DE202016106782U1

DE202016106782U1 - Wärmeübertragungsvorrichtung

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Publication number: DE202016106782U1
Application number: DE202016106782.0U
Authority: DE
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2016-12-06
Filing date: 2016-12-06
Publication date: 2017-12-12
Anticipated expiration: 2026-12-07
Also published as: US20190339013A1; CN109891611B; JP7044781B2; JP2020513526A; WO2018104081A1; CN109891611A

Abstract

Wärmeübertragungsvorrichtung, umfassend ein fluiddichtes erstes Gehäuse (12) und mindestens ein fluiddichtes zweites Gehäuse (20), wobei das mindestens eine zweite Gehäuse (20) in dem ersten Gehäuse (12) angeordnet ist, in dem mindestens einen zweiten Gehäuse (20) ein fluiddichtes drittes Gehäuse (36) angeordnet ist, zwischen dem ersten Gehäuse (12) und dem mindestens einen zweiten Gehäuse (20) ein erster Mediumstrom (54) geführt ist, und wobei in dem dritten Gehäuse (36) ein zweiter Mediumstrom (48) geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsvorrichtung eine Wärmespeichereinrichtung (38; 112) mit einem Wärmeleitmedium (74) umfasst, dass die Wärmespeichereinrichtung (34; 112) zwischen dem mindestens einen zweiten Gehäuse (20) und dem dritten Gehäuse (36) angeordnet ist, und dass die Wärmespeichereinrichtung (34; 112) in thermischem Kontakt mit dem mindestens einen zweiten Gehäuse (20) und dem dritten Gehäuse (36) steht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungsvorrichtung, umfassend ein fluiddichtes erstes Gehäuse und mindestens ein fluiddichtes zweites Gehäuse, wobei das mindestens eine zweite Gehäuse in dem ersten Gehäuse angeordnet ist, in dem mindestens einen zweiten Gehäuse ein fluiddichtes drittes Gehäuse angeordnet ist, zwischen dem ersten Gehäuse und dem mindestens einen zweiten Gehäuse ein erster Mediumstrom geführt ist, und wobei in dem dritten Gehäuse ein zweiter Mediumstrom geführt ist.
Aus der DE 10 2010 042 603 A1 ist eine thermoelektrische Generatorvorrichtung bekannt. Die thermoelektrische Generatorvorrichtung umfasst ein fluiddichtes erstes Gehäuse, mindestens ein fluiddichtes zweites Gehäuse, welches in dem ersten Gehäuse angeordnet ist, wobei zwischen dem ersten Gehäuse und dem mindestens einen zweiten Gehäuse ein erster Mediumstrom geführt ist, ein fluiddichtes drittes Gehäuse, welches in dem mindestens einen zweiten Gehäuse angeordnet ist, wobei in dem dritten Gehäuse ein zweiter Mediumstrom geführt ist, und mindestens ein thermoelektrisches Modul, welches zwischen dem mindestens einen zweiten Gehäuse und dem dritten Gehäuse angeordnet ist. Das mindestens eine thermoelektrische Modul steht mit einer Seite in thermischem Kontakt mit dem zweiten Gehäuse und steht mit einer zweiten Seite in thermischem Kontakt mit dem dritten Gehäuse.
Aus der DE 10 2013 112 911 A1 ist eine thermoelektrische Generatorvorrichtung bekannt, umfassend ein Gehäuse und mindestens eine Kombination mit den Komponenten erster Kaltwärmeübertrager, zweiter Kaltwärmeübertrager, erste thermoelektrische Lage, zweite thermoelektrische Lage und Heißwärmeübertrager, wobei in der mindestens einen Kombination der Heißwärmeübertrager zwischen der ersten thermoelektrischen Lage und der zweiten thermoelektrischen Lage angeordnet ist, der erste Kaltwärmeübertrager an der ersten thermoelektrischen Lage und der zweite Kaltwärmeübertrager an der zweiten thermoelektrischen Lage angeordnet ist, und wobei die mindestens eine Kombination in dem Gehäuse positioniert ist. Bei der thermoelektrischen Generatorvorrichtung ist vorgesehen, dass eine erste Innenseite einer ersten Wand des Gehäuses in direktem flächigen mechanischen Kontakt mit dem ersten Kaltwärmeübertrager der mindestens einen Kombination steht oder die erste Wand eine Wandung des ersten Kaltwärmeübertragers bildet, dass eine der ersten Innenseite gegenüberliegende zweite Innenseite einer zweiten Wand des Gehäuses in direktem flächigen mechanischen Kontakt mit dem zweiten Kaltwärmeübertrager der mindestens einen Kombination oder einer weiteren Kombination steht oder eine Wandung des zweiten Kaltwärmeübertragers ausbildet, und dass das Gehäuse durch Formschluss mindestens bei einem Betriebspunkt oder Betriebspunktbereich der thermoelektrischen Generatorvorrichtung einen Anpressdruck bereitstellt, welcher die Komponenten der mindestens einen Kombination gegeneinander verspannt und in dem Gehäuse einspannt.
Aus der DE 10 2013 105 294 A1 ist ein Wärmeübertrager mit mindestens einem Wärmeübertragungselement bekannt. Das mindestens eine Wärmeübertragungselement ist aus einem metallischen Material hergestellt und durch das mindestens eine Wärmeübertragungselement ist Wärme übertragbar. An dem mindestens einen Wärmeübertragungselement ist stoffschlüssig eine elektrische Isolierschicht angeordnet, durch welche ein Wärmestrom durchleitbar ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmeübertragungsvorrichtung bereitzustellen, welche auf konstruktiv einfache Weise aufgebaut ist und bei welcher im Betrieb die Wärmeübertragung zwischen den Komponenten verbessert ist.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Wärmeübertragungsvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Wärmeübertragungsvorrichtung eine Wärmespeichereinrichtung mit einem Wärmeleitmedium umfasst, dass die Wärmespeichereinrichtung zwischen dem mindestens einen zweiten Gehäuse und dem dritten Gehäuse angeordnet ist, und dass die Wärmespeichereinrichtung in thermischem Kontakt mit dem mindestens einen zweiten Gehäuse und dem dritten Gehäuse steht.
Der zweite Mediumstrom ist beispielsweise ein Heißmediumstrom, z. B. ein Abgasstrom eines Verbrennungsmotors. Der erste Mediumstrom ist dann ein Kaltmediumstrom mit beispielsweise Kühlwasser als Kühlmedium.
Der erste Mediumstrom und der zweite Mediumstrom lassen sich auf einfache Weise ohne Kontakt miteinander führen, wobei der konstruktive Aufwand zur Verhinderung des Kontakts minimiert ist.
Ferner lässt sich auf einfache Weise eine Kühlung des mindestens einen zweiten Gehäuses durch Umspülen mit dem ersten Mediumstrom erreichen.
Durch die Wärmespeichereinrichtung können Schwankungen einer Wärmeabgabe des Heißmediumstroms zumindest teilweise ausgeglichen werden. Es werden dadurch Schwankungen der Wärmeabgabe an andere Komponenten, wie beispielsweise an ein thermoelektrisches Modul, verringert. Die Wärmespeichereinrichtung kann in Zeiten hoher Wärmeabgabe durch den Heißmediumstrom Wärme speichern und die gespeicherte Wärme in Zeiten geringer Wärmeabgabe durch den Heißmediumstrom wieder abgeben. Hierdurch werden Schwankungen eines Wärmestroms, beispielsweise an dem thermoelektrischen Modul, verringert. Hierdurch wird der Wirkungsgrad des thermoelektrischen Moduls erhöht.
Das Wärmeleitmedium ist oder umfasst insbesondere ein Phasenwechselmedium. Durch das Phasenwechselmedium kann auf einfache Weise Wärme gespeichert werden und die gespeicherte Wärme wieder abgegeben werden. Es lässt sich dadurch die Wärmespeichereinrichtung auf technische einfache Weise realisieren.
Günstig ist es, wenn in dem ersten Gehäuse eine Mehrzahl von parallelen fluiddicht getrennten Kanälen gebildet ist. Dadurch lässt sich eine große Wärmemenge übertragen.
Vorteilhaft ist es, wenn die Kanäle in einem ersten Teilbereich eines Innenraums des ersten Gehäuses zwischen dem ersten Gehäuse und dem mindestens einen zweiten Gehäuse gebildet sind. Es lässt sich dadurch eine verbesserte Wärmeübertragung zwischen dem ersten Gehäuse und dem mindestens einen zweiten Gehäuse erreichen. Dadurch wird eine Wärmeübertragung zwischen dem ersten Mediumstrom und der Wärmeübertragungsvorrichtung verbessert.
