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Die
Erfindung betrifft ein Kältegerät nach dem
Oberbegriff von Anspruch 1.
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Es
ist bekannt, Innenräume
von Kältegeräten mittels
Peltierelementen zu kühlen.
Peltierelemente sind elektronische Bauelemente und erzeugen bei
einem Gleichstromdurchfluss letztlich eine Temperaturdifferenz zwischen
zwei gegenüberliegenden
Flächen.
Die Verwendung von Peltierelementen ist für die Kühlung von Camping-, Boots- oder
Fahrzeugkühlschränken weit
verbreitet. Die Wärme,
die auf der Warmseite des Peltierelements entsteht, wird über einen
Wärmetauscher,
der üblicherweise
aus gerippten Aluminium besteht, durch erzwungene Konvektion unter
Verwendung eines Gebläses
an die Umgebungsatmosphäre
abgeführt. Die
Kaltseite des Peltierelements wird üblicherweise mit einem gegenüber der
Umgebungsatmosphäre isolierten
Gehäuse
verbunden, in dem sich das Kühlgut
befindet.
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Der
Vorteil von Peltierelementen gegenüber Kompressionssystemen besteht
im Fehlen von Geräuschen
und Vibrationen, einer längeren
Lebensdauer und einer besseren Temperatur- und Feuchtigkeitssteuerung.
Sie sind einfacher zu bauen und instand zu halten und verschmutzen
nicht. Der Nachteil besteht in einem höheren Energiebedarf.
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Um
wenigstens einen Teil des höheren
Energiebedarfs zu kompensieren sind aus der
EP 1 130 344 B1 sogenannte
Thermosiphons bekannt geworden. Sowohl die Warm- als auch mit die
Kaltseite des Peltierelements wird wärmeleitend mit einem dieser Thermosiphons
verbunden. In den gasdichten Thermosiphons befindet sich eine Flüssigkeit.
Diese Flüssigkeit
verdampft an der wärmeren
(energiereicheren) Seite des Thermosiphons und kondensiert an der
kälteren
(energieärmeren)
Seite. Es findet also ein Wärmetransport
statt. Die energiereichere Seite des Thermosiphons stellt auf der
Kaltseite des Peltierelements die dem Peltierelement gegenüber liegende
Seite dar. Die energiereichere Seite des Thermosiphons stellt auf
der Warmseite des Peltierelements die an dem Peltierelement anliegende
Seite dar. Art der Flüssigkeit
und Druck im Thermosiphon sind an die Temperatur angepasst, bei
der die Flüssigkeit
im Thermosiphon verdampfen soll.
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Wenn
nun beispielsweise in einem Kältegerät die Innenraumtemperatur
auf 6°C
abgesenkt werden soll, wird an der Kaltseite des Peltierelements eine
Temperatur von ca. 0°C
erzeugt. Die Verdampfungstemperatur der Flüssigkeit in dem Thermosiphon,
der mit der Kaltseite des Peltierelements fest verbunden ist, wird
auf eine Temperatur von etwa 3°C eingestellt.
Aus dem Innenraum des Kältegeräts wird dem
Thermosiphon Wärme
zugeführt,
die die Flüssigkeit
zum Verdampfen bringt. Dieser Dampf kondensiert unter der Abgabe
von Wärme
an der mit der Kaltseite des Peltierelements verbundenen Wand.
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Um
den Innenraum des Kältegeräts soweit abzukühlen, heizt
sich die Warmseite des Peltierelements auf eine Temperatur von ca.
35°C auf.
Die Verdampfungstemperatur der Flüssigkeit in dem Thermosiphon,
der mit der Warmseite des Peltierelements fest verbunden ist, wird
auf etwa 33°C
eingestellt. Die Warmseite des Peltierelements führt der mit ihr verbundenen
Wand des Thermosiphons Wärme
zu, die die Flüssigkeit
im Thermosiphon zum Verdampfen bringt. Hier kondensiert der Dampf
an der der Umgebungsatmosphäre
zugewandten Seite unter Wärmeabgabe.
Das so eingestellte Kältegerät arbeitet
bei Außentemperaturen
bis ca. 30°C.
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Es
hat sich jedoch gezeigt, dass die Leistung von Thermosiphons wärmeabhängig ist.
So transportieren Thermosiphons Wärme bei hohen Temperaturen
gut, leider aber Wärme
bei tiefen Temperaturen schlecht.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Leistung des Thermosiphons
in einem gattungsgemäßen Kältegerät weiter
zu steigern, so dass in einem möglichst
kurzen Zeitraum eine möglichst
große Wärmemenge
aus dem Innenraum abgezogen und an das Peltierelement übertragen
werden kann.
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Gelöst wird
die Aufgabe gemäß der Erfindung
durch ein Kältegerät mit den
Merkmalen von Anspruch 1. An der Innenseite der dem Peltierelement
gegenüberliegenden
Wand des Thermosiphons ist ein flüssigkeitsaufnehmender Körper angebracht, der
Flüssigkeit
aus dem unteren Teil des Thermosiphons aufsaugt. Durch den erfindungsgemäßen Körper wird
folglich die Innenseite des Thermosiphons, die dem Innenraum des
Kältegeräts zugewandt
ist, vollflächig
mit der in dem Thermosiphon enthaltenen Flüssigkeit benetzt. Hierdurch
vergrößert sich
die Verdunstungsoberfläche
um ein Vielfaches. Damit erhöht
sich auch die Leistung des Thermosiphons.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführung besteht der feuchtigkeitsaufnehmende
Körper
aus einem Vlies. In einem Vlies wirken nicht nur Kapillarkräfte, die
die Flüssigkeit
von unten nach oben zu transportieren, sondern es saugen auch die
einzelnen Fasern Flüssigkeit
auf. Das Vlies kann sehr dünn ausgeführt werden,
so dass es in ausreichendem Abstand zu der Wand des Thermosiphons
steht, die dem Innenraum abgewandt ist. Da für die Verdampfung die Gesamtoberfläche der
einzelnen Fasern zur Verfügung
steht, kann in einem bestimmten Zeitraum eine wesentlich größere Menge
an Flüssigkeit
verdampft werden als dies nach dem Stand der Technik möglich wäre. Auf
diese Weise kann auch mehr Dampf an der gegenüberliegenden Wand kondensiert
und somit mehr Wärme
aus dem Innenraum abgezogen und an das Peltierelement überführt werden.
Der an der kalten Wand kondensierte Dampf läuft an der Innenseite des Thermosiphons
unter dem Einfluss der Schwerkraft nach unten und steht für eine neuerliche
Verdampfung wieder zur Verfügung.
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Der
Wirkungsgrad des Thermosiphons ist abhängig von der Größe seiner
Innenflächen,
an denen sich Dampf bilden und Dampf kondensieren kann. Ein möglichst
großer
Teil der Innenflächen
darf somit nicht in die Flüssigkeit
eintauchen. Vorzugsweise beträgt
der Pegelstand der sich in dem Thermosiphon befindlichen Flüssigkeit
weniger als ein Viertel der Höhe
des Thermosiphons.
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Im
Betrieb des Thermosiphons muss unter allen Umständen vermieden werden, dass
das Vlies alle vorhandene Flüssigkeit
aufgesaugt und/oder verdampft hat und somit am Boden des Thermosiphons keine
weitere Flüssigkeit
mehr vorhanden ist. Daher ist in einer besonders vorteilhaften Weise
das Volumen der sich in dem Thermosiphon befindlichen Flüssigkeit
so bemessen, dass es maximal 10% größer ist als das Volumen, das
der flüssigkeitsaufnehmende
Körper
aufzunehmen vermag.
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Der
Thermosiphon ist in vorteilhafter Weise so dimensioniert, dass er
die gesamte Innenseite der Rückwand
des Kältegerätes bedeckt.
Dadurch steht für
die Verdampfung der im Thermosiphon enthaltenen Flüssigkeit
die größtmögliche Fläche zur
Verfügung.
Dementsprechend verbessert sich der Wirkungsgrad.
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Durch
die Verbesserung der Wärmeaufnahme
auf der Kaltseite des Peltierelements erhöht sich auch die Wärmemenge,
die auf der Warmseite an die Umgebungsluft abgeführt werden muss. Um diese erhöhte Wärmemenge
abzuführen
wäre es
möglich, die
Warmseite, die sich auf der Außenseite
der Rückwand
des Kältegerätes befindet,
mit einem verrippten Alukörper
auszustatten und über
eine Gebläse
eine erzwungene Konvektion zu erzeugen. Auf diese Weise würde eine
große
von einer großen
Luftmenge bestrichene Wärmetauschfläche zur
Verfügung
gestellt. Auch wäre
es möglich,
die Wärme
z. B. mittels eines Flüssigkeitskühlers mit
von einer Pumpe umgewälzten
Kühlflüssigkeit
abzuführen.
Letztere Möglichkeit ist
in der
DE 100 46 460
A1 beschrieben. Beiden Lösungen ist jedoch gemeinsam,
dass zur Wärmeabfuhr
zusätzliche
Energie benötigt
wird. In einer besonders vorteilhaften Weise erfolgt nun die Wärmeabfuhr
durch einen weiteren an der Außenseite
der Rückwand
des Kältegerätes angebrachten
Thermosiphon. Dieser benötigt
keine zusätzliche
Energie und entwickelt keine zusätzlichen
Geräusche
wie ein Gebläse
oder eine Pumpe.
