DE112018003232B4

DE112018003232B4 - Thermoelektrische Einheit, Verfahren zum Kühlen einer Einheit und Verfahren zum Erzeugen von elektrischer Energie

Info

Publication number: DE112018003232B4
Application number: DE112018003232.9T
Authority: DE
Inventors: Bernd Gotsmann; Johannes Gooth; Fabian Menges
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2017-08-25
Filing date: 2018-08-13
Publication date: 2021-02-18
Anticipated expiration: 2038-08-14
Also published as: US20190067547A1; US10256391B2; WO2019038628A1; GB2579327A; GB202003247D0; GB2579327B; CN111052423A; JP7252692B2; DE112018003232T5; JP2020532108A; CN111052423B

Abstract

Thermoelektrische Einheit, die ein Thermoelement aufweist, wobei das Thermoelement ein Weyl-Halbmetall und eine Mehrzahl magnetisierter Elemente aufweist, wobei durch die Mehrzahl magnetisierter Elemente ein gerichtetes Magnetfeld auf das Weyl-Halbmetall einwirkt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Aspekte der vorliegenden Erfindung betreffen allgemein Thermoelemente, Module und Einheiten. Weitere Aspekte betreffen Verfahren zum Kühlen von Einheiten durch Thermoelemente sowie Verfahren zum Erzeugen von Elektroenergie durch Thermoelemente.
Thermoelektrische Einheiten zum Kühlen werden z.B. zum Abführen von überschüssiger Wärme von elektronischen Einheiten verwendet. Da bei vielen elektronischen Einheiten nur eine geringe Wärmeableitung stattfindet, sind zusätzliche Kühlmittel wünschenswert. Thermoelektrisches Kühlen wurde erstmalig von John Charles Peltier entdeckt, der beobachtete, das ein durch einen Übergang zwischen unterschiedlichen Leitern fließender Strom, z.B. Halbleiter des n- oder p-Typs, als Funktion des durch den Übergang fließenden Stroms Erwärmung oder Kühlung bewirken kann. Dieser Effekt wird als thermoelektrischer oder Peltier-Effekt bezeichnet. Die Temperatur kann je nach der Richtung des durch den Übergang fließenden Stroms erhöht oder gesenkt werden.
Thermoelektrische Einheiten werden oft als Wärmepumpen verwendet, die zwischen einer Wärmequelle und einer Wärmesenke angeordnet werden. Bei der Wärmequelle kann es sich um eine elektrische Komponente und bei der Wärmesenke mitunter um ein Blech oder einen Konvektions-Kühlkörper handeln. Bei herkömmlichen thermoelektrischen Kühleinheiten werden mehrere Stufen verwendet, um ein Objekt schrittweise abzukühlen oder Wärme von einer Wärmequelle abzuführen. Solche mehrstufigen Module bestehen hauptsächlich aus einzelnen thermoelektrischen Modulen, die übereinander gestapelt sind. Aufgrund der Mehrzahl und der Komplexität der verwendeten thermoelektrischen Komponenten ist hierfür mehr Platz erforderlich, und es entstehen höhere Kosten.
Erreichen einer hohen Kühlleistung in Halbleitereinheiten bleibt weiterhin ein Problem bei verschiedenen Anwendungen wie Quantenrechnen, Messen und Wärmemanagement auf Chips.
Bei anderen Anwendungen von thermoelektrischen Einheiten wird elektrische Energie aus Unterschieden der Umgebungstemperatur erzeugt, z.B. zur autarken Stromversorgung von Einheiten.
Somit ist es generell wünschenswert, den Wirkungsgrad von thermoelektrischen Einheiten zu erhöhen.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß einem ersten Aspekt wird die Erfindung als thermoelektrische Einheit realisiert, die ein Thermoelement aufweist. Das Thermoelement weist ein Weyl-Halbmetall und eine Mehrzahl magnetisierter Elemente auf. Die Mehrzahl magnetisierter Elemente ist so beschaffen, dass sie durch ein gerichtetes Magnetfeld auf das Weyl-Halbmetall einwirken.
Mittels einer solchen realisierten thermoelektrischen Einheit kann bei Kühl- oder Energiegewinnungsanwendungen der thermoelektrischen Einheit ein höherer Wirkungsrad bereitgestellt werden. Insbesondere können durch Verwenden von Weyl-Halbmetallen in Verbindung mit den magnetisierten Elementen thermoelektrische Einheiten mit einem höheren ZT-Wert als Gütezahl im Vergleich mit herkömmlichen thermoelektrischen Materialien wie Wismuttellurid, PeTe, Silicide, Skutterudite oder Heusler-Halblegierungen bereitgestellt werden. Der ZT-Wert ist das Produkt der absoluten Temperatur T der Wärmequelle (wärmere Seite der zu kühlenden Einheit/Komponente) und Z, wobei $Z = σ S^{2} / k$
ist,
wobei σ die elektrische Leitfähigkeit des verwendeten Materials, 5 der Seebeck-Koeffizient und k die thermische Leitfähigkeit des verwendeten Materials ist.
