JP2021515403A - 熱電モジュール、およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
− セラミックに代わる金属製のベース・プレート、
− 高温側のろう付け接合部および低温側の軟質はんだ接合部、
− 動作温度の局所的な変動に応じた様々な熱電対材料。
従って、本発明のこれらの態様は、互いに独立に保護を受けることができる。
2 セラミック・プレート
3 コンタクト・パッド
4 熱電対のp型の脚部
5 熱電対のn型の脚部
6 はんだ付け接続
7 本発明による熱電モジュール
8 金属(例、銅)製の低温側のベース・プレート
9 接着剤の絶縁層
10 低温側のコンタクト・パッド
11 低温側のコンタクト・パッド上の腐食保護層
12 表面の凹凸を補償するための低温側のグラファイト中間層
13 熱電対の脚部
14 低温側の軟質はんだ接続
15 高温側の熱伝導プレート
16 表面の凹凸を補償するための高温側のグラファイト中間層
17 高温側のセラミック絶縁層
18 表面の凹凸を補償するための高温側のグラファイト中間層
19 高温側のコンタクト・パッド
20 高温側の腐食保護層
21 高温側のろう付け接合部
22 熱電対
23 熱電モジュールの高温側の高温ゾーン
24 熱電モジュールの高温側の低温ゾーン
Claims (16)
- 特に内燃エンジンの排気システムにおける、熱電発電用の熱電モジュール(7)であって、
a) ベース・プレート(8)と、
b) それぞれ2つの脚部(13)を有する複数の熱電対(22)であって、少なくとも部分的に電気的に直列に接続され前記ベース・プレート(8)に取り付けられた複数の熱電対(22)と、
を有し、
特徴として、
c) 前記ベース・プレート(8)は金属材料からなるものである、
熱電モジュール(7)。 - 前記熱電モジュール(7)が高温側および低温側を有し、前記金属ベース・プレート(8)が前記熱電モジュール(7)の前記低温側に配置されることを特徴とする、請求項1に記載の熱電モジュール(7)。
- a)一方の前記金属ベース・プレート(8)と他方の前記熱電対(22)の間に、前記金属ベース・プレート(8)を前記熱電対(22)から電気的に絶縁するための、低温側の絶縁層(9)が設けられ、前記低温側の絶縁層(9)は、好ましくは、
a1) 前記金属ベース・プレート(8)に接着された接着剤層であり、および/または
a2) 前記絶縁層(9)の良好な熱伝導率を達成するために少なくとも部分的にセラミック材料で満たされているものであること、および/または
b) 相異なる熱電対(22)を電気的に直列接続するために前記相異なる熱電対(22)の2つの脚部(13)に電気的に接触するための複数の導電性コンタクト・パッド(10)が前記低温側の絶縁層(6)上に設けられていること、および/または
c) 前記低温側の絶縁層(9)上の前記コンタクト・パッド(10)を覆い前記コンタクト・パッド(10)を腐食から保護する低温側の腐食保護層(11)が、特にニッケル−金層として、設けられること、および/または
d) 前記熱電モジュール(7)を熱源に熱結合するための、特にステンレス鋼製の、高温側の熱伝導プレート(15)が設けられること、および/または
e)前記熱伝導プレート(15)と前記熱電対(22)の間に、表面の凹凸を補償するための、特にグラファイト・フィルムの形態の、高温側の第1の中間層(16)が設けられること、および/または
f) 前記熱伝導プレート(15)に対して前記熱電対(22)を電気的に絶縁するための高温側の絶縁層(17)が、特にセラミック層として、設けられること、および/または
g) 前記高温側の絶縁層(17)と前記熱電対(22)の間に、表面の凹凸を補償するための高温側の第2の中間層(18)が、特にグラファイト・フィルムとして、設けられること、および/または
h) 相異なる熱電対(22)を電気的に直列接続するために前記相異なる熱電対(22)の2つの脚部(13)に電気的に接触するための複数の高温側の導電性コンタクト・パッド(19)が設けられること、および/または
