(57)【要約】【課題】本発明は、内燃機関（１）の排気ガスシステム（５）用の熱交換器において、各熱電モジュールと各チューブとの間の比較的高い伝熱を実現する。【解決手段】熱電モジュール（１３）の低温側（１８）に配置される冷却チューブ（１５）と、熱電モジュール（１３）の高温側（１７）に配置される加熱チューブ（１６）とを備える熱交換器であって、熱電モジュール（１３）に対面するチューブ（１５、１６）のチューブ外側面（２６）を熱電モジュール（１３）に向かって湾曲させ、かつ湾曲したチューブ外側面（２６）に隣接する熱電モジュール（１３）のモジュール外側面（２７）をチューブ（１５、１６）に向かって同じ方向に湾曲させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関（１）の排気システム（５）用の熱交換器であって、
熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、高温側（１７）と低温側（１８）とを含む少なくとも１つの熱電モジュール（１３）と、
冷却流体を案内し、前記少なくとも１つの熱電モジュール（１３）の低温側（１８）に配置される少なくとも１つの冷却チューブ（１５）と、
加熱流体を案内し、前記少なくとも１つの熱電モジュール（１３）の高温側（１７）に配置される少なくとも１つの加熱チューブ（１６）と、を備え、
前記少なくとも１つの熱電モジュール（１３）と、前記少なくとも１つの冷却チューブ（１５）と、前記少なくとも１つの加熱チューブ（１６）とが、積載方向（１９）に互いに積載されて、スタック２０を形成し、
前記チューブ（１５、１６）の少なくとも１つが、前記各熱電モジュール（１３）に対面するチューブ外側面（２６）で湾曲しており、
前記各チューブ（１５、１６）の積載方向（１９）に湾曲したチューブ外側面（２６）に隣接した少なくとも１つの熱電モジュール（１３）が、前記各チューブ（１５、１６）に対面するモジュール外側面（２７）で同じ方向に湾曲している熱交換器。
【請求項２】
前記少なくとも１つのチューブ外側面（２６）は、前記隣接する熱電モジュール（１３）に向けて凸状に湾曲しており、前記隣接する熱電モジュール（１３）の前記対面するモジュール外側面（２７）は、前記チューブ（１５、１６）に向かって凹状に湾曲しており、また／あるいは、
前記少なくとも１つのチューブ外側面（２６）は、前記隣接する熱電モジュール（１３）に向かって凹状に湾曲しており、前記隣接する熱電モジュール（１３）の前記対面するモジュール外側面（２７）は、前記チューブ（１５、１６）に向けて凸状に湾曲している請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記スタック（２０）の予荷重状態でスタック（２０）を前記積載方向（１９）に圧縮するという予荷重の力（２２）がないときは、前記チューブ外側面（２６）の曲率半径（２８）と、前記モジュール外側面（２７）の曲率半径（２９）とが異なっている請求項１又は２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記チューブ外側面（２６）の曲率半径（２８）は、前記モジュール外側面（２７）の曲率半径（２９）よりも小さい請求項３に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記湾曲したチューブ外側面（２６）は、バネ弾性を設定されて、前記スタック（２０）の予荷重状態でスタック（２０）を前記積載方向に（１９）に圧縮するという予荷重の力（２２）によって、バネ弾性変形可能であり、
前記予荷重の状態で湾曲したチューブ外側面（２６）が、前記予荷重の力（２２）がない緩和状態より大きい曲率半径（２８）を有する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記湾曲したモジュール外側面（２７）は、前記湾曲したチューブ外側面（２６）に比べて固く、前記スタック（２０）の予荷重の間に湾曲したチューブ外側面（２６）は、前記湾曲したモジュール外側面（２７）よりも強く変形する請求項５に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記予荷重の状態では、前記チューブ外側面（２６）の曲率半径（２８）は、前記モジュール外側面（２７）の曲率半径（２９）と大きさが略同一である請求項３乃至６のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記少なくとも１つの熱電モジュール（１３）の高温側（１７）及び低温側（１８）は、各々、前記湾曲したモジュール外側面（２７）を形成する請求項１乃至７のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項９】
前記積載方向（１９）に平行に延びるスタック（２０）の縦中央平面（３４）に向かって湾曲した前記各外側面（２６、２７）は、鏡対称に構成されている請求項１乃至８のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項１０】
前記湾曲した各外側面（２６、２７）は、前記積載方向（１９）に対して平行かつ前記スタック（２０）の縦方向（３５）に垂直に広がる横断面（３７）において湾曲しており、前記積載方向（１９）に対して平行かつ前記スタック（２０）の横方向（３２）に対して垂直に広がる縦断面（３６）において直線状である請求項１乃至９のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項１１】
前記湾曲した各外側面（２６、２７）は、前記積載方向（１９）に対して平行かつ前記スタック（２０）の縦方向（３５）に対して垂直に広がる横断面（３７）、及び前記積載方向（１９）に対して平行かつ前記スタック（２０）の横方向（３２）に対して垂直に広がる縦断面（３６）両方において湾曲している請求項１乃至９のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項１２】
前記加熱チューブ（１６）と前記冷却チューブ（１５）との間で、前記複数の熱電モジュール（１３）が前記スタック（２０）の縦方向（３５）に並べて配置されており、該熱電モジュール（１３）の各モジュール外側面（２７）は、前記横断面（３７）及び縦断面（３６）において湾曲しており、前記各チューブ（１５、１６）は、複数の縦断面（３８）を有し、該縦断面（３８）は、前記スタックの縦方向（３５）に並べて配置され、各熱電モジュール（１３）に割り当てられ、前記横断面（３７）及び縦断面（３６）において湾曲している請求項１１に記載の熱交換器。
【請求項１３】
前記各チューブ（１５、１６）と前記各熱電モジュール（１３）の間の積載方向（１９）に、伝熱層（３０）が配置される請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項１４】
複数の燃焼室（３）を備えるエンジンブロック（２）と、
燃焼室（３）から排気ガスを排出する排気システム（５）と、
エンジンブロック（２）を冷却する冷却回路（６）と、
請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の熱交換器（７）であって、各加熱チューブ（１６）が排気システム（５）に流体を案内するように組み込まれ、各冷却チューブ（１５）が冷却回路（６）に流体を案内するように組み込まれている熱交換器（７）と、を備える自動車用の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器に関し、特に、好ましくは自動車の内燃機関の排気システム用の熱交換器に関する。さらに、本発明は、このような熱交換器を装備した自動車用の内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
特に、車両応用において、内燃機関のエネルギー効率を向上させるために、内燃機関の排気ガスに含まれる熱エネルギーを利用する取組みがなされている。排気ガスに含まれる熱エネルギーの利用の可能性は、いわゆる熱電モジュールを利用することであり、該熱電モジュールは、温度差を電圧、又は熱流を電流に変換することができる。このような熱電モジュールは、いわゆるペルチエ効果の逆変換に対応するいわゆるゼーベック効果に従って作動する。
【０００３】
