DE102012208837A1

DE102012208837A1 - Seebeck element arrangement, Seebeck element device and method for producing a Seebeck element arrangement

Info

Publication number: DE102012208837A1
Application number: DE102012208837A
Authority: DE
Inventors: Martin Köhne
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-05-25
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2013-11-28
Also published as: WO2013174627A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Seebeck-Elementanordnung (200; 200a) mit: einer ersten Brückenelektrode (212; 216), mit einem thermoelektrischen Schenkel (222; 224), welcher mindestens zwei thermoelektrische Schenkelelemente (222a, 222b, 222c; 224a, 224b, 224c) aufweist, die jeweils mit der ersten Brückenelektrode (212; 216) über erste Kontaktflächen (KF1) verbunden sind, und einer zweiten Brückenelektrode (214), welche mit den mindestens zwei thermoelektrischen Schenkelelementen (222a, 222b, 222c; 224a, 224b, 224c) jeweils über zweite Kontaktflächen (KF2) verbunden ist.The invention relates to a Seebeck element arrangement (200; 200a) comprising: a first bridge electrode (212; 216) having a thermoelectric leg (222; 224) comprising at least two thermoelectric leg elements (222a, 222b, 222c; 224a, 224b, 224c ) respectively connected to the first bridge electrode (212; 216) via first contact pads (KF1) and a second bridge electrode (214) connected to the at least two thermoelectric leg members (222a, 222b, 222c; 224a, 224b, 224c ) is connected in each case via second contact surfaces (KF2).

Description

Die Erfindung betrifft eine Seebeck-Elementanordnung, eine Seebeck-Elementvorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer Seebeck-Elementanordnung.The invention relates to a Seebeck element arrangement, a Seebeck element device and a method for producing a Seebeck element arrangement.

Stand der TechnikState of the art

Die Autoren I. M. Mal'tsev und V. G. Petriko beschreiben in ihrer im Jahre 1993 verfassten Druckschrift mit dem Titel „Installation for electric pulsed sintering of conducting powders during rolling“, erschienen in der Fachzeitschrift “Powder Metallurgy and Metal Ceramics“ in der Ausgabe 32, Nummer 3 auf den Seiten 277–279 die direkte, kontinuierliche Herstellung von dünnen Bändern aus Pulvern. Dabei wird beim dem dort beschrieben Verfahren das zu sinternde Pulver während des Herstellungsprozesses zwischen zwei Rollen elektrisch kontaktiert und dabei durch hohe elektrische Ströme erhitzt und gleichzeitig unter Druck gesintert. Eine dort beschriebene Vorrichtung 5 ist beispielhaft in der 9 dargestellt.the authors IM Mal'tsev and VG Petriko describe in issue 32, number 3, in their 1993 paper entitled "Installation for electric pulsed sintering of conducting powders during rolling" published in the journal "Powder Metallurgy and Metal Ceramics" pages 277-279 the direct, continuous production of thin strips of powders. In the case of the method described there, the powder to be sintered is electrically contacted between two rollers during the production process and in the process is heated by high electrical currents and at the same time sintered under pressure. A device 5 described there is exemplary in the 9 shown.

Die Druckschrift SU 174 894 3 A1 beschreibt eine Methode und eine Vorrichtung zur Elektro-Impuls-Sinterung von metallischen Pulvern.The publication SU 174 894 3 A1 describes a method and apparatus for electro-impulse sintering of metallic powders.

Die 7 zeigt beispielhaft den Aufbau eines thermoelektrischen Moduls 100, welches einzelne thermoelektrische Schenkel 122, 124 sowie die thermoelektrischen Schenkel 122, 124 verbindende Brückenelektroden 112, 114, 116 aufweist. Dabei sieht der Aufbau des thermoelektrischen Moduls 100 ein Alternieren des thermoelektrischen Schenkels 122 als p-Typ mit einem vorherrschenden Leitungsmechanismus durch Defektelektronen und des thermoelektrischen Schenkels 124 als n-Typ mit einem vorherrschenden Leitungsmechanismus durch Elektronen vor. The 7 shows an example of the structure of a thermoelectric module 100 which individual thermoelectric legs 122 . 124 as well as the thermoelectric legs 122 . 124 connecting bridge electrodes 112 . 114 . 116 having. The structure of the thermoelectric module looks like this 100 alternating the thermoelectric leg 122 as a p-type with a predominant conduction mechanism through holes and the thermoelectric leg 124 as n-type with a predominant conduction mechanism by electrons.

Wird ein thermoelektrischer Schenkel 122, 124 aus thermoelektrischem Material auf einer Seite auf einer erhöhten Temperatur und auf der anderen Seite auf einer im Vergleich hierzu erniedrigten Temperatur gehalten, entsteht durch den zwischen den beiden Seiten des thermoelektrischen Schenkels 122, 124 vorherrschenden Temperaturgradienten eine elektrische Spannung zwischen den beiden Seiten des thermoelektrischen Schenkels 122, 124.Becomes a thermoelectric leg 122 . 124 made of thermoelectric material held on one side at an elevated temperature and on the other hand at a temperature lowered compared to that, is created by the between the two sides of the thermoelectric leg 122 . 124 prevailing temperature gradients an electrical voltage between the two sides of the thermoelectric leg 122 . 124 ,

Werden die beiden Seiten der thermoelektrischen Schenkel 122, 124 elektrisch miteinander verbunden, fließt ein elektrischer Strom entlang eines Strompfades SP. Be the two sides of the thermoelectric legs 122 . 124 electrically connected together, an electric current flows along a current path SP.

