具有热电元件的真空隔热体的制作方法

本发明涉及一种具有优选构成为珀耳帖元件的热电元件的真空隔热体，所述真空隔热体优选使用在冷却或冷冻设备中。

背景技术：

在冷却和/或冷冻设备中，在设备的外罩和要冷却的内部容器之间的区域中设置有真空隔热体，以便借助于真空隔热的原理，在要隔热的设备的外侧和内侧之间实现足够高的隔热。

热电元件、尤其珀耳帖元件是下述元件，所述元件能够借助于电能产生温差。珀耳帖元件由两个或多个小长方体构成，所述小长方体由p型和n型掺杂的半导体材料构成，并且交替地在上部和在下部通过金属电桥彼此连接。长方体彼此连接，使得产生串联连接，其中不同掺杂的半导体材料交替地设置。

然而，热电元件具有相对小的效率或小的功率，这导致珀耳帖元件不广泛使用在冷却和/或冷冻设备的冷却中。仅在不需要大的温差的冷却箱的范围中，个别地使用热电元件。因此，热电元件在冷却技术领域中的应用局限于特殊情况。

由于隔热然而变得越来越好进而引起需要用于冷却的冷却功率减小，热电元件、尤其珀耳帖元件变成令人感兴趣的替代方案。

但是，在同时使用真空隔热装置和热电元件的情况下，产生将两个构件有效地集成的问题。因此，所述问题引起，热电元件的制冷和发热自然直接同时发生，以至于热电元件的使用仅能够借助于穿过隔热装置的大的穿口实现。这引起隔热功率减小并且造成隔热装置和热电元件的复杂的构造。

但是，所述考虑绝不局限于冷却和/或冷冻设备，而是普遍适用于热绝缘的容器。包含在所述考虑中的热绝缘的容器具有至少一个调温的内腔，其中能够冷却或加热所述内腔，使得在内腔中，得到高于或低于例如21℃的环境温度的温度。

技术实现要素：

本发明的目的是，消除上述问题并且实现有效地使用由热电元件和真空隔热装置构成的组合，所述组合相对简单地构造。

所述目的通过具有权利要求1的特征的真空隔热体来实现。

据此，真空隔热体具有至少一个外壳，所述外壳限定至少一个真空区域。在真空区域之内存在至少一个热电元件，以便在两个设在外壳的外侧上的区域之间产生温差。

因此，至少一个热电元件优选完全位于真空体的真空区域之内，使得优选能够取消在真空隔热体的外壳中的、用于从热电元件散热和供热到热电元件的穿口。

为了提供在真空中存在的真空隔热体，优选需要扩散密封的外壳或薄膜。在此，能够在真空区域中设有芯材，所述芯材给予真空隔热体相应的形状稳定性并且同时防止：在产生真空之后，外壳的壁直接彼此贴靠。

通过将热电元件设在真空区域中，避免真空隔热装置的通常大的穿口，传统地在通过热电元件冷却时设有所述穿口。通过所述设置方式，得到借助于真空隔热体限界的内腔的尤其有利的隔热功率，以及得到这两个构件的非常节约空间和结构化的设置方式。

热电元件在真空区域中的设置用于确保，在运行热电元件时，在外壳的外侧上存在与热电元件的取向相符的温度梯度。这表示，根据热电元件的热面或冷面的定向，外壳的朝向热面或冷面的区域具有相应的温度。因此，在外壳的外侧的两个不同的部位(区域)上存在两个不同的温度水平，所述温度水平通过热电元件引起或是可通过所述热电元件引起的。

热电元件设置在真空区域之内也带来下述优点：这种设置相对于外部影响进行保护。尤其，能够放弃用于防止在热电元件或珀耳帖元件的冷点上的冷凝的封闭措施。

优选地，热电元件具有基本上板状的基本形状，其中热电元件具有两个热电面，所述热电面优选大致彼此平行地伸展并且彼此间隔开。

根据本发明的另一个有利的特征，真空隔热体附加地具有至少一个设置在真空区域中的导热体。所述导热体与热电元件并且与外壳以热传递的方式、优选以导热的方式接触。导热体与导热体和/或外壳直接或间接接触。

在本发明的范围中，将“导热体”或“换热器”理解成任意下述元件：借助所述元件能够传递热量，其中所述热传递此外包括热管路，但是不局限于此。

所谓的导热体有利地具有至少为3W/(m*K)的热导率λ。优选地，导热体的热导率λ至少为10W/(m*K)，优选至少为75W/(m*K)，并且尤其优选至少为150W/(m*K)。

根据本发明，可能的是，设置在真空区域中的热电元件与外壳有效地(直接或间接地)热接触。在此，导热体用于珀耳帖元件或热电元件和外壳的良好的热耦合，因为经由在真空区域中的对流的换热仅是缓慢的或是根本不可能的。

在将在热电元件的冷面以及废热面上产生的或提取的热量传递穿过真空隔热体的外壳时，外壳与其厚度无关地表现出明显的热阻，所述热阻应被克服。

就此而言，适当的是，除了热电元件之外，设有导热体(在下文中也称作为“初级换热器”)，使得所述导热体与外壳的接触面大于所述导热体与热电元件的接触面。这引起，在外壳上的过渡面与热电元件在导热体上的过渡面相比明显更大，并且在外壳上降低的温度减小到合理的程度。在外壳的两侧上由于导热体的特定的设计方案而出现的较小的温差引起外壳上的整体上更小的损耗。

一个或多个导热体优选设置在真空区域之内。

优选地，安置在真空区域之内的一个或多个热电元件和一个或多个导热体的固定借助于外壳本身进行，所述外壳由于其真空状态具有一定的从外部施加的压力，所述压力能够用于固定设置在真空区域中的元件。通过在真空区域中存在的真空产生负压，所述负压能够足够大地构成，以便实现热电元件由导热体覆层，而不需要将导热体与良好导热的物质常规地接触或粘贴。因此，不需要将另一元件设置在外壳和珀耳帖元件和/或导热体之间或设置在外壳和导热体之间，所述另一元件减小热导率。

根据一个优选的设计方案提出，热电元件在固定体之间夹紧，所述固定体形成初级换热器。在此优选地提出，将固定体彼此连接的一个或多个连接元件具有小的热导率，使得不产生明显的热桥。可考虑的是，将螺丝用作为一个连接元件或用作为多个连接元件。也可能的是，将固定在模制件上和在安装时锁定在另一模制件上的部件、例如注塑件用作为一个连接元件或用作为多个连接元件。

在一个实施方式中提出，在一个或多个导热体和薄膜的内侧之间不设有胶粘剂。

然而，原则上，本发明也包括下述情况，在两个热电元件和一个或多个导热体之间存在促进热传递的机构，尤其导热物质，例如以粘接剂的形式的导热物质。

在一个实施方式中提出，热电元件和导热体借助于粘接来彼此连接。优选在此提出，使用具有相对高的热导率的粘接剂，例如下述粘接剂：在所述粘接剂的粘接物质中存在良好导热的填充材料。这种粘接剂也能够用于其他在本发明的范围中作为主题的粘接连接。

根据本发明的另一个有利的、可选的特征，真空隔热体还具有至少一个换热器(在下文中也称作为“次级换热器”)，所述换热器设置在真空区域之外，即设置在外壳的外侧上。次级换热器与外壳的下述区域热耦合：所述区域的温度优选是可由热电元件影响的。热耦合包括直接接触或热接触的可能性。

优选地提出，一个或多个导热体与薄膜的内侧连接，并且不直接与次级换热器接触。在该情况下，穿过薄膜进行热传递。所述设计方案能够出于生产方面的原因以及出于真空密封性的原因是有利的。可考虑的是，薄膜的厚度在一个或多个导热体的接触范围中是相对于在其他区域中减小的，以便确保更好的换热。替代地，薄膜的厚度然而也能够在所述范围中不变，这又出于生产方面的原因以及出于真空密封性的原因能够是有利的。

替选地能够提出，一个或多个导热体与次级换热器直接接触，并且在一个或多个导热体的区域中，在外壳的薄膜中设有留空部。因此，能够优化导热。

次级换热器例如能够借助于导热膏或导热粘接剂与靠外的薄膜侧连接。

在一个优选的设计方案中提出，为了热电元件的机械甩负荷，在生产过程中在一侧上设置有薄的石墨薄膜作为耦合元件，其中热电元件通过在两个固定体之间的应力经由连接元件固定。在另一侧上使用导热粘接剂，也用于补偿在热电元件、固定体和连接元件的厚度中的生产公差。优选地，石墨薄膜使用在热侧上，因为更高的热流在此流动并且通过薄的石墨薄膜的热传递阻力通常小于通过由于公差补偿略微更厚的热粘接层的热传递阻力。

优选地，一个或多个次级换热器设置成，使得进行从初级换热器的或至初级换热器的间接的或直接的热传递。

优选地，外壳包括高阻隔薄膜或是高阻隔薄膜，所述高阻隔薄膜真空密封地封闭通过外壳形成的真空区域。

将真空密封的或扩散密封的外壳或将真空密封的或扩散密封的连接部或将术语高阻隔薄膜优选理解成下述外壳或连接部或薄膜：借助于所述外壳或连接部或薄膜，到真空隔热体中的气体输入剧烈地减小，使得真空隔热体的热导率的取决于气体输入的升高在其使用寿命期间是足够小的。例如将15年、优选20年并且尤其优选30年的时间估算为使用寿命。优选地，真空隔热体的热导率的取决于气体输入的升高在其使用寿命期间为＜100％并且尤其优选为＜50％。

优选地，外壳的或连接部的或高阻隔薄膜的表面比气体渗透率＜10-5mbar*l/s*m²并且尤其优选＜10-6mbar*l/s*m²(根据ASTM D-3985测量)。所述气体渗透率适用于氮气和氧气。对于其他气体种类(尤其水蒸气)而言，同样存在优选在＜10-2mbar*l/s*m²的范围中并且尤其优选在＜10-3mbar*l/s*m²的范围中(根据ASTM F-1249-90测量)的低的气体渗透率。优选地，通过所述小的气体渗透率，实现热导率的在上文中提到的小的升高。

从真空板的领域中已知的包裹系统是已知的高阻隔薄膜。在本发明的范围中，将其优选理解成单层或多层薄膜(所述薄膜优选是可密封的)，所述单层或多层薄膜具有一个或多个阻隔层(典型为金属层或氧化层，其中作为金属或氧化物优选使用铝或氧化铝)，所述阻隔层作为相对于气体输入的阻隔满足在上文中提到的要求(热导率的升高和/或表面比气体渗透率)。

上面提到的数值或高阻隔薄膜的构造为示例性的、优选的说明，所述说明不限制本发明。

在本发明的另一个有利的实施方案中，至少一个导热体和/或换热器、即初级和/或次级换热器本身是外壳的一部分或形成整个的外壳。在此，有利的是，在输出通过热电元件产生的温差的情况下，不必克服通过外壳引起的热阻。

如果初级或次级换热器形成外壳的一部分，那么换热器(初级和次级)能够直接地彼此连接，这带来下述优点：不必克服薄膜的热阻。

优选地，根据本发明的真空隔热体还包括在真空区域中存在的芯材，所述芯材设置在热电元件的各个半导体元件之间。

本领域技术人员已知的是，热电元件(珀耳帖元件)由多个格栅状地并排设置的不同掺杂的半导体元件构成。在此，各个半导体元件彼此间隔开，其中根据本发明的一个可选的特征，芯材设在所述区域中。

因此，芯材插入珀耳帖元件的半导体颗粒之间的区域中。由此，有效地阻止在热电元件的热侧和冷侧之间的气体导热和辐射热交换，在真空状态下，随着真空的纯度增大，所述辐射热交换在传递温度时越来越重要。总体上，这引起热电元件的功率升高，由此高资源利用率的冷却或加热是可能的。

此外，本发明描述一种热电元件，所述热电元件包括至少一个n型掺杂的半导体元件和至少一个p型掺杂的半导体元件。p型掺杂的半导体元件经由导体电桥与n型掺杂的半导体元件连接，其中两个半导体元件彼此间隔开，使得在这两个半导体元件之间形成自由空间。根据本发明的热电元件的特征在于，在p型掺杂的半导体元件和n型掺杂的半导体元件之间的自由空间用粉末状的材料填充。

优选地，粉末状的材料具有下述平均颗粒大小，其中粉末颗粒在5μm和30μm之间，优选在10μm和25μm之间，并且尤其优选在15μm和20μm之间。

用于热电元件的不同掺杂的半导体元件的另一表述是半导体颗粒。插入半导体颗粒的空间之间的粉末状的材料阻挡热电元件的热面和冷面之间的对流。因此，能够提高热电元件的效率。

此外，本发明涉及一种根据上述变型形式中的一种变型形式的真空隔热体，其中热电元件在不同掺杂的半导体元件之间的自由空间中具有粉末状的材料。在此，所述粉末状的材料同时也是用于真空隔热体的芯材。因此，不仅热电元件的有效功率能够升高，而且同时也实现结合芯材产生的优点。在此，由于材料一致性，不需要将热电元件由芯材封装。

此外，本发明涉及一种热绝缘的容器，所述热绝缘的容器具有至少一个本体并且具有至少一个调温的内腔，本发明优选涉及一种冷却和/或冷冻设备，所述冷却和/或冷冻设备具有至少一个本体并且具有至少一个冷却的内腔，所述内腔由本体包围，以及具有至少一个封闭元件，借助于所述封闭元件可封闭调温的且优选冷却的内腔。在容器的和优选设备的外壁和调温的且优选冷却的内腔之间存在至少一个间隙，在所述间隙中存在至少一个根据本发明的真空隔热体和/或根据本发明的热电元件。

真空隔热体能够在本体的外侧之间位于内部容器中和/或在门的或其他的封闭元件的内侧和外侧之间。

在根据本发明的容器和优选根据本发明的冷却和/或冷冻设备的一个优选的设计方案中，所述容器和优选冷却和/或冷冻设备部分地或完全地借助于全真空系统隔热。在此，涉及下述装置，所述装置的在外侧和内腔之间的隔热装置在本体上和/或在封闭元件上仅仅或主要由抽真空的元件构成，所述抽真空的元件尤其呈由真空密封的薄膜或具有芯元件的高阻隔薄膜构成的外壳的形式。优选地，全真空隔热装置由根据本发明的一个或多个真空隔热体形成。优选不设有另外的通过绝缘泡沫和/或真空绝缘板或通过其他用于在设备的内侧和外侧之间隔热的机构的隔热装置。

所述优选的类型的、呈全真空系统的形式的隔热装置能够在对内腔限界的壁和本体的外皮之间和/或在封闭元件、例如门、活门、盖等的内侧和外侧之间延伸。

能够获得全真空系统，使得由气体密封的薄膜构成的外壳用芯材填充并且随后被真空密封地封闭。在一个实施方式中，外壳的填充和真空密封的封闭在正常压力或环境压力下进行。随后，通过将适当的插入外壳的接口连接到真空泵上来进行抽真空，所述接口例如是真空接管，所述真空接管能够具有阀。优选地，在抽真空期间，在外壳之外存在正常压力或环境压力。在该实施方式中，优选在制造的任何时刻都不需要将外壳引入到真空室中。就此而言，在一个实施方式中，在制造真空隔热装置期间能够弃用真空室。

调温的内腔根据设备的类型(冷却设备、保温箱等)要么是冷却的、要么是加热的。

在一个实施方式中提出，根据本发明的容器为冷却和/或冷冻设备，尤其为家用设备或商用的冷却设备。例如，包括下述设备，所述设备设计用于在家庭中、在旅店房间中、在商用厨房中或在酒吧中的固定布置。例如，也能够为酒柜。此外，冷却和/或冷冻柜包括在本发明中。根据本发明的设备能够具有用于接合到供电装置、尤其接合到家用电网(例如插接板)上的接口和/或支撑或安装辅助件、例如支脚或用于固定在家具凹槽之内的接口。例如，设备能够为集成式设备或还有落地式设备。

