DE102004035732A1 - Refrigeration device and Peltier cooling device for it - Google Patents
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Abstract
Eine Peltier-Kühlvorrichtung umfasst wenigstens ein Trägerteil (1), ein Peltier-Element (17) und zwei Wärmetauscher (9, 14), die an entgegengesetzten Seiten des Trägerteils (1), das Peltier-Element (17) einklemmend, befestigt sind.A Peltier cooling device comprises at least one support part (1), a Peltier element (17) and two heat exchangers (9, 14) which are fastened on opposite sides of the support part (1), clamping the Peltier element (17).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Peltier-Kühlvorrichtung und ein Kältegerät, in welchem eine solche Kühlvorrichtung eingesetzt wird.The The present invention relates to a Peltier cooling device and a refrigerator in which a such cooler is used.
Ein Peltier-Element enthält zwei verschiedene elektrische Leiter, meist Halbleiter, die in einem Stromkreis in Reihe verbunden sind, wobei jeweils erste Enden der zwei Leiter miteinander und mit einem ersten Wärmebad und zweite Enden mit einem zweiten Wärmebad in Kontakt stehen. Je nach Richtung eines durch das Peltier-Element fließenden Gleichstroms wird Wärme vom ersten ins zweite Wärmebad oder umgekehrt befördert. Ein Problem bei der Kälteerzeugung mittels Peltier-Effekt ist, dass gekühlte und erwärmte Seite eines Peltier-Elements nahe beieinander liegen, und dass ein natürlicher Wärmefluss durch das Peltier-Element einer Kühlung durch Peltier-Effekt entgegenwirkt. Um diesen Wärmefluss klein zu halten, muss die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Seiten des Peltierelements möglichst gering gehalten werden, und dazu ist eine sehr enge thermische Anbindung der Seiten des Peltier-Elements an die zwei Wärmebäder mit Hilfe von Wärmetauschern erforderlich. Solche Wärmetauscher sind daher üblicherweise in einer Peltier-Kühlvorrichtung enthalten.One Contains Peltier element two different electrical conductors, mostly semiconductors, in one circuit are connected in series, wherein each first ends of the two conductors with each other and with a first heat bath and second ends with a second heat bath stay in contact. Depending on the direction of a through the Peltier element flowing direct current will heat from the first to the second heat bath or vice versa. A problem with refrigeration by means of Peltier effect is that cooled and warmed side of a Peltier element close to each other, and that a natural heat flow by the Peltier element of a cooling by Peltier effect counteracts. To this heat flow Keeping small, the temperature difference between the two must be If possible, sides of the Peltier element be kept low, and this is a very close thermal connection the sides of the Peltier element to the two heat baths by means of heat exchangers required. Such heat exchangers are therefore common in a Peltier cooler contain.
Um den Wärmeübergang zwischen den Wärmetauschern und dem Peltier-Element möglichst effizient zu machen, ist es an sich interessant, diese Komponenten zur fertigen Kühleinrichtung vorzumontieren und als Einheit in das Gehäuse eines Kältegeräts einzubauen. Es ist dabei jedoch schwierig, die Verbindung zwischen der Peltier-Kühleinrichtung und dem Gehäuse frei von Wärmebrücken zu gestalten. Baut man hingegen die Komponenten der Peltier-Kühleinrichtung nacheinander in und an einen Durchbruch in der Gehäusewand, so kann leicht der Wärmeübergang zwischen Peltier-Element und Wärmetauschern beeinträchtigt sein, und der Wirkungsgrad des fertigen Gerätes ist schlecht.Around the heat transfer between the heat exchangers and the Peltier element as efficiently as possible It is intrinsically interesting to manufacture these components cooling device vorzumontieren and install as a unit in the housing of a refrigerator. It is included however difficult to clear the connection between the Peltier cooler and the housing from thermal bridges too shape. By contrast, if one builds the components of the Peltier cooling device successively in and on a breakthrough in the housing wall, so the heat transfer can easily between Peltier element and heat exchangers impaired be, and the efficiency of the finished device is bad.
