CH675154A5

CH675154A5 -

Info

Publication number: CH675154A5
Application number: CH23/88A
Authority: CH
Inventors: Virgil Kuenzle
Original assignee: Chemonorm Ag
Priority date: 1988-01-05
Filing date: 1988-01-05
Publication date: 1990-08-31
Also published as: JPH02502846A; AU627705B2; EP0350502B1; FI894038A; WO1989006335A1; NO893534L; BR8807399A; NO170743B; DK437089A; DE3876621D1; DK437089D0; NO170743C; EP0350502A1; AU2797689A; FI894038A0; ATE83309T1; NO893534D0

Abstract

In the refrigerating unit disclosed, a thermoelectric Peltier element (19) is used as a heat pump between a first heat-exchanger (20, 23, 24) inside a refrigerator (10) and a second heat-exchanger (18, 28, 29, 30, 31) on the outside of the rear wall (11) of the refrigerator. Both heat-exchangers have a metal block (20 or 18) connected in a heat-conducting manner, either directly or via a heat-conducting block (15), to the Peltier element (19). The supply of electrical energy to the feed circuit of the Peltier element (19) is automatically controlled by an electric circuit arrangement with a variable-resistance temperature probe. The refrigerating unit is characterized by low energy consumption, no perceptible current peaks on start-up, and a particularly long service life.

Description

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Beschreibung description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlaggregat für einen Kühlschrank, insbesondere einen Kleinkühlschrank. The present invention relates to a cooling unit for a refrigerator, in particular a small refrigerator.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Kühlaggregates der genannten Art, das keine beweglichen Teile aufweist, völlig wartungsfrei ist, eine lange Lebensdauer hat, zu seinem Betrieb nur verhältnismässig wenig elektrische Energie verbraucht und keine Einschalt-Leistungsspitzen aufweist. The object of the invention is to provide a cooling unit of the type mentioned, which has no moving parts, is completely maintenance-free, has a long service life, consumes only relatively little electrical energy for its operation and has no switch-on power peaks.

Diese Aufgabe ist durch die Schaffung des im Patentanspruch 1 definierten Kühlaggregates gelöst. This object is achieved by creating the cooling unit defined in claim 1.

Beim erfindungsgemässen Kühlaggregat ist als Kältequelle ein bekanntes thermoelektrisches Pel-tier-Element vorhanden, das einerseits mit einem im Innern des Kühlschrankes anzuordnenden ersten Wärmetauscher und anderseits mit einem an einer Aussenwand des Kühlschrankes anzuordnenden zweiten Wärmetauscher in wärmeleitender Verbindung steht, derart, dass beim Zuführen elektrischer Energie in den Speisestromkreis des Peletier-Elementes ein Wärmetransport vom ersten zum zweiten Wärmetauscher stattfindet. Für die Regelung der Zufuhr elektrischer Energie zum Speisestromkreis des Peltier-Elementes ist eine elektrische Schaltungsanordnung vorgesehen. In the cooling unit according to the invention, a known thermoelectric pel-tier element is present as the cooling source, which is on the one hand in a heat-conducting connection with a first heat exchanger to be arranged in the interior of the refrigerator and on the other hand with a second heat exchanger to be arranged on an outer wall of the refrigerator, in such a way that when electrical is supplied Energy in the feed circuit of the Peletier element takes place a heat transfer from the first to the second heat exchanger. An electrical circuit arrangement is provided for regulating the supply of electrical energy to the feed circuit of the Peltier element.

Zweckmässige Weiterbildungen des erfindungsgemässen Kühlaggregates ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen. Appropriate developments of the cooling unit according to the invention result from the dependent patent claims.

Einzelheiten der Erfindung und die mit ihr erzielten Vorteile sind in der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert, unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Darin zeigen: Details of the invention and the advantages achieved with it are explained in more detail in the following description of a preferred embodiment, with reference to the accompanying drawings. In it show:

Fig. 1 einen horizontalen Schnitt entlang der Linie 1-1 in Fig. 2 durch einen Teil eines Kühlschrankes und eine Draufsicht auf ein am Kühlschrank angebautes Kühlaggregat nach der Erfindung; 1 shows a horizontal section along the line 1 - 1 in FIG. 2 through part of a refrigerator and a plan view of a cooling unit according to the invention fitted to the refrigerator;

Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie 2-2 in Fig. 1, in grösserem Massstab; 2 shows a cross section along the line 2-2 in Figure 1, on a larger scale.

