包括熱電材料的線材以及用于制備熱電模塊的部件的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種具有延伸度(2)的線材(1)，其中所述線材(1)至少部分地包括熱電材料(3)。而且，本發(fā)明還涉及一種用于制備熱電模塊(15)的部件(12)的方法，所述方法至少包括以下步驟：a)提供至少一個(gè)具有延伸度(2)的線材(1)；b)提供具有外周表面(14)的管狀接收部(13)；和c)將所述至少一個(gè)線材(4)繞所述管狀接收部(13)纏繞，從而在所述外周表面(14)上形成熱電模塊(15)的至少一個(gè)環(huán)形部件(12)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】包括熱電材料的線材以及用于制備熱電模塊的部件的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及包括熱電材料的線材，并涉及用于制備熱電模塊的部件的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 熱電模塊適于通過(guò)發(fā)生器來(lái)從例如內(nèi)燃機(jī)的廢氣中產(chǎn)生電能。這具體涉及用于將 廢氣的熱能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)生器，也就是所謂的熱電發(fā)生器。
[0003] 來(lái)自機(jī)動(dòng)車(chē)內(nèi)燃機(jī)的廢氣攜帶有熱能，該熱能可通過(guò)熱電發(fā)生器而轉(zhuǎn)換成電能， 以便例如為電池或某些其他的能量存儲(chǔ)器充電，和/或直接為電力消耗品供應(yīng)所需的能 源。通過(guò)這種方式，機(jī)動(dòng)車(chē)在提高的能量效率下運(yùn)行，并且可獲得更多的能量來(lái)用于機(jī)動(dòng)車(chē) 的運(yùn)行。
[0004] 熱電模塊至少具有多個(gè)熱電元件。熱電材料是能以有效的方式將熱能轉(zhuǎn)換成電能 (塞貝克效應(yīng)）和將電能轉(zhuǎn)換成熱能（珀耳帖效應(yīng)）的材料。熱電元件例如包括至少兩種 半導(dǎo)體元件（P型摻雜和η型摻雜），所述半導(dǎo)體元件在它們分別朝向熱端和朝向冷端的相 對(duì)端部上以交替方式設(shè)有由導(dǎo)電材料制成的橋部。在熱電模塊中，許多這種半導(dǎo)體元件串 聯(lián)電連接。為了使由串聯(lián)的半導(dǎo)體元件所產(chǎn)生的電勢(shì)差不會(huì)相互抵消掉，通常的情況是將 具有不同種的多數(shù)電荷載流子（η型摻雜和ρ型摻雜）的半導(dǎo)體元件構(gòu)造為以交替方式直 接電接觸。電路可以是封閉式的，并因此可通過(guò)相連的負(fù)載電阻來(lái)采擷電功率。
[0005] 已經(jīng)嘗試提供用于機(jī)動(dòng)車(chē)、尤其是載客機(jī)動(dòng)車(chē)的相應(yīng)的熱電模塊。然而，這些熱電 模塊通常造價(jià)昂貴，并且特點(diǎn)是效率相對(duì)較低。因此，迄今尚未能實(shí)現(xiàn)針對(duì)大規(guī)模生產(chǎn)的適 應(yīng)性。
[0006] 具體來(lái)說(shuō)，制備熱電模塊的方法復(fù)雜且昂貴，因?yàn)楸仨毥M裝多個(gè)部件以形成熱電 模塊，并且還必須相應(yīng)地協(xié)調(diào)彼此間的部件公差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 以所述現(xiàn)有技術(shù)作為出發(fā)點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于至少部分地解決與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān) 的突出技術(shù)問(wèn)題。特別地，力爭(zhēng)通過(guò)能夠減少部件的數(shù)量并減少或甚至避免迄今所要求的 對(duì)個(gè)體公差的協(xié)調(diào)來(lái)簡(jiǎn)化用于制備管狀熱電模塊的方法。
