. Vorzugsweise wird ein Paar gebildet durch zwei benachbarte, verschiedenartig dotierte Halbleiterkörper. Thermopaare werden hierbei gebildet von jeweils einem p-dotierten Halbleiterkörper und einem n-dotierten Halbleiterkörper, wobei zwei benachbarte Paare denselben p- oder n-dotierten Halbeleiterkörper aufweisen, jedoch unterschiedliche Ableitungsschichten für diese vorsehen. Halbleiterkörper, die demselben Paar angehören, sind über eine der elektrischen Ableitungsschichten oder Abschnitte hiervon mit dem weiteren Halbleiterkörper eines der Paare verbunden und über eine weitere elektrische Ableitungsschicht bzw. einen Abschnitt hiervon mit dem weiteren Halbleiterkörper des andern Paars auf der gegenüberliegenden Seite verbunden. Hierdurch ergibt sich eine Serienschaltung der zwei benachbarten Paare, die sich den mittigen Halbleiterkörper teilen. Die beiden gegenüberliegenden Seiten sind die Wärmesenkenseite und die gegenüberliegende Wärmequellenseite, zwischen denen sich die Temperaturdifferenz ergibt, aus der das thermoelektrische Modul elektrische Leistung erzeugt.According to a preferred embodiment of the thermoelectric module with such a series connection several thermocouples per module are provided. Adjacent, different doped semiconductor bodies which are connected via a common electrical dissipation layer are referred to as a thermocouple. Preferably, a pair is formed by two adjacent, differently doped semiconductor bodies. Thermocouples are formed in each case by a p-doped semiconductor body and an n-doped semiconductor body, wherein two adjacent pairs have the same p- or n-doped semiconductor body, but provide different discharge layers for them. Semiconductor bodies which belong to the same pair are connected via one of the electrical discharge layers or sections thereof to the further semiconductor body of one of the pairs and connected via a further electrical discharge layer or a portion thereof to the further semiconductor body of the other pair on the opposite side. This results in a series connection of the two adjacent pairs, which share the central semiconductor body. The two opposite sides are the heat sink side and the opposite heat source side, between which results the temperature difference from which the thermoelectric module generates electrical power.

Eine weitere Ausführungsform betrifft die Verwendung von zwei Trägern, die zueinander entgegengesetzt sind und zwischen denen das thermoelektrisch aktive Material wie beschrieben angeordnet ist. Zwischen beiden Trägern und dem thermoelektrisch aktiven Material ist die elektrische Ableitungsschicht vorgesehen und, optional, eine weitere Isolationsschicht, insgbesondere für den Fall, dass der Träger, auf dem die Isolationsschicht angeordnet wird, elektrisch leitend ist. Vorzugsweise sind beide Träger mit Fluidkanälen versehen, wobei jedoch auch nur ein Träger Fluidkanäle aufweisen kann. Insbesondere wenn beispielsweise eine Kühlflüssigkeit als Kühlmedium verwendet wird, ist der Träger, der die Wärmesenke vorsieht, mit Fluidkanälen ausgestattet, durch die hindurch das flüssige Kühlmedium fließen kann. Gegebenenfalls ist erforderlich, dass bei Abgasen als Wärmequelle der Träger, der die Wärmequelle vorsieht, entweder mit besonders großen Kanälen ausgestattet ist oder ein üblicher Träger ist, an dem ein Abgasrohr befestigt wird. Auf diese Weise wird der Staudruck minimiert, wobei jedoch gleichzeitig durch die bessere Anbindung mittels der Träger, die die Kanäle umfassen, die Effizienz gesteigert wird.A further embodiment relates to the use of two supports, which are opposite to each other and between which the thermoelectrically active material is arranged as described. Between the two carriers and the thermoelectrically active material, the electrical dissipation layer is provided and, optionally, a further insulating layer, in particular for the case that the carrier on which the insulating layer is disposed, is electrically conductive. Preferably, both carriers are provided with fluid channels, but only one carrier may have fluid channels. In particular, when, for example, a cooling liquid is used as the cooling medium, the support providing the heat sink is provided with fluid channels through which the liquid cooling medium can flow. It may be necessary that in the case of exhaust gases as the heat source, the support providing the heat source is either equipped with particularly large channels or is a conventional support to which an exhaust pipe is fastened. In this way, the back pressure is minimized, but at the same time the efficiency is increased by the better connection by means of the carriers that comprise the channels.

Zur Anordnung der Ableitungsschicht auf dem Träger kann Wärmeleitmasse verwendet werden, die in pastöser Form ist oder die als Festkörper, beispielsweise als flexible Schicht, ausgebildet ist. Die Isolationsschicht erstreckt sich ausgehend von dem Träger bis zur Ableitungsschicht, wodurch zusätzliche Wärme übertragende Komponenten vermieden werden. Bei der Verwendung der optionalen Isolationsschicht kann diese mittels Wärmeleitmasse (die formbar, pastös oder auch fest sein kann) mit dem Träger verbunden sein, wobei in Kombination hierzu oder stattdessen formbare oder feste Wärmeleitmasse zusätzlich zur Isolationsschicht und Ableitungsschicht vorgesehen sein kann. Insbesondere bei der Verwendung von formbarer Wärmeleitmasse in Form einer flexiblen Festkörperschicht kann diese elektrisch isoliert vorgesehen sein und die Isolationsschicht ersetzen. Im Allgemeinen ist die Wärmeleitmasse vorzugsweise elektrisch isolierend, wobei jedoch auch elektrisch leitende Wärmeleitmasse verwendet werden kann, falls die elektrische Isolation beispielsweise bereits vom nichtleitenden Material des Trägers vorgesehen wird.For the arrangement of the dissipation layer on the carrier, it is possible to use heat-conducting compound which is in pasty form or which is formed as a solid, for example as a flexible layer. The insulating layer extends from the support to the drainage layer, thereby avoiding additional heat transferring components. When using the optional insulation layer, it can be connected to the support by means of heat-conducting compound (which can be moldable, pasty or even solid), wherein in combination or instead moldable or solid heat-conducting compound can be provided in addition to the insulation layer and the dissipation layer. In particular, in the use of moldable thermal mass in the form of a flexible solid state layer may be provided electrically isolated and replace the insulation layer. In general, the heat conducting compound is preferably electrically insulating, but also electrically conductive heat conducting compound can be used if the electrical insulation, for example, is already provided by the non-conductive material of the carrier.

Das erfindungsgemäße Konzept wird ferner umgesetzt durch ein Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Moduls, insbesondere durch ein erfindungsgemäßes thermoelektrisches Modul, bei dem die Herstellungsschritte wie folgt ausgeführt werden. Zunächst wird eine elektrische Ableitungsschicht auf eine Außenseite des Materials (d. h. des thermoelektrisch aktiven Materials) angebracht. Ferner wird die Ableitungsschicht unmittelbar auf einem Träger befestigt, d. h. vor oder nach dem Anbringen der elektrischen Ableitungsschicht auf die Außenseite. Insbesondere umfasst das Verfahren das Anbringen von Fluidkanälen innerhalb des Trägers, beispielsweise durch Bohren und andere Span abhebende Verfahren oder Trennverfahren. Alternativ kann der Träger bereits mit Ausnehmungen geformt werden, die die Fluidkanäle innerhalb des Trägers bilden. Hierbei entspricht der Schritt des Ausbildens des Trägers gleichzeitig dem Schritt des Ausformens der Fluidkanäle, wobei hier im Allgemeinen Urformtechniken verwendet werden, beispielsweise Gießen oder Sintern. Die Ausnehmungen bzw. Fluidkanäle innerhalb des Trägers können auch durch Umformen hergestellt werden.The inventive concept is further implemented by a method for producing a thermoelectric module, in particular by a thermoelectric module according to the invention, in which the manufacturing steps are carried out as follows. First, an electrical dissipation layer is applied to an outside of the material (ie, the thermoelectrically active material) attached. Further, the dissipation layer is directly fixed on a support, ie, before or after the attachment of the electrical dissipation layer to the outside. In particular, the method comprises attaching fluid channels within the carrier, for example by drilling and other chip removing methods or separation methods. Alternatively, the carrier may already be formed with recesses forming the fluid channels within the carrier. Here, the step of forming the carrier simultaneously corresponds to the step of forming the fluid channels, in which case basic molding techniques are generally used, for example casting or sintering. The recesses or fluid channels within the carrier can also be produced by forming.

