具有多个串联连接的热电模块的热交换器的制造方法
【专利摘要】一种热交换器(40)包括：管子(26)、翅片(32)和热电组件(42)。管子(26)构造成含有流过其中的冷却剂，并在热力上将冷却剂偶联到管子(26)的表面。翅片(32)构造成将热量从翅片(32)传送到通过翅片(32)的空气。热电组件(42)热力上偶联到管子(26)和翅片(32)。组件(42)构造成响应于供应到组件(42)上的电压源(20)相对于管子(26)加热翅片(32)。组件(42)包括多个热电模块(50)。各个热电模块(50)电气上互连成为串联连接的模块组(52)。各组(52)内电气上串联连接的模块数量根据如下因素来确定：电压源(20)的电压值，以及靠近模块组(52)的管子(26)和翅片(32)之间的局部温差。该热交换器用以优化热交换器40内各个热电模块50的特性系数。
【专利说明】具有多个串联连接的热电模块的热交换器
【技术领域】
[0001] 本实用新型总的涉及热电式热交换器，具体来说，涉及串联连接的热电模块组，其 中，各组内电气串联连接的模块数量根据如下因素来确定：电压源的电压值，以及靠近模块 组的局部温差。
【背景技术】
[0002] 众所周知，将热电（TE)装置置于热交换器内，以使热交换器可起作单独热泵的功 能。如此的热交换器可用来在冷却剂和空气之间、空气和空气之间，或冷却剂和冷却剂之间 泵送热量。已经知道，根据可供给该装置的供应电压来串联地连接多个装置。然而，串联连 接的装置数量还必须对横跨装置的温差进行优化。 实用新型内容
[0003] 根据一个实施例，提供一种热电式热交换器。该热交换器包括：管子，该管子构造 成含有流过其中的冷却剂，并在热力上将冷却剂偶联到管子的表面；
[0004] 翅片，该翅片构造成将热量从翅片传送到通过翅片的空气；以及
[0005] 热电组件，该热电组件在热力上偶联到管子和翅片，该组件构造成响应于供应到 组件上的电压源相对于管子加热翅片，其中，组件包括：
[0006] 多个热电模块，其中，各个热电模块电气上互连成为串联连接的模块组，其中，各 组内电气上串联连接的模块数量根据如下因素来确定：电压源的电压值，以及靠近模块组 的管子和翅片之间的局部温差。
[0007] 仅是借助于非限制性实例给出了优选的实施例，参照附图阅读以下对优选实施例 的详细描述，将会更加清楚地显现出进一步的特征和优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 现将参照附图，借助于实例来描述本实用新型，附图中：
[0009] 图1是根据一个实施例的热电式传热系统的示意图；
[0010] 图2是根据一个实施例的图1系统的热电式热交换器的剖切立体图；
[0011] 图3A、3B、3C和3D示出根据一个实施例的图1系统的热电式热交换器的各种细 节；以及
[0012] 图4是沿着根据一个实施例的图2热交换器中的管子长度的温度变化曲线。
【具体实施方式】
[0013] 图1示出热电式传热系统的非限制性实例，该热电式传热系统在下文中称作系统 10。一般地说，系统10形成冷却剂回路14,其中，冷却剂通过泵16进行循环。如果系统要 用于汽车之应用，则合适的冷却剂是水和乙烯-乙二醇的混合物。然而，其他冷却剂的化学 组成也可以是合适的，尤其是用于非汽车的应用。冷却剂通常循环通过与冷却剂回路14流 体地连通的废热源18,以从废热源18中移去热量。在汽车应用中，废热源18可以是内燃机 (未示出）；或是电池组（未示出）、驱动马达（未示出），或是电的或混合电动车辆的换流 器（未不出）。
[0014] 系统10还包括热电式热交换器，在下文中将其称作热交换器40。热交换器40也 与冷却剂回路14流体地连通。热交换器40 -般地包括与冷却剂回路14流体地连通的入 口储罐28和出口储罐30,并包括多个平坦的热力上传导的导管或管子，以下将管子称作管 子26,管子26构造成将入口储罐28和出口储罐30流体地互连。管子26通常构造成含有 流过管子26的冷却剂，并将冷却剂回路14中的冷却剂在热力上偶联到管子26的外表面。 管子26、入口储罐28和出口储罐30可合适地由诸如铝或铜合金那样的金属形成。热交换 器40可包括盘旋的热力上传导的翅片，下文中称作翅片32,翅片构造成将热量从翅片传送 到通过翅片32的空气。翅片32可包括或形成百叶窗36 (图2)，以改进从翅片32到围绕翅 片32流动空气的传热。较佳地，热交换器40的管子26和翅片32还替换地布置成堆叠构 造。可提供风扇38来推动空气流过翅片32或流过翅片周围，以提高从翅片到空气的传热。
[0015] 热交换器40包括一个或多个热电组件，下文中称其为组件42,该组件热力上偶联 到管子26和翅片32。组件42 -般地构造成响应于施加到组件42上的电压源20,相对于 管子26加热或冷却翅片32。这样，在该实例中，组件42置于管子26的外表面和翅片32之 间。
[0016] 翅片32相对于管子26的加热量或冷却量依赖于由电压源20输出的电压值（幅 值和极性）。本文所述的热交换器对于用高效推进系统来加热汽车中乘客车厢是可以特别 有利的，当车辆外的环境温度相对地低，例如，低于15°C时，该推进系统不产生足够的废热 来充分地加热车辆的乘客车厢。通过利用热电式组件（组件42)来添加热量（即，超过或 之上），不管废热源（例如，电池组）是否产生热量，加热乘客车厢的总体效率总得到提高。
[0017] 图2还示出热交换器40的非限制性细节。组件42包括多个热电模块50。组件 42设置在热交换器40的管子26和翅片32之间，以在施加电力时在管子26和翅片32之 间形成温差。在该非限制性实例中，组件42包括第一热力上传导表面以及第二热力上传导 表面，该第一热力上传导表面在下文中称为第一表面48 (图1)，并与翅片32热接触，该第二 热力上传导表面在下文中称为第二表面46,并与管子26热接触。如果对组件供电来相对 于管子26加热翅片32,则第二表面46也可被称作冷表面，而第一表面48也可被称作热表 面。形成组件42的热电模块（TEM)的操作在行内是众所周知的，因此将不作详细描述。
[0018] 继续参照图2,组件42还可包括位于多个热电模块50相对两侧上的一对板，第一 电介质板45偶联到第一表面48,而第二电介质板43偶联到第二表面46。多个热电模块50， 例如，形成了热电模块50的N型和P型热电半导体器件可在第一电介质板45和第二电介 质板43之间布置成交替的N-元素和P-元素构造，这将为本【技术领域】内技术人员所认识。 替代地，第二电介质板43可省略掉，以使热电模块50直接附连到管子26上。即，管子26 是用于热电组件的电气接触件。为了达到这一点，管子26可以涂敷适于钎焊的金属，例如， 铜。热电模块50可有利地以电气上串联和热力上并联进行联接。
[0019] 已经观察到，由于从管子26内通过的冷却剂中移去了热量，管子26的温度沿着管 子长度变化。这样，根据在串联地电气互连的热电模块50附近的管子26和翅片32的温度， 通过改变串联地电气互连的热电模块50的数量，可优化热交换器40的总性能。即，各个热 电模块50电气地互连成串联连接的模块组52(图3A)，例如，第一组54和第二组56。在同 样数量的热电模块50电气串联地互连成各组的情形下，如此的可变组数的构造与热电式 热交换器对立。
[0020] 下面描述如何根据电压源的电压和靠近模块组的管子和翅片之间局部温差，来确 定应电气地互连而形成一组串联连接模块的热电模块50的最佳数量。在某些情形中，已经 认识到，串联连接的模块数量可在热交换器的所有部位处都相同。然而，在冷却剂温度中存 在有足够变化以确保改变每组中串联连接模块数量的情形中，这里所呈现的本实用新型使 得这样的选择成为可能。
[0021] 将热量供应到热电模块50用以加热流过热交换器40的气流的冷却剂温度可用以 下公式表示 ? χ\
[0022] Tclt = Tclt()- \-eL (Tclt0-Tclti) 公式· 1 V J
[0023] 其中，Telt是沿管子的位置x处的冷却剂温度，Τ。^是管子26入口处的冷却剂温 度（即，来自入口储罐28的冷却剂），而T#i代表管子出口处的冷却剂温度（S卩，流向出口 储罐30的冷却剂）。参数L代表冷却剂失去全部管长的总温度下降的63. 2%的管子特征 长度。更一般地说，冷却剂沿着冷却剂路径的温度变化可用Tdt = f(x)表示。
[0024] 假定热电模块50的组52要通过从管子26内的冷却剂流中抽去热量，而横贯热交 换器40的表面将空气流加热到均匀的温度T sn，则空气温度和冷却剂温度之间的温差可描 述为如下： f
[0025] 气-TCh = Tv 气-Tdtfi+ \-eL ^TdtS)-Tll〇]公式 _2 V J
[0026] 且对沿箭头24方向（图3A)流动的冷却剂来说，图示在曲线400中（图4)。
[0027] 已经知道，热电模块的加热特性系数（C0P)通过常数1相关于冷却的C0P，
[0028] C0Ph = C0Pc+l 公式· 3
[0029] 且冷却的COP由下式给出 S/Tr - KAT -l R!2
[0030] COP =--Lp-2-- 公式· 4 ' /[5ΔΓ + /?/]
[0031] 其中，S是赛贝克（Seebeck)系数，I是通过TE模块的电流，K是热电模块50热板 和冷板之间的热导率，R是组中一个热电模块（或平均热电模块50)的电阻，以及ΛΤ是热 板温度Τ Η和冷板温度Τ。之间的温差，其可写成
[0032] Δ T = TH-TC 公式· 5
[0033] 使用欧姆定律 V
[0034] 1 7 公式.6 K
[0035] 冷却的C0P可表示为 Γ ? ST.V - KATR - 1 V1/v ^
[0036] c〇p _ (_2_ 公式· 7 ' S Α7? + V2
[0037] 当冷却的COP在给定的电压（已知为最佳电压）达到最大值时，加热的COP也达 到最大值。最佳电压可由以下微分方程获得，
[0038] dCf P, =0 公式· 8 civ , (sATF + V2\ST(. - v')-(SAT + ivisr.v - KATR - ] V2v ^
[0039] dCOP = ^_A f ' V__2 )公式· 9 dV - (S-^TV + V1)
[0040] 这可以简化为 f? 、 KR\T
[0041] -ΔΓ + Γγ V2-2^-V-KRAT2^0 公式· l〇
[0042] 求解V可获得
[0043] KRAT±KRAT lnAT ^ ΤΛ S S \ {2 C)KR F最佳= 71 \ -AT + Tr U CJ
[0044] 将热电的品质因数定义为 s2
[0045] 公式·11 Λα
[0046] 然后， SAT ^ SAT Γ?Γ~~^)Ζ -±--1+ -AT + TC Z
[0047] 厂最佳= \ 公式· 12 -AT + TC U CJ
[0048] 由于
[0049] Λ T = TH_TC 公式· 13
[0050] 以及
[0051] ^AT + TC - (7// 丨 '(,)= T',公式· 14
[0052] 这是热板和冷板的平均温度，因而最佳电压可表述成：
[0053] vmi = SAT-^--^公式· 15
[0054] 物理敏感的最佳电压是
[0055] F最佳：SAT1 + + T^~ 公式· 16 u
[0056] 对于附连到冷却剂管子的TE模块，不考虑铝管和边界层的热导率，TE冷板温度Tc 可近似为
[0057] Tc = Tclt 公式.17
[0058] 同样地，热板温度可近似为
[0059] TH = T 空气公式.18
[0060] 因此，冷板和热板之间的温度提升可以估算为
[0061] Λ T = T空气一Tclt = T空气一f(x)公式· 19
[0062] 使用上面获得的V#公式，可以看到，有待达到的允许最大C0P或能量效率的最佳 TE电压是冷却剂管子上位置的函数。
[0063] 假定电源电压Vs为恒值，该电源电压可以是的几倍，以便在最佳TE模块电压 下达到最好的能量效率，并得到所要求的空气温度以提供热舒适性，串联连接的热电模 块50数量Νφκ由下式给出 V
[0064] =77^ 公式.20 最佳
[0065] 总而言之，串联地电气互连以形成一组的热电模块50的数量，沿着管子26的长度 变化，以补偿从管子入口到出口的管侧流体温度的下跌。这允许热交换器40具有几乎均匀 的温度，即使管侧温度沿着冷却剂流动方向下降，也可导致流出热交换器40的空气温度更 加均匀。
[0066] 借助于非限制性的实例，如果靠近管子入口的冷却剂温度是30°C，则TE的Λ T可 设置为40°C，这可对应于约为2V的横贯热电模块50的电压，因此六个热电模块50可串联 连接成12V的系统。此外，在冷却剂为20°C的管子中，TE的ΛΤ可设置为50°C，这可对应于 约为4V的横贯热电模块50的电压，因此三个热电模块50可电气串联连接成12V的系统。 串联组中所连接的热电模块50的数量可进行调整，以补偿冷却剂沿管子长度的温度下跌， 同时保持恒定的预定翅片温度以均匀地加热空气。TE的ΛΤ可被看作从管侧流体到环境空 气传热的驱动势能。
[0067] 横贯TE的电压可被调整以提供需要的加热（或冷却）的热交换器组件的另一替 代的实施例可包括电压转换装置，其中，电压可从车辆电气系统的固有电压阶跃提升。例 如，对于12V系统的车辆来说，电压可阶跃提升到24V以用于热交换器上的热电模块50。具 有多个热电模块50的每排管子可包括受中央控制模块控制的电压下降装置。每排管子的 热电模块50的电压可由中央控制模块单独地进行调整，以对热电模块50提供合适的电压 而提供要求的冷却程度。在该替代的实施例中，每排管子中的热电模块50可并联或串联地 放置。
[0068] 图3A、3B和3C还示出热电组件（组件42)的分解图的非限制性实例的细节。该 图示出在沿箭头60所示方向放置或移动第一电介质板45之前，热电模块50直接附连到管 子26。尽管图3A、3B和3C仅示出如串联连接模块组52那样的一组模块，但应该理解到，可 沿着管子26布置许多组的串联连接模块，且应理解到显示单个模块组只是为了简化图示 说明。较佳地，第一电介质板45由诸如陶瓷那样的导热材料形成，且置于热电模块50和翅 片32之间（图2)。替代地，如图2所示，组件42可包括第二电介质板43,该第二电介质板 由导热材料形成，且置于热电模块50和管子26之间。
[0069] 每个热电模块50通常包括至少两个电气触点，以让电压可施加到各个热电模块 50。正如将会详细解释的，热电模块50构造成让电气触点可设置在热电模块50上的不同部 位处，于是，热电模块50可容易地串联地电气连接以优化每组中串联连接模块的数量。在 以下的讨论中，描述了左模块62、中心模块64和右模块66之间的差异，左模块62、中心模 块64和右模块66形成了串联地电气连接的一组模块。左、中心和右的修改仅涉及所示热 电模块的相对位置。应该理解到，一组串联连接的模块可包括多于或少于三个的图示模块。 [0070] 左模块62包括起作电气触点的底部触点70和顶部触点72。底部触点70图示 为负电压，这仅是为了解释的方便，因为可以理解到，施加到热电模块上的电压极性可倒过 来，以提供反过来的相对的冷却。通过将底部触点70定位成邻近于管子26,管子26便可有 利地用作为好几组串联连接模块的的供电轨道。这样，对于该实例来讲，管子26构造成用 于组件42的电气触点。如果采用上述替代的构造，则第二电介质板43 (图2)可用诸如厚 膜墨那样的导电材料涂敷，以提供与管子26同样的供电轨道功能。
[0071 ] 该实例中的左模块62包括顶部触点72,该顶部触点相对于底部触点70定位位置 而位于左模块62相对侧上。相比之下，中心模块64具有用于正电压和负电压触点的顶部 触点72。为了使左模块62与中心模块64串联地电气连接，第一电介质板45可包括一个或 多个中间触点74,这些中间触点由涂敷到第一电介质板45上的诸如厚膜墨那样的导电材 料层形成。因此，如果更多的热电模块50要串联地电气连接，则第一电介质板45可包括导 电层，该导电层构造成形成多个中间触点74,以便串联地电气连接各组52内的模块，例如， 第一组54或第二组56。
