WO2008122337A2 - Halbleiterblockelement und daraus gebildetes energieerzeugungssystem - Google Patents

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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device

Definitions

  • the invention relates to a semiconductor block element for generating electrical energy, which is directly flown through the temperature-carrying medium and a power generation system formed from the semiconductor block elements according to the invention.
  • thermocouples have the property that, when current flows through, they overlap three thermoelectric effects in them. These are the Seebeck, Peltier and Thomson effect.
  • IJi, 2 is referred to as the Peltier coefficient of the ladder combination.
  • the Peltier coefficient is positive if the current flow from conductor 1 to conductor 2 causes heat to develop at the contact point.
  • the inverse of the Peltier effect is the sea bass effect. If, in an open two-wire circuit, consisting of the conductors 1 and 2, the contact points are brought to different temperatures Tw and T ⁇ , an electrical voltage Us is generated at the free conductor ends. This thermoelectric voltage is proportional to the temperature difference between the contact points. ⁇
  • the proportionality factor a i / 2 is referred to as the thermo-power or Seebeck coefficient of the ladder combination.
  • ⁇ i 2 1/2 positive when flowing on the colder contact point from the conductor 1 to conductor 2 in the closed circuit of the (conventional) thermal current.
  • the invention relates to an arrangement for generating energy, it deals with the so-called Seebeck elements in particular.
  • Such Seebeck elements have been known for some time and are used for power generation. There are many solutions for contacting the surfaces of the Seebeck elements with different temperatures.
  • ceramic or its compounds is used as the insulating material and stabilizer of the element as such.
  • the disadvantage here is that exist only slightly variability in the construction of composite elements by the choice of materials. And the surface, roughness and texture can only be compensated in connection with heat transfer materials to the support surface. This increases the heat transfer coefficient.
  • thermoelectric generators For example, it is known from OS 29 13 000 to concatenate a plurality of thermoelectric generators. Also known, for example, a matrix-like arrangement of p-type and n-type semiconductors from DE 198 56 771.
  • the object of the invention is to propose a semiconductor block element for generating electrical energy, which eliminates the disadvantages of the known prior art and realizes an optimal generation of electric power.
  • the inventive solution according to Figure 1 shows a variant of the semiconductor block element 1 according to the invention with an arrangement of Seebeck elements 2 in the composite.
  • the arrangement of the elements 2 to each other is shown only as an example, any deviating arrangement of the elements to each other is to be regarded as belonging to the scope of protection.
  • the Seebeck elements 2 are defined fixed to one another in a defined manner on a plane.
  • the Seebeck elements 2 enclosing an assembly spacing is arranged a composite frame 3, which also defines the size of the semiconductor block element according to the invention.
  • the Seebeck elements 2 are joined together in the composite frame 3 by means of a suitable potting compound 4.
  • the composite frame 3 is made of a temperature-resistant plastic material
  • the potting compound 4 is preferably a temperature-resistant casting resin or silicone.
  • metals and their compounds with high thermal conductivity are used as stabilizer in the Seebeck elements 2 used in the semiconductor block element 1, and a physico-chemical separating layer is preferably used as the insulator.
  • a physicochemical separation layer can be, for example, an oxidation layer.
  • the stabilization of the semiconductor block element 1 according to the invention is achieved by the application of a direct contact, which is made possible by the execution of an internal encapsulation of the Seebeck elements 2. At the same time an electrical insulation of the contacts is realized.
  • Figure 2 shows a possible embodiment in the form of a possible connection of semiconductor block elements 1 to a power generation system 5 in section.
  • This power generation system 5 is surrounded by an outer shell 6, which is preferably flowed through by the temperature-carrying media.
  • a middle flow region H1 is bounded by an outer further ring of coupled semiconductor block elements 1a and is flowed through by a high-temperature-carrying medium. Between the outer shell 6 and the semiconductor block elements 1a, in turn , flows a low-temperature-carrying medium K2.
  • a further embodiment of the solution according to the invention is that in the flow areas (Kl, Hl, K2, H2 ...) elements are arranged, which are suitable to trigger a conversion of laminar flow into turbulent flow.
  • This embodiment has the advantage that a reduction of the flow velocity is achieved, which allows an optimization of the heat transfer in closed systems at a defined predetermined pressure.
  • Figures 3 and 4 show a further variant of an embodiment of the solution according to the invention, wherein Figure 3 shows a vertical section and Figure 4 show a horizontal section.
  • This proposed energy generating system 5 is surrounded by an outer shell 6, which receives or forms the supply of the flow areas K and H.
  • the power generation system 5 is formed in the illustrated variant of coupled superimposed Semiconductor block elements Ij. These form parallel flow areas K, which are flowed through by a low-temperature-carrying medium and flow areas H, which are flowed through by a high-temperature-carrying medium, so that a flow, which preferably resembles a meander, takes place.
  • the structure of this type of block element is designed so that the largest possible number of semiconductor elements are combined in different levels.
  • Semiconductor block elements 1 and corresponding flow areas K and H is readily possible and to be considered belonging to the scope of protection.

Landscapes

  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterblockelement zur Erzeugung von elektrischer Energie, welches direkt durch das temperaturführende Medium angeströmt wird sowie ein aus den erfindungsgemäßen Halbleiterblockelementen gebildetes Energieerzeugungssystem.

Description

Halbleiterblockelement und daraus gebildetes Energieerzeugungssystem
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterblockelement zur Erzeugung von elektrischer Energie, welches direkt durch das temperaturführende Medium angeströmt wird sowie ein aus den erfindungsgemäßen Halbleiterblockelementen gebildetes Energieerzeugungssystem.
Bekannte Thermoelemente haben die Eigenschaft, dass, wenn sie stromdurchflossen sind, sich drei thermoelektrische Effekte in ihnen überlagern. Dies sind der Seebeck-, Peltier- und Thomsoneffekt.
Wenn ein elektrischer Strom einen Zweileiterkreis durchfließt, wird je nach Stromrichtung an der einen Kontaktstelle Wärme erzeugt, wogegen an der anderen Kontaktstelle Wärme absorbiert wird. Hierbei wird vom Peltiereffekt gesprochen. Die dabei je Zeiteinheit erzeugte bzw. absorbierte Wärmemenge QP ist proportional zur elektrischen Stromstärke /. Dabei gilt
Figure imgf000002_0001
wobei IJi,2 als Peltierkoeffizient der Leiterkombination bezeichnet wird. Der Peltierkoeffizient ist positiv, wenn der Stromfluss von Leiter 1 nach Leiter 2 Wärmeentwicklung an der Kontaktstelle bewirkt.
Die Umkehrung des Peltiereffekts ist der Seebeckeffekt. Werden in einem offenen Zweileiterkreis, bestehend aus den Leitern 1 und 2, die Kontaktstellen auf verschiedene Temperaturen Tw und Tκ gebracht, so wird an den freien Leiterenden eine elektrische Spannung Us erzeugt. Diese Thermospannung ist proportional zur Temperaturdifferenz zwischen den Kontaktstellen. ^
Dabei gilt
Us = αi,2 (Tw und Tκ)
Der Proportionalitätsfaktor ai/2 wird als Thermokraft oder Seebeckkoeffizient der Leiterkombination bezeichnet. Definitionsgemäß ist ααi,2 1/2 positiv, wenn im geschlossenen Kreis der (konventionelle) Thermostrom an der kälteren Kontaktstelle vom Leiter 1 zum Leiter 2 fließt.
Da die Erfindung eine Anordnung zur Energieerzeugung betrifft, wird sich hier insbesondere mit den so genannten Seebeck-Elementen auseinandergesetzt.
Solche Seebeck-Elemente sind seit geraumer Zeit bekannt und werden zur Energieerzeugung eingesetzt. Hierzu gibt es vielfältige Lösungen bezüglich der Kontaktierung der Oberflächen der Seebeck-Elemente mit unterschiedlichen Temperaturen.
Allgemein wird bei den bekannten Seebeck-Elementen Keramik beziehungsweise seine Verbindungen als Isolationsmaterial und Stabilisator des Elementes als solches verwendet.
Nachteilig ist dabei, dass durch die Materialauswahl lediglich geringe Variabilität bezüglich der Konstruktion von Verbundelementen bestehen. Und die Oberfläche, Rauhigkeit und Beschaffenheit nur in Verbindung mit Wärmeleitstoffen zur Auflagefläche ausgeglichen werden können. Damit erhöht sich der Wärmeübertragungskoeffizient.
So ist es beispielsweise aus der OS 29 13 000 bekannt, mehrerer thermoelektrischer Generatoren zu verketten. Bekannt ist auch beispielsweise eine matrixartige Anordnung aus p- und n-leitenden Halbleitern aus der DE 198 56 771.
Nachteilig bei den vorgenannten bekannten Lösungen ist jedoch der hohe Aufwand zur Fertigung der Elemente und der Trägerelemente.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Halbleiterblockelement zur Erzeugung von Elektroenergie vorzuschlagen, welche die Nachteile des bekannten Standes der Technik beseitigt und eine optimale Elektroenergieerzeugung realisiert.
Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 in Zusammenhang mit den Merkmalen des Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand der Abbildungen 1 bis 4 näher erläutert werden.
Die erfindungsgemäße Lösung gemäß Abbildung 1 zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Halbleiterblockelementes 1 mit einer Anordnung von Seebeck- Elementen 2 im Verbund. Die Anordnung der Elemente 2 zueinander ist dabei lediglich beispielhaft dargestellt, jedwede abweichende Anordnung der Elemente zueinander ist als dem Schutzumfang zugehörig zu betrachten.
