МОДУЛЬ С НЕСКОЛЬКИМИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
MODULE WITH SEVERAL THERMOELECTRIC ELEMENTS

Настоящее изобретение относится к модулю, содержащему несколько электрически последовательно подключенных термоэлектрических элементов, которые состоят соответственно по меньшей мере из одного n-слоя и по меньшей мере одного p-слоя из термоэлектрического материала с образованием по меньшей мере одного образующегося вдоль пограничного слоя p-n-перехода, при этом параллельно пограничному слою между горячей и холодной стороной каждого термоэлектрического элемента может быть приложен температурный градиент.
Принцип действия термоэлектрических элементов основывается на термоэлектрическом эффекте, далее именуемом эффектом Зеебека. При эффекте Зеебека между двумя точками электрического проводника или же двумя полупроводниками с различной долей примесей возникает электрическое напряжение.
3
2
Непосредственное превращение тепла в электрическую энергию возможно с помощью термоэлектрогенератора с несколькими термоэлектрическими элементами. Предпочтительно, термоэлектрические элементы состоят из полупроводниковых материалов с различными долями примесей, за счет чего можно существенно повысить эффективность по отношению к термоэлементам с двумя различными и соединяемыми между собой на одном конце металлами. Обычными полупроводниковыми материалами являются Bi2Te, PbTe, SiGe, BiSb или FeSi. Для получения достаточно высоких значений напряжения несколько термоэлектрических элементов объединяют в модуль и подключают электрически последовательно.
Для повышения коэффициента полезного действия термоэлектрогенератора в ЕР 1 287 566 В1, раскрытие которой, прежде всего в отношении конструкции термоэлектрических элементов и их термоэлектрических материалов, подчеркнуто включается в данную заявку, описан упомянутый выше модуль, содержащий несколько подключенных электрически последовательно термоэлектрических элементов. Отдельные термоэлектрические элементы в каждом случае состоят по меньшей мере из одного n-слоя и по меньшей мере одного р-слоя из термоэлектрического материала с образованием образующегося вдоль пограничного слоя p-n-перехода. Параллельно пограничному слою между n- и р-слоями приложен температурный градиент, p-n-переход выполнен по существу вдоль общей, предпочтительно самой длинной протяженности n-слоя и р-слоя и, тем самым, по существу вдоль их общего пограничного слоя. Благодаря температурным градиентам вдоль обширной p-n-поверхности раздела возникает разница температур вдоль этого выполненного продолговатым pn-перехода между двумя концами пакета p-n-слоев, который приводит к тому, что коэффициент полезного действия термоэлектрических элементов выше, чем в уровне техники, который не имеет температурных градиентов вдоль и внутри p-n-перехода.
Исходя из ЕР 1 287 566 В1, в основу изобретения положена задача разработки предпочтительного с производственно-технической точки зрения модуля, у которого уменьшаются сопротивления электрического замыкания контактов отдельных термоэлектрических элементов и улучшается их термическое соединение с теплоотводом или же источником тепла для выработки температурного градиента вдоль пограничного слоя.
В модуле вышеназванного типа эта задача решена посредством того, что модуль имеет подложку с несколькими электрически и термически проводящими областями, которые термически и электрически отделяют изолирующие области друг от друга, каждый термоэлектрический элемент имеет на одной стороне направленный наружу p-слой, а на противоположной ей стороне - направленный наружу n-слой, направленный наружу p-слой термоэлектрического элемента постоянно соединен с электрической проводимостью только с одним направленным наружу n-слоем соседнего термоэлектрического элемента, и соответственно два соседних термоэлектрических элемента на их холодной стороне с помощью термически и электрически проводящего слоя с хорошей адгезией к подложке электропроводяще соединены с одной из электрически и термически проводящих областей подложки.
Существенное преимущество при изготовлении модуля согласно изобретению состоит в том, что термоэлектрические элементы могут быть изготовлены независимо от подложки, до того как они будут соединены с электрически и термически проводящими областями подложки.
Раздельное изготовление подложки и термоэлектрических элементов позволяет осуществить массовое производство модулей согласно изобретению в проходящем из рулона в рулон процессе. Термоэлектрические элементы изготовляют, прежде всего, за счет химических газофазных осаждений (способ химического осаждения из паровой фазы) различно легированных примесью n- или же p-типа термоэлектрических материалов (полупроводниковых материалов). Альтернативно, термоэлектрические элементы изготавливаются путем физического газофазного осаждения (конденсация из паровой фазы). В отличие от способа химического осаждения из паровой фазы, осажденные тонкие слои образуются непосредственно путем конденсации паров термоэлектрического материала.
