DE60313800T2

DE60313800T2 - Einheitliche thermoelektrische baueinheit und wärmetauscher damit verbunden

Info

Publication number: DE60313800T2
Application number: DE60313800T
Authority: DE
Inventors: Giorgio Pastorino
Original assignee: PELTECH Srl CALOLZIOCORTE; Peltech Srl
Current assignee: PELTECH Srl CALOLZIOCORTE; Peltech Srl
Priority date: 2002-12-02
Filing date: 2003-11-27
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2023-11-28
Also published as: US7222489B2; WO2004051158A3; ITMI20022548A1; RU2005110399A; CN1711449A; EP1567813A2; AU2003292543A1; WO2004051158A2; ATE362085T1; DE60313800D1; CN1329701C; EP1567813B1; JP2006508542A; US20050279105A1

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf das Gebiet thermoelektrischer Festkörperanordnungen, die den Peltier-Effekt zum Kühlen und/oder Heizen von zivilen und/oder gewerblichen Räumlichkeiten anwenden. Die Erfindung bezieht sich auf eine einheitliche Baueinheit und damit verbundene Wärmetauscher entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1. Eine derartige Baueinheit und derartige Wärmetauscher sind aus WO-A-02 13282 bekannt.
Technischer Stand
Thermoelektrische Anordnungen der vorgenannten Art sind seit ziemlich langer Zeit bekannt und umfassen im allgemeinen eine thermoelektrische Baueinheit oder eine Thermosäule bestehend aus einer Reihe thermoelektrischer Elemente, die ihrerseits aus p-Typ und n-Typ Leiter- und/oder Halbleiterkörpern gebildet und elektrisch serienmäßig und thermisch parallel verbunden sind, worin die thermoelektrischen Elemente gewöhnlich elektrisch serienmäßig und thermisch parallel verbunden sind und auf flexiblen Trägern, aus elektrisch isolierendem aber thermisch leitfähigem Material und im allgemeinen aus starrem Keramikmaterial gefertigt, zusammengebaut sind. Derartige thermoelektrische Baueinheiten müssen dann mit Wärmetauschem gekoppelt werden, um Wärmepumpen für Haushalts- und gewerbliche Anwendungen zu bilden.
Die bekannten thermoelektrischen Baueinheiten weisen im allgemeinen einige Nachteile auf mit Bezug auf ihre thermische Wirksamkeit und Zerbrechlichkeit. Was den ersten solcher Nachteile betrifft, erlauben die bekannten thermoelektrischen Baueinheiten keine gleichmäßige Wärmeverteilung in den damit verbundenen Wärmetauschem zu erreichen, weil sie den variablen Merkmalen der Wärmetauscher je nach der dafür bestimmten Anwendungsart nicht angepasst werden können. Was den zweiten Nachteil anbelangt, ist bekannt, dass während der Zusammenbaustufen mit den Wärmetauschern, wegen der Zerbrechlichkeit des Trägers, häufig Brüche auftreten folglich übermäßiger Kontaktdrücke, die notwendig sind für gutes Funktionieren und/oder während der Arbeit wegen der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der beiden Flächen der Baueinheit, verursacht durch die unterschiedlichen Temperaturen der damit verbundenen Wärmetauscher.
Eine bekannte Anordnung, die diesen zweiten Nachteil überwindet, wird in WO-A-0213282 beschrieben. Bei der dort beschriebenen Anordnung werden die thermoelektrischen Elemente auf einen flexiblen Träger, aus elektrisch isolierendem dennoch thermisch leitfähigem Kunststoffmaterial gefertigt, zusammengebaut. Jedoch auch bei dieser Anordnung ist es schwierig, eine gleichmäßige Temperaturverteilung in den Wärmetauschern zu erreichen.
Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung verfolgt die Aufgabe, die genannten Nachteile der bekannten thermoelektrischen Baueinheiten zu überwinden, indem sie eine neu erdachte thermoelektrische Baueinheit schafft, die zusammenzubauen und mit einem Wärmetauscher derart zu verbinden ist, dass eine thermoelektrische Wärmepumpe gebildet wird.
