DE69811739T2

DE69811739T2 - Thermoelektrische kühlvorrichtung mit dynamischem schalten für die isolierung von wärmetransport

Info

Publication number: DE69811739T2
Application number: DE69811739T
Authority: DE
Inventors: Shyamalindu Ghoshal
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1997-12-10
Filing date: 1998-11-12
Publication date: 2003-10-23
Anticipated expiration: 2018-11-13
Also published as: DE69811739D1; JP3672240B2; KR100351650B1; TW421984B; BR9813558A; HUP0100405A3; EP1066489B1; HUP0100405A2; WO1999030090A1; PL341158A1; CN1281545A; JP2001526374A; MY115607A; KR20010032740A; CZ20002131A3; EP1066489A1; CN1126919C; US5966941A; HK1030808A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Kühlsysteme. Insbesondere betrifft die Erfindung Systeme, die durch die Verwendung selektiv geschalteter elektrischer Energie und von Konzepten und Anordnungen mit selektiv geschalteter thermischer Kopplung eine hohe spezifische thermoelektrische Kühlwirkung erzielen können.
Die Kühlung unter die Umgebungstemperatur erfolgt üblicherweise durch Kühlkreisprozesse unter Verwendung von Freon-Kühlmitteln auf Basis der Gas-/ Flüssigkeitsdampfkomoression, um die Wärmeübertragung zu bewirken. Derartige Kühlsysteme werden in großem Umfang zum Kühlen von Wohnungen, Lebensmitteln und Fahrzeugen verwendet. Die Kühlung unter die Umgebungstemperatur wird auch in elektronischen Großsystemen wie beispielsweise Mainframecomputern eingesetzt. Obwohl die Kühlung durch Dampfkompression sehr wirksam sein kann, sind hierfür umfangreiche mobile Geräte erforderlich, wozu mindestens ein Kompressor, ein Kondensator, ein Verdampfer sowie das zugehörige Verlöten beim Einfüllen des Kühlmittels gehören. Aufgrund der Komplexität und der damit verbundenen hohen Kosten hat die Kühlung durch Dampfkompression bei kleinen Kühlanwendungen, wie zum Beispiel bei Personal Computern, kaum Eingang gefunden.
Die Tatsache, dass Logikschaltungen auf CMOS-Basis bei niedrigeren Temperaturen deutlich schneller arbeiten können, ist bereits seit mehr als zehn Jahren bekannt. Zum Beispiel nimmt die Leistung von CMOS-Logikschaltungen bei -50ºC gegenüber dem Betrieb bei Raumtemperatur um 50 Prozent zu. Bei -196ºC, der Temperatur des flüssigen Stickstoffs, sind Verbesserungen der Leistung um 200 Prozent erreicht worden. Ähnliche Vorteile sind bei integrierten Schaltkreisverdrahtungen erreicht worden, bei denen der Widerstand von metallischen Leitungen gegenüber Raumtemperatur um den Faktor 2 abnahm, wenn die integrierten Schaltkreise bei -50ºC betrieben wurden. Diese Verbesserung konkurriert mit der neuesten technologischen Errungenschaft, bei der zum Verringern des Widerstands der Verbindungsleitungen und der dadurch ermöglichten deutlichen Steigerung der .Arbeitsfrequenzen in den integrierten Schaltkreisen Kupferleitungen verwendet werden. Die Leistung von integrierten Schaltkreisen kann somit durch den Betrieb der integrierten Logikschaltkreise, wie zum Beispiel Feldeffekttransistoren, sowie der Verbindungsleitungen bei Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur deutlich verbessert werden, allerdings bleibt die Frage offen, wie eine derartige Kühlung im Rahmen einer immer kleineren und immer kostengünstigeren Umgebung bewerkstelligt werden kann.
Die thermoelektrische Kühlung ist eine Alternative, die aufgrund der Kompaktheit der überwiegend verwendeten Peltierelemente begrenzte Anwendung gefunden hat. Die thermoelektrische Kühlung mit Peltierelementen ist ebenfalls sehr zuverlässig, da die Kühlung ausschließlich auf Halbleiterbasis beruht. Der Hauptnachteil der thermoelektrischen Kühlung besteht in ihrem geringen Wirkungsgrad, wobei der Wirkungsgrad eines Kühlsystems mit Peltierelementen bei einer üblichen Solltemperaturdifferenz zwischen der kalten Wärmesenke und der Umgebung üblicherweise lediglich im Bereich um 20 Prozent liegt. Beispielsweise nimmt das Peltierkühlsystem bei einer Kühlleistung von 1 Watt bei einer unter Umgebungstemperatur liegenden Temperatur von 0ºC eine Leistung von 5 Watt auf. Wenn die zu übertragende Wärmemenge erhöht wird, werden zum Ableiten der gesamten Wärmeenergie in die Umgebung große Wärmeübertragungsvorrichtungen und Stromversorgungsschaltungen mit hoher Leistung benötigt. Daher hat die thermoelektrische Kühlung mit Peltierelementen zum Verbessern der Leistungsfähigkeit von integrierten Schaltkreisen keine breite technische Anwendung gefunden.
