WO2019057962A1

WO2019057962A1 - Thermoelektrische vorrichtung, insbesondere für eine klimatisierungseinrichtung eines kraftfahrzeugs

Info

Publication number: WO2019057962A1
Application number: PCT/EP2018/075783
Authority: WO
Inventors: Jürgen Grünwald; Michael Moser; Thomas PFADLER; Joachim Treier; Siegmar THISLER
Original assignee: Mahle International Gmbh
Priority date: 2017-09-22
Filing date: 2018-09-24
Publication date: 2019-03-28
Also published as: DE102017216832A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Vorrichtung (1), insbesondere für eine Klimatisierungsanlage eines Kraftfahrzeugs, - mit einem Substrat (2), auf welchem thermoelektrische Elemente (3) angeordnet sind, - wobei wenigstens zwei thermoelektrische Elemente (3) jeweils mittels einer auf dem Substrat (2) angeordneter Federkrafteinrichtung (4) aus einem elektrisch leitenden Material am Substrat (2) befestigt sind, - wobei die Federkrafteinrichtung (4) Federkraft (F) auf das jeweilige thermoelektrische Element (3) ausübt, so dass dieses mechanisch in der Federkrafteinrichtung (4) fixiert und elektrisch mit der Federkrafteinrichtung (4) verbunden ist, - wobei die wenigstens zwei Federkrafteinrichtungen (4) mittels eines elektrischen Leitungspfads (5) elektrisch miteinander verbunden sind, welcher zumindest eine thermische Wechselwirkungszone (6) aufweist, der zur thermischen Kopplung mit der Umgebung (8) der thermoelektrischen Vorrichtung (1) eingerichtet ist.

Description

Thermoelektrische Vorrichtung,

insbesondere für eine Klimatisierungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs

Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Vorrichtung, insbesondere für eine Klimatisierungsanlage eines Kraftfahrzeugs, sowie eine Klimatisierungseinrichtung mit wenigstens einer solchen thermoelektrischen Vorrichtung.

Kraftfahrzeuge besitzen im Fahrzeuginnenraum eine Vielzahl von Oberflächen, die aufgrund ihrer hohen Oberflächentemperatur den Fahrzeuginnenraum stark aufheizen, wenn das Fahrzeug längeren Zeitraum hinweg einer intensiven Sonnenbestrahlung ausgesetzt ist. Besagte Oberflächen müssen daher von einer Klimatisierungsanlage des Kraftfahrzeugs zunächst zumindest oberflächlich gekühlt werden, um für die Insassen des Kraftfahrzeugs akzeptable Umgebungsbedingungen herzustellen. Wünschenswert ist daher eine Technologie, welche bereits in den ersten Sekunden nach Inbetriebnahme der Klimatisierungsanlage eine schnelle Abkühlung der Oberflächen des Fahrzeuginterieurs bewirkt.

In herkömmlichen Kraftfahrzeugen wird die Kühlung des Innenraumes ausschließlich mittels Verdampfungskühlung durch Übertragung von Kälte an in den Innenraum strömende Luft bewerkstelligt. Warme Oberflächen, die in den Innenraum abstrahlen, werden somit erst allmählich, durch konvektiven Übergang von Wärme an die strömende Luft, abgekühlt.

Lediglich für Flächen mit direktem Kontakt zu den Insassen existieren Vorrichtungen mit geringer Kühlzeit: So ist aus dem Stand der Technik für Fahrzeuge der Oberklasse eine aktive Sitzkühlung bekannt, bei welcher in den Sitz einströmende Luft über Peltier-Element aktiv gekühlt wird und über porenartige Öffnungen über der Sitzoberfläche zum Insassen hin ausströmt. Ein solches Peltier-Element be- sitzt p- und n-dotierte Halbleiter, die abwechselnd und elektrisch in Reihe zueinander angeordnet sind. Elektrisch leitende Kontaktbrücken zwischen den dotierten Bereichen dienen als Wärmeaufnahme- bzw. Wärmeabgabeelement. Sie sind, um eine Heißseite thermisch und räumlich von einer Kaltseite zu trennen, abwechselnd auf einer Ober- bzw. einer Unterseite des Peltier-Elements angebracht.

Die DE 195 03 291 C2 offenbart eine Heizungs-Kühlmatte für einen Fahrzeugsitz. Diese umfasst eine Klimatisierungsmatte, in welcher mehrere Peltier-Elemente angeordnet sind, die zur Spannungsversorgung an ein elektrisches Bordnetz eines Kraftfahrzeugs angeschlossen werden können.

Die DE 10 2012 018 387 A1 behandelt einen thermoelektrischen Generator mit einem thermoelektrischen Substrat und einer Vielzahl von Thermopaaren, wobei jedes Thermopaar einen ersten thermoelektrischen Leiter aus einem ersten thermoelektrischen Aktivmaterial und einen zweiten thermoelektrischen Leiter aus einem zweiten thermoelektrischen Aktivmaterial aufweist.

Die DE 10 2013 1 10 254 A1 behandelt ein thermoelektrisches Element, welches elektrisch leitende Fäden, Fadenbüschel oder Filamente umfasst. Diese sind durch einen Träger hindurch in Form von Leitsträngen ausgebildet.

Die EP 1 340 060 B1 behandelt ein Verfahren zum Herstellen thermoelektrischer Umwandler mit mehreren, in Serie angeordneten thermoelektrischen Elementen. Diese werden durch Verweben von elektrisch leitenden Drähten aus zwei unterschiedlichen Materialien, die parallel und abwechselnd angeordnet sind, mit Drähten aus elektrisch isolierendem Material ausgebildet. Nachteilig bei der Verwendung von herkömmlichen Peltier-Elementen zur aktiven Kühlung eines Fahrzeuginnenraums erweist sich, dass diese nicht für die Kühlung großflächiger Oberflächen geeignet sind.

Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine thermoelektrische Vorrichtung zu schaffen, die eine große Flächenausdehnung besitzt und dennoch einfach, insbesondere automatisiert, zusammengebaut werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

Grundgedanke der Erfindung ist demnach, die thermoelektrisch aktiven Elemente einer thermoelektrischen Vorrichtung, die typischerweise ein p- oder n-dotiertes Material umfassen, jeweils mittels einer elektrisch leitend ausgebildeten Federkrafteinrichtung auf einem Substrat zu befestigen. Dies ermöglicht eine einfache und automatisierte Montage einer großen Anzahl von thermoelektrischen Elementen. Nach der Montage in der jeweiligen Federkrafteinrichtung übt diese eine Federkraft auf das betreffende thermoelektrische Element aus, so dass dieses stabil am Substrat gehalten wird. Außerdem können etwaig auftretende thermomecha- nische Spannungen von der betreffenden Federkrafteinrichtung ausgeglichen werden, so dass etwaig von besagten thermomechanischen Spannungen verursachte Fehlfunktionen vermieden werden können. Da die Federkrafteinrichtungen zudem elektrisch leitend ausgebildet sind, werden diese nicht nur als Befestigungsmittel für die thermoelektrischen Elemente verwendet, sondern fungieren zusätzlich auch als elektrischer Anschluss für das jeweilige, von der Federkrafteinrichtung gehaltene thermoelektrische Element. Dies erleichtert die elektrische Verdrahtung der thermoelektrischen Elemente. Somit lässt sich eine thermoelekt- rische Vorrichtung mit großer Flächenausdehnung erzeugen.

Eine erfindungsgemäße thermoelektrische Vorrichtung umfasst ein Substrat, auf welchem wenigstens zwei thermoelektrische Elemente angeordnet sind. Die wenigstens zwei thermoelektrischen Elemente sind jeweils mittels einer auf dem Substrat angeordneten Federkrafteinrichtung aus einem elektrisch leitenden Material am Substrat befestigt. Bevorzugt ist das elektrisch leitende Material ein Metall, besonders bevorzugt Kupfer oder eine Kupferlegierung. Die Federkrafteinrichtungen üben Federkraft auf das jeweilige thermoelektrische Element aus, so dass dieses mechanisch in die Federkrafteinrichtung geklemmt und gleichzeitig elektrisch mit der Federkrafteinrichtung verbunden ist. Die wenigstens zwei Federkrafteinrichtungen wiederum sind mittels eines geeigneten elektrischen Leitungspfads elektrisch miteinander verbunden. Der elektrische Leitungspfad kann durch einen geeigneten elektrischen Leiter gebildet sein. Erfindungsgemäß umfasst der elektrische Leitungspfad zumindest eine thermische Wechselwirkungszone, welche zur thermischen Kopplung mit der Umgebung der thermoelektrischen Vorrichtung eingerichtet ist. Besagte thermische Wechselwirkungszone kann somit entweder als Heißseite oder Kaltseite der thermoelektrischen Vorrichtung fungieren.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Federkrafteinrichtung zwei Federkraftelemente auf, zwischen welchen sandwichartig das thermoelektrische Element geklemmt ist. Diese Maßnahme erlaubt eine stabile Fixierung des thermoelektrischen Elements in der Federkrafteinrichtung. Gleichzeitig wird eine einfache Montage des thermoelektrischen Elements an der Federkrafteinrichtung ermöglicht. Zweckmäßig ist wenigstens ein Federkraftelement wenigstens einer Federkrafteinrichtung gegen das von dieser Federkrafteinrichtung gehaltene thermoelektri- sche Element vorgespannt. Auf diese Weise können thermomechanische Spannungen besonders wirksam unterbunden werden. Bevorzugt gilt dies für beide Federkraftelemente wenigstens einer Federkrafteinrichtung, besonders bevorzugt für mehrere oder alle in der thermoelektrischen Vorrichtung vorhandenen Federkrafteinrichtungen mit ihren jeweiligen Federkraftelementen.

Zweckmäßig liegt zumindest ein thermoelektrisches Element mit seinen beiden Stirnseiten an jeweils einem der beiden Federkraftelemente an. Die beiden Stirnseiten können sich dabei quer, vorzugsweise orthogonal, zu einer Oberseite oder Unterseite des Substrats erstrecken. Auf diese Weise wird eine besonders stabile Fixierung des thermoelektrischen Elements an der Federkrafteinrichtung erreicht. Außerdem ist eine vorteilhafte, stirnseitige elektrische Kontaktierung der thermoelektrischen Elemente möglich.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform verbindet zumindest ein elektrischer Leitungspfad ein erstes Federkraftelement einer ersten Federkrafteinrichtung, welches Federkraft auf ein erstes thermoelektrisches Element ausübt, mit einem zweiten Federkraftelement einer zweiten Federkrafteinrichtung, welches Federkraft auf ein zweites thermoelektrisches Element ausübt. Die elektrische Verbindung zwischen den beiden Federkrafteinrichtungen ist derart realisiert, dass die thermische Wechselwirkungszone des elektrischen Leitungspfads elektrisch zwischen den beiden Federkrafteinrichtungen angeordnet ist. Diese Maßnahme erlaubt eine besonders einfache elektrische Verdrahtung der einzelnen thermoelektrischen Elemente miteinander, bei welcher zwischen zwei thermoelektrischen Elementen jeweils eine Heiß- oder Kaltseite der thermoelektrischen Vorrichtung ausgebildet wird. Derselbe Vorteil wird mit einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erzielt, bei welcher ein erstes Federkraftelement wenigstens einer Federkrafteinrichtung elektrisch mit einer die Heißseite der thermoelektrischen Vorrichtung ausbildenden Wechselwirkungszone verbunden ist. Ein zweites Federkraftelement derselben Federkrafteinrichtung ist bei dieser Ausführungsform elektrisch mit einer die Kaltseite der thermoelektrischen Vorrichtung ausbildenden Wechselwirkungszone verbunden.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung sind wenigstens eine thermische Wechselwirkungszone auf einer Oberseite des Substrats und wenigstens eine weitere thermische Wechselwirkungszone auf einer Unterseite des Substrats angeordnet. Auf diese Weise können die Oberseite und die Unterseite zur Ausbildung der Heiß- bzw. Kaltseite der thermoelektrischen Vorrichtung verwendet werden.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung schlägt vor, alle Federkrafteinrichtungen mit jeweiligen thermoelektrischen Elementen auf der Oberseite oder, alternativ dazu, auf der Unterseite des Substrats anzuordnen. Diese Weiterbildungsvariante erlaubt eine Montage aller thermoelektrischer Elemente in den jeweiligen Federkrafteinrichtungen durch einen Werker oder automatisiert von derselben Seite her, also insbesondere entweder von oben oder von unten. Bei einer dazu alternativen Weiterbildung sind wenigstens eine Federkrafteinrichtung mit einem zugehörigen thermoelektrischen Element auf einer Oberseite des Substrats und wenigstens eine weitere Federkrafteinrichtung mit einem zugehörigen thermoelektrischen Element auf einer Unterseite des Substrats angeordnet. Diese Weiterbildungsvariante mit einer zweiseitigen Anordnung der thermoelektrischen Elemente auf dem Substrat, also sowohl auf dessen Oberseite als auch auf dessen Unterseite, nutzt den vom Substrat für die Anbringung der thermoelektrischen Elemente zur Verfügung gestellten Bauraum besonders effektiv. Besonders zweckmäßig besitzt zumindest ein Federkraftelement eine im Wesentlichen L-förmige Geometrie mit einem ersten Schenkel und einem winkelig, vorzugsweise rechtwinklig, vom ersten Schenkel abstehenden zweiten Schenkel. Bei dieser Variante ist der erste Schenkel auf dem Substrat befestigt. Der zweite Schenkel übt Federkraft auf das betreffende thermoelektrische Element aus. Diese Variante erlaubt eine sehr einfache und somit kostengünstige Herstellung der einzelnen Federkraftelemente. Zweckmäßig können die beiden Schenkel integral aneinander ausgebildet sein. Besonders bevorzugt ist das Federkraftelement einstückig oder einteilig ausgebildet. Mit diesen Maßnahmen gehen weitere Kosteneinsparungen bei der Herstellung der Federkraftelemente einher.

Besonders bevorzugt ist im Substrat wenigstens ein Durchbruch ausgebildet, durch welchen der elektrische Leitungspfad zum elektrischen Verbinden zweier thermischer Wechselwirkungszonen miteinander hindurchgeführt ist. Besonders bevorzugt sind im Substrat mehrere solche Durchbrüche vorgesehen, um auf diese Weise eine elektrische Reihenschaltung der thermoelektrischen Elemente auszubilden. Dies ermöglicht auf einfache Weise die Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen den auf der Oberseite und der Unterseite angeordneten thermischen Wechselwirkungszonen.

Zweckmäßig kann der elektrische Leitungspfad zumindest im Bereich des Durchbruchs als elektrischer Rundleiter ausgebildet sin. Somit kann der jeweilige im Substrat vorgesehene Durchbruch mit einem geringen Durchmesser versehen werden, so dass nur wenig Bauraum benötigt wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Federkrafteinrichtungen und die elektrischen Leitungspfade mit jeweiligen thermischen Wechselwirkungszonen abwechselnd elektrisch in Reihe zueinander geschaltet, wobei die thermischen Wechselwirkungszonen dieser elektrischen Reihenschaltung abwechselnd als Heißseite und als Kaltseite fungieren. Auf diese Weise lässt sich in den thermoelektnschen Elementen eine besonders hohe Thermospannung erzeugen, wodurch wiederum der Wirkungsgrad der thermoelektrischen Vorrichtung verbessert wird.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung kann zumindest eine thermische Wechselwirkungszone padartig ausgebildet sein. Diese Weiterbildung ermöglicht eine flächige Abdeckung des Substrats mit den thermischen Wechselwirkungszonen.

Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind die thermischen Wechselwirkungszonen als Deckplatte oder Deckschicht aus einem elektrisch leitenden Material, vorzugsweise aus einem Metall, höchst vorzugsweise aus Kupfer, ausgebildet, welche das Substrat, insbesondere die Oberseite oder die Unterseite des Substrats, teilweise bedeckt. Auch diese Weiterbildung ermöglicht mit kostengünstigen Mitteln eine flächige Abdeckung des Substrats mit den thermischen Wechselwirkungszonen.

Zweckmäßig sind auf der Oberseite und, alternativ oder zusätzlich, auf der Unterseite des Substrats jeweils mehrere Wechselwirkungszonen, jeweils im Abstand zueinander, angeordnet. Ein unerwünschter elektrischer Kurzschluss zwischen zwei benachbarten Wechselwirkungszonen kann auf diese Weise vermieden werden.

Eine thermoelektrische Vorrichtung mit besonders hohem Wirkungsgrad lässt sich realisieren, wenn die thermischen Wechselwirkungszonen wenigstens 80%, vorzugsweise wenigstens 90%, höchst vorzugsweise wenigstens 95% jeweils der Heißseite und/oder der Kaltseite abdecken. Zweckmäßig können die thermoelektrischen Elemente mittels eines elektrisch isolierenden Klebstoffs auf der Oberseite oder Unterseite des Substrats befestigt sein. Dies stellt eine dauerhafte und stabile Befestigung der thermoelektrischen Elemente am Substrat, auch bei Einwirkung von äußeren mechanischen Schlägen oder Stößen, sicher.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform bestehen die Federkraftelemente aus einem Metall, vorzugsweise aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung, oder umfassen ein elektrisch leitendes Material, vorzugsweise Kupfer oder eine Kupferlegierung.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Substrat einen ersten Substratkörper und einen zweiten Substratkörper, zwischen welchen, vorzugsweise sandwichartig, eine thermische Isolation angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform ist auf einer vom zweiten Substratkörper abgewandten Oberseite des ersten Substratkörpers wenigstens eine thermische Wechselwirkungszone angeordnet. Ebenso ist auf einer vom ersten Substratkörper abgewandten Unterseite des zweiten Substratkörpers wenigstens eine thermische Wechselwirkungszone angeordnet. Die wenigstens eine, auf der Oberseite angeordnete thermische Wechselwirkungszone dient als Kaltseite de thermoelektrische Vorrichtung, wohingegen die auf der Unterseite angeordnete, wenigstens eine thermische Wechselwirkungszone als Heißseite fungieren kann, oder umgekehrt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der wenigstens eine elektrische Leitungspfad zumindest abschnittsweise durch eine in oder auf dem Substrat angeordnete Leiterbahn gebildet, welches vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Material besteht. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Substrat eine Leiterplatte oder umfasst eine solche Leiterplatte. Dies erlaubt es, in der thermoelektnschen Vorrichtung sogenannte PCB-Technologie für elektrische und elektronische Schaltungen einzusetzen. Auf diese Weise ist es möglich, elektrische Kondensatoren sowie andere elektrische/elektronische Bauteile in analoger Weise zu den thermoelektnschen Elementen auf der Leiterplatte anzuordnen und dort zu befestigen. Denkbar ist es insbesondere, für elektrische/elektronische Bauteile, insbesondere für elektrische Kondensatoren, auch die erfindungswesentlichen Federkraftelemente zur Befestigung zu verwenden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist auf dem Substrat wenigstens eine elektronische Schaltungsanordnung angeordnet bzw. befestigt, die elektrisch mit wenigstens einem thermoelektnschen Element, vorzugsweise mit mehreren thermoelektnschen Elementen, höchst vorzugsweise mit allen thermoelektnschen Elementen, der thermoelektnschen Vorrichtung verbunden ist. Somit ist es insbesondere möglich, eine elektronische Steuerung zum Ansteuern der thermoelektnschen Elemente direkt auf dem Substrat, insbesondere auf der Leiterplatte, vorzusehen. Dies vereinfacht den Aufbau der thermoelektnschen Vorrichtung erheblich, woraus sich wiederum Bauraum- und Kostenvorteile ergeben.

Zweckmäßig kann die elektronische Schaltungsanordnung eine elektronische Steuerungseinheit zum Steuern des wenigstens einen thermoelektnschen Elemente umfassen oder, alternativ dazu, eine solche elektronische Steuerungseinheit sein oder, alternativ dazu, Teil einer solchen elektronischen Steuerungseinheit sein. Bei allen drei Varianten wird eine separate elektronische Steuerungseinheit zum Ansteuern der thermoelektnschen Elemente überflüssig, woraus sich Kostenvorteile ergeben. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Klimatisierungseinnchtung mit einer vorangehend vorgestellten thermoelektrischen Vorrichtung. Die vorangehend erläuterten Vorteile der thermoelektrischen Vorrichtung übertragen sich daher auch auf die erfindungsgemäße Klimatisierungseinrichtung.

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,

Fig. 1 ein Beispiel einer thermoelektrischen Vorrichtung mit thermoelektrischen Elementen in schematischer, stark vereinfachter Darstellung, und in einem Längsschnitt,

Fig. 2 die thermoelektrische Vorrichtung der Figur 1 in einer Draufsicht,

Fig. 3 eine erste Weiterbildung der thermoelektrische Vorrichtung gemäß den Figuren 1 und 2, Fig. 4 eine zweite Weiterbildung der thermoelekthsche Vorrichtung gemäß den Figuren 1 und 2,

Fig. 5 eine Detaildarstellung einer einzelnen Federkrafteinrichtung.

Figur 1 illustriert ein Beispiel einer erfindungsgemäßen thermoelektrischen Vorrichtung 1 in einem Längsschnitt, die Figur 2 in einer Draufsicht. Entsprechend den Figuren 1 und 2 umfasst die thermoelektrische Vorrichtung 1 ein Substrat 2, auf welchem jeweils im Abstand zueinander thermoelektrische Elemente 3 angeordnet sind. Das Substrat 2 besteht aus einem elektrisch isolierenden und vorzugsweise flexiblen Material wie etwa einem faserverstärkten Kunststoff. Das Substrat 2 kann auch durch eine Leiterplatte aus einem flexiblen Kunststoff gebildet sein.

Im Beispiel der Figur 1 sind die thermoelektrischen Elemente 3 auf einer Oberseite 20 des Substrats 2 beabstandet zueinander angeordnet. Die thermoelektrischen Elemente 3 sind jeweils mittels auf dem Substrat 2 angeordneter Federkrafteinrichtungen 4 aus einem elektrisch leitenden Material am Substrat 2 gehalten. Die Federkrafteinrichtungen 4 üben Federkraft F auf das ihnen zugeordnete thermoelektrische Element 3 aus, so dass dieses mechanisch in der Federkrafteinrichtung 4 fixiert und auch elektrisch mit der Federkrafteinrichtung 4 verbunden ist. Die thermoelektrischen Elemente 3 können zusätzlich mittels eines elektrisch isolierenden Klebstoffs auf der Oberseite 20 des Substrats 2 fixiert sein. Zwei Federkrafteinrichtungen 4 sind elektrisch jeweils mittels eines elektrischen Leitungspfads 5 miteinander verbunden. Auf diese Weise wird eine für die thermoelektrische Vorrichtung 1 gewünschte elektrische Reihenschaltung der thermoelektrischen Elemente 3 realisiert. Figur 5 zeigt eine einzelne Federkrafteinrichtung 4 separat und in einer Detaildarstellung. Demnach weist die Federkrafteinrichtung 4 zwei Federkraftelemente 4a, 4b auf, zwischen welchen sandwichartig ein thermoelektrisches Element 3 geklemmt ist. Das thermoelektrische Element 3 liegt mit seinen beiden Stirnseiten 14a, 14b jeweils an einem Federkraftelement 4a, 4b an. Die beiden Stirnseiten 14a, 14b erstrecken sich dabei quer, vorzugsweise wie in der Figur 5 gezeigt orthogonal, zur Oberseite 20 des Substrats 2. Die Federkraftelemente 4a, 4b der Federkrafteinrichtung 4 können zur Unterbindung thermomechanischer Spannungen gegen das von den Federkraftelementen 4a, 4b gehaltene thermoelektrische Element 3 vorgespannt sein. Die Federkraftelemente 4a, 4b können aus einem Metall, vorzugsweise aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung, bestehen. Die beiden Federkraftelemente 4a, 4b üben Federkraft F in entgegengesetzter Richtung auf das zwischen ihnen angeordnete bzw. geklemmte thermoelektrische Element 3 aus. Auf diese Weise wird die gewünschte Klemmwirkung erzeugt.

Der Darstellung der Figur 5 entnimmt man, dass die Federkraftelemente 4a, 4b jeweils eine im Wesentlichen L-förmige Geometrie mit einem ersten Schenkel 9a und einem winkelig, vorzugsweise rechtwinklig, vom ersten Schenkel 9a abstehenden zweiten Schenkel 9b umfasst. Der zweite Schenkel 9b ist bevorzugt integral am ersten Schenkel 9a ausgeformt, so dass das erste und das zweite Federkraftelement 4a, 4b jeweils einteilig ausgeformt sind. Der erste Schenkel 9a ist gemäß Figur 5 auf dem Substrat 2 befestigt. Bevorzugt ist der erste Schenkel 9a auf das Substrat 2 aufgeklebt. Der zweite Schenkel 9b übt Federkraft F auf das thermoelektrische Element 3 aus. Hierzu kann der zweite Schenkel 9b gegen das in der Federkrafteinrichtung 4 aufgenommene thermoelektrische Element 3 vorgespannt sein. Das dem vom ersten Schenkel 9a abgewandte Ende 10 des zweiten Schenkels 9a kann gebogen ausgebildet sein, um die Montage des thermo- elektrischen Elements 3 zwischen den beiden Federkraftelementen 4a, 4b zu er- leichtern. Zur stabilen Fixierung des thermoelektrischen Elements 3 am jeweiligen Federkraftelement 4a, 4b kann im zweiten Schenkel 9b eine Vertiefung oder Ausnehmung (nicht gezeigt) vorgesehen sein, in welcher das jeweilige thermoelektri- sche Element 3 aufgenommen ist.

Nun wieder bezugnehmend auf Figur 1 verbindet ein elektrischer Leitungspfad 5 jeweils ein erstes Federkraftelement 4a.1 einer ersten Federkrafteinrichtung 4.1 , welches Federkraft F auf ein erstes thermoelektrisches Element 3.1 ausübt, mit einem zweiten Federkraftelement 4b.2 einer zweiten Federkrafteinrichtung 4.2.

Im Beispielszenario der Figur 1 weist jeder elektrische Leitungspfad 5 eine thermische Wechselwirkungszone 6 auf, welche zur thermischen Kopplung mit der Umgebung 8 der thermoelektrischen Vorrichtung 1 ausgebildet ist. Besagte thermische Wechselwirkungszonen 6 sind zwischen zwei Federkrafteinrichtungen 4 angeordnet und elektrisch mit diesen verbunden. Im Beispiel der Figur 1 ist eine thermische Wechselwirkungszone 6 elektrisch mit dem ersten Federkraftelement 4a.1 der ersten Federkrafteinrichtung 4.1 sowie mit dem zweiten Federkraftelement 4b.2 der zweiten Federkrafteinrichtung 4.2 verbunden.

Wie Figur 1 ferner erkennen lässt, sind die thermischen Wechselwirkungszonen 6 abwechselnd auf der Oberseite 20 und einer der Oberseite 20 gegenüberliegenden Unterseite 21 des Substrats 2 angeordnet. Die Begriffe„Oberseite" und„Unterseite" beziehen sich im Beispiel der Figuren ohne Einschränkung der Allgemeinheit auf eine mögliche Gebrauchslage der thermoelektrische Vorrichtung 1 .

Die auf der Oberseite 20 angeordneten thermischen Wechselwirkungszonen 6 können als Heißseite 18 und die auf der Unterseite 21 angeordneten thermischen Wechselwirkungszonen 6 als Kaltseite 19 der thermoelektrischen Vorrichtung 1 fungieren, oder umgekehrt. Damit die zwischen zwei elektrisch benachbarten thermischen Wechselwirkungszonen 6 angeordneten thermoelektrischen Elemente 3 eine elektrische Thermospannung erzeugen können, sind die Federkrafteinrichtungen 4 mit ihren thermoelektrischen Elemente 3 elektrisch abwechselnd zwischen einer als Heißseite 18 fungierenden Wechselwirkungszone 6 und einer als Kaltseite 19 fungierenden thermischen Wechselwirkungszone 6 angeordnet. Das erste Federkraftelement 4a einer bestimmten Federkrafteinrichtung 4 ist also elektrisch mit der als Heißseite 18 wirkenden Wechselwirkungszone 6 verbunden. Das zweite Federkraftelement 4b derselben Federkrafteinrichtung 6 ist entsprechend elektrisch mit der als Kaltseite 19 wirkenden Wechselwirkungszone 6 verbunden. Die Federkrafteinrichtungen 4 und die elektrischen Leitungspfade 5 mit den thermischen Wechselwirkungszonen 6 sind abwechselnd elektrisch in Reihe zueinander geschaltet. Mit anderen Worten, auf eine Federkrafteinrichtung 4 mit einem thermoelektrischen Element 3 folgt ein elektrischer Leitungspfad 5 mit einer thermischen Wechselwirkungszone 6, auf welchen wiederum eine weitere Federkrafteinrichtung 4 mit einem thermoelektrischen Element 3 folgt.

Um die auf der Oberseite 20 des Substrats 2 angeordneten thermischen Wechselwirkungszonen 6 elektrisch mit jenen zu verbinden, die auf der Unterseite 21 des Substrats 2 angeordnet sind, sind im Substrat 2 Durchbrüche 7 vorgesehen, durch welche die elektrischen Leitungspfade 5 durch das Substrat 2 hindurchgeführt sind. Insbesondere im Bereich der Durchbrüche 7 bietet es sich an, die elektrischen Leitungspfade 5 als elektrische Rundleiter auszubilden.

Unabhängig davon, wie der elektrische Leitungspfad 5 im Bereich der Durchbrüche 7 realisiert ist, kann dieser auf der Oberseite 20 sowie, alternativ oder zusätzlich, auf der Unterseite 21 zumindest abschnittsweise durch eine in oder auf dem Substrat 2 ausgebildete Leiterbahn realisiert sein. Das Substrat 2 besteht in diesem Fall bevorzugt aus einen elektrisch isolierenden Material, besonders bevorzugt aus einem flexiblen Kunststoff. Insbesondere kommt für das Substrat 2 die Verwendung einer Leiterplatte aus einem elektrisch isolierenden Material, vorzugsweise aus einem flexiblen Kunststoff, in Betracht, in welchem die elektrischen Leitungspfade 5 der thermoelektrische Vorrichtung 1 zumindest abschnittsweise als Leiterbahnen aus einem elektrisch leitenden Material, vorzugsweise aus einem Metall, höchst vorzugsweise aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung, realisiert sind.

Im Beispiel der Figur 1 sind alle Federkrafteinrichtungen 4 mit jeweiligen thermo- elektrischen Elementen 3 auf der Oberseite 20 des Substrats 2 angeordnet. Dies erleichtert die Montage der thermoelektrischen Elemente 3 in den Federkrafteinrichtungen 4. Selbstredend ist es auch denkbar, alle Federkrafteinrichtungen 4 auf der Unterseite 21 des Substrats 2 anzuordnen (in Figur 1 nicht gezeigt).

Im Folgenden werden mögliche Ausgestaltungsformen der Wechselwirkungszonen 6 erläutert. Demnach können auf der Oberseite 20 und auf der Unterseite 21 des Substrats 2 jeweils mehrere Wechselwirkungszonen 6 angeordnet sein. Als Material für die Wechselwirkungszonen 6 kommt ein Metall, insbesondere Kupfer oder eine Kupferlegierung, in Betracht. Zweckmäßig können die thermischen Wechselwirkungszonen 6 als sogenannte Pads 13 ausgebildet sein. Hierzu können die einzelnen Wechselwirkungszonen 6 als Deckplatte 1 1 oder Deckschicht 12 aus einem elektrisch leitenden Material, vorzugsweise aus einem Metall, höchst vorzugsweise aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung, ausgebildet sein, welche das Substrat 2, insbesondere dessen Oberseite 20 und/oder Unterseite 21 , jeweils teilweise bedeckt. Zweckmäßig kann eine Plattendicke der Deckplatte 1 1 bzw. eine Schichtdicke der Deckschicht 12 zwischen 100 μιτι und 500 μιτι betragen. Um in der thermoelektrische Vorrichtung 1 einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen, empfiehlt es sich, diese derart auszubilden, dass die thermischen Wechselwirkungszonen wenigstens 80%, vorzugsweise wenigstens 90%, höchst vorzugsweise wenigstens 95%, der Oberseite 20 bzw. der Unterseite 21 des Substrats 2 abdecken.

Die Figur 3 zeigt eine Weiterbildung des Beispiels der Figur 1 . Im Beispiel der Figur 3 umfasst das Substrat 2 einen ersten Substratkörper 2a und einen zweiten Substratkörper 2b, zwischen welchen sandwichartig eine thermische Isolation 2c angeordnet ist. Mittels der thermischen Isolation 2c kann eine besonders gute thermische Trennung der Heißseite 18 von der Kaltseite 19 der thermoelektrische Vorrichtung 1 sichergestellt werden. Die thermische Isolation 2c kann beispielsweise durch eine textile Lage, die insbesondere mit Polyurethan beschichtet ist, gebildet sein. Die die Heißseite 18 bildenden thermischen Wechselwirkungszonen 6 sind auf der vom zweiten Substratkörper 2b abgewandten Oberseite 16 des ersten Substratkörpers 2a angeordnet. Die die Kaltseite 19 bildenden thermischen Wechselwirkungszonen 6 sind auf der vom ersten Substratkörper 2a abgewandten Unterseite 17 des zweiten Substratkörpers 2b angeordnet. Die Oberseite 16 des ersten Substratkörpers 2a bildet dabei die Oberseite 20 des Substrats 2, und die Unterseite 17 des zweiten Substratkörpers 2b bildet die Unterseite 21 des Substrats 2.

In einer Variante des Beispiels der Figur 1 , welches in Figur 4 dargestellt ist, können die Federkrafteinrichtungen 4 sowohl auf der Oberseite 20 als auch auf der Unterseite 21 des Substrats 2 angeordnet sein. Im Beispiel der Figur 4 erfolgt die elektrische Verbindung zwischen den Federkrafteinrichtungen 4 auf der Oberseite 20 mit jenen auf der Unterseite 21 - in analoger Weise zum Beispiel der Figur 1 - über die im Substrat 2 ausgebildeten Durchbrüche 7.

Handelt es sich beim Substrat 2 um eine Leiterplatte, so ist es möglich, in der thermoelektrischen Vorrichtung 1 sogenannte PCB-Technologie für elektrische und elektronische Schaltungen einzusetzen. Auf diese Weise ist es möglich, elektrische Kondensatoren und andere elektrische/elektronische Bauteile in analoger Weise zu den thermoelektrischen Elementen 3 auf der Leiterplatte anzuordnen und dort zu befestigen. Denkbar ist es insbesondere, für elektrische/elektronische Bauteile, insbesondere für elektrische Kondensatoren, auch die erfindungswesentliche Federkrafteinrichtung 4 mit den Federkraftelementen 4a, 4b für die Befestigung auf der Leiterplatte heranzuziehen.

Auf dem Substrat können auch eine oder mehrere elektronische Schaltungsanordnungen (nicht gezeigt) mit elektrischen und/oder elektronischen Bauelementen angeordnet sein, die elektrisch mit den thermoelektrischen Elementen 3 verbunden sind. Zweckmäßig kann/können die elektronische Schaltungsanordnung(en) eine elektronische Steuerungseinheit zum Steuern der thermoelektrischen Elemente 3 umfassen.

Die vorangehend anhand der Figuren 1 bis 4 erläuterten Varianten können, soweit sinnvoll, miteinander kombiniert werden.

Claims

Patentansprüche

1 . Thermoelektrische Vorrichtung (1 ), insbesondere für eine Klimatisierungsanlage eines Kraftfahrzeugs,

- mit einem Substrat (2), auf welchem thermoelektrische Elemente (3) angeordnet sind,

- wobei wenigstens zwei thermoelektrische Elemente (3) jeweils mittels einer auf dem Substrat (2) angeordneten Federkrafteinrichtung (4) aus einem elektrisch leitenden Material am Substrat (2) befestigt sind,

- wobei die Federkrafteinrichtung (4) Federkraft (F) auf das jeweilige thermoelektrische Element (3) ausübt, so dass dieses mechanisch in der Federkrafteinrichtung (4) fixiert und elektrisch mit der Federkrafteinrichtung (4) verbunden ist,

- wobei die wenigstens zwei Federkrafteinrichtungen (4) mittels eines elektrischen Leitungspfads (5) elektrisch miteinander verbunden sind, welcher zumindest eine thermische Wechselwirkungszone (6) aufweist, die zur thermischen Kopplung mit der Umgebung (8) der thermoelektrischen Vorrichtung (1 ) eingerichtet ist.

2. Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Federkrafteinrichtung (4) zwei Federkraftelemente (4a, 4b) aufweist, zwischen welchen sandwichartig ein thermoelektrisches Element (3) geklemmt ist, wobei vorzugsweise wenigstens ein Federkraftelement (4a, 4b) wenigstens einer Federkrafteinrichtung (4) gegen das von der Federkrafteinrichtung (4) gehaltene thermoelektrische Element (3) vorgespannt ist.

3. Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

zumindest ein thermoelektrisches Element (3) mit seinen beiden Stirnseiten (14a, 14b) an jeweils einem Federkraftelement (4a) anliegt,

wobei sich die beiden Stirnseiten (14a, 14b) quer, vorzugsweise orthogonal, zu einer Oberseite (20) oder Unterseite (21 ) des Substrats (2) erstrecken.

4. Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet, dass

zumindest ein elektrischer Leitungspfad (5) ein erstes Federkraftelement (4; 4a.1 ) einer ersten Federkrafteinrichtung (4; 4.1 ), welches Federkraft (F) auf ein erstes thermoelektrisches Element (3a) ausübt, mit einem zweiten Federkraftelement (4b.2) einer zweiten Federkrafteinrichtung (4.2) verbindet, welches Federkraft (F) auf ein zweites thermoelektrisches Element (3b) ausübt, so dass die thermische Wechselwirkungszone (6) des elektrischen Leitungspfads (5) elektrisch zwischen den beiden Federkrafteinrichtungen (4; 4.1 , 4.2) angeordnet ist.

5. Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

- ein erstes Federkraftelement (4a) wenigstens einer Federkrafteinrichtung (4) elektrisch mit einer thermischen Wechselwirkungszone (6) verbunden ist, die eine Heißseite (18) der thermoelektrischen Vorrichtung (1 ) ausbildet, und dass - ein zweites Federkraftelement (4b) derselben Federkrafteinrichtung (4) elektrisch mit einer thermischen Wechselwirkungszone (6) verbunden ist, die eine Kaltseite (19) der thermoelektrischen Vorrichtung (1 ) ausbildet.

6. Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

wenigstens eine erste thermische Wechselwirkungszone (6) vorgesehen ist, die auf der Oberseite (20) des Substrats (2) angeordnet ist, und wenigstens eine zweite thermische Wechselwirkungszone (6) vorgesehen ist, die auf der Unterseite (21 ) des Substrats (2) angeordnet ist.

7. Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

- alle Federkrafteinrichtungen (4) mit ihren jeweiligen thermoelektrischen Elementen (3) auf der Oberseite (20) oder auf der Unterseite (21 ) des Substrats (2) angeordnet sind, oder dass

- wenigstens eine erste Federkrafteinrichtung (4a) mit einem ersten thermoelektrischen Element (3a) auf der Oberseite (20) des Substrats (2) und wenigstens eine zweite Federkrafteinrichtung (4b) mit einem zweiten thermoelektrischen Element (3b) auf der Unterseite (21 ) des Substrats (2) angeordnet ist.

8. Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7,

dadurch gekennzeichnet, dass

zumindest ein Federkraftelement (4a, 4b) eine im Wesentlichen L-förmige Geometrie mit einem ersten Schenkel (9a) und mit einem winkelig, vorzugsweise rechtwinklig, vom ersten Schenkel (9a) abstehenden zweiten Schenkel (9b) besitzt, wobei der erste Schenkel (9a) auf dem Substrat (2) befestigt ist und der zweite Schenkel (9b) Federkraft (F) auf das thermoelektrische Element (3) ausübt.

9. Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

im Substrat (2) wenigstens ein Durchbruch (7) ausgebildet ist, durch welchen der elektrische Leitungspfad (5) zum elektrischen Verbinden zweiter thermischer Wechselwirkungszonen (6) oder zweier Federkrafteinrichtungen (4), von welchen eine auf der Oberseite (20) und die andere auf der Unterseite (21 ) des Substrats (2) angeordnet ist, hindurchgeführt ist.

10. Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet, dass

der elektrische Leitungspfad (5) zumindest im Bereich des Durchbruchs (7) als elektrischer Rundleiter ausgebildet ist.

1 1 hermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

die Federkrafteinrichtungen (4) und die elektrischen Leitungspfade (5) mit den jeweiligen thermischen Wechselwirkungszonen (6) abwechselnd elektrisch in Reihe zueinander geschaltet sind, wobei die thermischen Wechselwirkungszonen (6) abwechselnd als Heißseite (18) und als Kaltseite (19) fungieren.

12. Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

auf der Oberseite (20) und/oder auf der Unterseite (21 ) des Substrats (2) jeweils mehrere thermische Wechselwirkungszonen (6) angeordnet sind.

13. Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

zumindest eine thermische Wechselwirkungszone (6) padartig ausgebildet ist.

14. Thermoelektrische Vornchtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

die Wechselwirkungszone (6) als Deckplatte (1 1 ) oder Deckschicht (12) aus einem elektrisch leitenden Material, vorzugsweise aus einem Metall, höchst vorzugsweise aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung, ausgebildet ist, welche das Substrat (2), insbesondere die Oberseite (20) und/oder die Unterseite (21 ) des Substrats (2), teilweise bedeckt.

15. Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

die thermischen Wechselwirkungszonen (6) zusammen wenigstens 80%, vorzugsweise wenigstens 90%, höchst vorzugsweise wenigstens 95%, jeweils der Heißseite und/oder der Kaltseite abdecken.

16. Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

die thermoelektrischen Elemente (3) mittels eines elektrisch isolierenden Klebstoffs auf der Oberseite (20) oder der Unterseite (21 ) des Substrats (2) befestigt sind.

17. Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 16,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Federkraftelemente (4a, 4b) aus einem Metall, vorzugsweise aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung, bestehen oder ein Metall, vorzugsweise Kupfer oder eine Kupferlegierung, umfassen.

18. Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) einen ersten Substratkörper (2a) und einen zweiten Substratkörper (2b), vorzugsweise aus einem Metall, umfasst, zwischen welchen, vorzugsweise sandwichartig, eine thermische Isolation (2c) angeordnet ist, wobei auf einer vom zweiten Substratkörper (2b) abgewandten Oberseite (16) des ersten Substratkörpers (2a) und auf einer vom ersten Substratkörper (2a) abgewandten Unterseite (17) des zweiten Substratkörpers jeweils wenigstens eine thermische Wechselwirkungszone (6) angeordnet ist.

19. Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

der wenigstens eine elektrische Leitungspfad (5) zumindest abschnittsweise durch eine in oder auf dem Substrat (2) angeordnete Leiterbahn gebildet ist, welche vorzugsweise aus einen elektrisch isolierenden Material besteht.

20. Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

das Substrat (2) eine Leiterplatte umfasst oder ist.

21 hermoelekthsche Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

auf dem Substrat (2) eine elektronische Schaltungsanordnung angeordnet ist, die elektrisch mit wenigstens einem thermoelektrischen Element (3), vorzugsweise mit mehreren thermoelektrischen Elementen, höchst vorzugsweise mit allen thermoelektrischen Elementen, verbunden ist.

22.Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 21 ,

dadurch gekennzeichnet, dass

die elektronische Schaltungsanordnung eine elektronische Steuerungseinheit zum Steuern des wenigstens einen thermoelektrischen Elemente (3) umfasst oder eine solche elektronische Steuerungseinheit ist oder Teil einer solchen elektronischen Steuerungseinheit ist.

23. Klimatisierungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine thermoelekt- rische Vorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

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