Verwendung"

[0001] Die Erfindung betrifft eine Struktur zur Temperierung von Festkörpern und

Behältnissen mittels Luftstrom und / oder mit thermoelektrisch arbeitenden

Temperierelementen, insbesondere im Bereich der Elektromobilität und der Elektronik, und seine Verwendung.

[0002] Die durch Arbeit (Energiezufuhr oder -Verlust) entstehende Prozeßwärme oder Prozeßkälte in einem Objekt kann nur unzureichend durch eine Luftströmung abgeleitet werden, wenn die Wärmeleitfähigkeit, Oberfläche und Dichte des Objektes in einem ungünstigen Verhältnis stehen.

[0003] Höhere Anforderungen an Kühlung oder Erwärmung werden heutzutage durch Dissipation oder Zuführung von Wärmeenergie mittels Flüssigkeiten erzielt, die eine hohe Wärmeaufnahmefähigkeit besitzen. Die in der Flüssigkeit gespeicherte Energie wird dann im Folgenden an anderer Stelle wieder abgegeben oder abgegebene Energie wieder zugeführt. Durch kontinuierliche Zirkulation wird so ein Wärmeaustausch erzeugt.

[0004] Die Flüssigkeitskühlung ist zwar effektiver, verhindert aber aufgrund ihrer

Komplexität und Störanfälligkeit oftmals eine Weiterentwicklung von Anwendungen.

[0005] Besonders im Segment Elektromobilität und Elektronik ist die Temperierung der installierten Batterien sowie der Leistungselektronik ein zunehmendes Problem. Da schnelle Leistungsbereitstellung wie auch schnelle Ladevorgänge hohe Anforderungen an die Temperierung der Batteriepakete stellt sowie die Umgebungstemperatur nicht statisch ist, sondern buchstäblich von Fahrzeug zu Fahrzeug und von Tag zu Tag veränderlich ist muss

BESTÄTIGUNGSKOPIE die Temperierung der Batteriepakete auf ihre Betriebstemperatur schnell und effizient und proaktiv erfolgen. Die im Moment eingesetzte Flüssigkeitskühlung via Wärmetauscher ist war eine bekannte und zuverlässige Technologie, hat aber Nachteile da sie ein hohes Gewicht hat, langsam und energieaufwändig und in Verbindung mit Elektrizität nur schwierig eingesetzt werden kann. Außerdem werden Austausch und Reparatur der Batteriepakete durch die vorhandenen Anschlüsse für die Kühlflüssigkeit sehr viel aufwendiger und teurer für den Endverbraucher.

[0006] Bei Anwendungen zur Kühlung von Feststoffen, Gasen und Flüssigkeiten in

Behältnissen z. B. Tanks oder Rohrleitungen werden passive Kühlkörper an den Behältnissen befestigt oder als Umhüllung montiert. Die Wärmeübertragung wird dabei zwar erhöht durch effektivere Kühlung der Umgebungstemperatur, jedoch begrenzt durch die geringe direkte Übertragung zwischen den Materialien der einzelnen installierten Komponenten der

Baugruppe.

[0007] Lamellen oder röhrenförmige Wärmesenker müssen ab einer bestimmten

Leistungsforderung eine überproportional höhere Oberfläche und Masse zur Verfügung stellen, was zu sehr hohem Gewicht und Größe führt. Die bestehenden subtraktiven

Herstellungsmethoden haben Grenzen in der Miniaturisierung und sind energie- und rohstoffaufwendig. Auch ist die Komplexität des Objektes limitiert von bestehenden

Extrusions- oder Subtraktionsverfahren wie z. B. Fräsung. Dies führt zu einer Einschränkung der weiteren Entwicklung der Miniaturisierung bei gleicher Leistung, besonders im Bereich der Mikroprozessoren im mobilen Einsatz.

