DE102013016920A1

DE102013016920A1 - Thermoelektrische Vorrichtungsanordnung, thermoelektrisches Modul und Herstellungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE102013016920A1
Application number: DE102013016920.8A
Authority: DE
Inventors: Shinichi Fujiwara; Tomotake Tohei; Zenzo Ishijima; Takahiro Jinushi; Shohei Hata
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd
Current assignee: Showa Denko Materials Co ltd
Priority date: 2012-10-12
Filing date: 2013-10-11
Publication date: 2014-04-17
Also published as: JP6094136B2; JP2014078663A; US20140102500A1

Abstract

Bei einem Aufbau zur Verbindung von thermoelektrischen Vorrichtungen und Elektroden in einem thermoelektrischen Modul ist das thermoelektrische Modul so ausgestaltet, daß mehrer thermoelektrische Vorrichtungen vom p-Typ und mehrere thermoelektrische Vorrichtungen vom n-Typ abwechselnd über Elektrodenelemente miteinander in Reihe verbunden sind. Der Verbindungsabschnitt des Elektronenelements für die Verbindung mit der thermoelektrischen Vorrichtung vom p-Typ und der Verbindungsabschnitt des Elektrodenelementes für die Verbindung mit der thermoelektrischen Vorrichtung vom n-Typ sind aus verschiedenen Materialien. Auch bei hohen Temperaturen wird dadurch eine hohe Zuverlässigkeit der Verbindung bei einem wirkungsvollen Übergang der Umgebungstemperatur zu den thermoelektrischen Vorrichtungen erhalten.

Description

Hintergrund
Die vorliegende Erfindung betrifft eine thermoelektrische Vorrichtungsanordnung mit einer hohen Verbindungszuverlässigkeit zwischen einer thermoelektrischen Vorrichtung und einer Elektrode, ein thermoelektrisches Modul und ein Herstellungsverfahren dafür.
Ein thermoelektrisches Modul, das durch den Seeback-Effekt thermische Energie in elektrische Energie umwandelt, benötigt keine Ansteuereinheit und weist einen einfachen Aufbau ohne Wartungsanforderungen auf. Wegen des niedrigen Umwandlungswirkungsgrades wurden solche thermoelektrischen Module bisher nur für Produkte wie Stromversorgungen für Satelliten verwendet; mittlerweile wurde man jedoch auf thermoelektrische Module als Technik zur Nutzung von Abwärme in einer umweltfreundlicheren Gesellschaft aufmerksam. Es wird untersucht, wie diese Technik bei Produkten für Verbrennungsanlagen, Industrieöfen und Fahrzeuge angewendet werden kann. Es werden dafür thermoelektrische Module benötigt, die bei geringen Kosten haltbar sind und die einen hohen Umwandlungswirkungsgrad aufweisen.
In einem thermoelektrischen Modul wird Wärme durch den Temperaturunterschied in einer thermoelektrischen Vorrichtung in Elektrizität umgewandelt. Aufgrund des Unterschiedes im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der thermoelektrischen Vorrichtung und einer Elektrode entstehen im Betrieb Spannungen an der Verbindungsstelle zwischen der thermoelektrischen Vorrichtung und der Elektrode. Dadurch können an der Verbindungsstelle oder in der thermoelektrischen Vorrichtung Risse entstehen. Die Spannungen werden mit zunehmender Umgebungstemperatur oder bei zunehmenden Unterschieden im thermischen Ausdehnungskoeffizienten der thermoelektrischen Vorrichtung und dem Verbindungsmaterial oder der Elektrode größer.
Zusammenfassende Darstellung der Erfindung
Es ist bekannt, daß thermoelektrische Vorrichtungen in Abhängigkeit vom Material der Vorrichtungen unterschiedliche Temperaturbereiche mit einem relativ hohen Umwandlungswirkungsgrad aufweisen. Thermoelektrische Vorrichtungen können jeweils nur aus Material vom p-Typ oder Material vom n-Typ bestehen. Eine Kombination der unterschiedlichen Vorrichtungsmaterialien vom p-Typ und n-Typ bildet ein thermoelektrisches Modul. Da die thermischen Ausdehnungskoeffizienten mit dem Vorrichtungsmaterial variieren, können sich bei der Wärmebelastung beim Verbinden und aufgrund von Temperaturänderungen im Betrieb an der Verbindungsstelle zwischen der Vorrichtung und einer Elektrode Spannungen konzentrieren. Die Spannungen an der Verbindungsstelle können zu Rissen und zum Zerbrechen der Vorrichtung an der Verbindungsstelle führen, so daß die Zuverlässigkeit der Verbindung nicht sehr hoch ist.
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine thermoelektrische Vorrichtungsanordnung, ein thermoelektrisches Modul und ein Herstellungsverfahren dafür geschaffen, mit der bzw. mit dem eine hohe Zuverlässigkeit erhalten wird, wobei die Außentemperatur auch bei hoher Temperatur oder in einer Umgebung, in der durch einen thermischen Zyklus hohe thermische Spannungen erzeugt werden, wirkungsvoll zu der thermoelektrischen Vorrichtung übertragen wird.
Die erfindungsgemäße thermoelektrische Vorrichtungsanordnung umfaßt eine thermoelektrische Vorrichtung vom p-Typ und eine thermoelektrische Vorrichtung vom n-Typ, die über ein Elektrodenelement in Reihe miteinander elektrisch verbunden sind, wobei das Elektrodenelement einen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der thermoelektrischen Vorrichtung vom p-Typ entsprechenden Abschnitt, der mit der thermoelektrischen Vorrichtung vom p-Typ verbunden ist, und einen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der thermoelektrischen Vorrichtung vom n-Typ entsprechenden Abschnitt, der mit der thermoelektrischen Vorrichtung vom n-Typ verbunden ist, enthält, und wobei der Verbindungsabschnitt des Elektrodenelements für die Verbindung mit der thermoelektrischen Vorrichtung vom p-Typ und der Verbindungsabschnitt des Elektrodenelements für die Verbindung mit der thermoelektrischen Vorrichtung vom n-Typ aus verschiedenen Materialien sind.
