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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie.
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Unter Einrichtungen zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie werden üblicherweise sogenannte thermoelektrische Einrichtungen bzw. auch elektrothermische Wandler (kurz: TED) verstanden. Derartige thermoelektrische Einrichtungen können, je nach Stromflussrichtung, in einem Heiz- oder Kühlmodus betrieben werden. Dabei wird bei einem Stromdurchfluss eine Temperaturdifferenz auf zwei gegenüberliegenden Seiten der thermoelektrischen Einrichtung erzeugt.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits eine Vielzahl derartiger thermoelektrischer Einrichtungen bekannt. Typische thermoelektrische Einrichtungen umfassen eine Schicht aus mehreren Halbleiterelementen. Bei der aus mehreren Halbleiterelementen bestehenden Schicht kann es sich beispielsweise um eine Schicht sogenannter thermoelektrischer Pellets (kurz: TE-Pellets) handeln, welche üblicherweise in Form von p- und n-dotierten Quadern aus Halbleitermaterial ausgebildet sind.
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Die Quader aus Halbleitermaterial sind abwechselnd auf einer Ober- und Unterseite durch Metallbrücken miteinander verbunden. Aus dieser jeweiligen Verbindung ergibt sich eine Reihenschaltung der Halbleiterelemente, wodurch der zugeführte Strom jeden einzelnen der Quader durchfließt. Abhängig von der Stromstärke und Stromrichtung kühlen sich die Verbindungsstellen der einen Seitenfläche ab, während sich die Verbindungsstellen der anderen Seitenfläche erwärmen. Dadurch kann mittels des Stroms Wärme von einer Seitenfläche auf die andere Seitenfläche gepumpt werden, wodurch sich eine Temperaturdifferenz zwischen den Seitenflächen einstellt.
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Häufig wird die Schicht aus Halbleiterelementen zwischen eine Einhausung bildenden Teilen in Form von zwei Lagen aus Keramik- oder Kupferplatten eingelötet oder auf andere Weise angebunden, da insbesondere Keramik und Kupfer eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen. Die Ober- und Unterseitenteile der Einhausung können anschließend beispielsweise mittels einer Löt-, Klebe-, Druck-, Schmiermittel- oder Thermalfolienverbindung an andere Bauteile, wie beispielsweise einen Fluidkreislauf, angekoppelt werden. Problematisch an derartigen bekannten Einheiten ist allerdings, dass die genannten Ober- und Unterseitenteile nicht dazu ausgelegt sind, eine Fixierung oder eine flexible bzw. abdichtende Befestigung der thermoelektrischen Einrichtung zu ermöglichen, da es sich insbesondere bei den Teilen der Einhausung aus Keramik- oder Kupferplatten um sehr steife und formstabile Teile handelt.
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Auch bei einer Koppelung einer derartigen thermoelektrischen Einrichtung beispielsweise an einen Fluidkreislauf ergeben sich deutliche Nachteile von Keramik- oder Kupferplatten als Bestandteil der Einhausung der Schicht aus mehreren Halbleiterelementen. Bei vielen bekannten Einrichtungen zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie ist die Schicht aus Halbleiterelementen zwischen Keramik- oder Kupferplatten eingefasst, wobei die Halbleiterelemente mittels beispielsweise einer Schicht Lötmaterial, Klebstoff, Schmiermittel, Thermalfolie etc. zwischen den Keramik- oder Kupferplatten angebunden sind. Über einen Teil der Einhausung kann die Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie an einen Fluidkreislauf gekoppelt sein. Bei diesem Aufbau kann es allerdings sein, dass sich eine Vielzahl an thermischen Widerständen für einen Wärmefluss in Richtung des Fluidkreislaufes ergibt. So hat sich gezeigt, dass bei einem Wärmefluss eines Mediums deutliche Wärmeverluste zu verzeichnen sind. Insbesondere bei Flüssigkeiten oder gasförmigen Fluiden können mit mangelhafter oder schlechter Abdichtung der Einrichtung unerwünschte Fluidverluste einhergehen.
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Beispielsweise zeigt die
DE 11 2013 004 882 T5 eine Stromerzeugungsvorrichtung mit thermoelektrischer Umwandlung. Die Stromerzeugungsvorrichtung weist einen Aufbau auf, bei dem mehrere Stromerzeugungseinheiten, jeweils mit einem luftdichten Behälter, parallel geschichtet sind, wobei jede Einheit einen Kühlteil dazwischen einschließt. Ein weiteres Kühlteil ist an beiden Seitenflächen der Vorrichtung angeordnet. Der luftdichte Behälter ist aufgebaut aus einem Gehäuse, einem Strömungsrohr, das an einem mittleren Teil des Gehäuses angeordnet ist, und einer Abdichtungshaube. An beiden Seiten im Innenraum sind thermoelektrische Umwandlungsmodule in einem Zustand angeordnet, in dem das Modul zwischen dem beweglichen Plattenteil des Gehäuses und dem inneren Pattenteil des Strömungsrohrs liegt. Das Gehäuse ist durch ein Paar bewegliche Plattenteile gebildet. Außerdem ist das Strömungsrohr durch ein Paar innere Plattenteile und ein Paar Biegeteile gebildet, die obere und untere Kanten der inneren Plattenteile verbinden. Der bewegliche Plattenteil enthält den äußeren steifen Teil, der so ausgebildet ist, dass seine äußere Form eine rechteckige Rahmenform ist, den im äußeren steifen Teil ausgebildeten, inneren steifen Teil und einen Verformungsteil, der ausgebildet ist, um einen Zwischenraum zu verschließen.
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Weiterhin ist durch die
DE 10 2012 102 090 A1 ein thermoelektrisches Generatormodul sowie ein Metall-Keramik-Substrat bekannt. Das thermoelektrische Generatormodul ist mit einem Heißbereich und einen Kaltbereich ausgestattet, welches im Wesentlichen zwei, vorzugsweise plattenförmige Metall-Keramik-Substrate umfasst, die an ihren einander gegenüberliegenden Oberflächen jeweils mit einer strukturierten Metallisierung versehen sind. Das erste Metall-Keramik-Substrat weist zumindest eine erste Keramikschicht auf, auf deren Oberflächenseite die erste strukturierte Metallisierung aufgebracht ist. Analog hierzu umfasst das zweite Metall-Keramik-Substrat zumindest eine zweite Keramikschicht, auf deren Oberflächenseite die zweite strukturierte Metallisierung aufgebracht ist.
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In der
JP 2006-66 431 A wird eine „Heat-electricity direct conversion device“ gezeigt.
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Es ist also Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie bereitzustellen, welche die oben genannten Nachteile des Stands der Technik zumindest teilweise beseitigt und eine Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie vorschlägt, welche unter Reduzierung thermischer Verluste bzw. ohne Fluidverluste im Bereich eines Fluidkreislaufes angeordnet werden kann.
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Die obige Aufgabe wird durch eine Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie gelöst, welche die Merkmale im Anspruch 1 umfasst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden durch die Unteransprüche beschrieben.
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Eine erfindungsgemäße Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie umfasst mindestens eine aus mehreren Halbleiterelementen bestehende Schicht sowie eine aus wenigstes zwei Teilen gebildete Einhausung, zwischen deren gegenüberliegenden Breitseitenflächen die mindestens eine aus mehreren Halbleiterelementen bestehende Schicht aufgenommen ist. Wenigstens einer der zwei die Einhausung bildenden Teile überragt die aus mehreren Halbleiterelementen bestehende Schicht seitlich. Weiterhin ist eine seitlich die aus mehreren Halbleiterelementen bestehende Schicht überragende Partie des jeweiligen Teiles als Funktionsabschnitt ausgebildet. Eine obere Breitseitenfläche des wenigstens einen den Funktionsabschnitt ausbildenden Teiles, welche der aus mehreren Halbleiterelementen bestehenden mindestens einen Schicht abgewandt ist, bildet einen Abschnitt eines Kanals für Fluid aus.
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Bei einer erfindungsgemäßen Ausbildung der Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie kann zudem vorgesehen sein, dass der Funktionsabschnitt des wenigstens einen Teiles der zwei die Einhausung bildenden Teile zumindest bereichsweise eine gewölbte Struktur aufweist. Für den Fall, dass der wenigstens eine einen Funktionsabschnitt ausbildende Teil unmittelbar benachbart zu einem Fluid angeordnet ist, kann der Funktionsabschnitt im Bereich der gewölbten Struktur mit einem das Fluid einschließenden Element als Dichteinheit zusammenwirken, um die aus mehreren Halbleiterelementen bestehende Schicht gegenüber dem Fluid abzudichten. Auf diese Weise kann der Funktionsabschnitt des wenigstens einen Teiles der zwei die Einhausung bildenden Teile zugleich als eine Dichtung bzw. Abdichtung wirken. Insbesondere kann eine Abdichtung vorteilhaft sein, wenn die Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie an ein gasförmiges oder flüssiges Fluid einschließendes Element gekoppelt ist, um Verluste des Fluides durch ungewolltes Austreten des Fluides aus dem das Fluid einschließenden Element durch Lücken oder Spalten zwischen der an dem das Fluid einschließenden Element angeordneten Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie und dem das Fluid einschließenden Element zu verhindern. Zur Bereitstellung abdichtender Eigenschaften kann der Funktionsabschnitt mit Vertiefungen und/oder Wölbungen versehen sein bzw. Vertiefungen und/oder Wölbungen ausbilden.
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Es ist dabei vorteilhaft, wenn die gewölbte Struktur des zur Abdichtung vorgesehenen Funktionsabschnitts um einen Bereich der aus mehreren Halbleiterelementen bestehenden Schicht in einem gewissen Abstand verläuft und im Zusammenwirken mit dem das Fluid einschließenden Element einen Dichtungsring bildet, sodass die aus mehreren Halbleiterelementen bestehende Schicht gegenüber dem Fluid abgedichtet ist.
