JP6077449B2 - 熱電モジュールに使用する熱電材料製の半導体素子 - Google Patents

Description

本発明は、熱電モジュールに使用する熱電材料からなる半導体素子に関する。熱電モジュールは、例えば発生器による自動車両の内燃機関の排ガスから、電気エネルギーの生成のために用いられる。これは、排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生器（すなわちいわゆる熱電発生器）を特に意味する。

自動車両のエンジンからの排ガスは、熱エネルギーを含む。そしてそれは、熱電発生器によって、例えばバッテリまたは別のエネルギー貯蔵手段を充電するための、あるいは必要なエネルギーを電気消費部に直接分配するための電気エネルギーに変換されることができる。それによって、自動車両は、改良されたエネルギー効率で作動され、そして、エネルギーは、自動車両の作動のためにより広く利用できる。

この種の熱電発生器は、少なくとも１つの熱電モジュールを備える。熱電材料は、それらが熱エネルギーを電気エネルギーに（セーベック効果）およびその逆に（ペルチェ効果）効率的に変換することができるような種類のものである。この種の熱電モジュールは、好ましくは複数の熱電素子を含む。そしてそれは、いわゆる高温側といわゆる低温側との間に位置する。熱電素子は、少なくとも２つの半導体素子（ｐドープトおよびｎドープト）を含む。そしてそれは、交互に高温側に向かうまたは低温側に向かうそれらの表側および裏側上の導電性ブリッジを備える。熱電モジュールを囲むハウジングと関連して金属ブリッジの絶縁のために、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／または類似の材料が用いられる。そしてそれは、したがって、前記金属ブリッジとハウジングとの間に好ましくは配置される。温度勾配が半導体素子の両側に設けられている場合、電位は、半導体素子の両端部間に形成される。より熱い側の電荷担体は、より高い温度によって伝導帯においてますます励起される。それによって生成された伝導帯における集中（ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）の違いによって、電荷担体は、半導体素子のより冷えた側に広まる。そして、結果として電位差になる。熱電モジュールにおいて、特に多数の熱電素子は、電気的に直列に接続される。直列の半導体素子の生成された電位差が互いに相殺されないように、異なる大多数の電荷担体（ｐドープトおよびｎドープト）を有する交互の半導体素子は、直接電気接点へと常にもたらされる。回路は、接続した負荷抵抗によって閉じることができ、そして、電力は、したがって取り出されることができる。

自動車両において、特に自動車において用いるための適切な熱電発生器を提供するための試みは、すでに実行された。これらは、しかしながら、製造するのに主として非常に高価であり、そして、比較的低い効率によって特徴づけられた。したがって、連続生産は、まだ可能でなかった。

これを基礎に、従来技術に関して記載されている課題を少なくとも部分的に解決することは、本発明の目的である。特に、適用されるコスト集約型の半導体材料の量を同時に考慮しながら、提供される熱エネルギーの電気エネルギーへの変換に関して改良された効率を可能にする半導体素子は、設けられる。

この目的は、請求項１、４または６の特徴による半導体素子を用いて達成される。本発明による半導体素子の有利な実施形態および親ユニットへの前記半導体素子の親統合は、従属請求項において与えられる。請求項において個々にリストされる特徴は、いかなる技術的に意図的な様式でも互いに組み合わされることができて、本発明のさらなる実施形態を表すことができる点に留意する必要がある。特に図と関連した記述は、本発明をさらに説明して、本発明の追加的な例示の実施形態に導く。

本発明の第１の態様によれば、半導体素子は、熱電材料からなり、少なくとも１つの開口ならびに第１の端面および反対側に配置される第２の端面を備える。第１の端面に対してまたは第２の端面に対して平行であり、熱電材料を通りおよび開口を通る断面の平面は、第１の端面よりもわずかに２０％だけ大きい領域を形成する。同時に、断面の平面は、第２の端面よりも小さい領域を有する。

半導体素子は、特にｎドープトまたはｐドープト半導体素子であり、したがって、熱電素子の形成に適している。そしてそれは、例えば排ガスの熱エネルギーから電気エネルギーを生成するための熱電モジュールにおいて用いられることができる。第１の端面および反対側に配置される第２の端面は、高温側または低温側と関係している。その結果、熱は、半導体物質を通って第１の端面から第２の端面へ、またはその逆へと流れることができる。この熱の流れの結果、電流は、対応する電気的に結線された熱電素子の中に生成される。その結果、電流は、熱電素子を通って流れて、目的のために設けられる接点で取り出されることができる。

