DE1604274C - Vorrichtung zum Heizen oder Kühlen von Luft mittels eines umlaufenden Flügelrades mit nach dem Peltier-Effekt arbeitenden thermoelektrischen Elementen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Heizen oder Kühlen von Luft mittels eines in einem Gehäuse umlaufenden Schaufelrades mit mindestens einer beiderseitig mit Ventilatorschaufeln besetzten Tragscheibe, in der nach dem Peltier-Effekt arbeitende thermoelektrische Elemente derart angeordnet sind, daß eine Gruppe gleichnamiger Kontaktstellen im Bereich der einen Tragscheibenfläche und die andere Gruppe entgegengesetzt gerichteter gleichnamiger Kontaktstellen im Bereich der anderen Tragscheibenfläche liegen.

Es ist bereits eine Vorrichtung zum Heizen oder Kühlen von Luft bekannt, die aus einem in einem Gehäuse rotierenden Flügelrad mit zwei Tragscheibenflächen besteht, zwischen denen eine Anzahl von nach dem Peltiereffekt arbeitenden, thermoelektrischen Elementen so angeordnet sind, daß mit der einen Tragscheibenfläche die eine Gruppe gleichnamiger Kontaktstellen.und mit der anderen Tragscheibenfläche die andere Gruppe entgegengesetzt gerichteter Kontaktstellen in Berührung stehen. Auf ihrer Außenseite sind beide Tragscheibenflächen je mit einer Anzahl von radialen Vertilatorflügeln ausgestattet, die mit dem Flügelrad umlaufen.

Die zum Klimatisieren von Räumen bestimmte Vorrichtung ist zwischen einer Fensterbank und dem zugehörigen Fensterrahmen angeordnet und weist größere Dimensionen auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine rotierende, nach dem Peltiereffekt arbeitende Klimatisierungsanlage zu schaffen, deren Abmessungen so gering sind, daß sie in ein Kraftfahrzeug eingebaut werden kann.

Hierzu schlägt die Erfindung vor, daß bei der eingangs beschriebenen Vorrichtung zum Heizen und Kühlen von Luft mit Hilfe von nach dem Peltiereffekt arbeitenden, thermoelektrischen Elementen die Ventilatorschaufeln durch ringförmige, senkrecht zur Umlauf achse gerichtete, parallele, Strömungsrichtende und den Wärmeaustausch fördernde Rippen verbunden sind, wobei eine ringförmige, am Gehäuse vorgesehene Strömungstrennungsrippe mit schwachem Zwischenraum in einer entsprechenden, im Umfang der Tragscheibe eingelassenen Nut angeordnet ist.

Verglichen mit der oben beschriebenen, bekannten Vorrichtung zum Heizen und Kühlen weist die Vorrichtung nach der Erfindung eine erheblich größere Wärmeaustauschfläche zwischen den mit den thermoelektrischen Elementen wärmeleitend verbundenen Ventilatorschaufeln und der von diesen geförderten Luft auf, was eine Verringerung der Abmessungen der gesamten Vorrichtung und eine Herabsetzung der Zahl der thermoelektrischen Elemente zuläßt.

Der verringerte Platzbedarf der Vorrichtung nach der Erfindung läßt, wie bereits erwähnt, ihren Einbau in ein Fahrzeug oder ein Raumgerät zu, oder sie kann in einer Wohnung z.B. als tragbares Ergänzungsgerät dienen.

Andere Vorteile werden im Verlauf der nun folgenden Beschreibung einiger beispielsweiser und schematisch in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsformen der Erfindung ersichtlich.

In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 den Schnitt durch eine dieser Ausführungsformen nach der Linie I-I der F i g. 2,

F i g. 2 eine Draufsicht, mit weggelassenen Teilen eines Rades der in der Fig. 1 dargestellten Vorrichtung,

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F i g. 3 den elektrischen Schaltplan der Vorrichtung nach der F i g. 1,

F i g. 4 und 6 im Schnitt andere Ausführungsformen der Vorrichtung,

F i g. 5 und 8 einen Teil des elektrischen Schaltplans der Vorrichtungen nach den F i g. 4 und 6,

Fig. 7 in Draufsicht, mit weggelassenen Teilen, ein Rad der Vorrichtung nach F i g. 6.