Entsprechend einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe erreicht mittels einer einheitlichen thermoelektrischen Baueinheit und damit verbundenen Wärmetauschern, worin die einheitliche Baueinheit aus einer Reihe thermoelektrischer Elemente gebildet ist, wovon jedes Element aus p-Typ und n-Typ Leiter- und/oder Halbleiterkörpern gefertigt ist, und worin die thermoelektrischen Elemente elektrisch serienmäßig und/oder parallel und thermisch parallel verbunden und auf flexiblen Trägern aus Polymermaterial zusammengebaut sind, wobei die Träger an die Wärmetauscher angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Baueinheit an die Wärmetauscher angekoppelt wird unter Verwendung eines wärmeleitfähigen Materials vom Phasenumformungstyp mit hoher Wärmeleitfähigkeit und geeignet, allfällige auf Höhetolleranzen bei den thermoelektrischen Elementen zurückzuführende Unregelmäßigkeiten in der Dicke der einheitlichen thermoelektrischen Baueinheit aufzunehmen.
Die zweite Ausführungsform der Erfindung betrifft eine einheitliche thermoelektrische Baueinheit und damit verbundene Wärmetauscher gemäß Anspruch 2. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist die einheitliche thermoelektrische Baueinheit mit den Wärmetauschem verbunden unter Verwendung eines wärmeleitfähigen Graphitmaterials, das entweder nur auf einer Fläche oder auf beiden Flächen der einheitlichen thermoelektrischen Baueinheit aufgetragen wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nun als ein nicht beschränkendes Beispiel anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Ansicht im Schnitt der erfindungsgemäßen einheitlichen thermoelektrischen Baueinheit, die Wärmetauschern planarer Form zugeordnet ist zwecks Bildung einer thermoelektrischen Wärmepumpe;
2 eine Ansicht im Schnitt der erfindungsgemäßen einheitlichen thermoelektrischen Baueinheit, die Wärmetauschern konkaver und/oder konvexer Form zugeordnet ist zwecks Bildung einer thermoelektrischen Wärmepumpe;
3 eine Ansicht im Schnitt der erfindungsgemäßen einheitlichen thermoelektrischen Baueinheit in Verbindung mit Wärmetauschern zylindrischer Form mit vieleckigem Querschnitt zwecks Bildung einer thermoelektrischen Wärmepumpe; und
4 eine Ansicht im Schnitt einer erfindungsgemäßen einheitlichen thermoelektrischen Baueinheit in Verbindung mit Wärmetauschern zylindrischer Form mit kreisförmigem Querschnitt zwecks Bildung einer thermoelektrischen Wärmepumpe.
Beste Weise zur Durchführung der Erfindung.
Mit Bezug auf 1 der Zeichnungen ist die thermoelektrische Baueinheit 10 aus einer Reihe von thermoelektrischen Elementen gebildet, wie oben beschrieben, die auf flexiblen Trägern 11, die die Form von einer dünnen Membrane oder Film aus Polymermaterial haben, zusammengebaut sind. Die thermoelektrischen Elemente sind gleichmäßig oder ungleichmäßig auf dem flexiblen Träger 11 verteilt, je nach der dafür vorgesehenen besonderen Verwendung der thermoelektrischen Baueinheit 10.
Die Umfangsgestalt der einheitlichen thermoelektrischen Baueinheit kann variieren und kann rechteckig, beispielsweise sogar quadratförmig, oder krummlinig, beispielsweise kreisförmig sein.
Das Polymermaterial des flexiblen Trägers 11 ist vorzugsweise aus einem Polyamid, unter dem Markennamen Kapton^® im Handel erhältlich, hergestellt.
Die derart gestaltete einheitliche thermoelektrische Baueinheit 10 wird Wärmetauschern 12 zugeordnet und wird an die Basisflächen der letzteren, vorzugsweise mittels eines wärmeleitfähigem Material 13 vom Phasenumformungstyp anhaften gemacht. Anstelle des wärmeleitfähigen Materials vom Phasenumformungstyp kann ein Graphitmaterial als Verbindungsmaterial eingesetzt werden, das nur auf einer Seite oder auf beide Seiten der einheitlichen thermoelektrischen Baueinheit 10 aufgetragen wird. Die Basisflächen der Wärmetauscher können planar sein wie in 1 veranschaulicht, oder konkav und/oder konvex wie in 2 gezeigt, oder zylindrisch mit einem vieleckigen Querschnitt wie 3 zeigt, oder zylindrisch mit einem kreisförmigen Querschnitt wie in 4 dargestellt. Die Wärmetauscher 12 können von gasförmigen oder flüssigen Flüssigkeiten sowohl als auch von Phasenumformung ausgesetzten Flüssigkeiten berührt werden. Die berührten Flächen können zusätzlich mit Flügeln versehen sein. Die Wärmetauscher 12 können aus einem Metall- oder Nichtmetallmaterial gefertigt sein. Beispielsweise kann als Nichtmetallmaterial ein Graphitmaterial verwendet werden.
Die Verbindungsmaterialien zum Ankoppeln der einheitlichen thermoelektrischen Baueinheit 10 an die Wärmetauscher 12 können entweder in einer im wesentlichen gleichmäßigen Weise auf den flexiblen Träger 11 verteilt, oder auf dem flexiblen Träger 11 in Übereinstimmung mit den thermoelektrischen Elementen aufgebracht werden.
Die folgenden technischen Vorteile werden mit der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Anordnung erreicht.
Mit einer richtigen Verteilung der thermoelektrischen Elemente in der einheitlichen thermoelektrischen Baueinheit 10 ist es möglich, die Gestaltung der Baueinheit mit derjenigen der Wärmetauscher 12 zu harmonisieren, um die Übereinstimmung zwischen der von der Baueinheit übertragenen Wärme und der von den Wärmetauschern 12 ausgetauschten Wärme zu verbessern und um eine so gleichmäßige Wärmeverteilung wie möglich zu erzielen und folglich die Wirksamkeit der einheitlichen thermoelektrischen Baueinheit 10 zu verbessern bei einer Reduzierung des Temperaturunterschieds zwischen ihren beiden Flächen.
Industrielle Anwendbarkeit
Die Benutzung eines Verbindungsmaterials zwischen der einheitlichen thermoelektrischen Baueinheit 10 und den Wärmetauschem 12, wie beschrieben, ermöglicht es, eine stabile Kopplung auch ohne einem übermäßigen Kontaktdruck zu erhalten, um eine enge Berührung zwischen der einheitlichen thermoelektrischen Baueinheit und den Wärmetauschem zu erreichen. Solche Verbindungsmaterialen haben zusätzlich eine hohe Wärmeleitfähigkeit und sind imstande, mögliche Dickeunregelmäßigkeiten der Baueinheit auf die bestmögliche Weise und ohne Schaden für die Baueinheit selbst zu adsorbieren, die einer unterschiedlichen Höhe der thermoelektrischen Elemente und unterschiedlichen Wirkungen der Wärmeausbreitung der Wärmetauscher zuzuschreiben sind, wenn sie während des Betriebes beiderseitig unterschiedliche Temperaturen haben. Schließlich könnten solche Verbindungsmaterialien, wenn Wärmetauscher mit unplanaren Adhäsivflächen benutzt werden, dazu verwendet, um die Nichtübereinstimmung der planaren Basis der thermoelektrischen Elemente mit der Krümmung der Wärmetauscherbasis auszugleichen, indem die zwischen dem flexiblen Träger 11 und der Fläche der Wärmetauscher 12 vorhandenen Lücken auszufüllen.

