載體元件和模塊的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種載體元件，其包括至熱源的連接部和至散熱部的連接部以及在載 體元件上布置在至熱源的連接部與至散熱部的連接部之間的熱電薄層元件。此外，本發(fā)明 還涉及一種具有多個載體元件的模塊。
【背景技術(shù)】
[0002] 利用作為發(fā)電機運行的熱電元件可以將熱量直接轉(zhuǎn)化成電能。為此，優(yōu)選使用不 同摻雜的半導(dǎo)體材料，由此與具有兩個不同的且在端部彼此連接的金屬的熱電偶相比，效 率可以可以顯著提高。通常的半導(dǎo)體材料有Bi2Te3、PbTe、SiGe、BiSb和FeSi 2。為了產(chǎn)生 足夠高的電壓，在熱電元件中通常串聯(lián)地電聯(lián)接多個熱電偶。
[0003] 熱電元件的工作方式以熱電效應(yīng)為基礎(chǔ)，以下稱為塞貝克效應(yīng) (Seebeck-Effekt)。在塞貝克效應(yīng)下，在電導(dǎo)體或半導(dǎo)體的具有不同溫度的兩點之間產(chǎn)生 電壓。所產(chǎn)生的電壓通過如下來決定：
[0004] USeebeck= αχΔΤ
[0005] 其中，
[0006] Δ Τ導(dǎo)體/半導(dǎo)體在接觸位置上的兩點之間的溫差，
[0007] α塞貝克系數(shù)。
[0008] 傳統(tǒng)的熱電元件由多個由熱電活性半導(dǎo)體材料制成的長方體構(gòu)成，這些長方體通 過金屬橋上下交替地彼此導(dǎo)電連接。同時，金屬橋形成了熱接觸面，并且通過平置的陶瓷板 而絕緣。
[0009] 此外，由現(xiàn)有技術(shù)公知了熱電薄層元件：
[0010] 由DE 10 2006 031 164 Α1公知了具有載體結(jié)構(gòu)件的熱電薄層元件，在該熱電薄 層元件上施裝有多個由第一傳導(dǎo)性的材料制成的熱偶腿和多個由第二傳導(dǎo)性的材料制成 的熱偶腿，其中，第一和第二傳導(dǎo)性的材料具有不同的的傳導(dǎo)性，并且熱偶腿以如下方式彼 此電耦合，即，兩個熱偶腿分別形成熱電偶，其中，由第一和第二傳導(dǎo)性的材料制成的整個 熱偶腿并排布置在載體結(jié)構(gòu)件上。熱電薄層元件的冷側(cè)位于導(dǎo)電的第一和第二材料的一側(cè) 上，熱電薄層元件的熱側(cè)位于導(dǎo)電的第一和第二材料相對置的側(cè)上。
[0011] 最后由DE 101 22 679 Α1公知了熱電薄層元件，其具有柔性的基底材料，薄層熱 電偶施裝在該基底材料上。薄層熱電偶由兩種不同材料的材料組合來形成，其中，第一和第 二材料以如下方式設(shè)立并且以如下方式彼此熱耦合，即，它們共同形成熱電偶。兩種材料被 壓印在柔性的薄膜上或者借助常見的沉積方法來沉積。例如形成了并排布置的由作為第一 材料的鎳制成的條帶和由作為第二材料的鉻制成的條帶，其中，條帶在它們的端部上分別 成對地經(jīng)由由第二材料制成的耦合結(jié)構(gòu)件彼此電連接。通過耦合的條帶，在很小的面上形 成了多個熱電偶的串聯(lián)聯(lián)接。許多薄層熱電偶導(dǎo)致熱電元件的高輸出電壓。電耦合結(jié)構(gòu)件 在熱電薄層元件的一側(cè)上形成了其熱側(cè)，電耦合結(jié)構(gòu)件在熱電薄層元件的相對置的側(cè)上形 成了其冷側(cè)，其中，熱側(cè)與至熱源的耦聯(lián)元件連接，冷側(cè)與散熱部連接。
[0012] 由DE 10 2008 032 856 A1公知了用于具有熱側(cè)和冷側(cè)的熱電薄層元件的傳熱 體，其中，柔性的薄層元件在熱側(cè)夾緊在耦聯(lián)元件的兩個型廓之間并且在冷側(cè)夾緊在散熱 部的兩個型廓之間。在所示的實施例中，散熱部由卡夾型廓形成，在該卡夾型廓上布置有遠(yuǎn) 離卡夾型廓延伸的散熱鰭片。
[0013] 良好的熱電材料是脆的且機械上只能承受壓力。因此，拉伸和剪切負(fù)荷導(dǎo)致的不 是塑性變形，而是熱電活性材料的斷裂。盡管熱源和散熱部的膨脹不同，但是為了使傳統(tǒng) 的熱電元件的熱電活性材料盡可能僅承受壓力負(fù)荷，陶瓷板在熱側(cè)滑動地連接至熱源。原 則上，致力于熱電元件的高效率所需的較小的熱源與陶瓷板之間的熱阻要求非常高的壓緊 力，然而基于補償不同的膨脹所需的滑動支承不允許有該壓緊力。為了找到最優(yōu)化的折衷 方案，在沿滑動支承的陶瓷板的整個表面上需要形狀相同的力鎖合（Kraftschluss)，該力 鎖合只能以特別大的目前無法自動化進(jìn)行的制造耗費來實現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 從現(xiàn)有技術(shù)出發(fā)，本發(fā)明任務(wù)在于，建議了一種載體元件，其具有布置在其上的熱 電薄層元件，在至熱源和散熱部的良好的熱連接時，利用該載體元件可以避免在熱電薄層 元件中，尤其是在熱電活性材料中的有害的拉伸和剪切應(yīng)力。
[0015] 在開頭所述類型的載體元件中，該任務(wù)通過如下方式來解決，即，載體元件的至少 一個彈性和/或柔性的平衡區(qū)段以如下方式設(shè)立在至熱源的連接部與至散熱部的連接部 之間，即，該平衡區(qū)段通過其變形來補償熱源和散熱部的不同的膨脹。
[0016] 熱源和散熱部的不同的膨脹由平衡區(qū)段完全通過變形來吸收，從而載體元件的其 余區(qū)域基于不同的熱膨脹也不變形。尤其是對剪切負(fù)荷敏感的熱電活性材料布置在其余區(qū) 域中，并且由此，不承受剪切負(fù)荷。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明設(shè)置的平衡區(qū)段允許了載體元件至熱源和散熱部的材料鎖合 (stoffschlUssig)的連接。通過材料鎖合的連接，不必為了獲得很小的熱阻而在熱源或散 熱部與載體元件至熱源或散熱部的連接部之間構(gòu)造很大壓力。此外，材料鎖合的連接不僅 允許了載體元件的較大的制造公差，而且允許了熱源或散熱部的較大的制造公差?？赡艿?制造公差例如可以通過用于建立材料鎖合的連接膠粘劑或釬焊來補償。
[0018] 為了實現(xiàn)很高的循環(huán)穩(wěn)定性，各個平衡區(qū)段優(yōu)選具有線性彈性的特性。
[0019] 平衡區(qū)段可以具有通過壓制產(chǎn)生的凸起部和/或凹部，以便基于熱源和散熱部的 不同的膨脹來補償負(fù)荷。
[0020] 然而，平衡區(qū)段優(yōu)選具有帶有凸起部和凹部的二維系統(tǒng)的隆凸結(jié)構(gòu)。這種隆凸結(jié) 構(gòu)允許了在平衡區(qū)段中出現(xiàn)的力沿所有空間方向的平衡運動。
