DE19646915C2

DE19646915C2 - Thermoelektrischer Umwandlungsmodul und Verfahren zum Herstellen desselben

Info

Publication number: DE19646915C2
Application number: DE19646915A
Authority: DE
Inventors: Yuichiro Imanishi; Makoto Miyoshi; Tetsuo Watanabe; Keiko Kushibiki; Kazuhiko Shinohara; Masakazu Kobayashi; Kenji Furuya
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1995-11-13
Filing date: 1996-11-13
Publication date: 2003-05-28
Anticipated expiration: 2016-11-14
Also published as: FR2741196A1; GB9623554D0; DE19646915A1; GB2307338A; FR2741196B1; US6306673B1; GB2307338B; JPH09199765A; US5952728A

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 Halbleiterelemente 1 und 2 sind in Kaskade mittels aus Metallsegmenten bestehenden Elek troden 3 verbunden. Das linksseitige N-Typ-Halbleiterelement 1 und das rechtsseitige P-Typ-Halbleiterelement 2 in der Halblei terelementanordnung in Kaskadenverbindung sind mit entgegenge setzten Enden einer Last 4 verbunden. Eine Seite der Halblei teranordnung ist in eine Umgebung höherer Temperatur gebracht, während das andere Ende in einer Umgebung niedrigerer Tempera tur ist. Dann fließen in jedem der N-Typ-Halbleiterelemente 1 Elektronen von der Hochtemperaturseite zu der Niedertemperatur seite, wie dies durch Voll-Linien gezeigt ist (ein elektrischer Strom fließt von der Niedertemperaturseite zu der Hochtempera turseite). In jedem der P-Typ-Halbleiterelemente 2 fließen Lö cher von der Hochtemperaturseite zu der Niedertemperaturseite, wie dies durch Strichlinien angedeutet ist (ein elektrischer Strom fließt von der Hochtemperaturseite zu der Niedertempera turseite). Daher liegt eine Spannung über der Last 4 mit einer in Fig. 1 angegebenen Polarität. Die Halbleiterelemente 1 und 2 können aus einem Bi-Te-Halbleiter (beispielsweise Bi₂Te₃), ei nem Bi-Sb-Halbleiter (beispielsweise Bi_0,88Sb_0,12) oder einem Si- Ge-Halbleiter (beispielsweise Si_0,8Ge_0,2) 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 JP 58-199578 A werden, nachdem N-Typ-Halbleiterelemente und P-Typ-Halbleiterelemente abwech selnd angeordnet wurden, Zwischenräume zwischen benachbarten Halbleiterelementen mit einem Haftmittel gefüllt. In der JP 61-263176 A 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 JP 5-283753 A beschriebe nen Verfahren sind N-Typ-Halbleiterelemente und P-Typ-Halb leiterelemente abwechselnd in Mehrfachlöchern eines Wärmewider standsisolators angeordnet. Weiterhin ist in der JP 7-162039 A ein Verfahren beschrieben, bei dem eine einzige Anordnung von Durchgangslöchern in einem Formkörper gebildet wird, und N-Typ- Halbleiterelemente sowie P-Typ-Halbleiterelemente werden ab wechselnd in dieser Durchgangslöcher eingeführt. Schließlich ist in der JP 8-18109 A ein thermoelektrischer Modul erläutert, der N-Typ- und P-Typ-Halbleiterelemente hat, wobei ein isolie rendes 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 er zeugt wird, indem eine P-Typ-Halbleiterschicht auf einem ande ren Glassubstrat erzeugt wird, indem die Halbleiterschichten jeweils durch eine Schneid- oder Fräsmaschine geschnitten wer den, um Glieder zu erhalten, in welchen säulenähnliche N-Typ- und P-Typ-Halbleiterelemente ausgerichtet sind, indem diese Glieder so angeordnet werden, daß die N-Typ-Halbleiterelemente und die P-Typ-Halbleiterelemente abwechselnd vorgesehen sind, und indem Zwischenräume zwischen diesen Halbleiterelementen mit einem isolierenden Material gefüllt werden.

Aus der FR 1279775 ist ein thermoelektrisches Element mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein entspre chendes Herstellungsverfahren bekannt. Dieses thermoelektrische Element weist in herkömmlicher Weise eine würfel- oder quader förmige Form auf, so dass die Oberflächen des Elementes paral lel oder senkrecht zueinander stehen. Dies gilt insbesondere für die mit Metallelektroden versehenen Oberflächen, die auf herkömmliche Weise parallel zueinander liegen.

Zur Herstellung eines thermoelektrischen Umwandlungsmoduls wird gemäß US 4149025 ein Block mit sich durch diesen parallel er streckenden Kanälen verwendet, in denen N- und P-Typ-Halblei terstäbe sich vollständig durch den Block erstreckend angeord net sind. Der Block wird durch parallel geführte Schnitte in einzelne Module zerschnitten, deren Oberflächen, an denen die Kanäle enden, parallel zueinander liegen.

In dem US-Patent US 2749716 ist ein Kühlgerät beschrieben, des sen Kühlfunktion durch die Verwendung mehrerer thermoelektri scher Umwandlungsmodule erzielt wird. Einzelne N-Typ- und P- Typ-Halbleiterelemente werden abwechselnd in einen Strukturkör per nach Art eines Eierkartons eingebracht und abwechselnd an ihren Enden an ersten und zweiten Oberflächen des Strukturkör pers mit einzelnen elektrisch leitenden Verbindungen in Kaskade verbunden. Die Halbleiterelemente aufnehmenden Kanäle werden durch eine Vielzahl parallel angeordneter erster Trennwände und einer Vielzahl parallel angeordneter, zweiter Trennwände gebil det, die sich senkrecht zu den ersten Trennwänden erstrecken. Zum Aufbau des Strukturkörpers werden diese einzelnen Trennwän de unter Verwendung von in den Trennwänden vorgesehenen Nuten zusammengesetzt, wobei diese Trennwände sich nicht vollständig von der ersten zu der zweiten Oberfläche des Strukturkörpers erstrecken, um Raum zum Anbringen elektrisch leitender Verbin dungen vorzusehen. Zwischenräume zwischen den Trennwänden und den Halbleiterelementen werden mit einem Zement, z. B. Schel lack, versiegelt, um die Halbleiterelemente mit dem Struktur körper zu verbinden und den gesamten Umwandlungsmodul wasser dicht zu machen. Der Aufbau dieses Umwandlungsmoduls ist auf wendig und dessen mechanische Stabilität ist gering, wodurch Kräfte, die aufgrund von Temperaturdifferenzen zwischen den er sten und zweiten Oberflächen des Umwandlungsmodules entstehen, eine Beschädigung oder Zerstörung des Moduls verursachen kön nen. Die so erhaltenen thermoelektrischen Umwandlungsmodule werden dann unter Verwendung zusätzlicher thermodynamischer Einrichtungen, die die Funktionsweise des gesamten Kühlsystems verbessern soll, in dem Kühlgerät ausschließlich an entspre chenden planen Oberflächen angebracht.

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 auf diese Weise unmöglich, einen thermoelektrischen Umwand lungsmodul mit einer gekrümmten Oberfläche herzustellen. Eine derartige gekrümmte Oberfläche ist erforderlich, wenn ein ther moelektrischer Umwandlungsmodul an einem Basisglied mit einer gekrümmten Oberfläche befestigt ist. Daher kann der durch die ses herkömmliche Verfahren hergestellte Modul bei zahlreichen Anwendungen nicht eingesetzt werden. Wenn beispielsweise der thermoelektrische Umwandlungsmodul auf ein System angewandt wird, bei dem elektrische Energie erzeugt wird, indem Abwärme einer Brennkraftmaschine verwendet wird, so ist ein Raum zum Vorsehen des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls begrenzt, und in zahlreichen Fällen wird es gewünscht, den thermoelektrischen Umwandlungsmodul auf einer gekrümmten Oberfläche vorzusehen. Jedoch kann der durch das oben erwähnte bekannte Verfahren her gestellte Modul nicht eine gekrümmte Oberfläche aufweisen, und er kann daher nicht auf ein derartiges thermoelektrisches Ener giesystem angewandt werden.

In dem in der JP 58-199578 A beschriebenen bekannten Verfahren erfordert die Anordnung der N-Typ- und P-Typ-Halbleiterelemente ein sehr kompliziertes Arbeiten, eine hohe Bearbeitungsgenauig keit und eine große Zusammenbaufähigkeit, und somit werden die Herstellungskosten beträchtlich hoch. In dem in der JP 61-263176 A beschriebenen bekannten Verfahren ist aufgrund der Differenz im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Halb leitermaterial und dem glasartigen Material der thermoelektri sche Umwandlungsmodul einer Beschädigung durch einen Wärmezy klus ausgesetzt, und er hat somit eine kurze Lebensdauer. In den bekannten Verfahren, die in den Druckschriften JP 5-283753 A und JP 7-162039 A beschrieben sind, erfordert die Einführung der N-Typ- und P-Typ-Halbleiterelemente in die Löcher des iso lierenden Substrates eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit, so daß die Herstellungskosten sehr hoch werden. Weiterhin kann der thermoelektrische Umwandlungsmodul durch einen Wärmezyklus auf grund der Differenz in den Wärmeausdehnungskoeffizienten be schädigt werden. In dem in der JP 8-18109 A vorgeschlagenen üb lichen 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 großer Kapazität und mit wenigstens einer beliebig konfigurierten, vorzugsweise gekrümmten Oberfläche vorzusehen; außerdem soll ein Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Umwand lungsmoduls mit wenigstens einer beliebig konfigurierten, vor zugsweise gekrümmten Oberfläche auf genaue, einfache und wenig aufwendige Weise vorgeschlagen werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die Erfindung einen thermo elektrischen Umwandlungsmodul gemäß Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Umwandlungs moduls gemäß Patentanspruch 8.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Herstellen des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls gemäß der Erfindung sind die Elektroden zum Verbinden der freiliegenden Endflächen der N-Typ- und P-Typ-Halbleiterelemente durch ein Drucken, Löten oder Schweißen erzeugt.

In dem thermoelektrischen Umwandlungsmodul sind die N-Typ- und P-Typ-Halbleiterelemente in den Durchgangslöchern angeordnet, die in den elektrisch isolierenden Füllgliedern ausgebildet sind, welche in den Kanälen des Bienenwabenstrukturkörpers an geordnet sind, und somit können die Halbleiterelemente genau und stabil in ihrer Lage in dem Kanal mittels der elektrisch isolierenden Füllglieder festgelegt werden. Daher wird die An zahl 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 eine Oberflächenkon figuration des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls in jede ge wünschte Gestalt geformt werden, und somit ist es möglich, den thermoelektrischen Umwandlungsmodul gemäß der Erfindung mit ei ner gekrümmten Oberfläche zu realisieren, die in direkten Kon takt mit einer gekrümmten Oberfläche eines Basisgliedes ge bracht werden kann. Wenn weiterhin das elektrisch isolierende Füllglied aus einem leicht deformierbaren Material hergestellt ist, kann eine Differenz im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwi schen dem Bienenwabenstrukturkörper und dem Halbleitermaterial durch das elektrisch isolierende Füllglied absorbiert werden. Selbst wenn daher der thermoelektrische Umwandlungsmodul einem getrennten 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 an geordnet 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 weiters herkömmliches thermoelektrischen Umwandlungsmoduls zeigt,

Fig. 4A-4E Darstellungen, die aufeinanderfolgende Schritte eines herkömmliches Verfahrens veranschaulichen, und

Fig. 5A-5C perspektivische und Schnittdarstellungen, die ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen thermoelek trischen Umwandlungsmoduls zeigen.

Fig. 3 ist eine perspektivische Darstellung, die zur Erläu terung der Erfindung ein weiteres herkömmliches thermoelektri schen Umwandlungsmoduls in einer teilweise aufgebrochenen Dar stellung zeigt. Der thermoelektrische Umwandlungsmodul umfaßt einen Bienenwabenstrukturkörper 11 aus einem elektrisch isolie renden Material und mit einer Anzahl von dünnen Kanälen in der Gestalt von Durchgangslöchern 12, in denen N-Typ-Halbleiter elemente 13 und P-Typ-Halbleiterelemente 14 angeordnet sind. Zwischenräume zwischen Wänden, die die Kanäle 12 und die Halb leiterelemente 13 und 14 festlegen, sind mit elektrisch isolie renden Füllgliedern 15 derart gefüllt, daß die Halbleiterele mente 13 und 14 in jeweiligen Kanälen positioniert sind. N-Typ- Halbleiterelemente 13 und P-Typ-Halbleiterelemente 14 sind ab wechselnd 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 Verfahrens zum Herstellen des in der Fig. 3 dargestellten thermoelektrischen Umwandlungsmoduls.

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 Beispiel 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 Höhe von 10 cm. Im vorliegenden Beispiel hat ein lateraler Schnitt eines Durchgangsloches 22 eine viereckförmige bzw. quadratische Ge stalt, jedoch kann das Durchgangsloch jede beliebige Quer schnittsgestalt haben, wie beispielsweise kreisförmig, dreieck förmig, rechteckförmig und hexagonal sein. In Fig. 4A ist das Durchgangsloch 22 zur Verdeutlichung so gezeichnet, daß es eine große Abmessung im Vergleich mit dem Bienenwabenstrukturkörper 21 hat, so daß die Anzahl der gezeigten Durchgangslöcher klein ist; bei einem tatsächlichen Modul wird jedoch eine große An zahl von Durchgangslöchern 22 mit einem sehr kleinen Quer schnitt 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 Bei spiel ist der N-Typ-Halbleiterstreifen 23 aus Si_0,8Ge_0,2 herge stellt, das Phosphor (P) mit 0,2 Gew.-% als N-Typ-Dotierstoff enthält, und der P-Typ-Halbleiterstreifen 24 ist aus Si_0,8Ge_0,2 hergestellt, das Bor (B) mit 0,05 Gew.-% als P-Typ-Dotierstoff enthält. Im vorliegenden Beispiel haben die Halbleiterstreifen 23 und 24 einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von 4 mm und einer Länge von nicht weniger als 10 cm. Die Halb leiterstreifen können jede gewünschte Querschnittsgestalt ha ben, wie beispielsweise quadratische, dreiförmige und rechteck förmige Ausbildungen. Es soll bemerkt werden, daß die N-Typ- und P-Typ-Halbleiterstreifen 23 und 24 abwechselnd in aufeinan derfolgende Durchgangslöcher 22 eingeführt werden können, oder es können die N-Typ-Halbleiterstreifen in jedes andere Durch gangsloch nacheinander oder gleichzeitig eingeführt werden, und dann können die P-Typ-Halbleiterstreifen in die verbleibenden Durchgangslöcher nacheinander oder gleichzeitig eingeführt wer den.

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 angeordnet, 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.

Bei dem beschriebenen Verfahren werden die Halbleiterelemente 27 und 28 durch die elektrisch isolierenden Füllglieder 25 in den Durchgangslöchern 22 des Bienenwabenstrukturkörpers 21 ge lagert. Nunmehr sollen die elektrisch isolierenden Füllglieder 25 in Einzelheiten weiter erläutert werden. Das elektrisch iso lierende Füllglied 25 hat eine Funktion zum Fixieren oder Fest legen des Halbleiterstreifens 23 oder 24 in seiner Lage inner halb eines Durchgangsloches des Bienenwabenstrukturkörpers 21. Es ist vorteilhaft, das Füllglied 25 aus einem leicht defor mierbaren Material herzustellen. Sodann wird ein Kontaktober flächenbereich zwischen einer das Durchgangsloch definierenden Wandfläche und einem Halbleiterstreifen groß, und somit ist es möglich, den Halbleiterstreifen stabil innerhalb des Durch gangsloches zu halten. Darüber hinaus dient das Füllglied 25 als ein Pufferglied zum Absorbieren der Deformation der Bienen wabenstruktur und des Halbleiterelementes aufgrund einer Wär meausdehnung. Selbst wenn daher der thermoelektrische Umwand lungsmodul einem Wärmezyklus unterworfen wird, kann er wirksam vor einer Beschädigung bewahrt werden. Auf diese Weise kann die Lebensdauer 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, kann in vorteilhafter Weise einge setzt werden. Ein derartiges Silikonharz hat einen überlegenen Wärmewiderstand und gute elektrische Isoliereigenschaften und kann insbesondere vorteilhaft als das Füllgliedmaterial in dem thermoelektrischen Umwandlungsmodul verwendet werden.

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 La_0,8Ca_0,2CoO₃ 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 Wär meausdehnungskoeffizienten des Halbleitermaterials liegt. Die Halbleiterelemente können aus einem Halbleiter, wie Si-Ge, Pb-Te und Bi-Te, hergestellt sein.

Die Fig. 5A-5C zeigen nun ein Ausführungsbeispiel des erfin dungsgemäßen thermoelektrischen Umwandlungsmoduls. Im vorlie genden Ausführungsbeispiel wird der Hauptkörper 26 mit einer Anzahl der N-Typ- und P-Typ-Halbleiterelementen 27 und 28, die in die elektrische isolierenden Füllglieder 25 eingebettet sind, durch Schneiden des Bienenwabenstrukturkörpers 21, der durch die in den Fig. 4A-4C gezeigten Schritte gebildet ist, derart hergestellt, daß der Hauptkörper 26 gekrümmte Ober- und Unterseiten hat, wie dies in Fig. 5A gezeigt ist. Dann werden die Elektroden durch eines der bekannten Verfahren auf den ge krümmten Oberflächen aufgebracht, um die N-Typ- und die P-Typ- Halbleiterelemente 27 und 28 in Kaskade zu verbinden, wie dies in Fig. 5B gezeigt ist, in welcher lediglich die auf der oberen gekrümmten Oberfläche angeordnet Elektroden 30 gezeigt sind. Wie in Fig. 5C veranschaulicht ist, ist die Oberseite des ther moelektrischen Umwandlungsmoduls an einer gekrümmten Oberfläche eines Auspuffrohres 44 mittels eines handelsüblichen Keramik haftmittels 43 befestigt. Auf der anderen gekrümmten Oberfläche des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls ist eine Kühlrippe 45 mittels des gleichen Haftmittels festgelegt. Es soll darauf hingewiesen werden, daß die Oberfläche des Auspuffrohres 44 ei ne elektrisch isolierende Beschichtung oder Schicht 46 auf weist. Eine elektrisch isolierende Beschichtung kann auf den oberen und unteren Flächen des erfindungsgemäßen thermoelektri schen Umwandlungsmoduls durch einen üblichen Dickfilm- Herstellungsprozeß oder Bestreichen gebildet werden. Auf diese Weise können die Ober- und Unterseiten des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls in jede gewünschte Gestalt gebracht werden, so daß der thermoelektrische Umwandlungsmodul direkt an wärme erzeugenden Bauteilen mit verschiedenen Oberflächenkonfigura tionen angebracht werden kann.

Claims

1. Thermoelektrischer Umwandlungsmodul zur Anordnung an einer gekrümmten Fläche (44) eines Wärme erzeugenden Bauteils mit:
einem Bienenwabenstrukturkörper (11), der aus einem einzelnen einheitlichen Körper gebildet ist, aus einem elektrisch isolie renden Material mit einer ersten Oberfläche, einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche und Kanälen (12), wobei die Wände des Bienenwabenstrukturkörpers (11), die die Kanäle (12) festlegen, sich vollständig von der ersten Oberfläche zu der zweiten Oberfläche erstrecken,
elektrisch isolierenden Füllgliedern (15), die in jedem Kanal (12) angeordnet sind und sich vollständig von der ersten Ober fläche zu der zweiten Oberfläche erstrecken, wobei jedes Füll glied (15) ein Durchgangsloch aufweist,
N-Typ-Halbleiterelementen (13) und P-Typ-Halbleiterlementen (14), die jeweils in einem Durchgangsloch in dem Bienenwaben strukturkörper (11) so angeordnet sind, dass sich die Halblei terelemente (13, 14) von der ersten Oberfläche zur zweiten Oberfläche erstrecken, und
Metallelektroden (16, 17), die auf den ersten und zweiten Oberflächen des Bienenwabenstrukturkörpers (11) derart angeord net sind, dass benachbarte einzelne oder mehrere N-Typ-Halblei terelemente (13) und einzelne oder mehrere P-Typ-Halbleiterle mente (14) in Kaskade mittels der Metallelektroden (16, 17) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens eine der ersten und zweiten Oberflächen eine ent sprechend der gekrümmten Fläche (44) des Wärme erzeugenden Bau teils gekrümmte Oberfläche ist.

2. Thermoelektrischer Umwandlungsmodul nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, dass die N-Typ-Halbleiterelemente (13) in einer ersten Gruppe von Kanälen (12) und die P-Typ-Halbleiterelemente (14) in einer zweiten Gruppe gehörenden von Kanälen (12) angeordnet sind, wo bei die Metallelektroden (16, 17) die in den ersten und zweiten Gruppen von Kanälen (12) angeordneten N-Typ-Halbleiterelemente (13) und einzelne oder mehrere der P-Typ-Halbleiterelemente (14) in Kaskade verbinden.

3. Thermoelektrischer Umwandlungsmodul nach Anspruch 2, da durch gekennzeichnet, dass
ein erster Satz Bereiche, die die N-Typ-Halbleiterelemente (13) aufweisen, und ein zweiter Satz Bereiche, die die P-Typ- Halbleiterelemente (14) aufweisen, abwechselnd angeordnet sind, und
N-Typ- und P-Typ-Halbleiterelemente (13, 14) der aufeinander folgenden ersten und zweiten Sätze der Bereiche durch die Me talleleketroden (16, 17) an den ersten und zweiten Oberflächen des Bienenwabenstrukturkörpers (11) in Kaskade verbunden sind.

4. Thermoelektrischer Umwandlungsmodul nach einem der vorhe rigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine gekrümmte Oberfläche des Bienenwabenstruk turkörpers (11) wenigstens einen Bereich aufweist, der eine Oberfläche hat, die nicht senkrecht zu den Längsachsen der Halbleiterelemente (13, 14) steht.

5. Thermoelektrischer Umwandlungsmodul nach einem der vorheri gen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bienenwabenstrukturkörper (11) aus Dichroit hergestellt ist.

6. Thermoelektrischer Umwandlungsmodul nach einem der vorheri gen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch isolierende Füllglied (15) aus einem leicht de formierbaren Material hergestellt ist.

7. Thermoelektrischer Umwandlungsmodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das leicht deformierbare Material aus Polyimidharz oder Sili konharz hergestellt ist.

8. Verfahren zum Herstellen eines an einer gekrümmten Fläche (44) eines Wärme erzeugenden Bauteils anzuordnenden thermoelek trischen Umwandlungsmoduls 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 Kanälen (12), wobei der Bienenwabenstrukturkör per (11) aus einem einzelnen einheitlichen Körper geformt wird,
- Einführen von N-Typ- und P-Typ-Halbleiterelementen (13, 14) in die Kanäle (12),
- Füllen von Zwischenräumen zwischen den die Kanäle (12) fest legenden Wänden und den darin eingeführten Halbleiterelementen (13, 14) mit elektrisch isolierenden Füllgliedern (15),
- Schneiden des Bienenwabenstrukturkörpers (11) in wenigstens einen thermoelektrischen Umwandlungsmodul-Hauptkörper, der in den Kanälen (12) N-Typ- und P-Typ-Halbleiterelemente (13, 14) aufweist, die an wechselseitig gegenüberliegenden ersten und zweiten Oberflächen freiliegen, und
- Bilden von Metallelektroden (16, 17) auf den gegenüberliegen den Oberflächen des thermoelektrischen Umwandlungsmodul-Haupt körpers derart, dass benachbarte einzelne oder mehrere N-Typ- Halbleiterelemente (13) und einzelne oder mehrere P-Typ-Halb leiterelemente (14) in Kaskade mittels der Metallelektroden (16, 17) verbunden sind,

dadurch gekennzeichnet, dass
der Bienenwabenstrukturkörper (11) so geschnitten wird, dass wenigstens eine der ersten und zweiten Oberflächen eine der ge krümmten Fläche (44) des Wärme erzeugenden Bauteils entspre chende Krümmung aufweist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass
die N-Typ-Halbleiterelemente (13) in zu einer ersten Gruppe gehörenden Kanäle (12) und die P-Typ-Halbleiterelemente (14) in zu einer zweiten Gruppe gehörenden Kanäle (12) eingeführt wer den, und
die Metallelektroden (16, 17) so gebildet werden, dass die abwechselnd in den Kanälen (12) der ersten und der zweite Grup pe eingeführten N-Typ-Halbleiterelemente (13) und P-Typ- Halbleiterelemente (14) in Kaskade verbunden werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch ge kennzeichnet, dass das Schneiden der wenigstens einen gekrümmten Oberfläche des Bienenwabenstrukturkörpers (11) wenigstens teilweise nicht senkrecht zu den Längsachsen der Halbleiterelemente (13, 14) durchgeführt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch ge kennzeichnet, dass die Metallelektroden (16, 17) durch Drucken gebildet werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch ge kennzeichnet, dass der Füllschritt durch Eintauchen des Bienenwabenstrukturkörpers (11) mit den darin eingeführten Halbleiterelementen (13, 14) in eine Schmelze eines Materials der elektrisch isolierenden Füll glieder (15) ausgeführt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch ge kennzeichnet, dass der Füllschritt durch Saugen unter Kapillarwirkung von einer Schmelze eines Materials der elektrisch isolierenden Füllglie der (15) in die Zwischenräume zwischen dem Bienenwabenstruktur körper (11) und den Halbleiterelementen (13, 14) ausgeführt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch ge kennzeichnet, dass das Material der elektrisch isolierenden Füllglieder (15) aus Polyimidharz oder Silikonharz hergestellt ist.