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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, insbesondere zur Temperierung von zumindest einem Energiespeicherelement.
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Stand der Technik
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Beim Einsatz von modernen rein elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen steht auf Grund der geringen Speicherdichte der Batterien nur eine begrenzte Energiemenge zur Verfügung. Deshalb spielt insbesondere im Rahmen der voranschreitenden Elektrifizierung von Kraftfahrzeugen Energieeffizienz, insbesondere im Hinblick auch auf Heiz- und Kühlaufgaben im Kraftfahrzeug, eine wichtige Rolle. Wird beispielsweise im Winter Energie zur Heizung der Kraftfahrzeugkabine benötigt, kann dies beispielsweise eine entsprechende Reichweitenreduzierung des Fahrzeuges zur Folge haben. Deshalb sind Konzepte sinnvoll, bei welchen die zur Verfügung stehende elektrische Energie aus der Batterie nicht nur zu 100% in Wärme umgewandelt werden kann, sondern durch den Einsatz einer Wärmepumpe in einem Wärmepumpenprozesses eine noch höhere Leistungsziffer (COP) als „1”, beziehungsweise ein höherer COP durch die Nutzung von Restwärme aus dem Fahrzeug oder aus der Umgebung erreicht werden kann.
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In einem effektiven Thermomanagement im Kraftfahrzeug, beispielsweise zu Kühlzwecken des Motors oder anderer Aggregate oder zu Heizzwecken, wird ein Kühlmittel eingesetzt wird, welches als ein Fluid im Kühlsystem des Kraftfahrzeuges zirkuliert. Für eine elektrische Kühlfunktion sind thermoelektrische Elemente, beispielsweise Peltierelemente bekannt, wobei im Heizfall mit den thermoelektrischen Elementen auch Wärme mit Leistungsziffer größer „1” gepumpt werden kann.
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Eine Wärmepumpe weist einen Wärmeübertrager auf, der mittels eines thermoelektrischen Elementes (TE-Element) Ab- und/oder Restwärme aus einem ersten Fluidstrom auf ein höheres Temperaturniveau in einem zweiten Fluidstrom als Nutzwärme zur Verfügung stellen kann. Die Nutzwärme kann dann beispielsweise für einen Heizkörper und damit zur Erwärmung der Fahrzeugkabine eingesetzt werden.
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Außerdem ist es sinnvoll beim Einsatz von modernen Hochleistungsbatterien, die aus einer Anzahl einzelner Zellen aufgebaut sind, wie z. B. in Elektro- oder Hybridfahrzeugen, dass sich die Temperatur der Hochleistungsbatterie während des Betriebes des Kraftfahrzeuges in einem gewissen Temperaturintervall befindet, um die Effizienz, Funktionstüchtigkeit und Sicherheit der Batterie und/oder des Kraftfahrzeuges sicherzustellen. Einerseits sinkt der Wirkungsgrad der Batteriezellen bei Unterschreitung einer geeigneten Betriebstemperatur sehr stark und die Zellen produzieren eine hohe Verlustleistung. Andererseits laufen oberhalb eines geeigneten Betriebsbereiches Prozesse innerhalb der Zellen ab, die zu irreversibler Schädigung führen. Ferner dürfen zur Vermeidung einer ungleichmäßigen und damit einhergehenden verstärkten Alterung einzelner Batteriezellen die Temperaturunterschiede innerhalb der Einzelzellen und in der gesamten Batterieanordnung bestimmte vorgegebene Grenzwerte nicht überschreiten. Aus diesen Gründen ist eine Batterietemperierung in Form einer Kühlung oder einer Heizung erforderlich.
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Es ist ein Wärmeübertrager bekannt, der zwei Fluidseiten aufweist, wodurch zwei unabhängige Kreisläufe zum Temperieren verschiedener Komponenten eines Kraftfahrzeuges realisiert werden können. Ein derartiger Wärmeübertrager ist in Schichtenbauweise konzipiert, wobei die beiden Fluidseiten über thermoelektrische Elemente miteinander in Kontakt stehen. Solche thermoelektrischen Elemente sind beispielsweise durch die
DE 10 2009 058 673 A1 bekannt geworden, wobei bei Bestromung der thermoelektrischen Elemente Wärme von einem Fluid zum anderen Fluid gepumpt wird, ohne dass sich die Fluide berühren oder mischen. Eine Fluidseite ist dabei Teil eines Fluidkreislaufes zur Temperierung von Komponenten, beispielsweise einer Batterie oder Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeuges. Die andere Fluidseite ist Teil eines Fluidkreislaufes zur Temperierung zumindest einer anderen Komponente und/oder zum Wärmetransfer zwischen Fluidkreislauf und Umgebung.
