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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Temperiereinheit mit einem ersten Peltierelement und einem zweiten Peltierelement, welche jeweils eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweisen, wobei die erste Oberfläche zur zweiten Oberfläche benachbart oder gegenüberliegend angeordnet ist, wobei die Peltierelemente jeweils mit der ersten Oberfläche mit einer ersten Abdeckplatte verbunden sind und mit der jeweils zweiten Oberfläche mit einer zweiten Abdeckplatte verbunden sind, wobei zumindest über eine der Abdeckplatten Wärme zuführbar ist und über die andere Abdeckplatte Wärme abführbar ist.
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Stand der Technik
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Kraftfahrzeuge mit elektrischen Zusatzantrieben oder vollelektrischen Antrieben benötigen in der Regel elektrische Energiespeicher. In diesen Energiespeichern kann elektrische Energie zwischengespeichert und vorgehalten werden.
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Je nach Betriebssituation und Umgebungsbedingungen müssen diese Energiespeicher beheizt oder abgekühlt werden. Dies ist insbesondere notwendig, um die Energiespeicher stets in einem definierten Temperaturfenster zu halten, in welchem sie optimal arbeiten. Insbesondere zu hohe Temperaturen können zu einer Schädigung und einer vorzeitigen Alterung der Energiespeicher führen. Zu niedrige Temperaturen beeinflussen die Leistungsfähigkeit negativ.
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Im Stand der Technik sind Temperiereinheiten bekannt, welche unter Ausnutzung der thermoelektrischen Eigenschaften von Peltierelementen funktionieren. Hierbei erzeugen Peltierelemente entweder aufgrund von einer angelegten Spannung eine Temperaturdifferenz an zwei ihrer Grenzflächen, oder erzeugen aufgrund einer vorliegenden Temperaturdifferenz eine elektrische Spannung.
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In jedem Fall weisen die Peltierelemente jeweils eine Seite mit einem hohen Temperaturniveau und eine Seite mit einem relativ dazu gesehen niedrigeren Temperaturniveau auf. Aufgrund dieser unterschiedlichen Temperaturniveaus innerhalb der thermoelektrischen Temperiereinheit kommt es zu thermischen Spannungen, welche zu einer Beschädigung der thermoelektrischen Temperiereinheit führen können.
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Nachteilig an den Lösungen im Stand der Technik ist insbesondere, dass keine ausreichenden Vorkehrungen getroffen sind, um das Auftreten von thermischen Spannungen in der thermoelektrischen Temperiereinheit zu verhindern oder diese zumindest so wett zu reduzieren, dass keine Schädigung der thermoelektrischen Temperiereinheit und insbesondere der Peltierelemente eintritt.
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Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine thermoelektrische Temperiereinheit bereitzustellen, die geeignet ist das Auftreten bzw. die negativen Auswirkungen von thermischen Spannungen zu reduzieren oder gänzlich zu verhindern.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch eine thermoelektrische Temperiereinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine thermoelektrische Temperiereinheit mit einem ersten Peltierelement und einem zweiten Peltierelement, welche jeweils eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweisen, wobei die erste Oberfläche zur zweiten Oberfläche benachbart oder gegenüberliegend angeordnet ist, wobei die Peltierelemente jeweils mit der ersten Oberfläche mit einer ersten Abdeckplatte verbunden sind und mit der jeweils zweiten Oberfläche mit einer zweiten Abdeckplatte verbunden sind, wobei zumindest über eine der Abdeckplatten Wärme zuführbar ist und über die andere Abdeckplatte Wärme abführbar ist, wobei die erste und/oder die zweite Abdeckplatte eine Dehnfuge und/oder eine Federstruktur aufweist.
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Die Peltierelemente sind vorteilhafterweise als quaderförmige Körper ausgebildet. Die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche sind dabei zwei sich gegenüberliegende Flächen. Die Peltierelemente sind weiterhin elektrisch kontaktiert, um je nach Einsatzzweck entweder eine Aufheizung oder eine Abkühlung erzeugen zu können.
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Die Peltierelemente sind mit den Abdeckplatten fest verbunden. Dabei kann eine flexible Verbindungsschicht zwischen den Peltierelementen und den Abdeckplatten vorgesehen werden, welche zur Aufnahme von thermischen Spannungen dient, welche im Betrieb der thermoelektrischen Temperiereinheit auftreten. Eine solche flexible Schicht ist jedoch nicht zwingend notwendig. Die Peltierelemente können vorteilhafterweise auch über eine im Wesentlichen starre Anbindung mit den Abdeckplatten verbunden sein. Die Kompensation der auftretenden thermischen Spannungen erfolgt dann hauptsächlich über die in der Abdeckplatte angeordneten Dehnfugen und Federstrukturen.
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Die Dehnfugen sind durch Schnitte gebildet, welche die Abdeckplatte jeweils zerteilt. Um eine möglichst große Aufnahmefähigkeit für thermische Spannungen, welche in Längenveränderungen resultieren, zu erzeugen, ist es vorteilhaft, wenn die Dehnfugen eine vollständige Trennung der Abdeckplatte in mehrere Bereiche erzeugen.
