NL2032505B1 - Thermo-elektrische warmtepomp - Google Patents

Abstract

De uitvinding betreft een thermo—elektrische warmtepomp omvattende een warmtewisselingsblok met een eerste kanaal voor het daardoorheen stromen van een eerste warmteoverdrachtsfluïdum zoals een vloeibaar medium en een separaat tweede kanaal voor het daardoorheen stromen van een tweede warmteoverdrachtsfluïdum zoals een vloeibaar medium, waarbij het warmtewisselingsblok een warmtewisselingskamer omvat welke door een tussenwand hydraulisch gescheiden is in een eerste en een tweede deelkamer welke verbonden zijn met respectievelijk het eerste en tweede kanaal en waarbij het eerste warmteoverdrachtsfluïdum in de eerste deelkamer in warmtewisselend contact staat met een eerste zijde van de tussenwand en het tweede warmteoverdrachtsfluïdum in de tweede deelkamer in warmtewisselend contact staat met een tegenover de eerste zijde gelegen tweede zijde van de tussenwand, waarbij de tussenwand een thermo—elektrische element met een koudezijde en een tegenover en op afstand daarvan gelegen warmezijde omvat, waarbij zich tussen de koude— en warmezijde een buitenomtreksrand uitstrekt, welk thermo—elektrische element geconfigureerd is voor het van de koudezijde naar de warmezijde transporteren van warmte en waarbij de koudezijde in warmtewisselend contact staat met het eerste warmteoverdrachtsfluïdum en waarbij de warmezijde in warmtewisselend contact staat met het tweede warmteoverdrachtsfluïdum en waarbij elk kanaal is voorzien van een pomp voor het door het kanaal pompen van het respectieve warmteoverdrachtsfluïdum.

Description

Thermo-elektrische warmtepomp

De onderhavige uitvinding betreft een thermo- elektrische warmtepomp.

Bekende thermo-elektrische warmtepompen worden gebruikt om warmte van een eerste warmteoverdrachtsfluidum naar een tweede warmteoverdrachtsfluidum te verplaatsen, veelal tegen de tussen de fluïda heersende temperatuurgradiént in. Doordat een in thermo-elektrische warmtepompen toegepast thermo-elektrisch element, ook wel peltierelement genoemd, geen bewegende onderdelen bevat, worden dergelijke warmtepompen vaak in speciale toepassingen gebruikt waarbij het een belangrijk voordeel is dat de warmtepomp trillingsvrij is en zonder verdere bewegende delen of vloeistoffen kan fungeren.

Het is echter een nadeel van de bekende thermo- elektrische warmtepompen, dat het behaalde rendement zeer gering is. Hierdoor kunnen de bestaande warmtepompen niet effectief ingezet worden bij toepassingen waarbij grotere verwarmingsvermogens vereist worden, zoals bijvoorbeeld bij residentiële of industriële verwarmingsinstallaties.

Het is nu een doel van de uitvinding om een thermo- elektrische warmtepomp te verschaffen waarmee een of meer van de bovenstaande nadelen verminderd of zelfs voorkomen kan worden.

Dit doel wordt volgens de uitvinding bereikt met een thermo-elektrische warmtepomp omvattende een warmtewisselingsblok met een eerste kanaal voor het daardoorheen stromen van een eerste warmteoverdrachtsfluidum zoals een vloeibaar medium en een separaat tweede kanaal voor het daardoorheen stromen van een tweede warmteoverdrachtsfluidum zoals een vloeibaar medium, waarbij het warmtewisselingsblok een warmtewisselingskamer omvat welke door een tussenwand hydraulisch gescheiden is in een eerste en een tweede deelkamer welke verbonden zijn met respectievelijk het eerste en tweede kanaal en waarbij het eerste warmteoverdrachtsfluidum in de eerste deelkamer in warmtewisselend contact staat met een eerste zijde van de tussenwand en het tweede warmteoverdrachtsfluidum in de tweede deelkamer in warmtewisselend contact staat met een tegenover de eerste zijde gelegen tweede zijde van de tussenwand, waarbij de tussenwand een thermo-elektrische element met een koudezijde en een tegenover en op afstand daarvan gelegen warmezijde omvat, waarbij zich tussen de koude- en warmezijde een buitenomtreksrand uitstrekt, welk thermo-elektrische element geconfigureerd is voor het van de koudezijde naar de warmezijde transporteren van thermische energie en waarbij de koudezijde in warmtewisselend contact staat met het eerste warmteoverdrachtsfluidum en waarbij de warmezijde in warmtewisselend contact staat met het tweede warmteoverdrachtsfluidum en waarbij elk kanaal is voorzien van een pomp voor het door het kanaal pompen van het respectieve warmteoverdrachtsfluïdum.

Door tussen de deelkamers van een warmtewisselingskamer een thermo-elektrisch element te voorzien, waarbij de warmteoverdrachtsfluida in de respectieve deelkamers door middel van een pomp langs de tussenwand gepompt worden, kan door stroom door het thermo-elektrische te voeren warmte van het eerste warmteoverdrachtsfluïdum naar het tweede warmteoverdrachtsfluidum getransporteerd worden.

Doordat de respectieve warmteoverdrachtsfluida afzonderlijk verpompt worden, kan de stroomsnelheid in afhankelijkheid van een temperatuurverschil over het thermo-elektrische element zodanig gekozen worden dat de efficiëntie van de warmteoverdracht aanmerkelijk vergroot kan worden ten opzichte van een warmtepomp waarbij geen bewegende delen, zoals bijvoorbeeld een pomp, gebruikt worden. Het temperatuurverschil over het thermo-elektrische element wordt daarbij bij voorkeur relatief laag gehouden, voor het verder verhogen van het thermische rendement. Bij voorkeur wordt het temperatuurverschil over het thermo-elektrische element hiervoor kleiner gehouden dan 60% van het maximale temperatuurverschil dat het thermo-elektrische element kan bereiken.

Bij voorkeur wordt daarbij voor één of beide warmteoverdrachtsfluida een vloeibaar medium gebruikt, zoals bijvoorbeeld een vloeibaar koelmiddel gebaseerd op een oplossing van kaliumformiaat in water. Bij verdere voorkeur is de oplossing nagenoeg of volledig verzadigd. Een dergelijk koelmiddel is gunstig, omdat dit een verlaagd vriespunt heeft terwijl de viscositeit en warmtecapaciteit zeer vergelijkbaar zijn met die van water. Daarbij is het milieuvriendelijk en biologisch afbreekbaar.

De respectieve kanalen kunnen hydraulisch verbonden zijn met verdere warmtewisselaars in een gesloten circuit of rechtstreeks in verbinding staan met het warmteoverdrachtsfluidum dat warmteenergie aan- of afvoert.

De richting van het warmtetransport kan eenvoudig omgekeerd worden door de richting van de elektrische stroom door het thermo-elektrische om te keren. Hierdoor kan dezelfde warmtepomp ingezet worden voor zowel koelen als verwarmen.

In een uitvoeringsvorm van een warmtepomp volgens de uitvinding, worden de eerste en tweede zijde van de tussenwand gevormd door respectievelijk de koude- en warmezijde van het thermo-elektrische element welke in direct warmtewisselend contact staan met de respectieve warmteoverdrachtsfluida en waarbij het thermo-elektrische element rondom de buitenomtreksrand afdichtend in het warmtewisselingsblok gemonteerd is door middel van een uitsluitend op de buitenomtreksrand aanliggende flexibele afdichting voor het maximaliseren van het warmtewisselende oppervlak van de koude- en warmezijde.

Door de tussenwand rechtstreeks te vormen door het thermo-elektrische element, zijn er zo weinig mogelijk verliezen tussen de overgangen van de materialen. Het thermo- elektrische element kan hiervoor zo nodig voorzien worden van een coating of oppervlaktebehandeling welke permeabiliteit voor de gebruikte warmteoverdrachtsfluida beperkt of voorkomt.

