用于发电的热电模块及相应的制造方法与流程

文档序号:22243760发布日期:2020-09-15 19:59阅读:230来源:国知局
用于发电的热电模块及相应的制造方法与流程

本发明涉及一种用于热电发电的热电模块、特别是在内燃机的排气系统中的用于热电发电的热电模块。此外,本发明涉及一种用于这样的热电模块的制造方法。



背景技术:

用于将热能转换为电能的经典热电模块包括若干热电偶的串联连接结构。这些热电偶中的每个包括至少一个p型组件(臂(leg))、一个n型组件(臂)以及电连接这两种组件且通常由金属制成的接触桥(图4a、图4b)。若干热电偶通过将一个热电偶的p型组件电连接到下一个热电偶的n型组件且以此类推而被串联连接。热电偶的这样的互连结构被称为热电模块。通过产生从一个接触平面通过p型组件和n型组件到另一个接触平面的热流,借助于塞贝克效应产生电压。

用于这样的过程的典型热源是例如如在内燃机的排气系统中存在的热气流。但是任何其他热源也是可行的。例如,为了从排出气体提取热并且将其传导到热电偶或耗散尚未转化为电能的残留热,通常使用金属热交换器系统。为了避免热交换器与接触桥之间的短路,接触桥与热交换器的电绝缘是绝对必要的。

通常使用零点几毫米厚的陶瓷板、例如由氧化铝或氮化铝制成的陶瓷板作为绝缘体。为了确保绝缘体与接触桥之间的最佳热传递,建立了整体接合连接结构。通常使用所谓的dbc或dcb(dbc:直接键合铜(directbondcopper);dcb:直接铜键合(directcopperbond))复合基板。这里,铜直接层压到陶瓷板上。这些基板具有良好的电绝缘性和导热性。然而,这些基板的缺点在于:由于制造方法的原因,它们的尺寸被限制为约130mm×180mm。此外,固体陶瓷不具有塑性可变形性,因此容易受到机械应力的影响。dcb技术的另一个缺点是层压件的高制造价格。

图1示出了用于借助塞贝克效应将热能转换为电能的传统热电模块1的透视图。热电模块1根据dcb键合技术(dcb:直接铜键合)来制造。因此,已知的热电模块1具有分别布置在热侧和冷侧上的两个平行的陶瓷板2。在附图中,下部陶瓷板2布置在冷侧上,并且承载由铜制成的多个接触垫3,由此,各个接触垫3均电接触p型臂4和n型臂5,以便串联电连接各个热电偶。p型臂4或n型臂5与相关的接触垫3之间的连接结构通过烧结、粘接或焊接连接结构6制成。

已知的dcb连接技术的缺点是相对高的制造成本。此外,陶瓷板2也对碰撞和热冲击敏感。最后,已知的热电模块1的尺寸和横向膨胀受到限制。

对于本发明的技术背景,还应参考de102016006064a1、us2016/0204329a1、us2011/0017254a1、jp2005-317834a、us2002/0189661a1和us2016/0315242a1。



技术实现要素:

因此,本发明基于创建相应改进的热电模块的任务。

根据本发明的热电模块首先具有根据现有技术的底板。在此应指出的是,热电模块的底板以及随后的其他层优选地是平坦的。然而,底板和其他层是弯曲的在理论上也是可行的。

此外,根据现有技术,根据本发明的热电模块包含大量的热电偶,热电偶均具有两个臂,热电偶串联电连接并安装在底板上。为了避免误解,应注意的是,在本发明的上下文中,并非所有热电偶都需要串联电连接。例如,以下也是可行的:热电偶成组地串联连接,在这种情况下,这些组并联连接。

然而,与现有技术不同的是,根据本发明的热电模块的底板不包括陶瓷材料,而是包括金属材料(例如,铜、铝、不锈钢)。

这样所提供的优点是,热电模块可以更经济地制造。此外,利用金属板作为底板,大得多的规格是可能的。最后,根据本发明的热电模块在机械上还比陶瓷底板更不敏感得多。

在本发明的一个优选实施例中,金属底板布置在热电模块的冷侧上,即,布置在热电模块的在操作期间暴露于比相对的热侧低的温度的一侧上。

此外,热电模块在冷侧上具有绝缘层,所述绝缘层布置在一方面的金属底板与另一方面的热电偶之间,并且用于使金属底板与热电偶电绝缘并且将热电偶固定在底板上。该绝缘层包括有机粘合剂层。

为了获得有机绝缘层的良好的导热性,绝缘层可以至少部分地填充有陶瓷材料。

此外,根据本发明,热电模块优选地在接触侧绝缘层上包括多个导电接触垫。各个接触垫均用于接触不同热电偶的两个臂,以用于根据本发明的热电模块中的热电偶的电串联连接。

此外,根据本发明的热电模块优选地在冷侧上具有防腐层,所述防腐层覆盖位于绝缘层上的接触垫并且保护它们不受腐蚀。例如,该防腐层可以包括如本身从现有技术中已知的镍金层。

此外,电绝缘层(例如,陶瓷层)设置在热侧上,以使热电偶与导电的导热板绝缘。

另外的中间层(例如,石墨箔)可以放置在热侧上的绝缘层与热电偶之间,以补偿表面不均匀。

此外,大量的导电接触垫设置在热侧上,以便接触不同热电偶的两个臂,以用于热电偶的电串联连接。

在热侧上的接触垫也可以覆盖有防腐层(例如,镍金层),以防止接触垫的腐蚀。

此外,本发明还包括本发明的独立于上面描述的本发明的第一方面(金属底板)而享有保护的另一方面。因此,本发明的该第二方面提出,热电偶的在一方面的热侧上的接触和在另一方面的冷侧上的接触在不同的接合温度下进行。在一侧上的接触垫与在另一侧上的热电偶的臂之间的连接结构优选地在热侧上通过比在冷侧上高的接合温度制成,例如,通过在例如900℃的温度下的钎焊连接方式制成。在另一方面,在冷侧上,在接触垫和热电偶的臂之间的连接结构在较低的温度下、例如在300℃的温度下例如通过软焊而制成。如果热电模块在内燃机的排气系统中使用时必须在其热侧承受高达600℃的温度,则在热电模块的热侧上的钎焊接头是有用的。为此目的需要钎焊合金(例如,银基钎焊合金),而软焊接头将不能承受这些相对高的温度。在另一方面,在热电模块的冷侧上,操作期间的温度最大仅达到150℃,因而在此软焊接头是足够的。

因此,各个热电偶优选地首先被预组装,由此在预组装期间形成钎焊接头。然后,预组装的钎焊热电偶安装在底板上并且通过软焊接头接触。利用这种软焊接头,整个热电模块仅需加热到约300℃,这比利用钎焊接头要低得多。这减少了热电模块中的机械应力。此外,在制造方法期间的这些温度降低减小了制造成本。此外,显著更大的模块也是可能的。最后,成对的臂还可以用于不同的模块类型,从而能够实现标准化。

除了上面提到的本发明的两个方面(金属底板、热侧上的钎焊和冷侧上的软焊)之外,本发明还包括下面描述的本发明的第三方面。

本发明的第三方面基于以下认识:热电模块的热侧上的操作温度在空间上变化,使得根据各个热电偶在热电模块内的安装位置使其适应局部主要操作温度是有用的。因此,优选的是,热电偶由不同的热电材料制成,其针对不同的热电偶针对不同的操作温度而设计。

在本发明的优选实施例中,在操作期间,热电模块在热侧经受平行于热侧的温度梯度,使得热电模块的热侧上的温度从高温区至低温区降低。然后,高温区中的热电偶优选地被设计为能够用于比低温区中的操作温度高的操作温度。

例如,高温范围中的热电偶可以至少部分地包括高温稳定的半赫斯勒合金、方钴矿、硅化物或碲化铅,而低温范围中的热电偶至少部分地包括碲化铋。

根据本发明的热电模块的结构允许热电模块中有大量的热电偶,由此例如热电偶的数量可以大于100、200、400或甚至大于600。

例如,热电偶的各个接触垫可以具有2mm-10mm的长度、0.5mm-4mm的宽度以及0.1mm-1mm的厚度。

热电偶的各个臂可以均具有0.3mm-3mm的厚度以及0.3mm-3mm的长度。

例如,热电模块的底板可以具有至少2cm、4cm或甚至15cm的边缘长度。

对于金属底板上的绝缘层,应提及的是,例如,其可以具有5μm-100μm的层厚度。

仅举几个示例,金属底板的金属材料可以是铜、铜合金、铝、铝合金或不锈钢。然而,对于金属底板的金属材料,本发明不限于这些示例。

还应注意的是,本发明不仅要求保护上面作为单个组件描述的热电模块。而是,本发明还要求保护具有这样的热电模块以用于从热气流的废热发电的内燃机的整个排气系统。

此外,本发明还要求保护具有排气系统的完整内燃机(例如,奥托发动机、柴油发动机),在所述排气系统中布置有根据本发明的热电模块。

最后,本发明还要求保护相应的制造方法。根据本发明的制造方法的各个工艺步骤从热电模块的上述描述得出,从而不需要单独描述各个工艺步骤。

附图说明

本发明的其他有利的进一步改进方案在从属权利要求中给出或者在下面使用附图结合本发明的优选实施例的描述一起进行更详细说明。附图示出了:

图1是用于发电的传统热电模块的透视图,

图2是根据本发明的热电模块的一部分的透视图,

图3是用于示出分层结构的穿过根据本发明的热电模块的热电偶的剖面图,

图4a是本发明的热电模块的单个热电偶的侧视图,

图4b是图4a中所示的热电偶的示图,

图5示出了根据本发明的热电模块的金属底板的视图,

图6是说明根据本发明的制造方法的流程图,

图7是用于向电负载供电的热电偶的示意图。

具体实施方式

图2至图5示出了根据本发明的热电模块7的不同示图,热电模块7可以用于例如通过将热电模块7暴露于内燃机(例如,奥托发动机、柴油发动机)的热排气系统的热电发电。

根据本发明的热电模块7首先具有由金属(例如,铜、铝、不锈钢)制成的冷侧底板8。

金属底板8承载有机粘合剂的电绝缘层9,使得接触垫10可以容易地粘合到底板8。

导电接触垫10被施加到绝缘层9,导电接触垫10被防腐层11(例如,镍金层)覆盖,以防止接触垫10的腐蚀。绝缘层9防止接触垫10之间经由导电底板8的短路。

在热电模块7中,热电偶22的臂13通过软焊连接结构12连接到冷侧接触垫10。

首先,与热电模块7的热侧相邻的是导热板15,导热板15例如可以由不锈钢制成,并且用于与待使用的热源(例如,热气流)热耦合。该导热板不属于实际的热电模块本身,仅出于说明目的而示出。

在其下方存在中间层16,中间层16例如可以包括石墨箔,并且具有补偿表面不均匀的作用。

接下来是绝缘层17,绝缘层17由陶瓷制成,以承受在热电模块7的热侧上出现的高温。

接下来,可选的中间层18然后被添加,以补偿表面不均匀。该层可以包括例如石墨、氮化硼或金属焊料。

接下来是各个接触垫19,接触垫19又涂覆有防腐层(例如,镍金层)。绝缘层17防止接触垫19之间经由导电导热板15的短路。

在一方面的各个热电偶的臂13与在另一方面的热侧接触垫19之间的连接结构在此例如通过钎焊接头21制成,钎焊接头21可以承受在热电模块7的热侧上出现的高温。

图3示出了单个热电偶22的剖面图,但是图5示出了底板8承载多个接触垫10,从而热电模块7可以包含串联连接的多个热电偶22。

图4a和图4b示出了热侧接触垫19可以具有例如长度l=4.5mm、厚度d=0.3mm和宽度b=1.8mm。

热电偶22的各个臂13可以均具有b=1mm的厚度。

此外,明显的是,在热侧上的接触垫19可以具有半径r=0.9mm,由此,圆形侧能够进行对正检测。

图5还示出了热电模块7暴露于热气流,所述热气流在图中从顶部到底部在竖直方向上延伸。另一方面,在热电模块7的冷侧上,冷却水在图中从左到右在水平方向上流动。这意味着热电模块7的热侧上的温度不均匀。确切地说,在热电模块7的热侧上的高温区23中的温度高于随后的低温区24中的温度。因此,各个热电偶22适合于局部波动的操作温度。高温范围23中的热电偶22例如由在高温下非常稳定的半赫斯勒合金制成。另一方面,低温区24中的热电偶22包括被优化用于较低温度范围的碲化铋。

在下文中,描述根据本发明的制造方法,其在图6中以流程图的形式示出。

在第一步骤s1中,首先制造各个热电偶22,其中,臂13连接到热侧接触垫19、例如通过钎焊接头连接到热侧接触垫19。为了避免误解,应该说,满足导电性和温度稳定性的要求的任何其他接合技术、例如烧结也是可行的。因为热电模块7之后会在热侧上暴露于非常高的操作温度,所以热电模块7的热侧上的钎焊接头是有利的。

在步骤s2中,通过绝缘层9将接触垫10粘合到底板8上。

在步骤s3中,然后将防腐层11施加到接触垫10。

在步骤s4中,然后将预组装的热电偶22连接到冷侧上的电接触垫10。该连接结构例如通过在约300℃下进行软焊来制成。重要的是,在此工艺期间的接合温度低于破坏热电偶的预组装件所需的温度。在此有利的软焊工艺产生比在热电模块7的热侧上的钎焊工艺低得多的温度。这具有的优点是:热电模块7仅需要被加热到约300℃。这也减少了在钎焊工艺期间产生的在热电模块7中的机械应力。另一个优点是:降低了制造成本,并且更大的热电模块7是可行的。最后,各个成对的臂也可以用于不同的模块类型,从而允许标准化。

可选地,在步骤s5中,然后在热侧上施加中间层18,以补偿表面不均匀。

在步骤s6中,然后施加由陶瓷制成的热侧绝缘层17。因为在热侧上会出现非常高的温度,从而绝缘层17必须相应地具有耐热性,所以使用陶瓷作为绝缘层17的材料是重要的。

然后,在步骤s7中,施加中间层16,以补偿表面不均匀。

各个热电偶22的臂13之间的空间保持为空的,并且因此在操作期间填充有空气,这提供良好的隔热性。然而,可选地,空隙也可以填充有高度隔热的固体材料、例如纤维水泥。

图7中的示意图示出了热电偶的臂在冷侧上和热侧上接触金属触体。从热侧导热板15到冷侧底板8的热流dq/dt是相应温差的导致的,这产生相应的热电电压。

本发明不限于上述优选实施例。确切地说,大量的也使用本发明的构思的变型和修改是可行的,其因此落入本保护范围内。特别地,本发明还要求保护在不同情况下独立于所引用的权利要求、特别是甚至在没有独立权利要求的特征的情况下的从属权利要求的主题和特征。此外,应该指出的是,本发明包括本发明的彼此独立地受到保护的以下方面:

-由金属而不是陶瓷制成的底板,

-在热侧上的钎焊接头和在冷侧上的软焊接头,

-根据操作温度的局部波动的不同热电偶材料,

因此,本发明的这些方面可以彼此独立地受到保护。

附图标记列表:

1根据现有技术的热电模块

2陶瓷板

3接触垫

4热电偶的p型臂

5热电偶的n型臂

6焊接连接结构

7根据本发明的热电模块

8由金属(例如铜)制成的冷侧底板

9粘合剂的绝缘层

10冷侧接触垫

11在冷侧接触垫上的防腐层

12用于补偿表面不均匀的冷侧石墨中间层

13热电偶的臂

14在冷侧上的软焊连接结构

15在热侧上的导热板

16用于补偿表面不均匀的石墨的热侧中间层

17热侧陶瓷绝缘层

18用于补偿表面不均匀的石墨的热侧中间层

19热侧接触垫

20在热侧上的热侧防腐层

21在热侧上的钎焊接头

22热电偶

23在热电模块的热侧上的高温区

24在热电模块的热侧上的低温区

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