JP2018520331A - ガス状または液状の媒体のための温度調節ユニット - Google Patents

Abstract

本発明は、媒体の高度に動的な温度調節でもっての、ガス状または液状の媒体のための温度調節ユニットに関し、前記温度調節ユニット１は、それらの間に複数の熱電モジュール７が設けられている、基礎体２およびヒートシンク５と、前記基礎体２内における媒体導管６とでもって構成されており、その際、前記基礎体２内における前記媒体導管６が、１条式の渦巻の様式において、外側から内側へと案内されて設けられており、且つ、前記複数の熱電モジュール７が、複数の列において、前記基礎体２に設けられており、その際、半径方向により外側に位置する熱電モジュール７のモジュール加熱出力が、半径方向により内側に位置する熱電モジュール７のモジュール加熱出力よりも大きい。

Description

本発明は、複数の熱電モジュールを用いて、ガス状または液状の媒体の温度調節のための温度調節ユニットに関し、
この熱電モジュールが、基礎体とヒートシンクとの間に設けられており、且つ、前記基礎体内において、媒体導管が設けられており、この媒体導管を通って、前記ガス状または液状の媒体が貫流し、その際、前記基礎体内における前記媒体導管が、１条式の渦巻の様式において、外側から内側へと案内されて設けられている。

テストベンチの上での、燃焼エンジンの燃料消費量の正確な測定のために、燃焼エンジンに供給される燃料の温度および圧力の精確なコンディショニングは必要である。燃料消費量の測定は、その際、しばしば、公知のコリオリ流量センサーでもって行われる。
燃料消費量の測定に関する１つの例が、特許文献１内において見出され得、この特許文献１は、液状の燃料のコンディショニングを目指している。その中で、燃料の温度は、熱交換器を介して、冷却液体でもって制御される。強度な負荷変動は、燃料消費量および還流の媒体温度における、強度な変動を誘起する（入側温度）。
そのような熱交換器は、しかしながら緩慢であり、且つ、ただ遅鈍な温度変化だけを許容する。従って、熱交換器を用いての記載されたコンディショニングは、強度な負荷変動（入側温度変動）に関して不適当である。このことは、現下の従来技術において、この様式の負荷変動の後、沈静時間が維持されねばならないことを誘起する。この時間の間じゅう、温度は安定的でなく、且つ、流量センサーに関して、如何なる高正確な測定も可能ではない。
入側温度変動により依存しない作動のために、１つの方法として、熱交換器の出力密度は増大されねばならない。このことは、しかしながら、そんなに容易には技術的に実現可能ではなく、且つ、仮に可能である場合でも、熱交換器の設計変更を必要とする。
不変の出力密度において、他方また、著しくより大きな所要スペースが結果として生じる。更に別の可能性は、あるいは、熱交換器のより急激な制御特性に存在するかもしれない。このことは、しかしながら、他方また、より大きな過剰振動および過少振動を、および、これに伴って、可能な目標温度変化に関して、より悪い動的な動態を意味する。
熱交換器をより大きくすることは、しかしながら、同様にただ液体においてだけ有効である。ガス状の媒体において、流過変動は、直接的に、圧力変化および目標温度変化を生じさせる。これに伴って、熱交換器が、極度に迅速な目標温度変化を可能にするべきであり、このことは、しかしながら、液体でもって作動される熱交換器に関して、実用的に実現可能ではない。
この目的のために、使用に供せられる出力は、不変の質量において、更にそれ以上に増大されねばならず、ただ出力を過度に増大することは、この場合に、如何なる効果利得も有していない。選択的に、熱交換器の制御器を更により急激に調節することが未だに残っており、このことは、しかしながら、他方また、更により大きな過剰振動および過少振動を結果としてもたらす。精確な、且つ、迅速な温度制御は、これに伴って可能ではない。

熱交換器を用いての動的な温度制御は、従って、如何なる一定の温度も調節され得ない場合、それに加えて、未だに比較的に不精確である。それは別として、そのような熱交換器は、この熱交換器の作動のための付加的な構造部材および調節装置を前提とし、このことは、設備を、同様により経費の必要な状態にもする。

特許文献２内において、燃料の温度を、コンディショニング設備内において、熱電モジュール（いわゆるペルチェ素子）を用いて温度を調節することが提案されている。これに伴って、達成された小さな蓄熱質量に基づいて、高度に動的な温度制御が可能であり、この温度制御でもって、燃料は、加熱および冷却され得る。同様にこの装置も、特に、液状の燃料のコンディショニングを対象としている。

