EP2552747A1 - Temperierelement und temperiervorrichtung für ein fahrzeug - Google Patents

Temperierelement und temperiervorrichtung für ein fahrzeug

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Publication number
EP2552747A1
EP2552747A1 EP11712234A EP11712234A EP2552747A1 EP 2552747 A1 EP2552747 A1 EP 2552747A1 EP 11712234 A EP11712234 A EP 11712234A EP 11712234 A EP11712234 A EP 11712234A EP 2552747 A1 EP2552747 A1 EP 2552747A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
peltier
heat
eiement
conductor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11712234A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Holger Brehm
Jürgen Grünwald
Dirk Neumeister
Holger Schroth
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mahle Behr GmbH and Co KG
Original Assignee
Behr GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102010013467A external-priority patent/DE102010013467A1/de
Application filed by Behr GmbH and Co KG filed Critical Behr GmbH and Co KG
Publication of EP2552747A1 publication Critical patent/EP2552747A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60N—SEATS SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLES; VEHICLE PASSENGER ACCOMMODATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60N2/00—Seats specially adapted for vehicles; Arrangement or mounting of seats in vehicles
    • B60N2/56—Heating or ventilating devices
    • B60N2/5678—Heating or ventilating devices characterised by electrical systems
    • B60N2/5692—Refrigerating means
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device

Definitions

  • the present invention relates to a Temperieriement and a tempering device for a vehicle, in particular for an electric or hybrid vehicle.
  • thermoeykineal materials are already being exploited in cooling applications such as cooling of electronic components or in camping coolers. Efficiency has so far been considered too low for automotive applications, but the reverse effect of electricity generation from temperature differences by means of thermoelectricity at the exhaust system of combustion engine driven vehicles is propagated by well-known manufacturers in the industry and developed towards series production. So far, the conventional Käitekressfauf is used for the air conditioning of the cabin, for heating is largely set in electrical vehicles of the first generations to electric resistance heaters.
  • Resistive heaters only reach a COP-1 and load the range of the Ejektrolanguagees considerably.
  • the circuit operates in principle with an acceptable COP, but contains many individual components and must be regularly refilled with refrigerant. In total, separate units for heating (radiator) and cooling (refrigeration circuit) must be installed for each of the functions.
  • the present invention is based on the finding that a heating or cooling element in the layer design can be made possible by a skillful series maintenance of Peltier elements, such that in each case identically doped Peltier elements are arranged adjacent in a layer.
  • Peltier elements differs from the use of PTC stones among other things by the fact that two differently doped materials, ie p- and n-doped elements, are in shadow with each other.
  • the Peitlereleniente have a configuration such that one warm side each two differently doped Peitlereleniente and a Kaitseite two differently doped Feitieriata are electrically connected, so that a total of a serial circuit results.
  • such a configuration can hardly be transferred directly to a production-appropriate radiator or heat sink, since the metallic conductors do not form a continuous ridge, which goes beyond two differently doped, immediately adjacent elements. The interruptions could only be bridged by an electrical nonconductor. This non-conductor is an obstacle to the heat transfer on both sides.
  • the approach according to the invention describes a radiator with a possible cooling function for heating or cooling the cabin of an electric vehicle, which can be produced as inexpensively as possible with the least possible effort and already replaceable manufacturing technologies and also has a high efficiency by optimizing the heat transfer.
  • a radiator according to the invention can have easily produced, continuous webs for a ribbing and continuous channels for cooling water, which are each designed as electrical conductors.
  • a direct direct thermal bonding of the stapling elements to a liquid and / or air side a high heat transfer can be realized, which is due in particular to the fact that no electrical insulators are present as thermal barriers in this region.
  • such a combination can be used from series and parallel connection can be tuned to 12V.
  • the heat transfer at fins on the air side and a kuHowasserkanai can be performed on two sides according to a ⁇ us Installationsform.
  • Such a structure offers the further advantage that a possible thermal insulation effect of a galvanic separation, for example between the ribs, unproblematic, since there is no temperature gradient here due to the symmetry condition,
  • a possible thermal insulation effect of a galvanic separation for example between the ribs, unproblematic, since there is no temperature gradient here due to the symmetry condition.
  • a basic design designed in accordance with the approach according to the invention thus has the advantage that it essentially differs from that of a radiator with a material connection by two points. First, cooling water canals are already used as a heat source, for a heating operation, or as a heat sink for a cooling operation available.
  • a heater without combustion waste heat with COP> 1 and a combination of functions cooling and heating in a structure is possible.
  • refrigerant as well as a simple decentralization due to modularity, due to repetitive layers and a repetitive surface structure within a layer.
  • the tempering element can be used for example in an electric or hybrid vehicle to temper a passenger compartment of the vehicle. Tempering can mean heating as well as cooling.
  • the first Peitier element layer and the second Peitier element layer may be formed of two differently doped semiconductor materials. Thus, for example, the first Peitier element layer n-doped and the second Peitier- element layer p-doped or vice versa, the first Peitier element layer p-doped and the second Peitier element layer n-doped.
  • semiconductor instead of semiconductor
  • other suitable conductors can be used for the Peltier element layers.
  • the first and second electrically conductive varnishieiteriage can be formed of a highly conductive metal.
  • a current applied to the tempering element may enter the tempering element at one end of the stack, pass through the entire stack and leave it again at an opposite end, for example, via suitable contacts connected to an electrical line, the first and second electrically conductive ones sauiiteriage can each be traversed by a réelleleitfluid.
  • the first and second heat conductor layers may be arranged in the stack with respect to the first and second Peltier element layers so that a temperature generated by the peltser effect may be transferred to the heat conducting fluids carried therein. According to the Peltier effect and the arrangement of the heat conductor layers with respect to the Peltier element layers, one of the heat conducting fluids is always heated and the other cooled during operation of the tempering.
  • the first and second thermal fluid may each be a gas or a liquid.
  • one of the heat-conducting fluids can serve to be directed into a passenger compartment of the vehicle in order to cool or heat it. If the current flow in the Temperiereiement reversed, so the planteleitfluid, which was previously heated by the tempering now be cooled, or vice versa.
  • an electrical insulation can be arranged between the heat conductivity fluid and a surface of the heat conductor layer facing the heat fluid.
  • the temperature control element may comprise a further first electrically conductive heat conductor layer and additionally or alternatively comprise a further second electrically conductive heat conductor layer.
  • the further first and / or further second heat conductor layer may be arranged in the stack separated by at least one of the first or second paper layer from the first or second heat conductor layer.
  • the stack may be constructed such that at the bottom of the stack, the "further two" te slaughteriage is located on the first Peltier-Eiement-layer is located. On this turn, the first réelleleiteriage can be arranged, on which the second Peltier-Eiement-layer is located. The second cherriesleiterläge can form the conclusion of the Temperiereiementstapels.
  • the stack may be constructed so that the further first heat conductor layer forms the first layer of the stack.
  • the first Peltier-Eiement layer, the second denominationleiteriage, the first balleiteriage, the second Peltier-Eiement layer and the other second balleiteriage can be arranged successively, for example, wherein between the second denominationleiteriage and the first denominationleiteriage a thermal insulating layer can.
  • the Temperiereiement comprises a further second electrically conductive Jerusalemiage
  • the second having a first electrical contact
  • the further second having a second electrical contact
  • the first Peltier-Eiement layer and the second Peltier-Eiement layer between the second denominationleiteriage and the other second can be arranged.
  • the first heat conductor layer may be disposed between the first Peltier-Eiement layer and the second Peltier- Eiement layer. According to this arrangement, a first pellet effect can be achieved at the first heat conductor layer, so that the first heat conductor layer can be heated or cooled in accordance with a polarity of the current conducted through the stack.
  • the second heat conductor sheet can be heated when the first heat conductor sheet is cooled or cooled when the first heat conductor sheet is heated.
  • This arrangement offers the further advantage that no thermally insulating layer between the individual layers is required, always different tempered zonesleiferlagen are always separated by a Peltier Elemenf layer.
  • a stacking of the tempering with another same Tempenerelement also only a galvanic separation and no thermo-galvanic separation between the tempering is required, since two heat conducting layers are arranged adjacent to each other, the are exposed to the same Peltier effect and thus have the same temperature,
  • the tempering may comprise a further first heat conducting layer and a further second denominationleiteriage.
  • the first heat conductor layer may have a first electrical contact
  • the further first heat conductor layer may have a second electrical contact.
  • the tempering can have an electrical line for connecting the second balleiteriage with the other second balleiteriage.
  • the first balleiteriage and the second denominationleiteriage between the first and the second PeStier-Etement-layer can be arranged and the first Pei-Elindent-layer and the second Peltier-Etement-layer between the other first balleiteriage and the other second balleiteriage arranged be.
  • Between the first balleiteriage and the second balleiteriage can also be arranged a galvanic and thermal insulating layer.
  • an electric current can enter the tempering element at the first electrical contact and from there the second pervious element layer, the second heat conductor layer. pass through the further second denominationleiteriage, the first Peltier-Eiement-layer and finally the further first silkleiteriag via the electrical line. At the second electrical contact, the electric current can be forced out of the tempering element and possibly into a further tempering element.
  • the various heat conductors of the temperature element can also be connected to one another via additional electrical lines.
  • the additional lines can be arranged in each case at the opposite ends of the lines of the respective planteleiier- layers of the tempering.
  • the heat conductor layers provided with a first or second contact can each have additional ontacts for changing the additional lines.
  • Such a double-sided supply and discharge of the electric current left and right on the tempering, for example by means of cables, can -
  • the first Peltier element layer may have at least two first Peltier element conductors arranged adjacent to one another
  • the second Peastier element layer may have at least two second Peltier element conductors arranged adjacently to one another.
  • a distance between the individual elements in elements may be selected depending on a heat output of the Peltier element conductors.
  • electrical insulation can be arranged between the individual Peltier-EIement conductors.
  • the Peltier element conductor can be arranged areally, so for example both in the longitudinal direction and in the transverse direction side by side.
  • the first Peltier element layer and the second Peltier element layer may each have at least one first Peltier element conductor and at least one second Peltier element conductor.
  • the first and second Peltier element conductors may be arranged adjacent to each other and electrically conductively connected to each other.
  • the electrical current tested by the stack can serially flow through the first Peltier element conductor and second Peltier element conductor.
  • the first Peltier element lines may be n-doped and the second Peitier element lines may be P-type, or vice versa.
  • the first heat conductor layer can be considered a kink! be formed and the second heat conductor layer may be formed as a ribbed Eiemeni.
  • the coolant passage may be formed as a pipe for guiding a coolant liquid.
  • the ribbed element can be formed, for example, from two webs, between which a zigzag or wave-shaped bent metal band is arranged, so that, for example, obliquely arranged ribs are formed between the webs.
  • the second heat source may be air that is directed from a vehicle environment into the vehicle and passed through the second heat conductor layer where it is cooled or heated in accordance with a temperature of the second heat conductor layer.
  • the second heat conducting layer advantageously offers a large temperature transition surface for the fluid guided through the second heat conducting layer.
  • the first heat conducting layer for guiding air and the second heat conducting layer for guiding a liquid can also be formed.
  • the first heat conducting layer can have a plurality of coolant channels arranged adjacent to one another and the wide heat conducting layer can have a plurality of rib elements arranged adjacent to one another.
  • the first heat conducting layer may have on its outside a galvanic insulating layer. This may be surrounded by a conductor layer, which may be formed to allow a current flow between the first Peltier element layer and the second Pelfier element layer.
  • the first heat conducting layer may be completely enclosed by the conductor layer, or the conductor layer may be applied on two opposite sides of the first heat conducting layer and connected to an electrical line. In this way, the electrical Stromfiuss can be ensured by the stack of tempering, at the same time the first heat conductor layer is excluded from an electrical Stromfiuss. So can Leakage currents are avoided in the coolant flowing through the first réelleleiteriage.
  • the first heat conductor layer and the second heat conductor layer may be configured to provide mutually orthogonal flow directions for the first heat conduction fluid and the second heat conduction fluid. In this way, inlets and outlets of the different heat conductors can be arranged on different sides of the tempering element.
  • the present invention further provides a temperature control device comprising a plurality of temperature control elements, wherein the plurality of Temperiereiementen are connected via the respective first and second contacts in a series circuit.
  • a galvanic Isoiierlage between each two of the plurality of tempering a galvanic Isoiierlage be arranged.
  • an electrical current flow can be ensured successively by all Temperiereiemente the temperature control.
  • Contacts of a first and last tempering device in relation to the current flow can be connected to a current source.
  • Between adjacent tempering arranged galvanic insulating layers can also provide a thermal insulation between the individual tempering. This is particularly important when two differently tempered réelleleiteriagen are arranged adjacent to each other in the temperature control.
  • the Temperiereiemente can be connected both in a series connection as well as in a parallel circuit or in an isehförrh in the temperature control.
  • the plurality of tempering elements can be arranged in at least one stack.
  • one dimension of the tempering device via a corresponding number of stacked tempering and / or a horizontal extension of the individual layers of the plurality of Tempering be angepassi existing spatial conditions.
  • the tempering ' may also be formed of a plurality of stacks, which are arranged adjacent and connected via the respective contacts in a series circuit or a parallel circuit,
  • the present invention further provides a temperature control device for a vehicle, with. the following features: a first densityleiteriage for conducting a first balleitfluids; a Peltier element layer having a plurality of ply eggs spaced apart from one another and each comprising a plurality of Peltier-earthing conductors; and a second heat conductor layer for conducting a second heat conducting fluid; wherein the layers are arranged in the form of a stack, so that the Peltier element layer is arranged between the first réelleleiteriage and the second milleiteriage.
  • the Peltier element layer can be designed to cool the first balleiteriage and to heat the second heat conductor legend, or vice versa.
  • Each Peltier element may be implemented as a separate Peltier module, which means that each Peltier element has its own electrical connections for supplying and discharging a current flowing through the Peltier-Efement conductors of the petal element.
  • the Peltier elements can each have a base plate on which only the Peltier element conductors of the respective Peltier element are arranged. A distance between adjacent Peltier element conductors within a Peltier element may be less than a distance between adjacent Peliier- Eiementen.
  • the Peltfer elements may each comprise both n-type Peltier element conductors and p-type Peier element conductors. Also, the Peitier-ESement conductor can be designed as vapor-deposited conductor tracks or as a fabric.
  • the majority of Peltier elements of a Peltier element layer can cover a maximum of one-tenth of a total area of the Pei er ⁇ Eemente layer. Between the Peltier elements, a thermally isolated interspace can be faefin- the. Alternatively, the plurality of Peltier element conductors may cover a maximum of ten times the total area of the Feitier element layer.