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Es sind ferner Wärmeübertrager bekannt, die in Gegenstrombauweise eingesetzt werden, bei welchen die Kühlmittelströme vorwiegend in geschlossenen metallischen Komponenten, beispielsweise Platten, Blechen geführt werden. Hierbei kann dann die Wärme von den Platten durch einen wärmeleitenden Kontakt, wie beispielsweise mittels eines Klebers, an die thermoelektrischen Elemente übertragen werden. Die metallischen Komponenten werden vorab aus Einzelteilen zusammengesetzt und durch einen Lötprozess wird eine fluiddichte Verbindung hergestellt. Dies kann vorteilhaft erfolgen, bevor die thermoelektrischen Elemente mit den Komponenten in Kontakt gebracht werden. Dieser Lötprozess zur Verbindung der Einzelkomponenten ist kostenintensiv und kann bei unsachgemäßer Ausführung zu Undichtigkeiten im Komponentensystem führen.
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Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Wärmeübertrager zu schaffen, der eine bedarfsgerechte Kühlung und Heizung von Komponenten ermöglicht und/oder als Wärmepumpe eingesetzt werden kann.
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Dies wird mit einem Wärmeübertrager mit den Merkmalen von Anspruch 1 erreicht.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit mindestens einem thermoelektrischen Element zur Generierung eines Wärmestromes, wobei das mindestens eine thermoelektrische Element auf einem Trägerelement angeordnet ist, wobei mehrere entlang einer Stapelachse übereinander angeordnete Trägerelemente einen Trägerelementstapel bilden, in welchem ein erster Fluidkanal für ein erstes Fluid und ein zweiter Fluidkanal für ein zweites Fluid, welcher von dem ersten Fluidkanal fluidisch getrennt ausgebildet ist, angeordnet sind.
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Der erste Fluidkanal ist bevorzugt Teil eines ersten Fluidkreislaufs und kann zur Temperierung einer externen Komponente oder des thermoelektrischen Elementes dienen. Der zweite Fluidkanal ist bevorzugt Teil eines zweiten Fluidkreislaufs, der vom ersten Fluidkreislauf fluidisch getrennt ist. Der erste und der zweite Fluidkreislauf verlaufen typischerweise parallel zur Stapelachse des Trägerelementstapels des Wärmeübertragers. Der Wärmestrom kann generiert werden, indem die Wärme aus dem thermoelektrischen Element mittels des ersten Fluids beispielsweise abgeführt werden kann, indem das erste Fluid das thermoelektrische Element zumindest bereichsweise umströmt. Bevorzugt wird eine Oberfläche des thermoelektrischen Elements von dem ersten Fluid umströmt oder angeströmt.
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Die Trägerelemente sind bevorzugt identisch aufgebaut und sind somit Wiederholteile, die kostengünstig hergestellt werden können. Die Trägerelemente sind bevorzugt als relativ flache Bauteile ausgebildet, wobei eine parallel zur Stapelachse ausgebildete Höhe des Trägerelementes kleiner ist als die Dimensionen der flächigen Ausdehnung in einer Trägerelementebene, die im Wesentlichen senkrecht zur Stapelachse verläuft und die innerhalb einer Außenbegrenzungslinie angeordnet ist. Die Trägerelementebene mit der größten Bauteildimension kann eine Struktur aufweisen, welche Fenster aufweist, beispielsweise können Streben, Stege, usw. vorgesehen sein. Die Trägerelemente können als Spritzgussteile gefertigt werden. Dies ist vorteilhaft, da der Aufbau des Trägerelementstapels einfach skalierbar ist, modular aufgebaut werden kann und somit eine kostengünstige Herstellung des Wärmeübertragers ermöglicht ist. Somit kann ein modular aufgebauter kompakter Wärmeübertrager in einfacher Montage hergestellt werden, bei dem zur Verbindung der Einzelkomponenten auf einen Lötprozess weitgehend verzichtet werden kann.
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Bevorzugt weist der Wärmeübertrager ein Bodenelement und ein Deckelelement auf, die den Trägerelementstapel abschließen. Der Trägerelementstapel kann hierbei beidseitig in Längserstreckung entlang der Stapelachse abgeschlossen werden. Das Deckelelement und/oder das Bodenelement können hierbei ein oberes Trägerelement bzw. ein unteres Trägerelement sein und in Anlehnung an das thermoelektrische Element tragende Trägerelement aufgebaut sein. Hierbei sind bevorzugt Anschlüsse, insbesondere Anschlussflansche oder Anschlussstutzen für den ersten Fluidkreislauf und/oder den zweiten Fluidkreislauf vorgesehen. Das Deckelement und/oder das Bodenelement sind im Wesentlichen identisch oder ähnlich mit den anderen Trägerelementen, können aber auch einen abweichenden Aufbau und/oder eine andere Struktur als die Trägerelemente aufweisen.
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Besonders bevorzugt ist das Trägerelement ein Kunststoffträgerelement und weist einen Kunststoffrahmen auf, in dem der erste Fluidkanal und der zweite Fluidkanal ausgebildet sind. Auf dem Kunststoffträgerelement ist das mindestens eine thermoelektrische Element angeordnet, bevorzugt mittig angeordnet. Es können aber auch mehrere thermoelektrische Elemente auf einem Trägerelement, insbesondere dem Kunststoffträgerelement, bevorzugt in Reihe angeordnet sein. Das Kunststoffträgerelement ist ein Wiederholteil und kann einfach durch aufeinanderstapeln zum Trägerelementstapel zusammengebaut werden.
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Das Trägerelement weist in einer Ausgestaltung eine im Wesentlichen polygone Außenbegrenzungslinie auf. In einer einfachsten Ausgestaltung ist das Trägerelement quadratisch ausgebildet und weist eine im Wesentlichen quadratische Grundfläche mit vier Seiten auf, die die vier Außenbegrenzungslinien bilden. Hierbei sind die Ecken zwischen den Seitenlinien entweder spitzwinklig oder abgerundet ausgebildet. In einer besonderen Ausgestaltung weist das Trägerelement eine achteckige Grundfläche auf und die Außenbegrenzungslinie weist acht Seitenflächen aus. Hierbei können die Seitenflächen eine unterschiedliche Länge aufweisen.
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Bevorzugt sind in dem Trägerelement Isolationseinrichtungen vorgesehen, mittels der jeweils der erste Fluidkanal und der zweite Fluidkanal getrennt werden können. Die Isolationseinrichtung bewirkt bevorzugt eine thermische Isolation zwischen dem ersten und dem zweiten Fluidkanal. Beispielsweise kann die Isolationseinrichtung ein Steg aus einem nicht wärmeleitenden Material sein. Bevorzugt ist die Isolationseinrichtung einstückig mit dem Trägerelement ausgebildet und weist einen Steg oder eine Kombination von Stegen aus dem Kunststoffmaterial des Trägerelements auf.
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Bevorzugt weisen der erste und der zweite Fluidkanal jeweils einen ersten und einen zweiten Teilfluidkanal auf, wobei jeweils der erste und der zweite Teilfluidkanal durch mindestens eine Überströmöffnung im Trägerelement verbindbar sind. Der erste Teilfluidkanal und der zweite Teilfluidkanal verlaufen hierbei bevorzugt zumindest abschnittsweise parallel zur Stapelachse. Der erste Teilkanal und der zweite Teilfluidkanal des ersten Fluidkanals sind bevorzugt am Trägerelement gegenüberliegend angeordnet, so dass eine senkrecht zur Stapelachse ausgerichtete Teilströmung über das thermoelektrische Element entstehen kann. Hierbei ist bevorzugt mindestens eine Überströmöffnung vorgesehen, mittels der das erste Fluid aus dem ersten Teilfluidkanal des ersten Fluidkanals austreten kann und senkrecht zur Stapelachse über das thermoelektrische Element strömen kann und mindestens eine zweite Überströmöffnung, die einen Eintritt in den zweiten Teilfluidkanal des ersten Fluidkanals ermöglichen kann. Der erste und der zweite Teilfluidkanal des zweiten Fluidkanals können mittels eines Verbindungskanals verbunden sein, der fluidisch von dem Strömungsweg des ersten Fluidkanals getrennt ist.