天然ガスまたは水素のようなガス状の燃料において、このガス状の燃料が、通常は、高い圧力のもとで存在し、もしくは、供給され、且つ、従って、燃料としての使用のために、燃焼エンジン内において、先ず第一に、必要とされるより低い圧力に弛緩されねばならないことの付加的な課題が生じる。
例えば天然ガスのような、ガス状の燃料の弛緩において、燃料は、しかしながら強度に冷却され、このことは、例えば、凝縮物形成によって、および、ガス導管またはこのガス導管内における他の構成要素の凍結によって、コンディショニング設備の後に続く構成要素のために問題となる可能性がある。従って、ガス状の燃料は、弛緩の前に、通常は加熱され、従って、弛緩によって、燃料の所望された温度が与えられる。
供給されたガス状の燃料の圧力における変動に基づいて、および、同様に変化可能なガス状の燃料の組成の、弛緩の後の温度の依存性に基づいて、温度を、弛緩の後および流過測定の前に一定に保持可能であるために、弛緩の前のガス状の燃料の温度制御は、高度に動的であるべきである。更に、燃料の温度調節のために必要とされる加熱出力は、同様に、強度に現下の流過にも依存し、このことは、迅速に変化する流過において、同様に、高度に動的な温度制御を必要とする。

そのような高度に動的な温度制御は、一方では、（迅速な温度変化の趣旨における）高度に動的な制御干渉を実施することが可能な状態にある制御方式を、および、他方では、これら高度に動的な制御干渉を同様に変換することも可能な状態にある温度調節ユニットを、前提条件とする。
そのような温度調節ユニットは、従って、極めて短い時間内において貫流する燃料に、必要とされる温度変化を与えることが可能な状態にあるべきである。それに加えて、事情によっては如何なる高い要求も温度制御の動的な動態に対して用意されない場合にも、同様に高い温度安定性も所望される。何故ならば、ある種の使用において、高精確および高定常的な温度制御が必要とされるからである。
これらの要求は、高い加熱および冷却出力を有する温度調節ユニットを前提条件とし、その際、事情によっては、同様に、迅速に加熱と冷却との間でも、交番されねばならない。それは別として、過度に強度な過剰温度調節（過加熱または過冷却）を回避するために、従って、同様に、精確な温度制御も可能であるべきである。

特許文献２は、高度に動的な温度制御のために、温度調節ユニットの小さな蓄熱質量が有利であることの示唆を与えている。

特許文献３は、車両内における、燃料の加熱または冷却のための、ペルチェ素子を有する熱交換器要素を示している。
この熱交換器要素は、熱伝導ブロックから成り、この熱伝導ブロック内において、燃料導管が蛇行形状に挿入されており、且つ、この熱伝導ブロックの第１の側面で熱的に絶縁されている。この熱伝導ブロックの第２の側面において、ペルチェ素子が設けられており、これらペルチェ素子は、熱的にヒートシンクと結合されている。
ヒートシンクは、熱導出容量を最大にするために、典型的に、大きな表面積、および、小さな蓄熱質量でもって構成されている。熱導出容量を更にそれ以上に増大するために、付加的に、このヒートシンクに、更に送風機が設けられている。従って、熱を、ヒートシンクを介して迅速に周囲環境へと導出可能とするために、この特許文献３の熱交換器要素は、同様に小さな蓄熱質量を目指して構成されている。
この熱交換器要素内における燃料の蛇行形状の案内によって、しかしながら、同様に、燃料の不均等な加熱という事態にもなり、このことは、温度制御を困難にする。何故ならば、これらペルチェ素子が、全て、同じ供給電圧でもって制御されるからである。この不均等な加熱から、媒体の出口温度とペルチェ素子の表面との間のより高い温度差が与えられ、このことは、他方また、より低い最大の媒体の出口温度を誘起する。何故ならば、これらペルチェ素子は、適宜に加熱され得ないからである。そうでなければ、より少ない最大の流量が、予め与えられた出口目標温度において与えられる。
それは別として、より高い温度差によって、より多くの熱的なエネルギーが熱伝導ブロック内において貯蔵され、このエネルギーが、目標温度変化の場合には、再び取り除かれねばならず、このことは、熱交換器要素を、しかしながら、他方またより緩慢にする。燃料のより均等な加熱のために、個別のペルチェ素子が、即ち燃料導管に沿って異なるペルチェ素子が、互いに調和されねばならないか、または、これらペルチェ素子が、個別に給電および制御されねばならないかである。これら両方のことは、しかしながら、極めて手間暇がかかり、且つ、従って不利である。

上記で引き合いに出された問題は、しかしながら、基本的に、燃料においてだけでなく、温度調節ユニット内において温度調節されるべき、それぞれのガス状または液状の媒体において生じる可能性がある。

特許文献４から、液体流の温度調節のための、温度調節ユニットが示されており、この温度調節ユニットは、熱−主交換器、熱−補助交換器、および、これらの間に設けられたペルチェ素子を有している。液体流の温度調節のための媒体導管は、熱−主交換器内において設けられており、且つ、渦巻状に外側から内側へと案内されている。その際、熱−補助交換器内において、予温度調節が行われ、且つ、これらペルチェ素子が、所望された温度の精確且つ迅速な制御に役立つ。

