DE102011122029A1

DE102011122029A1 - Thermoelektrisches Wandlermodul und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102011122029A1
Application number: DE102011122029A
Authority: DE
Inventors: Takahiro Jinushi; Zenzo Ishijima
Original assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2010-12-24
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2012-06-28
Also published as: JP2012134410A; US9246076B2; JP5733678B2; US20120160293A1; US20140273325A1

Abstract

Ein thermoelektrisches Wandlermodul mit einem thermoelektrischen Wandlerelement 1 und einer Elektrode 2, welche metallurgisch über eine poröse Metallschicht 6 miteinander verbunden sind, wobei die por und eine Raumverfüllung von 50 bis 90% aufweist.

Description

Hintergrund der Erfindung
Technisches Gebiet
Vorliegende Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Wandlermodul, welches thermische Energie in elektrische Energie wandelt, und betrifft ferner ein Verfahren zu seiner Herstellung. Das thermoelektrische Wandlermodul weist eine Verbindungsstelle zwischen einem thermoelektrischen Wandlerelement und einer Elektrode auf. An der Verbindungsstelle können thermisch verursachte Spannungen auftreten. Demzufolge befasst sich vorliegende Erfindung mit einem thermoelektrischen Wandlermodul, bei welchem thermisch verursachte Spannungen verringert sind, und ferner mit einer Herstellungstechnik desselben.
Stand der Technik
Ein Energieerzeugungssystem, welches mit einem thermoelektrischen Wandlermodul ausgestattet ist, verwendet thermoelektrische Wandlerelemente, die unmittelbar Elektrizität erzeugen. Ein derartiges Energieerzeugungssystem hat einen einfachen Aufbau und weist keine beweglichen Teile auf. Daraus resultiert eine hohe Zuverlässigkeit und einfache Instandhaltung. Ein derartiges Energieerzeugungssystem hat jedoch eine niedrige Leistungsdichte und einen niedrigen Energiewandlerwirkungsgrad. Demgemäß ist ein derartiges Energieerzeugungssystem nur für spezielle Anwendungen mit geringem Leistungsausgang, wie beispielsweise für die Verwendung im Weltraum entwickelt worden. Im Hinblick auf neuere Umweltauflagen jedoch wird erwartet, dass dieses Energieerzeugungssystem hilfreich ist als Umweltschutzmaßnahme. Beispielsweise kann dieses Energieerzeugungssystem als vorteilhaft angesehen werden bei einem Kleinkraftwerk, welches eine Abwärmequelle einer Müllverbrennung ausnützt, als Zusatzenergiesystem und dergleichen. Außerdem kann dieses Energieerzeugunssystem als vorteilhaft angesehen werden, bei einem Automobilenergieerzeugungssystem, welches die Wärme im Automobilabgas ausnützt. Hieraus ergibt sich die Forderung nach Reduzierung der Kosten derartiger Energieerzeugung und die Verbesserung des thermoelektrischen Wandlermodulsystems in einem derartigen Energieerzeugungssystem.
Ein thermoelektrisches Wandlermodul ist in 1 dargestellt. Wie 1 zeigt, wird beim Aufbau des thermoelektrischen Wandlermoduls jede Seite eines thermoelektrischen Wandlerelements 1 mit einer Elektrode 2 beschichtet. Die seitlichen Oberflächen jeder Elektrode 2 sind über eine elektrische Isolierschicht 3 mit einer Kühlleitung 4 und einer Heizleitung 5 verbunden. Die jeweilige Elektrode 2 kann aus Kupfer bestehen. Die elektrische Isolierschicht 3 kann aus Glimmer hergestellt sein. Wenn bei diesem thermoelektrischen Wandlermodul der Kühlleitung 4 Luft zugeleitet wird und ein Abgas mit hoher Temperatur der Heizleitung 5 zugeleitet wird, entsteht zwischen den beiden Enden des thermoelektrischen Wandlerelements 1 eine Temperaturdifferenz. Die Temperaturdifferenz erzeugt im thermoelektrischen Wandlerelement thermoelektrische Energie, wobei ein Gleichstrom an der Elektrode 2 erhalten wird. Ein derartiges thermoelektrisches Wandlermodul ist beispielsweise in der japanischen Patentanmeldung mit der Offenlegungsnummer 9-293 906 beschrieben.
Im Allgemeinen wird das thermoelektrische Wandlermodul durch Pressen und Verbinden des thermoelektrischen Wandlerelements und der Elektroden oder durch Verbinden derselben mit einem Lötmaterial hergestellt. Wie oben erläutert, erzeugt das thermoelektrische Wandlermodul Energie auf der Basis von thermoelektrischen Energie. Die thermoelektrische Energie ergibt sich aus der Temperaturdifferenz zwischen den beiden Enden des thermoelektrischen Wandlerelements. Wenn die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Enden des thermoelektrischen Wandlerelements vergrößert wird, erhöht sich die thermoelektrische Energie und ein vergrößerter Betrag an Elektrizität wird erzeugt. Um die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Enden des thermoelektrischen Wandlerelements zu erhöhen, kann die Temperatur an der Kühlseite (Kühlleitung 4) verringert werden, wozu jedoch eine spezielle Einrichtung erforderlich ist und daher nicht bevorzugt wird. Demgemäß wird gewöhnlich die Temperatur an der Heizseite (Heizleitung 5) erhöht, wobei jedoch eine obere Temperaturgrenze des thermoelektrischen Wandlerelements nicht überschritten wird.
Zwischen dem thermoelektrischen Wandlerelement und der Elektrode an der Heizseite des thermoelektrischen Wandlermoduls ist ein Verbindungsabschnitt vorgesehen. Das thermoelektrische Wandlerelement expandiert mit der Erwärmung nicht wesentlich. Jedoch expandiert die Elektrode mit der Erwärmung erheblich. Demgemäß entsteht im Verbindungsabschnitt eine Differenz der Größen der thermischen Expansionen des thermoelektrischen Wandlerelements und der Elektrode. Demgemäß entsteht mechanische Spannung aufgrund der Differenz bei den Ausmaßen der thermischen Expansion. Wenn demgemäß die Temperatur der Heizseite des thermoelektrischen Wandlerelements zur Steigerung der Energieerzeugung erhöht wird, entstehen thermisch verursachte mechanische Spannungen im Verbindungsabschnitt aufgrund der Unterschiede der Ausmaße der thermischen Expansion. Die großen thermisch verursachten mechanischen Spannungen können zum Bruch des Bindungsabschnitts zwischen dem thermoelektrischen Wandlerelement und der Elektrode und in ihren benachbarten Bereichen führen.
Das thermoelektrische Wandlerelement und die Elektrode können mit einem weichen Lötmaterial miteinander verbunden werden. Wenn in diesem Fall die Temperatur der Heizseite nicht geringer bemessen wird als die Schmelztemperatur des weichen Lötmaterials, schmilzt das weiche Lötmaterial und tritt aus. Demgemäß ist bei einem derartigen thermoelektrischen Wandlermodul die Temperatur an der Heizseite begrenzt und hieraus ergibt sich eine Begrenzung für die erzeugte Energiemenge.
Zusammenfassung der Erfindung
Im Hinblick auf diese Umstände, ist es Aufgabe der Erfindung ein thermoelektrisches Wandlermodul und ein Verfahren zu seiner Herstellung zu schaffen. Bei der Verwendung des thermoelektrischen Wandlermoduls ergeben sich thermisch verursachte mechanische Spannungen, deren Umfang aufgabengemäß verringert wird. Demgemäß werden beim thermoelektrischen Wandlermodul der Verbindungsabschnitt zwischen dem thermoelektrischen Wandlerelement und der Elektrode sowie die benachbarten Bereiche gegen Bruch geschützt. Außerdem kann das thermoelektrische Wandlermodul bei hohen Temperaturen verwendet werden.
Die Erfindung schafft ein thermoelektrisches Wandlermodul mit einem thermoelektrischen Wandlerelement und einer Elektrode, welche über eine poröse Metallschicht metallurgisch miteinander verbunden sind. Die poröse Metallschicht besteht aus Nickel oder Silber und hat eine Raumerfüllung von 50 bis 90%.
Beim thermoelektrischen Wandlermodul der vorliegenden Erfindung, besitzt die poröse Metallschicht vorzugsweise eine Dicke von 10 bis 100 μm, Ferner ist die poröse Metallschicht vorzugsweise hergestellt durch Sintern von Metallpulverpartikeln, welche eine Durchschnittspartikelgröße bzw. einen Durchschnittspartikeldurchmesser von 0,1 bis 10 μm aufweisen. Es handelt sich hier entweder um Nickelpulverpartikel oder um Silberpulverpartikel. Ferner kann das thermoelektrische Wandlerelement eine Endfläche aufweisen, welche mit einem Metall überzogen ist, wobei diese Endfläche an die Elektrode über die poröse Metallschicht gebunden ist.
Vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Wandlermoduls vor, welches ein thermoelektrisches Wandlerelement mit einer Endfläche und eine Elektrode aufweist. Zu seiner Herstellung wird eine Paste zubereitet, in welcher die Metallpulverpartikel dispergiert sind. Die Metallpulverpartikel haben eine Durchschnitsspartikelgröße von 0,1 bis 10 μm, wobei Nickelpulverpartikel oder Silberpulverpartikel vorgesehen sind. Ferner wird bei der Herstellung die Paste auf die Endfläche des thermoelektrischen Wandlerelements aufgebracht und die Endfläche, auf welche die Paste aufgebracht ist, wird auf die Elektrode aufgelegt, sodass das thermoelektrische Wandlerelement und die Elektrode miteinander verbunden werden. Beim Herstellungsverfahren wird ferner die Paste zwischen dem thermoelektrischen Wandlerelement und der Elektrode in einer inerten Gasatmosphäre oder einer reduzierenden Gasatmosphäre oder in einem Vakuum erwärmt, sodass die Pastenbestandteile, ausgenommen die Metallpulverpartikel, entfernt werden und die Metallpulverpartikel verbleiben. Darüber hinaus werden die verbliebenen Metallpulverpartikel gesintert, sodass eine poröse Metallschicht gebildet wird und eine Diffusions-Kontaktherstellung der porösen Metallschicht zur Endfläche des thermoelektrischen Wandlerelements und zur Elektrode entsteht und diese metallurgisch miteinander verbunden werden. Die Sinterung und die Diffusions-Kontaktherstellung werden gleichzeitig bei einer Temperatur von 650 bis 850°C, wenn Nickelpulverpartikel verwendet werden, oder bei einer Temperatur von 450 bis 750°C durchgeführt, wenn Silberpulverpartikel verwendet werden.
Bei der Herstellung des thermoelektrischen Wandlermoduls vorliegender Erfindung werden die Metallpulverpartikel vorzugsweise mit 30 bis 50 Volumen-% in der Paste dispergiert. Die Paste besitzt vorzugsweise eine Viskosität von 10 bis 100 Pa·s und vorzugsweise eine Scherfestigkeit von nicht weniger als 0,1 N/cm². Ferner kann die Endfläche des thermoelektrischen Wandlerelements mit einem Metall überzogen sein und die Paste kann auf die Endfläche, welche mit dem Metall überzogen ist, aufgebracht werden.
Beim thermoelektrischen Wandlermodul vorliegender Erfindung ist die poröse Metallschicht, welche aus Nickel oder Silber besteht und eine Raumverfüllung von 50 bis 90% aufweist, zwischen dem thermoelektrischen Wandlerelement und der Elektrode vorgesehen. Durch die poröse Metallschicht wird die Differenz der Ausmaße der thermischen Expansionen des thermoelektrischen Wandlerelements und der Elektrode verringert. Demzufolge wird Rissbildung und Brechen im Verbindungsabschnitt zwischen dem thermoelektrischen Wandlerelement und der Elektrode sowie in ihrer Umgebung verhindert. Da die poröse Metallschicht metallurgisch sowohl an das thermoelektrische Wandlerelement als auch an die Elektrode gebunden ist, werden Wärme und Elektrizität wirkungsvoll zwischen dem thermoelektrischen Wandlerelement und der Elektrode geleitet. Darüber hinaus besitzt die poröse Metallschicht aus Nickel oder Silber einen hohen Schmelzpunkt, sodass ein thermoelektrisches Wandlermodul geschaffen wird, bei dem auch bei hohen Temperaturen ein Schmelzen und Auslaufen des Verbindungsabschnittes vermieden wird.
Kurzbeschreibung der Figuren
1 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines thermoelektrischen Wandlermoduls.
2 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines thermoelektrischen Wandlermoduls gemäß der Erfindung.
3 ist eine Rasterelektronenmikroskop-Darstellung eines Bindungsabschnitts im thermoelektrischen Wandlermodul der Erfindung.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
Ein Ausführungsbeispiel des thermoelektrischen Wandlermoduls der Erfindung ist in 2 dargestellt. Wie die 2 zeigt, besitzt das thermoelektrische Wandlermodul ein thermoelektrisches Wandlerelement 1, eine Elektrode 2 und eine poröse Metallschicht 6, welche aus Nickel oder Silber besteht. Das thermoelektrische Wandlerelement 1 und die Elektrode 2 sind über die poröse Metallschicht 6 miteinander verbunden. Die poröse Metallschicht 6 enthält Poren 61 und ist demgemäß leicht elastisch verformbar. Demzufolge verringert die poröse Metallschicht 6, die Differenz der Ausmaße der thermischen Expansionen des thermoelektrischen Wandlerelements 1 und der Elektrode 2 durch Verformung. Um diesen Effekt der porösen Metallschicht 6 zu erreichen, besitzt die poröse Metallschicht 6 eine Raumverfüllung von nicht mehr als 90% (Porosität von nicht weniger als 10%). Wenn die Raumverfüllung gering ist, erhöht sich die Verformbarkeit der porösen Metallschicht 6. Dabei werden jedoch die thermische Leitfähigkeit und die elektrische Leitfähigkeit verringert. Demzufolge besitzt die poröse Metallschicht 6 eine Raumverfüllung von nicht weniger als 50% (Porosität von nicht mehr als 50%). Dementsprechend weist die poröse Metallschicht 6 eine Raumverfüllung von 50 bis 90% auf.
Die Zusammensetzung der porösen Metallschicht 6 hat einen hohen Schmelzpunkt, wobei Nickel einen Schmelzpunkt von 1455°C und Silber einen Schmelzpunkt von 962°C aufweisen. Da die poröse Metallschicht aus Nickel oder Silber mit einem hohen Schmelzpunkt besteht, kann das thermoelektrische Wandlermodul noch bei einer Temperatur in der Nähe der oberen Temperaturgrenze des thermoelektrischen Wandlerelements 1 verwendet werden. In diesem Fall treten Schmelzen und Auslaufen des Bindungsabschnitts nicht auf. Diese Gefahr besteht bei Verwendung eines weichen Lötmaterials mit niedrigem Schmelzpunkt. Das thermoelektrische Wandlerelement kann bei einer Temperatur, welche die obere Temperaturgrenze des thermoelektrischen Wandlerelements 1 nicht überschreitet, verwendet werden, wobei Elektrizität wirkungsvoll erzeugt wird.
Die poröse Metallschicht 6 ist metallurgisch sowohl an das thermoelektrische Wandlerelement 1 als auch an die Elektrode 2 gebunden. Demzufolge werden Wärme und Elektrizität wirkungsvoll zwischen dem thermoelektrischen Wandlerelement 1 und der porösen Metallschicht 6 und zwischen der porösen Metallschicht 6 und der Elektrode 2 geleitet.
Die poröse Metallschicht 6 besitzt vorzugsweise eine Dicke von nicht weniger als 10 μm, da eine poröse Metallschicht 6 mit zu geringer Dicke schwierig zu verformen ist. Andererseits werden durch die Porosität der Metallschicht 6 deren Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit verringert im Vergleich zu einer Metallschicht, welche die Poren 61 nicht enthält und eine hohe Dichte nahe der wirklichen Dichte aufweist. Wenn die poröse Metallschicht 6 eine große Dicke aufweist, werden die Wärmeleitfähigkeit und die elektrische Leitfähigkeit zwischen dem thermoelektrischen Wandlerelement 1 und der Elektrode 2 verringert. Demgemäß besitzt die poröse Metallschicht 6 vorzugsweise eine Dicke von nicht mehr als 100 μm.
Die poröse Metallschicht 6 wird durch Sintern der Metallpulverpartikel aus entweder Nickelpulverpartikel oder Silberpulverpartikel gebildet. Wenn in diesem Fall die Metallpulverpartikel einzeln dispergiert sind und eine Schicht bilden, verformt sich die poröse Metallschicht 6 nur schwierig elastisch. Demgemäß sind bei der Bildung der porösen Metallschicht 6 durch Sintern der Metallpulverpartikel diese vorzugsweise geschichtet. Demzufolge wird die poröse Metallschicht 6 vorzugsweise durch Sinterung feiner Metallpulverpartikel mit einer Durchschnittspartikelgröße von nicht mehr als 10 μm gebildet. Die Durchschnittspartikelgröße ist eine mittlere Größe, beziehungsweise ein mittlerer Durchmesser (Partikeldurchmesser bei 50% einer kumulierenden Verteilung). Wenn extrem feine Metallpulverpartikel verwendet werden, wird die poröse Metallschicht 6 beim Sintern stark verdichtet, sodass die Tendenz besteht, dass die Raumverfüllung 90% übersteigt. Demzufolge werden Metallpulverpartikel mit einer Durchschnittspartikelgröße von nicht weniger als 0,1 μm verwendet. Um eine poröse Metallschicht 6 mit einer Dichte von 10 μm zu erhalten, ist die durchschnittliche Partikelgröße der Metallpulverpartikel vorzugsweise so eingestellt, dass die Metallpulverpartikel mehrere Schichten bilden. Bei einer durchschnittlichen Partikelgröße im Bereich von 0,1 bis 10 μm, kann die Einstellung der Dicke der porösen Metallschicht 6 sich schwierig gestalten, wenn die Metallpulverpartikel große Pulverpartikel enthalten. Demgemäß haben die verwendeten Metallpulverpartikel vorzugsweise eine maximale Partikelgröße von nicht mehr als 30 μm.
Um die thermisch verursachten mechanischen Spannungen zu verringern, besitzen die Poren 61, welche in der porösen Metallschicht 6 dispergiert sind, vorzugsweise etwa kugelförmige Gestalt. Da feine Metallpulverpartikel wie oben beschrieben verwendet werden, ergeben sich bei Durchführung der Sinterung, die Poren 61 mit etwa kugelförmiger Gestalt.
Die poröse Metallschicht 6 kann, wie folgt, gebildet werden: Zunächst wird ein Sinterformteil durch Sinterung der Metallpulverpartikel entweder aus Nickelpulverpartikeln oder aus Silberpulverpartikel zubereitet. Der Sinterformkörper wird zwischen dem thermoelektrischen Wandlerlement 1 und der Elektrode 2 angeordnet und in dieser Position festgehalten. Anschließend wird durch Pressen und Erhitzen eine Diffusions-Kontaktherstellung durchgeführt. Da bei diesem Verfahren die Metallpulverpartikel zunächst zu einem Sinterformkörper gesintert werden, ist es schwierig, dass die Metallpulverpartikel zum thermoelektrischen Wandlerelement 1 und zur Elektrode 2 hin dispergiert werden. Demgemäß wird die poröse Metallschicht 6 vorzugsweise wie folgt gebildet: Entweder Nickelpulverpartikel oder Silberpulverpartikel werden an der Endfläche des thermoelektrischen Wandlerelements 1 oder an einem Teil der Elektrode 2, welches mit dem thermoelektrischen Wandlerelement 5 verbunden werden soll, angeordnet. Anschließend werden die Metallpulverpartikel gesintert und die Diffussions-Kontaktherstellung sowohl zum thermoelektrischen Wandlerelement 1 als auch zur Elektrode 2 wird gleichzeitig durchgeführt.
Um die Nickelpulverpartikel oder die Silberpulverpartikel an der Endfläche des thermoelektrischen Wandlerelements 1 oder am Teil der Elektrode 2 anzuordnen, wird vorzugsweise eine Paste verwendet. Die Metallpulverpartikel mit den oben erläuterten Konngrößen werden in der Paste dispergiert. Die Paste kann wenigstens eine der Substanzen, nämlich ein Dispergiermittel, ein Haftmittel, einen Viskositätsmodifikator und dergleichen aufweisen. Zusätzlich kann die Paste ein Harz eines Monomers aufweisen. Bei Verwendung der Paste, können die Metallpulverpartikel leicht auf der Endfläche des thermoelektrischen Wandlerelements 1 oder auf dem Teil der Elektrode 2 angeordnet werden. Hierzu wird zunächst die Paste zubereitet, in welcher die Metallpartikel mit den oben angegebenen Partikeldurchmessern dispergiert sind. Die Paste wird auf die Endfläche des thermoelektrischen Wandlerelements 1 aufgebracht und anschließend wird die Endfläche auf die Elektrode 2 aufgelegt. Die Paste ist zwischen dem thermoelektrischen Wandlerelement 1 und der Elektrode 2 angeordnet und wird in dieser Position gehalten. Anschließend wird die aus dem thermoelektrischen Wandlerelement 1, der Paste und der Elektrode 2 bestehende Anordnung in einer inerten Gasatmosphäre oder einer reduzierenden Gasatmosphäre oder in einem Vakuum erhitzt, sodass die Paste mit Ausnahme der Metallpulverpartikel entfernt wird. Auf diese Weise werden die Metallpulverpartikel, welche von Nickelpulverpartikeln oder Silberpulverpartikeln gebildet werden, zwischen dem thermoelektrischen Wandlerelement 1 und der Elektrode 2 angeordnet.
Die Paste kann auch auf einen Teil der Elektrode 2 angeordnet werden und das thermoelektrische Wandlerelement 1 kann auf diesen Elektrodenteil aufgelegt werden. Anschließend wird die aus dem thermoelektrischen Wandlerelement 1, der Paste und der Elektrode 2 bestehende Anordnung erhitzt, sodass die Paste mit Ausnahme der Metallpulverpartikel entfernt wird, wie es oben beschrieben ist.
Nachdem die Paste zwischen dem thermoelektrischen Wandlerelement 1 und der Elektrode 2 angeordnet ist, kann die Paste verflüchtigt oder durch Trocknung verfestigt werden, Anschließend wird die aus dem thermoelektrischen Wandlerelement 1 der Paste und der Elektrode 2 bestehende Anordnung erhitzt, sodass die Paste mit Ausnahme der Metallpulverpartikel entfernt wird.
Nachdem die Paste mit Ausnahme der Metallpulverpartikel durch Erhitzen entfernt ist, können die Metallpulverpartikel gekühlt und später gesintert werden. Dabei besteht jedoch die Gefahr, dass die noch nicht gesinterten Metallpulverpartikel leicht auseinander fallen. Demgemäß werden die Metallpulverpartikel vorzugsweise kontinuierlich erhitzt und gesintert, sodass die poröse Metallschicht 6 gebildet wird. Gleichzeitig wird die poröse Metallschicht 6 durch Diffusions-Kontaktherstellung mit der Endfläche des thermoelektrischen Wandlerelements und mit der Elektrode 2 verbunden, sodass zwischen diesen eine metallurgische Verbindung hergestellt wird. In diesem Fall fallen die Metallpulverpartikel nicht auseinander und es wird Energie für die Wiederaufheizung eingespart.
Die Sinterung und die Diffusions-Kontaktherstellung werden bei einer Temperatur von 650–850°C durchgeführt, wenn Nickelpulverpartikel als Metallpulverpartikel verwendet werden. Andererseits wird die Sinterung und die Diffusions-Kontaktherstellung bei einer Temperatur von 450 bis 750°C durchgeführt, wenn Silberpulverpartikel als Metallpulverpartikel verwendet werden. Die Sinterung und die Diffusions-Kontaktherstellung werden ohne Anwendung von Druck durchgeführt. Die Metallpulverpartikel, nämlich die Nickelpulverpartikel oder die Silberpulverpartikel besitzen einen Durchschnittspartikeldurchmesser von 0,1 bis 10 μm. Ein derart feines Pulver besitzt einen grollen Oberflächenbereich und kann leicht gesintert werden. Demzufolge werden die Metalpulverpartikel gesintert und es erfolgt eine Diffusions-Kontaktherstellung zum thermoelektrischen Wandlerlelement 1 und zur Elektrode 2 auch dann, wenn kein Druck aufgewendet wird. Bei Durchführung der Sinterung und der Diffusions-Kontaktherstellung bei nicht weniger als 650°C im Falle der Verwendung von Nickelpulverpartikel und bei nicht weniger als 450°C im Falle der Verwendung von Silberpulverpartikel, ergibt sich eine Raumverfüllung des Metallpulver in der porösen Metallschicht 6 von nicht weniger als 50%. Auf diese Weise erhält man eine poröse Metallschicht 6 und durch die poröse Metallschicht 6 werden thermisch bedingte mechanische Spannungen ausreichend verringert bei Verwendung im thermoelektrischen Wandlermodul. Wenn die Sinterung bei mehr als 850°C im Falle von Nickelpulverpartikeln und bei mehr als 750°C im Falle von Silberpulverpartikeln durchgeführt wird, erreicht man zwar eine leichte Sinterung, jedoch ist die poröse Metallschicht 6 stark verdichtet und die Raumverfüllung wird größer als 90%.
Wie oben erläutert, können die Sinterung und die Diffusions-Kontaktherstellung ohne Druckanwendung durchgeführt werden, jedoch ist es möglich einen Druck von nicht mehr als 1 MPa anzuwenden. Wenn die Sinterung unter Anwendung von Druck durchgeführt wird, werden das thermoelektrische Wandlerelement 1, die Elektrode 2 und die dazwischen angeordneten Metallpulverpartikel eng miteinander verbunden, wodurch die Diffusions-Kontaktherstellung sich leicht ergibt. Das thermoelektrische Wandlermodul enthält mehrere thermoelektrische Wandlerelemente 1 mit unterschiedlichen Höhen. Bei der Sinterung unter Druckanwendung jedoch, werden die Unterschiede der Höhen der thermoelektrischen Wandlerelemente 1 durch die Metallpulverpartikel der gebildeten porösen Metallschicht 6 ausgeglichen. Auf diese Weise erhält man ein thermoelektrisches Wandlermodul in welchem die Abstände zwischen den Elektroden 2 gleich sind. In diesem Fall werden die Metallpulverpartikel in enge Berührung miteinander gebracht und können leicht gesintert werden. Dabei wird die Raumverfüllung in der porösen Metallschicht 6 erhöht. Im Falle der Sinterung mit Druckanwendung sollte der Druck nicht größer als 1 MPa sein.
Wenn eine Paste mit einem geringen Anteil an Metallpulverpartikel verwendet wird, ist die Menge an Metallpulverpartikel, welche einmal aufgetragen wird, gering. Demgemäß ist es von Vorteil, zur Erzielung der erforderlichen Menge an Metallpulverpartikeln zwischen dem thermoelektrischen Wandlerelement 1 und der Elektrode 2 die Paste mehrmals aufzutragen. Falls die Paste eine zu große Menge an Metallpulverpartikeln enthält, verringern sich die anderen Komponenten in der Paste relativ. Die Fließfähigkeit der Paste wird dadurch verringert und es ist schwierig die Paste zum Anhaften zu bringen. Hieraus ergeben sich Schwierigkeiten bei der Verwendung der Paste. Demzufolge werden die Nickelpulverpartikel oder Silberpulverpartikel vorzugsweise bei 30 bis 50 Volumen-% in der Paste dispergiert. Bei Verwendung einer derartigen Paste lässt sich die erforderliche Menge an Metallpulverpartikeln durch einen Einmalauftrag der Paste erreicht.
Wenn eine Paste mit niedriger Viskosität verwendet wird, ist die Pastenmenge, welche einmal aufgetragen wird, gering. Demzufolge muss die Paste mehrere Male aufgetragen werden, um eine poröse Metallschicht 6 mit vorbestimmter Dicke zu erhalten. Ferner besteht die Gefahr, dass die Paste von der vorbestimmten Position wergläuft und nach unten hängt. Wenn die Paste andererseits eine zu hohe Viskosität aufweist, ist die Verwendung der Paste schwierig. Wenn darüber hinaus, die einmal aufgetragene Pastenmenge erhöht wird, kann es erforderlich sein, dass der überschüssige Anteil an Paste nach dem Aufbringen entfernt werden muss. Demzufolge wird die Paste so eingestellt, dass sie eine Viskosität von 10 bis 100 Pa·s aufweist.
Die Paste besitzt vorzugsweise Haftfähigkeit, um eine gegenseitige Verschiebung des thermoelektrischen Wandlerelements 1 und der Elektrode 2 nach ihrem Zusammenfügen zu verhindern. Demgemäß können das thermoelektrische Wandlerelement 1 und die Elektrode 2 nach ihrem Zusammenfügen bis zur Sinterung leicht gehandhabt werden. Es ist lediglich erforderlich, dass die Paste temporär ein Haftvermögen zur Elektrode 2 und zum thermoelektrischen Wandlerelement 1 bis zum Zustandekommen der Diffusions-Kontaktherstellung beim Sintern aufweist. Demgemäß ist eine Paste mit einer Scherfestigkeit von etwa nicht weniger als 0,1 N/cm² ausreichend, um eine Gegeneinanderverschiebung bei der Handhabung zu vermeiden.
Die Paste kann ein Haftmittel aufweisen und kann nach dem Auftragen gehärtet werden. In diesem Fall ist durch die gehärtete Paste die Elektrode 2 am thermoelektrischen Wandlerelement 1 ausreichend befestigt (anhaftend), sodass eine einfach Handhabung erreicht wird.
Demgemäß kann ein thermoelektrisches Wandlermodul in einfacher Weise mit wenigen Verfahrensschritten und einem geringem Energieaufwand hergestellt werden. Das hergestellte thermoelektrische Wandlermodul besitzt das wenigstens eine thermoelektrische Wandlerelement 1 und die wenigstens eine Elektrode 2, welche metallurgisch über die poröse Metallschicht 6 mit einer Raumverfüllung von 50 bis 90% miteinander verbunden sind.
Die poröse Metallschicht 6 ist wenigstens zwischen dem thermoelektrischen Wandlerelement und der Elektrode 2 an der Seite der Heizleitung 5 angeordnet. Die poröse Metallschicht 6 kann jedoch an beiden Enden des thermoelektrischen Wandlerelements 1 vorgesehen sein. Wenn die Temperatur im Endbereich des thermoelektrischen Wandlerelements 1 an der Seite der Kühlleitung 4 niedrig ist, sodass die Gefahr des Auslaufens von Lötmaterial nicht besteht, ist es möglich, das thermoelektrische Wandlerelement 1 und die Elektrode 2 durch ein herkömmliches Lötmaterial miteinander zu verbinden.
Beim thermoelektrischen Wandlermodul gemäß der Erfindung kann ein thermoelektrisches Wandlerelement mit hoher oberer Temperaturgrenze in geeigneter Weise verwendet werden. Beispielsweise kann ein thermoelektrisches Wandlerelement aus einer Legierung beispielsweise vom Silizium-Germanium-Typ, Magnesium-Silizium-Typ, Mangan-Silizium-Typ oder Eisen-Silizid-Typ verwendet werden. Andererseits ist es nicht empfehlenswert ein thermoelektrisches Wandlerelement mit niedriger oberer Temperaturgrenze zu verwenden, da in diesem Fall die obere Temperaturgrenze des Elements geringer ist als die Temperaturen, welche bei der Sinterung und bei der Diffusions-Kontaktherstellung auftreten. Ein thermoelektrisches Wandlerelement mit einer niedrigen oberen Temperaturgrenze, besteht beispielsweise aus einer Legierung vom Wismut-Tellur-Typ, Blei-Tellur-Typ oder Eisen-Vanadium-Aluminium-Typ.
Ein thermoelektrisches Wandlerelement mit hoher oberer Temperaturgrenze, welches beispielsweise aus Eisen-Silizid gebildet ist, besitzt bekanntlich folgende negativen Einflüsse: Wenn dieses thermoelektrische Wandlerelement in direkten Kontakt mit einer Kupferelektrode gebracht wird, diffundiert Kupfer von der Kupferelektrode in das thermoelektrische Wandlerelement. Hieraus resultiert eine Abtragung der Kupferelektrode und das thermoelektrische Wandlerelement wird verschlechtert, wobei keine Elektrizität erzeugt wird. Durch Anordnung der porösen Metallschicht 6 zwischen dem thermoelektrischen Wandlerelement und der Elektrode verhindert die poröse Metallschicht aus Nickel oder Silber die Diffusion von Kupfer von der Kupferelektrode.
In vorteilhafter Weise kann die Endfläche des thermoelektrischen Wandlerelements 1 zunächst mit einem Metall beschichtet werden und anschließend kann die Paste auf die mit dem Metall überzogene Endfläche aufgebracht werden. Anschließend wird die Paste, ausgenommen die Metallpulverpartikel, entfernt und die Sinterung der Metallpulverpartikel sowie die Diffusions-Kontaktherstellung der porösen Metallschicht 6 zum thermoelektrischen Wandlerelement 1 und zur Elektrode 2 werden durchgeführt.
Die Endfläche des thermoelektrischen Wandlerelements 1 kann mit dem Metall beschichtet werden, wobei beispielsweise das Metall durch Abscheiden, durch Aufdampfen, Zerstäuben oder thermisches Sprühen aufgebracht werden kann. Sobald die Endfläche des thermoelektrischen Wandlerelements 1 auf diese Weise beschichtet ist, ergibt sich eine geglättete Endfläche des thermoelektrischen Wandlerelements 1. Demgemäß ist der Bereich der Metallpulverpartikel, welche die Endfläche des thermoelektrischen Wandlerelement 1 berühren, erhöht. Wenn die Metallpulverpartikel durch Sinterung und Diffusions-Kontaktherstellung an das thermoelektrische Wandlerelement 1 gebunden sind, ergibt sich in einfacher Weise, eine Diffusions-Kontaktherstellung der porösen Metallschicht 6 an der Endfläche des thermoelektrischen Wandlerelements 1.
Da Nickel, Eisen, Silber oder Kobalt durch Diffusions-Kontaktherstellung in geeigneter Weise mit Nickel oder Silber verbunden werden können, werden diese Metalle bevorzugt als Überzug auf der Endfläche des thermoelektrischen Wandlerelements 1 verwendet. Hierdurch erfolgt zwischen der porösen Metallschicht 6 und dem thermoelektrischen Wandlerelement 1 eine starke Bindung aufgrund der Diffusions-Kontaktherstellung.
Im Falle der Verwendung eines thermoelektrischen Wandlerelements 1, das aktiv mit Nickel reagiert, kann zur Metallbeschichtung der Endfläche des thermoelektrischen Wandlerelements 1 ein Metall wie beispielsweise Eisen, Silber oder Kobalt verwendet werden. Dieses Metall wirkt als Barriereschicht und verhindert dass Nickel von der porösen Metallschicht 6 in das thermoelektrische Wandlerelement 1 diffundiert. Auf diese Weise wird die Verschlechterung des thermoelektrischen Wandlerelements 1 verhindert. Das Material für das thermoelektrische Wandlerelement 1 kann dann aus verschiedenen Materialien ausgewählt werden.
Beispiele
Erstes Beispiel
Nickelpulverpartikel mit einer Durchschnittspartikelgröße von 1 μm und einem maximalen Partikelgröße von nicht mehr als 10 μm werden zubereitet. Anschließend werden 35 Volumen-% der Nickelpulverpartikel in normalen Methylpyrolidon, welches 8 Volumen-% Hydroxylpropylzellulose enthält, dispergiert und dabei eine Paste zubereitet. Die Paste hat eine Viskosität von etwa 40 Pa·s. Die Paste wird auf beide Endflächen eines thermoelektrischen Wandlerelements aus Silizium-Germanium aufgebracht. Die beiden Endflächen des thermoelektrischen Wandlerelements werden mit Elektroden aus Molybdän in Berührung gebracht. Dabei wird die Paste zwischen dem thermoelektrischen Wandlerelement und der Elektrode angeordnet und ein thermoelektrisches Wandlermodul wird gebildet. Ein Gewicht von 50 g (entsprechend 1 kPa) wird am thermoelektrischen Wandlermodul zur Einwirkung gebracht und das thermoelektrische Wandlermodul wird in einem Sinterofen angeordnet. Das thermoelektrische Wandlermodul wird auf 500°C in einer Wasserstoffgasatmosphäre aufgeheizt, sodass die Paste mit Ausnahme der Metallpulverpartikel entfernt wird. Darüber hinaus wurde das thermoelektrische Wandlermodul auf eine Temperatur, wie sie in Tabelle 1 angegeben ist, aufgeheizt, um die Metallpulverpartikel zu sintern und die Diffusions-Kontaktherstellung zu erreichen. Demgemäß wurden zwei Sätze von Proben der thermoelektrischen Wandlermodule mit den Probennummern 01 bis 07 hergestellt.
Die thermoelektrischen Wandlermodule des einen Satzes wurden in einer Richtung senkrecht zur Verbindungsoberfläche geschnitten und die jeweiligen geschnittenen Metallstrukturen wurden mikroskopisch untersucht. Dabei wurden die Bindungseigenschaften an den Grenzflächen zwischen der porösen Metallschicht und dem thermoelektrischen Wandlerelement und die Bindungseigenschaften an der Grenzfläche zwischen der porösen Metallschicht und der Elektrode untersucht. Die metallische Struktur wurde mit 500-facher Vergrößerung fotographisch dargestellt. Die bildliche Darstellung wurde unter Verwendung einer Bildanalysesoftware („Win Roof” der Firma Mitani Corporation) analysiert. Dabei wurde die Raumverfüllung der porösen Metallschicht gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt. Die Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse der Bewertung der Bindungseigenschaften vor dem Heizversuch. In der Tabelle 1 bezeichnet die Marke „O” Proben, welche nicht weniger als 50% metallurgischen Bindungsanteil an der Grenzfläche aufweisen. Die Marke „x” bezeichnet eine Probe, welche weniger als 50% an metallurgischem Bindungsanteil an der Grenzfläche aufweist.

Bei den Proben mit der Markierung „O” in der Mikroskopbeobachtung wurde ein Heiztest durchgeführt unter Verwendung der Proben des anderen Satzes. Der Heiztest wurde derart durchgeführt, dass eine der Elektroden bei 550°C gehalten wurde, und die andere Elektrode auf 20°C für 24 Stunden erwärmt wurde. Anschließend wurden die jeweiligen Proben in Richtung senkrecht zur Bindungsoberfläche geschnitten und die geschnittene Metallstruktur wurde mit einem Mikroskop untersucht. Demgemäß wurden die Bindungseigenschaften der porösen Metallschicht und des thermoelektrischen Wandlerelements und die Bindungseigenschaften der porösen Metallschicht und der Elektrode untersucht. Die Ergebnisse sind ebenfalls in Tabelle 1 dargestellt. Die Bindungseigenschaften nach dem Heiztest wurden wie im Falle der Bewertung der Bindungseigenschaften vor dem Heiztest bewertet. Tabelle 1

Probe Nr.	Sintertemperatur °C	Raumverfüllung der porösen Metallschicht %	Bindungseigenschaft
Probe Nr.	Sintertemperatur °C	Raumverfüllung der porösen Metallschicht %	Vor Heiztest	Nach Heiztest
01	600	46	x	-
02	650	50	O	O
03	700	58	O	O
04	750	76	O	O
05	800	86	O	O
06	850	90	O	O
07	1000	97	O	x

Wie aus Tabelle 1 zu ersehen ist, wurde bei der Probe Nummer 01, die bei weniger als 650°C gesintert wurde, die Sinterung nicht ausreichend durchgeführt. Demgemäß war die Raumverfüllung der porösen Metallschicht geringer als 50%. Das thermoelektrische Wandlerelement und die poröse Metallschicht, sowie die Elektrode und die poröse Metallschicht waren unzureichend miteinander verbunden. Beim Anheben der Sintertemperatur wurde die Sinterung beschleunigt, wobei die Raumverfüllung der porösen Metallschicht erhöht wurde. Die Probe mit der Probennummer 02 wurde bei 650°C gesintert. Die Sinterung verlief ausreichend, die Raumverfüllung der porösen Metallschicht war 50%, und das thermoelektrische Wandlerelement und die poröse Metallschicht sowie die Elektrode und die poröse Metallschicht waren ausreichend miteinander verbunden. Durch die Poren in der porösen Metallschicht werden die thermisch bedingten mechanischen Spannungen verringert, wobei die Bindungseigenschaften des thermoelektrischen Wandlerelements und der porösen Metallschicht sowie die Bindungseigenschaften der Elektrode und der porösen Metallschicht nach dem Heiztest beibehalten wurden.
In der 3 ist eine Rasterelektronenmikroskop(SEM)-Darstellung des Bindungsabschnitts der Probe mit der Probennummer 04 dargestellt. Wie die 3 zeigt, wurden die Nickelpulverpartikel, welche in Form der Paste zwischen dem thermoelektrischen Wandlerelement und der Elektrode angeordnet waren, gesintert und dabei die poröse Metallschicht gebildet. Die poröse Metallschicht war metallurgisch an das thermoelektrische Wandlerelement und die Elektrode gebunden. Selbst wenn die Bindungsfläche zwischen dem thermoelektrischen Wandlerelement und der Elektrode thermisch verursachten Spannungen unterworfen wird, verringern die Poren bei einer derart hergestellten porösen Metallschicht die thermisch bedingten Spannungen und die guten Bindungseigenschaften werden beibehalten.
Andererseits wurde die Probe mit der Probennummer 07 bei mehr als 850°C gesintert. Durch diese übermäßige Sinterung ergab sich eine Raumverfüllung der porösen Metallschicht, welche größer als 90% war. Bei diesem Ausführungsbeispiel waren die Bindungseigenschaften nach der Sinterung gut, die Bindungsoberfläche wurde jedoch beim Heiztest aufgebrochen. Dies beruhte darauf, dass der Anteil an Poren zu gering war, und die thermisch verursachten Spannungen nicht ausreichend verringert werden konnten.
Aus diesen Ergebnissen ergibt sich, dass bei einer Raumverfüllung der porösen Metallschicht von 50 bis 90% thermisch verursachte Spannungen ausreichend verringert werden konnten und die guten Bindungseigenschaften beibehalten wurden. Ferner ergibt sich, dass durch Sinterung bei 650 bis 850°C obige Raumverfüllung erreicht werden kann.
Zweites Ausführungsbeispiel
Anstelle des im ersten Ausführungsbeispiel verwendeten thermoelektrischen Wandlerelements wurde ein thermoelektrisches Wandlerelement aus Mg₂Si verwendet. Beide Endflächen des thermoelektrischen Wandlerelements wurden mit Nickel beschichtet. Des thermoelektrische Wandlerelement wurde wie folgt hergestellt: Zunächst wurde ein Sinterrohkörper aus Mg₂Si zubereitet. Der Sinterrohkörper wurde mit Nickel überzogen und in die Form von thermoelektrischen Wandlerelementen durch Schneiden aufgeteilt. Anschließend wurde ein thermoelektrisches Wandlermodul hergestellt und in der gleichen Weise wie das erste Ausführungsbeispiel beurteilt. Es ergab sich, dass trotz Austausch des thermoelektrischen Wandlerelements, die Raumverfüllung der porösen Metallschicht 50 bis 90% betrug und die thermisch bedingten Spannungen ausreichend verringert wurden, sodass die guten Bindungseigenschaften beibehalten wurden. Ferner wurde die Sinterung bei 650 bis 850°C durchgeführt, sodass die oben beschriebene Raumverfüllung erreicht wurde.
Drittes Ausführungsbeispiel

Verschiedene Arten von Nickelpulverpartikeln mit durchschnittlichen Partikelgrößen, wie sie in Tabelle 2 angegeben sind, wurden vorbereitet und daraus Fasten geformt, wie im Falle des ersten Ausführungsbeispiels. Anschließend wurden thermoelektrische Wandlermodule durch Verwendung der Pasten, wie im Fall des ersten Ausführungsbeispiels, zusammengebaut. Die thermoelektrischen Wandlermodule wurden bei 800°C gesintert, sodass die Paste mit Ausnahme der Metallpulverpartikel entfernt wurde. Gleichzeitig wurde gesintert und eine Diffusions-Kontaktherstellung der Metallpulverpartikel wie im ersten Ausführungsbeispiel erreicht. Zwei Sätze von Proben von thermoelektrischen Wandlermodulen mit den Probennummer 08 bis 13 wurden hergerichtet. Für diese Proben wurde die Raumverfüllung der porösen Metallschicht gemessen und die Bindungseigenschaften vor und nach dem Heiztest wurden beurteilt. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 dargestellt. Tabelle 2

Probe Nr.	Metallpulverpartikel μm		Raumerfüllung der porösen Metallschicht %	Bindungseigenschaft
Probe Nr.	Mittlere Partikelgröße	Maximale Partikelgröße	Raumerfüllung der porösen Metallschicht %	Vor Heiztest	Nach Heiztest
08	0,01	10,0	96	O	x
09	0,1	10,0	90	O	O
10	0,5	10,0	88	O	O
05	1,0	10,0	86	O	O
11	5,0	20,0	66	O	O
12	10,0	30,0	50	O	O
13	20,0	30,0	44	x	-

Wie aus Tabelle 2 hervorgeht, vergrößert sich der Oberflächenbereich, wenn der durchschnittliche Partikeldurchmesser der Metallpulverpartikel kleiner ist. Die Sinterung geht aktiv von statten. Die poröse Metallschicht wird dabei verdichtet und die Raumverfüllung erhöht sich. Hieraus ergibt sich, dass bei Vergrößerung des durchschnittlichen Partikeldurchmessers der Metallpulverpartikel die poröse Metallschicht bei der Sinterung schwierig zu verdichten war. Die Raumverfüllung der porösen Metallschicht war daher geringer.