Eine Übersicht über die aktuelle Forschung über Weyl-Halbmetalle ist zu finden in dem Dokument JIA, Shuang; XU, Su-Yang; HASAN, M. Zahid: Weyl semimetals, Fermi arcs and chiral anomalies. Nature materials, 2016, 15. Jg., Nr. 11, S. 1140 - 1144. Gemäß diesem Dokument „sind Weyl-Halbmetalle Halbmetalle oder Metalle, bei denen durch Anregung eines Quasiteilchens das Weyl-Fermion gebildet wird, ein Teilchen, das in der Quantenfeldtheorie eine wichtige Rolle spielt, das aber im Vakuum noch nicht als Elementarteilchen beobachtet wurde. Weyl-Fermionen haben bestimmte chirale Eigenschaften und sind entweder linksdrehend oder rechtsdrehend. In einem Weyl-Halbmetall lässt sich die Chiralität als topologisch geschützte chirale Ladung deuten. Weyl-Knoten entgegengesetzter Chiralität sind im Momentenraum voneinander getrennt und über die Kristallgrenze hinweg nur durch einen exotischen nichtabgeschlossenen Oberflächenzustand, die sogenannten Fermi-Bögen, miteinander verbunden. Weyl-Fermionen sind robust, obwohl sie Ströme transportieren, wodurch sie außerordentlich mobil sind. Ihre Spins sind aufgrund ihres Charakters der Momentenraum-Magnetmonopol-Konfiguration mit ihren Momentrichtungen gekoppelt. Aufgrund der chiralen Anomalie kann die scheinbare Erhaltung der chiralen Ladung in Gegenwart paralleler elektrischer und magnetischer Felder aufgehoben werden, sodass ein Weyl-Metall im Gegensatz zu normalen nichtmagnetischen Metallen stärker leitend mit einem stärkeren Magnetfeld wird.“
Gemäß einer Ausführungsform ist das Weyl-Halbmetall so beschaffen, dass es einen Wärmestrom und einen elektrischen Strom leitet. Außerdem ist das gerichtete Magnetfeld in einer zu dem elektrischen Strom parallelen Richtung ausgerichtet. Somit sind der elektrische Strom und das durch die magnetisierten Elemente einwirkende Magnetfeld parallel zueinander. Eine solche realisierte thermoelektrische Einheit kann die Erhaltung der durch die chirale Anomalie verursachten chiralen Ladung aufheben. Demgemäß kann die Leitfähigkeit von thermoelektrischen Elementen gemäß Ausführungsformen der Erfindung durch Anlegen des gerichteten Magnetfeldes erhöht werden. Dadurch wiederum steigt der ZT-Wert an.
Gemäß einer Ausführungsform sind die magnetisierten Elemente so angeordnet, dass der Wärmestrom und der elektrische Strom hauptsächlich durch das Weyl-Halbmetall fließen.
Eine solche Ausführungsform beruht auf der Erkenntnis, dass die elektrische und die Wärmeleitfähigkeit der magnetisierten Elemente oft höher sein können als die elektrische und die Wärmeleitfähigkeit des Weyl-Halbmetalls. Daraus folgt, dass der elektrische Strom wie auch der Wärmestrom das Weyl-Halbmetall umgehen und stattdessen durch die magnetisierten Elemente fließen. Gemäß dieser Ausführungsform sind die magnetisierten Elemente so angeordnet, dass ein solches Umgehen vermieden oder verringert wird und der Wärmestrom und der elektrische Strom „hauptsächlich“ durch das Weyl-Halbmetall fließen.
Gemäß Ausführungsformen ist unter dem Begriff „hauptsächlich“ zu verstehen, dass mehr als 50% des gesamten elektrischen Stroms beziehungsweise des gesamten Wärmestroms nur durch das Weyl-Halbmetall fließen und demgemäß weniger als 50% des gesamten elektrischen Stroms und des gesamten Wärmestroms einen Umweg durch eines der magnetisierten Elemente nehmen. Gemäß anderen Ausführungsformen ist unter dem Begriff „hauptsächlich“ zu verstehen, dass mehr als 60%, mehr als 70%, mehr als 80% oder mehr als 90% des gesamten elektrischen Stroms beziehungsweise des gesamten Wärmestroms nur durch das Weyl-Halbmetall fließen. Die magnetisierten Elemente können insbesondere so gestaltet sein, dass sie eine vorgegebene größtmögliche Kontaktlänge in der Richtung des elektrischen Stroms und der Richtung des Wärmestroms haben. Durch eine solche vorgegebene größtmögliche Länge ist es für den elektrischen Strom beziehungsweise den Wärmestrom „unvorteilhaft“, das Weyl-Halbmetall zu umgehen. Gemäß Ausführungsformen wird die größtmögliche Länge so gewählt, dass der Wärmewiderstand eines Weyl-Halbmetalls mit der größtmöglichen Länge weniger als zweimal so hoch ist wie der Grenzflächenwiderstand des Weyl-Halbmetalls und der magnetisierten Elemente.
Gemäß Ausführungsformen werden die magnetisierten Elemente durch separate diskrete Bauelemente realisiert.
Gemäß Ausführungsformen sind die magnetisierten Elemente nahe dem Weyl-Halbmetall angeordnet, insbesondere in einer Reihe mit vorgegebenen Abständen voneinander. Dadurch können starke Magnetfelder hochwirksam auf das Weyl-Halbmetall einwirken. Das Anbringen der magnetisierten Elemente an dem Weyl-Halbmetall kann mittels dem Fachmann bekannter Fertigungsmethoden erfolgen, z.B. durch Ankleben, Metallabscheidung durch eine Maske, lithografische Prozesse und Selbstorganisationsprozesse.
Gemäß anderen Ausführungsformen sind die magnetisierten Elemente in das Weyl-Halbmetall integriert. Dadurch können starke Magnetfelder hochwirksam auf das Weyl-Halbmetall einwirken. Solche Weyl-Halbmetalle mit integrierten magnetisierten Elementen können mittels dem Fachmann bekannter Fertigungsmethoden hergestellt werden, z.B. durch Dotieren mit magnetischen Elementen während des Kristallwachstums des Weyl-Halbmetalls, Einbauen von magnetischen Nanopartikeln.
Gemäß Ausführungsformen handelt es sich bei den integrierten magnetisierten Elementen um Mikroelemente mit einer Abmessung im Mikrometerbereich. Gemäß anderen Ausführungsformen handelt es sich bei den integrierten magnetisierten Elementen um Atome.
Gemäß Ausführungsformen kann es sich bei dem Weyl-Halbmetall insbesondere um TaAs, NbP oder TaP handeln.
Gemäß anderen Ausführungsformen kann es sich bei dem Weyl-Halbmetall um ein Dirac-Metall handeln. Insbesondere kann es sich bei dem Dirac-Metall um Cd₂As₃ oder Na₃Bi handeln. Solche Dirac-Metalle werden durch das Einwirken des Magnetfeldes B in ein Weyl-Halbmetall umgewandelt.
Gemäß anderen Ausführungsformen kann es sich bei dem Weyl-Halbmetall um RPtBi oder GdPtBi handeln. Diese Materialien werden durch Einwirken des Magnetfeldes B in ein Weyl-Halbmetall umgewandelt.
Gemäß Ausführungsformen können die magnetisierten Elemente als Seltenerdmagnete realisiert werden.
Gemäß Ausführungsformen können die magnetisierten Elemente Materialien wie Neodym-Eisen-Bor, Mangan-Aluminium, Samarium-Kobalt oder Aluminium-Nickel-Kobalt aufweisen.
Gemäß Ausführungsformen ist die thermoelektrische Einheit eine Kühleinheit. Mittels Ausführungsformen der Erfindung können aufgrund des erhöhten ZT-Wertes eine erhöhte Kühlleistung und eine höhere Temperaturdifferenz zwischen einer Wärmequelle und einem Kühlkörper bereitgestellt werden.
Gemäß Ausführungsformen handelt es sich bei der thermoelektrischen Einheit um eine Stromquelle, die zum Umwandeln einer Temperaturdifferenz zwischen Kontaktelektroden der thermoelektrischen Einheit in elektrische Energie dient. Eine derart realisierte Einheit kann z.B. Sonnenenergie zum Erzeugen von elektrischem Strom verwenden. Eine derart realisierte Einheit kann z.B. als autarke Stromversorgung für Einheiten im Internet der Dinge (loT) verwendet werden.
Gemäß Ausführungsformen handelt es sich bei der thermoelektrischen Einheit um einen Temperatursensor.
Gemäß Ausführungsformen dienen die magnetisierten Elemente dazu, durch ein Magnetfeld von mindestens 1 Tesla auf das Weyl-Halbmetall einzuwirken. Durch ein derart starkes Magnetfeld wird der ZT-Wert des thermoelektrischen Elements erhöht.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Kühlen einer Einheit bereitgestellt. Das Verfahren weist einen Schritt zum Bereitstellen einer thermoelektrischen Einheit auf, die ein Thermoelement aufweist. Das Thermoelement weist ein Weyl-Halbmetall und eine Mehrzahl magnetisierter Elemente gemäß Ausführungsformen des ersten Aspekts auf. Ein weiterer Schritt weist Beaufschlagen des thermoelektrischen Elements mit einem elektrischen Strom mittels der thermoelektrischen Einheit auf. Ein weiterer Schritt weist Einwirken eines gerichteten Magnetfeldes parallel zu der Richtung des elektrischen Stroms auf das Weyl-Halbmetall mittels der Mehrzahl magnetisierter Elemente auf. Ein weiterer Schritt weist Erzeugen eines Wärmestroms durch das Thermoelement als Reaktion auf den elektrischen Strom auf.
Ein solches Verfahren kann eine höhere Kühlleistung und einen höheren ZT-Wert als Gütezahl im Vergleich mit Kühlmethoden unter Verwendung herkömmlicher thermoelektrischer Materialien bereitstellen.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Erzeugen von elektrischer Energie bereitgestellt. Das Verfahren weist einen Schritt zum Bereitstellen einer thermoelektrischen Einheit auf, die ein Thermoelement aufweist. Das Thermoelement weist ein Weyl-Halbmetall und eine Mehrzahl magnetisierter Elemente gemäß Ausführungsformen des ersten Aspekts auf. Ein weiterer Schritt weist Beaufschlagen der thermoelektrischen Einheit mit einem Wärmestrom auf, z.B. mit einem Solar-Wärmestrom. Ein weiterer Schritt weist Beaufschlagen des Weyl-Halbmetalls mit einem gerichteten Magnetfeld parallel zu dem Wärmestrom durch die Mehrzahl magnetisierter Elemente auf. Ein weiterer Schritt weist Erzeugen eines elektrischen Stroms durch das Thermoelement als Reaktion auf den Wärmestrom auf.
Ein solches Verfahren kann einen höheren Wirkungsgrad und einen höheren ZT-Wert als Gütezahl im Vergleich mit Verfahren bereitstellen, bei denen herkömmliche thermoelektrische Materialien verwendet werden.
Nunmehr werden Ausführungsformen der Erfindung anhand anschaulicher und nicht als Einschränkung zu verstehender Beispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlich beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer thermoelektrischen Einheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit magnetisierten Elementen nahe einem Weyl-Halbmetall;
2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer thermoelektrischen Einheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit in ein Weyl-Halbmetall integrierten magnetisierten Mikroelementen;
3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer thermoelektrischen Einheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit in ein Weyl-Halbmetall integrierten magnetisierten Atomen;
4 zeigt eine thermoelektrische Kühleinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
5 zeigt eine als Stromquelle realisierte thermoelektrische Einheit;
6 zeigt eine als Temperatursensor realisierte thermoelektrische Einheit;
7 zeigt einen Ablaufplan von Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Kühlen einer Einheit; und
8 zeigt einen Ablaufplan von Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Erzeugen von elektrischem Strom.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer thermoelektrischen Einheit 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die thermoelektrische Einheit 100 weist ein Thermoelement 110 auf. Das Thermoelement 110 weist als thermoelektrisches Material ein Weyl-Halbmetall 120 und eine Mehrzahl magnetisierter Elemente 130 auf. Jedes der magnetisierten Elemente 130 wirkt durch ein gerichtetes Magnetfeld B auf das Weyl-Halbmetall 120 ein. Die magnetisierten Elemente 130 sind nahe dem Weyl-Halbmetall 120 angeordnet. Genauer gesagt, die magnetisierten Elemente 130 sind in Reihe entlang einer Längsrichtung x mit vorgegebenen Abständen voneinander angeordnet.
Die thermoelektrische Einheit 100 weist ferner eine Stromquelle 140 auf, um das Thermoelement 110 mit einem elektrischen Strom I zu beaufschlagen. Der elektrische Strom I wird dem thermoelektrischen Element 110 über elektrische Kontaktelektroden 150 zugeführt. Ferner weist die thermoelektrische Einheit 100 Wärmekontakte 160 und 165 auf, die z.B. als Keramikscheiben realisiert sein können. Der Wärmekontakt 160 kann mit einer Wärmequelle 170 und der Wärmekontakt 165 mit einem Kühlkörper gekoppelt sein. Bei der Wärmequelle 170 kann es sich um ein Element, ein Objekt, ein Modul oder eine Einheit handelt, von der überschüssige Wärme durch das Thermoelement 110 zu dem Kühlkörper 175 übertragen werden soll. Das Weyl-Halbmetall 120 ist so beschaffen, dass es einen Wärmestrom H von der Wärmequelle 170 parallel zu dem elektrischen Strom I zu dem Kühlkörper 175 leitet. Das gerichtete Magnetfeld B ist in einer zu dem elektrischen Strom I und dem Wärmestrom H parallelen Richtung ausgerichtet.
Bei dem Kühlkörper 175 kann es sich um ein Element, ein Modul, ein Objekt oder eine Einheit handeln, die Wärme abstrahlen oder aufnehmen kann. Allgemein werden durch die thermoelektrische Einheit 100 die Wärmequelle 175 abgekühlt und der Kühlkörper 175 erwärmt. Die thermoelektrische Einheit 100 kann als Wärmepumpe zum Übertragen von Wärme von der Wärmequelle 170 zu dem Kühlkörper 175 angesehen werden.
Die magnetisierten Elemente 130 sind so angeordnet, dass der Wärmestrom H und der elektrische Strom I hauptsächlich durch das Weyl-Halbmetall 120 und nicht durch die magnetisierten Elemente 130 fließen. Das wird insbesondere dadurch erreicht, dass ausreichende Abstände d zwischen den magnetisierten Elemente 130 sowie magnetisierte Elemente mit einer vorgegebenen größtmöglichen Länge L bereitgestellt werden. Da die elektrische und die Wärmeleitfähigkeit der magnetisierten Elemente 130 höher als die elektrische und die Wärmeleitfähigkeit des Weyl-Halbmetalls 120 sein können, könnten die magnetisierten Elemente 130 allgemein einen parallelen Pfad oder Umweg 185 für den elektrischen Strom I und den Wärmestrom H bereitstellen. Gemäß dieser Ausführungsform wird ein solches Umleiten durch Bereitstellen geeigneter Abstände d zwischen den magnetisierten Elementen 130 sowie von magnetisierten Elementen mit einer vorgegebenen größtmöglichen Länge L vermieden oder verringert. Durch eine solche vorgegebene größtmögliche Länge L kann sichergestellt werden, dass der thermische Gesamtwiderstand des Umwegs 185 größer als der thermische Widerstand des direkten Wärmepfades 180 ist, insbesondere aufgrund der thermischen Grenzflächenwiderstände zwischen dem Weyl-Halbmetall 120 und den magnetisierten Elementen 130. Demgemäß fließen der Wärmestrom H und der elektrische Strom I hauptsächlich durch das Weyl-Halbmetall 120.
Die thermoelektrische Einheit 100 nutzt den thermoelektrischen oder Peltier-Effekt, der mitunter auch als Seebeck-Effekt bezeichnet wird. Die thermoelektrische Einheit 100 kann auch als Peltier-Kühler bezeichnet werden.
Allgemein ist die mit einem Peltier-Kühler erreichbare größtmögliche Temperaturdifferenz ΔT gegeben durch: $Δ T = 0.5 Z T^{2}$
wobei T die absolute Temperatur der Wärmequelle 170 (warme Seite) und Z gleich $Z = σ S^{2} / k$
ist,
wobei σ die elektrische Leitfähigkeit des verwendeten Materials, 5 der Seebeck-Koeffizient und k die thermische Leitfähigkeit des verwendeten Materials sind.