Подложку изготовляют, прежде всего, посредством ламинирования пленкообразного, прежде всего лентообразного, материала подложки со слоем из электрически и термически проводящего материала, например медной фольги. Затем медная фольга структурируется. Структурирование происходит посредством частичного удаления медной фольги, так что на изолирующем материале подложки возникают электрически и термически проводящие области, которые термически и электрически отделены друг от друга посредством изолирующего материала подложки. В случае с материалом подложки речь идет, прежде всего, о синтетическом материале из группы PI (полиимид), РА (полиамид) или PET (полиэтилентерефталат).
Электрическое последовательное соединение термоэлектрических элементов достигается посредством того, что направленный наружу р-слой термоэлектрического элемента постоянно с электрической проводимостью соединен только с одним направленным наружу n-слоем соседнего термоэлектрического элемента, при этом электрическое замыкание контактов с помощью электрически и термически проводящих областей на подложке происходит постоянно только с другим термоэлектрическим элементом. Другое необходимое электрическое замыкание контактов соседних термоэлектрических элементов, которые соединены с отделенными друг от друга, электрически и термически проводящими областями подложки, происходит с помощью электрического проводника на их обращенном от подложки, направленном наружу р- или же n-слое посредством электрического проводника. Проводник может быть приклеен или припаян к подлежащим электрическому соединению слоям. Он может быть выполнен из проволоки, полоски или фольги.
Надежная фиксация, а также хорошее термическое и электрическое соединение термоэлектрических элементов к подложке на холодной стороне достигается посредством термически и электрически проводящего слоя с хорошей адгезией к подложке. Этот слой с хорошей адгезией к подложке может состоять, например, из однокомпонентного эпоксидного клея, который наполнен проводящими металлическими частицами, или быть выполнен в виде двухсторонней клейкой пленки с проводящими металлическими частицами в матрице из эпоксидной смолы.
Соседние термоэлектрические элементы на их горячей стороне соединены с, предпочтительно, сплошными электрически и термически проводящими областями на подложке с помощью термически и электрически изолирующего слоя с хорошей адгезией к подложке. Этот слой с хорошей адгезией к подложке может состоять, например, из однокомпонентного эпоксидного клея или быть выполнен в виде двухсторонней клейкой пленки. Таким образом, достигают того, что электрическое замыкание контактов термоэлектрических элементов происходит только на холодной стороне термоэлектрических элементов. Большая часть теплового потока между источником тепла на горячей стороне и теплоотводом на холодной стороне протекает через термоэлектрические элементы и преобразовывает при этом тепло в электрическую энергию.
Электрически и термически проводящие области на, предпочтительно, гибком, лентообразном материале подложки отделены электрически друг от друга, предпочтительно, посредством одной изолирующей перемычки, проходящей вдоль продольной оси лентообразного материала подложки, и нескольких изолирующих перемычек, проходящих поперек лентообразного материала подложки. На горячей стороне термоэлектрических элементов с одной стороны от проходящей вдоль изолирующей перемычки выполнена, предпочтительно, лишь одна электрически и термически проводящая область, которая может быть соединена с источником тепла. Эта непрерывная область позволяет осуществлять равномерный ввод тепла в термически параллельно включенные термоэлектрические элементы. Таким образом, процессы структурирования проводящей области в этой области являются излишними, так что производство модуля еще более упрощается.
На холодной стороне термоэлектрических элементов с одной стороны от проходящей вдоль изолирующей перемычки термически и электрически проводимый материал посредством проходящих поперек лентообразного материала подложки изолирующих перемычек непрерывно, предпочтительно на равномерных расстояниях, подразделяется на несколько термически и электрически проводящих областей. Интервал изолирующих перемычек выбирают так, что в каждом случае два соседних термоэлектрических элемента могут контактировать с помощью термически и электрически проводящего слоя с хорошей адгезией к подложке с электрически и термически проводящими областями на холодной стороне.
