AT514875B1

AT514875B1 - Heater with thermoelectric module

Info

Publication number: AT514875B1
Application number: ATA653/2013A
Authority: AT
Original assignee: Vaillant Group Austria Gmbh
Priority date: 2013-08-21
Filing date: 2013-08-21
Publication date: 2015-06-15
Also published as: EP2840328B1; EP2840328A1; AT514875A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Heizgerät mit thermoelektrischem Modul 9. Das Heizgerät umfasst einen zylinderförmigen Brenner 2 und einen Primärwärmetauscher 5 radial außerhalb des Brenners 2, die innerhalb einer Brennkammer 1 vorgesehen sind. Das thermoelektrische Modul 9 ist scheibenförmig ausgeführt ist und koaxial zum Brenner 2 an einem Ende des Brenners 2 angeordnet. Das thermoelektrische Modul 9 ist mittels eines zentral angeordneten Spannmittels 12 mit einer Wärmesenke 6 verbunden.The invention relates to a heater with thermoelectric module 9. The heater comprises a cylindrical burner 2 and a primary heat exchanger 5 radially outside of the burner 2, which are provided within a combustion chamber 1. The thermoelectric module 9 has a disk-shaped design and is arranged coaxially with the burner 2 at one end of the burner 2. The thermoelectric module 9 is connected by means of a centrally arranged clamping means 12 with a heat sink 6.

Description

Beschreibungdescription

HEIZGERÄT MIT THERMOELEKTRISCHEM MODULHEATER WITH THERMOELECTRIC MODULE

[0001] Die Erfindung betrifft ein Heizgerät mit thermoelektrischem Modul sowie eine Vorrichtung zur Befestigung eines thermoelektrischen Moduls in einem Heizgerät.The invention relates to a heater with thermoelectric module and a device for fixing a thermoelectric module in a heater.

[0002] Heizgeräte mit einem thermoelektrischen Modul sind grundsätzlich bekannt aus der Patentanmeldung DE 44 09 685 A1 oder der Patentschrift US 6,019,098. Dabei wird das thermoelektrische Modul verwendet, um Strom für externe oder interne Verbraucher, wie beispielsweise Gebläsemotor oder Umwälzpumpe zu erzeugen. Dazu ist in der US 6,019,098 vorgesehen, dass die Rauchgase eines Brenners zunächst durch ein rohrförmiges thermoelektrisches Modul geleitet werden, bevor es durch einen Primärwärmetauscher geführt wird. Der Primärwärmetauscher dient dazu, die Wärme des Rauchgases an einen Wasserkreislauf zu übertragen. Für die Funktion eines thermoelektrischen Moduls ist es erforderlich, dass ein hoher Temperaturgradient am Modul vorliegt. Dazu ist das rohrförmige thermoelektrische Modul außenseitig mit dem dem Primärwärmetauscher zulaufenden Wasser wärmeleitend verbunden. Aus der Patentanmeldung DE 10 2005 029 182 A1 ist ebenfalls ein Heizgerät mit thermoelektrischen Modul bekannt, bei der an der Stirnseite einer zylinderförmigen Brennkammer ein thermoelektrisches Modul vorgesehen ist, wobei die Rauchgase des Brenners direkt tangential auf das thermoelektrische Modul geleitet werden. Die Patentanmeldung EP 2482000 A1 offenbart ein Heizgerät mit einer Brennkammer und darin mit einem Brenner, einem Primärwärmetauscher und einem thermoelektrischen Modul auf der dem Brenner gegenüberliegenden Seite der Brennkammer. Das Modul ist mit dem Primärwärmetauscher verbunden und verdeckt mehrere Windungen des schraubenförmig in Wärmetauschers. Die Rauchgase werden rückseitig an einem Wärmetauscher des thermoelektrischen Moduls vorbeigeführt, was zusätzlichen Bauraum erfordert.Heaters with a thermoelectric module are basically known from the patent application DE 44 09 685 A1 or the patent US 6,019,098. In this case, the thermoelectric module is used to generate power for external or internal consumers, such as blower motor or circulation pump. For this purpose, it is provided in US 6,019,098 that the flue gases of a burner are first passed through a tubular thermoelectric module before it is passed through a primary heat exchanger. The primary heat exchanger serves to transfer the heat of the flue gas to a water cycle. The function of a thermoelectric module requires that there be a high temperature gradient across the module. For this purpose, the tubular thermoelectric module is externally connected to the heat flowing to the primary heat exchanger water. The patent application DE 10 2005 029 182 A1 likewise discloses a heating device with a thermoelectric module, in which a thermoelectric module is provided on the end face of a cylindrical combustion chamber, the flue gases of the burner being directed directly tangentially onto the thermoelectric module. The patent application EP 2482000 A1 discloses a heater with a combustion chamber and therein with a burner, a primary heat exchanger and a thermoelectric module on the side opposite the burner side of the combustion chamber. The module is connected to the primary heat exchanger and covers several turns of the helical heat exchanger. The flue gases are fed past the back of a heat exchanger of the thermoelectric module, which requires additional space.

[0003] Grundsätzlich stellt ein thermoelektrisches Modul innerhalb einer Brennkammer einen Isolator dar. Dieser Isolator steht in einem Zielkonflikt zu dem Bestreben, die Wärme des Rauchgases effizient auf einen Primärwärmetauscher zu übertragen. Lösungen, bei denen das thermoelektrische Modul und der Primärwärmetauscher räumlich getrennt sind, erfordern ein größeres Bauvolumen. Somit stehen das thermoelektrische Modul und der Primärwärmetauscher bezüglich der Wärmeübertragung und/oder bezüglich des Bauraums in einer Konkurrenzsituation zueinander.Basically, a thermoelectric module within a combustion chamber is an insulator. This insulator is in a conflict of interest to the effort to efficiently transfer the heat of the flue gas to a primary heat exchanger. Solutions in which the thermoelectric module and the primary heat exchanger are spatially separated require a larger volume of construction. Thus, the thermoelectric module and the primary heat exchanger with respect to the heat transfer and / or with respect to the installation space in a competitive situation with each other.

[0004] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Heizgerät mit thermoelektrischem Modul bereitzustellen, bei dem das thermoelektrische Modul und der Primärwärmetauscher nicht in einer Konkurrenzsituation zueinander stehen.It is therefore an object of the invention to provide a heater with a thermoelectric module in which the thermoelectric module and the primary heat exchanger are not in a competitive situation with each other.

[0005] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass bei einem Heizgerät mit einem zylinderförmigen Brenner, der radial von einem Wärmetauscher umgeben wird, das thermoelektrische Modul scheibenförmig am der Brenngaszufuhr gegenüberliegenden Ende des Brenners angeordnet ist. Dadurch wird ein Bereich ausgenutzt, der nicht durch den Wärmetauscher nutzbar ist. Zudem wird in diesen Bereich auch keine hohe Wärmeleitung benötigt. Das thermoelektrische Modul ist mit einer Wärmesenke verbunden, die ein auf der dem Brenner gegenüberliegenden Seite an der Rückseite des thermoelektrischen Moduls angeordneter Wärmetauscher ist. Dadurch wird eine hohe Effizienz des thermoelektrischen Moduls sichergestellt. Besonders bevorzugt ist die Wärmesenke mit dem Wärmetauscher verbunden. Dies kann in einer parallelen oder Reihen-Anordnung zum Primärwärmetauscher geschehen. Dabei wird bevorzugt das Wärmeträgermedium zunächst durch die Wärmesenke und anschließend durch den Wärmetauscher geleitet.According to the invention, this object is achieved in that in a heater with a cylindrical burner, which is surrounded radially by a heat exchanger, the thermoelectric module is arranged disc-shaped at the opposite end of the fuel gas burner. This exploits an area that can not be used by the heat exchanger. In addition, no high heat conduction is needed in this area. The thermoelectric module is connected to a heat sink which is a heat exchanger disposed on the opposite side of the burner at the back of the thermoelectric module. This ensures a high efficiency of the thermoelectric module. Particularly preferably, the heat sink is connected to the heat exchanger. This can be done in a parallel or series arrangement to the primary heat exchanger. In this case, the heat transfer medium is preferably first passed through the heat sink and then through the heat exchanger.