米国特許出願公開第２０１４／０１２３７４２ Ａ１号明細書 ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０ ２０１０ ０４６ ９４６ Ａ１号明細書 米国特許第６，５０２，４０５ Ｂ１号明細書 ヨーロッパ特許出願公開第００３ ８２２ Ａ１号明細書

この公知技術を出発点として、本発明の具体的な課題は、特に高度に動的な、および、精確な媒体の温度調節を可能にする、ガス状または液状の媒体のための温度調節ユニットを提供することである。

この課題は、冒頭に述べた温度調節ユニットによって、本発明に従い、複数の熱電モジュールが、複数の列において、基礎体に設けられており、半径方向により外側に位置する熱電モジュールのモジュール加熱出力が、半径方向により内側に位置する熱電モジュールのモジュール加熱出力よりも大きいことによって解決される。
このことによって、極めて能率的な温度調節が達成される。外側から流れ込む媒体は、半径方向外側の領域内において高い加熱出力でもって温度調節され得、このことは、強度な、且つ、迅速な温度変化を可能にする。熱電モジュールのモジュール加熱出力は、本発明の開示内容の領域内において、定格電流もしくは定格電圧における定格出力を、および、所定の定格電圧から逸脱する供給電圧においてもしくは所定の定格電流から逸脱する供給電流圧において調節される出力を意味する。これらモジュールは、その際、有利には、モジュール表面と媒体出口温度との間の、最大流過における温度の開き（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｓｐｒｅｉｚｕｎｇ）が、最小になるように互いに調和される。
明らかなように、このことは、全てのモジュールがほぼ同じ表面温度を有している場合に当てはまる。円周状の配設によって、熱電モジュールは、１つの列の内側で、本来、ほぼ同じ温度である。ただ異なる列だけが、これに関して調整されねばならず、このことは、媒体導管の蛇行形状の配設とは対照的に、重要な簡略化を具現する。何故ならば、同じ成果（最小の温度の開き）のために、もはや、全ての熱電モジュールが調整される必要は無いからである。

それに加えて、モジュール加熱出力は、最適に、諸条件に適合され得、且つ、半径方向内側のモジュールが、より小さなモジュール加熱出力でもって設備され得る。

半径方向外側の領域における熱電モジュールのモジュール加熱出力の合計としての、基礎体の半径方向外側の領域における加熱出力が、半径方向内側の領域における熱電モジュールのモジュール加熱出力の合計としての、基礎体の半径方向内側の領域における加熱出力よりも大きい場合、媒体の温度は、同様に、個別の熱電モジュールのモジュール加熱出力の配設および選択によっても最適化され得、且つ、媒体の極めて均等な加熱が達成され得る。

換言すれば、複数の熱電モジュールは、複数の列において、基礎体に設けられており、且つ、半径方向により外側に位置する熱電モジュールのモジュール加熱出力が、調節可能に、半径方向により内側に位置する熱電モジュールのモジュール加熱出力よりも大きい。
その際、モジュール加熱出力の調節可能性は、異なる定格出力を有するモジュールの選択によって、および、異なる供給電圧値もしくは供給電流値によって達成され得る。

１条式の渦巻の様式における、基礎体内における媒体導管の配設によって、特に均等なおよび能率的な、媒体の温度調節は達成され得る。この渦巻形状によって、温度調節ユニットは、極めてコンパクトに構成され得る。何故ならば、渦巻条が、狭小に、相並んで相並んで設けられ得るからである。従って、熱電モジュールは、同様に、複数の渦巻条を覆うことが可能であり、このことは、温度調節ユニットの能率を、および、加熱の均等性を改善する。従って、特に高度に動的、精確、且つ、安定的な媒体の温度制御が達成され得る。

基礎体およびこの基礎体内において設けられた媒体導管の蓄熱質量に対する、ヒートシンクの蓄熱質量の質量比率が、０．５から１に至るまでの範囲内に、有利には０．７から０．８に至るまでの範囲内にあり、且つ、極めて特に有利には、０．７５でもって選択される場合、特に有利である。
請求項１の上位概念による、温度調節ユニットを用いての、媒体の高度に動的な温度調節に関して、特に、熱の流動の方向の迅速且つ頻繁な変化が必要である場合、従来技術から容易に想到されるような、過度に小さな蓄熱質量は不利であることが判明した。
予想外に、温度調節のために、ヒートシンクの質量と、基礎体およびこの基礎体内において設けられた媒体導管の質量との間の、ある程度の質量比率が有利であることが確認された。それについての理由は、明らかに、ヒートシンクのより大きな質量によって、蓄熱質量が形成され、且つ、これに伴って、過度に迅速に、熱的なエネルギーが周囲環境に放出されないことにある。
この貯蔵されたエネルギーは、次いで、場合によっては燃料の加熱において支援するために、使用され、それによって、温度調節が、より迅速に、且つ、より精確に行われ得る。

基礎体内において、溝部設けられており、この溝部内に、媒体導管が圧入されている場合、温度調節ユニットのコンパクトな構成が与えられる。

基礎体内における熱的なエネルギーを集中すること、および、熱的なエネルギーの強度な流出を防止することのために、基礎体は、基礎体外套によって囲繞されており、この基礎体の周囲にわたって、複数の半径方向の結合ウェブが設けられており、これら結合ウェブが、基礎体外套と結合されている。このことは、同様に、温度調節ユニットの能率を向上する。
このことは、基礎体外套が、部分的に、中空に構成されている場合に、更にそれ以上に改善され得る。何故ならば、これに伴って、基礎体と周囲環境との間の、更に良好な熱的な絶縁が達成されるからである。

熱をより迅速にヒートシンクから導出可能とするために、このヒートシンク内に、冷却導管を設けること、この冷却導管を通って、冷却液体が、必要に応じて、このヒートシンクの冷却のために流れることは有利である。
このことは、特に、顕著なジュールトムソン効果の無いガスにおいて、または、液状の媒体において有用である。何故ならば、これらの場合、熱電モジュールの頻繁な電極交換が必要であり得るからである。冷却導管は、その際、有利には、他方また、渦巻状に設けられている。

具体的な発明を、以下で、例示的に、概略的に、且つ、限定すること無しに本発明の有利な構成を図示している図１から７までを参照して、詳細に説明する。

本発明に従う温度調節ユニット１の透視図である。 取り外されたヒートシンクにおける、温度調節ユニットの図である。 温度調節ユニットの基礎体の図である。 温度調節ユニットの基礎体の図である。 温度調節ユニット内における媒体導管の図である。 基礎体内における媒体導管の、更に別の有利な構成の図である。 ヒートシンク内における、冷却導管を有する温度調節ユニットの図である。

図１内において、本発明に従う温度調節ユニットの透視図が図示されている。
この温度調節ユニット１は、基礎体２から成っており、この基礎体に、同様に、温度調節ユニット１の固定のための、例えば示された実施例において脚のような、適宜の固定要素３が設けられていることも可能である。基礎体２の第１の側面に、熱的な絶縁要素４が設けられており、反対側にある第２の側面に、ヒートシンク５が設けられている。
温度調節ユニット１を通って、媒体導管６が貫通案内されており、この媒体導管を通って、例えば燃料のような、ガス状または液状の媒体が流動し、この燃料が、温度調節ユニット１内において、所望された温度へと温度調節される。媒体導管６は、この目的のために、入側接続部１０、および、出側接続部１１を有しており、それによって、同様に温度調節ユニットを通っての媒体の流動方向も決定されている（矢印によって、図１内において示唆されている）。

図２内において、取り外されたヒートシンク５の状態での、温度調節ユニット１が図示されている。その中で、複数の熱電モジュール（ペルチェ素子）７が認識され、これら熱電モジュールは、基礎体２に設けられている。
熱電モジュール７は、周知のごとく、半導体素子であり、この半導体素子が、（ここで、基礎体２の方に向けられた）第１の加熱面９ａ（図２内において目視可能でない）と、（ここで、ヒートシンクの方に向けられた）第２の加熱面９ｂとの間に設けられている。半導体素子に供給される電圧のそれぞれの極性に応じて、第１の加熱面９ａが、第２の加熱面９ｂよりも熱いか、または、逆に、第２の加熱面９ｂが第１の加熱面９ａよりも熱い。
そのような熱電モジュール７の構造および機能は、十分に公知であり、且つ、そのような熱電モジュール７が、商業上、種々の性能クラスにおいて入手可能であるので、ここで、このことに、より詳細には立ち入らない。

従って、そのような熱電モジュール７でもって、例えば接続部８を介して供給される供給電圧のそれぞれの極性に応じて、加熱、および、冷却され得る。「加熱」は、ここで、基礎体２に熱が供給されることを意味し、および、「冷却」が、この基礎体２から熱が取り去られることを意味する。従って、これら熱電モジュール７でもって、基礎体２とヒートシンク５との間の熱の流動が調整され得る。

熱電モジュール７は、その際、第１の加熱面９ａ（図２内において目視可能でない）を介して、直接的または間接的に（例えば、熱伝導の改善のための熱伝達要素を介して）、基礎体２との熱的な接触状態にある。ヒートシンク５は、熱電モジュール７の第２の加熱面９ｂに設けられており、且つ、他方また直接的または間接的に、この第２の加熱面９ｂとの、熱的に伝導的な接触状態にある。
ヒートシンク５と基礎体２との間の、直接的な、熱的に伝導的な接触を回避するために、このヒートシンク５と基礎体２とは、（図１内において見て取れるように）互いに隣接して設けられてはいない。

