CN102089894B - 用于热电薄层元件的换热器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于至少一个热电薄层元件的换热器，所述至少一个热电薄层元件具有热的一侧和冷的一侧，所述热的一侧和冷的一侧分别布置在薄层元件的对置的纵侧上，其中，热的一侧借助耦合元件连接到热源上，而冷的一侧与散热装置连接。从该现有技术出发，本发明的任务是，实现一种换热器，该换热器能够实现与热电薄层元件的简单并且有效的连接，并且使所使用的热电薄层元件的效率得以改善。该任务的解决方案基于以下思想，即，尤其柔韧的薄层元件在耦合元件和换热器的散热装置之间展开，并且耦合元件和散热装置之间的负荷通过尤其隔热的承载结构来偿还。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于至少一个热电薄层元件的换热器，该至少一个热电薄层元件具有热的一侧和冷的一侧，所述热的一侧和冷的一侧分别布置在薄层元件的对置的纵侧上，其中，热的一侧借助耦合元件连接到热源上，而冷的一侧与散热装置
连接。
背景技术
利用热电发生器能够将热量直接转换为电能。为此，优选使用以不同的方式掺杂的半导体材料，由此能够相对于具有两种不同的并且在一端上相互连接的金属的热电偶显著地提高效能。但是，现在可使用的热电发生器只具有相对小的效率。常用的半导体材料是具有3％至8％之间的效率的Bi2Te3、PbTe、SiGe、BiSb或者FeSi2。为了获得足够高的电压，将多个热电发生器电串联。
热电发生器的工作原理基于热电效应，下面称为塞贝克效应(Seebeck-Effekt)。在塞贝克效应中，在电的导体或者半导体的两个具有不同温度的点之间产生电压。所产生的电压通过：
USeebeck＝α·ΔT来确定，其中
ΔT是导体/半导体端部或者接触部位之间的温度差
α是塞贝克系数或者所谓的“热电动势(Thermokraft)”。
塞贝克系数具有电压每温度差(V/K)的量纲。所产生的电压独立于环境温度并且仅仅取决于接触部位的温度差。热电发生器的高效率在具有高的塞贝克系数并且同时具有低的比电阻和低的导热能力的材料中得以实现。
为了提高热电发生器的效率，在EP 1287566B 1中已经提出了一种热电薄层元件，该热电薄层元件具有掺杂的半导体的至少一个n层和至少一个p层，其中，在构成pn结的情况下来布置所述n层和p层。所述n层和p层以电选择性的方式接触。平行于n层和p层之间的界面层设立温度梯度。pn结基本上沿着n层和p层的整个的，优选最长的延展部构成，并且因此基本上沿着其整个界面层构成。通过沿着大面积的pn界面的温度梯度，沿着该稍带长形地构成的pn结，在pn层组(pn-Schichtpaket)的两个端部之间形成温度差，该温度差使得：热电的元件的效率大于现有技术中的效率，该现有技术沿着pn结和在pn结内部都不具有温度梯度。n层和p层的选择性的接触要么通过接触区的合金化(Einlegieren)及与之连接的pn结来实现，要么通过将各个层直接接触来实现。选择性的接触区是单独的、相互不导电连接的布置在p层和n层上的接触区。
由DE 102006031164公知一种具有承载架结构的热电薄层元件，在该承载架结构上覆加有多个由第一有传导能力的材料制成的热臂以及多个由第二有传导能力的材料制成的热臂，其中，第一有传导能力的材料和第二有传导能力的材料具有不同的传导能力，并且所述热臂以如下方式相互电耦合，即，使相应两个热臂形成热偶，其中，所有由第一有传导能力的材料和第二有传导能力的材料制成的热臂都并排地布置在承载架结构上。所述热电薄层元件的冷的一侧位于电的有传导能力的第一材料和第二材料的一侧上，而热的一侧位于电的有传导能力的第一材料和第二材料的对置的一侧上。
最后，由DE 10122679A1公知一种热电薄层元件，该热电薄层元件具有柔韧的基底材料，在该基底材料上覆加有薄层热偶(Dünnschicht-Thermopaare)。所述薄层热偶由两种不同材料的材料组合形成，其中，所述第一材料和第二材料以如下方式设置并且以如下方式相互热耦合，即，所述第一材料和第二材料共同形成热偶。所述两种材料被压印到柔韧的薄膜上或者借助于通常的分离方法加以分离。例如由镍制成的、并排布置的条带作为第一材料，而由铬制成的条带作为第二材料，其中，接片和条带在其端部上分别成对地通过由第二材料制成的耦合结构相互电连接。通过耦合的接片和条带，在很小的面上形成多个热偶的串联。大量薄层热偶导致热电偶的很高的输出电压。热电薄层元件的一侧上的电耦合结构形成其热的一侧，热电薄层元件的对置的一侧上的耦合结构形成其冷的一侧，其中，热的一侧借助耦合元件连接到热源上，而冷的一侧与散热装置连接。
发明内容
从该现有技术出发，本发明的任务是，实现一种开头所述类型的换热器，该换热器能够实现与热电薄层元件的简单并且有效的连接，并且使所使用的热电薄层元件的效率得以改善。所述换热器尤其也应该适合于容纳大面积的、尤其柔韧的热电薄层元件。
该任务的解决方案基于以下思想，即，尤其柔韧的薄层元件在耦合元件和换热器的散热装置之间展开，并且耦合元件和散热装置之间的负荷通过尤其隔热的承载结构来承担。
具体地，所述任务在开头所述类型的换热器中通过以下方式来解决，
-所述耦合元件包括至少两个型材，所述至少两个型材具有相互平行地布置的外表面，其中，相邻的型材的外表面在两侧贴靠在热电薄层元件的热的一侧上，
-所述散热装置包括至少两个型材，所述至少两个型材具有相互平行地布置的外表面，其中，相邻的型材的外表面在两侧贴靠在热电薄层元件的冷的一侧上，
-耦合元件的型材与散热装置的型材成对地对置，
-耦合元件和散热装置的相互成对地对置的型材的贴靠在薄层元件上的外表面相互对齐，但是以相互间有间距的方式布置，并且
-耦合元件和散热装置的相应两个相互对置的型材通过承载结构相互连接。
耦合元件与散热装置的热退耦优选通过以下方式实现，即，与耦合元件和散热装置的型材的材料相比，承载结构的材料具有更小的导热能力。另外的退耦通过以下方式来实现，即，耦合元件和散热装置的相应两个相互对置的型材仅仅通过承载结构相互连接，而成对地对置的型材的贴靠在薄层元件上的外表面以相互间有间距的方式布置。
耦合元件和散热装置之间的有效的热退耦导致薄层元件的热的一侧和冷的一侧之间的很高的温度差，并且由此产生改善的效率。
按本发明的换热器一点也不需要薄层元件的承载功能，由此，该薄层元件能够作为薄膜在耦合元件的相互平行地布置的外表面和散热装置的相互平行地布置的外表面之间大面积地展开。为了展开热电薄层元件，该热电薄层元件在其纵侧上分别夹在和/或粘接在相邻的型材的相互平行地布置的外表面之间。因此，按本发明的换热器使如下的热电装置的制造成为可能，在所述热电装置中，优选板状的耦合元件可以具有一个或者甚至多个平方米的大小。
由于低的导热能力以及无内应力(Eigenspannungsfreiheit)，所述承载结构优选由泡沫塑料组成，尤其是由聚合物组成。多孔状的结构减少了用于热输送的横截面并且由此相对于大多数金属的耦合元件或者散热装置降低了承载结构的导热能力。
优选使用用于制造有大孔的泡沫塑料的材料和方法，以便进一步降低导热能力。只要泡沫塑料是闭孔泡沫塑料，那么可以通过选择用于发泡的驱动气体(N2/CO2)再一次降低导热能力。
换热器的足够的强度和稳定性通过以下方式得以确保，即，所述承载结构由硬质泡沫塑料组成，尤其是由聚氨酯硬质泡沫组成。
尤其结合由泡沫塑料制成的承载结构通过以下方式来简化按本发明的换热器的可制造性，即，不仅耦合元件的而且散热装置的型材都是如下U型材，所述U型材具有凸缘的平行的外表面，并且相互对置的U型材的凸缘指向彼此。于是，换热器的制造能够以如下这种方式来实现，即，利用聚氨酯泡沫发泡出常规的四边形型材。在泡沫塑料硬化之后，在四边形型材的平行的侧壁上引入在其整个长度上延伸的纵槽，由此将四边形型材分成两个U型材，其中，如此形成的、对置的U型材的凸缘对齐地指向彼此，但是通过纵槽相互分开。
所述两个U型材之间的机械连接仅仅通过在横截面内呈矩形的泡沫塑料型材实现，该泡沫塑料型材优选在两个U型材的整个长度上延伸。结果是，该承载结构几乎完全填满一方面耦合元件的和另一方面散热装置的两个对置的U型材。然后，至少两个这样制成的型材装置相互间如此邻近地布置在底座上，尤其是布置在平坦的板上，以致于相邻的U型材的外表面贴靠在薄层元件的热的一侧或者冷的一侧上。
承载结构的导热的横截面能够通过以下方式进一步减小，即，在相互对置的U型材的凸缘之间构成的间隙的区域内，将切口引入到泡沫塑料中，其中，切口优选在整个长度上，但在保留中间的接片的情况下延伸。尤其是在由四边形型材制成的U型材的上面所解释的制造中，可以在工序中随着四边形型材的分开而将切口制造到泡沫塑料中，其中切割过程直至一定深度地延续到硬化的泡沫塑料材料中。
可供选择地或者额外地，能够通过以下方式来减少导热的横截面，即，由泡沫塑料组成的承载结构具有横向于型材的纵向延伸分布的通路。通路的数量和布置以及在泡沫塑料材料中必要时存在的切口的构成形式要与承载结构的所要求的承载能力协调一致。
只要应该放弃用于承载结构的泡沫塑料，那么将承载结构布置在相互对置的U型材的凸缘之间构成的间隙的区域内，并且所述承载结构尤其由两个对置的U型材之间的多个连接接片形成。为了实现很小的热传递，在考虑所要求的承载能力的情况下，使连接接片之间的间距最大化并且使连接接片的横截面最小化。优选地，所述连接接片由跟U型材相比具有更小导热能力的材料组成。但是，所述连接接片也可以由型材材料自身组成，尽管由此在连接部位上形成不希望的热桥
所述热桥降低了由换热器容纳的那个薄层元件或那些薄层元件的效率。
为了通过维持薄层元件的热的一侧和冷的一侧之间的较高的温度差来进一步改善效率，在散热装置上布置有冷却肋。通过冷却肋使散热装置的表面并且因此使热流的导出得到改善。
如已经在上面提到的那样，所述耦合元件优选具有底座，在该底座上布置有至少两个型材，但优选是布置有多个型材。薄层元件的热的一侧夹在和/或粘接在相应两个相邻的型材之间。如果将两个以上的U型材相互平行地布置在底座上，那么由处在外部的U型材所包围的U型材用于在两侧上保持薄层元件。
为了确保很高的导热能力并且因此确保热量的良好的耦合或退耦，所述耦合元件和/或散热装置由金属或者陶瓷或者导热良好的合成材料组成。
附图说明
下面根据实施例对本发明进行详细解释。其中：
图1a示出按本发明的热电装置的侧视图，
图1b示出按图1a的装置沿线A-A的剖面，
图1c示出按图1a的细节B的放大的图示，
图2a以正视图和侧视图示出具有换热器的两个对置的U型材的型材装置的图示，该型材装置带有承载体，
图2b示出按图2a的型材装置沿线A-A的剖面，
图2c以正视图和侧视图示出具有换热器的两个对置的U型材的另一型材装置的图示，该型材装置带有被剖切过的承载体，
图2d示出按图2c的型材装置沿线A-A的剖面，
图3a以正视图和侧视图示出具有换热器的两个对置的U型材的另一型材装置的图示，该型材装置带有具有通路的承载体，
图3b示出按图3a的型材装置沿线A-A的剖面，
图3c以正视图和侧视图示出具有换热器的两个对置的U型材的另一型材装置的图示，其中，型材通过接片相互连接，
图3d示出按图3c的型材装置沿线A-A的剖面，
图4示出按本发明的热电装置的示意图，用于形象地说明热流从薄层元件的热的一侧到冷的一侧。
具体实施方式
图1示出热电发生器(1)形式的热电装置，该热电发生器基本上由薄层元件(2)和换热器(3)构成。如尤其从图1b)和1c)中所示，所述薄层元件(2)由柔韧的、条状的承载薄膜
(4)形成，在该承载薄膜上布置有多个相互电连接的区段(5)，这些区段具有第一半导体材料和第二半导体材料(6、7)。在承载薄膜(4)上沿纵向并排布置的区段(5)交替地要么通过半导体材料(6)或者说在对置的一侧上通过半导体材料(7)，借助于电薄层接触区(8、9)串联。通过这种串联，在薄层元件(2)的各个区段(5)中产生的塞贝克电压累加。
热电发生器(1)总共具有四个布置在承载薄膜(4)上的薄层元件(2)，所述薄层元件又全部并联。
附图中位于承载薄膜(4)的下面的边缘上的是薄层元件(2)的冷的一侧(11)，并且附图中位于上面的边缘上的是薄层元件(2)的热的一侧(12)。
每个薄层元件(2)的热的一侧(12)借助耦合元件连接到附图中没有示出的热源上。耦合元件在示出的实施例中包括五个U型材(13)，所述U型材的连接侧向凸缘(14a、14b)的接片(15)处于平坦的板(16)上。
所述薄层元件(2)的冷的一侧(11)与散热装置连接，该散热装置在示出的实施例中包括五个具有指向下的凸缘(18a、18b)的U型材(17)以及布置在连接凸缘(18a、18b)的接片(19)上的、垂直向上延伸的冷却肋(21)。不仅耦合元件的U型材(13)的凸缘(14a、14b)而且散热装置的U型材(17)的凸缘(18a、18b)都以其外表面(22、23)平行于耦合元件的或者散热装置的相应相邻的U型材(13/17)地布置。
耦合元件的相应两个相邻的U型材(13)的外表面(22)在两侧齐平地贴靠在热电薄层元件(2)的热的一侧(12)上。以如下方式选择相应两个相邻的U型材(13)之间的间距，即，使薄层元件(2)的热的一侧(12)夹在外表面(22)之间。为了额外地进行固定，可以将粘合材料引入外表面(22)和薄层元件(2)的表面之间。对置于每个U型材(13)，分别布置有散热装置的U型材(17)中的一个U型材。相互对置的U型材(13、17)的凸缘(14a、14b)以及凸缘(18a、18b)相互对齐，但是在构成尤其可以从图2和图3中看出的间隙(25)的情况下以相互间有间距(24)的方式布置。以如下方式来选择散热装置的相应两个相邻的U型材(17)之间的间距，即，使薄层元件(2)的冷的一侧(12)夹在外表面(23)之间。这里也可以额外地引入粘合材料。
耦合元件的下面的U型材(13)通过承载结构(26)与散热装置的上面的U型材(17)相互连接：在按图1的实施例中，下面的U型材(13)借助于硬质泡沫塑料型材与上面的U型材(17)相互机械连接，该硬质泡沫塑料型材几乎完全填满相应两个对置的U型材(13、17)之间的中间空间。如尤其可以从图2b中看出的那样，矩形的硬质泡沫塑料型材(27)在U型材(13、17)的整个长度上延伸。
下面的U型材和上面的U型材(13、17)之间的间隙(25)有效地禁止耦合元件和散热装置之间经由型材(13、17)进行的直接的热量流动，所述型材仅仅通过型材(27)形式的、隔热的硬质泡沫塑料相互牢固地机械连接。通过使用有大孔的硬质泡沫塑料显著减少对导热来说有效的横截面积。
图2c)和2d)示出承载结构(26)的变型方案，该承载结构在凸缘(14a、14b、18a、18b)之间的间隙(25)的区域中分别具有在硬质泡沫塑料型材(27)中水平分布的切口(28)，这些切口延伸至当中布置的接片(29)。下面的U型材(13)和上面的U型材(17)之间的连接仅仅通过接片(29)来实现，所述接片在整体上确保由硬质泡沫塑料型材(27)形成的承载结构(26)的足够的稳定性。
图3a)和3b)示出硬质泡沫塑料型材(27)，在该硬质泡沫塑料型材中，通过横向于U型材(13、17)的纵向延伸分布的空心圆柱形的通路(31)来减小由硬质泡沫塑料型材(27)形成的承载结构(26)。留在相邻的通路(31)之间的接片(32)给予由硬质泡沫塑料型材(27)形成的承载结构(26)足够的稳定性。
最后，图3c)和3d)示出对置的U型材(13、17)之间的承载结构(26)，该承载结构无需额外的硬质泡沫塑料型材也行得通。在该实施方式中，连接接片(32)在相应两个对置的U型材(13、17)之间形成承载结构(26)。由于连接接片(32)的大间距(33)以及小宽度(34)，该连接接片自身在由像散热装置和耦合元件那样的相同的材料构成连接接片时，不构成使热电装置的功能成问题的热桥。然而，优选的是，与耦合元件和散热装置的材料相比，所述连接接片(32)由具有更小的导热能力的材料制成。
最后，图4)形象地说明：在按本发明的热电装置中，所述薄层元件(2)仅仅具有热功能和电功能，而承载的功能仅仅由隔热的和电绝缘的硬质泡沫塑料型材(27)来承担。热流从没有示出的、耦合到板(16)上的热源经由板(16)流过下面的U型材(13)的处于板(16)上的接片(15)以及凸缘(14)、薄层元件(2)以及从薄层元件(2)的冷的一侧(11)流经上面的U型材(17)和布置在其接片(19)上的冷却型材(21)，所述冷却型材将余热排放到周围空气中。
附图标记列表
| 编号 | 名称 | 编号 | 名称 |
| 1. | 热电发生器 | 18a、b | 凸缘 |
| 2. | 薄层元件 | 19. | 接片 |
| 3. | 换热器 | 20. | --- |
| 4. | 承载薄膜 | 21. | 冷却肋 |
| 5. | 区段 | 22. | 耦合元件外表面 |
| 6. | 第一半导体材料 | 23. | 散热装置表面 |
| 7. | 第二半导体材料 | 24. | 间距 |
| 8. | 电薄层接触区 | 25. | 间隙 |
| 9. | 电薄层接触区 | 26. | 承载结构 |
| 10. | 27. | 硬质泡沫塑料型材 | |
| 11. | 冷的一侧 | 28. | 切口 |
| 12. | 热的一侧 | 29. | 接片 |
| 13. | U型材 | 30. | --- |
| 14a、b. | 凸缘 | 31. | 通路 |
| 15. | 接片 | 32. | 连接接片 |
| 16. | 板 | 33. | 间距 |
| 17. | U型材 | 34. | 宽度 |
Claims (18)
1.用于至少一个热电的薄层元件的换热器，所述至少一个热电的薄层元件具有热的一侧和冷的一侧，所述热的一侧和冷的一侧分别布置在所述薄层元件的对置的纵侧上，其中，所述热的一侧借助耦合元件连接到热源上，而所述冷的一侧与散热装置连接，
其特征在于，
-所述耦合元件包括至少两个型材(13)，所述至少两个型材具有相互平行地布置的外表面(22)，其中，相邻的型材(13)的所述外表面(22)在两侧贴靠在所述热电的薄层元件(2)的所述热的一侧(12)上，
-所述散热装置包括至少两个型材(17)，所述至少两个型材具有相互平行地布置的外表面(23)，其中，相邻的型材(17)的所述外表面(23)在两侧贴靠在所述热电的薄层元件(2)的所述冷的一侧(11)上，
-所述耦合元件的所述型材(13)与所述散热装置的所述型材(17)成对地对置，
-所述耦合元件和所述散热装置的相互成对地对置的型材(13、17)的贴靠在所述薄层元件(2)上的所述外表面(22、23)相互对齐，但是以相互间有间距(24)的方式布置，并且
-所述耦合元件和所述散热装置的每两个相互对置的型材(13、17)通过承载结构(26)相互连接。
2.按权利要求1所述的换热器，其特征在于，不仅所述耦合元件的而且所述散热装置的所述型材(13、17)都是U型材，所述U型材具有凸缘(14a、14b、18a、18b)的平行的外表面(22、23)，并且相互对置的U型材(13、17)的所述凸缘(14a、18a、14b、18b)指向彼此。
3.按权利要求1或2所述的换热器，其特征在于，与所述耦合元件的和所述散热装置的所述型材(13、17)的材料相比，所述承载结构(26)的材料具有更小的导热能力。
4.按权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述承载结构(26)由泡沫塑料组成，其与所述耦合元件的和所述散热装置的所述型材(13、17)的材料相比具有更小的导热能力。
5.按权利要求4所述的换热器，其特征在于，所述泡沫塑料是闭孔泡沫塑料。
6.按权利要求4所述的换热器，其特征在于，所述承载结构(26)由合成材料硬质泡沫塑料组成。
7.按权利要求2所述的换热器，其特征在于，所述承载结构(26)由泡沫塑料组成，其与所述耦合元件的和所述散热装置的所述型材(13、17)的材料相比具有更小的导热能力并且所述承载结构(26)几乎完全填满两个对置的U型材(13、17)之间的中间空间。
8.按权利要求2所述的换热器，其特征在于，所述承载结构(26)由泡沫塑料组成，其与所述耦合元件的和所述散热装置的所述型材(13、17)的材料相比具有更小的导热能力并且所述承载结构(26)在相互对置的U型材(13、17)的所述凸缘(14a、18a、14b、18b)之间构成的间隙(25)的区域内具有切口(28)。
9.按权利要求2所述的换热器，其特征在于，所述承载结构(26)由泡沫塑料组成，其与所述耦合元件的和所述散热装置的所述型材(13、17)的材料相比具有更小的导热能力并且所述承载结构(26)具有横向于所述U型材(13、17)的纵向延伸分布的通路(31)。
10.按权利要求2所述的换热器，其特征在于，所述承载结构(26)布置在相互对置的U型材(13、17)的所述凸缘(14a、18a、14b、18b)之间构成的间隙(25)的区域内。
11.按权利要求10所述的换热器，其特征在于，所述承载结构由两个对置的U型材(13、17)之间的多个连接接片(32)形成。
12.按权利要求1、2、4到11中任一项所述的换热器，其特征在于，在所述散热装置上布置有冷却肋(21)。
13.按权利要求1、2、4到11中任一项所述的换热器，其特征在于，所述耦合元件具有底座，在所述底座上布置有所述耦合元件的所述至少两个型材(13)。
14.按权利要求2所述的换热器，其特征在于，所述耦合元件具有底座，在所述底座上布置有所述耦合元件的所述至少两个型材(13)，其中，所述底座构成为板(16)，所述U型材(13)的连接所述凸缘(14a、14b)的接片(15)处于所述板的表面上。
15.按权利要求1、2、4到11及14中任一项所述的换热器，其特征在于，所述耦合元件和/或所述散热装置由金属、陶瓷或者合成材料组成。
16.按权利要求1、2、4到11及14中任一项所述的换热器，其特征在于，所述热电的薄层元件(2)在其纵侧上分别夹在相邻的型材(13、17)的相互平行地布置的外表面(22、23)之间。
17.按权利要求1、2、4到11及14中任一项所述的换热器，其特征在于，所述热电的薄层元件(2)在其纵侧上分别与相邻的型材(13、17)的相互平行地布置的外表面(22、23)粘接。
18.热电装置，所述热电装置具有至少一个薄层元件(2)以及至少一个按权利要求1到17中任一项所述的换热器(3)。
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