一种用于将热电式发动机(TEG(12))热耦合至排气歧管的组件(10)包括第一热交换器(14)、第一电介质层(24)、TEG(12)以及直接键合铜布置结构(DBC(26))。该第一电介质层(24)覆盖第一热交换器(14)的外表面(22)的一部分。第一电介质层(24)通过将厚膜电介质材料烧制在第一热交换器(14)的不锈钢上而形成。TEG(12)限定第一触件(30)，该第一触件适合于热地和电气地耦合至第一导电层。DBC(26)置于第一介电层(24)和TEG(12)的第一触件(30)之间。DBC(26)由粘合层(50)、键合层(52)以及铜箔层(54)形成，该粘合层由高粘合铜厚膜形成并且与第一电介质层(24)接触，该键合层由铜厚膜形成，该铜厚膜与第一电介质层(24)相对地覆盖粘合层(50)并与之接触，而铜箔层与粘合层(50)相对地覆盖键合层(52)并与之接触。
【技术实现步骤摘要】
关于政府主办的发展报告本专利技术是在美国政府的支持下基于由能源部所授予的政府合同/购买订单号DE-EE0005432做出的。政府享有本专利技术的某些权利。本专利技术总地涉及使得车辆装配有热电式发电机(TEG)，并且更具体地涉及一种使用直接键合铜布置结构将TEG热耦合至内燃机的排气歧管的方式。
技术介绍
已指出的是，操作内燃机以推进汽车所消耗燃料中会有高达三分之二作为废热耗散到环境中。还指出的是，将内燃机装配有热电式发电机(TEG)，以将其中一些此类废热转换成电力。TEG是当热耦合至处于不同温度下物体时产生电力的已知装置。一般而言，TEG的‘热’侧和‘冷’侧之间的温差越大，能产生的电功率越大。还认识到的是，物体和TEG之间的导热性越高(即，较小的热电阻)，能产生的电功率越大。然而，由于此种应用中的温度极限，因而须谨慎地选择将TEG热接合或耦合至发动机的排气歧管所选用的材料。
技术实现思路
根据一个实施例，提供一种将热电式发电机(TEG)热耦合至内燃机的排气歧管的组件。该组件包括第一热交换器、第一电介质层、TEG以及直接键合铜布置(DBG)。第一热交换器适合于将第一热交换器内来自内燃机的排气的热量热耦合至该第一热交换器的外表面。外表面由不锈钢形成。该第一电介质层覆盖第一热交换器的外表面的一部分。第一电介质层通过将厚膜电介质材料烧制在第一热交换器的不锈钢上而形成。TEG限定第一触件，该第一触件适合于热地和电气地耦合至第一导电层。DBC置于第一电介质层和TEG的第一触件之间。DBC由粘合层、键合层以及铜箔层形成，该粘合层由高粘合铜厚膜形成并且与第一电介质层接触，该键合层由铜厚膜形成，该铜厚膜覆盖并且与同第一电介质层相对的粘合层接触，而铜箔层覆盖并且与同粘合层相对的键合层接触。在阅读了仅仅借助非限制实施例给出并且参照附图的较佳实施例的以下详细描述后，又一些特征和优点会变得更加清楚。附图说明现将参照附图通过例子描述本专利技术，附图中：图1是根据一个实施例的热交换器组件的立体图；图2是根据一个实施例的图1的热交换器组件的横截面侧视图；以及图3是根据一个实施例的图1的热交换器组件的放大横截面侧视图。具体实施方式来自内燃机的排气的废热能借助热电式发电机转换成能量。汽车排气可达到约800℃的温度，并且相对于环境或发动机冷却剂的温差可用于产生多达或超过一千瓦(1000W)的电功率。该电功率可例如用于减小汽车交流发电机上的负载，由此改进燃料经济性。这里所描述的是改进包装构造的可靠性的方式，该包装构造用于将热电式装置热耦合至来自汽车发动机排气的热量。图1说明组件10的非限制示例，该组件将热电式材料(下文称为TEG12)热耦合至排气歧管(下文称为第一热交换器14)。较佳的是，该第一热交换器14是车辆(未示出)中内燃机(未示出)的排气系统的一部分。替代地，内燃机可以是固定发电厂的一部分，该固定发电厂将机械能量和/或电能提供给远离典型电网的位置。于是，针对该非限制示例，第一热交换器14构造成将处于该第一热交换器14内的排气16的热量热耦合至TEG12。TEG12通常在横贯该TEG12维持一定温差时产生电功率。借助示例但并不做限制，相对于第一热交换器14的温差由第二热交换器18提供。该第二热交换器可以是用于内燃机的冷却系统的一部分。于是，针对该非限制示例，第二热交换器18构造成将该第二热交换器18内的冷却剂20热耦合至TEG12。替代地，该第二热交换器18可以是具有翅片的翅片式散热器(未示出)，这些翅片暴露于环境空气或者耦合至车辆底盘的车架构件。本领域技术人员会认识到的是，将‘冷’侧提供给TEG12、以相对于耦合至第一热交换器14的‘热’侧建立温差存在许多替代。于是，针对该替代实施例，来自排气的热量可通过TEG热地连通至散热器。也可设想的是，可以将由合适材料形成的翅片式散热器分别附加至第一热交换器14和/或第二热交换器18，以进一步便于TEG和排气16或冷却剂20之间的热传递。图2进一步说明组件10的非限制细节。TEG12说明为具有两个p型和两个n型元件，这些元件通常称为热电式接头。应认识到的是，适合于产生千瓦域的功率电平的TEG会具有更多的热电式接头，并且那些接头很可能以二维阵列设置。这里示出并且作为一维阵列说明的减少数量的接头仅仅出于简化说明的目的。如上所述，第一热交换器14通常构造成将第一热交换器14内来自内燃机(未示出)的排气16的热量热耦合至第一热交换器14的外表面22。较佳的是，外表面22由诸如400系列不锈钢(例如，430不锈钢)形成，该不锈钢可容易地从若干供应商购得。可设想的是，整个第一热交换器14可由不锈钢形成。上文强调外表面22的描述仅仅用于澄清下文给出的关于与外表面22接触的其他材料的解释。将不锈钢用于外表面22是尤其有利的，这是因为这使得能够施加第一电介质层24来覆盖第一热交换器14的外表面22的一部分。较佳的是，第一电介质层24通过将诸如杜邦(DuPont)3500N厚膜电介质之类的厚膜电介质材料烧制到形成第一热交换器14的外表面22的不锈钢上而形成。将热电式材料热耦合至排气歧管的现有示例已将氧化铝(Al2O3)基底用于热电式发电机和金属排气歧管之间的电介质屏障。氧化铝基底需要至少700微米(750μm或0.75mm)厚，以具有足够的强度以在这样的应用中容易地处理和使用。氧化铝具有约三十瓦/米开尔文(30W/(m·°K)的导热性，这样0.75mm厚的氧化铝基底的特征可在于具有30/0.75＝40的热性能因子。相反，能采用诸如杜邦3500N之类的厚膜电介质材料，以具有约37微米(38μm或0.037mm)的烧制厚度。杜邦3500N具有约2瓦/米开尔文(2W/(m·°K)的导热性，于是第一电介质层24的特征可在于具有2/0.038＝53的热性能因子，当与上述氧化铝基底相比在热性能方面具有约33％的改进。换言之，使用电介质层而非之前提出的氧化铝基底来用于第一电介质层使得热量从第一热交换器14通至TEG12的温度损失减少25％。持续参照图2，该组件10可包括直接键合铜布置结构，该直接键合铜布置结构在下文称为DBC26并且覆盖第一电介质层24。总体而言，DBC26设置成将构成组件10的各个元件互连起来，并且提供接触垫28，用以形成与组件10的电连接(未示出)。DBC26通常由铜箔和铜厚膜形成，这将在下文进行更详细地解释。本领域技术人员将认识到形成与接触垫28的电连接的各种方式。例如，金属线、箔或条带(未示出)可焊接或铜焊至接触垫28，以使得由TEG12产生的电能可传送至该组件外部的其他位置。图3进一步说明该组件10的非限制细节，尤其是关于DBC26的细节。TEG12通常构造成限定第一触件30，该第一触件适合于电气地耦合至DBC26。第一触件30与DBC26的电气和热耦合可通过置于DBC26和TEG12的第一触件30之间的可烧结银(Ag)膏32来提供。因此，第一触件30和DBC26适合于银烧结。已发现，如果当可烧结银(Ag)膏32被烧制时将压力(即，力)施加于组件10，则由可烧结银(Ag)膏32形成的键合可得以改进。DBC26包括粘合层50，该粘合层由高粘合铜厚膜形成并且与第一电介质层24接触。用于粘合层5本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于将热电式发动机(TEG(12))热耦合至内燃机的排气歧管的组件(10)，所述组件(10)包括：第一热交换器(14)，所述第一热交换器适合于将所述第一热交换器(14)内来自所述内燃机的排气(16)的热量热耦合至所述第一热交换器(14)的外表面(22)，其中，所述外表面(22)由不锈钢形成；第一电介质层(24)，所述第一电介质层覆盖所述第一热交换器(14)的外表面(22)的一部分，且所述第一电介质层(24)通过将厚膜电介质材料烧制到所述第一热交换器(14)的不锈钢上而形成；TEG(12)，所述TEG限定第一触件(30)，所述第一触件适合于热地和电气地耦合至第一导电层；以及直接键合铜布置结构(DBC(26))，所述直接键合铜布置结构置于所述第一电介质层(24)和所述TEG(12)的第一触件(30)之间，其中，所述DBC(26)由粘合层(50)、键合层(52)以及铜箔层(54)形成，所述粘合层由高粘合铜厚膜形成并且与所述第一电介质层(24)接触，所述键合层由铜厚膜形成，所述铜厚膜与所述第一电介质层(24)相对地覆盖粘合层(50)并且与之接触，所述铜箔层(54)与所述粘合层(50)相对的覆盖键合层(52)并且与之接触。...
【技术特征摘要】
2015.10.02 US 14/873,7631.一种用于将热电式发动机(TEG(12))热耦合至内燃机的排气歧管的组件(10)，所述组件(10)包括：第一热交换器(14)，所述第一热交换器适合于将所述第一热交换器(14)内来自所述内燃机的排气(16)的热量热耦合至所述第一热交换器(14)的外表面(22)，其中，所述外表面(22)由不锈钢形成；第一电介质层(24)，所述第一电介质层覆盖所述第一热交换器(14)的外表面(22)的一部分，且所述第一电介质层(24)通过将厚膜电介质材料烧制到所述第一热交换器(14)的不锈钢上而形成；TEG(12)，所述TEG限定第一触件(30)，所述第一触件适合于热地和电气地耦合至第一导电层；以及直接键合铜布置结构(DBC(26))，所述直接键合铜布置结构置于所述第一电介质层(24)和所述TEG(12...
【专利技术属性】
技术研发人员：C·W·贝林，S·D·布朗登伯格，B·A·迈尔斯，
申请(专利权)人：德尔福技术有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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