DE1165051B

DE1165051B - Elektrothermische Vorrichtung zur Erzielung von Kuehl- oder Waermewirkungen und thermoelektrische Vorrichtung zur Stromerzeugung

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: GB982007A; CH402905A; GB980458A; NL260487A; DE1191395B

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: F 25 b

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:.

Deutsche Kl.: 17 a - 20

1 165 051
S 685411 a/17 a
17. Mai 1960
12. März 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.

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.

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.

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-

Elektrothermische Vorrichtung zur Erzielung
von Kühl- oder Wärmewirkungen und
thermoelektrische Vorrichtung zur
Stromerzeugung

Anmelder:

Siemens-Electrogeräte Aktiengesellschaft,

Berlin und München,

München 1, Oskar-von-Miller-Ring 18

Als Erfinder benannt:

Dr. Ernst Sprengel,

Schmalenbeck über Ahrensburg (Holst.),

Fritz 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.

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.

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.

Durch die Erfindung wird eine Anordnung vorgeschlagen, bei der die genannten Schwierigkeiten nicht

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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.

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.

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.

Für die zuletzt genannte Ausführungsform der Erfindung ist in den Figuren schematisch ein Ausführungsbeispiel dargestellt. Die

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.

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.

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrothermische Vorrichtung zur Erzielung von Kühl- oder Wärmewirkungen und thermoelektrische Vorrichtung zur Stromerzeugung,

bei denen zur Wärmezufuhr und/oder Wärmeabfuhr bei den zu einem Block zusammengefaßten Thermoelementen mit Verdampfung und Kondensation eines Hilfsmediums arbeitenden Wärmeübertragungssysteme dienen, und bei denen die die einzelnen Elemente miteinander stromleitend verbindenden Kupferbrücken auf ihrer von den Elementen abgewendeten Seite eine Wärmeaustauschfiäche aufweisen, die direkt von dem flüssigen bzw. dampfförmigen Hilfsmedium bespült wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer bzw. der Kondensator des Wärmeübertragungssystems in einer unteren bzw. in einer oberen als Flanschteil (5, 6) ausgebildeten Wand kurze Rohrstücke (3, 4) aufweist, die zur Isolierung voneinander mit Glas (7) in entsprechende Bohrungen der Flanschteile (5, 6) eingeschmolzen und auf die Kupferbrücken (8, 9) dicht aufgelötet sind, so daß sie die direkte Verbindung der Oberflächen der Kupferbrücken (8, 9) mit den Innenräumen der Wärmeübertragungssysteme bilden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kupferbrücke (8, 9) zwei zu den zugehörigen Elementen koaxial liegende Rohrstücke (3, 4) zugeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator und/ oder der Verdampfer jedes Wärmeübertragungssystems aus je einem der ebenen, die Rohrstücke (3, 4) aufnehmenden Flanschteile (5, 6) und aus je einer am Rand mit dem zugehörigen Flanschteil (5, 6) vorzugsweise durch Löten dicht verbundenen Abdeckkappe (10, 11) besteht, die die Enden der Umlaufleitungen (18, 19, 21, 22) für das Hilfsmedium aufnimmt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Umlaufleitungen (18, 19, 21, 22) als Rohrstummel (12, 13, 14, 15) ausgeführt sind, an die nachträglich die zu den zugehörigen Wärmeaustauschern (20, 23) führenden Umlaufleitungen (18, 19, 21, 22) anzuschließen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elementenblock mit der bekannten rechteckigen, vorzugsweise quadratischen Grundrißform auf mindestens einer Seite mit einem im Grundriß kreisrunden Wärmeaustauscher der sekundären Wärmeübertragungssysteme kombiniert ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, und bei der der Peltierblock auf der warmen Seite als Verdampfer und auf der kalten Seite als Kondensator je eines mit Verdampfung und Kondensation eines Hilfsmediums arbeitenden Wärmeübertragungssystem dient, dadurch gekennzeichnet, daß zur Entlastung der Lötstellen der Elemente die Abdeckkappen (10, 11) dieser beiden Teile durch zwei oder mehr Schrauben (17) und Isolierstützen (16) verbunden sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 798 882;
USA.-Patentschrift Nr. 2 870 610.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen