FR2506625A1 - GAS SEPARATION DEVICE - Google Patents

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Uwe Hingst
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    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/13—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the heat-exchanging means at the junction

Abstract

The apparatus for gas separation by partial condensation out of a gas phase, for example water from air, in particular for thermoelectric refrigeration, is composed of Peltier elements (5), arranged side by side, configured as heat exchangers, and furnished with fins (6). The fins (6) are bordered by an insulating wall (2) on the side facing away from the Peltier elements, the fins (6) preferably being arranged in parallel to the insulating wall. The insulating wall (2) forms a housing (3) configured in a U shape, in the axis or centre (4) of which are arranged the Peltier elements (5). The fins (6) are impinged by an air stream flowing in the housing.

Description

La présente invention se rapporte a un dispositif pour séparer des gaz par condensation partielle d'une phase gazeuse, par exemple, pour éliminer l'eau de l'air, en particulier, dans le cadre d'une climatisation ou d'une réfrigération thermo-électrique, ce dispositif comprenant des thermo-éléments constitués par des matériaux semi-conducteurs. The present invention relates to a device for separating gases by partial condensation of a gaseous phase, for example, for removing water from the air, in particular, in the context of air conditioning or thermo refrigeration. -electric, this device comprising thermo-elements constituted by semiconductor materials.

Des dispositifs de ce type connus dans la pratique, tels que des appareils frigorifiques et des climatiseurs mécaniques, font appel , pour produire de la chaleur ou du froid, à des techniques de compression absorption, étranglement, vaporisation et condensation. Or, ces techniques sont d'une mise en oeuvre relativement compliquée et laborieuse, et il n'est possible de réduire les dimensions de ces appareils que dans une mesure limitée. En conséquence, les appareils frigorifiques usuels, dont le fonctionnement est fondé sur des principes de compression et d'absorption, et sur les effets de Stirling, de Joule-Thomson et de Vuilleumier, ne peuvent être comme#on le souhaiterait réalisés, sous des dimensions réduites. Devices of this type known in the art, such as refrigeration appliances and mechanical air conditioners, use, to produce heat or cold, compression absorption, throttling, vaporization and condensation techniques. However, these techniques are relatively complicated and laborious to implement, and it is only possible to reduce the dimensions of these devices to a limited extent. Consequently, the usual refrigerating apparatuses, the operation of which is based on principles of compression and absorption, and on the effects of Stirling, Joule-Thomson and Vuilleumier, cannot be as # desired would be realized, under reduced dimensions.

Cela étant, la présente invention s'est fixé pour but de procurer un dispositif dans lequel un mélange gazeux peut être déshydraté, par une condensation partielle jusqu'au point de rosée et peut ensuite être chauffé une température déterminée par le coté chaud de thermo-éléments. Par ce moyen, il devient possible de climatiser des locaux relativements petits, et par exemple, aussi des conteneurs pour lesquels les installations et les appareils de climatisation traditionnels sont trop grands, trop compliqués et trop encombrants, et ne peuvent etre miniaturisés suffisamment. However, the present invention has set itself the aim of providing a device in which a gas mixture can be dehydrated, by partial condensation to the dew point and can then be heated to a temperature determined by the hot side of thermo elements. By this means, it becomes possible to air condition relatively small premises, and for example, also containers for which the traditional air conditioning installations and apparatus are too large, too complicated and too bulky, and cannot be miniaturized sufficiently.

L'invention atteint les buts qu'elle s'est fixés en proposant un dispositif du type spécifié en préambule qui se caractérise en ce que les thermo-éléments sont des éléments de Peltier pourvus d'ailettes, alignés par rangées et réalisés sous la forme d'un échangeur de chaleur, les ailettes étant limitées, du coté opposé aux éléments de Peltier, par une paroi isolante et disposées de préférence, parallèlement à cette paroi isolante et en ce que la paroi isolante forme une enveloppe en forme de
U, sur l'axe ou le plan médian de laquelle les éléments de Peltier sont montés et dans laquelle les ailettes sont balayées par un courant d'air.The invention achieves the goals which it has set itself by proposing a device of the type specified in the preamble which is characterized in that the thermo-elements are Peltier elements provided with fins, aligned in rows and produced in the form a heat exchanger, the fins being limited, on the side opposite to the Peltier elements, by an insulating wall and preferably arranged, parallel to this insulating wall and in that the insulating wall forms an envelope in the form of
U, on the axis or the median plane of which the Peltier elements are mounted and in which the fins are swept by a current of air.

