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Die
Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Modul (Peltier-Modul)
mit einer Mehrzahl von thermoelektrischen Halbelementen, wobei jedes
Halbelement aus einem von zwei thermoelektrischen Werkstoffen (n,
p) besteht und jeweils zwei Halbelemente mit einem Leiterplättchen miteinander
verbunden sind derart, dass die Halbelemente in Reihe geschaltet
sind, und dass an zwei gegenüberliegenden
Seiten jedes Halbelements jeweils zumindest ein Leiterplättchen angeordnet
ist.
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Aus
einem Dokument, welches am 25. November 2005 von der Internet-Adresse
http://de.wikipedia.org/wiki/Peltier-Element
herunterladbar
war, ist ein Peltier-Element in Aufbau und Funktion bekannt, welches
den vorstehend beschriebenen Aufbau aufweist. Die Halbelemente dieses
Peltier-Elements sind säulen-
oder quaderförmig ausgebildet
und bestehen aus dotierten Halbleitern als Werkstoffe. Die Halbleiter
sind insbesondere Wismut-Tellurid, und es kommen ein p-leitend dotierter und
ein n-leitend dotierter Halbleiter zum Einsatz. Jeweils ein Halbelement
aus dem p-leitend dotierten Halbleiter und ein Halbelement aus dem
n-leitend dotierten
Halbleiter sind jeweils an einer Seite über ein Leiterplättchen,
auch als Metallbrücke
bezeichnet, miteinander verbunden, und an einer anderen Seite, welche
der genannten einen Seite gegenüber
liegt, über
jeweils ein weiteres Leiterplättchen
mit einem weiteren Halbelement oder einem Anschlusskontakt zum Anschluss
des Peltier-Elements
an ein elektrisches Netzwerk verbunden.
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Weitere
Hinweise zu Grundlagen, anwendungsbezogener Auswahl und Montage
von Peltier-Elementen ergeben sich aus Dokumenten, die am 25. November
2005 von den Internet-Adressen
http://www.quick-ohm.de/waerme/download/Erlaeuterung-zu-Peltierelementen.pdf
und
http://www.quick-ohm.de/waerme/download/Einbau.pdf
herunterladbar
waren.
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Aus
der
DE 1 410 206 A geht
eine Waschmaschine hervor, in welcher Waschgut nicht nur gewaschen,
sondern auch getrocknet werden kann. Für die dazu erforderlichen zusätzlichen
Einrichtungen zeigt die Schrift mehrere Alternativen; insbesondere können eine
elektrische Heizvorrichtung zum Erwärmen eines zur Trocknung von
Waschgut eingesetzten Luftstroms und ein einfacher Wärmetauscher zum
Abkühlen
des erwärmten
Luftstroms nach dem Beaufschlagen des Waschguts vorgesehen sein,
der Heizer und der Kühler
können
aber auch zu einer Wärmepumpeinrichtung
gehören.
Die Wärmepumpeinrichtung
kann eine Wärmepumpeinrichtung
sein, welche mit Peltier-Elementen
zur Nutzung des thermoelektrischen Effekts arbeitet.
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Eine
aus einem in der Datensammlung „Patent Abstracts of Japan" zur
JP 08 057 194 A gehörigen englischen
Kurzauszug hervorgehende Vorrichtung zum Trocknen von Waschgut,
welche wiederum der Eingangs beschriebenen Gattung entspricht, enthält in ihrem
ersten Kanalsystem neben einem Heizer und einem Kühler, welche
beide zu einer thermoelektrisch betreibbaren Wärmepumpeinrichtung gehören, einen
dem Kühler
vorgeschalteten zusätzlichen
Wärmetauscher
zur Abkühlung
des von dem Waschgut abgeführten
Luftstroms und eine dem Heizer nachgeschaltete zusätzliche
Heizeinrichtung zum weiteren Erwärmen
des Luftstroms vor dem Beaufschlagen des Waschguts.
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Ein
Peltier-Element hat beispielsweise den Aufbau, wie er in 1 gezeigt ist:
Herzstück des thermoelektrischen
Moduls ist eine Mehrzahl von thermoelektrischen Halbelementen 1. Jedes
Halbelement 1 ist quader- oder säulenförmig und weist zwei einander
gegenüberliegende
Seiten auf, die jeweils an die Leiterbahn eines Leiterplättchens 2 gelötet sind.
Die Anordnung ist dergestalt, dass Halbelemente 1 aus einander
abwechselnden Werkstoffen (p- oder n-leitend dotierte Halbleiter,
jeweils mit n oder p bezeichnet) in Reihe geschaltet sind. Da ein
Leiterplättchen 2 jeweils
an zwei Halbelementen 1 befestigt ist, ergibt sich zu beiden
Seiten der Mehrzahl von Halbelementen 1 eine Folge von Leiterplättchen 2,
welche insgesamt in einer Ebene angeordnet sind. Die Leiterplättchen 2 sind
zu beiden Seiten der Halbelemente 1 nun über einen
Haftverbinder 3 mit jeweils einer Keramikplatte 4 verbunden. Der
Verbund aus den Halbelementen 1, den Leiterplättchen 2,
dem Haftverbinder 3 und den Keramikplatten 4 bildet
das Peltier-Element. Die Einbindung des Peltier-Elements in ein
anwendungsspezifisches Modul, hier als thermoelektrisches Modul
oder Peltier-Modul bezeichnet, ist illustriert dadurch, dass die Keramikplatte 4 ihrerseits
mittels einer Wärmeleitpaste 5 mit
einem Wärmetauscher 6 verbunden
ist; Die Wärmeleitpaste 5 kann
durch eine Thermofolie ersetzt sein. Dieses Modul kann zu einer
Wärmepumpe
für einen Wäschetrockner
gehören;
in diesem Fall enthält
es eine Vielzahl einzelner Peltier-Elemente.
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Für einen
hohen Wirkungsgrad dieses Moduls ist ein guter thermischer Übergang
zwischen jeder Keramikplatte 4 und der jeweils anliegenden Planfläche des
Wärmetauschers 6 von
entscheidender Bedeutung. Deswegen werden erhöhte Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit
der Keramikplatten und der Wärmetauscher
gestellt. Es sind kostenintensive Bearbeitungsverfahren zum Erzeugen
hoher Güte
und Ebenheit dieser Flächen
notwendig, wodurch die Anwendungen verteuert werden. Insbesondere
bei einer Serienfertigung bedeutet dies einen erhöhten Aufwand
zur Erzielung einer Konstanz bei den entsprechenden Fertigungsprozessen.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein thermoelektrisches Modul mit einem
hohen Wirkungsgrad bereitzustellen, bei dem die Herstell- und Prüfkosten gesenkt
sind, die Leistungsausbeute des Gesamtaufbaus verbessert ist und
die Konstanz der Leistungsdaten auch bei großen Stückzahlen in einer Serienfertigung
sichergestellt ist.
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Die
Aufgabe wird durch ein thermoelektrisches Modul nach Patentanspruch
1 gelöst.
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Erfindungsgemäß sind also
die Leiterplättchen
an den zwei gegenüberliegenden
Seiten der Mehrzahl der thermoelektrischen Elemente jeweils direkt über einen
Haftverbinder mit einer Wärmetauscherplatte
verbunden.
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Bei
der Erfindung entfallen somit die Keramikplatten vollständig. Dadurch
ist auch eine Oberflächenbehandlung
solcher Keramikplatten nicht notwendig. Eine Oberflächenbehandlung
der Wärmetauscherseiten
kann in geringerer Güte
ausgeführt werden,
weil die Unebenheiten durch den Haftverbinder ausgeglichen werden
können.
Der Prüfaufwand für die Qualität der Oberflächenbearbeitung
ist geringer. Bei der Erstellung des erfindungsgemäßen Moduls
geht man nicht aus von herkömmlichen,
oben beschriebenen Peltier-Elementen, sondern baut die thermoelektrischen
Halbelemente und die diese untereinander verbindenden Leiterplättchen im
wesentlichen direkt zwischen anwendungsgemäß vorgegebene Wärmetauscherplatten.
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Der
Werkstoff, der für
den Haftverbinder verwendet wird, muss einen möglichst hohen elektrischen
Widerstand aufweisen, muss also elektrisch isolierend sein. Gleichzeitig
sollte er eine gute Wärmeleitfähigkeit
besitzen. Es ist somit eine bevorzugte Ausführungsform, dass der Haftverbinder
elektrisch isolierend und wärmeleitend
ist.
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Die
Wärmetauscherplatten
können
aus Aluminium bestehen, und die Erfindung schafft somit einen direkten Übergang
von den Leiterplättchen
mit den Leiterbahnen zu den Aluminiumplatten über den Haftverbinder.
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Bevorzugte
Anwendung findet die Erfindung in einer Wärmepumpe, zu welcher die Wärmetauscherplatten
insbesondere als unmittelbar funktionelle Komponenten gehören. Mit
weiterem Vorzug ist die Wärmepumpe
ein Bestandteil eines Hausgerätes, insbesondere
eines Wäschetrockners.
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Nachfolgend
wird eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, in der:
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1 den
Aufbau eines thermoelektrischen Moduls gemäß dem Stand der Technik im
Querschnitt zeigt; und
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2 den
Aufbau eines thermoelektrischen Moduls gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung im Querschnitt zeigt.
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Wie
das in 1 gezeigte thermoelektrische Modul weist das thermoelektrische
Modul gemäß 2 eine
Mehrzahl von thermoelektrischen Halbelementen 1 auf, deren
jedes aus einem von zwei Werkstoffen n oder p besteht und zwei einander
gegenüberliegende
Seiten aufweist, die jeweils mit einem Leiterplättchen 2 verbunden
sind. Die Anordnung ist dergestalt, dass die Halbelemente 1 in
Reihe geschaltet sind. An gegenüberliegenden
Seiten der Halbelemente 1 ist jeweils zumindest ein Leiterplättchen 2 angeordnet.
Da sich immer zwei Halbelemente 1 ein Leiterplättchen 2 teilen,
sind bei der hier gezeigten Anordnung von vier in Reihe geschalteten Halbelementen 1 auf
der einen Seite zwei Leiterplättchen 2 vorgesehen
(in 2 unten) und auf der anderen Seite drei Leiterplättchen 2 (in 2 oben).
In 2 sind nun die Keramikplatten 4 (vgl. 1) entfallen;
stattdessen sind die Leiterplättchen 2 direkt über einen
Haftverbinder 3' im
Wesentlichen direkt mit einer Wärmetauscherplatte 6 verbunden.
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Durch
das Wegfallen der Keramikplatten 4 wird die Wärmeleitung
zwischen den Halbelementen 1 und der Wärmetauscherplatte 6 verbessert,
wodurch die Leistungsfähigkeit
des gesamten Moduls erhöht
wird. Die Wärmetauscherplatten 6 sind
unmittelbar funktionelle Komponenten einer Wärmepumpe in einem Hausgerät, insbesondere
einem Wäschetrockner.
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Die
genannten Leiterplättchen 2 können aus einem
Kunststoffmaterial bestehen, auf das Leiterbahnen elektrogalvanisch
aufgebracht sind. Sie können
jedoch auch vollständig
aus Metall ausgebildet sein. Durch den direkten Kontakt der Leiterplättchen 2 mit
einem geeigneten, insbesondere isolierenden Haftverbinder 3' sind alle elektrisch
leitenden Elemente 1 und 2 mit einem hochisolierenden
Material überzogen.
Dadurch wird das Einhalten vorgegebener Luftstrecken, wie sie einschlägige Normen
und Kriterien des VDE fordern, ermöglicht und gewährleistet.
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Die
Anordnung gemäß 2 ist
keineswegs instabiler als diejenige gemäß 1. Beispielsweise sind
gemäß 1 die
beiden Wärmetauscherplatten 6 miteinander
verschraubt. Bei Abweichungen von der Ebenheit der Planflächen der
Wärmetauscherplatten 6 kann
es zu Schädigungen
der Keramikplatten 4 kommen, was letztendlich zum Totalausfall
der gesamten Baugruppe führen
kann. Bei der Baugruppe gemäß 2 kann
der Gesamtaufbau derart stabil sein, dass eine Verschraubung gar
nicht mehr nötig
ist.