Для эффективного подвода тепла к горячей стороне термоэлектрического элемента и эффективного отвода тепла на холодной стороне модуль согласно изобретению имеет, предпочтительно, теплоотвод и источник тепла. Теплоотводом является, например, радиатор. Источник тепла выполнен, например, в виде теплообменника, который вводит в модуль отходящее тепло другого процесса. Для улучшения передачи тепла между модулем, с одной стороны, и источником тепла или же теплоотвода, с другой стороны, направленные наружу р- или же n-слои термоэлектрических элементов перекрывают электрически и термически проводящие области подложки только частично. Не перекрытая область может затем по всей поверхности вступать в контакт с теплоотводом или же источником тепла.
Для эффективного преобразования температурного градиента в электрический ток термоэлектрические элементы, предпочтительно, содержат более двух попеременно расположенных n- и р-слоев. Для обеспечения хорошего термического соединения всех слоев подобной многослойной структуры и одновременного электрического соединения между собой двух соседних термоэлектрических элементов, которые соединены с отделенными друг от друга, электрически и термически проводящими областями подложки, их направленные наружу и обращенные от подложки р- или же n-слои соединены между собой посредством электрически проводящих областей следующей соединительной подложки.
Предпочтительный способ изготовления модуля согласно изобретению содержит следующие этапы:
- изготовление подложки посредством нанесения электрически и термически проводящего слоя на материал подложки из термически и электрически изолирующего материала, и
- удаление электрически и термически проводящего слоя в некоторых областях для образования электрически и термически проводящих областей на материале подложки,
- нанесение термически и электрически проводящего слоя с хорошей адгезией к подложке на холодной стороне изготовленных независимо от подложки термоэлектрических элементов, а также или предпочтительно нанесение термически и электрически проводящего слоя с хорошей адгезией к подложке на холодную сторону подложки. Слой с хорошей адгезией к подложке должен наноситься на термически и электрически проводящих областях подложки по меньшей мере в области контактирования термоэлектрических элементов на холодной стороне,
- нанесение термически проводящего и электрически изолирующего слоя с хорошей адгезией к подложке на горячую сторону каждого термоэлектрического элемента или предпочтительно нанесение термически проводящего и электрически изолирующего слоя с хорошей адгезией к подложке на горячую сторону подложки. Слой с хорошей адгезией к подложке должен наноситься на каждой термически и электрически проводящей области подложки по меньшей мере в области контактирования термоэлектрических элементов на горячей стороне,
- соединение соответственно двух термоэлектрических элементов с их направленными наружу р- или же n-слоями, на их холодной стороне с одной из электрически и термически проводящих областей подложки, а также
- соединение термоэлектрических элементов по меньшей мере с одной из электрически и термически проводящих областей подложки на горячей стороне,
- изготовление электрического соединения между двумя соседними термоэлектрическими элементами, которые электрически соединены с отделенными друг от друга электрически и термически проводящими областями подложки, на их обращенных от подложки и направленных наружу р- или же n-слоях.
Далее изобретение более подробно поясняется с помощью примеров осуществления. На чертежах показано:
Фигура 1a - вид сбоку лентообразной гибкой подложки модуля согласно изобретению,
Фигура 1б - вид сверху частично готового модуля согласно изобретению,
Фигура 1в - вид сбоку готового модуля согласно изобретению,
Фигура 2 - вид сбоку модуля согласно фиг.1б с изображением прохождения тока,
Фигура 3а - вид сбоку модуля согласно фиг.1в для наглядного показа теплового потока,
Фигура 3б - вид сбоку модуля согласно фиг.1в для наглядного показа прохождения тока,
Фигура 4 - второй пример осуществления модуля согласно изобретению с термоэлектрическими элементами, которые собраны из множества попеременно расположенных n- и р-слоев, при этом
Фигура 4а - вид модуля сбоку,
Фигура 4б - разрез через модуль согласно фиг.4а вдоль линии В-В, и
Фигура 4в - разрез через модуль вдоль линии С-С на фигуре 4б,
Фигура 5 - модуль согласно фиг.4, но в закрытом корпусе.
Модуль (3) согласно изобретению состоит по существу из подложки (1) с несколькими электрически и термически проводящими областями (2а-е), а также электрически и термически проводящей области (2f) на материале (10) подложки. Электрически и термически проводящие области электрически отделены друг от друга посредством проходящей вдоль изолирующей перемычки (9) и нескольких перемычек (11), проходящих поперек к перемычке (9). Далее, модуль (3) содержит множество подключенных последовательно термоэлектрических элементов (4, 5), которые в каждом случае состоят по меньшей мере из одного n-слоя (4а, 5а) и по меньшей мере одного р-слоя (4b, 5b) из термоэлектрического материала.
Материалом (10) подложки является пленка из PI, РА или PET. Проводящие области (2a-f) состоят из меди. n- или же р-слой (4а, 5а, 4b, 5b) образован из полупроводникового материала, легированного примесью n- или же р-типа с хорошими термоэлектрическими свойствами.
Как видно, прежде всего, на фиг.1в, попеременно расположенные n- или же р-слои (4а, 5а, 5а, 5b) каждого термоэлектрического элемента (4, 5) соприкасаются по всей поверхности вдоль пограничного слоя (6). Параллельно пограничному слою (6) (в х-направлении) приложен температурный градиент между источником (7а, b) и теплоотводом (8а, b) (сравни также фигуру 3).
Каждой из электрически и термически проводящих областей (2а-е) приданы в каждом случае точно два термоэлектрических элемента (4, 5), при этом один из термоэлектрических элементов с n-слоем (5а, 4 а) и другой термоэлектрический элемент с р-слоем (5b, 4b) ориентированы в направлении подложки (1).
Соответственно два соседних термоэлектрических элемента (4, 5) на их холодной стороне (12) электрически и термически соединены с одной из областей (2а-е) подложки (1) посредством слоя с хорошей адгезией к подложке. Соединение соседних термоэлектрических элементов (4, 5), которые соединены с отделенными друг от друга, электрически и термически проводящими областями (2а-2е), также с электрической проводимостью соединяется в форме проводной связи на холодной стороне (12) на противоположном, то есть обращенном от подложки (1), направленном наружу p-слое (4b, 5b) или же n-слое (4а, 5а) посредством электрического проводника (14).
Все термоэлектрические элементы (4, 5) соединены на их горячей стороне (15) посредством исключительно термически проводящего слоя (16) с хорошей адгезией к подложке, прежде всего термически проводящего клеящего вещества, с простирающейся в продольном направлении подложки (1) сквозной проводящей областью (2f).
Как видно, прежде всего, на виде сверху на фигуре 1б, все области (2a-f) только частично перекрыты термоэлектрическими элементами (4, 5). Направленный в сторону края подложки (1) не перекрытый участок области (2f) зажат с термической проводимостью между обеими составными частями источника (7а, b) тепла. На холодной стороне (12) этот свободный участок проводящих областей (2а-е) с термической проводимостью зажат между обеими составными частями теплоотвода (8а, b).
Фигура 2б поясняет с помощью изображения в разрезе вдоль линий (18, 19) разреза через модуль (13) прохождение (20) тока, которое вследствие температурного градиента в двух соседних термоэлектрических элементах (4, 5) устанавливается в зависимости от легирования полупроводника (4а, 4b или же 5а, 5b).
На фигуре 3 поясняется тепловой поток (22) через термоэлектрический элемент (5) (сравни линию (19) разреза на фиг.2). Из источника (7а, 7b) тепловой поток (22) попадает в состоящую из меди, термически проводящую область (2f), через термически проводящий слой (16) с хорошей адгезией к подложке - к горячей стороне (15) термоэлектрического элемента (5). Оттуда тепловой поток (22) через термически и электрически проводящий слой (13) с хорошей адгезией к подложке, а также расположенную под ним термически и электрически проводящую область (2а) попадает к теплоотводу (8а, b) на холодной стороне (12) термоэлектрического элемента.
На фигуре 3 наглядно на том же самом термоэлектрическом элементе (5) изображено прохождение (23) тока, отходящее от холодной стороны (12) через термоэлектрический элемент (5). От термически и электрически проводящей области (2а) через термически и электрически проводящий слой (13) с хорошей адгезией к подложке ток попадает в n-слой (5а) в направлении горячей стороны (15). Через пограничный слой (6) ток течет обратно в направлении холодной стороны (12) термоэлектрического элемента (5) для замыкания (21) контактов для электрического проводника (14) к соседнему, отделенному перемычкой (9) термоэлектрическому элементу (4).
Модуль (24) согласно фиг.4 отличается от модуля (3) согласно фиг.1-3 по существу конструкцией термоэлектрических элементов (25, 26). В отличие термоэлектрических элементов (4, 5), эти элементы состоят не только из одного n- и одного р-слоя, но и из многослойной конструкции, в которой n- и р-слои (25а, b и 26а, b) расположены в чередующемся порядке. Термически и электрически проводящие области (2а-е), а также сквозная область (2f) расположены на материале (10) подложки таким же способом.
