DE102014002246A1

DE102014002246A1 - Aufbau eines Peltiermoduls für Warmwasserspeicher

Info

Publication number: DE102014002246A1
Application number: DE102014002246.3A
Authority: DE
Inventors: Walter Eiler; Alexander Hörsting; Thomas Sporleder; Stefan Engelke
Original assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Current assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Priority date: 2014-02-21
Filing date: 2014-02-21
Publication date: 2015-08-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Elementes (1) umfassend die Schritte – Bereitstellen jeweils mehrerer positiv und mehrerer negativ dotierter thermoelektrischer Pellets (4) in einer Aufnahmematrix (20) mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche (11, 12), wobei jedes Pellet (4) von der ersten zur zweiten Oberfläche (11, 12) durch die Aufnahmematrix (20) reicht, – Anordnen elektrischer Leiterbrücken (14) jeweils auf der ersten und der zweiten Oberfläche (11, 12) der Aufnahmematrix (20) so, dass eine Leitungsbrücke (14) jeweils eine elektrische Verbindung zwischen einem der positiv und einem der negativ dotierten Pellets (4) herstellt, wobei – jeweils mehrere oder alle Leiterbrücken (14) wenigstens einer der beiden Oberflächen (11, 12) einzeln oder in einem Stanzgitter (16) und/oder ohne einen gemeinsamen Träger aufgebracht werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Elementes sowie ein thermoelektrisches Element und einen Bestückungsautomaten zum Herstellen eines solchen sowie die Verwendung eines SMD-Bestückungsautomaten für die Herstellung eines thermoelektrischen Elementes. Die Erfindung betrifft zudem ein Wärmepumpenmodul zur Verwendung in einer Wärmespeicheranordnung sowie eine Wärmespeicheranordnung und die Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Halbzeug zum Herstellen eines Wärmepumpenmoduls. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Steuern einer Warmwasserspeicheranordnung.
Die grundsätzlichen Möglichkeiten von thermoelektrischen Bauteilen zur Stromerzeugung mittels des Seebeckeffekts oder zum Heizen oder Kühlen mittels des Peltiereffekts sind seit langem bekannt. Die praktischen technischen Anwendungen beschränken sich aber bisher im Wesentlichen auf relativ wenige Fälle, weil die Kosten der Module für breite Einsätze bei den erreichbaren Wirkungsgraden zu hoch sind.
Um solche Kosten zu reduzieren, wird versucht, Materialien zu finden, die preiswerter sind oder bessere thermoelektrische Eigenschaften aufweisen.
Solche Bestrebungen hängen somit davon ab, ob solche Materialien gefunden werden. Entsprechend ist auch schwer vorhersehbar, ob solche Materialien gefunden werden und welche Erfolge dann erzielt werden können.
Eine Kontaktierung der einzelnen Peltierelemente, um die entsprechenden N-dotierten und P-dotierten Thermoelektrischen Pellets in einer Reihenschaltung aber in einer platten Ebene vorzusehen, ist bisher mittels allgemein bekannter Platinen erfolgt, die auch als Leiterplatten bezeichnet werden. Die Platinen sind hierzu mit im Grunde vielen kurzen Leiterbahnabschnitten versehen worden. Jeweils ein solcher Leiterbahnabschnitt hat zwei thermoelektrische Pellets, nämlich ein N-dotiertes und P-dotiertes elektrisch verbunden. Eine solche Kontaktierung kann zwar vergleichsweise einfach hergestellt werden, weil bekannte Verfahren zum Fertigen von Platinen mit Leiterbahnen verwendet werden können, allerdings können solche Platinen auch Probleme aufweisen. Insbesondere können sie sich – wenn auch nur minimal – verziehen und zu einer unerwünscht gebogenen oder verzogenen Oberfläche führen. Auch ist die Schichtdicke der Leiterbahnabschnitte, und damit auch deren Leitfähigkeit begrenzt. Eine insoweit zu schwach ausgelegte elektrische Verbindung führt zu einem höheren ohmschen Widerstand und verschlechtert dadurch den Wirkungsgrad des Peltierelements. Aufgrund der hohen thermischen Anforderungen (hohe thermische Leitfähigkeit) werden in thermoelektrischen Bauteilen zumeist Platinen mit keramischem Trägermaterial eingesetzt.
Aufgrund zumindest einiger der genannten Probleme haben sich thermoelektrische Module wenig durchgesetzt und finden besonders in speziellen Anwendungen Anwendung, wie bspw. in Autokühlboxen, bei denen keine zu hohen Anforderungen gestellt werden und das Vermeiden eines Aufbaus mit flüssigen Kühlmedien im Vordergrund steht. Für eine Verbreitung solcher thermoelektrischer Elemente über einige spezielle Anwendungen hinaus müssen zunächst auch die genannten Probleme angegangen werden. Besonders für Anwendungen in weit verbreiteter Haustechnik wie Warmwasserspeichern sieht die Fachwelt aus den beschriebenen Gründen kaum ein Potenzial.
Das Dokument DE 10 2012 205 087 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Bauelements oder zumindest eines Halbzeugs desselben. Dieses Dokument beschäftigt sich insbesondere mit der konkreten Herstellung von Thermoelektrische Pellets und deren Bereitstellung in einer Matrix. Eine konkrete Weiterverarbeitung des dort beschriebenen Bauelementes ist nicht Gegenstand des Dokumentes. Die internationale Anmeldung PCT/MY2009/000076 betrifft eine spezielle Anwendung thermoelektrischer Elemente in einem Hybridwassererwärmer.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, wenigstens eins der genannten Probleme zu adressieren. Insbesondere soll eine Lösung vorgeschlagen werden, die eine möglichst kostengünstige und wirtschaftliche Herstellung thermoelektrischer Elemente und/oder Anwendung thermoelektrischer Elemente schafft. Zumindest soll gegenüber bisher bekannten Lösungen eine Alternative vorgeschlagen werden.
Erfindungsgemäß wird somit ein Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Elementes gemäß Anspruch 1 bzw. Ausführungsform 1 vorgeschlagen.
Es werden somit zunächst mehrere positiv und mehrere negativ dotierte thermoelektrische Pellets, insbesondere thermoelektrische Pellets in einer Aufnahmematrix mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche bereitgestellt. Jedes Peltierpellet durchdringt diese Matrix von der ersten zur zweiten Oberfläche bzw. umgekehrt. Die Ausgestaltung dieser Aufnahmematrix mit den enthaltenen Pellets kann bspw. dem entsprechen, was in dem o. g. Dokument DE 10 2012 205 087 A1 beschrieben ist.
Diese Pellets werden nun mittels elektrischer Leiterbrücken kontaktiert. Dafür sind die negativ dotierten und positiv dotierten Pellets im Grunde abwechselnd vorhanden und eine Brücke verbindet jeweils ein positiv und ein negativ dotiertes Pellet elektrisch. Eine solche Kontaktierung erfolgt grundsätzlich sowohl an der ersten als auch an der zweiten Oberfläche und die Pellets werden dabei zumindest abschnittsweise elektrisch in Reihe geschaltet.
Es wird nun vorgeschlagen, dass die Leiterbrücken einzeln oder in einem Stanzgitter und/oder ohne einen gemeinsamen Träger aufgebracht werden. Es wird die Verwendung einer Platine mit aufgedruckten Leiterabschnitten als Leiterbrücken vermieden. Solche Platinen haben besonders den Nachteil, dass die aufgedruckten Leiterbahnenabschnitte, die hier als Leiterbrücken fungieren würden, recht dünn sind, obwohl ein vergleichsweise hoher Strom bei geringer Spannung in diesen Leiterbrücken auftreten kann. Außerdem würde die Verwendung einer solchen Platine oder anderen Trägers ganz maßgeblich die Oberfläche des herzustellenden thermoelektrischen Elementes beeinflussen. Diese Nachteile und Beschränkungen werden somit vermieden.
Es kommt hinzu, dass das Anordnen der Leiterbrücken als einzelne Elemente überraschenderweise eine effiziente Herstellung ermöglicht. Eine solche Anordnung kann nämlich mit Hilfe von bekannten SMD-Bestückungsautomaten erfolgen. Die Pellets sind hierfür in der besagten Aufnahmematrix angeordnet und die Leiterbrücken brauchen nur in vordefinierter Art und Weise auf der entsprechenden ersten oder zweiten Oberfläche angeordnet zu werden.
Das Bereitstellen der thermoelektrischen Pellets in der Aufnahmematrix zusammen mit der Kontaktierung mittels einzeln aufgesetzter Leiterbrücken schafft somit in dieser Kombination eine effiziente Möglichkeit, solche thermoelektrischen Elemente herzustellen.
Gemäß einer Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass nach dem Anordnen der Leiterbrücken diese in einem Lötautomaten gemeinsam, zumindest jeweils gemeinsam für eine der beiden Oberflächen, zur elektrischen Kontaktierung mit den jeweiligen Pellets verlötet werden. Optional wird zuvor Lotpaste auf die Brücke bzw. an der entsprechenden Stelle auf das Pellet aufgetragen. Insbesondere erfolgt dieses Verlöten in dem Lötautomaten oberflächenweise, indem bspw. zunächst die erste Oberfläche des herzustellenden thermoelektrischen Elementes vollständig, also für alle vorzusehenden Leiterbrücken vorbereitet wird, nämlich so, dass alle Leiterbrücken an ihren gewünschten Positionen angeordnet sind und insbesondere Lotpaste ebenfalls an den entsprechenden Stellen angeordnet ist. Die Lotpaste kann auch eine Fixierung der Leiterbrücken unterstützen.
Die so vorbereitete Matrix mit den thermoelektrischen Pellets und den wenigstens auf einer Oberfläche positionierten Leiterbrücken kann dann einfach in den Lötautomaten eingeschoben werden und die Verlötung wird dort vorgenommen. Ein solcher Lötautomat kann bspw. so arbeiten, wie dies von einem Lötautomaten aus der SMD Technik, also zum Bestücken von Platinen mit SMD Bauteilen bekannt ist. Vorzugsweise wird also auch ein Lötautomat aus der SMD Technik hier zum Verlöten der Leiterbrücken des herzustellenden thermoelektrischen Elementes verwendet. In gleicher Art und Weise kann dann die verbleibende andere Oberfläche mit den Leiterbrücken versehen und diese dort verlötet werden. Zum Verlöten benötigtes Lötzinn oder ähnliches Material kann dabei mit üblichen Verfahren (z. B. Siebdruck) als Lotpaste auf die Pellets aufgebracht werden. Zur Sicherstellung einer zuverlässigen Verbindung kann die Leitungsbrücke und/oder auch die Pellets dazu zudem eine entsprechend verzinnte Oberfläche oder lötfähige Beschichtung aufweisen.
Vorzugsweise werden die Leiterbrücken aus einem Metall oder einer Metalllegierung gefertigt. Hierdurch kann eine entsprechende Leitfähigkeit und auch mechanische Stabilität für die Leiterbrücken erreicht werden. Das Anordnen mittels SMD-Technik auf jeweils einer der beiden Oberflächen der Aufnahmematrix wird begünstigt. Gleichzeitig lassen sich solche Leiterbrücken aus einem Metall oder einer Metalllegierung vergleichsweise gut fertigen, bspw. durch Stanzen. Alle Leiterbrücken sind vorzugsweise identisch ausgebildet und können dadurch in einer Massenfertigung hergestellt werden. Lediglich zu einer Anschlussleiste hin, also die Verbindung zum ersten bzw. letzten Pellet einer Aufnahmematrix, kann zum Verbinden mit einer benachbarten Aufnahmematrix bzw. eines Stromanschlusses die Leiterbrücke anders ausgebildet sein, bspw. eine andere Geometrie aufweisen. Die Art der Verarbeitung muss hierdurch aber nicht beeinflusst werden.
Durch das Vorsehen einer verzinnten Oberfläche kann ein anschließender Lötprozess nicht nur vereinfacht, sondern auch vereinheitlicht werden, weil gleiche Leiterbrücken mit gleicher verzinnter Oberfläche auch jeweils eine gleiche Menge an zum Verlöten verwendbaren Lötzinn bereitstellen. Insbesondere kann die Brücke Kupfer und/oder Messing aufweisen. Reines Kupfer gewährleistet eine sehr hohe Leitfähigkeit. Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität und damit auch zum Vermeiden von produktionsbedingten Fertigungsschwankungen kann eine Legierung zu Messing hin vorteilhaft sein. Durch die Flexibilität bei der Dicke der Leiterbrücken kann der elektrische Widerstand sehr gering gestaltet werden.
Gemäß einer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass nach dem Verlöten der Leiterbrücken eine Schutzschicht auf das Element aufgebracht wird. Das gesamte Element kann in eine solche Schutzschicht eingehüllt werden, zumindest wird diese Schutzschicht aber für wenigstens eine der beiden Oberflächen, insbesondere für beide Oberflächen vorgeschlagen. Diese Schutzschicht kann auch für die erste Oberfläche einerseits und die zweite Oberfläche andererseits in Art und/oder Dicke anders ausgebildet sein.
Hierzu wird als eine Variante das Aufbringen einer Lackschicht vorgeschlagen. Demnach wird ein isolierender Lack aufgetragen, der insbesondere möglichst dünn aufgetragen werden sollte. Hierdurch wird ein Schutz auch gegen Korrosion erreicht und die Lackschicht sollte so dick sein, dass sie eine elektrische Isolierung erreichen kann. Da vergleichsweise geringe Spannungen an dem thermoelektrischen Element auftreten werden, kann diese Lackschicht auch entsprechend dünn ausgebildet sein. Als Lack, also insbesondere Isolationslack, kann aus der Elektronik bekannter Lack verwendet werden.
Eine weitere Variante ist, eine Folie als Schutzschicht aufzubringen und entsprechend kann eine dünne, isolierende Folie vorbereitet und auf die jeweilige Oberfläche aufgelegt werden und bspw. durch Erwärmen aufgetragen werden, wobei sie ggf. Zwischenräume, wie Zwischenräume zwischen den Leiterbrücken, untereinander ausfüllt.
Vorzugsweise kann auch eine Wärmeleitpaste aufgetragen werden, die elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist. Das Aufbringen bzw. Verwenden einer elektrisch isolierenden Wärmeleitpaste schafft besonders eine hohe Flexibilität für die Weiterverarbeitung des thermoelektrischen Elementes. Die Wärmeleitpaste kann sich noch an andere Oberflächen, die mit der entsprechenden Oberfläche der Aufnahmematrix verbunden wird, anpassen. Auch kann eine Wärmeleitpaste mit vergleichsweise geringer Dicke vorgesehen sein und die Wärmeleitpaste kann besonders gut Zwischenräume zwischen benachbarten Leiterbrücken ausfüllen und dabei unterschiedliche Dicken also unterschiedliche Schichtstärken aufweisen, so dass im Grunde oberhalb der Leiterbrücken eine gleichmäßige Oberfläche, insbesondere Kontaktfläche erreicht werden kann.
Vorteilhaft ist auch das Aufbringen eines Vergusses. Dieser wirkt ganz ähnlich wie zur Wärmeleitpaste beschrieben wurde, kann allerdings in flüssiger oder zumindest fließfähiger Form aufgetragen werden und zumindest partiell aushärten. Damit wird eine besonders strapazierfähige Schutzschicht erreicht, die nach dem Aushärten gleichwohl noch eine gewisse Elastizität aufweisen kann.
Vorteilhaft ist ebenfalls das Aufsputtern einer Isolationsschicht. Ein isolierendes Material beispielsweise aus Oxiden (SiO₂, Al₂O₃, ZnO) oder Nitriden (Si₃N₄, TiN, AlN), wird somit durch diesen physikalischen Sputter-Vorgang aufgetragen. Dieses Verfahren gewährleistet eine besonders dünne Oberfläche. Es kann somit eine Schutzschicht hergestellt werden, die das thermoelektrische Element schützt, gleichwohl einer thermischen Leitfähigkeit von dieser Oberfläche zu einem benachbarten Element kaum entgegensteht. Wird also bspw. ein Kühlkörper oder anderes thermisch leitfähiges Element an dieser Oberfläche, also an dieser aufgesputterten Isolationsschicht angesetzt, kann eine hohe Wärmeleitfähigkeit von dieser Oberfläche zu diesem anderen Element, also dem beispielhaften Kühlkörper, erreicht werden.
Vorteilhaft ist es, das thermoelektrische Element mit einer solchen aufgetragenen Schutzschicht als Halbzeug zur weiteren Verarbeitung oder Anwendung bereitzustellen. Insbesondere kann, und das wird vorgeschlagen, ein solches Halbzeug ohne Leiterplatte und ohne keramische Abschlussplatte als Halbzeug zur weiteren Verarbeitung oder Anwendung bereitgestellt werden.
Wird ein thermoelektrisches Element mit Hilfe einer Leiterplatte kontaktiert, wird also eine Leiterplatte verwendet, die Leiterbahnenabschnitte zum Kontaktieren jeweils zweier thermoelektrische Pellets aufweist, stellt danach im Grunde die Rückseite dieser Leiterplatte die entsprechende neue Oberfläche des thermoelektrischen Elementes dar. Es können auch keramische Abschlussplatten vorgesehen sein, die ebenso wie eine solche Leiterplatte eine elektrische Isolierung zu der so neu geschaffenen Oberfläche schafft und gleichzeitig ein thermoelektrisches Element mit vergleichsweise ebener und fester Oberfläche schafft, dass dadurch ein sehr gut handhabbares Element zur Weiterverwendung in entsprechenden Anwendungen schafft.
Es wurde aber erkannt, dass eine solche Abschlussplatte, also sowohl eine keramische Abschlussplatte als auch die Leiterplatte, die im Ergebnis ebenfalls eine Abschlussplatte darstellt, eingespart werden kann, jedenfalls für einige Anwendungen wie die Anwendung in einem Wärmepumpenmodul. Durch das Vermeiden einer solchen keramischen Abschlussplatte oder Leiterplatte, die auch als Platine bezeichnet werden kann, verringert zum einen den Fertigungsaufwand, einschließlich auch des Materialaufwandes und verringert zudem eine Wärmebarriere, schafft also eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit von der Oberfläche des thermoelektrischen Elementes zu einem anzuschließenden Element, wie bspw. einen Kühlkörper. Wenigstens eine der o. g. Schutzschichten kann völlig ausreichend sein, wenn das thermoelektrische Element auf einer Aufnahmematrix mit darin angeordneten thermoelektrische Pellets basiert. Es kann hierdurch nämlich durch die Aufnahmematrix bereits eine mechanisch stabile Platte geschaffen werden. Es werden im Grunde nur noch die Leiterbrücken zur elektrischen Kontaktierung und eine Schutzschicht ergänzt. Hierdurch ist dann ein weiter verarbeitbares Halbzeug schaffbar, das besonders geringe elektrische Widerstände und gute thermische Kontakteigenschaften aufweist.
Vorzugsweise wird die Schutzschicht so aufgebracht, dass Unebenheiten der Leiterbrücken untereinander jeweils einer der beiden Oberflächen ausgeglichen werden. Außerdem oder alternativ können Zwischenräume zwischen den Leiterbrücken jeweils einer der beiden Oberflächen aufgefüllt werden, um eine einheitliche, neue Oberfläche zu schaffen. Das Herstellen einer neuen ebenen Oberfläche auf diese Art und Weise begünstigt ebenfalls, Leiterplatten oder keramische Abschlussplatten vermeiden zu können.
Vorzugsweise werden zum Aufbringen der Leiterbrücken diese jeweils in einem Trägergurt bereitgestellt. Ein solcher Trägergurt kann diese Leiterbrücken an definierten Positionen bereitstellen, in dem diese Leiterbrücken an den entsprechenden Positionen an dem Trägergurt provisorisch befestigt oder in einer Aufnahme bereitgestellt werden. Ein Trägergurt kann bspw. auch die Leiterbrücken in sogenannten Blistern zur Verfügung stellen, also in Kunststoffgurten mit entsprechend tiefgezogenen Ausnehmungen, ganz ähnlich wie vielfach Tabletten bspw. in Zehnerpackungen oder anderer Anzahl bereitgestellt werden. Diese Vorbereitung ermöglicht den Einsatz bekannter SMD-Bestückungsautomaten. Diese können die jeweilige Leitungsbrücke von dem Gurt entnehmen und an der entsprechenden Position auf der Aufnahmematrix zum Kontaktieren von zwei thermoelektrischen Pellets aufsetzen.
Vorzugsweise wird somit auch vorgeschlagen, zum Anordnen der Leiterbrücken auf der jeweiligen Oberfläche der Aufnahmematrix einen SMD-Bestückungsautomaten zu verwenden. Dieser kann auch in besonders vorteilhafter Weise mit einem Lötautomaten, ebenfalls aus der SMD-Technik zusammenarbeiten.
Erfindungsgemäß wird zudem ein thermoelektrisches Element vorgeschlagen. Dieses umfasst

– eine Aufnahmematrix mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche und jeweils mehreren positiv und mehreren negativ dotierten thermoelektrischen Pellets, insbesondere thermoelektrischen Pellets in der Aufnahmematrix wobei jedes Pellet von der ersten zur zweiten Oberfläche durch die Aufnahmematrix reicht und
– jeweils auf der ersten und zweiten Oberfläche angeordnete elektrische Leiterbrücken, jeweils kontaktiert mit einem der positiven und einem der negativen Pellets, zum Herstellen jeweils einer elektrischen Verbindung dazwischen, wobei
– das thermoelektrische Element eine Schutzschicht aufweist, die nach dem Anordnen und Kontaktieren der Leiterbrücken ganz oder teilweise auf das Element, insbesondere auf die beiden Oberflächen und auf die Leiterbrücken aufgebracht wurde, und die Schutzschicht ist ausgewählt aus
– einer aufgebrachten Lackschicht,
– einer aufgebrachten Folie,
– einer aufgebrachten Wärmeleitpaste,
– eines aufgebrachten Vergusses oder
– einer aufgesputterten Isolationsschicht.

Günstig ist, die Pellets in der Matrix mit in einer Regelmäßigkeit anzuordnen, um den Einsatz vieler gleicher Teile zu ermöglichen. Die Vorteile eines solchen thermoelektrischen Elementes entsprechen denen, die auch oben im Zusammenhang mit verschiedenen Ausführungsformen des Herstellungsverfahrens beschrieben wurden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des vorgeschlagenen thermoelektrischen Elementes sind in den Ausführungsformen zum thermoelektrischen Element beschrieben. Für die Vorteile und Wirkungsweise der entsprechenden Merkmale wird nach oben auf Erläuterungen zu Ausführungsformen des Herstellungsverfahrens oben zu den entsprechenden Merkmalen verwiesen.
Vorzugsweise weist die Aufnahmematrix aus Pulver gepresste und optional gesinterte Pellets auf. Eine solche Aufnahmematrix mit solchen Pellets kann eine vorteilhafte und auch kostengünstige Ausgangsbasis für das thermoelektrische Element darstellen. Durch die Verwendung von Pellets aus gepresstem Pulver können diese optimal an entsprechende Aufnahmen in der Aufnahmematrix angepasst sein. Ggf. lässt sich eine kostengünstige Herstellung hiervon dadurch erreichen, dass die thermoelektrischen Pellets sogar in der Aufnahmematrix gepresst und ggf. gesintert werden.
Gemäß einer Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Leiterbrücken jeweils eine Dicke im Bereich von 0,2 mm bis 1,5 mm aufweisen. Vorzugsweise liegt die Dicke dabei im Bereich von 0,3 bis 1 mm. Es werden somit Leiterbrücken mit einer vergleichsweise hohen Dicke vorgeschlagen, wodurch eine hohe bzw. gute elektrische Leitfähigkeit erreicht wird. Gleichwohl wird die Dicke auf einen Wert begrenzt, der vermeidet, dass durch die Leiterbrücken auf der entsprechenden Oberfläche der Aufnahmematrix eine zu dicke Schicht entsteht.
Gemäß einer Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Leiterbrücken jeweils einer Oberfläche des thermoelektrischen Elementes, und damit einer Oberfläche der Aufnahmematrix einschließlich der aufgenommenen Pellets, mehr als 50%, insbesondere mehr als 70% dieser Oberfläche bedecken. Dadurch kann eine große, metallische Schicht geschaffen werden, die dadurch eine hohe thermische Leitfähigkeit von den Oberflächen der Pellets, die thermisch wirksam sind, zu einer neuen Oberfläche schaffen, die an anderen thermischen Elementen, also bspw. an einen Kühlkörper anzuordnen wären. Besonders mit der beschriebenen dünnen Schutzschicht, die elektrisch isolierend wirkt, ergäbe sich von den Pellets ein kurzer Weg hoher thermischer Leitfähigkeit, nämlich von der Kontaktoberfläche der Pellets über die darauf angeordnete Leitungsbrücke über die dünne Schutzschicht zur Oberfläche und damit zum angeschlossenen weiteren Element wie dem beispielhaft genannten Kühlkörper.
Vorzugsweise sind die Leiterbrücken etwa in Form eines Quaders, ggf. mit abgerundeten Ecken, aufgebaut, wobei dieser Quader eine Dicke, eine Länge und Breite aufweist. Die Dicke weist vorzugsweise die beschriebenen Werte von 0,2 bis 1,5 mm, vorzugsweise 0,3 bis 1 mm auf. Der Quader erstreckt sich in seiner Länge im Grunde von einem Pellet zum Nächsten, also zwischen den beiden Pellets die er kontaktieren soll. Das Verhältnis von Länge zu Breite beträgt etwa den Wert 1,8 bis 4, insbesondere 2,0 bis 2,5. Das Verhältnis von Breite zu Dicke beträgt etwa 5 bis 20, insbesondere etwa 8 bis 12. Durch solche Verhältnismäßigkeiten der Brücke kann eine vorteilhafte Kontaktierung erreicht werden mit guten elektrischen Leitwerten, insbesondere bei Verwendung eines metallischen Körpers mit einer gleichzeitig passablen Dicke. Die Dicke ist dabei so gering, dass sie dennoch eine gute Wärmeleitfähigkeit schafft. Eine gute Wärmeleitfähigkeit zu den thermoelektrischen Pellets kann somit durch eine große Abdeckung der Oberfläche der Aufnahmematrix durch die Gesamtheit der Leiterbrücken auf dieser Oberfläche geschaffen werden.

– Optional können die Brücken noch auf der den Pellets zugewandten Seite mit einer kleinen erhabenen Prägung versehen sein, welche 80–120% der Fläche der Pellets entspricht. Diese Prägung ist an der Position der Pellets in einer daran angepassten Form vorgesehen. Eine solche Prägung die vorzugsweise 5...10% der Dicke der Verbindungsbrücken beträgt (25...100 μm), führt zu einer besser abgegrenzten Lotposition und ist zudem in der Lage Unebenheiten und Absätze im Übergansbereich der Pellets zu dem Trägermaterial auszugleichen. Zudem wird eine Luftschicht im Bereich zwischen den Pellets erzeugt, diese Luftschicht stellt aufgrund ihrer schlechten Wärmeleitung einen zusätzlichen thermischen Widerstand in diesem Bereich dar und wirkt sich daher positiv auf den Wirkungsgrad aus. Um die flächige thermische Ankopplung auf der den Pellets abgewandten Seite beizubehalten erfolgt die Prägung vorzugsweise in der Art, dass die planare Oberfläche auf dieser Seite beibehalten wird.

Die Leiterbrücken sind vorzugsweise identisch und werden vorzugsweise durch Stanzen oder Lasern hergestellt. Es liegen also identische Leiterbrücken vor, die gelasert oder gestanzt sind.
Vorzugsweise wird das thermoelektrische Element durch ein Verfahren gemäß wenigstens einer der oben beschriebenen Ausführungsformen hergestellt.
Erfindungsgemäß wird auch ein Wärmepumpenmodul vorgeschlagen. Ein solches Wärmepumpenmodul ist vorbereitet zur Verwendung in einer Wärmespeicheranordnung. Eine solche Wärmespeicheranordnung weist einen Warmwasserspeicher auf. Das Wärmepumpenmodul wird dabei zum Erwärmen von Wasser des Warmwasserspeichers eingesetzt. Das Wärmepumpenmodul entnimmt dabei Wärmeenergie aus einem Umgebungsmedium, insbesondere aus Umgebungsluft. Diese Wärmeenergie und ggf. weitere Wärmeenergie wird somit zum Erwärmen dieses Wassers verwendet.
Das Wärmepumpenmodul umfasst

– ein thermoelektrisches Element mit
– einem Kühlkörper zum Entnehmen der Wärmeenergie aus dem Umgebungsmedium und
– einem Wärmeübertragungselement zum direkten oder indirekten Abgeben von Wärme an das Wasser des Wärmespeichers, wobei
– das thermoelektrische Element mit einer ersten Oberfläche an dem Kühlkörper angeordnet ist, um eine Wärmeleitung von dem Kühlkörper zum thermoelektrischen Element zu erreichen und
– das thermoelektrische Element mit einer zweiten Oberfläche an dem Wärmeübertragungselement angeordnet ist, um eine Wärmeleitung von dem thermoelektrischen Element zu dem Wärmeübertragungselement zu erreichen.

Das Wärmepumpenmodul verwendet also ein thermoelektrisches Element. Dieses thermoelektrische Element führt im Betrieb, also bei Anlegen elektrischen Stroms dazu, dass es an seiner einen Oberfläche, bspw. der ersten Oberfläche, kühlt und an seiner anderen Oberfläche, bzw. der zweiten Oberfläche, wärmt. Dazu ist das thermoelektrische Element zwischen dem Kühlkörper und dem Wärmeübertragungselement angeordnet. Die Anordnung erfolgt derart, dass das thermoelektrische Element mit seiner kühlenden Oberfläche an dem Kühlkörper und seiner wärmenden Oberfläche an dem Wärmeübertragungselement angeordnet ist. Es wird somit eine hohe Wärmeleitung zu beiden Seiten erreicht, wodurch eine Wärmeleitung von dem Kühlkörper über eine flächige Verbindung zu dem thermoelektrischen Element und von dort weiter über eine weitere flächige Verbindung zu dem Wärmeübertragungselement erfolgt. Somit kann Wärmeenergie von dem Umgebungsmedium zum Wärmeübertragungselement strömen. Wärme, die durch den elektrischen Betrieb des thermoelektrischen Elementes entsteht, also Stromwärme, kann ebenfalls in das Wärmeübertragungselement strömen.
In dem Wärmeübertragungselement bzw. mit Hilfe des Wärmeübertragungselements wird dann das Wassers des Warmwasserspeichers erwärmt. Dies kann direkt erfolgen, indem also das zu erwärmenden Wasser des Wasserspeichers durch das Wärmeübertragungselement fließt, oder indirekt, indem ein weiterer Kreislauf eines Wärmeträgermediums vorgesehen ist.
Vorzugsweise ist zwischen der ersten Oberfläche des thermoelektrischen Elementes und dem Kühlkörper und außerdem oder alternativ zwischen der zweiten Oberfläche des thermoelektrischen Elementes und dem Wärmeübertragungselement eine elektrische Isolationsschicht angeordnet. Diese elektrische Isolationsschicht ist eine Lackschicht, eine Folie, eine Wärmeleitpaste, eine Vergussmasse oder eine aufgesputterte Isolationsschicht. Insbesondere sind dort keine Leiterplatte und keine keramische Abschlussplatte angeordnet. Über diese elektrische Isolationsschicht, die besonders dünn ausgebildet sein kann, was vorteilhaft vorgeschlagen wird, wird eine möglichst große Wärmeleitfähigkeit zwischen dem thermoelektrischen Element und dem Kühlkörper bzw. dem thermoelektrischen Element und dem Wärmeübertragungselement erreicht. Gleichzeitig kann ein entsprechend vorteilhaft und günstig herstellbares thermoelektrisches Element eingesetzt werden. Vorzugsweise ist die elektrische Isolationsschicht als elektrische Isolationsschicht auf dem thermoelektrischen Element angeordnet und nimmt die Position zwischen thermoelektrischen Element und Kühlkörper bzw. zwischen thermoelektrischen Element und dem Wärmeübertragungselement durch das Zusammensetzen dieser Elemente ein.
Vorzugsweise ist somit zwischen den Leiterbrücken, also den elektrischen Leiterbrücken auf der ersten bzw. zweiten Oberfläche des thermoelektrischen Elementes und dem Kühlkörper bzw. dem Wärmeübertragungselement nur die beschriebene bzw. eine der beschriebenen elektrischen Isolationsschichten angeordnet. Eine thermische Leitfähigkeit wird somit an der Stelle so gering wie möglich durch die elektrische Isolationsschicht reduziert.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Wärmepumpenmodul dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungselement das zu erwärmende Wasser oder ein anderes flüssiges Wärmeträgermedium führt und die zweite Oberfläche bzw. die auf der zweiten Oberfläche angeordnete Isolationsschicht in unmittelbarem Kontakt mit dem flüssigen Wärmeübertragungsmedium ist, um Wärme von dem thermoelektrischen Element auf das Wärmeträgermedium zu übertragen. Das Wärmeträgermedium strömt somit unmittelbar an der einen Oberfläche des thermoelektrischen Elementes entlang. Ein thermischer Widerstand vom thermoelektrischen Element zu diesem Wärmeträgermedium wird somit auf ein Minimum reduziert und auch hierfür kann auf eine Platine oder keramische Abschlussplatte verzichtet werden, wodurch der Aufwand des Aufbaus verringert und die thermischen Leitfähigkeitseigenschaften erhöht werden. Das Wärmeträgermedium kann dabei das zu erwärmende Wasser selbst sein oder dies ist für den Fall indirekter Erwärmung ein Wärmeträgermedium eines zwischengeschalteten Kreislaufs. Ein solcher zwischengeschalteter Kreislauf zum indirekten Wärmen kann zum Schutz von Verunreinigungen des zu erwärmenden Wassers vorgesehen sein. Er kann auch zum Schutz des thermoelektrischen Elements bzw. des Wärmeübertragungselementes vorteilhaft sein, um dort Schäden durch das Wasser des Warmwasserspeichers zu verhindern. Insbesondere können hier Probleme durch Verkalkung bei besonders hartem Wasser vermieden werden.
Vorzugsweise setzt das Wärmepumpenmodul einen indirekten Wärmekreislauf ein, bei dem ein Wärmeträgermedium, das von dem Wasser des Warmwasserspeichers getrennt ist, durch das Wärmeübertragungselement einerseits und Heizspiralen oder andere Heizkörper andererseits fließt, die im Warmwasserspeicher zum Wärmen des Wassers angeordnet sind.
Vorzugsweise verwendet das Wärmepumpenmodul ein thermoelektrisches Element gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen eines thermoelektrischen Elementes. Insbesondere wird ein solches thermoelektrisches Element, das als thermoelektrisches Halbzeug hergestellt wurde, verwendet.
Erfindungsgemäß wird zudem eine Herstellungsvorrichtung oder Fertigungsstraße vorgeschlagen. Diese ist oder umfasst insbesondere einen SMD-Bestückungsautomaten und/oder einen SMD-Lötautomaten. Diese Herstellungsvorrichtung ist dabei vorbereitet und entsprechend angepasst, ein oben gemäß wenigstens einer Ausführungsform beschriebenes thermoelektrisches Element herzustellen. Insbesondere wird die Herstellvorrichtung in einem Verfahren gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsvorrichtungen eingesetzt.
Erfindungsgemäß wird zudem eine Warmwasserspeicheranordnung vorgeschlagen, die zum Erwärmen von Wasser und zum Bereitstellen des erwärmten Wassers vorgesehen ist. Sie umfasst einen Schichtwasserspeicher mit einem unteren Speicherbereich und einem oberen Speicherbereich. In dem unteren Speicherbereich wird im Grunde kaltes bis lauwarmes Wasser bereitgestellt und im oberen Speicherbereich heißes Wasser. Dabei wird das Wasser im oberen Speicherbereich im Wesentlich zur Benutzung durch einen Verbraucher, also zum Zapfen bereitgestellt, wohingegen das kalte bis lauwarme Wasser auf eine erste Vorwärmtemperatur, die bspw. im Bereich von 30 bis 40°C liegen kann, erwärmt wird und zum Zuführen zum oberen Speicherbereich bereitgestellt wird.
Für jeden Speicherbereich ist zumindest eine Heizvorrichtung vorgesehen, wobei die erste Heizvorrichtung, nämlich die für den unteren Speicherbereich, eine Wärmepumpe mit einem thermoelektrischen Element aufweist bzw. ist. Als thermoelektrisches Element wird insbesondere ein Peltiermodul vorgeschlagen. Somit wird das Wasser im unteren Speicherbereich durch eine Wärmepumpe mit einem thermoelektrischen Element auf die erste Temperatur aufgeheizt.
Vorzugsweise ist die zweite Heizvorrichtung mit einem Heizdraht versehen, der das Aufheizen des Wassers im oberen Speicherbereich vornimmt. Dieser Heizdraht kann insbesondere innerhalb eines Heizrohres vorgesehen sein, das in dem oberen Speicherbereich, bspw. ganz ähnlich einem Tauchsieder, angeordnet wird. Entsprechend ist dort in dem oberen Speicherbereich ein Heizrohr besonders mit Heizwendeln vorgesehen.
Vorzugsweise weist die erste Heizvorrichtung eine oder mehrere Leitungen auf. Diese sind zum Führen von Wasser aus dem unteren Speicherbereich zur Wärmepumpe und zurück vorgesehen, um das Wasser unmittelbar in der Wärmepumpe zu erwärmen.
Außerdem oder alternativ wird vorgeschlagen, dass Leitungen vorgesehen sind, die ein flüssiges Wärmeträgermedium zur Wärmepumpe führen. In diesem Fall würde das Wasser nicht direkt erwärmt werden, sondern indirekt über das Erwärmen dieses Wärmeträgermediums.
Vorzugsweise verwendet eine solche erste Heizvorrichtung auch ein Heizrohr, das zum Beheizen in dem unteren Speicherbereich angeordnet ist. Für dieses Heizrohr wird jedoch vorgeschlagen, dass es ein flüssiges Wärmeträgermedium führt. Dieses Wärmeträgermedium, das auch Wasser sein kann, oder ein anderes übliches flüssiges Wärmeträgermedium, fließt durch die thermoelektrische Wärmepumpe, in dem es erwärmt wird. Das so erwärmte flüssige Wärmeträgermedium strömt dann durch das Heizrohr, erwärmt das Heizrohr und dadurch das Wasser im unteren Speicherbereich, in dem dieses Heizrohr angeordnet ist. Vorzugsweise ähnelt dieses Heizrohr dem Heizrohr im oberen Speicherbereich oder auch einem Heizrohr, das üblicherweise im unteren Speicherbereich angeordnet würde, wenn eine herkömmliche Heizvorrichtung ohne Wärmepumpe verwendet wird. Durch diese Ähnlichkeit der Heizrohre kann hier besonders vorteilhaft bekannte Anschlusstechnik verwendet werden. Auch die Dimensionierung des Heizrohres kann sich an Bekanntem orientieren. Dadurch kann die Beheizung mittels Wärmpumpe auf einfache Art und Weise unter Verwendung möglichst vieler bekannter Elemente eingebunden werden. Daher wird für dieses Heizrohr im unteren Speicherbereich im Vergleich zu dem Heizrohr des oberen Speicherbereichs vorgeschlagen, dass der Durchmesser dieser beiden Heizrohre möglichst gleich ist, möglichst das gleiche Material verwendet wird, die beiden Heizrohre möglichst dieselbe Form aufweisen, wie bspw. eine Form mit mehreren mit einem großen Zwischenraum versehenen Rohrwänden. Auch oder alternativ wird vorgeschlagen, den gleichen Anschluss für beide Heizrohre zu verwenden und/oder beide Heizrohre mit der gleichen oder ganz ähnlichen Länge vorzusehen.
Alternativ oder zusätzlich zu der beschriebenen zweiten, mit einem Heizdraht versehen, Heizvorrichtung können im Warmwasserspeicher auch Wärmeübertrager zur Erwärmung insbesondere des oberen Speicherbereichs, angebracht werden, deren Wärmeenergie aus anderen externen Wärmequellen stammt, bspw. von einem mit fossilen Brennstoffen betriebenen Heizungssystem, aus solarthermischen Paneelen oder einer externen Heizungswärmepumpe.
Zudem ist ein Wärmeeintrag auch über einen außen an der Behälterwand des Warmwasserspeichers angebrachten Wärmeübertrager möglich.
Gemäß einer Ausführungsform werden für den separaten Flüssigkeitskreis vom Peltiermodul zum Warmwasserspeicher Maßnahmen zum Druckausgleich bzw. zur Drucknachgiebigkeit vorgeschlagen. Wenn sich der Druck in dem Schichtwärmespeicher erhöht, bspw. durch das Erwärmen der Flüssigkeit im Speicher und insbesondere im separaten Flüssigkeitskreis des Peltiermoduls kommt es zu Druckänderungen. Im Falle einer „starren” Konstruktion müssen diese Druckänderungen (inklusiver erforderlicher Sicherheiten) von den Bauteilen und deren Verbindungen dauerhaft und zuverlässig aufgenommen werden. Als bevorzugte Alternative wird die Verwendung von Druckausgleichsvolumen, besonders gasgefüllte, vorgeschlagen oder eine Konstruktion bei der diese Druckänderungen ausgeglichen werden oder demgegenüber die Gerätschaften zumindest teilweiweise nachgeben, was hier als Drucknachgiebigkeit bezeichnet wird. Dazu wird vorgeschlagen, dass wenigstens eine der Leitungen aus Kunststoff gefertigt ist, insbesondere aus einem Kunststoffschlauch. Somit kann bei entsprechender Auslegung bereits durch diese Materialwahl ein Druckausgleich oder eine Drucknachgiebigkeit erreicht werden, indem sich nämlich die Kunststoffleitungen, insbesondere der Kunststoffschlauch, bei einem erhöhten Druck ausdehnt.
Zusätzlich oder alternativ kann auch ein ganz oder teilweise mit einem Gas gefülltes Druckausgleichsvolumen vorgesehen werden.
Vorzugsweise berührt das zu erwärmende Wasser oder ein flüssige Wärmeträgermedium das thermoelektrische Element unmittelbar. Es wird also auf abschirmende Abschlussplatten und ähnliches verzichtet. Lediglich eine elektrisch isolierende dünne Schicht wie eine Lackschicht kann zum Schutz vorgesehen sein. Insbesondere wird ein thermoelektrisches Element speziell so vorbereitet und verwendet, dass es eine unmittelbare Kontaktfläche zu dem Wasser oder Wärmeträgermedium aufweist und dass dabei ein Raum, eine Leitung oder Kammer, die als Wärmetauschkammer bezeichnet werden kann, oder dergleichen zum unmittelbaren Führen des Wassers oder anderen flüssigen Wärmeträgermediums an dieser Kontaktfläche des thermoelektrischen Elementes vorbei führt. Ein Aufbau mit separaten Leitungen, die ihrerseits erst das thermoelektrische Element berühren, soll vermieden werden.
Vorzugsweise umfasst die Wärmepumpe einen Kühlkörper zum Kühlen von Umgebungsluft. Die Umgebungsluft wird also an dem Kühlkörper gekühlt, indem sie Wärme an diesen abgibt. Die Wärmepumpe führt diese aus der Umgebungsluft aufgenommene Wärme letztlich dem Wasser im unteren Speicherbereich zu. Es wird vorgeschlagen, dass ein solcher Kühlkörper senkrecht ausgerichtete Kühlrippen aufweist, um eine Konvektionsströmung der Umgebungsluft auszunutzen. Diese senkrechte Anordnung bezieht sich auf die bestimmungsgemäße Verwendung des Kühlkörpers.
Stattdessen oder zusätzlich kann ein Gebläse vorgesehen sein, um einen Luftstrom entlang des Kühlkörpers, insbesondere entlang der Kühlrippen zu erzeugen.
Außerdem oder alternativ wird vorgeschlagen, dass eine dritte Heizvorrichtung vorgesehen ist, die ebenfalls im unteren Speicherbereich angeordnet ist, um bedarfsweise zugeschaltet zu werden, um die erste Heizvorrichtung zu unterstützen. Besonders für Situationen, in denen das alleinige Erwärmen mittels der Wärmepumpe ineffizient wird, oder nicht ausreichend ist, wird das Zuschalten dieser dritten Heizvorrichtung vorgeschlagen.
Vorzugsweise weist die Wärmepumpe ein Wärmepumpenmodul gemäß wenigstens einer der vorbeschriebenen Ausführungsformen auf.
Die Warmwasserspeicheranordnung zeichnet sich also dadurch aus, dass sie im unteren Bereich mittels der Wärmepumpe, insbesondere mittels eines thermoelektrischen Elementes wie ein Peltiermodul Wasser auf eine erste, vergleichsweise geringe Temperatur erwärmt. Das kann bspw. im Bereich von 30 bis 40 Grand Celsius sein. Eine solche Erwärmung kann mit einem vergleichsweise hohen thermischen Wirkungsgrad erzielt werden, der insbesondere deutlich über 1 liegt, vorzugsweise auch über 2 liegt. Es kann also ein signifikanter Anteil der Wärmemenge, die dem Wasser im unteren Speicherbereich zugeführt wird, aus der Umgebungsluft entnommen werden. Grundsätzlich kann natürlich auch die Wärmemenge nicht aus einer Umgebungsluft, sondern aus einem anderen Medium, wie bspw. dem Erdreich, entnommen werden. Eine kompakte Bauweise lässt sich aber erzielen, wenn die Wärmepumpe, insbesondere ihr Kühlkörper unmittelbar neben dem Schichtwasserspeicher angeordnet ist und dabei dort in Kontakt mit der Umgebungsluft steht, der die Wärme entzogen wird.
Dieses vorgewärmte Wasser im unteren Bereich strömt bei entsprechendem Bedarf, d. h. bei einer Entnahme von Wasser aus dem oberen Bereich des Schichtwasserspeichers, in diesen nach bzw. die Grenzschicht zwischen wärmerem und weniger warmem Wasser verschiebt sich nach oben und kann dann durch eine herkömmliche Heizvorrichtung auf die gewünschte höhere Temperatur aufgeheizt werden. Für dieses Aufheizen im oberen Bereich wird entsprechend weniger Energie bzw. Leistung benötigt, als für einen Fall bei dem keine Vorerwärmung dieses Wassers erfolgt ist.
Erfindungsgemäß wird zudem ein Verfahren zum Steuern einer Warmwasserspeicheranordnung vorgeschlagen, insbesondere einer Warmwasserspeicheranordnung gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen.
Diese Warmwasserspeicheranordnung umfasst einen Schichtwasserspeicher mit einem unteren Speicherbereich zum Bereitstellen erwärmten Wassers mit einer ersten Temperatur und mit einem oberen Speicherbereich zum Bereitstellen warmen Wassers mit einer zweiten Temperatur, die höher als die erste Temperatur ist. Weiterhin umfasst die Warmwasserspeicheranordnung eine erste Heizvorrichtung zum Erwärmen des Wassers im unteren Speicherbereich und eine zweite Heizvorrichtung zum Erwärmen des Wassers im oberen Speicherbereich, wobei die erste Heizvorrichtung eine Wärmepumpe aufweist oder ist, und insbesondere mit einem thermoelektrischen Element, wie einem Peltiermodul, versehen ist.
Das vorgeschlagene Verfahren steuert die Warmwasserspeicheranordnung so, dass Wasser am unteren Speicherbereich mittels der ersten Heizvorrichtung erwärmt wird, wenn die Temperatur des Wassers dort unterhalb einer ersten vorgegebenen bzw. berechneten Systemtemperatur liegt. Das Wasser im oberen Speicherbereich wird erwärmt, wenn die Temperatur des Wassers dort unterhalb einer zweiten vorgegebenen bzw. berechneten Systemtemperatur liegt, wobei das Erwärmen des Wassers im unteren Speicherbereich mindestens teilweise mittels der Wärmepumpe erfolgt. Die Steuerung ist somit bestrebt, das Wasser auf die erste bzw. zweite Systemtemperatur zu erwärmen. Das bedeutet aber nicht, dass eine Erwärmung immer erfolgt, wenn das Wasser kälter als die erste bzw. zweite Systemtemperatur ist, sondern die Steuerung kann dann abhängig von weiteren Kriterien das Erwärmen im unteren und/oder oberen Speicherbereich qualitativ und quantitativ steuern, mit dem allgemeinen Regelziel, die erste bzw. zweite Systemtemperatur zu erreichen.
Es wird somit für den unteren Speicherbereich eine erste Systemtemperatur vorgegeben und für den oberen Speicherbereich eine zweite Systemtemperatur, wobei die zweite Systemtemperatur größer ist, als die erste Systemtemperatur. Beide Heizvorrichtungen können dadurch unabhängig voneinander gesteuert werden und arbeiten dabei gleichwohl auf dasselbe Ziel hin. Die obere, also zweite vorgegebene Systemtemperatur wird sich im Wesentlichen an der Temperatur orientieren, die das Wasser aufweisen soll, wenn dieses Wasser entnommen, insbesondere gezapft wird.
Die untere, nämlich erste Systemtemperatur wird so vorgegeben, dass der Wärmepumpe der ersten Heizvorrichtung keine zu große zu überwindende Temperaturdifferenz zugemutet wird. Die Wärmepumpe, besonders dann, wenn sie ein thermoelektrisches Element wie ein Peltiermodul verwendet, das vorzugsweise vorgeschlagen wird, arbeitet im Grunde umso effizienter, je geringer die Temperaturdifferenz ist, die sie im Betrieb überwinden muss, also die Temperaturdifferenz von der Umgebungsluft, aus der Wärmeenergie entnommen wird, zu der Temperatur des Wasser, das erwärmt werden muss. Entsprechend kann diese erste Systemtemperatur auch von der Umgebungstemperatur abhängen und sie kann von der Temperatur abhängen, mit der anfangs kaltes Wasser in den unteren Speicherbereich geleitet wird.
Vorzugsweise arbeitet das Verfahren so, dass eine Umwälzpumpe zum Fördern von Wasser oder zum Fördern eines flüssigen Wärmeträgermediums zur Wärmepumpe gesteuert wird. Hierdurch kann bspw. gesteuert werden, ob dieses Wasser oder das flüssige Wärmeträgermedium schneller oder langsamer oder ggf. gar nicht zur Wärmepumpe gefördert wird. Dadurch kann der Heizvorgang in der ersten Heizvorrichtung beeinflusst werden, insbesondere kann ein Temperaturgradient zwischen Umgebungsluft und diesem geförderten Wasser bzw. geförderten flüssigen Wärmeträgermediums beeinflusst werden.
Außerdem oder alternativ wird die Wärmepumpe als solche gesteuert, insbesondere das thermoelektrische Element und hierbei insbesondere das Peltiermodul. Hierfür wird im Falle des Peltiermoduls dieses mit entsprechendem Gleichstrom versorgt, so dass sich der thermoelektrische Effekt, nämlich die Abkühlung an einer Seite und Erwärmung an anderer Seite einstellt.
Außerdem oder alternativ wird ein Gebläse zum Erzeugen eines Luftstroms entlang des Kühlkörpers der Wärmepumpe, insbesondere des Kühlkörpers des Peltiermoduls gesteuert. Auch hierdurch kann der Temperaturgradient beeinflusst werden, wenn nämlich abgekühlte Umgebungsluft durch das Gebläse gefördert und durch wärmere Umgebungsluft ersetzt wird. Mit anderen Worten wird dadurch auch ein Wärmeübergang zwischen Kühlkörper und Umgebungsluft beschleunigt. Ein solches Gebläse könnte auch an ein Lüftungssystem angeschlossen werden, womit Abluft aus dem Aufstellraum oder aus dem Gebäude nach außen befördert wird.
Außerdem oder alternativ kann die zweite Heizvorrichtung gesteuert werden und das Steuern der zweiten Heizvorrichtung kann mit dem Steuern der ersten Heizvorrichtung abgestimmt werden.
Mehrere Kriterien werden vorgeschlagen, in deren Abhängigkeit die Steuerung durchgeführt werden kann. Wenigstens eines dieser nachfolgend erläuterten Kriterien kann verwendet werden und bildet somit eine Eingangsgröße für die Steuerung. Insoweit kann auch eine Regelung vorliegen, wenn diese Eingangsgröße nämlich durch die Steuerung verändert wird. In manchen Fällen wird die Eingangsgröße aber nicht beeinflusst, wie bspw. bei einer Steuerung in Abhängigkeit der absoluten oder relativen Entnahmemenge von Wasser aus dem Speicher.
Ein Kriterium ist die Temperatur des in dem Schichtspeicher einströmenden und zu erwärmenden Wassers. Von Bedeutung ist hierbei nicht nur der Wunsch, dass dieses zu erwärmende Wasser entsprechend erwärmt werden muss, sondern auch, dass eine Effizienz der Wärmepumpe, insbesondere des Peltiermoduls von dieser Temperatur abhängt, insbesondere einer Differenztemperatur zur Temperatur der Umgebungsluft. Entsprechend wird vorzugsweise auch die Temperatur der Umgebungsluft als ein Kriterium für das Steuern vorgeschlagen.
Außerdem oder alternativ wird die Temperatur des Wassers im unteren Speicherbereich als Kriterium vorgeschlagen. Dies kann vorzugsweise anstelle der Temperatur des in den Schichtspeicher einströmenden Wassers verwendet werden.
Ein weiteres mögliches Kriterium ist die Temperatur des Wassers im oberen Speicherbereich. Hieran kann der Bedarf des Heizens des Wassers im oberen Speicherbereich erkannt werden und es kann auch ein Bedarf zum Vorwärmen des Wassers im unteren Speicherbereich abgeleitet werden. Besonders dann, wenn die Temperatur des Wassers im oberen Speicherbereich nahe der zweiten Systemtemperatur ist, kann vorzugsweise das Erwärmen des Wassers im unteren Speicherbereich in einem Wirkungsgrad optimalen Betrieb erfolgen, also langsamer, als bei einer leistungsmaximierten Erwärmung.
Als weiteres Kriterium wird eine Temperaturdifferenz des Wassers oder flüssigen Wärmeträgermediums vor und nach einer Erwärmung durch die Wärmepumpe vorgeschlagen. Hieran lässt sich die effektive Erwärmung dieses Wassers oder Wärmeträgermediums erkennen. Hiervon abhängig kann insbesondere die Wärmepumpe, eine Umwälzpumpe oder auch ein Kühlstrom entlang eines Kühlkörpers der Wärmepumpe gesteuert werden. Besonders bevorzugt ist hierzu die Steuerung der elektrischen Leistung des Peltiermoduls. Wird eine geringe Temperaturdifferenz erfasst, kann dies ein Zeichen für ein zu schnelles Durchpumpen des Wassers oder Wärmeträgermediums sein. Eine solche geringe Temperaturerhöhung kann aber auch gewünscht sein oder es wird eine geringe oder andere Temperaturerhöhung vorgegeben und die Steuerung der Umwälzpumpe wird so durchgeführt, dass die vorgegebene Temperaturdifferenz erreicht wird. Dies kann insbesondere sinnvoll oder hilfreich sein, wenn die Wärmepumpe mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad betrieben werden soll. In diesem Fall ist eine zu starke Temperaturerwärmung unerwünscht, weil die Effizienz der Wärmepumpe durch eine zu hohe Temperaturdifferenz von der Umgebungsluft zu dem erwärmten Wasser oder Wärmeträgermedium und dem relativ zur Peltierleistung schnelleren Anstieg der ohmschen Leistung verringert werden kann.
Als weiteres Kriterium, insbesondere im Zusammenhang mit der beschriebenen Temperaturdifferenz des Wassers oder anderem Wärmeträgermedium vor und nach der Erwärmung durch die Wärmepumpe, wird die Durchflussmenge davon durch die Wärmepumpe vorgeschlagen. Eine zu geringe Durchflussmenge kann ungünstig sein, weil dann die von der Wärmepumpe bereitgestellte Wärmeenergie nicht schnell genug aufgenommen und abgeführt wird, was zu einer unerwünscht hohen Temperatur in der Wärmepumpe führen kann, so dass die Wärmepumpe ineffizient arbeitet. Eine zu hohe Durchflussmenge kann jedoch auch zu einem unnötig hohen Leistungsverbrauch der Umwälzpumpe führen. Außerdem besteht bei einer zu hohen Durchflussmenge und damit einem zu hohen Wasseraustausch im unteren Speicherbereich grundsätzlich die Gefahr, dass es zu unerwünschten Durchmischungen und/oder Verwirbelungen im Schichtwasserspeicher kommen kann, was dem thermischen Schichtaufbau im Schichtwärmespeicher stören könnte.
Ein weiteres Kriterium kann die Aufnahmeleistung der Umwälzpumpe sein. Insbesondere lässt sich hieraus die Durchflussmenge des Wassers oder flüssigen Wärmeträgermediums ableiten. Die Verwendung der Aufnahmeleistung wäre somit eine vergleichsweise einfache Möglichkeit, die Durchflussmenge des Wassers oder flüssigen Wärmeträgermediums durch die Wärmepumpe zu erfassen, weil dieses Wasser bzw. Wärmeträgermedium durch die Umwälzpumpe umgewälzt, also zur Wärmepumpe gefördert wird.
Als weiteres Kriterium wird die Temperaturverringerung der Umgebungsluft am Kühlkörper der Wärmepumpe vorgeschlagen. Diese Temperaturverringerung kann unmittelbar zur Steuerung eines Gebläses zum Blasen von Umgebungsluft entlang des Kühlkörpers verwendet werden. Andererseits ist daraus auch, insbesondere bei Kenntnis der Volumenströmung der Umgebungsluft entlang des Kühlkörpers, die Energiemenge zumindest dem Grunde nach ablesbar, die von der Umgebungsluft in die Wärmepumpe abgegeben wird und entsprechend zum Erwärmen des Wassers im unteren Speicherbereich zur Verfügung steht.