Fig. 3 eine elektrische Schaltungsanordnung zum automatischen Regeln der Energiezufuhr zum ther-moelektrischen Peltier-Element des Kühlaggregates. Fig. 3 shows an electrical circuit arrangement for automatically regulating the energy supply to the thermoelectric Peltier element of the cooling unit.

Gemäss den Fig. 1 und 2 weist ein Kühlschrank 10 eine Rückwand 11 und zwei Seitenwände 12 und 13 auf, die über die Rückwand 11 hinaus nach hinten vorspringen. Die Innenflächen des Kühlschrankes 10 sind mit einer Isolierschicht 14 belegt. Ein aus Metall, vorzugsweise einer Aluminiumlegierung, bestehender Wärmeleitblock 15 ist in eine Durchbrechung 16 der Rückwand 11 und der dortigen Isolierschicht 14 passend eingelassen. An diesem Wärmeleitblock 15 ist mittels Schrauben 17 ein an der Rückseite des Kühlschrankes angeordneter Metallblock 18 befestigt, und zwar unter Zwischenschaltung eines thermoelektrischen Peltier-Elementes 19, das mittels der Schrauben 17 zwischen den beiden Metallblöcken 15 und 18 festgeklemmt ist. Das Peltier-Element 19 ist ein handelsübliches Exemplar, 1 and 2, a refrigerator 10 has a rear wall 11 and two side walls 12 and 13 which project beyond the rear wall 11 to the rear. The inner surfaces of the refrigerator 10 are covered with an insulating layer 14. A heat-conducting block 15 made of metal, preferably an aluminum alloy, is suitably embedded in an opening 16 in the rear wall 11 and the insulating layer 14 there. A metal block 18 arranged on the rear of the refrigerator is fastened to this heat-conducting block 15 by means of screws 17, with the interposition of a thermoelectric Peltier element 19, which is clamped between the two metal blocks 15 and 18 by means of the screws 17. The Peltier element 19 is a commercially available specimen,

das z.B. von der Nordamerikanischen Firma Mel-cor unter der Typenbezeichnung 1.4/127.06L geliefert wird. Es ist sandwichartig ausgebildet und weist zwischen zwei gut wärmeleitenden, aber elektrisch isolierenden Endplatten, die mit den beiden Blöcken 15 und 18 in wärmeleitender Berührung sind, mehrere Paare von Halbleiter-Organen auf, die intern elektrisch in Reihe geschaltet sind und den Speisestromkreis des Peltier-Elementes bilden. Da solche Peltier-Elemente wie erwähnt handelsüblich sind, kann hier auf eine ausführliche Beschreibung und zeichnerische Darstellung verzichtet werden. that e.g. is supplied by the North American company Mel-cor under the type designation 1.4 / 127.06L. It is constructed in a sandwich-like manner and, between two heat-conducting but electrically insulating end plates which are in heat-conducting contact with the two blocks 15 and 18, has a plurality of pairs of semiconductor organs which are electrically connected in series internally and which form the feed circuit of the Peltier Form element. Since such Peltier elements are commercially available as mentioned, a detailed description and graphic representation can be dispensed with here.