  • the tempering device may comprise a further Peitier-EIement layer having a plurality of further Peltier elements which are .babstandet each other and each comprise a plurality of further Peltier element conductors, and another first heat conductor position for guiding the first heat-conducting fluid.
  • the further peeling element position can be arranged in the stack between the second heat conductor layer and the further first heat conductor layer. In this way, no thermal insulation between adjacent layers is required »
  • the Temperiervorricntisng having a thermal insulating layer, a further first ieiierlage for guiding the first Wärmieiffluids and another Peltier element layer having a plurality of further Peltier Eiementen (6 ⁇ ), which are spaced from each other and each have a plurality of
  • the thermal insulating layer in the stack adjacent to the second heat conducting layer and the further first politiciansleitefiage can be arranged in the stack between the thermal insulating layer and the other Peltier element layer.
  • a tempering device has a shank device, which is designed to move the first heat-conducting fluid through the first heat conducting layer and the further first heating layer in a first operating mode of the tempering device and through the first heating layer or through the first heating layer in a second operating mode to conduct further first thermal conductor layer.
  • the tempering can be designed as a folding.
  • the temperingvqrric In the first mode of operation, the heat output can be higher than in the second mode of operation.
  • a .Aus enclosuresform may arranged adjacent Peltier element layers, for example the first Pei 'tier Eiement-layer and the second Peltser element capable of having a different number of Peltier Elerrient conductors or Peltier elements.
  • an arrangement of Peltier element conductors or Peitier eggs may be used. to distinguish adjacent Peltier element layers.
  • an areal extent of the Peltier-Eiement conductor or the Peltier element may differ on adjacently arranged Peltier element layers.
  • FIG. 1 shows a pragmatism of a temperature control device according to an embodiment of the present invention
  • Fig. 2 is a schematic diagram of a Temperiervo direction according to a further(sbesspiei of the present invention
  • Fig. 3 is an enlarged view of a detail of the Temperiervornchtuhg of Fig. 2;
  • Fig. 4 is a schematic representation of a Temperiervornohtung according to a wide renjarsbeispieider present invention
  • 5 shows a schematic representation of a series calibration of a plurality of temperature control devices, according to a further exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a plying member of another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a Peltier-Eiement layer, according to an embodiment example. the present invention.
  • FIG. 8 is a principle view of a temping device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 shows an exploded view of a section of a temperature control device, according to an exemplary embodiment. the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic diagram of a Peltier-Eiement layer and a Peltfcr Efements, according to an embodiment of the present invention.
  • Fig. 11 is a projection of two Peltier element layers, according to an embodiment of the present invention.
  • the tempter device 100 is formed here from a stack of four temperature control units 105.
  • the tempering device 100 may also have more or fewer tempering elements 105.
  • the second thermal conductor layer 125 forms the base of the stack.
  • the first Peitier element layer 110 is arranged, on which in turn the first heat conductor layer 120 is arranged. This is covered by the second Peitier Elemenf lag 1 15 on which finally the other second heat conductor layer 130 is located.
  • FIG. 1 As shown in FIG.
  • the first Peltier-Efcmenf layer 110 and the second Peltier-element layer 1 15 each composed of three individual spaced adjacent arranged Peltier Ele-Leitem 135 together.
  • the Peltier element conductors 135 are provided with a reference mark.
  • the Peltier element conductors 135 of the first Peitier element layer 110 are n-doped and the Peltier element conductors 135 of the second Peltier element layer 115 are P-doped.
  • the first heat conducting layer 120 is each an ühimitielkana! educated.
  • the second heat conducting layer 25 and the further second heat conducting layer 130 are each designed as a rib element with two parallel webs and between the webs obliquely arranged ribs.
  • a galvanic insulating layer 140 is arranged between each two adjacent tempering elements 105.
  • only one of the galvanic insulating layers 140 is identified by a reference numeral.
  • one of the two victories of the rib element 130 can also be dispensed with, for example if two tempering elements 05 follow each other in the stack, so that a second heat conducting layer 125 of a tempering element 105 adjoins, and with conversion. Stands separated only by a galvanic Isolieriage 140, is arranged to a further second heat conductor layer 130 of a subsequent Temperiereiemenis 105.
  • the web adjacent to the insulating layer 140 can be dispensed with. Adjacent layers may be in direct contact with each other.
  • the second heat conducting layer 125 has a first electrical contact 145 and the further second heat conducting layer 130 has a second electrical contact 150.
  • each have a second contact 150 of a tempering 105 is connected to a first contact 145 of a neighboring Temperiereiemenis 105 via an electrical line 155.
  • the first contact 145 of the uppermost tempering belt 105 in the temperature control device 100 and the second contact 150 of the lowest temperature control element 105 are connected to an electrical supply line or discharge, so that a current introduced into the temperature control device 100 through the supply line flow the entire stack and can leave this through the derivative again.
  • Each radiator or tempering core 105 includes a coolant channel 120 and air passages 125, 130. Heat is transferred between the coolant and the Peltier elements 135 and between the pave elements 135 and the finned air side 125, 130 via the lance elements 135 , Due to the advantageous electrical interconnection 155, an easy-to-manufacture construction principle can be achieved. In addition, radiator 105 eliminates the need for electrical insulators, which would generally adversely affect heat pipe properties in areas of high heat transfer demand.
  • Thedemifteikanäle 120 are flowed through with coolant. To these are on both sides di Pellieretti 135 connected, so that the heat transfer in both directions can be done.
  • the heat is transmitted via the Peitierelindente 135 and reaches the benppte air side 125, 130, the ribs 125, 130 facilitate the heat transfer to the air.
  • This heat cycle is also carried out electrically continuously conductive, since the electrically conductive heat conducting layers 120, 125, 130 of metal, for example, aluminum , are formed and the Peitiereschreibente 135 thermoeiektrisch active functional material.
  • the electrical insulation layer 140 is located centrally between the ribs 125, 130. A possible heat transfer resistance through the insulation layer 140 does not matter, since according to the symmetry there is no heat transfer in the vertical direction in the sense of the active principle.
  • the Peitierecidente 135 in Fig. 1 are executed in a row (layer) each exclusively p- or n-doped.
  • the electrical Verschaitung 155 is carried out such that an increase of the Temperiervorriehtung 100 in the vertical direction by increasing the number of layers of Temperiermaschinen 105 causes an increase in the total voltage drop across the Temperieworridhtung 100.
  • the tempering device 100 comprises four layers of tempering elements 105 each having an identical internal structure.
  • a horizontal extension of the Temperiervorriehtung 100 causes a higher current, since all elements of a layer are electrically connected in parallel.
  • a Temperlerelement layer 105 could be rotated by 180 °, so that not always the same doping at the top and the other doping is below.
  • the electrical connections 145, 150 are shown as i Fig. 1 attached . that they fit seamlessly into the VerMlungskal.
  • the number of layers of tempering elements 105 defines the range of the voltage drop across the heating element 100. If this would be too high for a given height of the heating element 100, the electrical shading can be interrupted by further electrical supply lines.
  • the radiator cutout from FIG. 1 can be exactly replicated and placed on top of the existing cutout.
  • the current flow can be described again as follows:
  • the current flows through a series of Peltier elements 135 of the same doping, in parallel connection, to the cooling water kana! 120 and via this to the row of differently doped elements 135, which are also connected in series are.
  • Each in adjacent electrical series circuit elements change the doping.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a temperature control device 200 according to a further exemplary embodiment of the present invention.
  • the tempering device 200 has an almost identical construction to the tempering device 100 from FIG. 1, with the difference that each tempering element 1.05 has an external electrical connection 205 for bypassing the cooling medium channel 120.
  • each tempering element 1.05 has an external electrical connection 205 for bypassing the cooling medium channel 120.
  • only one of the electrical connections 205 is provided with a reference numeral.
  • the use of the electrical connections 205 is due to the fact that, as a rule, no purely organic coolants are used, but those in which a certain proportion of water is contained. As a result, the coolant becomes electrically conductive and, when used in a temperature control device according to FIG. 1, would be exposed to a voltage difference. This can be avoided by removing the coolant channel 120 from the flow cascade.
  • a nonconductor is applied in a thin layer on the coolant center tube 120, so that a heat transfer resistance is minimized.
  • a, preferably continuous, conductor layer is applied, the Kühimiielkanal 120 itself thus remains potential-free, but Rnuss but be bypassed by the separate conductor 205, as well as on the air side 125, 130 of the case.
  • the conductors 205 may also have a different embodiment than shown in FIG.
  • FIG. 3 shows an enlarged detail of a structure of a cooling medium channel 120 according to the embodiment shown in FIG. 2. Shown is a section of the coolant channel 120 in a longitudinal sectional view, a gakani- see insulating layer 305 of an insulator is applied to thederoiitelkanaJ 120 so that an electrical voltage transmitted to a Ronrwand 310 electrical voltage can not be transferred to the coolant tube 120 by flowing ühifluicl. Via the galvanic insulating layer 305, a conductor layer 315 is applied from an electrical conductor.
  • the conductor layer 315 in turn has an electrical contact to a ⁇ bleiler 320, which tap the electric current here and the conductor layer 315 can be fed elsewhere so that the KühSfiuid is excluded from the electrical Stromfiuss, the tube wall 310 may be formed for example of aluminum be.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of an alternative embodiment of a temperature control device 400.
  • the temperature control device 4 ⁇ comprises a vertical stack of three temperature control belts 405, which have a construction deviating from the temperature control elements explained in connection with FIG.
  • a galvanic and thermal insulating layer 410 is located between the first heat conducting layer 10 and the second heating layer 125.
  • the galvanic and thermal insulating layer 410 may have an optional rib for the ribbing element 125 or the rib element 130.
  • the illustrated in connection with FIG. 1 galvanic Isölierlage deleted here.
  • the tempering element 405 has a further first heat conductor layer 415 that forms a base of the tempering element 405.
  • the first heat conductor layer 120 has the first electrical contact 145 and the further first heat conductor layer 415 has the second electrical contact 150.
  • the secondticianiage 125 each tempering 405 is connected via an electrical line 420 with the other second réelleleiteriage 130.
  • the insulating layer 410 on the other side now no longer acts only electrically insulating against low voltage, but also thermally insulating. Accordingly, a thickness of the Isofierlage 410 may be higher here.
  • the air sides 125, 130 adjacent layers on the lines 420 electrically interconnected with each other, as well as the cooling water sides 120, 415 adjacent layers are no longer directly, but also analogous to Luffseile also indirectly via separate conductors 425 electrically connected. This in turn takes place in such a way that two layers 120, 415 and 125, 130 which are electrically connected to one another have changing dopings of the Peltier stones 135 which are monotonously doped within a layer.
  • an absolute order i. a start and an end of a series connection with a certain doping (p or n), and a number of Peltiereiementen in each spatial direction in principle remains open. Also open is operation as a heat pump, wherein air is heated, or as an air conditioner, wherein air is cooled.
  • the respective functionality can be changed by repositioning.
  • FIG. 5 shows a schematic diagram of an embodiment of an extended series electrical circuit 500 of temperature control devices 100, 200 or 400 according to FIGS. 1 to 4 in a horizontal direction.
  • the plurality of tempering devices 100, 200 or 400 is shown in simplified form. As shown in FIG. 5, the tempering devices 100 "200 or 400 are arranged in a plane one behind the other in a depth direction 510 indicated by an arrow. In accordance with structural conditions of the place of use, the arrangement 500 shown here can also be extended by v / eitere TemperiervOinchtitch 100, 200 or 400.
  • the individual temperature control devices 100, 200 or 400 are electrically connected to one another such that a current flow through the entire arrangement 500 takes place. can.
  • the electrical connections are not shown in FIG. 5.
  • Another arrow represents a ringing ring 520 of a sleeve side conductor, for example guided by the second and further second sleeve layers of the temperature control devices 100, 200 or 4 ⁇ . This can be, for example, air.
  • a further embodiment of a temperature control device may comprise a Peltier element having a plurality of Peltier elements which in turn comprise a plurality of Peltier elements Having Peltier element conductors.
  • a Peltier element having a plurality of Peltier elements which in turn comprise a plurality of Peltier elements Having Peltier element conductors.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of such a Peltier antenna 800. Shown is a horizontal arrangement of Peitier-Eemperent conductors 135. In each case, an n-doped Feltier-Eiement conductor and a p-doped Peitier- Eiemenf-Lelter are alternately in a level arranged. Adjacent arranged and differently doped Peltier-Eiement conductor 135 are each connected alternately via an electrical conductor 805 on a hot side and another electrical conductor 605 on a cold side. Interruptions 610 of the electrical conductors 805 are located on a hot soap or cold side opposite the respective electrical conductors. Above and below the layer of Peltier element conductors 136, an electrical insulator 615 is arranged in each case.
  • An embodiment of a temperature control device according to the invention can be constructed according to the principle of the temperature control devices 100, 200, 400 shown in FIGS. 1 to 4, but the Peltier elements 800 are used.
  • the Peltier elements 800 are used.
  • contrast to the embodiments shown, 100, 200 400 Peitier- each element 600, a supply and discharge of electric current.
  • the Ausenseiungsbeilinger invention In contrast to the Ausuiungsbeilinger invention.
  • Peltier elements 600 are used, a current flow does not occur through the entire stack, and in particular not through the heat conductor layers, but only through the Peltier element layers.
  • the individual Peltier element layers can each be connected to paraSiel or serially.
  • each row of thermoelectric elements 800 may be simply used be treated as a single circle, if eg the fine structure of the Peliiermoduie 600 already causes a voltage drop of 12 V, which corresponds to the conventional functionality.
  • an n-type or p-type component or n-type or p-type Peltier-type conductor may have a voltage drop of 0.0625 V. With 16 blocks, this would result in 1 V for a Peltier element. If the radiator 12 has serially connected rows, a total of 12 V of voltage drop would be realized.
  • FIG. 7 shows a perspective view of a surface layer, in particular a puser eggement layer 710, according to an embodiment of the present invention.
  • the Peltier element layer 710 has a plurality of Peltier elements 600.
  • the Peltier elements 600 may each be a - -
  • the individual Peltier elements 600 are each separated by a thermally insulated gap 712.
  • a heat flow direction is indicated by an arrow.
  • the tempering device has a stack of réelleleiteriagen, of which, for example, a Luitkanal is designated by the reference numeral 125 and Pelel Elemeni layers, of which one by way of example with the reference numeral 710 ⁇ is characterized on.
  • warmed air flows into the temperature control device 8O and cold air flows out of the temperature control device 800.
