CN107004753A - 热电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种热电装置(1)，特别是用于热电发电机的热电装置，包括由热电作用材料制成的至少两个热电元件(2，2a，2b，2c)，将热电元件(2，2a，2b，2c，2d)电连接的至少一个导体路径元件(4，4ab，4ac)，由金属制成的特别的适配层(7，8)布置在每个热电元件(2，2a，2b，2c)上，并且夹在各个热电元件(2，2a，2b，2c)与导体路径元件(4，4ab，4ac)之间。
Description
技术领域
本发明涉及一种热电装置以及具有这样的热电装置的热电发电机。本发明还涉及一种具有这样的热电发电机的机动车以及生产热电装置的方法。
本发明涉及一种热电装置，特别是热电发电机或热泵，并且涉及具有这样的热电装置的机动车。
背景技术
术语“热电”被理解为意味着温度与电的相互影响以及它们的相互转换。热电材料作为热电发电机利用该影响以从废热产生电能，但是当使用电能而将热从处于较低温度的温度储存罐传递至处于较高温度的温度储存罐时，它们也被以“热泵”的形式使用。
在具有内燃机的机动车中，热电发电机能够将在燃烧过程期间产生的排气中的废热的一部分转化为电能并且将其供应到机动车的车载电系统中。已经被转化为电能的该废热可以因此被用于将机动车的能量消耗降低至功能上所需要的最小量，由此避免诸如CO2的排气的不需要的排放。因此，车辆结构中的热电装置的可能应用的区域是非常多种多样的。在每个可能的应用方案中，非常重要的是当尽可能有效地将热转化为电能或反之将电能转化为热时实现效率的高水平。它们在机动车中的使用也使额外的以紧凑形式生产热电装置的需要成为必然。
装配在车辆中的热电装置因此经常生产为面板或层结构，其中热电作用元件布置在导热外壳内。这使得外壳能够在一侧(“冷侧”)热连接至低温储存罐，而在另一侧(“热侧”)连接至处于较高温度的温度储存罐，以便热电元件由于两侧之间的温度梯度而产生热电电压，并且该电压能够经由合适的电连接传导至能够使用其的外部。热侧和冷侧之间的温差越大，由装置产生的热电电压越大。
热电装置通常包括由热电作用的材料制成的多个热电元件，其通过合适的电导体路径以串联电路方式彼此连接。在该背景下，这样的电导体路径部分地连接两个相邻的热电元件。
关于这样的导体路径，难点通常与将它们牢固地固定至热电元件而没有在热电元件与导体路径之间的过渡区域中创建的不期望的高电阻有关，所述电阻使由热电元件产生的电能在其到达外部之间消散。还存在如下风险：热电装置的热侧区域中的热电作用材料可能散布到导体路径的材料以及结合材料中，或者反之亦然，其结果是热电元件的塞贝克(Seebeck)系数可能被相当显著地降低。
针对该背景，DE102012208295A1描述了具有安装在外壳元件上的热电元件的热电模块。通过压缩接合材料而形成的接合缝区域设置在两个元件之间。散布屏障可以设置在热电元件上以防止结合材料不期望地渗透热电元件的热电作用材料。
文献WO2011/159804A2公开了一种具有由方钴矿制成的热电作用元件的热电装置。装置包括夹在热电作用元件与设置为确保电连接和作用的金属层之间的层作为散布屏障。在一个变型中，金属层也可以设置在散布屏障与热电元件之间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热电装置的改进的实施例，其中上述问题被消除。
该目的通过独立权利要求的主题解决。优选的实施例为各个从属权利要求的主题。
因此，本发明的基本构思为以如下特别的方式使热电装置的热电作用元件(在下文中，这些将被更简地称为“热电元件”)金属化：也就是说，装配有至少一个设置在相应的热电元件的一个表面上的由金属制成的适配层。因此，导电轨道能够应用于适配层，所述适配层以用于将两个相邻的热电元件电连接的电串联连接的方式起作用。设置这样的金属适配层有利于热电元件上的导电轨道(下文中称为导体路径元件)之间的可靠的机械结合。而且，这样的金属层还具有有益的散布屏障的特性。最后，通过本文描述的适配层的辅助，能够获得热电元件与导体路径元件之间的过渡区域中的低电阻，这有益于整个装置的热电特性。
所述过渡区域中的特别低的电阻可以通过挑选具有最低的可能的电阻的材料用作适配层的金属而实现。实验性的测试已经示出，当适配层的金属具有小于0.9Ωcm的电阻率，优选小于0.2Ωcm，最优选地小于0.03Ωcm时，热电装置的热电特性仅仅被稍微地限制，或者根本不被限制。
如果使用具有少量合金成分或者不具有合金成分的金属，则能够实现这样的低电阻率。如果通过合适的材料选择能够确保适配层的金属具有小于10％，优选小于5％，最优选的是小于2％的重量的合金含量，则针对所需的高导电率的目的实现了特别好的结果。
用作金属适配层的特别合适的候选材料包括银和铜，因为这些材料具有只有0.016Ωcm或0.017Ωcm的电阻率。银的使用通常关系到比铜高很多的采购成本。另一方面，银已经被证明比铜更抗氧化。因此导体路径元件能够被应用至银而不使用焊剂。
如果适配层由银层或铜层组成，也就是说，在这样的方案中，除了(以数量可以忽略的外来原子的形式的杂质外)银或铜以外没有物质包含在适配层中，则是特别有利的。
为了提供具有良好的结合特性的适配层，建议使用喷洒方法来将适配层应用至相关的每个热电元件。如果热电元件具有喷洒涂层能够“键入”的粗糙度，则是有益的。这样的粗糙度可以通过诸如喷砂、研磨、侵蚀等的通常的方法创建。这样的所喷洒的适配层的必要的特征是通过喷洒加工实现的粗糙度。将电导体路径结合至热电元件的结合材料也可以在具有这样的粗糙度的适配层上“键入”以得到良好的机械结果。
如果新的层由至少两个层构成，起初由诸如铜、镍、铁或钛的便宜的材料喷洒的层，从而确保适配层的粗糙度，并且至少银或铜的第二薄层，则在适配层的生产中能够实现明显的成本优势。该第二层不通过喷洒来应用，而是通过PVD加工或通过电镀，特别是通过刷镀来应用。第二薄膜的层厚应当优选地小于10μm。导体路径元件可以随后应用至包括银的第二薄、并因此低成本的层而不使用熔化。
锑(Sb)已经证明是特别适于热电元件的热电作用材料的材料系统的部件，并且特征在于特别显著的热电活性。
本发明还涉及一种热电发电机，特别是用于机动车的热电发电机，其具有至少一个具有一个或更多上述特性的热电装置。
本发明还涉及具有至少一个供电单元(特别是可充电电池)和上述的热电发电机的机动车。
最后，本发明涉及一种用于生产热电装置(特别是具有一个或更多在前文中讨论的特征的热电装置)的方法。本发明包括：第一步骤a)，根据所述第一步骤设置有(特别是相邻但彼此具有距离)至少两个热电作用材料的热电元件。本文呈现的方法因此清楚地包括具有多于两个热电元件的装置。
在第二步骤b)中，由金属层制成的适配层被应用至每个热电元件。通常，这样的适配层可以被应用至每个热电元件的两个不同的侧，优选两个相对侧，使得两侧可以被用于与相邻的热电元件的电连接。这能够通过使用本领域技术人员熟悉的接合加工，诸如软焊加工或烧结加工而完成，例如，在后者的情况下特别是通过银烧结或火花等离子体烧结。
为此目的，在方法的进一步的步骤c)中，每个导体路径元件以其在相邻布置的热电元件之间创建电连接的方式被应用至适配层。
对于多个热电元件彼此相邻布置的标准实践情况，给出的热电元件可以经由应用至第一适配层的第一导体桥而连接至在延伸方向上与其相邻的第一热电元件。相同的热电元件随后以类似的方式经由应用至与第一适配层相对的第二适配层的第二导体桥而连接至在背向延伸方向上与其相邻的第二热电元件。这使得能够实现理论上任何数量的热电元件的空间节省的“链状”布置。
如果适配层根据步骤b)通过喷洒方法，特别是通过电弧熔射喷洒或冷气喷洒被应用，则能够获得热电装置的生产中的成本优势，同时也不牺牲适配层在热电元件上的粘合强度和/或接合材料在适配层上的粘合强度。在第二方法中，金属涂层粉末只需要被加热至仅100℃，使得由于涂层粉末与待涂覆的表面之间的温差而在加热加工之后的冷却加工中引起的机械应力在全部情况下太小而不明显。
如果在步骤a)之后补充有步骤a1)，则获得待涂覆的热电元件的表面的特别良好的粘合特性：
a1)通过吹气加工，特别是喷砂加工，或者通过在调整为期望的目标粗糙度的研磨介质上研磨而使热电材料的表面粗糙。
本发明的进一步的重要特征和益处将从从属权利要求，从附图且从参照附图的相关描述明白易懂。
当然，在不脱离本发明的范围的情况下，上述特征和那些留待在下文中说明的特征不仅能够在指出的具体结合中使用，而且能够在其他结合中使用或单独使用。
附图说明
本发明的优选实施例图示在附图中并且将在后面的描述中更加详细地说明，其中相同的附图标记指代相同或相似或功能上等同的部件。
单独的图1示出了例如用于热电发电机的热电装置1。该热电装置1具有相邻且彼此有距离地沿着延伸方向R布置的多个热电元件2。在图1的示例方案中，为了清楚起见，只示出了相邻且彼此有距离的三个这样的元件2a、2b、2c，其中的每个以替代的方式具有本领域技术人员熟悉的热电p材料和n材料，例如包含锑(Sb)。
具体实施方式
热电装置1可以装配有由金属制成的外壳3。在图1中，外壳3只部分地且示意性地以两个相对的外壳壁3a，3b的形式示出，所述两个相对的外壳壁3a，3b热联接至发电机的热侧H和冷侧K。在图1的示例中，电绝缘层9a，9b设置在热电元件2和两个相对的外壳壁3a，3b的每个之间，以使热电元件2与金属外壳3电绝缘。电绝缘层9a，9b例如可以由陶瓷或者一些其他合适的具有高导热性的电绝缘材料制成。
每个热电元件2具有沿着横向于延伸方向R延伸的横向方向Q延伸的第一侧5，以及相对于第一侧定位的第二侧6。每个热电元件2也经由至少一个导体路径元件4连接至相邻的热电元件2。导体路径元件4可以由具有最低可能的电阻率的金属生产。针对此而考虑的金属特别包括铜、镍或者铁。
在给出的图1中的热电元件2的情况下，相对于延伸方向R布置在中间的元件2a具有沿着和逆着延伸方向R的相邻元件2b和2c，布置在热电元件2的第一侧5上的第一导体路径元件4ab用于在给出的热电元件2a和其在延伸方向R上的相邻元件2b之间创建电连接。进一步的布置在热电元件2的第二侧6上的第二导体路径元件4ac以相似的方式用于在元件2a和其相邻元件2c之间创建电连接。因此，各个热电元件2a，2b，2c通过导体路径元件4ab，4ac的辅助以串联电路的方式彼此电连接。如图1所示，第一导体路径元件4ab将两个热电元件2a，2b的两个第一侧5连接，第二导体路径元件4ac将两个热电元件2a，2c的两个第二侧6连接。
由金属制成的一个适配层7，8设置在热电元件2a，2b，2c的第一侧5和第二侧6上，其夹在各个热电元件2a，2b，2c与各个导电路径元件4ab，4ac之间。在图1的示例中，适配层的金属为银或铜，或者包括银或铜。前者具有0.016Ωcm的电阻率，后者具有0.017Ωcm的电阻率。但是银已经证明为特别抗氧化。而且，电导体元件4，4ab，4ac可以有益地不使用熔融、鼓起而应用至银。如果适配层由纯银层或纯铜层组成则是特别有利的。然后除了以数量可以忽略的外来原子形式的杂质外-除了银或铜以外没有物质包含在适配层中。然而，在示例的变形例中，具有小于0.9Ωcm，优选小于0.2Ωcm，最优选地小于0.03Ωcm的电阻率的其他金属是可能的。可以实现这样的电阻值，例如如果使用具有非常低的合金含量或者甚至没有合金含量的金属。可想到的是合金含量小于大约10％重量，优选小于5％重量，最优选小于2％重量。
为了将适配层7，8应用至具有良好的粘合特性的热电元件2，2a，2b，2c，推荐使用喷洒加工，例如电弧熔射喷洒或冷喷洒。在冷喷洒中，金属涂层粉末只需要被加热至仅100℃，使得由涂层粉末与要在加热加工之后的冷却加工中被涂覆的表面之间的温差引起的机械应力是微不足道的。
在应用适配层7，8之前，热电元件2，2a，2b，2c的各个第一和第二侧5，6可以通过例如喷砂方法或者研磨方法的吹风方法变得粗糙。
在随后的步骤中应用的接合材料可以机械性能良好地键入喷洒的以及变粗糙的适配层7，8。当然，不是全部的适配层7，8都必须由银组成，而是期望的适配层7，8的粗糙度整体通过比银便宜的金属(诸如，具有低电阻率的镍，铜，铁或钛)的第一喷洒层实现，随后例如通过PVD，电镀或刷镀将由银或甚至是铜制成的第二薄层应用至第一喷洒层。
Claims (15)
1.一种热电装置(1)，特别是用于热电发电机的热电装置，
-具有至少两个热电元件(2，2a，2b，2c)，其由热电作用材料生产，
-具有至少一个导体路径元件(4，4ab，4ac)，其将所述热电元件(2，2a，2b，2c)电连接，
-具有适配层(7，8)，其由金属制成并布置在各个热电元件(2，2a，2b，2c)上且夹在各个热电元件(2，2a，2b，2c)与导体路径元件(4，4ab，4ac)之间。
2.根据权利要求1所述的热电装置，
其特征在于，
所述适配层(7，8)的金属具有小于0.9Ωcm，优选小于0.2Ωcm，最优选地小于0.03Ωcm的电阻率。
3.根据权利要求1或2所述的热电装置，
其特征在于，
所述适配层(7，8)的金属具有小于10％重量，优选小于5％重量，最优选小于2％重量的合金含量。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的热电装置，
其特征在于，
所述适配层(7，8)的金属包括银或铜。
5.根据前面权利要求中的任一项所述的热电装置，
其特征在于，
所述适配层(7，8)由银层或铜层组成。
6.根据前面权利要求中的任一项所述的热电装置，
其特征在于，
所述适配层(7，8)包括至少两个层，所述至少两个层中的至少一个通过热喷洒而被应用至各个热电元件(2，2a，2b，2c)。
7.根据权利要求6所述的热电装置，
其特征在于，
所述适配层(7，8)的第一层包括具有低电阻率的金属材料，特别是铜、镍、铁或钛，并且通过其而应用热喷洒加工。
8.根据权利要求6或7所述的热电装置，
其特征在于，
-所述适配层(7，8)的第二层包括铜或银，
-具有小于10μm的层厚，
-通过物理气相沉积(PVD)或通过电镀加工而应用至所述第一层。
9.根据前面权利要求中的任一项所述的热电装置，
其特征在于，
所述适配层(7，8)被喷洒到所述至少两个热电元件(2，2a，2b，2c)上。
10.根据前面权利要求中的任一项所述的热电装置，
其特征在于，
所述热电作用材料包括锑(Sb)。
11.一种热电发电机，特别是用于机动车的热电发电机，具有至少一个根据前面权利要求中的任一项所述的热电装置(1)。
12.一种机动车，其具有至少一个供能单元，特别是可充电电池，以及根据权利要求11的热电发电机。
13.一种用于制造热电装置(1)，特别是根据权利要求1至10中的任一项所述的热电装置的方法，包括以下步骤：
a)由热电作用材料设置至少两个热电元件(2，2a，2b，2c)，
b)将由金属制成的适配层(7，8)应用至所述两个热电元件(2，2a，2b，2c)，
c)将电导体路径(4，4ab，4ac)以其将热电元件(2，2a，2b，2c)彼此电连接的方式应用至所述适配层(7，8)。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，通过喷洒加工，特别是通过电弧熔射喷洒或冷气喷洒实施根据步骤b)的应用。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，所述方法在步骤a)之后包括以下步骤a1)
a1)通过吹气加工，特别是喷砂加工，或者通过研磨加工或者侵蚀加工而使热电作用材料(2，2a，2b，2c)的表面粗糙。
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