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热电元件

阅读：1018发布：2020-07-19

专利汇可以提供热电元件专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种热电元件，其具有至少一个热电偶，该热电偶具有由半导体材料构成的n掺杂的和p掺杂的热电腿，其中，热电腿在热电元件的热侧与冷侧之间延伸，不同高的温度能在热侧和冷侧之间施加或量出。为了提供一种具有高热功率密度的热电元件，该热电元件尽管利用较少半导体材料却保证了足够的机械稳定性，提出将热电效应以及直角平行六面体的承载功能分到两个部件上。多件式承载体承担承载功能，而热电效应由布置在承载体上的、尤其是构造为薄层的热电腿来承担。，下面是热电元件专利的具体信息内容。

权利要求

1.热电元件，其具有至少一个热电偶，所述热电偶具有由半导体材料构成的n掺杂的和p掺杂的热电腿，其中，所述热电腿在所述热电元件的热侧与冷侧之间延伸，不同高的温度能在所述热侧和所述冷侧之间施加或量出，并且所述热电元件包括承载体，其特征在于，（a）所述承载体（8）包括具有高导热性的第一承载体部分（10）和第二承载体部分（11），
（b）所述第一承载体部分和第二承载体部分（10，11）通过相对这些承载体部分（10，
11）具有较低的导热性的区段（12）彼此分开，
（c）布置在所述承载体（8）上的热电腿（3a，3b）在所述第一承载体部分和所述第二承载体部分（10，11）之间延伸并且跨越所述具有较低的导热性的区段（12），其中，所述承载体部分之一（11）形成所述热电元件的热侧而另一承载体部分（10）形成所述热电元件的冷侧。
2.根据权利要求1所述的热电元件，其特征在于，所述热电腿（3a，3b）构造为层。
3.根据权利要求1所述的热电元件，其特征在于，所述热电腿（3a，3b）构造为膜。
4.根据权利要求1至3之一所述的热电元件，其特征在于，所述区段（12）包括至少一个连接所述第一承载体部分和第二承载体部分的接片（13a，13b）。
5.根据权利要求1至4之一所述的热电元件，其特征在于，所述具有较低的导热性的区段（12）至少部分地由隔热材料构成。
6.根据权利要求1至5之一所述的热电元件，其特征在于，所述热电腿（3a，3b）施加在具有低导热性的基板（2）上并且所述基板（2）利用具有所述热电腿（3a，3b）的表面放置在所述承载体（8）上。
7.根据权利要求1至6之一所述的热电元件，其特征在于，串联连接的热电腿（3a，3b）在所述冷侧（20）上与至少两个电的接触部（14，15）连接。
8.根据权利要求1至7之一所述的热电元件，其特征在于，两个接触部之一（15）与过孔（16）连接，所述过孔通向在所述承载体部分（10）的与此接触部（15）对置的侧上的接触部（17）。
9.根据权利要求1至8之一所述的热电元件，其特征在于，至少所述第一承载体部分和第二承载体部分（10，11）由陶瓷构成。
10.根据权利要求9所述的热电元件，其特征在于，至少所述第一承载体部分和第二承载体部分（10，11）由多层低温共烧陶瓷构成。
11.根据权利要求1至10之一所述的热电元件，其特征在于，为了改善所述承载体部分的导热性的层（28）嵌入到所述第一承载体部分和第二承载体部分（10，11）中。
12.模块（29），其包括有多个根据权利要求1至11之一所述的彼此电连接的热电元件。
13.根据权利要求12所述的模块，其特征在于，板状的所述热电元件形成堆叠。

说明书全文

热电元件

技术领域

[0001] 本发明涉及一种热电元件，其具有至少一个热电偶，该热电偶具有由半导体材料构成的n掺杂的和p掺杂的热电腿部，其中，热电腿在热电元件的热侧与冷侧之间延伸，不同高的温度能在热侧和冷侧之间施加或量出，并且热电元件包括承载体。

背景技术

[0002] 热电元件的工作方式基于如下热电效应：

[0003] 在塞贝克效应中，在具有不同温度的电导体或半导体的两个点之间产生电压。塞贝克效应描述了电压的产生，而珀耳帖效应仅由于外部电流的流动而出现。在电流流经的热电偶中总是出现这两种效应。当两个具有不同电子热容的导体或半导体接触并且通过外部施加的电流使电子从其中一个导体/半导体流入另一导体/半导体时，珀耳帖效应出现。利用合适的材料，尤其是半导体材料达到利用电流产生温度差或相反由温度差产生电流。

