用於熱電薄層元件的換熱器的製作方法

2023-05-20 04:43:36

專利名稱：用於熱電薄層元件的換熱器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於至少一個熱電薄層元件的換熱器，該至少一個熱電薄層元件 具有熱的一側和冷的一側，所述熱的一側和冷的一側分別布置在薄層元件的對置的縱側 上，其中，熱的一側藉助耦合元件連接到熱源上，而冷的一側與散熱裝置(warmesenke)連接。
背景技術：
利用熱電發生器能夠將熱量直接轉換為電能。為此，優選使用以不同的方式摻雜 的半導體材料，由此能夠相對於具有兩種不同的並且在一端上相互連接的金屬的熱電偶顯 著地提高效能。但是，現在可使用的熱電發生器只具有相對小的效率。常用的半導體材料 是具有3%至8%之間的效率的Bi2Ti53、PbTe、SiGe、Bi釙或者i^eSi2。為了獲得足夠高的電 壓，將多個熱電發生器電串聯。熱電發生器的工作原理基於熱電效應，下面稱為塞貝克效應(Seebeck-Effekt)。 在塞貝克效應中，在電的導體或者半導體的兩個具有不同溫度的點之間產生電壓。所產生 的電壓通過Useebeck = α · Δ T 來確定，其中Δ T是導體/半導體端部或者接觸部位之間的溫度差α是塞貝克係數或者所謂的「熱電動勢(Thermokraft) 」。塞貝克係數具有電壓每溫度差(V/K)的量綱。所產生的電壓獨立於環境溫度並且 僅僅取決於接觸部位的溫度差。熱電發生器的高效率在具有高的塞貝克係數並且同時具有 低的比電阻和低的導熱能力的材料中得以實現。為了提高熱電發生器的效率，在EP 1287566Β 1中已經提出了一種熱電薄層元 件，該熱電薄層元件具有摻雜的半導體的至少一個η層和至少一個ρ層，其中，在構成ρη結 的情況下來布置所述η層和ρ層。所述η層和ρ層以電選擇性的方式接觸。平行於η層 和P層之間的界面層設立溫度梯度。ρη結基本上沿著η層和ρ層的整個的，優選最長的延 展部構成，並且因此基本上沿著其整個界面層構成。通過沿著大面積的Pn界面的溫度梯 度，沿著該稍帶長形地構成的ρη結，在ρη層組(pn-khichtpaket)的兩個端部之間形成 溫度差，該溫度差使得熱電的元件的效率大於現有技術中的效率，該現有技術沿著ρη結 和在Pn結內部都不具有溫度梯度。η層和ρ層的選擇性的接觸要麼通過接觸區的合金化 (Einlegieren)及與之連接的ρη結來實現，要麼通過將各個層直接接觸來實現。選擇性的 接觸區是單獨的、相互不導電連接的布置在P層和η層上的接觸區。由DE 102006031164公知一種具有承載架結構的熱電薄層元件，在該承載架結構 上覆加有多個由第一有傳導能力的材料製成的熱臂以及多個由第二有傳導能力的材料制 成的熱臂，其中，第一有傳導能力的材料和第二有傳導能力的材料具有不同的傳導能力，並 且所述熱臂以如下方式相互電耦合，即，使相應兩個熱臂形成熱偶，其中，所有由第一有傳 導能力的材料和第二有傳導能力的材料製成的熱臂都並排地布置在承載架結構上。所述熱電薄層元件的冷的一側位於電的有傳導能力的第一材料和第二材料的一側上，而熱的一側 位於電的有傳導能力的第一材料和第二材料的對置的一側上。最後，由DE 10122679A1公知一種熱電薄層元件，該熱電薄層元件具有柔韌的基 底材料，在該基底材料上覆加有薄層熱偶(Dtonschicht-Thermopaare)。