Insbesondere sind die Kanäle in einem zweiten Teilbereich eines Innenraums des ersten Gehäuses zwischen mehreren zweiten Gehäusen gebildet. Dadurch wird eine verbesserte Wärmeübertragung zwischen mehreren zweiten Gehäusen erreicht. Es lässt sich dadurch eine Wärmeübertragung zwischen dem ersten Mediumstrom und der Wärmeübertragungsvorrichtung weiter verbessern.
Insbesondere ist in einem Innenraum des dritten Gehäuses eine Mehrzahl von fluiddicht getrennten Kanälen gebildet. Dadurch lässt sich eine große Wärmemenge von dem zweiten Mediumstrom auf das dritte Gehäuse übertragen.
Günstig ist es, wenn dem ersten Gehäuse mindestens ein Eingangsanschluss und mindestens ein Ausgangsanschluss für den ersten Mediumstrom zugeordnet sind. Dadurch lässt sich der erste Mediumstrom durch das erste Gehäuse durchführen und beispielsweise lässt sich das mindestens eine zweite Gehäuse in dem ersten Gehäuse mit dem ersten Mediumstrom umspülen.
Insbesondere sind dem dritten Gehäuse mindestens ein Eingangsanschluss und mindestens ein Ausgangsanschluss für den zweiten Mediumstrom zugeordnet. Dadurch lässt sich das dritte Gehäuse mit dem zweiten Mediumstrom durchströmen.
Beispielsweise sind Anschlüsse für den ersten Mediumstrom und Anschlüsse für den zweiten Mediumstrom an quer zueinander liegenden Seiten des ersten Gehäuses angeordnet. Dadurch lässt sich der Aufwand für Verteilungsvorrichtungen minimieren. Ferner lassen sich der erste Mediumstrom und der zweite Mediumstrom auf einfache Weise so trennen, dass diese nicht in Kontakt miteinander kommen.
Es ist ferner günstig, wenn eine Strömungsrichtung des ersten Mediumstroms quer zu einer Strömungsrichtung des zweiten Mediumstroms orientiert ist. Dadurch lässt sich die Wärmeübertragungsvorrichtung auf einfache Weise mit dem ersten Mediumstrom und dem zweiten Mediumstrom durchströmen. Der erste Mediumstrom und der zweite Mediumstrom können dann aus verschiedenen Richtungen auf die Wärmeübertragungsvorrichtung ein- bzw. ausströmen.
Insbesondere ist eine Strömungsrichtung des ersten Mediumstroms parallel zu einer Strömungsrichtung des zweiten Mediumstroms orientiert. Dadurch kann die Wärmeübertragungsvorrichtung auf einfache Weise von dem ersten Mediumstrom und dem zweiten Mediumstrom durchströmt werden. Der erste Mediumstrom und der zweite Mediumstrom können dann aus den gleichen Richtungen auf die Wärmeübertragungsvorrichtung einströmen bzw. von dieser ausströmen.
Insbesondere ist ein Mediumstrom aus dem ersten Mediumstrom und dem zweiten Mediumstrom ein Kaltmediumstrom und der andere Mediumstrom ein Heißmediumstrom. Dadurch lässt sich ein Wärmestrom zwischen dem mindestens einen zweiten Gehäuse und dem dritten Gehäuse realisieren, welcher beispielsweise von einer thermoelektrischen Moduleinrichtung genutzt werden kann.
Günstig ist es, wenn das dritte Gehäuse dem mindestens einen zweiten Gehäuse zugewandt mindestens einen ebenen Wandungsbereich aufweist. An dem ebenen Wandungsbereich kann ein thermoelektrisches Modul und/oder ein Wärmespeicherelement mit einer ebenen Seite anliegen. Dadurch lässt sich ein gleichmäßiger vollflächiger Anpressdruck erreichen. Dadurch lassen sich insbesondere thermomechanische Spannungen minimieren und eine Wärmeleitung zwischen den Komponenten verbessern.
Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn das mindestens eine zweite Gehäuse dem dritten Gehäuse zugewandt mindestens einen ebenen Wandungsbereich aufweist. An diesem ebenen Wandungsbereich kann dann das thermoelektrische Modul und/oder das Wärmespeicherelement mit einer ebenen Seite anliegen.
Insbesondere ist mindestens ein Wärmespeicherelement der Wärmespeichereinrichtung an den ebenen Wandungsbereich oder an die ebenen Wandungsbereiche angelegt. Dadurch lässt sich auf einfache Weise ein thermischer mechanischer Kontakt zwischen dem mindestens einen Wärmespeicherelement mit diesen ebenen Wandungsbereichen herstellen. Es lässt sich dadurch auf einfache Weise das mindestens eine Wärmespeicherelement zwischen dem dritten Gehäuse und dem mindestens einen zweiten Gehäuse mit einem vollflächigen Anpressdruck einspannen. Dies wiederum reduziert die thermomechanischen Spannungen und verbessert die thermische Leitfähigkeit.
Insbesondere steht mindestens ein Wärmespeicherelement der Wärmespeichereinrichtung mit einer ersten Seite in thermischem Kontakt mit dem mindestens einen zweiten Gehäuse und mit einer zweiten Seite in thermischem Kontakt mit dem dritten Gehäuse. Dadurch kann auf einfache Weise ein thermischer Kontakt zwischen dem Wärmespeicherelement und dem ersten Mediumstrom sowie dem zweiten Mediumstrom hergestellt werden. Es kann dadurch der Wärmespeichereinrichtung auf einfache Weise Wärme zugeführt und von der Wärmespeichereinrichtung auf einfache Weise Wärme abgeführt werden.
Günstig ist es dann, wenn an gegenüberliegenden Seiten des dritten Gehäuses jeweils mindestens ein Wärmespeicherelement positioniert ist, und insbesondere, wenn das dritte Gehäuse zwischen gegenüberliegenden Wärmespeicherelementen positioniert ist, und insbesondere, wenn die gegenüberliegenden Wärmespeicherelemente Abstandshalter für die Positionierung des dritten Gehäuses in dem mindestens einen zweiten Gehäuse bilden. Dadurch lässt sich die Wärmeübertragungsvorrichtung auf einfache Weise ausbilden.
Insbesondere umfasst das mindestens eine Wärmespeicherelement ein Gehäuse, wobei in einem Innenraum des Gehäuses das Wärmeleitmedium angeordnet ist. Dadurch lassen sich das Wärmespeicherelement bzw. die Wärmespeichereinrichtung einfach und kompakt realisieren.
Günstig ist es, wenn das Wärmeleitmedium der Wärmespeichereinrichtung in einem zwischen dem mindestens einen zweiten Gehäuse und dem dritten Gehäuse gebildeten Innenraum positioniert ist. Dadurch lässt sich auf einfache Weise ein thermischer Kontakt zwischen dem mindestens einen zweiten Gehäuse und dem dritten Gehäuse herstellen. Es wird dadurch die Wärmeübertragungsvorrichtung kompakt ausgeführt.
Günstig ist es dann, wenn das Leitmedium den Innenraum vollständig einnimmt. Das dritte Gehäuse kann dann beispielsweise von dem Wärmeleitmedium innerhalb des zweiten Gehäuses gehalten werden. Dadurch lässt sich ferner der thermische Kontakt zwischen dem Wärmeleitmedium und dem zweiten Gehäuse sowie dem dritten Gehäuse weiter verbessern.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Wärmeübertragungsvorrichtung eine thermoelektrische Moduleinrichtung auf, welche in thermischem Kontakt mit der Wärmespeichereinrichtung und dem mindestens einen zweiten Gehäuse steht. Durch die thermoelektrische Moduleinrichtung lässt sich ein aufgrund einer Temperaturdifferenz des ersten Mediumstroms und des zweiten Mediumstroms vorliegender Wärmestrom zur direkten Erzeugung von elektrischer Energie aufgrund des Seebeck-Effekts nutzen.
Insbesondere umfasst die thermoelektrische Moduleinrichtung mindestens ein thermoelektrisches Modul, wobei das mindestens eine thermoelektrische Modul mit einer ersten Seite in thermischem Kontakt mit dem mindestens einen zweiten Gehäuse steht und mit einer zweiten Seite in thermischem Kontakt mit der Wärmespeichereinrichtung steht. Dadurch lässt sich die thermoelektrische Moduleinrichtung auf einfache Weise in die Wärmeübertragungsvorrichtung integrieren. Das thermoelektrische Modul steht dann über die Wärmespeichereinrichtung in einem indirekten thermischen Kontakt mit dem zweiten Mediumstrom. Auf diese Weise können beispielsweise zeitliche Schwankungen in einer Temperaturabgabe durch den zweiten Mediumstrom von der Wärmespeichereinrichtung zumindest weitgehend ausgeglichen werden. In diesem Fall werden dadurch die Temperaturschwankungen und Schwankungen eines Wärmestroms an der thermoelektrischen Moduleinrichtung verringert. Dadurch wird ein Wirkungsgrad der thermoelektrischen Moduleinrichtung erhöht.