[0004] 热直接转换成电能利用具有多个热电元件的热电发生器是可行的。热电元件优选由不同掺杂的半导体材料构成，由此相对具有两个不同的并且在端部彼此连接的金属的热元件能够明显提高效率。常用的半导体材料是Bi2Te3、PbTe、SiGe、BiSb或FeSi2。为了获得足够高的电压，多个热电元件组合成模块并且串联电连接并且必要时也并联连接。

[0005] 传统热电元件由两个或更多个由p掺杂和n掺杂的半导体材料构成的小直角平行六面体构成，其交替地在上部和在下部通过金属桥彼此连接。金属桥同时形成在热电元件的热侧或冷侧上的热接触面并且大部分布置在两个彼此间隔布置的陶瓷板之间。n掺杂的和p掺杂的直角平行六面体，也称作热电腿，分别形成热电偶，其中，直角平行六面体在热电元件的热侧与冷侧之间延伸。不同掺杂的直角平行六面体通过金属桥如下这样彼此连接，即，使它们形成串联电路。

[0006] 只要为直角平行六面体输送电流，则根据电流强度和电流方向直角平行六面体在其中一侧上的连接部位冷却，而其在对置侧上发热。所施加的电流由此在陶瓷板之间产生温度差。如果同时不同高的温度施加到对置的陶瓷板上，则根据温度差引起进入热电元件的直角平行六面体中的电流流动。

[0007] 直角平行六面体的边长在所有方向上大约为1-3mm。直角平行六面体的形状近似于立方体。直角平行六面体的明显的厚度是必需的，因为其不仅用于实现热电效应，而且此外还负责热电元件的机械稳定性。尤其地，在充当连接部位的金属桥上，陶瓷板支撑在热电元件的热侧或冷侧上。直角平行六面体因此需要许多半导体材料，其对于实现热电效应而言不是必需的。因此，公知的热电元件的关于质量而言的电功率密度和热功率密度是比较小的，尽管关于热电模块的面积而言热功率密度对于大多数应用是过大的。

[0008] US 2007/0152352A1公开了一种热电装置，其具有多个热电偶，该热电偶分别由半导体材料构成的n掺杂的热电腿和p掺杂的热电腿构成。热电装置包括框架状的承载结构，该承载结构包围开口。在这个承载结构的开口中布置有基板。基板用于容纳电子单元，其温度借助热电装置有针对性地要保持在环境温度之上或之下。在这个基板与包围这个基板的承载结构之间存在热绝缘结构，在该热绝缘结构上仅布置有所有热电偶的热电腿。在热电装置运行期间，电流流经串联连接的热电偶。电流流动促使热能从基板经过热绝缘结构向承载结构传递，由此使基板与布置在其上的电子单元冷却。

发明内容

[0009] 由现有技术出发，本发明基于如下任务，即，提出一种具有关于质量而言高的热功率密度的热电元件，其尽管利用较少的半导体材料却保证了足够的机械稳定性。热电元件以及由此制造的模块的绝对热功率和功率密度应该要能够良好地与在其应用中积累的热功率和功率密度匹配。

[0010] 这个任务的解决基于如下思想，即，将热电效应以及直角平行六面体的承载功能分到两个部件上。多件式承载体承担承载功能，而热电效应由布置在承载体上的热电腿来承担。

[0011] 详细而言，这个任务在开头所述类型的热电元件的情况下通过如下方式来解决，即：

[0012] （a）承载件具有第一承载体部分和第二承载体部分，它们具有高导热性，[0013] （b）第一承载体部分和第二承载体部分通过相对这些承载体部分具有较低的导热性的区段彼此分开，

[0014] （c）布置在承载体上的热电腿在第一承载体部分与第二承载体部分之间延伸并且跨越具有较低的导热性的区段，其中承载体部分之一形成热电元件的热侧而另一承载体部分形成热电元件的冷侧。

[0015] 承载体能够由成本更低廉并且相对半导体材料机械上更稳定的材料构成，从而使承载体在机械稳定的同时需要更小的结构空间。优选实施为直角平行六面体的承载体在使用较稳定的材料的情况下具有例如与传统半导体直角平行六面体相比更小的厚度。

[0016] 热电偶的热电腿优选作为层，尤其是作为薄层或者作为膜布置在承载体上。因此，与在传统热电元件的情况下相比需要明显更少的半导体材料。

[0017] 为了使在热电元件的热侧与冷侧之间的温度差能首先在热电偶中起作用，第一承载体部分和第二承载体部分通过具有低导热性的区段彼此分开。热电偶的热电腿在第一承载体部分与第二承载体部分之间延伸并且跨越具有较低的导热性的区段。

[0018] 具有较低的导热性的区段将这两个承载体部分热退耦，从而使承载体部分之一形成热电元件的热侧而另一承载体部分形成热电元件的冷侧。

[0019] 将这两个承载体部分分开的区段能够完全地或部分地由隔热材料构成。只要这个进行分开的区段仅部分由隔热材料构成，则该区段的其余部分在第一承载体部分与第二承载体部分之间通过环境气体，尤其是环境空气形成，该环境空气具有0.0261W/m*K的低导热性。

[0020] 降低在这两个承载体部分之间的区段中的导热性的另外的可行性在于这两个承载体部分通过至少一个接片彼此连接。接片的与承载体部分相比小的横截面形成了热阻并且由此在该区段中降低了导热性。在制造技术上有利的是，尤其呈直角平行六面体形的接片在呈直角平行六面体形的承载体的情况下大致居中地处于直角平行六面体的两个对置的面上。在处于接片之间的、同样呈直角平行六面体形的通道中存在气体，尤其环境空气，其相对第一承载体部分和第二承载体部分具有较低的导热性。

[0021] 当接片或进行连接的接片由与承载体部分相比具有较低的导热性的材料构成时，实现了在第一承载体部分与第二承载体部分之间更为有效的热退耦。除了由于接片的横截面减小而引起的区段的导热性降低，接着还出现了由材料决定的导热性降低。

[0022] 只要具有较低的导热性的区段部分具有通道，则当热电腿施加到具有低导热性的基板上并且该基板利用其具有热电腿的表面布置在承载体上时，使热电腿在承载体上的布置变得容易。在跨越通道的区域内，基板承担了用于热电偶的热电腿的承载功能。基板能够例如由玻璃构成，其具有0.76W/m*K的导热性。

[0023] 如在传统热电元件中那样，不同掺杂的热电腿串联连接。为了减小电连接电阻，串联连接的热电腿在冷侧上与两个电接触部连接。接触部优选作为接触区域布置在承载体部分的表面上或嵌入其表面中。

[0024] 为了将多个根据本发明的热电元件彼此电连接，尤其是将它们组合成模块，优选这两个在冷侧上的接触部之一具有过孔，该过孔通向在承载体部分的对置的侧上的接触部。在对置的侧上的接触部同样能够施加在承载体部分的表面上或进入其表面中。

[0025] 作为用于承载体或第一承载体部分和第二承载体部分的材料，尤其考虑工业陶瓷的原料。陶瓷原料在良好的电绝缘性的同时具有所要求的高导热性，这为了避免在串联连接的热电偶之间的短路是必需的。此外，陶瓷原料是耐高温的并且具有对于热电元件有所期望价值的温度变化稳定性。对于承载功能而言具有优点的是陶瓷原料的强度、硬度和形状稳定性。陶瓷原料的耐腐蚀性和耐磨性顾及了对可持久热电元件的期望。

[0026] 陶瓷承载体，尤其是第一承载体部分和第二承载体部分优选由多层低温共烧陶瓷构成。低温共烧陶瓷（Low Temperature CofiredCeramics(LTCC)）基于用于制造多层陶瓷承载体的技术。首先，陶瓷粉末与溶剂和塑化剂一起加工成膜。未煅烧的膜通过冲压、切割并且必要时压印来结构化。为了制造过孔，例如将通道孔冲压到陶瓷膜中或利用激光切割。

[0027] 被结构化的陶瓷膜的各层被对齐并且在压模中被堆叠。通道孔以导电膏，尤其是银膏、银/钯膏或金膏来填充。这些导电膏的优点在于，它们在随后的煅烧中以与陶瓷膜几乎相同的方式收缩。在输送例如70摄氏度的热和例如90巴的压力的情况下，将陶瓷膜层压。在随后煅烧陶瓷膜时，陶瓷膜的各层彼此牢固地连接。

[0028] 为了改善导热性，能够将为了改善承载体部分的导热性的层嵌入到多层低温共烧陶瓷中。作为层考虑尤其是金属化层，但是，也考虑由硅、氮化铝或氧化铝构成的层。由氮化铝和氧化铝构成的层改善了导热性，但是，是电绝缘的。它们因此尤其是使用在热电元件的热侧上。在嵌入的层与陶瓷膜之间的连接例如借助活性焊剂（Reaktivlot）或者玻璃焊剂来进行。导热性能够附加地通过通道来改善，这些通道如过孔那样以金属原料来填充。

[0029] 为了提高电输出功率，能够将多个根据本发明的热电元件以电学方式和以机械方式彼此连接成模块。优选地，形成模块的、热电元件构造为板状直角平行六面体，其组合成堆叠。模块的每个热电元件优选具有在冷侧上的板状承载体部分的对置的侧上的接触部，该接触部与分别邻接的板状热电元件的接触部触碰，从而使模块的热电元件串联连接或并联连接。附图说明

[0030] 以下参照附图对本发明进行详细阐述。其中：

[0031] 图1示出了用于根据本发明的热电元件的在基板上构造为层的热电偶，[0032] 图2a示出了热电元件的承载体的前视图和侧视图，

[0033] 图2b示出了根据本发明的热电元件的承载体的后视图，

[0034] 图2c示出了根据本发明的热电元件的俯视图，

[0035] 图3示出了热电元件的第二实施例的示意性透视图，其中热电腿布置在承载体的一侧上，

[0036] 图4示出了热电元件的第三实施例的示意性透视图，其中热电腿布置在承载体的两个对置的侧上，

[0037] 图5示出了根据图4的具有改进的导热性的热电元件，

[0038] 图6示出了多个组合成堆叠的热电元件，以及

[0039] 图7示出了将多个热电元件布置在两个彼此间隔布置的陶瓷板之间以便构建模块的可能性。

具体实施方式

[0040] 图1示出了三个热电偶（1），其作为层施加在基板（2）上。基板（2）是例如具有很小的导热性的矩形玻璃板。每个热电偶（1）包括由半导体材料构成的n掺杂的热电腿（3a）和p掺杂的热电腿（3b）。n掺杂的热电腿和p掺杂的热电腿（3a，3b）在对置的连接部位（4，5）上串联电连接。

[0041] n掺杂的热电腿和p掺杂的热电腿（3a，3b）的串联电路在其输入端和输出端上与两个电接触部（6，7）连接，该电接触部作为金属层施加在衬底（2）的表面上作为接触区域。

[0042] 图2a、2b示出了根据本发明的热电元件的承载体（8）。承载体（8）总体上具有直角平行六面体的形状。从在图2a中所示的侧视图能看到的是，该承载体的厚度（9）由于承载功能与热电效应分开而相对较小。承载体（8）包括具有高导热性的第一承载体部分（10）和第二承载体部分（11）。承载体部分优选由工业陶瓷原料构成。这两个承载体部分（10，11）通过相对承载体部分具有较低的导热性的区段（12）彼此分开。区段（12）具有两个将第一承载体部分和第二承载体部分（10，11）连接的接片（13a，13b），该接片在侧面的延长部中将这两个承载体部分（10，11）彼此连接。只要接片（13a，13b）由与承载体部分（10，11）相同的材料构成，则导热性由于接片（13a，13b）的横截面相对承载体部分（10，11）的横截面更小而明显降低。此外，区段（12）具有由接片（13a，13b）侧向并且由第一承载体部分和第二承载体部分（10，11）的端面（14a，14b）所限制的包含环境空气的间隙，该环境空气相对承载体部分（10，11）具有较低的导热性并且因此使这两个承载体部分热退耦。

[0043] 在承载体（8）的前侧上存在构造为接触区域的接触部（14，15），用于与串联连接的热电偶（1）电连接。接触部（15）通过过孔（16）与在承载体（8）的背侧上的接触部（17）导电连接。在承载体（8）的第一承载体部分（10）的前侧和背侧上的大面积的接触部（14，17）允许简单地接触热电元件并且与其他的、类似的热电元件连接。

[0044] 图2c示出了基板（2）如何利用具有热电腿（3a，3b）的表面布置在承载体（8）上。接触部（6，7）在承载体（8）的上侧上与接触部（14，15）触碰，从而使接触部（6）通过过孔（16）与背侧的接触部（17）连接。热电偶（1）的热电腿（3a，3b）在第一承载体部分和第二承载体部分（10，11）之间延伸并且在此跨越具有较小的导热性的区段（12）的空气间隙（18）。
第二承载体部分（11）形成热电元件的热侧（19），而第一承载体部分（10）形成热电元件的冷侧（20）。热的耦合尤其在第二承载体部分（11）的上边缘（21）上进行，而降温件则布置在第一承载体部分（10）的下边缘（22）上。如在传统热电元件中那样，大量热电元件能够利用其上边缘和下边缘（21，22）布置在垂直于附图平面走向的陶瓷板（30，31）之间，如这在图7中所示那样。承载体（8）的机械稳定性足以使陶瓷板（30，31）尽管在热电薄层技术下仍保持间隔。

[0045] 图3示出了陶瓷承载体（8），其中第一承载体部分和第二承载体部分（10，11）以及区段（12）的接片（13a，13b）由多层低温共烧陶瓷构成。在承载体（8）的向上指向的前侧上存在接触部（23），其通过过孔（24）与在承载体（8）的背侧上的接触部（25）连接。此外，在背侧上存在大面积的接触部（26），该接触部（26），也如接触部（25）那样，确定用于连接串联连接的热电腿（3a，3b）。串联连接的热电腿（3a，3b）在背侧上与这两个接触部（25，26）连接并且从在冷侧上的第一承载体部分（10）延伸到在热侧上的第二承载体部分（11），其中，它们跨越区段（12）的空气间隙（18）。热电腿（3a，3b）优选布置在基板上。可替选地，热电腿能够是膜的组成部分，其由于其自身的刚性在没有附加的基板的情况下能够跨越空隙间隙（18）。

[0046] 图4示出了在其前侧和背侧上布置有多个热电偶（1）的热电腿（3a，3b）的承载体（8）。所有热电腿（3a，3b）串联连接。承载体（8）在上侧上具有接触部（23）和接触部（27），具有从接触部（27）出来的与在背侧上的接触部连接的过孔（24），以及具有背侧的接触部（26）。

[0047] 在承载体（8）的上侧上串联连接的热电腿（3a，3b）端侧地与接触部（23，27）连接。在下侧上，串联连接的热电腿（3a，3b）与电接触部（25，26）连接，其中，过孔（24）建立在承载体（8）的上侧和下侧上的热电腿（3a，3b）之间的导电连接。

[0048] 以与根据图3的承载体相同的方式，多个热电元件通过大面积的接触部（23，26）能够串联连接或者也能够并联连接。

[0049] 根据图5的承载体在热电腿（3a，3b）的接触方面与根据图4的承载体相应，从而全面参照在那里的实施。但是，通过嵌入金属化层（28）改善了不仅在承载体（8）的热侧上而且在承载体（8）冷侧（19，20）上的导热性。在热侧（19）上，承载体（8）的上侧和下侧没有金属化，由此没有出现处于放置在上侧和下侧上的热电腿（3a，3b）之间的短路。可替选地，在热侧上能够使由硅、氮化铝或氧化铝构成的层嵌入第二承载体部分（10）中，以便改善导热性，但是，避免在热电腿（3a，3b）之间的短路。

[0050] 在冷侧（20）上也应注意的是，在下侧或上侧上没有金属化造成在接触区域（23，25，26，27）外部在热电腿（3a，3b）之间的短路。从图5中能进一步看到的是，具有较低的导热性的区段（12）没有金属化。接片（13a，13b）的导热性因此不仅通过较小的横截面而且此外通过缺少金属化来降低。

[0051] 最后，图6公开了如下堆叠（32），其包括有多个串联电连接的热电元件，它们与图3相应地来构建，但是，具有较小的厚度。多个这样的堆叠（32）能够组合成与图7相应的模块（29）。

[0052] 附图标记列表

[0053]编号附图标记编号附图标记
1 热电偶 29 模块
2 基板 30 第一陶瓷板
3a n掺杂的热电腿 31 第二陶瓷板
3b p掺杂的热电腿 32 堆叠
4 连接部位
5 连接部位
6 接触部
7 接触部
8 承载体
9 厚的承载体
10 第一承载体部分
11 第二承载体部分
12 区段
13a，13b 接片
14 接触部
15 接触部
16 过孔
17 接触部
18 空气间隙
19 热侧
20 冷侧
21 上边缘
22 下边缘
23 接触部
24 过孔
25 接触部
26 接触部
27 接触部
28 金属化层

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