熱電設(shè)備、尤其熱電發(fā)電機或者熱泵的制作方法
【專利說明】
【背景技術(shù)】
[0001]本發(fā)明涉及熱電設(shè)備，尤其是熱電發(fā)電機或者熱泵，并且涉及具有這種熱電設(shè)備的機動車輛。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]術(shù)語〃熱電〃意思是溫度和電力的相互影響以及它們彼此的轉(zhuǎn)換。熱電材料利用這種影響作為熱電發(fā)電機以從廢熱生成電能量，但是如果電能量被用來從具有低溫度的溫度儲存器傳輸熱至一個具有更高溫度的溫度儲存器，那么熱電材料還被以公知的熱泵的形式進行使用。
[0003]精確地來講，后者熱電熱泵使用在車輛技術(shù)中以冷卻各種部件，諸如現(xiàn)代鋰離子電池，鋰離子電池在操作期間發(fā)射相當(dāng)大量的廢熱。但是這種熱電熱泵也能夠使用在電動車輛中作為組合的加熱以及冷卻設(shè)備，例如用于乘客艙的溫度控制，尤其是因為它們比例如常規(guī)電阻加熱器具有更高效率。在具有內(nèi)燃機的機動車輛中，熱電發(fā)電機能夠轉(zhuǎn)換一些在燃燒處理期間在排氣中生成的廢熱，并且將其反饋至機動車輛的車載電源。因而已經(jīng)轉(zhuǎn)換成電能量的廢熱能夠是有用的以將機動車輛的能量消耗降低至功能所需的最低限度，最終避免不必要的廢氣(諸如CO2)的排放。
[0004]因此在汽車工程中熱電設(shè)備的使用領(lǐng)域多種多樣。在每個所述使用方案中，至關(guān)重要的是，實現(xiàn)最高可能的效率程度，以盡可能有效地將熱能轉(zhuǎn)換成電能量或者反之亦然。此外在機動車輛中的使用還導(dǎo)致生產(chǎn)緊湊型熱電設(shè)備的額外要求。因此安裝在車輛中的熱電設(shè)備通常被生產(chǎn)成板或者層設(shè)計，熱電主動元件布置于熱導(dǎo)電殼體的內(nèi)部。殼體因而能夠在一側(cè)即〃冷〃側(cè)熱連接至低溫的溫度儲存器，并且在另一側(cè)即高溫側(cè)熱連接至高溫的溫度儲存器，使得由于兩側(cè)之間的溫度梯度導(dǎo)致熱電元件產(chǎn)生熱電壓，該熱電壓能夠經(jīng)由合適的電連接件被引導(dǎo)并使用。在該情況下，熱電設(shè)備遵循熱電發(fā)電機的工作原理。相反，熱電設(shè)備還能夠用作熱泵，用于通過施加外部電壓至所述電連接件從冷側(cè)傳輸熱至熱側(cè)。
[0005]在該【背景技術(shù)】下，W02012/12006 A2關(guān)注了一種具有流體密封金屬殼體的熱電模塊，陶瓷層適用于該金屬殼體。至少一個熱電主動材料布置在殼體中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明基于的目的是創(chuàng)建一種效率改善的熱電設(shè)備，尤其是熱電發(fā)電機或者熱泵。本發(fā)明還基于的目的是創(chuàng)建具有這種熱電設(shè)備的機動車輛。
[0007]這些問題通過專利獨立權(quán)利要求的主題得以解決。優(yōu)選實施例形成從屬權(quán)利要求的主題。
[0008]因此，本發(fā)明的基本構(gòu)思本是，在導(dǎo)電殼體的內(nèi)部布置熱電設(shè)備的熱電主動元件，所述導(dǎo)電殼體包括至少一個第一殼體元件和一個第二殼體元件，每個殼體元件由導(dǎo)電材料組成。各熱電主動元件之間必要的電聯(lián)接依靠電導(dǎo)體橋?qū)崿F(xiàn)，每個電導(dǎo)體橋?qū)蓚€相鄰熱電元件彼此連接。然后為了實現(xiàn)熱電元件至殼體的高效率熱聯(lián)接，還為了確保所述殼體和第一殼體元件之間必不可少的電絕緣，根據(jù)本發(fā)明的熱電設(shè)備設(shè)置有第一和第二電絕緣體。它們布置于熱電元件和第一殼體元件之間，或者布置于熱電元件和第二殼體元件之間。所述第一電絕緣體以材料結(jié)合的方式連接至導(dǎo)體橋和第一殼體元件兩者；這同樣適用于第二電絕緣體，相應(yīng)地第二電絕緣體以材料結(jié)合的方式連接至導(dǎo)體橋和第二殼體元件兩者。這種材料結(jié)合連接的使用允許熱能量以熱的形式以高效率的方式通過電絕緣被傳遞，雖然后者具有電絕緣屬性。
[0009]在特別優(yōu)選的變型中，材料結(jié)合連接能夠是焊接連接或者燒結(jié)連接。為了生產(chǎn)焊接連接，推薦使用能夠包含電抗部分的主動焊接。在本發(fā)明的上下文中，術(shù)語"反動部件"意思是一種對電絕緣體的材料系統(tǒng)具有充分高親和力的部件。但是，如果處理溫度低于作業(yè)溫度，則使用燒結(jié)連接也被證明具有優(yōu)勢。
[0010]從制造角度來看，在特別優(yōu)選實施例中，建議的是，兩個殼體元件均形成為殼體壁，而兩個電絕緣體均形成為由電絕緣材料構(gòu)成的絕緣箔或者絕緣板。這允許熱電設(shè)備以夾層形式布置，多個層或者板狀元件沿著層方向一個布置于另一個上，從設(shè)計角度來看因為節(jié)約了空間所以這是特別有利的。換句話說，在該實施例中，第一殼體壁、第一電絕緣板/箔、熱電元件形成了包括導(dǎo)體橋的熱電主動區(qū)域，第二電絕緣板/箔和第二殼體壁以層狀方式沿著層方向一個布置于另一個上。這種層狀布置還導(dǎo)致特別高程度的熱聯(lián)接。
[0011]在有利的發(fā)展中，第一殼體壁、第一絕緣板、熱電主動區(qū)域由包括導(dǎo)體橋的所有熱電元件限定，第二絕緣板以及還有第二殼體壁均以層狀方式構(gòu)建并且沿著層方向一個布置于另一個上。以這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)熱電元件至殼體壁的特別有效的熱聯(lián)接。各熱電元件能夠基本沿著橫向方向相鄰彼此布置并且彼此間隔，橫向方向是橫向于層方向延伸的。導(dǎo)體橋的使用被推薦用于各熱電元件的電連接:例如，熱電元件能夠在面向第一殼體壁的第一側(cè)依靠導(dǎo)體橋在橫向方向上電連接至相鄰熱電元件；相應(yīng)地，相同熱電元件必須在面向第二殼體壁的第二側(cè)同樣依靠導(dǎo)體橋在橫向方向的相反方向上連接至相鄰熱電元件，或者反之亦然。
[0012]對于絕緣板/絕緣箔的電絕緣材料來說，選擇陶瓷被證明特別有用，尤其是具有高熱導(dǎo)率。本領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)人員熟悉具有高熱導(dǎo)率的多種市售陶瓷，它們適合用于將殼體熱聯(lián)接至熱電元件。
[0013]根據(jù)本發(fā)明，在熱電設(shè)備的生產(chǎn)中如果將焦點放置在目的是最可能低的生產(chǎn)成本以及設(shè)計靈活性上，那么推薦的是，將依靠公知熱噴射方法生產(chǎn)電絕緣。
[0014]作為對使用陶瓷的替換于，還合適的是，電絕緣構(gòu)造為焊接玻璃層。這種焊接玻璃層的主要成分典型地為硼氧化物、硅氧化物、鋁氧化物以及氧化鋇，但是還可想到使用其他合適的物質(zhì)/物質(zhì)系統(tǒng)。因為這些組成是非金屬的，所以焊接玻璃層具有根據(jù)定義要求的電絕緣性能。
[0015]為了防止作用在熱電設(shè)備上的熱機械應(yīng)力(例如當(dāng)車輛正在駕駛時)導(dǎo)致絕緣箔或者絕緣板斷裂以及與它們相鄰布置的各層的斷裂，建議的是，至少在不設(shè)置導(dǎo)體橋的兩個相鄰熱電元件之間的區(qū)域中，絕緣箔或者絕緣板設(shè)置有在層方向上延伸的穿孔。在各層在橫向方向上遭受高機械應(yīng)力的情況下，這種穿孔遵循預(yù)定斷裂點的工作原理，因為在斷裂的情況下絕緣箔或者絕緣板僅能夠在穿孔的區(qū)域中分離。
[0016]熱電元件與殼體的熱聯(lián)接能夠通過基本僅在相應(yīng)導(dǎo)體橋的區(qū)域中沿著橫向方向設(shè)置絕緣箔/絕緣板來進一步改善。但是，在兩個相鄰熱電元件之間的區(qū)域中，能夠布置電絕緣填料體，此時能夠省略呈絕緣箔/絕緣板形式的所述電絕緣。由于僅在一些段設(shè)置絕緣箔/絕緣板，所以膨脹接合產(chǎn)生在兩個相鄰絕緣箔/絕緣板之間的區(qū)域，所述膨脹接合能夠有利地在很大程度上降低不同層中的熱應(yīng)力。
[0017]為了排除導(dǎo)體橋和殼體之間的短路，建議的是，絕緣箔/絕緣板的長度相比于分配至導(dǎo)體橋的長度稍微增加，使得它們在橫向方向上和橫向方向的反向上均突出超過各導(dǎo)體橋。
[0018]各熱電元件5能夠優(yōu)選在橫向方向Q上交替由P型摻雜以及η型摻雜材料形成，能夠包含一個或多個以下材料:
[0019]-碲化物，例如鉍碲基材料、鉛碲基材料、銀碲基材料，
[0020]-銻基材料，例如鈷銻基材料或者鋅銻基材料，
[0021]-砸化物，例如PBSe, Bi2Se3^ K2BiS13,
[0022]-氧化物，例如NoCoO4、Ca3CoO9,
[0023]-硅化物，例如硅化錳，硅化鎂或者硅化鐵基材料或者鍺的硅化合物，
[0024]-硼化物和碳化物，例如B4C、CaB6,
[0025]-TI 化合物，例如 TI9BiTe6,
[0026]-津特耳相，諸如YbHMnSblI，
[0027]-銀化合物，諸如AgPbSbTe2+x。
[0028]為了盡可能防止熱電元件的材料的不期望的物質(zhì)擴散至導(dǎo)體橋，或者反之亦然，在一個有利的發(fā)展中，建議的是，阻擋層沿著層方向布置在熱電元件的第一和/或的第二側(cè)上，依靠此阻擋層能夠防止這種不期望的擴散效果。阻擋層施加至熱電元件能夠通過粘著劑層輔助，所述粘著劑層能夠設(shè)置在阻擋層面向殼體的一側(cè)上，用于將阻擋層和關(guān)聯(lián)的導(dǎo)體橋的材料結(jié)合連接。尤其，金屬(諸如鎳、鉭、鎢極、鉻、金、銀、鈦或者銅)合適作為用于阻擋層以及用于粘著劑層的材料。
[0029]阻擋層至熱電元件本身的材料結(jié)合連接還被證明對于高效率的阻擋層特別有意義。為此，第一粘著劑層能夠設(shè)置在阻擋層和熱電元件之間，同時借助于第二粘著劑層能夠可替換地或者額外地實現(xiàn)阻擋層至接合層的連接。最后，同樣可替換地或者額外地，第三粘著劑層也能夠設(shè)置在接合層的面向相應(yīng)殼體壁的一側(cè)上。
[0030]出于制造方面的考慮，每個導(dǎo)體橋形成為金屬墊被證明是有利的，該金屬墊附接至絕緣箔/絕緣板的面向熱電元件的一側(cè)。額外的金屬墊能夠附接至絕緣箔/絕緣板的背向熱電元件的一