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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kühlung mindestens einer Fläche im Innenraum eines Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine solche Anordnung umfasst mindestens eine Luftbewegungseinrichtung, die Luft ansaugt und sowohl einer Warmseite als auch einer Kaltseite eines Peltierelements zuführt. Sowohl auf der Warmseite als auch auf der Kaltseite sind Wärmeleitkörper angeordnet. Über den Wärmeleitkörper auf der Kaltseite wird gekühlte Luft abgegeben, über die eine zu kühlende Fläche im Innenraum des Fahrzeugs gekühlt wird.
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Die
DE 10 2017 011 525 A1 beschreibt ein Gebläsemodul zum Bereitstellen einer temperierten Luftströmung in einem Fahrzeug. Dieses Gebläsemodul weist einen Lüfter und eine thermoelektrische Einrichtung mit Peltierelementen auf. Die von dem Lüfter erzeugte Luftströmung wird sowohl einer Kammer auf der Nutzseite als auch einer Kammer auf der Abluftseite der thermoelektrischen Einrichtung zugeführt. In der jeweiligen Kammer befindet sich ein Wärmeübertragungskörper, der aus Lamellen oder Stegen für einen Wärmeaustausch mit der Luftströmung aufgebaut ist. Die beiden Kammern sind in Bezug auf Form und Größe und dem Aufbau des jeweiligen Wärmeübertragungskörper gleich. In dem Lüfter wird eine weitere Luftströmung generiert, die über elektrische und elektronische Bauteile des Gebläsemoduls bzw. des Lüfters, die auf einer Leiterplatte angeordnet sind, geführt wird, um dadurch Wärme von diesen Bauteilen im Betrieb des Lüfters abzuführen und so diese Bauteile zu kühlen. Dieser Luftstrom wird mit dem Luftstrom auf der Nutzseite zusammengeführt, um dadurch zu einem Teil der warmen Luft auf der Nutzseite des thermoelektrischen Elements zu werden. Mit dieser Maßnahme soll die aufzuwendende Energiemenge zur Temperierung, d.h. zur Erwärmung, der Luftströmung gesenkt werden, so dass sich das Gebläsemodul für Elektro- und Hybridfahrzeuge eignet.
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Die
US 2008/0047598 beschreibt eine thermoelektrische Vorrichtung in Form einer Peltieranordnung. Wenn an das Peltierelement eine Spannung in einer Richtung angelegt wird, erzeugt eine Seite Wärme, während die andere Seite Wärme absorbiert. Wird die Polarität umgekehrt, tritt der entgegengesetzte Effekt auf. Ein Wärmeaustausch mit einer Luftströmung auf beiden Seiten des Peltierelements erfolgt jeweils durch ein Wärmeübertragungselement mit mäanderförmig angeordneten Rippen. Die beiden Wärmeübertragungselemente haben dieselbe Größe und dieselbe Form.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Kühlung mindestens einer Fläche im Innenraum eines Fahrzeugs mit einem verbesserten Wirkungsgrad zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Anordnung zur Kühlung mindestens einer Fläche im Innenraum eines Fahrzeugs umfasst mindestens eine Luftbewegungseinrichtung. Diese Luftbewegungseinrichtung saugt vorzugsweise Umgebungsluft aus dem Fahrzeuginnenraum an und führt diese sowohl einer Strömungskammer auf der Warmseite als auch einer Strömungskammer auf der Kaltseite eines Peltierelements zu. Für einen effektiven Wärmeaustausch enthalten diese Strömungskammern jeweils Wärmeleitkörper. Die auf der Kaltseite des Peltierelements geführte Luft wird an die zu kühlende Fläche abgeben und tritt vorzugsweise aus dieser aus.
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Die Wärmeleitkörper, die der Warmseite und die der Kaltseite des Peltierelements zugeordnet sind, haben bei gleichem Material eine Form derart, dass die Warmseite eine geringere wirksame Wärmeaustauschfläche als die Kaltseite aufweist. Dadurch kann der Wärmeaustausch auf der Kaltseite gegenüber dem Wärmeaustausch auf der Warmseite wesentlich erhöht werden mit der Folge einer höheren Kühlleistung der Luftströmung, die der Kaltseite zugeordnet ist.
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Bevorzugt sollte die Wärmeaustauschfläche des Wärmeleitkörpers, der der Kaltseite zugeordnet ist, mindestens von der 1,2-fachen Größe der Wärmeaustauschfläche des Wärmeleitkörpers, der der Warmseite zugeordnet ist, sein. Noch bevorzugter wird jedoch die Größe der Wärmeaustauschfläche des Wärmeleitkörpers, der der Kaltseite zugeordnet ist, etwa dreimal so groß wie die Wärmeaustauschfläche des Wärmeleitkörpers, der der Warmseite zugeordnet ist, dimensioniert.
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Der jeweilige Wärmeleitkörper kann vorzugsweise aus einem Bandmaterial bestehen, das in Form von Windungen gelegt ist. Durch die Anzahl der Windungen und dem Abstand von benachbarten Windungen zueinander kann die Größe der Wärmeaustauschfläche definiert eingestellt werden. Es ist aber darauf zu achten, dass ein ausreichender Luftdurchsatz durch den Wärmeleitkörper gegeben ist. In einer alternativen Ausführungsform wird der Wärmeleitkörper aus einem mäanderförmig verlaufenden Bandmaterial aufgebaut.
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In einer in bestimmten Anwendungsfällen bevorzugten Ausführungsform besteht der Wärmeleitkörper aus einem in Form von Rippen oder Lamellen verlaufenden Material.
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Die Flächen der vorstehend beschriebenen Windungen, Rippen oder Lamellen der Wärmeleitkörper sollten parallel zur Strömungsrichtung der daran vorbeiströmenden Luft verlaufen.
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Der jeweilige Wärmeleitkörper sollte aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit bestehen. Bevorzugt sind Wärmeleitkörper aus Kupfer, gegebenenfalls auch aus Aluminium, das wesentlich kostengünstiger als Kupfer ist. Besonders bevorzugt sind Wärmeleitkörper aus Graphen, das eine um das Vielfache bessere Wärmeleitfähigkeit als Kupfer und Aluminium besitzt.
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Bevorzugt wird die Anordnung zum Kühlen der Sitzfläche eines Fahrzeugsitzes eingesetzt.
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Die Erfindung nutzt die Erkenntnis, dass sich dann, wenn ein Fahrzeugsitz durch eine Person belegt ist, ein anderes Strömungsverhalten im Sitz ergibt als im unbelegten Zustand. Im belegten Zustand erhöht sich der sogenannte Sitzsystemwiderstand. Dies bedeutet, dass an der Kaltseite (Nutzseite) des Peltierelements ein höherer Strömungswiderstand anliegt als auf der Warmseite. Dieser höhere Widerstand an der Kaltseite wird gemäß der Erfindung dadurch kompensiert, dass der Strömungswiderstand im Peltierelement verringert wird. Erreicht wird dies mit einer für Fluid durchströmbaren Querschnittsflächenvergrößerung und demzufolge einer größeren Wärmeaustauschfläche der Kaltseite des Peltierelements.
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Eine Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche des Wärmeleitkörpers auf der Kaltseite kann auch durch eine größere Breite des verwendeten Bandmaterials gegenüber der Breite des verwendeten Bandmaterials des Wärmeleitkörpers auf der Warmseite erreicht werden. Ein weiterer Aufbau zielt darauf, die Anzahl der Lamellen, Rippen oder Stege des Wärmeleitkörpers auf der Kaltseite gegenüber der Warmseite zu erhöhen.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
- 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung für die Kühlung einer Fläche im Innenraum eines Fahrzeugs, wobei die Fläche als Bezug eines Fahrzeugsitzes angedeutet ist,
- 2 ein Peltierelement mit einer Warmseite und einer Kaltseite und deren Wärmeleitkörper,
- 3 einen Aufbau entsprechend 2 mit einem gegenüber 2 geänderten Aufbau der Wärmeleitkörper,
- 4 einen weiteren Aufbau mit wellenförmig verlaufenden Wärmeleitkörpern und
- 5 einen Aufbau entsprechend 2 mit gegenüber 2 geänderten Bauhöhen der Wärmeleitkörper, die der Warmseite und der Kaltseite zugeordnet sind.
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Das Modul bzw. die Anordnung 1, wie sie in einer perspektivischen Darstellung in 1 dargestellt ist, umfasst als Luftbewegungseinrichtung einen Radiallüfter 2, der an seiner radialen Auslassöffnung mit einem Peltierelement 3, d.h. einer thermoelektrischen Vorrichtung, in Strömungsverbindung steht. Diese thermoelektrische Vorrichtung weist, in einem Gehäuse 4 angeordnet, ein Halbleitermaterial 5 auf, an das über eine Stromversorgung 6 eine Spannung derart angelegt ist, dass die eine Seite 7 die Warmseite und die andere Seite 8 die Kaltseite bildet. Durch diese Zuordnung dient diese thermoelektrische Vorrichtung als Kühlanordnung.
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In die beiden Räume innerhalb des Gehäuses 4, die durch das Halbleitermaterial 5 voneinander getrennt sind, ist jeweils ein Wärmeleitkörper 9, 10 eingesetzt. Die beiden Wärmeleitkörper 9, 10 sind aus einem wellenförmig verlaufenden Bandmaterial, vorzugsweise aus Kupfer, aufgebaut. Durch die unterschiedlichen Bauhöhen der beiden Wärmeleitkörper 9, 10 senkrecht zu der Fläche des Halbleitermaterials 5 ergibt sich für den Wärmeleitkörper 10 auf der Kaltseite 8 eine größere Wärmeaustauschfläche als für den Wärmeleitkörper 9 auf der Warmseite 7, wobei beide Wärmeleitkörper 9, 10 parallel zu der Halbleitermaterial 5 eine identische Baulänge aufweisen. Die über den Wärmeleitkörper 10 der Kaltseite 8 abgegebene Luft wird über einen Luftführungskanal 11 der Rückseite eines nur angedeuteten Bezugs 12 eines Fahrzeugsitzes zugeführt. Die über den Wärmeleitkörper 9 der Warmseite 7 geführte Luft wird beispielsweise dem Innenraum des Fahrzeugs zugeführt.
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Üblicherweise benötigt, im Gegensatz zu der dargestellten Anordnung, die Warmseite eine größere Wärmeaustauschfläche als die Kaltseite, um eine effektive Kühlwirkung auf der Kaltseite zu erzielen. Allerdings berücksichtigt die gezeigte Anordnung die Erkenntnis, dass sich das Strömungsverhalten der Luftströmung auf der Kaltseite dann verändert, wenn die zu kühlende Sitzfläche zu einem Teil durch eine Person, die den Fahrzeugsitz nutzt, verdeckt wird und demzufolge die Luftströmung auf der Kaltseite, die aus der Sitzfläche austritt, einen wesentlich höheren Strömungswiderstand ausgesetzt ist als dann, wenn die Sitzfläche nicht belegt ist. Dieser höhere Strömungswiderstand wird gemäß der Erfindung dadurch ausgeglichen, dass, wie unmittelbar aus 1 zu entnehmen ist, die Wärmeleitkörper 9, 10 bei gleichem Material eine Form derart haben, dass der Wärmeleitkörper 9 auf der Warmseite eine geringere wirksame Wärmeaustauschfläche als der Wärmeleitkörper 10 auf der Kaltseite aufweist.
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Die entsprechende Maßnahme hierzu wird zusätzlich durch die 2 bis 5 verdeutlicht, in denen verschiedene Ausführungsformen dargestellt sind, in denen der Wärmeleitkörper 9 der Warmseite 7 eine geringere Wärmeaustauschfläche als der Wärmeleitkörper 10 der Kaltseite 8 aufweist.
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In der Ausführungsform der 2 wird für den jeweiligen Wärmeleitkörper 9, 10 ein mäanderförmiges Bandmaterial verwendet. Die Anzahl der Mäander des Wärmeleitkörpers 10 auf der Kaltseite 8 ist größer als die Anzahl der Mäander des Wärmeleitkörpers 9 auf der Warmseite 7, so dass die einzelnen Flächen der Mäander auf der Kaltseite 8 wesentlich näher liegen als entsprechende Mäander auf der Warmseite 7. Das Verhältnis der Anzahl der einzelnen Flächen auf der Kaltseite 8 zu der Anzahl der einzelnen Flächen auf der Warmseite 7 beträgt etwa 2:1 ausgehend von dem Aufbau der 2. Dieses Verhältnis kann den Einsatzbedingungen angepasst werden immer mit der Maßgabe, dass das Verhältnis größer als 1,2 ist, so dass die Wärmeaustauschfläche der Kaltseite 8 größer ist als die Wärmeaustauschfläche der Warmseite 7.
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Messungen, insbesondere bei einem zu kühlenden Fahrzeugsitz, haben ergeben, dass die Wärmeaustauschfläche des Wärmeleitkörpers 10, der der Kaltseite 8 zugeordnet ist, etwa dreimal so groß sein sollte wie die Wärmeaustauschfläche des Wärmeleitkörpers 9, der der Warmseite 7 zugeordnet ist.
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Das vorstehende Erfordernis für die Größe der Wärmeaustauschflächen der beiden Wärmeleitkörper 9, 10 wird auch durch die verschiedenen Ausführungsformen der 3 bis 5 eingehalten. Die Ausführungsform der 3 verwendet einen Aufbau der Wärmeleitkörper 9, 10, die aus einzelnen, vertikalen Stegen 13, die mit horizontal ausgerichteten Stegen 14 miteinander verbunden sind, bestehen. Die Anzahl der Stege 13 der Kaltseite 8 ist größer als die Anzahl der Stege 13 der Warmseite 7.
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Der wellenförmige Aufbau der Wärmeleitkörper 9, 10 ist vergleichbar mit dem mäanderförmigen Aufbau der Ausführungsform der 2 und setzt das erfindungsgemäße Prinzip entsprechend um.
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Schließlich zeigt die 5 eine Ausführungsform, die auf dem Aufbau der 2 basiert. Diese Ausführungsform verdeutlicht, dass die entsprechende größere Wärmeaustauschfläche des Wärmeleitkörpers 10 auf der Kaltseite 8 bei einer gleichen Beabstandung der einzelnen Mäander, verglichen mit dem mäanderförmigen Wärmeleitkörper 9 der Warmseite 7, über eine größere Bauhöhe erreicht werden kann, beispielsweise eine größere Bauhöhe, die in dem gezeigten Beispiel etwa dreimal so hoch ist, so dass die bereitgestellte Wärmeaustauschfläche des Wärmeleitkörpers 10 der Kaltseite 8 dreimal so groß ist wie die Wärmeaustauschfläche des Wärmeleitkörpers 9 der Warmseite 7.
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Obwohl die Anordnung von einem gleichen Material der Wärmeleitkörper 9, 10 ausgeht mit der Maßgabe, dass bei gleichem Material die Wärmeaustauschfläche der Kaltseite 8 größer ist als die wirksame Wärmeaustauschfläche der Warmseite 7, könnten auch für den Wärmeleitkörper 9 und den Wärmeleitkörper 10 unterschiedliche Materialien verwendet werden, beispielsweise zum einen Kupfer und zu anderen Aluminium, wobei das Kupfermaterial eine höheren Wärmeleitfähigkeit aufweist als Aluminium. Unter Berücksichtigung dieser unterschiedlichen Leitfähigkeiten des jeweils verwendeten Materials kann die Größe der Wärmeaustauschfläche des jeweiligen Wärmeleitkörpers 9, 10 angepasst werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017011525 A1 [0003]
- US 20080047598 [0004]