Aufgabe der Erfindung ist, einen Aufbau für eine Peltier-Kühleinrichtung bzw. ein Kältegerät anzugeben, die eine einfache Montage der Kühleinrichtung in einer Gehäusewand des Kältegeräts ermöglicht und gleichzeitig einen effizienten Wärmeübergang sicherstellt.task The invention is a structure for a Peltier cooling device or specify a refrigeration device, the simple installation of the cooling device in a housing wall allows the refrigerator and at the same time an efficient heat transfer ensures.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Peltier-Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 bzw. ein Kältegerät nach Anspruch 19.The Task is solved through a Peltier cooler according to claim 1 or a refrigeration device according to claim 19th
Um den Aufbau weiter zu vereinfachen und dabei eine gleichmäßige Klemmung des Peltier-Elements auf seiner gesamten Oberfläche zu gewährleisten, ist vorzugsweise nur ein einziges Trägerteil vorgesehen, das eine Öffnung aufweist, in der das Peltier-Element angeordnet ist.Around To further simplify the structure while maintaining a uniform clamping It is preferable to ensure the Peltier element on its entire surface only a single carrier part provided that one opening in which the Peltier element is arranged.
Um einen unmittelbaren Kontakt zwischen dem Peltier-Element und dem Isolationsmaterial eines Kältegerätegehäuses zu vermeiden, in den die Peltier-Kühlvorrichtung eingebaut wird, ist die das Peltier-Element aufnehmende Öffnung vorzugsweise von einer Hülse des Trägerteils umgeben. Um den thermischen Kontakt zwischen Peltier-Element und Wärmetauschern zu gewährleisten, sollte dann zweckmäßigerweise wenigstens einer der Wärmetauscher einen in die Hülse eingreifenden und das Peltier-Element berührenden Vorsprung aufweisen.Around a direct contact between the Peltier element and the Insulation material of a refrigeration device housing too Avoid getting into the Peltier cooler is installed, the Peltier element receiving opening is preferably of a sleeve the carrier part surround. To the thermal contact between Peltier element and heat exchangers to ensure, should then expediently at least one of the heat exchangers one in the sleeve have engaging and the Peltier element contacting projection.
Die Hülse besteht vorzugsweise aus einem schlecht wärmeleitenden Material, um einen den Wirkungsgrad beeinträchtigenden Wärmefluss durch die Umgebung des Peltier-Elements von dessen warmer zu seiner kalten Seite zu behindern.The Sleeve exists preferably made of a poorly heat-conductive material to a the efficiency impairing heat flow through the environment of the Peltier element from its warm to hinder its cold side.
Vorzugsweise ist in der das Peltier-Element aufnehmenden Hülse eine Schulter gebildet; und das Peltier-Element ist in dieser Höhe in der Schulter gehalten, wobei das Peltier-Element oder der in die Hülse eingreifende Vorsprung an die Schulter anschlagen kann, um die Lage des Peltier-Elements im Innern der Hülse zu definieren.Preferably a shoulder is formed in the sleeve receiving the Peltier element; and the Peltier element is held at that height in the shoulder, wherein the Peltier element or the projection engaging in the sleeve to the shoulder can strike to the location of the Peltier element inside the sleeve define.
Vorzugsweise ist diese Schulter in etwa mittig in der Hülse ausgebildet, und beide Wärmetauscher weisen einen in die Hülse eingreifenden Vorsprung in Kontakt mit dem Peltier-Element auf.Preferably this shoulder is formed approximately centrally in the sleeve, and both heat exchangers have one in the sleeve engaging projection in contact with the Peltier element.
Um einen einfachen Zusammenbau der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung zu ermöglichen, weist das Trägerteil vorzugsweise einen sich zwischen den Wärmetauschern im wesentlichen parallel zu den Seiten des Peltier-Elements erstreckenden Flansch auf, an welchem die Wärmetauscher verankert sind. Dabei sind die Stellen des Flansches, an denen die Wärmetauscher verankert sind, vorzugsweise. in der Ebene des Flansches voneinander entfernt. Da es kaum möglich ist, völlig zu verhindern, dass Wärme über den Flansch vom warmen zum kalten Wärmetauscher fließt, soll durch diese Anordnung der Verankerungsstellen zumindest der zurückzulegende Weg lang gemacht und dadurch der Wärmefluss begrenzt werden.Around to allow a simple assembly of the cooling device according to the invention, has the carrier part preferably one between the heat exchangers substantially extending parallel to the sides of the Peltier element flange on, on which the heat exchanger are anchored. Here are the locations of the flange, where the heat exchangers are anchored, preferably. in the plane of the flange from each other away. Because it is hardly possible is, completely to prevent heat from over Flange from the warm to the cold heat exchanger flows, is intended by this arrangement of anchoring points at least the zurückzulegende Made long way and thereby the heat flow is limited.
Die Verankerung der Wärmetauscher kann insbesondere erreicht werden mit Hilfe von Verankerungsstiften, wie etwa Schrauben oder Bajonettkupplungsstiften, die in an dem Flansch angeformte Befestigungshülsen eingreifen.The Anchoring the heat exchanger can be achieved in particular by means of anchoring pins, such as screws or bayonet coupling pins, which are in the Flange molded mounting sleeves intervention.
Um den Einbau der Peltier-Kühlvorrichtung in ein Kältegerät zu vereinfachen, sind die Befestigungshülsen für beide Wärmetauscher vorzugsweise von einer gleichen Seite des Flansches abstehend angeordnet, so dass der Flansch praktisch unmittelbar in Kontakt mit einem der Wärmetauscher stehen kann, während er von dem anderen durch einen die Befestigungshülsen aufnehmenden Zwischenraum beabstandet ist, welcher bei einer in einem Kältegerät montierten Peltier-Kühlvorrichtung eine Isolationsschicht von dessen Gehäusewand aufnehmen kann.To install the Peltier cooler to simplify a refrigerator, the mounting sleeves for both heat exchangers are preferably arranged projecting from a same side of the flange, so that the flange can be practically directly in contact with one of the heat exchanger, while it is spaced from the other by a space receiving the mounting sleeves which can accommodate an insulation layer of its housing wall in a mounted in a refrigerator Peltier cooling device.
Eine weitere Vereinfachung des Zusammenbaus ergibt sich, wenn die Verankerungsstifte in alle Hülsen von einer gleichen Seite des Flansches her eingeführt sind, wobei dann die Verankerungsstifte, die einen auf der Einführungsseite angeordneten Wärmetauscher verankern, zunächst ohne Verankerungseingriff durch Bohrungen dieses Wärmetauschers geführt sind und mit den Befestigungshülsen in Verankerungseingriff stehen, während die den auf der gegenüberliegenden Seite angeordneten Wärmetauscher verankernden Verankerungsstifte zunächst ohne Verankerungseingriff durch die Befestigungshülsen geführt sind und am zweiten Wärmetauscher in Verankerungseingriff stehen.A further simplification of the assembly results when the anchoring pins in all sleeves are introduced from a same side of the flange, then the anchoring pins, the one on the introduction side arranged heat exchanger anchor, first without anchoring by drilling this heat exchanger guided are and with the fixing sleeves in Anchoring engagement while standing the one on the opposite Side arranged heat exchanger anchoring anchoring pins initially without anchoring through the fastening sleeves guided are and at the second heat exchanger to be in anchorage.
Zweckmäßig ist in diesem Fall auch, dass der einführungsseitig angeordnete Wärmetauscher den Flansch nur zum Teil überdeckt, und dass die Befestigungshülsen, die die den anderen Wärmetauscher verankernden Verankerungsstifte aufnehmen, in einem nicht von dem einführungsseitigen Wärmetauscher überdeckten Teil des Flansches angeordnet sind. Somit bleiben diese Verankerungsstifte frei zugänglich, auch wenn der einführungsseitige Wärmetauscher montiert ist, und es ist möglich, zu Wartungs- oder Reparaturzwecken jeweils nur einen der beiden Wärmetauscher zu lösen.Is appropriate in this case, too, that the heat exchanger disposed on the inlet side Flange only partly covered, and that the fastening sleeves, which the the other heat exchanger take anchoring anchoring pins, in a not of the introduction side Heat exchangers covered Part of the flange are arranged. Thus, these anchoring pins remain freely accessible, even if the introduction side heat exchangers is mounted and it is possible for maintenance or repair purposes only one of the two heat exchangers to solve.