Dadurch kann an den Seiten der thermoelektrischen Schenkel 122, 124 abgeführte Wärme direkt in elektrische Leistung umgewandelt werden. Die elektrische Spannung im thermoelektrischen Schenkel 122, 124 wird durch die Thermodiffusion von Elektronen und durch die Thermodiffusion von Defektelektronen in Richtung des vorherrschenden Temperaturgradienten verursacht. Dieser Effekt wird als Seebeck-Effekt bezeichnet. Der den Seebeck-Effekt eines jeweiligen Materials charakterisierende Seebeck-Koeffizient hat die Dimension einer elektrischen Spannung pro Temperaturdifferenz, Volt/Kelvin, und beträgt beispielsweise für Skutterudite circa 100–300 µV/K.This can be done on the sides of the thermoelectric leg 122 . 124 Dissipated heat can be converted directly into electrical power. The electrical voltage in the thermoelectric leg 122 . 124 is caused by the thermal diffusion of electrons and by the thermal diffusion of holes in the direction of the prevailing temperature gradient. This effect is called the Seebeck effect. The Seebeck coefficient characterizing the Seebeck effect of a respective material has the dimension of an electrical voltage per temperature difference, volts / Kelvin, and is for example approximately 100-300 μV / K for skutterudites.

Je größer der Temperaturgradient am Schenkel zwischen heißer und kalter Seite der thermoelektrischen Schenkel 122, 124 ist, umso höher ist die aus dem Seebeck-Effekt resultierende elektrische Spannung.The greater the temperature gradient at the leg between the hot and cold sides of the thermoelectric legs 122 . 124 is, the higher is the electrical voltage resulting from the Seebeck effect.

Dennoch ist die Spannung sehr gering, die an einem thermoelektrischen Schenkel 122, 124 abfällt. Bei einem Temperaturgradienten von etwa 400 °C liegen bei einem Material mit einem Seebeck-Koeffizient von 250 µV/K gerade mal 100 mV an. Um zu hohe elektrische Ströme zu vermieden, wird eine Vielzahl von thermoelektrischen Schenkeln 122, 124 in Reihe geschaltet. Dadurch wird bei gleicher elektrischer Leistung, auf die Querschnittsfläche bezogen, die Spannung erhöht und der Strom entsprechend reduziert. Diese Reihenschaltung ist der Grund für die weitverbreitete Bauart von Modulen, wie in 8 beispielhaft dargestellt ist.Nevertheless, the voltage is very low, that on a thermoelectric leg 122 . 124 drops. At a temperature gradient of about 400 ° C, a material with a Seebeck coefficient of 250 μV / K just 100 mV on. To avoid excessive electrical currents, a variety of thermoelectric legs 122 . 124 connected in series. As a result, with the same electrical power, based on the cross-sectional area, the voltage is increased and the current is reduced accordingly. This series connection is the reason for the widespread design of modules, as in 8th is shown by way of example.

Die 8 zeigt beispielhaft ein Modul mit in Reihe geschalteten thermoelektrischen Schenkeln. Durch die Vielzahl der in Reihe geschalteten thermoelektrischen Schenkel, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit eines Modulausfalls, da bereits eine Unterbrechung des Stromflusses in einem einzigen thermoelektrischen Schenkel, beispielsweise durch einen Riss oder eine abgelösten Lötstelle, dazu führt, dass das gesamte Modul ausfällt.The 8th shows an example of a module with series-connected thermoelectric legs. The large number of thermoelectric legs connected in series increases the likelihood of a module failure since interrupting the flow of current in a single thermoelectric leg, for example due to a crack or a detached solder joint, will cause the entire module to fail.

Die thermoelektrischen Schenkel 122, 124 sind mit den Brückenelektroden 112, 114, 116 in Serie geschaltet. Auf der Ober- und Unterseite aufliegende Keramikplatten 132, 134 isolieren das Modul elektrisch nach außen hin. Ferner umfasst das Modul Anschlusselektroden 142, 144.The thermoelectric legs 122 . 124 are with the bridge electrodes 112 . 114 . 116 connected in series. On the top and bottom ceramic tiles 132 . 134 Insulate the module electrically outwards. Furthermore, the module comprises connection electrodes 142 . 144 ,

Die weiteren Bezugszeichen der 8 sind bereits in der Figurenbeschreibung der 7 beschrieben worden und werden daher nicht weiter erläutert.The further reference numerals of 8th are already in the description of the figure 7 have been described and are therefore not further explained.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorliegende Erfindung schafft gemäß dem Patentanspruch 1 eine Seebeck-Elementanordnung mit einer ersten Brückenelektrode, mit einem thermoelektrischen Schenkel, welcher mindestens zwei thermoelektrische Schenkelelemente aufweist, die jeweils mit der ersten Brückenelektrode über erste Kontaktflächen verbunden sind, und mit einer zweiten Brückenelektrode, welche mit den mindestens zwei thermoelektrischen Schenkelelementen jeweils über zweite Kontaktflächen verbunden ist.The present invention provides according to claim 1, a Seebeck element arrangement with a first bridge electrode, with a thermoelectric leg, which at least has two thermoelectric leg elements, which are each connected to the first bridge electrode via first contact surfaces, and with a second bridge electrode which is connected to the at least two thermoelectric leg elements in each case via second contact surfaces.