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An dem Bodenelement und/oder dem Deckelelement sind bevorzugt Anschlusselemente zur Verbindung des ersten und/oder zweiten Fluidkanals mit dem ersten und/oder zweiten Fluidkreislauf vorgesehen. Der Fluidkreislauf kann hierbei Teil eines Kühlsystems des Kraftfahrzeugs sein, kann aber auch als ein separater, von diesem getrennter Kühlkreislauf ausgebildet sein.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Wärmeübertragers sind die Trägerelemente derart eingerichtet, dass diese zentrisch um eine Stapelachse stapelbar sind. Bevorzugt ist das mindestens eine thermoelektrische Element zentrisch bezogen auf die Stapelachse angeordnet.
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Bevorzugt ist zwischen den Trägerelementen und den thermoelektrischen Elementen eine fluiddichte Verbindung angeordnet. Diese kann insbesondere durch mechanische Verbindungstechniken, beispielsweise durch Clipsen, Rasten, Verschweißen, Verkleben oder Vergießen realisiert werden.
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In einer Ausgestaltung sind die übereinander gestapelten Trägerelemente gleich ausgerichtet oder sind um jeweils 90° zu einer Stapelachse verdreht angeordnet. Die Trägerelemente, insbesondere benachbarte Trägerelemente, können relativ zueinander um 90°, 180° oder 270° in der Ebene senkrecht zur Stapelachse verdreht angeordnet sein. Hierbei sind die Trägerelemente bevorzugt untereinander und Trägerelemente mit dem thermoelektrischen Element fluiddicht verbunden.
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Bevorzugt können Flachrohre vorgesehen sein, die mit dem thermoelektrischen Elementen in thermischem Kontakt stehen, bevorzugt direkt mit diesen in thermischen Kontakt stehen. Die Flachrohre können fluiddicht mit dem Trägerelement verbunden sein. Der thermische Kontakt wird bevorzugt mittels eines leitfähigen Klebers hergestellt, der zwischen einer Außenwand der Flachrohre und dem thermoelektrischen Element angeordnet ist. Hierbei ist vorteilhaft, dass das erste Fluid nicht direkt in Kontakt mit den thermoelektrischen Elementen steht.
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Bevorzugt ist das Trägerelement aus einem Material gefertigt, beispielsweise aus einem einzigen Kunststoffmaterial. Alternativ kann das Trägerelement zusätzlich zu dem einen Trägermaterial auch mehrere Materialelemente aufweisen. Hierbei kann das Trägerelement aus dem Kunststoff mittels Spritzgießens hergestellt werden. In den Kunststoff des Trägerelementes können auch metallische Element eingebettet sein. Hierbei können durch die metallischen Elemente die elektrischen Anschlüsse des thermoelektrischen Elementes realisiert werden. Das Trägerelement kann mechanisch durch Einlagerung von Glasfasern und/oder Carbonfasern verstärkt werden.
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Das thermoelektrische Element ist bevorzugt als Peltierelement ausgebildet. Das thermoelektrische Element ist bevorzugt mit dem Trägerelement stoffschlüssig verbunden, beispielsweise verklebt. Auch kann das thermoelektrische Element kraftschlüssig mit dem Trägerelement verbunden sein, wie beispielsweise verpresst sein.
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Im Heizfall können die Peltierelemente als Wärmepumpe zur Erwärmung der zu temperierenden Komponente dienen, während im Kühlfall die Peltierelemente für eine Kühlung einer entsprechenden Komponente sorgen können. Eine Temperierung kann durch eine unterschiedliche Bestromung der Peltierlemente im Wärmeübertrager mit möglicher Umkehr der Stromrichtung realisiert werden.
