JP2013539214A - 管状熱電モジュールおよび前記モジュールを製造する方法 - Google Patents

Abstract

少なくとも内管（２）、外管（３）およびそれらの間に位置する空間（４）を備え、円周方向において交互に配置される複数のｎドープおよびｐドープ半導体素子（５）により各々形成される少なくとも複数の環（６）が、空間（４）における熱電モジュール（１）の軸方向（１０）において連続して配置され、１つの環（６）の半導体素子（５）の内側（７）または外側（８）において、導電性の第１の接続部（９）が円周方向（１２）においてのみ延び、反対の外側（８）または内側（７）において、少なくとも１つの導電性の第２の接続部（１６）が、ｎドープを隣接する管（６）のｐドープ半導体素子（５）に導電的に接続し、熱電モジュール（１）の少なくとも軸方向（１０）において延びる、熱電モジュール（１）および管状熱電モジュール（１）を製造する方法。
【選択図】図５

Description

本発明は、管状熱電モジュール、および熱電モジュールを製造する方法に関する。前記熱電モジュールは、例えば発電機によって自動車の内燃エンジンの排気ガスから電気エネルギーを製造するのに役立つ。これは特に、排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換するための発電機、すなわちいわゆる熱電発電機を意味する。

自動車のエンジンからの排気ガスは熱エネルギーを有し、例えばバッテリーまたは一部の他のエネルギー貯蔵部を充電するため、または必要なエネルギーを電気負荷部に直接供給するために、その熱エネルギーは熱電発電機により電気エネルギーに変換され得る。したがって、自動車は改良されたエネルギー効率で作動し、エネルギーは大部分まで自動車の作動に利用可能となる。

このような熱電発電機は少なくとも１つの熱電モジュールを備える。熱電材料は、熱エネルギーを電気エネルギー（ゼーベック効果）およびその逆（ペルチェ効果）に効率的に変換できるような種類のものである。このような熱電モジュールは好適には、いわゆる高温側といわゆる低温側との間に配置された複数の熱電素子を有する。熱電素子は、例えば高温側および低温側のそれぞれに対してそれらの上側および下側に導電性ブリッジが交互に設けられる少なくとも２つの半導体素子（ｐ−ドープおよびｎ−ドープ）を備える。セラミックプレートまたはセラミックコーティングおよび／または同様の材料は、熱電モジュールを封入するハウジングから導電性材料ブリッジを断熱する機能をするので、好ましくは前記導電性ブリッジの間に配置され、半導体素子は熱電モジュールのハウジングからおよび互いから断熱される。温度勾配が半導体素子の両側に提供される場合、電位が半導体素子の端部の間に形成される。高温側の電荷担体は、より高い温度により伝導バンド内で次第に励起される。ここで、伝導バンドで生成された濃度差の結果として電荷担体は半導体素子の低温側に拡散し、その結果として電位差が生じる。熱電モジュールにおいて、多数の半導体素子は直列して電気的に接続される。生成された直列半導体素子の電位差は互いに相互に相殺されないため、異なる多数の電荷担体（ｎ−ドープおよびｐ−ドープ）を有する半導体素子は常に交互に直接電気接触する。電気回路は接続された負荷抵抗器により閉鎖され得、それにより電力が取り出され得る。

自動車、特に乗用車に適用するための対応する熱電発電機を提供することが既に試みられている。しかしながら、それらは、主に製造するのが非常に高価であり、比較的低い効率により特徴付けられている。したがって、連続製造について適合性をいまだに達成できていない。

これらのことを出発点として考慮して、本発明の目的は、従来技術に関して概説されている問題を少なくとも部分的に解決することである。特に、本発明は、費用効率が高い方法により製造され得、特に簡単な方法で他の熱電モジュールと相互接続できる熱電モジュールを特定することであり、それにより、熱電発電機を形成できる。さらに、本発明は、費用効率が高く、このような熱電モジュールの連続生産に十分に適している熱電モジュールを製造する方法を特定する。

これらの目的は、請求項１の特徴に係る熱電モジュールにより、および請求項４の特徴に係る熱電モジュールを製造する方法により達成される。本発明の有益な構造および上位構造ユニットへの本発明の組み込みおよびその使用は従属請求項および／または詳細な説明に特定される。特許請求の範囲に呈示される個々の特徴は、任意の技術的に有益な方法で互いに組み合わされてもよく、本発明のさらなる構造を示すことは留意されるべきである。特に図面と併せて詳細な説明は、本発明をさらに説明し、本発明の補足的、例示的な実施形態を述べる。