所述薄層熱偶由兩 種不同材料的材料組合形成，其中，所述第一材料和第二材料以如下方式設置並且以如下 方式相互熱耦合，即，所述第一材料和第二材料共同形成熱偶。所述兩種材料被壓印到柔韌 的薄膜上或者藉助於通常的分離方法加以分離。例如由鎳製成的、並排布置的條帶作為第 一材料，而由鉻製成的條帶作為第二材料，其中，接片和條帶在其端部上分別成對地通過由 第二材料製成的耦合結構相互電連接。通過耦合的接片和條帶，在很小的面上形成多個熱 偶的串聯。大量薄層熱偶導致熱電偶的很高的輸出電壓。熱電薄層元件的一側上的電耦合 結構形成其熱的一側，熱電薄層元件的對置的一側上的耦合結構形成其冷的一側，其中，熱 的一側藉助耦合元件連接到熱源上，而冷的一側與散熱裝置連接。

發明內容
從該現有技術出發，本發明的任務是，實現一種開頭所述類型的換熱器，該換熱器 能夠實現與熱電薄層元件的簡單並且有效的連接，並且使所使用的熱電薄層元件的效率得 以改善。所述換熱器尤其也應該適合於容納大面積的、尤其柔韌的熱電薄層元件。該任務的解決方案基於以下思想，S卩，尤其柔韌的薄層元件在耦合元件和換熱器 的散熱裝置之間展開，並且耦合元件和散熱裝置之間的負荷通過尤其隔熱的承載結構來承 擔。具體地，所述任務在開頭所述類型的換熱器中通過以下方式來解決，-所述耦合元件包括至少兩個型材，所述至少兩個型材具有相互平行地布置的外 表面，其中，相鄰的型材的外表面在兩側貼靠在熱電薄層元件的熱的一側上，-所述散熱裝置包括至少兩個型材，所述至少兩個型材具有相互平行地布置的外 表面，其中，相鄰的型材的外表面在兩側貼靠在熱電薄層元件的冷的一側上，-耦合元件的型材與散熱裝置的型材成對地對置，-耦合元件和散熱裝置的相互成對地對置的型材的貼靠在薄層元件上的外表面相 互對齊，但是以相互間有間距的方式布置，並且-耦合元件和散熱裝置的相應兩個相互對置的型材通過承載結構相互連接。耦合元件與散熱裝置的熱退耦優選通過以下方式實現，S卩，與耦合元件和散熱裝 置的型材的材料相比，承載結構的材料具有更小的導熱能力。另外的退耦通過以下方式來 實現，即，耦合元件和散熱裝置的相應兩個相互對置的型材僅僅通過承載結構相互連接，而 成對地對置的型材的貼靠在薄層元件上的外表面以相互間有間距的方式布置。耦合元件和散熱裝置之間的有效的熱退耦導致薄層元件的熱的一側和冷的一側 之間的很高的溫度差，並且由此產生改善的效率。按本發明的換熱器一點也不需要薄層元件的承載功能，由此，該薄層元件能夠作 為薄膜在耦合元件的相互平行地布置的外表面和散熱裝置的相互平行地布置的外表面之 間大面積地展開。為了展開熱電薄層元件，該熱電薄層元件在其縱側上分別夾在和/或粘 接在相鄰的型材的相互平行地布置的外表面之間。因此，按本發明的換熱器使如下的熱電裝置的製造成為可能，在所述熱電裝置中，優選板狀的耦合元件可以具有一個或者甚至多 個平方米的大小。由於低的導熱能力以及無內應力(Eigensparmungsfreiheit)，所述承載結構優選 由泡沫塑料組成，尤其是由聚合物組成。多孔狀的結構減少了用於熱輸送的橫截面並且由 此相對於大多數金屬的耦合元件或者散熱裝置降低了承載結構的導熱能力。優選使用用於製造有大孔的泡沫塑料的材料和方法，以便進一步降低導熱能力。 只要泡沫塑料是閉孔泡沫塑料，那麼可以通過選擇用於發泡的驅動氣體(N2/CO2)再一次降 低導熱能力。換熱器的足夠的強度和穩定性通過以下方式得以確保，S卩，所述承載結構由硬質 泡沫塑料組成，尤其是由聚氨酯硬質泡沫組成。尤其結合由泡沫塑料製成的承載結構通過以下方式來簡化按本發明的換熱器的 可製造性，即，不僅耦合元件的而且散熱裝置的型材都是如下U型材，所述U型材具有凸緣 的平行的外表面，並且相互對置的U型材的凸緣指向彼此。於是，換熱器的製造能夠以如下 這種方式來實現，即，利用聚氨酯泡沫發泡出常規的四邊形型材。在泡沫塑料硬化之後，在 四邊形型材的平行的側壁上引入在其整個長度上延伸的縱槽，由此將四邊形型材分成兩個 U型材，其中，如此形成的、對置的U型材的凸緣對齊地指向彼此，但是通過縱槽相互分開。所述兩個U型材之間的機械連接僅僅通過在橫截面內呈矩形的泡沫塑料型材實 現，該泡沫塑料型材優選在兩個U型材的整個長度上延伸。結果是，該承載結構幾乎完全 填滿一方面耦合元件的和另一方面散熱裝置的兩個對置的U型材。然後，至少兩個這樣制 成的型材裝置相互間如此鄰近地布置在底座上，尤其是布置在平坦的板上，以致於相鄰的U 型材的外表面貼靠在薄層元件的熱的一側或者冷的一側上。承載結構的導熱的橫截面能夠通過以下方式進一步減小，即，在相互對置的U型 材的凸緣之間構成的間隙的區域內，將切口引入到泡沫塑料中，其中，切口優選在整個長度 上，但在保留中間的接片的情況下延伸。尤其是在由四邊形型材製成的U型材的上面所解 釋的製造中，可以在工序中隨著四邊形型材的分開而將切口製造到泡沫塑料中，其中切割 過程直至一定深度地延續到硬化的泡沫塑料材料中。可供選擇地或者額外地，能夠通過以下方式來減少導熱的橫截面，S卩，由泡沫塑料 組成的承載結構具有橫向於型材的縱向延伸分布的通路。通路的數量和布置以及在泡沫塑 料材料中必要時存在的切口的構成形式要與承載結構的所要求的承載能力協調一致。只要應該放棄用於承載結構的泡沫塑料，那麼將承載結構布置在相互對置的U型 材的凸緣之間構成的間隙的區域內，並且所述承載結構尤其由兩個對置的U型材之間的多 個連接接片形成。為了實現很小的熱傳遞，在考慮所要求的承載能力的情況下，使連接接片 之間的間距最大化並且使連接接片的橫截面最小化。優選地，所述連接接片由跟U型材相 比具有更小導熱能力的材料組成。但是，所述連接接片也可以由型材材料自身組成，儘管由 此在連接部位上形成不希望的熱橋(warmebriicke),所述熱橋降低了由換熱器容納的那 個薄層元件或那些薄層元件的效率。為了通過維持薄層元件的熱的一側和冷的一側之間的較高的溫度差來進一步改 善效率，在散熱裝置上布置有冷卻肋。通過冷卻肋使散熱裝置的表面並且因此使熱流的導 出得到改善。
如已經在上面提到的那樣，所述耦合元件優選具有底座，在該底座上布置有至少 兩個型材，但優選是布置有多個型材。薄層元件的熱的一側夾在和/或粘接在相應兩個相 鄰的型材之間。如果將兩個以上的U型材相互平行地布置在底座上，那麼由處在外部的U 型材所包圍的U型材用於在兩側上保持薄層元件。為了確保很高的導熱能力並且因此確保熱量的良好的耦合或退耦，所述耦合元件 和/或散熱裝置由金屬或者陶瓷或者導熱良好的合成材料組成。


下面根據實施例對本發明進行詳細解釋。其中圖Ia示出按本發明的熱電裝置的側視圖，圖Ib示出按圖Ia的裝置沿線A-A的剖面，圖Ic示出按圖Ia的細節B的放大的圖示，圖加以正視圖和側視圖示出具有換熱器的兩個對置的U型材的型材裝置的圖示， 該型材裝置帶有承載體，圖2b示出按圖加的型材裝置沿線A-A的剖面，圖2c以正視圖和側視圖示出具有換熱器的兩個對置的U型材的另一型材裝置的 圖示，該型材裝置帶有被剖切過的承載體，圖2d示出按圖2c的型材裝置沿線A-A的剖面，圖3a以正視圖和側視圖示出具有換熱器的兩個對置的U型材的另一型材裝置的 圖示，該型材裝置帶有具有通路的承載體，圖北示出按圖3a的型材裝置沿線A-A的剖面，圖3c以正視圖和側視圖示出具有換熱器的兩個對置的U型材的另一型材裝置的 圖示，其中，型材通過接片相互連接，圖3d示出按圖3c的型材裝置沿線A-A的剖面，圖4示出按本發明的熱電裝置的示意圖，用於形象地說明熱流從薄層元件的熱的 一側到冷的一側。
具體實施例方式圖1示出熱電發生器(1)形式的熱電裝置，該熱電發生器基本上由薄層元件(2) 和換熱器⑶構成。如尤其從圖lb)和Ic)中所示，所述薄層元件(2)由柔韌的、條狀的承 載薄膜(Tragerfolie)⑷形成，在該承載薄膜上布置有多個相互電連接的區段(5)，這些區 段具有第一半導體材料和第二半導體材料(6、7)。在承載薄膜(4)上沿縱向並排布置的區 段(5)交替地要麼通過半導體材料(6)或者說在對置的一側上通過半導體材料(7)，藉助於 電薄層接觸區(8、9)串聯。通過這種串聯，在薄層元件O)的各個區段(5)中產生的塞貝 克電壓累加。熱電發生器(1)總共具有四個布置在承載薄膜(4)上的薄層元件O)，所述薄層元 件又全部並聯。附圖中位於承載薄膜的下面的邊緣上的是薄層元件O)的冷的一側(11)，並 且附圖中位於上面的邊緣上的是薄層元件O)的熱的一側(12)。
每個薄層元件O)的熱的一側(1 藉助耦合元件連接到附圖中沒有示出的熱源 上。耦合元件在示出的實施例中包括五個U型材(13)，所述U型材的連接側向凸緣(14a、 14b)的接片(15)處於平坦的板(16)上。所述薄層元件( 的冷的一側(11)與散熱裝置連接，該散熱裝置在示出的實施例 中包括五個具有指向下的凸緣(18a、18b)的U型材(17)以及布置在連接凸緣(18a、18b)的 接片(19)上的、垂直向上延伸的冷卻肋01)。不僅耦合元件的U型材(13)的凸緣(14a、 14b)而且散熱裝置的U型材(17)的凸緣(18a、18b)都以其外表面(22、23)平行於耦合元 件的或者散熱裝置的相應相鄰的U型材(13/17)地布置。耦合元件的相應兩個相鄰的U型材(13)的外表面02)在兩側齊平地貼靠在熱電 薄層元件O)的熱的一側(1 上。以如下方式選擇相應兩個相鄰的U型材(1 之間的間 距，即，使薄層元件O)的熱的一側(1 夾在外表面0 之間。為了額外地進行固定，可 以將粘合材料引入外表面0 和薄層元件O)的表面之間。對置於每個U型材(13)，分別 布置有散熱裝置的U型材(17)中的一個U型材。相互對置的U型材(13、17)的凸緣(14a、 14b)以及凸緣(18a、18b)相互對齊，但是在構成尤其可以從圖2和圖3中看出的間隙Q5) 的情況下以相互間有間距04)的方式布置。以如下方式來選擇散熱裝置的相應兩個相鄰 的U型材(17)之間的間距，即，使薄層元件(2)的冷的一側(12)夾在外表面(23)之間。這 裡也可以額外地引入粘合材料。耦合元件的下面的U型材(1 通過承載結構06)與散熱裝置的上面的U型材 (17)相互連接在按圖1的實施例中，下面的U型材(13)藉助於硬質泡沫塑料型材與上 面的U型材(17)相互機械連接，該硬質泡沫塑料型材幾乎完全填滿相應兩個對置的U型 材(13、17)之間的中間空間。如尤其可以從圖2b中看出的那樣，矩形的硬質泡沫塑料型材 (27)在U型材(13、17)的整個長度上延伸。下面的U型材和上面的U型材(13、17)之間的間隙05)有效地禁止耦合元件和 散熱裝置之間經由型材(13、17)進行的直接的熱量流動，所述型材僅僅通過型材07)形式 的、隔熱的硬質泡沫塑料相互牢固地機械連接。