JP2019509623A - 熱電素子を粉末冶金により製造する合理的方法 - Google Patents
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Abstract
Description
a)基材平面に対してほぼ垂直方向に整列した貫通孔が延びる、電気絶縁性でかつ断熱性の基材材料からなるほぼ平坦な基材を準備すること、
b)粉末状の、熱電活性の活性材料を準備すること、
c)基材とは異なる型内で活性材料を圧粉体に圧縮すること、
d)基材の貫通孔内へ圧粉体を挿入して、基材を貫くように各々1つの貫通孔内に貫通孔の軸に沿ってそれぞれ1つの圧粉体を延在させること、
e)貫通孔内に挿入された圧粉体を有する基材をほぼ平坦な2つの電極の間に配置して、両方の電極と基材とを相互にほぼ平行に整列させること、
f)圧粉体の端面を電極と接触させて、圧粉体を介して両方の電極の間に、電流も機械的な動力の流れも伝達する結合を作り出すこと、
g)圧粉体に電極の間に流れる電流を供給して、熱電活性材料内に熱を発生させること、
h)圧粉体に電極の間で作用する圧縮力を印加して、熱電活性材料を圧力下に置くこと、
i)圧力および熱の作用下で圧粉体を熱電脚部に焼結させること、
k)基材および基材内に収容された熱電脚部を、それらの平行度を維持しながら電極の近接によって平坦化して、熱電脚部を基材と面一に仕上げ、基材内での圧粉体の場合による軸方向のずれおよび焼結収縮を補償すること
を有する方法により解決される。
圧粉体の横断面積を基準とした電流密度: 10kA/m2〜100kA/m2
供給時間: 600s〜1100s
電気エネルギーの投入/活性材料の秤量: 150kJ/g〜250kJ/g
交互にp型ドープされた圧粉体3pと、n型ドープされた圧粉体3nとが互いに隣り合うように配置される。それぞれ隣接するp型ドープされた圧粉体とn型ドープされた圧粉体とは後に熱電対を形成する。始めに一方の種類の全ての圧粉体を挿入してその後に他の種類を挿入するか、またはそれぞれ交互にもしくは列状にもしくは他の任意のパターンで挿入するかどうかは重要ではない。
F1 < Rkalt < F2 < Rheiss (1)
T0 < Tgrenz < Tsinter (2)
1i 第1の基材(外側にある)
1ii 第2の基材(内側にある)
1iii 第3の基材(外側にある)
2 貫通孔
3 圧粉体
3n n型ドープされた圧粉体
3p p型ドープされた圧粉体
4 打錠機
5 粉末の形の熱電活性材料(Bi2Te3)
6 充填漏斗
7 型
8 割り当てなし
9 下側パンチ
10 上側パンチ
11 捕集容器(共通)
11n n型ドープされた圧粉体用の捕集容器
11p p型ドープされた圧粉体用の捕集容器
12a 第1の電極
12b 第2の電極
Δx 接触時の電極の経路
Δy 焼結時の電極の経路
F 力
AC 交流電圧
13 熱電脚部
13n n型ドープされた活性材料からなる熱電脚部
13p p型ドープされた活性材料からなる熱電脚部
14 半製品
15 熱電素子
16 熱電対
17 接触ブリッジ
17+ 片側が空いた接触ブリッジ
17- 片側が空いた接触ブリッジ
18a 第1の分離プレート
18b 第2の分離プレート
19 スタック
Claims (15)
- 次の工程:
a)基材平面に対してほぼ垂直方向に整列した貫通孔が延びる、電気絶縁性でかつ断熱性の基材材料からなるほぼ平坦な基材を準備すること、
b)粉末状の、熱電活性の活性材料を準備すること、
c)前記基材とは異なる型内で前記活性材料を圧粉体に圧縮すること、
d)前記基材の前記貫通孔内へ前記圧粉体を挿入して、前記基材を貫くように各々1つの貫通孔内に前記貫通孔の軸に沿ってそれぞれ1つの圧粉体を延在させること、
e)前記貫通孔内に挿入された圧粉体を有する前記基材をほぼ平坦な2つの電極の間に配置して、両方の電極と前記基材とを相互にほぼ平行に整列させること、
f)前記圧粉体の端面を前記電極と接触させて、前記圧粉体を介して前記両方の電極の間に、電流も機械的な動力の流れも伝達する結合を作り出すこと、
g)前記圧粉体に前記電極の間に流れる電流を供給して、熱電活性材料内に熱を発生させること、
h)前記圧粉体に前記電極の間に作用する圧縮力を印加して、前記熱電活性材料を圧力下に置くこと、
i)前記圧粉体を前記圧力および前記熱の作用下で熱電脚部に焼結させること、
k)前記基材および前記基材内に収容された熱電脚部を、それらの平行度を維持しながら前記電極の近接によって平坦化して、前記熱電脚部を前記基材と面一に仕上げ、前記基材内での前記圧粉体の場合による軸方向のずれおよび焼結収縮を補償すること
を有する、熱電素子または前記熱電素子の少なくとも1つの半製品の製造方法。 - 挿入された圧粉体を有する複数の基材を一つのスタックにまとめ、前記基材は前記スタック内で互いに平行に延在し、かつ前記スタック内で隣接する2つの基材の間にそれぞれほぼ平坦な分離プレートが挟まれていて、前記分離プレートは前記基材に対して平行に延在し、かつ前記隣接する基材の前記圧粉体の間に導電性の結合および力を伝達する結合を作り出し、かつ全体のスタックは前記両方の電極の間に配置されることを特徴とする、請求項1記載の方法。
- 挿入された圧粉体を有する複数の基材を、個別にまたは積層して前記両方の電極の間に同一平面内に配置することを特徴とする、請求項1または2記載の方法。
- 前記電極および/または前記分離プレートが黒鉛からなる、請求項1または請求項2から3までのいずれか1項記載の方法において、前記圧粉体に接触のために第1の圧縮力を印加し、次いで前記第1の圧縮力の作用下で、黒鉛からなる電極もしくは分離プレートが前記第1の圧縮力を越える高められた負荷能力を有する温度に、前記黒鉛からなる電極または分離プレートが到達するまで、前記圧粉体に電流を供給し、かつ前記圧粉体に、前記第1の圧縮力を越えかつ前記高められた負荷能力を下回る第2の圧縮力を印加することを特徴とする、請求項1または請求項2から3までのいずれか1項記載の方法。
- 粉末状活性材料を前記圧粉体に圧縮する際に、前記活性材料を、前記活性材料の真密度の75%〜85%に相当する第1の圧縮密度に緻密化することを特徴とする、請求項1または請求項2から4までのいずれか1項記載の方法。
- 前記圧粉体の前記熱電脚部への焼結を、前記活性材料の溶融温度の50%〜70%に相当する温度で行うことを特徴とする、請求項1または請求項2から5までのいずれか1項記載の方法。
- 前記圧粉体に、前記電極間に作用する圧縮力を印加する際に、前記圧粉体を、前記活性材料の真密度の90%〜97%に相当する第2の圧縮密度に緻密化することを特徴とする、請求項1または請求項2から6までのいずれか1項記載の方法。
- 前記圧粉体は円柱状の形状を有することを特徴とする、請求項1または請求項2から7までのいずれか1項記載の方法。
- 前記圧粉体は端面側にそれぞれ面取り部を有することを特徴とする、請求項8記載の方法。
- 前記圧粉体は、前記圧粉体の周面に関して12μm〜24μmの、DIN 4766 T2により決定された平均粗さRaを有することを特徴とする、請求項8または9記載の方法。
- 選択的に、錐形の圧粉体および/または貫通孔の使用によるかまたは前記貫通孔に対して前記圧粉体の半径方向の過剰部分により、前記圧粉体は前記貫通孔内で締め付けられることを特徴とする、請求項1または請求項2から10までのいずれか1項記載の方法。
- 前記粉末状の熱電活性材料を打錠機内に乾式で準備し、前記活性材料を圧粉体に圧縮する型が前記打錠機内に配置されていて、かつ前記圧粉体は前記打錠機から無秩序に排出されることを特徴とする、請求項1または請求項2から11までのいずれか1項記載の方法。
- 前記圧粉体を手作業でまたは供給装置により取り入れ、個別化し、かつ秩序づけて前記基材の前記貫通孔内へ挿入することを特徴とする、請求項12記載の方法。
- 前記基材材料は、無機原料と結合剤とからなる複合材料であることを特徴とする、請求項1または請求項2から13までのいずれか1項記載の方法。
- 前記複合材料は積層体として構成されていて、前記無機原料は、雲母、パーライト、金雲母、白雲母を含む群から選択され、かつ前記結合剤は、シリコーンまたはシリコーン樹脂またはエポキシ樹脂であることを特徴とする、請求項14記載の方法。
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