L'avantage de l'invention réside dans l'utilisation d'éléments de Peltier qui permettent de fabriquer des appareils de climatisation et de chauffage relativement légers, présentant une structure simple et des dimensions réduites et qui, par conséquent, sont miniaturisables sous une forme de construction modulaire. En effet, les plaques de vaporisation et de condensation usuelles relativement encombrantes de ces appareils, par exemple, dans le cas d'une installation à compresseur, sont réduites, par les éléments de Peltier, à de simples plaques de petites dimensions se faisant face.L'utilisation de cette structure géométrique extrêmement simple des éléments de Peltier permet, par exemple, de réaliser un appareil de climatisation miniaturisé spécial qui peut être utilisé aussi bien pour refroidir que pour chauffer et qui fonctionne sans circuit frigogène, sans pièce mécanique mobile (à l'excep- tion d'un ventilateur), presque sans vibration et sans bruit, avec un minimum d'entretien et un maximum de fiabilité, tout en offrant de bonnes possibilités de réglage et une faible inertie. The advantage of the invention lies in the use of Peltier elements which make it possible to manufacture relatively light air conditioning and heating apparatuses, having a simple structure and reduced dimensions and which, therefore, can be miniaturized in a form modular construction. Indeed, the usual relatively bulky vaporization and condensation plates of these devices, for example, in the case of a compressor installation, are reduced, by the Peltier elements, to simple plates of small dimensions facing each other. The use of this extremely simple geometrical structure of the Peltier elements makes it possible, for example, to produce a special miniaturized air conditioning unit which can be used both for cooling and for heating and which operates without a refrigerant circuit, without moving mechanical part (to with the exception of a fan), almost vibration-free and noise-free, with minimum maintenance and maximum reliability, while offering good adjustment possibilities and low inertia.

L'appareil peut être conçu de façon à fonctionner dans toutes les positions et aussi bien sous une accélération nulle (zéro g) que sous de fortes accélérations. Pour les débits d'air relativement petits, son efficacité et son mode de fonctionnement sont pratiquement inégalables.The device can be designed to operate in all positions and under zero acceleration (zero g) as well as under strong acceleration. For relatively small air flows, its efficiency and mode of operation are almost incomparable.

La structure d'un tel dispositif se compose d'un groupe d'éléments de Peltier montés en série, sur les côtés chauds et froids desquels sont montées des ailettes de convection. Par convection, un mélange gazeux se refroidit par paliers le long du côté froid des éléments de Peltier jusqu'au point de rosée, le condensat résultant étant évacué par une sorte de cyclone, par une chicane à fente ou par des écrans perforés. Le courant gazeux restant est ensuite réchauffé à la température voulue en balayant les nervures disposées sur les faces chaudes des éléments de Peltier. The structure of such a device consists of a group of Peltier elements mounted in series, on the hot and cold sides of which are mounted convection fins. By convection, a gas mixture cools in stages along the cold side of the Peltier elements to the dew point, the resulting condensate being evacuated by a sort of cyclone, by a slotted baffle or by perforated screens. The remaining gas stream is then reheated to the desired temperature by scanning the ribs arranged on the hot faces of the Peltier elements.

Un tel agencement ou dispositif peut être réalisé sous la forme d'un petit appareil de climatisation , dans lequel il est prévu que le courant d'air ne soit chauffé que jusqu'à la température voulue sur le côté chaud des éléments de Peltier et,
pour cela qu'il soit dévié précocement hors de l'appareil . Dans
ce cas, une partie des éléments de Peltier doit être refroidie
d'une autre manière, par exemple, par un circuit d'air de refrôi-
dissement séparé ou par des liquides de refroidissement.Such an arrangement or device can be produced in the form of a small air conditioning unit, in which it is provided that the air stream is only heated to the desired temperature on the hot side of the Peltier elements and,
for that it is diverted early out of the device. In
in this case, part of the Peltier elements must be cooled
in another way, for example, by a cooling air circuit
separated or by coolants.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention
ressortiront de la description qui va suivre, faite sans aucun
caractère limitatif, en référence au dessin annexé, dans lequel
la figure 1 est une représentation schématique d'un petit appareil de climatisation conforme à l'invention ; et,
la figure 2 est une vue en coupe effectuée selon la ligne
A-A de la figure 1.Other characteristics and advantages of the invention
will emerge from the description which follows, made without any
limiting character, with reference to the accompanying drawing, in which
Figure 1 is a schematic representation of a small air conditioning device according to the invention; and,
Figure 2 is a sectional view taken along the line
AA in Figure 1.

