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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Wärmeübertragers. Die Erfindung betrifft ferner einen thermoelektrischen Wärmeübertrager, der mittels dieses Verfahrens hergestellt worden ist.
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Mithilfe von thermoelektrischen Wärmeübertragern kann in unterschiedlichen Anwendungen Wärme von einem Fluid an ein zweites Fluid entgegen der natürlichen Wärmeleitung gepumpt werden. Basis solcher thermoelektrischer Wärmeübertrager sind thermoelektrische Elemente - dem Fachmann auch als „Peltierelemente“ bekannt -, die zwischen Fluidkanälen des Wärmeübertragers platziert werden.
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Herkömmliche thermoelektrische Wärmeübertrager weisen zum Führen der beiden Fluide in Fluidkanälen oftmals Rohrkörper auf, so dass die durch den Wärmeübertrager geführten beiden Fluide fluidisch getrennt voneinander strömen können. Bei herkömmlichen thermoelektrischen Wärmeübertragern mit einer Mehrzahl von Peltierelementen sind die Fluidkanäle für ein kaltes und ein warmes Fluid abwechselnd aufeinander gestapelt angeordnet, und zwar mit dazwischen integrierten thermoelektrischen Elementen.
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Als Material für einen Wärmeübertrager, insbesondere für dessen Fluidkanäle, werden - um dessen Eigengewicht gering zu halten - oftmals Aluminiumlegierungen verwendet. Gefertigt wird der Wärmeübertrager aus solchen Aluminiumlegierungen meist in einem Lötverfahren, das bei Temperaturen von ca. 600°C erfolgt.
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Die thermoelektrischen Elemente bzw. Peltierelemente des Wärmeübertragers weisen typischerweise mehrere positiv und negativ dotierte Halbleiterelemente auf, die über mehrere Leiterbrücken elektrisch verschaltet sind. Ein solches thermoelektrisches Element besitzt eine Kaltseite, die mit mehreren kaltseitigen Leiterbrücken wärmeleitend, elektrisch isoliert und fest verbunden ist. Analog dazu besitzt das thermoelektrische Element eine Heißseite, die mit mehreren heißseitigen Leiterbrücken wärmeleitend, elektrisch isoliert und fest verbunden ist. Die Halbleiterelemente sind dabei zwischen Heißseite und Kaltseite angeordnet, so dass sie sich zwischen den kaltseitigen und heißseitigen Leiterbrücken erstrecken. Standardmäßig sind die thermoelektrischen Elemente bzw. Peltierelemente aus n- bzw. p-dotierten Halbleiterelementen aufgebaut, die abwechselnd angeordnet durch elektrisch leitende Kupferbrücken verbunden sind und nach außen hin auf Ober- und Unterseite durch eine dielektrische Schicht, meist in Form einer Keramikplatte, abgeschlossen sind. Als Material für die Halbleiterelemente wird beispielsweise Bismuth-Tellurid (BiTe) verwendet, was bedeutet, dass der Wärmeübertrager nicht auf Temperaturen über 160°C erhitzt werden darf - andernfalls würde das Material seine thermoelektrischen Eigenschaften verlieren. Insofern erweist sich der oben erwähnte Lötprozess zum Herstellen des Wärmeübertragers mit den thermoelektrischen Elementen als problematisch.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform für ein Herstellungsverfahren zum Herstellen eines Wärmeübertragers zu schaffen, welches der o.g. Problematik Rechnung trägt. insbesondere soll ein Herstellungserfahren geschaffen werden, bei welchem ausgeschlossen ist, dass die thermoelektrischen Elemente im Zuge der Fertigung des Wärmeübertragers ihre thermoelektrischen Eigenschaften teilweise oder sogar ganz verlieren.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Grundidee der Erfindung ist demnach, für den Lötprozess zum Verlöten der metallischen Komponenten des Wärmeübertragers miteinander dessen thermoelektrische Elemente durch sogenannte Abstandskörper, vorzugsweise aus Graphit, zu ersetzten. Solche Abstandskörper dienen während des Lötprozesses dazu, die verschiedenen Komponenten des Wärmeübertragers während des Lötvorgangs stabil und präzise in Position zu halten. Nach dem Verlöten übernehmen die erzeugten Lötverbindungen diese Funktion, so dass die Abstandskörper wieder von den nunmehr miteinander verlöteten Komponenten des Wärmeübertragers entfernt werden können. Da in der Folge kein temperaturkritischer Lötprozess mehr stattfindet, können in einem abschließenden Verfahrensschritt die temperaturempfindlichen thermoelektrischen Elemente am Wärmeübertrager montiert werden und das Herstellungsverfahren auf diese Weise abgeschlossen werden. Da die thermoelektrischen Elemente nicht mit dem Lötprozess in Berührung kommen, ist eine Beschädigung derselben aufgrund zu hoher Temperatureinwirkung, bedingt durch den Lötprozess, ausgeschlossen. Darüber hinaus entfallen auch weitere, mit einem Lötvorgang einhergehende negative Effekte betreffend die Maßhaltigkeit der lichten Höhe, die Ebenheit der Rohroberfläche der im Wärmeübertrager verbauten Rohkörper, die Planparallelität der Rohrkörper und die Sauberkeit der Rohrkörperoberflächen.