Günstig ist es, wenn an gegenüberliegenden Seiten des mindestens einen zweiten Gehäuses jeweils ein thermoelektrisches Modul der thermoelektrischen Moduleinrichtung positioniert ist. Es sind dann die Wärmespeichereinrichtung und das dritte Gehäuse in dem zweiten Gehäuse zwischen gegenüberliegenden thermoelektrischen Modulen positioniert und insbesondere zwischen diesen eingespannt. Die gegenüberliegenden thermoelektrischen Module bilden dann Abstandshalter für die Positionierung der Wärmespeichereinrichtung und des dritten Gehäuses in dem zweiten Gehäuse.
Aus dem gleichen Grund ist es vorteilhaft, wenn das dritte Gehäuse zwischen gegenüberliegenden Kombinationen aus thermoelektrischen Modulen und Wärmespeicherelementen der Wärmespeichereinrichtung positioniert ist, und insbesondere wenn die gegenüberliegenden Kombinationen Abstandshalter für die Positionierung des dritten Gehäuses in dem mindestens einen zweiten Gehäuse bilden. Es ist dann das dritte Gehäuse in dem zweiten Gehäuse zwischen gegenüberliegenden thermoelektrischen Modulen und Wärmespeicherelementen positioniert und insbesondere zwischen diesen eingespannt. Die gegenüberliegenden thermoelektrischen Module und Wärmespeicherelemente bilden dann Abstandshalter für die Positionierung des dritten Gehäuses in dem zweiten Gehäuse.
Insbesondere ist zwischen dem mindestens einen zweiten Gehäuse und dem dritten Gehäuse ein viertes Gehäuse angeordnet, welches in thermischem Kontakt mit der Wärmespeichereinrichtung der thermoelektrischen Moduleinrichtung steht, wobei das dritte Gehäuse innerhalb des vierten Gehäuses angeordnet ist, die Wärmespeichereinrichtung zwischen dem dritten Gehäuse und dem vierten Gehäuse angeordnet ist, und wobei die thermoelektrische Moduleinrichtung zwischen dem vierten Gehäuse und dem mindestens einen zweiten Gehäuse angeordnet ist. Durch die Anordnung der Wärmespeichereinrichtung zwischen dem dritten Gehäuse und dem vierten Gehäuse kann eine Wärmeübertragung zwischen dem zweiten Mediumstrom und der Wärmespeichereinrichtung weiter verbessert werden. Das Wärmeleitmedium der Wärmespeichereinrichtung kann dann beispielsweise derart angeordnet werden, dass es das dritte Gehäuse vollständig umgibt. Dadurch lässt sich die Wärmeübertragungsvorrichtung einfach und kompakt ausführen und die Wärmeleitung zwischen den Komponenten verbessern.
Günstig ist es, wenn das Wärmeleitmedium der Wärmespeichereinrichtung in einem zwischen dem dritten Gehäuse und dem vierten Gehäuse gebildeten Innenraum positioniert ist. Es lässt sich dadurch das Wärmeleitmedium der Wärmespeichereinrichtung auf einfache Weise in die Wärmeübertragungsvorrichtung integrieren. Die Wärmeübertragungsvorrichtung kann dadurch einfach und kompakt ausgeführt werden.
Günstig ist es dann, wenn das Wärmeleitmedium den Innenraum zwischen dem dritten Gehäuse und dem vierten Gehäuse vollständig einnimmt. Das dritte Gehäuse kann dann beispielsweise von dem Wärmeleitmedium innerhalb des vierten Gehäuses gehalten werden. Dadurch wird ferner die Wärmeübertragung zwischen dem zweiten Mediumstrom und der Wärmespeichereinrichtung verbessert.
Insbesondere ist das vierte Gehäuse in dem mindestens einen zweiten Gehäuse zwischen gegenüberliegenden thermoelektrischen Modulen der thermoelektrischen Moduleinrichtung positioniert, und insbesondere bilden die gegenüberliegenden thermoelektrischen Module Abstandshalter für die Positionierung des vierten Gehäuses in dem zweiten Gehäuse. Dadurch fungieren die thermoelektrischen Module als eine Art Abstandshalter für das vierte Gehäuse und das vierte Gehäuse lässt sich zwischen den thermoelektrischen Modulen einspannen. Dadurch wiederum lässt sich eine vollflächige Anpresskraft auf die thermoelektrischen Module erzielen. Es lässt sich hierdurch der thermische Kontakt zwischen den Komponenten weiter verbessern.
Günstig ist es, wenn das vierte Gehäuse dem mindestens einen zweiten Gehäuse zugewandt mindestens einen ebenen Wandungsbereich aufweist. An dem ebenen Wandungsbereich kann ein thermoelektrisches Modul mit einer ebenen Seite anliegen. Dadurch lässt sich ein gleichmäßiger, vollflächiger Anpressdruck erreichen. Dadurch lassen sich insbesondere thermomechanische Spannungen minimieren. Hierdurch wird der thermische Kontakt zwischen den Komponenten weiter verbessert.
Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn das mindestens eine zweite Gehäuse dem vierten Gehäuse zugewandt mindestens einen ebenen Wandungsbereich aufweist. An diesem ebenen Wandungsbereich kann dann das thermoelektrische Modul mit einer ebenen Seite anliegen.
Insbesondere ist die thermoelektrische Moduleinrichtung an den ebenen Wandungsbereich oder an die ebenen Wandungsbereiche des mindestens einen zweiten Gehäuses und/oder an den ebenen Wandungsbereich oder die ebenen Wandungsbereiche des vierten Gehäuses angelegt. Dadurch lässt sich auf einfache Weise ein thermoelektrisches Modul zwischen dem zweiten Gehäuse und dem vierten Gehäuse einspannen. Das thermoelektrische Modul lässt sich dann mit einem vollflächigen Anpressdruck einspannen, was wiederum die thermomechanischen Spannungen reduziert. Weiterhin lässt sich dadurch auch das vierte Gehäuse zwischen gegenüberliegenden thermoelektrischen Modulen in dem zweiten Gehäuse einspannen.
Günstig ist es, wenn das vierte Gehäuse dem dritten Gehäuse zugewandt mindestens einen ebenen Wandungsbereich aufweist. Es lassen sich dadurch auf einfache Weise Komponenten, wie z. B. ein thermoelektrisches Modul oder ein Wärmespeicherelement, zwischen dem vierten Gehäuse und dem dritten Gehäuse anordnen. Das dritte Gehäuse kann dann beispielsweise von den thermoelektrischen Modulen und/oder den Wärmespeicherelementen innerhalb des vierten Gehäuses gehalten werden.
Günstig ist es, wenn eine Schmelztemperatur des Wärmeleitmediums einer Betriebstemperatur und insbesondere einer maximalen Betriebstemperatur der thermoelektrischen Moduleinrichtung entspricht. Es kann dadurch, beispielsweise für den Fall eines zu heißen zweiten Mediumstroms, eine Überhitzung von thermoelektrischen Modulen der thermoelektrischen Moduleinrichtung vermieden werden. Es lässt sich dadurch der Wirkungsgrad der thermoelektrischen Moduleinrichtung weiter erhöhen.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung.
Es zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Wärmeübertragungsvorrichtung;
2 eine schematische Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Wärmeübertragungsvorrichtung mit thermoelektrischen Modulen;
3 eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines thermoelektrischen Moduls;
4 eine schematische Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer Wärmeübertragungsvorrichtung;
5 eine schematische Schnittansicht eines vierten Ausführungsbeispiels einer Wärmeübertragungsvorrichtung mit thermoelektrischen Modulen;
6 eine schematische Schnittansicht eines fünften Ausführungsbeispiels einer Wärmeübertragungsvorrichtung;
7 eine schematische Schnittansicht eines sechsten Ausführungsbeispiels einer Wärmeübertragungsvorrichtung;
8 eine schematische Schnittansicht eines siebten Ausführungsbeispiels einer Wärmeübertragungsvorrichtung mit thermoelektrischen Modulen; und
9 eine schematische Schnittansicht eines achten Ausführungsbeispiels einer Wärmeübertragungsvorrichtung mit thermoelektrischen Modulen.
Ein Ausführungsbeispiel einer thermoelektrischen Wärmeübertragungsvorrichtung, welche in 1 schematisch in einer Schnittdarstellung gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst ein erstes Gehäuse 12.
