專利名稱：：用于將熱能轉(zhuǎn)換成電能的熱電發(fā)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種用于將熱能轉(zhuǎn)換成電能的熱電發(fā)電機(jī)，其具有多個(gè)與模塊聯(lián)接的、設(shè)置在熱源與冷源之間的珀耳貼元件(Peltierelement)，其中每個(gè)珀耳貼元件包括p#參雜柱(p—dotierterSchenkel)禾口n#參雜柱(n—dotierterSchenkel)，該p#參雜柱禾口n#參雜柱在其末端處通過電極導(dǎo)電相連。
背景技術(shù)：
：借助熱電發(fā)電機(jī)TEG或者借助珀耳貼元件的廢熱利用已在多種應(yīng)用中所公知。在此情況下，珀耳貼元件用于直接將熱量轉(zhuǎn)換成電能。使n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體配對并且通過外部的溫度梯度來移動載流子，由此電流可以在外部回路中流動。因此，例如在DE19946806A1中公開了用于根據(jù)塞貝克效應(yīng)(Seebeck-Effekt)來從熱能產(chǎn)生電能的方法和裝置，其中在吸收熱量的模塊導(dǎo)電體與釋放熱量的模塊導(dǎo)電體之間以導(dǎo)熱接觸的方式設(shè)置包括大量珀耳貼元件的珀耳貼模塊并且該珀耳貼模塊通過珀耳貼元件的元件柱遭受溫度梯度。所得到的電壓通過珀耳貼模塊的串聯(lián)依次接通被相應(yīng)放大并且被用于產(chǎn)生電流。作為示例性的應(yīng)用，描述了充分利用發(fā)動機(jī)組中的廢熱或者內(nèi)燃機(jī)排氣裝置中的廢熱。此外，在US4，095.998A中公開了沿著由廢氣流流經(jīng)的廢氣管路星形地設(shè)置的包括P型元件和n型元件的多排熱電發(fā)電機(jī)并且因此回收了熱電能。各個(gè)p型元件和n型元件被類似地構(gòu)造。在DE102004005151A1中描述了用于測量介質(zhì)狀態(tài)的傳感器裝置和系統(tǒng)，其中，將熱電發(fā)電機(jī)用作例如油狀態(tài)傳感器的能量源，該熱電發(fā)電機(jī)借助珀耳貼元件從要被測量的介質(zhì)(例如，油)與環(huán)境之間的溫差獲得其能量。
發(fā)明內(nèi)容在所提及的許多應(yīng)用中，所使用的熱電發(fā)電機(jī)僅具有約5%的非常低的效率。因此，本發(fā)明的任務(wù)在于顯著提高此效率，尤其是在熱源呈現(xiàn)局部不均勻溫度分布的時(shí)候。根據(jù)本發(fā)明，此任務(wù)是通過如下方式解決的各個(gè)珀耳貼元件(El、E2、E3...)的P摻雜柱(Spl、Sp2、Sp3...)和n摻雜柱(Snl、Sn2、Sn3、...)根據(jù)各個(gè)珀耳貼元件(El、E2、E3...)與熱源(Q)接觸位置處的不同溫度值OVT2、T3...)而包括不同的材料(P1、P2、P3.....N1、N2、N3...)。根據(jù)本發(fā)明的發(fā)電機(jī)的各個(gè)模塊化聯(lián)接的珀耳貼元件的p摻雜柱和n摻雜柱并不是類似地構(gòu)造的，而是在優(yōu)化將熱能轉(zhuǎn)換成電能的效率意義上用不同的材料來制造o以下根據(jù)示意圖來進(jìn)一步說明本發(fā)明。附圖示出圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的珀耳貼元件；圖2示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的珀耳貼元件的有利的變型；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的用于將熱能轉(zhuǎn)換成電能的熱電發(fā)電機(jī)；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的熱電發(fā)電機(jī)的優(yōu)選變型；圖5是關(guān)于在ot:與60(TC之間的溫度范圍內(nèi)經(jīng)分段的珀耳貼元件的熱電效率的圖示；以及圖6示出了在ot:與60(TC之間的溫度范圍內(nèi)對不同地構(gòu)造的珀耳貼元件的效率的比較。具體實(shí)施例方式為了更好地理解本發(fā)明，參照示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)施方式的圖1和圖2。