DE1272409B

DE1272409B - Thermoelectric device used to generate heat and / or cold or to generate electricity

Info

Publication number: DE1272409B
Application number: DEP1272A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Heinz Mueller
Original assignee: Siemens Elektrogaerate GmbH
Current assignee: SEG Hausgeraete GmbH
Priority date: 1962-08-03
Filing date: 1962-08-03
Publication date: 1968-07-11

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. CL: Int. CL:

HOIvHOIv

Deutsche KL: 21b-27/04 German KL: 21b-27/04

Nummer: 1272409Number: 1272409

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

Anmeldetag: 3. August 1962 Filing date: August 3, 1962

Auslegetag: 11. Juli 1968Opening day: July 11, 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.Usual thermoelectric devices consist of elements usually combined into a block, suitable heat exchangers are arranged on their heat-absorbing or heat-emitting sides. Metal bodies are generally used as heat exchangers, mostly ribs which enlarge the surface area exhibit. In other thermoelectric devices, heat is generated by evaporation and Condensation of a heat exchange medium transported. In this case it is the warm or cold side of the block each connected to a vessel serving as an evaporator or condenser.

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.But it is also known to insert a block consisting of thermoelectric elements into the Use the partition wall of a double container made of insulating material, the two parts of which each for receiving a heat exchange medium which transfers the heat by evaporation or condensation serve, with one part of the container of the heat-absorbing side and the other of the ao heat-emitting side of the thermoelectric elements is assigned.

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.The invention relates to one used for generating heat and / or cold or for generating electricity Device with a block consisting of several thermoelectric elements, which is shown in the partition of a double container made of insulating material is used, the two parts of which each for receiving a heat exchange medium which transfers the heat by evaporation or condensation serve, with one part of the container of the heat-absorbing side and the other of the heat-emitting side of the thermoelectric elements is assigned. Her job is one To create thermoelectric device that with little effort the dependence of the temperature jump largely avoids the heat flux density. According to the invention in a Device of the type mentioned, the object achieved in that the two container parts relative to each other and are arranged and dimensioned to the thermoelectric block such that in the for the device intended operating position only the heat-emitting side of the thermoelectric Block itself in hot contact with the liquid phase of the heat exchange medium in the associated Container part is located, while on its heat-absorbing side of the block only with the vapor Phase of the heat exchange medium in the container part assigned to this side in thermal contact stands.

Auf diese Weise wird eine relativ kleine in sich Zur Wärme- und/oder Kälteerzeugung oder
zur Stromerzeugung dienende thermoelektrische
VorrichtungIn this way, a relatively small in itself is used to generate heat and / or cold or
thermoelectric ones used to generate electricity
contraption

Anmelder:Applicant:

Siemens-ElectrogeräteSiemens electrical appliances

Gesellschaft mit beschränkter Haftung,Company with limited liability,

Berlin und München,Berlin and Munich,

8000 München 2, Prannerstr. 88000 Munich 2, Prannerstr. 8th

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Dr.-Ing. Heinz Müller, 8520 ErlangenDr.-Ing. Heinz Müller, 8520 Erlangen, Germany

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.Closed thermoelectric device created in which the heat transfer is opposite to the heat transport direction of the block when the thermoelectric elements are switched off is suppressed. The heat flow through the new thermoelectric device must always take the following route: external heat exchanger on one side - heat exchange medium - Block - heat exchange medium - external heat exchanger of the other side. With the new device it is thus ensured that during evaporation for the heat to be transported with a heat transfer coefficient that is almost independent of the heat flow density can be calculated. For this reason, care will also be taken that the heat-absorbing parts, d. H. the Condensation surfaces of the container or the block, a larger surface than the heat emitting Have parts by which, because of the constant heat transfer coefficient, the heat flux density increases To keep the temperature difference small at this point. The two container parts are turned on close their sides facing away from the block with plates made of highly thermally conductive metal. Included the parts of the block and / or which are in contact with the heat exchange medium the closure plates with surface enlarging agents, e.g. B. ribs provided.

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-The device can preferably be designed so that the thermoelectric block only on the heat-emitting side is encapsulated with insulating material, while the majority of the thermoelectric Elements and the current bridges on the heat-absorbing side freely in the evaporation-condensation space protrude. These parts com-

809 569/215809 569/215

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.men only come into contact with the vapor phase of the heat exchange medium. The condensation only occurs in the coldest places. This saves manufacturing time, insulation material and also has the Advantage that the losses due to undesired heat transfer within the block are smaller, because the vapor phase of the heat exchange medium generally conducts heat very poorly. Included it is assumed that conventional refrigerants are used today as the heat exchange medium, for example the refrigerants known under the trade name »Frigen«.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele nach der Erfindung dargestellt. Darin zeigenIn the drawing, exemplary embodiments according to the invention are shown. Show in it

Fig. 1 bis 3 senkrechte Schnitte durch verschiedene Ausführungsformen für thermoelektrische Vorrichtungen mit senkrechter Betriebslage undFig. 1 to 3 vertical sections through different Embodiments for thermoelectric devices with vertical operating position and

F i g. 4 bis 6 a senkrechte Schnitte von Ausführangsfonnen mit waagerechter Betriebslage;F i g. 4 to 6 a vertical sections of exit columns with horizontal operating position;

Fig. 6b ist eine Draufsicht auf den in Fig. 6a ao als senkrechten Schnitt dargestellten Bereich.Fig. 6b is a top view of the in Fig. 6a ao area shown as a vertical section.

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.The same parts are provided with the same reference symbols in all figures.

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.Fig. 1 shows a double container, the parts 5, 6 of which are arranged offset from one another. Of the Container 5 is assigned to the heat-emitting side of the thermoelectric block 2. The liquid one The phase of the heat exchange medium in the container 5 is denoted by 21. The block 2 is in the partition wall 1 so arranged or the container 5 is opposite to the block 2 such a position that the liquid phase 21 of the heat exchange medium extends to the level of the upper thermoelectric elements 13. Above that there is another one for the vapor phase of the heat exchange medium Sufficiently large space 22. The container is on the heat-absorbing side of the block 2 6 offset in a corresponding manner with respect to the block 2 that the liquid phase 23 of the heat exchange medium is only below the thermoelectric elements 13, while in the space 24 available for the vapor phase, all element legs and the current bridges 11 are located.

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.The block 2 is not completely potted on the cold side (container 6). The thermoelectric Elements 13 protrude more into the container 6 than into the container 5. That is possible because of the bridges 11 and the elements 13 on the cold side only in contact with the steam of the heat exchange medium come. One touch with the liquid. Phase 23 is in the operating position shown not possible. Since the condensation always takes place at the coldest point (bridges 11) the warmer parts of the elements 13 do not significantly affect the condensation process.

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.FIG. 2 shows an example corresponding to FIG. 1, for the one on the heat-emitting side (container 5) of the block for condensation The available area is enlarged by ribs 14 which are perpendicular to the plate 7. as well are the current bridges on the heat-absorbing side of the block by ribs 12 in their surface enlarged.

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 the case of the one shown in FIG. 3 is the example shown in the Peltier block 2, the heat through water circuits 19, 20 in and out. However, according to the idea of the invention, these cycles are not directly related Connection with the block. Rather, the water flows through the two pipe systems 19 and 20 each one of the two containers 5 and 6 out and exchanges the heat there via the heat exchange means with block 2. In the case shown, the water circulation system 19 corresponds to the cooling water circuit, to the heat via evaporation condensation of the heat exchange medium in the container 5 of block 2 is released. The circulation system 20 is accordingly to be cooled as a circuit View water that gives off its heat in the container 6 via the heat exchange medium to the block 2. With 15 the melted filler neck for the heat exchange medium are referred to.

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.In the F i g. 4, 5 and 6 are devices corresponding to the previous exemplary embodiments shown, which is only due to the horizontal operating position of the block 2 from the previous Differentiate examples. In Fig. 4, the side walls of the container 5 and 6 are designated by the reference numerals 3 and 4, the end plate of the Container 6 with 8. The in F i g. 5 illustrated type of heat dissipation with the help of water circuits 19, 20 analogous to FIG. 3 allows the two containers 5 and 6 also made of insulating material To seal parts. In the present example, these parts are designed as plastic caps 27 and 28, with the partition 1 and the side walls 3 and 4 in a suitable manner, for. B. by Gluing, to be connected gas-tight.

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.FIGS. 6 to 6b show an embodiment in which the cooling surface is arranged next to the other parts of the block 2. That is for example then required when temperature-sensitive objects are to be viewed with a microscope. the The cooling surface must then be designed as a narrow plate which is adapted to the microscope stage is. Fig. 6 shows the design of such a unit. The block 2 is arranged at an angle. the Side walls 3 and 4 of the two containers 5 and 6 form acute angles with the partition 1. The dem Slide-adapted cooling surface 30 is on its underside by a continuation 4 'of the container wall educated. The top consists of a metal plate 31. In the middle of the cooling surface 30 is a circular bore 32 is provided. With the metal plate 31 can suitable fastening means 34 to hold the examination subject 33 can be connected. The means 32 is expediently also made of metal in order to be able to dissipate the heat from the object as well as possible. F i g. 6 a shows the cooling surface 30 in an enlarged view and FIG. 6b shows a corresponding plan view.

Claims

Patent claims:

1. To generate heat and / or cold or to generate electricity with device a block consisting of several thermoelectric elements that is inserted into the partition a double container made of insulating material is used, the two parts of which are each used to accommodate a heat exchange medium which transfers the heat by evaporation or condensation serve, with one part of the container being the heat-absorbing side and the other the heat-emitting side of the thermoelectric elements is assigned, thereby characterized in that the two container parts (5, 6) relative to each other and to the thermal

Moelectric block (2) are arranged and dimensioned such that in the for the device intended operating position only the heat-emitting side of the thermoelectric block (2) is in thermal contact with the liquid phase of the heat exchange medium in the associated Container part (5) is located, while on its heat-absorbing side of the block (2) only with the vapor phase of the heat exchange medium in the container part assigned to this side (6) is in thermal contact.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the thermoelectric Block (2) receiving partition (1) at an angle to the walls that are horizontal in the operating position (3, 4) of the double container (5, 6) is (Fig. 6).

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the thermoelectric Block is potted with insulating material on the heat-emitting side, while the majority Part of the thermoelectric elements and the current bridges on the heat-absorbing side protrude freely into the evaporation-condensation space.

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the two container parts (5, 6) at their the thermoelectric Block (2) facing away from the sides by plates (7, 8) made of a material that conducts heat well are.

5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the heat-absorbing Parts of the container or the thermoelectric block have a larger surface than the heat emitting parts.

6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the with the Heat exchange means in contact with parts of the thermoelectric block and / or the Closure plates with surface enlarging agents, e.g. B. ribs are provided.

Considered publications:
Patent No. 16,999 from the Office for Invention and Patents in East Berlin;
French Patent No. 1,260,404;
U.S. Patent No. 2,932,953.

1 sheet of drawings