i) 前記高温側のコンタクト・パッド(19)上に前記高温側のコンタクト・パッド(19)を腐食から保護するための高温側の腐食保護層(20)が、特にニッケル−金層として、設けられること、
を特徴とする、請求項1または2に記載の熱電モジュール(7)。 - a) 相異なる熱電対(22)を電気的に直列接続するために前記相異なる熱電対(22)の2つの脚部(13)にそれぞれ電気的に接触するための前記熱電モジュール(7)の高温側の複数の導電性コンタクト・パッド(19)であって、ろう付け接続(21)によって前記熱電対(22)の前記脚部(13)に接続された高温側の複数の導電性コンタクト・パッド(19)が設けられ、
b) 相異なる熱電対(22)を電気的に直列接続するために前記相異なる熱電対(22)の2つの脚部(13)にそれぞれ電気的に接触するための前記熱電モジュール(7)の低温側の複数の導電性コンタクト・パッド(10)であって、軟質はんだ接続(14)によって前記熱電対(22)の前記脚部(13)に接続された低温側の複数の導電性コンタクト・パッド(10)が設けられること
を特徴とする、請求項1乃至3のいずれかに記載の熱電モジュール(7)。 - 前記熱電対(22)は、前記相異なる熱電対(22)における相異なる動作温度用に設計された相異なる熱電材料からなるものであることを特徴とする、請求項1乃至4のいずれかに記載の熱電モジュール(7)。
- a) 前記熱電モジュール(7)は、動作状態で、前記熱電モジュール(7)の前記高温側の前記温度が高温ゾーン(23)から低温ゾーン(24)へと低下する形態の、前記高温側に平行な前記高温側の温度勾配に曝されること、および
b) 前記高温ゾーン(23)における前記熱電対(22)は、前記低温ゾーン(24)における動作温度より高い動作温度用に設計されること
を特徴とする、請求項5に記載の熱電モジュール(7)。 - a) 前記高温ゾーン(23)における前記熱電対(22)が、少なくとも部分的に、次の材料
a1) 高温安定なハーフホイスラー合金、
a2) スクッテルダイト、
a3) ケイ化物、
a4) テルル化鉛、
の中の1種の材料からなること、および/または
b) 前記低温ゾーン(24)における前記熱電対(22)が、少なくとも部分的にテルル化ビスマスからなること
を特徴とする、請求項6に記載の熱電モジュール(7)。 - a) 前記熱電モジュール(7)における前記熱電対(22)の数が、100より、200より、400よりまたは600より大きいこと、および/または
b) 前記熱電対(22)用の前記個々のコンタクト・パッドが、それぞれ長さ2mm〜10mm、3mm〜7mmまたは4mm〜5mmを有すること、および/または
c) 前記熱電対(22)用の前記個々のコンタクト・パッド(10、19)が、それぞれ幅0.5mm〜4mm、1mm〜3mmまたは1.5mm〜2mmを有すること、および/または
d) 前記熱電対(22)用の前記個々のコンタクト・パッド(10、19)が、それぞれ厚さ0.1mm〜1mm、0.2mm〜0.5mmまたは0.25mm〜0.35mmを有すること、および/または
e) 前記熱電対(22)の前記個々の脚部(13)が、それぞれ厚さ0.5mm〜2mm、0.7mm〜1.5mmまたは0.8mm〜1.2mmを有すること、および/または
f) 前記熱電対(22)の前記個々の脚部(13)が、それぞれ長さ0.5mm〜3mm、1mm〜2mmまたは1.3mm〜1.7mmを有すること、および/または
g) 前記ベース・プレート(8)が、少なくとも2cm、少なくとも4cmまたは少なくとも8cmの端縁長さを有すること、および/または
h) 前記金属ベース・プレート(8)上の前記絶縁層(9)が、層厚さ10μm〜100μm、20μm〜70μmまたは30μm〜50μmを有すること、および/または
i) 前記金属ベース・プレート(8)の前記金属材料が、次の材料
i1) 銅または銅合金、
i2) アルミニウムまたはアルミニウム合金、
i3) ステンレス鋼
の中の1種の材料であること
を特徴とする、請求項1乃至7のいずれかに記載の熱電モジュール(7)。 - 熱ガス流中に配置された熱電モジュール(7)を有する、前記内燃エンジンからの前記熱ガス流を導き出しまたは迂回させるための内燃エンジンの排気システムであって、
前記熱電モジュール(7)が請求項1乃至8のいずれかに記載の熱電モジュールの設計のものであることを特徴とする、排気システム。 - a) 前記熱電モジュール(7)は、その低温側が冷媒流に、特に冷却水流に、曝され、前記冷媒流が、前記熱電モジュール(7)の高温側の前記熱ガス流に対して、横切る方向に、特に直角方向に、向いていること、および/または
b) 前記冷媒流に対して横切る方向の温度勾配は、前記熱電モジュール(7)の前記高温側で現れて、前記熱電モジュール(7)の前記高温側の温度が高温ゾーン(23)から低温ゾーン(24)へと低下する形態のものであること、および/または
c) 前記高温ゾーン(23)における前記熱電対(22)が、前記低温ゾーン(24)における動作温度より高い動作温度用に設計されていること、
を特徴とする、請求項9に記載の排気システム。 - 請求項9または10に記載の排気システムを有する内燃エンジン、特にオットー・エンジンまたはディーゼル・エンジン。
- 熱電発電用の熱電モジュール(7)の、特に請求項1乃至8のいずれかに記載の熱電モジュール(7)の、製造方法であって、
a) ベース・プレート(8)を供給する工程と、
b) 前記ベース・プレート(8)上に複数の熱電対(22)を取り付ける工程と、
を含み、
特徴として、
c) 前記ベース・プレート(8)は金属材料からなるものである、
製造方法。 - a) 前記低温側に配置される前記金属ベース・プレート(8)を前記熱電対(22)から電気的に絶縁するために、前記金属ベース・プレート(8)に低温側の絶縁層(9)を、特に接着剤層を、付着させまたは塗布する工程、および/または
b) 複数の導電性コンタクト・パッド(10)を前記絶縁層(9)に付着させる工程、および/または
c) 腐食防止層(11)を前記コンタクト・パッド(10)に付着させる工程、および/または
d) 表面の凹凸を補償するために、特にグラファイト・フィルムとしての、中間層(12)を前記コンタクト・パッド(10)に付着させる工程、および/または
e) 前記熱電対(22)を前記絶縁層(9)上の前記コンタクト・パッド(10)上に取り付ける工程、および/または
f) 表面の凹凸を補償するために、特にグラファイト・フィルムとしての、第1の中間層(18)を前記熱電対(22)に付着させる工程、および/または
g) 電気絶縁のために高温側の絶縁層(17)を付着させまたは塗布する工程、および/または
h) 表面の凹凸を補償するために、特にグラファイト・フィルムとしての、第2の中間層(16)を前記絶縁層(17)に付着させる工程、および/または
i) 前記熱電モジュール(7)を熱源に熱結合させるために、特にステンレス鋼製の、高温側の熱伝導プレート(15)を付着させる工程、
を含む、請求項12に記載の製造方法。 - a) 熱電対(22)を形成するために、ろう付けすることによって熱電材料の各2つの脚部(13)を導電性コンタクト・パッドに接続する工程と、
b) 軟質はんだ付けによって前記熱電対(22)を前記低温側のベース・プレート(8)に接続する工程と、
を含むことを特徴とする、請求項12または13に記載の製造方法。 - a)前記複数の熱電対(22)が個々に予め組み立てられ、
b) 次いで、予め組み立てられた複数の前記熱電対(22)が前記金属ベース・プレート(8)に共に接続されること、
を特徴とする、請求項14に記載の製造方法。 - a) 前記熱電モジュール(7)は、動作状態で、前記熱電モジュール(7)の前記高温側の温度が高温ゾーン(23)から低温ゾーン(24)へと低下する形態の、前記高温側に平行な温度勾配に曝されること、および
b) 前記高温ゾーン(23)における前記熱電対(22)は、前記低温ゾーン(24)における動作温度より高い動作温度用に設計されること、
を特徴とする、請求項12乃至15のいずれかに記載の製造方法。
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