Um verstehen zu können, wie die vorliegende Erfindung den Wirkungsgrad der thermoelektrischen Kühlung verbessert, muss man zunächst verstehen, warum die thermoelektrische Kühlung mit Peltierelementen einen geringen Wirkungsgrad hat. Ein Peltierelement wird aus einem Halbleitermaterial wie Bismuthtellurid oder Bleitellurid hergestellt. Gegenwärtig werden zwar in verschiedenen Universitäten neue Materialien untersucht, doch müssen diese erst ihre Praxistauglichkeit erweisen. Die üblicherweise verwendeten Peltiermaterialien besitzen eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit und eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit, während normale Metalle sowohl eine hohe elektrische als auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Die Peltierelemente transportieren beim Betreiben als Reaktion auf ein in dem Peltierelement gebildetes elektrisches Feld Elektronen von einer kalten Wärmesenke bei der Temperatur Tkalt (Tcold) zu einer heißen Wärmesenke bei der Temperatur Theiß (Thot). Es gibt jedoch andere Mechanismen, die den Wirkungsgrad eines Peltierelements beeinflussen, indem sie den Nettowärmetransport von der kalten zur heilen Wärmesenke reduzieren.
Fig. 1 stellt schematisch ein herkömmliches thermoelektrisches Peltierelement (TE) 1, bei dem die Gleichstromquelle 2 mit einem Laststrom 3 das elektrische Feld im TE 1 erzeugt. Die gewünschte Wärmeübertragung verläuft von der kalten Wärmesenke 4 bei der Temperatur Tkalt zur heißen Wärmesenke 6 bei der Temperatur Theiß. Wie die Gleichung von Fig. 1 zeigt, besteht die übertragene Nettowärmeenergie aus drei Komponenten; die erste stellt den (thermoelektrischen) Beitrag des Peltiereffekts dar, die zweite kennzeichnet negative Joule'sche Wärmeeffekte, und die dritte kennzeichnet negative Leitfähigkeitseffekte. Die thermoelektrische Komponente ist eine Funktion des Seebeck-Koeffizienten α, der Betriebstemperatur (Tkalt) und des angelegten Stroms. Die Joule'sche Erwärmungskomponente zeigt, dass etwa die Hälfte der Joule'schen Erwärmung in die kalte Wärmesenke und der Rest in die heiße Wärmesenke übergeht. Und schließlich stellt die auf die Wärmeleitung zurückzuführende negative Komponente den Wärmestrom durch das Peltierelement dar, der durch die Wärmeleitfähigkeit des Peltierelements vor, der heißen Wärmesenke zur kalten Wärmesenke bestimmt wird. Siehe Gleichung (1).
(1) q = α·Tcold I·KI²R·KΔT
Da die thermoelektrische Komponente des Wärmetransport direkt proportional mit dem Strom zunimmt, während die Joule'sche Erwärmung proportional mit dem Quadrat des Stroms zunimmt und die Wärmeleitung direkt proportional der Temperaturdifferenz zwischen der heißen und der kalten Wärmesenke ist, zeigt die Gleichung deutlich, wie schnell der Wirkungsgrad des Peltierelements abnimmt.
Gleichung (2) gibt einen Koeffizienten des Wirkungsgrads des Peltierelements an. Der Koeffizient ist das Verhältnis der bei der niedrigen Temperatur transportierten Nettowärmeenergie zu der durch das Peltierelement verbrauchten Energie. Bei einem typischen Peltierelement aus Bismuthtellurid liegt der Koeffizient des Leistungsgrad unter 0,3.
Man beachte, dass der Zähler in Gleichung (2) die Nettokühlkapazität des Peltierelements darstellt. Der Nenner von Gleichung (2) stellt die durch die externe Stromquelle 2 bereitgestellte Gesamtenergie dar. Die einzelnen Bestandteile des Nenneis sind bereits beschrieben worden. Der erste Term im Nenner ist die Joule'sche Gesamterwärmung, während der zweite Term die Arbeit für den Wärmeenergietransport ist, die beim Befördern der Energie von der Wärmesenke mit Tkalt zu der Wärmesenke mit Theiß durch das Peltierelement geleistet wird. Aus dieser Beziehung ergibt sich der in der Anordnung von Fig. 1 maximal mögliche Koeffizient des Leistungsgrades durch Gleichung (3).
Der Parameter γ kann gemäß Gleichung (4) durch den Seebeck- Koeffizienten α, die elektrische Leitfähigkeit σ und die Wärmeleitfähigkeit λ ausgedrückt werden.
