WO2012031980A2 - Verfahren zur herstellung eines thermoelektrischen moduls - Google Patents

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WO2012031980A2
WO2012031980A2 PCT/EP2011/065171 EP2011065171W WO2012031980A2 WO 2012031980 A2 WO2012031980 A2 WO 2012031980A2 EP 2011065171 W EP2011065171 W EP 2011065171W WO 2012031980 A2 WO2012031980 A2 WO 2012031980A2
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electrically conductive
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semiconductor elements
outer peripheral
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Wilfried Müller
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Emitec Gesellschaft Für Emissionstechnologie Mbh
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    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H10N10/01—Manufacture or treatment

Definitions

  • thermoelectric module
  • thermoelectric module is used to generate electrical energy z. B. from the exhaust gas of an internal combustion engine by means of a generator.
  • This means in particular, a generator for converting thermal energy of an exhaust gas into electrical energy, that is to say a so-called thermoelectric generator.
  • the exhaust gas from an engine of a motor vehicle has thermal energy, which can be converted into electrical energy by means of a thermoelectric generator, for example, to fill a battery or other energy storage and / or electrical consumers to supply the required energy directly.
  • a thermoelectric generator for example, to fill a battery or other energy storage and / or electrical consumers to supply the required energy directly.
  • thermoelectric generator has at least one thermoelectric module.
  • Thermoelectric materials are of a type that can effectively convert thermal energy into electrical energy (Seebeck effect) and vice versa (Peltier effect).
  • thermoelectric modules preferably have a multiplicity of thermoelectric elements which are positioned between a so-called hot side and a so-called cold side.
  • Thermoelectric elements include z. B. at least two semiconductor elements (p- and n-doped), which are mutually provided on its top and bottom to the hot side or cold side with electrically conductive bridges.
  • Ceramic plates or ceramic coatings and / or similar materials are used for electrically insulating the electrically conductive (metallic) bridges in relation to a housing enclosing the thermoelectric module and are thus preferably arranged between these electrically conductive bridges and the housing. If a temperature gradient is provided on both sides of the semiconductor elements, a voltage potential forms between the ends of the semiconductor element. The charge carriers on the hotter side are increasingly excited by the higher temperature in the conduction band. As a result of the concentration difference in the conduction band generated in this process, charge carriers diffuse to the colder side of the semiconductor element, which results in the potential difference. In a thermoelectric module in particular numerous semiconductor elements are electrically connected in series.
  • thermoelectric generators for use in motor vehicles, especially passenger cars.
  • thermoelectric module is to be specified, which enables a cost-effective, reproducible and production-compatible production of a thermoelectric module.
  • the method according to the invention for producing a tubular thermoelectric module having an extension along an axial direction comprises at least the following steps:
  • the semiconductor elements have the same inner diameter and the same outer diameter and are arranged alternately as n- or p-doped annular semiconductor elements one behind the other in the axial direction.
  • the semiconductor elements are each spaced from each other by annular insulating materials, wherein the insulating material also in an alternating arrangement either a larger outer diameter and a same inner diameter or has a smaller inner diameter and a same outer diameter as the semiconductor elements.
  • the semiconductor elements and the insulating materials are formed circular or elliptical. Furthermore, however, polygonal shapes can also be used for the insulating material and the semiconductor elements. Due to the alternating arrangement of the semiconductor elements and the insulating materials to form a tubular element, an irregular (stepped, offset or the like) outer peripheral surface is formed on the outer peripheral surface by the larger outer diameters of the insulating material.
  • the larger outer diameters of the insulating material extend on the outer circumferential surface in the radial direction over the semiconductor elements and also over the insulating materials with the same outer diameter and smaller inner diameter compared to the semiconductor elements. The same applies to the inner circumferential surface on which insulating materials of smaller inner diameter extend beyond the thermoelectric elements and over the insulating materials having the same inner diameters and larger outer diameters than the semiconductor elements.
  • the outer peripheral surface and the inner peripheral surface denote the respective surfaces of the tubular member formed by at least the insulating materials and the semiconductor elements.
  • the outer peripheral surface and the inner peripheral surface also include coated portions of the insulating materials and semiconductor elements.
  • step a) the semiconductor elements and insulation materials are arranged one behind the other, wherein at the ends of the tubular element in particular additional potential rings can be arranged, which allow tapping the electrical current generated during operation by the thermoelectric module.
  • the tube created in this way ge element is taken in particular between two printing plates and fed according to step b).
  • the electrically conductive coating is in particular by a suitable application method such. As plasma spraying, PVD method or applied by a coating bath on the tubular member on the outer peripheral surface and the inner peripheral surface. In particular, a coating consisting of at least 95% by mass nickel is applied here. Other possible materials for this coating are in particular molybdenum with at least 95% by mass or copper alloys.
