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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Temperiervorrichtung zur Temperierung einer Komponente, wobei die Komponente insbesondere eine elektrische und/oder eine elektronische Komponente ist, mit einem Rohr und mit einem Gehäuseelement, wobei das Rohr von einem ersten Fluid durchströmbar ist und die Temperiervorrichtung von einem zweiten Fluid umströmbar ist.
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Stand der Technik
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Um elektrische und elektronische Komponenten, welche vermehrt in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, bedarfsgerecht zu kühlen oder zu erwärmen, müssen Vorrichtungen vorgesehen werden, die dies erlauben. Um den Energieverbrauch der Systeme möglichst gering zu halten, ist es notwendig eine möglichst gute thermische Anbindung der zu kühlenden und der zu erwärmenden Komponenten zu realisieren.
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Gleichzeitig besteht jedoch die Anforderung die zu kühlenden oder zu erwärmenden Komponenten elektrisch isoliert zu verbauen und an eine Temperiervorrichtung anzuschließen, um Kurzschlüsse und Funktionsbeeinträchtigungen zu vermeiden.
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Um Wärme zu einer solchen Komponente zu fördern oder Wärme von dieser weg zu fördern, können thermoelektrisch aktive Materialien eingesetzt werden. Zu diesen zählen beispielsweise Peltierelemente. Diese können entweder durch eine angelegte Spannung eine definierte Wärmemenge transportieren oder aufgrund eines an den Grenzflächen des Peltierelementes herrschenden Temperaturgefälles eine Spannung erzeugen. Peltierelemente können dabei vorteilhafterweise mit einer ihrer Grenzflächen an einen Fluidkreislauf angebunden werden. Durch den Fluidkreislauf kann dabei ein aktiv temperierbares Medium strömen. Über die Peltierelemente kann dann ein Wärmetransport von oder zu der zu kühlenden oder zu erwärmenden Komponente vom oder zum Fluid des Fluidkreislaufes erzeugt werden.
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Nachteilig an den Lösungen im Stand der Technik ist insbesondere das der Wärmedurchgangswiderstand zwischen den thermoelektrisch aktiven Materialien, wie beispielsweise den Peltierelementen und der Wärmequelle bzw. Wärmesenke nicht optimal gestaltet ist. Auch ist die Anbindung der thermoelektrisch aktiven Materialien oft komplex und aufwendig. Außerdem sind die Maßnahmen, welche gegen das Auftreten bzw. die Auswirkung von thermomechanischen Spannungen getroffen werden, oft nicht optimal.
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Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Temperiervorrichtung bereitzustellen, die gegenüber den Lösungen im Stand der Technik optimiert ist. Insbesondere soll eine bessere Anbindung der zu erwärmenden oder zu kühlenden Komponente an eine Wärmequelle oder Wärmesenke erreicht werden und eine Erhöhung der Widerstandsfähigkeit gegen thermomechanische Spannungen.
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Die Aufgabe der Temperiervorrichtung wird durch eine Temperiervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Temperiervorrichtung zur Temperierung einer Komponente, wobei die Komponente insbesondere eine elektrische und/oder eine elektronische Komponente ist, mit einem Rohr und mit einem Gehäuseelement, wobei das Rohr von einem ersten Fluid durchströmbar ist und die Temperiervorrichtung von einem zweiten Fluid umströmbar ist, wobei das Gehäuseelement durch einen topfartigen Deckel gebildet ist, welcher mit dem Rohr verbunden ist und einen Aufnahmebereich für die Komponente ausbildet, in welchen die Komponente aufgenommen ist.
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Die Gestaltung ist besonders vorteilhaft, da sich durch einfach gestaltete und leicht erzeugbare Elemente eine wirkungsvolle Temperiereinheit erzeugen lässt. Eine Temperiereinheit ist hierbei sowohl zur Zuführung von Wärme an eine Komponente als auch zur Abführung von Wärme von einer Komponente weg verwendbar. Die Richtung des Wärmetransports ist dabei unter anderem durch die Temperaturniveaus der Fluide und die Wärmeentstehung an der zu temperierenden Komponenten beeinflusst.