[0008] 所述目的可以通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求1中所述特征的線材來(lái)實(shí)現(xiàn)，和/或還可通過(guò)根 據(jù)權(quán)利要求7中所述的特征的用于制備熱電模塊的部件的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施 例以及部件在上位的結(jié)構(gòu)單元（例如，熱電模塊或熱電發(fā)生器）中的（相應(yīng)產(chǎn)生的）整合 均限定在從屬權(quán)利要求中。權(quán)利要求書(shū)中所單獨(dú)限定的特征可以通過(guò)技術(shù)上有意義的任何 期望方式而相互結(jié)合，并展示本發(fā)明的其他實(shí)施例。這意味著，與線材相關(guān)的說(shuō)明同等地適 用于上述用于制備部件的方法并且還適用于熱電模塊，反之亦然。本說(shuō)明書(shū)尤其是與附圖 相結(jié)合地對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了解釋?zhuān)?duì)本發(fā)明的其他示例性實(shí)施例加以闡述。
[0009] 所述線材具有一定的延伸度，并至少部分地包括熱電材料。所述延伸度具體描述 了線材的長(zhǎng)度，其中所述線材還通過(guò)直徑來(lái)描述，其定義為線材橫截面的（最大）直徑。
[0010] 具體地，所述線材易于被形成，繞成等（無(wú)需熱電材料）。所述線材可具有單部件 或多部件（例如，具有多個(gè)纖維部/絲狀體）構(gòu)造。如果所述線材具有多部件構(gòu)造，那么它 的各部分有所不同，例如在各個(gè)線材區(qū)位/部分中，纖維部/絲狀體的數(shù)目和/或構(gòu)造均不 同。
[0011] 具體地，所述線材具有延伸度，這在技術(shù)術(shù)語(yǔ)中稱(chēng)為連續(xù)性。在這一方面中，連續(xù) 性是指當(dāng)線材用在制備（熱電）部件的方法中時(shí)其具有那種通?？刹们幸欢ㄩL(zhǎng)度的延伸 度。具體地，所述延伸度為至少50mm[毫米]，特別為至少500mm，并優(yōu)選超過(guò)1000mm。
[0012] 線材中也可使用由不同材料制成的纖維部。優(yōu)選地，所述線材至少部分地由選自 以下組合的至少一種材料形成：
[0013] -陶瓷材料；
[0014] -玻璃纖維材料；
[0015] -碳纖維；
[0016]-金屬材料；和
[0017] -熱電材料。
[0018] 纖維部的材料的選擇使得能夠以面向應(yīng)用的方式設(shè)置所述線材的屬性，具體說(shuō)是 各個(gè)部分中的屬性。因此，所述線材可具體地（單獨(dú)或組合地）具有以下屬性：熱電性、導(dǎo) 電性、電絕緣性、導(dǎo)熱性、熱絕緣性、密封性和/或高機(jī)械強(qiáng)度。
[0019] 下列材料尤其可用作熱電材料：
[0020] 類(lèi)型: 材料: V-VI Bi2Tc3 IV-VI PbTc Zn4Sb3 Zn4Sb3 石圭化物 p-MnSii.73 ； n-Mg2Si〇.4Sn〇.6 ; Si〇.8〇Ge〇.2〇 ； Si〇.94Ge〇.〇6 方鈷礦 CoSb3 半哈斯勒 TiNiSn n/p 型包合物 Ba8Gai6Ge3O 氧化物 p-NaC〇2〇4 津特耳相 P-Yb14MnSb11 ThiP4 LavxTc4
[0021] 根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，所述線材沿其延伸度包括不同的熱電材料。換言之，這具體 是指在延伸度的方向上形成了包括不同熱電材料的至少兩個(gè)線材區(qū)位（相繼地或彼此相 鄰地）。這尤其適用在所述線材仍作為用于制備所述熱電部件的起始元件的情況，具體來(lái) 說(shuō)，即其隨后還會(huì)在線材區(qū)位之間分離的情況。尤其是，這些不同的熱電材料在與溫度相關(guān) 的效率最大值方面有所不同。每種熱電材料具有特定的最佳操作溫度，在此最佳操作溫度 時(shí)，其就熱能向電能的轉(zhuǎn)換而言達(dá)到最高效率。可以對(duì)線材區(qū)位的熱電材料進(jìn)行不同種摻 雜。
[0022] 具體地，所述線材沿著延伸度還包括非熱電材料。這具體意味著沿著所述延伸度 來(lái)設(shè)置完全由非熱電材料形成的部分。具體地，所述線材具有至少部分地交替包括熱電材 料和非熱電材料的多個(gè)部分。
[0023] 根據(jù)一個(gè)特別有利的線材實(shí)施例，沿所述延伸度以材料（熱電材料、非熱電材料） 對(duì)線材進(jìn)行（附加的）涂覆。這具體是指在所述線材中或在所述線材表面上提供包括熱電 材料和/或非熱電材料的涂層。如果在（單個(gè)）線材中設(shè)置各種材料，那么這些涂層則通 常不相互重疊地設(shè)置，而是彼此并排地設(shè)置。層厚度同樣可以改變，但這不是絕對(duì)必要的。 優(yōu)選地，所述層厚度起始自線材表面，使得能夠形成封閉的表面層，但所述線材仍然可以與 涂層一起變形（所述涂層可能尚未永久定型）。