熱電モジュールは、高温側と低温側とを含み、動作中に、熱エネルギー、すなわち熱を電気エネルギーに変換する。熱を高温側に供給し、熱を低温側で放出することにより、熱流が、各熱電モジュールを通じて伝導され、熱電モジュール内で電流に変換される。高温側の熱の供給、そして低温側の冷却を可能にするために、熱電モジュールは、実際には熱交換器内に一体化されている。この熱交換器は、加熱流体を案内する少なくとも１つの加熱チューブと、冷却流体を案内する少なくとも１つの冷却チューブとを備える。そして、熱電モジュールは、加熱チューブと冷却チューブとの間に配置されて、加熱チューブが各熱電モジュールの高温側に位置し、冷却チューブが各熱電モジュールの低温側に位置する。このために、加熱チューブ、熱電モジュール、及び冷却チューブは、積載方向に互いに重ねられて、スタックを構成する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように少なくとも１つの熱電モジュールが一体化されている熱交換器の場合、スタックが積載方向に予荷重をかけられている時に、チューブと各熱電モジュール間の伝熱を大きく向上できることがわかった。予荷重によって、確実な接触が接触用の接触面間で実現され、各接触領域での非常に均一な伝熱を可能にする。この場合、問題は、チューブ壁を通じての伝熱を向上させるために、加熱チューブ及び冷却チューブは、実際に比較的小さな壁厚で製造されていることである。このために、チューブの圧縮強度が低減する。それでも、スタックの望ましい予荷重を実現するために、原則として異なるアプローチが可能である。例えば、チューブを内側から強化する補強材をチューブ内に挿入することができる。さらに、またはその代わりとして、各熱電モジュールに対面するチューブ外面で、チューブを熱電モジュールに向かって凹状に湾曲させてもよく、スタックの締め付けの間に、その湾曲した外面が、各チューブに対面するフラットなモジュール外面で圧縮され、その結果、その湾曲したチューブ外面は、平らになって、フラットなモジュール外面に対して平らに配される。
【０００５】
予荷重が過剰であると、チューブ外面が歪んで、このために各熱電モジュールに向かって凹状に湾曲する更なる危険性があり、この結果として、接触が大幅に消失する。この場合も、上記各チューブの凹状の湾曲を回避するために、補強材を各チューブ内に配置することができる。しかし、補強材を挿入することは、比較的大きな取組みとなる。さらに、補強材は、各チューブの望ましい形状を保証できるように極めて精密でなければならない。
【０００６】
本発明は、冒頭で述べたタイプの熱交換器及びこれを装備した内燃機関の改善された実施の形態の課題を取扱い、該実施の形態は、比較的高い信頼性で、各熱電モジュールと各チューブとの間の比較的高い伝熱を実現可能とすることを特徴としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によると、上記課題は、独立請求項の主題を通じて解決される。好ましい実施の形態は、独立請求項の主題である。
【０００８】
本発明は、積載方向においてチューブの一つに対面する少なくとも１つのモジュール外側面をチューブに向かって湾曲させ、湾曲したモジュール外側面に対面し、かつ、その向い側に位置する隣接するチューブのチューブ外側面を熱電モジュールに向かって同じ方向に湾曲させるという概念に基づいている。したがって、言い換えると、本発明は、平面状の熱電モジュールとチューブとの通常接触を回避し、その代わりに湾曲した領域での接触を実現することを提案している。ここで、さらに重要なことは、各モジュール外側面の湾曲は、それらに係るチューブ外側面の湾曲と同じ方向に実現される。例えば、上記少なくとも１つのチューブ外側面を、隣接する熱電モジュールに向けて凸状に湾曲させることができ、そして隣接する熱電モジュールの対面するモジュール外側面をチューブに向かって凹状に湾曲させることができる。さらに、またはその代わりとして、上記少なくとも１つのチューブ外側面を、隣接する熱電モジュールに向かって凹状に湾曲させることができ、そして、隣接する熱電モジュールのモジュール外側面をチューブに向けて凸状に湾曲させることができる。好ましくは、各チューブの両方の外側面は、凸状に外側に湾曲させられているか、凹状に外側に湾曲させられている。これに伴い、各熱電モジュールの外側面は、外側に凸状に又は外側に凹状に湾曲していることが好ましい。しかし、原則として、上記チューブでは、そして／又は上記熱電モジュールでは、一方の外側面が凹状に外側に湾曲しており、他方の外側面は、外側に凸状に湾曲している実施の形態が考えられる。また、各チューブ、及び／又は各熱電モジュールの一方の外側面だけが、外側に凹状又は凸状に湾曲しているというのも可能である。
【０００９】
特に、予荷重の状態で湾曲した領域に沿って接触した外側面によって、予荷重による歪みの危険性を減らすことができる。これに加えて、本発明に係る設計は、各熱電モジュール及び各チューブが、湾曲した外側面のために所定の相対位置で互いに中央に配置されるので、簡単な組み立てとなる。
【００１０】
好ましい実施の形態によると、スタックの予荷重状態でスタックを積載方向に圧縮するという予荷重の力がないときに、チューブ外側面の曲率半径とモジュール外側面の曲率半径が異なるように、互いに対面する外側面の湾曲が選択される。実際の更なる開発によると、チューブ外側面の曲率半径を、予荷重の力がない場合にモジュール外側面の曲率半径よりも小さくすることができる。これは、特に、チューブ外側面が外側に凸状に湾曲していることが好ましい。一実施の形態として、チューブ外側面を外側に凸状に湾曲させ、予荷重の力がない状態でチューブ外側面の曲率半径を凸状のモジュール外側面よりも大きく選択することが好ましい。この異なる曲率半径を用いた設計によって、予荷重の力の発生の間に、少なくともチューブ外側面を、弾性的な領域においてほぼリバーシブルにすることができる。このために、予荷重、及び上記各熱電モジュールと各チューブ間の伝熱を、向上させることができる。
【００１１】
特に好ましい実施の形態によると、予荷重の状態の凸状のチューブ外側面が、予荷重の力がない緩和状態の時よりも大きい曲率半径を有するように、凸状又は凹状のチューブ外側面にバネ弾性を設定し、熱交換器の予荷重状態でスタックを積載方向に圧縮するという予荷重の力によって、チューブ外側面をバネ弾性変形させることができる。言い換えると、各チューブ外側面にある湾曲を、その曲率半径が増加するように予荷重でならしている。この場合、予荷重の状態では、チューブ外側面の凸状湾曲が保持されることが重要である。その代わりとして、凹状に湾曲したチューブ外側面があると、これは、予荷重の状態では、予荷重がない緩和状態よりも小さい曲率半径を有するようにすることができる。言い換えると、各チューブ外側面にある湾曲は、締め付けで増加し、その結果、その曲率半径は減少する。この場合に重要なことは、チューブ外側面の凹状の湾曲は、予荷重の状態においても保持されるということである。
【００１２】
好ましいさらなる開発によると、湾曲したモジュール外側面を、湾曲したチューブ外側面に比べて堅くすることができる、すなわち、チューブ外側面よりも高い曲げ剛性にすることができる。その結果、スタックの予荷重の間に湾曲したチューブ外側面は、湾曲したモジュール外側面よりも強力に変形する。例えば、モジュール外側面は、曲げ剛性を有する材料、例えば、セラミック材から作製することができ、各チューブを、柔軟材、例えば、金属から作製する。特に低温側では、すなわち、冷却チューブについては、原則として軽い材料が使用され、高温側では、すなわち、加熱チューブにおいては、スチール又はステンレススチールチューブが好ましい。原則として、各チューブに比べて熱電モジュールが弾性状に柔軟に構成される実施の形態も考えられる。特に、ゆるんだ状態の各熱電モジュールは平らな外側面を有する実施の形態も考えられる。そして予荷重の間に、全ての熱電モジュールは、弾性状に変形でき、その結果、その外側面は、それに応じて曲がり、その過程で凹状又は凸状に湾曲したチューブ外側面がまとわりつき、その結果、予荷重の状態では、これらは、湾曲した接触領域に沿って望ましい均一な接触を可能とする。
【００１３】
別の実施の形態では、予荷重の状態で、チューブ外側面の曲率半径の大きさを、モジュール外側面の曲率半径と略同一とすることができる。このために、各熱電モジュールと各チューブとの確実な接触を実現することができ、これは、非常に均一な伝熱を引き起こす。ここで、各モジュール外側面と各チューブ外側面との間は直接接触しなくてもよく、例えば伝熱層を通じた間接的な接触を設けることができることが明らかである。
【００１４】
