DE102014208433A1

DE102014208433A1 - Thermoelektrische Vorrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102014208433A1
Application number: DE102014208433.4A
Authority: DE
Inventors: Holger Schroth; Thomas Himmer
Original assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 2014-05-06
Filing date: 2014-05-06
Publication date: 2015-11-26
Also published as: CN105097791A; US20150325766A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Vorrichtung (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, – mit einem ein erstes und ein zweites Gehäuseteil (3a, 3b) umfassenden und einen Gehäuseinnenraum (4) wenigstens teilweise begrenzenden Gehäuse (2), wobei die beiden Gehäuseteile (3a, 3b) jeweils eine Gehäusewand (5a, 5b) umfassen, die sich in einem montierten Zustand gegenüberliegen, – wobei wenigstens eine Gehäusewand (5a) wenigstens zwei Aufnahmebereiche (12) aufweist, auf welchen jeweils wenigstens ein thermoelektrisches Element (10) angeordnet ist, – wobei jeder Aufnahmebereich (12) von einer entlang einer Umlaufrichtung (U) verlaufenden Einfassung (13) umschlossen wird, die eine federelastische Struktur (14) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Vorrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug sowie ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einer solchen thermoelektrischen Vorrichtung.
Unter dem Begriff ”Thermoelektrizität” versteht man die gegenseitige Beeinflussung von Temperatur und Elektrizität und ihre Umsetzung ineinander. Thermoelektrische Materialien machen sich diese Beeinflussung zunutze, um als thermoelektrische Generatoren aus Abwärme elektrische Energie zu erzeugen, kommen aber auch in Form sog. Wärmepumpen zum Einsatz, wenn unter Aufwendung von elektrischer Energie Wärme von einem Temperatur-Reservoir mit niedrigerer Temperatur in eines mit höherer Temperatur transportiert werden soll.
Gerade die genannten thermoelektrischen Generatoren finden in der Fahrzeugtechnik bei der Kühlung unterschiedlichster Bauteile wie z. B. modernen Lithium-Ionen-Batterien Anwendung, die betriebsmäßig in erheblichem Maße Abwärme entwickeln. Solche thermoelektrischen Generatoren können aber auch in Elektrokraftfahrzeugen als kombinierte Heiz- und Kühleinrichtung, etwa zum Temperieren des Fahrgastinnenraums, verwendet werden, zumal sie einen deutlich höheren Wirkungsgrad aufweisen als etwa herkömmliche elektrische Widerstandsheizer; in Kraftfahrzeugen mit Brennkraftmaschine kann die beim Verbrennungsvorgang im Abgas erzeugte Abwärme teilweise in elektrische Energie gewandelt und in das elektrische Bordnetz des Kraftfahrzeugs eingespeist werden. Die in elektrische Energie gewandelte Abwärme lässt sich somit zu einem erheblichen Anteil nutzbar machen, um den Energieverbrauch des Kraftfahrzeugs auf ein notwendiges Mindestmaß zu senken und damit einen unnötigen Ausstoß an Abgasen wie etwa CO₂ zu vermeiden. Die Anwendungsgebiete thermoelektrischer Vorrichtungen im Fahrzeugbau sind also vielfältig; von entscheidender Bedeutung ist es in jedem der genannten Anwendungsfelder, einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen, um Wärme möglichst effektiv in elektrische Energie umzuwandeln oder umgekehrt.
Als problematisch bei aus dem Stand der Technik bekannten thermoelektrischen Vorrichtungen erweisen sich indes die am Gehäuse einer solchen Vorrichtung regelmäßig auftretenden thermomechanischen Spannungen, verursacht durch lokale Temperaturschwankungen. Diese können wiederum auf die im Gehäuseinnenraum aufgenommenen, thermoelektrischen Elemente übertragen werden, was deren Beschädigung oder Zerstörung zur Folge haben kann.
Thermomechanischen Spannungen treten vor allem dann auf, wenn die unterschiedlichen Materialien der verschiedenen Komponenten der thermoelektrischen Vorrichtung wie etwa Gehäuse, elektrische Isolierung, Leiterbrücke, etc. mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten stoffschlüssig miteinander verbunden und diese dann im Betrieb unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt werden. Zusätzlich kommt es durch das gleichzeitige Vorhandensein sowohl einer Kaltseite als auch einer Heißseite am Modul zu weiteren thermomechanischen Spannungen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine thermoelektrische Vorrichtung mit einem verbesserten Gehäuse zu schaffen, bei welchem die genannte Problematik nicht mehr oder nur mehr in abgemilderter Form auftritt.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Grundgedanke der Erfindung ist demnach, in den Gehäusewänden der thermoelektrischen Vorrichtung eine federelastische Struktur vorzusehen, welche etwaig in den Gehäusewänden auftretende thermomechanische Spannungen aufzunehmen vermag, oder, alternativ dazu, die betroffene Gehäusewand hinreichend dünnwandig auszubilden, so dass das Material der Gehäusewand selbst die zur Aufnahme besagter thermoelektrischer Spannungen erforderlichen federelastischen Eigenschaften besitzt.
In ersterem Fall bildet die federelastische Struktur eine Einfassung für wenigstens zwei in der Gehäusewand vorgesehene Aufnahmebereiche, in welchen jeweils ein thermoelektrisches Element angeordnet werden kann. Da die thermomechanischen Spannungen erfindungsgemäß von der federelastischen Struktur aufgenommen werden und dabei zu einer lokalen elastischen Verformung der Struktur führen, bleiben die eigentlich für Verformungen kritischen Bereiche, nämlich besagte Aufnahmebereiche, an denen die thermoelektrischen Elemente an den Gehäusewänden befestigt sind, frei von solchen mechanischen Spannungen. Eine unerwünschte Beschädigung oder gar Zerstörung der strukturellen Integrität der gegenüber mechanischen Spannungen sensitiven thermoelektrisch aktiven Elemente kann auf diese Weise vermieden werden. Dies gilt auch für den oben erwähnten Fall einer hinreichend dünnwandigen Ausbildung der die Aufnahmebereiche bereitstellenden Gehäusewand des Gehäuses.
In einem ersten Aspekt umfasst eine erfindungsgemäße thermoelektrische Vorrichtung ein erstes und ein zweites Gehäuseteil umfassendes und einen Gehäuseinnenraum wenigstens teilweise begrenzendes Gehäuse, wobei die beiden Gehäuseteile jeweils eine Gehäusewand umfassen, die sich in einem montierten Zustand gegenüberliegen. Wenigstens eine der beiden Gehäusewände weist wenigstens zwei Aufnahmebereiche auf, auf welchen jeweils ein thermoelektrisches Element angeordnet ist. Benachbarte thermoelektrische Elemente können dabei mittels sog., dem einschlägigen Fachmann bekannter, metallischer Leiterbahnen – im Folgenden als ”Leiterbahn-Elemente” bezeichnet, elektrisch und mechanisch miteinander verbunden werden.
Jeder Aufnahmebereich wird dabei von einer entlang einer Umlaufrichtung verlaufenden Einfassung umschlossen, die eine federelastische Struktur aufweist. Die umlaufende Ausbildung der federelastischen Struktur um einen jeweiligen Aufnahmebereich sorgt, wie vorangehend erörtert, dafür, dass der von der Einfassung eingefasste Aufnahmebereich der Gehäusewand weitgehend oder sogar vollständig frei von unerwünschten thermomechanischen Spannungen bleibt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Aufnahmebereich bezüglich einer Draufsicht auf die Gehäusewand im Wesentlichen die Geometrie eines Rechtecks, insbesondere mit abgerundeten Ecken, auf. Dies bedeutet, dass die Geometrie des Aufnahmebereichs an jene der thermoelektrischen Elemente angepasst wird, welche typischerweise die geometrische Gestalt eines Quaders besitzen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die die Einfassung erzeugende federelastische Struktur bezüglich einer Draufsicht auf die Gehäusewand rasterartig ausgebildet und umfasst wenigstens zwei Rasterzeilen sowie wenigstens zwei Rasterspalten. Die Anordnung der Rasterzeilen und Rasterspalten erfolgt dabei derart, dass diese sich in wenigstens einem Kreuzungspunkt kreuzen. Vorzugsweise sind die Rasterzeilen und Rasterspalten unter einem rechten Winkel zueinander angeordnet, so dass die Aufnahmebereiche mit einer rechteckigen Formgebung erzeugt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Wanddicke der Gehäusewand im Bereich der federelastischen Struktur gegenüber dem zur federelastischen Struktur komplementären Bereich der Gehäusewand reduziert. Auf diese Weise werden der federelastischen Struktur die zur Aufnahme thermomechanischer Spannungen erforderlichen federelastischen Eigenschaften in besonders ausgeprägter Form verliehen.
Als in fertigungstechnischer Hinsicht vorteilhaft erweist sich indes eine Ausführungsform, bei welcher die federelastische Struktur wenigstens eine integral an der Gehäusewand ausgeformte Sicke umfasst. Diese steht von der Gehäusewand nach innen in den Gehäuseraum hinein ab. Eine derartige Sicke lässt sich etwa mit Hilfe einer dem einschlägigen Fachmann bekannten sogenannten Sickenmaschine herstellen.
In einer anderen vorteilhaften und zu den vorangehenden alternativen Ausführungsform weist die federelastische Struktur wenigstens zwei, vorzugsweise eine Mehrzahl, entlang der Umlaufrichtung der Einfassung verlaufenden Durchbrüche auf, die durch wenigstens einen integral an der Gehäusewand ausgeformten Steg unterbrochen werden.
Besonders zweckmäßig kann ein Steg zwei benachbarte Aufnahmebereiche verbinden, indem er einen Durchbruch quer zur Umlaufrichtung überbrückt.
Besonders gute federelastische Eigenschaften besitzt eine Ausführungsform, in welcher der Steg bezüglich einer Draufsicht auf den Gehäuseboden eine im Wesentlichen S-artige Geometrie aufweist.
Dies gilt in besonderem Maße für eine vorteilhafte Weiterbildung, bei welcher jede einen bestimmten Aufnahmebereich einfassende Einfassung mit genau sechs Stegen versehen wird.
Besonders einfach herzustellen ist aus fertigungstechnischer Sicht eine Ausführungsform, in welcher wenigstens eine, vorzugsweise jede, einen bestimmten Aufnahmebereich einfassende Einfassung zwei Längs- und zwei Querseiten aufweist, wobei in jeder Längsseite genau zwei Stege und in jeder Querseite genau ein Steg vorgesehen ist.
In einer vorteilhaften Weitebildung kann wenigstens ein Steg, vorzugsweise alle Stege, eine vom Gehäuseboden weg nach innen, zum Gehäuseinnenraum hin gewölbte geometrische Gestalt aufweisen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann sich der wenigstens eine Steg im Querschnitt von der Gehäusewand weg zum Gehäuseinnenraum hin verjüngen. Dies erlaubt eine besonders einfache Herstellung eines solchen Stegs, etwa im Zuge eines kombinierten Stanz-Umformprozesses zum Ausstanzen besagter Durchbrüche.
Eine besonders gute Aufnahme von thermomechanischen Spannungen, insbesondere wenn diese lokal an voneinander beabstandeten Stellen in der Gehäusewand auftreten, kann erzielt werden, wenn sich entlang der Umlaufrichtung wenigstens zwei Durchbrüche und wenigstens zwei Stege abwechseln. Vorzugsweise mag dies für eine Mehrzahl von Durchbrüchen bzw. Stegen gelten. Dabei können die oben beschriebenen Rasterzeilen und zwei Rasterspalten durch Durchbrüche und Stege gebildet werden. Mit anderen Worten, Stege und Durchbrüche wechseln sich sowohl entlang der Umlaufrichtung, die entlang der den Aufnahmebereich einfassende Einfassung verläuft, als auch entlang besagter Rasterzeilen bzw. Rasterspalten ab.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform können die Stege und/oder die Durchbrüche in einer durch die Gehäusewand definierten Wandebene angeordnet werden, d. h. in einem solchen Szenario ergibt sich eine im Wesentlichen flache, also zweidimensionale Wandstruktur. Alternativ dazu können die Stege aber auch wenigstens abschnittsweise von der Wandebene nach innen in den Gehäuseinnenraum abstehen. Dies erleichtert die Herstellung der Stege im Zuge eines Stanzverfahrens zur Einbringung der bereits genannten Durchbrüche in die Gehäusewand.
In einer vorteilhaften Weiterbildung, welche unter Anwendung eines Stanzverfahrens hergestellt wird, steht ein entlang der Umlaufrichtung verlaufender und die Durchbrüche teilweise begrenzender Randabschnitt der Gehäusewand nach innen in den Gehäuseinnenraum hinein ab.
Besonders ausgeprägte federelastische Eigenschaften können der erfindungswesentlichen Struktur verliehen werden, indem die Sicke im Querschnitt der Gehäusewand mit einem U-förmigen oder Ω-förmigen Profil ausgestattet wird.
Wie bereits erläutert, können sowohl die Durchbrüche und als auch die Stege im Zuge eines aus fertigungstechnischer Sicht besonders vorteilhaften, gemeinsamen Stanzverfahrens hergestellt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird auf einer vom Gehäuseinnenraum abgewandten Seite des ersten Gehäuseteils eine Folie aus einem elektrisch leitenden Material, insbesondere aus einem Metall, oder aber aus einem elektrisch nicht-leitenden Material angebracht, welche die Durchbrüche abdeckt. Auf diese Weise kann der Gehäuseinnenraum des Gehäuses gegenüber der äußeren Umgebung des Gehäuses abgedichtet werden, ohne dass dies mit einer Minderung der federelastischen Eigenschaften der Einfassung einhergehen würde. Um dies zu gewährleisten, sollte für die Foliendicke der Folie ein Wert von höchstens 0,05 mm gewählt werden.
In einem zweiten Aspekt der hier vorgestellten Erfindung besitzt eine erfindungsgemäße thermoelektrische Vorrichtung anstelle einer eine Einfassung ausbildenden federelastischen Struktur eine in der Gehäusewand vorgesehene Durchgangsöffnung zur Reduzierung thermomechanischer Spannungen. Diese ist von einem Wandrand eingefasst und wird von einer Abdeckung aus einer Blechfolie verschlossen. Erfindungsgemäß weist die Blechfolie dabei eine Foliendicke auf, die höchstens ein Fünftel, vorzugsweise höchstens ein Zehntel, einer Wanddicke des Wandrands beträgt. Eine derartige Ausdünnung der Gehäusewand verleiht der Gehäusewand in analoger Weise zur vorangehend erörterten federelastischen Struktur die gewünschten federelastischen Eigenschaften.
Eine thermoelektrische Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt besitzt ein ein erstes und ein zweites Gehäuseteil umfassendes und einen Gehäuseinnenraum wenigstens teilweise begrenzendes Gehäuse. Die beiden Gehäuseteile umfassen jeweils eine Gehäusewand, die sich in einem montierten Zustand gegenüber liegen. In wenigstens einer der beiden Durchgangsöffnungen Reduzierung thermomechanischer Spannungen im Gehäuse vorgesehen, welche von einem Wandrand der Gehäusewand eingefasst und von einer Abdeckung aus einer Blechfolie verschlossen wird.
Besonders gute federelastische Eigenschaften, ohne dass die strukturelle Integrität der gesamten Gehäusewand gefährdet wäre, lassen sich erzielen, wenn die Blechfolie eine Foliendicke von höchstens 0,1 mm aufweist, und alternativ oder zusätzlich die Gehäusewand eine Wanddicke von mindestens 0,3 mm aufweist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das erste Gehäuseteil als Gehäuseboden ausgebildet, der von einem nach innen, zum Gehäusedeckel hin abstehenden Bodenkragen eingefasst wird. Dabei geht der Bodenkragen an einem vom Gehäuseboden abgewandten Ende in einen nach außen, vom Gehäuseinnenraum weg abstehenden Flanschabschnitt über. Das zweite Gehäuseteil ist demgegenüber als Gehäusedeckel ausgebildet, welcher stoffschlüssig, insbesondere mittels einer Schweißverbindung, am Flanschabschnitt des Gehäusebodens befestigt ist. In Varianten sind für die beiden Gehäuseteile selbstverständlich auch andere Ausgestaltungsformen vorstellbar. Zu denken ist etwa an eine jeweils halbschalenartige Ausbildung der beiden Gehäuseteile.
Um das elektrisch leitende Gehäuse gegenüber den im Gehäuseinnenraum angeordneten thermoelektrisch aktiven Elementen elektrisch zu isolieren, empfiehlt es sich in einer bevorzugten Ausführungsform, auf wenigstens einer der beiden Gehäusewände – vorzugsweise auf beiden – eine elektrische Isolation vorzusehen, welche die thermoelektrischen Elemente elektrisch gegen die Gehäusewände isoliert.
Bevorzugt kann die die elektrische Isolation als mehrlagige Schicht ausgebildet sein eine elektrische Isolationsschicht umfassen. Eine solche Isolationsschicht kann vorzugsweise aus einem keramischen Werkstoff, höchst vorzugsweise aus Aluminiumoxid, oder aus einem Glas auf Siliziumbasis hergestellt sein. Die Isolationsschicht kann dabei etwa mittels eines thermisches Spritzverfahrens oder eines Plasmaspritzverfahrens auf der Gehäusewand aufgebracht werden. Alternativ dazu ist auch eine Aufbringung unter Verwendung eines Siebdruck- oder Sinterverfahrens oder einer Kombination aus diesen Verfahren vorstellbar. Vor dem Aufbringen der Isolationsschicht bietet es sich an, die Gehäusewand zu entfetten und mittels Sandstrahlen, Anätzen oder Laserbestrahlung zu aktivieren. Typischerweise kann die elektrische Isolationsschicht ein- oder mehrlagig aufgebaut sein und eine Schichtdicke von mehreren 100 Mikrometern aufweisen. Um das Auftreten unerwünschter elektrischer Kriechströme durch die Isolationsschicht hindurch zu unterbinden, kann diese optional mit einem Kunststoff durchsetzt sein.
Zur verbesserten mechanischen Anbindung der elektrischen Isolationsschicht am Gehäuse wird in einer vorteilhaften Weiterbildung vorgeschlagen, zwischen der Isolationsschicht und der Gehäusewand eine Haftschicht vorzusehen, welche als Haftvermittler wirkt. Diese kann mittels der oben genannten Beschichtungsverfahren, aber auch mittels PVD- oder CVD-Verfahren aufgebracht werden. Alternativ dazu sind auch galvanische oder elektrochemische Beschichtungsverfahren vorstellbar. Als Material für die Haftschicht kommen Nickel, Chrom, Molybdän, Aluminium, Yb, Titan, Yttrium, Bor, Eisen, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Wolfram, Tantal oder Silber in Betracht. Auf besagte Haftschicht kann dann die eigentliche elektrische Isolationsschicht aufgebracht werden.
Um die an den thermoelektrisch aktiven Elementen außen vorgesehenen Leiterbahn-Elemente zum elektrischen Verbinden zweier benachbarter Elemente auf der elektrischen Isolationsschicht anbringen zu können, empfiehlt es sich, auf einer von der Gehäusewand abgewandten Seite der elektrischen Isolationsschicht eine Metallschicht, etwa aus Kupfer, Gold oder Silber, anzubringen. Dies gestattet eine einfache Anbringung der typischerweise metallischen Leiterbahn-Elemente der thermoelektrisch aktiven Elemente. Das Anbringen kann mittels Silber-Sintern oder AMB-Löten erfolgen.
Es ist bekannt, dass die verschiedenen, vorangehend erörterten Beschichtungen sowie das Gehäusematerial der Gehäusewand, aber auch die Bestandteile der thermoelektrisch aktiven Materialien typischerweise unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzen. Zur Reduzierung thermomechanischer Spannungen zwischen den einzelnen Schichten bzw. Komponenten wird daher in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, zwischen der elektrischen Isolationsschicht und der Haftschicht eine oder mehrere Ausdehnungskoeffizient-Anpassungsschichten vorzusehen. Diese Anpassungsschichten sind dabei derart ausgebildet, dass sich die Ausdehnungskoeffizienten jeweils benachbarter Schichten nur graduell ändern. In analoger Weise kann eine solche Ausdehnungskoeffizient-Anpassungsschicht auch zwischen der Metallschicht und der elektrischen Isolationsschicht vorgesehen werden.