Weitere Ausführungsformen des Verfahrens sehen vor, dass der Träger vorgesehen wird durch Herstellen eines durchgängigen Trägers (aus Vollmaterial) und durch Ausbilden der Fluidkanäle mittels Entfernen von Material des Trägers, um durch das Entfernen den Raum für die Kanäle vorzusehen. Alternativ kann durch ein Formverfahren, beispielsweise ein Spritzgussverfahren, der Träger bereits mit Fluidkanälen ausgebildet werden, wenn der Träger geformt wird. Gemäß einer weiteren Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Träger in zwei Teilen mit jeweils einer Oberfläche ausgeformt, in der Rinnen entweder bereits beim Ausformen der Teile ausgebildet sind oder in der die Rinnen durch Entfernen von Oberflächenmaterial erzeugt werden, beispielsweise durch Span abhebende Methoden oder Ähnliches. Insbesondere kann die Oberfläche mit Rinnen durch Umformen ausgebildet werden, beispielsweise durch geeignete Press- oder Tiefziehverfahren oder andere Umformprozesse. Wenn der Träger in zunächst zwei Teilen ausgebildet wird, um in der Oberfläche Rinnen auszubilden, umfasst das Verfahren ferner den Schritt des Zusammenfügens der Teile, wobei die jeweiligen Flächen der zwei Teile aufeinander zu liegen kommen. Die Rinnen werden bei der Ausformung auf den zwei Teilen spiegelbildlich vorgesehen, so dass die Rinnen zueinander ausgerichtet werden können und zusammen die Fluidkanäle bilden. Eine alternative Ausführungsform, bei der der Träger in zwei Teilen geformt wird, sieht vor, dass nur auf einer Oberfläche die Rinnen ausgebildet sind und der andere Teil beispielsweise eine Ebene oder durchgängige Oberfläche aufweist. Durch Verbinden der Teile werden die Rinnen in einer der Oberflächen geschlossen und die Fluidkanäle ausgebildet. Bei der Ausbildung des Trägers in zwei Teilen wird jedoch grundsätzlich vorgesehen, dass Abschnitte der Oberflächen der Teile den Kanal bilden, so dass durch Oberflächenbearbeitung zumindest eines der Teile die Fluidkanäle gebildet werden können. Dies betrifft in gleicher Weise ein entsprechendes erfindungsgemäßes thermoelektrisches Modul, das einen Träger aufweist, der zweiteilig ausgebildet ist, wobei jedoch nur einer der Teile Rinnen innerhalb der Oberfläche aufweist und der andere Teil als Abschlussplatte oder Deckel dient, um den Querschnitt des Kanals abzuschließen.Further embodiments of the method provide that the support is provided by producing a continuous support (made of solid material) and by forming the fluid channels by removing material from the support to provide the space for the channels by the removal. Alternatively, by a molding method such as an injection molding method, the substrate may already be formed with fluid channels when the substrate is molded. According to a further embodiment of the method according to the invention, the carrier is formed in two parts, each having a surface in which grooves are either already formed during the molding of the parts or in which the grooves are produced by removing surface material, for example by chip-removing methods or the like. In particular, the surface can be formed with grooves by forming, for example by suitable pressing or deep drawing or other forming processes. When the carrier is initially formed in two parts to form grooves in the surface, the method further comprises the step of assembling the parts, wherein the respective surfaces of the two parts come to rest on each other. The grooves are provided in mirror-image in the molding on the two parts, so that the grooves can be aligned with each other and together form the fluid channels. An alternative embodiment, in which the carrier is formed in two parts, provides that the grooves are formed on only one surface and the other part, for example, has a plane or continuous surface. By connecting the parts, the grooves in one of the surfaces are closed and the fluid channels are formed. In the embodiment of the carrier in two parts, however, it is basically provided that portions of the surfaces of the parts form the channel, so that by surface processing at least one of the parts, the fluid channels can be formed. This likewise relates to a corresponding thermoelectric module according to the invention, which has a support which is formed in two parts, but only one of the parts has grooves inside the surface and the other part serves as end plate or cover to complete the cross section of the channel.