圖1中示出了包括P摻雜柱(p-dotierterSchenkel)Sp禾口n摻雜柱(n-dotierterSchenkel)Sn的珀耳貼元件El，該p摻雜柱Sp和n摻雜柱Sn借助電極11和12彼此導(dǎo)電相連。在具有溫度1\的熱源與具有溫度T。的冷源S之間構(gòu)成了在圖的右邊部分中示出的溫度梯度g。此外，用箭頭示出了從熱源Q到冷源S的熱流dQ/dt。在最簡單的情形中，將對于期望的溫度范圍T。至1\而言具有盡可能好的效率的材料P和N用于柱Sp和柱Sn。圖2示出了對根據(jù)圖1的珀耳貼元件的改進(jìn)，其中將p摻雜柱和n摻雜柱細(xì)分成具有不同材料Pl至P3或者Nl至N3的多個(gè)部分，以使得在此處可以分別最優(yōu)地使用與各個(gè)梯度曲線g相匹配的材料。根據(jù)圖3，本發(fā)明現(xiàn)在超過了這個(gè)已知的現(xiàn)有技術(shù)并且考慮了如下事實(shí)熱源Q在與各個(gè)珀耳貼元件E1、E2、E3...相接觸的位置處可具有不同的溫度值1\、12、13...，以使得各個(gè)珀耳貼元件E1、E2、E3...的p摻雜柱Spl、Sp2、Sp3...和n摻雜柱Snl、Sn2、Sn3具有鑒于接觸位置處的不同溫度值0\、T2、T3...)而經(jīng)效率優(yōu)化的不同材料？1、？2、？3...、肌、N2、N3，。因此，模塊10的每個(gè)珀耳貼元件可被不同地構(gòu)造并且最優(yōu)地跟熱源Q與冷源S之間就地普遍存在的溫差相匹配。例如，平坦的模塊10是可以想象的，其例如最優(yōu)地利用發(fā)動機(jī)組的廢熱或者油池的廢熱，因?yàn)樵跓嵩吹牟煌瑴囟鹊慕佑|位置處可以將不同的半導(dǎo)體材料置入珀耳貼元件E1、E2、E3...。這些半導(dǎo)體材料可以有針對性地根據(jù)各個(gè)半導(dǎo)體材料的效率圖來選擇。各個(gè)珀耳貼元件E1、E2、E3...還可以沿著基本上直線延伸的、具有溫度梯度G的熱源Q來設(shè)置，該溫度梯度G例如始終從起始溫度1\下降到最終溫度T3。因此，必須考慮各個(gè)珀耳貼元件E1、E2、E3...內(nèi)的不同溫度梯度gl、g2、g3...以及沿著熱源Q的溫度梯度G。在一個(gè)具體的示例中，可以沿著內(nèi)燃機(jī)的由熱廢氣流經(jīng)的廢氣管路來設(shè)置各個(gè)珀耳貼元件El、E2、E3...，其中熱源Q由該廢氣管路的表面構(gòu)成并且冷源S具有環(huán)境溫度的溫度T。。在此情況下，起始溫度1\約為600°C，而最終溫度T3約為70°C。在根據(jù)圖4的實(shí)施變型中，p摻雜柱Spl、Sp2、Sp3...以及n摻雜柱Snl、Sn2、Sn3...具有各個(gè)部分a、b、c...并且鑒于同熱源Q相接觸的位置的溫度值1\、T2、T3...與冷源S的溫度值T。之間所呈現(xiàn)的不同溫度梯度(gl、g2、g3...)而包括不同的材料P1、P2、P3...、N1、N2、N3...。根據(jù)本發(fā)明，另一優(yōu)化可以按如下方式進(jìn)行p摻雜柱Spl、Sp2、Sp3...以及n摻5雜柱Snl、Sn2、Sn3...的各個(gè)部分a、b、c...根據(jù)分別存在的溫度梯度gl、g2、g3...而具有不同的長度。作為示例，圖5中示出了在0t:與60(rC之間的溫度范圍內(nèi)經(jīng)分段的珀耳貼元件的熱電效率。P摻雜柱如同n摻雜柱一樣包括不同長度的三個(gè)部分，以使得通過如圖5中示出的各個(gè)部分的重疊而得到溫度范圍A至E中的5種材料組合，在這5種材料組合中例如存在以下P摻雜柱和n摻雜柱中的半導(dǎo)體材料(在此，標(biāo)記TAGS代表(GeTe、—jAgSbTe)x，其中x=0.10.15):組合溫度范圍(°C)p摻雜柱n摻雜柱Ao陽腦(Bi,Sb)2Te3Bi2Te3B100-200(Bi,Sb)2Te3PbTeC200-450TAGSPbTeD450-550TAGSBa0.3Co3.95Nia()5Sbi2E>550Ceo.9Fe3CoSb]2Ba0.3Co3.95Ni0.05Sb12表1替代表1中的Ce。.9Fe3CoSb12或者Ba。.3Co3.95Ni。.。5Sb12，還可以使用其他合適的p摻雜或n摻雜的方鈷礦(Skutterudite)。在圖6中相互比較了在Ot:與60(TC之間的溫度范圍內(nèi)不同地構(gòu)造的珀耳貼元件TEG1至TEG4的效率，其中將以下來自表1的材料組合用于TEG1至TEG4:組合效率(％)電功率(W)TEG1ABCDE10927TEG2CD9.2860eTEG3D8.2767TEG4E6.6613表2根據(jù)這樣的表格可以為所定義的溫度范圍選擇合適的材料組合。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)有利的變型，p摻雜柱的至少高溫區(qū)域具有基于Fe的方鈷礦(Sk)，例如Ce。.9Fe3CoSb12、Yb。.75Fe3.5Ni。.5Sb12、myFe4—xCoxSb12和/或myFe4—xNixSb12，其中匪是由La、Ce、Pr、Nd和Sm構(gòu)成的混合稀土金屬。此外，n摻雜柱的至少高溫區(qū)域具有基于Co的方鈷礦(SK)，例如YbyCo4—xPtxSb12、Ba。.3Co3.95Ni。.。5Sb12和/或AyCo4—xTxSb12，其中A代表Ba、Ca、Sr及其混合物，而T代表Ni和Pd。在節(jié)約成本的意義下，可以例如從Ce。.9Fe3CoSb^出發(fā)完全或者部分地用Ni或者通過由La、Ce、Pr、Nd和Sm構(gòu)成的混合稀土金屬中的Ce來替代相對昂貴的Co。此外，還可6以完全或者部分地用Ce來替代Yb。.75Fe3.5Ni。.5Sb12中的Yb或者用顯著更便宜的Ni來替代YbyCo4—xPtxSb12或者Ba。.3Co395Ni。.。5Sb12中的一定部分的Co或Pt。為了提高熱電元件的效率，可以在之前提及的原材料中用混合稀土金屬(La、Ce、Pr、Nd和Sm)來替代Ce或者用由Ba、Ca、Sr構(gòu)成的混合物來替代純Ba。由此為珀耳貼元件的p摻雜柱(Spl、Sp2、Sp3.…)和n摻雜柱(Snl、Sn2、Sn3.)獲得了例如以下用于高溫區(qū)域的材料組合(P3、N3)，其中熱源為600°C:<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表權(quán)利要求一種用于將熱能轉(zhuǎn)換成電能的熱電發(fā)電機(jī)，其具有多個(gè)與模塊(10)聯(lián)接的、設(shè)置在熱源(Q)與冷源(S)之間的珀耳貼元件(E1、E2、E3...)，其中每個(gè)珀耳貼元件(E1、E2、E3...)包括p摻雜柱(Sp)和n摻雜柱(Sn)，所述p摻雜柱(Sp)和所述n摻雜柱(Sn)在它們的末端處通過電極(11、12)導(dǎo)電相連，其特征在于，所述各個(gè)珀耳貼元件(E1、E2、E3...)的所述p摻雜柱(Sp1、Sp2、Sp3...)和所述n摻雜柱(Sn1、Sn2、Sn3...)根據(jù)所述各個(gè)珀耳貼元件(E1、E2、E3...)與所述熱源(Q)接觸位置處的不同溫度值(T1、T2、T3...)而包括不同的材料(P1、P2、P3...、N1、N2、N3...)。2.如權(quán)利要求1所述的熱電發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述P摻雜柱(Spl、Sp2、Sp3...)和所述n摻雜柱(Snl、Sn2、Sn3...)具有各個(gè)部分(a、b、c...)并且鑒于與所述熱源(Q)相接觸的位置的所述溫度值0\、T2、T3...)和所述冷源(S)的溫度值(T。)之間所呈現(xiàn)的不同溫度梯度(gl、g2、g3...)而包括不同的材料(P1、P2、P3...、N1、N2、N3...)。3.如權(quán)利要求2所述的熱電發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述p摻雜柱(Spl、Sp2、Sp3...)以及所述n摻雜柱(Snl、Sn2、Sn3...)的所述各個(gè)部分(a、b、c...)根據(jù)分別存在的所述溫度梯度(gl、g2、g3...)而具有不同的長度。4.如權(quán)利要求1至3中的任一項(xiàng)所述的熱電發(fā)電機(jī)，其特征在于，沿著基本上直線延伸的、具有溫度梯度(G)的所述熱源(Q)來設(shè)置所述各個(gè)珀耳貼元件(E1、E2、E3...)。5.如權(quán)利要求1至4中的任一項(xiàng)所述的熱電發(fā)電機(jī)，其特征在于，沿著由廢氣流經(jīng)的廢氣管路來設(shè)置所述各個(gè)珀耳貼元件(El、E2、E3...)，以使得所述熱源(Q)由所述廢氣管路的表面構(gòu)成并且所述冷源(S)具有所述環(huán)境溫度的溫度(T。)。6.如權(quán)利要求1至5中的任一項(xiàng)所述的熱電發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述p摻雜柱(Spl、Sp2、Sp3...)