WO2009000865A2

WO2009000865A2 - Peltierelementanordnung

Info

Publication number: WO2009000865A2
Application number: PCT/EP2008/058114
Authority: WO
Inventors: Karl-Ernst Schnorr
Original assignee: Karl-Ernst Schnorr
Priority date: 2007-06-25
Filing date: 2008-06-25
Publication date: 2008-12-31
Also published as: WO2009000865A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Peltierelementanordnung mit einem sandwichartig zwischen Wärmetauscheranordnungen aufgenommenen Peltierelement, wobei die Wärmetauscheranordnungen jeweils mehrere Wärmetauschermodule aufweisen, die mit Wärmeübertragungsflächen einander angrenzend angeordnet sind, wobei die Wärmeübertragungsflächen der Wärmetauschemodule unterschiedlich groß ausgebildet sind, und die Wärmetauschermodule von einer Kaltseite oder Warmseite des Peltierelements ausgehend stufenweise vergrößerte Wärmeübertragungsflächen aufweisen.

Description

Peltierelementanordnung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Peltierelementanordnung nach Anspruch 1 sowie eine Stapelanordnung von Peltierelementanordnungen nach Anspruch 9.

Zur Erzeugung von elektrischer Energie vermittels Peltierelementen ist es bekannt, die Peltierelemente zwischen Wärmetauscheranordnungen vorzusehen, derart, dass die Warmseite der Peltierelemente über eine auf der Warmseite angeordnete Wärmetauscheranordnung Wärmeenergie aufnimmt und die Kaltseite der Peltierelemente über eine Wärmeenergie aufnehmende Wärmetauscheranordnung Wärmeenergie abgibt.

In Versuchen hat sich herausgestellt, dass durch eine Temperaturerhö- hung auf der Warmseite der Peltierelemente gegenüber der Temperatur auf der Kaltseite der Peltierelemente, also einer Erhöhung des Temperaturgradienten über dem Peltierelement, zwar die durch das Peltierelement erzeugte elektrische Spannung erhöht wird. Jedoch zeigt sich, dass bei zu hohen Temperaturen auf der Warmseite der infolge Wärmestrahlung entstehender Wärmeschlupf größer wird und somit der elektrische Wir- kungsgrad einer Thermostromgeneratoranlage reduziert wird. Weiterhin hat sich gezeigt, dass relativ niedrige Temperaturen auf der Warmseite auch eine geringe Konvektion im System der wärmeführenden Leitungen, Pumpen und Armaturen zufolge haben, wodurch ebenfalls die Wärmever- luste bzw. der Wärmeschlupf verringert werden kann.

Zur Optimierung einer Peltierelementanordnung zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie durch Wärmeleitung kommt es daher darauf an, hohe Wärmespannungen bei möglichst niedrigen Betriebstemperaturen zu erzielen. Dies wird möglich, wenn es gelingt, die Verluste bei der Übertragung der Wärmeenergie von der Wärmetauscheranordnung auf die Warmseite des Peltierelements und von der Kaltseite des Peltierelements zur Wärmetauscheranordnung möglichst gering zu halten, und somit den Wirkungsgrad zu erhöhen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad einer Peltierelementanordnung zu erhöhen.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist die erfindungsgemäße Peltierelementanordnung die Merkmale des Anspruchs 1 auf.

Erfindungsgemäß ist das Peltierelement sandwichartig zwischen Wärmetauscheranordnungen aufgenommenen, wobei die Wärmetauscheranord- nungen jeweils mehrere Wärmetauschermodule aufweisen, die mit

Wärmeübertragungsflächen einander angrenzend angeordnet sind, wobei die Wärmeübertragungsflächen der Wärmetauschemodule unterschiedlich groß ausgebildet sind, und die Wärmetauschermodule von einer Kaltseite oder Warmseite des Peltierelements ausgehend stufenweise vergrößerte Wärmeübertragungsflächen aufweisen.

Die erfindungsgemäße Peltierelementanordnung weist somit auf der Warmseite und auf der Kaltseite jeweils eine Wärmetauscheranordnung auf mit in einer Stapel- oder Schichtanordnung angeordneten Wärmetauschermodulen. Ein besonders einfacher Aufbau der Wärmetauschermodule wird möglich, wenn die Wärmetauschermodule aus einem Wärmetauschersubstrat gebildet sind, dessen Oberfläche die Wärmeübertragungsflächen bildet

Wenn die Wärmetauschermodule aus einer mehrlagigen Anordnung des Wärmetauschersubstrats gebildet sind, lassen sich auf einfache Art und Weise unterschiedliche Module zusammenstellen.

Als besonders vorteilhaft für den Wirkungsgrad erweist es sich, wenn die Masse der Wärmetauschermodule im Wesentlichen konstant bleibt.