Die vorliegende Erfindung schafft ferner gemäß dem Patentanspruch 7 eine Seebeck-Elementvorrichtung umfassend zwei Seebeck-Elementanordnungen, wobei die zwei Seebeck-Elementanordnungen über die zweite Brückenelektrode in Serie geschaltet sind.The present invention further provides, according to claim 7, a Seebeck element device comprising two Seebeck element arrangements, wherein the two Seebeck element arrangements are connected in series via the second bridge electrode.

Die vorliegende Erfindung schafft ferner gemäß dem Patentanspruch 9 ein Verfahren zum Herstellen einer Seebeck-Elementanordnung mit den Schritten: Bilden eines thermoelektrischen Schenkelelementes aus einem thermoelektrischen Material, Beschichten des thermoelektrischen Schenkelelementes mit einem Beschichtungsmaterial, Bilden eines Verbundes durch Zusammenfügen von mindestens zwei beschichteten thermoelektrischen Schenkelelementen, Verbinden der thermoelektrischen Schenkelelemente mit einer ersten Brückenelektrode jeweils über erste Kontaktflächen und mit einer zweiten Brückenelektrode jeweils über zweite Kontaktflächen und Entfernen des Beschichtungsmaterials zwischen den mindestens zwei thermoelektrischen Schenkelelementen.The present invention further provides, according to claim 9, a method of fabricating a Seebeck element assembly comprising the steps of: forming a thermoelectric leg member of a thermoelectric material, coating the thermoelectric leg member with a coating material, forming a composite by joining at least two coated thermoelectric leg members; Connecting the thermoelectric leg elements with a first bridge electrode in each case via first contact surfaces and with a second bridge electrode in each case via second contact surfaces and removing the coating material between the at least two thermoelectric leg elements.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, einen thermoelektrischen Schenkel nicht aus einem einzigen Block eines thermoelektrischen Materials aufzubauen, sondern aus einer Vielzahl von einzelnen Prismen auszubilden, nachfolgend auch thermoelektrische Schenkelelemente genannt, wobei die Prismen ein thermoelektrisches Material aufweisen. An idea of the present invention is not to construct a thermoelectric leg from a single block of thermoelectric material but to form it from a plurality of individual prisms, hereafter also called thermoelectric leg elements, the prisms comprising a thermoelectric material.

Die Erfindung erlaubt die einfache Herstellung von thermoelektrischen Schenkeln, die aus einer Vielzahl von Prismen aus thermoelektrischem Material ausgebildet sind, die sich gegenseitig nicht berühren. Da die einzelnen thermoelektrischen Schenkelelemente wesentlich kleinere Kontaktflächen als die gesamte Querschnittsfläche der thermoelektrischen Schenkel besitzen, sind die thermisch induzierten mechanischen Spannungen zum Lot sowie zur Leiterbahn an den Kontaktflächen zu den Brückenelektroden wesentlich geringer.The invention allows the simple production of thermoelectric legs, which are formed of a plurality of prisms of thermoelectric material that do not touch each other. Since the individual thermoelectric leg elements have substantially smaller contact surfaces than the entire cross-sectional area of the thermoelectric legs, the thermally induced mechanical stresses to the solder and to the conductor at the contact surfaces to the bridge electrodes are substantially lower.

Vorteilhaft erlaubt dies, falls eines der thermoelektrischen Schenkelelemente, die in ihrer Gesamtheit einen thermoelektrischen Schenkel bilden, ausfällt, dennoch die Seebeck-Elementanordnung weiterhin thermoelektrisch funktionsfähig zu halten. Dadurch kann die Lebensdauer der thermoelektrischen Schenkel erheblich verbessert werden.Advantageously, if one of the thermoelectric leg elements, which in their entirety constitute a thermoelectric leg, fails, the Seebeck element arrangement nevertheless continues to be thermoelectrically functional. As a result, the life of the thermoelectric legs can be significantly improved.

Durch die vollständige, räumliche Trennung zwischen den Prismen wird ein thermoelektrischer Schenkel aus einer Vielzahl von parallel geschalteten thermoelektrischen Prismen, im weiteren auch thermoelektrische Schenkelelemente genannt, ausgebildet. Fällt eines oder mehrere dieser parallel geschalteten Prismen aus, beispielsweise durch Degradation oder durch mechanische Schädigung oder durch einen Produktionsfehler bei der Herstellung des Primas, bleibt der thermoelektrische Schenkel dennoch weiterhin funktionsfähig.Due to the complete, spatial separation between the prisms, a thermoelectric leg of a plurality of parallel-connected thermoelectric prisms, also referred to as thermoelectric leg elements formed. If one or more of these prisms connected in parallel fails, for example as a result of degradation or due to mechanical damage or due to a production error in the production of the primate, the thermoelectric leg still remains functional.

Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.Advantageous embodiments and further developments emerge from the dependent claims and from the description with reference to the figures.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die mindestens zwei thermoelektrischen Schenkelelemente des thermoelektrischen Schenkels voneinander getrennt ausgebildet. Dies erlaubt vorteilhaft, die Funktionsfähigkeit des thermoelektrischen Schenkels auch bei Ausfall eines oder mehrerer der thermoelektrischen Schenkelelemente aufrecht zu erhalten.According to one embodiment of the invention, the at least two thermoelectric leg elements of the thermoelectric leg are formed separately from each other. This advantageously allows to maintain the operability of the thermoelectric leg even in case of failure of one or more of the thermoelectric leg elements.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die erste Brückenelektrode ein Metall oder ein hoch-dotiertes Halbleitermaterial. Dadurch kann zuverlässig eine elektrische Zusammenschaltung der einzelnen thermoelektrischen Schenkel erreicht werden.According to one embodiment of the invention, the first bridge electrode comprises a metal or a highly doped semiconductor material. As a result, an electrical interconnection of the individual thermoelectric legs can be reliably achieved.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die zweite Brückenelektrode ein Metall oder ein hoch-dotiertes Halbleitermaterial. Dies ermöglicht eine zuverlässige elektrische Verbindung der einzelnen thermoelektrischen Schenkel.According to one embodiment of the invention, the second bridge electrode comprises a metal or a highly doped semiconductor material. This allows a reliable electrical connection of the individual thermoelectric legs.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfassen die mindestens zwei thermoelektrischen Schenkelelemente des thermoelektrischen Schenkels ein Halbleitermaterial oder ein Halbmetall.According to one embodiment of the invention, the at least two thermoelectric leg elements of the thermoelectric leg comprise a semiconductor material or a semimetal.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfassen die mindestens zwei thermoelektrischen Schenkelelemente des thermoelektrischen Schenkels Skutterudit-Verbindungen, Bismut-Telluride, Bismuth-Chalkogene, Halb-Heusler-Legierungen, Silizium-Germanium-Verbindungen, Bleitelluride, Clathrate, Silicide oder Magnesium-Verbindungen.In accordance with one embodiment of the invention, the at least two thermoelectric leg members of the thermoelectric leg include skutterudite compounds, bismuth tellurides, bismuth chalcogens, semi-Heusler alloys, silicon germanium compounds, lead tellurides, clathrates, silicides or magnesium compounds.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Seebeck-Elementvorrichtung umfasst einer der thermoelektrischen Schenkel einen n-dotierten Halbleiter und einer der thermoelektrischen Schenkel umfasst einen p-dotierten Halbleiter.According to a further embodiment of the Seebeck element device, one of the thermoelectric legs comprises an n-doped semiconductor and one of the thermoelectric legs comprises a p-doped semiconductor.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Verbund der mindestens zwei beschichteten thermoelektrischen Schenkelelemente vor dem Verbinden mit der ersten Brückenelektrode und der zweiten Brückenelektrode in thermoelektrische Schenkel vereinzelt.According to a further embodiment of the invention, the composite of at least two coated thermoelectric leg elements before joining with the first bridge electrode and the second bridge electrode singulated into thermoelectric legs.

Die beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren.The described embodiments and developments can, if appropriate, combine with one another as desired.

Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung.Further possible refinements, developments and implementations of the invention also include combinations, not explicitly mentioned, of features of the invention described above or below with regard to the exemplary embodiments.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung.The accompanying drawings are intended to provide further understanding of the embodiments of the invention. They illustrate embodiments and, together with the description, serve to explain principles and concepts of the invention.

Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die dargestellten Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.Other embodiments and many of the stated advantages will become apparent with reference to the drawings. The illustrated elements of the drawings are not necessarily shown to scale to each other.

Es zeigen:Show it:

1 eine schematische Darstellung einer Seebeck-Elementvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; 1 a schematic representation of a Seebeck element device according to an embodiment of the invention;

2–5 jeweils eine schematische Darstellung von einzelnen Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Herstellen einer Seebeck-Elementanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; 2 - 5 in each case a schematic representation of individual method steps of a method for producing a Seebeck element arrangement according to a further embodiment of the invention;

6 eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms eines Verfahrens zum Herstellen einer Seebeck-Elementanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; 6 a schematic representation of a flowchart of a method for producing a Seebeck element arrangement according to another embodiment of the invention;

7 eine beispielhafte Darstellung eines thermoelektrischen Moduls; 7 an exemplary representation of a thermoelectric module;

8 eine beispielhafte Darstellung eines Seebeck-Elements mit in Reihe geschalteten thermoelektrischen Schenkels; und 8th an exemplary representation of a Seebeck element with series-connected thermoelectric leg; and

9 eine beispielhafte Darstellung einer Vorrichtung zur Elektro-Impuls-Sinterung von metallischen Pulvern. 9 an exemplary representation of an apparatus for electro-impulse sintering of metallic powders.

In den Figuren der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente, Bauteile, Komponenten oder Verfahrensschritte, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.In the figures of the drawing, like reference numerals designate the same or functionally identical elements, components, components or method steps, unless indicated otherwise.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Seebeck-Elementvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.The 1 shows a schematic representation of a Seebeck element device according to an embodiment of the invention.

Eine Seebeck-Elementvorrichtung 300 umfasst zwei Seebeck-Elementanordnungen 200, 200a, welche über eine zweite Brückenelektrode 214 in Serie geschaltet sind. In einem thermoelektrischen Schenkel befindet sich eine Vielzahl von Seebeck-Elementvorrichtungen 300, die jeweils über erste und zweite Brückenelektroden 212, 216 und 214 miteinander verbunden sind und in Reihe geschaltet sind. Die Seebeck-Elementvorrichtung 300 ist beispielsweise in Form von thermoelektrischen Schenkelpaaren ausgebildet.A Seebeck element device 300 includes two Seebeck element arrangements 200 . 200a , which via a second bridge electrode 214 are connected in series. In a thermoelectric leg are a plurality of Seebeck element devices 300 , respectively, via first and second bridge electrodes 212 . 216 and 214 interconnected and connected in series. The Seebeck element device 300 is formed for example in the form of thermoelectric leg pairs.

Die Seebeck-Elementanordnungen 200, 200a umfassen jeweils eine erste Brückenelektrode 212, 216, eine zweite, gemeinsam genutzte Brückenelektrode 214 und einen thermoelektrischen Schenkel 222, 224. Die Seebeck-Elementanordnungen 200, 200a sind beispielsweise jeweils als ein thermoelektrisches Schenkelpaar ausgebildet.The Seebeck element arrangements 200 . 200a each comprise a first bridge electrode 212 . 216 , a second shared bridge electrode 214 and a thermoelectric leg 222 . 224 , The Seebeck element arrangements 200 . 200a For example, each formed as a thermoelectric pair of legs.

Die beispielsweise als Metallbrücken ausgebildeten ersten und zweiten Brückenelektroden 212, 214, 216 bilden zugleich die thermischen Kontaktflächen der Seebeck-Elementanordnungen 200, 200a und sind durch eine aufliegende Folie oder eine Keramikplatte elektrisch nach außen hin isoliert.The example designed as metal bridges first and second bridge electrodes 212 . 214 . 216 at the same time form the thermal contact surfaces of the Seebeck element arrangements 200 . 200a and are electrically insulated by an overlying foil or a ceramic plate to the outside.

Die thermoelektrischen Schenkel 222, 224 weisen mindestens zwei thermoelektrische Schenkelelemente 222a, 222b, 222c, 224a, 224b, 224c auf, die jeweils mit der ersten Brückenelektrode 212; 216 über erste Kontaktflächen KF1 verbunden sind.The thermoelectric legs 222 . 224 have at least two thermoelectric leg elements 222a . 222b . 222c . 224a . 224b . 224c on, each with the first bridge electrode 212 ; 216 are connected via first contact surfaces KF1.

Beispielsweise sind die thermoelektrischen Schenkel 222, 224 je aus einem p- und einem n-dotiertem Halbleitermaterial ausgebildet.For example, the thermoelectric legs 222 . 224 each formed of a p- and an n-doped semiconductor material.

Ferner sind die mindestens zwei thermoelektrischen Schenkelelemente 222a, 222b, 222c, 224a, 224b, 224c jeweils mit der zweiten Brückenelektrode 214 über zweite Kontaktflächen KF2 verbunden. Die thermoelektrischen Schenkelelemente 222a, 222b, 222c, 224a, 224b, 224c sind beispielsweise als thermoelektrische Schenkelelemente ausgebildet.Furthermore, the at least two thermoelectric leg elements 222a . 222b . 222c . 224a . 224b . 224c each with the second bridge electrode 214 connected via second contact surfaces KF2. The thermoelectric leg elements 222a . 222b . 222c . 224a . 224b . 224c For example, they are designed as thermoelectric leg elements.

Die 2 zeigt eine schematische Darstellung von einzelnen Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Herstellen einer Seebeck-Elementanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.The 2 shows a schematic representation of individual method steps of a method for producing a Seebeck element arrangement according to another embodiment of the invention.

Das Verfahren beginnt mit einem ersten Verfahrensschritt, mit welchem ein Bilden S1 eines thermoelektrischen Schenkelelementes 222a aus einem thermoelektrischen Material erfolgt. Ferner erfolgt ein Beschichten S2 des thermoelektrischen Schenkelelementes mit einem Beschichtungsmaterial 225. The method begins with a first method step, with which forming S1 of a thermoelectric leg element 222a made of a thermoelectric material. Furthermore, a coating S2 of the thermoelectric leg element takes place with a coating material 225 ,

Eine wichtige Komponente für den Aufbau der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Schenkel sind die verwendeten Beschichtungsmaterialien 225, die auf dem thermoelektrischen Schenkelelement 222a haften oder durch einen Haftvermittler eine ausreichend hohe Haftung erreichen können. Solche Beschichtungsmaterialien 225 können auf verschiedene Art und Weise aufgebracht werden. Besonders vorteilhaft ist das Beschichtungsmaterial als Folie auf das thermoelektrische Schenkelelement 222a aufzubringen.An important component for the construction of the thermoelectric legs according to the invention are the coating materials used 225 resting on the thermoelectric leg element 222a be liable or achieve a sufficiently high adhesion by a primer. Such coating materials 225 can be applied in different ways. The coating material is particularly advantageous as a film on the thermoelectric leg element 222a applied.

Weiterhin vorteilhaft ist das Beschichtungsmaterial in Form eines Lackes auf das thermoelektrische Schenkelelement 222a aufzutragen. Dabei sind sogenannte Backlacke, wie sie aus der Herstellung von elektrischen Spulen bekannt sind, gut geeignet. Diese Backlacke besitzen nach dem Auftragen und Trocknen weiterhin eine klebrige Oberfläche, so dass damit beschichtete Bauteile mittels des Backlacks miteinander zusammengefügt werden können.Further advantageous is the coating material in the form of a lacquer on the thermoelectric leg member 222a apply. In this case, so-called baked enamels, as they are known from the production of electric coils, are well suited. These baked enamels also have a sticky surface after application and drying, so that components coated therewith can be joined together by means of the enamel.

Anschließend erfolgt ein Ausbilden S3 eines Verbundes 230 aus einer Vielzahl von beschichteten thermoelektrischen Schenkelelementen 222a, 222b, 222c, 222d, welche jeweils durch das Beschichtungsmaterial 225 voneinander räumlich getrennt sind.Subsequently, a formation S3 of a composite takes place 230 from a plurality of coated thermoelectric leg elements 222a . 222b . 222c . 222d , each by the coating material 225 are spatially separated from each other.

Ferner kann der Verbund 230, der mindestens zwei beschichtete thermoelektrische Schenkelelemente 222a, 222b, 222c, 222d aufweist, in einzelne thermoelektrische Schenkel vereinzelt werden.Furthermore, the composite can 230 comprising at least two coated thermoelectric leg elements 222a . 222b . 222c . 222d has singulated into individual thermoelectric legs.

Die 3 zeigt eine schematische Darstellung von einzelnen Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Herstellen einer Seebeck-Elementanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.The 3 shows a schematic representation of individual method steps of a method for producing a Seebeck element arrangement according to another embodiment of the invention.

Ein Verbund 230 mit vier thermoelektrischen Schenkelelementen 222a, 222b, 222c, 222d wird mit einer ersten Brückenelektrode 212, 216 und mit einer zweiten Brückenelektrode 214 verbunden. Dabei wird der Verbund 230 aus Prismen und dem Beschichtungsmaterial 225 mit der ersten Brückenelektroden 212, 216 und der zweiten Brückenelektrode 214 an der Ober- und Unterseite der thermoelektrischen Schenkelelementen 222a, 222b, 222c, 222d stoffschlüssig verbunden. Dabei bilden die thermoelektrische Schenkelelemente 222a, 222b, 222c, 222d jeweils ein Prisma.A composite 230 with four thermoelectric leg elements 222a . 222b . 222c . 222d comes with a first bridge electrode 212 . 216 and with a second bridge electrode 214 connected. This is the composite 230 from prisms and the coating material 225 with the first bridge electrodes 212 . 216 and the second bridge electrode 214 at the top and bottom of the thermoelectric leg elements 222a . 222b . 222c . 222d cohesively connected. In this case, the thermoelectric leg elements form 222a . 222b . 222c . 222d one prism each.

Anschließend erfolgt ein Entfernen S5 des Beschichtungsmaterials 225 zwischen den vier Schenkelelementen 222a, 222b, 222c, 222d. Dies geschieht dann besonders vorteilhaft, wenn die thermoelektrischen Schenkelelemente 222a, 222b, 222c, 222d mit ersten und zweiten Brückenelektroden 212, 214 und 216 verbunden sind und dadurch in Reihe geschaltet sind. Dies stellt dann den thermoelektrisch aktiven Teil der Seebeck-Elementanordnungen 200, 200a dar.Subsequently, removal S5 of the coating material takes place 225 between the four leg elements 222a . 222b . 222c . 222d , This is particularly advantageous when the thermoelectric leg elements 222a . 222b . 222c . 222d with first and second bridge electrodes 212 . 214 and 216 are connected and thereby connected in series. This then constitutes the thermoelectrically active part of the Seebeck element arrangements 200 . 200a represents.

Das Beschichtungsmaterial 225 lässt sich beispielsweise durch einen geeigneten Prozess rückstandsfrei aus den vier thermoelektrischen Schenkelelementen 222a, 222b, 222c, 222d des fertig gestellten thermoelektrischen Schenkels entfernen.The coating material 225 For example, by a suitable process residue-free from the four thermoelectric leg elements 222a . 222b . 222c . 222d remove the finished thermoelectric leg.

Besonders vorteilhaft ist dabei eine derartige Ausgestaltung des Prozesses, bei welcher sich das Beschichtungsmaterial 225 mit geringem Aufwand zwischen den thermoelektrischen Schenkelelementen 222a, 222b, 222c, 222d entfernen lässt. Dies kann je nach gewähltem Beschichtungsmaterial 255 durch eine thermische Zersetzung oder durch eine katalytisch induzierte Zersetzung oder mit einem Lösemittel durchgeführt werden. Beispielsweise werden überkritisches Kohlenstoffdioxid oder Aceton als Lösemittel verwendet.Particularly advantageous is such an embodiment of the process in which the coating material 225 with little effort between the thermoelectric leg elements 222a . 222b . 222c . 222d can be removed. This can vary depending on the chosen coating material 255 be carried out by a thermal decomposition or by a catalytically induced decomposition or with a solvent. For example, supercritical carbon dioxide or acetone is used as the solvent.

Als Beschichtungsmaterial 225 werden beispielsweise Polyethylen, Ethylenvinylacetat, Acrylester-Copolymere, Polystyrol, Styrolacrylnitril oder sonstige Imidoverbindungen verwendet.As a coating material 225 For example, polyethylene, ethylene vinyl acetate, acrylic ester copolymers, polystyrene, styrene acrylonitrile or other imido compounds are used.

Die 4 zeigt eine schematische Darstellung von einzelnen Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Herstellen einer Seebeck-Elementanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.The 4 shows a schematic representation of individual method steps of a method for producing a Seebeck element arrangement according to another embodiment of the invention.

Die in 4 dargestellten thermoelektrischen Schenkelelemente 222a, 222b, 222c, 222d mit jeweils quadratischem Querschnitt sind in einer matrizenförmigen Struktur angeordnet und ergeben einen thermoelektrischen Schenkel mit einem ebenfalls quadratischen Querschnitt, welcher durch ein Entfernen S5 des Beschichtungsmaterials 225 ausgebildet wird.In the 4 shown thermoelectric leg elements 222a . 222b . 222c . 222d each having a square cross section are arranged in a matrix-like structure and result in a thermoelectric leg having a likewise square cross-section, which by removing S5 of the coating material 225 is trained.

Die 5 zeigt eine schematische Darstellung von einzelnen Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Herstellen einer Seebeck-Elementanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.The 5 shows a schematic representation of individual method steps of a method for producing a Seebeck element arrangement according to another embodiment of the invention.

Die in 5 dargestellten thermoelektrischen Schenkelelemente 222a, 222b, 222c, 222d mit rechteckigen Querschnitten sind in einer matrizenförmigen Struktur als ein Verbund 230 angeordnet und ergeben nach dem Entfernen des Beschichtungsmaterials 225 einen thermoelektrischen Schenkel mit einem quadratischen Querschnitt.In the 5 shown thermoelectric leg elements 222a . 222b . 222c . 222d with rectangular cross-sections are in a female structure as a composite 230 arranged and revealed after removing the coating material 225 a thermoelectric leg having a square cross section.

Die 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms eines Verfahrens zum Herstellen einer Seebeck-Elementanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.The 6 shows a schematic representation of a flowchart of a method for producing a Seebeck element arrangement according to another embodiment of the invention.

Dabei erfolgt als ein erster Verfahrensschritt ein Bilden S1 eines thermoelektrischen Schenkelelementes 222a aus einem thermoelektrischen Material. Ein Beispiel für ein solches thermoelektrisches Material umfasst gefüllte Skutterudite der Alkali-, Erdalkali- und Seltenerd-Metalle oder eine sonstige binäre Skutterudit-Struktur mit Leerstellen, welche beispielsweise mit Ytterbium, Lanthan, Barium, Natrium oder Kalium aufgefüllt sind.In this case, a forming S1 of a thermoelectric leg element takes place as a first method step 222a from a thermoelectric material. An example of such a thermoelectric material comprises filled skutterudites of the alkali, alkaline earth and rare earth metals, or other skutterudite binary structure with vacancies filled, for example, with ytterbium, lanthanum, barium, sodium or potassium.

Als ein zweiter Verfahrensschritt folgt ein Beschichten S2 des thermoelektrischen Schenkelelementes 222a mit einem Beschichtungsmaterial 225. Das Beschichten kann als Aufdampfen eines Materials oder als ein Aufbringen oder Aufpressen einer Folie aus Beschichtungsmaterial 225 ausgeführt werden.As a second process step follows a coating S2 of the thermoelectric leg element 222a with a coating material 225 , The coating can be carried out as vapor deposition of a material or as a coating or pressing on a film of coating material 225 be executed.

Als ein dritter Verfahrensschritt wird ein Bilden S3 eines Verbundes 230 durch Zusammenfügen von mindestens zwei beschichteten thermoelektrischen Schenkelelementen 222a, 222b, 222c, 222d vorgenommen. Dabei können die mindestens zwei beschichteten thermoelektrischen Schenkelelementen 222a, 222b, 222c, 222d durch Druck- und/oder Hitzeeinwirkung verpresst werden.As a third process step, forming S3 of a composite 230 by joining together at least two coated thermoelectric leg elements 222a . 222b . 222c . 222d performed. In this case, the at least two coated thermoelectric leg elements 222a . 222b . 222c . 222d be pressed by pressure and / or heat.

Anschließend erfolgt ein Verbinden S4 der thermoelektrischen Schenkelelemente 222a, 222b, 222c, 222d mit einer ersten Brückenelektrode 212, 216 über erste Kontaktflächen KF1 und mit einer zweiten Brückenelektrode 214 über zweite Kontaktflächen KF2 als ein vierter Verfahrensschritt. Dabei können auf den ersten Kontaktflächen KF1 und den zweiten Kontaktflächen KF2 Lotmaterialien aufgebracht werden. Ferner können zum Verbinden Schweißungen, Bondverbindungen, Kaltpressschweißungen, Klebverbindungen oder Lötungen verwendet werden.Subsequently, a connection S4 of the thermoelectric leg elements takes place 222a . 222b . 222c . 222d with a first bridge electrode 212 . 216 via first contact surfaces KF1 and with a second bridge electrode 214 via second contact surfaces KF2 as a fourth method step. In this case, solder materials can be applied to the first contact surfaces KF1 and the second contact surfaces KF2. Further, welds, bonds, cold press welds, glued joints or soldering can be used for bonding.

Als ein fünfter Verfahrensschritt erfolgt ein Entfernen S5 des Beschichtungsmaterials 225 zwischen den mindestens zwei thermoelektrischen Schenkelelementen 222a, 222b, 222c, 222d.As a fifth process step, removal S5 of the coating material takes place 225 between the at least two thermoelectric leg elements 222a . 222b . 222c . 222d ,

Dabei kann die Seebeck-Elementanordnung 200, 200a einer erhöhten Temperatur ausgesetzt werden, bei welcher das Beschichtungsmaterial 225 desorbiert, abschmilzt oder verdampft.In this case, the Seebeck element arrangement 200 . 200a be exposed to an elevated temperature at which the coating material 225 desorbed, melts or evaporates.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments, it is not limited thereto, but modifiable in a variety of ways. In particular, the invention can be varied or modified in many ways without deviating from the gist of the invention.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

SU 1748943 A1 [0003]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

IM Mal'tsev and VG Petriko describe in issue 32, number 3, in their 1993 paper entitled "Installation for electric pulsed sintering of conducting powders during rolling" published in the journal "Powder Metallurgy and Metal Ceramics" pages 277-279 [0002]

Claims

Seebeck element arrangement ( 200 ; 200a ) with: - a first bridge electrode ( 212 ; 216 ); A thermoelectric leg ( 222 ; 224 ), which comprises at least two thermoelectric leg elements ( 222a . 222b . 222c ; 224a . 224b . 224c ), each connected to the first bridge electrode ( 212 ; 216 ) are connected via first contact surfaces (KF1); and a second bridge electrode ( 214 ), which with the at least two thermoelectric leg elements ( 222a . 222b . 222c ; 224a . 224b . 224c ) is connected in each case via second contact surfaces (KF2).

Seebeck element arrangement ( 200 ; 200a ) according to claim 1, wherein the at least two thermoelectric leg elements ( 222a . 222b . 222c ; 224a . 224b . 224c ) of the thermoelectric leg ( 222 ; 224 ) are formed separately from each other.

Seebeck element arrangement ( 200 ; 200a ) according to one of claims 1 and 2, wherein the first bridge electrode ( 212 ; 216 ) comprises a metal or a highly doped semiconductor material.

Seebeck element arrangement ( 200 ; 200a ) according to one of claims 1 to 3, wherein the second bridge electrode ( 214 ) comprises a metal or a highly doped semiconductor material.

Seebeck element arrangement ( 200 ; 200a ) according to one of claims 1 to 4, wherein the at least two thermoelectric leg elements ( 222a . 222b . 222c ; 224a . 224b . 224c ) of the thermoelectric leg ( 222 ; 224 ) comprise a semiconductor material or a semi-metal.

Seebeck element arrangement ( 200 ; 200a ) according to one of claims 1 to 4, wherein the at least two thermoelectric leg elements ( 222a . 222b . 222c ; 224a . 224b . 224c ) of the thermoelectric leg ( 222 ; 224 ) Skutterudite compounds, bismuth tellurides, bismuth chalcogens, semi-Heusler alloys, silicon germanium compounds, lead tellurides, clathrates, silicides or magnesium compounds.

Seebeck element device ( 300 ) comprising two Seebeck element arrangements ( 200 . 200a ) according to one of claims 1 to 6, wherein the two Seebeck element arrangements ( 200 . 200a ) via the second bridge electrode ( 214 ) are connected in series.

Seebeck element device ( 300 ) according to claim 7, wherein one of the thermoelectric legs ( 222 . 224 ) comprises an n-doped semiconductor and one of the thermoelectric legs ( 222 . 224 ) comprises a p-doped semiconductor.

Method for producing a Seebeck element arrangement ( 200 . 200a comprising the steps of: forming (S1) a thermoelectric leg element ( 222a ) made of a thermoelectric material; Coating (S2) of the thermoelectric leg element ( 222a ) with a coating material ( 225 ); Forming (S3) a composite ( 230 ) by joining at least two coated thermoelectric leg elements ( 222a . 222b . 222c . 222d ); Bonding (S4) the thermoelectric leg elements ( 222a . 222b . 222c . 222d ) with a first bridge electrode ( 212 ; 216 ) in each case via first contact surfaces (KF1) and with a second bridge electrode ( 214 ) in each case via second contact surfaces (KF2); and removing (S5) the coating material ( 225 ) between the at least two thermoelectric leg elements ( 222a . 222b . 222c . 222d ).

The method of claim 9, wherein the composite ( 230 ) of the at least two coated thermoelectric leg elements ( 222a . 222b . 222c . 222d ) before connecting (S4) to the first bridge electrode (S4) 212 ; 216 ) and the second bridge electrode ( 214 ) in thermoelectric legs ( 222 ; 224 ) is isolated.