  • nickel or molybdenum as a coating material for the electrically conductive coating is particularly advantageous because such a diffusion barrier with respect to the semiconductor element is ensured by the coating material itself. An additional diffusion barrier between electrically conductive coating and semiconductor material is then no longer required.
  • the electrically conductive coating is applied to the outer circumferential surface and the inner circumferential surface in a uniform thickness, so that a continuous layer of the electrically conductive coating is formed on the outer circumferential surface and the inner circumferential surface.
  • the electrically conductive coating can be provided in particular on the entire inner peripheral surface and / or outer peripheral surface or at least with large-area continuous coating films. At the locations where the insulation materials in the radial direction in the inside or outside at least partially survive, formed by the now continuously applied electrically conductive coating elevations on the tubular element, which extend in the circumferential direction along the protruding insulating lation according to.
  • the electrically conductive coating is solidified before step c) is performed.
  • the elevations are removed at least on the outer circumferential surface, so that the electrically conductive coating is interrupted in the axial direction by the insulation materials projecting outwards.
  • the elevations are in particular just removed so far that the smallest possible extent of the protruding insulating materials is removed.
  • only the electrically conductive coating applied to the overhanging insulating material is removed. This process can, for. B. done by mechanical cutting, but also by chemical removal processes or the like.
  • a smooth outer circumferential surface is formed on the tubular element, that is, it has no radially protruding elements on the outer circumferential surface after removal of the elevations.
  • the electrically conductive coating is applied only to the non-protruding points on the outer peripheral surface or the inner peripheral surface.
  • the removal of the elevations is avoided or is only a removal of, possibly still on the coating providing areas of the outer peripheral surface or inner peripheral surface, protruding insulating materials on the outer peripheral surface and the inner peripheral surface necessary.
  • this has at least the following further steps, which follow step c):
  • the insulating layer is applied uniformly on the outer circumferential surface, so that at least the electrically conductive coating and the insulating material do not contact the outer tube arranged thereon.
  • the insulating layer only in the regions in which an electrically conductive coating is present, so that it is in particular electrically insulated from the housing. Furthermore, it is also possible in a particularly advantageous manner to provide the outer tube with an insulating layer, so that this layer is applied to the tubular element together with the insulation.
  • the arranging of the outer tube on the outer peripheral surface is followed by a calibration process by which the outer tube is reduced in terms of its inner diameter to such an extent that a firm abutment of the outer tube to the tubular element is ensured.
  • the connection of the outer tube with the possibly arranged at the ends of the tubular element potential ring in particular by a welding process or gluing process, so that the thermoelectric module is sealed at these locations to the outside, in particular sealed against a liquid and / or a Gas.
  • the potential rings in particular also have an electrical insulation with respect to the outer tube and are designed to discharge an electrically generated current from the electrically conductive coating inside the thermoelectric module to the outside.
  • this further comprises the following steps:
  • the insulating layer is applied only in the areas where an electrically conductive coating is present.
  • step f) takes place after step e), ie in particular after the outer tube has been arranged on the outer circumferential surface.
  • the removal of the elevations on the inner peripheral surface can be achieved by mechanical machining, z. B. by drilling, but also by chemical removal processes.
  • the electrically conductive coating is not applied to the locations on the inner circumferential surface where the insulating materials project inwards in the radial direction.
  • the removal of the elevations can be dispensed with, so that coating material for the electrically conductive coating can be saved.
  • continuous application of the electrically conductive coating is especially advantageous on the inner circumferential surface, because it ensures additional stability of the tubular element for method steps c), d) and e). It is preferred that the positioning of the inner tube on the inner peripheral surface is followed by a calibration process, by which the inner tube is widened so far, so that the inner tube is connected without gaps to the tubular element.
  • the insulating layer is applied to the inner circumferential surface only at the locations where there is an electrically conductive coating, so that the electrically conductive coating is electrically insulated from the inner tube arranged on the inner circumferential surface.
  • thermoelectric module produced by the inventive method is used in particular in thermoelectric generators in motor vehicles, wherein the thermal energy of the exhaust gas is converted directly or via intermediate cooling circuits or heat exchangers by the thermoelectric generator into electrical energy.
  • FIGS. show particularly preferred embodiments of the invention, but this is not limited thereto. They show schematically:
  • FIG. 1 a tubular element of semiconductor elements and insulating material
  • FIG. 2 shows the tubular element according to method step b);
  • FIG. 3 the tubular element according to method step c) or f); FIG.
  • Fig. 4 the tubular element according to method step d) or g);
  • FIG. 1 shows the tubular element 7 consisting of annular insulating material 4 and annular semiconductor elements 3, which are arranged alternately one behind the other along the axial direction 2.
  • the insulating materials 4 space the n- and p-doped semiconductor elements 3 from each other.
  • the insulating materials 4 have alternating be larger outer diameter 16 at the same inner diameter 17 or smaller inner diameter 17 at the same outer diameter 16 in comparison to the semiconductor elements 3, so that they project outward or inward in a radial direction 6.
  • the protruding insulating materials 4 form an irregular outer peripheral surface 8 and an irregular inner circumferential surface 9 of the tubular element 7.
  • FIG. 2 shows the tubular element 7 according to method step b), wherein an electrically conductive coating 10 is arranged on the outer circumferential surface 8 and on the inner circumferential surface 9 of the tubular element 7. This forms on the protruding insulating materials 4 elevations 11, which extend in the circumferential direction 18 on the inner peripheral surface 9 andthinkhers St.
  • the electrically conductive coating thereby covers the semiconductor elements 3, so that in each case n- and p-doped semiconductor elements 3 are connected to one another in an electrically conductive manner.
  • FIG. 3 shows the tubular element 7 according to method step c) or f), wherein the elevations shown in FIG. 2 are now removed and thus a smooth outer circumferential surface 8 or inner circumferential surface 9 is formed.
  • the electrically conductive coating 10 continues to be present at the locations which were arranged in the axial direction 2 between the elevations.
  • n- and p-doped semiconductor elements 3 are further electrically connected to each other.
  • FIG. 4 shows the tubular element 7 according to method step d) or g), wherein an insulating layer 12 is arranged on the outer circumferential surface 8 or on the inner circumferential surface 9.
  • This insulation layer 12 has a wall thickness 15.
  • FIG. 5 shows the tubular element 7 according to method step e) or h), so that now a thermoelectric module 1 with an extension 5 is produced.
  • an Au DTrohr 13 or an inner tube 14 is arranged so that the thermoelectric module 1 is made gap-free.
  • thermoelectric module at least partially solves the problems described with reference to the prior art.
  • a method for producing a thermoelectric module is specified, which allows a cost-effective, reproducible and production-compatible production of a thermoelectric module.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Moduls (1). Insbesondere ist ein Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Moduls angegeben, das eine kostengünstige, reproduzierbare und serientaugliche Herstellung eines thermoelektrischen Moduls (1) ermöglicht. Das Verfahren umfasst dabei die Schritte: Abwechselndes Anordnen von zumindest einer Mehrzahl n- und p-dotierter ringförmiger Halbleiterelemente (3) sowie Isolationsmaterialien (4) mit voneinander abweichenden Formen bzw. Geometrien; Aufbringen einer elektrisch leitenden Beschichtung (10) auf eine Aussenumfangsfläche (8) bzw. Innenumfangsfläche (9); und Entfernen der Erhöhungen (11) an der Aussenumfangsfläche (8), so dass die elektrisch leitende Beschichtung (10) in der axialen Richtung (2) von Isolationsmaterial (4) unterbrochen ist.

Description

Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Moduls
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines rohrförmigen thermoelektrischen Moduls. Ein thermoelektrisches Modul dient zur Erzeugung elektrischer Energie z. B. aus dem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine mittels eines Generators. Damit ist insbesondere ein Generator zur Umwandlung thermischer Energie eines Abgases in elektrische Energie gemeint, also ein sogenannter thermoelektrischer Generator.
Das Abgas aus einem Motor eines Kraftfahrzeugs besitzt thermische Energie, welche mittels eines thermoelektrischen Generators in elektri- sehe Energie umgewandelt werden kann, bspw. um eine Batterie oder einen anderen Energie Speicher zu füllen und/oder elektrischen Verbrauchern die benötigte Energie direkt zuzuführen. Damit wird das Kraftfahrzeug mit einem verbesserten energetischen Wirkungsgrad betrieben, und es steht für den Betrieb des Kraftfahrzeugs Energie in größerem Umfang zur Verfügung.