本発明による半導体素子は、目下、異なるサイズの複数の端面を備える。この種の半導体素子は、１つの端面が環状の半導体素子の外周面によって次いで形成され、他の端面が環状の半導体素子の内周面によって次いで形成される筒状の熱電モジュールにおける環状の半導体素子として、例えば用いられる。ここで、外周面は、内周面よりも通常大きい。熱電材料からなる半導体素子の電流生成は、熱の流れが通って流れる断面積にほぼ比例する。環状の半導体素子にとっては、したがって、過剰な熱電材料が外周面に近くにある。なぜなら、前記のより大きい断面積は、（限られた）熱の流れのために必要でないからである。１つまたは複数の開口の提供は、前記限られた熱の流れへの適応を許容する。その結果、目下実際に（ほとんど）いかなる断面積でも、基本的に同じ熱電材料は、（限られた）熱の流れ／電流の生成のために効果的に提供される。換言すれば、このようにして、高温側に向くおよび低温側に向く端面に関する外部形状のバリエーションは、内部熱電材料の減少によって補償される。

その結果必要とされない熱電材料を節約するために、半導体素子に少なくとも１つの開口を設けることも、提案される。特に、１つまたは複数の開口の提供および／または成形は、半径方向のまたは半導体素子の高さ方向の断面積の増加が基本的に補償されるように、行われる。これは、第１の端面と第２の端面との間に延びる半導体素子の高さの少なくとも６０％（または少なくとも８０％でさえ）の比率の少なくともそれ以上を特に好ましくは適用する。したがって、例えば、少なくとも２０％のまたは少なくとも４０％でさえの熱電材料は、その効果および／または機能が目立って悪影響を受けることなく、凹所のない等しいサイズの半導体素子と比較して節約されることができる。これは、重要なコスト削減に至る。そしてそれは、目下の高価な熱電材料およびこの種の発生器の大量生産に対する欲求からみて特に重要である。

半導体素子の特に有利な実施形態によれば、断面積は、少なくとも第１の端面に対応する。換言すれば、これは、熱電材料の断面積が２つの端面のうちのより小さいものよりも小さくてはならないことを意味する。その結果、半導体素子は、それの中にいわゆるボトルネックを有しない。この「ボトルネック」は、第１の端面と第２の端面との間での半導体素子の対応する少なくとも部分的な狭小化によって生成されることのできる熱または電流の流れを制限する。その結果、使用する熱電材料の量は、効率的に使われない。

特に有利な実施形態によれば、少なくとも１つの開口は、第１の端面および第２の端面から少し離れている。高温側または低温側に向けて面する端面ができるだけ大きいことは、それによって達成される。その結果、半導体素子当たりに使用する熱電材料は、効率的に用いられる。同時に、半導体素子が構造的に非常に安定であること（例えばフレームの様式で）は、保証される。なぜなら、開口は、半導体素子の中にあり、したがって、特に熱電モジュールの組み立ての間、半導体素子への損害は、回避されることができるからである。

本発明の第２の態様によれば、記載の目的は、環状のセグメント形状の半導体素子を用いても達成される。そしてそれは、熱電材料からなり、また、外周面および内周面ならびに円周方向に延びる前側および反対側に配置される後側を備える。前側および後側は、外周面に向けて半径方向に狭まる。外周面に対してまたは内周面に対して平行な熱電材料を通る複数の断面の平面は、各々、内周面の１２０％以下の領域を有する。

環状のセグメント形状の半導体素子については、本発明の第１の態様に関して上で示されたものと同じ目的を保ちながら、凹所のない実施は、同じ効果を達成することもできる。内周面と外周面との間の断面の平面の減少は、ここでは特に、半径方向におけるまたはその高さ全体の環状のセグメント形状の半導体素子の連続的減少／狭小化を通して達成される。環状のセグメント形状の半導体素子の厚みは、したがって、半径方向において内周面でよりも外周面での方が少ない。さらに、環状のセグメント形状の半導体素子の円周方向の範囲は、円周方向における外周面が円周方向における内周面よりも狭いように設計されることができる。環状のセグメント形状の半導体素子のこの種の実施形態は、同様に本発明によるものであり、そして、外周面に対してまたは内周面に対して平行な熱電材料通る複数の断面の平面は、各々、内周面のわずか１２０％の領域を有するに至る。

前側および後側の収束もステップ形でおよび／または領域によって設けられることもまた、もちろん可能である。加えて、上記の意味における少なくとも１つの開口は、加えて設けられることもできる。

