DE102014206883A1

DE102014206883A1 - Thermoelektrisches Modul und Verfahren zum Herstellen desselben

Info

Publication number: DE102014206883A1
Application number: DE102014206883.5A
Authority: DE
Inventors: Tomotake Tohei; Shinichi Fujiwara; Zenzo Ishijima; Takahiro Jinushi
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd
Current assignee: Showa Denko Materials Co ltd
Priority date: 2013-04-10
Filing date: 2014-04-09
Publication date: 2014-10-16
Also published as: JP6171513B2; US20140305482A1; US9601679B2; JP2014204093A

Abstract

Bei einer Konfiguration zum Verbinden von thermoelektrischen Elementen mit einer Elektrode in einem thermoelektrischen Modul wird eine Reduzierung der Übergangszuverlässigkeit zwischen den thermoelektrischen Elementen und der Elektrode in einem Hochtemperaturumfeld und in einem Umfeld unterdrückt, in dem Vibrationen und Stöße als Beanspruchung ausgeübt werden, um die Außenumfangstemperatur wirksam an die thermoelektrischen Elemente zu übertragen. Bei einem thermoelektrischen Modul, bei dem eine Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen 11 vom p-Typ und eine Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen 12 vom n-Typ abwechselnd durch Ausrichten von deren Oberflächen auf der Hochtemperaturseite und deren Oberflächen auf der Niedertemperaturseite angeordnet sind, um die thermoelektrischen Elemente 11, 12 elektrisch miteinander in Reihe zu schalten, werden thermoelektrische Elemente 11 vom p-Typ und thermoelektrische Elemente 12 vom n-Typ über eine Zwischenschicht 31 mit einer deformierbaren Spannungsrelaxationselektrode 21 verbunden, um dadurch Spannung zu absorbieren, die während des Modulzusammenbauvorgangs und des Modulbetriebs durch die Elektrode auftritt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Modul, bei dem die Übergangszuverlässigkeit zwischen einem thermoelektrischen Element und einer Elektrode verbessert ist, und ein Verfahren zum Herstellen des thermoelektrischen Moduls.
Thermoelektrische Module, bei denen Wärmeenergie in elektrische Energie unter Ausnutzung des Seebeck-Effekts umgewandelt wird, besitzen Vorteile, zum Beispiel umfassen sie keinen Steuerabschnitt, weisen sie einen einfachen Aufbau auf und handelt es sich bei ihnen um wartungsfreie Einrichtungen. Bisher werden diese Module aufgrund eines geringen Energieumwandlungswirkungsgrads in bestimmten Vorrichtungen für begrenzte Einsatzgebiete verwendet, zum Beispiel bei Energiequellen zur Verwendung im Raum. Allerdings haben zur Verwirklichung einer umweltfreundlichen Gesellschaft die thermoelektrischen Module die Aufmerksamkeit in Zusammenhang mit einem Verfahren zum Wiedergewinnen von Wärmeenergie aus Abwärme auf sich gezogen. Es ist eine Diskussion im Gange, die thermoelektrischen Module für Verbrennungsanlagen, Industrieöfen, Vorrichtungen in Zusammenhang mit Automobilen und dergleichen einzusetzen. Vor diesem Hintergrund besteht der Wunsch, die Langlebigkeit und den Umwandlungswirkungsgrad zu erhöhen und die Kosten für die thermoelektrischen Module zu senken.
Allerdings umfassen die heute verwendeten thermoelektrischen Module hauptsächlich thermoelektrische Elemente auf Wismut-Tellur-Basis, wie in JP-A-9-293906 beschrieben, und sind bei einer niedrigen Temperatur von 300°C oder weniger zu verwenden. Wenn daher die thermoelektrischen Module für die Industrieöfen und die Automobile eingesetzt werden, wie zuvor beschrieben, ist es erforderlich, thermoelektrische Elemente zu verwenden, die bei einer höheren Temperatur als thermoelektrische Elemente auf Wismut-Tellur-Basis betrieben werden können, zum Beispiel thermoelektrische Elemente auf Silizium-Germanium-Basis, Magnesium-Silicid-Basis und Mangan-Silicid-Basis.
Beim Betrieb eines thermoelektrischen Elements ist es möglich, durch Erzeugung eines Temperaturunterschieds in den thermoelektrischen Elementen Wärme in Elektrizität umzuwandeln. Daher tritt in einem Übergang zwischen einem thermoelektrischen Element und einer Elektrode aufgrund des Wärmeausdehnungsunterschieds zwischen dem thermoelektrischen Element und der Elektrode im Moduleinsatzumfeld eine Spannung auf, was zu der Sorge führt, dass der Übergang und das thermoelektrische Element brechen könnten. Die Spannung steigt mit höher werdender Temperatur im Einsatzumfeld, oder mit zunehmendem Längenausdehnungskoeffizientenunterschied zwischen dem thermoelektrischen Element und dem Material des Übergangs und dem zwischen dem thermoelektrischen Element und der Elektrode. Genauer gesagt ist dies ein ganz wichtiges Phänomen für ein thermoelektrisches Modul, das in einem Umfeld bei einer Temperatur von 300°C oder mehr verwendet werden kann. Weiter können abhängig von der Zuordnungsstelle des thermoelektrischen Moduls Vibrationen und Stöße auf das Modul erfolgen. Wenn Vibrationen und Stöße zusätzlich zur thermischen Spannung erfolgen, die im Modul auftritt, besteht die Sorge, dass ein Bruch im Übergang und im thermoelektrischen Element leicht auftritt.
JP-A-2000-188429 beschreibt ein thermoelektrisches Umwandlungsmodul vom Reihentyp, bei dem thermoelektrische Elemente vom p-Typ und n-Typ mit einer Mo-Elektrode unter Verwendung von Kohlenstoff und Ni-Löten gekoppelt werden und die jeweiligen thermoelektrischen Elemente über Oxidglas miteinander verbunden werden, um so die Wärmespannung abzumildern, die aufgrund des Temperaturunterschieds auftritt.
JP-A-2001-189497 beschreibt ein thermoelektrisches Umwandlungselement, bei dem ein weitgehend L-förmiges Halbleitermaterial vom n-Typ und ein weitgehend L-förmiges Halbleitermaterial vom p-Typ miteinander in Übereinstimmung mit deren erforderlichen Anzahl unter Ausbildung von pn-Übergängen zu einem Block kombiniert werden und dann kalt- oder warmformgepresst werden oder auf der Grundlage der Pulvermetallurgie durch Verwendung von unterschiedlichen metallischen Werkstoffen auf der Hochtemperatur- und Niedertemperaturseite einer Warm- oder Kaltbearbeitung unterzogen werden, wobei das thermoelektrische Umwandlungselement eine Mehrzahl von pn-Übergängen in der Kopplungsrichtung aufweist.
JP-A-2007-109942 beschreibt ein thermoelektrisches Modul, bei dem thermoelektrische Elemente oder Thermoelemente vom p-Typ und n-Typ, die zueinander unterschiedliche Längenausdehnungskoeffizienten aufweisen, abwechselnd auf einem isolierenden Keramiksubstrat angeordnet sind, und jeweilige Thermoelemente und die Elektrode miteinander durch Spannungsrelaxationsschichten mit zueinander unterschiedlichen Längenausdehnungskoeffizienten verbunden sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Wenn der Längenausdehnungskoeffizient zwischen den thermoelektrischen Elementen vom p-Typ und n-Typ im thermoelektrischen Modul variiert, konzentriert sich die Spannung aufgrund einer thermischen Belastung im Verbindungsvorgang und der Temperaturänderung während des Betriebs auf die Übergänge zwischen den thermoelektrischen Elementen und den Elektroden. Dies führt zu einem Problem insofern, als in einigen Elementen und Übergängen Risse auftreten und die Zuverlässigkeit des Übergangs reduziert wird. Darüber hinaus taucht abhängig vom Zuordnungsumfeld des thermoelektrischen Moduls die Sorge auf, dass aufgrund von Vibrationen und Stößen im Umfeld die Übergangszuverlässigkeit weiter verschlechtert wird.
Um ein thermoelektrisches Element mit einer Elektrode zu verbinden, wird in vielen Fällen das Löten mittels Hartlot oder das Löten mittels Weichlot, wie beispielsweise das Weichlöten, als Verbindungsmaterial verwendet. Für das Löten mittels Hartlot ist es aufgrund der hohen Verbindungstemperatur im Bereich von 600°C bis 800°C erforderlich, den Aufbau so anzuordnen, dass die Spannung reduziert wird, die während des Kühlschritts des Verbindungsvorgangs im Übergang auftritt. Demgegenüber kann für das Löten mittels Weichlot, da die Verbindungstemperatur 300°C oder weniger beträgt, die Spannung während des Verbindungsvorgangs gesenkt werden; da allerdings der Schmelzpunkt auch 300°C oder weniger beträgt, ist die Verwendung des Lötens mittels Weichlot auf die thermoelektrischen Module beschränkt, die bei einer niedrigen Temperatur betrieben werden.
Weiterhin ist es bei einer Konfiguration, bei der unterschiedliche Spannungsrelaxationsschichten auf den Elektrodenübergangsoberflächen der jeweiligen Elemente gebildet werden, um dadurch die Elemente mit den Elektroden zu verbinden, erforderlich, vorher die Spannungsrelaxationsschichten auf den Elementen auszubilden. Aufgrund des Vorgangs zum Ausbilden der Spannungsrelaxationsschichten wird die Ungleichmäßigkeit zwischen den Elementen größer, was zu einem Problem insofern führt, als der Verbindungswirkungsgrad während des Modulzusammenbauvorgangs verringert wird.
Daher besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein thermoelektrisches Modul vorzusehen, das den Verbindungswirkungsgrad während des Modulzusammenbauvorgangs erhöht, um die Leistung der thermoelektrischen Elemente im größtmöglichen Umfang zu realisieren, und das in der Lage ist, eine hohe Zuverlässigkeit in einem Umfeld, in dem eine thermische Spannung im Modul stattfindet, und in einem Umfeld sicherzustellen, in dem Vibrationen und Stöße in Form einer Beanspruchung auf das Modul ausgeübt werden.
Um die obige Aufgabe zu erzielen, weist die vorliegende Erfindung beispielsweise den Aspekt einer Konfiguration auf, wie nachfolgend angegeben. Das thermoelektrische Modul gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein thermoelektrisches Modul, das eine Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen vom p-Typ und eine Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen vom n-Typ umfasst, wobei alle oder ein Teil der thermoelektrischen Elemente vom p-Typ und alle oder ein Teil der thermoelektrischen Elemente vom n-Typ miteinander elektrisch in Reihe geschaltet sind, umfassend eine Spannungsrelaxationselektrode, die in Form eines Gewebes oder eines Faserstoffs unter Verwendung einer Metallfaser aus einem Element, das aus der Gruppe bestehend aus Kupfer, Nickel, Aluminium, Titan, Molybdän, Wolfram und Eisen ausgewählt ist, oder einer Metallfaser aus einer Legierung hergestellt ist, die hauptsächlich ein Element enthält, das aus der Gruppe der Metalle ausgewählt ist, wobei die thermoelektrischen Elemente vom p-Typ und die thermoelektrischen Elemente vom n-Typ über die Spannungsrelaxationselektrode miteinander verbunden werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein thermoelektrisches Modul vorzusehen, das den Verbindungswirkungsgrad während des Modulzusammenbauvorgangs erhöht, um die Leistung der thermoelektrischen Elemente im größtmöglichen Umfang zu realisieren, und das in der Lage ist, eine hohe Zuverlässigkeit in einem Umfeld, in dem eine thermische Spannung im Modul stattfindet, und in einem Umfeld sicherzustellen, in dem Vibrationen und Stöße in Form einer Beanspruchung auf das Modul ausgeübt werden.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A ist eine Seitenansicht, die die Umgebung von Elementen eines thermoelektrischen Moduls vom Spannungsrelaxationstyp in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
1B ist eine Seitenansicht, die einen Zustand zeigt, in dem das thermoelektrische Modul der ersten Ausführungsform deformiert ist;
2A ist eine Seitenansicht zur Erläuterung eines Verfahrens zum Herstellen des thermoelektrischen Spannungsrelaxationsmoduls der ersten Ausführungsform;
2B ist eine Seitenansicht, die einen Verbindungsschritt des Herstellungsverfahrens im Anschluss an den in 2A dargestellten Schritt zeigt;
2C ist eine Seitenansicht, die einen Schritt zum Vollenden des Aufbaus eines thermoelektrischen Elements zeigt;
3A ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Querschnitts-Fotoaufnahme von Übergängen zwischen Elementen und Elektroden des thermoelektrischen Spannungsrelaxationsmoduls der ersten Ausführungsform zeigt;
3B ist ein Diagramm, das eine vergrößerte Fotoaufnahme des in 3A durch Liniensegmente umschlossenen Bereichs zeigt;
4A ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für einen Aufbau des thermoelektrischen Spannungsrelaxationsmoduls der ersten Ausführungsform zeigt;
4B ist eine Seitenansicht, die einen Verbindungsschritt des Herstellungsverfahrens im Anschluss an den in 4A veranschaulichten Schritt zeigt;
4C ist eine Seitenansicht, die einen Schritt zum Vollenden eines thermoelektrischen Elementzusammenbaus zeigt; und
5 ist eine perspektivische Ansicht zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens eines thermoelektrischen Spannungsrelaxationselementzusammenbaus in einer Situation, in der ein Metallfilm auf einer Oberfläche der thermoelektrischen Elemente in der ersten Ausführungsform ausgebildet ist.
Beim Aufbau gemäß der vorliegenden Erfindung sind die thermoelektrischen Elemente vom p-Typ und n-Typ mit deformierbaren Spannungsrelaxationselektroden unter Anwendung eines Verbindungsmaterials verbunden.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Als Nächstes wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen werden denselben einzelnen Komponenten dieselben Bezugszeichen zugeordnet.
[Erste Ausführungsform]
1A zeigt in einer Seitenansicht die Umgebung von Elementen eines thermoelektrischen Moduls vom Spannungsrelaxationstyp in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Konfiguration umfasst einen thermoelektrischen Modulelementzusammenbau 1, ein thermoelektrisches Element 11 vom p-Typ, ein thermoelektrisches Element 12 vom n-Typ, eine Spannungsrelaxationselektrode 21 und eine Zwischenschicht 31, die im Anschluss an den Verbindungsvorgang ausgebildet wird. Die thermoelektrischen Elemente 11 und 12 vom p-Typ bzw. n-Typ sind vorteilhafterweise thermoelektrische Elemente, die eine der Elementkombinationen enthalten, die aus einer Gruppe bestehend aus Elementen auf Silizium-Germanium-Basis, Elementen auf Eisen-Silizium-Basis, Elementen auf Wismut-Tellur-Basis, Elementen auf Magnesium-Silizium-Basis, Elementen auf Mangan-Silizium-Basis, Elementen auf Blei-Tellur-Basis, Elementen auf Kobalt-Antimon-Basis, Elementen auf Wismut-Antimon-Basis, Elementen auf Heusler-Legierungsbasis, Elementen auf Basis von halben Heusler-Legierungen und dergleichen ausgewählt sind. Auf Oberflächen (Übergangsoberflächen) der thermoelektrischen Elemente 11 und 12 vom p-Typ bzw. n-Typ kann ein Metallfilm ausgebildet werden, der Nickel, Aluminium, Titan, Molybdän, Wolfram, Palladium, Chrom, Gold, Silber und Zinn enthält. Die Spannungsrelaxationselektrode 21 enthält wünschenswerterweise ein Gewebe oder einen Faserstoff, die unter Verwendung einer Metallfaser aus einem Element, das aus einer Gruppe bestehend aus Kupfer, Nickel, Aluminium, Titan, Molybdän, Wolfram und Eisen ausgewählt ist, oder einer Metallfaser aus einer Legierung hergestellt werden, die hauptsächlich ein Element enthält, das aus der zuvor beschriebenen Gruppe ausgewählt ist. Weiter kann auf jeweiligen Oberflächen des Metallgewebes der Spannungsrelaxationselektroden 21 ein Metallfilm ausgebildet sein, der unter Verwendung von Nickel, Palladium, Gold, Silber, Chrom, Titan, Molybdän, Wolfram oder dergleichen ausgebildet wird. Die Zwischenschicht 31 umfasst vorteilhafterweise ein Metall, das aus einer Gruppe bestehend aus Silizium, Germanium, Eisen, Wismut, Magnesium, Mangan, Blei, Tellur, Kobalt, Antimon, Nickel, Aluminium, Titan, Molybdän, Wolfram, Palladium, Chrom, Gold, Silber und Zinn ausgewählt ist, oder eine Legierung oder eine intermetallische Verbindung, die hauptsächlich ein Element enthält, das aus der Gruppe der Metalle ausgewählt ist.
In der Beschreibung der nachstehenden Ausführungsform ist das thermoelektrische Element 11 vom p-Typ ein thermoelektrisches Element, das durch Sintern im Impulsentladeverfahren, Heißpressverfahren oder dergleichen von Silizium-Germanium-Pulver, das Verunreinigungen, zum Beispiel Bor, Aluminium oder Gallium mit 1% oder weniger enthält, um das Merkmal des Halbleiters vom p-Typ zu verleihen, und von Silizium-Magnesium-Pulver hergestellt wird, das Verunreinigungen, zum Bespiel Aluminium, mit 10% oder weniger enthält, um das Merkmal des Halbleiters vom n-Typ zu verleihen. Das bedeutet, dass in der vorliegenden Ausführungsform das thermoelektrische Element 11 vom p-Typ ein Silizium-Germanium-Element ist und das thermoelektrische Element 12 vom n-Typ ein Magnesium-Silizium-Element ist. Weiter umfasst die Spannungsrelaxationselektrode 21 ein metallisches Gewebe, das durch Einflechten eines feinen Kupferdrahts mit einem Durchmesser von 70 μm (Ausdehnungskoeffizient 16,5 ppm/°C) hergestellt wird. Allerdings ist der Durchmesser des metallischen Drahts nicht besonders beschränkt und liegt nur, wenn der Draht eingeflochten werden kann, im Bereich von 1 μm bis 500 μm. Das Einflechten kann Einzel-, Doppel- oder Dreifacheiflechten sein und ist nicht besonders beschränkt.
Wie in 1A gezeigt ist, werden die thermoelektrischen Elemente 11 und 12 vom p-Typ bzw. n-Typ und die Spannungsrelaxationselektroden 21 über die Zwischenschicht 31 an deren oberen Ende und deren unteren Ende verbunden. Bei dem thermoelektrischen Modul handelt es sich um ein Modul, bei dem, wenn zwischen beiden Enden der thermoelektrischen Elemente ein Temperaturunterschied auftritt, eine elektromotorische Kraft gemäß dem Temperaturunterschied auftritt. Als Nächstes wird zusammen mit 1A eine Situation beschrieben, in der die Oberseite auf eine hohe Temperatur eingestellt wird und die Unterseite auf eine niedrige Temperatur eingestellt wird.
Aufgrund des Temperaturunterschieds zwischen der Ober- und Unterseite fließt ein elektrischer Strom im thermoelektrischen Modulelementzusammenbau 1. In den thermoelektrischen Elementen vom p-Typ fließt der Strom von der Hochtemperaturseite zur Niedertemperaturseite (in 1A nach oben). In den thermoelektrischen Elementen vom n-Typ fließt der Strom von der Niedertemperaturseite zur Hochtemperaturseite (in 1A nach unten). Wenn diese Elemente miteinander in Reihe geschaltet werden, entsteht ein elektrischer Strom. Die thermoelektrischen Elemente, die so in Reihe geschaltet sind, werden miteinander auf einer Ebene, in einer Reihe oder dergleichen verbunden, um dadurch den thermoelektrischen Elementzusammenbau 1 zu konfigurieren.
In dieser Situation hat das Silizium-Germanium-Element als thermoelektrisches Element 11 vom p-Typ einen Längenausdehnungskoeffizienten von 3,5 ppm/°C und das Silizium-Magnesium-Element als thermoelektrisches Element 12 vom n-Typ hat einen Längenausdehnungskoeffizienten von 15,5 ppm/°C. Daher kann davon ausgegangen werden, dass, wenn die thermoelektrischen Elemente 11 und 12 vom p-Typ bzw. n-Typ im Verbindungsvorgang erwärmt oder gekühlt werden und wenn die Temperatur des eigentlichen Betriebsumfelds geändert wird, die Ausdehnung oder Zusammenziehung zwischen den thermoelektrischen Elementen 11 und 12 vom p-Typ bzw. n-Typ variiert. Bei dem Aufbau, bei dem die jeweiligen thermoelektrischen Elemente mit den Elektroden verbunden werden, treten Spannungen und Dehnungen in der Umgebung der Übergänge aufgrund des Unterschieds des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) zwischen dem Elektrodenmaterial und den thermoelektrischen Elementen auf. Es besteht daher die Sorge, dass die Übergänge brechen und sich lösen und dass Risse in den thermoelektrischen Elementen 11 und 12 vom p-Typ bzw. n-Typ auftreten. Allerdings umfasst der Aufbau der vorliegenden Ausführungsform die deformierbaren Spannungsrelaxationselektroden 21, die durch Einflechten eines feinen Kupferdrahts gebildet werden. Daher wird im Kühlvorgang im Anschluss an den Verbindungsvorgang und in einer Situation, in der sich die Temperatur im eigentlichen Betriebsumfeld ändert, der feine Kupferdraht der Spannungsrelaxationselektroden 21 frei deformiert, und die Spannung und Dehnung, die durch den CTE-Unterschied hervorgerufen werden, können von den Spannungsrelaxationselektroden 21 absorbiert werden, um so eine zufriedenstellende Übergangszuverlässigkeit zu erhalten. Da die Spannungsrelaxationselektroden 21 die Charakteristik von Kissen haben, weil eine große Zahl von Stücken feinen Kupferdrahts verwoben sind, können weiterhin in einem Umfeld, in dem Vibrationen und Stöße auf den thermoelektrischen Modulelementzusammenbau 1 ausgeübt werden, die Vibrationen und Stöße, die auf den thermoelektrischen Modulelementzusammenbau 1 ausgeübt werden, absorbiert werden. Wenn weiter die Spannungsrelaxationselektrode 21 von oben oder von unten gedrückt wird, wird der Abstand zwischen den Stücken feinen, darin verwobenen Kupferdrahts verringert. Daher kann die Ungleichmäßigkeit oder der Höhenunterschied der Elemente, die beim Zusammenbauvorgang von thermoelektrischen Elementen ein Problem darstellt, durch die Spannungsrelaxationselektroden 21 angepasst werden. Weiterhin ist, wie 1B zeigt, die Spannungsrelaxationselektrode 21 frei deformierbar. Daher ist es durch Deformieren des thermoelektrischen Elementzusammenbaus 1 möglich, alle komplexen Konturen, wie beispielsweise einer zylindrischen Kontur, zu folgen. Dadurch wird es möglich, den Temperaturunterschied zwischen der Ober- und Unterseite des thermoelektrischen Modulelementzusammenbaus 1 sicherzustellen, um wirksam elektrische Energie zu erzeugen.
2A bis 2C sind Seitenansichten, um einen Prozessstrom in einem Verfahren zum Herstellen des thermoelektrischen Spannungsrelaxationselementaufbaus der ersten Ausführungsform zu erläutern. Diese Seitenansichten umfassen zusätzlich zu den einzelnen Komponenten, die in 1 gezeigt sind, ein Verbindungsmaterial 30, eine Stützvorrichtung 41 und eine Druckvorrichtung 42. Die thermoelektrischen Elemente 11 und 12 vom p-Typ bzw. n-Typ, die Spannungsrelaxationselektroden 21 und die Zwischenschicht 31 sind in der Konfiguration dieselben wie für 1. Das Verbindungsmaterial 30 enthält vorteilhafterweise ein Metall, das aus einer Gruppe bestehend aus Silizium, Germanium, Eisen, Wismut, Magnesium, Mangan, Blei, Tellur, Kobalt, Antimon, Nickel, Aluminium, Titan, Molybdän, Wolfram, Palladium, Chrom, Gold, Silber und Zinn ausgewählt ist, oder eine Legierung, die hauptsächlich ein Element enthält, das aus der Gruppe der Metalle ausgewählt ist. In der Beschreibung des Zusammenbauvorgangs ist das Verbindungsmaterial 30 eine Aluminiumfolie oder eine Aluminiumlegierungsfolie, oder eine Folie, die ein Umhüllungsmaterial umfasst, das hauptsächlich Aluminium enthält.
Die Stützvorrichtung 41 und die Druckvorrichtung 42 enthalten Keramik, Kohlenstoff, Metall oder dergleichen, welches im Verbindungsvorgang nicht geschmolzen wird, d. h. ein Material, das auf die Spannungsrelaxationselektroden 21 nicht reagiert. Oder es ist wünschenswert, die Reaktion zu unterdrücken, indem auf den Oberflächen eine Schicht gebildet wird, die auf die Spannungsrelaxationselektroden 21 nicht reagiert. Es wird ein Ablauf eines Zusammenbauvorgangs des thermoelektrischen Elementaufbaus 1 beschrieben, der in 2 gezeigt ist, indem auf das Zusammenbauverfahren des thermoelektrischen Moduls in Verbindung mit 2A bis 2C Bezug genommen wird.
Zuerst wird, wie 2A zeigt, die Spannungsrelaxationselektrode 21 auf der Stützvorrichtung 41 angeordnet. Danach werden das Verbindungsmaterial 30, das thermoelektrische Element 11 vom p-Typ und das thermoelektrische Element 12 vom n-Typ nacheinander so positioniert, dass sie auf der Spannungsrelaxationselektrode 21 angeordnet werden. Das Verbindungsmaterial 30 wird wieder auf den jeweiligen thermoelektrischen Elementen platziert, und schließlich wird die Spannungsrelaxationselektrode 21 darauf angeordnet. In dieser Beschreibung ist das Spannungsmaterial 30 eine Metallfolie und hat wünschenswerterweise eine Dicke im Bereich von 1 μm bis 500 μm. Bei dem Vorgang können diese einzelnen Komponenten auf einmal unter Verwendung einer Vorrichtung (nicht gezeigt) angeordnet werden, oder sie können einzeln angeordnet werden. Das Verfahren zum Anordnen der Komponenten ist nicht besonders beschränkt.
Als Nächstes wird, wie 2B zeigt, der Zusammenbau der einzelnen Komponenten mittels einer Druckvorrichtung 42 von oben mit Druck beaufschlagt und wird gleichzeitig erwärmt, um die Spannungsrelaxationselektrode 21, das thermoelektrische Element 11 vom p-Typ und das thermoelektrische Element 12 vom n-Typ miteinander über das Verbindungsmaterial 30 zu verbinden. Beim Verbindungsvorgang ist es wünschenswert, dass die Beanspruchung, die auf die thermoelektrischen Elemente ausgeübt wird, 0,12 kPa oder mehr beträgt. Während des Verbindungsvorgangs findet eine Diffusionsreaktion zwischen dem Verbindungsmaterial 30 und der Spannungsrelaxationselektrode 21 oder den jeweiligen thermoelektrischen Elementen statt, wodurch das Verbindungsmaterial 30 zur Zwischenschicht 31 wird. Danach werden, wie 2C zeigt, die Stützvorrichtung 41 und die Druckvorrichtung 42 entfernt, um dadurch den thermoelektrischen Elementzusammenbau 1 zu erhalten.
Es wird nun mit Bezug auf 2A bis 2C ein Vorgang beschrieben, um das Verbindungsmaterial 30 auf der Oberseite und das Verbindungsmaterial 30 auf der Unterseite auf einmal zu verbinden. Es ist allerdings auch möglich, dass, nachdem das eine Verbindungsmaterial 30 verbunden wurde, das andere Verbindungsmaterial 30 verbunden wird. Zum Beispiel ist es möglich, dass im in 2A gezeigten Schritt nur das Verbindungsmaterial 30 auf der Seite der Stützvorrichtung 41 und das thermoelektrische Element angeordnet werden. Danach wird die Unterseiten-Stützvorrichtung 50 erwärmt, um über das Verbindungsmaterial 30 das thermoelektrische Element mit der Spannungsrelaxationselektrode 21 auf der Seite der Stützvorrichtung 41 zu verbinden. Anschließend wird die Oberseite des thermoelektrischen Elements mit der Spannungsrelaxationselektrode 21 über das Verbindungsmaterial 30 verbunden, um so den thermoelektrischen Modulelementaufbau 1 zu bilden.
Der Druck wird auf 0,12 kPa oder mehr eingestellt, um ein Ereignis zu verhindern, bei dem die thermoelektrischen Elemente 11 und 12 vom p-Typ bzw. n-Typ sich während des Verbindungsvorgangs neigen, und um die Höhnunterschiede der thermoelektrischen Elemente 11 und 12 vom p-Typ bzw. n-Typ zu absorbieren, indem die Spannungsrelaxationselektrode 21 deformiert wird. Der oberste Wert des Drucks ist nicht besonders beschränkt. Um allerdings ein Brechen der Elemente zu verhindern, beträgt der oberste Wert weniger als der Wert, der der Stärke der Elemente gegen ein Brechen durch Druck entspricht. Genauer gesagt kann der Wert bei etwa 1000 MPa oder weniger liegen. In der vorliegenden Ausführungsform lässt sich eine ausreichende Wirkung erhalten, wenn der Wert auf etwa mehrere MPa eingestellt wird. Es ist nur notwendig, dass die Verbindungsatmosphäre eine nicht-oxidierende Atmosphäre ist. Genauer gesagt können eine Vakuumatmosphäre, eine Stickstoffatmosphäre, eine Atmosphäre eines Gemischs aus Stickstoff und Wasserstoff und dergleichen verwendet werden.
3A bis 3C zeigen ein Beispiel für Querschnittsfotoaufnahmen von Übergängen zwischen Elementen und Elektroden des thermoelektrischen Spannungsrelaxationsmoduls der ersten Ausführungsform. Diese Fotoaufnahmen werden in einem in 2A bis 2C gezeigten Verfahren erhalten, bei dem Aluminiumfolie zwischen ein thermoelektrisches Element auf Magnesium-Silizium-Basis und eine Spannungsrelaxationselektrode, in die feiner Kupferdraht eingeflochten ist, zwischengelegt wird. 3A zeigt einen Gesamtübergang und 3B zeigt ein vergrößertes Bild des Teils, der in 3A mit Linienabschnitten umschlossen ist. In der vorliegenden Ausführungsform enthält die Zwischenschicht 31 eine Legierung, die hauptsächlich Aluminium und Kupfer umfasst. Es kann bestätigt werden, dass jeder feine Kupferdraht, der die Spannungsrelaxationselektrode 21 konfiguriert, und das thermoelektrische Element auf Magnesium-Silizium-Basis einen geeigneten Übergang mit der dazwischen gelegten Zwischenschicht 3 bilden.
In einer anderen Konfiguration wird die Spannungsrelaxationselektrode 21 ausgebildet, indem feiner Nickeldraht oder feiner Kupferdraht eingeflochten wird, auf dem ein Metallfilm aus Nickel ausgebildet ist. Wenn Zinnfolie als Verbindungsmaterial 30 verwendet wird, wird die Zinnfolie geschmolzen, wenn sie auf eine Temperatur erwärmt wird, die ihren Schmelzpunkt, d. h. 232°C, übersteigt. Nachdem die Zinnfolie geschmolzen ist, findet eine Reaktion zwischen dem Zinn und dem Nickel statt, das in dem feinen Metalldraht oder in dem Metallfilm enthalten ist. Im Ergebnis wird eine Legierung oder eine Verbindung auf Nickel-Zinn-Basis als Zwischenschicht 31 erhalten. Daher bilden jeder feine Nickeldraht oder jeder feine Kupferdraht, auf dem ein Metallfilm aus Nickel ausgebildet wird, wobei die Spannungsrelaxationselektrode 21 konfiguriert wird, und das thermoelektrische Element einen geeigneten Übergang über die dazwischen angeordnete Zwischenschicht 31. Da weiter Ni₃Sn₄, das eine der Verbindungen auf Nickel-Zinn-Basis ist, einen Schmelzpunkt von 794,5°C hat, ist es möglich, durch Umwandeln der Zwischenschicht 31 in eine Verbindung die Wärmewiderstandsfähigkeit des Übergangs zu erhöhen. Wenn ein Metall, wie beispielsweise Zinn, oder eine Legierung mit einem Schmelzpunkt von 300°C oder weniger als Verbindungsmaterial 30 verwendet wird, ist es möglich, ein thermoelektrisches Niedertemperaturelement einschließlich ein Element auf Wismut-Tellur-Basis und ein Element auf Heusler-Legierungsbasis zur Verwendung bei 300°C oder darunter zu verbinden.
Weiter kann in der Konfiguration, in der feiner Nickeldraht oder feiner Kupferdraht, auf dem ein Metallfilm aus Nickel ausgebildet ist, in die Spannungsrelaxationselektrode 21 eingeflochten wird, wenn Aluminiumfolie als Verbindungsmaterial 30 verwendet wird, eine Legierung oder eine Verbindung auf Aluminium-Nickel-Basis als Zwischenschicht 31 ausgebildet werden. Jeder feine Nickeldraht oder jeder feine Kupferdraht, auf dem ein Metallfilm aus Nickel ausgebildet ist, wobei die Spannungsrelaxationselektrode 21 konfiguriert wird, und das thermoelektrische Element bilden einen geeigneten Übergang mit der dazwischen eingelegten Zwischenschicht 31. Da Al₃Ni, das eine der Verbindungen auf Aluminium-Nickel-Basis ist, einen Schmelzpunkt von 854°C hat, ist es möglich, die Zwischenschicht 31 in eine Verbindung umzuwandeln, um die Wärmebeständigkeit des Übergangs zu erhöhen.
Wie zuvor angegeben, ist es durch geeignetes Auswählen des feinen Metalldrahts für die Spannungsrelaxationselektrode 21 und das Verbindungsmaterial 30 zusammen mit der Betriebstemperatur und den einzelnen Komponenten der thermoelektrischen Elemente möglich, einen geeigneten Übergang zu erhalten.
Durch vorhergehendes Ausbilden eines Metallfilms auf den Oberflächen (Übergangsoberflächen) der thermoelektrischen Elemente 11 und 12 vom p-Typ bzw. n-Typ ist es möglich, das Herstellungsverfahren zu vereinfachen und einen geeigneten Übergang zu bilden.
4A bis 4C sind perspektivische Ansichten, die einen Ablauf in Bezug auf das Herstellen des thermoelektrischen Spannungsrelaxationselementzusammenbaus zeigen, wenn ein Metallfilm auf den Oberflächen der thermoelektrischen Elemente der ersten Ausführungsform ausgebildet wird. Der thermoelektrische Modulelementzusammenbau 1, das thermoelektrische Element 11 vom p-Typ, das thermoelektrische Element 12 vom n-Typ, die Spannungsrelaxationselektrode 21, die Zwischenschicht 31, die Stützvorrichtung 41 und die Druckvorrichtung 42 sind weitgehend dieselben wie für 2A bis 2C. Der Metallfilm 50 umfasst vorteilhafterweise einen Metallfilm, der ein Element enthält, das aus einer Gruppe bestehend aus Nickel, Aluminium, Titan, Molybdän, Wolfram, Palladium, Chrom, Gold, Silber und Zinn ausgewählt ist.
Es wird der Ablauf eines Verfahrens zum Zusammenbauen des thermoelektrischen Elementzusammenbaus 1, der in 4A bis 4C gezeigt ist, unter Bezugnahme auf das Verfahren zum Zusammenbauen des thermoelektrischen Moduls in Verbindung mit 4A bis 4C beschrieben.
Zuerst wird, wie 4A zeigt, die Spannungsrelaxationselektrode 21 auf der Stützvorrichtung 41 angeordnet. Danach werden das thermoelektrische Element 11 vom p-Typ und das thermoelektrische Element 12 vom n-Typ nacheinander so positioniert, dass sie auf der Spannungsrelaxationselektrode 21 angeordnet sind. Dann wird die Spannungsrelaxationselektrode 21 wieder auf den jeweiligen thermoelektrischen Elementen angebracht. Bei diesem Verfahren kann, da der Vorgang, der in 2A bis 2C gezeigt ist, um das Verbindungsmaterial 30 anzuordnen, nicht erforderlich ist, der Herstellungsvorgang vereinfacht werden. Der Metallfilm 50 hat wünschenswerterweise eine Dicke im Bereich von 100 nm bis 500 μm. Das Verfahren zum Bilden des Metallfilms 50 ist nicht besonders beschränkt. Zum Beispiel können das Plattierungsverfahren, das Aerosolabscheideverfahren, das thermische Spritzverfahren, das Sputterverfahren, das Aufdampfverfahren, das Ionenplattierungsverfahren und das gleichzeitige Sinterverfahren angewendet werden. Als Nächstes wird, wie 4B zeigt, der Zusammenbau der einzelnen Komponenten durch die Druckvorrichtung 42 von oben mit Druck beaufschlagt und wird gleichzeitig erwärmt, um die Spannungsrelaxationselektrode 21 mit dem thermoelektrischen Element 11 vom p-Typ und dem thermoelektrischen Element 12 vom n-Typ zu verbinden. Bei dem Verbindungsverfahren ist es wünschenswert, dass die Beanspruchung, die auf die thermoelektrischen Elemente ausgeübt wird, 0,12 kPa oder mehr beträgt. Während des Verbindungsverfahrens findet eine Diffusionsreaktion zwischen dem gesamten oder einem Teil des Metallfilms 50 und der Spannungsrelaxationselektrode 21 oder den jeweiligen thermoelektrischen Elementen statt, wodurch der Metallfilm 50 zur Zwischenschicht 31 wird. Die Druckbedingung und die Verbindungsatmosphäre sind fast dieselben wie für den in 2A bis 2C gezeigten Vorgang.
Zum Beispiel ist es in einer Konfiguration, in der ein Aluminiumfilm als Metallfilm 50 auf den Oberflächen der thermoelektrischen Elemente ausgebildet ist und ein feiner Kupferdraht in die Spannungsrelaxationselektrode 21 geflochten wird, möglich, durch Unterdrucksetzen und Erwärmen die Zwischenschicht 31 zu bilden, die hauptsächlich Aluminium und Kupfer umfasst, die fast dieselbe wie für 3A und 3C ist. Wenn weiter zum Beispiel ein Zinnfilm als Metallfilm 50 auf den Oberflächen der thermoelektrischen Elemente ausgebildet ist und feiner Nickeldraht oder feiner Kupferdraht, auf dem ein Metallfilm aus Nickel ausgebildet ist, in die Spannungsrelaxationselektrode 21 geflochten wird, bilden, wenn das Verbindungsmaterial verwendet wird, jeder feine Nickeldraht oder jeder feine Kupferdraht, auf dem ein Metallfilm aus Nickel ausgebildet ist, wobei die Spannungsrelaxationselektrode 21 konfiguriert wird, und die thermoelektrischen Elemente einen geeigneten Übergang über die Zwischenschicht 31, die eine Legierung oder Verbindung auf Nickel-Zinn-Basis aufweist.
Weiter wird zum Beispiel bei einer Konfiguration, bei der ein Nickelfilm als Metallfilm 50 auf den Oberflächen der thermoelektrischen Elemente ausgebildet ist und feiner Nickeldraht oder feiner Kupferdraht, auf dem ein Metallfilm aus Nickel ausgebildet ist, in die Spannungsrelaxationselektrode 21 geflochten wird, ein Festphasen-Festphasen-Übergang durch Unterdrucksetzen und Erwärmen gebildet, um dadurch die Zwischenschicht 31 zu bilden, die fast dieselben Komponenten wie für den Metallfilm 50 aufweist. In dieser Situation hat nach dem Verbindungsverfahren die Zwischenschicht 31 den Schmelzpunkt von Nickel, d. h. 1455°C, und es ist daher möglich, die Wärmebeständigkeit des Übergangs zu erhöhen.
Wie zuvor angegeben, ist es, selbst wenn der Metallfilm 50 ausgebildet wird, möglich, einen geeigneten Übergang durch geeignetes Auswählen des feinen Metalldrahts für die Spannungsrelaxationselektrode 21 zusammen mit der Betriebstemperatur und einzelner Komponenten der thermoelektrischen Elemente zu erhalten.
5 ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels für einen Aufbau des thermoelektrischen Spannungsrelaxationsmoduls in der ersten Ausführungsform, in der 46 thermoelektrische Elemente so angeordnet sind, dass sie zu einer Matrixform verbunden werden. Durch die Anwendung des in 2A bis 2C oder 4A bis 4C gezeigten Vorgangs wird der in 5 gezeigte, thermoelektrische Modulzusammenbau 1 hergestellt. Dieses Modul kann zur Verwendung in ein Gehäuse eingeschweißt werden oder kann ohne Gehäuse verwendet werden. In 5 liegen die thermoelektrischen Elemente 11 und 12 vom p-Typ bzw. n-Typ in Form eines Stabs, zum Beispiel eines viereckigen Prismas, eines dreieckigen Prismas, eines polygonalen Prismas, eines kreisförmigen Zylinders oder eines elliptischen Zylinders vor.
Bei dem Aufbau, wie er in der ersten Ausführungsform gezeigt ist, bei dem die thermoelektrischen Elemente 11 und 12 vom p-Typ bzw. n-Typ über die Zwischenschicht 31 mit den deformierbaren Spannungsrelaxationselektroden 21 verbunden sind, ist es möglich, ein thermoelektrisches Modul vorzusehen, bei dem die Verbindungsleistung während des Zusammenbauverfahrens des thermoelektrischen Moduls erhöht wird und bei dem eine hohe Zuverlässigkeit selbst in einem Umfeld, in dem die Wärmespannung stattfindet, und selbst in einem Umfeld sichergestellt ist, in dem Vibrationen und Stöße als Beanspruchung ausgeübt werden.
[Zweite Ausführungsform]
Unter erneuter Bezugnahme auf 1A und 1B wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Konfiguration der zweiten Ausführungsform ist im Wesentlichen fast dieselbe wie für die erste Ausführungsform, wenn nicht anders angegeben. Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dahingehend, dass die Spannungsrelaxationselektroden 21 ein poröses Metall aus einem Element, das aus einer Gruppe bestehend aus Kupfer, Nickel, Aluminium, Titan, Molybdän, Wolfram und Eisen ausgewählt ist, oder eine Legierung enthalten, die hauptsächlich ein Element enthalten, das aus der Gruppe der Metalle ausgewählt ist. Auf dem porös-metallischen Gegenstand der Spannungsrelaxationselektrode 21 kann ein Metallfilm ausgebildet werden, der ein Element enthält, das aus einer Gruppe bestehend aus Nickel, Palladium, Gold, Silber, Zinn, Chrom, Titan, Molybdän und Wolfram ausgewählt ist. Weiter umfasst die Spannungsrelaxationselektrode 21 ein poröses Metall mit kontinuierlichen Poren oder unabhängigen Poren, die mit einer Porosität im Bereich von 10% bis 99% ausgebildet sind. Das poröse Metall kann in jedem Verfahren erzeugt werden. Zum Beispiel können das Sinterverfahren und das Porenbildungsverfahren unter Anwendung der Edelgasinjektion und einem Aufschäumharz und das Distanz- bzw. Spacerverfahren verwendet werden. Bei der Konfiguration der vorliegenden Ausführungsform wird ein deformierbarer poröser Metallgegenstand als Spannungsrelaxationselektrode 21 verwendet.
Daher werden während des Kühlvorgangs nach dem Verbindungsvorgang und wenn die Temperatur sich im eigentlichen Betriebsumfeld ändert, poröse Bereiche der Spannungsrelaxationselektrode 21 frei deformiert. Folglich ist die Spannungsrelaxationselektrode 21 in der Lage, Spannung und Dehnung zu absorbieren, die durch eine CTE-Differenz hervorgerufen wird, was zu einer hohen Übergangszuverlässigkeit führt. Auch wird in einem Umfeld, in dem Vibrationen und Stöße als Beanspruchung ausgeübt werden, die Metallfaser in der Form von Zellen in der Spannungsrelaxationselektrode 21 konfiguriert und hat der poröse Bereich die Charakteristik von Kissen. Daher kann die Spannungsrelaxationselektrode 21 die Vibrationen und die Stöße absorbieren, die auf den thermoelektrischen Modulelementzusammenbau 1 ausgeübt werden. Wenn weiter die Spannungsrelaxationselektrode 21 von oben oder von unten gedrückt wird, werden die porösen Bereiche zerstört und der zugehörige Abstand wird verringert. Daher kann der Höhenunterschied der Elemente, der ein Problem beim Zusammenbauvorgang der thermoelektrischen Elemente ist, durch die Spannungsrelaxationselektrode 21 angepasst werden. Das Verfahren zum Herstellen des thermoelektrischen Spannungsrelaxationselementzusammenbaus der vorliegenden Erfindung ist im Wesentlichen fast dasselbe wie für die erste Ausführungsform, die unter Bezugnahme auf 2A bis 2C und 4A bis 4C beschrieben ist.
Selbst wenn wie vorstehend die Spannungsrelaxationselektroden 21 mit einem porösen Metall verwendet werden, ist es wie in der ersten Ausführungsform möglich, einen geeigneten Übergang zu bilden, indem das Metall für die Spannungsrelaxationselektrode 21 und das Verbindungsmaterial 30 zusammen mit der Betriebstemperatur und einzelnen Komponenten der thermoelektrischen Elemente in geeigneter Weise ausgewählt werden.
Es sollte weiterhin vom Fachmann nachvollzogen werden können, dass, obwohl die vorstehende Beschreibung in Bezug auf Ausführungsformen der Erfindung erfolgt ist, die Erfindung nicht darauf beschränkt ist und verschiedene Änderungen und Modifikationen durchgeführt werden können, ohne dass vom Geist der Erfindung und vom Umfang der beigefügten Ansprüche abgewichen wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 9-293906 A [0003]
JP 2000-188429 A [0005]
JP 2001-189497 A [0006]
JP 2007-109942 A [0007]

Claims

Thermoelektrisches Modul (1), umfassend eine Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen (11) vom p-Typ und eine Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen (12) vom n-Typ, wobei alle oder ein Teil der thermoelektrischen Elemente (11) vom p-Typ und alle oder ein Teil der thermoelektrischen Elementen (12) vom n-Typ elektrisch miteinander in Reihe geschaltet sind, umfassend eine Spannungsrelaxationselektrode (21), die in Form eines Gewebes oder Faserstoffs unter Verwendung einer Metallfaser aus einem Element, das aus einer Gruppe bestehend aus Kupfer, Nickel, Aluminium, Titan, Molybdän, Wolfram und Eisen ausgewählt ist, oder einer Metallfaser aus einer Legierung hergestellt wird, die hauptsächlich ein Element enthält, das aus der Gruppe der Metalle ausgewählt ist, wobei die thermoelektrischen Elemente (11) vom p-Typ und die thermoelektrischen Elemente (12) vom n-Typ miteinander über die Spannungsrelaxationselektrode (21) verbunden sind.
