一種制造熱電模塊的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種具有金屬殼體元件（4）和鋪設(shè)在該金屬殼體元件（4）上的陶瓷層（5）的熱電模塊（2）。該熱電模塊（2）進(jìn)一步包含另一個(gè)殼體元件（3），它設(shè)置在金屬殼體元件（4）的設(shè)置有陶瓷層（5）的那一個(gè)側(cè)面上，其中另一個(gè)殼體元件（3）和金屬殼體元件（4）連接成液密的外殼。熱電模塊（2）還包含有設(shè)置在液密的外殼內(nèi)的至少一種熱電活性材料（7，8）。
【專利說(shuō)明】一種制造熱電模塊的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1制造熱電模塊的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]至今為止，在汽車廢氣中以熱的形式儲(chǔ)存的能量都是未經(jīng)使用地發(fā)散到周邊環(huán)境中去。為提高系統(tǒng)(例如汽車)的有效系數(shù)，并由此降低運(yùn)行中的二氧化碳的排放，通常使用TEG (TEG=熱電發(fā)生器)，其中的TEM (熱電模塊)將一部分熱轉(zhuǎn)化為電能，并將電能送回到系統(tǒng)中。根據(jù)不同用途，可將TEG安裝在排氣管路或排氣再循環(huán)系統(tǒng)中的任何位置。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，常規(guī)TEM，由于受設(shè)計(jì)和連接技術(shù)的限制，并不能最優(yōu)地使用到TEG中，通常效率不高。此外常規(guī)TEM要求必須以最優(yōu)方式進(jìn)行電氣連接。
[0003]在EP1230475B1中公開(kāi)了一個(gè)將熱能轉(zhuǎn)化為電能的例子。但是在現(xiàn)有技術(shù)中已知的解決方案都存在缺點(diǎn)，即效率不高，原因在于TE活性材料和熱源/熱排出口(TE材料=熱電材料，也就是那些能夠?qū)崮苻D(zhuǎn)化為電能的材料)之間的總熱電阻提高了。此外TEM與熱交換器的連接的實(shí)用性不高，且部分所使用的組件之間的連接技術(shù)不具有高溫穩(wěn)定性，但是在此解決方案中高溫穩(wěn)定性恰恰是必須的，以能夠?qū)崿F(xiàn)其特殊優(yōu)勢(shì)。而且在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的解決方案中，在--Μ與熱交換器的氣體側(cè)接觸中只能實(shí)現(xiàn)少量的熱傳導(dǎo)，而由此TE材料只能產(chǎn)生差的電連接。同時(shí)所使用的不同材料具有不同的連接技術(shù)，且在熱循環(huán)過(guò)程中具有不同特性，由于熱膨脹系數(shù)過(guò)于不同，在不同材料的偶聯(lián)過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的任務(wù)在于提供一種經(jīng)優(yōu)化的制造熱電模塊的方法以及一種經(jīng)優(yōu)化的熱電模塊。
[0005]通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求1的一種制造熱電模塊的方法以及根據(jù)權(quán)利要求10的熱電模塊實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)。
[0006]本發(fā)明提供一種生產(chǎn)熱電模塊的方法，上述方法包含以下步驟:
[0007]在金屬殼體元件上鋪設(shè)陶瓷層，然后在陶瓷層上鋪設(shè)導(dǎo)體電路；
[0008]在殼體元件上設(shè)置至少一種熱電活性材料，其中要符合以下要求，即陶瓷層和導(dǎo)體電路位于金屬殼體元件和熱電活性材料之間；
[0009]安裝另一個(gè)殼體兀件，使熱電活性材料被液密地鎖閉在所述殼體兀件和另一殼體元件之間，并且電接觸以產(chǎn)生熱電模塊。
[0010]此外本發(fā)明還提供具有以下特征的熱電模塊:
[0011]一個(gè)金屬殼體元件；
[0012]一個(gè)鋪設(shè)在金屬殼體元件上的陶瓷層和位于其上的導(dǎo)體電路；
[0013]設(shè)置在上述金屬元件一側(cè)的另一個(gè)殼體元件，這一側(cè)設(shè)置有陶瓷層，其中另一個(gè)殼體兀件和金屬殼體兀件連接在一起，形成液密的外殼；
