DE60030694T2

DE60030694T2 - Thermoelektrische festkörperanordnung

Info

Publication number: DE60030694T2
Application number: DE60030694T
Authority: DE
Inventors: Vincenzo Picone
Original assignee: PELTECH Srl CALOLZIOCORTE; Peltech Srl
Current assignee: Peltech Srl Calolziocorte Lecco It
Priority date: 1999-02-19
Filing date: 2000-02-18
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2020-02-19
Also published as: JP2002537658A; IT1309710B1; EP1161773A1; AU3189900A; WO2000049664A1; RU2243617C2; CN1341280A; EP1161773B1; DE60030694D1; ITMI990347A1; US6548750B1

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf thermoelektrische Anordnungen, und insbesondere auf eine thermoelektrische Anordnung zur Verwendung in einer thermoelektrischen Festkörper-Wärmepumpe.
Der thermoelektrische Effekt ist ein dann auftretendes Phänomen, wenn in einer elektrischen Schaltung eine Temperaturdifferenz besteht. Ein Beispiel von einem thermoelektrischen Effekt ist durch den Peltier-Effekt gegeben. Mit einfachen Worten, wenn elektrischer Strom durch einen Metall-Metall oder Metall-Halbleiter-Übergang geleitet wird, wird am Übergang Wärme freigegeben oder absorbiert, je nach Stromrichtung. Der Peltier-Effekt ist reversibel, d.h. wenn die Stromrichtung umgekehrt wird, wird der kalte Übergang warm und der warme Übergang kalt. Man hat herausgefunden, daß größere Temperaturdifferenzen beim Einsatz von Metall-Halbleiter-Übergängen eher als von Metall-Metall-Übergängen erreichbar sind. Der Peltier-Effekt ist das Prinzip für die Arbeitsweise der thermoelektrischen Festkörper-Wärmepumpen.
Im folgenden bezeichnet der Ausdruck „thermoelektrische Anordnung" eine Festkörperanordnung, die den Peltier-Effekt zum Wärmen oder Kühlen eines Materials anwendet. Der Ausdruck „thermoelektrisches Element" bezeichnet einen Metallleiter oder einen Halbleitermaterialstab. Der Ausdruck „thermoelektrisches Paar" bezeichnet eine Kombination von zwei thermoelektrischen Elementen, die an einem Ende davon mittels einer Elektrode serienmäßig elektrisch verbunden sind.
Technischer Stand
Thermoelektrische Festkörper-Wärmepumpen sind seit 1960 im Handel erhältlich. Anfangs bestanden die Wärmepumpen aus Metallleitern. Gegenwärtig sieht die moderne Technologie auf dem Gebiet der Halbleiter themoelektrische Festkörper-Wärmepumpen mit thermoelektrischen Elementen vor, die aus Bi₂Te₃, PbTe, BiSb-Legierungen vom n-Typ und p-Typ dotiert, gebildet sind. Die auf dem Gebiet im allgemeinen bekannten thermoelektrischen Anordnungen haben eine planare Gestaltung und zeigen verschiedene geometrische Formen. Bei dieser Art thermoelektrischer Anordnungen werden die thermoelektrischen Paare in einer Sandwichstruktur getragen, die aus einem auf Al₂O₃ gegründeten Keramikmaterial, das mit Kupfer zusammengewalzt ist, bestehen.
Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung sieht eine thermoelektrische Anordnung mit einer neuartigen Disposition von thermoelektrischen Paaren, gebildet aus Metallleitelementen und/oder thermoelektrischen Halbleiterelementen vom n-Typ und p-Typ, vor. Mit der vorliegenden Erfindung wird ebenfalls eine Wärmepumpe bestehend aus der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Anordnung geschaffen.
Erfindungsgemäß wird eine thermoelektrische Festkörperanordnung mit mindestens einer Reihe von Metallleitelementen und/oder thermo-elektrischen Halbleiterelementen vom n-Typ und p-Typ, die auf einer gedruckten Schaltung zusammengebaut sind, geschaffen, und ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Struktur aufweist, die gebildet ist aus:

– mindestens einem Paar Laminatelemente, wobei jedes Laminatelement aus einer Tragschicht aus Polymermaterial und mindestens auf einer Fläche davon eine Schicht aus einem leitfähigen Material gemacht ist,
– einer Schicht von Kopplungsmaterial, die zwischen den beiden Laminatelementen von mindestens dem einen Laminatelementenpaar aufgetragen ist, um sie fest miteinander zu verbinden, derart, dass mindestens eine der Schichten aus leitfähigem Material eine Außenschicht der beiden Laminatelemente bildet, und dadurch, dass
– die gedruckte Schaltung aus der leitfähigen Materialschicht der Laminatelemente gemacht ist und die thermoelektrischen Elemente elektrisch serienmäßig verbindet, um thermoelektrische Paare zu bilden mit den warmen beziehungsweise kalten Seiten auf nur einer Strukturseite, und
– die Struktur der thermoelektrischen Anordnung eine spiralförmig oder kreisförmig gewickelte Gestaltung hat.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Ansicht im teilweisen Querschnitt der thermoelektrischen Anordnung gemäß einer ersten Ausführung dieser Erfindung,
2 eine Ansicht im teilweisen Querschnitt der thermoelektrischen Anordnung gemäß einer zweiten Ausführung dieser Erfindung,
3 und 4 eine Ansicht im Querschnitt der thermoelektrischen Anordnung gemäß der ersten oder der zweiten Ausführung dieser Erfindung, verwendet in einer Festkörper-Wärmepumpe,
5 eine Ansicht im Längsschnitt der thermoelektrischen Anordnung gemäß der ersten oder der zweiten Ausführung dieser Erfindung, verwendet in einer Festkörper-Wärmepumpe,