Zur verbesserten thermischen Ankopplung des Gehäuses an ein externes Temperaturreservoir wird in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, auf einer vom Gehäusedeckel abgewandten Außenseite des Gehäusebodens eine Rippenstruktur mit wenigstens zwei Rippen, vorzugsweise mit einer Mehrzahl von Rippen, vorzusehen, die vom Gehäuseboden weg abstehen.
Eine besonders gute thermische Verbindung mit besagtem Temperaturreservoir wird erreicht, indem die Rippen konstruktiv derart ausgestaltet werden, dass sie in einem entlang der Längsrichtung des Gehäuses betrachteten Profil eine wellenartige Struktur ausbilden, derart, dass sich eine im Bereich des Durchbruchs angeordnete Rippe an den beiden einen jeweiligen Durchbruch begrenzenden Randabschnitten des Gehäusebodens abstützt. Auf diese Weise wird vermieden, dass die mechanisch relativ steif ausgebildeten Rippen die zur Aufnahme im Gehäuseboden vorhandener thermomechanischer Spannungen erforderliche Biegebeweglichkeit des Gehäusebodens mindern.
Um die von den thermoelektrischen Elementen erzeugte elektrische Thermospannung außen am Gehäuse bereitstellen zu können, wird vorgeschlagen, im Gehäusekragen wenigstens eine Durchgangsöffnung, vorzugsweise zwei Durchgangsöffnungen, vorzusehen. Durch diese kann jeweils ein elektrisches Anschlusselement durchgeführt werden, welches einenends elektrisch mit einem thermoelektrischen Element oder einem Leiterbahn-Element verbunden ist und anderenends durch die Durchgangsöffnung nach außen aus dem Bodenkragen vorsteht.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist das Anschlusselement als metallischer Stecker mit im Wesentlichen zylindrischer Formgebung ausgebildet. Um die erforderliche elektrische Isolierung gegenüber dem Gehäuse zu gewährleisten, ist das Anschlusselement in einer Isolationshülse aus einem elektrisch isolierenden Material, insbesondere aus einem Kunststoff, angeordnet.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des thermoelektrischen Generators kann in jeder der beiden gegenüberliegenden Rohrwände jeweils eine (erste bzw. zweite) Durchgangsöffnung vorgesehen sein. Eine erste Wärmetauscher-Vorrichtung kann dann in die erste Durchgangsöffnung eingesetzt werden, eine zweite thermoelektrische Vorrichtung in die zweite Durchgangsöffnung. Die Anordnung der beiden Vorrichtungen in den beiden Durchgangsöffnungen erfolgt dabei bevorzugt derart, dass die beiden Gehäuseböden der beiden thermoelektrischen Vorrichtungen einander zugewandt sind.
Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einer vorangehend vorgestellten thermoelektrischen Vorrichtung.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch
1 ein erstes Beispiel einer erfindungsgemäßen thermoelektrischen Vorrichtung in einem Längsschnitt,
2a die Vorrichtung der 1 in einer perspektivischen Darstellung,
2b eine Detaildarstellung der Vorrichtung der 2a im Bereich des Gehäusebodens,
3 ein zweites Beispiel einer erfindungsgemäßen thermoelektrischen Vorrichtung in einer perspektivischen Darstellung,
4a ein drittes Beispiel einer erfindungsgemäßen thermoelektrischen Vorrichtung in einer perspektivischen Darstellung,
4b eine Detaildarstellung der Vorrichtung der 4a im Bereich des Gehäusebodens,
5a einen im dritten Beispiel die federelastische Struktur ausbildenden Steg in einem Längsschnitt,
5b eine erste Variante der federelastischen Struktur der 5a,
5c eine zweite Variante der federelastischen Struktur der 5a,
6 eine Variante der thermoelektrischen Vorrichtung der 3,
7a eine Detaildarstellung der Vorrichtung der 6 im Bereich eines Stegs,
7b die Vorrichtung der 6 in einem ausschnittsweisen Längsschnitt,
8a ein viertes Beispiel der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Vorrichtung in einem Längsschnitt,
8b eine Detaildarstellung der 8a,
9 eine den Schichtaufbau der elektrischen Isolation illustrierende, schematische Darstellung,
10 eine perspektive Ansicht des Gehäusebodens der thermoelektrischen Vorrichtung mit einer darauf angebrachten Rippenstruktur,
11 den Gehäuseboden der 10 in einem Längsschnitt.
12 eine schematische Darstellung des Gehäusebodens mit darauf angeordneten, thermoelektrisch aktiven Elementen und am Gehäuse vorgesehenen elektrischen Anschlusselementen,
13a–c verschiedene Varianten des elektrischen Anschlusselements der 12, jeweils in einem Längsschnitt.
1 illustriert in einem Längsschnitt ein erstes Beispiel einer erfindungsgemäßen thermoelektrischen Vorrichtung 1. Die thermoelektrische Vorrichtung 1 umfasst ein Gehäuse 2 mit einem ersten und einem zweiten Gehäuseteil 3a, 3b, die einen Gehäuseinnenraum 4 wenigstens teilweise begrenzen. Die beiden Gehäuseteile 3a, 3b umfassen jeweils eine Gehäusewand 5a, 5b, die sich in dem in 1 gezeigten, montierten Zustand gegenüberliegen. Wie 1 erkennen lässt, ist das erste Gehäuseteil 3a als Gehäuseboden 6 ausgebildet, der von einem nach innen, zum Gehäuseinnenraum 4 hin abstehenden Bodenkragen 7 eingefasst ist. Besagter Bodenkragen 7 geht an einem vom Gehäuseboden 6 abgewandten Ende in einen nach außen, vom Gehäuseinnenraum 4 weg abstehenden Flanschabschnitt 8 über. Demgegenüber ist das zweite Gehäuseteil 3b als Gehäusedeckel 9 ausgebildet, welcher stoffschlüssig mittels einer Schweißverbindung, am Flanschabschnitt 8 des Gehäusebodens 6 befestigt ist. Im Gehäuseinnenraum 4 sind mehrere thermoelektrische Elemente 10 angeordnet, welche über metallische Leiterbahn-Elemente 11 elektrisch miteinander verbunden und somit elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die Anbringung der Leiterbahn-Elemente 11 auf den thermoelektrischen Elementen 10 kann mittels Silber-Sintern oder zinnbasiertem Löten erfolgen.
2a zeigt das erste Gehäuseteil 3a in einer perspektivischen Ansicht, die 2b in einer Detaildarstellung im Bereich der Gehäusewand 5a. Auf der den Gehäuseboden 6 ausbildenden Gehäusewand 5a sind acht Aufnahmebereiche 12 – in Varianten ist selbstverständlich auch eine andere Anzahl vorstellbar – vorgesehen, welche jeweils entlang einer Umlaufrichtung U wenigstens abschnittsweise, im Beispiel der 2 sogar vollständig, von einer Einfassung 13 umschlossen werden. Die Einfassung 13 wiederum weist eine federelastische Struktur 14 auf, um die zur Kompensation von thermomechanischen Spannungen erforderlichen federelastischen Eigenschaften bereitzustellen. Die federelastische Struktur 14 ist dabei als integral an der Gehäusewand 5a ausgeformte Sicke 16 realisiert, die vom ersten Gehäuseteil 3a nach innen, in den Gehäuseraum 4 hinein absteht. Zur Erhöhung ihrer federelastischen Eigenschaften kann die Wanddicke der Gehäusewand 5a im Bereich der federelastischen Struktur 14, im Beispielsszenario der 1 und 2 also im Bereich der Sicke 16, gegenüber dem zur federelastischen Struktur 14 komplementären Bereich der Gehäusewand 5a, reduziert werden. Darüber hinaus kann die Sicke 16 im Quer- bzw. Längsschnitt ein u-förmiges Profil aufweisen (vgl. 1). Die federelastische Struktur 14 ist ferner bezüglich einer Draufsicht auf die Gehäusewand 5a rasterartig ausgebildet und besitzt mehrere Rasterzeilen 15a und mehrere Rasterspalten 15b, die sich wie in 2a gezeigt unter einem rechten Winkel kreuzen.
Der 2a entnimmt man auch, dass die Aufnahmebereiche 12 bezüglich einer Draufsicht auf die Gehäusewand 5a jeweils im Wesentlichen die Geometrie eines Rechtecks, insbesondere mit abgerundeten Ecken, aufweisen. Die federelastische Struktur 14 vermag, wie bereits erörtert, etwaig im Gehäuse 2 auftretende thermomechanische Spannungen aufzunehmen und somit zu kompensieren, so dass die Aufnahmebereich 12, in welchen die thermoelektrischen Elemente 10 angeordnet sind, frei von solchen mechanischen Spannungen bleiben. Eine unerwünschte Beschädigung oder gar Zerstörung der strukturellen Integrität der gegenüber mechanischen Spannungen sensitiven thermoelektrisch aktiven Elemente kann auf diese Weise weitgehend oder sogar vollständig vermieden werden.
3 zeigt indes eine Variante des Beispiels der 1 und 2, bei welcher die federelastische Struktur 14 der Einfassung 13 nicht in Form einer Sicke ausgebildet ist, sondern eine Mehrzahl entlang der Umlaufrichtung U vorgesehene Durchbrüche 17 aufweist, die durch integral an der Gehäusewand 5a ausgeformte Stege 18 unterbrochen werden. Wie 3 erkennen lässt, ist die Einfassung 13 aus Durchbrüchen 17 und Stegen 18 in der Art einer Perforation ausgebildet. Die Durchbrüche 17 können beispielsweise, wie in 4 gezeigt, als kreisförmige Durchgangsöffnungen ausgebildet sein.
Die 4a und 4b zeigen eine Variante des Beispiels der 3. 4a zeigt das erste Gehäuseteil 3a dabei in einer perspektivischen Darstellung, 4b zeigt eine Detailansicht des ersten Gehäuseteils 3a im Bereich des Gehäusebodens 6. In analoger Weise zum Beispiel der 3 wird die federelastische Struktur 14 der Einfassung 13 durch eine Mehrzahl entlang einer Umlaufrichtung U vorgesehene Durchbrüche 17 gebildet, die durch integral an der Gehäusewand 5a ausgeformte Stege 18 unterbrochen werden. Im Beispiel der 4 sind die Durchbrüche 17 entlang der Umlaufrichtung U schlitzartig ausgebildet, und die Stege 18 stehen von einer durch den Gehäuseboden 6 gebildeten Bodenebene nach innen in den Gehäuseinnenraum 4 ab. In einer weiteren Variante ist denkbar, die schlitzartigen Durchbrüche 17 der 4 mit den in der Bodenebene des Gehäusebodens 6 angeordneten Stegen 18 der 3 zu kombinieren.
Die in den 4a und 4b gezeigten Stege 18 können sich in einem Querschnitt, der durch eine Ebene senkrecht zur Umlaufrichtung U definiert ist, konisch verjüngen. Ein solches Szenario illustriert die 5a, die einen einzelnen Steg 18 in besagtem Querschnitt zeigt. Die Stege 18 sind integral am Gehäuseboden 6 ausgeformt. Insbesondere kann der Steg 18 ein in 5a gezeigtes, V-förmiges Profil besitzen.
In einer Variante des Beispiels der 5a wiederum, die in der 5b gezeigt ist, können die die schlitzartigen Durchbrüche 17 entlang der Umlaufrichtung U begrenzenden Randabschnitte 19a, 19b des Gehäusebodens 6 nach innen zum Gehäuseinnenraum 4 hin aufgebogen sein, also zum Gehäuseinnenraum 4 hin abstehen.
5c zeigt schließlich einer Variante des Beispiels der 5a, bei welcher der Steg 18 im Querschnitt ein U-förmiges Profil besitzt.
Generell lassen sich sowohl die Durchbrüche 17 als auch die Stege 18 mittels eines Stanzvorgangs herstellen.
6 zeigt eine weitere Variante der thermoelektrischen Vorrichtung der 4, gemäß welcher die Stege 18 jeweils bezüglich der in dieser Figur gezeigten Draufsicht auf den Gehäuseboden 6 eine im Wesentlichen S-artige Geometrie aufweisen. Jeder s-förmige Steg 18 ist zur Aufnahme thermomechanischer Spannungen bedingt federelastisch verformbar. Dies wird insbesondere aus 7a ersichtlich, die einen einzigen solchen Steg 18 der 6 in einer Detaildarstellung illustriert. Die 7b zeigt die Anordnung der 6 in einem Längsschnitt.
Man erkennt, dass die Stege 18 vom Gehäuseboden 6 weg eine gewölbte Form aufweisen können. Dies erlaubt es den Stegen 18, besonders hohe thermomechanische Spannungen zu kompensieren.
Wie 6 weiter erkennen lässt, besitzt jede einen bestimmten Aufnahmebereich einfassende Einfassung 13 genau sechs Stege 18. In Varianten kann diese Anzahl variieren. 6 zeigt weiter, dass jede einen bestimmten Aufnahmebereich einfassende Einfassung 13 zwei Längs- und zwei Querseiten aufweist, wobei in jeder Längsseite genau zwei Stege 18 und in jeder Querseite genau ein Steg 18 vorgesehen ist.