La figure 1 représente schématiquement un petit appareil de climatisation I qui comprend une enveloppe extérieure 3 entourant une paroi isolante 2, cette enveloppe qui a une section transversale rectangulaire (comme le montre la figure 2) étant incurvée en U. Le long de l'axe ou du plan médian 4 de l'envelop pe 3, sont alignés à une certaine distance a les uns des autres, des éléments de Peltier 5 comportant des ailettes 6 qui sont orientées verticalement dans la direction de circulation des fluides (comme
l'indique les flèches) et dont les extrémités 7 s'étendent jus qu'à la surface intérieure 8 de la paroi isolante 2. L'enveloppe 3 présente, du côté opposé à sa partie incurvée en U 9 une ouverture d'entrée 10 et une ouverture de sortie 11 qui s'évasent vers l'extérieur.Un ventilateur 12 est monté dans l'ouverture d'entrée 10 afin d'engendrer un courant de fluide (comme l'indique les flèches). Dans la région de la courbure de l'enveloppe 3, une évacuation 14 pourvue d'ouvertures 13 est prévue à l'ex- trémité de la rangée d'éléments de Peltier 5 ; une évacuation analogue 14' avec des ouvertures 13' est-également formée dans la paroi isolante 2 de la section de sortie. Les ouvertures 13, 13' et les évacuations 14, 14' sont destinées à aspirer les condensats se formant dans les canaux de circulation 15, 16 de lten- veloppe 3. Pour éviter que le courant d'air (voir les flèches) s'échauffe au-delà de la limite désirée de température sur le côté chaud des éléments de Peltier 5, on a prévu dans l'enveloppe 3, du côté chaud des éléments de Peltier 5 des canaux 17,
18 pour une évacuation précoce de l'air.Figure 1 schematically shows a small air conditioning unit I which includes an outer casing 3 surrounding an insulating wall 2, this casing which has a rectangular cross section (as shown in Figure 2) being curved in U. Along the axis or from the median plane 4 of the envelope 3, are aligned at a certain distance from each other, Peltier elements 5 comprising fins 6 which are oriented vertically in the direction of circulation of the fluids (as
indicates the arrows) and whose ends 7 extend to the inner surface 8 of the insulating wall 2. The casing 3 has, on the side opposite to its curved U-shaped portion 9 an inlet opening 10 and an outlet opening 11 which flares outwards. A fan 12 is mounted in the inlet opening 10 in order to generate a flow of fluid (as indicated by the arrows). In the region of the curvature of the envelope 3, a discharge 14 provided with openings 13 is provided at the end of the row of Peltier elements 5; a similar outlet 14 'with openings 13' is also formed in the insulating wall 2 of the outlet section. The openings 13, 13 'and the outlets 14, 14' are intended to suck up the condensates which form in the circulation channels 15, 16 of the hood 3. To prevent the air flow (see arrows) from heats up beyond the desired temperature limit on the hot side of the Peltier elements 5, there are provided in the casing 3, on the hot side of the Peltier elements 5 of the channels 17,
18 for early evacuation of air.

La figure 2 est une vue en coupe transversale de l'appa reil de climatisation 1, qui met en évidence la section rectangulaire de la paroi isolante 2 et de l'enveloppe 3 et qui montre la disposition symétrique par rapport à l'axe 4, des éléments de Peltier 5 qui sont montés le long de celui-ci et qui se prolongent par les ailettes 6. Il est à noter que le canal de circulation 15 situé au-dessus de l'axe 4 correspond à la section de refroidissement 19, tandis que le canal 16 situé sous cet axe représente la zone de chauffage 20. FIG. 2 is a cross-sectional view of the air conditioning unit 1, which highlights the rectangular section of the insulating wall 2 and of the casing 3 and which shows the symmetrical arrangement with respect to the axis 4, Peltier elements 5 which are mounted along the latter and which are extended by the fins 6. It should be noted that the circulation channel 15 situated above the axis 4 corresponds to the cooling section 19, while the channel 16 located under this axis represents the heating zone 20.

Pour une conception optimale d'un tel appareil de climatisation de petites dimensions, il est nécessaire de faire des calculs basés sur les conditions limités données des surfaces d'échange de chaleur (ailettes), du débit d'air (circulation) et du nombre, ainsi que du type des éléments de Peltier. For an optimal design of such a small air conditioning unit, it is necessary to make calculations based on the given limited conditions of the heat exchange surfaces (fins), the air flow (circulation) and the number , as well as the type of Peltier elements.