本発明に係る管状熱電モジュールは、少なくとも内管、外管およびそれらの間に位置する空間を備える。円周方向において交互に配置される複数のｎドープおよびｐドープ半導体素子により各々形成される少なくとも複数の管は、空間内の熱電モジュールの軸方向に連続して配置される。さらに、１つの環の半導体素子の内側または外側において、導電性の第１の接続部が円周方向においてのみ延び、反対の外側または内側において、少なくとも１つの導電性の第２の接続部が環の半導体素子を隣接する環の半導体素子に導電的に接続する。該導電性の第２の接続部は熱電モジュールの少なくとも軸方向において延びる。

特に、管状熱電モジュールは、互いに対して実質的に同心円状に配置される、円形、楕円形またはその他の多角形の外管および内管を備える。空間において円周方向に交互に配置されるｎドープおよびｐドープ半導体素子は、それらの外側またはそれらの内側を介して導電性の第１の接続部により互いに接続される。この場合、隣接するｎドープおよびｐドープ半導体素子は、互いに間隔を空けて配置され、特に空間における電気絶縁体により互いから分離される。該電気絶縁体は好ましくは空気または真空により実現されるが、また、例えば雲母材料またはセラミックにより形成されてもよい。

環内に存在する導電性の第１の接続部は、円周方向においてのみ半導体素子の内側または外側に延びる。特に、それに応じて、外側または内側における環の位置にのみ、導電性の第２の接続部が、各々、隣接する環に割り当てられるｎドープおよびｐドープ半導体素子の間に形成される。該導電性の第２の接続部は少なくとも熱電モジュールの軸方向に延びる。特に、導電性の第２の接続部はまた、熱電モジュールの円周方向に実質的に延びる。そのような構成は、特に、各々少なくとも隣接する環におけるｎドープおよびｐドープ半導体素子が管状熱電モジュールの空間における同一の円周座標に配置される場合に設けられる。次いで、隣接する環に割り当てられる隣接するｎドープおよびｐドープ半導体素子の接続部は導電性の第２の接続部により達成され、次いで軸方向において隣接する環の間の距離を第１に克服し、第２に円周方向においてオフセットを生成し、異なってドープされた半導体素子は互いに接続される。該導電性の第２の接続部は、内側または外側のいずれかに設けられ得る。特に、該導電性の第２の接続部は、熱電モジュールに配置される全ての管について同様に実現され、特に好ましくはまた、円周方向における位置に関して同様に実現され、また、半導体素子の外側または内側における構成に関して同様に実現される。

特に、対応する接触点は熱電モジュールのそれぞれの端部において実現され、他の熱電モジュールおよび／または電気システム、例えば熱電発電機または自動車の電源に対する導電性の接続が確実にされ得る。該接触点は好ましくは上記の同一の位置において同様に配置される。

結果として、このことは言い換えれば、内側／外側において、非常に簡単な第１の接続部のみが、環に沿って円周方向において形成されなければならず、それにより、簡単な製造プロセスがこの目的のために使用され得ることを意味する。次いで隣接する環の電気的直列接続が、第２の接続により他の側（外側／内側）でのみ行われ、内側および外側における導電性接続の非対称の実施形態がここで実現される。しかしながら、このことは、導電性の第２の接続部の位置が、簡単な方法での取り付け条件に適合され得ることを意味する。

熱電モジュールの１つの特に有益な構造によれば、各場合においてｎドープまたはｐドープの半導体素子のみが、軸方向において円周座標に配置される。このことは言い換えれば、特に熱電モジュールの軸方向において、１つの種類のみの半導体素子が実質的に並べられて連続して配置されることを意味する。これにより、導電性の第２の接続部について、同様に正確かつ簡単に全ての環の間に配置され得、信頼性のある電気接点を可能にする標準的なコンポーネントを使用できることが確保される。さらに、個々の導電性の第２の接続部も並べられて配置され得るので、取り付けはまた、このように容易にされ得る。

熱電モジュールのさらに有益な構造によれば、各環において、偶数の半導体素子が、空間内に円周方向において連続して配置され、少なくとも４つの半導体素子が設けられる。すなわち特に、６、８、１０、１２またはそれ以上の半導体素子が、空間内に円周方向において連続して配置される。偶数の半導体素子の場合、管状熱電モジュールの軸方向に沿って同一の管が、ｎドープおよびｐドープ半導体素子の構成および連続した導電性接続部の配置の両方に関して同一の様式で配置され得るように、円周方向における半導体素子の導電性接続が可能となる。