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Der Trägerelementstapel ist an seiner Außenseite bevorzugt von einem Profilrohr umgeben ist, wobei das Profilrohr das äußere Profil des Trägerstapels abbildet, welches die Innenkontur des Rohres bildet. Hierbei ist vorteilhaft, dass eine erhöhte Sicherheit bezüglich Fluiddichtigkeit gegeben sein kann. Das Profilrohr kann beispielsweise durch Laserschweißen mit dem Trägerelementstapel fluiddicht verbunden werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die nachfolgende Figurenbeschreibung und durch die Unteransprüche beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Nachstehend wird die Erfindung auf der Grundlage zumindest eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Wärmeübertragers mit Trägerelementen in Seitenansicht;
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2 eine schematische Darstellung eines Trägerelements mit einem thermoelektrischen Element als Draufsicht;
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3 ein Trägerelement des Wärmeübertragers in perspektivischer Darstellung als Draufsicht;
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4 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers aus gestapelten Trägerelementen gemäß 3 als perspektivische Ansicht von oben;
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5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Trägerelements in perspektivischer Draufsicht;
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6 ein Trägerelement gemäß 5 ohne thermoelektrisches Element;
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7 einen Trägerelementstapel aus Trägerelementen gemäß 5 und 6 eines Wärmeübertragers in perspektivischer Draufsicht;
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8 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Stapelschicht mit einem Trägerelement in perspektivischer Draufsicht;
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9 eine Trägerelementeinheit des Trägerelementes von 8 in perspektivischer Draufsicht;
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10 einen Trägerelementstapel eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers mit Kunststoffrahmen und thermoelektrischen Elementen in perspektivischer Draufsicht.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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Die 1 zeigt einen Wärmeübertrager 10 in schematischer Seitenansicht, der einen Stapel 12 von Stapelscheiben 14 und Fluidkanäle 16 für ein erstes Fluid und Fluidkanäle 18 für ein zweites Fluid aufweist.
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Die Strömungspfade des Fluids sind jeweils mit den Pfeilen 17 (Fluid 1) und 19 (Fluid 2) bezeichnet. Der Fluidkanal 16 und der Fluidkanal 18 sind fluidisch getrennt und führen jeweils ein Fluid (Fluid 1 und Fluid 2), wobei die Strömungspfade 17 und 19 abgegrenzt sind. Ferner sind Anschlüsse 20 und 22 für die Fluidkanäle 16 sowie Anschlüsse 24 und 26 für die Fluidkanäle 18 vorgesehen. Der Stapel 12 weist thermoelektrische Elemente 28 (gezeigt in 2) auf.
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2 zeigt den Wärmeübertrager 10 in Draufsicht Gleiche Gegenstände sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Das thermoelektrische Element 28 überdeckt den größten Teil der Fläche der Stapelschicht 14, die zusätzlich die Fluidkanäle 16 und 18 aufweist.
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Der Wärmeübertrager 10 kann für ein Ausführungsbeispiel auch als Wasserkonditionierer bezeichnet werden. Er ist nach dem Prinzip des Kreuzstrom-Wärmeübertragers aufgebaut. Hierbei kreuzen sich der erste Fluidkanal 16 und der zweite Fluidkanal 18 zumindest bereichsweise. Der Wärmeübertrager 10 kann bei einem weiteren Ausführungsbeispiel auch als Rekuperator bezeichnet werden.
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Das thermoelektrische Element 28 ist auf einem Trägerelement 30 angeordnet und mit diesem bevorzugt verbunden, zumindest mechanisch verbunden. Das thermoelektrische Element 28 ist bevorzugt mittig auf dem Trägerelement 30 angeordnet. Es können aber auch mehr als ein thermoelektrisches Element 28 auf dem Trägerelement 30 vorgesehen sein, die dann nebeneinander angeordnet sind und in Reihe verschaltet sind. Die Fluidkanäle 16 und 18 sind jeweils an einem Randbereich 32 des Trägerelements 30 angeordnet.