[0021] 此外，彈性的平衡區(qū)段可以根據(jù)管平衡件的類型設(shè)計為彈性的折疊部（也稱為波 紋折疊部）。每個折疊部可以配設(shè)有至少一個、優(yōu)選多個縫隙，這些縫隙橫向于折疊部的波 紋的走向延伸。假如折疊部的波紋相對于熱源的主膨脹方向成直角延伸，那么通過縫隙平 衡了熱源相對于散熱部的垂直于主膨脹方向的膨脹。與配設(shè)有隆凸結(jié)構(gòu)的平衡區(qū)段類似的 是，開縫的折疊部也允許了在平衡區(qū)段內(nèi)出現(xiàn)的力沿所有空間方向的平衡運動。
[0022] 彈性的平衡區(qū)段可以由如同載體元件的其余區(qū)域那樣的材料制成。例如可以使用 尤其可以很好承受腐蝕性介質(zhì)和高溫的金屬作為用于載體元件和壓制的彈性的平衡區(qū)段 的材料。但是，彈性的平衡區(qū)段也可以不同于載體元件的其余區(qū)域而由軟材料制成，例如技 術(shù)上的梭織物或彈性體。
[0023] 熱電薄層元件具有基底和施裝在基底上的熱電活性材料。熱電活性材料具有最大 150 μ m的層厚。
[0024] 基底是電絕緣的，以便將由熱電活性材料制成的彼此分隔的區(qū)域交替地在薄層元 件的熱側(cè)和冷側(cè)上通過施裝在基底上的金屬化的區(qū)域彼此導(dǎo)電連接。為了避免從熱側(cè)經(jīng)過 基底到冷側(cè)的熱流，基底的材料具有很小的導(dǎo)熱能力。由熱電活性材料制成的區(qū)域優(yōu)選串 聯(lián)聯(lián)接。
[0025] 基底可以柔性地構(gòu)造，例如構(gòu)造為聚酰亞胺薄膜。構(gòu)造為薄膜的基底優(yōu)選條帶狀 地具有在條帶的相對置的縱向側(cè)上的熱側(cè)和冷側(cè)。柔性的薄膜也可以與平衡區(qū)段完全或部 分重疊地布置和固定在載體元件上。但是，將薄膜布置和固定在載體元件上時要注意的是， 沒有熱電活性材料位于平衡區(qū)段以上的區(qū)域中。
[0026] 基底也可以由抗彎曲的材料制成。在這種情況下，各個平衡區(qū)段位于載體元件的 不與基底重疊的區(qū)域中。否則會由于基底的抗彎曲的材料而抑制平衡區(qū)段的彈性和/或柔 性的特性。
[0027] 熱電薄層元件例如通過粘接或焊接而材料鎖合地與載體元件的尤其平坦的表面 連接。為了簡化焊接，要焊接的基底背面可以進(jìn)行金屬化。
[0028] 在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，載體元件具有用于施裝熱電薄層元件的板。平坦的 表面特別適用于固定熱電薄層元件。此外，平衡區(qū)段可以直接地，尤其通過壓制引入到相對 薄的板中。
[0029] 假如在載體元件，尤其是板上安裝有具有柔性的基底的熱電薄層元件，板和基底 可以在重疊的區(qū)段中具有彼此對齊的縫隙，這些縫隙補償了在重疊的區(qū)段中出現(xiàn)的應(yīng)力。 為了此目的，板和基底中的縫隙尤其垂直于熱源的主膨脹方向延伸。如果平衡區(qū)段構(gòu)造為 折疊部，那么縫隙垂直于該折疊部的波紋延伸。
[0030] 為了載體元件與熱源和散熱部的優(yōu)選的材料鎖合的連接，在板上布置有連接元 件，這些連接元件成角度地，尤其是垂直于板平面地延伸。假如連接元件實施為連接板，那 么它們可以通過板在相對置的縱向側(cè)上的彎邊來制造。為了將載體元件與管狀的熱源或散 熱部連接，連接元件優(yōu)選套管狀地構(gòu)造。套管和管之間的接觸面的大小導(dǎo)致非常好的熱連 接。假如套管嵌入板，那么散熱部或熱源的管可以穿過套管。為了獲得均勻的熱輸入耦合 :C Wjirmeeinkopplung )或輸出親合（A