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Weiterhin ist es zu bevorzugen, wenn die Komponente durch ein thermoelektrisches Modul gebildet ist, wobei das thermoelektrische Modul ein Modulgehäuse mit zumindest zwei gegenüberliegenden ersten Wandungen aufweist, wobei zwischen den ersten Wandungen des Modulgehäuses eine Mehrzahl thermoelektrischer Elemente angeordnet ist, wobei die thermoelektrischen Elemente gegenüberliegende Flächen aufweisen, die jeweils mit einer der ersten Wandungen des Modulgehäuses des thermoelektrischen Moduls in thermischen Kontakt stehen, wobei die thermoelektrischen Elemente über Leitungsbrücken zumindest teilweise elektrisch miteinander verbunden sind.
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Ein thermoelektrisches Modul zeichnet sich durch die Verwendung von thermoelektrisch aktiven Materialien aus. Diese besitzen die Eigenschaft entweder aufgrund eines anliegenden Temperaturgefälles eine Spannung zu erzeugen oder durch das Anlegen einer Spannung ein Temperaturgefälle durch Wärmetransport zu erzeugen. Das thermoelektrische Modul ist dabei vorteilhafterweise als abgeschlossene Baueinheit gebildet, wobei die thermoelektrisch aktiven Materialien in einem Modulgehäuse eingefasst sind.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn das Gehäuseelement eine erste Aussparung aufweist, wobei die Aussparung an einer von dem zweiten Fluid überströmten Fläche der Temperiervorrichtung angeordnet ist.
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Weiterhin kann es besonders vorteilhaft sein, wenn das Rohr eine zweite Aussparung aufweist, wobei die zweite Aussparung an einer von dem ersten Fluid überströmten Fläche des Rohrs angeordnet ist.
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Durch Aussparungen kann die thermische Anbindung der Fluide an die zu temperierende Komponente verbessert werden. Der dem Wärmeübertrag entgegengesetzte Widerstand ist dadurch verringert, wodurch insgesamt die Effizienz der Vorrichtung erhöht werden kann.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente mit dem Gehäuseelement am Randbereich der ersten Aussparung fluiddicht verbunden ist und/oder das Gehäuseelement fluiddicht mit dem Rohr verbunden ist.
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Über eine fluiddichte Verbindung lässt sich ein ungewollter Kontakt zwischen den Fluiden und den elektrisch nicht isolierten Komponenten vermeiden. Durch eine fluiddichte Verbindung können nicht durchströmte Bereiche innerhalb der Temperiervorrichtung erzeugt werden.
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Auch ist es zu bevorzugen, wenn die Komponente Oberflächenvergrößerungselemente aufweist, wobei die Oberflächenvergrößerungselemente an einer Fläche angeordnet sind, welche mit dem ersten Fluid überströmt wird, und/oder an einer Fläche angeordnet sind, welche von dem zweiten Fluid überströmt wird.
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Oberflächenvergrößerungselemente, wie beispielsweise Rippen, können insgesamt zu einem verbesserten Wärmeübertrag beitragen, wodurch die Effizienz der Temperiervorrichtung erhöht werden kann.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn im Rohr zumindest ein thermisches Entkopplungselement vorgesehen ist, welches den Fluidstrom des ersten Fluids auf einen Teilbereich des Rohres beschränkt.
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Über ein thermisches Entkopplungselement kann die Strömung des Fluids innerhalb des Rohres beeinflusst werden. Es können nicht oder nur wenig durchströmte Bereiche erzeugt werden, welche beispielsweise als thermischer Puffer dienen können.
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In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das Gehäuseelement und/oder das Rohr eine elektrisch isolierende Schicht an zumindest einer der Komponente zugewandten Fläche aufweisen.
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Elektrisch isolierende Schichten können beispielsweise durch keramische Stoffe erzeugt werden, welche auf zu isolierende Flächen aufgebracht werden. Durch elektrische Isolationen können Kurzschlüsse und damit Beschädigungen der Temperiervorrichtung vermieden werden.
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Weiterhin ist es zu bevorzugen, wenn das Modulgehäuse zweite Wandungen aufweist, welche mit den beiden ersten Wandungen das Modulgehäuse fluiddicht abschließen.
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Auf diese Weise kann das Innenleben eines Modulgehäuses, insbesondere die thermoelektrischen Module und die Leitungsbrücken, von Einwirkungen eines Fluids geschützt werden. Dies ist der Vermeidung von Kurzschlüssen dienlich.
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Auch kann es zweckmäßig sein, wenn zumindest eine der zweiten Wandungen durch ein keramisches Wandelement oder ein metallisches Wandelement gebildet ist.
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Durch solche Wandelemente kann eine fluiddichte Abdichtung des Modulgehäuses erreicht werden. Keramische Wandelemente bieten den Vorteil, dass zusätzlich eine elektrische Isolation durch ihre Verwendung erreicht wird.
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Darüber hinaus ist es zu bevorzugen, wenn die zweiten Wandungen fluiddicht mit den ersten Wandungen verbunden sind und/oder fluiddicht mit dem Gehäuseelement verbunden sind und/oder fluiddicht mit dem Rohr verbunden sind.
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Dies ist insbesondere vorteilhaft, um das Entstehen von Kurzschlüssen und Beschädigungen der Temperiervorrichtung zu verhindern.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die ersten Wandungen einseitig oder beidseitig elektrisch isolierend beschichtet sind.
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Eine weitere Ausführungsform kann dadurch gekennzeichnet sein, dass eine der ersten Wandungen durch das Gehäuseelement gebildet ist und die zweite der ersten Wandungen durch das Rohr gebildet ist oder dadurch, dass eine der ersten Wandungen durch das Gehäuseelement gebildet ist und die zweite erste Wandung durch ein plattenartiges Element gebildet ist.
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Je nach Gestaltung des Rohres und des Gehäuseelementes können unterschiedliche Konfigurationen des Modulgehäuses realisiert werden. Für den Fall, dass in den Gehäuseelementen und den Rohren keine Aussparungen vorgesehen sind, kann ein besonders einfacher Aufbau des Modulgehäuses erreicht werden. Durch die Minimierung der benötigen Teilezahl, kann insgesamt ein kostengünstigerer Aufbau erreicht werden.
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In einer alternativen Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass das Rohr durch ein Flachrohr gebildet ist, welches zwei sich gegenüberliegende Breitseiten aufweist, welche über zwei sich gegenüberliegende Schmalseiten miteinander verbunden sind, wobei jede der Breitseiten fluiddicht mit jeweils einem Gehäuseelement verbunden ist und ein Aufnahmebereich für eine Komponente zwischen jeweils einer Breitseite und einem Gehäuseelement ausgebildet ist, in welchen eine Komponente eingesetzt ist.
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Das Vorsehen von zu temperierenden Elementen auf beiden Seiten des Flachrohrs ist insbesondere vorteilhaft, da auf diese Weise eine optimierte Wärmeübertragung realisiert werden kann. Außerdem ist eine solche Anordnung besonders vorteilhaft, da keine Grenzflächen existieren, die einerseits von dem ersten Fluid umströmt werden und andererseits von dem zweiten Fluid umströmt werden. Dies wäre energetisch nicht effizient, da der Wärmetransport lediglich über diese Grenzfläche stattfinden würde und nicht die maximal mögliche Heizleistung oder Kühlleistung am zu temperierenden Element erreicht werden könnte.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht einer Temperiervorrichtung,
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2 eine Schnittansicht einer Temperiervorrichtung gemäß 1,
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3 eine Explosionsdarstellung der Temperiervorrichtung gemäß der 1 und 2,
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4 eine perspektivische Ansicht eines Oberflächenvergrößerungselementes, welches in das Flachrohr eingesetzt werden kann, um den Wärmeübertrag von einem Fluid auf die Temperiervorrichtung zu erhöhen,
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5 eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausgestaltung einer Temperiervorrichtung,
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6 eine schematische Ansicht einer Temperiervorrichtung, wobei insbesondere die unterschiedlichen Lagen der Temperiervorrichtung dargestellt sind,
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7 eine perspektivische Schnittansicht durch eine Temperiervorrichtung gemäß der 5,
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8 eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausgestaltung einer Temperiervorrichtung,
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9 eine Schnittansicht durch eine Temperiervorrichtung gemäß 8,
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10 eine schematische Ansicht einer Temperiervorrichtung zur Temperierung einer elektronischen Komponente, wie beispielsweise einem Halbleiter,
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11 eine Schnittansicht durch ein thermoelektrisches Modul, wobei das Modul seitlich durch ein Wandelement begrenzt ist,
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12 eine Schnittansicht einer alternativen Ausgestaltung eines thermoelektrischen Moduls mit einer alternativen Ausgestaltung eines seitlich begrenzenden Wandelementes, und
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13 eine weitere Schnittansicht einer alternativen Ausgestaltung eines thermoelektrischen Moduls mit einer alternativen Ausgestaltung eines seitlich begrenzenden Wandelementes.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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Die 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Temperiervorrichtung 1. Die Temperiervorrichtung 1 ist im Wesentlichen aus einem Gehäuseelement 2 gebildet, welches auf ein Rohr 3 aufgesetzt ist. In der 1 ist eine Temperiervorrichtung 1 dargestellt, die sowohl auf der Oberseite als auch auf der Unterseite des Rohres 3 jeweils ein Gehäuseelement 2 aufweist. Die nachfolgende Beschreibung beschränkt sich jeweils auf die Ausführung des oberen Bereichs der Temperiervorrichtung 1, da der untere Bereich spiegelsymmetrisch zum oberen Bereich ausgeführt ist.