Het is daarbij zeer gunstig om het thermo-elektrische element rondom afdichtend in de warmtewisselingskamer of het warmtewisselingsblok te monteren op zodanige wijze dat de afdichting geen belemmering vormt voor de warmtewisseling op het warmtewisselende oppervlak van het thermo-elektrische element. Hiervoor wordt de afdichting uitsluitend op de buitenomtreksrand aanliggend aangebracht, waardoor de volledige warmtewisselende oppervlaken in contact staat met de respectieve warmteoverdrachtsfluida. Door de afdichting flexibel uit te voeren, kan thermische krimp en/of expansie van het thermo-elektrische element opgevangen worden, waardoor een te grote mechanische stress in het element voorkomen kan worden.

In een alternatieve uitvoeringsvorm van een warmtepomp volgens de uitvinding, omvat de tussenwand aan weerszijden van het thermo-elektrische element tevens een membraan, welke membranen respectievelijk de eerste en tweede zijde van de tussenwand vormen en waarbij tussen de membranen en de respectieve aanliggende zijden van het thermo- elektrische element een niet-verhardende warmtegeleidende pasta is aangebracht voor het kunnen opvangen van de thermische krimp en expansie van het thermo-elektrische element ten opzichte van de membranen.

Door het thermo-elektrische element tussen twee membranen in te sluiten, kan mechanische stress op het element door eventuele drukverschillen tussen de deelkamers via de membranen opgevangen worden. Hierdoor wordt de levensduur van het thermo-elektrische element aanzienlijk vergroot. Ook kan 5 het membraan voorzien in een impermeabele afdichting. Tussen het thermo-elektrische element en de membranen wordt een warmtegeleidende pasta toegepast voor het verminderen van de transmissieverliezen tussen de materialen. Door een niet- verhardende pasta toe te passen, kan het thermo-elektrische element krimpen en/of uitzetten zonder mechanische stress door onderlinge wrijving. Het thermo-elektrische element wordt dus niet ingeklemd, maar enkel ingesloten door de beide membranen, waarbij nog relatieve beweging tussen het thermo-elektrische element en de membranen mogelijk is. De pasta functioneert dus niet alleen als warmtegeleider, maar tevens als mechanische buffer en smeermiddel.

In een voorkeursuitvoeringsvorm van een warmtpomp volgens de uitvinding, ligt de buitenomtreksrand van het thermo-elektrische element rondom vrij.

Wanneer het thermo-elektrische element rondom vrijligt, is het thermo-elektrische element volledig ontkoppeld en wordt zo de mechanische stress op het element maximaal gereduceerd. Hierdoor wordt een lange gebruiksduur van het element gewaarborgd.

Ook een uitvoeringsvorm van een warmtepomp volgens de uitvinding, is een warmtepomp waarbij het warmtewisselende oppervlak van de eerste en tweede zijde van de tussenwand groter is dan het warmtewisselende oppervlak van de respectieve zijden van het thermo-elektrische element en waarbij het volledige warmtewisselende oppervlak van de zijden van het thermo-elektrische element aanliggen aan en bij voorkeur centraal liggen ten opzichte van het warmtewisselende oppervlak van de respectieve zijden van de tussenwand.

Door het volledige warmtewisselende oppervlak van de zijden van het thermo-elektrische element aan te laten liggen aan de respectieve membranen die de tussenwand vormen, wordt voorkomen dat in het element danwel in het warmtewisselende oppervlak van het element thermische spanning optreedt door ongelijkmatige warmteoverdracht. Bij voorkeur ligt het thermische element centraal ten opzichte van de tussenwand, zodat een gelijkmatige overdracht verkregen wordt en er tevens ruimte langs de randen van de tussenwand ontstaan waarop een afdichting aangebracht kan worden, zonder dat de afdichting interfereert met de warmtewisseling.

Weer een andere uitvoeringsvorm van een warmtepomp volgens de uitvinding, is een warmtepomp waarbij de stroming van de warmteoverdrachtsfluida in de deelkamers laminair is en homogeen verdeeld over het warmtewisselende oppervlak van de tussenwand.

