CN108539003A - 用于制造热电模块的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于制造热电模块(1)的方法，包括以下步骤：a)布置多个热电元件(10)，所述多个热电元件(10)彼此具有距离地布置，并且通过导体桥(2；2a；2b)在热侧基底(3)与冷侧基底(4)之间彼此电连接，b)在至少一个导体桥(2；2a；2b)，优选地在多个导体桥(2；2a；2b)与所述热侧和/或冷侧基底(3，4)之间设置多层反应的接合装置(7)，c)通过物质对物质的粘接将至少一个导体桥(2；2a；2b)分别与所述热侧或冷侧基底(3，4)接合，所述物质对物质的粘接通过至少部分地使用响应于多层接合装置(7)中的放热化学反应的激发而释放的能量而实现，以如下的方式选择设置在步骤b)中的反应的接合装置(7)：放热反应之后，其在所述导体桥(2；2a；2b)与所述热侧或冷侧基底(3，4)之间分别形成电绝缘的绝缘层(18)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于制造热电模块的方法以及热电模块，所述热电模块优选通过该方法制造。
背景技术
热电元件由热电半导体材料组成，所述热电元件将温度差转化为电位差，因此转化为电压，反之亦然。以这种方式热流能够被转化为电流，并且反之亦然。当热电模块将电能转化至热时，它们基于帕尔贴效应，而当它们将热转化为电能时，基于塞贝克效应(Seebeck effect)。在热电模块内部，p掺杂和n掺杂的热电元件通过通常由金属制成的电导体桥而彼此连接。多个这样的热电模块通常相互连接以形成热电发电器，所述热电发电器依靠电源能够用于冷却或加热，或者能够由与对应的热流相关的温度差产生电流。
例如，这样的热电模块或热电发电器分别能够用在内燃机中，特别是用在车辆中，从而重新获得废热，例如将包含在废气中的废热转化为电能。期望在热电元件与基底之间的热电模块内部获得如下的温度：所述温度结合尽可能有效的热传递的要求而在大的温度范围内变化，然而同时在该位置需要出现电绝缘，在这样的应用中这是有问题的。原则上，具有出色的导热性的材料具有差的电绝缘。原则上，具有出色的热隔离的材料具有差的导电性。
从WO2012/120060A2已知一种用于热电模块的制造方法，其中为了实现模块的热侧和冷侧而设置有两个罩板，所述两个罩板通过热喷洒而涂覆有薄的陶瓷层，用于抵抗热电元件的电模拟。
在传统的用于热电模块的制造方法中，其由此不利的是，金属的罩板需要实现为较厚的，从而当冷却绝缘层时使机械应力保持得低，或者完全避免机械应力。另外，由应用电导体桥的技术方案而成为较广阔的，所述电导体桥将热电元件彼此连接到这样的电绝缘层上。特别地，导体桥与金属罩板之间的电短路的危险是明显的。
发明内容
对于上述类型的热电模块，本发明解决提出改进的制造方法的问题，所述制造方法特别是能够以简单的方式实施，并且所述方法因此是花费有效的。
根据本发明，该问题通过独立权利要求的主题解决。有益的实施例为从属权利要求的主题。
因此本发明的基本构思为针对热电模块的制造使用合适的多层、反应的接合装置。根据本发明，反应的接合装置用于在电导体桥与两个基底之间建立物质对物质的粘接的目的，所述两个基底分别形成模块的热侧或冷侧，在下文中分别确定为“热侧或冷侧基底”。这通过反应的接合装置中的化学反应的外部激发而进行，使得响应于反应而释放的能量能够用于形成所述的物质对物质的粘接。
对于本发明重要的是以如下的方式选择反应的接合装置：在放热反应之后，其分别在导体桥与热侧或冷侧基底之间形成电绝缘的绝缘层。电绝缘层因此使各个基底与电导体桥绝缘。一方面，接合装置因此用于通过电导体桥与两个基底之间的物质对物质的粘接而建立永久的紧密连接。另一方面，在已经接合之后，接合装置还用作导体桥与分别形成热侧或冷侧的两个金属基底之间的电绝缘。一方面，分开的电绝缘层的设置，例如以非导电薄膜或其他合适的非导电形式设置，这种方式成为不必要的。另一方面，能够按照计划地以金属的方式形成两个基底，使得它们具有非常高的导热率。
结果，热电模块的热传递特性因此能够被明显地改进。同时，从技术方面根据本发明的方法能够相对容易地实施，因为，除了两个接合配合件之外，因此除了导体桥和基底之外，只需要设置对本发明重要的接合装置。结果，以非常简单的结构建立并且能够因此以花费有效的方式制造的热电模块能够因此通过使用根据本发明的方法而制造，所述方法呈现在本文中，并且具有出色的热传递特性以及因此的高效率。
在根据本发明的用于制造热电模块的方法的情况下，在步骤a)中设置彼此以一定距离布置，并且通过电导体桥而彼此连接的多个热电元件。根据步骤a)，包括导体桥的热电元件布置在热侧金属基底与冷侧金属基底之间。在步骤b)中，在至少一个导体桥与热侧或冷侧基底之间，特别是在多个导体桥与热侧或冷侧基底之间分别设置或布置多层反应的接合装置。在步骤c)中，在该接合装置中激发放热化学反应，并且由此释放的能量被用于通过物质对物质的粘接而将至少一个导体桥分别连接至热侧或冷侧基底。根据本发明，由此以如下的方式选择设置在步骤b)中的反应的接合装置：在根据步骤c)的放热反应之后，其在导体桥与热侧或冷侧基底之间分别形成电绝缘的绝缘层。
电绝缘的绝缘层优选地至少部分地包括多层的接合装置的成分。
根据优选的实施例，步骤c)中的激发通过反应的接合装置上的优选的局部通电进行，优选地通过电学、光学或热通电，或通过提到的加压类型中的至少两种的结合进行。
在有益的进一步的发展中，在步骤c)中产生的物质对物质的粘接通过反应产物而形成，所述反应产物通过放热化学反应而从接合装置产生。相比于传统的方法，这明显地简化了根据本发明的制造方法的性能。
有益地，电学通电能够通过向反应的接合装置供给电点火脉冲而进行。在同样有益的方式中，能够通过将激光束引导至反应的接合装置而进行光学通电。在热通电的情况下，后者能够通过将火焰或火花供给到反应的接合装置而以特别有益的方式进行。全部上述的变型能够以在技术上简单的方式实现，并且因此在热电模块的制造成本方面具有有益的效果。
在有益的进一步的发展中，接合装置在每种情况下包括至少一个，优选地在每种情况下包括多个第一和第二单个层，其交替地布置在彼此的顶部。替代地，接合装置还能够由多个第一和第二单个层组成，其交替地布置在彼此的顶部。在该进一步的发展的两个变型中，第一单个层实现为碳化物或硼化物或氮化物或氧化物，并且包括以下元素中的至少一种：铜(Cu)、铁(Fe)或镍(Ni)。在该进一步的发展中，第二单个层包括以下元素中的至少一种：铬(Cr)、钛(Ti)、铝(Al)、硅(Si)。
有益地，在步骤b)中，接合装置能够分别应用至至少一个导体桥和/或热侧或冷侧基底。
在有益的进一步的发展中，在步骤b)中，接合装置实现为多层薄膜，其分别布置在至少一个导体桥与热侧或冷侧基底之间(优选地以类似三明治的方式)。
在有益的进一步的发展中能够进一步简化整个接合过程，根据该发展，在接合至少一个导体桥和冷侧基底之前，将优选地包含锡(Sn)或由锡(Sn)组成的焊剂应用至薄膜。通过使用这样的焊剂支持了物质对物质的粘接的特别均匀的实施例。
在根据步骤c)的接合之前，在步骤b)中设置的接合装置(特别有益地为多层薄膜)，特别是关于其层厚和其材料成分方面以如下的方式实现：在根据步骤c)的接合过程之后，其具有具体的多于5×10-3Ohm×m的电阻ρ，优选地多于5×10-2Ohm×m。以这种方式确保了在外部反应后由接合装置产生的反应产物具有期望的电绝缘特性。分开的电绝缘的设置因此也能够是预知的。
在进一步优选的实施例中，冷侧基底能够包括铜(Cu)和/或铝(Al)，或者能够由铜(Cu)或铝(Al)组成。替代地或另外地，在该实施例中，热侧基底能够包括铁素体(Fe)基材料，或者能够由这样的铁素体(Fe)基材料组成。
在步骤a)中设置的两个基底中的至少一个优选地实现为包括最大1.0mm，优选最大0.5mm，非常优选地最大0.3mm的板厚的基板。特别优选地，热侧基底以及冷侧基底以这种方式实现。
本发明还涉及一种热电模块，特别是热电发电器或热电热泵，其通过上述根据本发明的方法制造。所述方法的上述益处因此也能够转移至根据本发明的热电模块。
本发明还涉及一种热电模块，特别是热电发电器或热电热泵。模块包括多个热电元件，其彼此间隔开地布置在模块的热侧与模块的冷侧之间。模块包括用于将热电元件相互电连接的多个导体桥。模块还包括形成热侧的热侧基底，以及形成冷侧的冷侧基底。导体桥通过由接合装置进行的物质对物质的粘接而分别接合至热侧或冷侧基底，在所述接合装置中激发放热反应。在放热反应的激发之后，接合装置形成电绝缘层，其使各个基底与电导体桥电绝缘。根据本发明的热电模块能够优选地通过上述根据本发明的方法制造。所述方法的上述益处在该情况下能够转移至热电模块。
热电模块能够具有外壳，所述外壳包括气密的内部，其中布置有热电元件。内部的热电元件因此免于有害的环境影响，例如免于污染和潮湿。内部能够被抽空或者能够被填充保护气体。替代地，原则上热侧基底能够是用于引导加热流体的加热通道的壁的一部分，其中能够另外地或替代地做出冷侧基底为用于引导冷却流体的冷却通道的壁的一部分的设置。通过将各个基底集成到这样的通道的壁中，改进了基底与各个流体之间的热传递，因为发生了各个流体与各个基底的直接接触。
各个热电模块有益地构造为平坦的板状主体。基底因此优选地也为板状主体，其在每种情况下在平面中延伸。替代地，原则上能够以圆筒状或圆筒段形的方式实现这样的热电模块，使得基底具有对应的弯曲形状。
本发明的进一步重要的特征和益处遵循从属权利要求、附图以及通过附图的对应的附图描述。
不言而喻，在没有离开本发明的范围的情况下，上述的特征以及将在下文中描述的特征不仅能够用在各个提出的结合中，而且还能够用在其他结合中或者单独使用。
附图说明
本发明的优选的示例性实施例图示在附图中，并且将在下面的描述中更加详细地描述。
在每种情况下示意性地，
图1、图2示出了图示出根据本发明的制造方法的代表；
图3示出了执行步骤a)至c)之后的热电模块。
具体实施方式
根据图1，彼此以一定距离布置，并且通过导体桥2彼此电连接的多个热电元件10在步骤a中设置在金属材料的热侧基底3与金属材料的冷侧基底4之间，用于制造根据本发明的热电模块1。用于两个基底3、4的金属材料优选是不同的。
以纯示例性的方式在图1中示出了精确地三个这样的热电元件2。清楚的是，这样的模块1原则上能够具有任何数量的这样的热电元件2，所述热电元件2优选地至少二维地布置，因此不仅沿着附图平面，而且垂直于附图平面。热侧基底3能够包括铁素体(Fe)基的材料，或者能够由这样的铁素体(Fe)基的材料组成。冷侧金属基底4能够包括铜(Cu)以及替代地或另外地包括铝(Al)，或者能够由铜(Cu)或铝(Al)组成。热侧以及冷侧基底3、4能够在每种情况下实现为带有最大1.0mm的板厚的基底板16、17。最大0.5mm的板厚，特别优选的是最大0.3mm的板厚是优选的。
导体桥2用于将热电元件10相互电连接，以及用于连接电端子15，针对每个模块1存在至少两个电端子15，但是只有一个单独的连接件15以示例性的方式图示在图1中。原则上，导体桥2能够由任何导电且导热的材料制成。
那些面对热侧基底3的导体桥2在附图中另外地通过附图标记2a识别。那些面对冷侧基底4的导体桥2在附图中另外地通过附图标记2b识别。热侧基底3的背向热电元件10的外侧形成热电模块1的热侧12。冷侧基底4的背向热电元件10的外侧形成热电模块1的冷侧13。
热电元件10的面向热侧12的外侧9a能够涂覆有包括多个单个层的适配层6。适配层6的单个层尤其是能够用于在热电元件10与导体桥2之间促进粘合。类似地，热电元件10的面向冷侧13的外侧9b能够涂覆有也能够包括多个单个层的适配层6。在附图的示例中，适配层6以纯示例性的方式在每种情况下具有三个单个层6a、6b、6c。
导体轨道2a和2b以及基底3和4能够设置有适配层以改进接合装置的粘合。然而，优选的是，当反应的接合装置产生太多的热使得基底3和4在表面上熔化并且因此建立了基底与接合处之间的粘合时。
在步骤b)中，在包括适配层6和两个基底3、4的导体桥2之间设置有多层接合装置7。在步骤b)中，反应的接合装置7起初能够被应用在包括适配层6的导体桥2上，或者替代地，被分别应用在热侧或冷侧基底3、4上。
图1示出了执行方法步骤a)和b)之后的热电模块1。包括单个层8a、8b的接合装置7能够通过多层薄膜14而形成。
在第三步骤c)中，在反应的接合装置7中激发放热反应。面向热侧基底3的导体桥2、2a通过物质对物质粘接经由其接合至热侧基底3。面向冷侧基底4的导体桥2、2b同样通过物质对物质粘接而接合至冷侧基底4。为了形成物质对物质粘接，至少部分地使用响应于放热化学反应而释放的能量。
现在以如下的方式选择设置在步骤b)中的接合装置7：在根据步骤c)的放热反应之后，其在导体桥2与热侧或冷侧基底3、4之间分别形成电绝缘的绝缘层18。
图3示出了执行步骤a)至c)之后的热电模块1。导体桥2a、2b的接合以及热侧或冷侧基底3、4的接合分别通过多层反应的接合装置7中的放热化学反应的激发而进行。响应于放热反应而释放的能量由此被用于形成接合配合件之间的物质对物质粘接5，因此分别形成导体桥2、2a、2b与热侧或冷侧基底3、4之间的物质对物质粘接。放热反应的激发通过反应的接合装置7上的局部的通电而能够在步骤c)中进行，所述局部的通电通过来自外部的电、光学、化学或热通电实现。物质对物质粘接5由此通过反应产物11形成，所述反应产物11通过放热化学反应而从接合装置7产生，在图3中只是示意性地显示。
电学通电能够通过向反应的接合装置7供给电点火脉冲而进行。光学通电能够通过将激光束供给到反应的接合装置7中而进行。热通电能够通过将火焰或火花供给到反应的接合装置7中而进行。
图2以示例性的方式示出了根据步骤c)的放热反应的激发之前的多层接合装置7的可能的建立。在图3的示例中，接合装置7包括多个第一和第二单个层8a、8b，其交替地布置在彼此的顶部。第一单个层8a实现为碳化物或硼化物或氮化物或氧化物，并且包括以下元素中的至少一种：铜(Cu)、铁(Fe)或者镍(Ni)。第二单个层8b在每种情况下包括以下元素中的至少一种：铬(Cr)、钛(Ti)、铝(Al)、硅(Si)。
在导体桥2b接合至冷侧基底4之前，优选地包括锡(Sn)或由锡(Sn)组成的焊剂(未在附图中示出)在进一步的方法的发展中能够被应用至多层接合装置7。
在根据步骤c)的接合之前，在步骤b)中设置的多层接合装置7特别是关于其层厚和其材料成分以如下的方式被选择：在根据步骤c)的接合之后，其具有具体的多于5×10- 3Ohm×m的电阻，优选地多于5×10-2Ohm×m。
热电模块1还能够具有外壳，所述外壳未详细图示在附图中，包括与外部气密的内部。热电元件10布置在该内部中。有益地，外壳的彼此相背的两个壁，或者外壳的彼此分别间隔开的两个壁由两个基底3、4形成。在替代的结构的情况下，热侧基底3能够形成加热通道的壁的一部分，在所述加热通道中引导加热流体。另外或替代地，冷侧基底4能够形成冷却通道的壁的一部分，在所述冷却通道中引导冷却剂。热电模块1能够由此特别容易地集成到热交换器中。
Claims (14)
1.一种用于制造热电模块(1)的方法，
包括以下步骤：
a)布置多个热电元件(10)，所述多个热电元件(10)彼此具有距离地布置，并且通过导体桥(2；2a；2b)在金属材料的热侧基底(3)与金属材料的冷侧基底(4)之间彼此电连接，
b)在至少一个所述导体桥(2；2a；2b)，优选地在多个导体桥(2；2a；2b)与所述热侧和/或冷侧基底(3，4)之间设置多层反应的接合装置(7)，
c)通过物质对物质的粘接将至少一个所述导体桥(2；2a；2b)分别与所述热侧或冷侧基底(3，4)接合，所述物质对物质的粘接通过至少部分地，优选地完全地使用响应于多层接合装置(7)中的放热化学反应的激发而释放的能量而实现，
其特征在于
以如下的方式选择设置在步骤b)中的所述反应的接合装置(7)：在根据步骤c)的放热反应之后，其在所述导体桥(2；2a；2b)与所述热侧或冷侧基底(3，4)之间分别形成电绝缘的绝缘层(18)。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于
