-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Temperierelement und eine Temperiervorrichtung 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 kostenintensiv ist. Es sind daher alternative Heizmethoden und auch Kühlmethoden gefragt, um den Bedarf an elektrischer Energie zur Aufrechterhaltung des Passagierkomforts zu verringern.
-
Für Elektrofahrzeuge stellen PTC-Zuheizer oder Kaltleiter-Zuheizer eine Möglichkeit dar, ohne Mitführung eines Brennstoffes wie Benzin, Bioethanol etc. den Heizbedarf der Passagierkabine in den kälteren Jahreszeiten zu decken. Luftseitig angeordnete PTC-Zuheizer werden bereits in Serie für Fahrzeuge mit zeitweise geringen Abwärmen produziert, etwa für moderne Dieselfahrzeuge beim Kaltstart. Eine Realisierungsform besteht 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 Klebeverbindungen eine serielle stoffschlüssige Verbindung mit den jeweiligen benachbarten Lagen besteht. Da bei dieser einfachen Bauweise die Berippung 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 Peltiertechnologie. In diesem Zusammenhang wurden z. B. bereits Prototypen eines Heizkörpers mit alternativer Kühlfunktion zur Unterstützung des AC-Kreises vorgestellt. Bei diesen Prototypen erscheint jedoch das Bauprinzip relativ aufwändig und dreidimensional, z. B. ist eine hohe Tiefe erforderlich.
-
6 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Temperiervorrichtung 600. Gezeigt ist eine horizontale Anordnung von Peltier-Element-Leitern 135. Dabei sind jeweils ein n-dotierter Peltier-Element-Leiter und ein p-dotierter Peltier-Element-Leiter abwechselnd in einer Ebene angeordnet. Es sind jeweils zwei unterschiedlich dotierte Peltier-Element-Leiter 135 über einen elektrischen Leiter 605 auf einer Warmseite und einen weiteren elektrischen Leiter 605 auf einer Kaltseite miteinander verbunden. Auf einer den jeweiligen elektrischen Leitern gegenüberliegenden Warmseite beziehungsweise Kaltseite befinden sich Unterbrechungen 610 der elektrischen Leiter 605. Oberhalb und unterhalb der Lage von Peltier-Element-Leitern 135 ist jeweils ein elektrischer Isolator 615 angeordnet.
-
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 Li-Ion-Batterien ca. 500–700 EUR/kWh. Die bisher angedachten Technologien mit Peltierelementen sind aufgrund der höheren Komplexität der elektrischen Verschaltung 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 Thermoelektrik ist bei hohen treibenden Temperaturgradienten noch stärker von der Reduzierung des COP bzw. des Wirkungsgrades betroffen als konventionelle Wärmepumpen.
-
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Temperierelement und eine verbesserte Temperiervorrichtung zu schaffen.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Temperierelement gemäß Anspruch 1 sowie eine Temperiervorrichtung gemäß Anspruch 8 gelöst.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine geschickte Serienschaltung von Peltier-Elementen 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 Tatsache, dass zwei verschieden dotierte Materialien, also p- und n-dotierte Elemente, miteinander in Verschaltung stehen. Standardmäßig bilden die Peltierelemente eine derartige Konfiguration, dass jeweils eine Warmseite zweier unterschiedlich dotierter Peltierelemente und eine Kaltseite zweier unterschiedlich dotierter Peltierelemente 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 durchgehenden 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 Elektrofahrzeuges, der mit möglichst geringem Aufwand und bereits einsetzbaren 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 Anbindung der Peltier-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 12 V abgestimmt werden. Der Wärmeübergang an Rippen auf der Luftseite und einen Kühlwasserkanal kann gemäß einer Ausführungsform 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 Fertigungsverfahren hergestellten Heizkörpern, z. B. mit PTC-Zuheizern, bei gleichzeitig optimalem Wärmeübergang. Es ergibt sich somit ein optimaler Wirkungsgrad oder COP (coefficient of performance). Ein gemäß dem hier erfindungsgemäßen Ansatz gestaltetes Grunddesign bietet somit den Vorteil, dass es sich von dem eines Heizkörpers mit stoffschlüssiger Verbindung im Wesentlichen durch zwei Punkte unterscheidet. Erstens sind Kühlwasserkanäle als Wärmequelle, für einen Heizbetrieb, oder als Wärmesenke, für einen Kühlbetrieb, bereits vorhanden. Und zweitens ist mittig zwischen den Wellrippen eine elektrische Isolierschicht vorhanden. Eine Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Heizkörpers mit Peltier-Elementen für einen Heiz- oder Kühlbetrieb gestaltet sich entsprechend so, dass Netto-Wärmeströme in Summe nur in vertikaler Richtung auftreten und so zu verstehen sind.