Erfindungsgemäß werden die Seebeck-Elemente 2 zueinander definiert auf einer Ebene angeordnet fixiert. Die Seebeck-Elemente 2 mit einem Montageabstand umschließend ist ein Verbundrahmen 3 angeordnet, welcher auch die Größe des erfindungsgemäßen Halbleiterblockelementes definiert. Die Seebeck-Elemente 2 sind in dem Verbundrahmen 3 mittels einer geeigneten Vergussmasse 4 zusammengefügt. Vorzugsweise ist der Verbundrahmen 3 aus einem temperaturbeständigen Plastwerkstoff gefertigt, die Vergussmasse 4 ist vorzugsweise ein temperaturbeständiges Gießharz oder Silikon.
Erfindungsgemäß werden bei den im Halbleiterblockelement 1 eingesetzten Seebeck- Elementen 2 als Stabilisator Metalle und deren Verbindungen mit hoher Wärmeleitfähigkeit eingesetzt, als Isolator wird vorzugsweise eine physikalisch- chemische Trennschicht verwendet. Eine solche physikalisch- chemische Trennschicht kann beispielsweise eine Oxidationsschicht sein.
Die Stabilisierung des erfindungsgemäßen Halbleiterblockelementes 1 wird erreicht durch die Anwendung einer direkten Kontaktierung, welche durch die Ausführung eines Innenvergusses der Seebeck-Elemente 2 ermöglicht wird. Gleichzeitig wird dadurch eine elektrische Isolierung der Kontakte realisiert.
Abbildung 2 zeigt eine mögliche Ausführungsform in Form einer möglichen Verbindung von Halbleiterblockelementen 1 zu einem Energieerzeugungssystem 5 im Schnitt.
Dieses Energieerzeugungssystem 5 wird von einer äußeren Hülle 6 umgeben, welche vorzugsweise von den temperaturführenden Medien durchströmt wird.
Beispielhaft wird das Energieerzeugungssystem 5 in der dargestellten
Variante gebildet aus innenliegenden gekoppelten
Halbleiterblockelementen lf. Diese bilden einen inneren Strömungsbereich Kl, welcher von einem niedrig- temperaturführenden
Medium durchströmt wird. Ein mittlerer Strömungsbereich Hl wird von einem äußeren weiteren Ring gekoppelter Halbleiterblockelementen la begrenzt und wird von einem hoch- temperaturführenden Medium durchströmt. Zwischen der äußeren Hülle 6 und den Halbleiterblockelementen la strömt wiederum ein niedrig- temperaturführendes Medium K2.
Mittels dieser Anwendungsform 5 ist unter optimaler Raumnutzung eine optimale Ausnutzung der Seebeck-Elemente 2 gegeben. Eine paarweise Erweiterung dieses Systems um weitere Strömungsbereiche K und H ist ohne weiteres möglich und dem Schutzumfang zugehörig zu betrachten.
Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass in den Strömungsbereichen (Kl, Hl, K2, H2 ...) Elemente angeordnet sind, welche geeignet sind, eine Umwandlung von laminarer Strömung in turbulente Strömung auszulösen.
Diese Ausgestaltung bewirkt den Vorteil, dass dadurch eine Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit erreicht wird, welche eine Optimierung des Wärmeübergangs in geschlossenen Systemen bei definiertem vorgegebenem Druck ermöglicht.
Abbildung 3 und 4 zeigen eine weitere Variante einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung, wobei Abbildung 3 einen Vertikal schnitt und Abbildung 4 einen Horizontalschnitt zeigen.
Dieses hier vorgeschlagene Energieerzeugungssystem 5 wird von einer äußeren Hülle 6 umgeben, welche die Zuführung der Strömungsbereiche K und H aufnimmt beziehungsweise bildet Beispielhaft wird das Energieerzeugungssystem 5 in der dargestellten Variante gebildet aus aufeinander liegenden gekoppelten Halbleiterblockelementen Ij. Diese bilden parallel abwechselnd angeordnete Strömungsbereiche K, welche von einem niedrig- temperaturführenden Medium durchströmt werden und Strömungsbereiche H, welche von einem hoch- temperaturführenden Medium durchströmt werden, so dass eine vorzugsweise einem Mäander ähnelnde Durchströmung stattfindet.
Der Aufbau dieser Art Blockelement ist dabei so ausgeführt, dass eine möglichst große Anzahl von Halbleiterelementen in verschiedenen Ebenen zusammengefasst sind.
Mittels dieser weiteren Anwendungsform ist unter optimaler Raumnutzung ebenfalls eine optimale Ausnutzung der Seebeck- Elemente 2 gegeben. Eine ebenenweise Erweiterung dieses Systems um weitere
Halbleiterblockelemente 1 und dementsprechende Strömungsbereiche K und H ist ohne weiteres möglich und dem Schutzumfang zugehörig zu betrachten.

Claims

Patentansprüche:
Anspruch 1 :
Halbleiterblockelement, bestehend aus einer Anordnung von Seebeck- Elementen (2) im Verbund, wobei die Halbleiterelemente 2 zueinander definiert in einem Verbundrahmen (3) mittels einer geeigneten Vergussmasse (4) fixiert sind.
Anspruch 2: Halbleiterblockelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Stabilisator der Halbleiterelemente (2) Metalle und deren Verbindungen mit hoher Wärmeleitfähigkeit und als Isolator eine physikalisch- chemische Trennschicht eingesetzt ist.
Anspruch 3:
Halbleiterblockelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die physikalisch- chemische Trennschicht eine Oxidationsschicht ist.
Anspruch 4: Halbleiterblockelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisierung des Halbleiterblockelementes 1 durch eine direkte Kontaktierung und die Ausführung eines Innenvergusses der Seebeck- Elemente 2 realisiert ist.
Anspruch 5:
Halbleiterblockelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Kombination mehrerer Halbleiterblockelemente (1) Energieerzeugungssysteme zusammen zu stellen sind. Anspruch 6:
Halbleiterblockelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterelemente ohne Trennschicht direkt am Isolator vom Medium angeströmt werden.
Anspruch 7:
Energieerzeugungssystem, dadurch gekennzeichnet, dass das längsdurchströmte Energieerzeugungssystem 4 von einer äußeren Hülle 5 gebildet wird und durch Halbleiterblockelemente (2j, 2a) gebildete und voneinander abgegrenzte zu durchströmende Strömungsbereiche (Kl, Hl, K2, H2 ...) aufweist, welche abwechselnd kalt- bzw. warmdurchströmt werden
Anspruch 8: Energieerzeugungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in den Strömungsbereichen (Kl, Hl, K2, H2...) Elemente angeordnet sind, welche geeignet sind, eine Umwandlung von laminarer Strömung in turbulente Strömung auszulösen.
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