C'est ainsi, par exemple, qu'en ce qui concerne l'exem- ple de réalisation décrit ci-dessus, une estimation grossière donne : nombre des éléments de Peltier : 12 (3 x 4 rangées) température de l'air
à l'entrée = 200C
après refroidissement = 2,50C
à la sortie = variable en fonction du débit de
l'air (maximum 300C). Thus, for example, with regard to the embodiment described above, a rough estimate gives: number of Peltier elements: 12 (3 x 4 rows) air temperature
at the entrance = 200C
after cooling = 2.50C
at the outlet = variable depending on the flow of
air (maximum 300C).

débit de l'air = 1,1 litre/sec consommation électrique = 0,9 watt (sans ventilateur) (lors d'une évacuation précoce de l'air à une température de
160C, 16, 5 W doivent être évacués par un refroidissement séparé). air flow = 1.1 liter / sec power consumption = 0.9 watt (without fan) (during early evacuation of air at a temperature of
160C, 16, 5 W must be removed by separate cooling).

Claims (8)

REVENDICATIONS 1. Dispositif pour séparer des gaz par une condensation partielle d'une phase gazeuse, par exemple, pour éliminer l'eau de l'air, en particulier, dans le cadre d'une réfrigération ou d'une climatisation thermo-électrique dans laquelle on utilise des 1. Device for separating gases by partial condensation of a gas phase, for example, for removing water from the air, in particular, in the context of thermoelectric refrigeration or air conditioning in which we use thermo -éléments constitués de matériaux semi-conducteurs, caractérisé en ce que les thermo-éléments sont des éléments de Peltier (5) alignés, pourvus d'ailettes (6), et réalisés sous la forme d'un échangeur de chaleur, les ailetlettes (6) étant limitées, du coté oppo#sé aux éléments de Peltier (5) par une paroi isolante (2) et disposées de préférence, parallèlement à cette paroi isolante (2), et en ce que la paroi isolante (2) forme une enveloppe (3) en forme de U, sur l'axe ou le plan médian (4) de laquelle sont montés les éléments de Peltier (5) et dans laquelle les ailettes (6) sont balayées par un courant d'air. thermoelements made of semiconductor materials, characterized in that the thermoelements are aligned Peltier elements (5), provided with fins (6), and produced in the form of a heat exchanger, the fins (6) being limited, on the opposite side to the Peltier elements (5) by an insulating wall (2) and preferably arranged, parallel to this insulating wall (2), and in that the insulating wall (2) forms a U-shaped envelope (3) on the axis or the median plane (4) of which the Peltier elements (5) are mounted and in which the fins (6) are swept by a stream of air. 2. Dispositif selon la revendication1, caractérisé en ce que l'enveloppe (3) présente sur coté opposé à celui incurvé en 2. Device according to claim1, characterized in that the envelope (3) has on the side opposite to that curved in U, et de part et d'autre des éléments de Peltier (5), une ouverture d'entrée (10) et une ouverture de sortie (11). U, and on either side of the Peltier elements (5), an inlet opening (10) and an outlet opening (11). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un ventilateur (12) est monté dans l'ouverture d'entrée (10).  3. Device according to claim 2, characterized in that a fan (12) is mounted in the inlet opening (10). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'à l'extrémité de la rangée d'éléments de Peltier (5) est prévue, à l'intérieur de la courbure de l'enveloppe (3), une évacuation (14) comportant des ouvertures (13). 4. Device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that at the end of the row of Peltier elements (5) is provided, inside the curvature of the envelope (3 ), an outlet (14) comprising openings (13). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que à la transition entre sa région incurvée et sa région rectiligne, l'enveloppe (3e2 présente, à sa partie inférieure et dans la surface intérieure (8) de la paroi isolante (2), une évacuation (14') pourvue d'ouvertures (13'). 5. Device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that at the transition between its curved region and its rectilinear region, the envelope (3e2 has, at its lower part and in the inner surface (8) of the insulating wall (2), a discharge (14 ') provided with openings (13'). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le courant d'air n'est échauffé, du côté chaud (20) des éléments de Peltier (5) que jusqu'à une température donnée et est précocement dévié. 6. Device according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the air stream is heated, on the hot side (20) of the Peltier elements (5) only up to a given temperature and is early deflected. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7. Device according to any one of the claims 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est utilisé comme installation ou appareil de climatisation (2). 1 to 6, characterized in that it is used as an installation or air conditioning device (2). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est réalisé sous une structure modulaire.  8. Device according to any one of claims 1 to 7, characterized in that it is produced in a modular structure.
FR8207935A 1981-06-02 1982-05-05 GAS SEPARATION DEVICE Withdrawn FR2506625A1 (en)

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