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Wärmeübertragers umfasst zumindest drei Verfahrensschritte. In einem ersten Verfahrensschritt a) wird eine Anordnung bereitgestellt, die eine Mehrzahl von sich jeweils entlang einer gemeinsamen Längsrichtung erstreckenden Rohrkörpern aufweist, welche von einem ersten Fluid durchströmt werden können. Die Rohrkörper sind dabei entlang einer senkrecht zur Längsrichtung verlaufenden Stapelrichtung unter Ausbildung von Zwischenräumen im Abstand zueinander angeordnet. Zwischen zwei in der Stapelrichtung benachbarten Rohrkörpern ist also ein jeweiliger Zwischenraum vorgesehen. Zweckmäßig sind die Zwischenräume entlang einer Querrichtung, die senkrecht sowohl zur Stapelrichtung als auch zur Längsrichtung verläuft, offen ausgebildet, so dass sie von einem zweiten Fluid - fluidisch getrennt zum ersten Fluid - durchströmt werden können. Die Anordnung umfasst außerdem einen ersten und einen zweiten Rohrboden, die einander in der Längsrichtung gegenüberliegen. Die Rohrkörper sind mit einem jeweiligen ersten Längsende in den ersten Rohrboden eingesteckt oder durch diesen durchgesteckt. Hierzu können am ersten Rohrboden geeignet dimensionierte und auf die Rohrkörper abgestimmte Durchbrüche vorgesehen sein. Entsprechend sind die Rohrkörper mit einem jeweiligen zweiten Längsende in den zweiten Rohrboden eingesteckt oder durch diesen durchgesteckt. Hierzu können am zweiten Rohrboden geeignet dimensionierte und auf die Rohrkörper abgestimmte Durchbrüche vorgesehen sein. Auf einer von den Rohrkörpern abgewandten Seite des ersten Rohrbodens kann ein Behältnis-artig ausgebildeter Fluidverteiler vorgesehen sein, dessen Behältnis-Innenraum fluidisch mit den Rohrkörpern kommuniziert. Auf einer von den Rohrkörpern abgewandten Seite des zweiten Rohrbodens kann ein Behältnis-artig ausgebildeter Fluidsammler vorgesehen sein, dessen Behältnis-Innenraum ebenfalls fluidisch mit den Rohrkörpern kommuniziert. Schließlich umfasst die Anordnung eine Mehrzahl von Abstandskörpern, vorzugsweise aus Graphit, die in den zwischen den Rohrkörpern gebildeten Zwischenräumen angeordnet sind. Die Anordnung erfolgt dabei derart, dass jeweils zwei in Stapelrichtung benachbarte Rohrkörper an einem im Zwischenraum zwischen diesen beiden Rohrkörpern angeordneten Abstandskörper anliegen.
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In einem zweiten Verfahrensschritt b) werden zumindest die Rohrkörper mit den Rohrböden verlötet, was vorzugsweise in einem Lötofen geschehen kann. Nach Beendigung des Lötvorgangs werden in einem dritten Verfahrensschritt c) die Abstandskörper durch thermoelektrische Baueinheiten ersetzt. Zweckmäßig wird jeder Abstandskörper durch genau eine thermoelektrische Baueinheit ersetzt. Eine solche thermoelektrische Baueinheit umfasst wenigstens ein oberes und wenigstens ein unteres thermoelektrisches Element, zwischen welchen sandwichartig eine Rippenstruktur angeordnet ist. Denkbar ist also, dass zwei oder mehr obere bzw. untere thermoelektrische Elemente vorgesehen sind, die bevorzugt im Abstand zueinander angeordnet sind. Auf einer von der Rippenstruktur abgewandten Oberseite des oberen thermoelektrischen Elements ist wenigstens eine oberes Wärmeleitelement, vorzugsweise in Form einer oberen Graphitfolie, angeordnet. Auf einer von der Rippenstruktur abgewandten Unterseite des unteren thermoelektrischen Elements ist wenigstens ein unteres Wärmeleitelement, vorzugsweise eine untere Graphitfolie, angeordnet. Denkbar ist also, dass anstelle von Graphitfolien auch andere geeignete Elemente zur Wärmeleitung - beispielsweise eine Wärmeleitpaste - vorgesehen sind. Die Wärmeleitelemente dienen zur thermischen Kopplung der thermoelektrischen Elemente an die durch die Fluidkanäle des Wärmeübertragers geführten Fluide.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Ersetzen gemäß Schritt c) ein Herausziehen der Abstandskörper aus den Zwischenräumen und ein darauf folgendes Einschieben der thermoelektrischen Baueinheiten in die Zwischenräume. Dies geschieht derart, dass die beiden Wärmeleitelemente bzw. Graphitfolien nach dem Einschieben an dem jeweils in Stapelrichtung benachbarten Rohrkörper anliegen.