[0014]至少一個(gè)熱電活性材料，設(shè)置在液密的外殼中，特別是導(dǎo)體電路上。[0015]本發(fā)明是基于一個(gè)認(rèn)知，即當(dāng)在至少一個(gè)殼體元件上鋪設(shè)陶瓷層時(shí)，熱電活性材料和金屬外殼側(cè)壁之間可具有非常好的絕緣特性。在非常高的溫度條件下(特別是使用在汽車排氣管路中的熱電模塊會(huì)處在這一溫度條件下)，通過(guò)上述陶瓷層，熱電材料獲得非常好的電絕緣。而在這種溫度條件下，其他絕緣材料已經(jīng)被破壞或嚴(yán)重受損。因此當(dāng)熱電模塊使用在具有非常高的溫度的環(huán)境中時(shí)，本發(fā)明具有明顯優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明的另一個(gè)方面在于，所使用的材料必須具有相同或者至少相似的熱膨脹系數(shù)。為此有利的是，通過(guò)熱噴射涂層將熱交換器盡可能地將由于其他材料的不同熱膨脹系數(shù)造成的損害降至最低。
[0016]有利的是，在鋪設(shè)陶瓷層這一步驟中包含一個(gè)子步驟，即將陶瓷基底材料噴涂到金屬殼體元件上，其中陶瓷基底材料的用途在于形成陶瓷層。本發(fā)明的此類的實(shí)施方式具有優(yōu)勢(shì)，即通過(guò)噴射提供了一種用于鋪設(shè)陶瓷層的非常簡(jiǎn)單和低成本的實(shí)施方案。特別是在噴涂前可對(duì)金屬殼體元件的表面進(jìn)行粗糙處理，例如通過(guò)噴砂或酸洗，以確保提高陶瓷基底材料在金屬殼體元件上的機(jī)械附著性。此外可去除不銹鋼上的天然氧化層，它對(duì)噴涂材料的附著性具有不利影響。在噴涂后，陶瓷基底材料會(huì)硬化，并形成陶瓷層。特別優(yōu)選的陶瓷噴涂方式為等離子金屬噴涂。
[0017]在鋪設(shè)陶瓷層這一步驟中也可在殼體元件上設(shè)置一種材料，以便形成陶瓷層，且陶瓷層的熱膨脹系數(shù)在一個(gè)公差范圍內(nèi)與殼體元件的金屬材料相適應(yīng)。本發(fā)明的此類實(shí)施方式具有優(yōu)勢(shì)，即在制造的熱電元件的運(yùn)行過(guò)程中，陶瓷層以及金屬殼體元件在膨脹特性方面不會(huì)出現(xiàn)太大的差別，這樣就降低了以下風(fēng)險(xiǎn)，即因?yàn)闊釞C(jī)械應(yīng)力的作用造成陶瓷層脫離金屬殼體元件。
[0018]為使熱電活性材料之間和外部都具有最好的電接觸，在鋪設(shè)陶瓷層這一步驟中可包含一個(gè)子步驟，即在陶瓷層上形成具有導(dǎo)電性的區(qū)域，例如連接層，其中在設(shè)置步驟中將至少一種熱電活性材料鋪設(shè)在具有導(dǎo)電性的區(qū)域中。本發(fā)明的此類實(shí)施方式具有優(yōu)勢(shì)，即上述的至少一個(gè)導(dǎo)電性區(qū)域可非常簡(jiǎn)單地通過(guò)技術(shù)成熟、成本低廉的方法來(lái)制造。
[0019]特別地，在形成這一子步驟中包含噴射導(dǎo)電材料，以形成具有導(dǎo)電性的區(qū)域。在此可采用熱噴涂，例如火焰噴涂。可噴涂具有良好導(dǎo)電性的元素銅或銀或其合金。
[0020]熱電模塊可具有非常好的耐久性，如果在形成這一子步驟中在陶瓷層上鋪設(shè)一層材料，這一材料的熱膨脹系數(shù)與金屬殼體元件相適應(yīng)，或者在形成這個(gè)子步驟中在陶瓷層上設(shè)置鎳，以形成具有導(dǎo)電性的區(qū)域。其結(jié)果一方面是使得單個(gè)材料的熱膨脹不會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生過(guò)高的熱機(jī)械應(yīng)力，另一方面如果使用鎳，能夠形成一個(gè)保護(hù)層，用于防止雜質(zhì)原子滲入到熱電活性材料中去。同樣有利的是，鎳具有相對(duì)低的電阻。
[0021]熱電活性材料可特別高效地形成穩(wěn)定的電接觸，當(dāng)在設(shè)置步驟中使用銀燒結(jié)或銀壓印燒結(jié)工藝，用于形成熱電活性材料和至少一個(gè)具有導(dǎo)電性區(qū)域之間的材料鎖合連接。必要時(shí)，銀燒結(jié)或銀壓印燒結(jié)連接層必須設(shè)置為多孔結(jié)構(gòu)(孔隙度至少為15，通常為30%)，以平衡相鄰材料的熱膨脹系數(shù)的可能的差別。
[0022]可選地，在設(shè)置步驟中也可使用一種工藝，用于形成熱電活性材料和至少一個(gè)具有導(dǎo)電性的區(qū)域之間的材料鎖合連接。在這種工藝中使用(具有反應(yīng)性的毫微米)焊料薄膜。本發(fā)明的一個(gè)此類實(shí)施方式具有這一優(yōu)勢(shì)，即可使用非常成熟的連接技術(shù)，用于連接熱電活性材料和至少一個(gè)具有導(dǎo)電性的區(qū)域。
[0023]尤其是為了在運(yùn)行溫度高的情況下獲得高的機(jī)械穩(wěn)定性，在設(shè)置步驟中可將熱電活性材料噴涂到具有導(dǎo)電性的區(qū)域上。在此類的實(shí)施方式中，通過(guò)將熱電活性材料噴涂到具有導(dǎo)電性的區(qū)域中，使得具有導(dǎo)電性的區(qū)域和熱電活性材料之間的材料鎖合連接在非常高的溫度下也非常穩(wěn)定。在熱電活性材料的另外一個(gè)面上可使用其他連接方法，這樣這一其他連接方法可使用在熱電模塊的一面上，在這一面上引導(dǎo)的是兩個(gè)液流中較冷的一個(gè)。通過(guò)這一方式可生產(chǎn)那些在非常高的運(yùn)行溫度下也具有耐久性的熱電模塊。
[0024]本發(fā)明也提供一種包含上述熱電模塊的熱電裝置，其中第一熱電模塊的殼體元件和另一殼體元件上設(shè)置有超出部分。此外一個(gè)此類的熱電模塊還包含第二個(gè)上述的熱電模塊，其中第二個(gè)熱電模塊的殼體元件和另一個(gè)殼體元件以液密的方式固定在超出部分上，以使在第一和第二熱電模塊之間形成一個(gè)空腔，用于引導(dǎo)液體。本發(fā)明的一個(gè)此類的實(shí)施方式具有這一優(yōu)勢(shì)，即熱電裝置具有非常緊湊的結(jié)構(gòu)方式，因?yàn)樵诳涨恢辛鲃?dòng)的液體既從第一熱電模塊的側(cè)邊上流過(guò)，也從第二熱電模塊的側(cè)邊上流過(guò)，因此通過(guò)液體引導(dǎo)能夠非常有效地使用可用的結(jié)構(gòu)空間。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，熱電裝置可包含第一和第二熱電模塊，分別如上文所述。此外熱電裝置可包含支架，用于以液密的方式連接第一和第二熱電模塊，以使在第一和第二熱電模塊之間形成一個(gè)用于引導(dǎo)液體的空腔。本發(fā)明的一個(gè)此類的實(shí)施方式也具有這一優(yōu)勢(shì)，即熱電裝置具有非常緊湊的結(jié)構(gòu)方式，因?yàn)樵诳涨恢辛鲃?dòng)的液體既從第一熱電模塊的側(cè)邊上流過(guò)，也從第二熱電模塊的側(cè)邊上流過(guò)。在此可使用支架作為一種結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，因此價(jià)格低廉的元件。
[0026]此外有利的是，第一熱電模塊的殼體元件或另一殼體元件設(shè)置有超出部分，其中第二熱電模塊以以下方式設(shè)置在超出部分上，即超出部分作為第一和第二熱電模塊之間的熱分隔元件。通過(guò)這一方式可實(shí)現(xiàn)第一和第二熱電模塊間的熱隔絕，或提高第一和第二熱電模塊間導(dǎo)熱的難度，由此可優(yōu)化熱電裝置的有效系數(shù)。。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的方法的流程圖；
[0028]圖2是TEM套體底部的立體圖；
[0029]圖3是帶有導(dǎo)體的TEM套體底部的立體圖；
[0030]圖4是帶有導(dǎo)體和TE材料的TEM套體底部的立體圖；
[0031]圖5是TEM套體頂部和帶有導(dǎo)體和TE材料的TEM套體底部的連接過(guò)程的立體圖；
[0032]圖6是在連接過(guò)程中，TEM或TEM管的上下部件的橫截面或縱截面圖；
[0033]圖7是在連接后，TEM或TEM管的上下部件的橫截面或縱截面圖；
[0034]圖8是TEM的立體圖；
[0035]圖9是支架的立體圖；
[0036]圖10是支架與TEM的連接過(guò)程的立體圖；
[0037]圖11是帶有支架的TEM的立體圖；
[0038]圖12是帶有支架的TEM的橫截面圖；
[0039]圖13是帶有TEM和支架的TEG的縱截面圖；
[0040]圖14是TEM管的立體圖；
[0041]圖15是蓋管與TEM管的連接過(guò)程的立體圖；[0042]圖16是帶有TEM管蓋的TEM管的立體圖；
[0043]圖17是TEG和TEM管的連接過(guò)程的立體圖；
[0044]圖18是帶有材料打薄處的支架的立體圖。
[0045]其中:
[0046]I TEG——熱電發(fā)生器
[0047]2 TEM-熱電模塊
[0048]3 TEM套體頂部(不銹鋼)
[0049]4 TEM套體底部(不銹鋼)
[0050]5等離子金屬噴涂的陶瓷涂層，非導(dǎo)體(例如氧化鋁或氧化鋯)
[0051]6等離子金屬噴涂的陶瓷涂層，導(dǎo)體(例如鎳或不銹鋼)
[0052]7 TE (熱電)活性材料(例如半赫斯勒，硅化物，BiTe，PbTe)
[0053]8噴涂的TE (熱電)活性材料(例如半赫斯，硅化物，BiTe，PbTe)
[0054]9障礙層
[0055]10刮面:加筋，栓釘，褶皺，翅片，壓印，渦輪裝置
[0056]11支架(不銹鋼)
[0057]12支架中的TEM空隙
[0058]13 TEM空隙的通道
[0059]14支架開(kāi)口
[0060]15支架膨脹風(fēng)箱
[0061]16頂部和底部的側(cè)邊超出部分，用于形成熱分隔或連接兩個(gè)TEM
[0062]17熱分隔
[0063]18 TEM以及支架的隔絕材料
[0064]19 液體 I
[0065]20 液體 2
[0066]21雙層壁的管子(雙層管)
[0067]22雙層管的內(nèi)管
[0068]23雙層管的外管
[0069]24 TEM管:TEM和雙層壁管的組合
[0070]25 TEM 管蓋
[0071]26連接管道或連接開(kāi)口
[0072]27擴(kuò)散器
[0073]28 底板
[0074]29 外殼
[0075]30導(dǎo)向板
[0076]31材料打薄或開(kāi)槽
[0077]32雙重TEM:兩個(gè)TEM互相連接
[0078]100制造熱電模塊的方法
[0079]110鋪設(shè)步驟
[0080]120設(shè)置步驟[0081]130安裝步驟【具體實(shí)施方式】
[0082]下文結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的有利實(shí)施方式進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明。
[0083]在下文對(duì)本發(fā)明的有利實(shí)施方式的說(shuō)明中，將在不同附圖中示出的具有類似功能的元件利用相同或類似的附圖標(biāo)記進(jìn)行標(biāo)注，由此避免出現(xiàn)對(duì)這些元件的重復(fù)說(shuō)明。下文將使用不同大小和尺寸對(duì)發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明，但是本發(fā)明不限制于這些大小和尺寸。
[0084]圖1示出的是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的方法，具體為生產(chǎn)熱電模塊的方法100的流程圖。方法100包含在金屬殼體元件上鋪設(shè)110陶瓷層和導(dǎo)體電路。此外，本方法還包含一個(gè)步驟，即將至少一個(gè)熱電活性材料設(shè)置120到殼體元件上，其中設(shè)置120需符合以下條件，即陶瓷層位于金屬殼體元件和熱電材料之間。最后，方法100還包含一個(gè)步驟，SP安裝130另一個(gè)殼體元件，這樣，熱電材料就能以液密的方式密封在殼體元件和另一殼體元件之間，以形成熱電模塊。
[0085]由此在本發(fā)明中公開(kāi)了至少一種用于生產(chǎn)熱電模塊的生產(chǎn)方法以及工藝技術(shù)。其中熱電模塊2，24的結(jié)構(gòu)，尤其是在使用了熱噴涂工藝和/或焊料的情況下，在下文進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明。同時(shí)還公開(kāi)了那些在所屬工藝技術(shù)中用于生產(chǎn)熱電模塊的材料。
[0086]在運(yùn)行過(guò)程中，熱電發(fā)生器I處在溫度差超過(guò)500K的環(huán)境中，或處在快速的預(yù)熱循環(huán)中。兩者都會(huì)引起熱機(jī)械應(yīng)力。本發(fā)明的基本理念為，多個(gè)殼體元件以液密的方式互相連接，選擇金屬材料3，4，6，21，22，23和陶瓷材料5，有利的是它們?cè)跓崤蛎浵禂?shù)方面互相配合，也就是公差范圍為40%以內(nèi)，更有利的是20%以內(nèi)。這意味著，一個(gè)材料的膨脹系數(shù)與其他材料的膨脹系數(shù)之間的偏差不超過(guò)40%，更有利的是不超過(guò)20%。因?yàn)榻饘俚臒崤蛎浵禂?shù)較高，而陶瓷的熱膨脹系數(shù)較低，金屬位于尾端，陶瓷位于首端。
[0087]一種金屬候選材料為鐵素體不銹鋼3，4，6，21，22，23，例如不銹鋼材料1,4509或
1.4512。它們?cè)谑覝叵碌臒崤蛎浵禂?shù)為10ppm/K，在溫度為600°C時(shí)為llppm/K。這些材料的額外優(yōu)勢(shì)在于，鐵素體不銹鋼為鐵磁體，由此在涂層5上具有磁性。在噴涂前，通過(guò)噴砂或酸洗對(duì)那些經(jīng)過(guò)退火處理的材料進(jìn)行粗糙處理，以提高陶瓷層5的機(jī)械附著性。此外減少或完全清除那些會(huì)影響附著性能的氧化層。不銹鋼材料的厚度可以為0.5_?？赏ㄟ^(guò)上述方法生產(chǎn)殼體元件，在圖2中以立體圖方式示出。
[0088]將規(guī)定尺寸，比如80 X 60mm的陶瓷隔離層5直接鋪設(shè)到不銹鋼3，4，22，23上。在鋪設(shè)方法方面，例如可使用熱噴涂，尤其是等離子金屬噴涂，通過(guò)等離子噴嘴和基材之間的遮蔽可以限定陶瓷涂層5的形狀。陶瓷的熱膨脹系數(shù)必須適應(yīng)鐵素體不銹鋼。符合條件的ZrO2，在室溫下的值為10ppm/K，600°C為10.lppm/K，優(yōu)選的是Y2O3穩(wěn)定的ZrO2，因?yàn)槠渚哂袩釞C(jī)械穩(wěn)定性。
[0089]但是也可使用Al2O3或陶瓷混合氧化物，比如Al203/Ti02或Al203/Mg0或A1203/Z，只要陶瓷的熱膨脹系數(shù)適應(yīng)鐵素體基材。需要注意的是，陶瓷混合氧化物的電絕緣效果差，而在600°C (使用溫度)下具有足夠高的電絕緣。陶瓷噴涂層的厚度可約為0.1_，原則上它必須盡可能薄，例如30 μ m。在本發(fā)明中通過(guò)30 μ m厚的噴涂的Al2O3層達(dá)到金屬基材的接觸電阻，即IOM Ω。
[0090]在下一個(gè)步驟中將導(dǎo)體6鋪設(shè)到陶瓷隔絕層5上，比如通過(guò)熱噴涂，例如火焰噴涂。可同樣通過(guò)遮蔽對(duì)導(dǎo)體進(jìn)行定位。在鋪設(shè)了導(dǎo)體之后得到的殼體元件4如圖3所示。作為導(dǎo)體電路6的材料的是鐵素體不銹鋼。然后獲得鐵素體基材的構(gòu)成物3，4，22，23，陶瓷5和導(dǎo)體電路6，它們具有非常接近的熱膨脹系數(shù)，因此在運(yùn)行中的熱機(jī)械應(yīng)力非常低。作為候選材料的是1.4509，1.4122或類似材料。一個(gè)變型方案是用鎳噴涂導(dǎo)體電路6。原因在于，可提供導(dǎo)體電路表面，無(wú)需使用任何特別的焊劑就可以與熱電材料焊接在一起。鎳的熱膨脹系數(shù)約為13ppm/K，雖然高于鐵素體/陶瓷的復(fù)合材料，但并未高出很多。與不銹鋼相比，鎳的優(yōu)勢(shì)在于電阻低于因子10，這樣與不銹鋼相比，鎳所需的導(dǎo)管截面就明顯小得多。
[0091]必要時(shí)可在導(dǎo)體電路或TE材料上噴涂障礙層9-同樣通過(guò)遮蔽-用于防止在運(yùn)行過(guò)程中材料擴(kuò)散到TE材料7，8中或從TE材料中擴(kuò)散出。作為障礙層的材料可以使用Cr或Ni或其合金。鎳導(dǎo)體具有雙重作用，它不僅引導(dǎo)熱電電流，還本身就是一個(gè)障礙層。
[0092]TE材料上噴涂的鎳障礙層還具有其他作用，即通過(guò)連接材料在噴涂的鎳層中的機(jī)械抓力，明顯降低了構(gòu)成物通過(guò)連接技術(shù)接合到導(dǎo)體電路上的難度。與金屬基材類似，也可通過(guò)噴砂，酸洗等方式，在進(jìn)行噴涂前去除對(duì)噴涂層的附著有不利影響的氧化層?？梢試娡科渌系K層作為鎳的替代，例如Cr。
[0093]以小塊形式7出現(xiàn)的熱電材料(如有必要，包括障礙層)可通過(guò)焊接與導(dǎo)體電路形成材料鎖合連接，并通過(guò)所有材料構(gòu)成一個(gè)熱電模塊2，24。在圖4中以立體圖的形式顯示了殼體元件，以及通過(guò)此種方式安裝的多個(gè)熱電材料。對(duì)一個(gè)相關(guān)專業(yè)人員來(lái)說(shuō)清楚的是，熱電材料和焊料在室溫下的熱膨脹系數(shù)也必須在10ppm/K的范圍內(nèi)，以盡可能確保在運(yùn)行中的低應(yīng)力。例如可通過(guò)具有η-傳導(dǎo)性的CoSb3T實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，其熱膨脹系數(shù)在200°C至600°C之間為 12.2ppm/K?？墒褂?MCoSb (M=Zr, Fe 或 Hf)或 CeFe3, RuSb12 作為具有 p-傳導(dǎo)性的TE活性材料，上述材料的熱膨脹系數(shù)在200°C至600°C之間為14.5ppm/K。
[0094]以小塊形式出現(xiàn)的TE材料的一個(gè)可選的連接方法為銀燒結(jié)或銀壓印燒結(jié)。其中將已經(jīng)經(jīng)過(guò)預(yù)噴涂的小塊和導(dǎo)體電路，例如通過(guò)一個(gè)噴涂的Ag-層，在約為200°C或更高的溫度下或使用壓力的情況下，使用Ag-膏體接合起來(lái)。Ag-接縫的孔隙度約為30%。如果使用更細(xì)的Ag-顆粒，比如已經(jīng)進(jìn)入毫微米范圍，那么可降低接合溫度和/或接合壓力。這樣接縫的孔隙度雖然上升到約50%，但是卻具有足夠高的導(dǎo)熱性。Ag機(jī)械鎖合到粗糙噴涂的陶瓷層中，且附著性非常好。除使用具有特定的燒結(jié)添加物的Ag外可也使用Ag合金。
[0095]以小塊形式出現(xiàn)的TE材料的另一個(gè)可選的連接方法為使用放熱的反應(yīng)性毫微米焊料薄膜。其優(yōu)勢(shì)在于(必要時(shí)，在鋪設(shè)合適的附著層后)只有那些雙面都設(shè)置在反應(yīng)薄膜或接合對(duì)象上的焊料才會(huì)熔化，這樣就不會(huì)對(duì)那些對(duì)溫度敏感的TE材料造成溫度負(fù)擔(dān)。
[0096]原則上可行和優(yōu)選的是，將熱電材料8熱噴涂到導(dǎo)體電路6上。那么就不能使用那些會(huì)干擾所匹配的CTE材料的焊料。只能焊接到導(dǎo)體電路的一面上。其中的優(yōu)勢(shì)在于，可將一個(gè)接縫放到模塊的冷的一面，這樣在熱循環(huán)過(guò)程中接縫處的熱機(jī)械應(yīng)力就比較低。這樣在注意使用合適的接合對(duì)象涂層后，就可使用低熔化的焊料，比如鋅焊料。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于噴涂的TE材料能夠非常好地機(jī)械鎖合在同樣噴涂的、表面粗糙的導(dǎo)體電路上。
[0097]小塊7，8 (以小塊形式通過(guò)焊料接合或通過(guò)熱噴涂形式)的優(yōu)選尺寸約為
0.5X0.5mm至1.0X1.0mm?；?.0X 1.0mm至5.0X 5.0mm。原因在于，在尺寸小的情況下，即使在熱膨脹作用下，小塊和相鄰的、與小塊存在材料鎖合連接的導(dǎo)體電路之間的長(zhǎng)度差也較小，這樣所產(chǎn)生的熱機(jī)械應(yīng)力也較低。
[0098]熱電模塊只能通過(guò)以下形式制造，即另外一個(gè)殼體元件3放置在熱電材料上并與(第一)殼體元件進(jìn)行液體密閉性的連接。例如在圖5的立體圖中就顯示了這樣的步驟?？墒孪葘?duì)殼體元件3進(jìn)行與殼體元件4類似的處理，例如設(shè)置陶瓷層和/或?qū)w電路，它們與熱電材料7，8互相接觸?？赏ㄟ^(guò)規(guī)定的軟焊料實(shí)現(xiàn)接觸?？蛇x的是通過(guò)具有溫度穩(wěn)定性的粘合劑進(jìn)行粘接，比如以硅酮為基礎(chǔ)或通過(guò)Ag燒結(jié)或Ag-壓印燒結(jié)。圖6和7顯示的是外殼零件組合形成單個(gè)熱電模塊的橫截面圖，其中圖6還顯示了熱電模塊的未封閉狀態(tài)，而圖7顯示了熱電模塊的封閉狀態(tài)。
[0099]完成的熱電模塊兩邊可通過(guò)鐵素體不銹鋼板閉合，最后可通過(guò)激光焊接與熱交換器I接合。熱交換器的材料主要優(yōu)選為鐵素體不銹鋼。
[0100]以上說(shuō)明的技術(shù)可使用在雙層壁的熱交換器中。但是也可不依照本文件中公開(kāi)的設(shè)計(jì)來(lái)制造一個(gè)TE模塊，也能使用在熱的廢氣中。
[0101]下文對(duì)使用上述組件的熱電模塊的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明。
[0102]TEM2主要由金屬套體頂部3 (例如不銹鋼)和金屬套體底部4 (比如不銹鋼)構(gòu)成，在二者之間主要是TE活性材料7，8。TEM2的金屬套體頂部3位于外部，與流經(jīng)TEGl的兩股液體中的一股20相接觸，TEM2的金屬套體底部4與流經(jīng)TEGl的另外一股液體19接觸。通過(guò)液體119和液體220之間的溫差，在TEM2中產(chǎn)生電流。
[0103]頂部3和底部4具有殼式結(jié)構(gòu)，如圖2所示。此外，底部4構(gòu)成一個(gè)側(cè)邊超出部分16，它與支架11的膨脹風(fēng)箱15 —起構(gòu)成熱分隔17，如圖12所示。熱分隔17用于防止TEM2/支架11的側(cè)邊區(qū)域出現(xiàn)的熱流損失。熱分隔17可以是幾乎靜止的液體或隔熱的材料。
[0104]套體零件3，4都由非導(dǎo)體5覆蓋。這一非導(dǎo)體5為陶瓷，并通過(guò)等離子金屬噴涂鋪設(shè)在套體零件3，4上。
[0105]優(yōu)選地，導(dǎo)體6 (例如不銹鋼，鎳)可通過(guò)等離子金屬噴涂鋪設(shè)在非導(dǎo)體5上。
[0106]TE材料7，8與導(dǎo)體6相連接，它可以噴涂到導(dǎo)體上或以小塊7的形式出現(xiàn)。作為小塊7，它們通過(guò)Ag或AgCu焊接或通過(guò)銀燒結(jié)或銀壓印燒結(jié)連接到導(dǎo)體上。如果噴涂TE材料8,那么優(yōu)選地是在熱側(cè)進(jìn)行。TE材料7,8的冷側(cè)通過(guò)Ag或AgCu或Sn-焊接或通過(guò)銀燒結(jié)或銀壓印燒結(jié)鄰接在導(dǎo)體6上。
[0107]底部4和頂部3在側(cè)邊區(qū)域互相連接，優(yōu)選地，通過(guò)激光焊接。在圖10中顯示了單個(gè)外殼零件的連接，由此產(chǎn)生了在圖11中顯示的熱電模塊。圖12顯示了在組合完成后的熱電模塊2的橫截面。如在圖13中的縱截面圖中顯示的那樣，多個(gè)這樣的熱電模塊2可以組成一個(gè)熱電發(fā)生器I。
[0108]優(yōu)選地，頂部3外側(cè)暴露在熱的氣態(tài)的液體19，20中，優(yōu)選地，進(jìn)行刮面處理10，以提高熱傳遞和熱傳遞面積。在相應(yīng)的必要情況下也可對(duì)底部4進(jìn)行刮面處理。刮面10為沖孔的和/或成型的鋼板10。在圖14中顯示了 TEM管24。在刮面的熱電模塊上可放置管蓋25，如圖15中的立體圖所示。由此就獲得了一個(gè)熱電模塊，如圖16所示。
[0109]TEM2與支架11的TEM空隙12的通道相連接，優(yōu)選地，通過(guò)激光焊接。支架11的上側(cè)和下側(cè)分別設(shè)置有一個(gè)TEM2。
[0110]支架11包含開(kāi)口 14，通過(guò)開(kāi)口將兩股液體19，20中的一個(gè)輸送到TEM2以及TEM2的頂部/底部3，4。第二股液體20，19圍繞帶有支架11結(jié)構(gòu)的TEM2的外部流動(dòng)。
[0111]支架膨脹風(fēng)箱15用于形成熱分隔17。支架11并不限制于使用在帶有金屬套體3，4的TEM2中，而是也可以與帶有陶瓷套體的TEM相連接。在這種情況下支架膨脹風(fēng)箱15也可用于消除不同材料在運(yùn)行過(guò)程中的熱膨脹的差別，以確保不會(huì)損壞帶有陶瓷套體的TEM?？蛇x地或補(bǔ)充地，支架上包含多個(gè)垂直和/或水平走向的材料打薄處31，它們也具有相同的用途。
[0112]特別地，支架11在側(cè)邊區(qū)域(內(nèi)側(cè)或外側(cè))可設(shè)計(jì)有隔絕材料18，以避免出現(xiàn)熱損失，這樣也可省去支架膨脹風(fēng)箱15的設(shè)計(jì)。
[0113]在使用帶有金屬套體的TEM時(shí)，必須不影響陶瓷套體的TEM與支架11之間的連接(例如焊接，粘接)，以通過(guò)冷的液體冷卻連接結(jié)構(gòu)，這樣能夠在高溫和熱循環(huán)中對(duì)連接結(jié)構(gòu)起到保護(hù)作用。
[0114]上文所述的用于制造熱電模塊的方法不限制于此處說(shuō)明的帶有支架11的TEM2，還包括使用金屬套體的每個(gè)TEM結(jié)構(gòu)形式。
[0115]帶有支架11的TEM2或者TEM管24可以任意數(shù)量使用在TEGl中。TEM2的支架11在開(kāi)口區(qū)域14與底板28相連接(優(yōu)選地，通過(guò)激光焊接)。TEGl基本上由多個(gè)互相疊置的TEM2組成，支架11和TEM管24，以及底板28，擴(kuò)散器27，外殼29和不同的電子組件以及管道和/或插頭，它們從外連接到TEGl上，且TEM2和TEM管24并聯(lián)或串聯(lián)連接。針對(duì)TEGl的電氣連接，擴(kuò)散器27和/或外殼29都設(shè)計(jì)有相應(yīng)地開(kāi)口。TEM2帶有支架11或者TEM管24互相間隔開(kāi)，并不會(huì)互相接觸到。底板28與外殼29和/或擴(kuò)散器27互相連接。外殼29和擴(kuò)散器27可互相連接。熱電發(fā)生器I的此種結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖17。
[0116]通過(guò)開(kāi)口 26將第一液體19，20輸送給TEGl的第一擴(kuò)散器27。然后將第一液體19，20輸送到TEM管24的支架11以及內(nèi)管22的內(nèi)部。然后第一液體19，20進(jìn)入第二擴(kuò)散器27，然后通過(guò)其開(kāi)口 26輸送出來(lái)。
[0117]第二液體20，19通過(guò)外殼29中的開(kāi)口 26與TEGl相連接。第二液體20，19在外殼29中沿著帶有支架的TEM2以及TEM管24的外管23流動(dòng)，并通過(guò)外殼29中的第二開(kāi)口26被輸送出來(lái)。
[0118]第二液體20，19可在外殼中多次轉(zhuǎn)向。為此帶有支架11以及TEM管24的TEM2和/或外殼29都設(shè)計(jì)有一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)向板30。底板28沿軸向?qū)⒃赥EGl中第一液體19區(qū)域和第二液體20區(qū)域分隔開(kāi)來(lái)。
[0119]圖18顯示的是材料打薄的支架的立體圖，如上文所述，可用于生產(chǎn)熱電模塊。
[0120]在電驅(qū)動(dòng)情況下，上述TEG可也作為電加熱器或冷卻器TE-HK來(lái)使用。
[0121]通過(guò)上文所述技術(shù)可從熱能中產(chǎn)生電能，并改進(jìn)TEG和/或TEM。
[0122]上文所述實(shí)施方式只是作為示例，它們可也互相組合使用。
【權(quán)利要求】
1.一種制造熱電模塊(2)的方法(100)，其中所述方法(100)包括以下步驟: 在金屬殼體元件(4)上鋪設(shè)(110)陶瓷層(5)，然后在所述陶瓷層(5)上鋪設(shè)導(dǎo)體電路(6)； 在所述殼體元件(4)上設(shè)置(120)至少一種熱電活性材料(7，8)，其中設(shè)置(120)要符合以下要求，即所述陶瓷層(5)和所述導(dǎo)體電路(6)位于所述金屬殼體元件(4)和所述熱電活性材料(7，8)之間；以及 安裝(130 )另一個(gè)殼體元件(3 )，使所述熱電活性材料(7，8 )被液密地鎖閉在所述殼體元件(4 )和所述另一個(gè)殼體元件(3 )之間，并且電接觸以形成所述熱電模塊(2 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法(100)，其特征在于，在鋪設(shè)(110)這一步驟中包含一個(gè)子步驟，即將陶瓷基底材料噴涂到所述金屬殼體元件(4)上，以形成所述陶瓷層(5)。
3.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法(100)，其特征在于，在鋪設(shè)(110)這一步驟中，在所述殼體元件(4)上設(shè)置一種材料，以便形成所述陶瓷層(5)，且所述陶瓷層的熱膨脹系數(shù)在一個(gè)公差范圍內(nèi)與所述殼體元件(4)的金屬材料相適應(yīng)。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法(100)，其特征在于，在鋪設(shè)(110)這一步驟中包含一個(gè)子步驟，即在所述陶瓷層(5)上形成具有導(dǎo)電性的區(qū)域(6)，其中在設(shè)置(120)步驟中將至少一種熱電活性材料(7，8)鋪設(shè)在所述具有導(dǎo)電性的區(qū)域(6)中。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法(100)，其特征在于，在形成(110)這一子步驟中包含噴射導(dǎo)電材料，比如銅或銀或其合金，以形成所述具有導(dǎo)電性的區(qū)域(6)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5中任一項(xiàng)所述的方法(100)，其特征在于，在形成這一子步驟中在所述陶瓷層(5)上鋪設(shè)一層材料，這一材料的熱膨脹系數(shù)與所述金屬殼體元件(4)相適應(yīng)，或者在形成這個(gè)子步驟中在所述陶瓷層(5)上設(shè)置鎳，以形成所述具有導(dǎo)電性的區(qū)域(6)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4至6中任一項(xiàng)所述的方法(100)，其特征在于，在設(shè)置(120)步驟中使用銀燒結(jié)或銀壓印燒結(jié)工藝，用于形成所述熱電活性材料(7，8)和至少一個(gè)具有導(dǎo)電性的區(qū)域(6 )之間的材料鎖合連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求4至6中任一項(xiàng)所述的方法(100)，其特征在于，在設(shè)置(120)步驟中使用一種方法，用于形成所述熱電活性材料(7，8)和至少一個(gè)具有導(dǎo)電性的區(qū)域(6)之間的材料鎖合連接，在這種方法中使用焊料薄膜。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法(100)，其特征在于，在設(shè)置(120)前，可通過(guò)熱噴涂給所述熱電活性材料(7，8 )噴涂上障礙層，其中障礙層有鎳，鉻或其合金組成。
10.根據(jù)權(quán)利要求4至6中任一項(xiàng)所述的方法(100)，其特征在于，在設(shè)置(120)步驟中將所述熱電活性材料(7，8)噴涂到具有導(dǎo)電性的區(qū)域(6)中。
11.一種熱電模塊(2),其特征在于， 一個(gè)金屬殼體元件(4)； 一個(gè)鋪設(shè)在金屬殼體元件(4)上的陶瓷層(5)； 設(shè)置在上述金屬元件(3) —側(cè)的另一個(gè)殼體元件(3)，這一側(cè)設(shè)置有陶瓷層(5)，其中另一個(gè)殼體兀件(3)和金屬殼體兀件(4)連接在一起,形成液密的外殼； 至少一種熱電活性材料(7，8)，設(shè)置在液密的外殼中。
12.一種熱電裝置，其特征在于，-根據(jù)權(quán)利要求10所述的第一熱電模塊(2)，第一熱電模塊(2)在在殼體元件(4)或另一殼體元件(3)上設(shè)置有超出部分(16)； -根據(jù)權(quán)利要求10所述的第二熱電模塊(2)，第二熱電模塊(2)的殼體元件(4)和另一殼體兀件(3)以液密的方式固定在超出部分(16)上，以使在第一和第二熱電模塊之間形成一個(gè)空腔，用于引導(dǎo)液體。
13.一種熱電裝置，其特征在于， 根據(jù)權(quán)利要求10所述的第一熱電模塊(2)； 根據(jù)權(quán)利要求10所述的第二熱電模塊(2)； 支架(11 )，用于以液密的方式連接第一和第二熱電模塊，以使在第一和第二熱電模塊中形成一個(gè)用于引導(dǎo)液體的空腔。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的熱電裝置，其特征在于，第一熱電模塊(2)的殼體元件(4)或另一殼體元件(3)設(shè)置有超出部分，其中第二熱電模塊以以下方式設(shè)置在超出部分(16)上，即超出部分作 為第一和第二熱電模塊之間的熱分隔元件(17)。
【文檔編號(hào)】F01N3/023GK103460420SQ201280012009
【公開(kāi)日】2013年12月18日 申請(qǐng)日期:2012年3月7日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月8日
【發(fā)明者】漢斯海因里?！ぐ哺衤? 霍爾格·布雷姆, 托馬斯·希默 申請(qǐng)人:貝洱兩合公司