WO2017198245A1 - Einrichtung zum wandeln elektrischer energie in thermische energie - Google Patents

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thermal energy
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Definitions

  • the present invention relates to a device for converting electrical energy into thermal energy.
  • thermoelectric devices Among devices for converting electrical energy into thermal energy are usually called thermoelectric devices or
  • thermoelectric Electrothermal transducer (short: TED) understood. Such thermoelectric
  • thermoelectric Devices can be operated in a heating or cooling mode, depending on the direction of current flow. In this case, a temperature difference is generated on two opposite sides of the thermoelectric device at a current flow.
  • thermoelectric devices known. Typical thermoelectric devices include a layer of multiple semiconductor elements. In the case of several thermoelectric devices, a layer of multiple semiconductor elements. In the case of several thermoelectric devices, a layer of multiple semiconductor elements. In the case of several thermoelectric devices, a layer of multiple semiconductor elements. In the case of several thermoelectric devices, a layer of multiple semiconductor elements. In the case of several thermoelectric devices, a layer of multiple semiconductor elements. In the case of several
  • thermoelectric pellets TE-pellets in short
  • TE-pellets thermoelectric pellets
  • the cuboids of semiconductor material are alternately on a top and
  • Heat joints of the other side surface As a result, heat can be pumped from one side surface to the other side surface by means of the current, whereby a temperature difference between the side surfaces is established.
  • the upper and lower parts of the enclosure can be any material that have thermal conductivity.
  • the upper and lower parts of the enclosure can be any material that have thermal conductivity.
  • thermoelectric device for example, to a fluid circuit
  • ceramic or copper plates arise as part of the housing of the layer of several
  • the layer of semiconductor elements is sandwiched between ceramic or copper plates, the semiconductor elements being bonded between the ceramic or copper plates by, for example, a layer of solder, adhesive, lubricant, thermal foil, etc.
  • a layer of solder, adhesive, lubricant, thermal foil, etc. about a part of the enclosure can the
  • Fluid circulation result. It has been shown, for example, that heat loss from a medium causes significant heat losses. In particular, in the case of liquids or gaseous fluids undesirable fluid losses can be associated with poor or poor sealing of the device.
  • a device according to the invention for converting electrical energy into thermal energy comprises at least one layer consisting of a plurality of semiconductor elements and an enclosure formed from at least two parts, between the opposite broad side surfaces of which at least one layer consisting of a plurality of semiconductor elements is accommodated. At least one the two parts forming the housing laterally project beyond the layer consisting of several semiconductor elements. Furthermore, one side of several
  • the functional section of the at least one part of the two parts forming the housing may have a curved structure at least in regions.
  • a seal may be advantageous when the means for converting electrical energy into thermal energy is coupled to a gaseous or liquid fluid enclosing element to prevent loss of the fluid due to accidental leakage of the fluid from the fluid enclosing element through gaps or gaps between the fluid arranged the fluid enclosing element
  • Device for converting electrical energy into thermal energy and to prevent the fluid enclosing element may be provided with depressions and / or buckles or depressions and / or bulges form.
  • the functional section can have greater rigidity than other areas of the part.
  • the greater rigidity of the part for example, by reinforced and / or stiffened trained material in the region of
  • Functional section of the part for example, by a raised cross section of the Part be designed in the area of the functional section relative to other areas of the part. Furthermore, it is also conceivable, the part in the field of
  • Strengthen functional section by adding other materials and / or reinforcing or stiffening elements. By the reinforcement and / or stiffening a stability of the at least a part of the two housing forming parts can be improved. In this way, an undesired bending or
  • Device for converting electrical energy into thermal energy can be prevented.
  • the functional section can also be formed by conventional methods so that the inclusion of sealing means such. O-rings, sealants such as silicone, solder or adhesive are possible or easier.
  • the functional surface can also be designed in such a way that cohesive joining (for example welding) can be represented.
  • thermal conductivity between functional portion and the semiconductor elements can be determined by e.g. Distance, wall thickness, ribbing or similar
  • Structures are meaningfully influenced. For example, increasing the heat conduction may improve the heat exchange with the body contacted at the functional portion. On the other hand, a reduction of the thermal conductivity, for example in joining processes with high heat input (welding, soldering), can avoid overheating of the TED.
  • the functional portion is at least partially formed reversibly elastically deformable. Due to the at least partially reversible elastic deformability of the functional portion of this can be designed at least partially resiliently yielding. This possibly induced resilient properties of the functional section are useful in several respects. For example, in an interaction of the device for converting electrical energy into thermal energy with a fluid enclosing element
  • Pressure fluctuations occur with respect to the fluid. Due to the pressure fluctuations of the fluid can also change a pressure, which on the means for converting electrical energy into thermal energy, in particular of a part of the
  • Housing which may be in thermal contact with the fluid, acts. Due to the reversible elastic deformability of the functional section can
  • the resilient property can be used selectively to represent a contact force between TED and a surface to be tempered by the functional surface is deflected from the unloaded normal position in the direction of force. This can be done, for example, when screwing the functional surface to be tempered surface in some cases, it is conceivable that the at least one of several
  • Semiconductor elements existing layer is arranged at a certain distance and without direct contact with the at least a second part of the housing formed from at least two parts.
  • a deflection can be used to establish contact between the at least one layer consisting of several semiconductor elements and the at least one second part of the enclosure. In this way, a targeted transfer of heat energy between the parts of the device for converting electrical energy into thermal energy can be produced or avoided in order to obtain or avoid a desired transfer of heat energy.
  • the functional portion may have at least one opening formed for receiving a fastening element.
  • Fasteners such as screws, easily and consistently connected to a fluid enclosing element or connected to an element which includes a fluid. If two of the at least two housing forming parts each have openings or own, is also a
  • Clamping of the components of the device for converting electrical energy into thermal energy such as the layer consisting of several semiconductor elements between the housing forming parts possible.
  • Functional portion forming part are arranged. Especially with one
  • the functional portion which has a curved structure
  • the fluid-enclosing element as a sealing unit are arranged outside the curved structure of the functional portion openings.
  • an upper broad side surface of the at least one functional portion forming part which upper broad side surface of the consisting of a plurality of semiconductor elements is at least one layer facing away, forms a portion of a channel for fluid.
  • the at least one part, which forms the functional section comprises on the upper broad side surface at least partially in the region of the section an elastic layer.
  • a broad side surface of at least one of the at least two parts forming the housing can be provided with a heat exchange-promoting element in the direction of the at least one layer comprising a plurality of semiconductor elements.
  • the housing formed from at least two parts is designed to accommodate at least two layers consisting of a plurality of semiconductor elements and spaced apart from one another.
  • each of the at least two parts can project laterally beyond the at least one layer consisting of a plurality of semiconductor elements.
  • the sections of the at least two parts projecting laterally from the layer consisting of a plurality of semiconductor elements may be formed as a functional section. It is obvious that at least the functional portion can be coated, treated or passivated at least at the other body or fluid-contacting points such that an electrical or thermal conduction is promoted or largely prevented or that corrosion protection is achieved.
  • Methods include, for example, anodizing, tinning, coating with
  • Functional section (or parts thereof) one from the other or from the enclosure have a different material composition.
  • specific properties such as areas of different elasticity or thermal conductivity can be generated.
  • the invention also relates to a vehicle seat, a vehicle steering wheel, a battery or a battery housing in the vehicle, a temperature-controlled
  • a beverage holder for vehicles further comprising a heat exchanger, storage or transformer, which comprises at least one device for converting electrical energy into thermal energy according to an embodiment of previous description.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a device for converting electrical energy into thermal energy, as already known from the prior art
  • Figure 2 shows a schematic view of an embodiment of a
  • Figures 3a, 3b, 3c, 3d and 3e show a schematic view of a conceivable embodiment of one of the housing forming parts, which laterally projects beyond the layer consisting of a plurality of semiconductor elements.
