DE102006034487B4

DE102006034487B4 - Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102006034487B4
Application number: DE200610034487
Authority: DE
Inventors: Walter Nicolai; Patrick LÖFFLER
Original assignee: Rittal GmbH and Co KG
Current assignee: Rittal GmbH and Co KG
Priority date: 2006-07-20
Filing date: 2006-07-20
Publication date: 2008-05-08
Anticipated expiration: 2026-07-21
Also published as: DE102006034487A1

Abstract

Wärmetauscher für ein Kühlgerät,
– mit Wärmetauscherelementen (10), die Peltier-Elemente (13) aufweisen, welche zur Bildung einer warmen und einer kalten Seite in wärmeübertragendem Kontakt mit Wärmeabgabeelementen (11) und Wärmeaufnahmeelementen (12) stehen,
– wobei die Wärmeabgabeelemente (11) an einen Fluid-Erwärmungskanal (14) und die Wärmeaufnahmeelemente (12) an einen Fluid-Abkühlkanal (15) angrenzen,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Wärmeabgabeelemente (11) der Wärmetauscherelemente (10) eine größere Wärmetauscherfläche aufweisen als die Wärmeaufnahmeelemente (12).

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit Wärmetauscherelementen, die Peltier-Elemente aufweisen, welche zur Bildung einer warmen und einer kalten Seite in wärmeübertragendem Kontakt mit Wärmeabgabe- und Wärmeaufnahmeelementen stehen, wobei an die Wärmeabgabe- und die Wärmeaufnahmeelemente ein Fluid-Erwärmungs- und ein Fluid-Abkühlkanal angrenzt.
Solche Wärmetauscher sind aus dem Stand der Technik bekannt. Dabei sind zwei oder mehrere Peltier-Elemente nebeneinander liegend angeordnet. Die Peltier-Elemente sind dabei mit plattenförmigen Elementen verbunden, die jeweils ein Wärmeabgabeelement und ein Wärmeaufnahmeelement bilden. Das Wärmeabgabeelement ist in einem Fluid-Erwärmungskanal und das Wärmeaufnahmeelement in einem Fluid-Abkühlkanal gehalten. Es hat sich gezeigt, dass in diesen Kanälen eine ungleichmäßige Wärmeverteilung im strömenden Fluid (vorzugsweise Luft) vorliegt.
Dementsprechend liegt, ausgehend vom Grenzbereich mit dem Wärmeab- bzw. -aufnahmeelement ein Temperaturgradient vor. Dieser beeinflusst den Wirkungsgrad negativ.
Man ist daher dazu übergegangen, Strömungs-/Verwirbelungs- oder Austauschelemente in den Kanälen vorzusehen, um eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung zu erhalten.
Aus der DE 102 33 736 B3 ist eine Wärmetauschervorrichtung bekannt, die ein Gehäuse mit einer Kanalstruktur aufweist. In den einzelnen Kanälen sind Peltier-Elemente angeordnet. Um eine gleichmäßige Wärmeverteilung in den einzelnen Kanälen zu erreichen, sind Stege vorgesehen. Die Stege sind schräg zur Strömungsrichtung angeordnet. Sie bilden Strömungshindernisse, die von der Strömung umflossen werden. Dadurch entsteht eine turbulente Strömung die für eine gleichmäßige Luftdurchmischung sorgt.
Eine weitere Kühlanordnung ist aus der US 6,347,521 B1 bekannt. Dabei sind zwischen zwei Substratsplatten thermoelektrische Elemente angeordnet.
Aus der US 4,065,936 ist eine thermoelektrische Wärmepumpe bekannt. Diese weist zwei Luftführungskanäle auf, denen Peltier-Elemente zugeordnet sind. Die bekannte Anordnung weist einen modularen Aufbau auf. Dementsprechend sind einzelne Teil-Kanalelemente vorgesehen, die miteinander verbunden werden können.
Die US 6,658,860 B2 offenbart eine weitere peltierbetriebene Kühlanordnung. Dabei ist ein Kreislaufsystem vorgesehen, in dem Luft zirkuliert. Die zirkulierende Luft wird von Peltier-Elementen beaufschlagt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Wärmetauscher der eingangs erwähnten Art derart weiterzubilden, dass er einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Wärmeabgabeelemente der Wärmetauscherelemente eine größere Wärmetauscherfläche aufweisen als die Wärmeaufnahmeelemente.
Bei einer solchen Ausführung des Wärmetauschers ist berücksichtigt, dass bei dem Peltier-Element auf der warmen Seite zusätzlich zu der Kälteleistung auch die elektrische Verlustwärme abzuführen ist. Auf diese Weise kann eine annährend gleiche Wärmeaufnahme beziehungsweise Wärmeabgabe (Q+; Q–) am Peltier-Element erreicht werden, wodurch der Wirkungsgrad der Gesamtanordnung erheblich gesteigert werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass wenigstens zwei Wärmetauscher-Elemente derart angeordnet sind, dass deren Wärmeabgabe- oder Wärmeaufnahmeelemente quer zur Strömungsrichtung nebeneinander- oder gegenüberliegend im Fluid-Erwärmungskanal oder im Fluid-Abkühlkanal gehalten sind.
Es werden somit den Fluid-Erwärmungs- und -Abkühlkanälen die Wärmetauscherelemente so zugeordnet, dass sie mit ihren warmen oder kalten Seiten auf die jeweiligen Kanäle einwirken. Insbesondere lassen sich die Fluid-Erwärmungs- und/oder -Abkühlkanäle des Wärmetauschers dadurch auf einfache Weise parallel schalten. Mit der vorgeschlagenen Lösung kann bei kompakter Baugröße ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden. Insbesondere wird eine Vergleichmäßigung der Temperaturverteilung im Kanal ermöglicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass wenigstens drei Wärmetauscherelemente verwendet sind, die quer zur Strömungsrichtung sandwichartig nebeneinander angeordnet sind, und dass die Wärmeaufnahme- oder die Wärmeabgabeelemente benachbarter Wärmetauscherelemente gegenüberliegend im Fluid-Abkühlkanal oder im Fluid-Erwärmungskanal gehalten sind.
Bei dieser Bauweise wird bei geringem Bauvolumen ein hoher Wirkungsgrad erreicht.
Denkbar ist es auch, dass die Wärmetauscherelemente an im Winkel zueinander stehenden Seiten des Fluid-Erwärmungskanals- oder -Abkühlkanals angeordnet sind, so dass die Wärmeabgabe- oder Wärmeaufnahmeelemente benachbarter Wärmetauscherelemente im Fluid-Abkühlakanal oder im Fluid-Erwärmungskanal gehalten sind. Mit dieser Bauweise könnendem Kanalquerschnitt zwei oder mehrere Wärmetauscherelemente gleichzeitig zugeordnet werden. Weiterhin kann mit einer solchen Maßnahme ein matrixartiger Aufbau der Kanalstrukturen verwirklicht werden.
Zur Verringerung des Teileaufwandes kann es vorgesehen sein, dass zumindest ein Teil der verwendeten Wärmetauscherelemente identisch ausgebildet ist. Auf diese Weise wird auch sichergestellt, dass in jedem Kanal gleichmäßige Temperaturverhältnisse angenähert werden können.
Zu diesem Zweck empfiehlt es sich, dass zumindest ein Teil der Fluid Erwärmungskanäle eine gleiche Querschnittsfläche aufweist und/oder dass zumindest ein Teil der Fluid-Abkühlkanäle eine gleiche Querschnittsfläche aufweist.
Eine modulare Bauweise kann auf einfache Weise dadurch verwirklicht werden, dass die Wärmetauscherelemente aus zwei oder mehreren Submodulen zusammengesetzt sind, wobei die Submodule jeweils zwei oder mehrere Peltier-Elemente aufweisen, dass die Peltier-Elemente eines Submoduls jeweils einem Wärmeabgabeelement und einem Wärmeaufnahmeelement zugeordnet sind, und dass die Submodule mittels Verbindungselementen aneinander gekoppelt sind.
Hierbei hat sich eine Anordnung als vorteilhaft ergeben, bei der jeweils vier baugleiche Peltier-Elemente in einem Submodul verbaut sind.
Ein Kreuzstromwärmetauscher kann nach einer Erfindungsvariante einfach dadurch verwirklicht werden, dass die Strömungsrichtung im Fluid-Erwämunskanal im Winkel zu der Strömungsrichtung im Fluid-Abkühlkanal steht, wobei insbesondere vorgesehen sein kann, dass die Strömungsrichtung gegeneinander um 90° gedreht ist.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass der Fluid-Erwärmungskanal und der Fluid-Abkühlkanal im Gleich- oder Gegenstrom durchströmt sind.
Eine weitere Wirkungsgradverbesserung kann dadurch erreicht werden, dass im Fluid-Erwärmungs- und/oder -Abkühlkanal Strömungstausch- und/oder Verwirbelungselemente angeordnet sind.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 in schematischer Seitenansicht einen Vertikalschnitt durch einen Wärmetauscher,
2 ein Wärmetauscherelement in Draufsicht und geschnittener Darstellung,
3 ein Submodul des Wärmetauscherelementes gem. 2 im Horizontalschnitt,
4 das Submodul gem. 3 in Seitenansicht,
5 einen nach dem Kreuzstromprinzip arbeitenden Wärmetauscher,
6 eine Ausgestaltungsvariante eines Wärmetauscherelementes in Seitenansicht,
7 eine Außenansicht auf ein Kühlgerät,
8 das Kühlgerät gem. 7 in Innenansicht,
9 eine weitere Ausgestaltungsvariante eines Kühlgerätes in Seitenansicht und
10 eine weitere Variation eines Wärmetauschers in schematischer Ansicht.
Die 1 zeigt einen Wärmetauscher, der sechs Wärmetauscherelemente 10 gleicher Bauart aufweist. Die Wärmetauscherelemente 10 weisen mehrere Peltier-Elemente 13 auf. Diese sind auf ihrer warmen Seite mit einem Wärmeabgabeelement 11 und auf ihrer kalten Seite mit einem Wärmeaufnahmeelement 12 thermisch verbunden. Die gestrichelte Seitendarstellung zeigt, dass die Wärmetauscherelemente 10 abhängig von den geforderten Leistungsdaten in horizontaler Tiefen- und Breitenrichtung erweitert sein können. Zur Bildung des Wärmetauschers sind die Wärmetauscherelemente 10 parallel und beabstandet zueinander ausgerichtet und übereinander gestapelt. Dabei ergeben sich zwischen den Wärmetauscherelementen 10 Fluid-Erwärmungs- und Fluid-Abkühlkanäle 14 und 15. Die Fluid-Erwärmungskanäle 14 sind mit „H", die -Abkühlkanäle mit „K" gekennzeichnet. Die Wärmetauscherelemente 10 sind nun so verbaut, dass die Wärmeabgabeelemente 11 benachbarter Wärmetauscherelemente 10 in dem Fluid-Erwärmungskanal 14 angeordnet sind. Dementsprechend sind die Wärme-Aufnahmeelemente 12 den Fluid-Abkühlkanälen 15 zugeordnet. Bei der vorliegenden Anordnung sind die äußeren beiden Fluid-Erwärmungskanäle 14 mit seitlichen Abdeckungen 16 abgeschlossen. Der Wärmetauscher ist im Gegenstrom von zwei Fluidströmen, beispielsweise Luft, Wasser, wässriger Lösung etc. durchströmt. Er kann jedoch auch im Gleichstrom betrieben werden. Kaltes Fluid tritt eingangsseitig in die Fluid-Erwärmungskanäle 14 ein, erwärmt sich beim Kanaldurchtritt und verlässt den Wärmetauscher ausgangsseitig.
Dementsprechend tritt warmes Fluid in die Eingänge der Fluid-Abkühlkanäle 15 ein, gibt beim Kanaldurchtritt seine thermische Energie teilweise an die Wärmeaufnahmeelemente 12 ab und verlässt die Fluid-Abkühlkanäle 15 mit einem niedrigeren thermischen Niveau.
Die 2 zeigt eine mögliche Ausführungsvariante eines Wärmetauscherelementes 10, das vier Submodule 10.1 aufweist. Der Aufbau der Submodule 10.1 ergibt sich aus den 3 und 4.
Wie die 3 zeigt, weist jedes Submodul 10.1 ein plattenförmiges Wärmeabgabe- und -aufnahmeelement 11 und 12 mit hoher Wärmeleitfähigkeit auf. Diese sind unter Zwischenschaltung von vier Peltier-Elementen 13 aneinandergekoppelt. Jeweils vier Submodule 10.1 sind mit geeigneten Verbindern zu der aus 2 ersichtlichen Struktur zusammengesetzt.
Die 5 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Wärmetauschers 10, an dem ein Kreuzstromprinzip verwirklicht ist. Dabei sind die Strömungsrichtungen in den Fluid-Erwärmungskanälen 14 einerseits und den -Abkühlkanälen 15 andererseits im Winkel (vorliegend 90°) zueinander angeordnet. Zur Verbesserung des Wärmeübertrages und/oder der Luftführung können, wie dies 5 andeutet, Stegelemente 17 in den Fluid-Erwärmungs- und/oder -Abkühlkanälen vorgesehen sein.
In der 6 ist eine Ausführungsvariante eines Wärmetauscherelementes 10 gezeigt, das sich besonders zum Einsatz in den erfindungsgemäßen Wärmetauschern eignet. Dieser Konstruktion liegt die Anforderung zugrunde, dass die warme Seite des Peltier-Elementes 13 in dem gleichen Maße gekühlt werden sollte, wie die warme Seite erwärmt, um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass auf der warmen Seite zusätzlich zu der Kälteleistung auch die elektrische Verlustleistung des Peltier-Elementes 13 abgeführt werden muss. Dies lässt sich durch unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten oder Kanalquerschnitte erreichen. Sollten aber diese Parameter zur Vereinfachung des Gesamtaufbaus gleich gewählt werden, dann empfiehlt sich eine Bauweise gem. 6. Dabei sind die dem Fluid-Erwärmungs- beziehungsweise -Abkühlkanälen 14, 15 zugewandten Wärmetauscherflächen der Wärmeabgabe- beziehungsweise -aufnahmeelemente 11, 12 unterschiedlich groß gewählt. Über die größere Fläche der Wärmeabgabeelemente 11 kann die elektrische Verlustwärme dann effektiver abgeführt werden. Zur Verbindung der Submodule 10.1 miteinander sind Verbindungselemente 19 verwendet. Diese weisen einen Spaltüberdeckungs-Abschnitt 19.1 auf, der den Zwischenraum zwischen den kleineren Wärmeaufnahmeelementen 12 überdeckt.
Im Randbereich der Wärmetauscherelemente sind weitere Verbindungselemente 18 vorgesehen. Diese halten ebenso wie die Verbindungselemente 19 die Wärmeabgabe- und Wärmeaufnahmeelemente 11 und 12 auf Abstand.
Die 7 und 8 veranschaulichen eine Ausführungsvariante eines Kühlgerätes 20 mit einem Kühlgerätgehäuse 21.
Das Kühlgerätgehäuse 21 besitzt eine Wärmetauscheraufnahme 22, in die ein Wärmetauscher beispielsweise gem. 1 eingesetzt werden kann. 7 zeigt eine Außenansicht auf das Kühlgerät 20. Das Kühlgerätgehäuse 21 besitzt einen Lüfter, der kühle Luft aus der Umgebung durch eine Lufteintrittsöffnung 23 ansaugt, durch die Fluid-Erwärmungskanäle 14 fördert und über eine Luft-Austrittsöffnung 24 wieder an die Umgebung erwärmt abgibt.
8 zeigt eine Innenansicht des Kühlgerätes 20. Wie diese Darstellung veranschaulicht, wird warme Luft, beispielsweise aus einem angeschlossenen Gehäuse (Schaltschrank, Elektronikgehäuse etc.) mittels eines Lüfters über einen Lufteintritt 25 angesaugt, in den Fluid-Abkühlkanälen 15 abgekühlt und durch einen Luftaustritt gekühlt wieder in das Gehäuse abgegeben.
Die 9 zeigt ein Kühlgerät 30 mit einem Gehäuse 31, das eine Wärmetauscheraufnahme 32 aufweist. In diese kann ein Wärmetauscher, der nach dem Kreuzstromprinzip arbeitet, beispielsweise gem. 5, eingebaut werden.
Dem Innenkreislauf des Kühlgerätes 30 ist ein Lufteintritt 35 zugeordnet, der warme Luft aus dem angeschlossenen Gehäuse (Schaltschrank etc.) ansaugt, in den Fluid-Abkühlkanälen 15 abkühlt und gekühlt wieder an den Gehäuseinnenraum abgibt (Luftaustritt 36).
Im Außenkreislauf wird Umgebungsluft durch eine Lufteintrittsöffnung 33 angesaugt, in den Fluid-Erwärmungskanälen 14 erwärmt und dann wieder an die Umgebung abgegeben (Luftaustrittsöffnung 34).
Die 10 zeigt ein weiteres Aufbauprinzip für einen Wärmetauscher. Dabei sind Fluid-Erwärmungskanäle 14 und Fluid-Abkühlkanäle 15 wechselweise matrixartig zueinander angeordnet. An zwei oder mehreren der seitlichen Kanal-Begrenzungen sind Wärmetauscherelemente 10, beispielsweise gem. 2, angeordnet.

Claims

Wärmetauscher für ein Kühlgerät, – mit Wärmetauscherelementen (10), die Peltier-Elemente (13) aufweisen, welche zur Bildung einer warmen und einer kalten Seite in wärmeübertragendem Kontakt mit Wärmeabgabeelementen (11) und Wärmeaufnahmeelementen (12) stehen, – wobei die Wärmeabgabeelemente (11) an einen Fluid-Erwärmungskanal (14) und die Wärmeaufnahmeelemente (12) an einen Fluid-Abkühlkanal (15) angrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeabgabeelemente (11) der Wärmetauscherelemente (10) eine größere Wärmetauscherfläche aufweisen als die Wärmeaufnahmeelemente (12).
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei Wärmetauscherelemente (10) verwendet sind, die quer zur Strömungsrichtung sandwichartig nebeneinander angeordnet sind, und dass die Wärmeaufnahme (12) oder die Wärmeabgabeelemente (11) benachbarter Wärmetauscherelemente (10) gegenüberliegend im Fluid-Abkühlkanal (15) oder im Fluid-Erwärmungskanal (14) gehalten sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherelemente (10) an im Winkel zueinander stehenden Seiten des Fluid-Erwärmungskanals- oder Abkühlkanals angeordnet sind, so dass die Wärmeabgabe- oder Wärmeaufnahmeelemente (11, 12) benachbarter Wärmetauscherelemente (10) im Fluid-Abkühlkanal (15) oder im Fluid-Erwärmungskanal (14) gehalten sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der verwendeten Wärmetauscherelemente (10) identisch ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Fluid-Erwärmungskanäle (14) eine gleiche Querschnittsfläche aufweist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Fluid-Abkühlkanäle (15) eine gleiche Quer schnittsfläche aufweist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherelemente (10) aus zwei oder mehreren Submodulen (10.1) zusammengesetzt sind, wobei die Submodule (10.1) jeweils zwei oder mehrere Peltier-Elemente (13) aufweisen, dass die Peltier-Elemente (13) eines Submoduls (1 0.1) jeweils einem Wärme abgabeelement (11) und einem Wärmeaufnahmeelement (12) zugeordnet sind, und dass die Submodule (10.1) mittels Verbindungselementen (19) aneinander gekoppelt sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils vier baugleiche Peltier-Elemente (13) in einem Submodul (10.1) verbaut sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Wärmetauscher-Elemente (10) derart angeordnet sind, dass deren Wärmeabgabe- oder Wärmeaufnahmeelemente (11, 12) quer zur Strömungsrichtung nebeneinander- oder gegenüberliegend im Fluid-Erwärmungskanal (14) oder im Fluid-Abkühlkanal (15) gehalten sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsrichtung im Fiuid-Erwärmungskanal (14) im Winkel zu der Strömungsrichtung im Fluid-Abkühlkanal (15) steht.
Wärmetauscher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsrichtung gegeneinander um 90° gedreht ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluid-Enwärmungskanal (14) und der Fluid-Abkühlkanal (15) im Gleich- oder Gegenstrom durchströmt sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Fluid-Erwärmungs- (14) und/oder -Abkühlkanal (15) Strömungstausch- und/oder Verwirbelungselemente angeordnet sind.