  • the Peitier-Eiemente are arranged, or, operated so that the Heilkanäie 125 are cooled.
  • Other denominationleiteriagen the Tempenervoriques 800 which can be flowed through, for example, a coolant, however, are heated.
  • FIG. 9 shows on the left a layer of the tempering device shown in FIG. 8 and on the right an exploded view of this layer, according to an exemplary embodiment of the present invention. Shown is a stapeiförmiger structure of a first sauvaiterlage 120 two second heat conductor layers 125 and two Peltier Elemeni layers 710, the Peitier-Eiement layers 710 are each disposed between the first heat conductor layer 120 and one of the second heat conductor layers 125.
  • the first heat conducting layer 120 is in the form of a flat coolant channel, through which a coolant 850 flows.
  • the Peltier element layers 710 may be formed as Peltier layers with electrical contacting and strong electrical insulation,
  • the Peltier element layer 710 can be a Peltier layer used in FIG. 9.
  • the Peitier element 800 has a base plate and a cover plate, between which a plurality of Peliier element conductors is arranged.
  • the arrangement of the Peitier-Efement-conductor can be carried out according to the arrangement shown in Fig. 8.
  • the integration plane can no longer be located in doped P and N blocks, but entire add-on elements can be used which have their own fine structure, i. P and N, have.
  • the fine structure can be composed of stones.
  • interconnected bricks for example vapor-deposited printed conductors or tissue can be used.
  • the erfindiingsdorfe approach can be used in a thermoelekirischen heating and air conditioning unit.
  • a moduiar constructed device is used to heat or cool the Kabinenluit, the heat absorption or heat dissipation via the low-temperature circuit of the vehicle, preferably electric vehicle.
  • thermoelekirischen IVlateriaiien profitable ' the basic design of the device is designed in the best possible heat transfers out.
  • thermoelectric materials which can produce the effect without moving parts and without refrigerant, are also suitable. An ideal condition would be if the cooling function of the cabin (summer mode) could be perceived by the same thermoelectric elements, since then the refrigeration cycle would be completely eliminated and the switching between heating and cooling would be accomplished by reversing the applied voltages without mechanical changes.
  • the inventive approach makes it possible to accomplish the function "Helzen the cabin” with a C ⁇ P> 1 (heat pump operation) and to dispense with the separate refrigeration cycle by electrical switching to cooling mode, the COP should not be inferior to the CQP of a refrigeration cycle in cooling mode.
  • thermoelectric An essential feature of a heating and air conditioning unit using the Peltier effect is a significantly increased heat transfer with the lowest possible temperature differences between the fluid and the thermally connected side of the thermoelectric elements. Since the efficiency of heat exchangers quickly reaches its limits, the solution remains to bring low driving temperature differences by greatly reducing the transferred heat flux density, the relationship between falling GOPs' at higher Temperaturfäfferenzen is significantly more pronounced in the thermoelectric than refrigeration circuits, since between warm and cold side of a Peltier element undesirable heat conduction takes place in natural choctikrl- tion.
  • thermo-Byzkir elements Reducing the power density can not simply reduce the energization of the thermo-Byzkir elements, since the COP would massively deteriorate here, so the elements remain as undesirable thermal bridges between the hot and the high sides.
  • the semiconductors used usually have thermal conductivities in the one-part range (W / m2K). Instead, the Peitier 1952 must be charged to be calculated or as a map to be deposited, optimal current and may take to reduce the power density only a small FSambaanteil their respective Einfaau area.
  • the heating and cooling body is designed so that the maximum COP can be as good as possible at one or more relevant operating points.
  • the peitier comprise With lower power requirements, ie reduced energization, the COP would worsen, the peitierieri increasingly act as natural ärmebrüeke. Therefore, after falling below a certain power level, individual layers are separated not only electrically, but also thermally from the air flow, e.g. Flaps close the entrance. This possibility can be realized for a certain number of single locations or even for several locations. A finer gradation improves the COP over the operating cycle, a coarser gradation reduces the cost of manufacturing.
  • 12 layers may be provided in a heating and cooling body. Of these, three layers each can be closed together on the air side in a total of 8 layers. It will thus 2 flaps needed.
  • the number of concurrently flowed layers may be as follows: 6 layers if two flaps are closed, 9 layers if one flap is closed and 12 layers if old flaps are open.
  • the component is to be dimensioned such that during the heat-up or cool-down, ie during heating and cooling, the required heating or cooling performance can be achieved independently of the COP achieved in these phases,
  • FIG. 11 shows a vertical projection of two adjacent Peltier element layers in a plane of view, according to an embodiment of the present invention. Shown is a front Peltiereiementlage, in Fig. 11, the upper layer, with a plurality of schematically illustrated Peltier elements 800. Of the plurality of Peltier elements 800 is provided for clarity, only one with a reference numeral 800. Furthermore, a rear Peltieriementlage is shown with a plurality of schematically illustrated Peltier elements 1600. The Peltier elements 1600 s nd shown by broken lines. Of the plurality of Peltier elements 1600, only one is again provided with a reference numeral 1800 for the sake of clarity.
  • the front Peltiereiementlage sixteen Peltier elements 600 and the rear Peltiereiementslage nine Peiiiereiemente 1600 on.
  • the Peltier elements 600 have a different arrangement on the front Peltieriementlage than the Peltier elements 1800 on the rear Peltiereiementlage. Shown is a staggered arrangement in which a row or column of Peltier elements 800 alternate with a row or column of Peltier elements 1600. In this case, the Peltier elements 800 have no overlapping areas with respect to the Peltier elements 1600.
  • the Peltier elements 600 and the Peltier elements 1600 each have the same size, the Peltier elements 600, 1600 can be identical.
  • Peltier elements 800, 1600 may have different sizes,
  • Peltier element layer has a homogeneous teniperai distribution.
  • peltier eggs 600, 1800 which represent heat sources or heat sinks, so-called hol spots and cold spots.
  • the planar arrangement and number of peltier eggs 600, 1600 and, additionally or alternatively, the element size of the pincer elements 600, 1600 may vary between two neighboring lattice elements. This can bring the advantage of reducing the formation of hot spots or cold spots by the heat sources or heat sinks, for example, on a Be . ribs, turbo-actuators or a fluid act, in the mental, vertical projection shown in Fig. 1 1, both Peltier element layers on a Giionsf laugh, increase in number and have smaller distances.
  • the Thetientbeisplele described are chosen only by way of example and can be combined.
  • a combination of the embodiments with Peltier element layers which are composed of individual Peltier-Eiement-Leitem are constructed with and the embodiments with Peltier element layers the Peltier E ements are possible.
  • the electrical shading of the Peltier element layers can in each case be adapted accordingly.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Temperierelement (105) für ein Fahrzeug, das eine ersten Peltier-Element-Lage (110), eine zweiten Peltier-Element-Lage (115), eine erste elektrisch leitfähige Wärmeleiterlage (120) zum Leiten eines ersten Wärmeleitfluids und eine zweite elektrisch leitfähige Wärmeleiterlage (125) zum Leiten eines zweiten Wärmeleitfluids umfasst, wobei die erste Peltier-Element-Lage (110), die zweite Peltier-Element-Lage (115), die erste Wärmeleiterlage (120) und die zweite Wärmeleiterlage (125) in Form eines Stapels angeordnet sind, so dass die erste Wärmeleiterlage (120) und/oder die zweite Wärmeleiterlage (125) zwischen der ersten Peltier-Element-Lage (110) und der zweiten Peltier-Element-Lage (115) angeordnet ist, und wobei ein durch den Stapel geleiteter elektrischer Strom aufgrund eines Peltier-Effekts eine Temperierung der ersten Wärmeleiterlage (120) und der zweiten Wärmeleiterlage (125) bewirkt.

Description

Temperierelernent «nd T@mperi@rvorriehturtg
für ein Fahrzeug
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Temperiereiement und eine Temperiervorrichtimg für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug.
Bei Elektrofahrzeugen steht keine Verbrennungsabwärme zum Heizen der Kabine zur Verfügung. Elektrisch resistives Heizen erfordert eine erhebliche Vergrößerung der Batteriekapazitäten, was im Allgemeinen sehr kostenintens v ist. Es sind daher alternative Heilmethoden und auch KüWmeihoden gefragt, um den Bedarf an elektrischer Energie zur Aufrechterhalturtg des Pässagierkom- forts zu verringern.
Für Elektrofahrzeuge steilen PTC~Zu.heizer oder Kaitteiter-Zuheizer eine Möglichkeit; dar, ohne■Mitführung eines Brennstoffes wie Benzin, Bioethanol etc. den Heizbedarf der Passagierkabine in den kälteren Jahreszeiten zu decken. Luft- seifig angeordnete PTC-Zuheizer werden bereits in Serie für Fahrzeuge mit zeitweise geringen Abwärmen produziert, etwa für moderne Dieselfahrzeuge beim Kaltstart. Eine Realisierungsform besieht hier beispielsweise in einem Heizkörperprinzip mit übereinander geklebten Lagen von Berippungen mit PTC- Steinen zwischen den Lagen. Dieses Design ist zwar besonders einfach, da kein den Heizkörper oder Teile davon umschließender Rahmen, Gehäuse, Rohr o,ä, erforderlich ist, sondern durch die Klebverbindungen eine serielle stoffschlüssige Verbindung mit den jeweiligen benachbarten Lagen besteht. Da bei dieser einfachen Bauweise die Benppung selbst stromführend ist, eignet sich diese jedoch ausschließliche für Niedervoltanwendungen, z.B. für das 12 V- Bordnetz.
Ein weiterer Ansatz ist eine Realisierung eines Heizkörpers mit Peitiertechnoiogie, In diesem Zusammenhang wurden z.B. bereits Prototypen eines Heizkörpers mit alternativer Kühlfunktion zur Unterstützung des AC- re-ises vorgestellt. Bei diesen Prototypen erscheint jedoch das Bauprinzip relativ aufwändig und dreidimensional, z.B. ist eine hohe Tiefe erforderlich, Der Peltiereffekt thermoeiekinscher Materialien wird bereits in Näschenanwendungen zum Kühlen ausgenutzt, etwa Kühlung elektronischer Bauelemente oder in Camping-Kühlboxen. Für Anwendungen im Automobil galt die Effizienz bisher als zu gering, dagegen wird der umgekehrte Effekt der Stromerzeugung aus Temperaturdifferenzen mittels Thermoeiektrik am Abgasstrang verbrennungsmotorisch getriebener Fahrzeuge von namhaften Hersteilern in der Fachweit propagiert und in Richtung Serienreife entwickelt. Bisher wird für die Klimatisierung der Kabine der konventionelle Käitekressfauf eingesetzt, zum Heizen wird in Elektrofahrzeugen der ersten Generationen weitgehend auf elektrische Widerstandsheizer gesetzt.
Beim rein elektrischen Heizen wird hochwertige elektrische Energie in minderwertige Wärmeenergie umgewandelt. Zweierlei Überlegungen stehen dem entgegen. Zum einen kostet eine Bereitstellung einer elektrischen Speicherkapazität, z.B. mittels iJ-ion-Baiterie ca. 500-700 €/kWh, Die bisher angedachten Technologien mit Peltierelementen sind aufgrund der höheren Komplexität der elektrischen Verschattung von abwechselnd p- und n-dotierten Bausteinen In elektrischer Serienschaltung aufwändiger realisierbar als Heizungen mit PTC- Zuheizer. Elektrische Isolatoren sind In der Regel auch thermisch isolierend und verschlechtern die Wärmeübergänge. Die Thermoeiekirik ist bei hohen treibenden Temperaturgradienten noch stärker von der Reduzierung des COP bzw. des Wirkungsgrades betroffen als konventionelle Wärmepumpen. Widerstandsheizer erreichen lediglich einen COP-1 und belasten die Reichweite des Ejektrofahrzeuges erheblich. Der äitekreisiauf arbeitet prinzipiell mit einem akzeptablen COP, beinhaltet aber viele Einzelkomponenten und muss regelmäßig mit Kältemittel nachgefüllt werden, Insgesamt müssen für jede der bei den Funktionen separate Einheiten zum Heizen (Heizkörper) und Kühlen {Kältekreislauf) verbaut werden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Temperierelement und eine verbesserte Temperiervorrichtung zu schaffen,
Diese Aufgabe wird durch ein Ternperierelement gemäß Anspruch 1 sowie eine Temperiervorrichtung gemäß Anspruch 8 gelöst.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine geschickte Seriensehaltung von Peltier-Efementen ein Heiz- bzw. Kühlkörper im Schichtdesign ermöglicht werden kann, dergestalt, dass jeweils gleich dotierte Peltier-Elemente benachbart in einer Schicht angeordnet sind.
Der Einsatz von Peltierelementen unterscheidet sich vom Einsatz von PTC- Steinen unter anderem durch die Tafsache, dass zwei verschieden dotierte Materialien, also p- und n- dotierte Elemente, miteinander in Verschattung stehen, Standardmäßig büden die Peitlereleniente ein derartige Konfiguration, dass jeweils eine Warmseite zweier unterschiedlich dotierter Peitlereleniente und eine Kaitseite zweier unterschiedlich dotierter Feitierelemente elektrisch leitend verbunden sind, so dass sich insgesamt eine serielle Schaltung ergibt. Eine derartige Konfiguration lässt sich jedoch kaum direkt auf einen fertigungsgerechten Heizkörper bzw. Kühlkörper Übertragen, da die metallischen Leiter keinen durchgehende Steg bilden, der über zwei unterschiedlich dotierte, unmittelbar benachbarte Elemente hinausgeht. Die Unterbrechungen könnten nur durch einen elektrischen Nichtleiter überbrückt werden. Dieser Nichtleiter stellt für den Wärmeübergang auf beiden Seiten ein Hindernis dar.
Der erfindungsgemäße Ansatz beschreibt einen Heizkörper mit möglicher Kühlfunktion zur Heizung bzw. Kühlung der Kabine eines Eiektrofahrzeuges, der mit möglichst geringem Aufwand und bereits ersetzbaren Fertigungstechnologien möglichst kostengünstig produziert werden kann und zudem einen hohen Wirkungsgrad durch Optimierung der Wärmeübergänge aufweist.