[0006] In einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist das thermoelektrische Modul mittels eines zentral angeordneten Spannmittels mit der Wärmesenke verbunden. Dies ermöglicht eine einfache und sichere Montage. Besonders vorteilhaft ist ein Mittel vorgesehen, das die Vorspannung aufrecht erhält. Dies ermöglicht eine sichere Fixierung auch bei unterschiedlichen Tempe- raturen.In an advantageous embodiment, the thermoelectric module is connected by means of a centrally arranged clamping means with the heat sink. This allows for easy and safe installation. Particularly advantageous means are provided, which maintains the bias. This enables secure fixation even at different temperatures.

[0007] In einerweiteren vorteilhaften Ausführungsvariante ist im Kraftfluss des Spannmittels ein Isoliermittel vorgesehen, dass im Zentrum des scheibenförmigen thermoelektrischen Moduls angeordnet ist, welches eine passende Bohrung aufweist. Dieses Isoliermittel weist bevorzugt den 0,5 bis 2-fachen Durchmesser des Brenners auf.In a further advantageous embodiment, an insulating means is provided in the power flow of the clamping means, that is arranged in the center of the disc-shaped thermoelectric module, which has a matching hole. This insulating agent preferably has 0.5 to 2 times the diameter of the burner.

[0008] Besonders bevorzugt ist im Außenbereich des thermoelektrischen Moduls einem Wärmeübertrager vorgesehen. Dadurch wird eine besonders effiziente Wärmeübertragung zwischen dem Raum zwischen Brenner und Wärmetauscher und dem thermoelektrischen Modul erreicht. Dadurch, dass der Wärmeübertrager im Kraftfluss liegt, ist eine zuverlässige Klemmung zwischen Wärmeübertrager und thermoelektrischen Modul sichergestellt. Alternativ kann anstelle des Wärmeübertragers ein einfaches Halteblech diese Funktion übernehmen.Particularly preferably, a heat exchanger is provided in the outer region of the thermoelectric module. As a result, a particularly efficient heat transfer between the space between the burner and the heat exchanger and the thermoelectric module is achieved. The fact that the heat exchanger is in the power flow, a reliable clamping between the heat exchanger and thermoelectric module is ensured. Alternatively, instead of the heat exchanger, a simple retaining plate can take over this function.

[0009] Die Erfindung wird nun anhand der Figur 1 detailliert erläutert. Figur 1 stellt eine Schnittdarstellung durch die Brennkammer 1 eines erfindungsgemäßen Heizgeräts dar.The invention will now be explained in detail with reference to FIG 1. Figure 1 illustrates a sectional view through the combustion chamber 1 of a heater according to the invention.

[0010] Durch die Brenngaszufuhr 3 wird mittels einer hier nicht dargestellten Gas-Luft- Mischvorrichtung brennbares Brenngas dem Brenner 2 zugeführt. Durch Ausströmöffnungen 4 strömt das Brenngas radial aus und wird verbrannt. Die heißen Abgase durchströmen radial den hier als spiralförmiges Rohr ausgebildeten Primärwärmetauscher 5, welcher durch die heißen Abgase und durch die Wärmestrahlung erwärmt wird und die Wärme auf ein in den Wärmetauscher geführtes Wärmeträgermedium, beispielsweise Wasser, überträgt. Das erwärmte Wärmeträgermedium wird dann einer Wärmesenke, beispielsweise einem Warmwasserspeicher oder einer Gebäudeheizung, zugeführt, kühlt dort ab und wird im Kreislauf wieder zurück in den Primärwärmetauscher geführt. Das Abgas wird dann im Außenbereich der Brennkammer 1 weitergeführt und durch eine Abgasabfuhr 14 abgeleitet.By the fuel gas supply 3 combustible fuel gas is supplied to the burner 2 by means of a gas-air mixing device, not shown here. Through discharge openings 4, the fuel gas flows radially and is burned. The hot exhaust gases flow radially through the here formed as a spiral tube primary heat exchanger 5, which is heated by the hot exhaust gases and by the heat radiation and transfers the heat to a guided into the heat exchanger heat transfer medium, such as water. The heated heat transfer medium is then a heat sink, such as a hot water tank or a building heating, supplied, cooled there and is recycled in the circuit back to the primary heat exchanger. The exhaust gas is then continued in the outer region of the combustion chamber 1 and discharged through an exhaust gas discharge 14.