Das erste Gehäuse 12 ist ein äußeres Gehäuse. Es ist mittels eines Rohrs und beispielsweise eines Kastenrohrs gebildet. Es weist bei einer Ausführungsform eine Wandung 14 mit parallel zueinander orientierten gegenüberliegenden Wänden 16a, 16b und parallel zueinander orientierten gegenüberliegenden Wänden 18a, 18b auf. Die Wände 18a, 18b liegen quer und insbesondere senkrecht zu den Wänden 16a, 16b. Die Wand 18a ist mit den Wänden 16a und 16b verbunden. Die Wand 18b ist mit den Wänden 16a und 16b verbunden. Die Wandung 14 mit ihren Wänden 16a, 16b, 18a, 18b bildet einen umlaufenden Gehäuseteil des ersten Gehäuses 12. An seinen Stirnseiten ist das erste Gehäuse 12 durch gegenüberliegende Stirnwände abgeschlossen.
In dem ersten Gehäuse 12 ist eine Mehrzahl von zweiten Gehäusen 20 angeordnet, welche insbesondere als Kapselrohre ausgebildet sind. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwei zweite Gehäuse 20 (Gehäuse 20a, Gehäuse 20b) in dem ersten Gehäuse 12 angeordnet. Es ist grundsätzlich auch möglich, dass mehr als zwei zweite Gehäuse 20 in dem ersten Gehäuse 12 angeordnet sind oder nur ein einziges zweites Gehäuse 20 in dem ersten Gehäuse 12 angeordnet ist.
Das erste Gehäuse 12 ist (bis auf unten noch näher erwähnte Anschlüsse) fluiddicht geschlossen.
Ein zweites Gehäuse 20 umfasst jeweils eine Wandung 22. Die Wandung 22 ist umlaufend geschlossen ausgebildet. Die Wandung 22 ist mit einer Achse 24 parallel zu einer Längsrichtung 26 des ersten Gehäuses 12 orientiert. Die Längsrichtung 26 ist dabei insbesondere parallel zu den Wänden 16a, 16b, 18a, 18b der Wandung 14 und liegt quer und insbesondere senkrecht zu den Stirnwänden des ersten Gehäuses 12.
Die Wandungen 22 der jeweiligen zweiten Gehäuse 20 sind beabstandet zu der Wandung 14. Ferner sind Wandungen 22 unterschiedlicher zweiter Gehäuse 20a, 20b beabstandet zueinander.
In dem ersten Gehäuse 12 ist ein Innenraum 28 gebildet. Der Innenraum 28 weist mehrere erste Teilbereiche 30 auf, welche zwischen dem jeweiligen zweiten Gehäuse 20a, 20b und der Wandung 14 liegen. Zwischen benachbarten zweiten Gehäusen 20a, 20b weist der Innenraum 28 einen oder mehrere zweite Teilbereiche 32 auf.
Das jeweilige zweite Gehäuse 20 ist fluiddicht geschlossen. In dem jeweiligen zweiten Gehäuse 20 ist eine Kombination 34 eines dritten Gehäuses 36 und einer Wärmespeichereinrichtung 38 angeordnet.
Das dritte Gehäuse 36 ist (bis auf untenstehend erläuterte Anschlüsse) fluiddicht ausgebildet. Das dritte Gehäuse 36 weist eine umlaufende Wandung 40 mit einer Achse auf, wobei die Achse zumindest näherungsweise koaxial zur Achse 24 liegt.
Das dritte Gehäuse 36 hat einen Innenraum 42, welcher in eine Mehrzahl von beabstandeten Kanälen 44 unterteilt ist, wobei alle oder eine Teilmenge der Kanäle 44 parallel zueinander ausgerichtet sind und insbesondere in der Längsrichtung 26 orientiert sind. Benachbarte Kanäle 44a, 44b sind durch eine gemeinsame fluiddichte Wandung 46 voneinander getrennt.
Jedes dritte Gehäuse 36 weist einen oder mehrere Eingangsanschlüsse und einen oder mehrere Ausgangsanschlüsse auf, welche an den Stirnwänden des ersten Gehäuses 12 ausgebildet sind. Über die Eingangsanschlüsse kann ein Strom eines Mediums, welcher im Folgenden als zweiter Mediumstrom 48 bezeichnet ist, in das jeweilige dritte Gehäuse 36 eingekoppelt werden. Der zweite Mediumstrom 48 kann über die Ausgangsanschlüsse ausgekoppelt werden.
Der zweite Mediumstrom 48 durchströmt in einer Strömungsrichtung 50 das dritte Gehäuse 36. Die Strömungsrichtung 50 liegt zumindest näherungsweise parallel zu der Längsrichtung 26.
Zwischen der Wandung 40 des dritten Gehäuses 36 und der Wandung 22 des zweiten Gehäuses 20 ist ein Innenraum 52 gebildet. Dieser Innenraum 52 ist vollständig fluiddicht gekapselt bezüglich des Innenraums 28 und des Innenraums 42.
In dem Innenraum 28 strömt ein weiterer Strom eines Mediums, welcher im Folgenden als erster Mediumstrom 54 bezeichnet ist. In dem Innenraum 42 strömt der zweite Mediumstrom 48. Weder der erste Mediumstrom 54 noch der zweite Mediumstrom 48 können in den Innenraum 52 gelangen.
Weiterhin sind die zweiten Gehäuse 20 so abgeschlossen, dass der erste Mediumstrom 54 nicht in den Innenraum 42 des dritten Gehäuses 36 gelangen kann. Ferner ist das dritte Gehäuse 36 so gegenüber dem zweiten Gehäuse 20 abgeschlossen, dass der zweite Mediumstrom 48 nicht in den Innenraum 28 gelangen kann.
Die Wandung 40 des dritten Gehäuses 36 weist einen ersten Wandungsbereich 56a und einen dem ersten Wandungsbereich 56a gegenüberliegenden zweiten Wandungsbereich 56b auf. Die Wandungsbereiche 56a und 56b sind parallel zueinander ausgerichtet. Zwischen ihnen sind die Kanäle 44 gebildet, welche die gleiche Höhe (eine Höhenrichtung ist die Abstandsrichtung zwischen dem ersten Wandungsbereich 56a und dem zweiten Wandungsbereich 56b) haben. Der erste Wandungsbereich 56a und der zweite Wandungsbereich 56b sind vorzugsweise zumindest näherungsweise parallel zu den Wänden 16a, 16b des ersten Gehäuses 12.
Der erste Wandungsbereich 56a und der zweite Wandungsbereich 56b sind dem zweiten Gehäuse 20 zugewandt eben ausgebildet.
Die Wandung 22 des zweiten Gehäuses 20 weist einen ersten Wandungsbereich 58a und einen dem ersten Wandungsbereich 58a gegenüberliegenden zweiten Wandungsbereich 58b auf. Der erste Wandungsbereich 58a ist dem ersten Wandungsbereich 56a benachbart und der zweite Wandungsbereich 58b ist dem zweiten Wandungsbereich 56b benachbart.
Der erste Wandungsbereich 58a und der zweite Wandungsbereich 58b sind zumindest näherungsweise parallel zueinander ausgerichtet. Sie liegen vorzugsweise parallel zu den Wänden 16a, 16b und parallel zu den Wandungsbereichen 56a und 56b. Ein Abstand zwischen dem ersten Wandungsbereich 56a und dem ersten Wandungsbereich 58a sowie ein Abstand zwischen dem zweiten Wandungsbereich 56b und dem zweiten Wandungsbereich 58b ist zumindest näherungsweise konstant.
Der erste Wandungsbereich 58a und der zweite Wandungsbereich 58b sind dem dritten Gehäuse 36 zugewandt eben ausgebildet.
Die Wärmespeichereinrichtung 38 umfasst mehrere Wärmespeicherelemente 60. Zwischen dem ersten Wandungsbereich 56a des dritten Gehäuses 36 und dem ersten Wandungsbereich 58a des zweiten Gehäuses 20 sowie zwischen dem zweiten Wandungsbereich 56b des dritten Gehäuses 36 und dem zweiten Wandungsbereich 58b des zweiten Gehäuses 20 ist jeweils ein Wärmespeicherelement 60 positioniert.
Zwischen dem dritten Gehäuse 36 und dem zweiten Gehäuse 20 liegen Wärmespeicherelemente 60a, 60b einander gegenüber, wobei das dritte Gehäuse 36 zwischen einem solchen Paar von Wärmespeicherelementen 60a, 60b liegt. Solche Wärmespeicherelemente 60a, 60b fungieren als Abstandshalter für die Positionierung des dritten Gehäuses 36 in dem zweiten Gehäuse 20.
Die Wärmespeicherelemente 60 sind in dem Innenraum 52 angeordnet. Sie stehen jeweils mit einer ersten Seite 62 in thermischem Kontakt mit dem zweiten Gehäuse 20 und mit einer zweiten Seite 64 in thermischem Kontakt mit dem dritten Gehäuse 36. Die jeweiligen Wärmespeicherelemente 60 liegen mit der ersten Seite 62 an der Wandung 22 des zweiten Gehäuses 20 an und mit der zweiten Seite 64 an der Wandung 40 des dritten Gehäuses 36 an. Auf diese Weise wird ein thermischer Kontakt zwischen dem Wärmespeicherelement 60, dem zweiten Gehäuse 20 und dem dritten Gehäuse 36 hergestellt.