Ein erfindungsgemäßer Heizkörper kann einfach zu fertigende, durchgehende Stege für eine Berippung und durchgehende Kanäle für Kühlwasser aufweisen, die jeweils als elektrische Leiter ausgeführt sind. Durch eine möglichst direkte thermische Änbindung der Peftier-Elemente an eine Flüssig- und/oder Luftseite kann ein hoher Wärmeübergang realisiert werden, was insbesondere darauf zurückzuführen ist, dass keine elektrischen Isolatoren als Wärmebarrieren in diesem Bereich vorhanden sind-, Vorteilhafterweise' kann eine derartige Kombination aus Serien- und Parallelschaltung auf 12V abgestimmt werden. Der Wärmeübergang an Rippen auf der Luftseite und einen Kühäwasserkanai kann gemäß einer Äusführungsform zweiseitig ausgeführt sein. Ein derartiger Aufbau bietet den weiteren Vorteil, dass eine mögliche thermische Isolationswirkung einer galvanischen Trennung, z.B. zwischen den Rippen, unproblematisch, da hier aufgrund der Symmetriebedingung kein Temperaturgradient existiert, Insgesamt besteht ein bedeutender Vorteil in einer möglichst geringen Abweichung von bereits gemäß, bestehenden Ferfigungsverfahren hergestellten Heizkörpern, z.B. mit PTC-Zuhe'izem, bei gleichzeitig optimalem Wärmeübergang, Es ergibt sich somit ein optimale Wirkungsgrad oder CÖP (coefficient of Performance). Ein gemäß dem hier erfindungsgemäßen Ansatz gestaltetes Grunddesign bietet somit den Vorteil, dass es sich von dem eines Heizkörpers mit Stoff- schlüssiger Verbindung im Wesentliche durch zwei Punkte unterscheidet Erstens sind Kühlwasserkanäie als Wärmequelle, für einen Heizbetrieb, oder als Wärmesenke, für einen Kühlbetrieb, bereits vorhanden. Und zweitens ist mittig zwischen den Weilrippeh eine elektrische Isolierschicht vorhanden. Eine Funk- tionsweise eines erfindungsgemäßen Heizkörpers mit Peltier-Elementen für einen Heiz- oder Kühibetrieb gestaltet sich entsprechend so, dass Netto- Wärmeströme in Summe nur in vertikale Richtung auftreten und so zu verstehen sind.
Vorteiihafterwei&e ist ein Heizers ohne Verbrennungsabwärme mit COP>1 und eine Vereinigung der Funktionen Kühlen und Heizen in einem Aufbau möglich. Zudem ergeben ssch ein Entfall von Kältemittel sowie eine einfache Dezentralisierung durch Modularität, aufgrund sich wiederholender Lagen und einer sich wiederholenden Flächenstruktur innerhalb einer Lage.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Temperierelement für ein Fahrzeug, mit folgenden Merkmalen; einer ersten Peitier-Element-Lage; einer zweiten Peitier- Element-Lage; einer ersten elektrisch leitfähigen Wärmeieiterlage zum Leiten eines ersten Wärmeleitfluids; und einer zweiten elektrisch leitfähigen Wärmeieiterlage zum Leiten eines zweiten Wärmeleitfluids, wobei die erste Peitier- Element-Lage, die zweite Peitier-Element-Lage, die erste Wärmeieiterlage und die zweite Wärmeieiterlage in Form eines Stapels angeordnet sind, so dass die erste Wärmeieiterlage und/oder die zweite Wärmeieiterlage zwischen der ersten Peltier-Elemenf-Lage und der zweiten Peitier-Element-Lage angeordnet ist, und wobei ein durch den Stapel geleiteter elektrischer Strom aufgrund eines Peltier-Effekts eine Temperierung der ersten Wärmeieiterlage und der zweiten Wärmeieiterlage bewirkt.
Das Temperierelement kann beispielsweise in einem Elektro- oder Hybrid- Fahrzeug eingesetzt werden, um eine Fahrgastzelle des Fahrzeugs zu temperieren. Temperieren kann dabei sowohl erwärmen als auch abkühlen bedeuten. Die erste Peitier-Element-Lage und die zweite Peitier-Element-Lage können aus zwei unterschiedlich dotierten Halbleitermaterialien gebildet sein. So kann beispielsweise die erste Peitier-Element-Lage n-dotiert und die zweite Peitier- Element-Lage p-dotiert oder umgekehrt die erste Peitier-Element-Lage p-dotiert und die zweite Peitier-Element-Lage n-dotiert sein. Anstelle von Halbleitermate- riaiien können für die Peltier-Element-Lagen auch andere geeignete Leiter eingesetzt werden. Die erste und zweite elektrisch leitfähige Wärmeieiteriage können aus einem gut leitenden Metall gebildet sein. Ein an das Temperierelernent angelegter Strom kann an einem Ende des Stapeis in das Temperierelernent eintreten, den gesamten Stapel durchlaufen und ihn an einem gegenüberliegenden Ende wieder verlassen, zum Beispiel über geeignete Kontakte, die mit einer elektrischen Leitung verbunden sind, Die erste und zweite elektrisch leitfähige Wärmeieiteriage können jeweils von einem Wärmeleitfluid durchströmt werden. Die erste und zweite Wärmeieiteriage können in dem Stapel bezüglich der ersten und zweiten Peltier-Element-Lage so angeordnet sein, dass eine durch den Peltser-Effekt erzeugte Temperatur auf die in denselben geführte Wärmeleitfluide übertragen werden kann. Gemäß dem Peltier- Effekt und der Anordnung der Wärmeleiterlagen in Bezug auf die Peltier-Element-Lagen wird bei einem Betrieb des Temperierelements stets eines der Wärmeleitfluide erwärmt und das andere gekühlt. Bei dem ersten und zweiten Wärmeleitfluid kann es sich z.B, jeweils um ein Gas ode um eine Flüssigkeit handein. Entsprechend einer zu erzielenden Aufgabe des Temperierelements kann dabei eines der Wärmeleitfluide dazu dienen, In eine Fahrgastzelle des Fahrzeugs geleitet zu werden, um diese zu kühlen oder zu erwärmen. Wird der Stromfluss in dem Temperiereiement umgekehrt, so kann das Wärmeleitfluid, das davor durch das Temperierelement erwärmt wurde nun- abgekühlt werden, oder umgekehrt. Um einen Leckstrom über das Wärmeleitfluid zu verhindern, kann zwischen dem Wärmeieitfluid und einer dem Wärmefluid zugewandten Oberfläche der Wärmeieiteriage eine elektrische Isolierung angeordnet sein.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Temperierelernent eine weitere erste elektrisch leitfähige Wärmeieiteriage umfassen und zusätzlich oder alternativ eine weitere zweite elektrisch leitfähige Wärmeieiteriage umfassen. Dabei kann die weitere erste und/oder weitere zweite Wärmeieiteriage durch zumindest eine der ersten oder zweiten PeiÜer-Eiemenf-Lage von der ersten oder zweiten Wärmeieiteriage getrennt in dem Stapel angeordnet sein. Beispielsweise kann der Stapel so aufgebaut sein, dass sich zuunterst des Stapels die "weitere zwei- te Wärmeleiteriage befindet, auf der die erste Peltier-Eiement-Lage angeordnet Ist. Auf dieser wiederum kann die erste Wärmeleiteriage angeordnet sein, auf der sich die zweite Peltier-Eiement-Lage befindet. Die zweite Wärmeleiterläge kann den Äbschluss des Temperiereiementstapels bilden. Alternativ kann der Stapel so aufgebaut sein, dass die weitere erste Wärmeleiteriage die erste Schicht des Stapels bildet. Auf dieser können nacheinander zum Beispiel erste Peltier-Eiement-Lage, die zweite Wärmeleiteriage, die erste Wärmeleiteriage, die zweite Peltier-Eiement-Lage und die weitere zweite Wärmeleiteriage angeordnet sein, wobei zwischen der zweiten Wärmeleiteriage und der ersten Wärmeleiteriage eine thermische Isolierschicht angeordnet sein kann.
Für den Fall, dass das Temperiereiement eine weitere zweite elektrisch leitfähige Wärmeleiteriage umfasst kann die zweite Wärmeleiteriage einen ersten elektrischen Kontakt und die weitere zweite Wärmeleiteriage einen zweiten elektrischen Kontakt aufweisen. Dabei können die erste Peltier-Eiement-Lage und die zweite Peltier-Eiement-Lage zwischen der zweiten Wärmeleiteriage und der weiteren zweiten Wärmeleiteriage angeordnet sein. Die erste Wärmeleiteriage kann zwischen der ersten Peltier-Eiement-Lage und der zweiten Peltier- Eiement-Lage angeordnet sein. Gemäß, dieser Anordnung kann, ein erster Pel- tier-Effekt an der ersten Wärmeleiteriage erzielt werden, so dass die erste Wärmeleiteriage entsprechend einer Polung des durch den Stapel geleiteten Stroms erwärmt oder gekühlt werden kann. Gemäß einem zu dem ersten Pei- tier-Effekt entgegengesetzten weiteren Peltier-Effekt kann die zweite Wärmeleiteriage erwärmt werden, wenn die erste Wärmeleiteriage gekühlt wird beziehungsweise gekühlt wird, wenn die erste Wärmeleiteriage erwärmt wird. Diese Anordnung bietet den weiteren Vorteil, dass keine thermisch isolierende Schicht zwischen den einzelnen Lagen erforderlich ist, stets unterschiedlich temperierte Wärmeleiferlagen stets durch eine Peltier-Elemenf-Lage getrennt sind. Bei einer Stapelung des Temperierelements mit einem weiteren gleichen Tempenerelement ist zudem lediglich eine galvanische Trennung und keine thermo-galvanische Trennung zwischen den Temperierelementen erforderlich ist, da hier zwei Wärmeleiterlagen benachbart zueinander angeordnet sind, die demselben Peltier-Effekt ausgesetzt sind und somit eine gleiche Temperatur aufweisen,
Alternativ kann das Temperierelement eine weitere erste Wärmeleiterlage und eine weitere zweite Wärmeleiteriage umfassen. Die erste Wärmeleiteriage kann einen ersten elektrischen Kontakt aufweisen, und die weitere erste Wärmeleiteriage kann einen zweiten elektrischen Kontakt aufweisen. Desweiteren kann das Temperierelement eine elektrische Leitung zum Verbinden der zweiten Wärmeleiteriage mit der weiteren zweiten Wärmeleiteriage aufweisen. Dabei können die erste Wärmeleiteriage und die zweite Wärmeleiteriage zwischen der ersten und der zweiten PeStier-Etement-Lage angeordnet sein und die erste Pei er- Elernent-Lage und die zweite Peltier-Etement-Lage zwischen der weiteren ersten Wärmeleiteriage und der weiteren zweite Wärmeleiteriage angeordnet sein. Zwischen der ersten Wärmeleiteriage und der zweiten Wärmeleiteriage kann zudem eine galvanische und thermische isolierlage angeordnet sein. Gemäß dieser Anordnung kann ein elektrischer Strom an dem ersten elektrischen Kontakt in das Temperierelement eintreten und von dort die zweite Peitier- Element-Lage, die zweite Wärmeleiteriage. über die elektrische Leitung die weitere zweite Wärmeleiteriage, die erste Peltier-Eiement-Lage und schließlich die weitere erste Wärmeleiteriag durchlaufen. An dem zweiten elektrischen Kontakt kann der elektrische Strom aus dem Temperierelement heraus- und unter Umständen in ein weiteres Temperierelement hineingelebet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die verschiedenen Wärmeiei- teriagen des Tempenerelements auc über zusätzliche elektrische Leitungen miteinander verbunden sein. Die zusätzlichen Leitungen können dabei jeweils an den den Leitungen gegenüberliegenden Enden der jeweiligen Wärmeleiier- lagen des Temperierelements angeordnet sein. Entsprechend können die mit einem ersten oder zweiten Kontakt versehenen Wärmeleiterlagen jeweils zusätzliche ontakte zum Änsc luss der zusätzlichen Leitungen autweisen. Eine derartige beidseitig ausgeführte Zu- und Ableitung des elektrischen Stromes links und rechts an dem Temperierelement, beispielsweise mittels Kabeln, kann -
zur Reduzierung der Stromstärken in den Stegen oder Rippen der verschiedenen VVäfmejeiterlagen des Ternperiereiements beitragen. Der Nachteil, dass bei einseitiger Anbindung die Stromstärke am Eintritt in die Wärrneleiterlage nämlich der Summe a!ler Ströme durch die Peitier-Elemeni-Leiter einer Reihe entspräche, was zu unzulässigen Stror dichten führen kann, kann somit aufgehoben werden.
Die erste Peltier-Element-Lage kann mindestens zwei benachbart zueinander angeordnete erste Peltier-Element-Leiter aufweisen, und die zweite Pe!tier- Element-Lage kann mindestens zwei benachbart zueinander angeordnete zweite Peltier-Element-Leiter aufweisen. Ein Abstand zwischen den einzelnen Pel~ tier in Elementen kann abhängig von einer Wärmeleistung der Peltier-Element- Leiter gewählt sein. Zwischen den einzelnen Peltier-EIement-Leitern kann eine elektrische Isolierung angeordnet sein. Je nach Ausdehnung der Peltier- Element-Lagen können entsprechend viele Pe!tier-E!ernent-Leiter benachbart zueinander angeordnet sein, Dabei können die Peltier-Element-Leiter flächig, also beispielsweise sowohl in Längsrichtung als auch In Querrichtung nebeneinander angeordnet sein.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform können die erste Peltier-Element- Lage und die zweite Peltier-Element-Lage jeweils mindestens einen ersten Peltier-Element-Leiter und mindestens einen zweiten Peltier-Element-Leiter aufweisen. Der erste und zweite Peltier-Element-Leiter können dabei benachbart zueinander angeordnet und elektrisch leitend miteinander verbunden sein. Infolgedessen kann der durch den Stapel getestete elektrische Strom den ersten Peltier-Element-Leiter und zweiten Peltier-Element-Leiter seriell durchströmen. Beispielsweise können die erste Peltier-Element-Leite n-dotiert sein und die zweiten Peitier-Element-Leiier können p-dotiert sein, oder umgekehrt. Diese AusfDhrungsform des Ternperiereiements bietet den Vorteil, dass unter Umständen bereits vorhandene Prototype von Heizelementen auf Peltiertechnologiebasis zum Bau des hier vorgeschlagenen Temperierelements eingesetzt werden können. Es ergibt sich daraus eine Zeit- und Kostenersparnis in der Produktion.