  • Figure 4 shows a schematic view of an embodiment of a
  • inventive device for converting electrical energy into thermal energy
  • Figure 5 shows a schematic view of an embodiment of a
  • inventive device for converting electrical energy into thermal energy which in the embodiment shown in FIG. 5 is coupled to a fluid circuit or comprises a fluid circuit;
  • FIG. 6 shows another conceivable embodiment of a device according to the invention for converting electrical energy into thermal energy
  • FIG. 7 shows a further embodiment of a device according to the invention for converting electrical energy into thermal energy
  • FIG. 8 shows a further embodiment of a device according to the invention for converting electrical energy into thermal energy.
  • Figures 9a, 9b show further embodiment of an inventive
  • FIG. 10 shows a further embodiment of a device according to the invention for converting electrical energy into thermal energy.
  • FIG. 11 shows a further embodiment of a device according to the invention for converting electrical energy into thermal energy.
  • Fig. 1 shows a device for converting electrical energy into thermal
  • the device for converting electrical energy into thermal energy 2 comprises one of several elements
  • the semiconductor elements 4 existing layer 6.
  • the semiconductor elements 4 are so-called cuboid TE pellets 4 ', which are arranged alternately p- and n-doped.
  • the cuboid TE pellets 4 ' are alternately coupled to one another on the upper and lower sides 16 and 16' by metal bridges 8, so that in each case two differently doped TE pellets 4 'are connected to one another.
  • the layer 6, consisting of several TE pellets 4 ' is sandwiched between two parts 10 forming an enclosure 10 in the form of ceramic or copper plates 12'. Between the parts 10 forming a housing 10, the layer 6, consisting of several TE pellets 4 ', by means of a heat exchange-promoting element 14, for example in the form of a solder, adhesive, printing, lubricant or thermal foil layer, integrated.
  • FIG. 2 shows an embodiment of a device according to the invention for converting electrical energy into thermal energy 20.
  • the device for converting electrical energy into thermal energy 20 comprises a layer 6 comprising a plurality of semiconductor elements 4.
  • the semiconductor elements 4 are around cuboid TE pellets 4 ', which are arranged alternately p- and n-doped.
  • the cuboid TE pellets 4 ' are alternately on the top and bottom 16 and 16' interconnected by metal bridges 8, so that in each case two
  • the portion 28 of the housing 22 projects beyond the layer 6 with a lot, as indicated by the reference numeral 30.
  • the laterally projecting portion 30 of the part 28 is formed as a functional portion 32.
  • Fig. 2 it can be seen that the the the
  • Function section 32 comprising part 28 of the housing 22 a reduced
  • the heat exchange-promoting element 24 is arranged.
  • the heat exchange-promoting element 24 can be, for example, a thermal foil or a solder joint 24 'which, in addition to heat exchange-promoting properties, additionally fixes the layer 6 comprising a plurality of semiconductor elements 4 on the substrate
  • Wide side surface 26 'of the part 26 can provide.
  • FIGS. 3 a to 3 e each show different embodiments of a part 28 according to the invention comprising a functional section 32. It is not excluded that mixed forms of the different embodiments of the functional section 32 may also occur.
  • the part 28 projects laterally beyond the layer 6 consisting of a plurality of semiconductor elements 4.
  • the laterally projecting portion of the part 28 is indicated by the reference numeral 30.
  • the region of the lateral extent of the layer 6 consisting of a plurality of semiconductor elements 4 is indicated in each case in FIGS. 3 a to 3 e with the dashed line 6 ''
  • the Device for converting electrical energy into thermal energy 20 or the part 28 a plurality of openings 36 for receiving fasteners, for example in the form of screws on.
  • the openings 36 are each in convex curved edge or corner areas
  • the functional section 32 of the part 28 comprises convexly curved edge regions or corner regions 38, which each have openings 36.
  • the functional section 32 has an arched structure 40 surrounding the region 6 "'of the layer 6 consisting of a plurality of semiconductor elements 4.
  • the arched structure 40 is formed by recesses and elevations in the material of the part 28, in particular in the sectional view AA of FIG 3 b) a sealing unit can be provided by the arched structure 40.
  • the arched structure 40 or the part 28 in the region of the arched structure 40 can be reversibly elastically deformable.
  • At least regions 42 of the functional section 32 can have a greater rigidity than further regions 44 of the part 28.
  • the region 40 having a greater rigidity can be used Surrounding the region 6 "'of the layer 6 consisting of a plurality of semiconductor elements 4.
  • the greater rigidity of the region 42 can be produced, for example, by reinforcing the material of the part 28. Due to the greater rigidity of the region 42 of the part 28, overall high stability is achieved of the part 28, whereby there is less risk of damage to solder joints 24 '(see Fig. 2) or the layer 6 consisting of a plurality of semiconductor elements 4
  • Embodiment of FIG. 3d has a reinforced region, which covers the region 6 "'of the layer 6 consisting of a plurality of semiconductor elements, thereby protecting against damage, for example.
  • Fig. 3e shows an embodiment of the functional portion 32 of the part 28 in an already mentioned hybrid form.
  • the part 28 again convex
  • the functional section 32 has openings 36 in each case
  • the functional portion 32 includes a second domed structure 40 "which forms a sealing unit in cooperation with a fluid enclosing member 58.
  • the first domed structure 40 'and the second domed structure 40" surround those of several
  • sectional view D-D illustrates again the first and second arched structure 40' and 40" of the functional portion 32 of the part 28th
  • FIG. 4 shows a further embodiment of a device according to the invention for converting electrical energy into thermal energy 20.
  • the part 28 of the housing 22 is shown, which is coupled on the lower broad side surface 28 'with the layer 6 consisting of a plurality of semiconductor elements.
  • the functional portion 32 on the laterally projecting portion 30 of the part 28 openings 36 are provided.
  • the part 28 is provided with a heat exchange promoting structure 46.
  • a fluid 50 e.g. Wall 58 of a channel for fluid 48 or a fluid circuit 48 '
  • the heat exchange-promoting structure 46 in thermally conductive contact with a fluid 50 of the channel for fluid 48 or the fluid circuit 48 'are.
  • the fluid 50 may be a liquid or gaseous fluid.
  • the functional section 32 of the part 28 has, in addition to the openings 36, a curved structure 40. Also the part 26 of the
  • Housing 22 may be provided with apertures 36 so that fasteners 34 can be passed through the apertures 36 of the part 28 and the part 26.
  • the heat exchange promoting structure 46 is in this arrangement way in the flow of the fluid 50, the fluid flow direction indicated by the arrow 52, whereby a promotion of the heat exchange can be made possible.
  • an elastic layer 68 may be provided in addition to the heat exchange promoting structure 46 or instead of the heat exchange promoting structure 46. In the connection of the means for converting electrical energy into thermal energy 20 to the channel for fluid 48 of the functional portion 32 forming part 28 is disposed immediately adjacent to the fluid 50 of the channel 48 for fluid.
  • part 28 of part 28 to the channel for fluid 48 forms part of the channel 48 itself.
  • An attachment of the device for converting electrical energy into thermal energy 20 to the wall of the channel for fluid 48 can be carried out by means of guided through the openings 36 fasteners 34.
  • the curved structure 40 of the functional portion 32 is formed in a fixation of
  • FIG. 6 shows a further embodiment of a device according to the invention for converting electrical energy into thermal energy 20.
  • the part 28 of the housing 22 is designed such that a connection of a first layer 6 'and a second layer 6 ", each consisting of a plurality of semiconductor elements 4.
  • the channel for fluid 48 to which the device for converting electrical energy into thermal energy 20 is connected, is subdivided by means of a partition 54 into a first and second channel section 62 and 62 ', so that the first layer 6', consisting of a plurality of semiconductor elements 4 , is arranged in the first channel section 62 and the second layer 6 "is arranged consisting of a plurality of semiconductor elements 4 in the second channel section 62 'In the region of the first and second layers 6' and 6", the section 28 respectively comprises independent functional sections 32 'and 32 ". ,
  • the functional portions 32 'and 32 each have a first domed structure 40' and a second domed structure 40".
  • the first curved structure 40 ' is arranged in the region of the layer 6' and 6 "consisting of a plurality of semiconductor elements 4. In the region of the respective curved structure 40 'or 40", the
  • Deformability of the functional sections 32 'and 32 " is advantageous if the part 26 has an uneven or irregular cross-section, since a stable and secure arrangement of the layers 6' and 6" consisting of a plurality of semiconductor elements 4 is made possible by the reversible elastic deformability.
  • the functional sections 32 'and 32" cooperate with the wall 58 of the channel for fluid 48 or the partition wall 54, whereby a sealing unit is formed in each case.
  • the layers 6 'and 6 "consisting of a plurality of semiconductor elements 4 are sealed against the fluid.
  • the curved structures 40" of the first and second functional sections 32' and 32 can be formed as a common curved structure 40".
  • a reversible elastic deformability of the part 28 in the region of the arched structure 40 is also indicated in FIG. 7.
  • a pressure change with respect to the fluid 50 in the fluid circuit 48 ' is symbolized by means of the arrows 64, which symbolizes Pressure change acts on the part 28 such that due to the reversible elastic deformability of the curved structure 40, a shift of several
  • heat exchange-promoting element 24 takes place.
  • a contact to be produced or to be avoided with the heat exchange-promoting element 24 can be controlled in order to obtain or avoid a desired transfer of heat energy.
  • the reversible elastic deformability of the functional section 32 can also avoid damage with respect to the layer 6 consisting of a plurality of semiconductor elements 4 or existing solder joints.
  • FIG. 8 shows a further embodiment of a device according to the invention for converting electrical energy into thermal energy 20.
  • the heat exchange-promoting structure 46 may be formed such that it at a certain pressure change of the fluid 50, symbolized by the arrows 64, abuts the wall 58 of the channel for fluid 48 and thus prevents further deformation of the part 28 becomes.
  • delimiting elements 56 limiting the deformation of the part 28 may be applied in the area of the layer 6 consisting of several semiconductor elements 4.
  • the heat exchange-promoting structure 46 ' may have a smaller dimension than the heat exchange-promoting structure 46 the limiting elements 56 on the part 28 and thus prevent further deformation of the part 28 and the functional portion 32nd
  • Figures 9a and 9b show further embodiments of a device according to the invention for converting electrical energy into thermal energy 20.
  • the housing 29 is designed in one piece, the Halbleiterlemente 4 to four each Surrounds surfaces and preferably consists of an insulating material.
  • the enclosure 29 includes neither the metal bridges 8 nor the insulating layers 14. Such a construction for a TED is already known.
  • the housing 29 is laterally extended 30 and has a functional section 32.
  • Fig. 9a breakthroughs 36 are provided which allow attachment.
  • a structure 35 for receiving a sealant 37 is provided.
  • FIG. 10 shows a further embodiment of a device according to the invention for converting electrical energy into thermal energy 20.
  • the semiconductor elements 4 are arranged in a stack connected by metal bridges.
  • a laterally extended housing 29 is provided, which is provided in the projecting area 30 with a functional section 32.
  • the functional portion 32 here has a curvature 40, which acts as a circumferential seal.
  • FIG. 11 shows a further embodiment of a device according to the invention for converting electrical energy into thermal energy 20.
  • the semiconductor elements are constructed as stacks.
  • the heat is conducted from the semiconductor elements 4 by means of the metal bridges 8 via an insulating layer 14 to an enclosure 28 covering essentially one side of the semiconductor elements.
  • the housing 28 has a laterally projecting portion 30 and is provided there with a functional area 32.
  • the functional area has a curvature that is suitable for representing a circumferential seal or compensating for thermal expansion.

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Abstract

Es ist eine Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie (20) offenbart. Die Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie (20) umfasst mindestens eine aus mehreren Halbleiterelementen (4) bestehende Schicht (6), mindestens eine aus wenigstens zwei Teilen (26, 28) gebildete Einhausung (22), zwischen deren gegenüberliegenden Breitseitenflächen (26', 28') die mindestens eine aus mehreren Halbleiterelementen (4) bestehende Schicht (6) aufgenommen ist, wobei wenigstens einer der zwei die Einhausung (22) bildenden Teile (26, 28) die aus mehreren Halbleiterelementen (4) bestehende Schicht (6) seitlich überragt und wobei eine seitlich die aus mehreren Halbleiterelementen (4) bestehende Schicht (6) überragende Partie (30) des jeweiligen Teiles (26, 28) als Funktionsabschnitt (32) ausgebildet ist.

Description

Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische
Energie
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie.
Unter Einrichtungen zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie werden üblicherweise sogenannte thermoelektrische Einrichtungen bzw. auch
elektrothermische Wandler (kurz: TED) verstanden. Derartige thermoelektrische
Einrichtungen können, je nach Stromflussrichtung, in einem Heiz- oder Kühlmodus betrieben werden. Dabei wird bei einem Stromdurchfluss eine Temperaturdifferenz auf zwei gegenüberliegenden Seiten der thermoelektrischen Einrichtung erzeugt.
Aus dem Stand der Technik sind bereits eine Vielzahl derartiger
thermoelektrischer Einrichtungen bekannt. Typische thermoelektrische Einrichtungen umfassen eine Schicht aus mehreren Halbleiterelementen. Bei der aus mehreren
Halbleiterelementen bestehenden Schicht kann es sich beispielsweise um eine Schicht sogenannter thermoelektrischer Pellets (kurz: TE-Pellets) handeln, welche üblicherweise in Form von p- und n-dotierten Quadern aus Halbleitermaterial ausgebildet sind.
Die Quader aus Halbleitermaterial sind abwechselnd auf einer Ober- und
Unterseite durch Metallbrücken miteinander verbunden. Aus dieser jeweiligen Verbindung ergibt sich eine Reihenschaltung der Halbleiterelemente, wodurch der zugeführte Strom jeden einzelnen der Quader durchfließt. Abhängig von der Stromstärke und Stromrichtung kühlen sich die Verbindungsstellen der einen Seitenfläche ab, während sich die
Verbindungsstellen der anderen Seitenfläche erwärmen. Dadurch kann mittels des Stroms Wärme von einer Seitenfläche auf die andere Seitenfläche gepumpt werden, wodurch sich eine Temperaturdifferenz zwischen den Seitenflächen einstellt.
Häufig wird die Schicht aus Halbleiterelementen zwischen eine Einhausung bildenden Teilen in Form von zwei Lagen aus Keramik- oder Kupferplatten eingelötet oder auf andere Weise angebunden, da insbesondere Keramik und Kupfer eine hohe
Wärmeleitfähigkeit besitzen. Die Ober- und Unterseitenteile der Einhausung können
Bestätigungskopiel anschließend beispielsweise mittels einer Löt-, Klebe-, Druck-, Schmiermittel- oder Thermalfolienverbindung an andere Bauteile, wie beispielsweise einen Fluidkreislauf, angekoppelt werden. Problematisch an derartigen bekannten Einheiten ist allerdings, dass die genannten Ober- und Unterseitenteile nicht dazu ausgelegt sind, eine Fixierung oder eine flexible bzw. abdichtende Befestigung der thermoelektrischen Einrichtung zu ermöglichen, da es sich insbesondere bei den Teilen der Einhausung aus Keramik- oder Kupferplatten um sehr steife und formstabile Teile handelt.
Auch bei einer Koppelung einer derartigen thermoelektrischen Einrichtung beispielsweise an einen Fluidkreislauf ergeben sich deutliche Nachteile von Keramik- oder Kupferplatten als Bestandteil der Einhausung der Schicht aus mehreren
Halbleiterelementen. Bei vielen bekannten Einrichtungen zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie ist die Schicht aus Halbleiterelementen zwischen Keramikoder Kupferplatten eingefasst, wobei die Halbleiterelemente mittels beispielsweise einer Schicht Lötmaterial, Klebstoff, Schmiermittel, Thermalfolie etc. zwischen den Keramikoder Kupferplatten angebunden sind. Über einen Teil der Einhausung kann die
Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie an einen
Fluidkreislauf gekoppelt sein. Bei diesem Aufbau kann es allerdings sein, dass sich eine Vielzahl an thermischen Widerständen für einen Wärmefluss in Richtung des
Fluidkreislaufes ergeben. So hat sich gezeigt, dass bei einem Wärmefluss eines Mediums deutliche Wärmeverluste zu verzeichnen sind. Insbesondere bei Flüssigkeiten oder gasförmigen Fluiden können mit mangelhafter oder schlechter Abdichtung der Einrichtung unerwünschte Fluidverluste einhergehen.
Es ist also Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie bereitzustellen, welche die oben genannten Nachteile des Stands der Technik zumindest teilweise beseitigt.
Die obige Aufgabe wird durch eine Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie gelöst, welche die Merkmale im Anspruch 1 umfasst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden durch die Unteransprüche beschrieben.
Eine erfindungsgemäße Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie umfasst mindestens eine aus mehreren Halbleiterelementen bestehende Schicht sowie eine aus wenigstes zwei Teilen gebildete Einhausung, zwischen deren gegenüberliegenden Breitseitenflächen die mindestens eine aus mehreren Halbleiterelementen bestehende Schicht aufgenommen ist. Wenigstens einer der zwei die Einhausung bildenden Teile überragt die aus mehreren Halbleiterelementen bestehende Schicht seitlich. Weiterhin ist eine seitlich die aus mehreren
Halbleiterelementen bestehende Schicht überragende Partie des jeweiligen Teiles als Funktionsabschnitt ausgebildet. Bei einer erfindungsgemäßen Ausbildung der Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie kann zudem vorgesehen sein, dass der Funktionsabschnitt des wenigstens einen Teiles der zwei die Einhausung bildenden Teile zumindest bereichsweise eine gewölbte Struktur aufweist. Für den Fall, dass der wenigstens eine einen Funktionsabschnitt ausbildende Teil unmittelbar benachbart zu einem Fluid angeordnet ist, kann der Funktionsabschnitt im Bereich der gewölbten
Struktur mit einem das Fluid einschließenden Element als Dichteinheit zusammenwirken, um die aus mehreren Halbleiterelementen bestehende Schicht gegenüber dem Fluid abzudichten. Auf diese Weise kann der Funktionsabschnitt des wenigstens einen Teiles der zwei die Einhausung bildenden Teile zugleich als eine Dichtung bzw. Abdichtung wirken. Insbesondere kann eine Abdichtung vorteilhaft sein, wenn die Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie an ein gasförmiges oder flüssiges Fluid einschließendes Element gekoppelt ist, um Verluste des Fluides durch ungewolltes Austreten des Fluides aus dem das Fluid einschließenden Element durch Lücken oder Spalten zwischen der an dem das Fluid einschließenden Element angeordneten
Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie und dem das Fluid einschließenden Element zu verhindern. Zur Bereitstellung abdichtender Eigenschaften kann der Funktionsabschnitt mit Vertiefungen und/oder Wölbungen versehen sein bzw. Vertiefungen und/oder Wölbungen ausbilden.
Es ist dabei vorteilhaft, wenn die gewölbte Struktur des zur Abdichtung
vorgesehenen Funktionsabschnitts um einen Bereich der aus mehreren
Halbleiterelementen bestehenden Schicht in einem gewissen Abstand verläuft und im Zusammenwirken mit dem das Fluid einschließenden Element einen Dichtungsring bildet, sodass die aus mehreren Halbleiterelementen bestehende Schicht gegenüber dem Fluid abgedichtet ist. Weiterhin kann der Funktionsabschnitt gegenüber weiteren Bereichen des Teiles eine größere Steifigkeit besitzen. Die größere Steifigkeit des Teiles kann beispielsweise durch verstärkt und/oder versteift ausgebildetes Material im Bereich des
Funktionsabschnitts des Teiles herbeigeführt werden. Die Verstärkung des
Funktionsabschnitts des Teiles kann beispielsweise durch einen erhöhten Querschnitt des Teiles im Bereich des Funktionsabschnitts gegenüber weiteren Bereichen des Teiles ausgestaltet sein. Weiterhin ist auch denkbar, den Teil im Bereich des
Funktionsabschnitts durch Hinzufügung anderer Materialien und/oder Verstärkungs- bzw. Versteifungselemente zu verstärken. Durch die Verstärkung und/oder Versteifung kann eine Stabilität des wenigstens einen Teiles der zwei die Einhausung bildenden Teile verbessert werden. Auf diese Weise kann ein ungewünschtes Verbiegen oder
Ausbrechen beispielsweise von Lötverbindungen zwischen einzelnen Teilen der
Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie verhindert werden.
Der Funktionsabschnitt kann dabei durch gängige Methoden auch so ausgebildet sein, dass die Aufnahme von Dichtmitteln wie z.B. O-Ringe, Dichtmasse wie Silikon, Lot oder Klebstoff möglich oder erleichtert wird. Auch kann die Funktionsfläche derart gestaltet sein, dass stoffschlüssiges Fügen (z.B. Schweißen) darstellbar wird.
Ferner kann die thermische Leitfähigkeit zwischen Funktionsabschnitt und den Halbleiterelementen durch z.B. Abstand, Wandstärke, Verrippung oder ähnliche
Strukturen sinnvoll beeinflusst werden. Eine Erhöhung der Wärmeleitung beispielsweise kann den Wärmeaustausch mit dem Körper verbessern, der an dem Funktionsabschnitt kontaktiert wird. Eine Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit kann hingegen beispielsweise bei Fügeprozessen mit großem Wärmeeintrag (Schweißen, Löten) ein Überhitzen des TED vermeiden.
Zudem ist denkbar, dass der Funktionsabschnitt zumindest bereichsweise reversibel elastisch verformbar ausgebildet ist. Aufgrund der zumindest bereichsweise reversiblen elastischen Verformbarkeit des Funktionsabschnitts kann dieser zumindest bereichsweise federnd nachgiebig ausgebildet sein. Dadurch ggf. herbeigeführte federnde Eigenschaften des Funktionsabschnitts sind in mehrerer Hinsicht sinnvoll. Beispielsweise bei einem Zusammenwirken der Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie mit einem ein Fluid einschließenden Element können
Druckschwankungen bezüglich des Fluides auftreten. Durch die Druckschwankungen des Fluides kann sich auch ein Druck verändern, welcher auf die Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie, insbesondere des einen Teiles der
Einhausung, welcher ggf. in thermischen Kontakt mit dem Fluid steht, wirkt. Aufgrund der reversiblen elastischen Verformbarkeit des Funktionsabschnitts können
Druckschwankungen in einem gewissen Rahmen ausgeglichen werden, um
beispielsweise Beschädigungen der aus mehreren Halbleiterelementen bestehenden Schicht oder von Lötverbindungen zwischen einzelnen Teilen der Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie zu vermeiden. Weiterhin kann die federnde Eigenschaft gezielt dazu genutzt werden, eine Kontaktkraft zwischen TED und einer zu temperierenden Oberfläche darzustellen, indem die Funktionsfläche von der unbelasteten Normallage aus in Kraftrichtung ausgelenkt wird. Dies kann beispielsweise beim Anschrauben der Funktionsfläche an zu temperierende Oberfläche geschehenen manchen Fällen ist es denkbar, dass die mindestens eine aus mehreren
Halbleiterelementen bestehende Schicht in einem gewissen Abstand und ohne direkten Kontakt zu dem wenigstens einen zweiten Teil der aus wenigstens zwei Teilen gebildeten Einhausung angeordnet ist. Beispielsweise kann aufgrund der reversiblen elastischen Verformbarkeit des Funktionsabschnitts des wenigstens einen den Funktionsabschnitt umfassenden Teiles eine Auslenkung dafür eingesetzt werden, einen Kontakt zwischen der wenigstens einen aus mehreren Halbleiterelementen bestehenden Schicht und dem wenigstens einen zweiten Teil der Einhausung herzustellen. Hierdurch kann eine gezielte Weitergabe von Wärmeenergie zwischen den Teilen der Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie hergestellt oder vermieden werden, um eine gewünschte Weitergabe von Wärmeenergie zu erhalten oder zu vermeiden.
In denkbaren Ausführungsformen kann der Funktionsabschnitt mindestens einen zur Aufnahme eines Befestigungselementes ausgebildeten Durchbruch besitzen. Durch den mindestens einen Durchbruch kann der wenigstens eine Teil der wenigstens zwei die Einhausung bildenden Teile, welcher den Funktionsabschnitt aufweist, oder die gesamte Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie mittels
Befestigungselementen, wie beispielsweise Schrauben, leicht und beständig mit einem ein Fluid einschließenden Element verbunden oder an ein Element, welches ein Fluid einschließt, angebunden werden. Sofern zwei der wenigstens zwei die Einhausung bildenden Teile jeweils Durchbrüche aufweisen bzw. besitzen, ist zudem eine
Verspannung der Bestandteile der Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie, wie der aus mehreren Halbleiterelementen bestehenden Schicht zwischen den die Einhausung bildenden Teilen, möglich. Insbesondere ist sinnvoll, wenn die Durchbrüche in konvex gekrümmten Rand- bzw. Eckbereichen des den
Funktionsabschnitt ausbildenden Teiles angeordnet sind. Besonders bei einem
vorgesehenen Zusammenwirken des Funktionsabschnitts, welcher eine gewölbte Struktur aufweist, und dem das Fluid einschließenden Element als Dichteinheit sind außerhalb der gewölbten Struktur des Funktionsabschnitts angeordnete Durchbrüche zweckmäßig. Durch die Fixierung der Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie mittels Befestigungselementen durch die Durchbrüche ergibt sich eine gute abdichtende Wirkung aufgrund eines Anpressens der gewölbten Struktur des
Funktionsabschnitts an ein das Fluid abdichtendes Element, wodurch ein Entweichen von Fluid aus dem das Fluid einschließenden Element verhindert werden kann.
Weiter kann es sein, dass eine obere Breitseitenfläche des wenigstens einen den Funktionsabschnitt ausbildenden Teiles, welche obere Breitseitenfläche der aus mehreren Halbleiterelementen bestehenden mindestens einen Schicht abgewandt ist, einen Abschnitt eines Kanals für Fluid ausbildet.
Auch ist denkbar, dass der wenigstens eine Teil, welcher den Funktionsabschnitt ausbildet, auf der oberen Breitseitenfläche im Bereich des Abschnitts eine
wärmeaustauschfördernde Struktur umfasst.
Auch kann es sein, dass der wenigstens eine Teil, welcher den Funktionsabschnitt ausbildet, auf der oberen Breitseitenfläche zumindest teilweise im Bereich des Abschnitts eine elastische Schicht umfasst. Zudem kann eine in Richtung der mindestens einen aus mehreren Halbleiterelementen bestehenden Schicht weisende Breitseitenfläche wenigstens eines der wenigstens zwei die Einhausung bildenden Teile mit einem wärmeaustauschfördernden Element versehen sein.
Darüber hinaus sind Ausführungsformen vorstellbar, bei welchen die aus wenigstens zwei Teilen gebildete Einhausung zur Aufnahme von mindestens zwei aus mehreren Halbleiterelementen bestehenden und voneinander beabstandeten Schichten ausgebildet ist.
Weiter kann jeder der wenigstens zwei Teile die mindestens eine aus mehreren Halbleiterelementen bestehende Schicht seitlich überragen. Hierbei können die seitlich die aus mehreren Halbleiterelementen bestehende Schicht überragenden Partien der wenigstens zwei Teile als Funktionsabschnitt ausgebildet sein. Es ist naheliegend, dass zumindest der Funktionsabschnitt zumindest an den andere Körper oder Fluide berührenden Stellen derart beschichtet, behandelt oder passiviert sein kann, dass eine elektrische oder thermische Leitung gefördert oder weitgehend verhindert wird oder dass ein Korrosionsschutz erzielt wird. Gängige
Methoden umfassen beispielsweise Eloxieren, Verzinnen, Beschichten mit
Aluminiumoxid, Auftragen von Nitrilkautschuk, etc..
Es kann vorteilhaft sein, wenn der überragende Bereich oder der
Funktionsabschnitt (oder Teile davon) eine voneinander oder von der Einhausung abweichende stoffliche Zusammensetzung aufweisen. Hierdurch lassen sich gezielte Eigenschaften wie z.B. Bereiche unterschiedlicher Elastizität oder Wärmeleitfähigkeit erzeugen. Ferner kann eine breitere Palette unterschiedlicher Fertigungs- und
Fügeverfahren zur Darstellung der erfindungsgemäßen Eigenschaften genutzt werden. Die Erfindung betrifft darüber hinaus einen Fahrzeugsitz, ein Fahrzeuglenkrad, eine Batterie oder ein Batteriegehäuse im Fahrzeug, eine temperierbare
Getränkehalterung für Fahrzeuge, ferner ein Wärmetauscher, -Speicher oder -Übertrager, welche zumindest eine Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie gemäß einer Ausführungsform vorheriger Beschreibung umfasst. Im Folgenden sollen Ausführungsbeispiele die Erfindung und ihre Vorteile anhand der beigefügten Figuren näher erläutern. Die Größenverhältnisse der einzelnen Elemente zueinander in den Figuren entsprechen nicht immer den realen Größenverhältnissen, da einige Formen vereinfacht und andere Formen zur besseren Veranschaulichung vergrößert im Verhältnis zu anderen Elementen dargestellt sind. Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersicht halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind. Die dargestellten
Ausführungsformen stellen lediglich Beispiele dar, wie die erfindungsgemäße Vorrichtung ausgestaltet sein kann und stellen keine abschließende Begrenzung dar. Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie, wie sie bereits aus dem Stand der Technik bekannt ist;
Figur 2 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie; Die Figuren 3a, 3b, 3c, 3d und 3e zeigen eine schematische Ansicht einer vorstellbaren Ausbildung eines der die Einhausung bildenden Teile, welcher die aus mehreren Halbleiterelementen bestehende Schicht seitlich überragt;
Figur 4 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie;
Figur 5 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie, welche in der in Figur 5 gezeigten Ausführungsform mit einem Fluidkreislauf gekoppelt ist bzw. einen Fluidkreislauf umfasst;
Figur 6 zeigt eine weitere denkbare Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie; Figur 7 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie;
Figur 8 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen einer Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie.
Figur 9a, 9b zeigen weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie.
Figur 10 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie.
Figur 11 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie. Fig. 1 zeigt eine Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische
Energie 2 gemäß dem bekannten Stand der Technik. Die Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie 2 umfasst eine aus mehreren
Halbleiterelementen 4 bestehende Schicht 6. Bei den Halbleiterelementen 4 handelt es sich um sogenannte quaderförmige TE-Pellets 4', welche abwechselnd p- und n-dotiert angeordnet sind. Die quaderförmigen TE-Pellets 4' sind abwechselnd auf der Ober- und Unterseite 16 und 16' durch Metallbrücken 8 miteinander gekoppelt, sodass jeweils zwei unterschiedlich dotierte TE-Pellets 4' miteinander verbunden sind. Die Schicht 6, bestehend aus mehreren TE-Pellets 4', ist zwischen zwei eine Einhausung 10 bildenden Teilen 12 in Form von Keramik- oder Kupferplatten 12' eingebunden. Zwischen den eine Einhausung 10 bildenden Teilen 12 ist die Schicht 6, bestehend aus mehreren TE-Pellets 4', mittels eines wärmeaustauschfördernden Elements 14, beispielsweise in Form einer Löt-, Klebe-, Druck-, Schmiermittel- oder Thermalfolienschicht, eingebunden.
