DE102006004756B4 - Peltier heat exchanger in modular design - Google Patents

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Abstract

Peltier-Wärmeaustauscher in modularer Bauweise, wobei zwischen Metallplatten (7) Peltierelemente (6) angeordnet sind und diese Metallplatten (7) mit dazwischen angeordneten Peltierelementen (6) wiederum zwischen zwei Wärmeaustauscherplatten (1,2) platziert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauscherplatten (1, 2) einen geringen Wärmeleitwert aufweisen, die in die Wärmeaustauscherplatten (1, 2) eingearbeiteten Wasserwege (4, 4a, 4b) von den Metallplatten (7) abgedeckt sind, die Wärmeaustauscherplatten (2), welche als Mittelstück Verwendung finden, beidseitig voneinander getrennte Wasserwege aufweisen, die Wärmeaustauscherplatten (1), die als Endstück Verwendung finden, nur einen Wasserweg aufweisen, an den Stirnseiten der Wärmeaustauscherplatten (1, 2) Wassereintritts- bzw. -austrittsöffnungen (3) derart angeordnet sind, dass die Wasserwege (4, 4a, 4b) mit den Wassereintritts- bzw. -austrittsöffnungen (3) verbunden sind und als Voraussetzung für die modulare Bauweise die Wärmeaustauscherplatten (2) spiegelbildlich derart angefertigt sind, dass diese zu Modulen, bestehend aus mindestens drei Wärmeaustauscherplatten (1, 2), zusammenfügbar sind.Peltier heat exchanger in a modular design, wherein between metal plates (7) Peltier elements (6) are arranged and these metal plates (7) with interposed Peltier elements (6) in turn placed between two heat exchanger plates (1,2), characterized in that the heat exchanger plates (1, 2) have a low thermal conductivity, in the heat exchanger plates (1, 2) incorporated waterways (4, 4a, 4b) are covered by the metal plates (7), the heat exchanger plates (2), which are used as a center piece on both sides Having separate waterways, the heat exchanger plates (1), which are used as an end piece, have only one waterway, at the end faces of the heat exchanger plates (1, 2) water inlet or outlet openings (3) are arranged such that the waterways (4 , 4a, 4b) are connected to the water inlet and outlet openings (3) and as a prerequisite for the modular construction example, the heat exchanger plates (2) are mirror-inverted in such a way that these modules to modules consisting of at least three heat exchanger plates (1, 2), are joined together.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher in modularer Bauweise, wobei die neue Konzeption an sich auf altbekannten physikalischen Zusammenhängen an Peltierelementen beruht. Es werden jedoch erfindungsgemäß hohe Leistungszahlen der Wärmeübertragungen im Peltier-Wärmeaustauscher, welcher als kompakte Baugruppe in modularer Bauweise ausgeführt ist, erreicht. Eine hohe Effektivität wird weiterhin erreicht durch geringe Temperaturunterschiede zwischen den Wärmeübergangsplatten, bedingt durch die modulare Bauweise.The invention relates to a heat exchanger in a modular design, the new concept is based on well-known physical relationships to Peltier elements. However, according to the invention, high coefficients of performance of the heat transfers in the Peltier heat exchanger, which is embodied as a compact module in a modular design, are achieved. High efficiency is still achieved by low temperature differences between the heat transfer plates, due to the modular design.

In der DE 10 2005 036 492 A1 wird ein modernes Verfahren und ein Gerätekomplex zum Kühlen und Heizen von Innenräumen unter Verwendung eines Peltierelements als Wasser/Wasser-Wärmepumpe beschrieben. Das Wasser wird von der warmen Seite des Peltierelements über einen Wärmeaustauscher geführt, die Wärme wird abgeleitet und das Wasser einem Rückkühler zugeführt. Nach Temperaturabsenkung erfolgt eine Rückführung des Wassers in den Wärmeaustauscher an der warmen Seite des Peltierelements. Weiterhin wird von der kalten Seite des Peltierelements über einen zweiten Wärmeaustauscher das kalte Wasser einem kalten Wärmeaustauscher zugeführt, wobei sich das Wasser durch Abstrahlung vom kalten Wärmeaustauscher erwärmt (z. B. zum Kühlen eines Innenraumes) und dann an die kalte Seite des Peltierelements zurückgeführt wird. Die Umschaltung der Polarität von der Spannungsversorgung an den Peltierelementen führt – wie bekannt – zur Umkehrung des thermischen Prozesses an den beiden Wärmeübergangsflächen.In the DE 10 2005 036 492 A1 describes a modern method and apparatus complex for indoor cooling and heating using a Peltier element as a water / water heat pump. The water is passed from the warm side of the Peltier element via a heat exchanger, the heat is dissipated and the water is fed to a recooler. After lowering the temperature, the water is returned to the heat exchanger on the warm side of the Peltier element. Further, from the cold side of the Peltier element via a second heat exchanger, the cold water is supplied to a cold heat exchanger, the water being heated by radiation from the cold heat exchanger (eg for cooling an interior space) and then returned to the cold side of the Peltier element , The switching of the polarity of the power supply to the Peltier elements leads - as known - to reverse the thermal process at the two heat transfer surfaces.

Peltier-Wärmeaustauscher sind auch aus den Druckschriften DE 15 01 134 B2 , GB 2 384 624 A , EP 1 036 999 A1 , WO 97/22 486 A1 sowie JP 2001-82 828 A bekannt.Peltier heat exchangers are also from the publications DE 15 01 134 B2 . GB 2 384 624 A . EP 1 036 999 A1 . WO 97/22 486 A1 such as JP 2001-82 828 A known.

In der bereits genannten DE 10 2005 036 492 A1 wird auch der innere Wärmeaustausch im Peltier-Wärmeaustauscher beschrieben. Zur Vermeidung von Wiederholungen soll darauf nicht noch einmal eingegangen werden, sondern nur kurz darauf hingewiesen werden, dass Peltierelemente mit beispielsweise einer Fläche von 4 cm × 4 cm auf dünnen Metallplatten hintereinander in mehreren Reihen aufgeklebt werden.In the already mentioned DE 10 2005 036 492 A1 also describes the internal heat exchange in the Peltier heat exchanger. To avoid repetition should not be discussed again, but only briefly pointed out that Peltier elements with, for example, an area of 4 cm × 4 cm are glued on thin metal plates one behind the other in several rows.

Es darf jedoch nicht übersehen werden, dass diese Ausführungen noch Fragen offen lassen, um einen Peltier-Wärmeaustauscher in modularer Bauweise vorzuschlagen, der mit hoher Effektivität arbeitet.However, it should not be overlooked that these remarks leave questions unanswered for proposing a modular Peltier heat exchanger that operates with high efficiency.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, durch einen Peltier-Wärmeaustauscher in modularer Bauweise die Effektivität der Kühl- bzw. Heizprozesse zu verbessern, d. h. die Leistungszahl der Wärmeübertragung an den Peltier-Wärmeaustauschern zu erhöhen. Es ist weiterhin die Aufgabe der Erfindung, Vorschläge für die technische Gestaltung der Wärmeaustauscherplatten zu machen.It is therefore an object of the invention to improve the effectiveness of the cooling or heating processes by a Peltier heat exchanger in a modular design, d. H. to increase the coefficient of performance of heat transfer at the Peltier heat exchangers. It is also the object of the invention to make proposals for the technical design of the heat exchanger plates.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe wie folgt gelöst, wobei hinsichtlich der grundlegenden erfinderischen Gedanken auf den Patentanspruch 1 verwiesen wird. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus den Patentansprüchen 2 bis 4.According to the invention the object is achieved as follows, reference being made to the basic inventive idea of claim 1. The further embodiment of the invention results from the claims 2 to 4.

Zur Darlegung der Erfindung sollen weitere Ausführungen erfolgen.To illustrate the invention, further embodiments are to be made.