In allen vorangehend erläuterten Beispielen kann an einer vom Gehäuseinnenraum 4 abgewandten Seite des ersten Gehäuseteils 3a eine Folie aus einem elektrisch leitenden Material, insbesondere aus einem Metall, oder aber aus einem elektrisch nicht-leitenden Material angebracht sein, welche die Durchbrüche 17 abdeckt (nicht gezeigt). Eine solche Folie kann beispielsweise eine Blechfolie sein. Mit Hilfe der Folie kann der Gehäuseinnenraum 4 des Gehäuses 2 gegenüber der äußeren Umgebung des Gehäuses 2 abgedichtet werden, ohne dass dies mit einer Minderung der federelastischen Eigenschaften der Einfassung 13 bzw. der federelastischen Struktur 14 einhergehen würde. Um dies zu gewährleisten, sollte die Foliendicke der Folie höchstens 0,05 mm betragen und eine hohe thermische Leitfähigkeit besitzen.
Die 8a zeigt in einem Längsschnitt ein zweites Beispiel einer erfindungsgemäßen thermoelektrischen Vorrichtung 1. Die Vorrichtung 1 umfasst in analoger Weise zum Beispiel der 1 ein Gehäuse 2 mit einem ersten und einem zweiten Gehäuseteil 3a, 3b, die einen Gehäuseinnenraum 4 wenigstens teilweise begrenzen. Die beiden Gehäuseteile 3a, 3b umfassen jeweils eine Gehäusewand 5a, 5b, die sich in dem in 8a gezeigten, montierten Zustand gegenüberliegen. Wie 8a erkennen lässt, ist das erste Gehäuseteil 3a als Gehäuseboden 6 ausgebildet, der von einem nach innen, zum Gehäuseinnenraum 4 hin abstehenden Bodenkragen 7 eingefasst wird. Besagter Bodenkragen 7 geht an einem vom Gehäuseboden 6 abgewandten Ende in einen nach außen, vom Gehäuseinnenraum 4 weg abstehenden Flanschabschnitt 8 über. Demgegenüber ist das zweite Gehäuseteil 3b als Gehäusedeckel 9 ausgebildet, welcher stoffschlüssig, beispielsweise mittels einer Schweißverbindung, am Flanschabschnitt 8 des Gehäusebodens 6 befestigt ist. Im Gehäuseinnenraum 4 sind in analoger Weise zum Beispiel der 1 mehrere thermoelektrische Elemente 10 angeordnet, welche über Leiterbahn-Elemente 11 elektrisch miteinander verbunden sind. Die den Gehäuseboden 6 ausbildende Gehäusewand 5a weist eine Durchgangsöffnung 20 auf, die von einem Wandrand 21 des Gehäusebodens 6 eingefasst ist. Die Durchgangsöffnung 20 wird durch eine Blechfolie 22, die auf einer vom Gehäusedeckel 9 abgewandten Seite des Wandrands 21 an diesem angebracht ist, verschlossen. Auf der Blechfolie 22 sind die thermoelektrischen Elemente 10 angeordnet. Die Blechfolie 22 weist dabei eine relative Foliendicke auf, die höchstens ein Fünftel, vorzugsweise höchstens ein Zehntel, einer Wanddicke des Wandrands 21 des Gehäusebodens 6 beträgt. Typischerweise beträgt die absolute Foliendicke der Blechfolie 22 weniger als 0,1 mm und eine Wanddicke der Gehäusewand wenigstens 0,3 mm. Eine derartige Ausdünnung der Gehäusewand 5a durch Verwendung einer Blechfolie 22 verleiht der Gehäusewand 5a in analoger Weise zur bereits vorgestellten federelastischen Struktur 14 die zur Aufnahme thermomechanischer Spannungen erforderlichen federelastischen Eigenschaften.
Um das elektrisch leitende Gehäuse 2 gegenüber den im Gehäuseinnenraum 4 angeordneten thermoelektrisch aktiven Elementen 10 elektrisch zu isolieren, ist auf den beiden einander gegenüberliegenden Gehäusewänden 5a, 5b der beiden Gehäuseteile 3a, 3b jeweils innen eine elektrische Isolation 23 vorgesehen, die als mehrlagige Schicht ausgebildet sein kann. Dies ist in 8b für das Beispiel gemäß 1 gezeigt, in welchem die federelastische Struktur 14 in Form einer Sicke 16 ausgebildet ist. Selbstverständlich kann eine derartige elektrische Isolation 23 auch in allen anderen, vorangehen erörterten Beispielen vorgesehen werden. Die Anbringung der Leiterbahn-Elemente 11 an der elektrischen Isolation 23 kann mittels Silbersintern oder AMB-Löten erfolgen.
Im Beispielszenario gemäß 9 ist die elektrische Isolation 23 als mehrlagige Schicht ausgebildet und umfasst eine elektrische Isolationsschicht 25. Die elektrische Isolationsschicht 25 kann vorzugsweise aus einem keramischen Werkstoff, höchst vorzugsweise aus Aluminiumoxid, oder aus einem Glas auf Siliziumbasis hergestellt sein. Die Isolationsschicht 25 kann dabei etwa mittels eines thermisches Spritzverfahrens oder eines Plasmaspritzverfahrens auf der Gehäusewand 5a, 5b aufgebracht werden. Alternativ dazu ist auch eine Aufbringung unter Verwendung eines Siebdruck- oder Sinterverfahrens oder einer Kombination aus diesen Verfahren vorstellbar. Vor dem Aufbringen der Isolationsschicht 25 bietet es sich an, die Gehäusewand zu entfetten und mittels Sandstrahlen, Anätzen oder Laserbestrahlung zu aktivieren. Typischerweise kann die elektrische Isolationsschicht ein- oder mehrlagig aufgebaut sein und eine Schichtdicke von mehreren 100 Mikrometern aufweisen. Um das Auftreten unerwünschter elektrischer Kriechströme durch die elektrische Isolationsschicht 25 hindurch zu unterbinden, kann diese optional mit einem Kunststoff durchsetzt sein.
In 9 ist der schichtweise Aufbau der elektrischen Isolationsschicht 23 näher erläutert. Zur verbesserten mechanischen Anbindung der elektrischen Isolationsschicht 25 am Gehäuse 5a ist zwischen der Isolationsschicht 23 und der Gehäusewand 5a eine Haftschicht 24 vorgesehen, welche als Haftvermittler wirkt. Diese kann mittels der oben genannten Beschichtungsverfahren, aber auch mittels PVD- oder CVD-Verfahren aufgebracht werden. Alternativ dazu sind auch galvanische oder elektrochemische Beschichtungsverfahren vorstellbar. Als Material für die Haftschicht 24 kommen Nickel, Chrom, Molybdän, Aluminium, Ytterbium, Titan, Yttrium, Bor, Eisen, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Wolfram, Tantal oder Silber in Betracht. Auf besagte Haftschicht 24 kann dann die eigentliche elektrische Isolationsschicht 25 aus der Keramik bzw. dem Glas aus Siliziumbasis aufgebracht werden.