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Die Rohrkörper des hergestellten Wärmeübertragers können als Flachrohre ausgebildet sein, die in einem Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung zwei Breitseiten und zwei Schmalseiten besitzen. Zweckmäßig beträgt eine Seitenlänge einer jeden der beiden Breitseiten mindestens das Vierfache, vorzugsweise mindestens das Achtfache, einer Seitenlänge einer jeden der beiden Schmalseiten. Bevorzugt erstrecken sich die Schmalseiten entlang der Stapelrichtung und die Breitseiten Entlang der Querrichtung. Zweckmäßig können die Flachrohre in dem Querschnitt die Geometrie eines Rechtecks aufweisen. In diesem Fall sind die Seitenlängen der beiden Breitseiten identisch. Ebenso sind die Seitenlängen der beiden Schmalseiten identisch. Außerdem erstrecken sich die beiden Breitseiten orthogonal zu den beiden Schmalseiten. Diese Variante baut, insbesondere in Stapelrichtung, besonders kompakt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung werden die thermoelektrischen Baueinheiten vor Durchführung von Schritt c) vorgefertigt. Bei dieser Weiterbildung umfasst das Vorfertigen ein stoffschlüssiges Verbinden, insbesondere Verkleben, der thermoelektrischen Elemente mit der Rippenstruktur und ein stoffschlüssiges Verbinden, insbesondere Aufkleben, der Wärmeleitelemente bzw. Graphitfolien auf die thermoelektrischen Elemente. Alternativ zum Verkleben dazu ist auch ein (Niedertemperatur-)Löten denkbar. Somit wird eine dauerhaft stabile Befestigung der Komponenten der thermoelektrischen Baueinheiten aneinander sichergestellt, bevor letztere in der Anordnung montiert werden Grundsätzlich ist aber auch eine nicht fixierte Verbindung mit einem geeigneten thermischen Interface, insbesondere mittels einer Wärmeleitpaste oder einer (Graphit-)Folie, möglich.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung werden die Abstandkörper in einem dem Schritt a) vorgeschalteten Verfahrensschritt a0) in die Zwischenräume eingeschoben.
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Zweckmäßig können das Herausziehen der Abstandskörper und das Einschieben der thermoelektrischen Baueinheiten entlang einer Querrichtung erfolgen, die sich senkrecht sowohl zur Stapelrichtung als auch zur Längsrichtung erstreckt. Diese Richtung entspricht der späteren Hauptdurchströmungsrichtung des zweiten Fluids durch den Wärmeübertrager.
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Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung erstrecken sich die Abstandskörper und die thermoelektrischen Baueinheiten über eine gesamte, entlang der Querrichtung gemessene Tiefe des Wärmeübertragers. Auf diese Weise kann die wärmepumpende Wirkung der thermoelektrischen Elemente über die gesamte Breite des Wärmeübertragers hinweg ausgenutzt werden.
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Gemäß einer dazu alternativen zweiten vorteilhaften Weiterbildung erstrecken sich die Abstandskörper und die thermoelektrischen Baueinheiten nur über einen (ersten) Teilabschnitt der in Querrichtung des Wärmeübertrager gemessenen Tiefe eines jeweiligen Zwischenraums. In dem zum (ersten) Teilabschnitt komplementären, zweiten Teilabschnitt eines jeweiligen Zwischenraums wird jeweils eine Rippenstruktur ohne thermoelektrische Elemente vorgesehen. Diese Rippenstruktur kann in Schritt b) mit den in Stapelrichtung benachbarten Rohrkörpern verlötet werden. Diese zweite Weiterbildung ist in der Regel kostengünstiger als die oben erläuterte erste Weiterbildung.
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Besonders zweckmäßig sind die thermoelektrischen Baueinheiten und die Anordnung derart aufeinander abgestimmt, dass die Baueinheiten nach Durchführung von Schritt c) jeweils reibschlüssig mit den beiden in Stapelrichtung benachbarten Rohrkörpern der Anordnung verbunden sind. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die thermoelektrischen Baueinheiten in den Zwischenräumen an der gewünschten Position verbleiben. Insbesondere wird ein unerwünschtes „Herausrutschen“ der Baueinheiten aus den Zwischenräumen verhindert. Die Wirkung der reibschlüssigen Verbindung kann durch eine geeignete Dimensionierung der Rohrkörper oder/und der thermoelektrischen Elemente verstärkt werden. Hierzu können die thermoelektrischen Elemente in Stapelrichtung mit einem Übermaß versehen oder/und die lichte Höhe zwischen benachbarten Rohrkörpern mit einem Untermaß versehen werden.
Hieraus ergibt sich eine Druckbeaufschlagung in Stapelrichtung, welche die Reibung zwischen den thermoelektrischen Elementen und den in Stapelrichtung benachbarten Rohrkörpern erhöht und somit den Reibschluss verbessert.
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Zusätzlich wirkt sich der aufgebrachte Druck positiv auf die Eigenschaften der Wärmeleitelemente bzw. Graphitfolien sowie der thermoelektrischen Elemente aus.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann das Verfahren einen zusätzlichen Verfahrensschritt z1) umfassen, gemäß welchem die mit den Rohrböden verlöteten Rohrkörper auf Dichtigkeit geprüft werden. Bevorzugt wird dieser Schritt z1) zwischen den Schritten b) und c) durchgeführt. Auf diese Weise kann eine spätere Leckage von Fluid - verbunden mit umfangreichen Nachbesserungsarbeiten zur Behebung dieses Problems - nahezu ausgeschlossen werden.
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Zweckmäßig können Abstandskörper mit einer, vorzugsweise L-förmigen Geometrie, verwendet werden, die teilweise aus den Zwischenräumen des Wärmeübertragers herausragen. Dies erleichtert das Einschieben und Herausziehen der Abstandskörper aus den Zwischenräumen. Besonders zweckmäßig kann für die Abstandskörper jeweils eine L-förmige Geometrie verwendet werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung werden nach Durchführung von Schritt c) die in die Zwischenräume eingeschobenen thermoelektrischen Baueinheiten in einem zusätzlichen Verfahrensschritt z2) mittels wenigstens eines Abdeckrahmens positionsgesichert. Auf diese Weise wird ein „Herausrutschen“ der thermoelektrischen Baueinheiten aus den Zwischenräumen verhindert. Darüber hinaus werden die thermoelektrischen Elemente der Baueinheiten gegen Stöße, Schläge und dergleichen zusätzlich geschützt. Schließlich kann der Abdeckrahmen auch für eine vereinfachten elektrischen Verdrahtung der thermoelektrischen Elemente herangezogen werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung deckt der wenigstens eine Abdeckrahmen in einer Blickrichtung auf den Wärmeübertrager entlang einer Querrichtung des Wärmeübertragers, die senkrecht zur Stapelrichtung und senkrecht zur Längsrichtung verläuft, zumindest die thermoelektrischen Elemente der thermoelektrischen Baueinheiten blickdicht ab. Auf diese Weise werden die besonders empfindlichen thermoelektrischen Elemente wirksam gegen äußere Einflüsse geschützt. Außerdem wird die Durchströmung der nicht-abgedeckten Zwischenräume, also der zweiten Fluidkanäle, nicht beeinträchtigt.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung wird ein gemeinsamer Abdeckrahmen vorgesehen, der nach dem Einschieben der thermoelektrischen Baueinheiten in im Wärmeübertrager nach Durchführung von Schritt c) in Blickrichtung noch vorhandene Luftspalte eingesetzt wird. Dies erfolgt derart, dass der Abdeckrahmen zumindest die thermoelektrischen Elemente der thermoelektrischen Baueinheiten des Wärmeübertragers in der Querrichtung abdeckt. Diese Weiterbildung vereinfacht die Montage des Wärmeübertragers.
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Durch das Einsetzen des Abdeckrahmens in die Luftspalte kann außerdem verhindert werden, dass das durch die Rippenstrukturen zu führende zweite Fluid an diesen seitlich vorbeiströmen kann, was zu einer Minderung der Effektivität des Wärmeübertragers führen würde.
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Typischerweise weist der Wärmeübertrager entlang der Querrichtung eine Vorderseite und eine Rückseite auf. Besonders bevorzugt kann der Wärmeübertrager daher mit zwei gemeinsamen Abdeckrahmen ausgestattet werden, von welchen einer die Vorderseite und der andere die Rückseite abdeckt. Vorzugsweise bilden die beiden Abdeckrahmen die Vorderseite bzw. Rückseite des Wärmeübertrager mit aus und liegen einander in der Querrichtung gegenüber. Auf diese Weise ist der Wärmeübertrager in der Querrichtung beidseitig geschützt.
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Besonders bevorzugt deckt der wenigstens eine Abdeckrahmen die Rippenstruktur(en) der Baueinheit(en) nicht ab, sondern lässt diese, vorzugsweise vollständig, frei. Auf diese Weise wird ein problemloser Ein- und Austritt des zweiten Fluids in die zweiten Fluidkanäle mit den Rippenstrukturen gewährleistet.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch:
- 1 den prinzipiellen Aufbau eines thermoelektrischen Wärmeübertragers in grobschematischer Darstellung,
- 2, 3, 7, 8 verschiedene Momentaufnahmen eines ersten Beispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 9a, 9b Momentaufnahmen eines zweiten Beispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens
- 4, 5 den Aufbau der thermoelektrischen Baueinheiten in unterschiedlichen Darstellungen,
- 6 eine den Aufbau der eine Rippenstruktur bildenden Wellrippen illustrierende Darstellung,
- 10 bis 13 verschiedene Darstellung, die Ausstattung des Wärmeübertragers mit Abdeckrahmen unterschiedlicher Bauform illustrieren.
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1 zeigt in grobschematischer Darstellung den Aufbau eines thermoelektrischen Wärmeübertragers 1, wie er mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden kann. Dieser Wärmeübertrager 1 umfasst eine Mehrzahl von entlang einer Stapelrichtung S abwechselnd aufeinandergestapelten ersten und zweiten Fluidkanälen 2a, 2b zum Durchströmen mit einem ersten und einem zweiten Fluid, wobei zwischen zwei in Stapelrichtung S benachbarten Fluidkanälen 2a, 2b jeweils ein thermoelektrisch aktives Element 11a oder 11b angeordnet ist. Jedes thermoelektrische Element 11a, 11b weist eine thermisch an den in Stapelrichtung S benachbarten ersten Fluidkanal 2a gekoppelte Kaltseite und eine thermisch an den entgegen der Stapelrichtung S benachbarten zweiten Fluidkanal 2b gekoppelte Heißseite auf, oder umgekehrt. Wie die schematische Darstellung der 1 erkennen lässt, ist zwischen jedem thermoelektrischen Element 11a, 11b und dem in Stapelrichtung S benachbarten ersten und zweiten Fluidkanal jeweils ein Wärmeleitelement, beispielsweise in Form einer Graphitfolie 15a, 15b, angeordnet. Die Graphitfolien 15a, 15b besitzen eine hohe thermische Leitfähigkeit. Somit stellen sie eine hochwirksame thermische Anbindung der thermoelektrischen Elemente 11a, 11b an die benachbarten Fluidkanäle 2a, 2b sicher. Zwischen den thermoelektrischen Elementen und den elektrisch leitenden Graphitfolien 15a, 15b kann eine elektrisch isolierende Isolationsschicht (nicht gezeigt) vorgesehen sein. Diese unterbindet einen unerwünschten elektrischen Kurzschluss der thermoelektrischen Elemente 11a, 11b mit den benachbarten Fluidkanälen 2a, 2b, die typischerweise aus einem Metall - also einem elektrischen Leiter - hergestellt worden sind.
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Anhand der 2 bis 11 wird im Folgenden das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft erläutert. In einem ersten Verfahrensschritt a) wird eine Anordnung 2 bereitgestellt, aus welcher in den auf Schritt a) folgenden Verfahrensschritten ein thermoelektrischer Wärmeübertrager 1 hergestellt wird. Die Anordnung 2 umfasst eine Mehrzahl von sich jeweils entlang einer gemeinsamen Längsrichtung L erstreckenden Rohrkörpern 3. Die Rohrkörper 3 sind entlang einer Stapelrichtung S, die sich senkrecht zur Längsrichtung L erstreckt unter Ausbildung von Zwischenräumen 4 im Abstand zueinander angeordnet.
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Die Anordnung 2 umfasst einen ersten und einen zweiten Rohrboden 6a, 6b, welche einander in der Längsrichtung L gegenüberliegen. In jedem der beiden Rohrböden 6a, 6b ist für jeden der Rohrkörper 3 jeweils ein erster bzw. zweiter Durchbruch 7a, 7b vorgesehen. Wie 2 erkennen lässt, ist jeder Rohrkörper 3 mit einem ersten Längsende 8a in einen der im ersten Rohrboden 6a vorgesehenen Durchbrüche 7a eingesteckt bzw. durch diesen hindurchgesteckt. Zusätzlich ist jeder Rohrkörper 3 mit einem zweiten Längsende 8b, welches dem ersten Längsende 8a entlang der Längsrichtung L gegenüberliegt, in einen der im ersten Rohrboden 6a vorgesehenen Durchbrüche 7a eingesteckt bzw. durch diesen hindurchgesteckt.
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Schließlich umfasst die Anordnung 2 eine Mehrzahl von Abstandskörpern 9 aus Graphit. Wie 2 erkennen lässt, werden die Abstandkörper 9 in einem dem Schritt a) vorgeschalteten Verfahrensschritt a0) in die Zwischenräume 4 eingeschoben. 2 zeigt die Abstandskörper 9 vor dem Einschieben in die Zwischenräume 4, die 3 nach dem Einschieben in die Zwischenräume 4. Gemäß den 2, 3 werden Abstandskörper 9 mit einer Geometrie verwendet, bei welcher sichergestellt ist, dass die Abstandskörper 9 die nach dem Einschieben in die Zwischenräume 4 des Wärmeübertragers 1 teilweise aus den Zwischenräumen 4 herausragen. Dies erleichtert das Einschieben der Abstandskörper 9 in die Zwischenräume 4. Denkbar ist hierzu beispielsweise eine in den 2 und 3 gezeigte L-förmige Geometrie der Abstandskörper 9.
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Nach dem Einschieben sind die Abstandskörper 9 in den zwischen den Rohrkörpern 3 gebildeten Zwischenräumen 4 derart angeordnet, dass jeweils zwei in Stapelrichtung S benachbarte Rohrkörper 3 an einem solchen, im Zwischenraum 4 zwischen diesen beiden Rohrkörpern 3 angeordneten Optional können in einem zusätzlichen Verfahrensschritt z1), welcher zweckmäßig zwischen den Verfahrensschritten b) und c) durchgeführt werden kann, die mit den Rohrböden 6a, 6b verlöteten Rohrkörper 3 auf Dichtigkeit geprüft werden.
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Es versteht sich, dass die Abstandskörper 9 nicht mit den Rohrkörpern 3 und auch nicht mit den Rohrböden 6a, 6b verlötet werden. Vielmehr werden die Abstandskörper 9 nach Abschluss des Lötprozesses - zweckmäßig nach dem Verlöten der Rohrkörper 3 mit den Rohrböden 6a, 6b - wieder aus den Zwischenräumen 4 entfernt. Dies ist in 3 durch den mit 5a bezeichneten Pfeil angedeutet. Somit kann in einem dritten Verfahrensschritt c) jeder der Abstandskörper 9 durch eine in den 4 und 5 gezeigte thermoelektrische Baueinheit 10 ersetzt werden. Diese thermoelektrischen Baueinheiten 10 können vor Durchführung von Schritt c) vorgefertigt werden.
