WO2019057962A1 - Thermoelectric device, in particular for an air-conditioning device of a motor vehicle - Google Patents

Thermoelectric device, in particular for an air-conditioning device of a motor vehicle Download PDF

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WO2019057962A1
WO2019057962A1 PCT/EP2018/075783 EP2018075783W WO2019057962A1 WO 2019057962 A1 WO2019057962 A1 WO 2019057962A1 EP 2018075783 W EP2018075783 W EP 2018075783W WO 2019057962 A1 WO2019057962 A1 WO 2019057962A1
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WO
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spring force
thermoelectric
substrate
thermoelectric device
thermal interaction
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Application number
PCT/EP2018/075783
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German (de)
French (fr)
Inventor
Jürgen Grünwald
Michael Moser
Thomas PFADLER
Joachim Treier
Siegmar THISLER
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Mahle International Gmbh
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B21/00—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B21/02—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effect; using Nernst-Ettinghausen effect
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80—Constructional details
    • H10N10/81—Structural details of the junction
    • H10N10/813—Structural details of the junction the junction being separable, e.g. using a spring
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2321/00—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B2321/02—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effects; using Nernst-Ettinghausen effects
    • F25B2321/023—Mounting details thereof

Definitions

  • thermoelectric device in particular for an air conditioning system of a motor vehicle, as well as an air conditioning device with at least one such thermoelectric device.
  • Motor vehicles have a variety of surfaces in the vehicle interior, which strongly heat the vehicle interior due to their high surface temperature when the vehicle is exposed to prolonged period of intense sunshine. Said surfaces must therefore be initially cooled at least superficially by an air conditioning system of the motor vehicle in order to produce acceptable environmental conditions for the occupants of the motor vehicle. It is therefore desirable to have a technology which, even in the first few seconds after the air-conditioning system has been put into operation, causes a rapid cooling of the surfaces of the vehicle interior.
  • the cooling of the interior is accomplished exclusively by means of evaporative cooling by transfer of cold air flowing into the interior air. Warm surfaces that radiate into the interior are thus only gradually cooled by convective transfer of heat to the flowing air.
  • DE 195 03 291 C2 discloses a heating-cooling mat for a vehicle seat. This comprises an air conditioning mat, in which a plurality of Peltier elements are arranged, which can be connected to the power supply to an electrical system of a motor vehicle.
  • thermoelectric generator having a thermoelectric substrate and a plurality of thermocouples, each thermocouple having a first thermoelectric conductor of a first thermoelectric active material and a second thermoelectric conductor of a second thermoelectric active material.
  • thermoelectric element which comprises electrically conductive threads, thread tufts or filaments. These are formed by a carrier in the form of conductive strands.
  • EP 1 340 060 B1 deals with a method for producing thermoelectric converters with a plurality of thermoelectric elements arranged in series. These are formed by interweaving electrically conductive wires of two different materials, arranged in parallel and alternately, with wires of electrically insulating material.
  • a disadvantage of the use of conventional Peltier elements for the active cooling of a vehicle interior proves that they are not suitable for cooling large surfaces.
  • thermoelectric device which has a large surface area and yet can be assembled easily, in particular automatically.
  • thermoelectrically active elements of a thermoelectric device which typically comprise a p- or n-doped material
  • thermoelectric device typically comprise a p- or n-doped material
  • an electrically conductive spring force device on a substrate.
  • This allows a simple and automated assembly of a large number of thermoelectric elements. After mounting in the respective spring force device, this exerts a spring force on the relevant thermoelectric element, so that it is stably held on the substrate.
  • any occurring thermomechanical stresses can be compensated by the respective spring force device, so that any malfunctions caused by said thermo-mechanical stresses can be avoided.
  • thermoelectric devices are also designed to be electrically conductive, they are not only used as fastening means for the thermoelectric elements, but also act as an electrical connection for the respective, held by the spring force device thermoelectric element. This facilitates the electrical Wiring of the thermoelectric elements.
  • a thermoelectric device can be produced with a large surface area.
  • thermoelectric device comprises a substrate on which at least two thermoelectric elements are arranged.
  • the at least two thermoelectric elements are each fastened to the substrate by means of a spring force device arranged on the substrate made of an electrically conductive material.
  • the electrically conductive material is preferably a metal, particularly preferably copper or a copper alloy.
  • the spring force devices exert spring force on the respective thermoelectric element, so that it is mechanically clamped in the spring force device and at the same time electrically connected to the spring force device.
  • the at least two spring force devices in turn are electrically connected to each other by means of a suitable electrical conduction path.
  • the electrical conduction path may be formed by a suitable electrical conductor.
  • the electrical conduction path comprises at least one thermal interaction zone, which is set up for thermal coupling to the environment of the thermoelectric device. Said thermal interaction zone can thus function either as a hot side or cold side of the thermoelectric device.
  • the spring force device has two spring force elements, between which sandwiched the thermoelectric element is clamped. This measure allows a stable fixation of the thermoelectric element in the spring force device. At the same time, a simple mounting of the thermoelectric element on the spring force device is made possible.
  • at least one spring force element of at least one spring force device is biased against the thermoelectric element held by this spring force device. In this way, thermo-mechanical stresses can be particularly effectively prevented. This preferably applies to both spring force elements of at least one spring force device, particularly preferably to several or all of the spring force devices present in the thermoelectric device with their respective spring force elements.
  • thermoelectric element with its two end faces on each one of the two spring force elements.
  • the two end sides may extend transversely, preferably orthogonally, to an upper side or lower side of the substrate.
  • a particularly stable fixation of the thermoelectric element is achieved at the spring force device.
  • an advantageous, end-side electrical contacting of the thermoelectric elements is possible.
  • At least one electrical conduction path connects a first spring force element of a first spring force device, which exerts spring force on a first thermoelectric element, with a second spring force element of a second spring force device, which exerts spring force on a second thermoelectric element.
  • the electrical connection between the two spring force devices is realized such that the thermal interaction zone of the electrical line path is arranged electrically between the two spring force devices.
  • This measure allows a particularly simple electrical wiring of the individual thermoelectric elements to one another, in which a hot or cold side of the thermoelectric device is formed between each two thermoelectric elements.
  • a first spring force element of at least one spring force device is electrically connected to an interaction zone forming the hot side of the thermoelectric device.
  • a second spring force element of the same spring force device in this embodiment is electrically connected to an interaction zone forming the cold side of the thermoelectric device.
  • At least one thermal interaction zone is arranged on an upper side of the substrate and at least one further thermal interaction zone is arranged on an underside of the substrate. In this way, the top and the bottom can be used to form the hot and cold sides of the thermoelectric device, respectively.
  • thermoelectric elements are arranged on the upper side or, alternatively, on the underside of the substrate.
  • This further development variant allows an assembly of all thermoelectric elements in the respective spring force devices by a worker or automatically from the same side, ie in particular either from above or from below.
  • at least one spring force device with an associated thermoelectric element on an upper side of the substrate and at least one further spring force device with an associated thermoelectric element are arranged on an underside of the substrate.
  • This further development variant with a two-sided arrangement of the thermoelectric elements on the substrate, ie both on its upper side and on its lower side makes particularly effective use of the installation space provided by the substrate for the attachment of the thermoelectric elements.
  • At least one spring force element has a substantially L-shaped geometry with a first leg and an angular, preferably rectangular, protruding from the first leg second leg.
  • the first leg is mounted on the substrate.
  • the second leg exerts spring force on the relevant thermoelectric element.
  • the two legs can be formed integrally with each other.
  • the spring force element is formed in one piece or in one piece.
  • At least one opening is formed in the substrate, through which the electrical conduction path for electrically connecting two thermal interaction zones is led together.
  • a plurality of such apertures are provided in the substrate in order to form an electrical series connection of the thermoelectric elements in this way. This allows a simple way of establishing an electrical connection between the arranged on the top and bottom thermal interaction zones.
  • the electrical conduction path can be formed at least in the region of the aperture as an electrical circular conductor.
  • the respective provided in the substrate breakthrough can be provided with a small diameter, so that only little space is needed.
  • the spring force devices and the electrical conduction paths are alternately electrically connected in series with respective thermal interaction zones, the thermal interaction zones of said series electrical circuit being alternately referred to as Hot side and act as a cold side.
  • the thermal interaction zones of said series electrical circuit being alternately referred to as Hot side and act as a cold side.
  • At least one thermal interaction zone can be formed like a pad. This development allows a planar coverage of the substrate with the thermal interaction zones.
  • the thermal interaction zones as a cover plate or cover layer of an electrically conductive material, preferably of a metal, most preferably made of copper, which partially covers the substrate, in particular the top or bottom of the substrate.
  • a plurality of interaction zones are arranged on the upper side and, alternatively or additionally, on the underside of the substrate, in each case at a distance from one another. An unwanted electrical short circuit between two adjacent interaction zones can be avoided in this way.
  • thermoelectric device with particularly high efficiency can be realized when the thermal interaction zones cover at least 80%, preferably at least 90%, most preferably at least 95% of each of the hot side and / or the cold side.
  • the thermoelectric elements may be secured by means of an electrically insulating adhesive on the top or bottom of the substrate. This ensures a durable and stable attachment of the thermoelectric elements to the substrate, even under the influence of external mechanical shocks or shocks.
  • the spring force elements consist of a metal, preferably of copper or of a copper alloy, or comprise an electrically conductive material, preferably copper or a copper alloy.
  • the substrate comprises a first substrate body and a second substrate body, between which, preferably sandwiched, a thermal insulation is arranged.
  • at least one thermal interaction zone is arranged on an upper side of the first substrate body facing away from the second substrate body.
  • at least one thermal interaction zone is arranged on an underside of the second substrate body facing away from the first substrate body.
  • the at least one, arranged on the top thermal interaction zone serves as a cold side de thermoelectric device, whereas the disposed on the bottom, at least one thermal interaction zone can act as a hot side, or vice versa.
  • the at least one electrical conduction path is formed at least in sections by a conductor track arranged in or on the substrate, which preferably consists of an electrically insulating material.
  • the substrate is a printed circuit board or comprises such a printed circuit board. This makes it possible to use in the thermoelectric device so-called PCB technology for electrical and electronic circuits. In this way it is possible to arrange electrical capacitors and other electrical / electronic components in a manner analogous to the thermoelektnschen elements on the circuit board and fasten there. It is conceivable, in particular, to use for electrical / electronic components, in particular for electrical capacitors, also the spring force elements essential to the invention for fastening.
  • thermoelektnschen element preferably with several thermoelektnschen elements, most preferably with all thermoelektnschen elements, the thermoelektnschen device.
  • thermoelektnschen device it is particularly possible to provide an electronic control for driving the thermoelektnschen elements directly on the substrate, in particular on the circuit board. This simplifies the construction of the thermoelektnschen device considerably, resulting in turn space and cost advantages.
  • the electronic circuitry may include an electronic control unit for controlling the at least one thermoelectric element or, alternatively, may be such an electronic control unit or, alternatively, may be part of such an electronic control unit.
  • an electronic control unit for controlling the at least one thermoelectric element or, alternatively, may be such an electronic control unit or, alternatively, may be part of such an electronic control unit.
  • a separate electronic control unit for driving the thermoelektnschen elements is unnecessary, resulting in cost advantages.
  • the invention further relates to an air conditioning device with a previously presented thermoelectric device. The above-explained advantages of the thermoelectric device are therefore also transferred to the air conditioning device according to the invention.
  • thermoelectric device 1 shows an example of a thermoelectric device with thermoelectric elements in a schematic, highly simplified representation, and in a longitudinal section
  • thermoelectric device of Figure 1 in a plan view
  • thermoelectric device 3 shows a first development of the thermoelectric device according to FIGS. 1 and 2
  • 4 shows a second development of the thermoelekthsche device according to Figures 1 and 2
  • Fig. 5 is a detailed view of a single spring force device.
  • thermoelectric device 1 illustrates an example of a thermoelectric device 1 according to the invention in a longitudinal section, Figure 2 in a plan view.
  • the thermoelectric device 1 comprises a substrate 2, on each of which thermoelectric elements 3 are arranged at a distance from one another.
  • the substrate 2 is made of an electrically insulating and preferably flexible material, such as a fiber-reinforced plastic.
  • the substrate 2 can also be formed by a printed circuit board made of a flexible plastic.
  • thermoelectric elements 3 are arranged on an upper side 20 of the substrate 2 at a distance from one another.
  • the thermoelectric elements 3 are each held on the substrate 2 by means of spring force devices 4 arranged on the substrate 2 made of an electrically conductive material.
  • the spring force devices 4 exert spring force F on their associated thermoelectric element 3, so that it is mechanically fixed in the spring force device 4 and also electrically connected to the spring force device 4.
  • the thermoelectric elements 3 may additionally be fixed on the upper side 20 of the substrate 2 by means of an electrically insulating adhesive.
  • Two spring force devices 4 are electrically connected to each other by means of an electrical line path 5. In this way, an electrical series connection of the thermoelectric elements 3 desired for the thermoelectric device 1 is realized.
  • Figure 5 shows a single spring force device 4 separately and in a detailed view.
