CN106463601A - 热电装置和热电模块，特别是用于在汽车中产生电流 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热电装置(1)，包括至少两个热电元件(3、4)，称为第一和第二热电元件，所述元件能够在它们的其中两个面之间施加的温度梯度的作用下产生电流，所述两个面称为第一和第二活性面(5、6)，所述装置包括使两个热电元件(3、4)串联地电连接的第一电连接器件(21)，和意图将装置的两个热电元件(3、4)的其中一个与第三热电元件(3、4)串联地电连接的第二电连接器件(22)，第一电连接器件(21)和第二电连接器件(22、42)与第一和第二热电元件(3)连结在一起通过所述第一和第二热电元件的烧结获得。本发明还涉及一种包括多个所述热电装置(1)的热电模块(20)，和用于制造该装置和模块的方法。

Description

热电装置和热电模块，特别是用于在汽车中产生电流

技术领域

本发明涉及一种热电装置和包括这样的装置的热电模块，特别是用于在汽车中产生电流。

背景技术

在汽车板块中，已经提出热电装置，其利用称为热电元件的元件，能够通过称为塞贝克效应(Seebeck effect)的现象在元件的其中两个相对面(称为活性(active)面)之间存在温度梯度的情况下产生电流。这些装置包括第一回路，其意图用于发动机的排气的循环；和第二回路，其意图用于冷却回路的热传递流体的循环。热电元件被设置在第一和第二回路之间，以便经受温度梯度，该温度梯度由热的排气和冷的冷却流体之间的温度差导致。

电模块包括布置在热电元件的活性面上的电迹线(electric track)，以便将电力从一个热电元件的活性面传递到另一热电元件的活性面。电迹线通过钎焊组装在热电元件上。但是，为了将其实现，必须将所有部件加热到高温。但是，当经受高温时，热电元件和电迹线没有以相同方式膨胀，热电元件和电连接器件之间的膨胀差异效果可由此产生组件的失效。

发明内容

本发明意图改善该情况，且为此，涉及一种热电装置，包括至少两个热电元件，称为第一热电元件和第二热电元件，其能够在它们的其中两个面之间施加的温度梯度的作用下产生电流，所述两个面称为第一活性面和第二活性面，所述装置包括使两个热电元件串联地电连接的第一电连接器件，和意图将装置的两个热电元件的其中一个与第三热电元件串联地电连接的第二电连接器件，第一电连接器件和第二电连接器件与第一热电元件和第二热电元件连结在一起通过所述第一热电元件和第二热电元件的烧结获得。

由此，作为本发明的结果，获得一种热电装置，包括通过烧结组装的热电元件和电连接器件，即，没有经受与通过钎焊组装相关的压力。此外，根据本发明的装置具有优势，即能够特别地通过第二电连接器件组装到其他热电元件，和/或通过烧结或通过另一组装方法(特别地通过低温钎焊)组装到另一热电装置，由此导致电连接器件的较少的热膨胀，所述电连接器件意图位于具有温度梯度的冷侧。

根据本发明的能够一起或单独地考虑的不同实施例：

-第一活性面意图执行与具有温度梯度的热源的热交换，第二活性面意图执行与具有温度梯度的冷源的热交换，以便产生电流；

-第一和第二活性面通过至少一个侧面连接在一起，第一电连接器件将第一和第二热电元件的彼此相对设置的所述侧面电连接在一起，且使所述活性面自由；

-所述第一电连接器件将所述侧面的彼此相对定位的两个部分连接在一起；

-第二电连接器件意图将装置的两个热电元件的其中一个的另一侧面电连接至第三热电元件的侧面；

-第一电连接器件位于靠近第一或第二活性面的区域中；

-第一电连接器件覆盖第一和第二热电元件的侧面的第一部分，热电装置包括第一电绝缘元件，其覆盖第一和/或第二热电元件的所述侧面的第二部分。

-将第一电绝缘元件连结至第一和/或第二热电元件通过所述第一和/或第二热电元件的烧结获得；

-第一电绝缘元件和第一电连接器件覆盖第一和/或第二热电元件的整个所述侧面；

-第二电连接器件覆盖所述第一或第二热电元件的所述另一侧面的第一部分，所述热电装置包括第二电绝缘元件，其覆盖所述另一侧面的第二部分；

-第二电连接器件位于靠近第一热电元件或第二热电元件的第一或第二活性面的区域中；

-将第二电绝缘元件连结至第一热电元件和/或第二热电元件通过所述第一和/或第二热电元件的烧结获得；

-第一电连接器件和/或第二电连接器件的厚度(垂直于侧面测量)小于300微米；

-所述第一电连接器件将装置的热电元件的第一活性面电连接在一起，第二电连接器件意图将装置的两个热电元件的其中一个的第二活性面与第三热电元件的第二活性面电连接在一起；

-第一和/或第二热电元件具有环形形状；

-第一电绝缘元件和/或所述第一电连接器件具有环形形状；

-所述第一电连接器件和所述电绝缘元件是同心的；

-所述第一电连接器件跨过所述第一电绝缘元件的外周边部分或内周边部分定位。由此，第一电连接器件布置在与第一热电元件的侧面接触的第一电绝缘元件的第一侧面上，和在与第二热电元件的侧面接触的第一电绝缘元件的第二侧面上；

-第一活性面通过内周边表面限定，第二活性面通过外周边表面限定；

-第一热电元件和第二热电元件被构造为使得，第一热电元件产生的电势差关于温度梯度与第二热电元件产生的电势差相反；

-第一热电元件具有等于Y的热膨胀系数，第二热电元件具有等于X的热膨胀系数，X和Y满足关系|Y-X|/X≤15％；

-第一电连接器件具有等于Z1的热膨胀系数，X、Y和Z1满足关系|Z1-X|/X≤15％且|Z1-Y|/Y≤15％；

-第二电连接器件具有等于Z2的热膨胀系数，X、Y和Z2满足关系|Z2-X|/X≤15％且|Z2-Y|/Y≤15％。第二电连接器件的热膨胀系数例如等于第一电连接器件的热膨胀系数；

-装置被构造为使得，所述第二电连接器件可钎焊到相同装置的电连接器件的其中一个。

本发明还涉及一种热电模块，其包括多个如前所述的热电装置。

根据本发明的一个方面，所述多个热电装置通过钎焊属于两个相邻热电装置的两个第二电连接器件而组装在一起。

根据实施例的一个示例，模块包括焊接接头，用于将所述多个热电装置组装在一起，钎焊接头被构造为以低于300℃的温度钎焊。

本发明还涉及一种用于制造如上所述的热电装置的方法，其中，第一热电元件和第二热电元件烧结在一起，以便将第一电连接器件和第二电连接器件与所述第一和第二热电元件连结在一起。

根据本发明的一个方面，两个热电装置的两个第二电连接器件钎焊在一起。

附图说明

通过仅作为非限制性示例和所附附图一起给出的以下描述将更好地理解本发明，在附图中：

图1是根据本发明的热电装置的分解透视图；

图2示出彼此分开的根据图1的多个装置的分解透视图，以及组装在一起以形成根据本发明的热电模块的根据图1的多个装置的分解透视图；

图3和4示出根据本发明的热电模块的两个变体的轴向截面示意图；

图5和6示出组件的实施例的两个变体的示意透视图，该组件包括电连接器件和根据本发明的装置的电绝缘器件；

图7是根据本发明的不同形式的热电元件的示意截面图。

具体实施方式

如图1所示，本发明涉及一种热电装置1，其包括第一热电元件3和第二热电元件4，能够在它们的其中两个面(称为活性面5、6)之间施加的温度梯度的作用下产生电流。第一活性面5意图执行与冷源的热交换，该冷源例如是冷却回路的热传递流体，第二活性面6意图执行与热源的热交换，该热源具有高于冷源温度的温度，例如是发动机的排气。在此可理解，允许第一热电元件的操作的温度梯度通过冷源和热源产生。