In diesem Zusammenhang wird hinsichtlich der Herstellung und Ausführung des ersten Gehäuses 12, des zweiten Gehäuses 20 und des dritten Gehäuses 36 sowie bezüglich weiterer Details der Herstellung eines thermischen Kontakts zwischen den einzelnen Komponenten auf die DE 20 2010 018 101 U1 (Anmeldetag: 19. Oktober 2010) des gleichen Anmelders verwiesen. Hierauf wird ausdrücklich und vollinhaltlich Bezug genommen.
An dem ersten Gehäuse 12 sind ein Eingangsanschluss 66 und ein Ausgangsanschluss 68 für den ersten Mediumstrom 54 angeordnet. Durch den Eingangsanschluss 66 kann entsprechend das erste Medium eingekoppelt werden und durch den Ausgangsanschluss 68 abgeführt werden.
Der Eingangsanschluss 66 ist an der Wand 18a und der Ausgangsanschluss 68 an der Wand 18b angeordnet. Der Eingangsanschluss 66 und der Ausgangsanschluss 68 liegen quer zu dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss des dritten Gehäuses 36. Der erste Mediumstrom 54 ist dabei in der Strömungsrichtung quer zur Strömungsrichtung des zweiten Mediumstroms 48 führbar.
Die zweiten Gehäuse 20 sind beabstandet zu der Wandung 14 im ersten Gehäuse 12 positioniert. Ein über den Eingangsanschluss 66 eingekoppelter erster Mediumstrom 54 und über den Ausgangsanschluss 68 ausgekoppelter erster Mediumstrom 54 kann dadurch die zweiten Gehäuse 22 umspülen.
Ein Wärmespeicherelement 60 umfasst ein Gehäuse 70. In dem Gehäuse 70 ist ein Innenraum 72 gebildet.
In dem Innenraum 72 ist ein Wärmeleitmedium 74 angeordnet. Das Wärmeleitmedium 74 steht in thermischem Kontakt mit dem Gehäuse 70. Das Gehäuse 70 steht über die erste Seite 62 und die zweite Seite 64 in thermischem Kontakt mit dem zweiten Gehäuse 20 und dem dritten Gehäuse 36.
Das Wärmeleitmedium 74 weist insbesondere eine metallische thermische Leitfähigkeit auf. Das Wärmeleitmedium 74 ist insbesondere aus einem Phasenwechselmedium hergestellt. Durch das Phasenwechselmedium wird ein über die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 übertragener Wärmestrom zeitlich vergleichmäßigt.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel einer Wärmeübertragungsvorrichtung, welches in 2 gezeigt und dort mit 76 bezeichnet ist, umfasst die Wärmeübertragungsvorrichtung eine thermoelektrische Moduleinrichtung 78. Ansonsten ist der Aufbau grundsätzlich gleich wie bei der Wärmeübertragungsvorrichtung 10. Für gleiche Elemente werden gleiche Bezugszeichen verwendet. Für diese Elemente gilt die Beschreibung des vorherigen Ausführungsbeispiels weiterhin.
Die thermoelektrische Moduleinrichtung 78 umfasst mehrere thermoelektrische Module 80. Die Kombination 34 aus dem dritten Gehäuse 36 und der Wärmespeichereinrichtung 38 ist zwischen den thermoelektrischen Modulen 80 der thermoelektrischen Moduleinrichtung 78 positioniert.
Zwischen dem ersten Wandungsbereich 58a des zweiten Gehäuses 20 und der ersten Seite 62 des Wärmespeicherelements 60 ist jeweils ein thermoelektrisches Modul 80 positioniert. Zwischen dem zweiten Wandungsbereich 58b des zweiten Gehäuses 20 und der ersten Seite 62 des Wärmespeicherelements 60 ist ebenfalls jeweils ein thermoelektrisches Modul 80 positioniert. Es kann dabei in der Längsrichtung 26 an der Wärmespeichereinrichtung 38 eine Mehrzahl von thermoelektrischen Modulen 80 angeordnet sein.
Zwischen dem dritten Gehäuse 36 und dem zweiten Gehäuse 20 liegen thermoelektrische Module 80a, 80b einander gegenüber, wobei die Kombination 34 zwischen einem solchen Paar von thermoelektrischen Modulen 80a, 80b liegt.
Die thermoelektrischen Module 80 sind in dem Innenraum 52 angeordnet. Sie stehen jeweils mit einer ersten Seite 82 in thermischem Kontakt mit dem zweiten Gehäuse 20 und mit einer zweiten Seite 84 in thermischem Kontakt mit der Wärmespeichereinrichtung 38. Insbesondere liegen die jeweiligen thermoelektrischen Module 80 mit der ersten Seite 82 an der Wandung 22 des zweiten Gehäuses 20 an und mit der zweiten Seite 84 an der ersten Seite 62 der Wärmespeicherelemente 60 an. Auf diese Weise wird über die thermoelektrische Moduleinrichtung 78 ein thermischer Kontakt zwischen der Wärmespeichereinrichtung 38 und dem zweiten Gehäuse 20 hergestellt.
Ein thermoelektrisches Modul 80, welches in 3 gezeigt ist, umfasst bei einem Ausführungsbeispiel ein erstes Gehäuseelement 86 und ein dem ersten Gehäuseelement 86 gegenüberliegendes zweites Gehäuseelement 88. An dem ersten Gehäuseelement 86 ist die erste Seite 82 ausgebildet und an dem zweiten Gehäuseelement 88 ist die zweite Seite 84 ausgebildet. Das erste Gehäuseelement 86 und das zweite Gehäuseelement 88 sind insbesondere aus einem Material mit metallischer Wärmeleitfähigkeit gebildet.
Die erste Seite 82 und die zweite Seite 84 sind insbesondere eben ausgebildet. Dies ermöglicht eine optimierte Anlage der ersten Seite 82 und der zweiten Seite 84 an den ersten Wandungsbereich 58a bzw. an den zweiten Wandungsbereich 58b des zweiten Gehäuses 20 und an die erste Seite 62 des Wärmespeicherelements 60.
Das erste Gehäuseelement 86 und das zweite Gehäuseelement 88 sind aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt. Insbesondere ist einem Innenraum 90 zwischen dem ersten Gehäuseelement 86 und dem zweiten Gehäuseelement 88 zugewandt eine elektrische Isolierung angeordnet.
In dem Innenraum 90 sind beispielsweise alternierend n-Leiter 92 und p-Leiter 94 positioniert, wobei benachbarte n-Leiter 92 und p-Leiter 94 über eine elektrisch leitende Brücke 96 (beispielsweise aus einem metallischen Material) miteinander verbunden sind.
Wenn beispielsweise die erste Seite 82 eine Kaltseite ist und die zweite Seite 84 eine Heißseite ist, dann entsteht ein Wärmestrom 98 an dem thermoelektrischen Modul 80 zwischen dem ersten Gehäuseelement 86 und dem zweiten Gehäuseelement 88. Über den Seebeck-Effekt kann daraus ein nutzbarer elektrischer Strom generiert werden.
Über die thermoelektrischen Module 80 lässt sich beispielsweise die Abgasabwärme eines Verbrennungsmotors, bei dem das Abgas der zweite Mediumstrom 48 ist, nutzen. Die Abwärme lässt sich auf diese Weise direkt in nutzbare elektrische Energie umwandeln.
Die Wärmeübertragungsvorrichtung 76 funktioniert wie folgt:
Bei einem Ausführungsbeispiel ist der zweite Mediumstrom 48 ein Heißmediumstrom und der erste Mediumstrom 54 ein Kaltmediumstrom.
Beispielsweise ist der zweite Mediumstrom 48 ein Abgasstrom eines Verbrennungsmotors.
Der zweite Mediumstrom 48 wird durch die dritten Gehäuse 36 geführt. Die Wärmespeichereinrichtung 38 steht in direktem thermischem Kontakt mit den dritten Gehäusen 36. Die Wärmespeichereinrichtung 38 steht auch mit der thermoelektrischen Moduleinrichtung 78 in direktem thermischem Kontakt. Dadurch werden die zweiten Seiten 84 der thermoelektrischen Module 80 aufgeheizt.
In dem ersten Gehäuse 12 wird der erste Mediumstrom 54 geführt, welcher ein Kaltmediumstrom ist. Eine Strömungsrichtung des Kaltmediumstroms liegt dabei quer und insbesondere senkrecht zu der Strömungsrichtung 50 des zweiten Mediumstroms 48.
Die zweiten Gehäuse 20 werden in dem ersten Gehäuse 12 von dem ersten Mediumstrom 54 umspült. Die erste Seite 82 der thermoelektrischen Module 80 steht in thermischem Kontakt mit dem zweiten Gehäuse 20. Dadurch wird die erste Seite 82 abgekühlt. Die erste Seite 82 ist eine Kaltseite. Dadurch kann sich der Wärmestrom 98 zwischen der zweiten Seite 84 und der ersten Seite 82 jedes thermoelektrischen Moduls 80 ausbilden. Dadurch lässt sich Wärmeenergie direkt in nutzbare elektrische Energie umwandeln.
Der zweite Mediumstrom 48 ist beispielsweise ein Abgasstrom eines Verbrennungsmotors. In diesem Fall kann der zweite Mediumstrom zeitlichen Temperaturschwankungen unterliegen. Hierdurch wird der Wärmestrom 98 an den thermoelektrischen Modulen 80 in Abhängigkeit der Zeit erhöht oder verringert.
Der optimale Wirkungsgrad der thermoelektrischen Module 80 wird jedoch bauartbedingt nur erreicht, falls der Wärmestrom 98 innerhalb eines bestimmten Wertebereichs liegt. Bei einem zu hohen oder zu niederen Wärmestrom 98 verringert sich der Wirkungsgrad der thermoelektrischen Module 80 und der thermoelektrischen Moduleinrichtung 78.
Durch die Wärmespeichereinrichtung 38 werden Schwankungen des Wärmestroms 98 an den thermoelektrischen Modulen 80 verringert. Die Wärmespeichereinrichtung 38 umfasst hierzu das Wärmeleitmedium 74, welches insbesondere ein Phasenwechselmedium ist. Das Phasenwechselmedium kann in Zeiten hoher Wärmeabgabe durch den zweiten Mediumstrom 48 Wärme speichern und die gespeicherte Wärme in Zeiten geringer Wärmeabgabe durch den zweiten Mediumstrom 48 wieder abgeben. Für den Fall einer zeitlich schwankenden Temperatur des zweiten Mediumstroms 48 wird hierdurch der Wirkungsgrad der thermoelektrischen Moduleinrichtung 78 deutlich erhöht.
Ferner kann bei einem zu hohen Wärmestrom 98, welcher beispielsweise durch einen zu heißen zweiten Mediumstrom 48 verursacht wird, eine maximale Einsatztemperatur der thermoelektrischen Module 80 überschritten werden. Die thermoelektrischen Module 80 können hierdurch überhitzen. Durch die Pufferwirkung der Wärmespeichereinrichtung 38 können derartige Temperaturüberschreitungen zumindest innerhalb eines bestimmten Zeitraums vermieden werden.
Bei einer Ausführungsform liegt in dem Innenraum 42 ein Unterdruck gegenüber den Innenräumen 28 und 52 vor. Dadurch werden die Komponenten der Wärmespeichereinrichtung 38 und der thermoelektrischen Moduleinrichtung 78 gegen das zweite Gehäuse 20 und das dritte Gehäuse 36 gepresst. Dadurch entsteht ein flächiger mechanischer Kontakt zwischen den Komponenten. Es wird damit ein sehr guter thermischer Kontakt zwischen den Komponenten sichergestellt.
Durch den Aufbau der Wärmeübertragungsvorrichtung 76 lässt sich eine thermoelektrische Moduleinrichtung mit geringer Komplexität realisieren. Es müssen keine Verspannungselemente wie Bügel oder dergleichen vorgesehen werden.
Ein drittes Ausführungsbeispiel einer Wärmeübertragungsvorrichtung ist in 4 gezeigt und dort mit 100 bezeichnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es vorgesehen, dass eine Strömungsrichtung des ersten Mediumstroms 54 zumindest näherungsweise parallel zu der Strömungsrichtung 50 des zweiten Mediumstroms 48 liegt.
Die Wärmeübertragungsvorrichtung 100 umfasst ein erstes Gehäuse 102, welches grundsätzlich gleich ausgebildet ist wie das erste Gehäuse 12 der Wärmeübertragungsvorrichtung 10. Eingangsanschlüsse und Ausgangsanschlüsse für den ersten Mediumstrom 54 sind jedoch bei dem ersten Gehäuse 102 analog zu den Eingangsanschlüssen und Ausgangsanschlüssen für den zweiten Mediumstrom 48 an Stirnseiten des ersten Gehäuses 102 angeordnet. Dadurch kann der erste Mediumstrom 54 parallel zur Strömungsrichtung 50 des zweiten Mediumstroms 48 eingekoppelt und ausgekoppelt werden.
In dem Innenraum 28 des ersten Gehäuses 102 sind in dem ersten Teilbereich 30 und dem zweiten Teilbereich 32 Kanäle 104 gebildet. Alle oder eine Teilmenge der Kanäle 104 sind parallel zueinander ausgerichtet und insbesondere in der Längsrichtung 26 orientiert. Insbesondere sind benachbarte Kanäle 104a, 104b durch eine gemeinsame fluiddichte Wandung 106 voneinander getrennt.
Die Wandungen 106 der Kanäle 104 liegen insbesondere parallel zu den Wandungen 46 der Kanäle 44 des dritten Gehäuses 36.
Die Kanäle 104 werden von dem ersten Mediumstrom 54 durchströmt. Durch die Kanäle 104 wird eine Wärmeübertragung zwischen der Wärmeübertragungsvorrichtung 100 und dem ersten Mediumstrom 54 verbessert.
Die Kanäle 104 sind insbesondere zwischen der Wandung 14 des ersten Gehäuses 102 und der Wandung 22 des zweiten Gehäuses 20 gebildet. Die Kanäle 104 sind insbesondere auch zwischen den Wandungen 22 verschiedener zweiter Gehäuse 20a, 20b gebildet. Dadurch wird die Wärmeübertragung zwischen dem ersten Gehäuse 102 und dem zweiten Gehäuse 20 verbessert. Es wird dadurch ferner die Wärmeübertragung zwischen verschiedenen zweiten Gehäusen 20a, 20b weiter verbessert. Auf diese Weise wird auch die Wärmeübertragung zwischen dem zweiten Gehäuse 20 und dem ersten Mediumstrom 54 weiter verbessert.
Die Wärmeübertragungsvorrichtung 100 weist ansonsten die gleiche Funktionsweise wie die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 auf.
Ein viertes Ausführungsbeispiel einer Wärmeübertragungsvorrichtung, welches in 5 gezeigt und dort mit 108 bezeichnet ist, ist grundsätzlich gleich aufgebaut wie die Wärmeübertragungsvorrichtung 100. Die Wärmeübertragungsvorrichtung 108 umfasst jedoch zusätzlich die vorstehend beschriebene thermoelektrische Moduleinrichtung 78.
Bei der Wärmeübertragungsvorrichtung 108 liegt eine Strömungsrichtung des ersten Mediumstroms 54 zumindest näherungsweise parallel zu der Strömungsrichtung 50 des zweiten Mediumstroms 48.
Ansonsten funktioniert die Wärmeübertragungsvorrichtung 108 wie oben anhand der Wärmeübertragungsvorrichtung 76 beschrieben.
Ein fünftes Ausführungsbeispiel einer Wärmeübertragungsvorrichtung ist in 6 gezeigt und dort mit 110 bezeichnet. Die Wärmeübertragungsvorrichtung 110 ist grundsätzlich gleich aufgebaut wie die Wärmeübertragungsvorrichtung 10.
Die Wärmeübertragungsvorrichtung 110 umfasst eine Wärmespeichereinrichtung 112, welche in dem Innenraum 52 zwischen dem zweiten Gehäuse 20 und dem dritten Gehäuse 36 angeordnet ist.
Die Wärmespeichereinrichtung 112 weist ein Wärmeleitmedium 114 auf, welches den Innenraum 52 insbesondere vollständig einnimmt. Das Wärmeleitmedium 114 weist grundsätzlich die gleichen Eigenschaften wie das Wärmeleitmedium 74 der Wärmespeichereinrichtung 38 auf. Das Wärmeleitmedium 114 ist insbesondere ein Phasenwechselmedium.
Das Wärmeleitmedium 114 steht in thermischem Kontakt zu der Wandung 22 des zweiten Gehäuses 20 und zu der Wandung 40 des dritten Gehäuses 36. Dadurch wird der thermische Kontakt zwischen der Wärmespeichereinrichtung 112, dem zweiten Gehäuse 20 und dem dritten Gehäuse 36 verbessert.
Durch die vollständige Einnahme des Innenraums 52 durch das Wärmeleitmedium 114 kann auf einfache Weise ein verbesserter thermischer Kontakt zwischen dem Wärmeleitmedium 114, dem zweiten Gehäuse 20 und dem dritten Gehäuse 36 hergestellt werden.
Bei der Wärmeübertragungsvorrichtung 110 liegt die Strömungsrichtung des ersten Mediumstroms 54 quer und insbesondere senkrecht zu der Strömungsrichtung 50 des zweiten Mediumstroms 48.
Ein sechstes Ausführungsbeispiel einer Wärmeübertragungsvorrichtung ist in 7 gezeigt und dort mit 116 bezeichnet.
Die Wärmeübertragungsvorrichtung 116 ist grundsätzlich gleich aufgebaut wie die Wärmeübertragungsvorrichtung 110 des vorherigen Ausführungsbeispiels. Bei der Wärmeübertragungsvorrichtung 116 liegt jedoch eine Strömungsrichtung des ersten Mediumstroms 54 zumindest näherungsweise parallel zu der Strömungsrichtung 50 des zweiten Mediumstroms 48. Die Wärmeübertragungsvorrichtung 116 weist analog zu der Wärmeübertragungsvorrichtung 100 Kanäle 104 auf.
Ein siebtes Ausführungsbeispiel einer Wärmeübertragungsvorrichtung ist in 8 gezeigt und dort mit 118 bezeichnet.
Bei der Wärmeübertragungsvorrichtung 118 ist zwischen dem zweiten Gehäuse 20 und dem dritten Gehäuse 36 ein viertes Gehäuse 120 angeordnet. Das dritte Gehäuse 36 ist innerhalb des vierten Gehäuses 120 positioniert. Das vierte Gehäuse 120 ist fluiddicht geschlossen. Das vierte Gehäuse 120 hat eine umlaufend geschlossene Wandung 122, welche eine Achse aufweist, die zumindest näherungsweise koaxial zur Achse 24 des zweiten Gehäuses 20 ist.
Zwischen der Wandung 22 des zweiten Gehäuses 20 und der Wandung 122 des vierten Gehäuses 120 ist ein Innenraum 124 gebildet. Zwischen der Wandung 122 des vierten Gehäuses 120 und der Wandung 40 des dritten Gehäuses 36 ist ein Innenraum 126 gebildet. Dieser Innenraum 126 ist vollständig fluiddicht gekapselt bezüglich des Innenraums 124 und des Innenraums 42 des dritten Gehäuses 36. Ferner ist der Innenraum 124 vollständig fluiddicht gekapselt bezüglich des Innenraums 28 des ersten Gehäuses 12.
Die Wandung 122 des vierten Gehäuses 120 weist einen ersten Wandungsbereich 128a und einen zweiten Wandungsbereich 128b auf. Der erste Wandungsbereich 128a ist dem ersten Wandungsbereich 58a des zweiten Gehäuses 20 und dem ersten Wandungsbereich 56a des dritten Gehäuses 36 benachbart. Der zweite Wandungsbereich 128b ist dem zweiten Wandungsbereich 58b des zweiten Gehäuses 20 und dem zweiten Wandungsbereich 56b des dritten Gehäuses 36 benachbart. Der erste Wandungsbereich 128a und der zweite Wandungsbereich 128b sind zumindest näherungsweise parallel zueinander ausgerichtet. Sie sind vorzugsweise parallel zu den Wänden 16a, 16b des ersten Gehäuses 12 und parallel zu den Wandungsbereichen 56a, 56b, 58a und 58b ausgerichtet.
Bei einer Ausführungsform sind der erste Wandungsbereich 128a und der zweite Wandungsbereich 128b dem zweiten Gehäuse 20 zugewandt und/oder dem dritten Gehäuse 36 zugewandt zumindest näherungsweise eben ausgebildet.
Die thermoelektrische Moduleinrichtung 78 ist in dem Innenraum 124 angeordnet. Zwischen dem ersten Wandungsbereich 58a des zweiten Gehäuses 20 und dem ersten Wandungsbereich 128a des vierten Gehäuses 120 sowie zwischen dem zweiten Wandungsbereich 58b des zweiten Gehäuses 20 und dem zweiten Wandungsbereich 128b des vierten Gehäuses 120 ist jeweils ein thermoelektrisches Modul 80 positioniert.
Die Wärmespeichereinrichtung 112 ist in dem Innenraum 126 angeordnet. Das Wärmeleitmedium 114 der Wärmespeichereinrichtung 112 nimmt den Innenraum 126 insbesondere vollständig ein. Dies wurde bereits oben anhand der Wärmeübertragungsvorrichtung 110 beschrieben.
Das Wärmeleitmedium 114 steht in thermischem Kontakt zu der Wandung 122 des vierten Gehäuses 120 und zu der Wandung 40 des dritten Gehäuses 36.
Die thermoelektrische Moduleinrichtung 78 steht in thermischem Kontakt mit dem zweiten Gehäuse 20. Die thermoelektrische Moduleinrichtung 78 steht weiterhin über das vierte Gehäuse 120 in thermischem Kontakt mit der Wärmespeichereinrichtung 112. Die Wärmespeichereinrichtung 112 steht in thermischem Kontakt mit dem dritten Gehäuse 36.
Der erste Mediumstrom 54 liegt quer und insbesondere senkrecht zu dem zweiten Mediumstrom 48.
Bei der Wärmeübertragungsvorrichtung 118 wird der thermische Kontakt zwischen der thermoelektrischen Moduleinrichtung 78 und der Wärmespeichereinrichtung 112 über die Wandung 122 des vierten Gehäuses 120 hergestellt. Ansonsten funktioniert die Wärmeübertragungsvorrichtung 118 analog zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Ein achtes Ausführungsbeispiel einer Wärmeübertragungsvorrichtung ist in 9 gezeigt und dort mit 130 bezeichnet.
Bei der Wärmeübertragungsvorrichtung 130 liegt der erste Mediumstrom 54 zumindest näherungsweise parallel zu dem zweiten Mediumstrom 48.
In dem ersten Teilbereich 30 und dem zweiten Teilbereich 32 des Innenraums 38 des ersten Gehäuses 12 sind Kanäle 104 ausgebildet. Die Ausbildung der Kanäle 104 wurde bereits oben im Zusammenhang mit der Wärmeübertragungsvorrichtung 100 erläutert.
Die Funktionsweise der Wärmeübertragungsvorrichtung 130 ist analog zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Bezugszeichenliste

10: Wärmeübertragungsvorrichtung
12: erstes Gehäuse
14: Wandung
16a, 16b: Wände
18a, 18b: Wände
20: zweites Gehäuse
20a, 20b: zweite Gehäuse
22: Wandung
24: Achse
26: Längsrichtung
28: Innenraum
30: erster Teilbereich
32: zweiter Teilbereich
34: Kombination
36: drittes Gehäuse
38: Wärmespeichereinrichtung
40: Wandung
42: Innenraum
44: Kanäle
44a, 44b: Kanal
46: Wandung
48: zweiter Mediumstrom
50: Strömungsrichtung
52: Innenraum
54: erster Mediumstrom
56a: erster Wandungsbereich
56b: zweiter Wandungsbereich
58a: erster Wandungsbereich
58b: zweiter Wandungsbereich
60: Wärmespeicherelement
60a, 60b: Wärmespeicherelement
62: erste Seite
64: zweite Seite
66: Eingangsanschluss
68: Ausgangsanschluss
70: Gehäuse
72: Innenraum
74: Wärmeleitmedium
76: Wärmeübertragungsvorrichtung
78: thermoelektrische Moduleinrichtung
80: thermoelektrisches Modul
80a, 80b: thermoelektrisches Modul
82: erste Seite
84: zweite Seite
86: erstes Gehäuseelement
88: zweites Gehäuseelement
90: Innenraum
92: n-Leiter
94: p-Leiter
96: Brücke
98: Wärmestrom
100: Wärmeübertragungsvorrichtung
102: erstes Gehäuse
104: Kanäle
104a, 104b: Kanal
106: Wandung
108: Wärmeübertragungsvorrichtung
110: Wärmeübertragungsvorrichtung
112: Wärmespeichereinrichtung
114: Wärmeleitmedium
116: Wärmeübertragungsvorrichtung
118: Wärmeübertragungsvorrichtung
120: viertes Gehäuse
122: Wandung
124: Innenraum
126: Innenraum
128a: erster Wandungsbereich
128b: zweiter Wandungsbereich
130: Wärmeübertragungsvorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010042603 A1 [0002]
DE 102013112911 A1 [0003]
DE 102013105294 A1 [0004]
DE 202010018101 U1 [0077]

Claims

Wärmeübertragungsvorrichtung, umfassend ein fluiddichtes erstes Gehäuse (12) und mindestens ein fluiddichtes zweites Gehäuse (20), wobei das mindestens eine zweite Gehäuse (20) in dem ersten Gehäuse (12) angeordnet ist, in dem mindestens einen zweiten Gehäuse (20) ein fluiddichtes drittes Gehäuse (36) angeordnet ist, zwischen dem ersten Gehäuse (12) und dem mindestens einen zweiten Gehäuse (20) ein erster Mediumstrom (54) geführt ist, und wobei in dem dritten Gehäuse (36) ein zweiter Mediumstrom (48) geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsvorrichtung eine Wärmespeichereinrichtung (38; 112) mit einem Wärmeleitmedium (74) umfasst, dass die Wärmespeichereinrichtung (34; 112) zwischen dem mindestens einen zweiten Gehäuse (20) und dem dritten Gehäuse (36) angeordnet ist, und dass die Wärmespeichereinrichtung (34; 112) in thermischem Kontakt mit dem mindestens einen zweiten Gehäuse (20) und dem dritten Gehäuse (36) steht.
Wärmeübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitmedium (74) ein Phasenwechselmedium ist oder umfasst.
Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Gehäuse (12) eine Mehrzahl von parallelen fluiddicht getrennten Kanälen (104) gebildet ist.
Wärmeübertragungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (104) in einem ersten Teilbereich (30) eines Innenraums (28) des ersten Gehäuses (12) zwischen dem ersten Gehäuse (12) und dem mindestens einen zweiten Gehäuse (20) gebildet sind.
Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (104) in einem zweiten Teilbereich (32) eines Innenraums (28) des ersten Gehäuses (12) zwischen mehreren zweiten Gehäusen (20) gebildet sind.
Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Innenraum (42) des dritten Gehäuses (36) eine Mehrzahl von fluiddicht getrennten Kanälen (44) gebildet ist.
Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Gehäuse (12) mindestens ein Eingangsanschluss (66) und mindestens ein Ausgangsanschluss (68) für den ersten Mediumstrom (54) zugeordnet sind.
Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem dritten Gehäuse (36) mindestens ein Eingangsanschluss und mindestens ein Ausgangsanschluss für den zweiten Mediumstrom (48) zugeordnet sind.
Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Anschlüsse für den ersten Mediumstrom (54) und Anschlüsse für den zweiten Mediumstrom (48) an quer zueinander liegenden Seiten des ersten Gehäuses (12) angeordnet sind.
Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strömungsrichtung des ersten Mediumstroms (54) quer zu einer Strömungsrichtung (50) des zweiten Mediumstroms (48) orientiert ist.
Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strömungsrichtung des ersten Mediumstroms (54) parallel zu einer Strömungsrichtung (50) des zweiten Mediumstroms (48) orientiert ist.
Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mediumstrom aus dem ersten Mediumstrom (54) und dem zweiten Mediumstrom (50) ein Kaltmediumstrom ist und der andere Mediumstrom ein Heißmediumstrom ist.
Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Gehäuse (36) dem mindestens einen zweiten Gehäuse (20) zugewandt mindestens einen ebenen Wandungsbereich (56a, 56b) aufweist.
Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine zweite Gehäuse (20) dem dritten Gehäuse (36) zugewandt mindestens einen ebenen Wandungsbereich (58a, 58b) aufweist.
Wärmeübertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Wärmespeicherelement (60) der Wärmespeichereinrichtung (38; 112) an den ebenen Wandungsbereich (56a, 56b, 58a, 58b) oder an die ebenen Wandungsbereiche angelegt ist.
Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Wärmespeicherelement (60) der Wärmespeichereinrichtung (38; 112) mit einer ersten Seite (62) in thermischem Kontakt mit dem mindestens einen zweiten Gehäuse (20) steht und mit einer zweiten Seite (64) in thermischem Kontakt mit dem dritten Gehäuse (36) steht.
Wärmeübertragungsvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass an gegenüberliegenden Seiten (56a, 56b) des dritten Gehäuses (36) jeweils mindestens ein Wärmespeicherelement (60) positioniert ist, und insbesondere dass das dritte Gehäuse (36) zwischen gegenüberliegenden Wärmespeicherelementen (60) positioniert ist, und insbesondere dass die gegenüberliegenden Wärmespeicherelemente (60) Abstandshalter für die Positionierung des dritten Gehäuses (36) in dem mindestens einen zweiten Gehäuse (20) bilden.
Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Wärmespeicherelement (60) ein Gehäuse (70) umfasst, und dass in einem Innenraum (72) des Gehäuses (70) das Wärmeleitmedium (74) angeordnet ist.
Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitmedium (74) der Wärmespeichereinrichtung (38; 112) in einem zwischen dem mindestens einen zweiten Gehäuse (20) und dem dritten Gehäuse (36) gebildeten Innenraum (52) positioniert ist.
Wärmeübertragungsvorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitmedium (74) den Innenraum (52) zwischen dem mindestens einen zweiten Gehäuse (20) und dem dritten Gehäuse (36) vollständig einnimmt.
Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine thermoelektrische Moduleinrichtung (78), welche in thermischem Kontakt mit der Wärmespeichereinrichtung (38; 112) und dem mindestens einen zweiten Gehäuse (20) steht.
Wärmeübertragungsvorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrische Moduleinrichtung (78) mindestens ein thermoelektrisches Modul (80) umfasst, und dass das mindestens eine thermoelektrische Modul (80) mit einer ersten Seite (82) in thermischem Kontakt mit dem mindestens einen zweiten Gehäuse (20) steht und mit einer zweiten Seite (84) in thermischem Kontakt mit der Wärmespeichereinrichtung (38; 112) steht.
Wärmeübertragungsvorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass an gegenüberliegenden Seiten (58a, 58b) des mindestens einen zweiten Gehäuses (20) jeweils mindestens ein thermoelektrisches Modul (80) der thermoelektrischen Moduleinrichtung (78) positioniert ist.
Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Gehäuse (36) zwischen gegenüberliegenden Kombinationen aus thermoelektrischen Modulen (80) und Wärmespeicherelementen (60) der Wärmespeichereinrichtung (38; 112) positioniert ist, und insbesondere dass die gegenüberliegenden Kombinationen Abstandshalter für die Positionierung des dritten Gehäuses (36) in dem mindestens einen zweiten Gehäuse (20) bilden.
Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem mindestens einen zweiten Gehäuse (20) und dem dritten Gehäuse (36) ein viertes Gehäuse (120) angeordnet ist, welches in thermischem Kontakt mit der Wärmespeichereinrichtung (38; 112) und der thermoelektrischen Moduleinrichtung (78) steht, dass das dritte Gehäuse (36) innerhalb des vierten Gehäuses (120) angeordnet ist, dass die Wärmespeichereinrichtung (38; 112) zwischen dem dritten Gehäuse (36) und dem vierten Gehäuse (120) angeordnet ist, und dass die thermoelektrische Moduleinrichtung (78) zwischen dem vierten Gehäuse (120) und dem mindestens einen zweiten Gehäuse (20) angeordnet ist.
Wärmeübertragungsvorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitmedium (74) der Wärmespeichereinrichtung (38; 112) in einem zwischen dem dritten Gehäuse (36) und dem vierten Gehäuse (120) gebildeten Innenraum (124) positioniert ist.
Wärmeübertragungsvorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitmedium (74) den Innenraum (124) zwischen dem dritten Gehäuse (36) und dem vierten Gehäuse (120) vollständig einnimmt.
Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass das vierte Gehäuse (120) in dem mindestens einen zweiten Gehäuse (20) zwischen gegenüberliegenden thermoelektrischen Modulen (80) der thermoelektrischen Moduleinrichtung (78) positioniert ist, und insbesondere dass die gegenüberliegenden thermoelektrischen Module (80) Abstandshalter für die Positionierung des vierten Gehäuses (120) in dem zweiten Gehäuse (20) bilden.
Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass das vierte Gehäuse (120) dem mindestens einen zweiten Gehäuse (20) zugewandt mindestens einen ebenen Wandungsbereich (128a, 128b) aufweist.
Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine zweite Gehäuse (20) dem vierten Gehäuse (36) zugewandt mindestens einen ebenen Wandungsbereich (58a, 58b) aufweist.
Wärmeübertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrische Moduleinrichtung (78) an den ebenen Wandungsbereich (58a, 58b) oder die ebenen Wandungsbereiche des mindestens einen zweiten Gehäuses (20) und/oder an den ebenen Wandungsbereich (128a, 128b) oder die ebenen Wandungsbereiche des vierten Gehäuses (120) angelegt ist.
Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass das vierte Gehäuse (120) dem dritten Gehäuse (36) zugewandt mindestens einen ebenen Wandungsbereich (128a, 128b) aufweist.
Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schmelztemperatur des Wärmeleitmediums (74) einer Betriebstemperatur und insbesondere einer maximalen Betriebstemperatur der thermoelektrischen Moduleinrichtung (78) entspricht.