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Die Erfindung betrifft eine Kühl-/Heizvorrichtung, insbesondere für mobile Geräte zur Speisenverteilung. Lediglich beispielhaft seien von Hand bewegbare Küchenwagen, Tabletttransportwagen, Tellerstapler und dergleichen genannt. In diesen Geräten müssen Speisen und/oder Geschirr häufig bei Temperaturen von weniger als 12 °C kühl gelagert werden. Ferner besteht in Großküchen ein Bedarf, Teller oder sonstige Geschirrkomponenten zu erwärmen und Speisen über einen längeren Zeitraum warm zu halten.
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Für die vorgenannten Anwendungen werden in der Praxis auch Peltierelemente verwendet, die in Kombination mit Wärmeübertragungsflächen als Thermoelektrikmodule eingesetzt werden. Thermoelektrikmodule, die den Peltiereffekt ausnutzen, sind elektrische Wärmepumpen, die bei einem elektrischen Stromfluss eine warme Seite und eine kalte Seite haben. Durch eine Umkehrung der Stromrichtung mittels eines Schalters können die warme Seite und die kalte Seite getauscht werden, so dass das Thermoelektrikmodul sowohl für Kühlzwecke als auch zu Heizzwecken nutzbar ist.
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Aus
EP 1 260 153 A2 ist ein Küchenwagen mit einer Kühl-/Heizvorrichtung bekannt, die mit einem oder mehreren Peltierelementen ausgestattet ist. Die Kühl-/Heizvorrichtung weist ein Thermoelektrikmodul auf, das in einem Zwischenboden des Küchenwagens angeordnet ist und den Innenraum des Küchenwagens in einen gekühlten Raum und einen warmen Raum trennt. Ferner kann das Thermoelektrikmodul auch in einer Seitenwand des Küchenwagens angeordnet sein, wobei eine wärmeübertragende Fläche des Thermoelektrikmoduls in den Innenraum des Wagens hineinragt und die andere Seite des Thermoelektrikmoduls an der Wagenaußenseite angeordnet ist.
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Aus
DE 43 08 144 C1 ist ein Servierwagen bekannt, der in einem Zwischenboden eine Kühl-/Heizvorrichtung mit einem Peltierelement aufweist. Die Kühl-/Heizvorrichtung ist großflächig und flach ausgebildet, wobei die Außenabmessungen so bemessen sind, dass die Kühl-/Heizvorrichtung die gesamte Ebene des Zwischenbodens abdeckt. Die Kühl-/Heizvorrichtung ist mit Gebläsen ausgestattet, die durch Erzeugen einer Luftströmung den Wärmeübergang an der Wärmeseite und der Kälteseite des Thermoelektrikmoduls verbessern.
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Thermoelektrikmodule mit Peltierelementen sind sehr kompakt und haben ein verhältnismäßig geringes Gewicht. Sie arbeiten ohne bewegte Teile, benötigen kein umweltbelastendes Kältemittel und arbeiten vibrationsfrei und geräuschfrei. Peltierelemente sind Gleichstrombauteile und damit über den gesamten Leistungsbereich regelbar. Aufgrund dieser Eigenschaften eignen sich Peltierelemente als Kälte- und Wärmeaggregat ideal für die Integration in mobilen Geräten zur Speisenverteilung. Der luftseitige Wärmeübergang zwischen einer ersten Oberfläche des Thermoelektrikmoduls und der Umgebungsluft und zwischen einer zweiten Oberfläche des Thermoelektrikmoduls und dem zu kühlenden oder warmzuhaltenden Innenraum eines Gerätes zur Speisenverteilung setzt jedoch der übertragbaren Kühlleistung oder Wärmeleistung Grenzen. Thermoelektrikmodule, welche eine geeignete Abmessung für den Einbau in mobilen Geräten zur Speisenverteilung aufweisen, haben eine maximale Kühlleitung von 200 W. Die geringe Kühlleistung dieser Elemente reicht nicht aus, um eine für die Speisenverteilung ausreichende Kühlung zu gewährleisten. Zu berücksichtigen ist, dass sich zwischen der kalten Seite und der warmen Seite eines Peltierelementes eine maximale Temperaturdifferenz von etwa 60 Kelvin einstellt. Bei hohen Außentemperaturen in Sommermonaten oder in südlichen Ländern kann mit den bisher bekannten Thermoelektrikmodulen keine ausreichende Kühlung gewährleistet werden.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die nutzbare Kühl-/Heizleistung eines Thermoelektrikmoduls zu verbessern und eine Kühl-/Heizvorrichtung, welche den Peltiereffekt ausnutzt, für Anwendungen zu erschließen, bei denen eine Kühltemperatur von unter 0 °C bis maximal 12 °C erreicht werden muss.
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Gegenstand der Erfindung und Lösung dieser Aufgabe ist eine Kühl-/Heizvorrichtung nach Anspruch 1.
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Die erfindungsgemäße Kühl-/Heizvorrichtung umfasst ein Thermoelektrikmodul, das eine Anordnung aus mehreren Peltierelementen aufweist, einen Flüssigkeitskreislauf mit einer Umwälzpumpe sowie einen in dem Flüssigkeitskreislauf angeordneten Wärmeaustauscher für einen Wärmeaustausch mit Umgebungsluft. Erfindungsgemäß weist das Thermoelektrikmodul einen an den Flüssigkeitskreislauf angeschlossenen, flüssigkeitsdurchströmten Flachkörper sowie ein Wärmeübertragungselement zum Wärmeaustausch mit Luft auf. Die Peltierelemente, die standardmäßig als flache Elektronikkomponenten mit einer Länge und einer Breite von jeweils einigen Zentimetern ausgebildet sind, sind zwischen einer wärmeübertragenden Fläche des Flachkörpers und dem Wärmeübertragungselement angeordnet und sind mit dem Flachkörper sowie dem Wärmeübertragungselement unter Ausbildung wärmeleitender Abschnitte wärmeleitend verbunden. Die Peltierelemente sind über die Grundfläche des Thermoelektrikmoduls so verteilt, dass sich an der Außenfläche des Wärmeübertragungselementes, das als Kühl- oder Heizelement der Vorrichtung nutzbar ist, eine gleichmäßige Temperatur einstellt.
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Wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung als Kühlaggregat verwendet wird, wird nach dem Prinzip einer elektrischen Wärmepumpe ein Wärmestrom durch die wärmeleitenden Abschnitte zu dem flüssigkeitsdurchströmten Flachkörper transportiert und dort von dem in einem Flüssigkeitskreislauf umgewälzten Flüssigkeitsstrom abtransportiert. Die Erfindung nutzt aus, dass der Wärmeübergang zwischen einer Wandfläche und einer strömenden Flüssigkeit um ein Vielfaches höher ist als zwischen einer Wandfläche und Luft. Die durch die Flüssigkeitsströmung aufgenommene Wärme wird in dem zum Flüssigkeitskreislauf gehörenden Wärmeaustauscher an die Umgebungsluft abgegeben. Der Wärmeaustauscher kann unabhängig von dem Thermoelektrikmodul positioniert und hinsichtlich seiner Wärmeübertragungsfläche optimiert werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der Wärmeaustauscher als flüssigkeitsdurchströmter Rippenkörper ausgebildet, wobei dem Rippenkörper ein Luftgebläse zugeordnet ist, welches durch eine Luftzirkulation den Wärmeübergang an den Flächen des Wärmeaustauschers verbessert. Die Auslegung des Wärmeaustauschers ist völlig unabhängig von der Gestaltung des Thermoelektrikmoduls. Insbesondere kann der Wärmeaustauscher an der Unterseite oder im unteren Bereich an der Rückseite oder seiner Seitenwand des mobilen Gerätes, beispielsweise eines Küchenwagens, positioniert werden.