F i g. 1 zeigt das zylindrische Gehäuse 1 der Vorrichtung nach der Erfindung, das mit einer ringförmigen Rippe 2 ausgestattet ist und dessen Mantel Austrittsöffnungen 3 und 3 a aufweist. Zwei mit den Eintrittsöffnungen 5 und 5 α ausgestattete Deckel 4 und 4 a schließen das Gehäuse ab und werden durch Befestigungsmittel 6 an ihm festgehalten. In dem als Drehkörper ausgebildeten Gehäuse rotiert ein Rotor 7 um seine ihn tragende, hohle Achse 8, die z. B. in einem von dem einen Deckel Aa getragenen Lager 9 gelagert ist. .

Der von einem in der Zeichnung nicht dargestellten Elektromotor in Rotation versetzte Rotor 7 umfaßt zwei aus einer leichten Legierung bestehende Scheiben 10 und 10a, die mit Flügelnil und 11a ( ausgestattet sind, die auf der Ebene der Scheibe senkrecht stehen. Diese Flügel sind untereinander durch eine Anzahl ringförmiger Kränze 12 und 12 a verbunden, die so eingekerbt sind, daß sie in passenden Höhen auf den Flügeln 11 und 11a befestigt werden können. Die auf einem Rotor von etwa 200 mm Durchmesser angebrachten, ringförmigen Kränze haben einen gegenseitigen Abstand von 0,5 bis 2 mm.

Zwischen den mit Hilfe der Teile 13 und 14 zusammengedrückten und zentrierten Scheiben 10 und 10 a, anodisch oxydiert sind, so daß sie auf ihren inneren Flächen elektrisch isolierend wirken, liegen die thermoelektrischen Elemente 15 für den Peltier-Effekt, nämlich die Plättchen 16 und 16a (Fig. 2 und 3) bzw. von der Art »N« und »P«, aus einer Mischung von beispielsweise Tellur und Wismut und Selen und Wismut. Diese Elemente sind von einer Isolierschicht 17 ummantelt, vorzugsweise aus einem

. Wärme und Elektrizität schlecht leitenden Harz, das eine bedeutende mechanische Festigkeit aufweist. Die Elemente 15 können auch z. B. mit Hilfe eines monomeren flüssigen Harzes auf die Scheiben 10 und 10 α aufgeklebt sein. Diese Art der Befestigung ist in der Zeichnung nicht dargestellt.

Eine Wechselstrommaschine mit Gleichrichter und Fremderregung oder permanenten Magneten oder eine andere Quelle für elektrischen Gleichstrom versorgt die Elemente 15 über die Kontakte 18 und 18 a, die auf den Ringen 19 und 19 α schleifen, von denen Leitungen 20 und 20 α zu den Elementen 15 führen, mit Strom. Die elektrischen Schleifkontakte 18, 19 und 18 a, 19 a können auch mit dem Elektromotor verbunden sein.

Zur Herbeiführung einer ausgezeichneten thermischen Verbindung zwischen den Scheiben 10 oder 10 a, den Flügeln 11 oder 11a und den wärmeleitfähigen Kränzen 12 oder 12 a, die vorzugsweise aus ι leichten Legierungen bestehen, können diese Teile z. B. zusammen gegossen werden oder sie können so miteinander verschweißt werden, daß sie einen Block bilden. Des weiteren ist zu bemerken, daß die innen gelegenen Flächen dieser Scheiben 10,10 a nur einen \ geringen Abstand zu den Mächen der ringförmigen Rippe 2 haben, um die mit Hilfe der Flügel 11 und j

11 α zum Umlauf gebrachten beiden Ströme des Umlaufmittels zu trennen.

Im folgenden wird nun die Wirksamkeit der oben beschriebenen Vorrichtung unter der Voraussetzung dargestellt, daß die Kontakte 18 α und 18 an den positiven bzw. negativen Pol der Gleichstromquelle angeschlossen sind (F i g. 3).

Die Enden der Elemente 15, die mit den innen gelegenen Flächen der Scheiben 10 und 10 α in Berührung stehen, kühlen bzw. erhitzen die Luftströme 21 und 22, die durch die Eintrittsöffnungen 5 und 5 a angesaugt werden. Wird die Luft unmittelbar ausgestoßen, trennt eine Scheidewand 23 die beiden Ströme 21 und 22 (rechter Teil der F i g. 1). Tritt die Luft in der Form von Spiralen aus, sind Sammelkanäle 24 und 24 α vorgesehen (linker Teil der F i g. 1). Die Kränze 12 und 12 a vergrößern dabei die Wärmeaustauschflächen der Flügel 11 und 11a bedeutend und regeln das Fließen der Ströme 21 und 22.