Normalerweise wird in Einheiten nach dem Stand der Technik ein ZT-Wert von ungefähr 1 verwendet.
Das Weyl-Halbmetall 120 in Verbindung mit dem durch die magnetisierten Elemente 130 einwirkenden Magnetfeld B liefert einen ZT-Wert als Gütezahl größer als 1. Gemäß bevorzugten Ausführungsformen ist der ZT-Wert größer als 2. Gemäß besonders bevorzugten Ausführungsformen ist der ZT-Wert größer als 3.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann das Weyl-Halbmetall 120TaAs, NbP oder TaP aufweisen.
Gemäß anderen Ausführungsformen kann es sich bei dem Weyl-Halbmetall um ein Dirac-Metall handeln. Ein solches Dirac-Metall wird durch Einwirken des Magnetfeldes B in ein Weyl-Halbmetall umgewandelt. Ein solches Dirac-Metall kann z.B. aus Cd₂As₃ oder Na₃Bi bestehen.
Gemäß anderen Ausführungsformen kann das Weyl-Halbmetall 120 RPtBi oder GdPtBi aufweisen. Auch diese Materialien werden durch Einwirken des Magnetfeldes B in ein Weyl-Halbmetall umgewandelt.
Gemäß Ausführungsformen können die magnetisierten Elemente 130 Seltenerdmagnete aufweisen. Gemäß anderen Ausführungsformen können die magnetisierten Elemente 130 Neodym-Eisen-Bor, Mangan-Aluminium, Samarium-Cobalt oder Aluminium-Nickel-Cobalt aufweisen.
Das Thermoelement 110 kann insbesondere die Form eines Stabes haben. Der Stab kann gemäß einer Ausführungsform eine Breite w₁ in einer y-Richtung in einem Bereich zwischen 0,1 µm und 10 um haben. Die magnetischen Elemente 130 können eine Breite w₂ in der y-Richtung in einem Bereich zwischen 0,1 µm und 10 um haben. Die magnetischen Elemente 130 können eine Länge L in einer x-Richtung in einem Bereich zwischen 0,1 µm und 10 µm haben. Außerdem sind die magnetischen Elemente 130 in der x-Richtung in einem Abstand voneinander angeordnet, der zwischen 0,1 µm und 10 µm beträgt. Vorzugsweise haben die Breite w₁, die Breite w₂, der Abstand d und die Länge L dieselbe oder eine ähnliche Größenordnung. Vorzugsweise liegen die Werte für die Breite w₁, die Breite w₂, den Abstand d und die Länge L innerhalb eines Fehlerbereichs von 20%.
Durch solche Abmessungen kann sichergestellt werden, dass der Wärmestrom und der elektrische Strom hauptsächlich durch das Weyl-Halbmetall 120 fließen.
2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer thermoelektrischen Einheit 200 gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Die thermoelektrische Einheit 200 weist ein Thermoelement 210 auf. Das Thermoelement 210 weist als thermoelektrisches Material ein Weyl-Halbmetall 220 und eine Mehrzahl magnetisierter Elemente 230 auf. Jedes der magnetisierten Elemente 230 wirkt durch ein gerichtetes Magnetfeld B auf das Weyl-Halbmetall 220 ein. Genauer gesagt, bei den magnetisierten Elementen 230 handelt es sich um Mikroelemente. Die Mikroelemente 230 sind innerhalb des Weyl-Halbmetalls fein verteilt. Die Mikroelemente weisen eine Mehrzahl Atome und/oder Moleküle auf und bilden in das Weyl-Halbmetall 220 integrierte magnetisierte Cluster. Ferner weist die thermoelektrische Einheit 200 eine Stromquelle 240 auf, um das Thermoelement 210 mit einem elektrischen Strom I zu beaufschlagen. Der elektrische Strom I wird dem thermoelektrischen Element 210 über elektrische Kontaktelektroden 250 zugeführt. Ferner weist die thermoelektrische Einheit 200 Wärmekontakte 260, 265 auf, die z.B. als Keramikscheiben realisiert sein können. Der Wärmekontakt 260 kann mit einer Wärmequelle 270 und der Wärmekontakt 265 mit einem Kühlkörper 275 verbunden sein
Das Weyl-Halbmetall 220 ist so beschaffen, dass es einen Wärmestrom H parallel zu dem elektrischen Strom I von der Wärmequelle 270 zu dem Kühlkörper 275 leitet. Das gerichtete Magnetfeld B ist in einer zu dem elektrischen Strom I und dem Wärmestrom H parallelen Richtung ausgerichtet.
Die integrierten magnetisierten Elemente 230 sind auch derart angeordnet, dass der Wärmestrom H und der elektrische Strom I hauptsächlich durch das Weyl-Halbmetall 220 und nicht durch die integrierten magnetisierten Elemente 230 fließen. Das wird dadurch erreicht, dass ausreichend große Abstände d zwischen den magnetisierten Elementen 230 und insbesondere eine vorgegebene größtmögliche Länge L der magnetisierten Elemente 230 bereitgestellt werden. Durch die vorgegebene größtmögliche Länge L kann sichergestellt werden, dass der thermische Gesamtwiderstand für den Wärmestrom H durch die integrierten magnetisieren Elemente 230 (ein beispielhafter Leitungspfad 285 ist durch gestrichelte Linien dargestellt) höher als der Wärmewiderstand des Wärmeleitungspfades 280 (ebenfalls durch gestrichelte Linien dargestellt) um die integrierten magnetisierten Elemente 230 herum ist. Dies ist insbesondere auf die thermischen Übergangswiderstände zwischen dem Weyl-Halbmetall 220 und den magnetisierten Elementen 230 zurückzuführen. Demgemäß fließen der Wärmestrom H und der elektrische Strom I hauptsächlich durch das Weyl-Halbmetall 220.