6 eine Draufsicht von einem ersten Muster der verwendeten gedruckten Schaltung zum Bilden der thermoelektrischen Paare für die thermoelektrische Anordnung gemäß der ersten oder der zweiten Ausführung dieser Erfindung,
7 eine Draufsicht von einem zweiten Muster der verwendeten gedruckten Schaltung zum Formen der thermoelektrischen Paare für die thermoelektrische Anordnung gemäß der ersten oder der zweiten Ausführung dieser Erfindung,
8 eine Ansicht im Querschnitt der Spannmittel zum Verbinden der thermoelektrischen Anordnung gemäß der ersten oder der zweiten Ausführung der Erfindung mit dem Wärmeaustauscherinnenrohr einer Festkörper-Wärmepumpe,
9 eine Ansicht im teilweisen Querschnitt der thermoelektrischen Anordnung gemäß einer dritten Ausführung dieser Erfindung,
10 eine Draufsicht des Musters von der verwendeten gedruckten Schaltung zum Bilden der thermoelektrischen Paare für die thermoelektrische Anordnung gemäß der dritten Ausführung dieser Erfindung,
11 eine Bodendraufsicht des Musters der verwendeten gedruckten Schaltung zum Bilden der thermoelektrischen Paare von der thermoelektrischen Anordnung gemäß der dritten Ausführung dieser Erfindung,
12 eine Ansicht im Querschnitt der Spannmittel zum Verbinden der thermoelektrischen Anordnung gemäß der dritten Ausführung dieser Erfindung mit dem Wärmeaustauscherinnenrohr einer Festkörper-Wärmepumpe,
13 und 14 perspektivische Ansichten einer Wärmepumpe, ausgestattet mit irgendeiner Ausführung der thermoelektrischen Anordnungen dieser Erfindung.
Beste Weise zur Durchführung der Erfindung
Mit Bezug auf 1 der Zeichnungen wird dort eine erste Ausführung der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Anordnung gezeigt. Entsprechend der ersten Ausführung besteht die thermoelektrische Anordnung aus zwei Laminatelementen und jedes Laminatelement ist gebildet aus einer Polymermaterialschicht und aus einer Metallschicht, bezeichnenderweise aus Kupfer. Die beiden Laminatelemente sind durch ihre Schichten aus Polymermaterial gegenseitig und unmittelbar miteinander verbunden, wobei dazwischen ein Kleberharz mit einem hohen Wärmeübertragungskoeffizient aufgebracht wird, beispielsweise ein Epoxydharz, das einen Silber- oder Metalloxyd-Füllstoff enthält. Die auf diese Weise befestigten Laminatelemente werden in einer spiral- oder kreisförmigen Gestalt gewickelt, um den Kern der thermoelektrischen Anordnung zu bilden, die in einer thermoelektrischen Festkörper-Wärmepumpe anzuwenden ist. Das Muster der gedruckten Schaltung, mit der die thermoelektrischen Elemente verbunden sind, wird auf der Metallschicht durch ein Ätzverfahren hergestellt. Jede Wicklung des spiral- oder kreisförmig gewickelten Kerns ist daher aus zwei mit einem Kleber miteinander verbundenen Laminatelementen gebildet. Das Bezugszeichen 10 bezeichnet den Querschnitt von den Leitbahnen aus metallischem Material, auf die die p-Typ und n-Typ thermoelektrischen Elemente 11 bzw. 12 aufgeschweißt werden unter Verwendung einer eutektischen Zinnlegierung. Das Bezugszeichen 13 bezeichnet den Querschnitt der Schicht aus Polymermaterial und 14 bezeichnet die Kleberschicht, womit die beiden Laminatelemente von dem spiral- oder kreisförmig gewickelten Kern miteinander verbunden sind, um ihn kompakt zu machen und Maßbeständigkeit zu verleihen. Die Dicke der Leitbahnen aus metallischem Material 10 wird je nach Leistung und also nach dem Höchstwert des in der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Anordnung fließenden Stroms variieren. Natürlich sollte die Leitbahndicke nicht unter dem gewöhnlichen Wert sein, um ein Überhitzen der Leitbahnen, hervorgerufen durch den Joule-Effekt, zu vermeiden. Das Dickenmaß sollte vorzugsweise zwischen 70–300 μm liegen. Die Dicke der Schicht aus Polymermaterial 13 hängt von der beim Wickeln und Packen des Kerns der thermoelektrischen Anordnung verwendeten mechanischen Kraft ab. Dieses Dickenmaß wird praktisch so gewählt, daß einerseits eine gute mechanische Festigkeit und andererseits eine wirkliche Wärmeübertragung gewährleistet ist. Dieses Dickenmaß sollte vorzugsweise zwischen 50–150 μm liegen. Die Funktion der Kleberschicht 14 ist diejenige, den Kern und sogar die Berührungsflächen der beiden Laminatelemente zu packen, um der Bildung von Luftblasen vorzubeugen und allfällige Oberflächenmängel auszugleichen. Ein weiterer Zweck der Kleberschicht 14 besteht darin, eine gute Wärmeübertragung zu gewährleisten. Hierzu sollte ein wärmehärtendes Harz, z.B. ein einen fein gemahlenen metallischen Füllstoff enthaltendes Epoxydharz, verwendet werden. Dieses Harz wird mit einer Spachtel aufgetragen, um die aufgetragene Menge zu beschränken und eine dünne Schicht zu bilden, vorzugsweise nicht dicker als 10–15 μm. Dieses Harz sollte derart formuliert werden, daß es beim Anlöten der thermoelektrischen Elemente gleichzeitig und vollständig aushärtet, das bei einer Temperatur von nahezu 140°C geschieht, wenn n-Typ und p-Typ thermoelektrische Halbleiterelemente verwendet werden.
