DE102011084442B4 - Thermoelektrisches Bauelement mit glasummantelten n- und p-Leitern - Google Patents

Abstract

Thermoelektrisches Bauelement mit thermoelektrischen Paaren aus n- und p-Leitern, die jeweils über elektrisch leitfähige Kontakte miteinander verbunden sind, wobei n- und p-Leiter von jeweils einem Glasrohr mit im Wesentlichen dreieckiger, viereckiger oder sechseckiger Querschnittsgeometrie ummantelt sind, und wobei die jeweiligen Glasrohre so nebeneinander angeordnet sind, dass sie die Fläche des thermoelektrischen Bauelements dicht belegen, so dass sich eine möglichst dichte Packung aus ummantelten n- und p-Leitern ergibt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Bauelement mit thermoelektrischen Paaren aus n- und p-Leitern, die jeweils über elektrisch leitfähige Kontakte miteinander verbunden sind, wobei zwischen den n- und p-Leitern ein elektrisch isolierendes Material angeordnet ist.
• Thermoelektrische Bauelemente sind beispielsweise aus der Schrift DE 10 2006 017 547 A1 bekannt.
• Thermoelektrische Bauelemente wandeln thermische Energie in elektrische Energie um. Diese Art der Energieumwandlung wird beispielsweise in Automobilen verwendet, um Motor- und Abgaswärme in Strom für die Automobilelektronik umzuwandeln.
• Thermoelektrische Bauelemente bestehen aus abwechselnd in Reihe geschalteten Paaren aus n-und p-Leitern und enthalten für Anwendungen bis etwa 300 K überwiegend V-IV-Verbindungen auf Basis von Bi₂Te₃ (Bi₂Te₃ ist p-leitend mit Bi-Überschuss und n-leitend mit Te-Überschuss) als n- und p-Leitermaterialen. Noch effizienter als Bi₂Te₃ alleine sind Mischkristallreihen, die Bi₂Te₃ mit Bi₂Se₃ und Sb₂Te₃ bilden kann. Bei hohen Temperaturen von etwa 600 bis 1200 K werden vorzugsweise Verbindungen auf Basis von PbTe-Verbindungen bzw. SiGe-Legierungen verwendet.
• Damit es weder zu einem thermischen noch zu einem elektrischen Kurzschluss zwischen den Paaren aus n- und p-Leitern kommt, sind die Paare durch Zwischenräume voneinander getrennt. Dies schränkt den nutzbaren Bereich eines thermoelektrischen Bauelements ein und begrenzt damit die Ausbeute an erzeugbarer elektrischer Energie pro Volumen des thermoelektrischen Bauelements (großes Leervolumen der Zwischenräume). Bei hohen Einsatztemperaturen eines thermoelektrischen Bauelements kann es zu Veränderungen der verwendeten n- und p-Leiterverbindungen kommen, z.B. Abdampfung von Verbindungskomponenten, Rekristallisation der Verbindungen oder Oxidation. Bei oxidischen Verbindungen, auf deren Basis n- und p-Leiter ebenfalls hergestellt werden können, wie SrTiO₃ oder Na_xCo₂O₄, kann es zur ungewünschten Aufnahme von Sauerstoff oder zu Diffusion von Ionen zwischen p- und n-leitenden Verbindungen bei hohen Temperaturen kommen.
• In der DE 10 2006 017 547 A1 wird für Zwischenschichten zwischen den einzelnen thermoelektrischen Schenkelpaaren oder für die kompletten Zwischenräume zwischen den Schenkeln als elektrisch nicht leitendes Material unter anderem Glas vorgeschlagen.
• Weitere thermoelektrische Bauelemente sind aus dem Artikel „Thermolectric modules for power generation and cooling" von Kin-ichi Uemura, Institute for Thermoelectric Technologies Japan (1993) bekannt. Unter anderem wird hier beschrieben, dass die thermoelektrischen Paare aus n- und p-Leitern, an deren Seitenflächen zur Isolierung mit Glas, insbesondere Quarzglas, beschichtet und zusammengesintert werden.
• Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein langzeitstabiles thermoelektrisches Bauelement zur Verfügung zu stellen, mit einer erhöhten Ausbeute an elektrischer Energie pro Volumen des thermoelektrischen Bauelements. Das Bauelement soll einfach und wirtschaftlich, in hoher Qualität, reproduzierbar und in hoher Ausbeute herstellbar sein. Auch die Langzeitstabilität des Bauelements soll gegenüber einem bekannten Bauelement verbessert werden.
• Gelöst wird die Aufgabe durch ein thermoelektrisches Bauelement mit thermoelektrischen Paaren aus n- und p-Leitern, die jeweils über elektrisch leitfähige Kontakte miteinander verbunden sind, wobei n- und p-Leiter von jeweils einem Glasrohr mit im Wesentlichen dreieckiger, viereckiger oder sechseckiger Querschnittsgeometrie ummantelt sind.
• Im Folgenden wird der Begriff „eckig“ für dreieckig, viereckig oder sechseckig verwendet.
• Vorzugsweise entspricht die eckige Querschnittsgeometrie des Glasrohrs einer der folgenden Flächengeometrien:
• - Dreieckig
• - Schiefwinklig (Viereckig): a ≠ b, γ beliebig
• - Rechtwinklig (Viereckig): a ≠ b, γ = 90°
• - Quadratisch (Viereckig): a = b, γ = 90°
• - Hexagonal (Sechseckig): a = b, γ = 120°
• Die jeweiligen Glasrohre sind so nebeneinander angeordnet, dass sie die Fläche des thermoelektrischen Bauelements dicht belegen, so dass sich eine möglichst dichte Packung aus ummantelten n- und p-Leitern ergibt.
• Bevorzugt umfasst ein erfindungsgemäßes thermoelektrisches Bauelement Glasrohre derselben Querschnittsgeometrie.
• Vorzugsweise sind die Glasrohre so dünn wie möglich ausgeführt und weisen möglichst geringe Übergangsradien an deren Kanten auf, so dass möglichst viele thermoelektrische Paare aus n- und p-Leitern auf möglichst wenig Raum angeordnet werden können. Die bevorzugte Wanddicke der Glasrohre liegt im Bereich von 0,1 bis 1 mm.
• Besonders bevorzugt weisen die Glasrohre einen im Wesentlichen quadratischen Querschnitt auf.
• Der Begriff im „Wesentlichen eckige Querschnittsgeometrie“ ist insbesondere dahingehend zu verstehen, dass die Glasrohre herstellungsbedingt mehr oder weniger große Übergangsradien an deren Kanten aufweisen und dass in geringerem Maße Abweichungen von der Ebenheit der Außenflächen der Glasrohre auftreten können, die zu einer Abweichung von der idealen Querschnittsgeometrie führen kann.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Glasrohre aus folgenden Glastypen verwendet:
• - Borosilikatgläser,
• - Erdalkalialumosilikatgläser, z.B. Halogenlampengläser.
• Vorzugsweise sind die Glaszusammensetzungen bis auf unvermeidliche Spuren frei von Alkaliionen, insbesondere dann, wenn der Alkaliionengehalt der Glasrohre einen negativen Einfluss auf die Funktionsweise oder Langzeitstabilität des thermoelektrischen Bauteils hätte.
• Grundsätzlich können alle Glaszusammensetzungen verwendet werden, die sich insbesondere zur Herstellung von den geometrischen Anforderungen erfüllenden, dünnen Glasrohren mit im Wesentlichen eckiger Querschnittsgeometrie eignen, die die geforderte niedrige elektrische und thermische Leitfähigkeit aufweisen, die chemisch gegenüber den n- und p-Leiterverbindungen bei den Einsatzbedingungen des thermoelektrischen Bauelements stabil sind.
• Vorzugsweise werden folgende thermoelektrische Materialien für die thermoelektrischen Paare aus n- und p-Leitern verwendet:
1. 1. PbTe
2. 2. SiGe
3. 3. Intermetallische Verbindungen (Halb-Heusler-Phasen, ...)
4. 4. Oxidische Materialien, wie Ca₃Co₄O₉
5. 5. Skudderudite (basierend auf CoSb₃)
6. 6. Clathrate („Käfigverbindungen“ aus Siliciden und Germaniden)
7. 7. Chalkogene
• Dadurch, dass n- und p-Leiter mit einem Material mit einer geringen thermischen und elektrischen Leitfähigkeit und einer hohen chemischen Beständigkeit in Form eines Glasrohres mit im Wesentlichen eckiger Querschnittsgeometrie ummantelt sind, kann der minimale Abstand zwischen n- und p-Leiter drastisch reduziert werden.
• Aufgrund einer bevorzugten geringen Wärmeleitfähigkeit und eines bevorzugt hohen elektrischen Widerstands bieten dünne Glasrohre die Möglichkeit, als Isolatoren in den Zwischenräumen zu wirken und somit die Langzeitstabilität und die Energieausbeute auf einfachste Weise zu erhöhen.
• Diese Maßnahmen führen zu einer Reduzierung der Dimension des thermoelektrischen Bauelements bei unveränderter Energieausbeute, wodurch Gewicht und damit Kraftstoff im Fall von Anwendungen im Automobilbereich eingespart oder im Fall von Anwendungen im stationären Bereich die Effizienz gesteigert werden kann.
• Bisherige Probleme der Temperaturinstabilität bzw. unzureichende chemische Beständigkeit können durch Verwendung von Glasrohren mit im Wesentlichen eckigen Querschnittsgeometrien vermieden oder zumindest verringert werden.
• Die Verwendung von Glasrohren mit im Wesentlichen eckiger Querschittsgeometrie, zur Ummantelung der n- und p-Leiter hat insbesondere folgende Vorteile:
• - Die Glasrohre können mit hoher Präzision einfach mit folgenden Eigenschaften hergestellt werden:
  • geringe Wanddickentoleranz,
  • hohe Formgenauigkeit,
  • hohe Planarität und Oberflächengüte,
  • geometrische Genauigkeit für präzise Verarbeitung,
  • breites Formen- und Abmessungsspektrum sowie Realisierbarkeit kundenindividueller Winkelmaße und asymmetrischer Formen,
  • vielseitige Oberflächengestaltungen von glatt bis profiliert;
• - Glasrohre lassen sich wirtschaftlich als Massenprodukt mittels bekannter, kontinuierlicher Heißformgebungsziehverfahren aus der Glasschmelze oder durch Widerziehen einer Glasrohrvorform herstellen;
• - je nach Anwendung des thermoelektrischen Bauelements und je nach Art der n- und p-Leiterverbindung kann die Glaszusammensetzung der Glasrohre angepasst werden, so dass, neben der hervorragenden thermischen und elektrischen Isolation, die jeweilige n- und p-Leiterverbindung durch chemische Einflüsse geschützt ist;
• - die Glasrohre eigenen sich zur hermetischen, platzsparenden Ummantelung der n- und p-Leiter.
• Durch die Verwendung von Glasrohren mit den oben aufgeführten maßschneider- und standardisierbaren Eigenschaften lassen sich erfindungsgemäße thermoelektrische Bauelemente in hoher Qualität und Quantität herstellen.
• Figurenliste
• 1 zeigt ein erfindungsgemäßes thermoelektrisches Bauelement von der Seite.
• 2 zeigt einen Teil eines erfindungsgemäßen thermoelektrischen Bauelements von oben.
• 3 zeigt mögliche Querschnitte der Glasrohre und deren geometrisch dichte, flächenhafte Anordnung.
• 4 zeigt wesentliche Herstellungsschritte eines erfindungsgemäßen thermoelektrischen Bauelements.
• In 1 ist ein erfindungsgemäßes thermoelektrisches Bauelement (5) von der Seite dargestellt. Man erkennt die thermoelektrischen Paare (6) aus n- und p-Leitern, die jeweils über elektrisch leitfähige Kontakte (7) miteinander verbunden sind, wobei n- und p-Leiter von einem im Wesentlichen rechteckigen Glasrohr (8) mit einer bevorzugten Wanddicke von 0,1 bis 1 mm ummantelt sind.
• 2 zeigt ein Teil eines erfindungsgemäßen thermoelektrischen Bauelements (5) von oben. Man erkennt die thermoelektrischen Paare (6) aus n- und p-Leitern, wobei n- und p-Leiter von einem dünnen, im Wesentlichen rechteckigen Glasrohr (8) ummantelt sind.
• In 3 sind mögliche, bevorzugte Querschnitte der Glasrohre und deren geometrisch dichte, flächenhafte Anordnung, dargestellt:
• - quadratisch,
• - schiefwinkelig,
• - dreieckig,
• - sechseckig.
• In 4 sind wesentliche Herstellungsschritte eines erfindungsgemäßen thermoelektrischen Bauelements sowie ein vergrößerter Ausschnitt eines Teils des Bauelements (rechts oben) dargestellt. Die einzelnen Glasrohre werden gebündelt, mit thermoelektrischen Paaren aus n- und p-Leitern bestückt und anschließend vereinzelt.
• Anhand des Ausführungsbeispiels (wie in den 1 bis 4 dargestellt) ergibt sich auf einen Blick der Vorteil der vorliegenden Erfindung, die einfache, wirkungsvolle und dabei Platz sparende Ummantelung der Paare aus n- und p-Leiter mit dünnen, im Wesentlichen rechteckigen Glasrohren.

Claims (3)

1. Thermoelektrisches Bauelement mit thermoelektrischen Paaren aus n- und p-Leitern, die jeweils über elektrisch leitfähige Kontakte miteinander verbunden sind, wobei n- und p-Leiter von jeweils einem Glasrohr mit im Wesentlichen dreieckiger, viereckiger oder sechseckiger Querschnittsgeometrie ummantelt sind, und wobei die jeweiligen Glasrohre so nebeneinander angeordnet sind, dass sie die Fläche des thermoelektrischen Bauelements dicht belegen, so dass sich eine möglichst dichte Packung aus ummantelten n- und p-Leitern ergibt.
2. Thermoelektrisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Glasrohr aus einem Borosilikatglas oder einem Erdalkalialumosilikatglas, insbesondere aus einem Halogenlampenglas, besteht.
3. Thermoelektrisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Glasrohr bis auf unvermeidliche Spuren frei von Alkaliionen ist.

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