DE102007060312B4

DE102007060312B4 - Elektrothermischer Wandler und Temperiereinrichtung

Info

Publication number: DE102007060312B4
Application number: DE200710060312
Authority: DE
Inventors: Goran Bajic; Syed Iqbal; Dmitri Axakov; Tim Normand
Original assignee: WET Automotive Systems AG
Current assignee: Gentherm GmbH
Priority date: 2007-08-24
Filing date: 2007-12-12
Publication date: 2012-12-06
Anticipated expiration: 2027-12-13
Also published as: DE102007060312A1; JP2010537412A; WO2009026890A3; US9172023B2; US20120000901A1; CN101821869A; WO2009026890A2; US11578900B2; JP5005093B2; US20150369523A1; US20190154315A1; CN101821869B; US10132534B2

Abstract

Elektrothermischer Wandler (112), der mindestens eine Kaltseite (114) und eine Warmseite (115) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (112) mindestens einen Halbleiterbaustein (220a–f) aufweist, dessen Grundfläche nur teilweise verklebt ist.

Description

Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein elektrothermischer Wandler nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Solche Wandler sind bspw. aus DE 10 2006 013 994 A1 , DE 11 2005 001 273 T5 , DE 60 2004 000 980 T2 , DE 34 38 266 A1 und DE 195 03 291 A1 bekannt. Sie sind oft starken thermischen Belastungen ausgesetzt, z. B. starken Temperaturschwankungen, Dehnungsspannungen etc.
Es wird daher ein technisches Konzept nach den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind der nachfolgenden Beschreibung und den übrigen Ansprüchen entnehmbar.
Die Erfindung ist besonders vorteilhaft besonders hinsichtlich Herstellungskosten, Sicherheit und Lebensdauer.
Die Erfindung eignet sich grundsätzlich für alle Arten von Temperiereinrichtungen und ihrer Verwendung in Klimatisierungseinrichtungen insbesondere für alle gepolsterten Gegenstände, insbesondere Fahrzeugsitze, Sitzauflagen, Verkleidungselemente von Fahrgasträumen, Sessel oder bspw. Büroausstattung.
Im Folgenden werden Einzelheiten der Erfindung erläutert. Diese Ausführungen sollen die Erfindung verständlich machen. Sie haben jedoch nur beispielhaften Charakter. Selbstverständlich lassen sich im Rahmen der Erfindung einzelne oder mehrere beschriebene Merkmale auch weglassen, abwandeln oder ergänzen. Auch können die Merkmale unterschiedlicher Ausführungsformen selbstverständlich untereinander kombiniert werden.
Nachfolgend wird Bezug genommen auf:
1 Kraftfahrzeug im teilweisen Längsschnitt mit Klimatisierungseinrichtung
2 Querschnitt durch einen elektrischen Wandler bzw. eine Temperiereinrichtung der Klimatisierungseinrichtung von 1 mit punktuellen Verbindungen zwischen den einzelnen Komponenten
3 Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines thermoelektrischen Wandlers mit wellblechartigen Wärmeübergangseinrichtungen
4 Perspektivische Ansicht auf eine dritte Ausführungsform eines thermoelektrischen Wandlers mit segmentierten Wärmeübergangseinrichtungen
5 Perspektivische Ansicht auf eine vierte Ausführungsform eines thermoelektrischen Wandlers mit u-förmigen Brückenelementen, die auch als Wärmeübergangseinrichtungen dienen
6 Perspektivische Ansicht auf eine fünfte Ausführungsform eines thermoelektrischen Wandlers mit einer Vielzahl von Wärmeleitrippen an den Brückenelementen
7 Längsschnitt durch eine sechste Ausführungsform eines thermoelektrischen Wandlers mit einer keramischen und einer elastischen Verteilerplatte
8 Perspektivische Ansicht auf eine siebte Ausführungsform eines thermoelektrischen Wandlers mit zwei wellblechartigen Wärmeübergangseinrichtungen mit unterschiedlicher Orientierung ihrer Rippen
1 zeigt ein Fahrzeug 1000, hier ein Kraftfahrzeug. Daneben kann es sich z. B. um ein Flugzeug, ein Schienenfahrzeug oder ein Schiff handein.
Das Fahrzeug 1000 weist mindestens einen Inneneinrichtungsgegenstand 1100 auf. Darunter werden alle Bauteile, verstanden, mit de- nen ein Benutzer der Fahrgastzelle in Kontakt kommen kann, wie z. B. eine Lenkeinrichtung für Fahrzeuge 1120, ein Armaturenbrett 1130, eine Armauflage, eine Türverkleidung, eine Sitzauflage, eine Wärmedecke, ein Fahrzeughimmel, ein Polster 400, ein Bezug 500 oder ein Sitz 1110.
Der Inneneinrichtungsgegenstand 1100 weist vorzugsweise mindestens ein Polster 400 und/oder mindestens einen Bezug 500 auf.
Der Inneneinrichtungsgegenstand 1100 weist vorzugsweise mindestens eine Klima-Konditioniereinrichtung 100 auf. Sie dient z. B. der Temperierung/Klimatisierung von benutzerberührten Flächen im Fahrgastraum eines Fahrzeuges. Sie weist mindestens eine Temperiereinrichtung 110, mindestens eine Luftführungseinrichtung und/oder mindestens eine Feuchteregulierungseinrichtung auf. Unter Temperiereinrichtung wird jede Einrichtung verstanden, die zur gezielten Veränderung der Temperatur in ihrer Umgebung genutzt werden kann, z. B. alle Vorrichtungen mit mindestens einem elektrischen Heizwiderstand, einer Wärmepumpe, einem Peltierelement und/oder einer Luftbewegungseinrichtung, z. B. einem Ventilator, oder im Wesentlichen daraus gebildet ist. Unter Luftführungseinrichtung wird jede Einrichtung verstanden, die zur gezielten Veränderung der Luftzusammensetzung oder der Luftströmungen in einem bestimmten Flächen- oder Raumbereich zum Luftaustausch genutzt werden kann, wie z. B. Bordklimaanlage, zumindest teilweise luftdurchlässige Abstandsmedien, Abstandsgewirke und/oder sog. ”Klimatisierungseinleger”. Unter Feuchteregulie- rungseinrichtung wird eine Einrichtung verstanden, die der Regulierung der Luftfeuchtigkeit in ihrer Umgebung dient, insbesondere genannte Temperiereinrichtungen 110, Feuchtigkeitsabsorber wie Aktivkohlefasern oder polymere ”Superabsorber”.
Die Temperiereinrichtung 110 ist über mindestens eine Verbindungsleitung 119 an eine Stromquelle 150 angeschlossen.
Ein elektrothermischer Wandler 112 ist eine Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie und/oder zur Erzeugung eines Temperaturgefälles zwischen zwei Orten mittels elektrischer Energie. Beispiele hierfür sind Peltierelemente.
2 zeigt eine Temperiereinrichtung 110 mit einem elektrothermischen Wandler 112 mit mindestens zwei elektrischen Halbleiterbausteinen 220a–f. Ein Halbleiterelement ist zumindest teilweise P-dotiert, das andere zumindest teilweise N-dotiert. Diese sind abwechselnd und sandwichartig zwischen Brückenelement 200a–g angeordnet. Dadurch entsteht in einer Reihenschaltung der Halbleiterbausteine ein elektrothermischer Wandler 112. Fließt Strom durch diese Anordnung, so wird die eine Seite der Halbleiterbausteine kälter, die andere Seite wärmer.
Eine Kaltseite 114 ist somit eine Seite des elektrothermischen Wandlers 112, die bei Betrieb des Wandlers abgekühlt wird. Diese kann baubedingt stets gleich bleibend oder je nach Stromdurchfluss durch Umpolung des Wandlers mit der Warmseite vertauschbar sein.
Eine Warmseite 115 ist eine Seite des elektrothermischen Wandlers 112, die bei Betrieb des Wandlers erwärmt wird.
Die Verbindung zwischen Halbleiterbausteinen 220a–f und Brückenelementen 200a–g kann durch Schweißen, Löten und/oder Kleben mit einem elektrisch leitfähigen Kleber hergestellt sein. Diese Verbindung kann dabei voll-/großflächig oder partiell/punktuell erfolgen.
Zum Verkleben sind besonders Wärmeleitkleber geeignet. Dabei handelt es sich um Stoffe, die gut Wärme leiten, um Weiterleitungsverlust vom elektrothermischen Wandler 112 auf die Wärmeübergangseinrichtungen 140, 141 zu minimieren und zumindest zwei Objekte zumindest geringfügig aneinander haften lassen. Beispiele hierfür sind silikonfreie Wärmeleitpasten, z. B. auf Basis synthetischer Fette mit metallischen Beimengungen, wie Zinkoxidpartikel. Weitere Beispiele sind Zwei-Komponenten-Klebstoffe, z. B. auf Epoxidbasis. Weiterhin sind Klebstoffe auf PSA-Basis geeignet. Die Klebstoffe können als Flüssigklebstoffe aufgetragen sein. Sie können jedoch auch z. B. als Klebeband eingebracht sein. Bspw. als thermisch leitfähiges PSA-Klebeband mit einer Verstärkung durch eine elektrisch leitfähige Folie, z. B. aus Polyimid. Außerdem kommen Wachse und Harze in Betracht, insbesondere wenn sie mit Metallen oder Metalloxiden vermischt sind. Beim Verkleben von Komponenten der Temperiereinrichtung 110 wird vorzugsweise ein Klebstoff benutzt, der auch nach Verklebung noch elastisch und/oder kriechfähig ist. Dadurch erhalten die Halbleiterbausteine Spielraum um thermische Ausdehnungsbewegungen ohne Risse oder Brüche ausführen zu können.
Es ist auch möglich, die Brückenelemente 200a–g in Form von Leiterbahnen aus Zinn, Kupfer, Silberdruckpaste und/oder elektrisch leitfähigem Kleber anzuordnen.
Der thermoelektrische Wandler 112 weist vorzugsweise auf mindestens einer Kalt- oder Warmseite 114, 115 mindestens eine Wärmeübergangseinrichtung 140, 141 auf. Diese ist vorzugsweise zumindest anteilig aus einem gut wärmeleitenden Material gefertigt, z. B. aus Aluminium oder Kupfer.
Sie kann alle Halbleiterbausteine 220a–f des elektrothermischen Wandlers 112 überdecken (2). Sie kann jedoch auch nur bestimmten Halbleiterbausteinen zugeordnet sein (4). In diesem Fall sind vorzugsweise mehrere Wärmeübergangseinrichtungen beabstandet zueinander nebeneinander angeordnet. Da diese relativ zueinander beweglich sind und keine Kräfte aufeinander ausüben, lassen sich dadurch thermische Spannungen reduzieren. Im Idealfall sind jedem mit einem Brückenelement 200a–g verbundenen Paar von Halbleiterbausteinen 220a–f eine (5) oder mehrere (6) Wärmeübergangseinrichtungen 140, 141 zugeordnet. Die Wärmeübergangseinrichtung kann eine wellblechartige Struktur aufweisen wie in 3 und/oder Kühlrippen wie in 2 und/oder U-förmige Profilbögen wie in 5. Die Wärmeübergangseinrichtungen von Kalt- und Warmseite 140, 141 können in gleicher oder verschiedener Art ausgeführt sein.
Zur elektrischen Isolation der Halbleiterbausteine 220a–f und der Brückenelemente 200a–g von den Wärmeübergangseinrichtungen 140, 141, zur besseren Verteilung mechanischer Lasten und zur Vergleichmäßigung von Wärmeströmen kann mindestens eine Verteilerplatte 145, 146 zwischen mindestens einer Wärmeübergangseinrichtung 140, 141 und mindestens einem Halbleiterbausein 220a–f oder einem Brückenelement 200a–g vorgesehen sein. Es kann vorgesehen sein, dass sowohl an der Heiß- als auf der Kaltseite gleichartige oder voneinander verschiedene Verteilerplatten 145, 146 angeordnet sind.
Mindestens eine Verteilerplatte 145, 146 ist vorzugsweise aus einem keramischen Material. Besonders günstig sind DBC-Keramiken, weil diese robuster sind als herkömmliche Keramik-Materialien.
Es kann vorgesehen sein, dass mindestens eine Verteilerplatte 145, 146 zumindest anteilig aus Polyimid gefertigt ist. Dieses Material ist thermisch leitfähig aber elektrisch isolierend. Es gestattet dem elektrothermischen Wandler 112 eine größere Dehnung als eher sprödere Keramikmaterialien.
Mindestens eine Verteilerplatte 146 ist vorzugsweise aus einem Material, das elastischer ist, als das Material mindestens einer weiteren (z. B. der ersten) Verteilerplatte 145. Hierfür eignet sich z. B. ein elektrisch nicht-leitender Polymer.
Zweckmäßigerweise sind die Verteilerplatten 145, 146 in einer Richtung biegsam und in einer anderen Richtung steif. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, dass sie wellblechartig gebogen bzw. geschwungen sind. Zweckmäßigerweise sind die Verteilerplatten der Heiß- und Kaltseite um 90° zueinander gedreht (8). Dadurch ist gewährleistet, dass sie allenfalls geringfügige Dehnungslasten aufeinander ausüben. Es kann zweckmäßig sein, die Verteilerplatten 145, 146 zu metallisieren, sie mit zusätzlichen Rippen zu versehen oder mit elastischem, leitfähigem Füllstoff zu versehen. Insbesondere bei diesem Typ kann auf zusätzliche Wärmeübergangseinrichtungen 140, 141 verzichtet werden und diese Funktion von den Verteilerplatten 145, 146 übernommen werden.
Halbleiterbausteine 220a–f sind zweckmäßigerweise so angeordnet, dass sie jeweils entlang der Rippen bzw. der Berg/Tal-Struktur der Verteilerplatten 145, 146 angeordnet sind. Dies verbessert den Wärmefluss und minimiert Spannungen.
Es kann auch vorgesehen sein, dass nur die Heiß- oder nur die Kaltseite mit einer Verteilerplatte 145, 146 versehen sind. Dadurch vermindern sich ebenfalls thermische Spangen, die sich aus der unterschiedlichen Wärmedehnung der Warm- und der Kaltseite ergeben.
Um die elektrische Isolation der Halbleiterbausteine 220a–f gegenüber ihrer Umgebung sicherzustellen, kann für solche Konstruktionen eine Isolationsschicht, z. B. in Form eines Polymer-Films und/oder zweiseitigen Klebebandes zwischen der Wärmeübergangseinrichtung 140 und den Halbleiterbausteinen 220a–f vorgesehen sein. Eine solche Isolationsschicht kann Überbrückungseinrichtungen gleichzeitig überdecken. Dabei empfehlt sich, dass die Isolationsschicht zwischen den verschiedenen Überbrückungseinrichtungen bauchartige Mäander oder Biegungen aufweist, um Spannungen vorzubeugen.
Es kann aber auch eine eigene Isolationsschicht je Überbrückungselement vorgesehen sein. Für beide Zwecke sind Beschichtungen mit einem Dielektrikum zweckmäßig, die z. B. aufgesprüht, aufgedruckt, eingerieben, gesputtert etc. sind. Als Materialbestandteile sind besonders geeignet: Lack, Email, Zement, Gummi, etc.
Vorzugsweise ist zwischen mindestens einem elektrothermischen Wandler 112 und mindestens einer Verteilerplatte 145, 146 und/oder einer Wärmeübergangseinrichtung 140, 141 mindestens eine Verbindungszone 230 vorgesehen, an der der elektrothermische Wandler 112 mit der Wärmeübergangseinrichtung 140, 141 oder die Verteilerplatte 145, 146, oder die Verteilerplatte 145, 146 mit mindestens einer der beiden anderen Komponenten verbunden ist.
Die Verbindung von Brückenelementen 200a–g mit den Wärmeübergangseinrichtungen 140, 141 und/oder den Verteilerplatten 145, 146 kann dabei in gleicher Art ausgeführt sein wie die zwischen den Brückenelementen 200a–g und den Halbleiterbausteinen 220a–f. Vorzugsweise ist die Verbindung zumindest anteilig aus einem Kunst-Harz, Epoxy-Kleber und/oder Indium-Lot gefertigt. Da diese Materialien zumindest in gewissem Maße eine Dehnung des elektrothermischen Wandlers 112 oder der Wärmeübergangseinrichtung 140, 141 zulassen, kommt auch eine groß- oder vollflächige Anbringung der Verbindungszone 230 zwischen den Verteilerplatten 145, 146 und dem elektrothermischen Wandler 112 oder der Wärmeübergangseinrichtung 140, 141 in Frage, selbst wenn die Wärmeübergangseinrichtung 140, 141 aus Kupfer und die Verteilerplatten 145, 146 aus Keramik sind.
Nachfolgend werden nun noch verschiedene Varianten beschrieben, um den Halbleiterbausteinen 220a–f Gelegenheit zu geben, thermischen Dehnungsbewegungen zu folgen und gleichzeitig ein festes Temperierelement zu erhalten.
Entscheidend ist, dass die warme Seite eines Halbleiterbausteins 220a–f die Möglichkeit bekommt, ihre Mitte aufzuwölben und die kalte Seite ihre Randbereiche zumindest geringfügig aufstellen kann. Dafür ist zweckmäßig, dass mindestens zwei der Komponenten der Temperiereinrichtung 110 und/oder des elektrothermischen Wandlers 112 nur partiell miteinander verklebt sind.
Variante a) Man klebt einen Punkt in der Mitte der Halbleiterbausteine 220a–f an den Überbrückungselementen der Heiß-Seite der Temperiereinrichtung 110 fest. Ist der Punkt klein genug, kann sich der Halbleiterbaustein 220a–f von der Heißseite weg biegen, auch wenn der Kleber hart und nicht elastisch ist. Die Klebezone kann mittig oder am Rand liegen. Sie macht vorzugsweise weniger als 70% der Grundfläche des Halbleiterbausteins 220a–f aus, vorzugsweise weniger als 55% bzw. 30%.
An der gegenüberliegenden Kaltseite 114 werden die Halbleiterbausteine 220a–f punktuell oder vollfächig mit dem Überbrückungselement verklebt. Diese sind aber in diesem Bereich nicht vollfächig an den Keramikplatten befestigt, sondern zumindest teilweise dort nicht befestigt – vorzugsweise gar nicht. Am besten sind sie nur an Zonen zwischen den einzelnen Halbleiterbausteinen 220a–f mit der Keramikplatte verbunden. Dadurch erhalten die zur Kaltseite 114 weisenden Kanten der Halbleiterbauelemente die Möglichkeit, sich aufeinander zu zubewegen und der innere Bereich der Grundfläche kann sich von der Kaltseite 114 abheben. Die Überbrückungselemente können z. B. mit Folien oder Textilien verstärkt sein, z. B. mit Bestandteilen von Polymeren wie PU und/oder Metallen.
Variante b) Die Halbleiterbausteine 220a–f werden auf der Heißseite 115 auf einen Ring und/oder Rahmen geklebt, der in der Mitte eine flache Vertiefung hat, in die sich der Halbleiterbaustein 220a–f bei Erwärmung und Ausdehnung aufwerfen kann.
Auf der Kaltseite 114 liegt der Halbleiterbaustein 220a–f in der Mitte auf einer erhöhten Fläche, so dass sie an den Rändern einen umlaufenden Spalt hat. Dieser gibt dem Halbleiterbaustein 220a–f Spiel, sich mit seinen abkühlenden, sich zusammenziehenden Bereichen zur Kaltseite 114 zu biegen. Vorteilhaft ist hier, wenn Ring, Rahmen und/oder die erhöhte Fläche zumindest teilweise aus dem „Jumpermaterial”, aus gelötetem, geschweißtem oder gesintertem Metall und/oder aus elektrisch und/oder thermisch leitfähigem Klebstoff gebildet sind.
Variante c) Man klebt die Halbleiterbaustein-Heißseite nur an einer Kante an der heißen Keramikplatte fest. Man klebt die Halbleiterbaustein-Kaltseite auch nur an einer Kante an der kalten Keramikplatte fest, aber die beiden Kanten liegen an einander gegenüber liegenden Enden des Halbleiterbausteins 220a–f. Dann hat der Halbleiterbaustein 220a–f Spiel, wenn er die Keramikplatten etwas seitlich und nach oben bewegt.
Die Temperiereinrichtung 110 befindet sich vorzugsweise in einer Klimatisierungseinrichtung. Dort wird ein erster Luftstrom an der einen Seite der Temperiereinrichtung 110 entlang geführt. Dadurch nimmt er bspw. Wärme auf. Soll geheizt werden, so wird dieser aufgewärmte Strom dem Benutzer zugeführt. Ein zweiter Luftstrom streicht an der gegenüber liegenden Wärmeübergangseinrichtung 140, 141 vorbei. Dort gibt er seine Wärmeenergie an die Wärmeübergangseinrichtung ab und wird dadurch abgekühlt. Soll gekühlt werden, so wird dieser Luftstrom dem Benutzer zugeführt.
Bezugszeichenliste

100: Klima-Konditioniereinrichtung
110: Temperiereinrichtung
112: Elektrothermischer Wandler
114: Kaltseite
115: Warmseite
119: Verbindungsleitung
140: Wärmeübergangseinrichtung der Kaltseite
141: Wärmeübergangseinrichtung der Warmseite
145, 146: Verteilerplatten
150: Stromquelle
200a–g: Brückenelemente
220a–f: Halbleiterbausteine
230a–c: Verbindungszone
400: Polster
500: Bezug
1000: Fahrzeug
1100: Inneneinrichtungsgegenstand
1110: Sitz
1120: Lenkrad
1130: Armaturenbrett

Claims

Elektrothermischer Wandler (112), der mindestens eine Kaltseite (114) und eine Warmseite (115) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (112) mindestens einen Halbleiterbaustein (220a–f) aufweist, dessen Grundfläche nur teilweise verklebt ist.
Temperiereinrichtung (110), gekennzeichnet durch mindestens einen elektrothermischen Wandler (112) nach Anspruch 1.
Klimatisierungseinrichtung, insbesondere für die Inneneinrichtung von Fahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen elektrothermischen Wandler (112) und/oder mindestens eine Temperiereinrichtung (110) nach einem der voranstehenden Ansprüche aufweist.
Polster (400), dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens eine Temperiereinrichtung (110) und/oder eine Klimatisierungseinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche aufweist.
Sitz (1110), Lenkeinrichtung (1120), Türverkleidung, Sitzauflage, Armaturenbrett (1130) und/oder Armauflage, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine Temperiereinrichtung (110), eine Klimatisierungseinrichtung und/oder ein Polster (400) nach einem der voranstehenden Ansprüche aufweisen.