-
Die vorliegende Erfindung schafft ein Temperierelement für ein Fahrzeug, mit folgenden Merkmalen: einer ersten Peltier-Element-Lage; einer zweiten Peltier-Element-Lage; einer ersten elektrisch leitfähigen Wärmeleiterlage zum Leiten eines ersten Wärmeleitfluids; und einer zweiten elektrisch leitfähigen Wärmeleiterlage zum Leiten eines zweiten Wärmeleitfluids, wobei die erste Peltier-Element-Lage, die zweite Peltier-Element-Lage, die erste Wärmeleiterlage und die zweite Wärmeleiterlage in Form eines Stapels angeordnet sind, so dass die erste Wärmeleiterlage und/oder die zweite Wärmeleiterlage zwischen der ersten Peltier-Element-Lage und der zweiten Peltier-Element-Lage angeordnet ist, und wobei ein durch den Stapel geleiteter elektrischer Strom aufgrund eines Peltier-Effekts eine Temperierung der ersten Wärmeleiterlage und der zweiten Wärmeleiterlage 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 Peltier-Element-Lage und die zweite Peltier-Element-Lage können aus zwei unterschiedlich dotierten Halbleitermaterialien gebildet sein. So kann beispielsweise die erste Peltier-Element-Lage n-dotiert und die zweite Peltier-Element-Lage p-dotiert oder umgekehrt die erste Peltier-Element-Lage p-dotiert und die zweite Peltier-Element-Lage n-dotiert sein. Anstelle von Halbleitermaterialien können für die Peltier-Element-Lagen auch andere geeignete Leiter eingesetzt werden. Die erste und zweite elektrisch leitfähige Wärmeleiterlage können aus einem gut leitenden Metall gebildet sein. Ein an das Temperierelement angelegter Strom kann an einem Ende des Stapels in das Temperierelement 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 Wärmeleiterlage können jeweils von einem Wärmeleitfluid durchströmt werden. Die erste und zweite Wärmeleiterlage können in dem Stapel bezüglich der ersten und zweiten Peltier-Element-Lage so angeordnet sein, dass eine durch den Peltier-Effekt erzeugte Temperatur auf die in denselben geführten 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 oder um eine Flüssigkeit handeln. 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 Temperierelement 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 Wärmeleitfluid und einer dem Wärmefluid zugewandten Oberfläche der Wärmeleiterlage eine elektrische Isolierung angeordnet sein.