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3 zeigt eine perspektivische Draufsicht des Trägerelements 30 mit dem thermoelektrischen Element 28 in einer ersten Ausführungsform. Das Trägerelement 30 weist einen Rahmen 34 auf, der eine äußere Begrenzung und somit eine Außenbegrenzungslinie 36 des Trägerelementes 30 darstellt-
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Die Außenbegrenzungslinie 36 ist in dem Trägerelement 30 dieses Ausführungsbeispiels viereckig und weist vier Seitenlinien 36a, 36b, 36c, 36d auf. Die jeweils benachbarten der Seitenlinien 36a, 36b, 36c 36d sind verbunden und bilden ein Verbindungselement 38a, 38b, 38c, 38d aus, so dass die Außenbegrenzungslinie oder Außenkontur 36 einstückig ausgebildet ist. Das Verbindungselement 38a, 38b, 38c, 38d kann eine abgerundete Kontur (in diesem Beispiel) oder eine eckige Kontur aufweisen. Ausgehend von dem Eckelement 38a, 38b, 38c, 38d ist eine Isolationseinrichtung 40a, 40b, 40c, 40d angeordnet, mittels der jeweils benachbart angeordnete Fluidkanäle 16 und 18 thermisch und fluidisch trennbar sind. Ausgehend von der Seitenlinie 36a, 36b, 36c und/oder 36d ist mindestens ein Steg 44a, 44b, 44c, 44d angeordnet, der zur Erhöhung der Eigensteifigkeit des dient. Dadurch erhöht sich die Festigkeit des Trägerelements.
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Parallel zur Außenbegrenzungslinie 36 ist beabstandet zu dieser eine zweite Konturlinie, eine Innenkonturlinie 46 angeordnet. Hierbei sind die Stege 44a, 44b, 44c und 44d und/oder die Isolationseinrichtungen 40a, 40b, 40c und 40d zwischen der Außenbegrenzungskontur 36 und der Innenkontur 46 angeordnet. Die Konturen 36 und 46 sind entsprechend der Lage der sie verbindenden Stege 44 zueinander beabstandet. Im Wesentlichen mittig innerhalb der Innenkontur 46 ist das thermoelektrische Element 28 angeordnet. Das thermoelektrische Element 28 ist in der Ausführungsform in 2 ein erstes thermoelektrisches Element 28a und es kann ein zweites thermoelektrisches Element 28b unterhalb des ersten thermoelektrischen Elementes 28a angeordnet sein, wobei zwischen den beiden thermoelektrischen Elementen 28a und 28b ein Flachrohr 48 angeordnet ist. Bevorzugt ist das Flachrohr 48 mit dem ersten und dem zweiten thermoelektrischen Element 28a und 28b thermisch verbunden. Das Flachrohr 48 verbindet in jeder Stapelebene die beiden Seiten des Fluidkanals 18 für das zweite Fluid. Das erste Fluid kann durch Öffnungen in der Innenkontur 46 durch das Flachrohr 48 strömen und in den Fluidkanal 16 gelangen.
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4 zeigt einen Trägerelementstapel 12 des Wärmeübertagers 10, der aus Trägerelementen 30 gemäß 3 aufgebaut ist. Der Trägerelementstapel 12 weist die Trägerelemente 30 auf, die entlang einer Stapelachse 50 mit einzelnen aus dem Trägerelement 30 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel nach 3 gebildeten Stapelschichten 14 aufgebaut sind. Von dem Wärmeübertrager 10 ist in 3 aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich der Trägerelementstapel 12 und kein Bodenelement und kein Deckelement gezeigt. Der Stapel 12 weist die in 3 gezeigten Trägerelemente 30 als Stapelschichten auf, die derart entlang der Stapelachse 50 übereinander angeordnet sind bzw. aufeinandergestapelt sind, dass der Fluidkanal 16 und der Fluidkanal 18 sich über die Längserstreckungsrichtung und im Wesentlichen parallel zur Mittelachse 50 erstrecken können. Der Fluidkanal 16 und der Fluidkanal 18 verlaufen im Wesentlichen parallel zueinander. Das thermoelektrische Element 28, welches als Peltierelement ausgeführt ist, ist auf dem Trägerelement 30 angeordnet, bevorzugt mittig angeordnet, so dass die Fluidkanäle 16 und 18 um das thermoelektrische Element 28 herum angeordnet sind. Jeweils benachbarte Trägerelemente 30 sind jeweils um die Stapelachse 50 um 90° zueinander gedreht angeordnet. Die Trägerelemente 30 sind untereinander fluiddicht verbunden, beispielsweise durch Verpressen oder Verkleben oder eine andere geeignete Verbindungstechnik, so dass die Fluidkanäle 16 und 18 in Richtung der Stapelachse 50 fluiddicht sind. Zueinander sind die Fluidkanäle 16 und 18 über die gesamte Längserstreckung des Trägerelementstapels 14 thermisch mittels der Isolationsvorrichtungen 40a, 40b, 40c und 40d isoliert.