半径方向における半導体素子の前記減少は、円周または周辺の断面積の増加に好ましくは基本的に適している。その結果、このようにしてまた、「短くかつ厚い」内周面に応じて、対応する「より長くかつより狭い」周辺の断面の平面または最終的に対応する「最も長くかつ最も狭い」外周面は、熱の流れまたは電流の流れのために提供される。例えば、少なくとも２０％のまたは少なくとも４０％でさえの熱電材料は、したがって、その効果および／または機能に目立って悪影響を及ぼすことのない一定の厚みの半導体素子と比較して、節約されることもできる。

半導体素子のさらなる特定の実施形態によれば、断面の平面は、少なくとも内周面に対応する。いわゆるボトルネックが外周面と内周面との間に生じないことは、それによっても達成される。そしてそれは、それを通過する熱の流れから電流の生成に関して半導体素子の効果を制限する。

本発明の第３の態様の結果として、上述の目的は、熱電材料の半導体素子でも達成される。そしてそれは、前側および反対側に配置される後側、ならびに第１の側部および反対側に配置される第２の側部と同様に、第１の端面および反対側に配置される第２の端面を備える。前側および後側は、第１の端面から第２の端面に向かう方向に狭まり、そして、第１の側部および第２の側部は、同じ方向に広がる。第１の端面に対してまたは第２の端面に対して平行な熱電材料を通る複数の断面積は、わずか５％だけ大きさが変化するだけの領域を有する。

特に、第１の端面および第２の端面は、同一のサイズであるが、異なる幾何学形状を有する。その結果、第１の端面の幾何学形状は、平行でない前側および後側、ならびに第１の側部および第２の側部によって、第２の端面の幾何学形状に接続している。特に、同様に、第１の端面と第２の端面との間の前記形状の移行（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）において、いわゆるボトルネックは生じない。そしてそれは、第１の端面と第２の端面との間の断面の平面の領域の大きさが、同様に、同一のサイズの端面にとって変化してはならないことを意味する。異なるサイズの端面の場合には、一方が他方よりも上方に配置されるそれらの間で対応する断面の平面は、より小さい面からより大きい面までより大きい面のサイズに向けて連続的に収束しなければならない。より小さい面とより大きい面との間の前記移行は、特に線形に起こる。その結果、観察された断面の平面の同じ距離のための断面の平面のサイズの一定の増加がある。

もちろん、熱／電流の流れのための基本的に一定の断面の提供については、少なくとも１つの開口および／または（部分的）狭小化は、加えて設けられることができる。

さらなる特に有利な実施形態によれば、本発明による少なくとも２つの半導体素子（特にｎドープトおよびｐドープトであり、したがって、共に熱電素子を形成する）を有する熱電モジュールは、設けられる。この種のモジュールの特定の実施形態のために、図の導入および説明の実施形態を特に参照する。

本発明は、適切な熱電モジュールを有する自動車両において特に用いられる。そしてそれは、本発明による半導体素子を含む。熱電モジュールは、特に熱電発生器に組み込まれる。そしてそれは、好ましくは複数の熱電モジュールを含む。前記熱電発生器は、自動車両のエンジンの排ガスから抽出される電気エネルギーを、自動車両の消費部またはバッテリに供給する。

本発明および発明の技術分野は、図を用いて以下で詳細に説明する。図は、本発明の実施形態の特に好適な変形を示すが、しかし、本発明は、それに制限されない点に留意する必要がある。

図１は、半導体素子の第１の設計変形を示す。 図２は、半導体素子の他の第１の設計変形を示す。 図３は、半導体素子の第２の設計変形を示す。 図４は、図３による半導体素子の平面図を示す。 図５は、半導体素子の第３の設計変形を示す。 図６は、図５による半導体素子の側面図を示す。 図７は、図５および図６の半導体素子の第１の断面の平面を示す。 図８は、図５および図６の半導体素子の第２の断面の平面を示す。 図９は、本発明による半導体素子を有する第２の設計変形による熱電モジュールを示す。

図１は、熱電材料４からなるより小さい第１の端面２およびより大きい第２の端面３を有する半導体素子１の第１の設計変形を示す。第１の端面は、第２の端面３から高さ３２だけ離れている。半導体素子１はまた、開口７を備える。そしてそれは、半導体素子１を通って熱電材料４の中を延びる。熱電モジュール内に据え付けられるときに、前記開口７は、特に、空気、真空、不活性ガス、セラミックまたはマイカ材を充填される。断面の平面８は、第１の端面２に対してまたは第２の端面３に対して平行に配置されてこれもまた開口７を横切る。断面の平面８は、領域１０を有する。そしてそれは、第１の端面よりもわずかに２０％大きく、そして同時に、第２の端面３よりも小さい。断面の平面８は、熱電材料４が横切られる領域を含むだけである。断面の平面８は、したがって、開口７が横切られる領域を含まない。