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Weiterhin kann der Funktionsabschnitt gegenüber weiteren Bereichen des Teiles eine größere Steifigkeit besitzen. Die größere Steifigkeit des Teiles kann beispielsweise durch verstärkt und/oder versteift ausgebildetes Material im Bereich des Funktionsabschnitts des Teiles herbeigeführt werden. Die Verstärkung des Funktionsabschnitts des Teiles kann beispielsweise durch einen erhöhten Querschnitt des Teiles im Bereich des Funktionsabschnitts gegenüber weiteren Bereichen des Teiles ausgestaltet sein. Weiterhin ist auch denkbar, den Teil im Bereich des Funktionsabschnitts durch Hinzufügung anderer Materialien und/oder Verstärkungs- bzw. Versteifungselemente zu verstärken. Durch die Verstärkung und/oder Versteifung kann eine Stabilität des wenigstens einen Teiles der zwei die Einhausung bildenden Teile verbessert werden. Auf diese Weise kann ein ungewünschtes Verbiegen oder Ausbrechen beispielsweise von Lötverbindungen zwischen einzelnen Teilen der Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie verhindert werden.
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Der Funktionsabschnitt kann dabei durch gängige Methoden auch so ausgebildet sein, dass die Aufnahme von Dichtmitteln wie z.B. O-Ringe, Dichtmasse wie Silikon, Lot oder Klebstoff möglich oder erleichtert wird. Auch kann die Funktionsfläche derart gestaltet sein, dass stoffschlüssiges Fügen (z.B. Schweißen) darstellbar wird.
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Ferner kann die thermische Leitfähigkeit zwischen Funktionsabschnitt und den Halbleiterelementen durch z.B. Abstand, Wandstärke, Verrippung oder ähnliche Strukturen sinnvoll beeinflusst werden. Eine Erhöhung der Wärmeleitung beispielsweise kann den Wärmeaustausch mit dem Körper verbessern, der an dem Funktionsabschnitt kontaktiert wird. Eine Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit kann hingegen beispielsweise bei Fügeprozessen mit großem Wärmeeintrag (Schweißen, Löten) ein Überhitzen des TED vermeiden.
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Zudem ist denkbar, dass der Funktionsabschnitt zumindest bereichsweise reversibel elastisch verformbar ausgebildet ist. Aufgrund der zumindest bereichsweise reversiblen elastischen Verformbarkeit des Funktionsabschnitts kann dieser zumindest bereichsweise federnd nachgiebig ausgebildet sein. Dadurch ggf. herbeigeführte federnde Eigenschaften des Funktionsabschnitts sind in mehrerlei Hinsicht sinnvoll. Beispielsweise bei einem Zusammenwirken der Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie mit einem ein Fluid einschließenden Element können Druckschwankungen bezüglich des Fluides auftreten. Durch die Druckschwankungen des Fluides kann sich auch ein Druck verändern, welcher auf die Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie, insbesondere des einen Teiles der Einhausung, welcher ggf. in thermischen Kontakt mit dem Fluid steht, wirkt. Aufgrund der reversiblen elastischen Verformbarkeit des Funktionsabschnitts können Druckschwankungen in einem gewissen Rahmen ausgeglichen werden, um beispielsweise Beschädigungen der aus mehreren Halbleiterelementen bestehenden Schicht oder von Lötverbindungen zwischen einzelnen Teilen der Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie zu vermeiden. Weiterhin kann die federnde Eigenschaft gezielt dazu genutzt werden, eine Kontaktkraft zwischen TED und einer zu temperierenden Oberfläche darzustellen, indem die Funktionsfläche von der unbelasteten Normallage aus in Kraftrichtung ausgelenkt wird. Dies kann beispielsweise beim Anschrauben der Funktionsfläche an eine zu temperierende Oberfläche geschehen. In manchen Fällen ist es denkbar, dass die mindestens eine aus mehreren Halbleiterelementen bestehende Schicht in einem gewissen Abstand und ohne direkten Kontakt zu dem wenigstens einen zweiten Teil der aus wenigstens zwei Teilen gebildeten Einhausung angeordnet ist. Beispielsweise kann aufgrund der reversiblen elastischen Verformbarkeit des Funktionsabschnitts des wenigstens einen den Funktionsabschnitt umfassenden Teiles eine Auslenkung dafür eingesetzt werden, einen Kontakt zwischen der wenigstens einen aus mehreren Halbleiterelementen bestehenden Schicht und dem wenigstens einen zweiten Teil der Einhausung herzustellen. Hierdurch kann eine gezielte Weitergabe von Wärmeenergie zwischen den Teilen der Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie hergestellt oder vermieden werden, um eine gewünschte Weitergabe von Wärmeenergie zu erhalten oder zu vermeiden.
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In denkbaren Ausführungsformen kann der Funktionsabschnitt mindestens einen zur Aufnahme eines Befestigungselementes ausgebildeten Durchbruch besitzen. Durch den mindestens einen Durchbruch kann der wenigstens eine Teil der wenigstens zwei die Einhausung bildenden Teile, welcher den Funktionsabschnitt aufweist, oder die gesamte Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie mittels Befestigungselementen, wie beispielsweise Schrauben, leicht und beständig mit einem ein Fluid einschließenden Element verbunden oder an ein Element, welches ein Fluid einschließt, angebunden werden. Sofern zwei der wenigstens zwei die Einhausung bildenden Teile jeweils Durchbrüche aufweisen bzw. besitzen, ist zudem eine Verspannung der Bestandteile der Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie, wie der aus mehreren Halbleiterelementen bestehenden Schicht zwischen den die Einhausung bildenden Teilen, möglich. Insbesondere ist sinnvoll, wenn die Durchbrüche in konvex gekrümmten Rand- bzw. Eckbereichen des den Funktionsabschnitt ausbildenden Teiles angeordnet sind. Besonders bei einem vorgesehenen Zusammenwirken des Funktionsabschnitts, welcher eine gewölbte Struktur aufweist, und dem das Fluid einschließenden Element als Dichteinheit sind außerhalb der gewölbten Struktur des Funktionsabschnitts angeordnete Durchbrüche zweckmäßig. Durch die Fixierung der Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie mittels Befestigungselementen durch die Durchbrüche ergibt sich eine gute abdichtende Wirkung aufgrund eines Anpressens der gewölbten Struktur des Funktionsabschnitts an ein das Fluid abdichtendes Element, wodurch ein Entweichen von Fluid aus dem das Fluid einschließenden Element verhindert werden kann.
