DE1165051B

DE1165051B - Electrothermal device for achieving cooling or heat effects and thermoelectric device for generating electricity

Info

Publication number: DE1165051B
Application number: DES68541A
Authority: DE
Inventors: Dr Ernst Sprengel; Fritz Mueller
Original assignee: Siemens Elektrogaerate GmbH
Current assignee: SEG Hausgeraete GmbH
Priority date: 1960-05-17
Filing date: 1960-05-17
Publication date: 1964-03-12
Also published as: GB980458A; GB982007A; DE1191395B; CH402905A; NL260487A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Internat. Kl.: F 25 bBoarding school Class: F 25 b

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:.Number:
File number:
Registration date:
Display day :.

Deutsche Kl.: 17 a - 20German class: 17 a - 20

1 165 051
S 685411 a/17 a
17. Mai 1960
12. März 19641 165 051
S 685411 a / 17 a
May 17, 1960
March 12, 1964

Die Erfindung betrifft eine elektrothermische Vorrichtung zur Erzielung von Kühl- oder Wärmewirkungen und eine thermoelektrische Vorrichtung zur Stromerzeugung, bei denen zur Wärmezufuhr und/ oder Wärmeabfuhr bei den zu einem Block zusammengefaßten Thermoelementen mit Verdampfung und Kondensation eines Hilfsmediums arbeitende Wärmeübertragungssysteme dienen und bei denen die die einzelnen Elemente miteinander stromleitend verbindenden Kupferbrücken auf ihrer von den Elementen abgewendeten Seite eine Wärmeaustauschflache aufweisen, die direkt von dem flüssigen bzw. dampfförmigen Hilfsmedium bespült wird.The invention relates to an electrothermal device for achieving cooling or heating effects and a thermoelectric device for generating electricity, in which the heat supply and / or heat dissipation in the case of the thermocouples combined to form a block with evaporation and condensation of an auxiliary medium working heat transfer systems are used and in which the Copper bridges connecting the individual elements to one another in a conductive manner on their of the elements facing away a heat exchange surface have, which is flushed directly from the liquid or vaporous auxiliary medium.

Bei elektrothermischen und thermoelektrischen Vorrichtungen ist es bekannt, die Elemente zu einem Block zusammenzufassen, der dazu dienen kann, Kühl- oder Wärmewirkungen bei entsprechender Stromzufuhr oder umgekehrt elektrischen Strom bei Anordnung des Elementenblocks zwischen entsprechenden Temperaturniveaus zu erzeugen. Die zu einem Block zusammengefaßten Elemente gestatten es, entsprechende Leistungen auf verhältnismäßig kleinem Raum zusammenzudrängen. Ein besonders schwieriges Problem besteht dabei darin, an der Wärmeaustauschfläche des Elementenblocks auf der warmen und auf der kalten Seite den hinreichenden Wärmeaustausch sicherzustellen.In electrothermal and thermoelectric devices, it is known to combine the elements into one To summarize block that can be used to cool or heat effects when appropriate Power supply or, conversely, electric power when the element block is arranged between corresponding ones Generate temperature levels. Allow the elements combined into a block it is to squeeze corresponding services together in a relatively small space. A special one difficult problem consists in the heat exchange surface of the element block on the ensure adequate heat exchange on the warm side and on the cold side.

Wenn man einen derartigen Elementenblock beispielsweise zur Kälteerzeugung in einem Kühlschrank anwenden will, muß man auf der kalten Seite für einen hinreichenden Wärmeaustausch mit der Kühlraumluft sorgen, und auf der warmen Seite der Elemente muß die freiwerdende Wärme an die Luft der Umgebung abgeführt werden. Der Wärmeaustausch mit der Luft erfordert, sofern man mit direkter Luftkühlung der Wärmeaustauschfläche arbeiten will, die Anwendung einer großen Wärmeaustauschfläche, deren Unterbringung im guten Wärmekontakt mit dem Elementenblock erhebliche Schwierigkeiten macht.If such an element block is used, for example, to generate cold in a refrigerator wants to apply, one must on the cold side for a sufficient heat exchange with the cold room air care, and on the warm side of the elements, the heat released must reach the air of the Environment are discharged. The heat exchange with the air requires, provided one is using direct air cooling the heat exchange surface wants to work, the use of a large heat exchange surface, their accommodation in good thermal contact with the element block considerable difficulties power.

Es ist bekannt, die Wärmezufuhr und die Wärmeabfuhr bei Peltiereinheiten durch Anwendung indirekter Wärmeübertragungssysteme, die mit Verdampfung und Kondensation eines Hilfsmediums arbeiten, günstiger zu gestalten. Diese Wärmeübertragungssysteme gestatten es, die wärmeaufnehmende, luftberührte Oberfläche auf der kalten Seite und die wärmeabgebende, luftberührte Oberfläche auf der warmen Seite räumlich von dem Peltierblock hinreichend zu trennen und an den Wärmeaustauschflächen des Peltierblockes selbst kleinere, als Kondensator bzw. als Verdampfer arbeitende Wärmeaus-It is known that the supply of heat and the dissipation of heat in Peltier units by using indirect Heat transfer systems that involve evaporation and condensation of an auxiliary medium work to make it cheaper. These heat transfer systems allow the heat-absorbing, air-contact surface on the cold side and the heat-emitting, air-contact surface on the warm side to be sufficiently separated spatially from the Peltier block and at the heat exchange surfaces of the Peltier block itself, smaller heat ex-

Elektrothermische Vorrichtung zur Erzielung
von Kühl- oder Wärmewirkungen und
thermoelektrische Vorrichtung zur
StromerzeugungElectrothermal device for achieving
of cooling or warming effects and
thermoelectric device for
Power generation

Anmelder:Applicant:

Siemens-Electrogeräte Aktiengesellschaft,Siemens-Electrogeräte Aktiengesellschaft,

Berlin und München,Berlin and Munich,

München 1, Oskar-von-Miller-Ring 18Munich 1, Oskar-von-Miller-Ring 18

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Dr. Ernst Sprengel,Dr. Ernst Sprengel,

Schmalenbeck über Ahrensburg (Holst.),Schmalenbeck via Ahrensburg (Holst.),

Fritz Müller, BerlinFritz Müller, Berlin

tauscher anzuwenden. Um diese Systeme hinreichend wirksam zu machen, muß für einen besonders intensiven Wärmeaustausch der Wärmedurchgangsfläche des Peltierblockes mit den genannten Wärmeaustauschern der Systeme gesorgt werden. In dieser Hinsicht ist eine Anordnung bekannt, bei der die einzelnen im elektrischen Isoliermaterial angeordneten Elemente durch Kupferbrücken verbunden werden, die direkt von Wasser umspült werden. Wasser ist aber als Medium eines mit Verdampfung und Kondensation eines Hilfsmediums arbeitenden Sekundärsystems auf Grund seiner physikalischen Daten ungeeignet. Darüber hinaus werden auch noch andere Fragen durch die bekannte Anordnung nur sehr unbefriedigend gelöst.to apply exchanger. In order to make these systems sufficiently effective, one must be particularly intensive Heat exchange of the heat transfer surface of the Peltier block with the named heat exchangers the systems are taken care of. In this regard, an arrangement is known in which the individual im electrical insulating material arranged elements are connected by copper bridges, which directly are washed around by water. As a medium, however, water is one with evaporation and condensation The secondary system working with the auxiliary medium is unsuitable due to its physical data. About that In addition, other questions are only very unsatisfactory as a result of the known arrangement solved.

Würde man nämlich die Wärmebrücken direkt in dem Boden eines Gefäßes, das das Hilfsmedium aufnimmt, anordnen, so würden erhebliche Schwierigkeiten bei der Isolierung dieser Brücken auftreten.If you were to place the thermal bridges directly in the bottom of a vessel that holds the auxiliary medium, arrange, there would be considerable difficulties in isolating these bridges.

