DE102007024038A1

DE102007024038A1 - Heat exchanger has thermoelectric unit having two sides, where fluid line is thermally coupled to one of sides and another fluid line coupled to other side

Info

Publication number: DE102007024038A1
Application number: DE200710024038
Authority: DE
Inventors: Helmut Walter; Christof Böttcher
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2007-05-23
Filing date: 2007-05-23
Publication date: 2008-11-27

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, der mit einer zwei (Wirk-) Seiten aufweisenden thermoelektrischen Einheit, einer mit einer der beiden Seiten thermisch gekoppelten Flüssigkeitsleitung und mit einer mit der jeweils anderen Seite thermisch gekoppelten Flüssigkeitsleitung oder einem Lamellen-/Rippenprofil für einen Luftstrom gebildet ist. Sie löst die Aufgabe, einen derartigen Wärmetauscher so zu gestalten, dass die Wärmeübertragung verbessert ist. Dazu ist der Strömungsraum der wenigstens einen Flüssigkeitsleitung (3) im Bereich des Peltierelementes (1/2) wärmeübertragungs- und/oder turbulenzerhöhend strukturiert.The invention relates to a heat exchanger which is formed with a two (effective) sides having thermoelectric unit, a thermally coupled to one of the two sides of the liquid line and with a thermally coupled to the other side liquid line or a fin / rib profile for an air flow , It solves the problem of designing such a heat exchanger so that the heat transfer is improved. For this purpose, the flow space of the at least one liquid line (3) in the region of the Peltier element (1/2) is structured to increase heat transfer and / or turbulence.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, der mindestens über eine Flüssigkeitsseite und eine thermoelektrische Einheit verfügt, insbesondere einen thermoelektrischen Wärmetauscher mit einem Peltierelement zum Kühlen und Heizen eines Fahrzeuginnenraumes.The The invention relates to a heat exchanger which is at least over a liquid side and a thermoelectric unit has, in particular a thermoelectric heat exchanger with a Peltier element for cooling and heating a vehicle interior.

Es ist bekannt, den Peltiereffekt zum Heizen und Kühlen von Innenräumen zu nutzen. Der Peltiereffekt stellt die der Thermoelektrizität entgegengerichtete Erscheinung dar, bei der in einem Leiterkreis aus zwei verschiedenen Metallen und zwei Verbindungsstellen durch Erwärmen einer der Verbindungsstellen ein elektrischer Strom erzeugt wird. Nach dem Peltiereffekt führt ein durch den Leiterkreis fließender Strom zu einer Erwärmung oder Abkühlung einer der Verbindungstellen, je nach dem, in welcher Richtung der Strom fließt. Dieser Effekt wird zum Heizen und Kühlen, auch in Verbindung mit Wärmetauschern, genutzt. Die an Wärmetauschern eingesetzten Peltierelemente werden mit Gleichstrom betrieben und weisen eine Kalt- und eine Warmseite auf, wobei die Temperaturdifferenz in Abhängigkeit von der Potentialdifferenz durchaus 60 K betragen kann ( DE 10 2005 036 492 A1 ). Es sind Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher ( US 3 366 164 ), Flüssigkeit/Flüssigkeit-Wärmetauscher ( EP 0 842 382 B1 ) und auch Luft/Luft-Wärmetauscher ( DE 197 46 152 A1 , DE 298 12 875 U1 ) bekannt. Beim Gegenstand nach der DE 10 2005 036 492 A1 wird zum Kühlen von Innenräumen ein Peltierelementmodul verwendet, das mehrere Peltierelemente vereint, die zwischen zwei gemeinsamen Metallplatten angeordnet und thermisch mit diesen gekoppelt sind (Sandwichbauweise). Diese wiederum sind jeweils mit einem Wasserwärmetauscher über Flüssigkeitsleitungen verbunden. Die für das Peltierelement benötigte Energie wird dabei von einem Photovoltaik-Element geliefert.It is known to use the Peltier effect for heating and cooling of interiors. The Peltier effect represents the opposite effect of the thermoelectricity, in which an electric current is generated in a conductor circuit of two different metals and two connection points by heating one of the connection points. After the Peltier effect, a current flowing through the conductor circuit leads to heating or cooling of one of the connection points, depending on the direction in which the current flows. This effect is used for heating and cooling, also in connection with heat exchangers. The Peltier elements used on heat exchangers are operated with direct current and have a cold and a warm side, wherein the temperature difference depending on the potential difference may well be 60 K ( DE 10 2005 036 492 A1 ). They are liquid / air heat exchangers ( US 3,366,164 ), Liquid / liquid heat exchanger ( EP 0 842 382 B1 ) and also air / air heat exchangers ( DE 197 46 152 A1 . DE 298 12 875 U1 ) known. When subject to the DE 10 2005 036 492 A1 For interior cooling, a Peltier element module is used that combines several Peltier elements, which are arranged between two common metal plates and thermally coupled to them (sandwich construction). These in turn are each connected to a water heat exchanger via liquid lines. The energy required for the Peltier element is supplied by a photovoltaic element.

Die Erfindung geht von einem thermoelektrischen Wärmetauscher mit einer thermoelektrischen Einheit und einer an dieser direkt angeschlossenen Flüssigkeitsleitung auf einer Primär- oder Rückkühlseite mit im Wesentlichen konstanten Flüssigkeitsbedingungen und einer an die thermoelektrische Elnheit direkt angeschlossenen Flüssigkeitsleitung oder einem Lamellen- oder Rippenprofil zur Wärmeübertragung an einen Luftstrom auf der Nutz- oder Sekundärseite aus. Die Primärseite nimmt im Wärmetauscher die Temperatur der Flüssigkeitsleitung an, die von der durch diese strömenden Flüssigkeit bestimmt wird. Ein Wärmetauscher mit einem Peltierelement als thermoelektrische Einheit ist grundsätzlich in der DE 101 39 544 A1 aufgeführt, und es ist ausgeführt, dass durch Anlegen einer Spannung an das Peltierelement ein Wärmepumpeneffekt bzw. eine Änderung des Wärmestromes im Wärmetauscher herbeigeführt und dass durch eine Parallelschaltung beliebig vieler einzelner Peltierelemente eine höhere Energiedichte erreicht werden kann.The invention relates to a thermoelectric heat exchanger with a thermoelectric unit and a directly connected to this liquid line on a primary or Rückkühlseite with substantially constant liquid conditions and a directly connected to the thermoelectric element liquid line or a fin or rib profile for heat transfer to an air stream the utility or secondary side. The primary side assumes in the heat exchanger the temperature of the liquid line, which is determined by the liquid flowing through it. A heat exchanger with a Peltier element as a thermoelectric unit is basically in the DE 101 39 544 A1 listed, and it is carried out that by applying a voltage to the Peltier element causes a heat pump effect or a change in the heat flow in the heat exchanger and that a higher energy density can be achieved by a parallel connection of any number of individual Peltier elements.

Die Flüssigkeitsleitung weist im Querschnitt eine mit der Primärseite korrespondierende Fläche auf und steht mit dieser im direkten thermischen Kontakt. Die Innenflächen der Flüssigkeitsleitung sind glatt, die Flüssigkeit kann ohne Turbulenzen durch diese strömen, und ein Wärmeübergang zur thermoelektrischen Einheit ist sichergestellt. Diese Einheit kann nun derart geschaltet sein, dass diese auf der Primärseite mit der auf dieser gegebenen Flüssigkeitstemperatur warmer als auf der Sekundärseite ist, so dass der Wärmetauscher auf der Sekundärseite kühlt. Die thermoelektrische Einheit kann aber auch umgekehrt geschaltet sein, so dass diese auf der Primärseite mit der anliegenden Flüssigkeitstemperatur kälter als auf der Sekundärseite ist, so dass der Wärmetauscher auf der Sekundärseite wärmt und als Wärmepumpe dient. Es hat sich jedoch gezeigt, dass durch die sehr wenig turbulente Strömung in den Flüssigkeitsleitungen keine sehr hohen Wärmeübergänge realisiert werden können.The Liquid line has in cross-section with the primary side corresponding surface and is in direct with this thermal contact. The inner surfaces of the fluid line are smooth, the fluid can through this without turbulence flow, and a heat transfer to the thermoelectric Unity is ensured. This unit can now be switched in this way be that on the primary side with this on this given liquid temperature is warmer than on the secondary side, so that the heat exchanger on the secondary side cools. The thermoelectric unit can also be reversed be switched so that these on the primary side with the applied liquid temperature colder as is on the secondary side, leaving the heat exchanger on the secondary side warms and as a heat pump serves. However, it has been shown that by the very little turbulent Flow in the liquid lines is not very high heat transfer can be realized can.

