DE1210016B - Zur Erzielung von Kuehl- oder Waermewirkungen oder zur Stromerzeugung dienende elektrothermische Vorrichtung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES W¥W PATENTAMT Int. CL:

F25b

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 17 a-19

Nummer: 1210 016

Aktenzeichen: S 690381 a/17 a

Anmeldetag: 22. Juni 1960

Auslegetag: 3. Februar 1966

Die Erfindung betrifft eine zur Erzielung von Kühloder Wärmewirkungen oder zur Stromerzeugung dienende elektrothermische Vorrichtung, bei der zur Wärmezu- und/oder -abfuhr mit den zu einem Block zusammengefaßten Peltierelementen mit Verdampfung und Kondensation eines Hilfsmediums arbeitende Wärmeübertragungssysteme zusammengebaut sind.

Bei elektrothermischen Vorrichtungen ist es bekannt, Peltierelemente zu einem Block zusammenzufassen, der dazu dient, Kühl- oder Wärmewirkungen bei entsprechender Stromzufuhr bzw. umgekehrt elektrischen Strom bei Anordnung des Peltierblocks zwischen entsprechenden Temperaturniveaus zu erzeugen. Die zu einem Block zusammengefaßten Peltierelemente gestatten es, entsprechende Leistungen auf verhältnismäßig kleinem Raum zusammenzudrängen. Die Wärmezu- und -abfuhr bei solchen Peltiereinheiten kann günstig gestaltet werden, wenn man sie mit an sich bekannten indirekten Wärmeübertragungssystemen zusammenbaut, die mit Verdampfung und Kondensation eines Hilfsmediums arbeiten. Diese Wärmeübertragungssysteme gestatten es, die wärmeaufnehmende luftberührte Oberfläche auf der kalten Seite und die wärmeabgebende luftberührte Oberfläche auf der warmen Seite räumlich von dem Peltierblock hinreichend zu trennen. Dabei sind die Wärmeübertragungssysteme an den Wärmeaustauschflächen des Peltierblocks selbst mit als Kondensator bzw. als Verdampfer arbeitenden Wärmeaustauschern, die verhältnismäßig kleinen Raumbedarf haben, angebracht. Bei Verwendung von derartigen Wärmeübertragungssystemen muß man eine bestimmte Relativlage der wärmeaufnehmenden und wärmeabgebenden Wärmeaustauscher der Systeme zueinander anwenden und auch die Umlaufleitungen an entsprechenden Stellen anschließen, um zu gewährleisten, daß die Wärmeübertragungssysteme selbsttätig in Gang kommen und während der gewünschten Zeit arbeiten. Es muß nämlich dafür gesorgt werden, daß der wärmeaufnehmende Teil eines solchen Systems eindeutig unterhalb des zugeordneten, als Kondensator arbeitenden wärmeabgebenden Teils liegt, und darüber hinaus müssen auch die Umlaufleitungen, welche diese beiden Teile miteinander verbinden, so gelegt und angeschlossen sein, daß die im Verdampfer gebildeten Dämpfe zwangsläufig zu der Anschlußstelle der Umlaufleitung, welche den Dampf zum Kondensator führt, gelangen können und daß auch die andere Umlaufleitung, welche das Kondensat zurückführt, so liegt, daß der Rückfluß sich ohne weiteres ergibt. Es liegt Zur Erzielung von Kühl- oder Wärmewirkungen oder zur Stromerzeugung dienende
elektrothermische Vorrichtung

Anmelder:

Siemens-Electrogeräte Aktiengesellschaft,

Berlin und München,

München 1, Oskar-von-Miller-Ring 18

Als Erfinder benannt:

Fritz Müller, Berlin-Hermsdorf

auf der Hand, daß die Einhaltung dieser Forderungen bestimmte Relativlagen aller Teile der Umlaufsysteme bedingt. Die Erfindung zielt darauf ab, eine Vorrichtung der betreffenden Art so zu gestalten, daß sie vielseitig verwendbar ist, ohne eine Lageänderung ihrer einzelnen Teile untereinander erforderlich zu machen. Zu diesem Zweck wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß die Wärmeübertragungssysteme so ausgebildet und angeordnet sind, daß sie nach ihrem Zusammenbau mit dem Peltierblock wahlweise in beliebige Betriebslagen gebracht werden können, die in einem Bereich zwischen zwei senkrecht zueinander stehenden Betriebslagen liegen. Diese Maßnahme gestattet es also, den Peltierblock, welcher mit einem oder gegebenenfalls zwei Wärmeübertragungssystemen der behandelten Art zusammengebaut ist, je nach dem besonderen Verwendungs- und Einbauzweck in unterschiedlichen Betriebslagen anzuwenden, ohne daß deswegen der Aufbau der einzelnen Teile der Wärmeübertragungssysteme von Fall zu Fall geändert werden müßte. Man kann also beispielsweise einen Peltierblock dieser Art wahlweise so anordnen, daß die zusammengebauten einzelnen Peltierelemente in einer waagerechten oder in einer senkrechten Einbauebene liegen. In beiden Fällen ist in der eingangs beschriebenen Weise der selbsttätige Umlauf des Hilfsmediums gewährleistet. Eine solche unterschiedliche Verwendung der elektrothermischen Vorrichtung in verschiedenen, relativ zueinander geneigten Einbaulagen kann beispielsweise bei ihrer Verwendung in Verbindung mit Kühlvorrichtungen von Bedeutung sein. Je nach dem gewünschten räumlichen Aufbau einer solchen Kühlvorrichtung kann es erwünscht sein, den Peltierblock in dem einen Falle in waagerechter und in einem anderen Falle in senkrechter

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Anordnung am Kühlschrank zu befestigen. Es können auch Fälle vorkommen, in denen es wichtig ist, den Peltierblock in einer beliebig gegenüber der waagerechten, unter einem spitzen Winkel geneigten Lage anzuwenden. Für alle solche Verwendungszwecke bringt die Erfindung, insbesondere unter der Voraussetzung gleicher Leistung, die Möglichkeit, jeweils gleichartig aufgebaute Vorrichtungen anzuwenden.

Die zur Wärme- bzw. Kalteabgabe benutzte Seite des Peltierblocks kann beispielsweise durch eine ebene Wärmeaustauschfläche gebildet sein. Eine andere Ausführungsmöglichkeit der Erfindung, bei der man zu einem besonders intensiven Wärmeaustausch kommt, ergibt sich, wenn die die einzelnen Peltierelemente miteinander stromleitend verbindenden Brücken auf ihrer von den Elementen abgewendeten Seite direkt von dem flüssigen bzw. dampfförmigen HUfsmedium bespült sind. In diesem Falle bilden die von den Elementen abgewendeten ebenen Oberflächen der leitenden Brücken einen Bestandteil der Wand des Verdampfers bzw. des Kondensators des Wärmeübertragungssystems. Anordnungen dieser Art sind beispielsweise in dem älteren deutschen Patent 1165 051 vorgeschlagen worden.

Die äußeren Wärmeaustauscher der Wärmeübertragungssysteme können mit den Umlaufleitungen auch nachträglich in der für das selbsttätige Arbeiten der Systeme jeweils notwendigen Betriebslage an den Anschlußrohren der mit dem Peltierblock zusammengebauten Wärmeaustauscher angebracht werden. In. diesem Falle kann man also beispielsweise daran denken, daß der Peltierblock zusammen mit den unmittelbar daran angebauten Wärmeaustauschern an einer Fertigungsstelle hergestellt wird, während der Anschluß der Umläufleitungen und der äußeren Wärmeaustauscher und die Füllung dieser Systeme mit dem Hilfsmedium an einer anderen Fertigungsstelle erfolgen.

Abweichend von der Ausführungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit starren Umlaufleitungen der Wärmeüberträgungssysteme, die dann von vornherein so -gestaltet ist, daß sich ein selbsttätiger Umlauf des Hilfsmediums in den verschiedenen unterschiedlichen Betriebslagen ohne weiteres ergibt, kann es dabei unter Umständen auch vorteilhaft sein, die Umlaufleitungen ganz oder teilweise als biegsame Rohrleitungen auszuführen. In diesem Falle ist es möglich, die Relativlage der äußeren Wärmeaustauscher zu den mit dem Peltierblock unmittelbar zusammengefügten Wärmeaustauschern der Umlaufsysteme auch nachträglich, beispielsweise nach Füllung und Abschluß, unter Ausnutzung der Biegsamkeit der Leitungen zu verändern.

Wenn es sich um größere Leistungen handelt, kann man in Weiterbildung der Erfindung eine Gruppe von mehreren, z. B. vier oder sechs Peltierblöcken zu einer größeren Baueinheit züsamrnenfassen, der auf einer oder auf beiden Seiten ■ein Wärmeübertragungssystem zugeordnet ist. Eine Solche große Baueinheit gibt verhältnismäßig leicht die Möglichkeit, die gegenseitige Verspannung der Wärmeaustauscher mit den Peltierblöcken mit geringem Raumbedarf auszuführen. Zu diesem Zweck kann man zwischen den kreisförmig angeordneten Peltierblöcken Befestigungsschrauben vorsehen, die die beiderseitigen Wärmeaustauscher gegen die Wärmeaustauschflächen. der Peltierblöcke drücken. An den mit dem Peltierblock verbundenen Wärmeaustauschern wird .vorzugsweise außer den beiden Anschlußrohren für die. Umlaufleitungen noch je ein Pumpstutzen angeordnet.

Weitere für die Erfindung wesentliche Merkmale ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von in den Figuren der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.

F i g. 1 zeigt schematisch als Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Peltierblock, der auf beiden Seiten mit Wärmeübertragungssystemen ausgerüstet ist.

In F i g. 2 und 3 ist in einem Querschnitt und in einer Draufsicht schematisch ein Ausführungsbeispiel für eine aus sechs Peltierblöcken zu einer Baueinheit zusammengefaßte Anordnung nach der Erfindung dargestellt.

Mit 1 ist in F ί g. 1 der aus einer Mehrzahl von Peltierelementen zusammengesetzte Peltierblock bezeichnet. Dieser Block besitzt auf der wärmeabgebenden Seite 2 und auf der wärmeaufnehmenden Seite 3 ebene Wärmeaustauschflächen, an die der Verdampfet 4 bzw. der Kondensator 5 je eines Wärmeübertragungssystems angesetzt ist.

An dem Verdampfer 4 ist ein Rohrstutzen 15 für die Fortleitung des Dampfes und ein Rohrstutzen 6 für die Rückführung der Flüssigkeit angeordnet. Ein entsprechender Rohrstutzen? für die Zuführung des Dampfes und ein Rohrstutzen 8 für die Abführung der Flüssigkeit sind am Kondensator 5 vorgesehen. Mit 9 ist als äußerer Wärmeaustauscher auf der wärmeabgebenden Seite ein DrahtverfLüssiger bezeichnet, dem die Umlaufleitungen 10 und 11 zugeordnet sind. Auf der wärmeaufnehmenden Seite ist mit 12 ein Verdampfer bezeichnet, dem die Umlaufleitungen 13 und 14 zugeordnet sind. Das dargestellte System kann wahlweise in der gezeichneten Lage angewendet werden, in welcher der Peltierblock waagerecht liegt, oder es kann auch in einer um $0° nach links gedrehten Läge angewendet werden, in der die Peltierelemente in einer senkrecht stehenden Ebene A-B Hegen. In beiden Fällen ist durch den dargestellten Anschluß der Rohrstutzen 6, 7, 8 und 15 und die Relativlage der gezeichneten Wärmeaustauscher und der Umläüfleitungen dafür gesorgt, daß die Wärmeübertragungssysteme selbsttätig im richtigen Sinn arbeiten können. Das dargestellte System kann beispielsweise so angewendet werden, daß der Peltierblock 1 mit den Wärmeaustauschern 4 und S und den daran bereits befestigten Rohrstutzen 6, Ί, 8 und 15 fertig zusammengebaut wird und daß nachträglich, je nach der gewünschten Einbaulage, die äußeren Wärmeaustauscher 9 bzw. 12 mit den Umlaufleitungen an die Rohrstutzen angeschlossen und die Systeme gefüllt werden. Eine andere Möglichkeit besteht aber auch darin, daß an der Fertigungsstelle mit dem Peltierblock 1 bereits die dargestellten Umlaufsysteme 4,9 und 5,12 zusammengebaut werden.

Bei dem in F i g. 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Gruppe von sechs Peltierblöcken 21 bis 26 zu einer Baueinheit zusammengefaßt. Auf beiden Seiten sind der Peltiergruppe Wärmeübertragungssysteme zugeordnet. Zwischen den kreisförmig angeordneten Peltierblöcken sind Rohre 27 bis 32 vorgesehen, durch welche hindurch

Befestigungsschrauben eingesetzt werden können, die die beiderseitigen Wärmeaustauscher gegen die Wärmeaustauschflächen der Peltierblöcke drücken.· Auf der warmen Seite der Peltierblöcke ist als Wärmeaustauscher der Verdampfer 33 und auf der kalten Seite als Wärmeaustauscher der Kondensator 34 vorgesehen. Am Verdampfer 33 ist der Rohrstutzen 35 für die Fortleitung des Dampfes, der Rohrstutzen 36 für die Rückführung der Flüssigkeit und der Pumpstutzen 37 vorgesehen. Am Kondensator 34 ist der Pumpstutzen 38, der zur Dampfzuführung dienende Rohrstutzen 39 und der zur Flüssigkeitsabführung dienende Rohrstutzen 40 angeschlossen. Der Anschluß dieser Rohrstutzen ist auch hier wieder so gewählt, daß man die gesamte Gruppe der Peltierblöcke wahlweise in der in F i g. 2 gezeichneten senkrecht stehenden Lage oder auch in einer gegenüber dieser Lage um 90° in der Richtung des Pfeiles 41 geschwenkten waagerechten Lage anwenden kann, ohne daß wegen dieser Lageänderung eine Änderung hinsichtlich der Anordnung und Lage der Anschlußstutzen notwendig wäre. An die Rohrstutzen 35, 36 ist bei dieser Anordnung ein schematisch angedeuteter äußerer Kondensator 42 und an die Rohrstutzen 39, 40 ein äußerer Verdampfer 43 angeschlossen.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Zur Erzielung von Kühl- oder Wärmewirkungen oder zur Stromerzeugung dienende elek- 30, trothermische Vorrichtung, bei der zur Wärmezu- und/oder -abfuhr mit den zu einem Block zusammengefaßten Peltierelementen mit Verdampfung und Kondensation eines Hilfsmediums arbeitende Wärmeübertragungssysteme zusammengebaut skid, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungssysteme so ausgebildet und angeordnet sind, daß sie nach ihrem Zusammenbau mit dem Peltierblock wahlweise in beliebige Betriebslagen gebracht werden können, die in einem Bereich zwischen zwei senkrecht zueinander stehenden Betriebslagen liegen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Wärme- bzw. Kälteabgabe benutzte Seite des Peltierblocks durch eine ebene Wärmeaustauschfläche gebildet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die einzelnen Peltierelemente miteinander stromleitend verbindenden Brücken auf ihrer von den Elementen abgewendeten Seite direkt von dem flüssigen bzw. dampfförmigen Hilfsmedium bespült sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Wärmeaustauscher der Wärmeübertragungssysteme mit den Umlaufleitungen nachträglich in der jeweils erforderlichen Betriebslage an den Anschlußrohren der mit dem Peltierblock zusammengebauten Wärmeaustauscher angebracht sind.

5. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gruppe von mehreren, z. B. vier oder sechs PeI-tierblöcken zu einer Baueinheit zusammengefaßt ist, der auf einer oder auf beiden Seiten ein Wärmeübertragungssystem zugeordnet ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den kreisförmig angeordneten Peltierblöcken Befestigungsschrauben vorgesehen sind, die die beiderseitigen Wärmeaustauscher gegen die Wärmeaustauschflächen der Peltierblöcke drücken.

7. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß an den mit dem Peltierblock verbundenen Wärmeaustauschern außer den beiden Ans'chlußrohren für die Umlaufleitungen noch je ein Pumpstutzen angeordnet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 798 882.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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