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Das Thermoelektrikmodul ist vorzugsweise für eine Kühlleistung von 400 W bis 600 W bezogen auf eine Grundfläche von 140 mm × 325 mm ausgelegt. Mittels dieser Kühlleistung wird in mobilen Geräten zur Speisenverteilung, z. B. in einem gekühlten Tabletttransportwagen, ohne weiteres eine Betriebstemperatur zwischen –3 °C und maximal +12 °C erreicht. Auch bei hohen Außentemperaturen kann eine ausreichende Kühlung der Speisen gewährleistet werden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Thermoelektrikmoduls können für Peltierelemente Verwendungen erschlossen werden, die im Stand der Technik nur mit Kompressorkühlungen realisiert werden konnten.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind die wärmeleitenden Abschnitte zwischen der wärmeübertragenden Fläche des Flachkörpers und dem Wärmeübertragungselement als Stege ausgebildet. Zweckmäßig weisen die Stege eine Höhe zwischen 5 mm und 15 mm auf. Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung bestehen die wärmeleitenden Abschnitte aus leistenförmigen Körpern, die jeweils mit zumindest einem Peltierelement bestückt sind. Die leistenförmigen Körper sind separate Teile, die als Distanzelemente zwischen dem Flachkörper und dem Wärmeübertragungselement angeordnet sind. Sie sind zweckmäßig durch eine wärmeleitende Schicht, z. B. eine wärmeleitende Paste oder Folie, mit den Flächen des Flachkörpers und des Wärmeübertragungselementes verbunden. Vorzugsweise sind die leistenförmigen Körper jeweils mit mehreren Peltierelementen bestückt, die elektrisch durch eine elektrische Parallelschaltung und/oder elektrische Reihenschaltung verbunden sind. Die Anzahl der wärmeleitenden Abschnitte und der Abstand zwischen den wärmeleitenden Abschnitten kann anwendungsabhängig festgelegt werden. In Zwischenräumen zwischen den wärmeleitenden Abschnitten ist zweckmäßig eine Wärmedämmung vorgesehen.
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Mit der durch den Flachkörper strömenden Flüssigkeit muss die Wärme abtransportiert werden. Für die Wirksamkeit des Flachkörpers ist wesentlich, dass sich keine strömungsfreien Totzonen bilden. Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist der Flachkörper einen von einer oberen Platte und einer unteren Platte begrenzten Strömungsraum auf, in dem strömungsleitende Stege angeordnet sind. Die Stege bilden zweckmäßig lineare, parallele Strömungswege innerhalb des Strömungsraumes. Die Strömungswege können parallel oder in Reihe geschaltet sein. Besonders vorteilhaft ist eine mäanderförmige Durchströmung des Strömungsraumes.
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Um den durch die wärmeleitenden Abschnitte geführten Wärmefluss an die Durchströmung des Flachkörpers abgeben zu können, erweist es sich als zweckmäßig, dass der Flachkörper dort, wo wärmeleitende Abschnitte angrenzen, eine größere Masse aufweist als in Bereichen, die Zwischenräumen zwischen den wärmeleitenden Bereichen zugeordnet sind. Die größere Masse bildet einen Wärmespeicher, der zu einer Vergleichmäßigung des Wärmeflusses beitragen. Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist der Flachkörper ein Gehäuseunterteil aus einem wärmeleitenden Metall und einen Deckel auf, wobei das Gehäuseunterteil an den wärmeleitenden Abschnitten eine als Wärmespeicher wirkende größere Wandstärke aufweist als in Bereichen, die Zwischenräume zwischen den wärmeleitenden Bereichen zugeordnet sind.
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Die Ausgestaltung des Wärmeübertragungselementes, welches als Kühlfläche oder Heizfläche der Kühl-/Heizvorrichtung wirkt, ist abhängig von der konkreten Anwendung. Sofern das Wärmeübertragungselement zur Raumkühlung eines geschlossenen Raumes eingesetzt werden soll, besteht das Wärmeübertragungselement des Thermoelektrikmoduls zweckmäßig aus einem Metallkörper, der eine plattenförmige Rückseite und daran angeformte vorstehende Rippen aufweist. Dabei weist die Rückseite des Metallkörpers zweckmäßig eine Wandstärke von weniger als 10 mm, vorzugsweise eine Wandstärke zwischen 4 mm und 8 mm auf. Für andere Anwendungen kann das Wärmeübertragungselement des Thermoelektrikmoduls auch als ebene Platte ausgebildet sein. Die ebene Fläche des Wärmeübertragungselementes kann als Kühlplatte oder als gekühlte Wandfläche genutzt werden.
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Der Flüssigkeitskreislauf ist einfach aufgebaut und kann in mobilen Geräten ohne weiteres integriert werden. In dem Flüssigkeitskreislauf ist zweckmäßig ein Druckausgleichsbehälter mit einer Membran angeordnet. Im Rahmen der Erfindung liegt es auch, dass der Druckausgleichsbehälter an dem Flachkörper befestigt ist und einen Druckausgleichsraum aufweist, der durch eine Öffnung des Flachkörpers mit dem Flüssigkeitsstrom des Flachkörpers verbunden ist.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert. Es zeigen schematisch
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1 eine Kühl-/Heizvorrichtung mit einem Thermoelektrikmodul,
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2 einen Schnitt durch das Thermoelektrikmodul und
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3 eine perspektivische Ansicht des Thermoelektrikmoduls ebenfalls im Schnitt,
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4 eine weitere Ausgestaltung des Thermoelektrikmoduls in einer Schnittdarstellung entsprechend 2.
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Die in den Figuren dargestellte Kühl-/Heizvorrichtung ist insbesondere für mobile Geräte zur Speisenverteilung bestimmt. Zum grundsätzlichen Aufbau der Kühl-/Heizvorrichtung gehören ein Thermoelektrikmodul 1 mit einer Anordnung aus mehreren Peltierelementen 2, ein Flüssigkeitskreislauf 3 mit einer Umwälzpumpe 4 und ein in dem Flüssigkeitskreislauf 3 angeordneter Wärmeaustauscher 5 für einen Wärmeaustausch mit Umgebungsluft. Der Wärmeaustauscher 5 weist einen flüssigkeitsdurchströmten Rippenkörper 6 auf. Ihm kann ferner ein Luftgebläse 7 zugeordnet sein, das an den Wärmeaustauscherrippen des Rippenkörpers 6 eine Luftströmung erzeugt, welche den Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft verbessert. Ferner ist in dem Flüssigkeitskreislauf 3 noch ein Druckausgleichsbehälter 8 mit einer Membran 9 angeordnet.
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Der Aufbau des Thermoelektrikmoduls 1 ist in den Schnittdarstellungen der 2 und 3 dargestellt. Das Thermoelektrikmodul 1 weist einen an den Flüssigkeitskreislauf 3 angeschlossenen flüssigkeitsdurchströmten Flachkörper 10 sowie ein Wärmeübertragungselement 11 zum Wärmeaustausch mit Luft auf. Das Wärmeübertragungselement 11 ist im Ausführungsbeispiel als Rippenkühler ausgebildet und besteht aus einem Metallkörper, der eine plattenförmige Rückseite 12 und daran angeformte vorstehende Rippen 13 aufweist. Alternativ kann das Wärmeübertragungselement 11 auch als ebene Platte ausgebildet sein, die je nach Schaltung der Peltierelemente 2 eine Kühlfläche oder eine Heizfläche bildet. Die Peltierelemente 2 sind zwischen einer wärmeübertragenden Fläche des Flachkörpers 10 und dem Wärmeübertragungselement 11 angeordnet und mit dem Flachkörper 10 sowie dem Wärmeübertragungselement 11 unter Ausbildung wärmeleitender Abschnitte 14 wärmeleitend verbunden. Die wärmeleitenden Abschnitte 14 bilden Stege, die eine Höhe zwischen 5 mm und 15 mm aufweisen können. Vorzugsweise bestehen die wärmeleitenden Abschnitte 14 aus leistenförmigen Körpern, die jeweils mit mehreren hintereinander angeordneten Peltierelementen 2 bestückt sind. Die Peltierelemente 2 sind elektrisch verbunden und können elektrisch parallel und/oder elektrisch in Reihe geschaltet sein. Durch eine geeignete elektrische Schaltung der Peltierelemente 2 kann auf einfache Weise eine Leistungseinstellung vorgenommen werden. In den Zwischenräumen 15 zwischen den wärmeleitenden Abschnitten 14 ist eine Wärmedämmung 16, z. B. aus einem Schaumstoff vorgesehen.
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Der Flachkörper 10 des Thermoelektrikmoduls 1 weist einen von einer oberen Platte und einer unteren Platte begrenzten Strömungsraum auf, in dem strömungsleitende Stege 17 angeordnet sind. Die Stege 17 bilden lineare, parallele Strömungswege innerhalb des Strömungsraumes. Die Strömungswege können beispielsweise so miteinander verbunden sein, dass eine mäanderförmige Durchströmung des Strömungsraumes erfolgt.
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Vor allem aus der Schnittdarstellung in 2 geht hervor, dass der Flachkörper 10 ein Gehäuseunterteil 18 aus einem wärmeleitenden Metall und einen Deckel 19 aufweist. Dabei ist das Gehäuseunterteil 18 an den wärmeleitenden Abschnitten 14 mit einer größeren Wandstärke ausgebildet, als in Bereichen, die Zwischenräumen 15 zwischen den wärmeleitenden Abschnitten 14 zugeordnet sind. Durch die größere Wandstärke des Flachkörpers 10 im Bereich der wärmeleitenden Abschnitte 14 entsteht Masse, die als Wärmespeicher 20 wirkt und zu einem verbesserten Wärmefluss durch die wärmeleitenden Abschnitte 14 beiträgt. Während die den Peltierelementen 2 zugewandte Fläche des flüssigkeitsdurchströmten Flachkörpers 10 im Bereich der wärmeleitenden Abschnitte 14 Materialverstärkungen aufweist, weist die Rückseite 12 des als Rippenkühlkörper ausgebildeten Wärmeübertragungselementes 11 durchgängig eine geringe Wandstärke von weniger als 10 mm auf. Vorzugsweise hat die Rückseite des Rippenkühlkörpers eine Wandstärke zwischen 4 mm und 8 mm.
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Im Ausführungsbeispiel der 4 ist das Wärmeübertragungselement 11 als ebene Platte 23 ausgebildet, die eine Dicke bis etwa 15 mm aufweisen kann.
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Gemäß den in den 2 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispielen ist der Druckausgleichsbehälter 8 an dem flüssigkeitsdurchströmten Flachkörper 10 des Thermoelektrikmoduls 1 befestigt und weist einen Druckausgleichsraum 21 auf, der durch eine Öffnung 22 des Flachkörpers 10 mit dem Flüssigkeitsraum des Flachkörpers 10 verbunden ist.
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Die Peltierelemente 2 sind als flache, plättchenförmige Elektronikbauteile ausgebildet. Die Elektronikbauteile haben Außenabmessungen von einigen Zentimetern Kantenlänge. Sie können durch Reihen- und/oder Parallelschaltung elektrisch verbunden werden. Der Thermoelektrikmodul 1 ist als Flachkörper 10 großflächig ausgebildet. Die Außenabmessungen sind auf die für Großküchengeräte geltenden Rastermaße abgestimmt, so dass die Kühl-/Heizvorrichtung in mobilen Geräte zur Speisenverteilung integriert werden kann. Die Kühl-/Heizvorrichtung umfasst eine Anordnung aus mehreren Peltierelementen 2. Sofern die Vorrichtung als Kühlaggregat verwendet wird, erreicht das erfindungsgemäß ausgebildete Thermoelektrikmodul 1 ohne weiteres eine Kälteleistung von 400 W bis 600 W bezogen auf eine Grundfläche von 140 mm × 325 mm. Mit der erfindungsgemäß ausgebildeten Kühl-/Heizvorrichtung ist es möglich, in mobilen Geräten, die zur Speisenverteilung oder Speisenausgabe eingesetzt werde, eine Raumtemperatur zwischen –3 °C und maximal +12 °C zu gewährleisten. Auch bei hohen Außentemperaturen bleibt eine betriebssichere Kühlung für die Speisenverteilung gewährleistet.
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Durch Umkehrung der Stromrichtung des durch die Peltierelemente 2 fließenden elektrischen Stroms kann die Vorrichtung wechselweise als Kühlvorrichtung und als Heizvorrichtung genutzt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist daher auch geeignet, um Teller oder andere Geschirrkomponenten zu erwärmen und Speisen über einen langen Zeitraum warm zu halten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1260153 A2 [0003]
- DE 4308144 C1 [0004]
