CN102124585A - 热电装置 - Google Patents

Abstract

热电装置(1)至少包括：具有第一材料厚度(3)的第一金属膜(2)，具有第二材料厚度(5)的第二金属膜(4)，在第一金属膜(2)和第二金属膜(4)之间的间隙(6)，在第一金属膜(2)和第二金属膜(4)上朝向所述间隙(6)的电绝缘涂层(7)，以及多个第一半导体部件(8)和第二半导体部件(9)，其在所述间隙(6)内在所述绝缘涂层(7)上固定并电连接到彼此。

Description

热电装置

技术领域

本发明涉及利用发电机从例如内燃机的废气产生电能的装置。这特别意指用于将废气的热能转化成电能的发电机，也就是所谓的热电发电机。

背景技术

来自机动车辆引擎的废气具有热能，这些热能可以利用热电发电机或热电装置被转化成电能，用以例如充电电池或一些其他的能量存储或者直接将所需能量馈送到电力负载。因此，对于机动车辆的操作，能量在更大限度上变得可用。

这样的热电发电机至少包括多个热电转化元件。热电材料是这样类型的材料，它能够有效地将热能转化成电能(塞贝克效应)，反之亦然(珀尔帖效应)。“塞贝克效应”是基于热能转化为电能的现象，并用于产生热电能。“珀尔帖效应”是塞贝克效应的反向效应，是伴随热吸附的现象，并因流过不同材料的电流而产生。已经提出将珀尔帖效应用于例如热电冷却。

这样的热电转化元件优选地具有置于所谓的“热侧”和所谓的“冷侧”之间的多个热电元件。热电元件包括，例如，至少两个半导体平行六面体(p-和n-掺杂)，它们在其顶端和底端(分别朝向“热侧”和“冷侧”)交替连接到导电桥。陶瓷盘或陶瓷涂层和/或类似材料用于绝缘金属桥，因此优选地布置在金属桥之间。如果在半导体平行六面体的两侧上提供有温度梯度，那么就会形成电势。在一个接触位置，在这种情况下吸收热量(“热侧”)，其中一侧的电子传递到接下来的平行六面体的能量更高的导带。在另一端，电子现在可以依次重新释放能量，以传递到具有较低能量级的另一侧(“冷侧”)。于是，给定对应的温度梯度，可以形成电流。

已经尝试提供相应的热电发电机以应用到机动车辆，特别是客车。然而，这些发电机生产昂贵，并且效率较低。因此，还不太可能适于成批生产。此外，有可能确定，已知的热电发电机通常需要很大的结构空间，因此集成到现有的废气系统存在困难。

发明内容

将这些作为出发点，本发明的目标是解决以上列出的相对于现有技术的问题中的至少一部分。具体地，本发明要说明一种热电装置，能够提高提供的热能到电能的转化效率，能够应对机动车内燃机的废气系统中的应力改变，并且构造非常紧凑。

这些目标通过具有专利权利要求1的特征的装置来实现。在以从属方式撰写的专利权利要求中说明了根据本发明的装置的有利配置和将该装置集成到高级结构单元。应该指出，在专利权利要求中分别列出的特征可以以任何技术上便利的方式彼此组合，由此指示出本发明的其他配置。说明书，特别是与附图相结合，进一步阐明了本发明，并提出了本发明的附加的示例性实施例。

根据本发明的热电装置至少包括如下：

-具有第一材料厚度的第一金属箔，

-具有第二材料厚度的第二金属箔，

-在第一金属箔和第二金属箔之间的间隙，

-在第一金属箔和第二金属箔上朝向所述间隙的电绝缘涂层，以及

-多个第一半导体部件和第二半导体部件，其在所述间隙内在所述绝缘涂层上固定并电连接到彼此。

这里提出的热电装置特别说明了用于热电装置或热电发电机的分层或层状模块。在这种情况下，半导体部件布置在两个金属箔之间。在这种情况下，术语“金属箔”想要具体表达这样一个事实，即，这里为热电装置提供了一个非常薄的金属壁，使得特别有利于朝向半导体部件的热传递或引入。此外，热电装置是非常薄或者非常平坦的构造，使得此处同样可以利用特别有限的空间以集成到机动车辆中。如果适当，第一金属箔和第二金属箔可以满足不同的功能，使得，例如，第一金属箔形成所谓的“热侧”，并且相应地应该耐高温。于此相反，第二金属箔可以形成“冷侧”，这时它还应该例如在尺度上更加稳定(也就是说，具有更大的第二材料厚度)从而承受所流过的冷却液的压力。相应地，优选地单独实现第一金属箔和第二金属箔。

两个金属箔例如以三文治的方式在其间形成一个间隙。在这种情况下，有可能仅通过金属箔来界定所述间隙；然而，这并不是绝对必然的。在这种情况下，间隙优选地基本上不高于位于其中的半导体部件。

于是，为了实现流过第一半导体部件和第二半导体部件的目标电流流动，提出了提供至少部分地具有电绝缘涂层的金属箔，在金属箔上，半导体部件彼此固定并电连接。具体地，至少一个氧化铝层适合作为绝缘涂层。在这种情况下，涂层厚度应该小于金属箔的第一材料厚度和/或第二材料厚度，也就是说，小于300μm(微米)。在电绝缘涂层的情况下，需要注意确保它不会过多地妨碍从金属箔外侧朝向半导体部件的热传递。具体地，这还可以通过实际上只在半导体部件的接触点区域提供的绝缘涂层来实现。在所有情况下，这样的电绝缘涂层都应该以足够不能渗透的方式实现，使得不能渗透到连接装置，特别是焊料中，其结果是，利用绝缘涂层可靠地避免了朝向金属箔的导电连接和/或相邻的电流路径。

具体地，p掺杂和n掺杂的半导体材料适合作为用于热电元件的热电偶的导电材料，这里所述的热电偶由多个第一半导体部件和第二半导体部件形成。在这种情况下，可以使用碲化铋(Bi₂，Te₃)。此外，可以使用如下材料(具有以K表示的温度范围)：

p-类型：CsBi₄Te₆:Sbl₃(0.005％)[约225K]；

((Sb₂Te₃)₇₂Bi₂Te₃)₂₅(Sb₂Se₃)₃[约300K]；

Tl₉BiTe₆[约500K]；

GeTe_1-x(AgSbTe₂)_x[约700K]；

n-类型：Bi_0.85Sb_0.15[约80K]；

(Sb₂Te₃)₅(Bi₂Te₃)₉₀(Sb₂Se₃)₅[约300K]；

Bi₂Te_2.7Se_0.3[约450K]；

Pb_0.75Sn_0.25Se[约800K].

因此，在这种热电装置的情况下，使用两个薄金属箔来界定间隙，并用于朝向第一半导体部件和第二半导体部件的热传递。在这种情况下，第一半导体部件和第二半导体部件可以通过例如由不同导电性的材料构成并能够焊入的小平行六面体和/或小长杆的方式提供。两个不同的半导体部件以生成串联电路的方式分别电连接到彼此。两个金属箔之一吸收流入热流(“热侧”)，而另一个金属箔发射流出热流(“冷侧”)。

对于与各个第一半导体部件和第二半导体部件的布置和/或互连相关的设计，第一半导体部件和/或第二半导体部件的类型和/或形状和/或位置可以适于结构空间、热流流速、电流传导等等，其中在这种情况下它们还可以特别地存在差别。至少对于部分半导体部件，第一半导体部件和第二半导体部件的电连接优选地交替实现，因此，特别地提供由不同的半导体部件形成的串联电路。不过，替代地或累积地，也可以实现并联电路，使得同样类型的(至少多个)半导体部件彼此电连接。

这样的热电装置的配置是特别优选的，其中第一金属箔是钢箔，包含合金成分铬和铝，并具有第一材料厚度，该厚度范围在30μm到300μm。具体地，这里提出的包含合金成分铬和铝的钢箔能耐高温，并且对于从机动车内燃机释放的废气具有抗腐蚀性。在这方面，特别地，这里还提出诸如在利用金属蜂巢体进行废气的处理时所使用的钢箔。在这种情况下，具有如下组分的两种金属箔是优选的：重量上大约18-25％的铬，重量上大约3-6％的铝，重量上大约0.04和0.08％之间的钛、钇和锆作为添加物，以及铁作为基底。原则上，适宜的是将第一金属箔实现为例如具有最高达2mm的第一材料厚度，但是，具体地，优选为50μm到300μm的范围。在这种情况下，有可能为热电装置同时提供良好的热传递以及足够的稳定性。第二金属箔的第二材料厚度可以与此独立地进行选择，但是类似地不应该超过2mm，并且特别地应该大于第一材料厚度。

