(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型脚部（２）及びｐ型脚部（３）を含む少なくとも１対の熱電脚部を備え、両脚部（２、３）が導電性接触材料（４）に溶接される熱電構成部品を生産するための方法であって、
脚部の前記対の前記ｎ型脚部（２）及び前記ｐ型脚部（３）が、別々の溶接ステップで前記接触材料（４）に溶接され、
前記導電性接触材料（４）が、溶接される前記脚部（２、３）の一端を、前記脚部の径方向（Ｒ）で少なくとも部分的に封入することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記ｎ型脚部（２）を溶接するための溶接パラメータ、及び前記ｐ型脚部（３）を溶接するための溶接パラメータが、互いに独立して設定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記脚部（２、３）が、少なくとも長手方向（Ｌ）におけるそれらの端部の一方に、前記接触材料（４）と接触させられる接触表面を備えており、前記ｎ型脚部（２）の溶接及び／又は前記ｐ型脚部（３）の溶接が、前記接触表面上で、及び／又はそれぞれの脚部（２、３）の前記接触表面の側で実施されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記ｎ型脚部（２）の溶接及び／又は前記ｐ型脚部（３）の溶接が、それぞれの脚部（２、３）の前記接触表面全体にわたって実施されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記接触材料（４）が、好ましくは相異なる材料の複数の層で構成され、前記層が、互いに、且つ／又はそれぞれの脚部（２、３）に１つ又は複数の溶接ステップで接合されることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記接触材料（４）又はその上に設けられた層が、ｐ型脚部（３）の材料及び／又はその上に設けられた反応層と物理化学的に反応し、且つ／或いはｎ型脚部（２）の材料及び／又はその上に設けられた反応層と物理化学的に反応し、前記反応層が、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｖ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｔｅ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｓｅ、Ｓ、Ａｕ、Ｚｎ、Ｓｉ、若しくはＧｅ元素の単独、又は別の元素との組合せのうちの少なくとも１つで構成されることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
それぞれの溶接ステップの前及び／又はそれぞれの溶接ステップ中に、前記接触材料（４）が、溶接しようとする前記脚部（２、３）に押し付けられることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記接触材料（４）が、少なくとも１つの溶接電極によって、溶接しようとする前記脚部（２、３）に押し付けられることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
脚部の前記対の前記ｎ型脚部（２）及び前記ｐ型脚部（３）が、抵抗溶接によって別々に前記接触材料（４）に溶接されることを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
脚部の前記対の前記ｎ型脚部（２）及び前記ｐ型脚部（３）が、ギャップ溶接によって前記接触材料（４）に溶接されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記接触材料（４）が、対応する脚部（２、３）と接触させられ、前記接触材料（４）と接触するギャップ電極（１４）の間隙（ＢＥ）が、溶接しようとする前記脚部（２、３）の幅（Ｂ２、Ｂ３）に合わせて設定されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記接触材料（４）が、対応する脚部（２、３）と接触させられ、前記接触材料（４）と接触するギャップ電極（１４）の間隙（ＢＥ）が、溶接しようとする前記脚部（２、３）の幅（Ｂ２、Ｂ３）より広くなるように設定されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記ギャップ電極（１４）が、溶接しようとする前記脚部（２、３）の径方向（Ｒ）で前記接触材料（４）と接触することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記ギャップ電極（１４）が、溶接しようとする前記脚部（２、３）の長手方向（Ｌ）で前記接触材料（４）と接触することを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
溶接が真空中又は不活性ガス雰囲気内で実施されることを特徴とする請求項１から請求項１４までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
脚部の前記対の前記ｎ型脚部（２）及び／又は前記ｐ型脚部（３）が、不活性ガス溶接、好ましくはＭＩＧ溶接、タングステン不活性ガス溶接、ＭＡＧ溶接、プラズマ溶接、又は水素溶接によって前記接触材料（４）に溶接されることを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
脚部の前記対の前記ｎ型脚部（２）及び／又は前記ｐ型脚部（３）が、レーザ・ビーム溶接によって前記接触材料（４）に溶接されることを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
溶接しようとする前記脚部（２、３）及び／又は前記接触材料（４）が、溶接前に予熱されることを特徴とする請求項１から請求項１７までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
前記熱電構成部品が複数の脚部対を備え、
選ばれた脚部対の中で、最初に前記ｎ型脚部（２）が、次いで対応するｐ型脚部（３）が前記接触材料（４）に溶接されることを特徴とする請求項１から請求項１８までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
前記熱電構成部品が複数の脚部対を備え、
選ばれた脚部対の中で、最初に前記ｐ型脚部（３）が、次いで対応するｎ型脚部（２）が前記接触材料（４）に溶接されることを特徴とする請求項１から請求項１９までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項２１】
前記熱電構成部品が複数の脚部対を備え、前記ｎ型脚部（２）のすべてが同時に前記接触材料（４）に溶接されることを特徴とする請求項１から請求項２０までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項２２】
前記熱電構成部品が複数の脚部対を備え、前記ｐ型脚部（３）のすべてが同時に前記接触材料（４）に溶接されることを特徴とする請求項１から請求項２１までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項２３】
１対の脚部の前記ｎ型脚部及びｐ型脚部（２、３）が、前記接触材料（４）を介して前記熱電構成部品の一方の側で電気的に相互接続され、
前記熱電構成部品の反対側で、前記１対の脚部の前記ｎ型脚部（２）が、別の隣接するｐ型脚部に電気的に接続され、
前記１対の脚部の前記ｐ型脚部（３）が、別の隣接するｎ型脚部に電気的に接続されることを特徴とする請求項１から請求項２２までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項２４】
一方の側の前記ｎ型脚部（２）のすべてが同時に前記接触材料（４）に溶接されることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
一方の側の前記ｐ型脚部（３）のすべてが同時に前記接触材料（４）に溶接されることを特徴とする請求項２３又は請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記ｎ型脚部及びｐ型脚部（２、３）のすべてがそれぞれに、しかし同時に前記接触材料（４）に溶接されることを特徴とする請求項１から請求項２４までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項２７】
請求項１から請求項２６までのいずれか１項に記載の方法に従って生産される熱電構成部品であって、
ｎ型脚部（２）及びｐ型脚部（３）を含むとともに少なくとも１つの導電性接触材料（４）に溶接される少なくとも１対の熱電脚部を備え、
前記導電性接触材料（４）が、溶接される前記脚部（２、３）の一端を、前記脚部の径方向（Ｒ）で少なくとも部分的に封入することを特徴とする熱電構成部品。
【請求項２８】
ｎ型脚部（２）及びｐ型脚部（３）を含むとともに少なくとも１つの導電性接触材料（４）に溶接される、少なくとも１対の熱電脚部を備える請求項２７に記載の熱電構成部品であって、
前記導電性接触材料（４）が被覆されることを特徴とする熱電構成部品。
【請求項２９】
ｎ型脚部（２）及びｐ型脚部（３）を含むとともに少なくとも１つの導電性接触材料（４）に溶接される、少なくとも１対の熱電脚部を備える請求項２７又は請求項２８に記載の熱電構成部品であって、
前記脚部（２、３）が相異なる寸法を有することを特徴とする熱電構成部品。
【請求項３０】
ｎ型脚部（２）及びｐ型脚部（３）を含むとともに少なくとも１つの導電性接触材料（４）に溶接される、少なくとも１対の熱電脚部を備える請求項２７から請求項２９までのいずれか１項に記載の熱電構成部品であって、
前記導電性材料（４）が、溶接される前記脚部（２、３）の長手方向（Ｌ）でその接触表面に溶接されることを特徴とする熱電構成部品。
【請求項３１】
前記接触材料（４）が、好ましくは相異なる材料の複数の層で構成され、前記層が、互いに、且つ／又はそれぞれの脚部（２、３）に接続されることを特徴とする請求項２７から請求項３０までのいずれか１項に記載の熱電構成部品。
【請求項３２】
前記接触材料（４）が、好ましくは被覆された箔の複数の層を含むことを特徴とする請求項３１に記載の熱電構成部品。
【請求項３３】
前記導電性接触材料（４）が導電性材料で被覆されることを特徴とする請求項２７から請求項３２までのいずれか１項に記載の熱電構成部品。
【請求項３４】
前記接触材料（４）が、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｖ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｔｅ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｓｅ、Ｓ、Ａｕ、Ｚｎ、Ｓｉ、若しくはＧｅ元素の単独の、又は１つ若しくは複数の他の元素との組合せでの、且つ／或いはＴａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｖ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｔｅ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｓｅ、Ｓ、Ａｕ、Ｚｎ、Ｓｉ、若しくはＧｅ元素の単独、又は１つ若しくは複数の他の元素との組合せとの組合せのうちの少なくとも１つの条片を含むことを特徴とする請求項２７から請求項３３までのいずれか１項に記載の熱電構成部品。
【請求項３５】
個々の前記脚部（２、３）が、前記接触材料（４）を介して、電気的に直列且つ熱的に並列に接続されることを特徴とする請求項２７から請求項３４までのいずれか１項に記載の熱電構成部品。
【請求項３６】
複数の脚部対を備え、それらの前記脚部（２、３）が、前記接触材料（４）を介して、電気的に直列且つ熱的に並列に接続されることを特徴とする請求項２７から請求項３５までのいずれか１項に記載の熱電構成部品。
【請求項３７】
１対の脚部の前記ｎ型脚部及びｐ型脚部（２、３）が、前記接触材料（４）を介して前記熱電構成部品の一方の側で電気的に相互接続され、
前記熱電構成部品の反対側で、前記１対の脚部の前記ｎ型脚部（２）が、別の隣接するｐ型脚部に電気的に接続され、前記１対の脚部の前記ｐ型脚部（３）が、別の隣接するｎ型脚部に電気的に接続されることを特徴とする請求項２７から請求項３６までのいずれか１項に記載の熱電構成部品。
【請求項３８】
前記脚部（２、３）が、熱電構成部品の片側又は両側で前記接触材料（４）に溶接されることを特徴とする請求項３７に記載の熱電構成部品。
【請求項３９】
機械的な安定化装置（１３）が、隣り合う脚部（２、３）間に挿入されることを特徴とする請求項２７から請求項３８までのいずれか１項に記載の熱電構成部品。
【請求項４０】
前記脚部（２、３）の少なくとも１つが、カルコゲニドをベースとする材料を含むことを特徴とする請求項２７から請求項３９までのいずれか１項に記載の熱電構成部品。
【請求項４１】
前記脚部（２、３）のうちの少なくとも１つが、一端若しくは両端に、又は面上に、少なくとも１つの追加の層を、拡散障壁（１０）及び／又は接着層（１１）として、並びに／或いは前記接触材料（４）に対する境界抵抗（９）を低減するために備えることを特徴とする請求項２７から請求項４０までのいずれか１項に記載の熱電構成部品。
【請求項４２】
前記接触材料（４）が、少なくとも１つの追加の層を、拡散障壁（６、８）及び／又は接着層として、並びに／或いはそれぞれの脚部（２、３）に対する境界抵抗を低減するために備えることを特徴とする請求項２７から請求項４１までのいずれか１項に記載の熱電構成部品。
【請求項４３】
機械的に可撓性であることを特徴とする請求項２７から請求項４２までのいずれか１項に記載の熱電構成部品。
【請求項４４】
熱電発電機又はペルチェ素子又はセンサ素子であることを特徴とする請求項２７から請求項４３までのいずれか１項に記載の熱電構成部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特許請求項１の前文による熱電構成部品を生産するための方法に関する。さらに本発明は、熱電構成部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電構成部品の動作モードは、ゼーベック効果とも呼ばれる熱電効果やペルチェ効果とも呼ばれる熱電効果に基づくものである。したがって、本発明の応用分野は、熱電体である。熱電構成部品は、一方で、熱電発電機としてエネルギーを生成するために使用することができ、他方で、ペルチェ素子として温度制御のために使用することができる。熱電構成部品のための第３の応用分野は、センサ、たとえばサーモエレメント及びサーモカラムである。
【０００３】
熱電発電機では、電圧、したがって電流が温度差によって生成される。反対に、ペルチェ素子では、電圧を印加することによって、またその結果生じる電流により熱電構成部品の一方の側が加熱され、熱電構成部品の他方の側が冷却される。熱電構成部品を温度センサとして使用するとき、温度の変化は、熱電構成部品の出力のところでの電圧の変化を介して検出される。
【０００４】
図１は、熱電構成部品１の基本構造を示す。原理的には、そのような熱電構成部品１は、ｎ型脚部２及びｐ型脚部３を備える熱電脚部対で構成される。これらのｎ型脚部２及びｐ型脚部３は、半導体技術の他の分野でも使用されるｎ型導電材料及びｐ型導電材料である。導電性接触材料４により、ｎ型脚部２とｐ型脚部３は、互いに交互に接触している。したがって、ｎ型脚部２とｐ型脚部３は、電気的に直列且つ熱的に並列に接続される。熱電脚部の対と導電性接触材料４は、電気的絶縁性基板５の層間に設けられる。
【０００５】
図１に概略的に示されているように、熱電構成部品１の上側と熱電構成部品１の下側の間に、「高温」から「低温」への温度勾配がある。この温度勾配により、熱電構成部品１を、熱電構成部品の出力間で電圧が印加されるような熱電発電機として使用することが可能である。これは、図１の「マイナス」符号及び「プラス」符号によって示されている。
【０００６】
しかし、図１の同じ構造を用いて、外部電圧を印加することによって、また電流が熱電構成部品を通って回路内を流れる状態で、熱電構成部品１の上側と下側の間に温度勾配を生成することも同様に可能である。したがって、熱電構成部品１は、ペルチェ素子として使用される。
【０００７】
熱電脚部対を導電性接触材料４と接触させるために、たとえばはんだ付け法又は機械的な方法を使用することができる。
【０００８】
はんだ付け工程では、通常、はんだペースト又は液体はんだがスクリーン印刷法で付着される。或いは、箔状部品によってはんだを付着させることができる。さらに、蒸着、スパッタ、プラズマ・スプレー、又は電気めっき法によって、はんだコーティングが形成される。
【０００９】
はんだ法による接触は、はんだの軟化点が熱電構成部品の動作温度より高くなければならないという欠点を有する。はんだの軟化点が熱電構成部品の動作温度より低い場合、高温で接触接続部が溶融するおそれがあり、それにより熱電構成部品が破壊されるおそれがあるため、熱電構成部品の応用分野が制限される。３００℃と４５０℃の間の範囲内の熱電応用例向けのはんだは、使用可能でない。
【００１０】
さらに、２５０℃を超える動作温度では、熱電構成部品に使用することができるはんだは、脆性など、さらなる欠陥を示す。概して、熱電構成部品の効率をさらに低下させる追加的な電気抵抗及び熱抵抗がはんだ層によって生じることが避けられない。
【００１１】
機械的な接着方法、たとえば導電性の編組を熱電材料内に焼結する、又は電気接点を熱電材料に押し付ける場合には、熱電構成部品の複雑な製造が不都合である。さらに、機械的に押し付けられた接点は、不十分な電気的、熱的特性を示し、そのため、そのような熱電構成部品の効率が低下する。
【発明の概要】
【００１２】
本発明の目的は、低コスト且つ安全に、熱電気的に伝導性の接触材料に脚部を接触させることができる、熱電構成部品を生産するための方法、また効率的な熱電構成部品を提供することである。
【００１３】
本発明によれば、この目的は、ｎ型脚部及びｐ型脚部を含む少なくとも１対の熱電脚部を有し、両脚部が導電性接触材料に溶接される熱電構成部品を生産するための方法であって、この１対の脚部のｎ型脚部及びｐ型脚部が、別々の溶接ステップで接触材料に溶接される方法によって達成される。
【００１４】
溶接パラメータ及び材料によって決まる物理化学的反応が、この工程で発生し、接触材料、又は接触材料上に配置された層が、脚部材料、又は脚部材料上に配置された反応層と接合する。
【００１５】
それにより、方法全体の自動化が容易なことのほかに、溶接法、溶接工具、及び溶接パラメータを、それぞれの脚部特性、及び接合しようとする導電性接触材料に対して最適化することが可能である。個々の脚部の溶接中に生じる熱負荷は短時間しか持続しないため、脚部材料の熱電特性は、変化しない。より具体的には、材料が蒸発することも酸化することもない。
【００１６】
好ましくは、ｎ型脚部を溶接するための溶接パラメータ、及びｐ型脚部を溶接するための溶接パラメータは、互いに独立して設定される。それにより、溶接しようとする脚部材料ごとに、又は溶接しようとする脚部材料と接触材料の材料対ごとに、溶接工程のために電流の流れ、及び／又は保持時間、及び／又はバイアス電流、及び／又は昇温時間、及び／又は接触圧力など最適なパラメータ設定を選択することが可能である。
【００１７】
好ましい実施形態によれば、脚部は、長手方向におけるそれらの端部の一方に、接触材料と接触させられる接触表面を備えており、ｎ型脚部の溶接及び／又はｐ型脚部の溶接は、その接触表面上で、及び／又はそれぞれの脚部の接触表面の側で実施される。これにより、導電性接触材料とそれぞれの脚部の接触表面との間に最大可能な接触表面が生み出され、熱電構成部品の接触抵抗が低くなる。
【００１８】
他の好ましい実施形態によれば、それぞれの溶接ステップの前及び／又はそれぞれの溶接ステップ中に、接触材料が、少なくとも１つの溶接電極によって、溶接しようとする脚部に押し付けられる。したがって、導電性接触材料を別々に固定することが必要とされない。
【００１９】
好ましくは、脚部の対のｎ型脚部及びｐ型脚部が、ギャップ溶接によって接触材料に溶接される。
【００２０】
さらに好ましくは、接触材料が、対応する脚部と接触させられ、接触材料と接触するギャップ電極の間隙が、溶接しようとする脚部の幅に合わせて設定される。これは、溶接継手を形成するための正確なエネルギー入力を可能にする。
【００２１】
同様に、接触材料を対応する脚部と接触させ、接触材料と接触するギャップ電極の間隙を、溶接しようとする脚部の幅より広くなるように設定することが可能である。
【００２２】
好ましくは、接触材料が、溶接しようとする脚部の一端を、脚部の径方向で少なくとも部分的に封入し、ギャップ電極が、溶接しようとする脚部の径方向で接触材料と接触する。それにより、溶接のためのエネルギー入力が、ギャップ電極を接触材料上に配置する、又は接触材料に押し付けることができる側部から行われることが可能である。
【００２３】
他の好ましい実施形態によれば、溶接しようとする脚部及び／又は接触材料が、溶接前に予熱される。これは、熱衝撃によって引き起こされる材料内の応力を防止する。
【００２４】
他の好ましい実施形態によれば、熱電構成部品が複数の脚部対を備え、選ばれた脚部対の中で、最初にｎ型脚部が、次いで対応するｐ型脚部が接触材料に溶接される。熱電構成部品が複数の脚部対を備え、選ばれた脚部対の中で、最初にｐ型脚部が、次いで対応するｎ型脚部が接触材料に溶接されることも同様に可能である。したがって、両選択肢を用いて、いくつかのｎ型脚部といくつかのｐ型脚部をそれぞれ並列で溶接することができ、それにより、熱電構成部品を生産するために必要とされる時間が短縮される。
【００２５】
これは、熱電構成部品が複数の脚部対を備え、ｎ型脚部のすべてが同時に接触材料に溶接されるとき特に好ましい。同様に、これは、熱電構成部品が複数の脚部対を備え、ｐ型脚部のすべてが同時に接触材料に溶接されるとき特に好ましい。したがって、熱電構成部品を生産するために必要とされる時間は、最初にｎ型脚部のすべてが、次いでｐ型脚部のすべてが溶接される場合、又はその逆である場合、最小限に抑えられる。
【００２６】
さらに、ｎ型脚部及びｐ型脚部のすべてがそれぞれに、しかし同時に接触材料に溶接されることが可能である。
【００２７】
本発明による方法の他の好ましい実施形態が、他の従属請求項に概説されている。
【００２８】
本発明によれば、上述の目的は、少なくとも１つの前述の方法によって生産される熱電構成部品であって、ｎ型脚部及びｐ型脚部を含むとともに少なくとも１つの導電性接触材料に溶接される、少なくとも１対の熱電脚部を備える熱電構成部品によってさらに達成される。
【００２９】
本発明によれば、上述の目的は、ｎ型脚部及びｐ型脚部を含むとともに少なくとも１つの導電性接触材料に溶接される、少なくとも１対の熱電脚部を備える熱電構成部品であって、この導電性接触材料が被覆される、熱電構成部品によってさらに達成される。これにより、脚部と接触材料の間で特に信頼性の高い電気接続が確保される。
【００３０】
上述の目的は、本発明によれば、ｎ型脚部及びｐ型脚部を含むとともに少なくとも１つの導電性接触材料に溶接される、少なくとも１対の熱電脚部を備える熱電構成部品であって、この脚部が相異なる寸法を有する、熱電構成部品によってさらに達成される。したがって、その応用分野に応じて、熱電構成部品の厚さを変えることができ、その結果、前記熱電構成部品を効率的に使用することができる。
