CN104956504B - 换热器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种换热器(10)，所述换热器具有至少一个第一珀耳帖元件(5)，其中，所述珀耳帖元件(5)具有第一半导体装置(4)和至少一个第二半导体装置(4)，其中，每个半导体装置(4)具有第一半导体、第二半导体和电接触件，其中，每个半导体装置(4)的至少一个半导体由p型掺杂半导体材料(2)制成，并且至少一个半导体由n型掺杂半导体材料(3)制成，其中，在所述半导体装置(4)内总是一个n型掺杂半导体(2)和一个p型掺杂半导体(3)交替地串联连接，并且能够通过所述电接触件对这些半导体施加电压，其特征在于，所述两个半导体装置(4)彼此并联地电连接。

Description

换热器
技术领域
本发明涉及一种换热器，该换热器具有至少一个第一珀耳帖元件，其中，该珀耳帖元件具有第一半导体装置和至少一个第二半导体装置，其中，每个半导体装置具有第一半导体、第二半导体和电接触件，其中，每个半导体装置的至少一个半导体由p型掺杂半导体材料制成，并且至少一个半导体由n掺杂材料制成，其中，在半导体装置内总是一个n型掺杂半导体和一个p型掺杂半导体交替地串联连接，并且通过电接触件能够对这些半导体施加电压。
背景技术
在例如特别是机动车辆的技术系统中，需要实现各种不同的加热和冷却功能。为此，要使用多个不同的换热器，这些换热器可以根据要求释放热量或者可以吸收热量并将该热量排出。
如果要实现冷却至低于环境温度或者加热到一温度水平，且该温度水平通过在技术系统中的最热的热源(在机动车辆的情况下是由内燃机产生的废热)是不能达到的，则这些换热器将达到它们的极限。在这种情况下必须实现主动式冷却或者说主动式加热。
这样的主动式冷却例如可以通过将待冷却的元件与已有的冷却回路热连接来实现。主动式加热例如可以通过热泵、燃料辅助加热器或者电加热器来实现。在现有技术中已描述了多种解决方案。
此外还可以使用珀耳帖元件作为换热器来加热或者冷却。这特别是对于在电动和混合动力汽车中的电子元件的冷却和加热来说是可设想的。
使用珀耳帖元件在这里是特别有利的，因为不必与用于对各个元件进行冷却的制冷剂回路直接连接。此外，在珀耳帖元件中没有安装活动部件，由此结构复杂度很低。
US 4314008例如公开了一种具有电池电芯主动式冷却装置的电池系统。为了冷却电池电芯，在这里使用珀耳帖元件。一个珀耳帖元件在这里由多个n型掺杂半导体和p型掺杂半导体构成，这些半导体设置在两个相互平行的绝缘板之间。
各个n型掺杂半导体和p型掺杂半导体在这里按照串联连接方式设置。n型掺杂半导体和p型掺杂半导体交替地串联。根据施加电压的极性，热量通过n型掺杂半导体和p型掺杂半导体从一个绝缘板输送到对置的绝缘板。通过极性反转使热量传递的方向反转。
根据现有技术的解决方案的缺点是，珀耳帖元件的各个n型掺杂半导体和p型掺杂半导体串联连接。由于单个n型掺杂半导体或者p型掺杂半导体的损坏，通过珀耳帖元件的总电流被阻断，由此珀耳帖元件发生故障。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种换热器，该换热器适合于主动地对元件进行加热或者冷却，其中，该换热器具有高的故障安全性，并且同时可以简单且成本低廉地进行制造。
本发明的目的通过一种具有权利要求1的特征的换热器得以解决。
本发明的一种实施例涉及一种换热器，该换热器具有至少一个第一珀耳帖元件，其中，该珀耳帖元件具有第一半导体装置和至少一个第二半导体装置，其中，每个半导体装置具有第一半导体、第二半导体和电接触件，其中，每个半导体装置的至少一个半导体由p型掺杂材料制成，并且至少一个半导体由n型掺杂半导体材料制成，其中，在半导体装置内总是一个n型掺杂半导体和一个p型掺杂半导体交替地串联地电连接，并且通过电接触件能够对这些半导体施加电压，其中，这两个半导体装置并联地电连接。
在一个珀耳帖元件中的各个半导体装置的并联连接是特别有利的，因为在单个半导体有缺陷时，只有通过在其中半导体是串联连接的半导体装置的电流才被中断，但是通过整个珀耳帖元件的电流不会被中断。因此，尽管一个半导体进而一个半导体装置有故障，珀耳帖元件大部分仍然是起作用的。
在具有完全是串联连接的半导体的珀耳帖元件中，仅仅一个半导体或者一个导电的桥接元件的缺陷就会导致整个珀耳帖元件发生故障。如果多个这样的珀耳帖元件彼此串联连接，那么整个电路就会不起作用。
因此，在各个半导体、半导体装置和珀耳帖元件的根据本发明的设置和连接中，故障安全性明显更高。
此外，还可以是特别有利的是，在半导体装置内的半导体通过导电的桥接元件相互连接。
导电的桥接元件提供半导体装置的各个半导体之间的电连接。导电的桥接元件在这里分别将一个n型掺杂半导体和一个p型掺杂半导体相互连接。
另一种优选实施例的特征是，在施加电压时，总是半导体的第一端部区域升温并且与该第一端部区域对置的端部区域降温，其中，半导体被设置成使得升温和降温的区域分别沿相同的方向定向。
半导体被定位成使得升温和降温的端部区域分别沿着共同的方向定向，这是特别有利的，因为以这种方式可以沿着各个半导体进行定向热量传递。因此，在施加电压时在半导体装置上或者说在珀耳帖元件上产生热量梯度。这可以用来将热量从待冷却的元件排出或者将热量供给到待加热的元件。
也可以优选的是，每个珀耳帖元件具有第一绝缘元件和第二绝缘元件，其中，半导体在绝缘元件之间设置在一个平面内，并且半导体与导电的桥接元件和/或绝缘元件热接触。
绝缘元件主要用来使半导体与外界电绝缘。为了不影响通过半导体的电流或者不引起短接，这是必要的。
为了不对由半导体引起的热量传递产生不利影响，绝缘元件在这里应当有利地具有高的导热能力。
在本发明的一种特别有利的设计方案中，此外还可以规定，多个n型掺杂半导体和p型掺杂半导体交替地设置在一个半导体装置内。
多个n型掺杂半导体和p型掺杂半导体提高了各个半导体装置的热量传递能力，并且因此提高珀耳帖元件的热量传递能力。为了保证换热器的功能，半导体元件必须被设置成使得一个n型掺杂半导体和一个p型掺杂半导体总是交替地被电流流过。
在本发明的替代设计方案中，可以规定，换热器具有多个相互串联地电连接的珀耳帖元件。
多个珀耳帖元件是有利的，因为总的热量传递能力由此得到提高。此外还可以通过多个珀耳帖元件的串联连接将总装置的电压水平提高至应用上典型的水平(例如12V或48V)。每个珀耳帖元件本身在半导体装置并联连接并且因此串联连接的臂对较少的情况下工作在较低的电压水平上。但是，因此加热和冷却功率与材料、臂的数量和几何结构相同且具有纯串联连接结构的珀耳帖元件相比并没有显著改变。例如，非常少量的电压降和在各个P/N臂对上的电流在很大程度上保持不受影响。相反地，作为半导体装置的电流乘以并联的半导体装置的数量得到的乘积，产生了珀耳帖元件的目前更大的总电流强度。
此外还可优选的是，绝缘元件被实施为平坦地延伸的板状元件。
平坦地延伸的板状元件是特别有利的，以便将待冷却或者待加热的元件与它们连接。绝缘元件在这里可以被用作用于待冷却和/或待加热的元件的载体。
此外还可以是有利的是，在珀耳帖元件内设有并联连接的半导体装置和串联连接的半导体装置。
通过串联连接的半导体装置和并联连接的半导体装置的结合，可以提高珀耳帖元件的故障安全性，并且同时使由于并联连接而产生的电压水平的降低量尽可能保持最小。
根据本发明的一种特别优选的改进方案可以规定，它具有调节装置，该调节装置测量各个半导体装置的总电阻和/或各个珀耳帖元件的总电阻，并且将测得的IST值即实际值与储存的SOLL值即设定值进行比较，并且基于比较结果对施加在一个或者多个半导体装置上和/或在一个或多个珀耳帖元件上的电压进行调节。
如果由于一个或多个半导体上的缺陷，流经换热器的电流的个别或多个传输路径被阻断的话，调节装置是特别有利的。这引起半导体、半导体装置和珀耳帖元件的电阻变化。通过主动地调整施加的电压可以对可能的热量传递能力的损失进行补偿。
本发明的有利改进方案在从属权利要求和随后的附图描述中进行描述。
附图说明
下面借助于实施例参照附图对本发明进行详细说明。在附图中：
图1示出了具有多个n型掺杂半导体和多个p型掺杂半导体的半导体装置的视图，这些半导体通过导电桥相互串联连接，
图2示出了两个珀耳帖元件的俯视图，这两个珀耳帖元件分别由多个半导体装置构成，这些半导体装置平行排列地沿着珀耳帖元件延伸，其中，每个珀耳帖元件的半导体装置相互并联连接并且这些珀耳帖元件相互串联连接，以及
图3示出了换热器的俯视图，该换热器由多个相互串联连接的珀耳帖元件构成。
具体实施方式
图1示出了半导体装置4的示意图。半导体装置4主要由桥接元件1以及多个p型掺杂半导体2以及n型掺杂半导体3构成。
图1中的半导体装置4示出了一种设置，该设置交替地提供p型掺杂半导体2以及n型掺杂半导体3。每一个p型掺杂半导体2通过桥接元件1与一个相邻的n型掺杂半导体3连接。各个p型掺杂半导体2和n型掺杂半导体3相互串联连接。
如在图1中所示，半导体装置4的所示区段仅仅可能是明显更大的半导体装置的一部分。半导体装置4不仅可以向左而且也可以向右继续延伸超出所示区域。
如图1所示，半导体装置4成一排地延伸，该排例如是沿着一条直线延伸。但是，一个半导体装置同样也可以包括多个由串联连接的p型掺杂半导体2和n型掺杂半导体3构成的串联结构。
通过对桥接元件1施加电压，在半导体装置4内引起热量传递，该热量传递使得总是p型掺杂半导体2和n型掺杂半导体3的一侧升温并且与这一侧相对的一侧同时降温。P型掺杂半导体2和n型掺杂半导体3在这里被设置成使得降温侧以及升温侧分别沿着相同的方向定向。在图1中所示的半导体装置4中，例如p型掺杂半导体2和n型掺杂半导体3的上侧升温，而下侧降温。通过改变流动电流的极性，相应地使上侧降温并且使下侧升温。
为了确保良好的热量传递，有利的是，桥接元件1具有高的导热能力。
在一种替代实施方式中半导体装置4可以设置在两个绝缘元件之间。绝缘元件用于使半导体装置与外界电绝缘，并且同时可以用于连接待冷却或者待加热的元件。绝缘元件在这里有利地被安装成使得桥接元件与绝缘元件导热接触。绝缘元件优选具有高的导热能力，从而通过绝缘元件的热量传递可以尽可能无阻碍地进行。
图2示出了两个珀耳帖元件5，它们分别由多个半导体装置4构成。各个珀耳帖元件5通过电流导体7相互串联连接。在珀耳帖元件5内设置了多排半导体装置4，这些排彼此平行地沿着珀耳帖元件延伸。在不同的实施方式中，半导体装置也可以按照不同的设置方式设置在珀耳帖元件内。
在最简单的情况下，半导体装置4可以分别由一排依次连接的p型掺杂半导体2以及n型掺杂半导体3构成，这些半导体通过桥接元件相互连接。同样也可行的是，多个p型掺杂半导体2和n型掺杂半导体3并排地联合成一个半导体装置。半导体装置4在这里在珀耳帖元件5内分别形成本身封闭的单元。各个半导体装置4在珀耳帖元件5内并联地连接。各个并联连接的半导体装置4的电流分配通过电流导体6实现。
半导体装置4在珀耳帖元件5内的并联设置是特别有利的，因为整个珀耳帖元件5的故障发生概率因此明显降低。如果单个p型掺杂半导体元件2、一个n型掺杂半导体3或者单个桥接元件1被损坏，那么只有在一个半导体装置4内的电流被中断。由于多个半导体装置4并联连接，通过珀耳帖元件5的电流总体上继续存在。珀耳帖元件5在这种情况下只损失了一个半导体装置4的热量传递功率。
因此，珀耳帖元件5与由p型掺杂半导体和n型掺杂半导体的纯串联连接结构构成的珀耳帖元件相比明显更加稳定并且具有更高的故障安全性。
在图2中仅仅示出了大量珀耳帖元件5的一部分。单个珀耳帖元件5或者多个珀耳帖元件5在这里可以形成一个换热器，该换热器可以被用于对例如在机动车辆中的元件进行加热或者冷却。
图3示出了一种换热器10，该换热器由一个包括16个珀耳帖元件5的装置构成。各个珀耳帖元件5的结构与在图2中所描述的在珀耳帖元件5内相互并联连接的半导体装置的结构相符以及与各个珀耳帖元件5的相互串联结构相符。珀耳帖元件5通过电流导体7相互串联连接。
图3所示的16个珀耳帖元件5分别排成四排的设置是示例性的。与该数量不同的数量的珀耳帖元件在任何时候都是可设想的。同样，一种与在图3中不同的设置是可设想的。只要各个珀耳帖元件5相互串联连接并且珀耳帖元件5的内部结构与图2的结构相符，就可得到换热器10的几乎是任意的设计可能方案。
在替代实施方式中，同样可设想的是，将多个珀耳帖元件相互并联连接并且将由多个并联连接的珀耳帖元件构成的装置与另一个由单个或多个珀耳帖元件构成的装置串联连接。珀耳帖元件5可以分别具有自己的绝缘元件，这些绝缘元件使半导体装置4向上或者向下封闭，同样也可设想的是，多个珀耳帖元件设置在共同的上部绝缘元件和共同的下部绝缘元件之间。
所示的实施方式分别只是例子并且有助于更好地理解换热器10或者说珀耳帖元件5的结构。它们不具有限制性。

Claims (8)

1.一种换热器(10)，所述换热器具有至少一个第一珀耳帖元件(5)，其中，所述珀耳帖元件(5)具有第一半导体装置和至少一个第二半导体装置，其中，每个半导体装置具有第一半导体、第二半导体和电接触件，其中，每个半导体装置的至少一个半导体由p型掺杂半导体材料制成，并且至少一个半导体由n型掺杂半导体材料制成，其中，在每个半导体装置内总是一个n型掺杂半导体和一个p型掺杂半导体交替地串联连接，并且通过所述电接触件对所述n型掺杂半导体和p型掺杂半导体施加电压，其特征在于，所述第一半导体装置和第二半导体装置彼此并联地电连接，并且该换热器具有调节装置，该调节装置测量各个半导体装置的总电阻和/或各个珀耳帖元件(5)的总电阻，并且将测得的IST值即实际值与储存的SOLL值即设定值进行比较，并且基于比较结果对施加在一个或多个半导体装置上和/或在一个或多个珀耳帖元件(5)上的电压进行调节。
2.如权利要求1所述的换热器(10)，其特征在于，所述n型掺杂半导体和p型掺杂半导体在所述第一半导体装置和第二半导体装置内通过导电的桥接元件(1)相互连接。
3.如前述权利要求中任一项所述的换热器(10)，其特征在于，在施加电压时总是所述n型掺杂半导体和p型掺杂半导体的第一端部区域升温，并且与所述第一端部区域相对的端部区域降温，其中，所述n型掺杂半导体和p型掺杂半导体被设置成使得升温和降温的区域分别沿着相同的方向定向。
4.如前述权利要求2所述的换热器(10)，其特征在于，每个珀耳帖元件(5)具有第一绝缘元件和第二绝缘元件，其中，所述n型掺杂半导体和p型掺杂半导体在所述第一绝缘元件和第二绝缘元件之间设置在一个平面内，并且所述n型掺杂半导体和p型掺杂半导体与所述导电的桥接元件(1)和/或所述第一绝缘元件和第二绝缘元件导热接触。
5.如前述权利要求1所述的换热器(10)，其特征在于，多个n型掺杂半导体和p型掺杂半导体交替地设置在一个半导体装置内。
6.如前述权利要求1所述的换热器(10)，其特征在于，所述换热器(10)具有多个相互串联地电连接的珀耳帖元件(5)。
7.如前述权利要求4所述的换热器(10)，其特征在于，所述第一绝缘元件和第二绝缘元件被实施为平坦地延伸的板状元件。
8.如前述权利要求1所述的换热器(10)，其特征在于，在一个珀耳帖元件(5)内设有并联连接的半导体装置和串联连接的半导体装置。
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