(57)【要約】本発明は、高温領域と低温領域（１ａ、１ｂ）とを有し、第１のセラミック層（６）及びこの第１のセラミック層（６）に取り付けられる第１の構造化された金属被覆（４）を備える、高温領域に割り当てられた少なくとも１つの第１の金属−セラミック基板（２）、第２のセラミック層（７）及びこの第２のセラミック層に取り付けられる第２の構造化された金属被覆（５）を備える、低温領域（１ｂ）に割り当てられた少なくとも１つの第２の金属−セラミック基板（４）、ならびに金属−セラミック基板（２、３）の第１と第２の構造化された金属被覆（４、５）の間に支持されている多数の熱電発電機構成部品（Ｎ、Ｐ）を備える熱電発電機モジュ−ルに関する。とくに有利には、高温領域（１ａ）に割り当てられている第１の金属−セラミック基板（２）が少なくともスチ−ル層もしくはステンレス層（８）を有しており、第１のセラミック層（６）が、第１の構造化された金属被覆（４）と、少なくとも１つのスチ−ル層もしくはステンレス層（８）との間に配置されている。さらに、本発明の対象は、付属する金属−セラミック基板ならびにその製造方法である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温領域と低温領域（１ａ、１ｂ）とを有し、第１のセラミック層（６）及び該第１のセラミック層（６）に取り付けられる第１の構造化された金属被覆（４）を備える、前記高温領域に割り当てられた少なくとも１つの第１の金属−セラミック基板（２）、第２のセラミック層（７）及び該第２のセラミック層に取り付けられる第２の構造化された金属被覆（５）を備える、前記低温領域に割り当てられた少なくとも１つの第２の金属−セラミック基板（４）、ならびに前記金属−セラミック基板（２、３）の前記第１と前記第２の構造化された金属被覆（４、５）の間に支持されている多数の熱電発電機構成部品（Ｎ、Ｐ）を備える熱電発電機モジュ−ルであって、
前記高温領域（１ａ）に割り当てられている前記第１の金属−セラミック基板（２）が少なくとも１つのスチ−ル層もしくはステンレス層（８）を有しており、前記第１のセラミック層（６）が、前記第１の構造化された金属被覆（４）と、少なくとも１つの前記スチ−ル層もしくはステンレス層（８）との間に配置されていることを特徴とするモジュ−ル。
【請求項２】
前記第１のセラミック層（６）と少なくとも１つの前記スチ−ル層もしくはステンレス層（８）との間に少なくとも１つの銅層（９）が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載のモジュ−ル。
【請求項３】
前記低温領域（１ｂ）に割り当てられている前記第２の金属−セラミック基板（３）が少なくとも１つの耐腐食性金属層（１０）を有しており、前記第２のセラミック層（７）が前記第２の構造化された金属被覆（５）と前記耐腐食性金属層（１０）との間に配置されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のモジュ−ル。
【請求項４】
前記耐腐食性金属層（１０）が、ステンレス層、アルミニウム層又は銅層によって形成されていることを特徴とする、請求項３に記載のモジュ−ル。
【請求項５】
前記第１及び前記第２の金属被覆が、複数の金属接触面（４’、５’）を形成するように構造化されており、該接触面は、好ましくは矩形及び／又は正方形に形成されていることを特徴とする、請求項１〜４のうちいずれか一項に記載のモジュ−ル。
【請求項６】
矩形の金属接触面（４’、５’）の長辺（ａ）が、その短辺（ｂ）のほぼ２倍の長さであることを特徴とする、請求項５に記載のモジュ−ル。
【請求項７】
前記矩形の金属接触面（４’、５’）の前記長辺（ａ）がモジュ−ル横方向軸（ＱＡ）に対して平行に通り、前記矩形の金属接触面（４’、５’）の前記短辺（ｂ）がモジュ−ル長手方向軸（ＬＡ）に対して平行に通っていることを特徴とする、請求項５又は６に記載のモジュ−ル。
【請求項８】
前記長辺（ａ）の長さが０．５ｍｍ〜１０ｍｍであり、前記短辺（ｂ）の長さが０．２ｍｍ〜５ｍｍであることを特徴とする、請求項５〜７のうちいずれか一項に記載のモジュ−ル。
【請求項９】
前記金属接触面（４’、５’）が、マトリックス状にそれぞれの前記セラミック層（６、７）の表面に配置されていることを特徴とする、請求項５〜８のうちいずれか一項に記載のモジュ−ル。
【請求項１０】
前記矩形の金属接触面（４’、５’）が、前記モジュ−ル長手方向軸（ＬＡ）に対して平行に通る列（Ｒ１、Ｒ２、Ｒｘ）、ならびに前記モジュ−ル横方向軸（ＱＡ）に対して平行に通る段（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓｙ）を形成していることを特徴とする、請求項９に記載のモジュ−ル。
【請求項１１】
２つの隣り合う矩形の金属接触面（４’、５’）が、前記モジュ−ル横方向軸（ＱＡ）の方向に０．１ｍｍ〜２ｍｍの間隔（ｄ）を有していることを特徴とする、請求項５〜１０のうちいずれか一項に記載のモジュ−ル。
【請求項１２】
２つの隣り合う矩形の金属接触面（４’、５’）が、前記モジュ−ル長手方向軸（ＬＡ）の方向に０．１ｍｍ〜２ｍｍの間隔（ｃ）を有していることを特徴とする、請求項５〜１１のうちいずれか一項に記載のモジュ−ル。
【請求項１３】
互いに間隔をあけてそれぞれの前記セラミック層（６、７）の上に配置されている前記矩形の金属接触面（４’、５’）の間に、切断線もしくは規定破断線（１１、１１’）が前記セラミック層（６、７）の中に入れられており、これらの前記線は、好ましくは前記モジュ−ル横方向軸（ＱＡ）の方向及び／又は前記モジュ−ル長手方向軸（ＬＡ）の方向に通っていることを特徴とする、請求項５〜１２のうちいずれか一項に記載のモジュ−ル。
【請求項１４】
前記切断線もしくは規定破断線（１１、１１’）は、溝、刻み目及び／又は点の形態で、及び／又は微小亀裂を入れることで実現されていることを特徴とする、請求項１３に記載のモジュ−ル。
【請求項１５】
前記切断線もしくは規定破断箇線（１１、１１’）の溝、刻み目及び／又は点は、前記金属被覆（４、５）を支持している前記セラミック層（６、７）の表面（６’、７’）から出発して、それぞれの前記セラミック層（６、７）の厚さの少なくとも１０分の１にかけて延びていることを特徴とする、請求項１４に記載のモジュ−ル。
【請求項１６】
前記分離線もしくは規定破断箇線（１１、１１’）の溝、刻み目及び／又は点が、前記セラミック層（６、７）のレ−ザ−処理又は機械加工プロセスによって作られることを特徴とする、請求項１４又は１５に記載のモジュ−ル。
【請求項１７】
前記セラミック層（６、７）が、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素又はジルコニア強化アルミナから製造されており、好ましくは層の厚さが０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲にあることを特徴とする、請求項１〜１６のうちいずれか一項に記載のモジュ−ル。
【請求項１８】
前記第１及び第２の構造化された金属被覆（４、５）が、金属層もしくは金属箔の形態で、とくに好ましくは銅もしくは銅合金から形成されており、好ましくは層の厚さが０．０３ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲にあることを特徴とする、請求項１〜１７のうちいずれか一項に記載のモジュ−ル。
【請求項１９】
前記金属被覆（４、５）が、少なくとも部分的に金属の表面層を備えており、とくに、例えばニッケル、銀、又はニッケル合金もしくは銀合金から成る表面層を備えていることを特徴とする、請求項１〜１８のうちいずれか一項に記載のモジュ−ル。
【請求項２０】
前記熱電発電機構成部品（Ｎ、Ｐ）が、さまざまにド−プされた半導体材料から製造されたペルティエ素子の形態で形成されており、前記半導体材料の層の厚さが、好ましくは０．５ｍｍ〜８ｍｍの範囲にあることを特徴とする、請求項１〜１９のうちいずれか一項に記載のモジュ−ル。
【請求項２１】
前記スチ−ル層もしくはステンレス層（８）及び／又は前記耐腐食性金属層（１０）が複数の部分から形成されており、前記スチ−ル層もしくはステンレス層（８）及び／又は前記耐腐食性金属層（１０）の少なくとも２つの部分が、前記セラミック層（６、７）の少なくとも１つの表面部分（６’’’、７’’’）に外から自由にアクセスできるように、互いに間隔をあけて配置されていることを特徴とする、請求項１〜２０のうちいずれか一項に記載のモジュ−ル。