Ein solcher thermoelektrischer Generator weist zumindest ein thermoelektrisches Modul auf. Thermoelektrische Materialien sind von einer Art, dass diese effektiv thermische Energie in elektrische Energie umwandeln können (Seebeck-Effekt) und umgekehrt (Peltier-Effekt). Solche thermoelektrischen Module weisen bevorzugt eine Vielzahl von thermoelektrischen Elementen auf, die zwischen einer sogenannten Heißseite und einer sogenannten Kaltseite positioniert sind. Thermoelektrische Elemente umfassen z. B. wenigstens zwei Halbleiterelemente (p- und n-dotiert), die auf ihrer Oberseite und Unterseite hin zur Heißseite bzw. zur Kaltseite wechselseitig mit elektrisch leitenden Brücken versehen sind. Keramikplatten bzw. Keramikbeschichtungen und/oder ähnliche Materialien dienen zur elektrischen Isolierung der elektrisch leitenden (metallischen) Brücken gegenüber einem das thermoelektrische Modul umschließenden Gehäuse und sind somit bevorzugt zwischen diesen elektrisch leitenden Brücken und dem Gehäuse angeordnet. Wird ein Temperaturgefälle beidseits der Halbleiterelemente bereitgestellt, so bildet sich zwischen den Enden des Halbleiterelements ein Spannungspotential aus. Die Ladungsträger auf der heißeren Seite werden durch die höhere Temperatur vermehrt in das Leitungsband angeregt. Durch den dabei erzeugten Konzentrationsunterschied im Leitungsband diffundieren Ladungsträger auf die kältere Seite des Halbleiterelements, wodurch die Potentialdifferenz entsteht. In einem thermoelektrischen Modul sind insbesondere zahlreiche Halbleiterele- mente elektrisch in Reihe geschaltet. Damit sich die generierte Potentialdifferenz der seriellen Halbleiterelemente nicht gegenseitig aufhebt, sind stets wechselweise Halbleiterelemente mit unterschiedlichen Majoritätsladungsträgern (n- und p-dotiert) in direkten elektrischen Kontakt gebracht. Mittels eines angeschlossenen Lastwiderstands kann der Strom- kreis geschlossen und somit elektrische Leistung abgegriffen werden.
Es ist bereits versucht worden, entsprechende thermoelektrische Generatoren für die Anwendung in Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftfahrzeugen, bereitzustellen. Diese waren jedoch meist sehr teuer in der Herstellung und gekennzeichnet durch eine geringe Dauerfestigkeit. Damit konnte noch keine Serientauglichkeit erlangt werden.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teil- weise zu lösen. Insbesondere soll ein Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Moduls angegeben werden, das eine kostengünstige, reproduzierbare und serientaugliche Herstellung eines thermoelektrischen Moduls ermöglicht. Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Moduls gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, erläutert die Erfindung weiter und führt ergänzende Ausfüh- rungsbeispiele der Erfindung an.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines rohrförmigen thermoelektrischen Moduls, das eine Erstreckung entlang einer axialen Richtung aufweist, beinhaltet zumindest die folgenden Schritte:
a) abwechselndes Anordnen von zumindest einer Mehrzahl n- und p- dotierter ringförmiger thermoelektrischer Halbleiterelemente hintereinander entlang der axialen Richtung, wobei jeweils zumindest ein ringförmiges Isolationsmaterial die Halbleiterelemente voneinander beabstandet und wobei das ringförmige Isolationsmaterial sich abwechselnd in einer radialen Richtung nach innen oder außen über die Halbleiterelemente erstreckt, so dass ein rohrförmiges Element mit einer unregelmäßigen Außenumfangsfläche und einer unregelmäßigen Innenumfangsfläche gebildet wird;
b) Aufbringen einer elektrisch leitenden Beschichtung auf die Außenumfangsfläche und die Innenumfangsfläche, so dass an den Stellen, an denen sich das Isolationsmaterial nach innen oder außen über die Halbleiterelemente erstreckt, in einer Umfangsrichtung jeweils zumindest teilweise umlaufende Erhöhungen gebildet sind;
c) Entfernen der Erhöhungen an der Außenumfangsfläche, so dass die elektrisch leitende Beschichtung in der axialen Richtung von Isolationsmaterial unterbrochen ist.
Insbesondere weisen also die Halbleiterelemente gleiche Innendurchmesser und gleiche Außendurchmesser auf und sind wechselweise als n- bzw. p-dotierte ringförmige Halbleiterelemente hintereinander in der axialen Richtung angeordnet. Die Halbleiterelemente sind dabei durch ringförmige Isolationsmaterialien jeweils voneinander beabstandet, wobei das Isolationsmaterial ebenfalls in abwechselnder Anordnung entweder einen größeren Außendurchmesser und einen gleichen Innendurchmesser oder einen kleineren Innendurchmesser und einen gleichen Außendurchmesser wie die Halbleiterelemente aufweist.
Insbesondere sind die Halbleiterelemente und die Isolationsmaterialien kreisförmig bzw. elliptisch ausgeformt. Weiterhin können aber auch polygonale Formen für das Isolationsmaterial und die Halbleiterelemente verwendet werden. Durch die wechselweise Anordnung der Halbleiterelemente und der Isolationsmaterialien zu einem rohrförmigen Element bildet sich auf der Außenumfangsfläche durch die größeren Außendurch- messer des Isolationsmaterials eine unregelmäßige (gestufte, versetzte oder dergleichen) Außenumfangfläche aus. Die größeren Außendurchmesser des Isolationsmaterials erstrecken sich auf der Außenumfangsfläche in radialer Richtung über die Halbleiterelemente und auch über die Isolationsmaterialien mit gleichem Außendurchmesser und geringerem Innendurchmesser im Vergleich zu den Halbleiterelementen hinaus. Das gleiche gilt für die Innenumfangsfläche, auf der Isolationsmaterialien mit geringerem Innendurchmesser sich über die thermoelektrischen Elemente und über die Isolationsmaterialien mit gleichen Innendurchmessern und größeren Außendurchmessern im Vergleich zu den Halbleiterelementen hinaus erstrecken.
Die Außenumfangsfläche und die Innenumfangsfläche bezeichnen die entsprechenden Flächen des rohrförmigen Elements, die zumindest durch die Isolationsmaterialien und die Halbleiterelemente gebildet werden. Insbesondere beinhalten die Außenumfangsfläche und die Innenumfangsfläche auch beschichtete Bereiche der Isolationsmaterialien und Halbleiterelemente.
Insbesondere werden in Schritt a) die Halbleiterelemente und Isolations- materialien hintereinander angeordnet, wobei an den Enden des rohrförmigen Elements insbesondere zusätzlich Potentialringe anordenbar sind, die ein Abgreifen des im Betrieb durch das thermoelektrische Modul erzeugten elektrischen Stroms ermöglichen. Das so geschaffene rohrförmi- ge Element wird insbesondere zwischen zwei Druckplatten aufgenommen und entsprechend Schritt b) zugeführt.
Die elektrisch leitende Beschichtung wird insbesondere durch ein geeig- netes Auftragsverfahren wie z. B. Plasmaspritzen, PVD-Verfahren oder auch durch ein Beschichtungsbad auf das rohrförmige Element auf der Außenumfangsfläche und der Innenumfangsfläche aufgebracht. Insbesondere wird hier eine Beschichtung bestehend zu zumindest 95 Mas- sen-% aus Nickel aufgetragen. Weitere mögliche Werkstoffe für diese Be- Schichtung sind insbesondere Molybdän mit zumindest 95 Massen-% oder Kupferlegierungen. Der Einsatz von Nickel oder Molybdän als Beschich- tungsmaterial für die elektrisch leitende Beschichtung ist dabei besonders vorteilhaft, weil so eine Diffusionsbarriere gegenüber dem Halbleiterelement durch das Beschichtungsmaterial selbst gewährleistet ist. Eine zu- sätzliche Diffusionsbarriere zwischen elektrisch leitender Beschichtung und Halbleitermaterial ist dann nicht mehr erforderlich.
Die elektrisch leitende Beschichtung wird insbesondere in gleichmäßiger Dicke auf die Außenumfangsfläche und die Innenumfangsfläche aufge- tragen, so dass eine zusammenhängende Schicht der elektrisch leitenden Beschichtung auf der Außenumfangsfläche und der Innenumfangsfläche gebildet wird. Die elektrisch leitende Beschichtung kann insbesondere auf der gesamten Innenumfangsfläche und/oder Außenumfangsfläche vorgesehen werden oder zumindest mit großflächigen zusammenhängenden Beschichtungsilächen. An den Stellen, an denen die Isolationsmaterialien in der radialen Richtung nach innen oder außen zumindest teilweise überstehen, bilden sich durch die nun durchgehend aufgebrachte elektrisch leitende Beschichtung Erhebungen auf dem rohrförmigen Element, die sich entsprechend in Umfangrichtung entlang des überstehenden Iso- lationsmaterials erstrecken.