[0011] Koaxial zum Brenner 2 und gegenüber der Brenngaszufuhr 3 ist ein thermoelektrisches Modul 9 vorgesehen. Auf der Rückseite des thermoelektrischen Moduls 9 ist eine Wärmesenke 6 angeordnet. Diese Wärmesenke 6 wird ebenfalls von einem Wärmeträgermedium durchströmt, das über den Eingang 7 zugeführt und über den Ausgang 8 abgeführt wird. Bevorzugt wird die Wärmesenke 6 parallel oder in Reihe mit dem Primärwärmetauscher 5 geschaltet. Die Wärmesenke 6 kann auch von einem Kältemittel durchströmt werden, dessen Siedetemperatur so gewählt ist, dass es in der Wärmesenke 6 verdampft und eine geringe Oberflächentemperatur auf der Rückseite des thermoelektrischen Moduls 9 bewirkt und somit die thermoelektrische Effizienz verbessert. Auf der dem Brenner 2 zugeordneten Seite des thermoelektrischem Moduls 9 ist ein Wärmeübertrager 10 angeordnet. Dieser Wärmeübertrager 10 besteht aus einem gut wärmeleitenden Material, beispielsweise Graphit, und ist auf der dem Brenner zugeordneten Seite mit Rippen versehen. Anstelle des Wärmeübertragers 10 kann auch ein einfaches Halteblech verwendet werden. Im mittleren Bereich ist ein Isolator 11 angeordnet. Ein Spannmittel 12, das mit einem Mittel 13 zur Aufrechterhaltung der Vorspannung auch bei hohen Temperaturen und damit einhergehend hohem Wärmedehnungen zusammenwirkt, klemmt Isolator 11, Wärmeübertrager 10 bzw. Halteblech, thermoelektrisches Modul 9 und Wärmesenke 6 zusammen. Dazu weist das thermoelektrische Modul 9 in der Mitte eine Bohrung auf, durch die das Spannmittel 12 geführt wird. Der Isolator 11 liegt entweder direkt auf dem thermoelektrischen Modul 9 auf oder zwischen dem Isolator und dem thermoelektrischen Modul ist ein Teil des Wärmeübertragers 10 bzw. des Halteblechs eingeklemmt. Dazu weist der Isolator 12 am Außenumfang und an der dem thermoelektrischen Modul zugeordneten Seite einen Absatz auf, in dem entweder das thermoelektrische Modul 9 direkt oder der Wärmeübertrager 10 bzw. das Halteblech sitzt. Somit liegt ein kompakter geschlossener Kraftschluss vor, der die Teile zuverlässig zusammen presst und somit eine gute Wärmeübertragung ermöglicht. Gleichzeitig ist die Verbindung unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen. In Figur 1 ist das Spannmittel 12 eine Schraubenverbindung und dass Mittel 13 zur Aufrechterhaltung der Vorspannung ein Tellerfederpaket. Andere technische Ausführungen sind erfindungsgemäß eingeschlossen.Coaxial with the burner 2 and with respect to the fuel gas supply 3, a thermoelectric module 9 is provided. On the back of the thermoelectric module 9, a heat sink 6 is arranged. This heat sink 6 is also traversed by a heat transfer medium, which is supplied via the input 7 and discharged via the output 8. Preferably, the heat sink 6 is connected in parallel or in series with the primary heat exchanger 5. The heat sink 6 can also be traversed by a refrigerant whose boiling temperature is selected so that it evaporates in the heat sink 6 and causes a low surface temperature on the back of the thermoelectric module 9 and thus improves the thermoelectric efficiency. On the burner 2 associated side of the thermoelectric module 9, a heat exchanger 10 is arranged. This heat exchanger 10 consists of a good heat-conducting material, such as graphite, and is provided on the burner associated side with ribs. Instead of the heat exchanger 10 and a simple retaining plate can be used. In the middle region, an insulator 11 is arranged. A clamping means 12, which cooperates with a means 13 for maintaining the bias even at high temperatures and concomitantly high thermal expansions, clamps insulator 11, heat exchanger 10 or retaining plate, thermoelectric module 9 and heat sink 6 together. For this purpose, the thermoelectric module 9 in the middle of a bore through which the tensioning means 12 is guided. The insulator 11 is either directly on the thermoelectric module 9 or between the insulator and the thermoelectric module, a part of the heat exchanger 10 and the holding plate is clamped. For this purpose, the insulator 12 on the outer circumference and on the thermoelectric module associated side on a paragraph in which either the thermoelectric module 9 directly or the heat exchanger 10 and the holding plate sits. Thus, there is a compact closed frictional connection, which reliably compresses the parts together and thus enables good heat transfer. At the same time, the connection is insensitive to temperature fluctuations. In Figure 1, the clamping means 12 is a screw connection and that means 13 for maintaining the bias of a plate spring package. Other technical embodiments are included according to the invention.

