ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ
THERMOELECTRIC ELEMENT

Изобретение относится к термоэлектрическому элементу по меньшей мере с одной термопарой, которая имеет один n-легированный и один р-легированный термоэлектрод из полупроводникового материала, причем термоэлектроды простираются между холодной и горячей стороной термоэлектрического элемента, и между горячей и холодной стороной являются прилагаемыми или снимаемыми различные по величине температуры, и термоэлектрический элемент включает в себя носитель, причем носитель имеет первую часть носителя и вторую часть носителя с высокой теплопроводностью, первая и вторая части носителя отделены друг от друга участком с меньшей по сравнению с частями носителя теплопроводностью, расположенные на носителе термоэлектроды простираются между первой и второй частью носителя и перекрывают участок с меньшей теплопроводностью, и причем одна из частей носителя образует горячую, а другая часть носителя холодную сторону термоэлектрического элемента.
Принцип действия термоэлектрического элемента основывается на термоэлектрическом эффекте.
При эффекте Зеебека между двумя точками электрического проводника или полупроводника, которые имеют разную температуру, возникает электрическое напряжение. В то время как эффект Зеебека описывает возникновение напряжения, эффект Пельтье возникает исключительно вследствие протекания внешнего тока. В термопаре с протекающим электрическим током всегда возникают оба эффекта. Эффект Пельтье возникает, когда приводятся в контакт два проводника или полупроводника с разной электронной теплоемкостью, и вследствие приложенного внешнего электрического тока электроны текут из одного проводника/полупроводника в другой. С подходящими материалами, прежде всего полупроводниковыми материалами, удается с помощью электрического тока создавать разность температур или, наоборот, из разности температур создавать электрический ток.
2
3
2
Прямое преобразование тепла в электрическую энергию возможно с помощью термоэлектрического генератора с несколькими термоэлектрическими элементами. Преимущественно, термоэлектрические элементы состоят из различно легированных полупроводниковых материалов, благодаря чему может быть существенно повышена эффективность по сравнению с термоэлементами с разными и соединенными друг с другом на одном конце металлами. Обычными полупроводниковыми материалами являются BiTe, PbTe, SiGe, BiSb или FeSi. Для получения достаточно высоких напряжений несколько термоэлектрических элементов объединяют в модуль и электрически соединяют последовательно или, при известных условиях, параллельно.
Обычный термоэлектрический элемент состоит из двух или нескольких небольших прямоугольных параллелепипедов из р- и n-легированного полупроводникового материала, которые попеременно соединены друг с другом сверху и снизу металлическими мостиками. Металлические мостики одновременно образуют тепловые контактные поверхности на горячей или холодной стороне термоэлектрического элемента и чаще всего расположены между двумя расположенными на расстоянии друг от друга керамическими пластинами. Один n-легированный и один р-легированный прямоугольные параллелепипеды, соответственно, называемые также термоэлектродами, образуют термопару, причем прямоугольные параллелепипеды простираются между горячей и холодной стороной термоэлектрического элемента. Различно легированные прямоугольные параллелепипеды соединены металлическими мостиками друг с другом так, что они образуют последовательное соединение.
Если к прямоугольным параллелепипедам будет подведен электрический ток, то в зависимости от силы тока и направления тока места соединения прямоугольных параллелепипедов на одной стороне охлаждаются, в то время как они на противоположной стороне нагреваются. Приложенный ток создает, тем самым, разность температур между керамическими пластинами. Однако, если к противоположным керамическим пластинам будет приложена различная по величине температура, то в зависимости от разности температуры в прямоугольных параллелепипедах термоэлектрического элемента будет обусловлено протекание тока.
Длина граней прямоугольного параллелепипеда во всех направлениях составляет примерно 1-3 мм. Форма прямоугольного параллелепипеда приближается к кубику. Необходима значительная толщина прямоугольного параллелепипеда, так как она служит не только достижению термоэлектрического эффекта, но и, кроме того, обеспечивает механическую стабильность термоэлектрического элемента. Прежде всего, керамические пластины на горячей или холодной стороне термоэлектрического элемента опираются на служащие в качестве мест соединения металлические мостики. Поэтому прямоугольные параллелепипеды требуют много материала, который не является необходимым для достижения термоэлектрического эффекта. Вследствие этого, приведенная к массе удельная электрическая и тепловая мощность известных термоэлектрических элементов относительно мала, хотя приведенная к поверхности термоэлектрического модуля тепловая удельная мощность для большинства применений слишком велика.
US 2007/0152352 А1 описывает термоэлектрическое устройство с несколькими термопарами, которые состоят из n-легированного и р-легированного термоэлектрода из полупроводникового материала. Термоэлектрическое устройство включает в себя выполненную в форме рамы несущую структуру, которая окружает отверстие. В этом отверстии несущей структуры расположена подложка. Подложка служит для приема электронного блока, температура которого должна целенаправленно поддерживаться выше или ниже температуры окружающей среды с помощью термоэлектрического устройства. Между этой подложкой и окружающей подложку несущей структурой находится теплоизолирующая структура, на которой исключительно размещены термоэлектроды всех термопар. Во время работы термоэлектрического устройства ток течет через последовательно включенные термопары. Протекание тока приводит к тому, что тепловая энергия передается от подложки к несущей структуре через теплоизолирующую структуру, благодаря чему подложка и расположенный на ней электронный блок охлаждаются.
ЕР 1972034 А2 описывает термоэлектрический чип с несколькими термопарами, которые имеют соответственно n-легированный и р-легированный термоэлектрод из полупроводникового материала и металлическое соединение между термоэлектродами. Термоэлектроды простираются между горячей и холодной стороной термоэлектрического чипа. Термоэлектрический элемент включает в себя носитель из теплопроводящего материала с первой частью носителя и второй частью носителя, причем первая и вторая части носителя отделены друг от друга участком с меньшей по сравнению с частями носителя теплопроводностью. Тонкослойные термоэлектроды и металлические соединения между термоэлектродами расположены на обращенной наружу поверхности мембраны из электрически изолирующего материала. Другая противоположная поверхность мембраны прилегает по кромке на части носителя, так что мембрана простирается от первой ко второй части носителя, и на расположенные обращенной наружу поверхности мембраны термоэлектроды перекрывают участок с меньшей теплопроводностью. По меньшей мере один чип, предпочтительно несколько чипов объединяются в блоки между пластиной на горячей и пластиной на холодной стороне.
Исходя из этого уровня техники, в основе изобретения лежит задача создания термоэлектрического элемента с высокой приведенной к массе тепловой удельной мощностью, который с меньшим количеством полупроводникового материала все же обеспечивает достаточную механическую стабильность. Абсолютная тепловая мощность и удельная мощность термоэлектрических элементов, а также изготовленного из них модуля должна хорошо приспосабливаться к возникающим при использовании тепловым мощностям и удельным мощностям.
Решение этой задачи основывается на идее разделить термоэлектрический эффект и несущую функцию прямоугольного параллелепипеда на две конструктивные части. Несущую функцию берет на себя состоящий из нескольких частей носитель, в то время как термоэлектрический эффект исходит от расположенных на носителе термоэлектродов.
В частности, задача в случае термоэлектрического элемента описанного вначале вида решена за счет того, что термоэлектроды нанесены на подложку с малой теплопроводностью, и подложка с имеющей термоэлектроды поверхностью расположена на носителе. В перекрываемой проходами области подложка берет на себя несущую функцию для термоэлектродов термопар. Подложка может, например, состоять из стекла, которое имеет теплопроводность, равную 0,76 Вт/м·К.
Прежде всего, если участок с меньшей теплопроводностью частично имеет проходы, то расположение термоэлектродов за счет носителя облегчается.