对于第一金属箔的实施例，还可以附加地如下提供，所述第一金属箔在背朝电绝缘涂层的外侧上具有催化剂支持层。这可以具有这样的效应，具体地，第一金属箔经由其外侧直接与内燃机的废气接触。具体地，沸石层和/或所谓的罩面涂层(washcoat)适合作为催化剂支持层。此外，催化剂支持层有可能实际上包括催化剂，特别是以分布在催化剂支持层中和/或其上的方式布置的贵金属。对于催化剂支持层的层高度，应该考虑确保后者不会显著妨碍从废气朝向热电装置的间隙中的半导体部件的热传递。如果合适，可以启动与外侧上的催化剂的放热反应，使得可以现场释放附加的热量，通过这样的方式来进行补偿。

根据本发明的实施例，还提出，利用绝缘涂层上的焊料材料使多个第一半导体部件和第二半导体部件彼此电连接。在这种情况下，用以固定半导体部件的焊接点优选地基本上不超过半导体部件的横截面或接触区域。因此，特别地，应该实现面积在例如0.8mm²和5mm²之间，优选地在1mm²和2mm²(平方毫米)之间的焊接点。优选地通过在期望位置印刷到绝缘涂层上的粘合剂来施加焊料材料，并且金属箔与粘附到这些预定的粘合剂位置的粉状焊料相接触。在这种情况下，焊料材料的颗粒应该被选择为使得可用的焊料材料的量对于有待形成的期望的焊接位置严格足够。

此外，多个第一半导体部件和第二半导体部件具有1mm到5mm(毫米)的部件高度被认为是有利的。首先，这使得热电装置的配置非常紧凑，其次确保了在第一金属箔和第二金属箔之间跨所述间隙具有足够的温度差。部件高度在1到2mm的范围内尤其优选。所有的半导体部件常规地具有相同的部件高度。

此外还提出，第一金属箔和第二金属箔直接连接到彼此。特别地，焊料连接和/或焊接连接适合于直接连接。尤其要注意确保彼此的连接是气密的，也就是说，特别地，避免废气和/或氧气渗透到间隙中。如果合适，也可以使用附加的机械夹持装置和/或密封装置用于该目的。

确切地在该上下文中，还适宜的是利用填料介质来实现上述间隙，所述填料介质至少部分地封闭多个第一半导体部件和第二半导体部件。尤其优选的是填料介质填充整个间隙。作为示例，灌封化合物，例如硅酸盐，适合作为填料介质。即使这个变体是优选的，也同样可能实现其他结构方式，用于避免废气和半导体部件(例如帽、盖、屏蔽等等)之间的接触。

此外，至少一个分层的构造也是认为是有利的。如果合适，还有可能使第一半导体部件和第二半导体部件的一部分或者还可能使所有半导体部件以分层的方式构造。由于这里可以产生特别精巧的热电装置，例如通过印刷的方式将材料分层施加到金属箔上可以特别简单且可靠地实现。

根据对本发明的一种展开，提出一种热电设备，其包括根据本发明描述的类型的多个热电装置，所述热电设备以层模块的方式实现，其中所述多个热电装置分别被布置为彼此相对，使得第一金属箔界定热通道，第二金属箔界定冷通道。于是，换而言之，所述热电设备优选地包括彼此覆盖的多个层，其中装置的取向交替，使得第一金属箔和第二金属箔总是以成对的形式分别界定热通道和冷通道。对于这样的通道，有可能在各设备之间仅形成各个通道，但也有可能例如通过相应的分离的结构形成多个这样的通道。特别地，对于冷通道，还有可能利用附加的管道来实现。

尤其优选地，提出一种机动车辆，包括内燃机、废气系统、水冷却回路和以上所述类型的热电设备，其中所述废气系统连接到热通道，所述水冷却回路连接到冷通道。

附图说明

以下参照附图更加详细地解释本发明及其技术领域。应该指出，附图具体示出本发明的优选的实施例变体，但是本发明并不限于此。在图中：

图1示意性示出热电装置的实施例变体的细节，以及

图2示意性示出机动车辆中的热电设备的实施例变体。

具体实施方式

图1在部分截面图中示意性示出热电装置的实施例变体。热电装置1在顶部具有热侧(由黑色箭头指示)，在底部具有其冷侧(由白色箭头指示)。

于是，通过第一金属箔2和第二金属箔4在外侧界定热电装置1。在第一金属箔2的外侧10上，示出催化剂支持层11的节选，所述催化剂支持层利用催化剂23实现。接着，为了使得在该热侧朝向间隙6能够有良好的热传递，第一金属箔2体现为具有第一材料厚度3，该厚度非常薄，例如在50μm到300μm的范围内。相对比地，此处第二金属箔体现为具有更大的第二材料厚度5，该厚度在120μm到2mm的范围内。此处第一金属箔2和第二金属箔4都实现为朝向具有电绝缘涂层7的内部空间6。