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Die 4 zeigt eine einzelne vorgefertigte thermoelektrische Baueinheit 10 in einer perspektivischen Darstellung, die 5 in einer Seitenansicht. Demnach umfasst die Baueinheit 10 entlang der Längsrichtung L nebeneinander angeordnete obere thermoelektrische Elemente 11a und entlang der Längsrichtung L nebeneinander angeordnete untere thermoelektrischen Elemente 11b. In einer vereinfachten Variante kann auch nur ein einziges oberes und unteres thermoelektrisches Element 11a, 11b vorgesehen sein.
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Wie die 4 und 5 veranschaulichen, ist zwischen den oberen und unteren thermoelektrischen Elementen 11a, 11b, sandwichartig eine Rippenstruktur 12 der Baueinheit 10 angeordnet. Die Rippenstruktur 12 kann gemäß 6 durch mehrere aufeinanderfolgende Wellrippen 13, die bevorzugt als sogenannte Omega-Wellrippen 14 realisiert sind, gebildet sein.
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Die 4 zeigt eine einzelne vorgefertigte thermoelektrische Baueinheit 10 in einer perspektivischen Darstellung, die 5 in einer Seitenansicht. Demnach umfasst die Baueinheit 10 entlang der Längsrichtung L nebeneinander angeordnete obere thermoelektrische Elemente 11a und entlang der Längsrichtung L nebeneinander angeordnete untere thermoelektrischen Elemente 11 b. In einer vereinfachten Variante kann auch nur ein einziges oberes und unteres thermoelektrisches Element 11a, 11b vorgesehen sein.
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Wie die 4 und 5 veranschaulichen, ist zwischen den oberen und unteren thermoelektrischen Elementen 11a, 11b, sandwichartig eine Rippenstruktur 12 der Baueinheit 10 angeordnet. Die Rippenstruktur 12 kann gemäß 6 durch mehrere aufeinanderfolgende Wellrippen 13, die bevorzugt als sogenannte Omega-Wellrippen 14 realisiert sind, gebildet sein.
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Die voranstehend verwendeten Begriffe „oben“ und „unten“ beziehen sich - auch im Folgenden - dabei ohne Beschränkung der Allgemeinheit auf eine bevorzugte Einbaulage der thermoelektrischen Elemente 11a, 11b in den thermoelektrischen Wärmeübertrager 1.
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Des Weiteren sind auf einer von der Rippenstruktur 12 abgewandten Oberseite 16a der oberen thermoelektrischen Elemente 11a obere Graphitfolien 15a entlang der Längsrichtung L im Abstand zueinander angeordnet. Ebenso sind auf einer von der Rippenstruktur 12 abgewandten Unterseite 16b der unteren thermoelektrischen Elemente 11b unter Graphitfolien 15b entlang der Längsrichtung L im Abstand zueinander angeordnet.
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Zum Vorfertigen einer jeweiligen Baueinheit 10 werden die oberen und unteren thermoelektrischen Elemente 11a, 11b einer jeden Baueinheit 10 mit der Rippenstruktur 12 verklebt. Ebenso werden die oberen und unteren Graphitfolien 15a, 15b auf die oberen bzw. unteren thermoelektrischen Elemente 11a, 11b aufgeklebt. Auf diese Weise wird eine thermoelektrische Baueinheit 10 geschaffen, welche im Zuge der Herstellung des Wärmeübertragers 1 die während des Lötprozesses in den Zwischenräumen 4 angeordneten Abstandskörper 9 ersetzen. Hierzu wird in jeden nach Entnahme der Abstandskörper 9 wieder frei gewordenen Zwischenräume 4 eine solche thermoelektrische Baueinheit 10 eingebracht, vorzugsweise eingeschoben.
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Das voranstehend erläuterte Ersetzen der Abstandskörper 9 durch thermoelektrische Baueinheiten 10 gemäß Schritt c) umfasst also ein Herausziehen der Abstandskörper 9 aus den Zwischenräumen 4 (vgl. Pfeil 5a in 3) und ein darauf folgendes Einschieben der thermoelektrischen Baueinheiten 10 in die Zwischenräume 4. 7 zeigt die Anordnung 2 und die Baueinheiten 10 vor dem Einschieben der Baueinheiten 10 in die Zwischenräume 4. Das Einschieben ist in 7 durch einen mit dem Bezugszeichen 5b bezeichneten Pfeil angedeutet. Das Einschieben der Baueinheiten 10 in die Zwischenräume 4 erfolgt dabei derart, dass die beiden Graphitfolien 15a, 15b einer jeweiligen Baueinheit 10 nach dem Einschieben an dem jeweils in Stapelrichtung S benachbarten Rohrkörper 3 anliegen.
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Wie die 2 und 3 veranschaulichen, erfolgen das Herausziehen der Abstandskörper 9 und das Einschieben der thermoelektrischen Baueinheiten 10 zweckmäßig entlang einer Querrichtung Q, die sich senkrecht sowohl zur Stapelrichtung S als auch zur Längsrichtung L erstreckt.
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Nach erfolgtem Einschieben der thermoelektrischen Baueinheiten 10 in die Zwischenräume 4 gemäß Verfahrensschritt c) ist der Wärmeübertrager 1 fertiggestellt.
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Seitenlänge einer jeden der beiden Breitseiten mindestens das Vierfache, vorzugsweise mindestens das Achtfache, einer Seitenlänge einer jeden der beiden Schmalseiten. Bevorzugt erstrecken sich die Schmalseiten entlang der Stapelrichtung S und die Breitseiten entlang der Querrichtung Q. Zweckmäßig können die Flachrohre in dem Querschnitt H die Geometrie eines Rechtecks aufweisen. In diesem Fall sind die Seitenlängen der beiden Breitseiten identisch. Ebenso sind die Seitenlängen der beiden Schmalseiten identisch. Außerdem erstrecken sich die beiden Breitseiten orthogonal zu den beiden Schmalseiten. Zweckmäßig beträgt eine entlang der Längsrichtung L gemessene Rohrlänge eines jeweiligen Flachrohrs wenigstens das Zehnfache, vorzugsweise wenigstens das Zwanzigfache, einer entlang der Stapelrichtung gemessenen Seitenlänge einer Schmalseite dieses Flachrohrs.
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8 zeigt eine erste Bauform eines mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten thermoelektrischen Wärmeübertragers 1. Bei dieser Bauform erstrecken sich die Abstandskörper 9 und die thermoelektrischen Baueinheiten 10 über eine gesamte, entlang der Querrichtung Q gemessene Tiefe T des Wärmeübertragers 1 hinweg.
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Demgegenüber illustrieren die 9a und 9b eine dazu alternative, zweite Bauform eines thermoelektrischen Wärmeübertragers 1, der ebenfalls mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden kann. Die zweite Bauform unterscheidet sich von der ersten Bauform dadurch, dass die Abstandskörper 9 (in den Figuren der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt) und die thermoelektrischen Baueinheiten 10 sich bei der zweiten Bauform nur über einen ersten Teilabschnitt T1 der in Querrichtung Q des Wärmeübertragers 1 gemessenen Tiefe T eines jeweiligen Zwischenraums 4 erstrecken. Bei der zweiten Bauform wird in einem zum ersten Teilabschnitt T1 komplementären, zweiten Teilabschnitt T2 eines jeweiligen Zwischenraums 4 eine Rippenstruktur 12' ohne thermoelektrische Elemente und ohne Graphitfolien 15a, 15b vorgesehen. Diese Rippenstruktur 12' 8 zeigt eine erste Bauform eines mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten thermoelektrischen Wärmeübertragers 1. Bei dieser Bauform erstrecken sich die Abstandskörper 9 und die thermoelektrischen Baueinheiten 10 über eine gesamte, entlang der Querrichtung Q gemessene Tiefe T des Wärmeübertragers 1 hinweg.
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Demgegenüber illustrieren die 9a und 9b eine dazu alternative, zweite Bauform eines thermoelektrischen Wärmeübertragers 1, der ebenfalls mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden kann. Die zweite Bauform unterscheidet sich von der ersten Bauform dadurch, dass die Abstandskörper 9 (in den Figuren der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt) und die thermoelektrischen Baueinheiten 10 sich bei der zweiten Bauform nur über einen ersten Teilabschnitt T1 der in Querrichtung Q des Wärmeübertragers 1 gemessenen Tiefe T eines jeweiligen Zwischenraums 4 erstrecken. Bei der zweiten Bauform wird in einem zum ersten Teilabschnitt T1 komplementären, zweiten Teilabschnitt T2 eines jeweiligen Zwischenraums 4 eine Rippenstruktur 12' ohne thermoelektrische Elemente und ohne Graphitfolien 15a, 15b vorgesehen. Diese Rippenstruktur 12' kann in Schritt b) mit den in Stapelrichtung S benachbarten Rohrkörpern verlötet werden. Die beiden Teilabschnitte T1, T2 ergänzen sich zur gesamten Tiefe T. Zweckmäßig werden die beiden Teilabschnitte gleich (lang) dimensioniert, d.h. T1 = T2. In diesem Fall gilt T1 = T/2 und T2=T/2.
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Optional können nach Durchführung von Schritt c) die in die Zwischenräume 4 eingeschobenen thermoelektrischen Baueinheiten 10 in einem zusätzlichen Verfahrensschritt z2) mittels eines in den 11a, 11b, 11c, 12 in verschiedenen Ansichten grobschematisch dargestellten Abdeckrahmens 25 positions-gesichert werden. Dies ist insbesondere sowohl bei der ersten Bauform des Wärmeübertragers 1 gemäß 8 als auch bei der zweiten Bauform gemäß 9a, 9b möglich. Somit ist es nicht mehr notwendig, die in die Zwischenräume 4 eingeschobenen Baueinheiten 10 reibschlüssig oder stoffschlüssig oder anderweitig an den Rohrkörpern 3 der Anordnung 2 zu fixieren.
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Gleichzeitig wird durch die mittels des Abdeckrahmens 25 bewirkte Abdeckung der Baueinheiten 10 diese wirksam vor äußeren Einflüssen und einer damit etwaig einhergehenden Beschädigung geschützt. Hierzu deckt der Abdeckrahmen 25 wie in 11a gezeigt in einer Blickrichtung B auf den Wärmeübertrager 1 parallel zur Querrichtung Q, also senkrecht sowohl zur Stapelrichtung S als auch zur Längsrichtung L, die thermoelektrischen Elemente 11a, 11b der thermoelektrischen Baueinheiten 10 blickdicht ab.
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Die 10 zeigt den Wärmeübertrager 1 der 8 grobschematisch in einer Blickrichtung B entlang der Querrichtung Q vor dem Einsetzen des Abdeckrahmens 25. Der Abdeckrahmen 25 kann teilweise in 10 erkennbare Luftspalte 20a, 20b eingesetzt werden, die nach Durchführung von Schritt c) in Längsrichtung L zwischen den Baueinheiten 10 und dem ersten bzw. zweiten Rohrboden 6a, 6b entstehen. Auch kann der Abdeckrahmen 25 teilweise in Luftspalte 20c eingesetzt werden, die zwischen in Längsrichtung L im Abstand zueinander angeordneten oberen thermoelektrischen Elementen 11a, 11a bzw. unteren thermoelektrischen Elementen 11b, 11b vorhanden sind.
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Im Beispiel der 11a, 11b, 11c, 12 ist nicht für jede thermoelektrische Baueinheit ein einzelner Abdeckrahmen vorgesehen, sondern für alle thermoelektrische Baueinheiten 10 ein gemeinsamer Abdeckrahmen 25. Dieser Abdeckrahmen 25 wird nach dem Einschieben der thermoelektrischen Baueinheiten 10 teilweise in besagte Luftspalte 20a, 20b, 20c eingesetzt.
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richtung Q beidseitig abgedeckt werden, so sind somit zwei Abdeckrahmen 25 erforderlich, die einander in der Querrichtung Q gegenüberliegen. Die beiden Abdeckrahmen bilden entlang der Querrichtung Q eine Vorderseite und eine Rückseite des Wärmeübertragers 1 mit aus.
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Im Folgenden wird die Darstellung der 13 erläutert. Im Beispiel der 13 werden mehrere Abdeckrahmen 25 verwendet. Bevorzugt wird für jede thermoelektrische Baueinheit 10 ein separater Abdeckrahmen 25 vorgesehen, welcher die thermoelektrischen Elemente 11a, 11b dieser Baueinheit 10 blickdicht abdeckt. Zweckmäßig kann jede thermoelektrische Baueinheit 10 im Zuge des Vorfertigens der Baueinheiten 10 also mit einem eigenen Abdeckrahmen 25 ausgestattet werden, so dass der Abdeckrahmen 25 einen Teil der vorgefertigten Baueinheit 10 bildet. Zweckmäßig sind die Abdeckrahmen 25 so konzipiert dass sie die Rippenstrukturen 12 der Baueinheiten 10 jeweils nicht abdecken, sondern - vorzugsweise vollständig- freilassen. Somit ist sichergestellt dass die Rippenstrukturen 12 bzw. die zweiten Fluidkanäle mit möglichst geringem Druckverlust von dem zweiten Fluid durchströmt werden.
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Selbstredend ist es in analoger Weise zum Beispiel der 11a, 11b, 11c, 12 auch denkbar, entlang der Querrichtung Q gegenüberliegende Abdeckrahmen 25 vorzusehen. Besonders bevorzugt wird bei dieser Variante jede Baueinheit 10 mit einander - zweckmäßig entlang der Querrichtung Q - gegenüberliegenden Abdeckrahmen 25 ausgestattet.
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welcher die thermoelektrischen Elemente 11a, 11b dieser Baueinheit 10 blickdicht abdeckt. Zweckmäßig kann jede thermoelektrische Baueinheit 10 im Zuge des Vorfertigens der Baueinheiten 10 also mit einem eigenen Abdeckrahmen 25 ausgestattet werden, so dass der Abdeckrahmen 25 einen Teil der vorgefertigten Baueinheit 10 bildet. Zweckmäßig sind die Abdeckrahmen 25 so konzipiert dass sie die Rippenstrukturen 12 der Baueinheiten 10 jeweils nicht abdecken, sondern -vorzugsweise vollständig- freilassen. Somit ist sichergestellt dass die Rippenstrukturen 12 bzw. die zweiten Fluidkanäle mit möglichst geringem Druckverlust von dem zweiten Fluid durchströmt werden.
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Selbstredend ist es in analoger Weise zum Beispiel der 11a, 11b, 11c, 12 auch denkbar, entlang der Querrichtung Q gegenüberliegende Abdeckrahmen 25 vorzusehen. Besonders bevorzugt wird bei dieser Variante jede Baueinheit 10 mit einander - zweckmäßig entlang der Querrichtung Q - gegenüberliegenden Abdeckrahmen 25 ausgestattet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007063171 A1 [0005]
- DE 102010013467 [0005]
