熱電裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種包括熱電發(fā)電機的裝置，該熱電發(fā)電機帶有從熱源吸收熱量的熱側(cè)和向熱沉排出熱量的冷側(cè)以及用于以輸出電壓輸出電能的電接頭；該裝置還包括具有最高容許輸入電壓的電路，該電路的輸入端與熱電發(fā)電機的電接頭連接。這種裝置例如使用在機動車的排氣系統(tǒng)上，以便高效地利用能量。為了提供這種可以在很大程度上不依賴于熱電發(fā)電機的熱側(cè)與冷側(cè)之間的溫差大小地與熱源，尤其是內(nèi)燃機的排氣系統(tǒng)連接的裝置，提出將熱電發(fā)電機設(shè)計成在低于或達到電路的最高容許輸入電壓時出現(xiàn)輸出電壓飽和。
【專利說明】熱電裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種包括熱電發(fā)電機的裝置，該熱電發(fā)電機帶有從熱源吸收熱量的熱偵_向熱沉排出熱量的冷側(cè)以及用于以輸出電壓輸出電能的電接頭；該裝置還包括具有最高容許輸入電壓的電路，該電路的輸入端與熱電發(fā)電機的電接頭連接。此外，本發(fā)明還涉及一種用于運行這種裝置的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]熱電發(fā)電機(也被簡稱為TEG)是一種利用熱電效應(yīng)將熱能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。
[0003]熱電效應(yīng)(也被稱為塞貝克效應(yīng)(Seebeck-Effect))描述了在溫度與電之間的可逆轉(zhuǎn)的交互作用。塞貝克電壓如下這樣來確定:
_4] Useebeck=Q X δΤ
[0005]其中，δ T是熱側(cè)與冷側(cè)之間的溫差，
[0006]α是塞貝克系數(shù)或溫差電動勢。
[0007]塞貝克系數(shù)具有電壓每溫差的量綱(V/Κ)。塞貝克系數(shù)的大小主要說明了塞貝克電壓的高度。
[0008]熱電發(fā)電機由不同摻雜的半導(dǎo)體材料構(gòu)成。用于熱電發(fā)電機的常用半導(dǎo)體材料是像尤其是Bi2IV Bi2Se3^ Sb2Te3> PbTe, SiGe或FeSi2以及它們的合金那樣的半導(dǎo)體材料。
[0009]傳統(tǒng)的熱電發(fā)電機由`兩個或兩個以上分別由P摻雜和η摻雜的半導(dǎo)體材料制成的小長方六面體構(gòu)成，這些小長方六面體上下交替地通過金屬橋相互連接。金屬橋同時形成了熱接觸面，并且大多通過陶瓷板絕緣。由P摻雜和η摻雜的半導(dǎo)體材料制成的不同的長方六面體電串聯(lián)。陶瓷板具有約3_至5_的間距，長方六面體布置，尤其是焊接在這些間距中。其中一塊陶瓷板形成了熱電發(fā)動機的熱側(cè)，而對置的陶瓷板則形成了熱電發(fā)動機的冷側(cè)。熱側(cè)從熱源吸收熱量，而冷側(cè)向熱沉排出熱量。通過在熱側(cè)與冷側(cè)之間建立起溫差δ τ，在熱電發(fā)電機的接頭上產(chǎn)生了塞貝克電壓USMbec;k。
[0010]為了提高熱電發(fā)電機的效率，在EP1287566B1中公開了一種熱電兀件和一種帶有多個電串聯(lián)的熱電元件的模塊。熱電元件具有一個或多個摻雜半導(dǎo)體的至少一個η層和至少一個P層，其中，在形成至少一個ρη結(jié)的情況下布置有一個或多個η層和P層。至少一個η層和至少一個P層選擇性地電接觸，并且溫度梯度平行于在至少一個η層和P層之間的分界層(在X方向上)來施加。至少一個ρη結(jié)基本上沿一個或多個η層和P層的整個延展部分，優(yōu)選最長的延展部分來構(gòu)造以及進而基本上沿著它們的整個分界層來構(gòu)造。