Носитель может состоять из более дешевого и механически более стабильного по сравнению с полупроводниковым материалом материала, так что носитель при одинаковой механической стабильности требует меньше монтажного пространства. Выполненный, предпочтительно, в виде прямоугольного параллелепипеда носитель при использовании более стабильных материалов может, например, иметь меньшую толщину, чем обычные полупроводниковые прямоугольные параллелепипеды.
Предпочтительно, термоэлектроды термопар расположены на носителе в виде слоя, прежде всего тонкого слоя, или в виде фольги. Поэтому требуется существенно меньше полупроводникового материала, чем у обычных термоэлектрических элементов.
Для того чтобы разность температур между горячей и холодной стороной термоэлектрического элемента в первую очередь в термопарах сделать эффективной, первая и вторая части носителя отделены друг от друга участком с меньшей теплопроводностью. Термоэлектроды термопары простираются между первой и второй частью носителя и перекрывают участок с меньшей теплопроводностью.
Участок с меньшей теплопроводностью термически разъединяет обе части носителя, так что первая часть носителя образует горячую, а другая часть носителя холодную сторону термоэлектрического элемента.
Разделяющий обе части носителя участок может полностью или частично состоять из изоляционного материала. Если разделяющий участок лишь частично состоит из изоляционного материала, то оставшаяся часть участка между первой и второй частью образуется окружающим газом, прежде всего окружающим воздухом, который имеет незначительную теплопроводность, равную 0,0261 Вт/м·К.
Другая возможность снижения теплопроводности на участке между обеими частями носителя заключается в том, что обе части носителя соединены друг с другом посредством по меньшей мере одной перемычки. Небольшое по сравнению с частями носителя поперечное сечение перемычки образует тепловое сопротивление и этим снижает теплопроводность участка. Предпочтительно, в производственно-техническом отношении перемычки в форме прямоугольного параллелепипеда находятся, прежде всего в случае носителя в форме прямоугольного параллелепипеда, примерно в центре на двух противоположных поверхностях носителя. В имеющем также форму прямоугольного параллелепипеда проходе между перемычками находится газ, прежде всего окружающий воздух, с меньшей по сравнению с первой и второй частью носителя теплопроводностью.
Еще более эффективное разъединение между первой и второй частью носителя достигается, когда перемычка или соединяющие перемычки состоят из материала с меньшей теплопроводностью, чем части носителя. К уменьшенной теплопроводности участка вследствие уменьшенного поперечного сечения перемычек добавляется еще обусловленное материалом снижение теплопроводности.
Как у обычных термоэлектрических элементов, различно легированные термоэлектроды включаются последовательно. Для уменьшения электрического сопротивления подключения последовательно включенные термоэлектроды на холодной стороне соединены с обоими электрическими контактами. Предпочтительно, контакты расположены в виде контактных областей на поверхности частей носителя или внедрены в эти поверхности.
Для электрического соединения большого числа термоэлектрических элементов согласно изобретению, прежде всего, чтобы объединить их в один модуль, один из обоих контактов предпочтительно имеет на холодной стороне сквозное соединение, которое ведет к контакту на противоположной стороне части носителя. Контакт на противоположной стороне может быть также размещен на поверхности части носителя или внедрен в ее поверхность.
В качестве материалов для носителя или первой и второй части носителя принимаются во внимание, прежде всего, материалы технической керамики. Керамические материалы имеют требуемую высокую теплопроводность при одновременной хорошей электрической изолирующей способности, которая необходима для предотвращения коротких замыканий между подключенными последовательно термопарами. Кроме того, керамические материалы обладают высокой температурной стойкостью и имеют желательную для термоэлектрических элементов устойчивость к колебаниям температуры. Для несущей функции выгодными являются прочность, твердость и устойчивость формы керамических материалов. Коррозионная стойкость и износостойкость керамических материалов соответствуют потребности в долговечных термоэлектрических элементах.