【００３１】
本発明によれば、上述の目的は、ｎ型脚部及びｐ型脚部を含むとともに少なくとも１つの導電性接触材料に溶接される、少なくとも１対の熱電脚部を備える熱電構成部品であって、この導電性接触材料が、溶接される脚部の一端を、この脚部の径方向で少なくとも部分的に封入する、熱電構成部品によってさらに達成される。それにより、接触材料と脚部の間の接触表面が増大され、接触抵抗が低減される。
【００３２】
本発明によれば、上述の目的は、ｎ型脚部及びｐ型脚部を含むとともに少なくとも１つの導電性接触材料に溶接される、少なくとも１対の熱電脚部を備える熱電構成部品であって、この導電性接触材料が、溶接される脚部の長手方向でその接触表面に溶接される、熱電構成部品によってさらに達成される。この熱電構成部品もまた、接触材料とそれぞれの脚部との間に大面積の接触表面を備え、それにより低い接触抵抗が達成される。
【００３３】
好ましくは、導電性接触材料が、導電性材料で被覆される。
【００３４】
他の好ましい実施形態によれば、熱電構成部品が複数の脚部対を備え、これらの脚部が、接触材料を介して、電気的に直列且つ熱的に並列に接続される。これにより、高効率のコンパクトな熱電構成部品が得られる。
【００３５】
好ましくは、１対の脚部のｎ型脚部及びｐ型脚部が、接触材料を介して熱電構成部品の一方の側で電気的に相互接続され、上述の対の脚部のｎ型脚部が、熱電構成部品の反対側で、別の隣接するｐ型脚部に接続され、上述の対の脚部のｐ型脚部が、別の隣接するｎ型脚部に電気的に接続される。
【００３６】
好ましくは、隣り合う脚部間に機械的な安定化装置が設けられる。そのような熱電構成部品は、非常に丈夫であり、また溶接継手を損なうことなしに振動環境内で使用することができる。
【００３７】
他の好ましい実施形態によれば、脚部のうちの少なくとも１つが、一端若しくは両端に、又は面上に、少なくとも１つの追加の層を、拡散障壁及び／又は接着層として、並びに／或いは接触材料に対する境界抵抗を低減するために備える。接触材料が、少なくとも１つの追加の層を、拡散障壁及び／又は接着層として、並びに／或いはそれぞれの脚部に対する境界抵抗を低減するために備えることも可能である。
【００３８】
好ましくは、熱電構成部品は、機械的に可撓性である。はんだ接続部は曲げ応力下で比較的急速に破損する傾向があるが、溶接継手は、はるかに抵抗力があり、その結果、可撓性の熱電構成部品を、様々な環境、たとえば隣接する熱導体に適合させることができる。
【００３９】
本発明による熱電構成部品の他の好ましい実施形態が、他の従属請求項に述べられている。
【００４０】
次に、本発明について、添付の図と共に好ましい実施形態を参照してより詳細に述べる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】機能原理を説明するための、熱電構成部品の基本構造を示す概略図である。
【図２】熱電構成部品の１対の脚部を示す概略図である。
【図３】熱導体の周りに配置された熱電構成部品を示す概略図である。
【図４】平坦構造の熱電構成部品を示す概略図である。
【図５】機械的な安定化装置を有する平坦構造の熱電構成部品を示す概略図である。
【図６】熱電構成部品を生産するための方法を示す概略図である。
【図７】熱電構成部品を生産するための方法を示す概略図である。
【図８】熱電構成部品を生産するための方法を示す概略図である。
【図９】熱電構成部品を生産するための方法を示す概略図である。
【図１０】ｐ型脚部及びｎ型脚部を導電性接触材料と接触させるための様々なギャップ溶接部を示す図である。
【図１１】ｐ型脚部及びｎ型脚部を導電性接触材料と接触させるための様々なギャップ溶接部を示す図である。
【図１２】ｐ型脚部及びｎ型脚部を導電性接触材料と接触させるための様々なギャップ溶接部を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
本明細書の導入ですでに述べた図１に対して、図２は、熱電構成部品１の１対の脚部の好ましい実施形態を示す概略図である。
【００４３】
以下の説明では、同様の特徴部に対して同様の符号が使用され、見やすくするために、符号は、必ずしもすべての同様の特徴部、特に熱電構成部品１の様々な実施形態の脚部すべてについて図に示されているわけではない。むしろ、例として、個々の脚部だけ、それぞれの符号と共に与えられている。
【００４４】
図２の熱電構成部品１は、ｎ型脚部２及びｐ型脚部３からなる１対の脚部を備える。ｎ型脚部２及びｐ型脚部３は、溶接部によって導電性接触材料４と導電的に接触している。図２の上部領域では、２つの脚部２、３が、導電性接触材料４の条片によって相互接続される。図２の下部領域では、２つの脚部２、３のそれぞれが、導電性接触材料４の別々の条片に接続される。
【００４５】
熱電構成部品１が熱電発電機又は温度センサである場合、最後に述べた条片からすでに電圧を取り出すことができる。代替として、熱電構成部品１がペルチェ素子として使用される場合、前記の場所ですでに電流源との接触を実施することができる。
【００４６】
しかし、好ましい実施形態によれば、図２の下部領域の導電性接触材料４は、他の隣接する脚部２、３に導電的に接続される。これは、図２では、ｎ型脚部２がその左側で他のｐ型脚部（図示せず）に接続され、一方、ｐ型脚部３がその右側で他のｎ型脚部（図示せず）に導電的に接続されることを意味する。図１の他に、そのような構成は、以下で述べる図３から図５にも見出される。
【００４７】
したがって、図２に示されている脚部の対のｎ型脚部２及びｐ型脚部３は、熱電構成部品１の上側で、接触材料４を介して電気的に相互接続される。熱電構成部品１の、反対側の下側では、図の脚部の対のｎ型脚部２が、好ましくは別の隣接するｐ型脚部（図示せず）に接続され、図の脚部の対のｐ型脚部３が、好ましくは別の隣接するｎ型脚部（図示せず）に接続される。その結果、個々の脚部２、３は、接触材料４を介して電気的に直列且つ熱的に並列に接続される。好ましくは、熱電構成部品１が複数の脚部対を備え、そのうちの脚部２、３が、接触材料を介して電気的に直列且つ熱的に並列に接続され、ここでは、それぞれの脚部２、３を、相異なる空間方向で互いに接触させることができる。
【００４８】
図の実施形態では、脚部２、３の形状が実質的にブロック形であるが、脚部の他の形態、たとえば回転対称、特に丸形の脚部断面もまた可能である。脚部２、３の寸法は、ランダムに変えることができる。
【００４９】
好ましくは、脚部２、３のうちの少なくとも１つが、一端若しくは両端に、又は面上に、少なくとも１つの追加の層を備える。たとえば、これは、境界抵抗９を低減するための層、及び／又は拡散障壁１０、及び／又は接着層１１とすることができる。これらの層は、様々な順序及び厚さで、それぞれの脚部２、３、特に接触材料４に対するそれらの接触表面上に付着させることができる。たとえば、前記付着には電気めっき法が適している。
【００５０】
好ましくは、導電性接触材料４は、追加で、又は代替として、１つ又は複数の層で被覆することができる。これらは、別個の金属被覆７及び／又は他の拡散障壁６、８とすることができる。図の実施形態では、導電性接触材料４は、追加の金属被覆７に隣接するそれぞれのｎ型脚部２及びｐ型脚部３に対する内側拡散障壁８と、金属被覆７と厳密な意味での導電性接触材料４との間の外側拡散障壁６とを備える。別個の接着層もまた可能であり、すべての層を様々な順序で配置することができる。この場合も、好ましくは、前記層を接触材料４に付着させるのに電気めっき法が適している。
【００５１】
導電性接触材料４及び／又は脚部２、３上に追加の層を設けることによって、機械的に安定な、また電気的、熱的に伝導性の高い接続を確立することができる。さらに、これらのコートは、熱的、電気的な境界抵抗を低減するように、また、たとえば熱歪み及び機械的歪みなど、他の好ましくない効果をなくするように働く。より具体的には、それぞれの層のそれらの材料組成を一致させることによって、熱膨張係数を適合させることができる。さらに、導電性接触材料４には、特に非常に薄い熱電構成部品１の場合、脚部接触点の周りの領域を電気的に絶縁するために絶縁層を設けることも可能である。
【００５２】
さらに図２は、熱電構成部品１を外部に対して電気的に絶縁する任意選択の基板５を示す。しかし、たとえば隣接する熱導体１２それ自体が電気的絶縁材料製であるとき、熱電構成部品１が外に開いていることも可能である。
【００５３】
好ましくは、ｎ型脚部２及びｐ型脚部３は、以下の元素、すなわちＴａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｖ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｔｅ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｓｅ、Ｓ、Ａｕ、Ｚｎ、Ｓｉ、及びＧｅのうちの少なくとも１つ、又はそれらの組合せを含む。脚部２、３が、第ＩＶ及び第ＶＩ族の元素からなる組成、特に、たとえばＰｂＴｅ、ＰｂＳｅ、ＰｂＳ、ＳｎＴｅ、ＧｅＴｅ、及びＧｅＳｅなど、［Ｐｂ，Ｓｎ，Ｇｅ］及び［Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅ］の任意の所望の組合せを実質的に有するとき有利である。好ましくは、脚部２、３のうちの少なくとも１つが、カルコゲニドをベースとする材料を含む。
【００５４】
同様に、ｎ型脚部２及びｐ型脚部３が、第Ｖ及び第ＶＩ族の元素からなる組成、特に、Ｂｉ2Ｓ3、Ｂｉ2Ｔｅ3、Ｂｉ2Ｓｅ3、Ｓｂ2Ｓ3、Ｓｂ2Ｓｅ3及びＳｂ2Ｔｅ3など、［Ｂｉ，Ｓｂ］2及び［Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅ］3の組成を実質的に含むことが可能である。
【００５５】
同様に、脚部２、３が、ＳｉＧｅをベースとする材料、スクッテルド鉱をベースとする材料、ハーフホイスラーベースの材料、酸化物をベースとする材料、アンチモンをベースとする材料、クラスレートをベースとする材料、又はホウ素をベースとする材料を含むことが可能である。
【００５６】
ｎ型脚部２及びｐ型脚部３が、炭素族、すなわち周期系の第ＩＶ族の材料、やはり組成でＣ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、及びＰｂを含む。ナノ複合材料もまた、脚部２、３にとって有利なものと思われる。
【００５７】
以下の元素、すなわちＴａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｖ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｔｅ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｓｅ、Ｓ、Ａｕ、Ｚｎ、Ｓｉ、及びＧｅ、又はそれらの組成物が、導電性材料４に好ましい。またこれは、接触材料４のコーティングについても、そうである。
【００５８】
接触材料４が、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｖ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｔｅ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｓｅ、Ｓ、Ａｕ、Ｚｎ、Ｓｉ、若しくはＧｅの単独の、又は１つ若しくは複数の他の元素との組合せでの条片又はワイヤを含むとき、特に有利である。重ねて、又は並べて配置された接触材料４のいくつかの条片又はワイヤもまた可能である。同様に、接触材料に付着される層が上述の元素のうちの１つ又は複数を含むことが可能である。これは特に、それぞれの脚部２、３と物理化学的に反応する反応層、及び／又は溶接中に前記脚部に配置される反応層とすることができる。
【００５９】
