Diese Erfindung betrifft thermoelektrisches Kühlen. Inbesonders betrifft sie eine leistungsfähige thermoelektrische Kühlvorrichtung, die aus mehreren, mit mehreren neuen Abstandselementen kombinierten thermoelektrischen Modulen gebildet ist.

Thermoelektrisches Kühlen ist ein gut bekanntes Phänomen. Es nutzt den sogenannten thermoelektrischen Peltier-Effekt. Wenn ein elektrischer Strom durch den Übergang von zwei ungleichen Metallen fließt, ergibt sich ein Anstieg in der Absorption oder Freisetzung von Wärme. Wenn der Strom in der gleichen Richtung fießt, wie der Strom am heißen Übergang eines thermoelektrischen Kreises aus den zwei Metallen, wird Wärme absorbiert. Wenn der Strom in der gleichen Richtung fließt wie der Strom am kalten Übergang des thermoelektrischen Kreises, wird Wärme freigesetzt.

Als nützliches Ergebnis des Peltier-Effekts sind Module, die den Effekt nutzen, leicht kommerziell erhältlich, wie im folgenden noch weiter erklärt wird. Eine Anzahl von Vorrichtungen wurde vorgeschlagen, die den Effekt nutzen einschließlich unter anderem die Offenbarungen der folgenden United States Patente: 3,080,723 von Price; 3,085,405 von Frantti; 3,154,926 von Hirschhorn; 4,237,877 von Boehler; 4,470,263 von Lehovec et al.; 4,483,021 von McCall und 4,551,857 von Galvin.

US-A-3 137 142 betrifft ein Wärmeübertragungsystem, bei dem thermoelektrische Module gestapelt sind. Eine Matrix umfaßt vertikal auf Abstand gehaltene horizontale Platten, die durch Felder horizontal auf Abstand gehaltener vertikaler Wärmetauscherlamellen (Rippen), die wiederum Felder von horizontalen Strömungsmediumkanälen definieren, miteinander verbunden sind. Die vertikal auf Abstand gehaltenen horizontalen Platten haben an ihren Außenflächen Felder von horizontal auf Abstand gehaltenen vertikalen Wärmetauscherlamellen angebracht, die Felder von horizontalen Strömungsmediumkanälen bereitstellen, die durch geignete Einrichtungen wie z.B. Metallabdeckplatten abgedeckt sind. Die vertikal auf Abstand gehaltenen horizontalen Platten beinhalten mehrere thermoelektrische Paare, die heiße und kalte Übergänge aufweisen. Die Plattenanordnung ist derart, daß sich die heißen Übergänge in benachbarten Platten gegenüberliegen und daß sich auch die kalten Übergänge in benachbarten Platten gegenüberliegen. Die Plattenanordnung ist derart, daß die Felder der horizontalen Strömungsmediumkanäle ein Strömungsmedium zwischen den Feldern der Wärmeaustauscherlamellen transportieren und sich im wesentlichen in rechten Winkeln zu den Feldern der horizontalen Strömumgsmediumkanäle erstrecken, die aufgrund der Kanalanordnung Strömungsmedium zwischen den Feldern der Wärmeaustauscherlamellen transportieren.

US-A-3 ,474,632 betrifft eine thermoelektrische Klimatisierungsvorrichtung mit einem ähnlichen Aufbau. Sie weist mehrere thermoelektrische Module auf, die miteinander durch mehrere Lamellen verbunden sind. Die Lamellen schaffen mehrere Flußpfade, durch die entweder Kaltluft oder klimatisierte Luft transportiert wird.

Obwohl der Wirkungsgrad der Peltier-Effekt-Module relativ niedrig ist, sind sie für gewisse Anwendungen wegen des Fehlens bewegter Teile einzigartig geeignet. Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine thermoelektrische Kühlvorrichtung und ein Wärme-Übertragungsverfahren zu schaffen, die den Kühlungswirkungsgrad in einer robusten, sehr vielseitigen Konfiguration maximieren. Diese Aufgabe ist durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 10 gelöst. Andere Aufgaben und Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen ersichtlich werden.

Die Erfindung betrifft insbesonders einen Aufbau mehrerer thermoelektrischer Kühlmodule, die in einem Stapel angeordnet sind und sich mit mehreren Abstandselementen abwechseln. Die Kühlmodule sind so angeordnet, daß die heißen Oberflächen benachbarter Module einander gegenüber liegen, wie es die kalten Oberflächen tun. Der Abstandshalter zwischen jedem Paar gegenüberliegender Oberflächen beinhaltet einen Strömungsmediumdurchlauf in wärmeübertragender Beziehung zu den Oberflächen. Der Abstandshalter besteht aus Elastomermaterial, so daß er selbstdichtend und leckdicht ist. Ein zu kühlendes Strömungsmedium wird durch diese, die kalten Oberflächen trennenden Abstandshalter, geleitet. Die Abwärme wird durch ein Strömungsmedium, das durch die, die heißen Oberflächen trennenden Abstandshalter geleitet wird, abgeführt.

Die Erfindung wird mittels eines Beispiels mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen erklärt:

Fig. 1 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Wasserkühlers, der die Vorrichtung dieser Erfindung einsetzt;

Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht der thermoelektrischen Kühlvorrichtung der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 ist ein Explosions-Detail zur Darstellung des Aufbaus der Vorrichtung von Fig. 2; und

Fig. 4 ist eine Prinzipskizze zur Darstellung der Betriebsweise des Wasserkühlers von Fig. 1.

Mit speziellen Bezug auf Fig. 1 ist ein Wasserkühler (und ein Heizgerät) dargestellt, der von dem Kühlmodul der Erfindung Gebrauch macht. Ein möglicher Einsatz eines solchen Kühlers wäre eine Zusatzausrüstung eines Motorfahrzeugs, das in einer Wüstenumgebung operiert, um kühles Trinkwasser oder andere Getränke bereitzustellen. Ein Vorrichtung dieses Typs könnte auch auf einer Zugmaschine oder in einem Wohnwagen montiert werden. In der Tat ist ihre Einsetzbarkeit nur durch die Notwendigkeit einer Gleichstromenergiequelle eingeschränkt.

Der Kühler von Fig. 1 weist ein rechteckiges Gehäuse 10 auf, das durch eine vertikale Wand 12 und eine horizontale Wand 14 in drei Abteile aufgeteilt ist. Das rechte Abteil 16 ist, wie in Fig. 1 zu sehen, hoch und schmal um einen Polypropylentank 18 und die umgebende Schaumisolation (nicht gezeigt) auf zunehmen. Das durch die horizontale Wand 14 gebildete obere Abteil 20 ist im wesentlichen quadratisch und umschließt eine mit Lamellen versehene Röhrenwärmetauscher-Anordnung 22, ein Heißwasserpumpe 24 und eine Zulaufpumpe 26. Das durch die horizontale Wand 14 gebildete untere Abteil 28 ist rechteckig und umschließt einen thermoelektrischen Kühlstapel 30 und eine kalte Pumpe 30.

Die Rückseite des Gehäuses 10 ist durch eine Rückplatte 34 und eine Dichtung 36 verschlossen. Die Rückplatte 34 enthält eine kreisförmige Luftauslaßöffnung 38 in der ein motorbetriebener Lüfter 40 eingebaut ist, der sich in das obere Abteil 20 erstreckt, um Luft durch den lamellierten Röhrenwärmetauscher 22 zu ziehen.

Die Vorderseite des Gehäuses 10 ist durch ein Frontplatte 42 und eine Dichtung 44 verschlossen. Die zusammengebaute Umkleidung mit dem Gehäuse 10, der Rückplatte 34 und der Frontplatte 42 ist durch Durchsteckschrauben 46 und Muttern 48 zusammengehalten. Die Frontplatte 42 enthält ein Lufteinlaßgitter 50 und trägt ein Steuerplatte 52. Auf der Frontplatte 52 sind ein Drei-Positionen-Schalter 54 mit den Stellungen "Heizen", "Aus" und "Kühlen", eine "Bereit"-Leuchte 56 und eine "Niedrigspannung"-Leuchte 58 montiert.