Dabei ist zu beachten, dass der erste Faktor in Gleichung (3) der Carnot'sche Wirkungsgrad ist, der den für jede zwischen den beiden Temperatursenken Tkalt und Theiß arbeitende Wärmepumpe maximal möglichen Wirkungsgrad darstellt. Der zweite Faktor stellt die nichtideale thermoelektrische Kühlung dar, die auch durch eine Leistungszahl 21 gekennzeichnet werden kann. Man beachte, dass ηmax -> (Tkalt/ΔT) γ da ∞.
Bis in die Gegenwart ist es schwierig geblieben, ein thermoelektrisches Material mit hohen ZT-Werten zu entwickeln. Bisher wurden vorwiegend Bismuthtellurid (Bi&sub2;Te&sub3;) und Bleitellurid (PbTe) als Materialien für thermoelektrische Kühlungen eingesetzt. Diese Materialien weisen bei Raumtemperatur ZT-Werte von ca. 0,3 auf. Neuere Arbeiten an Universitäten haben gezeigt, dass in Quantenlöchern und Mehrfachgittern von Bleitellurid ZT-Werte von ca. 1 möglich sind. Allerdings kann die thermoelektrische Kühlung auch mit diesen Materialien nicht mit Kühlsystemen auf Basis der mechanischen Dampfkompression konkurrieren.
Eine weitere Einschränkung der Kühlung mit Peltierelementen besteht in der geringen möglichen Temperaturabsenkung gegenüber der Umgebungstemperatur. Die Einschränkung ergibt sich aus der Tatsache, dass der Temperaturbereich durch den Wirkungsgrad begrenzt ist, denn dieser Parameter verschlechtert sich rasch mit zunehmender Temperaturdifferenz. Die maximal mögliche Temperaturdifferenz Tmax wird durch Gleichung (5) angegeben.
(5) ΔTmax = 1/2ZT²cold
Für Bismuthtellurid mit einem ZT-Wert von ca. 0,3 beträgt Tmax 45 K bei 300 K.
Es gibt eine Anzahl sehr grundlegender Einschränkungen des Wirkungsgrades und der Temperaturdifferenz, die die Verwendung herkömmlicher thermoelektrischer Elemente in Anwendungen zum Kühlen unter Umgebungstemperatur begrenzen.
Die Zusammenfassung von JP-A-5039966 beschreibt eine Vorrichtung, die eine erste Wärmesenke, eine zweite Wärmesenke, ein thermoelektrisches Element, ein erstes Mittel zum selektiven Schalten einer thermischen Kopplung des thermoelektrischen Elements mit der ersten Wärmesenke, ein zweites Mittel zum Verbinden des thermoelektrischen Elements mit der zweiten Wärmesenke und ein Mittel zum Aktivieren des thermoelektrischen Elements umfasst.
In WO-A-9428364 wird eine Anordnung beschrieben, in der die zweite Wärmesenke einen ersten und einen zweiten elektrisch voneinander getrennten Bereich aufweist.
Die vorliegende Erfindung überwindet die grundlegenden Einschränkungen herkömmlicher Kühlungen mit thermoelektrischen Elementen durch die Anwendung einer dynamischen Modulation der elektrischen und thermischen Leitungspfade, die das thermoelektrische Element mit der Stromversorgung bzw. der kalten Wärmesenke verbinden.
In einer Form betrifft die Erfindung eine thermoelektrische Kühlvorrichtung nach Anspruch 1.
In einer weiteren Form betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer thermoelektrischen Kühlvorrichtung nach Anspruch 17.
Bei einer speziellen Form der Erfindung werden thermoelektrische Elemente mit entgegengesetzter Dotierung elektrisch in Reihe geschaltet und durch Impulse einer geschalteten Spannung versorgt. Die thermoelektrischen Elemente sind auf der einen Seite thermisch mit einzelnen elektrisch isolierten heißen Wärmesenken und an ihren jeweiligen kalten Seiten über einen gemeinsamen Anschluss thermisch mit einem thermischen Schalter verbunden, der selektiv einen Wärmepfed zur kalten Wärmesenke herstellt. Durch die selektive und gleichzeitig synchrone Betriebsweise des elektrischen Schalters und des thermischen Schalters wird der Wärmeenergietransport von der kalten Wärmesenke über den thermischen Schalter und über das Paar thermoelektrischer Elemente zu den einzelnen heißen Wärmesenken mit einem Wirkungsgrad bewirkt, der den Wirkungsgrad beim statischen Betreiben derartiger thermoelektrischer Elemente übertrifft. Durch das Wechseln ist es möglich, den thermoelektrischen Wärmetransportmechanismus vom Mechanismus der Wärmeleitung und vom Mechanismus der Joule'schen Erwärmung relativ zu isolieren. Es ist zu erwarten, dass der Wirkungsgrad den Carnot'schen Wirkungsgrad erreicht.
Im Folgenden werden Ausführungsarten der Erfindung unter Bezug auf, die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 schematisch ein herkömmliches statisch arbeitendes Kühlsystem mit Peltierelementen zeigt.
Fig. 2 schematisch eine Ausführungsart der Erfindung mit einem Schalter und einem thermoelektrischen Element zeigt.
Fig. 3 schematisch eine Ausführungsart der Erfindung mit einem thermischen Schalter und zwei thermoelektrischen Elementen zeigt.
Fig. 4 schematisch den zeitlichen Verlauf der elektrischen Spannung und der Wärmeenergieströme für die Ausführungsart in Fig. 3 zeigt.
Fig. 5 schematisch eine als geschlossene Schleife realisierte Ausführungsart der der Konfiguration in Fig. 3 mit einem thermischen Schalter zeigt.
Fig. 6 schematisch ein MEMS-Bauelement (microelectromechanical system, mikroelektromechanisches System) zeigt.
Fig. 7 schematisch eine Anordnung von MEMS-Bauelementen und thermoelektrischen Peltierelementen im Querschnitt zeigt.
Fig. 8 schematisch eine thermoelektrische Fühlung zeigt, die zum Kühlen von integrierten Schaltkreisen und elektronischen Baugruppen unter die Umgebungstemperatur verwendet werden kann.
Fig. 9 schematisch die erweiterte Anwendung der Erfindung auf ein Kühlsystem für Lebensmittel zeigt.
Fig. 10 schematisch mögliche Anwendungen und Vorteile der Erfindung für diverse Wohnungen und Transporteinrichtungen zeigt.
Fig. 11 schematisch die Anwendung einer kleinen thermoelektrischen Kühlung auf die örtlich begrenzte Kühlung eines ausgewählten Teils des Chips einer integrierten Schaltung zeigt.
Die theoretischen Grundlagen der vorliegenden Erfindung erfordern, dass die Abhängigkeit zwischen der thermischen und der elektrischen Leitfähigkeit aufgehoben wird, weil durch diese Abhängigkeit bisher die Temperaturdifferenz und der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung herkömmlicher thermoelektrischer Elemente begrenzt wurden. Mathematisch besteht die Aufgabe darin, durch die Verwendung thermoelektrischer Schalter die Bauelemente wirksam voneinander zu trennen, die zu der in Fig. 1 angegebenen Beziehung der Nettowärmeübertragung beitragen, um so die thermoelektrische Wärmeübertragung dynamisch zu maximieren und gleichzeitig die Joule'sche Erwärmung und die Übertragung durch Wärmeleitung zu minimieren. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades werden die Schalteffekte des thermoelektrischen Elements genutzt, indem die an das thermoelektrische Element angelegte Impulsspannung und das Schalten der Wärmeleitungskopplung zwischen der kalten Seite des thermoelektrischen Elements und der kalten Wärmesenke synchronisiert werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsart erfolgt das Schalten der Wärmeleitung durch thermische Schalter auf Basis von MEMS-Systemen, bei denen eine Anordnung von zahlreichen winzigen thermoelektrischen Elementen und entsprechenden MEMS-Wärmeleitungsschaltern zur Erhöhung der Wärmeübertragungskapazität verwendet werden.
In Fig. 2 wird schematisch die Konfiguration eines Miniaturelements der Erfindung gezeigt. Das thermoelektrische Element ist über einem thermischen Pfad mit einer Wärmeübertragung q dauerhaft mit der heißen Wärmesenke 6 verbunden. Die aus Sicht der angelegten Spannung und der entsprechenden Wärmeübertragungen entgegengesetzte Seite ist thermisch mittels eines thermischen Schalters 7 mit der kalten Wärmesenke 4 verbunden. Der Schalter 7 ist, wie in Fig. 2 ausgeführt, auch elektrisch leitend, wodurch bei geschlossenem Schalter 7 die Spannung 2 an das thermoelektrische Element angelegt werden kann. Zum Startzeitpunkt befindet sich das periodisch arbeitende thermoelektrische Element aufgrund der thermischen Kopplung mit der heißen Wärmesenke 6 bei der Temperatur Thot. Durch gepulstes Schließen des Schalters 7 baut das thermoelektrische Element. 1 rasch eine Temperaturdifferenz zwischen der heißen Seite 8 und der kalten Seite 9 auf, durch die die Wärmeübertragung von der kalten Wärmesenke 4 über den thermischen Schalter 7 ermöglicht wird. Im Laufe der Zeit führen jedoch Joule'sche Erwärmungseffekte in dem thermoelektrischen Element zur Erhöhung der mittleren Temperatur des thermoelektrischen Elements 1, so dass die Nettowärmeübertragung durch das thermoelektrische Element 1 abzunehmen beginnt. Zu diesem Zeitpunkt wird der Schalter 7 geöffnet wodurch sowohl die elektrische Spannung als auch die thermische Kopplung unterbrochen werden. Durch die beim Öffnen des Schalters in dem thermoelektrischen