Insbesondere ist bevorzugt, dass die elektrisch leitende Beschichtung verfestigt wird, bevor Schritt c) durchgeführt wird. Insbesondere nach einer Verfestigung der elektrisch leitenden Beschich- tung werden die Erhöhungen zumindest an der Außenumfangsfläche entfernt, so dass die elektrisch leitende Beschichtung in der axialen Richtung von den nach außen überstehenden Isolationsmaterialien unterbrochen ist. Dabei werden die Erhöhungen insbesondere gerade so weit entfernt, dass ein möglichst geringes Maß der überstehenden Isolationsmaterialien mit entfernt wird. Insbesondere wird nur die auf dem überstehenden Isolationsmaterial aufgebrachte elektrisch leitende Beschichtung entfernt. Dieser Prozess kann z. B. durch mechanisches Zerspanen erfolgen, aber auch durch chemische Abtragprozesse oder ähnliches. Insbesondere ist nach dem (lokal begrenzten) Entfernen der Erhöhungen eine glatte Außenumfangsfläche an dem rohrförmigen Element gebildet, das heißt, diese weist nach dem Entfernen der Erhöhungen keine in radialer Richtung hervorstehenden Elemente auf der Außenumfangsfläche auf.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird die elektrisch leitende Beschichtung nur auf die nichtüberstehenden Stellen auf der Außenumfangsfläche oder der Innenumfangsfläche aufgebracht. Mit anderen Worten bedeutet das insbesondere, dass das Aufbringen einer elekt- risch leitenden Beschichtung nur an den Stellen auf der Außenumfangsfläche und/oder der Innenumfangsfläche nicht erfolgt, an denen das Isolationsmaterial über die Halbleiterelemente bzw. die anderen Isolationsmaterialien übersteht. Dadurch wird das Entfernen der Erhöhungen vermieden bzw. ist nur ein Entfernen der, möglicherweise noch über die mit der Beschichtung versehenden Bereiche der Außenumfangsfläche bzw. Innenumfangsfläche, überstehenden Isolationsmaterialien auf der Außenumfangsfläche und der Innenumfangsfläche notwendig.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens weist dieses zumindest die folgenden weiteren Schritte auf, die sich an Schritt c) anschließen:
d) Aufbringen einer Isolationsschicht an der Außenumfangsfläche oder einem Außenrohr, und
e) Anordnen eines Außenrohrs auf der Außenumfangsfläche. Insbesondere wird die Isolations Schicht auf der Außenumfangsfläche gleichmäßig aufgetragen, so dass zumindest die elektrisch leitende Be- schichtung und das Isolationsmaterial nicht mit dem darauf angeordne- ten Außenrohr kontaktiert.
Insbesondere ist vorteilhaft, die Isolationsschicht nur in den Bereichen aufzubringen, an denen eine elektrisch leitende Beschichtung vorliegt, so dass diese insbesondere von dem Gehäuse elektrisch isoliert ist. Weiter- hin ist es auch in besonders vorteilhafter Weise möglich, das Außenrohr mit einer Isolationsschicht zu versehen, so dass dieses zusammen mit der Isolations schicht auf das rohrförmige Element aufgebracht wird.
Insbesondere schließt sich an das Anordnen des Außenrohrs auf der Au- ßenumfangsfläche ein Kalibrierprozess an, durch den das Außenrohr hinsichtlich seines Innendurchmessers so weit reduziert wird, dass eine feste Anlage des Außenrohrs an das rohrförmige Element gewährleistet ist. Insbesondere erfolgt dann auch die Verbindung des Außenrohrs mit dem ggf. an den Enden des rohrförmigen Elements angeordneten Potentialring, insbesondere durch einen Schweißprozess oder Klebeprozess, so dass das thermoelektrische Modul an diesen Stellen nach außen abgedichtet wird, insbesondere abgedichtet gegenüber einer Flüssigkeit und/oder einem Gas. Dabei weisen die Potentialringe insbesondere auch eine elektrische Isolierung gegenüber dem Außenrohr auf und sind entsprechend gestaltet, einen elektrisch erzeugbaren Strom von der elektrisch leitenden Beschichtung innerhalb des thermoelektrischen Moduls nach außen abzuführen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens weist dieses weiterhin die folgenden Schritte auf:
f) Entfernen der Erhöhungen auf der Innenumfangsfläche,
g) Aufbringen einer Isolationsschicht auf der Innenumfangsfläche, und h) Anordnen eines Innenrohrs auf der Innenumfangsfläche. Bevorzugt ist, dass die Isolationsschicht nur in den Bereichen aufgetragen wird, an denen eine elektrisch leitende Beschichtung vorliegt.