好ましくは、ｎ型脚部２及びｐ型脚部３のすべてが、導電性接触材料４の対応する条片又はワイヤに溶接される。しかし、脚部２、３が、熱電構成部品１の一方の側だけ、たとえば図２に関して上側で、導電性接触材料４の条片又はワイヤに溶接されることも可能である。反対側では、脚部２、３は、別の接合方法（はんだ法、機械的な接合方法）によって導電性接触材料４のそれぞれの条片又はワイヤに接続されてもよい。
【００６０】
好ましくは、ｎ型脚部２及びｐ型脚部３は、熱電構成部品１を様々な環境に適合させるように、様々な寸法を有することができる。また、導電性接触材料４が、それぞれの脚部２、３の長手方向Ｌで、その接触表面、特に面に完全に溶接されるとき有利である。さらに、導電性接触材料４が、少なくとも一部にはその径方向Ｒで、溶接される脚部２、３の一端を封入するとき有利である。また、前述の実施形態は、任意の所望の方法で互いに組み合わせることができる。
【００６１】
図３は、熱導体１２の周りに配置された熱電構成部品１を示す概略図である。図２に示されている実施形態とは対照的に、図３の実施形態は、熱導体１２それ自体が、好ましくは電気的絶縁性であるため、電気的絶縁性基板５を有していない。熱導体１２は、たとえば管状であり、好ましくは丸形の断面を有する。したがって、好ましくは、熱電構成部品１は、湾曲した、特に環状又は管状の形状を有する。
【００６２】
熱電構成部品１が機械的に可撓性であり、熱導体１２の断面に適応することができるとき、特に有利である。接触材料４と脚部２、３との間に溶接部があれば、可撓性の熱電構成部品１を様々な環境及び設置状況に適合させることが可能である。というのは、溶接継手は、従来のはんだ継手とは対照的に、実質的により大きな負荷に耐え、より破損しにくいからである。
【００６３】
図４及び図５のそれぞれは、平坦構造の熱電構成部品１を示す。脚部２、３の接触表面は、それらの長手方向Ｌで、それぞれ拡散障壁１０を備える。図４とは対照的に、図５の実施形態は、連続的な電気的絶縁性外部基板５を有しておらず、前記基板５の複数の区間を備える。基板５の複数の区間のそれぞれは、導電性接触材料４の条片を覆い、その結果、外側に対する電気的絶縁が確保される。
【００６４】
したがって、幾何学的に様々な設置状況に適合させるように熱電構成部品１を変形させることが可能である。補強するために、機械的な安定化装置１３が熱電構成部品１の内部に設けられ、この安定化装置は、それぞれの脚部２、３を封入し、隣り合う脚部を互いに分離する。この機械的な安定化装置１３は、熱電構成部品１内に残すことができるが、その製造後に再び除去することもできる。最初に述べた方の場合には、機械的な安定化装置１３は、導電性であるべきでなく、非常に弱い熱伝導性を示すにすぎず、第２の場合には、機械的な安定化装置１３の熱的、電気的な伝導性は、何の働きもしない。
【００６５】
機械的な安定化装置１３は、マトリックス材料として熱電構成部品１内に残されると、安定化に役立つだけでなく、たとえば脚部２、３の汚染又は脚部２、３の化学組成の変化をも防止する。好ましくは、セラミック材料、ガラス、磁器、又はプラスチック材料が使用される。特に弾性的に変形可能なプラスチック材料が機械的な安定化装置１３用のマトリックス材料として使用されると、このように安定化された熱弾性構成部品１を設置状況に柔軟に適合させることが可能である。
【００６６】
好ましくは、接触材料４は、１μｍと１ｍｍの間の厚さ、及び１０μｍと１００ｍｍの間の幅を有する。２つの脚部２、３を接続するために、接触材料４の、１つ又は複数の条片を、並べて、又は重ねて使用することができる。
【００６７】
図６から図９は、熱電構成部品１を生産するための好ましい方法を示す概略図である。これらの図は、熱電構成部品１、又は熱電構成部品１の部品を３次元図で示す。図８及び図９では、平坦な接触材料４が、生産しようとする熱電構成部品１のベース領域に沿って、すなわちその長さ及び幅に沿って延在している。脚部２、３の長手方向軸が、生産しようとする熱電構成部品１の高さを画定し、脚部２、３は、図６では長手方向Ｌで延在している。
【００６８】
図６では、後の設置状況を見越して望まれるように、ｎ型脚部２及びｐ型脚部３がすでに配置されている。ここでは、異なる脚部長さを有する脚部２、３を使用することも可能である。脚部の組成及びそれらの形態については、前の説明を参照されたい。
【００６９】
その後で、脚部２、３は、上述のように、機械的な安定化装置１３としてのマトリックス材料によって取り囲まれることが好ましい。
【００７０】
前述のように、導電性接触材料４は、２つの隣り合うｎ型脚部２及びｐ型脚部３を接続するために、頂部側及び底部側（図示せず）で上記脚部にその都度溶接される。ｎ型脚部及びｐ型脚部は、時間的に連続して溶接されてもよい。また、ｎ型脚部２及びｐ型脚部３のすべてのそれぞれを、しかし同時に接触材料４に溶接することも可能である。
【００７１】
好ましくは、使用される溶接法は、ギャップ溶接、スポット溶接、プロジェクション溶接、又はロール圧接など、抵抗溶接である。好ましくは、これらの溶接法は、特に酸化物による溶接の汚染を防止するために、不活性ガス内、又は活性ガス内のどちらでも、保護ガス雰囲気内で実施される。同様に、溶接法を真空中で実施することが可能である。
【００７２】
アーク溶接、ガス・シールド溶接、レーザ・ビーム溶接、電子ビーム溶接、プラズマ溶接、又は水素溶接など、他の溶接法が可能である。しかし、特に有利なのはギャップ溶接、好ましくはナローギャップ溶接又は不活性ガス・ナローギャップ溶接であり、これらについてはなおも、下記でさらに論じる。不活性ガス又は活性ガスのどちらを用いても、ＭＩＧ溶接法が有利である。ここでは、タングステン不活性ガス溶接について特に述べるべきである。
【００７３】
あらゆる方法において、溶接前に、溶接しようとする脚部２、３及び／又は接触材料４を予熱することが可能である。
【００７４】