-
Gemäß einer Ausführungsform kann das Temperierelement eine weitere erste elektrisch leitfähige Wärmeleiterlage umfassen und zusätzlich oder alternativ eine weitere zweite elektrisch leitfähige Wärmeleiterlage umfassen. Dabei kann die weitere erste und/oder weitere zweite Wärmeleiterlage durch zumindest eine der ersten oder zweiten Peltier-Element-Lage von der ersten oder zweiten Wärmeleiterlage getrennt in dem Stapel angeordnet sein. Beispielsweise kann der Stapel so aufgebaut sein, dass sich zuunterst des Stapels die weitere zweite Wärmeleiterlage befindet, auf der die erste Peltier-Element-Lage angeordnet ist. Auf dieser wiederum kann die erste Wärmeleiterlage angeordnet sein, auf der sich die zweite Peltier-Element-Lage befindet. Die zweite Wärmeleiterlage kann den Abschluss des Temperierelementstapels bilden. Alternativ kann der Stapel so aufgebaut sein, dass die weitere erste Wärmeleiterlage die erste Schicht des Stapels bildet. Auf dieser können nacheinander zum Beispiel erste Peltier-Element-Lage, die zweite Wärmeleiterlage, die erste Wärmeleiterlage, die zweite Peltier-Element-Lage und die weitere zweite Wärmeleiterlage angeordnet sein, wobei zwischen der zweiten Wärmeleiterlage und der ersten Wärmeleiterlage eine thermische Isolierschicht angeordnet sein kann.
-
Für den Fall das das Temperierelement eine weitere zweite elektrisch leitfähige Wärmeleiterlage umfasst kann die zweite Wärmeleiterlage einen ersten elektrischen Kontakt und die weitere zweite Wärmeleiterlage einen zweiten elektrischen Kontakt aufweisen. Dabei können die erste Peltier-Element-Lage und die zweite Peltier-Element-Lage zwischen der zweiten Wärmeleiterlage und der weiteren zweiten Wärmeleiterlage angeordnet sein. Die erste Wärmeleiterlage kann zwischen der ersten Peltier-Element-Lage und der zweiten Peltier-Element-Lage angeordnet sein. Gemäß dieser Anordnung kann, ein erster Peltier-Effekt an der ersten Wärmeleiterlage erzielt werden, so dass die erste Wärmeleiterlage entsprechend einer Polung des durch den Stapel geleiteten Stroms erwärmt oder gekühlt werden kann. Gemäß einem zu dem ersten Peltier-Effekt entgegengesetzten weiteren Peltier-Effekt kann die zweite Wärmeleiterlage erwärmt werden, wenn die erste Wärmeleiterlage gekühlt wird beziehungsweise gekühlt wird, wenn die erste Wärmeleiterlage erwärmt wird. Diese Anordnung bietet den weiteren Vorteil, dass keine thermisch isolierende Schicht zwischen den einzelnen Lagen erforderlich ist, stets unterschiedlich temperierte Wärmeleiterlagen stets durch eine Peltier-Element-Lage getrennt sind. Bei einer Stapelung des Temperierelements mit einem weiteren gleichen Temperierelement ist zudem lediglich eine galvanische Trennung und keine thermogalvanische 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 Wärmeleiterlage umfassen. Die erste Wärmeleiterlage kann einen ersten elektrischen Kontakt aufweisen, und die weitere erste Wärmeleiterlage kann einen zweiten elektrischen Kontakt aufweisen. Desweiteren kann das Temperierelement eine elektrische Leitung zum Verbinden der zweiten Wärmeleiterlage mit der weiteren zweiten Wärmeleiterlage aufweisen. Dabei können die erste Wärmeleiterlage und die zweite Wärmeleiterlage zwischen der ersten und der zweiten Peltier-Element-Lage angeordnet sein und die erste Peltier-Element-Lage und die zweite Peltier-Element-Lage zwischen der weiteren ersten Wärmeleiterlage und der weiteren zweiten Wärmeleiterlage angeordnet sein. Zwischen der ersten Wärmeleiterlage und der zweiten Wärmeleiterlage 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 Peltier-Element-Lage, die zweite Wärmeleiterlage, über die elektrische Leitung die weitere zweite Wärmeleiterlage, die erste Peltie-Element-Lage und schließlich die weitere erste Wärmeleiterlage durchlaufen. An dem zweiten elektrischen Kontakt kann der elektrische Strom aus dem Temperierelement heraus- und unter Umständen in ein weiteres Temperierelement hineingeleitet werden.
-
Die erste Peltier-Element-Lage kann mindestens zwei benachbart zueinander angeordnete erste Peltier-Element-Leiter aufweisen, und die zweite Peltier-Element-Lage kann mindestens zwei benachbart zueinander angeordnete zweite Peltier-Element-Leiter aufweisen. Ein Abstand zwischen den einzelnen Peltier in Elementen kann abhängig von einer Wärmeleistung der Peltier-Element-Leiter gewählt sein. Zwischen den einzelnen Peltier-Element-Leitern kann eine elektrische Isolierung angeordnet sein. Je nach Ausdehnung der Peltier-Element-Lagen können entsprechend viele Peltier-Element-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 Ausführungsform kann die erste Wärmeleiterlage als ein Kühlmittelkanal ausgebildet sein und die zweite Wärmeleiterlage kann als ein Rippenelement ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Kühlmittelkanal als ein Rohr zum Führen einer Kühlmittelflüssigkeit ausgebildet sein. Das Rippenelement kann beispielsweise aus zwei Stegen gebildet sein, zwischen denen ein zick-zack- oder wellenförmig gebogenes Metallband angeordnet ist, so dass beispielsweise schräg angeordnete Rippen zwischen den Stegen gebildet werden. Bei dem zweiten Wärmeleitfluid 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 zweiten Wärmeleiterlage bietet vorteilhafterweise eine große Temperaturübergangsfläche für das durch die zweite Wärmeleiterlage 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 eine Mehrzahl benachbart zueinander angeordnete Kühlmittelkanäle 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 Stromfluss zwischen der ersten Peltier-Element-Lage und der zweiten Peltier-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 Stromfluss durch den Stapel des Temperierelements gewährleistet werden, wobei gleichzeitig die erste Wärmeleiterlage von einem elektrischen Stromfluss ausgenommen ist. So können Leckströme in das die erste Wärmeleiterlage durchströmende Kühlmittel hinein vermieden werden.
-
Die erste Wärmeleiterlage 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 Wärmeleitfluide an unterschiedlichen Seiten des Temperierelements angeordnet werden.
-
Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Temperiervorrichtung, die eine Mehrzahl von Temperierelementen umfasst, wobei die Mehrzahl von Temperierelementen 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 Isolierlage angeordnet sein. Auf diese Weise kann ein elektrischer Stromfluss nacheinander durch sämtliche Temperierelemente der Temperiervorrichtung gewährleistet werden. Kontakte einer in Bezug auf den Stromfluss ersten und letzten Temperiereinrichtung können mit einer 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 Wärmeleiterlagen benachbart zueinander in der Temperiervorrichtung angeordnet sind. Die Temperierelemente können sowohl in einer Serienschaltung als auch in einer Parallelschaltung oder in einer Mischform 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 angepasst 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.
-
Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine Prinzipdarstellung einer Temperiervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
-
2 eine Prinzipdarstellung einer Temperiervorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
-
3 eine vergrößerte Darstellung eines Details der Temperiervorrichtung aus 2;
-
4 eine Prinzipdarstellung einer Temperiervorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
-
5 eine Prinzipdarstellung einer Serienschaltung einer Mehrzahl von Temperiervorrichtungen, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
-
6 eine Prinzipdarstellung einer Temperiervorrichtung gemäß dem Stand der Technik.
-
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.
-
1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Temperiervorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Temperiervorrichtung 100 ist hier aus einem Stapel von vier Temperierelementen 105 gebildet. Der Übersichtlichkeit halber ist lediglich eine die Temperiervorrichtungen 105 mit einem Bezugszeichen versehen. Die Temperiervorrichtung 100 kann auch mehr oder weniger Temperierelemente 105 aufweisen.
