DE1299828B

DE1299828B - Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb einer thermoelektrischen Kuehlanlage

Info

Publication number: DE1299828B
Application number: DEB81757A
Authority: DE
Inventors: Newton Alwin B
Original assignee: Borg Warner Corp
Current assignee: Borg Warner Corp
Priority date: 1964-05-06
Filing date: 1965-05-05
Publication date: 1969-07-24
Also published as: US3255593A; ES312564A1; NL6505778A; GB1097662A; BE663399A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor- Linien sind Linien konstanten Wirkungsgrades (Verrichtung zum Betrieb einer elektrischen Kühlanlage, hältnis der erzeugten Wärmepumpleistung zur erforinsbesondere einer Anlage, die zum Heizen und derlichen Eingangsleistung). F i g. 1 zeigt speziell die Kühlen geeignet ist und vorzugsweise in Klima- Veränderlichen einer Anlage, bei der die Temperatur anlagen verwendet werden kann. 5 auf der Seite, zu der die beim Kühlen entnommene

Bei bestimmten Anwendungen einer solchen ther- Wärme abgeführt wird, einen konstanten Wert von Bioelektrischen Kühlanlage, beispielsweise bei der 4,5° C hat. Es ist zu beachten, daß bei einer anderen Regelung der Temperatur eines Raumes, in dem Temperatur auf dieser Seite ein anderes Kennlinienständig eine beträchtliche Wärmemenge erzeugt wird, feld zu benutzen wäre; die angenommene Temperaz. B. durch Maschinen oder elektronische Einrich- io tür von 4,5° C ist für die Erläuterung der Erfindung tungen, kann eine Kühlung auch dann erforderlich jedoch zweckmäßig. Das dargestellte Diagramm sein, wenn die Temperatur der Umgebung unterhalb wurde mit einer thermoelektrischen Batterie erhalten, der Temperatur des zu kühlenden Bereichs liegt. Ein die eine Querschnittsfläche von 38,2 mm² und ein solcher Fall kann beispielsweise auch bei der Rege- Verhältnis Fläche zu Länge von 1,27 cm hatte, lung der Temperatur im Inneren von Gebäuden auf- 15 Im folgenden wird die Nutzseite der Anlage, d. h. treten, die mit großen, der Sonne ausgesetzten Glas- die mit dem zu kühlenden bzw. zu heizenden Beflächen versehen sind. reich in Wärmeaustausch stehende Seite, als innere

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, die Wirk- Seite bezeichnet und die andere Seite als äußere samkeit der thermoelektrischen Kühlung unter den Seite.

angegebenen Bedingungen zu verbessern. 20 Im oberen rechten Quadranten I der F i g. 1 ist die

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt nach Temperatur der inneren Seite niedriger als die Temder Erfindung durch ein Verfahren zum Betrieb einer peratur der äußeren Seite. Auf der Abszissenachse thermoelektrischen Kühlanlage, das dadurch gekenn- sind die pro Zeiteinheit an der inneren Seite der Anzeichnet ist, daß in Betriebsbereichen, in denen die lage entnommenen Wärmemengen Q_c aufgetragen; Temperatur auf der zu kühlenden Seite der Anlage as positive Werte von Q_c bedeuten dabei, daß an der höher ist als die Temperatur auf der Seite, zu der die inneren Seite Wärme entnommen und zur äußeren beim Kühlen entnommene Wärme abgeführt wird, Seite gepumpt wird. Im unteren rechten Quadrandie Zufuhr elektrischer Energie zu den Thermoele- ten IV ist die äußere Seite kälter als die innere; dies menten unterbrochen und der Stromkreis der Ther- kommt in negativen Werten der Temperaturdifferenz moelemente durch einen Widerstand geschlossen 30 zum Ausdruck. In den beiden Quadranten I und IV wird, sobald der Kühlleistungsbedarf unter etwa den wird Wärme von der inneren Seite zur äußeren Seite Wert absinkt, der bei der Betriebsspannung Null als gepumpt. Die beiden anderen Quadranten II und III Külleistung zur Verfügung steht. links von der Vertikalachse sind in bezug auf die Er-

Die Erfindung zieht somit Nutzen aus der findung ohne Interesse und werden hier nicht weiter Tatsache, daß die Thermoelemente bei Zufuhr elek- 35 beschrieben.