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Bei
dem mit der Warmseite des Peltierelements wärmeleitend verbundenen Thermosiphon gilt,
dass für
die Kondensation des Dampfes eine möglichst große Fläche zur Verfügung stehen
sollte, da Kältegeräte, wie
sie hier beschrieben sind, insbesondere als Standgeräte eingesetzt
oder in Nischen z. B. in Einbauküchen
eingebaut werden. In so einem Umfeld herrscht meist nur geringe
Luftkonvektion, so dass zwischen dem Thermosiphon und der umgebenden
Luftschicht nur ein geringer Temperaturunterschied besteht. In besonders
vorteilhafter Weise ist dieser Thermosiphon daher so dimensioniert, dass
er die gesamte Außenseite
der Rückwand
bedeckt. Dadurch gibt es keine überstehenden
Teile, die den Einbau oder das Aufstellen des Kältegerätes behindern oder die Gefahr
einer Beschädigung
während
des Transports oder des Aufstellens erhöhen. Trotzdem ist die gesamte
zur Verfügung
stehende Fläche
zur Wärmeabgabe
ausgenützt.
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Die
oben beschriebene Kältetechnik
ist vorrangig für
Kältegeräte gedacht,
die in vorteilhafter Weise aus einzelnen wärmeisolierenden Wandelementen
aufgebaut sind. Hierbei sind die Verbindungsflächen der Innen- und Außenseite
der Wandelemente, sowie die Verbindung der Wandelemente untereinander
ebenfalls wärmeisolierend
ausgeführt. Somit
ist es möglich,
Kältegeräte in sehr
einfacher Weise aus vorgefertigten Elementen zu bauen. Hierdurch
ergeben sich in den Kältegeräten glatte
Innenräume
ohne Stufen, unter denen sich bei geschäumten Kältegeräten auf der Außenseite
die Kältetechnik und
hierbei meist der Kompressor verbirgt. Die gesamte Kältetechnik
kann statt dessen an der Rückwand
des Kältegerätes angebracht
werden.
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In
besonders vorteilhafter Weise sind die Wandelemente plattenförmig, so
dass sich ein quaderförmiger
Innenraum des Kältegerätes ergibt.
Dieser quaderförmige
Innenraum lässt
eine optimale Unterbringung des Kühlguts zu und ist ausgezeichnet
zu reinigen. Ebenso ist die Aufteilung des zur Verfügung stehenden
Kühlraums
durch Fächer,
Trennwände oder
Schubladen in keiner Weise eingeschränkt und kann vom Kunden völlig frei
vorgenommen werden.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen im
Zusammenhang mit der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das anhand
der Zeichnung eingehend erläutert
wird.
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Es
zeigen:
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1 eine
Explosionsdarstellung eines aus plattenförmigen Wandelementen aufgebauten
Kältegeräts und
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2 eine
Rückwand
des Kältegeräts mit der
Kältetechnik.
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1 zeigt
ein Kältegerät 1,
dessen Innenraum aus zwei Seitenwänden 3, einem Boden 4,
einem Deckel 5 und einer Rückwand 6 geformt ist.
Die zugehörige
Türe ist
hier nicht dargestellt. Die Seitenwände 3, der Boden 4,
der Deckel 5 und die Rückwand 6 bestehen
aus wärmeisolierendem
Plattenmaterial. Die Platten sind so ausgebildet, dass auch ihre Schmalseiten
keine Wärmebrücken bilden.
Sie werden werksseitig so zu einem Gehäuse verbunden, dass durch die
Verbindungstechnik ebenfalls keine Wärme von Außen in den Innenraum gelangen
kann. Die Rückwand 6 enthält etwa
in der Mitte eine Öffnung 7,
die so geformt ist, dass ein Peltierelement hierin Platz findet.
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In 2 ist
ein Peltierelement 8 ist so in der Rückwand 6 montiert,
dass seine Kaltseite 10 in Richtung des Innenraums 2 des
Kältegeräts 1 und seine
Warmseite 11 in Richtung der Umgebungsatmosphäre 9 weist.
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Mit
der Kaltseite 10 des Peltierelements 8 ist ein
gasdichter Thermosiphon 12 fest verbunden. Der Thermosiphon 12 ist
so groß,
dass er die gesamte Rückwand 6,
die zum Innenraum 2 weist, bedeckt. An der Innenseite 14 des
Thermosiphons 12, die der Rückwand 6 gegenüber liegt,
befindet sich ein Vlies 13. Dieses Vlies 13 bedeckt
die gesamte Innenseite 14 des Thermosiphons 12.
In dem Thermosiphon 12 befindet sich als Wärmeträger eine
Flüssigkeit 15,
die so bemessen ist, dass sie dann, wenn das gesamte Vlies 13 vollgesaugt
ist, zusätzlich
noch ca. 1/10 des verbleibenden Volumens
des Thermosiphons 12 mit Flüssigkeit 15 gefüllt ist.
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Mit
der Warmseite 11 ist ein weiterer, ebenfalls gasdichter
Thermosiphon 16 fest verbunden. Der Thermosiphon 16 ist
so dimensioniert, dass er die gesamte Außenseite der Rückwand 6 überdeckt. In
dem Thermosiphon 16 befindet sich als Wärmeträger ebenfalls eine Flüssigkeit 17.
Diese ist nicht notwendigerweise die gleiche wie die Flüssigkeit 15 aus dem
Thermosiphon 12. Das Volumen, das diese Flüssigkeit 17 in
dem Thermosiphon 16 einnimmt, ist so bemessen, dass sich
das Niveau der Flüssigkeit 17 im
Bereich der Warmseite 11 des Peltierelements 8 befindet.
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Durch
das Anbringen der Thermosiphons 12 und 16 auf
der Kalt- 10 und der Warmseite 11 des Peltierelements 8 wird
die Wärme
aufnehmende Fläche
im Innenraum 2 und die Wärme abgebende Fläche an der
Außenseite
der Rückwand 6 des
Kältegeräts 1 vergrößert.
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Bei
einer möglichen
Ausgestaltung der Erfindung entzieht der Thermosiphon 12 dem
Innenraum 2 des Kältegerätes 1 Wärme, um
den Innenraum 2 auf eine Temperatur von ca. 6°C einzustellen.
Die Kaltseite 10 des Peltierelements 8 kühlt hierfür die der
Innenseite 14 gegenüberliegende
Seite des Thermosiphon 12 auf eine Temperatur um den Gefrierpunkt
ab. Der im Thermosiphon 12 vorherrschenden Druck wird so
eingestellt, dass die Flüssigkeit 15 bei
wenig unter 6°C
siedet. Das an der Innenseite 14 des Thermosiphons 12 befestigte
Vlies 13 verteilt durch Kapillarkräfte die Flüssigkeit 15 von unten
nach oben über
fast die gesamte Innenseite 14 und erzeugt damit eine große Fläche, die
in der Lage ist, Wärme
aufzunehmen und an die in dem Vlies 13 gespeicherte Flüssigkeit
weiterzugeben.
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Die
in dem Vlies 13 gespeicherte Flüssigkeit erwärmt sich
dabei bis zu ihrer Siedetemperatur und verdampft. Da an der Seite
des Thermosiphons 12, die dem Peltierelement 8 zugewandt
ist, eine Temperatur von etwa 0°C
herrscht, kondensiert der Dampf an dieser Seite des Thermosiphons 12 unter
Wärmeabgabe
an das Peltierelement 8. Das Kondensat läuft durch
die Schwerkraft zum Boden des Thermosiphons 12 und wird
durch das Vlies 13 erneut aufgesogen.
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Auch
die Wärmeabgabe
des Peltierelements 8 an die Umgebungsatmosphäre 9 über den
Thermosiphon 16 verläuft
in ähnlicher
Weise. Die Temperatur der Warmseite 11 des Peltierelements 8 beträgt etwa 36°C um das
Kältegerät bis zu
einer Umgebungstemperatur von etwa 32°C betreiben zu können. Der Druck
in dem Thermosiphon 16 wird so eingestellt, dass die Flüssigkeit 17 bei
knappen 36°C
siedet. Die Warmseite 11 des Peltierelements 8 gibt
seine Wärme
an die Fläche
des Thermosiphons 16 ab, die an der Warmseite 11 des
Peltierelements 8 befestigt ist. Diese Wärme bringt
die Flüssigkeit 17 unter
Wärmeaufnahme
zum Verdampfen. Der Dampf kondensiert an der der Umgebungsatmosphäre 9 zugewandten kälteren Fläche des
Thermosiphons 16 unter Wärmeabgabe. Das Kondensat läuft durch
die Schwerkraft nach unten und steht dem Verdampfungsprozess erneut
zur Verfügung.
Es erfolgt also ein Wärmetransport
von der der Warmseite 11 des Peltierelements 8 zugewandten
Fläche
des Thermosiphons 16 in die Umgebungsatmosphäre 9.
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- 1
- Kältegerät
- 2
- Innenraum
- 3
- Seitenwand
- 4
- Boden
- 5
- Deckel
- 6
- Rückwand
- 7
- Öffnung
- 8
- Peltierelement
- 9
- Umgebungsatmosphäre
- 10
- Kaltseite
- 11
- Warmseite
- 12
- Thermosiphon
- 13
- Vlies
- 14
- Innenseite
- 15
- Flüssigkeit
- 16
- Thermosiphon
- 17
- Flüssigkeit