DE9102118U1

DE9102118U1 - Vorrichtung zur Wärmeübertragung im thermoelektrischen Wärmetransportsystem

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Priority date: 1991-02-22
Filing date: 1991-02-22
Publication date: 1992-06-25
Anticipated expiration: 2001-02-23

Description

M:LA0765B

Vorrichtung zur Wärmeübertragung im thermoelektrischen Wär-

metransportsystem

Im Zuge der Diskussion über die Umweltverträglichkeit der in Kompressions-Kältekreisläufen eingesetzten Kältemittel gewinnen andere, auch bereits bekannte Wärmetransportsysteme zunehmende Bedeutung.

Eines dieser Systeme sind sogenannte Peltierelemente, in denen, angeregt durch elektrischen Strom, Wärme zwischen zwei Halbleiterbrücken mittels Elektrodenstrom transportiert wird (Lit.1+2).

Wie bei jedem anderen bekannten Kälteerzeuger richtet sich die zur Abfuhr einer bestimmten Kälteleistung Qo einzusetzende Energiemenge Q primär nach der Temperaturdifferenz zwischen To (Abkühltemperatür) und Tc (Rückkühltemperatür). Je größer diese Temperaturdifferenz im Auslegungspunkt gewählt wird, um so höher sind die Investitionskosten, je größer die durchschnittliche Temperaturdifferenz im Betrieb, um so höher die Betriebskosten. Peltierelemente sind sehr teuer und erreichen selbst unter gleichen Randbedingungen (To, Tc) nicht die Kältelieferzahl ^k (Q°/Q^k) einer Kompressions-Kältemaschine bei vergleichbaren Randbedingen. Dies ist jedoch der einzige erkennbare Nachteil der sich insbesondere durch den erfindungsgemäßen Anspruch auf eine Minimum reduzieren läßt und dieser umweltfreundlichen Technologie neue Anwendungsperspektiven eröffnet.

Anhand eines Beispiels soll zunächst die Abhängigkeit des Wirkungsgrades eines Peltierelements verdeutlicht werden. Betrachtet wird ein Peltierelement der Größe 40*4Omm, bei einer Abkühltemperatur von +5⁰C.

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To	⁰C	Tc	⁰C	Qo	P	,5W	U	k	Qc Qo	spez	.Qc spez
	⁰C		⁰C			W				W/m²	W/m²
+5	⁰C	35	⁰C	38W	65	,5W	(11V)	0,58	103,5W	23850	64375
+5	⁰C	55	⁰C	25W	78	,5W	(13V)	0,32	103,OW	15625	64375
-5	35	36W	127	(15V)	0,28	163,5W	22500	102200
	35	29W	65	(11V)	0,44	94,5W	18125	59600

-5°C 35°C 10W 22,IW (6,5V) 0,45 32,IW 6250 20100

Tab.l

Lit.l Lehrbuch der Kältetechnik,

S23,172,235

Lit. 2 Energie Fricke/Borst, S.122, 143

H.L.von

Die Firma Melcor als einer der bedeutensten Hersteller von Peltierelementen schreibt in ihrer Prospektunterlage:

"In den meisten Fällen wird die Temperatur der Kalten Seite (Tc) als Aufgabenstellung vorgegeben. Tc ist meist, bei gutem thermischen Kontakt und Verwendung von gut wärmeleitfähigem Material direkt als Oberflächentemperatur des TE"s anzusetzen. Bei Einsatz von Zwischenmedien (Gas, Flüssigkeit) muß der Wärmeübergangswiderstand zur TE-Oberflache beachtet werden. Tc ist dann um einige Grade tiefer anzusetzen."

Man geht offensichtlich davon aus, daß in aller Regel eine direkte Verbindung zwischen dem zu kühlenden Körper und dem Peltierelement vorhanden ist.

Bei einer Übertragung an einen flüssigen oder gasförmigen Wärmeträger nimmt die Wärmeübergangszahl &agr; (W/m^zK) ansonsten entscheidenden Einfluß auf die Anzahl der zu installierenden Peltierelemente sowie deren Betriebskosten.

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Für eine optimale Übertragung auf ein fliessendes Medium bei 1-K-Grädigkeit müßten die Wärmeübergangszahlen entsprechend der in der Tabelle 1 ausgewiesenen Wärmestromdichten realisiert werden. Luft bei freier Konvektion weist jedoch Maximalwerte von ca.30 W/m^K, bei erzwungener Strömung von ca.115 W/m^K, auf. Bei Wasser als Wärmeträger sind Wärmeübergangszahlen von ca. 2500 W/m K an glatten Flächen realisierbar.

Ein wesentlicher Nachteil bekannter Peltierelemente liegt also darin, daß die Wärmestromdichte in der zur Wärmeableitung vorgesehenen begrenzenden elektrischen Isolierschicht wesentlich höher ist, als die an einer glatten Wandstruktur realisierbaren Wärmeübergangszahlen üblichen zum Wärmetransport geeigneten Fluide.

Aus den vorliegenden Zahlen wird klar, daß Peltierelemente, die zur Versorgung von Wärmeträger-Kreisläufen eingesetzt werden sollen, mit großer Grädigkeit betrieben werden. Hieraus resultiert, daß durch die Verschlechterung des Wirkungsgrades sowohl die Betriebs- als auch die Installationskosten erheblich steigen.

Die Lösung des Problems erfolgt durch ein thermoelektrisch.es Peltiermodul bzw. eine thermoelektrische Heiz- bzw. Kühlvorrichtung gemäß Anspruch 1.

Bei dem erfindungsgemässen Peltiermodul werden die das Peltierelement abschliessenden Keramikplatten in Form einer porösen, durchströmbaren Sintermatrix ausgebildet oder eine Sintermatrix wird in gut wärmeleitenden Verbund mit einer konventionellen Keramikplatte gebracht. Solch eine Sintermatrix, insbesondere, wenn sie aus gut leitendem Material wie Kupfer- oder Aluminiumgranulat besteht, ist bezogen auf die Grenzwandfläche in der Lage, außerordentlich hohe Wärmestromdichten zu bewältigen, die in der

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Größenordnung der Wärmestromdichte des Peltierelements liegen. Alle übrigen Bauteile des erfindungsgemäßen Peltiermoduls sind wie bei konventionellen Peltiermodulen ausgestaltet, so daß auf eine detailierte Beschreibung verzichtet werden kann.

Das erfindungsgemäße Peltiermodul besteht vorzugsweise aus einer Mehrzahl von thermisch parallel und elektrisch in Reihe geschalteten Leiterelementen aus Halbleitermaterial, wobei aufeinanderfolgende Leiterelemente abwechselnd n- oder p-dotiert sind (Fig. 1).

Die Kontaktfläche zwischen Peltiermodul und Sintermatrix wird in der Regel so groß sein wie die wirksame Wärmeübertragungsfläche des Peltiermoduls, so daß eine Variation der durch die innere Oberfläche der Sintermatrix definierten Wärmetauscherfläche durch eine bedarfsgerechte Anpassung des Maßes "H" (Fig. 2) erfolgt.

Als An- oder Abströmfläche kann jede Seite der Matrixform dienen, wie auch jede dieser Seiten in beliebiger Kombination dicht verschlossen werden kann, so daß die jeweils sinnvollste Stromrichtung des Fluids gewählt werden kann.

In Fig. 3 ist ein Datenblatt einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung angegeben.

Claims

M:LA0765A Schutzansprüche

1. Thermoelektrische Kühl- bzw. Heizvorrichtung mit

zwei Leiterelementen (1, 2), die eine unterschiedliche elektrische Leitfähigkeit aufweisen, die an zwei Enden mittels einer Kontaktbrücke (9) elektrisch leitenden miteinander verbunden sind und die an den anderen zwei Enden elektrische Anshlüsse (13, 14) aufweisen,

einer Wärmeaufnahme-Einrichtung (15), die eine erste elektrisch isolierende Abdeckung (16) aufweist, die die Kontaktbrücke (9) überdeckt, und

einer Wärmeabgabe-Einrichtung (17), die eine zweite elektrisch isolierende Abdeckung (18) aufweist, die die elektrischen Anschlüsse (13, 14) überdeckt, dadurch gekennzeichnet,

daß wenigstens die Wärmeaufnahme-Einrichtung (15) oder die Wärmeabgabe-Einrichtung (17) eine poröse durchströmbare Sintermatrix (20, 21) aufweisen. 25

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch isolierenden Abdeckung der Wärmeaufnahme-Einrichtung und/oder die Wärmeabgabe-Einrichtung als poröse durchströmbare Sintermatrix ausgebildet s ind.

3. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, die zwei Leiterelemente aus unterschiedlich dotierten Halbleitermaterialien bestehen, z.B. n- und p-dotiertem Wismuth-Tellurid-Material.

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4. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Paaren von Leiterelementen vorgesehen sind, die eine gemeinsame Wärmeabgabe-Einrichtung und eine gemeinsame Wärmeaufnahme-Einrichtung aufweisen, und wobei die einzelnen Leiterelemente thermisch parallel und elektrisch in Reihe geschaltet sind.

5. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sintermatrix aus gut Wärme leitendem Material, wie z, B. Kupferoder Aluminiumgranulat besteht.