DE102020212040A1

DE102020212040A1 - Verfahren zum Betreiben eines Wärmeübertragers

Info

Publication number: DE102020212040A1
Application number: DE102020212040.4A
Authority: DE
Inventors: Andreas Kemle
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2020-09-24
Filing date: 2020-09-24
Publication date: 2022-03-24
Also published as: US20220093838A1; CN114251966A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmeübertragers (1), der eine Oberseite (4) und eine Unterseite (5) sowie eine thermoelektrischen Einrichtung (2) mit thermoelektrisch aktiven Elementen (3) aufweist, die zur Erzeugung eines Wärmestroms zwischen der Oberseite (4) und der Unterseite (5) elektrisch bestrombar ausgebildet ist, gemäß welchem die thermoelektrische Einrichtung (2) derart elektrisch mit einem elektrischen Wechselstrom (I) bestromt wird, dass:- eine mittlere erste Zeitdauer (tm1), in welcher die elektrische Bestromung der thermoelektrisch aktiven Elemente (3) derart erfolgt, dass Wärme (W) von der Oberseite (4) zur Unterseite (5) transportiert wird, kürzer ist als eine mittlere zweite Zeitdauer (tm2), in welcher die elektrische Bestromung der thermoelektrisch aktiven Elemente (3) derart erfolgt, dass Wärme (W) von der Unterseite (5) zur Oberseite (4) transportiert wird; oder/und dass- eine mittlere erste Stromstärke (Im1), in welcher die elektrische Bestromung der thermoelektrisch aktiven Elemente (3) derart erfolgt, so dass Wärme (W) von der Oberseite (4) zur Unterseite (5) transportiert wird, kleiner ist als eine mittlere zweite Stromstärke (Im2), in welcher die elektrische Bestromung der thermoelektrisch aktiven Elemente (3) derart erfolgt, dass Wärme (W) von der Unterseite (5) zur Oberseite (4) transportiert wird;

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmeübertragers sowie eine Wärmeübertrager, der zur Durchführung dieses Verfahrens ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft ferner einen Fahrzeugsitz mit einem solchen Wärmeübertrager.
Fahrzeugsitze in modernen Kraftfahrzeugen werden üblicherweise mithilfe von elektrischen Heizdrähten oder elektrischen Heizmatten beheizt, die eine geeignete elektrische Impedanz aufweisen, sodass sie elektrische Leistung in Wärme umwandeln, die am Fahrzeugsitz freigesetzt wird. Ebenso können solche Fahrzeugsitze mit einer sogenannten thermoelektrischen Flächenkühlung ausgestattet sein, welche thermoelektrisch aktive Elemente aufweist. Durch geeignete elektrische Bestromung der thermoelektrisch aktiven Elemente übernehmen diese die Funktion eines Wärmeübertragers, welcher Wärme vom Fahrzeugsitz weg zu einem von einem Fluid durchströmbaren Fluidpfad transportiert. Das als Kühlmittel wirkende Fluid nimmt die vom Fahrzeugsitz mittels des Wärmeübertragers abtransportierte Wärme auf. Auf diese Weise kann der Fahrzeugsitz gekühlt werden.
Denkbar ist es, die thermoelektrischen Flächenkühlung durch umgekehrte elektrischen Strom als zusätzliche Heizvorrichtung zu verwenden, die Wärme in umgekehrter Richtung, also vom Fluidpfad bzw. vom Fluid zum Fahrzeugsitz hin transportiert.
Als nachteilig daran erweist sich jedoch, dass durch den damit einhergehenden Entzug von Wärme vom Fluid bzw. Fluidpfad eine zusätzliche Abkühlung desselben bewirkt wird, die im Extremfall zu einer Vereisung des Fluidmassenstroms und somit zu einem Totalausfall der gesamten Flächenkühlung führen kann.
Eine Verwendung besagter elektrischer Heizdrähte bzw. Heizmatten zum Beheizen des Fahrzeugsitzes in Kombination mit einer thermoelektrischen Flächenkühlung zum Kühlen des Fahrzeugsitzes ist technisch nur mit sehr hohem Aufwand und somit teuer umzusetzen. Auch ist hierfür relativ viel Bauraum erforderlich, da zwei prinzipiell unabhängig voneinander arbeitende Vorrichtungen verbaut werden müssen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Wärmeübertragers zu schaffen, welches die oben genannten Probleme adressiert bzw. bei welchen die oben genannten Nachteile zumindest teilweise, idealerweise sogar vollständig, behoben sind.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Grundidee der Erfindung ist demnach, die thermoelektrisch aktiven Elemente eines Wärmeübertragers, dessen Oberseite thermisch mit der Sitzfläche eines Fahrzeugsitzes verbindbar ist und dessen Unterseite thermisch mit einem von einem Fluid durchströmbaren Fluidpfad verbindbar ist, so elektrisch mit einem Wechselstrom zu bestromen, dass die von den thermoelektrischen Elementen erzeugte und zur Unterseite gelangende Joul'sche Wärme durch mittels der als thermoelektrische Wärmepumpe fungierenden thermoelektrisch aktiven Elemente Wärme von der Unterseite - also vom Fluidpfad - zur Oberseite - also zum Fahrzeugsitz bzw. zu dessen Sitzfläche - transportieren.
Auf diese Weise kann die Oberseite durch Wärmezufuhr beheizt werden. Da die zur Unterseite - also zur Wärmesenke - „fließende“ joulsche Wärme mittels der thermoelektrischen Wärmepumpe zur Oberseite transportiert wird, ist es nicht erforderlich, die an der Unterseite anfallende joul'sche Wärme auf andere Weise - etwa über einen geeignetes Kühlmedium - beispielsweise Luft - abzuführen, da diese Aufgabe von der thermoelektrischen Wärmepumpe übernommen wird. Somit wird zum einen die anfallende joul'sche Wärme zur Beheizung der Oberseite genutzt und zum anderen ein unerwünschtes Abkühlen der Unterseite - u.U. einhergehend mit einer Beschädigung oder gar Zerstörung der Unterseite durch kondensierte Luft - vermieden. Im Idealfall wird somit „netto“ die gesamte zur Unterseite gelangende joul'sche Wärme von der thermoelektrischen Wärmepumpe zur Oberseite gepumpt.
Erfindungsgemäß wird hierzu vorgeschlagen, den elektrischen Wechselstrom so zu wählen, dass eine mittlere erste Zeitdauer, in welcher die elektrische Bestromung der thermoelektrisch aktiven Elemente derart erfolgt, dass diese von der Oberseite Wärme abführen, kürzer ist als eine mittlere zweite Zeitdauer, in welcher die elektrische Bestromung der thermoelektrisch aktiven Elemente derart erfolgt, dass diese der Oberseite Wärme zuführen.
Alternativ oder zusätzlich wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, eine mittlere erste Stromstärke, in welcher die elektrische Bestromung der thermoelektrisch aktiven Elemente derart erfolgt, so dass Wärme von der Oberseite zur Unterseite transportiert wird, kleiner ist als eine mittlere zweite Stromstärke, in welcher die elektrische Bestromung der thermoelektrisch aktiven Elemente derart erfolgt, dass Wärme von der Unterseite zur Oberseite transportiert wird.
Da somit „netto“ mehr Wärme von der Unterseite zur Oberseite als umgekehrt gepumpt wird, kann in Verbindung mit der gleichzeitigen Bereitstellung von elektrischer Heizleistung die angestrebte Erwärmung der Oberseite erreicht werden, wohingegen die Temperatur der Unterseite im Wesentlichen konstant bleibt. Eine nicht akzeptable Unterschreitung der Temperatur der Unterseite unter einen kritischen Wert kann auf diese Weise vermieden werden.
Mittels des hier vorgestellten Verfahrens ist eine effektive Beheizung der Oberseite des Wärmeübertragers - und bei Integration in einen Fahrzeugsitz der Sitzfläche desselben - möglich, ohne dass hierfür separate elektrische Heizdrähte oder Heizmatten benötigt werden. Insbesondere kann eine thermoelektrische Wärmepumpe verwendet werden, die eigentlich zum Kühlen der Sitzfläche des Fahrzeugsitzes ausgelegt ist, in dem die thermoelektrische Wärmepumpe in konventioneller Weise dazu herangezogen wird, Wärme von der Oberseite zur Unterseite zu pumpen und dort mittels eines geeigneten Kühlmediums - beispielsweise Luft - vom Fahrzeugsitz abzuführen.
Die Begriffe „Oberseite“ und „Unterseite“ sind im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung im Hinblick auf eine bevorzugte Gebrauchslage des Wärmeübertragers relativ zur Schwerkraftrichtung zu verstehen, wenn das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird. Dies bedeutet, dass die Oberseite des Wärmeübertragers bei Durchführung des Verfahrens bezüglich der Schwerkraftrichtung typischerweise oberhalb der Unterseite des Wärmeübertragers angeordnet ist. Dies ist beispielsweise bei Anordnung und Verwendung des Wärmeübertragers in einem Fahrzeugsitz eines Kraftfahrzeugs der Fall. Es sind jedoch auch Szenarien denkbar und vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ausdrücklich umfasst, bei welcher die Oberseite bezüglich der Schwerkraftrichtung nicht oberhalb, sondern unterhalb der Unterseite angeordnet ist. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn der Wärmeübertrager in einem Dachhimmel des Kraftfahrzeugs angeordnet wird, sodass die Oberseite bezüglich der Schwerkraftrichtung nach unten zum Fahrzeuginnenraum hin weist.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betreiben eines Wärmeübertragers, der eine Oberseite und eine Unterseite sowie eine thermoelektrischen Einrichtung mit thermoelektrisch aktiven Elementen aufweist. Die thermoelektrische Einrichtung ist zur Erzeugung eines Wärmestroms zwischen der Oberseite und der Unterseite elektrisch bestrombar ausgebildet. Gemäß dem Verfahren wird die thermoelektrische Einrichtung derart mit einem elektrischen Wechselstrom bestromt, dass eine mittlere erste Zeitdauer, in welcher die elektrische Bestromung der thermoelektrisch aktiven Elemente derart erfolgt, dass Wärme von der Oberseite zur Unterseite transportiert wird, kürzer ist als eine mittlere zweite Zeitdauer, in welcher die elektrische Bestromung der thermoelektrisch aktiven Elemente derart erfolgt, dass Wärme von der Unterseite zur Oberseite transportiert wird; Alternativ oder zusätzlich wird beim erfindungsgemäßen Verfahren eine mittlere erste Stromstärke, in welcher die elektrische Bestromung der thermoelektrisch aktiven Elemente derart erfolgt, dass Wärme von der Oberseite zur Unterseite transportiert wird, kleiner gewählt als eine mittlere zweite Stromstärke, in welcher die elektrische Bestromung der thermoelektrisch aktiven Element derart erfolgt, dass Wärme von der Unterseite zur Oberseite transportiert wird.
