-
Kleinkühlgerät mit einer Peltierkühlanordnung Die Erfindung betrifft
ein Kleinkühlgerät mit einer Peltierkühlanordnung, bei dem der zu kühlende Raum
in thermischem Kontakt mit den kalten Kontaktstellen der Peltierkühlanordnung steht.
Peltierkühlanordnungen, deren Kühlwirkung, wie schon der Name besagt, auf dem wohlbekannten
Peltiereffekt beruht, sind schon allgemein bekannt und z. B. ausführlich beschrieben
in dem Buch »Semiconductor Thermoelements and Thermoelectrie Cooling« von A. F.
J o f f e , Ausgabe Infosearch Limited London, 1957.
-
Bei den bekannten Peltierkühlanordnungen wird die infolge der Kühlwirkung
der kalten Kontaktstellen an den warmen Kontaktstellen erzeugte Wärme mittels Kühlfahnen
oder Kühlrippen oder mittels künstlicher Abkühlung, wie z. B. Wasserkühlung, von
den warmen Kontaktstellen während des Betriebes in den umgebenden Raum abgeführt.
Da bei den Peltierkühlanordnungen der zulässige Temperaturunterschied zwischen den
kalten und warmen Kontaktstellen mit Rücksicht auf einen guten Wirkungsgrad relativ
klein ist, und zwar bei den heute üblichen Peltierschenkelmaterialien, wie Wismut-Tellurid,
bei einer einstufigen Peltierkühlanordnung von der Größenordnung von etwa 20° C
ist, ergibt sich das Problem, wie unter Beibehaltung dieses relativ kleinen Temperaturunterschieds
zwischen den warmen und kalten Kontaktstellen, und demzufolge auch bei einem relativ
kleinen Temperaturunterschied zwischen den warmen Kontaktstellen und dem umgebenden
Raum, die an den warmen Kontaktstellen entstehende Wärme in den umgebenden Raum
abgeführt werden kann. Dieses Problem wird bei den bekannten Peltierkühlanordnungen
in der Weise gelöst, daß man erzwungene Kühlung, z. B. Wasserkühlung, anwendet oder
Kühlorgane, wie Kühlrippen oder Kühlfahnen, von relativ großen Abmessungen anwendet.
-
Diese komplizierte Ausführung mit erzwungener Kühlung oder die Anwendung
von Kühlorganen von relativ großen Abmessungen lassen jedoch die Peltierkühlanordnungen
wenig zweckmäßig für die Anwendung in Kleinkühlgeräten erscheinen, wie sie z. B.
im Haushalt oder in Fahrzeugen angewendet werden können, z. B. als Flaschenkühler
od. dgl.; andererseits sind hierfür Peltierkühlanordnungen an sich gerade besonders
interessant.
-
In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß es bereits bekannt ist, bei
elektrothermischen Kühleinrichtungen Maßnahmen zur Umkehrung des elektrischen Stromes
zu treffen, und zwar unter anderem zwecks Enteisung der kalten Lötstellen.
-
Die Erfindung bezweckt nun einen besonders einfachen und zweckmäßigen
kompakten Aufbau eines Kleinkühlgerätes mit Peltierkühlanordnung, bei dem die Kühlorgane
wesentlich weniger Raum als bei den bekannten derartigen Geräten beanspruchen.
-
Die Erfindung geht dabei unter anderem von dem Gedanken aus, daß die
Peltierkühlanordnungen bei vielen Anwendungsgebieten, wie z. B. bei Getränkekühlern
od. dgl., nur während einer relativ kurzen Zeitdauer im Betrieb zu sein brauchen
und daß sie nach dem Betrieb wieder relativ lange außer Betrieb sein können. Ausgehend
von diesem Gedanken, ermöglicht diese Erfindung eine wesentlich weniger Raum für
die Kühlorgane beanspruchende Lösung des Wärmeabfuhrproblems, indem sie die während
der relativen Betriebsdauer entstehende Wärme, anstatt sie während des Betriebes
in die Umgebung abzuführen, in einem Wärmespeicher ansammelt, aus dem die Wärme
dann nach der Betriebszeit während der im allgemeinen relativ langen Betriebspause
über wesentlich kleinere Kühlorgane in die Umgebung abgeführt werden kann. Die Erfindung
umfaßt außerdem besonders zweckmäßige Ausbildungen des Wärmespeichers sowie auch
Maßnahmen, um bei einem gegebenenfalls gewünschten häufigeren Betrieb die im Wärmespeicher
vorhandene Wärme in kurzer Zeit abzuführen.
-
Bei einem Kleinkühlgerät mit einer Peltierkühlanordnung gemäß der
Erfindung, bei dem der zu kühlende Raum in thermischem Kontakt mit den kalten Kontaktstellen
der Peltierkühlanordnung steht, stehen gemäß der Erfindung die warmen Kontaktstellen
in thermischem Kontakt mit einem Wärmespeieher,
in dem die während
des Betriebes an den warmen Kontaktstellen entstehende Wärme zu einem wesentlichen,
insbesondere zum überwiegenden Teil, gespeichert wird.
-
Die Größe des Wärmespeichers wird natürlich mit Hinsicht auf die gewünschte
Kühlleistung und auf die im Einzelfall gewünschte Betriebszeitdauer gewählt. .
-
In der einfachsten Form kann der Wärmespeicher z. B. aus einem massiven
Körper bestehen, der aus einem Stoff mit großer spezifischer Wärme hergestellt ist
und dessen Volumen die während der Betriebszeit entstehende Wärme aufnehmen kann,
ohne einen auf den Wirkungsgrad zu ungünstig einwirkenden beträchtlichen Temperaturanstieg
der warmen'Kontaktstelle zuzulassen. Vorzugsweise enthält aber der Wärmespeicher
einen Speicherstoff, der bei der Betriebstemperatur der warmen Kontaktstelle eine
endotherme Phasenumwandlung durchläuft, z. B. bei der Betriebstemperatur der warmen
Kontaktstellen verdampft, wie z. B. Cyclohexan bei einer Temperatur von etwa 27°
C.
-
Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung enthält der Wärmespeicher
vorzugsweise einen Stoff, der bei der Betriebstemperatur der wärmen Kontaktstellen
schmilzt. In der nachfolgenden Tabelle sind eine Reihe von solchen Stoffen, deren
Schmelztemperatur in einem in Betracht kommenden Temperaturbereich liegt, beispielsweise
erwähnt, wobei in der ersten Spalte die Bezeichnung, in der zweiten Spalte die chemische
Formel, in der dritten Spalte die Schmelztemperatur in ° C, in der vierten Spalte
die Wichte (spezifisches Gewicht) in g/cm3 und in der fünften Spalte die Schmelzwärme
dH in cal/g des betreffenden Stoffes angegeben sind, soweit diese Größen bekannt
waren.
| Schmelz- Wichte Schmelzwärme |
| temperatur |
| [° C] [g/cml] J H [cal/g] |
| Caprinsäure ....................... CH3(CH..,)BCOOH 30,5
0,885840 38,9 |
| p-Kresol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. CH3' C6H4 - OH 33,8 1,03472a 26,3 |
| 2-Methylnaphthalin . . . . . . . . . . . . . . . . Cta H7 C
H3 34,1 20,1 |
| Azoxybenzol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . O N2
(CC, H,5)2 36,0 1,248=a - 21,7 |
| Calciumchlorid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CAC12.
6H20 29 1,68 44,0 |
| Glaubersalz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Na.,
S 04 - 1 0H20 32,4 1,464 54,9 |
| Natriumhydrogenphosphat . .. .. .. .. . Na2HP04 - 12H20 34,6
1,52 66,8 |
| Natriumhydrogenarsenat . . . . . . . . . . . . Nag H As 04
- 12 H2 O 28 1,72 |
| Lithiumnitrat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Li
N 03 - 3H2 O 29,9 70,1 |
| Chromnitrat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cr
(N O3)3 - 9 H2 O 37,0 |
Die Anwendung eines Speicherstoffes mit einer endothermen Phasenumwandlung ergibt
den großen Vorteil, daß das durch den Wärmespeicher beanspruchte Volumen relativ
klein sein kann und daß während des Betriebes die Temperatur der warmen Kontaktstelle
unabhängig von der Umgebungstemperatur und vom Wärmestrom festgelegt ist, da eine
solche Phasenumwandlung bei relativ großer Wärmeaufnahme des Speicherstoffes und
bei einer bestimmten Temperatur erfolgt. Darüber hinaus hat die Verwendung solcher
Speicherstoffe gegenüber zu verdampfenden Flüssigkeiten noch die Vorteile, daß die
Abdichtungsprobleme und die technische Realisierung der Wärmeübertragung auf den
Speicherstoff am einfachsten sind. Die Schmelztemperatur der Substanz soll natürlich
oberhalb der für die betreffende Anwendung in Frage kommenden maximalen Umgebungstemperatur
liegen.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausbildung der Erfindung wird die
an den warmen Kontaktstellen entstehende Wärme mittels eines Wärmeübertragungskörpers,
z. B. mittels Kühlfahnen, von den warmen Kontaktstellen in den Speicherstoff, der
sich in einer Wärmespeicherkammer befindet, geleitet. Insbesondere dann, wenn die
Substanz eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist, ist es für eine zweckmäßige
Wärmeübertragung erwünscht, daß das Verhältnis des an den zu schmelzenden Speicherstoff
abzugebenden Wärmestromes zu der Größe der wärmeübertragenden Fläche hinreichend
klein gewählt wird, und zwar vorzugsweise so, daß die entsprechend dem Wärmekoeffizienten
des verflüssigten Speicherstoffes zur Wärmeübertragung von der wärmeübertragenden
Fläche auf den Speicherstoff erforderliche Temperaturdifferenz zwischen dieser Fläche
und der Schmelztemperatur des Speicherstoffes etwa 2° C nicht zu übersteigen braucht.
So wird für Caprinsäure vorzugsweise ein Wärmestrom pro Flächeneinheit von weniger
als etwa 0,2 Watt/cm2 angewendet.
-
Zur Verbesserung der Wärmübertragung auf einen Speicherstoff mit relativ
niedriger Wärmeleitfähigkeit ist es möglich, die Wärmeleitfähigkeit des betreffenden
Speicherstoffes künstlich zu vergrößern. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform
eines Kleinkühlgerätes gemäß der Erfindung enthält zu diesem Zweck die Wärmespeicherkammer
außer dem Speicherstoff auch noch ein. Gespinst aus einem gut wärmeleitenden Stoff,
wie z. B. Aluminiumwolle. Hierdurch wird eine homogene Wärmeübertragung auf den
Speicherstoff mit der Phasenumwandlung gesichert.
-
Zum Vermeiden einer besonderen elektrischen Isolierung des wärmeübertragenden
Körpers von den warmen Kontaktstellen ist es zweckmäßig, einen elektrisch isolierenden
Stoff mit Phasenumwandlung zu wählen. In dem Fall, daß zusätzlich ein wärmeübertragendes
Gespinst angewendet wird, kann ein solches mit einer dünnen isolierenden Haut, wie
z. B. eloxierte oder lackierte Aluminiumwolle, verwendet werden. Andererseits ist
es auch möglich,
zum Vermeiden einer besonderen elektrischen Isolierung
in der Wärmespeicherkammer die wärmeübertragenden Körper z. B. mittels einer dünnen
Glimmerschicht von den warmen Kontaktstellen elektrisch zu isolieren.
-
Um die Wärmespeicherkammer mechanisch leicht und möglichst klein ausbilden
zu können, wird vorzugsweise ein Speicherstoff verwendet, der bei der Phasenumwandlung
nur geringe Volumenänderungen erleidet. In dieser Hinsicht sind insbesondere organische
Substanzen, wie z. B. Caprinsäure, geeignet.
-
Die verwendete Menge des Wärme speichernden Stoffes wird mit Hinsicht
auf die bei der betreffenden Anwendung auftretende Kühlleistung, Betriebszeitdauer
und die Anwendungshäufigkeit des Gerätes hinreichend groß gewählt, so daß diese
Menge auch unter möglicherweise vorkommenden ungünstigen Umständen noch ausreicht.
Nach dem Betrieb kann die im Wärmespeicher angesammelte Wärme über eine relativ
lange Zeitdauer hinweg, während der das Gerät außer Betrieb ist, an die Umgebung
abgegeben werden, und zwar über alle Flächen, die mit beiden Kontaktstellen und
mit dem Wärmespeicher einerseits und mit der Umgebung andererseits in thermischer
Verbindung stehen.
-
Andererseits wird, da die Wärmespeicherkammer in Kontakt mit der Umgebung
steht, auch schon während des Betriebes eine gewisse Wärmeabgabe an die Umgebung
stattfinden.
-
Da viele Kleinkühlgeräte nur einmal oder höchstens einige Male am
Tag betrieben zu werden brauchen, ist die Ausbildung eines Kleinkühlgerätes nach
der Erfindung für eine solche Anwendung besonders zweckmäßig.
-
Um jedoch gegebenenfalls auch eine zweite Benutzung nach einem kurz
vorangegangenen Gebrauch zu ermöglichen, sind bei einem Kleinkühlgerät gemäß der
vorliegenden Erfindung vorzugsweise Mittel vorgesehen, um den elektrischen Strom
durch die Peltieranordnung in bekannter Weise in seiner Richtung umkehren zu können,
wozu einfach ein Schalter angewendet werden kann. Da bei der Umkehr der Richtung
des elektrischen Stromes die kalten und die warmen Kontaktstellen in ihrer Funktion
vertauscht sind, kann die im Wärmespeicher gesammelte Wärme in den sonst als Kühlraum
verwendeten Raum abgeführt werden, wo sie z. B. an eine in diesem Raum vorhandene
Flüssigkeit, die sich gegebenenfalls auch auf einem relativ hohen Temperaturniveau
befinden kann, abgegeben wird. Nach hinreichender Wärmeaufnahme aus der vorhandenen
Wärmekapazität kann diese Flüssigkeit entfernt und erneuert werden, wonach das Gerät
nach Umschalten der Stromrichtung wieder für den Kühlbetrieb zur Verfügung steht.
-
Die Umschaltungsmöglichkeit des Stromes kann gewünschtenfalls in bekannter
Weise außerdem dazu benutzt werden, das Gerät im Sommer als Kühlgerät für den zu
kühlenden Raum, und im Winter als Heizgerät für diesen Raum zu benutzen.
-
Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert,
in der ein Kleinkühlgerät nach der Erfindung schematisch im Längsschnitt dargestellt
ist.
-
Die Figur zeigt beispielsweise ein als Flaschenkühler zu verwendendes
Kleinkühlgerät nach der Erfindung. Der zu kühlende Raum befindet sich in einem Topf
1, z. B. aus Kupfer, der thermisch von der Umgebung mittels eines Wärme isolierenden
Mantels 2, z. B. aus einem Schaumstoff auf Polystyrolbasis, isoliert ist. Der Boden
des kupfernen Topfes 1 steht in gutem thermischem Kontakt mit den kalten Kontaktstellen
3 einer Peltierkühlanordnung. Diese Peltierkühlanordnung weist in bekannter Weise
eine Reihe von Schenkelpaaren 4, 5 auf, von denen der eine Schenkel 4 z. B. aus
Wismut-Tellurid vom n-Typ und der andere Schenkel 5 z. B. aus Wismut-Tellurid vom
p-Typ besteht. Die Peltierkühlanordnung ist in bekannter Weise so ausgebildet, daß
von den gleichzeitig als elektrischen Stromleiter zwischen den Schenkeln verwendeten
Kontaktstellen jedes Schenkelpaares, die z. B. aus einem Kupferstreifen bestehen,
die kalten Kontaktstellen 3 an der oberen Seite mit dem zu kühlenden Raum und die
warmen Kontaktstellen 6 an der unteren Seite mit der Wärmespeicherkammer 7, 8 in
thermischer Verbindung stehen. Die Schenkelpaare der Peltieranordnung sind mit einem
Kunstharz zu einem scheibenförmigen Körper 9 vergossen. Ein elektrischer Kurzschluß
zwischen den einzelnen kalten Kontaktstellen kann in bekannter Weise z. B. durch
Anbringen einer dünnen Glimmerschicht zwischen dem Boden des Topfes 1 und den Kontaktstellen
vermieden werden.
-
In der Figur ist die Peltieranordnung deutlichkeitshalber als eine
eindimensionale Reihe von Schenkelpaaren angegeben. In der Praxis kann man die Schenkelpaare
natürlich zweckmäßigerweise in Form von einem oder mehreren Ringen symmetrisch um
die Symmetrieachse des Topfes 1 anordnen.
-
Die warmen Kontaktstellen 6 stehen mittels wärmeübertragenden Flächen
10, die z. B. aus Kupferblechstreifen bestehen können, in gutem thermischem Kontakt
mit dem Speicherstoff 8, der bei der Betriebstemperatur die endotherme Phasenumwandlung
durchläuft. Diese z. B. elektrisch isolierende Substanz 8 befindet sich in der Kammer
7, deren Wand z. B. aus Kupfer besteht. Die Seitenwand der Wärmespeicherkammer 7
weist stellenweise Verdickungen 11 auf, durch die Schrauben 12 hindurchgeführt sind,
die zur mechanischen Befestigung der einzelnen Teile des Gerätes dienen. Mittels
der Schrauben 12 sind nämlich der Wärmespeicher 7, der scheibenförmige Körper 9
und die mit der Topfwand 1 verbundenen Befestigungswinkel 13 miteinander unter Zwischenfügung
von thermisch isolierenden Ringen 17 verbunden. In dem Topf 1 kann eine Flüssigkeit
14, z. B. Wasser, vorhanden sein, die eine gute Wärmeübertragung auf den zu kühlenden
Gegenstand 15 sichert. Das Ganze ist mit einem Deckel 16 versehen.
-
Zum Vergleich eines Kühlgerätes nach der Erfindung, in dem die Wärme
überwiegend in einem Wärmespeicher angesammelt wird, mit anderen Kleinkühlgeräten,
bei denen die Kühlung während des Betriebes durch freie Luftkonvektion an Rippenrohren
oder durch Ventilatorkühlung solcher Rippenrohre mit einer Luftgeschwindigkeit von
etwa 2 m/sec erfolgt, werden beispielsweise noch folgende Zahlenwerte, die die Vorteile
des Gerätes nach der Erfindung illustrieren, angegeben: Für ein Gerät mit einer
Kälteleistung von etwa 1 Watt bei einer Temperatur der kalten Kontaktstelle von
etwa 20° C, einer Umgebungstemperatur von etwa 22° C und einem Betriebstemperaturunterschied
der kalten und der warmen Kontaktstellen von etwa 24° C würde bei freier Luftkonvektion
an einem Rippenrohr eine Kühlfläche von etwa 270 cm2 erforderlich sein. Bei Ver-
Wendung
von Ventilatorkühlung mit einer Luftgeschwindigkeit von etwa 2 m/sec würde unter
sonst gleichen Bedingungen eine Kühlfläche von 50 cm' erforderlich sein. Bei dem
Kleinkühlgerät nach der Erfindung, bei dem ein Stoff mit einer Schmelztemperatur
von etwa 30° C und einer Schmelzwärme von etwa 40 cal/g verwendet wird, würde unter
sonst gleichen Bedingungen bereits eine Kühlfläche von etwa 15 cm2 und eine Menge
von etwa 43 cm3 pro Stunde gewünschter Betriebszeitdauer genügen. Dagegenüber würde
ein Rippenrohr mit einer Kühlfläche von 270 cm2 in Form eines Mantels um den zu
kühlenden Gegenstand bereits ein Volumen von etwa 600 cms beanspruchen.
-
Aus diesen beispielsweise gegebenen Zahlenwerten ergibt sich also,
daß auch bei einem Kühlgerät mit einer gewünschten Betriebszeit von mehreren Stunden
eine beträchtliche Volumenverringerung durch die Ausbildung nach der Erfindung erreicht
werden kann, wobei sich dann die schwierige Anwendung einer erzwungenen Kühlung
erübrigt und auch noch ein höherer Wirkungsgrad erreicht wird. Außerdem wird der
große Vorteil erreicht, daß die Temperatur der warmen Kontaktstellen unabhängig
von der Umgebungstemperatur ist.
-
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die angegebenen Beispiele
beschränkt. So kann man z. B. auch eine mehrstufige Peltierkühlanordnung, bei der
zwei oder mehr Reihen von Peltieranordnungen parallel zueinander geschaltet sind,
anwenden, wodurch der zulässige Temperaturunterschied größer sein kann, und es können
auch Stoffe mit einer höheren Phasenumwandlungstemperatur zur Anwendung kommen.
Auch sind selbstverständlich andere konstruktive Ausbildungen der Wärmespeicherkammer
möglich, und man kann z. B. die Wärmespeicherkammer auch ringförmig um den zu kühlenden
Gegenstand legen.