In Fig. 2 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie 20 abgebildet. Die Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie 20 umfasst eine aus mehreren Halbleiterelementen 4 bestehende Schicht 6. Bei den Halbleiterelementen 4 handelt es sich um quaderförmige TE-Pellets 4', welche abwechselnd p- und n-dotiert angeordnet sind. Die quaderförmigen TE-Pellets 4' sind abwechselnd auf der Ober- und Unterseite 16 und 16' durch Metallbrücken 8 miteinander verbunden, sodass jeweils zwei
unterschiedlich dotierte TE-Pellets 4' miteinander verbunden sind. Die Schicht 6, bestehend aus mehreren Halbleiterelementen 4, ist zwischen Breitseitenflächen 26' und 28' einer aus wenigstens zwei Teilen 26 und 28 gebildeten Einhausung 22 angeordnet. Der Teil 28 der Einhausung 22 überragt die Schicht 6 mit einer Partie, wie anhand der Bezugszeichen 30 angedeutet ist. Die seitlich überragende Partie 30 des Teiles 28 ist als Funktionsabschnitt 32 ausgebildet. In Fig. 2 ist erkennbar, dass der den
Funktionsabschnitt 32 umfassende Teil 28 der Einhausung 22 einen reduzierten
Querschnitt aufweist als der Teil 26. Zwischen der Breitseitenfläche 26' und der aus mehreren Halbleiterelementen 4 bestehenden Schicht 6 ist ein
wärmeaustauschförderndes Element 24 angeordnet. Bei dem wärmeaustauschfördernden Element 24 kann es sich beispielsweise um eine Thermalfolie oder eine Lötverbindung 24' handeln, welche neben wärmeaustauschfördernden Eigenschaften zusätzlich für eine Fixierung der aus mehreren Halbleiterelementen 4 bestehenden Schicht 6 auf der
Breitseitenfläche 26' des Teiles 26 sorgen kann.
Die Fig. 3a bis 3e zeigen jeweils verschiedene Ausgestaltungsformen eines erfindungsgemäßen, einen Funktionsabschnitt 32 umfassenden Teiles 28. Dabei ist nicht ausgeschlossen, dass auch Mischformen der unterschiedlichen Ausgestaltungsformen des Funktionsabschnitts 32 auftreten können. Wie bereits erwähnt, überragt der Teil 28 die aus mehreren Halbleiterelementen 4 bestehende Schicht 6 seitlich. Die seitlich überragende Partie des Teiles 28 ist durch das Bezugszeichen 30 gekennzeichnet. Der Bereich der seitlichen Ausdehnung der aus mehreren Halbleiterelementen 4 bestehenden Schicht 6 ist in den Fig. 3a bis 3e jeweils anhand der gestrichelten Linie 6"' angedeutet. Der Funktionsabschnitt 32 des Teiles 28 gemäß Fig. 3a weist zur Befestigung der
Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie 20 bzw. des Teiles 28 mehrere Durchbrüche 36 zur Aufnahme von Befestigungselementen, beispielsweise in Form von Schrauben, auf. Die Durchbrüche 36 sind jeweils in konvex gekrümmten Rand- bzw. Eckbereichen
38 des Funktionsabschnitts 32 des Teiles 28 angeordnet, da sich bei einer derartigen Anordnungsweise der Durchbrüche 36 eine stabile Befestigungsmöglichkeit der
Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie 20 bzw. des Teiles 28 ermöglichen lässt. Auch bei der Ausgestaltungsvariante der Fig. 3b umfasst der Funktionsabschnitt 32 des Teiles 28 konvex gekrümmte Rand- bzw. Eckbereiche 38, welche jeweils Durchbrüche 36 aufweisen. Zudem weist der Funktionsabschnitt 32 eine den Bereich 6"' der aus mehreren Halbleiterelementen 4 bestehenden Schicht 6 beabstandet umgebende gewölbte Struktur 40 auf. Die gewölbte Struktur 40 ist durch Vertiefungen und Erhebungen im Material des Teiles 28 ausgebildet, wie insbesondere in der Schnittdarstellung A-A der Fig. 3b zu erkennen ist. Durch die gewölbte Struktur 40 kann) eine Dichteinheit bereitgestellt werden. Weiter kann die gewölbte Struktur 40 bzw. das Teil 28 im Bereich der gewölbten Struktur 40 reversibel elastisch verformbar sein.
Gemäß der Ausführungsform der Fig. 3c des Funktionsabschnitts 32 des Teiles 28 können zumindest Bereiche 42 des Funktionsabschnitts 32 eine größere Steifigkeit besitzen als weitere Bereiche 44 des Teiles 28. Wie auch die gewölbte Struktur 40 der Fig. 3b kann der eine größere Steifigkeit besitzende Bereich 42 den Bereich 6"' der aus mehreren Halbleiterelementen 4 bestehenden Schicht 6 beabstandet umgeben. Die größere Steifigkeit des Bereichs 42 kann beispielsweise durch eine Verstärkung des Materials des Teiles 28 erzeugt werden. Durch die größere Steifigkeit des Bereichs 42 des Teiles 28 wird insgesamt eine hohe Stabilität des Teiles 28 herbeigeführt, wodurch eine geringere Gefahr einer Beschädigung von Lötverbindungen 24' (vgl. Fig. 2) oder der aus mehreren Halbleiterelementen 4 bestehenden Schicht 6 besteht. Die
Ausführungsform der Fig. 3d weist einen verstärkten Bereich auf, welcher den Bereich 6"' der aus mehreren Halbleiterelementen bestehenden Schicht 6 überdeckt und dadurch beispielsweise vor Beschädigungen schützt.
Fig. 3e zeigt eine Ausbildungsform des Funktionsabschnitts 32 des Teiles 28 in einer bereits erwähnten Mischform. Hierbei weist der Teil 28 wiederum konvex
gekrümmte Rand- bzw. Eckbereiche 38 auf. In diesen Rand- bzw. Eckbereichen 38 besitzt der Funktionsabschnitt 32 jeweils Durchbrüche 36. Weiterhin umfasst der
Funktionsabschnitt 32 des Teiles 28 eine erste gewölbte Struktur 40', welche zumindest bereichsweise reversibel elastisch verformbar ausgebildet ist. Zudem umfasst der Funktionsabschnitt 32 eine zweite gewölbte Struktur 40", welche in Zusammenwirken mit einem ein Fluid einschließenden Element 58 eine Dichteinheit bildet. Die erste gewölbte Struktur 40' sowie die zweite gewölbte Struktur 40" umgeben die aus mehreren
Halbleiterelementen 4 bestehende Schicht 6 bzw. deren Bereich 6"' in einem gewissen Abstand. Die Schnittdarstellung D-D verdeutlicht nochmals die erste und zweite gewölbte Struktur 40' und 40" des Funktionsabschnitts 32 des Teiles 28.
In Fig. 4 wird eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie 20 dargestellt. Hierbei ist lediglich der Teil 28 der Einhausung 22 abgebildet, welcher auf der unteren Breitseitenfläche 28' mit der aus mehreren Halbleiterelementen 4 bestehenden Schicht 6 gekoppelt ist. In dem Funktionsabschnitt 32 auf der seitlich überragenden Partie 30 des Teiles 28 sind Durchbrüche 36 vorgesehen. Auf der oberen Breitseitenfläche 28" des Teiles 28 ist der Teil 28 mit einer wärmeaustauschfördernden Struktur 46 versehen. Wie Fig. 5 zeigt, kann bei einer Kopplung der Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie 20 mit einem ein Fluid 50 einschließenden Element, beispielsweise einer Wandung 58 eines Kanals für Fluid 48 oder eines Fluidkreislaufs 48', die
wärmeaustauschfördernde Struktur 46 in thermisch leitendem Kontakt zu einem Fluid 50 des Kanals für Fluid 48 oder des Fluidkreislaufs 48' stehen. Bei dem Fluid 50 kann es sich um ein flüssiges oder gasförmiges Fluid handeln.
Bei der Ausgestaltungsvariante der Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie 20 gemäß Fig. 5 weist der Funktionsabschnitt 32 des Teiles 28 neben den Durchbrüchen 36 eine gewölbte Struktur 40 auf. Auch der Teil 26 der
Einhausung 22 kann mit Durchbrüchen 36 versehen sein, so dass Befestigungselemente 34 durch die Durchbrüche 36 des Teiles 28 und des Teiles 26 geführt werden können. Die wärmeaustauschfördernde Struktur 46 befindet sich bei dieser Anordnungsweise in der Strömung des Fluides 50, dessen Fluidströmungsrichtung anhand des Pfeils 52 angedeutet ist, wodurch eine Förderung des Wärmeaustausches ermöglicht werden kann. Weiterhin kann zusätzlich zu der wärmeaustauschfördernden Struktur 46 oder statt der wärmeaustauschfördernden Struktur 46 eine elastische Schicht 68 vorgesehen sein. Bei der Anbindung der Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie 20 an den Kanal für Fluid 48 ist der den Funktionsabschnitt 32 ausbildende Teil 28 unmittelbar benachbart zu dem Fluid 50 des Kanals für Fluid 48 angeordnet. Dies kann beispielsweise durch eine Aussparung 60 in der Wandung 58 des Kanals für Fluid 48 erfolgen, in welchem Bereich der Aussparung 60 das Fluid 50 somit in direktem Kontakt mit einem Abschnitt 70 der oberen Breitseitenfläche 28" des Teiles 28 steht. In diesem Bereich der Aussparung bzw. der Anbindung des den Funktionsabschnitt 32
umfassenden Teiles 28 an den Kanal für Fluid 48 bildet der Teil 28 demnach teilweise selbst den Kanal 48 aus. Eine Befestigung der Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie 20 an die Wandung des Kanals für Fluid 48 kann mittels durch die Durchbrüche 36 geführter Befestigungselemente 34 erfolgen. Durch die gewölbte Struktur 40 des Funktionsabschnitts 32 entsteht bei einer Fixierung der
Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie 20 mittels der Befestigungselemente 34 eine Dichteinheit. Dadurch ist es möglich, die aus mehreren Halbleiterelementen 4 bestehende Schicht 6 gegenüber dem Fluid 50 abzudichten.
Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie 20. Hierbei ist der Teil 28 der Einhausung 22 derart ausgestaltet, dass eine Anbindung einer ersten Schicht 6' und einer zweiten Schicht 6", jeweils bestehend aus mehreren Halbleiterelementen 4, ermöglicht werden kann. Hierbei ist der Teil 28 zur Aufnahme der ersten und zweiten Schicht 6' und 6", jeweils bestehend aus mehreren Halbleiterelementen 4, ausgebildet. Der Kanal für Fluid 48, an welchen die Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie 20 angebunden ist, ist mittels einer Trennwand 54 in einen ersten und zweiten Kanalabschnitt 62 und 62' unterteilt, sodass die erste Schicht 6', bestehend aus mehreren Halbleiterelementen 4, im ersten Kanalabschnitt 62 angeordnet ist und die zweite Schicht 6" bestehend aus mehreren Halbleiterelementen 4 im zweiten Kanalabschnitt 62' angeordnet ist. Im Bereich der ersten und zweiten Schicht 6' und 6" umfasst der Teil 28 jeweils eigenständige Funktionsabschnitte 32' und 32".
Die Funktionsabschnitte 32' und 32" weisen jeweils eine erste gewölbte Struktur 40' und eine zweite gewölbte Struktur 40" auf. Die erste gewölbte Struktur 40' ist im Bereich der aus mehreren Halbleiterelementen 4 bestehenden Schicht 6' sowie 6" angeordnet. Im Bereich der jeweiligen gewölbten Struktur 40' bzw. 40" sind die
Funktionsabschnitte 32' und 32" jeweils reversibel elastisch verformbar ausgebildet, wodurch ein Federn des Teiles 28 ermöglicht wird. Diese reversible elastische
Verformbarkeit der Funktionsabschnitte 32' und 32" ist vorteilhaft, wenn der Teil 26 einen unebenen bzw. ungeraden Querschnitt besitzt, da hierbei durch die reversible elastische Verformbarkeit eine stabile und sichere Anordnung der aus mehreren Halbleiterelementen 4 bestehenden Schichten 6' und 6" ermöglicht wird. Im Bereich der zweiten gewölbten Struktur 40" wirken die Funktionsabschnitte 32' und 32" mit der Wandung 58 des Kanals für Fluid 48 bzw. der Trennwand 54 zusammen, wodurch sich jeweils eine Dichteinheit bildet. Dadurch werden die aus mehreren Halbleiterelementen 4 bestehenden Schichten 6' und 6" gegenüber dem Fluid abgedichtet. Im Bereich der Trennwand 54 können die gewölbten Strukturen 40" des ersten und zweiten Funktionsabschnitts 32' und 32" als eine gemeinsame gewölbte Struktur 40" ausgebildet sein.
Eine reversible elastische Verformbarkeit des Teiles 28 im Bereich der gewölbten Struktur 40 wird zudem in Fig. 7 angedeutet. Hierbei wird anhand der Pfeile 64 eine Druckänderung bezüglich des Fluides 50 in dem Fluidkreislauf 48' symbolisiert, welche Druckänderung derart auf den Teil 28 einwirkt, dass aufgrund der reversiblen elastischen Verformbarkeit der gewölbten Struktur 40 eine Verschiebung der aus mehreren
Halbleiterelementen 4 bestehenden Schicht 6 in Richtung des
wärmeaustauschfördernden Elementes 24, wie anhand des Pfeils 66 dargestellt wird, erfolgt. Mittels einer gezielten Druckänderung des Fluides 50 kann insbesondere ein herzustellender oder zu vermeidender Kontakt mit dem wärmeaustauschfördernden Element 24 gesteuert werden, um eine gewünschte Weitergabe von Wärmeenergie zu erhalten oder zu vermeiden. Auch kann die reversible elastische Verformbarkeit des Funktionsabschnitts 32 Beschädigungen bezüglich der aus mehreren Halbleiterelementen 4 bestehenden Schicht 6 oder vorhandenen Lötverbindungen vermeiden.
Figur 8 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie 20. Um die Auslenkung des Teiles 28 in Richtung der Wandung 58 des Kanals für Fluid 48 zu begrenzen,
beispielsweise um Beschädigungen zu vermeiden, kann die wärmeaustauschfördernde Struktur 46 derart ausgebildet sein, dass diese bei einer bestimmten Druckänderung des Fluides 50, symbolisiert durch die Pfeile 64, an der Wandung 58 des Kanals für Fluid 48 anstößt und so eine weitere Verformung des Teiles 28 verhindert wird. Als weitere Möglichkeit können im Bereich der aus mehreren Halbleiterelementen 4 bestehenden Schicht 6" Begrenzungselemente 56 angebracht werden, welche die Verformung des Teiles 28 begrenzen. Hierbei kann die wärmeaustauschfördernde Struktur 46'eine geringere Dimensionierung aufweisen als die wärmeaustauschfördernde Struktur 46. Bei einem bestimmten Druck stoßen die Begrenzungselemente 56 an dem Teil 28 an und verhindern so eine weitere Verformung des Teiles 28 bzw. des Funktionsabschnitts 32.
Figur 9a und 9b zeigen weitere Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie 20. In Aufbau und Funktion weitgehend analog zu Fig. 4, ist hier der wesentliche Unterschied, dass die Einhausung 29 einteilig gestaltet ist, die Halbleiterlemente 4 an je vier Flächen umgibt und bevorzugt aus einem isolierenden Material besteht. Dabei schließt die Einhausung 29 weder die Metallbrücken 8 noch die Isolationsschichten 14 ein. Ein derartiger Aufbau für ein TED ist bereits bekannt. Erfindungsgemäß ist die Einhausung 29 seitlich verlängert 30 und weist einen Funktionsabschnitt 32 auf. In Fig. 9a sind Durchbrüche 36 vorgesehen, die eine Befestigung ermöglichen. In Fig. 9b ist eine Struktur 35 zur Aufnahme eines Dichtmittels 37 vorgesehen. Als Dichtmittel können beispielsweise O-Ringe, Lot, Klebstoff, Silikonmasse zu Verwendung kommen. Figur 10 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie 20. In diesem Aufbau sind die Halbleiterelemente 4 in einem über Metallbrücken verbundenen Stapel angeordnet. Ein derartiger Aufbau ist bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Erfindungsgemäß ist eine seitlich verlängerte Einhausung 29 vorgesehen die im überragenden Bereich 30 mit einem Funktionsabschnitt 32 ausgestattet ist. Der Funktionsabschnitt 32 weist hier eine Wölbung 40 auf, die als umlaufende Dichtung fungiert.
Figur 11 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie 20. Die Halbleiterelemente sind als Stapel aufgebaut. Die Wärme wird von den Halbleiterelementen 4 vermittels der Metallbrücken 8 über eine Isolationsschicht 14 auf eine, im Wesentlichen eine Seite der Halbleiterelemente bedeckende, Einhausung 28 geleitet. Ein solcher Aufbau ist bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Erfindungsgemäß weist die Einhausung 28 eine seitlich überragende Partie 30 auf und ist dort mit einem Funktionsbereich 32 versehen. Hier weist der Funktionsbereich eine Wölbung auf, die geeignet ist eine umlaufende Dichtung darzustellen oder thermische Dehnungen auszugleichen.
Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben. Es ist jedoch für einen Fachmann vorstellbar, dass Abwandlungen oder Änderungen der Erfindung gemacht werden können, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.
Bezugszeichenliste Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie (Stand der Technik)
, 4' Halbleiterelemente, TE-Pellets
, 6', 6", 6"' Schicht, erste Schicht, zweite Schicht, Bereich der Schicht
Metallbrücken
0 Einhausung
2, 12' Teil, Keramik- oder Kupferplatte
4 wärmeaustauschförderndes Element
6, 16' Oberseite, Unterseite
0 Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie2 Einhausung
4, 24' wärmeaustauschförderndes Element, Thermalfolie / Lötverbindungen6, 26' Teil, Breitseitenfläche
8, 28', 28" Teil, untere Breitseitenfläche, obere Breitseitenfläche
9 einteilige Einhausung
0 seitlich überragende Partie
2, 32', 32" Funktionsabschnitt, erster Funktionsabschnitt, zweiter Funktionsabschnitt4 Befestigungselement
5 Dichtmittelaufnahme
6 Durchbruch
8 Rand- bzw. Eckbereich
0, 40', 40" gewölbte Struktur, erste gewölbte Struktur, zweite gewölbte Struktur2 Bereich mit größerer Steifigkeit
4 Bereich mit geringerer Steifigkeit
wärmeaustauschfördernde Struktur
, 48' Kanal für Fluid, Fluidkreislauf
Fluid
Fluidströmungsrichtung
Trennwand
Begrenzungselemente
Fluid einschließendes Element, Wandung des Kanals für Fluid / des
Fluidkreislaufs
Aussparung
, 62' erster Kanalabschnitt, zweiter Kanalabschnitt Druckänderung Druckänderung Elastische Schicht Abschnitt

Claims

Ansprüche
Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie (20) , umfassend
- mindestens eine aus mehreren Halbleiterelementen (4) bestehende
Schicht (6, 6', 6") und
- eine aus wenigstens zwei Teilen (26, 28) gebildete Einhausung (22) , zwischen deren gegenüberliegenden Breitseitenflächen (26', 28') die mindestens eine aus mehreren Halbleiterelementen (4) bestehende Schicht (6, 6', 6") aufgenommen ist, wobei
- wenigstens einer der zwei die Einhausung (22) bildenden Teile (26, 28) die aus mehreren Halbleiterelementen (4) bestehende Schicht (6, 6', 6 ") seitlich überragt und wobei
- eine seitlich die aus mehreren Halbleiterelementen (4) bestehende Schicht (6, 6', 6") überragende Partie (30) des jeweiligen Teiles als
Funktionsabschnitt (32, 32', 32") ausgebildet ist.
Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie (20) nach Anspruch 1 , wobei der Funktionsabschnitt (32, 32', 32") zumindest bereichsweise eine gewölbte Struktur (40, 40', 40") aufweist.
Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie (20) nach Anspruch 2, wobei der wenigstens eine einen Funktionsabschnitt (32) ausbildende Teil (28) unmittelbar benachbart zu einem Fluid (50) angeordnet ist und wobei der Funktionsabschnitt (32) im Bereich der gewölbten Struktur (40, 40', 40") mit einem das Fluid (50) einschließenden Element (58) als Dichteinheit zusammenwirkt, sodass die aus mehreren Halbleiterelementen (4) bestehende Schicht (6, 6', 6") gegenüber dem Fluid (50) abgedichtet ist.
Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie (20) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Funktionsabschnitt (32, 32', 32") gegenüber weiteren Bereichen des Teiles (28) eine größere Steifigkeit besitzt.
Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie (20) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Funktionsabschnitt (32, 32', 32") zumindest bereichsweise reversibel elastisch verformbar ausgebildet ist.
6. Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie (20) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Funktionsabschnitt (32, 32', 32") mindestens einen zur Aufnahme eines Befestigungselementes (34) ausgebildeten Durchbruch (36) besitzt. 7. Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie (20) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher eine obere Breitseitenfläche (28") des wenigstens einen den Funktionsabschnitt (32, 32', 32") ausbildenden Teiles (28), welche obere Breitseitenfläche (28") der aus mehreren Halbleiterelementen (4) bestehenden mindestens einen Schicht (6, 6', 6") abgewandt ist, einen Abschnitt (70) eines Kanals (48) für Fluid ausbildet.
8. Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie (20) nach
Anspruch 7, wobei der wenigstens eine Teil (28), welcher den Funktionsabschnitt (32, 32', 32") ausbildet, auf der oberen Breitseitenfläche (28") im Bereich des Abschnitts (70) eine wärmeaustauschfördernde Struktur (46) umfasst. 9. Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie (20) nach
Anspruch 7 oder 8, wobei der wenigstens eine Teil (28), welcher den
Funktionsabschnitt (32, 32', 32") ausbildet, auf der oberen Breitseitenfläche (28") zumindest teilweise im Bereich des Abschnitts (70) eine elastische Schicht (68) umfasst. 10. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, bei welcher eine in Richtung der mindestens einen aus mehreren Halbleiterelementen (4) bestehenden Schicht (6, 6', 6") weisende Breitseitenfläche (26') wenigstens eines der wenigstens zwei die Einhausung (22) bildenden Teile (26, 28) mit einem
wärmeaustauschfördernden Element (24, 24') versehen ist. 11. Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie (20) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, wobei die aus wenigstens zwei Teilen (26, 28) gebildete Einhausung (22) zur Aufnahme von mindestens zwei aus mehreren
Halbleiterelementen (4) bestehenden und voneinander beabstandeten Schichten (6, 6', 6") ausgebildet ist. 12. Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie (20) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11 , wobei jeder der wenigstens zwei Teile (26, 28) die mindestens eine aus mehreren Halbleiterelementen (4) bestehende Schicht (6, 6', 6") seitlich überragt und wobei die seitlich die mindestens eine aus mehreren
Halbleiterelementen (4) bestehende Schicht (6, 6', 6") überragenden Partien (30) der wenigstens zwei Teile (26, 28) jeweils als Funktionsabschnitt (32, 32', 32") ausgebildet sind. 13. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11 , wobei die Einhausung (22, 26, 28) nur einteilig oder einseitig vorgesehen ist (29).
14. Einrichtung nach Anspruch 13, wobei die einteilige Einhausung (29) die
Halbleiterelemente (4) auf mindestens einer Seite umschließt.
15. Fahrzeugsitz, Fahrzeuglenkrad, Batterie oder Batteriegehäuse im Fahrzeug,
temperierbare Getränkehalterung für Fahrzeuge, ferner Wärmetauscher, -Speicher oder -Übertrager, , welche zumindest eine Einrichtung zum Wandeln elektrischer Energie in thermische Energie (20) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14 umfasst.
16. Thermoelektrischer Generator oder Teil davon, der mindestens einen der
vorgenannten Ansprüche umfasst.
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