Zur elektrischen Bestromung der thermoelektrisch aktiven Elemente mit einem elektrischen Wechselstrom kann eine geeignete elektrische Wechselstromquelle verwendet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die elektrische Bestromung der thermoelektrisch aktiven Elemente auch einen Null-Wert für den elektrischen Wechselstrom. Dies bedeutet, dass anstelle eines elektrischen Stromflusses eine Unterbrechung des elektrischen Stroms durch die thermoelektrisch aktiven Elemente tritt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind die mittlere erste Zeitdauer und die mittlere zweite Zeitdauer bzw. die mittlere erste Stromstärke und die mittlere zweite Stromstärke so festgelegt, dass die während einer Periode des Wechselstroms von der Unterseite zur Oberseite übertragene Wärmemenge der von der Oberseite zur Unterseite übertragenen Wärmemenge zuzüglich der von den thermoelektrischen Elementen erzeugten und zur Unterseite transportierten Wärmemenge entspricht. Auf diese Weise kann eine unerwünschte Abkühlung bzw. Temperaturreduzierung an der Unterseite des Wärmeübertragers weitgehend oder sogar vollständig vermieden werden.
Besonders bevorzugt sind die mittlere erste Zeitdauer und die mittlere zweite Zeitdauer bzw. die mittlere erste Stromstärke und die mittlere zweite Stromstärke so festgelegt, dass eine Temperatur der Oberseite des Wärmeübertragers gegen einen definierten Temperatur-Grenzwert konvergiert. Alternativ oder zusätzlich sind bei dieser Variante die mittlere erste Zeitdauer und die mittlere zweite Zeitdauer bzw. die mittlere erste Stromstärke und die mittlere zweite Stromstärke so festgelegt, dass eine Temperatur der Unterseite einen im Wesentlichen konstant bleibt. Auf diese Weise wird eine Überhitzung der Oberseite bzw. einer thermisch mit der Oberseite verbundenen Sitzfläche eines Fahrzeugsitzes vermieden.
Besonders bevorzugt wird ein elektrischer Wechselstrom mit einem vorgegebenen Taktungsverhältnis erzeugt, so dass der mittlere zweite Zeitraum wenigstens das 1 ,5-fache, vorzugsweise wenigstens das Zweifache, und höchstens das Zehnfache, vorzugsweise höchstens das Fünffache, des mittleren ersten Zeitraums beträgt. Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass bei einem derartigen Taktungsverhältnis die gewünschte Konvergenz der Temperatur der Oberseite des Wärmeübertragers zu einem vorgegebenen Konvergenzwert und eine Beibehaltung der Temperatur der Unterseite besonders wirksam und effektiv erzielt werden können.
Zweckmäßig kann das Taktungsverhältnis einem vorgegebenen Kennfeld entnommen werden. In dieses Kennfeld können insbesondere die momentanen Temperaturen der Ober- und Unterseite, sowie die Höhe des elektrischen Stroms in jeder Flussrichtung als Eingangsgrößen eingehen. Auf diese Weise lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren effektiv an verschiedenste äußere Verfahrensparameter anpassen.
Besonders zweckmäßig beträgt eine Wechselstromfrequenz des elektrischen Wechselstroms wenigstens 1 Hz, vorzugsweise wenigstens 10 Hz. Auf diese Weise werden unerwünschte Temperaturschwankungen, insbesondere an der Oberseite des Wärmeübertragers, weitgehend oder sogar vollständig vermieden.
Die Erfindung betrifft auch einen Wärmeübertrager zum Temperieren eines Fahrzeugsitzes. Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager umfasst eine thermoelektrische Einrichtung, aufweisend mehrere elektrisch bestrombare, thermoelektrisch aktive Elemente, die im Abstand zueinander zwischen einer Oberseite und einer Unterseite des Wärmeübertragers angeordnet sind. Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager umfasst außerdem einen thermisch mit der Unterseite verbundenen Fluidpfad zum Durchströmen mit einem Fluid sowie eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Die voranstehend erläuterten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens übertragen sich daher auch auf den erfindungsgemäßen Wärmeübertrager.
Besonders bevorzugt ist der Wärmeübertrager so ausgebildet, dass er mit einer elektrischen Stromquelle zum Erzeugen des elektrischen Stroms in der thermoelektrischen Einrichtung verbindbar ist oder verbunden werden kann. Zweckmäßig ist diese elektrische Stromquelle von der Steuerungs-/Regelungseinrichtung ansteuerbar, sodass insbesondere die Erzeugung des zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderlichen elektrischen Wechselstroms erfolgen kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist zwischen den thermoelektrisch aktiven Elementen und dem Fluidpfad eine wärmeübertragende Struktur zum Übertragen von Wärme zwischen dem durch den Fluidpfad geführten Fluid und den thermoelektrisch aktiven Elementen angeordnet. Mittels dieser Maßnahme kann die Wärmeübertragung zwischen dem Fluidpfad und den thermoelektrischen Elementen und somit zwischen der Unterseite und der Oberseite des Wärmeübertragers in nicht unerheblichem Maße verbessert werden.
Besonders bevorzugt kann die thermoelektrische Einrichtung mehrere elektrische Leiterbrücken zum elektrischen Verschalten der thermoelektrisch aktiven Elemente miteinander umfassen. Ein derart ausgebildete thermoelektrische Einrichtung ist technisch besonders einfach umzusetzen und daher mit erheblichen Kostenvorteilen verbunden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfassen die elektrischen Leiterbrücken der Unterseite zugewandte erste Leiterbrücken, die die Kaltseite der thermoelektrischen Einrichtung ausbilden, und der Oberseite zugewandte zweite Leiterbrücken, die die Warmseite der thermoelektrischen Einrichtung ausbilden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die thermoelektrische Einrichtung ein thermoelektrisches Gewebe oder ist als thermoelektrisches Gewebe ausgebildet. Diese Weiterbildung eignet sich besonders zur Integration des Wärmeübertragers in einen Fahrzeugsitz für ein Kraftfahrzeug. Bei dieser Weiterbildung kann das thermoelektrische Gewebe bevorzugt eine Mehrzahl von ersten Fäden, die abwechselnd von p-dotierten und n-dotierten Fadenabschnitten sowie dazwischen angeordneten elektrisch leitfähigen ersten und zweiten Fadenabschnitten umfassen, wobei die ersten Fadenabschnitte des Gewebes die ersten Leiterbrücken des Wärmeübertragers und die zweiten Fadenabschnitte des Gewebes die zweiten Leiterbrücken des Wärmeübertragers ausbilden. Ferner umfasst das Gewebe eine Mehrzahl von, vorzugsweise elektrisch isolierend ausgebildeten, zweiten Fäden. Außerdem bilden bei dieser Weiterbildung die ersten Fäden die Kettfäden und die zweiten Fäden die Schussfäden des Gewebes aus, oder umgekehrt.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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.
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.
Es zeigen, jeweils schematisch:

1 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers bei elektrischer Bestromung der thermoelektrischen Elemente des Wärmeübertragers in einer ersten elektrischen Stromrichtung,
2 den Wärmeübertrager der 1 bei elektrischer Bestromung der thermoelektrischen Elemente in einer zweiten elektrischen Stromrichtung entgegengesetzt zur ersten elektrischen Stromrichtung,
3a ein erstes Strom-Zeit-Diagramm zur Veranschaulichung der elektrischen Bestromung der thermoelektrischen Elemente mit einem elektrischen Wechselstrom,
3b ein zweites Strom-Zeit-Diagramm zur Veranschaulichung der elektrischen Bestromung der thermoelektrischen Elemente mit einem elektrischen Wechselstrom,
4 ein Temperatur-Zeit-Diagramm, welches die zeitliche Temperaturentwicklung an der Ober- und Unterseite des Wärmeübertrager bei elektrischer Bestromung der thermoelektrischen Elemente gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren illustriert,
5 eine spezielle technische Ausgestaltungsform des Wärmeübertragers der 1 und 2, bei welchem die thermoelektrische Einrichtung mit den thermoelektrischen Elementen durch ein thermoelektrisches Gewebe gebildet ist.

Die 1 illustriert ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1 zum Temperieren eines Fahrzeugsitzes. Der Wärmeübertrager 1 weist eine thermoelektrische Einrichtung 2 auf, welche mehrere elektrisch bestrombare, thermoelektrisch aktive Elemente 3 umfasst. Die Elemente 3 können elektrisch in Reihe geschaltet mittels elektrisch leitender Leiterbrücken 10 miteinander verdrahtet sein und abwechselnd durch einen Halbleiter aus einem p- und n-dotierten Material gebildet sein. Als Halbleiter-Material in Betracht kommt beispielsweise Bismuth sowie Tellur bzw. Bismuttellurid.
Die Elemente 3 sind gemäß 1 im Abstand zueinander zwischen einer Oberseite 4 und einer Unterseite 5 des Wärmeübertragers 1 angeordnet. Die Begriffe „Oberseite“ und „Unterseite“ beziehen sich dabei auf eine bevorzugte Gebrauchslage des Wärmeübertragers 1, insbesondere wenn dieser in besagten Fahrzeugsitz integriert ist: In diesem Fall ist die Oberseite 4 der Sitzfläche des Fahrzeugsitzes zugewandt. Wird der Wärmeübertrager 1 in andere Komponenten integriert, so geschieht dies derart, dass die Oberseite 4 der zu temperierenden Fläche zugewandt ist. Die Elemente 3 können zwischen einem oberseitigen Substrat 14 und einem unterseitigen Substrat 15 angeordnet sein. Die beiden Substrate 14, 15 sind bevorzugt elektrisch isolierend ausgebildet und bestehen besonders bevorzugt aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit.
Ferner umfasst der Wärmeübertrager 1 einen thermisch mit der Unterseite 5 verbundenen und an der Unterseite 5 angeordneten Fluidpfad 6 zum Durchströmen mit einem Fluid F. Der Fluidpfad 6 kann als Fluidkanal ausgebildet und hierzu beispielsweise durch einen geeigneten Rohrkörper 16 begrenzt sein. Außerdem ist eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung 7 vorgesehen, die zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet/konfiguriert ist. Eine elektrische Wechselstromquelle 8 mit einem ersten und einem zweiten Anschluss 8a, 8b dient zum Erzeugen des elektrischen Stroms I in der thermoelektrischen Einrichtung 2. Hierzu ist die Stromquelle 8 von der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 7 steuerbar ausgebildet, und die beiden Anschlüsse 8a, 8b sind elektrisch mit den thermoelektrisch aktiven Elementen 3 verbunden.
In dem Fluidpfad 6 kann eine wärmeübertragende Struktur 9 zum effizienteren Übertragen von Wärme zwischen dem durch den Fluidpfad 6 strömenden Fluid F und den thermoelektrisch aktiven Elementen 3 angeordnet sein.
Im Beispiel der Figuren erstrecken sich die Fluidpfade 6 entlang einer ersten Erstreckungsrichtung E1. Die erste Erstreckungsrichtung E1 ist eine Hauptdurchströmungsrichtung des Fluids F durch den Fluidpfad 6 bzw. durch den Fluidkanal. Zweckmäßig liegen die Oberseite 4 und die Unterseite 5 entlang einer zweiten Erstreckungsrichtung E2 des Wärmeübertragers 1, die sich orthogonal zur ersten Erstreckungsrichtung E1 erstreckt, einander gegenüber.
Die thermoelektrische Einrichtung 2 umfasst - wie bereits erwähnt - mehrere elektrische Leiterbrücken 10 zum elektrischen Verschalten der thermoelektrisch aktiven Elemente 3 miteinander. Diese elektrischen Leiterbrücken 10 setzen sich aus - bzgl. der zweiten Erstreckungsrichtung E2 - der Unterseite 5 zugewandten ersten Leiterbrücken 10a und der Oberseite 4 zugewandte zweite Leiterbrücken 10b zusammen. Die ersten Leiterbrücken 10a können auf dem unterseitigen Substrat 15 angeordnet sein. Die zweiten Leiterbrücken 10b können auf dem oberseitigen Substrat 14 angeordnet sein. Die ersten Leiterbrücken 10a bilden eine Kaltseite 11 der thermoelektrischen Einrichtung 2. Die zweiten Leiterbrücken 10b bilden eine Warmseite 12 der thermoelektrischen Einrichtung 2.
Im Beispiel der 1 erfolgt die elektrische Bestromung der thermoelektrisch aktiven Elemente 3 derart, dass Wärme (vgl. Pfeile W) von der Oberseite 4 zur Unterseite 5 des Wärmeübertragers 1 transportiert wird. Auf diese Weise wird die Oberseite 4 durch Wärmeabführung gekühlt.
Demgegenüber zeigt die 2 ein Szenario, bei welchem die thermoelektrisch aktiven Elemente 3 derart elektrisch bestromt werden, dass Wärme von der Unterseite 5 zur Oberseite 4 des Wärmeübertragers 1 transportiert wird. Auf diese Weise wird die Oberseite 4 durch Wärmezuführung erwärmt.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die thermoelektrischen Elemente 3 der thermoelektrischen Einrichtung 2 so mit einem elektrischen Wechselstrom I(t) bestromt, dass eine mittlere erste Zeitdauer tm₁, in welcher die elektrische Bestromung der thermoelektrisch aktiven Elemente 3 derart erfolgt, dass Wärme W von der Oberseite 4 zur Unterseite 5 transportiert wird, kürzer ist als eine mittlere zweite Zeitdauer tm₂, in welcher die elektrische Bestromung der thermoelektrisch aktiven Elemente 3 derart erfolgt, dass Wärme W von der Unterseite 5 zur Oberseite 4 transportiert wird;
Die mittlere erste Zeitdauer tm₁ und die mittlere zweite Zeitdauer tm₂ sind dabei bevorzugt so festgelegt, dass die während einer Periode T des elektrischen Wechselstroms I(t) von der Unterseite 5 zur Oberseite 4 transportierte Wärmemenge im Wesentlichen der von der Oberseite 4 zur Unterseite 5 transportierten Wärmemenge zuzüglich der von den thermoelektrisch aktiven Elementen 3 durch Dissipation erzeugten Wärmemenge (Joul'sche Wärme) entspricht.