[0008] Der Einsatz des Peltier-Effektes wie auch des Seebeck- und Thomson-Effektes zur aktiven thermoelektrischen Temperaturkontrolle oder auch der Erzeugung von Elektrizität sind bisher durch den schlechten Wirkungsgrad der bestehenden Peltierelemente beschränkt. Der Carnot-Wirkungsgrad beschreibt diese Effizienz und wird hauptsächlich durch

materialbedingte schlechte Überleitung der Elektronenpotentiale zwischen den einzelnen Materialien im Element beeinflußt. Dies führt zu einem Carnot-Wirkungsgrad von 10 %. Dies ist wenig im Vergleich zu einer Kältemaschine oder Wärmemaschine, jedoch sind diese sehr schwer und Störungsanfällig. Außerdem können diese Systeme nur aufwendig in eine elektrische oder elektronische Umgebung implementiert werden. [0009] Aus der DE 10 2007 017 624 B4 ist eine thermoelektrische Temperiervorrichtung mit mehreren thermoelektrisch arbeitenden Temperierelementen bekannt. Auch die US

3,552,133 A und die US 4,463,569 A zeigen thermoelektrische Temperiervorrichtungen mit thermoelektrischen Temperierelementen, entlang denen Luftströmungskanäle mit darin angeordneten Lüftern gebildet sind.

[0010] Eine weitere thermoelektrische Temperiervorrichtung ist in der DE 4190137 B4 angegeben. Bei dieser Vorrichtung sind mehrere Peltierblöcke, die mit ihrer Kette und heißem Seil mit je einem Wärmetauscher in wärmeleitender Verbindung stehen, von einer Wärmeisolierung umgeben, die jeweilige Luftströmungskanäle bilden. Mittels eines

Axialgebläses wird in Längsrichtung der Strömungskanäle ein Luftstrom erzeugt, der von einem Einlass zu einem Auslass geradlinig geführt ist.

[0011] Aus dem DE 200 07 920 Ul ist eine Temperiervorrichtung in Zusammenhang mit einer Belüftungsvorrichtung für ein Gehäuse bekannt. Der aktiv arbeitenden Peltier-Wärme- Übertragungseinrichtung ist eine separate Strömungskammer mit einem Wärmetauscher im Strömungsweg vorgelagert, dem wiederum ein Radiallüfter zum Zuführen eines internen Luftstromes vorgeschaltet ist. Die gesamte Belüftungsvorrichtung bildet zusammen mit den Luftströmungskammern eine relativ voluminöse Einheit.

[0012] Aus der DE 101 23 456 AI ist zur Verbesserung des Wärmetauschers ein

Wärmetauscher aus einem offenporigen Metallschaum bekannt, bei dem die Zellen derart miteinander verbunden sind, dass ein fluides Medium durch den Metallschaum hindurch fließen kann. An den Metallschaum ist ein Bauelement stoffschlüssig angegossen. Das Bauelement kann als Platte ausgebildet sein, wobei die Platte selbst keine Poren aufweist, sondern als Vollmaterial gebildet ist.

[0013] Aus der DE 10 2014 118 177 AI ist ein Verfahren zum Herstellen eines metallischen Formkörpers, ein metallischer Formkörper und ein Verfahren zum Ausbilden eines Bauteils mit einem Wärmetauscher bekannt. Der metallische Formkörper umfasst zumindest einen schaumartigen Bereich, wobei die strukturellen Eigenschaften des Metallschaumes, wie Porengröße, Stegbreite, Porenform etc. gezielt vorgebbar sind. Der metallische Formkörper wird vollständig mittels 3D-Druck aus einem metallischen oder metallhaltigen Rohmaterial schichtweise in seiner dreidimensionalen Form gedruckt. [0014] Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ausbilden eines derartigen Formkörpers in Form eines Wärmetauschers auf einem elektronischen Bauelement. Derart hergestellte Metallschäume weisen eine unregelmäßige Porenstruktur auf, wobei

Porendurchmesser, Porengeometrie und Wandstärke eine Undefinierte räumliche Variation aufweisen, wodurch eine zum Teil erhebliche Verschlechterung des thermischen Kontaktes auf der einen Seite und ein geringer Durchsatz an Kühlmedien auf der anderen Seite zu verzeichnen ist.

[0015] Die DE 103 24 190 B4 beschreibt einen Wärmetauscher umfassend zumindest einen Kühlkörper aus offenporigem Metallschaum, dessen Oberfläche mit einer Metallfolie bedeckt ist, die sich in Kontakt mit einem zu kühlenden Bauelement befindet, wobei die Metallfolie eine kanalartige Strukturierung aufweist, sodass ein Kühlmittel durch die Folie geführt werden kann und die Metallfolie in den Metallschaum eingepresst ist.