Verwendet man eine Glaseinschmelzung der im allgemeinen aus Kupfer bestehenden Wärmebrücken, so müssen sie zur Anpassung an die aus Gründen der Festigkeit relativ dicke Glasplatte ebenfalls relativ dick gewählt werden, wodurch der Wärmeübergang innerhalb der Brücken erschwert wird. Bettet man dagegen die Wärmebrücken in einem organischen Isolierstoff, wie z.B. Gießharz, ein, so ist man bei der Auswahl des Hilfsmediums sehr eingeengt, da viele geeignete Substanzen die organischen Isolierstoffe angreifen.If a glass seal is used for the thermal bridges, which generally consist of copper, so they must also be relative in order to adapt to the glass plate, which is relatively thick for reasons of strength be chosen thick, whereby the heat transfer within the bridges is difficult. One bed on the other hand, the thermal bridges in an organic insulating material, such as cast resin, so you are at The selection of the auxiliary medium is very limited, since many suitable substances are organic insulating materials attack.

Durch die Erfindung wird eine Anordnung vorgeschlagen, bei der die genannten Schwierigkeiten nichtThe invention proposes an arrangement in which the difficulties mentioned do not occur

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auftreten. Gemäß der Erfindung weist nämlich der Verdampfer und Kondensator des Wärmeübertragungssystems in einer unteren und in einer oberen als Flanschteil ausgebildeten Wand kurze Rohrstücke auf, die zur Isolierung voneinander mit Glas in entsprechende Bohrungen der Flanschteile eingeschmolzen und auf die Kupferbrücken dicht aufgelötet sind, so daß sie die direkte Verbindung der Oberflächen der Kupferbrücken mit den Innenräumen der Wärmeübertragungssysteme bilden.appear. According to the invention namely the evaporator and condenser of the heat transfer system short pipe sections in a lower wall and in an upper wall designed as a flange part which are melted into corresponding holes in the flange parts with glass to isolate them from each other and soldered onto the copper bridges so that they are the direct connection of the surfaces of the copper bridges with the interiors of the heat transfer systems.

Auf diese Weise wird eine praktisch ausführbare Anordnung für ein Wärmeübertragungssystem geschaffen, bei der die zur Kontaktierung der Elemente dienenden Wärmebrücken direkt von einem flüssigen oder dampfförmigen Medium bespült werden. Bei der neuen Anordnung kann man nämlich die Rohrstücke aus einem Material herstellen, das sich dem Wärmeausdehnungsverhalten des Glases gut anpaßt, und man kann außerdem die zur Kontaktierung dienenden Kupferbrücken als eine relativ dünne Schicht ausführen. Zudem wird mit der neuen Anordnung der Vorteil erreicht, daß selbst dann oberhalb jeder Brücke mit Sicherheit Flüssigkeit zurückbleibt, wenn die ganze Anordnung vorübergehend stark geneigt wird.In this way a practically feasible arrangement for a heat transfer system is created, in which the thermal bridges used to make contact with the elements come directly from a liquid or vapor medium. With the new arrangement you can namely the pipe pieces made of a material that adapts well to the thermal expansion behavior of the glass, and the copper bridges used for contacting can also be used as a relatively thin layer carry out. In addition, with the new arrangement, the advantage is achieved that even then above each Bridge with certainty remains liquid if the whole arrangement is temporarily steeply inclined will.

Als Hilfsmedium werden elektrisch gut isolierende Kältemittel (z. B. die zur Gruppe der Fluorkarbone gehörenden Verbindungen F 12 (CF₂Cl₂), F 21 (CHFCl₂) od. dgl.) verwendet. Wenn es sich um Anordnungen handelt, bei denen sowohl auf der kalten Seite eines Pelüerblocks die Wärmezufuhr als auch auf der warmen Seite die Wärmeabfuhr durch Vermittlung eines Hilfsmediums erfolgen soll, werden vorzugsweise zwei verschiedene Hilfsmedien verwendet, wobei die Wahl der beiden Hilfsmedien vorzugsweise so getroffen wird, daß im Betrieb nicht zu große Druckunterschiede auftreten. Zu diesem Zweck kann auf der warmen Seite ein Hilfsmedium mit niedrigerem Dampfdruck, beispielsweise F 21, und auf der kalten Seite ein solches mit höherem Dampfdruck, beispielsweise F 12, zur Anwendung kommen. Ein besonders wirksamer Wärmeaustausch wird dadurch erzielt, daß jeder Kupferbrücke zwei zu den zugehörigen Elementen koaxial liegende Verbindungsrohre zugeordnet werden. Die Wärmeaustauscher, die den Kondensator und den Verdampfer des Wärmeübertragungssystems bilden, lassen sich besonders einfach aus wenigen Bauteilen herstellen, indem man sie aus einer ebenen, die Verbindungsrohre aufnehmenden Platte und einer am Rande damit vorzugsweise durch Löten dicht verbundenen Kappe herstellt, die ihrerseits die beiden Enden der Umlaufleitungen für das Medium aufnimmt. Diese Umlaufleitungen selbst wird man vorzugsweise als Rohrstummel ausführen, so daß man den Elementenblock selbst mit den Wärmeaustauschern als eine Baueinheit ausführen kann, an die nachträglich die Umlaufsysteme mit den zugehörigen äußeren Wärmeaustauschern anzuschließen sind. Die gesamte Baueinheit kann beispielsweise aus einem Elementenblock bestehen, der auf der warmen Seite einen Verdampfer und auf der kalten Seite einen Kondensator je eines Wärmeübertragungssystems aufweist, wobei die Kappen dieser beiden Teile durch zwei oder mehrere Schrauben und Isolierstützen zur Entlastung der Lötstellen der Elemente miteinander verbunden sind. Für den Elementenblock wird man vorzugsweise einen rechteckigen oder quadratischen Grundriß anwenden und diesen Block auf mindestens einer Seite mit einem im Grundriß kreisrunden Wärmeaustauscher eines Wärmeübertragungssystems kombinieren.As an auxiliary medium, electrically well insulating refrigerants (e.g. the compounds F 12 (CF ₂ Cl ₂ ), F 21 (CHFCl ₂ ) or the like belonging to the group of fluorocarbons) are used. When it comes to arrangements in which the heat is supplied on the cold side of a Pelüerblock as well as heat dissipation on the warm side by means of an auxiliary medium, two different auxiliary media are preferably used, the choice of the two auxiliary media preferably being made in this way that the pressure differences are not too great during operation. For this purpose, an auxiliary medium with a lower vapor pressure, for example F 21, can be used on the warm side, and one with a higher vapor pressure, for example F 12, can be used on the cold side. A particularly effective heat exchange is achieved in that each copper bridge is assigned two connecting pipes which are coaxial with the associated elements. The heat exchangers, which form the condenser and the evaporator of the heat transfer system, are particularly easy to manufacture from a few components by making them from a flat plate that accommodates the connecting tubes and a cap that is tightly connected at the edge, preferably by soldering, which in turn makes the two Receives ends of the circulation lines for the medium. These circulation lines themselves will preferably be designed as stub tubes, so that the element block itself with the heat exchangers can be implemented as a structural unit to which the circulation systems with the associated external heat exchangers are to be connected subsequently. The entire unit can consist, for example, of an element block that has an evaporator on the warm side and a condenser of a heat transfer system on the cold side, the caps of these two parts being connected to one another by two or more screws and insulating supports to relieve the soldering points of the elements are. A rectangular or square plan will preferably be used for the element block and this block will be combined on at least one side with a heat exchanger of a heat transfer system that is circular in plan.

