CN103403897B - 具有导热层的热电模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热电模块（1），其具有冷侧（2）、热侧（3）以及布置在冷侧和热侧之间的热电元件（4）。在热电元件（4）和至少所述冷侧（2）或者热侧（3）之间布置有至少一个导热层（5），其中所述导热层（5）是可压缩的。本发明还涉及一种用于制造具有至少一个导热层（5）的热电模块（1）的方法。

Description

具有导热层的热电模块

技术领域

本发明涉及一种具有导热层的热电模块及其制造方法。

背景技术

来自机动车的内燃机的废气具有热能，该热能借助于热电发电机可以转化为电能，以便例如对电池或其它能量存储装置充电和/或把所需的电能直接输入耗电负载。因此，机动车以更好的能效效率运行，并且对机动车的运行来说具有更大范围的能量供使用。

这种热电发电机具有至少一个热电模块。热电模块例如包括至少两个半导体元件（p型掺杂和n型掺杂），所述半导体元件在其正面和背面上（朝着热侧或朝着冷侧）交替地具有导电的桥接元件。这两个半导体元件形成了最小的热电单元或者热电元件。热电材料的类型使其能有效地把热能转化为电能（塞贝克效应）或者反之（珀尔贴效应）。如果在半导体元件的两侧上建立起温度梯度，则在半导体元件的端部之间形成电压势。热侧上的载流子由于较高的温度而更多地被激发进入导电带中。由于由此产生的导电带中的浓度差而使载流子扩散至半导体元件的冷侧上，从而产生势差。在热电模块中优选存在电串联连接的多个半导体元件。为了不使串联的半导体元件产生的势差相互抵消，总是使具有不同的多数电荷载流子的交替的半导体元件（n型掺杂和p型掺杂）直接电接触。可以借助于所连接的电负载来闭合电路，并进而提取电功率。

为了保证半导体元件的持续的可应用性，在导电的桥接元件和热电材料之间规律地布置扩散阻挡元件，该扩散阻挡元件阻止包含在电桥接件或连接材料（例如焊料）中的材料向热电材料中扩散，并进而阻止半导体材料或热电元件的效率损失或功能故障。热电模块或半导体元件通常是通过把各个单独的部件——热电材料、扩散阻挡元件、导电的桥接元件、绝缘件以及必要时其它的壳体元件——组装为热电模块而形成的，热或冷的介质流经该热电模块。大量的单独部件的这种组装也要求各个部件公差的精确协调，以及要考虑到从热侧到冷侧的热传输以及导电的桥接件之间的充分的接触，从而可以通过热电材料产生电流。

为了在热电模块中布置这种半导体元件，通常设置壳体壁（板状的热电模块）和/或支承管用于在外部限制管状的热电模块，半导体元件固定在该壳体壁和/或支承管上或者布置在其间。这样尤其会导致在制造时出现高的公差要求，以实现半导体元件一方面相对于电连接精确布置、而另一方面相对于壳体位置精确布置。此外问题还在于，由于壳体壁或支承管上的不同的热负荷，还必须补偿这些部件的不同的膨胀特性，并且同时还不会把特别高的应力引至热电材料中和各个部件之间的连接部中。

发明内容

因此，本发明的目的在于，至少部分地解决结合现有技术所述的问题。尤其要给出一种热电模块，该热电模块可以补偿不同的热膨胀、或者不被热膨胀破坏、或者在其运行方面不受热膨胀限制。此外，尤其要提出一种用于制造热电模块的方法，对于该方法，一方面考虑了在热电模块的运行中出现的不同的热膨胀，且另一方面能够通过补偿较大的部件公差而特别价廉地实施该方法。

通过根据权利要求1所述特征的热电模块以及通过根据权利要求8所述特征的用于制造热电模块的方法实现这些目的。在从属权利要求中给出了本发明的有利的实施方式。要指出的是，在权利要求中描述的各个特征能以任意技术上有意义的方式彼此组合并表明了本发明的其它实施方式。说明书尤其结合附图进一步阐明了本发明并且列举出了附加的示例性实施例。

根据本发明的热电模块至少具有冷侧、热侧以及布置在冷侧和热侧之间的热电元件。在热电元件和冷侧和/或在热电元件和热侧之间布置有至少一个导热层。其中，所述导热层是可压缩的。

热电模块尤其构造为管状的，其中圆环状或圆弧段状的半导体元件在内管和外管之间沿轴向方向相继地布置。优选地，废气流经内管，冷却介质流经外管，从而热电模块的热侧布置在内部而冷侧布置在外部。替换地，管状的热电模块也能以相反的方式实施，从而废气流经外管。特别地，热电模块还可以设计为板状的，从而热电元件在一平面中彼此相邻地布置。在此，一侧设计为冷侧，而对置地布置的一侧设计为热侧。下文的论述可以恰当地适用于板状的热电模块，其中对于管状的热电模块来说，本发明是特别有利的。

特别地，热电模块在从冷却介质所流经的冷侧朝向热侧的方向上以如下方式形成：冷侧、电绝缘件、导电的桥接元件、可能的扩散阻挡元件、热电材料、可能的扩散阻挡元件、导电的桥接元件、电绝缘件、热侧。

这里提出，至少尤其在形成冷侧或热侧的外壁和导电的桥接元件之间布置导热层，从而实现热电元件和冷侧或热侧之间的良好的热传导，并且另一方面尤其实现冷侧和导电的桥接元件之间或者热侧和导电的桥接元件之间的电绝缘。

该导热层尤其可以与电绝缘件共同使用或者可以替代电绝缘层。导热层为可压缩的，也就是说，其可以由于施加外部压力而（尤其是至少部分地弹性地）被压缩或者体积减小。通过这种可压缩性使得在热电模块内部由于热负荷引起的应力能够被导热层吸收。这是可能的，因为膨胀程度不同的部件尤其延伸至导热层中，或者与导热层结合，并且部件的膨胀可以通过可压缩的导热层进行补偿。尤其如此实施导热层，即，使导热层的体积的减小完全是可逆的。由此使得，即使在热应力波动时，导热层也始终完全填充热侧和热电元件之间或者冷侧和热电元件之间的区域。

导热层尤其具有至少0.9W/Km[瓦特/开尔文＊米]，尤其至少9W/Km和优选至少50W/Km的导热率（在室温时，即20℃）。优选地，导热层具有至少1×10⁶Ωm[欧姆＊米]、尤其至少1×10⁸Ωm且优选至少1×10⁹Ωm的单位电阻。

此外，通过导热层尤其补偿了不同的部件公差，其中，当设计热电模块的结构时可能已经考虑了这一点。因此，可以对热电模块的彼此装配在一起的部件提出较低的公差要求，从而整体上比较价廉地制造热电模块。

根据热电模块的另一个有利的实施方式，该至少一个导热层设计为平面的且具有厚度。在80至550℃的温度范围内，尤其在80至350℃的温度范围内，通过最大为60N/cm²的表面压力可以把导热层压缩至少5%体积百分比并进而可减小其厚度。在上述温度范围内，在最大为60N/cm²的表面压力下尤其可以把导热层压缩至少10%，优选最大可达到25%。（未压缩的）导热层的厚度尤其在50至2000μm[微米]的范围内，优选在50至150μm的范围内，从而能够提供薄的且同时可压缩的导热层。

根据另一个有利的实施方式，该至少一个导热层是薄膜。该薄膜尤其是柔性的且可弯曲的，并且可相应地布置在热侧和热电元件之间或者冷侧和热电元件之间。

根据热电模块的另一个有利的实施方式，该至少一个导热层可借助于粘合剂至少连接在热电模块的外壁上或/和连接到热电元件。在此，粘合剂尤其适合使热电模块在冷侧和/或热侧上相对于废气或冷却介质密封。因此，可以使热电模块的其间布置有热电元件的间隙相对于废气和/或冷却介质气密或液密。粘合剂在此尤其同样具有极好的至少为0.9W/Km[瓦特/开尔文＊米]、尤其至少为9W/Km和优选至少为50W/Km的导热率（在室温时，即20℃）。粘合剂优选具有至少1×10⁶Ωm[欧姆＊米]、尤其至少1×10⁸Ωm且优选至少1×10⁹Ωm的单位电阻。

根据另一个有利的实施方式，该至少一个导热层包括导热膏。该导热膏是糊状的且在室温下尤其具有至少1N/m²[牛顿每平方米]、优选介于5N/m²和50N/m²之间的粘度。使用导热膏尤其要求额外的电绝缘层。当导热层实施为薄膜时，需要在特定尺寸或特定厚度下使用，而当把导热膏用作导热层时，仅通过确定的量（在室温和大气压力下、即约20℃和1bar时的体积）来限定该导热层。导热膏尤其具有如下材料：石墨、硅。导热膏尤其为无硅的。导热膏尤其可以包含金属成分，例如铝。金属成分尤其以粉末状存在于导热膏中，并且实现导热膏的高耐热性和高导热性。

根据另一个有利的实施方式，该至少一个导热层包括硅弹性体/硅橡胶。其尤其可以实施为薄膜或导热膏。

导热膏优选用在板状的热电模块中。此外，导热薄膜可以额外地用在管状的热电模块中。

根据另一个尤其有利的实施方式，利用纤维增强该至少一个导热层。在此，纤维尤其相互连结，从而使导热层具有较高的强度或刚度或抗拉强度。通过使用纤维还可以调整导热层的可压缩性或可变形性。尤其使用玻璃纤维作为纤维。这些纤维尤其嵌入在硅橡胶中。

根据本发明的另一个方面，提出了一种用于制造热电模块（尤其是根据本发明的热电模块）的方法，该方法至少具有如下步骤：

a）提供内管；

b）在内管上布置热电元件；

c）布置导电的桥接元件以用于使热电元件彼此导电连接，从而形成具有外周面的第一管状组件；

d）在外周面上布置可压缩的导热层；

e）布置外管；

f）校准外管，从而压缩导热层。

尤其通过校准外管进行外管直径的缩小，从而（仅）压缩在热电元件和外管之间布置在外管内部的导热层。尤其施加介于10和100N/cm²之间的压力，其中尤其将外管（且必要时也将热电模块）额外地加热至不高于400℃的温度。

尤其通过校准外管使外管的直径减小成使得布置在其中的导热层被压缩至少5%体积百分比、并进而其厚度尤其被减小5%。厚度的减小或者体积的压缩尤其达到至少10%和优选最高25%。通过压缩导热层使得尤其是热电元件（以及还包括其它部件）尤其可以在热电模块的径向方向上实现为具有较大的公差，因为通过布置导热层避免了各单独部件上的应力集中，否则的话会通过校准引起这种应力集中。

导热层尤其在不同位置产生不同程度的压缩，因此，关于厚度和可压缩的体积的上述值仅能视作在导热层的整个延伸范围上的平均值。尤其可能会出现单点区域较强地或不那么强烈地被压缩、从而导热层的材料在不同位置处被不同程度地转移的情形。此外，优选在导热层的整个延伸范围上具有导热层材料的均匀的密度，从而在导热层的整个延伸范围上尤其存在近似恒定的特性（关于导热层的电绝缘和热传导等）。

在步骤a）和步骤b）之间尤其进行如下中间步骤：

i.在内管上施加绝缘层；

ii.布置导电的桥接元件以用于使热电元件彼此导电连接。

根据该方法的另一个有利的改进方案，在内管和热电元件之间额外地布置一导热层。在此尤其建议也通过外管进行校准，其中内管例如通过芯轴进行稳定，从而在此不发生内管的直径减小，而是仅进行内管和外管之间的结构空间的压缩。替换地，可以（例如通过使用流体压力介质）自动地或者额外地在内管上进行校准。

根据该方法的另一个有利的改进方案，通过校准仅使外管塑性变形，从而在校准外管时尤其不发生内管的直径的变化。

总的来说应注意，在校准时不损坏热电元件。然而，尤其对于圆弧段状的半导体元件来说，可以容许半导体元件由于校准而出现的位置移动。同样优选地，可以由于校准压力而至少使半导体元件发生烧结，从而进而也可以至少部分地压缩布置在内管和半导体元件之间的导热层。此外，例如可以在半导体元件中设置预定断裂点，从而这些半导体元件一方面优选安装为环状的元件，另一方面也能在不产生其它不期望的应力裂缝的情况下承受由于校准而出现的位置移动。

在板状的热电模块中，不存在关于在内管上布置另一导热层的问题，因为此时可以“对称地”进行结构上的设计和实施所述方法。然而上述评述可相应地适用于板状的热电模块。

通过建议的热电模块或者通过所述方法尤其避免了使用焊接材料来将热侧或冷侧连接在热电元件上。尤其还提出了一种无焊接的组件或用于制造热电模块的无焊接的方法，从而在没有间接地或直接地产生位于热电元件和外管和/或内管之间的材料锁合连接的情况下实现所述组件在外管中的安装。“间接地”例如是指在电绝缘层和外管或内管之间、或者在导电的桥接元件和电绝缘层之间的焊接连接的布置，从而热电元件和冷侧或热侧非直接地（间接地）通过焊接连接彼此连接。“材料锁合”是指通过原子或分子力保持在一起的部件的彼此连接。其尤其是不可松脱的连接，只有通过破坏连接部件才能分开这种连接。

热电模块尤其可以用在热电发电机中，该发电机优选用在机动车的内燃机的排气系统中。

通过本发明，可以提供或制造一种热电模块，其中仅需要对彼此组合在一起的各个部件的公差提出合理的和可行的要求。在制造热电模块时已经通过可压缩的导热层补偿了部件公差。此外，通过导热层也补偿了在运行中由于热负荷而导致的各个部件的不同的膨胀。此外，通过放弃在热电元件和热侧或冷侧之间使用至少在径向方向上为刚性的（非柔性的）材料锁合（焊接连接），可以减小对于（不同的）热膨胀的敏感性。因此，使用可压缩的导热层首先使得可以使用能够长期耐受交替变换的热负荷的热电模块，同时也不必采取复杂的结构方面的措施以补偿热应力。

应明确指出，结合热电模块或机动车进行描述的特征也能用于所述方法或板状的热电模块，反之亦然。

附图说明

下面根据附图进一步描述本发明以及技术背景。要指出的是，附图示出了本发明的特别优选的实施变型方案，然而本发明并不局限于此。这些示意性示出了：

图1是具有导热层的热电模块；

图2是制造方法的步骤a）；

图3是制造方法的步骤b）；

图4是制造方法的步骤c）；

图5是制造方法的步骤d）；

图6是制造方法的步骤e）；

图7是制造方法的步骤f）；以及

图8是具有废气处理装置的机动车。

具体实施方式

图1示出了板状的热电模块1，其中位于冷侧2和热侧3之间的热电元件4彼此相邻地布置在一平面中。分别通过至少一个n型掺杂和一个p型掺杂的半导体元件形成的热电元件4通过导电的桥接元件13交替地彼此连接。在导电的桥接元件13和冷侧2之间设置有此处示出为薄膜7的可压缩的导热层5。此外在导热层5和冷侧2之间还布置有粘合剂8，从而导热层5和冷侧2彼此粘合地连接。因此，导热层5借助于粘合剂8至少结合在热电模块1的外壁9上。导热层5的一个断面表明，其具有纤维11。

图2示出了用于制造热电模块1的方法的步骤a），其中提供内管12，该内管沿着中轴线17在轴向19上延伸。

在随后的附图中仅示出了热电模块1的各个单独的部件，其中例如导电的桥接元件13在热电元件4的内侧上的布置对本领域技术人员来说也是显而易见的，且相应地不再赘述。

图3示出了用于制造热电模块的方法的步骤b），其中在内管12上沿轴向方向19相继布置环状的热电元件4。这些热电元件4分别通过相应的n型掺杂和p型掺杂的半导体元件形成，并且彼此相邻地布置（被画上不同的阴影）。

图4示出了热电模块的制造方法的步骤c），其中交替布置的n型掺杂和p型掺杂的半导体元件以导电的方式彼此连接以形成热电元件4，从而可产生通过热电模块的电流路径。通过导电的桥接元件13形成了外圆周面15。通过方法步骤c）形成了组件14。

图5示出了用于制造热电模块的方法的步骤d），其中在所述组件14的至少通过导电的桥接元件13形成的外周面15上布置可压缩的导热层5。该导热层5在此作为导热膏10被涂抹。

图6示出了用于制造热电模块的方法的步骤e），其中将外管16推到导热层5上，从而将导热层5布置在外管16和热电元件4之间。该导热层5具有（尚）未压缩的厚度6。

图7示出了用于制造热电模块的方法的步骤f），其中通过压力18校准外管16，从而使导热层5被压缩并且相应地减小厚度6。由此通过内管12、热电元件4、导热层5和外管16的至少在径向方向24上的无缝连接实现了冷侧2和热侧3之间的导热连接。在所述热电模块中，在此示出的位于热电元件4和内管12之间的径向间隙例如通过电绝缘件和导电的桥接元件进行填充。位于热电元件4之间的同样被示出的沿轴向方向19的间隙尤其通过电和热的绝缘体进行填充。

图8是具有内燃机21和废气处理装置22的机动车20。废气流经废气处理装置22，并且该废气也被输送至多个热电模块1。为了形成热电模块1上的温度势，这些热电模块同时承受冷却装置23的冷却介质，其中该冷却装置23也设置成用于冷却内燃机21。

附图标记列表

1热电模块

2冷侧

3热侧

4热电元件

5导热层

6厚度

7薄膜

8粘合剂

9壁

10导热膏

11纤维

12内管

13桥接元件

14组件

15外周面

16外管

17中轴线

18压力

19轴向方向

20机动车

21内燃机

22废气处理装置

23冷却装置

24径向方向

Claims (9)

1.一种管状的热电模块(1)，该热电模块至少具有冷侧(2)、热侧(3)以及布置在所述冷侧和所述热侧之间的热电元件(4)，其中，在所述热电元件(4)和至少所述冷侧(2)或者所述热侧(3)之间布置有至少一个导热层(5)，其中所述导热层(5)是可压缩的，其中，所述至少一个导热层(5)设计为平面的且具有厚度(6)，并且在80至550℃的温度范围内、在最大为60N/cm²的表面压力下能被压缩至少5％体积百分比，并且因而其厚度(6)可被减小。

2.根据权利要求1所述的热电模块(1)，其中，所述至少一个导热层(5)是薄膜(7)。

3.根据权利要求1或2所述的热电模块(1)，其中，所述至少一个导热层(5)借助于粘合剂(8)至少连接到所述热电模块(1)的外壁(9)上或连接到所述热电元件(4)。

4.根据权利要求1或2所述的热电模块(1)，其中，所述至少一个导热层(5)包括导热膏(10)。

5.根据权利要求1或2所述的热电模块(1)，其中，所述至少一个导热层(5)包括硅弹性体。

6.根据权利要求1或2所述的热电模块(1)，其中，利用纤维(11)增强所述至少一个导热层(5)。

7.一种用于制造热电模块(1)的方法，该方法至少具有如下步骤：

a)提供内管(12)；

b)在所述内管(12)上布置热电元件(4)；

c)布置导电的桥接元件(13)以用于使所述热电元件(4)彼此导电连接，从而形成具有外周面(15)的第一管状组件(14)；

d)在所述外周面上(15)布置可压缩的导热层(5)；

e)布置外管(16)；

f)校准所述外管(16)，从而压缩所述导热层(5)。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，在所述内管(12)和所述热电元件(4)之间附加地布置一导热层(5)。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，通过校准仅使所述外管(16)发生塑性变形。