[0016] Nachteilig ist bei derart hergestellten Wärmetauschern, dass aufgrund der stochastisch verteilten Poren, Porengrößen und Stegbreiten eine gezielte Strukturanpassung des Schaumes nur in einem eingeschränkten Maße möglich ist.

[0017] Aufgabe der Erfindung ist es, eine Struktur zur Temperierung von Festkörpern oder Behältnissen in Form eines Wärmetauschers so weiterzuentwickeln, dass diese insbesondere zum Kühlen, aber auch zum Heizen, geeignet ist, wobei diese flexibel gestaltet werden kann, ein geringes Gewicht und eine geringe Größe aufweist. Des Weiteren soll die Struktur von Anwendern für verschiedene Zwecke mit möglichst wenig Aufwand einsetzbar sein und einfache Erweiterungs- und Anpassungsmöglichkeiten bieten.

[0018] Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der

nachfolgenden Beschreibung.

[0019] Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Festkörper oder Behältnisse, die einer Temperierung bedürfen, in einem Stück mit der Struktur als Temperierkörper bzw. Wärmetauscher innerhalb oder außerhalb angefertigt sind. Die Struktur weist eine regelmäßige und / oder variable Anordnung von polyedrisch angeformten Hohlräumen mit innenliegenden Verstrebungen von variabler und / oder regelmäßiger Anordnung und Dichte als Luftkanäle auf. Die Dichte kann in allen Raumachsen variieren und kann auch an räumlich spezifizierte Anforderungen angepasst werden.

[0020] Die eingearbeiteten Luftkanäle sind innerhalb der Struktur chaotisch angeordnet, wodurch die durchströmende Luft zu einem verstärkten Kontakt mit der Oberfläche gezwungen wird. Durch entstehende Verwirbelungen im Luftstrom wird die Übertragung der Wärmeenergie wesentlich verbessert.

[0021] Die Größe und die Luftdurchlässigkeit können an die räumliche Verteilung der benötigten Energieübertragung angepasst werden.

[0022] Des Weiteren kann eine aktive thermoelektrische Temperierung auf Basis des Peltier- oder des Thomson-Effektes in die Struktur integriert werden. Die gleiche

Konfiguration kann auch zum Erzeugen elektrischer Spannungen mittels des Seebeck-Effekts genutzt werden. Zur Ausnutzung des vorgenannten ist mindestens ein Peltier-Element vorgesehen, wobei einzelne oder mehrere Komponenten in die Struktur integriert sind.

[0023] Die erfindungsgemäße Struktur ist mittels der additiven Konstruktion in Form des 3D-Druckes erstellbar und kann beispielsweise für die Temperierung von elektrischen, elektronischen oder mikroelektronischen Elementen sowie für die Temperierung von

Batteriegehäusen verwendet werden.

[0024] Die durch die additive Konstruktion (3D-Druck) erstellte Struktur weist eine variable Dichte und Form auf, wobei diese an einer oder mehreren Seilen so geformt sind, dass sich eine maximale Paßform zum zu temperierenden Objekt ergibt. Bei Anwendung zur

Temperierung von Flüssigkeiten und / oder Gasen kann das gesamte Objekt, bestehend aus Wandung und Struktur aus einem Stück so hergestellt werden, dass die Verbindung zwischen Behälter und Wandung auf molekularer Ebene stattfindet. Die Struktur kann in ihrer Dichte und Auslegung innerhalb desselben Objektes so angepasst werden, dass eine gesteuerte Temperierung an besonders beanspruchten Teilen ermöglicht wird.

[0025] Die Erfindung gemäß der ausgebildeten Struktur ist sowohl für eine passive als auch für eine aktive Kühlung bzw. Erwärmung (Temperierung) der Objekte ausgelegt. [0026] Durch spezifische Anpassung der Objektmerkmale wie Material, Form, Dichte und deren Verteilung sowie der Einsatz parametrischen Designs mittels mathematischer Formeln zur Erstellung komplexer, quasifraktaler Strukturen wird die Temperierungseffizienz um ein Vielfaches erhöht.