図２は、半導体素子１の他の第１の設計変形を示す。前記半導体素子１は、環状の形において実施され、したがって、内周面１２および外周面１１を備える。そしてそれは、半導体素子１を内的におよび外的に境界づける。さらに、半導体素子は、前側１３およびここでは示されない後側を備える。前側１３では、半導体素子１の中に配置される開口７を見ることができる。ここで、断面の平面８は、第１の端面（内周面１２）に対しておよび第２の端面（外周面１１）に対して平行に形成される。断面の平面８は、内周面１２よりもわずかに２０％大きく、そして同時に、外周面１１よりも小さい領域を有する。外周面１１の近くに配置される半導体素子１の熱電材料４は、外向きの半径方向６において距離の増加にともなって円周方向５に広がる開口７によって、対応して減少する。したがって、熱電材料４は、実施中、すなわち熱電モジュール内に据え付けられるときに、半導体素子１の効率を低下させずに節約されることができる。

図３は、半導体素子１の第２の設計変形を断面の側面図において示す。前記環状の半導体素子１は、外周面１１および内周面１２を備える。そしてその相互間の距離は、高さ３２を定義し、そして、前側１３および後側１４によって横方向に境界づけられる。複数の断面の平面８は、半導体素子１の中に配置される。そしてその各々は、外周面１１に対してまたは内周面１２に対して平行な領域１０を有する。そしてそれは、内周面１２のわずか１２０％である。前側１３および後側１４の相互間の距離によって定義され、そして半径方向３１に延びる半導体素子１の厚みは、内周面１２から始まり外周面１１に向けて半径方向６に減少する。その結果、半導体素子１の前述の条件は、満たされる。

図４は、図３による半導体素子１を平面図において示す。その結果、ここでは、前側１３は、図の面において見ることができ、後側１４は、隠れる。環状の半導体素子１は、その外周面１１によって外的に、およびその内周面１２によって内的に境界づけられる。半導体素子１は、円周方向５に延び、そして半径方向６において別の１つ上に配置される断面の平面８を備える。そしてそれは、外周面１１に対してまたは内周面１２に対して平行に半導体素子１を横切る。

図５は、半導体素子１の第３の設計変形を示す。これは、高さ３２によって互いに離れている第１の端面２および第２の端面３、そして前側１３および後側１４、そして、図の面にある第１の側部１５およびこの図５では隠れる第２の側部１６を備える。熱電材料４を有する半導体素子１は、ここでは第１および第２の断面の平面８を備える。そしてそれは、一方が他方よりも上に配置され、そして、第１の端面２に対してまたは第２の端面３に対して平行に熱電材料４を横切る。

図６は、図５の半導体素子１を９０°回転して示す。その結果、ここでは、第２の側部１６は、第１の側部１５と同様に、第１の端面２および第２の端面３および前側１３に加えて見ることができる。図６において、第１の側部１５および第２の側部１６は、第１の端面２から始まり第２の端面３に向けて方向２０において互いに広がる。一方、図５では、前側１３および後側１４は、第１の端面２から始まり第２の端面３に向けて方向２０において互いに狭まる。第１および第２の断面の平面８は、図６にも示される。

図７は、図５および図６に示される上方の断面の平面８を示す。そしてそれは、前側１３、後側１４、第１の側部１５および第２の側部１６の間に熱電材料４を通って延びる。前記断面の平面８は、第１の端面２および第２の端面３と比較してサイズ９がわずかに５％それる（ｄｅｖｉａｔｅ）領域１０を有する。

したがって、図８は、図５および図６の半導体素子１の第２の下方の断面の平面８を示す。前記断面の平面８は、前側１３、後側１４、第１の横方向の表面１５および第２の横方向の表面１６によって同様に境界づけられる。断面の平面８は、熱電材料を横切り、したがって、サイズ９を有する領域１０を有する。そしてそれは、第１の端面２および第２の端面３からわずか５％だけ同様にそれる。