所述电绝缘的绝缘层(18)优选地至少部分地包括所述多层接合装置(7)的成分。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于
步骤c)中的激发通过反应的接合装置(7)上的优选的局部通电进行，优选地通过电学、光学或热通电，或通过提到的加压类型中的至少两种的结合进行。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，
其特征在于
在步骤c)中产生的物质对物质的粘接(5)通过反应产物而形成，所述反应产物通过所述放热化学反应而从所述接合装置产生。
5.根据前面权利要求中的任一项所述的方法，
其特征在于
-通过向反应的接合装置(7)供给电点火脉冲而进行电学通电，
-通过将激光束供给到反应的接合装置(7)而进行光学通电，
-通过将火焰供给到反应的接合装置而进行热通电。
6.根据前面权利要求中的任一项所述的方法，
其特征在于
-反应的接合装置在每种情况下包括至少一个，优选地在每种情况下包括多个第一和第二单个层(8a，8b)，其交替地布置在彼此的顶部，或者在每种情况下由多个，至少两个第一和第二单个层(8a，8b)组成，其交替地布置在彼此的顶部，
-第一单个层(8a)实现为碳化物或硼化物或氮化物或氧化物，并且包括以下元素中的至少一种：铜(Cu)、铁(Fe)或镍(Ni)，
-第二单个层(8b)包括以下元素中的至少一种：铬(Cr)、钛(Ti)、铝(Al)、硅(Si)。
7.根据前面权利要求中的任一项所述的方法，
其特征在于
在步骤b)中，所述反应的接合装置(7)分别应用至至少一个导体桥(2；2a；2b)和/或热侧或冷侧基底(3，4)。
8.根据前面权利要求中的任一项所述的方法，
其特征在于
在步骤b)中，所述反应的接合装置(7)实现为多层薄膜(14)，其以类似三明治的方式分别布置在至少一个导体桥(2；2a；2b)与热侧或冷侧基底(3，4)之间。
9.根据权利要求8所述的方法，
其特征在于
在接合至少一个所述导体桥(2；2a；2b)和冷侧基底(4)之前，将优选地包含锡(Sn)或由锡(Sn)组成的焊剂应用至薄膜。
10.根据前面权利要求中的任一项所述的方法，
其特征在于
在根据步骤c)的接合之前，在步骤b)中设置的反应的接合装置(7)，优选地为多层薄膜(14)，特别是关于其层厚和其材料成分方面以如下的方式实现：在根据步骤c)的接合过程之后，其具有具体的多于5×10-3Ohm×m的电阻(ρ)，优选地多于5×10-2Ohm×m。
11.根据前面权利要求中的任一项所述的方法，
其特征在于
-所述冷侧基底(4)包括铜(Cu)和/或铝(Al)，或者由铜(Cu)或铝(Al)组成，和/或
-所述热侧基底(3)包括铁素体(Fe)基材料，或者由这样的铁素体(Fe)基材料组成。
12.根据前面权利要求中的任一项所述的方法，
其特征在于
在步骤a)中设置的基底(3，4)中的至少一个，优选为所述热侧以及冷侧基底(3，4)，实现为包括最大1.0mm，优选最大0.5mm，非常优选地最大0.3mm的板厚的基板。
13.一种热电模块(1)，其特别是通过根据前面权利要求中的任一项所述的方法制造的热电发电器或热电热泵。
14.一种热电模块(1)，其优选为特别是通过根据权利要求1至12中的任一项所述的方法制造的热电发电器或热电热泵，
-包括多个热电元件(10)，其彼此间隔开地布置在模块(1)的热侧(12)与模块(1)的冷侧(13)之间，
-包括用于将热电元件、热侧基底(3)以及冷侧基底(4)相互电连接的多个导体桥(2；2a；2b)，所述热侧基底(3)形成所述热侧(12)，所述冷侧基底(4)形成所述冷侧(13)，
-其中导体桥(2；2a；2b)通过由反应的接合装置(7)进行的物质对物质的粘接而分别接合至所述热侧或冷侧基底(3，4)，在所述接合装置(7)中激发放热反应，
-其中在所述放热反应的激发之后，所述反应的接合装置(7)形成电绝缘的绝缘层(18)，其使各个基底(3，4)与所述电导体桥(2；2a；2b)电绝缘。
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