Thermoelektrisches Modul (1) nach Anspruch 1, wobei auf einer Oberfläche des Metallgewebes der Spannungsrelaxationselektrode (21) ein Metallfilm (50) aus einem Element ausgebildet ist, das aus einer Gruppe bestehend aus Nickel, Palladium, Gold, Silber, Zinn, Chrom, Titan, Molybdän und Wolfram ausgewählt ist.
Thermoelektrisches Modul (1) nach Anspruch 1, wobei zwischen den thermoelektrischen Elementen (11) vom p-Typ als auch den thermoelektrischen Elementen (12) vom n-Typ und der Spannungsrelaxationselektrode (21) eine Zwischenschicht (31) angeordnet ist, wobei die Zwischenschicht (31) ein Metall, das aus einer Gruppe bestehend aus Kupfer, Silizium, Germanium, Eisen, Wismut, Magnesium, Mangan, Blei, Tellur, Kobalt, Antimon, Nickel, Aluminium, Titan, Molybdän, Wolfram, Palladium, Chrom, Gold, Silber, Zinn und Bor ausgewählt ist, oder eine Legierung oder eine intermetallische Verbindung umfasst, die hauptsächlich ein Element enthält, das aus der Gruppe der Metalle ausgewählt ist.
Thermoelektrisches Modul (1) nach Anspruch 1, wobei die thermoelektrischen Elemente (11) vom p-Typ und die thermoelektrischen Elemente (12) vom n-Typ thermoelektrische Elemente sind, die eines aus den Kombinationen der Elemente umfassen, die aus einer Gruppe bestehend aus Elementen auf Silizium-Germanium-Basis, Elementen auf Eisen-Silizium-Basis, Elementen auf Wismut-Tellur-Basis, Elementen auf Magnesium-Silizium-Basis, Elementen auf Mangan-Silizium-Basis, Elementen auf Blei-Tellur-Basis, Elementen auf Kobalt-Antimon-Basis, Elementen auf Wismut-Antimon-Basis, Elementen auf Heusler-Legierungsbasis und Elementen auf der Basis von halben Heusler-Legierungen ausgewählt sind.
Thermoelektrisches Modul (1) nach Anspruch 4, wobei auf Oberflächen der thermoelektrischen Elemente (11, 12) ein Metallfilm ausgebildet ist, wobei der Metallfilm ein Element umfasst, das aus einer Gruppe bestehend aus Nickel, Aluminium, Titan, Molybdän, Wolfram, Palladium, Chrom, Gold, Silber und Zinn ausgewählt ist.
Thermoelektrisches Modul (1) nach Anspruch 1, wobei die Spannungsrelaxationselektrode (21) poröses Metall mit einer Porosität im Bereich von 10% bis 99% umfasst, wobei das poröse Metall ein Element, das aus einer Gruppe bestehend aus Kupfer, Nickel, Aluminium, Titan, Molybdän, Wolfram und Eisen ausgewählt ist, oder eine Legierung umfasst, die hauptsächlich ein Element umfasst, das aus der Gruppe der Metalle ausgewählt ist.
Thermoelektrisches Modul (1) nach Anspruch 6, wobei auf einer Oberfläche der Spannungsrelaxationselektrode (21) ein Metallfilm (50) aus einem Element ausgebildet ist, das aus einer Gruppe bestehend aus Nickel, Palladium, Gold, Silber, Zinn, Chrom, Titan, Molybdän und Wolfram ausgewählt ist.
Thermoelektrisches Modul (1) nach Anspruch 2, wobei zwischen den thermoelektrischen Elementen (11) vom p-Typ als auch den thermoelektrischen Elementen (12) vom n-Typ und der Spannungsrelaxationselektrode (21) eine Zwischenschicht (31) angeordnet ist, wobei die Zwischenschicht (31) ein Metall, das aus einer Gruppe bestehend aus Kupfer, Silizium, Germanium, Eisen, Wismut, Magnesium, Mangan, Blei, Tellur, Kobalt, Antimon, Nickel, Aluminium, Titan, Molybdän, Wolfram, Palladium, Chrom, Gold, Silber, Zinn und Bor ausgewählt ist, oder eine Legierung oder eine intermetallische Verbindung umfasst, die hauptsächlich ein Element enthält, das aus der Gruppe der Metalle ausgewählt ist.
Thermoelektrisches Modul (1) nach Anspruch 2, wobei die thermoelektrischen Elemente (11) vom p-Typ und die thermoelektrischen Elemente (12) vom n-Typ thermoelektrische Elemente sind, die eines aus den Kombinationen von Elementen umfassen, die aus einer Gruppe bestehend aus Elementen auf Silizium-Germanium-Basis, Elementen auf Eisen-Silizium-Basis, Elementen auf Wismut-Teilur-Basis, Elementen auf Magnesium-Silizium-Basis, Elementen auf Mangan-Silizium-Basis, Elementen auf Blei-Tellur-Basis, Elementen auf Kobalt-Antimon-Basis, Elementen auf Wismut-Antimon-Basis, Elementen auf Heusler-Legierungsbasis und Elementen auf der Basis von halben Heusler-Legierungen ausgewählt sind.
Thermoelektrisches Modul (1) nach Anspruch 3, wobei die thermoelektrischen Elemente (11) vom p-Typ und die thermoelektrischen Elemente vom n-Typ (12) thermoelektrische Elemente sind, die eines aus den Kombinationen von Elementen umfassen, die aus einer Gruppe bestehend aus Elementen auf Silizium-Germanium-Basis, Elementen auf Eisen-Silizium-Basis, Elementen auf Wismut-Teilur-Basis, Elementen auf Magnesium-Silizium-Basis, Elementen auf Mangan-Silizium-Basis, Elementen auf Blei-Tellur-Basis, Elementen auf Kobalt-Antimon-Basis, Elementen auf Wismut-Antimon-Basis, Elementen auf Heusler-Legierungsbasis und Elementen auf der Basis von halben Heusler-Legierungen ausgewählt sind.
Thermoelektrisches Modul (1) nach Anspruch 2, wobei die Spannungsrelaxationselektrode (21) poröses Metall mit einer Porosität im Bereich von 10% bis 99% umfasst, wobei das poröse Metall ein Element, das aus einer Gruppe bestehend aus Kupfer, Nickel, Aluminium, Titan, Molybdän, Wolfram und Eisen ausgewählt ist, oder eine Legierung umfasst, die hauptsächlich ein Element umfasst, das aus der Gruppe der Metalle ausgewählt ist.
Thermoelektrisches Modul (1) nach Anspruch 3, wobei die Spannungsrelaxationselektrode (21) poröses Metall mit einer Porosität im Bereich von 10% bis 99% umfasst, wobei das poröse Metall ein Element, das aus einer Gruppe bestehend aus Kupfer, Nickel, Aluminium, Titan, Molybdän, Wolfram und Eisen ausgewählt ist, oder eine Legierung umfasst, die hauptsächlich ein Element umfasst, das aus der Gruppe der Metalle ausgewählt ist.