[发明专利]用于热电元件的粉末冶金生产的合理方法

说明书

本发明涉及一种用于热电元件或其至少一种半成品的粉末冶金生产方法。根本目标是规定可以使用标准化机器执行的方法。应尽可能避免均衡基板基板和热电偶分支的后处理步骤。该解决方案的基本概念是在不同的机器上执行压制、插入和烧结的处理步骤，以便能够使用标准化的机器用于尽可能多的方法操作。该方法的一个基本方面是在一个工作步骤中进行烧结和均衡，其中使用平行于基板布置的平面烧结电极，其在烧结收缩之后朝向基板移动。在烧结操作结束时，电极之间的间隔不仅规定基板厚度，还规定热电偶分支的长度。这确保了热电偶分支与基板的齐平完成，而无需进一步的后处理。

本发明涉及一种用于热电元件或其至少半成品的粉末冶金生产方法。

热电元件是一种能量转换器，其利用Peltier和Seebeck描述的热电效应将热能转换成电能。由于热电效应是可逆的，所以任何热电元件也可用于将电能转换成热能：称为珀耳帖元件的元件用于在消耗电能的同时冷却或加热物体。因此，珀耳帖元件在本发明的上下文中也被视为热电元件。用于将热能转换成电能的热电元件通常被称为热电发电器(TEG)。

热电元件的工业实施包括至少一个由两个热电偶分支(thermoleg)形成的热电活性材料的热电偶、以及一个壳体，该壳体承载并围绕热电偶并使其与外部电绝缘。

在文献中描述了多种热电活性材料。对于商业用途，例如半导体的碲化铋(特别是具有额外的硒和/或锑部分)类的合金是合适的，从中掺杂，首先是p导电的，然后是n导电的-可以建立热电偶。

进一步的热电活性物质类别是：半赫斯勒材料，各种硅化物(特别是镁，铁)，各种碲化物(铅，锡，镧，锑，银)，方钴矿，各种锑化物(锌，铈，铁，镱，锰，钴，铋，偶尔也称为Zintl相)，TAGS，硅锗化物，包合物(特别是基于锗)。除了这些半导体材料之外，热电元件也可以由大多数标准金属的组合制成，例如，用于温度测量的常规热电偶，例如，Ni-CrNi。然而，可获得的“品质因数”(热电“效率”)明显低于所引用的半导体材料。

传统的热电元件通常由热电活性半导体的固体块和硬的、通常是陶瓷的电绝缘壳体组成。在使用固体块的情况下，这些块通常是从实心锭中锯出来的。

由于锭通常含有缺陷或收缩孔，因此通常首先将它们研磨成粉末并根据需要烧结粉末以形成高度压实的薄片(wafer)。然后，根据需要从紧凑的低腔薄片中锯出块状TE分支。

WO 2008061823 A1公开了通过将作为粉末的热电材料引入扁平多孔基板中来生产半成品的热电元件。所产生的元件的热电偶分支垂直于基板平面延伸。

DE102012205087A1公开了另一种用于生产热电元件的粉末冶金方法。以粉末形式提供的活性材料的压制发生在穿孔模板的孔内，该模板成为所产生的热电元件即基板的一部分。

该方法的缺点可以认为是该模板必须由热和电绝缘材料组成，因为它保留在TEG中作为基板。同时，模板必须在压制生坯期间承受高机械负荷，这限制了热和电绝缘基板材料的选择。

WO2015/043824A1公开了一种用于粉末冶金生产热电元件的改进方法。在该方法中，将粉状活性材料在设置在基板外部的模具中压制以形成生坯，将生坯强迫离开模具进入到设置在基板中的孔中，并在其中烧结以形成热电偶分支。

该方法的缺点在于，设置在基板外部并且在其中活性材料被压制以形成生坯的模具必须布置成与强迫生坯进入的基板的孔对齐。这种取向和生坯从模具转移到基板中需要一台为此目的必须单独开发和生产的特殊机器。这大大增加了使用这种方法产生的装配线的资金成本。此外，生坯经受烧结收缩，即烧结操作过程中体积减小。结果，热电偶分支在基板内缩短，从而热电偶分支可能难以接触。通常，必须将突出的基板材料研磨，以实现热电偶分支与基板表面的齐平整理，这是可靠电接触的先决条件。该工艺步骤增加了制造成本。

WO2015/043824A1中描述的方法的另一个根本缺点是它不允许对所述分支进行单独的重量控制。这使得保持分支密度均匀性的窄规格限制更加困难。