DE102017005914A1

DE102017005914A1 - Temperiereinrichtung, Verfahren zum Herstellen einer solchen Temperiereinrichtung sowie Verfahren zum Verbinden der Temperiereinrichtung mit einem zu temperierenden Gegenstand

Info

Publication number: DE102017005914A1
Application number: DE102017005914.4A
Authority: DE
Inventors: Otfried Schwarzkopf; Ralf Kolberg; Pascal Steinhoff
Original assignee: Voss Automotive GmbH
Current assignee: Voss Automotive GmbH
Priority date: 2017-06-23
Filing date: 2017-06-23
Publication date: 2018-12-27

Abstract

Bei einer Temperiereinrichtung (1), umfassend zumindest ein thermoelektrisches Element (4), insbesondere ein Peltier-Element, mit zumindest einer ersten Oberfläche und zumindest einer zweiten, der ersten Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche, und zumindest einen Wärmetauscher (2), besteht der zumindest eine Wärmetauscher (2) aus zumindest einem thermoplastischen Kunststoffmaterial und ist direkt an die zumindest eine erste Oberfläche (42) des thermoelektrischen Elements (4) integral form- und/oder stoff- und/oder kraftschlüssig angebunden. Bei einem Verfahren zum Herstellen einer solchen Temperiereinrichtung (1) wird die mit dem zumindest einen Wärmetauscher (2) zu verbindende erste Oberfläche (42) des zumindest einen thermoelektrischen Elements (4) oberflächenmodifizert, das thermoelektrische Element (4) in eine Gussform eingelegt und eine Wärmetauscher-Temperierkontur (21) an die oberflächenmodifizierte erste Oberfläche (42) des thermoelektrischen Elements (4) angespritzt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Temperiereinrichtung, umfassend zumindest ein thermoelektrisches Element, insbesondere ein Peltier-Element, mit zumindest einer ersten Oberfläche und zumindest einer zweiten, der ersten Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche und zumindest einem Wärmetauscher, ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Temperiereinrichtung, wobei die Temperiereinrichtung zumindest ein thermoelektrisches Element mit zumindest einer ersten Oberfläche und zumindest einer zweiten, der ersten Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche und zumindest einen Wärmetauscher aufweist, sowie ein Verfahren zum Verbinden der Temperiereinrichtung mit einem zu temperierenden Gegenstand.
Temperiereinrichtungen mit zumindest einem thermoelektrischen Element und Verfahren zum Herstellen einer solchen Temperiereinrichtung sind ebenso wie Verfahren zum Verbinden der Temperiereinrichtung mit einem zu kühlenden Gegenstand im Stand der Technik bekannt. Die Elektrifizierung von Fahrzeugen ebenso wie immer umfasserende Komfortfunktionen in konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungskraftmotoren und auch Hybridfahrzeugen erfordern an bislang unkritischen Stellen dezentrale Lösungen zum Bereitstellen von Wärme ebenso wie zum Wärmeentzug, also zum Kühlen. Hierfür ist es bekannt, thermoelektrische Elemente zu verwenden, um den thermoelektrischen Effekt zu nutzen. Solche thermoelektrischen Elemente sind in Form von Peltier-Elementen bekannt. Bei einem elektrischen Beaufschlagen solcher thermoelektrischer Elemente, wie von Peltier-Elementen, bilden diese eine heiße Seite und eine kalte Seite, wobei diese mit einem Wechsel der Polung ebenfalls wechselt. Um ein Kühlen zu ermöglichen, wird von der Heißseite Wärme abgeführt, um einen Temperaturunterschied zur Kaltseite zu schaffen und hierdurch ein in Bezug auf die Umgebungstemperatur des thermoelektrischen Elementes niedrigeres Temperaturniveau zur Verfügung stellen zu können. Solche thermoelektrischen Elemente können insbesondere zum Temperieren von Energiespeichern verwendet werden oder auch für Temperierfunktionen von Fahrzeugkomponenten, wie einer Klimaanlage, einem Becherhalter, einer Kühlbox, einem Kühlschrank, einer Sitzheizung oder einer Fahrzeuginnenraumkühlung. Soll beispielsweise mittels eines solchen Peltier-Elements eine Kühlung eines Getränkehalters bzw. von dessen innerem thermischen Volumen vorgenommen werden, muss auf der gegenüberliegenden Seite des Peltier-Elements Wärme abgeführt werden, um eine gegenüber der Umgebung signifikant kühlere Seite als Kälte- oder Kaltseite auszubilden. Der Aufbau eines solchen Peltier-Elements ist beispielsweise in der WO 2016/050588 A1 offenbart.
Ein solches Peltier-Element weist insbesondere eine elektrisch isolierende Ober- und Unterschicht auf, die beispielsweise aus einem keramischen Werkstoff, wie Al₂O₃, besteht. Zum Temperieren mittels solcher Peltier-Elemente sind zwei Systemansätze bekannt: zum einen das Vorsehen eines Luft-Kühlkreislaufs und zum anderen eines Flüssigkeitskreislaufs und einer Kopplung an einen vorhandenen Kühlkreislauf oder Chiller.
Zum Temperieren der Heißseite des thermoelektrischen Elements ist es bekannt, einen Wärmetauscher vorzusehen. Für diesen sind unterschiedliche Ausgestaltungen bekannt, wobei nach einem Prinzip ein Kühlen mittels Luft bzw. erzwungener Konvektion vorgesehen ist, im anderen Fall ein Kühlen mittels flüssigen Mediums und eines Durchströmen des Wärmetauschers mit diesem. Im Falle eines Kühlens mittels Luft bzw. erzwungener Konvektion wird das Peltier-Element an eine Wärmesenke angebunden, die durch Umströmen mit Luft, beispielsweise vermittels eines sich drehenden Lüfterelements, einen konstanten Luftstrom mit niedriger Umgebungstemperatur vorsieht und somit einen Wärmestrom von der Kaltseite zur Heißseite des Peltier-Elements ermöglicht, um die Kaltseite unter der jeweiligen Umgebungstemperatur zu halten.
Ein Beispiel für eine Behälteraufnahme bzw. einen Becherhalter, der unter Verwendung eines solchen Luft-Kühlkreislaufs arbeitet, ist aus der DE 10 2014 115 968 A1 bekannt. Hierbei ist ein Kühl- und Heizbecherhalter vorgesehen, der eine Mehrzahl von Haltekörpern mit einer Behälterform, eine Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen, die jeweils seitlich der Mehrzahl von Haltekörpern vorgesehen sind, ein Wärmeabführteil, das angebracht ist, um thermisch mit einer Wärmeabführfläche der Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen verbunden zu sein, ein Gehäuse, das das Wärmeabführteil aufnimmt und einen Lufteinlass an einem oberen Abschnitt desselben, und ein Gebläse aufweist, das in dem Gehäuse aufgenommen und an einem oberen Abschnitt oder einem unteren Abschnitt des Wärmeabführteils angeordnet ist, um es der von einem abgebogenen Teil ausgegebenen und durch den Lufteinlass eingeleiteten Luft zu ermöglichen, Wärme auszutauschen. Zwischen der Wärmeabführfläche eines jeden thermoelektrischen Elements und dem Wärmeabführteil ist ein Wärmerohr vorgesehen.
Die Wärmeabführfläche eines jeden thermoelektrischen Elementes und das Wärmeabführteil sind thermisch miteinander verbunden. Die Wärmeabführfläche eines jeden thermoelektrischen Elements liegt dabei eng an einer Fläche des Wärmerohres an und das Wärmeabführteil an der anderen Fläche des Wärmerohres.
Es hat sich gezeigt, dass eine Wärmeabfuhr durch erzwungene Konvektion nicht effizient und auch begrenzend ist, da die minimal erreichbare Kalttemperatur begrenzt ist. Ferner entsteht beim Betrieb einer solchen Kühlung ein für Fahrzeuginsassen ggf. störend lautes Geräusch durch Lüfter und den entsprechenden Luftstrom. Ebenfalls nehmen die bekannten Systeme bzw. Temperiereinrichtungen einen signifikant großen Bauraum ein, so dass der entsprechend hierdurch erforderliche Platzbedarf nachteilig ist. Ein Übertragen in dieser Art der Wärmeabfuhr auf andere Fahrzeugbereiche oder vollkommen andere Funktionsbereiche ist kaum möglich, wäre jedoch wünschenswert. Soll eine höhere Kühlleistung vorgesehen werden, bedingt dies eine Vergrößerung des jeweiligen Wärmetauschers, was zu einem dementsprechend erhöhten Bauraumbedarf führt. Auch dies kann sich als sehr problematisch erweisen. Ein Pressverband von thermoelektrischem Element und Wärmetauscher, hier insbesondere einem Lüfter, erweist sich insbesondere bei Wärmeausdehnung als problematisch, da in diesem Falle durch Verspannen mechanische Spannungen auf das thermoelektrische Element aufgebracht werden, die zu dessen Zerstörung führen können. Um einen Lüfter oder eine andere Einrichtung zum Kühlen mittels Luftstroms bzw. erzwungener Konvektion an einem thermoelektrischen Element anbinden zu können, ist die Verwendung von Wärmeleitpasten und ähnlichem für eine Kopplungsstabilisierung üblicherweise erforderlich, wobei sich die Verwendung von Wärmeleitpasten jedoch ebenfalls zumindest im Hinblick auf das Auftragen auf die jeweiligen Kontaktflächen als problematisch erweist, da diese schlecht zugänglich sein können und stark in Abhängigkeit von der Person, die diese aufträgt, schwanken, besonders im Hinblick auf die Schichtdicke.