[0027] Die Anforderungen an die Struktur können durch Finite-Element-Model-Simulationen schon in der Entwicklungsphase ermittelt werden. Diese Simulationsdaten können der Berechnung als Vorgaben eingegeben werden, um die Struktur räumlich anzupassen.

[0028] Die Effizienz der Temperierungsstruktur kann durch Anpassung der nachfolgenden Faktoren optimiert werden.

[0029] Die Wärmeleitfähigkeit und das Wärmespeichervermögen (auch Wärmesenkung genannt) wird über die Materialauswahl beeinflußt.

[0030] Das Wärmeabgabevermögen wird durch die Form und die Dichte der Struktur bestimmt.

[0031] Die aktive Kühlung erfolgt in Verbindung mit mindestens einem Peltier-Element. Mit dem Peltier-Effekt kann die Struktur entweder aktiv erwärmt oder gekühlt werden, oder auch die entstehenden Temperaturdifferenzen in elektrischen Strom zurück transformiert werden. Die Möglichkeit, die Außenseiten mit einer oder mehreren Komponenten des Peltier-Elements zusammen mit der Struktur und der Kontaktfläche in einem Stück zu erzeugen, bietet die Möglichkeit für eine hocheffektive aktive Wärme-/Kälteübertragung.

[0032] Durch den Einsatz der Erfindung kann bei vielen Applikationen auf eine

Flüssigkeitskühlung verzichtet werden, was die Komplexität der Konstruktion besonders im Bereich der elektronischen Geräte und der Elektro-Mobilität erheblich vereinfacht. Die problematische Nähe von Flüssigkeiten zu elektrischen Leitern kann durch die Erfindung beseitigt werden. Die Leistung elektronischer Bauteile kann erhöht werden ohne an thermische Grenzen zu stoßen. Das Gewicht mobiler Anwendungen wird verringert sowie ihre Einsatzmöglichkeiten vervielfacht. [0033] Durch die Erstellung von zum Beispiel einem Behälter für Stoffe inklusive der Struktur aus einem Stück besteht eine molekulare Verbindung, die die Wärmediffusion erheblich positiv beeinflußt im Vergleich zu herkömmlichen Methoden wie Wärmeleitpasten.

[0034] Beim Einsatz aktiver thermoelektrischer Temperierung kann sogar die Kontaktfläche des Peltier-Elements in einem Stück mit dem Kühlkörper und der Behälterwand kombiniert hergestellt werden. Dabei können auch Übergänge von gekrümmten zu ebenen Flächen realisiert werden und so der Peltier-Effekt verbessert werden. Im Umkehrbetrieb können so aus Temperaturdifferenzen mittels des Seebeck-Effektes elektrische Ströme erzeugt werden, entweder zu Messungszwecken oder auch zum Betrieb bestimmter elektronischer

Komponenten eines Systems oder gar der Luftzirkulation eines Temperierungssystems.

[0035] Dadurch ist es möglich, bisher industriell unmöglich herstellbare komplexe

Strukturen auch auf kleinstem Raum zu realisieren und die thermische Effizienz von

Energieflüssen zu verbessern. Die kontinuierliche Weiterentwicklung der 3D-Drucktechniken im Bereich Material und Druckauflösung lassen eine Festlegung auf bestimmte Technologien der additiven Fertigung nicht zu.

[0036] Ein Temperiersystem bestehend aus Behälter / Kontaktfläche, Struktur und gesamten Peltier-Element, bestehend aus Keramikplatten, Metallkontakten und Halbleitern kann zukünftig durch SLS-Drucksysteme oder kombinierten Druckern aus einem Stück gefertigt werden und so komplette Freiheit bei der Formgebung ermöglichen. Dies wird zu einer enormen Leistungssteigerung der Temperierung führen, was zum Beispiel

Mikroprozessoren eine höhere Spannung erlaubt, ohne dass die entsprechende Abwärme zu einem konstruktiven Problem wird. Durch den Einsatz statistischer Berechnung können proaktive Temperierungssysteme eingesetzt werden, die lokale Temperaturen gezielt beeinflussen. Dadurch können auch auf kleinerem Raum Kondensationsprozesse besser und schneller gesteuert werden.

[0037] In Kombination mit Berechnungen zu Statik und Vibrationsverhalten können entsprechende Simulationen die Form der Struktur so beeinflussen, dass statische

Funktionen übernommen werden, um Gewicht einzusparen, und die Vibrationsfestigkeit der Gitterstruktur so angepasst werden, dass auch mobile Anwendungen unter erschwerten Bedingungen ermöglicht werden. So kann diese Technologie eingesetzt werden in mobilen Computern, im Maschinenbau, der Medizin, Pharmaindustrie und allgemein der chemischen Industrie, Raffinerien usw. wobei die Entwicklung hier nur durch die Weiterentwicklung der Drucktechnologien beeinflußt wird, sowie den Entwicklungen der Simulationsmathematik sowie parametrischen Berechnungsmodelle.

[0038] Anhand von Ausführungsbeispielen soll die Erfindung näher erläutert werden. [0039] Es zeigen:

[0040] Figur 1 a, b - gedruckte Struktur zur Temperierung [0041] Figur 2 a, b - gedruckte Struktur für ein Kühlrohr [0042] Figur 3 a, b - gedruckte Kühl- oder Wärmkörper [0043] Figur 4 a, b - gedruckte Kühlkörper [0044] Figur 5 a, b, c - chaotische Struktur

[0045] Die Figur 1 a und b zeigen ein gedrucktes Temperierelement in Verbindung mit einem Peltier-Element, wobei das Temperierelement aus einem Material mit höherer Wärmeleistfähigkeit besteht. Das Temperierelement besteht aus einer Kathode 1 des Peltier- Elements, einen p-dotiertem Halbleiter 2, der Anode 3 des Peltier-Elements und der Struktur 4. Diese Konfiguration verdeutlicht die Einsatzmöglichkeiten zur Temperierung z. B. eines Luftstromes. Die Bestandteile Anode 3 und Struktur 4 können auch aus einem Stück mittels additiver Herstellung im 3D-Druckverfahren erzeugt werden, um den Energiefluß zu verbessern.

[0046] Die Figur 2 a und b zeigt eine gedruckte Struktur 4 für ein Kühlrohr 5, geeignet zur Dissipation von Wärmeenergie aus fließenden und / oder gasförmigen Medien. Die

Dissipationsfläche weist innerhalb der Struktur 4 eine große Oberfläche auf. Die Struktur 4 ist in einem Stückgedruckt, um eine hohe Übertragungsrate zu gewährleisten. [0047] Die Figuren 3 a und b zeigen einen gedruckten Kühl- oder Wärmkörper für flüssige Materialien. Der Kühl- oder Wärmköper besteht aus einem Kühlrohr 5, auf dessen

Außenseite teilweise eine Struktur 4, die mittels des 3D-Druckverfahrens auf die Oberfläche aufgebracht ist, angeordnet ist. Auf der dem Kühlrohr 5 entgegengesetzten Seite der Struktur 4 ist eine Anode 3 des Peltier-Elements in Verbindung mit einem p-dotierten Halbleiter 2 und der Kathode 1 des Peltier-Elements angeordnet. Bei der dargestellten Konfiguration können die Komponenten Anode 3 und Struktur 4 oder die Komponenten Anode 3, Struktur 4 und Kühlrohr 5 miteinander kombiniert gedruckt werden.

[0048] Die Figuren 4 a und b zeigen einen gedruckten Kühlkörper mit einer quaderförmigen Struktur 4 für elektronische Anwendungen, wobei der Kühlkörper aus einem nichtleitenden, hoch wärmeleitenden Material besteht und mit dem Prozessor 6 verbunden ist.

[0049] Die Figuren 5 a, b und c zeigen verschiedene Ausführungen der innerhalb der Struktur 4 chaotisch angeordneten Luftkanäle 7.

[0050] Durch die Dichte und die Anordnung der innenliegenden Verstrebungen 8 kann die Kühlung des zu temperierenden Objektes beeinflußt werden, wobei die Wärmeübertragung durch strömende Gase ausgenutzt wird.

zugszeichenaufstellung - Kathode

- p-dotierter Halbleiter - Anode

- Struktur

- Kühlrohr

- Prozessor

- Luftkanal

- Verstrebungen