Mit Bezug auf 2 der Zeichnungen wird dort eine zweite Ausführung der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Anordnung gezeigt. Dieser Ausführung gemäß besteht die thermoelektrische Anordnung aus zwei Laminatelementen und jede davon ist aus einer Schicht Polymermaterial und zwei Schichten metallischen Materials, bezeichnenderweise aus Kupfer, gebildet, die auf die beiden gegenüberliegenden Oberflächen der Schicht aus Polymermaterial aufgetragen werden. Die beiden Laminatelemente sind durch ihre dünneren Schichten aus metallischem Material mittels eines Lötverfahrens gegenseitig miteinander und unmittelbar verbunden. Es sollte eine Schicht aus Sn-In eutektische Legierung, die bei 118°C schmilzt, oder eine Schicht aus Sn-Bi eutektische Legierung, die bei 135°C schmilzt, verwendet werden, je nachdem ob der gewickelte Kern aus spiral- oder kreisförmigen Wicklungen gebildet ist. Das Muster der die thermoelektrischen Elemente tragenden gedruckten Schaltung wird auf der dickeren Schicht metallischen Materials eines jeden Laminatelements hergestellt. Die beiden Laminatelemente werden, im Falle eines spiralförmig gewickelten Kerns gleichzeitig, oder, im Falle eines kreisförmig gewickelten Kerns, aufeinander folgend mit den Halbleitern zusammengeschweißt. In beiden Fällen ist das Endergebnis ein gewickelter Kern, der in einer Festkörper-Wärmepumpe angebracht wird. Das Bezugszeichen 10 bezeichnet die Querschnitte der Leitbahnen aus metallischem Material, an die die p-Typ und n-Typ thermoelektrischen Elemente 11 bzw. 12 mit einer eutektischen Zinnlegierung angelötet werden. Das Bezugszeichen 13 bezeichnet den Querschnitt der Schicht aus Polymermaterial und 15 die dünnere Schicht metallischen Materials. Das Bezugszeichen 16 bezeichnet den Querschnitt der Schicht aus der Sn-In oder Sn-Bi eutektischen Legierung, die die beiden Laminatelemente von dem spiral- oder dem kreisförmig gewickelten Kern miteinander verbindet, um ihn kompakt zu machen und Maßbeständigkeit zu verleihen. Die Dicke der Leitbahn 10 aus metallischem Material wird je nach Leistung und also nach dem Höchstwert des in der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Anordnung fließenden Stroms variieren. Natürlich sollte die Leitbahndicke nicht unter dem gewöhnlichen Wert sein, um ein Überhitzen der Leitbahnen, verursacht durch den Joule-Effekt, zu vermeiden. Das Dickenmaß sollte vorzugsweise zwischen 70–300 μm liegen. Die Dicke der Schicht aus Polymermaterial 13 hängt von der beim Wickeln und Packen des Kerns der thermoelektrischen Anordnung verwendeten mechanischen Kraft ab. Solches Dickenmaß ist praktisch so zu wählen, daß einerseits eine gute mechanische Festigkeit und andererseits eine wirkliche Wärmeübertragung gewährleistet ist. In dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung untergeht die dünnere Schicht aus metallischem Material 15 kein Ätzverfahren, weil ihr Zweck ist, die mechanische Festigkeit zu unterstützen. Das in Betracht zu ziehende Dickenmaß sollte daher vorzugsweise zwischen 35–100 μm liegen. Die Funktion der dünnen Schicht aus metallischem Material 15 besteht darin, die zur Endschweißung der beiden Laminatelemente des spiral- oder des kreisförmig gewickelten Kerns verwendete eutektische Legierung zu tragen. Die Dicke der dünnen Schicht aus metallischem Material 15 sollte vorzugsweise zwischen 15–30 μm liegen. Die Schicht aus eutektischer Legierung 16 wird im voraus auf mindestens eines der zwei Laminatelemente aufgetragen, beispielsweise mittels einer Zinnabscheidung, oder durch Aufstreichen, bei Verwendung einer Maske, einer thixotropischen Dispersion der eutektischen Zinnlegierung und formuliert mit einem geeigneten Flussmittel. Die Wahl einer gemäß der ersten oder der zweiten Ausführungsform gefertigten thermoelektrischen Anordnung dieser Erfindung hängt von Einzelangaben der Auslegung und den Herstellungskosten ab.
Mit Bezug auf 3 und 4 der Zeichnungen, ist dort ein Querschnitt der thermoelektrischen Anordnung gemäß der ersten oder der zweiten erfindungsgemäßen Ausführung veranschaulicht. Die thermoelektrische Anordnung wird in einer Festkörper-Wärmepumpe verwendet. Die Abmessung der Wärmepumpe kann je nach der eingestellten Leistung variieren. Die Bezugszeichen 17 und 18 bezeichnen ein Innen- bzw. ein Außenrohr des in der thermoelektrischen Festkörper-Wärmepumpe verwendeten Wärmeaustauschers. Das Bezugszeichen 19 bezeichnet die Kühlflügel des Außenrohrs des Wärmeaustauschers. Das Außenrohr 18 des Wärmeaustauschers ist um den spiral- oder kreisförmig gewickelten Kern 20 von 3 und 4 angeordnet. Die Gestaltung der Kühlflügel hängt von der Wärmemenge ab, die abgeleitet werden soll, unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die Wärmeaustauscherrohre nicht bei einer Temperatur von über 50–55°C arbeiten dürfen, um eine gute Arbeitsweise der Wärmepumpe zu gewährleisten. Alternativ kann das Außenrohr 17 des Wärmeaustauschers mit kleineren Kühlflügeln geplant werden und intern mit einem Hohlraum versehen sein, durch den ein Kühlmittel umgewälzt wird. Das Außenrohr 17 des Wärmeaustauschers kann vollständig aus Aluminium gefertigt und seine Stärke sollte derart sein, daß der Struktur eine gewisse Biegsamkeit verliehen wird, um die Dichtheit der im direkten Wärmekontakt stehenden Flächen zu garantieren. Des weiteren sollte bei dem in 3 gezeigten spiralförmig gewickelten Kern die Außenlinie des Außenrohrs 17 des Wärmeaustauschers die den spiralförmig gewickelten Kern bildende Struktur zuzuschreibende Exzentrizität berücksichtigen. Wie sich versteht, hat der Kern in der thermoelektrischen Anordnung gemäß der ersten und der zweiten Ausführung der Erfindung, eine aus allen thermoelektrischen Paaren gebildete Struktur, die von der Schicht aus Polymermaterial der Laminatelemente getragen werden. Die den gewickelten Kern bildenden Wicklungen sind eng gepackt und miteinander verbunden anhand eines wärmeleitenden Klebers, im Falle der Laminatelemente von 1, oder anhand einer Sn-In oder Sn-Bi eutektischen Legierung im Falle der Laminatelemente von 2. Die den gewickelten Kern bildende Anzahl Wicklungen hängt von der eingestellten Leistung der thermoelektrischen Wärmepumpe ab. Versuchsergebnisse zeigen, daß eine optimale Ausführung mit einer Wicklungsanzahl von 1–15, ohne übermäßige Fertigungskosten, erhalten wird. Das Bezugszeichen 21 zeigt die Unterbringung von zwei thermoelektrischen Elementen bestehend aus Metallleitern oder Halbleitern vom n-Typ und p-Typ, die mit der Struktur des spiral- oder kreisförmig gewickelten Kerns verschweißt werden. Das Innenrohr 18 des Wärmeaustauschers kann vollständig in Kupfer hergestellt sein und im Falle des spiralförmig gewickelten Kerns in 3 ist es derart umgeben, daß in dem Abschnitt, indem die Laminatelemente direkt getragen werden, eine Hohlkehle vorgesehen ist, die die von dem spiralförmig gewickelten Kern gebildete Struktur verursachte Exzentrizität ausgleicht. Dabei wird jedweder Bereich einer Nichtberührung zwischen den Laminatelementen und der Metallfläche des Innenrohrs 18 des Wärmeaustauschers vermieden. Das Bezugszeichen 22 bezeichnet schließlich den internen Hohlteil des Innenrohrs 18 des Wärmeaustauschers, durch die das Arbeitsmedium strömt.
Mit Bezug auf 5 der Zeichnungen ist dort ein Längsschnitt der Wärmepumpe von 3 dargestellt. Das Bezugszeichen 20 bezeichnet die Unterbringung des spiralförmig oder kreisförmig gewickelten Kerns in der Wärmepumpe. Die Wicklungen sind eng gepackt und das Außenrohr 17 und das Innenrohr 18 des Wärmeaustauschers sind derart zusammengebaut, daß die Bildung von Luftblasen zwischen den Berührungsflächen vermieden wird. Das Innenrohr 18 ist so umgeben, daß die Exzentrizität berücksichtigt ist, die der den spiralförmig gewickelten Kern bildenden Struktur zuzuschreiben ist. Dagegen haben die Endabschnitte des Innenrohrs 18 des Wärmeaustauschers im wesentlichen einen kreisförmigen Querschnitt. Natürlich sind die Abmessungen des Innenrohrs 18 vom Wärmeaustauscher von dem beabsichtigten Wärmeaustauschvermögen abhängig. Die Wärmepumpe ist mit zwei Abschlussdeckeln 23, 25 versehen, die die Wärmepumpeneinheit abschließen. Der Vorderdeckel 23 ist aus einem wärmeisolierenden Polymermaterial z.B. Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid, Polyamid-6,6, Hochdruck-Polyäthylen gefertigt, um die entsprechenden Seiten der Wärmepumpe thermisch zu isolieren und die Bildung von Kondenswasser zu vermeiden. Die Materialwahl hängt von den Auslegungsangaben ab. Das Außenrohr 17 des Wärmeaustauschers, das den gewickelten Kern 20 umgibt und einschließt, hat einen kreisförmigen Querschnitt im Falle eines kreisförmig gewickelten Kerns, während es intern so umgeben ist, dass die Exzentrizität der den gewickelten Kern bildenden Struktur im Falle eines spiralförmig gewickelten Kerns berücksichtigt wird. Das Außenrohr 17 vom Wärmeaustauscher sollte solche Dicke haben, dass eine geeignete Biegsamkeit gewährleistet ist, wenn es um den gewickelten Kern angezogen und eingespannt wird. Das Bezugszeichen 19 bezeichnet die Kühlflügel, die einstückig mit dem Außenrohr 17 des Wärmeaustauschers gebildet sind. Die Gesamtstrahlungsfläche der Kühlflügel hängt von der eingestellten Leistung und davon ab, ob ein Zwangsluftsystem vorgesehen ist. Das Außenrohr 17 des Wärmeaustauschers kann auch mit kleineren Kühlflügeln und innen mit einem Hohlraum, durch den ein Kühlmittel umgewälzt wird, geplant sein. Das Bezugszeichen 24 bezeichnet das Gehäuse der für das Arbeitsmedium im hinteren Abschlussdeckel 25 der Wärmepumpe vorgesehenen Umlaufpumpe. Der Durchsatz der Umlaufpumpe hängt von dem Gesamtausmaß des Wärmeaustauschkreises und der beabsichtigten Wärmeaustauschgeschwindigkeit ab. Das in 5 gezeigte Beispiel bezieht sich auf Wärme- oder Kühlsysteme, in welchen eine einzige Wärmepumpe im Wärmeaustauschkreis vorgesehen ist. Aber auch Modularwärme- oder Modularkühlsysteme bestehend aus zwei oder mehr serienmäßig verbundenen Wärmepumpen können hergestellt werden, wobei eine einzige äußere Umlaufpumpe zu den Wärmepumpen vorgesehen ist. Das Bezugszeichen 26 bezeichnet das Laufrad der Umlaufpumpe. Das Laufrad ist auf einer Welle 27 eines Elektromotors (nicht dargestellt) verkeilt. Ebenso kann ein Kühlflügel zum Erzeugen eines durch die Kühlflügel 19 des Außenrohrs 17 des Wärmeaustauschers zu leitenden Zwangsluftstroms mit der Welle 27 verkeilt sein. Der hintere Abschlußdeckel 25 besteht aus einem wärmeisolierenden Polymermaterial, beispielsweise Polytetrafluoräthylen, Polyvinyliden-Fluorid, Polyamid-6,6, Hochdruck-Polyäthylen, um die Endabschnitte der Wärmepumpe zu isolieren und Kondenswasser zu vermeiden. Die Wahl des Materials ist von den Auslegungsangaben abhängig. Bei Modularwärme- oder Modularkühlsystemen, in denen zwei oder mehrere Wärmepumpen serienmäßig verbunden sind, können die beiden Abschlussdeckel genau identisch und zueinander symmetrisch sein. In solchem Fall wird die Umwälzung des Arbeitsmediums in der Wärmepumpe von einer äußeren Umlaufpumpe gewährleistet. Schließlich bezeichnet das Bezugszeichen 28 eine in das Innenrohr 18 des Wärmaustauschers eingesetzte Metallspirale. Die Funktion der Metallspirale 28 besteht darin, den Zeitraum in dem das Arbeitsmedium in der Wärmepumpe verweilt, zu verlängern und eine Wirbelbewegung zu erzeugen, die den Wärmeaustausch begünstigt. Die Metallspirale 28 kann aus rostfreiem Stahl gefertigt sein und wird mit Übermaß in das Innenrohr 18 des Wärmeaustauschers während der Endphase des Zusammenbaus der Wärmepumpe eingeführt.
Mit Bezug auf 6 der Zeichnungen, wird dort ein erstes Muster der gedruckten Schaltung der Laminatelemente für die erfindungsgemäße thermoelektrische Anordnung gezeigt, auf der die thermoelektrischen Elemente abgestützt werden. Die Länge und die Breite des Laminatelements mit der gedruckten Schaltung und die Längen L1, L2 der Endabschnitte davon hängen von der eingestellten Leistung der Wärmepumpe ab, und werden also von den Angaben der Auslegung auferlegt. Für eine eingestellte Leistung von oder von weniger als 500 W können Gestaltungen vorgesehen werden, worin eine einzelne Anordnung thermoelektrischer Elemente serienmäßig verbunden sind. Für eine höhere eingestellte Leistung sollten die Leitbahnen der gedruckten Schaltung dicker sein. Das Bezugszeichen 29 bezeichnet einen Endabschnitt des Laminatelements, dessen Funktion darin besteht, denselben am Wärmeaustauscherinnenrohr 18 der Wärmepumpe zu befestigen. Das Bezugszeichen 30 bezeichnet die Anschlüsse der gedruckten Schaltung, an die eine äußere Stromquelle angeschlossen wird. Das Bezugszeichen 31 bezeichnet die gedruckte Schaltung, mit der die thermoelektrischen Elemente verschweißt sind. Im Falle des spiralförmig gewickelten Kerns von 3 muß der Abstand zwischen jeder Leitbahn der gedruckten Schaltung den Abstand zwischen den thermoelektrischen Elementen innerhalb der Struktur berücksichtigen, wenn dieser während der Wicklungsphase eine variable Krümmung auferlegt wird.
