(57)【要約】本発明は、ベース・プレート（８）と、それぞれが２つの脚部（１３）を有し電気的に直列に接続されベース・プレート（８）に取り付けらた複数の熱電対とを有する、特に内燃エンジンの排気システムにおける、熱電発電用の熱電モジュール（７）に関する。本発明では、ベース・プレート（８）が金属材料からなることが規定される。これによって、低コストの製造が可能になり、大幅に大きいサイズ構成が可能になり、熱電モジュール（７）は、セラミック製の通常のベース・プレートよりも機械的影響をはるかに受けにくくなる。さらに、本発明は、対応する製造方法にも関する。【選択図】図２
2021515403.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特に内燃エンジンの排気システムにおける、熱電発電用の熱電モジュール（７）であって、
ａ） ベース・プレート（８）と、
ｂ） それぞれ２つの脚部（１３）を有する複数の熱電対（２２）であって、少なくとも部分的に電気的に直列に接続され前記ベース・プレート（８）に取り付けられた複数の熱電対（２２）と、
を有し、
特徴として、
ｃ） 前記ベース・プレート（８）は金属材料からなるものである、
熱電モジュール（７）。
【請求項２】
前記熱電モジュール（７）が高温側および低温側を有し、前記金属ベース・プレート（８）が前記熱電モジュール（７）の前記低温側に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の熱電モジュール（７）。
【請求項３】
ａ）一方の前記金属ベース・プレート（８）と他方の前記熱電対（２２）の間に、前記金属ベース・プレート（８）を前記熱電対（２２）から電気的に絶縁するための、低温側の絶縁層（９）が設けられ、前記低温側の絶縁層（９）は、好ましくは、
ａ１） 前記金属ベース・プレート（８）に接着された接着剤層であり、および／または
ａ２） 前記絶縁層（９）の良好な熱伝導率を達成するために少なくとも部分的にセラミック材料で満たされているものであること、および／または
ｂ） 相異なる熱電対（２２）を電気的に直列接続するために前記相異なる熱電対（２２）の２つの脚部（１３）に電気的に接触するための複数の導電性コンタクト・パッド（１０）が前記低温側の絶縁層（６）上に設けられていること、および／または
ｃ） 前記低温側の絶縁層（９）上の前記コンタクト・パッド（１０）を覆い前記コンタクト・パッド（１０）を腐食から保護する低温側の腐食保護層（１１）が、特にニッケル−金層として、設けられること、および／または
ｄ） 前記熱電モジュール（７）を熱源に熱結合するための、特にステンレス鋼製の、高温側の熱伝導プレート（１５）が設けられること、および／または
ｅ）前記熱伝導プレート（１５）と前記熱電対（２２）の間に、表面の凹凸を補償するための、特にグラファイト・フィルムの形態の、高温側の第１の中間層（１６）が設けられること、および／または
ｆ） 前記熱伝導プレート（１５）に対して前記熱電対（２２）を電気的に絶縁するための高温側の絶縁層（１７）が、特にセラミック層として、設けられること、および／または
ｇ） 前記高温側の絶縁層（１７）と前記熱電対（２２）の間に、表面の凹凸を補償するための高温側の第２の中間層（１８）が、特にグラファイト・フィルムとして、設けられること、および／または
ｈ） 相異なる熱電対（２２）を電気的に直列接続するために前記相異なる熱電対（２２）の２つの脚部（１３）に電気的に接触するための複数の高温側の導電性コンタクト・パッド（１９）が設けられること、および／または
ｉ） 前記高温側のコンタクト・パッド（１９）上に前記高温側のコンタクト・パッド（１９）を腐食から保護するための高温側の腐食保護層（２０）が、特にニッケル−金層として、設けられること、
を特徴とする、請求項１または２に記載の熱電モジュール（７）。
【請求項４】
ａ） 相異なる熱電対（２２）を電気的に直列接続するために前記相異なる熱電対（２２）の２つの脚部（１３）にそれぞれ電気的に接触するための前記熱電モジュール（７）の高温側の複数の導電性コンタクト・パッド（１９）であって、ろう付け接続（２１）によって前記熱電対（２２）の前記脚部（１３）に接続された高温側の複数の導電性コンタクト・パッド（１９）が設けられ、
ｂ） 相異なる熱電対（２２）を電気的に直列接続するために前記相異なる熱電対（２２）の２つの脚部（１３）にそれぞれ電気的に接触するための前記熱電モジュール（７）の低温側の複数の導電性コンタクト・パッド（１０）であって、軟質はんだ接続（１４）によって前記熱電対（２２）の前記脚部（１３）に接続された低温側の複数の導電性コンタクト・パッド（１０）が設けられること
を特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の熱電モジュール（７）。
【請求項５】
前記熱電対（２２）は、前記相異なる熱電対（２２）における相異なる動作温度用に設計された相異なる熱電材料からなるものであることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の熱電モジュール（７）。
【請求項６】
ａ） 前記熱電モジュール（７）は、動作状態で、前記熱電モジュール（７）の前記高温側の前記温度が高温ゾーン（２３）から低温ゾーン（２４）へと低下する形態の、前記高温側に平行な前記高温側の温度勾配に曝されること、および
ｂ） 前記高温ゾーン（２３）における前記熱電対（２２）は、前記低温ゾーン（２４）における動作温度より高い動作温度用に設計されること
を特徴とする、請求項５に記載の熱電モジュール（７）。
【請求項７】
ａ） 前記高温ゾーン（２３）における前記熱電対（２２）が、少なくとも部分的に、次の材料
ａ１） 高温安定なハーフホイスラー合金、
ａ２） スクッテルダイト、
ａ３） ケイ化物、
ａ４） テルル化鉛、
の中の１種の材料からなること、および／または
ｂ） 前記低温ゾーン（２４）における前記熱電対（２２）が、少なくとも部分的にテルル化ビスマスからなること
を特徴とする、請求項６に記載の熱電モジュール（７）。
【請求項８】
ａ） 前記熱電モジュール（７）における前記熱電対（２２）の数が、１００より、２００より、４００よりまたは６００より大きいこと、および／または
ｂ） 前記熱電対（２２）用の前記個々のコンタクト・パッドが、それぞれ長さ２ｍｍ〜１０ｍｍ、３ｍｍ〜７ｍｍまたは４ｍｍ〜５ｍｍを有すること、および／または
ｃ） 前記熱電対（２２）用の前記個々のコンタクト・パッド（１０、１９）が、それぞれ幅０．５ｍｍ〜４ｍｍ、１ｍｍ〜３ｍｍまたは１．５ｍｍ〜２ｍｍを有すること、および／または
ｄ） 前記熱電対（２２）用の前記個々のコンタクト・パッド（１０、１９）が、それぞれ厚さ０．１ｍｍ〜１ｍｍ、０．２ｍｍ〜０．５ｍｍまたは０．２５ｍｍ〜０．３５ｍｍを有すること、および／または
ｅ） 前記熱電対（２２）の前記個々の脚部（１３）が、それぞれ厚さ０．５ｍｍ〜２ｍｍ、０．７ｍｍ〜１．５ｍｍまたは０．８ｍｍ〜１．２ｍｍを有すること、および／または
ｆ） 前記熱電対（２２）の前記個々の脚部（１３）が、それぞれ長さ０．５ｍｍ〜３ｍｍ、１ｍｍ〜２ｍｍまたは１．３ｍｍ〜１．７ｍｍを有すること、および／または
ｇ） 前記ベース・プレート（８）が、少なくとも２ｃｍ、少なくとも４ｃｍまたは少なくとも８ｃｍの端縁長さを有すること、および／または
ｈ） 前記金属ベース・プレート（８）上の前記絶縁層（９）が、層厚さ１０μｍ〜１００μｍ、２０μｍ〜７０μｍまたは３０μｍ〜５０μｍを有すること、および／または
ｉ） 前記金属ベース・プレート（８）の前記金属材料が、次の材料
ｉ１） 銅または銅合金、
ｉ２） アルミニウムまたはアルミニウム合金、
ｉ３） ステンレス鋼
の中の１種の材料であること
を特徴とする、請求項１乃至７のいずれかに記載の熱電モジュール（７）。
【請求項９】
熱ガス流中に配置された熱電モジュール（７）を有する、前記内燃エンジンからの前記熱ガス流を導き出しまたは迂回させるための内燃エンジンの排気システムであって、
前記熱電モジュール（７）が請求項１乃至８のいずれかに記載の熱電モジュールの設計のものであることを特徴とする、排気システム。
【請求項１０】
ａ） 前記熱電モジュール（７）は、その低温側が冷媒流に、特に冷却水流に、曝され、前記冷媒流が、前記熱電モジュール（７）の高温側の前記熱ガス流に対して、横切る方向に、特に直角方向に、向いていること、および／または
ｂ） 前記冷媒流に対して横切る方向の温度勾配は、前記熱電モジュール（７）の前記高温側で現れて、前記熱電モジュール（７）の前記高温側の温度が高温ゾーン（２３）から低温ゾーン（２４）へと低下する形態のものであること、および／または
ｃ） 前記高温ゾーン（２３）における前記熱電対（２２）が、前記低温ゾーン（２４）における動作温度より高い動作温度用に設計されていること、
を特徴とする、請求項９に記載の排気システム。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載の排気システムを有する内燃エンジン、特にオットー・エンジンまたはディーゼル・エンジン。
【請求項１２】
熱電発電用の熱電モジュール（７）の、特に請求項１乃至８のいずれかに記載の熱電モジュール（７）の、製造方法であって、
ａ） ベース・プレート（８）を供給する工程と、
ｂ） 前記ベース・プレート（８）上に複数の熱電対（２２）を取り付ける工程と、
を含み、
特徴として、
ｃ） 前記ベース・プレート（８）は金属材料からなるものである、
製造方法。
【請求項１３】
ａ） 前記低温側に配置される前記金属ベース・プレート（８）を前記熱電対（２２）から電気的に絶縁するために、前記金属ベース・プレート（８）に低温側の絶縁層（９）を、特に接着剤層を、付着させまたは塗布する工程、および／または
ｂ） 複数の導電性コンタクト・パッド（１０）を前記絶縁層（９）に付着させる工程、および／または
ｃ） 腐食防止層（１１）を前記コンタクト・パッド（１０）に付着させる工程、および／または
ｄ） 表面の凹凸を補償するために、特にグラファイト・フィルムとしての、中間層（１２）を前記コンタクト・パッド（１０）に付着させる工程、および／または
ｅ） 前記熱電対（２２）を前記絶縁層（９）上の前記コンタクト・パッド（１０）上に取り付ける工程、および／または
ｆ） 表面の凹凸を補償するために、特にグラファイト・フィルムとしての、第１の中間層（１８）を前記熱電対（２２）に付着させる工程、および／または
ｇ） 電気絶縁のために高温側の絶縁層（１７）を付着させまたは塗布する工程、および／または
ｈ） 表面の凹凸を補償するために、特にグラファイト・フィルムとしての、第２の中間層（１６）を前記絶縁層（１７）に付着させる工程、および／または
ｉ） 前記熱電モジュール（７）を熱源に熱結合させるために、特にステンレス鋼製の、高温側の熱伝導プレート（１５）を付着させる工程、
を含む、請求項１２に記載の製造方法。
【請求項１４】
ａ） 熱電対（２２）を形成するために、ろう付けすることによって熱電材料の各２つの脚部（１３）を導電性コンタクト・パッドに接続する工程と、
ｂ） 軟質はんだ付けによって前記熱電対（２２）を前記低温側のベース・プレート（８）に接続する工程と、
を含むことを特徴とする、請求項１２または１３に記載の製造方法。
【請求項１５】
ａ）前記複数の熱電対（２２）が個々に予め組み立てられ、
ｂ） 次いで、予め組み立てられた複数の前記熱電対（２２）が前記金属ベース・プレート（８）に共に接続されること、
を特徴とする、請求項１４に記載の製造方法。
【請求項１６】
ａ） 前記熱電モジュール（７）は、動作状態で、前記熱電モジュール（７）の前記高温側の温度が高温ゾーン（２３）から低温ゾーン（２４）へと低下する形態の、前記高温側に平行な温度勾配に曝されること、および
ｂ） 前記高温ゾーン（２３）における前記熱電対（２２）は、前記低温ゾーン（２４）における動作温度より高い動作温度用に設計されること、
を特徴とする、請求項１２乃至１５のいずれかに記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に内燃エンジン（機関）の排気システム（系、管）における、熱電発電用の熱電モジュールに関する。さらに、本発明は、そのような熱電モジュールの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱エネルギを電気エネルギに変換する古典的な熱電モジュールは、直列接続の幾つかの熱電対で構成される。これらの熱電対の各々は、少なくとも１つのｐ型部品（脚部）、１つのｎ型部品（脚部）、およびこれら２つの部品を電気的に接続する通常は金属製の接触（コンタクト）ブリッジ（橋部）（図４Ａ、４Ｂ）で構成される。１つの熱電対のｐ型部品からその次の熱電対のｎ型部品へと電気的に接続することを繰りすことによって、幾つかの熱電対が直列に接続される。そのような熱電対の相互接続部は、熱電モジュールと称される。ｐ型およびｎ型部品を通して１つの接触面から他の接触面へと流れる熱流を生成することによって、ゼーベック効果によって電圧が生成される。
【０００３】
そのようなプロセスの典型的な熱源は、例えば、燃焼エンジンの排気システムで見られるような高温ガス流である。しかし、任意の他の熱源も考えられる。例えば、排出ガスから熱を抽出してそれを熱電対に伝導させるため、または電気エネルギに変換されなかった残留熱を放散するために、通常、金属製の熱交換器系（システム）が使用される。熱交換器と接触ブリッジの間の短絡を回避するために、熱交換器への接触ブリッジの電気絶縁が絶対不可欠（必須）である。
【０００４】
例えば酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウム製の、厚さが１０分の数ｍｍのセラミック・プレートが、通常は絶縁体として使用される。絶縁体と接触ブリッジの間の最適な熱伝達を確保するために、一体型材料接続（stoffschluessige Verbindungen：接合部分）が形成されている。所謂ＤＢＣまたはＤＣＢ（ＤＢＣ：直接ボンド銅；ＤＣＢ：直接銅ボンド）複合基板の使用が一般的である。ここで、銅は、セラミック・プレート上に直接ラミネート（積層）されている。これらの基板は、良好な電気絶縁性および熱伝導性を有する。但し、これらの基板の欠点は、製造方法に起因して、それらのサイズが約１３０ｍｍ×１８０ｍｍに制限されることである。さらに、固体セラミックは塑性変形性がなく、従って、機械的ストレス（応力）の影響を受けやすい。ＤＣＢ技術の別の欠点は、ラミネート（積層体）の製造価格が高いことである。
【０００５】
図１は、ゼーベック効果によって熱エネルギを電気エネルギに変換するための通常の熱電モジュール１の斜視図を示している。熱電モジュール１は、ＤＣＢ接続（接合）技術（ＤＣＢ：Direct Copper Bond）によって製造される。従って、既知の熱電モジュール１は、それぞれ高温側および低温側に配置された２つの平行なセラミック・プレート２を有する。図面において、下側セラミック・プレート２が、低温側に配置され、銅製の多数のコンタクト・パッド（導体パッド、接触パッド）３を支持し、それによって、個々のコンタクト・パッド３はそれぞれｐ型脚部４およびｎ型脚部５に電気的に接触して、個々の熱電対を直列に電気的に接続するようになっている。ｐ型脚部４またはｎ型脚部５とその関連するコンタクト・パッド３との間の接続は、焼結接続、接着接続またはハンダ接続６によって形成される。
【０００６】
既知のＤＣＢ接続技術の欠点は、製造コストが比較的高いことである。さらに、セラミック・プレート２は衝撃および熱衝撃に対して影響を受けやすくまたは敏感でありまたは弱い。最後に、既知の熱電モジュール１は、サイズおよび横方向の広り（Ausdehnung：拡張）が制限される。
【０００７】
また、本発明の技術的背景について、独国特許出願公開第１０２０１６００６０６４号、米国特許出願公開第２０１６／０２０４３２９号、米国特許出願公開第２０１１／００１７２５４号、特開２００５−３１７８３４号公報、米国特許出願公開第２００２／０１８９６６１号および米国特許出願公開第２０１６／０３１５２４２号も参照されたい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２０１６００６０６４号
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１６／０２０４３２９号
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１１／００１７２５４号
【特許文献４】特開２００５−３１７８３４号公報
【特許文献５】米国特許出願公開第２００２／０１８９６６１号
【特許文献６】米国特許出願公開第２０１６／０３１５２４２号
【０００９】
従って、本発明は、それに応じて改善された熱電モジュールを実現するという目的または課題に基づくものである。
【００１０】
本発明による熱電モジュールは、最初に、技術水準によるベース・プレート（底板、基板）を有する。ここで留意すべきこととして、ベース・プレート、および熱電モジュールの他の層も平坦であることが好ましい。しかし、理論的には、ベース・プレートおよび他の層を湾曲させることも可能である。
【００１１】
さらに、技術水準によれば、本発明による熱電モジュールは、各々が２つの脚部を有する多数の熱電対を含み、それらの熱電対は、電気的に直列に接続され、ベース・プレート上に取り付けられる。誤解を避けるために、留意すべきこととして、本発明の文脈において、全ての熱電対を電気的に直列に接続する必要があるわけではない。例えば、複数の熱電対をそれぞれ各グループで直列に接続させ、さらにその複数のグループを互いに並列に接続させることも可能である。
【００１２】
しかし、その技術水準とは対照的に、本発明による熱電モジュールのベース・プレートは、セラミック材料からなるのではなく、金属材料（例えば、銅、アルミニウム、ステンレス鋼）からなる。
【００１３】
これにより、熱電モジュールをよりコスト効率良く製造できるという利点が得られる。さらに、ベース・プレートとして金属プレートを使用すると、はるかに大きいフォーマット（サイズ、構成）が可能になる。最後に、本発明による熱電モジュールは、セラミック製のベース・プレートよりも機械的にはるかに影響を受けにくいまたは感度が低い。
【００１４】
本発明の好ましい実施形態において、金属ベース・プレートは、熱電モジュールの低温側に、即ち、動作期間中に反対の高温側より低い温度に曝される熱電モジュールの一側部に、配置される。
【００１５】
さらに、熱電モジュールは、一方の金属ベース・プレートと他方の熱電対の間に配置された絶縁層であって、金属ベース・プレートを熱電対から電気的に絶縁しそのベース・プレート上に熱電対を固定するのに役立つ絶縁層を、低温側に有する。この絶縁層は、有機接着層からなる。
【００１６】
有機絶縁層の良好な熱伝導率を達成するために、絶縁層は、セラミック材料で少なくとも部分的に満たすことができる。
【００１７】
さらに、本発明によれば、熱電モジュールは、接触側の絶縁層上に複数の導電性コンタクト・パッドを含むことが、好ましい。個々のコンタクト・パッドは、それぞれ、本発明による熱電モジュールにおいて一連の電気的直列接続の熱電対における（に関する）相異なる熱電対の２つの脚部に接触する働きをする。
【００１８】
さらに、本発明による熱電モジュールは、絶縁層上のコンタクト・パッドを覆ってそれらを腐食から保護する腐食防止層を低温側に有することが、好ましい。例えば、この腐食保護層は、技術水準で知られているニッケル−金層からなるものとすることができる。
【００１９】
さらに、熱電対を導電性の熱伝導プレートから絶縁するために、電気絶縁層（例えば、セラミック層）が高温側に設けられる。
【００２０】
高温側の絶縁層と熱電対の間に別の中間層（例えば、グラファイト（黒鉛）フィルム（薄片、箔、フォイル、膜）を配置して、表面の凹凸（Oberflaechenunebenheiten）を補償することができる。
【００２１】
さらに、熱電対を電気的に直列に接続するために、相異なる熱電対の２本の脚部に接触させるための多数の導電性コンタクト・パッドが高温側に設けられる。
【００２２】
また、高温側のコンタクト・パッドも、コンタクト・パッドの腐食を防止するために、腐食保護層（例えば、ニッケル−金層）で覆うこともできる。
【００２３】
さらに、本発明は、上述の発明の第１の態様（金属ベース・プレート）とは関係なく、保護を受ける発明の別の態様も含んでいる。従って、発明のこの別の第２の態様は、一方の高温側の熱電対と他方の低温側の熱電対の接触が異なる接合温度で行われることを規定する。一方の側のコンタクト・パッドと反対側の熱電対の脚部の間の接続は、高温側で、低温側での接合温度より高い接合温度で、例えば９００℃の温度でろう付け接続によって、形成されることが、好ましい。一方、低温側では、コンタクト・パッドと熱電対の脚部の間の接続は、低温側で、例えば３００℃の温度での軟質はんだ付けによって、行われる。熱電モジュールの高温側のろう付け（された）接合部が役立つのは、熱電モジュールが、内燃エンジンの排気システム（系、管）で使用されるときに、高温側で最高６００℃の温度に耐える必要がある場合においてである。この目的のためには、ろう付け合金（例えば、銀ベースのろう付け合金）が必要であるが、一方、軟質はんだ付け（された）接合部は、これらの比較的高い温度に耐えられないであろう。一方、熱電モジュールの低温側では、動作期間中の温度が最高１５０℃であるに過ぎず、そこでは軟質はんだ付け接合部で充分である。
【００２４】
従って、個々の熱電対は、最初に予め組み立てられることが好ましく、それによって、予め組み立てる期間中にろう付け接合部が形成される。次いで、その予め組み立てられたろう付けされた熱電対がベース・プレート上に取り付けられ、軟質はんだ付け接合部で接触される。この軟質はんだ接合部では、熱電モジュール全体を約３００℃に加熱するだけで済み、これ（温度）は、ろう付け接合部で加熱する場合よりも大幅に低い。これによって、熱電モジュールにおける機械的ストレス（応力）が減少する。さらに、製造方法の期間中におけるこれらの温度低下によって、製造コストが低減される。さらに、かなり大きいモジュールも可能である。最後に、複数対の脚部は、様々な異なるモジュール・タイプ（種類、型）にも使用でき、それによって標準化が可能になる。
【００２５】
上述の本発明の２つの態様（金属ベース・プレート、高温側のろう付けおよび低温側の軟質はんだ付け）に加えて、本発明は、以下に記載する本発明の第３の態様をも含んでいる。
【００２６】
本発明のこの第３の態様は、熱電モジュールの高温側の動作温度が空間的に変化し、その結果、個々の熱電対を、熱電モジュール内のその取り付け位置に応じて局所的に支配的な動作温度に適合化させることが有用である、という認識に基づく。従って、熱電対は、相異なる熱電対の異なる動作温度のために設計または設定された異なる熱電材料で形成されることが、好ましい。
【００２７】
本発明の好ましい実施形態において、熱電モジュールは、高温側で動作期間中に、熱電モジュールの高温側の温度が高温ゾーンから低温ゾーンへと低下するような、高温側（の側辺）に平行な温度勾配に曝される（置かれる）。次いで、高温ゾーンにおける熱電対は、低温ゾーンにおける動作温度より高い動作温度用に設計されていることが、好ましい。
【００２８】
例えば、高温の範囲における熱電対は、少なくとも一部が、高温安定なハーフホイスラー合金（Halb-Heusler-Legierungen）、スクッテルダイト（Skutterudit）、ケイ化物（silicide）、またはテルル化鉛からなるものであってもよく、一方、低温の範囲における熱電対は、少なくとも一部がテルル化ビスマスからなるものである。
【００２９】
本発明による熱電モジュールの構造によって、熱電モジュールに非常に多数の熱電対を設けることが可能になり、それによって、熱電対の数は、例えば、１００（個）より、２００より、４００よりまたはさらには６００より多くすることができる。
【００３０】