Door een laminaire stroming te voorzien in de deelkamers, wordt een zeer gelijkmatige en homogene verdeling van de vloeistofstroom over de tussenwand verkregen. Dit zorgt enerzijds voor een verhoogde overdracht en anderzijds voor een zeer homogene oppervlaktetemperatuur van de tussenwand, waardoor thermische spanningen verder voorkomen worden. Ter verhoging van de warmteoverdracht kunnen aan de tussenwand microvortices gegenereerd worden, waarbij de stroming in de deelkamers hoofdzakelijk laminair is, maar aan het warmtewisselende oppervlak turbulent.

In weer een andere uitvoeringsvorm van een warmtepomp volgens de uitvinding, omvat de warmtepomp een behuizing voorzien van een veelvoud van warmtewisselingsblokken, waarbij de behuizing een eerste spruitstuk omvat voor het onderling hydraulisch verbinden van de eerste kanalen en een tweede spruitstuk omvat voor het onderling hydraulisch verbinden van de tweede kanalen van de

: warmtewisselingsblokken.

Door meerdere warmtewisselingsblokken in een behuizing aan te brengen, kan eenvoudig de capaciteit van de warmtepomp vergroot worden. De behuizing dient daarbij als spruitstuk voor het hydraulisch verbinden van de warmtewisselingsblokken. Eventueel kunnen meerdere warmtepompen ook serieel of parallel geplaatst worden.

Een paar warmtewisselingsblokken kan ook zodanig gekoppeld worden, dat de tweede deelkamer tussen beide warmtewisselingsblokken gedeeld wordt.

Ook een uitvoeringsvorm van een warmtepomp volgens de uitvinding, is een warmtepomp waarbij de warmtewisselingsblokken onderling thermisch geïsoleerd zijn.

Door de warmtewisselingsblokken onderling thermisch te isoleren, kunnen ongewenste verliezen verhinderd worden. De isolatie kan daarbij verkregen worden door bijvoorbeeld tussenliggende luchtkamers of isolatiemateriaal. Eventueel kan de gehele behuizing ook verder geïsoleerd worden.

Deze en andere kenmerken van de uitvinding worden nader toegelicht aan de hand van de bijgaande tekeningen.

Figuur 1 toont schematische dwarsdoorsnede van een uitvoeringsvorm van een warmtewisselingsblok van een eerste uitvoeringsvorm van een warmtepomp volgens de uitvinding.

Figuur 2 toont een dwarsdoorsnede aanzicht van een tweede uitvoeringsvorm van een warmtepomp volgens de uitvinding.

Figuur 3 toont een perspectivisch aanzicht van een derde uitvoeringsvorm van een warmtepomp volgens de uitvinding.

In figuur 1 wordt een schematische dwarsdoorsnede van een uitvoeringsvorm van een warmtewisselingsblok 1 van een warmtepomp volgens de uitvinding getoond. Het eerste kanaal 2 en het tweede kanaal 3 zijn hydraulisch van elkaar gescheiden en zijn hydraulisch verbonden met respectievelijk de eerste deelkamer 4 en de tweede deelkamer 5. De stroomrichting is in beide deelkamers 4, 5 aangeduid met een pijl, maar de relatieve oriëntatie van de stroomrichting kan ook anders gekozen worden. Een tussenwand 6 scheidt de eerste 4 en een tweede deelkamer 5. In de tussenwand 6 is een thermo- elektrische element 7 aangebracht. Het element 7 is aangebracht tussen een eerste membraan 8 en een tweede membraan 9 en transporteert thermische energie in de vorm van warmte in de richting van pijl 10, dus van de eerste deelkamer 4 naar de tweede deelkamer 5. In de praktijk zal er vaak voor gekozen worden het warmtewisselingsblok 1 zodanig te oriënteren dat pijl 10 tegengesteld is aan de zwaartekracht, zodat optimaal gebruikgemaakt kan worden van de stijging van warmte. De membranen 8, 93 sluiten de deelkamers 4, 5 hydraulisch van elkaar af en zijn voorzien van afdichtingen 11. De afdichtingen 11 zijn aangebracht buiten het warmtewisselend oppervlak van de membranen 8, 9 dat in rechtstreeks contact met de deelkamers 4, 5 staat. De koudezijde 12 ligt aan tegen het eerste membraan 8 en tussen de overgang is een niet getoonde warmtegeleidende pasta aangebracht. De warmezijde 13 ligt aan tegen het tweede membraan 9 en ook op die overgang is een warmtegeleidende pasta aangebracht. Hierdoor kan het element 7 uitzetten en krimpen zonder aan zware mechanische stress onderworpen te worden. De rondom de omtreksrand van het element 7 gevormde vrije ruimte 14 voorziet ook in de voor uitzetting benodigde ruimte.

In figuur 2 wordt een dwarsdoorsnede aanzicht van een tweede uitvoeringsvorm van een warmtepomp 20 volgens de uitvinding getoond. In deze uitvoeringsvorm zijn twee warmtewisselingsblokken 21, 22 gecombineerd, waarbij de tweede deelkamer 23 door beide warmtewisselingsblokken 21, 22 gedeeld wordt. De eerste kanalen 24, 25 monden uit in de respectieve deelkamers 26, 27. De membranen 28 dichten de deelkamers 23, 24 en 25 af en sluiten de respectieve thermo-elektrische elementen 29, 30 in. De werkingsrichting van het eerste thermo-elektrisch element 29 is tegengesteld aan de werkingsrichting van het tweede thermo-elektrische element 30.

De lege ruimte 31 tussen de membranen 28 voorziet in ruimte voor expansie van de elementen 29, 30. In de behuizing 32 wordt een spruitstuk 33 gevormd dat de eerste kanalen 24, 25 onderling hydraulisch verbindt.

In een andere interpretatie van de dwarsdoorsnede van figuur 2, wordt een derde uitvoeringsvorm van een warmtepomp volgens de uitvinding getoond. In deze uitvoeringsvorm is de werkingsrichting van warmtewisselingsblok 22 omgekeerd ten opzichte van de tweede uitvoeringsvorm, waardoor de beide warmtewisselingsblokken 21, 22 serieel staan. De tweede deelkamer 23 van het eerste warmtewisselingsblok 21 vormt tegelijkertijd de eerste deelkamer 23 van het tweede warmtewisselingsblok 22. De deelkamer 23 is hydraulisch verbonden met een separaat derde kanaal, dat niet hydraulisch in verbinding staat met respectievelijk het eerste kanaal 24 en het tweede kanaal 25.

Het derde kanaal is bij voorkeur tevens voorzien van een pomp.

De thermo-elektrische elementen 29, 30 hebben in deze uitvoeringvorm dus dezelfde werkingsrichting. In het eerste kanaal 24 stroomt het eerste warmteoverdrachtsfluidum, welke het koudste medium vormt. In de deelkamer 23 stroomt een derde warmteoverdrachtsfluidum, welke een gemiddelde temperatuur heeft. In het tweede kanaal 25 stroom het tweede warmteoverdrachtsfluidum, welke de hoogste temperatuur heeft.

Door deze opbouw kan het temperatuurverschil over de respectieve thermo-elektrische elementen 29, 30 laag gehouden worden en kan er toch een groot temperatuurverschil behaald worden tussen het eerste en het tweede warmteoverdrachtsfluidum. Het derde warmteoverdrachtsfluidum transporteert de energie tussen de beide thermo-elektrische elementen 29, 30. Bij voorkeur wordt het derde warmteoverdrachtsfluidum turbulent verpompt.

In figuur 3 wordt een perspectivisch aanzicht getoond van een vierde uitvoeringsvorm van een warmtepomp 40 volgens de uitvinding. De warmtepomp 40 is aan de kop voorzien van een aanvoer- 41 en retourleiding 42 welke respectievelijk hydraulisch verbonden zijn met aan- en afvoerspruitstukken die door de eerste kanalen hydraulisch verbonden zijn. De aanvoer- 43 en retourleidingen 44 zijn respectievelijk hydraulisch verbonden met aan- en afvoerspruitstukken die door de tweede kanalen hydraulisch verbonden zijn. De behuizing 45 wordt gevormd door een samenstel van tien dubbele warmtewisselingsblokken 46, welke samengesteld zijn zoals getoond in figuur 2. Stroomdraden 47, 48 zijn per warmtewisselingsblok 46 voorzien voor de toevoer van de voor de thermo-elektrische elementen benodigde stroom.

Claims (8)

Conclusies

1. Een thermo-elektrische warmtepomp omvattende een warmtewisselingsblok met een eerste kanaal voor het daardoorheen stromen van een eerste warmteoverdrachtsfluidum zoals een vloeibaar medium en een separaat tweede kanaal voor het daardoorheen stromen van een tweede warmteoverdrachtsfluidum zoals een vloeibaar medium, waarbij het warmtewisselingsblok een warmtewisselingskamer omvat welke door een tussenwand hydraulisch gescheiden is in een eerste en een tweede deelkamer welke verbonden zijn met respectievelijk het eerste en tweede kanaal en waarbij het eerste warmteoverdrachtsfluidum in de eerste deelkamer in warmtewisselend contact staat met een eerste zijde van de tussenwand en het tweede warmteoverdrachtsfluidum in de tweede deelkamer in warmtewisselend contact staat met een tegenover de eerste zijde gelegen tweede zijde van de tussenwand, waarbij de tussenwand een thermo-elektrische element met een koudezijde en een tegenover en op afstand daarvan gelegen warmezijde omvat, waarbij zich tussen de koude- en warmezijde een buitenomtreksrand uitstrekt, welk thermo-elektrische element geconfigureerd is voor het van de koudezijde naar de warmezijde transporteren van warmte en waarbij de koudezijde in warmtewisselend contact staat met het eerste warmteoverdrachtsfluidum en waarbij de warmezijde in warmtewisselend contact staat met het tweede warmteoverdrachtsfluidum en waarbij elk kanaal is voorzien van een pomp voor het door het kanaal pompen van het respectieve warmteoverdrachtsfluidum.

2. Warmtepomp volgens conclusie 1, waarbij de eerste en tweede zijde van de tussenwand gevormd wordt door respectievelijk de koude- en warmezijde van het thermo- elektrische element welke in direct warmtewisselend contact staan met de respectieve warmteoverdrachtsfluida en waarbij het thermo-elektrische element rondom de buitenomtreksrand afdichtend in het warmtewisselingsblok gemonteerd is door middel van een uitsluitend op de buitenomtreksrand aanliggende flexibele afdichting voor het maximaliseren van het warmtewisselende oppervlak van de koude- en warmezijde.

3. Warmtepomp volgens conclusie 1, waarbij de tussenwand aan weerszijden van het thermo-elektrische element tevens een membraan omvat, welke membranen respectievelijk de eerste en tweede zijde van de tussenwand vormen en waarbij tussen de membranen en de respectieve aanliggende zijden van het thermo-elektrische element een niet-verhardende warmtegeleidende pasta is aangebracht voor het kunnen opvangen van de thermische krimp en expansie van het thermo-elektrische element ten opzichte van de membranen.

4. Warmtepomp volgens conclusie 3, waarbij de buitenomtreksrand van het thermo-elektrische element rondom vrijligt.

5. Warmtepomp volgens conclusie 3 of 4, waarbij het warmtewisselende oppervlak van de eerste en tweede zijde van de tussenwand groter is dan het warmtewisselende oppervlak van de respectieve zijden van het thermo-elektrische element en waarbij het volledige warmtewisselende oppervlak van de zijden van het thermo-elektrische element aanliggen aan en bij voorkeur centraal liggen ten opzichte van het warmtewisselende oppervlak van de respectieve zijden van de tussenwand.

6. Warmtepomp volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij de stroming van de warmteoverdrachtsfluida in de deelkamers laminair is en homogeen verdeeld over het warmtewisselende oppervlak van de tussenwand.

7. Warmtepomp volgens één van de voorgaande conclusies, omvattende een behuizing voorzien van een veelvoud van warmtewisselingsblokken, waarbij de behuizing een eerste spruitstuk omvat voor het onderling hydraulisch verbinden van de eerste kanalen en een tweede spruitstuk omvat voor het onderling hydraulisch verbinden van de tweede kanalen van de warmtewisselingsblokken.

8. Warmtepomp volgens conclusie 7, waarbij de warmtewisselingsblokken onderling thermisch geïsoleerd zijn.