DE602004000980T2 - Thermoelektrische wärmepumpeanordnung - Google Patents

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Bauteile eines Fahrzeugs und insbesondere eine thermoelektrische Pumpe-Anordnung, die eine Temperatur eines Bauteils eines Fahrzeugs verändert, wenn ein elektrischer Strom durch eine thermoelektrische Vorrichtung in thermischer Verbindung mit dem Bauteil geleitet wird.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Thermoelektrische Prinzipien, welche die Grundlage für die heutige thermoelektrische Industrie sind, wurden als erstes von den Wissenschaftlern des frühen 19. Jahrhunderts Thomas Seebeck und Jean Peltier entdeckt. Thomas Seebeck fand heraus, dass wenn über die Verbindungsstellen oder Übergangszonen von zwei verschiedenen Leitern ein Temperaturgradient angelegt wird, ein elektrischer Strom fließen würde. Auf der anderen Seite entdeckte Jean Peltier "den Peltier-Effekt". Der Peltier-Effekt tritt auf, wenn ein elektrischer Strom durch zwei verschiedene elektrische Leiter hindurch geleitet wird, so dass an der Verbindungsstelle oder Übergangszone der zwei verschiedenen Leiter eine Wärmeemission oder -absorption verursacht wird.
  • Es war erst nach den Fortschritten der Halbleitertechnologie in der Mitte des 20. Jahrhunderts, dass praktische Anwendungen für den Peltier-Effekt die Herstellung von thermoelektrischen Modulen zuließen. Das Halbleitermaterial der Wahl zur Erzeugung des Peltier-Effekts ist typischerweise Bismuttellurid. Bismuttellurid wird gewöhnlich wegen seiner leicht zu optimierenden Wärmepumpfähigkeiten gewählt. Zusätzlich zu optimierten Wärmepumpfähigkeiten können die Ladungsträger des Bismuttellurids von Konstrukteuren von thermoelektrischen Modulen leicht gesteuert werden. Daher kann Bismuttellurid, oder irgendein anderes geeignetes Halbleitermaterial, von einem Konstrukteur verwendet werden, um durch Verlöten von elektrisch leitendem Material, wie Kupferblech, mit einer Oberseite und eine Unterseite des Halbleitermaterials ein thermoelektrisches Modul herzustellen. Das für den Peltier-Effekt erforderliche zweite verschiedene Material schließt Kupferverbindungsleiter ein, die sich aus einer Stromversorgung erstrecken.
  • Wie man in den 1 und 2 sieht, wird Wärme von einem Kreis 1, 2 allgemein in Richtung des Pfeils H bewegt (d.h. gepumpt), je nach Richtung der Ladungsträgerbewegung durch den Kreis 1, 2. Jeder Kreis 1, 2 schließt eine obere Kupferplatte 3, eine untere Kupferplatte 4 und ein Halbleitermaterial 5a vom N-Typ (1) oder ein Halbleitermaterial 5b vom P-Typ (2) ein. Zuerst Bezug nehmend auf 1 zeigt ein Pfeil A in der Uhrzeigerrichtung, wie Elektronen mit einer negativen Ladung die Ladungsträgerbewegung ausnutzen, um den Großteil des Peltier-Effekts zu erzeugen. Wenn eine Gleichstrom-Spannungsquelle VDC mit dem Kreis 1 verbunden wird, wie dargestellt, werden Elektronen vom negativen Pol abgestoßen und vom positiven Pol der Stromversorgung VDC angezogen, was den Elektronenstrom in der Uhrzeigerrichtung des Pfeils A erzwingt. Weil die Elektronen von der unteren Kupferplatte 4 aus durch das Halbleitermaterial 5a vom N-Typ zur oberen Kupferplatte 3 fließen, wird infolgedessen die Wärme H an einer unteren Verbindungsstelle oder Übergangszone 6 des Kreises 1 absorbiert und dann durch Ladungsträger, die sich durch das Halbleitermaterial 5a bewegen, aktiv zu einer oberen Verbindungsstelle oder Übergangszone 7 des Kreises 1 überführt.