В отличие от примера осуществления согласно фиг.1-3, в каждом случае два соседних термоэлектрических элемента (25, 26), которые соединены с помощью отделенных друг от друга электрически и термически проводящих областей (2а-е) подложки (1), на их обращенном от подложки (1), направленном наружу р-слое (25а, 2бЬ) или же n-слое (25а, 26а) соединены электрически между собой посредством электрически проводящих областей (27a-d) соединительной подложки (28). Соединительная подложка (28) может иметь такую же конструкцию и изготавливаться таким же образом, что и подложка (1). Прежде всего, является предпочтительным, если электрически проводящие области (27a-d) также выполнены с хорошей термической проводимостью, например за счет того, что они состоят из меди.
Соединительная подложка (28) имеет следующую электрически проводящую область (27е), которая исключительно с термической проводимостью соединена с термоэлектрическими элементами (25, 26) на горячей стороне (15). Для соединения здесь также применяются термически и электрически проводящие слои (13) с хорошей адгезией к подложке на холодной стороне и исключительно термически проводящие слои (16) с хорошей адгезией к подложке на горячей стороне (15).
Как теплоотвод (8), так и источник (7) в примере осуществления модуля (24) согласно фиг.4 имеют третью часть (7с) или же (8с), которая расположена между подложками (1 и 28) вдоль холодной (12) или же горячей стороной (15) термоэлектрических элементов (25, 26).
На фиг.5 показан модуль (24) согласно фиг.4, у которого теплоотвод и источник тепла образованы термически проводящей, но электрически изолирующей заливочной массой (29), которая прилегает к холодной стороне (12) каждого термоэлектрического элемента (25, 26) с одной стороны и к горячей стороне (15) каждого термоэлектрического элемента (25, 26) с другой стороны, а также к электрически и термически проводящим областям (2a-f, 27а-е). Для механической стабилизации модуль (24) может быть расположен в корпусе (30).
Изготовление подложки (1), с одной стороны, и термоэлектрических элементов (4, 5), с другой стороны, происходит посредством независимых процессов. Сначала на материал (10) подложки (1) по всей поверхности наносится слой (17), прежде всего из меди. За счет нанесения слоя (17) из меди вдоль предусмотренного прохождения перемычек (9, 11) создается необходимая структура поверхности подложки (1) с несколькими электрически и термически проводящими областями (2a-f), которые разделяют друг от друга изолирующие области вдоль перемычек (9, 11). Перемычки состоят из материала (10) подложки, прежде всего из синтетического материала.
Затем на направленную в каждом случае в направлении подложки (1) поверхность каждого термоэлектрического элемента (4, 5) на холодной стороне (12) наносится слой (13) с хорошей адгезией к подложке, а на горячей стороне (15) наносится слой (16) с хорошей адгезией к подложке, перед тем как термоэлектрические элементы (4, 5) в каждом случае попарно склеиваются с одной из областей (2а-е), а также на горячей стороне с областью (2f). Альтернативно, слои (13, 16) с хорошей адгезией к подложке наносятся на подложку (1) на холодной или же горячей стороне (12, 15), перед тем как термоэлектрические элементы (4, 5) в каждом случае попарно склеиваются с одной из областей (2а-е), а также на горячей стороне с областью (2f).
Наконец, на последнем этапе на холодной стороне (12) между соседними термоэлектрическими элементами (4, 5), которые отделены друг от друга перемычкой (11), прикрепляются, прежде всего приклеиваются или припаиваются, электрические проводники (14).
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1 Подложка
2a-f Области (термически и электрически проводящие)
3 Модуль
4, 5 Термоэлектрические элементы
4а n-слой
4b p-слой
5а n-слой
5b p-слой
6 Пограничный слой
7а, b Источник тепла
8а, b Теплоотвод
9 Перемычка (вдоль)
10 Материал подложки
11 Перемычки
12 Холодная сторона
13 Слой с хорошей адгезией к подложке (термически и электрически проводящий)
14 Электрический проводник
15 Горячая сторона
16 Слой с хорошей адгезией к подложке (термически проводящий)
17 Слой
18, 19 Линии разреза
20 Прохождение тока
21 Замыкание контактов
22 Тепловой поток
23 Прохождение тока
24 Модуль
25, 26 Термоэлектрические элементы
25а n-слой
25b p-слой
26а n-слой
26b p-слой
27a-f Электрически проводящие области
28 Соединительная подложка
29 Заливочная масса
30 Корпус