Für die zuletzt genannte Ausführungsform der Erfindung ist in den Figuren schematisch ein Ausführungsbeispiel dargestellt. DieAn exemplary embodiment is shown schematically in the figures for the last-mentioned embodiment of the invention shown. the

F i g. 1 zeigt einen Querschnitt und die F i g. 2 eine Draufsicht auf die Baueinheit. Mit 1 sind die einzelnen Elemente, die als kurze ίο zylindrische Körper ausgeführt sind, bezeichnet. Diese Elemente sind mit Hilfe von Kupferbrücken 2 zu einem Block mit quadratischer Grundrißform zusammengefaßt. In die Kupferbrücken 2 sind auf der oberen wärmeabgebenden Seite Rohre 3 und auf der unteren wärmeaufnehmenden Seite Rohre 4 hart eingelötet. Diese Rohre sind außen mit Glas, dessen Ausdehnungskoeffizient dem der Rohre 3 angepaßt ist, umwickelt und werden mit dem ebenen Flanschteil 5 auf der warmen Seite und mit dem ebenen Flanschteil 6 auf der kalten Seite im Ofen druckdicht verschmolzen, so daß zwischen den Rohren 3 bzw. 4 die Glaseinschmelzung 7 den Abschluß bildet. Nach diesem Einschmelzungsvorgang werden die Kupferbrücken an den den Elementen zugekehrten Seiten 8 und 9 plangeschliffen, und die Elemente! selbst werden dann mit Hilfe eines Weichlotes an die Brücken angelötet. Nachdem also die Elemente 1 beispielsweise an die Brücken 2 angelötet sind, die ihrerseits mit der Platte 5 zusammengefügt sind, werden die Elemente auf der kalten Seite plangeschliffen und gemeinsam kontaktiert. Der Gegenflansch 6, der ebenfalls wie beschrieben behandelt ist, wird auf die Stirnseite der Elemente 1 aufgelötet, wobei die bereits gelötete, dem Flansch 5 zugeordnete Seite in Wasser getaucht wird, um einen thermischen Schutz zu erreichen. Anschließend werden die Kappen 10 und 11, die bereits mit Rohrstummeln 12, 13 bzw. 14, 15 versehen sind, druckdicht mit ihren kreisrunden Rändern mit den Rändern der Flansche 5 und 6 verlötet. Die Lötstellen an den Elementen werden mit Hilfe von Isolierstützen 16 und Schrauben 17 entlastet. Wie aus dem Grundriß der F i g. 2 zu entnehmen ist, sind beispielsweise drei solcher Schrauben 17 vorhanden, die die gesamte Baueinheit starr zusammenfassen. An die Rohrstummel 12 und 13 werden nachträglich die Umlaufleitungen 18, 19 mit dem direkt luftgekühlten Kondensator 20 des Wärmeübertragungssystems angeschlossen und das entsprechende Wärmeübertragungsmedium eingefüllt. In ähnlicher Weise werden an die Rohrstummel 14, 15 die Umlaufleitungen 21, 22 mit dem Verdampfer 23 angeschlossen und auch hier das entsprechende Hilfsmedium eingefüllt. Der Anschluß der Rohrstummel 12 bis 15 ist, wie die F i g. 1 erkennen läßt, so gewählt, daß ein eindeutiger Umlauf der beiden Hilfsmedien in Richtung der Pfeile 24 und 25 sichergestellt ist.F i g. 1 shows a cross section and FIG. 2 is a plan view of the structural unit. With 1, the individual elements, which are designed as short ίο cylindrical bodies, are referred to. These Elements are combined with the help of copper bridges 2 to form a block with a square plan. In the copper bridges 2 are tubes 3 on the upper heat-emitting side and on the lower heat-absorbing side tubes 4 brazed in place. These tubes are outside with glass, whose Coefficient of expansion that is adapted to the tubes 3, wrapped around and with the flat flange part 5 on the warm side and pressure-tight with the flat flange part 6 on the cold side in the oven fused so that the glass seal 7 forms the conclusion between the tubes 3 and 4, respectively. After this melting process, the copper bridges are placed on the ones facing the elements Pages 8 and 9 sanded flat, and the elements! then with the help of a soft solder to the Bridges soldered on. So after the elements 1 are soldered to the bridges 2, for example, the are in turn joined together with the plate 5, the elements are ground flat on the cold side and contacted together. The counter flange 6, which is also treated as described, is on the The end face of the elements 1 is soldered on, the already soldered side associated with the flange 5 in water is immersed in order to achieve thermal protection. Then the caps 10 and 11, which are already provided with pipe stubs 12, 13 or 14, 15, pressure-tight with their circular edges soldered to the edges of the flanges 5 and 6. The soldering points on the elements are made using Relieved of pressure from insulating supports 16 and screws 17. As from the plan of FIG. 2 can be found for example, three such screws 17 are present, which rigidly summarize the entire structural unit. At the pipe stubs 12 and 13 are subsequently the circulation lines 18, 19 with the directly air-cooled Connected condenser 20 of the heat transfer system and the corresponding heat transfer medium filled. In a similar way, the circulation lines 21, 22 is connected to the evaporator 23 and the corresponding auxiliary medium is also filled in here. Of the Connection of the pipe stub 12 to 15 is, as shown in FIG. 1 reveals, chosen so that a unique Circulation of the two auxiliary media in the direction of arrows 24 and 25 is ensured.

Die in der F i g. 1 dargestellte Baueinheit kann beispielsweise in die obere Isolierwand 26 eines Kühlschrankes eingebaut werden. Der Verdampfer 23 und der Kondensator 20 der Wärmeübertragungssysteme können eine den jeweiligen Erfordernissen angepaßte Form und Lage innerhalb des Kühlraumes oder außen am Kühlschrank bekommen.The in the F i g. 1 assembly shown can for example in the upper insulating wall 26 of a refrigerator to be built in. The evaporator 23 and the condenser 20 of the heat transfer systems can have a shape and position within the cooling room or adapted to the respective requirements get on the outside of the fridge.

Claims

Patent claims:

1. Electrothermal device for achieving cooling or heating effects and thermoelectric Device for generating electricity,

in those for heat supply and / or heat dissipation in those combined to form a block Thermocouples with evaporation and condensation of an auxiliary medium working heat transfer systems serve, and in which the individual elements conduct electricity to one another connecting copper bridges a heat exchange surface on their side facing away from the elements have, which is flushed directly by the liquid or vaporous auxiliary medium, characterized in that the Evaporator or the condenser of the heat transfer system in a lower or in an upper wall designed as a flange part (5, 6) has short pipe sections (3, 4) which are used for Isolation from one another with glass (7) melted into corresponding holes in the flange parts (5, 6) and on the copper bridges (8, 9) are soldered tight, so that they are the direct connection of the surfaces of the copper bridges (8, 9) with the interiors of the heat transfer systems.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that each copper bridge (8, 9) has two Coaxial pipe sections (3, 4) are assigned to the associated elements.

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the capacitor and / or the evaporator of each heat transfer system from one of the flat pieces of pipe (3, 4) receiving flange parts (5, 6) and one each at the edge with the associated flange part (5, 6) is preferably tightly connected by soldering the cap (10, 11) which the Receives ends of the circulation lines (18, 19, 21, 22) for the auxiliary medium.

4. Apparatus according to claim 3, characterized in that the ends of the circulation lines (18, 19, 21, 22) are designed as tubular stubs (12, 13, 14, 15) to which the to the associated heat exchangers (20, 23) leading circulation lines (18, 19, 21, 22) to be connected are.

5. Apparatus according to claim 1 or one of the following claims, characterized in that that the element block with the known rectangular, preferably square plan shape on at least one side with a circular plan in plan the heat exchanger secondary heat transfer systems is combined.

6. Device according to claim 1 or one of the following claims, and in which the Peltier block on the warm side as an evaporator and on the cold side as a condenser Evaporation and condensation of an auxiliary medium working heat transfer system serves, characterized in that the cover caps to relieve the soldering points of the elements (10, 11) these two parts with two or more screws (17) and insulating supports (16) are connected.

Considered publications:
British Patent No. 798,882;
U.S. Patent No. 2,870,610.

1 sheet of drawings