  • Wie in 2 dargestellt, wird das Halbleitermaterial 5b vom P-Typ so hergestellt, dass die Ladungsträger positiv sind, was in der Elektronik als "Löcher" bekannt ist. Die Löcher verbessern die elektrische Leitfähigkeit der kristallinen Struktur vom P-Typ des Halbleitermaterials 5b, wodurch es Elektronen ermöglicht wird, ungehinderter durch das Material zu fließen, wenn eine Spannung angelegt wird. Sobald die Spannung aus der Quelle VDC angelegt wird, wie dargestellt, werden positive Ladungsträger vom positiven Pol der Gleichstrom-Versorgung abgestoßen und zum negativen Pol hin angezogen.
  • Infolgedessen fließt der "Loch"-Strom in einer zu derjenigen des Elektronenstroms entgegengesetzten Richtung, die allgemein durch den Pfeil B entgegen dem Uhrzeigersinn dargestellt ist. Weil die dem Halbleitermaterial 5b vom P-Typ innewohnenden Ladungsträger die Wärme durch den Leiter fördern, führt die Verwendung des Halbleitermaterials 5b vom P-Typ dazu, dass die Wärme H zum negativen Pol der Stromversorgung VDC hin gezogen wird, und weg vom positiven Pol.
  • Wie in den 3 und 4 dargestellt, können in einem "Element" Halbleitertabletten 5a, 5b vom N-Typ und P-Typ angeordnet sein, so dass an einer oberen Kupferplatte 3 eine Verbindungsstelle oder Übergangszone gebildet wird. Eine obere und eine untere Keramikplatte 9a, 9b isolieren eine das Element enthaltende Reihenschaltung 11, die nachfolgend als thermoelektrisches Modul 11 bezeichnet wird. Basierend auf den oben erörterten Prinzipien führt das thermoelektrische Modul 11 Wärme H zu einem Objekt 8a zu (3), oder alternativ entnimmt das thermoelektrische Modul 11 Wärme H aus einem Objekt 8a, die anschließend zu einer Wärmesenke 8b überführt wird (4). Spezieller ist bezüglich 3 die untere Kupferplatte 4b der Halbleitertablette 5b vom P-Typ mit dem positiven Spannungspotenzial der Quelle VDC verbunden, und die untere Kupferplatte 4a der Halbleitertablette 5a vom N-Typ ist entsprechend mit der negativen Seite der Quelle VDC verbunden. Infolgedessen werden die positiven Ladungsträger (d.h. "Löcher") im Halbleitermaterial 5b vom P-Typ vom positiven Spannungspotenzial abgestoßen und vom negativen Pol angezogen; zugleich werden die negativen Ladungsträger (d.h. Elektronen) im Halbleitermaterial 5a vom N-Typ vom negativen Potenzial abgestoßen und vom positiven Pol der Stromversorgung VDC angezogen. Daher wird Wärme H aus dem thermoelektrischen Modul 11 zum Objekt 8a zugeführt. Wenn die Polarität der Stromversorgung VDC umgekehrt wird (4), wird umgekehrt mittels des thermoelektrischen Moduls 11 Wärme H aus dem Objekt 8a entnommen, die dann von der Wärmesenke 8b freigesetzt wird. Jedoch nimmt die Wärmesenke 8b eines konventio nellen thermoelektrischen Motors 11 wertvollen Platz ein, wenn sie in einer Automobilanwendung eingesetzt wird.
  • Das Dokument US 3,355,900 , das als der nächstkommende Stand der Technik angesehen wird, offenbart eine den Peltier-Effekt nutzende thermoelektrische Pumpe-Anordnung.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Erfindung umfasst eine thermoelektrische Pumpe-Anordnung. Die thermoelektrische Pumpe-Anordnung schließt eine Fahrzeugstruktur und eine thermoelektrische Pumpe-Vorrichtung in thermischer Verbindung mit der Fahrzeugstruktur ein, bei der die thermoelektrische Vorrichtung eine Temperatur der Fahrzeugstruktur verändert, wenn ein elektrischer Strom durch die thermoelektrische Vorrichtung geleitet wird.
  • Ein Verfahren zur Herstellung einer thermoelektrischen Pumpe-Anordnung wird ebenfalls offenbart. Das Verfahren schließt die Schritte ein: Anordnen von mindestens einem thermoelektrischen Modul auf einer Wärmesenkenoberfläche, um eine thermoelektrische Vorrichtung zu bilden, Befestigen der thermoelektrischen Vorrichtung an einer Fahrzeugstruktur, so dass sich die thermoelektrische Vorrichtung in thermischer Verbindung mit der Fahrzeugstruktur befindet, Anordnen einer Wärmesenkenleitung über der thermoelektrischen Vorrichtung, und Befestigen der Wärmesenkenleitung an der Fahrzeugstruktur.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die vorliegende Erfindung wird nun lediglich beispielhaft mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
  • 1 einen konventionellen thermoelektrischen Kreis vom N-Typ zeigt;
  • 2 einen konventionellen thermoelektrischen Kreis vom P-Typ zeigt;
  • 3 ein konventionelles thermoelektrisches Modul und eine Stromversorgung mit einer ersten Polarität zeigt;
  • 4 eine andere Ausführungsform des konventionellen thermoelektrischen Moduls zeigt, wobei die Stromversorgung eine zweite umgekehrte Polarität wie diejenige aus 3 aufweist;
  • 5 eine Fahrgastzellenansicht einer thermoelektrischen Pumpe-Anordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei das Armaturenverkleidungspaneel zur Verdeutlichung abgenommen ist;
  • 6 eine perspektivische Ansicht einer thermoelektrischen Vorrichtung ist, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Mehrzahl von thermoelektrischen Modulen einschließt; und
  • 7 eine Querschnittsansicht der thermoelektrischen Pumpe-Anordnung entlang der Linie 7-7 aus 5 ist.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
  • Wie in den 57 dargestellt, ist dort eine mit 10 bezeichnete thermoelektrische Pumpe-Anordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Allgemein schließt die thermoelektrische Pumpe-Anordnung 10 eine thermoelektrische Vorrichtung 12 ein, umfassend mindestens ein ther moelektrisches Modul 14, das über eine mechanische Verbindung (z.B. durch Befestigen oder Formpressen), eine chemische Verbindung (d.h. mit einem Wärmekleber) oder dergleichen an der Fahrzeugstruktur 16 befestigt ist. Die Fahrzeugstruktur 16 kann, zum Beispiel, einen quer durch das Auto verlaufenden Instrumententafel(I/P)-Träger 18 und ein Heiz- und Kühlsystem 20 umfassen. Jedes thermoelektrisches Modul 14 arbeitet im Wesentlichen nach demselben Prinzip betreffend den Peltier-Effekt, wie oben bezüglich der 3 und 4 beschrieben. Es sollte festgestellt werden, dass Wärmeerzeugungs- oder Absorptions-Geschwindigkeiten an der Verbindungsstelle oder Übergangszone von jedem thermoelektrischen Modul 14 zur Größe des elektrischen Stroms und zur Temperatur der Verbindungsstelle oder Übergangszone proportional sind.
  • Wie man in 6 sieht, schließt jedes thermoelektrische Modul 14 ein Paar Keramikplatten, die als Schichten 14a, 14b bezeichnet sind, und eine Mehrzahl von Halbleiterelementen vom N-Typ und P-Typ ein, die sandwichartig von einer oberen und einer unteren Kupferplatte gehalten werden, welche allgemein mit Schicht 14c bezeichnet ist. Wie dargestellt, ist eine der Schichten 14a, 14b über eine mechanische oder chemische Verbindung an eine Wärmesenkenoberfläche 22 mit einer Dicke T angrenzend befestigt, die auch als "Kühlplatte" bezeichnet werden kann. Die Wärmesenkenoberfläche 22, die eine Mehrzahl von Durchlässen 22a, 22b für Befestigungselemente enthalten kann (wenn eine mechanische Befestigung an der Fahrzeugstruktur 16 realisiert wird), besteht vorzugsweise aus einem Material, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, die Wärme schnell ableitet, wie Magnesium, Aluminium, Kupfer oder dergleichen. Die thermoelektrische Vorrichtung 12 ist dargestellt als acht thermoelektrische Module 14 enthaltend, welche auf der Wärmesenkenoberfläche 22 in einer Zwei-mal-Vier-Spalten- und Zeilen-Anordnung angeordnet sind. Jedoch kann eine beliebige gewünschte Konfiguration, wie eine quadratische, kreisförmige, dreieckige oder irgend eine andere gleichförmige oder nicht-gleichförmige Konfiguration von thermoelektrischen Modulen 14 auf der Wärmesenkenoberfläche 22 realisiert werden. Zudem kann die Polarität einer mit jedem thermoelektrischen Modul 14 verbundenen Stromversorgung (nicht dargestellt) entsprechend der Schicht 14a, 14b, die an der Wärmesenkenoberfläche 22 befestigt ist, bezeichnet werden. Falls erwünscht, können eines oder sämtliche der thermoelektrischen Module 14 zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt aktiviert werden.
