通过粉末冶金术制造热电元件的改进的方法

文档序号:9872584阅读:352来源:国知局
通过粉末冶金术制造热电元件的改进的方法
【专利说明】通过粉末冶金术制造热电元件的改进的方法
[0001] 本发明设及一种制造热电元件或至少一个热电元件半成品的方法,其中由多个热 电活性材料制成的热腿被引入由电绝缘且热绝缘基板材料制成的实质上平坦的基板内,使 热腿W实质上垂直于基板面的方式延伸穿过基板,并且其中,活性材料被W粉状形式提供, 被压制成生巧,然后在基板内进行烧结W提供热腿。
[0002] 热电元件是将热能转换为电能的能量转换器,采用帕尔贴和西伯克描述的热电效 应。因为热电效应是可逆的,所W任何热电元件也可W用于将电能转换成热能:已知为帕尔 贴元件的元件被用于冷却或加热物体同时消耗电功率。因此,在本发明的上下文中帕尔贴 元件也被认为是热电元件。用于将热能转换成电能的热电元件通常被称为溫差发生器 (TEG)O
[0003] 热电元件的例子和介绍可在下述中找到:
[0004] 参I'hermoelectrics 化n化ook-Macro to nano,D.M.Rowe(ed.) ,CRC-Taylorfe Rrancis Group,Boca Raton,London,New York,2006,ISBN 978-0-8493-2264-8
[0005] 参Hiermoelectrics Goes Automotive,D.巧nsch(ed.),expert verlag Gm地, 201I,ISBN 978-3-8169-3064-8;
[0006] 参肝2006032850A;
[0007] 参EP0773592A2;
[000引 参US6872879B1;
[0009] 参US20050112872A1;
[0010] 参肝2004265988A。
[0011] 热电元件的工业制作包括由两个热腿形成的、热电活性材料的至少一个热电偶, W及承载并围绕热电偶并且使热电偶与外界电绝缘的壳体。
[0012] 现有技术描述了许多热电活性材料。用于商业应用的适当合金的例子包括由半导 电祕蹄化物类(特别是带砸和/或錬附加成分)构成的那些,由运些材料,利用相应的P-导电 渗杂和n-导电渗杂,可W形成热电偶。
[OOU]另外的热电活性物质类是:半霍伊斯勒(Semi-Heusler)材料,各种娃化物(特别是 儀、铁),各种蹄化物(铅、锡、铜、錬、银),各种錬化物(锋、姉、铁、镜、儘、钻、祕;一些还被称 为津特耳相),TAGS,娃错化物,络合物(特别是基于错的)。又对于运些半导体材料,热电元 件也可W由最标准的金属的组合制成,情况确实如此,例如,用于进行溫度测量的传统热电 偶,例如Ni-CrNi。然而,如此可实现的优值系数(热电"效率")比所提及的半导体材料低得 多。
[0014] 传统的热电元件传统地由热电活性半导体制成的块体W及硬的、通常是陶瓷的、 电绝缘外壳构成。如果使用运些固体块,那么它们由固体锭银切得到。另外已知热电活性材 料可W通过粉末冶金技术加工制得,W在一个烧结步骤中获得具有非常低水平的空腔的、 实质上不可渗透的块体,然后,立方形的TE腿可根据需要从运些块体银得。
[0015] 此现有技术公开了将粉末形式的活性材料压制穿过穿孔模板,从而获得片体形式 的生巧。此模板是来自压片设备的固体模具。被压制穿过模板得到的热电生巧然后被烧结, 可W根据需要银成一定尺寸,抛光和/或涂层,借助于穿孔格栅W合适的方式布置并且经由 焊桥电连接到彼此,再移除格栅,留下接触桥,如此获得的热电元件半成品形式被最终完 成,利用两个顶板、特别是陶瓷材料的顶板W及可选的侧向密封件(例如借助于娃密封化合 物)W形成随时可用的模块。
[0016] WO 2008061823A1公开了通过将粉末形式的热电材料引入平坦的多孔基板而制造 热电元件半成品形式。所制造的元件的热腿垂直于基板面延伸。
[0017] 申请人从DE102012205087A1中知晓了在前序中提及的一般类型的方法,上述申请 在本申请申请时还未公开。W粉状形式提供的活性材料的压制发生在穿孔模板的孔内,该 模板变成所制造的热电元件的一部分,也就是基板。
[0018] 此方法的缺点可认为是此模板必须由热绝缘且电绝缘材料制成,因为它保留在 TEG中作为基板。同时,此模板在生巧的压制过程中必须承受很高的机械负载,运限制了上 述热绝缘且电绝缘材料的选择。
[0019] 出于此现有技术,本发明基于改进在前序中提及的一般类型的方法的目的,W增 大上述热绝缘且电绝缘材料选择的自由度。
[0020] 该目的通过下述得W实现,粉状活性材料被在布置于基板外面的模具中压制,生 成生巧,该生巧被推出模具推入设置在基板上的孔中,在孔内它们被烧结而生成热腿。
[0021] 因此,本发明设及一种用于制造热电元件或至少一个热电元件半成品的方法,其 中多个由热电活性材料制成的热腿被引入由电绝缘且热绝缘基板材料制成的实质上平坦 的基板内,使热腿W实质上垂直于基板面的方式延伸穿过基板,并且其中,活性材料被W粉 状形式提供,被压制成生巧,然后在基板内被烧结W提供热腿,其中,粉状活性材料被在布 置于基板外面的模具中压制,生成生巧,该生巧被推出模具进入设置在基板上的孔中,在孔 内它们被烧结而生成热腿。
[0022] 本发明基于非原位压制粉末的思想,也就是在位于基板外面的特定模具中压制粉 末,生成生巧,然后将生巧推到为该目的设置于基板上的孔内。
[0023] 相比于在DE102012205087A1中进行的原位压制,此过程具有非常决定性的优势, 那就是,此模具不再在随后的TEG中发挥作用,因此不必须也由绝缘材料制成。因此,在最简 单的情况下,对于由钢制成的模具来说,具有用于承受在生巧压制过程中产生的力的极好 能力。同时,该基板可W由具有相对较低机械强度的热绝缘且电绝缘的材料制成,因为在将 生巧推到基板内时产生的力显著小于在压制粉末时产生的力。运很大程度上拓宽了使热电 元件行使功能的最佳基板材料的选择自由度。
[0024] 根据本发明的方法不但拓宽了与将被制造的产品有关的优势,还允许加工优势:
[0025] 运样,本发明的优选实施例利用相同的工具来压制粉状活性材料W提供生巧W及 将运些生巧推到基板上的孔内。也就是说,用来进行压制的工具不但被设计用来在材料上 施加压力,而且还用来移动材料。工具的多功能用法使生产过程合理化。压制活性材料所需 的压制力是将生巧推到基板内所需的力的大约10倍至100倍。
[0026] 优选地,工具是至少一对冲头,它们被从两侧插入模具内,其中一个穿过设置于基 板上的孔接合相应生巧。从过程技术角度来说运种结构实施起来特别简单。
[0027] 根据本发明的方法的另一优选实施例在于,多个模具组合来提供平坦模板,并且 在于,至少在活性材料的压制和生巧的插入过程中,模板位于基板上使孔和模具彼此对齐。 多个模具组合提供模板使得可W缩短周期时间,因为可W同时用粉末填充多个模具,在其 中压制生巧W及将生巧推到基板内。运使过程快得多并且更高效。在上下文中,运些模具优 选地被组合W提供位于基板上的平坦模板,使模板能够在插入过程中固定基板。此外,为了 能够使其中一个冲头穿过基板接合到模具内,孔和模具应彼此呈直线。优选地,被组合W提 供模板的模具的数目对应于基板上孔的数目。因此,可W在一个操作中从模板填充整个基 板。可选地,可W组合更少数量的模具,例如W提供模板带,并且在多个孔口中用生巧填充 基板。
[0028] 基板上的孔优选是圆筒的形式并且被制造为通孔。圆筒形的通孔引入到基板内特 别简单。因而,模具应被形成为圆柱形,特别是与孔具有相同的直径,因为生巧已经被压制 到与随后热腿的尺寸非常接近的尺寸。即,该模具同时用于校准生巧。
[0029] 在将生巧压制到基板内之前,基板必须被提供生巧将被推入的合适孔。孔优选利 用去屑加工过程制造,比如钻削或锐削。已经证明钻削是特别有利的,因为孔可直接被钻到 其最终尺寸。在钻削精度或被钻孔壁的表面质量不足的情况下,孔壁还可W进行较削。在
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