-
Jede der Temperiervorrichtungen 105 in 1 weist eine erste Peltier-Element-Lage 110, eine zweite Peltier-Element-Lage 115, eine erste Wärmeleiterlage 120, eine zweite Wärmeleiterlage 125 und eine weitere zweite Wärmeleiterlage 130 auf. Gemäß der Darstellung in 1 bildet die zweite Wärmeleiterlage 125 die Basis des Stapels. Auf dieser ist die erste Peltier-Element-Lage 110 angeordnet, auf der wiederum die erste Wärmeleiterlage 120 angeordnet ist. Diese ist von der zweiten Peltier-Element-Lage 115 bedeckt, auf der sich abschließend die weitere zweite Wärmeleiterlage 130 befindet. Gemäß der Darstellung in 1 setzen sich die erste Peltier-Element-Lage 110 und die zweite Peltier-Element-Lage 115 jeweils aus drei einzelnen beabstandet benachbart angeordneten Peltier-Element-Leitern 135 zusammen. Der Übersichtlichkeit halber ist lediglich einer der Peltier-Element-Leiter 135 mit einem Bezugszeichen versehen. Gemäß der Darstellung in 1 sind die Peltier-Element-Leiter 135 der ersten Peltier-Element-Lage 110 n-dotiert und die Peltier-Element-Leiter 135 der zweiten Peltier-Element-Lage 115 p-dotiert.
-
Bei dem Ausführungsbeispiel der Temperiervorrichtung 100 in 1 ist die erste Wärmeleiterlage 120 jeweils als einen Kühlmittelkanal ausgebildet. Die zweite Wärmeleiterlage 125 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 Isolierlagen 140 mit einem Bezugszeichen gekennzeichnet. Optional kann einer der beiden Stege des Rippenelements 130 auch entfallen, zum Beispiel wenn zwei Temperierelemente 105 in dem Stapel aufeinanderfolgen, so dass eine zweite Wärmeleiterlage 125 eines Temperierelements 105 benachbart, und unter Umständen lediglich durch eine galvanische Isolierlage 140 getrennt, zu einer weiteren zweiten Wärmeleiterlage 130 eines nachfolgenden Temperierelements 105 angeordnet ist. Hier kann zum Beispiel jeweils auf den zu der Isolierlage 140 benachbarten Steg verzichtet werden. Benachbarte Lagen können in direktem Kontakt zueinander stehen.
-
Gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel 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 zwischen den Temperierelementen 105 ist jeweils ein zweiter Kontakt 150 eines Temperierelements 105 mit einem ersten Kontakt 145 eines benachbarten Temperierelements 105 über eine elektrische Leitung 155 verbunden. Gemäß der Darstellung in 1 sind der erste Kontakt 145 des obersten Temperierelements 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 Temperierelement 105 gemäß der Darstellung in 1 beinhaltet einen Kühlmittelkanal 120 und Luftdurchgänge 125, 130. Über die Peltierelemente 135 wird Wärme zwischen dem Kühlmittel und den Peltierelementen 135 sowie zwischen den Peltierelementen 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 elektrische Isolatoren aus, die sich im Allgemeinen in Bereichen hoher geforderter Wärmeübertragung negativ auf Wärmeleitungseigenschaften auswirken würden.
-
Die Kühlmittelkanäle 120 werden mit Kühlmittel durchströmt. An diese sind beidseitig die Peltierelemente 135 angebunden, so dass der Wärmeübergang in beide Richtungen erfolgen kann. Die Wärme wird über die Peltierelemente 135 übertragen und gelangt auf die berippte 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 Peltierelemente 135 thermoelektrisch aktives Funktionsmaterial enthalten. Mittig zwischen den Wellrippen 125, 130 befindet sich die elektrische Isolationsschicht 140. Ein eventueller Wärmeübergangswiderstand durch die Isolationsschicht 140 spielt keine Rolle, da hier gemäß der Symmetrie kein Wärmeübergang in vertikale Richtung im Sinne des Wirkprinzips stattfindet.
