DE102009020798A1

DE102009020798A1 - Gegenstromwärmetauscher mit Peltierelementen

Info

Publication number: DE102009020798A1
Application number: DE102009020798A
Authority: DE
Inventors: Thomas Strietzel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-05-05
Filing date: 2009-05-05
Publication date: 2010-11-11

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gegenstromwärmetauscher, bei dem die Wärme schrittweise durch eine Reihe thermisch untereinander entkoppelter Peltierelemente von einem Medium in das andere übertragen wird. Die Wärmeübertragung ist steuerbar. Dieser Wärmetauscher ist vorzugsweise zur Verwendung in Räumen, Wohnmobilen und Fahrzeugen vorgesehen.

Description

Es ist bekannt, Gegenstromwärmetauscher zur kontrollierten Belüftung von Wohnräumen einzusetzen. Durch das in entgegengesetzter Richtung in benachbarten Kanälen aneinander Vorbeiströmen der Luft ist es möglich, die Frischluft bis auf eine Differenz von etwa 2 K auf die Temperatur der Raumluft aufzuwärmen, wobei die Energie der Abluft genutzt wird und diese nahezu auf die Außentemperatur abgekühlt wird. Ist die Außentemperatur höher als die Innentemperatur, erfolgt analog eine Abkühlung der Zuluft mittels Aufwärmen der Abluft.
Um die Temperaturdifferenz zwischen abgesaugter Raumluft und aufgewärmter bzw. abgekühlter Zuluft und damit den Wärmeverlust bzw. Wärmeeintrag durch das Lüften gering zu halten, sind große Flächen für den Wärmeaustausch erforderlich. Diese werden durch eine Vielzahl mittels Folien getrennter schmaler Luftkanäle realisiert. Ein Verfahren, eine große Fläche in einem Wärmetauscher zu realisieren, beschreibt DE 19853526 A1 .
Die dabei entstehenden kleinen Luftkanäle haben den Nachteil, empfindlich gegen Verschmutzungen und gefrierendes Kondenswasser zu sein. Darüber hinaus muss der Wärmetauscher mittels Bypass umgangen werden, wenn die Raumtemperatur mittels Außenluft angepasst werden soll. So ist es sinnvoll, im Sommer die Außenluft abends einzulassen, ohne Sie mit der Abluft aufzuwärmen, oder in der Übergangszeit die wärmere Außenluft in der Mittagszeit zum Heizen zu verwenden.
Bei der im Patentanspruch 1 beschriebenen Einrichtung wird die Wärme mittels thermoelektrischer Elemente von einem Medium in das andere transportiert bzw. gepumpt. Die thermisch getrennte Anordnung mehrerer Elemente ermöglicht es, die Temperaturdifferenzen gering und damit den Wirkungsgrad der Elemente relativ hoch zu halten. Dabei ergeben sich verschiedene Gestaltungsmöglichkeiten:
Kleinere robuste Kühlkörper auf beiden Seiten der thermoelektrischen Elemente bedingen höhere Temperaturdifferenzen zu den Medien, um eine bestimmte Wärmemenge zu übertragen. Damit erhöht sich die notwendige Temperaturdifferenz über den Peltierelementen und deren Wirkungsgrad sinkt. Dafür ist jedoch eine platzsparende Bauweise der Einrichtung möglich, welche robust gegenüber Verschmutzungen und gefrierendem Kondenswasser ist.
Die Verwendung größerer und filigranerer Kühlkörper oder einer wie in 3 gezeigten Gestaltung der thermoelektrischen Elemente ermöglicht im Gegensatz dazu das Aufwärmen bzw. Abkühlen der Medien durch mittels Peltierelementen gepumpter Wärme mit einer höheren Effizienz.
Darüber hinaus ermöglicht die im Patentanspruch 1 beschriebene Einrichtung eine einfache Steuerung des Wärmeaustauschs. Durch Verändern der Stromstärke wird der Wärmeaustausch direkt beeinflusst. Dies kann durch Verändern der Versorgungsspannung oder das gruppenweise Umschalten der Elemente von Reihen in Parallelschaltung erfolgen.
Das Umpolen der Spannung bewirkt die Umkehr des Wärmetransports. Damit ist ein einfaches Umschalten der Betriebsart von Heizen auf Kühlen und umgekehrt möglich.
Durch geeignete Ansteuerung ist ebenfalls eine weitgehende Entkopplung der Medienströme oder im begrenzten Umfang ein Rückspeisen von Elektroenergie möglich.
Ein Ausführungsbeispiel ist in 1 und 2 dargestellt. 1 zeigt einen Längsschnitt durch den Gegenstromwärmetauscher. Beispielhaft ist eine Anordnung mit drei Peltierelementen (1) dargestellt, in praktischer Ausführung wird eine deutlich größere Anzahl verwendet.
Die konfektionierten Peltierelemente (1) sind zwischen zwei Kühlkörpern (2) angeordnet, wobei sich ein Kühlkörper im Kanal der aufzuwärmenden Luft, der andere im Kanal der abzukühlenden Luft befindet. Welcher der beiden Kanäle welche dieser Funktion besitzt, hängt von der Richtung des elektrischen Stroms durch die Peltierelemente ab. Beide Kanäle sind durch eine Wärmedämmung (4) voneinander getrennt. Diese Wärmedämmung reduziert darüber hinaus auch den Wärmetransport zwischen den Kühlkörpern außerhalb der Peltierelemente. Mittels eines wärmedämmenden Gehäuses (3) sind die Kanäle gegenüber der Umgebung isoliert.
Der in 1 auf der linken Seite von oben nach unten dargestellte Medienstrom könnte die mittels Lüfter in einen Raum geblasene Außenluft sein. Im rechten Kanal wird gleichzeitig die Abluft in entgegengesetzter Richtung gefördert. Während bei geringen Außentemperaturen die Wärme in der Darstellung von rechts nach links transportiert wird, kann bei hohen Temperaturen der Wärmetransport durch Umpolen der Spannung an den Peltierelementen umgekehrt werden.
Eine hohe Effizienz wird durch eine Dimensionierung erreicht, bei der mit einer geringen Temperaturdifferenz zwischen den mittels Peltierelement verbundenen Kühlkörpern gearbeitet wird. In Strömungsrichtung ergibt sich dabei ein ansteigendes bzw. abfallendes Temperaturniveau zwischen den Kühlkörpern.
Eine andere Realisierungsmöglichkeit ist in 3 und 4 dargestellt. Auf dünne Substrate (5) werden 2 Leiter bzw. Halbleiter (6) und (7) mit unterschiedlichem Energieniveau der Leitungsbänder derart strukturiert nacheinander aufgetragen, dass sich auf der linken Seite bei einer vorgegeben Stromrichtung z. B. die wärmenden Übergänge durch Kontakt zwischen den übereinander liegenden Schichten ergeben. Auf der rechten Seite ergeben sich die kühlenden Übergänge der entstehenden Peltierelemente. 3 zeigt eine vereinfachte Strukturierung dieser Schichten, wobei die zwei unterschiedlichen Halbleitermaterialien mittels unterschiedlicher Schraffurrichtung dargestellt sind.
Mehrere dieser Substrate werden in einem wärmegedämmten Kanal (8) montiert. 4 zeigt beispielhaft eine Anordnung mit sieben dieser Substrate (5). Die in der Mitte zwischen den Substraten angeordneten Dämmstreifen (9) bilden die Trennung zwischen dem zu wärmenden und dem zu kühlenden Medienstrom.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19853526 A1 [0002]

Claims

Einrichtung zum Wärmeaustausch zwischen zwei Medienströmen (Gase oder Flüssigkeiten), dadurch gekennzeichnet, dass a) sich die Medien in zwei von einander getrennten und thermisch isolierten, nebeneinander angeordneten Kanälen in entgegengesetzter Richtung bewegen, b) Wärmeenergie mittels einer Reihe thermoelektrischer Elemente (Peltierelemente), welche untereinander thermisch entkoppelt sind, von einem Kanal in den anderen übertragen wird, um in Strömungsrichtung einem Medium schrittweise Wärme zu entziehen und damit das andere Medium schrittweise zu erwärmen.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Richtung des Wärmeaustausches durch Ändern der Stromrichtung (Umpolen) auf einfache Art umkehren lässt.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich durch gruppenweises Umschalten der Peltierelemente von Reihen- in Parallelschaltung die Größe des Wärmeaustausches in mehreren Stufen steuern lässt.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Elemente als strukturierte Beschichtung auf dünne, elektrisch und thermisch isolierende Substrate gestaltet werden, welche derart in beide Kanäle eingebracht werden, dass sich bei einer vorgegebenen Stromrichtung alle warmen Übergänge in einem Kanal und alle kalten im anderen Kanal befinden.
Verwendung der Einrichtung nach Anspruch 1 zur kontrollierten Belüftung und Klimatisierung von Räumen.
Verwendung der Einrichtung nach Anspruch 1 zur kontrollierten Belüftung und Klimatisierung von Wohnanhängern und -mobilen.
Verwendung der Einrichtung nach Anspruch 1 zur kontrollierten Belüftung und Klimatisierung von geschlossenen Fahrzeugen aller Art.