Auch ist es von Vorteil, wenn die Gesamtwärmetauscherfläche auf der Kaltseite des Peltierelements größer ausgeführt ist als auf der Warmseite.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Peltierele- mentanordnung kann sich die Kantenlänge der Wärmetauschermodule jeweils von einem Wärmetauschermodul zum benachbarten Wärmetau- schermodul verdoppeln. Hierbei hat sich insbesondere eine Faktorenstu- fung von 4 zu 8 zu 16 als vorteilhaft herausgestellt.

In einer besonders einfachen Ausführung weist das Wärmetauschersubstrat zwei zur Ausbildung einer Wärmeübertragungsfläche dienende ebene Decklagen mit einer zwischenliegenden Abstandslage auf.

Vorteilhaft ist es, wenn die Abstandslage zur Ausbildung von Stützstegen eine profilierte Kontur aufweist.

Eine besonders vorteilhafte Anordnung einer Mehrzahl von Peltierele- mentanordnungen der vorgenannten Art ergibt sich, wenn die Peltierele- mentanordnungen gemäß Anspruch 9 zu einer Stapelanordnung zusam- mengefasst werden.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Stapelanordnung sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche. Nachfolgend werden vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Peltierelementanordnung;

Fig. 2 eine perspektivische Teildarstellung der Peltierelementa- nordnung;

Fig. 3 eine perspektivische Teildarstellung einer Stapelanordnung;

Fig. 4 die Herstellung eines Wärmetauschermoduls aus einem

Wärmetauschersubstrat.

Fig. 1 zeigt eine Peltierelementanordnung 30 in Seitenansicht mit einem Peltierelement 10, auf dessen in Fig. 1 oberen Warmseite eine erste Wärmetauscheranordnung 1 1 und auf dessen Kaltseite eine Wärmetauscheranordnung 12 vorgesehen ist. Die Wärmetauscheranordnungen 1 1 , 12 weisen bei dem in Fig. 1 dargstellten Ausführungsbeispiel jeweils übereinstimmend ein Wärmetauschermodul 13 und ein Wärmetauscher- modul 14 auf. Das Wärmetauschermodult 13 umfasst, wie insbesondere in der Fig. 2 dargestellt ist, zwei Lagen eines Wärmetauschersubstrats 15 , das im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei Decklagen 16, 17 aus einem Metall, vorzugsweise Aluminium, mit einer zwischen den Decklagen angeordneten, hier als Well- oder Leporellolage ausgebildeten Abstandslage 18, ebenfalls aus Metall, vorzugsweise Aluminium 18, aufweist. In der Abstandslage sind Stützstege 41 ausgebildet. Die Ausgestaltung des Wärmetauschersubstrats 15 erinnert an Wellpappe.

Das Wärmetauschermodul 13 umfasst zwei Lagen des Wärmetauschersubstrats 15 mit daher insgesamt vier Wärmeübertragungsflächen 19. Das Wärmetauschermodul 14 umfasst lediglich eine Lage Wärmetauschersubstrats 15 mit insgesamt zwei Wärmeübertragungsflächen 20. Dabei kann auch abweichend von der Darstellung in den Fig. 1 und 2 die Gesamtfläche der Wärmeübertragungsflächen 20 mit der Gesamtfläche der Wärme- Übertragungsflächen 19 und die Masse des Wärmetauscherelements 13 mit der Masse des Wärmetauscherelements 14 übereinstimmen.

Auf der äußeren Wärmeübertragungsfläche 20 des Wärmetauschermoduls 14 ist eine Wärmeträgereinrichtung 21 angeordnet, die im vorliegenden Fall aus einem Rohrsystem mit darin zirkulierenden Wärmeträgermedium besteht.

Wie in Fig. 2 dargestellt, erfolgt ausgehend von der Wärmeträgereinrichtung 21 eine Wärmeübertragung Q l auf das Wärmetauschermodul 14. Hiervon ausgehend erfolgt zwischen den Wärmetauschermodulen 13 undl 4 eine Wärmeübertragung bzw. ein Wärmestrom F über die Wärmetauschermodule 14 und 13 bzw. die beteiligten Wärmeübertragungsflächen zum Peltierelement 10 und vom Peltierelement über die an die Kaltseite des Peltierelements angeschlossenen Wärmetauschermodule 13 und 14 auf die auf der Kaltseite angeordnete Wärmeträgereinrichtung 21.

Wie Fig. 1 ferner zeigt, ist ein durch die abgestufte Ausbildung der Wärmetauschermodule 13 , 14 geschaffener Zwischenraum mit einem Isolator 22 verfüllt, der darin eingebettet die an die Kalt- bzw. Warmseite des Peltierelements angeschlossenen Stromzuführungen 23 , 24 aufweist.

Fig. 3 zeigt eine Peltierelementstapelanordnung 40 mit auf einer Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Grundplatten 25 angeordneten Peltierelementanordnungen 30 der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Art. Im vorliegenden Fall sind die Grundplatten 25 selbst auch aus dem Wärmeträgersubstrat 15 gebildet. Die Grundplatten 25 definieren Stapel- ebenen, in denen jeweils, wie in Fig. 3 dargestellt, eine Mehrzahl von Peltierelementanordnungen in einer Matrixanordnung angeordnet sind. Die einzelnen Grundplatten 25 sind durch Wärmeträgereinrichtungen 21 voneinander getrennt. Zur Verbindung und Sicherung der Grundplatten 25 untereinander sind Stapelachsen 26 vorgesehen, von denen in Fig. 3 beispielhaft eine Stapelachse 26 dargestellt ist. Fig. 4 zeigt in einer vergrößerten Darstellung ein Wärmetauschersubstrat 15 , wobei gleichzeitig Fig. 4 zur Erläuterung der Herstellung des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Wärmetauschermoduls 13 dient, das aus zwei übereinander geschichteten Lagen des Wärmetauschersubstrats 15 gebildet ist. Wie Fig. 4 zeigt, kann die Ausbildung des Wärmetauschermoduls 13 durch einfaches Umschlagen einer einfachen Lage des Wärmetauschersubstrats 15 zu einer Doppellage erfolgen.

Claims

Patentansprüche

1. Peltierelementanordnung (30) mit einem sandwichartig zwischen

Wärmetauscheranordnungen (11, 12) aufgenommenen Peltierele- ment (10), wobei die Wärmetauscheranordnungen jeweils mehrere Wärmetauschermodule (13, 14) aufweisen, die mit Wärmeübertragungsflächen (19, 20) einander angrenzend angeordnet sind, wobei die Wärmeübertragungsflächen der Wärmetauschemodule unterschiedlich groß ausgebildet sind, und die Wärmetauschermodule von einer Kaltseite (27) oder Warmseite (28) des Peltiere- lements ausgehend stufenweise vergrößerte Wärmeübertragungsflächen aufweisen.

2. Peltierelementanordnung nach Anspruch 1, d a dur c h g ek ennz e i c hnet, dass die Wärmetauschermodule (13, 14) aus einem Wärmetauschersubstrat (15) gebildet sind, dessen Oberfläche die Wärmeübertragungsflächen (19, 20) bildet.

3. Peltierelementanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschermodule (13, 14) aus einer mehrlagigen Anordnung des Wärmetauschersubstrats (15) gebildet sind.

4. Peltierelementanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Massen der Wärmetauschermodule (13, 14) auf der Kaltseite (27) oder der Warmseite (28) des Peltierelements im We- sentlichen konstant ist.

5. Peltierelementanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aus den Wärmeübertragungsflächen (19, 20) zusammen- gesetzte Gesamtwärmetauscherfläche auf der Kaltseite (27) des

Peltierelements (10) größer ist als auf der Warmseite (28).

6. Peltierelementanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kantenlänge der Wärmetauschermodule (13, 14) jeweils von einem Wärmetauschermodul zu einem benachbarten Wärmtauschermodul verdoppelt.

7. Peltierelementanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a dur c h g e k e nnz e i c hn e t, dass das Wärmetauschersubstrat zwei zur Ausbildung einer Wärmeübertragungsfläche (19, 20) dienende ebene Decklagen (16, 17) mit einer zwischenliegenden Abstandslage (18) aufweist.

8. Peltierelementanordnung nach Anspruch 7, d a dur c h g ek ennz e i c hnet, dass die Abstandslage (18) zur Ausbildung von Stützstegen (41) eine profilierte Kontur aufweist.

9. Stapelanordnung mit einer zumindest zwei Peltierelementanord- nungen (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Peltie- relementanordnungen mit ihren Kaltseiten (27) oder Warmseiten (28) einander gegenüberliegend angeordnet sind und eine Wärmeträgereinrichtung (21) zwischen sich aufnehmen.

10. Stapelanordnung nach Anspruch 9, d a dur c h g ek ennz e i c hnet, dass die benachbart der Wärmeträgereinrichtung (21) angeordneten Wärmetauschemodule (13) als Grundplatte für eine Matrixanordnung einer Mehrzahl von Peltierelementanordnungen(lO) die- nen.

11. Stapelanordnung nach Anspruch 10, d a dur c h g ek ennz e i c hnet, dass eine Mehrzahl von übereinander in der Stapelanordnung (40) angeordneten Grundplatten (25) über Stapelachsen (26) miteinan- der verbunden sind.