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Erfindungsgemäß bildet eine obere Breitseitenfläche des wenigstens einen den Funktionsabschnitt ausbildenden Teiles, welche der aus mehreren Halbleiterelementen bestehenden mindestens einen Schicht abgewandt ist, einen Abschnitt eines Kanals für Fluid aus.
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Auch ist denkbar, dass der wenigstens eine Teil, welcher den Funktionsabschnitt ausbildet, auf der oberen Breitseitenfläche im Bereich des Abschnitts eine wärmeaustauschfördernde Struktur umfasst.
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Auch kann es sein, dass der wenigstens eine Teil, welcher den Funktionsabschnitt ausbildet, auf der oberen Breitseitenfläche zumindest teilweise im Bereich des Abschnitts eine elastische Schicht umfasst. Zudem kann eine in Richtung der mindestens einen aus mehreren Halbleiterelementen bestehenden Schicht weisende Breitseitenfläche wenigstens eines der wenigstens zwei die Einhausung bildenden Teile mit einem wärmeaustauschfördernden Element versehen sein.
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Darüber hinaus sind Ausführungsformen vorstellbar, bei welchen die aus wenigstens zwei Teilen gebildete Einhausung zur Aufnahme von mindestens zwei aus mehreren Halbleiterelementen bestehenden und voneinander beabstandeten Schichten ausgebildet ist.
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Weiter kann jeder der wenigstens zwei Teile die mindestens eine aus mehreren Halbleiterelementen bestehende Schicht seitlich überragen. Hierbei können die seitlich die aus mehreren Halbleiterelementen bestehende Schicht überragenden Partien der wenigstens zwei Teile als Funktionsabschnitt ausgebildet sein.
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Es ist naheliegend, dass zumindest der Funktionsabschnitt zumindest an den andere Körper oder Fluide berührenden Stellen derart beschichtet, behandelt oder passiviert sein kann, dass eine elektrische oder thermische Leitung gefördert oder weitgehend verhindert wird oder dass ein Korrosionsschutz erzielt wird. Gängige Methoden umfassen beispielsweise Eloxieren, Verzinnen, Beschichten mit Aluminiumoxid, Auftragen von Nitrilkautschuk, etc..
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Es kann vorteilhaft sein, wenn der überragende Bereich oder der Funktionsabschnitt (oder Teile davon) eine voneinander oder von der Einhausung abweichende stoffliche Zusammensetzung aufweisen. Hierdurch lassen sich gezielte Eigenschaften wie z.B. Bereiche unterschiedlicher Elastizität oder Wärmeleitfähigkeit erzeugen. Ferner kann eine breitere Palette unterschiedlicher Fertigungs- und Fügeverfahren zur Darstellung der erfindungsgemäßen Eigenschaften genutzt werden.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus einen Fahrzeugsitz, ein Fahrzeuglenkrad, eine Batterie oder ein Batteriegehäuse im Fahrzeug, eine temperierbare Getränkehalterung für Fahrzeuge, ferner einen Wärmetauscher, -speicher oder - übertrager, welche zumindest eine Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie gemäß einer Ausführungsform vorheriger Beschreibung umfasst.
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Im Folgenden sollen Ausführungsbeispiele die Erfindung und ihre Vorteile anhand der beigefügten Figuren näher erläutern. Die Größenverhältnisse der einzelnen Elemente zueinander in den Figuren entsprechen nicht immer den realen Größenverhältnissen, da einige Formen vereinfacht und andere Formen zur besseren Veranschaulichung vergrößert im Verhältnis zu anderen Elementen dargestellt sind. Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersicht halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind. Die dargestellten Ausführungsformen stellen lediglich Beispiele dar, wie die erfindungsgemäße Vorrichtung ausgestaltet sein kann und stellen keine abschließende Begrenzung dar.
- 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie, wie sie bereits aus dem Stand der Technik bekannt ist;
- 2 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie;
- Die 3a, 3b, 3c, 3d und 3e zeigen schematische Ansichten vorstellbarer Ausbildungen eines der die Einhausung bildenden Teile, welcher die aus mehreren Halbleiterelementen bestehende Schicht seitlich überragt;
- 4 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie;
- 5 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie, welche in der in 5 gezeigten Ausführungsform mit einem Fluidkreislauf gekoppelt ist bzw. einen Fluidkreislauf umfasst;
- 6 zeigt eine weitere denkbare Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie;
- 7 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie;
- 8 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie.
- 9a, 9b zeigen eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie.
- 10 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie.
- 11 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie.
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1 zeigt eine Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie 2 gemäß dem bekannten Stand der Technik. Die Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie 2 umfasst eine aus mehreren Halbleiterelementen 4 bestehende Schicht 6. Bei den Halbleiterelementen 4 handelt es sich um sogenannte quaderförmige TE-Pellets 4', welche abwechselnd p- und n-dotiert angeordnet sind. Die quaderförmigen TE-Pellets 4' sind abwechselnd auf der Ober- und Unterseite 16 und 16' durch Metallbrücken 8 miteinander gekoppelt, sodass jeweils zwei unterschiedlich dotierte TE-Pellets 4' miteinander verbunden sind. Die Schicht 6, bestehend aus mehreren TE-Pellets 4', ist zwischen zwei eine Einhausung 10 bildenden Teilen 12 in Form von Keramik- oder Kupferplatten 12' eingebunden. Zwischen den eine Einhausung 10 bildenden Teilen 12 ist die Schicht 6, bestehend aus mehreren TE-Pellets 4', mittels eines wärmeaustauschfördernden Elements 14, beispielsweise in Form einer Löt-, Klebe-, Druck-, Schmiermittel- oder Thermalfolienschicht, eingebunden.
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In 2 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie 20 abgebildet. Die Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie 20 umfasst eine aus mehreren Halbleiterelementen 4 bestehende Schicht 6. Bei den Halbleiterelementen 4 handelt es sich um quaderförmige TE-Pellets 4', welche abwechselnd p- und n-dotiert angeordnet sind. Die quaderförmigen TE-Pellets 4' sind abwechselnd auf der Ober- und Unterseite 16 und 16' durch Metallbrücken 8 miteinander verbunden, sodass jeweils zwei unterschiedlich dotierte TE-Pellets 4' miteinander verbunden sind. Die Schicht 6, bestehend aus mehreren Halbleiterelementen 4, ist zwischen Breitseitenflächen 26' und 28' einer aus wenigstens zwei Teilen 26 und 28 gebildeten Einhausung 22 angeordnet. Der Teil 28 der Einhausung 22 überragt die Schicht 6 mit einer Partie, wie anhand der Bezugszeichen 30 angedeutet ist. Die seitlich überragende Partie 30 des Teiles 28 ist als Funktionsabschnitt 32 ausgebildet. In 2 ist erkennbar, dass der den Funktionsabschnitt 32 umfassende Teil 28 der Einhausung 22 einen reduzierten Querschnitt aufweist als der Teil 26. Zwischen der Breitseitenfläche 26' und der aus mehreren Halbleiterelementen 4 bestehenden Schicht 6 ist ein wärmeaustauschförderndes Element 24 angeordnet. Bei dem wärmeaustauschfördernden Element 24 kann es sich beispielsweise um eine Thermalfolie oder eine Lötverbindung 24' handeln, welche neben wärmeaustauschfördernden Eigenschaften zusätzlich für eine Fixierung der aus mehreren Halbleiterelementen 4 bestehenden Schicht 6 auf der Breitseitenfläche 26' des Teiles 26 sorgen kann.
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Die 3a bis 3e zeigen jeweils verschiedene Ausgestaltungsformen eines erfindungsgemäßen, einen Funktionsabschnitt 32 umfassenden Teiles 28. Dabei ist nicht ausgeschlossen, dass auch Mischformen der unterschiedlichen Ausgestaltungsformen des Funktionsabschnitts 32 auftreten können. Wie bereits erwähnt, überragt der Teil 28 die aus mehreren Halbleiterelementen 4 bestehende Schicht 6 seitlich. Die seitlich überragende Partie des Teiles 28 ist durch das Bezugszeichen 30 gekennzeichnet. Der Bereich der seitlichen Ausdehnung der aus mehreren Halbleiterelementen 4 bestehenden Schicht 6 ist in den 3a bis 3e jeweils anhand der gestrichelten Linie 6‘‘‘ angedeutet. Der Funktionsabschnitt 32 des Teiles 28 gemäß 3a weist zur Befestigung der Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie 20 bzw. des Teiles 28 mehrere Durchbrüche 36 zur Aufnahme von Befestigungselementen, beispielsweise in Form von Schrauben, auf.
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Die Durchbrüche 36 sind jeweils in konvex gekrümmten Rand- bzw. Eckbereichen 38 des Funktionsabschnitts 32 des Teiles 28 angeordnet, da sich bei einer derartigen Anordnungsweise der Durchbrüche 36 eine stabile Befestigungsmöglichkeit der Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie 20 bzw. des Teiles 28 ermöglichen lässt. Auch bei der Ausgestaltungsvariante der 3b umfasst der Funktionsabschnitt 32 des Teiles 28 konvex gekrümmte Rand- bzw. Eckbereiche 38, welche jeweils Durchbrüche 36 aufweisen. Zudem weist der Funktionsabschnitt 32 eine den Bereich 6‘‘‘ der aus mehreren Halbleiterelementen 4 bestehenden Schicht 6 beabstandet umgebende gewölbte Struktur 40 auf. Die gewölbte Struktur 40 ist durch Vertiefungen und Erhebungen im Material des Teiles 28 ausgebildet, wie insbesondere in der Schnittdarstellung A-A der 3b zu erkennen ist. Durch die gewölbte Struktur 40 kann eine Dichteinheit bereitgestellt werden. Weiter kann die gewölbte Struktur 40 bzw. das Teil 28 im Bereich der gewölbten Struktur 40 reversibel elastisch verformbar sein.