An dem im Innern des Kühlschrankes 10 liegenden Ende des Wärmeleitblockes 15 ist ein weiterer Metallblock 20 mittels Schrauben 21 befestigt, so dass die Blöcke 15 und 20 in guter Wärmeleitverbindung stehen. Der Metallblock 20 weist eine Bohrung 22 auf, in welcher eine Endpartie eines sogenannten Wärmerohres 23 sitzt, das im übrigen mit einer grösseren Anzahl von Konvektionslamellen 24 versehen ist. Das Wärmerohr 23 besteht in bekannter Weise aus einem an beiden Enden verschlossenen, evakuierten Kupferrohr, das mit gesättigtem Dampf von hochreinem Wasser gefüllt und an seinen zylindrischen Innenflächen mit einem als Docht wirkenden Belag 25 (Fig. 2) versehen ist. Wärmerohre dieser Art sind ebenfalls handelsüblich und werden z.B. von der Firma Furukawa Electric Co.Ltd., Tokyo (Japan), hergestellt und unter der Typenbezeichnung SB 100 auf den Markt gebracht. Der Metallblock 20, das Wärmerohr 23 und die Lamellen 24 bilden zusammen einen ersten Wärmetauscher, der im Innern des Kühlschrankes 10 angeordnet ist. At the end of the heat-conducting block 15 lying inside the refrigerator 10, a further metal block 20 is fastened by means of screws 21, so that the blocks 15 and 20 are in good heat-conducting connection. The metal block 20 has a bore 22 in which an end portion of a so-called heat pipe 23 is seated, which is otherwise provided with a larger number of convection fins 24. The heat pipe 23 consists, in a known manner, of an evacuated copper pipe which is closed at both ends and which is filled with saturated steam of high-purity water and is provided on its cylindrical inner surfaces with a covering 25 acting as a wick (FIG. 2). Heat pipes of this type are also commercially available and are e.g. manufactured by Furukawa Electric Co. Ltd., Tokyo (Japan) and marketed under the type designation SB 100. The metal block 20, the heat pipe 23 and the fins 24 together form a first heat exchanger, which is arranged in the interior of the refrigerator 10.

Der bereits erwähnte Metallblock 18 an der Rückseite des Kühlschrankes 10 weist zwei parallele Bohrungen 26 und 27 auf, in denen je eine Endpartie eines Wärmerohres 28 bzw. 29 sitzt. Diese zwei Wärmerohre 28 und 29 sind gleich ausgebildet wie das zuvor beschriebene Wärmerohr 23 und sind ebenfalls je mit einer grösseren Anzahl von Konvektionslamellen 30 bzw. 31 versehen. Der Metallblock 18 und die Wärmerohre 28 und 29 mit ihren Lamellen 30 und 31 bilden zusammen einen zweiten Wärmetauscher, der sich an der Aussenseite der Rückwand 11 des Kühlschrankes befindet. The already mentioned metal block 18 on the back of the refrigerator 10 has two parallel bores 26 and 27, in each of which an end part of a heat pipe 28 and 29 is seated. These two heat pipes 28 and 29 are of the same design as the previously described heat pipe 23 and are also each provided with a larger number of convection fins 30 and 31, respectively. The metal block 18 and the heat pipes 28 and 29 with their fins 30 and 31 together form a second heat exchanger, which is located on the outside of the rear wall 11 of the refrigerator.

Oben auf dem Metallblock 18 ist mittels Schrauben 32 (Fig. 2) ein Gehäuse 33 befestigt, das eine elektrische Schaltungsanordnung zum automatischen Regeln der Zufuhr elektrischer Energie zum bereits erwähnten Speisestromkreis des Peltier-Elementes 19 enthält. In Fig. 3 ist die elektrische Schaltungsanordnung schematisch dargestellt und generell mit 34 bezeichnet. A housing 33 is fastened on top of the metal block 18 by means of screws 32 (FIG. 2), which contains an electrical circuit arrangement for automatically regulating the supply of electrical energy to the feed circuit of the Peltier element 19 already mentioned. In Fig. 3 the electrical circuit arrangement is shown schematically and generally designated 34.

Die elektrische Schaltungsanordnung 34 weist einen elektronischen Spannungskomparator 35 mit zwei Eingängen 36 und 37 sowie einem Ausgang 38 auf. An den positiven Eingang 36 ist eine konstante Referenzspannung Ui angelegt, die mittels eines Brückengleichrichters 39 erzeugt, durch zwei Kondensatoren 40, 41 und einen Widerstand 42 geglättet, mittels eines Spannungsstabilisators 43 auf einen konstanten Wert Uo stabilisiert und mit Hilfe eines Spannungsteilers 44, 45 auf den gewünschten Wert Ui reduziert wird. Der Brückengleichrichter 39 weist zwei Anschlussklemmen 46 und 47 auf, die The electrical circuit arrangement 34 has an electronic voltage comparator 35 with two inputs 36 and 37 and an output 38. A constant reference voltage Ui is applied to the positive input 36, which is generated by means of a bridge rectifier 39, smoothed by two capacitors 40, 41 and a resistor 42, stabilized to a constant value Uo by means of a voltage stabilizer 43 and by means of a voltage divider 44, 45 the desired value Ui is reduced. The bridge rectifier 39 has two terminals 46 and 47 that

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über einen nicht dargestellten Transformator an das Wechselstromnetz anzuschliessen sind. are connected to the AC network via a transformer, not shown.

Am negativen Eingang 37 des Spannungskompa-rators 35 liegt der Abgriff eines zweiten Spannungsteilers 48, 49, der die stabilisierte Spannung Uo auf einen variablen Wert IJ2 vermindert. Dieser zweite Spannungsteiler besteht aus einem einstellbaren Festwiderstand 48 und einem variablen Widerstand 49, der einen ausgeprägten negativen Temperaturkoeffizienten (NTC) aufweist und als Temperaturfühler dient. Gemäss Fig. 2 ist der Wärmeleitblock 15 mit einer Bohrung 50 zur Aufnahme des variablen Widerstandes 49 versehen, der mit zwei Anschlussklemmen 51, 52 der Schaltungsanordnung 34 in Verbindung steht. Ein Kondensator 53 dient der Unterdrückung von kurzzeitigen Schwankungen der variablen Spannung U2. At the negative input 37 of the voltage comparator 35 there is a tap of a second voltage divider 48, 49 which reduces the stabilized voltage Uo to a variable value IJ2. This second voltage divider consists of an adjustable fixed resistor 48 and a variable resistor 49, which has a pronounced negative temperature coefficient (NTC) and serves as a temperature sensor. 2, the heat-conducting block 15 is provided with a bore 50 for receiving the variable resistor 49, which is connected to two connection terminals 51, 52 of the circuit arrangement 34. A capacitor 53 is used to suppress short-term fluctuations in the variable voltage U2.

Der Ausgang 38 des Spannungskomparators 35 ist über einen Schutzwiderstand 54 mit dem Steuereingang 55 eines elektronischen FET-Schalters 56 verbunden, der in den Speisestromkreis des Pel-tier-Elementes 19 eingeschleift ist. Die Schaltungsanordnung 34 weist zwei Klemmen 57 und 58 für den Anschluss des Peltier-Elementes 19 auf. Bei durchgesteuertem Schalter 56 erfolgt die Speisung des Peltier-Elementes 19 unmittelbar mit der unstabili-sierten Spannung aus dem Brückengleichrichter 39. Zwischen den beiden Anschlussklemmen 57 und 58 für das Peltier-Element 19 liegt eine Reihenschaltung aus einer Leuchtdiode 59 und einem zugehörigen Vorwiderstand 60. Zwischen dem Ausgang 38 des Spannungskomparators 35 und dem Pluspol der unstabilisierten Spannung des Brückengleichrichters 39 liegt ein Pull-up-Widerstand 61, und mit Hilfe einer Zenerdiode 62 ist dafür gesorgt, dass die am Ausgang 38 des Komparators 35 und am Steuereingang 55 des elektronischen Schalters 56 liegende Spannung II3 keinesfalls einen unzulässig hohen Wert annehmen kann. Zwischen dem positiven Eingang 36 und dem Ausgang 38 des Spannungskomparators 35 liegt eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 63 und einer Diode 64, um eine positive Rückkopplung zu bewirken, wenn die Spannung U2 die Spannung Ui übersteigt. The output 38 of the voltage comparator 35 is connected via a protective resistor 54 to the control input 55 of an electronic FET switch 56, which is looped into the supply circuit of the pel-tier element 19. The circuit arrangement 34 has two terminals 57 and 58 for connecting the Peltier element 19. When the switch 56 is turned on, the Peltier element 19 is supplied directly with the unstabilized voltage from the bridge rectifier 39. Between the two connection terminals 57 and 58 for the Peltier element 19 there is a series connection of a light-emitting diode 59 and an associated series resistor 60. A pull-up resistor 61 is located between the output 38 of the voltage comparator 35 and the positive pole of the unstabilized voltage of the bridge rectifier 39, and a zener diode 62 ensures that the voltage at the output 38 of the comparator 35 and at the control input 55 of the electronic switch 56 lying voltage II3 can in no way assume an impermissibly high value. Between the positive input 36 and the output 38 of the voltage comparator 35 there is a series connection of a resistor 63 and a diode 64 in order to bring about positive feedback when the voltage U2 exceeds the voltage Ui.

