DE2525121A1 - Waermepumpe - Google Patents

Description

Patentanwalt DIPL.-PHYS. DR. W. LANGHOFF Rechtsanwalt B. LANGHOFF* MÜNCHEN 81 ■ WISSMANNSTRASSE 14 · TELEFON 932774 · TELEGRAMMADRESSE: LANGHOFFPATENT MÜNCHEN

München, den 5. Juni 1975 Unser Zeichen: 45 - 1567

Georges Le Couturier, F-69oo4 LYON, 2o, cours d'Herbouville:

Wärmepumpe

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe mit einer Anzahl von Thermoelementen von im wesentlichen gleicher Dicke und wenigstens zwei flachen, zur Abstrahlung oder Aufnahme von Wärme dienenden Strahlungselementen.

Die Anwendung herkömmlicher thermoelektrischer Batterien war bisher in der Hauptsache beschränkt auf Bereiche, bei denen der Energieverbrauch und das Gewicht die entscheidenden Faktoren waren (tragbare Kühlschränke, Material für Flugzeuge oder Kaketen, medizinische Geräte), wobei die Herstellungskosten solcher Wärmepumpen relativ hoch waren, da jedes Thermoelementpaar zuerst verzinnt werden und danach gewöhnlich einzeln mit einem speziellen Schweißverfahren in Feinarbeit verschweißt werden mußte.

Die Schweißstellen sind auch recht erschütterungsempfindlich wegen der unterschiedlichen Ausdehnung der Verbindungsstellen zwischen den Thermoelementen und ihrer Haltevorrichtungen, was die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Batterien stark beeinträchtigt.

In dem am 14. Juni 1962 unter dem Namen Jack D. Merry erteilten U.S.-Patent Nr. 3 208 877 wurde der Vorschlag gemacht, einen bestimmten Druck zwischen den einzelnen Bauteilen der Batterie aufrechtzuerhalten, um die elektrische und thermische Leitfähigkeit zu verbessern. Die im obengenannten Patent beschriebene Bauweise (Verwendung von an der Batterie außen und in den Ecken der Wärmeleitplatten angebrachten Verbindungsbolzen, Verwendung von Wärmeleitplatten aus einem relativ

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' Ständiger allgemeiner Vertreter nach 9 46 PatAnwO. xugelaaaen bei dan Landgerichten Münchan I und II.

leicht zerbrechlichen Material, Druckübertragung auf die Verbindungsteile mittels relativ weicher Teile aus Chloropren (Dupren), komplexe Hohlraumstruktur für die Zirkulation von Kühlflüssigkeit) läßt eine Druckwirkung von nur wenigen kg/cm2 zu, und der Kontakt kann nur dann den erforderlichen kleinen Ohmschen Widerstand haben, wenn unter Verwendung eines Lötmaterials und unter Zuführung von Wärme ein übliches Schweißverfahren angewendet wird.

Die Erfindung betrifft eine als Wärmepumpe arbeitende neuartige und stabile, dabei zuverlässige und leichte Pelierbatterie, deren Kontaktstellen ausschließlich durch Druck hergestellt sein können.

Die Wärmepumpe nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß sie sandwichartig aufgebaut ist und zwei an beiden Seiten der Thermoelemente angebrachte und die elektrische Verbindung der Thermoelemente untereinander sowie die thermische Verbindung der Strahlungselemente mit den Thermoelementen garantierende elektrisch isolierende und thermisch gut leitende Stützscheiben umfaßt, die gleichzeitig alle Teile mechanisch zusammenhalten und die jede eine erste mit ihrer gesamten Oberfläche mit einem der Strahlungselemente in Verbindung stehende erste Fläche und eine mit einer elektrisch gut leitenden Schicht von Einzelelementen bedeckte zweite Fläche umfassen, wobei die Einzelelemente so auf den beiden Stützscheiben angebracht sind, daß, wenn die Thermoelemente zwischen die Stützscheiben geklemmt sind, diese leitenden Einzelelemente die Thermoelemente in Reihe schalten, wobei sich die Anschlußpunkte des einen thermoelektrischen Materials alle auf einer der Schichten und die Anschlußpunkte des anderen thermoelektrischen Materials sich alle auf der anderen Schicht befinden, und daß zwei an zwei Extrempunkten einer der Schichten angebrachten Leitelemente

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vorgesehen sind, die zum Anschluß an die entgegengesetzten Pole einer Gleichstromquelle dienen, wobei die gesamte Sandwichanordnung von einer Anzahl durch sie hindurchreichender Verbindungsteile zusammengehalten ist.

Der von den Befestigungsteilen auf die Kontake zwischen den thermoelektrischen Elementen und den Einzelelementen ausgeübte Druck sollte in der Größenordnung von mehreren 10 kg/cm2 sein.

Die Erfindung ist nachstehend anhand schematischer Zeichnungen ergänzend beschrieben.

In der Zeichnung zeigt:

Fig. la eine Perspektivsicht einer Peltierbatterie nach der Erfindung und

Fig. Ib eine vergrößerte Teilansicht eines Ausschnitts aus Fig. 1;

Fig. 2a, Fig. 2b und 3a und 3b eine Aufsicht und einen Schnitt durch die Peltierbatterie nach Entfernen eines Teils ihrer Elemente;

Fig. 4 ist eine Schnittansicht von Fig. 1;

Fig. 5a und Fig. 5b zeigen als Aufsicht und Schnittansicht ein Montagelement der Peltierbatterie und

Fig. 6 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform derselben.

Die Wärmepumpe hat, wie in Fig. la gezeigt, einen kompakten, sandwichartigen Aufbau, wobei ihre verschiedenen Teile mittels Schrauben oder Verbindungsbolzen zusammengehalten werden und wobei die in der Zeichnung aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit nicht dargestellten Schrauben oder Verbindungsbolzen in die für diesen Zweck vorgesehenen Bohrungen 10 eingeführt werden. Alle anderen bekannten Verbindungsvorrichtungen können ebenfalls für diesen Zweck verwendet werden.

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-H-

Der mit im wesentlichen gleicher Stärke auf die Verbindungsstellen zwischen den Thermoelementen und den Leitelementen ausgeübte Druck beträgt wenigstens 50 bar und vorzugsweise 200 bar. Im Inneren der Sandwichform befinden sich als Peltierelemente betriebene Thermoelemente A. Diese Elemente liegen zwischen den Stützscheiben Bl und B2 , deren Kern beispielsweise wenige Millimeter dick und aus einem elektrisch isolierenden, thermisch gut leitenden und druckfesten Material wie Epoxidharz (verre epoxy) hergestellt sein können, wobei dieses Material darüberhinaus noch eine bestimmte transversale Elastizität aufweist, eine Ligenschaft, deren Vorzug für die Erfindung weiter unten beschrieben ist.

Fig. Ib, mit gestrichelter Linie umgrenzt, ist ein vergrößerter Ausschnitt aus Fig. 1 und zeigt die Stützscheiben Bl und B2 im Detail: die gegen die Thermoelemente A zeigenden Flächen dieser Stützscheiben sind mit dicken metallischen schichtförmigen Einzelelementen, so bei BIa und B2a bedeckt und bilden somit die verschiedenen Leitelemente, deren Anordnung und Ausführung weiter unten beschrieben ist. An ihren gegenüberliegenden Außenflächen sind dünne Metallfolien BIb und B2b von beispielsweise 70 Mikron Dicke angebracht; an diese Folien schließen die wärmeabstrahlenden Platten Dl und D2 an, deren Hauptfunktion es einmal ist,Wärme durch Abstrahlung oder Leitung auf ein Anwendungselement abzugeben, und zum anderen durch thermische Leitung oder Absorption eine der Platten auf der konstanten Temperatur einer nicht dargestellten Kälteoder Wärmequelle zu halten. Zwischen den wärmeabstrahlenden Platten und den Stützscheiben sind vorzugsweise dünne Folien

eines elastischen Materials mit guten thermischer Leitfähigkeit wie etwa ein kohlenstoffhaltiger Kautschuk oder, vorzugsweise, ein Elastomersilikon Cl und C2 so eingesetzt, daß sie den Oberflächenkontakt verbessern, wenn die Elastizität der Stützscheiben und der Metallfolien nicht ausreicht, um die