-
Die Peltierelemente 135 in 1 sind in einer Reihe (Lager) jeweils ausschließlich p- oder n-dotiert ausgeführt. Die elektrische Verschaltung 155 erfolgt derart, dass eine Vergrößerung der Temperiervorrichtung 100 in vertikaler Richtung durch eine Erhöhung der Anzahl an Lagen von Temperierelementen 105 eine Erhöhung des gesamten Spannungsabfalls an der Temperiervorrichtung 100 bewirkt. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Temperiervorrichtung 100 vier Lagen von Temperierelementen 105 mit jeweils identischem inneren Aufbau. Dagegen bewirkt eine horizontale Erweiterung der Temperiervorrichtung 100 eine höhere Stromstärke, da alle Elemente einer Lage elektrisch parallel geschaltet sind.
-
Gemäß der Darstellung in 1 sind jeweils die Rippenelemente bzw. Luftseiten 125, 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 Peltierelemente 135 eine unterschiedliche Dotierung aufweisen. Die Verbindung zwischen zwei Lagen an Peltierelementen 135, 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 Temperierelement-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 1 gezeigte, immer gleich bleibende Anordnung der Lagen von Temperierelementen 105. Die elektrischen Anschlüsse 145, 150 sind wie in 1 dargestellt angebracht, dass sie sich nahtlos in das Verschaltungsprinzip 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 groß, so kann die elektrische Verschaltung durch weitere elektrische Zuleitungen unterbrochen werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Heizkörperausschnitt aus 1 exakt repliziert und auf den bestehenden Ausschnitt oben aufgesetzt werden. Die Trennung wäre dann rein elektrisch, die 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 werden 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 Strömungsquerschnitt auf der Luftseite erhalten bleibt. Dieser Aspekt des erfindungsgemäßen Ansatzes ist im Zusammenhang mit 5 erläutert.
-
Zusammenfassend für das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel der Temperiervorrichtung 100 kann der Stromfluss nochmals wie folgt beschrieben werden: Der Strom fließt durch eine Reihe von Peltierelementen 135 gleicher Dotierung, in Parallelschaltung, zum Kühlwasserkanal 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 Lötung aufgetragenen Rippen, besteht eine elektrische Verbindung 150 zu einem separaten, unter Umständen beliebig ausgeführten, Leiter 155, welcher den Stromfluss in die Berippung oder das Grundblech 130 mit z. B. durch Lötung aufgetragenen Rippen einer anderen Lage 105 bewirkt. Jeweils in elektrischer Serienschaltung benachbarte Elemente wechseln die Dotierung.
-
2 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Temperiervorrichtung 200 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Temperiervorrichtung 200 weist einen zu der Temperiervorrichtung 100 aus 1 nahezu identischen Aufbau auf, mit dem Unterschied, dass jedes Temperierelement 105 eine äußere elektrische Verbindung 205 zur Umgehung des Kühlmittelkanals 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 1 einer Spannungsdifferenz ausgesetzt werden. Dies kann vermieden werden, indem der Kühlmittelkanal 120 aus der Stromkaskade herausgenommen wird: Entsprechend ist zum Beispiel auf dem Kühlmittelrohr 120 ein Nichtleiter in einer dünnen Schicht aufgetragen, so dass ein Wärmetransportwiderstand möglichst gering ist. Darauf ist wiederum eine, vorzugsweise durchgängige, Leiterschicht aufgetragen. Der Kühlmittelkanal 120 selbst bleibt somit potenzialfrei, muss 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 2 gezeigte Ausführung aufweisen.
-
3 zeigt in einer Detailvergrößerung einen Aufbau eines Kühlmittelkanals 120 gemäß dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel. Gezeigt ist ein Abschnitt des Kühlmittelkanals 120 in einer Längsschnittdarstellung. Eine galvanische Isolierschicht 305 aus einem Isolator ist auf den Kühlmittelkanal 120 aufgebracht, so dass eine auf eine Rohrwand 310 übertragene elektrische Spannung nicht auf ein das Kühlmittelrohr 120 durchströmende Kühlfluid 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 Ableiter 320 auf, der den elektrischen Strom hier abgreifen und der Leiterschicht 315 an anderer Stelle wieder zuführen kann, so dass das Kühlfluid von dem elektrischen Stromfluss ausgenommen bleibt. Die Rohrwand 310 kann beispielsweise aus Aluminium gebildet sein.
-
4 zeigt in einer Prinzipdarstellung ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Temperiervorrichtung 400. Die Temperiervorrichtung 400 umfasst einen vertikalen Stapel von drei Temperierelementen 405. Diese weisen einen zu den im Zusammenhang mit 1 erläuterten Temperierelementen abweichenden Aufbau auf. Hier ist neben der ersten Wärmeleiterlage 120 auch die zweite Wärmeleiterlage 125 zwischen der ersten Peltier-Element-Lage 110 und der zweiten Peltier-Element-Lage 115 angeordnet. Zwischen der ersten Wärmeleiterlage 120 und der zweiten Wärmeleiterlage 125 befindet sich eine galvanische und thermische Isolierlage 410. Die galvanische und thermische Isolierlage 410 kann einen optionalen Steg für das Rippenelement 125 oder das Rippenelement 130 aufweisen. Die im Zusammenhang mit 1 erläuterte galvanische Isolierlage entfällt hier. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Temperierelement 405 eine weitere erste Wärmeleiterlage 415 auf, die eine Basis des Temperierelement 405 bildet. Hier weist die erste Wärmeleiterlage 120 den ersten elektrischen Kontakt 145 und die weitere erste Wärmeleiterlage 415 den zweiten elektrischen Kontakt 150 auf. Weiterhin ist die zweite Wärmeleiterlage 125 jedes Temperierelements 405 über eine elektrische Leitung 420 mit der weiteren zweiten Wärmeleiterlage 130 verbunden.
-
Gemäß der Darstellung in 4 besteht gegenüber dem im Zusammenhang mit 1 erläuterten Ausführungsbeispiel lediglich ein einseitiger Wärmeübergang jeweils auf der kalten und der warmen Seite. Somit wirkt die Isolationsschicht 410 auf der anderen Seite jetzt nicht mehr nur elektrisch isolierend gegen Niederspannung, sondern auch thermisch isolierend. Entsprechend kann eine Dicke der Isolierlage 410 hier höher sein. Hier sind die Luftseiten 125, 130 benachbarter Lagen über die Leitungen 420 elektrisch miteinander verbunden, ebenso sind die Kühlwasserseiten 120, 415 benachbarter Lagen nicht mehr direkt, sondern analog zur Luftseite 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 1 bis 4 erläuterten Ausführungsbeispielen 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 Peltierelementen 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 Umpolung gewechselt werden.
-
5 zeigt in einer Prinzipdarstellung ein Ausführungsbeispiel einer erweiterten elektrischen Serienschaltung 500 von Temperiervorrichtungen 100, 200 oder 400 gemäß den 1 bis 4 in einer horizontalen Richtung. Die Mehrzahl von Temperiervorrichtungen 100, 200 oder 400 ist in vereinfachter Form gezeigt. Gemäß der Darstellung in 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 weitere Temperiervorrichtungen 100, 200 oder 400 erweitert werden. Die einzelnen Temperiervorrichtungen 100, 200 oder 400 sind elektrisch leitfähig miteinander verbunden, so dass einen Stromfluss durch die gesamte Anordnung 500 erfolgen kann. Die elektrischen Verbindungen sind in 5 nicht gezeigt. Ein weiterer Pfeil repräsentiert eine Strömungsrichtung 520 eines zum Beispiel durch die zweiten und weiteren zweiten Wärmeleiterlagen der Temperiervorrichtungen 100, 200 oder 400 geleiteten Wärmeleitfluids. Bei diesem kann es sich beispielsweise um Luft handeln.
-
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt und können miteinander kombiniert werden.