Die Wirkungsweise des beschriebenen Kühlaggregates ist kurz wie folgt: The operation of the cooling unit described is briefly as follows:

Es wird vorausgesetzt, dass an die Klemmen 46 und 47 eine Wechselspannung von z.B. 10 Volt angelegt ist. Wenn und solange die Temperatur im Innern des Kühlschrankes 10 einen mittels des Eisteilwiderstandes 48 in gewissen Grenzen wählbaren Wert von z.B. +6°C übersteigt, hat der als Temperaturfühler dienende variable Widerstand 49 einen verhältnismässig hohen Widerstandswert, so dass die variable Spannung U2 am negativen Eingang 37 des Spannungskomparators 35 die konstante Referenzspannung Ui am positiven Eingang 36 übersteigt. Am Steuereingang 55 des elektronischen Schalters 56 liegt dann folglich eine positive Spannung U3, durch welche der Schalter 56 in seinen leitenden Zustand gesteuert wird. Hierdurch wird der Speisestromkreis des Peltier-Elementes 19 geschlossen und letzteres veranlasst, Wärme vom Wärmetauscher 20, 23, 24 im Innern des Kühlschrankes zum Wärmetauscher 18, 28, 29, 30, 31 an der Aussenseite der Rückwand 11 des Kühlschrankes zu pumpen. Dies bewirkt einen Wärmetransport vom Innern des Kühlschrankes nach aussen und eine Absenkung der Temperatur im Innern des Kühlschrankes. Parallel zum Speisestromkreis des Peltier-Elementes 19 wird auch die Leuchtdiode 59 eingeschaltet, um den aktivierten Zustand des Kühlaggregates visuell anzuzeigen. It is assumed that an alternating voltage of e.g. 10 volts is applied. If and as long as the temperature inside the refrigerator 10 has a value of e.g. + 6 ° C, the variable resistor 49 serving as a temperature sensor has a relatively high resistance value, so that the variable voltage U2 at the negative input 37 of the voltage comparator 35 exceeds the constant reference voltage Ui at the positive input 36. Consequently, there is a positive voltage U3 at the control input 55 of the electronic switch 56, by means of which the switch 56 is controlled in its conductive state. This closes the feed circuit of the Peltier element 19 and causes the latter to pump heat from the heat exchanger 20, 23, 24 inside the refrigerator to the heat exchanger 18, 28, 29, 30, 31 on the outside of the rear wall 11 of the refrigerator. This causes a heat transfer from the inside of the refrigerator to the outside and a lowering of the temperature inside the refrigerator. In parallel to the feed circuit of the Peltier element 19, the light-emitting diode 59 is also switched on in order to visually indicate the activated state of the cooling unit.

Mit sinkender Temperatur im Kühlschrank wird der Widerstandswert des als Temperaturfühler dienenden variablen Widerstandes 49 kleiner, was eine entsprechende Abnahme der variablen Spannung Ua am negativen Eingang 37 des Spannungskomparators 35 zur Folge hat. Wenn die variable Spannung U2 den Wert der Referenzspannung Ui unterschreitet wird die am Steuereingang 55 des elektronischen Schalters 56 liegende Spannung U3 schlagartig annähernd gleich null. Hierdurch wird der Schalter 56 in seinen nicht-leitenden oder sperrenden Zustand gesteuert und damit der Speisestromkreis des Peltier-Elementes 19 unterbrochen. Das Kühlaggregat befindet sich dann in einem inaktiven Zustand, was durch Erlöschen der Leuchtdiode 59 visuell angezeigt wird. As the temperature in the refrigerator drops, the resistance value of the variable resistor 49 serving as a temperature sensor becomes smaller, which results in a corresponding decrease in the variable voltage Ua at the negative input 37 of the voltage comparator 35. When the variable voltage U2 falls below the value of the reference voltage Ui, the voltage U3 at the control input 55 of the electronic switch 56 suddenly becomes approximately zero. As a result, the switch 56 is controlled in its non-conductive or blocking state and thus the supply circuit of the Peltier element 19 is interrupted. The cooling unit is then in an inactive state, which is indicated visually by the LED 59 going out.

Bei erneutem Ansteigen der Temperatur im Innern des Kühlschrankes wiederholt sich der beschriebene Zyklus. Es handelt sich somit um eine sogenannte Zweipunktregelung, die erlaubt, die Temperatur im Innern des Kühlschrankes auf etwa +/- 0,15°C konstant zu halten. Das Ein- und Ausschalten des Speisestromkreises des Peltier-Elementes 19 geschieht praktisch verlustlos, ohne überhöhte Leistungsspitzen beim Einschalten. When the temperature inside the refrigerator rises again, the cycle described is repeated. It is a so-called two-point control that allows the temperature inside the refrigerator to be kept constant at around +/- 0.15 ° C. Switching the supply circuit of the Peltier element 19 on and off is practically lossless, without excessive power peaks when switching on.

Die Kühlleistung des Kühlaggregates liegt je nach der Temperaturdifferenz der beiden Wärmetauscher innen und aussen im Bereich von 5 bis 30 Watt. Bei entsprechender Einstellung des einstellbaren Widerstandes 48 ist es möglich, die Temperatur im Innern des Kühlschrankes bis auf etwa 2°C zu senken, wenn die Aussentemperatur im Bereich der üblichen Wohnraumtemperatur liegt. Depending on the temperature difference between the two heat exchangers, the cooling capacity of the cooling unit is in the range of 5 to 30 watts. With an appropriate setting of the adjustable resistor 48, it is possible to lower the temperature inside the refrigerator to about 2 ° C. if the outside temperature is in the range of the usual living room temperature.

Das beschriebene Kühlaggregat bedarf keiner Wartung und hat eine ausgesprochen lange Lebensdauer in der Grössenordnung von 150'000 Stunden oder mehr. The cooling unit described requires no maintenance and has an extremely long lifespan of the order of 150,000 hours or more.

Claims

1. Cooling unit for a refrigerator, characterized in that at least one thermoelectric cal Peltier element (19) on the one hand with a inside the refrigerator (10) to be arranged first heat exchanger (20, 23, 24) and on the other hand with one on an outer wall of the Refrigerator (10) to be arranged second heat exchanger (18, 28, 29, 30, 31) is in a heat-conducting connection and that the electrical feed circuit of the Peltier element (19) is connected to an electrical circuit arrangement (34) for regulating the supply of electrical energy is such that the Peltier element (19) enables heat to be transported from the first heat exchanger (20, 23, 24) to the second heat exchanger (18, 28, 29, 30, 31).

2. Cooling unit according to claim 1, characterized in that the electrical circuitry

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Order (34) can be controlled as a function of an organ (49) serving as a temperature sensor, which is in heat-conducting connection with the first heat exchanger (20, 23, 24) to be arranged in the interior of the refrigerator (10).

3. Cooling unit according to claim 2, characterized in that the electrical circuit arrangement (34) has an electronic voltage comparator (35) with two inputs (36, 37), at one input (36) of which there is a constant voltage (Ui) and at its other input (37) there is a variable voltage (U2) which can be influenced by the organ (49) serving as a temperature sensor, and that an output (38) of the voltage comparator (35) with the control input (55) of an electronic switch (56) is connected, which is looped into the feed circuit of the Peltier element (19).

4. Cooling unit according to one of claims 1 to 3, characterized in that the first (20, 23, 24) and the second heat exchanger (18, 28, 29, 30, 31) each with the Peltier element (19) thermally conductive Connected metal block (20; 18) and at least one heat pipe (23; 28, 29) provided with convection fins (24; 30, 31), which has one of its end parts in a bore (22; 26, 27) of the metal block (20; 18) sits.

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