Um die an den thermoelektrischen Elementen 10 außen vorgesehenen Leiterbahn-Elemente 11 zum elektrischen Verbinden zweier benachbarter thermoelektrischer Elemente 10 auf der elektrischen Isolationsschicht 25 anbringen zu können, ist, auf einer von der Gehäusewand 5a abgewandten Seite der Isolationsschicht 25 eine Metallschicht 26 aus Kupfer, Gold oder Silber, vorgesehen. Dies erleichtert die Anbringung der metallischen Leiterbahn-Elemente 11 der thermoelektrischen Elemente 10. Zur Reduzierung thermomechanischer Spannungen zwischen den einzelnen Schichten bzw. Komponenten sind zwischen der Isolationsschicht 25 und der Haftschicht 24 zwei Ausdehnungskoeffizient-Anpassungsschichten 27 vorgesehen. In analoger Weise kann eine solche Ausdehnungskoeffizient-Anpassungsschicht 27 wie in 9 gezeigt auch zwischen der Metallschicht 26 und der elektrischen Isolationsschicht 25 vorgesehen werden.
10 illustriert exemplarisch die Integration einer Rippenstruktur 28 auf einer vom Gehäusedeckel 9 abgewandten Außenseite des Gehäusebodens 6. 10 zeigt dabei den Gehäuseboden 6 des Beispiels der 4, selbstverständlich kann eine solche Rippenstruktur 28 aber auch in den anhand der 1 und 3 gezeigten Ausführungsbeispielen vorgesehen werden. Die Rippenstruktur 28 dient zur verbesserten thermischen Ankopplung des Gehäuses 2 an ein externes Temperaturreservoir, wenn die thermoelektrische Vorrichtung 1 als Wärmetauscher eingesetzt werden soll.
11 zeigt die Rippenstruktur 28 mit den Rippen 29 sowie deren Anordnung relativ zum Gehäuseteil 3a in einem grobschematischen Querschnitt. Man erkennt unmittelbar die vorteilhafte wellenförmige Ausbildung der Rippen 29. Wie 11 weiter erkennen lässt, erfolgt die Anordnung der Rippen 29 relativ zu den eine Rasterzeile 15a bzw. eine Rasterspalte 15b ausbildenden schlitzartigen Durchgangsöffnungen 17 derart, dass der Abstand einer jeweiligen Rippe 29 zum Gehäuseboden 6 im Bereich einer Rasterzeile 15a bzw. Rasterspalte 15b mit den Durchgangsöffnungen 17 maximal ist. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass die – typischerweise mechanisch steif ausgebildeten – Rippen 29 die zur Aufnahme im Gehäuseboden 6 vorhandener thermomechanischer Spannungen erforderliche Federelastizität mindern würden.
12 zeigt in einem Längsschnitt in einer Ebene parallel zu jener, in welcher der Gehäuseboden 6 angeordnet ist, wie die elektrische und mechanische Anbindung steckerartiger Anschlusselemente 39 an die thermoelektrisch aktiven Elemente 10 erfolgt. Die 13a bis 13c zeigen, ebenfalls in einem Längsschnitt, verschiedene konstruktive Ausgestaltungsformen der elektrischen Anschlusselemente 39 in einem in die Durchgangsöffnungen 40 eingesetzten Zustand.
Die Anschlusselemente 39 besitzen einen metallischen Steckerkörper 41, etwa aus einem Kupfer-, Nickel-, Molybdän, Wolfram- oder eisenhaltigem Material. Die Steckerkörper 41 können als Rund- oder Flachstecker ausgeführt und optional mit einer Schutzbeschichtung gegen Oxidation bzw. Korrosion ausgestattet werden. Ferner können die elektrischen Anschlusselemente 39 mit einer elektrischen Isolation 42 versehen werden, die den jeweiligen metallischen Steckerkörper 41 elektrisch gegen die Gehäusewand 38a isoliert. Typischerweise ist eine solche elektrische Isolation 42 als hülsenartiges Bauteil ausgeführt, welches den Steckerkörper 41 wie in den 13a bis 13c gezeigt außen wenigstens teilweise begrenzt. Als Material für die elektrische Isolation mag ein Elastomer, beispielsweise Silikon, oder ein duroplastischer Kunststoff in Betracht kommen.
Im Beispiel der 13c besitzt das Anschlusselement 39 eine elektrisch leitende Anschlusshülse 43 aus einem Metall, die radial innen in die hülsenartige elektrische Isolierung 42 eingeschoben wird und in welche der Steckerkörper 41 eingeschoben werden kann. Der in das Gehäuseinnere 4 hineinragende Teil des Steckerkörpers 41 kann elektrisch mit einem Leiterbahn-Element 11 oder direkt mit den thermoelektrischen Elementen 10 verbunden werden.

Claims

Thermoelektrische Vorrichtung (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, – mit einem ein erstes und ein zweites Gehäuseteil (3a, 3b) umfassenden und einen Gehäuseinnenraum (4) wenigstens teilweise begrenzenden Gehäuse (2), wobei die beiden Gehäuseteile (3a, 3b) jeweils eine Gehäusewand (5a, 5b) umfassen, die sich in einem montierten Zustand gegenüberliegen, – wobei wenigstens eine Gehäusewand (5a) wenigstens zwei Aufnahmebereiche (12) aufweist, auf welchen jeweils wenigstens ein thermoelektrisches Element (10) angeordnet ist, – wobei jeder Aufnahmebereich (12) von einer entlang einer Umlaufrichtung (U) verlaufenden Einfassung (13) umschlossen wird, die eine federelastische Struktur (14) aufweist.
Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmebereich (12) bezüglich einer Draufsicht auf die Gehäusewand (5a, 5b) im Wesentlichen die Geometrie eines Rechtecks, insbesondere mit abgerundeten Ecken, aufweist.
Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die federelastische Struktur (14) bezüglich einer Draufsicht auf die Gehäusewand (5a) rasterartig ausgebildet ist und wenigstens zwei Rasterzeilen (15a) und wenigstens zwei Rasterspalten (15b) umfasst, derart, dass sich die Rasterzeilen (15a) und die Rasterspalten (15b), insbesondere unter einem rechten Winkel, kreuzen.
Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wanddicke der Gehäusewand (5a, 5b) im Bereich der federelastischen Struktur (14) gegenüber dem zur federelastischen Struktur komplementären Bereich der Gehäusewand (5a) reduziert ist.
Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die federelastische Struktur (14) wenigstens eine integral an der Gehäusewand (15a, 5b) ausgeformte Sicke (16) aufweist, die von der Gehäusewand (5a) nach innen, in den Gehäuseinnenraum (4) absteht.
Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die federelastische Struktur (14) wenigstens zwei, vorzugsweise eine Mehrzahl, entlang der Umlaufrichtung (U) der Einfassung (13) verlaufenden Durchbrüche (17) aufweist, die durch wenigstens einen integral an der Gehäusewand (5a) ausgeformten Steg (18) unterbrochen werden.
Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeweiliger Steg (18) zwei benachbarte Aufnahmebereiche (12) verbindet, indem er einen jeweiligen Durchbruch (17) quer zur Umlaufrichtung (U) überbrückt.
Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (18) bezüglich einer Draufsicht auf den Gehäuseboden (6) eine im Wesentlichen S-artige Geometrie aufweist.
Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein, vorzugsweise jede, einen bestimmten Aufnahmebereich (12) einfassende Einfassung (13) genau sechs Stege (18) aufweist.
Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass jede einen bestimmten Aufnahmebereich (12) einfassende Einfassung (13) zwei Längs- und zwei Querseiten aufweist, wobei in jeder Längsseite genau zwei Stege (18) und in jeder Querseite genau ein Steg (18) vorgesehen ist.
Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Steg (18) vom Gehäuseboden (6) weg nach innen, zum Gehäuseinnenraum (4) hin gewölbt ausgebildet ist.
Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich der wenigstens eine Steg (18) im Querschnitt von der Gehäusewand (5a) weg in den Gehäuseinnenraum (4) hinein verjüngt.
Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass – sich entlang der Umlaufrichtung (U) wenigstens zwei Durchbrüche (17) und wenigstens zwei Stege (18) abwechseln, – die wenigstens zwei Rasterzeilen (15a) und wenigstens zwei Rasterspalten (15b) durch die Durchbrüche (17) und die Stege (18) gebildet werden, wobei sich wenigstens eine Rasterzeile (15a) und eine Rasterspalte (15b) im Bereich eines jeweiligen Durchbruchs (17), insbesondere unter einem rechten Winkel, kreuzen.
Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass – die Stege (18) und/oder die Durchbrüche (17) in einer durch die Gehäusewand (5a) definierten Wandebene angeordnet sind, oder dass – die Stege (18) wenigstens abschnittsweise von der durch die Gehäusewand (5a) definierten Wandebene nach innen in den Gehäuseinnenraum (4) abstehen.
Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein entlang der Umlaufrichtung (U) verlaufender und die Durchbrüche (17) teilweise begrenzender Randabschnitt (19a, 19b) der Gehäusewand (5a) nach innen in den Gehäuseraum (4) absteht.
Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicke (16) im Querschnitt der Gehäusewand (5a) ein im Wesentlichen U-förmiges Profil aufweist.
Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrüche (17) und die Stege (18) mittels eines Stanzvorgangs hergestellt sind.
Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer vom Gehäuseinnenraum (4) abgewandten Seite der Gehäusewand (5a) eine Folie aus einem elektrisch leitenden Material, insbesondere aus einem Metall, oder einem nicht-leitenden Material, angebracht ist, welche die Durchbrüche (17) abdeckt.
Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie eine Foliendicke von höchstens 0,05 mm aufweist.
Thermoelektrische Vorrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, – mit einem ein erstes und ein zweites Gehäuseteil (3a, 3b) umfassenden und einen Gehäuseinnenraum (4) wenigstens teilweise begrenzenden Gehäuse (2), wobei die beiden Gehäuseteile (3a, 3b) jeweils eine Gehäusewand (5a, 5b) umfassen, die sich in einem montierten Zustand gegenüberliegen, – wobei in wenigstens einer Gehäusewand (5a) eine Durchgangsöffnung (20) zur Reduzierung thermomechanischer Spannungen im Gehäuse (2) vorgesehen ist, welche von einem Wandrand (21) eingefasst und von einer Abdeckung aus einer Blechfolie (22) verschlossen ist, wobei die Blechfolie (22) eine Foliendicke aufweist, die höchstens ein Fünftel, vorzugsweise höchstens ein Zehntel, einer Wanddicke des Wandrands (21) aufweist.
Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechfolie (22) eine Foliendicke von höchstens 0,1 mm aufweist, und/oder dass die Gehäusewand eine Wanddicke von mindestens 0,3 mm aufweist.
Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das erste Gehäuseteil (3) als Gehäuseboden (6) ausgebildet ist, der von einem nach innen, zum Gehäusedeckel (9) hin abstehenden Bodenkragen (7) eingefasst ist, – der Bodenkragen (7) an einem vom Gehäuseboden (6) abgewandten Ende in einen nach außen, vom Gehäuseinnenraum (4) weg abstehenden Flanschabschnitt (8) übergeht, – das zweite Gehäuseteil (3b) als Gehäusedeckel (9) ausgebildet ist, welcher stoffschlüssig, insbesondere mittels einer Schweißverbindung, am Flanschabschnitt (8) des Gehäusebodens (6) befestigt ist.
Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf wenigstens einer der beiden Gehäusewände (5a, 5b) eine elektrische Isolation (23) vorgesehen ist, welche die thermoelektrischen Elemente (10) elektrisch gegen die Gehäusewände (5a, 5b) isoliert.
Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Isolation (23) eine elektrische Isolationsschicht (25) aus einem keramischen Werkstoff, höchst vorzugsweise aus Aluminiumoxid, oder aus einem Glas auf Siliziumbasis umfasst.
Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass – auf einer von der Gehäusewand (5a) abgewandten Seite der elektrischen Isolationsschicht (25) eine Metallschicht (26) vorgesehen ist, – zwischen der elektrischen Isolationsschicht (25) und der Gehäusewand (5a) eine Haftschicht (24) vorgesehen ist.
Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass – zwischen der elektrischen Isolationsschicht (25) und der Haftschicht (24) eine erste Ausdehnungskoeffizient-Anpassungsschicht (27) vorgesehen ist, – zwischen der Metallschicht (26) und der elektrischen Isolationsschicht (25) eine zweite Ausdehnungskoeffizient-Anpassungsschicht (27) vorgesehen ist.
Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer vom Gehäusedeckel (9) abgewandten Außenseite des Gehäusebodens (6) eine Rippenstruktur (28) mit wenigstens zwei Rippen (29), vorzugsweise mit einer Mehrzahl von Rippen (29), die vom Gehäuseboden (6) abstehen, vorgesehen ist.
Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (29) in einem entlang einer Längsrichtung (L) des Gehäuses (2) betrachteten Profil eine wellenartige Struktur ausbilden, derart, dass sich eine Rippe an den beiden einen jeweiligen Durchbruch (17) begrenzenden Randabschnitten (19a, 19b) des Gehäusebodens (6) abstützt.
Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Gehäuse (2) wenigstens eine Durchgangsöffnung (40), vorzugsweise zwei Durchgangsöffnungen (40), vorgesehen ist/sind, durch welche ein elektrisches Anschlusselement (39) durchgeführt ist, welches einenends elektrisch mit einem thermoelektrischen Element (10) oder einem Leiterbahn-Element (11) verbunden ist und anderenends durch die Durchgangsöffnung (40) nach außen aus dem Gehäuse (2) vorsteht.
Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass – das elektrische Anschlusselement (39) einen metallischen Steckerkörper (41) und eine elektrische Isolation (42) aus einem elektrisch isolierenden Material zur elektrischen Isolierung des Steckerkörpers (41) gegen das Gehäuse (2) umfasst.
Kraftfahrzeug mit wenigstens einer thermoelektrischen Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.