Auch die Temperatur der Umgebungsluft kann Einfluss auf die Steuerung eines Gebläses dort am Kühlkörper haben. Die absolute Temperatur der Umgebungsluft kann außerdem zu einem Abschalten der Wärmepumpe ausgewertet werden, wenn die Temperatur dieser Umgebungsluft auch gleichzeitig die Raumtemperatur eines bewohnten oder anderen Raumes darstellt und eine weitere Abkühlung der Umgebungsluft dort unerwünscht oder ungünstig ist. Andererseits kann bspw. auch im Sommer gezielt die Wärmepumpe stärker als im Winter eingesetzt werden, wenn eine Kühlung des betreffenden Raumes erwünscht ist.
Als weiteres Kriterium wird die Berücksichtigung der absoluten Entnahmemenge oder einer relativen Entnahmemenge, nämlich einer Entnahmemenge pro Zeit, also einer Entnahmerate von Wasser und somit von auch von Wärme aus dem Schichtspeicher vorgeschlagen. Insbesondere wird diese für den oberen Bereich des Schichtspeichers vorgeschlagen. Da die Entnahmemenge von Wasser gleichbedeutend zu der Entnahme von Wärmeenergie aus dem Schichtspeicher und daher stets auch mit Temperaturänderungen verbunden ist, können somit steuerungstechnisch die Entnahmemenge, die zeitliche Änderung des Wärmeinhalts oder auch die zeitliche Änderungen von Temperaturwerten im Schichtspeicher als äquivalente Kriterien betrachtet werden. Hierdurch kann bereits vorausschauend ein Beheizen gesteuert werden. Besonders ist vorteilhaft, die zweite Heizvorrichtung zu verwenden, wenn viel Wasser entnommen wird, insbesondere eine Entnahmerate hoch ist und zu erwarten ist, dass bald eine unerwünscht niedrige Temperatur im oberen Speicherbereich erreicht wird. Liegt aber eine geringe Entnahmemenge vor, insbesondere eine geringe Entnahmerate bis hin zum Wert 0, wird vorzugsweise soviel wie möglich mit der Wärmepumpe erwärmt, weil diese, sofern sie entsprechend betrieben wird, einen höheren Wirkungsgrad erreichen kann, als eine Beheizung mittels Heizdraht, wie dies für die zweite Heizvorrichtung im oberen Speicherbereich vorgeschlagen wird. Dadurch lässt sich der Heizaufwand im oberen Speicherbereich durch die 2. Heizvorrichtung reduzieren, aber wohl nicht vollständig vermeiden, weil jedenfalls ein Peltierelement allenfalls unter großem Aufwand von normaler Raumtemperatur auf die 2. Systemtemperatur erwärmen kann. Zumindest wäre der Wirkungsgrad sehr ungünstig. Unter einem Wirkungsgrad wird hier insoweit das Verhältnis von erhaltener Wärmeenergie zu eingesetzter elektrischer Energie verstanden bzw. die erhaltene Wärmeleistung im Vergleich zur aufgewendeten elektrischen Leistung. Weil die Wärmepumpe Wärme aus der Umgebungsluft, oder einem anderen Medium, entnimmt und zum Erwärmen bereitstellen kann, kann der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe größer als 1 und sogar größer als 2 werden und es wird grundsätzlich auch ein Betrieb der Wärmepumpe, also der ersten Speichervorrichtung angestrebt, bei dem der Wirkungsgrad der ersten Speichervorrichtung größer als 1 ist. Bei der Betrachtung der ersten Heizvorrichtung kommt neben der aufzuwendenden elektrischen Leistung unmittelbar für die Wärmepumpe auch elektrische Leistung für die Umwälzpumpe und ggf. das Gebläse für den Kühlkörper hinzu.
Vorzugsweise wird die Steuerung in einem wirkungsgradoptimalen, in einem leistungsoptimierten Betrieb oder einem konstanten Betrieb mit konstantem elektrischen Strom bzw. konstanter elektrischer Leistung betrieben. Diese Betriebe betreffen im Wesentlichen die erste Heizvorrichtung und ihren Betrieb, also ihre Steuerung. Das kann die Steuerung der Wärmepumpe als solcher, also insbesondere das Betreiben des Peltiermoduls betreffen, aber auch ggf. das Steuern weiterer Elemente, wie einer Umwälzpumpe und im Falle einer indirekten Kühlung ggf. einer weiteren Umwälzpumpe, und ggf. den Betrieb eines Gebläses. Grundsätzlich kann auch die zweite Heizvorrichtung und ggf. eine dritte Heizvorrichtung mit berücksichtigt werden. Die nachfolgenden Erläuterungen zur Wirkungsgradoptimierung betreffen aber nur die erste Heizvorrichtung.
Bei dem wirkungsgradoptimalen Betrieb wird versucht – um es anschaulich auszudrücken – soviel Wärme wie möglich zum Wärmen des Wassers im ersten Speicherbereich einzubringen und dabei so wenig wie möglich elektrische Leistung zum Betreiben dieser ersten Heizvorrichtung aufzuwenden. Der Peltiereffekt, bei dem also ein Wärmetransport entgegen der üblichen Richtung erfolgt, nämlich von der kalten zur warmen Seite, verhält sich im Grunde proportional zum eingesetzten elektrischen Strom. Je größer also der elektrische Strom durch das Peltierelement ist, umso mehr Wärme wird von der kalten zur warmen Seite transportiert. Dies ist der Effekt, bei dem durch diesen ”umgekehrten” Wärmetransport Wärme der Umgebungsluft entnommen und zum Erwärmen des Wassers eingesetzt werden kann.
Gleichzeitig führt der elektrische Strom aber zu einer elektrischen Verlustleistung. Diese wird zwar auch zum Erwärmen des Wassers eingesetzt, sie ist im Grunde aber unerwünscht, weil sie als solche maximal soviel Wärmeenergie einbringen kann, wie elektrische Energie aufgewendet wurde. Diese elektrische Leistung steht aber in einem quadratischen Verhältnis zum aufgewendeten Strom. Wird also der Strom durch das Peltierelement verdoppelt, verdoppelt sich der Wärmestrom durch den Peltiereffekt und es vervierfacht sich die elektrische Verlustleistung. Die elektrische Verlustleistung dominiert also mit zunehmendem Strom.
Andererseits – und insoweit ist obige Darstellung der Proportionalität zwischen Strom und Peltiereffekt vereinfacht – ist ein Wärmetransport im Peltierelement, also von der kalten zur warmen Seite, erst möglich, wenn eine entsprechende Temperaturdifferenz zwischen kalter und warmer Seite überschritten wird. Beträgt also die Temperatur der Umgebungsluft 20 Grad Celsius und soll das Wasser auf eine Temperatur von 40 Grad Celsius erwärmt werden, muss das Peltiermodul wenigstens diese Temperaturdifferenz von 20 Grad Celsius bzw. 20 Kelvin überschreiten. Tatsächlich liegen diese beiden Temperaturen aber nicht unmittelbar an der kalten und warmen Seite des Peltierelements an, sonder es kommen einige weitere Grad Temperaturgefälle durch weitere Elemente hinzu, wie dem Kühlkörper zur Umgebungsluft hin und eine gewisse notwendige Temperaturdifferenz von der warmen Seite des Peltierelements zum zu erwärmenden Wasser hin. Rechnet man mit jeweils 5°C bzw. 5 K für die beiden Übergänge, müsste also sogar eine Temperaturdifferenz von 30°C bzw. 30 K überschritten werden.
Basierend auf diesen Überlegungen wird nun vorgeschlagen, einen möglichst optimalen Punkt zu finden, der für das Peltierelement einen so großen Strom vorsieht, dass es die Temperaturdifferenz überschreitet und auch noch darüber hinaus Wärme transportiert, wobei der Strom aber so gering sein soll, dass die elektrische Verlustleistung dadurch nicht so dominant wird, dass der Wärmetransport durchs Peltierelement in den Hintergrund tritt bzw. der hohe Wirkungsgrad durch den Peltiereffekt nicht durch den Wirkungsgrad des Verlustleistungseffekts zu stark abgeschwächt wird. Bereits ein solcher Betrieb kann als wirkungsgradoptimal verstanden werden.
Als weitere Überlegungen kann der Betrieb einer Umwälzpumpe hinzukommen. Je stärker eine solche Umwälzpumpe betrieben wird, umso besser ist der Wärmeabtransport an der heißen Seite des Peltierelements. Entsprechend braucht das Peltierelement nur eine geringere Temperaturschwelle zu überschreiten. Die Umwälzpumpe soll aber nicht so stark betrieben werden, dass ihre eigene Leistungsaufnahme den erreichten Vorteil wieder aufbraucht. In ähnlicher Weise ist oder kann auch ein Gebläse des Kühlkörpers des Peltierelements betrieben werden.
Ein leistungsoptimierter Betrieb ist einer, bei dem möglichst viel Heizleistung eingebracht werden soll. Insoweit kann synonym auch der Begriff leistungsmaximierter Betrieb verwendet werden. Dies kann bedeuten, dass die verwendeten Geräte mit maximalem und damit konstantem Strom betrieben werden. Insoweit kann ein leistungsoptimierter bzw. leistungsmaximierter Betrieb einem Betrieb mit konstantem Strom bzw. konstanter elektrischer Leistung entsprechen. Denkbar ist aber auch eine Konstellation, bei der andere Einflüsse die maximale Leistung begrenzen, wie bspw. die extern zur Verfügung gestellte Leistung. Außerdem kommt grundsätzlich auch in Betracht, dass ein von außen maximal vorgegebener Strom bzw. eine maximal vorgegebene Leistung in der Warmwasserspeicheranordnung optimal zwischen der ersten und zweiten Heizvorrichtung, ggf. zusätzlich noch einer dritten Heizvorrichtung aufgeteilt werden muss. Dies betrifft auch eine Aufteilung innerhalb der ersten Heizvorrichtung zwischen Wärmepumpe, Umwälzpumpe und Gebläse.
Jedenfalls wird vorgeschlagen, dass von einem wirkungsgradoptimalen Betrieb in einen leistungsoptimierten Betrieb umgeschaltet wird, wenn die Temperatur im unteren Speicherbereich unter eine vorbestimmte erste Grenztemperatur fällt. In diesem Fall darf erwartet werden, dass die Wärmepumpe, insbesondere ein Peltierelement besonders effizient arbeitet, weil nur noch eine entsprechend geringe Temperaturdifferenz vorliegt. Dies gilt besonders dann, wenn für die Umgebungstemperatur mit einer vergleichsweise konstanten Temperaturwert gerechnet werden kann. Anderenfalls kann vorzugsweise auch noch die Umgebungstemperatur mit einbezogen werden.
Der wirkungsgradoptimale Betrieb wird auch besonders dann vorgeschlagen, wenn die Temperatur im oberen Speicherbereich über einer vorbestimmten zweiten Grenztemperatur liegt, wenn also das Wasser im oberen Speicherbereich eine vergleichsweise hohe Temperatur aufweist und eine Beheizung somit insgesamt weniger Dringlichkeit hat.
Außerdem oder alternativ wird der wirkungsgradoptimale Betrieb vorgeschlagen, wenn eine relative Entnahme pro Zeit von Wasser aus dem Schichtspeicher unter einem vorbestimmten Grenzwert liegt. Auch dies ist ein Kriterium, das eine vergleichsweise geringe Dringlichkeit eines Beheizens bedeutet. Diese beiden Kriterien, also die Temperaturhöhe im oberen Speicherbereich und die Entnahmerate von Wasser aus dem Schichtspeicher können vorzugsweise auch zusammen betrachtet werden.
Ist die Temperatur im unteren Speicherbereich über der vorbestimmten ersten Grenztemperatur, wird ein leistungsoptimierter Betrieb vorgeschlagen oder ein Betrieb mit konstantem elektrischen Strom, wenn eine gewisse Dringlichkeit zum Beheizen besteht. Also vorzugsweise dann, wenn die Temperatur im oberen Speicherbereich unter der vorbestimmten zweiten Grenztemperatur liegt und/oder wenn eine relative Entnahmemenge pro Zeit von Wasser aus dem Schichtspeicher über dem vorbestimmten Grenzwert hierfür liegt, wenn also eine hohe Entnahmerate vorliegt. Das Wählen des leistungsoptimierten Betriebs oder des Konstantbetriebs kann auch unabhängig von der Temperatur im unteren Speicherbereich ausgewählt werden, wenn eine hohe Dringlichkeit vorliegt. Insbesondere also dann, wenn die Temperatur im oberen Speicherbereich unter der vorbestimmten zweiten Grenztemperatur liegt oder sogar deutlich unter der vorbestimmten zweiten Grenztemperatur liegt und eine hohe Entnahmerate vorliegt, zumindest überhaupt eine Entnahmerate größer 0 vorliegt.
Andernfalls, wenn keine große Dringlichkeit vorliegt und die Temperatur im unteren Speicherbereich über der vorbestimmten ersten Grenztemperatur liegt, kann auch auf einen Betrieb der ersten Speichervorrichtung verzichtet werden.
Gemäß einer Ausgestaltung wird ein Steuerungsverfahren vorgeschlagen, dass dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Beheizung des Schichtspeichers über die erste Heizvorrichtung mit reduzierter Leistung und/oder wirkungsgradoptimiert erfolgt, wenn die Temperatur im unteren Speicherbereich unterhalb der ersten Systemtemperatur liegt, insbesondere unterhalb der ersten Grenztemperatur und die Temperatur im oberen Speicherbereich oberhalb der zweiten Grenztemperatur liegt, wobei die zweite Grenztemperatur oberhalb der ersten Systemtemperatur und unterhalb der zweiten Systemtemperatur liegt.
Eine Beheizung mit reduzierter Leistung wird also vorgeschlagen, wenn hierfür vorteilhafte Temperaturwerte für die erste Heizvorrichtung vorliegen. Dies bedeutet besonders, dass die Wärmepumpe nur eine möglichst geringe Temperaturschwelle überwinden muss. Gleichzeitig liegt im oberen Speicherbereich eine hohe Temperatur vor, so dass keine Dringlichkeit zum Beheizen besteht.
Hierfür wird besonders ein wirkungsgradoptimierter Betrieb vorgeschlagen, der gegenüber einem leistungsmaximierten Betrieb auch ein Betrieb reduzierter Leistung darstellt. Wenn ein wirkungsgradoptimierter Betrieb nicht exakt eingestellt wird, sondern zumindest mit reduzierter Leistung beheizt wird, können Effekte, die oben zum wirkungsgradoptimierten Betrieb beschrieben wurden, häufig zumindest auch teilweise erreicht werden. Insoweit ist auch ein Betrieb reduzierter Leistung vorteilhaft, wenn die genannten Kriterien vorliegen. In manchen Situationen kann ein halbwegs konstanter Betrieb mit reduzierter Leistung, besonders wenn dieser sich an einem wirkungsgradoptimierten Betrieb orientiert, gegenüber einem wirkungsgradoptimierten Betrieb, der kontinuierlich nachgeregelt wird, um den optimalen Punkt möglichst exakt zu halten, vorteilhaft sein. Vorzugweise wird ein quasi wirkungsgradoptimaler Betrieb vorgeschlagen, der sich durch eine Leistungsaufnahme der ersten Speichervorrichtung auszeichnet, die in einem Bereich von der Leistungsaufnahme des wirkungsgradoptimierten Betriebs +-20 Prozent, insbesondere +-10 Prozent liegt.
Es wird darauf hingewiesen, dass für eine technische Anwendung der Fachmann häufig ohnehin auch für einen optimierten Betrieb eine gewisse Toleranz vorsieht bzw. begrifflich mit einbezieht, die bspw. den Bereich entsprechen kann, der oben für den quasi wirkungsgradoptimierten Betrieb beschrieben wird.
Vorzugsweise erfolgt die Beheizung mit reduzierter Leistung bzw. mit wirkungsgradoptimierter Beheizung so, dass das Wasser im unteren Speicherbereich um nicht mehr als 10K pro Stunde, insbesondere um nicht mehr als 5K pro Stunde erwärmt wird und/oder dass das Wasser oder andere Wärmeträgermedien den Wärmetauscher, insbesondere das thermoelektrische Modul durchströmt und dabei jeweils um weniger als 3K, vorzugsweise weniger als 1K und insbesondere um weniger als 0,3K erwärmt wird.
Es wird also eine vergleichsweise langsame Erwärmung des Wassers im unteren Speicherbereich vorgeschlagen. Damit wird auch möglichst energieeffizient eine Vorerwärmung des Wassers im unteren Speicherbereich vorgeschlagen, um die Beheizung im oberen Speicherbereich zu entlasten. Im Übrigen können die Begriffe Beheizen und Erwärmen denselben Vorgang bezeichnen und sogar als Synonyme verwendet werden.
Die Erfindung nun nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren beispielhaft näher erläutert.
1 zeigt in einer seitlichen Schnittansicht den Aufbau eines thermoelektrischen Moduls gemäß dem Stand der Technik.
2 zeigt eine Draufsicht auf ein thermoelektrisches Element gemäß einer Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht.
3 zeigt ein thermoelektrisches Element gemäß 2 aber mit einem Verguss auf einer Oberfläche und einer Lackschicht auf einer anderen Oberfläche.
4 zeigt einen Ausschnitt eines thermoelektrischen Elementes gemäß 3 in einer seitlichen Schnittansicht.
5 zeigt Elemente eines Wärmepumpenmoduls in einer perspektivischen Ansicht vor ihrem Zusammenbau.
6 zeigt ein Wärmeübertragungselement gemäß einer Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht zur Verwendung mit einem thermoelektrischen Element zum Herstellen eines Wärmepumpenmoduls.
7 zeigt eine Warmwasserspeicheranordnung gemäß einer Ausführungsform in einer zum Teil schematischen Darstellung.
8 zeigt Diagramme zur Erläuterung eines Wirkungsgradoptimums.
9 zeigt ein vereinfachtes Ablaufdiagramm einer Steuerung gemäß einer Ausführungsform.
Das thermoelektrische Element 101 der 1 weist einen thermoelektrischen Träger 102 auf, in dem viele thermoelektrische Pellets 104 aufgenommen sind. Zur elektrischen Verbindung und elektrischen Anbindung sind zwei Leiterplatten 105 jeweils mit diversen Leiterbahnen 106 vorgesehen. Jede Leiterplatte 105 wird dann so auf jeweils einer Oberfläche des thermoelektrischen Elementes 101 angeordnet, dass ihre Leiterbahnen 106 jeweils zwei thermoelektrische Pellets 104 elektrisch verbinden. Zum elektrischen Anschließen sind zudem zwei Anschlussleiterbahnen 108 vorgesehen, von denen in der Ansicht der 1 nur eine zu sehen ist.
2 zeigt ein thermoelektrisches Element 1 in einer perspektivischen Ansicht, aber dabei im Wesentlichen in einer Draufsicht auf eine zweite Oberfläche 12. Auf dieser zweiten Oberfläche 12 sind viele einzelne Leiterbrücken 14 angeordnet, die jeweils zwei thermoelektrische Pellets, die auch vereinfachend thermoelektrischen Pellets oder Pellets genannt werden, elektrisch verbinden. Die elektrischen Leiterbrücken 14 verdecken dabei diese thermoelektrischen Pellets, die dadurch nicht zu sehen sind.
Die Ausführungsform gemäß 2 stellt dabei die einzelnen Leiterbrücken 14 in einem Stanzgitter 16 bereit. Die einzelnen Leiterbrücken 14 sind daher noch durch Gitterverbindungen 18 miteinander verbunden. Die Leiterbrücken 14 und damit das Stanzgitter 16 liegen auf einer Aufnahmematrix 20 auf. Sie können auch auf den in der Aufnahmematrix aufgenommenen thermoelektrischen Pellets aufliegen, bzw. dort auf Lotpaste. In der Aufnahmematrix 20 sind die thermoelektrischen Pellets aufgenommen, und es sind Stanzöffnungen 22 vorhanden, die jeweils unterhalb der Gitterverbindungen 18 angeordnet sind. Diese Stanzöffnungen 22 ermöglichen es, die Gitterverbindungen 18 herauszustanzen, nachdem die Leiterbrücken 14 fest positioniert sind, insbesondere mit den beiden thermoelektrischen Pellets, die sie elektrisch verbinden sollen, verlötet sind. Dies ist nur ein Beispiel für ein Austrennen der Gitterverbindungen bzw. der Leiterbrücken, was bspw. auch durch Trennen mittels Laserschneiden erfolgen kann, was ein weiteres bevorzugtes Beispiel für das Austrennen ist.
Zum Anschließen der verbundenen thermoelektrischen Pellets sind zudem zwei Anschlussleiterbahnen 8 vorgesehen, die hier an der abgewandten ersten Oberfläche 11 angeordnet sind und sich in ihrer Form von den übrigen Leiterbrücken unterscheiden. Auf die zweite Oberfläche 12 mit darauf angeordneten Leiterbrücken 14 kann noch eine Schutzschicht aufgebracht werden, die in 2 aber nicht dargestellt ist und auch erst nach dem Austrennen der Gitterverbindungen 18 angeordnet werden sollte.
3 zeigt ein thermoelektrisches Element 301 in einer perspektivischen Ansicht. Das thermoelektrische Element 301 kann basierend auf dem thermoelektrischen Element 1 der 2 aufgebaut sein. Davon ausgehend zeigt die perspektivische Darstellung der 3 eine Ansicht auf die erste Oberfläche 311 und entsprechend weist die zweite Oberfläche 312 nach unten. Das thermoelektrische Element 301 unterscheidet sich dabei von dem thermoelektrischen Element 1 der 2 darin, dass an der ersten Oberfläche 311 ein Verguss 324 aufgebracht ist und dadurch eine Schutzschicht mit ebener Oberfläche schafft.
Die zweite Oberfläche 312 weist eine Lackschicht 326 auf, die ebenfalls als Schutzschicht dient, aber keine vollständig durchgehend ebene Oberfläche schafft. Zu den übrigen Aufgaben des thermoelektrischen Elementes 301 wird auf die Erläuterungen zur 2 verwiesen. Allerdings ist in der Darstellung der 3, die auch eine Schnittansicht ist, die Position der thermoelektrischen Pellets 4 zu erkennen. Die Leiterbrücken 14 der zweiten Oberfläche 312 entsprechen den Leiterbrücken 14 der ersten Oberfläche 311, so dass dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
4 zeigt einen Ausschnitt des thermoelektrischen Elements der 3 in einer seitlichen Schnittansicht. Neben der Aufnahmematrix 20, die auch als thermoelektrischer Träger bezeichnet werden kann, den thermoelektrischen Pellets 4 und den Leiterbrücken 14 wird besonders der Verguss 324 und die Lackschicht 326 verdeutlicht. Der Verguss 324 ist auf der ersten Oberfläche 311 angeordnet bzw. bildet dadurch eine neue erste Oberfläche 311. Der Verguss legt sich dort zwischen die Leiterbrücken 14 und damit jeweils neben jede Leiterbrücke 14 und deckt die Leiterbrücken 14 auch mit einer dünnen Schicht ab. Der Verguss 324 bildet dadurch insgesamt eine Schutzschicht für die erste Oberfläche 311 und zudem ist diese erste Oberfläche 311 dadurch eben ausgebildet. Diese erste Oberfläche 311 eignet sich damit zur flächigen Anordnung an einer ebenso flachen Oberfläche bspw. eines Kühlkörpers.
Die Lackschicht 326 ist auf der zweiten Oberfläche 312 angeordnet und bildet damit die neue Oberfläche 312. Es ist zu erkennen, dass die Lackschicht 326 die Leiterbrücken 14 abdeckt und in den Bereichen zwischen zwei Leiterbrücken 14 sich auch auf die Aufnahmematrix 20 legt. Ganz ähnlich wird im Übrigen auch die Verwendung einer Isolationsfolie nach deren Anwendung aussehen. Die Lackschicht 326 bildet somit eine vollständig durchgehende Oberfläche, aber keine vollständig ebene Oberfläche. Damit eignet sich diese zweite Oberfläche 312 auch besonders gut zum unmittelbaren Kontakt mit einem flüssigen Wärmeträgermedium, einschließlich Wasser. Es wird somit eine sehr dünne Schutzschicht geschaffen, die durch Verwendung eines Isolationslacks elektrisch isoliert, aufgrund der geringen Schichtdicke aber eine thermische Leitung gut ermöglicht und entsprechend nur einen geringen thermischen Widerstand aufweist. Durch eine solche durchgehende Schutzschicht kann ein unmittelbarer Kontakt zu dem genannten Wärmeträgermedium hergestellt werden, was besonders zu einer insgesamt hohen Wärmeleitfähigkeit beiträgt.
4 ist auch zu entnehmen, dass sowohl der Verguss 324 als auch die Lackschicht 326 auf den Leiterbrücken 14 jeweils nur eine sehr dünne Schicht bildet, die deutlich dünner als die Dicke der Leiterbrücke 14 ist. Eine solche dünne Schicht dort vorzusehen ist generell vorteilhaft, nicht nur für die gezeigte Ausführungsform und nicht nur für den Verguss und die Lackschicht, sondern auch für andere beschriebene Schutzschichten. Besonders vorteilhaft ist eine Schichtdicke der Schutzschicht auf der jeweiligen Leiterbrücke, die weniger als 50%, vorzugsweise weniger als 30% und insbesondere weniger 20% der Dicke der Leiterbrücke aufweist. Dies ist eine generelle Lehre für jede anwendbare Ausführungsform.
5 zeigt Elemente für ein Wärmepumpenmodul, nämlich ein Wärmeübertragungselement 530, sechs thermoelektrische Elemente 501 und einen Kühlkörper 532. Zum Herstellen eines Wärmepumpenmoduls sind die sechs thermoelektrischen Elemente 501 flächig auf dem Wärmeübertragungsmodul 530 anzuordnen. Zum Fixieren und gleichmäßigem Ausrichten ist ein Aufnahmegitter 534 vorgesehen. Die thermoelektrischen Elemente 501 können dann über die flächige Verbindung Wärme an das Wärmeübertragungselement 530 abgeben. Das Wärmeübertragungselement 530 ist dazu vorbereitet, ein flüssiges Wärmeträgermedium zum weiteren Abführen dieser Wärme zu leiten. Dafür sind in 5 Mediumanschlüsse 536 zu erkennen, die das Wärmeträgermedium zu- bzw. abführen können.
Auf den thermoelektrischen Elementen 501 ist der Kühlkörper 532 anzuordnen. Auch er kann mit Hilfe des Aufnahmegitters 534 positioniert und gehalten werden. Das Aufnahmegitter 534 weist dazu u. a. Streben 538 auf, die aber nur zwischen den thermoelektrischen Elementen 501 angeordnet werden, so dass der Kühlkörper 532 dennoch unmittelbar und flächig auf die ersten Oberflächen 511 der thermoelektrischen Elemente 501 aufgesetzt werden kann.
Der Kühlkörper 532 weist viele Kühlrippen 540 auf, durch die ein entsprechendes Medium, insbesondere Umgebungsluft strömen kann. Vorzugsweise wird ein Lüfter vorgesehen, der diese Umgebungsluft oder anderes Medium entlang dieser Kühlrippen 540 bewegt, insbesondere bläst.
Im Betrieb kann somit Wärme aus Umgebungsluft oder ähnlichem Umgebungsmedium mit Hilfe des Kühlkörpers 532 entnommen werden. Diese Wärme können die thermoelektrischen Elemente 501 aufnehmen und an das Wärmeübertragungsmodul 530 abgeben. Von dort kann diese Wärme durch die Mediumanschlüsse 536 mit Hilfe eines entsprechenden Wärmeträgermediums weiter befördert werden, z. B. in einen Warmwasserspeicher.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Wärmeübertragungselementes 630, das grundsätzlich von dem Wärmeübertragungselement 530 der 5 ausgeht. Das Wärmeübertragungsmodul 630 ist dabei im Grunde aufgeschnitten bzw. weiter ausgefräst, um einen direkten Kontakt zwischen einem flüssigen Wärmeträgermedium und dem thermoelektrischen Elementen 501 herzustellen. Das Wärmeübertragungsmodul 630 weist dafür entsprechend sechs Ausnehmungen 642 auf. Auf jede dieser Ausnehmungen 642 wird entsprechend ein thermoelektrisches Element aufgesetzt. Das thermoelektrische Element verschließt hierbei diese Ausnehmung 642 und die zweite Oberfläche des thermoelektrischen Elementes weist somit zu dieser Ausnehmung 642. Als thermoelektrische Elemente können solche genommen werden, wie sie in 3 dargestellt sind, oder andere. Jedenfalls ist bei dem Anordnen der entsprechenden thermoelektrischen Elemente darauf zu achten, dass die Ausnehmungen 642 gegen das jeweilige thermoelektrische Element abgedichtet werden. Dazu kann eine umlaufende Dichtung an dem jeweiligen thermoelektrischen Element und/oder in der jeweiligen Ausnehmung 642 vorgesehen sein.
Somit kann ein kühles Wärmeträgermedium am Einlass 644 einströmen und als erwärmtes Wärmeträgermedium am Auslass 646 ausströmen. An der dem Einlass 644 und dem Auslass 646 abgewandten Seite kann ein entsprechender Mediumstrom umgelenkt werden, oder er wird entsprechend an ein weiteres ähnliches oder identisches Wärmeübertragungselement 630 weitergeleitet, bis im Grunde das letzte thermoelektrische Element 630 eine entsprechende Umlenkung aufweisen kann oder an eine solche angeschlossen sein kann. Alternativ kann auch eine Reihe Elemente vorgesehen sein, die in einer Reihe angeordnet sind, ohne, dass eine Umlenkung der Strömung vorgesehen ist.
Die einzelnen Ausnehmungen 642 sind durch entsprechende Verbindungskanäle 648 miteinander verbunden.
Die Speicheranordnung 700 der 7 beinhaltet einen Schichtwasserspeicher 701 mit einem unterem Speicherbereich 702 und einen oberen Speicherbereich 704. In dem unteren Speicherbereich 702 kann Wasser über einen Zulauf 706 mit einem Zulaufventil 708 einströmen. Durch einen Ablauf 710 mit Ablaufventil 712 kann Wasser aus dem oberen Speicherbereich 704 entnommen werden. Entsprechend wird mit Zulauf 706 kaltes Wasser zugeführt und durch den Ablauf 710 erwärmtes bzw. erhitztes Wasser entnommen. Das Zulaufventil 708 und das Ablaufventil 712 dienen im Grunde nur der Veranschaulichung, dass die Entnahme von warmen Wasser aus dem Warmwasserspeicher sowohl über den Zu- als auch über den Ablauf steuerbar sein kann.
In dem unteren Speicherbereich 702 wird Wasser im Grunde auf Vorwärmtemperatur erwärmt. Die Erwärmung auf eine gewünschte Endtemperatur erfolgt im oberen Speicherbereich 704. Die gezeigte Warmwasserspeicheranordnung 700 arbeitet dabei so, dass sich die Wassermengen in dem unteren Speicherbereich 702 und oberen Speicherbereich 704 nicht vermischen und entsprechend ein geschichteter Aufbau des Wassers hinsichtlich seiner Temperatur vorliegt. Dieses vorgewärmte Wasser im unteren Bereich strömt bei entsprechendem Bedarf, d. h. bei einer Entnahme von Wasser aus dem oberen Bereich des Schichtwasserspeichers, in diesen nach bzw. die Grenzschicht zwischen wärmerem und weniger warmem Wasser verschiebt sich nach oben.
Zum Beheizen des oberen Speicherbereichs 704 ist eine zweite Heizvorrichtung 720 vorgesehen. Diese besteht im Wesentlichen aus einem zweiten Heizrohr 722, in dem Heizwendel geführt werden und über einen Versorgungsanschluss 724 mit elektrischem Strom zum Beheizen versorgt werden. Zum Ansteuern des zweiten Heizrohres 722, das veranschaulichend als Heizwendel ausgebildet ist, ist ebenfalls nur veranschaulichend eine zweite Ansteuereinheit 726 gezeigt, die vereinfachend als Stromsteller symbolisiert ist, aber auch anders ausgestaltet sein kann. Es kann bspw. auch ein Wechselstrom zum Ansteuern verwendet werden. Die zweite Ansteuereinheit 726 weist zudem einen Signaleingang 728 von einem zentralen Steuerprozessor 730 auf.
Zum Erwärmen des Wassers im unteren Speicherbereich 702 ist eine erste Heizvorrichtung 740 vorgesehen. Diese erste Heizvorrichtung weist ebenfalls ein erstes Heizrohr 742 auf, das seinem äußeren Aussehen nach und seinem Anschluss in dem Speicher 701 nach, dem zweiten Heizrohr 722 der zweiten Heizvorrichtung 720 im Grunde entspricht, allerdings keinen Heizdraht im Inneren führt, sondern als Leitung zum Führen eines Wärmeträgermediums ausgebildet ist. Dieses Wärmeträgermedium wird mittels einer Umwälzpumpe 744 durch einen Wärmetauscher 746 gepumpt. Die Wärmepumpe weist dazu ein Peltierelement 748 auf, an dem zur Umgebungsluft außerhalb des Speichers 701 ein Kühlkörper 750 vorgesehen ist, durch den die Umgebungsluft mittels eines Gebläses 752 geblasen wird.
Von dem ersten Heizrohr 742 wird somit über die Umwälzpumpe 744 und Führungsleitung 754 entlang der warmen Seite des Peltierelements 748 geführt. Dort ist zum Wärmeaustausch mit dem Peltierelement 748 eine Wärmetauschkammer 756 vorgesehen, die in dieser Übersichtsdarstellung der Warmwasserspeicheranordnung 700 aber nicht detailliert ausgeführt ist. Möglichkeiten der Ausgestaltung sind anderen beschriebenen Ausführungsformen zu entnehmen.
Zum Versorgen der Wärmepumpe 746 und insbesondere dem Peltierelement 748 mit entsprechendem Strom ist eine erste Ansteuereinheit 758 vorgesehen, die hier vereinfachend als Gleichstromsteller dargestellt ist.
Zur Steuerung wird der Steuerprozessor 730 verwendet, der insbesondere das Peltierelement 748 über die erste Ansteuereinheit 758 ansteuert. Es wird hierbei der Strom und damit die Leistung des Peltierelementes gesteuert. Vorzugsweise kann außerdem die Umwälzpumpe 744 und das Gebläse 752 angesteuert werden. Zur Ansteuerung kann der Steuerprozessor 730 auch Messwerte aufnehmen und auswerten. Dazu gehören mit Temperatursensoren aufgenommene Temperaturen. Dazu ist ein erster Temperatursensor 761 zum Messen der Temperatur im unteren Speicherbereich 702 vorgesehen. Ein zweiter Temperatursensor 762 ist zum Messen der Temperatur im oberen Speicherbereich 704 vorgesehen. Eine Eintrittstemperatur eines Wärmeträgermediums vor dem Eintritt in die Wärmetauschkammer 756 kann mit einem dritten Temperatursensor 763 gemessen werden. Dazu kann die Austrittstemperatur mit einem vierten Temperatursensor 764 gemessen werden.
Als weitere Messgrößen steht auch die jeweilige Leistung der angesteuerten Elemente zur Verfügung, nämlich die der zweiten Ansteuereinheit 726 und damit der Leistung des zweiten Heizrohres 722, das einen Heizkörpers bildet, der Leistung der ersten Ansteuereinheit 756 und damit der Leistung des ersten Heizrohres 742, sowie der Leistungen des Gebläses 752 und der Umwälzpumpe 744. Dabei können das zweite Heizrohr, das Gebläse und die Umwälzpumpe auch quasi ungeregelt im An-/Ausbetrieb gesteuert werden. In diesem Fall kann die Leistungsaufnahme dieser Komponenten auch vereinfacht in der Software anhand typischer oder bei der Geräteprüfung ermittelter Werte berücksichtigt werden.
Weitere Messaufnehmer können vorgesehen sein, wie bspw. ein Durchflussmengenaufnehmer für einen Durchfluss durch die Führungsleitung 754 und damit durch die Wärmetauschkammer 756, um einen genaueren Wert zu erhalten, als einer Leistungsaufnahme der Umwälzpumpe 744 entnommen werden kann.
Die Wärmepumpe 746 kann auch räumlich an einer Außenwand des Speichers 701 oder dort in der Nähe vorgesehen sein, wobei die Größenverhältnisse der gezeigten Geräte, soweit sie überhaupt konkret und nicht nur als Symbol gezeigt sind, in der Realität anders ausfallen können. Insbesondere kann der Wärmetauscher 746 größer ausgestaltet sein.
Ein weiteres Druckausgleichsvolumen oder ein Druckausgleichsbehälter kann vorgesehen sein, der hier jedoch nicht gezeigt ist.
8 veranschaulicht in einem oberen Diagrammabschnitt einen stromabhängigen Wirkungsgrad des Betriebs einer Wärmepumpe mit Peltierelement. Es werden 3 Verläufe für unterschiedliche Temperaturschwellen T1, T2 und T3 gezeigt, die das Peltier-Element überwinden muss. Es gilt T1 < T2 < T3 und es ist erkennbar, dass der größte Wirkungsgrad bei der kleinsten Temperaturschwelle T1 erreicht werden kann. Außerdem werden hohe Wirkungsgerade mit je kleinerem Strom erreicht, je geringer die Temperaturschwelle ist. Der Strom ist derjenige, mit dem das Peltierelement betrieben wird.
Abhängig von dem Strom, mit dem das Peltierelement betrieben wird, ergibt sich eine Leistung, die in dem unteren Diagrammteil dargestellt ist. Die Kurve mit dem geraden Verlauf, mit Qpelt bezeichnet, ist die Peltierleistung d. h. die Kühlleistung aufgrund des Peltiereffekt. Sie ist im Grunde proportional zum eingeprägten Strom. Die gesamte aufgebrachte elektrische Leistung, die auch Hilfsenergie, also Leistung für weitere Elemente berücksichtigt, ist als Qelekt bezeichnet und hat etwa eine parabolische Form. Sie steigt anfangs langsam an, ist anfangs größer als die Peltierleistung, dann wieder kleiner und wird dann mit zunehmendem Strom dominant. Wenn die gesamte elektrische Leistung die zum Betrieb der Wärmepumpe mit Peltierelement erforderlich ist, die dem Warmwasserspeicher zugeführte thermische Leistung erreicht und überschreitet, fällt der Wirkungsgrad unter 1. Dann ist es effizienter, die elektrische Leistung direkt zum Beheizen zu verwenden, statt damit die Wärmepumpe zu betreiben.
9 zeigt eine Steuerung, die auch die Möglichkeit einer Wirkungsgradoptimierung mit berücksichtigt.
Die dort veranschaulichte Steuerung schlägt in einem ersten Abfrageblock 901 vor, zu prüfen, ob die Temperatur T₂ im oberen Speicherbereich oberhalb einer zweiten Grenztemperatur T_2G liegt. Liegt diese Temperatur T₂ des zweiten Speicherbereichs entsprechend hoch, verzweigt der Abfrageblock 901 nach unten zu dem zweiten Abfrageblock 902. Es wird darauf hingewiesen, dass eine positive Antwort, also ein Ja eines Abfrageblocks in der 9 mit einem Pluszeichen symbolisiert wird, wohingegen eine negative Antwort, also ein Nein, mit einem Minuszeichen symbolisiert wird.
In dem zweiten Abfrageblock 902 wird dann geprüft, ob die Temperatur im unteren Speicherbereich unterhalb einer ersten Grenztemperatur T_1G liegt. Ist das Fall, liegt also eine ausreichend hohe Temperatur im zweiten Speicherbereich und eine ausreichend niedrige Temperatur im ersten Speicherbereich vor und es wird daraufhin in den wirkungsgradoptimalen Betrieb geschaltet bzw. dieser wird beibehalten, falls er vorher schon vorlag. Dies symbolisiert der dritte Block 903.
Als nächstes werden Werte erfasst, die für diesen wirkungsgradoptimalen Betrieb verwendet werden, was der vierte Block 904 andeutet. Demnach wird eine Temperaturdifferenz ΔT_W1 erfasst, die die Differenztemperatur eines Wärmeträgermediums vor und nach dem Peltierelement angibt. Dies kann bezogen auf die Ausführungsform gemäß 7 durch den dritten und vierten Temperatursensor 763 und 764 aufgenommen werden. Weiterhin wird eine Durchflussmenge pro Zeit V_W1/t hierfür bestimmt. Diese kann durch einen entsprechenden Durchflussmesser gemessen werden oder aus der Leistungsaufnahme der Umwälzpumpe, wie der Umwälzpumpe 744 der Ausführungsform der 7 abgeleitet werden. Es kann hier bspw. auch ein Systemwert verwendet werden, der den Durchfluss einer ungesteuerten Pumpe angibt, wenn diese also nur im An-Ausbetrieb betrieben wird. Außerdem wird die insgesamt aufgebrachte elektrische Leistung P_el bestimmt. Sie kann gemessen oder aus technischen Daten und Kennwerten der Pumpe berechnet/abgeschätzt werden. Vereinfachend kann die Leistung berücksichtigt werden, die dem Peltierelement zugeführt wird, oder es werden auch die Leistungen weiterer Geräte, wie der Umwälzpumpe oder einem Gebläse dort mit berücksichtigt. Dies hängt auch vom Aufbau und der Leistungsaufnahme der Geräte ab.
Die übertragene Wärmeleistung P_W kann dann aus den gemäß dem vierten Block 904 aufgenommenen Werten bestimmt werden, wie der fünfte Block 905 angibt und dafür kann die in diesem fünften Block 905 vereinfachte Formel verwendet werden.
Im Anschluss kann die elektrische Leistung verändert werden, wie der sechste Block 906 andeutet. Die elektrische Leistung kann hierfür etwas erhöht oder etwas verringert werden. Es wird dann überprüft, ob sich der Wirkungsgrad, also das Verhältnis von P_W zu P_el erhöht oder verringert. Verringert er sich, ist die Veränderung der elektrischen Leistung umzudrehen, wurde also die elektrische Leistung P_el zunächst nach oben variiert, müsste sie dann nach unten zurück variiert werden, bis ein Maximum erreicht wird, also im Grunde bis der Wirkungsgrad wieder absinkt. Dieser Vorgang ist vereinfachend in dem siebten Abfrageblock 907 veranschaulicht. Demnach dort abgefragt wird, ob der Wirkungsgrad maximal geworden ist. Ist das nicht der Fall, setzt die Steuerung beim vierten Block 904 wieder an, ermittelt die entsprechenden Werte, berechnet die Wärmeleistung gemäß fünftem Block 905 und variiert entsprechend die elektrische Leistung. Es kann hier bspw. auch der Betrieb der Umwälzpumpe oder des Gebläses verändert werden. Der sechste Block 906 veranschaulicht insoweit nur die Suche nach einem optimaleren Betriebspunkt.
Im Übrigen kann auch anstelle eines gezielten Probierens, dass der sechste Block 906 andeutet, ein optimaler Punkt rechnerisch gefunden werden, weil die Zusammenhänge der einzelnen betroffenen Elemente im Wesentlichen bekannt sein dürften.
Ist nun der wirkungsgradoptimale Betriebspunkt gefunden worden, ist die geschilderte Steuerung im Grunde fertig und sie kann wieder oben bei dem ersten Abfrageblock 901 ansetzen.
Ist die Temperatur des oberen Speicherbereichs größer als die zweite Grenztemperatur T_2G, ist aber die Temperatur des unteren Speicherbereichs nicht kleiner als die erste Grenztemperatur T_1G, verzweigt der zweite Abfrageblock 902 zu dem achten Block 908, demnach die elektrische Leistung auf Null gesetzt werden kann. Die erste Heizvorrichtung wird dann also nicht betrieben. Dies ist genau dann sinnvoll, wenn eben in beiden Speicherbereichen eine hohe Temperatur vorliegt. Im oberen, also zweiten Speicherbereich besteht dann wenig Bedarf zum Heizen und die Vorwärmtemperatur ist ebenfalls bereits auf einem guten Wert, so dass ein Beheizen mit der ersten Heizvorrichtung somit zunächst unterbleiben kann.
Ist die Temperatur des oberen Speicherbereichs nicht größer als die zweite Grenztemperatur, verzweigte erste Block 901 zum neunten Block 909. Es liegt nun eine vergleichsweise geringe Temperatur im oberen Speicherbereich vor, so dass dort geheizt wird. Da die zweite Heizvorrichtung die zur ersten Heizvorrichtung beschriebene Möglichkeit der wirkungsoptimalen Beheizung in dem Sinne nicht bietet, kann hier einfach mit maximaler Leistung beheizt werden. Es kommt aber auch in Betracht, mit weniger als maximaler Leistung zu beheizen.
Außerdem wird in dem zehnten Abfrageblock 910 geprüft, ob die Temperatur des unteren Speicherbereichs unterhalb der ersten Systemtemperatur liegt. Diese erste Systemtemperatur T_1sys ist diejenige, die als obere Temperatur des Wassers im unteren Speicherbereich vorgesehen ist. Ist diese Temperatur erreicht, verzweigt der zehnte Abfrageblock 910 nach unten zum elften Block 911 und setzt die elektrische Leistung P_el auf ihren maximalen Wert, so dass also die erste Heizvorrichtung mit maximaler Leistung heizt. Grundsätzlich kann hier eine geringere Heizleistung bspw. über einen entsprechend geringeren konstanten Wert der elektrischen Leistung vorgesehen sein, was möglicherweise von weiteren Messungen abhängt, wie bspw. davon, wie viel Wärme bzw. wie stark in dem Moment Wasser entnommen wird. Im Übrigen dürfte klar sein, dass die erste Grenztemperatur T_1G niedriger ist als die erste Systemtemperatur T_1sys. Im Grunde stellt die erste Systemtemperatur T_1sys die Obergrenze der erwünschten Temperatur im unteren Speicherbereich dar. Die niedrigere erste Grenztemperatur T_1G bildet hingegen ein Kriterium für die Wahl eines wirkungsgradoptimierten Betriebs.
Hat die Temperatur T₁ im unteren Speicherbereich die erste Systemtemperatur T_1sys erreicht, ist diese Temperatur also nicht kleiner als diese Systemtemperatur, verzweigt der zehnte Abfrageblock 910 zum zwölften Block 912, demnach die Leistung P_el der ersten Heizvorrichtung auf null gesetzt wird. Die erste Heizvorrichtung wird dann also nicht betrieben.
Es wurde somit eine Lösung vorgeschlagen, thermoelektrische Elemente möglichst kostengünstig und vorteilhaft herzustellen bzw. bereitzustellen. Obwohl eine Anwendung als Peltiermodul beschrieben ist, kommt grundsätzlich auch eine Nutzung als elektrischer Generator in Betracht, bei dem statt einer Wärmetrennung durch Strom ein Temperaturgradient zum Erzeugen von Strom führen kann.
Neben der Herstellung von Basismodulen, nämlich der Herstellung der Aufnahmematrix mit den enthaltenen thermoelektrischen Pellets, ist deren elektrischen Verbindung und die weitere Einbindung in ein System für die technische und wirtschaftliche Nutzung von entscheidender Bedeutung. Für beide Anforderungen werden entsprechende Lösungen vorgeschlagen und aufgezeigt.
Sowohl bei der Nutzung als Elektrischer Generator als auch als Peltiermodul müssen für die auftretenden hohen Ströme bei relativ niedrigen Spannungen niederohmige Verbindungen realisiert werden. Gleichzeitig sollen diese Verbindungen zu günstigen Herstellkosten erzeugbar und verarbeitbar sein. Da zudem auch noch hohe thermische Anforderungen an die Systeme zu stellen sind, sind bspw. Leiterbahnträger auf Basis von keramischen Trägern bekannt und im Einsatz. Bei Verbindungen mittels Leiterplatten oder keramischen Trägern betragen die Schichtdicken der Leiterbahnen typischerweise nur 70 oder 120 um. Größere Schichtdicken bis ca. 400 μm sind zwar technisch möglich aber sehr teuer in der Herstellung.
Zur Verbindung der Pellets werden nun statt Verbindungen die auf Leiterplatten basieren, direkte metallische Leiterbrücken auf Basis von Stanzgittern oder Einzelelementen vorgeschlagen. Diese können bspw. aus identischen Leiterbrücken bestehen, die bereits aus Vormaterial mit verzinnter Oberfläche hergestellt werden und sich daher direkt für einen späteren Lötprozess eignen. Dadurch können problemlos Verbindungen aus niederohmigem Material bspw. Kupfer oder Messing hergestellt werden und dabei auch große Querschnitte realisiert werden, da die Dicken der Leiterbrücken praktisch beliebig groß gewählt werden können (bspw. 0,2...1,5 mm).
Die Verarbeitung dieser Leiterbrücken kann mit Standardequipment erfolgen wie es zur Bestückung von SMD und anderen Bauteilen verwendet wird. Je nach Aufbau der Basismodule sind hierbei identische Leiterbrücken bzw. Leiterbrücken möglich, die eine hohe Automatisierung ergeben.
Alternativ kann anstelle von einzelnen Leiterbrücken auch ein komplexes zunächst verbundenes Stanzgitter verwendet werden, welches nach dem Lötprozess, der die Verbindung zwischen den Elementen und den thermoelektrischen Schenkeln, also den Pellets herstellt, an verschiedenen Stellen durch einen nachfolgenden Prozess in die einzelnen Verbindungselemente getrennt wird und somit die gewünschten elektrischen Leiterbahnen realisiert. Dieser Prozess muss für die beiden Seiten des Basismoduls durchgeführt werden, also jeweils für die erste Oberfläche als auch für die zweite Oberfläche.
Durch die Ausführung der elektrischen Verbindungen durch einzelne Leiterbrücken (dies gilt auch für die Stanzgitterlösung nach der Trennung der Stege), besitzt diese Lösung auch den großen Vorteil, dass die Qualität der Verbindungen auf Ebene der einzelnen Schenkel geprüft und vor einer weiteren Verarbeitung ggf. nachgearbeitet werden kann.
Neben der elektrischen Kontaktierung der thermoelektrischen Schenkel ist die mechanische und thermische Ankopplung an geeignete Wärmequellen oder Wärmesenken erforderlich. Zur Nutzung als Wärmepumpe kommen dabei üblicherweise gasförmige oder flüssige Medien als Wärmeübertragungsmedium in Frage. Daher werden für beide Fälle entsprechende Aufbaumöglichkeiten vorgeschlagen, die optimale und kostengünstige Lösungen darstellen.
Zur Reduktion des thermischen Übergangswiderstands ist gasseitig, also besonders zur kühlenden Seite, eine Vergrößerung der Oberfläche erforderlich. Dies erfolgt vorzugsweise mit metallischen Kühlkörpern bspw. aus Aluminiumstrangpressprofilen. Neben der thermischen Ankopplung ist somit auch eine elektrische Isolierung zwischen den Leiterbahnen und dem Kühlkörper erforderlich. Neben den üblichen Verfahren thermischer Leitpasten oder dünner Folien als Trennlage wird hier zur thermischen Verbindung und gleichzeitigen elektrischen Trennung auch der Auftrag einer dünnen Lackschicht (alternativ Verguss bzw. anderer Überzug mit einer isolierenden Schicht, die aufgetragen werden kann) vorgeschlagen. Dieser kann sowohl auf der Rückseite eines metallischen Kühlkörpers oder vorzugsweise auch auf der Seite des thermoelektrischen Elementes, nämlich der ersten bzw. zweiten Oberfläche erfolgen. Dabei kann außer einem dünnen Überzug die Lackschicht auch als Füllstoff für den Raum zwischen den einzelnen Leiterbrücken bzw. Leiterbrücken dienen. Da diese Zwischenschicht im Vergleich zu den anderen Komponenten eine deutlich schlechtere Wärmeleitfähigkeit besitzt, ist es vorteilhaft, die Schichtdicke so dünn wie möglich auszuführen. Hierzu kann das Zusammenführen der beiden Teile noch im flüssigen/plastischen Zustand des Isolationsmediums erfolgen, so dass überschüssiges Material zwischen den Leiterbahnbrücken und dem Kühlkörper seitlich verdrängt wird. Zur Sicherstellung eines Mindestabstands können mechanische Anschlagsteile zum Einsatz kommen oder auch messtechnische Größen wie der elektrischer Widerstand oder die Kapazität genutzt werden.
Im Falle eines Stanzgitters für die Leiterbrücken, kann dies auch vor der Verbindung mit dem thermoelektrischen Basismodul, also des thermoelektrischen Elementes umspritzt und freigeschnitten werden, so dass dieser Prozess des Trennens nicht mehr nach dem Lötprozess erfolgen muss und somit die Gestaltung des Basismoduls dadurch unabhängig von den Anforderungen eines solchen Trennvorgangs wird. Gleichzeitig kann das Material der Umspritzung, die Funktion der elektrischen Isolierung wahrnehmen.
Flüssigkeitsseitig, also insbesondere zur wärmenden Seite des thermoelektrischen Elementes, bestehen die gleichen Anforderungen zu einer guten thermischen Anbindung bei gleichzeitiger elektrischer Isolierung, wie auf der Gasseite. Daher sind die dort aufgeführten Lösungen auch auf diesen Fall anwendbar. Allerdings erfordern die thermischen Eigenschaften von Flüssigkeiten in der Regel keine weitere Vergrößerung der Kühlfläche insbesondere bei strömenden Flüssigkeiten. Somit kann die Flüssigkeit in möglichst direkten Kontakt zur Oberfläche gebracht werden. Für praktische Anwendungen ist jedoch auch hier eine elektrische und chemische Trennung erforderlich, so dass auch auf dieser Seite eine Beschichtung des thermoelektrischen Elementes mit Lack oder anderen Schutzschichten erfolgen kann. In gleicher Weise wie auf der Gasseite kann ein metallischer Kühlkörper mit dem Modul kontaktiert werden, in oder an dem sich Kanäle befinden, die von Flüssigkeit durchströmt werden. Alternativ besteht aber auch die Möglichkeit, den Kühlkörper so auszugestalten, dass er zu den thermoelektrischen Elementen Öffnungen aufweist, die einen direkten Kontakt der Flüssigkeit zum thermoelektrischen Elemente bzw. der Isolationsschicht ermöglichen. In diesem Fall ist der Kühlkörper und das thermoelektrische Element idealerweise so gestaltet, dass eine umlaufende Dichtfläche vorhanden ist, die ein Austreten der Flüssigkeit verhindert. Dabei kann die dichtende Verbindung erfolgen indem die Teile verbunden werden solange der Lack noch flüssig ist und beim Aushärten die mechanische Verbindung herstellt. Je nach Anspruch und Materialpaarung, kann diese Abdichtung aber auch in einem zusätzlichen Prozess und mit anderen Materialien/Technologien erfolgen.
Neben dem eigentlichen Aufbau und der thermischen Anbindung des thermoelektrischen Elements, ist deren Einbindung in ein System erforderlich, um den thermoelektrischen Effekt nutzbar zu machen. Es wird dazu die Einbindung eines Peltiermoduls als Wärmepumpe in einen Warmwasserspeicher beschrieben. Hierbei geht es darum, mittels des Peltiereffekts, für einen wandhängenden oder auch stehenden Wasserspeicher thermische Energie aus der Umgebungsluft im Aufstellraum oder auch aus der Abluft die mittels eines Lüfters oder Lüftungssystems aus dem Raum oder Gebäude nach außen befördert wird, zu entziehen und dies dem Wasser des Speichers zu zuführen.
Eine elektrische Anbindung erfolgt vorzugweise auf der Luftseite des Moduls. Eine Kontaktierung der Leiterbahnbrücken kann dabei in Form eines Steckkontaktes, oder mittels einer stoffschlüssigen Verbindung (Lötung, Schweißung, Crimpung) erfolgen. Solange keine korrosiven Umgebungsbedingungen gegeben sind, ist außer der beschriebenen Schutz- und Isolationsschicht keine weitere Trennung oder Versiegelung mehr erforderlich. Luftseitig sind aufgrund der geringen spezifischen Wärmekapazität der Luft und des hohen thermischen Übergangswiderstands bei freier Konvektion, große Oberflächen und/oder Mittel zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit durch Lüfter erforderlich. Die ideale Kombination besteht aus einem am Wasserspeicher angeordnetem z. B. rückseitig angebrachtem Modul mit vertikalen Kühlrippen, die in einen entsprechenden Kanal eingeschlossen sind an deren unteren oder oberem Ende sich ein axialer Lüfter befindet, der einen festen oder unter Wärmebedarf oder Wirkungsgrad optimierten Volumenstrom zur Verfügung stellt. Der eigentliche Kühlkörper/Wärmeübertrager kann dabei aus einem entsprechend geformten Strangpressprofil oder auch aus einzelnen ebenen oder strukturierten Blechen bestehen.
Wasserseitig gibt es 2 grundlegende Möglichkeiten den Wärmeübergang zu realisieren. Die Übertragung kann direkt mittels des Wassers im Pufferspeicher erfolgen, oder über einen Zwischenkreis mit einem separaten Medium. In beiden Fällen muss die Lösung sicherstellen, dass auch im Fehlerfall keine Verunreinigung von Trinkwasser erfolgen kann und auch dass die Lebensdauer des thermoelektrischen Elements nicht durch die Flüssigkeit beeinträchtig wird, sowie dass das Austreten des Speicherinhalts vermieden wird. Zur Minimierung der Temperaturgradienten am thermoelektrischen Element soll der Wärmeübergang durch einen mittels Umwälzpumpe angetriebenen Fluidstrom erfolgen. Wenn im Speicher ein zusätzlicher Wärmeübertrager eingebaut ist, kann die Flüssigkeit in engem Kontakt zur Oberfläche des thermoelektrischen Elementes gebracht werden.