Es ist Aufgabe der Erfindung, bei einem Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 die Wärmeübertragung zu verbessern.It is the object of the invention, according to a heat exchanger the preamble of claim 1, the heat transfer to improve.

Diese Aufgabe wird bei einem Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen aufgeführt.These Task is in a heat exchanger according to the preamble of claim 1 solved by its characterizing features. Advantageous embodiments are in the subclaims listed.

Die Erfindung besteht darin, dass bei einem Wärmetauscher mit einer thermoelektrischen Einheit und wenigstens einer mit dieser thermisch verbundenen Flüssigkeitsleitung, der Strömungsraum derselben im Bereich der thermoelektrischen Einheit wärmeübertragungs- und/oder turbulenzerhöhend strukturiert ist. Eine wärmeübertragungserhöhende Struktur kann auf einfache Weise eine in der Flüssigkeitsleitung längserstreckte Rippenstruktur sein, die die Wärmeübertragung von der strömenden Flüssigkeit auf die Leitungswandung verbessert. Eine turbulenzerhöhende Struktur, beispielsweise eine aufgerauhte oder andersweitig strukturierte Innenfläche der Flüssigkeitsleitung, bildet eine turbulente Strömung aus, die infolge des intensivierten Kontaktes der Flüssigkeit mit der Leitungswandung den Wärmeübergang zu dieser verbessert. Mit diesen Maßnahmen wird auf einfache Weise die Wärmeübertragung von der strömenden Flüssigkeit auch auf die thermoelektrische Elnheit verbessert. Ist der Wärmetauscher auf der Nutzer- oder Sekundärseite ebenfalls mit einer derartigen Flüssigkeitsleitung versehen, wird auch der Wärmeübergang von der thermoelektrischen Einheit auf die in dieser strömende Flüssigkeit verbessert. Damit wird die Wärmeübertragungsleistung des Wärmetauschers insgesamt erhöht.The invention consists in that, in the case of a heat exchanger with a thermoelectric unit and at least one liquid line thermally connected thereto, the flow space thereof is structured in the region of the thermoelectric unit to increase heat transfer and / or turbulence. A heat transfer increasing structure may simply be a fin structure elongated in the liquid conduit which enhances heat transfer from the flowing liquid to the conduit wall. A turbulence-increasing structure, for example a roughened or otherwise structured inner surface of the liquid line, forms a turbulent flow which, as a result of the intensified contact of the liquid with the line wall, improves the heat transfer to the latter. With these measures, the heat transfer from the flowing liquid to the thermoelectric element is improved in a simple manner. If the heat exchanger on the user or secondary side is also provided with such a liquid line, the heat transfer from the thermoelectric unit to the liquid flowing in it is also improved. Thus, the heat transfer performance of Total heat exchanger increased.

Vorteilhaft ist der Strömungsraum des oder der Flüssigkeitsleitungen mit einer offenzelligen Metallstruktur (Metallschaum) versehen, deren Metalllamellen und -fasern mit der Wandung der Flüssigkeitsleitung in thermischer Verbindung stehen. Die Metallstruktur hat sowohl einen direkten erhöhten Wärmetransport zur Wandung der Flüssigkeitsleitung als auch einen indirekten erhöhten Wärmetransport durch die Verwirbelung der strömenden Flüssigkeit zur Folge, letztere dadurch, dass die verwirbelte Flüssigkeit einen intensiveren thermischen Kontakt mit den Metalllamellen und -fasern und auch mit der Wandung der Flüssigkeitsleitung hat. Die Metallstruktur führt allerdings zu einer Erhöhung des Druckverlustes beim Durchströmen der Flüssigkeitsleitung, so dass ein Kompromiss durch eine passende Einstellung der Porisität der Metallstruktur erforderlich ist. Die Metallstruktur wird vorteilhaft in der Flüssigkeitsleitung schmelzmetallurgisch erzeugt. Dazu steht ein Verfahren zur Verfügung, wie es beispielsweise in der DE 31 06 917 C2 beschrieben ist.The flow space of the liquid line (s) is advantageously provided with an open-celled metal structure (metal foam) whose metal lamellae and fibers are in thermal communication with the wall of the liquid line. The metal structure has both a direct increased heat transfer to the wall of the liquid line as well as an indirect increased heat transfer by the turbulence of the flowing liquid result, the latter in that the fluid swirled a more intense thermal contact with the metal fins and fibers and also with the wall of the Fluid line has. The metal structure, however, leads to an increase in the pressure loss when flowing through the liquid line, so that a compromise is required by a suitable adjustment of the porosity of the metal structure. The metal structure is advantageously produced by fusion metallurgy in the liquid line. For this purpose, a method is available, as for example in the DE 31 06 917 C2 is described.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen schematisch:The Invention will be described below with reference to an embodiment explained. In the accompanying drawings show schematically:

1: einen thermoelektrischen Wärmetauscher mit einer Flüssigkeitsleitung und einem Lamellenprofil für einen Luftstrom sowie mit einem Peltierelement zwischen diesen in einer Hauptansicht, 1 a thermoelectric heat exchanger with a liquid line and a lamellar profile for an air flow and with a Peltier element between them in a main view,

2: diesen in einer Seitenansicht, 2 : this in a side view,

3: diesen in der Draufsicht und 3 : this in the top view and

4: einen thermoelektrischen Wärmetauscher mit zwei Flüssigkeitsleitungen und einem Peltierelement zwischen diesen. 4 a thermoelectric heat exchanger with two fluid lines and a Peltier element between them.

Der in den 1 bis 3 schematisch dargestellte Wärmetauscher für ein Klimagerät in einem Kraftfahrzeug ist mit einem zwei (Funktions-)Seiten aufweisenden Peltierelement bekannter Bauart mit einem höheren Peltier-Koeffizienten gebildet. An diesem (1/2) ist an der Primär-/Rückkühlseite eine Flüssigkeitsleitung 3 mit rechteckigen Querschnitt aus Kupfer mit einem engen thermischen Kontakt bzw. geringen Wärmeübertragungs-Widerstand angeordnet, in derem (3) Strömungsraum eine offenzellige Metallstruktur 4 aus Kupfer ausgebildet ist. Auf der der Flüssigkeitsleitung abgewandten Seite des Peltierelementes (1/2) ist, ebenfalls mit einem geringen Wärmeübertragungswiderstand, eine Lamellenstruktur 5 für einen Luftstrom L quer zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit FL angeordnet.The in the 1 to 3 schematically illustrated heat exchanger for an air conditioner in a motor vehicle is formed with a two (functional) sides having Peltier element of known design with a higher Peltier coefficient. At this ( 1 / 2 ) is a liquid line at the primary / recooling side 3 having a rectangular cross section of copper with a narrow thermal contact or low heat transfer resistance, in which ( 3 ) Flow space an open-celled metal structure 4 is formed of copper. On the side facing away from the liquid line of the Peltier element ( 1 / 2 ), also with a low heat transfer resistance, is a lamellar structure 5 arranged for an air flow L transverse to the flow direction of the liquid FL.

Die Ausgangstemperatur der Primärseite 1 wird durch die Temperatur der Flüssigkeitsleitung 3 und diese durch die Temperatur der Flüssigkeit FL in der Flüssigkeitsleitung 3 bestimmt, wobei die Flüssigkeit FL beim Durchströmen derselben durch Wärmeabgabe an die Primärseite 1 abgekühlt und letztere erwärmt wird (Ausgangstemperatur). Das Peltierelement (1/2) kann nun derart gepolt sein, dass dessen Sekundärseite 2 beim Stromdurchfluss durch dieses (1/2) gegenüber der ohnehin erwärmten Primärseite 1 erwärmt wird, die nun ihrerseits die Lamellenstruktur und die durch diese strömende und für die Konditionierung des Fahrzeuginnenraumes nutzbare Luft L verstärkt erwärmt (Wärmepumpe). Wird das Peltierelement umgepolt, so wird die Sekundärseite 2 gegenüber der Primärseite 1, deren Temperaturniveau unverändert durch die Flüssigkeit FL bestimmt ist, abgekühlt, und die Lamellenstruktur 5 ebenfalls. Damit kann die durch diese strömende Luft L gekühlt werden.The outlet temperature of the primary side 1 is determined by the temperature of the fluid line 3 and this by the temperature of the liquid FL in the liquid line 3 determined, wherein the liquid FL while flowing through the same through heat to the primary side 1 cooled and the latter is heated (starting temperature). The Peltier element ( 1 / 2 ) can now be poled so that its secondary side 2 at the current flow through this ( 1 / 2 ) with respect to the already heated primary side 1 is heated, which in turn heated the lamellar structure and the flowing through this and usable for the conditioning of the vehicle interior air L (heat pump). If the Peltier element is reversed, the secondary side becomes 2 opposite the primary side 1 whose temperature level is determined unchanged by the liquid FL, cooled, and the lamellar structure 5 also. Thus, the air flowing through this L can be cooled.

In beiden Fällen fördert die in der Flüssigkeitsleitung 3 ausgebildete Metallstruktur 4 erheblich die Wärmeübertragung auf die Primärseite 1 des Peltierelementes (1/2) und steigert so die Leistung des Wärmetauschers.In both cases, the promotes in the fluid line 3 trained metal structure 4 considerably the heat transfer to the primary side 1 of the Peltier element ( 1 / 2 ) and thus increases the performance of the heat exchanger.

In 4 ist im Wärmetauscher anstelle der Lamellenstruktur 5 eine Flüssigkeitsleitung 6 mit einer Metallstruktur 4 vorbeschriebener Art angeordnet. Bei diesem wird die Wärmemenge, die von der Sekundärseite 2 in die in der Flüssigkeitsleitung 6 strömende Flüssigkeit F übertragen wird, ebenfalls durch die Metallstruktur 4 erhöht, so dass beidseits des Peltierelementes (2/3) eine Leistungssteigerung im Wärmetauscher zu verzeichnen ist.In 4 is in the heat exchanger instead of the lamellar structure 5 a liquid line 6 with a metal structure 4 arranged as described above. In this case, the amount of heat from the secondary side 2 in the in the liquid line 6 flowing liquid F is transmitted, also through the metal structure 4 increased, so that on both sides of the Peltier element ( 2 / 3 ) shows an increase in performance in the heat exchanger.

11: Primärseiteprimary
22: Sekundärseitesecondary side
33: Flüssigkeitsleitungliquid line
44: Metallstrukturmetal structure
55: Lamellenstrukturlamellar structure
66: Flüssigkeitsleitungliquid line
FF: Flüssigkeitliquid
FLFL: Flüssigkeitliquid
LL: Luftstromairflow

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- DE 102005036492 A1 [0002, 0002]
- US 3366164 [0002]
- EP 0842382 B1 [0002]
DE 19746152 A1 [0002]
- DE 29812875 U1 [0002]
- DE 10139544 A1 [0003]
- DE 3106917 C2 [0008]

Claims

Heat exchanger, having a two (effective) sides having thermoelectric unit and a thermally coupled to one of the sides of the liquid line and a thermally coupled to the other side liquid line or a fin / rib profile for an air flow, characterized in that the flow space of at least a fluid line ( 3 ) in the region of the thermoelectric unit ( 1 / 2 ) is structured heat transfer and / or turbulence increasing.

Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the flow space with an open-cell metal structure ( 4 ) is provided, whose metal fins and fibers with the wall of the liquid line ( 3 ) are in thermal communication.

Heat exchanger according to claim 1 or 2, characterized in that the metal structure ( 4 ) in the liquid line ( 3 ) is generated.

Heat exchanger according to claim 2 or 3, characterized in that the metal structure ( 4 ) consists of a good heat conducting metal, in particular aluminum or copper.