DE102005057763A1 - Thermoelektrisches Modul - Google Patents

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    • D06TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06FLAUNDERING, DRYING, IRONING, PRESSING OR FOLDING TEXTILE ARTICLES
    • D06F58/00Domestic laundry dryers
    • D06F58/20General details of domestic laundry dryers 
    • D06F58/206Heat pump arrangements
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/17Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Modul mit einer Mehrzahl von thermoelektrischen Halbelementen (1), wobei jedes Halbelement (1) aus einem von zwei thermoelektrischen Werkstoffen (n, p) besteht und jeweils zwei Halbelemente (1) mit einem Leiterplättchen (2) miteinander verbunden sind, derart, dass die Halbelemente (1) in Reihe geschaltet sind und dass an zwei gegenüberliegenden Seiten jedes Halbelements (1) jeweils zumindest ein Leiterplättchen (2) angeordnet ist. Erfindungsgemäß sind die Leiterplättchen (2) an den zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils direkt über einen Haftverbinder (3') mit einer Wärmetauscherplatte (6) verbunden. Keramikplatten (4) wie in einem üblichen Peltier-Element entfallen somit bei der vorliegenden Erfindung.

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Aufgabe wird durch ein thermoelektrisches Modul nach Patentanspruch 1 gelöst.
  • Erfindungsgemäß sind also die Leiterplättchen an den zwei gegenüberliegenden Seiten der Mehrzahl der thermoelektrischen Elemente jeweils direkt über einen Haftverbinder mit einer Wärmetauscherplatte verbunden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, in der:
  • 1 den Aufbau eines thermoelektrischen Moduls gemäß dem Stand der Technik im Querschnitt zeigt; und
  • 2 den Aufbau eines thermoelektrischen Moduls gemäß einer Ausführungsform der Erfindung im Querschnitt zeigt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (5)

  1. Thermoelektrisches Modul mit einer Mehrzahl von thermoelektrischen Halbelementen (1), wobei jedes Halbelement (1) aus einem von zwei thermoelektrischen Werkstoffen (n, p) besteht und jeweils zwei Halbelemente (1) mit einem Leiterplättchen (2) miteinander verbunden sind derart, dass die Halbelemente (1) in Reihe geschaltet sind, und dass an zwei gegenüberliegenden Seiten jedes Halbelements (1) jeweils zumindest ein Leiterplättchen (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplättchen (2) an den zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils direkt über einen Haftverbinder (3') mit einer Wärmetauscherplatte (6) verbunden sind.
  2. Thermoelektrisches Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Haftverbinder (3') elektrisch isolierend und wärmeleitend ist.
  3. Thermoelektrisches Modul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherplatten (6) aus Aluminium bestehen.
  4. Thermoelektrisches Modul nach einem der vorigen Ansprüche, dessen Wärmetauscherplatten (6) zu einer Wärmepumpe gehören.
  5. Thermoelektrisches Modul nach Anspruch 4, bei dem die Wärmepumpe zu einem Haushaltgerät, insbesondere einem Wäschetrockner, gehört.
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