Der Peltier-Wärmeaustauscher in modularer Bauweise besteht aus mindestens drei Wärmeaustauscherplatten. Die Effektivität wird erhöht, wenn weitere Wärmeaustauscherplatten zu einem Modul vereint werden.The Peltier heat exchanger in a modular design consists of at least three heat exchanger plates. The effectiveness is increased when further heat exchanger plates are combined into one module.

Der innere Teil des Wärmeaustauschers besteht aus keramischen Peltierelementen und zwei Metallplatten, vorzugsweise Kupferplatten. Zwischen den beiden Kupferplatten werden die Peltierelemente mit Wärmeleitpaste dicht nebeneinander in Reihen aufgeklebt. Untereinander besteht kein Abstand, damit es zu keinem Temperaturaustausch zwischen den Kupferplatten kommt. Zur Anordnung dieser Bauteile im Inneren des Wärmeaustauschers erfolgten bereits Hinweise in der DE 10 2005 036 492 A1 .The inner part of the heat exchanger consists of ceramic Peltier elements and two metal plates, preferably copper plates. Between the two copper plates, the Peltier elements are glued with heat conducting paste close to each other in rows. There is no spacing between them so that there is no temperature exchange between the copper plates. For the arrangement of these components in the interior of the heat exchanger already made references in the DE 10 2005 036 492 A1 ,

In Abgrenzung zur vorgenannten DE-Anmeldung ist jedoch hervorzuheben, dass die Kupferplatten mit den dazwischenliegenden Peltierelementen beiderseits in Kunststoff-Wärmeaustauscherplatten mit geringem Wärmeleitwert eingelegt werden. In die Kunststoff-Wärmeaustauscherplatten sind mäanderförmig (z. B. durch Fräsen) Wasserwege eingearbeitet. Die Kupferplatten decken die Wasserwege ab, wobei die Abdichtung mittels Null-Ring und Nut, welche in die Kunststoffplatte eingearbeitet ist, erfolgt.In contrast to the aforementioned DE application, however, it should be emphasized that the copper plates are inserted with the intervening Peltier elements on both sides in plastic heat exchanger plates with low thermal conductivity. In the plastic heat exchanger plates meandering (eg by milling) waterways are incorporated. The copper plates cover the waterways, with the seal by means of zero ring and groove, which is incorporated in the plastic plate takes place.

Die modulare Bauweise wird durch eine spiegelbildliche Fertigung der Kunststoffplatten, ausgenommen die erste und letzte Wärmetauscherplatte, erreicht. Die darin eingefrästen Wasserwege sind auf beiden Seiten wasserseitig parallel durch eine Ein- und Austrittsbohrung miteinander verbunden. Diese Wärmeaustauscherplatte wird somit auch auf beiden Seiten mit der gleichen Wassertemperatur gefahren.The modular design is achieved by a mirror-image production of the plastic plates, except the first and last heat exchanger plate. The milled in waterways are connected on both sides of the water side parallel through an inlet and outlet bore. This heat exchanger plate is thus driven on both sides with the same water temperature.

Die Erfindung soll nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen erläutert werden. Die Figuren zeigen in Prinzipdarstellung:The invention will now be explained with reference to exemplary embodiments. The figures show a schematic diagram:

1: Wärmeaustauscherplatte, Endstück im Längsschnitt, teilweise Darstellung 1 : Heat exchanger plate, end piece in longitudinal section, partial representation

2: wie 1, jedoch Mittelstück 2 : as 1 , however, centerpiece

3: Draufsicht einer Wärmeaustauscherplatte 3 : Top view of a heat exchanger plate

4: Modularer Aufbau des Wärmeaustauschers mit drei Platten, teilweise Darstellung 4 : Modular construction of heat exchanger with three plates, partial presentation

5: Fließplan des modularen Wärmeaustauschers mit angeschlossenen Verbrauchern 5 : Flow chart of the modular heat exchanger with connected loads

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Wärmeaustauscherplatte EndstückHeat exchanger plate tail
22
Wärmeaustauscherplatte MittelstückHeat exchanger plate center piece
33
Wassereintritts- bzw. WasseraustrittsöffnungenWater inlet or water outlet openings
44
eingefräste Wasserwegemilled waterways
4a4a
eingefräste Wasserwege für erwärmtes Wassermilled waterways for heated water
4b4b
eingefräste Wasserwege für gekühltes Wassermilled waterways for chilled water
55
StegeStege
66
PeltierelementPeltier element
77
Kupferplattencopper plates
88th
Auflageflächen für KupferplattenSupport surfaces for copper plates
99
Dichtungpoetry
1010
kalte Seite eines Peltierelementscold side of a Peltier element
1111
warme Seite eines Peltierelementswarm side of a Peltier element
1212
KülhlvorrichtungKülhlvorrichtung
1313
Heizgerätheater

Der Wärmeaustauscher in modularer Bauweise besteht aus dem Mittelstück 2 (bzw. aus mehreren Mittelstücken) und den zwei Endstücken 1, ausgeführt aus Kunststoff mit geringem Wärmeleitwert, vorzugsweise Polyamid. Das Wasser fließt in den eingefrästen Wasserwegen 4 (4a, 4b) mäanderförmig um die Stege 5. Die Öffnungen für die Wasserzu- bzw. Wasserabführung sind mit dem Bezugszeichen 3 versehen.The heat exchanger in a modular design consists of the center piece 2 (or from several middle pieces) and the two end pieces 1 , made of plastic with low thermal conductivity, preferably polyamide. The water flows in the milled waterways 4 ( 4a . 4b ) meandering around the bars 5 , The openings for the Wasserzu- or water discharge are denoted by the reference numeral 3 Mistake.

Das Innere des Wärmeaustauschers besteht, wie schon gesagt, aus den keramischen Peltierelementen 6 und aus Metallplatten, vorzugsweise Kupferplatten 7, die von der Kaltseite 10 und der Warmseite 11 des Peltierelements die Wärmeenergie auf das Wasser übertragen.The interior of the heat exchanger consists, as already said, of the ceramic Peltier elements 6 and of metal plates, preferably copper plates 7 coming from the cold side 10 and the warm side 11 of the Peltier element transfer the heat energy to the water.

Mit dem Positionszeichen 8 sind die Auflageflächen für die Kupferplatten 7 bezeichnet, wobei die Kupferplatten zur Verhinderung von Kurzschlussströmungen auch auf den Stegen 5 der Wasserwege 4 (4a, 4b) aufliegen.With the position character 8th are the bearing surfaces for the copper plates 7 referred to, wherein the copper plates to prevent short-circuit currents on the webs 5 the waterways 4 ( 4a . 4b ) rest.

Am äußeren Rand der Kunststoffplatten, d. h. der End- und Mittelstücke 1, 2, sind Bohrungen vorgesehen, so dass die Platten fest zusammengefügt werden können. Zur wasserdichten Auflage der Kupferplatten 7 wird eine Dichtung 9 vorgesehen, bestehend aus eifern O-Ring, der in eine Nut in der Kunststoffplatte eingelegt wird.At the outer edge of the plastic plates, ie the end and middle pieces 1 . 2 , holes are provided so that the plates can be firmly joined together. For waterproof coating of copper plates 7 becomes a seal 9 provided, consisting of Eifern O-ring, which is inserted into a groove in the plastic plate.

Es sei noch darauf hingewiesen, dass ein gleichmäßiger Temperaturanstieg im Wärmeaustauscher notwendig ist, damit die Peltierelemente jeweils die gleiche Temperaturdifferenz beidseitig des Wärmeaustauschers haben. Das strömende Wasser auf beiden Seiten der Kunststoffplatten muss deshalb im Gegenstromprinzip gefahren werden.It should be noted that a uniform increase in temperature in the heat exchanger is necessary so that the Peltier elements each have the same temperature difference on both sides of the heat exchanger. The flowing water on both sides of the plastic plates must therefore be driven in countercurrent.