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Die Federstrukturen werden durch eine Anordnung von mehreren Schnitten erzeugt. Dabei wird die Abdeckplatte nicht in mehrere voneinander getrennte Abschnitte unterteilt. Die einzelnen Abschnitte der Abdeckplatten bleiben jederzeit über die einzelnen Federstege, welche durch die Schnitte erzeugt werden, miteinander verbunden.
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Auch ist es zu bevorzugen, wenn die Peltierelemente zueinander beabstandet zwischen den Abdeckplatten angeordnet sind.
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Die Peltierelemente sind vorteilhafterweise zueinander beabstandet angeordnet. Dies dient insbesondere der Erzeugung einer homogenen Temperaturverteilung über die Abdeckplatte hinweg.
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Weiterhin ist es zu bevorzugen, wenn die Dehnfuge und/oder die Federstruktur in der ersten Abdeckplatte und/oder der zweiten Abdeckplatte außerhalb der Kontaktflächen zwischen den Peltierelementen und der jeweiligen Abdeckplatte verlaufen.
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Die Anordnung der Dehnfugen und/oder der Federstrukturen in einen Bereich der Abdeckplatte, welcher außerhalb der Kontaktflächen zwischen den Peltierelementen und der jeweiligen Abdeckplatte liegt ist besonders vorteilhaft, da in diesen Bereichen die sogenannten „thermischen neutralen Fasern” der Abdeckplatte liegen. Diese neutralen Fasern liegen dabei in der Mitte zwischen den Punkten der Abdeckplatte, welche den größten Wärmeeintrag aufweisen. Die Punkte bzw. Bereiche mit dem größten Wärmeeintrag liegen dabei in den Bereichen der Kontaktflächen zwischen den Peltierelementen und den Abdeckplatten.
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Auch ist es zweckmäßig, wenn die Federstruktur durch eine Anordnung mehrerer Schnitte in einer Abdeckplatte ausgebildet ist, wobei durch die Schnitte zumindest ein Federsteg ausgebildet ist.
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Eine Erzeugung der Federstruktur über eine Mehrzahl von Schnitten ist besonders einfach. Die Schnitte können über übliche Verfahren in die Abdeckplatten eingebracht werden. Der durch jeweils zwei Schnitte gebildete Federsteg stellt ein Verbindungglied zwischen benachbarten Bereichen der Abdeckplatte dar. Auf diese Weise wird trotz der große Aufnahmefähigkeit der Federstruktur für thermische Spannungen die Stabilität der Abdeckplatte nur minimal beeinflusst.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn eine der Abdeckplatten eine Mehrzahl von Dehnfugen und/oder Federstrukturen aufweist.
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Eine Mehrzahl von Dehnfugen und/oder Federstrukturen ist besonders vorteilhaft, um auch in einer Abdeckplatte mit einer größeren flächigen Ausdehnung eine genügend große Aufnahmefähigkeit für thermische Spannungen zu erzeugen.
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Weiterhin ist es zu bevorzugen, wenn zumindest einer der Schnitte der Federstruktur durch eine Dehnfuge gebildet ist.
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Dies ist besonders vorteilhaft, um trotz einer vollständig durch die Abdeckplatte verlaufenden Dehnfuge eine Federstruktur ausbilden zu können, welche sich über einen möglichst großen Bereich erstreckt und dabei nicht durch den Verlauf der Dehnfuge unterbrochen ist.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn eine Federstruktur durch eine Mehrzahl von wellenartigen Schnitten gebildet ist, wobei die wellenartigen Schnitte im Wesentlichen punktsymmetrisch sind und mit ihrem Symmetriepunkt parallel zueinander entlang einer gemeinsamen Geraden angeordnet sind.
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Ein wellenartiger Schnitt ist besonders vorteilhaft, da er eine bevorzugte Ausformung für den Federsteg erzeugt. Außerdem verhindert eine punksymmetrische Gestaltung der Schnitte eine ungewollte Ausgleichsbewegung der Federstege zu den Batterieelementen hin oder von den Batterieelementen weg. Durch eine parallele Anordnung der Schnitte werden gleichmäßig große Federstege erzeugt, was insbesondere einer homogenen Aufnahme der thermischen Spannungen dienlich ist.
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Gemäß einer besonders günstigen Weiterbildung der Erfindung, kann es vorgesehen sein, dass die Dehnfugen parallel zueinander verlaufen und rechtwinklig zu den jeweiligen Federstrukturen verlaufen.
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Außerdem ist es zweckmäßig, wenn eine der Abdeckplatten mit zumindest einem Batterieelement in thermischen Kontakt steht, wobei die jeweils andere Abdeckplatte mit einem Wärmeübertrager in thermischen Kontakt steht, wobei der Wärmeübertrager von einem aktiv temperierbaren Fluid durchströmbar ist.
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Auf diese Weise kann den Batterieelementen Wärme zugeführt werden, indem das Fluid aktiv beheizt wird. Die den Batterieelementen zugeführte Wärme ist dabei die Summe der Wärme des aktiv temperierten Fluids und der Heizleistung der Peltierelemente. Alternativ können die Batterieelemente abgekühlt werden, indem die Wärme von den Batterieelementen über die Peltierelemente hin zu dem Fluid transportiert wird, wobei die Wärme von dem Fluid von der thermoelektrischen Temperiereinheit wegtransportiert wird.
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Es ist dabei vorteilhaft, wenn eine Abdeckplatte durch rechtwinklig zueinander angeordnete Dehnfugen in mehrere Abschnitte unterteilt ist, wobei jedes Peltierelement mit jeweils einem der Abschnitte verbunden ist.
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Eine solche Anordnung stellt eine größtmögliche Entkopplung der einzelnen Bereiche voneinander dar. Auf diese Weise ist die Aufnahmefähigkeit für thermische Spannungen maximal.
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Weiterhin ist es zu bevorzugen, wenn zumindest eine Dehnfuge durch einen Federsteg einer Federstruktur unterbrochen ist, wobei durch den Federsteg zwei benachbart zueinander angeordnete Abschnitte miteinander verbunden sind.
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Eine Anordnung der Federstege derart, dass jeweils benachbart zueinander liegende Abschnitte der Abdeckplatte miteinander verbunden werden ist vorteilhaft, da auf diese Weise keine aufwändige Ausrichtung der einzelnen Abschnitte zueinander erfolgen muss. Die Abdeckplatte bleibt weiterhin durch nur ein Element gebildet. Wären die Abschnitte nicht über die Federstege miteinander verbunden, würde der Herstellungsprozess durch die dann notwendige Ausrichtung der Abschnitte komplexer und kostenintensiver werden.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn eine der Abdeckplatten eine variable Materialstärke in einer oder beiden Erstreckungsrichtungen aufweist.
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Über eine variable Materialstärke kann eine besonders vorteilhafte Gestaltung der Abdeckplatte erreicht werden. Dadurch kann insbesondere die Temperaturhomogenität über die Abdeckplatte hinweg verbessert werden. Die Erstreckungsrichtungen der Abdeckplatte stimmen dabei mit den Raumrichtungen überein.
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Weiterhin kann es besonders vorteilhaft sein, wenn die Abdeckplatte in den Bereichen der Kontaktflächen mit den Peltierelementen ihre maximale Materialstärke aufweist.
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Da insbesondere in den Bereichen der Kontaktflächen der größte Wärmeeintrag erfolgt, ist es besonders vorteilhaft die Materialstärke dort maximal zu gestalten.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Bereichen maximaler Materialstärke stegartige Elemente vorgesehen sind, welche die Stabilität der Abdeckplatte insbesondere in Bereichen geringerer Materialstärke erhöhen.
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Diese stegartigen Elemente erhöhen die Steifigkeit der Abdeckplatte, welche durch die Reduzierung der Materialstärke partiell reduziert wird.
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Auch ist es zu bevorzugen, wenn die Dehnfugen und/oder die Federstrukturen in den Bereichen geringerer Materialstärke angeordnet sind.
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Dies ist besonders vorteilhaft, da insbesondere in den Bereichen geringer Materialstärke die neutralen Fasern in Bezug auf die thermischen Spannungen liegen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und in 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 schematische Ansicht einer thermoelektrischen Temperiereinheit, wobei die thermoelektrische Temperiereinheit an einen Fluidkreislauf angebunden ist, über welchen Wärme abtransportiert oder zugeführt werden kann,
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2 eine perspektivische Ansicht einer thermoelektrischen Temperiereinheit mit einer oberen Abdeckplatte, welche eine Dehnfuge und eine Federstruktur vorsieht,
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3 eine alternative Ausgestaltung der oberen Abdeckplatte einer thermoelektrischen Temperiereinheit gemäß der 2,
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4 eine Aufsicht auf die obere Abdeckplatte der thermoelektrischen Temperiereinheit der 3,
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5 eine Teilansicht einer oberen Abdeckplatte mit einer ungleichmäßigen Materialstärke,
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6 eine perspektivische Ansicht einer Abdeckplatte, wobei die Abdeckplatte Bereiche unterschiedlicher Materialstärken aufweist und zwischen den Bereichen maximaler Materialstärke stegartige Elemente vorgesehen sind, und
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7 eine perspektivische Ansicht einer thermoelektrischen Temperiereinheit, wobei eine Abdeckplatte mit ungleichmäßiger Materialstärke verwendet wird.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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Die 1 zeigt eine schematische Ansicht einer thermoelektrischen Temperiereinheit 1. In der 1 ist die thermoelektrische Temperiereinheit 1 in einem Schnitt dargestellt und da lediglich das Prinzip der thermoelektrischen Temperiereinheit 1 dargestellt werden soll, ist sie nicht vollständig dargestellt.
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Oberhalb der thermoelektrischen Temperiereinheit 1 ist eine Mehrzahl von Batterieelementen 5 angeordnet, zu deren Temperierung die thermoelektrische Temperiereinheit 1 dient. Ein Batterieelement 5 kann dabei aus einer Einzahl oder einer Mehrzahl von einzelnen Batteriezellen gebildet sein. Die thermoelektrische Temperiereinheit 1 besteht im Wesentlichen aus einer Mehrzahl von Peltierelementen 2, welche in der Lage sind Wärme von einer ihrer Außenflächen zur gegenüberliegenden Außenfläche durch das Anlegen einer Spannung zu transportieren. Dadurch können die Batterieelemente 5 entweder abgekühlt werden oder erwärmt werden. Wärme kann dabei über den Fluidkreislauf 7 zugeführt oder abgeführt werden.
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Hierzu steht eine erste Oberfläche 12 der Peltierelemente 2 mit einem Strömungskanal eines Wärmeübertragers 6 in thermischen Kontakt. Der Wärmeübertrager 6 bildet dabei eine Schnittstelle zu dem Fluidkreislauf 7 und kann beispielsweise durch fluiddurchströmte Rohre gebildet sein. Die Verbindung der ersten Oberflächen 12 mit dem Wärmeübertrager 6 erfolgt in dem, in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel über eine Abdeckplatte 3, welche als Zwischenelement zwischen den Strömungskanälen des Wärmeübertragers 6 und den Peltierelementen 2 angeordnet ist.
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Alternativ kann die thermisch leitende Verbindung auch direkt mit dem Wärmeübertrager hergestellt werden, indem die Peltierelemente ohne ein Zwischenelement auf die Strömungskanäle des Wärmeübertragers aufgebracht werden.
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Die der ersten Oberfläche 12 gegenüberliegende zweite Oberfläche 11 der Peltierelemente 2 steht mit einer weiteren Abdeckplatte 4 in thermischen Kontakt. Oberhalb der Abdeckplatte 4 ist eine Mehrzahl von Batterieelementen 5 angeordnet. Die von den Batterieelementen 5 abgestrahlte Wärme wird durch die Peltierelemente 2 an die Kontaktstelle der Peltierelemente 2 mit dem Fluidkreislauf 7 gefördert und dort an das im Fluidkreislauf 7 strömende Fluid abgegeben. In einem Heizbetrieb würde entsprechend Wärme vom Fluidkreislauf 7 zu den Batterieelementen 5 transportiert. Die Wärme aus dem Fluidkreislauf 7 kann dabei durch die Heizleistung der Peltierelemente 2 noch verstärkt werden.
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Die Wärmemenge, welche an das Fluid im Fluidkreislauf 7 abgegeben wird, wird nachfolgend über einen Wärmeübertrager 8, welcher durch ein Gebläse 10 mit einem Strom von Luft 9 beaufschlagt wird, an die Umgebung abgegeben. Der Aufbau des Fluidkreislaufes 7 sowie die darin enthaltenen Komponenten außerhalb der thermoelektrischen Temperiereinheit 1 sind nicht Gegenstand der Erfindung und werden daher nicht weiter im Detail beschrieben.
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Die 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer thermoelektrischen Temperiereinheit 1, wobei nur ein Ausschnitt der thermoelektrischen Temperiereinheit 1 gezeigt ist. Die Ansicht zeigt dabei einen kleinstmöglichen Ausschnitt derart, dass wenigstens zwei Peltierelemente 2 in jeder Raumrichtung 22, 23 benachbart sind. Die Peltierelemente 2 wurden in ihren Symmetrieachsen bezogen auf die Raumrichtungen 22 und 23 abgeschnitten, so dass jeweils nur ein Viertel eines jeden Peltierelementes 2 dargestellt ist. Aufgrund des symmetrischen Aufbaus des gezeigten Ausschnitts, kann die gezeigte Anordnung in beiden Raumrichtungen 22 und 23 beliebig oft wiederholend fortgesetzt werden. Die thermoelektrische Temperiereinheit 1 ist wie in 1 bereits beschrieben, durch eine obere Abdeckplatte 4a sowie eine untere Abdeckplatte 3 gebildet, zwischen welchen mehrere Peltierelemente 2 angeordnet sind. Die Peltierelemente 2 sind entlang der Raumrichtung 22 um den Abstand 20 zueinander beabstandet. Weiterhin sind die Peltierelemente 2 entlang der Raumrichtung 23 um den Abstand 21 zueinander beabstandet.
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Die Raumrichtungen 22 bzw. 23 stellen die Richtungen dar, in welche die thermischen Spannungen, welche im Betrieb der thermoelektrischen Temperiereinheit 1 auftreten können, im Wesentlichen wirken.