Gemäß einer Ausführungsform kann die erste Wärmeleiterlage als ein Künlmit- telkana! ausgebildet sein und die zweite Wärmeleiterlage kann als ein Rippen- eiemeni ausgebildet sein. Beispielswelse kann der Kühlmittelkanal als ein Rohr zum Führen einer ühlmitteiflüssigkeit ausgebildet sein. Das Rippeneiement kann beispielsweise aus zwei Stegen gebildet sein, zwischen denen .ein Zickzack- oder wellenförmig gebogenes Metailband angeordnet ist, so dass beispielsweise schräg angeordnete Rippe zwischen den Stegen gebildet werden. Bei dem zweiten WärmeleUfiuid kann es sich beispielsweise um Luft handeln, die aus einer Fahrzeugumgebung in das Fahrzeug geleitet und durch die zweite Wärmeleiterlage geführt wird, wo sie entsprechend einer Temperatur der zweiten Wärmeleiterlage gekühlt oder erwärmt wird. Ein derartiger Aufbau der zweite Wärmeleiterlage bietet vorteiihafterweise eine große Temperaturübergangsfläche für das durch die zweite Wärmeleiterlag geführte Fluid. Selbstverständlich können auch die erste Wärmeleiterlage zum Führen von Luft und die zweite Wärmeleiterlage zum Führen einer Flüssigkeit ausgebildet sein, Ebenso kann die erste Wärmeleitlage ein Mehrzahl benachbart zueinander angeordnete Kühlmitteikanäle aufweisen und die weite Wärmeleiterlage kann eine Mehrzahl von benachbart zueinander angeordneten Rippenelementen aufweisen,
Die erste Wärmeleiterlage kann an einer Außenseite eine galvanische Isolierschicht aufweisen, Diese kann von einer Leiterschicht umgeben sein, die ausgebildet sein kann, um einen Stromfiuss zwischen der ersten Peltier-Element- Lage und der zweiten Pelfier-Element-Lage zu ermöglichen. Beispielsweise kann die erste Wärmeleiterlage vollständig von der Leiterschicht umschlossen sein, oder die Leiterschicht kann auf zwei gegenüberliegenden Seiten der ersten Wärmeleiterlage aufgebracht und mit einer elektrischen Leitung verbunden sein. Auf diese Weise kann der elektrische Stromfiuss durch den Stapel des Temperierelements gewährleistet werden, wobei gleichzeitig die erste Wärmeleiterlage von einem elektrischen Stromfiuss ausgenommen ist. So können Leckströme in das die erste Wärmeleiteriage durchströmende Kühlmittel hinein vermieden werden.
Die erste Wärmeieiteriage und die zweite Wärmeleiterlage können ausgebildet sein, um zueinander orthogonale Flussrichtungen für das erste Wärmeleitfluid und das zweite Wärmeleitfluid bereitzustellen. Auf diese Weise können Zuläufe und Abläufe der unterschiedlichen Wärmeieitfiuide an unterschiedlichen Seiten des Temperierelements angeordnet werden.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Temperiervorrichtung, die eine Mehrzahl von Temperierelementen umfasst, wobei die Mehrzahl von Temperiereiementen über die jeweiligen ersten und zweiten Kontakte in einer Serienschaltung verschaltet sind.
Gemäß einer Ausführungsform kann zwischen jeweils zwei der Mehrzahl von Temperierelementen eine galvanische Isoiierlage angeordnet sein. Auf diese Weise kann ein elektrischer Stromfluss nacheinander durch sämtliche Temperiereiemente der Temperiervorrichtung gewährleistet werden. Kontakte einer in Bezug auf den Stromfluss ersten und letzten Temperiereinrichtung können mit eine Stromquelle verbunden sein. Zwischen benachbarten Temperierelementen angeordnete galvanische Isolierlagen können zudem eine thermische- Isolierung zwischen den einzelnen Temperierelementen bereitstellen. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn zwei unterschiedlich temperierte Wärmeleiteriagen benachbart zueinander in der Temperiervorrichtung angeordnet sind. Die Temperiereiemente können sowohl in einer Serienschaltung als auch in einer Parallelschaltung oder in einer isehförrh in der Temperiervorrichtung verschaltet sein.
Die Mehrzahl von Temperierelementen können in mindestens einem Stapel angeordnet sein. Dabei kann eine Dimension der Temperiervorrichtung über eine entsprechende Anzahl von gestapelten Temperierelementen und/oder eine horizontale Ausdehnung der einzelnen Lagen der Mehrzahl von Temperierelementen an bestehende räumliche Gegebenheiten angepassi werden. Selbstverständlich kann die Temperiervorrichtung' auch aus einer Mehrzahl von Stapeln gebildet sein, die benachbart angeordnet und über die jeweiligen Kontakte in einer Serienschaltung oder einer Parallelschaltung verschaltet sind,
Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Temperiervorrichtung für ein Fahrzeug, mit. folgenden Merkmalen: einer ersten Wärmeleiteriage zum Leiten eines ersten Wärmeleitfluids; einer Peltier-Element-Lage di eine Mehrzahl von Peliier-Eiementen aufweist, die beabstandet zueinander angeordnet sind und jeweils eine Mehrzahl von Peltier-Eiement-Leitern umfassen; und einer zweiten Wärmeleiteriage zum Leiten eines zweiten Wärmeleitfluids; wobei die Lagen in Form eines Stapels angeordnet sind, so dass die Peltier-Element-Lage zwischen der ersten Wärmeleiteriage und der zweiten Wärmeleiteriage angeordnet ist. Im Betrieb der Temperiervorrichtung kann die Peltier-Element-Lage ausgebildet sein, um die erste Wärmeleiteriage zu kühlen und die zweite Wärmeleiter- Sage zu wärmen, oder umgekehrt. Jedes Peltier-Elemeni kann als ein separates Peltier-Modui ausgeführt sein, Das bedeutet, dass jedes Peltier-Element eigene elektrische Anschlüsse zum Zuführen und Abführen eines durch die Peltier- Efement-Leiter des Pe!tier-E!ements fließenden Stroms aufweist. Die Peltier- Elemente können jeweils eine Grundplatte aufweisen, auf der ausschließlich die Peltier-Element-Leiter des jeweiligen Peltier-Elements angeordnet sind. Ein Abstand zwischen benachbarten Peltier-Element-Leitern innerhalb eines Peltier- Elements kann geringer sein, als ein Abstand zwischen benachbarten Peliier- Eiementen. Die Peltfer- Elemente können jeweils sowohl n-dotierie Peltier- Element-Leiter als auch p-doiierte Peifier-Element-Leiter aufweisen. Auch können die Peitier-ESement-Leiter als aufgedampfte Leiterbahnen oder als Gewebe ausgeführt sein.
Die Mehrzahl von Peltier-Eiementen einer Peltier-Element-Lage kann maximal ein Zehntel einer Gesamtfläche der Pei er~E.iement~Lage bedecken, Zwischen den Peltier-Elementen kann sich ein thermisch isolierter Zwischenraum faefin- den. Alternativ kann die Mehrzahl von Peltier-Element-Leitern maximal ein Zehniel der Gesamtfläche der Feitier-Element-Lage bedecken.
Gemäß einer Ausfuhrungsform kann die Temperiervorrichtung eine weitere Peitier-EIement-Lage, die eine Mehrzahl von weiteren Peltier-Elementen aufweist, die .beabstandet zueinander angeordnet sind und jeweils- eine Mehrzahl von weiteren Peltier-Element-Leitern umfassen, und eine weitere erste Wärmeleiter- lage zum Leiten des ersten Wärmefeitfluids aufweisen. Dabei kann die weitere PeJfier~Elernent~Lage in dem Stapei zwischen der zweiten Wärnieleiteriage und der weiteren ersten Wärmeleiterlage angeordnet sein. Auf diese Weise ist keine thermische Isolation zwischen benachbarten Lagen erforderlich»
Alternativ kann die Temperiervorricntisng eine thermische isolierlage, eine weitere erste Wärmeieiierlage zum Leiten des ersten Wärmeieiffluids und eine weitere Peltier-Element-Lage aufweisen, die eine Mehrzahl von weiteren Peltier- Eiementen (6ÖÖ) aufweist, die beabstandet zueinander angeordnet sind und jeweils eine Mehrzahl von weiteren Peltier-Element-Leitern umfassen, Dabei können die thermische Isolierlage in dem Stapel benachbart zu der zweiten Wärmeleiterlage und die weitere erste Wärmeleitefiage in dem Stapel zwischen der thermischen isolierlage und der weiteren Peltier-Element-Lage angeordnet sein.
Gemäß einer Ausführungsform weist eine Temperiervorrichtung eine Schafteinrichtung auf, die ausgebildet ist, um das erste Wärmeleitfluid in einem ersten Betriebsmodus der Temp.eriervorrichtung durch die erste Wärmeleitefiage und die weitere erste Wärmeieiierlage und in einem zweite Betriebsmodus der Temperiervorrichtiing entweder durch die erste Wärmeieiteriage oder durch die weitere erste Wärmeleiterlage zu leiten. Das Temperierelement kann als eine Klapp ausgeführt sein. Die Temperiervqrric.hiung kann im ersten Betriebsmodus eine größere Wärmeleistung als im zweiten Betriebsmodus erzseien. Vorteilhafterweise können aktive Peltier-Element-Leiter sowohl im ersten Betriebsmodus als auch im zweiten Betriebsmodus von einem elektrischen Strom durchflössen werden, der eine zum Betrieb der Peitiei "-Element-Leiter optimale Stromstärke aufweist.
Gemäß einer .Ausführungsform können benachbart angeordnete Peltier- Element-Lagen, beispielsweise die erste Pei'tier-Eiement-Lage und die zweite Peltser-Element-Lage, eine unterschiedliche Anzahl von Peltier-Elerrient-Leitern oder Peltier-Elementen aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann sich eine Anordnung von Peltier-Element-Leitern ode Peitier-Eiementen. auf benachbart angeordnete Peltier-Element-Lagen unterscheiden. Alternativ oder zusätzlich kann sich eine flächenmäßige Ausdehnung der Peltier-Eiement-Leiter oder der Peltier-Elernente auf benachbart angeordnete Peltier-Element-Lagen unterscheiden. Durch eine entsprechende Wahl der Anordnung, Anzahl und/oder Größe kann eine Temperaturverteilung innerhalb der Peltier-Element-Lagen beeinflusst werden. Insbesondere kann eine homogene Temperaturverteilung erzielt werden.
Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinztpdarsteliung einer Temperiervorrichtung gemäß einem Aus- führungsbeispiei der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer Temperiervo richtung gemäß einem weiteren Ausführungsbesspiei der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung eines Details der Temperiervornchtuhg aus Fig. 2;
Fig. 4 eine Prinzipdarstellung einer Temperiervornohtung gemäß einem weite ren Ausführungsbeispieider vorliegenden Erfindung; Fig. 5 eine Prinzipdarsteiiung einer Serienschaiiung einer Mehrzahl von Temperiervorrichtungen, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 eine Prinzipdarsteiiung eines Peliier-Elernents eines weiteren Ausfüh- rungsbeisptels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 eine Prinzipdarsteiiung einer Peltier-Eiement-Lage, gemäß einem Aus- führungsbeispie! der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 eine prinzipdarsteiiung einer Tempenervorrichtung, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 9 eine Explosionsdarsteiiung eines Abschnitts einer Temperiervorrichtung, gemäß einem Ausführungsbeispiei. der vorliegenden Erfindung;
Fig. 10 eine Prinzipdarstellung einer Peltier-Eiement-Lage und eines Peltfcr- Efements, gemäß einem Ausführungsbeispiei der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 11 eine Projektion zweier Peltier-Element-Lagen, gemäß einem Ausführungsbeispiei der vorliegenden Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Zeichnungen dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird.
Fig. 1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Temperiervorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiei der vorliegenden Erfindung, Die Tempenervorrichtung 100 ist hier aus einem Stapel von vier Temperiereäemenien 105 gebildet. Der Übersichtlichkeit halber ist lediglich eine die Temperiervo richtungen 105 mit einem Bezugszeichen versehen. Die Temperiervorrichtung 100 kann auch mehr oder weniger Temperierelemente 105 aufweisen.
Jede der Temperiervorrichtungen 105 in Flg. 1 weist eine erste Peltier-Eiemeni- Lage 110, eine zweite Peltier-Eierfsent-Lage 1 15s eine erste Wärmeleiterlage 120, eine zweite Wärmeleiterlage 125 und eine weitere zweite Wärmeleiterlage 130 auf. Gemäß der Darstellung in Fig. 1 bildet die zweite Wärmeleiterlage 125 die Basis des Stapeis. Auf dieser ist die erste Peitier-Element-Lage 110 angeordnet, auf der wiederum die erste Wärmeleiterlage 120 angeordnet ist. Diese ist von der zweiten Peitier-Elemenf-Lag 1 15 bedeckt, auf der sich abschließend die weitere zweite Wärmeleiterlage 130 befindet. Gemäß der Darstellung in Fig. 1 setzen sich die erste Peltier-Efcmenf-Lage 110 und die zweite Peltier- Element-Lage 1 15 jeweils aus drei einzelnen beabstandet benachbart angeordneten Peltier-Ele ent-Leitem 135 zusammen. Der Übersichtlichkeit halber ist lediglich einer der Pelt.ier-Element-Leiter 135 mit einem Bezügszeichen versehen. Gemäß der Darstellung in Fig. 1 sind die Peltier-Element-Leiter 135 der ersten Peitier-Element-Lage 1 10 n-dötiert und die Peltier-Element-Leiter 135 der zweiten Peltier-Element-Lage 115 p-dotiert.
Bei dem Ausführungsbeispieä der Temperiervorrichtung. 100 in Fig. 1 ist die erste Wärmeleiterlage 120 jeweils als einen ühimitielkana! ausgebildet. Die zweite Wärmeleiterlage 25 und die weitere zweite Wärmeleiterlage 130 sind jeweils als ein Rippenelement mit zwei parallel angeordneten Stegen und zwischen den Stegen schräg angeordneten Rippen ausgeführt. Zwischen jeweils zwei benachbarten Temperierelementen 105 ist eine galvanische Isolierlage 140 angeordnet. Der Übersichtlichkeit halber ist lediglich eine der galvanischen isolier- lagen 140 mit einem Bezugszeichen gekennzeichnet. Optional kann einer der beiden Siege des Rippenelements 130 auch entfallen, zum Beispiel wenn zwei Temperierelemente 05 in dem Stapel aufeinanderfolgen, so dass eine zweite Wärmeleiterlage 125 eines Temperierelements 105 benachbart, und unter Um- ständen lediglich durch eine galvanische Isolieriage 140 getrennt, zu einer weiteren zweiten Wärmeleiterlage 130 eines nachfolgenden Temperiereiemenis 105 angeordnet ist. Hier kann zum Beispiel jeweils auf den zu der Isoiierlage 140 benachbarten Steg verzichtet werden. Benachbarte Lagen können in direktem Kontakt zueinander stehen.
Gemäß dem in Fig. 1 gezeigten .Ausführungsbeispiei der Temperiervorrichtung 100 weist jeweils die zweite Wärmeleiterlage 125 einen ersten elektrischen Kontakt 145 und die weitere zweite Wärmeleiterlage 130 einen zweiten elektrischen Kontakt 150 auf. Zur Herstellung einer elektrischen Serienschaltung zwi schen den Temperierelementen 105 ist jeweils ein zweiter Kontakt 150 eines Temperierelements 105 mit einem ersten Kontakt 145 eines benachbarten Temperiereiemenis 105 über eine elektrische Leitung 155 verbunden. Gemäß der Darstellung in Fig. 1 sind der erste Kontakt 145 des obersten Temperiereiemenis 105 in der Temperiervorrichtung 100 und der zweite Kontakt 150 des untersten Temperierelements 105 mit einer elektrischen Zuleitung oder Ableitung verbunden, so dass ein durch die Zuleitung in die Temperiervorrichtung 100 eingebrachter Strom durch den gesamten Stapel fließen und diesen durch die Ableitung wieder verlassen kann.
Jeder Heizkörper bzw. jedes TemperiereSerneni 105 gemäß der Darstellung in Fig. 1 beinhaltet einen Kühlmittelkanal 120 und Luftdurchgänge 125, 130. Über die Peitierelemente 135 wird Wärme zwischen dem Kühlmittel und den Peltierelementen 135 sowie zwischen den Peitierelementen 135 und der berippten Luftseite 125, 130 transportiert. Durch die vorteilhafte elektrische Verschaltung 155 kann ein einfach zu fertigendes Bauprinzip erzielt werden. Zudem kommt der Heizkörper 105 ohne elektrisch Isolatoren aus, die sich im Allgemeinen in Bereichen hoher geforderter Wärmeübertragung negativ auf Wärmeteitungseigenschaften auswirken würde .
Die Kühlmifteikanäle 120 werden mit Kühlmittel durchströmt. An diese sind beidseitig di Pellierelemente 135 angebunden, so dass der Wärmeübergang in beide Richtungen erfolgen kann. Die Wärme wird über die Peitierelernente 135 übertragen und gelangt auf die benppte Luftseite 125, 130, die Rippen 125, 130 erleichtern den Wärmeübergang an die Luft. Dieser Wärmegang ist auch elektrisch durchgehend leitend ausgeführt, da die elektrisch leitfähigen Wärmeleiterlagen 120, 125, 130 aus Metall, z.B. Aluminium,, gebildet sind und die Peitierelernente 135 thermoeiektrisch aktives Funktionsmaterial enthalten. Mittig zwischen den Weifrippen 125, 130 befindet sich die elektrische Isolationsschichf 140, Ein eventueller Wärmeübergangswiderstand durch die isolationsschichf 140 spielt keine Rolle, da hier gemäß der Symmetrie kein Wärmeübergang in vertikale Richtung im Sinne des Wirkprinzips stattfindet.
Die Peitierelernente 135 in Fig. 1 sind in einer Reihe (Layer) jeweils ausschließlich p- oder n-dotiert ausgeführt. Die elektrische Verschaitung 155 erfolgt derart, dass eine Vergrößerung der Temperiervorriehtung 100 in vertikaler Richtung durch eine Erhöhung der Anzahl an Lagen von Temperierelementen 105 eine Erhöhung des gesamten Spannungsabfalls an der Temperieworridhtung 100 bewirkt. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausfühxungsbeispiei umfasst die Temperiervorrichtung 100 vier Lagen von Temperierelementen 105 mit jeweils identischem inneren Aufbau. Dagegen bewirkt eine horizontale Erweiterung der Temperiervorriehtung 100 eine höhere Stromstärke, da alle Elemente einer Lage elektrisch parallel geschaltet sind.
Gemäß der Darstellung in Fig. 1 sind jeweils die Rippenelemente bzw. Luftselten 25, 130 zweier benachbarter vertikaler Lagen über einen separaten elektrischen Leiter 155, der in der Darstellung als„Kabel" symbolisiert ist, derart verbunden, dass die unmittelbar an eine Luftseite 125, 130 angebundenen Peitierelernente 135 eine unterschiedliche Dotierung aufweisen. Die Verbindung zwischen zwei Lagen an Peltierelementen 136, welche an den gleichen Kühlmittelkanal 120 angebunden sind, muss nicht durch separate Leiter überbrückt werden, da der Kühlmittelkanal 120 selbst elektrisch leitend ist, Je nach Konstruktion könnten so natürlich auch Lagen miteinander verschaltet werden, die nicht unmittelbar benachbart sind, benachbarte Lagen sind Jedoch aufgrund der kleinsten erforderlichen Leitungslänge naheliegend und zu bevorzugen. Ebenso könnte eine Temperlerelement-Lage 105 um 180° gedreht werden, so dass nicht immer dieselbe Dotierung oben und die andere Dotierung unten liegt. Der Fehlervermeidung bei der Fertigung dienlich ist jedoch die in Fig. 1 gezeigte, immer gleich bleibende Anordnung der Lagen von Temperierelementen 105. Die elektrischen Anschlüsse 145, 150 sind wie i Fig. 1 dargestellt angebracht., dass sie sich nahtlos in das Verschaliungsprinzip einfügen. Wie bereits beschrieben, definiert die Anzahl der Lagen von Temperierelementen 105 den Bereich des Spannungsabfalls am Heizkörper 100. Wäre dieser bei gegebener Höhe des Heizkörpers 100 zu g oß, so Kann die elektrische Verschattung durch weitere elektrische Zuleitungen unterbrochen werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Heizkörperausschnitt aus Fig. 1 exakt repliziert und auf den bestehenden Ausschnitt oben aufgesetzt werden. Die Trennung wäre dann rein elektrisch, di mechanische Anbindung könnte ohne Unterschied zur Verbindung zwischen den anderen Lagen ausgeführt werden. Eher zu erwarten wäre aber ein zu geringer Spannungsabfall, beispielsweise wenn die durch eine Spannungsquelle zur Verfügung gestellte Spannung möglichst vollständig abgegriffen werde soll, etwa 12 V bei einem Niedervolt-Bordnetz des Fahrzeuges, In diesem Falle besteht die Möglichkeit auch in einer erweiterten elektrischen Serienschaltung durch eine Anordnung mehrerer derartiger Heizkörper 100 in einer bisher nicht genutzten Tiefendimension in einer Flucht, damit der freie Strömungsquerschnift auf der Luftseite erhalten bleibt. Dieser Aspekt des erfindungsgernäSen Ansatzes ist im Zusammenhang mit Fig. 5 erläutert.
Zusammenfassend für das in Fig. 1 gezeigte Äusführungsbeispiei der Temperiervorrichtung 1ÖQ kann der Stromfluss nochmals wie folgt beschrieben werden: Der Strom fließt durch eine Reihe von Peltiereiementen 135 gleicher Dotierung, in Parallelschaltung, zum Kühlwasse kana! 120 und über diesen zur Reihe der anders dotierten Elemente 135, die ebenfalls in Reihe geschaltet sind. Über die Luftseite 125, hier eine Berippung oder ein Grundblech mit z.B. durch Lotung aufgetragenen Rippen, besteht eine elektrische Verbindung 150 zu einem separaten, unter Umständen beliebig ausgeführten, Leiter 155, welcher den Stromfluss in die Berippung oder das Grundbuch 130 mit z.B, durch Lotung aufgetragenen Rippen einer anderen Lage 105 bewirkt. Jeweils in elektrischer Serienschaltung benachbarte Elemente wechseln die Dotierung.
Fig. 2 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Temperiervorrichtung 200 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Temperseivorrichtung 200 weist einen zu der Temperiervorrichtung 100 aus Fig. 1 nahezu identischen Aufbau auf, mit dem Unterschied, lass jedes Temperierelemeni 1.05 eine äußere elektrische Verbindung 205 zur Umgehung des Kühlmiiteikanals 120 aufweist. Der Übersichtlichkeit halber ist lediglich eine der elektrischen Verbindungen 205 mit einem Bezugszeichen versehen. Der Einsatz der elektrischen Verbindungen 205 ist der Tatsache geschuldet, dass in der Regel keine rein organischen Kühlmittel verwendet werden, sondern solche, in denen ein gewisser Anteil Wasser enthalten ist. Dadurch wird das Kühlmittel elektrisch leitend und würde bei einer Verwendung in einer Temperiervorrichtung gemäß Fig. 1 einer Spannungsdifferenz ausgesetzt werden. Dies kann vermieden werden, indem der Kühlmittelkanai 120 aus der Stromkaskade herausgenommen wird: Entsprechend ist zum Beispiel auf dem Kühlmitteirohr 120 ein Nichtleiter in einer dünnen Schicht aufgetragen, so dass ein Wärmetransportwiderstand möglichst gering ist. Darauf ist wiederum eine, vorzugsweise durchgängige, Leiterschicht aufgetragen, Der Kühimiielkanal 120 selbst bleibt somit potenzialfrei, rnuss dafür aber durch den separaten Leiter 205 umgangen werden, wie dies auch auf der Luftseite 125, 130 der Fall. Die Leiter 205 können auch eine andere als die in Fig. 2 gezeigte Ausführung aufweisen.
Fig. 3 zeigt in einer Detailvergrößerung einen Aufbau eines Kühlmiiteikanals 120 ge näß dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel, Gezeigt ist ein Abschnitt des Kühlmittelkanals 120 in einer Längsschnittdarstellung, Eine gakani- sehe Isolierschicht 305 aus einem Isolator Ist auf den KühlroiitelkanaJ 120 aufgebracht, so dass eine auf eine Ronrwand 310 übertragene elektrische Spannung nicht auf ein das Kühlmittelrohr 120 durchströmende ühifluicl übertragen werden kann. Über die galvanische Isolierschicht 305 ist eine Leiterschicht 315 aus einem elektrischen Leiter aufgebracht. Die Leiterschicht 315 weist wiederum einen elektrischen Kontakt zu einem Äbleiler 320 auf, der den elektrischen Strom hier abgreifen und der Leiterschicht 315 an anderer Stelle wieder zuführen kann, so dass das KühSfiuid von dem elektrischen Stromfiuss ausgenommen bleibt, Die Rohrwand 310 kann beispielsweise aus Aluminium gebildet sein.
Fig. 4 zeigt in einer Prinzipdarstellung ein alternatives AusführüngsbeispJei einer TemperiervOrrichiung 400. Die Temperiervorrichtung 4ÖÖ umfasst einen vertikalen Stapel von drei Temperiereiemenfen 405, Diese weisen einen zu den im Zusammenhang mit Fig. 1 erläuterten Temperierelementen abweichenden Aufbau auf. Hier ist neben der ersten Wärmeleiteiiage 120 auch die zweite Wärmeleiteriage 125 zwischen der ersten Peltier-Element-Lage 110 und der zweiten Peltser-Element-Lage 115 angeordnet. Zwischen der ersten Wärmeleiteriage 1 0 und der zweiten Wärmeiesierlage 125 befindet sieh eine galvanische und thermische Isölierlage 410, Die galvanische und thermische Iso ieria- ge 410 kann einen optionalen Steg für das Rlppeneiement 125 oder das Rippenelement 130 aufweisen. Die im Zusammenhang mit Fig. 1 erläuterte galvanische Isölierlage entfällt hier. Bei dein hier gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Temperiereiement 405 eine weitere erste Wärmeleiteriage 415 auf, die eine Basis des Temperiereiement 405 bildet. Hier weist die erste Wärmeleiterlage 120 den ersten elektrischen Kontakt 145 und die weitere erste Wärmeleiteriage 415 den zweiten elektrischen Kontakt 150 auf. Weiterhin ist die zweite Wärmeleiteriage 125 jedes Temperierelements 405 über eine elektrische Leitung 420 mit der weiteren zweiten Wärmeleiteriage 130 verbunden.
Gemäß der Darstellung in Fig. 4 besteht gegenüber dem im Zusammenhang mit Fig. 1 erläuterten Ausführungsbeispiel lediglich ein einseitiger Wärmeüber- gang jeweils auf der kalten und der warmen Seite. Somit wirkt die Isoiations- schicht 410 auf der anderen Seite jetzt nicht mehr nur elektrisch isolierend gegen Niederspannung, sondern auch thermisch isolierend. Entsprechend kann eine Dicke der Isofierlage 410 hier höher sein. Hier sind die Luftseiten 125, 130 benachbarte Lagen über die Leitungen 420 elektrisch miteinander verbünden, ebenso sind die Kühlwasserseiten 120, 415 benachbarter Lagen nicht mehr direkt, sondern analog zur Luffseile ebenfalls indirekt über separate Leiter 425 elektrisch miteinander verbunden. Dies erfolgt wiederum derart, dass zwei elektrisch miteinander verbundene Lagen 120, 415 bzw. 125, 130 wechselnde Dotierungen der innerhalb einer Lage einförmig dotierten Peltiersteine 135 aufweisen.
Im Zusammenhang mit den anhand der vorangegangenen Figuren 1 bis 4 erläuterten Äusführungsbeispielen wird betont, dass im Rahmen des hier vorgestellten Ansatzes eine absolute Reihenfolge, d.h. ein Beginn und Ende einer Serienschaltung mit einer bestimmten Dotierung (p oder n), und eine Anzahl an Peltiereiementen in jeder Raumrichtung grundsätzlich offen bleibt. Ebenfalls offen ist ein Betrieb als Wärmepumpe, wobei Luft erwärmt wird, oder als Klimaanlage, wobei Luft gekühlt wird. Die jeweilige Funktionalität kann durch Umpö- lung gewechselt werden.
Fig. 5 zeigt in einer Prinzipdarstellung ei Ausführungsbefspiej einer erweiterten elektrischen Serienschaltung 500 von Temperiervörrichtungen 100, 200 oder 400 gemäß den Figuren 1 bis 4 in einer horizontalen Richtung. Die Mehrzahl von Temperiervorrichtungen 100, 200 oder 400 ist in vereinfachter Form gezeigt. Gemäß der Darstellung in Fig. 5 sind die Temperiervorrichtungen 100« 200 oder 400 in einer Ebene hintereinander in einer durch einen Pfeil angedeuteten Tiefenrichtung 510 angeordnet. Entsprechend baulichen Gegebenheiten des Einsatzortes kann die hier gezeigte Anordnung 500 auch um v/eitere TemperiervOinchtungen 100, 200 oder 400 erweitert werden. Die einzelnen Temperiervörrichtungen 100, 200 oder 400 sind elektrisch ieitfählg miteinander verbunden, so dass einen Stromfluss durch die gesamte Anordnung 500 erfol- gen kann. Die elektrischen Verbindungen sind in Fig. 5 nicht gezeigt Ein weiterer Pfeil repräsentiert eine Strörmingsnchiung 520 eines zum Beispiel durch die zweiten und weiteren zweiten ärmeleiierlagen der Temperiervorrichtungen 100, 200 oder 4ÖÖ geleiteten ärmeleit uids. Bei diesem Kann es sich beispielsweise um Luft handeln.