An der Oberseite des Gehäuses 10 ist eine Entlüftungskappe 60 montiert, die mit dem Inneren des Tanks 18 über eine Öffnung 62 in der oberen Platte 64 des Tanks in Verbindung steht. Auf der Oberseite des Gehäuses 10 ist ebenfalls ein Abschaltventil 76 montiert, das die Verbindung zu einer externen Wasserversorgung, wie z.B. einem nicht gezeigten Tank herstellt. Auf dem Boden des Tanks 18 ist durch die Montage auf der Bodenplatte 66 ein Widerstandsheizung 68 angeordnet. Weiter ist in dem Tank 18, aber nahe an der Oberseite, ein Füllstandssensor 70 enthalten. Der Tank enhält auch einen Temperatursensor 72, der in Fig. 1 nicht zu sehen ist. Ein per Druckknopf betätigtes Ablaßventil 74 auf der Bodenplatte des Tanks 18 ermöglicht die Entleerung des Inhalts falls gewünscht.

Der Aufbau des thermoelektrischen Kühlstapels 30 dieser Erfindung ist am besten in Fig. 2 und 3 zu sehen. Er umfaßt mehrere reckteckige, kommerziell erhältliche, thermoelektrische Module 78, die sich mit Abstandshaltern 80 abwechseln und an den Endplatten 82 abschließen. Jedes Modul hat eine kalte Oberfläche und eine heiße Oberfläche und ein Paar elektrischer Zuleitungen 84. Sie sind so in dem Stapel angeordnet, daß sich in benachbarten Modulen die kalten Oberflächen und die heißen Oberflächen gegenüberliegen.

Folglich ist jeder Abstandshalter 80 entweder zwischen zwei heißen oder zwei kalten Oberflächen eingeschlossen. Geignete Kühlmodule sind die Modelle CP5-31-06L und CP5-31-10L von Materials Electronic Products Corp. Sie werden von dem Hersteller als lötbare, keramisch isolierte, thermoelektrische Module beschrieben. Jedes Modul enthält 31 Paare. Das thermoelektrische Material ist eine quarternäre Legierung aus Wismuth, Tellur, Selen und Antimon mit kleinen Dotierungsanteilen, die so behandelt sind, daß sie einen ausgerichteten polykristallinen Block erzeugen.

Die Abstandshalter 80 sind identisch, aber abwechselnd umgedreht in dem Stack 30 eingebaut. Sie sind aus Silikongummi hergestellt, der als Dichtung und Versiegelung gegenüber den thermoelektrischen Modulen 78 dient, um Leckagen des Strömungsmediums zu vermeiden. Leitflächen 86 in jedem Abstandshalter bilden einen serpentinenförmigen Kanal, der mit einem Strömungsmediumeinlaß 88 und einem Strömungsmediumauslaß 90 in einer Ecke jedes Abstandstandhalters in Verbindung steht. Wie später ersichtlich wird, sind die Seiten aller Kanäle durch die heißen oder kalten Oberflächen der benachbarten Modulen gebildet, um somit die Wärmeübertragung zu dem und von dem Strömungsmedium im Kanal zu maximieren. Diese Anordnung umgeht die Notwendigkeit des Einsatzes konventioneller Wärmetauscherplatten und die Probleme einen guten Wärmeübergang zu den Modulen mittels Druckanlegung oder Wärmeleitpaste zu erhalten.

Die abwechselnd umgedrehte Anordnung der Abstandshalter 80 resultiert darin, daß die Strömumgsmediumeinlässe und -Auslässe jedes zweiten Abstandshalters ausgerichtet sind. Ein Wassereinlaßverteiler 92 ist mit den Einlässen 88 der Abstandshalter verbunden, die zwischen kalten Oberflächen angeordnet sind und ein Wasserauslaßverteiler 94 ist mit deren Auslässen 90 verbunden. In ähnlicher Weise ist ein Kühlmitteleinlaßverteiler 96 mit den Einlässen 88 der Abstandshalter verbunden, die zwischen den heißen Oberflächen angeordnet sind und ein Kühlmittelauslaßverteiler 98 ist mit deren Auslässen 90 verbunden. Diese Kühlstapelanordnung ist leicht und mit niedrigen Kosten herzustellen. Nach dem Zusammenbau wird sie in ein geignetes Harz eingekapselt, was eine extrem robuste Einheit mit stabilen Leistungsdaten ergibt.

