DE102017202791A1

DE102017202791A1 - Thermoelektrischer Wärmeübertrager

Info

Publication number: DE102017202791A1
Application number: DE102017202791.6A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Grünwald; Christian Heneka; Stefan Hirsch; Karl-Gerd Krumbach; Florin MOLDOVAN
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2017-02-21
Filing date: 2017-02-21
Publication date: 2018-08-23
Also published as: CN110603655A; WO2018153815A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Wärmeübertrager (1),
- mit einer Mehrzahl von entlang einer Stapelrichtung (S) abwechselnd aufeinandergestapelten ersten und zweiten Fluidkanälen (2a, 2b) zum Durchströmen mit einem ersten und einem zweiten Fluid, wobei zwischen zwei in Stapelrichtung (S) benachbarten Fluidkanälen (2a, 2b) jeweils ein thermoelektrisches Element (3) angeordnet ist, welches eine thermisch an den benachbarten ersten Fluidkanal (2a) gekoppelte Kaltseite (4) und eine thermisch an den benachbarten zweiten Fluidkanal (2b) gekoppelte Heißseite (5) aufweist, oder umgekehrt,
- wobei sich die ersten Fluidkanäle (2a) in einem Längsschnitt entlang einer von der Stapelrichtung (S) verschiedenen Erstreckungsrichtung (E) verjüngen und sich die zweiten Fluidkanäle (2b) in dem Längsschnitt entlang der Erstreckungsrichtung (E) erweitern.

Description

Die Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Wärmeübertrager, insbesondere einen thermoelektrischen Generator.
Mithilfe von thermoelektrischen Wärmeübertragern und deren thermoelektrischen Elementen kann in unterschiedlichen Anwendungen Wärme von einem Fluid an ein zweites Fluid entgegen der natürlichen Wärmeleitung gepumpt werden. Basis solcher thermoelektrischer Wärmeübertrager sind thermoelektrische Elemente - diese sind dem Fachmann auch unter dem Begriff „Peltierelemente“ bekannt.
Ein thermoelektrisches Element bzw. Peltierelement weist typischerweise mehrere positiv und negativ dotierte Halbleiterelemente auf, die über mehrere Leiterbrücken elektrisch verschaltet sind. Ein solches thermoelektrisches Element besitzt eine Kaltseite, die mit mehreren kaltseitigen Leiterbrücken wärmeleitend, elektrisch isoliert und fest verbunden ist. Analog dazu besitzt das thermoelektrische Element eine Heißseite, die mit mehreren heißseitigen Leiterbrücken wärmeleitend, elektrisch isoliert und fest verbunden ist. Die Halbleiterelemente sind dabei zwischen Heißseite und Kaltseite angeordnet, so dass sie sich zwischen den kaltseitigen und heißseitigen Leiterbrücken erstrecken.
Thermoelektrische Wärmeübertrager werden u.a. aufgrund des geringen Gewichts und der hohen Wärmeleitfähigkeit des Materials meist aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Gefertigt werden diese Wärmeübertrager aus Aluminiumlegierungen für Automobilanwendungen vorzugsweise in einem Lötverfahren, das bei Temperaturen von ca. 600°C stattfindet. Typischerweise umfassen die Halbleiterelemente der thermoelektrischen Elemente für Anwendungen im Bereich von - 40°C- bis 100°C meist aus Bi-Te. Die Maximaltemperatur, der diese Halbleiterelemente ausgesetzt werden dürfen, beträgt daher - je nach genauer Zusammensetzung, ca. 220°C - Bei höheren Temperaturen verlieren die Halbleiterelemente die erforderlichen thermoelektrischen Eigenschaften. Daher können thermoelektrische Wärmeübertrager nicht direkt in einem Lötprozess gefertigt werden, sondern müssen durch einen alternativen Fertigungsprozess oder durch mehrere Prozess-Schritte hergestellt werden.
Herkömmliche thermoelektrische Wärmeübertrager besitzen oftmals Rohrkörper, in welchen die beiden durch den Wärmeübertrager geführten Fluide fluidisch getrennt voneinander strömen können. Bei herkömmlichen thermoelektrischen Wärmeübertragern mit einer Mehrzahl von Peltierelementen sind die Fluidkanäle für ein kaltes und ein warmes Fluid abwechselnd aufeinander gestapelt angeordnet, und zwar mit dazwischen integrierten thermoelektrischen Elementen.
Typischerweise werden besagte Rohrkörper und auch weiterer Komponenten wie ein Verteiler und ein Sammler zum Verteilen des Fluids auf die einzelnen Fluidkanäle bzw. zum Sammeln des Fluids nach dem Durchströmen der Fluidkanäle im Zuge der Fertigung in einem Herstellungsschritt miteinander verlötet. Dies geschieht in der Regel in einem Lötofen.
Als nachteilig erweist sich dabei, dass die zum Löten erforderlichen Temperaturen wie oben beschrieben zu einer Beschädigung der im thermoelektrischen Wärmeübertrager vorhandenen thermoelektrischen Elemente führen können, so dass diese im Extremfall ihre thermoelektrischen Eigenschaften vollständig verlieren.