[0072] 当与用于左模块62和中心模块64的正电压触点相比时，右模块66具有用于不同 部位内正电压的顶部触点72。在该构造中，右模块66能够与各组52共享的供电轨道形成 电气接触，例如，第一组54或第二组56。因此，第一电介质板45可包括导电层，该导电层构 造成形成供电触点76,以使多个热电模块50的各个模块电气地连接到电压源20。
[0073] 图3C示出组件42的端视图。热电模块50可包括插入在第一基底82和第二基底 84之间的热电器件80。基底可由诸如氧化铝那样的陶瓷材料形成。第一基底82和第二 基底84可包括由厚膜墨形成的导体迹线（未示出），并可形成通过相应基底的通道（未示 出），以便电气地互连第一基底82和/或第二基底84任一侧上的导体迹线。提供导体迹线 和通道的材料和方法是众所周知的。
[0074] 图3D示出左模块62侧视图的非限制性实例，该图示出热电器件80的P部分和N 部分。与底部触点70和顶部触点72的电气连接借助于导线86,该导线86通过第一基底 82和第二基底84内的通道88。导线86可钎焊到涂敷在热电器件80的平面部分上的上述 导体迹线，钎焊可用来形成底部触点70和顶部触点72。
[0075] 因此，提供了热电式传热系统（系统10)和用于该系统10的热电式热交换器（热 交换器40)。热交换器有利地根据热交换器不同部位存在的冷却剂温度变化来改变串联地 电气连接成组的热电模块50的数量，以优化热交换器40内各个热电模块50的特性系数。
[0076] 尽管本实用新型借助于其优选的实施例进行了描述，但本实用新型并不意图局限 于此，相反，本实用新型只限制于附后权利要求书所阐述的内容。
【权利要求】
1. 一种热交换器（40)包括： 管子（26)，所述管子构造成含有流过其中的冷却剂，并在热力上将冷却剂偶联到所述 管子（26)的表面； 翅片（32)，所述翅片构造成将热量从所述翅片（32)传送到通过所述翅片（32)的空气； 以及 热电组件（42)，所述热电组件在热力上偶联到所述管子（26)和所述翅片（32)，所述组 件（42)构造成响应于供应到所述组件（42)上的电压源（20)相对于所述管子（26)加热所 述翅片（32)，其中，所述组件（42)包括 多个热电模块（50)，其中，各个热电模块（50)电气上互连成为串联连接的模块组 (52)，其中，各组（52)内电气上串联连接的模块数量根据如下因素来确定：所述电压源 (20)的电压值，以及靠近所述模块组（52)的管子（26)和翅片（32)之间的局部温差。
2. 如权利要求1所述的热交换器（40)，其特征在于，串联连接模块的第一组（54)由第 一数量的模块形成，而串联连接模块的第二组（56)由第二数量的模块形成，其中，所述第 二数量不同于所述第一数量。
3. 如权利要求1所述的热交换器（40)，其特征在于，所述管子（26)构造成是所述热电 组件（42)的电气触点。
4. 如权利要求1所述的热交换器（40)，其特征在于，所述热交换器（40)包括： 第一电介质板（45)，所述第一电介质板由导热材料形成并置于多个热电模块（50)和 所述翅片（32)之间。
5. 如权利要求4所述的热交换器（40)，其特征在于，所述热交换器（40)包括： 第二电介质板（43)，所述第二电介质板由导热材料形成并置于多个热电模块（50)和 所述管子（26)之间。
6. 如权利要求4所述的热交换器（40)，其特征在于，所述第一电介质板（45)包括传导 层，所述传导层构造成形成电力触点（76)，以将多个热电模块（50)中的各个模块电气地连 接到所述电压源（20)。
7. 如权利要求4所述的热交换器（40)，其特征在于，所述第一电介质板（45)包括传 导层，所述传导层构造成形成多个中间触点（74)，以串联地电气连接各组（52)中的所述模 块。
【文档编号】F25B21/02GK203908099SQ201420319867
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年6月16日 优先权日:2013年10月4日
【发明者】M·王, P·S·卡德尔, T·D·克雷格 申请人:德尔福技术有限公司