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5 zeigt ein Trägerelement 52 in einer anderen Ausführungsform. Identische Gegenstände sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Das Trägerelement 52 weist innerhalb der Außenkonturlinie 36, die im Wesentlichen dieselbe Form aufweist, wie die des Trägerelements 30, angeordnete Trägerelementsegmente 54a, 54b, 54c, 54d auf, in denen jeweils einer der Fluidkanäle 16 und 18 verläuft. Das thermoelektrische Element 28 ist mittig und zentrisch zur Stapelachse 50 angeordnet und die Trägerelementsegmente 54a, 54b, 54c und 54d sind um das thermoelektrische Element 28 und innerhalb der Außenkonturlinie 36 angeordnet. Das thermoelektrische Element 28 ist auf einem in 6 gezeigten Gitterelement 60 des Trägerelementes 52 angeordnet, welches Rippen, Stege 62 aufweist, die ein Turbulenzgitter 64 bilden. Durch die Rippen und Stege 62 ist eine Art Hohlstruktur im Trägerelement 60 gebildet, durch die das Fluid strömen kann und an einer Oberfläche des thermoelektrischen Elementes 28 entlangströmen kann und so entstandene Wärme abführen kann. Zwischen den Trägerelementsegmenten 54a, 54b, 54c und 54d sind die Isolationsvorrichtungen 40a, 40b, 40c und 40d angeordnet.
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7 zeigt einen Trägerelementstapel 12 aus acht Trägerelementen 52 ohne Bodenelement und ohne Deckenelement. Die thermoelektrischen Elemente 28 benachbarter Trägerelemente 52 sind übereinander angeordnet. Zwischen den Trägerelementsegmenten 54a, 54b, 54c und 54d sind jeweils die Isolationseinrichtungen 40a, 40b, 40c und 40d angeordnet.
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8 zeigt in schematischer perspektivischer Darstellung ein Trägerelement 65 in einer weiteren Ausführungsform. Das Trägerelement 65 ist zweiteilig aufgebaut und weist eine erste, obere Trägerelementeinheit 64a und eine zweite, untere Trägerelementeinheit 64b auf, die nach mal einzeln in 9 gezeigt ist. Die Trägerelementeinheit 64a weist ein zweiteiliges Trägerelementsegment 66 auf, welches den ersten Fluidkanal 16, beidseitig um ein zentrales Trägerelementsegment 68 angeordnet, umfasst. Das zentrale Trägerelementsegment 68 weist Rippen und Stege 70 auf, die das Turbulenzgitter 64 bilden. Auf den Rippen und Stegen 70 ist das thermoelektrische Element 28 derart angeordnet, dass dieses zwischen dem ersten und der zweiten Trägerelementeinheit 64a und 64b platziert ist. Anschlüsse 72, insbesondere elektrische Anschlüsse 72 zum thermoelektrischen Element 28 sind zwischen dem ersten und dem zweiten Trägerelementeinheit 64a und 64b nach außen geführt und mittels der Anschlüssen 72 kann das thermoelektrische Element elektrisch kontaktiert werden.
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Die in 9 gezeigte zweite Trägerelementeinheit 64b weist zusätzlich zu dem zweiteiligen Trägerelementsegment 66 zwei zweite Trägerelementsegmente 74 auf, durch die der zweiten Fluidkanal 18 geführt ist. Das Trägerelementsegment 74 weist keine Stege auf. Erkennbar sind in den Darstellungen der 8 und 9 der Trägerelementeinheiten 64a und 64b Überströmkanäle 76 zwischen dem zentralen Trägerelement 68 und den Trägerelementsegmenten 66 auf, die jeweils an beiden Seiten des zentralen Trägerelementsegments 68 angeordnet sind. Zwischen dem Trägerelementsegment 66 und dem Trägerelementsegment 74 sind jeweils Isolationseinrichtungen 78 ausgeführt, die eine thermische und mechanische Trennung der Fluidkanäle 16 und 18 durchführen können, insbesondere, wenn das Trägerelement 52 aus einem thermisch nicht leitenden Kunststoff gefertigt ist. Die Isolationseinrichtungen 78 sind als Ausnehmungen im Trägerelement 64 ausgebildet.
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10 zeigt in schematischer perspektivischer Darstellung einen Trägerelementstapel 80, der aus Trägerelementeinheiten 64a und 64b aufgebaut ist, indem Trägerelementeinheiten 64a und 64b abwechselnd aufeinandergestapelt sind, wobei eine Stapelschicht 82 jeweils zweiteilig aus den Trägerelementeinheiten 64a und 64b aufgebaut ist.
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Allen Ausführungsformen des Trägerelements 30, 52, 65 gemeinsam ist, dass eine Rahmenstruktur gebildet ist, bevorzugt ein Kunststoffrahmen auf dem das thermoelektrische Element 28, 28a, 28b angeordnet ist. Der Kunststoffrahmen ist bevorzugt durch eine Spritzgusstechnik hergestellt und liegt einstückig vor. Der Aufbau des Trägerelementstapels 12 aus den Trägerelementen 30, 53 oder 64 ist nach der Stapelachse 50 ausgerichtet, die senkrecht zu einer Schichtebene der Trägerelemente 30, 52, 65 verläuft, und realisiert einen modular aufgebauten Kreuzstrom-Wärmeübertrager 10 mit Sammelkanälen, die jeweils durch die Fluidkanäle 16 und 18 gebildet werden. Abgeschlossen wird der Trägerelementstapel 12 durch ein Bodenelement und ein Deckelement (nicht dargestellt), welches die Anschüsse 20, 22, 24, 26 zur Verbindung mit dem jeweiligen Fluidkreislauf darstellt. Zwischen den jeweiligen Trägerelementen 30, 52, 64a, 64b oder 65 kann eine fluiddichte Verbindung jeweils durch ein an sich bekanntes Verbindungsverfahren mit Dichtungselementen, durch eine Rast- oder Clip-Verbindung, durch Verkleben, Verpressen oder Vergießen sowie Verschweißen hergestellt werden.
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Zusätzlich können ähnlich wie in der in 3 gezeigten Ausführungsform Flachrohre direkt in Kontakt auf die wärmeübertragende Oberfläche des thermoelektrischen Elementes 28, 28a, 28b angeordnet und fluiddicht mit dem Trägerelement 30, 52, 64a, 64b oder 65 verbunden werden. Die Fachrohre 48 sind bevorzugt aus einem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und können durch Extrudieren hergestellt werden. Zwischen den Flachrohren 48 wird bevorzugt eine wärmeleitende Kontaktmasse, wie beispielsweise ein Kleber angeordnet.
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Das Trägerelement 30, 52, 64a, 64b oder 64 kann neben einem einfachen Kunststoff auch ein Kompoundkunststoff sein, bei dem in einen Trägerwerkstoff Carbonfasern oder Glasfasern eingebettet sind. Die für die elektrischen Anschlüsse benötigten Metallteile können ebenfalls in das Trägerelement 30, 52 oder 64 eingebettet sein, so dass das Trägerelement 30, 52 oder 64 einen Kunststoffrahmen mit Metallelementen umfasst, wobei das Trägerelement 30, 52 oder 64 einstückig aufgebaut ist.
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Zusätzlich kann das Trägerelement 30, 52, 64a, 64b oder 65 des Trägerelementstapels 12 um die Aussenkonturlinie 36 von einem Profilrohr umgeben sein, wodurch eine größere Sicherheit und Stabilität des Stapels 12 realisiert werden kann. Hierbei ist das Profilrohr bevorzugt durch Laserschweißen an den Kunststoffrahmen befestigt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009058673 A1 [0006]