Claims

Einheitliche thermoelektrische Baueinheit (10) und damit verbundene Wärmetauscher (12), worin die einheitliche thermoelektrische Baueinheit aus einer Reihe thermoelektrischer Elemente gebildet ist, wovon jedes Element aus n-Typ und p-Typ Leiter- und/oder Halbleiterkörpern gefertigt ist, die elektrisch serienmäßig und thermisch parallel verbunden sind, worin die thermoelektrischen Elemente elektrisch serienmäßig und/oder parallel und thermisch parallel verbunden sind und auf flexiblen Trägern (11) aus Polymermaterial zusammengebaut sind, wobei die Träger an die Wärmetauscher (12) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Baueinheit (10) an die Wärmetauscher (12) angekoppelt wird unter Verwendung eines wärmeleitfähigen Materials vom Phasenumformungstyp (13) mit hoher Wärmeleitfähigkeit und geeignet, allfällige auf Höhetolleranzen bei den thermoelektrischen Elementen zurückzuführende Unregelmäßigkeiten in der Dicke der einheitlichen thermoelektrischen Baueinheiten (10) aufzunehmen.
Einheitliche thermoelektrische Baueinheit (10) und damit verbundene Wärmetauscher (12), worin die einheitliche thermoelektrische Baueinheit aus einer Reihe thermoelektrischer Elemente gebildet ist, von denen jedes Element aus n-Typ und p-Typ Leiter- und/oder Halbleiterkörpern gefertigt ist, die elektrisch serienmäßig und thermisch parallel verbunden sind, worin die thermoelektrischen Elemente elektrisch serienmäßig und/oder parallel und thermisch parallel verbunden sind und auf flexiblen Trägern (11) aus Polymermaterial zusammengebaut sind, wobei die Träger an die Wärmetauscher (12) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Baueinheit (10) an die Wärmetauscher (12) angekoppelt wird unter Verwendung eines wärmeleitfähigen Graphitmaterials, das entweder nur auf einer Fläche oder auf beiden Flächen der einheitlichen thermoelektrischen Baueinheit (10) aufgetragen wird.
Einheitliche thermoelektrische Baueinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangsgestalt rechteckig ist.
Einheitliche thermoelektrische Baueinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass deren Umfangsgestalt krummlinig ist.
Einheitliche thermoelektrische Baueinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Elemente in der einheitlichen thermoelektrischen Baueinheit (10) gleichmäßig verteilt sind.
Einheitliche thermoelektrische Baueinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Elemente in der einheitlichen thermoelektrischen Baueinheit (10) ungleichmäßig verteilt sind.
Einheitliche thermoelektrische Baueinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Baueinheit an Wärmetauscher mit einer planaren Verbindungsfläche angekoppelt ist.
Einheitliche thermoelektrische Baueinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Baueinheit an Wärmetauscher mit einer konkaven und/oder konvexen Verbindungsfläche angekoppelt ist.
Einheitliche thermoelektrische Baueinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Baueinheit an Wärmeaustauscher zylindrischer Form mit einem vieleckigen Querschnitt angekoppelt ist.
Einheitliche thermoelektrische Baueinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Baueinheit an Wärmetauscher zylindrischer Form mit einem kreisförmigen Querschnitt angekoppelt ist.
Einheitliche thermoelektrische Baueinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Baueinheit an Flügelwärmetauscher angekoppelt ist.
Einheitliche thermoelektrische Baueinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Baueinheit an Wärmetauscher angekoppelt ist, die von gasartigen oder flüssigen Fluiden sowie von Flüssigkeiten, die an eine Phasenumformung gebunden sind, berührt werden können.
Einheitliche thermoelektrische Baueinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Baueinheit an Wärmeaustauscher angekoppelt ist, die von an Phasenumformung gebundene Flüssigkeiten berührt werden können.
Einheitliche thermoelektrische Baueinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Baueinheit an Wärmetauscher angekoppelt ist, die sich die latente Wärme aus der Phasenumformung einer Flüssigkeit zunutze machen.