这些热电元件通过塞贝克效应操作，其允许电流在经受温度梯度的所述活性面5、6之间连接的负载中产生。这样的元件例如由硅化镁(Mg2Si)制成。

第一热电元件3例如是第一类型(称为P)，当它们经受给定的温度梯度时，允许沿一个方向(称为正)建立电势差，第二热电元件4特别是第二类型(称为N)，当它们经受相同的温度梯度时，允许沿相反方向(称为负)建立电势差。

第一热电元件3包括第一侧面11和第二侧面12。侧面11和12的每个将第一活性面5连接到第二活性面6。侧面11、12彼此相对定位。

在图中所示的本发明的实施例的示例中，第一热电元件3具有环形形状。第一热电元件3在此通过制成为单件的环形成。但是，其可通过多个部件形成，所述多个部件每个形成环的一个角部分。

在图1至3所示的示例中，其中，冷源在热电元件3中循环，热源在热电元件3外侧循环，第一活性面5通过环的内周边表面限定，第二活性面6通过环的外周边表面限定。另一方面，在图4所示的示例中，冷源在热电元件3的外侧循环，热源在热电元件3内侧循环，第一活性面5通过环的外周边表面限定，第二活性面6通过环的内周边表面限定。

在两个情况下，第一和第二侧面11、12是平的，特别是彼此平行，它们特别地沿垂直于环的中央轴线的平面延伸。换句话说，形成热电元件的环具有矩形的环形横截面。

热电装置1包括第一电连接器件21，其将第一热电元件3串联地电连接到第二热电元件4。

根据本发明的热电装置1还包括第二电连接器件22、42，其意图将第二热电元件4串联地电连接到特别地属于相邻的热电装置1的第三热电元件3、4，其目的是形成根据本发明的电热模块。第二热电元件4特别地具有与第一热电元件3的形状相似的形状。

根据本发明，第一热电元件3、第二热电元件4、第一电连接器件21和第二电连接器件22、42通过烧结组装在一起。由此理解为，烧结意图形成第一和第二热电元件的材料的操作确保第一和第二热电元件与第一和第二电连接器件(就它们本身而言，是预成型的，特别是具有金属迹线的形式)连结在一起。

烧结增加形成热电元件3、4的粉末颗粒之间以及热电元件3、4和电连接器件21、22之间的内聚力，还确保接触电阻减小至最小。

第一电连接器件21在此布置在第一热电元件3的第一侧面11的第一部分上，且将第一热电元件3串联地电连接到第二热电元件4的第二侧面12。第二电连接器件22、42布置在将其第一活性面5连接到其第二活性面6的第一热电元件3的第二侧面12上，或在将其第一活性面5连接到其第二活性面6的第二热电元件4的第一侧面11上。根据本发明的热电装置可还包括两个第二电连接器件，其中一个第二电连接器件22布置在将其第一活性面5连接到其第二活性面6的第一热电元件3的第二侧面12上，其中另一个第二电连接器件42布置在将其第一活性面5连接到其第二活性面6的第二热电元件4的第一侧面11上。

第一和第二电连接器件21、22、42的布置在此使所述第一和第二热电元件3、4的活性面5、6是自由的。在热电元件的侧表面上的该布置由此允许热交换与电交换解耦，且防止电连接器件起到热电元件的活性面之间隔热屏的作用，所述热电元件接收温度梯度，冷源和热源产生该梯度。

有利地，在热电元件3、4是环形的情况下，第一电连接器件21也是环形的。

第一侧面11的第一部分(上面定位有第一连接器件21)是与第二活性面6相邻的部分，即，与热源相邻的部分。

在该情况下，第二电连接器件22、42定位在侧面的第一部分上，在那里，它们与第一活性面6相邻，即，与冷源相邻的部分。

当第一电连接器件21靠近热源定位时，即，在此靠近第一和第二热电元件的第二活性面定位时，通过烧结的组装方法实际上是特别有利的。实际上，通过烧结的组装对热电元件的压力比高温钎焊小，并且还抵抗热源的非常高的温度，特别是热源包括排气的情况下，钎焊接头的情况则不总是如此。本发明由此能够限制组件由于热源的高操作温度而失效的风险。

根据本发明的热电装置1可与其他类似的装置1组装，以形成热电模块20，如图2至4所示，从而电流可在相邻的热电装置1之间和在相邻的热电元件3、4之间串联地循环。

靠近第二活性面6的第一电连接器件21和靠近第一活性面5的第二电连接器件22的交替布置允许电流沿如图3和4所示的箭头26方向在不同类型的两个相邻热电元件之间串联地循环。

这由此产生热电模块20，其中，所述热电元件3、4例如沿彼此的纵向延伸方向布置，特别地同轴布置，且P类型的热电元件与N类型的热电元件沿平行于模块的纵向轴线的方向交替布置。特别地，它们具有相同的形状和尺寸。但是，它们可具有厚度，即，它们的侧面(在此设置为平的)之间的尺寸，一个类型的所述厚度与另一类型的不同，特别地取决于它们的导电性。

两个热电装置1的组装有利地通过每个装置的两个电连接器件22、42执行，如图3和4所示。

如上所见，其上定位有第二电连接器件22的部分远离热源，且因此没有经受非常高的温度。两个相邻的热电装置1通过两个电连接器件22的组装可因此通过钎焊方法执行，该钎焊方法以低温进行，即，在低于300℃的温度。钎焊特别地借助钎焊接头25在热电装置1的第二电连接器件22、42和相邻热电装置1的第二电连接器件22、42之间执行。钎焊接头被构造为允许以低于300℃的温度钎焊。通过该冷钎焊方法，可以使电连接器件21、22和热电元件3、4避免经受非常高的温度，该非常高的温度以热钎焊达到，且将导致明显热膨胀，然后是收缩，这特别地导致电连接器件21、22和热电元件3、4之间的机械链接部的弱化。该组装方法更加有趣，因为其使用比需要使用大量能量的高温钎焊方法更少的能量。

本发明由此能够使用烧结方法，用于第一电连接器件和第二电连接器件与热电元件的组装，然后是冷钎焊，用于第二电连接器件与另一第二电连接器件的组装，避免使用热钎焊方法。

在图3所示的实施例的示例中，冷流体在热电元件3、4内循环，如箭头100所指示的，而热流体在热电元件的外侧上循环，如箭头110所指示的。第一电连接器件21因此在此位于侧面11、12(第一电连接器件定位在其上)的外周边区的区域中。第二电连接器件22位于侧面11、12(第二电连接器件定位在其上)的内周边区的区域中。

相反，在图4所示的实施例的示例中，冷流体在热电元件3、4的外侧上循环，如箭头100所指示的，热流体在热电元件3、4内循环，如箭头110所指示的。第一电连接器件21因此在此位于侧面11、12(第一电连接器件定位在其上)的内周边区的区域中。第二电连接器件22位于侧面11、12(第二电连接器件定位在其上)的外周边区的区域中。

为了流体的循环，根据本发明的模块可包括用于流体在所述热电元件3、4内循环的管道7。所述液体循环管道7(一个或多个)例如具有圆形横截面。

根据本发明的热电装置1可包括覆盖侧面的第二部分的第一电绝缘元件31，第一电连接器件21定位在该侧面上。有利地，第一电绝缘元件31和第一电连接器件21覆盖第一热电元件21的整个所述第一侧面，特别地是同心地。

第一电绝缘元件31通过烧结组装在第一热电元件3上。其还可在热电装置1的组装期间通过烧结而组装在第二热电元件4上。

如图5和6所示，当第一电绝缘元件31具有环形形状，所述第一电连接器件21可跨过第一电绝缘元件31的外周边部分35或内周边部分36定位，以便布置在第一电绝缘元件31的第一侧面33上以及在第一电绝缘元件31的第二侧面34上，所述第一侧面33与第一热电元件接触，所述第二侧面34意图与第二热电元件的第二侧面接触。为了该目的，第一电连接器件21具有U形横截面。

如图1可见，根据本发明的热电装置1还包括覆盖侧面的第二部分的第二电绝缘元件32，第二电连接器件定位在该侧面上。第二连接器件22组装在第一热电元件或第二电元件上，特别地通过烧结。

以与第一电连接器件21和第一电绝缘元件31相同的方式，第二电连接器件22和第二电绝缘元件32有利地覆盖上面定位(特别是同心地)有它们的整个侧面。

以与第一电连接器件21相同的方式，所述第二电连接器件22可跨过第二电绝缘元件32的外周边部分35或内周边部分36定位，以便布置在第二电绝缘元件32的第一侧面33上以及在第二电绝缘元件32的第二侧面34上，所述第一侧面33与第一或第二热电元件接触，所述第二侧面34意图在低温钎焊之后与相邻热电装置1的第二热电元件的侧面接触。为了该目的，第二电连接器件22具有U形横截面。

可注意到，当热电装置1的第一电连接器件21定位在第一电绝缘元件31的外周边上时，同一热电装置1的第二电连接器件22定位在属于同一热电装置1的第二电绝缘元件31的内周边上，且反之亦然。

图7示出本发明的不同实施例，其中，热电元件3、4的外几何形式和/或内几何形式改变，以便以最佳可行方式适应热电模块的几何约束，同时确保热电模块的良好效率。

所述热电元件的外和/或内形式将例如是圆形的、四边形的、椭圆形的或这些不同形式的组合。

有利地，第一热电元件3具有等于Y的热膨胀系数，第二热电元件4具有等于X的热膨胀系数，X和Y满足关系|Y-X|/X≤15％。此外，第一电连接器件21和第二电连接器件22可具有等于Z1和Z2的热膨胀系数，X、Y、Z1、Z2满足关系|Z1-X|/X≤15％且|Z1-Y|/Y≤15％且|Z2-X|/X≤15％且|Z2-Y|/Y≤15％。一方面在第一热电元件3和第二热电元件4之间的热膨胀系数以及另一方面在热连接器件21、22和热电元件3、4之间的小的热膨胀系数差使得，这些元件的烧结在一起可被改善，特别是改善装置1一旦组装后的机械强度。

第一电连接器件21和第二电连接器件22特别是由相同材料制成。以相同的方式，第一和第二电绝缘元件特别地由相同材料制成。

本发明还涉及一实施例，虽然其没有被示出，其中，第一电连接器件21将装置1的热电元件3、4的第一活性面5电连接在一起，第二电连接器件22意图将装置的两个热电元件的其中一个的第二活性面6与另一热电元件的第二活性面6电连接在一起。

Claims (19)

1.一种热电装置(1)，包括至少两个热电元件(3、4)，称为第一热电元件和第二热电元件，其能够由于在它们的两个面之间施加的温度梯度的作用而产生电流，所述两个面称为第一活性面(5)和第二活性面(6)，所述装置包括第一电连接器件(21)，其将两个热电元件(3、4)串联地电连接，和第二电连接器件(22、42)，其意图将装置的两个热电元件(3、4)的其中一个与第三热电元件(3、4)串联地电连接，第一电连接器件(21)和第二电连接器件(22、42)与第一热电元件(3)和第二热电元件(4)连结在一起通过烧结所述第一热电元件和第二热电元件而获得。

2.如权利要求1所述的热电装置(1)，其中，

-所述第一活性面(5)意图执行与具有温度梯度的热源(110)的热交换，所述第二活性面(6)意图执行与具有温度梯度的冷源(110)的热交换，以便产生电流；

-所述第一活性面(5)和所述第二活性面(6)通过至少一个侧面(11、12)连接在一起，所述第一电连接器件(21)将所述第一热电元件(3)和所述第二热电元件(4)的彼此相对设置的所述侧面电连接在一起，且使所述活性面(5、6)自由。

3.如权利要求2所述的热电装置(1)，其中，所述第二电连接器件(22)意图将装置的所述两个热电元件(3、4)的其中一个的另一侧面(11、12)电连接至第三热电元件(3、4)的侧面(11、12)。

4.如权利要求2或3中的任一项所述的热电装置(1)，其中，所述第一电连接器件(21)位于靠近所述第一活性面(5)或所述第二活性面(6)的区域中。

5.如权利要求2至4中的任一项所述的热电装置(1)，其中，所述第一电连接器件(21)覆盖所述第一和第二热电元件(3、4)的所述侧面(11、12)的第一部分，热电装置(1)包括第一电绝缘元件(31)，其覆盖所述第一热电元件(3)和/或所述第二热电元件(4)的所述侧面(11、12)的第二部分。

6.如权利要求5所述的热电装置(1)，其中，将所述第一电绝缘元件(31)连结至所述第一热电元件(3)和/或所述第二热电元件(4)通过所述第一和/或第二热电元件的烧结获得。

7.如权利要求5或6中的任一项所述的热电装置(1)，其中，所述第一电绝缘元件(31)和所述第一电连接器件(21)覆盖所述第一和/或第二热电元件(3、4)的整个所述侧面(11、12)。

8.如权利要求5至7中的任一项所述的热电装置(1)，其中，所述第一电连接器件(21)跨过所述第一电绝缘元件(31)的外周边部分或内周边部分定位。

9.如权利要求3至8中的任一项所述的热电装置(1)，其中，所述第二电连接器件覆盖所述第一或第二热电元件的所述另一侧面的第一部分，所述热电装置包括第二电绝缘元件(32)，其覆盖所述另一侧面(11、12)的第二部分。

10.如权利要求9所述的热电装置(1)，其中，所述第二电连接器件(22)位于靠近所述第一热电元件(3)或所述第二热电元件(4)的所述第一或第二活性面(5、6)的区域中。

11.如权利要求9或10中的任一项所述的热电装置(1)，其中，将所述第二电绝缘元件(32)连结至所述第一热电元件(3)和/或所述第二热电元件(4)是通过所述第一和/或第二热电元件的烧结而获得。

12.如权利要求2至11中的任一项所述的热电装置(1)，其中，所述第一电连接器件(21)和/或所述第二电连接器件(22)的垂直于所述侧面测量的厚度小于300微米。

13.如前述权利要求中的任一项所述的热电装置(1)，其中，所述第一和/或第二热电元件(3、4)具有环形形状。

14.如权利要求13所述的热电装置(1)，其中，所述第一活性面(5)通过内周边表面限定，所述第二活性面(6)通过外周边表面限定。

15.如前述权利要求中的任一项所述的热电装置(1)，其中，所述装置(1)被构造为使得，所述第二电连接器件(22、42)可钎焊到相同装置的电连接器件的其中一个。

16.一种热电模块(20)，包括多个如前述权利要求中的任一项所述的热电装置(1)。

17.如权利要求16所述的热电模块(20)，其中，所述多个热电装置(1)通过钎焊属于两个相邻热电装置(1)的两个第二电连接器件(22)而组装在一起。

18.一种用于制造如权利要求1至15中的任一项所述的热电装置的方法，其中，所述第一热电元件(3)和所述第二热电元件(4)烧结在一起，以便将第一电连接器件和第二电连接器件与所述第一和第二热电元件连结在一起。

19.如权利要求18所述的用于制造热电模块的方法，其中：

-如权利要求1至17的任一项所述的两个热电装置(1)的所述两个第二电连接器件钎焊到一起。