Bei der Probe mit der Probennummer 08 besaßen die Metallpulverpartikel eine durchschnittliche Partikelgröße von weniger als 0,1 μm. Der Anteil an feinen Pulverpartikeln war überhöht, sodass der Oberflächenbereich zu groß war. Der Sinterungsprozess verlief extrem aktiv und die Raumverfüllung der porösen Metallschicht war größer als 90%. Die Porosität war geringer als 10% und somit gering. Die Grenzschicht wurde bei der thermischen Belastung aufgrund thermischer Expansionen des thermoelektrischen Wandlerelements und der Elektrode beim Heiztest gebrochen. Die Bindungseigenschaften waren nicht gut nach dem Heiztest. Im Gegensatz dazu besaß die Probe mit der Probennummer 09 Metallpulverpartikel mit einer Durchschnittspartikelgröße von 0,1 μm. Wobei die Raumverfüllung der porösen Metallschicht 90% war und eine ausreichende Anzahl an Poren in der Metallschicht dispergiert waren. Demzufolge wurden die thermisch verursachten Spannungen durch die Poren beim Heiztest verringert und die guten Bindungseigerischaften blieben nach dem Heiztest aufrecht erhalten. Andererseits hatten die Metallpulverpartikel in der Probe mit der Probennummer 13 eine Durchschnittspartikelgröße von größer als 10 μm und die Sinterung erfolgte nur unzureichend. Demzufolge war die Raumverfüllung der porösen Metallschicht geringer als 50% und das thermoelektrische Wandlerelement und die poröse Metallschicht sowie die Elektrode und die poröse Metallschicht waren nur unzureichend miteinander verbunden.
Wenn gemäß diesen Ergebnissen Metallpulverpartikel mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 0,1 bis 10 μm verwendet werden, erreicht man eine Raumverfüllung der porösen Metallschicht von 50 bis 90% sowie gute Bindungseigenschaften.
Viertes Ausführungsbeispiel
Das im dritten Ausführungsbeispiel verwendete thermoelektrische Wandlerelement wurde ausgetauscht durch ein thermoelektrisches Wandlerelement aus Mg₂Si welches mit Nickel beschichtet wurde und im zweiten Ausführungsbeispiel verwendet wurde. Dann wurde ein thermoelektrisches Wandlermodul hergestellt und in der gleichen Weise wie das dritte Ausführungsbeispiel bewertet. Obgleich die Art des thermoelektrischen Wandlerelements geändert wurde, wurden bei Verwendung von Metallpulverpartkeln mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 0,1 bis 10 μm eine Raumverfüllung der porösen Metallschicht von 50 bis 90%, sowie gute Bindungseigenschaften erreicht.
Beim thermoelektrischen Wandlermodul gemäß der Erfindung werden thermisch verursachte Spannungen, welche bei hohen Temperaturen auftreten, durch die poröse Metallschicht verringert. Demzufolge kann das thermoelektrische Wandlermodul bei hohen Temperaturen, bei welchen die Funktion des thermoelektrischen Wandlerelements am meisten effektiv zum Einsatz gebracht werden kann, verwendet werden. Es kann dabei eine erhöhte Elektrizitätsmenge erzeugt werden. Das thermoelektrische Wandlermodul gemäß der Erfindung kann in geeigneter Weise verwendet werden für in kleinem Maßstab liefernde Energieerzeugungssysteme, welche Abgasquellen bei der Müllverbrennung ausnützen, als Zusatzenergie-Erzeugungssystem und dergleichen. Außerdem kann das thermoelektrische Wandlermodul der Erfindung in geeigneter Weise als Energieerzeugungssystem bei Automobilen, insbesondere unter Ausnützung der Wärme der Auspuffgase von Automobilen, zum Einsatz gebracht werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 9-293906 [0003]

Claims

Thermoelektrisches Wandlermodul mit einem thermoelektrischen Wandlerelement (1) und einer Elektrode (2), welche über eine poröse Metallschicht (6) metallurgisch miteinander verbunden sind, wobei die poröse Metallschicht (6) aus Nickel oder Silber besteht und eine Raumverfüllung von 50 bis 90% aufweist.
Thermoelektrisches Wandlermodul nach Anspruch 1, wobei die poröse Metallschicht (6) eine Dicke von 10 bis 100 μm aufweist.
Thermoelektrisches Wandlermodul nach Anspruch 1 oder 2, wobei die poröse Metallschicht durch Sintern von Metallpulverpartikel mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 0,1 bis 10 μm hergestellt ist, und die Metallpulverpartikel entweder Nickelpulverpartikel oder Silberpulverpartikel sind.
Thermoelektrisches Wandlermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das thermoelektrische Wandlerelement (1) eine mit Metall beschichtete Endfläche aufweist, und die Endfläche an die Elektrode (2) über die poröse Metallschicht (6) gebunden ist.
Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Wandlermoduls, welches ein thermoelektrisches Wandlerelement mit einer Endfläche und eine Elektrode aufweist, wobei das Herstellungsverfahren enthält: Zubereiten einer Paste in welcher Metallpulverpartikel dispergiert sind, wobei die Metallpulverpartikel einen durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 0,1 bis 10 μm aufweist und entweder Nickelpulverpartikel oder Silberpulverpartikel sind, Aufbringen der Paste auf die Endfläche des thermoelektrischen Wandlerelements, Anfügen der Endfläche, auf welcher die Paste aufgebracht ist, an die Elektrode, sodass das thermoelektrische Wandlerelement und die Elektrode verbunden sind, Erwärmen der zwischen dem thermoelektrischen Wandlerelement und der Elektrode angeordneten Paste in einer inerten Gasathmosphäre oder in einer reduzierenden Gasathmosphäre oder in einem Vakuum, sodass die Paste, ausgenommen die Metallpulverpartikel, entfernt wird und die Metallpulverpartikel verbleiben, Sintern der verbleibenden Metallpulverpartikel zur Bildung einer porösen Metallschicht, und Durchführung einer Diffusions-Kontaktherstellung der porösen Metallschicht mit der Endfläche des thermoelektrischen Wandlerelements und mit der Elektrode, sodass zwischen diesen eine metallurgische Verbindung sich ergibt, wobei die Sinterung und die Diffusions-Kontaktherstellung gleichzeitig bei einer Temperatur von 650 bis 850°C bei Verwendung von Nickelpulverpartikeln oder bei einer Temperatur von 450 bis 750°C bei Verwendung von Silberpulverpartikeln durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Metallpulverpartikel in der Paste mit 30 bis 50 Vol.-% dispergiert sind.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Paste eine Viskosität von 10 bis 100 Pa·s aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Paste eine Scherfestigkeit von nicht weniger als 0,1 N/cm² aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Endfläche des thermoelektrischen Wandlerelements mit einem Metall beschichtet wird und die Paste auf die mit dem Metall beschichtete Endfläche aufgebracht wird.