Wie ohne weiteres zu verstehen ist, kann die Scheidewand 23 durch eine auf einem Fahrzeug vorgesehene Karosseriewand gebildet werden. Sodann liefert der Strom 21 die warme Innenluft, wobei der Strom 22 nach außen geleitet wird.

Die Vorrichtung kann auch zum Kühlen verwendet werden, selbst wenn sie schon fest eingebaut ist. Es braucht hierzu nur die Strömungsrichtung des Speisestromes umgekehrt werden, wozu lediglich die Kontakte 18 und 18 α nunmehr mit dem positiven bzw.-negativen Pol der Gleichstromquelle zu verbinden sind.

Bei einer besonders für Kraftfahrzeuge geeigneten Abwandlung der Vorrichtung mit sehr verringerten Ausmaßen (F i g. 4 und 5), die von einem (in der Zeichnung nicht dargestellten) Wärmekraftmotor angetrieben wird, trägt die von diesem Motor angetriebene Welle 8 des Rotors 7 den Anker 25 a eines Wechselstromgenerators 25, dessen in einem Anbaugehäuse 26 des Gehäusedeckels 4 α gelegener Stator 25 b durch die Leitungen 27 und 27 a von einer zeichnerisch nicht dargestellten Quelle mit Gleichstrom versorgt wird. Der dreiphasige z. B. (Fig. 5) von dem Anker 25 α gelieferte Wechselstrom wird mittels der Dioden 28 gleichgerichtet, bevor er die thermoelektrischen Elemente 15 versorgt.

Die Luft kann, wenn sie den Rotor 7 durchströmt hat, zum Kühlen der Wicklungen des Ankers 25 a und des Stators 25 b herangezogen werden. Für diesen Fall verbindet ein in der F i g. 4 mit gestrichelten Linien gezeichnetes Verbindungsstück 29 die Öffnungen 3 α des Gehäuses 1 mit den Eintrittsöffnungen 30 für die Kühlluft des Wechselstromgenerators.

Diese Anordnung erspart die elektrischen Schleifkontakte 18 und 19, 18 α und 19a, die wegen der für die Speisung der thermoelektrischen Elemente erforderlichen bedeutenden Stromstärken schwierig zu beherrschen sind.

Die F i g. 6, 7 und 8 zeigen eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung, bei der die thermoelektrischen Elemente zwischen den Wärme und Elektrizität leitenden Scheiben 10 und 10 a eingeschlossen und auf der hohlen, isolierenden Welle 8 gelagert sind, die die Lufteintrittsöffnungen 5 und 5 α aufweist. Die über die elektrischen Schleifkontakte 18 und 19, 18 a und 19 a mit elektrischem Gleichstrom versorgten Scheiben 10 und 10 α stehen mit geeigneten Mitteln, z. B. mit Hilfe der Schrauben 13 der F i g. 1 oder durch Schweißung in elektrischem Kontakt mit den thermoelektrischen Elementen 15. Diese thermoelektrischen Elemente können in der Form von Plättchen 16 oder 16 a der Arten »N« und »P« (F i g. 6, 7 und 8) ausgeführt sein, wobei die zwischen je zwei Scheiben gelegenen Plättchen alle die gleiche Art »N« oder »P« haben. Die Isoliermasse 17 hüllt die Plättchen ein, hält sie zusammen und isoliert sie. Diese Anordnung verringert die thermischen Spannungen und setzt die Elemente 15 in den Stand, der

ίο Zentrifugalkraft zu widerstehen, die auftritt, wenn die Vorrichtung in Betrieb genommen wird.

Ein Teil des quer durch die Welle 8 angesaugten Umlaufmittels (Pfeil F) wird beim Durchströmen zwischen den Scheiben 10 abgekühlt, der andere Teil dieses Umlaufmittels (Pfeil G) wird zwischen den Scheiben 10 α erwärmt, wenn der elektrische Strom in der in der F i g. 8 angegebenen Richtung fließt.

Soll das in der Vorrichtung abgekühlte Umlaufmittel 21 in den Kreislauf zurückgeführt werden, muß in dem Inneren der Welle 8 eine ortsfeste (Fig. 6) oder sich mit dieser Welle drehende Rohrleitung 31 angeordnet werden. Der innere Teil dieses durch eine Verbindungsleitung 32 mit dem Sammelstück 24 verbundenen Einbaues weist Mündungen 33 auf, die zu den Eintrittsöffnungen 5 (F i g. 6) oder 5 α führen. Es können auch einige der Scheiben 10 und 10 a weggelassen und in den so erhaltenen Hohlräumen Lufteintrittsöffnungen angeordnet werden.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Heizen oder Kühlen von Luft mittels eines in einem Gehäuse umlaufenden Schaufelrades mit mindestens einer beiderseitig mit Ventilatorschaufeln besetzten Tragscheibe, in der nach dem Peltiereffekt arbeitende thermoelektrische Elemente derart angeordnet sind, daß eine Gruppe gleichnamiger Kontaktstellen im Bereich der einen Tragscheibenfläche und die andere Gruppe entgegengesetzt gerichteter gleichnamiger Kontaktstellen im Bereich der anderen Tragscheibenfläche liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilatorschaufeln (11 und 11 α) durch ringförmige, senkrecht zur Umlaufachse gerichtete, parallele, Strömungsrichtende und den Wärmeaustausch fördernde Rippen (12 und 12 a) verbunden sind, wobei eine ringförmige, am Gehäuse (1) vorgesehene Strömungstrennungsrippe (2) mit schwachem Zwischenraum in einer entsprechenden, im Umfang der Tragscheibe eingelassenen Nut angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragscheibe durch eine hohle Antriebswelle (8) getragen wird, die einen Luftkanal zur zwischen den Rippen (12) mindestens einer der Tragscheibenseiten fließenden Luftströmung bildet, wobei die Luftdurchlaßöffnungen (5 α) zum Eintritt des Luftstromes in die Vorrichtung etwa gegenüber diesen Rippen in der Wandung der Welle (8) vorgesehen sind (F ig. 4, 6).

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (8) die Tragscheibe unmittelbar fest mit dem Anker (25 α) eines Wechselstromgenerators (25) verbindet, dessen Stator (25 b) mit Gleichstrom gespeist wird, während der Anker (25 α) mit den thermoelektrischen Elementen (15) unter Zwischenschaltung von Gleichrich-

tern (28) verbunden ist, wobei das tragscheibenseitige Ende der hohlen Welle offen ist und im Gehäuse (1), jeder Strömungsseite der Tragscheibe entsprechend, je eine radiale Luftaustrittsöffnung (3 bzw. 3 α) sowie, gegenüber dem offenen Ende der Welle (8), eine Lufteinlaßöffnung (5) vorgesehen sind (F i g. 4).

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (2) in einem mit einer Kühlluftauslaßöffnung versehenem Gehäuse untergebracht ist, welches derart mit einem der beiden Luftaustrittsöffnungen (3 bzw. 3 a) in Verbindung steht, daß die Luftströmung der entsprechenden Tragscheibenseite zur Kühlung des Generators verwendet wird (F i g. 4).

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Flügelrad eine Mehrzahl von Tragscheiben aufweist, zwischen denen die Schaufeln und Flügel angeordnet sind, derart, daß alle thermoelektrischen Elemente (15) von der gleichen Art »N« oder »P« unter Druck zwischen den inneren, elektrisch leitenden Flächen der rotierenden Scheiben (10, 10 d) eingesetzt sind und daß diese Scheiben (10, 10 a) und diese Elemente (15) auf einer isolierenden Welle (8) so aufgereiht sind, daß eine Kette thermoelektrischer Elemente (15) der Arten »N« und »P« gebildet wird und daß die Enden dieser Elemente (15) über Schleifkontakte (19, 19 a) die an den Flächen der außen liegenden Scheiben (10 a) angebracht sind, mit Gleichstrom versorgt werden (F i g. 6 bis 8).

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragscheiben aus zwei Scheiben (10, 10 a), zwischen denen die an ihren Flanken mit einem Isoliermaterial bekleideten thermoelektrischen Elemente (15) unter Druck derart eingesetzt sind, daß die Scheiben (10, 10 a), die Schaufeln (11, lla) und die Flügel (12, 12 a) einen gut wärmeleitenden Block bilden, wobei die Flanken der Nut durch die Innenflächen der Scheiben (10,10 a) gebildet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben (10, 10 a) aus Leichtmetall bestehen und an ihren inneren Flächen anodisch oxidiert sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die thermoelektrischen Elemente aus einer Anzahl nebeneinander angeordneter Zapfen (16,16 a) bestehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen