図面 (/)

技術 熱電モジュール用の半導体素子および熱電モジュール

出願人 エミテックゲゼルシヤフトフユアエミツシオンステクノロギーミツトベシユレンクテルハフツング
発明者 ブリュックロルフリンベックジーグリッド
出願日 2013年4月15日 (7年10ヶ月経過) 出願番号 2015-510704
公開日 2015年9月3日 (5年5ヶ月経過) 公開番号 2015-525459
状態 特許登録済
技術分野 熱電素子 特殊な電動機、発電機
主要キーワード 電気ブリッジ 材料結合的 ホットサイド コスト要素 環セグメント 連結表面 ハウジング要素 材料結合
関連する未来課題
重要な関連分野

NEWこの技術のポテンシャルをビッグデータで簡単査定!

特許:約8,000万件, クラウドファンディング:約100万年件, 科研費・グラントデータ:約500万件, 発明者・研究者情報:約600万人

この項目の情報は公開日時点(2015年9月3日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (7)

課題・解決手段

本発明は半導体素子(1)に関し、半導体素子(1)は、少なくとも熱電材料(2)および第1フレーム部分(3)を有し、それらは圧力ばめで互いに接続され、第1フレーム部分(3)は、電気伝導体を形成し、フェライト鋼から成り、フェライト鋼は、良好な電気伝導度の他に、特に良好な熱伝導度および少ない熱膨張をも有する。

概要

背景

自動車内燃機関からの排ガスは、熱エネルギーを有し、例えば、バッテリーまたは他のエネルギー貯蔵装置充電するために、および/または電気消費物に必要なエネルギーを直接に供給するために、熱エネルギーは、熱電発電装置によって電気エネルギーに変換されることができる。それで、自動車は、より良いエネルギー効率で作動され、自動車の作動に、エネルギーがかなり大きな程度利用できる。

このような熱電発電装置は、少なくとも1つの熱電モジュールを有する。熱電モジュールは、例えば、少なくとも2つの半導体素子(pドープおよびnドープ)を含み、少なくとも2つの半導体素子は、それらの上側および下側で(ホットサイドの方、コールドサイドの方でそれぞれ)、交互に電気伝導ブリッジが備えられ、少なくとも2つの半導体素子は、最小の熱電ユニットまたは熱電素子を形成する。熱電材料は、有効に熱エネルギーを電気エネルギーに変換でき(ゼーベック効果)、その逆(ペルティエ効果)も同様であるような、性質のものである。温度勾配が、半導体素子の両サイドに与えられると、半導体素子の端部間に、電圧ポテンシャルを形成する。ホットサイドでの電荷キャリアは、より高い温度によって次第に伝導帯励起される。その際生じた伝導帯における濃度差によって、電荷キャリアが半導体素子のより冷たい側へ拡散し、それによってポテンシャル差が生じる。熱電モジュールでは、望ましくは、多数の半導体素子が、電気的に直列に接続される。直列半導体素子の生じたポテンシャル差が互いに相殺されないように、常に交互に、異なる多数電荷キャリア(nドープおよびpドープ)を有する半導体素子は、直接電気接触する。接続された負荷抵抗器によって電流回路が閉じられることができ、それで電気出力が取り出されることができる。

半導体素子が永続的に使用可能であることを保証するために、電気伝導ブリッジと熱電材料との間に、通常、拡散障壁が配置され、この拡散障壁は、電気ブリッジに含まれる材料が熱電材料に拡散するのを防ぎ、従って、熱電素子のまたは半導体材料機能不全または効率損失を防ぐ。熱電モジュールまたは半導体素子は、大抵は、熱電材料、拡散障壁、電気伝導ブリッジ、絶縁、および場合によっては、高温および低温媒体がそれぞれ流れ通る熱電モジュールを形成する更なるハウジング要素、の個々の構成要素を組み立てることにより、構成される。熱電モジュールを通る電流フローが生成されることができるように、多数の個々の構成要素の組み立ては、また、個々の部品公差の正確な調整、ホットサイドからコールドサイドへの熱移動の考慮、および電気伝導ブリッジの十分な接触を必要とする。まさに自動車における熱電発電装置の提供に関し、およびそこにある個数に関し、コスト要素は重要なパラメータである。コストの大きな部分は、熱電発電装置を構成するのに使用される、一部分の非常に高価な材料が原因となる。

概要

本発明は半導体素子(1)に関し、半導体素子(1)は、少なくとも熱電材料(2)および第1フレーム部分(3)を有し、それらは圧力ばめで互いに接続され、第1フレーム部分(3)は、電気伝導体を形成し、フェライト鋼から成り、フェライト鋼は、良好な電気伝導度の他に、特に良好な熱伝導度および少ない熱膨張をも有する。

目的

本発明の課題は、先行技術に関連して示された問題を、少なくとも部分的に解決することである

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

(分野番号表示ON)※整理標準化データをもとに当社作成

ライセンス契約や譲渡などの可能性がある特許掲載中! 開放特許随時追加・更新中 詳しくはこちら

請求項1

半導体素子(1)であって、少なくとも、熱電材料(2)と、第1フレーム部分(3)と、を備え、それらは圧力ばめで互いに接続され、前記第1フレーム部分(3)は、電気伝導体を形成し、フェライト鋼から成る、半導体素子。

請求項2

請求項1に記載の半導体素子(1)であって、フェライト鋼は、少なくとも以下の合金成分:・最大0.025重量%の炭素(C)、・21〜24重量%のクロム(Cr)、・0.7〜1.5重量%のモリブデン(Mo)、・最大1重量%のニオブ(Nb)、・最大78.3重量%の鉄(Fe)、を有する、半導体素子。

請求項3

請求項1または2に記載の半導体素子(1)であって、第2フレーム部分(4)を有し、前記第2フレーム部分(4)は、前記第1フレーム部分(3)が配置される要素面(29)に向かい合う、熱電材料(2)の要素面(29)に配置される、半導体素子。

請求項4

請求項3に記載の半導体素子(1)であって、熱電材料(2)と、前記第1フレーム部分(3)と、前記第2フレーム部分(4)と、は、環状であり、前記第1フレーム部分(3)が内側の周囲面(5)に配置され、前記第2フレーム部分(4)が熱電材料(2)の外側の周囲面(6)に配置される、半導体素子。

請求項5

請求項1〜4の1項に記載の半導体素子(1)であって、少なくとも前記第1フレーム部分(3)が、2つの互いに相隔たる向かい合う表面(7)を有し、前記表面(7)の1つは、熱電材料(2)に面した連結表面(9)であり、前記表面(7)の間隔は、前記第1フレーム部分(3)の厚さ(8)を定め、前記厚さ(8)は、0.1mm〜1mmである、半導体素子。

請求項6

請求項1〜5の1項に記載の半導体素子(1)であって、少なくとも前記第1フレーム部分(3)は、2つの相隔てて向かい合う接触表面(10)を有し、その間隔は第1の幅(11)を定め、前記第1の幅(11)は、少なくとも部分的に、熱電材料(2)の第2の幅(12)より大きく、前記第1フレーム部分(3)が、熱電材料(2)の少なくとも1つの側(13)で突き出るようになっている、半導体素子。

請求項7

請求項1〜6の1項に記載の半導体素子(1)であって、少なくとも前記第1フレーム部分(3)は、コーティング(14)を備え、コーティング(14)は、少なくとも熱電材料(2)に面する連結表面(9)に配置される、半導体素子。

請求項8

請求項6に記載の半導体素子(1)であって、コーティング(14)は、はんだろう材料を含む、半導体素子。

請求項9

熱電モジュール(17)であって、少なくとも半導体素子(1)を備え、前記半導体素子(1)は、電気伝導ブリッジ(25)を通じて互いに接続され、熱電素子(24)が形成されるようになっており、少なくとも1つの電気伝導ブリッジ(25)は、フェライト鋼を備える、熱電モジュール。

請求項10

請求項9に記載の熱電モジュール(17)であって、前記電気伝導ブリッジ(25)は、少なくとも以下の合金成分:・最大0.025重量%の炭素(C)、・21〜24重量%のクロム(Cr)、・0.7〜1.5重量%のモリブデン(Mo)、・最大1重量%のニオブ(Nb)、・最大78.3重量%の鉄(Fe)、を有する、熱電モジュール。

技術分野

0001

本発明は、半導体素子および熱電モジュールに関する。

背景技術

0002

自動車内燃機関からの排ガスは、熱エネルギーを有し、例えば、バッテリーまたは他のエネルギー貯蔵装置充電するために、および/または電気消費物に必要なエネルギーを直接に供給するために、熱エネルギーは、熱電発電装置によって電気エネルギーに変換されることができる。それで、自動車は、より良いエネルギー効率で作動され、自動車の作動に、エネルギーがかなり大きな程度利用できる。

0003

このような熱電発電装置は、少なくとも1つの熱電モジュールを有する。熱電モジュールは、例えば、少なくとも2つの半導体素子(pドープおよびnドープ)を含み、少なくとも2つの半導体素子は、それらの上側および下側で(ホットサイドの方、コールドサイドの方でそれぞれ)、交互に電気伝導ブリッジが備えられ、少なくとも2つの半導体素子は、最小の熱電ユニットまたは熱電素子を形成する。熱電材料は、有効に熱エネルギーを電気エネルギーに変換でき(ゼーベック効果)、その逆(ペルティエ効果)も同様であるような、性質のものである。温度勾配が、半導体素子の両サイドに与えられると、半導体素子の端部間に、電圧ポテンシャルを形成する。ホットサイドでの電荷キャリアは、より高い温度によって次第に伝導帯励起される。その際生じた伝導帯における濃度差によって、電荷キャリアが半導体素子のより冷たい側へ拡散し、それによってポテンシャル差が生じる。熱電モジュールでは、望ましくは、多数の半導体素子が、電気的に直列に接続される。直列半導体素子の生じたポテンシャル差が互いに相殺されないように、常に交互に、異なる多数電荷キャリア(nドープおよびpドープ)を有する半導体素子は、直接電気接触する。接続された負荷抵抗器によって電流回路が閉じられることができ、それで電気出力が取り出されることができる。

0004

半導体素子が永続的に使用可能であることを保証するために、電気伝導ブリッジと熱電材料との間に、通常、拡散障壁が配置され、この拡散障壁は、電気ブリッジに含まれる材料が熱電材料に拡散するのを防ぎ、従って、熱電素子のまたは半導体材料機能不全または効率損失を防ぐ。熱電モジュールまたは半導体素子は、大抵は、熱電材料、拡散障壁、電気伝導ブリッジ、絶縁、および場合によっては、高温および低温媒体がそれぞれ流れ通る熱電モジュールを形成する更なるハウジング要素、の個々の構成要素を組み立てることにより、構成される。熱電モジュールを通る電流フローが生成されることができるように、多数の個々の構成要素の組み立ては、また、個々の部品公差の正確な調整、ホットサイドからコールドサイドへの熱移動の考慮、および電気伝導ブリッジの十分な接触を必要とする。まさに自動車における熱電発電装置の提供に関し、およびそこにある個数に関し、コスト要素は重要なパラメータである。コストの大きな部分は、熱電発電装置を構成するのに使用される、一部分の非常に高価な材料が原因となる。

発明が解決しようとする課題

0005

ここから出発して、本発明の課題は、先行技術に関連して示された問題を、少なくとも部分的に解決することである。特に、多方面で使用される場合に適し、温度変化応力に対する向上した耐性を有し、および、可能な限り簡単で費用効果的な熱電モジュールの構成を可能にする、半導体素子を示すことを意図する。

課題を解決するための手段

0006

これらの課題は、請求項1の特徴による半導体素子によって、および請求項9の特徴による熱電モジュールによって、解決される。本発明による半導体素子のおよび熱電モジュールの有利な構成は、従属請求項に示される。請求項に個々に挙げられた特徴は、任意の技術的に有意な方法で、互いに組み合わせ可能であり、本発明のさらなる設計変形を示す。明細書は、特に図と関連して、本発明をさらに詳しく説明し、本発明の補足の実施例を示す。

0007

本発明による半導体素子は、少なくとも熱電材料および第1フレーム部分を備え、それらは圧力ばめで互いに接続され、第1フレーム部分は、電気伝導体を形成し、フェライト鋼から成る。

0008

半導体素子は、ここでは、従って最小構造ユニットを表し、すでに、圧力ばめによっておよび係留的に、第1フレーム部分に接続されている。圧力ばめは、ここでは、特に、静止摩擦により引き起こされる反力が超えられない限り、相互変位が妨げられることを意味する。

0009

フェライト鋼は、体心立方結晶格子を形成する、鉄の結晶学的変更を意味すると解される。ここで提示されるフェライト鋼は、良好な電気伝導性のほかに、特に、良好な熱伝導性および同時に少ない熱膨張も示す。

0010

特に、半導体材料と第1フレーム部分との間に、追加的に拡散障壁が配置され、フレーム部分からの合金要素が、半導体材料の中へ拡散せず、その効率を、電気エネルギーへの熱エネルギーの変換に関し損なわないようになっている。この拡散障壁は、特に、ニッケルまたはモリブデンから構成される。しかしながら、追加的な拡散障壁が、半導体材料と第1フレーム部分との間に必要でないことが望ましい。同時に、第1フレーム部分は電流導体を提供し、半導体素子の第1フレーム部分が、隣り合う半導体素子またはその第1フレーム部分にも直接に接続可能であり、従って、熱電モジュールによって生成された電流が、特に熱電モジュールのフレーム部分および半導体素子(および拡散障壁)のみを通って、流れる。特に、半導体素子と第1フレーム部分とは、互いに少なくとも部分的に、ポジティブロックまたはそれどころか材料結合で連結される。ポジティブロックは、ここでは特に、結合パートナーが互いに妨げとなるので、結合パートナーの相対運動が、少なくとも1つの方向に、望ましくはあらゆる方向に、可能でないことを意味する。材料結合は、ここでは特に、結合パートナーが原子のまたは分子の力によって結び付けられることを意味する。

0011

熱電材料として、特に以下の材料が使用可能である:
n型: Bi2Te3;PbTe;Ba0.3Cо3.95Ni0.05Sb12;
Bay(Cо,Ni)4Sb12;CоSb3;Ba8Ga16Ge30;
La2Te3;SiGe;Mg2(Si,Sn);
p型: (Bi,Sb)2Te3;Zn4Sb3;TAGS;PbTe;SnTe;
CeFe4Sb12;Yb14MnSb11;SiGe;Mg2(Si,Sb).

0012

半導体素子の望ましい実施形態によると、フェライト鋼は、少なくとも以下の合金成分を有する:
・最大0.025重量%の炭素(C)、
・21〜24重量%のクロム(Cr)、
・0.7〜1.5重量%のモリブデン(Mo)、
・最大1重量%のニオブ(Nb)、
・最大78.3重量%の鉄(Fe)。

0013

特に、フェライト鋼は、さらなる合金成分を含むことができるが、合金成分は、いつも1重量%の割合を越えず、望ましくはいつも最大0.2重量%である。特に、全てのさらなる合金成分は、全部合わせて最大3重量%になり、望ましくはそれどころか最大1重量%だけであることが、定められる。

0014

特に上記の合金組成を有する、フェライト鋼は、特に、100℃で測定された、約26W/m℃[ワット/メートルセルシウス度]の熱伝導を示す。特に、20℃から100℃の範囲で、約10・10−6(0.00001)毎ケルビン[1/K]の熱膨張係数がある。同時に、フェライト鋼は、非常に良好な耐食性を示し、第1フレーム部分の特性の高い耐久性が保証され得るようになっている。半導体素子間の電気伝導ブリッジ用に通常この際使用される材料に比べて、このフェライト鋼は、また明らかなコスト優位性を示す。

0015

フェライト鋼の特に望ましい合金組成の1つが以下に示される:
・0.006重量%の炭素(C)、
・22重量%のクロム(Cr)、
・1.0重量%のモリブデン(Mo)、
・0.3重量%のニオブ(Nb)、
残余の鉄(Fe)、
・「不純物」は最大1重量%の割合でのみ存在する。

0016

半導体素子の特に有利な構成の1つは、半導体素子用の第2フレーム部分を設け、それは、第1フレーム部分が配置される要素面に向かい合う、熱電材料の要素面に配置される。その際、熱電材料は、特に、円柱立方体、棒状および/または環セグメントのように構成され、第1フレーム部分および第2フレーム部分は、熱電材料の向かい合う要素面に配置される。第1フレーム部分に関係する全ての構成は、制限なく第2フレーム部分にも適用され、その逆も同様である。

0017

半導体素子のさらなる有利な構成によると、熱電材料、第1フレーム部分、および第2フレーム部分は、環状であり、第1フレーム部分が内側の周囲面に配置され、第2フレーム部分が熱電材料の外側の周囲面に配置される。特に、このような構成により、環状の熱電モジュールが製造可能であり、環状の熱電モジュールでは、半導体材料が縦に並んで配置され、第1フレーム部分および第2フレーム部分を通じて、いずれの場合も交互に電気的に互いに接続される。

0018

さらに、少なくとも第1フレーム部分が、2つの互いに相隔たる向かい合う表面を有し、表面の1つは、熱電材料に面した連結表面であり、表面の間隔は、第1フレーム部分の厚さを定め、この厚さは、0.1mm〜1mm[ミリメートル]であり、望ましくは0.2mm〜0.5mmである。特に、熱電材料によって相隔たる第1フレーム部分と第2フレーム部分とは、互いから1〜5mm[ミリメートル]離れる、すなわち、熱電材料の材料厚は1〜5mmである。第2フレーム部分は、必要に応じて、同様に構成されることができる。