【請求項２２】
前記スチ−ル層もしくはステンレス層（８）及び／又は前記耐腐食性金属層（１０）が、構造化又形状付けされた状態で形成されていることを特徴とする、請求項１〜２１のうちいずれか一項に記載のモジュ−ル。
【請求項２３】
前記スチ−ル層もしくはステンレス層（８）及び／又は前記耐腐食性金属層（１０）が、前記セラミック層（６、７）の周縁部から外側へ突き出している部分に、周辺を取り囲む溝（１６、１６’）を有していることを特徴とする、請求項１〜２２のうちいずれか一項に記載のモジュ−ル。
【請求項２４】
少なくとも１つのセラミック層（６）及び該セラミック層（６）の上に取り付けられた少なくとも１つの構造化された金属被覆（４）を備える、請求項１〜２３のうちいずれか一項に記載の熱電発電機モジュ−ル（１）で使用するための金属−セラミック基板であって、
前記金属−セラミック基板（２）は、少なくとも１つのスチ−ル層もしくはステンレス層（８）を有しており、前記構造化された金属被覆（４）と、少なくとも１つの前記スチ−ル層もしくはステンレス層（８）との間に前記セラミック層（６）が配置されていることを特徴とする、金属−セラミック基板。
【請求項２５】
前記セラミック層（６）と少なくとも１つの前記スチ−ル層もしくはステンレス層（８）との間に少なくとも１つの銅層（９）が設けられていることを特徴とする、請求項２４に記載の金属−セラミック基板。
【請求項２６】
前記金属被覆（４）が多数の金属接触面（４’）を形成するように構造化されており、該接触面は、好ましくは矩形に形成され、互いに間隔をあけて配置されている、請求項２４又は２５に記載の金属−セラミック基板。
【請求項２７】
矩形の金属接触面（４’、５’）の長辺（ａ）が、その短辺（ｂ）のほぼ２倍の長さであり、好ましくは前記長辺（ａ）の長さが０．５ｍｍ〜１０ｍｍであり、前記短辺（ｂ）の長さが０．２ｍｍ〜５ｍｍであることを特徴とする、請求項２６に記載の金属−セラミック基板。
【請求項２８】
前記金属接触面（４’）が、マトリックス状に前記セラミック層（６）の表面に配置されており、とくに、列（Ｒ１、Ｒ２、Ｒｘ）と段（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓｙ）とに配置されていることを特徴とする、請求項２６又は２７に記載の金属−セラミック基板。
【請求項２９】
前記金属接触面（４’）の間には、切断線もしくは規定破断線（１１、１１’）が前記セラミック層（６）の中に入れられており、これらの前記線は、好ましくは、溝、刻み目及び／又は点の形態で、及び／又は微小亀裂を入れることで実現されていることを特徴とする、請求項２６〜２８のうちいずれか一項に記載の金属−セラミック基板。
【請求項３０】
前記切断線もしくは規定破断箇線（１１、１１’）の溝、刻み目及び／又は点は、前記金属被覆（４）を支持している前記セラミック層（６）の表面（６’）から出発して、前記セラミック層（６）の厚さの少なくとも１０分の１にかけて延びていることを特徴とする、請求項２９に記載の金属−セラミック基板。
【請求項３１】
前記セラミック層（６）が、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素又はジルコニア強化アルミナから製造されており、好ましくは層の厚さが０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲にあることを特徴とする、請求項２４〜３０のうちいずれか一項に記載の金属−セラミック基板。
【請求項３２】
前記構造化された金属被覆（４）が、金属層もしくは金属箔の形態で、とくに好ましくは銅もしくは銅合金から形成されており、好ましくは層の厚さが０．０３ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲にあることを特徴とする、請求項２４〜３１のうちいずれか一項に記載の金属−セラミック基板。
【請求項３３】
前記金属被覆（４）が、少なくとも部分的に金属表面層を備えており、とくに、例えばニッケル、銀、又はニッケル合金もしくは銀合金から成る表面層を備えていることを特徴とする、請求項２４〜３２のうちいずれか一項に記載の金属−セラミック基板。
【請求項３４】
具体的には熱電発電機モジュ−ル（１）用プリント回路基板の形態において、少なくとも１つのセラミック層（６）及び該セラミック層（６）に取り付けられる少なくとも１つの構造化された金属被覆（４）を備える金属−セラミック基板の製造方法であって、
前記セラミック層（６、７）の反対側の表面（６’）上に、直接又は間接的に少なくとも１つのスチ−ル層もしくはステンレス層（８）が取り付けられることを特徴とする、方法。
【請求項３５】
前記金属被覆（４）が、多数の金属接触面（４’、５’）を形成するように構造化されており、該接触面は、好ましくはマトリックス状に、前記セラミック層（６）の上に配置されていることを特徴とする、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
矩形の前記金属接触層（４’、５’）の間に、レ−ザ−処理又はノコ引きによって、好ましくは、溝、刻み目及び／又は点の形態で、及び／又は微小亀裂を入れることで切断線もしくは規定破断線（１１、１１’）が前記セラミック層（６、７）の中に入れられることを特徴とする、請求項３４及び３５に記載の方法。
【請求項３７】
アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素又はジルコニア強化アルミナから成る前記セラミック層（６）と、銅層もしくは銅合金から成る前記金属被覆（４）とがＤＣＢ接合又は活性ろう付けによって接合されることを特徴とする、請求項３４〜３６のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項３８】
前記スチ−ル層もしくはステンレス層（８）が、硬ろう付け、活性ろう付け又は接着によって前記セラミック層（６、７）と直接接合されることを特徴とする、請求項３４〜３７のうちいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に基づく熱電発電機モジュ−ル、請求項２４の上位概念に基づく付属の金属−セラミック基板、ならびに請求項３４の上位概念に基づく金属−セラミック基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電発電機の機能は、原理的に知られている。熱電発電機構成部品の高温領域と低温領域との間に生じる温度差によって熱流が発生し、この熱流が熱電発電機構成部品によって電気エネルギ−に変換される。このために、好ましくは熱電半導体材料から製造された熱電発電機構成部品が使用される。
【０００３】
現在、自動車分野においては、熱電発電機を使用して熱を電気エネルギ−に直接変換し、それによって例えば排出ガスの余熱から電気エネルギ−を回収して車両内部のエネルギ−システムに用いる研究が行われている。最初の知見では、これにより、車両の燃費が顕著に低減されると考えられていた。
【０００４】
しかし、ここで問題となるのは、熱電半導体材料から製造されるこの種の熱電発電機構成部品を車両の排出ガス領域、具体的には排出ガスシステム内に配置することである。そのためには、とくに４０℃〜８００℃の排出ガス領域又は高温領域の温度変化にも確実に耐えるような、高い耐熱衝撃性を備える熱電発電機又は熱電発電機モジュ−ルが必要である。
【０００５】
さらに、好ましくはプリント回路基板の形態で、さまざまな実施形態の金属−セラミック基板が知られており、例えばこれらは、少なくとも１つのセラミック層、ならびにこのセラミック層の一方の表面に取り付けられた少なくとも１つの金属被覆を有し、この金属被覆は、回路、接触領域もしくは固定領域を形成するために構造化されている。
【０００６】
例えば金属層もしくは金属板、好ましくは銅板もしくは銅箔を互いに、及び／又はセラミックもしくはセラミック層と接合する、いわゆる「ＤＣＢ法」（「直接銅接合術」）が知られており、とりわけ金属板もしくは銅板又は金属箔もしくは銅箔が用いられ、これらの金属板もしくは銅板又は金属箔もしくは銅箔は、それらの表面に、金属と反応ガス（好ましくは酸素）との化学結合から成る層又はコ−ティング（「ホットメルト層」）を有している。例えば特許文献１又は特許文献２に開示されているこの方法では、この層又はコ−ティング（「ホットメルト層」）が、金属（例えば、銅）の融点よりも低い融点をもつ結晶を形成するため、セラミック上に金属箔もしくは銅箔を置いて層全体を加熱すること、とりわけ、実質的にホットメルト層もしくは酸化物層の領域でのみ金属もしくは銅が溶融することにより、これらの層を互いに接合することができる。次に、このＤＣＢ法は、例えば以下の処理工程を有する：
−均質な酸化銅層が生じるように銅箔を酸化する。
−セラミック層の上に均質な酸化銅層をもつ銅箔を置く。
−この複合体を約１０２５〜１０８３℃、例えば約１０７１℃の処理温度まで加熱する。
−室温まで冷却する。
【０００７】
さらに、特許文献３及び特許文献４から、金属被覆によって形成されている金属層もしくは金属箔、具体的には銅層もしくは銅箔と、セラミック材もしくはセラミック層とを接合する、いわゆる活性ろう付け法が知られている。特別に金属−セラミック基板の製造にも用いられるこの方法では、約８００〜１０００℃の温度において、銅箔などの金属箔と、窒化アルミニウム−セラミックなどのセラミック基板との接合が、銅、銀及び／又は金などの主要成分に加えて活性金属も含むろう合金を使用して行われる。例えば、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｃｅグル−プの少なくとも１つのエレメントであるこの活性金属は、化学反応によって硬ろうとセラミックとの接合を行い、一方、硬ろうと金属との接合は金属のろう合金接合である。
【０００８】
電流が流れると温度差が生じる、あるいは温度差があると電流が流れる、いわゆるペルティエ素子の形態における熱電発電機構成部品も知られている。このような種類のペルティエ素子は、実質的に２つの角柱形の半導体素子を備えており、これらの半導体素子は、相異なるエネルギ−レベルを有しており、すなわち、ｐ型導電性又はｎ型導電性のいずれかによって形成されており、金属架橋によって片側が互いに接合されている。ここでは、金属架橋が、同時に熱接合面も形成しており、これらの熱接合面は、好ましくはセラミックの上に取り付けられ、それによって互いに絶縁されている。従って、それぞれｐ型及びｎ型の導電性角柱形半導体素子は、とくにペルティエ素子の直列接続が生じるように金属架橋を介して互いに接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第３７４４１２０号明細書
【特許文献２】独国特許第２３１９８５４号明細書
【特許文献３】独国特許第２２１３１１５号明細書
【特許文献４】欧州特許第１５３６１８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
冒頭に述べた従来技術から出発して、本発明は、熱電発電機モジュ−ル及び付属する金属−セラミック基板、さらにその製造方法を示すという課題に基づいており、この金属−セラミック基板は高い耐熱衝撃性を備えており、これにより、具体的には熱電発電機構成部品を自動車の排出ガス領域に配置することが可能である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この課題を解決するため、請求項１に従って熱電発電機モジュ−ルが形成されている。付属する金属−セラミック基板ならびにその製造方法は、請求項２４及び３４の対象である。
【００１２】
高温領域と低温領域とを有し、第１のセラミック層と及びこの第１のセラミック層に取り付けられる第１の構造化された金属被覆を備える、高温領域に割り当てられた少なくとも１つの第１の金属−セラミック基板、第２のセラミック層及びこの第２のセラミック層に取り付けられる第２の構造化された金属被覆とを備える、低温領域に割り当てられた少なくとも１つの第２の金属−セラミック基板、ならびに金属−セラミック基板の第１と第２の構造化された金属被覆の間に支持されている多数の熱電発電機構成部品を備える、本発明に基づく熱電発電機モジュ−ルの主な様態は、とくに、高温領域に割り当てられている第１の金属−セラミック基板が少なくとも１つのスチ−ル層もしくはステンレス層を有しており、第１のセラミック層が、第１の構造化された金属被覆と、少なくとも１つのスチ−ルもしくはステンレス層との間に配置されていることにある。とくに有利には、本発明に基づく熱電発電機モジュ−ルの高温領域に設けられているスチ−ル層もしくはステンレス層によって、自動車の排出ガス領域の中に、具体的には自動車の排出ガスシステム領域に、又は領域の中にモジュ−ルを簡単かつ確実に接合することが可能になる。例えば、このスチ−ル層もしくはステンレス層を介して、自動車のエグゾ−ストにモジュ−ルを直接接合することができる。
【００１３】
本発明の発展形態では、本発明に基づく熱電発電機モジュ−ルが、例えば以下のように形成されている。すなわち、
第１のセラミック層と少なくとも１つのスチ−ル層もしくはステンレス層との間に少なくとも１つの銅層が設けられている、及び／又は
低温領域に割り当てられている第２の金属−セラミック基板が少なくとも１つの耐腐食性金属層を有しており、第２のセラミック層が第２の構造化された金属被覆と耐腐食性金属層との間に配置されている、及び／又は
耐腐食性金属層が、ステンレス層、アルミニウム層又は銅層によって形成されている、及び／又は
第１及び第２の金属被覆が、多数の金属接触面を形成するように構造化されており、これらの接触面は、好ましくは矩形及び／又は正方形に形成されている、
矩形の金属接触面の長辺が、その短辺のほぼ２倍の長さである、及び／又は
矩形の金属接触面の長辺がモジュ−ル横方向軸に対して平行に通り、矩形の金属接触面の短辺がモジュ−ル長手方向軸に対して平行に通っている、及び／又は
長辺の長さが０．５ｍｍ〜１０ｍｍであり、短辺の長さが０．２ｍｍ〜５ｍｍである、及び／又は
金属接触面が、マトリックス状にそれぞれのセラミック層の表面に配置されている、及び／又は
矩形の金属接触面が、モジュ−ル長手方向軸に対して平行に通る列、ならびにモジュ−ル横方向軸に対して平行に通る段を形成している、及び／又は
２つの隣り合う矩形の金属接触面が、モジュ−ル横方向軸の方向に０．１ｍｍ〜２ｍｍの間隔を有している、及び／又は
２つの隣り合う矩形の金属接触面が、モジュ−ル長手方向軸の方向に０．１ｍｍ〜２ｍｍの間隔を有している、
以上の特徴は、それぞれ個別でも、あるいは任意の組合せでも使用することができる。
【００１４】
本発明に基づく熱電発電機モジュ−ルの有利な変更形態では、互いに間隔をあけてそれぞれのセラミック層の上に配置されている、好ましくは矩形の金属接触層の間に、切断線もしくは規定破断線がセラミック層の中に入れられており、これらの線は、好ましくはモジュ−ル横方向軸の方向及び／又はモジュ−ル長手方向軸の方向に通っている。これらの線は、有利には、溝、刻み目及び／又は点の形態で実現することができ、切断線もしくは規定破断箇線の溝、刻み目及び／又は点の深さは、金属被覆を支持しているセラミック層の表面から出発して、それぞれのセラミック層の厚さの少なくとも４分の１にかけて延びている。とくに有利には、切断線もしくは規定破断線を入れることにより、大きな温度変化によって引き起こされる材料破損がコントロ−ルされた状態でセラミック内に吸収されるため、セラミック層が破断しても熱電発電機モジュ−ルの機能は引き続き保証されている。
【００１５】
本発明の発展形態において、本発明に基づく熱電発電機モジュ−ルは、例えばセラミック層が、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素又はジルコニア強化アルミナから製造されており、好ましくは層の厚さが０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲にある、及び／又は
第１及び第２の構造化された金属被覆が、金属層もしくは金属箔の形態で、とくに好ましくは銅もしくは銅合金から形成されており、好ましくは層の厚さが０．０３ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲にある、及び／又は
金属被覆が、少なくとも部分的に金属表面層を備えており、とくに、例えばニッケル、銀、又はニッケル合金もしくは銀合金から成る表面層を備えている、及び／又は
熱電発電機構成部品が、さまざまにド−プされた半導体材料から製造されたペルティエ素子の形態で形成されており、半導体材料の層の厚さが、好ましくは０．５ｍｍ〜８ｍｍの範囲にある、
以上の特徴は、それぞれ個別でも、あるいは任意の組合せでも使用することができる。
【００１６】
熱電発電機モジュ−ルのもう１つの有利な変更形態では、熱伝導性及び信頼性が以下のことによって改善される。すなわち、
スチ−ル層もしくはステンレス層及び／又は耐腐食性金属層が複数の部分から形成されており、スチ−ル層もしくはステンレス層及び／又は耐腐食性金属層の少なくとも２つの部分が、セラミック層の少なくとも１つの表面部分に外から自由にアクセスできるように、互いに間隔をあけて配置されている、及び／又は
スチ−ル層もしくはステンレス層及び／又は耐腐食性金属層が、構造化又は形状付けされた状態で形成されている、及び／又は
スチ−ル層もしくはステンレス層及び／又は耐腐食性金属層が、セラミック層の周縁部から外側へ突き出している部分に、周辺を取り囲む溝を有している、
以上の特徴は、それぞれ個別にも、又は任意の組合せでも使用することができる。
【００１７】
さらに、本発明の対象は、少なくとも１つのセラミック層及びこのセラミック層の上に取り付けられた少なくとも１つの構造化された金属被覆を備える、熱電発電機モジュ−ルで使用するための金属−セラミック基板であり、この基板には、とくに有利には、少なくとも１つのスチ−ル層もしくはステンレス層が設けられており、構造化された金属被覆と、少なくとも１つのスチ−ル層もしくはステンレス層との間にセラミック層が配置されている。
【００１８】
有利な発展形態では、金属−セラミック基板が、例えば以下のように形成されている。すなわち、
セラミック層と少なくとも１つのスチ−ル層もしくはステンレス層との間に少なくとも１つの銅層が設けられている、及び／又は
金属被覆が多数の金属接触面を形成するように構造化されており、これらの接触面は、好ましくは矩形に形成され、互いに間隔をあけて配置されている、及び／又は
矩形の金属接触面の長辺が、その短辺のほぼ２倍の長さであり、好ましくは長辺の長さが０．５ｍｍ〜１０ｍｍであり、短辺の長さが０．２ｍｍ〜５ｍｍである、及び／又は
金属接触面がマトリックス状にセラミック層の表面に配置されており、とくに、列と段とに配置されている、及び／又は
金属接触層の間には、切断線もしくは規定破断線がセラミック層の中に入れられており、これらの線は、好ましくは、溝、刻み目及び／又は点の形態で実現されている、及び／又は
切断線もしくは規定破断箇線の溝、刻み目及び／又は点は、金属被覆を支持しているセラミック層表面から出発して、セラミック層の厚さの少なくとも４分の１にかけて延びている、及び／又は
セラミック層が、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素又はジルコニア強化アルミナから製造されており、好ましくは層の厚さが０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲にある、及び／又は
構造化された金属被覆が、金属層もしくは金属箔の形態で、とくに好ましくは銅もしくは銅合金から形成されており、好ましくは層の厚さが０．０３ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲にある、及び／又は
金属被覆が、少なくとも部分的に金属表面層を備えており、とくに、例えばニッケル、銀、又はニッケル合金もしくは銀合金から成る表面層を備えている、
以上の特徴は、それぞれ個別にも、又は任意の組合せでも使用することができる。
【００１９】
同様に、本発明の対象は金属−セラミック基板の製造方法であり、具体的には熱電発電機モジュ−ル用プリント回路基板の形態において、少なくとも１つのセラミック層及びこのセラミック層に取り付けられる少なくとも１つの構造化された金属被覆を備える金属−セラミック基板の製造方法であって、この方法では、セラミック層の反対側の表面上に、直接又は間接的に少なくとも１つのスチ−ル層もしくはステンレス層が取り付けられる。
【００２０】
本発明に基づく方法は、例えば、以下のように形成されている。すなわち、
金属被覆が、多数の矩形の金属接触面を形成するように構造化されており、これらの接触面は、好ましくはマトリックス状に、セラミック層の上に配置されている、及び／又は
矩形の金属接触層の間に、レ−ザ−処理又はノコ引きによって、好ましくは、溝、刻み目及び／又は点の形態で切断線もしくは規定破断線がセラミック層の中に入れられる、及び／又は
アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素又はジルコニア強化アルミナから成るセラミック層と、銅層もしくは銅合金から成る金属被覆とがＤＣＢ接合によって接合される、及び／又は
スチ−ル層もしくはステンレス層が、硬ろう付け、活性ろう付け又は接着によってセラミック層と接合される、
以上の特徴は、それぞれ個別にも、又は任意の組合せでも使用することができる。
【００２１】
「ほぼ」、「実質的に」又は「約」という表現は、本発明の意味において、それぞれの正確な値から＋／−１０％、好ましくは＋／−５％の偏差及び／又は機能に影響しない変化という形での偏差を意味している。
【００２２】
本発明の発展形態、利点及び適用方法は、以下の実施例及び図の説明にも示されている。この場合、説明されている特徴及び／又は図で示されている特徴は全て、請求項又はそれらの参照請求項の要約とは無関係に、それ自体又は任意の組合せについても基本的に本発明の対象である。また、請求項の内容は、本明細書の構成要素になる。
【００２３】
以下に、本発明を実施例の図に基づいて詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に基づく熱電発電機モジュ−ルの簡略断面図である。
【図２】高温側に割り当てられている金属−セラミック基板の構造化された金属被覆を上から見た簡略図である。
【図３】図１による熱電発電機モジュ−ルの代替の変更形態の簡略断面図である。
【図４】図３による熱電発電機モジュ−ルのもう１つの代替の変更形態の簡略断面図である。
【図５】図１による金属−セラミック基板を２個配置した熱電発電機モジュ−ルの簡略断面図である。
【図６】図１による２個配置の金属−セラミック基板スタックを備える熱電発電機モジュ−ルの簡略断面図である。
【図７】図６による２個配置の金属−セラミック基板スタックの代替の実施形態を含む熱電発電機モジュ−ルの簡略断面図である。
【図８】図３による熱電発電機モジュ−ルの代替の実施形態に関する、熱電発電機モジュ−ルの簡略断面図である。
【図９】構造化されたスチ−ル層もしくはステンレス層及び／又は耐腐食性金属層を備える熱電発電機モジュ−ルの簡略断面図である。
【図１０】格子状に形成され、いくつかの格子パタ−ンを備えたスチ−ル層もしくはステンレス層又は耐腐食性金属層を上から見た図である。
【図１１】図１による熱電発電機モジュ−ルの代替の実施形態に関する、熱電発電機モジュ−ルの簡略断面図である。
【図１２】図３による、周辺を取り囲む溝を備えた熱電発電機モジュ−ルの代替の実施形態に関する、熱電発電機モジュ−ルの簡略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１は、本発明に基づく熱電発電機モジュ−ル１の簡略断面図を示し、このモジュ−ルは、高温領域１ａ及び低温領域１ｂを備え、実質的に２つの、好ましくは板状の金属−セラミック基板２、３を備えており、これらの基板は、向かい合う表面にそれぞれ構造化された金属被覆４、５を備えている。本発明に基づく熱電発電機モジュ−ル１を自動車で使用する場合、高温領域１ａは４０℃〜８００℃の範囲で温度変動が生じ、低温領域１ｂは４０℃〜１２５℃の範囲で温度変動が生じる可能性がある。
【００２６】
構造化された金属被覆４、５は、それぞれ多数の、好ましくは向かい合う接触面４’、５’を形成しており、構造化された金属被覆４、５の層の厚さは、例えば０．０３ｍｍ〜０．６ｍｍの範囲にある。
【００２７】
金属−セラミック基板２、３の、向かい合う構造化された金属被覆４、５の間には、それぞれ、さまざまにド−プされた熱電発電機構成部品Ｎ、Ｐが支持されており、とくにそれぞれの熱電発電機構成部品Ｎ、Ｐは、第１の構造化された金属被覆４の接触面４’及びこれに向かい合う、第２の構造化された金属被覆５の接触面５’の部分と熱伝導し、かつ導電するように接続されている。熱電発電機構成部品Ｎ、Ｐは、この場合、好ましくは直列に接続されており、熱電半導体材料から製造され、それぞれｎ型半導体素子Ｎとｐ型半導体素子Ｐとを含むペルティエ素子の形態で実施されている。ｐ型及びｎ型半導体材料としては、例えばテルル化ビスマス又はシリコンゲルマニウム又はマンガンシリコンが考えられる。化合物ＰｂＴｅ、ＳｎＴｅ、ＺｎＳｂベ−スの材料あるいは方砒コバルト鉱、クラスレ−ト及び／又はカルコゲン化物の材料族を使用することも可能である。半導体素子Ｎ、Ｐの厚さは、例えば０．５ｍｍ〜８ｍｍである。
【００２８】
電気エネルギ−を生成するため、熱源を備える熱電発電機モジュ−ル１の高温領域１ａと、冷却源を備える熱電発電機モジュ−ル１の低温領域１ｂとは、熱伝導するように接続されるため、向かい合う高温領域１ａと低温領域１ｂとの間には温度差が生じる。熱電発電機モジュ−ル１を使用する場合、高温領域１ａは、例えば自動車の排出ガス領域に配置され、好ましくは直接又は間接的に自動車の排出ガスシステムに熱伝導するように接続される。低温領域１ｂは冷却されるのが好ましく、そのためには、例えば自動車の冷媒回路の中に低温領域を取り付ける。高温領域１ａと低温領域１ｂと間には温度差があるため、熱電発電機モジュ−ル１を通って流れる熱流が生じ、この熱流は、熱電発電機構成部品Ｎ、Ｐによって電気エネルギ−に変換される。
【００２９】
図１及び３による実施例には、高温領域１ａに配置されている少なくとも１つの第１の金属−セラミック基板２と、低温領域１ｂに配置されている第２の金属−セラミック基板３とが設けられている。しかし、本発明は、１つの熱電発電機モジュ−ル１に対して２つの金属−セラミック基板２、３があることに限定されていない。むしろ、本発明に基づく熱電発電機モジュ−ル１には、このような種類の多数の金属−セラミック基板構造を積み重ねた形態も含まれていてよい。
【００３０】
第１の金属−セラミック基板２は、本実施例では、少なくとも１つの第１のセラミック層６を有し、このセラミック層の表面６’には、第１の構造化された金属被覆４が取り付けられている。これと同様に、第２の金属−セラミック基板３は、少なくとも１つの第２のセラミック層７を備え、このセラミック層の表面７’には、第２の構造化された金属被覆５が取り付けられている。第１及び第２のセラミック層６、７の層の厚さは、０．１ｍｍ〜１ｍｍであり、好ましくは０．３〜０．４ｍｍである。
【００３１】
本発明に基づき、高温領域１ａに割り当てられている第１の金属−セラミック基板２は、少なくともスチ−ル層もしくはステンレス層８を有しており、第１のセラミック層６は、第１の構造化された金属被覆４と、少なくとも１つのスチ−ル層もしくはステンレス層８との間に配置されている。
【００３２】
好ましい変更形態では、少なくとも１つのスチ−ル層もしくはステンレス層８が、例えば車両のエグゾ−ストなど、別の金属構成部品と接合され熱を伝導するように設けられている。固定を簡単に行うため、図３による少なくとも１つのスチ−ル層もしくはステンレス層８は、少なくとも部分的に第１のセラミック層６の周縁から突き出しており、それによって、はんだ接合もしくは溶接接合及び／又は取り外し可能な接合を行うための固定部分を形成している。
【００３３】
図１及び図３による好ましい実施例では、少なくとも１つのスチ−ル層もしくはステンレス層８が、第１の構造化された金属被覆４に向かい合う第１のセラミック層６の表面６”の上に直接取り付けられ、とくに硬ろう付け、活性ろう付け又は接着によって取り付けられている。
【００３４】
図４による代替の変更形態では、第１のセラミック層６と、少なくとも１つのスチ−ル層もしくはステンレス層８との間に銅層９を設けることができ、この銅層９と第１のセラミック層６の表面６”との接合は、好ましくは「直接銅接合術」又はＡＭＢ法によって行われる。銅層９とスチ−ル層もしくはステンレス層８との接合は、例えば硬ろう付けもしくは軟ろう付け又は接着によって行われる。
【００３５】
さらに、低温領域１ｂに割り当てられている第２の金属−セラミック基板３は、少なくとも１つの耐腐食性金属層１０、好ましくはステンレス層、アルミニウム層又は銅層を有しており、耐腐食性金属層１０は、第２の構造化された金属被覆５に向かい合う第２のセラミック層７の表面７”の上に取り付けられている。耐腐食性金属層１０が銅層の形態で形成されている場合、接合は「直接銅接合術」又はＡＭＢ法で行うことができるか、又はステンレス層もしくはアルミニウム層の形態で形成されている場合は、硬ろう付け、活性ろう付け又は接着によって行うことができる。
【００３６】
第１及び第２の金属被覆４、５によって形成されている金属接触面４’、５’は、好ましくは矩形に形成されており、それぞれ２つの向かい合う長辺及び短辺ａ、ｂを有している。従って、これらは、いわゆる「パッド」を形成して、エレクトロニクス部品、とくに熱電発電機構成部品Ｎ、Ｐの接続に用いられる。このために、例えば、セラミック層６、７に向かい合う金属接触面４’、５’の表面にはんだ層又ははんだ付けが施され、また、ｎ型もしくはｐ型半導体素子Ｎ、Ｐのそれぞれの接合部分ではんだ接合が行われ、金属接触面４’、５’のそれぞれ１つによって、ｎ型とｐ型半導体素子Ｎ、Ｐ間をつなぐ金属架橋が作られ、それによってペルティエ素子が生じる。これにより、図示されているように、ｎ型もしくはｐ型半導体素子Ｎ、Ｐとこれらを互いに接続する金属接触面４’、５’とが蛇行する形でつなげられることになる。
【００３７】
この金属架橋を形成するため、矩形の金属接触面４’、５’の長辺ａは、矩形の金属接触面４’、５’の短辺ｂのほぼ倍の長さであり、すなわち、長辺及び短辺ａ、ｂは、好ましくは２：１の割合を有している。例えば、長辺ａは０．５ｍｍ〜１０ｍｍであり、短辺ｂは０．１ｍｍ〜２ｍｍである。
【００３８】
熱電発電機モジュ−ル１は、例えばモジュ−ル長手方向軸ＬＡと、これに対して垂直に通るモジュ−ル横方向軸ＱＡとを有している。好ましい変更形態では、矩形の金属接触面４’、５’の長辺ａがモジュ−ル横方向軸ＱＡに対して平行に通り、矩形の金属接触面４’、５’の短辺ｂがモジュ−ル長手方向軸ＬＡに対して平行に通るように、矩形の金属接触面４’、５’が第１又は第２のセラミック層６、７の上に配置されている。第１及び第２の金属−セラミック基板２、３は、この場合、それらの第１及び第２の構造化された金属被覆４、５が互いに向き合い、矩形の金属接触面４’、５’が交互に配置され、とくに、第２の構造化された金属被覆５の矩形の金属接触面５’などによってｎ型及びｐ型半導体素子Ｎ、Ｐのための金属架橋が形成されるようになっており、これらの半導体素子は、第１の構造化された金属被覆４の２つの隣り合う矩形の金属接触面４’と接続されている。これにより、それぞれ段Ｓ１〜Ｓｙに沿って、複数のペルティエ素子の直列接続が形成され、段Ｓ１〜Ｓｙにおけるペルティエ素子の直列接続は、好ましくはそれ自体が互いに直列に接続されている。
【００３９】
図２には、例として、第１の金属−セラミック基板２の接触面４’を上から見た図が示されており、矩形の金属接触面４’は、それぞれのセラミック層６の表面６’に、好ましくはマトリックス状に配置されており、とくに、矩形の金属接触面４’は、モジュ−ル長手方向軸ＬＡに対して平行に通る列Ｒ１、Ｒ２、Ｒｘを形成しており、矩形の金属接触面４’は、モジュ−ル横方向軸ＱＡに対して平行に通る列Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓｙを形成している。好ましい矩形の第１及び／又は第２の金属−セラミック基板２、３の周縁部においては、１つのｐ型又はｎ型半導体素子Ｐ、Ｎだけの接続が必要であり、必要に応じて、正方形の金属接触面５’も使用することができる。
【００４０】
列Ｒ１、Ｒ２、Ｒｘに割り当てられている接触面４’は、互いに間隔をあけて設けられており、それぞれが、それらの長辺ａの片方と互いに隣接している。列Ｒ１、Ｒ２、Ｒｘの隣り合う２つの接触面４’の間の間隔ｃは、例えば０．１ｍｍ〜２ｍｍ、好ましくは０．４ｍｍ〜０．６ｍｍの範囲である。
【００４１】
これと同様に、段Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓｙに割り当てられている接触面４’、５’も同様に互いに間隔をあけてそれぞれのセラミック層６、７の上に配置され、とくに、例えば０．１ｍｍ〜２ｍｍ、好ましくは０．４ｍｍ〜０．６ｍｍの間隔ｄで配置されており、段Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓｙの隣り合う２つの接触面４’、５’は、それぞれ、それらの短辺ｂの片方と互いに隣接している。
【００４２】
互いに間隔をあけて、それぞれのセラミック層６、７の上に配置されている矩形の金属接触面４’、５’の間には、本発明に基づく切断線もしくは規定破断線１１、１１’がセラミック層６、７の中に入れられており、これらの線は、好ましくはモジュ−ル横方向軸ＱＡの方向及び／又はモジュ−ル長手方向軸ＬＡの方向に通っている。従って、矩形の各金属接触面４’、５’には、切断線もしくは規定破断線１１、１１’によって分割されているそれぞれのセラミック層６、７の面部分が割り当てられるため、１つ又は複数の切断線もしくは規定破断線１１、１１’に沿ってセラミック層６、７が破損するケ−スでは、熱電発電機モジュ−ル１の損傷を回避することができる。
【００４３】
切断線もしくは規定破断線１１、１１’は、溝、刻み目及び／又は点の形態で、及び／又は微小亀裂を入れることで実現することができ、金属被覆４’、５’を支持する表面６’、７’から出発して、それぞれのセラミック層６、７の層の厚さの少なくとも１０分の１にかけて延びている。好ましくは、溝、刻み目及び／又は点の形態での、いわゆる凹部は、それぞれのセラミック層６、７の層の厚さの４分の１〜４分の３の深さを有しており、この深さは０．１ｍｍ〜１ｍｍであってよい。
【００４４】
切断線もしくは規定破断線１１、１１’は、構造化された金属被覆４、５をセラミック層６、７に取り付けた後、好ましくは、はんだ付け／接着工程が完全に終了した後で入られ、とくに、例えばレ−ザ−処理又は機械加工プロセス（ノコ引き等）によって行われる。好ましくは、微小亀裂を入れるため、レ−ザ−誘起の切断プロセス又は熱衝撃処理が用いられる。
【００４５】
セラミック層６、７は、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）及び／又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）及び／又は窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）及び／又はジルコニア強化アルミナ（Ａｌ２Ｏ３＋ＺｒＯ２）から成る。第１及び第２の構造化された金属被覆４、５は、好ましくは金属層もしくは金属箔の形態で形成されており、とくに、好ましくは銅もしくは銅合金から成る。セラミック層が上述のセラミック（Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３＋ＺｒＯ２）から成る場合、とくに、具体的には金属被覆４、５が銅もしくは銅合金から成る場合は、構造化された金属被覆４、５を形成する金属層もしくは金属箔の接合はＤＣＢ法を使用して行う。
【００４６】
さらに、図示されていない変更形態では、金属被覆４、５に、少なくとも部分的に、好ましくは耐腐食性の金属表面層、例えばニッケル、銀、あるいはニッケル合金及び銀合金から成る表面層を備えることができる。このような種類の金属表面層は、好ましくは、金属被覆４、５をセラミック層６、７及びその構造の上に取り付けた後、これによって生じた矩形の金属接触面４’、５’の上に取り付けられる。表面層の取付けは、例えば電気メッキ及び／又は化学分解及び／又は噴射もしくはコ−ルドスプレ−によって行われる。具体的には、ニッケルを使用する場合、金属表面層は、例えば、層の厚さが０．００２ｍｍ〜０．０１５ｍｍの範囲にある。銀から成る表面層の場合、この層は、０．０００１５ｍｍ〜０．０５ｍｍ、好ましくは０．０１μｍ〜３μｍの範囲にある厚さで取り付けられる。矩形の金属接触面４’、５’の、このような種類の、好ましくは耐腐食性の表面層により、そこへのはんだ層の取付け又ははんだ付け、及びはんだ付けと、熱電発電構成部品ＧＢの接合部分との接続が改善される。
【００４７】
図５には、本発明に基づく熱電発電機モジュ−ル１の変更形態が示され、この場合、共通のスチ−ル層もしくはステンレス層８及び／又は共通の耐腐食性金属層１０によって、図１による２つの金属−セラミック基板構造が互いに接続されている。これと同様に、２つ以上のこのような種類の金属−セラミック基板構造を、共通のスチ−ル層もしくはステンレス層８及び／又は共通の耐腐食性金属層１０によって接続することができる。有利な変更形態では、共通のスチ−ル層もしくはステンレス層８及び／又は共通の耐腐食性金属層１０内でそれぞれ熱電発電機モジュ−ル１を形成する少なくとも２つの連続して並ぶ金属−セラミック基板構造の間に、熱応力を補正するための溝、すなわち手動又は機械で作成されたガタ−形の窪みを取り付けることができる（図５には図示されていない）。
【００４８】
図６及び７には、本発明に基づく熱電発電機モジュ−ル１のさらなる２つの変更形態が示されており、これらは、少なくとも１つの複合基層を有し、この複合基層は、図１による２つの金属−セラミック基板構造から成る実質的に１つのスタックを備える。図６による変更形態では、図１に基づいて形成されている金属−セラミック基板構造が、共通の金属層１２、好ましくは銅層によって互いに接続されている。図７は、２つの金属−セラミック基板構造の第１及び第２の金属被覆６、７が共通のセラミック層１３の上にある変更形態を示している。
【００４９】
図８〜１２は、本発明に基づく熱電発電機モジュ−ル１のスチ−ル層もしくはステンレス層８及び／又は耐腐食性金属層１０のさまざまな実施形態を示している。
【００５０】
図８には、例として、図３と同様の熱電発電機モジュ−ル１の断面図が示されている。しかし、ここで異なっているのは、スチ−ル層もしくはステンレス層８及び／又は耐腐食性金属層１０が複数の部分から形成されていることであり、これによって少なくとも２つのスチ−ル層もしくはステンレス層８及び／又は耐腐食性金属層１０は互いに間隔をあけて配置され、このことから、第１又は第２のセラミック層６、７の表面６”、７”は、少なくとも部分的に自由にアクセスすることができる。これにより、外部から自由にアクセスできる少なくとも１つの、第１及び第２のセラミック層６、７の表面部分６’’’、７’’’が生じる。この表面部分により、高温領域１ａでは熱吸収を改善し、また低温領域１ｂでは冷却を改善することができる。好ましくは、少なくとも２つのスチ−ル層もしくはステンレス層８及び／又は耐腐食性金属層１０における少なくとも１つの周縁部が、第１又は第２のセラミック層６、７の周縁から外へ突き出し、それによって固定部を形成することができる。
【００５１】
図９及び１０は、スチ−ル層もしくはステンレス層８及び／又は耐腐食性金属層１０のもう１つの代替の変更形態を示しており、自由にアクセスできる複数の表面部分６’’’、７’’’を作るため、スチ−ル層もしくはステンレス層８及び／又は耐腐食性金属層１０が格子状に形成されている。図１０には、格子上のスチ−ル層もしくはステンレス層８を上から見た図が示されており、ここでは、例として、多数の相異なる格子構造が設けられている。この格子構造は、例として、周辺を取り囲む、好ましくは矩形のフレ−ム部分８’及びほぼ平行に通る複数の接続突起部分８”を形成することができ、これらの接続部分は異なる形状及び／又は大きさの膨張部を有していてもよい。これらの膨張部は、例えば円形、三角形、四角形、正方形又はひし形であってよい。このような種類の格子状のスチ−ル層もしくはステンレス層８及び／又は耐腐食性金属層１０は、好ましくは型打ちによって作られ、続いて表面６”、７”と接着又ははんだ付けによって接合され、第１又は第２のセラミック層６、７の表面６”、７”には、好ましくは、格子構造を描く接着剤又は格子構造を描くはんだ付けが加えられる。説明した格子構造により、自由にアクセスできる多数の窓型の表面部分６’’’、７’’’が生じる。
【００５２】
スチ−ル層もしくはステンレス層８及び／又は耐腐食性金属層１０の作用表面を拡大するため、図１１による変更形態では、スチ−ル層もしくはステンレス層８及び／又は耐腐食性金属層１０に輪郭が付けられている。すなわち、スチ−ル層もしくはステンレス層８及び／又は耐腐食性金属層１０に、例えば凹部１４、１５が取り付けられ、多数のリブ状の表面部分が生じるようになっている。
【００５３】
図１２は、熱電発電機モジュ−ル１の変更形態を示し、この場合、スチ−ル層もしくはステンレス層８及び／又は耐腐食性金属層１０が、第１又は第２のセラミック層６、７の周縁部から外側へ突き出しており、そこには周辺を取り囲むそれぞれ１つの溝１６、１６’があり、これらの溝は好ましくは向かい合うように調整されている。スチ−ル層もしくはステンレス層８及び／又は耐腐食性金属層１０の周辺を取り囲む溝１６、１６’に接続している開放された外側周縁は、ここでは固定部を形成している。
【００５４】
スチ−ル層もしくはステンレス層８は、好ましい変更形態では、一定の割合でモリブデン及び／又はニッケル／コバルトを含む合金鋼から製造されている。これにより、熱膨張係数をセラミック層６に適合することが可能である。
【００５５】
具体的には、合金鋼は以下の組成で使用することができる。
・５０％〜６０％の鉄
・２７％〜３１％のニッケル
・１５％〜１９％のコバルト
とくに適しているのは、例えば、５４％の鉄、２９％のニッケル及び１７％のコバルトから成る合金鋼である。
【００５６】
本発明は、上述したように、実施例を用いて説明された。もちろん、本発明に基づく発明の発想から逸脱することなく、多数の変形例ならびに変更例が可能である。
【符号の説明】
【００５７】
１              熱電発電機モジュ−ル
１ａ            高温領域
１ｂ            低温領域
２              第１の金属−セラミック基板
３              第２の金属−セラミック基板
４              第１の構造化された金属被覆
４’              接触面
５              第２の構造化された金属被覆
５’              接触面
６              第１のセラミック層
６’、６”表面
６’’’          自由にアクセスできる表面部分
７              第２のセラミック層
７’、７”表面
７’’’          自由にアクセスできる表面部分
８              スチ−ル層もしくはステンレス層
８’              フレ−ム部分
８”              接続突起部分
９              銅層
１０            耐腐食性金属層
１０’  フレ−ム部分
１０”  接続突起部分
１１、１１’切断線もしくは規定破断線
１２            共通の金属層
１３            共通のセラミック層
１４            凹部
１５            凹部
１６、１６’周辺を取り囲む溝
ａ              長辺
ｂ              短辺
ｃ              間隔
ｄ              間隔
Ｎ、Ｐ            熱電発電機構成部品又はｎ型／ｐ型半導体エレメント
ＬＡ            モジュ−ル長手方向軸
ＱＡ            モジュ−ル横方向軸
Ｒ１、Ｒ２、Ｒｘ      列
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓｙ    段
【図１】
2015511397.tif 000003
【図２】
2015511397.tif 000004
【図３】
2015511397.tif 000005
【図４】
2015511397.tif 000006
【図５】
2015511397.tif 000007
【図６】
2015511397.tif 000008
【図７】
2015511397.tif 000009
【図８】
2015511397.tif 000010
【図９】
2015511397.tif 000011
【図１０】
2015511397.tif 000012
【図１１】
2015511397.tif 000013
【図１２】
2015511397.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成25年10月4日(2013.10.4)
【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】
高温領域と低温領域（１ａ、１ｂ）とを有し、第１のセラミック層（６）及び該第１のセラミック層（６）に取り付けられる第１の構造化された金属被覆（４）を備える、前記高温領域に割り当てられた少なくとも１つの第１の金属‐セラミック基板（２）、第２のセラミック層（７）及び該第２のセラミック層（７）に取り付けられる第２の構造化された金属被覆（５）を備える、前記低温領域に割り当てられた少なくとも１つの第２の金属‐セラミック基板（４）、ならびに前記金属‐セラミック基板（２、３）の前記第１と前記第２の構造化された金属被覆（４、５）の間に支持されている多数の熱電発電機構成部品（Ｎ、Ｐ）を備え、前記高温領域（１ａ）に割り当てられている前記第１の金属‐セラミック基板（２）が少なくとも１つのスチール層もしくはステンレス層（８）を有しており、前記第１のセラミック層（６）が、前記第１の構造化された金属被覆（４）と、少なくとも１つの前記スチール層もしくはステンレス層（８）との間に配置されている熱電発電機モジュールであって、
前記第１及び前記第２の金属被覆が、複数の金属接触面（４’、５’）を形成するように構造化されており、該接触面は、好ましくは矩形及び／又は正方形に形成されていること、互いに間隔をあけてそれぞれの前記セラミック層（６、７）の上に配置されている前記矩形の金属接触面（４’、５’）の間に、切断線もしくは規定破断線（１１、１１’）が前記セラミック層（６、７）の中に入れられており、これらの前記線は、好ましくは前記モジュール横方向軸（ＱＡ）の方向及び／又は前記モジュール長手方向軸（ＬＡ）の方向に通っていること、前記切断線もしくは規定破断線（１１、１１’）は、溝、刻み目及び／又は点の形態で、及び／又は微小亀裂を入れることで実現されていることを特徴とする、モジュール。
【請求項２】
前記第１のセラミック層（６）と少なくとも１つの前記スチール層もしくはステンレス層（８）との間に少なくとも１つの銅層（９）が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載のモジュール。
【請求項３】
前記低温領域（１ｂ）に割り当てられている前記第２の金属‐セラミック基板（３）が少なくとも１つの耐腐食性金属層（１０）を有しており、前記第２のセラミック層（７）が前記第２の構造化された金属被覆（５）と前記耐腐食性金属層（１０）との間に配置されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のモジュール。
【請求項４】
前記耐腐食性金属層（１０）が、ステンレス層、アルミニウム層又は銅層によって形成されていることを特徴とする、請求項３に記載のモジュール。
【請求項５】
矩形の金属接触面（４’、５’）の長辺（ａ）が、その短辺（ｂ）のほぼ２倍の長さであることを特徴とする、請求項１〜４のうちいずれか一項に記載のモジュール。
【請求項６】
前記矩形の金属接触面（４’、５’）の前記長辺（ａ）がモジュール横方向軸（ＱＡ）に対して平行に通り、前記矩形の金属接触面（４’、５’）の前記短辺（ｂ）がモジュール長手方向軸（ＬＡ）に対して平行に通っていることを特徴とする、請求項１〜５のうちいずれか一項に記載のモジュール。
【請求項７】
前記長辺（ａ）の長さが０．５ｍｍ〜１０ｍｍ、前記短辺（ｂ）の長さが０．２ｍｍ〜５ｍｍであることを特徴とする、請求項５又は６に記載のモジュール。
【請求項８】
前記金属接触面（４’、５’）が、マトリックス状にそれぞれの前記セラミック層（６、７）の表面に配置されていることを特徴とする、請求項１〜７のうちいずれか一項に記載のモジュール。
【請求項９】
前記矩形の金属接触面（４’、５’）が、前記モジュール長手方向軸（ＬＡ）に対して平行に通る列（Ｒ１、Ｒ２、Ｒｘ）、ならびに前記モジュール横方向軸（ＱＡ）に対して平行に通る段（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓｙ）を形成していることを特徴とする、請求項８に記載のモジュール。
【請求項１０】
２つの隣り合う矩形の金属接触面（４’、５’）が、前記モジュール横方向軸（ＱＡ）の方向に０．１ｍｍ〜２ｍｍの間隔（ｄ）を有していることを特徴とする、請求項１〜９のうちいずれか一項に記載のモジュール。
【請求項１１】
２つの隣り合う矩形の金属接触面（４’、５’）が、前記モジュール長手方向軸（ＬＡ）の方向に０．１ｍｍ〜２ｍｍの間隔（ｃ）を有していることを特徴とする、請求項１〜１１のうちいずれか一項に記載のモジュール。
【請求項１２】
前記切断線もしくは規定破断箇線（１１、１１’）の溝、刻み目及び／又は点は、前記金属被覆（４、５）を支持している前記セラミック層（６、７）の表面（６’、７’）から出発して、それぞれの前記セラミック層（６、７）の厚さの少なくとも１０分の１にかけて延びていることを特徴とする、請求項１に記載のモジュール。
【請求項１３】
前記分離線もしくは規定破断箇線（１１、１１’）の溝、刻み目及び／又は点が、前記セラミック層（６、７）のレーザー処理又は機械加工プロセスによって作られることを特徴とする、請求項１又は１２に記載のモジュール。
【請求項１４】
前記セラミック層（６、７）が、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素又はジルコニア強化アルミナから製造されており、好ましくは層の厚さが０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲にあることを特徴とする、請求項１〜１３のうちいずれか一項に記載のモジュール。
【請求項１５】
前記第１及び第２の構造化された金属被覆（４、５）が、金属層もしくは金属箔の形態で、とくに好ましくは銅もしくは銅合金から形成されており、好ましくは層の厚さが０．０３ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲にあることを特徴とする、請求項１〜１４のうちのいずれか一項に記載のモジュール。
【請求項１６】
前記金属被覆（４、５）が、少なくとも部分的に金属表面層を備えており、とくに、例えばニッケル、銀、又はニッケル合金あるいは銀合金から成る表面層を備えていることを特徴とする、請求項１〜１５のうちいずれか一項に記載のモジュール。
【請求項１７】
前記熱電発電機構成部品（Ｎ、Ｐ）が、さまざまにドープされた半導体材料から製造されたペルティエ素子の形態で形成されており、前記半導体材料の層の厚さが、好ましくは０．５ｍｍ〜８ｍｍの範囲にあることを特徴とする、請求項１〜１６のうちいずれか一項に記載のモジュール。
【請求項１８】
前記スチール層もしくはステンレス層（８）及び／又は前記耐腐食性金属層（１０）が複数の部分から形成されており、前記スチール層もしくはステンレス層（８）及び／又は前記耐腐食性金属層（１０）の少なくとも２つの部分が、前記セラミック層（６、７）の少なくとも１つの表面部分（６’’’、７’’’）に外から自由にアクセスできるように、互いに間隔をあけて配置されていることを特徴とする、請求項１〜１７のうちいずれか一項に記載のモジュール。
【請求項１９】
前記スチール層もしくはステンレス層（８）及び／又は前記耐腐食性金属層（１０）が、構造化又形状付けされた状態で形成されていることを特徴とする、請求項１〜１８のうちいずれか一項に記載のモジュール。
【請求項２０】
前記スチール層もしくはステンレス層（８）及び／又は前記耐腐食性金属層（１０）が、前記セラミック層（６、７）の周縁部から外側へ突き出している部分に、周辺を取り囲む溝（１６、１６’）を有していることを特徴とする、請求項１〜１９のうちいずれか一項に記載のモジュール。
【請求項２１】
請求項１〜２０のうちいずれか一項に記載の熱電発電機モジュール（１）で使用するための金属‐セラミック基板であり、少なくとも１つのセラミック層（６）及び該セラミック層（６）に取り付けられた少なくとも１つの構造化された金属被覆（４）を備え、前記金属‐セラミック基板（２）は、少なくとも１つのスチール層もしくはステンレス層（８）を有しており、前記構造化された金属被覆（４）と、少なくとも１つの前記スチール層もしくはステンレス層（８）との間に前記セラミック層（６）が配置されている金属‐セラミック基板であって、
前記金属被覆（４）が多数の金属接触面（４’）を形成するように構造化されており、該接触面は、好ましくは矩形に形成され、互いに間隔をあけて配置されていること、前記金属接触面（４’）の間には、切断線もしくは規定破断線（１１、１１’）が前記セラミック層（６）の中に入れられており、これらの前記線は、好ましくは、溝、刻み目及び／又は点の形態で、及び／又は微小亀裂を入れることで実現されていることを特徴とする、金属‐セラミック基板。
【請求項２２】
前記セラミック層（６）と少なくとも１つの前記スチール層もしくはステンレス層（８）との間に少なくとも１つの銅層（９）が設けられていることを特徴とする、請求項２１に記載の金属‐セラミック基板。
【請求項２３】
矩形の金属接触面（４’、５’）の長辺（ａ）が、その短辺（ｂ）のほぼ２倍の長さであり、好ましくは前記長辺（ａ）の長さが０．５ｍｍ〜１０ｍｍであり、前記短辺（ｂ）の長さが０．２ｍｍ〜５ｍｍであることを特徴とする、請求項２１に記載の金属‐セラミック基板。
【請求項２４】
前記金属接触面（４’）が、マトリックス状に前記セラミック層（６）の表面に配置されており、とくに、列（Ｒ１、Ｒ２、Ｒｘ）と段（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓｙ）とに配置されていることを特徴とする、請求項２１又は２３に記載の金属‐セラミック基板。
【請求項２５】
前記切断線もしくは規定破断箇線（１１、１１’）の溝、刻み目及び／又は点は、前記金属被覆（４）を支持している前記セラミック層（６）の表面（６’）から出発して、前記セラミック層（６）の厚さの少なくとも１０分の１にかけて延びていることを特徴とする、請求項２１に記載の金属‐セラミック基板。
【請求項２６】
前記セラミック層（６）が、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素又はジルコニア強化アルミナから製造されており、好ましくは層の厚さが０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲にあることを特徴とする、請求項２１〜２５のうちいずれか一項に記載の金属‐セラミック基板。
【請求項２７】
前記構造化された金属被覆（４）が、金属層もしくは金属箔の形態で、とくに好ましくは銅もしくは銅合金から形成されており、好ましくは層の厚さが０．０３ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲にあることを特徴とする、請求項２１〜２６のうちいずれか一項に記載の金属‐セラミック基板。
【請求項２８】
前記金属被覆（４）が、少なくとも部分的に金属表面層を備えており、とくに、例えばニッケル、銀、又はニッケル合金あるいは銀合金から成る表面層を備えていることを特徴とする、請求項２１〜２７のうちいずれか一項に記載の金属‐セラミック基板。
【請求項２９】
具体的には熱電発電機モジュール（１）用プリント回路基板の形態において、少なくとも１つのセラミック層（６）及び該セラミック層の上に取り付けられた少なくとも１つの構造化された金属被覆（４）を備える金属‐セラミック基板の製造方法であり、前記セラミック層（６、７）の反対側の表面（６’）上に、直接又は間接的に少なくとも１つのスチール層もしくはステンレス層（８）が取り付けられる方法であって、
前記金属被覆（４）が、多数の金属接触面（４’、５’）を形成するように構造化されており、該接触面は、好ましくはマトリックス状に、記セラミック層（６）の上に配置されていること、矩形の前記金属接触層（４’、５’）の間に、レーザー処理又はノコ引きによって、好ましくは、溝、刻み目及び／又は点の形態で、及び／又は微小亀裂を入れることで切断線もしくは規定破断線（１１、１１’）が前記セラミック層（６、７）の中に入れられることを特徴とする、方法。
【請求項３０】
アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素又はジルコニア強化アルミナから成る前記セラミック層（６）と、銅層もしくは銅合金から成る前記金属被覆（４）とがＤＣＢ接合又は活性ろう付けによって接合されることを特徴とする、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記スチール層もしくはステンレス層（８）が、硬ろう付け、活性ろう付け又は接着によって前記セラミック層（６、７）と直接接合されることを特徴とする、請求項２９又は３０に記載の方法。
【国際調査報告】
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