このような管状熱電モジュールの利点はまた、本発明に係る熱電モジュールを製造するのに特に適切な本発明に係る方法の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。複数のこのような熱電モジュールは、連続してかつ直列に接続された電気接続で配置され得る。したがって、それらは細長い熱電モジュールを形成するために直列で接続されてもよい。同様に、複数のこのような管状の熱電モジュールが互いに並列に配置されてもよく、それにより、熱電管束発電機が製造され得る。

熱電モジュールを製造する本発明に係る方法は、少なくとも以下の工程：
ａ）内管を設ける工程と、
ｂ）外管を設ける工程と、
ｃ）内管と外管との間に半導体素子を配置する工程であって、該半導体素子は軸方向における長さを有する、工程と、
ｄ）内管、外管および半導体素子を接続する工程と、
ｅ）少なくとも外管および半導体素子に少なくとも１つの分離位置を導入する工程であって、半導体素子の長さが少なくとも２つの部分に細分される、工程と、
を含む。

内管および外管は特に同じ材料から製造される。この目的のために、鋼材料が提供され、例えば熱電モジュールのハウジングのために使用され得る。しかしながら、前記内管および外管はまた、異なる材料から製造されてもよい。特に、内管または外管は、熱電モジュールの導電性の第１の接続部および／または第２の接続部が形成される材料により設けられてもよく、それらの材料は、例えばニッケル材料またはモリブデン材料または銅材料からなる。特に、外側のみが導電性の第１の接続部および／または第２の接続部を形成する材料から構成されてもよく、それにより、内管はハウジング部分を形成する材料から作製されてもよい。この場合、特に内管は、例えばインプリントされた導電性の第１の接続部および／または第２の接続部を有してもよい。特に、内管はさらに、内管と導電性の接続部を互いに電気絶縁する電気絶縁層を有する。

半導体素子は特に、円周方向において環状セグメント形状で配置され、特定の長さにわたって軸方向に延びる。このことは特に、各場合において、ｐドープおよび／またはｎドープ熱電材料からなる種類の棒（バー）が内管または外管の軸方向に沿って延びることを意味する。これらの棒形状の半導体素子の長さは、複数の（より小さな）半導体素子が、分離工程による方法の後の工程で製造され得るのに十分な長さである。棒状の半導体素子は、それらが、内管／外管の軸方向の十分な割合、例えば少なくとも５０％またはさらに少なくとも８０％にわたって延びるような長さを有することが好ましい。したがって、分離工程によって、複数または多数の（例えば実質的に平行６面体）の半導体素子が好ましくは、１つの棒形状の半導体素子から製造される。（棒形状の）半導体素子は、特に対応する位置において内管に配置され、場合により設けられる導電性の第１の接続部および／または第２の接続部に接続される。特に、この接続は密接した形態で実現される。すなわち、適切な場合、ここで、はんだ材料または接着剤が導電性の接続部と半導体素子との間に配置され、それにより、半導体素子は内側でそれらの位置に対して固定される。

外管は特に、既に半導体素子に接続されている内側で押され得る。特に、次いで校正工程が行われ、内管の直径が拡張され、および／または外管の直径が減少され、その結果として、半導体素子、内管および外管の間隙のないアセンブリが可能となり得る。

続いて、好ましくは、複数の分離位置が少なくとも外管および半導体素子に導入され、それにより、軸方向に長さを有する半導体素子がいくつかの部分に分けられ、その部分内で、各場合、円周方向に交互に配置されるｎドープおよびｐドープ半導体素子が環を生成する。特に円周方向に互いに平行に延びる複数の分離位置の導入の結果として、半導体素子は軸部分に細分され、それにより、円周方向に交互に配置されるｎドープおよびｐドープ半導体素子を有する環が製造される。軸方向における分離位置のさらなる導入の結果として、導電性の第１の接続部が、環のそれぞれのｎドープおよびｐドープ半導体素子の間に製造されるので、それらは、それらの外側またはそれらの内側を介して円周方向において互いに交互に接続される。

この方法の１つの有益な構造によれば、各環の少なくとも１つの位置において、それらの外側を介して、隣接する環の異なってドープされた半導体素子を接続することができるように分離位置が導入される。次いでこの導電性の第２の接続部は、２つの隣接する部分または２つの隣接する環の距離を橋渡しするために軸方向において、およびｎドープ半導体素子とｐドープ半導体素子との間のそれらの距離を克服するために円周方向において延びる。

この分離プロセスは特に機械的加工法により導入されるが、また、溶接またはプラズマ切断などの熱的方法により導入されてもよい。さらに可能な方法は例えばレーザビーム切断または水ジェット切断である。さらに、化学的分離プロセス、例えば浸食プロセスが外管を対応して成形するために使用されてもよい。

この方法により、複数の半導体素子を配置するための複雑なプロセスを簡単にすることができる。小数の細長い半導体素子のみが出発材料として必要とされ、その素子は、円筒形の内管上で円周方向において互いに平行して配置され得る。対応して、可能な場合、必要とされる絶縁層ならびに第１および／または第２の接続部の対応して適用される導体トラック構造を既に有する内管を準備することも可能である。対応して適用される半導体素子は、可能な場合には、例えば導電性の接続部から半導体素子材料内に望ましくない素子の内部拡散を防止できる必要とされる障壁層を有してもよい。しかしながら他方で、導電性の接続部はまた、対応する拡散を防止するまたは拡散の恐れの必要がない場合の材料から製造されてもよい。

半導体素子および外管の後の少なくとも部分的な分離により、対応する導電性の第１の接続部および／または第２の接続部を製造することが可能となり、熱電モジュール全体の確実な電気接続が実現される。すなわち、このことはまた、半導体素子の複製および導電性の接続部の接続パターンの実施形態が工程ｅ）と同時に達成され得ることを意味する。特に、任意の長さの内管および外管を設けることが可能となり、それらに、複数の平行６面体の半導体素子が、管状熱電モジュールの軸方向に連続しておよび円周方向に互いに平行して配置される。

半導体素子の間の空間は特に満たされていないが、空気で満たされてもよいか、または仕上げられた製造された熱電モジュールにおいて排気されてもよい。空気または真空のいずれかあるいは保護ガス雰囲気が、半導体素子の互いからの電気絶縁を最初に生成し、また、熱電モジュールの低温側から高温側の非常に良好な断熱が生成される。特に熱電モジュールの内管の側に熱電モジュールの高温側が設けられるが、制限なしにまた、外管の側に設けられてもよい。

本発明および技術分野を図面を参照して以下により詳細に説明する。図面は本発明の特定の好ましい実施形態の変形例を示しているが、それらに限定されないことは留意されるべきである。

図１は、本発明に係る方法の工程ａ）およびｂ）を示す。 図２は、本発明に係る方法の工程ｃ）を示す。 図３は、図２からの拡大した部分を示す。 図４は、本発明に係る方法の工程ｄ）を示す。 図５は、工程ｅ）の後の仕上げられた熱電モジュールを示す。

図１は、本発明に係る方法の工程ａ）の間の外管３および内管２を示す。内管２は既に、内管２の外面に配置された導電性の第１の接続部９を有する。さらに、絶縁層２２が内管２の外面に配置され、前記絶縁層は、導電性の第１の接続部９を（金属製）内管２から電気的に絶縁している。

図２は本発明に係る方法の工程ｂ）を示し、複数の棒（バー）形状の半導体素子５が内管２の外面に配置される。この場合、半導体素子５は、ｎ−ドープおよびｐ−ドープ半導体素子が円周方向１２において互いに交互に平行して位置するように配置される。導電性の第１の接続部９は、隣接するｎ−ドープおよびｐ−ドープ半導体素子５の内側７が互いに導電的に接続されるように配置される。隣接する半導体素子５のこの導電性の第１の接続部９は、対でのみ効果があり、これまで２つの半導体素子５のみが、互いに導電性の第１の接続部９により内側７を介して互いに接続される。

図３は、内管２における半導体素子５の構成を示すために拡大図において図２から半導体素子５と共に内管２を示す。半導体素子５は軸方向１０において長さ１３にわたって延びる。半導体素子５は、内管２の外面にｎ−ドープおよびｐ−ドープ半導体素子５として円周方向１２において交互に配置される。半導体素子５は内側７および外側８を有し、内側７は内管２に少なくとも部分的に接続され、外側８は外管に少なくとも部分的に接続される。同じ種類の半導体素子５、すなわちｎ−ドープまたはｐ−ドープ半導体素子５は、各場合、軸方向１０における円周座標１１に配置される。これは特に、複数の熱電モジュールを連続して配置する場合に考慮されるべきである。