Ein thermoelektrischer Kühlstapel wurde wie oben mit vier Modulen aufgebaut, von denen jedes mit 4,8 Volt x 6,7 Ampere = 32,16 Watt betrieben wurde, und dadurch eine Gesamtleistung von 128,64 Watt hat. Die Resultate von drei Tests waren wie folgt:

21ºC (70ºF) Temperatur der Umgebungsluft

22ºC (71,2ºF) Kaltwasserauslaß

35,4ºC (95,7ºF) Heißwasserauslaß

24ºC (75ºF) Kaltwasserrücklauf

32,7ºC (90,9ºF) Heißwasserrücklauf

121,07 BTU/Hr Kühlleistung (35,46 Watt).

21ºC (70ºF) Temperatur der Umgebungsluft

27ºC (80,2ºF) Kaltwasserauslaß

40,6ºC (105,2ºF) Heißwasserauslaß

29ºC (84,1ºF) Kaltwasserrücklauf

37,7ºC (99,9ºF) Heißwasserrücklauf

132 BTU/Hr Kühlleistung (38,60 Watt).

210C (70ºF) Temperatur der Umgebungsluft

27,5ºC (81,4ºF) Kaltwasserauslaß

37,3ºC (99,1ºF) Heißwasserauslaß

30,6ºC (87,0ºF) Kaltwasserrücklauf

34,6ºC (94,3ºF) Heißwasserrücklauf

154,6 BTU/Hr Kühlleistung (45,3 Watt).

Der Kühlstapel von Beispiel I wurde auf 24 Module mit einer Betriebsleistung von 772 Watt vergrößert.

726,4 BTU/Hr Kühlleistung (212,8 Watt).

792,0 BTU/Hr Kühlleistung (232,1 Watt).

Die Arbeitsweise einer Wasserheiz- und Kühleinheit, wie in Fig. 1 und 4 dargestellt, mit dem oben beschriebenen thermoelektrischen Kühlstapel wird jetzt erklärt. In der folgenden Beschreibung ist Trinkwasser eingefüllt und eine 50:50-Mischung von Äthylenglykol und Wasser dient als Kühlmittel.

Um das System im Heizmodus zu betreiben wird das Abschaltventil 76 geöffnet und der Steuerschalter 54 in Stellung "Heizen" gebracht. Wenn die verfügbare Spannung außerhalb des erlaubten Nominalbereichs liegt, leuchtet die Niedrigspannungs LED 58 und das System beginnt nicht zu arbeiten. Wenn die gemessene Spannung innerhalb des Nominalbereichs liegt und der Füllstandssensor 70 erkennt, daß der Tank 18 nicht gefüllt ist, beginnt die Widerstandsheizung 68 nicht zu arbeiten. Stattdessen wird die Zulaufpumpe 26 starten und Wasser von einer externen Quelle in den Tank 18 pumpen, der in einer Ausführungsform ein Gesamtvolumen von 500ml hat. Wenn der Flüssigkeitspegel 400 ml erreicht, zeigt der Füllstandsensor 70 an, daß der Tank gefüllt ist und die Widerstandsheizung 68 wird mit Energie versorgt. Diese Heizung hat eine Leistung von 65 Watt und heizt das Wasser im Tank 18 rasch auf. Sobald die gewünschte Wassertemperatur erreicht ist, leuchtet die grüne "Bereit" Leuchte 56 auf und leuchtet solange, wie die Temperatur beibehalten wird. Das heiße Wasser kann über das Ablaßventil 74 entnommen werden.

Wenn das System im "Heizen"-Modus betrieben wird, sind der thermoelektrische Kühlstapel 30 und seine zugehörigen Pumpen und Einrichtungen außer Betrieb. Das System arbeitet ähnlich wie eine Kaffeemaschine. Sobald die Temperatur des Wassers den den Kalibarationseinstellpunkt erreicht, wird die Heizung 68 ausgeschaltet und die "Bereit"-LED leuchtet, um anzuzeigen, daß Wasser entnommen werden kann. Die Heizung fährt fort zu arbeiten, sobald die Temperatur unter einen festgelegten Minimaleinstellpunkt fällt.

Das Ablaßventil 74 ist überdimensioniert, um ein schnelles Entleeren des Tanks in weniger als 4 Sekunden zu ermöglichen. Wenn Heißwasser entnommen wird, erkennt der Füllstandssensor 70 das Absinken des Wasserpegels und schaltet die Pumpe 26 für die Zufuhr von Wasser ein. Die Zulaufpumpe 26 arbeitet mit einer Nominalleisteung 1000 ml/min und füllt den Tank 18 in circa 25 Sekunden. Die Zufuhr von Wasser veranlaßt den Temperatursensor 72 die Heizung 68 für die Aufheizung des einfließenden Wassers einzuschalten. Die "Bereit"-Leuchte 56 wird ausgehen, bis die Temperatur im gewünschten Bereich ist.

Um kaltes Wasser zu erzeugen, wird der Steuerschalter 54 die Stellung "Kühlen" gebracht. Das System wird in einer ähnlichen Art und Weise arbeiten, wie sie für den Heizmodus beschrieben wurde. Wenn die angelegte Spannung unterhalb des erlaubten Bereichs liegt, wird die Einheit nicht arbeiten und die Unterspannungsleuchte 58 wird eingeschaltet sein. Wenn der Wassertank nicht voll ist, wird die Zulaufpumpe 26 eingeschaltet werden. Wenn der Füllstandsdetektor 70 erkennt, daß der Wasserfüllstand korrekt ist, werden der thermoelektrische Kühlstapel 30 und seine zugehörigen Einrichtungen mit Energie versorgt.

Beim Kühlbetrieb wälzt die kalte Pumpe 32 Wasser zwischen dem Tank 18 und dem thermoelektrischen Stapel 30 um, der 6 thermoelektrische Module und die zughörigen Abstandshalter 80 enthält, wie oben beschrieben. Das zu kühlende Wasser tritt vom Wassereinlaßverteiler 92 aus in den thermoelektrischen Stapel 30 ein. Die Wärme dieses Wassers wird von den thermoelektrischen Modulen 78 zu den Abstandshaltern 80 transportiert, die leckdichte Dichtungen an den heißen Seiten der Module bilden. Diese Anordung ist außerordentlich wirkungsvoll und ermöglicht es, eine enorme Wärmemenge in einer kleinen leichtgewichtigen Anordnung zu transportieren. Das innerhalb des Kühlstapels 30 erzeugte kühle Wasser wird durch den Wasserauslassverteiler 94 kontinuierlich in den Tank 18 zurück umgewälzt. Das innerhalb des thermoelektrischen Stapels 30 erzeugte heiße Kühlmittel wird in den Abstandshaltern 80 gesammelt, die mit den heißen Seiten der Module 78 verbunden sind. Dieses heiße Kühlmittel wird durch die Pumpe 24 auf der heißen Seite aus Kühlmittelauslassverteiler 98 zum lamellierten Röhrenwärmetauscher 22 umgewälzt. Der Achsiallüfter 40 zieht 40-50 SCFM Umgebungsluft durch den Wärmetauscher 22, um das Kühlmittel abzukühlen, das dann wieder in den thermoelektrischen Stapel durch den Kühlmitteleinlaßverteiler 96 zurückgeführt wird.

Wenn der in den Tank 18 eingebaute Temperatursensor erkennt, daß das Wasser auf die korrekte Temperatur abgekühlt wurde, schaltet die Steuerung die Pumpe 24 auf der heißen Seite, die kalte Pumpe 32, den Lüfter 40 und den thermoelektrischen Stapel 30 ab. Die Einheit wird die Nominaltemperatur des im Tank 18 enthaltenen Wassers durch Wiedereinschalten beibehalten, wenn immer die Temperatur über einen festgelegten Einstellpunkt ansteigt. Wenn die Nominaltemperatur erreicht ist, leuchtet die "Bereit"-Leuchte 56 auf. Wenn Wasser aus dem Tank 18 entnommen wird, erkennen die Sensoren 70, 72 die Anderungen im Wasserfüllstand und in der Temperatur und der Füll- und Abkühlzyklus beginnt von Neuem.

Um ein Vermischung mit dem einlaufenden Wasser während der Wasserentnahme aus dem Tank 18 zu vermeiden, ist das Ablaufventil 74 als ein Drucktasten-Magnetventil ausgeführt. Es inaktiviert gleichzeitig die Zulaufpumpe 26, um zu verhindern, daß ungekühltes Wasser in den Tank 18 eintritt. Die Zulaufpumpe 26 füllt den Tank 18 automatisch wieder auf, wenn das Ablaufventil 74 geschlossen ist.