[0011]通過沿大面積的ρη分界面的溫度梯度，沿這個縱向構(gòu)造的ρη結(jié)在ρη層組的兩個端部之間產(chǎn)生了溫差，這個溫差導(dǎo)致熱電元件的效率要比在沿著Pn結(jié)以及在ρη結(jié)內(nèi)部沒有溫度梯度的傳統(tǒng)熱電發(fā)電機中的效率要高。熱電元件在模塊中熱并聯(lián)地布置在兩塊板之間。這些板用于既在冷側(cè)也在熱側(cè)改善熱耦合。這些板優(yōu)選構(gòu)造成良好的熱導(dǎo)體，它們尤其由陶瓷的、不導(dǎo)電的材料制成。ΕΡ1287566Β1尤其對于熱電元件(圖3)和模塊(圖13)的結(jié)構(gòu)以及對所使用的半導(dǎo)體材料的公開，都被明確地引入本申請中。[0012]如下這種裝置在DE102008023806A1中公開。該裝置接入到機動車的排氣系統(tǒng)中，在該排排氣系統(tǒng)中TEG的所謂的熱側(cè)與排氣系的排氣導(dǎo)引管路導(dǎo)熱地連接，而TEG的冷側(cè)則例如與機動車的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的導(dǎo)引冷卻液體的冷卻介質(zhì)管路熱耦合。TEG通過形式為直流變換器的直流電壓耦合裝置以電方式耦合到機動車的車載電網(wǎng)中。由TEG和直流變換器構(gòu)成的裝置明顯改善了機動車的能效。但裝置到機動車的排氣系統(tǒng)中的接入以排氣系統(tǒng)的重建為前提。排氣系統(tǒng)包括排氣通道，該排氣通道具有兩個平行延伸的排氣子通道，其中，排氣子通道順流而下又匯合在一起。兩個排氣子通道中的其中一個與熱電發(fā)電機熱耦合，其中，在排氣通道中如下這樣存在至少一個用于使排氣流轉(zhuǎn)向的切換元件，g卩，依賴于切換元件的切換位置使排氣流僅流過第一排氣子通道、僅流過第二排氣子通道或按份額流過兩個排氣子通道。此外，設(shè)置控制裝置來驅(qū)控至少一個切換元件。布置在排氣子通道中的熱電發(fā)電機的輸出電壓與在熱電發(fā)電機的熱側(cè)與冷側(cè)之間的溫差幾乎成比例。為了避免在特定的運行狀況下與熱電發(fā)電機和機動車的車載電網(wǎng)連接的直流變換器由于熱電發(fā)電機過高的輸出電壓受損，有必要將過熱的廢氣導(dǎo)引在熱電發(fā)電機旁經(jīng)過。通過這種旁路解決方案可以針對允許了大部分行駛循環(huán)的中等的發(fā)動機功率以及進而排氣溫度和排氣質(zhì)量流量來設(shè)計熱電發(fā)電機。此外，直流變換器可以根據(jù)最常使用的中等功率范圍來設(shè)計。不過現(xiàn)有技術(shù)的主要缺點在于，排氣系統(tǒng)必須具有兩個平行延伸的排氣子通道，并且此外受控制的切換元件必須安裝在排氣系內(nèi)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]以現(xiàn)有技術(shù)為出發(fā)點，本發(fā)明所要解決的任務(wù)是，提供一種本文開頭提到類型的裝置，該裝置可以在很大程度上不依賴于熱電發(fā)電機的熱側(cè)與冷側(cè)之間的溫差大小地與熱源，尤其是內(nèi)燃機的排氣系統(tǒng)連接，其中，應(yīng)當(dāng)在熱源，尤其是在排氣系統(tǒng)沒有變化的情況下避免與熱電發(fā)電機連接的電路由于超過其最高容許輸入電壓而受損。
[0014]該任務(wù)在本文開頭提到類型的裝置中如下這樣來解決，即，熱電發(fā)電機包括至少一個熱電元件，該熱電元件由用熱電材料制成的至少一個η層和至少一個P層以構(gòu)成有至少一個沿分界層構(gòu)造的Pn結(jié)的形式構(gòu)成，其中，溫度梯度可以在熱電發(fā)電機的熱側(cè)與冷側(cè)之間平行于分界層來施加，并且熱電發(fā)電機被設(shè)計成在低于或達到電路的最高容許輸入電壓時出現(xiàn)輸出電壓的飽和。
[0015]熱電發(fā)電機包括至少一個本身由ΕΡ1287566Β1公開的熱電兀件。通過使熱電發(fā)電機的輸出電壓從熱側(cè)與冷側(cè)之間特定的溫差起不再明顯地提高來防止超過電路的最高容許輸入電壓。輸出電壓的這種飽和優(yōu)選在達到或略小于最大容許輸入電壓時出現(xiàn)。在無需耗費地干預(yù)熱源或熱沉的情況下有效地避免了對電路以及接下來的部件的損傷。尤其在將根據(jù)本發(fā)明的裝置接入到機動車的排氣系統(tǒng)中時，不再需要將排氣子通道作為用于過熱的廢氣的旁路。此外也取消了切換元件以及用于驅(qū)控切換元件的控制裝置。
[0016]在包括至少一個本身由ΕΡ1287566Β1公開的熱電兀件的熱電發(fā)電機中，輸出電壓飽和的出現(xiàn)依賴于如何相互協(xié)調(diào)熱電層的運輸能力和施加有溫度梯度的ρη結(jié)的產(chǎn)生效率。在參數(shù)，例如尤其是熱電發(fā)電機的長度和寬度、摻雜和缺陷密度恒定時，優(yōu)選通過η層和P層的厚度來調(diào)整熱電發(fā)電機的飽和特性。出現(xiàn)輸出電壓飽和的值隨著層的變厚而提高。因此通過改變層厚可以使熱電發(fā)電機與電路的最高容許輸入電壓相適配。[0017]在本發(fā)明優(yōu)選的設(shè)計方案中，該裝置包括如下熱源，該熱源與熱電發(fā)電機的熱側(cè)熱耦合。熱耦合可以例如借助熱交換器實現(xiàn)。尤其使用內(nèi)燃機的排氣系統(tǒng)的組成部分作為熱源，其中，基于根據(jù)本發(fā)明的裝置不需要排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性適配。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]接下來借助附圖詳細闡釋本發(fā)明。附圖中:
[0019]圖1示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的裝置；
[0020]圖2示出了根據(jù)圖1的不同設(shè)計的熱電發(fā)電機依賴于溫差的輸出電壓；
[0021]圖3示出了不同設(shè)計的熱電發(fā)電機依賴于施加的溫差的功率密度；
[0022]圖4示出了針對不同摻雜劑濃度的η摻雜的硅的塞貝克系數(shù)；以及
[0023]圖5示出了針對不同摻雜劑濃度的P摻雜的硅的塞貝克系數(shù)。
【具體實施方式】
[0024]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的裝置，其帶有本身由ΕΡ1287566Β1公開的熱電發(fā)電機(O,該熱電發(fā)電機在所示實施例中簡化地僅包括一個熱電元件，該熱電元件由用熱電材料制成的P層(2)和用熱電材料制成的η層(3)以構(gòu)成有沿分界層構(gòu)造的ρη結(jié)(4)的形式構(gòu)成。熱電發(fā)電機(I)在層組的上端側(cè)具有熱側(cè)(5)，而在對置的端側(cè)上具有冷側(cè)(6)。在熱側(cè)
(5)與冷側(cè)(6)之間沿著分界層可以施加溫度梯度，其中，熱側(cè)從未示出的熱源，例如內(nèi)燃機的排氣系統(tǒng)吸收熱量，而冷側(cè)則向熱沉，例如內(nèi)燃機的冷卻液管路或環(huán)境空氣排出熱量。在熱側(cè)(5)與冷側(cè)(6)之間存在的溫差下，在ρη結(jié)(4)的熱側(cè)(5)上在產(chǎn)生區(qū)(7)內(nèi)以熱方式產(chǎn)生了載流子(電子和空穴)。載流子通過ρη結(jié)(4)的內(nèi)建電勢(Built-1n-Potential)被分開并且在η層和P層中通過塞貝克效應(yīng)從熱側(cè)(5)向冷側(cè)(6)運輸。在冷側(cè)(6)上，載流子通過形式為觸點的電接頭(8a、8b)導(dǎo)出。熱電發(fā)電機(I)的電接頭(8a、8b)與電路(9)，亦即直流變換器連接。直流變換器用于將由熱電發(fā)電機(I)產(chǎn)生的電能耦合到機動車的示意性示出的車載電網(wǎng)(10)中。