0019

半導体素子のさらなる有利な構成によると、少なくとも第1フレーム部分は、2つの相隔てて向かい合う接触表面を有し、その間隔は第1の幅を定める。その際、第1の幅は、少なくとも部分的に、熱電材料の第2の幅より大きく、第1フレーム部分が、熱電材料の少なくとも1つの側で突き出るようになっている。ここで挙げられた接触表面は、特に、そのフレーム部分を通じ、隣り合って互いに配置された半導体素子の接触に役立つ。第1の幅を有する第1フレーム部分の、および第2の幅における熱電材料の、広がりは、特に、互いに平行な方向に見られ、第1の幅が少なくとも部分的に第2の幅より大きいと定義することにより、第1フレーム部分が、熱電材料の少なくとも1つの側で熱電材料を越えて突き出ることが、明らかにされるようになっている。望ましくは、その際、第1フレーム部分は、少なくとも1つの側で、熱電材料と同一平面で配置される。特に望ましくは、この(個々の)突出は、第1フレーム部分の広がりの少ない部分にわたってだけ定められ、特に、(周囲方向で)広がりの30%にわたってだけまたはそれどころか20%だけである。第2フレーム部分は、必要に応じて、同様に構成されることができる。

0020

少なくとも第1フレーム部分が、追加的に、少なくともさらなる1つの側で熱電材料に対し突き出ることも、想定され得る。そのような構成は、特に、第1フレーム部分が接触表面を通じて接続されるときに、特に有利であり、互いに隣り合って配置された半導体素子の接触表面の溶接はんだ付けろう付け、または接着の場合に、電気エネルギーへの熱エネルギーの変換に関する効率が損なわれることをもたらし得る、熱電材料の汚染または損傷が起きないようになっている。第2フレーム部分は、必要に応じて、同様に構成されることができる。

0021

半導体素子のさらなる有利な構成によると、少なくとも第1フレーム部分は、コーティングを備え、コーティングは、少なくとも熱電材料に面する連結表面に配置される。第2フレーム部分は、必要に応じて、同様に構成されることができる。このコーティングは、特に、はんだろう材料および/または熱電材料および第1/第2フレーム部分の接続表面を高くするための材料を含む。ここで、特に、はんだ/ろう材料は、熱電材料と第1/第2フレーム部分との間に配置されるので、追加的に拡散障壁の特性を備えなければならない。コーティングにより、第1/第2フレーム部分と熱電材料との間の接続が、可能になる、または可能な限り高い強度で構成される。従って、また、第1/第2フレーム部分と熱電材料との間の熱伝導接触を、向上させることまたは安全にすることができ、半導体素子の、またはいくつかの半導体素子を備える熱電モジュールの、効率が保証されるようになっている。この目的のために用いられるコーティングは、特にはんだ/ろう材料を含む。

0022

さらに、少なくとも第1フレーム部分は、少なくとも熱電材料に面する連結表面に、少なくとも部分的に表面構造を備えることが提案され、表面構造は、少なくとも以下の要素を含む:
グルーブ
ショルダー
隆起
‐少なくとも12μmの粗さRz.

0023

この表面構造により、特に、第1フレーム部分への、少なくとも1つの要素を通じた、熱電材料のポジティブロック接続がもたらされる。要素により、熱電材料と第1フレーム部分との間の接続が、接続強度に関して向上される。第2フレーム部分は、必要に応じて、同様に構成されることができる。

0024

グルーブは、ここでは第1フレーム部分の内側のくぼみを含み、それは、(周囲に延びる)ショルダーの場合、くぼみは接触表面まで延び、第1フレーム部分が、熱電材料に押し込まれることができるという意味で、ショルダーと異なる。ここで示された隆起は、グルーブおよびショルダーと反対に、フレーム部分の突起であり、熱電モジュールの中へ延び、それでもって熱電材料と第1フレーム部分との間のポジティブロック接続を可能にする。

0025

ここで定義された粗さRzは、普通はDIN4768に従って得られ、ここでは12μm[マイクロメートル]の、特に少なくとも20μmの、値があり、熱電材料および第1フレーム部分の接続のための大きな表面が、存在するようになっている。

0026

半導体素子の製造のための方法は、少なくとも以下のステップを含む:
a)少なくとも第1フレーム部分を提供するステップ、
b)熱電材料を第1フレーム部分の連結表面に配置するステップ、
c)少なくとも第1フレーム部分および熱電材料を、両方が圧力ばめで接続するように、プレスするステップ。

0027

この方法は、特に、ここで本発明に従って記述された半導体素子の製造に適している。

0028

個々のステップは、通常、ここで示された順に行われ、場合に応じて、いくつかの半導体素子が、一緒に製造されることができる。この方法に関し、注目すべきは、ステップa)で、場合に応じて、第2フレーム部分も提供されることができ、それからステップb)で、熱電材料は、両方のフレーム部分の連結表面に配置され、その次にこれと共にプレスされるようになっていることである。

0029

さらに、ここでは、熱電モジュールが提案され、熱電モジュールは少なくとも半導体素子を備え、半導体素子は、電気伝導ブリッジを通じて互いに接続され、熱電素子が形成されるようになっており、少なくとも1つの電気伝導ブリッジは、フェライト鋼を備える。このフェライト鋼の構成に関し、第1フレーム部分についての上記の観点が、完全に引き合いに出される。

0030

熱電モジュールの望ましい構成によると、電気伝導ブリッジは、少なくとも以下の合金成分を有するフェライト鋼を備える:
・最大0.025重量%の炭素(C)、
・21〜24重量%のクロム(Cr)、
・0.7〜1.5重量%のモリブデン(Mo)、
・最大1重量%のニオブ(Nb)、
・最大78.3重量%の鉄(Fe)。

0031

特に、熱電モジュールは、少なくとも2つの本発明による半導体素子を備える。その際、熱電モジュールにおける半導体素子は、隣り合う半導体素子のフレーム部分が互いに接触し、この接触部位材料結合的に互いに接続されるように、互いに並んで配置される。

0032

熱電モジュールのさらなる有利な構成によると、隣り合う半導体素子のフレーム部分は、それぞれの接触表面で互いに接触し、この接触部位で材料結合的に互いに接続される。特に、このような構成により、突き合わせ継ぎ手が、隣り合って配置される半導体素子の間に実現され、この半導体素子が、特に簡単な方法で、一緒に、溶接、はんだ付け/ろう付け、または接着、されることができるようになっている。代替的にまたは追加的に、隣り合う半導体素子のフレーム部分は、それぞれの接触表面で接触し、特に対応する加硫および/またはゴムコーティングによって、この接触部位で弾性的に互いに接続される。

0033

望ましくは、隣り合って配置される半導体素子の材料結合接続は、溶接によって、特にレーザー溶接によって、形成されることができる。

0034

特に、熱電モジュールでは、少なくとも1つの第1フレーム部分は、直接に高温媒体熱伝導的に接続される、または、少なくとも1つの第2フレーム部分は、電気絶縁を通じてだけ、低温媒体と熱伝導的に接続される。同じように、両方の特徴が一緒に想定され得る。

0035

特に、ここでは、熱電モジュールを流れ通る、内燃機関の排ガスが、高温媒体と見なされる。特に、排ガスに面する、熱電モジュールの表面は、少なくともいくつかの第1フレーム部分によって形成される。第1フレーム部分は、互いの間で電気伝導的に、材料結合的に一緒に接続される。交互に、半導体素子は、しかしまた電気的に互いから絶縁されて構成され、電流が、交互にホットサイドからコールドサイドへnドープおよびpドープ半導体素子を通って、導かれるようになっている。第1フレーム部分は、熱電モジュールに沿った電流路を生じさせ、その際に熱電モジュールの外側表面を形成し、外側表面は、高温媒体から半導体素子への、可能な限り少ない損失の熱伝達を可能にするよう意図されている。少なくとも第1フレーム部分は、従って熱電モジュールのハウジングをホットサイドで形成するので、この場合、排ガスに対する導電性第1フレーム部分の電気絶縁をなくすことができる。それによって、ハウジング、電気絶縁、導電流路、拡散障壁、熱電材料から成る通例の構造が、有意に簡略化される。隣り合って互いに配置された半導体素子は、特に、それらの互いに面する接触表面で、電気絶縁要素を有することができ、電気絶縁要素は、排ガスに対して熱電モジュールがシールされることを可能にし、他方では、第1フレーム部分を互いから電気絶縁する。

0036

対応して、特に、低温媒体に対し熱電モジュールを画定する第2フレーム部分も、提案される。低温媒体は、ここでは特に液体である。電気エネルギーへの、排ガスに含まれる熱エネルギーの変換に関する熱電モジュールの効率が制限されないように、電気絶縁は、同時に良好な熱伝導を可能にするべきである。電気絶縁として、例えばフィルムが設けられ、フィルムは、簡単な方法で、熱電モジュールの対応する表面に適用されることができる。代替的にまたは追加的に、電気絶縁として収縮スリーブが、特に第2フレーム部分の低温媒体に面する側で、設けられることができる。電気絶縁は、フレーム部分に外側および/または内側で適用されることができ、特に外側であり、望ましくは、熱電モジュールの外側表面を形成する、フレーム部分の領域にである。

0037

ここで提案された半導体素子および熱電モジュールは、特に、自動車に使用され、内燃機関の排ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換するための、熱電発電装置に適する。第1フレーム部分用のフェライト鋼に関連して記述された構成は、特に、熱電モジュールの電気伝導ブリッジに適用可能である。

0038

本発明および技術周辺は、以下で図に基づいてさらに詳しく説明される。図は本発明の特に好ましい実施形態を示すが、本発明はそれに限定されないことが、指摘される。図では、概略的に示している。

図面の簡単な説明

0039

半導体素子を示す。
第1フレーム部分を示す。
第2フレーム部分を示す。
熱電モジュールを示す。
半導体素子の第1の配置を示す。
半導体素子の第2の配置を示す。

実施例

0040

図1は、環状の半導体素子1を示し、半導体素子1は、熱電材料2と、熱電材料2の内側周囲面5に配置された第1フレーム部分3と、を有する。熱電材料2の外側周囲面6に、第2フレーム部分4が配置される。ここでは、内側のフレーム部分に「第1フレーム部分」の名称が、外側のフレーム部分に「第2フレーム部分」の名称が用いられたが、このような割り当ては、発明の他の実施形態の変形例にとって必須ではない。

0041

外側の周囲面6は、熱電材料2の、第1フレーム部分3に接続される要素面29の向かいにある、熱電材料2の要素面29である。第1フレーム部分3は、2つの向かい合う表面7を有し、熱電材料2の向かいにある表面7に、連結表面9が形成される。向かい合う表面7の間に、第1フレーム部分の厚さ8が形成される。第2フレーム部分4は、2つの互いに向かい合う接触表面10を有し、その間に、第2フレーム部分4の第1の幅11が延びる。対応する平行な方向に、熱電材料2は、第2の幅12を有し、第2の幅12は、ここでは第1の幅11より少ない。対応して、第2フレーム部分4が、中心軸26の方向に、熱電材料2のサイド13で熱電材料2を超えて突き出る。熱電材料2を超える対応する突出が、第2フレーム部分4に対して反対の方向に、第1フレーム部分3でも、中心軸26の方向に形成される。

0042

図2は、環状の第1フレーム部分3を示し、第1フレーム部分3は、2つの互いに向かい合う表面7を有し、この場合、外側の表面7は、熱電材料に第1フレーム部分3を連結するための連結表面9を形成する。その際、第1フレーム部分3と熱電材料2との間の接続強度を増加させるために、コーティング14が提供され、コーティング14は連結表面9に適用される。

0043

図3は、第2フレーム部分4を示し、第2フレーム部分4は、対応する互いに向かい合う表面7を有し、ここでは、環状の第2フレーム部分4の内側の周囲面は、熱電材料への第2フレーム部分4の接続のための連結表面9を備える。連結表面9上に、図3の上部分における表面構造15としての要素16が示され、この要素16は、ここではグルーブとして設計される。このグルーブの中に熱電材料が延び、それが、少なくとも中心軸26の方向に、環状の第2フレーム部分4の内側で、固定されるようになっている。この場合、熱電材料は、中心軸26の方向に、グルーブの両サイドで、第2フレーム部分4の内側で、延びることができる。図3の下半分において、表面構造15として、ショルダーとしての要素16が示され、この要素16は、少なくとも中心軸26の方向に、熱電材料の固定を可能にする。熱電材料は、環状の連結表面9と横の接触表面10との間に配置される。

0044

図4は、熱電モジュール17を示し、熱電モジュール17は、多数の半導体素子1を有する。これらの半導体素子1は、環状に内管20の回りに配置され、外側の周囲面6で外管19により取り囲まれる。内管20はチャネル21を形成し、チャネル21を通って、高温媒体22が中心軸26に沿って流れる。外管19の外側の周囲面で、低温媒体23が熱電モジュール17を流れ通る。それによって、外管19と内管20との間に温度ポテンシャルを形成し、交互にコールドサイド30およびホットサイド31でそれぞれ電気的に互いに接続された半導体素子1により、熱電効果の結果として、熱電モジュール17を通る電流が、生じることができるようになっている。接触表面10で、第2フレーム部分4、第1フレーム部分3が、それぞれに、互いに電気伝導的に接続される。フレーム部分3,4は、電気伝導ブリッジ25としても表されることができ、それを通じて、半導体素子は、熱電素子24を形成するように接続される。