基礎体２は、詳細に、基礎体２の異なる眺望を示している図３および４内において図示されている。
図３は、熱電モジュール７が設けられている基礎体２の側面を示している。基礎体２は、基本的に、基礎板２０から形成されており、この基礎板が、この基礎板の周囲に沿って、基礎体外套２１によって囲繞されている。基礎体外套２１は、その際、半径方向の結合ウェブ２２を介して、基礎板２０と結合されており、その際、これら結合ウェブ２２が、基礎板２０の周囲にわたって分配されて設けられている。これら結合ウェブ２２の間の周囲方向において、このことによって、基礎体２と基礎体外套２１との間の熱的な絶縁部としての機能を果たす、中空室２３が形成されている。
結合ウェブ２２および中空室２３によって、熱の流動は、基礎板２０から基礎体外套２１内へと、著しく減少される。このことによって、熱電モジュール７から基礎板２０内へと導入される熱は、この基礎板内において集中的に残存し、且つ、ただ少しの分量においてだけ、基礎体外套２１を介して周囲環境に流出する。これに伴って、同時に、基礎体外套２１が、および、従って、同様に温度調節ユニット１も、外側面において過度に強度に加熱されないこと、および、コンディショニングの出力および動的な動態を低減させる、寄生熱流（ｐａｒａｓｉｔａｅｒｅ Ｗａｅｒｍｅｓｔｒｏｅｍｅ）が、可能な限り少しに保持されることも、同様に達成される。

基礎体外套２１は、同様に付加的な、熱的な絶縁部のための中空室を形成する、周囲スリット２４が、この基礎体外套２１内に加工されているというやり方で、付加的に、部分的に中空に構成されていることは可能である。

図４内において、基礎体２の他方の側面が示されている。
ここで、基礎板２０の裏側面に、有利には、渦巻状の溝部２５が成形されており、この溝部内に、組み立てられた状態において、媒体導管６が圧入されていることが認識可能である。この溝部２５は、その際、基礎体２内において、１条式の平坦な渦巻（アルキメデスの渦巻（Ａｒｃｈｉｍｅｄｉｓｃｈｅ Ｓｐｉｒａｌｅ）、対数渦巻（ｌｏｇａｒｉｔｈｍｉｓｃｈｅ Ｓｐｉｒａｌｅ））を形成している。媒体導管６は、その際、有利には、外側から渦巻状に内側へと案内され、且つ、基礎板２０の中央内側の領域において温度調節ユニット１から抜け出しており、その際、この媒体導管６を容易に温度調節ユニット１から導出可能とするために、この媒体導管６が、抜け出しの際に、渦巻の平面から外へ向かって、有利には約９０°だけ方向転換される。基本的に、しかしながら、同様に、基礎板２０内における媒体導管６のそれぞれの他の案内も考えられ得る。

１条式の渦巻の様式における媒体導管６の使用は、製造技術的に、極めて手間暇がかかる。何故ならば、媒体導管６が、この場合には、全３次元に延在しているからである。

選択的な構成において、媒体導管６は、基礎体２において、２条式の平坦な渦巻（同様に、フェルマーの渦巻（Ｆｅｒｍａｔ’ｓｃｈｅ Ｓｐｉｒａｌｅ）と称される）の様式において、図６に基づいて記載されているように設けられている。この目的のために、基礎体２内において、他方また、相応して成形された溝部２５が、媒体導管６の収容のために成形されていることは可能である。
第１の渦巻条２７を介して、媒体導管６内における媒体は、渦巻状に、半径方向外側から中央内側へと案内される。中央内側で、第１の渦巻条２７は、第２の渦巻条２８と結合されており、この第２の渦巻条を介して、媒体導管６内における媒体が、渦巻状に、半径方向内側から半径方向外側へと案内される。溝部２５の２条式の構成によって、半径方向に、常に、１つの第１の渦巻条２７と１つの第２の渦巻条２８とは、互いに並列して位置している。
媒体は、従って、半径方向外側で、入側接続部１０を介して供給され、且つ、半径方向外側で、出側接続部１１を介して導出される。２条式の渦巻は、媒体導管６が、渦巻の平面から方向転換される必要が無く、このことが製造技術的により容易であることの利点を有している。その代わりに、この２条式の渦巻は、流れ込む媒体が流れ出る媒体を冷却し、それによって、幾分より多くの出力が必要とされ、且つ、よりわずかに均等な加熱が実現可能であることの欠点を有している。温度の開きは、その際、より大きくなるが、しかしながら、一列の熱電モジュールは、調和されたモジュールの場合には、依然として全てほぼ同一の温度を有している。

１条式または２条式の渦巻は、その際、言うまでも無く、必ずしも円形渦巻として構成されている必要は無く、むしろ、同様に、矩形、正方形、等のような他の形態を有していることは可能である。渦巻形状によって、温度調節ユニット１は、極めてコンパクトに構成され得る。何故ならば、渦巻条が、狭小に、相並んで設けられ得るからである。従って、小さなスペースに、媒体導管６の多くの流路長（Ｌａｕｆｍｅｔｅｒ）が収納され得、このことは、媒体導管６を介して流れる媒体の温度調節のために使用可能な表面積を増大させる。