[0024] 具體地，線材具有至少一個(gè)纖維部，尤其是具有至少200N/mm2的抗張強(qiáng)度R m的纖 維部。
[0025] 此外，還優(yōu)選地，所述線材的纖維部中的至少一個(gè)纖維部涂覆有從以下組合中選 取的至少一種材料：
[0026] -熱電材料；
[0027] -非熱電材料；
[0028] -電絕緣材料；
[0029] -導(dǎo)電材料；
[0030] -熱絕緣材料；
[0031] -導(dǎo)熱材料；和
[0032] -密封材料（針對(duì)氣體和/或液體）。
[0033] 以相關(guān)術(shù)語(yǔ)所闡述的屬性或材料特性涉及用于將熱能轉(zhuǎn)換成電能的熱電材料。這 具體是指，"電絕緣"意味著材料的電導(dǎo)率低于熱電材料的電導(dǎo)率。這同樣適用于術(shù)語(yǔ)"導(dǎo) 電"（在此情況下，只是高于而已）、"熱絕緣"、"導(dǎo)熱"和"密封"。
[0034] 具體地，所述線材在不同部分具有不同的涂層，具體說(shuō)是涂覆有選自上述指定組 合中的至少一種材料。在各個(gè)部分中，這些屬性或材料的結(jié)合也是可行的。具體地，可以提 供將既帶電絕緣性且?guī)峤^緣性的材料作為涂層的部分。
[0035] 具體地，所述線材具有相互纏繞的多個(gè)纖維部。所述纖維部的數(shù)目可例如是2至 30個(gè),優(yōu)先為使用2至10個(gè)纖維部。
[0036] 所述纖維部的纏繞式構(gòu)造具體出現(xiàn)在當(dāng)纖維部沿其延伸度彼此抵靠放置且彼此 相互盤(pán)繞時(shí)。纏繞應(yīng)理解為具體指代纖維部相對(duì)彼此的繞轉(zhuǎn)，和/或纖維部相對(duì)彼此的螺 旋式環(huán)繞。
[0037] 優(yōu)選地，在所述線材的相同部分中，至少兩種具有不同屬性的纖維部彼此纏繞。因 此，可以將具有熱電屬性的纖維部與具有非熱電性、熱絕緣性及電絕緣性的纖維部相結(jié)合。 所述線材具體可通過(guò)具有高機(jī)械強(qiáng)度的纖維部來(lái)加固。
[0038] 根據(jù)一個(gè)特別有利的線材實(shí)施例，所述線材具有腔體。所述腔體例如可以孔的方 式來(lái)構(gòu)造。在本示例中，腔體可為封閉式和/或彼此連接。通常的情況是，所述腔體至少部 分地由所述線材的材料或所述纖維部來(lái)形成或界定。所述腔體可形成在纖維部之間和/或 形成在纖維部中。
[0039] 具體地，所述腔體至少部分地填充有選自以下組合的至少一種材料：
[0040] -熱電材料；
[0041] -非熱電材料；
[0042] -電絕緣材料；
[0043] -導(dǎo)電材料；
[0044] -熱絕緣材料；
[0045] -導(dǎo)熱材料；和
[0046] -密封材料（針對(duì)氣體和/或液體）。
[0047] 優(yōu)選地，所述線材至少在徑向方向或在延伸度方向上具有不同的材料特性。因此， 線材也可在這兩個(gè)方向上均具有不同的材料特性。具體地，不同的材料特性是通過(guò)在制備 線材期間使用不同的材料、通過(guò)線材的不同結(jié)構(gòu)和/或不同處理而產(chǎn)生的。這種性質(zhì)的處 理可例如包括熱處理,和/或經(jīng)由壓力的處理等（例如,燒結(jié)法）。
[0048] 根據(jù)一個(gè)特別有利的實(shí)施例，所述線材在延伸度方向上特別地具有不同的橫截面 區(qū)域。這里，"不同"是指截面積區(qū)域的直徑或大小在延伸度方向上變化。這種變化可具有 逐步的和/或連續(xù)的形式。借助于這些不同的橫截面區(qū)域，還可以在熱電模塊上制備非常 薄的層，使得尤其是整個(gè)熱電模塊還能夠至少部分地由所提出線材中的一個(gè)或多個(gè)線材來(lái) 制備。
[0049] 具體地，所述線材可以在徑向上包括多重的線圈的形式環(huán)繞在筒狀接收部的外周 表面上，并由此可形成至少一個(gè)環(huán)形的η型摻雜或p型摻雜的熱電半導(dǎo)體元件，所述熱電半 導(dǎo)體元件可連同其他環(huán)形部件一起構(gòu)造在管狀熱電模塊的外套筒與內(nèi)套筒之間。
[0050] 此時(shí)，所述線材可附加地與用于制備熱電模塊的部件的優(yōu)選方法結(jié)合使用。
[0051] 用于制備熱電模塊部件的方法至少包括以下步驟：
[0052] a)提供至少一個(gè)具有延伸度的線材；
[0053] b)對(duì)所述至少一個(gè)線材施加熱電材料；