[0025]熱電發(fā)電機(I)在溫差增大時具有兩個運行區(qū)域，亦即產(chǎn)生限制區(qū)域和運輸限制區(qū)域。在產(chǎn)生限制區(qū)域中，大部分在熱側(cè)(5)上產(chǎn)生的載流子被導(dǎo)出到電接頭(8a、8b)。產(chǎn)生的載流子數(shù)量隨溫度呈指數(shù)上升，其中，基于熱電發(fā)電機(I)的熱傳導(dǎo)性沿ρη結(jié)(4)出現(xiàn)了相應(yīng)的溫度梯度。如果在運輸限制區(qū)域中更高的溫度下針對一定厚度的η層和P層(2、3)產(chǎn)生了載流子懸垂(Oberhang)，那么沿η層和ρ層出現(xiàn)了新的平衡，并且載流子在它們通往電接頭(8a、8b)的路徑上再次重新組合。由此產(chǎn)生了隨著溫差增大先是微弱地上升而后飽和的輸出電壓。
[0026]因此，從產(chǎn)生限制區(qū)域到運輸限制區(qū)域的過渡以及進而發(fā)生輸出電壓飽和的溫差依賴于η層和ρ層(2、3)的運輸能力以及ρη結(jié)(4)的產(chǎn)生效率。因此在給定的參數(shù)，例如熱電發(fā)電機的長度、摻雜和缺陷密度下，η層和ρ層(2、3)的運輸特性最簡單地可以通過η層和P層(2、3)的厚度的改變來調(diào)整。ρ層和η層的典型厚度處在10到IOOym的范圍內(nèi)，而熱電發(fā)電機的典型長度處在毫米范圍內(nèi)。
[0027]前面的闡釋表明，通過確定η層和ρ層(2、3)的厚度可以調(diào)整熱電發(fā)電機(I)的最大輸出電壓的高度。因此可以使熱電發(fā)電機(I)的最大輸出電壓在根據(jù)本發(fā)明的裝置內(nèi)部與電路(9)的最高容許輸入電壓相適配。
[0028]圖2說明了在η層和ρ層(2、3)的層厚與輸出電壓的飽和之間的關(guān)聯(lián)。在圖2中示出的虛線表示傳統(tǒng)的熱電發(fā)電機的特性，其中，輸出電壓與熱電發(fā)電機的熱側(cè)與冷側(cè)之間的溫差成比例地上升。實線在此涉及熱電發(fā)電機(I)的輸出電壓的特性，其中，針對η層和P層(2、3)的厚度(11)在輸出電壓的不同值下出現(xiàn)了輸出電壓的飽和。輸出電壓的飽和度隨著變厚的P層和η層(2、3)上升。針對ρ層和η層(2、3)的在比較中最小的厚度(11 )，在輸出電壓(SI)時出現(xiàn)了飽和，針對中等厚度(11)在輸出電壓(S2 )時出現(xiàn)了飽和，而針對最大的厚度(11)在輸出電壓(S3)時出現(xiàn)了飽和。因為具有較大厚度的η層和ρ層(2、3)具有較大的載流子運輸能力，所以分別出現(xiàn)輸出電壓(SI至S3)的飽和的溫差也向上移動了。
[0029]圖3示出在較低的溫差下較薄的η層和ρ層(2、3)被證實是有利的，因為由于較低的溫差在產(chǎn)生區(qū)(7)中產(chǎn)生了較少的載流子并且它們可以從η層和ρ層(2、3)被高效地運輸給接頭(8a、8b)。隨著溫差增大，針對較厚的η層和ρ層(2、3)產(chǎn)生了較高的功率密度。由圖3進一步可知，傳統(tǒng)的熱電發(fā)電機的輸出功率關(guān)于溫差幾乎成二次方地上升，而熱電發(fā)電機(I)的輸出功率則是先關(guān)于溫差呈指數(shù)地，也就是說比關(guān)于溫差成二次方大地上升而在較高的溫差值下受到輸出電壓的飽和的限制。通過熱電發(fā)電機(I)的這種特性，輸出功率相比傳統(tǒng)構(gòu)造的用于特定溫差的熱電發(fā)電機可以得到優(yōu)化。裝置因此可以特別高效地與在中等的功率范圍內(nèi)運行的內(nèi)燃機的排氣系統(tǒng)相適配。
[0030]自由載流子以及進而傳導(dǎo)性，不過還有半導(dǎo)體內(nèi)的塞貝克系數(shù)都通過材料的摻雜得到調(diào)整。因此所謂的本征半導(dǎo)體和非本征半導(dǎo)體是有區(qū)別的，其中，每種半導(dǎo)體都隨溫度上升進入本征范圍。在非本征半導(dǎo)體中，僅一種載流子類型(也就是說，根據(jù)摻雜的不同或是電子或是空穴)有助于電運輸，而在本征半導(dǎo)體中通過熱產(chǎn)生則存在兩種載流子類型。因為熱漂移在相同的方向上作用到 兩種載流子類型上(從熱到冷)，不過載流子承載帶不同符號的電荷，并且也具有帶不同符號的塞貝克系數(shù)，所以摻雜半導(dǎo)體的塞貝克系數(shù)在從非本征范圍到本征范圍的過渡區(qū)上由 于額外出現(xiàn)的各其它載流子(在P半導(dǎo)體區(qū)域中的電子，在η半導(dǎo)體區(qū)域中的空穴)的符號錯誤的那部分強烈地下降(圖4、5)。在這些圖中可以看到各種不同摻雜的硅樣品的值，基本特性對于其它半導(dǎo)體材料而言是類似的。
[0031]基于前面的特性，也可以通過η半導(dǎo)體材料和ρ半導(dǎo)體材料的摻雜來調(diào)整輸出電壓的飽和。
[0032]附圖標記列表
[0033]
【權(quán)利要求】
1.一種包括熱電發(fā)電機的裝置，所述熱電發(fā)電機帶有從熱源吸收熱量的熱側(cè)、向熱沉排出熱量的冷側(cè)以及用于以輸出電壓輸出電能的電接頭；所述裝置還包括具有最高容許輸入電壓的電路，所述電路的輸入端與所述熱電發(fā)電機的電接頭連接，其特征在于， -所述熱電發(fā)電機(I)包括至少一個熱電元件，所述熱電元件分別由用熱電材料制造的至少一個η層(2)和至少一個P層(3)以構(gòu)成有至少一個沿分界層構(gòu)造的ρη結(jié)(4)的形式構(gòu)成，其中，溫度梯度能在所述熱電發(fā)電機(I)的熱側(cè)和冷側(cè)(5、6)之間平行于分界層來施加，以及 -所述熱電發(fā)電機(I)設(shè)計成在低于或達到所述電路(9)的最高容許輸入電壓時出現(xiàn)輸出電壓(S1、S2、S3)的飽和。
2.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述η層和P層(2、3)具有如下厚度(11)，在所述厚度的情況下，在低于或達到所述電路(9)的最高容許輸入電壓時出現(xiàn)輸出電壓(S1、S2、S3)的飽和。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述裝置包括熱源，所述熱源與所述熱電發(fā)電機(I)的熱側(cè)(5)熱耦合。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述熱源是內(nèi)燃機的排氣系統(tǒng)的組成部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的裝置，其特征在于，所述電路(9)是直流變換器。
6.一種用于運行包括熱電發(fā)電機(I)的裝置的方法，所述熱電發(fā)電機帶有從熱源吸收熱量的熱側(cè)(5)、向熱沉排出熱量的冷側(cè)(6)以及用于以輸出電壓(S1、S2、S3)輸出電能的電接頭(8a、8b);所述裝置還包括具有最高容許輸入電壓的電路，所述電路的輸入端與所述熱電發(fā)電機(I)的電接頭(8a、8b)連接，其特征在于， -在所述熱電發(fā)電機(I)的熱側(cè)和冷側(cè)(2、3)之間構(gòu)造出溫差，其中，由所述熱側(cè)(5)從所述熱源吸收熱量，并由所述冷側(cè)(6)向所述熱沉排出熱量， -其中，所述熱電發(fā)電機(I)的輸出電壓(S1、S2、S3 )在所述熱側(cè)和冷側(cè)(2、3 )之間的溫差的第一值域內(nèi)隨著值的升高而提高直至最大輸出電壓，所述最大輸出電壓小于或等于所述電路(9)的最聞容許輸入電壓， -其中，所述熱電發(fā)電機(I)的輸出電壓(S1、S2、S3 )在所述熱側(cè)和冷側(cè)(2、3 )之間的溫差的第二值域內(nèi)不再隨著值的升高而進一步提高，以及 -其中，所述第二值域的溫差大于在所述第一值域內(nèi)的溫差。
【文檔編號】H01L35/32GK103493230SQ201280016972
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2012年3月7日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月30日
【發(fā)明者】格哈德·斯潘, 馬丁·瓦格納 申請人:歐-弗萊克斯科技有限公司