0045

図5は、熱電モジュール17を形成する半導体素子1の第1の配置を示す。ここで図1に対応して構成された半導体素子1は、交互に、第1フレーム部分3、第2フレーム部分4を経由して、接触部位18を形成する接触表面10で、互いに材料結合的に接続される。対応して、交互に、それぞれ隣り合う第1フレーム部分3とそれぞれ隣り合う第2フレーム部分4との間に、電気絶縁28が設けられ、この電気絶縁は、熱電モジュール17を通る対応する電流路を生じさせる。

0046

図6は、熱電モジュール17を形成する半導体素子1の第2の配置を示す。この場合、nおよびpドープ熱電材料2は、第1フレーム部分3、第2フレーム部分4をそれぞれ経由して、接触部位18を形成する接触表面10を経由して、電気伝導的に互いに接続される、または、接触表面10で互いから絶縁される。低温媒体23は、熱電モジュール17を、ここでは直接に、第2フレーム部分4によって形成された熱電モジュール17の外側の表面で流れ通る。環状に延びるように形成され、径方向に外側へ突き出る、第2フレーム部分4は、接触表面10で互いに交互に、電気伝導的にまたは電気絶縁的に接続され、それで連続的な外管19を形成する。対応して、熱電モジュール17の内側で、第1フレーム部分3は、内管20を形成し、内管20を高温媒体22が流れ通る。高温媒体22は通常排ガスであるので、ここではホットサイド31で、排ガスに対する第1フレーム部分3の電気絶縁をなくすことができる。コールドサイド30で、電気伝導低温媒体23の使用に際して、電気絶縁28が必要であり、電気絶縁28は、外側で第2フレーム部分4に適用される。この絶縁は、例えば、収縮スリーブとして形成される。外側および内側へ突き出るフレーム部分3,4により、補償要素27が形成され、補償要素27は、中心軸26方向における熱電モジュール17の熱膨張を可能にする。同時に、径方向32における半導体素子1の互いの相対移動も可能にする。

0047

ここで提示された本発明により、先行技術に関連して示された問題が、少なくとも部分的に解決された。特に、多方面で使用される場合に適し、可能な限り簡単で費用効果的な熱電モジュールの構成を可能にする、半導体素子が示された。その際、ここで第1フレーム部分用に述べたフェライト鋼は、熱電モジュールにおける半導体素子間の熱伝導ブリッジとして、より一般的に使用可能でもあり、この材料が半導体材料から独立して利用できるようにもなっている。

0048

1半導体素子
2熱電材料
3 第1フレーム部分
4 第2フレーム部分
5 内側の周囲面
6 外側の周囲面
7 表面
8 厚さ
9連結表面
10 接触表面
11 第1の幅
12 第2の幅
13サイド
14コーティング
15表面構造
16 要素
17熱電モジュール
18接触部位
19外管
20内管
21チャネル
22高温媒体
23低温媒体
24熱電素子
25電気伝導ブリッジ
26中心軸
27補償要素
28電気絶縁
29要素面
30コールドサイド
31ホットサイド
32 径方向

ページトップへ

この技術を出願した法人

この技術を発明した人物

ページトップへ

関連する挑戦したい社会課題

関連する公募課題

該当するデータがありません

ページトップへ

技術視点だけで見ていませんか?

この技術の活用可能性がある分野

分野別動向を把握したい方- 事業化視点で見る -

(分野番号表示ON)※整理標準化データをもとに当社作成

ページトップへ

おススメ サービス

おススメ astavisionコンテンツ

新着 最近 公開された関連が強い技術

この 技術と関連性が強い技術

関連性が強い 技術一覧

この 技術と関連性が強い人物

関連性が強い人物一覧

この 技術と関連する社会課題

関連する挑戦したい社会課題一覧

この 技術と関連する公募課題

該当するデータがありません

astavision 新着記事

サイト情報について

本サービスは、国が公開している情報(公開特許公報、特許整理標準化データ等)を元に構成されています。出典元のデータには一部間違いやノイズがあり、情報の正確さについては保証致しかねます。また一時的に、各データの収録範囲や更新周期によって、一部の情報が正しく表示されないことがございます。当サイトの情報を元にした諸問題、不利益等について当方は何ら責任を負いかねることを予めご承知おきのほど宜しくお願い申し上げます。

主たる情報の出典

特許情報…特許整理標準化データ(XML編)、公開特許公報、特許公報、審決公報、Patent Map Guidance System データ

特許:約8,000万件, クラウドファンディング:約100万年, 科研費・グラントデータ:約500万件, 発明者・研究者情報:約600万人