DE102017011794A1 - Peltier heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Peltier-Wärmetauscher (1) mit mindestens zwei Wärmeaustauschkammern (2 bis 6) und mit Peltier-Elementen (7) angegeben, die zwischen den mindestens zwei Wärme tauschenden Wärmeaustauschkammern (2 bis 6) angeordnet sind, wobei die Wärmeaustauschkammern (2 bis 6) ein Wärmetransportmedium enthalten und wobei Eingänge (10, 13) und Ausgänge (11, 12) für das Wärmetransportmedium bezüglich der Wärmeaustauschkammern (2 bis 6) vorgesehen sind, der dadurch kostengünstig herstellbar ist und die Effizienz thermischer Anlagen verbessert, dass die Wärmeaustauschkammern (2 bis 6) jeweils rohrförmig ausgebildet sind.It is a Peltier heat exchanger (1) with at least two heat exchange chambers (2 to 6) and with Peltier elements (7), which are arranged between the at least two heat exchanging heat exchange chambers (2 to 6), wherein the heat exchange chambers (2 to 6) contain a heat transfer medium and wherein inputs (10, 13) and outputs (11, 12) are provided for the heat transport medium with respect to the heat exchange chambers (2 to 6), which is thereby inexpensive to produce and improves the efficiency of thermal systems that the heat exchange chambers ( 2 to 6) are each tubular.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Peltier-Wärmetauscher mit mindestens zwei Wärmeaustauschkammern und mit Peltier-Elementen, die zwischen den mindestens zwei Wärme tauschenden Wärmeaustauschkammern angeordnet sind, wobei die Wärmeaustauschkammern ein Wärmetransportmedium enthalten und wobei Eingänge und Ausgänge für das Wärmetransportmedium bezüglich der Wärmeaustauschkammern vorgesehen sind.The present invention relates to a Peltier heat exchanger with at least two heat exchange chambers and with Peltier elements, which are arranged between the at least two heat exchanging heat exchange chambers, the heat exchange chambers containing a heat transport medium and wherein inputs and outputs are provided for the heat transport medium with respect to the heat exchange chambers.
Der Begriff „Peltier-Wärmetauscher“ wird hier benutzt, obwohl die Vorrichtung auch Eigenschaften einer Wärmepumpe aufweist, da die Komponente „Elektrischer Strom“ zum reinen Wärmetauschen hinzutritt. Dem vorliegenden Peltier-Wärmetauscher fehlt die konstruktive Beschaffenheit, um als Wärmepumpe bezeichnet zu werden. Ein normaler Wärmetauscher kann Wärme nur von höherer zu niedrigerer Temperatur übertragen. Durch die stromdurchflossenen Peltier-Elemente wird aber auch von niedriger zu höherer Temperatur Wärme übertragen, so dass bei einem Peltier-Wärmetauscher eine Pumpeneigenschaft entgegen der natürlichen Wärmebewegung von Warm nach Kalt gegeben ist.The term "Peltier heat exchanger" is used here, although the device also has properties of a heat pump, since the component "electric current" is added to the pure heat exchange. The present Peltier heat exchanger lacks the structural nature to be referred to as a heat pump. A normal heat exchanger can only transfer heat from higher to lower temperature. By the current-carrying Peltier elements but heat is also transferred from lower to higher temperature, so that in a Peltier heat exchanger a pumping property is given against the natural heat movement from warm to cold.
Peltier-Elemente sind elektrothermische Wandler, die bei Stromdurchfluss eine Temperaturdifferenz erzeugen. Je nach Polarität der Spannungsversorgung kann der thermische Prozess an den Wärmeübergangsflächen von Warm nach Kalt oder von Kalt nach Warm umgekehrt werden.Peltier elements are electrothermal transducers that produce a temperature difference when current flows through. Depending on the polarity of the power supply, the thermal process at the heat transfer surfaces can be reversed from warm to cold or from cold to warm.
Ein Wärmetauscher mit Peltier-Elementen ist bspw. aus der Druckschrift
Ein weiterer Peltier-Wärmetauscher ist aus der Druckschrift
Die Verwendung von Peltier-Elementen als „Wärmepumpe“ ist auch in
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Peltier-Wärmetauscher der in Rede stehenden Art anzugeben, der kostengünstig herstellbar ist und zur Effizienzverbesserung von Energieanlagen, Heizungsanlagen, Wärme-Kraft-Anlagen, thermoelektrischen Anlagen verwendbar ist.The invention has for its object to provide a Peltier heat exchanger of the type in question, which is inexpensive to produce and to improve the efficiency of energy systems, heating systems, heat and power plants, thermoelectric systems is used.
