CN105556689A - 热电模块(变型) - Google Patents

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Abstract

本发明涉及热电设备且能够用在利用热电模块的各种设备中。热电模块包含通过切换母线(5)连接到电路中的N型导电性半导体支路和P型导电性半导体支路、以及保护性聚合物涂层(8)。保护性聚合物涂层(8)被涂覆到相互连接的支路(3，4)和母线(5)上，且该涂层为通过氟橡胶胶乳改性的电沉积的聚合物清漆涂料组合物。

Description

热电模块(变型)
技术领域
本发明涉及热电设备且可用在利用热电模块的各种设备中。
背景技术
已知包含通过切换母线连接到电路中的N型导电性半导体支路和P型导电性半导体支路、以及保护性聚合物涂层的热电模块(参考2008年1月3日公开的美国申请No.2008000511(A1)、2008年2月21日公开的美国申请No.2008041067(A1))。
该已知的热电模块的缺点在于，在热电模块的内部部件上(具体地在以框架(绝热板)包围的N型半导体支路和P型半导体支路、以及母线上)的涂层的电沉积未提供均一的连续的保护性聚合物涂层。这是由于如在最接近的类似申请中描述的用以制造热电模块的方法(参考2008年1月3日公开的美国申请No.2008000511(A1)、2008年2月21日公开的美国申请No.2008041067(A1))。该方法包括热电模块的换热板和热电元件的连接过程以及将热电模块浸入到电涂料浴内的过程。在完成连接过程后进行浸入。在涂覆保护性聚合物涂层后在炉内进行热硬化。在全部组件彼此连接之后进行浸入过程是至关重要的。当由于不允许完全绝缘的复杂几何结构而避免了涂料在热电模块的内部组件上的电沉积时，均一的连续的保护性聚合物涂层只能够被形成在热电模块的外部组件(换热板)上。
通过使用缺乏所需要的高分散能力的基于环氧树脂的涂料，进一步增加了上述缺点。此外，形成的基于保护性环氧聚合物的涂层是非弹性的，从而导致在热电模块运行期间涂层断裂以及丧失绝缘完整性。
发明内容
本发明的技术效果是热电模块的改善的可靠性，这是由于通过借助弹性的保护性聚合物涂层提供对模块的导电组件的充分保护而消除了上述缺点。例如：在湿度W＝100％且温度T＝25℃下，在沿着边界未密封的情况下(在未密封换热板的情况下)，热电模块的连续故障时间超过36000小时。
根据本发明的第一实施方式，如下实现上述技术效果：热电模块包含通过切换母线连接到电路中的N型导电性半导体支路和P型导电性半导体支路、以及保护性聚合物涂层，在该热电模块中的该保护性聚合物涂层被涂覆到相互连接的支路和母线的全部暴露的表面上，其中通过氟橡胶胶乳改性的电沉积的聚合物涂料组合物被用作该涂层。
热电模块可具有利用热传导粘结剂胶接在绝缘层上部的换热板。
根据本发明的第二实施方式，如下实现技术效果：在包含通过连接到对应换热板的切换母线而连接到电路中的N型导电性半导体支路和P型导电性半导体支路、以及保护性聚合物涂层的热电模块中，换热板由非传导材料制成，且保护性聚合物涂层仅仅被涂覆到相互连接的支路和母线上，其中，通过氟橡胶胶乳改性的电沉积的聚合物涂料组合物被用作该涂层。
切换母线的外侧可基于DBC技术(通过化学反应将Cu与由Al2O3制成的换热板直接结合)附接至换热板，或者利用热传导柔性粘结剂胶接。
根据本发明的第三实施方式，如下实现技术效果：在包含通过切换母线连接到电路中的N型导电性半导体支路和P型导电性半导体支路、换热板以及保护性聚合物涂层的热电模块中，一个换热板由非传导材料制成且直接连接至母线，另一个换热板通过覆盖母线和支路的保护性聚合物涂层连接至母线，其中，通过氟橡胶胶乳改性的电沉积的聚合物涂料组合物被用作该涂层。
切换母线可以基于DBC技术连接至一个换热板，或者利用热传导柔性粘结剂胶接。
在本发明的全部的实施方式中，保护性聚合物涂层具有5微米至23微米的厚度、按重量计1％至25％的含氟量、且通过阴极电沉积或阳极电沉积由水基聚合物涂料组合物制成，该水基聚合物涂料组合物具有添加的氟橡胶胶乳且包含具有如下成分的功能单体：按重量计高达70％的氟、按重量计1％至2％的合成醇(synthanol)、按重量计1.5％至3％的聚乙二醇。
附图说明
通过附图说明本发明的本质。
图1示出单级热电模块和多级热电模块的总体布置；
图2示出热电模块的局部剖面(分解)视图用以详细说明。
具体实施方式
单级热电模块1或多级热电模块2(图1)包括平行安装且彼此不接触的N型半导体支路3和P型半导体支路4(图2)；切换母线5，该切换母线5在端部6处将半导体支路3和半导体支路4连接到电路中。切换母线将所有的半导体支路连接，且切换母线5在其外侧被附接到换热板7。
热电模块的全部实施方式的特征在于利用保护性聚合物涂层8，该保护性聚合物涂层8为电沉积的通过氟橡胶胶乳改性的聚合物涂料组合物。
根据第一实施方式的热电模块的特征在于，可以在不存在换热板7的情况下使用该热电模块。在需要使用换热板7的场景中，使用热传导柔性粘结剂、通过预先涂覆的保护性聚合物涂层8将这些换热板7与切换母线5连接。
根据第二实施方式的热电模块的特征在于使用由非传导材料制成的换热板7，从而不允许在用水基聚合物涂料组合物进行涂层电沉积期间将保护性聚合物涂层8涂覆到换热板7上。因此，在本发明的第二实施方式中，保护性聚合物涂层仅仅被涂覆到热电模块的相互连接的支路和母线上。
根据第三实施方式的热电模块的特征在于使用这样一个(热的)换热板7：该换热板7由非传导材料制成且在涂覆保护性聚合物涂层8之前利用DBC工艺或热传导柔性粘结剂而被仅连接至切换母线5。通过覆盖母线和支路的保护性聚合物涂层，即在涂层电沉积之后，将另一个(冷的)换热板7连接到母线5。
通过阴极电沉积方法或阳极电沉积方法来涂覆涂层8。P型导电支路材料为固溶体(Bi2Te3)X(Sb2Te3)1-X和(Bi2Te3)X(Sb2Te3)Y(Sb2Se3)1-X-Y。N型导电支路材料为固溶体(Bi2Se3)X(Bi2Te3)1-X。半导体支路可具有各种不同的横截面(圆形的、方形的、矩形的等)和尺寸。制作完成的支路3和支路4在其端部利用由金属(例如Ni)制成的防扩散涂层以及用于以锡或金(Au)合金形式进行钎焊的涂层来获得保护。母线5由铜(Cu)制成且可以具有保护性金属(例如Ni)涂层以及用于以锡或金(Au)合金形式进行钎焊的涂层。以低熔点为基础的锡(Sn)和其它焊料用于将支路3和支路4与母线5连接。提出了通过阴极电沉积或阳极电沉积来涂覆保护性聚合物涂层以保护组装的热电模块免受侵入性的环境冲击、高湿度、电短路。
为了确保连续涂层与热电模块的导电部件的粘结是牢固的，必须使用焊剂测试或类似测试来进行热电模块的去焊剂测试。如果结果是令人满意的，则利用溶剂对热电模块进行处理：在T＝45℃-50℃下利用异丙醇t＝3分钟，然后在T＝25℃下利用丙酮t＝1分钟，在t＝2分钟至5分钟期间，在T＝40℃-45℃下溶液将氧化物膜从支路和铜母线材料中去除且包含有机酸和络合剂，以及在t＝1分钟至3分钟期间，在T＝30℃至35℃下在超声波浴中利用脱盐水进行充分冲洗。当热电模块的导电表面处理已经完成时，将涂覆具有高分散能力的水基聚合物涂料组合物。该涂料组合物使得在复杂形状的产品上提供厚度均一的、薄的、具有化学抗性的涂层。该组合物基于以所需的比例使用涂料系统的组分。该组合物包括：粘结剂，其为通过封闭的甲苯二异氰酸酯而部分改性的、通过水性乳液形式的乙酸中和的、具有36％-38％的非挥发性含量的环氧胺加合物；颜料浆，其通过上述加合物来进行稳定(可使用任何颜料)，具有60％-64％的非挥发性含量，且利用氟橡胶胶乳化学抗性的添加剂(偏二氟乙烯、六氟丙烯、四氟乙烯和功能单体的共聚物，其按重量计含氟量为70％且密度为1.91kg/cm3)、乙酸和水来进行改性。基于氟橡胶含量至少为60％的氟橡胶水性胶乳生产涂层是基于溶液的技术(即，基于略带毒性的有机溶剂)的替选方案。水基聚合物涂料组合物包括脱矿物水、所需量的利用乙酸进行酸化的氟橡胶胶乳、成膜剂乳液，从而通过加合物使氟橡胶胶乳粒子进一步稳定。在搅拌期间添加颜料浆。为了提高湿润性、稳定乳液，进而提供染色均一性和保护性胶体行为，将合成醇添加剂(氧乙烯化醇，其为具有不同数量的氧乙基和自由基R值的聚乙二醇醚的混合物)添加到水基涂料组合物中。非离子型表面活性剂具有化学通式CnH(2n+1)O(C2H4O)m，其中n为碳链长度、m为乙氧基化程度，其密度为0.95g/cm3，以及聚乙二醇具有在1400至1600范围内的平均分子量。因此获得具有以下性能的工作溶液：固体含量为18％至20％，pH＝5.2至5.7，电导率为1400μS/cm-1800μS/cm。通过将热电模块浸入到电沉积浴中而涂覆涂层，该电沉积浴配备有摆动的阳极棒或阴极棒，用于搅拌、超声排气和在T＝28℃至32℃下恒温控制工作溶液的系统，电渗析处理系统和U＝160V-250V的直流电源。固定到支架中的热电模块充当阳极或阴极，并且出于该目的，浸入到浴中的板具体充当相反电极。在热电模块的导电表面上形成涂层的工艺在于，水溶性成膜树脂在电流的作用下失去其溶解性且沉积到热电模块的导电表面上。热电模块的导电表面的位于最大电流密度区中的区域最先被涂覆；然后随着沉积的涂层的绝缘作用增大，电力线重新分布，且沉积到热电模块的导电表面上的区域移动。作为结果，在热电模块的导电部件的整个表面上形成致密的薄的电绝缘涂层。电沉积涂层形成时间为60秒至120秒。当完成涂料涂覆时，通过浸入到具有脱盐水的浴中对涂层进行冲洗，然后在180℃至220℃的炉中对涂层进行热硬化10分钟至30分钟。阴极电沉积或阳极电沉积提供5微米至23微米的涂层厚度。
通过阴极电沉积或阳极电沉积在其导电部件上产生聚合物涂层的热电模块可靠地被保护而免受：
1.侵入性环境冲击：腐蚀、高湿度。
2.电短路。
3.由于机械应力或热应力导致的支路故障。
与其它方法相比具有以下优势：
1.可以用在大规模生产中。
2.适于自动化工艺。
3.最小的人员参与(保证聚合物涂层的质量)。
4.易于使用。
5.可以进一步改善密封(对于特殊的环境)。
6.对于消费品最小的耗费。与已知的涉及过度使用材料的方法相反，聚合物涂层仅仅被涂覆到实际需要保护的导电部件上。这是因为为了提供热电模块的更牢靠的密封(对于特殊的环境)，陶瓷材料必须不具有聚酰亚胺或聚(取代的或未取代的)对二甲苯，原因是对于陶瓷材料和密封剂(硅酮、环氧树脂等)两者来说，材料的粘合需要具有强粘合性的特殊底漆。聚酰亚胺或聚(取代的或未取代的)对二甲苯不能够对于全部密封剂具有相同的强粘合性。在选择增强的密封时，任何额外的涂层减小了可靠性。
用于热电模块保护的阴极电沉积或阳极电沉积方法对于生产用于常规应用和特殊应用的高级保护性涂层是非常重要的。该方法使得提高了密封的可靠性且提供了热电模块的持久运行。

Claims (12)

1.一种热电模块，所述热电模块包含通过切换母线连接到电路中的N型导电性半导体支路和P型导电性半导体支路、以及保护性聚合物涂层，其中，所述保护性聚合物涂层被涂覆到相互连接的支路和母线的全部暴露的表面上，且所述涂层为通过氟橡胶胶乳改性的电沉积的聚合物涂料组合物。
2.根据权利要求1所述的热电模块，其中，所述模块具有利用热传导粘结剂、通过所述保护性聚合物涂层而胶接到所述切换母线的换热板。
3.根据权利要求1或2所述的热电模块，其中，所述保护性聚合物涂层通过阴极电沉积或阳极电沉积由水基聚合物涂料组合物制成，所述水基聚合物涂料组合物具有添加的氟橡胶胶乳且包含具有以下成分的功能单体：按重量计高达70%的氟、按重量计1%至2%的合成醇、按重量计1.5%至3%的聚乙二醇。
4.根据权利要求3所述的热电模块，其中，所述保护性聚合物涂层具有5微米至23微米的厚度以及按重量计1%至25%的含氟量。
5.一种热电模块，所述热电模块包含通过切换母线连接到电路中的N型导电性半导体支路和P型导电性半导体支路、以及保护性聚合物涂层，所述切换母线连接到对应的换热板，其中，所述换热板由非传导材料制成，所述保护性聚合物涂层仅仅被涂覆到相互连接的所述支路和母线上，且通过氟橡胶胶乳改性的电沉积的聚合物涂料组合物被用作所述涂层。
6.根据权利要求5所述的热电模块，其中，所述切换母线的外侧基于DBC技术附接至换热板，或者利用热传导柔性粘结剂胶接。
7.根据权利要求5或6所述的热电模块，其中，所述保护性聚合物涂层通过阴极电沉积或阳极电沉积由水基聚合物涂料组合物制成，所述水基聚合物涂料组合物具有添加的氟橡胶胶乳且包含具有如下成分的功能单体：按重量计高达70%的氟、按重量计1%至2%的合成醇、按重量计1.5%至3%的聚乙二醇。
8.根据权利要求7所述的热电模块，其中，所述保护性聚合物涂层具有5微米至23微米的厚度以及按重量计1%至25%的含氟量。
9.一种热电模块，所述热电模块包含通过切换母线连接到电路中的N型导电性半导体支路和P型导电性半导体支路、换热板以及保护性聚合物涂层，其中，所述换热板中的一个换热板由非传导材料制成且直接连接至所述母线，另一个换热板通过覆盖所述母线和所述支路的所述保护性聚合物涂层连接至所述母线，且通过氟橡胶胶乳改性的电沉积的聚合物涂料组合物被用作所述涂层。
10.根据权利要求9所述的热电模块，其中，所述切换母线基于DBC技术连接至一个换热板，或者利用热传导柔性粘结剂胶接。
11.根据权利要求9或10所述的热电模块，其中，所述保护性聚合物涂层通过阴极电沉积或阳极电沉积由水基聚合物涂料组合物制成，所述水基聚合物涂料组合物具有添加的氟橡胶胶乳且包含具有如下成分的功能单体：按重量计高达70%的氟、按重量计1%至2%的合成醇、按重量计1.5%至3%的聚乙二醇。
12.根据权利要求7所述的热电模块，其中，所述保护性聚合物涂层具有5微米至23微米的厚度以及按重量计1%至25%的含氟量。
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