熱電部件的粉末冶金制造
【專(zhuān)利說(shuō)明】熱電部件的粉末冶金制造
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種用于制造熱電部件或至少其半成品的方法，其中至少一種熱電活 性材料W干燥粉末形式引入到被打孔的基體的至少一部分孔中。
[0002] 此外，本發(fā)明設(shè)及根據(jù)該方法來(lái)制造的熱電部件或熱電部件的半成品，W及設(shè)及 其應(yīng)用。
[0003] 熱電部件是能量轉(zhuǎn)換器，其在利用由巧爾貼和澤貝克描述的熱電效應(yīng)的情況下將 熱能量轉(zhuǎn)化為電能量。由于熱電效應(yīng)是可逆的，所W每個(gè)熱電部件也可W用于將電能轉(zhuǎn)化 為熱能；所謂的巧爾貼元件在接收電功率的情況下用于冷卻或加熱對(duì)象。巧爾貼元件因此 也理解為本發(fā)明意義下的熱電部件。用于將熱能轉(zhuǎn)換成電能的熱電部件通常稱(chēng)作熱電發(fā)生 器（TEG)。
[0004] 熱電部件的實(shí)例和介紹在如下文獻(xiàn)中可找到：
[0005] ?Thermoelectrics Goes Automotive，D. Jansch (ed. )，expert verlag GmbH， 2011， ISBN 978-3-8169-3064-8 ;
[0006] . JP2006032850A ;
[0007] ? EP0773592A2 ;
[000引.US6872879B1 ;
[0009] ? US200501 12872A1 ;
[0010] ? JP2004265988A
[001U 技術(shù)上實(shí)施的熱電部件包括至少一個(gè)由兩個(gè)熱柱Crhermoschenkeln)形成的熱 電偶，熱電偶由熱電活性材料構(gòu)成，并且包括承載和/或包圍熱電偶的并且對(duì)外電絕緣的 襯底。
[0012] 在現(xiàn)有技術(shù)中，描述了多種熱電活性材料。針對(duì)商業(yè)使用例如合適的是半導(dǎo)體的 蹄化餓（尤其是具有砸和/或鋪的附加成分）類(lèi)的合金，由其可W構(gòu)建（一方面為P傳導(dǎo) 型而另一方面為n傳導(dǎo)型滲雜的）熱電偶。
[0013] 其他熱電活性物質(zhì)類(lèi)屬是；半郝斯勒材料、不同的娃化物（尤其是儀、鐵）、不同的 蹄化物（鉛、錫、銅、鋪、銀）、不同的鋪化物（鋒、Cer、鐵、鏡、鋪、鉆、餓；部分也稱(chēng)作Zintl 相）、TAGS、錯(cuò)化娃、絡(luò)合物（尤其基于錯(cuò)化物）。除了半導(dǎo)體材料之外，熱電部件也可W由 大部分常見(jiàn)的金屬的組合來(lái)制造，如該例如在市場(chǎng)上可獲得的用于溫度測(cè)量的熱電偶時(shí)情 況如此，例如為Ni-化Ni。然而，該樣可實(shí)現(xiàn)的所謂的品質(zhì)因數(shù)（熱電"效率"）明顯低于所 述的半導(dǎo)體材料。
[0014] 常規(guī)熱電部件由實(shí)屯、立方體W及硬陶瓷包封物構(gòu)成，該實(shí)屯、立方體由熱電活性半 導(dǎo)體構(gòu)成。只要使用實(shí)屯、立方體，立方體由實(shí)屯、錠銀割出。此外，已知的是，粉末冶金處理 熱電活性材料，W便在燒結(jié)步驟中又保持盡可能密的無(wú)空腔的塊（柱）。
[0015] 根據(jù)該現(xiàn)有技術(shù)，已知的是，粉末狀存在的活性材料穿過(guò)被打孔的基體擠壓，使得 產(chǎn)生盤(pán)狀生巧。基體在此是壓片設(shè)備的固定工具。通過(guò)基體擠壓的熱電生巧隨后被燒結(jié)，借 助被打孔的格柵適當(dāng)?shù)夭贾?，彼此通過(guò)焊橋電連接，格柵又被去除，其余的接觸橋被施加， 并且該樣獲得的熱電部件的半成品最后通過(guò)由陶瓷原料構(gòu)成的兩個(gè)蓋板并且必要時(shí)側(cè)向 封閉（例如通過(guò)娃樹(shù)脂密封劑）補(bǔ)足成可適用的模塊。
[0016] 在WO 2008061823A1中公開(kāi)了制造熱電部件的半成品，其方式是；將熱電材料作 為粉末、溶劑或通過(guò)氣相引入到平面的多孔襯底上或引入平面的多孔襯底中。
[0017] 鑒于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明所基于的任務(wù)是提出一種用于制造熱電部件或相應(yīng)的半成 品的方法，其可W特別經(jīng)濟(jì)地實(shí)施，并且熱電部件或相應(yīng)的半成品在其幾何結(jié)構(gòu)構(gòu)型參數(shù) 的自由度方面特別靈活。
[001引該任務(wù)通過(guò)如下方式來(lái)解決：活性材料留在基體的孔中并且W活性材料填充的基 體變成要制造的熱電部件的組成部分。
[0019] 本發(fā)明的主題因此是一種用于制造熱電部件或至少其半成品的方法，其中至少一 個(gè)熱電活性材料W干燥的粉末形式被引入被打孔的基體的至少一部分孔中，其中活性材料 留在孔中并且W活性材料填充的基體變成要制造的熱電部件的組成部分。
[0020] 本發(fā)明基于如下構(gòu)思：在W粉末冶金形式對(duì)熱電部件的制造中已知的基體不僅視 為工具，而且在基體中灌注粉末，該基體W后同時(shí)是熱電部件的熱電非活性襯底并且同時(shí) 實(shí)現(xiàn)純化，因此保護(hù)活性材料免受外部影響。該前提是；基體由具有最小導(dǎo)電性的材料（電 絕緣體）構(gòu)成。此外，基體必須具有對(duì)于熱電應(yīng)用足夠的耐熱性并且可盡可能價(jià)格低廉地 提供。此外，有利的是，基體由具有低導(dǎo)熱性的材料（熱絕緣體）構(gòu)成，W便確保流經(jīng)熱電 部件的總熱流的最大值流經(jīng)熱電活性的柱，在那里由此可獲得電功率，并且相應(yīng)地總熱流 中盡可能少的總熱流流經(jīng)基體材料（襯底），而不用使用熱電活性柱。
[0021] 基體可選地可W由密的或多孔材料構(gòu)成。打孔的孔W合適方式實(shí)施為連貫的孔， 其例如W機(jī)械方式或借助激光切割技術(shù)被引入基體中。只要打孔W機(jī)械方式制造，則合適 的是，該在相同的機(jī)器上實(shí)施，其也進(jìn)行W后的灌注過(guò)程，尤其是借助銳利的打孔工具來(lái)進(jìn) 行。
[0022] 對(duì)于每個(gè)熱電偶，各需要兩種不同導(dǎo)電的熱電活性材料，其彼此電連接，其中第一 活性材料例如是P傳導(dǎo)型的，而第二活性材料是n傳導(dǎo)型的，或相反。不同在此意味著；該 兩種活性材料具有不同的澤貝克系數(shù)。P傳導(dǎo)型和N傳導(dǎo)型半導(dǎo)體作為活性材料特別優(yōu)選， 因?yàn)槠錆韶惪讼禂?shù)具有不同符號(hào)（在n傳導(dǎo)型時(shí)為負(fù)，在P傳導(dǎo)型時(shí)為正）并且因此澤貝 克系統(tǒng)的數(shù)值差特別大。該提高了熱電部件的效率。
[0023] 優(yōu)選地，按照根據(jù)本發(fā)明的方法干燥地灌注兩種活性材料。本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的 改進(jìn)方案設(shè)計(jì)為，在第一方法步驟中將第一熱電活性材料（例如P傳導(dǎo)型）擠入第一部分 的孔中，并且在第二方法步驟中將第二熱電活性材料（例如n傳導(dǎo)型）擠入第二部分的孔 中。在第一方法步驟中，因此制造第一柱，而在第二方法步驟中制造第二柱。
[0024] 原則上，按照根據(jù)本發(fā)明的方法可W使用任意熱電活性材料，其可粉末冶金 技術(shù)處理。
[0025] 優(yōu)選地，粉末狀的活性材料是蹄化餓，其借助激光衍射方法確定的顆粒大小分布 具有在1到100 ym之間、優(yōu)選在2到10 ym之間并且特別優(yōu)選在3到5 ym之間的平均顆 粒大小dg。。即具有粉末特性的粉末并不如液體那樣并且相應(yīng)地將擠入力只不顯著地轉(zhuǎn)化 為橫向力，橫向力使孔的壁承受負(fù)載并且可W損傷基體。
[0026] 所述的顆粒大小分布可W借助激光衍射簡(jiǎn)單且唯一地確定。用于確定顆粒大小分 布的合適設(shè)備W類(lèi)型商標(biāo)LA-950中在冊(cè)RIBA公司獲得。為了借助冊(cè)RIBA LA-950測(cè)量顆 粒大小分布，將粉末分散到經(jīng)脫礦的水中。為了避免沉淀，可選擇最大循環(huán)累速率。
[0027] 如已介紹的那樣，熱電部件的基體可能應(yīng)是良好的熱和電絕緣體。相應(yīng)地，在本方 法中使用由非金屬的原料構(gòu)成的基體。為此，優(yōu)選使用高性能速率譬如聚離酬（PEEK)、聚四 氣己締（PT陽(yáng)）、聚苯諷（PPSU)、聚苯硫離（PP巧或聚亞胺（例如EVONIK Imlustries AG的 P84? )。
[002引只要有機(jī)材料不適于特意的使用目的，基于娃酸或其他金屬氧化物的材料組 合物視為用于基體的基本材料。合適的娃酸W商標(biāo)Aerosil?.或Sipemat?可在Ev0n；Lk Imlustries AG獲得。由熱解的或沉淀的娃酸可W壓制板，其被打孔地適于用于實(shí)施 本方法的基體。用于制造由熱解娃酸構(gòu)成的絕緣體板的方法例如在EP 119382A1和 US20110089363A1 中予 W 描述。
[0029] 此外，可W使用由無(wú)機(jī)原料和結(jié)合劑構(gòu)成的復(fù)合材料作為基體材料，譬如由云母、 珍珠巖、金云母構(gòu)成的復(fù)合材料或通過(guò)娃酬、娃樹(shù)脂（W商標(biāo)Miglasil?和Pamithemi?名^ 瑞±公司Roll AG獲得）復(fù)合的白云母或陶瓷結(jié)合系，尤其是水泥（W商標(biāo)C-Therai?.從 瑞±公司Roll AG獲得）。該種板可W借助切削的打孔工具打孔并且用作本發(fā)明意義下的 基體。
[0030] 基體的厚度應(yīng)為0. 1到10mm、優(yōu)選0. 5到5mm、特別優(yōu)選為1到3mm。該厚度與基 體材料無(wú)關(guān)而是取決于所需的電學(xué)特性。優(yōu)選地，基體的孔基本上平行于基體的面法線延 伸。在最簡(jiǎn)單的情況下，基體是完全平坦的并且因此只有唯一的面法線。若基體更復(fù)雜成 形地譬如圓形地彎曲，則面法線理解為在孔的中屯、中相對(duì)于基體的表面的法線向量。由孔 相對(duì)于基體的表面的正交取向得出，熱電偶的柱并不在基體的平面中延伸，而是與之垂直 地延伸。W此方式，基體材料的熱絕緣能力被利用來(lái)改善熱電偶的產(chǎn)出，因?yàn)閷?duì)功率輸出決 定性的在熱電偶的兩個(gè)端部之間的溫差由于基體導(dǎo)熱能力低所W被更好地保持。
[0031] 該些孔可W具有環(huán)形橫截面。盡管如此，該些孔可W具有楠圓的或多邊形的尤其 是六邊形的橫截面。為了能夠?qū)Σ煌瑱M截面形狀予W統(tǒng)一的可按數(shù)量估計(jì)的機(jī)械描述，W 下代替為圓形形狀的前提下的直徑談及等效直徑。該是圓的直徑，該圓具有與相應(yīng)所觀察 的實(shí)際橫截面相同的面積。
[0032] 孔的等效直徑鑒于基體的厚度來(lái)選擇，使得一方面實(shí)現(xiàn)熱電偶的柱的最大封裝密 度并且另一方面基體的機(jī)械穩(wěn)定性在壓制過(guò)程期間并且在W后對(duì)部件的利用中受危及。根 據(jù)所使用的基體材料，孔的等效直徑與基體的厚度的比值