3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer thermoelektrischen Einheit 300 gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die thermoelektrische Einheit 300 weist ein Thermoelement 310 auf. Das Thermoelement 310 weist als thermoelektrisches Material ein Weyl-Halbmetall 320 und eine Mehrzahl magnetisierter Elemente 330 auf. Jedes der magnetisierten Elemente 330 wirkt durch ein gerichtetes Magnetfeld B auf das Weyl-Halbmetall 320 ein. Die magnetisierten Elemente 330 sind in das Weyl-Halbmetall 320 integriert. Genauer gesagt, bei den magnetisierten Elementen 330 handelt es sich um Atome. Die Atome sind fein verteilt innerhalb des Weyl-Halbmetalls angeordnet. Ferner weist die thermoelektrische Einheit 300 eine Stromquelle 340 zum Beaufschlagen des thermoelektrischen Elements 310 mit einem elektrischen Strom I auf. Der elektrische Strom I wird dem thermoelektrischen Element 310 über elektrische Kontaktelektroden 350 zugeführt. Ferner weist die thermoelektrische Einheit 300 Wärmekontakte 360 und 365 auf, die z.B. als Keramikscheiben realisiert sein können. Der Wärmekontakt 360 kann mit einer Wärmequelle 370 und der Wärmekontakt 365 mit einem Kühlkörper 375 gekoppelt sein.
Das Weyl-Halbmetall 320 ist so beschaffen, dass es einen Wärmestrom H parallel zu dem elektrischen Strom von der Wärmequelle 370 zu dem Kühlkörper 375 leitet. Das gerichtete Magnetfeld B ist in einer zu dem elektrischen Strom I und dem Wärmestrom H parallelen Richtung ausgerichtet.
4 zeigt eine thermoelektrische Einheit 400, die als Kühleinheit ausgeführt ist. Die thermoelektrische Einheit 400 weist vier Thermoelemente 410, 411, 412 und 413 auf, die jeweils als thermoelektrisches Material ein Weyl-Halbmetall und eine Mehrzahl magnetisierter Elemente 430 aufweist. Jedes der magnetisierten Elemente 430 wirkt durch ein (nicht gezeigtes) gerichtetes Magnetfeld B auf das Weyl-Halbmetall ein. Das Thermoelement 410 und das Thermoelement 412 sind p-dotiert und somit als Weyl-Halbmetall vom p-Typ realisiert. Das Thermoelement 411 und das Thermoelement 413 sind n-dotiert und somit als Weyl-Halbmetall vom n-Typ realisiert. Die vier thermoelektrischen Elemente 410, 411, 412 und 413 sind elektrisch in Reihe geschaltet. Eine Kontaktelektrode 450 steht in Kontakt mit dem thermoelektrischen Element 410, eine Kontaktelektrode 451 verbindet die thermoelektrischen Elemente 410 und 411 miteinander, eine Kontaktelektrode 452 verbindet die thermoelektrischen Elemente 411 und 412 miteinander, eine Kontaktelektrode 453 verbindet die Thermoelemente 412 und 413 miteinander, und eine Kontaktelektrode 454 steht in Kontakt mit dem thermoelektrischen Element 413.
Ferner weist die thermoelektrische Einheit 400 eine Stromquelle auf, um die thermoelektrischen Elemente 410 und 413 der Reihe nach mit einem elektrischen Strom I zu beaufschlagen.
Ferner weist die thermoelektrische Einheit 400 Wärmekontakte 460 und 465 auf, die z.B. als Keramikscheiben realisiert sein können. Der Wärmekontakt 460 kann mit einer (nicht gezeigten) Wärmequelle und der Wärmekontakt 465 mit einem (nicht gezeigten) Kühlkörper verbunden sein.
5 zeigt eine thermoelektrische Einheit 500, die als elektrische Energiequelle realisiert ist. Die thermoelektrische Einheit 500 wandelt eine Temperaturdifferenz zwischen einer warmen Seite der Einheit 500 mit einer Temperatur T_H und einer kalten Seite der Einheit mit einer Temperatur Tc in elektrische Energie um.
Genauer gesagt, die thermoelektrische Einheit 500 weist vier Thermoelemente 510, 511, 512 und 513 auf, die jeweils ein Weyl-Halbmetall als thermoelektrisches Material und eine Mehrzahl magnetisierter Element 530 aufweisen. Jedes der magnetisierten Elemente 530 wirkt durch ein (nicht gezeigtes) gerichtetes Magnetfeld B auf das Weyl-Halbmetall ein. Das Thermoelement 510 und das Thermoelement 512 sind p-dotiert und somit als Weyl-Halbmetall vom p-Typ realisiert. Das Thermoelement 511 und das Thermoelement 513 sind n-dotiert und somit als Weyl-Halbmetall vom n-Typ realisiert. Die vier thermoelektrischen Elemente 510, 511, 512 und 513 sind elektrisch in Reihe geschaltet. Eine Kontaktelektrode 550 steht in Kontakt mit dem thermoelektrischen Element 510, eine Kontaktelektrode 551 verbindet die thermoelektrischen Elemente 510 und 511 miteinander, eine Kontaktelektrode 552 verbindet die thermoelektrischen Elemente 511 und 512 miteinander, eine Kontaktelektrode 553 verbindet die thermoelektrischen Elemente 512 und 513 miteinander, und eine Kontaktelektrode 554 steht in Kontakt mit dem thermoelektrischen Element 513. Die Kontaktelektroden 550 und 554 sind elektrisch mit einem Lastwiderstand R_L verbunden.