Durch das Entfernen der Erhöhungen auf der Innenumfangsfläche kann die zusätzliche Stabilität, die durch die Beschichtung mit elektrisch leitendem Material auf der Innenumfangsfläche erreicht wurde, genutzt werden, um das rohrförmige Element, insbesondere während der Schritte c), d) und e), zu stabilisieren. Insbesondere erfolgt Schritt f) nach Schritt e), also insbesondere nachdem das Außenrohr auf der Außenumfangsfläche angeordnet wurde. Auch das Entfernen der Erhöhungen auf der Innenumfangsfläche kann durch mechanisches Zerspanen, z. B. durch Bohren, aber auch durch chemische Abtragprozesse erfolgen. Insbesondere wird hier auch die elektrisch lei- tende Beschichtung nicht an den Stellen auf der Innenumfangsfläche aufgetragen, an denen die Isolationsmaterialien in radialer Richtung nach innen überstehen. Somit kann insbesondere auf das Entfernen der Erhöhungen verzichtet werden, so dass Beschichtungsmaterial für die elektrisch leitende Beschichtung eingespart werden kann. Gerade auf der In- nenumfangsfläche ist jedoch ein durchgehendes Aufbringen der elektrisch leitenden Beschichtung besonders vorteilhaft, weil diese eine zusätzliche Stabilität des rohrförmigen Elements für die Verfahrensschritte c), d) und e) gewährleistet. Bevorzugt ist, dass sich an das Anordnen des Innenrohrs auf der Innenumfangsfläche ein Kalibrierprozess anschließt, durch den das Innenrohr so weit aufgeweitet wird, so dass das Innenrohr mit dem rohrförmigen Element spaltfrei verbunden ist. Insbesondere wird die Isolationsschicht auf der Innenumfangsfläche nur an den Stellen aufgetragen, an denen eine elektrisch leitende Beschichtung vorliegt, so dass die elektrisch leitende Beschichtung von dem auf der Innenumfangsfläche angeordneten Innenrohr elektrisch isoliert ist. Weiterhin umfasst das Anordnen des Innenrohrs auf der Innenumfangs- fläche bevorzugt auch ein nachträgliches Kalibrieren (Aufweiten) des Innenrohrs, so dass dieses mit dem rohrförmigen Element spaltfrei verbunden ist. Das durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte thermoelektri- sche Modul wird insbesondere in thermoelektrischen Generatoren in Kraftfahrzeugen eingesetzt, wobei die thermische Energie des Abgases unmittelbar oder über zwischengeschaltete Kühlkreisläufe bzw. Wärmetauscher durch den thermoelektrischen Generator in elektrische Energie umgewandelt wird.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren besonders bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung aufzeigen, diese jedoch nicht darauf beschränkt ist. Es zeigen schematisch:
Fig. 1: ein rohrförmiges Element aus Halbleiterelementen und Isolationsmaterial; Fig. 2: das rohrförmige Element gemäß Verfahrensschritt b);
Fig. 3: das rohrförmige Element gemäß Verfahrensschritt c) bzw. f);
Fig. 4: das rohrförmige Element gemäß Verfahrens schritt d) bzw. g);
und
Fig. 5: das rohrförmige Element bzw. thermoelektrische Modul gemäß
Verfahrens schritt e) bzw. h). Fig. 1 zeigt das rohrförmige Element 7 bestehend aus ringförmigem Isolationsmaterial 4 und ringförmigen Halbleiterelementen 3, die wechselweise hintereinander entlang der axialen Richtung 2 angeordnet sind. Dabei beabstanden die Isolationsmaterialien 4 die n- und p-dotierten Halbleiterelemente 3 jeweils voneinander. Die Isolationsmaterialien 4 weisen wech- seiweise größere Außendurchmesser 16 bei gleichem Innendurchmesser 17 oder kleinere Innendurchmesser 17 bei gleichem Außendurchmesser 16 im Vergleich zu den Halbleiterelementen 3 auf, so dass diese nach außen bzw. nach innen in einer radialen Richtung 6 überstehen. Durch die überstehenden Isolationsmaterialien 4 wird eine unregelmäßige Außen- umfangsfläche 8 und eine unregelmäßige Innenumfangsfläche 9 des rohr- förmigen Elements 7 gebildet.
Fig. 2 zeigt das rohrförmige Element 7 gemäß Verfahrensschritt b), wobei auf der Außenumfangsfläche 8 und auf der Innenumfangsfläche 9 des rohrförmigen Elements 7 eine elektrisch leitende Beschichtung 10 angeordnet wird. Diese bildet auf den überstehenden Isolationsmaterialien 4 Erhöhungen 11, die sich in Umfangsrichtung 18 auf der Innenumfangsfläche 9 bzw. Außenumfangsfläche erstrecken. Die elektrisch leitende Be- Schichtung überdeckt dabei die Halbleiterelemente 3, so dass jeweils n- und p-dotierte Halbleiterelemente 3 miteinander elektrisch leitend verbunden sind.
Fig. 3 zeigt das rohrförmige Element 7 gemäß Verfahrensschritt c) bzw. f), wobei die in Fig. 2 gezeigten Erhöhungen nun entfernt sind und somit eine glatte Außenumfangsfläche 8 bzw. Innenumfangsfläche 9 gebildet ist. Die elektrisch leitende Beschichtung 10 liegt weiterhin an den Stellen vor, die in axialer Richtung 2 zwischen den Erhöhungen angeordnet waren. Somit sind n- und p-dotierte Halbleiterelemente 3 elektrisch leitend weiterhin miteinander verbunden.
Fig. 4 zeigt das rohrförmige Element 7 gemäß Verfahrensschritt d) bzw. g) , wobei eine Isolationsschicht 12 auf der Außenumfangsfläche 8 bzw. auf der Innenumfangsfläche 9 angeordnet ist. Diese Isolationsschicht 12 weist eine Wandstärke 15 auf.
Fig. 5 zeigt das rohrförmige Element 7 gemäß Verfahrensschritt e) bzw. h) , so dass nun ein thermoelektrisches Modul 1 mit einer Erstreckung 5 hergestellt ist. Auf der Isolations Schicht 12 ist nun entsprechend ein Au- ßenrohr 13 bzw. ein Innenrohr 14 angeordnet, so dass das thermoelektri- sche Modul 1 spaltfrei hergestellt ist.
Damit löst die Erfindung die mit Bezug auf den Stand der Technik ge- schilderten Probleme zumindest teilweise. Insbesondere ist ein Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Moduls angegeben, das eine kostengünstige, reproduzierbare und serientaugliche Herstellung eines thermoelektrischen Moduls ermöglicht.
Bezugszeichenliste
1 thermoelektrisches Modul
2 Axiale Richtung
3 Halbleiterelement
4 Isolationsmaterial
5 Erstreckung
6 radiale Richtung
7 Element
8 Außenumfangsfläche
9 Innenumfangsfläche
10 Beschichtung
11 Erhöhung
12 Isolationsschicht
13 Außenrohr
14 Innenrohr
15 Wandstärke
16 Außendurchmesser
17 Innendurchmesser
18 Umfang srichtung

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Herstellung eines rohrförmigen thermoelektrischen Moduls (1) mit einer Erstreckung (5) entlang einer axialen Richtung (2), zumindest aufweisend die folgenden Schritte:
a) abwechselndes Anordnen von zumindest einer Mehrzahl n- und p-dotierter ringförmiger Halbleiterelemente (3) hintereinander entlang der axialen Richtung (2), wobei jeweils zumindest ein ringförmiges Isolationsmaterial (4) die Halbleiterelemente (3) voneinander beabstandet und wobei das ringförmige Isolationsmaterial (4) sich abwechselnd in einer radialen Richtung (6) nach innen oder außen über die Halbleiterelemente (3) erstreckt, so dass ein rohrförmiges Element (7) mit einer unregelmäßigen Außenumfangsfläche (8) und einer unregelmäßigen Innenum- fangsfläche (9) gebildet ist,
b) Aufbringen einer elektrisch leitenden Beschichtung (10) auf die Außenumfangsfläche (8) und die Innenumfangsfläche (9), so dass an den Stellen, an denen sich das Isolationsmaterial (4) nach innen oder außen über die Halbleiterelemente (3) erstreckt, in einer Umfangsrichtung (18) jeweils zumindest teilweise umlaufende Erhöhungen (11) gebildet sind,
c) Entfernen der Erhöhungen (11) an der Außenumfangsfläche (8), so dass die elektrisch leitende Beschichtung (10) in der axialen Richtung (2) von Isolationsmaterial (4) unterbrochen ist.
Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei die elektrisch leitende Beschichtung (10) verfestigt wird, bevor Schritt c) durchgeführt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei die elektrisch leitende Beschichtung (10) nur auf die nichtüberstehenden Stellen auf der Außenumfangsfläche (8) oder der Innenumfangsfläche (9) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, weiter aufweisend zumindest die folgenden Schritte, die sich an Schritt c) anschließen:
d) Aufbringen einer Isolationsschicht (12) an der Außenumfangs- fläche (8) oder an einem Außenrohr (13), und
e) Anordnen eines Außenrohrs (13) auf der Außenumfangsfläche (8).
Verfahren nach Patentanspruch 4, wobei die Isolationsschicht (12) nur in den Bereichen aufgetragen wird, an denen eine elektrisch leitende Beschichtung (10) vorliegt.
Verfahren nach Patentanspruch 4 oder 5, wobei sich an das Anordnen des Außenrohrs (13) auf der Außenumfangsfläche (8) ein Kalibrierprozess anschließt, durch den das Außenrohr (13) hinsichtlich seines Innendurchmessers (17) so weit reduziert wird, dass eine Anlage des Außenrohrs (13) an das rohrförmige Element (7) besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, weiterhin aufweisend die folgenden Schritte:
f) Entfernen der Erhöhungen (11) auf der Innenumfangsfläche (9), g) Aufbringen einer Isolationsschicht (12) auf der Innenumfangsfläche (9), und
h) Anordnen eines Innenrohrs (14) auf der Innenumfangsfläche (9).
8. Verfahren nach Patentanspruch 7, wobei die Isolationsschicht (12) nur in den Bereichen aufgetragen wird, an denen eine elektrisch leitende Beschichtung (10) vorliegt.
9. Verfahren nach Patentanspruch 7 oder 8, wobei Schritt f) nach Schritt e) erfolgt. Verfahren nach einem der Patentansprüche 7 bis 9, wobei sich an das Anordnen des Innenrohrs (14) auf der Innenumfangsfläche (9) ein Kalibrierprozess anschließt, durch den das Innenrohr (14) so weit aufgeweitet wird, so dass das Innenrohr (14) mit dem rohr- förmigen Element (7) spaltfrei verbunden ist.
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