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Das Gehäuseelement 2 ist topfartig ausgebildet und weist an seinem unteren Ende einen Flanschbereich 10 auf, welcher umlaufend um den topfartigen Körper des Gehäuseelementes 2 ausgebildet ist. Der Flanschbereich 10 dient als Anbindungsfläche zu dem Rohr 3.
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Zwischen dem Rohr 3 und dem Gehäuseelement 2 ist ein Aufnahmebereich ausgebildet, in welchen eine Komponente 4 eingesetzt ist. Bei der Komponente 4 kann es sich beispielsweise um ein thermoelektrisches Modul oder eine andere elektrische oder elektronische Komponente handeln.
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Die Komponente 4 weist an einer ersten Wandung 30 zwei Öffnungen 5 auf, durch welche eine elektrische Kontaktierung der Komponente 4 erfolgen kann. Zwischen der ersten Wandung 30 und einer Innenfläche des Gehäuseelementes 2 ist eine Verbindungsschicht 7 vorgesehen. Diese Verbindungsschicht 7 dient zur fluiddichten Verbindung der Komponente 4 mit dem Gehäuseelement 2. Vorteilhafterweise ist die Verbindungsschicht 7 durch einen Silikonkleber gebildet. Der Silikonkleber bietet den Vorteil, dass auch mechanische Störgrößen und thermomechanische Spannungen von diesem aufgenommen werden können und somit eine sichere Verbindung zwischen der Komponente 4 und dem Gehäuseelement 2 gewährleistet ist.
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Das Gehäuseelement 2 weist eine Aussparung 6 auf, welche rechteckförmig in der nach oben gewandten Fläche des Gehäuseelementes 2 angeordnet ist. Die Aussparung 6 wird von der ersten Wandung 30 der Komponente 4 vollflächig überdeckt.
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Das Rohr 3 ist von einem ersten Fluid 8 durchströmbar. Die Temperiervorrichtung 1 ist als Ganzes von einem zweiten Fluid 9 umströmbar.
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Die 2 zeigt einen Schnitt durch die Temperiervorrichtung 1, welche bereits in 1 dargestellt ist.
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In 2 ist insbesondere der innere Aufbau der Komponente 4 zu erkennen. Im Inneren der Komponente 4 ist eine Mehrzahl von thermoelektrisch aktiven Materialien 20 angeordnet. Diese sind quaderförmig ausgebildet und in Reihen parallel zueinander angeordnet. Jeweils zwei zueinander benachbarte thermoelektrisch aktive Materialien 20 sind über eine Leitungsbrücke 21 elektrisch leitend miteinander verbunden. Auf diese Weise sind die innerhalb der Komponente 4 angeordneten thermoelektrisch aktiven Materialien 20 in Reihe elektrisch miteinander verschaltet.
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Die thermoelektrisch aktiven Materialien 20 sind über die Leitungsbrücken 21 an die sich gegenüberliegenden ersten Wandungen 30 der Komponente 4 angebunden. Über die Leitungsbrücken 21 und die ersten Wandungen 30 kann ein thermischer Austausch zwischen den thermoelektrisch aktiven Materialien 20 und beispielsweise dem Fluid 9 außerhalb der Temperiervorrichtung 1 oder dem Fluid 8 im Inneren des Rohres 3 stattfinden.
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Im Schnitt der 2 ist weiterhin zu erkennen, dass zwischen der ersten Wandung 30 und dem Gehäuseelement 2 die Verbindungsschicht 7 vorgesehen ist. Diese ist vollständig um die Aussparung 6 umlaufend und stellt eine fluiddichte Verbindung zwischen der Komponente 4 und dem Gehäuseelement 2 dar.
