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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf thermoelektrische Anordnungen und Verfahren zum Zusammensetzen einer thermoelektrischen Anordnung.
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Leistungselektronik und andere elektrische Vorrichtungen, wie zum Beispiel Batterien/Akkumulatoren, können gegen Überhitzung, kalte Temperaturen, extremen Temperaturen und Betriebstemperaturgrenzen empfindlich sein. Die Leistung derartiger Vorrichtungen kann manchmal erheblich darunter leiden, wenn die Vorrichtungen außerhalb der empfohlenen Temperaturbereiche betrieben werden. Bei Halbleitervorrichtungen können integrierte Halbleiterchips überhitzen und Fehlfunktionen entwickeln. In Batterien/Akkumulatoren, einschließlich zum Beispiel Batterien/Akkumulatoren, die für die automotive Anwendungen in elektrifizierten Fahrzeugen eingesetzt werden, können Akkumulatorzellen und ihre Komponenten Schaden nehmen, wenn sie überhitzt oder unterkühlt werden. Eine derartige Beschädigung kann sich in einer verringerten Speicherkapazität des Akkus und/oder einer verringerten Fähigkeit des Akkumulators, über vielfache Zyklen wieder aufgeladen zu werden, niederschlagen. Es kann vorteilhaft sein, die thermischen Bedingungen von Leistungselektronik und anderen elektrischen Vorrichtungen beherrschbar zu behalten. Das Wärmemanagement kann das Auftreten von Überhitzung, Unterkühlung und der Beschädigung elektrischer Vorrichtungen verringern. Aus der Druckschrift
DE 101 96 995 B4 ist bereits eine thermoelektrische Luftkühleinheit bekannt. Die
US 2012 / 0 198 616 A1 beschreibt ein Heiz- und Kühlpaneel. Das Dokument
US 2011 / 0 108 080 A1 offenbart einen thermoelektrischen Generator. Die Druckschrift
JP 2007- 266 444 A beschreibt ein thermoelektrisches Umwandlungsmodul.
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Die erfindungsgemäße thermoelektrische Anordnung umfasst einen Isolator, der Öffnungen hat, die sich von einer ersten Seite zu einer zweiten Seite durch den Isolator erstrecken, und Aufnahmen, die zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite angeordnet sind. Ferner umfasst die erfindungsgemäße thermoelektrische Anordnung einen Stromträger, der lösbar am Isolator befestigt ist und Enden hat, wobei der Stromträger in eine Aufnahme des Isolators eingesetzt ist. Darüber hinaus umfasst die erfindungsgemäße thermoelektrische Anordnung thermoelektrische Vorrichtungen, die innerhalb der Öffnungen aufgenommen sind und Anschlüsse haben, die mit den Enden verbunden sind. Erfindungsgemäß umfasst der Stromträger eine Brücke, welche die Enden des Stromträgers miteinander verbindet, wobei die Brücke mit einer Aufnahme in einem Schnappsitz in Eingriff und an dieser lösbar befestigt ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Zusammensetzen einer thermoelektrischen Anordnung umfasst das Vorsehen eines isolierenden Teils, das Öffnungen aufweist, die sich von einer ersten Seite zu einer zweiten Seite durch das isolierende Teil erstrecken, und Aufnahmen aufweist, die zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite angeordnet sind. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst das Einsetzen von Stromträgern innerhalb der Aufnahmen, das Aufnehmen thermoelektrischer Vorrichtungen in den Öffnungen, wobei die thermoelektrischen Vorrichtungen Anschlüsse haben, und das elektrische Verbinden der thermoelektrischen Vorrichtungen über die Stromträger, sodass Enden eines Stromträgers mit Anschlüssen von thermoelektrischen Vorrichtungen verbunden werden. Erfindungsgemäß umfasst ein Stromträger eine Brücke, welche die Enden des Stromträgers miteinander verbindet, wobei die Brücke mit einer Aufnahme in einem Schnappsitz in Eingriff gebracht und an dieser lösbar befestigt wird.
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Bestimmte hier beschriebene Ausführungsformen sehen das Wärmemanagement von Vorrichtungen vor, die eine beträchtliche elektrische Leistung leiten und/oder hohe Ströme und Wirkungsgrade benötigen (z.B. Leistungsverstärker, Transistoren, Transformatoren, Stromwender, Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT), Elektromotoren, Hochleistungslaser und -Leuchtdioden, Akkumulatoren und andere). Eine breite Palette von Lösungen kann dazu verwendet werden, für solche Vorrichtungen ein Wärmemanagement vorzusehen, einschließlich Luftkühlung mit Konvektion und Flüssigkeitskühlung, Kühlung über thermische Leitung, Sprühkühlung mit Flüssigkeitsdüsen, thermoelektrische Kühlung auf Platinen und Chipgehäusen und andere Lösungen.
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In verschiedenen der im Einzelnen unten offenbarten Ausführungsformen sieht die vorliegende Lehre eine thermoelektrische Anordnung und ein Verfahren zum Zusammensetzen einer thermoelektrischen Anordnung vor. In einem Beispiel weist eine thermoelektrische Anordnung einen Isolator, einen Stromträger und thermoelektrische Anordnungen auf. Der Isolator hat Öffnungen und Aufnahmen. Die Öffnungen erstrecken sich von einer ersten Seite zu einer zweiten Seite durch den Isolator. Die Aufnahmen sind zwischen der ersten und der zweiten Seite angeordnet. Der Stromträger ist lösbar am Isolator befestigt und hat Enden. Die thermoelektrischen Anordnungen sind innerhalb der Öffnungen aufgenommen und haben mit den Enden verbundene Anschlüsse.
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In einem Beispiel weist ein Verfahren zum Zusammensetzen einer thermoelektrischen Anordnung die folgenden Schritte auf: Vorsehen eines isolierenden Teils, das a) Öffnungen, die sich von einer ersten Seite zu einer zweiten Seite durch das isolierende Teil erstrecken und b) Aufnahmen, die zwischen der ersten und der zweiten Seite angeordnet sind, aufweist; Einsetzen von Stromträgern innerhalb der Aufnahmen; Aufnehmen thermoelektrischer Vorrichtungen in den Öffnungen, wobei die thermoelektrischen Vorrichtungen Anschlüsse haben; und elektrisches Verbinden der thermoelektrischen Vorrichtungen über die Stromträger.
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Verschiedene Ausführungsformen sind in den beiliegenden Zeichnungen zu veranschaulichenden Zwecken dargestellt und sollten in keiner Weise als den Umfang der vorliegenden Offenbarung einschränkend verstanden werden. Zusätzlich können verschiedene Merkmale der verschiedenen offenbarten Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, um zusätzliche Ausführungsformen auszubilden, die Teil dieser Offenbarung sind. Beliebige Merkmale oder Strukturen können entfernt, geändert oder weggelassen werden. In den Zeichnungen können Bezugszeichen wiederverwendet werden, um eine Entsprechung zwischen dem bezeichneten Elementen anzugeben.
- 1 ist eine perspektivische Darstellung, die einen Akkumulator und ein beispielhaftes Wärmemanagementsystem für den Akkumulator gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
- 2 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung, welche das Wärmemanagementsystem von 1 in weiterem Detail zeigt.
- 3 ist ein Blockdiagramm, in dem schematisch eine beispielhafte thermoelektrische Anordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht wird.
- 4 ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A von 3, die schematisch die thermoelektrische Anordnung in weiterem Detail veranschaulicht.
- 5 ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie B-B von 3, die schematisch die thermoelektrische Anordnung in weiterem Detail veranschaulicht.
- 6 ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie B-B von 3, die schematisch eine beispielhafte Verbindung und Stromträger der thermoelektrischen Anordnung in weiterem Detail veranschaulicht.
- 7 ist eine Schnittdarstellung, die eine alternative Verbindung und alternative Stromträger für die thermoelektrische Anordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
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Die vorliegende Lehre wird durch hier offenbarte Ausführungsformen und Beispiele veranschaulicht, die vorliegende Lehre ist jedoch auch über die Beispiele und Ausführungsformen hinaus auf andere alternative Ausführungsformen und/oder Einsatzzwecke sowie auf deren Modifikationen und Äquivalente anwendbar. Auf diese Weise ist der Umfang der hier beiliegenden Ansprüche nicht durch eine der nachfolgend beschriebenen bestimmten Ausführungsformen eingeschränkt. Zum Beispiel können in einem beliebigen hier offenbarten Verfahren oder Prozess die Aktionen oder Vorgänge des Verfahrens oder Prozesses in einer beliebigen geeigneten Reihenfolge ausgeführt werden und sind nicht notwendigerweise auf eine bestimmte offenbarte Reihenfolge eingeschränkt. Verschiedene Vorgänge können als mehrere diskrete Vorgänge in einer solchen Weise beschrieben sein, die zum Verständnis bestimmter Ausführungsformen hilfreich sein kann; die Reihenfolge der Beschreibung sollte jedoch nicht so interpretiert werden, dass diese Vorgänge von einer Reihenfolge abhängig sind. Zusätzlich können auch die hier beschriebenen Strukturen, Systeme und/oder Vorrichtungen als integrierte Komponenten oder als getrennte Komponenten ausgeführt werden. Zu Zwecken des Vergleichs verschiedener Ausführungsformen sind bestimmte Aspekte und Vorteile dieser Ausführungsformen beschrieben. Nicht alle dieser Aspekte oder Vorteile werden notwendigerweise von einer bestimmten Ausführungsform verwirklicht. So können zum Beispiel verschiedene Ausführungsformen in einer Weise ausgeführt werden, die einen Vorteil oder eine Gruppe von Vorteilen, die hier beschrieben sind, erzielt oder optimiert, ohne dass dadurch notwendigerweise andere Aspekte oder Vorteile erzielt werden, die möglicherweise ebenfalls hier gelehrt oder vorgeschlagen werden.
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Es kann von Vorteil sein, die thermischen Bedingungen von Elektronik und elektrischen Vorrichtungen beherrschbar zu machen. Ein solches Wärmemanagement kann das Auftreten von Überhitzen, Unterkühlen und der Beschädigung elektrischer Vorrichtungen verringern. Bestimmte hier beschriebene Ausführungsformen sehen das Wärmemanagement von Vorrichtungen vor, die eine beträchtliche elektrische Leistung tragen und/oder hohe Ströme und einen hohen Wirkungsgrad benötigen (z.B. Leistungsverstärker, Transistoren, Transformatoren, Stromwender, Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT), Elektromotoren, Hochleistungslaser und -Leuchtdioden, Akkumulatoren und andere). Eine große Palette von Lösungen kann verwendet werden, um für solche Vorrichtungen ein Wärmemanagement vorzusehen, einschließlich mit Luft durch Konvektion und Flüssigkeitskühlung, Kühlung durch thermische Leitung, Spritzkühlung mit Flüssigkeitsdüsen, thermoelektrische Kühlung von Platinen und Chipgehäusen und andere Lösungen. Mindestens einige der hier offenbarten Ausführungsformen sehen mindestens einen der folgenden Vorteile im Vergleich mit bestehenden Techniken zum Heizen oder Kühlen elektrischer Vorrichtungen vor: Höherer Leistungswirkungsgrad, niedrigere oder wegfallende Wartungskosten, größere Zuverlässigkeit, längere Lebensdauer, kleinere Anzahl von Komponenten, kleinere Anzahl oder Wegfall von beweglichen Teilen, Heiz- und Kühlbetriebsarten, andere Vorteile oder eine Kombination von Vorteilen.
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In elektrischen Geräten sind typischerweise elektrisch aktive Teile und/oder temperaturempfindliche Bereiche des Gerätes mit der Außenwelt, wie zum Beispiel externen Schaltungen oder Geräten, über elektrische Leiter verbunden. Zum Beispiel können Elektroden einer Akkumulatorzelle dazu konstruiert sein, eine hohe elektrische Leistung ohne beträchtliche Verluste zu leiten (z.B. Wärmeverluste, die zum Quadrat der Stromstärke proportional sind, nach dem Joule'schen Gesetz). Die Dicke des Drahtes der elektrischen Leiter, die für solche Elektroden verwendet werden, geht einher mit der hohen Stromstärke, die typischerweise in solchen Geräten fließt. Je größer der Akkumulator, desto größer sind auch die Elektrodenanschlüsse zur Verbindung mit externen Schaltungen.
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Die hohe elektrische Leitfähigkeit von Elektroden und vieler anderer Typen elektrischer Leiter bedeutet auch, dass diese Leiter typischerweise eine hohe Wärmeleitfähigkeit haben. Die hohe Wärmeleitfähigkeit kann dazu verwendet werden, verschiedene Probleme des Wärmemanagements zu lösen, wobei eine gewünschte thermische Leistung (z.B. Kühlen, Heizen usw.) direkt dadurch an die empfindlichen Elemente der Vorrichtung geliefert werden können, indem die Elektroden geheizt und/oder gekühlt werden, wodurch thermisch unempfindliche Elemente der Vorrichtung umgangen werden. Ähnlich zu der Verwendung thermisch konditionierten Bluts während einer Bluttransfusion zum Liefern von Wärme tief in das Innere von menschlichen Körpern kann ein Pumpen von Wärme durch die Elektroden dazu verwendet werden, wirkungsvoll gewünschte thermische Bedingungen tief in das Innere eines elektrischen Gerätes zu liefern. Beispielsweise wurde festgestellt, dass das Kühlen von Elektroden hochentwickelter Autobatterien eines der vorteilhaftesten Verfahren für das Wärmemanagement von Batterien ist. Zum Beispiel können die Elektroden unter der Verwendung von Feststoff-, Flüssigkeits- oder Luftkühlverfahren gekühlt werden. Die Elektroden können gewissermaßen als kalte Finger in einer solchen Wärmemanagementanordnung auftreten.
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Hier beschriebene Ausführungsformen enthalten Systeme und Verfahren, die dazu fähig sind, für eine elektrische Vorrichtung dadurch ein Wärmemanagement vorzusehen, dass eine direkte oder indirekte thermoelektrische (TE) Kühlung und/oder Heizung auf stromführende elektrische Leiter (z.B. Elektroden) von Leistungskomponenten, Elektronik und andere elektrische Vorrichtungen angewendet wird. Solche Vorrichtungen können oft von dem Wärmemanagement profitieren. Einige Ausführungsformen werden anhand bestimmter elektrischer Vorrichtungen, wie zum Beispiel Akkumulatoren, beschrieben. Mindestens einige hier offenbarte Ausführungsformen sind jedoch dazu fähig, auch anderen elektrischen Vorrichtungen ein Wärmemanagement zu liefern, wie zum . Beispiel Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT), andere elektrische Vorrichtungen oder eine Kombination von Vorrichtungen. Mindestens einige dieser Vorrichtungen können eine große Kapazität zum Leiten von Strom haben und können durch einen Betrieb außerhalb eines bevorzugten Temperaturbereichs beeinträchtigt werden. Der Betrieb einiger Ausführungsformen ist anhand einer Kühlbetriebsart beschrieben. Einige oder alle Ausführungsformen, die hier offenbart sind, können jedoch auch eine Heizbetriebsart haben. In einigen Situationen kann eine Heizbetriebsart angewendet werden, um die Temperatur einer elektrischen Vorrichtung oberhalb einer Schwellentemperatur zu halten, unter der die elektrische Vorrichtung Schaden nehmen oder einen fehlerhaften Betrieb aufweisen kann. TE-Vorrichtungen sind in einzigartiger Weise dazu geeignet, mit minimalen Komplikationen für die Systemarchitektur sowohl Heiz- als auch Kühlfunktionen bereitzustellen.
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TE-Vorrichtungen können auf vielfache Art für Kühl- und/oder Heizaufgaben elektrischer Leiter eingesetzt werden. Wie hier beschrieben ist, können TE-Vorrichtungen eines oder mehrere TE-Elemente, TE-Anordnungen und/oder TE-Module enthalten. In manchen Ausführungsformen kann ein TE-System eine TE-Vorrichtung enthalten, die eine erste Seite und eine zweite der ersten gegenüberliegenden Seite umfasst. In manchen Ausführungsformen können die erste Seite und die zweite Seite eine Hauptoberfläche und eine Ableitoberfläche oder eine Heizoberfläche und eine Kühloberfläche sein. Eine TE-Vorrichtung kann wirksam mit einer Stromquelle gekoppelt sein. Die Stromquelle kann dazu konfiguriert sein, an die TE-Vorrichtung eine Spannung anzulegen. Wenn eine Spannung in einer Richtung angelegt wird, erzeugt eine Seite (z.B. die erste Seite) Wärme, während die andere Seite (z.B. die zweite Seite) Wärme absorbiert. Ein Umpolen des Schaltkreises erzeugt den entgegengesetzten Effekt. In einer typischen Anordnung umfasst eine TE-Vorrichtung einen geschlossenen Schaltkreis, der ungleiche Materialien enthält. Beim Anlegen einer Gleichspannung an den geschlossenen Schaltkreis wird an dem Übergang der ungleichen Materialien eine Temperaturdifferenz erzeugt. Je nach der Richtung des elektrischen Stroms wird an einem bestimmten Übergang entweder Wärme abgegeben oder absorbiert. In manchen Ausführungsformen enthält die TE-Vorrichtung mehrere P- und N-dotierte Feststoff-Haltleiterelemente, die in Reihe geschaltet sind. In manchen Ausführungsformen sind die Übergänge sandwichartig zwischen zwei elektrischen Isolierelementen (z.B. Keramikplatten) angeordnet, welche die kalte Seite und die warme Seite der TE-Vorrichtung bilden können. Die kalte Seite kann mit einem zu kühlenden Gegenstand (z.B. einem elektrischen Leiter, einer elektrischen Vorrichtung unter Wärmemanagement usw.) gekoppelt sein, und die warme Seite kann mit einem Kühlkörper thermisch gekoppelt sein, der Wärme an die Umgebung ableitet. In manchen Ausführungsformen kann die warme Seite mit einem zu heizenden Gegenstand (z.B. elektrischen Leiter, elektrischer Vorrichtung unter Wärmemanagement usw.) gekoppelt sein. Bestimmte nicht einschränkende Ausführungsformen sind im Folgenden beschrieben.
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1 ist eine perspektivische Darstellung, die einen Akku 10 und ein beispielhaftes Wärmemanagementsystem (Thermal Management System / TMS) 12 für den Akku 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht. Der Akku 10 ist ein Lithium-Ionen-Akku, die vorliegende Lehre ist jedoch nicht auf Lithium-Ionen-Akkumulatoren eingeschränkt. Der Akku 10 enthält einen Akkupack 20, der eine Mehrzahl von N Zellen 22 enthält, die in einem Stack 24 entlang einer Längsachse X angeordnet sind, wobei N eine ganze Zahl ist, die größer als 1 ist. Das TMS 12 ist mit einer Seite des Akkus 10 thermisch gekoppelt und wird dazu betrieben, den Akku 10 zu kühlen. Das TMS 12 ist mit einer Stromversorgung und einem Steuerungssystem, das schematisch durch das Bezugszeichen 30 bezeichnet ist, wirksam gekoppelt. Das TMS 12 ist mit einem Kühlsystem wirksam gekoppelt, das schematisch mit dem Bezugszeichen 40 bezeichnet ist.
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2 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung, die das TMS 12 in einem weiteren Detail veranschaulicht. Das TMS 12 enthält einen ersten Wärmetauscher (HEX) 50, einen zweiten Wärmetauscher 52, Wärmeübertragungselemente 54, Druckplatten 56, 58 und eine thermoelektrische Anordnung 60. Der Wärmetauscher 50 ist mit einer Ableitseite der TE-Anordnung 60 thermisch gekoppelt. Der Wärmetauscher 50 nimmt von der TE-Anordnung 60 Wärme entgegen und überträgt die Wärme an die Umgebung. Der Wärmetauscher 50 kann ein Mehrfach-Anschluss-Rohr-Wärmetauscher (Multiple-Port-Pipe / MPP) sein, wie gezeigt und nun weiter beschrieben, die vorliegende Lehre ist jedoch nicht auf Mehrfach-Anschluss-Rohr-Wärmetauscher eingeschränkt.
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Der Wärmetauscher 50 enthält einen ersten Kühlmittelverteiler 70, Kühlmittel-Einlass- und -auslassanschlüsse 72 und 74, ein Mehrfach-Anschluss-Rohr (MPP) 76 und einen zweiten Kühlmittelverteiler 78. Zusammen bilden der Kühlmittelverteiler 70 und die Kühlmittel-Einlass- und -auslass-Anschlüsse 72 und 74 einen Einlass und einen Auslass. Der Einlass und der Auslass sind durch die Öffnungen im Kühlmittelverteiler 70 und dem Kühlmittel-Einlass- und -auslass-Anschlüssen 72 und 74 in den 1 und 2 veranschaulicht. Ein zwischen dem Wärmetauscher 50 und dem Kühlsystem 40 zirkulierendes Kühlmittel gelangt durch den Einlass in den Wärmetauscher 50 und gelangt durch den Auslass aus dem Wärmetauscher 50. Die Kühlmittel-Einlass- und -auslass-Anschlüsse 72 und 74 verbinden den Wärmetauscher 50 mit dem Kühlsystem 40 in einer Fluid- und einer mechanischen Verbindung.
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Der Wärmetauscher 52 ist mit einer Hauptseite der TE-Anordnung 60 auf einer ersten Seite oder Hauptoberfläche und die Wärmeübertragungselemente 54 auf einer zweiten Seite oder einer Hauptoberfläche gegenüber der ersten Seite thermisch gekoppelt. Der Wärmetauscher 52 nimmt von dem Akku 10 erzeugte Wärme von den Wärmeübertragungselementen 54 auf und überträgt die Wärme an die TE-Anordnungen 60. Der Wärmetauscher 52 kann ein Wärmespreizer sein, der, wie gezeigt, eine allgemein plane Form hat, die vorliegende Lehre ist jedoch nicht auf Wärmespreizer eingeschränkt.
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Die Wärmeübertragungselemente 54 sind jeweils zwischen einem Paar entsprechender nebeneinanderliegender Zellen 22 in einer ersten Richtung entlang der Achse X angeordnet und mit diesen thermisch gekoppelt. Die Wärmeübertragungselemente 54 sind jeweils zwischen entsprechenden nebeneinanderliegenden Zellen 22 und dem Wärmetauscher 52 in einer zweiten Richtung entlang der Achse Z angeordnet. Die Wärmeübertragungselemente 54 empfangen von den Zellen 22 in der ersten Richtung Wärme und übertragen die Wärme in der zweiten Richtung an den Wärmetauscher 52. Die Wärmeübertragungselemente 54 können wärmeleitfähige Rippen sein, die allgemein eine „T“-Form haben, wie gezeigt, auch wenn die vorliegende Lehre nicht auf Wärmeübertragungselemente einer bestimmten Form eingeschränkt ist.
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Die Druckplatten 56, 58 arbeiten mit dem Wärmetauscher 50 und dem Wärmetauscher 52 zusammen und koppeln hierdurch den Wärmetauscher 50, den Wärmetauscher 52 und die TE-Anordnung 60 mechanisch. In verschiedenen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Lehre drücken die Druckplatten 56, 58 die TE-Anordnung 60 zwischen dem Wärmetauscher 50 und dem Wärmetauscher 52 in einer Richtung entlang der Z-Achse zusammen. Gemäß dem vorliegenden Beispiel sind die Druckplatten 56 und 58 an gegenüberliegenden Seiten des MPP 76 entlang der Y-Achse angeordnet und überlappen diese. Die Druckplatten 56 und 58 sind jeweils getrennt über Befestigungsschrauben 80, die in Gewindebohrungen 82 in Gewindeeingriff sitzen, die im Wärmetauscher 52 ausgebildet sind, am Wärmetauscher 52 befestigt.
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Die TE-Anordnung 60 enthält komplementäre Arrays thermoelektrischer Vorrichtungen (TEDs) 90, Wärmeübertragungsschichten oder Thermofolie 92, einen Isolator 94 und Stromträger 96. In verschiedenen Ausführungsformen können gemäß der vorliegenden Lehre die Anordnung der TEDs 90 und der Thermofolie 92 variieren. In einem in 2 gezeigten Beispiel sind die TEDs 90 in einem ersten Array von zwei mal vier Elementen angeordnet. Die Thermofolie 92 ist in einem komplementären zweiten Array von zwei mal vier Elementen auf einer Ableitseite der TE-Anordnung angeordnet, und ist ein komplementäres drittes Array von zwei mal vier Elementen auf der Hauptseite der TE-Anordnung angeordnet. In einem weiteren in 3 veranschaulichten und im Einzelnen weiter unten beschriebenen Beispiel sind die TEDs 90 und die Thermofolie 92 in ähnlicher Weise in Arrays von zwei mal vier Elementen angeordnet. Die Thermofolie 92 ist ein wärmeleitfähiges Teil, das aus einem wärmeleitfähigen Material ist und kann eine Wärmeleitpaste sein.
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Der Isolator 94 ist ein thermisch und elektrisch isolierendes Teil. Der Isolator 94 ist dazu konfiguriert, die TEDs 90 aufzunehmen und zu halten. Der Isolator 94 ist ferner dazu konfiguriert, die Stromträger 96 aufzunehmen und zu halten, so dass während des Zusammensetzens der TE-Anordnung 60 der Isolator 94 und die Stromträger 96 zusammen auf die verbleibenden Komponenten montiert werden können und die Stromträger 96 zwischen den TEDs 90 elektrische Verbindungen herstellen können. Auf diese Weise dient der Isolator 94 als ein Träger zum Halten der Stromträger 96 und der TEDs 90 in einer gewünschten Positionsbeziehung relativ zum Isolator 94 und zueinander während der Montage und in der letztendlich zusammengesetzten TE-Anordnung 60.
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3 ist ein Blockdiagramm, in dem schematisch eine weitere TE-Anordnung 60' gemäß der vorliegenden Lehre veranschaulicht ist. 4 ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A von 3, in der im weiteren Detail die TE-Anordnung 60' schematisch veranschaulicht ist. 5 ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie B-B von 3, in der im weiteren Detail die TE-Anordnung 60' schematisch veranschaulicht ist. Die TE-Anordnung 60 und die TE-Anordnung 60' sind sich im Wesentlichen ähnlich außer, wie oben angemerkt, hinsichtlich der Anzahl und Anordnung der TEDs und der Thermofolie. In den Zeichnungen und der folgenden Beschreibung der TE-Anordnung 60' werden ähnliche Bezugszeichen wiederverwendet (z.B. 60, 60'), um eine Beziehung zwischen Bezugselementen anzuzeigen vor dem Hintergrund, dass die Beschreibung der TE-Anordnung 60', wenn nicht anders angegeben, in gleicher Weise auf die TE-Anordnung 60 angewendet werden kann.
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Die TE-Anordnung 60' enthält komplementäre Arrays thermoelektrischer Vorrichtungen (TEDs) 90', die Wärmeübertragungsschichten oder leitfähige Platten 91', Wärmeleitpaste 92', einen Isolator 94' und Stromträger 96' enthalten, die in Beziehung zueinander angeordnet sind. Die TEDs 90' enthalten jeweils eines oder mehrere thermoelektrische Elemente und Leitungen, die Anschlüsse 100' und optional elektrische Isolatoren 102' zum Isolieren entsprechender Anschlüsse 100' und danebenliegender elektrisch leitfähiger Strukturen umfassen. Zwei der Anschlüsse 100' können mit positiven und negativen Leitungsdrähten 104' und 106' verbunden sein, welche die TE-Anordnung 60' mit der Stromversorgung und dem Steuerungssystem 30 verbinden. Die leitfähigen Platten 91' sind alle aus wärmeleitfähigem Material. Die Anschlüsse 100' enthalten Aufnahmen 108', die mit entsprechenden Stromträgern 96' in Eingriff sind oder diese kontaktieren.
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Der Isolator 94' ist ein thermisch und elektrisch leitfähiges Teil und kann aus einem beliebigen Material mit einer entsprechend niedrigen Wärmeleitfähigkeit und einer entsprechend niedrigen elektrischen Leitfähigkeit sein. Der Isolator 94' kann ein monolithisches Teil (d.h. ein einstückiges Teil) sein oder zwei oder mehr Teile umfassen. Im vorliegenden Beispiel ist der Isolator 94' ein monolithisches Teil, das aus einem Kunststoff- oder Polymermaterial besteht. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Polymermaterial Polypropylen (PP), Polyamid-6-6 (PA66), Akrylonitrilbutadienstyren (ABS) sein. Der Isolator 94' enthält Öffnungen 110' und Aufnahmen 112'. Die Öffnungen 110' nehmen und halten jeweils ein Entsprechendes der TEDs 90' in seiner gewünschten Position innerhalb des TE-Arrays. Wie am besten aus den 4 und 5 hervorgeht, erstrecken sich die Öffnungen 110' durch den Isolator 94 zwischen einer ersten Seite 120', die zum Wärmetauscher 50 hinzeigt, und einer zweiten Seite 122', die zum Wärmetauscher 52 zeigt, in einer seitlichen Richtung entlang der Achse Z. Die Aufnahmen 112' nehmen jeweils entsprechende Stromträger 96' auf und halten diese fest, und sind in Querrichtung zwischen der ersten und der zweiten Seite 120' und 122' angeordnet. Der Isolator 94' kann dazu konfiguriert sein, die gesamte oder einen Teil der Drucklast aufzunehmen, die durch die Druckplatten 56, 58 aufgebracht wird. Zum Beispiel kann eine Dicke des Isolators 94' in der Querrichtung kleiner oder gleich oder größer als eine Dicke der TEDs 90' sein, so dass die Druckkräfte zwischen dem Isolator 94' und den TEDs 90' aufgeteilt werden.
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6 ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie B-B von 3, in der schematisch die Stromträger 96' in weiterem Detail veranschaulicht sind. 6 veranschaulicht ferner eine beispielhafte elektrische Verbindung 200', die durch einen engen Kontakt und Druckkräfte zwischen den Stromträgern 96' und den Anschlüssen 100' hergestellt wird. Die Druckkräfte sind in 6 mit Pfeilen dargestellt. Die Stromträger 96' sind aus einem elektrisch leitfähigen Material. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Material Aluminium, Kupfer oder Bronze sein, das verzinnt oder unverzinnt sein kann. In verschiedenen Ausführungsformen sind die Stromträger 96' im Wesentlichen identisch, die vorliegende Lehre gilt jedoch auch für Stromträger, die in gewisser Hinsicht, zum Beispiel in ihrer Länge, unterschiedlich sind. Die Stromträger 96' enthalten jeweils eine Brücke 210', welche die Enden 212', 214' miteinander verbindet. Die Brücke 210' ist innerhalb einer Entsprechenden der Aufnahmen 112' in Eingriff und an diesen lösbar befestigt. In verschiedenen Ausführungsformen ist die Brücke 210' mit den Aufnahmen 112' in einem Reibsitz und/oder einem Schnappsitz in Eingriff.
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Die Enden 212', 214' sind c-förmig und bilden eine lineare Flexurfeder eines kragarmartigen Typs. Die Flexurfeder stellt einen elektrischen Kontakt zwischen der Brücke 210' und den Stromträgern 96' her. Während des Betriebs der TE-Anordnung 60' hält die Flexurfeder diesen Kontakt durch Speichern und Freisetzen mechanischer Energie her, während ein Druck oder eine Kraft auf die TE-Anordnung 60' in der Z-Richtung aufgrund thermischer Ausdehnung und Kontraktion der TE-Anordnung 60' variiert. Die Enden 212', 214' enthalten konvexe Fortsätze 222' bzw. 224'. Die konvexen Fortsätze 222', 224' sind mit entsprechenden Konkavitäten 232' bzw. 234', die in den Anschlüssen 100' ausgebildet sind in Eingriff und in engem Kontakt. In verschiedenen Ausführungsformen kann zwischen dem Isolator 94' und dem Anschluss 100' in einem zusammengesetzten Zustand ein Spalt G vorhanden sein. Alternativ dazu kann auch im zusammengesetzten Zustand der Spalt G nicht vorhanden sein und der Anschluss 100' als ein Anschlag dienen.
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7 ist eine Schnittdarstellung, welche andere Träger 96" darstellt, die eine alternative Verbindung 300" für eine thermoelektrische Anordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht. Die Verbindung 300" wird durch einen Eingriff in einem Reibesitz zwischen männlichen und weiblichen Teilen hergestellt. Die Träger 96'' sind im Wesentlichen ähnlich den Trägern 96', bis auf das hier Beschriebene. Männliche Teile 310'' ersetzen die Fortsätze 222', 224' und sind an die Enden 222", 224" angelötet. Die männlichen Teile 310" sind röhrenförmige Anschlüsse mit einer sich verjüngenden konturierten Außenoberfläche, die einen Eingriff ermöglicht. Die weiblichen Teile 312'' sind in den Anschlüssen 100'' ausgebildet, die eine allgemein zylindrische Form haben.
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Ein beispielhaftes Verfahren 400 zum Herstellen oder Zusammensetzen einer TE-Anordung enthält die folgenden Schritte:
- 1. Vorsehen eines isolierenden Teils, das a) Öffnungen, die sich von einer ersten Seite zu einer zweiten Seite durch das isolierende Teil erstrecken, und b) Aufnahmen, die zwischen der ersten und der zweiten Seite angeordnet sind, aufweist (Schritt 402).
- 2. Einsetzen von Stromträgern innerhalb der Aufnahmen (Schritt 404).
- 3. Aufnehmen thermoelektrischer Vorrichtungen in den Öffnungen, wobei die thermoelektrischen Vorrichtungen Anschlüsse haben (Schritt 406).
- 4. Elektrisches Verbinden der thermoelektrischen Vorrichtungen über die Stromträger (408).
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In verschiedenen Ausführungsformen wird der Schritt 408 zum elektrischen Verbinden der thermoelektrischen Vorrichtungen während des Schritts 406 zum Aufnehmen der thermoelektrischen Vorrichtungen innerhalb der Öffnungen durchgeführt. Ferner kann der Schritt 408 zum elektrischen Verbinden a) Drücken der Stromträger gegen die Anschlüsse (Schritt 410) und/oder b) dass einer der Anschlüsse oder die Stromträger einen Entgegengesetzten der Anschlüsse oder der Stromträger in einer Druckpassung aufnehmen (Schritt 412), enthalten.
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Dem Fachmann wird klar sein, dass Wärmemanagementsysteme gemäß der vorliegenden Lehre eines oder mehrere der folgenden Merkmale und einen oder mehrere der folgenden Vorteile enthalten können.
- 1. Während der Herstellung kann ein monolithisches Kunststoffteil als ein Träger dienen, der eine Mehrzahl von TEDs an Ort und Stelle hält und eine exakte Reproduzierbarkeit garantieren.
- 2. In einer fertiggestellten thermoelektrischen Anordnung kann das Kunststoffteil eine Wärmeisolation zwischen den Wärmetauschern auf der Hauptseite und der Ableitseite vorsehen, die mit thermoelektrischen Vorrichtungen gekoppelt sind, wie zum Beispiel einem Wärmespreizer und einem MPP, wie anhand der 1 - 5 veranschaulicht und beschrieben.
- 3. Leitfähige Anschlüsse, die zum Verbinden der TEDs verwendet werden, wie zum Beispiel Kupferanschlüsse, die einen Reibe-, Schnapp- und/oder Drucksitz verwenden, können den Wirkungsgrad bei der Herstellung die Reproduzierbarkeit einer thermoelektrischen Anordnung verbessern.
- 4. Ein Stromträger, der leitfähige Anschlüsse hat, kann anstelle herkömmlicher Drähte oder Kabel zur Verbindung von TEDs eingesetzt werden.
- 5. Konstruktionen für thermoelektrische Anordnungen, die TEDs verwenden, die durch leitfähige Anschlüsse ohne Kabel miteinander verbunden sind, können geringere Kosten und geringer Komplexität aufweisen und in der Herstellung und der Reproduzierbarkeit günstiger als herkömmliche Konstruktionen thermoelektrischer Anordnungen sein.
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Die Erörterung der verschiedenen Ausführungsformen folgte hier den in den Figuren schematisch veranschaulichten Ausführungsformen. Es ist jedoch in Betracht gezogen, dass die besonderen Merkmale, Strukturen oder Charakteristiken beliebiger hier erörterter Ausführungsformen in geeigneter Weise in einer oder in mehreren getrennten Ausführungsformen kombiniert werden können, die hier nicht ausdrücklich veranschaulicht oder beschrieben sind. In vielen Fällen können Strukturen, die hier als einstückig oder durchgehend beschrieben oder veranschaulicht sind, getrennt werden, während sie immer noch die Funktion bzw. die Funktionen der einstückigen Struktur erfüllen. In vielen Fällen können Strukturen, die hier als getrennt beschrieben oder veranschaulicht sind, zusammengefügt oder kombiniert werden, während sie immer noch die Funktion bzw. die Funktionen der getrennten Strukturen erfüllen.
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Oben wurden verschiedene Ausführungsformen beschrieben. Auch wenn die vorliegende Lehre anhand dieser spezifischen Ausführungsformen beschrieben wurde, sollen die Beschreibungen veranschaulichenden und nicht einschränkenden Charakter haben. Verschiedene Modifikationen und Anwendungen können dem Fachmann auf diesem Gebiet einfallen, ohne dass dadurch vom Geist und Umfang der hier beschriebenen Lehre abgewichen wird.