通過使用有大孔的硬質泡沫塑料顯著減少 對導熱來說有效的橫截面積。圖2c)和2d)示出承載結構06)的變型方案，該承載結構在凸緣(14a、14b、18a、 18b)之間的間隙05)的區域中分別具有在硬質泡沫塑料型材07)中水平分布的切口 ( )，這些切口延伸至當中布置的接片09)。下面的U型材(13)和上面的U型材(17)之 間的連接僅僅通過接片09)來實現，所述接片在整體上確保由硬質泡沫塑料型材07)形 成的承載結構06)的足夠的穩定性。圖3a)和3b)示出硬質泡沫塑料型材(27)，在該硬質泡沫塑料型材中，通過橫向 於U型材(13、17)的縱向延伸分布的空心圓柱形的通路(31)來減小由硬質泡沫塑料型材 (27)形成的承載結構06)。留在相鄰的通路(31)之間的接片(32)給予由硬質泡沫塑料 型材(XT)形成的承載結構06)足夠的穩定性。最後，圖3c)和3d)示出對置的U型材(13、17)之間的承載結構( )，該承載結構 無需額外的硬質泡沫塑料型材也行得通。在該實施方式中，連接接片(3 在相應兩個對置 的U型材(13、17)之間形成承載結構06)。由於連接接片(32)的大間距(33)以及小寬 度(34)，該連接接片自身在由像散熱裝置和耦合元件那樣的相同的材料構成連接接片時，不構成使熱電裝置的功能成問題的熱橋。然而，優選的是，與耦合元件和散熱裝置的材料相 比，所述連接接片(3 由具有更小的導熱能力的材料製成。最後，圖4)形象地說明在按本發明的熱電裝置中，所述薄層元件( 僅僅具有 熱功能和電功能，而承載的功能僅僅由隔熱的和電絕緣的硬質泡沫塑料型材(XT)來承擔。 熱流從沒有示出的、耦合到板(16)上的熱源經由板(16)流過下面的U型材(1 的處於板 (16)上的接片(15)以及凸緣(14)、薄層元件⑵以及從薄層元件(2)的冷的一側(11)流 經上面的U型材(17)和布置在其接片(19)上的冷卻型材(21)，所述冷卻型材將餘熱排放 到周圍空氣中。附圖標記列表
權利要求
1.用於至少一個熱電的薄層元件的換熱器，所述至少一個熱電的薄層元件具有熱的一 側和冷的一側，所述熱的一側和冷的一側分別布置在所述薄層元件的對置的縱側上，其中， 所述熱的一側藉助耦合元件連接到熱源上，而所述冷的一側與散熱裝置連接，其特徵在於，-所述耦合元件包括至少兩個型材(13)，所述至少兩個型材具有相互平行地布置的外 表面(22)，其中，相鄰的型材(1 的所述外表面0 在兩側貼靠在所述熱電的薄層元件 ⑵的所述熱的一側(12)上，-所述散熱裝置包括至少兩個型材(17)，所述至少兩個型材具有相互平行地布置的外 表面(23)，其中，相鄰的型材(17)的所述外表面在兩側貼靠在所述熱電的薄層元件 ⑵的所述冷的一側(11)上，-所述耦合元件的所述型材(1 與所述散熱裝置的所述型材(17)成對地對置，-所述耦合元件和所述散熱裝置的相互成對地對置的型材(13、17)的貼靠在所述薄層 元件( 上的所述外表面(22、2；3)相互對齊，但是以相互間有間距04)的方式布置，並且-所述耦合元件和所述散熱裝置的每兩個相互對置的型材(13、17)通過承載結構06) 相互連接。
2.按權利要求1所述的換熱器，其特徵在於，不僅所述耦合元件的而且所述散熱裝置 的所述型材(13、17)都是U型材，所述U型材具有凸緣(Ha、14b、18a、18b)的平行的外表 面(22、23)，並且相互對置的U型材(13、17)的所述凸緣(14a、18a、14b、18b)指向彼此。
3.按權利要求1或2所述的換熱器，其特徵在於，與所述耦合元件的和所述散熱裝置的 所述型材(13、17)的材料相比，所述承載結構06)的材料具有更小的導熱能力。
4.按權利要求1到3中任一項所述的換熱器，其特徵在於，所述承載結構06)由泡沫 塑料組成。
5.按權利要求4所述的換熱器，其特徵在於，所述泡沫塑料是閉孔泡沫塑料。
6.按權利要求4或5所述的換熱器，其特徵在於，所述承載結構06)由合成材料硬質 泡沫塑料組成。
7.按權利要求2以及權利要求4到6中任一項所述的換熱器，其特徵在於，所述承載結 構06)幾乎完全填滿兩個對置的U型材(13、17)之間的中間空間。
8.按權利要求2以及權利要求4到6中任一項所述的換熱器，其特徵在於，所述承載 結構06)在相互對置的U型材(13、17)的所述凸緣(14a、18a、14b、18b)之間構成的間隙 (25)的區域內具有切口 (28) 0
9.按權利要求2以及權利要求4到6中任一項所述的換熱器，其特徵在於，所述承載結 構06)具有橫向於所述U型材(13、17)的縱向延伸分布的通路(31)。
10.按權利要求2所述的換熱器，其特徵在於，所述承載結構06)布置在相互對置的U 型材(13、17)的所述凸緣(14a、18a、14b、18b)之間構成的間隙05)的區域內。
11.按權利要求10所述的換熱器，其特徵在於，所述承載結構由兩個對置的U型材 (13,17)之間的多個連接接片(32)形成。
12.按權利要求1到11中任一項所述的換熱器，其特徵在於，在所述散熱裝置上布置有 冷卻肋。
13.按權利要求1到12中任一項所述的換熱器，其特徵在於，所述耦合元件具有底座，在所述底座上布置有至少兩個型材(13)。
14.按權利要求2和13所述的換熱器，其特徵在於，所述底座構成為板(16)，所述U型 材(13)的連接所述凸緣(Ha、14b)的接片(15)處於所述板的表面上。
15.按權利要求1到14中任一項所述的換熱器，其特徵在於，所述耦合元件和/或所述 散熱裝置由金屬、陶瓷或者合成材料組成。
16.按權利要求1到15中任一項所述的換熱器，其特徵在於，所述熱電的薄層元件(2) 在其縱側上分別夾在相鄰的型材(13、17)的相互平行地布置的外表面(22、2；3)之間。
17.按權利要求1到16中任一項所述的換熱器，其特徵在於，所述熱電的薄層元件(2) 在其縱側上分別與相鄰的型材(13、17)的相互平行地布置的外表面(22、2；3)粘接。
18.熱電裝置，所述熱電裝置具有至少一個薄層元件( 以及至少一個按權利要求1到 17中任一項所述的換熱器(3)。
全文摘要
本發明涉及一種用於至少一個熱電薄層元件的換熱器，所述至少一個熱電薄層元件具有熱的一側和冷的一側，所述熱的一側和冷的一側分別布置在薄層元件的對置的縱側上，其中，熱的一側藉助耦合元件連接到熱源上，而冷的一側與散熱裝置連接。從該現有技術出發，本發明的任務是，實現一種換熱器，該換熱器能夠實現與熱電薄層元件的簡單並且有效的連接，並且使所使用的熱電薄層元件的效率得以改善。該任務的解決方案基於以下思想，即，尤其柔韌的薄層元件在耦合元件和換熱器的散熱裝置之間展開，並且耦合元件和散熱裝置之間的負荷通過尤其隔熱的承載結構來償還。
文檔編號H01L35/30GK102089894SQ200980127509
公開日2011年6月8日 申請日期2009年6月19日 優先權日2008年7月14日
發明者米夏埃爾·比斯格斯, 霍爾格·阿爾貝特·烏蘭 申請人:歐-弗萊克斯科技有限公司