Um die vorstehenden Probleme im Hinblick auf ein Kühlen mittels Luftstroms bzw. erzwungener Konvektion zu überwinden, ferner effizienter Kühlen zu können, ist es ferner bekannt, Wärmetauscher in Kombination mit einem flüssigen Medium zum Wärmeabtransport vorzusehen. Ein solches flüssiges Medium weist eine höhere Wärmekapazität auf und kann über seinen Volumenstrom sehr gut gesteuert werden und dementsprechend unterschiedliche Kühlleistungen erzeugt bzw. hierdurch vorgesehen werden. Es kann ferner ein weiteres flüssiges Medium als Koppelpartner zu dem im Wärmetauscher strömenden flüssigen Medium vorgesehen werden, somit ein Wärmeübergang von einem flüssigen Medium auf ein anderes vorgesehen werden. Hierdurch ist es möglich, Wärme aus Kreisläufen zentral zu bündeln und abzutransportieren. Ferner ist auch eine einseitige Anbindung eines Kreislaufs an einem Flüssigkeitswärmetauscher im Stand der Technik bekannt, um so die Kaltseite des thermoelektrischen Elements stärker herunterkühlen zu können. Ein Koppeln eines Kreislaufs mittels eines Peltier-Elements ist aus der DE 10 2013 222 130 A1 bekannt.
Aus der DE 10 2013 222 130 A1 ist ein Wärmeübertrager, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, bekannt, der zumindest ein thermoelektrisches Element zum Generieren eines Wärmestroms umfasst, wobei das thermoelektrische Element auf einem Trägerelement angeordnet ist und mehrere entlang einer Stapelachse untereinander angeordnete Trägerelemente einen Trägerelementstapel bilden, in dem ein erster Fluidkanal für ein erster Fluid und ein zweiter, vom ersten fluidisch getrennter, Fluidkanal für ein zweites Fluid ausgebildet sind. In dem Trägerelement sind Isolationsvorrichtungen vorgesehen, mittels derer jeweils der erste Fluidkanal und der zweite Fluidkanal thermisch und mechanisch voneinander getrennt sind. Das thermoelektrische Element, insbesondere Peltier-Element, ist mit dem Trägerelement kraftflüssig oder stoffschlüssig verbunden, insbesondere verpresst oder verklebt. Das Trägerelement besteht aus einem Material, dass ein Kunststoffmaterial und/oder mehrere Materialelemente aufweist.
Hieraus zeigt sich, dass ebenso wie bei Luft-Wärmetauschern das Peltier-Element ebenfalls auf die Oberfläche des Wärmetauschers gepresst oder verklebt werden muss. Einerseits bedeutet dies einen erhöhten Montageaufwand beispielsweise bei Verkleben des Peltier-Elements und des Wärmetauschers, andererseits wird der Bauraum bei Vorsehen einer Verschraubung zum Verbinden von Peltier-Element und Wärmetauschers deutlich vergrößert, was zu einem Bauproblem insbesondere innerhalb eines Fahrzeugs führen kann. Ferner werden als Materialien bei Pressverbänden zum Verbinden von Wärmetauscher und Peltier-Element zumeist Metalle verwendet, die jedoch im Hinblick auf ihre Formgebung Beschränkungen unterliegen. Bei Verwenden von Kunststoffen verschlechtert sich die Anbindung an ein Folgesystem, da Kunststoffe nicht mit den benötigten Flächenpressungen beaufschlagt werden können, ohne das die Gefahr besteht, dass sie aufgrund der hohen Kräfte beschädigt werden. Somit erfordert eine einseitige Anbindung eines Peltier-Elements an einen Kunststoff-Wärmetauscher stets auch eine weitere Überlegung bzw. ein Konzept zum Sichern des Kunststoff-Wärmetauschers an der gegenüberliegenden Seite. Bei Vorsehen eines Pressverbandes gerät die Verbindung bei Wärmeausdehnung unter zusätzliche Spannungen, die ebenfalls zu Problemen führen können. Auch bei einem von einem flüssigen Medium durchströmten Wärmetauscher besteht zum Verbessern des Wärmeübergangs, somit für eine Kopplungsstabilisierung, die Notwendigkeit der Verwendung einer Wärmeleitpaste, was jedoch zu denselben vorstehend bereits genannten Problemen im Hinblick auf deren Aufbringen und grundsätzlich deren Verwendung führt. Wünschenswert wäre es, die gestalterischen Freiheiten, die das Material Kunststoff grundsätzlich bietet, über ein flexibles Anbindungskonzept und ein effizientes Wärmetauscher-Design nutzen zu können.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Temperiereinrichtung, umfassend zumindest ein thermoelektrisches Element, insbesondere ein Peltier-Element, mit zumindest einer ersten Oberfläche und zumindest einer zweiten, der ersten Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche, und zumindest einem Wärmetauscher, ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Temperiereinrichtung und ein Verfahren zum Verbinden einer solchen Temperiereinrichtung mit einem zu temperierenden Gegenstand vorzusehen, wobei die vorstehend genannten Nachteile eines Luft-Wärmetauschers und eines Flüssigkeits-Wärmetauschers behoben werden können und eine sichere flächige Verbindung des thermoelektrischen Elements zu wärmeleitfähigen Oberflächen, die insbesondere mit wärmeabführenden Medien gekoppelt werden können, zum Kühlen der Warmseite des thermoelektrischen Elements ermöglicht werden kann. Ferner soll ein bauraumoptimierter Aufbau der Temperiereinrichtung ohne die Notwendigkeit von Pressverbänden zum Sicherstellen einer thermischen Kopplung von thermoelektrischem Element und Wärmetauscher vorgesehen und Wärmeausdehnungen abgefangen werden, wobei die Verwendung von Wärmeleitpasten oder ähnlichen Hilfsmitteln zum Optimieren eines Wärmeübergangs vermieden werden soll.
Die Aufgabe wird für eine Temperiereinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass der zumindest eine Wärmetauscher aus zumindest einem thermoplastischen Kunststoffmaterial besteht und direkt an die zumindest eine erste Oberfläche des thermoelektrischen Elements integral form- und/oder stoff- und/oder kraftschlüssig angebunden ist. Für ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Temperiereinrichtung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die mit dem zumindest einem Wärmetauscher zu verbindende erste Oberfläche des zumindest einen thermoelektrischen Elements oberflächenmodifiziert wird, das thermoelektrische Element in eine Gussform eingelegt und eine Wärmetauscher-Temperierkontur an die oberflächenmodifizierte erste Oberfläche des thermoelektrischen Elements angespritzt wird. Für ein Verfahren zum Verbinden der Temperiereinrichtung mit einem zu temperierenden Gegenstand wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Gegenstand zumindest einen Oberflächenabschnitt aus einem aufschmelzbaren Material aufweist, der Oberflächenabschnitt flächig aufgeschmolzen und zum Verbinden mit dem thermoelektrischen Element und auf dessen zweite, dem Wärmetauscher gegenüberliegende Oberfläche gepresst wird. Weiterbildungen der Erfindungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Dadurch werden eine Temperiereinrichtung mit zumindest einem thermoelektrischen Element, wie einem Peltier-Element, das zumindest eine erste Oberfläche und zumindest eine zweite, der ersten Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche aufweist, und zumindest einem Wärmetauscher geschaffen, bei dem der Wärmetauscher an die zumindest eine erste Oberfläche des thermoelektrischen Elements integral angebunden ist. Es ist hierbei keine Wärmeleitpaste zwischen Wärmetauscher und thermoelektrischem Element eingebracht, sondern vielmehr das insbesondere Keramikmaterial auf der Außenseite des Peltier-Elements bzw. thermoelektrischen Elements oberflächenmodifiziert, um eine offenporöse Struktur und/oder eine raue Oberfläche zu schaffen, so dass das thermoplastische Kunststoffmaterial des Wärmetauschers sich mechanisch mit dieser oberflächenmodifizierten Oberfläche des thermoelektrischen Elements mechanisch verstemmen kann. Durch das Schaffen einer solchen offenporösen Struktur bzw. rauen Oberfläche des thermoelektrischen Elements ist es möglich, eine mechanische Kopplung zwischen dem thermoplastischen Kunststoffmaterial des Wärmetauschers beim Materialeintritt in die poröse bzw. raue Oberflächenstruktur des thermoelektrischen Elements und dem Erstarren in dieser Oberflächenstruktur zu schaffen. Hierdurch entsteht ein Formschluss zwischen dem thermoplastischen Kunststoffmaterial des Wärmetauschers und der offenporösen, rauen Oberflächenstruktur des thermoelektrischen Elements. Ferner ist es möglich, dass die beiden Materialien der oberflächenmodifizierten Oberfläche des thermoelektrischen Elementes, insbesondere Peltier-Elementes, und des Wärmetauschers miteinander reagieren und somit auch sich stoffschlüssig verbinden. Wärmedehnungen können hierdurch optimal abgefangen werden, da eine optimale mechanische Kopplung und ggf. auch stoffliche Kopplung zwischen Wärmetauscher und thermoelektrischem Element geschaffen wird. Der Wärmetauscher ist in direktem thermischen Kontakt mit dem thermoelektrischen Element mechanisch verstemmt. Nach dem Modifizieren der zumindest einen ersten Oberfläche des zumindest einen thermoelektrischen Elementes wird dieses in eine Gussform eingelegt und eine Wärmetauscher-Temperierkontur an die oberflächenmodifizierte erste Oberfläche des thermoelektrischen Elementes angespritzt. Grundsätzlich ist es ferner möglich, beispielsweise zum Verbinden des thermoelektrischen Elementes mit dem Material des zu temperierenden Gegenstandes, ein Heizelement-Schweißen zum Anbinden eines Kunststoffmaterials des zu temperierenden Gegenstandes an die zumindest eine zweite Oberfläche des thermoelektrischen Elementes vorzusehen. Gerade durch das Anspritzen der Wärmetauscher-Temperierkontur an die zumindest eine oberflächenmodifizierte erste Oberfläche des thermoelektrischen Elementes können weitere Montageschritte zum Verbinden von Wärmetauscher und thermoelektrischem Element eingespart werden, wie Sie ansonsten im Stand der Technik vorgesehen sind. Hierdurch lässt sich ein höherer Automatisierungsgrad bei der Herstellung der Temperiereinrichtung erzielen. Ferner ist ein bauraumoptimierter Aufbau der Temperiereinrichtung möglich, da die Wärmetauscher-Temperierkontur direkt an die Oberfläche des thermoelektrischen Elements angebunden ist, ohne dass weitere Hilfsmittel zur thermischen Kopplung zwischen Wärmetauscher und thermoelektrischem Element erforderlich wären.
Der Wärmetauscher weist vorteilhaft zumindest eine Wärmetauscher-Temperierkontur auf, die zumindest einen fluiddurchströmbaren oder fluiddurchströmten Kühlkanal umfasst. Der zumindest eine Kühlkanal kann somit von einem Fluid durchströmt werden und hierüber Wärme abtransportieren, um eine gewünschte Kaltseite des thermoelektrischen Elementes zu schaffen, somit die gewünschte Wärmesenke.
Der zumindest eine Wärmetauscher der Temperiereinrichtung kann zumindest einen inneren isolierenden Hohlraum aufweisen und in dem inneren Hohlraum zumindest ein Medium, insbesondere Luft, aufgenommen sein oder werden. Hierdurch ist eine Isolation des Wärmetauschers, insbesondere von dessen Wärmetauscher-Temperierkontur mit den darin enthaltenen Kühlkanälen bzw. dem zumindest einem darin enthaltenen Kühlkanal vorteilhaft möglich. Durch das Ausbilden des zumindest einen Wärmetauschers aus Kunststoffmaterial als Kunststoff-Bauteil können somit einerseits die Kühlfunktion bzw. die Funktion des Wärmeabtransports über ein flüssiges Medium bzw. Fluid und andererseits eine Isolationsfunktion über das Medium Luft als Funktionen in das Kunststoffbauteil Wärmetauscher integriert werden. Zugleich ist der Wärmetauscher insbesondere mechanisch verstemmt mit der Oberfläche des thermoelektrischen Elements bzw. mit diesen bzw. an dieses bzw. die Oberfläche von diesem direkt integral form- und/oder stoffschlüssig angebunden. Es werden somit die gestalterischen Freiheiten, die Kunststoffmaterial bietet, optimal für die Zwecke des Wärmeabtransports und zugleich der Isolierung in dem Bauteil des Wärmetauschers nutzbar gemacht. Zugleich steht durch die besondere Verbindung zwischen Wärmetauscher und thermoelektrischem Element eine konturnahe Gestaltung für den Wärmeabtransport zur Verfügung, so dass eine optimale Temperierung eines zu temperierenden Gegenstandes durch die Temperiereinrichtung vorgenommen werden kann. Sowohl die zumindest eine erste als auch die zumindest eine zweite Oberfläche des thermoelektrischen Elementes können gezielt in vorbestimmter Art und Weise oberflächenmodifiziert werden, um die gewünschte offenporöse und/oder raue Oberflächenstruktur zu schaffen und somit ein mechanisches Verstemmen nicht nur mit dem Wärmetauscher, sondern auch mit dem zu temperierenden Gegenstand zu ermöglichen.
Die zumindest eine erste und ggf. auch die zumindest eine zweite Oberfläche des thermoelektrischen Elementes ist vorteilhaft dahingehend oberflächenmodifiziert, dass sie eine offene Porosität von 10-30%, insbesondere 25%, aufweist. Eine solche offene Porosität ist zum mechanischen Verstemmen mit dem thermoplastischen Kunststoffmaterial des Wärmetauschers ausreichend. Ferner kann die zumindest eine erste und ggf. auch die zumindest eine zweite Oberfläche des thermoelektrischen Elements dahingehend oberflächenmodifiziert sein, dass sie eine Rauigkeit R_a von 1,5 bis 10 Mikrometern bei einer maximalen Rauigkeit R_max von 10-45 Mikrometern aufweist. Eine.derart aufgeraute Oberfläche lässt sich ebenfalls sehr gut mechanisch mit dem thermoplastischen Material des Wärmetauschers verstemmen.
Der zumindest eine fluiddurchströmbare oder fluiddurchströmte Kühlkanal der Wärmetauscher-Temperierkontur des zumindest einen Wärmetauschers der Temperiereinrichtung kann somit mit Kühlmedium zum Wärmeabtransport beaufschlagt werden. Die Kühlleistung kann durch Variieren des Volumenstroms am Kühlmedium, das durch den zumindest einen Kühlkanal hindurch gesandt wird, verändert werden. Insbesondere ist durch ein Erhöhen des Volumenstroms am Kühlmedium zugleich ein Vergrößern der Kühlleistung des Wärmetauschers möglich. Die Wärmetauscher-Temperierkontur kann ferner mehrere Kühlkanäle umfassen, die unterschiedliche Querschnitte aufweisen. Hierdurch ist ein Variieren einerseits der Kühlleistung durch die jeweilige Auswahl der mit Kühlmedium beaufschlagten Kühlkanäle und andererseits ein Variieren der Kühlleistung über die Fläche der Wärmetauscher-Temperierkontur hinweg aufgrund der unterschiedlichen Querschnitte der Kühlkanäle möglich.
Der zumindest eine Kühlkanal der Wärmetauscher-Temperierkontur kann ferner als Mikrokanal aus einer offenen Porosität des Kunststoffmaterials des Wärmetauschers bzw. der Wärmetauscher-Temperierkontur ausgebildet werden/sein. Es ist somit möglich, die Wärmetauscher-Temperierkontur mit einer offenen Porosität innerhalb des Kunststoffmaterials, wobei die einzelnen Poren untereinander verbunden sind und somit die gewünschten Mikrokanäle als Kühlkanäle ausbilden, auszuführen. Bei Vorsehen solcher Mikrokanäle ist die Anzahl der Kühlkanäle entsprechend der Porosität größer als bei Ausbilden anderweitiger Kühlkanäle in der Wärmtauscher-Temperierkontur. Bei Vorsehen von Mikrokanälen ist diesen gegenüber allerdings eine noch gleichmäßigere Kühlung über die Fläche der Wärmetauscher-Temperierkontur möglich. Bei Vorsehen von Kühlkanälen unterschiedlicher Querschnitte ist es insbesondere möglich, den Volumenstrom je Kühlkanal und auch die Kühloberfläche konstant zu halten und eine gleichmäßige Kühlung der gesamten Oberfläche der Wärmetauscher-Temperierkontur zu ermöglichen. Es kann somit auch eine Kombination aus Mikrokanälen und anderen Kühlkanälen, die in die Wärmetauscher-Temperierkontur eingeformt werden, vorgesehen werden.
Durch das Vorsehen des bereits erwähnten zumindest einen inneren isolierenden Hohlraums innerhalb des Wärmetauschers, der insbesondere als Spalt ausgebildet sein kann und der eine zusätzliche Isolation gegen einen ungewollten Wärmeabfluss aufgrund isolierender Wirkung von Luft bietet, wenn dieser mit Luft gefüllt ist, ist es möglich, Wärme, die durch eine der Wandungen des Wärmetauschers in den inneren isolierenden Hohlraum gelangt, dort zu halten und auf einer Rückseite der Kühlkanäle, die gegenüberliegend zu der Seite angeordnet ist, auf der die Kühlkanäle wärmeleitend mit dem thermoelektrischen Element, insbesondere Peltier-Element, verbunden sind, abzuführen.
Die Wärmetauscher-Temperierkontur umfasst vorteilhaft zumindest einen wärmeleitfähig dotierten Kunststoff. Dieser weist insbesondere eine Wärmeleitfähigkeit von λ > 5 W/(m*K) auf. Durch Vorsehen eines solchen wärmeleitfähig dotierten Kunststoffs ist ein besonders guter Wärmeübergang von dem thermoelektrischen Element, insbesondere Peltier-Element, in das durch die Wärmetauscher-Temperierkontur strömende Kühlmedium möglich. Trotz einer im Vergleich zu beispielsweise Metallen niedrigeren Wärmeleitfähigkeit von Polymeren bzw. Kunststoffen ist aufgrund der Gesamtkonstruktion der vorliegenden Temperiereinrichtung der Einfluss der Wärmeleitfähigkeit im Hinblick auf die Kühlleistung der Temperiereinrichtung geringer. Durch die sichere flächige Anbindung des Wärmetauschers an das thermoelektrische Element und die Möglichkeit einer konturnahen Kühlung, insbesondere durch konturnahe Befestigung des thermoelektrischen Elements an dem zu temperierenden Gegenstand, ist eine besonders gute Temperierung und hierbei eine besonders gute Wärmeabfuhr von dem zu temperierenden Gegenstand möglich. Dadurch, dass das im Stand der Technik übliche Verpressen oder Anpressen des Wärmetauschers an dem thermoelektrischen Element bei der erfindungsgemäßen Temperiereinrichtung nicht mehr vorgesehen ist, sondern vielmehr ein direktes integrales Anbinden des Wärmetauschers an das elektrische Element, sind kleinere Abmessungen und somit ein geringerer Bauraum bei gleichbleibender oder sogar besserer Kühlleistung im Vergleich zu den Temperiereinrichtungen des Standes der Technik möglich.
Weiter vorteilhaft kann der Wärmetauscher aus einem nicht wärmeleitfähigen und einem wärmeleitfähigen Kunststoffmaterial bestehen, wobei im Kontaktbereich mit dem thermoelektrischen Element, somit im Bereich der Wärmetauscher-Temperierkontur, zumindest ein wärmeleitfähiges Kunststoffmaterial vorgesehen ist und im Bereich außerhalb davon zumindest ein nicht wärmeleitfähiges Kunststoffmaterial angeordnet ist. Es kann somit auf der einen Seite des inneren isolierenden Hohlraums das wärmeleitfähige Kunststoffmaterial und auf der anderen Seite das nicht wärmeleitfähige Kunststoffmaterial des Wärmetauschers vorgesehen werden, um die isolierende Wirkung noch weiter zu unterstützen. Der nicht wärmeleitfähige Kunststoff hält die Wärme im Bereich des Wärmetauschers und sorgt so für einen noch effizienteren Abtransport der Kühlkanäle. Zum einen kann der Wärmetauscher dementsprechend als Zweikomponententeil ausgeführt werden, wobei die eine wärmeleitfähig dotierte Komponente die Wärmetauscher-Temperierkontur mit dem zumindest einen Kühlkanal umfasst und die andere nicht wärmeleitfähige Komponente mit dieser über eine Anbindungskontur verbunden werden kann. Insbesondere ist ein mechanisches Verbinden, beispielsweise Verklipsen, auch ebenfalls ein stoffschlüssiges Verbinden, beispielsweise Verschweißen, oder auch ein zweischichtiger Aufbau bzw. mehrschichtiger Aufbau möglich. Ebenfalls ist es möglich, die beiden Komponenten durch Anspritzen miteinander zu verbinden, insbesondere die nicht wärmeleitfähig ausgebildete Komponente des Wärmetauschers an die wärmeleitfähig ausgebildete anzuspritzen. Letzteres könnte ggf. unter einem Magnetfeld quer zur Fläche der aus Keramikmaterial gefertigten Elemente des thermolelektrischen Elements zum Verbessern der Leitfähigkeit quer zur Spritzrichtung erfolgen. Es sind somit ein monolithischer Zweikomponentenaufbau des Wärmetauschers mit einer Komponente aus einem wärmeleitfähigen Kunststoffmaterial und einer Komponente aus einem nicht wärmeleitfähigen Kunststoffmaterial und ebenfalls ein stoffschlüssiges oder mechanisches Verbinden der beiden Komponenten des Wärmetauschers möglich.
Die zu temperierende Seite des Wärmetauschers kann in zumindest einer Raumachse geometrisch geformt sein, um sich konturnah an eine Oberfläche eines zu temperierenden Gegenstandes anzulegen. Die zu temperierende Seite des Wärmetauschers kann somit angepasst werden an die jeweilige Formgebung des zu temperierenden Gegenstandes, um möglichst konturnah an die Oberfläche von diesem angelegt werden zu können. Um das thermoelektrische Element möglichst eng anliegend konturnah an diesen anzulegen kann dieses tangential unter Zwischenfügung von wärmeleitfähigem Kunststoffmaterial zum Verbinden mit dem zu temperierenden Gegenstand an diesen angebunden werden. Vorteilhaft besteht der zu temperierende Gegenstand im Bereich, in dem er mit der Temperiereinrichtung bzw. dem thermoelektrischen Element verbunden werden soll, ebenfalls aus einem wärmeleitfähigen Kunststoffmaterial. Dieses wird insbesondere flächig aufgeschmolzen und an das keramische Material des thermoelektrischen Elementes angebunden und/oder unter Druck auf dieses gepresst. Hierbei verstemmt sich das Material mechanisch in der zweiten Oberfläche des thermoelektrischen Elements und sorgt so für eine dauerhafte Verbindung zwischen beiden. Wärmedehnungen können dementsprechend durch den frei gelagerten Wärmetauscher, der direkt integral form- und/oder stoffschlüssig mit dem thermoelektrischen Element verbunden ist, abgefangen werden und bedürfen dementsprechend keiner weiteren zusätzlichen konstruktiven Maßnahme oder weiterer Koppelmedien, wie Wärmeleitpaste oder entsprechender Pads. Die flächige Anbindung sowohl einerseits des Wärmetauschers bzw. der Wärmetauscher-Temperierkontur und andererseits des zu temperierenden Gegenstandes an das thermoelektrische Element eliminiert die sonst vorhandene Notwendigkeit einer Anpressung auf das thermoelektrische Element. Über die zumindest eine Kontaktfläche oder den zumindest einen Kontaktbereich zu dem zu temperierenden Gegenstand mit dem zu temperierenden bzw. temperierbaren Volumen in diesem, über welche Kontaktfläche bzw. welchen Kontaktbereich die zumindest eine Temperiereinrichtung mit diesem in Kontakt tritt, um ein Temperieren des temperierbaren Volumens vornehmen zu können, steht das temperierbare Volumen des zu temperierenden Gegenstands somit in thermischer Kopplung mit dem thermoelektrischen Element. Der zu temperierende Gegenstand besteht daher vorteilhaft aus einem wärmeleitfähigen Kunststoffmaterial und ist vorteilhaft ebenfalls direkt an die Temperiereinrichtung angebunden.
Die Temperiereinrichtung kann für übliche Wärmetauscheranwendungen, ebenfalls Elektronikkühlungen, Kühlaufgaben im Fahrzeugbereich bzw. Automotivebereich sowie dezentrale Kühlungen verwendet werden. Durch den im Vergleich zu Temperiereinrichtungen des Standes der Technik geringeren Bauraum der erfindungsgemäßen Temperiereinrichtung bei gleicher Kühlleistung kann die Temperiereinrichtung auch dann verwendet werden, wenn lediglich ein geringerer Bauraum zu Verfügung steht. Da die Temperiereinrichtung als Einheit aus zumindest einem Wärmetauscher und zumindest einem thermoelektrischen Element ausgebildet ist, kann sie schnell und problemlos an einem zu temperierenden Gegenstand montiert werden. Bei Verwenden der Temperiereinrichtung sind verschiedene Komfortfunktionen durch die Möglichkeit einer optimalen Wärmeabfuhr über den Wärmetauscher der Temperiereinrichtung möglich. Der Wärmetauscher kann für unterschiedlichste Kühlaufgaben verwendet werden, da er sich mit anderen Kühlkreisläufen koppeln lässt.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden im Folgenden Ausführungsbeispiele dieser näher an Hand der Zeichnungen beschrieben. Diese zeigen in:

1 eine Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Temperiereinrichtung, umfassend ein Peltier-Element und einen Wärmetauscher,
2 eine Querschnittsansicht durch die Temperiereinrichtung gemäß 1 mit eingezeichneten Wärmeströmen,
3 eine Draufsicht auf zwei zu temperierende Kavitäten in Kombination mit einer erfindungsgemäßen Temperiereinrichtung,
4 eine Draufsicht auf die zu temperierenden Kavitäten mit der Temperiereinrichtung gemäß 3,
5 eine Schnittansicht durch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Temperiereinrichtung, umfassend ein Peltier-Element und einen Wärmetauscher,
5a eine Detailschnittansicht einer zu der Ausführungsform der Temperiereinrichtung nach 5 modifizierten Ausführungsform, bei der die eine Keramikplatte des Peltier-Elements randseitig übersteht,
6 eine Schnittansicht durch eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Temperiereinrichtung, wobei ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher zweiteilig ausgebildet ist und eine Wärmetauscher-Temperierkontur eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers mit einem Plattenelement durch Verschrauben oder Rastelemente verbunden ist,
7 eine Detailansicht einer erfindungsgemäßen Temperiereinrichtung bei der ein Wärmetauscher unter Zwischenfügen eines Dichtelements mit einer Keramikplatte eines Peltier-Elements durch Verschrauben verbunden ist.
8 eine Schnittansicht durch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Temperiereinrichtung, bei der eine Keramikplatte eines Peltier-Elements mit einem Wärmetauscher unter Zwischenfügen eines Trägerelements aus Aluminium kraftschlüssig verbunden ist,
9 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher mit mäanderförmig angeordnetem Kühlkanal, und
10 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers, bei dem Kühlkanäle parallel zueinander angeordnet und endseitig miteinander verbunden sind.

1 und 2 zeigen eine Prinzipskizze eines Aufbaus einer erfindungsgemäßen Temperiereinrichtung 1. Diese umfasst ein Peltier-Element 4, das zwei Keramikplatten 410, 411 mit dazwischen angeordneten Halbleiterelementen 412 aufweist. Die Oberfläche 42 der ersten Keramikplatte 410 und die Oberfläche 43 der zweiten Keramikplatte 411 weisen jeweils eine modifizierte Oberfläche auf. Die Oberflächenmodifikation erfolgt dahingehend, dass gezielt eine offene Porosität und/oder Rauheit vorgesehen wird, um an der modifizierten Oberfläche 42 der Keramikplatte 410 und bei Vorsehen ebenfalls einer oberflächenmodifizierten Oberfläche 43 der zweiten Keramikplatte 411 jeweils ein Kunststoffmaterial direkt anbinden zu können durch mechanische Verstämmung. Insbesondere ist dies durch Spritzgussverfahren möglich, mittels derer das Kunststoffmaterial, insbesondere ein thermoplastischer Kunststoff, an die entsprechend oberflächenmodifizierte Oberfläche 42 bzw. 43 des Peltier-Elements 4 angespritzt wird. Die integrale Anbindung bzw. direkte Anbindung bedeutet sowohl eine mechanische Kopplung durch Materialeintritt des Kunststoffmaterials und Erstarren in der Oberflächenstruktur der jeweiligen Oberfläche 42 bzw. 43 als Formschluss, als auch eine Stoffkopplung durch Reaktion der beiden Materialien des Kunststoffs und des oberflächenmodifizierten Keramikmaterials als Stoffschluss.
Wie den 1 und 2 weiter entnommen werden kann, ist an die Oberfläche 42 eine Wärmetauscher-Temperierkontur 21 eines Wärmetauschers 2 angegliedert bzw. direkt angebunden. Die Wärmetauscher-Temperierkontur 21 weist in der in 1 und 2 dargestellten Ausführungsvariante sieben Kühlkanäle 22 auf. Die Kühlkanäle 22 sind benachbart zu der Keramikplatte 410 und dementsprechend der Oberfläche 42 von dieser angeordnet. Die Wärmetauscher-Temperierkontur 21 besteht aus einem wärmeleitfähigen Kunststoffmaterial. Dementsprechend ist es möglich, einen Wärmetransport aus dem Peltier-Element 4 durch die Keramikplatte 410 und das Kunststoffmaterial der Wärmetauscher-Temperierkontur 21 in die Kühlkanäle 22 hinein vorzusehen. Dies ist durch die Pfeile P1 bis P3 in 2 angedeutet. Innerhalb der Kühlkanäle kann ein flüssiges Medium strömen, so dass die in die Kühlkanäle und dementsprechend das Medium eingebrachte Wärme über dieses abtransportiert werden kann.
Der Wärmetauscher 2 umfasst außer der Wärmetauscher-Temperierkontur 21 ferner ein Abdeckelement 23, das aus einem nicht wärmeleitfähigen Kunststoffmaterial besteht. Die Wärmetauscher-Temperierkontur 21 und das Abdeckelement 23 sind über eine jeweilige Anbindungskontur 24 bzw. 25 miteinander verbunden. Beispielsweise kann der Wärmetauscher 2 als Zweikomponententeil ausgebildet sein, wobei die beiden Teile der Wärmetauscher-Temperierkontur 21 und des Abdeckelementes 23 durch Anspritzen des Abdeckelementes 23 an der Wärmetauscher-Temperierkontur 21 verbunden werden. Das Abdeckelement 23 kann auch auf die Wärmetauscher-Temperierkontur 21 lediglich aufgeclipst werden. In jedem der Fälle ist zwischen beiden Elementen, der Wärmetauscher-Temperierkontur 21 und dem Abdeckelement 23, ein innerer Hohlraum 26 belassen, der spaltförmig sein kann und der zum Isolieren dient. Ferner ist es grundsätzlich möglich, den inneren Hohlraum 26 mit Luft zu durchströmen, um auch hierüber einen Abtransport von Wärme aus der Temperiereinrichtung 1 heraus zu ermöglichen. Wird die im inneren Hohlraum vorhandene Luft zur Isolation verwendet, wird ein ungewollter Wärmeabfluss verhindert. Wärme, die durch die Wandung der Wärmetauscher-Temperierkontur 21 in den inneren Hohlraum 26 gelangt, wird somit in diesem gehalten und auf der Rückseite der Kühlkanäle 22 vom inneren Hohlraum 26 aus wieder in diese abgeführt, wie durch die Zeile P4 und P5 in 2 angedeutet. Wie den 1 und 2 weiter entnommen werden kann, ist auch an der Oberfläche 43 der Keramikplatte 411 eine Wandung 50 eines zu temperierenden Gegenstandes angegliedert bzw. angebunden. Wie bereits vorstehend erwähnt, kann die Oberfläche 43 der Keramikplatte 411 ebenfalls oberflächenmodifiziert sein, so dass auch ein mechanisches Verstämmen mit dem Material der Wandung 50 des zu temperierenden Gegenstandes hier möglich ist, um Spannungen innerhalb des Peltier-Elements 4 durch die Anbindung an den zu temperierenden Gegenstand zu vermeiden. In jedem Falle ist auch die Wandung 50 flächig mit der Oberfläche 43 der Keramikplatte 411 des Peltier-Elements 4 verbunden, um die Notwenigkeit eines Pressverbandes zu vermeiden. Vorteilhaft besteht auch die Wandung 50 aus einem wärmeleitfähigen Kunststoffmaterial. Dieses kann flächig aufgeschmolzen und insbesondere unter Druck auf die Oberfläche 43 der Keramikplatte 411 gepresst werden, um ein mechanisches Verstämmen zu ermöglichen. Auch hierdurch ist eine dauerfeste Verbindung zwischen der Wandung 50 und dem Peltier-Element 4 bzw. dessen Keramikplatte 411 möglich. Wärmedehnungen können durch den dann frei gelagerten Wärmetauscher abgefangen werden und bedürfen keiner zusätzlichen konstruktiven Maßnahme oder eventueller Wärmeleitpaste oder Pads zur Abfuhr von Wärme. Dadurch, dass auf beiden Seiten des Peltier-Elements 4, also auf der Seite beider Keramikplatten 410 und 411 eine flächige Verbindung einerseits mit dem Wärmetauscher 2, andererseits mit dem zu temperierenden Gegenstand, hier gezeigt durch die Wandung 50, vorgesehen wird, kann ein Anpressen auf das Peltier-Element 4 vorteilhaft vermieden werden.
Wie insbesondere den 3 und 4 zu entnehmen ist, steht die Wandung 50 des zu temperierenden Gegenstandes in thermischer Kopplung mit der zu temperierenden Masse bzw. dem zu temperierenden Volumen, hier gezeigt durch zwei Kavitäten 3, 5, die beispielsweise Getränkehalter sein können.
Die beiden Kavitäten 3, 5 sollen temperiert werden und zwar beispielsweise durch die Temperiereinrichtung 1. Dementsprechend ist die Temperiereinrichtung 1 zwischen den beiden Kavitäten 3, 5 angeordnet. Um beide Kavitäten temperieren zu können, sind zwei Peltier-Elemente 4 vorgesehen, jedoch lediglich ein Wärmetauscher 2. Dieser ist gewinkelt ausgebildet, nahezu bumerangförmig, um ein tangentiales Anliegen der Peltier-Elemente 4 an den jeweiligen Wandungen 50 bzw. 30 der beiden zu temperierenden Kavitäten 3, 5 zu ermöglichen. Wie in 4 durch das zwischen den beiden Kavitäten im Bereich der Anordnung der Temperiereinrichtung 1 eingezeichnete Dreieck angedeutet, liegt die Temperiereinrichtung 1 in einem Dreieck im Bereich zwischen den beiden Kavitäten. Die jeweilige Wandung 30 bzw. 50 der beiden zu temperierenden Kavitäten 3, 5 ist im Bereich der Anbindung des jeweiligen Peltier-Elements 4 an dieser entsprechend ausgeformt, wie ebenfalls den 3 und 4 entnommen werden kann. Es ist hier eine Formgebung ähnlich der Wandung 50 aus den 1 und 2 vorgesehen. Ebenso wie dort gezeigt und oben beschrieben, ist das jeweilige Peltier-Element 4 mit seiner jeweiligen Keramikplatte 41 an der jeweiligen Wandung 50 bzw. 30 der beiden Kavitäten 5 bzw. 3 angebunden. Insbesondere besteht zumindest dieser Teil der jeweiligen Wandung 30 bzw. 50 aus einem wärmeleitfähigen Polymer bzw. Kunststoffmaterial, so dass auf einfache Art und Weise ein Wärmetransport aus der jeweiligen Wandung 30 bzw. 50 in das jeweilige Peltier-Element 4 hinein und über den Wärmetauscher 2 und die darin angeordneten Kühlkanäle 22 in ein Kühlmedium, das dort hindurch strömt, abgeleitet werden kann. Wird das Peltier-Element zum Kühlen der beiden zu temperierenden Kavitäten 3, 5 verwendet, wird diesen bzw. den Wandungen 30, 50 von diesen und somit der inneren zu temperierenden Masse bzw. dem inneren zu temperierenden Volumen der jeweiligen Kavitäten Wärme entzogen. Dementsprechend bildet die Keramikplatte 411 des jeweiligen Peltier-Elements 4 dessen Kaltseite und die Keramikplatte 410 dessen Heiß- bzw. Warmseite.
Anstelle des seitlichen Anbringens bzw. Anordnens der Temperiereinrichtung 1 an zwei zu temperierenden Kavitäten, wie in den 3 und 4 gezeigt, kann eine solche Temperiereinrichtung auch auf der Unterseite beispielsweise eines Getränkehalters, also im Bereich von dessen Boden, angeordnet werden. Hierbei ist insbesondere auch eine Trennung zwischen einem Erwärmen und einem Kühlen eines solchen Getränkehalters möglich, wobei die Temperiereinrichtung 1 dann als Kühleinrichtung verwendet werden kann, um dem thermischen Volumen im Inneren des Getränkehalters über dessen Wandung Wärme zu entziehen und wobei weiter dessen Wandung zum Beheizen des thermischen Volumens im Inneren des Getränkehalters verwendet werden kann. Beispielsweise können hierbei Heizeinrichtungen in der Wandung des Getränkehalters angeordnet werden, während getrennt davon die Temperiereinrichtung auf der Außenseite dieser Wandung zum Abziehen von Wärme angeordnet wird.
5 zeigt eine zu den 1 und 2 alternative Ausführungsform der Temperiereinrichtung 1. Bei dieser ist der Wärmetauscher 2 kraftschlüssig und auch formschlüssig mit der Keramikplatte 410 des Peltier-Elements 4 verbunden. Zu diesem Zweck weist der Wärmetauscher einerseits eine Wärmetauscher-Temperierkontur 121 mit an und unter dieser, also zu dem Peltier-Element 4 gerichtet, angeordneten Rasthaken 27, 28 auf, die die Keramikplatte 410 umgreifen und den Wärmetauscher 2 somit kraftschlüssig an dieser halten. Andererseits lagert dementsprechend die Keramikplatte 410 innerhalb einer entsprechenden Aufnahmeaussparung 29 des Wärmetauschers 2, umgriffen von den Rasthaken 27, 28. Anstelle zweier Rasthaken können über den umlaufenden Rand des Wärmetauschers 2 hinweg auch eine größere Anzahl von Rasthaken vorgesehen sein oder auch komplett umlaufend ein Rastelement, das an der Keramikplatte durch randseitiges Umgreifen und Untergreifen befestigt wird.
Im Bereich der jeweiligen Aufnahmeaussparung 29 ist an dieser eine jeweilige Dichtfläche 290 zum Abdichten der Verbindung der Keramikplatte 410 und des Wärmetauschers 2 im Bereich der Aufnahmeaussparung 29 vorgesehen. Die Dichtfläche 290 kann dabei als entsprechende Ausgestaltung der Oberfläche des Wärmetauschers 2 und/oder der Keramikplatte 410 insbesondere im Bereich der Aufnahmeaussparung 29 ausgebildet sein oder ein separates Dichtelement dort eingelegt werden/sein.. Die Wärmetauscher-Temperierkontur 121 weist Aussparungen 123 auf. Durch das Auflagern der Wärmetauscher-Temperierkontur 121 auf der Keramikplatte 410 des Peltier-Elements 4 werden dort Kühlkanäle 122 gebildet. Daher erweist es sich als äußerst sinnvoll, insbesondere im Bereich der Dichtfläche(n) 290 eine Abdichtung vorzusehen, um einen ungewollten Austritt von Kühlmedium dort zu vermeiden.
Zwischen dem Keramikmaterial der Keramikplatte 410 und dem Kunststoffmaterial des Wärmetauschers 2 kann durch die zumindest eine Dichtfläche 290 einerseits eine Dichtwirkung erzielt werden, um einen ungewollten Austritt von durch die Kühlkanäle 122 strömendem Kühlmedium im Bereich der Dichtfläche 290 zu vermeiden. Ferner kann durch ein Dichtelement, das z.B. lediglich in der Aufnahmeaussparung 29 angeordnet ist, ebenfalls eine thermische Dehnung aufgenommen und somit die Temperiereinrichtung im Bereich der Verbindung von Peltier-Element 4 und Wärmetauscher 2 entlastet werden. Eine Aufnahme thermischer Dehnungen erfolgt ansonsten dadurch, dass über die Rast- bzw. Schnappverbindung (vermittels der Rasthaken 27, 28) von Wärmetauscher 2 und Keramikplatte 410 ein ungewolltes Verspannen des Peltier-Elements 4 verhindert werden kann, das ansonsten zu Hotspots, also Stellen lokaler Überhitzung, führen könnte. Vielmehr werden beide Keramikplatten 410, 411 durch das Loslager, also das Befestigen des Wärmetauschers 2 lediglich an der einen Keramikplatte 410 des Peltier-Elements 4, voneinander entkoppelt und ein Verspannen vermieden. Eine solche Loslagerung ohne Verspannen des Peltier-Elementes ist somit einerseits durch die in den 1 und 2 gezeigte stoffschlüssige Verbindung von Wärmetauscher 2 und Peltier-Element 4 im Bereich von dessen Keramikplatte 410 möglich, andererseits durch eine form- und/oder kraftschlüssige Verbindung, wie sie in den 5 bis 8 gezeigt ist.
Bei der in 5 gezeigten Ausführungsvariante der Temperiereinrichtung sind beide Keramikplatten 410, 411 etwa gleich lange ausgebildet. Ebenfalls ist es möglich, wie in 5a gezeigt, insbesondere die Keramikplatte 410, die mit der Wärmetauscher-Temperierkontur 121 verbunden wird, länger als die Keramikplatte 411 auszubilden. Durch eine dementsprechend über die Erstreckung der Keramikplatte 411 überstehende Keramikplatte 410 ist eine noch bessere bzw. einfachere Verbindung von Wärmetauscher-Temperierkontur 121 im Bereich der Rasthaken 27, 28 bzw. eines entsprechenden Rastelementes, das die Keramikplatte randseitig umgreift bzw. untergreift, möglich. In 5a ist der entsprechende Überstand der Keramikplatte 410 gegenüber der Keramikplatte 411 mit Δx bezeichnet, wobei Δx hierbei anwendungsspezifisch gewählt werden kann, wobei dieser Überstand Δx insbesondere so groß gewählt wird, dass ein problemloses Umgreifen und Verrasten der Rasthaken 27, 28 bzw. des Rastelementes dort an der Keramikplatte möglich ist.
Anstelle der Aufnahme der Keramikplatte 410 des Peltier-Elements 4 in der Aufnahmeaussparung 29 des Wärmetauschers 2 kann eine kraftschlüssige Verbindung durch Verschrauben von Keramikplatte 410 und dem Wärmetauscher 2 alternativ ebenfalls erfolgen, wobei eine solche Ausführungsvariante in 7 beispielhaft als Detailansicht gezeigt ist. Um auch hier ein Abdichten der Verbindung von Wärmetauscher 2 und Keramikplatte 410 vorzusehen, ist zwischen diesen zumindest das Dichtelement 6 angeordnet. Ebenfalls ist es jedoch möglich, insbesondere die Oberfläche des Wärmetauschers 2 in diesem Bereich so auszugestalten, dass bereits durch den Kontakt einer so ausgestalteten Oberfläche des Wärmetauschers 2, insbesondere von dessen Wärmetauscher-Temperierkontur 121 mit der Oberfläche der Keramikplatte 410 eine Dichtwirkung erzielt wird.
Bei der Ausführungsvariante nach 6 ist im Unterschied zu der Ausführungsvariante der Temperiereinrichtung 1 nach 5 eine Mehrteiligkeit des Wärmetauschers 2 vorgesehen, wobei die Kühlkanäle 222 im Innern des Wärmetauschers 2 gebildet sind. Bei der in 5 gezeigten Ausführungsvariante kann das Keramikmaterial der Keramikplatte 410 bereits als eine Seite des Kühlkanals 122 genutzt und somit die Anzahl der Wärmeübergänge in diesem Bereich minimiert werden. Hingegen ähnelt die Ausführungsvariante des Wärmetauschers 2 in 6 bzgl. der Kühlkanäle 222 eher der in 1 und 2 gezeigten, da die Kühlkanäle 222 im Innern des Wärmetauschers 2 ausgebildet sind. Der Wärmetauscher 2 gemäß 6 umfasst eine Wärmetauscher-Temperierkontur 221 mit Aussparungen 223, wobei die Wärmetauscher-Temperierkontur 221 auf ihrer Unterseite, also in Richtung des Peltier-Elements, mit einem Plattenelement 124 verbunden ist. Die Wärmetauscher-Temperierkontur 221 und das Plattenelement 124 sind beispielsweise durch Verschrauben miteinander verbunden, wie in 6 durch strichpunktierte Linien zum Andeuten einer Verschraubung angedeutet.
Zum kraftschlüssigen Befestigen des Wärmetauschers 2 an der Keramikplatte 410 des Peltier-Elements 4 sind einerseits wiederum Rasthaken 127, 128 vorgesehen, die auf der gegenüberliegenden Seite der Anordnung der Wärmetauscher-Temperierkontur 221 am Plattenelement 124 an diesem angeordnet sind. Die Rasthaken 127, 128 greifen kraftschlüssig an der Keramikplatte 410 an, um ein Loslager zu ermöglichen und ein Verspannen des Peltier-Elementes 4 zu vermeiden. Bei der Ausgestaltung nach 6 ragt wiederum die Keramikplatte 410 über die Erstreckung der Keramikplatte 411 hinaus, wiederum um einen anwendungsspezifisch vorgebbaren Wert von Δx.
In 8 ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Temperiereinrichtung gezeigt. Bei dieser ist zwischen dem Wärmetauscher 2 und der Außenseite der Keramikplatte 410 ein Trägerelement 7 aus Aluminium zwischengefügt. Der Wärmetauscher 2 bzw. dessen Wärmetauscher-Temperierkontur 224 ist somit über das Trägerelement 7 aus Aluminium an der Keramikplatte 410 des Peltier-Elements 4 angebunden. Das Trägerelement 7 aus Aluminium ist endseitig an dem jeweiligen Anordnungsort der Temperiereinrichtung 1 an einem dort vorgesehenen Gehäuse, Träger etc. befestigt, was in 8 durch strichpunktierte Linien 225 angedeutet ist. Beispielsweise kann das Trägerelement 7 aus Aluminium dort verschraubt sein. Hierdurch ist es möglich, das Trägerelement 7 aus Aluminium auf dem Peltier-Element 4 zu verspannen. Der Wärmetauscher 2 bzw. dessen Wärmetauscher-Temperierkontur 224 ist insbesondere aus einem Polymermaterial hergestellt und direkt mit dem Trägerelement 7 aus Aluminium verbunden, so dass zwischen beiden Elementen im Inneren des Wärmetauschers 2 ein Kühlkanal 226 ausgebildet wird. In der in 8 gezeigten Ausführungsvariante ist lediglich ein solcher breiter Kühlkanal 226 gezeigt. Selbstverständlich können auch hier mehrere Kühlkanäle, ähnlich wie bei der Ausgestaltung nach 6, ausgebildet werden. Die Verbindung von Wärmetauscher-Temperierkontur 224 und Trägerelement 7 aus Aluminium kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. Bei der in 7 gezeigten Ausführungsvariante kann beispielsweise ein Verkleben des Polymermaterials bzw. Kunststoffmaterials der Wärmetauscher-Temperierkontur 224 mit dem Aluminium des Trägerelements 7 erfolgen. Ebenfalls ist es möglich, auf das Trägerelement 7 aus Aluminium die entsprechende Wärmetauscher-Temperierkontur 224 aufzuspritzen. Hierbei kann gegebenenfalls eine entsprechende Aktvierung des Polymer- bzw. Kunststoffmaterials und der Oberfläche der Trägerelements 7 aus Aluminium erfolgen, beispielsweise durch ein Corona- oder Plasmaverfahren. Ferner ist eine Verbindung von Wärmetauscher-Temperierkontur 224 und dem Trägerelement 7 aus Aluminium auch durch Kraftschluss, beispielsweise durch Vorsehen von entsprechenden Rast- oder Schnapphaken, eine Verrastung, eine Verschraubung etc. und, unter Zwischenfügen einer Dichtung bzw. eines Dichtelementes zwischen die jeweilige miteinander in Kontakt tretende Oberfläche der Wärmetauscher-Temperierkontur 224 und der Außenseite bzw. Oberfläche des Trägerelements 7 aus Aluminium, möglich, also im Bereich der jeweiligen Dichtfläche 290.
Durch das Vorsehen eines solches Trägerelements 7 aus Aluminium zwischen der Wärmetauscher-Temperierkontur 224 und der Keramikplatte 410 ist es möglich, das Risiko einer potentiellen Versprödung des Keramikmaterials und dementsprechend von Undichtigkeiten auf Grund von Mikrorissen zu vermeiden, so dass eine diesbezüglich sichere Lösung durch diese Ausführungsvariante vorgesehen werden kann. Verspannt wird hierbei lediglich das Trägerelement 7 aus Aluminium, die Wärmetauscher-Temperierkontur 224 ist kraftschlüssig mit dem Trägerelement 7 aus Aluminium verbunden.
Sowohl die Ausführungsvariante nach 8 als auch die Ausführungsvarianten nach 5-7, also bei Vorsehen eines Trägerelementes aus Aluminium ebenso wie bei Vorsehen einer der Keramikplatten als Teil des Kühlkanals, können eine gegenüber den vorstehend beschriebenen Ausführungsvarianten modifiziert werden. Beispielsweise, ist es möglich, eine Zwei-Komponenten-Ausführung insbesondere der Wärmetauscher-Temperierkontur bzw. des Wärmetauschers vorzusehen, ebenfalls insbesondere einen Luftspalt zur Isolation des Wärmetauschers 2 oder wärmeleitfähige und nicht-wärmeleitfähige Polymermaterialen zu verwenden bzw. ein Polymermaterial, das teilweise wärmeleitfähig dotiert ist und in einem anderen Bereich nicht wärmeleitfähig dotiert ist.
Die Kühlkanäle 22, 122 und 222 können jeweils als ein oder mehrere Kühlkanäle ausgebildet und über die Fläche des Wärmetauschers 2 sich erstreckend angeordnet sein und unterschiedlichste Formgebungen aufweisen. In den 9 und 10 sind beispielhaft eine mäanderförmige Formgebung, hier des Kühlkanals 122 (siehe 9), und eine mit parallel verlaufenden, endseitig miteinander verbundenen Kühlkanälen 22, wie beispielhaft in 10 angedeutet, gezeigt.
Sowohl in 9 als auch in 10 sind jeweils auch zwei endseitige Anschlüsse 321, 322 des jeweiligen Kühlkanals, hier bei 9 beispielhaft des Kühlkanals 122 bzw. in 10 des Kühlkanals 22 angedeutet. Über die beiden Anschlüsse 321, 322 wird Kühlmedium in den jeweiligen Kühlkanal eingeleitet und tritt am Ende des Wärmetauschers 2 aus dem entsprechenden Anschluss wieder aus. Die Strömungsrichtung des Kühlmediums ist jeweils durch Pfeile angedeutet. Die jeweilige Formgebung der Kühlkanäle kann auch unregelmäßig, beispielsweise auch schlangenlinienförmig oder anderweitig geformt ausgeführt sein. Die 9 und 10 geben insoweit lediglich zwei Ausführungsbeispiele hierfür wieder.
Neben den im Vorstehenden beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsvarianten von Temperiereinrichtungen, Verfahren zu deren Herstellung und Verfahren zum Verbinden mit einem zu temperierenden Gegenstand können noch zahlreiche weitere vorgesehen werden, insbesondere beliebige Kombinationen der vorstehend genannten Merkmale, wobei die Temperiereinrichtung zumindest ein thermoelektrisches Element, wie ein Peltier-Element, und zumindest einen Wärmetauscher umfasst, wobei der Wärmetauscher direkt an die zumindest eine erste Oberfläche des thermoelektrischen Elements integral form- und/oder stoffschlüssig angebunden ist.
Bezugszeichenliste

1: Temperiereinrichtung
2: Wärmetauscher
3: Kavität
4: Peltier-Element
5: Kavität
6: Dichtelement
7: Trägerelement aus Aluminium
21: Wärmetauscher-Temperierkontur
22: Kühlkanäle
23: Abdeckelement
24: Anbindungskontur
25: Anbindungskontur
26: innerer Hohlraum
27: Rasthaken
28: Rasthaken
29: Aufnahmeaussparung
42: Oberfläche der ersten Keramikplatte
42: Oberfläche der zweiten Keramikplatte
50: Wandung
121: Wärmetauscher-Temperierkontur
122: Kühlkanal
123: Aussparung
124: Plattenelement
127: Rasthaken
128: Rasthaken
221: Wärmetauscher-Temperierkontur
222: Kühlkanal
223: Aussparung
224: Wärmetauscher-Temperierkontur
225: Verschraubung
226: Kühlkanal
321: Anschluss
322: Anschluss
410: Keramikplatte
411: Keramikplatte
412: Halbleiterelemente
P1: Pfeil Wärmestrom durch 4
P2: Pfeil Wärmestrom durch 4
P3: Pfeil Wärmestrom durch 4
P4: Pfeil Wärmestrom innerhalb von 2
P5: Pfeil Wärmestrom innerhalb von 2

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

WO 2016/050588 A1 [0002]
DE 102014115968 A1 [0005]
DE 102013222130 A1 [0008, 0009]

Claims

Temperiereinrichtung (1), umfassend zumindest ein thermoelektrisches Element (4), insbesondere ein Peltier-Element, mit zumindest einer ersten Oberfläche und zumindest einer zweiten, der ersten Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche, und zumindest einen Wärmetauscher (2), dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Wärmetauscher (2) aus zumindest einem thermoplastischen Kunststoffmaterial besteht und direkt an die zumindest eine erste Oberfläche (42) des thermoelektrischen Elements (4) integral form- und/oder stoff- und/oder kraftschlüssig angebunden ist.
Temperiereinrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (2) zumindest eine Wärmetauscher-Temperierkontur aufweist, die zumindest einen fluiddurchströmbaren oder fluiddurchströmten Kühlkanal (22,122,222) umfasst.
Temperiereinrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscher-Temperierkontur zumindest einen wärmeleitfähig dotierten Kunststoff umfasst.
Temperiereinrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Wärmetauscher (2) in Kontakt stehende oder kommende Oberfläche (42) des thermoelektrischen Elements (4) zum mechanischen Verstemmen mit dem Wärmetauscher (2) oberflächenmodifiziert ist.
Temperiereinrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche. dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (2) aus einem nicht wärmeleitfähigen und einem wärmeleitfähigen Kunststoffmaterial besteht, wobei im Kontaktbereich mit dem thermoelektrischen Element (4) im Bereich der Wärmetauscher-Temperierkontur (21) zumindest ein wärmeleitfähiges Kunststoffmaterial vorgesehen ist und im Bereich außerhalb davon zumindest ein nicht wärmeleitfähiges Kunststoffmaterial angeordnet ist.
Temperiereinrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (2) zumindest einen inneren isolierenden Hohlraum (26) aufweist und in dem inneren Hohlraum zumindest ein Medium, insbesondere Luft, aufnehmbar oder aufgenommen ist.
Temperiereinrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Hohlraum (26) zwischen dem Bereich aus wärmeleitfähigem Material und dem Bereich aus nicht wärmeleitfähigem Material angeordnet ist.
Temperiereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscher-Temperierkontur (21) mehrere Kühlkanäle (22,122,222) umfasst, die unterschiedliche Querschnitte aufweisen.
Temperiereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kühlkanal (22,122,222) der Wärmetauscher-Temperierkontur (21) als Mikrokanal aus einer offenen Porosität des Kunststoffmaterials ausgebildet ist.
Temperiereinrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des thermoelektrischen Elements (4) dahingehend oberflächenmodifiziert ist, dass sie eine offene Porosität von 10 bis 30 %, insbesondere 25 %, aufweist.
Temperiereinrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des thermoelektrischen Elements (4) dahingehend oberflächenmodifiziert ist, dass sie eine Rauheit R_a von 1,5 bis 10 µm bei einer maximalen Rauheit Rmax von 10 bis 45 µm aufweist.
Temperiereinrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu temperierende Seite des Wärmetauschers (2) in zumindest einer Raumachse geometrisch geformt ist, um sich konturnah an eine Oberfläche eines zu temperierenden Gegenstandes anzulegen.
Verfahren zum Herstellen einer Temperiereinrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Temperiereinrichtung (1) zumindest ein thermoelektrisches Element (4) mit zumindest einer ersten Oberfläche und zumindest einer zweiten, der ersten Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche und zumindest einen Wärmetauscher (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem zumindest einen Wärmetauscher (2) zu verbindende erste Oberfläche (42) des zumindest einen thermoelektrischen Elements (4) oberflächenmodifizert wird, das thermoelektrische Element (4) in eine Gussform eingelegt und eine Wärmetauscher-Temperierkontur (21) an die oberflächenmodifizierte erste Oberfläche (42) des thermoelektrischen Elements (4) angespritzt wird.
Verfahren zum Verbinden der Temperiereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 mit einem zu temperierenden Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstand zumindest einen Oberflächenabschnitt aus einem aufschmelzbaren Material aufweist, der Oberflächenabschnitt flächig aufgeschmolzen und zum Verbinden mit dem thermoelektrischen Element (4) auf dessen zweite, dem Wärmetauscher (2) gegenüberliegende Oberfläche gepresst oder mit dieser mechanisch verstemmt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das aufschmelzbare Material des zu temperierenden Gegenstandes zumindest ein wärmeleitfähiges Kunststoffmaterial ist.