DE1061346B

DE1061346B - Refrigerator with thermoelectric cold generation

Info

Publication number: DE1061346B
Application number: DEL31198A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Hans Schmidt
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1958-09-04
Filing date: 1958-09-04
Publication date: 1959-07-16

Description

Kühlschrank mit thermoelektrischer Kälteerzeugung Die Erfindung bezieht sich auf einen Kühlschrank mit- elektrothermischer Kälteerzeugung und ist in erster Linie auf die Anordnung der n- und p-Elemente der Thermosäule in der Kühlschrankwandung gerichtet.Refrigerator with thermoelectric refrigeration The invention relates focus on a refrigerator with electrothermal refrigeration and is first Line on the arrangement of the n and p elements of the thermopile in the refrigerator wall directed.

Die wirtschaftliche Ausnutzung des Peltier-Effektes zur Erzielung einer für den Betrieb eines Kühlschrankes ausreichenden Kälteleistung hängt entscheidend vom dem Aufwand an thermoelektrischem Material, d. h. von den Thermoelementen selbst sowie vom Gesamtgewicht des »Kälteerzeugers« ab, der auch die als Kalt- und Warmflächen erscheinenden Verbindungsstücke zwischen den n- und p-Elementen (Lötbrücken) sowie die Anschlußstücke mit umfaßt. Auch die erforderlich werdenden wärmeübertragenden Flächen -zur Wärmeaufnahme bzw. -abführung gehören dazu. Betrachtet man unter diesem Gesichtspunkt die bisher bekannten Vorschläge für die Thermoelementenanordnung, so muß man erkennen, daß die bestehenden Forderungen bei diesen nur sehr unvollkommen erfüllt sind.The economic exploitation of the Peltier effect to achieve it a sufficient cooling capacity for the operation of a refrigerator depends crucially the amount of thermoelectric material used, d. H. from the thermocouples themselves as well as the total weight of the »cold generator«, which also acts as cold and hot surfaces connecting pieces appearing between the n- and p-elements (solder bridges) as well as which includes connectors. Also the necessary heat transferring Areas for absorbing or dissipating heat are part of it. Looking under this Point of view the previously known proposals for the thermocouple arrangement, so one must recognize that the existing requirements for these are only very imperfect are fulfilled.

So zeigt beispielsweise Fig. 1 eine bekannte ältere Anordnung, bei der sich die n- und p-Elemente 1 quer durch die gesamte Stärke der Isolierwand 3 erstrecken, und die aus Kupfer oder Aluminium bestehenden Verbindungsstücke 2 überbrücken mit ihrem vollen Querschnitt und vollkommen frei liegend den Abstand zwischen den einzelnen Elementen. Hierbei ist der Aufwand an thermoelektrisch wirksamem Material sehr hoch. Um diesen Aufwand herabzusetzen, ist eine verbesserte Anordnung vorgeschlagen, die in Fig. 2 schematisch dargestellt ist und darin besteht, daß man einen Teil der sehr teuren Thermoelemente durch Kupfer- oder Aluminiumblöcke ersetzt, d. h. die Länge der Thermoelemente verringert und die restliche Länge bis zu den beiderseitigen Wandflächen der Isolation 3 durch Kupferstücke 4 ergänzt. Diese Maßnahme bringt zwar eine gewisse Verbilligung, aber keine nennenswerte Einsparung am Gesamtgewicht des Kältererzeugers mit sich.For example, FIG. 1 shows a known prior arrangement in FIG which the n- and p-elements 1 transversely through the entire thickness of the insulating wall 3 extend and bridge the connecting pieces 2 made of copper or aluminum with its full cross-section and completely exposed the distance between the individual elements. Here is the cost of thermoelectrically effective material very high. In order to reduce this effort, an improved arrangement is proposed, which is shown schematically in Fig. 2 and consists in that one part Replaced the very expensive thermocouples with copper or aluminum blocks, d. H. the length of the thermocouples is reduced and the remaining length up to the two-sided Wall surfaces of the insulation 3 supplemented by copper pieces 4. This measure brings a certain reduction in price, but no significant savings in terms of total weight of the cold generator with itself.

Prüft man die Gründe für die Unvollkommenheit dieser und anderer bekannter Vorschläge, so ergibt sich, daß bei einem Aufbau gemäß Fig. 1 und 2 wohl die elektrothermisch bedingten Zweckmäßigkeiten, wie geeignete Wahl der Kontaktflächen sowie der Übergangs- und Leitwiderstände, berücksichtigt sind, nicht aber auf die wärmetechnisch sich bietenden Mögli'chkeiten geachtet wurde.If one examines the reasons for the imperfection of this and other well-known Proposals, it follows that in a structure according to FIGS. 1 and 2 probably the electrothermal conditional expediency, such as a suitable choice of contact surfaces and the transition and conductive resistors are taken into account, but not on the thermotechnical itself opportunities offered was respected.

Hier erscheint nämlich die Erkenntnis wichtig, daß bei Verwendung geeigneter Stoffe, die nur der Wärmeleitung zu oder von den warmen und kalten Austauschflächen dienenden Querschnitte erheblich geringer sein können als die zugleich oder allein elektrothermisch beanspruchten Querschnitte. Ausgehend von dieser Erkenntnis wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, bei einem Kühlschrank mit elektrothermischer Kühlung die Elemente der Thermosäule mit ihren Verbindungsstücken in an sich bekannter Weise entsprechend der verlangten Leistung zu dimensionieren, die Verbindungen zwischen beiderseits der Kühlschränkwandungen angeordneten Wärmeaustauschflächen und den Verbindungsstücken zwischen den einzelnen- Elementen der Thermosäule dagegen als lediglich nach der erforderlichen Wärmeleitung dimensionierte ' Brücken auszubilden. - Der Querschnitt dieser Brücken ist abhängig von der Leistungsziffer-und ergibt bei den derzeit erreichbaren Werten zumindest auf der kalten Seite erheblich geringere Querschnitte gegenüber denen der Elemente und der Verbindungsstücke. Diese Brückenquerschnitte sind außerdem, wie sich aus 'der Leistungsziffer ohne weiteres ergibt,- auf der kalten und warmen Seite verschieden.Here it seems important to realize that when using suitable substances that only conduct heat to or from the hot and cold exchange surfaces serving cross-sections can be considerably smaller than the one at the same time or alone Electrothermally stressed cross-sections. Based on this knowledge will proposed according to the invention in a refrigerator with electrothermal cooling the elements of the thermopile with their connecting pieces in a manner known per se to dimension the connections between on both sides of the refrigerator walls arranged heat exchange surfaces and the Connections between the individual elements of the thermopile, however, as only to form bridges dimensioned according to the required heat conduction. - The cross-section of these bridges depends on the performance figure and results with the currently achievable values, at least on the cold side, they are considerably lower Cross-sections compared to those of the elements and the connecting pieces. These bridge cross-sections are also, as can be seen from the performance figure, - on the cold and warm side different.

Man kommt auf diese Weise zu Anordnungen, die gegenüber den bisher bekannten ein beträchtlich geringeres Gewicht für den gesamten Kälteerzeuger und außerdem einen besonders kleinen Aufwand an Elementen erreichen.In this way one arrives at arrangements that are different from the previous ones known a considerably lower weight for the entire refrigeration generator and also achieve a particularly small amount of elements.

Schematisch ist eine Anordnung gemäß der Erfindung in Fig.3 dargestellt. Hier sind etwa in der Mittelebene einer Kühlschrankwand 3 die n- und p-Elemente 1, die mit A und B bezeichnet sind, mit ihren Verbindungsstücken 4 geradlinig aneinandergereiht, wie dies nach der verlangten Leistung notwendig und in technologischer Hinsicht am einfachsten und günstigsten ist. Von den Verbindungsstücken führen jetzt verhältnismäßig dünne Brücken 5 zu den kalten und warmen Austauschflächen 6.An arrangement according to the invention is shown schematically in FIG. Here, in the middle plane of a refrigerator wall 3, the n- and p-elements 1, which are labeled A and B , are lined up in a straight line with their connecting pieces 4, as this is necessary according to the required performance and the simplest and cheapest from a technological point of view. Relatively thin bridges 5 now lead from the connecting pieces to the cold and warm exchange surfaces 6.

