用于发电的热电模块及相应的制造方法技术

本发明专利技术涉及一种用于热电发电的热电模块(7)、特别是在内燃机的排气管线中的热电模块(7)，所述热电模块(7)包括底板(8)和多个热电偶，所述多个热电偶中的每个具有两个臂(13)，其中，热电偶串联电连接并且安装在底板(8)上。根据本发明专利技术，底板(8)包括金属材料，这便于便宜制造，允许显著更大的规格，并且与由陶瓷制成的传统底板相比，使得热电模块(7)在机械上更显著地不敏感。本发明专利技术还涉及相应的制造方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于发电的热电模块及相应的制造方法
本专利技术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，本专利技术涉及一种用于这样的热电模块的制造方法。
技术介绍
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。对于本专利技术的技术背景，还应参考DE102016006064A1、US2016/0204329A1、US2011/0017254A1、JP2005-317834A、US2002/0189661A1和US2016/0315242A1。
技术实现思路
因此，本专利技术基于创建相应改进的热电模块的任务。根据本专利技术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，根据本专利技术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，在本专利技术的上下文中，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，根据本专利技术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，根据本专利技术的热电模块在机械上还比陶瓷底板更不敏感得多。在本专利技术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，根据本专利技术，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，以用于根据本专利技术的热电模块中的热电偶的电串联连接。此外，根据本专利技术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，本专利技术还包括本专利技术的独立于上面描述的本专利技术的第一方面(金属底板)而享有保护的另一方面。因此，本专利技术的该第二方面提出，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。除了上面提到的本专利技术的两个方面(金属底板、热侧上的钎焊和冷侧上的软焊)之外，本专利技术还包括下面描述的本专利技术的第三方面。本专利技术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。在本专利技术的优选实施例中，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，而低温范围本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于热电发电的热电模块(7)、特别是在内燃机的排气系统中的热电模块(7)，所述热电模块(7)具有：/na)底板(8)；/nb)多个热电偶(22)，其均具有两个臂(13)，热电偶(22)至少部分地串联电连接并且安装在底板(8)上，/n其特征在于，/nc)底板(8)包括金属材料。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180301 DE 102018104716.91.一种用于热电发电的热电模块(7)、特别是在内燃机的排气系统中的热电模块(7)，所述热电模块(7)具有：
a)底板(8)；
b)多个热电偶(22)，其均具有两个臂(13)，热电偶(22)至少部分地串联电连接并且安装在底板(8)上，
其特征在于，
c)底板(8)包括金属材料。


2.根据权利要求1所述的热电模块(7)，其特征在于，热电模块(7)具有热侧和冷侧，金属底板(8)布置在热电模块(7)的冷侧上。


3.根据前述权利要求中的任一项所述的热电模块(7)，
其特征在于，
a)冷侧绝缘层(9)，其位于一方面的金属底板(8)与另一方面的热电偶(22)之间，用于使金属底板(8)与热电偶(22)电绝缘，冷侧绝缘层(9)优选地为：
a1)结合到金属底板(8)的粘合剂层，和/或
a2)至少部分地填充有陶瓷材料，以实现绝缘层(9)的良好的导热性，和/或
b)多个导电接触垫(10)，其位于冷侧绝缘层(9)上，用于电接触不同热电偶(22)的两个臂(13)，以用于热电偶(22)的电串联连接，和/或
c)冷侧防腐层(11)，其覆盖位于冷侧绝缘层(9)上的接触垫(10)并且保护接触垫(10)不受腐蚀，冷侧防腐层(11)特别地为镍金层，和/或
d)热侧导热板(15)、特别是不锈钢的热侧导热板(15)，其用于将热电模块(7)热耦合到热源，和/或
e)热侧第一中间层(16)、特别是呈石墨箔形式的热侧第一中间层(16)，其位于导热板(15)与热电偶(22)之间，用于补偿表面不均匀，和/或
f)热侧绝缘层(17)、特别地为陶瓷层的热侧绝缘层(17)，其用于使热电偶(22)相对于导热板(15)电绝缘，和/或
g)热侧第二中间层(18)、特别地为石墨箔的热侧第二中间层(18)，其位于热侧绝缘层(17)与热电偶(22)之间，用于补偿表面不均匀，和/或
h)多个热侧导电接触垫(19)，其用于电接触不同热电偶(22)的两个臂(13)，以用于热电偶(22)的电串联连接，和/或
i)热侧防腐层(20)，其位于热侧接触垫(19)上，用于保护热侧接触垫(19)不受腐蚀，热侧防腐层(20)特别地为镍金层。


4.根据前述权利要求中的任一项所述的热电模块(7)，
其特征在于，
a)多个导电接触垫(19)，其位于热电模块(7)的热侧上，用于电接触不同热电偶(22)的两个臂(13)，以用于热电偶(22)的电串联连接，其中，热侧接触垫(19)通过钎焊连接结构(21)连接到热电偶(22)的臂(13)，
b)多个导电接触垫(10)，其位于热电模块(7)的冷侧上，用于分别电接触不同热电偶(22)的两个臂(13)，以用于热电偶(22)的电串联连接，其中，冷侧接触垫(10)通过软焊连接结构(14)连接到热电偶(22)的臂(13)。


5.根据前述权利要求中的任一项所述的热电模块(7)，其特征在于，热电偶(22)包括被设计能够用于不同热电偶(22)中的不同操作温度的不同热电材料。


6.根据权利要求5所述的热电模块(7)，其特征在于，
a)操作中的热电模块(7)在热侧暴露于平行于热侧的温度梯度，使得热电模块(7)的热侧上的温度从高温区(23)至低温区(24)降低，
b)高温区(23)中的热电偶(22)被设计为能够用于比低温区(24)中的操作温度高的操作温度。


7.根据权利要求6所述的热电模块(7)，其特征在于，
a)高温区(23)中的热电偶(22)至少部分地包括以下材料之一：
a1)高温稳定的半赫斯勒合金，
a2)方钴矿，
a3)硅化物，
a4)碲化铅；和/或
b)低温区(24)中的热电偶(22)至少部分地包括碲化铋。


8.根据前述权利要求中的任一项所述的热电模块(7)，
其特征在于，
a)热电模块(7)中的热电偶(22)的数量大于100、200、400或600，和/或
b)热电偶(22)的各个接触垫均具有2...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·马里恩，D·楚克曼，S·赫伯特，
申请(专利权)人：伊莎贝尔努特·霍伊斯勒两合公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE