本發(fā)明涉及一種熱電裝置和包括這樣的裝置的熱電模塊，特別是用于在汽車中產(chǎn)生電流。

背景技術(shù)：

在汽車板塊中，已經(jīng)提出熱電裝置，其利用稱為熱電元件的元件，能夠通過稱為塞貝克效應(yīng)(Seebeck effect)的現(xiàn)象在元件的其中兩個相對面(稱為活性(active)面)之間存在溫度梯度的情況下產(chǎn)生電流。這些裝置包括第一回路，其意圖用于發(fā)動機(jī)的排氣的循環(huán)；和第二回路，其意圖用于冷卻回路的熱傳遞流體的循環(huán)。熱電元件被設(shè)置在第一和第二回路之間，以便經(jīng)受溫度梯度，該溫度梯度由熱的排氣和冷的冷卻流體之間的溫度差導(dǎo)致。

電模塊包括布置在熱電元件的活性面上的電跡線(electric track)，以便將電力從一個熱電元件的活性面?zhèn)鬟f到另一熱電元件的活性面。電跡線通過釬焊組裝在熱電元件上。但是，為了將其實現(xiàn)，必須將所有部件加熱到高溫。但是，當(dāng)經(jīng)受高溫時，熱電元件和電跡線沒有以相同方式膨脹，熱電元件和電連接器件之間的膨脹差異效果可由此產(chǎn)生組件的失效。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明意圖改善該情況，且為此，涉及一種熱電裝置，包括至少兩個熱電元件，稱為第一熱電元件和第二熱電元件，其能夠在它們的其中兩個面之間施加的溫度梯度的作用下產(chǎn)生電流，所述兩個面稱為第一活性面和第二活性面，所述裝置包括使兩個熱電元件串聯(lián)地電連接的第一電連接器件，和意圖將裝置的兩個熱電元件的其中一個與第三熱電元件串聯(lián)地電連接的第二電連接器件，第一電連接器件和第二電連接器件與第一熱電元件和第二熱電元件連結(jié)在一起通過所述第一熱電元件和第二熱電元件的燒結(jié)獲得。

由此，作為本發(fā)明的結(jié)果，獲得一種熱電裝置，包括通過燒結(jié)組裝的熱電元件和電連接器件，即，沒有經(jīng)受與通過釬焊組裝相關(guān)的壓力。此外，根據(jù)本發(fā)明的裝置具有優(yōu)勢，即能夠特別地通過第二電連接器件組裝到其他熱電元件，和/或通過燒結(jié)或通過另一組裝方法(特別地通過低溫釬焊)組裝到另一熱電裝置，由此導(dǎo)致電連接器件的較少的熱膨脹，所述電連接器件意圖位于具有溫度梯度的冷側(cè)。

根據(jù)本發(fā)明的能夠一起或單獨(dú)地考慮的不同實施例：

-第一活性面意圖執(zhí)行與具有溫度梯度的熱源的熱交換，第二活性面意圖執(zhí)行與具有溫度梯度的冷源的熱交換，以便產(chǎn)生電流；

-第一和第二活性面通過至少一個側(cè)面連接在一起，第一電連接器件將第一和第二熱電元件的彼此相對設(shè)置的所述側(cè)面電連接在一起，且使所述活性面自由；

-所述第一電連接器件將所述側(cè)面的彼此相對定位的兩個部分連接在一起；

-第二電連接器件意圖將裝置的兩個熱電元件的其中一個的另一側(cè)面電連接至第三熱電元件的側(cè)面；

-第一電連接器件位于靠近第一或第二活性面的區(qū)域中；

-第一電連接器件覆蓋第一和第二熱電元件的側(cè)面的第一部分，熱電裝置包括第一電絕緣元件，其覆蓋第一和/或第二熱電元件的所述側(cè)面的第二部分。

-將第一電絕緣元件連結(jié)至第一和/或第二熱電元件通過所述第一和/或第二熱電元件的燒結(jié)獲得；

-第一電絕緣元件和第一電連接器件覆蓋第一和/或第二熱電元件的整個所述側(cè)面；

-第二電連接器件覆蓋所述第一或第二熱電元件的所述另一側(cè)面的第一部分，所述熱電裝置包括第二電絕緣元件，其覆蓋所述另一側(cè)面的第二部分；

-第二電連接器件位于靠近第一熱電元件或第二熱電元件的第一或第二活性面的區(qū)域中；

-將第二電絕緣元件連結(jié)至第一熱電元件和/或第二熱電元件通過所述第一和/或第二熱電元件的燒結(jié)獲得；

-第一電連接器件和/或第二電連接器件的厚度(垂直于側(cè)面測量)小于300微米；

-所述第一電連接器件將裝置的熱電元件的第一活性面電連接在一起，第二電連接器件意圖將裝置的兩個熱電元件的其中一個的第二活性面與第三熱電元件的第二活性面電連接在一起；

-第一和/或第二熱電元件具有環(huán)形形狀；

-第一電絕緣元件和/或所述第一電連接器件具有環(huán)形形狀；

-所述第一電連接器件和所述電絕緣元件是同心的；

-所述第一電連接器件跨過所述第一電絕緣元件的外周邊部分或內(nèi)周邊部分定位。由此，第一電連接器件布置在與第一熱電元件的側(cè)面接觸的第一電絕緣元件的第一側(cè)面上，和在與第二熱電元件的側(cè)面接觸的第一電絕緣元件的第二側(cè)面上；

-第一活性面通過內(nèi)周邊表面限定，第二活性面通過外周邊表面限定；

-第一熱電元件和第二熱電元件被構(gòu)造為使得，第一熱電元件產(chǎn)生的電勢差關(guān)于溫度梯度與第二熱電元件產(chǎn)生的電勢差相反；

-第一熱電元件具有等于Y的熱膨脹系數(shù)，第二熱電元件具有等于X的熱膨脹系數(shù)，X和Y滿足關(guān)系|Y-X|/X≤15％；

-第一電連接器件具有等于Z1的熱膨脹系數(shù)，X、Y和Z1滿足關(guān)系|Z1-X|/X≤15％且|Z1-Y|/Y≤15％；

-第二電連接器件具有等于Z2的熱膨脹系數(shù)，X、Y和Z2滿足關(guān)系|Z2-X|/X≤15％且|Z2-Y|/Y≤15％。第二電連接器件的熱膨脹系數(shù)例如等于第一電連接器件的熱膨脹系數(shù)；

-裝置被構(gòu)造為使得，所述第二電連接器件可釬焊到相同裝置的電連接器件的其中一個。

本發(fā)明還涉及一種熱電模塊，其包括多個如前所述的熱電裝置。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述多個熱電裝置通過釬焊屬于兩個相鄰熱電裝置的兩個第二電連接器件而組裝在一起。

根據(jù)實施例的一個示例，模塊包括焊接接頭，用于將所述多個熱電裝置組裝在一起，釬焊接頭被構(gòu)造為以低于300℃的溫度釬焊。

本發(fā)明還涉及一種用于制造如上所述的熱電裝置的方法，其中，第一熱電元件和第二熱電元件燒結(jié)在一起，以便將第一電連接器件和第二電連接器件與所述第一和第二熱電元件連結(jié)在一起。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，兩個熱電裝置的兩個第二電連接器件釬焊在一起。

附圖說明

通過僅作為非限制性示例和所附附圖一起給出的以下描述將更好地理解本發(fā)明，在附圖中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的熱電裝置的分解透視圖；

圖2示出彼此分開的根據(jù)圖1的多個裝置的分解透視圖，以及組裝在一起以形成根據(jù)本發(fā)明的熱電模塊的根據(jù)圖1的多個裝置的分解透視圖；

圖3和4示出根據(jù)本發(fā)明的熱電模塊的兩個變體的軸向截面示意圖；

圖5和6示出組件的實施例的兩個變體的示意透視圖，該組件包括電連接器件和根據(jù)本發(fā)明的裝置的電絕緣器件；

圖7是根據(jù)本發(fā)明的不同形式的熱電元件的示意截面圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發(fā)明涉及一種熱電裝置1，其包括第一熱電元件3和第二熱電元件4，能夠在它們的其中兩個面(稱為活性面5、6)之間施加的溫度梯度的作用下產(chǎn)生電流。第一活性面5意圖執(zhí)行與冷源的熱交換，該冷源例如是冷卻回路的熱傳遞流體，第二活性面6意圖執(zhí)行與熱源的熱交換，該熱源具有高于冷源溫度的溫度，例如是發(fā)動機(jī)的排氣。在此可理解，允許第一熱電元件的操作的溫度梯度通過冷源和熱源產(chǎn)生。

這些熱電元件通過塞貝克效應(yīng)操作，其允許電流在經(jīng)受溫度梯度的所述活性面5、6之間連接的負(fù)載中產(chǎn)生。這樣的元件例如由硅化鎂(Mg2Si)制成。

第一熱電元件3例如是第一類型(稱為P)，當(dāng)它們經(jīng)受給定的溫度梯度時，允許沿一個方向(稱為正)建立電勢差，第二熱電元件4特別是第二類型(稱為N)，當(dāng)它們經(jīng)受相同的溫度梯度時，允許沿相反方向(稱為負(fù))建立電勢差。

第一熱電元件3包括第一側(cè)面11和第二側(cè)面12。側(cè)面11和12的每個將第一活性面5連接到第二活性面6。側(cè)面11、12彼此相對定位。

在圖中所示的本發(fā)明的實施例的示例中，第一熱電元件3具有環(huán)形形狀。第一熱電元件3在此通過制成為單件的環(huán)形成。但是，其可通過多個部件形成，所述多個部件每個形成環(huán)的一個角部分。

在圖1至3所示的示例中，其中，冷源在熱電元件3中循環(huán)，熱源在熱電元件3外側(cè)循環(huán)，第一活性面5通過環(huán)的內(nèi)周邊表面限定，第二活性面6通過環(huán)的外周邊表面限定。另一方面，在圖4所示的示例中，冷源在熱電元件3的外側(cè)循環(huán)，熱源在熱電元件3內(nèi)側(cè)循環(huán)，第一活性面5通過環(huán)的外周邊表面限定，第二活性面6通過環(huán)的內(nèi)周邊表面限定。

在兩個情況下，第一和第二側(cè)面11、12是平的，特別是彼此平行，它們特別地沿垂直于環(huán)的中央軸線的平面延伸。換句話說，形成熱電元件的環(huán)具有矩形的環(huán)形橫截面。

熱電裝置1包括第一電連接器件21，其將第一熱電元件3串聯(lián)地電連接到第二熱電元件4。

根據(jù)本發(fā)明的熱電裝置1還包括第二電連接器件22、42，其意圖將第二熱電元件4串聯(lián)地電連接到特別地屬于相鄰的熱電裝置1的第三熱電元件3、4，其目的是形成根據(jù)本發(fā)明的電熱模塊。第二熱電元件4特別地具有與第一熱電元件3的形狀相似的形狀。

根據(jù)本發(fā)明，第一熱電元件3、第二熱電元件4、第一電連接器件21和第二電連接器件22、42通過燒結(jié)組裝在一起。由此理解為，燒結(jié)意圖形成第一和第二熱電元件的材料的操作確保第一和第二熱電元件與第一和第二電連接器件(就它們本身而言，是預(yù)成型的，特別是具有金屬跡線的形式)連結(jié)在一起。

燒結(jié)增加形成熱電元件3、4的粉末顆粒之間以及熱電元件3、4和電連接器件21、22之間的內(nèi)聚力，還確保接觸電阻減小至最小。

第一電連接器件21在此布置在第一熱電元件3的第一側(cè)面11的第一部分上，且將第一熱電元件3串聯(lián)地電連接到第二熱電元件4的第二側(cè)面12。第二電連接器件22、42布置在將其第一活性面5連接到其第二活性面6的第一熱電元件3的第二側(cè)面12上，或在將其第一活性面5連接到其第二活性面6的第二熱電元件4的第一側(cè)面11上。根據(jù)本發(fā)明的熱電裝置可還包括兩個第二電連接器件，其中一個第二電連接器件22布置在將其第一活性面5連接到其第二活性面6的第一熱電元件3的第二側(cè)面12上，其中另一個第二電連接器件42布置在將其第一活性面5連接到其第二活性面6的第二熱電元件4的第一側(cè)面11上。

第一和第二電連接器件21、22、42的布置在此使所述第一和第二熱電元件3、4的活性面5、6是自由的。在熱電元件的側(cè)表面上的該布置由此允許熱交換與電交換解耦，且防止電連接器件起到熱電元件的活性面之間隔熱屏的作用，所述熱電元件接收溫度梯度，冷源和熱源產(chǎn)生該梯度。

有利地，在熱電元件3、4是環(huán)形的情況下，第一電連接器件21也是環(huán)形的。

第一側(cè)面11的第一部分(上面定位有第一連接器件21)是與第二活性面6相鄰的部分，即，與熱源相鄰的部分。

在該情況下，第二電連接器件22、42定位在側(cè)面的第一部分上，在那里，它們與第一活性面6相鄰，即，與冷源相鄰的部分。

當(dāng)?shù)谝浑娺B接器件21靠近熱源定位時，即，在此靠近第一和第二熱電元件的第二活性面定位時，通過燒結(jié)的組裝方法實際上是特別有利的。實際上，通過燒結(jié)的組裝對熱電元件的壓力比高溫釬焊小，并且還抵抗熱源的非常高的溫度，特別是熱源包括排氣的情況下，釬焊接頭的情況則不總是如此。本發(fā)明由此能夠限制組件由于熱源的高操作溫度而失效的風(fēng)險。

根據(jù)本發(fā)明的熱電裝置1可與其他類似的裝置1組裝，以形成熱電模塊20，如圖2至4所示，從而電流可在相鄰的熱電裝置1之間和在相鄰的熱電元件3、4之間串聯(lián)地循環(huán)。

靠近第二活性面6的第一電連接器件21和靠近第一活性面5的第二電連接器件22的交替布置允許電流沿如圖3和4所示的箭頭26方向在不同類型的兩個相鄰熱電元件之間串聯(lián)地循環(huán)。

這由此產(chǎn)生熱電模塊20，其中，所述熱電元件3、4例如沿彼此的縱向延伸方向布置，特別地同軸布置，且P類型的熱電元件與N類型的熱電元件沿平行于模塊的縱向軸線的方向交替布置。特別地，它們具有相同的形狀和尺寸。但是，它們可具有厚度，即，它們的側(cè)面(在此設(shè)置為平的)之間的尺寸，一個類型的所述厚度與另一類型的不同，特別地取決于它們的導(dǎo)電性。

兩個熱電裝置1的組裝有利地通過每個裝置的兩個電連接器件22、42執(zhí)行，如圖3和4所示。

如上所見，其上定位有第二電連接器件22的部分遠(yuǎn)離熱源，且因此沒有經(jīng)受非常高的溫度。兩個相鄰的熱電裝置1通過兩個電連接器件22的組裝可因此通過釬焊方法執(zhí)行，該釬焊方法以低溫進(jìn)行，即，在低于300℃的溫度。釬焊特別地借助釬焊接頭25在熱電裝置1的第二電連接器件22、42和相鄰熱電裝置1的第二電連接器件22、42之間執(zhí)行。釬焊接頭被構(gòu)造為允許以低于300℃的溫度釬焊。通過該冷釬焊方法，可以使電連接器件21、22和熱電元件3、4避免經(jīng)受非常高的溫度，該非常高的溫度以熱釬焊達(dá)到，且將導(dǎo)致明顯熱膨脹，然后是收縮，這特別地導(dǎo)致電連接器件21、22和熱電元件3、4之間的機(jī)械鏈接部的弱化。該組裝方法更加有趣，因為其使用比需要使用大量能量的高溫釬焊方法更少的能量。

本發(fā)明由此能夠使用燒結(jié)方法，用于第一電連接器件和第二電連接器件與熱電元件的組裝，然后是冷釬焊，用于第二電連接器件與另一第二電連接器件的組裝，避免使用熱釬焊方法。

在圖3所示的實施例的示例中，冷流體在熱電元件3、4內(nèi)循環(huán)，如箭頭100所指示的，而熱流體在熱電元件的外側(cè)上循環(huán)，如箭頭110所指示的。第一電連接器件21因此在此位于側(cè)面11、12(第一電連接器件定位在其上)的外周邊區(qū)的區(qū)域中。第二電連接器件22位于側(cè)面11、12(第二電連接器件定位在其上)的內(nèi)周邊區(qū)的區(qū)域中。

相反，在圖4所示的實施例的示例中，冷流體在熱電元件3、4的外側(cè)上循環(huán)，如箭頭100所指示的，熱流體在熱電元件3、4內(nèi)循環(huán)，如箭頭110所指示的。第一電連接器件21因此在此位于側(cè)面11、12(第一電連接器件定位在其上)的內(nèi)周邊區(qū)的區(qū)域中。第二電連接器件22位于側(cè)面11、12(第二電連接器件定位在其上)的外周邊區(qū)的區(qū)域中。