irischer Energie nicht nur als umkehrbare Wärme- Beim Betrieb der Anlage im Quadranten IV ent-

pumpen wirken, sondern auch als Erzeuger elek- fällt ein Teil der Gesamt-Wärmeübertragung auf irischer Energie, wenn die beiden Seiten der Anlage thermoelektrisches Pumpen und ein Teil auf Wärmeauf verschiedenen Temperaturen liegen. Bei Anwen- leitung durch das thermoelektrische Material. In dung des Verfahrens nach der Erfindung arbeiten 40 Fig. 1 sind zwei durch den Ursprung gehende unter den angegebenen Bedingungen die Thermo- Linien E=O und 7=0 eingezeichnet. Beim Betrieb elemente als elektrische Generatoren; die in dem an- der Anlage an irgendeiner Stelle rechts von der geschlossenen Widerstand frei werdende Wärme Linie 7=0 wird Wärme thermoelektrisch von der stammt dabei aus dem zu kühlenden Raum, so daß inneren zur äußeren Seite der Thermoelementanordim Vergleich zum Betrieb mit offenem Stromkreis die 45 nung gepumpt, auch wenn die Netto-Wärmeüber-Kühlung verbessert ist und die beim Kühlen ent- tragung in der entgegengesetzten Richtung stattfindet nommene Wärme je nach Anordnung des Wider- (Quadrant II). Anders gesagt: solange der Pumpstandes an irgendeiner gewünschten Stelle nutzbrin- faktor π_ο1 (?r_c=Peltierkoeffizient, 7=Strom) positiv gend verwertet werden kann. ist, ist der Wärmetransport infolge des Peltiereffekts

Das Verfahren nach der Erfindung kann mit Vor- 50 positiv, auch wenn die Verluste infolge der /²R-Erteil auch bei thermoelektrischen Heiz- und Kühl- wärmung und der Wärmeleitübertragung KA T den anlagen verwendet werden, bei denen die Polarität Effekt des Wärmepumpens nach Peltier überder die Thermoelemente speisenden Stromquelle um- schreiten. Umgekehrt sind Vorgänge im Bereich schaltbar ist. links von /=0 dadurch gekennzeichnet, daß der auf

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der 55 den Peltier-Effekt zurückgehende Wärmetransport Erfindung dargestellt. von außen nach innen verläuft. Im Quadranten IV

F i g. 1 zeigt ein typisches Kennlinienfeld einer liegt z. B. rechts von der senkrechten Achse und links Thermoelementanordnung; von der Linie I=O ein keilförmiger Bereich, in dem

F i g. 2 zeigt in schematischer Darstellung eine die durch AR-Heizung entstehende Wärme größer thermoelektrische Heiz- und Kühlanlage nach der 60 ist als die thermoelektrisch übertragene Wärme. Erfindung. Alle Punkte auf der mit E=O bezeichneten Linie

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Betriebsdaten- stellen den Stromfluß für den Fall dar, daß die Ein-Kennlinienfeld für ein Thermoelement oder eine gangsspannung an der Thermoelementanordnung Thermoelementanordnung oder -batterie ist auf der gleich Null ist. Es ist zu beachten, daß diese Linie senkrechten Achse die Temperaturdifferenz zwischen 65 einem System mit festem Widerstand des Stromden beiden Seiten der Anlage aufgetragen. Die schrä- kreises entspricht. Übrigens stellt die Neigung dieser gen Linien entsprechen jeweils einem konstanten Linie den durch den Widerstand R dividierten See-Gleichstrom, und die gekrümmten (gestrichelten) beck-Koeffizienten S dar. Im Bereich zwischen den

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Linien/=O und E=O ist der infolge des Seebeck- durch den erhöhten Widerstand der Arbeitspunkt Effekts von den Thermoelementen erzeugte Strom von der Stellet nach links bis zur StelleB. Der Beausreichend, um die Wärmepumpvorgänge innerhalb trieb kann dann in diesem Bereich unbegrenzt fortdieses Bereichs aufrechtzuerhalten. Wenn die Ein- gesetzt werden, wobei die freie Kühlwirkung der Angangsspannung£=O ist, kann der Strom durch eine 5 lage ausgenutzt wird und am Belastungswiderstand Erhöhung des Stromkreiswiderstandes weiter ver- Wärme frei wird. Der Punkt B entspricht einem mindert werden. Auf der Linie /=0 findet kein Strom von annähernd 2,5 Ampere und einer Tempe-Peltier-Wärmepumpen statt; infolgedessen ist dort raturdifferenz von 19,4° C. Dabei hat die äußere eine Wärmeübertragung allein durch Leitung von Seite eine Temperatur von 4,5° C und die innere der heißen (inneren) Seite zur kalten (äußeren) Seite io Seite eine Temperatur von annähernd 24° C. Zur Ermöglich. Anders ausgedrückt: die Neigung der zielung eines optimalen Wirkungsgrades sollte der an Linie /=0 ist gleich dem Wärmeleitkoeffizienten K die Thermoelementanordnung gelegte Widerstand des thermoelektrischen Materials. etwa gleich dem Widerstand dieser Thermoelement-

Erfindungsgemäß wird die Thermoelementanord- anordnung sein.

nung im Bereich zwischen den Linien/=0 und JS=O 15 Eine bevorzugte Ausführungsform einer erfinals Generator betrieben. Der Einfachheit halber sei dungsgemäß arbeitenden Anlage ist in F i g. 2 dargeangenommen, daß bei einer Klimaanlage eine kon- stellt Eine Wand 10 eines Gebäudes oder eines andestante Belastung durch die Luftaufbereitung gegeben ren Raumes trennt den temperaturgeregelten Raum sei. Ferner sei angenommen, daß die Anlage zu- von der äußeren Umgebung. In dem zu kühlenden nächst bei einer etwas höheren Temperatur auf der 20 (oder zu erwärmenden) Raum ist eine Heiz- und Außenseite arbeitet, z. B. 32° C, und zwar irgendwo Kühlanlage 12 mit einer Thermoelementanordnung in einem Quadranten/ eines zugehörigen (nicht dar- vorgesehen, die zwei gegenüberliegende Platten 14 gestellten) Kennlinienfeldes, das die Variablen für und 16 enthält, von denen jede mehrere Thermoeine Außentemperatur von 32° C wiedergibt. Ferner elemente 17 aufweist, die an eine elektrische Schalsei angenommen, daß die Temperatur auf der äuße- 25 tung angeschlossen sind. Die Elemente 17 haben geren Seite später auf einen Wert von 4,5° C absinkt, meinsame Verbindungsstellen 18, 19 auf der inneren z. B. auf Grund von atmosphärischen Veränderungen bzw. äußeren Seite. Die innere Seite 18 jeder Platte oder irgendeiner anderen Ursache. Bei diesem Ab- ist vorzugsweise mit Kühlrippen versehen, über sinken der Temperatur auf der äußeren Seite kann welche mittels eines Gebläses 20 Luft umgewälzt die erforderliche Wärmepumpleistung unter ent- 30 wird. Die äußere Seite 19 jedes Thermoelements sprechender Verminderung der der Thermoelement- liegt wärmeleitend an einem Wärmeaustauscher 21, anordnung zugeführten elektrischen Leistung er- durch den ein sekundäres Wärmeaustauschmedium halten werden. Bei der Verminderung dieser Leistung umgewälzt wird. In der dargestellten Ausf ührungsnimmt der Temperaturunterschied zwischen der form wird Wasser von einem Kühlturm 22 durch eine äußeren (zunächst heißeren) Seite und der inneren 35 Pumpe 23 über mehrere Kanäle durch den Wärme-(zunächst kälteren) Seite bis zu dem Punkt ab, an austauscher umgewälzt; es kann jedoch auch ein bedem diese beiden Temperaturen gleich sind; sodann liebiges anderes Wärmeübertragungsmedium zum geht der Betrieb in den Quadranten IV über, in Abführen der Wärme zur äußeren Seite benutzt welchem die innere Seite wärmer ist als die äußere werden.

Seite. In diesem Bereich ergibt sich eine Wärme- 40 Die Schaltung zur Speisung der Thermoelemente strömung durch Leitung von der inneren zur äußeren enthält Mittel zur Richtungsumkehr des den EIe-Seite, und die der Thermoelementanordnung züge- menten zugeführten elektrischen Stromes sowie zum führte elektrische Leistung verstärkt diesen Wärme- Abtrennen der Energiezufuhr bei gleichzeitigem Anstrom und gestattet eine bessere Steuerung. legen eines Belastungswiderstandes an die Thermo-

Unter Umständen kann der Betrieb der Anlage 45 elementanordnung. Die aus abwechselnd angeordauch in den Quadranten IV übergehen und die neten p- und η-Materialien bestehende Thermo-LinieE=0 erreichen. An dieser Stelle wird nach elemente können an eine Gleichstromquelle 32 ander Erfindung der Stromkreis der Theremoelement- geschlossen werden. Die Leitungen 26, 27 verbinden anordnung mit einem Widerstand geschlossen; diese die Thermoelementanordnung mit einem doppel-Belastung bleibt im Bereich zwischen den Linien 50 poligen Dreistellungsschalter 28, der in Abhängigkeit JB=O und /=0 bestehen. In diesem Betriebsbereich von einer Steuereinrichtung 35 in der Form wirksam erzeugt die Thermoelementanordnung elektrische ist, daß er wahlweise die Thermoelementanordnung Energie durch den Seebeck-Effekt, und diese Ener- mit der Stromquelle in der einen oder der anderen gie wird durch /²i?-Erwärmung an dem angeschlos- Polarität oder mit dem Widerstand 36 verbindet. In senen Widerstand freigesetzt. 55 einer Stellung des Umschalters 28 (in ausgezogenen

Als Beispiel sei angenommen, daß eine der F i g. 1 Linien dargestellt) wird der Strom in der einen Richentsprechende Anlage aus einem temperaturgeregel- tung durch die Leitungen 26, 27, 29, 30 und 31 geten Raum eine etwa konstante Wärmeleistung von leitet. In der in gestrichelten Linien gezeigten Stel-1,26 Kilokalorien pro Stunde und Thermoelement lung α des Umschalters ist der Widerstand 36 über abzuführen hat. Die Eingangsspannung an der Ther- 60 die Leitungen 37, 38 an die Leitungen 26, 27 angemoelementanordnung kann dabei unter Umständen schlossen. Wenn sich der Umschalter 28 in der in bis zum Wert Null abfallen (£=0), und an diesem gestrichelten Linien gezeigten Stellung b befindet, ist Punkt beträgt der durch den Seebeck-Effekt erzeugte die Richtung des durch die Leitungen 26, 27 fließen-Strom annähernd 6 Ampere. Dieser Punkt ist in dem den elektrischen Stromes umgekehrt. Die Steuerein-Kennlinienfeld mit A bezeichnet. Wenn der Strom- 65 richtung 35 für die Betätigung des Umschalters 28 kreis der Thermoelementanordnung durch einen steuert ferner den zu der Gleichstromquelle gehörigen Widerstand geschlossen und gleichzeitig die äußere Stelltransformator 41, und zwar über eine Steuer-Energiequelle abgeschaltet wird, verschiebt sich leitung 42, die schematisch durch eine punktierte

Linie angedeutet ist, wobei die Steuerung in Abhängigkeit von der äußeren Umgebungstemperatur erfolgt, die durch einen Temperaturfühler 34 wahrgenommen wird; der Temperaturfühler ist über eine Leitung 43 mit der Steuereinrichtung 35 verbunden. Die Größe der für die thermoelektrischen Einheiten verfügbaren elektrischen Leistung ist proportional der Belastung, wie sie durch einen äußeren Temperaturfühler erfaßt wird, welcher auf die Temperatur der Umgebungsluft oder des durch den Kühlturm 22 umgewälzten Wärmeaustauschmediums an der äußeren Seite der Anlage anspricht. Wenn die äußere Umgebungstemperatur sehr hoch ist, ist die der Thermoelementanordnung für Kühlzwecke zugeführte elektrische Leistung maximal. Wenn die Umgebungstemperatur sinkt, nimmt der Wert der der Thermoelementanordnung zugeführten Leistung ab und ermöglicht ihnen, über eine längere Zeitdauer betrieben zu werden. Wenn die Umgebungstemperatur noch weiter absinkt, wird die Thermoelement- ao anordnung von Kühlen auf Heizen umgeschaltet, und die zugeführte Leistung steigt wieder an, um der Thermoelementanordnung eine ausreichende Heizleistung zu ermöglichen. Ein Innenthermostat 44, der auf die Temperatur in dem zu regelnden Raum an- »5 spricht, steuert die Zufuhr elektrischer Leistung zu den Thermoelementen in Abhängigkeit von der gewünschten Temperatur innerhalb des zu regelnden Raumes und bestimmt, ob die Thermoelementanordnung kühlend oder heizend wirken soll. Der Außen- 3<> thermostat 34, der entweder die Umgebungslufttemperatur oder die Temperatur des durch die Thermoelementanordnung umgewälzten Wärmeaustauchmediums an der äußeren Seite wahrnimmt, kann den Schalter 32 stets dann in die in gestrichelten Linien gezeigte Stellung α bewegen, wenn der Wert der für thermoelektrische Batterie verfügbaren elektrischen Leistung gleich Null ist. Offensichtlich kann dies auf mehrere verschiedene Weisen geschehen, z.B. Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz oder der Ausgangsleistung des Stelltransformators 41. In jedem Fall sollten die Steuermittel anzeigen, daß ein Betrieb in dem Selbsterregungsbereich zwischen E=O und I=O durchgeführt werden kann. Die eigentliche Steueranlage für eine solche Einheit kann verschiedene Formen annehmen und wird hier nur in bezug auf ihre Gesamtfunktion beschrieben.

Der Umschalter 28 wird so eingestellt, daß er sich in seine Stromumkehrstellung b bewegt, wenn die äußere Umgebungstemperatur unter den vorher festgelegten Wert absinkt, bei welchem der Widerstand 36 angeschaltet wird. Dies dient der Aufrechterhaltung einer sehr genauen Regelung der Temperatur, wenn die Belastung unter den »Selbsterregungsbereich« absinkt. Wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, ist die Stromrichtung umgekehrt, wenn sich der Betrieb links von der Linie /=0, jedoch rechts von der F-Achse abspielt, um der Wärmeübertragung durch Wärmeleitung entgegenzuwirken. Anders ausgedrückt, wird in diesem Arbeitsbereich mittels des Peltier-Effekts Wärme in das Gebäude hineingepumpt, obwohl der sich aus Leitung und Pumpen ergebende Netto-Wärmestrom aus dem Gebäude herausführt.

Die Erfindung wurde in Verbindung mit bestimmten speziellen Ausführungsformen beschrieben; dies diente nur der Erläuterung und soll keine Beschränkung bedeuten.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betrieb einer thermoelektrischen Kühlanlage, dadurch gekennzeichnet, daß in Betriebsbereichen, in denen die Temperatur auf der zu kühlenden Seite der Anlage höher ist als die Temperatur auf der Seite, zu der die beim Kühlen entnommene Wärme abgeführt wird, die Zufuhr elektrischer Energie zu den Thermoelementen unterbrochen und der Stromkreis der Thermoelemente durch einen Widerstand geschlossen wird, sobald der Kühlleistungsbedarf unter etwa den Wert absinkt, der bei der Betriebsspannung Null als Kühlleistung zur Verfügung steht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die den Thermoelementen zugeführte elektrische Leistung in Abhängigkeit von Meßgrößen automatisch geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrechung der Zufuhr von elektrischer Energie zu den Thermoelementen und der Anschluß des Widerstandes an den Stromkreis der Thermoelemente automatisch vorgenommen wird, sobald die Klemmenspannung der noch an die Betriebsstromquelle angeschlossenen Thermoelementanordnung fallend etwa den Wert Null erreicht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des Widerstandes etwa gleich dem Innenwiderstand der verwendeten Thermoelementanordnung gewählt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrechung der Zufuhr elektrischer Energie zu den Thermoelementen und die Schließung ihres Stromkreises durch den Widerstand dann vorgenommen wird, wenn die Temperatur auf der Seite der Anlage, zu der die beim Kühlen entnommene Wärme abgeführt wird, einen vorgegebenen Wert unterschreitet.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Anwendung in einer thermoelektrischen Heiz- und Kühlanlage mit umschaltbarer Polarität der die Thermoelemente speisenden Stromquelle.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einer Thermoelementanordnung, einer einstellbaren elektrischen Stromquelle und einer zwischen der Thermoelementanordnung und der Stromquelle liegenden Schalteinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung einen in Abhängigkeit von der Spannung der Stromquelle (32) betätigbaren Umschalter (28) aufweist, der die Thermoelementanordnung (14,16) von der Stromquelle trennt und an einen Widerstand (36) legt, wenn die Spannung der Stromquelle in der Nähe des Wertes Null liegt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine von Temperaturfühlern (34,44) gesteuerte Steuereinrichtung (35) für die einstellbare Stromquelle (32).

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung in an sich bekannter Weise so eingerichtet ist, daß die Polarität der aus der Stromquelle (32) der Thermoelementanordnung (14, 16) zuführbaren elektrischen Leistung umkehrbar ist, je nachdem, ob die Anlage kühlen oder heizen soll.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen