DE102014117584B4

DE102014117584B4 - Thermoelektrische Einheit

Info

Publication number: DE102014117584B4
Application number: DE102014117584.0A
Authority: DE
Inventors: c/o IBM Corp. Schmidt Volker; c/o IBM Corp. Riel Heike E.
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2013-12-17
Filing date: 2014-12-01
Publication date: 2018-10-18
Anticipated expiration: 2034-12-02
Also published as: CN104716253A; GB201322245D0; US20150171301A1; CN104716253B; JP2015119169A; DE102014117584A1; GB2521353A; JP5936242B2; US9947853B2

Abstract

Thermoelektrische Einheit (1) zum Transferieren von Wärme von einer Wärmequelle (2) zu einer Wärmesenke (3), die aufweist:wenigstens ein thermoelektrisches Schenkelpaar (10) mit einem ersten Schenkel (4), der ein Halbleitermaterial vom n-Typ beinhaltet, und einem zweiten Schenkel (5), der ein Halbleitermaterial vom p-Typ beinhaltet, wobei der erste Schenkel (4) und der zweite Schenkel (5) elektrisch in Serie gekoppelt sind;ein resistives Element (9), das den ersten Schenkel (4) und den zweiten Schenkel (5) zwischen der Wärmequelle (2) und der Wärmesenke (3) elektrisch koppelt,wobei die thermoelektrische Einheit (1) eine Mehrzahl von resistiven Elementen (9, 12, 13, 14) aufweist, die den ersten Schenkel (4) und den zweiten Schenkel (5) zwischen der Wärmequelle (2) und der Wärmesenke (3) elektrisch koppeln, wobei jedes resistive Element (9, 12, 13, 14) eine vorgegebene Konduktanz derart aufweist, dass die Konduktanz der resistiven Elemente (9, 12, 13, 14) in Richtung zu der Seite der Wärmequelle (2) zunimmt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Offenbarung bezieht sich allgemein auf Wärmetransfereinheiten, im Besonderen auf thermoelektrische Einheiten und Module zum Transferieren von Wärme von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke. Insbesondere bezieht sich diese Offenbarung auf thermoelektrische Einheiten, die an Objekte gekoppelt werden können, die zu erwärmen oder zu kühlen sind.
HINTERGRUND
Thermoelektrische Einheiten zum Kühlen werden dazu verwendet, überschüssige Wärme von elektronischen Einheiten zu transferieren, wie beispielsweise Sensoren, aktiven elektro-optischen Komponenten, Infrarot-CCD-Chips und dergleichen. Da viele elektronische Einheiten eine geringe Leistungsdissipation aufweisen, ist ein zusätzliches Kühlmittel erwünscht. Eine elektrische Kühlung wurde zuerst von Jean Charles Peltier entdeckt, der beobachtete, dass ein Strom, der durch einen Übergang zwischen ungleichen Leitern fließt, wie beispielsweise Halbleitern vom n- oder p-Typ, Wärme oder Kühlung als Funktion des Stromflusses durch den Übergang induzieren kann. Dieser Effekt wird als der Peltier- oder thermoelektrische Effekt bezeichnet. Die Temperatur kann in Abhängigkeit von der Stromrichtung durch den Übergang erhöht oder verringert werden.
Thermoelektrische Einheiten werden häufig als Wärmepumpen verwendet, die zwischen einer Wärmequelle und einer Wärmesenke untergebracht sind, wobei die Wärmequelle eine elektrische Komponente sein kann und die Wärmesenke manchmal eine Oberflächenplatte oder eine Konvektions-Wärmesenke ist. Herkömmliche thermoelektrische Kühleinheiten verwenden häufig mehrere Stufen, um ein Objekt schrittweise herunter zu kühlen oder Wärme von einer Wärmequelle weg zu transferieren. Derartige mehrstufige Module bestehen im Wesentlichen aus separaten thermoelektrischen Modulen, die aufeinander gestapelt sind. Dies führt aufgrund der Vielzahl und der Komplexität von thermoelektrischen Komponenten, die involviert sind, zu zusätzlichen Anforderungen bezüglich des Raums und einer Zunahme der Kosten. Es ist im Allgemeinen wünschenswert, die Effizienz von thermoelektrischen kühlenden Modulen zu erhöhen.
Die US 6 282 907 B1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kühlung unter Umgebungsbedingungen unter Verwendung von thermoelektrischer Dynamik in Verbindung mit Konfigurationsschemata zur Maximierung des Energietransports, um die Effizienz der thermoelektrischen Kühlung zu erhöhen. In einer Form maximiert ein Übergang den Energietransport, der zwischen thermoelektrischen Elementen mit minimalem Abstand positioniert und mit diesen gekoppelt ist, um eine effiziente thermoelektrische Kühlung bereitzustellen. Implementierungen stellen thermoelektrische Elemente bereit, die derart konfiguriert sind, dass Wärmeenergie von dem Übergang weg übertragen und durch thermische Senken, die mit thermoelektrischen Elementen gekoppelt sind, abgeleitet wird.
Die US 5 802 855 A offenbart eine Stromversorgungsleitung zum elektrischen Verbinden einer supraleitenden Spule mit einer Stromquelle, aufweisend eine thermoelektrische Kühleinrichtung, die mindestens ein thermoelektrisches Element vom N-Typ und ein thermoelektrisches Element vom P-Typ aufweist, die jeweils elektrisch mit einer positiven Seite und einer negativen Seite der Stromquelle verbunden sind.
Die JP H08- 64 874 A offenbart eine Vorrichtung, bei der ein Ende eines ersten thermoelektrischen Materials mit einem Ende eines zweiten thermoelektrischen Materials verbunden ist. Die Vorrichtung ist durch eine Elektrode, deren Emissionsvermögen größer als das der beiden Thermoelektrika ist, mit einer Hochtemperaturseite verbunden sowie durch eine Schicht eines leitenden Materials mit einer Niedertemperaturseite verbunden. Alternativ kann ein Element vom p-Typ über eine Metallplatte mit einem Element vom n-Typ verbunden sein, wobei die Metallplatte mit einem Material mit hohem Emissionsvermögen beschichtet ist. So kann das Emissionsvermögen des Wärme aufnehmenden Teils des Elements verbessert werden und Wärme kann dem ersten oder zweiten Thermoelektrikum über eine Diffusionsschicht zugeführt werden.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Daher ist es ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung, eine verbesserte thermoelektrische Einheit zum Transferieren von Wärme von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke bereitzustellen. Eine thermoelektrische Einheit kann im Besonderen dazu geeignet sein, weitere thermoelektrische Module oder Anordnungen zu realisieren.
Die der Erfindung zugrunde liegenden Aufgaben werden jeweils mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Gemäß einer Ausführungsform eines Aspekts der Erfindung weist eine thermoelektrische Einheit zum Transferieren von Wärme von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke auf:

wenigstens ein thermoelektrisches Schenkelpaar mit einem ersten Schenkel, der ein Halbleitermaterial vom n-Typ beinhaltet, und einem zweiten Schenkel, der ein Halbleitermaterial vom p-Typ beinhaltet, wobei der erste Schenkel und der zweite Schenkel elektrisch in Serie gekoppelt sind; und
ein resistives Element, das den ersten Schenkel und den zweiten Schenkel zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke elektrisch koppelt.

Die zwei Schenkel, die ein Paar bilden, können z.B. parallel zueinander angeordnet und zwischen Grenzflächen zu einer Wärmequelle beziehungsweise einer Wärmesenke untergebracht sein. Während eines Betriebs der thermoelektrischen Einheit kann ein elektrischer Strom durch den ersten und den zweiten Schenkel hindurch injiziert werden, wobei an dem Übergang zwischen dem Halbleitermaterial vom p- und vom n-Typ der Peltier-Effekt genutzt werden kann. Als ein Ergebnis gibt es einen Temperaturgradienten zwischen der Seite des Schenkelpaars, die der Wärmequelle zugewandt ist, und der Seite des Schenkelpaars, die der Wärmesenke zugewandt ist. Die Wärmequelle kann zum Beispiel eine elektronische Einheit sein, die gekühlt werden muss. Die Wärmesenke kann zum Beispiel ein Kühlkörper sein. Das resistive Element ermöglicht einen elektrischen Strom zwischen dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel in einem Bereich fernab oder weit entfernt von dem p-n-Übergang.
In Ausführungsformen der thermoelektrischen Einheit sind der erste Schenkel und der zweite Schenkel thermisch parallel zwischen die Wärmequelle und die Wärmesenke eingeschleift. Es kann außerdem eine alternative Konfiguration des Schenkels vom n-Typ und des Schenkels vom p-Typ ins Auge gefasst werden, bei der die Schenkel elektrisch in Serie gekoppelt sind, jedoch parallel in Bezug auf den Wärmetransfer.
Das wenigstens eine resistive Element kann so ausgelegt sein, dass es einen elektrischen Strom wenigstens teilweise durch einen Übergang zwischen dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel umleitet. Das resistive Element kann einen höheren elektrischen Widerstand als die elektrische Kopplung oder Verbindung zwischen den zwei Schenkeln und/oder den Kontakten für ein Einbringen eines Stroms aufweisen, der für den/die thermoelektrischen Effekt(e) an den Übergängen oder Material-Grenzflächen verwendet wird. Der Umleitungsstrom ist zum Beispiel niedriger als der Betriebsstrom durch den Schaltkreis hindurch, der von dem ersten Schenkel, einer Metallschicht oder einem Metallkontakt und dem zweiten Schenkel gebildet wird.
Ein Umleiten eines elektrischen Stroms und dadurch ein Erzeugen einer Erwärmung in Bereichen, die sich von dem Übergang unterscheiden, der den Peltier-Effekt zeigt, kann bewirken, dass die thermoelektrische Einheit eine höhere erreichbare Temperaturdifferenz zwischen der Seite der Schenkel, die der Wärmesenke zugewandt ist, und der Seite der Schenkel ermöglicht, die der Wärmequelle zugewandt ist. Ein resistives Element, das einen Strom nahe der Wärmesenke ermöglicht, kann zu einer Konzentration der Wärme nahe der Wärmesenke führen. Das resistive Element kann z.B. so ausgeführt sein, dass es einen Umleitungsstrom ermöglicht, wodurch ein steilerer Temperaturgradient entlang des ersten und des zweiten Schenkels in einem Bereich nahe der Wärmesenke erzeugt wird. Wärme, die durch den Peltier-Effekt an einem p-n-Übergang erzeugt wird, ist vorzugsweise an der Wärmesenke lokalisiert.
Demzufolge ist das wenigstens eine resistive Element in Ausführungsformen zwischen dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel derart angeordnet, dass durch Ändern des Stromflusses eine Joulesche Erwärmung der Schenkel in Richtung zu der Seite der Wärmesenke verlagert oder konzentriert wird.
Das resistive Element kann ein strukturelles Trägerelement beinhalten. Z.B. können das resistive Element selbst oder Teile desselben bewirken, dass die Einheit mechanisch stabiler ist. In Ausführungsformen weist das resistive Element ein wenigstens teilweise unelastisches Material auf.
In Ausführungsformen variiert ein Querschnitt des ersten und/oder des zweiten Schenkels entlang der Richtung von der Wärmequelle zu der Wärmesenke.
Geometrisch kann ein Ändern der Dicke eines Querschnitts der Schenkel zu einer Modulation des elektrischen Stroms durch die Schenkel führen. Zum Beispiel führt ein Vergrößern des Querschnitts des ersten und/oder des zweiten Schenkels in Richtung zu der Wärmesenke bei Vorhandensein eines resistiven Elements, das den ersten Schenkel elektrisch mit dem zweiten Schenkel verbindet, zu einer hohen Stromdichte und dadurch zu einer Konzentration der Wärme an der Senke.
Das resistive Element kann ein Material aufweisen, das eine temperaturabhängige Konduktanz zeigt. Das Material für das wärmeresistive Element weist eine Konduktanz auf, die als Funktion der Temperatur zunimmt. Als ein Ergebnis fließt zwischen den zwei Schenkeln dort, wo eine hohe Temperatur in Bezug auf andere Bereiche auftritt, mehr Strom durch das resistive Element.
In Ausführungsformen der thermoelektrischen Einheit weist das wenigstens eine resistive Element ein Material auf, das zwischen dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel angeordnet ist und sich wenigstens teilweise entlang des ersten Schenkels und des zweiten Schenkels zwischen einem Übergang zwischen dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel und einem Kontakt für ein Einbringen eines elektrischen Stroms in den ersten Schenkel und/oder den zweiten Schenkel erstreckt.
Das resistive Element kann zum Beispiel als eine Schicht oder eine Füllung zwischen den Schenkeln ausgeführt sein. Es können Halbleitermaterialien, Metalle, Halbmetalle oder Oxide, jedoch auch organische leitende Materialien oder Kombinationen derselben ins Auge gefasst werden, die des Weiteren eine temperaturabhängige Konduktanz zeigen können.
In Ausführungsformen weist die thermoelektrische Einheit eine Mehrzahl von resistiven Elementen auf, die den ersten Schenkel und den zweiten Schenkel zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke elektrisch koppeln. Es können resistive Elemente als überbrückende Elemente ins Auge gefasst werden, welche die zwei Schenkel teilweise miteinander koppeln. Die überbrückenden Elemente können die zwei Schenkel in Bezug zueinander mechanisch stabilisieren.
Durch Verwenden einer Mehrzahl von resistiven Elementen können die Elemente jeweils in Bezug auf den spezifischen elektrischen Widerstand, die Leitfähigkeit oder thermische Eigenschaften ausgelegt werden. Demzufolge ermöglicht ein Verwenden einer Mehrzahl von resistiven Elementen eine bessere Modulation des Stroms durch die Schenkel und die resistiven Elemente hindurch und der Wärmeverteilung in der thermoelektrischen Einheit.
In Ausführungsformen weist jedes resistive Element eine vorgegebene Konduktanz derart auf, dass die Konduktanz der resistiven Elemente in Richtung zu der Seite der Wärmequelle zunimmt.
In Ausführungsformen erstrecken sich die resistiven Elemente zwischen dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel, und die resistiven Elemente sind in Bezug zueinander entlang einer longitudinalen Ausdehnung des ersten Schenkels und des zweiten Schenkels mit vorgegebenen Abständen beabstandet. Die Abstände können angepasst werden, um einen gewünschten Strom und eine gewünschte Wärmeverteilung in der Einheit zu erreichen.
In Ausführungsformen können die resistiven Elemente zwischen dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel unterschiedliche Querschnitte aufweisen. Mittels Anpassen eines Querschnitts können die elektrischen und thermischen Eigenschaften der resistiven Elemente oder der überbrückenden Elemente abgestimmt werden.
In Ausführungsformen können die resistiven Elemente zwischen dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel eine unterschiedliche Länge/Dicke aufweisen. Mittels Anpassen einer Länge/Dicke können die elektrischen und thermischen Eigenschaften der resistiven Elemente oder überbrückenden Elemente abgestimmt werden.
In Ausführungsformen einer thermoelektrischen Einheit wird eine Mehrzahl von thermoelektrischen Schenkelpaaren bereitgestellt, die im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind. Die Schenkel vom p- und vom n-Typ sind alternierend elektrisch in Serie und thermisch parallel zueinander zwischen der Wärmesenke und der Wärmequelle verbunden. Der Peltier-Effekt tritt auf, wenn eine Spannung an die Schenkel vom n-Typ und vom p-Typ angelegt wird, die zu einem Stromfluss durch die seriellen elektrischen Übergänge zwischen den Bereichen vom n- und vom p-Typ führt. Als ein Ergebnis tritt ein Wärmetransfer über die Schenkel vom n- und vom p-Typ hinweg in der parallelen Vorwärtsverbindung auf. Des Weiteren können Umleitungsströme durch die Brücken- oder resistiven Elemente fließen.
Durch Erhöhen der Anzahl von Schenkelpaaren kann mehr Wärme transferiert werden. In Ausführungsformen der thermisch-elektrischen Einheit bildet die Mehrzahl von thermoelektrischen Schenkelpaaren ein Feld von Schenkeln, das auf einem Substrat angeordnet ist. Das Substrat kann zu einer besseren mechanischen Stabilität oder Robustheit der thermoelektrischen Einheit führen.
Gemäß einer Ausführungsform eines weiteren Aspekts der Erfindung ist ein thermoelektrisches Modul offenbart, das wenigstens eines der vorstehend erwähnten thermoelektrischen Einheiten aufweist. Gemäß einer Ausführungsform ist wenigstens ein Schenkelpaar zwischen die Wärmequelle und die Wärmesenke gebondet. Es kann des Weiteren ins Auge gefasst werden, mehrere thermoelektrische Module als einen Stapel anzubringen, um einen noch besseren Wärmetransfer zu erreichen.
Bestimmte Ausführungsformen der dargestellten thermoelektrischen Einheit und des dargestellten Moduls können einzelne oder kombinierte Merkmale oder Aspekte aufweisen, wie vorstehend oder nachstehend in Bezug auf exemplarische Ausführungsformen erwähnt.
Figurenliste
Im Folgenden werden Ausführungsformen von thermoelektrischen Einheiten und Modulen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer thermoelektrischen Einheit.
2 bis 7 zeigen schematische Darstellungen von weiteren Ausführungsformen von thermoelektrischen Einheiten.
8 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines thermoelektrischen Moduls.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines thermoelektrischen Moduls.