Alternativ zu den gemäß Figuren 1 bis 4 vorgestellten Ausführungsbeispielen von Temperiervorriehtungen 100, 200, 400 kann ein weiteres Äusführungsbei- spiel einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung eine Peltier-E!ement~Lage aufweisen, die eine Mehrzahl von Peltier-Eiementen aufweist, die wiederum eine Mehrzahl von Peltier-Element-Leitern aufweisen. Somit können an Stelle von reinen n- oder p- dotierten Elementen 135 äußerlich geometrisch identische Elemente eingesetzt werden, die in sich eine beliebige, flächige Feinstruktur n- und p- seriengeschalteier Bausteine aufweisen,
Fig. 6 zeigt eine Prinzipdarsteilung eines derartigen Peltier-Elemerrts 800. Gezeigt ist eine horizontale Anordnung von Peitier-Elernent-Leitern 135. Dabei sind jeweils ein n-dotierter Feltier-Eiement-Leiter und ein p-dotierter Peitier- Eiemenf-Lelter abwechselnd in einer Ebene angeordnet. Benachbart angeordnet und unterschiedlich dotierte Peltier-Eiement-Leiter 135 sind jeweils abwechselnd über einen elektrischen Leiter 805 auf einer Warmseite und einen weiteren elektrischen Leiter 605 auf einer Kaltseite miteinander verbunden. Auf einer den jeweiligen elektrischen Leitern gegenüberliegenden Warmseife beziehungsweise Kaltseite befinden sich Unterbrechungen 610 der elektrischen Leiter 805. Oberhalb und unterhalb der Lage von Peltier-Element-Leitern 136 ist jeweils ein elektrischer Isolator 615 angeordnet.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung kann nach dem Prinzip der in den Figuren 1 bis 4 gezeigten Temperiervorrichtungen 100, 200, 400 aufgebaut sein, wobei jedoch die Peltier-Eiemente 800 eingesetzt werden. Damit ein elektrischer Stromfluss durch den gesamten Stapel einer derart aufgebauten Temperiervorrichtung gewährleistet ist, weist hier im Ge- gensatz zu den gezeigten Ausführungsbeispielen 100, 200( 400 jedes Peitier- Element 600 eine Zuleitung und Ableitung für elektrischen Strom auf. Im Unterschied zu den Ausfühiungsbeispielen gemäß. Figuren 1 bis 4 fließt hier der elektrische Strom nicht vertikal sondern horizontal durch das jeweilige Peltier- ElementeOG, Möglich ist entweder eine serielle Verschaitung zwischen einzelnen Peltier-Elementen 600 oder eine Parallelschaltung, bei der jedes Peltier- Eiement 800 mit einer zentralen Stromversorgung des Fahrzeugs, in der Regel der Autobattene, verbunden ist, so dass ein Spannungsabfall von 12 V über den gesamten Stapel der Temperiervorrichtung gewährleistet ist.
Gemäß einer Ausführungsform, bei der Peltier-Elemente 600 eingesetzt werden, erfolgt ein Stromfiuss nicht durch den gesamten Stapel, und insbesondere nicht durch die Wärmeleiterlagen, sondern ausschließlich durch die Peltier- Element-Lagen. Die einzelnen Peltier-Element-Lagen können jeweils paraSiel oder seriell geschaltet sein.
Je nach Spannungsabfall an den Peltier-Elementen 600 ergäbe sich die Möglichkeit, die hierin beschriebene elektrische Verschaitung zwischen den Reihen ebenfalls anzuwenden, um den gesamten Spannungsabfall über den Heizkörper weiter zu erhöhen, Alternativ kann einfach jede Reihe mit thermoe!ektri- schen Elementen 800 für sich als Einzelkreis behandelt werden, wenn z.B. die Feinstruktur der Peliiermoduie 600 bereits einen Spannungsabfall um 12 V bewirkt, was der konventionellen Funktionalität entspricht. Beispielsweise kann ein n- oder p-Baustein bzw, n~ oder p-Peltier-Eiement-Leiter einen Spannungsabfall von 0,0625 V aufweisen. Bei 16 Bausteinen ergäben sich somit 1 V für ein Peltier- Element. Weist der Heizkörper 12 seriell geschaltete Reihen auf, würden insgesamt 12 V Spannungsabfall realisiert.
Fig. 7 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Flächenlage, insbesondere einer Peitser-Eiement-lage 710, gemäß» einem Ausführungsbeispiet der vorliegenden Erfindung. Die Peltier-Element-Lage 710 weist eine Mehrzahl von Peltier- Elementen 600 auf. Bei den Peltier-Elementen 600 kann es sich jeweils um ein - -
Modui handein, wie es beispielsweise in Fig. 6 gezeigt ist. Die einzelnen Peltier- Elemente 600 sind jeweils durch einen thermisch isolierten Zwischenraum 712 voneinander getrennt. Eine Wärmestromrichtung ist durch einen Pfeil gekennzeichnet.
Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung einer Temperiervornchtung 800, gemäß einem Ausführungsbeispiel de vorliegenden Erfindung. Die Temperiervorrichtung weist einen Stapel aus Wärmeleiteriagen, von denen beispielhaft ein Luitkanal mit dem Bezugszeichen 125 gekennzeichnet ist und Pel- tier-Elemeni-Lagen, von denen beispielhaft eine mit dem Bezugszeichen 710 ■gekennzeichnet ist auf. Gemäß» diesem Ausführungsbeispiel strömt, wie durch die Pfeile gekennzeichnet, warrne Luft in die Temperiervornchtung 8Ö0 hinein und kalte Luft aus der Temperiervorrichtung 800 heraus. Das bedeutet, dass die Peitier-Eiemente so angeordnet sind, bzw, so betrieben werden, dass die Luftkanäie 125 abgekühlt werden. Weitere Wärmeleiteriagen der Tempenervorrichtung 800, die beispielsweise von einem Kühlmittel durchflössen werden können, werden dagegen erwärmt.
Fig. 9 zeigt links eine Lage der in Fig. 8 gezeigten Temperiervorrichtung und rechts eine Explosionsdarstellung dieser Lage, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt ist ein stapeiförmiger Aufbau aus einer ersten Wärmeieiterlage 120 zwei zweiten Wärmeleiterlagen 125 und zwei Peltier-Elemeni-Lagen 710, Die Peitier-Eiement-Lagen 710 sind jeweils zwischen der ersten Wärmeleitersage 120 und einer der zweiten Wärmeleiterlagen 125 angeordnet. Die erste Wärmeleiterlage 120 ist in Form eines flachen Kühlmittelkanals ausgebildet, der von einem Kühlmittel 850 durchströmt wird. Di Peltier-Element-Lagen 710 können als Peltierlagen rn.it elektrischer Kontaktie- rung und stofFschlüssiger elektrischer Isolierung ausgeformt sein,
Fig. 10 zeigt eine Peltier-Element-Lage 710 und ein detailliert dargestelltes Pel- tier-Element 600, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin- dung. Bei der Peltier-Element-Lage 710 kann es sich um eine in Fig. 9 eingesetzte Peltierlage handeln.
Eine Belegungsrate ε kann kleiner gleich 10% sein: ε ™ (Summe der Flächen der Peltierelemenie 800) (Fläche der Lage 710} =<10%
Das Peitier-Element 800 weist eine Grundplatte und eine Deckplatte auf, zwischen denen eine Mehrzahl von Peliier-Element-Leitern angeordnet ist. Die Anordnung der Peitier-Efement-Leiter kann entsprechend der in Fig. 8 gezeigten Anordnung ausgeführt sein.
Gemäß dem in Fig. 10 gezeigten Ausführungsbeispiel werden anstelle dotierter Steine ganze Elemente 600 in einer Lage 710 eingebracht. Dabei sind höchstens 10% der Fläche einer Lage 710 mit Peitierelementen 600 belegt Somit kann die integrationsebene nicht mehr in dotierten P- und N- Steinen liegen, sondern es können ganze Zukauf-Elemente eingesetzt werden, die eine eigener Feinstruktur, d.h. P und N, aufweisen. Die Feinstruktur kann aus Steinen zusammensetzt sein. Anstelle von verschalteten Steinen können beispielsweise aufgedampfte Leiterbahnen oder Gewebe eingesetzt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der erfindiingsgemäße Ansatz bei einem thermoelekirischen Heiz- und Klimagerät eingesetzt werden. Ein moduiar aufgebautes Gerät dient zum Heizen oder Kühlen der Kabinenluit, Die Wärmeaufnahme bzw. Wärmeabgabe erfolgt über den Niedertemperaturkreislauf des Fahrzeuges, vorzugsweise Elektrofahrzeuges. Um bereits mit kommerziell verfügbaren, thermoelekirischen IVlateriaiien rentabel' zu sein, ist das Grunddesign des Gerätes auf bestmögliche Wärmeübergänge hin konzipiert.
Im Elektrofahrzeug stellt das Heizen der Kabine eine Herausforderung dar, da keine nennenswerte Motorabwärme zur Verfügung steht. Elektrische Wider- Standsheizer wandeln in de Batterie gespeicherten Strom mit einem CGP-1 (engl Coefficient of Performance) in Wärme um und reduzieren die Reichweite signifikant. Effizienter sind Wärmepumpen, die mit einem COP>1 arbeiten und die Wärme zum Teil aus Strom, zum Teil auch aus der Umgebung oder aus Abwärmequelle geringen Temperaturniveaus gewinnen. Neben dem Einsatz von Kältemittel-Wärmepumpen, eignen sich auch thsrmoelektrische Materialie , welche den Effekt ohne bewegte Teile und ohne Kältemittel erzeugen können. Ein idealzustand wäre, wenn auch die Kühlfunktion der Kabine (Sommerbetrieb) mittels derselben therrfioelektrischen Elemente wahrgenommen werden könnte, da dann der Kältekreislauf komplett entfiele und das Umschalten zwischen Heizen und Kühlen durch Umpolung der anliegenden Spannungen ohne mechanische Veränderungen bewerkstelligt würde.
Der erfindungsgemäße Ansatz ermöglicht es, die Funktion„Helzen der Kabine" mit einem CÖP>1 zu bewerkstelligen (Wärmepumpenbetrieb) sowie den separate Kältekreislauf durch elektrisches Umschalten auf Kühlbetrieb entfallen zu lassen, wobei der COP im Kühlbetrieb dem CQP eines Kältekreislaufes nicht nachstehen soll.
Wesentliches Merkmal eines Heiz- und Klimargerätes unter Ausnutzung des Peltiereffektes ist ein deutlich gesteigerter Wärmeübergang mit möglichst geringen Temperaturdifferenzen zwischen Fluid und der thermisch angebundenen Seite der thermoelektrsschen Elemente. Da die Effizienz von Wärmeübertragern schnell an ihre Grenzen stößt, bleibt die Lösung, durch starke Herabsetzung der übertragenen Wärmestromdichte geringe treibende Temperaturdifferenzen zu bewirken, Der Zusammenhang zwischen abfallenden GOPs' bei höheren Temperaturdäfferenzen ist bei der Thermoelektrik erheblich stärker ausgeprägt als bei Kältekreisläufen, da zwischen warmer und kalter Seite eines Peltierelementes unerwünschte Wärmeleitung in natürlicher Wärmeflussrlch- tung stattfindet. Wenige Kelvin können hier im Kühlbetrieb schon den Unterschied zwischen einer akzeptablen Anwendung und einer nicht mehr rentablen oder gar einer physikalisch nicht mehr möglichen Konfiguratson ausmachen, da folgender Rückkopplungsmechanismus vorliegt: Schlechtere GÖPs1 bewirken einen höheren Wärmeanfalf auf der Abwärmeseite und erhöhen dort die Temperatur, was wiederum den COP verschlechtert und Strombedarf sowie Wärmeanfall auf der Abwärmeseite weiter verstärkt.
Bei der Reduzierung der Leistungsdichte kann nicht einfach die Bestromung der thermoeiekirischen Elemente reduziert werden, da sich hier der COP massiv verschlechtern würde, bleibe die Elemente als unerwünschte thermische Brücken zwischen Warm- und aitseite ja erhalten. Die eingesetzten Halbleiter haben in der Regel Wärmeleitfähigkeiten im einsteiligen Bereich (W/m2K). Stattdessen müssen die Peitierelemente mit einer zu berechnenden oder als Kennfeld zu hinterlegenden, optimalen Stromstärke beaufschlagt werden und dürfen zur Reduzierung der Leistungsdichte nur einen geringen FSächenanteil ihrer jeweiligen Einfaau-Flächenlage einnehmen. Die nicht durch thermoelektn- sches Material belegten Flächenanteile sind beispielsweise mit Ssoiationsmate- rial. mit Luft oder mit Gas zu füllen, wie es in Fig. 7 gezeigt ist.
Die geringe Leistungsdichte bezogen auf eine Flächenlage an Peitierelemenien muss in der verbleibenden Dimension durch möglichst nah aufeinanderfolgende' Lagen kompensiert werden, damit insgesamt eine .akzeptable volumetrische Leistungsdichte zur Verfügung steht und das kombinierte Heiz-/ ühlgerät nicht zu groß baut, wie es in Fig. 8 gezeigt ist. Die Luftkanäle sind selbstverständlich berippt, auch wenn in Fig. 8 kein Rippen dargestellt sind.
Die gewünschten Vorteile und Effekte können verstärkt werden durch Gegen- stromführung von Kabinenluft und Kühlmittel wie es in Fig, 8 gezeigt ist sowie durch stoffschlüssige Änbindung der einzelnen Lagen, wie es in Fig, 9 gezeigt ist. So kann etwa eine stoffschlüssige Aufbringung einer sehr dünnen elektrischen isoiaiionsschicht auf der Leiterschicht erfolgen. Idealerweise sind in Jeder Lage jeweils zu jeder Seite hin folgende Schichten stoffschlüssig verbunden und nur so dick ausgeführt., wie zur Erfüllung ihrer Aufgabe zwingend erforderlich: Peltierelement -> elektrischer Leiter -> elektrischer tsoiato» Boden des Strömungskanals (Kühlmittel- oder Luftseite). Wie in Fig. 9 veranschaulicht, Ist der Kühlmittelkanal 120, der mit Stromstörern,. Turbuiatoren o.ä, ausgestattet sein kann, beidseitig an ihermoeiektrische Elemente thermisch angebunden. Ein weiterer Vorteil dieser Konfiguration ist der modulare Aufbau und die damit gegebene Möglichkeit, durch entsprechende Anpassung der Anzahl der Lagen sowie Wahl der flächigen Abmessungen dezentrale Komponenten zu entwickein, die nahe der entsprechenden Ausströmöffnungen im Front- oder Heckbereich plaziert werden können.