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Die untere erste Wandung 30 ist mit einer Außenfläche des Rohres 3 ebenfalls verbunden. Die Verbindung kann in einer vorteilhaften Ausführung ebenfalls durch einen Silikonkleber realisiert werden, wodurch eine fluiddichte Verbindung zwischen dem Rohr 3 und der unteren ersten Wandung 30 entsteht. Eine fluiddichte Verklebung zwischen dem Rohr 3 und der unteren ersten Wandung 30 ist jedoch nicht zwingend.
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Zwischen den jeweils äußeren thermoelektrisch aktiven Materialien 20 und der Innenfläche des Gehäuseelementes 2 kann sich ein Hohlraum bilden, welcher beispielsweise mit Luft gefüllt ist und der thermischen Isolation nach außen hin dient.
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Durch die fluiddichte Verbindung zwischen dem Flanschbereich 10 und einer Außenfläche des Rohres 3 ergibt sich eine Trennung des ersten Fluids 8, welches durch das Rohr 3 strömt und des zweiten Fluids 9, welches die Temperiervorrichtung 1 im Ganzen umströmt.
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Im Rohr 3 der 2 ist eine Mehrzahl von Rippenelementen 22 dargestellt. Diese sind aus einer Grundplatte 23 ausgeschnitten und in einem 90° Winkel ausgebogen. Die Grundplatten 23 ist dabei innerhalb einer Aussparung 26 des Rohres 3 an den jeweils ersten Wandungen 30 der Komponente 4 angeordnet. Zwischen der Grundplatte 23 und der ersten Wandung 30 kann jeweils eine Verbindungsschicht vorgesehen werden.
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In der Darstellung der 2 ist sowohl an der unteren Komponente 4 als auch an der oberen Komponente 4 jeweils eine Grundplatte 23 mit Rippenelementen 22 angeordnet. Diese sind identisch ausgebildet und um 180° verdreht zueinander an der jeweiligen Komponente 4 angeordnet.
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Jede der Grundplatten 23 ist an einem ihrer Endbereiche derart abgewinkelt, dass ein thermisches Entkopplungselement gebildet wird, welches einen mittleren Bereich des Rohres 3 von einem Randbereich thermisch abtrennt. Im Ausführungsbeispiel der 2 ist dies durch eine Umbiegung der Grundplatte 23 erreicht. Dadurch wird eine Wandung erzeugt, welche den zentralen Bereich des Rohres 3 von seitlichen Strömungsbereichen 25 abtrennt. Die Trennung durch das thermische Entkopplungselement 24 kann fluiddicht ausgeführt sein, muss aber nicht zwingend fluiddicht sein. Die thermisch abgetrennten Bereiche 25 sind vorteilhafterweise mit Luft gefüllt und bilden somit eine thermische Isolation nach außen hin.
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Die ersten Wandungen 30 können vorteilhafterweise aus einem Material wie Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid oder Aluminiumoxid-Zirkonoxid oder einem Aluminiumnitrid-Material oder einer Legierung der oben genannten Materialien gebildet sein. Das Gehäuseelement 2 kann vorteilhafterweise aus einem austenitischen oder einem ferritischen Edelstahl oder aus Aluminium oder aus einem Kunststoffmaterial gebildet sein. Das Rohr 3 ist vorteilhafterweise ebenfalls aus einem austenitischen oder ferritischen Edelstahl oder einem Aluminiumwerkstoff oder einem Kunststoffmaterial gefertigt.
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Das Fluid 8, welches durch das Rohr 3 strömt, ist vorteilhafterweise das Fluid mit dem höheren Temperaturniveau. Dementsprechend wird die Temperiervorrichtung 1 insgesamt von dem Fluid 9, welches im Vergleich zum Fluid 8 ein niedrigeres Temperaturniveau aufweist, umströmt. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da die Verbindungsschicht 7, welche vorteilhafterweise ein Silikonkleber ist, so nicht unnötigen hohen Temperaturen ausgesetzt wird.
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Die Verbindung zwischen dem Gehäuseelement 2 und dem Rohr 3 im Bereich des Flansches 10 ist vorteilhafterweise durch eine Laserschweißung gebildet. Die Rippenelemente 22 bzw. die Grundplatte 23 ist vorteilhafterweise über eine Lötung oder eine Aktivmetalllötung an die ersten Wandungen 30 angebunden. Die Rippenelemente 22 bzw. die Grundplatte 23 sowie das thermische Entkopplungselement 24 bestehen dabei vorteilhafterweise aus einem Edelstahl. Alternativ können auch andere metallische Materialien vorgesehen sein oder ein Grundmaterial mit einer metallischen Beschichtung beschichtet sein.
