CN104253206A - 热电调温单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热电调温单元(1)，其具有至少一个第一珀耳帖元件(2)，该第一珀耳帖元件具有第一表面(11、12)和第二表面(11、12)，其中，所述第一表面(11、12)与所述第二表面(11、12)相邻或者相对设置，其中，所述珀耳帖元件(2)以所述第一表面(11、12)与第一盖板(3、4、4a、4b)连接并且以所述第二表面(11、12)与第二盖板(3、4、4a、4b)连接，其中，至少能够通过所述盖板中的一个盖板(3、4、4a、4b)供给热量并且能够通过另一个盖板(3、4、4a、4b)导出热量，其中，所述盖板中的至少一个盖板(3、4、4a、4b)沿着它的一个或两个延伸方向(22、33)具有变化的材料厚度，其中，借此形成至少一个具有最大材料厚度的区域(35)和一个具有最小材料厚度的区域(34)。

Description

热电调温单元
技术领域
本发明涉及一种热电调温单元，其具有至少一个第一珀耳帖元件，该珀耳帖元件具有第一表面和第二表面，其中，第一表面与第二表面相邻或者相对设置，其中，珀耳帖元件以第一表面与第一盖板连接并且以第二表面与第二盖板连接，其中，至少能够通过所述盖板中的一个盖板供给热量并且能够通过另一个盖板导出热量。
背景技术
具有附加电驱动装置或者全电驱动装置的机动车辆通常需要电能量储存器。在这些能量储存器中可以临时储存电能并保持电能可用。
根据工作情况和环境条件，这些能量储存器必须被加热或者冷却。这是必要的，特别是为了使能量储存器始终保持在规定的温度窗口内，在该温度窗口内，能量储存器最优地工作。过高的温度尤其可能导致能量储存器损坏和提早老化。过低的温度会对有效功率产生不利影响。
在现有技术中已知这样的调温单元，它们在利用珀耳帖元件的热电特性的条件下工作。在这里，珀耳帖元件或者由于外施电压而在它的两个界面上产生温差，或者由于存在温差而产生电压。
在任何一种情况下，珀耳帖元件总是具有温度水平高的一侧和相对而言温度水平较低的一侧。热电调温单元内的不同温度水平会产生热应力，这些热应力可能导致热电调温单元损坏。
现有技术中的解决方案的缺点特别是，没有采取足够的预防措施来防止热电调温单元中产生热应力或者至少将热应力减小至这样的程度，即，不会导致热电调温单元，特别是珀耳帖元件损坏，并且可实现沿着热电调温单元尽可能均匀的温度分布。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种热电调温单元，其适合于减小或者完全避免热应力的产生以及不利影响，和/或适合于产生更加均匀的温度分布。
本发明的目的通过一种具有权利要求1的特征的热电调温单元实现。
本发明的一个实施例涉及一种热电调温单元，其具有至少一个第一珀耳帖元件，该第一珀耳帖元件具有第一表面和第二表面，其中，第一表面与第二表面相邻或者相对设置，其中，珀耳帖元件以第一表面与第一盖板连接并且以第二表面与第二盖板连接，其中，至少能够通过所述盖板中的一个盖板供给能量并且能够通过另一个盖板导出热量，其中，所述盖板中的至少一个盖板沿着它的一个或两个延伸方向具有变化的材料厚度，其中，借此形成至少一个具有最大材料厚度的区域和一个具有最小材料厚度的区域。
珀耳帖元件有利地被设计成立方体。其第一表面和第二表面是两个相对的表面。此外，珀耳帖元件还被电接触，以能够根据应用目的产生加热作用或者冷却作用。
珀耳帖元件与盖板固定连接。在珀耳帖元件与盖板之间可以设置柔性连接层，该连接层用于吸收热电调温单元在工作中产生的热应力。但是，这种柔性层不是必要的。
变化的材料厚度在这里特别是指按照预定模式变化的材料厚度。该模式在这里可以是均匀的或者不均匀的。特别有利的是盖板为这样的匀称结构，即，具有最大材料厚度的区域和具有最小材料厚度的区域交替设置，并且盖板可以通过增加另外的具有最大材料厚度的区域和具有最小材料厚度的区域任意地缩放尺寸。
通过变化的材料厚度，可以实现一种特别有利的盖板设计。因此，特别是可以提高整个盖板上的温度均匀性，由此可以总体上减小由于热应力产生的机械负荷。
盖板大体上被理解为平面状材料延伸件。在这里得到在盖板平面内延伸的第一和第二延伸方向。材料厚度构成与该平面垂直的第三延伸方向，该第三延伸方向的尺寸比第一和第二延伸方向的尺寸小得多。
也可优选的是，在第一盖板与第二盖板之间设有多个珀耳帖元件，其中，珀耳帖元件相互隔开地设置在盖板之间。
珀耳帖元件相互隔开地设置是有利的。这特别是用于使整个盖板上的温度均匀分布。多个珀耳帖元件是特别有利的，以便能够在其有效功率方面调整热电调温单元。
此外还可优选的是，所述盖板中的至少一个盖板包括多个具有最大材料厚度的区域和多个具有最小材料厚度的区域，其中，具有最大材料厚度的区域被设计成台状区域，这些台状区域通过具有最小材料厚度的区域相互隔开。
这种盖板设计是特别有利的，因为特别是在盖板沿第一和第二延伸方向的延伸程度较大的情况下，通过设置多个具有最大材料厚度的区域和设置多个具有最小材料厚度的区域，可以使整个盖板上的温度均匀分布。当多个热量输入源，比如珀耳帖元件与盖板连接时，则特别属于这种情况。
也适宜的是，珀耳帖元件设置在盖板的具有最大材料厚度的区域上。
由于特别是在珀耳帖元件与盖板之间的接触面区域中进行最大热量输入，特别有利的是将那里的材料厚度设计成最大。以这种方式可以避免盖板的各个区域过热。
通过在接触面区域中的这种热量输入，在盖板上形成这样的热量分布，即，盖板具有高热量区域和低热量区域。所谓的盖板的“热中性纤维”位于较低热量区域中，该较低热量区域特别是位于接触面之间。这些中性纤维优选位于盖板的具有最高热量输入的点之间的中间位置上。
此外还可优选的是，在具有最大材料厚度的区域之间设有腹板状元件，这些腹板状元件提高了盖板特别是在具有较小材料厚度的区域中的稳定性。
这些腹板状元件提高了盖板的由于材料厚度减小而局部减小的强度。因此，总体上能够形成更加稳定的盖板。设置腹板状元件以提高盖板强度是特别有利的，因为需要比由均匀材料厚度的实心材料构成的盖板明显更少的材料。这种用于增强盖板的方法有利于获得盖板的轻型结构。
也有利的是，通过具有最小材料厚度的区域在具有最大材料厚度的区域之间形成通道状区域，这些通道状区域被腹板状元件部分地或者完全地断开。
通道状区域是特别有利的，因为流体比如空气可以流过它们并且因此可以额外地促进热量输送。优选位于珀耳贴元件与盖板之间的接触区域之外的通道状区域形成较低温度区域。这是特别有利的，以便将优选设置在较低温度水平区域中的元件连接到盖板的相对侧上。
根据本发明的一种特别有利的改进方案，可以规定，具有最大材料厚度的区域沿盖板的一个延伸方向以第一间距相互隔开，具有最大材料厚度的区域沿盖板的另一个延伸方向以第二间距相互隔开，其中，第一间距大于第二间距。
通过改变沿两个延伸方向的间距，还可以对沿着盖板的热量分布进行影响。盖板内的热量分布可以特别是根据珀耳帖元件在盖板的一侧上的设置和电池元件在盖板的另一侧上的设置进行影响。
此外还适宜的是，在一个具有最大材料厚度的区域与一个邻接的具有最小材料厚度的区域之间的过渡部分稳定且均匀地延伸。
稳定且均匀特别是指，在过渡部分中不存在尖锐状的台阶或突起，这些台阶或突起会对热量分布产生不利影响。角和棱可能导致在材料中蓄热，从而导致不均匀的热量分布并且可能导致所谓的“热点”的产生。
此外还可优选的是，珀耳帖元件借助于粘接剂与所述盖板中的至少一个盖板连接，其中，热应力能够通过粘接剂进行补偿热。
用于将珀耳帖元件连接到所述盖板中的至少一个盖板上的粘接剂是特别有利的，因为一方面确保了简单的装配过程而且还可以通过粘接剂对所产生的一定比例的应力进行补偿。根据期望应力，有利地选择粘接剂，使得除了耐疲劳强度要求和温度一致性之外，对可能由于热应力而产生的机械应力的最大吸收能力也被设计成足够大。有利地，粘接剂在这里具有高导热性。这例如可以通过引入用来提高导热性的颗粒来增强。
此外还可以是特别有利的是，所述盖板中的一个盖板与至少一个电磁元件热接触，其中，相应的另一个盖板与换热器热接触，其中，该换热器能够被可主动调温的流体流过。
以这种方式，可以通过主动加热流体向电池元件供给热量。向电池元件供给的热量是主动调温流体的热量和珀耳帖元件的加热功率的总和。可替代地，电池元件可以通过以下方式进行冷却：热量被从电池元件经由珀耳帖元件输送到流体，其中，热量被流体从热电加热单元带走。
本发明的有利改进方案在从属权利要求中和在随后的附图描述中进行描述。
附图说明
下面借助于实施例参照附图对本发明进行详细说明。在附图中：
图1示出了热电调温单元的示意图，其中，该热电调温单元与可以用来散热或者供热的流体回路连接；
图2示出了具有不均匀材料厚度的盖板的局部视图；
图3示出了盖板的立体图，其中，该盖板具有材料厚度不同的区域并且在具有最大材料厚度的区域之间设有腹板状元件，以及
图4示出了热电调温单元的立体图，其中，使用了具有不均匀材料厚度的盖板。
具体实施方式
图1示出了热电调温单元1的示意图。在图1中用剖视图示出了热电调温单元1并且由于只要示出热电调温单元1的原理，因此它没有被完整地示出。
在热电调温单元1上方设有多个电池元件5，热电调温单元1用于对这些电池单元进行调温。热电调温单元1主要包括多个珀耳帖元件2，这些珀耳帖元件能够通过施加电压将热量从它们的一个外表面输送至相对的外表面。因此，可以对电池元件5进行冷却或者加热。在这里，热量可以通过流体回路7供给或者导出。
为此，珀耳帖元件2的第一表面12与换热器6的流动通道处于热接触。换热器6构成与流体回路7相接的接口，并且例如可以由被流体流过的管子构成。流体例如可以是空气或者液体。在图1所示的实施例中，第一表面12与换热器的连接通过一个盖板3实现，该盖板作为中间元件设置在换热器6的流动通道与珀耳帖元件2之间。
可替代地，通过将珀耳帖元件放置在换热器的流动通道上而不设置中间元件，也可以使其直接与换热器形成导热连接。
珀耳帖元件2的与第一表面12相对的第二表面11与另一个盖板4处于热接触。在盖板4上方设有多个电池元件5。由这些电池元件5散发的热量通过珀耳帖元件2被输送到珀耳帖元件2与流体回路7的接触位置，然后被散发到在流体回路7中流动的流体中。在加热工作模式中，热量相应地从流体回路7输送到电池元件5。来自流体回路7的热量还可以通过珀耳帖元件2的加热功率得到增强。
散发到流体回路7的流体中的热量随后通过换热器8散发到环境中，该换热器8通过一鼓风机10向其提供空气流9。流体回路7的结构以及在其中所包含的位于热电调温单元1之外的组成部分不是本发明的内容，因此不再进行详细描述。
图2示出了盖板4a的局部剖示图。在图2的局部剖示图中尤其可以看到，存在一个具有最大材料厚度的区域35和一个具有最小材料厚度的区域34。具有最大材料厚度的区域35特别是指与珀耳帖元件接触的区域。珀耳帖元件在图2中未示出。