Керамический носитель, прежде всего первая и вторая часть носителя, состоит, предпочтительно, из многослойной низкотемпературной совместно обжигаемой керамики. Низкотемпературная совместно обжигаемая керамика (Low Temperature Cofired Ceramics (LTCC)) основывается на технологии изготовления многослойных керамических носителей. Сначала керамический порошок вместе с растворителями и пластификаторами перерабатывается в пленку. Необожженным пленкам придается структура посредством высечки, резки и, при известных условиях, печати. Для изготовления сквозных соединений в керамической пленке, например, высекаются сквозные отверстия или прорезаются лазером.
Отдельные слои структурированной керамической пленки ориентируются и укладывают в стопку в пресс-форме. Сквозные отверстия заполняются проводящей пастой, прежде всего серебряной, серебряно-палладиевой пастой или золотой пастой. Преимущество этих проводящих паст заключается в том, что они при последующем обжиге сжимаются почти в такой же степени, как и керамические пленки. За счет подвода тепла, например, в 70 градусов Цельсия и давления, например, в 90 бар керамические пленки ламинируются. При последующем обжиге керамических пленок отдельные слои керамических пленок прочно соединяются друг с другом.
Для улучшения теплопроводности в многослойную низкотемпературную совместно обжигаемую керамику могут внедряться слои для улучшения теплопроводности частей носителя. В качестве слоев могут предусматриваться, прежде всего, металлизированные слои, однако также и слои из кремния, нитрита алюминия или оксида алюминия. Слои из нитрита алюминия и оксида алюминия улучшают теплопроводность, однако являются электрически изолирующими. Поэтому они используются, прежде всего, на горячей стороне термоэлектрического элемента. Соединение между внедренными слоями и керамическими пленками происходит, например, посредством реактивного припоя или стеклянного припоя. Теплопроводность может быть дополнительно улучшена посредством сквозных отверстий, которые, как и сквозные соединения, заполняются металлическими материалами.
Для повышения электрической выходной мощности несколько термоэлектрических элементов согласно изобретению могут быть электрически и механически соединены друг с другом в модуль. Предпочтительно, образующие модуль термоэлектрические элементы выполнены в виде пластинчатых прямоугольных параллелепипедов, которые собираются в стопку. Предпочтительно, каждый термоэлектрический элемент модуля имеет контактные площадки на противоположных сторонах пластинчатых частей носителя на холодной стороне, которые приходят в контакт с контактными площадками соответствующих прилегающих пластинчатых термоэлектрических элементов, так что термоэлектрические элементы модуля соединены последовательно или параллельно.
Изобретение описывается ниже со ссылками на фигуры.
Фиг.1 - образованная на подложке в виде слоя термопара для термоэлектрического элемента согласно изобретению.
Фиг.2А - вид спереди и сбоку носителя термоэлектрического элемента.
Фиг.2Б - вид сзади носителя термоэлектрического элемента согласно изобретению.
Фиг.2B - вид сверху на термоэлектрический элемент согласно изобретению.
Фиг.3 - схематический вид в перспективе второго примера осуществления термоэлектрического элемента, в котором термоэлектроды расположены на одной стороне носителя.
Фиг.4 - схематический вид в перспективе третьего примера осуществления термоэлектрического элемента, в котором термоэлектроды расположены на противоположных сторонах носителя.
Фиг.5 - термоэлектрический элемент согласно фиг.4 с улучшенной теплопроводностью.
Фиг.6 - несколько термоэлектрических элементов, которые собраны в стопку.
Фиг.7 - возможность размещения нескольких термоэлектрических элементов между двумя расположенными на расстоянии друг от друга керамическими пластинами для сборки модуля.
На фиг.1 показаны три термопары (1), которые в виде слоя нанесены на подложку (2). Подложкой (2) является, например, прямоугольная стеклянная пластина, которая имеет низкую теплопроводность. Каждая термопара (1) включает в себя n-легированный термоэлектрод (3а) и р-легированный термоэлектрод (3b) из полупроводникового материала, n- и р-легированные термоэлектроды (3а, b) включены электрически последовательно на противоположных местах (4, 5) соединения.
Последовательная схема с n- и р-легированными термоэлектродами (3а, b) на ее входе и выходе соединена с двумя электрическими контактами, которые нанесены в виде контактных областей на поверхности подложки (2) в виде металлического слоя.
На фиг.2А и фиг.2Б показан носитель (8) термоэлектрического элемента согласно изобретению. Носитель (8) имеет в целом форму прямоугольного параллелепипеда. Из показанного на фиг.2А вида сбоку можно понять, что его толщина (9) по причине разделения несущей функции и термоэлектрического эффекта относительно мала. Носитель (8) включает в себя первую часть (10) носителя и вторую часть (11) носителя с высокой теплопроводностью. Предпочтительно, части носителя состоят из технического керамического материла. Обе части (10, 11) носителя отделены друг от друга участком (12) с меньшей по сравнению с частями носителя теплопроводностью. Участок (12) имеет две соединяющие первую и вторую часть (10, 11) носителя перемычки (13а, b), которые на продолжении боковых поверхностей соединяют друг с другом обе части (10, 11) носителя. В случае если перемычки (13а, b) состоят из такого же материала, что и части (10, 11) носителя, теплопроводность по причине меньшего поперечного сечения перемычек (13а, b) по сравнению с поперечным сечением частей (10, 11) носителя существенно уменьшена. Кроме того, участок (12) имеет ограниченный сбоку перемычками (13а, b) и торцовыми поверхностями (14а, b) первой и второй частей (10, 11) носителя зазор, который содержит окружающий воздух, который по сравнению с частями (10, 11) носителя имеет меньшую теплопроводность и поэтому их термически разъединяет.
На передней стороне носителя (8) находятся выполненные в форме контактных площадок контакты (14, 15) для электрического соединения включенных последовательно термопар (1). Контакт (15) через сквозное соединение (16) электрически соединен с контактом (17) на задней стороне носителя (8). Занимающие большую площадь контакты (14, 17) на передней и задней стороне первой части (10) носителя (8) позволяют просто приводить в контакт термоэлектрические элементы и соединять с другими, аналогичными термоэлектрическими элементами.
Фиг.2B наглядно показывает, как подложка (2) с имеющей термоэлектроды (3а, b) поверхностью расположена на носителе (8). Контакты (6, 7) приходят на поверхности носителя (8) в соприкосновение с контактами (14, 15), так что контакт (6) через сквозное соединение (16) соединен с расположенным на задней стороне контактом (17). Термоэлектроды (3а, b) термопары (1) простираются между первой и второй частями (10, 11) носителя и перекрывают при этом воздушный зазор (18) участка (12) с меньшей теплопроводностью. Вторая часть (11) носителя образует горячую (19), а первая часть (10) холодную сторону (20) термоэлектрического элемента. Ввод тепла происходит, прежде всего, на верхней кромке (21) второй части (22) носителя, в то время как теплоотвод расположен на нижней кромке (22) первой части (10) носителя. Как в случае обычных термоэлектрических элементов, большое число термоэлектрических элементов может быть размещено своими верхними и нижними кромками (21, 22) между ориентированными перпендикулярно плоскости фигуры керамическими пластинами (30, 31), как это показано на фиг.7. Механическая стабильность носителя (8) достаточна для того, чтобы удерживать керамические пластины (30, 31), несмотря на термоэлектрическую тонкослойную технологию, на расстоянии.
На фиг.3 показан керамический носитель (8), у которого первая и вторая часть (10, 11) носителя, а также перемычки (13а, b) участка (12) состоят из многослойной низкотемпературной совместно обжигаемой керамики. На обращенной вверх передней стороне носителя (8) находится контакт (23), который через сквозное соединение (24) соединен с контактом (25) на задней стороне носителя (8). Кроме того, на обратной стороне находится занимающий большую площадь контакт (26), который, как и контакт (25), предназначен для подключения включенных последовательно термоэлектродов (3а, b). Последовательно включенные термоэлектроды (3а, b) на задней стороне соединены с обоими контактами (25, 26) и простираются от первой части (10) носителя на холодной стороне до второй части (11) носителя на горячей стороне, причем они перекрывают воздушный зазор (18) участка (12). Предпочтительно, термоэлектроды (3а, b) расположены на подложке. Альтернативно, термоэлектроды могут быть составной частью пленки, которая по причине ее собственной жесткости может перекрывать воздушный зазор (18) без дополнительной подложки.
На фиг.4 показан носитель (8), на передней и задней стороне которого расположены термоэлектроды (3а, b) нескольких термопар (1). Все термоэлектроды (3а, b) включены последовательно. Носитель (8) имеет на верхней стороне контакт (23) и контакт (27), выходящее из контакта (27) сквозное соединение (24), которое соединено с контактом (25) на обратной стороне, а также контакт (26) на задней стороне.
Последовательно включенные термоэлектроды (3а, b) на верхней стороне носителя (8) на конце соединены с контактами (23, 27). На нижней стороне последовательно включенные термоэлектроды (3а, b) соединены с электрическими контактами (25, 26), причем сквозное соединение (24) создает электропроводящее соединение между термоэлектродами (3а, b) на верхней и нижней стороне носителя (8).
Аналогичным образом, как у носителя согласно фиг.3, несколько термоэлектрических элементов через занимающие большую площадь контакты (23, 26) могут быть включены последовательно или параллельно.
Носитель согласно фиг.5 в отношении контактирования термоэлектродов (3а, b) соответствует носителю согласно фиг.4, так что рекомендуется обращаться в полном объеме к приведенным там описаниям. Однако благодаря внедрению металлизированных слоев (28) теплопроводность как на горячей, так и на холодной стороне (19, 20) носителя (8) улучшена. На горячей стороне (19) верхняя и нижняя сторона носителя (8) свободна от металлизации, чтобы это не приводило к коротким замыканиям между лежащими на верхней и нижней стороне термоэлектродами (3а, b). Альтернативно, на горячей стороне во вторую часть (10) носителя могут быть внедрены слои из кремния, нитрита алюминия или оксида алюминия, чтобы улучшить теплопроводность, но избежать коротких замыканий между термоэлектродами (3а, b).
Также и на холодной стороне (20) следует обращать внимание на то, чтобы никакая металлизация на нижней или верхней стороне не вызывала короткие замыкания между термоэлектродами (3а, b) за пределами контактных площадок (23, 25, 26, 27). Кроме того, из фиг.5 можно понять, что участок (12) с меньшей теплопроводностью свободен от металлизации. Следовательно, теплопроводность перемычек (13а, b) снижается не только благодаря меньшему поперечному сечению, но и, кроме того, благодаря отсутствующей металлизации.
Наконец, на фиг.6 показана стопка (2), включающая в себя несколько электрически последовательно включенных термоэлектрических элементов, которые собраны согласно фиг.3, однако имеют меньшую толщину. Несколько подобных стопок (32) могут быть объединены в модуль (29) согласно фиг.7.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1 термопара
2 подложка
3а n-легированный термоэлектрод
3b р-легированный термоэлектрод
4 место соединения
5 место соединения
6 контакт
7 контакт
8 носитель
9 толщина носителя
10 первая часть носителя
11 вторая часть носителя
12 участок
13a, b перемычки
14 контакт
15 контакт
16 сквозное соединение
17 контакт
18 воздушный зазор
19 горячая сторона
20 холодная сторона
21 верхняя кромка
22 нижняя кромка
23 контакт
24 сквозное соединение
25 контакт
26 контакт
27 контакт
28 металлизированные слои
29 модуль
30 первая керамическая пластина
31 вторая керамическая пластина
32 стопка