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Die Rippenelemente 22 der 2 sind lediglich beispielhaft. In alternativen Ausführungsformen kann beispielsweise auch ein Wellrippenelement in das Rohr 3 eingelegt bzw. in diesem befestigt werden.
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Um eine dauerhafte Verbindung zwischen den Rippenelementen 22 bzw. der Grundplatte 23 und der ersten Wandung 30 herstellen zu können, kann es erforderlich sein, die erste Wandung 30 auf der den Rippenelementen 22 zugewandten Seite zusätzlich zu beschichten bzw. zu metallisieren. Hierzu ist es beispielsweise vorsehbar eine Kupferschicht aufzutragen oder eine Nickelschicht oder eine Kupfersilberschicht oder eine Silberschicht. Zur Verbindung zwischen der ersten Wandung 30 und der Berippung 22 bzw. der Grundplatte 23 können vorzugsweise Nickel oder Legierungen aus Silber und Kuper bzw. titanbasierte Lote zum Einsatz kommen.
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Die 3 zeigt eine Explosionsdarstellung der Temperiervorrichtung 1, wie sie in den 1 und 2 dargestellt ist. Die Bezugszeichen der einzelnen Elemente stimmen mit denen der 1 und 2 überein. Zusätzlich ist in der 3 eine zweite Wandung 31 zu erkennen, welche im Verbund mit den ersten Wandungen 30 die Komponente 4 in alle Raumrichtungen abschließt. Mit dem Bezugszeichen 32 ist weiterhin eine Verbindungsschicht dargestellt, mit welcher die erste Wandung 30 der Komponente 4 an einer Außenfläche des Rohres 3 angebunden werden kann.
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Die 4 zeigt eine Darstellung des Rippenelementes, wie es bereits in den 1 bis 3 angedeutet ist. Zu erkennen ist, dass die einzelnen Rippenelemente 22 aus einer rechteckigen Grundplatte 23 ausgebogen sind. Hierzu sind die einzelnen Rippenelemente 22 beispielsweise durch Laserschweißen aus der Grundplatte 23 ausgetrennt und mit einem mechanischen Umformvorgang nach oben um ungefähr 90° ausgebogen. Am rechten seitlichen Randbereich des Rippenelementes ist durch Umbiegung eines Teilabschnittes um 90° nach oben ein thermisches Entkopplungselement 24 gebildet. Dieses dient der Abtrennung des Innenbereichs des Rohres 3 in einen durchströmten Bereich entlang der Rippenelemente 22 und einen danebenliegenden thermisch abgetrennten Bereich 25.
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Das Rippenelement der 4 ist eine beispielhafte Darstellung. Auch hiervon abweichende Gestaltungen können in alternativen Ausführungen vorgesehen werden.
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Die 5 zeigt eine alternative Ausführung einer Temperiervorrichtung 40. Das Gehäuseelement 41 weist im Unterschied zu den Darstellungen der vorausgegangenen Figuren nun keine Aussparung auf und ist auch in die nach oben gerichtete Raumrichtung geschlossen. In dieser nach oben gerichteten Fläche sind elektrische Kontaktierungen 48 angedeutet. Das Gehäuseelement 41 weist einen Flanschbereich 42 auf, welcher in seiner Ausführung im Wesentlichen dem Flanschbereich 10 entspricht. Über diesen Flanschbereich 42 ist das Gehäuseelement 41 an das Rohr 3 angebunden. Die Verbindungsschichten und Verbindungsmethoden entsprechen denen der Ausführungsbeispiele der 1 bis 3. Das Gehäuseelement 41 ist ebenfalls topfförmig ausgebildet.
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Die 6 zeigt eine Explosionsdarstellung in schematischer Form, welche den grundsätzlichen Aufbau der Temperiervorrichtungen 1 bzw. 40 beschreibt. Ausgehend von dem Rohr 3, welches in dieser Ansicht die Basis bildet, ist eine Beschichtung 44 aufgetragen. Diese Beschichtung 44 ist vorteilhafterweise eine keramische Beschichtung und stellt somit eine elektrische Isolationsschicht dar. Nach oben hin darauffolgend folgt die Verbindungsschicht 45, welche beispielsweise eine Lötfolie oder eine Lötpaste ist. Auf die Verbindungsschicht 45 folgt eine Beschichtung 46, welche auf die Leitungsbrücken 21 aufgebracht ist. Die Beschichtung 46 kann beispielsweise aus Nickel oder aus Silber oder aus Gold oder aus einer Molybdänsilberbeschichtung oder einer Gold- bzw. Silbermischbeschichtung gebildet sein. Auf die Beschichtung 46 folgt eine Verbindungsschicht 47, welche der Anbindung der thermoelektrisch aktiven Materialien 20 an die Leitungsbrücken 21 dient.
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Die thermoelektrisch aktiven Materialien 20 können beispielsweise aus einem Material wie Kobalt-Antimon oder Bismut-Antimon oder Bismut-Tellurid oder Zink-Antimon oder Magnesiumsilizium oder Mangansilizium oder aus einem siliziumbasierten Material hergestellt sein. Auch Kombinationen der einzelnen Werkstoffe untereinander sind vorsehbar.
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Die Anbindung der thermoelektrisch aktiven Materialien 20 an die Leitungsbrücken 21 erfolgt beispielsweise über einen Schweiß- oder einen Löt- oder einen Sinterdruck-Prozess. Als Schweißmethoden kommen beispielsweise das Reib-, das Diffusions- oder das Widerstands-Schweißen in Frage. Als Sinterdruck-Press-Prozess können beispielsweise das Mikrosintern oder das Nano-Silberpaste-Sintern eingesetzt werden.
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Die Leitungsbrücken 21 sind vorteilhafterweise aus einem Kupfermaterial oder einem Molybdänkupfermaterial hergestellt.
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Die 7 zeigt eine Schnittansicht der Temperiervorrichtung 40 der 5. In 7 ist zu erkennen, dass der Aufbau des Innenlebens der Temperiervorrichtung 40 im Wesentlichen mit der Temperiervorrichtung 1 übereinstimmt.
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Das Gehäuseelement 41 weist nach oben hin keine Aussparung auf. Im Inneren des Gehäuseelementes 41 sind die thermoelektrisch aktiven Materialien bzw. ihre Leitungsbrücken 21 direkt ohne eine erste Wandung 30 an das Gehäuseelement 41 angebunden. Nach unten hin, hin zum Rohr 3 ist unterhalb der thermoelektrisch aktiven Materialien 20 bzw. Leitungsbrücken 21 wieder eine erste Wandung 30 angeordnet, über welche sie an das Rohr 3, welches ebenfalls die Aussparung 26 aufweist, angebunden sind.
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Im inneren des Rohres 3 sind ebenfalls Rippenelemente 22 bzw. Grundplatten 23 und thermische Entkopplungselemente 24 angeordnet, welche das Rohr in einen zentral durchströmten Bereich und in seitlich thermisch abgekoppelte Bereiche 25 unterteilt.
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Die 8 zeigt eine weitere alternative Ausführung einer Temperiervorrichtung 50. Diese stellt eine Fortbildung der in 7 gezeigten Temperiervorrichtung 40 dar. Abweichend zur Temperiervorrichtung 40 weist nun auch das Rohr 3a keine Aussparung mehr auf. Die thermoelektrisch aktiven Materialien 20 bzw. Leitungsbrücken 21 können dementsprechend auch ohne eine nach unten gerichtete erste Wandung 30 an das Rohr 3a angebunden werden.
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Im Ausführungsbeispiel der 8 sind die thermoelektrisch aktiven Materialien 20 bzw. die Leitungsbrücken 21 ohne ergänzende Wandungen direkt an das obere Gehäuseelement 41 bzw. an das Rohr 3a angebunden. Der innere Aufbau des Rohres 3a stimmt mit dem inneren Aufbau des Rohres 3 überein. Lediglich die fehlende Aussparung 26 bildet den Unterschied zwischen Rohr 3 und Rohr 3a.
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Die 9 zeigt eine Schnittansicht der Temperiervorrichtung 50 gemäß der 8, wobei die Schnittebene senkrecht zur Hauptdurchströmungsrichtung des Rohres 3a liegt. In 9 ist insbesondere zu erkennen, dass die thermoelektrisch aktiven Materialien 20 bzw. die Leitungsbrücken 21 direkt an das Gehäuseelement 41 bzw. das Rohr 3a angebunden sind.
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Die 10 zeigt eine alternative Gestaltung einer Temperiervorrichtung 60. Der grundsätzliche Aufbau stimmt mit dem Aufbau der vorangegangenen Temperiervorrichtungen 1, 40 bzw. 50 überein.
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Durch die Temperiervorrichtung 60 strömt ein Fluid, welches vorteilhafterweise durch die in 10 angedeuteten kreisrunden Strömungskanäle strömt. An einer Außenfläche bzw. Begrenzung dieser Strömungskanäle ist über eine Verbindungsschicht 62 eine Leitungsbrücke 63 angebunden. Auf die Leitungsbrücke 63 folgt eine Mehrzahl von Beschichtungen bzw. Verbindungsschichten, welche mit den Bezugszeichen 63 bis 67 gekennzeichnet sind. Die Beschichtungen 63 bis 67 entsprechen dabei den bereits beschriebenen metallischen oder keramischen Beschichtungen oder Verbindungsschichten der vorausgegangenen Ausführungsbeispiele.
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Letztlich ist an die Beschichtung 67 eine Komponente 68 angebunden. Bei der in der 9 gezeigten Komponente 68 handelt es sich beispielsweise um einen Halbleiter, einen Siliziumchip oder einen Mikrochip. Um die Komponente 68 kann ebenfalls ein abschließendes Gehäuseelement angeordnet sein, welches jedoch in 10 nicht dargestellt ist.
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Die 11 zeigt einen Schnitt durch die Komponente 4. Neben einer Mehrzahl von thermoelektrisch aktiven Materialien 20, welche über Leitungsbrücken 21 miteinander verbunden sind, ist eine Verbindungsschicht 71 dargestellt, über welche die Leitungsbrücken 21 an die ersten Wandungen 30 angebunden sind. Seitlich ist ein Wandelement 70 vorgesehen, welches die sich gegenüberliegenden ersten Wandungen 30 miteinander verbindet. Über die Wandelemente 70 wird die Komponente 4 nach außen hin thermisch und/oder fluidisch abgeschlossen. Hierzu kann in jeder der vier seitlichen Raumrichtungen jeweils ein Wandelement 70 vorgesehen sein. Das Wandelement 70 kann dabei beispielsweise aus einem keramischen Material gebildet sein. Ebenso ist ein metallisches Material, welches mit einer keramischen Beschichtung beschichtet ist, vorsehbar. Des Weiteren können ebenfalls metallische Materialien mit metallischen oder keramischen Beschichtungen vorgesehen werden.
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Die 12 zeigt eine weitere alternative Darstellung eines Wandelementes 72 zur seitlichen Abdichtung der Komponente 4. In 12 sind dazu C-förmige Wandelemente 72 vorgesehen, welche derart zwischen den ersten Wandungen 30 positioniert sind, dass das Wandelement 72 in Richtung der thermoelektrisch aktiven Materialien 20 geöffnet ist.
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Wie auch in 11 schon beschrieben, können auch in 12 mehrere dieser Wandelemente 72 in den vier seitlichen Raumrichtungen angeordnet sein, so dass eine vollständige thermische und/oder fluidische Abdichtung der Komponente 4 erreicht werden kann. Das Wandelement 72 kann dabei ebenfalls aus einem keramischen oder einem metallischen Material gebildet sein, welches ebenfalls keramisch oder metallisch beschichtet sein kann.
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In der 12 ist die Komponente 4 nach oben hin an ein Gehäuseelement 2 oder ein Rohr 3 angebunden. Das Gehäuseelement 2 bzw. das Rohr 3 sind in 12 nur angedeutet.
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Die 13 zeigt eine weitere alternative Ausgestaltung eines Wandelementes 73. Die Wandelemente 73 der 13 sind S-förmig ausgebildet und sind nun derart angeordnet, dass sie die untere erste Wandung 30 mit einer Innenfläche des Gehäuseelementes 2 bzw. des Rohres 3 verbinden. Auf diese Weise entsteht eine Abdichtung der Komponente 4 durch eine Verbindung der Innenflächen des Rohres 3 bzw. des Gehäuseelementes 2 mit der der Innenfläche abgewandten ersten Wandung 30 der Komponente 4. Die Komponente 73 sowie die Komponenten 70 bzw. 72 können aus keramischen oder metallischen Werkstoffen sowie entsprechenden Beschichtungen gebildet sein.
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Die Ausführungsbeispiele der 1 bis 13 sind beispielhaft und weisen insbesondere hinsichtlich der geometrischen Gestaltung der Ausführungsbeispiele sowie der Werkstoffwahl keine beschränkenden Charakter auf. Alle Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele sind jeweils untereinander kombinierbar. Die Ausführungsbeispiele der 1 bis 13 dienen der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens und haben keinen beschränkenden Charakter.