Gattungsgemäße Wärmeübertrager sind beispielsweise aus der DE 10 2007 063 171 A1 oder aus der DE 10 2010 013 467 bekannt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform eines thermoelektrischen Wärmeübertragers zu schaffen, bei welchem oben genannte Problematik teilweise oder sogar vollständig behoben ist.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Ein erfindungsgemäßer thermoelektrischer Wärmeübertrager umfasst eine Mehrzahl von entlang einer Stapelrichtung abwechselnd aufeinandergestapelten ersten und zweiten Fluidkanälen zum Durchströmen mit einem ersten und einem zweiten Fluid. Das erste Fluid kann ein, vorzugsweise flüssiges, Kühlmedium sein. Das zweite Fluid als das zu kühlende Medium kann eine Flüssigkeit oder ein Gas sein. Bei dem erfindungsgemäßen thermoelektrischen Wärmeübertrager ist zwischen zwei in Stapelrichtung benachbarten Fluidkanälen jeweils ein thermoelektrisches Element angeordnet. Das thermoelektrische Element weist eine thermisch an den benachbarten ersten Fluidkanal gekoppelte Kaltseite und eine thermisch an den benachbarten zweiten Fluidkanal gekoppelte Heißseite auf, oder umgekehrt. Erfindungsgemäß verjüngen sich die ersten Fluidkanäle in einem Längsschnitt entlang einer von der Stapelrichtung verschiedenen Erstreckungsrichtung. Die zweiten Fluidkanäle erweitern sich erfindungsgemäß in dem Längsschnitt entlang der Erstreckungsrichtung.
Ein derart aufgebauter Wärmeübertrager kann besonders einfach montiert werden. Hierzu können die sich erweiternden zweiten Fluidkanäle entlang der Erstreckungsrichtung in die zwischen den ersten Fluidkanälen vorhandenen Zwischenräume eingeschoben werden. Die Geometrie der Fluidkanäle mit sich verjüngender bzw. sich erweiternder geometrischer Formgebung erleichtert das Einschieben und somit den Zusammenbau des gesamten Wärmeübertragers, da die Erweiterung bzw. Verjüngung in der Art eines Axialanschlags wirkt. Dies hat eine genaue Positionierung der zweiten Fluidkanäle relativ zu den ersten Fluidkanälen zur Folge.
Außerdem ist es beim erfindungsgemäßen thermoelektrischen Wärmeübertrager möglich, die einzelnen ersten Fluidkanäle, die typischerweise als Rohrkörper ausgebildet sind, vor dem Zusammenbau durch einen Lötprozess stoffschlüssig miteinander zu verbinden. Nach Abschluss des Lötprozesses können dann die zweiten Fluidkanäle mit den thermoelektrischen Elementen in die zwischen den ersten Fluidkanälen vorgesehenen Zwischenräume eingeschoben, dort positioniert und abschließend mit den ersten Fluidkanälen verbunden werden. Da die thermoelektrischen Elemente somit nicht den beim Lötprozess auftretenden hohen Temperaturen ausgesetzt werden, kann eine Beschädigung oder gar Zerstörung der thermoelektrischen Elemente beim erfindungsgemäßen Wärmeübertrager vermieden werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform verjüngt oder erweitert sich zumindest ein thermoelektrisches Element in dem Längsschnitt entlang der Erstreckungsrichtung.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung verjüngen sich die ersten Fluidkanäle unter einem vorbestimmten Verjüngungswinkel. Die zweiten Fluidkanäle erweitern sich unter einem vorbestimmten Erweiterungswinkel, der zumindest im Wesentlichen identisch ist zum Verjüngungswinkel der ersten Fluidkanäle. Diese Maßnahme erlaubt eine flächige Anlage der zweiten Fluidkanäle an den ersten Fluidkanälen nach der dem Zusammenbau des Wärmeübertragers.
Besonders bevorzugt besitzen die ersten und zweiten Fluidkanäle und/oder die thermoelektrischen Elemente in dem Längsschnitt entlang der Erstreckungsrichtung eine keilförmige Geometrie. Dies erleichtert das Einschieben der zweiten Fluidkanäle in die zwischen den ersten Fluidkanälen vorhandenen Zwischenräume im Zuge eines Zusammenbaus des thermoelektrischen Wärmeübertragers.
Zweckmäßig können die ersten Fluidkanäle zum Durchströmen mit einem ersten Fluid, vorzugsweise mit einer ersten Flüssigkeit, als Rohrkörper, insbesondere als Flachrohre ausgebildet sein. Bei dieser Variante liegen die Ober- und Unterseiten der Rohrkörper bzw. Flachrohre einander in der Stapelrichtung gegenüber und sind jeweils dem in Stapelrichtung benachbarten thermoelektrischen Element zugewandt. Eine Ausbildung der ersten Fluidkanäle als Rohrkörper, insbesondere als Flachrohre, vereinfacht die Herstellung der ersten Fluidkanäle. Denkbar ist dabei insbesondere eine besonders kostengünstige Herstellung der Rohrkörper als extrudierte Mehrkammerrohre. Die Realisierung der Rohrkörper als Flachrohre stellt eine hohe thermische Kontaktfläche der Rohrkörper mit den thermoelektrischen Elementen bei gleichzeitig geringem Bauraumbedarf in Stapelrichtung sicher.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind auch die zweiten Fluidkanäle zum Durchströmen mit einem zweiten Fluid, vorzugsweise mit einer zweiten Flüssigkeit, als Rohrkörper, vorzugsweise als Flachrohre, ausgebildet. Bei dieser Variante liegen die Ober- und Unterseiten einander in der Stapelrichtung gegenüber und sind jeweils dem in Stapelrichtung benachbarten thermoelektrischen Element zugewandt. Eine Ausbildung der zweiten Fluidkanäle als Rohrkörper vereinfacht die Herstellung der ersten Fluidkanäle. Denkbar ist insbesondere eine Herstellung der Rohrkörper als extrudierte Mehrkammerrohre. Die Realisierung der Rohrkörper als Flachrohre stellt eine große thermische Kontaktfläche der Rohrkörper mit den thermoelektrischen Elementen bei gleichzeitig geringem Bauraumbedarf in Stapelrichtung sicher.