熱電対用の個々のコンタクト・パッドは、例えば、長さ２ｍｍ〜１０ｍｍ、幅０．５ｍｍ〜４ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ〜１ｍｍを有することができる。
【００３１】
熱電対の個々の脚部は、それぞれ太さ０．３ｍｍ〜３ｍｍおよび長さ０．３ｍｍ〜３ｍｍを有することができる。
【００３２】
例えば、熱電モジュールのベース・プレートは、少なくとも２ｃｍ、少なくとも４ｃｍ、またはさらには少なくとも１５ｃｍの端縁長さを有することができる。
【００３３】
金属ベース・プレート上の絶縁層に関して、留意すべきこととして、これは、例えば５μｍ〜１００μｍの層厚を有することができる。
【００３４】
金属ベース・プレートの金属材料は、幾つかの例を挙げると、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金またはステンレス鋼であり得る。しかし、本発明は、金属ベース・プレートの金属材料に関してこれらの例に限定されるものではない。
【００３５】
また、留意すべきこととして、本発明は、単一構成要素（部品）としての上述の熱電モジュールの保護を保護を求めるだけではない。むしろ、本発明は、高温ガス流の廃熱から電気を生成するためのそのような熱電モジュールを備えた内燃エンジンの完全な排気システム（系、管）の保護をも求める。
【００３６】
さらに、本発明は、本発明による熱電モジュールが配置された排気システム（系、管）を備えた全体的な（完全な）内燃エンジン（例えば、オットー（Otto）エンジン、ディーゼル・エンジン）の保護をも求める。
【００３７】
最後に、本発明は、対応する製造方法の保護をも求める。本発明による製造方法の個々のプロセス・ステップ（工程）は、熱電モジュールの上述の説明から得られるので、個々のプロセス・ステップの別個の説明は必要ではない。
【００３８】
本発明の他の有利な他の展開形態が、従属請求項に示され、または図面を用いた本発明の好ましい実施形態の説明と共に以下でより詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１は、通常の発電用の熱電モジュールの斜視図である。
【図２】図２は、本発明による熱電モジュールの一部の（切欠いた）斜視図である。
【図３】図３は、層状構造を例示するための、本発明による熱電モジュールの熱電対の断面図である。
【図４】図４Ａは、本発明の熱電モジュールの単一の熱電対の側面図である。図４Ｂは、図４Ａに示された熱電対の平面図である。
【図５】図５は、本発明による熱電モジュールの金属ベース・プレートの平面図を示している。
【図６】図６は、本発明による製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図７】図7は、電気負荷に電力を供給するために使用される熱電対の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
図２乃至５は、本発明による熱電モジュール７の相異なる図を示し、これ（モジュール）は、例えば、熱電モジュール７を内燃エンジン（例えば、オットー・エンジン、ディーゼル・エンジン）の高温排出ガス流に曝すことによって熱電発電に使用することができる。
【００４１】
本発明による熱電モジュール７は、最初に、金属（例えば、銅、アルミニウム、ステンレス鋼）製の低温側のベース・プレート８を有する。
【００４２】
金属ベース・プレート８は、有機接着剤の電気絶縁層９を支持して、コンタクト・パッド１０がベース・プレート８に容易に接着できるようにされる。
【００４３】
導電性コンタクト・パッド１０は、絶縁層９に付着され、コンタクト・パッド１０の腐食を防止するために腐食保護層１１（例えば、ニッケル−金層）で覆われる。絶縁層９は、導電性ベース・プレート８を介したコンタクト・パッド１０相互間の短絡を防止する。
【００４４】
熱電モジュール７において、熱電対２２の脚部１３は、軟質はんだ接続１２によって低温側のコンタクト・パッド１１に接続される。
【００４５】
まず、熱電モジュール７の高温側に隣接して、最初に、熱伝導プレート１５が存在し、これ（プレート）は、例えばステンレス鋼で形成することができ、使用される熱源（例えば、高温ガス流）への熱結合に役立つ。この熱伝導プレートは、実際の熱電モジュールそのものには属しておらず、説明のためにだけ示されている。
【００４６】
その下には中間層１６があり、これ（中間層）は、例えばグラファイト・フィルム（folie：薄片、箔、フォイル、膜）からなるものであってもよく、表面の凹凸を補償する役割を果たす。
【００４７】
この後に絶縁層１７が続き、これ（絶縁層）は、熱電モジュール７の高温側で発生する高温に耐えるセラミックで形成される。
【００４８】
次いで、表面の凹凸を補償するために、任意の中間層１８が加えられる。この層は、例えば、グラファイト、窒化ホウ素または金属はんだ、からなるものとすることができる。
【００４９】
この後に個々のコンタクト・パッド１９が続き、次いで、これ（パッド）は、腐食保護層（２０）（例えば、ニッケル−金層）で被覆（コーティング）される。絶縁層１７は、導電性熱伝導プレート１５を介したコンタクト・パッド１９相互間の短絡を防止する。
【００５０】
一方の個々の熱電対の脚部１３と他方の高温側のコンタクト・パッド１９の間の接続は、ここでは、熱電モジュール７の高温側で発生する高温に耐えることができる、例えばろう付け接合部２１、によって形成される。
【００５１】
図３は、単一熱電対２２の断面図を示しているが、図５は、ベース・プレート８が複数のコンタクト・パッド１０を支持して、熱電モジュール７が、直列に接続された複数の熱電対２２を含むことができるようになっていること、を示している。
【００５２】
図４Ａおよび４Ｂから、高温側のコンタクト・パッド１９が、例えば、長さＬ＝４．５ｍｍ、厚さＤ＝０．３ｍｍおよび幅Ｂ＝１．８ｍｍを有し得ることが分かる。
【００５３】
熱電対２２の個々の脚部１３は、それぞれ、太さｂ＝１ｍｍを有することができる。
【００５４】
さらに、高温（加熱）側のコンタクト・パッド１９が半径Ｒ＝０．９ｍｍを有することができ、それによって、丸みを帯びた側が整列検出または方向検出を可能にすることが、分かる。
【００５５】
図５は、さらに、熱電モジュール７が高温ガス流に曝されることを示しており、それ（ガス流）は図では上から下に垂直方向に流れる。一方、熱電モジュール７の低温側では、図の左から右の水平方向に冷却水が流れる。これは、熱電モジュール７の高温側の温度が均一ではないことを意味する。むしろ、高温ゾーン（区域、領域）２３の温度は、熱電モジュール７の高温側の後続の低温ゾーン（区域、領域）２４の温度よりも高い。従って、個々の熱電対２２は、局所的に変動する動作温度に適合化される。高温ゾーン２３における熱電対２２は、例えば、高温において非常に安定であるハーフホイスラー合金で形成される。一方、低温ゾーン２４における熱電対２２は、より低い温度範囲に最適化されたテルル化ビスマスからなる。
【００５６】
以下では、フローチャートの形で図６に示された、本発明による製造方法を説明する。
【００５７】
最初の工程Ｓ１において、最初に、個々の熱電対２２が製造され、その際、脚部１３が、例えばろう付け接合部によって、高温側のコンタクト・パッド１９に接続される。誤解を避けるために、留意すべきこととして、導電性および温度安定性の要件を満たす任意の他の接合技術、例えば焼結、も利用可能である。熱電モジュール７が高温側で非常に高い動作温度に曝される可能性があるので、熱電モジュール７の高温側のろう付け接合部は有利である。
【００５８】
工程Ｓ２において、コンタクト・パッド１０は、絶縁層９を介してベース・プレート８に接着される。
【００５９】
工程Ｓ３において、次いで、腐食保護層１１がコンタクト・パッド１０に付着または塗布される。
【００６０】
工程Ｓ４において、次いで、予め組み立てられた熱電対２２が、低温側の電気コンタクト・パッド１０に接続される。この接続は、例えば約３００℃で軟質はんだ付けによって、行われる。重要なこととして、このプロセス期間における接合温度は、熱電対の予め組み立てた組立体（Vormontage：事前組立）を分解（loesen：解除、解決）するのに必要となるであろう温度よりも低い。ここで有利な軟質はんだ付けプロセスは、熱電モジュール７の高温側でのろう付けプロセスよりもはるかに低い温度を生成する。これには、熱電モジュール７を約３００℃に加熱するだけで済むという利点がある。また、これによって、ろう付けプロセス期間中に生じる熱電モジュール７の機械的ストレス（応力）が低減される。別の利点は、製造コストの低減であり、より大きい熱電モジュール７が実現可能である。最後に、個々の対をなす脚部は、様々な相異なるモジュール・タイプにも使用でき、それによって標準化が可能になる。
【００６１】
次いで、表面の凹凸を補償するために、高温側に、工程Ｓ５において中間層１８が任意に付着または塗布される。
【００６２】
工程Ｓ６において、次いで、セラミック製の高温側の絶縁層１７が付着または塗布される。絶縁層１７用の材料としてセラミックを使用することは重要である。その理由は、高温側で非常に高い温度が生じるので、絶縁層１７がそれに応じて耐熱性である必要があるからである。
【００６３】
工程Ｓ７において、次いで、中間層１６が、表面の凹凸を補償するために付着されまたは塗布される。
【００６４】
個々の熱電対２２の脚部１３相互間の空間は、空いたままであり、従って、動作期間中は空気で満たされ、それによって良好な断熱性が形成される。しかし、任意に、その隙間の空間は、例えば繊維セメントのような高断熱性の固体材料を充填することもできる。
【００６５】
図７の概略図は、熱電対の両脚部が低温側および高温側の金属コンタクト（接点）に接触することを示している。高温側の熱伝導プレート１５から低温側のベース・プレート８への熱流束ｄＱ／ｄｔは、対応する温度差の結果であり、これ（温度差）が対応する熱電電圧を生じさせる。
【００６６】
本発明は、上述の好ましい実施形態に限定されない。むしろ、本発明の思想を利用し従って保護の範囲内にある多数の変形例および変形が可能である。特に、本発明は、それぞれの場合に参照される請求項とは無関係に、特に主請求項の特徴がない場合についても、従属請求項の構成および特徴の保護をも求める。さらに、留意すべきこととして、本発明は、互いに独立して保護される本発明の以下の態様を含んでいる。
−  セラミックに代わる金属製のベース・プレート、
−  高温側のろう付け接合部および低温側の軟質はんだ接合部、
−  動作温度の局所的な変動に応じた様々な熱電対材料。
従って、本発明のこれらの態様は、互いに独立に保護を受けることができる。
【符号の説明】
【００６７】
１  技術水準による熱電モジュール
２  セラミック・プレート
３  コンタクト・パッド
４  熱電対のｐ型の脚部
５  熱電対のｎ型の脚部
６  はんだ付け接続
７  本発明による熱電モジュール
８  金属（例、銅）製の低温側のベース・プレート
９  接着剤の絶縁層
１０  低温側のコンタクト・パッド
１１  低温側のコンタクト・パッド上の腐食保護層
１２  表面の凹凸を補償するための低温側のグラファイト中間層
１３  熱電対の脚部
１４  低温側の軟質はんだ接続
１５  高温側の熱伝導プレート
１６  表面の凹凸を補償するための高温側のグラファイト中間層
１７  高温側のセラミック絶縁層
１８  表面の凹凸を補償するための高温側のグラファイト中間層
１９  高温側のコンタクト・パッド
２０  高温側の腐食保護層
２１  高温側のろう付け接合部
２２  熱電対
２３  熱電モジュールの高温側の高温ゾーン
２４  熱電モジュールの高温側の低温ゾーン
【図１】
2021515403.tif 000003
【図２】
2021515403.tif 000004
【図３】
2021515403.tif 000005
【図４】
2021515403.tif 000006
【図５】
2021515403.tif 000007
【図６】
2021515403.tif 000008
【図７】
2021515403.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】令和2年11月4日(2020.11.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特に内燃エンジンの排気システムにおける、熱電モジュール（７）であって、
ａ） ベース・プレート（８）と、
ｂ） それぞれ２つの脚部（１３）を有する複数の熱電対（２２）であって、少なくとも部分的に電気的に直列に接続され前記ベース・プレート（８）に取り付けられた複数の熱電対（２２）と、
を有し、
特徴として、
ｃ） 前記ベース・プレート（８）は金属材料からなるものである、
熱電モジュール（７）。
【請求項２】
前記熱電モジュール（７）が高温側および低温側を有し、前記金属ベース・プレート（８）が前記熱電モジュール（７）の前記低温側に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の熱電モジュール（７）。
【請求項３】
ａ）一方の前記金属ベース・プレート（８）と他方の前記熱電対（２２）の間に、前記金属ベース・プレート（８）を前記熱電対（２２）から電気的に絶縁するための、低温側の絶縁層（９）が設けられ、前記低温側の絶縁層（９）は、好ましくは、
ａ１） 前記金属ベース・プレート（８）に接着された接着剤層であり、および／または
ａ２） 前記絶縁層（９）の良好な熱伝導率を達成するために少なくとも部分的にセラミック材料で満たされているものであること、および／または
ｂ） 相異なる熱電対（２２）を電気的に直列接続するために前記相異なる熱電対（２２）の２つの脚部（１３）に電気的に接触するための複数の導電性コンタクト・パッド（１０）が前記低温側の絶縁層（６）上に設けられていること、および／または
ｃ） 前記低温側の絶縁層（９）上の前記コンタクト・パッド（１０）を覆い前記コンタクト・パッド（１０）を腐食から保護する低温側の腐食保護層（１１）が、特にニッケル−金層として、設けられること、および／または
ｄ） 前記熱電モジュール（７）を熱源に熱結合するための、特にステンレス鋼製の、高温側の熱伝導プレート（１５）が設けられること、および／または
ｅ）前記熱伝導プレート（１５）と前記熱電対（２２）の間に、表面の凹凸を補償するための、特にグラファイト・フィルムの形態の、高温側の第１の中間層（１６）が設けられること、および／または
ｆ） 前記熱伝導プレート（１５）に対して前記熱電対（２２）を電気的に絶縁するための高温側の絶縁層（１７）が、特にセラミック層として、設けられること、および／または
ｇ） 前記高温側の絶縁層（１７）と前記熱電対（２２）の間に、表面の凹凸を補償するための高温側の第２の中間層（１８）が、特にグラファイト・フィルムとして、設けられること、および／または
ｈ） 相異なる熱電対（２２）を電気的に直列接続するために前記相異なる熱電対（２２）の２つの脚部（１３）に電気的に接触するための複数の高温側の導電性コンタクト・パッド（１９）が設けられること、および／または
ｉ） 前記高温側のコンタクト・パッド（１９）上に前記高温側のコンタクト・パッド（１９）を腐食から保護するための高温側の腐食保護層（２０）が、特にニッケル−金層として、設けられること、
を特徴とする、請求項１または２に記載の熱電モジュール（７）。
【請求項４】
ａ） 相異なる熱電対（２２）を電気的に直列接続するために前記相異なる熱電対（２２）の２つの脚部（１３）にそれぞれ電気的に接触するための前記熱電モジュール（７）の高温側の複数の導電性コンタクト・パッド（１９）であって、ろう付け接続（２１）によって前記熱電対（２２）の前記脚部（１３）に接続された高温側の複数の導電性コンタクト・パッド（１９）が設けられ、
ｂ） 相異なる熱電対（２２）を電気的に直列接続するために前記相異なる熱電対（２２）の２つの脚部（１３）にそれぞれ電気的に接触するための前記熱電モジュール（７）の低温側の複数の導電性コンタクト・パッド（１０）であって、軟質はんだ接続（１４）によって前記熱電対（２２）の前記脚部（１３）に接続された低温側の複数の導電性コンタクト・パッド（１０）が設けられること
を特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の熱電モジュール（７）。
【請求項５】
前記熱電対（２２）は、前記相異なる熱電対（２２）における相異なる動作温度用に設計された相異なる熱電材料からなるものであることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の熱電モジュール（７）。
【請求項６】
ａ） 前記熱電モジュール（７）は、動作状態で、前記熱電モジュール（７）の前記高温側の前記温度が高温ゾーン（２３）から低温ゾーン（２４）へと低下する形態の、前記高温側に平行な前記高温側の温度勾配に曝されること、および
ｂ） 前記高温ゾーン（２３）における前記熱電対（２２）は、前記低温ゾーン（２４）における動作温度より高い動作温度用に設計されること
を特徴とする、請求項５に記載の熱電モジュール（７）。
【請求項７】
ａ） 前記高温ゾーン（２３）における前記熱電対（２２）が、少なくとも部分的に、次の材料
ａ１） 高温安定なハーフホイスラー合金、
ａ２） スクッテルダイト、
ａ３） ケイ化物、
ａ４） テルル化鉛、
の中の１種の材料からなること、および／または
ｂ） 前記低温ゾーン（２４）における前記熱電対（２２）が、少なくとも部分的にテルル化ビスマスからなること
を特徴とする、請求項６に記載の熱電モジュール（７）。
【請求項８】
ａ） 前記熱電モジュール（７）における前記熱電対（２２）の数が、１００より、２００より、４００よりまたは６００より大きいこと、および／または
ｂ） 前記熱電対（２２）用の前記個々のコンタクト・パッドが、それぞれ長さ２ｍｍ〜１０ｍｍ、３ｍｍ〜７ｍｍまたは４ｍｍ〜５ｍｍを有すること、および／または
ｃ） 前記熱電対（２２）用の前記個々のコンタクト・パッド（１０、１９）が、それぞれ幅０．５ｍｍ〜４ｍｍ、１ｍｍ〜３ｍｍまたは１．５ｍｍ〜２ｍｍを有すること、および／または
ｄ） 前記熱電対（２２）用の前記個々のコンタクト・パッド（１０、１９）が、それぞれ厚さ０．１ｍｍ〜１ｍｍ、０．２ｍｍ〜０．５ｍｍまたは０．２５ｍｍ〜０．３５ｍｍを有すること、および／または
ｅ） 前記熱電対（２２）の前記個々の脚部（１３）が、それぞれ厚さ０．５ｍｍ〜２ｍｍ、０．７ｍｍ〜１．５ｍｍまたは０．８ｍｍ〜１．２ｍｍを有すること、および／または
ｆ） 前記熱電対（２２）の前記個々の脚部（１３）が、それぞれ長さ０．５ｍｍ〜３ｍｍ、１ｍｍ〜２ｍｍまたは１．３ｍｍ〜１．７ｍｍを有すること、および／または
ｇ） 前記ベース・プレート（８）が、少なくとも２ｃｍ、少なくとも４ｃｍまたは少なくとも８ｃｍの端縁長さを有すること、および／または
ｈ） 前記金属ベース・プレート（８）上の前記絶縁層（９）が、層厚さ１０μｍ〜１００μｍ、２０μｍ〜７０μｍまたは３０μｍ〜５０μｍを有すること、および／または
ｉ） 前記金属ベース・プレート（８）の前記金属材料が、次の材料
ｉ１） 銅または銅合金、
ｉ２） アルミニウムまたはアルミニウム合金、
ｉ３） ステンレス鋼
の中の１種の材料であること
を特徴とする、請求項１乃至７のいずれかに記載の熱電モジュール（７）。
【請求項９】
熱ガス流中に配置された熱電モジュール（７）を有する、前記内燃エンジンからの前記熱ガス流を導き出しまたは迂回させるための内燃エンジンの排気システムであって、
前記熱電モジュール（７）が請求項１乃至８のいずれかに記載の熱電モジュールの設計のものであることを特徴とする、排気システム。
【請求項１０】
ａ） 前記熱電モジュール（７）は、その低温側が冷媒流に、特に冷却水流に、曝され、前記冷媒流が、前記熱電モジュール（７）の高温側の前記熱ガス流に対して、横切る方向に、特に直角方向に、向いていること、および／または
ｂ） 前記冷媒流に対して横切る方向の温度勾配は、前記熱電モジュール（７）の前記高温側で現れて、前記熱電モジュール（７）の前記高温側の温度が高温ゾーン（２３）から低温ゾーン（２４）へと低下する形態のものであること、および／または
ｃ） 前記高温ゾーン（２３）における前記熱電対（２２）が、前記低温ゾーン（２４）における動作温度より高い動作温度用に設計されていること、
を特徴とする、請求項９に記載の排気システム。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載の排気システムを有する内燃エンジン、特にオットー・エンジンまたはディーゼル・エンジン。
【請求項１２】
熱電モジュール（７）の、特に請求項１乃至８のいずれかに記載の熱電モジュール（７）の、製造方法であって、
ａ） ベース・プレート（８）を供給する工程と、
ｂ） 前記ベース・プレート（８）上に複数の熱電対（２２）を取り付ける工程と、
を含み、
特徴として、
ｃ） 前記ベース・プレート（８）は金属材料からなるものである、
製造方法。
【請求項１３】
ａ） 前記低温側に配置される前記金属ベース・プレート（８）を前記熱電対（２２）から電気的に絶縁するために、前記金属ベース・プレート（８）に低温側の絶縁層（９）を、特に接着剤層を、付着させまたは塗布する工程、および／または
ｂ） 複数の導電性コンタクト・パッド（１０）を前記絶縁層（９）に付着させる工程、および／または
ｃ） 腐食防止層（１１）を前記コンタクト・パッド（１０）に付着させる工程、および／または
ｄ） 表面の凹凸を補償するために、特にグラファイト・フィルムとしての、中間層（１２）を前記コンタクト・パッド（１０）に付着させる工程、および／または
ｅ） 前記熱電対（２２）を前記絶縁層（９）上の前記コンタクト・パッド（１０）上に取り付ける工程、および／または
ｆ） 表面の凹凸を補償するために、特にグラファイト・フィルムとしての、第１の中間層（１８）を前記熱電対（２２）に付着させる工程、および／または
ｇ） 電気絶縁のために高温側の絶縁層（１７）を付着させまたは塗布する工程、および／または
ｈ） 表面の凹凸を補償するために、特にグラファイト・フィルムとしての、第２の中間層（１６）を前記絶縁層（１７）に付着させる工程、および／または
ｉ） 前記熱電モジュール（７）を熱源に熱結合させるために、特にステンレス鋼製の、高温側の熱伝導プレート（１５）を付着させる工程、
を含む、請求項１２に記載の製造方法。
【請求項１４】
ａ） 熱電対（２２）を形成するために、ろう付けすることによって熱電材料の各２つの脚部（１３）を導電性コンタクト・パッドに接続する工程と、
ｂ） 軟質はんだ付けによって前記熱電対（２２）を前記低温側のベース・プレート（８）に接続する工程と、
を含むことを特徴とする、請求項１２または１３に記載の製造方法。
【請求項１５】
ａ）前記複数の熱電対（２２）が個々に予め組み立てられ、
ｂ） 次いで、予め組み立てられた複数の前記熱電対（２２）が前記金属ベース・プレート（８）に共に接続されること、
を特徴とする、請求項１４に記載の製造方法。
【請求項１６】
ａ） 前記熱電モジュール（７）は、動作状態で、前記熱電モジュール（７）の前記高温側の温度が高温ゾーン（２３）から低温ゾーン（２４）へと低下する形態の、前記高温側に平行な温度勾配に曝されること、および
ｂ） 前記高温ゾーン（２３）における前記熱電対（２２）は、前記低温ゾーン（２４）における動作温度より高い動作温度用に設計されること、
を特徴とする、請求項１２乃至１５のいずれかに記載の製造方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は、特に内燃エンジン（機関）の排気システム（系、管）における、熱電モジュールに関する。さらに、本発明は、そのような熱電モジュールの製造方法に関する。
【国際調査報告】
2021515403.tif 000010
2021515403.tif 000011
2021515403.tif 000012
2021515403.tif 000013
2021515403.tif 000014
2021515403.tif 000015