在具有最大材料厚度的区域35中输入最多热量，因为珀耳帖元件在该区域中与盖板4a连接。特别地，在具有最小材料厚度的区域34中设有热中性纤维，这些热中性纤维构成盖板4a内产生的热应力的一种零位线。这些热中性纤维通常位于两个具有高热量输入的区域之间的中间位置上。
位于具有最小材料厚度的区域34与具有最大材料厚度的区域35之间的过渡部分以尽可能平滑的方式示出，省去了尖锐的台阶和棱。理想地，对于过渡部分的设计应当规定采用不小于10mm的曲率半径。省去尖锐的棱、台阶以及角特别是对盖板4a上的均匀温度分布是有利的，这通过所示的热流矢量场得到说明。
图3示出了盖板4b的另一种替代设计方案。图3示出了朝盖板4b的底侧看的视角，珀耳帖元件可以与该底侧连接。特别是可以看到具有最大材料厚度的区域35以及具有最小材料厚度的区域34。
在图3的实施例中，十二个具有最大材料厚度的区域35设置在4*3的网格中，这些区域用于连接珀耳帖元件2。盖板4b可以超出在图3中所示的部分继续延伸。盖板4b通常具有对称结构并且可以沿两个延伸方向22、33以任意程度进行缩放。
在具有最大材料厚度的区域35与具有最小材料厚度的区域34之间设有过渡区域42，这些过渡区域与在图2中所示的走向相类似地从具有最大材料厚度区域35过渡到具有最小材料厚度的区域34。
具有最小材料厚度的区域34在具有最大材料厚度的区域35之间形成通道状的区域。具有最大材料厚度的区域35在其中一个延伸方向22上以第一间距43相互隔开，在另一个延伸方向23上以第二间距44相互隔开。通过间距43、44可以使盖板4b适应于待连接的元件(比如珀耳帖元件2或电池元件5)的具体要求。通过这些间距43、44尤其可以对沿着盖板4b的热量分布产生影响。
在具有最大材料厚度的区域35之间、沿盖板4b的一个延伸方向22设有多个腹板状元件40。沿另一个延伸方向23，在具有最大材料厚度的区域35之间设有腹板状元件41。这些腹板状元件40以及41用于对由具有最小材料厚度的区域34在盖板4b中引起的强度损失进行补偿。
通过腹板状元件40以及41，盖板4b可以达到与不具有不同材料厚度的盖板相似的基本强度。腹板状元件40、41可以跨越具有最大材料厚度的区域35之间形成的凹槽的整个高度或者仅跨越该高度的一部分。
特别是在通过腹板状元件41桥接的区域中可以看到，从具有最大材料厚度的区域35到具有最小材料厚度的区域34的过渡部分无锐边地延伸。如已在图2中所示的，所有过渡部分被修圆并且具有不小于10mm的曲率半径。
具有最大材料厚度的区域35被设计成台状区域。台状区域的朝上的表面是正方形的。该表面利于与所使用的珀耳帖元件的造型相匹配。
图4示出了热电调温单元1的另一种替代实施例。图4的热电调温单元1具有已在图3中进行描述的盖板4b。
盖板4b被设计成使得在珀耳帖元件2之间延伸的通道52以及53具有这样一种轮廓，即，向下朝向盖板3的轮廓呈直线延伸，向上朝向盖板4b的轮廓呈弧形延伸。沿延伸方向22、23延伸的通道52、53由具有最小材料厚度的区域34构成。
沿着通道52设有腹板状元件40。在通道53中设有腹板状元件41。如针对图3已经描述的那样，这些腹板状元件用于提高盖板4b的强度。
沿着较窄的通道53，特别是在与通道52的交叉点处，设有漏斗状过渡部分51，这些漏斗状过渡部分由通道52以及53的曲率半径产生。
在盖板4b的顶侧上示出了一个电池元件5。在一种替代实施方式中，也可以在盖板上设置多个电池元件。
通过盖板4b的设计，特别是可获得一种具有高温度均匀性的盖板。通过不同的材料厚度，可以对温度分布产生影响。此外，不同的材料厚度已经提供了一种用来吸收热应力的改进的可能方案，因为随着材料厚度的不同，各个区域的强度也将不同。
图1至4的实施例的各个特征可以相互组合。所示的实施例不具有限制性。这特别是在例如珀耳帖元件的几何设计、尺寸和材料选择以及沿延伸方向22和/或沿延伸方向23的数量之类的参数方面适用。图1至4具有示例性并且用于说明发明构思。它们不会产生限制作用。

Claims (10)

1.热电调温单元(1)，其具有至少一个第一珀耳帖元件(2)，该第一珀耳帖元件具有第一表面(11、12)和第二表面(11、12)，所述第一表面(11、12)与所述第二表面(11、12)相邻或者相对设置，所述珀耳帖元件(2)以所述第一表面(11、12)与第一盖板(3、4、4a、4b)连接并且以所述第二表面(11、12)与第二盖板(3、4、4a、4b)连接，至少能够通过所述盖板中的一个盖板(3、4、4a、4b)供给热量并且能够通过另一个盖板(3、4、4a、4b)导出热量，其特征在于，所述盖板中的至少一个盖板(3、4、4a、4b)沿着它的一个或者两个延伸方向(22、33)具有变化的材料厚度，其中，借此形成至少一个具有最大材料厚度的区域(35)和一个具有最小材料厚度的区域(34)。
2.如权利要求1所述的热电调温单元(1)，其特征在于，在所述第一盖板(3、4、4a、4b)与所述第二盖板(3、4、4a、4b)之间设有多个珀耳帖元件(2)，所述珀耳帖元件(2)相互隔开地设置在所述盖板(3、4、4a、4b)之间。
3.如前述权利要求中任一项所述的热电调温单元(1)，其特征在于，所述盖板中的至少一个盖板(3、4、4a、4b)包括多个具有最大材料厚度的区域(35)和多个具有最小材料厚度的区域(34)，其中，所述具有最大材料厚度的区域(35)被设计成台状区域，所述台状区域通过具有所述最小材料厚度的区域(34)相互隔开。
4.如前述权利要求中任一项所述的热电调温单元(1)，其特征在于，所述珀耳帖元件(2)设置在所述盖板(3、4、4a、4b)的具有最大材料厚度的区域(35)上。
5.如前述权利要求中任一项所述的热电调温单元(1)，其特征在于，在所述具有最大材料厚度的区域(35)之间设有腹板状元件(40、41)，所述腹板状元件提高了所述盖板(4b)特别是在具有较小材料厚度的区域中的稳定性。
6.如权利要求5所述的热电调温单元(1)，其特征在于，通过所述具有最小材料厚度的区域(34)在所述具有最大材料厚度的区域(35)之间形成通道状区域(52、53)，所述通道状区域被所述腹板状元件(40、41)部分地或者完全地断开。
7.如前述权利要求中任一项所述的热电调温单元(1)，其特征在于，所述具有最大材料厚度的区域(35)在所述盖板(4b)的一个延伸方向(22)上以第一间距(43)相互隔开，所述具有最大材料厚度的区域(35)在所述盖板(4b)的另一个延伸方向(23)上以第二间距(44)相互隔开，其中，所述第一间距(43)大于所述第二间距(44)。
8.如前述权利要求中任一项所述的热电调温单元(1)，其特征在于，具有最大材料厚度的区域(35)与邻接的具有最小材料厚度的区域(34)之间的过渡部分稳定地且均匀地延伸。
9.如前述权利要求中任一项所述的热电调温单元(1)，其特征在于，所述珀耳帖元件(2)借助于粘接剂与所述盖板中的至少一个盖板(3、4、4a、4b)连接，其中，热应力能够通过所述粘接剂进行补偿。
10.如前述权利要求中任一项所述的热电调温单元(1)，其特征在于，所述盖板中的一个盖板(3、4、4a、4b)与至少一个电池元件(5)热接触，相应的另一个盖板(3、4、4a、4b)与换热器(6)热接触，其中，所述换热器(6)能够被可主动调温的流体流过。
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