CN103250262A - 热电模块及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
在制造热电模块的方法中，串联电接触连接的热电臂被涂敷，以便被电绝缘固体材料覆盖。
Description
技术领域
本发明涉及热电模块、其制造方法。本发明还涉及可通过此方法获得的热电模块。
背景技术
根据现有技术的热电模块（TEM）由p臂和n臂组成，这些臂进行电串联和热并联。
图1示出此类模块，其中Qin表示热输入，Qout表示热输出。
传统结构由两个陶瓷板构成，在这两个陶瓷板之间交替地放置各个臂。每两个臂通过端面实现电接触，如图2所示。p臂和n臂通过一系列阻挡层（S）、焊料（L）和电接触（K）连接。
除了（导电）接触连接之外，一般还在实际材料中应用各种进一步的层，这些层充当阻挡层或焊料层。但是最终通过金属桥（由Fe、Ni、Al、Pt、Cu、Zu、Ag、Au，诸如钢或黄铜等的合金构成）建立两个臂之间的电接触。
为了使整体结构具有稳定性并确保在全部臂上具有必要、基本均匀的热耦合，需要载板。为此，通常使用例如由Al2O3、SiO2或AlN之类的氧化物或氮化物构成的刚性陶瓷。这些材料不仅对稳定性有利，而且还有助于实现电绝缘，必须具有相应的热稳定性。此外，陶瓷板用于实现电绝缘。这个整体结构形成热电模块（TEM）。
被置于发热体和散热器之间并进行电连接的多个TEM通常形成热电发电机。
为了在高于350°C的高温部分用作发电机，多数热电材料必须绝缘并进行密封保护，防止升华或蒸发导致的材料损失，并且还防止关于诸如空气之类的外部介质的氧化或其他污染导致的破坏或损坏。为此，TEM通常用金属外壳严密密封起来，如针对JP2200632723中的实例描述的那样。
这种典型的结构具有一系列缺点。陶瓷和接触的机械负载能力极为有限。机械应力和/或热应力很容易导致接触连接发生开裂或分离，从而使整个模块失效。
此外，对于传统结构的应用而言，也存在绝缘板/电导体（电极）/TE材料/电极/绝缘板的层序列方面的限制，因为只有热交换器上的平坦表面才能与热电模块连接。
模块表面与发热体/散热器之间的紧密接合有利于确保具有充分和最佳的热流。所有模块组件之间的整体接合对这一点非常重要。
发明内容
本发明的目标是提供热电模块和制造热电模块的方法，其中公知的热电模块的缺点应该避免，并且这些模块通过优化热耦合可以改善热流，同时能够使热电模块的包封装变得简单，灵活。
根据本发明，通过制造热电模块的方法来实现目标，在此方法中，串联电接触连接的热电臂被涂敷，以便被电绝缘固体材料覆盖。
所述目标另外通过可借助上述方法获取的热电模块来实现。
所述目标还可以通过这样一种热电模块实现，其中串联电接触连接的热电臂被涂敷，以便被电绝缘固体材料覆盖。
本发明提出对模块结构和设计的多项改进，这些改进通过优化热耦合改进了热流，同时也使得模块或TEG的包封更简单、灵活。
根据本发明，表达“被涂敷以便被覆盖”是指完全包围串联电接触连接的热电臂构成的整个热电模块，但不包围为热电模块提供电力和将电力载离热电模块的电接触连接的涂层。因此，用电绝缘固体材料涂敷热电模块的所有面。具体而言，如图2所示，由通过电接触连接的热电n型和p型材料构成的结构被涂敷以便以根据本发明的方面进行覆盖。因此，涂层可以位于图1所示的两个陶瓷板内，在这两个陶瓷板之间交替地施加形成热电模块的各个臂。
由于涂层根据本发明发生，因此还可以根据本发明涂敷热电臂的非平面几何图形。
优选地通过将电绝缘固体材料的溶液或悬浮体（suspension）或熔体或蒸气或粉末施加到串联的热电臂，用电绝缘固体材料涂敷所述热电臂。
所述固体材料优选地通过喷涂或沉浸方法、刷涂、蒸镀方法、溅射或CVD方法施加。
所述电绝缘固体材料优选地从氧化物、氮化物、硅酸盐、陶瓷、玻璃、无机或有机聚合物中选择。例如，陶瓷可以是氧化（oxidic）或氮化（nitridic）的。例如，有机聚合物可以是禁受高温的有机聚合物，例如聚酰亚胺（例如，
）或基于硅树脂的涂层（例如，
SP650Black）。例如，对于高温模块，优选地使用云母；例如，对于低温模块，优选地使用诸如
之类的聚酰亚胺。
可以相应地通过喷涂或沉浸方法或通过这些方法的组合施加电绝缘材料。备选地，可通过刷涂施加材料。也可以构想其中处理条件不会损坏热电模块的进一步的物理方法，例如溅射、PVD、CVD方法或本领域的技术人员公知的这些方法的变形。
例如，电绝缘固体材料因此可以通过喷涂方法（例如等离子体喷涂、粉末火焰喷涂、冷喷涂、用线的火焰喷涂等）或通过物理气相沉积（PVD）（例如蒸镀方法或溅射）、化学气相沉积（CVD）或这些方法的其他变形施加。
电绝缘材料优选地完全包围热电模块或电接触连接的臂，并且厚度足以实现电绝缘。涂层厚度优选地为5μm至5mm，特别优选地为20μm至2mm，具体为50μm至1mm。
也可以将优选的覆盖金属层施加到具有电绝缘固体材料的涂层。通过施加金属层，使得热电模块的电连接（即，提供或载离电源电力的线路）不与金属层进行导电接触，因为否则热电模块就会短路。这些提供和载离电力的线路因此也排除在覆盖金属层以外。
接着可使用所需的适当方法施加金属层。优选地通过喷涂、电镀、溅射或PVD、CVD或MOCVD方法施加金属层。一般而言，可以采用所有适合的热、化学、物理或电化方法施以涂层。适当的金属喷涂方法例如包括电弧喷涂（arc wire spray）和等离子体喷涂方法。
金属层用于密闭密封整个热电模块，以避免升华或蒸发导致的材料损失，同时也避免氧化或其他污染导致的破坏或损坏。所使用的金属可以是在使用条件下稳定并且可在上述方法中应用的任何金属。优选的金属包括钼、钨、铁、钽、镍、钴、铬、铜和这些材料的混合物或合金，例如镀镍铜和镀铜钢。铝或锌也适合于低温模块。
可使用多种金属的组合。第一金属层因此可以被喷涂得非常薄并通过电镀第二金属层而被包围。当第一金属层没有完全的密封效果，而具有残余孔隙或渗透性时，电镀第二金属层尤其有用。
金属层的厚度足以提供防止上述影响的保护。金属层的厚度优选地为5μm至5mm，特别优选地为50μm至2mm，具体为100μm至1mm。
优选地最初使用涂层方法涂敷热电模块，以使由电绝缘材料覆盖，然后在第二后续步骤，以相同的方式用金属壳将其围住。
金属涂层的残余孔隙也可以例如通过后续涂敷陶瓷或通过渗透封孔材料来消除。因此，可使用水玻璃、溶胶凝胶前体、硅酮（silicone）或硅酮树脂或类似的材料渗透金属，其中接着通过热、辐射分解或化学处理在孔隙中分解渗透介质从而封堵孔隙。
可使个别热电模块电绝缘并使用涂层进行包封，也可以首先使一系列热电模块电绝缘，然后采用一个步骤将它们包封在一起。
根据本发明的结构允许电绝缘然后严密包封由任何所需的几何形状的串联电接触连接的臂构成的热电模块，这些几何图形例如可以是圆的、带角的、平面的、非平面的或非对称的。这样可以实现所有热电模块组件之间连续的整体接合。例如，热电臂最初通过焊接（welding）、钎焊（soldering）、喷涂或施加压力相互进行接触连接，将电绝缘材料喷涂到电极或接触上并且将紧密的包封喷涂到电绝缘材料上。
模块的电接触以气密的方式被穿过金属壳引出模块。根据本发明的模块允许借助高压力将模块热侧和冷侧上的传递表面压到平坦的模块表面上，以便热和冷可以良好地传到模块上，同时最小化模块本身中的电阻和热阻。
热电臂、电极、电绝缘材料和模块包封之间的整体结构允许优化热耦合，同时最小化电阻和热阻。
根据本发明的制造方法并不复杂，成本也不高，从而可实现简单、可扩展的工业生产。可通过诸如焊接、钎焊或施加压力之类的传统方法连接包封或金属涂层，从而以简单的方式实现将使用的根据本发明封装的热电模块的接合。
一个具体优点是几何灵活性。通过喷涂电绝缘材料和喷涂金属实现的包封并不与特定的模块设计相关，而是可用于任何所需的模块。
金属壳为固体并且同时也可是易延展的。因此可以有效地抵抗和补偿热应力和机械应力，从而保护内含的热电模块。
具有作为涂层的电绝缘材料和接着的金属包封的热电模块的根据本发明的结构允许快速、低成本地构建发电机，因为串联电接触连接的热电臂的“裸”热电材料被施加到保持器，这种复合物被进行电绝缘，然后在一个步骤中同时包封，从而制成热电发电机。因此还可以在没有电接触连接的情况下处理个别热电臂。
本发明还涉及可通过上述方法获得的热电模块，同时还涉及这样一种热电模块：其中串联电接触连接的热电臂被涂敷，以使被电绝缘固体材料涂敷。
在这种情况下，优选地覆盖金属层被施加到具有电绝缘固体材料的涂层。
根据本发明的热电模块既可以在帕尔贴元件中使用，也可以在工作温度介于优选地为50°C至2000°C，特别优选地为-30至1500°C，具体为-25至1000°C的范围内的发电机元件中使用。
可以在根据本发明的热电模块中使用任何所需的适当热电材料。这些材料的实例包括方钴矿、Half-Heusler材料、包合物（clathrate）、氧化物、硅化物、硼化物、Bi2Te3及其衍生物、PbTe及其衍生物、诸如锑化锌之类的锑化物和Zintl相材料。
具体实施方式
本发明将通过下面的实例进行更详细的解释：
实例
实例1
PbTe臂被插入矩阵，然后与Fe电极进行电接触连接。通过对热电臂的两侧进行粉末火焰喷涂均匀地施加Al2O3陶瓷涂层，从而实现接触连接。然后通过等离子体喷涂在粗糙的陶瓷表面上施加第二钢涂层。金属涂层厚度约为0.5mm，陶瓷层厚度约为0.1mm。不对金属层执行任何后处理。也可以构想对金属层进行抛光或浸渍（impregnation）。
实例2
使用砂纸P220将市场上可购得的Bi2Te3模块（其中热电臂仅被金属地导电接触连接，但未电绝缘）轻地粗糙化。然后使用乙醇清洁表面。接着使用防热硅酮涂层树脂（
SP650）气溶胶精细喷涂模块两侧，在室温下干燥三小时。然后将带涂层模块转移到马弗炉，在流动缓慢的氮气流中以300°C固化涂层三个小时。
Claims (12)
1.一种制造热电模块的方法，在所述方法中，串联电接触连接的热电臂被涂敷，以便被电绝缘固体材料覆盖。
2.根据权利要求1的方法，其中通过将所述电绝缘固体材料的溶液或悬浮体或熔体或蒸气或粉末施加到串联接触连接的所述热电臂，用所述电绝缘固体材料涂敷所述热电臂。
3.根据权利要求2的方法，其中所述固体材料通过喷涂或沉浸方法、刷涂、蒸镀方法、溅射或CVD方法施加。
4.根据权利要求1至3中任一项的方法，其中所述电绝缘固体材料从氧化物、氮化物、硅酸盐、陶瓷、玻璃、无机或有机聚合物中选择。
5.根据权利要求4的方法，其中所述电绝缘固体材料从禁受高温的云母或有机聚合物中选择。
6.根据权利要求1至5中任一项的方法，其中将优选的覆盖金属层施加到具有所述电绝缘固体材料的涂层。
7.根据权利要求6的方法，其中所述金属层通过喷涂、电镀、溅射或PVD、CVD或MOCVD方法施加。
8.根据权利要求6或7的方法，其中所述金属涂层的残余孔隙通过后续涂敷陶瓷或通过渗透封孔材料来消除。
9.根据权利要求1至8中任一项的方法，其中所述热电臂通过焊接、钎焊、喷涂或施加压力相互电接触连接。
10.一种热电模块，通过根据权利要求1至9中任一项的方法获得。
11.一种热电模块，其中串联电接触连接的热电臂被涂敷，以便被电绝缘固体材料覆盖。
12.根据权利要求11的热电模块，优选的覆盖金属层被施加到具有所述电绝缘固体材料的涂层。
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