热电模块的制作方法

本发明涉及一种根据权利要求1的前序的包括多个热电元件的热电模块。

背景技术：

热电模块具有以正和负掺杂的热电半导体材料的形式的多个热电元件，这些热电元件电连接，尤其经由多个导体桥串联地电连接。热电模块具有第一侧壁和第二侧壁，该第一侧壁和第二侧壁分别以导热、电绝缘且固定的方式连接至多个导体桥。现在，如果在第一侧壁与第二侧壁之间施加温度差，则热电元件由于塞贝克效应而产生电压。由于产生电压所需的第一侧壁与第二侧壁之间的温度差，所以在热电模块中产生由热因素引起的机械应力，其限制了暖侧上的最高温度和最大温度差。

热电模块可以例如在机动车中用于能量回收，以便从废热中回收电能。有利地，这种热电模块可以被集成到热交换器中，该热交换器将用作热源的第一流体与用作散热器的第二流体彼此耦接以传递热量。那么，在各个热交换器内部，将这些热电模块设置在热传递路径中，热量沿该热传递路径从热源传递到散热器。

技术实现要素：

本发明基于这种目的，即提出一种热电模块的改进的或至少不同的实施方案，其特征尤其在于由热因素导致的模块中降低的机械应力，以及优选地扩大的能用温度范围。

根据本发明，该目的是通过独立权利要求的主题来实现的。有利的实施方案是从属权利要求的主题。

本发明基于在从两个侧壁中的至少一个通向所分配的导体桥的热传递耦接路径中设置至少一个液态金属层的总体思想。由此，在该热传递耦接路径中，消除了各个侧壁与对应的导体桥之间的机械固定，同时保持了热传递。这种液态金属层可以构造为具有优异的导热性，并且可以同时用作一种滑动膜，使得出现由第一侧壁和第二侧壁的不同热膨胀而导致的机械应力。有利的是，热电模块至少具有这种液态金属层，该液态金属层布置在第一导体桥与第一侧壁的背离第一导体桥的外侧之间。因此，第一导体桥仅与第一侧壁热接触，而没有机械固定，使得第一导体桥与第一侧壁的相对运动是可能的。因此，可以补偿在运行期间处于不同温度水平的第一侧壁和第二侧壁的不同的热膨胀。因此，可以使用较高的温度以及第一侧壁与第二侧壁之间的较高的温度差，从而可以提高热电模块的效率和功率密度。

在说明书和所附的权利要求中，液态金属层被理解为具有至少在操作温度下为液态的金属或金属合金的层。因此，液态金属层的材料尤其是在室温下可以是固态的。因此，原则上，取决于热电模块的应用领域，已经可以实现最高350℃的熔化温度。典型的液态金属可以是金属陶瓷分散体。由于较高的导热性，在热电模块中优选地分别使用基本上纯的金属或金属合金。因此，措辞“基本上纯的”是指，由于生产而不能获得绝对的纯度，并且由于生产，在这种“纯的”金属合金中总是可能包含一部分微不足道的非金属污染物。这种金属或金属合金优选地具有50℃与250℃之间的熔点。这种合金可以包括例如镓、铋、铟、铜、银或锡。例如，32.5％的铋、16.5％的锡和51％的铟的合金被称为菲尔德金属(field’smetal)，并且具有约62℃的熔点。另一种合金是例如58.0％的铋、42.0％的锡，并且具有138℃的熔点。其他这种合金也是可能的。

在说明书和所附的权利要求中，操作温度被理解为在热电模块的操作期间的温度。由于在操作期间通常在热电模块的第一侧和第二侧上施加不同的温度的事实，在热电模块中具有温度梯度。因此，操作温度是热电模块中的位置的函数。例如，在操作期间被加热的侧壁之一附近的液态金属层的操作温度比在操作期间被冷却的另一侧附近的液态金属层的温度高。

此外，本发明提出了在至少一个这种液态金属层中设置至少一个间隔元件。即使在热电模块的操作期间两个侧壁被推向彼此，也可以由此在液态金属层中分别确保设置的或预定的最小层厚度。当发生相应的侧壁分别与热源或散热器的壁的预张紧抵靠以改进接触并因此改进热传递时，尤其是后者的情况。例如，所述侧壁可以推靠在其中引导流体的管道上，该管道分别供应或排放热量。如果没有这种间隔元件，那么存在这样的风险，即，在操作期间为液态的液态金属层被强烈地移位并且在极端的情况下甚至被完全移位，由此不能或者仅在有限的程度上实现其功能。因此，各个间隔元件改进了装备有至少一个这种液态金属层的热电模块的操作模式。这种间隔元件优选地分别由金属或金属合金或陶瓷，例如玻璃构成，并且具有比液态金属层更高的熔点。各个间隔元件的熔点优选地(明显)高于热电模块的操作温度。

其中多个这种间隔元件设置在相应的液态金属层中的实施方案是特别有利的。在操作期间，可以产生宽的支撑件以确保期望的液态金属层厚度。间隔元件可以由此有利地设置成彼此间隔开。

在另一种实施方案的情况下，可以提出，各个间隔元件相对于相应的第一导体桥分离，使得其能相对于第一导体桥移动。替代地，可以提出，各个间隔元件相对于第一侧壁分离，使得其能相对于第一侧壁移动。然而，各个间隔元件优选地相对于第一导体桥以及相对于第一侧壁分离，使得其能相对于第一导体桥以及相对于第一侧壁移动。

其中各个间隔元件被构造为滚动体的实施方案是特别有利的。间隔元件由此可以以特别小的摩擦力在第一侧壁与第一导体桥之间跟随运动。各个滚动体可以有利地构造为圆柱形或球形。

另一种有利的实施方案提出，液态金属层在面向相应的第一导体桥的一侧上与内固定边界壁接触，其中各个间隔体元件直接接触该内边界壁。附加地或替代地，可以提出，液态金属层在面向第一侧壁的一侧上与外固定边界壁接触，其中各个间隔件元件直接接触该外边界壁。内边界壁和外边界壁借助于液态金属层彼此机械地分离并且彼此热耦接。各个边界壁由此可以分别由相应的侧壁或相应的导体桥的区域直接形成。然而，在这种热电模块中优选地使用其它层，例如，用于使导电桥与侧壁电绝缘。同样可以设置金属化表面以改进电和/或热耦接。在一些点上，金属化表面可以用来改进或提供机械连接件，例如，焊接连接件。下面将更详细地描述这些边界壁的不同实施方案。它们在每种情况下都可以被识别，因为它们与液态金属层直接接触。

一种有利的选择提出，热电模块的第一侧是冷侧，并且热电模块的第二侧是暖侧。因此，液态金属层位于热电模块的较冷侧上。因此，液态金属层的材料的熔点应低于80℃。

另一种有利的选择提出，热电模块的第一侧是暖侧，并且热电模块的第二侧是冷侧。因此，液态金属层位于热电模块的较暖侧上。因此，液态金属层的熔点应低于250℃，优选地低于150℃。

一种特别有利的选择提出，热电模块具有设置在第一导体桥与第一侧壁之间的电绝缘层，并且至少一个液态金属层设置在第一导体桥与电绝缘层之间。因此，第一导体桥以及因此热电元件与电绝缘层机械地分离。以这种方式可以减少热电元件中的热引起的机械应力。

另一种特别有利的选择提出，将至少一个液态金属层设置在电绝缘层与第一侧壁之间。电绝缘层以这种方式与第一侧壁机械地分离。因此，热诱导的机械应力可以降低。

一种有利的解决方案提出，该至少一个液态金属层与导体桥电绝缘。通过这种方式可以减少可能由液态金属层引起的电短路的风险。

另一种有利的解决方案提出是电绝缘层由结构化陶瓷体形成，并且在面向导体桥的一侧上，结构化陶瓷体具有连接板，该连接板将分配给各个导体桥的区域彼此分开。陶瓷体以及电绝缘层的结构化便于热电模块的组装并且增加了热电模块的稳定性。

