[发明专利]热电材料的热压焊

说明书

本发明涉及热压焊(TCB)用于结合导电触点与热电材料件的用途、各工序和适于安装在内燃机的排气系统中的热电模件。

温差发电器和Peltier装置本身已知很长时间了。p型和n型半导体(其在一侧加热而在另一侧冷却)将电荷输送通过外电路，使得可以在电路中的载荷上进行电力工作。从而将热转化成电能实现的效率受Carnot效率的热力学限制。

另一方面如果将直流电施加至该装置，则热从一侧输送至另一侧。该Peltier装置充当热力泵且因此适于冷却设备件，车辆或建筑物。主要借助Peltier原理加热比传统加热还更有利，因为相对于能量相当供应总是输送更多热。

目前，温差发电器用于航天探测器以产生直流电、防护管线的阴极腐蚀、发光浮标和无线电浮标的能量供应以及收音机和电视的操作。温差发电器的优点是它极大的可靠性。它们不考虑大气条件如相对湿度而操作，不发生易受干扰的材料输送，只有电荷输送。

热电模件由串联电连接和并联热连接的p型和n型件组成。图2显示了该模件。

传统结构由两个陶瓷板组成，其间交替安装各个件。在每种情况下，两个件借助端面导电接触。

除了导电接触，在实际材料上通常还提供各种其它层，用作保护层或焊接层。然而，最后，两个件之间的点接触借助金属桥建立。

热电组件的关键因素是接触。接触建立组件“心脏”中的材料(其负责组件所需的热电子效应)与“外部世界”之间的物理连接。该接触的结构图示于图1中。

组件内部的热电材料1提供组件的实际效应。它是热电件。电流和热流流过材料1，以在整个结构中实现其功能。

材料1在至少两侧借助触点4和5分别与引线6和7连接。4/5和6/7可以是相同的材料，换句话说相等地，或者4/5是任选的。这种情况下层2和3象征该材料与触点4和5之间的一层或多层任选要求的中间层(屏障材料、焊剂、粘合剂等)。可以应用更多任选层。分别彼此成双相关的部分2/3、4/5、6/7可以是相同的，尽管不是必需的。这最后同样取决于具体结构和应用，以及电流或热流通过该结构的流动方向。材料1分割成不同的热电材料。在冷的一侧低温热电材料，在热的一侧高温热电材料。

现在触点4和5具有重要的作用。它们确保材料与引线之间的紧密连接。如果接触不良，则在此发生高损失且能够极大地限制组件的性能。为此，通常将件和触点压在材料上使用。因此触点暴露于强机械载荷下。每当涉及提高的(或降低的)温度和/或热循环时该机械载荷进一步增加。组成该组件的材料的热膨胀不可避免地导致机械应力，其在极端情况下导致组件由于触点断裂而失效。

为了防止这样，所用触点必须具有一定柔韧性和弹性，使得可补偿该热应力。

为了赋予整个结构稳定性，并确保每一个件所需最大均匀热耦合，载板是必须的。为此通常使用陶瓷，例如由氧化物或氮化物如Al₂O₃、SiO₂或AIN构成。

传统结构通常具有应用限制，因为每种情况下仅平行表面可以与热电模件接触。模件表面与热源/受热器之间的紧密接触是确保足够热通量不可缺少的。

目前，尝试提供机动车辆如汽车和卡车、排气系统或排气再循环中的热电模件，以得到来自一部分排气热的电能。在这种情况下，热电元件的热侧与排气或尾管连接，而冷侧与冷却器连接。产生的电量取决于排气的温度和排气至热电材料的热通量。为了使热通量最大化，通常将各装置装入尾管中。然而这些经受限制，因为例如安装换热器通常导致排气中的压损，其又导致内燃机不可接受的增加的消耗。

通常，温差发电器安装在排气系统中的排气催化转化器后面使用。与排气催化转化器的压损一起，这通常导致过大的压损使得热导装置不能提供于排气系统中；相反，热电模件装在尾管外侧。为此，尾管必须构造成多边截面使得平外表面可与热电材料紧密接触。

WO 2013/050961公开了微型换热器与热电模件的集成装配，其中热电模件与微型换热器热导连接。微型换热器具有接收p型和n型热电材料件的集成模塑容器。

基于硅化物和half-Heusler化合物的温差发电器是本身已知的，例如DE 10 2013 004 173 B3。

热电材料可以通过焊接或机械连接而接触。