  • the spring force device 4 has two spring force elements 4a, 4b, between which a thermoelectric element 3 is sandwiched.
  • the thermoelectric element 3 rests with its two end faces 14a, 14b respectively against a spring force element 4a, 4b.
  • the two end faces 14a, 14b extend transversely, preferably orthogonally as shown in FIG. 5, to the upper side 20 of the substrate 2.
  • the spring force elements 4a, 4b of the spring force device 4 can be used to prevent thermomechanical stresses against the thermoelectric element held by the spring force elements 4a, 4b Element 3 to be biased.
  • the spring force elements 4a, 4b may consist of a metal, preferably copper or a copper alloy.
  • the two spring force elements 4a, 4b exert spring force F in the opposite direction on the thermoelectric element 3 arranged or clamped between them. In this way, the desired clamping effect is generated.
  • the spring force elements 4a, 4b each comprise a substantially L-shaped geometry with a first leg 9a and an angularly, preferably at right angles, second leg 9b projecting from the first leg 9a.
  • the second leg 9b is preferably integrally formed on the first leg 9a, so that the first and the second spring force element 4a, 4b are each formed integrally.
  • the first leg 9a is fixed on the substrate 2 according to FIG.
  • the first leg 9a is glued to the substrate 2.
  • the second leg 9b exerts spring force F on the thermoelectric element 3.
  • the second leg 9b may be biased against the recorded in the spring force means 4 thermoelectric element 3.
  • the end 10 of the second limb 9a facing away from the first limb 9a can be curved so as to permit the assembly of the thermoelectric element 3 between the two spring force elements 4a, 4b. easier.
  • a recess or recess may be provided in the second leg 9b, in which the respective thermoelectric element 3 is accommodated.
  • an electrical conduction path 5 connects a first spring force element 4a.1 of a first spring force device 4.1, which exerts spring force F on a first thermoelectric element 3.1, with a second spring force element 4b.2 of a second spring force device 4.2.
  • each electrical conduction path 5 has a thermal interaction zone 6, which is designed to be thermally coupled to the environment 8 of the thermoelectric device 1.
  • Said thermal interaction zones 6 are arranged between two spring force devices 4 and electrically connected thereto.
  • a thermal interaction zone 6 is electrically connected to the first spring force element 4a.1 of the first spring force device 4.1 and to the second spring force element 4b.2 of the second spring force device 4.2.
  • the thermal interaction zones 6 are arranged alternately on the upper side 20 and an underside 21 of the substrate 2 opposite the upper side 20.
  • the terms “top” and “bottom” refer in the example of the figures without limiting the generality of a possible position of use of the thermoelectric device. 1
  • the thermal interaction zones 6 arranged on the upper side 20 can act as the hot side 18 and the thermal interaction zones 6 arranged on the lower side 21 as the cold side 19 of the thermoelectric device 1, or vice versa. So that between two electrically adjacent thermal interaction zones 6 arranged thermoelectric elements 3 can generate an electrical thermal voltage, the spring force devices 4 are arranged with their thermoelectric elements 3 electrically alternately between acting as a hot side 18 interaction zone 6 and acting as a cold side 19 thermal interaction zone 6.
  • the first spring force element 4 a of a specific spring force device 4 is thus electrically connected to the interaction zone 6 acting as the hot side 18.
  • the second spring force element 4b of the same spring force device 6 is correspondingly electrically connected to the interaction zone 6 acting as cold side 19.
  • the spring force devices 4 and the electrical conduction paths 5 with the thermal interaction zones 6 are alternately connected electrically in series.
  • a spring force device 4 with a thermoelectric element 3 is followed by an electrical conduction path 5 with a thermal interaction zone 6, which in turn is followed by a further spring force device 4 with a thermoelectric element 3.
  • apertures 7 are provided in the substrate 2, through which the electrical conductive paths 5 are led through the substrate 2 , In particular in the area of the apertures 7, it makes sense to form the electrical conduction paths 5 as electrical circular conductors.
  • the substrate 2 preferably consists of an electrically insulating material, particularly preferably of a flexible plastic.
  • the substrate 2 the Use of a printed circuit board made of an electrically insulating material, preferably of a flexible plastic, in which the electrical conduction paths 5 of the thermoelectric device 1 at least partially as interconnects of an electrically conductive material, preferably made of a metal, most preferably made of copper or of a Copper alloy, are realized.
  • thermoelectric elements 3 are arranged on the upper side 20 of the substrate 2. This facilitates the assembly of the thermoelectric elements 3 in the spring force devices 4.
  • all spring force devices 4 are arranged on the underside 21 of the substrate 2 (not shown in Figure 1).
  • a plurality of interaction zones 6 can each be arranged on the upper side 20 and on the lower side 21 of the substrate 2.
  • the material for the interaction zones 6 is a metal, in particular copper or a copper alloy, into consideration.
  • the thermal interaction zones 6 may be formed as so-called pads 13.
  • the individual interaction zones 6 as a cover plate 11 or cover layer 12 of an electrically conductive material, preferably of a metal, most preferably made of copper or a copper alloy, which the substrate 2, in particular its top 20 and / or bottom 21st each partially covered.
  • a plate thickness of the cover plate 1 1 or a layer thickness of the cover layer 12 between 100 ⁇ and 500 ⁇ amount.
  • FIG. 3 shows a development of the example of FIG. 1.
  • the substrate 2 comprises a first substrate body 2a and a second substrate body 2b, between which a thermal insulation 2c is sandwiched.
  • the thermal insulation 2c can be formed, for example, by a textile layer, which is coated in particular with polyurethane.
  • the thermal interaction zones 6 forming the hot side 18 are arranged on the upper side 16 of the first substrate body 2 a facing away from the second substrate body 2 b.
  • the cold interaction side 19 forming thermal interaction zones 6 are arranged on the side facing away from the first substrate body 2a underside 17 of the second substrate body 2b.
  • the upper side 16 of the first substrate body 2a forms the upper side 20 of the substrate 2
  • the underside 17 of the second substrate body 2b forms the underside 21 of the substrate 2.
  • the spring force devices 4 can be arranged both on the upper side 20 and on the lower side 21 of the substrate 2.
  • the electrical connection between the spring force devices 4 on the upper side 20 and those on the lower side 21 - in an analogous manner to, for example, FIG. 1 - takes place via the apertures 7 formed in the substrate 2.
  • the substrate 2 is a printed circuit board
  • the thermoelectric device 1 so-called PCB technology for electrical and electronic circuits.
  • electrical capacitors and other electrical / electronic components in a manner analogous to the thermoelectric elements 3 on the circuit board and fasten there.
  • electrical / electronic components in particular for electrical capacitors, to use the spring force device 4 essential to the invention with the spring force elements 4a, 4b for attachment to the printed circuit board.
  • thermoelectric elements On the substrate may also be arranged one or more electronic circuit arrangements (not shown) with electrical and / or electronic components that are electrically connected to the thermoelectric elements 3.
  • the electronic circuitry (s) may include an electronic control unit for controlling the thermoelectric elements 3.

Abstract

The invention relates to a thermoelectric device (1), in particular for an air-conditioning system of a motor vehicle, comprising - a substrate (2) on which thermoelectric elements (3) are arranged, wherein - each of at least two thermoelectric elements (3) is secured to the substrate (2) by means of a spring force device (4) which is arranged on the substrate (2) and is made of an electrically conductive material, - the spring force device (4) exerts a spring force (F) onto the respective thermoelectric element (3) such that the thermoelectric element is mechanically fixed in the spring force device (4) and is electrically connected to the spring force device (4), and - the at least two spring force devices (4) are electrically connected together by means of an electric line path (5), which has at least one thermal interaction zone (6) that is designed to be thermally coupled to the surroundings (8) of the thermoelectric device (1).

Description

Thermoelektrische Vorrichtung,  Thermoelectric device,
insbesondere für eine Klimatisierungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs  in particular for an air conditioning device of a motor vehicle
Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Vorrichtung, insbesondere für eine Klimatisierungsanlage eines Kraftfahrzeugs, sowie eine Klimatisierungseinrichtung mit wenigstens einer solchen thermoelektrischen Vorrichtung. The invention relates to a thermoelectric device, in particular for an air conditioning system of a motor vehicle, as well as an air conditioning device with at least one such thermoelectric device.
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. Motor vehicles have a variety of surfaces in the vehicle interior, which strongly heat the vehicle interior due to their high surface temperature when the vehicle is exposed to prolonged period of intense sunshine. Said surfaces must therefore be initially cooled at least superficially by an air conditioning system of the motor vehicle in order to produce acceptable environmental conditions for the occupants of the motor vehicle. It is therefore desirable to have a technology which, even in the first few seconds after the air-conditioning system has been put into operation, causes a rapid cooling of the surfaces of the vehicle interior.
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. In conventional motor vehicles, the cooling of the interior is accomplished exclusively by means of evaporative cooling by transfer of cold air flowing into the interior air. Warm surfaces that radiate into the interior are thus only gradually cooled by convective transfer of heat to the flowing air.
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. Only for areas with direct contact with the occupants devices with low cooling time exist: Thus, from the prior art for vehicles of the upper class active seat cooling is known in which in the seat incoming air is actively cooled via Peltier element and via pore-like openings over the seat surface flows out towards the occupant. Such a Peltier element sits p- and n-doped semiconductors, which are arranged alternately and electrically in series with each other. Electrically conductive contact bridges between the doped regions serve as a heat-absorbing or heat-emitting element. They are to a hot side thermally and spatially separated from a cold side, mounted alternately on a top or a bottom of the Peltier element.
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. DE 195 03 291 C2 discloses a heating-cooling mat for a vehicle seat. This comprises an air conditioning mat, in which a plurality of Peltier elements are arranged, which can be connected to the power supply to an electrical system of a motor vehicle.
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. DE 10 2012 018 387 A1 deals with a thermoelectric generator having a thermoelectric substrate and a plurality of thermocouples, each thermocouple having a first thermoelectric conductor of a first thermoelectric active material and a second thermoelectric conductor of a second thermoelectric active material.
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. DE 10 2013 1 10 254 A1 treats a thermoelectric element which comprises electrically conductive threads, thread tufts or filaments. These are formed by a carrier in the form of conductive strands.
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. EP 1 340 060 B1 deals with a method for producing thermoelectric converters with a plurality of thermoelectric elements arranged in series. These are formed by interweaving electrically conductive wires of two different materials, arranged in parallel and alternately, with wires of electrically insulating material. A disadvantage of the use of conventional Peltier elements for the active cooling of a vehicle interior proves that they are not suitable for cooling large surfaces.
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. Against this background, it is an object of the present invention to provide a thermoelectric device which has a large surface area and yet can be assembled easily, in particular automatically.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. This object is achieved by the subject matters of the independent claims. Advantageous developments are the subject of the dependent claims.
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. The basic idea of the invention is accordingly to fix the thermoelectrically active elements of a thermoelectric device, which typically comprise a p- or n-doped material, in each case by means of an electrically conductive spring force device on a substrate. This allows a simple and automated assembly of a large number of thermoelectric elements. After mounting in the respective spring force device, this exerts a spring force on the relevant thermoelectric element, so that it is stably held on the substrate. In addition, any occurring thermomechanical stresses can be compensated by the respective spring force device, so that any malfunctions caused by said thermo-mechanical stresses can be avoided. Since the spring force devices are also designed to be electrically conductive, they are not only used as fastening means for the thermoelectric elements, but also act as an electrical connection for the respective, held by the spring force device thermoelectric element. This facilitates the electrical Wiring of the thermoelectric elements. Thus, a thermoelectric device can be produced with a large surface area.
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. A thermoelectric device according to the invention comprises a substrate on which at least two thermoelectric elements are arranged. The at least two thermoelectric elements are each fastened to the substrate by means of a spring force device arranged on the substrate made of an electrically conductive material. The electrically conductive material is preferably a metal, particularly preferably copper or a copper alloy. The spring force devices exert spring force on the respective thermoelectric element, so that it is mechanically clamped in the spring force device and at the same time electrically connected to the spring force device. The at least two spring force devices in turn are electrically connected to each other by means of a suitable electrical conduction path. The electrical conduction path may be formed by a suitable electrical conductor. According to the invention, the electrical conduction path comprises at least one thermal interaction zone, which is set up for thermal coupling to the environment of the thermoelectric device. Said thermal interaction zone can thus function either as a hot side or cold side of the thermoelectric device.
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. According to a preferred embodiment, the spring force device has two spring force elements, between which sandwiched the thermoelectric element is clamped. This measure allows a stable fixation of the thermoelectric element in the spring force device. At the same time, a simple mounting of the thermoelectric element on the spring force device is made possible. Suitably, at least one spring force element of at least one spring force device is biased against the thermoelectric element held by this spring force device. In this way, thermo-mechanical stresses can be particularly effectively prevented. This preferably applies to both spring force elements of at least one spring force device, particularly preferably to several or all of the spring force devices present in the thermoelectric device with their respective spring force elements.
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. Appropriately, at least one thermoelectric element with its two end faces on each one of the two spring force elements. The two end sides may extend transversely, preferably orthogonally, to an upper side or lower side of the substrate. In this way, a particularly stable fixation of the thermoelectric element is achieved at the spring force device. In addition, an advantageous, end-side electrical contacting of the thermoelectric elements is possible.
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. According to a preferred embodiment, at least one electrical conduction path connects a first spring force element of a first spring force device, which exerts spring force on a first thermoelectric element, with a second spring force element of a second spring force device, which exerts spring force on a second thermoelectric element. The electrical connection between the two spring force devices is realized such that the thermal interaction zone of the electrical line path is arranged electrically between the two spring force devices. This measure allows a particularly simple electrical wiring of the individual thermoelectric elements to one another, in which a hot or cold side of the thermoelectric device is formed between each two thermoelectric elements. The same advantage is achieved with a further preferred embodiment in which a first spring force element of at least one spring force device is electrically connected to an interaction zone forming the hot side of the thermoelectric device. A second spring force element of the same spring force device in this embodiment is electrically connected to an interaction zone forming the cold side of the thermoelectric device.
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. In an advantageous development, at least one thermal interaction zone is arranged on an upper side of the substrate and at least one further thermal interaction zone is arranged on an underside of the substrate. In this way, the top and the bottom can be used to form the hot and cold sides of the thermoelectric device, respectively.
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. A further advantageous development proposes to arrange all spring force devices with respective thermoelectric elements on the upper side or, alternatively, on the underside of the substrate. This further development variant allows an assembly of all thermoelectric elements in the respective spring force devices by a worker or automatically from the same side, ie in particular either from above or from below. In an alternative development, at least one spring force device with an associated thermoelectric element on an upper side of the substrate and at least one further spring force device with an associated thermoelectric element are arranged on an underside of the substrate. This further development variant with a two-sided arrangement of the thermoelectric elements on the substrate, ie both on its upper side and on its lower side, makes particularly effective use of the installation space provided by the substrate for the attachment of the thermoelectric elements. Particularly suitably, at least one spring force element has a substantially L-shaped geometry with a first leg and an angular, preferably rectangular, protruding from the first leg second leg. In this variant, the first leg is mounted on the substrate. The second leg exerts spring force on the relevant thermoelectric element. This variant allows a very simple and thus cost-effective production of the individual spring force elements. Suitably, the two legs can be formed integrally with each other. Particularly preferably, the spring force element is formed in one piece or in one piece. These measures are accompanied by further cost savings in the production of spring elements.
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. Particularly preferably, at least one opening is formed in the substrate, through which the electrical conduction path for electrically connecting two thermal interaction zones is led together. Particularly preferably, a plurality of such apertures are provided in the substrate in order to form an electrical series connection of the thermoelectric elements in this way. This allows a simple way of establishing an electrical connection between the arranged on the top and bottom thermal interaction zones.
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. Suitably, the electrical conduction path can be formed at least in the region of the aperture as an electrical circular conductor. Thus, the respective provided in the substrate breakthrough can be provided with a small diameter, so that only little space is needed.
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. According to a preferred embodiment, the spring force devices and the electrical conduction paths are alternately electrically connected in series with respective thermal interaction zones, the thermal interaction zones of said series electrical circuit being alternately referred to as Hot side and act as a cold side. In this way, a particularly high thermal voltage can be generated in the thermoelectric elements, which in turn improves the efficiency of the thermoelectric device.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung kann zumindest eine thermische Wechselwirkungszone padartig ausgebildet sein. Diese Weiterbildung ermöglicht eine flächige Abdeckung des Substrats mit den thermischen Wechselwirkungszonen. In an advantageous development, at least one thermal interaction zone can be formed like a pad. This development allows a planar coverage of the substrate with the thermal interaction zones.
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. In a further advantageous embodiment, the thermal interaction zones as a cover plate or cover layer of an electrically conductive material, preferably of a metal, most preferably made of copper, which partially covers the substrate, in particular the top or bottom of the substrate. This development also makes it possible, with cost-effective means, to cover the substrate with the thermal interaction zones in a planar manner.
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. Expediently, a plurality of interaction zones are arranged on the upper side and, alternatively or additionally, on the underside of the substrate, in each case at a distance from one another. An unwanted electrical short circuit between two adjacent interaction zones can be avoided in this way.
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. A thermoelectric device with particularly high efficiency can be realized when the thermal interaction zones cover at least 80%, preferably at least 90%, most preferably at least 95% of each of the hot side and / or the cold side. Suitably, the thermoelectric elements may be secured by means of an electrically insulating adhesive on the top or bottom of the substrate. This ensures a durable and stable attachment of the thermoelectric elements to the substrate, even under the influence of external mechanical shocks or shocks.
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. According to another preferred embodiment, the spring force elements consist of a metal, preferably of copper or of a copper alloy, or comprise an electrically conductive material, preferably copper or a copper alloy.
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. In a further preferred embodiment, the substrate comprises a first substrate body and a second substrate body, between which, preferably sandwiched, a thermal insulation is arranged. In this embodiment, at least one thermal interaction zone is arranged on an upper side of the first substrate body facing away from the second substrate body. Likewise, at least one thermal interaction zone is arranged on an underside of the second substrate body facing away from the first substrate body. The at least one, arranged on the top thermal interaction zone serves as a cold side de thermoelectric device, whereas the disposed on the bottom, at least one thermal interaction zone can act as a hot side, or vice versa.
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. According to a preferred embodiment, the at least one electrical conduction path is formed at least in sections by a conductor track arranged in or on the substrate, which preferably consists of an electrically insulating material. According to a preferred embodiment, the substrate is a printed circuit board or comprises such a printed circuit board. This makes it possible to use in the thermoelectric device so-called PCB technology for electrical and electronic circuits. In this way it is possible to arrange electrical capacitors and other electrical / electronic components in a manner analogous to the thermoelektnschen elements on the circuit board and fasten there. It is conceivable, in particular, to use for electrical / electronic components, in particular for electrical capacitors, also the spring force elements essential to the invention for fastening.
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. According to an advantageous development, at least one electronic circuit arrangement is arranged or fixed on the substrate, which is electrically connected to at least one thermoelektnschen element, preferably with several thermoelektnschen elements, most preferably with all thermoelektnschen elements, the thermoelektnschen device. Thus, it is particularly possible to provide an electronic control for driving the thermoelektnschen elements directly on the substrate, in particular on the circuit board. This simplifies the construction of the thermoelektnschen device considerably, resulting in turn space and cost advantages.
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. Conveniently, the electronic circuitry may include an electronic control unit for controlling the at least one thermoelectric element or, alternatively, may be such an electronic control unit or, alternatively, may be part of such an electronic control unit. In all three variants, a separate electronic control unit for driving the thermoelektnschen elements is unnecessary, resulting in cost advantages. The invention further relates to an air conditioning device with a previously presented thermoelectric device. The above-explained advantages of the thermoelectric device are therefore also transferred to the air conditioning device according to the invention.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen. Other important features and advantages of the invention will become apparent from the dependent claims, from the drawings and from the associated figure description with reference to the drawings.
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. It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
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. Preferred embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be explained in more detail in the following description, wherein like reference numerals refer to the same or similar or functionally identical components.
Es zeigen, jeweils schematisch, Show, in each case schematically,
Fig. 1 ein Beispiel einer thermoelektrischen Vorrichtung mit thermoelektrischen Elementen in schematischer, stark vereinfachter Darstellung, und in einem Längsschnitt, 1 shows an example of a thermoelectric device with thermoelectric elements in a schematic, highly simplified representation, and in a longitudinal section,
Fig. 2 die thermoelektrische Vorrichtung der Figur 1 in einer Draufsicht, 2 shows the thermoelectric device of Figure 1 in a plan view,
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, 3 shows a first development of the thermoelectric device according to FIGS. 1 and 2, 4 shows a second development of the thermoelekthsche device according to Figures 1 and 2,
Fig. 5 eine Detaildarstellung einer einzelnen Federkrafteinrichtung. Fig. 5 is a detailed view of a single spring force device.
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. Figure 1 illustrates an example of a thermoelectric device 1 according to the invention in a longitudinal section, Figure 2 in a plan view. According to FIGS. 1 and 2, the thermoelectric device 1 comprises a substrate 2, on each of which thermoelectric elements 3 are arranged at a distance from one another. The substrate 2 is made of an electrically insulating and preferably flexible material, such as a fiber-reinforced plastic. The substrate 2 can also be formed by a printed circuit board made of a flexible plastic.
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. In the example of FIG. 1, the thermoelectric elements 3 are arranged on an upper side 20 of the substrate 2 at a distance from one another. The thermoelectric elements 3 are each held on the substrate 2 by means of spring force devices 4 arranged on the substrate 2 made of an electrically conductive material. The spring force devices 4 exert spring force F on their associated thermoelectric element 3, so that it is mechanically fixed in the spring force device 4 and also electrically connected to the spring force device 4. The thermoelectric elements 3 may additionally be fixed on the upper side 20 of the substrate 2 by means of an electrically insulating adhesive. Two spring force devices 4 are electrically connected to each other by means of an electrical line path 5. In this way, an electrical series connection of the thermoelectric elements 3 desired for the thermoelectric device 1 is realized. Figure 5 shows a single spring force device 4 separately and in a detailed view. Accordingly, the spring force device 4 has two spring force elements 4a, 4b, between which a thermoelectric element 3 is sandwiched. The thermoelectric element 3 rests with its two end faces 14a, 14b respectively against a spring force element 4a, 4b. The two end faces 14a, 14b extend transversely, preferably orthogonally as shown in FIG. 5, to the upper side 20 of the substrate 2. The spring force elements 4a, 4b of the spring force device 4 can be used to prevent thermomechanical stresses against the thermoelectric element held by the spring force elements 4a, 4b Element 3 to be biased. The spring force elements 4a, 4b may consist of a metal, preferably copper or a copper alloy. The two spring force elements 4a, 4b exert spring force F in the opposite direction on the thermoelectric element 3 arranged or clamped between them. In this way, the desired clamping effect is generated.
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. 5 shows that the spring force elements 4a, 4b each comprise a substantially L-shaped geometry with a first leg 9a and an angularly, preferably at right angles, second leg 9b projecting from the first leg 9a. The second leg 9b is preferably integrally formed on the first leg 9a, so that the first and the second spring force element 4a, 4b are each formed integrally. The first leg 9a is fixed on the substrate 2 according to FIG. Preferably, the first leg 9a is glued to the substrate 2. The second leg 9b exerts spring force F on the thermoelectric element 3. For this purpose, the second leg 9b may be biased against the recorded in the spring force means 4 thermoelectric element 3. The end 10 of the second limb 9a facing away from the first limb 9a can be curved so as to permit the assembly of the thermoelectric element 3 between the two spring force elements 4a, 4b. easier. For stable fixation of the thermoelectric element 3 on the respective spring force element 4a, 4b, a recess or recess (not shown) may be provided in the second leg 9b, in which the respective thermoelectric element 3 is accommodated.
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. Referring again to FIG. 1, an electrical conduction path 5 connects a first spring force element 4a.1 of a first spring force device 4.1, which exerts spring force F on a first thermoelectric element 3.1, with a second spring force element 4b.2 of a second spring force device 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. In the example scenario of FIG. 1, each electrical conduction path 5 has a thermal interaction zone 6, which is designed to be thermally coupled to the environment 8 of the thermoelectric device 1. Said thermal interaction zones 6 are arranged between two spring force devices 4 and electrically connected thereto. In the example of FIG. 1, a thermal interaction zone 6 is electrically connected to the first spring force element 4a.1 of the first spring force device 4.1 and to the second spring force element 4b.2 of the second spring force device 4.2.
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 . As can also be seen from FIG. 1, the thermal interaction zones 6 are arranged alternately on the upper side 20 and an underside 21 of the substrate 2 opposite the upper side 20. The terms "top" and "bottom" refer in the example of the figures without limiting the generality of a possible position of use of the thermoelectric device. 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. The thermal interaction zones 6 arranged on the upper side 20 can act as the hot side 18 and the thermal interaction zones 6 arranged on the lower side 21 as the cold side 19 of the thermoelectric device 1, or vice versa. So that between two electrically adjacent thermal interaction zones 6 arranged thermoelectric elements 3 can generate an electrical thermal voltage, the spring force devices 4 are arranged with their thermoelectric elements 3 electrically alternately between acting as a hot side 18 interaction zone 6 and acting as a cold side 19 thermal interaction zone 6. The first spring force element 4 a of a specific spring force device 4 is thus electrically connected to the interaction zone 6 acting as the hot side 18. The second spring force element 4b of the same spring force device 6 is correspondingly electrically connected to the interaction zone 6 acting as cold side 19. The spring force devices 4 and the electrical conduction paths 5 with the thermal interaction zones 6 are alternately connected electrically in series. In other words, a spring force device 4 with a thermoelectric element 3 is followed by an electrical conduction path 5 with a thermal interaction zone 6, which in turn is followed by a further spring force device 4 with a thermoelectric element 3.
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. In order to electrically connect the thermal interaction zones 6 arranged on the upper side 20 of the substrate 2 to those arranged on the underside 21 of the substrate 2, apertures 7 are provided in the substrate 2, through which the electrical conductive paths 5 are led through the substrate 2 , In particular in the area of the apertures 7, it makes sense to form the electrical conduction paths 5 as electrical circular conductors.
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. Regardless of how the electrical conduction path 5 is realized in the region of the openings 7, it can be realized on the upper side 20 and, alternatively or additionally, on the underside 21 at least in sections by a conductor track formed in or on the substrate 2. In this case, the substrate 2 preferably consists of an electrically insulating material, particularly preferably of a flexible plastic. In particular, comes for the substrate 2 the Use of a printed circuit board made of an electrically insulating material, preferably of a flexible plastic, in which the electrical conduction paths 5 of the thermoelectric device 1 at least partially as interconnects of an electrically conductive material, preferably made of a metal, most preferably made of copper or of a Copper alloy, are realized.
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). In the example of FIG. 1, all spring force devices 4 with respective thermoelectric elements 3 are arranged on the upper side 20 of the substrate 2. This facilitates the assembly of the thermoelectric elements 3 in the spring force devices 4. Of course, it is also conceivable to arrange all spring force devices 4 on the underside 21 of the substrate 2 (not shown in Figure 1).
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. In the following, possible embodiments of the interaction zones 6 will be explained. Accordingly, a plurality of interaction zones 6 can each be arranged on the upper side 20 and on the lower side 21 of the substrate 2. The material for the interaction zones 6 is a metal, in particular copper or a copper alloy, into consideration. Suitably, the thermal interaction zones 6 may be formed as so-called pads 13. For this purpose, the individual interaction zones 6 as a cover plate 11 or cover layer 12 of an electrically conductive material, preferably of a metal, most preferably made of copper or a copper alloy, which the substrate 2, in particular its top 20 and / or bottom 21st each partially covered. Suitably, a plate thickness of the cover plate 1 1 or a layer thickness of the cover layer 12 between 100 μιτι and 500 μιτι amount. In order to achieve the highest possible efficiency in the thermoelectric device 1, it is advisable to form these in such a way that the thermal interaction zones at least 80%, preferably at least 90%, most preferably at least 95%, the top 20 and the bottom 21 of the substrate 2 cover.
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. FIG. 3 shows a development of the example of FIG. 1. In the example of FIG. 3, the substrate 2 comprises a first substrate body 2a and a second substrate body 2b, between which a thermal insulation 2c is sandwiched. By means of the thermal insulation 2c, a particularly good thermal separation of the hot side 18 from the cold side 19 of the thermoelectric device 1 can be ensured. The thermal insulation 2c can be formed, for example, by a textile layer, which is coated in particular with polyurethane. The thermal interaction zones 6 forming the hot side 18 are arranged on the upper side 16 of the first substrate body 2 a facing away from the second substrate body 2 b. The cold interaction side 19 forming thermal interaction zones 6 are arranged on the side facing away from the first substrate body 2a underside 17 of the second substrate body 2b. The upper side 16 of the first substrate body 2a forms the upper side 20 of the substrate 2, and the underside 17 of the second substrate body 2b forms the underside 21 of the substrate 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. In a variant of the example of FIG. 1, which is illustrated in FIG. 4, the spring force devices 4 can be arranged both on the upper side 20 and on the lower side 21 of the substrate 2. In the example of FIG. 4, the electrical connection between the spring force devices 4 on the upper side 20 and those on the lower side 21 - in an analogous manner to, for example, FIG. 1 - takes place via the apertures 7 formed in the substrate 2.
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. If the substrate 2 is a printed circuit board, it is possible to use in the thermoelectric device 1 so-called PCB technology for electrical and electronic circuits. In this way it is possible to arrange electrical capacitors and other electrical / electronic components in a manner analogous to the thermoelectric elements 3 on the circuit board and fasten there. It is conceivable, in particular, for electrical / electronic components, in particular for electrical capacitors, to use the spring force device 4 essential to the invention with the spring force elements 4a, 4b for attachment to the printed circuit board.
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. On the substrate may also be arranged one or more electronic circuit arrangements (not shown) with electrical and / or electronic components that are electrically connected to the thermoelectric elements 3. Suitably, the electronic circuitry (s) may include an electronic control unit for controlling the thermoelectric elements 3.
Die vorangehend anhand der Figuren 1 bis 4 erläuterten Varianten können, soweit sinnvoll, miteinander kombiniert werden. The variants explained above with reference to FIGS. 1 to 4 can be combined with one another, as far as is expedient.

Claims

Patentansprüche claims
1 . Thermoelektrische Vorrichtung (1 ), insbesondere für eine Klimatisierungsanlage eines Kraftfahrzeugs, 1 . Thermoelectric device (1), in particular for an air-conditioning system of a motor vehicle,
- mit einem Substrat (2), auf welchem thermoelektrische Elemente (3) angeordnet sind,  with a substrate (2) on which thermoelectric elements (3) are arranged,
- 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,  - wherein at least two thermoelectric elements (3) in each case by means of a on the substrate (2) arranged spring force means (4) made of an electrically conductive material to the substrate (2) are attached,
- 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,  - wherein the spring force device (4) spring force (F) on the respective thermoelectric element (3) exerts, so that this mechanically fixed in the spring force means (4) and is electrically connected to the spring force means (4),
- 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.  - Wherein the at least two spring force devices (4) by means of an electrical conduction path (5) are interconnected, which at least one thermal interaction zone (6), which is adapted for thermal coupling with the environment (8) of the thermoelectric device (1).
2. Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1 , 2. Thermoelectric device according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
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. the spring force device (4) has two spring force elements (4a, 4b) between which a thermoelectric element (3) is sandwiched, wherein preferably at least one spring force element (4a, 4b) of at least one spring force device (4) is biased against the thermoelectric element (3) held by the spring force device (4).
3. Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, 3. Thermoelectric device according to claim 1 or 2,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
zumindest ein thermoelektrisches Element (3) mit seinen beiden Stirnseiten (14a, 14b) an jeweils einem Federkraftelement (4a) anliegt,  at least one thermoelectric element (3) with its two end faces (14a, 14b) bears against a respective spring force element (4a),
wobei sich die beiden Stirnseiten (14a, 14b) quer, vorzugsweise orthogonal, zu einer Oberseite (20) oder Unterseite (21 ) des Substrats (2) erstrecken.  wherein the two end faces (14a, 14b) extend transversely, preferably orthogonally, to an upper side (20) or underside (21) of the substrate (2).
4. Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 4. Thermoelectric device according to one of claims 1 to 3,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
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.  at least one electrical conduction path (5) comprises a first spring force element (4; 4a.1) of a first spring force device (4; 4.1) which exerts spring force (F) on a first thermoelectric element (3a) with a second spring force element (4b.2) a second spring force device (4.2) connects, which spring force (F) on a second thermoelectric element (3b) exerts, so that the thermal interaction zone (6) of the electrical line path (5) electrically between the two spring force means (4; 4.1, 4.2) is.
5. Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 5. Thermoelectric device according to one of the preceding claims, characterized in that
- 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. - A first spring force element (4a) of at least one spring force means (4) is electrically connected to a thermal interaction zone (6) forming a hot side (18) of the thermoelectric device (1), and that - A second spring force element (4b) of the same spring force device (4) is electrically connected to a thermal interaction zone (6) which forms a cold side (19) of the thermoelectric device (1).
6. Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 6. Thermoelectric device according to one of the preceding claims, characterized in that
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.  at least one first thermal interaction zone (6) is provided which is arranged on the upper side (20) of the substrate (2) and at least one second thermal interaction zone (6) is provided on the underside (21) of the substrate (2). is arranged.
7. Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 7. Thermoelectric device according to one of the preceding claims, characterized in that
- 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  - All spring force devices (4) with their respective thermoelectric elements (3) on the top (20) or on the bottom (21) of the substrate (2) are arranged, or that
- 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.  at least one first spring force device (4a) with a first thermoelectric element (3a) on the upper side (20) of the substrate (2) and at least one second spring force device (4b) with a second thermoelectric element (3b) on the underside (21) of the Substrate (2) is arranged.
8. Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, 8. Thermoelectric device according to one of claims 2 to 7,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
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. at least one spring force element (4a, 4b) has a substantially L-shaped geometry with a first leg (9a) and with an angularly, preferably at right angles, from the first leg (9a) protruding second leg (9b), wherein the first leg (9a ) is mounted on the substrate (2) and the second leg (9b) exerts spring force (F) on the thermoelectric element (3).
9. Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 9. Thermoelectric device according to one of the preceding claims, characterized in that
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.  in the substrate (2) at least one aperture (7) is formed, through which the electrical conduction path (5) for electrically connecting second thermal interaction zones (6) or two spring force devices (4), one of which on the top (20) and the other on the underside (21) of the substrate (2) is arranged, is guided.
10. Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 9, 10. Thermoelectric device according to claim 9,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
der elektrische Leitungspfad (5) zumindest im Bereich des Durchbruchs (7) als elektrischer Rundleiter ausgebildet ist.  the electrical conduction path (5) is formed at least in the region of the opening (7) as an electrical circular conductor.
1 1 hermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 1 1 hermoelectric device according to one of the preceding claims, characterized in that
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.  the spring force devices (4) and the electrical conduction paths (5) are alternately electrically connected in series with the respective thermal interaction zones (6), the thermal interaction zones (6) acting alternately as the hot side (18) and the cold side (19).
12. Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 12. Thermoelectric device according to one of the preceding claims, characterized in that
auf der Oberseite (20) und/oder auf der Unterseite (21 ) des Substrats (2) jeweils mehrere thermische Wechselwirkungszonen (6) angeordnet sind.  on the upper side (20) and / or on the underside (21) of the substrate (2) each have a plurality of thermal interaction zones (6) are arranged.
13. Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 13. Thermoelectric device according to one of the preceding claims, characterized in that
zumindest eine thermische Wechselwirkungszone (6) padartig ausgebildet ist. at least one thermal interaction zone (6) is pad-like.
14. Thermoelektrische Vornchtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 14. Thermoelectric Vornchtung according to any one of the preceding claims, characterized in that
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.  the interaction zone (6) is formed as a cover plate (11) or cover layer (12) of an electrically conductive material, preferably of a metal, most preferably of copper or of a copper alloy, which surrounds the substrate (2), in particular the upper side (2). 20) and / or the underside (21) of the substrate (2), partially covered.
15. Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 15. Thermoelectric device according to one of the preceding claims, characterized in that
die thermischen Wechselwirkungszonen (6) zusammen wenigstens 80%, vorzugsweise wenigstens 90%, höchst vorzugsweise wenigstens 95%, jeweils der Heißseite und/oder der Kaltseite abdecken.  the thermal interaction zones (6) together cover at least 80%, preferably at least 90%, most preferably at least 95%, in each case the hot side and / or the cold side.
16. Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 16. Thermoelectric device according to one of the preceding claims, characterized in that
die thermoelektrischen Elemente (3) mittels eines elektrisch isolierenden Klebstoffs auf der Oberseite (20) oder der Unterseite (21 ) des Substrats (2) befestigt sind.  the thermoelectric elements (3) are fixed by means of an electrically insulating adhesive on the upper side (20) or the underside (21) of the substrate (2).
17. Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 16, 17. Thermoelectric device according to one of claims 2 to 16,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Federkraftelemente (4a, 4b) aus einem Metall, vorzugsweise aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung, bestehen oder ein Metall, vorzugsweise Kupfer oder eine Kupferlegierung, umfassen.  the spring force elements (4a, 4b) consist of a metal, preferably of copper or of a copper alloy, or comprise a metal, preferably copper or a copper alloy.
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. 18. Thermoelectric device according to one of the preceding claims, characterized in that the substrate (2) comprises a first substrate body (2a) and a second substrate body (2b), preferably of a metal, between which, preferably sandwiched, a thermal insulation (2c) is arranged, wherein on one of the second substrate body (2b) opposite top side (16) of the first substrate body (2a) and on a side facing away from the first substrate body (2a) underside (17) of the second substrate body in each case at least one thermal interaction zone (6) is arranged.
19. Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 19. Thermoelectric device according to one of the preceding claims, characterized in that
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.  the at least one electrical conduction path (5) is formed at least in sections by a conductor track arranged in or on the substrate (2), which preferably consists of an electrically insulating material.
20. Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 20. Thermoelectric device according to one of the preceding claims, characterized in that
das Substrat (2) eine Leiterplatte umfasst oder ist.  the substrate (2) comprises or is a printed circuit board.
21 hermoelekthsche Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 21 hermoelekthsche device according to any one of the preceding claims, characterized in that
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.  on the substrate (2) an electronic circuit arrangement is arranged, which is electrically connected to at least one thermoelectric element (3), preferably with a plurality of thermoelectric elements, most preferably with all thermoelectric elements.
22.Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 21 , 22.Thermoelectric device according to claim 21,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
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. the electronic circuit arrangement comprises an electronic control unit for controlling the at least one thermoelectric element (3) or such an electronic control unit is or is part of such an electronic control unit.
23. Klimatisierungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine thermoelekt- rische Vorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. 23. An air conditioning device for a motor vehicle, comprising a thermoelectric device (1) according to one of the preceding claims.
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PCT/EP2018/075783 2017-09-22 2018-09-24 Thermoelectric device, in particular for an air-conditioning device of a motor vehicle WO2019057962A1 (en)

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