Bevorzugt ist zumindest ein thermoelektrisches Element zwischen einem ersten Fluidkanal und einen in Stapelrichtung benachbarten zweiten Fluidkanal in der Erstreckungsrichtung einschiebbar oder eingeschoben ausgebildet. Besonders bevorzugt gilt dies für alle thermoelektrischen Elemente des thermoelektrischen Wärmeübertragers. Diese Variante erlaubt einer Vormontage der ersten und zweiten Fluidkanäle aneinander mittels eines Lötprozesses, bevor die thermoelektrischen Elemente in die zwischen den ersten und zweiten Fluidkanäle vorhandenen Zwischenräume eingeschoben und dort, vorzugsweise mittels eines Klebstoffs, fixiert werden.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind die zweiten Fluidkanäle zum Durchströmen mit einem Gas durch Zwischenräume ausgebildet, die jeweils zwischen zwei in Stapelrichtung benachbarten thermoelektrischen Elementen vorgesehen sind. Bei dieser Ausführungsform ist in zumindest einem Zwischenraum eine Rippenstruktur vorhanden. An dieser Rippenstruktur stützen sich die beiden den jeweiligen Zwischenraum in Stapelrichtung begrenzenden und einander in Stapelrichtung gegenüberliegenden thermoelektrischen Elemente ab. Besonders bevorzugt gilt dies für alle in dem thermoelektrischen Wärmeübertrager vorhandenen Zwischenräume. Besagte Rippenstrukturen lassen sich auf einfache Weise mittels eines Stanz- oder Walzprozesses herstellen. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Herstellungskosten des thermoelektrischen Wärmeübertragers aus.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung sind zumindest ein thermoelektrisches Element, vorzugsweise zwei thermoelektrische Elemente, und eine Rippenstruktur als vormontierte Baueinheit zwischen zwei in Stapelrichtung benachbarten ersten Fluidkanälen in der Erstreckungsrichtung einschiebbar ausgebildet oder eingeschoben. Dies erlaubt eine Vormontage der thermoelektrischen Elemente und der Rippenstrukturen aneinander, bevor sie zusammen, also als Baueinheit, in die zwischen den ersten Fluidkanälen vorhandenen Zwischenräume eingeschoben werden. Unabhängig von besagter Vormontage der thermoelektrischen Elemente und der Rippenstrukturen aneinander können vor dem Einschieben in die Zwischenräume auch die einzelnen ersten Fluidkanäle bzw. die diese Fluidkanäle ausbildenden Rohrkörper mittels eines Lötprozesses aneinander befestigt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die Rippenstruktur eine Mehrzahl von ersten und zweiten Kontaktzonen auf, die einander in der Stapelrichtung gegenüberliegen. An diesen Kontaktzonen stützen sich die den Zwischenraum in der Stapelrichtung begrenzenden thermoelektrischen Elemente ab. Dies ermöglicht eine flächige und somit hochstabile Abstützung der Rippenstrukturen an den benachbarten Fluidkanälen bzw. Rohrkörpern. Dies wiederum bewirkt eine besonders gute thermische Kopplung der Rippenstrukturen und somit auch der von den Rippenstrukturen gebildeten zweiten Fluidkanäle.
Besonders bevorzugt sind die ersten und zweiten Kontaktzonen entlang der Erstreckungsrichtung plan ausgebildet, so dass sie flächig an der Heiß- oder Kaltseite des jeweiligen, entlang der Stapelrichtung benachbarten thermoelektrischen Elements anliegen. Auch diese Maßnahme unterstützt eine flächige und somit mechanisch stabile Abstützung der Rippenstrukturen an den benachbarten Fluidkanälen bzw. Rohrkörpern.
Eine optimale Anpassung der Geometrie der einzelnen Rippenstrukturen an die Geometrie der zwischen den ersten Fluidkanälen in Stapelrichtung vorhandenen Zwischenräume lässt sich erreichen, indem sich die Rippenstruktur in dem Längsschnitt entlang der Erstreckungsrichtung erweitert. Auf diese Weise werden die Rippenstrukturen in dem Längsschnitt entlang der Erstreckungsrichtung mit einer zu den ersten Fluidkanälen komplementären Geometrie versehen.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung sind die ersten Kontaktzonen in dem Längsschnitt entlang der Erstreckungsrichtung auf einer ersten virtuellen Geraden angeordnet. Entsprechend sind die zweiten Kontaktzonen auf einer von der ersten virtuellen Geraden verschiedenen zweiten virtuellen Geraden angeordnet. Bei dieser Variante sind die beiden virtuellen Geraden zur Ausbildung der Erweiterung oder Verjüngung der Rippenstruktur unter einem Winkel zwischen 0,5° und 5° zueinander angeordnet. Mit einer derartigen Geometrie geht eine besonders gute thermische Kopplung der Rippenstruktur an die benachbarten ersten Fluidkanäle einher.
Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung ist zwischen zumindest einem ersten Fluidkanal und einem thermoelektrischen Element eine thermisch leitende Adapterschicht vorgesehen. Alternativ oder zusätzlich kann bei dieser Variante auch zwischen zumindest einem zweiten Fluidkanal und einem thermoelektrischen Element eine thermisch leitende Adapterschicht vorgesehen sein. Mittels besagter Adapterschicht wird eine verbesserte thermische Kopplung zwischen den Fluidkanälen und den thermoelektrischen Elementen erzielt.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Wärmeübertragers, insbesondere des vorangehend vorgestellten thermoelektrischen Wärmeübertragers. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

a) Bereitstellen einer Mehrzahl von entlang einer Stapelrichtung zur Ausbildung von Zwischenräumen im Abstand zueinander angeordneten ersten Fluidkanälen, die sich entlang einer von der Stapelrichtung verschiedenen Erstreckungsrichtung verjüngen,
b) Bereitstellen von Baueinheiten, die jeweils aus einem zweiten Fluidkanal und zwei thermoelektrischen Elementen gebildet sind und sich in dem Längsschnitt entlang einer Erstreckungsrichtung erweitern,
c) Einschieben der Baueinheiten entgegen der Erstreckungsrichtung der ersten Fluidkanäle in die zwischen den ersten Fluidkanälen gebildeten Zwischenräume.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die den benachbarten Zwischenräumen zugewandten Ober- und Unterseiten der ersten Fluidkanäle mit einem Klebstoff beschichtet. Nach dem Einschieben der Baueinheiten gemäß Schritt c) wird der Klebstoff zur Ausbildung einer Klebverbindung zwischen den Baueinheiten und den ersten Fluidkanälen erhitzt. Dies stellt eine dauerhaft stabile Fixierung der Baueinheiten an den ersten Fluidkanälen sicher.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Wärmeübertragers, insbesondere des vorangehend vorgestellten thermoelektrischen Wärmeübertragers. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

a) Bereitstellen einer Mehrzahl von entlang einer Stapelrichtung zur Ausbildung von Zwischenräumen abwechselnd und im Abstand zueinander angeordneten ersten Fluidkanälen, die sich in einem Längsschnitt entlang einer von der Stapelrichtung verschiedenen Erstreckungsrichtung verjüngen. Dabei ist auf jeder dem benachbarten Zwischenraum zugewandten Ober- und Unterseite des ersten Fluidkanals ein thermoelektrisches Element angeordnet und mittels einer Klebverbindung am jeweiligen ersten Fluidkanal befestigt.
b) Bereitstellen von zweiten Fluidkanälen, die sich jeweils entlang einer Erstreckungsrichtung erweitern,
c) Einschieben der zweiten Fluidkanäle entgegen der Erstreckungsrichtung der ersten Fluidkanäle in die zwischen den ersten Fluidkanälen gebildeten Zwischenräume.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die in die Zwischenräume eingeschobenen zweiten Fluidkanäle mittels einer Klebverbindung an thermoelektrischen Elementen befestigt. Dies erlaubt eine stabile Fixierung der zweiten Fluidkanäle an den ersten Fluidkanälen und den thermoelektrischen Elementen, ohne dass dabei die thermoelektrischen Elemente aufgrund zu hoher Temperaturen beschädigt oder gar zerstört würden.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch:

1 ein Beispiel eines thermoelektrischen Wärmeübertragers in einem montierten Zustand in einem Längsschnitt,
2 den Wärmeübertrager der 1 vor dem Zusammenbau,
3 eine bevorzugte Ausführungsvariante einer in dem Wärmeübertrager verbauten Rippenstruktur.

1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen thermoelektrischen Wärmeübertragers 1 in einem zusammengebauten Zustand und in einem Längsschnitt entlang einer Erstreckungsrichtung E. Der thermoelektrische Wärmeübertrager 1 umfasst eine Mehrzahl von entlang einer Stapelrichtung S abwechselnd aufeinandergestapelten ersten und zweiten Fluidkanälen 2a, 2b zum Durchströmen mit einem ersten bzw. einem zweiten Fluid unterschiedlicher Temperatur. Die Stapelrichtung S ist von der Erstreckungsrichtung E verschieden und bildet im Beispiel der Figuren mit der Erstreckungsrichtung E einen rechten Winkel aus. Denkbar sind aber auch andere Werte für den Winkel zwischen der Erstreckungsrichtung E und der Stapelrichtung S.
Die Erstreckungsrichtung E kann durch eine Hauptdurchströmungsrichtung der durch die Fluidkanäle 2a, 2b strömenden Fluide definiert sein. Bevorzugt wird die Erstreckungsrichtung aber durch eine Längsrichtung der Fluidkanäle definiert, wenn diese - etwa in Form von Rohrkörpern - längsförmig ausgebildet sind und folglich eine Kanal- bzw. Rohrlänge aufweisen, die ein mehrfaches einer Kanal- bzw. Rohrbreite und/oder Kanal- bzw. Rohrhöhe beträgt.
Zwischen zwei in Stapelrichtung S benachbarten Fluidkanälen 2a, 2b ist jeweils ein thermoelektrisches Element 3 angeordnet, welches eine thermisch an den benachbarten ersten Fluidkanal 2a gekoppelte Kaltseite 4 und eine thermisch an den benachbarten zweiten Fluidkanal 2b gekoppelte Heißseite 5 besitzt. Alternativ dazu kann die Kaltseite 4 an den benachbarten zweiten Fluidkanal 2b und die Heißseite 5 an den benachbarten ersten Fluidkanal 2a gekoppelt sein. Die ersten Fluidkanäle 2a sind zum Durchströmen mit dem ersten Fluid ausgebildet. Vorzugsweise handelt es sich dabei um ein Kühlmittel.
Die ersten Fluidkanäle 2a sind im Beispielszenario als Rohrkörper 6 ausgebildet, deren Ober- und Unterseiten 7, 8 einander in der Stapelrichtung S gegenüberliegen und jeweils dem in Stapelrichtung S benachbarten thermoelektrischen Element 3 zugewandt sind. Bevorzugt sind die Rohrkörper 6 dabei als Flachrohre realisiert. Die Oberseite 7 eines jeweiligen Rohrkörpers 6 liegt also an der Kaltseite 4 des in Stapelrichtung S benachbarten thermoelektrischen Elements 3 an. Die Unterseite 8 desselben Rohrkörpers 6 liegt entsprechend an der Kaltseite 4 des in Stapelrichtung S benachbarten thermoelektrischen Elements 3 an.
Wie die 1 erkennen lässt, verjüngen sich die ersten Fluidkanäle 2a in dem Längsschnitt entlang der Erstreckungsrichtung E. Die zweiten Fluidkanäle 2b erweitern sich hingegen entlang der Erstreckungsrichtung E. Die ersten und zweiten Fluidkanäle 2a, 2b besitzen in dem Längsschnitt entlang der Erstreckungsrichtung E also beide eine keilförmige Geometrie.
Wie 1 anschaulich belegt, verjüngen sich die ersten Fluidkanäle 2a unter einem vorbestimmten Verjüngungswinkel α₁. Die zweiten Fluidkanäle erweitern sich unter einem vorbestimmten Erweiterungswinkel α₂, der identisch ist zum Verjüngungswinkel α₁.
In einer Weiterbildung des Beispiels der Figur 1 können sich in dem Längsschnitt entlang der Erstreckungsrichtung E auch ein oder mehrere thermoelektrisch Elemente 3 verjüngen oder erweitern (nicht gezeigt). Im Beispielszenario der 1 sind die zweiten Fluidkanäle 2b zum Durchströmen mit einem Gas ausgebildet. In den zweiten Fluidkanäle 2b werden Rippenstrukturen 10 gebildet, die sandwichartig zwischen zwei in Stapelrichtung S benachbarten thermoelektrischen Elementen 3 angeordnet sind. Besagte Rippenstrukturen 10 sind in Zwischenräume 9 angeordnet, die jeweils zwischen zwei in Stapelrichtung S benachbarten thermoelektrischen Elementen 3 vorhanden sind. In den Zwischenräumen 9 ist jeweils eine in der 1 nur grobschematisch angedeutete Rippenstruktur 10 vorhanden. An der Rippenstruktur 10 stützen sich die beiden den jeweiligen Zwischenraum 9 in Stapelrichtung S begrenzenden und einander in Stapelrichtung S gegenüberliegenden thermoelektrischen Elemente 3 ab. Die zweiten Fluidkanäle 2b und somit auch die Rippenstrukturen 10 erweitern sich in dem Längsschnitt entlang der Erstreckungsrichtung E.
Zwischen den ersten Fluidkanälen 2a und den in Stapelrichtung S benachbarten thermoelektrischen Elementen 3 kann eine thermisch leitende Adapterschicht (nicht gezeigt) vorgesehen sein. Entsprechend kann zwischen den zweiten Fluidkanälen 2b und den in Stapelrichtung S benachbarten thermoelektrischen Elementen 3 eine thermisch leitende Adapterschicht vorgesehen sein (nicht gezeigt). Besagte Adapterschicht kann einen Klebstoff umfassen, so dass die ersten bzw. zweiten Fluidkanäle 2a, 2b mit dem jeweils in Stapelrichtung S benachbarten thermoelektrischen Element 3 eine Klebverbindung ausbildet.
Im Folgenden wird anhand der 2 der Zusammenbau des erfindungsgemäßen thermoelektrischen Wärmeübertragers 1 erläutert. Die 2 zeigt den thermoelektrischen Wärmeübertrager 1 vor der Montage der zweiten Fluidkanäle 2b an den ersten Fluidkanälen 2a. Demnach werden zunächst die ersten Fluidkanäle 2a (vgl. 1), die als Rohrkörper 6 ausgebildet sind, bereitgestellt. Die einzelnen ersten Fluidkanäle 2a sind entlang der Stapelrichtung S im Abstand zueinander angeordnet, so dass zwischen zwei benachbarten ersten Fluidkanälen 2a jeweils ein Zwischenraum 9 ausgebildet ist.
Weiterhin werden mehrere Baueinheiten 11 bereitgestellt, die im Zuge des Zusammenbaus des Wärmeübertragers 1 in die Zwischenräume 9 eingeschoben werden können. Jede Baueinheit 11 besteht dabei aus einem zweiten Fluidkanal 2b und zwei thermoelektrischen Elementen 3. Im Beispiel der 2 sind die zweiten Fluidkanäle jeweils durch eine Rippenstruktur 10 gebildet, die sandwichartig zwischen zwei thermoelektrischen Elementen 3 angeordnet ist.
Die Baueinheiten 11 werden vor der Befestigung an den ersten Fluidkanälen 2a vormontiert und anschließend als Einheit entgegen der Erstreckungsrichtung E der ersten Fluidkanäle 2a in die Zwischenräume 9 eingeschoben. Dieses Einschieben ist in 2 durch Pfeile mit dem Bezugszeichen 12 angedeutet.
Die den Zwischenräumen 9 zugewandten Oberseiten 7 und Unterseiten 8 der ersten Fluidkanäle 2a können zum Fixieren der Baueinheiten 11 an den ersten Fluidkanälen 2a mit einem Klebstoff beschichtet werden, bevor die Baueinheiten 11 aus zweiten Fluidkanäle 2b und thermoelektrischen Elementen 3 in die Zwischenräume 9 eingeschoben werden.
Nach dem Einschieben der Baueinheiten 11 in die Zwischenräume 9 kann der Klebstoff zur Ausbildung einer Klebverbindung zwischen den Baueinheiten 11 und den ersten Fluidkanälen 2a über einen definierten Zeitraum hinweg erhitzt werden. Durch ein solches Erhitzen in Verbindung mit einem auf das Erhitzen folgenden Aushärten werden die zweiten Fluidkanäle 2b dauerhaft mechanisch stabil an den ersten Fluidkanälen 2a befestigt und ein guter thermischer Kontakt zwischen diesen sichergestellt.
Für den Fall, dass thermoelektrische Elemente 3 verwendet werden, die sich entlang der Erstreckungsrichtung E verjüngen, so ändert sich das vorangehend beschriebene Verfahren wie folgt:
Entlang der Stapelrichtung S werden abwechselnd und im Abstand zueinander erste und zweite Fluidkanälen 2a, 2b angeordnet, die sich in dem Längsschnitt entlang ihrer Erstreckungsrichtung E verjüngen. Ebenso werden thermoelektrische Elemente 3 bereitgestellt, die sich entlang ihrer Erstreckungsrichtung E erweitern. Für den Zusammenbau des Wärmeübertrager 1 wird jeweils ein thermoelektrisches Element 3 zwischen zwei in Stapelrichtung S benachbarten Fluidkanälen 2a, 2b entgegen der Erstreckungsrichtung E eingeschoben. Die den in Stapelrichtung S benachbarten zweiten Fluidkanälen 2b zugewandten Oberseiten 7 und Unterseiten 8 der ersten Fluidkanäle 2a können zum Fixieren der thermoelektrischen Elemente 3 an den ersten Fluidkanälen 2a mit einem Klebstoff beschichtet werden. Ebenso können die den in Stapelrichtung S benachbarten ersten Fluidkanälen 2a zugewandten Oberseiten und Unterseiten der zweiten Fluidkanäle 2b zum Fixieren der der thermoelektrischen Elemente 3 an den ersten Fluidkanälen 2a mit einem Klebstoff beschichtet werden. Die genannten Maßnahmen werden ausgeführt, bevor die thermoelektrischen Elemente 3 zwischen die ersten und zweiten Fluidkanäle 2a, 2b eingeschoben werden. Nach dem Einschieben der thermoelektrischen Elemente 3 zwischen die ersten und zweiten Fluidkanäle 2a, 2b kann der Klebstoff zur Ausbildung einer Klebverbindung zwischen den thermoelektrischen Elementen 3 und den ersten und zweiten Fluidkanälen 2a, 2b für einen definierten Zeitraum erhitzt werden. Durch ein solches Erhitzen in Verbindung mit einem auf das Erhitzen folgenden Aushärten werden thermoelektrischen Elemente 3 dauerhaft mechanisch stabil an den ersten und zweiten Fluidkanälen 2a, 2b befestigt und thermisch leitend mit diesem verbunden.
In einer in den Figuren nicht näher dargestellten Variante können auch die zweiten Fluidkanäle 2b in analoger Weise zu den ersten Fluidkanälen 2a als Rohrkörper, vorzugsweise als Flachrohre, ausgebildet sein (nicht gezeigt). Bei dieser Variante liegen die Ober- und Unterseiten der als Rohrkörper ausgebildeten zweiten Fluidkanäle 2b einander in der Stapelrichtung S gegenüber und sind jeweils dem in Stapelrichtung S benachbarten thermoelektrischen Element 3 zugewandt. Obige Erläuterungen zu den als Rohrkörper 6 ausgebildeten ersten Fluidkanälen 2a können daher mutatis mutandis auch auf die zweiten Fluidkanäle 2b angewandt werden. Diese Variante bietet sich insbesondere an, wenn die zweiten Fluidkanäle 2b nicht von einem Gas, sondern einer Flüssigkeit, durchströmt werden sollen. Durch die ersten Fluidkanäle 2a kann bei dieser Variante ein - vorzugsweise flüssiges - Kühlmittel strömen, welches zum Kühlen der durch die zweiten Fluidkanäle strömenden Flüssigkeit dient.
Im Folgenden sei das Augenmerk auf die Darstellung der 3 gerichtet, anhand welcher eine vorteilhafte Ausbildung der Rippenstruktur 10 erläutert werden soll.
Die 3 zeigt eine einzelne, in einem Zwischenraum 9 angeordnete Rippenstruktur 10 der 1 und 2 in separater Darstellung. Besagter Zwischenraum 9 wird in der Stapelrichtung S von jeweils einem thermoelektrischen Element 3 begrenzt.
Wie 3 erkennen lässt, weist die Rippenstruktur 10 eine Mehrzahl von ersten und zweiten Kontaktzonen 14a, 14b auf, die einander in der Stapelrichtung S gegenüberliegen. Die ersten Kontaktzonen 14a stützen sich an der Heißseite 5 eines der beiden thermoelektrischen Elemente 3 ab. Die zweiten Kontaktzonen 14b stützen sich an der Heißseite 5 des anderen der beiden thermoelektrischen Elemente 3 ab.
Die ersten und zweiten Kontaktzonen 14a, 14b sind entlang der Erstreckungsrichtung E plan ausgebildet. Dies stellt sicher, dass die Rippenstruktur 10 mit ihren ersten und zweiten Kontaktzonen 14a, 14b flächig an der Heißseite 5 des betreffenden thermoelektrischen Elements 3 anliegen. Auch die in 3 gezeigte Rippenstruktur 10 kann sich in dem Längsschnitt entlang der Erstreckungsrichtung E erweitern. Gemäß 3 sind die ersten Kontaktzonen 14a in dem Längsschnitt entlang der Erstreckungsrichtung E auf einer ersten virtuellen Geraden 13a angeordnet. Die zweiten Kontaktzonen 14b sind in dem Längsschnitt entlang der Erstreckungsrichtung E auf einer zweiten virtuellen Geraden 13a angeordnet. Zur Ausbildung der Erweiterung sind die beiden virtuellen Geraden 13a, 13b unter einem Winkel α (vgl. 3) zwischen 0,5° und 5° zueinander angeordnet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007063171 A1 [0008]
DE 102010013467 [0008]

Claims

Thermoelektrischer Wärmeübertrager (1), - mit einer Mehrzahl von entlang einer Stapelrichtung (S) abwechselnd aufeinandergestapelten ersten und zweiten Fluidkanälen (2a, 2b) zum Durchströmen mit einem ersten und einem zweiten Fluid, wobei zwischen zwei in Stapelrichtung (S) benachbarten Fluidkanälen (2a, 2b) jeweils ein thermoelektrisches Element (3) angeordnet ist, welches eine thermisch an den benachbarten ersten Fluidkanal (2a) gekoppelte Kaltseite (4) und eine thermisch an den benachbarten zweiten Fluidkanal (2b) gekoppelte Heißseite (5) aufweist, oder umgekehrt, - wobei sich die ersten Fluidkanäle (2a) in einem Längsschnitt entlang einer von der Stapelrichtung (S) verschiedenen Erstreckungsrichtung (E) verjüngen und sich die zweiten Fluidkanäle (2b) in dem Längsschnitt entlang der Erstreckungsrichtung (E) erweitern.
Thermoelektrischer Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest ein thermoelektrisches Element (3) in dem Längsschnitt entlang der Erstreckungsrichtung (E) verjüngt oder erweitert.
Thermoelektrischer Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die ersten Fluidkanäle (2a) unter einem vorbestimmten Verjüngungswinkel (α₁) verjüngen und sich die zweiten Fluidkanäle (2b) unter einem vorbestimmten Erweiterungswinkel (α₂) erweitern, der identisch ist zum Verjüngungswinkel (α₁) der ersten Fluidkanäle (2a).
Thermoelektrischer Wärmeübertrager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Fluidkanäle (2a, 2b) und/oder die thermoelektrischen Elemente (3) in dem Längsschnitt entlang der Erstreckungsrichtung (E) eine keilförmige Geometrie besitzen.
Thermoelektrischer Wärmeübertrager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Fluidkanäle (2a) zum Durchströmen mit dem ersten Fluid, vorzugsweise mit einer ersten Flüssigkeit, als Rohrkörper (6), insbesondere als Flachrohre ausgebildet sind, deren Ober- und Unterseiten (7, 8) einander in der Stapelrichtung (S) gegenüberliegen und jeweils dem in Stapelrichtung (S) benachbarten thermoelektrischen Element (3) zugewandt sind.
Thermoelektrischer Wärmeübertrager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Fluidkanäle (2b) zum Durchströmen mit dem zweiten Fluid, vorzugsweise mit einer zweiten Flüssigkeit, als Rohrkörper, insbesondere als Flachrohre ausgebildet sind, deren Ober- und Unterseiten einander in der Stapelrichtung (S) gegenüberliegen und jeweils dem in Stapelrichtung (S) benachbarten thermoelektrischen Element (3) zugewandt sind.
Thermoelektrischer Wärmeübertrager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein thermoelektrisches Element (3) zwischen einen ersten Fluidkanal (2a) und einen in Stapelrichtung (S) benachbarten zweiten Fluidkanal (2b) entlang der Erstreckungsrichtung (E) einschiebbar ausgebildet ist oder eingeschoben ist.
Thermoelektrischer Wärmeübertrager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Fluidkanäle (2b) zum Durchströmen mit einem Gas durch Zwischenräume (9) ausgebildet sind, die jeweils zwischen zwei in Stapelrichtung (S) benachbarten thermoelektrischen Elementen (3) vorgesehen sind, wobei in zumindest einem Zwischenraum (9) eine Rippenstruktur (10) vorhanden ist, an welcher sich die beiden den jeweiligen Zwischenraum (9) in Stapelrichtung (S) begrenzenden und einander in Stapelrichtung (S) gegenüberliegenden thermoelektrischen Elemente (3) abstützen.
Thermoelektrischer Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein thermoelektrisches Element (3) und eine Rippenstruktur (10), vorzugsweise zwei thermoelektrische Elemente (3) und eine Rippenstruktur (10), die sandwichartig zwischen den beiden thermoelektrischen Elementen (3) angeordnet ist, als Baueinheit (11) ausgebildet sind, die entlang der Erstreckungsrichtung (E) zwischen zwei in Stapelrichtung (S) benachbarten ersten Fluidkanälen (2a) einschiebbar oder eingeschoben ist.
Thermoelektrischer Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippenstruktur (10) eine Mehrzahl von ersten und zweiten Kontaktzonen (14a, 14b) aufweist, die einander in der Stapelrichtung (S) gegenüberliegen und an welchen sich die den Zwischenraum (9) in Stapelrichtung (S) begrenzenden thermoelektrischen Elemente (3) abstützen.
Thermoelektrischer Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Kontaktzonen (14a ,14b) entlang der Erstreckungsrichtung (E) plan ausgebildet sind und auf diese Weise flächig an der Heiß- oder Kaltseite (4, 5) des jeweiligen thermoelektrischen Elements (3) anliegen.
Thermoelektrischer Wärmeübertrager (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Rippenstruktur (10) in dem Längsschnitt entlang der Erstreckungsrichtung (E) erweitert.
Thermoelektrischer Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass - in dem Längsschnitt entlang der Erstreckungsrichtung (E) die ersten Kontaktzonen (14a) auf einer ersten virtuellen Geraden (13a) angeordnet sind und die zweiten Kontaktzonen (14b) auf einer zweiten virtuellen Geraden (13b) angeordnet sind, und - die beiden virtuellen Geraden (14a, 14b) zur Ausbildung der Erweiterung oder Verjüngung der Rippenstruktur unter einem Winkel (a) zwischen 0,5° und 5° zueinander angeordnet sind.
Thermoelektrischer Wärmeübertrager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zumindest einem ersten Fluidkanal (2a) und einem thermoelektrischen Element (3) eine thermisch leitende Adapterschicht vorgesehen ist, und/oder dass zwischen zumindest einem zweiten Fluidkanal (2b) und einem thermoelektrischen Element (3) eine thermisch leitende Adapterschicht vorgesehen ist.
Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Wärmeübertragers (1), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen einer Mehrzahl von entlang einer Stapelrichtung (S) unter Ausbildung von Zwischenräumen (9) im Abstand zueinander angeordneten ersten Fluidkanälen (2a), die sich entlang einer von der Stapelrichtung (S) verschiedenen Erstreckungsrichtung (E) verjüngen, b) Bereitstellen von Baueinheiten (11), die jeweils aus einem zweiten Fluidkanal (2b) und zwei thermoelektrischen Elementen (3) gebildet sind und sich in dem Längsschnitt entlang einer Erstreckungsrichtung (E) erweitern, c) Einschieben der Baueinheiten (11) entgegen der Erstreckungsrichtung (E) der ersten Fluidkanäle (2a) in die zwischen den ersten Fluidkanälen (2a) gebildeten Zwischenräume (9).
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass - die den benachbarten Zwischenräumen (9) zugewandten Ober- und Unterseiten (7, 8) der ersten Fluidkanäle (2a) mit einem Klebstoff beschichtet werden, - der Klebstoff nach dem Einschieben der Baueinheiten (11) gemäß Schritt c) zur Ausbildung einer Klebverbindung zwischen den Baueinheiten (11) und den ersten Fluidkanälen (2a) erhitzt wird.
Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Wärmeübertragers (1), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 14, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen einer Mehrzahl von entlang einer Stapelrichtung (S) zur Ausbildung von Zwischenräumen (9) abwechselnd und im Abstand zueinander angeordneten ersten Fluidkanälen (2a), die sich in einem Längsschnitt entlang einer von der Stapelrichtung (S) verschiedenen Erstreckungsrichtung (E) verjüngen, wobei auf jeder dem benachbarten Zwischenraum (9) zugewandten Ober- und Unterseite des ersten Fluidkanals (2a) ein thermoelektrisches Element (3) angeordnet und mittels einer Klebverbindung befestigt ist. b) Bereitstellen von zweiten Fluidkanälen (2b), die sich jeweils entlang einer Erstreckungsrichtung (E) erweitern, c) Einschieben der zweiten Fluidkanäle (2b) entgegen der Erstreckungsrichtung (E) der ersten Fluidkanäle (2a) in die zwischen den ersten Fluidkanälen (2a) gebildeten Zwischenräume (9).
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Zwischenräume (9) eingeschobenen zweiten Fluidkanäle (2b) mittels einer Klebverbindung an den thermoelektrischen Elementen (3) befestigt werden.