Element 1 vorhandene restliche Wärmeenergie steigt die Temperatur so weit, dass die Wärmeübertragung zwischen dem thermoelektrischen Element 1 und der heißen Wärmesenke 6 exponentiell abklingt. Wenn die Temperatur des thermoelektrischen Elements 1 nahezu auf die Temperatur der heißen Wärmesenke 6 abgeklungen ist, wird der Zyklus wiederholt. Der Schaltbetrieb hängt damit zusammen, dass die thermoelektrische Wärmeübertragung unmittelbar nach dem Anlegen einer Spannungsdifferenz einsetzt, während es sich bei der Joule'sche Erwärmung und der anschließenden Wärmeverluste des thermoelektrischen Elements um verzögerte Effekte handelt. Die Erfindung basiert daher auf den unterschiedlichen zeitlichen Verläufen und Zeitkonstanten der elektrischen und der Wärmeleitung.
Die unter Bezug auf Figur. 2 beschriebene Grundidee zur Erhöhung des Wirkungsgrades enthält einige weniger ausgeprägte, aber nicht unwesentliche Faktoren, die den Wirkungsgrad verringern. Am ausgeprägtesten sind die Joule'sche Erwärmung im Schalter 7, wenn dieser geschlossen ist, die Wärmeleitungsverluste durch den Schalter 7, wenn dieser geöffnet ist, sowie die Wärmeverluste aufgrund der Wärmekapazität des thermoelektrischen Elements 1.
Eine eingehende Analyse der Übergänge zeigt, dass die auf die Wärmekapazität des thermoelektrischen Elements zurückzuführenden Wärmeverluste annähernd gleich dem Fourier'schen Leitungsterm sind. Daher wird der oben in Gleichung 2 gezeigte Ausdruck für den Koeffizienten des Wirkungsgrades durch Gleichung (6) umfassender beschrieben.
In Gleichung (6) sind die Terme RS und KS der elektrische Widerstand für den Schaltzustand EIN und die Wärmeleitung für den Schaltzustand AUS. Der elektrische Widerstand RS für den Schaltzustand EIN des Schalters kann im Allgemeinen auf Kosten einer erhöhten Wärmeleitung KS für den Schaltzustand AUS Verkleinert werden.
Ein Ansatz zur Verbesserung des Koeffizienten des Wirkungsgrades wird durch die Ausführungsart in Fig. 3 gezeigt, bei der der elektrische Schalter durch die bewusste Anordnung und Verbindung von thermoelektrischen Elementen von n-Typ und vom p-Typ an der heißen Wärmesenke positioniert wird. Dadurch wird der Beitrag der durch den elektrischen Schalter bewirkten Erwärmung zum Koeffizienten des Wirkungsgrades ausgeschlossen. Mathematisch lässt sich der Koeffizient des Wirkungsgrades nunmehr durch Gleichung (7) wie folgt beschreiben.
Die Wirkung besteht darin, dass der maximale Koeffizient des Wirkungsgrades etwas, üblicherweise 20%, höher als bei der Ausführungsart in Fig. 2 mit einem Schalter ist, die mathematisch durch Gleichung (3) beschrieben wird. Siehe Gleichung (8).
Obwohl der Koeffizient des Wirkungsgrades nicht nennenswert verbessert wird, ist der Unterschied für Punktkühlungsanwendungen von besonderer Bedeutung. Hierzu ist anzumerken, dass die durch den Nenner in Gleichung (9) wiedergegebene Nettokühlleistung der thermoelektrischen Kühlung anzeigt, dass die Maximaltemperatur im Prinzip unbegrenzt ist.
Daher kann die maximale Temperaturdifferenz durch Erhöhung des Stromes deutlich erhöht werden, wodurch die thermoelektrische Kühlung für kleine Sensoren und Spezialschaltkreise auf Siliciumträgern einsetzbar wird. Derartige Anwendungen für lokale oder Punktkühlung eignen sich besonders für spannungsgesteuerte Oszillatoren, Phasendetektoren, Mischstufen, rauscharme Verstärker, Laser, Fotodioden und optoelektronische Schaltkreise mit diversen Materialien. Die Theorie zumindest lässt die Punktkühlung für einige wenige Anwendungen zu. Durch die Verwendung von thermoelektrischen Elementen mit unterschiedlicher Dotierung und eines getrennten elektrischen Schalters eröffnen sich für den Wirkungsgrad und den Temperaturbereich große Möglichkeiten.