Schließlich sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass zwei Träger auf zwei gegenüberliegenden Seiten des thermoelektrisch aktiven Materials angeordnet werden, sodass die beiden Träger als Wärmequelle und Wärmesenke dienen können. Die auf den jeweiligen Seiten des thermoelektrisch aktiven Materials angeordneten Träger weisen vorzugsweise beide Fluidkanäle auf. Alternativ kann nur einer der Träger die Fluidkanäle aufweisen, während der andere Träger von einer durchgängigen, Wärme leitenden Schicht gebildet wird, die sich mittelbar oder unmittelbar an eine Wärmequelle oder eine Wärmesenke anschließt. Somit wird der andere Träger ausgebildet wie es im Stand der Technik üblich ist, während der Träger, welcher die Fluidkanäle aufweist, die erfindungsgemäße direkte Ankopplung ermöglicht.Finally, the inventive method provides that two carriers are arranged on two opposite sides of the thermoelectrically active material, so that the two carriers can serve as a heat source and heat sink. The carriers arranged on the respective sides of the thermoelectrically active material preferably have both fluid channels. Alternatively, only one of the carriers can have the fluid channels, while the other carrier is formed by a continuous, heat-conducting layer which connects directly or indirectly to a heat source or a heat sink. Thus, the other carrier is formed as is conventional in the prior art, while the carrier having the fluid channels, the inventive direct coupling allows.

Falls im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zweiteilige Träger verwendet werden, so können die beiden Teile des Trägers zu beliebigen Zeitpunkten des Verfahrens miteinander verbunden werden, beispielsweise zu Beginn des Verfahrens, bevor das thermoelektrisch aktive Material auf den Träger aufgebracht wird oder auch nach dem Aufbringen des thermoelektrisch aktiven Materials auf den Träger, wobei im letzteren Fall das thermoelektrisch aktive Material nur auf einen Teil des Trägers aufgebracht wird und darauf folgend die Teile des Trägers zusammengefügt werden. Somit umfasst das Anbringen des thermoelektrisch aktiven Materials auf den Träger auch das Aufbringen des thermoelektrischen Materials bzw. des Halbleiterkörpers auf nur einen Teil des Trägers (d. h. auf den inneren, dem thermoelektrisch aktiven Material zugewandten Teil).If two-part carriers are used in the process according to the invention, then the two parts of the carrier can be connected to one another at any time during the process, for example at the beginning of the process before the thermoelectrically active material is applied to the carrier or after the application of the thermoelectric active material on the carrier, wherein in the latter case the thermoelectrically active material is applied only to a part of the carrier and subsequently the parts of the carrier are joined together. Thus, the application of the thermoelectrically active material to the support also includes the application of the thermoelectric material or of the semiconductor body to only a part of the support (that is, to the inner part facing the thermoelectrically active material).

