DE1272409B - Zur Waerme- und/oder Kaelteerzeugung oder zur Stromerzeugung dienende thermoelektrische Vorrichtung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

HOIv

Deutsche KL: 21b-27/04

Nummer: 1272409

Aktenzeichen: P 12 72 409.3-33 (S 80739)

Anmeldetag: 3. August 1962

Auslegetag: 11. Juli 1968

Übliche thermoelektrische Vorrichtungen bestehen aus meist zu einem Block zusammengefaßten Elementen, an deren wärmeaufnehmenden bzw. -abgebenden Seiten geeignete Wärmeaustauscher angeordnet sind. Als Wärmeaustauscher dienen im allgemeinen Metallkörper, die meist oberflächenvergrößernde Rippen aufweisen. Bei anderen thermoelektrischen Vorrichtungen wird die Wärme durch Verdampfung und Kondensation eines Wärmetauschmittels transportiert. In diesem Falle ist die warme bzw. kalte Seite des Blockes je mit einem als Verdampfer bzw. Kondensator dienenden Gefäß verbunden.

Es ist aber auch bekannt, einen aus thermoelektrischen Elementen bestehenden Block in die Trennwand eines aus Isolierstoff bestehenden Doppelbehälters einzusetzen, dessen beide Teile je zur Aufnahme eines durch Verdampfung bzw. Kondensation die Wärme übertragenden Wärmetauschmittels dienen, wobei der eine Teil des Behälters der wärmeaufnehmenden Seite und der andere der ao wärmeabgebenden Seite der thermoelektrischen Elemente zugeordnet ist.

Die Erfindung betrifft eine zur Wärme- und/oder Kälteerzeugung oder zur Stromerzeugung dienende Vorrichtung mit einem aus mehreren thermoelektrischen Elementen bestehenden Block, der in die Trennwand eines aus Isolierstoff bestehenden Doppelbehälters eingesetzt ist, dessen beide Teile je zur Aufnahme eines durch Verdampfung bzw. Kondensation die Wärme übertragenden Wärmetauschmittels dienen, wobei der eine Teil des Behälters der wärmeaufnehmenden Seite und der andere der wärmeabgebenden Seite der thermoelektrischen Elemente zugeordnet ist. Sie hat zur Aufgabe, eine thermoelektrische Vorrichtung zu schaffen, die mit geringem Aufwand die Abhängigkeit des Temperatursprunges von der Wärmestromdichte weitgehend vermeidet. Gemäß der Erfindung wird bei einer Vorrichtung der genannten Art die Aufgabe dadurch gelöst, daß die beiden Behälterteile relativ zueinander und zu dem thermoelektrischen Block derart angeordnet und bemessen sind, daß in der für die Vorrichtung vorgesehenen Betriebslage nur die wärmeabgebende Seite des thermoelektrischen Blockes sich im Wännekontakt mit der flüssigen Phase des Wärmetauschmittels in dem zugeordneten Behälterteil befindet, während auf seiner wärmeaufnehmenden Seite der Block nur mit der dampfförmigen Phase des Wärmetauschmittels in dem dieser Seite zugeordneten Behälterteil im Wärmekontakt steht.

Auf diese Weise wird eine relativ kleine in sich Zur Wärme- und/oder Kälteerzeugung oder
zur Stromerzeugung dienende thermoelektrische
Vorrichtung

Anmelder:

Siemens-Electrogeräte

Gesellschaft mit beschränkter Haftung,

Berlin und München,

8000 München 2, Prannerstr. 8

Als Erfinder benannt:

Dr.-Ing. Heinz Müller, 8520 Erlangen

geschlossene thermoelektrische Vorrichtung geschaffen, bei der der Wärmedurchgang entgegengesetzt zur Wärmetransportrichtung des Blockes bei abgeschalteten thermoelektrischen Elementen weitgehend unterdrückt wird. Der Wärmefluß durch die neue thermoelektrische Vorrichtung muß stets folgenden Weg einschlagen: äußere Wärmeaustauscher der einen Seite — Wärmetauschmittel — Block — Wärmetauschmittel — äußerer Wärmeaustauscher der anderen Seite. Bei der neuen Vorrichtung ist damit sichergestellt, daß beim Verdampfen für die zu transportierende Wärme mit einer nahezu von der Wärmestromdichte unabhängigen Wärmeübergangszahl gerechnet werden kann. Man wird aus diesem Grund auch dafür Sorge tragen, daß die wärmeaufnehmenden Teile, d. h. die Kondensationsflächen des Behälters bzw. des Blockes, eine größere Oberfläche als die wärmeabgebenden Teile aufweisen, um die wegen der konstanten Wärmeübergangszahl mit der Wärmestromdichte ansteigenden Temperaturdifferenz an dieser Stelle klein zu halten. Die beiden Behälterteile wird man an ihren dem Block abgewandten Seiten durch Platten aus gut wärmeleitendem Metall verschließen. Dabei kann man die mit dem Wärmetauschmittel in Berührung stehenden Teile des Blockes und/oder der Verschlußplatten mit oberfiächenvergrößernden Mitteln, z. B. Rippen, versehen.

Die Vorrichtung kann man vorzugsweise so ausbilden, daß der thermoelektrische Block nur auf der wärmeabgebenden Seite mit Isolierstoff vergossen ist, während der überwiegende Teil der thermoelektrischen Elemente und die Strombrücken auf der wärmeaufnehmenden Seite frei in den Verdampfungs-Kondensations-Raum hineinragen. Diese Teile kom-

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men nur mit der Dampfphase des Wärmetauschmittels in Berührung. Die Kondensation erfolgt nur an den kältesten Stellen. Man spart auf diese Weise Herstellungszeit, Isolierstoff und hat außerdem den Vorteil, daß die Verluste durch ungewünschte Wärmeübergänge innerhalb des Blockes kleiner sind, weil die Dampfphase des Wärmetauschmittels die Wärme im allgemeinen sehr schlecht leitet. Dabei wird vorausgesetzt, daß als Wärmetauschmittel heute übliche Kältemittel verwendet werden, beispielsweise die unter dem Handelsnamen »Frigen« bekannten Kältemittel.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele nach der Erfindung dargestellt. Darin zeigen

Fig. 1 bis 3 senkrechte Schnitte durch verschiedene Ausführungsformen für thermoelektrische Vorrichtungen mit senkrechter Betriebslage und

F i g. 4 bis 6 a senkrechte Schnitte von Ausführangsfonnen mit waagerechter Betriebslage;

Fig. 6b ist eine Draufsicht auf den in Fig. 6a ao als senkrechten Schnitt dargestellten Bereich.

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt einen Doppelbehälter, dessen Teile 5, 6 versetzt zueinander angeordnet sind. Der Behälter 5 ist der wärmeabgebenden Seite des thermoelektrischen Blockes 2 zugeordnet. Die flüssige Phase des Wärmetauschmittels im Behälter 5 ist mit 21 bezeichnet. Der Block 2 ist in der Trennwand 1 so angeordnet bzw. der Behälter 5 hat gegenüber dem Block 2 eine solche Lage, daß die flüssige Phase 21 des Wärmetauschmittels bis in Höhe der oberen thermoelektrischen Elemente 13 reicht. Darüber befindet sich noch ein für die Dampfphase des Wärmetauschmittels genügend großer Raum 22. Auf der wärmeaufnehmenden Seite des Blockes 2 ist der Behälter 6 in entsprechender Weise derart in bezug auf den Block 2 versetzt, daß sich die flüssige Phase 23 des Wärmetauschmittels nur unterhalb der thermoelektrischen Elemente 13 befindet, während sich in den für die Dampfphase zur Verfügung stehenden Raum 24 alle Elementschenkel und die Strombrücken 11 befinden.

Der Block 2 ist auf der kalten Seite (Behälter 6) nicht gänzlich vergossen. Die thermoelektrischen Elemente 13 ragen mehr in den Behälter 6 als in den Behälter 5 hinein. Das ist möglich, weil die Brücken 11 und die Elemente 13 auf der kalten Seite nur mit dem Dampf des Wärmetauschmittels in Berührung kommen. Eine Berührung mit der flüssigen. Phase 23 ist in der dargestellten Betriebsstellung nicht möglich. Da die Kondensation stets an der kältesten Stelle erfolgt (Brücken 11), beeinträchtigen die wärmeren Teile der Elemente 13 den Kondensationsvorgang nicht wesentlich.

Fig.2 zeigt ein der Fig. 1 entsprechendes Beispiel, bei dem auf der wärmeabgebenden Seite (Behälter 5) des Blockes die für die Kondensation zur Verfügung stehende Fläche durch senkrecht zur Platte 7 stehende Rippen 14 vergrößert ist. Ebenso sind die Strombrücken auf der wärmeaufnehmenden Seite des Blockes durch Rippen 12 in ihrer Oberfläche vergrößert.

Bei dem in F i g. 3 dargestellten Beispiel wird dem Peltierblock 2 die Wärme durch Wasserkreisläufe 19, 20 zu- und abgeführt. Diese Kreisläufe stehen aber gemäß dem Erfindungsgedanken nicht in direkter Verbindung mit dem Block. Das Wasser wird vielmehr in den beiden Rohrsystemen 19 und 20 durch je einen der beiden Behälter 5 bzw. 6 geführt und tauscht dort über die Wärmetauschmittel die Wärme mit dem Block 2 aus. Im dargestellten Fall entspricht das Wasserumlaufsystem 19 dem Kühlwasserkreislauf, an den über Verdampfungs-Kondensation des Wärmetauschmittels im Behälter 5 die Wärme des Blockes 2 abgegeben wird. Das Umlaufsystem 20 ist dementsprechend als Kreislauf von zu kühlendem Wasser anzusehen, das seine Wärme im Behälter 6 über das Wärmetauschmittel an den Block 2 abgibt. Mit 15 sind die abgeschmolzenen Füllstutzen für das Wärmetauschmittel bezeichnet.

