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DE9102118U1 - Device for heat transfer in the thermoelectric heat transport system - Google Patents

Device for heat transfer in the thermoelectric heat transport system

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    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/13Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the heat-exchanging means at the junction

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  • Devices That Are Associated With Refrigeration Equipment (AREA)

Description

M:LA0765BM:LA0765B

Vorrichtung zur Wärmeübertragung im thermoelektrischen Wär-Device for heat transfer in thermoelectric heat

metransportsystemmetransportsystem

Im Zuge der Diskussion über die Umweltverträglichkeit der in Kompressions-Kältekreisläufen eingesetzten Kältemittel gewinnen andere, auch bereits bekannte Wärmetransportsysteme zunehmende Bedeutung.In the course of the discussion about the environmental compatibility of the refrigerants used in compression refrigeration circuits, other, already known heat transport systems are becoming increasingly important.

Eines dieser Systeme sind sogenannte Peltierelemente, in denen, angeregt durch elektrischen Strom, Wärme zwischen zwei Halbleiterbrücken mittels Elektrodenstrom transportiert wird (Lit.1+2).One of these systems are so-called Peltier elements, in which heat is transported between two semiconductor bridges by means of electrode current, stimulated by electric current (Ref.1+2).

Wie bei jedem anderen bekannten Kälteerzeuger richtet sich die zur Abfuhr einer bestimmten Kälteleistung Qo einzusetzende Energiemenge Q primär nach der Temperaturdifferenz zwischen To (Abkühltemperatür) und Tc (Rückkühltemperatür). Je größer diese Temperaturdifferenz im Auslegungspunkt gewählt wird, um so höher sind die Investitionskosten, je größer die durchschnittliche Temperaturdifferenz im Betrieb, um so höher die Betriebskosten. Peltierelemente sind sehr teuer und erreichen selbst unter gleichen Randbedingungen (To, Tc) nicht die Kältelieferzahl ^k (Q°/Qk) einer Kompressions-Kältemaschine bei vergleichbaren Randbedingen. Dies ist jedoch der einzige erkennbare Nachteil der sich insbesondere durch den erfindungsgemäßen Anspruch auf eine Minimum reduzieren läßt und dieser umweltfreundlichen Technologie neue Anwendungsperspektiven eröffnet.As with any other known refrigeration device, the amount of energy Q required to dissipate a certain cooling capacity Qo depends primarily on the temperature difference between To (cooling temperature) and Tc (recooling temperature). The greater this temperature difference is chosen at the design point, the higher the investment costs, and the greater the average temperature difference during operation, the higher the operating costs. Peltier elements are very expensive and, even under the same boundary conditions (To, Tc), do not achieve the cooling performance factor ^k (Q°/Q k ) of a compression refrigeration machine under comparable boundary conditions. However, this is the only noticeable disadvantage, which can be reduced to a minimum, in particular by the inventive claim, and opens up new application perspectives for this environmentally friendly technology.

Anhand eines Beispiels soll zunächst die Abhängigkeit des Wirkungsgrades eines Peltierelements verdeutlicht werden. Betrachtet wird ein Peltierelement der Größe 40*4Omm, bei einer Abkühltemperatur von +50C.The dependence of the efficiency of a Peltier element will be illustrated using an example. We will consider a Peltier element of size 40*40mm, with a cooling temperature of +5 0 C.

M:LA0765BM:LA0765B

ToTo 0C 0C TcTc 0C 0C QoQo PP ,5W,5W UU kk Qc QoQcQo spezspec .Qc spez.Qc spec 0C 0C 0C 0C WW W/m2 W/ m2 W/m2 W/ m2 +5+5 0C 0C 3535 0C 0C 38W38W 6565 ,5W,5W (11V)(11V) 0,580.58 103,5W103.5W 2385023850 6437564375 +5+5 0C 0C 5555 0C 0C 25W25W 7878 ,5W,5W (13V)(13V) 0,320.32 103,OW103,OW 1562515625 6437564375 -5-5 3535 36W36W 127127 (15V)(15V) 0,280.28 163,5W163.5W 2250022500 102200102200 3535 29W29W 6565 (11V)(11V) 0,440.44 94,5W94.5W 1812518125 5960059600

-5°C 35°C 10W 22,IW (6,5V) 0,45 32,IW 6250 20100-5°C 35°C 10W 22,IW (6,5V) 0,45 32,IW 6250 20100

Tab.lTab.l

Lit.l Lehrbuch der Kältetechnik,Lit.l Textbook of Refrigeration Technology,

S23,172,235S23,172,235

Lit. 2 Energie Fricke/Borst, S.122, 143Lit. 2 Energy Fricke/Borst, p.122, 143

H.L.vonH.L.von

Die Firma Melcor als einer der bedeutensten Hersteller von Peltierelementen schreibt in ihrer Prospektunterlage:Melcor, one of the most important manufacturers of Peltier elements, writes in its brochure:

"In den meisten Fällen wird die Temperatur der Kalten Seite (Tc) als Aufgabenstellung vorgegeben. Tc ist meist, bei gutem thermischen Kontakt und Verwendung von gut wärmeleitfähigem Material direkt als Oberflächentemperatur des TE"s anzusetzen. Bei Einsatz von Zwischenmedien (Gas, Flüssigkeit) muß der Wärmeübergangswiderstand zur TE-Oberflache beachtet werden. Tc ist dann um einige Grade tiefer anzusetzen." "In most cases, the temperature of the cold side (Tc) is specified as the task. Tc is usually, if there is good thermal contact and material with good thermal conductivity is used, directly set as the surface temperature of the TE. When using intermediate media (gas, liquid), the heat transfer resistance to the TE surface must be taken into account. Tc must then be set a few degrees lower."

Man geht offensichtlich davon aus, daß in aller Regel eine direkte Verbindung zwischen dem zu kühlenden Körper und dem Peltierelement vorhanden ist.It is obviously assumed that there is usually a direct connection between the body to be cooled and the Peltier element.

Bei einer Übertragung an einen flüssigen oder gasförmigen Wärmeträger nimmt die Wärmeübergangszahl &agr; (W/mzK) ansonsten entscheidenden Einfluß auf die Anzahl der zu installierenden Peltierelemente sowie deren Betriebskosten.When transferring to a liquid or gaseous heat transfer medium, the heat transfer coefficient α (W/m z K) otherwise has a decisive influence on the number of Peltier elements to be installed and their operating costs.

M:LA0765B ; 3M:LA0765B ; 3

Für eine optimale Übertragung auf ein fliessendes Medium bei 1-K-Grädigkeit müßten die Wärmeübergangszahlen entsprechend der in der Tabelle 1 ausgewiesenen Wärmestromdichten realisiert werden. Luft bei freier Konvektion weist jedoch Maximalwerte von ca.30 W/m^K, bei erzwungener Strömung von ca.115 W/m^K, auf. Bei Wasser als Wärmeträger sind Wärmeübergangszahlen von ca. 2500 W/m K an glatten Flächen realisierbar. For optimal transfer to a flowing medium at 1 K temperature, the heat transfer coefficients must be realized in accordance with the heat flow densities shown in Table 1. However, air with free convection has maximum values of approx. 30 W/m^K, and with forced flow of approx. 115 W/m^K. With water as the heat transfer medium, heat transfer coefficients of approx. 2500 W/m K can be realized on smooth surfaces.

Ein wesentlicher Nachteil bekannter Peltierelemente liegt also darin, daß die Wärmestromdichte in der zur Wärmeableitung vorgesehenen begrenzenden elektrischen Isolierschicht wesentlich höher ist, als die an einer glatten Wandstruktur realisierbaren Wärmeübergangszahlen üblichen zum Wärmetransport geeigneten Fluide.A significant disadvantage of known Peltier elements is that the heat flow density in the limiting electrical insulation layer intended for heat dissipation is significantly higher than the heat transfer coefficients that can be achieved on a smooth wall structure of usual fluids suitable for heat transport.

Aus den vorliegenden Zahlen wird klar, daß Peltierelemente, die zur Versorgung von Wärmeträger-Kreisläufen eingesetzt werden sollen, mit großer Grädigkeit betrieben werden. Hieraus resultiert, daß durch die Verschlechterung des Wirkungsgrades sowohl die Betriebs- als auch die Installationskosten erheblich steigen.From the available figures it is clear that Peltier elements, which are intended to be used to supply heat transfer circuits, are operated with great difficulty. As a result, the deterioration in efficiency leads to a significant increase in both operating and installation costs.

Die Lösung des Problems erfolgt durch ein thermoelektrisch.es Peltiermodul bzw. eine thermoelektrische Heiz- bzw. Kühlvorrichtung gemäß Anspruch 1.The problem is solved by a thermoelectric Peltier module or a thermoelectric heating or cooling device according to claim 1.

Bei dem erfindungsgemässen Peltiermodul werden die das Peltierelement abschliessenden Keramikplatten in Form einer porösen, durchströmbaren Sintermatrix ausgebildet oder eine Sintermatrix wird in gut wärmeleitenden Verbund mit einer konventionellen Keramikplatte gebracht. Solch eine Sintermatrix, insbesondere, wenn sie aus gut leitendem Material wie Kupfer- oder Aluminiumgranulat besteht, ist bezogen auf die Grenzwandfläche in der Lage, außerordentlich hohe Wärmestromdichten zu bewältigen, die in derIn the Peltier module according to the invention, the ceramic plates enclosing the Peltier element are designed in the form of a porous, permeable sinter matrix or a sinter matrix is combined with a conventional ceramic plate to provide good thermal conductivity. Such a sinter matrix, especially if it consists of a highly conductive material such as copper or aluminum granulate, is able to handle extraordinarily high heat flow densities in relation to the boundary wall area, which are

M:LA0765B ' 4M:LA0765B ' 4

Größenordnung der Wärmestromdichte des Peltierelements liegen. Alle übrigen Bauteile des erfindungsgemäßen Peltiermoduls sind wie bei konventionellen Peltiermodulen ausgestaltet, so daß auf eine detailierte Beschreibung verzichtet werden kann.Order of magnitude of the heat flow density of the Peltier element. All other components of the Peltier module according to the invention are designed like conventional Peltier modules, so that a detailed description is not necessary.

Das erfindungsgemäße Peltiermodul besteht vorzugsweise aus einer Mehrzahl von thermisch parallel und elektrisch in Reihe geschalteten Leiterelementen aus Halbleitermaterial, wobei aufeinanderfolgende Leiterelemente abwechselnd n- oder p-dotiert sind (Fig. 1).The Peltier module according to the invention preferably consists of a plurality of conductor elements made of semiconductor material that are connected thermally in parallel and electrically in series, with successive conductor elements being alternately n- or p-doped (Fig. 1).

Die Kontaktfläche zwischen Peltiermodul und Sintermatrix wird in der Regel so groß sein wie die wirksame Wärmeübertragungsfläche des Peltiermoduls, so daß eine Variation der durch die innere Oberfläche der Sintermatrix definierten Wärmetauscherfläche durch eine bedarfsgerechte Anpassung des Maßes "H" (Fig. 2) erfolgt.The contact area between the Peltier module and the sinter matrix will generally be as large as the effective heat transfer area of the Peltier module, so that the heat exchanger area defined by the inner surface of the sinter matrix can be varied by adjusting the dimension "H" (Fig. 2) as required.

Als An- oder Abströmfläche kann jede Seite der Matrixform dienen, wie auch jede dieser Seiten in beliebiger Kombination dicht verschlossen werden kann, so daß die jeweils sinnvollste Stromrichtung des Fluids gewählt werden kann.Any side of the matrix form can serve as an inflow or outflow surface, and any of these sides can be tightly sealed in any combination so that the most sensible flow direction of the fluid can be selected.

In Fig. 3 ist ein Datenblatt einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung angegeben.In Fig. 3, a data sheet of an exemplary embodiment of the invention is given.

Claims (5)

M:LA0765A SchutzansprücheM:LA0765A Protection claims 1. Thermoelektrische Kühl- bzw. Heizvorrichtung mit1. Thermoelectric cooling or heating device with zwei Leiterelementen (1, 2), die eine unterschiedliche elektrische Leitfähigkeit aufweisen, die an zwei Enden mittels einer Kontaktbrücke (9) elektrisch leitenden miteinander verbunden sind und die an den anderen zwei Enden elektrische Anshlüsse (13, 14) aufweisen,two conductor elements (1, 2) which have different electrical conductivity, which are electrically connected to one another at two ends by means of a contact bridge (9) and which have electrical connections (13, 14) at the other two ends, einer Wärmeaufnahme-Einrichtung (15), die eine erste elektrisch isolierende Abdeckung (16) aufweist, die die Kontaktbrücke (9) überdeckt, unda heat absorption device (15) having a first electrically insulating cover (16) covering the contact bridge (9), and einer Wärmeabgabe-Einrichtung (17), die eine zweite elektrisch isolierende Abdeckung (18) aufweist, die die elektrischen Anschlüsse (13, 14) überdeckt, dadurch gekennzeichnet, a heat dissipation device (17) having a second electrically insulating cover (18) covering the electrical connections (13, 14), characterized in daß wenigstens die Wärmeaufnahme-Einrichtung (15) oder die Wärmeabgabe-Einrichtung (17) eine poröse durchströmbare Sintermatrix (20, 21) aufweisen. 25that at least the heat absorption device (15) or the heat emission device (17) have a porous, permeable sinter matrix (20, 21). 25 2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch isolierenden Abdeckung der Wärmeaufnahme-Einrichtung und/oder die Wärmeabgabe-Einrichtung als poröse durchströmbare Sintermatrix ausgebildet s ind.2. Device according to claim 1, characterized in that the electrically insulating cover of the heat absorption device and/or the heat emission device is designed as a porous, permeable sinter matrix . 3. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, die zwei Leiterelemente aus unterschiedlich dotierten Halbleitermaterialien bestehen, z.B. n- und p-dotiertem Wismuth-Tellurid-Material. 3. Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the two conductor elements consist of differently doped semiconductor materials, e.g. n- and p-doped bismuth telluride material. M:LA0765AM:LA0765A 4. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Paaren von Leiterelementen vorgesehen sind, die eine gemeinsame Wärmeabgabe-Einrichtung und eine gemeinsame Wärmeaufnahme-Einrichtung aufweisen, und wobei die einzelnen Leiterelemente thermisch parallel und elektrisch in Reihe geschaltet sind.4. Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that a plurality of pairs of conductor elements are provided, which have a common heat-emitting device and a common heat-absorbing device, and wherein the individual conductor elements are thermally connected in parallel and electrically connected in series. 5. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sintermatrix aus gut Wärme leitendem Material, wie z, B. Kupferoder Aluminiumgranulat besteht.5. Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the sinter matrix consists of material that conducts heat well, such as copper or aluminum granulate.
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