  • Mit Bezugnahme auf 7, sind die thermoelektrischen Module 14 dazwischenliegend zwischen der Wärmesenkenoberfläche 22 und der Fahrzeugstruktur 16 angeordnet. In Übereinstimmung mit den Prinzipien des Peltier-Effekts kann die Fahrzeugstruktur 16 erwärmt oder abgekühlt werden, wenn ein elektrischer Strom in einer bestimmten Richtung durch die thermoelektrischen Module 14 hindurch geleitet wird. Gemäß der gezeigten Ausführungsform der Erfindung wirken die thermoelektrischen Module 14 auf dem Heiz- und Kühlsystem 20 als Teil der Fahrzeugstruktur 16, der eine Mehrzahl von Rippen 24 einschließt, welche innerhalb eines zentralen Luftleitungshohlraums 26 angeordnet sind. Weil die Rippen 24 allgemein innerhalb (d.h. Inline angeordnet) des zentralen Luftleitungshohlraums 26, der in der Nähe einer Mehrzahl von Gebläsen 28 angeordnet ist, angeordnet sind und mit diesem eine Grenzfläche bilden, können die Rippen 24 als Heiz- oder Kühlelement für das Heiz- und Kühlsystem 20 benutzt werden, um Umgebungsluft in Abhängigkeit von der Richtung des durch die thermoelektrischen Module 14 fließenden elektrischen Stroms zu behandeln. Im Betrieb saugen die Gebläse 28 die Umgebungsluft in einem Luftstromansaugpfad I über die Rippen 24 in das Heiz- und Kühlsystem 20, so dass die Umgebungsluft, die anschließend durch eine Mehrzahl von Fahrgastzellenleitungen, wie zum Beispiel ein vorderes Fahrgastzellenleitungsnetzwerk 34 (5), ein Winter-Defroster-Leitungsnetzwerk 36 oder dergleichen, umgewälzt wird, erwärmt oder abgekühlt wird.
  • Wie man in 5 sieht, umfasst die thermoelektrische Pumpe-Anordnung 10 weiter eine Wärmesenkenleitung 30, die mittels einer Mehrzahl von durch Leitungsbohrungen 42 des Wärmesenkenkanals 30 verlaufenden Befestigungselementen 40, wie Schrauben oder Bolzen, an der Fahrzeugstruktur 16 befestigt werden kann. Obwohl dies in 5 nicht dargestellt ist, erstrecken sich die Befestigungselemente 40 durch die Wärmesenkenbefestigungselementdurchlässe 22b, um mechanisch mit der Wärmesenkenoberfläche 22 in Eingriff zu treten. Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Wärmesenkenleitung 30 durch mindestens eine Klemme oder Umfangslippe, die allgemein mit dem Bezugszeichen 38 dargestellt ist, an ihrem Platz gehalten oder befestigt werden. Funktional dichtet die Wärmesenkenleitung 30 die thermoelektrische Vorrichtung 12 gegenüber einem Feuchtigkeitseintritt, Verunreinigungen und den anderen Komponenten in der Fahrgastzellenseite der Feuerschutzwand ab, obwohl sie auch Warmluft von der Wärmesenkenoberfläche 22 durch eine Öffnung im Instrumententafelträger, die mit dem Bezugszeichen 32 unterbrochen dargestellt ist, zum Motorraum leitet. Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Wärmesenkenleitung 30 die Warmluft von der Wärmesenkenoberfläche 22 außerhalb des Fahrzeugs durch das Fahrzeugkarosserieblech (nicht dargestellt) zu einer Fahrer- oder Beifahrerseite leiten.