Setzt man nämlich je Element, dessen Kontaktfläche beispielsweise 1 cm2 betrage, als Leistung auf der kalten Seite rund 1 dieser Wert ist heute bereits realisierbar - und entsprechend einer Leistungsziffer 0,3 auf der-warmen Seite eine Wärmeabgabe von 4,3 kcal/h an, so zeigen einfache Berechnungen, daß zur Fortleitung dieser Wärmemengen über gut wärmeleitende Brücken, z. B. aus Kupfer oder Aluminium, unter den in der Praxis üblichen Verhältnissen Querschnitte von nur wenigen mm2 notwendig sind. Gegenüber der obenerwähnten Kontaktfläche von 1 cm2 können also die nur der Wärmeleitung dienenden Querschnitte um fast zwei Größenordnungen kleiner gehalten werden. Damit ist klar erkennbar, daß die Anordnung gemäß Fig. 3 beträchtliche Vorteile aufweist.For example, if one sets each element, its contact surface 1 cm2, as a performance on the cold side around 1, this value is already today realizable - and according to a performance figure of 0.3 on the warm side one Heat emission of 4.3 kcal / h, simple calculations show that for the transfer of this amount of heat over good heat conducting bridges, z. B. off Copper or aluminum, cross-sections under the ratios customary in practice of only a few mm2 are necessary. Compared to the aforementioned contact area of 1 cm2, the cross-sections only used for heat conduction can be almost two orders of magnitude can be kept smaller. It can thus be clearly seen that the arrangement according to FIG. 3 has considerable advantages.

Bei der praktischen Auswertung dieser Erkenntnisse zeigt sich nun, daß die Unterbringung der luftberührten Flächen für den Wärmeaustausch sowohl auf der kalten als auch der warmen Seite, wenn die gedrängte Bauweise nach Fig. 3 beibehalten werden soll, gewisse Schwierigkeiten bereitet, weil für einen kleinen Kühlschrank etwa vierzig solcher Thermoelemente erforderlich sind. Die niedrigen Wärmeübergangszahlen der Austauschflächen gegen stille Luft, die bei etwa 10 kcal/m2/h/° C liegen mögen, verlangen z: B. auf der warmen Seite zur Abgabe von 4,3 kcal/h eine Fläche von 0,03 m2. Da es zweckmäßig ist, jedes Teilelement, dessen Länge nur etwa 1 cm beträgt, möglichst zentrisch zu der ihnen zugeordneten Austauschfläche anzuordnen, ergibt sich hieraus eine Ruftrennung der nach Fig. 3 geplanten Elementenkette, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist. Diese Figur gibt eine zweckmäßige Anordnung der Thermoelemente und ihrer Wärmeaustauschflächen in den richtigen Größenverhältnissen wieder. Die verschiedenen Teile sind mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet wie in den vorhergehenden Figuren. Fig. 4 a zeigt ein Element mit seinen Anschlüssen in etwa natürlicher Größe. Wesentlich bei dieser Anordnung ist, daß der Querschnitt der Austauschfläche selbst als Strompfad zum nächsten Element dient. Obwohl die Fläche der Verbindungsstücke gleich der der Elemente selbst ist, bedeutet eine anschließende Querschnittsverminderung in den Austauschflächen in bezug auf die Kälteleistung keinen Nachteil, da erkannt worden ist, daß in einem gewissen Abstand von der Lötfläche selbst der hierfür notwendige Querschnitt nicht mehr erforderlich ist, vielmehr der für die Wärmeleitung erforderliche Querschnitt maßgebend ist.The practical evaluation of these findings now shows that that the accommodation of the air-contacting surfaces for the heat exchange both on the cold as well as the warm side if the compact design of FIG. 3 is retained should be, creates certain difficulties because for a small refrigerator about forty such thermocouples are required. The low heat transfer coefficients the exchange surfaces against still air, which may be around 10 kcal / m2 / h / ° C, require, for example, an area of 0.03 on the warm side to deliver 4.3 kcal / h m2. Since it is advisable to use each sub-element, the length of which is only about 1 cm, to be arranged as centrally as possible to the exchange area assigned to them, results this results in a call separation of the element chain planned according to FIG. 3, as they do is shown in FIG. This figure gives a convenient arrangement of the thermocouples and their heat exchange surfaces in the correct proportions. the different parts are denoted by the same reference numerals as in the previous ones Characters. Fig. 4 a shows an element with its connections in approximately natural size. It is essential with this arrangement that the cross section of the exchange surface itself serves as a current path to the next element. Although the area of the connectors is the same as that of the elements themselves, means a subsequent reduction in cross-section in the exchange areas with regard to the cooling capacity no disadvantage, as recognized has been that at a certain distance from the soldering surface itself the necessary for this Cross-section is no longer required, rather the one required for heat conduction Cross-section is decisive.