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die 1 zeigt eine Ausführung des erfindungsgemäßen thermoelektrisch ModulsThe 1 shows an embodiment of the thermoelectric module according to the invention

Das in 1 als Schnittdarstellung dargestellte thermoelektrische Modul 10 umfasst thermoelektrisch aktives Material in Form von Halbleiterkörpern 20a–22c. Die Halbleiterkörper umfassen p-dotierte Halbleiterkörper 20a–c sowie n-dotierte Halbleiterkörper 22a–c. Die Halbleiterkörper sind hinsichtlich ihrer Dotierung abwechselnd angeordnet, so dass Thermopaare gebildet werden. Ein Thermopaar umfasst einen p-dotierten sowie einen n-dotierten Halbleiterkörper, so dass die aufeinander folgenden Körper mittels einer für jedes Paar gemeinsamen Ableitungsschicht ein Thermopaar bilden. Das thermoelektrische Modul der 1 zeigt Ableitungsschichten 30a–g, von denen bis auf die äußeren Ableitungsschichten 33a, g alle Ableitungsschichten 30b–f zwei benachbarte, unterschiedlich dotierte Halbleiterkörper 20a–22c miteinander verbinden. Die Ableitungsschichten 30a–g sind unmittelbar an den Halbleiterkörpern 20a–22c bzw. an deren Außenseiten angeordnet. Die Ableitungsschichten 30a–g sind wiederum unmittelbar mit den Trägern 40a, b verbunden.This in 1 shown as a sectional view thermoelectric module 10 comprises thermoelectrically active material in the form of semiconductor bodies 20a - 22c , The semiconductor bodies comprise p-doped semiconductor bodies 20a C and n-doped semiconductor bodies 22a c. The semiconductor bodies are arranged alternately with respect to their doping, so that thermocouples are formed. A thermocouple comprises a p-doped and an n-doped semiconductor body, so that the successive bodies form a thermocouple by means of a common dissipation layer for each pair. The thermoelectric module of 1 shows derivation layers 30a -G, of which to the outside derivation layers 33a , g all derivation layers 30b -F two adjacent, differently doped semiconductor body 20a - 22c connect with each other. The derivation layers 30a -G are directly on the semiconductor bodies 20a - 22c or arranged on the outer sides thereof. The derivation layers 30a -G are again directly with the carriers 40a , b connected.

Erfindungsgemäß weisen die Träger 40a, b jeweils Kanäle auf, die senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Halbleiterkörper und parallel zu den jeweiligen Trägern innerhalb der Träger verlaufen. Die in 1 dargestellten Kanäle haben einen ovalen Querschnitt und erstrecken sich entlang einer Geraden, die in der Mitte des jeweiligen Trägers 40a, b verläuft. Beispielsweise der Kanal 50, stellvertretend für alle in 1 mit Ovalen dargestellten Kanäle, ist eingerichtet, ein Wärmemedium zu führen. Prinzipiell kann das Wärmemedium die Wärmesenke oder die Wärmequelle darstellen und kann flüssig oder fest sein. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Kanäle zumindest eines der Träger verwendet, um ein flüssiges Medium zu führen. Beispielsweise kann durch die Kanäle des Trägers 40a ein flüssiges Kühlmedium geführt werden, beispielsweise Kühlwasser, das dem Kühlkreislauf eines Verbrennungsmotors angehört. Durch die Kanäle des gegenüberliegenden Trägers 40b kann ein Fluid geführt werden, das die Wärmequelle darstellt, insbesondere Abgas eines Verbrennungsmotors. Wenn durch die Kanäle des erfindungsgemäßen thermoelektrischen. Moduls Abgas geleitet wird, so bilden die Querschnitte der Kanäle zusammen vorzugsweise eine Gesamtfläche, die zusammen mit der Länge der Kanäle zu einem vernachlässigbaren oder akzeptablen Rückstau führt.According to the invention, the carriers 40a , b in each case channels which extend perpendicular to the direction of extension of the semiconductor body and parallel to the respective carriers within the carrier. In the 1 Channels shown have an oval cross-section and extend along a straight line in the middle of the respective carrier 40a , b runs. For example, the channel 50 , representing all in 1 channels represented by ovals is arranged to guide a heat medium. In principle, the heat medium may be the heat sink or the heat source and may be liquid or solid. In a preferred embodiment, the channels of at least one of the carriers are used to guide a liquid medium. For example, through the channels of the wearer 40a a liquid cooling medium are performed, for example cooling water, which belongs to the cooling circuit of an internal combustion engine. Through the channels of the opposite carrier 40b For example, a fluid which represents the heat source, in particular exhaust gas of an internal combustion engine, can be guided. When passing through the channels of the thermoelectric. Module exhaust is passed, so the cross-sections of the channels together preferably form a total area, which together with the length of the channels leads to a negligible or acceptable backwater.