Mit Bezug auf 7 der Zeichnungen wird dort ein zweites Muster der gedruckten Schaltung der Laminatelemente der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Anordnung gezeigt, die die thermoelektrischen Elemente trägt. Auch in diesem Fall hängen die Länge und die Breite des Laminatelements mit der gedruckten Schaltung und die Längen L1, L2 der Endabschnitte davon von der eingestellten Leistung der Wärmepumpe ab, und werden also von den Auslegungsangaben auferlegt. Für eine eingestellte Leistung von mehr als 500 W ist es zweckdienlich, eine Gestaltung aus zwei oder mehreren elektrisch getrennten Anordnungen serienmäßig verbundener thermoelektrischer Elemente vorzusehen. Solche Gestaltung ermöglicht es, die Dicke des Laminatelements zu optimalisieren. Sollte eine höhere eingestellte Leistung gefordert werden, müssen die Leitbahnen der gedruckten Schaltung dicker sein. Das Bezugszeichen 32 bezeichnet einen Endabschnitt des Laminatelements mit der Funktion, denselben an das Wärmeaustauscherinnenrohr 18 der Wärmepumpe zu befestigen. Das Bezugszeichen 33 bezeichnet die Anschlüsse der gedruckten Schaltung, die mit einer äußeren Stromquelle verbunden werden. Das Bezugszeichen 34 bezeichnet die gedruckten Schaltungen, an die die thermoelektrischen Elemente von jedem Glied der thermoelektrischen Elementenanordnung anzuschweißen sind. Im Falle des in 3 dargestellten spiralförmig gewickelten Kerns muß der Abstand zwischen den Leitbahnen aus metallischem Material den Abstand zwischen den thermoelektrischen Elementen in der Struktur berücksichtigen, wenn dieser während der Wickelphase eine variable Krümmung gegeben wird. Das Bezugszeichen 35 bezeichnet die Gruppe elektrisch getrennter Anordnungen von thermoelektrischen Elementen. Diese Gestaltung erlaubt die Modulierung der elektrischen Gesamtleistung der Wärmepumpe und verhindert den durch den Joule-Effekt verursachten Leistungsverfall der Wärmepumpe.
Mit Bezug auf 8 der Zeichnungen wird dort ein mittlerer Querschnitt vom Wärmeaustauscherinnenrohr 18 gezeigt. Insbesondere wird dort das Spannsystem veranschaulicht, womit die Struktur des spiralförmig gewickelten Kerns der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Anordnung mit dem Wärmeaustauscherinnenrohr der Wärmepumpe verbunden ist. Das Spannsystem vermeidet bei der Wickelarbeit ein Verschieben der Oberflächen der Laminatelemente, die die Anordnungen aus metallischem Material tragen, an die die thermoelektrischen Elemente angeschweißt werden. Die Verschiebung der Laminatelemente könnte eine Unterbrechung des elektrischen Kontakts verursachen. Das Bezugszeichen 36 bezeichnet ein Plättchen zum einheitlichen Befestigen des Endabschnitts der Struktur. Das Plättchen 36 ist mittels in 8 nicht dargestellten Schrauben am Körper des Wärmeaustauscherinnenrohrs 18 befestigt. Das Bezugszeichen 37 bezeichnet einen in der radialen Kompensationsstufe vorgesehenen Schlitz auf dem Wärmeaustauscherinnenrohr 18. Die Funktion von diesem Schlitz besteht im einheitlichen Spannen des Endabschnitts der Struktur und im Ausüben einer Spannkraft beim Einschrauben der vorgenannten Schrauben. Das Bezugszeichen 38 zeigt die Unterbringung der n-Typ und p-Typ thermoelektrischen Elemente in der Struktur und das Bezugszeichen 39 bezeichnet den Querschnitt der tragenden Laminatelemente. Ferner wird ein Querschnitt des Wärmeaustauscherinnenrohrs 18 gezeigt. Der Pfeil F links vom Querschnitt gibt die Drehrichtung des Wärmeaustauscherinnenrohrs 18 während der Wickelarbeit der Struktur an.
Mit Bezug auf 9 der Zeichnungen ist dort eine dritte Ausführung der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Anordnung gezeigt. Dieser dritten Ausführung gemäß besteht die thermoelektrische Anordnung aus einem Laminatelement, das aus einer Schicht Polymermaterial und zwei Schichten metallischen Materials, bezeichnenderweise aus Kupfer, gebildet ist, wobei jede davon eine der gegenüberliegenden Seiten der Schicht aus Polymermaterial abdeckt. Die Endabschnitte des Laminatelements in der gewickelten Gestaltung sind mittels eines Kleberharzes mit hohem Wärmeübertragungskoeffizient, beispielsweise ein Epoxydharz enthaltend einen Silber- oder Metalloxyd-Füllstoff, miteinander verbunden. Das Laminatelement ist in einer spiral- oder kreisförmigen Gestalt gewickelt, um den Kern der thermoelektrischen Anordnung zu bilden, die in einer thermoelektrischen Festkörper-Wärmepumpe verwendet wird. Das Muster der gedruckten Schaltung, mit der die thermoelektrischen Elemente verbunden sind, ist auf den beiden Schichten aus metallischem Material anhand eines Ätzungsprozesses gefertigt. Jede Wicklung des spiral- oder kreisförmig gewickelten Kerns ist also aus einem Laminatelement gebildet, dessen Enden mit einem Kleber miteinander verbunden sind. Das Bezugszeichen 10 bezeichnet den Querschnitt der Leitbahnen aus metallischem Material, auf die die p-Typ und n-Typ thermoelektrischen Elemente 11 bzw. 12 geschweißt werden unter Verwendung einer eutektischen Zinnlegierung. Das Bezugszeichen 13 bezeichnet den Querschnitt der Schicht aus Polymermaterial. Die Dicke der Leitbahnen 10 aus metallischem Material ändert sich je nach der Leistung und also dem Höchstwert des in der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Anordnung fließenden Stroms. Natürlich sollte die Dicke der Leitbahnen nicht unter der gewöhnlichen Größe sein, um ein durch Joule-Effekt verursachtes Überhitzen der Leitbahnen zu vermeiden. Vorzugsweise sollte das Dickenmaß zwischen 70–300 μm liegen. Die Dicke der Schicht 13 aus Polymermaterial ist von der beim Wickeln und Packen des Kerns der thermoelektrischen Anordnung verwendeten mechanischen Kraft abhängig. Das Dickenmaß wird praktisch so gewählt, dass einerseits eine gute mechanische Festigkeit und andererseits eine wirkliche Wärmeübertragung gewährleistet ist. Vorzugsweise sollte das Dickenmaß zwischen 35–150 μm betragen.
Mit Bezug auf 10 und 11 der Zeichnungen wird dort die Anordnung der Leitbahnen aus metallischem Material, die auf beiden gegenüberliegenden Seiten der Schicht aus Polymermaterial vorgesehen sind. Die Leitbahnen bilden die gedruckte Schaltung, an die die thermoelektrischen Elemente angeschweißt werden. Das Muster der gedruckten Schaltung, mit der die thermoelektrischen Elemente verbunden sind, ist auf der metallischen Materialschicht mittels eines Ätzverfahrens gemacht. Die Länge und die Breite des Laminatelements mit der gedruckten Schaltung und die Längen L1, L2 auf einer Seite und L3, L4 auf der anderen Seite der Endabschnitte davon hängen von der geregelten Leistung der Wärmepumpe ab, und werden also von den Projektangaben bestimmt. Die freien Enden des Laminatelements werden anhand einer Kleberschicht miteinander verbunden, die aus einem wärmeleitfähigen Epoxydharz, das fein gemahlene metallische Materialien enthält, gebildet ist. Das Harz wird mit einer Spachtel aufgetragen, um die aufgetragene Menge zu beschränken und eine dünne Schicht zu bilden, vorzugsweise nicht dicker als 10–15 μm.
Mit Bezug auf 12 der Zeichnungen wird dort ein mittlerer Querschnitt des Wärmeaustauscherinnenrohrs 18 gezeigt. Insbesondere ist dort das Spannsystem veranschaulicht, mit dem die Struktur der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Anordnung mit dem Wärmeaustauscherinnenrohr der Wärmepumpe verbunden ist. Das Spannsystem vermeidet während des Wickelvorgangs ein Verschieben der Oberflächen der Laminatelemente, die die Leitbahnen aus metallischem Material tragen, an die die thermoelektrischen Elemente angeschweißt sind. Ein Verschieben der Laminatelemente könnte eine Unterbrechung des elektrischen Kontakts verursachen. Das Bezugszeichen 37 bezeichnet den Schlitz in der radialen Kompensationsstufe am Wärmeaustauscherinnenrohr 18. Die Funktion des Schlitzes besteht darin, den Endabschnitt der Struktur einheitlich zu spannen und beim Einschrauben der obigen Schrauben eine Spannkraft auszuüben. Das Bezugszeichen 38 zeigt die Unterbringung der n-Typ und p-Typ thermoelektrischen Elemente in der Struktur und das Bezugzeichen 39 bezeichnet den Querschnitt des tragenden Laminatelements. Ferner wird ein Querschnitt des Wärmeaustauscherinnenrohrs 18 gezeigt. Der Pfeil F links vom Querschnitt gibt die Drehrichtung des Wärmeaustauscherinnenrohrs 18 während des Wickelns der Struktur an. Vorzugsweise besteht das die Tragschicht bildende Polymermaterial aus einer Folie aus Polyimid, Polybutylenterephthalat, Polyäthylennaphtalat, Polykarbonat, Polyamid 6, Kopolyamid 6 – X, worin X = 6, ... 12, Polyarylamid MXD6, Polyphenylen, Polyphenylensulfid, Polykarbonat-Polybutylenterephthalat Kopolymer, Polykarbonat-Polyäthylennaphthalat Kopolymer, Polykarbonat-Polyarylamid Kopolymer, Polybuthylenterephthalat-Polyamid oder Kopolyamid Kopolymer, Polyketon.
13 ist eine perspektivische Ansicht der in 3, 4 und 5 im Querschnitt dargestellten Wärmepumpe und ist mit einer Zwangsluftkühlung des Außenrohrs des Wärmeaustauschers versehen. 14 ist eine perspektivische Ansicht der in 3, 4 und 5 im Querschnitt dargestellten Wärmepumpe und mit Kühlmedium des Außenrohrs des Wärmeaustauschers versehen.
Aus dem Vorgehenden ist verständlich, dass der spiral- oder kreisförmig gewickelte Kern es ermöglicht, Wicklungen von mit dem Durchmesser zunehmenden Abmessungen zu erhalten, worin die warme/kalte Oberfläche (je nach der Stromrichtung) von jeder Wicklung Wärme mit der kalten/warmen Oberfläche der unmittelbar daneben befindlichen Wicklung austauscht. Auf diese Weise wird gegenüber einer bekannten geometrisch planaren Gestaltung die sich ergebende Leistungsfähigkeit des Systems verbessert, weil der Gesamtwiderstand des gewickelten Kerns vermindert wird.
Die Erfindung ermöglicht die Herstellung von thermoelektrischen Festkörper-Wärmepumpen mittlerer Leistung und hoher Wirksamkeit. Solche Wärmepumpen sind im Kühlbereich zur Herstellung von umweltfreundlichen Kühlsystemen ohne Verwendung schädlicher Gase verwendbar. Andere mögliche Benutzungen der erfindungsgemäßen Wärmepumpe liegen im Bereich der gewerblichen, nautischen, aeronautischen, instrumentalen, automotiven und Gebäudekühl- und Heizsysteme.
Das Gerät wird mittels einer Gleichstromquelle mit einer Spannung, die von den Spezifikationen der Projekte abhängt, versorgt. Ist die Wärmepumpe in einem Ambient installiert, wo keine Gleichstromquelle direkt vorhanden ist, sondern nur eine Wechselstromquelle zur Verfügung steht, muß ein AC/DC-Stromwandler mit einer Welligkeit von weniger als 10% vorgesehen werden.