Hierzu wird auf 5 verwiesen. Es wird das Fließschema eines Wärmeaustauschers in modularer Bauweise gezeigt mit einer angeschlossenen Kühlvorrichtung 12 und einem Heizgerät 13, wobei die Kühlvorrichtung 12 und das Heizgerät 13 die Funktion von äußeren Wärmetauschern haben.This is on 5 directed. The flow diagram of a heat exchanger in a modular design is shown with a connected cooling device 12 and a heater 13 , wherein the cooling device 12 and the heater 13 have the function of external heat exchangers.

Claims (4)

Peltier-Wärmeaustauscher in modularer Bauweise, wobei zwischen Metallplatten (7) Peltierelemente (6) angeordnet sind und diese Metallplatten (7) mit dazwischen angeordneten Peltierelementen (6) wiederum zwischen zwei Wärmeaustauscherplatten (1,2) platziert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauscherplatten (1, 2) einen geringen Wärmeleitwert aufweisen, die in die Wärmeaustauscherplatten (1, 2) eingearbeiteten Wasserwege (4, 4a, 4b) von den Metallplatten (7) abgedeckt sind, die Wärmeaustauscherplatten (2), welche als Mittelstück Verwendung finden, beidseitig voneinander getrennte Wasserwege aufweisen, die Wärmeaustauscherplatten (1), die als Endstück Verwendung finden, nur einen Wasserweg aufweisen, an den Stirnseiten der Wärmeaustauscherplatten (1, 2) Wassereintritts- bzw. -austrittsöffnungen (3) derart angeordnet sind, dass die Wasserwege (4, 4a, 4b) mit den Wassereintritts- bzw. -austrittsöffnungen (3) verbunden sind und als Voraussetzung für die modulare Bauweise die Wärmeaustauscherplatten (2) spiegelbildlich derart angefertigt sind, dass diese zu Modulen, bestehend aus mindestens drei Wärmeaustauscherplatten (1, 2), zusammenfügbar sind.Peltier heat exchanger in a modular design, wherein between metal plates ( 7 ) Peltier elements ( 6 ) are arranged and these metal plates ( 7 ) with interposed Peltier elements ( 6 ) in turn between two heat exchanger plates ( 1 . 2 ), characterized in that the heat exchanger plates ( 1 . 2 ) have a low thermal conductivity, which in the heat exchanger plates ( 1 . 2 ) incorporated waterways ( 4 . 4a . 4b ) of the metal plates ( 7 ), the heat exchanger plates ( 2 ), which are used as a center piece, have bilaterally separate waterways, the heat exchanger plates ( 1 ), which are used as tail, have only one waterway, at the end faces of the heat exchanger plates ( 1 . 2 ) Water inlet or outlet openings ( 3 ) are arranged such that the waterways ( 4 . 4a . 4b ) with the water inlet or outlet openings ( 3 ) and as a prerequisite for the modular design of the heat exchanger plates ( 2 ) are mirror-inverted in such a way that they form modules consisting of at least three heat exchanger plates ( 1 . 2 ), are joinable. Peltier-Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallplatten (7) Kupferplatten sind.Peltier heat exchanger according to claim 1, characterized in that the metal plates ( 7 ) Copper plates are. Peltier-Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserwege (4, 4a, 4b) von der Eintritts- bis zur Austrittsöffnung (3) mäanderförmig geführt sind.Peltier heat exchanger according to claim 1, characterized in that the waterways ( 4 . 4a . 4b ) from the inlet to the outlet ( 3 ) are meandering out. Peltier-Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauscherplatten (1, 2) aus Kunststoff, vorzugsweise Polyamid bestehen.Peltier heat exchanger according to claim 1, characterized in that the heat exchanger plates ( 1 . 2 ) made of plastic, preferably polyamide.
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