Eine beträchtliche Intensivierung des Wärmeaustauschs mit dem Peltier-Element ist dadurch erreichbar, dass wenigstens einer der Wärmetauscher als ein Thermosiphon, wie aus WO99/58906 bekannt, ausgebildet ist, d.h. dass der Wärmetauscher einen Hohlraum aufweist, der ein Wärmeträgerfluid gleichzeitig in flüssiger und in gasförmiger Phase enthält. Indem das Wärmeträgerfluid an der warmen Seite des Wärmetauschers verdampft und der Dampf zur kalten Seite strömt und dort kondensiert, kann auch bei geringem Temperaturgradienten im Wärmetauscher eine hohe thermische Leistung übertragen werden. Da die Siedetemperatur des Wärmeträgerfluids von dem in dem dichten Hohlraum herrschenden Druck abhängt und dieser mit der Umgebungstemperatur variiert, ist die Transportwirkung durch Verdampfung in einem weiten Temperaturbereich nutzbar.A considerable Intensification of heat exchange with the Peltier element is achievable that at least one of the heat exchangers is designed as a thermosyphon, as known from WO99 / 58906, i.e. that the heat exchanger having a cavity, the heat transfer fluid simultaneously in liquid and in gaseous phase contains. By the heat transfer fluid on the warm side of the heat exchanger evaporated and the steam flows to the cold side and condenses there, can even at low temperature gradients in the heat exchanger a high thermal Transmit power become. Since the boiling temperature of the heat transfer fluid of the dense in the Cavity ruling pressure depends and this varies with the ambient temperature, is the transport effect usable by evaporation over a wide temperature range.
Um eine effiziente Wärmeübertragung zu gewährleisten, sollte das Wärmeträgerfluid eine hohe Verdunstungswärme und bei den im normalen Betrieb der Kühlvorrichtung auftretenden Temperaturen einen möglichst hohen Sättigungsdampfdruck aufweisen. Andererseits erfordert ein zu hoher Sättigungsdampfdruck eine hohe Druckbelastbarkeit des Wärmetauschers, der nur mit hohen Kosten realisierbar ist, und starke Druckschwankungen im Wärmetauscher während des Betriebs, die zu Verformungen des Wärmetauschergehäuses führen können, können den wärmeleitenden Kontakt zwischen Wärmetauscher und Peltier-Element beeinträchtigen. Vorzugsweise wird daher ein Wärmeträgerfluid gewählt, das unter normalen Betriebsbedingungen einen Sättigungsdampfdruck in der Umgebung des Atmosphärendrucks, insbesondere zwischen 0,8 und 1,5 bar aufweist, bzw. dessen Sättigungsdampfdruck bei Nichtbetrieb, wenn die Vorrichtung bei einer Umgebungstemperatur von maximal 50°C gelagert wird, 5 bis 6 bar nicht überschreitet. Ein gut geeignetes Wärmeträgerfluid ist Butan.Around an efficient heat transfer to ensure, should the heat transfer fluid a high heat of evaporation and at the occurring during normal operation of the cooling device Temperatures as possible high saturation vapor pressure exhibit. On the other hand, too high a saturation vapor pressure requires a high Compressive strength of the heat exchanger, which can only be realized with high costs, and strong pressure fluctuations in the heat exchanger while the operation, which can lead to deformation of the heat exchanger housing, the thermally conductive Contact between heat exchanger and Peltier element. Preferably, therefore, a heat transfer fluid chosen that Under normal operating conditions, saturation vapor pressure in the environment the atmospheric pressure, in particular between 0.8 and 1.5 bar, or its saturation vapor pressure when not in use, when the device is at an ambient temperature of a maximum of 50 ° C is stored, does not exceed 5 to 6 bar. A well suited Heat transfer fluid is butane.
Um die Verdampfung des Wärmeträgerfluids zu effektivieren, ist vorzugsweise eine Innenwand des Hohlraums mit einer porösen Schicht versehen, in welcher das Wärmeträgerfluid durch Kapillareffekt aufsteigt, so dass eine große Oberfläche zur Verfügung steht, auf der es verdampfen kann.Around the evaporation of the heat transfer fluid to is effective, is preferably an inner wall of the cavity with a porous one Layer provided, in which the heat transfer fluid rises by capillary effect, so a big one surface to disposal stands on which it can evaporate.
Eine solche poröse Schicht ist besonders vorteilhaft an einem an der kalten Seite des Peltier-Elements angeordneten Wärmetauscher. Hier ist die poröse Schicht zweckmäßigerweise an einer vom Peltier-Element abgewandten Innenwand des Hohlraums angebracht, durch welche Wärme in den Wärmetauscher zufließt und Wärmeträgerfluid in der porösen Schicht zum Verdampfen bringt, welches sich anschließend auf der dem Peltier-Element zugewandten, kühleren Innenwand des Hohlraums niederschlägt.A such porous Layer is particularly beneficial to one on the cold side of the Peltier element arranged heat exchanger. Here is the porous one Layer expediently on an inner wall of the cavity facing away from the Peltier element attached, by which heat in the heat exchanger accrues and heat transfer fluid in the porous Layer brings to evaporation, which then on the Peltier element facing, cooler Inner wall of the cavity precipitates.
Um einen intensiven Dampfstrom von einer Seite des Hohlraums zur anderen durch Ausbildung von Konvektionszellen in dem dampfförmigen Wärmeträgerfluid zu ermöglichen, sollte der Abstand zwischen sich gegenüberliegenden Wänden des Innenraums wenigstens 9 mm, vorzugsweise zwischen 9 und 15 mm, betragen.Around an intense vapor flow from one side of the cavity to the other by forming convection cells in the vaporous heat transfer fluid to enable should be the distance between opposite walls of the Interior at least 9 mm, preferably between 9 and 15 mm.
Das Trägerteil kann einfach und preiswert als Spritzgussteil aus Kunststoff realisiert sein.The support part can be realized simply and inexpensively as an injection molded plastic part be.
Die oben beschriebene Peltier-Kühlvorrichtung ist in einem Kältegerät vorzugsweise so montiert, dass sich ihre Hülse durch eine Isolationsschicht des Gehäuses des Kältegeräts erstreckt, so dass einer der Wärmetauscher an einer Innenseite und der andere an einer Außenseite des Gehäuses zu liegen kommt.The Peltier cooler described above is preferably in a refrigerator Mounted so that its sleeve extends through an insulating layer of the housing of the refrigerator, so that a the heat exchanger on one inside and the other on an outside of the housing too lie comes.
Der wenigstens eine einen Hohlraum aufweisende Wärmetauscher ist dann vorzugsweise im Innenraum des Kältegeräts angeordnet.Of the at least one heat exchanger having a cavity is then preferred arranged in the interior of the refrigerator.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:Further Features and advantages of the invention will become apparent from the following Description of exemplary embodiments with reference to the attached Characters. Show it:
Einer
Abwandlung zufolge können
die zwei Trägerteile
Ein
erster Wärmetauscher
Ein
zweiter Wärmetauscher
Von
der Rückseite
des zweiten Wärmetauschers
An
die Ecken des Abschnitts
Ein
erster Wärmetauscher
Ein
zweiter Wärmetauscher
Zur
Montage des Kältegeräts wird
zunächst das
Trägerteil
Wenn
das in
Sobald
das Trägerteil
Der
Aufbau des im Inneren des Kältegeräts angebrachten
Wärmetauschers
Die poröse Schicht kann aus diversen Materialien gebildet sein. Eine erste Möglichkeit ist ein Keramikmaterial, welches z.B. in Form einer Emulsion von feinen Partikeln, beispielsweise aus Aluminiumoxid oder Kieselgel, auf die Innenwand aufgesprüht oder – gestrichen wird und mit Hilfe eines in der Emulsion enthaltenen Bindemittels zu einer dauerhaften Schicht verfestigt. Alternativ kann die Schicht auch aus Fasermaterial, beispielsweise Glas- oder Kohlefaser, natürliche Textilfaser oder gegen das Wärmeträgerfluid beständige Kunstfaser, bestehen, die an der Innenwand verklebt ist oder zwischen einem Gitter (nicht dargestellt) und der Innenwand eingeklemmt ist.The porous layer may be formed of various materials. A first possibility is a ceramic material which, for example, in the form of an emulsion of fine particles, for example of aluminum oxide or silica gel, is sprayed or painted onto the inner wall and becomes permanent with the aid of a binder contained in the emulsion stick layer solidified. Alternatively, the layer may also consist of fiber material, for example glass or carbon fiber, natural textile fiber or synthetic fluid resistant to the heat transfer fluid, which is glued to the inner wall or between a grid (not shown) and the inner wall is clamped.
Von
den Rippen
Um
die Ausbildung von Konvektionszellen in der Dampfphase zu begünstigen,
die den Wärmetransport
durch den Hohlraum
Um
eine ausreichende Druckbelastbarkeit des Wärmetauschers
Da
bei der in
Das
Wärmedissipationselement
Alternativ
kann wie in
Bei
der in
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2005
- 2005-07-20 WO PCT/EP2005/007880 patent/WO2006010539A2/en active Application Filing
- 2005-07-20 EP EP05767562A patent/EP1774229A2/en not_active Withdrawn
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WO2006010539A2 (en) | 2006-02-02 |
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EP1774229A2 (en) | 2007-04-18 |
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R082 | Change of representative | ||
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