Bei der Ausführungsart in Fig. 3 wird eine Anzahl von zusammenhängenden Verbesserungen eingeführt. Erstens werden mehrere thermoelektrische Elemente verwendet. Zweitens wird die elektrische Spannung zeitlich unabhängig von der Kopplung der kalten Seite des thermoelektrischen Elements mit der kalten Wärmesenke durch den Thermoschalter an die thermoelektrischen Elemente angelegt. Und schließlich wird die kalte Seite des thermoelektrischen Elements lediglich durch einen Thermoschalter mit der kalten Wärmesenke verbunden, wodurch keine elektrische Leitung erforderlich ist und die mit einem Stromfluss durch den Schalter verbundenen Joule'schen Verluste vermieden werden. Bei der Ausführungsart in Fig. 3 werden zwei thermoelektrische Elemente verwendet, und zwar ein thermoelektrisches Element 11 vom n-Dotierungstyp und ein thermoelektrisches Element 12 vom p-Dotierungstyp. Durch diese Konfiguration ist die gemeinsame Nutzung der einen Spannungsquelle 13 möglich, die durch den Schalter 14 zugeschaltet wird, während die kalten Seiten 16 und 17 der entsprechenden thermoelektrischen Elemente 11 und 12 mittels des Thermoschalters 18 mit der kalten Wärmesenke 4 thermisch gekoppelt sind. Die heißen Seiten 19 und 21 der entsprechenden thermoelektrischen Elemente 11 und. 12 sind thermisch und elektrisch mit den entsprechenden heißen Wärmesenken 22 und 23 verbunden, welche elektrisch voneinander getrennt sind, um die Verwendung der gemeinsam genutzten Spannungsquelle 13 zu ermöglichen.
Obwohl die. Arbeitsweise der Ausführungsart in Fig. 3 mit zwei thermoelektrischen Elementen zu der Ausführungsart in Fig. 2 mit einem thermoelektrischen Element analog ist, führt die Trennung zwischen dem Thermoschalter und dem elektrischen Schalter zu einer höheren Flexibilität beim Festlegen der entsprechenden Tastverhältnisse und der Schaltsynchronisierung. Obwohl sowohl der elektrische Schalter 14 als auch der Wärmeschalter 18 mit sehr kurzen Tastverhältnissen betrieben werden und relativ synchron zueinander geschaltet werden, ist doch zu erwarten, dass sich die Öffnungs- und Schließzyklen in Abhängigkeit von den Übergangskennwerten der thermoelektrischen Elemente und der Leitungspfade für die Kopplung zwischen den heißen und den kalten Wärmesenken zeitlich voneinander unterscheiden. Zum Beispiel würde eine verbesserte Wärmekopplung bedeuten, dass der elektrische Schalter 14 zuerst öffnet, der Thermoschalter 18 unmittelbar danach schließt, der elektrische Schalter 14 etwas später öffnet und der Wärmeschalter 18 kürz nach dem Öffnen des elektrischen Schalters 14 öffnet. Das zu Grunde liegende Ziel der Schaltvorgänge besteht darin, den Wirkungsgrad der Wärmeübertragung von der kalten Wärmesenke 4 zu den heißen Wärmesenken 23 und 24 zu maximieren.
Fig. 4 stellt zur Veranschaulichung schematisch den Verlauf von Kurven der Spannung und des Wärmeenergietransports beim Betreiben der Ausführungsart in Fig. 3 dar. Die erste Kurve zeigt den Impulscharakter der an die thermoelektrischen Elemente angelegten Spannung. Die, zweite Kurve veranschaulicht den Übergang der in die heiße Wärmesenke abgegebenen Wärmeenergie und das anschließende Abklingen. Die letzte Kurve veranschaulicht die Wärmeenergieaufnahme von der kalten Wärmesenke über den Thermoschalter. Die Kurven in Fig. 4 sind insofern schematisch, als sie lediglich die zu Grunde liegende Idee veranschaulichen, aber keine genauen zeitabhängigen Größenordnungen darstellen sollen.
Fig. 5 veranschaulicht eine Erweiterung der bevorzugten Ausführungsart in Fig. 3, wobei der elektrische Schalter 14 und der Thermoschalter 18 als Reaktion auf Signale vom Temperatursensor 24 geschaltet werden. Der Temperatursensor 24 sendet ein Signal an die Steuerschaltung 26, um entsprechend den wahren Temperaturen an der heißen, kalten oder beiden Seiten der thermoelektrischen Elemente die Schalter 14 und 18 anzusteuern. Obwohl die Schalter 14 und 18 bezüglich des zeitlichen Gleichlaufs und des Tastverhältnisses ähnliche Kennwerte wie bei der Ausführungsart in Fig. 3 aufweisen, wird der Wirkungsgrad durch die Verwendung der gemessenen Temperatur optimiert, da für das Ansteuern der Schalter 14 und 18 anstelle der geschätzten die tatsächlichen Temperaturen verwendet werden. Durch die Ausführungsart in Fig. 5 ist es möglich, die Schaltfolge so abzustimmen, dass beispielsweise höhere Temperaturen der heißen Wärmesenke oder niedrigere Temperaturen der kalten Wärmesenke bei ein und derselben Kühlvorrichtung kompensiert werden.
Fig. 6 veranschaulicht schematisch die Struktur eines repräsentativen MEMS-Thermoschalters der für die vorliegende Erfindung besonders geeigneten Art. Da die MEMS-Technologie noch in den Kinderschuhen steckt, veranschaulicht der in Fig. 6 dargestellte Schalter nur eine von vielen möglichen Konfigurationen eines Thermoschalters, der sich für das Bereitstellen einer selektiven Wärmekopplung zwischen dem thermoelektrischen Element und der kalten Wärmesenke eignet. Der in Fig. 6 gezeigte Thermoschalter wird unter Verwendung herkömmlicher, für die Produktion integrierter Schaltkreise verwendeter Verfahren hergestellt, so dass auf der Oberfläche des Siliciumchips 27 eine Anordnung von Nickelmagneten 28 gebildet wird, die durch Verschiebung auf dünnen biegsamen Membranen 29 geringfügig verschoben werden können. Mittels eines elektrischen Stroms durch die spiralförmige Spüle 29 wird eine Kraft erzeugt, die ausreicht, die magnetische Anordnung in einer Richtung senkrecht zur Ebene des Siliciumchips zu verschieben. Der MEMS-Schalter in Fig. 6 sollte im geöffneten Zustand eine relativ geringe, aber bei Betätigung, d. h. im geschlossenen Zustand, eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Wenn das MEMS-Bauelement in Fig. 6 sowohl zum elektrischen als auch zum thermischen Schalten eingesetzt werden soll, dürften Verbesserungen erforderlich sein, um den Widerstand des Schalters im eingeschalteten Zustand zu verringern.
Fig. 7 veranschaulicht die Verwendung einer Anordnung von MEMS-Bauelementen, um selektiv thermische Verbindungen zwischen den thermoelektrischen Peltierelementen und einer kalten Wärmesenke herzustellen. Die Peltierelemente 32 und 33 sind durch die Kupferleitung 34 miteinander verbunden, um die mit der Darstellung in Fig. 3 verbundenen Funktionen wiederzugeben. Der Zwischenraum zwischen der Kupferschicht 34 und den magnetischen Anordnungen 28 der MEMS-Schalter 36 und 37 soll etwa im Bereich um ein halbes Mikrometer liegen. Durch diese Größe soll eine elektrische Spule 31 (Fig. 6) mit einer Nenngröße ermöglicht werden, die die Schaltstrukturen betätigen kann. Da die Schaltvorgänge etwa in der Größenordnung von Sekunden erfolgen sollen, dürfte die Zuverlässigkeit bei den mit Frequenzen im Kilohertzbereich schaltenden MEMS-Bauelementen kein Problem darstellen.
Der unter Bezug auf die Abbildungen in den Fig. 6 und 7 beschriebene MEMS-Thermoschalter stellt lediglich eine von vielen möglichen Konfigurationen für Thermoschalter dar. Zum Fig. 9 veranschaulicht schematisch die Verwendung der thermoelektrischen Kühlung in einer erweiterten Anordnung, um einen Kühlschrank für Lebensmittel wirksam und sauber zu betreiben. Der hohe Wirkungsgrad und das Fehlen größerer beweglicher Teile bei der vorliegenden Erfindung wird es möglich, die thermoelektrische Kühlung nicht nur bei sehr speziellen und begrenzten Anwendungen einzusetzen, wie beispielsweise bei kleinen tragbaren Kühlern, sondern auch bei größeren Geräten in praktisch jedem Haushalt.
In Fig. 10 sind schematisch weitere mögliche Anwendungen dargestellt, für den Fall, dass die der vorliegenden Erfindung zu Gründe liegenden Ideen weiterentwickelt und auf größere Dimensionen übertragen werden, um größere. Wärmeübertragungsanwendungen wie die Kühlung von Wohn- und Geschäftshäusern, Lebensmitteltransportsysteme und Klimaanlagen für Personenkraftwagen abzudecken.
Fig. 11 veranschaulicht schematisch eine Anwendung am anderen Ende des Einsatzspektrums, bei der thermoelektrische Miniaturkühlungen selektiv an Teile eines integrierten Schaltkreis-Chips gebondet sind, um solche ausgewählten Bereiche selektiv zu kühlen und so die Kernwerte des integrierten Schaltkreises zu beeinflussen.
Die vorliegende Erfindung ist teilweise sehr breit anwendbar, da sie nicht auf bestimmte thermoelektrische Materialien oder elektronische Konfigurationen beschränkt ist. Die Erfindung benutzt die thermische Dynamik thermoelektrischer Elemente im Impulsbetrieb, die zusammen mit Miniatur-Thermoschaltern betrieben werden, um die Wärmeübertragungseigenschaften voneinander zu trennen und für die Kühlung einen höheren Wirkungsgrad zu erreichen.
Obwohl die Ausführungsarten der Erfindung ein ständig mit der heißen Wärmesenke verbundenes thermoelektrisches Element beschreiben, ist es klar, dass es im Geltungsbereich der Erfindung liegt, wenn das thermoelektrische Element mittels eines Schalters mit der heißen Wärmesenke verbunden wird, der eine ähnliche Struktur wie der Thermoschalter 18 aufweist.

Claims

1. Thermoelektrische Kühlvorrichtung, die Folgendes umfasst:

eine erste Wärmesenke (4) mit einer ersten Solltemperatur;

eine zweite Wärmesenke (22, 23) mit einer zweiten Solltemperatur, wobei die zweite Temperatur höher als die erste Temperatur ist;

ein thermoelektrisches Element (11, 12)

ein zweites Mittel, welches das thermoelektrische Element thermisch mit der zweiten Wärmesenke verbindet; und

ein Mittel (V) zum Zuschalten des thermoelektrischen Elements; gekennzeichnet durch

ein erstes Mittel (26) zwischen dem thermoelektrischen Element und der ersten Wärmesenke, um zwischen beiden eine selektive thermische Kopplung bereitzustellen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das zweite Mittel eine dauerhafte thermische Kopplung zwischen dem thermoelektrischen Element und der zweiten Wärmesenke umfasst.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Zuschaltmittel ein Mittel (14) zum selektiven Schalten einer an dem thermoelektrische Element anliegenden elektrischen Spannung umfasst.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die zweite Wärmesenke aus einem ersten (22) und einem zweiten (23) Bereich besteht, die elektrisch voneinander getrennt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der erste und zweite elektrisch voneinander getrennte Bereich durch das Mittel (14) zum selektiven Schalten einer elektrischen Spannung mit einer Spannungsquelle (V) verbunden sind.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 bis 5, wobei das Tastverhältnis des Mittels (14) zum selektiven Schalten einer elektrischen Spannung dem Tastverhältnis des Mittels (26) zum selektiven Schalten einer thermischen Kopplung gleicht.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, wobei das Mittel zum selektiven Schalten einer thermischen Kopplung ein mikroelektromechanisches Bauelement (MEMS) ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, die ferner Folgendes umfasst:

eine dritte Wärmesenke (23) mit einer zweiten Solltemperatur, wobei die dritte thermische Senke elektrisch von der zweiten Wärmesenke (22) getrennt ist;

ein zweites thermoelektrisches Element (12), das thermisch mit der dritten Wärmesenke gekoppelt ist;

wobei das Mittel (26) zum selektiven Schalten einer thermischen Kopplung (18) ein Mittel zum selektiven Schalten einer thermischen Kopplung des ersten und des zweiten thermoelektrischen Elements mit der ersten Wärmesenke (4) umfasst; und

das Zuschaltmittel ein Mittel (14) zum selektiven Schälten einer an dem ersten und dem zweiten thermoelektrischen Element anliegenden elektrischen Spannung (V) umfasst.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 bis 6 oder 8, wobei das Mittel zum selektiven Schalten einer thermischen Kopplung und das Mittel zum selektiven Schalten einer elektrischen Spannung funktionell synchron arbeiten.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das erste und das zweite thermoelektrische Element Peltierelemente sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das erste und das zweite thermoelektrische Element vom entgegengesetzten Dotierungstyp sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 2, die bei einer Umgebungstemperatur betrieben wird, wobei das erste Mittel einer Wärmesenke zur Aufnahme von Wärmeenergie bei einer Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur; das zweite Mittel einer Wärmesenke zum Abführen von Wärmeenergie bei einer Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur; das thermoelektrische Element zum Befördern von Wärmeenergie zwischen beiden; das Mittel zum selektiven Schalten zum Schalten der Wärmeleitung der Kopplung zwischen dem ersten thermoelektrischen Element und der zweiten Wärmesenke; und das Zuschaltmittel zum synchronen Zuschalten des thermoelektrischen Elements in Abhängigkeit von der Funktion des Mittels zum selektiven Schalten der Wärmeleitung vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei das Tastverhältnis des Zuschaltmittels im Vergleich zum Tastverhältnis des Mittels zum selektiven Schalten klein ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 4, die ferner ein zweites thermoelektrisches Element umfasst, wobei das erste thermoelektrische Element mit dem ersten Bereich des zweiten Mittels einer Wärmesenke das zweite thermoelektrische Element mit dem zweiten Bereich des zweiten thermoelektrischen Elements und das zweite thermoelektrische Element außerdem mit dem Mittel zum selektiven Schalten der thermischen Kopplung verbunden ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei das Zuschaltmittel zum selektiven Schalten einer an den ersten und den zweiten Bereich der ersten Wärmesenke angeschlossenen Stromversorgung vorgesehen ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Abgabe von Wärmeenergie in die Umgebung und die Aufnahme von Wärmeenergie durch ein Kühlsystem nach Art eines Haushaltkühlschranks oder einer Pkw-Klimaanlage oder durch eine integrierte elektronische Schaltung bewerkstelligt wird.

17. Verfahren zum Betreiben einer thermoelektrischen Kühlvorrichtung mit einer ersten bei einer ersten Solltemperatur zu betreibenden Wärmesenke (4), einer zweiten bei einer zweiten Solltemperatur zu betreibenden Wärmesenke (6, 22, 23), wobei die zweite Solltemperatur höher als die erste Solltemperatur ist, und mit einem thermisch mit der zweiten Wärmesenke gekoppelten thermoelektrischen Element (1, 11, 12), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

Übertragen von Wärmeenergie von dem thermoelektrischen Element über die thermische Kopplung an die zweite Wärmesenke; und

selektives Herstellen einer thermischen Kopplung zwischen dem thermoelektrischen Element und der ersten Wärmesenke; und

Zuschalten des thermoelektrischen Elements, wodurch die Wärmeübertragung von der ersten Wärmesenke (4) an die zweite Wärmesenke (6, 22, 23) ermöglicht wird.