Die voranstehende Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Danach ist ein Peltier-Wärmetauscher der in Rede stehenden Art derart ausgestaltet und weitergebildet, dass die Wärmeaustauschkammern jeweils rohrförmig ausgebildet sind.The above object is solved by the features of
Im Hinblick auf eine kostengünstige Herstellung des Peltier-Wärmetauscher ist erkannt worden, dass die aus dem Stand der Technik bekannte Plattenform oder Blockform aufwendig ist, um Eingänge und Ausgänge sowie Strömungswege bereitzustellen. Zudem sind großflächige, teure Isolierungsmaßnahmen erforderlich. Hiervon ausgehend wurde erkannt, von der üblichen Platten- oder Blockform bekannter Peltier-Wärmetauscher abzuweichen. Erfindungsgemäß wurde erkannt, die Wärmeaustauschkammern rohrförmig auszubilden. Hierdurch wird der Strömungsweg durch das Rohr vorgegeben und es bedarf keiner aufwendigen Strömungswegegestaltung. Durch die Rohrform wird in vorteilhafter Weise die Möglichkeit zu einer kleinvolumigeren Außenisolation eröffnet und die Handhabung des Peltier-Wärmetauschers als handliches Gerät wird realisierbar. Der Peltier-Wärmetauscher ist baulich kostengünstig und einfach handhabbar und kann von verschiedenen Verbrauchern im privaten Bereich oder in der Industrie zur Verbesserung der Effizienz einer thermoelektrischen Anlage eingesetzt werden, wobei in vorteilhafter Weise der Eigenverbrauchsanteil gesteigert wird.With a view to cost-effective production of the Peltier heat exchanger, it has been recognized that the plate shape or block shape known from the prior art is complicated in order to provide inputs and outputs as well as flow paths. In addition, large-scale, expensive insulation measures are required. On this basis, it was recognized to deviate from the usual plate or block form known Peltier heat exchanger. According to the invention, it has been recognized to form the heat exchange chambers tubular. As a result, the flow path is defined by the pipe and it requires no complex flow path design. Due to the tubular shape, the possibility of a smaller volume outer insulation is advantageously opened and the handling of the Peltier heat exchanger as a handy device is feasible. The Peltier heat exchanger is structurally inexpensive and easy to handle and can be used by various consumers in the private sector or in industry to improve the efficiency of a thermoelectric system, advantageously the self-consumption is increased.
Um eine Basis für das Aufkleben der Peltier-Elemente zur Verfügung zu stellen, könnten die Wärmeaustauschkammern jeweils zumindest eine plane Außenfläche aufweisen. Die Oberfläche der planen Außenfläche könnte dort, wo die Peltier-Elemente aufgeklebt werden, in vorteilhafter Weise besonders glatt gearbeitet sein. Mit der glatten Oberfläche soll das Eindringen von Luft in die Verbindung zwischen Peltier-Element und planer Außenfläche vermieden werden. Durch die glatte Oberfläche reicht außerdem eine besonders dünne Klebeschicht aus, um die Peltier-Elemente zu befestigen. Mit der Vermeidung von Luft und der dünnen Klebschicht geht ein im Hinblick auf die Effizienz positiver geringer elektrischer Widerstand sowie ein geringer Wärmeübergangswiderstand der Peltier-Elemente einher.In order to provide a basis for adhering the Peltier elements, the heat exchange chambers could each have at least one flat outer surface. The surface of the planar outer surface could, where the Peltier elements are glued, advantageously be worked particularly smoothly. The smooth surface prevents the ingress of air into the connection between Peltier element and flat outer surface. Due to the smooth surface, a particularly thin adhesive layer is sufficient to fasten the Peltier elements. The avoidance of air and the thin adhesive layer is a positive in terms of efficiency low electrical Resistance and a low heat transfer resistance of the Peltier elements associated.
Das Wärmetransportmedium könnte in allen Wärmeaustauschkammern dieselbe Fließrichtung aufweisen und dabei die Wärme über die Wände der rohrförmigen Wärmeaustauschkammern übertragen. Alternativ könnten auch verschiedene Fließrichtungen des Wärmetransportmediums im Sinne des für sich bekannten Gegenstromprinzips realisiert werden.The heat transfer medium could have the same direction of flow in all heat exchange chambers while transferring heat across the walls of the tubular heat exchange chambers. Alternatively, different flow directions of the heat transport medium in the sense of the known countercurrent principle could be realized.
Gemäß einer einfachen Bauform könnten die Wärmeaustauschkammern des erfindungsgemäßen Peltier-Wärmetauschers eine Innenkammer und mindestens zwei Außenkammern umfassen. Wesentlich ist, dass bei dem bevorzugten Außen-Innen-Prinzip einer solchen Bauform die Innenkammer zumindest zwei plane Außenflächen mit Peltier-Elementen aufweist und die beiden Außenkammern zumindest jeweils eine plane Außenfläche, die mit den Peltier-Elementen zusammenwirkt. Bei dieser einfachen Bauform könnten die beiden Außenkammern so gestaltet werden, das sie die Innenkammer ringartig umschließen, so dass durch die Außenkammern selbst eine Isolation der Innenkammer bewirkt wird. Gerade bei einer Innenkammer, die von dem wärmeren Wärmetransportmedium durchflossen werden würde, ist dies von enormem Vorteil.According to a simple design, the heat exchange chambers of the Peltier heat exchanger according to the invention could comprise an inner chamber and at least two outer chambers. It is essential that in the preferred exterior-interior principle of such a design, the inner chamber has at least two planar outer surfaces with Peltier elements and the two outer chambers at least one planar outer surface, which interacts with the Peltier elements. In this simple design, the two outer chambers could be designed so that they surround the inner chamber like a ring, so that by the outer chambers itself insulation of the inner chamber is effected. Especially with an inner chamber, which would be traversed by the warmer heat transfer medium, this is of enormous advantage.
Bei einer Innenkammer-Außenkammer-Bauform des erfindungsgemäßen Peltier-Wärmetauschers könnten das Wärmetransportmedium in der Innenkammer und das Wärmetransportmedium in den Außenkammern verschiedene Fließrichtungen aufweisen. Die verschiedenen Fließrichtungen des Wärmetransportmediums in der Innenkammer einerseits und in den Außenkammern andererseits könnten bevorzugt dem Gegenstromprinzip folgen. Dabei könnte das wärmere Wärmetransportmedium in der Innenkammer aufsteigen und das kältere Wärmetransportmedium in den Außenkammern nach unten fließen. Hierbei wird vorausgesetzt, dass die rohrförmigen Wärmeaustauschkammern vertikal aufgestellt sind.In an inner chamber-outer chamber design of the Peltier heat exchanger according to the invention, the heat transport medium in the inner chamber and the heat transport medium in the outer chambers could have different flow directions. The different flow directions of the heat transport medium in the inner chamber on the one hand and in the outer chambers on the other hand could preferably follow the countercurrent principle. In this case, the warmer heat transport medium could ascend in the inner chamber and flow down the colder heat transfer medium in the outer chambers. Here it is assumed that the tubular heat exchange chambers are placed vertically.
Da besondere Rohrquerschnitte für die Innenkammer und die Außenkammern erhöhte Kosten erfordern, sieht eine kostengünstige Bauform des erfindungsgemäßen Peltier-Wärmetauschers vor, die Innenkammer in Form eines Rohres mit einem quadratischen Querschnitt und vier planen Außenflächen auszubilden. Auf allen vier Außenflächen könnten die Peltier-Elemente angeordnet sein. Bewährt haben sich im Handel erhältliche preiswerte quadratische Kupferrohre, die je nach Leistungsanforderung entsprechende Abmessungen unter Berücksichtigung der Abmessungen der im Handel erhältlichen Peltier-Elemente aufweisen.Since special pipe sections for the inner chamber and the outer chambers require increased costs, provides a cost-effective design of the Peltier heat exchanger according to the invention to form the inner chamber in the form of a tube with a square cross section and four flat outer surfaces. On all four outer surfaces, the Peltier elements could be arranged. Have proven commercially available inexpensive square copper tubes, depending on the power requirement corresponding dimensions, taking into account the dimensions of the commercially available Peltier elements.
Bezüglich der Außenkammern sieht die vorbeschriebene kostengünstige Bauform nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel vor, dass vier Außenkammern vorgesehen sind, die zumindest jeweils eine plane Außenfläche aufweisen, welche auf die Peltier-Elemente auftrifft und in ihrer Abmessung der jeweiligen Außenfläche der Innenkammer entspricht. Auch bezüglich der Außenkammern könnte jeweils ein Rohr mit einem viereckigen Querschnitt zum Einsatz kommen. Auch hier kommt bevorzugt Kupferrohr zum Einsatz, da es geeignete Wärmeleitwerte besitzt. Alternativ könnten auch Aluminiumrohre verbaut werden.With regard to the outer chambers, the above-described cost-effective design according to a preferred embodiment provides that four outer chambers are provided, each having at least one planar outer surface which impinges on the Peltier elements and corresponds in dimension to the respective outer surface of the inner chamber. Also with regard to the outer chambers, a tube with a quadrangular cross section could be used in each case. Here, too, preferably copper pipe is used because it has suitable thermal conductivity. Alternatively, aluminum pipes could be installed.
Die Grundform des erfindungsgemäßen Peltier-Wärmetauschers gemäß der bevorzugten kostengünstigen Bauform ist im Querschnitte ein Kreuz. Bei der Verwendung quadratischer Querschnitte der Rohre bei der Innenkammer und den Außenkammern erhält man die volle Rotationssymmetrie. Mit der Kreuzform der Vorrichtung ist eine wirkungsvolle Aufteilung der Innen- und Außenkammern der hier beschriebenen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Peltier-Wärmetauschers gelungen. Der Vorteil der Innenanordnung der heißen Innenkammer besteht darin, dass die Innenkammer komplett von allen Außenkammern umgeben ist und keiner Isolierung bedarf.The basic form of the Peltier heat exchanger according to the invention according to the preferred cost-effective design is a cross in cross sections. When using square cross sections of the tubes in the inner chamber and the outer chambers to get the full rotational symmetry. With the cross shape of the device, an effective division of the inner and outer chambers of the embodiment of the Peltier heat exchanger according to the invention described here is achieved. The advantage of the internal arrangement of the hot inner chamber is that the inner chamber is completely surrounded by all outer chambers and no insulation is required.
Alternativ zur kreuzförmigen Anordnung der einen Innenkammer und der vier Außenkammern gemäß dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel, könnten Dreiecksquerschnitte, Ringformen entwickelt werden, die miteinander korrespondieren. Bei alternativen Bauformen zur Kreuzform ist es von Vorteil, wenn die Außenkammern die Innenkammer umgeben, um die Isolation der Innenkammer herbeizuführen. Bei dreieckigen Querschnitten würden vier Rohre für eine Innenkammer und drei Außenkammern - ausreichen. Maßnahmen zur Isolation der Außenkammern werden durch die Erfindung generell nicht ausgeschlossen.Alternatively to the cross-shaped arrangement of an inner chamber and the four outer chambers according to the above-described embodiment, triangular cross sections, ring shapes could be developed, which correspond to each other. In alternative designs for cross-shape, it is advantageous if the outer chambers surround the inner chamber in order to bring about the insulation of the inner chamber. For triangular cross sections, four tubes would suffice for one inner chamber and three outer chambers. Measures for the isolation of the outer chambers are generally not excluded by the invention.
Eine weiterführende Bauform des kreuzförmigen Peltier-Wärmetauschers könnte vorsehen, dass in die Aussparungen zwischen den Außenkammern ebenfalls Rohre eingesetzt sind, die bspw. je nach dem eine Vorwärmfunktion für die Außenkammer übernehmen. Dies trägt dazu bei, dass die Temperaturdifferenz zwischen Außenkammern und Innenkammer gering gehalten wird, mit der Konsequenz, dass auch der Wärmeübergangswiderstand gering ist und weniger Leistung benötigt wird, um in der Innenkammer die höhere Temperatur zu erzeugen. Das Aneinanderlegen von Rohren unabhängig davon, ob sie stehen oder liegen, eröffnet Möglichkeiten, noch so kleine Temperaturdifferenzen über die Peltier-Elemente auszunutzen. Weiterführend könnten die planen Außenflächen der rohrförmigen Wärmeaustauschkammern eine Beschichtung mit dem Peltier-Effekt aufweisen, so dass der Aufwand des Kante-auf-Kante-Beklebens mit Peltier-Elementen entfällt.A further design of the cross-shaped Peltier heat exchanger could provide that in the recesses between the outer chambers also tubes are used, which, for example, depending on the take a preheating function for the outer chamber. This contributes to keeping the temperature difference between the outer chambers and the inner chamber low, with the consequence that also the heat transfer resistance is low and less power is required to generate the higher temperature in the inner chamber. The juxtaposition of pipes, whether they are standing or lying, opens up opportunities to exploit even small temperature differences across the Peltier elements. Continuing the plan outer surfaces of the tubular heat exchange chambers could a Coating with the Peltier effect, so that eliminates the expense of edge-to-edge bonding with Peltier elements.
Bei allen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Peltier-Wärmetauschers, die das Innen-Außen-Prinzip verwirklichen, könnte in vorteilhafter Weise eine Druckeinrichtung vorgesehen sein, welche die die Innenkammer umgebenden Außenkammern mit Druck beaufschlagt. Eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Innen- und Außenkammern erübrigt sich, da die Druckeinrichtung auf die Außenkammern derart einwirkt, dass die Innenkammer verklemmt ist.In all embodiments of the Peltier heat exchanger according to the invention, which realize the inside-outside principle, could be provided in an advantageous manner, a pressure device which pressurizes the surrounding the inner chamber outer chambers with pressure. A cohesive connection between the inner and outer chambers is unnecessary because the pressure device acts on the outer chambers such that the inner chamber is jammed.
Die Druckeinrichtung könnte mehrere Rohrschellen oder eine Manschette umfassen. Würde die Innenkammer auf ihren planen Außenflächen beispielsweise jeweils dreizehn Peltier-Elemente tragen, könnten dreizehn Rohrschellen verbaut werden, wobei die Verschlussbereiche der Rohrschellen gleichmäßig versetzt angeordnet sind, so dass die Druckbeaufschlagung homogenisiert wird.The pressure device could comprise several pipe clips or a collar. If, for example, the interior chamber carried thirteen Peltier elements on its planar outer surfaces, thirteen pipe clamps could be installed, with the closure regions of the pipe clamps being uniformly staggered, so that the pressurization is homogenized.
Die Ausübung von Druckkraft auf die Innenkammer hat nicht nur die Aufgabe, die Innenkammer zu verklemmen, sondern auch, die Effizienz der Peltier-Elemente zu erhöhen. Unter Druck verringern die Peltier-Elemente ihren Wärmeübergangswiderstand, intensivieren dadurch den Wärmetausch und verbessern den Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Peltier-Wärmetauschers. Bezüglich eines Ausführungsbeispiels unter Verwendung von Peltier-Elementen mit Kantenlängen 4 cm x 4 cm und einer Leistung von 60 W bis 240 W hat sich eine Druckbeaufschlagung von 4 kg/cm3 als ausreichend herausgestellt.The exertion of compressive force on the inner chamber has not only the task of jamming the inner chamber, but also to increase the efficiency of the Peltier elements. Under pressure, the Peltier elements reduce their heat transfer resistance, thus intensify the heat exchange and improve the efficiency of the Peltier heat exchanger according to the invention. With respect to an embodiment using Peltier elements with
Gemäß einer weiteren Ausführungsform könnten die Eingänge und Ausgänge der Außenkammern des erfindungsgemäßen Peltier-Wärmetauschers zumindest ein Fußteil ausbilden, das einerseits als tragendes Standelement für den Peltier-Wärmetauscher dient, andererseits aber auch eine Druckausgleichsfunktion wahrnimmt. Zur Wahrnehmung der Druckausgleichsfunktion könnte der Fußteil einen besonderen, regulierenden, geometrischen, vorzugsweise spiegelbildlichen, Aufbau aufweisen, der verursacht, dass der Druck des durchströmenden Wassers überall gleich ist und unterschiedliche Durchflusswiderstände vermieden werden.According to a further embodiment, the inputs and outputs of the outer chambers of the Peltier heat exchanger according to the invention could form at least one foot part, which on the one hand serves as a supporting stand element for the Peltier heat exchanger, but on the other hand also performs a pressure compensation function. To perform the pressure compensation function of the foot part could have a special, regulatory, geometric, preferably mirror-image, construction, which causes the pressure of the water flowing through it is the same everywhere and different flow resistance can be avoided.
Zusätzlich zu einer Gleichstromquelle, die die Peltier-Elemente funktionstüchtig macht und zusätzlich zur Druckbeaufschlagung, die die Funktionstüchtigkeit der Peltier-Elemente verbessert, könnte eine weitere positive Beeinflussung der Peltier-Elemente durch Wassereigenschaften erfolgen. Es ist herausgefunden worden, dass eine gleichmäßige Stimulierung der Peltier-Elemente erzielt werden kann, wenn ein bezüglich der Temperatur homogener Durchfluss des Wärmetransportmediums realisiert wird. Würde keine homogene Temperaturverteilung im Wärmetransportmedium vorliegen, würde sich der Widerstand an den Peltier-Elementen stets ändern und der Wärmetausch würde nicht so effektiv sein. Vorteilhaft ist also das gleichmäßige Arbeiten des Peltier-Wärmetauschers infolge einer homogenen Temperaturverteilung. Vor diesem Hintergrund könnten die Eingänge und Ausgänge der Wärmeaustauschkammern zumindest einen Fußteil, ggf. auch einen Kopfteil, ausbilden, der derart ausgestaltet ist, dass er eine Homogenisierung der Temperatur des Wärmetransportmediums bewirkt. Die könnte nach einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung durch einen besonderen, regulierenden, geometrischen, vorzugsweise spiegelbildlichen Aufbau des Fußteils erreicht werden.In addition to a DC source that makes the Peltier elements functional and in addition to pressurization, which enhances the functionality of the Peltier elements, further beneficial effects on the Peltier elements could be due to water properties. It has been found that a uniform stimulation of the Peltier elements can be achieved if a temperature-homogeneous flow of the heat transport medium is realized. If there were no homogeneous temperature distribution in the heat transport medium, the resistance at the Peltier elements would always change and the heat exchange would not be so effective. So advantageous is the uniform work of the Peltier heat exchanger due to a homogeneous temperature distribution. Against this background, the entrances and exits of the heat exchange chambers could form at least one foot part, possibly also a head part, which is designed such that it effects a homogenization of the temperature of the heat transport medium. The could be achieved according to a particular embodiment of the invention by a special, regulatory, geometric, preferably mirror-image construction of the foot.
Das Einpumpen des Wärmetransportmediums in den Fußteil des Peltier-Wärmetauschers könnte durch eine Pumpe bspw. einer Heizungsanlage realisiert sein. Der Pumpendruck der dortigen Pumpe wird für den Kreislauf im erfindungsgemäßen Peltier-Wärmetauscher übernommen. Sofern die Fließrichtung des wärmeren Wärmetransportmediums nach oben festgelegt ist, könnte das Wärmetransportmedium von Verbrauchern oder von einem Speicher kommen, die dem Wärmetransportmedium zwar Wärme entzogen haben, Restwärme aber noch vorhanden ist.The pumping of the heat transfer medium in the foot of the Peltier heat exchanger could be realized by a pump, for example. A heating system. The pump pressure of the local pump is taken over for the circulation in the Peltier heat exchanger according to the invention. If the direction of flow of the warmer heat transfer medium is fixed upward, the heat transport medium could come from consumers or from a store, which have indeed withdrawn the heat transfer medium heat, but residual heat is still present.
Zusätzlich zum Fußteil könnte der erfindungsgemäße Peltier-Wärmetauscher auch einen Kopfteil aufweisen, der im Wesentlichen denselben regulierenden, geometrischen, vorzugsweise spiegelbildlichen Aufbau des Fußteils aufweist und dem Befüllen der Außenkammern in nach unten weisender Fließrichtung mit denselben Vorteilen dient.In addition to the foot part of the Peltier heat exchanger according to the invention could also have a head portion having substantially the same regulatory, geometric, preferably mirror-image construction of the foot and the filling of the outer chambers in downward flow direction with the same advantages.
Das heruntergekühlte Wärmetransportmedium könnte vom erfindungsgemäßen Peltier-Wärmetauscher bspw. zu einem Wärmeabsorber einer Heizungsanlage transportiert werden, wo es sich leicht erwärmt und dann wieder zum erfindungsgemäßen Peltier-Wärmetauscher zurückfließt. Das aufgeheizte Wärmetransportmedium könnte vom erfindungsgemäßen Peltier-Wärmetauscher zu einem Speicher einer Heizungsanlage transportiert werden, gibt dort seine Wärme ab und fließt über eine separate Umwälzpumpe zurück. Hierbei könnte die Innenkammer von dem vom Fußteil kommenden Wärmetransportmedium durchströmt werden, das mit höherer Temperatur über den Kopfteil zum Speicher gelangt. Dagegen könnten die Außenkammern mit dem vom Kopfteil kommende Wärmetransportmedium durchströmt werden, das dann mit abnehmender Temperatur über den Fußteil zum Wärmeabsorber einer Heizungsanlage gelangtThe cooled heat transfer medium could be transported by the Peltier heat exchanger according to the invention, for example. To a heat absorber a heating system, where it heats up easily and then flows back to the Peltier heat exchanger according to the invention. The heated heat transport medium could be transported by the Peltier heat exchanger according to the invention to a memory of a heating system, where it gives off its heat and flows back through a separate circulation pump. In this case, the inner chamber could be flowed through by the heat transfer medium coming from the foot part, which reaches the store at a higher temperature via the head part. By contrast, the outer chambers could be flowed through by the heat transfer medium coming from the head part, which then passes with decreasing temperature over the foot part to the heat absorber of a heating system
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Peltier-Wärmetauschers könnten nur solche Peltier-Elemente zum Einsatz kommen, die dieselben Widerstandswerte aufweisen. Dazu könnte vor dem Verbau im Peltier-Wärmetauscher, insbesondere vor dem Aufkleben auf die Außenflächen der Innenkammer, ein Test mit einem Labornetzgerät durchgeführt werden. According to a further preferred embodiment of the Peltier heat exchanger only those Peltier elements could be used which have the same resistance values. For this purpose, a test with a laboratory power supply could be carried out before installation in the Peltier heat exchanger, in particular before sticking to the outer surfaces of the inner chamber.