Dabei kann der Wärmeübertrager sowohl in der Position als auch in der Form eines bekannten Heizkörpers ausgeführt sein, der in einem Flansch mit konventioneller Bauweise montiert und abgedichtet wird. Die Verbindung zwischen Speicher und thermoelektrischen Element wird zumindest teilweise aus Kunststoffschläuchen ausgeführt, wobei der Schlauch gleichzeitig als Druckausgleich fungiert Die Flüssigkeit sollte einen Gefrierpunkt deutlich unter 0°C aufweisen, damit die Geräte während der Lagerung und dem Transport nicht ein- und auffriert.
– Zur Speichergestaltung wird vorgeschlagen, dass die Wärmeübertragung vom Peltiermodul in den Speicher mittels Umwälzpumpe durch Zu- und Abfluss des Wassers im unteren Bereich des Speichers erfolgen kann. Die Auslegung der Leistung des Peltiermoduls wird dabei aus Kostengründen so gewählt, dass bei einem Durchfluss durch das Peltiermodul nur eine geringe Temperaturerhöhung von wenigen Grad oder gar nur von einigen Zehntelgrad erfolgen wird. Dadurch bleiben die Temperaturdifferenzen innerhalb des Moduls auf jeden Fall gering.
– Da der Wirkungsgrad des Peltiermoduls mit steigender Temperaturdifferenz immer schlechter wird und schließlich kleiner als 1 wird, ist es sinnvoll den Speicher nur unterhalb dieser Grenze mittels Peltiereffekt zu beheizen. Für eine optimale Effizienz soll daher der Speicher in 2 Zonen eingeteilt werden, in denen eine thermische Schichtung erfolgt. Hierbei soll die Erwärmung des (kühleren) unteren Bereichs in den auch kaltes Frischwasser oder kühleres Wasser des Heizungsrücklaufs einströmt mittels des Peltiermoduls erwärmt werden. Im oberen Bereich ist ein zusätzlicher Heizstab angeordnet, der das Wasser bei Bedarf auf höhere Temperaturen aufheizt. Ein solcher Heizstab kann zudem auch noch im unteren Bereich angeordnet werden, damit bei kurzfristig erhöhtem Bedarf auch diese zugeschaltet werden können.
– Zur Steuerung wird vorgeschlagen, dass die Leistungssteuerung des Moduls mit konstantem Strom/Leistung erfolgen kann, oder auch wirkungsgradoptimiert d. h. die in das Wasser übertragene Energie wird anhand der Temperaturen und Durchflussmengen ermittelt. Diese wird in Relation zur elektrischen Leistung für den Betrieb des Peltierelements (plus weiterer Verbraucher Lüfter und/oder Pumpe, sowie des elektrischen Wirkungsgrads des Spannungswandlers) gesetzt und die Spannung wird so variiert, dass der Wirkungsgrad einen maximalen Wert annimmt. Je nach aktuellem Energiebedarf, kann diese Regelung auch durch eine leistungsorientierte abgelöst werden, welche den Betrieb des Systems so steuert, dass eine Nachladung in einer garantierten Zeit erfolgt.
– Als weiteren Steuerungsparameter kann zusätzlich noch die Lufttemperatur auf der Austrittsseite herangezogen werden. Hier ist eine (wähl/einstellbare) untere Grenze für die Temperatur sinnvoll, um eine zu starke Abkühlung der Raumluft im Falle einer Nutzung in kleineren Räumen wie einem Badezimmer zu vermeiden.

Nachfolgend sind einige Ausführungsformen der Erfindung genannt.
Ausführungsform 1:
Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Elementes (1) umfassend die Schritte

– Bereitstellen jeweils mehrerer positiv und mehrerer negativ dotierter thermoelektrischer Pellets (4) in einer Aufnahmematrix (20) mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche (11, 12), wobei jedes Pellet (4) von der ersten zur zweiten Oberfläche (11, 12) durch die Aufnahmematrix (20) reicht,
– Anordnen elektrischer Leiterbrücken (14) jeweils auf der ersten und der zweiten Oberfläche (11, 12) der Aufnahmematrix (20) so, dass eine Leitungsbrücke (14) jeweils eine elektrische Verbindung zwischen einem der positiv und einem der negativ dotierten Pellets (4) herstellt, wobei
– jeweils mehrere oder alle Leiterbrücken (14) wenigstens einer der beiden Oberflächen (11, 12) einzeln oder in einem Stanzgitter (16) und/oder ohne einen gemeinsamen Träger aufgebracht werden.

Ausführungsform 2:
Verfahren nach Ausführungsform 1,
dadurch gekennzeichnet, dass

– nach dem Anordnen der Leiterbrücken (14) diese in einem Lötautomaten gemeinsam, zumindest jeweils gemeinsam für eine der beiden Oberflächen (11, 12), zur elektrischen Kontaktierung mit den jeweiligen Pellets (4) verlötet werden, wobei
– optional vor dem Verlöten Lotpaste auf die Leiterbrücke (14) bzw. auf die an der jeweiligen Oberfläche (11, 12) zugänglichen Pellets (4) aufgetragen wird.

Ausführungsform 3:
Verfahren nach Ausführungsform 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass

– die Leiterbrücken (14) aus einem Metall oder einer Metalllegierung gefertigt sind,
– mit einer metallisierten, insbesondere verzinnten Oberfläche oder lötfähigen Beschichtung versehen sind,
– Kupfer und/oder Messing aufweisen und/oder
– die Leiterbrücken auf der den Pellets zugewandten Seite mit einer Prägung, insbesondere einer erhabenen Prägung versehen sind.

Ausführungsform 4:
Verfahren nach einer der vorstehenden Ausführungsformen,
dadurch gekennzeichnet, dass
nach dem Verlöten der Leiterbrücken (14) eine Schutzschicht auf das Element, insbesondere auf die beiden Oberflächen aufgebracht wird, ausgewählt aus

– Aufbringen einer Lackschicht (326),
– Aufbringen einer Folie,
– Aufbringen einer Wärmeleitpaste,
– Aufbringen eines Vergusses (324),
– Aufsputtern einer Isolationsschicht.

Ausführungsform 5:
Verfahren nach einer der vorstehenden Ausführungsformen,
dadurch gekennzeichnet, dass
das thermoelektrische Element (1) mit aufgetragener Schutzschicht (324, 326), insbesondere ohne Leiterplatte und ohne keramische Abschlussplatte als Halbzeug zur weiteren Verarbeitung oder Anwendung bereitgestellt wird.
Ausführungsform 6:
Verfahren nach einer der vorstehenden Ausführungsformen,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schutzschicht (324, 326) so aufgetragen wird, dass

– Unebenheiten der Leiterbrücken (14) untereinander jeweils einer der beiden Oberflächen (111, 12) ausgeglichen werden, und/oder
– Zwischenräume zwischen den Leiterbrücken (14) jeweils einer der beiden Oberflächen (11, 12) aufgefüllt werden, um eine einheitliche, neue Oberfläche (11, 12) zu schaffen.

Ausführungsform 7:
Verfahren nach einer der vorstehenden Ausführungsformen,
dadurch gekennzeichnet, dass
mehrere oder alle Leiterbrücken (14) jeweils wenigstens einer der beiden Oberflächen (11, 12) aus einem Trägergurt auf die entsprechende Oberfläche (11, 12) aufgebracht werden.
Ausführungsform 8:
Verfahren nach einer der vorstehenden Ausführungsformen,
dadurch gekennzeichnet, dass
zum Anordnen der Leiterbrücken (14) auf der jeweiligen Oberfläche ein SMD-Bestückungsautomat verwendet wird.
Ausführungsform 9:
Thermoelektrisches Element (1), umfassend

– eine Aufnahmematrix (20) mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche (11, 12) und jeweils mehreren positiv und mehreren negativ dotierten thermoelektrischen Pellets (4) in der Aufnahmematrix wobei jedes Pellet (4) von der ersten zur zweiten Oberfläche (11, 12) durch die Aufnahmematrix (20) reicht und
– jeweils auf der ersten und zweiten Oberfläche (11, 12) angeordnete elektrische Leiterbrücken (14), jeweils kontaktiert mit einem der positiv und einem der negativ dotierten Pellets (4), zum Herstellen jeweils einer elektrischen Verbindung dazwischen, wobei
– das thermoelektrische Element eine Schutzschicht aufweist, die nach dem Anordnen und Kontaktieren der Leiterbrücken (14) ganz oder teilweise auf das thermoelektrische Element (1), insbesondere auf die beiden Oberflächen (11, 12) und auf die Leiterbrücken (14) aufgebracht wurde, und die Schutzschicht ist ausgewählt aus
– einer aufgebrachten Lackschicht (326),
– einer aufgebrachten Folie,
– einer aufgebrachten Wärmeleitpaste,
– eines aufgebrachten Vergusses (324),
– einer aufgesputterten Isolationsschicht.

Ausführungsform 10:
Thermoelektrisches Element (1) nach Ausführungsform 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schutzschicht so aufgebracht ist, dass

– Unebenheiten der Leiterbrücken (14) untereinander jeweils einer der beiden Oberflächen (11, 12) ausgeglichen werden, und/oder
– Zwischenräume zwischen den Leiterbrücken (14) jeweils einer der beiden Oberflächen (11, 12) aufgefüllt werden, um eine einheitliche, neue Oberfläche zu schaffen.

Ausführungsform 11:
Thermoelektrisches Element (1) nach Ausführungsform 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
das thermoelektrische Element (1) keine Leiterplatte und keine keramische Abschlussplatte aufweist.
Ausführungsform 12:
Thermoelektrisches Element (1) nach einer der Ausführungsformen 9 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Aufnahmematrix aus Pulver gepresste und optional gesinterte Pellets aufweist.
Ausführungsform 13:
Thermoelektrisches Element (1) nach einer der Ausführungsformen 9 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass

– die Leiterbrücken (14) aus einem Metall oder einer Metalllegierung gefertigt sind,
– mit einer metallisierten, insbesondere verzinnten Oberfläche versehen sind,
– Kupfer und/oder Messing aufweisen und/oder
– die Leiterbrücken auf der den Pellets zugewandten Seite mit einer Prägung, insbesondere einer erhabenen Prägung versehen sind.

Ausführungsform 14:
Thermoelektrisches Element (1) nach einer der Ausführungsformen 9 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Leiterbrücken (14) jeweils eine Dicke im Bereich von 0,2 mm bis 1,5 mm, insbesondere von 0,3 mm bis 1 mm aufweisen.
Ausführungsform 15:
Thermoelektrisches Element (1) nach einer der Ausführungsformen 9 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
alle Leiterbrücken (14) auf der ersten Oberfläche (11) bzw. alle Leiterbrücken auf der zweiten Oberfläche (12) mehr als 50%, insbesondere mehr als 70% der ersten bzw. zweiten Oberfläche (11, 12) bedecken.
Ausführungsform 16:
Thermoelektrisches Element (1) nach einer der Ausführungsformen 10 bis 15, hergestellt durch ein Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1 bis 9.
Ausführungsform 17:
Wärmepumpenmodul zur Verwendung in einer Wärmespeicheranordnung mit einem Warmwasserspeicher, vorbereitet zum Erwärmen von Wasser des Warmwasserspeichers unter Verwendung von Wärmeenergie aus einem Umgebungsmedium, insbesondere Umgebungsluft, umfassend

– ein thermoelektrisches Element (1) mit
– einem Kühlkörper (532) zum Entnehmen der Wärmeenergie aus dem Umgebungsmedium und
– einem Wärmeübertragungselement (530) zum direkten oder indirekten Abgeben von Wärme an das Wasser des Wärmespeichers, wobei
– das thermoelektrische Element (1) mit einer ersten Oberfläche (11) an dem Kühlkörper (532) angeordnet ist, um eine Wärmeleitung von dem Kühlkörper (530) zum thermoelektrischen Element (1) zu erreichen und
– das thermoelektrische Element (1) mit einer zweiten Oberfläche (12) an dem Wärmeübertragungselement (530) angeordnet ist, um eine Wärmeleitung von dem thermoelektrischen Element zu dem Wärmeübertragungselement zu erreichen.

Ausführungsform 18:
Wärmepumpenmodul nach Ausführungsform 17,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen der ersten Oberfläche (11) des thermoelektrische Elementes (1) und dem Kühlkörper (532) und/oder der zweiten Oberfläche (12) des thermoelektrischen Elementes (1) und dem Wärmeübertragungselement (530) eine elektrische Isolationsschicht angeordnet ist, ausgewählt aus

– einer Lackschicht (326),
– einer Folie,
– einer Wärmeleitpaste,
– einer Vergussmasse (324),
– einer aufgesputterten Isolationsschicht.

Ausführungsform 19:
Wärmepumpenmodul nach Ausführungsform 18,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen elektrischen Leiterbrücken (14) auf der ersten bzw. zweiten Oberfläche (11, 12) des thermoelektrischen Elementes (1) zum Verbinden und Kontaktieren von Pellets des thermoelektrischen Elements (1) und dem Kühlkörper (532) bzw. dem Wärmeübertragungselement (530) nur eine bzw. die elektrische Isolationsschicht angeordnet ist.
Ausführungsform 20:
Wärmepumpenmodul nach einer der Ausführungsformen 17 bis 19,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Wärmeübertragungselement (630) das zu erwärmende Wasser oder ein anderes flüssiges Wärmeträgermedium führt und die zweite Oberfläche (12) bzw. die auf der zweiten Oberfläche (12) angeordnete Isolationsschicht in unmittelbarem Kontakt mit dem flüssigen Wärmeübertragungsmedium ist, um Wärme von dem thermoelektrischen Element (1) auf das Wärmeträgermedium zu übertragen.
Ausführungsform 21:
Wärmepumpenmodul nach einer der Ausführungsformen 17 bis 20,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Wärmepumpenmodul einen indirekten Wärmekreislauf einsetzt, bei dem ein Wärmeträgermedium, das von dem Wasser des Warmwasserspeichers getrennt ist, durch das Wärmeübertragungselement (630) einerseits und Heizspiralen oder andere Heizkörper andererseits fließt, die im Warmwasserspeicher zum Wärmen des Wassers angeordnet sind, einsetzt.
Ausführungsform 22:
Wärmepumpenmodul nach einer der Ausführungsformen 17 bis 21,
dadurch gekennzeichnet, dass
als thermoelektrische Element (1) ein thermoelektrisches Element (1) gemäß einer der Ausführungsformen 9 bis 16 verwendet wird und dass optional mehrere, insbesondere identische thermoelektrische Elemente verwendet werden.
Ausführungsform 23:
Thermoelektrisches Halbzeug (1) zum Herstellen eines Wärmepumpenmoduls, wobei das thermoelektrische Halbzeug (1) aus einem thermoelektrischen Element (1) gemäß einer der Ausführungsformen 9 bis 16 besteht und/oder durch ein Verfahren gemäß einer der Ausführungsformen 1 bis 8 hergestellt wurde.
Ausführungsform 24:
Herstellungsvorrichtung, insbesondere SMD-Bestückungsautomat und/oder SMD-Lötautomat vorbereitet zum Herstellen eines thermoelektrischen Elementes (1), wobei die Herstellungsvorrichtung

– in einem Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1 bis 9 eingesetzt wird, die elektrischen Leiterbrücken (14) auf die entsprechende Oberfläche (11, 12) setzt und/oder
– die elektrischen Leiterbrücken (14) mit jeweils zwei Pellets (4) verlötet.

Ausführungsform 25:
Verwendung eines SMD-Bestückungsautomats und/oder eines SMD-Lötautomats zum Herstellen eines thermoelektrischen Elementes (1) gemäß einer der Ausführungsformen 9 bis 16 und/oder in einem Verfahren gemäß einer der Ausführungsformen 1 bis 8.
Ausführungsform 26:
Warmwasserspeicheranordnung zum Erwärmen von Wasser und Bereitstellen des erwärmten Wassers, umfassend

– einen Schichtwasserspeicher 701 mit
– einem unteren Speicherbereich 702 zum Bereitstellen erwärmten Wassers mit einer ersten Temperatur und
– einem oberen Speicherbereich 704 zum Bereitstellen warmen Wassers mit einer zweiten Temperatur, wobei die erste Temperatur niedriger als die zweite Temperatur ist,
– eine erste Heizvorrichtung 740 zum Erwärmen des Wassers im unteren Speicherbereich und
– eine zweite Heizvorrichtung 720 zum Erwärmen des Wassers im oberen Speicherbereich, wobei die erste Heizvorrichtung 740 eine Wärmepumpe 746 mit einem thermoelektrischen Element 748, insbesondere mit einem Peltiermodul, aufweist.

Ausführungsform 27:
Warmwasserspeicheranordnung nach Ausführungsform 26,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste Heizvorrichtung 740 eine oder mehrere Leitungen aufweist

– zum Führen von Wasser aus dem unteren Speicherbereich 702 zur Wärmepumpe 746,
– zum Führen eines flüssigen Wärmeträgermediums zur Wärmepumpe 746

Ausführungsform 28:
Warmwasserspeicheranordnung nach Ausführungsform 27,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste Heizvorrichtung 740 eine Pumpe 744 aufweist, die das Wasser oder das flüssige Wärmeträgermedium bewegt
Ausführungsform 29:
Warmwasserspeicheranordnung nach einer der Ausführungsformen 26 bis 28,
dadurch gekennzeichnet, dass
zum Erreichen eines Druckausgleichs und/oder einer Drucknachgiebigkeit gegenüber dem Schichtwasserspeicher 701 wenigstens eine Leitung bzw. eine der Leitungen zur Wärmepumpe 746 aus Kunststoff, insbesondere als Kunststoffschlauch gefertigt ist und/oder wenigstens ein ganz oder teilweise mit einem Gas gefülltes Druckausgleichsvolumen vorgesehen ist.
Ausführungsform 30:
Warmwasserspeicheranordnung nach einer der Ausführungsformen 26 bis 29,
dadurch gekennzeichnet, dass
das zu erwärmende Wasser oder ein flüssiges Wärmeträgermedium in der Wärmepumpe 746 in unmittelbarem Kontakt mit dem thermoelektrischen Element 748 steht.
Ausführungsform 31:
Warmwasserspeicheranordnung nach einer der Ausführungsformen 26 bis 30,
dadurch gekennzeichnet, dass

– die Wärmepumpe 746 einen Kühlkörper 750 zum Kühlen von Umgebungsluft aufweist, insbesondere
– mit senkrecht ausgerichteten Kühlrippen zur Ausnutzung einer Konvektionsströmung der Umgebungsluft, und/oder
– mit einem Gebläse 752 zum Erzeugen eines Luftstroms entlang des Kühlkörpers 750 bzw. der Kühlrippen und/oder
– dass eine dritte Heizvorrichtung mit elektrischem Heizdraht im unteren Speicherbereich 702, zum bedarfsweisen Zuschalten vorgesehen ist und/oder
– dass die Wärmepumpe 746 vorbereitet ist, Wärme aus einem Abluftstrom zu entziehen, insbesondere einen entsprechenden Kühlkörper 750 aufweist und/oder Anschlussrohre zum Führen des Abluftstroms entlang des Kühlkörpers 750 aufweist.

Ausführungsform 32:
Warmwasserspeicheranordnung nach Ausführungsform 26 bis 31,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zweite Heizvorrichtung 720 mittels eines in dem oberen Speicherbereich 704 angeordneten Heizdrahts, insbesondere Heizrohres 722 mit darin aufgenommenem elektrischen Heizdraht ausgebildet ist und/oder
die erste Heizvorrichtung 740 ein im unteren Speicherbereich 702 angeordnetes Heizrohr 742 zum Führen eines flüssigen Wärmeträgermediums aufweist, das insbesondere im Vergleich mit einem bzw. dem Heizrohr 722 der zweiten Heizvorrichtung 720

– den gleichen Durchmesser,
– das gleiche Material,
– dieselbe Form,
– einen gleichen Anschluss an den Schichtwasserspeicher 701 und/oder
– die gleiche Länge

Ausführungsform 33:
Warmwasserspeicheranordnung nach einer der Ausführungsformen 26 bis 32,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wärmepumpe 746 ein Wärmepumpenmodul gemäß einer der Ausführungsformen 17–22 aufweist.
Ausführungsform 34:
Verfahren zum Steuern einer Warmwasserspeicheranordnung zum Erwärmen von Wasser und Bereitstellen des erwärmten Wassers, und die Warmwasserspeicheranordnung umfassend

– einen Schichtwasserspeicher 701 mit
– einem unteren Speicherbereich 702 zum Bereitstellen erwärmten Wassers mit einer ersten Temperatur und
– einem oberen Speicherbereich 704 zum Bereitstellen warmen Wassers mit einer zweiten Temperatur, wobei die erste Temperatur niedriger als die zweite Temperatur ist,
– eine erste Heizvorrichtung 740 zum Erwärmen des Wassers im unteren Speicherbereich 702 und
– eine zweite Heizvorrichtung 720 zum Erwärmen des Wassers im oberen Speicherbereich 704, wobei die erste Heizvorrichtung 740 eine Wärmepumpe 746, insbesondere mit einem thermoelektrischen Element 748, wie einem Peltiermodul, aufweist, umfassend die Schritte
– Erwärmen des Wassers im unteren Speicherbereich 702 mittels der ersten Heizvorrichtung 720, wenn die Temperatur des Wassers im unteren Speicherbereich 702 unterhalb einer ersten vorgegebenen Systemtemperatur liegt und
– Erwärmen des Wassers im oberen Speicherbereich 704, wenn die Temperatur des Wassers im oberen Speicherbereich 704 unterhalb einer zweiten vorgegebenen Systemtemperatur liegt, wobei
– die erste Systemtemperatur kleiner als die zweite Systemtemperatur ist und das Erwärmen des Wassers im unteren Speicherbereich 702 zumindest teilweise mittels der Wärmepumpe 746 erfolgt.

Ausführungsform 35:
Verfahren nach Ausführungsform 34,
dadurch gekennzeichnet, dass

– die Warmwasserspeicheranordnung 700 eine gemäß einer der Ausführungsformen 26 bis 33 ist und/oder dass
– der Wärmepumpe 746 eine Abluft und/oder Umgebungsluft der Warmwasserspeicheranordnung 700 zugänglich gemacht, insbesondere durch einen Lüfter oder ein Lüftungssystem zugeführt wird.

Ausführungsform 36:
Verfahren nach Ausführungsform 34 oder 35, gekennzeichnet, durch das Steuern

– einer Umwälzpumpe 744 zum Fördern von Wasser oder zum Fördern eines flüssigen Wärmeträgermediums zur Wärmepumpe 746,
– der Wärmepumpe 746, insbesondere des thermoelektrischen Elementes 748, besonders des Peltiermoduls,
– eines bzw. des Gebläses 752 zum Erzeugen eines Luftstroms entlang eines bzw. des Kühlkörpers 750 der Wärmepumpe 746, insbesondere des Peltiermoduls 748 und/oder
– der zweiten Heizvorrichtung 720, wobei das Steuern in Abhängigkeit wenigstens eines Kriteriums erfolgt, das aus der Liste ausgesucht ist, die umfasst
– eine Temperatur in den Schichtspeicher 701 einströmenden und zu erwärmenden Wassers,
– eine Temperatur oder die Geschwindigkeit einer zeitlichen Temperaturänderung des Wassers im unteren Speicherbereich 702,
– eine Temperatur oder die Geschwindigkeit einer zeitlichen Temperaturänderung des Wassers im oberen Speicherbereich 704,
– eine Temperaturdifferenz des Wassers oder flüssigem Wärmeträgermedium vor und nach einer Erwärmung durch die Wärmepumpe 746,
– eine Durchflussmenge des Wassers oder flüssigen Wärmeträgermedium, das durch die Wärmepumpe 746 fließt,
– eine Aufnahmeleistung einer bzw. der Umwälzpumpe 752,
– eine Temperaturverringerung der durch einen Kühlkörper 750 der Wärmepumpe 746 abgekühlten Umgebungsluft,
– eine Temperatur der Umgebungsluft und/oder
– eine absolute Entnahmemenge oder relative Entnahmemenge pro Zeit von Wasser aus dem Schichtspeicher 701.

Ausführungsform 37:
Verfahren nach einer der Ausführungsformen 34 bis 36,
dadurch gekennzeichnet, dass

– die erste Temperatur einen Wert unter 50°C, insbesondere unter 40°C aufweist und/oder
– die zweite Temperatur in einem Bereich von der ersten Temperatur bis zu einem Wert von 50°C bis 85°C, vorzugsweise von 55°C bis 70°C liegt, insbesondere etwa 60°C aufweist.

Ausführungsform 38:
Verfahren nach einer der Ausführungsformen 34 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung

– in einem wirkungsgradoptimierten Betrieb,
– in einem leistungsoptimierten Betrieb und/oder
– in einem konstanten Betrieb mit konstantem elektrischen Strom bzw. elektrischer Leistung arbeitet, und vorzugsweise bedarfsabhängig zwischen wirkungsgradoptimalem Betrieb, leistungsoptimierten Betrieb, konstantem Betrieb und anderem Betrieb, insbesondere ein wirkungsgradoptimierter Betrieb gewählt wird, wenn
– die Temperatur im unteren Speicherbereich 702 unter einer vorbestimmten ersten Grenztemperatur liegt,
– die Temperatur im oberen Speicherbereich 704 über einer vorbestimmten zweiten Grenztemperatur liegt und/oder
– eine relative Entnahmemenge pro Zeit von Wasser aus dem Schichtspeicher 701 unter einem vorbestimmten Grenzwert liegt und/oder
– eine zu erwartenden Entnahmemenge, welche anhand eines Nutzerprofils aus der Vergangenheit ermittelt wird, unter einem vorbestimmten Grenzwert liegt und/oder ein leistungsoptimierter Betrieb gewählt wird, oder ein Betrieb mit konstantem elektrischen Strom bzw. elektrischer Leistung, wenn
– die Temperatur im unteren Speicherbereich 702 über der vorbestimmten ersten Grenztemperatur liegt,
– die Temperatur im oberen Speicherbereich 704 unter der vorbestimmten zweiten Grenztemperatur liegt und/oder
– eine relative Entnahmemenge pro Zeit von Wasser aus dem Schichtspeicher 701 über dem vorbestimmten Grenzwert liegt.

Ausführungsform 39:
Verfahren nach Ausführungsform 38,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei dem wirkungsgradoptimierten Betrieb ein Verhältnis aufgewendeter Leistung zu erhaltener Leistung minimiert wird, insbesondere durch Regelung der aufgewendeten Leistung reduziert wird, so dass sich ein minimaler Wert bzw. ein Wert in der Nähe des Minimums ergibt und insbesondere

– die aufgewendete Leistung die zum Betreiben der Wärmepumpe 746 benötigte elektrischer Leistung bezeichnet, vorzugsweise inklusive eines Leistungsbedarfs für wenigstens einen Lüfter und/oder für wenigstens eine Umwälzpumpe 744 und
– die erhaltene Leistung die Wärmeleistung bezeichnet, die dem zu erwärmenden Wassers oder dem zu erwärmenden Wärmeträgermedium zugeführt wird.

Ausführungsform 40:
Verfahren nach einer der Ausführungsformen 34 bis 39,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Beheizung des Schichtspeichers 701 über die erste Heizvorrichtung 740 mit reduzierter Leistung und/oder wirkungsgradoptimiert erfolgt, wenn die Temperatur im unteren Speicherbereich 702 unterhalb der ersten Systemtemperatur liegt, insbesondere unterhalb einer ersten Grenztemperatur und die Temperatur im oberen Speicherbereich 704 oberhalb einer zweiten Grenztemperatur liegt, wobei die zweite Grenztemperatur oberhalb der ersten Systemtemperatur und unterhalb der zweiten Systemtemperatur liegt.
Ausführungsform 41.
Verfahren nach Ausführungsform 40,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Beheizung mit reduzierter Leistung bzw. die wirkungsgradoptimierte Beheizung so erfolgt, dass das Wasser im unteren Speicherbereich 702 um nicht mehr als 10K pro Stunde, insbesondere um nicht mehr als 5K pro Stunde erwärmt wird und/oder dass das Wasser oder andere Wärmeträgermedium den Wärmetauscher, insbesondere das thermoelektrische Modul 748 durchströmt und dabei jeweils um weniger als 3K, vorzugsweise weniger als 1K und insbesondere um weniger als 0,3K erwärmt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012205087 A1 [0007, 0010]
MY 2009/000076 [0007]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Elementes (1) umfassend die Schritte – Bereitstellen jeweils mehrerer positiv und mehrerer negativ dotierter thermoelektrischer Pellets (4) in einer Aufnahmematrix (20) mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche (11, 12), wobei jedes Pellet (4) von der ersten zur zweiten Oberfläche (11, 12) durch die Aufnahmematrix (20) reicht, – Anordnen elektrischer Leiterbrücken (14) jeweils auf der ersten und der zweiten Oberfläche (11, 12) der Aufnahmematrix (20) so, dass eine Leitungsbrücke (14) jeweils eine elektrische Verbindung zwischen einem der positiv und einem der negativ dotierten Pellets (4) herstellt, wobei – jeweils mehrere oder alle Leiterbrücken (14) wenigstens einer der beiden Oberflächen (11, 12) einzeln oder in einem Stanzgitter (16) und/oder ohne einen gemeinsamen Träger aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – nach dem Anordnen der Leiterbrücken (14) diese in einem Lötautomaten gemeinsam, zumindest jeweils gemeinsam für eine der beiden Oberflächen (11, 12), zur elektrischen Kontaktierung mit den jeweiligen Pellets (4) verlötet werden, wobei – optional vor dem Verlöten Lotpaste auf die Leiterbrücke (14) bzw. auf die an der jeweiligen Oberfläche (11, 12) zugänglichen Pellets (4) aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die Leiterbrücken (14) aus einem Metall oder einer Metalllegierung gefertigt sind, – mit einer metallisierten, insbesondere verzinnten Oberfläche oder lötfähigen Beschichtung versehen sind, – Kupfer und/oder Messing aufweisen und/oder – die Leiterbrücken auf der den Pellets zugewandten Seite mit einer Prägung, insbesondere einer erhabenen Prägung versehen sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verlöten der Leiterbrücken (14) eine Schutzschicht auf das Element, insbesondere auf die beiden Oberflächen aufgebracht wird, ausgewählt aus – Aufbringen einer Lackschicht (326), – Aufbringen einer Folie, – Aufbringen einer Wärmeleitpaste, – Aufbringen eines Vergusses (324), – Aufsputtern einer Isolationsschicht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoelektrische Element (1) mit aufgetragener Schutzschicht (324, 326), insbesondere ohne Leiterplatte und ohne keramische Abschlussplatte als Halbzeug zur weiteren Verarbeitung oder Anwendung bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (324, 326) so aufgetragen wird, dass – Unebenheiten der Leiterbrücken (14) untereinander jeweils einer der beiden Oberflächen (111, 12) ausgeglichen werden, und/oder – Zwischenräume zwischen den Leiterbrücken (14) jeweils einer der beiden Oberflächen (11, 12) aufgefüllt werden, um eine einheitliche, neue Oberfläche (11, 12) zu schaffen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere oder alle Leiterbrücken (14) jeweils wenigstens einer der beiden Oberflächen (11, 12) aus einem Trägergurt auf die entsprechende Oberfläche (11, 12) aufgebracht werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Anordnen der Leiterbrücken (14) auf der jeweiligen Oberfläche ein SMD-Bestückungsautomat verwendet wird.
Thermoelektrisches Element (1), umfassend – eine Aufnahmematrix (20) mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche (11, 12) und jeweils mehreren positiv und mehreren negativ dotierten thermoelektrischen Pellets (4) in der Aufnahmematrix wobei jedes Pellet (4) von der ersten zur zweiten Oberfläche (11, 12) durch die Aufnahmematrix (20) reicht und – jeweils auf der ersten und zweiten Oberfläche (11, 12) angeordnete elektrische Leiterbrücken (14), jeweils kontaktiert mit einem der positiv und einem der negativ dotierten Pellets (4), zum Herstellen jeweils einer elektrischen Verbindung dazwischen, wobei – das thermoelektrische Element eine Schutzschicht aufweist, die nach dem Anordnen und Kontaktieren der Leiterbrücken (14) ganz oder teilweise auf das thermoelektrische Element (1), insbesondere auf die beiden Oberflächen (11, 12) und auf die Leiterbrücken (14) aufgebracht wurde, und die Schutzschicht ist ausgewählt aus – einer aufgebrachten Lackschicht (326), – einer aufgebrachten Folie, – einer aufgebrachten Wärmeleitpaste, – eines aufgebrachten Vergusses (324), – einer aufgesputterten Isolationsschicht.
Thermoelektrisches Element (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht so aufgebracht ist, dass – Unebenheiten der Leiterbrücken (14) untereinander jeweils einer der beiden Oberflächen (11, 12) ausgeglichen werden, und/oder – Zwischenräume zwischen den Leiterbrücken (14) jeweils einer der beiden Oberflächen (11, 12) aufgefüllt werden, um eine einheitliche, neue Oberfläche zu schaffen.
Thermoelektrisches Element (1) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoelektrische Element (1) keine Leiterplatte und keine keramische Abschlussplatte aufweist.
Thermoelektrisches Element (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmematrix aus Pulver gepresste und optional gesinterte Pellets aufweist.
Thermoelektrische Element (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass – die Leiterbrücken (14) aus einem Metall oder einer Metalllegierung gefertigt sind, – mit einer metallisierten, insbesondere verzinnten Oberfläche versehen sind, – Kupfer und/oder Messing aufweisen und/oder – die Leiterbrücken auf der den Pellets zugewandten Seite mit einer Prägung, insbesondere einer erhabenen Prägung versehen sind.
Thermoelektrische Element (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbrücken (14) jeweils eine Dicke im Bereich von 0,2 mm bis 1,5 mm, insbesondere von 0,3 mm bis 1 mm aufweisen.
Thermoelektrisches Element (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass alle Leiterbrücken (14) auf der ersten Oberfläche (11) bzw. alle Leiterbrücken auf der zweiten Oberfläche (12) mehr als 50%, insbesondere mehr als 70% der ersten bzw. zweiten Oberfläche (11, 12) bedecken.
Thermoelektrisches Element (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 15, hergestellt durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Thermoelektrisches Halbzeug (1) zum Herstellen eines Wärmepumpenmoduls, wobei das thermoelektrische Halbzeug (1) aus einem thermoelektrischen Element (1) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 16 besteht und/oder durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt wurde.
Herstellungsvorrichtung, insbesondere SMD-Bestückungsautomat und/oder SMD-Lötautomat vorbereitet zum Herstellen eines thermoelektrischen Elementes (1), wobei die Herstellungsvorrichtung – in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 eingesetzt wird, – die elektrischen Leiterbrücken (14) auf die entsprechende Oberfläche (11, 12) setzt und/oder – die elektrischen Leiterbrücken (14) mit jeweils zwei Pellets (4) verlötet.
Verwendung eines SMD-Bestückungsautomats und/oder eines SMD-Lötautomats zum Herstellen eines thermoelektrischen Elementes (1) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 16 und/oder in einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.