媒体導管６の密なパッキングを実現可能とするために、この媒体導管６の形状賦与の際に、指示された最小の曲げ半径は、下回ってはいけない。媒体導管の蛇行形状の案内は、これに関して不利である。何故ならば、密なパッキングのために必要な曲げ半径が、渦巻状の延在よりも著しく小さいからである。媒体導管６の側からの増大する圧力要求の際に、必要な壁厚増大に基づいて、通常は、同様に最小の曲げ半径も増大する。蛇行形状の案内は、従って、対象とする場合のような高い圧力要求の際に、特に不利な影響を及ぼす。

図５は、更に、有利に１条式に渦巻状の媒体導管６と共に、熱的な絶縁要素４を示しており、この媒体導管が、組み立てられた状態において、基礎板２０内へと圧入されている。この熱的な絶縁要素４によって、熱電モジュール７から基礎板２０内へと導入される熱が、この基礎板内において集中的に残存し、且つ、温度調節ユニット１の端面を介して、周囲環境に放出されないことが達成される。

熱電モジュール７は、有利には、円形であり、もしくは、渦巻形状に適合されており、且つ、複数の列において（即ち、異なる半径方向間隔において）、基礎板２０に設けられている（図２）。従って、半径方向外側で、与えられたより大きな周囲に基づいて、より多くの熱電モジュール７が配設され得る。
流れ込む媒体は、従って、半径方向外側の領域において、高い加熱出力（関与させられる、半径方向外側のモジュール７の、モジュール加熱出力の合計）でもって温度調節され、このことは、強度な、且つ、迅速な温度変化を可能にする。その際、半径方向により内側に設けられている熱電モジュール７が、半径方向により外側に設けられている熱電モジュール７よりも小さなモジュール加熱出力を有していることは、更に有利である。
媒体導管６が、有利には、１条式に渦巻状に内側へと案内されているので、半径方向内側の、より少ない、且つ、より弱い熱電モジュール７は、媒体の温度調節のために十分である。半径方向内側の、必要な加熱出力（関与させられる、半径方向内側のモジュール７の、モジュール加熱出力の合計）は、従って、半径方向外側の領域における加熱出力よりも小さい。従って、媒体の温度調節は、同様に、個別の熱電モジュール７のモジュール加熱出力の配設および選択によっても最適化され得、且つ、媒体の極めて均等な加熱が達成され得る。

熱電モジュール７のモジュール加熱出力は、一般的に、定格電流／定格電圧における定格出力を、および、定格電流／定格電圧から逸脱する、所定の電流／電圧において調節される出力を意味する。それに従って、本発明に従い、一方では、異なる定格出力を有する熱電モジュール７、または、異なるまたは同じ定格出力を有する異なって調節可能な熱電モジュール７、または、これらの組み合わせが使用され得る。

熱電モジュール７に、電気的な供給電圧が賦与された場合、周知のごとく、熱電モジュール７の加熱面９ａ、９ｂ内の１つの加熱面が冷却され、これに対して、同時に、反対側にある加熱面９ａ、９ｂが加熱される。これら加熱面９ａ、９ｂの間の最大の温度の開きは、熱電モジュール７の作動温度（より熱い加熱面における温度）に依存する。
作動温度が高くなればなる程、低温および高温の加熱面９ａ、９ｂの間の、最大に達成可能な温度の開きはより大きくなる。このことによって、使用可能な熱電モジュール７でもって、２００℃に至るまでの温度が、高温の加熱面において達成され得、その際、低温の加熱面は、１００℃を上回らない。供給電圧の容易な電極交換によって、温度の高度に動的な制御が可能にされる。
ヒートシンク５が、加熱作動において、即ち、媒体が媒体導管６内において加熱されるべきである場合、バッファー蓄熱体として使用されるというやり方で、この制御は、本発明に従う温度調節ユニット１において支援される。この目的のために、蓄熱質量は、しかしながら、従来技術内において暗示されているように、可能な限り小さく構成される必要はなく、むしろ、上記のことを実現可能とするために、ある程度の蓄熱質量が所望される。

この場合、基礎体２およびこの基礎体内において設けられた媒体導管６の蓄熱質量に対する、ヒートシンク５の蓄熱質量の質量比率が、０．５から１に至るまで、有利には０．７から０．８に至るまでの範囲内において選択される場合に有利であると判明した。
温度調節ユニット１の極めて特に有利な温度制御可能性は、０．７５の範囲における質量比率の場合、もしくは、０．７５の質量比率の場合、認められた。テストされた温度調節ユニット１は、例えば、５．４ｋｇのヒートシンク５の蓄熱質量、および、７．２ｋｇの基礎体２およびこの基礎体内において設けられた媒体導管６の蓄熱質量を有しており、それによって、０．７５の質量比率が与えられた。

図３または図６内におけるような、基礎体外套２１が中空室２３を介して熱的に基礎体２から分離されている構成において、基礎体外套２１の質量は、基礎体２の蓄熱質量の１つとして数えられない。同様に、絶縁要素４は、基礎体２の蓄熱質量の部材ではない。

温度調節ユニット１の一定の加熱必要量の際に、即ち、熱電モジュール７の一定の電圧供給の際に、これら熱電モジュール７に、安定的な温度の開きが調節される。ここで、より少ない熱的なエネルギーもしくは熱が、媒体の温度調節のために必要とされるやいなや、熱電モジュール７における供給電圧は低減され、それによって、同様に温度の開きもより小さくなる。これに伴って、基礎板２０に隣接する熱電モジュール７の加熱面９ａにおける温度は下降する。同時に、反対側にある加熱面９ｂの温度は上昇する。
従って、加熱面９ｂとこの加熱面に隣接するヒートシンク５との間の、温度勾配が発生し、このことによって、熱は、ヒートシンク５内へと流れ、且つ、そこで、このヒートシンク５の蓄熱質量に基づいて、即座に周囲環境に導出されるのではなく、むしろ、（少なくとも制限された時間の間）中間貯蔵される。
再びより多くの熱的なエネルギーが媒体の温度調節のために必要とされる場合、この中間貯蔵された熱的なエネルギーは、支援として、温度制御もしくは温度調節ユニット１の使用に供せられる。この場合に、供給電圧は再び上昇され、このことによって、熱電モジュール７における温度の開きが再び増大する。
これに伴って、ヒートシンク５が隣接する加熱面９ｂにおける温度は、このヒートシンク５の温度に対して下降する。このことによって、逆の温度勾配が発生し、この温度勾配は、ヒートシンク５内において貯蔵された熱的なエネルギー（熱）が基礎体２内へと流れ且つこれに伴って熱電モジュール７を支援することを誘起する。
ヒートシンク５の蓄熱質量に基づいて、従って、温度調節ユニット１でもって、負荷変動もしくは温度変化に対して、極めて迅速且つ正確に反応され得、且つ、典型的な過剰温度調節が、極めて十分に回避され得る。この目的のために、ヒートシンク５の蓄熱質量は、基礎体２およびこの基礎体内において設けられた媒体導管６の蓄熱質量に対して、しかしながら、過度に大きく、または、過度に小さくてはいけない。

ヒートシンク５の全表面は、その際、期待されるべき作動温度に依存して、このヒートシンク５内において貯蔵される熱が、過度に迅速に、この表面に引き渡されるのではなく、むしろ、十分に長い間、このヒートシンク５内において貯蔵された状態で残存するように構成されるべきである。
この表面は、従って、従来のヒートシンクのように、熱の導出に対して、可能な限り大きく且つ最適化された状態で寸法設定されるべきではなく、むしろ、逆に、熱がヒートシンク５内において貯蔵された状態で残存するように寸法設定されるべきである。

周囲環境からのヒートシンク５の完全な熱的な絶縁は、同様に不利である。何故ならば、頻繁の電極交換の場合に、ヒートシンク５内における温度が次第に高まる可能性があるからである。

異なる媒体のために、場合によっては、媒体導管６の材料、および、熱電モジュール７の加熱出力、もしくは、この熱電モジュール７のモジュール加熱出力は適合され得る。温度調節ユニット１の支援のための蓄熱質量としてのヒートシンク５に対する、一般的な根本原理は、その際、しかしながら、手つかずのままである。

天然ガスのような、所定のガス状の媒体に関して、ジュールトムソン効果に基づいて、必要な圧力弛緩によって強度な冷却という事態となる。これらガスにおいて、温度調節ユニット１は、ガス状の媒体を、通常は、ただ予熱するべきである。温度調節ユニット１によるこれらガスの冷却は、通常は、必要ではない。従って、これらの使用のために、ただ熱電モジュール７の温度の開きだけでもって作業することは、通常は、同様に十分である。加熱から冷却へと交番するための、電極交換は、むしろ必要ではない。

例えば水素のような、他のガス状の媒体は、必要な圧力弛緩による強度な冷却の、この顕著な効果を示さない。全く逆に、この圧力弛緩によって、同様に、加熱という事態となる可能性もある。液状の媒体の温度調節において、しばしば、如何なる圧力弛緩も必要ではない。何故ならば、この液状の媒体は、既に、適当な圧力でもって予め存在しているからである。

顕著なジュールトムソン効果の無いガスにおいて、または、液状の媒体において、温度調節ユニット１は、従って、同様に、しばしば、温度を圧力および流過に依存して一定に保持するために、加熱と冷却の間で、ガス状の媒体を切り替えねばならない。
特に、冷却の際に、ヒートシンク５のより小さい表面積に基づいて、発生する熱が、特に、同様に熱電モジュール７の余熱も、迅速に、十分に導出され得ないことは、しかしながらあり得る。従って、そのようなガス状または液状の媒体でもっての温度調節ユニット１の使用において、同様に、ヒートシンク５を、必要に応じて、付加的に冷却することも行われる。この目的のために、ヒートシンク５内において、冷却導管１２が装入されていることは可能であり、この冷却導管を通って、冷却液体が、ヒートシンク５の付加的な冷却のために導かれる。
そのような構成は、図７内において示唆されている。冷却導管１２は、ヒートシンク５内において、他方また、前記で媒体導管６に関して説明されているように、１条式または２条式の渦巻の様式において設けられている。この目的のために、ヒートシンク５は、冷却導管１２を装入可能とするために、同様に多部材より成るように構成されていることも可能である。もちろん、しかしながら、同様に、冷却導管１２の他の構成も考えられ得る。