Gleichartigen oder funktionell gleichartigen Elementen in den Zeichnungen wurden die gleichen Bezugszeichen zugewiesen, wenn nicht anders angezeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
In dieser Offenbarung bezieht sich der Ausdruck „Wärmequelle“ auf ein Element oder ein Objekt, von dem überschüssige Wärme zu transferieren ist, z.B. durch eine thermoelektrische Einheit. Der Ausdruck „Wärmesenke“ bezieht sich auf ein Element oder ein Objekt, das Wärme ableiten oder einfangen kann. Im Allgemeinen wird die Wärmequelle durch die thermoelektrische Einheit herunter gekühlt, und die Wärmesenke wird aufgewärmt. Die thermoelektrische Einheit, wie offenbart, kann als eine Wärmepumpe zum Transferieren von Wärme von der Wärmequelle zu der Wärmesenke betrachtet werden. Der Ausdruck „Querschnitt“ wird dazu verwendet, die Querschnittfläche eines Elements zu definieren. Ein „Schenkel“ ist eine Struktur, die eine longitudinale Ausdehnung und eine laterale Ausdehnung aufweist. Ein Schenkel kann eine stabartige oder säulenartige Geometrie aufweisen. In einigen Fällen ist die longitudinale Ausdehnung größer als die laterale Ausdehnung. Es können jedoch weitere Aspektverhältnisse ins Auge gefasst werden. In Ausführungsformen der Schenkel liegt die longitudinale Ausdehnung in der Richtung von der Wärmequelle zu der Wärmesenke oder umgekehrt. Es kann angenommen werden, dass ein Schenkel einen elektrischen Strom sowie einen im Wesentlichen parallelen thermischen Strom führt.
Es versteht sich, dass das „resistive Element“ bedeutet, dass ermöglicht wird, dass ein Umleitungsstrom zwischen Schenkeln fließt. Das resistive Element ist funktionell definiert und kann durch eine Vielfalt von strukturellen Mitteln ausgeführt werden, z.B. einem resistiven Material und/oder einer speziellen Geometrie der Schenkel in Bezug zueinander. Ein Kontaktbereich zwischen den Schenkeln aufgrund eines verringerten lateralen Abstands zwischen den Schenkeln kann auch als ein resistives Element dienen. Das resistive Element kann ein diskretes strukturelles Element oder eine diskrete strukturelle Einheit sein, kann jedoch auch ein Teil oder in einen Schenkel integriert sein.
Die thermoelektrische Einheit nutzt den Peltier-Effekt oder thermoelektrischen Effekt. Als thermoelektrische Materialien können dotierte Halbleitermaterialien vom p- und n-Typ verwendet werden. Zum Beispiel können Wismut, Antimon, Wismuttellurid, Wismutselenid, Wismutantimonid, Antimontellurid, Bleitellurid, Bleiselenid, Bleiantimonid, Eisensilicid, Mangansilicid, Cobaltsilicid, Magnesiumsilicid, Chromsilicid, Calciummanganoxid oder Kombinationen derselben eingesetzt werden. Es können weitere Halbleitermaterialien ins Auge gefasst werden, die einen thermoelektrischen Effekt zeigen.
1 zeigt eine erste Ausführungsform einer thermoelektrischen Einheit 1. Die thermoelektrische Einheit 1 wird zum Beispiel dazu verwendet, eine elektrische Einheit zu kühlen, die Wärme abführt. In 1 sind eine Wärmequelle 2 sowie eine Wärmesenke 3 gezeigt. Die Wärmequelle kann eine elektrische Komponente oder eine andere Einheit sein, die gekühlt werden soll. Die Wärmesenke 3 kann zum Beispiel ein Kühlkörper oder ein anderes kühlendes Element sein.
Die thermoelektrische Einheit 1 weist ein Paar 10 von Schenkeln 4, 5 auf. In der Orientierung von 1 ist der obere Schenkel 4 ein Halbleiter vom n-Typ, und der untere Schenkel 5 ist ein Halbleiter vom p-Typ. Die Halbleitermaterialien der Schenkel 4, 5 vom n- und p-Typ sind durch eine Metallschicht 6 aneinander angeschlossen oder elektrisch miteinander verbunden, wodurch effektiv ein p-n-Übergang 11 gebildet wird. Der Übergang 11 ist in Richtung der Wärmequelle 2 gewandt. Es gibt einen elektrischen Kontakt 7, der mit dem ersten Schenkel 4 gekoppelt ist, sowie einen elektrischen Kontakt 8, der mit dem zweiten Schenkel 5 gekoppelt ist. Die Kontakte ermöglichen, dass ein elektrischer Strom durch die Schenkel 4, 5 in Serie eingebracht wird, z.B. mittels Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den elektrischen Kontakten 7 und 8.
Das thermoelektrische Schenkelpaar 10, das die zwei Schenkel 5, 4 beinhaltet, ist thermisch parallel zwischen die Wärmequelle 2 und die Wärmesenke 3 eingeschleift und elektrisch in Serie eingeschleift. Dies ermöglicht einen Wärmetransfer von links nach rechts, wie durch den Pfeil HF angezeigt, der einen Wärmefluss von der Wärmequelle 2 zu der Wärmesenke 3 darstellt. Entfernt von dem p-n-Übergang 11 ist ein resistives Element 9, zum Beispiel ein geeignetes Halbleitermaterial, zwischen den zwei Schenkeln 4, 5 untergebracht. Das resistive Element 9 ermöglicht, dass ein Umleitungsstrom zwischen den zwei Schenkeln 4, 5 entfernt von dem Übergang 11 fließt, wo der Peltier-Effekt genutzt wird. Das resistive Element 9 ist näher bei der Wärmesenke 3 als bei der Wärmequelle 2.
Durch Hinzufügen des resistiven Elements 9 kann die Stromverteilung durch die Schenkel und der Pfad zwischen dem ersten Kontakt 7, dem ersten Schenkel 4, dem Übergang 11 oder der Metallkopplungsschicht 6, dem zweiten Schenkel 5 und dem zweiten Kontakt 8 eingestellt werden. Ein elektrischer Strom fließt zum Beispiel durch die Umleitung in Bezug auf das resistive Element 9, was zu einer verstärkten Jouleschen Erwärmung an der warmen oder heißen Seite der thermoelektrischen Einheit 1 führt. Im Vergleich zu einer herkömmlichen thermoelektrischen Einheit ermöglichen elektrische Überbrückungen oder resistive Elemente 9 Umleitungsströme. Es kann eine erhöhte Temperaturdifferenz zwischen der Seite, die der Wärmequelle 2 zugewandt ist, und der Seite erreicht werden, die der Wärmesenke zugewandt ist. Die Leistungsfähigkeit einer thermoelektrischen Einheit kann verbessert werden, indem der Strom, der zu der Jouleschen Erwärmung führt, in Richtung zu der heißen Seite der Einheit verlagert oder konzentriert wird.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer thermoelektrischen Einheit 100. Die thermoelektrische Einheit 100 ist zwischen einer Wärmequelle 2 und einer Wärmesenke 3 untergebracht. Ein thermoelektrisches Schenkelpaar 10 weist einen ersten Schenkel 4 und einen zweiten Schenkel 5 auf. In dem Schnitt, der in 2 gezeigt ist, sind die zwei Schenkel 4, 5, wobei der erste Schenkel ein Material vom n-Typ aufweist und der zweite Schenkel ein Material vom p-Typ aufweist, durch eine dünne Metallschicht 6 gekoppelt. An den distalen Enden der Schenkel 4, 5 in Bezug auf den Übergang 11 sind Metallkontaktschichten 15 und 16 bereitgestellt.
Zwischen den zwei Schenkeln 4 und 5 sind mehrere resistive Elemente oder Überbrückungen 9, 12, 13 und 14 zwischen den zwei Schenkeln 4, 5 entlang ihrer longitudinalen Ausdehnung untergebracht. Die Überbrückungen oder resistiven Elemente 9, 12, 13, 14 ermöglichen, dass Umleitungsströme j₉, j₁₂, j₁₃, j₁₄ zwischen den Schenkeln 4, 5 fließen. Wenn die thermoelektrische Einheit 100 betrieben wird, wird zum Beispiel ein Strom j durch den Metallkontakt 15 in den oberen oder ersten Schenkel 4 eingebracht. Ein Teil des Stroms fließt durch den Schenke! 4 in Richtung zu dem Übergang 11, tritt in den zweiten Schenkel 5 ein und tritt durch den zweiten Metallkontakt 16 aus der thermoelektrischen Einheit 100 aus. Des Weiteren fließen Umleitungsströme j₉, j₁₂, j₁₃, j₁₄ durch die Überbrückungen oder resistiven Elemente 9, 12, 13, 14 zwischen den Schenkeln 4, 5. Mittels geeigneter Verteilung der Überbrückungen oder resistiven Elemente 9, 12, 13, 14 können die elektrische Stromdichte - und letzten Endes die Temperaturverteilung - in der thermoelektrischen Einheit abgestimmt werden.
Untersuchungen des Anmelders zeigen, dass in einer thermoelektrischen Einheit 100 ohne resistive Elemente, wie in 2 gezeigt, eine Temperaturdifferenz von 68 K erzielt werden kann, wenn ein ZT-Wert der thermoelektrischen Materialien von 0,9 bei 300 K angenommen wird und eine Spannung von 0,17 V zwischen den Kontakten 15 und 16 angelegt wird. Sind jedoch die resistiven Elemente 9, 12, 13, 14 enthalten und wird eine Spannung von 0,26 V angelegt, führt dies zu einer minimalen Temperatur von 195 K, was von einer graphischen Darstellung unten in 2 angezeigt wird. Somit ist die durch eine thermoelektrische Einheit 101 erreichbare Temperaturdifferenz verbessert. Es wurden Modellrechnungen auf der Grundlage eines thermoelektrischen Materials vom n-Typ und vom p-Typ durchgeführt, das eine Leitfähigkeit von 10⁵ × 1/(Ωm), eine thermische Leitfähigkeit von 3 W/(mK) sowie einen Seebeck-Koeffizienten von 3 × 10^-4V/K für den Schenkel vom p-Typ und einen Seebeck-Koeffizienten von -3 × 10^-4V/K für den Schenkel vom n-Typ aufweist.
Der ZT-Wert ist eine Kennzahl, welche die Fähigkeit eines gegebenen Materials bezeichnet, effizient eine thermoelektrische Leistung zu erzeugen, und er ist definiert durch: $Z T = \frac{σ S^{2} T}{λ}$
Er ist von dem Seebeck-Koeffizienten S, der thermischen Leitfähigkeit λ, der elektrischen Leitfähigkeit σ und der Temperatur T abhängig.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer thermoelektrischen Einheit, die derjenigen ähnlich ist, die in 2 gezeigt ist. Wiederum sind zwei Schenkel 4, 5, die durch eine Metallschicht 6 miteinander gekoppelt sind, gezeigt, die ein Paar 10 bilden, das ein thermoelektrisches Material aufweist. Zwischen den Schenkeln 4, 5 ist eine Mehrzahl von Überbrückungen oder resistiven Elementen 9, 12, 13, 14 untergebracht. Die resistiven Elemente 9, 12, 13, 14 sind lediglich als Beispiele gezeigt. Es können mehr Überbrückungen als die in der Einheit 101 gezeichneten resistiven Elemente vorhanden sein. Die Überbrückungen oder resistiven Elemente 9, 12, 13, 14 sind um Abstände d₉, d₁₂, d₁₄ in Bezug zueinander beabstandet. Mittels Einstellen der Abstände in Bezug zueinander kann die Stromverteilung in der gesamten thermoelektrischen Einheit 101 eingestellt werden. Die Abstände d₉ und d₁₂ sind zum Beispiel kleiner als der Abstand d₁₄ des überbrückenden Elements 14 oder resistiven Elements, das dem Übergang am nächsten liegt, der durch den Metallkontakt 6 realisiert ist.
Es können Ausführungsformen ins Auge gefasst werden, bei denen der Abstand zwischen den Überbrückungen oder resistiven Elementen 9, 12 als Funktion des Abstands von der Seite, die der Wärmesenke zugewandt ist, zu der Seite der Schenkel, die der Wärmequelle zugewandt ist, zunimmt. Dies resultiert in einem höheren elektrischen Strom, der durch Bereiche fließt, die nahe bei der Wärmesenke liegen, wo die Erwärmung, die durch den Strom verursacht wird, leichter abgeführt werden kann.
Außerdem kann die Stromdichte in den zwei Schenkeln 4, 5 modifiziert werden, indem das Material oder die Geometrie der Überbrückungen oder resistiven Elemente angepasst wird. Eine weitere Ausführungsform ist in 4 gezeigt, in der die thermoelektrische Einheit 102 zwei Schenkel 4, 5 beinhaltet, die durch die Metallschicht 6 in Serie miteinander gekoppelt sind und die elektrische Kontaktschichten 15, 16 aufweisen, um einen elektrischen Strom einzubringen. Eine Mehrzahl von Überbrückungen oder resistiven Elementen (von denen lediglich zwei in 4 gezeigt sind) 9, 14 koppelt die zwei Schenkel 4, 5 des thermoelektrischen Schenkelpaars 10 elektrisch. Die Überbrückungen oder resistiven Elemente 9, 14 weisen einen vorgegebenen Querschnitt A₁₄, A₉ auf. Der Querschnitt A₉ nahe der Wärmesenke (nicht gezeigt) ist zum Beispiel größer als der Querschnitt A₁₄ fern von der Wärmesenke. Als ein Ergebnis laufen unterschiedliche Umleitungsströme durch die zwei Überbrückungen. Der Strom j₉ ist üblicherweise höher als der Strom j₁₄. Demzufolge tritt eine Joulesche Erwärmung im Besonderen dort auf, wo hohe Umleitungsströme auftreten, so dass der Gesamttemperaturgradient in Richtung zu der Wärmesenke auf der rechten Seite steiler ist.
5 zeigt noch eine weitere Ausführungsform der thermoelektrischen Einheit 103. Die Einheit 103 weist zwei thermoelektrische Schenkel 4, 5 auf, die durch ein Metall 6 miteinander gekoppelt sind. Es sind zwei Kontaktschichten 15, 16 gezeigt. Die Länge des Schenkelpaars 10 ist mit I bezeichnet. Anstelle separater Überbrückungen oder resistiver Elemente ist der Bereich zwischen dem ersten und dem zweiten Schenkel 4, 5 mit einem resistiven Material 90 gefüllt. Das resistive Material 90 ermöglicht zum Beispiel Umleitungsströme zwischen den zwei Schenkeln 4, 5. Das Material, das für die resistive Füllung 90 verwendet wird, zeigt vorzugsweise temperaturabhängige Eigenschaften, zum Beispiel nimmt die Konduktanz des Materials für die resistive Füllung 90 mit der Temperatur zu. Im umgekehrten Fall nimmt der spezifische elektrische Widerstand zwischen der Seite, die der Wärmesenke zugewandt ist, und der Seite der resistiven Füllung 90, die der Wärmequelle zugewandt ist, in Richtung zu der Wärmequelle zu. Dies ist unten in 5 gezeigt, wobei die durchgezogene Kurve T das Temperaturprofil als Funktion der Länge I zeigt und sich die strichpunktierte Kurve R auf den Widerstand zwischen den zwei Schenkeln 4, 5 bezieht. Es können zum Beispiel organische Materialien ins Auge gefasst werden, die einen temperaturabhängigen spezifischen elektrischen Widerstand oder eine temperaturabhängige Leitfähigkeit zeigen. Mit abnehmender Temperatur von der Seite (rechts), die der Wärmesenke zugewandt ist, zu der Seite (links), die der Wärmequelle zugewandt ist, nimmt die Umleitungsstromdichte zugleich mit der Temperatur zu.
Eine weitere Ausführungsform ist in 6 gezeigt. Die thermoelektrische Einheit 104 weist einen ersten oberen Schenkel 4 und einen zweiten unteren Schenkel 5 auf. Die thermoelektrischen Schenkel 4, 5 des Paars 10 sind auf der linken Seite durch eine Metallschicht 6 gekoppelt. Zwischen den Schenkeln 4, 5 sind resistive Überbrückungen oder resistive Elemente 9, 14 untergebracht, die ermöglichen, dass Umleitungsströme fließen, wie zuvor näher ausgeführt. Es ist zu erkennen, dass das resistive Element 14, das der linken Seite (in Richtung zu der Wärmequelle) zugewandt ist, einen Querschnitt A₁₄ aufweist, während das resistive Element 9, das der rechten Seite (Wärmesenke) zugewandt ist, einen Querschnitt A₉ aufweist. A₉ ist größer als A₁₄, wodurch ein erhöhter Umleitungsstrom ermöglicht wird, da die Querschnittfläche in einen Wert für die Konduktanz übertragen wird.
Des Weiteren ändern sich die Querschnitte der Schenkel 4, 5 selbst entlang ihrer longitudinalen Ausdehnung. Jeder Schenkel 4, 5 weist drei Abschnitte 41, 42, 43, 51, 52, 53 auf, wobei jeder einen anderen Querschnitt aufweist, der durch Bezugszeichen B₄₁, B₄₂, B₄₃, B₅₁, B₅₂ und B₅₃ bezeichnet ist. Metallkontakte 15 und 16 sind bereitgestellt, um eine Spannung über die Schenkel 4, 5 hinweg anzulegen. Mittels Skalieren der Querschnitte der Schenkel in der angezeigten Weise tritt eine Joulesche Erwärmung in erster Linie an der Seite der Wärmesenke auf (rechte Seite in 6). Demzufolge findet der gesamte Wärmetransfer effizienter statt.
Anstelle der Verwendung einer stufenweisen Änderung der Querschnitte der Schenkel, wie in 6 gezeigt, können die Schenkel eine kontinuierliche Änderung in ihrer Querschnittfläche aufweisen. Dies ist in der Ausführungsform gemäß 7 gezeigt. Die thermoelektrische Einheit 105 weist zwei Schenkel 54 und 55 auf, die durch eine Metallschicht 6 miteinander gekoppelt sind, wobei eine Dicke der Schenkel entlang ihrer Achse in Richtung zu der Wärmesenke zunimmt (rechte Seite). Zusammen mit einem optionalen resistiven Element, das die Schenkel 54 und 55 elektrisch koppelt, führt diese Maßnahme, wie vorstehend in Bezug auf 6 erläutert, zu einer Verbreiterung in der Temperatur, wodurch die thermoelektrische Einheit 105 besonders effizient gemacht wird.
Das resistive Element oder die resistiven Elemente können separate Überbrückungen und/oder eine Füllung 91 zwischen den Schenkeln 54, 55 sein. In 7 ist als ein Beispiel eine Füllung 91 gezeigt, die ein resistives Material beinhaltet. Die Änderung in der Dicke der Schenkel 54, 55 entlang der longitudinalen Ausdehnung wird in eine Variation der „Dicke“ des resistiven Materials der Füllung 91 zwischen den Schenkeln übertragen. Als ein Ergebnis kann der spezifische elektrische Widerstand des resistiven Elements in Bezug auf die Füllung 91 in Richtung zu der Wärmesenke (nicht gezeigt, auf der rechten Seite in 7) abnehmen. Die Verjüngung der Schenkel 54, 55, die in der Ausführungsform von 7 gezeigt ist, sowie die spezielle Widerstandsverteilung können zu einem verbesserten Temperaturtransfer und einer verbesserten Temperaturverteilung in der Einheit 105 führen.
Es können weitere Geometrien und Variationen des Querschnitts entlang der Länge der Schenkel ins Auge gefasst werden. In Ausführungsformen können die Schenkel in einem Bereich zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke teilweise aneinander angebracht sein, um einen Umleitungsstrom durch einen derartigen pn-Übergang zu realisieren.
8 zeigt eine schematische Darstellung eines thermoelektrischen Moduls, das eine Mehrzahl von thermoelektrischen Einheiten aufweist, wie zuvor dargestellt.
8 zeigt einen Querschnitt eines thermoelektrischen Moduls 60. Das thermoelektrische Modul 60 ist zwischen einer Wärmequelle 2 und einer Wärmesenke 3 untergebracht. Die Wärmesenke 3 weist zum Beispiel einen Kühlkörper auf. Eine Mehrzahl von Schenkelpaaren, die in dem gestrichelten Kasten 1 gezeigt ist, ist zwischen zwei Substraten 18 und 17 untergebracht. Die Substrate 18, 17 können eine bestimmte mechanische Steifheit gewährleisten. In 8 ist lediglich ein Schenkelpaar 4, 5 mit einer metallischen Kopplung 6 explizit durch Bezugszeichen gezeigt. Ein jeweiliger Schenkel kann zum Beispiel die Form einer Säule aufweisen. 8 zeigt eine Mehrzahl von alternierend in Serie gekoppelten Schenkeln zwischen der Seite, die der Wärmequelle zugewandt ist, und der Seite, die der Wärmesenke zugewandt ist. Es gibt alternierend in Serie gekoppelte Materialien vom n-Typ und vom p-Typ. Die Schenkel sind sämtlich elektrisch in Serie, jedoch thermisch parallel in Bezug auf die Grenzfläche zu der Wärmesenke und der Wärmequelle gekoppelt. Elektrische Kontakte 7 und 8 sind bereitgestellt, um einen Strom in das thermoelektrische Modul 60 einzubringen. Das Modul kann irgendeine Mehrzahl der zuvor erwähnten Ausführungsformen von thermoelektrischen Einheiten aufweisen.
9 zeigt eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines thermoelektrischen Moduls 61. Ähnlich wie bei der Zeichnung von 8 eine Mehrzahl von thermoelektrischen Schenkelpaaren 10, wobei wenigstens eine Auswahl der Paare 10 eine Überbrückung oder ein resistives Element 9 aufweist, die/das ermöglicht, dass Umleitungsströme fließen. Schenkel sind so angeordnet, dass sie in der Art und Weise eines Feldes aus einem Substrat 18 herausragen. Schenkel 4 vom n-Typ sind mit einer unterbrochenen Oberfläche dargestellt, und die Schenkel 5 vom p-Typ weisen eine weiße Oberfläche auf. Die obere Substratplatte 17 ist mit einer gestrichelten Umrisslinie dargestellt. Elektrische Kontakte 7 und 8 sind bereitgestellt, um einen Strom in das thermoelektrische Modul 61 einzubringen, und obere 6 und untere 6' Kontakte aus einer Metallschicht realisieren eine serielle Verbindung der Schenkel.
Die offenbarten thermoelektrischen Einheiten und Module ermöglichen einen effizienten Wärmetransfer von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke. Im Besonderen können Objekte, die eine Kühlung benötigen, wie beispielsweise elektrische Chips, CCD-Chips oder dergleichen, an einem derartigen thermoelektrischen Modul angebracht werden. Ausführungsformen von thermoelektrischen Einheiten und Modulen gemäß der Erfindung erfordern höchstens zwei Substrate, welche die thermoelektrischen Schenkel dazwischen aufweisen. Dies stellt einen Vorteil gegenüber herkömmlichen mehrstufigen thermoelektrischen Modulen bereit, die mehrere Substrate erfordern, um die gleiche oder sogar eine geringere Leistungsfähigkeit zu erreichen.
Die Beschreibungen der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden zu Zwecken der Darstellung präsentiert, sollen jedoch nicht erschöpfend oder auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt sein. Für den Fachmann sind viele Modifikationen und Variationen ersichtlich, ohne von dem Umfang und Inhalt der beschriebenen Ausführungsformen abzuweichen. Die hierin verwendete Terminologie wurde gewählt, um die Grundgedanken der Ausführungsformen, die praktische Anwendung oder die technische Verbesserung gegenüber Technologien, die auf dem Markt zu finden sind, am besten zu erläutern oder um andere zu befähigen.
Bezugszeichenliste

1: thermoelektrische Einheit
2: Wärmequelle
3: Wärmesenke
4: Schenkel vom n-Typ
5: Schenkel vom p-Typ
6: Metallschicht
7, 8: Kontakt
9: resistives Element
10: Schenkelpaar
11: Übergang
12, 13, 14: resistives Element
15, 16: Metallschicht
17, 18: Substrat
41, 42, 43: Schenkelabschnitt vom n-Typ
51, 52, 53: Schenkelabschnitt vom p-Typ
44: Schenkel vom n-Typ
54: Schenkel vom p-Typ
60, 61: thermoelektrisches Modul
90, 91: resistives Element
100 - 105: thermoelektrische Einheit
HF: Wärmefluss
j: elektrischer Strom
T: Temperatur
R: Widerstand
A_i, B_i: Querschnitt
d_i: Abstand
l: Länge

Claims

Thermoelektrische Einheit (1) zum Transferieren von Wärme von einer Wärmequelle (2) zu einer Wärmesenke (3), die aufweist: wenigstens ein thermoelektrisches Schenkelpaar (10) mit einem ersten Schenkel (4), der ein Halbleitermaterial vom n-Typ beinhaltet, und einem zweiten Schenkel (5), der ein Halbleitermaterial vom p-Typ beinhaltet, wobei der erste Schenkel (4) und der zweite Schenkel (5) elektrisch in Serie gekoppelt sind; ein resistives Element (9), das den ersten Schenkel (4) und den zweiten Schenkel (5) zwischen der Wärmequelle (2) und der Wärmesenke (3) elektrisch koppelt, wobei die thermoelektrische Einheit (1) eine Mehrzahl von resistiven Elementen (9, 12, 13, 14) aufweist, die den ersten Schenkel (4) und den zweiten Schenkel (5) zwischen der Wärmequelle (2) und der Wärmesenke (3) elektrisch koppeln, wobei jedes resistive Element (9, 12, 13, 14) eine vorgegebene Konduktanz derart aufweist, dass die Konduktanz der resistiven Elemente (9, 12, 13, 14) in Richtung zu der Seite der Wärmequelle (2) zunimmt.
Thermoelektrische Einheit nach Anspruch 1, wobei der erste Schenkel (4) und der zweite Schenkel (5) zwischen der Wärmequelle (2) und der Wärmesenke (3) thermisch parallel gekoppelt sind.
Thermoelektrische Einheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei das wenigstens eine resistive Element (9) so ausgelegt ist, dass es wenigstens teilweise einen elektrischen Strom durch einen Übergang (11) zwischen dem ersten Schenkel (4) und dem zweiten Schenkel (5) umleitet.
Thermoelektrische Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das wenigstens eine resistive Element (9) zwischen dem ersten Schenkel (4) und dem zweiten Schenkel (5) derart angeordnet ist, dass eine Joulesche Erwärmung der Schenkel (4, 5) in Richtung zu der Seite der Wärmesenke (3) konzentriert wird.
Thermoelektrische Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Querschnitt des ersten und/oder des zweiten Schenkels (4, 5) entlang einer Richtung von der Wärmequelle (2) zu der Wärmesenke (3) variiert.
Thermoelektrische Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das wenigstens eine resistive Element (90) ein Material mit einer temperaturabhängigen Konduktanz aufweist.
Thermoelektrische Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das wenigstens eine resistive Element (90) ein Material aufweist, das zwischen dem ersten Schenkel (4) und dem zweiten Schenkel (5) angeordnet ist und sich wenigstens teilweise entlang des ersten Schenkels (4) und des zweiten Schenkels (5) zwischen einem Übergang (11) zwischen dem ersten Schenkel (4) und dem zweiten Schenkel (5) und einem Kontakt (7, 8) für ein Einbringen eines elektrischen Stroms (j) in den ersten Schenkel (4) und/oder den zweiten Schenkel (5) erstreckt.
Thermoelektrische Einheit nach Anspruch 1, wobei sich die resistiven Elemente (9, 12, 13, 14) zwischen dem ersten Schenkel (4) und dem zweiten Schenkel (5) erstrecken und wobei die resistiven Elemente (9, 12, 13, 14) in Bezug zueinander entlang einer longitudinalen Ausdehnung des ersten Schenkels (4) und des zweiten Schenkels (5) mit vorgegebenen Abständen (d₉, d₁₂, d₁₃) beabstandet sind.
Thermoelektrische Einheit nach Anspruch 1, wobei sich die resistiven Elemente (9, 12, 13, 14) zwischen dem ersten Schenkel (4) und dem zweiten Schenkel (5) erstrecken und wobei die resistiven Elemente (9, 12, 13, 14) unterschiedliche Querschnitte aufweisen.
Thermoelektrische Einheit nach Anspruch 1, die eine Mehrzahl von thermoelektrischen Schenkelpaaren (10) aufweist, die im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.
Thermoelektrische Einheit nach Anspruch 1, wobei wenigstens eine Gruppe der thermoelektrischen Schenkelpaare (10) elektrisch in Serie derart gekoppelt ist, dass ein elektrischer Strom durch eine Aufeinanderfolge von alternierend angeordneten Schenkeln vom n-Typ und vom p-Typ fließen kann.
Thermoelektrische Einheit nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl von thermoelektrischen Schenkelpaaren (10) ein Feld von Schenkeln bildet, das auf einem Substrat (17, 18) angeordnet ist.
Thermoelektrisches Modul (60), das wenigstens eine thermoelektrische Einheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 aufweist, wobei das wenigstens eine Schenkelpaar (10) zwischen die Wärmequelle (2) und die Wärmesenke (3) gebondet ist.