DE19646915A1 - Thermoelektrischer Umwandlungsmodul und Verfahren zum Herstellen desselben - Google Patents

Thermoelektrischer Umwandlungsmodul und Verfahren zum Herstellen desselben

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen thermoelektri­ schen Umwandlungsmodul zur Verwendung in einem einen thermo­ elektrischen Effekt ausnützenden Gerät, wie beispielsweise ei­ nem elektronischen Kühlgerät und einem elektrischen Energieer­ zeugungsgerät, und insbesondere auf einen thermoelektrischen Umwandlungsmodul mit mittels Metallelektroden in Kaskade ge­ schalteten N-Typ-Halbleiterelementen und P-Typ-Halbleiter­ elementen. Außerdem bezieht sich die vorliegende Erfindung auch auf ein Verfahren zur Herstellen eines derartigen thermoelek­ trischen Umwandlungsmoduls.
Es gibt verschiedene Arten von thermoelektrischen Umwandlungs­ modulen, die den Seebeck-Effekt, Peltier-Effekt und Thomson-Effekt ausnutzen. Unter diesen thermoelektrischen Umwandlungs­ modulen wurde ein Seebeck-Effekt-Element und ein Peltier- Effekt-Elemente realisiert, in denen ein thermoelektrisches Element durch Verbinden verschiedener Arten von Metallen gebil­ det ist. Im Seebeck-Effekt-Element sind verschiedene Arten von Metallen verbunden, um eine geschlossene Schleife zu bilden, und Thermoelektrizität wird erzeugt, indem Verbindungsstellen auf verschiedene Temperaturen gebracht sind. Ein derartiges Seebeck-Effekt-Element kann als thermoelektrisches Element ein­ gesetzt werden. Im Peltier-Effekt-Element sind verschiedene Ar­ ten von Metallen verbunden, um eine geschlossene Schleife zu bilden, und ein elektrischer Strom wird durch die Schleife in einer gegebenen Richtung geschickt, damit Wärmeabsorption am einen Verbindungspunkt und Wärmeerzeugung am anderen Verbin­ dungspunkt auftreten. Ein derartiges thermoelektrisches Element kann als ein thermoelektrisches Heizelement oder ein thermo­ elektrisches Kühlelement eingesetzt werden. Um die Wirksamkeit dieser Elemente zu verbessern, wird verbreitet ein Übergang zwischen einem Halbleiter und einem Metall verwendet, da ein größerer Seebeck-Koeffizient und ein größerer Peltier- Koeffizient durch einen Halbleiter-Metall-Übergang als durch einen Metall-Metall-Übergang erzielt werden können.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung, die ein Grundstruktur eines üblichen thermoelektrischen Umwandlungsmoduls zeigt, der als das obige thermoelektrische Element aufgebaut ist. Der thermoelektrische Umwandlungsmodul umfaßt eine Anzahl von N-Typ-Halbleiterelementen 1 und eine Anzahl von P-Typ-Halbleiter­ elementen 2, wobei die N-Typ- und P-Typ-Halbleiterelemente ab­ wechselnd angeordnet sind. Benachbarte N-Typ-Halbleiterelemente 1 und 2 sind in Kaskade mittels aus Metallsegmenten bestehenden Elektroden 3 verbunden. Das linksseitige N-Typ-Halbleiter­ element 1 und das rechtsseitige P-Typ-Halbleiterelement 2 in der Halbleiterelementanordnung in Kaskadenverbindung sind mit entgegengesetzten Enden einer Last 4 verbunden. Eine Seite der Halbleiteranordnung ist in eine Umgebung höherer Temperatur ge­ bracht, während das andere Ende in einer Umgebung niedrigerer Temperatur vorgesehen ist. Dann fließen in jedem der N-Typ-Halbleiterelemente 1 Elektronen von der Hochtemperaturseite zu der Niedertemperaturseite, wie dies durch Voll-Linien gezeigt ist (ein elektrischer Strom fließt von der Niedertemperatursei­ te zu der Hochtemperaturseite). In jedem der P-Typ-Halbleiter­ elemente 2 fließen Löcher von der Hochtemperaturseite zu der Niedertemperaturseite, wie dies durch Strichlinien angedeutet ist (ein elektrischer Strom fließt von der Hochtemperaturseite zu der Niedertemperaturseite). Daher liegt eine Spannung über der Last 4 mit einer in Fig. 1 angegebenen Polarität. Die Halb­ leiterelemente 1 und 2 können aus einem Bi-Te-Halbleiter (bei­ spielsweise Bi₂Te₃), einem Bi-Sb-Halbleiter (beispielsweise Bi0,88Sb0,12) oder einem Si-Ge-Halbleiter (beispielsweise Sio,8Ge0,2) hergestellt sein.
Fig. 2 ist eine perspektivische Darstellung, die ein bekanntes Verfahren zum Herstellen des oben beschriebenen, üblichen ther­ moelektrischen Umwandlungsmoduls zeigt. Auf einer Oberfläche eines isolierenden Substrates 5 sind Elektrodenmetallsegmente 6 durch Löten oder Schweißen in einem gegebenen Muster befestigt. Dann werden N-Typ-Halbleiterelemente 1 und P-Typ-Halbleiter­ elemente 2 an den Metallsegmenten 6 durch Löten oder Schweißen angebracht. Die Halbleiterelemente 1 und 2 können durch ein Einkristall-Schmelzverfahren oder durch Schneiden eines gesin­ terten Halbleitermaterials hergestellt sein. Auf Oberseiten der N-Typ- und P-Typ-Halbleiterelemente 1 und 2 sind Metallsegmente 7 durch Löten oder Schweißen angebracht. Auf diese Weise sind die N-Typ-Halbleiterelemente 1 und die P-Typ-Halbleiterelemente 2 abwechselnd angeordnet und mittels der Metallsegmente 6 und 7 in Kaskade verbunden. In diesem Fall wurde bereits angeregt, die Metallsegmente 7 gleichzeitig an den Halbleiterelementen 1 und 2 durch Verwenden einer isolierenden Platte festzulegen, auf der zuvor ein Metallelektrodenmuster erzeugt wurde.
In den japanischen Patentveröffentlichungen 58-199578, 61-263176, 5-283753, 7-162039 und 8-18109 sind verschiedene üb­ liche Verfahren zum Herstellen von thermoelektrischen Umwand­ lungsmodulen beschrieben. In der japanischen Patentveröffentli­ chung 58-199578 werden, nachdem N-Typ-Halbleiterelemente und P-Typ-Halbleiterelemente abwechselnd angeordnet wurden, Zwischen­ räume zwischen benachbarten Halbleiterelementen mit einem Haft­ mittel gefüllt. In der japanischen Patentveröffentlichung 61-263 176 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem eine N-Typ-Halbleiterschicht und eine P-Typ-Halbleiterschicht sukzessiv aufeinander abgeschieden werden, wobei Zwischenräume außer Kon­ taktbereichen von diesen Schichten mit einem glasartigen Mate­ rial gefüllt werden. In einem in der japanischen Patentveröf­ fentlichung 5-283753 beschriebenen Verfahren sind N-Typ-Halb­ leiterelemente und P-Typ-Halbleiterelemente abwechselnd in Mehrfachlöchern eines Wärmewiderstandsisolators angeordnet. Weiterhin ist in der japanischen Patentveröffentlichung 7-162039 ein Verfahren beschrieben, bei dem eine einzige Anord­ nung von Durchgangslöchern in einem Formkörper gebildet wird, und N-Typ-Halbleiterelemente sowie P-Typ-Halbleiterelemente werden abwechselnd in dieser Durchgangslöcher eingeführt. Schließlich ist in der japanischen Patentveröffentlichung 8-18109 ein thermoelektrischer Modul erläutert, der N-Typ- und P-Typ-Halbleiterelemente hat, wobei ein isolierendes Material, wie beispielsweise Kunstharz, Keramik und Glas, Zwischenräume zwischen benachbarten Halbleiterelementen füllt. Ein derartiger thermoelektrischer Modul wird gebildet, indem eine N-Typ-Halbleiterschicht auf einem Glassubstrat erzeugt wird, indem eine P-Typ-Halbleiterschicht auf einem anderen Glassubstrat er­ zeugt wird, indem die Halbleiterschichten jeweils durch eine Schneid- oder Fräsmaschine geschnitten werden, um Glieder zu erhalten, in welchen säulenähnliche N-Typ- und P-Typ-Halblei­ terelemente ausgerichtet sind, indem diese Glieder so angeord­ net werden, daß die N-Typ-Halbleiterelemente und die P-Typ-Halbleiterelemente abwechselnd vorgesehen sind, und indem Zwi­ schenräume zwischen diesen Halbleiterelementen mit einem iso­ lierenden Material gefüllt werden.
Wenn ein thermoelektrischer Umwandlungsmodul großer Kapazität einschließlich einer großen Anzahl von thermoelektrischen Ele­ menten durch das in Fig. 2 gezeigte herkömmliche Verfahren her­ zustellen ist, sind eine extrem hohe Bearbeitungsgenauigkeit und eine hohe Zusammenbaufähigkeit erforderlich, und somit steigen die Herstellungskosten sehr stark. Darüber hinaus ist es unmöglich, einen thermoelektrischen Umwandlungsmodul mit ei­ ner gekrümmten Oberfläche herzustellen. Eine derartige gekrümm­ te Oberfläche ist erforderlich, wenn ein thermoelektrischer Um­ wandlungsmodul an einem Basisglied mit einer gekrümmten Ober­ fläche befestigt ist. Daher kann der durch dieses herkömmliche Verfahren hergestellte Modul bei zahlreichen Anwendungen nicht eingesetzt werden. Wenn beispielsweise der thermoelektrische Umwandlungsmodul auf ein System angewandt wird, bei dem elek­ trische Energie erzeugt wird, indem Abwärme einer Brennkraftma­ schine verwendet wird, so ist ein Raum zum Vorsehen des thermo­ elektrischen Umwandlungsmoduls begrenzt, und in zahlreichen Fällen wird es gewünscht, den thermoelektrischen Umwandlungsmo­ dul auf einer gekrümmten Oberfläche vorzusehen. Jedoch kann der durch das oben erwähnte bekannte Verfahren hergestellte Modul nicht eine gekrümmte Oberfläche aufweisen, und er kann daher nicht auf ein derartiges thermoelektrisches Energiesystem ange­ wandt werden.
In dem in der japanischen Patentveröffentlichung 58-199578 be­ schriebenen bekannten Verfahren erfordert die Anordnung der N-Typ- und P-Typ-Halbleiterelemente ein sehr kompliziertes Ar­ beiten, eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit und eine große Zusam­ menbaufähigkeit, und somit werden die Herstellungskosten be­ trächtlich hoch. In dem in der japanischen Patentveröffentli­ chung 61-263176 beschriebenen bekannten Verfahren ist aufgrund der Differenz im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Halbleitermaterial und dem glasartigen Material der thermoelek­ trische Umwandlungsmodul einer Beschädigung durch einen Wärme­ zyklus ausgesetzt, und er hat somit eine kurze Lebensdauer. In den bekannten Verfahren, die in den japanischen Patentveröf­ fentlichungen 5-283753 und 7-162039 beschrieben sind, erfordert die Einführung der N-Typ- und P-Typ-Halbleiterelemente in die Löcher des isolierenden Substrates eine hohe Bearbeitungsgenau­ igkeit und eine große Fähigkeit, so daß die Herstellungskosten sehr hoch werden. Weiterhin kann der thermoelektrische Umwand­ lungsmodul durch einen Wärmezyklus aufgrund der Differenz in den Wärmeausdehnungskoeffizienten beschädigt werden. In dem in der japanischen Patentveröffentlichung 8-18109 vorgeschlagenen üblichen Verfahren ist die Anordnung der Halbleiterelemente durch die Schneid- bzw. Fräsmaschine gebildet, und es ist sehr schwierig, einen thermoelektrischen Umwandlungsmodul mit einer kleinen Größe zu fertigen. Daher ist die Kapazität des thermo­ elektrischen Umwandlungsmoduls begrenzt. Weiterhin kann auf­ grund der Differenz im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den Halbleiterelementen und dem die Zwischenräume zwischen den Halbleiterelemente füllenden isolierenden Material der thermo­ elektrische Umwandlungsmodul beschädigt werden, und seine Halt­ barkeit ist ebenfalls beschränkt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen vorteilhaften und neuartigen thermoelektrischen Umwandlungsmodul mit einer gekrümmten Oberfläche und einer großen Kapazität vorzusehen; außerdem soll ein Verfahren zum Herstellen eines thermoelektri­ schen Umwandlungsmoduls mit großer Kapazität und gekrümmter Oberfläche auf genaue, einfache und wenig aufwendige Weise vor­ geschlagen werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die Erfindung einen thermo­ elektrischen Umwandlungsmodul, wie dieser im Patentanspruch 1 beschrieben ist, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines ther­ moelektrischen Umwandlungsmoduls, wie dieses im Patentanspruch 7 zusammengefaßt ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung hat ein thermoelektrischer Um­ wandlungsmodul:
einen Bienenwabenstrukturkörper aus einem elektrisch isolieren­ den Material und mit einer ersten Oberfläche, einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche und einer Vielzahl von Kanälen, die sich von der ersten Oberfläche zu der zweiten Oberfläche erstrecken, wobei abwechselnd ein oder meh­ rere Kanäle der Vielzahl von Kanälen in eine erste Gruppe und die verbleibenden Kanäle in eine zweite Gruppe klassifiziert sind,
eine Vielzahl von elektrisch isolierenden Füllgliedern, deren jedes in einem jeweiligen Kanal des Bienenwabenstrukturkörpers vorgesehen ist und darin ein Durchgangsloch aufweist, das sich von der ersten Oberfläche zu der zweiten Oberfläche des Bienen­ wabenstrukturkörpers erstreckt,
eine Vielzahl von N-Typ-Halbleiterelementen, deren jedes in ei­ nem jeweiligen Durchgangsloch der elektrisch isolierenden Füll­ glieder vorgesehen ist, die in den Kanälen ausgebildet sind, die zu der ersten Gruppe gehören,
eine Vielzahl von P-Typ-Halbleiterelementen, deren jedes in ei­ nem jeweiligen Durchgangsloch der elektrisch isolierenden Füll­ glieder vorgesehen ist, die in den zu der zweiten Gruppe gehö­ renden Kanälen ausgebildet sind, und
Metallelektroden, die auf den ersten und zweiten Oberflächen des Bienenwabenstrukturkörpers derart vorgesehen sind, daß ein oder mehrere benachbarte N-Typ-Halbleiterelemente und ein oder mehrere P-Typ-Halbleiterelemente, die in den Kanälen vorgesehen sind, die abwechselnd zu der ersten und zu der zweiten Gruppe gehören, in Kaskade mittels der Metallelektroden verbunden sind.
Gemäß der Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Herstellen des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls die folgenden Schritte:
Vorbereiten eines Bienenwabenstrukturkörpers aus einem elek­ trisch isolierenden Material und mit einer ersten Oberfläche, einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberflä­ che und einer Vielzahl von Kanälen, die sich von der ersten Oberfläche zu der zweiten Oberfläche erstrecken, wobei ein oder mehrere abwechselnde Kanäle in eine erste Gruppe und die ver­ bleibenden Kanäle in eine zweite Gruppe klassifiziert sind,
Einführen von N-Typ- und P-Typ-Halbleitersegmenten bzw. -streifen, in die zu der ersten bzw. zweiten Gruppe gehörenden Kanäle,
Füllen von Zwischenräumen, die zwischen Kanälen gebildet sind, die die Kanäle und die darin eingeführten Halbleiterelemente definieren, mit elektrisch isolierenden Füllgliedern,
Schneiden des Bienenwabenstrukturkörpers in eine Vielzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmodul-Hauptkörpern einer ge­ wünschten Gestalt, deren jeder N-Typ- und P-Typ-Halbleiter­ elemene hat, die in den Kanälen vorgesehen sind und an wechsel­ seitig gegenüberliegenden ersten und zweiten Oberflächen frei­ liegen, und
Bilden von Metallelektroden auf entgegengesetzten Oberflächen des thermoelektrischen Umwandlungsmodul-Hauptkörpers derart, daß ein oder mehrere benachbarte N-Typ-Halbleiterelemente und ein oder mehrere P-Typ-Halbleiterelemente mittels der Metalle­ lektroden in Kaskade verbunden sind.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Herstellen des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls gemäß der Erfindung sind die Elektroden zum Verbinden der frei liegenden Endflächen der N-Typ- und P-Typ-Halbleiterelemente durch ein Drucken, Löten oder Schweißen erzeugt.
In dem thermoelektrischen Umwandlungsmodul gemäß der Erfindung sind die N-Typ- und P-Typ-Halbleiterelemente in den Durchgangs­ löchern vorgesehen, die in den elektrisch isolierenden Füll­ gliedern ausgebildet sind, welche in den Kanälen des Bienenwa­ benstrukturkörpers angeordnet sind, und somit können die Halb­ leiterelemente genau und stabil in ihrer Lage in dem Kanal mit­ tels der elektrisch isolierenden Füllglieder festgelegt werden. Daher wird die Anzahl der aus dem Bienenwabenstrukturkörper herausfallenden oder unvollständig angeordneten Elemente sehr klein, so daß der thermoelektrische Umwandlungsmodul mit großer Kapazität einfach erhalten werden kann. Darüber hinaus kann ei­ ne Oberflächenkonfiguration des thermoelektrischen Umwandlungs­ moduls in jede gewünschte Gestalt geformt werden, und somit ist es möglich, den thermoelektrischen Umwandlungsmodul mit einer gekrümmten Oberfläche zu realisieren, die in direkten Kontakt mit einer gekrümmten Oberfläche eines Basisgliedes gebracht werden kann. Wenn weiterhin das elektrisch isolierende Füll­ glied aus einem leicht deformierbaren Material hergestellt ist, kann eine Differenz im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Bienenwabenstrukturkörper und dem Halbleitermaterial durch das elektrisch isolierende Füllglied absorbiert werden. Selbst wenn daher der thermoelektrische Umwandlungsmodul einem ge­ trennten Wärmezyklus unterworfen wird, kann eine Beschädigung wirksam verhindert werden, und seine Lebensdauer wird verlän­ gert.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nach einem Einführen der Halbleiterstreifen in die Kanäle des Bienenwabenstruktur­ körpers und einem Positionieren dieser Halbleiterstreifen mit­ tels der elektrisch isolierenden Füllglieder der Bienenwaben­ strukturkörper in eine Vielzahl von Bienenwabenstrukturhaupt­ körpern geschnitten. Daher ist eine erforderliche Genauigkeit für den Bienenwabenstrukturkörper und die Halbleiterstreifen verringert, und die Ausbeute des Bienenwaben-Umwandlungsmodul- Hauptkörpers ist verbessert. Auf diese Weise ist es möglich, den thermoelektrischen Umwandlungsmodul mit einer großen Kapa­ zität und einer gekrümmten Oberfläche in einer genauen, einfa­ chen und wenig aufwendigen Weise zu fertigen.
Ein thermoelektrischer Umwandlungsmodul mit einer großen Kapa­ zität und einer gekrümmten Oberfläche, die an einer entspre­ chenden gekrümmten Oberfläche eines Basisgliedes befestigt wer­ den, wird also hergestellt, indem N-Typ- und P-Typ-Halbleiter­ streifen in Durchgangslöcher eingeführt werden, die in einem Bienenwabenstrukturkörper ausgebildet sind, indem Zwischenräume zwischen Wänden, die die Durchgangslöcher und die Halbleiter­ streifen definieren, mit elektrisch isolierenden Füllgliedern gefüllt werden, die aus einem leicht deformierbaren Material, wie beispielsweise Polyimidharz und Silizium- bzw. Silikonharz, hergestellt sind, indem der Bienenwabenstrukturkörper in eine Vielzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmodul-Hauptkörper geschnitten wird, deren jeder eine gewünschte Oberflächenkonfi­ guration hat, und indem Metallelektroden auf beiden Oberflächen des thermoelektrischen Umwandlungsmodul-Hauptkörpers derart vorgesehen werden, daß abwechselnd N-Typ- und P-Typ-Halbleiter­ elemente in Kaskade verbunden sind.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher er­ läutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung, die einen herkömmli­ chen thermoelektrischen Umwandlungsmodul zeigt,
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung, die ein übliches Verfahren zum Herstellen des thermoelektrischen Um­ wandlungsmoduls veranschaulicht,
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung, die ein Ausfüh­ rungsbeispiel des erfindungsgemäßen thermoelektri­ schen Umwandlungsmoduls zeigt,
Fig. 4A-4E Darstellungen, die aufeinanderfolgende Schritte eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens veranschaulichen, und
Fig. 5A-5C perspektivische und Schnittdarstellungen, die ein anderes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen thermoelektrischen Umwandlungsmoduls zeigen.
Fig. 3 ist eine perspektivische Darstellung, die ein Ausfüh­ rungsbeispiel des erfindungsgemäßen thermoelektrischen Umwand­ lungsmoduls in einer teilweise aufgebrochenen Darstellung zeigt. Der thermoelektrische Umwandlungsmodul des vorliegenden Ausführungsbeispiels umfaßt einen Bienenwabenstrukturkörper 11 aus einem elektrisch isolierenden Material und mit einer Anzahl von dünnen Kanälen in der Gestalt von Durchgangslöchern 12, in denen N-Typ-Halbleiterelemente 13 und P-Typ-Halbleiterelemente 14 vorgesehen sind. Erfindungsgemäß sind Zwischenräume zwischen Wänden, die die Kanäle 12 und die Halbleiterelemente 13 und 14 festlegen, mit elektrisch isolierenden Füllgliedern 15 derart gefüllt, daß die Halbleiterelemente 13 und 14 in jeweiligen Ka­ nälen positioniert sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind N-Typ-Halbleiterelemente 13 und P-Typ-Halbleiterelemente 14 abwechselnd angeordnet. Obere und untere Endflächen der N-Typ- und P-Typ-Halbleiterelemente 13 und 14 sind mittels oberen Elektroden 16 und unteren Elektroden 17 derart verbunden, daß die N-Typ- und P-Typ-Halbleiterelemente in Kaskadenweise ange­ schlossen sind.
Die Fig. 4A bis 4E zeigen aufeinanderfolgende Schritte eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Her­ stellen des in der Fig. 3 dargestellten thermoelektrischen Um­ wandlungsmoduls.
Zunächst wird, wie in Fig. 4A veranschaulicht ist, ein elek­ trisch isolierender Bienenwabenstrukturkörper 21, in welchem eine große Anzahl von Kanälen 22 ausgebildet ist, vorbereitet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die Kanäle 22 in der Gestalt von viereckigen bzw. quadratischen Durchgangslöchern gebildet, deren jedes eine Querschnittsfläche von 25 mm² hat (eine Seite beträgt 5 mm). Dieser Bienenwabenstrukturkörper 21 ist aus Dichroit (Mg₂Al(AlSi₅)O₁₈) hergestellt und hat eine Hö­ he von 10 cm. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel hat ein late­ raler Schnitt eines Durchgangsloches 22 eine viereckförmige bzw. quadratische Gestalt, jedoch kann gemäß der Erfindung das Durchgangsloch jede beliebige Querschnittsgestalt haben, wie beispielsweise kreisförmig, dreieckförmig, rechteckförmig und hexagonal sein. In Fig. 4A ist das Durchgangsloch 22 zur Ver­ deutlichung so gezeichnet, daß es eine große Abmessung im Ver­ gleich mit dem Bienenwabenstrukturkörper 21 hat, so daß die An­ zahl der gezeigten Durchgangslöcher klein ist; bei einem tat­ sächlichen Modul wird jedoch eine große Anzahl von Durchgangs­ löchern 22 mit einem sehr kleinen Querschnitt gebildet.
Sodann werden, wie in Fig. 4B veranschaulicht ist, N-Typ-Halbleiterstreifen 23 und P-Typ-Halbleiterstreifen 24 in ab­ wechselnde Durchgangslöcher 22 eingeführt. Im vorliegenden Aus­ führungsbeispiel ist der N-Typ-Halbleiterstreifen 23 aus Si0,8Ge0,2 hergestellt, das Phosphor (P) mit 0,2 Gew.-% als N-Typ-Dotierstoff enthält, und der P-Typ-Halbleiterstreifen 24 ist aus Si0,8Ge0,2 hergestellt, das Bor (B) mit 0,05 Gew.-% als P-Typ-Dotierstoff enthält. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel haben die Halbleiterstreifen 23 und 24 einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von 4 mm und einer Länge von nicht weniger als 10 cm. Gemäß der Erfindung können die Halb­ leiterstreiten jede gewünschte Querschnittsgestalt haben, wie beispielsweise quadratische, dreiförmige und rechteckförmige Ausbildungen. Es soll bemerkt werden, daß die N-Typ- und P-Typ-Halbleiterstreifen 23 und 25 abwechselnd in aufeinanderfolgende Durchgangslöcher 22 eingeführt werden können, oder es können die N-Typ-Halbleiterstreifen in jedes andere Durchgangsloch nacheinander oder gleichzeitig eingeführt werden, und dann kön­ nen die P-Typ-Halbleiterstreifen in die verbleibenden Durch­ gangslöcher nacheinander oder gleichzeitig eingeführt werden.
Sodann werden, wie in Fig. 4C veranschaulicht ist, Zwischenräu­ me zwischen den die Durchgangslöcher 22 und die Halbleiter­ streifen 23, 24 festlegenden Wänden mit elektrisch isolierenden Füllgliedern 25 gefüllt. Dies kann durch Eintauchen des Bienen­ wabenstrukturkörpers 21 mit den darin eingeführten Halbleiter­ streifen 23 und 24 in eine Schmelze eines elektrisch isolieren­ den Füllmaterials geschehen. Alternativ kann ein unteres Ende des Bienenwabenstrukturkörpers 21 in eine Schmelze des elek­ trisch isolierenden Füllmaterials eingeführt werden, um das ge­ schmolzene Material in die Zwischenräume zwischen den Wänden und den Halbleiterstreifen 23, 24 durch Kapillarwirkung einzu­ saugen.
Dann wird nach einem Trocknen der elektrisch isolierenden Schmelze zum Erzeugen der elektrisch isolierenden Füllglieder 25 in den Durchgangslöchern 22 der Bienenwabenstrukturkörper 21 längs einer Ebene L, die senkrecht zu den Durchgangslöchern 22 ist, wie dies in Fig. 4D gezeigt ist, in eine Vielzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmodul-Hauptkörpern 26 geschnit­ ten, deren jeder eine Dicke von beispielsweise 5 mm hat. Durch diesen Schneidprozeß werden die N-Typ- und die P-Typ-Halblei­ terstreifen 23 und 24 ebenfalls geschnitten, um N-Typ- und P-Typ-Halbleiterelemente 27 und 28 in jedem thermoelektrischen Umwandlungsmodul-Hauptkörper zu bilden. Sodann werden, wie in Fig. 4E gezeigt ist, auf Oberseiten und Unterseiten eines ther­ moelektrischen Umwandlungsmodul-Hauptkörpers 26 Isolierplatten 29 und 31 vorgesehen, auf denen jeweils Elektroden 30 und 32 gemäß gegebenen Mustern durch Schablonen- oder Siebdrucken er­ zeugt sind. Es soll in Fig. 4E darauf hingewiesen werden, daß die obere Isolierplatte 29 mit der Oberseite nach unten gezeigt ist, so daß die Elektroden 30 zu sehen sind. Auf diese Weise werden die N-Typ-Halbleiterelemente 27 und die P-Typ-Halblei­ terelemente 28 abwechselnd in Kaskade mittels der Elektroden 30 und 32 verbunden, um so den in Fig. 3 gezeigten thermoelektri­ schen Umwandlungsmodul zu vervollständigen.
Wie oben erläutert ist, werden bei dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren die Halbleiterelemente 27 und 28 durch die elektrisch isolierenden Füllglieder 25 in den Durchgangslöchern 22 des Bienenwabenstrukturkörpers 21 gelagert. Nunmehr sollen die elektrisch isolierenden Füllglieder 25 in Einzelheiten weiter erläutert werden. Das elektrisch isolierende Füllglied 25 hat eine Funktion zum Fixieren oder Festlegen des Halbleiterstrei­ fens 23 oder 24 in seiner Lage innerhalb eines Durchgangsloches des Bienenwabenstrukturkörpers 21. Gemäß der Erfindung ist es vorteilhaft, das Füllglied 25 aus einem leicht deformierbaren Material herzustellen. Sodann wird ein Kontaktoberflächenbe­ reich zwischen einer das Durchgangsloch definierenden Wandflä­ che und einem Halbleiterstreifen groß, und somit ist es mög­ lich, den Halbleiterstreifen stabil innerhalb des Durchgangslo­ ches zu halten. Darüber hinaus dient das Füllglied 25 als ein Pufferglied zum Absorbieren der Deformation der Bienenwaben­ struktur und des Halbleiterelementes aufgrund einer Wärmeaus­ dehnung. Selbst wenn daher der thermoelektrische Umwandlungsmo­ dul einem Wärmezyklus unterworfen wird, kann er wirksam vor ei­ ner Beschädigung bewahrt werden. Auf diese Weise kann die Le­ bensdauer des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls verlängert werden. Um die oben erwähnte Funktion des Füllgliedes zu ver­ bessern, ist es vorzuziehen, daß das Füllglied einen mittleren Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Wärmeausdehnungs­ koeffizienten des Bienenwabenstrukturkörpers und dem Wärmeaus­ dehnungskoeffizienten des Halbleitermaterials hat.
Weiterhin können hinsichtlich des Herstellungsprozesses durch Verwenden der Füllglieder 25 die Halbleiterstreifen 23 und 24 einfach in die Durchgangslöcher 22 des Bienenwabenstrukturkör­ pers 21 eingeführt werden, und somit können der Bienenwaben­ strukturkörper und die Halbleiterstreifen einfach zusammenge­ baut werden, ohne eine große Genauigkeit zu erfordern. Darüber hinaus können diese Konstruktionsteile eine relativ große Tole­ ranz haben. Auf diese Weise wird die Ausbeute bei der Herstel­ lung des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls verbessert, und die Qualität des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls wird ge­ steigert.
Die elektrisch isolierenden Füllglieder 25 können aus einem leicht deformierbaren Material, wie beispielsweise Silikonharz und Polyimidharz hergestellt sein. Als Silikonharz kann ein Si­ likon-Kondensationsprodukt verwendet werden, bei dem nahezu al­ le aktiven Wasserstoffatome, die zum Auftrennen der Siloxan-Verbindungen dienen, mit einem Nachbehandlungs- oder Aushärt­ mittel vom Acetontyp versiegelt sind. Ein Raumtemperatur- Vulkanisation-Silikonharz, das durch die Firma Shin-Etsu Chemical Co. unter dem Handelsnamen "KE3418" hergestellt und vertrieben ist, kann in vorteilhafter Weise eingesetzt werden. Ein derartiges Silikonharz hat einen überlegenen Wärmewider­ stand und gute elektrische Isoliereigenschaften und kann insbe­ sondere vorteilhaft als das Füllgliedmaterial in dem erfin­ dungsgemäßen thermoelektrischen Umwandlungsmodul verwendet wer­ den.
Wie oben erläutert ist, sind die Elektroden 30 und 32 mit den freiliegenden Endflächen der Halbleiterelemente 27 und 28 ver­ bunden. Diese Elektroden 30 und 32 können aus einem elektrisch leitenden Material, wie beispielsweise Al, Cu, Fe (rostfrei) und La0,8Ca0,2CoO₃ hergestellt sein. Es ist vorzuziehen, die Elektroden mit den Halbleiterelementen mittels eines Metall-Lötmaterials zu verbinden, das eine gute chemische Affinität und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Elektrode und dem Wärme­ ausdehnungskoeffizienten des Halbleitermaterials liegt. Die Halbleiterelemente können aus einem Halbleiter, wie Si-Ge, Pb-Te und Bi-Te, hergestellt sein.
Die Fig. 5A-5C zeigen ein anderes Ausführungsbeispiel des er­ findungsgemäßen thermoelektrischen Umwandlungsmoduls. Im vor­ liegenden Ausführungsbeispiel wird der Bienenwabenstruktur- Hauptkörper 26 mit einer Anzahl von N-Typ- und P-Typ-Halblei­ terelementen 27 und 28, die in die elektrische isolierenden Füllglieder 25 eingebettet sind, durch Schneiden des Bienenwa­ benstrukturkörpers 21, der durch die in den Fig. 4A-4C gezeig­ ten Schritte gebildet ist, derart hergestellt, daß der Bienen­ wabenstruktur-Hauptkörper 26 gekrümmte Ober- und Unterseiten hat, wie dies in Fig. 5A gezeigt ist. Dann werden die Elektro­ den durch eines der bekannten Verfahren auf den gekrümmten Oberflächen vorgesehen, um die N-Typ- und die P-Typ-Halbleiter­ elemente 27 und 28 in Kaskade zu verbinden, wie dies in Fig. 5B gezeigt ist, in welcher lediglich die auf der oberen gekrümmten Oberfläche vorgesehenen Elektroden 30 gezeigt sind. Wie in Fig. 5C veranschaulicht ist, ist die Oberseite des thermoelektri­ schen Umwandlungsmoduls an einer gekrümmten Oberfläche eines Auspuffrohres 44 mittels eines handelsüblichen Keramikhaftmit­ tels 43 befestigt. Auf der anderen gekrümmten Oberfläche des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls ist eine Kühlrippe 45 mit­ tels des gleichen Haftmittels festgelegt. Es soll darauf hinge­ wiesen werden, daß die Oberfläche des Auspuffrohres 44 eine elektrisch isolierende Beschichtung oder Schicht 46 aufweist. Eine elektrisch isolierende Beschichtung kann auf den oberen und unteren Flächen des erfindungsgemäßen thermoelektrischen Umwandlungsmoduls durch einen üblichen Dickfilm-Herstellungs­ prozeß oder Bestreichen gebildet werden. Auf diese Weise können die Ober- und Unterseiten des thermoelektrischen Umwandlungsmo­ duls in jede gewünschte Gestalt gebracht werden, so daß der thermoelektrische Umwandlungsmodul direkt an wärmeerzeugenden Bauteilen mit verschiedenen Oberflächenkonfigurationen ange­ bracht werden kann.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obigen Ausführungs­ beispiele begrenzt; beispielsweise kann lediglich eine Oberflä­ che des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls gekrümmt sein.
Wie oben in Einzelheiten erläutert ist, kann erfindungsgemäß ein thermoelektrischer Umwandlungsmodul mit einer großen Kapa­ zität und jeder gewünschten Oberflächenkonfiguration vorgesehen werden. Wenn darüber hinaus das elektrisch isolierende Füll­ glied aus einem leicht deformierbaren Material hergestellt ist, kann verhindert werden, daß der thermoelektrische Umwandlungs­ modul durch den Wärmezyklus aufgrund einer Differenz im Wärme­ ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Bienenwabenstrukturkörper und den Halbleiterelementen beschädigt oder zerstört wird.
Weiterhin wird bei dem Verfahren zum Herstellen des erfindungs­ gemäßen elektrischen Umwandlungsmoduls nach einem Einführen der Halbleiterstreifen in die in dem Bienenwabenstrukturkörper ge­ bildeten Durchgangslöcher und einem Füllen der Zwischenräume zwischen den Halbleiterstreifen und den die Durchgangslöcher bildenden Wänden mit den elektrisch isolierenden Füllgliedern, um die Halbleiterstreifen in ihrer Lage innerhalb der Durch­ gangslöcher zu halten, der Bienenwabenstrukturkörper in die thermoelektrischen Umwandlungsmodul-Hauptkörper zerschnitten Damit ist es möglich, einfach den thermoelektrischen Umwand­ lungsmodul mit einer großen Kapazität und einer gewünschten Oberflächenkonfiguration in wenig aufwendiger Weise zu bilden.

Claims (12)

1. Thermoelektrischer Umwandlungsmodul mit:
einem Bienenwabenstrukturkörper (11) aus einem elektrisch iso­ lierenden Material und mit einer ersten Oberfläche, einer zwei­ ten, der ersten gegenüberliegenden Oberfläche und einer Viel­ zahl von Kanälen (12), die sich von der ersten Oberfläche zur zweiten Oberfläche erstrecken, wobei abwechselnd ein oder meh­ rere Kanäle der Vielzahl von Kanälen in eine erste Gruppe und die verbleibenden Kanäle in eine zweite Gruppe eingeteilt sind,
einer Vielzahl von elektrisch isolierenden Füllgliedern (15), deren jedes in einem jeweiligen Kanal (12) des Bienenwaben­ strukturkörpers (11) vorgesehen ist und darin ein Durchgangs­ loch aufweist, das sich von der ersten Oberfläche zur zweiten Oberfläche des Bienenwabenstrukturkörpers (11) erstreckt,
einer Vielzahl von N-Typ-Halbleiterelementen (13), deren jedes in einem jeweiligen Durchgangsloch der elektrisch isolierenden Füllglieder (15) vorgesehen ist, die in den zu der ersten Grup­ pe gehörenden Kanälen (12) ausgebildet sind,
einer Vielzahl von P-Typ-Halbleiterelementen (14), deren jedes in einem jeweiligen Durchgangsloch der elektrisch isolierenden Füllglieder (15) vorgesehen ist, die in den zu der zweiten Gruppe gehörenden Kanälen (12) ausgebildet sind, und
Metallelektroden (16, 17), die auf den ersten und zweiten Ober­ flächen des Bienenwabenstrukturkörpers (11) derart vorgesehen sind, daß benachbarte einzelne oder mehrere N-Typ-Halbleiter­ elemente (13) und einzelne oder mehrere P-Typ-Halbleiter­ elemente (14), die in den Kanälen (12) vorgesehen sind, die ab­ wechselnd zu der ersten und der zweiten Gruppe gehören, in Kas­ kade mittels der Metallelektroden (16, 17) verbunden sind.
2. Thermoelektrischer Umwandlungsmodul nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß ein erster Satz von Bereichen, deren jeder eine Vielzahl von N-Typ-Halbleiterelementen (13) auf­ weist, die in Durchgangslöcher eingeführt sind, die in den elektrisch isolierenden Füllgliedern (15) gebildet sind, die in einer Vielzahl von benachbarten Kanälen (12) angeordnet sind, und ein zweiter Satz von Bereichen, deren jeder eine Vielzahl von P-Typ-Halbleiterelementen (14) aufweist, die in Durchgangs­ löcher eingeführt sind, die in den elektrisch isolierenden Füllgliedern (15) gebildet sind, die in einer Vielzahl von be­ nachbarten Kanälen (12) vorgesehen sind, abwechselnd angeordnet sind, und daß N-Typ- und P-Typ-Halbleiterelemente (13, 14) der aufeinander folgenden ersten und zweiten Sätze der Bereiche durch die Metallelektroden (16, 17) an den ersten und zweiten Oberflächen des Bienenwabenstrukturkörpers (11) in Kaskade ver­ bunden sind.
3. Thermoelektrischer Umwandlungsmodul nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Oberfläche aus der ersten und der zweiten Oberfläche des Bienenwabenstrukturkör­ pers (11) gekrümmt ist.
4. Thermoelektrischer Umwandlungsmodul nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der Bienenwabenstrukturkörper (11) aus Dichroit hergestellt ist.
5. Thermoelektrischer Umwandlungsmodul nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß das elektrisch isolierende Füllglied (15) aus einem leicht deformierbaren Material hergestellt ist.
6. Thermoelektrischer Umwandlungsmodul nach Anspruch 5, da­ durch gekennzeichnet, daß das leicht deformierbare Material aus Polyimidharz oder Silikonharz hergestellt ist.
7. Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Umwand­ lungsmoduls mit den folgenden Schritten:
Vorbereiten eines Bienenwabenstrukturkörpers (11) aus einem elektrisch isolierenden Material und mit einer ersten Oberflä­ che, einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche und einer Vielzahl von Kanälen (12), die sich von der ersten Oberfläche zur zweiten Oberfläche erstrecken, wobei abwechselnd ein oder mehrere Kanäle (12) in eine erste Gruppe und die verbleibenden Kanäle in eine zweite Gruppe unterteilt sind,
Einführen von N-Typ- und P-Typ-Halbleiterelementen (13, 14) in die zu der ersten bzw. zweiten Gruppe gehörenden Kanäle (12),
Füllen von Zwischenräumen zwischen die Kanäle (12) festlegenden Wänden und den darin eingeführten Halbleiterelementen (13, 14) mit elektrisch isolierenden Füllgliedern (15),
Schneiden des Bienenwabenstrukturkörpers (11) in eine Vielzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmodul-Hauptkörper einer ge­ wünschten Gestalt, deren jeder die N-Typ- und P-Typ-Halbleiter­ elemente in den Kanälen (12) an den wechselseitig gegenüberlie­ genden ersten und zweiten Oberflächen freiliegend aufweist, und
Bilden von Metallelektroden (16, 17) auf gegenüberliegenden Oberflächen des thermoelektrischen Umwandlungsmodul-Hauptkör­ pers derart, daß benachbarte einzelne oder mehrere N-Typ-Halb­ leiterelemente (13) und einzelne oder mehrere P-Typ-Halbleiter­ elemente (14) in Kaskade mittels der Metallelektroden (16, 17) verbunden sind.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallelektroden (16, 17) durch Drucken gebildet sind.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllschritt durch Eintauchen des Bienenwabenstruktur­ körpers (11) mit den darin eingeführten Halbleiterelementen (13, 14) in eine Schmelze eines Materials der elektrisch iso­ lierenden Füllglieder (15) ausgeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllschritt durch Saugen unter Kapillarwirkung von ei­ ner Schmelze eines Materials der elektrisch isolierenden Füll­ glieder (15) in die Zwischenräume zwischen den Wänden des Bie­ nenwabenstrukturkörpers (11) und den Halbleiterelementen (13, 14) ausgeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der elektrisch isolierenden Füllglieder (15) aus Polyimidharz oder Silikonharz hergestellt ist.
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