別の実施の形態では、上記少なくとも１つの熱電モジュール、高温側及び低温側は、上記湾曲したモジュール外側面をそれぞれ形成することができる。したがって、隣接する冷却チューブ及び隣接する加熱チューブの両方は、少なくとも１つの相応する湾曲したチューブ外側面を各々有する。
【００１５】
別の実施の形態では、各湾曲を、積載方向に並行するスタックの縦中央平面に対して鏡対称に構成することができる。これにより、乱れを避けることができるので、組み立てが簡単化される。同時に、このために、熱電モジュール及びチューブの製造が簡単化される。
【００１６】
好ましい実施の形態では、それぞれの湾曲した外側面は、積載方向に平行かつスタックの縦方向に対して垂直な横断面において湾曲しており、積載方向に平行かつスタックの横方向に対して垂直な縦中央平面において直線状になっている。このために、円筒断面状の湾曲が、それぞれの外側面について得られる。この設計では、各熱電モジュールを、各チューブに関連して、スタック縦方向において異なる相対位置に配置することができる。
【００１７】
代わりの実施の形態では、それぞれの湾曲した外側面は、積載方向に平行かつスタックの縦方向に対して垂直に走る横断面と、積載方向に平行かつスタックの横方向に対して垂直に走る縦断面の両方において湾曲するようにすることができる。このために、球面状の湾曲が、それぞれの外側面について、縦方向及び横方向において同じ曲率半径で得られる。また、曲率半径が、縦方向及び横方向に異なる場合、それぞれの外側面について、楕円状の湾曲が得られる。これにより、各チューブに対する単一の相対位置が各熱電モジュールに対してあらかじめ規定され、組み立て中のセンタリングを必然的に実現する。
【００１８】
好ましい更なる開発によると、上記加熱チューブと上記冷却チューブとの間に多数の熱電モジュールをスタックの縦方向に並べて配置することができ、いずれの場合も、これら熱電モジュールのモジュール外側面が、横断面及び縦断面において湾曲しており、各チューブは、スタックの縦方向に並べて配置され、各々熱電モジュールに割り当てられ、それぞれの横断面及び縦断面において湾曲している複数の縦方向部分を備える。この設計を通じて、多数の熱電モジュールを、各加熱チューブと各冷却チューブとの間に正確に位置させることができ、それぞれの相対位置は、球面状又は楕円状の湾曲のセンタリグ効果により自動的に実現する。
【００１９】
別の好ましい実施の形態では、各チューブと各熱電モジュールとの間の積載方向に、伝熱層を配置することができる。この伝熱層は、例えば、伝熱ペースト又はグラフィックフィルムを用いて形成することができ、外側面間の伝熱を向上させることができる。特に、互いに対面する外側面間の空隙の小さな変化は、このような伝熱層を用いて相殺できる。空隙の小さな変化は、部品公差のために発生し得る。
【００２０】
自動車に配置できることが好ましい本発明に係る内燃機関は、エンジンブロックを備え、該エンジンブロックは、複数の燃焼室と、排気ガスを燃焼室から排出する排気システムと、エンジンブロックを冷却する冷却回路と、上記タイプの熱交換器とを備える。ここで、熱交換器の少なくとも１つの加熱チューブは、排気システムに流体を案内するように組み込まれ、その結果、排気ガスが加熱流体としての役割を果たす。さらに、熱交換器の少なくとも１つの冷却チューブは、冷却回路に流体を案内するように組み込まれ、その結果、冷却回路のクーラントは、冷却流体としての役割を果たす。あるいは、熱交換器の各冷却チューブを、エンジンの冷却回路とは異なる別の冷却回路内に組み込むことができる。これは、エンジンの冷却回路から分離されており、冷却媒体の温度がエンジンの冷却回路のクーラント温度以下に留まる低温冷却回路、又はエンジンの冷却回路から分離されており、冷却媒体温度がエンジンの冷却回路のクーラント温度以上の範囲にある高温冷却回路とすることができる。
【００２１】
熱交換器に、予荷重を生成する手段をさらに装備させることができる。これらの手段を、例えば、熱交換器のハウジング内に一体化させることができる。例えば、予荷重の力を、ハウジングを閉じている間に生成することができる。スタックに予荷重を与える特別な予荷重装置を提供することも同様に可能である。例えば、タイロッドを用いて、２つのプレート体を互いに締め付けるようにし、スタックをプレート間に配置するという実施の形態も考えられる。
【００２２】
本発明の更に重要な特徴及び効果は、従属請求項、図面、図面を用いた関連の説明から理解される。
【００２３】
上記及び以下に説明する特徴は、上記各組み合わせだけでなく、本発明の範囲を逸脱しない限り、他の組み合わせ又は単独で使用できることを理解されたい。
【００２４】
本発明の好ましい実施の形態は、図示され、以下で詳細に説明され、同じ参照符号は、同一、類似、又は機能的に同一の構成要素に関する。各図を概略的に示す。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】内燃機関の回路図による非常に簡単な概略図である。
【図２】熱交換器の非常に簡単な断面図である。
【図３】緩和状態の熱交換器の熱電モジュール領域の非常に簡単な断面図である。
【図４】締結状態の熱交換器の熱電モジュール領域のさらに簡単な断面図である。
【図５】別の実施の形態での締結状態の熱交換器の熱電モジュール領域の非常に簡単な縦断面図である。
【図６】別の実施の形態での締結状態の熱交換器の熱電モジュール領域の非常に簡単な縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１に示すように、自動車に好適な内燃機関１は、複数の燃焼室３を含むエンジンブロック２と、燃焼室３に外気を供給する外気システム４と、燃焼室３からの排気ガスを排出する排気システム５とを備える。さらに、内燃機関１は、冷却回路６を装備し、該冷却回路６を用いて、エンジンブロック２を冷却することができる。ここで、冷却回路６内に流れるクーラントを適切に冷却できるように、冷却回路６にラジエータ、適切であればファンをさらに設けることができるのは明らかである。
【００２７】
別の実施の形態では、特に、主要な冷却回路６とは別に図示しない更なる他の冷却回路を追加で設けることができる。この場合、この他の冷却回路を、主要な冷却回路６とは異なる温度レベルで選択的に作動させることができる。
【００２８】
内燃機関１は、熱交換器７をさらに備え、該熱交換器７のハウジング８は、冷却媒体入口９と、冷却媒体出口１０と、熱媒体入口１１と、熱媒体出口１２とを備える。熱媒体入口１１と熱媒体出口１２とを通じて、熱交換器７は、排気システム５に流体を案内するように組み込まれており、排気ガスは、熱交換器７内で熱媒体又は加熱流体としての役割を果たす。さらに、冷却媒体入口９と冷却媒体出口１０とを通じて、熱交換器７は、冷却回路内に組み込まれており、該冷却回路のクーラントも、熱交換器７内で冷却媒体又は冷却流体としての役割を果たす。図１によると、これを、主要な冷却回路６、エンジンの冷却回路６、又は前記の図示しない他の冷却回路とすることができる。熱交換器７は、少なくとも１つの熱電モジュール１３をさらに含み、該熱電モジュール１３は、熱交換器７の内部で加熱流体及び冷却流体に伝熱方式でつながっている。ハウジング８上では、各熱電モジュール１３に適切に電気接続される電気接続部１４が形成されている。
【００２９】
図２〜図６によると、各熱交換器７は、冷却流体を案内する少なくとも１つの冷却チューブ１５と、加熱流体を案内する少なくとも１つの加熱チューブ１６とを備える。各熱電モジュール１３は、高温側１７と低温側１８とを含む。各冷却チューブ１５は、上記少なくとも１つの熱電モジュール１３の低温側１８に配置されている。各加熱チューブ１６は、上記少なくとも１つの熱電モジュール１３の高温側１７に配置されている。各熱電モジュール１３、各冷却チューブ１５、及び各加熱チューブ１６は、積載方向１９に互いに重ねて積載され、スタック２０を形成する。図２の例では、５つのチューブ、すなわち、３つの冷却チューブ１５と２つの加熱チューブ１６が設けられており、これらの間には、全部で４つの面、少なくとも１つの熱電モジュール１３がそれぞれ配置されている。実際には、図５及び６によると、各冷却チューブ１５と各加熱チューブ１６との間の各面の内側において、複数の熱電モジュール１３をスタック２０の縦方向３５に配置することができる。
【００３０】
図２〜図６によると、熱交換器７のハウジング８は、図示していない。その代わりに、予荷重装置２１が図２に示され、これにより、矢印で示す予荷重の力２２がスタック２０にもたらされる。ここでは、予荷重の力２２が積載方向１９と平行に向いている。例えば、予荷重装置２１は、２つのエンドプレート２３を備え、これらのエンドプレート２３は、タイロッド２４を通じて、積載方向１９に相互に締め付けられている。これらのエンドプレート２３間では、スタック２０が予荷重の力２２を該スタック２０にもたらすために受けている。図２の例では、エンドプレート２３がアダプターピース２５を通じて外側面に位置する各冷却チューブ１５上に支持されている。
【００３１】
ここで示す熱交換器７の実施の形態では、冷却チューブ１５及び各加熱チューブ１６の両方に係るチューブ外側面であって、隣接する各熱電モジュール１３に対面するチューブ外側面２６は、各熱電モジュール１３に向けて凸状に湾曲している。さらに、チューブ外側面２６に対面するモジュール外側面２７は、隣接する各チューブ１５、１６に向かって凹状に湾曲している。図示しない交換器７の別の実施の形態では、冷却チューブ１５及び加熱チューブ１６の両方におけるチューブ外側面２６は、隣接する各熱電モジュール１３に対面して、各熱電モジュール１３に向かって凹状に湾曲しており、モジュール外側面２７は、チューブ外側面２６に対面して、隣接する各チューブ１５、１６に向けて凸状に湾曲している。さらに、図示しない更なる実施の形態では、組合せの設計が考えられ、これは、同熱交換器７内で、凸状のモジュール外側面２７を有する少なくとも１つの熱電モジュール１３と、凹状のモジュール外側面２７を有する少なくとも１つの熱電モジュール１３とを備え、そして関連の冷却チューブ１５、１６は、これらに相補的なチューブ外側面２６を有している。少なくとも１つの熱電モジュール１３が、凸状のモジュール外側面２７と凹状のモジュール外側面２７とを有し、冷却チューブ１５、１６も、これらに相補的なチューブ外側面２６を有している、同様に図示しない実施の形態も考えられる。図示しない更なる実施の形態では、少なくとも１つの熱電モジュールは、理論的に平らなモジュール外側面２７を有することができる。以下の実施の形態は、先に示した実施の形態に関連し、図示しない前述の実施の形態にも同様に該当する。
【００３２】
図３は、予荷重の力２２がない状態で、対面する位置にあるチューブ１５を含む単一の熱電モジュール１３の領域におけるスタック２０の詳細を示す。この緩和状態で、各チューブ外側面２６のチューブ曲率半径２８は、モジュール外側面２７のモジュール曲率半径２９より著しく小さい。このために、チューブ１５、１６と熱電モジュール１３との接触は、最初は、より小さな領域で積載中に起こる。さらに、チューブ１５、１６と各熱電モジュール１３との間の積載方向１９に、伝熱層３０を配置することができ、その結果、図３において、チューブ１５、１６と熱電モジュール１３との直接的な接触は起こらないことが示唆されている。チューブ外側面２６は、むしろ各伝熱層３０を介して各モジュール外側面２７に間接的にのみ接触している。
【００３３】
各チューブ外側面２６は、実際には、バネ弾性を設定されており、その結果、それは、曲率半径２８が変形で大きくなるように、予荷重の力２２によってバネ弾性変形可能である。図４によると、予荷重の状態のチューブ曲率半径２８は、予荷重の力がない緩和状態の場合よりも明らかに大きい。さらに、凹状のモジュール外側面２７は、チューブ外側面２６に比べて固く、その結果、スタック２０の予荷重があっても、モジュール外側面２７が変形しない、あるいは各チューブ外側面２６よりもかなり小さく変形するだけである。特に、これにより、図４による予荷重の状態で、チューブ曲率半径２８がジャケット曲率半径２９と略同じ大きさになるような状況が発生する。このために、図４では積載方向１９に大きく拡大した隙間３１が均一となり、その結果、それは、スタック２０の横方向３２全体に略一定の隙間幅３３を有している。各隙間３１は、特に伝熱層３０が設けられている時にのみ存在し、そして伝熱層３０は、隙間３１を略完全に埋める。一方、このような伝熱層３０がない場合、隙間幅３３は、ゼロ値まで大幅に減少し、その結果、各チューブ外側面２６は、熱電モジュール１３の全体幅においてモジュール外側面２７に直接接触する。
【００３４】