Grundsätzlich können die dargestellten Kanäle an deren Austritt an einer der Trägerseitenflächen von einer Sammelleitung zusammengeführt werden, so dass eine einzige Fluidquelle an einer Vielzahl von Kanälen angeschlossen werden kann.Basically, the channels shown can be merged at the outlet on one of the carrier side surfaces of a manifold, so that a single fluid source can be connected to a plurality of channels.

Die Ableitungsschichten 30b–f sind voneinander getrennt bzw. bilden Abschnitte einer Ableitungsschicht, die voneinander getrennt sind. Die Ableitungsschichten sind auf beiden Seiten des Halbleiterkörpers 20a–22c vorgesehen und verbinden lediglich zwei Halbleiterköper, die unterschiedlich dotiert sind und die vorzugsweise zueinander benachbart sind. Die Verbindung durch die Ableitungsschichten ist alternierend, so dass beispielsweise das Element 22a mit dem Element 20a über die gemeinsame Ableitungsschicht 30b ein Paar bildet und der gleiche Halbleiterkörper 22a über die gemeinsame Ableitungsschicht 30c mit dem Halbleiterkörper 20b ein weiteres Thermopaar bildet. Der Halbleiterkörper 20b bildet wiederum mit dem Halbleiterkörper 22a über die Ableitungsschicht 30c ein Thermopaar und über die Ableitungsschicht 30d mit dem Halbleiterkörper 22b ein Thermopaar. Daher bilden die Halbleiterkörper fortgesetzt und alternierend Thermopaare über jeweils gemeinsame Ableitungsschichten und durch die verschiedenartige Dotierung der beiden Halbleiterkörper, die jeweils ein Paar bilden.The derivation layers 30b -F are separated from each other or form sections of a derivative layer, which are separated from each other. The dissipation layers are on both sides of the semiconductor body 20a - 22c provided and connect only two Halbleiterköper, which are doped differently and which are preferably adjacent to each other. The connection through the dissipation layers is alternating, so that, for example, the element 22a with the element 20a over the common derivative layer 30b forms a pair and the same semiconductor body 22a over the common derivative layer 30c with the semiconductor body 20b forms another thermocouple. The semiconductor body 20b forms in turn with the semiconductor body 22a over the derivation layer 30c a thermocouple and the dissipation layer 30d with the semiconductor body 22b a thermocouple. Therefore, the semiconductor bodies continue and alternately form thermocouples via respective common dissipation layers and through the different doping of the two semiconductor bodies, which each form a pair.

Die Kurve 60 zeigt einen beispielhaften Temperaturverlauf für den Fall, dass der Träger 40a und das Fluid, welches durch dessen Kanäle führt, die Wärmequelle darstellt, wobei der gegenüberliegende Träger 40b die Wärmesenke darstellt. In der 1 ist die Temperatur gemäß der Richtung 62 nach oben aufgetragen, so dass am Punkt 60a die höchste Temperatur ist und der Punkt 60f den kältesten Punkt der Reihe darstellt. Da vom Träger 40a aus die Wärme zu den Thermoelementen 20a–22c hingeführt wird, fällt zunächst zwischen Punkt 60a und Punkt 60b die Temperatur aufgrund des Wärmeflusses. Der Temperaturunterschied zwischen den Punkten 60b und 60c zeigt das Gefälle, welches durch den Wärmewiderstand der Ableitungsschichten 30b, d und f vorgesehen wird und den Teil des Trägers, der sich zwischen Kanal und Ableitungsschicht 30b–f befindet. Zwischen den Punkten 60c und 60d ergibt sich eine Wärmedifferenz 64, die an den Halbleiterkörpern 20a–22c anliegt und die unmittelbar in elektrische Energie umgesetzt wird. Der Temperaturunterschied zwischen 60d und 60e entspricht dem Temperaturunterschied zwischen 60b und 60c und ergibt sich durch den Wärmewiderstand eines Teils der Trägerschicht und der Ableitungsschichten 30a, c, e und g. Schließlich zeigt der Temperaturunterschied zwischen den Punkten 60f und 60e die Temperaturdifferenz aufgrund des Wärmeabflusses von den Kanälen zu den Halbleiterkörpern 20a–22c hin.The curve 60 shows an exemplary temperature profile in the event that the carrier 40a and the fluid passing through its channels constitutes the heat source, the opposing support 40b represents the heat sink. In the 1 is the temperature according to the direction 62 applied to the top, so that at the point 60a the highest temperature is and the point 60f represents the coldest point of the series. Because of the carrier 40a from the heat to the thermocouples 20a - 22c is led, first falls between point 60a and point 60b the temperature due to the heat flow. The temperature difference between the points 60b and 60c shows the slope caused by the thermal resistance of the dissipation layers 30b , d and f is provided and the part of the carrier that is between channel and dissipation layer 30b -F is located. Between the points 60c and 60d there is a difference in heat 64 attached to the semiconductor bodies 20a - 22c is applied and which is converted directly into electrical energy. The temperature difference between 60d and 60e corresponds to the temperature difference between 60b and 60c and results from the thermal resistance of a portion of the carrier layer and the drainage layers 30a , c, e and g. Finally, the temperature difference between the points shows 60f and 60e the temperature difference due to the heat flow from the channels to the semiconductor bodies 20a - 22c out.

Es ist ersichtlich, dass der Temperaturunterschied zwischen 60b und 60c sowie der Temperaturunterschied zwischen 60c und 60e den Wirkungsgrad schmälern, wohingegen der Temperaturunterschied 64 die Differenz darstellt, die proportional zur erzeugten Leistung ist. Die Temperaturdifferenz 66 entspricht dem Temperaturunterschied zwischen der Wärmesenke und der Wärmequelle und somit dem potenziell umsetzbaren Temperaturunterschied. Da zwischen Kanal und Außenseite des Halbleiterkörpers in 1 lediglich ein geringer Temperaturabfall stattfindet, der sich lediglich durch den Wärmewiderstand der Ableitungsschicht ergibt, sowie durch den Teil des Trägers, der zwischen Ableitungsschicht und Kanal vorgesehen ist, ermöglicht die Erfindung die Verwendung einer großen Temperaturdifferenz 64 und somit die Verwendung eines Großteils der Gesamttemperaturdifferenz 66 zur Umsetzung in elektrische Energie.It can be seen that the temperature difference between 60b and 60c as well as the temperature difference between 60c and 60e reduce the efficiency, whereas the temperature difference 64 represents the difference that is proportional to the power generated. The temperature difference 66 corresponds to the temperature difference between the heat sink and the heat source and thus the potentially realizable temperature difference. Since between channel and outside of the semiconductor body in 1 only a small temperature drop occurs, resulting only by the thermal resistance of the dissipation layer, as well as by the part of the carrier, which is provided between the discharge layer and channel, the invention allows the use of a large temperature difference 64 and thus the use of much of the total temperature difference 66 for conversion into electrical energy.

Es kann anhand der 1 erkannt werden, dass bei üblichen Konstruktionen gemäß dem Stand der Technik das Wärme tragende Fluid nicht durch die Träger 40a, b fließt, sondern zunächst die Wärme an Rohre abgibt, die über Befestigungselemente mit einem Träger verbunden sind. Dadurch ergeben sich Verluste bei der Temperaturdifferenz, so dass deutlich weniger Anteile der Gesamttemperaturdifferenz in elektrische Energie umgewandelt werden können, da ein Großteil der Temperaturdifferenzen an Wärmeübertragungselementen und Befestigungselementen abfällt.It can be based on the 1 be recognized that in conventional constructions according to the prior art, the heat-carrying fluid is not through the carrier 40a , B flows, but first gives off the heat to pipes, which are connected via fasteners to a carrier. This results in losses in the temperature difference, so that significantly fewer shares of the total temperature difference can be converted into electrical energy, since a large part of the temperature differences on heat transfer elements and fasteners drops.

Claims

Thermoelectric module ( 10 ) with thermoelectrically active material ( 20a - 22c ), wherein an outer side of the material has an electrical discharge layer ( 30a -G) and the dissipation layer directly on a support ( 40a b) or above an insulating layer extending from the dissipation layer to the support on the support, characterized in that in the support one or more fluid channels ( 50 ) located within the carrier ( 40a , b) extend.

Thermoelectric module according to claim 1, wherein the support ( 40a , b) is provided either of electrically conductive material and the dissipation layer is connected via the insulating layer to the carrier, or the carrier of electrically insulating material is provided and the dissipation layer is provided directly on the carrier.

Thermoelectric module according to claim 1 or 2, wherein the support ( 40a , b) is formed in one piece and the fluid channels are formed by removing material from the carrier or wherein the carrier is provided of two parts, which are joined together at an interface along which the fluid channels extend, and the two parts have recesses, the together form the fluid channels.

Thermoelectric module according to one of the preceding claims, wherein the thermoelectrically active material is provided by doped semiconductor body, wherein the module at least one p-doped semiconductor body ( 20a C) and an n-doped semiconductor body ( 22a -C), which via a common electrical dissipation layer ( 30a -G) and which form a thermocouple.

Thermoelectric module according to claim 4, comprising a plurality of thermocouples, each one of the one p-doped semiconductor body ( 20a C) and one of the n-doped semiconductor bodies ( 22a C), wherein two adjacent pairs have the same p-doped or n-doped semiconductor body, which on one side via one of the electrical discharge layers ( 30a -G) is connected to the further semiconductor body of one of the pairs and is connected via a further one of the electrical discharge layers to the further semiconductor body of the other pair on the opposite side, whereby the thermocouples are connected in series.

Thermoelectric module according to one of the preceding claims, wherein the thermoelectrically active material has two opposite outer sides, each having an electrical discharge layer ( 30a -G) and the respective dissipation layer is arranged directly on a respective carrier or over an insulating layer extending from the respective dissipation layer to the adjacent carrier on the carrier, one of the two carriers being opposite to one another and between which the thermoelectrically active material or both vehicles ( 40a , b) have fluid channels extending within the carrier.

Thermoelectric module according to one of the preceding claims, wherein the dissipation layer ( 30a -G) by means of heat-conducting compound directly to the carrier ( 40a , b) is connected or the dissipation layer is connected by means of heat conducting compound to the insulating layer or the insulating layer is connected by means of heat conducting compound to the carrier, wherein a heat-conducting compound is provided by the moldable or solid heat conducting compound.

Method for producing a thermoelectric-active-material thermoelectric module, comprising the steps of: applying an electrical discharge layer ( 30a -G) on an outside of the material and attaching the dissipation layer directly to a support ( 40a b) or applying an insulating layer to the carrier or the dissipation layer and attaching the attached insulating layer to the dissipation layer or to the carrier, characterized in that the method further comprises attaching one or more fluid channels ( 50 ) within the carrier or forming the carrier with recesses forming the fluid channel (s) within the carrier.

Method according to claim 8, wherein the carrier is provided by producing a continuous carrier ( 40a , b) and forming the fluid channels by removing material from the carrier or by forming the carrier in two parts each having a surface in which grooves are formed or in the grooves by removing surface material, and assembling the parts, the grooves aligned with each other and together form the fluid channels.

Method according to claim 8 or 9, wherein two carriers ( 40a , b) are arranged on two opposite sides of the thermoelectrically active material, both supports ( 40a , b) have fluid channels or a carrier has fluid channels, while the other carrier is formed by a continuous, heat-conducting layer, which is directly or indirectly followed by a heat source or a heat sink.