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Gemäß der Ausführungsform der 3c des Funktionsabschnitts 32 des Teiles 28 können zumindest Bereiche 42 des Funktionsabschnitts 32 eine größere Steifigkeit besitzen als weitere Bereiche 44 des Teiles 28. Wie auch die gewölbte Struktur 40 der 3b kann der eine größere Steifigkeit besitzende Bereich 42 den Bereich 6‘‘‘ der aus mehreren Halbleiterelementen 4 bestehenden Schicht 6 beabstandet umgeben. Die größere Steifigkeit des Bereichs 42 kann beispielsweise durch eine Verstärkung des Materials des Teiles 28 erzeugt werden. Durch die größere Steifigkeit des Bereichs 42 des Teiles 28 wird insgesamt eine hohe Stabilität des Teiles 28 herbeigeführt, wodurch eine geringere Gefahr einer Beschädigung von Lötverbindungen 24' (vgl. 2) oder der aus mehreren Halbleiterelementen 4 bestehenden Schicht 6 besteht. Die Ausführungsform der 3d weist einen verstärkten Bereich auf, welcher den Bereich 6‘‘‘ der aus mehreren Halbleiterelementen bestehenden Schicht 6 überdeckt und dadurch beispielsweise vor Beschädigungen schützt.
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3e zeigt eine Ausbildungsform des Funktionsabschnitts 32 des Teiles 28 in einer bereits erwähnten Mischform. Hierbei weist der Teil 28 wiederum konvex gekrümmte Rand- bzw. Eckbereiche 38 auf. In diesen Rand- bzw. Eckbereichen 38 besitzt der Funktionsabschnitt 32 jeweils Durchbrüche 36. Weiterhin umfasst der Funktionsabschnitt 32 des Teiles 28 eine erste gewölbte Struktur 40', welche zumindest bereichsweise reversibel elastisch verformbar ausgebildet ist. Zudem umfasst der Funktionsabschnitt 32 eine zweite gewölbte Struktur 40", welche in Zusammenwirken mit einem ein Fluid einschließenden Element 58 eine Dichteinheit bildet. Die erste gewölbte Struktur 40' sowie die zweite gewölbte Struktur 40" umgeben die aus mehreren Halbleiterelementen 4 bestehende Schicht 6 bzw. deren Bereich 6‘‘‘ in einem gewissen Abstand. Die Schnittdarstellung D-D verdeutlicht nochmals die erste und die zweite gewölbte Struktur 40' und 40" des Funktionsabschnitts 32 des Teiles 28.
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In 4 wird eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie 20 dargestellt. Hierbei ist lediglich der Teil 28 der Einhausung 22 abgebildet, welcher auf der unteren Breitseitenfläche 28' mit der aus mehreren Halbleiterelementen 4 bestehenden Schicht 6 gekoppelt ist. In dem Funktionsabschnitt 32 auf der seitlich überragenden Partie 30 des Teiles 28 sind Durchbrüche 36 vorgesehen. Auf der oberen Breitseitenfläche 28" des Teiles 28 ist der Teil 28 mit einer wärmeaustauschfördernden Struktur 46 versehen. Wie 5 zeigt, kann bei einer Kopplung der Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie 20 mit einem ein Fluid 50 einschließenden Element, beispielsweise einer Wandung 58 eines Kanals für Fluid 48 oder eines Fluidkreislaufs 48', die wärmeaustauschfördernde Struktur 46 in thermisch leitendem Kontakt zu einem Fluid 50 des Kanals für Fluid 48 oder des Fluidkreislaufs 48' stehen. Bei dem Fluid 50 kann es sich um ein flüssiges oder gasförmiges Fluid handeln.
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Bei der Ausgestaltungsvariante der Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie 20 gemäß 5 weist der Funktionsabschnitt 32 des Teiles 28 neben den Durchbrüchen 36 eine gewölbte Struktur 40 auf. Auch der Teil 26 der Einhausung 22 kann mit Durchbrüchen 36 versehen sein, so dass Befestigungselemente 34 durch die Durchbrüche 36 des Teiles 28 und des Teiles 26 geführt werden können. Die wärmeaustauschfördernde Struktur 46 befindet sich bei dieser Anordnungsweise in der Strömung des Fluides 50, dessen Fluidströmungsrichtung anhand des Pfeils 52 angedeutet ist, wodurch eine Förderung des Wärmeaustausches ermöglicht werden kann. Weiterhin kann zusätzlich zu der wärmeaustauschfördernden Struktur 46 oder statt der wärmeaustauschfördernden Struktur 46 eine elastische Schicht 68 vorgesehen sein. Bei der Anbindung der Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie 20 an den Kanal für Fluid 48 ist der den Funktionsabschnitt 32 ausbildende Teil 28 unmittelbar benachbart zu dem Fluid 50 des Kanals für Fluid 48 angeordnet. Dies kann beispielsweise durch eine Aussparung 60 in der Wandung 58 des Kanals für Fluid 48 erfolgen, in welchem Bereich der Aussparung 60 das Fluid 50 somit in direktem Kontakt mit einem Abschnitt 70 der oberen Breitseitenfläche 28" des Teiles 28 steht. In diesem Bereich der Aussparung bzw. der Anbindung des den Funktionsabschnitt 32 umfassenden Teiles 28 an den Kanal für Fluid 48 bildet der Teil 28 demnach teilweise selbst den Kanal 48 aus. Eine Befestigung der Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie 20 an die Wandung des Kanals für Fluid 48 kann mittels durch die Durchbrüche 36 geführter Befestigungselemente 34 erfolgen. Durch die gewölbte Struktur 40 des Funktionsabschnitts 32 entsteht bei einer Fixierung der Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie 20 mittels der Befestigungselemente 34 eine Dichteinheit. Dadurch ist es möglich, die aus mehreren Halbleiterelementen 4 bestehende Schicht 6 gegenüber dem Fluid 50 abzudichten.
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6 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie 20. Hierbei ist der Teil 28 der Einhausung 22 derart ausgestaltet, dass eine Anbindung einer ersten Schicht 6' und einer zweiten Schicht 6", jeweils bestehend aus mehreren Halbleiterelementen 4, ermöglicht werden kann. Hierbei ist der Teil 28 zur Aufnahme der ersten und zweiten Schicht 6' und 6", jeweils bestehend aus mehreren Halbleiterelementen 4, ausgebildet. Der Kanal für Fluid 48, an welchen die Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie 20 angebunden ist, ist mittels einer Trennwand 54 in einen ersten und einen zweiten Kanalabschnitt 62 und 62' unterteilt, sodass die erste Schicht 6', bestehend aus mehreren Halbleiterelementen 4, im ersten Kanalabschnitt 62 angeordnet ist und die zweite Schicht 6" bestehend aus mehreren Halbleiterelementen 4 im zweiten Kanalabschnitt 62' angeordnet ist. Im Bereich der ersten und zweiten Schicht 6' und 6" umfasst der Teil 28 jeweils eigenständige Funktionsabschnitte 32' und 32".
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Die Funktionsabschnitte 32' und 32" weisen jeweils eine erste gewölbte Struktur 40' und eine zweite gewölbte Struktur 40" auf. Die erste gewölbte Struktur 40' ist im Bereich der aus mehreren Halbleiterelementen 4 bestehenden Schicht 6' sowie 6" angeordnet. Im Bereich der jeweiligen gewölbten Struktur 40' bzw. 40" sind die Funktionsabschnitte 32' und 32" jeweils reversibel elastisch verformbar ausgebildet, wodurch ein Federn des Teiles 28 ermöglicht wird. Diese reversible elastische Verformbarkeit der Funktionsabschnitte 32' und 32" ist vorteilhaft, wenn der Teil 26 einen unebenen bzw. ungeraden Querschnitt besitzt, da hierbei durch die reversible elastische Verformbarkeit eine stabile und sichere Anordnung der aus mehreren Halbleiterelementen 4 bestehenden Schichten 6' und 6" ermöglicht wird. Im Bereich der zweiten gewölbten Struktur 40" wirken die Funktionsabschnitte 32' und 32" mit der Wandung 58 des Kanals für Fluid 48 bzw. der Trennwand 54 zusammen, wodurch sich jeweils eine Dichteinheit bildet. Dadurch werden die aus mehreren Halbleiterelementen 4 bestehenden Schichten 6' und 6" gegenüber dem Fluid abgedichtet. Im Bereich der Trennwand 54 können die gewölbten Strukturen 40" des ersten und zweiten Funktionsabschnitts 32' und 32" als eine gemeinsame gewölbte Struktur 40" ausgebildet sein.
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Eine reversible elastische Verformbarkeit des Teiles 28 im Bereich der gewölbten Struktur 40 wird zudem in 7 angedeutet. Hierbei wird anhand der Pfeile 64 eine Druckänderung bezüglich des Fluides 50 in dem Fluidkreislauf 48' symbolisiert, welche Druckänderung derart auf den Teil 28 einwirkt, dass aufgrund der reversiblen elastischen Verformbarkeit der gewölbten Struktur 40 eine Verschiebung der aus mehreren Halbleiterelementen 4 bestehenden Schicht 6 in Richtung des wärmeaustauschfördernden Elementes 24, wie anhand des Pfeils 66 dargestellt wird, erfolgt. Mittels einer gezielten Druckänderung des Fluides 50 kann insbesondere ein herzustellender oder zu vermeidender Kontakt mit dem wärmeaustauschfördernden Element 24 gesteuert werden, um eine gewünschte Weitergabe von Wärmeenergie zu erhalten oder zu vermeiden. Auch kann die reversible elastische Verformbarkeit des Funktionsabschnitts 32 Beschädigungen bezüglich der aus mehreren Halbleiterelementen 4 bestehenden Schicht 6 oder vorhandenen Lötverbindungen vermeiden.
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8 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie 20. Um die Auslenkung des Teiles 28 in Richtung der Wandung 58 des Kanals für Fluid 48 zu begrenzen, beispielsweise um Beschädigungen zu vermeiden, kann die wärmeaustauschfördernde Struktur 46 derart ausgebildet sein, dass diese bei einer bestimmten Druckänderung des Fluides 50, symbolisiert durch die Pfeile 64, an der Wandung 58 des Kanals für Fluid 48 anstößt und so eine weitere Verformung des Teiles 28 verhindert wird. Als weitere Möglichkeit können im Bereich der aus mehreren Halbleiterelementen 4 bestehenden Schicht 6" Begrenzungselemente 56 angebracht werden, welche die Verformung des Teiles 28 begrenzen. Hierbei kann die wärmeaustauschfördernde Struktur 46' eine geringere Dimensionierung aufweisen als die wärmeaustauschfördernde Struktur 46. Bei einem bestimmten Druck stoßen die Begrenzungselemente 56 an dem Teil 28 an und verhindern so eine weitere Verformung des Teiles 28 bzw. des Funktionsabschnitts 32.
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9a und 9b zeigen weitere Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie 20. In Aufbau und Funktion weitgehend analog zu 4, ist hier der wesentliche Unterschied, dass die Einhausung 29 einteilig gestaltet ist, die Halbleiterlemente 4 an je vier Flächen umgibt und bevorzugt aus einem isolierenden Material besteht. Dabei schließt die Einhausung 29 weder die Metallbrücken 8 noch die Isolationsschichten 14 ein. Ein derartiger Aufbau für ein TED ist bereits bekannt. Erfindungsgemäß ist die Einhausung 29 seitlich verlängert 30 und weist einen Funktionsabschnitt 32 auf. In 9a sind Durchbrüche 36 vorgesehen, die eine Befestigung ermöglichen. In 9b ist eine Struktur 35 zur Aufnahme eines Dichtmittels 37 vorgesehen. Als Dichtmittel können beispielsweise O-Ringe, Lot, Klebstoff, Silikonmasse zu Verwendung kommen.
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10 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie 20. In diesem Aufbau sind die Halbleiterelemente 4 in einem über Metallbrücken verbundenen Stapel angeordnet. Ein derartiger Aufbau ist bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Erfindungsgemäß ist eine seitlich verlängerte Einhausung 29 vorgesehen, die im überragenden Bereich 30 mit einem Funktionsabschnitt 32 ausgestattet ist. Der Funktionsabschnitt 32 weist hier eine Wölbung 40 auf, die als umlaufende Dichtung fungiert.
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11 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie 20. Die Halbleiterelemente sind als Stapel aufgebaut. Die Wärme wird von den Halbleiterelementen 4 vermittels der Metallbrücken 8 über eine Isolationsschicht 14 auf eine, im Wesentlichen eine Seite der Halbleiterelemente bedeckende, Einhausung 28 geleitet. Ein solcher Aufbau ist bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Erfindungsgemäß weist die Einhausung 28 eine seitlich überragende Partie 30 auf und ist dort mit einem Funktionsbereich 32 versehen. Hier weist der Funktionsbereich eine Wölbung 40 auf, die geeignet ist eine umlaufende Dichtung darzustellen oder thermische Dehnungen auszugleichen.
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Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben. Es ist jedoch für einen Fachmann vorstellbar, dass Abwandlungen oder Änderungen der Erfindung gemacht werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie (Stand der Technik)
- 4, 4'
- Halbleiterelemente, TE-Pellets
- 6, 6', 6", 6‘‘‘
- Schicht, erste Schicht, zweite Schicht, Bereich der Schicht
- 8
- Metallbrücken
- 10
- Einhausung
- 12, 12'
- Teil, Keramik- oder Kupferplatte
- 14
- wärmeaustauschförderndes Element, Isolationsschicht
- 16, 16'
- Oberseite, Unterseite
- 20
- Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie
- 22
- Einhausung
- 24, 24'
- wärmeaustauschförderndes Element, Thermalfolie / Lötverbindungen
- 26, 26'
- Teil, Breitseitenfläche
- 28, 28', 28"
- Teil, untere Breitseitenfläche, obere Breitseitenfläche
- 29
- einteilige Einhausung
- 30
- seitlich überragende Partie
- 32, 32', 32"
- Funktionsabschnitt, erster Funktionsabschnitt, zweiter Funktionsabschnitt
- 34
- Befestigungselement
- 35
- Dichtmittelaufnahme
- 36
- Durchbruch
- 37
- Dichtmittel
- 38
- Rand- bzw. Eckbereich
- 40, 40', 40"
- gewölbte Struktur, erste gewölbte Struktur, zweite gewölbte Struktur
- 42
- Bereich mit größerer Steifigkeit
- 44
- Bereich mit geringerer Steifigkeit
- 46, 46'
- wärmeaustauschfördernde Struktur
- 48, 48'
- Kanal für Fluid, Fluidkreislauf
- 50
- Fluid
- 52
- Fluidströmungsrichtung
- 54
- Trennwand
- 56
- Begrenzungselemente
- 58
- Fluid einschließendes Element, Wandung des Kanals für Fluid / des Fluidkreislaufs
- 60
- Aussparung
- 62, 62'
- erster Kanalabschnitt, zweiter Kanalabschnitt
- 64
- Druckänderung
- 66
- Druckänderung
- 68
- elastische Schicht
- 70
- Abschnitt