[0054] c)提供有外周表面的管狀接收部；
[0055] d)將所述至少一個(gè)線材繞所述管狀接收部纏繞，從而在所述外周表面上形成熱電 模塊的至少一個(gè)環(huán)形部件。
[0056] 環(huán)形熱電半導(dǎo)體元件可具體說(shuō)成是熱電模塊的部件。多個(gè)這種η型摻雜和p型摻 雜的半導(dǎo)體元件將在后面相繼地被交替設(shè)置，并且用適當(dāng)?shù)碾娀ミB部進(jìn)行組裝以形成管狀 熱電模塊。交替的電互連部能夠使熱電模塊上存在的溫度電勢(shì)轉(zhuǎn)換成電流。除了熱電部件 以外，還能夠制備出構(gòu)造在熱電部件之間布置的電絕緣式或熱絕緣式環(huán)形部件。而且，還能 夠制備出例如用于各個(gè)熱電部件的導(dǎo)電式連接的導(dǎo)電式及導(dǎo)熱式部件。
[0057] 該方法尤其適用于至少制備熱電模塊的單個(gè)部件，特別是也適用于制備具有單個(gè) 線材或者具有連續(xù)的和/或并排的多個(gè)線材的整個(gè)熱電模塊。具體地，所提出的是在相同 部分和/或各個(gè)部分具有不同材料和/或不同屬性的（連續(xù)的）線材。
[0058] 所述線材的屬性可例如為：
[0059] -熱電屬性，用于將溫度電勢(shì)轉(zhuǎn)換為電流；
[0060] -電絕緣性，即，比熱電材料更低的電導(dǎo)率[安培八伏*米）];
[0061] -導(dǎo)電性，即，比熱電材料更高的電導(dǎo)率[安培八伏*米）];
[0062]-熱絕緣性，即，比熱電材料更低的比熱導(dǎo)率[瓦八開(kāi)爾文*米）];
[0063] -導(dǎo)熱性，即，比熱電材料更高的比熱導(dǎo)率[瓦八開(kāi)爾文*米）];
[0064] -高的機(jī)械強(qiáng)度（具體說(shuō)是大于200N/mm2的抗張強(qiáng)度）；和
[0065] -針對(duì)氣體和/或液體的密封性。
[0066] 這里，針對(duì)術(shù)語(yǔ)"電絕緣性"、"導(dǎo)電性"、"熱絕緣性"，"導(dǎo)熱性"所給出的定義不僅 適用于所述線材的屬性，而且還適用于所述涂層、纖維部、部件以及設(shè)置在腔體中的材料。 [0067] 理論上，所述方法的步驟可通過(guò)本文中以字母標(biāo)示的順序來(lái)執(zhí)行，但這并非是絕 對(duì)必要的。具體地，某些/所有步驟也至少可以在同一時(shí)間進(jìn)行。因此，例如將所述線材從 線圈上移除（步驟a))，拉動(dòng)其穿過(guò)涂覆槽（步驟c))，并且傳送到接收部上并在此處纏繞 在接收部上（步驟b)和d))。還可以將所述線材定位在沒(méi)有熱電材料的接收部上，然后再 施加熱電材料（例如，施加到由此形成的腔體中）。而且，還可以在涂覆槽內(nèi)纏繞線材。此 夕卜，如果適當(dāng)則還可反復(fù)執(zhí)行這些步驟，例如，提供多個(gè)線材和/或接收部，并且如果適當(dāng) 的話還能反復(fù)地施加熱電材料（施加到線材的各個(gè)部分和/或在不同的時(shí)間點(diǎn)施加）。 [0068] 步驟d)優(yōu)選地以使得所述接收部的外周表面的至少一部分被包含熱電材料的線 材所覆蓋的方式來(lái)執(zhí)行。具體地，通過(guò)線材在徑向方向上向外，而由此形成多重線圈，由此 使得環(huán)形部件的徑向厚度總計(jì)為線材直徑的倍數(shù)。在這種情況下，所述線圈可具有多個(gè)線 材和/或不同取向。
[0069] 根據(jù)一個(gè)特別有利的實(shí)施例，所述管狀接收部具有至少一個(gè)腹板，所述腹板在圓 周方向上至少部分呈圓周式，由此使得在所述管狀接收部的外周表面上沿軸向方向形成了 至少部分地由至少一個(gè)線材所填充的穴部。
[0070] 所提供的管狀接收部具體表示管狀熱電模塊的內(nèi)套筒。然而，具體說(shuō)來(lái)，所述管狀 接收部獨(dú)立于待制備的熱電模塊，因此可將所述環(huán)形部件從該接收部上移除。所述管狀接 收部具體作為環(huán)形部件的內(nèi)部形狀，因此起始自所述管狀接收部的至少一個(gè)線材相繼地在 徑向方向、圓周方向以及軸向方向上形成了所述環(huán)形部件。
[0071] 具體地，所述腹板以形狀配合的方式或粘合方式連接到所述管狀接收部上。在形 狀配合式連接的情況下，連接配合件中的一者處于被另一者鎖住其移動(dòng)性（例如以接合的 方式）的方式中。粘合連接是指通過(guò)原子力或分子力而將連接配合件保持在一起的所有連 接。具體地，根據(jù)軸向方向上的纏繞進(jìn)度，將所述腹板依次施加到所述管狀接收部上。