Das erfindungsgemäße thermoelektrische Modul umfaßt eine Anzahl von thermoelektrischen Vorrichtungen vom p-Typ und eine Anzahl von thermoelektrischen Vorrichtung vom n-Typ, die abwechselnd so angeordnet sind, daß sie über Elektrodenelemente in Reihe miteinander elektrisch verbunden sind, wobei die Elektrodenelemente jeweils einen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der thermoelektrischen Vorrichtungen vom p-Typ entsprechenden Abschnitt, der mit den thermoelektrischen Vorrichtungen vom p-Typ verbunden ist, und einen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der thermoelektrischen Vorrichtungen vom n-Typ entsprechenden Abschnitt, der mit den thermoelektrischen Vorrichtungen vom n-Typ verbunden ist, enthält, und wobei die Verbindungsabschnitte der Elektrodenelemente für die Verbindung mit den thermoelektrischen Vorrichtungen vom p-Typ und die Verbindungsabschnitte der Elektrodenelemente für die Verbindung mit der thermoelektrischen Vorrichtung vom n-Typ aus verschiedenen Materialien sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Moduls umfaßt die Schritte des Anordnens einer Anzahl von Elektrodenelementen, von denen jedes aus wenigstens zwei Materialien besteht und einen ersten Bereich aus einem dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der thermoelektrischen Vorrichtungen vom p-Typ entsprechenden ersten Material, der mit einer der thermischen Vorrichtungen vom p-Typ verbunden ist, sowie einen zweiten Bereich aus einem dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der thermoelektrischen Vorrichtungen vom n-Typ entsprechenden zweiten Material, der mit einer der thermischen Vorrichtungen vom n-Typ verbunden ist, besteht; des abwechselnden Anordnens der thermoelektrischen Vorrichtungen vom p-Typ und der thermoelektrischen Vorrichtungen vom n-Typ derart, daß die Hochtemperaturflächen miteinander fluchten und die Niedertemperaturflächen miteinander fluchten; und des elektrischen Verbindens der thermoelektrischen Vorrichtungen vom p-Typ und der thermoelektrischen Vorrichtungen vom n-Typ in Reihe durch Verbinden der thermoelektrischen Vorrichtungen vom p-Typ mit jeweils dem ersten Bereich der Elektrodenelemente und der thermoelektrischen Vorrichtungen vom n-Typ mit jeweils dem zweiten Bereich der Elektrodenelemente.
Erfindungsgemäß sind somit für die thermoelektrischen Vorrichtungen vom p-Typ und die thermoelektrischen Vorrichtungen vom n-Typ, die unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, die Elektroden aus einem Material mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der in der Nähe des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der jeweiligen thermoelektrischen Vorrichtung liegt. Die thermischen Spannungen zwischen den thermoelektrischen Vorrichtungen und der Elektrode werden damit verringert, so daß die Verbindungen auch in der Umgebung, in der sie tatsächlich im Einsatz sind, eine hohe Zuverlässigkeit besitzen. Die thermoelektrischen Vorrichtungen werden dabei mit einem Verbindungsverfahren verbunden, das ähnlich dem Verbindungsverfahren im herkömmlichen Prozeß ist, so daß keine zusätzlichen Prozesse für die Anschlüsse nötig sind.
Diese Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehend besser aus der folgenden genauen Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen hervor.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ist eine Seitenansicht der thermoelektrischen Vorrichtungen in einem thermoelektrischen Modul mit geringen Verbindungsspannungen bei einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2A bis 2C sind Seitenansichten, die die Schritte des Verfahrens zur Herstellung des thermoelektrischen Moduls mit geringen Verbindungsspannungen bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
3 ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels für das thermoelektrische Modul mit geringen Verbindungsspannungen bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine Seitenansicht der thermoelektrischen Vorrichtungen in einem thermoelektrischen Modul mit geringen Verbindungsspannungen bei einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 ist eine Seitenansicht der thermoelektrischen Vorrichtungen in einem thermoelektrischen Modul mit geringen Verbindungsspannungen bei einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
6 ist eine Seitenansicht der thermoelektrischen Vorrichtungen in einem herkömmlichen thermoelektrischen Modul.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Bei den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden für die thermoelektrischen Vorrichtungen vom p-Typ und die thermoelektrischen Vorrichtungen vom n-Typ, die unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, Elektroden aus einem Material mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten verwendet, der in der Nähe des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der jeweiligen thermoelektrischen Vorrichtung liegt, und die Vorrichtungen werden über ein Verbindungsmaterial mit den Elektrodenelementen verbunden.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im folgenden mit Bezug zu den Zeichnungen näher erläutert.
[Erste Ausführungsform]
Die 1 zeigt eine Seitenansicht der thermoelektrischen Vorrichtungen in einem thermoelektrischen Modul mit geringen Verbindungsspannungen bei einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet eine thermoelektrische Vorrichtungsanordnung, das Bezugszeichen 11 eine thermoelektrische Vorrichtung vom p-Typ, das Bezugszeichen 12 eine thermoelektrische Vorrichtung vom n-Typ, das Bezugszeichen 20 eine Elektrodenanordnung, das Bezugszeichen 21 eine Elektrode vom p-Typ, das Bezugszeichen 22 eine Elektrode vom n-Typ und das Bezugszeichen 30 ein Verbindungsmaterial. Die thermoelektrische Vorrichtung 11 vom p-Typ und die thermoelektrische Vorrichtung 12 vom n-Typ sind jeweils aus einem Material mit einer thermoelektrischen Umwandlungscharakteristik, zum Beispiel aus Silizium-Germanium, Eisen-Silizium, Wismut-Tellur, Magnesium-Silizium, Blei-Tellur, Kobalt-Antimon, Wismut-Antimon, einer Heusler-Legierung oder einer Heusler-Halblegierung. Die Elektroden 21 vom p-Typ und die Elektroden 22 vom n-Typ sind vorzugsweise aus Nickel, Molybdän, Titan, Eisen, Kupfer, Mangan, Wolfram oder einer Legierung, deren Hauptbestandteil eines dieser Metalle ist. Das Verbindungsmaterial 30 ist vorzugsweise Aluminium, Nickel, Zinn, Kupfer, Zink, Germanium, Magnesium, Gold, Silber, Indium, Blei, Wismut, Tellur oder einer Legierung, deren Hauptbestandteil eines dieser Metalle ist.
Bei der im folgenden beschriebenen Ausführungsform besteht die thermoelektrische Vorrichtung 11 vom p-Typ aus Silizium- und Germaniumpulver, das 1% oder weniger Dotierstoffe mit p-Typ-Halbleitereigenschaften enthält, zum Beispiel Bor, Aluminium und Gallium, während die thermoelektrische Vorrichtung 12 vom n-Typ aus Silizium- und Germaniumpulver besteht, das 10% oder weniger Dotierstoffe mit n-Typ-Halbleitereigenschaften enthält, zum Beispiel Aluminium. Die thermoelektrischen Vorrichtungen werden durch Sintern des Pulvers mittels Impulsentladung, Heißpressen und dergleichen ausgebildet. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die thermoelektrische Vorrichtung 11 vom p-Typ eine Silizium-Germanium-Vorrichtung, während die thermoelektrische Vorrichtung 12 vom n-Typ eine Silizium-Magnesium-Vorrichtung ist. Die Elektrode 21 vom p-Typ besteht aus Molybdän (mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 5,8 × 10^–6 K^–1), während die Elektrode 22 vom n-Typ aus Nickel (mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 15,2 × 10^–6 K^–1) besteht.
Die Elektrode 21 vom p-Typ und die Elektrode 22 vom n-Typ können miteinander mit jedem beliebigen Verfahren verbunden werden, solange unter Betriebsbedingungen kein Aufschmelzen erfolgt. Zum Beispiel können die Elektroden mit einem Basismaterial verbunden werden, das durch Elektronenstrahlschweißen, Lichtbogenschweißen, Punktschweißen, TIG-Schweißen und andere Verfahren direkt aufgeschmolzen wird. Alternativ können die Elektroden durch eine Festphasenverbindung wie einem Walzprozeß mit einem Hüllmetall oder auch mit einem Verbindungsmaterial wie Hartlot verbunden werden.
Wie in der 1 gezeigt, werden mit dem Verbindungsmaterial 30 das obere Ende der thermoelektrischen Vorrichtung 11 vom p-Typ und das untere Ende der Elektrode 21 vom p-Typ miteinander verbunden, und mit dem Verbindungsmaterial 30 werden das obere Ende der thermoelektrischen Vorrichtung 12 vom n-Typ und das untere Ende der Elektrode 22 vom n-Typ miteinander verbunden. Im thermoelektrischen Modul wird entsprechend des Temperaturunterschieds zwischen den beiden Enden der thermoelektrischen Vorrichtung eine elektromotorische Kraft erzeugt. In der 1 befindet sich die Oberseite der thermoelektrischen Vorrichtung auf hoher Temperatur, während die Unterseite der thermoelektrischen Vorrichtung auf niedriger Temperatur ist.
Durch den Temperaturunterschied zwischen der Oberseite und der Unterseite der thermoelektrischen Vorrichtungsanordnung fließt ein elektrischer Strom durch die thermoelektrische Vorrichtungsanordnung 1. Der elektrische Strom fließt in der thermoelektrischen Vorrichtung 11 vom p-Typ von der Hochtemperaturseite zur Niedertemperaturseite (in der 1 von oben nach unten), während der Strom in der thermoelektrischen Vorrichtung 12 vom n-Typ von der Niedertemperaturseite zur Hochtemperaturseite fließt (in der 1 von unten nach oben). Die in Reihe verbundenen thermoelektrischen Vorrichtungen bilden somit einen elektrischen Stromkreis. Die in Reihe verbundenen thermoelektrischen Vorrichtungen sind entlang einer flachen Oberfläche oder in einer Linie miteinander verbunden, um die thermoelektrische Vorrichtungsanordnung 1 zu bilden.
Bei diesem Aufbau hat die thermoelektrische Vorrichtung 11 vom p-Typ, eine Silizium-Germanium-Vorrichtung, einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 4,5 × 10^–6 K^–1, während die thermoelektrische Vorrichtung 12 vom n-Typ, eine Silizium-Magnesium-Vorrichtung, einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 15,5 × 10^–6 K^–1 hat. Das Ausmaß der Ausdehnung/Kontraktion beim Verbindungsvorgang und auch bei einer Temperaturänderung im späteren Betrieb ist daher bei den beiden thermoelektrischen Vorrichtungen 11, 12 vom p-Typ bzw. vom n-Typ verschieden. Beim Verbinden der thermoelektrischen Vorrichtung mit der Elektrode entstehen bei einem Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Elektrodenelement und der thermoelektrischen Vorrichtung Spannungen und Verformungen. Die Verbindungsstelle kann daher abreißen oder sich ablösen, und es können in der thermoelektrischen Vorrichtung 11 vom p-Typ und der thermoelektrischen Vorrichtung 12 vom n-Typ Risse entstehen.
Bei dem Aufbau der vorliegenden Ausführungsform beträgt der Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der thermoelektrischen Vorrichtung 11 vom p-Typ aus Silizium-Germanium (mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 4,5 × 10^–6 K^–1) und der Elektrode 21 vom p-Typ aus Molybdän (mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 5,8 × 10^–6 K^–1), nur 1,3 × 10^–6 K^–1. Bei einem so kleinen Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten treten an der Verbindungsstelle der thermoelektrischen Vorrichtung 11 vom p-Typ keine Risse und Verformungen auf. Gleichermaßen beträgt der Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der thermoelektrischen Vorrichtung 12 vom n-Typ aus Silizium-Magnesium (mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 15,5 × 10^–6 K^–1) und der Elektrode 22 vom n-Typ aus Nickel (mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 15,2 × 10^–6 K^–1) nur 0,3 × 10^–6 K^–1. Dadurch treten an den Verbindungsstellen der thermoelektrischen Vorrichtung 12 vom n-Typ keine Spannungen und Verformungen auf, so daß die Verbindungsstellen eine hohe Verbindungssicherheit aufweisen.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist daher auch keine Spannungsausgleichsschicht an der thermoelektrischen Vorrichtung erforderlich. Dadurch wird die Herstellung der thermoelektrischen Vorrichtung vereinfacht und außerdem die Anzahl der Schichten in der Dickenrichtung kleiner, wodurch weniger Unterschiede in der Höhe der Vorrichtung auftreten.
Mit dem Verbindungsmuster der vorliegenden Ausführungsform verringern sich im Vergleich zu dem in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 9-293906 beschriebenen Aufbau, bei dem wie in der 6 gezeigt eine thermoelektrische Vorrichtung 611 vom p-Typ und eine thermoelektrische Vorrichtung 612 vom n-Typ mittels eines Verbindungsmaterials 631 mit einer Elektrode 625 aus einem einzigen Material verbunden sind, die Absolutwerte für die Spannungen und Verformungen an der Verbindungsstelle. Auch bei einer Temperatur im Betrieb in der Nähe von 600°C weist daher die thermoelektrische Vorrichtung der vorliegenden Ausführungsform eine hohe Verbindungszuverlässigkeit auf.
Die 2A bis 2C sind Seitenansichten der thermoelektrischen Vorrichtungsanordnungen im Zusammenbauprozeß eines thermoelektrischen Moduls mit geringen Verbindungsspannungen bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet die thermoelektrische Vorrichtungsanordnung, das Bezugszeichen 11 die thermoelektrische Vorrichtung vom p-Typ, das Bezugszeichen 12 die thermoelektrische Vorrichtung vom n-Typ, das Bezugszeichen 20 die Elektrodenanordnung, das Bezugszeichen 21 die Elektrode vom p-Typ, das Bezugszeichen 22 die Elektrode vom n-Typ und das Bezugszeichen 30 das Verbindungsmaterial. Das Bezugszeichen 40 bezeichnet eine Halterung und das Bezugszeichen 41 eine Druckvorrichtung. Die thermoelektrische Vorrichtung 11 vom p-Typ und die thermoelektrische Vorrichtung 12 vom n-Typ bestehen aus Materialien mit thermischen Umwandlungseigenschaften, zum Beispiel Silizium-Germanium, Eisen-Silizium, Wismut-Tellur, Magnesium-Silizium, Blei-Tellur, Kobalt-Antimon, Wismut-Antimon, einer Heusler-Legierung oder einer Heusler-Halblegierung. Die Elektroden 21 vom p-Typ und die Elektroden 22 vom n-Typ sind vorzugsweise aus Nickel, Molybdän, Titan, Eisen, Kupfer, Mangan, Wolfram oder einer Legierung, die hauptsächlich aus einem dieser Metalle besteht.
Das Verbindungsmaterial 30 ist vorzugsweise Aluminium, Nickel, Zinn, Kupfer, Zink, Germanium, Magnesium, Gold, Silber, Indium, Blei, Wismut, Tellur oder eine Legierung, die hauptsächlich aus einem dieser Metalle besteht. Im Zusammenbauprozeß ist das Verbindungsmaterial 30 eine Aluminiumfolie oder eine Folie aus einer Aluminiumlegierung, die im Aluminium Materialien wie Silizium und Germanium enthält. Alternativ ist das Verbindungsmaterial 30 eine Aluminiumfolie oder Aluminiumpulver, das im Aluminium Materialien wie Silizium und Germanium enthält. Die Halterung 40 kann aus einem Material wie Keramik oder Metall bestehen, das beim Verbindungsprozeß nicht schmilzt. Die Halterung 40 besteht vorzugsweise aus einem Material, das mit dem Verbindungsmaterial 30 nicht reagiert. Alternativ befindet sich auf der Oberfläche der Halterung 40 eine nicht reagierende Schicht. Der Arbeitsablauf beim Zusammenbau der thermoelektrischen Vorrichtungsanordnung 1 wird im folgenden mit Bezug zu den 2A bis 2C näher beschrieben.
Zuerst wird wie in der 2A gezeigt die Elektrodenanordnung 20 mit der Elektrode 21 vom p-Typ und der damit verbundenen Elektrode 22 vom n-Typ an der Halterung 40 angebracht. Danach werden zuerst das Verbindungsmaterial 30 und anschließend die thermoelektrische Vorrichtung 11 vom p-Typ auf der Elektrode vom p-Typ angeordnet, und auf der Elektrode 22 vom n-Typ werden das Verbindungsmaterial 30 und die thermoelektrische Vorrichtung 12 vom n-Typ angebracht. Auf die thermoelektrischen Vorrichtungen 11, 12 wird dann erneut das Verbindungsmaterial 30 aufgebracht. Darauf wird die Elektrodenanordnung 20 so angeordnet, daß sich die Elektrode 21 vom p-Typ auf der thermoelektrischen Vorrichtung 11 vom p-Typ befindet und die Elektrode 22 vom n-Typ auf der thermoelektrischen Vorrichtung 12 vom n-Typ. Im vorliegenden Fall ist das Verbindungsmaterial 30 eine Metallfolie mit einer Dicke von 1 μm bis 500 μm. Die Elektroden können gleichzeitig oder einzeln mit einem Werkzeug (nicht gezeigt) aufgebracht werden.
Daraufhin wird dann wie in der 2B gezeigt die Elektrodenanordnung 20 mittels der Druckvorrichtung 41 von oben zusammengedrückt und aufgeheizt. Dadurch schmilzt das Verbindungsmaterial 30 auf und verbindet die Elektrode 21 vom p-Typ mit der thermoelektrischen Vorrichtung 11 vom p-Typ und die Elektrode 22 vom n-Typ mit der thermoelektrischen Vorrichtung 12 vom n-Typ (metallische Verbindung). Dabei werden die Elektroden vorzugsweise unter einem Druck von wenigstens 0,12 kPa miteinander verbunden. Danach wird wie in der 2C gezeigt die so entstandene thermoelektrische Vorrichtungsanordnung 1 von der Druckvorrichtung 41 und der Halterung 40 abgenommen.
Die 2A bis 2C zeigen einen Prozeß, bei dem die Verbindung durch das Verbindungsmaterial 30 an den thermischen Vorrichtungen 11 und 12 oben und unten gleichzeitig ausgebildet wird. Die Verbindung muß jedoch nicht oben und unten gleichzeitig erfolgen. Zum Beispiel können bei der 2A nur das Verbindungsmaterial 30 und die thermoelektrischen Vorrichtungen 11, 12 auf die Elektrodenanordnung 20 auf der Halterung 40 aufgesetzt werden und dann die Halterung 40 unter den thermoelektrischen Vorrichtungen 11, 12 aufgeheizt werden, um das Verbindungsmaterial 30 unter den thermoelektrischen Vorrichtungen 11, 12 aufzuschmelzen und die thermoelektrischen Vorrichtungen 11, 12 mit der Elektrodenanordnung 20 auf der Halterung 40 zu verbinden. Danach wird das Verbindungsmaterial 30 auf die Oberseiten der thermoelektrischen Vorrichtungen 11, 12 aufgebracht und es werden die thermoelektrischen Vorrichtungen 11, 12 mit der oberen Elektrodenanordnung 20 verbunden, um die thermoelektrische Vorrichtungsanordnung 1 auszubilden.
In diesem Fall wird ein Druck von wenigstens 0,12 kPa aufgebracht, um zu verhindern, daß die thermoelektrischen Vorrichtungen 11, 12 beim Verbindungsvorgang kippen und um so viel von dem geschmolzenen Verbindungsmaterial 30 wie möglich von den Grenzflächen an den thermoelektrischen Vorrichtungen 11, 12 zu entfernen. Die Obergrenze für den Druck ist nicht festgelegt, sie liegt jedoch auf jeden Fall unter der Festigkeitsgrenze der Vorrichtungen, damit diese nicht zerbrechen. Die Obergrenze kann zum Beispiel auf etwa 1000 MPa oder weniger festgesetzt werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform reicht ein Druck von einigen MPa aus.
Die Atmosphäre, in der die Verbindung erfolgt, ist vorzugsweise eine nicht oxidierende Atmosphäre. Die Atmosphäre kann zum Beispiel eine Vakuumatmosphäre sein, eine Stickstoffatmosphäre, eine Stickstoff-Wasserstoff-Mischatmosphäre und dergleichen.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Verbindungsmaterial 30 eine Metallfolie. Das Verbindungsmaterial 30 kann aber auch Aluminiumpulver sein oder ein Pulver aus einer Aluminiumlegierung, das neben Aluminium Silizium und Germanium enthält. Es kann nur eine Art Pulver verwendet werden, es können Lagen aus verschiedenen Pulvern übereinandergelegt werden, und es kann ein Mischpulver verwendet werden. Es kann an der Verbindungsstelle der thermoelektrischen Vorrichtungen 11, 12 Pulver oder ein Schmelzkörper aus zusammengepreßtem Pulver angeordnet werden, oder es kann auf die Verbindungsstelle eine Kunstharzpaste und dergleichen mit dem Pulver aufgebracht werden. Wenn Pulver aufgebracht wird, kann der Schritt zum Anordnen einer Folie entfallen, wodurch der Herstellungsprozeß vereinfacht wird.
Die 3 ist eine perspektivische Ansicht des Aufbaus eines thermoelektrischen Moduls mit geringen Verbindungsspannungen bei der ersten Ausführungsform. In der 3 sind 46 thermoelektrische Vorrichtungen in einem Gittermuster angeordnet. Das Bezugszeichen 11 bezeichnet die thermoelektrische Vorrichtung vom p-Typ, das Bezugszeichen 12 die thermoelektrische Vorrichtung vom n-Typ, das Bezugszeichen 21 die Elektrode vom p-Typ, das Bezugszeichen 22 die Elektrode vom n-Typ und das Bezugszeichen 23 Anschlußleitungen. Über die Anschlußleitungen 23 wird die in den thermoelektrischen Vorrichtungen 11, 12 erzeugte elektrische Energie abgeleitet. Das thermoelektrische Modul der 3 wird mit dem anhand der 2A bis 2C beschriebenen Herstellungsprozeß hergestellt. Das thermoelektrische Modul kann in ein Gehäuse eingebaut werden oder so verwendet werden wie es ist.
Wie in der 3 gezeigt sind die thermoelektrischen Vorrichtungen 11 vom p-Typ und die thermoelektrischen Vorrichtung 12 vom n-Typ abwechselnd über die Elektroden 21 vom p-Typ und die Elektroden 22 vom n-Typ in Reihe miteinander verbunden. Die Anschlußleitungen 23 sind an den beiden Enden der Reihenschaltung angeschlossen, um die elektromotorische Kraft nach außen zu führen. In der 3 sind die thermoelektrischen Vorrichtungen 11 vom p-Typ und die thermoelektrischen Vorrichtungen 12 vom n-Typ quadratische Säulen. Die thermoelektrischen Vorrichtungen 11, 12 können jedoch auch dreieckige Säulen, polygonale Säulen, Zylinder und elliptische Zylinder sein.
Bei dem thermoelektrischen Modul der vorliegenden Ausführungsform sind die thermoelektrischen Vorrichtungen 11 vom p-Typ und die thermoelektrischen Vorrichtungen 12 vom n-Typ über die Elektrodenanordnungen 20 elektrisch in Reihe geschaltet. Zwei oder mehr Aufbauten wie in der 3 können elektrisch parallel geschaltet werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der thermoelektrischen Vorrichtung 11 vom p-Typ und der Elektrode 21 vom p-Typ und der Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der thermoelektrischen Vorrichtung 12 vom n-Typ und der Elektrode 22 vom n-Typ recht klein. Zwischen den thermoelektrischen Vorrichtungen 11, 12 und den Elektroden 21, 22 entstehen daher nur geringe thermische Spannungen, wenn die Umgebungstemperatur zwischen der Raumtemperatur und der Betriebstemperatur variiert, so daß die Zuverlässigkeit der Verbindungen recht hoch ist. Vorzugsweise ist der Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der thermoelektrischen Vorrichtung 11 vom p-Typ und der Elektrode 21 vom p-Typ bzw. der Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der thermoelektrischen Vorrichtung 12 vom n-Typ und der Elektrode 22 vom n-Typ gleich 6 × 10^–6 K^–1 oder kleiner. Ein Wert von 3 × 10^–6 K^–1 oder kleiner ist noch besser, und am besten ist ein Wert von 1,5 × 10^–6 K^–1.
[Zweite Ausführungsform]
Anhand der 4 wird im folgenden eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Wie in der 4 gezeigt, hat die Elektrodenanordnung 201 der vorliegenden Ausführungsform eine andere Form wie die Elektrodenanordnung 20 der ersten Ausführungsform.
Die 4 ist eine Seitenansicht der thermoelektrischen Vorrichtungen in einem thermoelektrischen Modul mit geringen Verbindungsspannungen bei der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet die thermoelektrische Vorrichtungsanordnung, das Bezugszeichen 11 die thermoelektrische Vorrichtung vom p-Typ, das Bezugszeichen 12 die thermoelektrische Vorrichtung vom n-Typ, das Bezugszeichen 201 die Elektrodenanordnung, das Bezugszeichen 211 die Elektrode vom p-Typ, das Bezugszeichen 221 die Elektrode vom n-Typ und das Bezugszeichen 30 das Verbindungsmaterial.
Die thermoelektrische Vorrichtung 11 vom p-Typ und die thermoelektrische Vorrichtung 12 vom n-Typ sind jeweils aus einem Material mit einer thermoelektrischen Umwandlungscharakteristik, zum Beispiel aus Silizium-Germanium, Eisen-Silizium, Wismut-Tellur, Magnesium-Silizium, Blei-Tellur, Kobalt-Antimon, Wismut-Antimon, einer Heusler-Legierung oder einer Heusler-Halblegierung. Die Elektrode 211 vom p-Typ und die Elektrode 221 vom n-Typ bestehen vorzugsweise aus Nickel, Molybdän, Titan, Eisen, Kupfer, Mangan, Wolfram oder einer Legierung, deren Hauptbestandteil eines dieser Metalle ist. Das Verbindungsmaterial 30 ist vorzugsweise Aluminium, Nickel, Zinn, Kupfer, Zink, Germanium, Magnesium, Gold, Silber, Indium, Blei, Wismut, Tellur oder eine Legierung, deren Hauptbestandteil eines dieser Metalle ist.
Bei der im folgenden beschriebenen zweiten Ausführungsform besteht die thermoelektrische Vorrichtung 11 vom p-Typ aus Silizium- und Germaniumpulver, das 1% oder weniger Dotierstoffe mit p-Typ-Halbleitereigenschaften enthält, zum Beispiel Bor, Aluminium und Gallium, während die thermoelektrische Vorrichtung 12 vom n-Typ aus Silizium- und Germaniumpulver besteht, das 10% oder weniger Dotierstoffe mit n-Typ-Halbleitereigenschaften enthält, zum Beispiel Aluminium. Die thermoelektrischen Vorrichtungen werden durch Sintern des Pulvers mittels Impulsentladung, Heißpressen und dergleichen ausgebildet. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die thermoelektrische Vorrichtung 11 vom p-Typ eine Silizium-Germanium-Vorrichtung, während die thermoelektrische Vorrichtung 12 vom n-Typ eine Silizium-Magnesium-Vorrichtung ist. Die Elektrode 211 vom p-Typ besteht aus Molybdän (mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 5,8 × 10^–6 K^–1), während die Elektrode 221 vom n-Typ aus Nickel (mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 15,2 × 10^–6 K^–1) besteht.
Die Elektrode 211 vom p-Typ und die Elektrode 221 vom n-Typ können miteinander mit jedem beliebigen Verfahren verbunden werden, solange unter Betriebsbedingungen kein Aufschmelzen erfolgt. Zum Beispiel können die Elektroden mit einem Basismaterial verbunden werden, das durch Elektronenstrahlschweißen, Lichtbogenschweißen, Punktschweißen, TIG-Schweißen und andere Verfahren direkt aufgeschmolzen wird. Alternativ können die Elektroden durch eine Festphasenverbindung wie einem Walzprozeß mit einem Hüllmetall oder auch mit einem Verbindungsmaterial wie Hartlot verbunden werden.
Wie in der 4 gezeigt, werden mit dem Verbindungsmaterial 30 das obere Ende der thermoelektrischen Vorrichtung 11 vom p-Typ und das untere Ende der Elektrode 211 vom p-Typ miteinander verbunden, und mit dem Verbindungsmaterial 30 werden das obere Ende der thermoelektrischen Vorrichtung 12 vom n-Typ und das untere Ende der Elektrode 221 vom n-Typ miteinander verbunden. Im thermoelektrischen Modul wird entsprechend dem Temperaturunterschied zwischen den beiden Enden der thermoelektrischen Vorrichtung eine elektromotorische Kraft erzeugt. In der 4 befindet sich die Oberseite der thermoelektrischen Vorrichtung auf hoher Temperatur, während die Unterseite der thermoelektrischen Vorrichtung auf niedriger Temperatur ist.
Durch den Temperaturunterschied zwischen der Oberseite und der Unterseite fließt ein elektrischer Strom durch die thermoelektrische Vorrichtungsanordnung 1. Der elektrische Strom fließt in der thermoelektrischen Vorrichtung 11 vom p-Typ von der Hochtemperaturseite zur Niedertemperaturseite (in der 4 von oben nach unten), während der Strom in der thermoelektrischen Vorrichtung 12 vom n-Typ von der Niedertemperaturseite zur Hochtemperaturseite fließt (in der 4 von unten nach oben). Die in Reihe verbundenen thermoelektrischen Vorrichtungen bilden somit einen elektrischen Stromkreis. Die in Reihe verbundenen thermoelektrischen Vorrichtungen sind entlang einer flachen Oberfläche oder in einer Linie miteinander verbunden, um die thermoelektrische Vorrichtungsanordnung 1 zu bilden.
Bei diesem Aufbau hat die thermoelektrische Vorrichtung 11 vom p-Typ, eine Silizium-Magnesium-Vorrichtung, einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 4,5 × 10^–6 K^–1, während die thermoelektrische Vorrichtung 12 vom n-Typ, eine Silizium-Magnesium-Vorrichtung, einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 15,5 × 10^–6 K^–1 hat. Das Ausmaß der Ausdehnung/Kontraktion beim Verbindungsvorgang und auch bei einer Temperaturänderung im späteren Betrieb ist daher bei den beiden thermoelektrischen Vorrichtungen 11, 12 vom p-Typ bzw. vom n-Typ verschieden. Beim Verbinden der thermoelektrischen Vorrichtung mit der Elektrode entstehen bei einem Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Elektrodenelement und der thermoelektrischen Vorrichtung Spannungen und Verformungen. Die Verbindungsstelle kann daher abreißen oder sich ablösen, und es können in der thermoelektrischen Vorrichtung 11 vom p-Typ und der thermoelektrischen Vorrichtung 12 vom n-Typ Risse entstehen.
Bei dem Aufbau der vorliegenden Ausführungsform beträgt der Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der thermoelektrischen Vorrichtung 11 vom p-Typ aus Silizium-Germanium (mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 4,5 × 10^–6 K^–1) und der Elektrode 211 vom p-Typ, die aus Molybdän (mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 5,8 × 10^–6 K^–1) ist, nur 1,3 × 10^–6 K^–1. Bei einem so kleinen Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten treten an der Verbindungsstelle der thermoelektrischen Vorrichtung 11 vom p-Typ keine Risse und Verformungen auf.
Gleichermaßen beträgt der Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der thermoelektrischen Vorrichtung 12 vom n-Typ aus Silizium-Magnesium (mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 15,5 × 10^–6 K^–1) und der Elektrode 221 vom n-Typ, die aus Nickel (mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 15,2 × 10^–6 K^–1) ist, nur 0,3 × 10^–6 K^–1. Dadurch treten an den Verbindungsstellen der thermoelektrischen Vorrichtung 12 vom n-Typ keine Spannungen und Verformungen auf, so daß die Verbindungsstellen eine hohe Verbindungssicherheit aufweisen.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist daher auch keine Spannungsausgleichsschicht an der thermoelektrischen Vorrichtung erforderlich. Dadurch wird die Herstellung der thermoelektrischen Vorrichtung vereinfacht und außerdem die Anzahl der Schichten in der Dickenrichtung kleiner, wodurch weniger Unterschiede in der Höhe der Vorrichtung auftreten.
Mit dem Verbindungsmuster der vorliegenden Ausführungsform verringern sich im Vergleich zu der in der 6 gezeigten Elektrode aus einem einzigen Material die Absolutwerte für die Spannungen und Verformungen an der Verbindungsstelle. Auch bei einer Temperatur im Betrieb in der Nähe von 600°C weist daher die thermoelektrische Vorrichtung der vorliegenden Ausführungsform eine hohe Verbindungszuverlässigkeit auf.
In der 4 ist die Elektrode 211 vom p-Typ L-förmig. Statt dessen kann auch die Elektrode 221 vom n-Typ L-förmig sein. Vorzugsweise besteht die L-förmige Elektrode aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit und hoher elektrischer Leitfähigkeit. Bei der vorliegenden zweiten Ausführungsform ist der Anteil des Materials mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit relativ zum Volumen der Elektrodenanordnung 201 höher, so daß zusätzlich zu den positiven Auswirkungen der ersten Ausführungsform ein höherer Umwandlungswirkungsgrad erreicht wird.
[Dritte Ausführungsform]
Die 5 ist eine Seitenansicht der thermoelektrischen Vorrichtungen in einem thermoelektrischen Modul mit geringen Verbindungsspannungen bei einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet die thermoelektrische Vorrichtungsanordnung, das Bezugszeichen 11 die thermoelektrische Vorrichtung vom p-Typ, das Bezugszeichen 12 die thermoelektrische Vorrichtung vom n-Typ, das Bezugszeichen 202 die Elektrodenanordnung, das Bezugszeichen 212 die Elektrode vom p-Typ, das Bezugszeichen 222 die Elektrode vom n-Typ, das Bezugszeichen 24 eine Halteelektrode und das Bezugszeichen 30 das Verbindungsmaterial. Die vorliegende dritte Ausführungsform unterscheidet sich von den obigen Ausführungsformen darin, daß die Elektrodenanordnung 202 der dritten Ausführungsform die Elektrode 212 vom p-Typ, die Elektrode 222 vom n-Typ und die Halteelektrode 24 umfaßt.
Die thermoelektrische Vorrichtung 11 vom p-Typ und die thermoelektrische Vorrichtung 12 vom n-Typ sind jeweils aus einem Material mit einer thermoelektrischen Umwandlungscharakteristik, zum Beispiel aus Silizium-Germanium, Eisen-Silizium, Wismut-Tellur, Magnesium-Silizium, Blei-Tellur, Kobalt-Antimon, Wismut-Antimon, einer Heusler-Legierung oder einer Heusler-Halblegierung. Die Elektrode 212 vom p-Typ und die Elektrode 222 vom n-Typ bestehen vorzugsweise aus Nickel, Molybdän, Titan, Eisen, Kupfer, Mangan, Wolfram oder einer Legierung, deren Hauptbestandteil eines dieser Metalle ist. Die Halteelektrode 24 besteht vorzugsweise aus einem Material mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Elektrode 212 vom p-Typ und der Elektrode 222 vom n-Typ liegt. Das Verbindungsmaterial 30 ist vorzugsweise Aluminium, Nickel, Zinn, Kupfer, Zink, Germanium, Magnesium, Gold, Silber, Indium, Blei, Wismut, Tellur oder eine Legierung, deren Hauptbestandteil eines dieser Metalle ist.
Bei der im folgenden beschriebenen Ausführungsform besteht die thermoelektrische Vorrichtung 11 vom p-Typ aus Silizium- und Germaniumpulver, das 1% oder weniger Dotierstoffe mit p-Typ-Halbleitereigenschaften enthält, zum Beispiel Bor, Aluminium und Gallium, während die thermoelektrische Vorrichtung 12 vom n-Typ aus Silizium- und Germaniumpulver besteht, das 10% oder weniger Dotierstoffe mit n-Typ-Halbleitereigenschaften enthält, zum Beispiel Aluminium. Die thermoelektrischen Vorrichtungen werden durch Sintern des Pulvers mittels Impulsentladung, Heißpressen und dergleichen ausgebildet. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die thermoelektrische Vorrichtung 11 vom p-Typ eine Silizium-Germanium-Vorrichtung, während die thermoelektrische Vorrichtung 12 vom n-Typ eine Silizium-Magnesium-Vorrichtung ist. Die Elektrode 212 vom p-Typ besteht aus Molybdän (mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 5,8 × 10^–6 K^–1), während die Elektrode 222 vom n-Typ aus Nickel (mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 15,2 × 10^–6 K^–1) besteht. Die Halteelektrode 24 besteht aus Titan (mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 8,9 × 10^–6 K^–1).
Die Elektrode 212 vom p-Typ und die Elektrode 222 vom n-Typ können mit jedem beliebigen Verfahren mit der Halteelektrode 24 verbunden werden, solange unter Betriebsbedingungen kein Aufschmelzen erfolgt. Zum Beispiel können die Elektroden mit einem Basismaterial verbunden werden, das durch Elektronenstrahlschweißen, Lichtbogenschweißen, Punktschweißen, TIG-Schweißen und andere Verfahren direkt aufgeschmolzen wird. Alternativ können die Elektroden durch eine Festphasenverbindung wie einem Walzprozeß mit einem Hüllmetall oder auch mit einem Verbindungsmaterial wie Hartlot verbunden werden.
Wie in der 5 gezeigt, werden mit dem Verbindungsmaterial 30 das obere Ende der thermoelektrischen Vorrichtung 11 vom p-Typ und das untere Ende der Elektrode 212 vom p-Typ miteinander verbunden, und mit dem Verbindungsmaterial 30 werden das obere Ende der thermoelektrischen Vorrichtung 12 vom n-Typ und das untere Ende der Elektrode 222 vom n-Typ miteinander verbunden. Im thermoelektrischen Modul wird entsprechend dem Temperaturunterschied zwischen den beiden Enden der thermoelektrischen Vorrichtung eine elektromotorische Kraft erzeugt. In der 5 befindet sich die Oberseite der thermoelektrischen Vorrichtung auf hoher Temperatur, während die Unterseite der thermoelektrischen Vorrichtung auf niedriger Temperatur ist.
Durch den Temperaturunterschied zwischen der Oberseite und der Unterseite fließt ein elektrischer Strom durch die thermoelektrische Vorrichtungsanordnung 1. Der elektrische Strom fließt in der thermoelektrischen Vorrichtung 11 vom p-Typ von der Hochtemperaturseite zur Niedertemperaturseite (in der 5 von oben nach unten), während der Strom in der thermoelektrischen Vorrichtung 12 vom n-Typ von der Niedertemperaturseite zur Hochtemperaturseite fließt (in der 5 von unten nach oben). Die in Reihe verbundenen thermoelektrischen Vorrichtungen bilden somit einen elektrischen Stromkreis. Die in Reihe verbundenen thermoelektrischen Vorrichtungen sind entlang einer flachen Oberfläche oder in einer Linie miteinander verbunden, um die thermoelektrische Vorrichtungsanordnung 1 zu bilden.
Bei diesem Aufbau hat die thermoelektrische Vorrichtung 11 vom p-Typ, eine Silizium-Magnesium-Vorrichtung, einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 4,5 × 10^–6 K^–1, während die thermoelektrische Vorrichtung 12 vom n-Typ, eine Silizium-Magnesium-Vorrichtung, einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 15,5 × 10^–6 K^–1 hat. Das Ausmaß der Ausdehnung/Kontraktion beim Verbindungsvorgang und auch bei einer Temperaturänderung im späteren Betrieb ist daher bei den beiden thermoelektrischen Vorrichtungen 11, 12 vom p-Typ bzw. vom n-Typ verschieden. Beim Verbinden der thermoelektrischen Vorrichtung mit der Elektrode entstehen bei einem Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Elektrodenelement und der thermoelektrischen Vorrichtung Spannungen und Verformungen. Die Verbindungsstelle kann daher abreißen oder sich ablösen, und es können in der thermoelektrischen Vorrichtung 11 vom p-Typ und der thermoelektrischen Vorrichtung 12 vom n-Typ Risse entstehen.
Bei dem Aufbau der vorliegenden Ausführungsform beträgt der Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der thermoelektrischen Vorrichtung 11 vom p-Typ aus Silizium-Germanium (mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 4,5 × 10^–6 K^–1) und der Elektrode 212 vom p-Typ, die aus Molybdän (mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 5,8 × 10^–6 K^–1) ist, nur 1,3 × 10^–6 K^–1. Bei einem so kleinen Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten treten an der Verbindungsstelle der thermoelektrischen Vorrichtung 11 vom p-Typ keine Risse und Verformungen auf. Gleichermaßen beträgt der Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der thermoelektrischen Vorrichtung 12 vom n-Typ aus Silizium-Magnesium (mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 15,5 × 10^–6 K^–1) und der Elektrode 222 vom n-Typ, die aus Nickel (mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 15,2 × 10^–6 K^–1) ist, nur 0,3 × 10^–6 K^–1. Dadurch treten an den Verbindungsstellen der thermoelektrischen Vorrichtung 12 vom n-Typ keine Spannungen und Verformungen auf, so daß die Verbindungsstellen eine hohe Verbindungssicherheit aufweisen.
Die Halteelektrode 24 besteht aus Titan mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (8,9 × 10^–6 K^–1), der zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Molybdän und Nickel liegt, den Materialien für die Elektrode 212 vom p-Typ bzw. die Elektrode 222 vom n-Typ, wodurch der Unterschied in der Ausdehnung/Kontraktion in der Elektrodenanordnung 202 kleiner wird. Da die Elektrode 212 vom p-Typ und die Elektrode 222 vom n-Typ unabhängig voneinander sind, können Form und Größe jeweils an die Form und Größe der thermoelektrischen Vorrichtung angepaßt werden.
Mit dem Verbindungsmuster der vorliegenden Ausführungsform verringern sich im Vergleich zu der in der 6 gezeigten Elektrode aus einem einzigen Material die Absolutwerte für die Spannungen und Verformungen an der Verbindungsstelle. Auch bei einer Temperatur im Betrieb in der Nähe von 600°C weist daher die thermoelektrische Vorrichtung der vorliegenden Ausführungsform eine hohe Verbindungszuverlässigkeit auf.
Bei der vorliegenden Ausführungsform besteht die Elektrodenanordnung 202 aus zwei aufeinanderliegenden Schichten. Die Elektrodenanordnung 202 kann auch aus einer Laminatstruktur mit wenigstens zwei Schichten bestehen.
Die Erfindung kann auch in anderen Formen ausgeführt werden, ohne im Geist von den wesentlichen Eigenschaften abzuweichen. Die vorliegenden Ausführungsformen sind daher in jeder Beziehung nur als beispielhaft und nicht als einschränkend zu verstehen. Der Umfang der vorliegenden Erfindung wird von den folgenden Ansprüchen und nicht von der obigen Beschreibung bestimmt, und alle Abänderungen, die innerhalb der Bedeutung und des Umfangs de Äquivalente der Patentansprüche liegen, werden davon umfaßt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 9-293906 [0028]

Claims

Thermoelektrische Vorrichtungsanordnung mit einer thermoelektrischen Vorrichtung vom p-Typ und einer thermoelektrischen Vorrichtung vom n-Typ, die über ein Elektrodenelement in Reihe verbunden sind, wobei das Elektrodenelement einen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der thermoelektrischen Vorrichtung vom p-Typ entsprechenden Abschnitt, der mit der thermoelektrischen Vorrichtung vom p-Typ verbunden ist, und einen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der thermoelektrischen Vorrichtung vom n-Typ entsprechenden Abschnitt aufweist, der mit der thermoelektrischen Vorrichtung vom n-Typ verbunden ist, wobei der mit der thermoelektrischen Vorrichtung vom p-Typ verbundene Abschnitt des Elektrodenelements und der mit der thermoelektrischen Vorrichtung vom n-Typ verbundene Abschnitt des Elektrodenelements aus verschiedenen Materialien sind.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem mit der thermoelektrischen Vorrichtung vom p-Typ verbundenen Abschnitt des Elektrodenelements und der thermoelektrischen Vorrichtung vom p-Typ und der Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem mit der thermoelektrischen Vorrichtung vom n-Typ verbundenen Abschnitt des Elektrodenelements und der thermoelektrischen Vorrichtung vom n-Typ nicht größer ist als 6 × 10^–6 K^–1.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die thermoelektrische Vorrichtung vom p-Typ und die thermoelektrische Vorrichtung vom n-Typ jeweils aus Silizium-Germanium, Eisen-Silizium, Wismut-Tellur, Magnesium-Silizium, Blei-Tellur, Kobalt-Antimon, Wismut-Antimon, einer Heusler-Legierung oder einer Heusler-Halblegierung sind.
Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der mit der thermoelektrischen Vorrichtung vom p-Typ verbundene Abschnitt des Elektrodenelements und der mit der thermoelektrischen Vorrichtung vom n-Typ verbundene Abschnitt des Elektrodenelements aus Materialien mit verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten sind.
Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der mit der thermoelektrischen Vorrichtung vom p-Typ verbundene Abschnitt des Elektrodenelements und der mit der thermoelektrischen Vorrichtung vom n-Typ verbundene Abschnitt des Elektrodenelements aus verschiedenen Materialien sind und die Verbindung durch Schweißen, eine Festphasenverbindung, eine Metallverbindung und/oder eine Verbindung mit Hartlot erfolgt.
Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Elektrodenelement aus Nickel, Molybdän, Titan, Eisen, Kupfer, Mangan, Wolfram oder einer Legierung besteht, die hauptsächlich eines dieser Metalle enthält.
Thermoelektrisches Modul aus einer Anzahl der thermoelektrischen Vorrichtungsanordnungen nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Anzahl der thermoelektrischen Vorrichtungen vom p-Typ und eine Anzahl der thermoelektrischen Vorrichtungen vom n-Typ abwechselnd so angeordnet sind, daß sie über die Elektrodenelemente elektrisch in Reihe verbunden sind.
Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Moduls, mit den Schritten Anordnen einer Anzahl von Elektrodenelementen aus jeweils wenigstens zwei Materialien mit einem ersten Bereich aus einem ersten Material, der entsprechend dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der thermoelektrischen Vorrichtung vom p-Typ mit einer aus einer Anzahl von thermoelektrischen Vorrichtungen vom p-Typ verbunden ist, und mit einem zweiten Bereich aus einem zweiten Material, der entsprechend dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der thermoelektrischen Vorrichtung vom n-Typ mit einer aus einer Anzahl von thermoelektrischen Vorrichtungen vom n-Typ verbunden ist, abwechselndes Anordnen der thermoelektrischen Vorrichtungen vom p-Typ und der thermoelektrischen Vorrichtungen vom n-Typ derart, daß die Hochtemperaturflächen miteinander fluchten und die Niedertemperaturflächen miteinander fluchten; und elektrisches Verbinden der thermoelektrischen Vorrichtungen vom p-Typ und der thermoelektrischen Vorrichtungen vom n-Typ in Reihe durch Verbinden der thermoelektrischen Vorrichtungen vom p-Typ mit dem ersten Bereich der Elektrodenelemente und Verbinden der thermoelektrischen Vorrichtungen vom n-Typ mit dem zweiten Bereich der Elektrodenelemente.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den mit den thermoelektrischen Vorrichtungen vom p-Typ verbundenen Abschnitten des Elektrodenelements und den thermoelektrischen Vorrichtungen vom p-Typ und der Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den mit den thermoelektrischen Vorrichtungen vom n-Typ verbundenen Abschnitten des Elektrodenelements und den thermoelektrischen Vorrichtungen vom n-Typ nicht größer ist als 6 × 10^–6 K^–1.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die mit den thermoelektrischen Vorrichtungen vom p-Typ verbundenen Abschnitte des Elektrodenelements und die mit den thermoelektrischen Vorrichtungen vom n-Typ verbundenen Abschnitte des Elektrodenelements aus verschiedenen Materialien sind und die Verbindung durch Schweißen, eine Festphasenverbindung, eine Metallverbindung und/oder eine Verbindung mit Hartlot erfolgt.