一种特别有利的解决方案提出，结构化陶瓷体具有多个金属化表面，并且金属化表面在面向导体桥的一侧上被连接板中断。金属化表面改进了陶瓷体与金属之间的接触。这例如对于焊接可能是有利的。金属化表面还进一步改进了液态金属层与陶瓷体的接触。

在说明书和所附的权利要求中，金属化表面被理解为向其施加金属层的表面。这可以例如通过对金属化浆料退火来进行。这种金属化浆料可以例如具有铜、银或钨。退火的金属化浆料可以另外涂覆有镍和/或银。

另一种特别有利的解决方案提出，在金属化表面与导体桥之间设置多个液态金属层。优选地为每个导体桥设置液态金属层。因此，液态金属层可以在导体桥与电绝缘层之间建立热接触，其中导体桥与电绝缘层机械地分离。

一种有利的替代方案提出，在每对金属化表面与导体桥之间设置液态金属层。因此，可以控制所有导体桥的温度，使得从第一导体桥到第一侧壁的最佳热传递从而是可能的。

另一种有利的替代方案提出，液态金属层分别与至少一个金属化表面接触。因此也建立了与绝缘层的热接触。

一种特别有利的替代方案提出，结构化陶瓷体在面向第一侧壁的一侧上具有粘性金属化表面。由此可以改进在电绝缘层和第一侧壁之间延伸的与液态金属层的接触。因此，可以改进第一侧壁与电绝缘层之间的热接触。

另一种特别有利的替代方案提出，液态金属层抵靠在粘性金属化表面上。因此，改进了结构化陶瓷体(因此电绝缘层)与液态金属层之间的热接触。因此，也改进了从侧壁到电绝缘层的热接触，由此也改进了第一侧壁与第一导体桥之间的热接触。

一种有利的选择提出，电绝缘层由多个陶瓷元件形成，并且第一导体桥由陶瓷元件上的金属化表面形成。一方面，导体桥可以以这种方式构造为高度紧凑的。另一方面，在导体桥与陶瓷元件之间建立了非常好的热接触，从而改进了从导体桥到第一侧壁的整体热接触。

形成导体桥的金属化表面优选地具有150μm与300μm之间的厚度。这种厚度足以在由第一导体桥连接的热电元件之间提供足够的导电性。

另一种有利的选择提出，第一侧壁具有多个金属化表面，液态金属层分别抵靠在第一侧壁的金属化表面上，陶瓷元件在背离导体桥的一侧上具有金属化表面，并且液态金属层分别抵靠在陶瓷元件的金属化表面上。因此，液态金属层分别抵靠在第一侧壁的金属化表面上和陶瓷元件的金属化表面上，使得液态金属层在陶瓷元件与第一侧壁之间形成热连接。同时，陶瓷元件和第一侧壁保持彼此机械地分离，使得实现热电压补偿。

一种特别有利的选择提出，将第一侧壁构造为双壁的，并且第一侧壁具有内壁和外壁，并且液态金属层设置在内壁与外壁之间。内壁与外壁之间的机械分离以这种方式发生。同时，保持内壁与外壁之间的导热性，使得热量仍然可以从第一导体桥引导或引导到第一导体桥。

一种有利的解决方案提出，将电绝缘层施加到内壁的面对导体桥的一侧。因此，电绝缘层可以被构造为特别薄的，因为其不需要机械地支撑自身。因此，可以保持穿过电绝缘层的良好的热接触。

另一种有利的解决方案提出，通过将电介质退火到内壁上来形成电绝缘层。这是获得薄电绝缘层的简单选择。

一种特别有利的解决方案提出，通过将陶瓷热喷涂到内壁上形成电绝缘层。以这种方式可以形成可靠的薄陶瓷层。因此，可以获得良好的电绝缘，同时具有良好的热传导。

另一种特别有利的解决方案提出，电绝缘层由焊接到内壁上的陶瓷体形成。这在电绝缘层与内壁之间提供了牢固的连接件。

一种有利的替代方案提出，将电绝缘层施加至导体桥。因此，可以获得特别薄的电绝缘层，因为后者本身不需要承重。由此可以实现电绝缘层的足够的电绝缘性以及同时高的导热性。

五侧的导体桥优选地设置有电绝缘层。只有导体桥在其上连接至热电元件的一侧未设置有电绝缘层。电绝缘层例如可以通过浸浴施加至导体桥，或者可以借助喷射而喷射到导体桥上或者可以压印到导体桥上。

另一种有利的替代方案提出，第一侧壁具有多个金属化表面，液态金属层分别抵靠在第一侧壁的金属化表面上，导体桥分别在电绝缘层上具有金属化表面，并且液态金属层分别抵靠在绝缘层的金属化表面上。因此，可以在电绝缘层与第一侧壁之间实现热接触，从而也在第一侧壁与第一导体桥之间建立热接触。同时，第一导体桥与第一侧壁机械地分离，从而降低了热应力。

另一种有利的实施方案提出了一种模块壳体，其围绕模块内部，其中热电元件和导体桥设置在该模块内部。第一侧壁形成模块壳体的第一侧，该第一侧被设置成用于接触热源(或散热器)，而第二侧壁形成模块壳体的第二侧，该第二侧被设置成用于接触散热器(或热源)。

最后，本发明还涉及一种热交换器，至少一个上述类型的热电模块集成在该热交换器中。在热交换器中，用作热源的第一流体和用作热源的第二流体被耦接以传递热量。由此发生相应的热电模块的集成，使得热电模块的一个侧壁连接至热源以传递热量，而另一个侧壁连接至散热器。

本发明的其他重要特征和优点由从属权利要求、附图以及借助于附图的相应附图描述得出。

不言而喻，上述特征以及将在下文中描述的特征不仅可以在各个特定组合中使用，而且还可以以其他组合或单独使用，而不脱离本发明的范围。

附图说明

本发明的优选示例性实施方案在附图中示出，并且将在以下描述中更详细地说明，其中相同的参考标号指示相同或相似或功能相同的部件。

在每种情况下，示意性地，

图1示出了根据第一实施方案的热电模块的截面图，

图2示出了根据第二实施方案的热电模块的截面图，

图3示出了根据第三实施方案的热电模块的截面图，以及

图4示出了根据第四实施方案的热电模块的截面图。

具体实施方式

图1至图4中示出的热电模块10用于由热能产生电能。例如，可以响应于机动车的排气管道中的剩余热量使用而使用热电模块10。热电模块10具有封闭模块内部14的模块壳体12。通过多个导体桥18电连接的多个热电元件16被设置在模块内部14中。热电元件16优选地通过导体桥18串联地电连接。模块壳体12在第一侧20上具有第一侧壁22，该第一侧壁连接至多个第一导体桥24以传导热量。模块壳体12还在第二侧26上具有第二侧壁28，该第二侧壁连接至多个第二导体桥30以传导热量，由此热电元件16在第一导体桥24与第二导体桥30之间延伸。导体桥18分别在第一侧20上以及第二侧26上经由电绝缘层32连接至相应的侧壁22、28。因此，导体桥18与侧壁22、28电分离。

第一导体桥24以导电的方式连接至这些热电元件16。可以例如通过焊接或银烧结来构成这种导电连接件33。在焊接连接件的情况下，优选地使用熔点高于120℃的焊料，例如银铜连接件。导体桥18优选地具有铜、镍或铁。为了改进连接，导体桥18可以具有底漆，例如钛、银、镍或铜。导体桥18可以进一步具有阻挡层，例如镍。

第一电绝缘层34设置在第一导体桥24与第一侧壁22之间。第一导体桥24分别经由液态金属层36与第一电绝缘层34接触。

第一导体桥24和第一电绝缘层34分别优选地具有金属化表面38。金属化表面38改进了与液态金属层36的液态金属的润湿性。金属化表面38可以例如通过对金属化浆料进行退火来制造。这种金属化浆料可以例如具有铜、银或钨。金属化层的厚度优选地在20μm至300μm之间。借助金属化浆料形成的层优选地附加地涂覆有镍和/或银。

液态金属层36具有在热电模块10的操作温度下为液态的金属或金属合金。由于在操作期间在热电模块10中存在温度梯度的事实，所以操作温度是热电模块10中的各个元件的位置的函数。如果液态金属层36例如位于热电模块10的被加热的第一侧20处，那么与如果液态金属层36位于热电模块10的被冷却的一侧处相比，较高的熔点可能就足够了。优选地使用熔点在50℃与250℃之间的金属或金属合金。这种金属合金是例如镓、铋、铟、铜、银和/或亚锡合金。

如从图1至图4的示例可以得出，各个液态金属层36分别设置在第一侧壁22的背离第一导体桥24的外侧58之间。例如在图3中示出了其中恰好设置了这种液态金属层36的实施方案，并且例如在图1、图2和图4中示出了其中设置了多个这种液态金属层36的实施方案。在所有实施方案中，在这些液态金属层36中的至少一个中设置至少一个间隔元件50。因此，至少一个这种间隔元件50优选地设置在每个这种液态金属层36中。多个这种间隔元件50有利地设置在各个液态金属层36中。由此示出了其中各个间隔元件50彼此间隔开的布置。然而，也可以设想，至少两个这种间隔元件50相互接触。间隔元件50进一步优选地构造为相对于相应的第一导体桥24和相对于第一侧壁22的单独的部件。进一步提出，各个间隔元件50被构造为滚动体52。在示例中，各个滚动体52被构造为圆柱形或球形。包括例如由金属或陶瓷，尤其是玻璃制成的球形滚动体52或间隔元件50的实施方案是优选的。

进一步提出，各个液态金属层36在面向相应的第一导体桥24的一侧上与内边界壁54接触，并且液态金属层36在面向第一侧壁22的一侧上与外边界壁56接触。现在，各个间隔元件50优选地分别直接接触该内边界壁54和该外边界壁56，使得其可以随同第一侧壁22与第一导体桥24之间的相对运动以很小的摩擦力沿该内边界壁和外边界壁滚动。

在图1中示出的实施方案中，第一电绝缘层34由陶瓷体40形成，该陶瓷体具有多个连接板42。连接板42将陶瓷体40分成多个区域，这些区域分别分配给第一导体桥24。第一导体桥24经由液态金属层36热连接至为其分配的区域。

连接板42将陶瓷体40上的金属化表面38彼此分开。此外，连接板42将液态金属层36彼此分开，使得液态金属层36之间不存在电接触。

此外，在面向第一侧壁22的一侧上，陶瓷体40还具有金属化表面38，其改进了与布置在第一电绝缘层34与第一侧壁22之间的另外的液态金属层36的接触，并且其建立这两者之间的热接触。

为了改进第一侧壁22与液态金属层36的润湿性，第一侧壁22也可以设置有金属化表面38。

通过这种布置，第一导体桥以及因此热电元件16与第一电绝缘层34机械地分离，从而可以补偿由热引起的机械应力。此外，第一电绝缘层34还与第一侧壁22机械地分离，使得在此也可以降低热引起的机械应力。总体上，这种设置允许热电模块10的较高的操作温度，由此可以获得显著提高的效率。

在热电模块10的第二侧26上，第二侧壁28设置有第二电绝缘层45。该第二电绝缘层45可以例如通过对电介质退火或通过热喷涂陶瓷层或通过焊接陶瓷体来制造。例如，可以使用al2o3、aln或si3n4陶瓷。

第二导体桥30连接至第二电绝缘层45。这种导电连接件47可以优选地是焊接连接件。例如，可以使用熔点高于120℃的软焊料，诸如例如锡。硬焊料，例如银铜合金或活性焊料，例如银铜钛合金也是可能的。替代地或附加地，可以通过银烧结来构成第二导体桥30与第二电绝缘层45之间的连接件47。

为了改进第二电绝缘层45的润湿性也可以设置有金属化表面38。

第二导体桥30电连接至热电元件16。这种连接件49可以例如是焊接连接件。例如，熔点高于120℃的软焊料、例如银铜合金的硬焊料可以用作焊料。替代地或附加地，第二导体桥30可以通过银烧结连接至热电元件16。

在所描述的替代方案的情况下，热电模块10的第一侧20用作热侧，并且热电模块10的第二侧26用作冷侧。不言而喻，互换使用也是可行的。然而，这时是热侧的第二侧26上的焊料连接件因此不能通过软焊料来构成。反过来，这时是冷侧的第一侧20上的焊接连接件也可以通过软焊料形成。

图2中示出的热电模块10的第二实施方案与图1中示出的热电模块10的第一实施方案的不同之处在于，第一电绝缘层34由多个陶瓷元件44形成，并且第一导体桥24分别由第一电绝缘层34的陶瓷元件44上的金属化表面38形成。

因此，第一电绝缘层34的陶瓷元件44经由第一导体桥24以机械固定的方式连接至热电元件16。形成第一导体桥24的金属表面38优选地具有150μm至300μm之间的厚度。因此可以获得足够的导电性。

陶瓷元件44分别进一步具有第二金属化表面38，其设置在与第一导体桥24相对的一侧上，因此，陶瓷元件44的一侧面向第一侧壁22。这些金属化表面38用于改进在第一电绝缘层34与第一侧壁22之间设置的液态金属层36的润湿性。由于第一电绝缘层34由多个陶瓷元件44形成的事实，所以金属化表面38被中断，由此液态金属层36也被中断，因此每个陶瓷元件44借助于分开的液态金属层36被热连接至第一侧壁22。

除此之外，图1中示出的热电模块10的第二实施方案在设置和功能方面对应于图1中示出的热电模块10的第一实施方案，在这方面参考以上描述。

图3中示出的热电模块10的第三实施方案与图1中示出的热电模块10的第一实施方案的不同之处在于，第一侧壁22以双壁的方式构造，并且液态金属层36在第一侧壁22的内壁46与外壁48之间延伸。内壁46和外壁48可以分别设置有金属化表面38，以便改进与液态金属层36的润湿性。

内壁46在面向第一导体桥24的一侧上具有第一电绝缘层34。第一电绝缘层34可以例如通过对电介质进行退火来形成。替代地或附加地，也可以通过将陶瓷热喷涂在内壁46上来形成第一电绝缘层34。第一电绝缘层34还可以进一步通过陶瓷体形成，该陶瓷体焊接至内壁46。

第一导体桥24连接至第一电绝缘层34。这种连接件51可以例如是硬焊料或活性焊料制成的焊料连接件。作为替代方案，第一导体桥24也可以通过银烧结连接至第一电绝缘层34。

为了改进第一电绝缘层34的润湿性，该第一电绝缘层可以设置有金属化表面38。除此之外，图3中示出的热电模块10的第三实施方案在设置和功能方面对应于图1中示出的热电模块10的第一实施方案，在这方面参考以上描述。

图4中示出的热电模块10的第四实施方案与图1中示出的热电模块10的第一实施方案的不同之处在于，第一电绝缘层34由第一导体桥24的涂层形成。因此，第一电绝缘层34被分成多个层部分，每个层部分覆盖第一导体桥24。由此，第一电绝缘层34从多个侧面被施加至相应的第一导体桥24。仅仅第一导体桥24通过热电元件16连接至其的一侧不被第一电绝缘层34覆盖。第一电绝缘层34可以例如由电介质形成，该电介质通过浸没、喷涂或印刷而施加至导体桥。因此，第一导体桥24可以以立方体的方式或以包括倒圆角的立方体的方式来构造。替代地或附加地，第一导体桥24也可以形成为凸起形成的金属片，其中导体桥的与热电元件16连接的一侧是平坦的。

液态金属层36设置在第一电绝缘层34与第一侧壁22之间，并且在第一侧壁22与第一导体桥24之间形成热接触。为了获得更好的润湿性，第一电绝缘层34以及第一侧壁22可以设置有金属化表面38。

除此之外，图4中示出的热电模块10的实施方案在设置和功能方面对应于图1中示出的热电模块的第一实施方案，在这方面参考以上描述。