Bei einem Kälfebetrieb mit 1200 W Kälteleistung, 15 ,:'C AusbSastemperatur, 35 °C Kühlmiifeltemperatur, Abmessungen 150x150x300 mm3, 10 Kühlmittellagen, realistische Luft- und Kühlmittelsfröme und geeigneten thermoeie-ktrischen Material ist ein => COP™QK3!te/ efektrisch™2 realisierbar,
Der Heiz- und Kühlkörper wird so ausgelegt, dass der maximale COP an einem oder mehreren relevanten Betriebspunkten möglichst gut angenäheäl werden kann. Bei geringerem Leistungsbedarf, also reduzierter Bestromung, würde sich der COP verschlechtern, d die Peitierelemente zunehmend als natürliche ärmebrüeke wirken. Daher werden nach Unterschreitung einer gewissen Leis- tungsstufe einzelne Lagen nicht nur elektrisch, sondern auch thermisch vom Luftstrom getrennt, indem z.B. Klappen den Eintritt verschließen. Diese Möglichkeit kann für eine gewisse Anzahl an Einzeüagen, oder auch für mehrere Lagen übergreifend realisiert werden. Eine feinere Abstufung verbessert den COP über den Betriebszyklus, eine gröbere Abstufung reduziert die Kosten in der Herstellung.
Beispielsweise können bei einem Heiz- und Kühlkörper 12 Lagen vorgesehen sein. Davon können bei insgesamt 8 Lagen je drei Lagen jeweils gemeinsam luftseitig geschlossen werden. Es werden somit 2 Klappen benötigt. Die Anzahl an gleichzeitig durchströmten Lagen kann somit die folgenden Werte annehmen: 6 Lagen, wenn zwei Klappen zu sind, 9 Lagen, wenn eine Klappe zu ist und 12 Lagen, wenn alte Klappen offen sind. Weiterhin ist die Komponente so zu dimensionieren, dass beim heat-up bzw. cool-down, also beim Aufheizen und Abkühlen, die erforderliche Heiz- bzw., Kühlleistung erzielt werden kann, unabhängig vom COP, der in diesen Phasen erreicht, wird,
Fig. 11 zeigt eine senkrechte Projektion zweier benachbarter Peltier- elementlagen in eine Ansichtsebene, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt ist eine vordere Peltiereiementlage, in Fig. 11 die obere Lage, mit einer Mehrzahl schematisch dargestellter Peltierelemente 800. Von der Mehrzahl von Peltierelementen 800 ist der Übersichtlichkeit halber nur eines mit einem Bezugszeichen 800 versehen. Ferner ist eine hintere Peltiereiementlage mit einer Mehrzahl schematisch dargestellter Peltierelemente 1600 gezeigt. Die Peltierelemente 1600 s nd durch unterbrochene Linien dargestellt. Von der Mehrzahl von Peltierelementen 1600 ist der Übersichtlichkeit halber wiederum nur eines mit einem Bezugszeichen 1800 versehen.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weisen die vordere Peltiereiementlage und die hintere Peltiereiementlage eine unterschiedliche Anzahl von Peltierelementen 600, 1800 auf. Beispielhaft weist die vordere Peltiereiementlage sechzehn Peltierelemente 600 und die hintere Peltiereiementlage neun Peiiiereiemente 1600 auf. Zudem weisen die Peltierelemente 600 eine andere Anordnung auf der vorderen Peltiereiementlage auf, als die Peltierelemente 1800 auf de hinteren Peltiereiementlage. Gezeigt ist eine versetzte Anordnung, bei der sich eine Zeile oder Spalte mit Peltierelementen 800 mit einer Zeile oder Spalte mit Peltierelementen 1600 abwechselt. Dabei weisen die Peltierelemente 800 bezüglich der Peltierelemente 1600 keine Überlappungsbereiche auf. Gemäß diesem Ausführungsbe spieS weisen die Peltierelemente 600 und die Peltierelemente 1600 jeweils die gleiche Größe auf, Die Peltierelemente 600, 1600 können identisch sein. Alternativ können die Peltiereiemente 800, 1600 unterschiedliche Größen aulweisen,
Ideaierweise weist jeweils eine Oberfläche einer Peltier-Element-Lage eine homogene Teniperaiurverteilung auf. In der Realität werden sich jedoch an den Peltiereiernenten 600, 1800, welche Wärmequellen bzw. Wärmesenken darstellen, entsprechende Temperaturmaxima bzw. Temperaturminima ausprägen, sogenannte hol spots und cold spots. Dies ist dadurch bedingt, dass die horizontale Wärmeleitung begrenzt äst. Die flächige Anordnung und Anzahl von Peltiereiernenten 600, 1600 und zusätzlich oder alternativ die Elementgro&e der Peitiereiemente 600, 1600 können zwischen zwei benachbarten Peitier- elementiagen variieren. Dies kann den Vorteil bringen, die Bildung von hot spots bzw. cold spots zu verringern, indem die Wärmequellen bzw. Wärmesenken, weiche beispielsweise auf eine Be.rippung, Turbuiatoren oder ein Fluid wirken, in der in Fig. 1 1 gezeigten, gedanklichen, senkrechten Projektion beider Peltier-Element-Lagen auf eine Projektionsf lache, an Anzahl zunehmen und geringere Abstände aufweisen.
Die beschriebenen Äusführungsbeisplele sind nur beispielhaft gewählt und könne miteinander kombiniert werden. Insbesondere ist eine Kombination der Ausführungsbeispiele mit Peltier-Element-Lagen die aus einzelnen Peltier- Eiement-Leitem aufgebaut sind mit und der Ausführungsbeispiele mit Peltier- Element-Lagen die Peltier-E!ementen aufgebaut sind möglich. Dabei kann die elektrische Verschattung der Peltier-Element-Lagen jeweils entsprechend an- gepasst werden.

Claims

P a t e n t s n s p r ü c h e
1 , Temperierelement (105; 405) für ein Fahrzeug, mit folgenden Merkmalen: einer ersten Pelter-Element-Lage (110); einer zweiten Peltier-Element-Lage (115); einer ersten elektrisch leitfähigen VVärmeieiterlage (120) zum Leiten eines ersten Wärmeieitfluids; und einer zweiten elektrisch Ieitfählgen Wärmeleiteriage (125) zum Leiten eines zweiten 'Wärmeteitfiuids, wobei die erste Peitier-Eiement-Lage, die zweite Peitier-Eiement-Lage, die erste Wärmeleiteriage- und die zweite Wärmeleiteriage in Form eines Stapels angeordnet sind, so dass die erste Wärmeleiteriage und/oder die zweite Wärmeleiteriage zwischen der ersten Pei ier-Element-Lage und der zweiten Peitier-Eiement-Lage angeordnet ist, und wobei ein durch den Stapel ■geleiteter elektrischer Strom aufgrund eines Peltier-Effekts eine Temperierung der ersten Wärmeleiteriage und der zweiten Wärmeleiteriage bewirkt.
2. Temperierelement (105; 405) gemäß Anspruch 1 , mit einer weiteren ersten elektrisch leitfähigen Wärmeleiteriage (415) und/oder einer weiteren zweiten elektrisoh ieitfählge Wärmeleiteriage (130), die durc zumindest eine der ersten Peltier-Element-Lage (110) oder zweiten Peltier-Element-Lage (116) von der ersten Wärmeleiteriage (120) oder zweiten Wärmeleiteriage (125) getrennt in dem Stapel angeordnet ist. , Temperierelement (105; 405) gemäß Anspruch 1 , mit einer weiteren zweiten elektrisch leitfähigen Wärmeleiterlage (130), wobei die zweite Wärmelei- teriage (125) einen ersten elektrischen Kontakt (145) und die weitere zweite Wärmeleiterlage einen zweiten elektrischen Kontakt (150) aufweist, und wobei die erste Peltier-Element-Lage (110) und die zweite Peltier-Element- Lage (115) zwischen der zweiten Wärmeleiterlage und der weiteren zweiten Wärmeleiterlage angeordnet sind und die erste Wärmeleiterlage (120) zwischen der ersten Peltier-Element-Lage und der zweiten Peitier-Eiement- Lage angeordnet ist. , Temperierelement (105; 405) gemäß Anspruch 1, mit einer weiteren ersten Wärmeieiteilage (415) und einer weiteren zweiten WärmefeiterSage (130), wobei die erste Wärnieieiterlage (120) einen ersten elektrischen Kontakt (145) und die weitere erste Wärmeleiterlage einen zweiten eiektiischen Kontakt ( 50) aufweist, und mit einer elektrischen Leitung (420) zum Verbinden der zweiten Wärmeieiteilage (1.25) mit der weiteren zweiten Wärmeleiterlage (130), und wobei die erste Wärmeleiferlage und die zweite Wärmeleiterlage zwischen der ersten Peltier-Element-Lage (110) und der zweiten Peltier-Element-Lage (115) angeordnet sind und die erste Peltier- Element-Lage und die zweite Peltier-Element-Lage zwischen der weiteren ersten Wärmeieiteilage und der weiteren zweiten Wärmeleiterlage angeordnet sind, und wobei zwischen der ersten Wärmeleiterlage und der zweiten Wärmeieiteilage eine galvanische und thermische Isolserlage (410) angeordnet ist , Temperierelement (105; 405) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die erste Peltier-Element-Lage (1 0) mindestens zwei benachbart zueinander angeordnete erste Peltier-Eiement-Leiter (135) aufweist und die zweite Peltier-Eiement-Lage (115) mindestens zwei benachbart zueinander angeordnete zweite Peltier-Eiement-Leiter (13.5) aufweist
8. Temperlerelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die erste Peltier-Element-Lage und die zweite Peltier-Eiement-Lage jeweils mindestens einen ersten Peltier-ESernent-Leiter und mindestens einen zweiten Peltier-Eiement-Leiter aufweisen, die benachbart zueinander angeordnet und elektrisch leitend miteinander verbunden sind, so dass der durch den Stapel geleitete elektrische Strom den ersten Peltier-Eiement-Leiter und zweiten Peltier-Eiement-Leiter seriell durchströmt.
7. Ternperierelement (105; 405) gemäß einem de vorangegangenen Ansprüche, bei dem die erste Wärmeleiterlage (120) ais ein Kühilmittelkanal ausgebilde ist und die zweite ärmeteitedage (125) als ein Rsppeneiement ausgebildet ist,
8. Temperiereiement (105; 405) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die erste Wärmeieiierlage (120) an einer Außenseite eine galvanische Isolierschicht (305) aufweist, die von einer Leiterschicht (315) umgeben ist, die ausgebildet ist, um einen Stromfiuss zwischen der ersten Pel- tier- Element-Lage (110) und der zweiten Peliier-Eiement-Lage (1 15) zu ermöglichen.
9. Temperiervörrichtung (100; 200; 400), die eine Mehrzahl von Temperiereiementeh ( 05; 405) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 7 um- fasst, wobei die Mehrzahl vo Tempenerelementen über die jeweiligen ersten Kontakte (145) und zweiten Kontakte (150) in einer Serienschaltung verschaltet sind.
10. Temperiervorrichtung (100; 200; 400) gemäß Anspruch 8t bei der zwischen jeweils zwei der Mehrzahl von Tempenerelementen (105; 405) eine galvanische Isolieriage (140; 410) angeordnet ist. 1. Temperiervornchtung (800) für ein Fahrzeug, mit folgenden Merkmalen: einer ersten Wärmeieiteriage (120) zum Leiten eines ersten Wärmelett- fluids; einer Peltier-Eiement-Lage (710) die eine Mehrzahl von Peltier-Elementen (800) aufweist die beahsiandet zueinander angeordnet sind und jeweils eine Mehrzahl von Peitier-Element-Leitern umfassen; und einer zweiten Wärmeleiterlage {125} zum Leiten eines zweiten Wärmeleit- fluids; wobei die Lagen in Form eines Stapels angeordnet sind, so dass die Pel- tier-Eiernent-Lage zwischen der ersten Wärmeleiterlage und der zweiten Wärmeieiteriage angeordnet ist.
12. Temperiervonichtung gemäß Anspruch 11 , bei dem die Mehrzahl von Peltier-Elementen (800) maximal ein Zehnte! einer Gesamtfläche der Peltier- Element-Lage (710) bedeckt
13. empeneävonichtung gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12, mit einer weiteren Peltier-Element-Lage (710), die eine Mehrzahl von weiteren Peltier-Elementen (600) aufweist, die beabstandet zueinander angeordnet sind und jeweils eine Mehrzahl von weiteren Peltier-Element-Leitem umfasse und einer weiteren erster! Wärmeieiteriage (120) zum Leiten des ersten Wärmeleitfluids wobei die weitere Peltier-Eiement-Lage in dem Stapel zwischen der zweiten Wärmeieiteriage und der weiteren ersten Wärmeieiteriage angeordnet ist.
14. Temperiervomöhtung gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12, mit einer thermischen Isolserlage, einer weiteren ersten Wärmeieiteriage (120) zum Leiten des ersten Wärmeleitfluids und einer weiteren Peltier-Eiement-Lage (710), die eine Mehrzahl von weiteren Peltier-Elementen (80Ö) aufweist, die beabstandet zueinande angeordnet sind und jeweils eine Mehrzahl von weiteren Peitier-Element-Leitern umfassen, wobei die thermische isolieri - ge In dem Stapel benachbart zu der zweiten Wärmeleiterlage und die weitere erste Wärmelelteilage in dem Stapel zwischen der thermischen Isolierlage und der weiteren Peltier-Element-Lage. angeordnet ist.
15. Temperiervorrichtung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einer Schaiteinrichtung, die ausgebildet ist, um das zweite Wärmele tfluid in einem ersten Betriebsmodus der Temperiervorrichtung oder Temperierelements durch die zweite Wärmeteiteriage (125) und eine weitere zweite Wärmeieiterlage (125) und in einem zweiten Betriebsmodus der Temperiervorrichtung entweder durc die zweite Wärmeteiteriage oder durch die weitere zweite Wärmeleiterlage zu leiten,
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