  • In Folge eines Einschlusses der thermoelektrischen Pumpe-Anordnung 10 in eine Kraftwagen-Anordnung können Heizkerne eines konventionellen Heiz- und Kühlsystems ganz weggelassen werden. Wenn die Rippen 24 als Heizelement verwendet werden, kann zudem in einer Situation, wenn der Motor des Fahrzeugs kaltgestartet wird, so dass Wärme beim Betätigen der Zündung nicht verfügbar ist, sofort Wärme vom Heiz- und Kühlsystem bereit gestellt werden. Daher kann die Dicke T der Wärmesenkenoberfläche 22 entsprechend ausgelegt werden, um ein ausreichendes Materialvolumen für einen Kühl- oder Heizvorgang bereit zu stellen. Obwohl die thermoelektrische Vorrichtung 12 als Komponente des Heiz- und Kühlsystems 20 dargestellt ist, kann die thermoelektrische Vorrichtung 12 bei einer beliebigen Fahrzeuganwendung eingesetzt werden, wie zum Beispiel einem Fahrzeug kühlschrank (d.h. Getränkekühler), einer Wärmesenke für andere Elektronikbauteile, wie zum Beispiel ein Radio/CD-Player oder dergleichen.

Claims (17)

  1. Thermoelektrische Pumpe-Anordnung (10), umfassend: eine Wärmesenkenoberfläche (22); eine Fahrzeugstruktur (16) im Abstand von der Wärmesenkenoberfläche (22) und angeordnet, um dazwischen einen Hohlraum zu begrenzen, mindestens ein im Hohlraum angeordnetes thermoelektrisches Modul (14) mit entgegengesetzten Seiten, wobei eine der Seiten mit der Wärmesenkenoberfläche (22) verbunden ist und die andere der Seiten mit der Fahrzeugstruktur (16) verbunden ist, die als Wärmesenke dient, wenn elektrischer Strom durch das thermoelektrische Modul (14) geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeugstruktur (16) eine lasttragende Struktur des Fahrzeugs ist.
  2. Thermoelektrische Pumpe-Anordnung (10) nach Anspruch 1, bei der die lasttragende Fahrzeugstruktur (16) aus der aus einem Fahrzeugrahmen, einem Träger, einer Stütze und der Fahrzeugkarosserie bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
  3. Thermoelektrische Pumpe-Anordnung (10) nach Anspruch 1, bei der die lasttragende Fahrzeugstruktur (16) eine Mehrzahl von Rippen (24) einschließt, die in thermischer Verbindung mit einem zentralen Luftleitungshohlraum (26) eines Heiz- und Kühlsystems (20) und der thermoelektrischen Pumpe-Anordnung (10) angeordnet sind.
  4. Thermoelektrische Pumpe-Anordnung (10) nach Anspruch 3, bei der das Heiz- und Kühlsystem (20) mindestens ein Gebläse (28) einschließt, das Umgebungsluft in einem Ansaugpfad (I) durch den zentralen Luftleitungshohlraum (26) und über die Mehrzahl von Rippen (24) saugt.
  5. Thermoelektrische Pumpe-Anordnung (10) nach Anspruch 1, bei der das thermoelektrische Modul (12) an der lasttragenden Fahrzeugstruktur (16) mittels einer Mehrzahl von Befestigungselementen (40) befestigt ist, die sich durch Befestigungselementdurchlässe (22a) der Wärmesenkenoberfläche (22) erstrecken, um mechanisch mit der Fahrzeugstruktur (16) in Eingriff zu treten.
  6. Thermoelektrische Pumpe-Anordnung (10) nach Anspruch 1, bei der das mindestens eine thermoelektrische Modul (14) über eine mechanische oder chemische Verbindung auf der Wärmesenkenoberfläche (22) angeordnet ist.
  7. Thermoelektrische Pumpe-Anordnung (10) nach Anspruch 1, bei der die thermoelektrische Pumpe-Anordnung (10) weiter eine an der Fahrzeugstruktur (16) befestigte Wärmesenkenleitung (30) umfasst.
  8. Thermoelektrische Pumpe-Anordnung (10) nach Anspruch 7, bei der die Wärmesenkenleitung (30) an der Fahrzeugstruktur (16) mittels einer Mehrzahl von Befestigungselementen (40) befestigt ist, die sich durch Leitungsbohrungen (42) der Wärmesenkenleitung (30) erstrecken.
  9. Thermoelektrische Pumpe-Anordnung (10) nach Anspruch 3, bei der die Wärmesenkenoberfläche (22) eine Mehrzahl von Befestigungselementdurchlässen (22b) enthält, die einen Hindurchtritt und einen mechanischen Eingriff der Befestigungselemente (40) mit dem Luftleitungshohlraum (26) erlauben.
  10. Thermoelektrische Pumpe-Anordnung (10) nach Anspruch 7, bei der die Wärmesenkenleitung (30) an der Fahrzeugstruktur (16) mittels mindestens einer Klemme oder Umfangslippe (38) befestigt ist.
  11. Thermoelektrische Pumpe-Anordnung (10) nach Anspruch 7, bei der die Wärmesenkenleitung (30) über einer Instrumententafelträgeröffnung (33) befestigt ist, um eine Abfuhr von Warmluft von der Wärmesenkenoberfläche (22) zum Motorraum zu erlauben.
  12. Thermoelektrische Pumpe-Anordnung (10) nach Anspruch 5, bei der die Wärmesenkenoberfläche (22) aus Material hoher Wärmeleitfähigkeit besteht, das aus der aus Magnesium, Aluminium und Kupfer bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
  13. Verfahren zur Herstellung einer thermoelektrischen Pumpe-Anordnung (10), umfassend die Schritte: Anordnen von mindestens einem thermoelektrischen Modul (14) auf einer Wärmesenkenoberfläche (22), um eine thermoelektrische Vorrichtung (12) zu bilden; Befestigen der thermoelektrischen Vorrichtung (12) an einer lasttragenden Fahrzeugstruktur (16), so dass sich die thermoelektrische Vorrichtung (12) in thermischer Verbindung mit der lasttragenden Fahrzeugstruktur (16) befindet; Anordnen einer Wärmesenkenleitung (30) über der thermoelektrischen Vorrichtung (12); und Befestigen der Wärmesenkenleitung (30) an der lasttragenden Fahrzeugstruktur (16).
  14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das Befestigen der thermoelektrischen Vorrichtung (12) weiter den Schritt eines Einsetzens von Befestigungselementen (30) durch eine Mehrzahl von Befestigungselementdurchlässen (22a) in der Wärmesenkenoberfläche (22) umfasst, um sie mechanisch mit der lasttragenden Fahrzeugstruktur (16) in Eingriff zu bringen.
  15. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das Befestigen der Wärmesenkenleitung (30) weiter den Schritt eines Einsetzens von Befestigungselementen (40) durch eine Mehrzahl von Wärmesenkenleitungsbohrungen (42) einer Wärmesenkenleitung (30) und Befestigungselementdurchlässen (22a) in der Wärmesenkenoberfläche (22) umfasst, um sie mechanisch mit der lasttragenden Fahrzeugstruktur (16) in Eingriff zu bringen.
  16. Verfahren nach Anspruch 13, weiter umfassend die Schritte: Leiten eines elektrischen Stroms durch das mindestens eine thermoelektrische Modul (14) in einer ersten Richtung, um die Temperatur der lasttragenden Fahrzeugstruktur (16) zu erhöhen, oder Leiten des elektrischen Stroms durch das thermoelektrische Modul (14) in einer zweiten Richtung, um die Temperatur der Fahrzeugstruktur (16) zu verringern.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, weiter umfassend den Schritt eines Ansaugens von Umgebungsluft über die Fahrzeugstruktur (16).
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