In den F i g. 4, 5 und 6 sind den vorhergehenden Ausführungsbeispielen entsprechende Vorrichtungen dargestellt, die sich nur durch die waagerechte Betriebsstellung des Blockes 2 von den vorhergehenden Beispielen unterscheiden. In Fig. 4 sind die Seitenwände der Behälter 5 bzw. 6 mit den Bezugszeichen 3 bzw. 4 bezeichnet, die Abschlußplatte des Behälters 6 mit 8. Die in F i g. 5 dargestellte Art der Wärmeabfuhr mit Hilfe von Wasserkreisläufen 19, 20 analog der Fig. 3 ermöglicht es, die beiden Behälter 5 und 6 auch durch aus Isolierstoff bestehende Teile zu verschließen. Diese Teile sind im vorliegenden Beispiel als Kunststoffkappen 27 und 28 ausgebildet, die mit der Trennwand 1 und den Seitenwänden 3 bzw. 4 in geeigneter Weise, z. B. durch Kleben, gasdicht verbunden werden.

Die Fig. 6 bis 6b zeigen eine Ausführungsform, bei der die Kühlfläche neben den anderen Teilen des Blockes 2 angeordnet ist. Das ist beispielsweise dann erforderlich, wenn temperaturempfindliche Objekte mit einem Mikroskop betrachtet werden sollen. Die Kühlfläche muß dann als schmale Platte ausgebildet sein, die dem Objekttisch des Mikroskops angepaßt ist. Die Fig. 6 zeigt die Ausbildung einer solchen Einheit. Der Block 2 ist schräg angeordnet. Die Seitenwände 3 bzw. 4 der beiden Behälter 5 bzw. 6 bilden mit der Trennwand 1 spitze Winkel. Die dem Objektträger angepaßte Kühlfläche 30 wird auf ihrer Unterseite durch eine Fortsetzung 4' der Behälterwand gebildet. Die Oberseite besteht aus einer Metallplatte 31. In der Mitte der Kühlfläche 30 ist eine kreisrunde Bohrung 32 vorgesehen. Mit der Metallplatte 31 können geeignete Befestigungsmittel 34 zur Halterung des Untersuchungsobjektes 33 verbunden sein. Die Mittel 32 wird man zweckmäßigerweise auch aus Metall herstellen, um die Wärme vom Objekt möglichst gut abführen zu können. F i g. 6 a zeigt die Kühlfläche 30 in vergrößerter Darstellung und Fig. 6b einen entsprechenden Draufblick.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Zur Wärme- und/oder Kälteerzeugung oder zur Stromerzeugung dienende Vorrichtung mit einem aus mehreren thermoelektrischen Elementen bestehenden Block, der in die Trennwand eines aus Isolierstoff bestehenden Doppelbehälters eingesetzt ist, dessen beide Teile je zur Aufnahme eines durch Verdampfung bzw. Kondensation die Wärme übertragenden Wärmetauschmittels dienen, wobei der eine Teil des Behälters der wärmeaufnehmenden Seite und der andere der wärmeabgebenden Seite der thermoelektrischen Elemente zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Behälterteile (5, 6) relativ zueinander und zu dem ther-

moelektrischen Block (2) derart angeordnet und bemessen sind, daß in der für die Vorrichtung vorgesehenen Betriebslage nur die wärmeabgebende Seite des thermoelektrischen Blockes (2) sich im Wärmekontakt mit der flüssigen Phase des Wärmetauschmittels in dem zugeordneten Behälterteil (5) befindet, während auf seiner wärmeaufnehmenden Seite der Block (2) nur mit der dampfförmigen Phase des Wärmetauschmittels in dem dieser Seite zugeordneten Behälterteil (6) im Wärmekontakt steht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den thermoelektrischen Block (2) aufnehmende Trennwand (1) schräg zu den in Betriebslage horizontalen Wänden (3, 4) des Doppelbehälters (5, 6) steht (Fig. 6).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der thermoelektrische Block auf der wärmeabgebenden Seite mit Isolierstoff vergossen ist, während der überwiegende Teil der thermoelektrischen Elemente und die Strombrücken auf der wärmeaufnehmenden Seite frei in den Verdampfungs-Kondensationsraum hineinragen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Behälterteile (5, 6) an ihren dem thermoelektrischen Block (2) abgewendeten Seiten durch Platten (7, 8) aus gut wärmeleitendem Material verschlossen sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeaufnehmenden Teile des Behälters bzw. des thermoelektrischen Blockes eine größere Oberfläche als die wärmeabgebenden Teile aufweisen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Wärmetauschmittel in Berührung stehenden Teile des thermoelektrischen Blockes und/oder der Verschlußplatten mit oberflächenvergrößernden Mitteln, z. B. Rippen, versehen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Patentschrift Nr. 16 999 des Amtes für Erfindungsund Patentwesen in Ost-Berlin;
französische Patentschrift Nr. 1 260 404;
USA.-Patentschrift Nr. 2 932 953.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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