Ferner weist die thermoelektrische Einheit 500 Wärmekontakte 560 und 565 auf, die z.B. als Keramikscheiben realisiert sein können. Der Wärmekontakt 560 ist so beschaffen, dass er Wärme aufnimmt, z.B. Solarwärme, und die Einheit 500 wandelt diese Wärme in einen elektrischen Strom I und somit in elektrische Energie am Lastwiderstand R_L um.
6 zeigt eine thermoelektrische Einheit 600, die als Temperatursensor realisiert ist.
Genauer gesagt, die thermoelektrische Einheit 600 weist zwei Thermoelemente 610 und 611 auf, die jeweils als thermoelektrisches Material ein Weyl-Halbmetall und eine Mehrzahl magnetisierter Elemente 630 aufweisen. Jedes der magnetisierten Elemente 630 wirkt durch ein (nicht gezeigtes) gerichtetes Magnetfeld B auf das Weyl-Halbmetall ein. Das Thermoelement 610 ist p-dotiert und somit als Weyl-Halbmetall vom p-Typ realisiert. Das Thermoelement 611 ist n-dotiert und somit als Weyl-Halbmetall vom n-Typ realisiert. Die beiden thermoelektrischen Elemente 610 und 611 sind elektrisch in Reihe geschaltet. Eine Kontaktelektrode 650 steht in Kontakt mit dem thermoelektrischen Element 610, eine Kontaktelektrode 651 verbindet die thermoelektrischen Elemente 610 und 611 miteinander und eine Kontaktelektrode 652 steht in Kontakt mit dem thermoelektrischen Element 611. Die Kontaktelektroden 650 und 652 sind elektrisch mit einem Spannungsmesser 680 verbunden.
Ferner weist die thermoelektrische Einheit 600 Wärmekontakte 660 und 665 auf, die z.B. als Keramikscheiben realisiert sein können. Der Wärmekontakt 665 wird bei einer festen Referenztemperatur TREF betrieben, wobei die Einheit 600 dazu dient, eine Temperatur T_M an der Seite des Wärmekontakts 660 zu messen. Genauer gesagt, die an dem Spannungsmesser 680 gemessene Spannung wird in eine Temperaturdifferenz in Bezug auf die Referenztemperatur T_Ref umgewandelt.
7 veranschaulicht Verfahrensschritte eines Verfahrens 700 zum Kühlen einer Einheit.
In einem Schritt 710 wird eine thermoelektrische Einheit bereitgestellt, die ein Thermoelement aufweist. Das Thermoelement weist ein Weyl-Halbmetall und eine Mehrzahl magnetisierter Elemente auf und kann wie oben beschrieben aufgebaut sein.
In einem Schritt 720 wird das Thermoelement mittels einer Stromquelle durch die thermoelektrische Einheit mit einem elektrischen Strom beaufschlagt.
In einem Schritt 730 wirken die Mehrzahl magnetisierter Elemente durch ein gerichtetes Magnetfeld parallel zu der Richtung des elektrischen Stroms auf das Weyl-Halbmetall ein.
In einem Schritt 740 erzeugt die thermoelektrische Einheit als Reaktion auf den elektrischen Strom einen Wärmestrom durch das Thermoelement.
Das Verfahren 700 stellt Vorteile in Form einer Kühlleistung unter Verwendung eines Weyl-Halbmetalls als thermoelektrisches Material in Kombination mit dem Einwirken eines gerichteten Magnetfeldes bereit.
8 veranschaulicht Verfahrensschritte eines Verfahrens 800 zum Erzeugen von elektrischer Energie.
In einem Schritt 810 wird eine thermoelektrische Einheit bereitgestellt, die ein Thermoelement aufweist. Das Thermoelement weist ein Weyl-Halbmetall und eine Mehrzahl magnetisierter Elemente auf und kann wie oben beschrieben aufgebaut sein.
In einem Schritt 820 wird ein Wärmestrom zu der thermoelektrischen Einheit bereitgestellt, z.B. in Form von Sonnenwärme.
In einem Schritt 830 wirkt die Mehrzahl magnetisierter Elemente durch ein zu dem Wärmestrom paralleles gerichtetes Magnetfeld auf das Weyl-Halbmetall ein.
In einem Schritt 840 erzeugt die thermoelektrische Einheit als Reaktion auf den Wärmestrom einen elektrischen Strom durch das Thermoelement.
Das Verfahren 800 stellt Vorteile in Form leistungsfähiger Energiegewinnung durch Verwenden eines Weyl-Halbmetalls als thermoelektrisches Material in Kombination mit dem Einwirken eines gerichteten Magnetfeldes bereit.

Claims

Thermoelektrische Einheit, die ein Thermoelement aufweist, wobei das Thermoelement ein Weyl-Halbmetall und eine Mehrzahl magnetisierter Elemente aufweist, wobei durch die Mehrzahl magnetisierter Elemente ein gerichtetes Magnetfeld auf das Weyl-Halbmetall einwirkt.
Thermoelektrische Einheit nach Anspruch 1, wobei das Weyl-Halbmetall dazu dient, einen Wärmestrom und einen elektrischen Strom zu leiten; und das gerichtete Magnetfeld in einer zu dem elektrischen Strom parallelen Richtung ausgerichtet ist.
Thermoelektrische Einheit nach Anspruch 2, wobei die magnetisierten Elemente so angeordnet sind, dass der Wärmestrom und der elektrische Strom hauptsächlich durch das Weyl-Halbmetall fließen.
Thermoelektrisches Einheit nach Anspruch 1, wobei die magnetisierten Elemente nahe dem Weyl-Halbmetall angeordnet sind.
Thermoelektrische Einheit nach Anspruch 4, wobei die magnetisierten Elemente in einer Reihe mit vorgegebenen Abständen voneinander angeordnet sind.
Thermoelektrische Einheit nach Anspruch 1, wobei die magnetisierten Elemente in das Weyl-Halbmetall integriert sind.
Thermoelektrische Einheit nach Anspruch 6, wobei es sich bei den magnetisierten Elementen um Mikroelemente handelt.
Thermoelektrische Einheit nach Anspruch 6, wobei es sich bei den magnetisierten Elementen um Atome handelt.
Thermoelektrische Einheit nach Anspruch 1, wobei das Weyl-Halbmetall aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus TaAs, NbP und TaP besteht.
Thermoelektrische Einheit nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Weyl-Halbmetall um ein Dirac-Metall handelt.
Thermoelektrische Einheit nach Anspruch 10, wobei das Dirac-Metall aus der Gruppe gewählt wird, die aus Cd₂As₃ und Na₃Bi besteht.
Thermoelektrische Einheit nach Anspruch 1, wobei das Weyl-Halbmetall aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus RPtBi und GdPtBi besteht.
Thermoelektrische Einheit nach Anspruch 1, wobei die magnetisierten Elemente Seltenerdmetallmagnete aufweisen.
Thermoelektrische Einheit nach Anspruch 1, wobei die magnetisierten Elemente aus der Gruppe gewählt werden, die aus Neodym-Eisen-Bor, Mangan-Aluminium, Samarium-Cobalt oder Aluminium-Nickel-Cobalt besteht.
Thermoelektrische Einheit nach Anspruch 1, wobei es sich bei der thermoelektrischen Einheit um eine Kühleinheit handelt.
Thermoelektrische Einheit nach Anspruch 1, wobei es sich bei der thermoelektrischen Einheit um eine elektrische Energiequelle zum Umwandeln einer Temperaturdifferenz zwischen Kontaktelektroden der thermoelektrischen Einheit in elektrische Energie handelt.
Thermoelektrische Einheit nach Anspruch 1, wobei es sich bei der thermoelektrischen Einheit um einen Temperatursensor handelt.
Thermoelektrische Einheit nach Anspruch 1, wobei durch die magnetisierten Elemente ein Magnetfeld von mindestens 1 Tesla auf das Weyl-Halbmetall einwirkt.
Thermoelektrische Einheit nach Anspruch 1, wobei das Thermoelement zwischen Kontaktelektroden angeordnet ist; das Thermoelement dazu dient, einen elektrischen Strom zwischen den Kontaktelektroden zu leiten.
Thermoelektrische Einheit nach Anspruch 1, wobei das Thermoelement die Form eines Stabes hat; der Stab eine Breite in einem Bereich zwischen 0,1 µm und 10 µm hat; die magnetischen Elemente eine Breite in einem Bereich zwischen 0,1 µm und 10 µm haben; die magnetischen Elemente eine Länge in einem Bereich zwischen 0,1 µm und 10 µm haben; und die magnetischen Elemente in einem Abstand d voneinander angeordnet sind, wobei der Abstand d in einem Bereich zwischen 0,1 µm und 10 µm liegt.
Verfahren zum Kühlen einer Einheit, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen einer thermoelektrischen Einheit, die ein Thermoelement aufweist, wobei das Thermoelement ein Weyl-Halbmetall und eine Mehrzahl magnetisierter Elemente aufweist; Beaufschlagen des Thermoelements durch die thermoelektrische Einheit mit einem elektrischen Strom; Einwirken eines gerichteten Magnetfeldes durch die Mehrzahl magnetisierter Elemente auf das Weyl-Halbmetall, wobei das gerichtete Magnetfeld parallel zu der Richtung des elektrischen Stroms ausgerichtet ist; und Erzeugen eines Wärmestroms durch das Thermoelement als Reaktion auf den elektrischen Strom.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die magnetisierten Elemente nahe dem Weyl-Halbmetall angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die magnetisierten Elemente in das Weyl-Halbmetall integriert sind.
Verfahren zum Erzeugen von elektrischer Energie, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen einer thermoelektrischen Einheit, die ein Thermoelement aufweist, wobei das Thermoelement ein Weyl-Halbmetall und eine Mehrzahl magnetisierter Elemente aufweist; Einwirken eines Wärmestroms auf die thermoelektrische Einheit; Einwirken eines gerichteten Magnetfeldes durch die Mehrzahl magnetisierter Elemente auf das Weyl-Halbmetall, wobei das gerichtete Magnetfeld parallel zu dem Wärmefluss einwirkt; und Erzeugen eines elektrischen Stroms durch das Thermoelement als Reaktion auf den Wärmestrom.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die magnetisierten Elemente nahe dem Weyl-Halbmetall angeordnet oder in das Weyl-Halbmetall integriert sind.