Claims

Thermoelektrische Festkörperanordnung mit mindestens einer Reihe von Metallleitelementen und/oder thermoelektrischen Halbleiterelementen vom n- und p-Typ (11, 12), die auf einer gedruckten Schaltung (31, 34) zusammengebaut sind, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Struktur aufweist, die gebildet ist aus: – mindestens einem Paar Laminatelementen, wobei jedes Laminatelement aus einer Tragschicht (13) aus Polymermaterial und mindestens auf einer Fläche davon eine Schicht (10, 15) aus einem leitfähigen Material gemacht ist, – einer Schicht (14, 16) von Kopplungsmaterial, die zwischen den beiden Laminatelementen von mindestens dem einen Paar Laminatelemente aufgetragen ist, um sie fest miteinander zu verbinden, derart, dass mindestens eine (10) der Schichten aus leitfähigen Material eine Außenschicht der beiden Laminatelemente bildet, und dadurch, dass – die gedruckte Schaltung (31, 34) aus der leitfähigen Materialschicht der Laminatelemente gemacht ist und die thermoelektrischen Elemente (11, 12) elektrisch serienmäßig verbindet, um thermoelektrische Paare zu bilden mit den warmen beziehungsweise kalten Seiten auf nur einer Strukturseite, und – die Struktur der thermoelektrischen Anordnung eine spiralförmig oder kreisförmig gewickelte Gestaltung (20) hat.
Thermoelektrische Festkörperanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Laminatelement zumindest von dem einen Paar Laminatelemente mit der Schicht (13) aus Polymermaterial gebildet ist und auf jeder Fläche davon eine Schicht (10, 15) leitfähiges Material aufgetragen ist.
Thermoelektrische Festkörperanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragschicht (13) aus Polymermaterial aus nichtorientierten, oder monoorientierten oder biorientierten Filmen gebildet ist.
Thermoelektrische Festkörperanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Kopplungsschicht (14) aus einem wärmeleitfähigen wärmehärtenden Harz gebildet ist.
Thermoelektrische Festkörperanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Kopplungsschicht (16) aus einer eutektischen Legierung gebildet ist.
Thermoelektrische Festkörperanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gedruckte Schaltung (31) aus einer Einzelschaltung gebildet ist, die sich durch die Gesamtlänge der Wicklung erstreckt.
Thermoelektrische Festkörperanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gedruckte Schaltung (34) aus einer Anordnung elektrisch getrennter Schaltungen (35) gebildet ist.
Thermoelektrische Festkörperanordnung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass das die Tragschicht bildende Polymermaterial eine aus Polyimid, Polybutylenterephthalat, Polyäthylennaphtalat, Polykarbonat, Polyamid 6, Kopolyamid 6 – X, worin X = 6, ... 12, Polyarylamid MXD6, Polyphenylen, Polyphenylensulfid, Polykarbonat-Polybutylenterephthalat Kopolymer, Polykarbonat-Polyäthylennaphthalat Kopolymer, Polykarbonat-Polyarylamid Kopolymer, Polybutylenterephthalat-Polyamid oder Kopolyamid Kopolymer, Polyketon hergestellte Folie ist.
Thermoelektrische Festkörperanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmehärtende Harz der Kopplungsschicht (14) ein wärmeleitfähiges Epoxyd-, Acrylat-, Silikonharz oder dergleichen ist.
Thermoelektrische Wärmepumpe mit der thermoelektrischen Festkörperanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Wärmeaustauscher mit einem Innenrohr (18), durch das ein Arbeitsmedium geleitet wird, einem Außenrohr (17), das zum Innenrohr koaxial angeordnet ist, die zwischen dem Innen- und dem Außenrohr in enger Berührung dazu angeordneten thermoelektrischen Festkörperanordnung, Abschlußdeckel (23, 25), die mit Einlaß- bzw. Auslaßöffnungen für das Arbeitsmedium versehen und mit dem Innenrohr (18) in flüssiger Verbindung stehen, Umlaufmittel (26) zum Umwälzen des Arbeitsmediums im Innenrohr (18), in dem Innenrohr (18) angeordnete Turbomittel (28) zum Erzeugen einer Wirbelströmung im Arbeitsmedium, ein elektrisches Verbindungsmittel (30) zum Verbinden der thermoelektrischen Festkörperanordnung mit einer äußeren Stromquelle, und Temperaturfühler, um eine allfällige Grenzerwärmung an den Oberflächen des Innen- und des Außenrohrs zu erfassen, enthält.
Wärmepumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass an der Außenfläche des Wärmeaustauscherrohrs Kühlflügel (19) vorgesehen sind.
Wärmepumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlaufmittel (26) für das Arbeitsmedium in einem der Abschlußdeckel (23, 25) der Wärmepumpe vorgesehen sind.
Wärmepumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie Ventilatormittel zum Erzeugen einer Zwangsluftströmung durch die Kühlflügel (19) des Außenrohrs (17) umfaßt.
Wärmepumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenrohr innen mit einem Hohlraum (22) versehen ist, durch den ein Kühlmedium umgewälzt wird.
Wärmepumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die spiralförmige oder kreisförmig gewickelte Struktur (20) am inneren Wärmeaustauschenohr (18) befestigt ist und direkt oder indirekt von diesem gestützt wird.
Wärmepumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die spiralförmige oder kreisförmig gewickelte Struktur (20) das äußere Wärmeaustauschenohr (17) direkt oder indirekt trägt.
Thermoelektrische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die spiralförmige oder kreisförmig gewickelte Gestaltung (20) aus einer Anzahl von Wicklungen besteht, die zwischen 1–15 liegen.