在一个实施方式中，容器或设备构成为，使得能够以交变电压、例如以120V和60Hz或230V和50Hz的家用电网电压运行所述容器或设备。在一个替代的实施方式中，容器或设备构成为，使得能够以例如5V、12V或24V的电压的直流电流运行所述容器或设备。在所述设计方案中能够提出，在设备之内或之外设有插接电源件，经由所述插接电源件运行设备。在该实施方式中，使用热电热泵的优点为，完全的EMV(电磁兼容性)问题仅在电源件上出现。

尤其能够提出，冷却和/或冷冻设备具有箱状的构造并且具有在其前侧上(在柜的情况下，在前侧上)是对于用户可接近的有效空间。有效空间能够分成多个隔室，所述隔室全部在相同的温度下运行或在不同的温度下运行。替代地，能够设有仅一个隔室。在有效空间或隔室之内也能够设有储存辅助件，例如安放格、抽屉或瓶架(在柜的情况下，还有空间分隔件)，以便确保冷却或冷冻物品的优化的储存和优化的空间利用。

有效空间能够通过至少一个可围绕竖直轴线枢转的门关闭。在柜的情况下，可围绕水平轴线枢转的活门或滑盖可考虑作为封闭元件。门或其他的封闭元件在关闭状态下能够借助于环绕的磁性密封与本体基本上气密地连接。优选地，门或其他封闭元件也是热绝缘的，其中热绝缘借助于泡沫产品或必要时借助于真空绝缘板实现，或者也优选借助于真空系统并且尤其优选借助于全真空系统实现。在门的内侧上必要时能够设有门闩，以便也能够在那里储存冷却物品。

在一个实施方式中，能够涉及小型设备。在这种设备中，通过容器的内壁限定的有效空间例如具有小于0.5m³、小于0.4m³或小于0.3m³的体积。

容器的或设备的外部尺寸在高度、宽度或深度的方面优选在1m的范围中。

但是，本发明不局限于冷却和/或冷冻设备，而是普遍地涉及具有调温的内腔的设备，例如也涉及保温箱或保温柜。

附图说明

其他详情或细节根据下面的附图说明阐述。附图示出：

图1示出根据本发明的具有热电元件的真空隔热体的横截面图。

具体实施方式

图1示出真空隔热体1，所述真空隔热体的真空区域通过真空密封的外壳2限定，即限界。优选外壳2为高阻隔薄膜。

此外，可以看到具有半导体颗粒的热电元件3，在图中所述半导体颗粒将两个导热体4连接或在所述两个导热体4之间延伸。沿横向于半导体颗粒的定向伸展的方向，热电元件3具有两个面31、32，在这两个面之间可设定温度落差。为了将在所述面31、32上存在的温度有意义地传递到外壳2的边缘区域上，各个导热体4不仅与外壳2连接，而且也与热电元件3的面31、32连接。

导热体4具有从热电元件3开始朝向真空隔热体的边缘增大的横截面。

此外，可以看到设置在真空区域之外的换热器5，所述换热器构成为，用于接收或输出通过各个导热体4传递的热量。

导热体4和换热器5、即初级换热器4和次级换热器5彼此导热连接。穿过薄的薄膜进行导热。能够如在附图中示出的那样提出，薄膜2的厚度在内侧上和外侧上在换热器4的区域中相对于其他区域减小，以便确保更好的换热。替代地，薄膜2的厚度也能够是在该区域中不变的，这在生产中是有利的，并且提高系统的真空密封性。

在真空隔热体之内存在真空，使得热电元件3和初级换热器4完全位于抽真空的区域之内。

此外，在抽真空的区域之内，在薄膜之间存在例如呈粉末的形式的支撑芯，并且优选呈珀耳帖粉末的形式的支撑芯。如果所述粉末也在珀耳帖元件的半导体颗粒之间存在，那么由此不仅阻止在珀耳帖元件或热电元件的热侧和冷侧之间的气体导热，而且也阻止在珀耳帖元件或热电元件的热侧和冷侧之间的辐射换热。