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Ungleichmäßigkeit der Dicke der Thermoelemente und der Stützscheiben auszugleichen. Die Dicke der perforierten Schicht BIa oder B2a hängt ab von der vorgesehenen Stromstärke, wobei die Schicht einen möglichst niedrigen Widerstand haben muß, um die Verluste durch den Joule-Effekt so niedrig wie möglich zu halten, Bei einer Strömstärke von beispielsweise 6 3 Ampere verwendet man für die 10 χ 10 mm großen Kontaktflächen mit den Thermoelementen eine Kupferschicht von 7/10 mm Dicke. Während des Betriebs des Geräts wird eines der Strahlungselemente durch irgendeine bekannte Vorrichtung auf einer im wesentlichen konstanten Temperatur gehalten (z.B. durch Kontakt mit der Luft der Umgebung, mit einer siedenden Flüssigkeit oder mit einer phreatischen Schicht), während eine Gleichstromquelle S so an die Endpunkte einer der Stützscheiben angeschlossen wird, daß die Thermoelemente mit den Anschlüssen der Stromquelle in Reihe geschaltet liegen. Fig. Ib ist in größerem Maßstab als Fig. la dargestellt, da die Metallfolien BIb und B2b nur rund hundert Mikron stark sind (in unserem Beispiel 70 Mikron), während die Stärke der Thermoelemente ca. 1 mm (1,5 mm im Beispiel) und die der Kerne der Stützscheiben wenige mm beträgt. Ein Hilfsgitter E ist mit gestrichelten Linien eingezeichnet, das zur Befestigung der einzelnen Elemente eingebaut sein kann.

Die Folien und die Einzelelementschichten bestehen vorzugsweise aus Kupfer, das sowohl gute thermische wie elektrische Leiteigenschaften aufweist und gleichzeitig eine bestimmte Elastizität hat, die, im Zusammenwirken mit der Elastizität der Kerne Bl und B2 der Stützscheiben, einen besseren Verbindungskontakt garantiert.

Obwohl es in der Praxis besser ist, die Leitelemente BIa und B2a durch Elektroplattxerung und anschließendes Ätzen herzustellen, auch ist im Rahmen der Erfindung auch eine andere Herstellungsweise möglich. Neben Aufkleben einer Schicht mit anschließendem Ätzen

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kann jedes andere Herstellungsverfahren angewendet werden wie z.B. Elektroplattierung ohne Ätzen unter Verwendung einer Abdeckmaske oder Ankleben unter Verwendung eines die Schichten tragenden Gitters. Wenn das Anschlußnetz durch Ätzen hergestellt wird und die Kupferschicht gleichzeitig dick sein muß, kann es günstig sein, den Ätzvorgang nach Aufbringen einer Schicht von nur einem Teil der endgültigen Stärke durchzuführen und und erst nach dem Ätzen durch Aufbringen einer zweiten Kupferfolie die gewünschte Schichtstärke herzustellen.

Fig. 2a und 3a zeigen jeweils Beipiele der geätzten Schaltungen BIa und B2a der Fig. 1, jeweils nach Entfernen der Teile A, B2, C2 und D2 von Fl aus und nach Entfernen der Teile A, Bl, Cl und Dl von F2 aus gesehen.

Fig. 2b und 3b sind Schnittansichten entlang der Linie x-x der scheiben Bl und B2 und Fig. H ist eine Schnittansicht der gesamten Wärmepumpe oder Batterie entlang der Linie y-y. In allen Zeichnungen bezeichnen dieselben Bezugsziffern dieselben Teile.

Um zu verdeutlichen, wie die geätzten Einzelelemente BIa und B2a die Verbindung zwischen den Thermoelementen herstellen,sind in Fig. 3a und 3b in gepunkteter Linie einige mit Al, A2, ... A 4-9, A50 bezeichnete Thermoelemente eingezeichnet. Jedes Thermoelement besteht aus zwei mit a und b bezeichneten Teilen von unterschiedlichen thermoelektrischen Eigenschaften. Die beiden Teile a und b eines Thermoelements Ai (i = 1, 2, .... n, wobei η in unserem Beispiel = 50) sind mittels eines der geätzten Leitelemente B2ai (i = 1, 2, ... n) miteinander verbunden, während die beiden zu jeweils zwei aufeinanderfolgenden Thermoelementen gehörigen Elemente b und a durch eines der Leitelemente Blaj (j = 1, 2, .... η + 1) miteinander verbunden sind, wobei das erste und letzte dieser Elemente , wie dargestellt, an die Pole eines Gleichstromgenerators S angeschlossen sind. Die Verbindungen

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a ?b stellen Verbindungen einer, die Verbindungen b 5 a Verbindungen einer zweiten Art dar. Diese Verbindungen können bei einer gegebenen Stromrichtung jeweils mit "warm" oder "kalt" und bei der umgekehrten Stromrichtung entsprechend mit "kalt" oder "warm" bezeichnet werden.

Zur Vermeidung einer Oxydation an den Verbindungsstellen der Thermoelemente während des Betriebs des Gerätes sollten die Leitelemente BIa und B2a in geeigneter Weise behandelt sein.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind die komplementären Leitflächen mit Indium beschichtet.

Bekanntermaßen ist Indium ein guter Oxydationsschutz für Metalle. In dünner Schicht aufgetragenes Indium sendet jedoch eine starke Strahlung aus, was im allgemeinen als Nachteil angesehen wird.

Für die hier beschriebene thermoelektrische Batterie stellt dagegen diese Strahlung einen Vorzug dar, denn sie dient dazu, den Kontakt zwischen den Thermoelementen und den Leitschichten zu verbessern, indem sie diese mit einem elektrolytischen Indiumniederschlag versieht. Auf die perforierten Leitelemente wird vor der Beschichtung mit Indium vorzugsweise ein galvanischer Kupferniederschlag angebracht, wodurch ein zu schnelles Eindringen des Indiums in das Kupfer verhindert wird. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform erzeugt eine einfache Druckwirkung sofort ausreichenden Verbindungskontakt, der sich im Laufe der Zeit aufgrund der Strahlung des Indiums noch verstärkt.

Bei einer anderen Ausführungsform werden handelsübliche Thermoelemente, die im allgemeinen verzinnt sind, ohne vorherige Oberflächenbehandlung verwendet; dabei muß lediglich eine Temperatur von 140 bis 160 Grad C erreicht werden, die unter der Maximal-

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temperatur (200 Grad Minimum) liegt, welche die Batterieteile noch aushalten. Damit der Joule-Effekt eine Lötung bewirkt, und zwar ohne daß ein eigentliches Lötverfahren mit Wärmeeinwirkung und Aufbringen von Lötmaterial erfolgen muß, werden die Metallschichten vor der Montage einfach verzinnt. Allerdings ist der besonders vorteilhafte Lötvorgang aufgrund des Joule-Effekts nur deshalb möglich und wirksam, weil die zu verbindenden Teile aufgrund der Montage durch Druckeinwirkung mechanisch äußerst gut miteinander verbunden sind und weil kein einen Stromfluß verhinderndes Isoliermaterial (Harz oder Flußmittel) verwendet wurde.

Es wird darauf hingewiesen, daß dieser Lötvorgang nicht unbedingt erforderlich ist, da der Kontakt hauptsächlich durch Druckeinwirkung hergestellt wird.

Wie bereits gesagt, können die Thermoelemente A, wie in Fig. 5 und Fig. 5b dargestellt, vorzugsweise mittels eines Gitters E zwischen die Teile Bl und B2 eingesetzt werden. Dieses Gitter kann beispielsweise mechanisch oder chemisch aus einem geeigneten, d.h. elektrisch und vorzugsweise auch thermisch isolierenden Material herausgearbeitet oder durch Spritzguß des Materials in eine Form hergestellt sein. Auf alle Fälle muß jedoch dieses Gitter dünner sein als die Thermoelemente, beispielsweise halb so dünn wie diese.

Die Metallfolien BIb und B2b haben die Aufgabe, den thermischen Kontakt zu verbessern, und können bei allen Ausführungsbeispielen notfalls auch fehlen. Dasselbe trifft auch auf die elastischen Schichten El und E2 zu, deren Nutzen von den auf den einzelnen Schichten erreichten Toleranzen abhängt. Der entscheidende Faktor ist dagegen, daß, bei ausreichender Druckeinwirkung, eine einzelne Stützscheibe auf jeder Seite genügt, um die Thermoelemente elektrisch miteinander zu verbinden und ihre thermische Verbindung mit den Strahlungselementen zu garantieren.

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Bisher bekannte Peltier-Wärmepumpen hatten zur Verbesserung des Wärmeaustausches mit Flügelelementen versehene Strahlungselemente, die einen integrierenden Bestandteil der Batterie darstellten und Wärmeverluste weitgehend verhinderten.

Gemäß der in Fig. 6 gezeigten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die vorteilhaft mit einer der oben beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, sind, wie in der Teilschnittansicht, in der die beiden Stützscheiben global durch Bl und B2 dargestellt sind und in der die gesamte zwischen Bl und B2 eingeschlossene Anordnung der Thermoelemente nicht dargestellt ist, die zur Verbindung und zum Anschließen der Thermoelemente dienenden Stützscheiben Bl und B2 an ihren Außenflächen mit Flügeln versehen. Die geschlossene Konstruktion der Wärmeleit- und Wärmeaustauschelemente trägt bei zur Stabilisierung der Stützscheiben Bl und B2, was wiederum günstig wirkt, wenn auf die Kontakte der erforderliche Druck ausgeübt wi7d.

Die Erfindung eignet sich insbesondere für Einzelklimaanlagen, die mit Hilfe der Erfindung vollkommen geräuschlos und mit einem etwa wie bei Kompressoren üblichen Energieaufwand arbeiten können.-

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Claims (8)

1. Patentansprüche

   Wärmepumpe mit einer Anzahl von Thermoelementen von im wesentlichen gleicher Dicke und wenigstens zwei flachen, zur Abstrahlung oder Aufnahme von Wärme dienenden Strahlungselementen, dadurch gekennzeichnet , daß sie sandwichartig aufgebaut ist und zwei an beiden Seiten der Thermoelemente angebrachte und die elektrische Verbindung der Thermoelemente untereinander sowie die thermische Verbindung der Strahlungselemente mit den Thermoelementen garantierende elektrisch isolierende und thermisch gut leitende Stützscheiben umfaßt, die gleichzeitig alle Teile mechanisch zusammenhalten und die jede eine erste mit ihrer gesamten Oberfläche mit einem der Strahlungselemente in Verbindung stehende erste Fläche und eine mit einer elektrisch gut leitenden Schicht von Einzelelementen bedeckte zweite Fläche umfassen, wobei die Einzelelemente so auf den beiden Stützscheiben angebracht sind, daß, wenn die Thermoelemente zwischen die Stützscheiben geklemmt sind, diese leitenden Einzelelemente die Thermoelemente in Reihe schalten, wobei sich die Anschlußpunkte des einen thermoelektrischen Materials alle auf einer der Schichten und die Anschlußpunkte des anderen thermoelektrischen Materials sich alle auf der anderen Schicht befinden, und daß zwei an zwei Extrempunkten einer der Schichten angebrachten Leitelemente vorgesehen sind, die zum Anschluß an die entgegengesetzten Pole einer Gleichstromquelle dienen, wobei die gesamte Sandwichanordnung von einer Anzahl durch sie hindurchreichender Verbindungsteile zusammengehalten ist.

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2. 2. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der auf die Kontaktstellen zwischen den Thermoelementen und den Leitelementen ausgeübte Druck mehr als 50 kg/cm2 beträgt.
3. 3. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Fläche mit einem dünnen Metallfilm versehen ist.
4. 4. Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß die gut leitenden Einzelelemente durch eine mittels Elektroplattierung auf die zweite Fläche aufgebrachte Metallschicht und Ätzen derselben hergestellt sind.
5. 5. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen einem der Strahlungselemente und der diesem zugekehrten Seite der Stützscheibe eine dünne Folie eines thermisch gut leitfähigen elastischen Materials liegt.
6. 6. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Oberfläche der Einzelelemente und der Thermoelemente mit einem Indiumüberzug versehen sind.
7. 7. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch verzinnte Thermoelemente, die durch Wärmeerzeugung aufgrund des Stromflusses während des Betriebs des Gerätes sich an die Einzelelemente anlöten.
8. 8. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Strahlungselemente mit Flügeln versehen sind, die mit den Strahlungselementen fest verbunden sind.

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