和所述n摻雜柱(Snl、Sn2、Sn3...)在所列舉的溫度范圍中具有以下材料組溫度范圍(。c)p摻雜柱n摻雜柱0-100(Bi,Sb)2Te3Bi2Te3腦-200(Bi,Sb)2Te3PbTe200-450TAGSPbTe450-550TAGSBa0.3Co3.95Ni0.05Sb12>550Ce0.9Fe3CoSb12Ba0.3Co3.95Niao5Sb127.如權(quán)利要求1至5中的任一項(xiàng)所述的熱電發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述p摻雜柱(Spl、Sp2、Sp3...)的至少高溫區(qū)域具有基于？6的方鈷礦，例如(:6。.963(:051312、￥13。.7563.5附。.551312、myFe4—xCoxSb12和/或myFe4—xNixSb12，其中MM是由La、Ce、Pr、Nd和Sm構(gòu)成的混合稀土金屬，以及所述n摻雜柱(Snl、Sn2、Sn3...)的至少高溫區(qū)域具有基于Co的方鈷礦，例如YbyCo4—xPtxSb12、Ba。.3Co3.95Ni。.。5Sb12和/或AyCo4—xTxSb12，其中A代表Ba、Ca、Sr及其混合物，而T代表Ni和Pd。8.如權(quán)利要求7所述的熱電發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述p摻雜柱(Spl、Sp2、Sp3...)和所述n摻雜柱(Snl、Sn2、Sn3...)至少在所述高溫區(qū)域中具有以下材料組合<table>tableseeoriginaldocumentpage3</column></row><table>9.一種用于將熱能轉(zhuǎn)換成電能的熱電發(fā)電機(jī)，其具有至少一個(gè)珀耳貼元件(E1、E2、E3…)，所述珀耳貼元件(E1、E2、E3...)設(shè)置在600°C范圍的熱源(Q)與冷源(S)之間，其中所述珀耳貼元件(El、E2、E3...)包括p摻雜柱(Sp)和n摻雜柱(Sn)，所述p摻雜柱(Sp)和所述n摻雜柱(Sn)在它們的末端處通過電極(11、12)導(dǎo)電相連，其特征在于，所述P摻雜柱(Spl、Sp2、Sp3...)的至少高溫區(qū)域具有基于Fe的方鈷礦，例如Ce。.9Fe3CoSb12、Yb0.75Fe3.5Ni0.5Sb12、MMyFe4—xCoxSb12禾口/或MMyFe4—xNixSb12，其中MM是由La、Ce、Pr、Nd禾口Sm構(gòu)成的混合稀土金屬，以及所述n摻雜柱(Snl、Sn2、Sn3...)的至少高溫區(qū)域具有基于Co的方鈷礦，例如YbyCo4—xPtxSb12、Ba。.3Co3.95Ni。.。5Sb12和/或AyCo4—xTxSb12，其中A代表Ba、Ca、Sr及其混合物，而T代表Ni和Pd。10.如權(quán)利要求9所述的熱電發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述p摻雜柱(Spl、Sp2、Sp3...)和所述n摻雜柱(Snl、Sn2、Sn3...)至少在所述高溫區(qū)域中具有以下材料組合<table>tableseeoriginaldocumentpage3</column></row><table>全文摘要本發(fā)明涉及一種用于將熱能轉(zhuǎn)換成電能的熱電發(fā)電機(jī)，其具有多個(gè)與模塊(10)聯(lián)接的、設(shè)置在熱源(Q)與冷源(S)之間的珀耳貼元件(E1、E2、E3...)，其中每個(gè)珀耳貼元件(E1、E2、E3...)包括p摻雜柱(Sp)和n摻雜柱(Sn)，該p摻雜柱(Sp)和n摻雜柱(Sn)在其末端處通過電極(11、12)導(dǎo)電相連。根據(jù)本發(fā)明，各個(gè)珀耳貼元件(E1、E2、E3...)的p摻雜柱(Sp1、Sp2、Sp3...)和n摻雜柱(Sn1、Sn2、Sn3...)具有鑒于各個(gè)珀耳貼元件(E1、E2、E3...)與熱源(Q)接觸位置處的不同溫度值(T1、T2、T3...)而經(jīng)效率優(yōu)化的不同材料(P1、P2、P3...、N1、N2、N3...)。文檔編號H01L35/12GK101730943SQ200880020704公開日2010年6月9日申請日期2008年6月20日優(yōu)先權(quán)日2007年6月21日發(fā)明者A·格里西弗,P·F·羅格,P·普瑞寧戈申請人:Avl里斯脫有限公司