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Die obere Abdeckplatte 4a weist eine Dehnfuge 24 auf. Diese verläuft entlang der Raumrichtung 22. Die Dehnfuge 24 verläuft dabei in einem Bereich, welcher zwischen den Peltierelementen 2 verläuft. Die Dehnfuge 24 ist somit außerhalb der Kontaktflächen, welche zwischen den Peltierelementen 2 und der Abdeckplatte 4a gebildet sind, angeordnet. Wie in 2 zu erkennen, ist die Dehnfuge 24 in dem mit dem Bezugszeichen 21 gekennzeichneten Abstand entlang der Raumrichtung 23 zwischen den Peltierelementen 2 angeordnet.
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Weiterhin weist die Abdeckplatte 4a eine Federstruktur 25 auf, welche im Wesentlichen entlang der Raumrichtung 23 verläuft. Die Federstruktur 25 verläuft dabei in einem Bereich, welcher durch den Abstand 20 gekennzeichnet ist und zwischen den Peltierelementen 2 liegt. Die Federstruktur 25 ist dabei durch eine Mehrzahl von Schnitten 26 gebildet, welche mittels eines geeigneten Verfahrens, wie beispielsweise dem Laserschneiden, in die obere Abdeckplatte 4a eingebracht sind.
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Im Ausführungsbeispiel der 2 sind die einzelnen Schnitte 26 durch eine punktsymmetrische Wellenlinie gebildet. Diese punktsymmetrischen Wellenlinien sind dabei parallel zueinander entlang einer gedachten Geraden angeordnet. Dabei liegt insbesondere der Symmetriepunkt, um den die Schnitte 26 punktsymmetrisch sind, auf der entlang der Raumrichtung 23 verlaufenden gedachten Geraden im Mittelbereich der Federstruktur 25.
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Sowohl die Dehnfuge 24 als auch die gedachte Gerade innerhalb der Federstruktur 25 verlaufen entlang einer thermischen neutralen Faser, welche sich in der Abdeckplatte 4a aufgrund der Wärmeverteilung ergibt. Hierin liegt die Anordnung der Dehnfuge 24 bzw. der Federstruktur 25 in der Mitte zwischen den jeweiligen Peltierelementen 2 begründet.
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Durch Mehrzahl der Schnitte 26 parallel zueinander ergibt sich zwischen jeweils zwei benachbarten Schnitten 26 ein Federsteg 27. Der Federsteg bietet die Möglichkeit, die Abdeckplatte 4a insbesondere in Richtung der Raumrichtung 22 zu dehnen bzw. zu stauchen, ohne dass es dabei zu dauerhaften Verformungen der Abdeckplatte 4a kommt. Durch die Aufnahme der Längenänderungen innerhalb der Federstruktur 25 werden weiterhin die Peltierelemente 2, welche vorzugsweise über eine starre Anbindung mit der Abdeckplatte 4a verbunden sind, entlastet. Eine ähnliche Funktion übernimmt die Dehnfuge 24 entlang der Raumrichtung 23.
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Wie in 2 zu erkennen ist, verläuft die Dehnfuge 24 durch die Federstruktur 25 und bildet einen der Schnitte 26 aus. In alternativen Ausführungen kann die Dehnfuge auch derart ausgebildet sein, dass sie nicht Teil der Federstruktur ist.
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Die Gestaltung der Schnitte 26 der 2 ist beispielhaft und besitzt keinen beschränkenden Charakter. Die Schnitte können auch durch beispielsweise rundbogenförmige oder zickzackförmige oder rautenförmige oder kastenförmige Schnitte gebildet werden.
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Auf der Oberseite der Abdeckplatte 4a ist ein Batterieelement 5 angeordnet. Diese ist quer zur Dehnfuge 24 ausgerichtet. In 2 ist der Übersichtlichkeit halber nur ein Batterieelement 5 angedeutet, wobei in einer erfindungsgemäßen Ausführung auch eine Mehrzahl von Batterieelementen 5 vorgesehen sein kann.
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Die 3 zeigt eine alternative Ausgestaltung einer thermoelektrischen Temperiereinheit 1. Der gezeigte Ausschnitt ist analog der 2 begrenzt und aufgrund des symmetrischen Aufbaus in beiden Raumrichtungen 22 und 23 wiederholend fortsetzbar. Dabei stimmt der grundsätzliche Aufbau im Wesentlichen mit dem der 2 überein. Die Bezugszeichen stimmen, sofern identische Elemente verwendet sind überein. Die obere Abdeckplatte 4b ist abweichend zur 2 gestaltet.
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Die obere Abdeckplatte 4b weist zueinander im rechten Winkel verlaufende Dehnfugen 30 bzw. 31 auf. Dabei verläuft die Dehnfuge 30 entlang der Raumrichtung 22 und die Dehnfuge 31 entlang der Raumrichtung 23. Die Dehnfuge 31 ist an den äußeren Kanten des dargestellten Ausschnittes der Abdeckplatte 4b jeweils durch eine Federstruktur 32 unterbrochen. Die Dehnfuge 30 ist an den Außenkanten des gezeigten Ausschnittes der Abdeckplatte 4b jeweils durch die Federstrukturen 33 unterbrochen.
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Wie bereits bei der Abdeckplatte 4a in 2 zu erkennen war, weist auch die Abdeckplatte 4b eine ungleichmäßige Materialstärke entlang der Raumrichtung 22 bzw. 23 auf. Die Abdeckplatte 4b, welche hinsichtlich der Materialstärken mit der Abdeckplatte 4a übereinstimmt, weist insbesondere im Bereich der Kontaktflächen zwischen der Abdeckplatte 4b und dem Peltierelementen 2 Bereiche 35 maximaler Materialstärke auf. Insbesondere zwischen den Peltierelementen 2 in dem Bereich, in dem die Dehnfugen 30 bzw. 31 verlaufen, weist die Abdeckplatte 4b einen Bereich minimaler Materialstärke 34 auf.
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Diese Gestaltung der Abdeckplatte 4b dient insbesondere der Erreichung einer ausgeglichenen Temperaturhomogenität auf der Oberseite der Abdeckplatte 4b. Dies soll bei möglichst geringem Bauraum bzw. Materialbedarf erreicht werden. Da insbesondere über die Peltierelemente 2 die größte Wärmemenge durch die Abdeckplatte 4b transportiert wird, ist insbesondere im Bereich der Kontaktflächen zu den Peltierelementen 2 die Materialstärke maximal, wie in den Bereichen 35 dargestellt ist.
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Die Bereiche geringerer Materialstärke 34 sind im Regelfall mit einem geringeren Wärmedurchgang als die Bereiche 35 direkt über den Peltierelementen 2 beaufschlagt. Daher kann die Abdeckplatte 4b mit geringeren Materialstärken in diesem Bereich 34 gestaltet werden. Insgesamt wird so eine homogene Wärmeverteilung über die Abdeckplatte 4b erreicht.
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Die 4 zeigt eine Aufsicht auf die Abdeckplatte 4b, wie sie in 3 dargestellt ist. Zu erkennen sind die im rechten Winkel zueinander verlaufenden Dehnfugen 30 bzw. 31, welche entlang der Raumrichtungen 22, 23 verlaufen. Jede der Dehnfugen 30, 31 ist durch eine Federstruktur 32, 33 unterbrochen. Die Federstrukturen 32, 33 sind in der 4 unterschiedlich groß ausgebildet. Die unterschiedliche Größe der Federstrukturen 32, 33 ist dabei beispielhaft.
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Die Federstrukturen 32, 33 sind jeweils aus zwei einzelnen Schnitten gebildet, welche grundsätzlich der Form der Schnitte 26 der 2 entsprechen. Durch die beiden Schnitte ist bei den Federstrukturen 32 ein Federsteg 36 ausgebildet und bei den Federstrukturen 33 ein Federsteg 37 ausgebildet. Über die Federstege 36 sind die jeweils entlang der Raumrichtung 22 zueinander benachbarten Abschnitte 38 miteinander verbunden. Die Abschnitte 38 sind dabei durch die Dehnfugen 30 bzw. 31 erzeugt, welche die Abdeckplatte 4b in mehrere Abschnitte 38 unterteilt. Die jeweils entlang der Raumrichtung 23 zueinander benachbarten Abschnitte 38 sind dabei über die Federstege 37 miteinander verbunden.
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Dieses Konzept der Dehnfugen, welche rechtwinklig zueinander angeordnet sind und von einzelnen Federstrukturen 32, 33 unterbrochen werden, ist insbesondere vorteilhaft, da sich auf diese Weise konstruktiv einfach eine Abdeckplatte 4b gestalten lässt, welche sowohl eine hohe Aufnahmefähigkeit bezüglich thermischer Spannungen in den Raumrichtungen 22, 23 aufweist und gleichzeitig einfach zu erzeugen ist.
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Insbesondere eine Ausführung ohne die Federstrukturen 32, 33 würde einen großen Aufwand zur Ausrichtung der einzelnen Abschnitte 38 gegeneinander nach sich ziehen. Außerdem wäre die Stabilität einer solchen Abdeckplatte nicht optimal.
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Über die Verbindung der einzelnen zueinander benachbarten Abschnitte 38 durch die Federstege 36, 37 wird insgesamt die Stabilität der Abdeckplatte 4b erhöht und weiterhin der Produktions- und Montageprozess vereinfacht. Die Dehnfugen 30, 31 sowie die Schnitte der Federstrukturen 32, 33 lassen sich vorteilhafterweise durch ein Verfahren, wie das Laserschneiden in die Platte 4b einbringen.
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Die in den 2 bis 4 gezeigten Federstrukturen sind jeweils derart gestaltet, dass die im Betrieb auftretenden thermischen Spannungen lediglich in einer Verformung des Materials im Bereich der Dauerfestigkeit resultieren. Durch ein wiederholtes Ausdehnen bzw. Stauchen der Federstrukturen 25, 32, 33 wird die jeweilige Abdeckplatte 4a, 4b nicht dauerhaft verformt oder geschädigt. Die Steifigkeit der Federstrukturen 25, 32, 33 kann über eine Variation, beispielsweise des Anstellwinkels der Schnitte, der Breite der Federstege 27, 36, 37 oder generell durch die Formgebung der Schnitte 26 erreicht werden.
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Eine Gestaltung der Schnitte 26, wie sie in den 2 bis 4 dargestellt ist, ist insbesondere vorteilhaft, da der Schnitt punktsymmetrisch ausgebildet ist. Dies ist insbesondere hinsichtlich der Ausdehnung und Stauchung entlang der Raumrichtungen 22 bzw. 23 vorteilhaft. Außerdem wird durch die punktsymmetrische Gestaltung der Schnitte 26 eine ungewollte Auslenkung der Federstege 27, 36, 37 in Richtung der unteren Abdeckplatte 3 vermieden. Insgesamt sollte die Breite der Dehnfugen 24, 30, 31 möglichst gering gewählt werden, um eine möglichst unterbrechungsfreie Anbindung der Batterieelemente zu gewährleisten.
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Die Breite der Schnitte 26 sollte ebenfalls möglichst gering sein. Jedoch sollten die Schnitte eine gewisse Mindestbreite aufweisen, um eine ausreichende Aufnahmefähigkeit für Längenveränderungen zu bieten. Bei einer zu geringen Schnittbreite kann es passieren, dass zueinander benachbarte Federstege 27, 36, 37 sich gegenseitig in der Aufnahme einer Längenausdehnung behindern.
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Insbesondere durch eine Ausdehnung der Breite der Federstrukturen 25, 32, 33 kann weiterhin erreicht werden, dass eine Mehrzahl von Batterieelementen 5 auf den Federstrukturen 25, 32, 33 angeordnet ist. Auf diese Weise können die Unterbrechungen, welche unweigerlich durch die Schnitte 26 entstehen, auf mehrere Batterieelemente 5 verteilt werden, wodurch insgesamt die Wärmeübertragung homogenisiert wird.
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Insbesondere bei der Ausgestaltung der Federstrukturen 32, 33 der Abdeckplatte 4b ist es empfehlenswert, eine vergrößerte Breite der Schnitte zu wählen. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da der an die Federstege 36, 37 angrenzende Bereich der Abdeckplatte 4b sich nur in geringerem Maße oder gar nicht verformt. Aus diesem Grunde wird die Auslenkung der Federstege 36, 37 in diesem Bereich größer sein. Eine breitere Gestaltung der Schnitte ermöglicht daher eine größere freie Relativbewegung der Federstege 36, 37.
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Die in den 2 bis 4 gezeigten Dehnfugen 24, 30, 31 können in alternativen Ausführungen beispielsweise auch zickzackförmig gestaltet sein. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Unterbrechungen, welche durch die Dehnfugen 24, 30, 31 erreicht werden, auf eine Mehrzahl von Batterieelementen 5 verteilt werden. Dies ist insbesondere der Homogenität der Temperaturverteilung über die Abdeckplatte 4a, 4b dienlich.
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Die 5 zeigt einen Teilausschnitt der Abdeckplatte 4, 4a, 4b. In diesem Teilausschnitt der 5 ist insbesondere zu erkennen, dass es einen Bereich maximaler Materialstärke 35 gibt und einen Bereich minimaler Materialstärke 34. Der Bereich maximaler Materialstärke 35 ist insbesondere der Bereich, welcher den Kontaktbereich mit den Peltierelementen darstellt. Im Bereich der minimalen Materialstärke 34 sind vorzugsweise die Dehnfugen bzw. die Federstrukturen angeordnet.
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Der Übergang zwischen dem minimalen Bereich 34 und dem maximalen Bereich 35 ist möglichst fließend dargestellt und verzichtet auf scharfe Absätze und Kanten. Idealerweise sollten für die Gestaltung der Übergänge keine Krümmungsradien kleiner als 10 mm vorgesehen werden. Der Verzicht auf scharfe Kanten, Absätze und Ecken ist insbesondere hinsichtlich der homogenen Temperaturverteilung über die Abdeckplatte 4, 4a, 4b vorteilhaft, was durch das gezeigte Vektorfeld des Wärmestromes veranschaulicht wird.
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Die 5 zeigt eine weitere alternative Ausgestaltung einer Abdeckplatte 4c. Die 6 zeigt eine Sicht auf die Unterseite der Abdeckplatte 4c, mit welcher die Peltierelemente verbunden werden können. Es sind insbesondere die Bereiche 35 der maximalen Materialstärke sowie die Bereiche 34 der minimalen Materialstärke zu erkennen. Im Ausführungsbeispiel der 6 sind zwölf Bereiche maximaler Materialstärke 35 in einem Raster von vier auf drei angeordnet, welche zur Anbindung eines Peltierelementes 2 dienen. Zwischen den Bereichen maximaler Materialstärke 35 und den Bereichen minimaler Materialstärke 34 sind Übergangsbereiche 42 angeordnet, welche ähnlich dem Verlauf, welcher in 5 gezeigt ist, von dem Bereich maximaler Materialstärke 35 zum Bereich minimaler Materialstärke 34 überleiten.
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Zwischen den Bereichen maximaler Materialstärke 35 sind in einer Raumrichtung mehrere stegartige Elemente 40 angeordnet. In der anderen Raumrichtung sind zwischen den Bereichen maximaler Materialstärke 35 stegartige Elemente 41 angeordnet. Diese stegartigen Elemente 40 bzw. 41 dienen dem Ausgleich des Steifigkeitsverlustes, welcher aufgrund der reduzierten Materialstärke 34 in der Abdeckplatte 4c hervorgerufen wird. Durch die stegartigen Elemente 40 bzw. 41 kann die Platte 4c eine ähnliche Grundsteifigkeit erreichen, wie eine Platte, welche keine unterschiedlichen Materialstärken aufweist. Die stegartigen Elemente 40, 41 können über die volle Höhe der zwischen den Bereichen 35 maximaler Materialstärke gebildeten Vertiefungen ausgebildet sein oder nur über einen Teilbereich dieser Höhe.
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Insbesondere in den Bereichen, welche durch die stegartigen Elemente 41 überbrückt werden, ist zu erkennen, dass die Übergänge von den Bereichen maximaler Materialstärke 35 zu den Bereichen minimaler Materialstärke 34 ohne scharfe Kanten verlaufen. Wie bereits in 5 angedeutet, sind alle Übergänge abgerundet und weisen keine Krümmungsradien kleiner als 10 mm auf.
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Die Bereiche 35 maximaler Materialstärke sind dabei als podestartige Bereiche ausgebildet. Die nach oben gerichtete Oberfläche der podestartigen Bereiche ist quadratisch. Diese Oberfläche ist vorteilhafterweise an die Formgebung der verwendeten Peltierelemente angepasst.
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Die in 6 gezeigte Abdeckplatte 4c kann, wie auch die vorausgegangenen Abdeckplatten 4a und 4b, an der dem Betrachter abgewandten Seite Dehnfugen oder Federstrukturen aufweisen.
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Die 7 zeigt ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel einer thermoelektrischen Temperiereinheit 1. Die thermoelektrische Temperiereinheit 1 der 7 weist eine Abdeckplatte 4d auf. Diese ist entsprechend der Abdeckplatte 4c, wie sie in 6 gezeigt wurde, ausgebildet. An der Oberfläche der Abdeckplatte 4d sind keine Dehnfugen oder Federstrukturen vorgesehen. Diese können jedoch in alternativen Ausführungen, wie in den 2 bis 4 dargestellt, ebenfalls vorgesehen werden. Die Abdeckplatte 4d ist derart gestaltet, dass die zwischen den Peltierelementen 2 verlaufenden Kanäle 52 bzw. 53 einen Grundriss aufweisen, welcher nach unten hin zur Abdeckplatte 3 geradlinig verläuft und nach oben hin zur Abdeckplatte 4d bogenförmig verlauft.
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Entlang des Kanals 52 sind zwei stegartige Elemente 51 angeordnet. Diese dienen der Erhöhung der Steifigkeit der Abdeckplatte 4d. Entlang des schmäleren Kanals 53 sind insbesondere am Schnittpunkt mit dem Kanal 52 trichterartige Übergänge 51 vorgesehen, welche sich aus den Krümmungsradien der Kanäle 52 bzw. 53 ergeben.
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In alternativen Ausführungsformen können auch innerhalb der Kanäle 53 stegartige Elemente vorgesehen werden. An der Oberseite der Abdeckplatte 4d ist ebenfalls ein Batterieelement 5 angedeutet.
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Durch eine Gestaltung der Abdeckplatte 4d ist insbesondere eine Abdeckplatte zu erreichen, welche eine hohe Temperaturhomogenität aufweist. Durch die unterschiedlichen Materialstärken kann die Temperaturverteilung beeinflusst werden. Die unterschiedlichen Materialstärken bieten zudem bereits eine verbesserte Möglichkeit thermische Spannungen aufzunehmen, da mit den unterschiedlichen Materialstärken auch eine unterschiedliche Festigkeit der einzelnen Bereiche einhergeht. Zusätzlich kann durch das Vorsehen von Dehnfugen und Federstrukturen, wie sie bereits in den 2 bis 4 gezeigt wurden, die Aufnahmefähigkeit der Abdeckplatte 4d für thermische Spannungen weiter erhöht werden.
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Die einzelnen Merkmale der Ausführungsbeispiele der 1 bis 7 können auch untereinander kombiniert werden. Die gezeigten Ausführungsbeispiele haben keinen beschränkenden Charakter. Dies gilt insbesondere hinsichtlich der Parameter, wie der geometrischen Gestaltung, der Größe und der Materialwahl sowie der Anzahl der Peltierelemente in Raumrichtung 22 und/oder in Raumrichtung 23. Die 1 bis 7 haben einen beispielhaften Charakter und dienen der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens. Von ihnen geht keine beschränkende Wirkung aus.