然后，在所述电绝缘涂层27上形成热电偶。为此，通过绝缘涂层7上的焊料材料12将第一(p掺杂)半导体部件8和第二(n掺杂)半导体部件9固定并电连接到彼此(交替串联)。对于特别紧凑的布置，提出了第一半导体部件8和半导体部件9具有1mm到5mm的部件高度13。

图2意图示意性示出将热电装置集成到机动车辆19。在这种情况下，用多个热电设备1形成热电设备15，其方式使得热电装置1以层模块16的方式实现，层模块16相对于彼此以分层方式布置。在这种情况下，层模块16相对于彼此分别相对布置，使得第一金属箔2界定热通道17，第二金属箔4界定冷通道18。图2还示出在内燃机20中产生的热废气沿着废气系统21流动，并在上述过程中被导引通过热通道17。为了在热电装置的热侧和冷侧之间产生很大的温度差，还将一侧与水冷却回路22的冷水进行热接触。在这种情况下，水热冷却回路22被连接到冷通道18，其中水优选地相对于废气反向流动。

参考标记列表

1 热电装置

2 第一金属箔

3 第一材料厚度

4 第二金属箔

5 第二材料厚度

6 间隙

7 绝缘涂层

8 第一半导体部件(例如，p掺杂)

9 第二半导体部件(例如，n掺杂)

10 外侧

11 催化剂支持层

12 焊料材料

13 部件高度

14 填料介质

15 热电设备

16 层模块

17 热通道

18 冷通道

19 机动车辆

20 内燃机

21 废气系统

22 水冷却回路

23 催化剂

Claims (10)

1.一种热电装置(1)，至少包括：

-具有第一材料厚度(3)的第一金属箔(2)，

-具有第二材料厚度(5)的第二金属箔(4)，

-在所述第一金属箔(2)和所述第二金属箔(4)之间的间隙(6)，

-在所述第一金属箔(2)和所述第二金属箔(4)上朝向所述间隙(6)的电绝缘涂层(7)，以及

-多个第一半导体部件(8)和第二半导体部件(9)，其在所述间隙(6)内在所述绝缘涂层(7)上固定并电连接到彼此。

2.如权利要求1所述的热电装置(1)，其中所述第一金属箔(2)是钢箔，其包含合金成分铬和铝，并具有第一材料厚度(3)，该厚度范围在30μm到300μm。

3.如权利要求1或2所述的热电装置(1)，其中所述第一金属箔(2)在背朝所述电绝缘涂层(7)的外侧(10)上具有催化剂支持层(11)。

4.如前述权利要求中任一项所述的热电装置(1)，其中所述多个第一半导体部件(8)和第二半导体部件(9)利用所述绝缘涂层(7)上的焊料材料(12)彼此电连接。

5.如前述权利要求中任一项所述的热电装置(1)，其中所述多个第一半导体部件(8)和第二半导体部件(9)具有1到5mm的部件高度(13)。

6.如前述权利要求中任一项所述的热电装置(1)，其中所述第一金属箔(2)和第二金属箔(4)直接连接到彼此。

7.如前述权利要求中任一项所述的热电装置(1)，其中所述间隙(6)具有填料介质(14)，所述填料介质(14)至少部分地封闭所述多个第一半导体部件(8)和第二半导体部件(9)。

8.如前述权利要求中任一项所述的热电装置(1)，其中所述第一半导体部件(8)或第二半导体部件(9)的至少一部分具有分层构造。

9.一种热电设备(15)，包括层模块(16)的方式的多个如前述权利要求中任一项所述的热电装置(1)，所述多个热电装置(1)分别被布置为彼此相对，其中所述第一金属箔(2)界定热通道(17)，以及所述第二金属箔(4)界定冷通道(18)。

10.一种机动车辆(19)，包括内燃机(20)、废气系统(21)、水冷却回路(22)和如权利要求9所述的热电设备(15)，其中所述废气系统(21)连接到热通道(17)，以及所述水冷却回路(22)连接到冷通道(18)。

Images