Die Verbindungsbrücken zu den plattenförmigen Austauschflächen können mit diesen ein einheitliches Ganzes bilden, beispielsweise als vom Plattenrand herausragende Fahnen ausgebildet sein. Das durch die Ruftrennung der Elemente geschaffene Gebilde aus Elementen, Brücken und Austauschflächen kann vor der Einbringung in den Kühlschrank zusammengefügt werden. Am zweckmäßigsten dürfte es dabei sein, als Isolation einen Schaumkunststoff zu verwenden und das gesamte System in diese Schaumstoffisolation einzuschäumen.The connecting bridges to the plate-shaped exchange surfaces can form a uniform whole with these, for example as protruding from the edge of the plate Flags be trained. The structure created by the separation of the elements elements, bridges and exchange surfaces can be placed in the refrigerator before being placed in the refrigerator be joined together. It should be most useful to isolate one Use foam plastic and put the entire system in this foam insulation to lather.

Eine wärmetechnisch noch bessere Anordnung der Elementenkette ergibt sich, wenn man die Teilelemente in Richtung des Wärmeflusses in der Isolierwand des Kühlschrankes anordnet, d. h. die warmen Kontaktstellen nahe an die warme Außenseite der Schrankwand, die kalte Kontaktstelle zur kalten Innenwand hin legt. Da außerdem die Wärmeaufnahme auf der kalten Seite gemäß der oben gemachten beispielsweisen Annahme nur 1 kcal/h, die Abgabe zur warmen Seite hin aber 4,3 kcal/h beträgt, ist es sowohl für die wirksamere Schrankisolation als auch hinsichtlich einer weiteren Werkstoff- und damit Gewichtseinsparung günstig, das wärmere Ende jedes Teilelementes nahe an die Außenwand zu legen, zweckmäßig derart, daß das auf dieser Seite gelegene Verbindungsstück mit der äußeren Schrankwand abschneidet. Eine solche Anordnung ist in Fig. 5 dargestellt.A thermally better arrangement of the chain of elements results if you move the sub-elements in the direction of the heat flow in the insulating wall of the refrigerator, d. H. the warm contact points close to the warm outside the wall unit, which places the cold contact point with the cold inner wall. Since also the heat absorption on the cold side according to the examples given above Assumption is only 1 kcal / h, but the output on the warm side is 4.3 kcal / h it both for the more effective cabinet insulation and for a further one Material and thus weight savings are favorable, the warmer end of each sub-element to put close to the outer wall, expediently such that the one on this side Cut off the connection piece with the outer cabinet wall. Such an arrangement is shown in FIG.

Während für die Austauschflächen auf der warmen Seite die obenerwähnten Ausführungsformen mit Rippen bzw. in jalousieform zweckmäßig sind, erscheint auf der kalten Seite die Anwendung ebener Blechtafeln vorteilhafter. Diese können zugleich die Innenwand selbst bilden. In diesem Fall müssen sie aber zur Verminderung elektrischer Kurzschlüsse infolge Berührung von im Kühlschrankinneren abgestellten metallischen Gefäßen mit einem dünnen elektrischen Isolierüberzug, beispielsweise in Gestalt einer Folie, versehen sein. Aber auch die warme Fläche muß mindestens durch einen Lacküberzug elektrisch isoliert sein.While for the exchange surfaces on the warm side the above-mentioned Embodiments with ribs or in the form of blinds are appropriate appears on the use of flat metal sheets is more advantageous on the cold side. These can at the same time form the inner wall itself. In this case, however, they have to be electrical to reduce Short circuits as a result of touching metallic ones placed inside the refrigerator Vessels with a thin electrical insulating coating, for example in shape a foil. But also the warm surface has to be at least through one Paint coating be electrically isolated.

Die vorstehend beschriebenen Anordnungen weisen gegenüber bekannten Ausführungen von elektrothermischen Kühlschränken einen besonders sparsamen Aufwand an n- und p-Elementen auf, sie bringen ferner eine erhebliche Gewichtsverminderung des Kälteerzeugers mit sich. Weitere Vorteile werden erzielt durch die sinnvolle Anordnung der Teilelemente innerhalb der Isolierung gegenüber den Wärmeaustauschern hinsichtlich des Wärmeflusses sowie durch die haushaltgerechte Ausbildung der wärmeaufnehmenden Flächen im Schrank.The arrangements described above have compared to known Designs of electrothermal refrigerators are particularly economical on n- and p-elements, they also bring a considerable reduction in weight of the cold generator with itself. Further advantages are achieved through the sensible Arrangement of the sub-elements within the insulation opposite the heat exchangers with regard to the heat flow as well as through the budget-friendly design of the heat-absorbing Areas in the closet.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Refrigerator with electrothermal cooling, characterized in that the elements of the thermopile with their connecting pieces dimensioned in a manner known per se according to the required performance, the Connections between heat exchange surfaces arranged on both sides of the refrigerator walls with the connecting pieces between the individual elements of the thermopile designed as bridges only dimensioned according to the required heat conduction are.

2. Refrigerator according to claim 1, characterized in that the thermocouples and its connecting pieces essentially straight in one to the refrigerator wall parallel plane are arranged within the refrigerator insulation.

3. Fridge according to claim 1, characterized in that the cross-sections of the connecting bridges on the warm and cold side to different degrees according to the performance figure are chosen.

4. Refrigerator according to claim 1, characterized in that the heat exchange surfaces preferably flat on the cold side, more familiar on the warm side Way are ribbed.

5. Refrigerator according to claim 1 and 4, characterized in that that the heat exchange surfaces on the warm side to increase the heat radiation are provided with louvre-like slots in a known design.

6th Refrigerator according to claims 1 and 4, characterized in that the heat exchange surfaces with an electrically insulating coating, for example a plastic film, are provided.

7. Refrigerator according to claim 1, 4 and 6, characterized in that that the cold exchange surfaces form the inside wall of the cabinet at the same time. B.

refrigerator according to claim 1, characterized in that the sub-elements of the thermopile from each other are arranged separately in the refrigerator insulation (Fig. 4 and 5) that each sub-element is connected to a connector on its two contact surfaces and that the cross-section of the connecting bridges to the heat exchange surfaces as well as this itself serves as a current path to the next sub-element.

9. Refrigerator according to claim 8, characterized in that the sub-elements in the direction of heat flow in the insulating wall of the refrigerator are arranged such that the warmer end of each Partial element or the connecting piece connected to this end with the outer Complete the refrigerator wall.