BEZUGSZEICHENLISTE 1 Brennkammer 2 Brenner 3 Brenngaszufuhr 4 Ausströmöffnungen 5 Primärwärmetauscher 6 Wärmesenke 7 Eingang 8 Ausgang 9 Thermoelektrisches Modul 10 Wärmeübertrager 11 Isoliermittel 12 Spannmittel 13 Mittel zur Aufrechterhaltung der Vorspannung 14 AbgasabfuhrREFERENCE LIST 1 Combustion chamber 2 Burner 3 Fuel gas supply 4 Outflow openings 5 Primary heat exchanger 6 Heat sink 7 Inlet 8 Outlet 9 Thermoelectric module 10 Heat exchanger 11 Insulating means 12 Clamping means 13 Means for maintaining the prestressing 14 Exhaust gas removal

Claims

1. Heater with thermoelectric module (9), wherein the heater comprises a burner (2) and a primary heat exchanger (5), which are provided within a combustion chamber (1), wherein the burner (2) is designed substantially cylindrical, wherein the fuel gas by means of a fuel gas supply (3) axially to the burner (2) and discharged from the burner (2) are discharged radially outward, wherein the primary heat exchanger (5) is designed as a hollow cylinder and relative to the burner (2), that in the Combustion formed exhaust gases flow through the primary heat exchanger (5), wherein the thermoelectric module (9) is disc-shaped and coaxial with the burner (2) at one end of the burner (2) is arranged, wherein the thermoelectric module (9) at the fuel gas supply ( 3) opposite end of the burner (2) is arranged, and wherein the thermoelectric module (9) is connected to a heat sink (6), characterized gekennzeich net, that the heat sink (6) is a at the back of the thermoelectric module (9) arranged heat exchanger.

2. Heater according to claim 1, wherein the heat exchanger (6) is arranged in parallel or in series with the primary heat exchanger (5) and is flowed through by a heat transfer medium.

3. Heater according to claim 1 or 2, wherein the thermoelectric module (9) by means of a centrally disposed clamping means (12) with the heat sink (6) is connected.

4. Heater according to claim 3, wherein the clamping means (12) with a means (13) for maintaining the bias cooperates.

5. Heater according to claim 3 or 4, wherein in the power flow between the clamping means (12) and the thermoelectric module (9) arranged in the center of an insulating means (11) is provided.

6. A heater according to claim 5, wherein the insulating means (11) is designed disc-shaped and wherein the diameter of the insulating means (11) with a bore of the thermoelectric module (9) corresponds.

7. A heater according to claim 5 or 6, wherein the diameter of the insulating means (11) is 0.5 to 2 times the diameter of the burner (2).

8. Heater according to one of claims 3 to 7, wherein in the power flow between the clamping means (12) and the thermoelectric module (9) in the outer region, a heat exchanger (10) is provided. For this 1 sheet drawings