為了流體的循環(huán)，根據(jù)本發(fā)明的模塊可包括用于流體在所述熱電元件3、4內(nèi)循環(huán)的管道7。所述液體循環(huán)管道7(一個或多個)例如具有圓形橫截面。

根據(jù)本發(fā)明的熱電裝置1可包括覆蓋側(cè)面的第二部分的第一電絕緣元件31，第一電連接器件21定位在該側(cè)面上。有利地，第一電絕緣元件31和第一電連接器件21覆蓋第一熱電元件21的整個所述第一側(cè)面，特別地是同心地。

第一電絕緣元件31通過燒結(jié)組裝在第一熱電元件3上。其還可在熱電裝置1的組裝期間通過燒結(jié)而組裝在第二熱電元件4上。

如圖5和6所示，當(dāng)?shù)谝浑娊^緣元件31具有環(huán)形形狀，所述第一電連接器件21可跨過第一電絕緣元件31的外周邊部分35或內(nèi)周邊部分36定位，以便布置在第一電絕緣元件31的第一側(cè)面33上以及在第一電絕緣元件31的第二側(cè)面34上，所述第一側(cè)面33與第一熱電元件接觸，所述第二側(cè)面34意圖與第二熱電元件的第二側(cè)面接觸。為了該目的，第一電連接器件21具有U形橫截面。

如圖1可見，根據(jù)本發(fā)明的熱電裝置1還包括覆蓋側(cè)面的第二部分的第二電絕緣元件32，第二電連接器件定位在該側(cè)面上。第二連接器件22組裝在第一熱電元件或第二電元件上，特別地通過燒結(jié)。

以與第一電連接器件21和第一電絕緣元件31相同的方式，第二電連接器件22和第二電絕緣元件32有利地覆蓋上面定位(特別是同心地)有它們的整個側(cè)面。

以與第一電連接器件21相同的方式，所述第二電連接器件22可跨過第二電絕緣元件32的外周邊部分35或內(nèi)周邊部分36定位，以便布置在第二電絕緣元件32的第一側(cè)面33上以及在第二電絕緣元件32的第二側(cè)面34上，所述第一側(cè)面33與第一或第二熱電元件接觸，所述第二側(cè)面34意圖在低溫釬焊之后與相鄰熱電裝置1的第二熱電元件的側(cè)面接觸。為了該目的，第二電連接器件22具有U形橫截面。

可注意到，當(dāng)熱電裝置1的第一電連接器件21定位在第一電絕緣元件31的外周邊上時，同一熱電裝置1的第二電連接器件22定位在屬于同一熱電裝置1的第二電絕緣元件31的內(nèi)周邊上，且反之亦然。

圖7示出本發(fā)明的不同實施例，其中，熱電元件3、4的外幾何形式和/或內(nèi)幾何形式改變，以便以最佳可行方式適應(yīng)熱電模塊的幾何約束，同時確保熱電模塊的良好效率。

所述熱電元件的外和/或內(nèi)形式將例如是圓形的、四邊形的、橢圓形的或這些不同形式的組合。

有利地，第一熱電元件3具有等于Y的熱膨脹系數(shù)，第二熱電元件4具有等于X的熱膨脹系數(shù)，X和Y滿足關(guān)系|Y-X|/X≤15％。此外，第一電連接器件21和第二電連接器件22可具有等于Z1和Z2的熱膨脹系數(shù)，X、Y、Z1、Z2滿足關(guān)系|Z1-X|/X≤15％且|Z1-Y|/Y≤15％且|Z2-X|/X≤15％且|Z2-Y|/Y≤15％。一方面在第一熱電元件3和第二熱電元件4之間的熱膨脹系數(shù)以及另一方面在熱連接器件21、22和熱電元件3、4之間的小的熱膨脹系數(shù)差使得，這些元件的燒結(jié)在一起可被改善，特別是改善裝置1一旦組裝后的機(jī)械強(qiáng)度。

第一電連接器件21和第二電連接器件22特別是由相同材料制成。以相同的方式，第一和第二電絕緣元件特別地由相同材料制成。

本發(fā)明還涉及一實施例，雖然其沒有被示出，其中，第一電連接器件21將裝置1的熱電元件3、4的第一活性面5電連接在一起，第二電連接器件22意圖將裝置的兩個熱電元件的其中一個的第二活性面6與另一熱電元件的第二活性面6電連接在一起。