溶接操作により、非常に高い温度まで、考えられる応用例との安定した接触が実現される。溶接は、接触材料４内への、またおそらくは頂部又は下側に配置された１つ又は複数の材料内及び脚部材料内への、またおそらくはそれらの上方に配置された１つ又は複数の材料内への短いエネルギー入力によって行われる。
【００７５】
溶接法を用いると、接触材料及び脚部材料の、また頂部又は下側に配置された材料の、ほぼすべての材料組合せを互いに接続することができる。これにより、高い付着力が実現され、非常に融点の高い材料を同時に接続することができ、その結果、接触がそれぞれの熱需要を満たす。さらに、この技法を用いて確立された接触部は、高い機械的安定性を特色とする。
【００７６】
接触材料及び脚部材料、並びに対応する層状構造の、ほぼどんな材料組合せをも溶接によって接合することが可能であるため、熱膨張係数を容易に適合させることができ、拡散障壁によって拡散を容易に防止することができる。個々の脚部の高さの差は、ここでは役割はない。溶接工程は、その単純さにより容易に自動化することができ、高い再現性を実現する。
【００７７】
図９では、必要に応じて、任意選択の機械的な安定化装置１３が除去される。その後で、熱電構成部品１は、たとえばその頂部側及び底部側に、上述の外部基板５を備えることができる。
【００７８】
図１０から図１２は、ｎ型脚部２及びｐ型脚部３を導電性接触材料４と接触させるための様々なギャップ溶接を示す。符号１４はギャップ電極を示し、その２つの電極先端は、間隙ＢＥによって離隔されている。間隙ＢＥの幅は、可変に調整可能である。好ましくは、ｎ型脚部２とｐ型脚部３は、異なる脚部幅Ｂ２、Ｂ３を有する。
【００７９】
図１０に示されている実施形態では、ギャップ電極１４の間隙ＢＥは、ｎ型脚部２の幅Ｂ２に従って設定されている。ギャップ電極１４は、脚部２、３上に配置された接触材料４と接触し、好ましくは上記材料を、溶接しようとする脚部２、３上にそれぞれ押圧する。しかし、接触材料４を、それぞれの脚部２、３上にすでにある他の手段によって押圧することも可能である。後者は、たとえばレーザ・ビーム溶接又は電子ビーム溶接によって非接触溶接が実施される場合、特に心に留めておかなければならない。
【００８０】
脚部２、３を長手方向Ｌにおけるそれらの端部に含む接触表面又は面が、接触材料と接触させられ、それぞれの脚部が、好ましくは前記脚部２、３の接触表面全体にわたって溶接される。
【００８１】
電極、好ましくはギャップ電極１４の電極先端が、それぞれの脚部上に設けられた接触材料４に、０．００１Ｎ／ｍｍ2と１００００Ｎ／ｍｍ2の間の接触圧力で押し付けられる。溶接のために、接触材料４とそれぞれ溶接しようとする脚部とを介して、２つの電極間に、１μＡ／ｍｍ2から１０ｋＡ／ｍｍ2の範囲で、１ナノ秒と１０秒の間で、電流が流れている。
【００８２】
ｎ型脚部２が最初の溶接ステップで図１０の左側にて溶接された後で、ギャップ電極１４の間隙ＢＥが、右側に位置するｐ型脚部３の幅Ｂ３に設定され、前記脚部の上方に配置される。代替として、熱電構成部品１の位置をそれに応じて変更することも可能である。
【００８３】
後続の第２の溶接ステップのために、電流、保持時間、バイアス電流、昇温時間、及び／又は接触圧力など、他の溶接パラメータが、異なる材料で構成されているより小さいｐ型脚部３に対応するように整合される。溶接工具それ自体を変更し、それに応じて溶接パラメータを適合させることも可能である。したがって、好ましくは異なる幾何形状及び／又は異なる組成を有するｎ型脚部２及びｐ型脚部３を溶接するために、異なる溶接パラメータが、互いに独立して設定される。
【００８４】
図１１の他の好ましい実施形態では、接触材料４と接触するギャップ電極１４の間隙ＢＥが、それぞれ溶接しようとする脚部の幅Ｂ２又は幅Ｂ３より広くなるように設定される。
【００８５】
図１０及び図１１では、ギャップ電極１４が接触材料４と、溶接しようとする脚部２、３の長手方向Ｌで接触するが、図１２は、接触材料が、溶接しようとする脚部２、３の一端を、脚部２、３の径方向Ｒ、すなわちその幅で少なくとも部分的に封入する他の実施形態を示す。ギャップ電極１４は、溶接しようとする脚部２、３の径方向Ｒで接触材料４と接触し、径方向Ｒにおいて、力Ｆで接触材料４に作用する。
【００８６】
そのためには、接触材料４に脚部２、３の端部用の対応する凹部又は中空部が予め形成されているとき有利である。しかし、これらの凹部は、接触材料４の平坦な条片それ自体を、対応する脚部端部に押し付けることによって形成されるにすぎないことも可能である。
【００８７】
選択された溶接法とは独立に、熱電構成部品１が複数の脚部対を備え、それにより、選ばれた脚部対の中で、最初にｎ型脚部２が、次いで対応するｐ型脚部３が接触材料４に溶接され、逆もまた同様であるとき有利である。熱電構成部品１が複数の脚部対を備える場合、すべてのｎ型脚部２又はすべてのｐ型脚部３が接触材料４に同時に溶接されるとき有利である。より具体的には、一方の側（熱電構成部品１の頂部側又は底部側）のｎ型脚部２すべて、又は一方の側のｐ型脚部３すべてが同時に接触材料４に溶接されるとき有利である。
【００８８】
接触材料４が、好ましくは相異なる材料のいくつかの層で構成され、これらの層が、互いに、且つ／又はそれぞれの脚部２、３に接続される、特に溶接されることも可能である。これらの多層接触材料４は、箔、特に被覆された箔を備えることが好ましい。この例では、多層接触材料４を、１つ又は複数の溶接ステップで、互いに、且つ／又は対応する脚部２、３に接続又は溶接することが可能である。
【００８９】
これまで述べた実施形態は、ｎ型脚部２及びｐ型脚部３を含む少なくとも１対の熱電脚部を有し、両脚部２、３が導電性接触材料４に溶接される熱電構成部品１を生産するための方法であって、この１対の脚部のｎ型脚部２及びｐ型脚部３が、別々の溶接ステップで接触材料４に、また熱電構成部品１に溶接される、方法を指す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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