図４は、本発明に係る方法の工程ｄ）を示し、外管３は半導体素子５を介して内管２に接続される。空間４は外管３と内管２との間に形成される。

図５は、方法の工程ｅ）の後に仕上げられた熱電モジュール１を示す。分離プロセスによって、外管３が導電性の第１の接続部９と導電性の第２の接続部１６に分けられ、それらは各場合、隣接した、異なってドープされた半導体素子５に、それらの外側８を介して対で各場合互いに接続される。さらに、平行６面体の半導体素子５は分離プロセスによって部分１５に細分され、円周方向１２において交互に配置されたｎ−ドープおよびｐ−ドープ半導体素子５を有する環６が、各場合、軸方向１０において連続して配置される。各環６について同一である円周座標１１において、導電性の第２の接続部１６が外管３により形成され、隣接する管６の異なってドープされた半導体素子５をそれらの外側８を介して互いに接続するために、前記第２の接続部は軸方向１０および円周方向１２の両方において延びる。導電性の接続部９、１６のこの構成の結果として、第１の端側１９において接触点１７から開始し、軸方向１０、円周方向１２において延びる、熱電モジュール１を通り、さらに、第２の端側２０における接触点１７まで半径方向において半導体素子５も通る電流路１８を製造することが可能となる。したがって、熱電モジュール１は、連続した構成において同じ種類の他の熱電モジュール１と接続可能であるか、または並行した構成において他の熱電モジュール１を有する熱電発電機を製造できる。

ここで、外管３が分離位置１４の結果として外側に対して開口する。したがって、図５に示した構成は、さらなる外側ハウジング管により達成され得る。続いて、外側ハウジング管は、特に外側ハウジング管および外管３の間隙のない連結が可能となるように調整される。内管２、外管３または外側ハウジング管の間の空間４は、半導体素子５により最初に満たされ、次いで絶縁体２１により満たされる。該絶縁体２１は好ましくは、空気または外側ハウジング管の適用後に誘導される真空または保護ガス雰囲気である。

本発明は、導電性の第１の接続部および第２の接続部の特別な構成の結果として、半導体素子の外側に配置される導電性接続部に対して半導体素子５の内側に設けられる導電性接続部の非対称構成を備える、熱電モジュールを提案する。

１ 熱電モジュール
２ 内管
３ 外管
４ 空間
５ 半導体素子
６ 環
７ 内側
８ 外側
９ 第１の接続部
１０ 軸方向
１１ 円周座標
１２ 円周方向
１３ 長さ
１４ 分離位置
１５ 部分
１６ 第２の接続部
１７ 接触点
１８ 電流路
１９ 第１の端側
２０ 第２の端側
２１ 絶縁体
２２ 絶縁層

Claims (4)

1. 少なくとも内管（２）、外管（３）およびそれらの間に位置する空間（４）を備える、管状熱電モジュール（１）であって、円周方向において交互に配置される複数のｎドープおよびｐドープ半導体素子（５）により各々形成される少なくとも複数の環（６）が、前記空間（４）において前記熱電モジュール（１）の軸方向（１０）において連続して配置され、さらに、１つの環（６）の前記半導体素子（５）の内側（７）または外側（８）において、導電性の第１の接続部（９）が、円周方向（１２）においてのみ延び、反対の外側（８）または内側（７）において、少なくとも１つの導電性の第２の接続部（１６）が、前記環（６）の半導体素子（５）を隣接する環（６）の半導体素子（５）に導電的に接続し、前記熱電モジュール（１）の軸方向（１０）に少なくとも延びる、熱電モジュール（１）。
2. 各場合においてｎドープまたはｐドープ半導体素子（５）が、軸方向（１０）において円周座標（１１）に配置される、請求項１に記載の熱電モジュール（１）。
3. 各環（６）において、偶数の半導体素子（５）が前記空間（４）において円周方向（１２）に連続して配置され、少なくとも４つの半導体素子（５）が設けられる、請求項１または２に記載の熱電モジュール（１）。
4. 少なくとも以下の工程：
   ａ）内管（２）を設ける工程と、
   ｂ）外管（３）を設ける工程と、
   ｃ）前記内管（２）と前記外管（３）との間に半導体素子（５）を配置する工程であって、前記半導体素子（５）は軸方向（１０）において長さ（１３）を有する、工程と、
   ｄ）内管（２）、外管（３）および半導体素子（５）を接続する工程と、
   ｅ）少なくとも外管（３）および半導体素子（５）内に少なくとも１つの分離位置（１４）を導入する工程であって、前記半導体素子（５）の長さ（１３）が少なくとも２つの部分（１５）に細分される、工程と、
   を含む、熱電モジュール（１）を製造する方法。

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