図７による示された実施例において、冷却導管１２を形成するために、ヒートシンク基礎体３０内において、溝部３１が加工、例えばフライス加工されている。これら溝部３１は、有利には、前記されているように、渦巻状に加工されている。溝部３１を有するヒートシンク基礎体３０は、ヒートシンク５を形成するために、ヒートシンク蓋３２でもって覆われている。

ヒートシンク５内への冷却導管１２として、（基礎体内における媒体導管６と同じように）独自の導管が使用される場合には、この冷却導管１２は、同様に、ヒートシンク５の蓄熱質量の部材である。

ヒートシンク５内における冷却導管１２と接続可能とするために、ヒートシンクに、冷却媒体供給接続部３４、および、冷却媒体導出接続部３３が設けられ得る。有利には、冷却媒体は、内側から供給され、且つ、中央外側で導出される。

１ 温度調節ユニット
２ 基礎体
３ 固定要素
４ 熱的な絶縁要素
５ ヒートシンク
６ 媒体導管
７ 熱電モジュール
８ 接続部
９ａ 第１の加熱面
９ｂ 第２の加熱面
１０ 入側接続部
１１ 出側接続部
１２ 冷却導管
２０ 基礎板
２１ 基礎体外套
２２ 結合ウェブ
２３ 中空室
２４ 周囲スリット
２５ 溝部
２７ 第１の渦巻条
２８ 第２の渦巻条
３０ ヒートシンク基礎体
３１ 溝部
３２ ヒートシンク蓋
３３ 冷却媒体導出接続部
３４ 冷却媒体供給接続部

Claims (10)

1. 複数の熱電モジュール（７）を用いて、ガス状または液状の媒体の温度調節のための温度調節ユニットであって、
   この熱電モジュールが、基礎体（２）とヒートシンク（５）との間に設けられており、且つ、前記基礎体（２）内において、媒体導管（６）が設けられており、この媒体導管を通って、前記ガス状または液状の媒体が貫流し、
   前記基礎体（２）内における前記媒体導管（６）が、１条式の渦巻の様式において外側から内側へと案内されて設けられている様式の上記温度調節ユニットにおいて、
   前記複数の熱電モジュール（７）が、複数の列において、前記基礎体（２）に設けられており、
   半径方向により外側に位置する熱電モジュール（７）のモジュール加熱出力が、半径方向により内側に位置する熱電モジュール（７）のモジュール加熱出力よりも大きいことを特徴とする温度調節ユニット。
2. 前記媒体導管（６）は、内側で、前記渦巻の平面から方向転換され、且つ、前記基礎体（２）から導出されていることを特徴とする請求項１に記載の温度調節ユニット。
3. 前記基礎体（２）およびこの基礎体内において設けられた前記媒体導管（６）の蓄熱質量に対する、前記ヒートシンク（５）の蓄熱質量の質量比率は、０．５から１に至るまでの範囲内に、有利には０．７から０．８に至るまでの範囲内にあることを特徴とする請求項１または２に記載の温度調節ユニット。
4. 前記質量比率は、０．７５であることを特徴とする請求項３に記載の温度調節ユニット。
5. 前記基礎体（２）内において、溝部（２５）が設けられており、この溝部内に、前記媒体導管（６）が圧入されていることを特徴とする請求項１に記載の温度調節ユニット。
6. 前記基礎体（２）は、基礎体外套（２１）によって囲繞されており、この基礎体（２）の周囲にわたって、複数の半径方向の結合ウェブ（２２）が設けられており、これら結合ウェブが、前記基礎体外套（２１）と結合されていることを特徴とする請求項１に記載の温度調節ユニット。
7. 前記基礎体外套（２１）は、部分的に、中空に構成されていることを特徴とする請求項６に記載の温度調節ユニット。
8. 前記ヒートシンク（５）内に、冷却導管（１２）が設けられており、この冷却導管を通って、冷却液体が、必要に応じて、前記ヒートシンク（５）の冷却のために流れることを特徴とする請求項１に記載の温度調節ユニット。
9. 前記冷却導管（１２）は、渦巻状に設けられていることを特徴とする請求項８に記載の温度調節ユニット。
10. 半径方向外側の領域における前記熱電モジュール（７）のモジュール加熱出力の合計としての、前記基礎体（２）の半径方向外側の領域における加熱出力は、半径方向内側の領域における前記熱電モジュール（７）のモジュール加熱出力の合計としての、前記基礎体（２）の半径方向内側の領域における加熱出力よりも大きいことを特徴とする請求項１から９のいずれか一つに記載の温度調節ユニット。

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