Eine derartige, erfindungswesentliche Taktung des elektrischen Wechselstroms I(t) ist im Strom-Zeit-(I-t-)Diagramm der 3a exemplarisch wiedergegeben. Man erkennt, dass der Wechselstrom I(t) einen rechteckförmigen zeitlichen Verlauf mit abwechselnd positiven und negativen Stromwerten +l₀ bzw. -I₀ aufweist. Innerhalb einer jeweiligen Periode T ist die Zeitdauer t₂, in welcher der elektrische Wechselstrom I(t) den negativen Stromwert -l₀ annimmt, dabei dreimal so groß wie die Zeitdauer t₁, in welcher der elektrische Wechselstrom I(t) den positiven Wert l₀ annimmt. Dies stellt eine technisch einfach umzusetzende Möglichkeit dar, die erforderlichen unterschiedlichen mittleren Zeitdauern tm₁, tm₂ zu erzielen. Es ergibt sich für die mittlere zweite Zeitdauer tm₂ ein dreifacher Wert der ersten mittleren Zeitdauer tm₁. Der elektrische Wechselstrom I(t) wird also im Beispielszenario mit einem vorgegebenen Taktungsverhältnis von 1:3 erzeugt. Denkbar sind in Varianten des Beispiels auch andere Taktungsverhältnisse. Der in 3a beispielhaft gezeigte rechtecksförmige Stromverlauf kann auch durch andere geeignete Stromverläufe - beispielsweise rampen-, dreiecks- oder sinusförmig - ersetzt werden. Die gewünschte Erwärmung der Oberseite 4 bei gleichzeitig im Wesentlichen konstanter Temperatur T_U der Unterseite 5 wird sichergestellt, indem ein Taktungsverhältnis von wenigstens 1:1,5, bevorzugt zwischen 1:2 und 1:10, gewählt wird. Das bevorzugt zu wählende Taktungsverhältnis kann einem vorgegebenen und in der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 7 abgelegten Kennfeld entnommen werden. Zweckmäßig beträgt die Wechselstromfrequenz f des elektrischen Wechselstroms I wenigstens 1 Hz, bevorzugt wenigstens 10 Hz. Eine durch die Summe aus erstem und zweitem Zeitraum t1, t2 definierte Periode T des Wechselstroms I beträgt also höchstens 1s, bevorzugt höchstens 1/10s.
Die 3b zeigt eine Variante des Beispiels der 3a. Im Beispiel der 3b ist eine mittlere erste Stromstärke Im₁, in welcher die elektrische Bestromung der thermoelektrisch aktiven Elemente 3 derart erfolgt, so dass Wärme W von der Oberseite 4 zur Unterseite 5 transportiert wird, kleiner als eine mittlere zweite Stromstärke Im₂, in welcher die elektrische Bestromung der thermoelektrisch aktiven Elemente 3 derart erfolgt, dass Wärme von der Unterseite zur Oberseite transportiert wird. Auch auf diese Weise wird - analog zum Beispiel der 3a - im Ergebnis Wärme W von der Unterseite 5 zur Oberseite 4 transportiert. Man erkennt, dass der Wechselstrom I(t) im Beispiel der 3b einen rechteckförmigen Verlauf mit abwechselnd positiven und negativen Stromwerten +I₁ bzw. -I₂ aufweist. In diesem Fall gilt | Im₁ I = I₁ und | lm₂| = I₂. Der Betrag des positiven Stromwerts 11 ist dabei kleiner als der Betrag des zweiten des zweiten Stromwerts I₂, also I Im₁ I < | Im₂ |.
Anstelle eines rechteckförmigen Stromverlaufs kann für den Wechselstrom I(t) beispielsweise auch ein sinusförmiger Stromverlauf gewählt werden, was in 3b ergänzend in gestrichtelter Darstellung gezeigt ist. Die beiden Stromwerte +I₁ und -I₂ entsprechen dabei dem Maximal- bzw. Minimalwert der Sinuskurve. Die mittlere erste Stromstärke I_m1 ergibt sich somit durch Mittelung des Stromwerts I(t) über die erste, positive Halbwelle der Sinuskurve. Die mittlere zweite Stromstärke I_m2 ergibt sich entsprechend durch Mittelung des Stromwerts I(t) über die zweite, negativ Halbwelle der Sinuskurve.
Die Zeitdauer t₁ mit positivem Stromwert ist im Beispiel der 3b - im Gegensatz zum Beispiel der 3a - identisch zur Zeitdauer t₂ mit negativem Stromwert.
Es wird ausdrücklich betont, dass die anhand der 3a und 3b erläuterten Beispielszenarien auch miteinander kombiniert werden können.
Die mittlere erste Zeitdauer t_m1 und die mittlere zweite Zeitdauer t_m2 sind für die Durchführung des Verfahrens sowohl im Beispiel der 3a so festgelegt, dass eine Temperatur T_O der Oberseite 4 gegen einen definierten Temperatur-Grenzwert T_G konvergiert und eine Temperatur der Unterseite T_U dabei im Wesentlichen konstant bleibt. Dieses Szenario ist in dem Temperatur-Zeit- (T-t-)-Diagramm der 4 wiedergegeben. Gleiches gilt für die Stromwerte I₁, I₂ im Beispiel der 3b. Der absolute Wert des Temperatur-Grenzwerts T_G kann durch Veränderung der Stromstärke I_(t) an die jeweiligen Erfordernisse angepasst werden.
In einer nicht gezeigten Variante kann der Stromwert I₀ bzw. I₁, I₂ zeitweise auch ein Nullwert sein, was einer Unterbrechung der elektrischen Bestromung der thermoelektrisch aktiven Elemente 3 entspricht.
Die 5 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltungsvariante des Wärmeübertragers Im Beispiel der 5 ist die thermoelektrische Einrichtung 2 als thermoelektrisches Gewebe 13 ausgebildet. Die Ausdrücke „Gewebe“ und „Fäden“ beziehen sich hierbei primär auf die Anordnung der mehreren flexiblen, länglichen Anteile aus denen sich das „Gewebe“ zusammensetzt. Diese sind ähnlich angeordnet wie die „Fäden“ in einem klassischen Textilgewebe, weshalb zur Verdeutlichung hier die Begriffe Kett- und Schussfäden sowie Gewebe verwendet werden.
Wie der 5 entnommen werden kann, umfasst der Begriff „Faden“ vorliegend aber auch flexible bandähnliche Strukturen oder längliche blockähnliche Strukturen. Das Gewebe 13 kann eine Mehrzahl von ersten Fäden umfassen, die abwechselnd von p-dotierten und n-dotierten Fadenabschnitten sowie dazwischen angeordneten elektrisch leitfähigen ersten und zweiten Fadenabschnitten gebildet sind. Dabei bilden die ersten Fadenabschnitte des Gewebes 13 die ersten Leiterbrücken 10a und die zweiten Fadenabschnitte des Gewebes 13 die zweiten Leiterbrücken 10b der Einrichtung 2 aus.
Das Gewebe 13 umfasst ferner eine Mehrzahl von, vorzugsweise elektrisch isolierend ausgebildeten, zweiten Fäden. Bei dem Gewebe 13 bilden die ersten Fäden die Kettfäden und die zweiten Fäden die Schussfäden aus, oder umgekehrt. Der in 5 dargestellte Wärmeübertrager 1 mit dem thermoelektrischen Gewebe 13 eignet sich besonders zur Integration in einen Fahrzeugsitz. Die Oberseite 4 des Gewebes 13 ist dann zweckmäßig im Bereich einer der Oberseite 4 zugeordneten Sitzfläche des Fahrzeugsitzes angeordnet. Bei Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird „netto“ Wärme von der Unterseite 5 zur Oberseite 4 transportiert und die Sitzfläche somit erwärmt.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Wärmeübertragers (1), der eine Oberseite (4) und eine Unterseite (5) sowie eine thermoelektrischen Einrichtung (2) mit thermoelektrisch aktiven Elementen (3) aufweist, die zur Erzeugung eines Wärmestroms zwischen der Oberseite (4) und der Unterseite (5) elektrisch bestrombar ausgebildet ist, gemäß welchem die thermoelektrische Einrichtung (2) derart elektrisch mit einem elektrischen Wechselstrom (I) bestromt wird, dass: - eine mittlere erste Zeitdauer (tm₁), in welcher die elektrische Bestromung der thermoelektrisch aktiven Elemente (3) derart erfolgt, dass Wärme (W) von der Oberseite (4) zur Unterseite (5) transportiert wird, kürzer ist als eine mittlere zweite Zeitdauer (tm₂), in welcher die elektrische Bestromung der thermoelektrisch aktiven Elemente (3) derart erfolgt, dass Wärme (W) von der Unterseite (5) zur Oberseite (4) transportiert wird; oder/und dass - eine mittlere erste Stromstärke (I_m1), in welcher die elektrische Bestromung der thermoelektrisch aktiven Elemente (3) derart erfolgt, so dass Wärme (W) von der Oberseite (4) zur Unterseite (5) transportiert wird, kleiner ist als eine mittlere zweite Stromstärke (Im₂), in welcher die elektrische Bestromung der thermoelektrisch aktiven Elemente (3) derart erfolgt, dass Wärme (W) von der Unterseite (5) zur Oberseite (4) transportiert wird;
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Bestromung auch einen Null-Wert für den elektrischen Wechselstrom (I(t)) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere erste Zeitdauer (tm₁) und die mittlere zweite Zeitdauer (tm₂) bzw. die mittlere erste Stromstärke (Im1) und die mittlere zweite Stromstärke (Im2) so festgelegt sind, dass die während einer Periode (T) des elektrischen Wechselstroms (I(t)) von der Unterseite (5) zur Oberseite (4) transportierte Wärmemenge der von der Oberseite (4) zur Unterseite (5) transportierten Wärmemenge zuzüglich der von den thermoelektrisch aktiven Elementen (3) durch Dissipation erzeugten und zur Unterseite (5) transportierten Wärmemenge entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass - die mittlere erste Zeitdauer (tm₁) und die mittlere zweite Zeitdauer (tm₂) bzw. die mittlere erste Stromstärke (Im1) und die mittlere zweite Stromstärke (Im2) so festgelegt sind, dass eine Temperatur (T_O) der Oberseite (4) zeitlich gegen einen definierten Temperatur-Grenzwert (T_G) konvergiert; oder/und dass die mittlere erste Zeitdauer (tm₁) und die mittlere zweite Zeitdauer (tm₂) bzw. die mittlere erste Stromstärke (Im1) und die mittlere zweite Stromstärke (Im2)so festgelegt sind, dass eine Temperatur (T_u) der Unterseite (5) einen im Wesentlichen konstant bleibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Wechselstrom (I) mit einem vorgegebenen Taktungsverhältnis erzeugt wird, so dass der mittlere zweite Zeitraum (tm₂) wenigstens das 1,5-fache, vorzugsweise wenigstens das Zweifache, sowie höchstens das Zehnfache, vorzugsweise höchstens das Fünffache, des mittleren ersten Zeitraums (tm₁) beträgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Taktungsverhältnis einem vorgegebenen Kennfeld entnommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wechselstromfrequenz (f) des elektrischen Wechselstroms (I) wenigstens 1 Hz, vorzugsweise wenigstens 10 Hz, beträgt.
Wärmeübertrager (1) zum Temperieren eines Fahrzeugsitzes, - mit einer thermoelektrischen Einrichtung (2), umfassend mehrere elektrisch bestrombare, thermoelektrisch aktive Elemente (3), die im Abstand zueinander zwischen einer Oberseite (4) und einer Unterseite (5) des Wärmeübertragers (1) angeordnet sind, - mit einem an der Unterseite (5) vorgesehenen und thermisch mit dieser verbundenen Fluidpfad (6) zum Durchströmen mit einem Fluid (F), - mit einer Steuerungs-/Regelungseinrichtung (7), die zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, wobei insbesondere die Steuerungs-/Regelungseinrichtung (7) im Betrieb des Wärmeübertragers das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchführt.
Wärmeübertrager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (7) eine elektrische Stromquelle (8) zum Erzeugen des elektrischen Stroms (I) in den thermoelektrisch aktiven Elementen (3) der thermoelektrischen Einrichtung (2) aufweist oder mit einer solchen elektrischen Stromquelle (8) elektrisch verbindbar ausgebildet ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Fluidpfad (6) eine wärmeübertragende Struktur (9) zum Übertragen von Wärme (W) zwischen dem durch den Fluidpfad (6) strömenden Fluid (F) und den thermoelektrisch aktiven Elementen (3) angeordnet ist.
Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrische Einrichtung (2) so ausgebildet/eingerichtet ist, dass bei elektrischer Bestromung der thermoelektrisch aktiven Elemente (3) in einer ersten elektrischen Stromrichtung Wärme von der Oberseite (4) zur Unterseite (5) transportiert wird und bei elektrischer Bestromung der thermoelektrisch aktiven Elemente (3) in einer zweiten elektrischen Stromrichtung - entgegengesetzt zu einer ersten elektrischen Stromrichtung Wärme von der Unterseite (5) zur Oberseite (4) transportiert wird.
Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass - die thermoelektrische Einrichtung (2) mehrere elektrische Leiterbrücken (10) zum elektrischen Verschalten der thermoelektrisch aktiven Elemente (3) miteinander umfasst, - wobei eine jeweilige Leiterbrücke (10) thermisch entweder mit einer Warmseite (11) oder mit einer Kaltseite (12) der Einrichtung (2) verbunden ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass - die elektrischen Leiterbrücken (10) der Unterseite (5) zugewandte erste Leiterbrücken (10a), welche die Kaltseite (11) oder die Warmseite (12) der thermoelektrische Einrichtung (2) ausbilden und der Oberseite (4) zugewandte zweite Leiterbrücken (10b) umfassen, welche die Warmseite (12) bzw. die Kaltseite (11) der thermoelektrische Einrichtung (2) ausbilden.
Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb des Wärmeübertragers und bei Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 die Unterseite (5), insbesondere die ersten elektrischen Leiterbrücken (10a), die Kaltseite (12) ausbildet/ausbilden und die Oberseite (4), insbesondere die zweiten elektrischen Leiterbrücken (10b), die Warmseite (12) ausbildet/ausbilden.
Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrische Einrichtung (2) ein thermoelektrisches Gewebe (13) umfasst oder als thermoelektrisches Gewebe (13) ausgebildet ist, wobei das thermoelektrische Gewebe (13) umfasst: - eine Mehrzahl von ersten Fäden, die abwechselnd von p-dotierten und n-dotierten Fadenabschnitten sowie dazwischen angeordneten elektrisch leitfähigen ersten und zweiten Fadenabschnitten gebildet sind, wobei die ersten Fadenabschnitte des Gewebes (13) die ersten Leiterbrücken (10a) und die zweiten Fadenabschnitte die zweiten Leiterbrücken (10b) des Wärmeübertragers ausbilden, - einer Mehrzahl von, vorzugsweise elektrisch isolierend ausgebildeten, zweiten Fäden, - wobei die ersten Fäden die Kettfäden und die zweiten Fäden die Schussfäden des Gewebes (13) ausbilden, oder umgekehrt.
Fahrzeugsitz, - mit einem Wärmeübertrager (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dessen Oberseite (4) thermisch mit einer Sitzfläche des Fahrzeugsitzes verbunden ist.