図９は、第２の設計変形による複数の環状の半導体素子１を有する熱電モジュール１７を示す。これらは、内筒２２の周囲にかつ外筒２１の中に環状の様式で配置される。内筒２２は、ダクト２３を形成する。そしてそれは、高温媒体２６の通過流を運び、したがって、中心軸線２４に沿った流れを運び、したがって、高温側２７を形成する。低温媒体２５は、低温側２８がここに形成されるように、外筒２１の外側を流れる。半導体素子１は、したがって、外筒２１によって形成される低温側２８と、内筒２２によって形成される高温側２７との間に延びる。半導体素子１は、熱電素子１８のペアを形成し、そして、内筒２２上の中心軸線２４に沿って順々に対応して配置される。外筒に向けて増加する半導体素子１の間隔は、絶縁材３０で満たされる。そしてそれは、例えば空気、真空、不活性ガス、セラミックまたはマイカ材でさえから成ることができる。半導体素子１は、金属ブリッジ２９によって外筒２１側上でおよび内筒２２の側上で各々交互に接続している。その結果、電流は、高温媒体２６の熱エネルギーから発生し、そして熱電モジュール１７を通って流れることができる。熱電モジュール１７は、自動車両１９の内部に、特に熱電発生器の内部に配置される。

１…半導体素子
２…第１の端面
３…第２の端面
４…熱電材料
５…円周方向
６…半径方向
７…開口
８…断面の平面
９…サイズ
１０…領域
１１…外周面
１２…内周面
１３…前側
１４…後側
１５…第１の側部
１６…第２の側部
１７…熱電モジュール
１８…熱電素子
１９…自動車両
２０…方向
２１…外筒
２２…内筒
２３…ダクト
２４…中心軸線
２５…低温媒体
２６…高温媒体
２７…高温側
２８…低温側
２９…金属ブリッジ
３０…絶縁材
３１…半径方向
３２…高さ

Claims (6)

1. 少なくとも１つの開口（７）を有する熱電材料（４）からなり、そして、第１の端面（２）および反対側に配置される第２の端面（３）を備える半導体素子（１）であって、前記熱電材料（４）を通っておよび前記開口（７）を通って前記第１の端面（２）と平行なまたは前記第２の端面（３）と平行な断面の面積（８）は、前記第１の端面（２）よりも最大で２０％大きく、そして同時に、前記第２の端面（３）よりも小さい領域（１０）を形成し、
   前記少なくとも１つの開口（７）は、前記第１の端面（２）および前記第２の端面（３）から離れて配置され、
   前記開口（７）は、前記半導体素子（１）の前記第１の端面（２）または前記第２の端面（３）に垂直な方向の断面積の増加が補償されるように、形成される、半導体素子（１）。
2. 前記断面の面積（８）は、少なくとも前記第１の端面（２）において最小となる、請求項１に記載の半導体素子（１）。
3. 環状のセグメント形状の半導体素子（１）であって、外周面（１１）および内周面（１２）ならびに円周方向（５）に延びる前側（１３）および反対側に配置される後側（１４）と、その間に配置された熱電材料（４）と、を有し、前記前側（１３）および前記後側（１４）は、前記外周面（１１）に向けて半径方向（６）に先細になり、前記外周面（１１）に対してまたは前記内周面（１２）に対して同軸の前記熱電材料（４）を通る複数の断面の面積（８）は、各々、前記内周面（１２）の最大で１２０％の領域であり、
   前記半導体素子（１）は、少なくとも１つの開口を有し、前記複数の断面（８）は、前記開口を通る、半導体素子（１）。
4. 前記断面の面積（８）は、少なくとも前記内周面（１２）において最小となる、請求項３に記載の半導体素子（１）。
5. 第１の端面（２）および反対側に配置される第２の端面（３）、前側（１３）および反対側に配置される後側（１４）、第１の側部（１５）および反対側に配置される第２の側部（１６）、ならびに相互間に配置される熱電材料（４）を有する半導体素子（１）であって、前記前側（１３）および前記後側（１４）は、前記第１の端面（２）から前記第２の端面（３）に向けてある方向（２０）に先細になり、前記第１の側部（１５）および前記第２の側部（１６）は、前記方向（２０）に広がり、前記第１の端面（２）に対してまたは前記第２の端面（３）に対して平行な前記熱電材料（４）を通る複数の断面の面積（８）は、各々、最大で５％だけ変化するサイズ（９）の面積（１０）を有し、
   前記半導体素子（１）は、少なくとも１つの開口を有し、前記複数の断面（８）は、前記開口を通る、半導体素子（１）。
6. 共に熱電素子（１８）を形成する請求項１〜５のいずれか１項に記載の少なくとも２つの半導体素子（１）を有する熱電モジュール（１７）。

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