Die gleiche Qualität der verbauten Peltier-Elemente ist besonders bei deren Reihenschaltung von großer Bedeutung, da sonst das schwächste Peltier-Element mit dem größten Widerstand das Arbeitstempo des erfindungsgemäßen Peltier-Wärmetauschers determiniert.The same quality of the installed Peltier elements is particularly important in their series connection of great importance, since otherwise the weakest Peltier element with the greatest resistance determines the working speed of the Peltier heat exchanger according to the invention.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Peltier-Wärmetauschers sieht vor, dass die Peltier-Elemente, Kante an Kante, angeordnet sind und eine geschlossene Fläche ausbilden.A further preferred embodiment of the Peltier heat exchanger according to the invention provides that the Peltier elements, edge to edge, are arranged and form a closed surface.
Das unterbrechungslose, flächendeckende Kante-an-Kante-Verlegen der Peltier-Elemente ist dahingehend vorteilhaft für den erfindungsgemäßen Peltier-Wärmetauscher, dass Isolationsbrücken verhindert werden und ein homogener, guter Stromdurchfluss erzielt wird. Die gleichbleibende Qualität des Stromdurchflusses verbessert die Initialisierung und Ausübung der Eigenschaften der Peltier-Elemente. Bei der Verwirklichung des Innen-Außen-Prinzips am erfindungsgemäßen Peltier-Wärmetauscher könnte die flächendeckende Anordnung der Peltier-Elemente dadurch erreicht werden, dass auf alle Außenflächen der Innenkammer lückenlos Peltier-Elemente aufgebracht sind. Hierdurch werden auf kleinstem Raum die meisten Peltier-Elemente verwertet.The uninterrupted, area-wide edge-to-edge laying of the Peltier elements is advantageous for the Peltier heat exchanger according to the invention in that insulation bridges are prevented and a homogeneous, good flow of current is achieved. The consistent quality of the current flow improves the initialization and exercise of the properties of the Peltier elements. When realizing the inside-outside principle on the Peltier heat exchanger according to the invention, the area-covering arrangement of the Peltier elements could be achieved by applying Peltier elements without gaps to all outer surfaces of the inner chamber. As a result, most of the Peltier elements are utilized in the smallest of spaces.
Weiterführende Merkmale des erfindungsgemäßen Peltier-Wärmetauschers richten sich auf die Anordnung von Strömungshindernissen in den Wärmeaustauschkammern, die zur Verwirbelung des Wärmetransportmediums und zur Homogenisierung der Temperatur dienen. Die Strömungshindernisse könnten in Form von mehreren gegeneinander insbesondere um 90 Grad versetzten Einsätzen vorliegen, von denen das oberste und das unterste perforiert sind. Die Einsätze könnten durch Rohrstücke ausgebildet sein. Die Strömungshindernisse können bei Bauformen des Innen-Außen-Prinzips sowohl in der aufrecht stehenden Innenkammer als auch in den aufrecht stehenden Außenkammern angeordnet sein - und zwar quer zur vertikalen Ausrichtung der Wärmeaustauschkammern. Das Wärmetransportmedium transformiert beim Durchströmen der Perforation des oberen Einsatzes als Strömungshindernis vom Strahl zur Verwirbelung. Dabei reduziert sich die Strömungsgeschwindigkeit und das Wärmetransportmedium kann besser Wärme aufnehmen, denn es prallt gegen die Innenoberflächen der Innen- und Außenkammern, die vorzugsweise aus wärmeleitfähigem Kupfer bestehen. Ein oberes Rohrstück könnte eine große Ausnehmung aufweisen, die zum Eingang der Wärmeaustauschkammer weist. Ein unteres Rohrstück könnte eine große Ausnehmung aufweisen, die zum Ausgang der Wärmeaustauschkammer weist. Die gegenüberliegenden Bereiche des oberen und unteren Rohrstücks könnten siebartig perforiert sein. Mindestens ein mittlerer Einsatz könnte ohne Perforierung auskommen und wahlweise ebenfalls als Rohrstück vorliegen. Die Länge der Einsätze, ggf. Rohrstücke, entspricht in etwa dem Innenquerschnitt der Wärmeaustauschkammern.Further features of the Peltier heat exchanger according to the invention are directed to the arrangement of flow obstacles in the heat exchange chambers, which serve to swirl the heat transfer medium and to homogenize the temperature. The flow obstacles could be in the form of several against each other in particular offset by 90 degrees inserts, of which the top and the bottom are perforated. The inserts could be formed by pipe pieces. The flow obstacles can be arranged in both the upright interior chamber and in the upright outer chambers in the internal-external principle, namely across the vertical orientation of the heat exchange chambers. The heat transport medium transforms when flowing through the perforation of the upper insert as a flow obstacle from the jet to the vortex. This reduces the flow velocity and the heat transport medium can absorb heat better, because it bounces against the inner surfaces of the inner and outer chambers, which preferably consist of thermally conductive copper. An upper tube piece could have a large recess facing the entrance of the heat exchange chamber. A lower piece of pipe could have a large recess facing the exit of the heat exchange chamber. The opposite areas of the upper and lower tube piece could be perforated like a sieve. At least one medium insert could do without perforation and optionally also be present as a piece of pipe. The length of the inserts, possibly pipe sections, corresponds approximately to the inner cross section of the heat exchange chambers.