ここで示す実施の形態においては、高温側１７及び低温側１８の各々で、上記凹状のモジュール外側面２７を各熱電モジュール１３に形成している。例えば、スタック２０の積載の終端において、高温側１７又は低温側１８のみが上記凹状のモジュール外側面２７を形成する実施の形態も考えられる。しかし、チューブ１５、１６が外側面のスタック２０の位置に配置されている限り、スタック２０に対面する側においてのみ湾曲した外側面２７を有し、スタック２０からみて外方に対面する側においては平らな外側面を有し、そしてこれは各エンドプレート２３に接触することができ、その結果、図２によると１つの側において湾曲しているアダプターピース２５を省略することができるように、外側に位置する各チューブ１５、１６（好ましくは、冷却チューブ１５）を構成することができる。
【００３５】
図４では、縦中央平面３４が示され、該縦中央平面３４は、積載方向１９に対して平行にかつスタック２０の縦方向３５に対して平行に広がっており、このスタック縦方向３５は、図５及び６においてのみ示されている。この縦中央平面３４に関して、湾曲又は湾曲した外側面２６、２７は、鏡面対称に構成されている。
【００３６】
図５及び図６によると、複数の熱電モジュール１３が、冷却チューブ１５と加熱チューブ１６との間で、スタック縦方向３５に並んで配置されている。ここで、これら熱電モジュール１３の各々のモジュール外側面２７は、上記のように凹状に湾曲している。
【００３７】
図５及び図６は、冷却チューブ１５及び加熱チューブ１６と、その間に配置される熱電モジュール１３の領域におけるスタック２０の縦断面を示す。縦断面は、図４に示され、３６が付されている。この縦断面３６は、積載方向１９に対して平行かつスタック縦方向３５に対して平行に広がっている。したがって、縦断面３６は、縦中央平面３４に対して平行に延びている。特に、縦中央平面３４及び縦断面３６を、図４に示すように、合致させることができる。図５及び図６には、積載方向１９に対して平行かつスタック横方向３２に対して平行に広がる横断面３７がさらに示されている。図３及び４の断面図は、このような横断面３７にある。
【００３８】
図５に示す実施の形態では、湾曲したチューブ外側面２６及び湾曲したモジュール外側面２７は、横断面３７において湾曲しており、縦断面３６において直線状に実現されている。このために、外側面２６、２７は、各々円筒形状の湾曲が与えられている。言い換えると、図３及び４に反映されている断面外形は、スタックの縦方向３５に略一定である。
【００３９】
これとは対照的に、図６に示す実施の形態においては、湾曲したチューブ外側面２６及び湾曲したモジュール外側面２７が、横断面３７及び縦断面３６の両方において湾曲している。この縦断面３６では、湾曲した各モジュール外側面２７は、同様に曲率半径３９を有する。各チューブ１５、１６も、縦断面３６において曲率半径４０を有する。ここで、予荷重の状態では、縦断面３６上に位置する湾曲した外側面２６、２７の曲率半径３９、４０を、横断面３７上に位置する外側面２６、２７の曲率半径２８、２９と同一の大きさにすることができる。このために、湾曲した外側面２６、２７の各々は、少なくとも部分的に、半球形状の湾曲を与えられている。また、これに代わる実施の形態として、予荷重の状態では、縦断面３６上に位置する湾曲した外側面２６、２７の曲率半径３９、４０と、横断面３７上に位置する外側面２６、２７の曲率半径２８、２９を、同一でないようにすることができる。この場合、湾曲した外側面２６、２７の各々は、少なくとも部分的に、楕円形状の湾曲となる。両者の場合、図３及び４の横断面形状は、スタック縦方向３５において変化する。
【００４０】
ここで、図６は、冷却チューブ１５及び加熱チューブ１６が、図６中に中括弧で示されるスタック縦方向３５の複数の縦断面３８を有する特別な実施の形態を示す。各熱電モジュール１３は、各縦断面３８内に配置されている。したがって、これらの縦断面３８は、スタックの縦方向３５に並んで配置されており、各々熱電モジュール１３に割り当てられている。これらの縦断面３８では、チューブ外側面２６は、横断面３７及び縦断面３６において湾曲している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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