[0072] 穴部形成在各個(gè)腹板之間，其尤其可以在軸向方向上將由所述方法制備的各個(gè)環(huán) 形部件彼此分離。
[0073] 具體地，可以使用能在不同或相同的穴部中相繼地或同時(shí)地制備環(huán)形部件的多個(gè) (甚至不同的）線材。
[0074] 根據(jù)所述方法的一個(gè)具體實(shí)施例，在步驟d)中提供了多個(gè)線材，并將其同時(shí)施加 到所述管狀接收部上。在這種情況下，所述多個(gè)線材可包括相同或不同的材料。而且，所述 多個(gè)線材可至少部分地具有相同的結(jié)構(gòu)。
[0075] 具體地，所述腹板可例由電絕緣線材（如果適當(dāng)?shù)脑捚渫瑫r(shí)具備熱絕緣性）制備。 還可以使所采用的線材針對(duì)不同的部分相應(yīng)地具有不同的屬性，以便能夠在沿著管狀接收 部的事先設(shè)定點(diǎn)處制備熱電部件、電絕緣部件、導(dǎo)電部件、熱絕緣部件、導(dǎo)熱部件或密封部 件。這些不同的部件可以沿著軸向方向和/或沿著圓周方向彼此并排地進(jìn)行制備和構(gòu)造， 和/或在徑向方向上彼此重疊地進(jìn)行制備和構(gòu)造。
[0076] 具體地，由此制備的部件可以傳送到其他方法步驟中，甚至僅當(dāng)局部制備之后就 可傳送。這些方法步驟可例如包括熱處理和/或壓力處理（例如，燒結(jié)法）。而且還可以引 入用于涂層施加的方法步驟。
[0077] 具體地，由非熱電材料制成的至少一個(gè)線材被隨之附加地纏繞起來(lái)。這例如可針 對(duì)用于產(chǎn)生腔體和/或設(shè)定所需強(qiáng)度而提供。
[0078] 根據(jù)一個(gè)特別有利的實(shí)施例，與步驟d)同時(shí)和/或在步驟d)之后至少部分地執(zhí) 行步驟c)。
[0079] 所述熱電材料可例如以涂層的形式（例如，通過(guò)濺射法或通過(guò)散布糊狀物）施加 到至少部分地制好的部件上。如果適當(dāng)，還跟隨著和/或同時(shí)執(zhí)行有其他方法步驟（熱處 理或壓力處理）。
[0080] 具體地，就所述方法而言，可以使用具有不同橫截面的至少一個(gè)線材，特別是可以 在所述延伸度的方向上使用。借助這些不同的橫截面，還可以在熱電模塊上制備很薄的層， 由此具體使得整個(gè)熱電模塊能至少部分地由一個(gè)或多個(gè)所提出的線材來(lái)制備。
[0081] 本發(fā)明進(jìn)一步提出一種管狀熱電模塊，其至少包括冷端、熱端和構(gòu)造在此二者間 的環(huán)形部件，其中所述部件包括選自以下組合的至少一個(gè)部件：
[0082] -包括熱電材料的部件；
[0083] -包括電絕緣材料的部件；
[0084] -包括熱絕緣材料的部件；
[0085] -包括導(dǎo)電材料的部件；
[0086] -包括密封材料的部件；和 [0087]-包括導(dǎo)熱材料的部件，
[0088] 其中，進(jìn)一步地，所述至少一個(gè)環(huán)形部件已經(jīng)由本文所提出的方法加以制備。
[0089] 特別優(yōu)選地，所述管狀熱電模塊的所有環(huán)形部件均由那種包括線材的部件來(lái)形 成。在這種情況下，所述管狀熱電模塊優(yōu)選具有內(nèi)通道和外圓柱表面，其中熱媒或冷媒可圍 繞其中任一者流動(dòng)，由此使得構(gòu)造在其間的環(huán)形部件在內(nèi)側(cè)和外側(cè)暴露在不同的溫度電勢(shì) (熱端、冷端）下。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0090] 下面，根據(jù)附圖對(duì)本發(fā)明及其【技術(shù)領(lǐng)域】作出更詳細(xì)說(shuō)明。附圖特別地示出了優(yōu)選 的示例性實(shí)施例，但本發(fā)明并不限制于此。各個(gè)附圖中的等同項(xiàng)以同一附圖標(biāo)記標(biāo)出。附 圖分別示意性地示出：
[0091] 圖1示出了具有一定延伸度的線材；
[0092] 圖2以縱向截面示出了線材；
[0093] 圖3以橫截面示出了圖2所示的線材；
[0094] 圖4以橫截面示出了另一線材；
[0095] 圖5示出了方法步驟a);
[0096] 圖6示出了方法步驟b);
[0097] 圖7示出了方法步驟c)和d);
[0098] 圖8示出了在方法步驟d)之后具有腹板的接收部；
[0099] 圖9示出了熱電模塊；和
[0100] 圖10示出了沿其延伸度而具有可變橫截面區(qū)域的線材。

【具體實(shí)施方式】
[0101] 圖1示出了具有延伸長(zhǎng)度2的線材1。線材1沿著延伸度2細(xì)分成多個(gè)部分24 (或 線材區(qū)位），所述部分沿著延伸度的方向10而彼此鄰接。在左側(cè)的部分24,線材1包括熱 電材料3。在中間的部分24,線材1包括電絕緣材料6。在右側(cè)的部分24,線材1包括熱絕 緣材料7。在不同的部分24中表現(xiàn)出不同的材料特性11。線材1由至少一個(gè)纖維部5構(gòu) 成。在左側(cè)的部分24,識(shí)別出區(qū)位II。
[0102] 圖2以縱向截面示出了圖1所示的區(qū)位II和線材1(對(duì)其擴(kuò)大以用于說(shuō)明）。線 材1在延伸度的方向10上延伸，并且由多個(gè)相互纏繞的纖維部5形成。具體地，各個(gè)纖維 部5具有不同的特性。這里，線材1是由以熱電材料3、電絕緣材料6以及熱絕緣材料7制 成的纖維部5構(gòu)成的。纖維部5還設(shè)有涂層33。
[0103] 圖3以橫截面23示出了圖2所示的線材1。線材1具有涂層33,所述涂層在徑向 方向9的外側(cè)上將線材1的纖維部5 (完全）包圍。
[0104] 圖4以橫截面23示出了另一線材1。該線材具有（最大）直徑22。線材1由在 橫截面23中彼此并排布置的多個(gè)纖維部5形成。腔體8 (這里，以涂層33來(lái)填充）由纖維 部5形成。纖維部5具有不同的材料特性11，因此線材1在圓周方向16以及徑向方向9上 均具有不同的材料特性11。
[0105] 圖5示出了方法步驟a)，其中提供了具有延伸度2的線材1。可以看出，線材1沿 著延伸度10的方向劃分成不同的部分24。在這些部分24的每一部分中，線材1具有不同 的屬性。在一個(gè)部分24,線材1包括熱電材料3,而在其他部分24中包括電絕緣材料6和 熱絕緣材料7。
[0106] 圖6示出了方法步驟b)，其中提供了具有外周表面14的管狀接收部13。
[0107] 圖7示出了方法步驟c)和d)，其中將多個(gè)線材1繞管狀接收部13纏繞，使得環(huán)形 部件12形成在接收部13的外周表面14上。環(huán)形部件12相繼地設(shè)置在軸向方向18上。
[0108] 由此，正如本文以舉例方式所指出的那樣，通過(guò)在不同時(shí)間點(diǎn)的濺射工藝，能夠在 纏繞過(guò)程之前、期間和/或之后對(duì)熱電材料的施加加以影響。
[0109] 特別地，可提出附加的方法步驟，其中具體包括在升高的溫度和/或升高的壓力 下的燒結(jié)方法步驟。這意味著，例如，該構(gòu)造可如此送入到燒結(jié)工藝中，其中若適當(dāng)?shù)脑拰?duì) 該線材構(gòu)造與材料共同地進(jìn)行壓實(shí)、硬化和/或熱處理。在這種情況下，若適當(dāng)?shù)脑?，也?劃分出多個(gè)穴部（pockets)并分別進(jìn)行處理。
[0110] 不言而喻，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的是，這里可以結(jié)合其他（從屬）工藝，例 如將線材切割成一定長(zhǎng)度、拆卸管狀接收部，等等。
[0111] 圖8示出了具有腹板17的管狀接收部13,所示腹板在圓周方向16上繞管狀接收 部13延伸。至少部分由線材1所填充的穴部19形成在腹板17之間，并在其外周表面14上 由腹板17構(gòu)成。這里，腹板17由電絕緣材料6制備，因此使得由熱電材料3制成、通過(guò)線 材1所制備的環(huán)形部件12可以彼此電絕緣的方式構(gòu)造在軸向方向18上。在這種情況下，η 型摻雜和P型摻雜的熱電材料3可尤其存在于相鄰的穴部19中，并由此在穴部19中形成 環(huán)形的η型摻雜和p型摻雜半導(dǎo)體元件38。
[0112] 這里，進(jìn)一步示出了在穴部19中除了熱電材料3以外還存在非熱電材料4。具體 地，該非熱電材料4具有比熱電材料3更低的電導(dǎo)率，以及同樣較低的熱導(dǎo)率。熱電材料3 和非熱電材料4的結(jié)合能影響到環(huán)形部件12所謂的"填充比率"。涉及到填充比率，可以參 考DE 10 2010 030 259 Α1，其全部?jī)?nèi)容作為本文參考。涉及到填充比率，該文獻(xiàn)記載了熱 電模塊的效率并不僅僅通過(guò)熱端與冷端之間的熱電材料的最大可能比例來(lái)增加，而且還通 過(guò)保持熱端與冷端之間的最高溫度電位來(lái)保持。
[0113] 熱電模塊可產(chǎn)生的電功率是給定的，簡(jiǎn)而言之可表示為模塊的熱電效率與熱電模 塊的熱端上所產(chǎn)生的熱流量Q的乘積。一般情況下，熱電效率會(huì)隨著熱端與冷端之間的功 能層的熱阻的增加而增加，因?yàn)闊岫伺c冷端之間的溫度差會(huì)相應(yīng)增加。相比之下，熱流量則 由于熱阻的增加而降低。這具體意味著，電功率是熱電模塊中的熱阻的函數(shù)。熱電模塊的 熱阻由半導(dǎo)體元件（即，在這種情況下是指熱電材料3和非熱電材料4)的熱導(dǎo)率、半導(dǎo)體 元件的幾何尺寸、構(gòu)造在半導(dǎo)體元件之間的電絕緣部（這里例如是腹板17)的熱導(dǎo)率及其 幾何尺寸來(lái)確定。
[0114] 圖9示出了由內(nèi)套筒26和外套筒25構(gòu)成的管狀熱電模塊15。管狀熱電模塊15 沿著中心軸線27延伸，并具有位于內(nèi)套筒26內(nèi)部的通道28。這里示出為，冷卻劑29流過(guò) 通道28,并且熱流體30從外套筒25上流過(guò)。由此，熱電模塊15的熱端21基于外套筒25 形成，而相應(yīng)地?zé)犭娔K15的冷端20則基于內(nèi)套筒26形成。然而，本發(fā)明同樣包括這種 構(gòu)造的倒置。
[0115] 至少由熱電材料3制成的環(huán)形部件12構(gòu)造在內(nèi)套筒26與外套筒25之間，并且通 過(guò)導(dǎo)電材料31彼此交替地連接。除了由熱電材料3(如果適當(dāng)，還有非熱電材料4)制成的 環(huán)形部件12以外，具體就熱電模塊15的所有其他部件而言，也能夠由相應(yīng)制備的環(huán)形部件 12來(lái)形成。這具體適用于：優(yōu)選由導(dǎo)熱材料32形成的外套筒25和內(nèi)套筒26、外套筒25和 內(nèi)套筒26上的電絕緣材料6、熱電材料3 (半導(dǎo)體元件38)之間的電絕緣材料6和熱絕緣材 料7、向外密封熱電模塊15的材料34,以及將由熱電材料3制成的環(huán)形部件12彼此交替連 接的導(dǎo)電材料31。
[0116] 圖10示出了沿著延伸度2具有可變橫截面區(qū)域35的線材1。這里，在步驟36中 或者在連續(xù)變化部37的形式中，橫截面區(qū)域35的直徑22或大小沿著延伸度2改變。
[0117] 所提出的一種制備環(huán)形部件和熱電模塊的新穎方法是使用特定的線材。由于這 里僅在很小程度上考慮到部件公差，因此這些熱電模塊可以通過(guò)具有成本效益的方式來(lái)制 備，而無(wú)需設(shè)備上的較大支出。
[0118] 特別地，通過(guò)線材的使用，使得在熱電模塊的圓周方向上的載荷實(shí)例（也就是，具 體來(lái)說(shuō)是由熱膨脹實(shí)例所引起的應(yīng)力）更好地得到補(bǔ)償，或可被承受下來(lái)而不發(fā)生故障。 以圓周方向纏繞的線材產(chǎn)生出針對(duì)各個(gè)環(huán)形部件的高機(jī)械強(qiáng)度和由此制備的熱電模塊的 高機(jī)械強(qiáng)度。
[0119] 環(huán)形部件不限于圓形或橢圓形的結(jié)構(gòu)，而是也同樣可以制備多邊形部件（例如立 方體部件）。特別地，根據(jù)本發(fā)明制備的環(huán)形部件能夠與通過(guò)燒結(jié)材料或固體材料常規(guī)制備 得來(lái)的環(huán)形部件進(jìn)行組合。
[0120] 附圖標(biāo)記列表
[0121] 1 線材
[0122] 2延伸度
[0123] 3熱電材料
[0124] 4非熱電材料
[0125] 5纖維部
[0126] 6電絕緣材料
[0127] 7熱絕緣材料
[0128] 8 腔體
[0129] 9徑向方向
[0130] 10延伸度的方向
[0131] 11材料特性
[0132] 12 部件
[0133] 13接收部
[0134] 14外周表面
[0135] 15熱電模塊
[0136] 16圓周方向
[0137] 17 腹板
[0138] 18軸向方向
[0139] 19 穴部
[0140] 20 冷端
[0141] 21 熱端
[0142] 22 直徑
[0143] 23橫截面
[0144] 24 部分
[0145] 25外套筒
[0146] 26內(nèi)套筒
[0147] 27中央軸線
[0148] 28 通道
[0149] 29冷卻劑
[0150] 30熱流體
[0151] 31導(dǎo)電材料
[0152] 32導(dǎo)熱材料
[0153] 33 涂層
[0154] 34密封材料
[0155] 35橫截面區(qū)域
[0156] 36 步驟
[0157] 37連續(xù)變化部
[0158] 38半導(dǎo)體元件
【權(quán)利要求】
1. 一種具有延伸度（2)的線材（1)，其中所述線材（1)至少部分地包括熱電材料（3)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的線材（1)，其中，所述線材（1)沿所述延伸度（2)至少包括不 同的熱電材料（3)或非熱電材料（4)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的線材（1)，其中，所述線材（1)沿所述延伸度（2)涂覆有 上述材料（3, 4)。
4. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的線材（1)，其中，所述線材（1)具有以下中的至少 一個(gè)： -至少一個(gè)具有至少200N/mm2的抗張強(qiáng)度的纖維部（5); -相互纏繞的多個(gè)纖維部（5); -至少在徑向方向（9)或所述延伸度的方向（10)上的不同的材料特性（11); -腔體（8)，其中所述腔體（8)至少部分地填充有選自以下組合的至少一種材料： ?熱電材料（3); ?電絕緣材料（6); ?導(dǎo)電材料（31); ?熱絕緣材料（7); ?導(dǎo)熱材料（32);和 ?密封材料（34)。
5. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的線材（1)，其中，所述線材（1)在所述延伸度（2) 的方向上具有不同的橫截面區(qū)域（35)。
6. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的線材（1)，其中，所述線材（1)以在徑向方向（9) 上包括多重的線圈的形式纏繞在管狀接收部（13)的外周表面（14)上，并由此形成至少一 個(gè)環(huán)形的n型摻雜或p型摻雜的熱電半導(dǎo)體元件（38)，所述熱電半導(dǎo)體元件連同其他環(huán)形 部件（12) -起構(gòu)造在管狀熱電模塊（15)的外套筒（25)與內(nèi)套筒（26)之間。
7. -種用于制備熱電模塊（15)的部件（12)的方法，其至少包括以下步驟： a) 提供至少一個(gè)具有延伸度（2)的線材（1); b) 提供具有外周表面（14)的管狀接收部（13); c) 對(duì)所述至少一個(gè)線材（1)施加熱電材料（3);和 d) 將所述至少一個(gè)線材（1)繞所述管狀接收部（13)纏繞，從而在所述外周表面（14) 上形成熱電模塊（15)的至少一個(gè)環(huán)形部件（12)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述管狀接收部（13)具有至少一個(gè)在圓周方向 (16)上至少部分地呈圓周式的腹板（17)，從而在所述管狀接收部（13)的外周表面（14)上 沿軸向方向（18)形成能至少部分地由至少一個(gè)線材（1)填充的穴部（19)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，其中，在步驟d)中提供多個(gè)線材⑴并且同時(shí)將 其施加到所述管狀接收部（13)中。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7至9中任一項(xiàng)所述的方法，其中，隨后將由非熱電材料（4)制成的 至少一個(gè)線材（1)纏繞起來(lái)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求7至10中任一項(xiàng)所述的方法，其中，步驟c)至少部分地與步驟d)同 時(shí)和/或在步驟d)之后執(zhí)行。
12. -種管狀熱電模塊（15)，至少包括冷端（20)、熱端（21)以及布置在其間的環(huán)形部 件（12)，其中所述部件（12)包括至少一個(gè)選自以下組合的部件（12): -包括熱電材料（3)的部件（12); -包括電絕緣材料（6)的部件（12); -包括熱絕緣材料（7)的部件（12); _包括導(dǎo)電材料（31)的部件（12); _包括導(dǎo)熱材料（32)的部件（12);和 -包括密封材料（34)的部件（12)， 其中，所述至少一個(gè)環(huán)形部件（12)經(jīng)由如權(quán)利要求7至11中任一項(xiàng)所述的方法來(lái)制 備。
【文檔編號(hào)】H01L35/34GK104396037SQ201380033748
【公開(kāi)日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2013年6月25日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月25日
【發(fā)明者】羅爾夫·布呂克, 維爾弗里德·米勒 申請(qǐng)人:依米泰克排放技術(shù)有限公司