Zudem könnte bei Ausführungsformen, die das Innen-Außen-Prinzip verwirklichen, ein Isolierbehälter vorgehalten werden, in den der Peltier-Wärmetauscher eingesetzt wird.In addition, in embodiments that realize the inside-outside principle, an insulating container could be provided in which the Peltier heat exchanger is used.
Schließlich könnte eine Steuerung im Hinblick auf den Stromdurchfluss der Peltier-Elemente vorgesehen sein. Die Peltier-Elemente könnten zu Strängen verlötet sein. Mehrere Stränge könnten in Reihe und/oder parallel geschaltet werden. Die beiden Anschlüsse jedes Peltier-Elementes sind verlötet bzw. kurzgeschlossen. Nur das erste und das letzte Peltier-Element eines Stranges weisen Anschlüsse auf und werden über diese mit Gleichstrom versorgt. Die Steuerung könnte innerhalb einer thermoelektrischen Anlage auch die Regulierung der Einspeiseleistung in das öffentliche Netz in Spitzenzeiten übernehmen und dadurch zur Netzentlastung beitragen.Finally, a control could be provided with regard to the current flow of the Peltier elements. The Peltier elements could be soldered into strands. Multiple strands could be connected in series and / or in parallel. The two terminals of each Peltier element are soldered or short-circuited. Only the first and the last Peltier element of a strand have connections and are supplied with direct current via them. Within a thermoelectric system, the controller could also take over the regulation of feed-in power into the public grid at peak times, thereby contributing to grid relief.
Die rohrförmigen Wärmetauschkammern könnten sich vorzugsweise vertikal zum Untergrund erstrecken und ermöglichen eine platzsparende Anordnung und eine Einfügung in Heizungsanlagen auch kleineren Formates. Alternativ ist eine von einer vertikalen Anordnung der Wärmeaustauschkammern verschiedene Anordnung - zum Untergrund geneigt oder parallel - ebenso möglich.The tubular heat exchange chambers could preferably extend vertically to the ground and allow a space-saving arrangement and an insertion in heating systems even smaller format. Alternatively, a different arrangement of a vertical arrangement of the heat exchange chambers - inclined to the ground or parallel - also possible.
Das Wärmetransportmedium könnte Wasser sein. Das Wasser könnte zusätzlich mit Frostschutzmittel zur Verhinderung von Vereisung angereichert sein. Bei industriellen Anwendungen könnte es sich bei dem Wärmetransportmedium auch um Wasserdampf oder Abgas handeln.The heat transport medium could be water. The water could additionally be enriched with antifreeze to prevent icing. In industrial applications, the heat transport medium could also be water vapor or exhaust gas.
Der erfindungsgemäße Peltier-Wärmetauscher könnte innerhalb von Energieanlagen, Wärme-Kraft-Anlagen, thermoelektrischen Anlagen oder Heizungsanlagen, insbesondere umfassend Pufferspeicher, zum Einsatz kommen und der Effizienzverbesserung dienen. Als Anwendungsbereiche des erfindungsgemäßen Peltier-Wärmetauschers kommen je nach Auslegung Einfamilienhäuser genauso in Betracht wie bspw. Industrieanlagen zur Abwärmenutzung. Im industriellen Anwendungsfall würde ein robuster Aufbau des erfindungsgemäßen Peltier-Wärmetauschers erforderlich sein, der den Drücken heißen Wasserdampfs oder Abgasen standhält. Auch hier kann das Innen-Außen-Prinzip verwirklicht werden, jedoch vorzugsweise mit Einführung des heißen Wärmetransportmediums in die Außenkammern und des kühleren Wärmetransportmediums in die Innenkammer. Je mehr durch den erfindungsgemäßen Peltier-Wärmetauscher gekühlt wird, umso höher ist die elektrische Leistung des dann als Thermogenerators vorliegenden Peltier-Wärmetauschers. Ein weiteres Einsatzgebiet des erfindungsgemäßen Peltier-Wärmetauschers betrifft den Bereich der Klimaanlagen.The Peltier heat exchanger according to the invention could be used within energy plants, heat-power plants, thermoelectric plants or heating systems, in particular comprising buffer storage, and serve to improve the efficiency. As applications of the Peltier heat exchanger according to the invention come depending on the design of family houses as well as, for example, industrial plants for waste heat recovery. In industrial application would be a robust construction of the Peltier heat exchanger according to the invention be required, which withstands the pressures of hot steam or exhaust gases. Again, the inside-outside principle can be realized, but preferably with introduction of the hot heat transport medium in the outer chambers and the cooler heat transfer medium in the inner chamber. The more cooled by the Peltier heat exchanger according to the invention, the higher the electrical power of the Peltier heat exchanger then present as a thermogenerator. Another application of the Peltier heat exchanger according to the invention relates to the field of air conditioning.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des angeführten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung werden im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen
-
1 in schematischer Darstellung, eine Vorderansicht des erfindungsgemäßen Peltier-Wärmetauschers, -
2 in schematischer Darstellung, eine Vorderansicht des Gegenstandes der1 unter Weglassung der Druckeinrichtung, -
3 A eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie A-A des Gegenstandes der2 , unter Vernachlässigung des Fußteils, -
3 Beine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie B-B des Gegenstandes der2 , unter Vernachlässigung des Kopfteils, -
4 eine Aufsicht aufden Gegenstand der 2 , -
5 eine Unteransicht des Gegenstandes der2 , -
6 in verkleinerter Darstellung,ein Detail aus 5 , betreffend den Aulass und dessen Strömungsverbindung zur Ringleitung -
7 in schematischer Darstellung, Kante an Kante liegende Peltier-Elemente, die eine Fläche ausbilden und -
8 in schematischer Darstellung, eine Aufsicht auf eine quadratische Innenkammer und vier rechteckige Außenkammern einer alternativen Bauformvariante des erfindungsgemäßen Peltier-Wärmetauschers.
-
1 in a schematic representation, a front view of the Peltier heat exchanger according to the invention, -
2 in a schematic representation, a front view of the object of1 omitting the printing device, -
3 A a sectional view taken along the section line AA of the subject of the2 , neglecting the foot part, -
3 Legs sectional view along the section line BB of the object of the2 , neglecting the head part, -
4 a supervision of the object of2 . -
5 a bottom view of the object of2 . -
6 in reduced form, a detail from5 , concerning the outlet and its flow connection to the loop -
7 in a schematic representation, edge-to-edge Peltier elements that form a surface and -
8th in a schematic representation, a plan view of a square inner chamber and four rectangular outer chambers of an alternative design variant of the Peltier heat exchanger according to the invention.
Die
Die Wärmeaustauschkammern
Für den Zu- und Ablauf des Wärmetransportmediums in die und aus den Wärmeaustauschkammern
Die erfindungsgemäß rohrförmig ausgebildeten Wärmeaustauschkammern
In der Innenkammer
Die Gleichstromquelle
Aus der
Der aufrecht auf dem Untergrund
Die
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Peltier-Wärmetauschers
Zusätzlich zu der in den
Hinsichtlich weiterer, in den Figuren nicht gezeigter Merkmale wird auf den allgemeinen Teil der Beschreibung verwiesen. Abschließend sei darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Lehre nicht auf das voranstehend erörterte Ausführungsbeispiel und die vorgestellten Varianten eingeschränkt ist.With regard to further features, not shown in the figures, reference is made to the general part of the description. Finally, it should be noted that the teaching of the invention is not limited to the above-discussed embodiment and the variants presented.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Peltier-WärmetauscherPeltier heat exchanger
- 22
- Wärmeaustauschkammer, InnenkammerHeat exchange chamber, inner chamber
- 33
- Wärmeaustauschkammer, AußenkammerHeat exchange chamber, outer chamber
- 44
- Wärmeaustauschkammer, AußenkammerHeat exchange chamber, outer chamber
- 55
- Wärmeaustauschkammer, AußenkammerHeat exchange chamber, outer chamber
- 66
- Wärmeaustauschkammer, AußenkammerHeat exchange chamber, outer chamber
- 7 7
- Peltier-ElementPeltier element
- 88th
-
Plane Außenfläche von
2 Plane outer surface of2 - 99
-
Plane Außenfläche von
3-6 Plane outer surface of3-6 - 1010
-
Eingang
2 entrance 2 - 1111
-
Ausgang
2 exit 2 - 1212
-
Eingang
3-6 entrance3-6 - 1313
-
Ausgang
3-6 exit3-6 - 1414
- Untergrundunderground
- 1515
- GleichstromquelleDC power source
- 1616
- Anschlussleisteterminal block
- 1717
- Druckeinrichtung, RohrschellePrinting device, pipe clamp
- 1818
- Fußteilfootboard
- 1919
- Kopfteilheadboard
- 2020
- Ringleitungloop
- 2121
-
Verteileranschluss für
3-6 Distributor connection for3-6 - 2222
-
Strömungsverbindung von
12 oder13 Flow connection of12 or13 - 2323
- RohrschellenverschlussPipe clamp closure
- 2424
- Strömungshindernisflow obstruction
- 2525
- DurchtrittsöffnungThrough opening
- 2626
- Durchtrittsöffnung Through opening
- 2A2A
- Fließrichtungflow direction
- 3B-6B3B-6B
- Fließrichtungflow direction
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- CH 700314 A2 [0004]CH 700314 A2 [0004]
- DE 102006004756 A1 [0005]DE 102006004756 A1 [0005]
- DE 102005036492 A1 [0006]DE 102005036492 A1 [0006]
Claims (12)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102017011794.2A DE102017011794A1 (en) | 2017-12-20 | 2017-12-20 | Peltier heat exchanger |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102017011794.2A DE102017011794A1 (en) | 2017-12-20 | 2017-12-20 | Peltier heat exchanger |
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---|---|
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-
2017
- 2017-12-20 DE DE102017011794.2A patent/DE102017011794A1/en active Pending
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication |