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Dokumentenidentifikation DE102006004756A1 16.08.2007
Titel Peltier-Wärmetauscher in modularer Bauweise
Anmelder Wolf, Herbert, 06632 Freyburg, DE
Erfinder Wolf, Herbert, 06632 Freyburg, DE
Vertreter Voigt, W., Ing. Pat.-Ing., Pat.-Anw., 06108 Halle
DE-Anmeldedatum 30.01.2006
DE-Aktenzeichen 102006004756
Offenlegungstag 16.08.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.08.2007
IPC-Hauptklasse F24F 5/00(2006.01)A, F, I, 20060130, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F24D 3/18(2006.01)A, L, I, 20060130, B, H, DE   F28F 3/00(2006.01)A, L, I, 20060130, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft einen Petier-Wärmeaustauscher, welcher in modularer Bauweise als kompakte Baugruppe ausgeführt ist. Es werden hohe Leistungszahlen der Wärmeübertragungen erreicht. Eine hohe Effektivität ist weiterhin gesichert durch geringe Temperaturunterschiede zwischen den Wärmeübergangsplatten, bedingt durch die modulare Bauweise. In Abgrenzung zur vorgenannten DE-Anmeldung werden Kupferplatten (7) mit dazwischenliegenden Peltierelementen (6) beiderseits in Kunststoff-Wärmeaustauscherplatten (1, 2) mit geringem Wärmeleitwert eingelegt. In die Kunststoff-Wärmeaustauscherplatten (1, 2) sind mäanderförmig Wasserwege (4) eingearbeitet (z. B. gefräst). Die Kupferplatten (7) decken die Wasserwege (4) ab. Die modulare Bauweise wird durch eine spiegelbildliche Fertigung der Kunststoff-Wärmeaustauscherplatten (2) (ausgenommen die erste und letzte Wärmeaustauscherplatte), erreicht. Die in den Wärmeaustauscherplatten (2) eingefrästen Wasserwege sind auf beiden Seiten wasserseitig parallel durch eine Ein- und Austrittsbohrung miteinander verbunden. Diese Wärmeaustauscherplatte wird somit auch auf beiden Seiten mit der gleichen Wassertemperatur gefahren.

Beschreibung[de]

Diese Patentanmeldung ist ein Zusatz zur Anmeldung 10 2005 036 492.6.

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher in modularer Bauweise, wobei die neue Konzeption an sich auf altbekannten physikalischen Zusammenhängen an Peltierelementen beruht. Es werden jedoch erfindungsgemäß hohe Leistungszahlen der Wärmeübertragungen im Peltier-Wärmeaustauscher, welcher als kompakte Baugruppe in modularer Bauweise ausgeführt ist, erreicht. Eine hohe Effektivität wird weiterhin erreicht durch geringe Temperaturunterschiede zwischen den Wärmeübergangsplatten, bedingt durch die modulare Bauweise.

In der DE 10 8005 036 492.6 wird ein modernes Verfahren und ein Gerätekomplex zum Kühlen und Heizen von Innenräumen unter Verwendung eines Peltierelements als Wasser/Wasser-Wärmepumpe beschrieben. Das Wasser wird von der warmen Seite des Peltierelements über einen Wärmeaustauscher geführt, die Wärme wird abgeleitet und das Wasser einem Rückkühler zugeführt. Nach Temperaturabsenkung erfolgt eine Rückführung des Wassers in den Wärmeaustauscher an der warmen Seite des Peltierelements. Weiterhin wird von der kalten Seite des Peltierelements über einen zweiten Wärmeaustauscher das kalte Wasser einem kalten Wärmeaustauscher zugeführt, wobei sich das Wasser durch Abstrahlung vom kalten Wärmeaustauscher erwärmt (z. B. zum Kühlen eines Innenraumes) und dann an die kalte Seite des Peltierelements zurückgeführt wird. Die Umschaltung der Polarität von der Spannungsversorgung an den Peltierelementen führt – wie bekannt – zur Umkehrung des thermischen Prozesses an den beiden Wärmeübergangsflächen.

In der bereits genannten DE 10 2005 036 492.6 wird auch der innere Wärmeaustausch im Peltier-Wärmeaustauscher beschrieben. Zur Vermeidung von Wiederholungen soll darauf nicht noch einmal eingegangen werden, sondern nur kurz darauf hingewiesen werden, dass Peltierelemente mit beispielsweise einer Fläche von 4 cm × 4 cm auf dünnen Metallplatten hintereinander in mehreren Reihen aufgeklebt werden.

Es darf jedoch nicht übersehen werden, dass diese Ausführungen noch Fragen offen lassen, um einen Peltier-Wärmeaustauscher in modularer Bauweise vorzuschlagen, der mit hoher Effektivität arbeitet.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, durch einen Peltier-Wärmeaustauscher in modularer Bauweise die Effektivität der Kühl- bzw. Heizprozesse zu verbessern, d. h. die Leistungszahl der Wärmeübertragung an den Peltier-Wärmeaustauschern zu erhöhen. Es ist weiterhin die Aufgabe der Erfindung, Vorschläge für die technische Gestaltung der Wärmeaustauscherplatten zu machen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe wie folgt gelöst, wobei hinsichtlich der grundlegenden erfinderischen Gedanken auf den Patentanspruch 1 verwiesen wird. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus den Patentansprüchen 2 bis 5.

Zur Darlegung der Erfindung sollen weitere Ausführungen erfolgen.

Der Peltier-Wärmeaustauscher in modularer Bauweise besteht aus mindestens drei Wärmeaustauscherplatten. Die Effektivität wird erhöht, wenn weitere Wärmeaustauscherplatten zu einem Modul vereint werden.

Der innere Teil des Wärmeaustauschers besteht aus keramischen Peltierelementen und zwei Metallplatten, vorzugsweise Kupferplatten. Zwischen den beiden Kupferplatten werden die Peltierelemente mit Wärmeleitpaste dicht nebeneinander in Reihen aufgeklebt. Untereinander besteht kein Abstand, damit es zu keinem Temperaturaustausch zwischen den Kupferplatten kommt. Zur Anordnung dieser Bauteile im Inneren des Wärmeaustauschers erfolgten bereits Hinweise in der DE 10 2005 36 492.6.

In Abgrenzung zur vorgenannten DE-Anmeldung ist jedoch hervorzuheben, dass die Kupferplatten mit den dazwischenliegenden Peltierelementen beiderseits in Kunststoff-Wärmeaustauscherplatten mit geringem Wärmeleitwert eingelegt werden. In die Kunststoff-Wärmeaustauscherplatten sind mäanderförmig (z. B. durch Fräsen) Wasserwege eingearbeitet. Die Kupferplatten decken die Wasserwege ab, wobei die Abdichtung mittels Null-Ring und Nut, welche in die Kunststoffplatte eingearbeitet ist, erfolgt.

Die modulare Bauweise wird durch eine spiegelbildliche Fertigung der Kunststoffplatten, ausgenommen die erste und letzte Wärmetauscherplatte, erreicht. Die darin eingefrästen Wasserwege sind auf beiden Seiten wasserseitig parallel durch eine Ein- und Austrittsbohrung miteinander verbunden. Diese Wärmeaustauscherplatte wird somit auch auf beiden Seiten mit der gleichen Wassertemperatur gefahren.

Die Erfindung soll nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen erläutert werden. Die Figuren zeigen in Prinzipdarstellung:

1: Wärmeaustauscherplatte, Endstück im Längsschnitt, teilweise Darstellung

2: wie 1, jedoch Mittelstück

3: Draufsicht einer Wärmeaustauscherplatte

4: Modularer Aufbau des Wärmeaustauschers mit drei Platten, teilweise Darstellung

5: Fließplan des modularen Wärmeaustauschers mit angeschlossenen Verbrauchern

Die verwendeten Bezugszeichen bedeuten:

1
Wärmeaustauscherplatte Endstück
2
Wärmeaustauscherplatte Mittelstück
3
Wassereintritts- bzw. Wasseraustrittsöffnungen
4
eingefräste Wasserwege
4a
eingefräste Wasserwege für erwärmtes Wasser
4b
eingefräste Wasserwege für gekühltes Wasser
5
Stege
6
Peltierelement
7
Kupferplatten
8
Auflageflächen für Kupferplatten
9
Dichtung
10
kalte Seite eines Peltierelements
11
warme Seite eines Peltierelements
12
Kühlvorrichtung
13
Heizgerät

Der Wärmeaustauscher in modularer Bauweise besteht aus dem Mittelstück 2 (bzw. aus mehreren Mittelstücken) und den zwei Endstücken 1, ausgeführt aus Kunststoff mit geringem Wärmeleitwert, vorzugsweise Polyamid. Das Wasser fließt in den eingefrästen Wasserwegen 4 (4a, 4b) mäanderförmig um die Stege 5. Die Öffnungen für die Wasserzu- bzw. Wasserabführung sind mit dem Bezugszeichen 3 versehen.

Das Innere des Wärmeaustauschers besteht, – wie schon gesagt – aus den keramischen Peltierelementen 6 und aus Metallplatten, vorzugsweise Kupferplatten 7, die von der Kaltseite 10 und der Warmseite 11 des Peltierelements die Wärmeenergie auf das Wasser übertragen.

Mit dem Positionszeichen 8 sind die Auflageflächen für die Kupferplatten 7 bezeichnet, wobei die Kupferplatten zur Verhinderung von Kurzschlussströmungen auch auf den Stegen 5 der Wasserwege 4 (4a, 4b) aufliegen.

Am äußeren Rand der Kunststoffplatten, d. h. der End- und Mittelstücke 1, 2, sind Bohrungen vorgesehen, so dass die Platten fest zusammengefügt werden können. Zur wasserdichten Auflage der Kupferplatten 7 wird eine Dichtung 9 vorgesehen, bestehend aus einem O-Ring, der in eine Nut in der Kunststoffplatte eingelegt wird.

Es sei noch darauf hingewiesen, dass ein gleichmäßiger Temperaturanstieg im Wärmeaustauscher notwendig ist, damit die Peltierelemente jeweils die gleiche Temperaturdifferenz beidseitig des Wärmeaustauschers haben. Das strömende Wasser auf beiden Seiten der Kunststoffplatten muss deshalb im Gegenstromprinzip gefahren werden.

Hierzu wird auf 5 verwiesen. Es wird das Fließschema eines Wärmeaustauschers in modularer Bauweise gezeigt mit einer angeschlossenen Kühlvorrichtung 12 und einem Heizgerät 13, wobei die Kühlvorrichtung 12 und das Heizgerät 13 die Funktion von äußeren Wärmetauschern haben.


Anspruch[de]
Peltier-Wärmeaustauscher in modularer Bauweise, wobei zwischen Metallplatten (7) Peltierelemente (6) angeordnet sind und diese Metallplatten mit dazwischen angeordneten Peltierelementen (6) wiederum zwischen zwei Wärmeaustauscherplatten (1, 2) platziert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauscherplatten (1, 2) einen geringen Wärmeleitwert aufweisen, die in die Wärmeaustauscherplatten (1, 2) eingearbeitete Wasserwege (4, 4a, 4b) von Metallplatten (7) abgedeckt sind, die Wärmeaustauscherplatten (2) welche als Mittelstück Verwendung finden, beidseitig voneinander getrennte Wasserwege aufweisen, die Wärmeaustauscherplatten (1), die als Endstück Verwendung finden, nur einen Wasserweg aufweisen, an den Stirnseiten der Wärmeaustauscherplatten Wassereintritts- bzw. -austrittsöffnungen (3) derart angeordnet sind, dass die Wasserwege (4, 4a, 4b) mit den Wassereintritts- bzw. -austrittsöffnungen (3) verbunden sind und als Voraussetzung für die modulare Bauweise die Wärmeaustauscherplatten (2) spiegelbildlich derart angefertigt sind, dass diese zu Modulen, bestehend aus mindestens drei Wärmeaustauscherplatten, zusammenfügbar sind. Peltier-Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallplatten (7) Kupferplatten (7) sind. Peltier-Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserwege (4, 4a, 4b) von der Eintritts- bis zur Austrittsöffnungen (3) mäanderförmig geführt sind. Peltier-Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauscherplatten aus Kunststoff, vorzugsweise Polyamid bestehen. Peltier-Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Anordnung der Wasserwege (4, 4a, 4b) und der Wassereintritts- bzw. -austrittsöffnung (3) die Wärmeaustauscherplatten (2) derart gefahren werden, dass auf beiden Seiten immer die gleiche Wassertemperatur gegeben ist.






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