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Mit einem mehrstufigen elektrothermischen Kühlaggregat ausgerüstetes
Kühlgerät Die maximale Temperaturdifferenz von Peltieraggregaten beträgt ca. 80o
C (dabei wird vorausgesetzt, daß die Temperatur ty auf der kalten Seite null Grad
C beträgt), so daß für einen einigermaßen wirtschaftlichen Betrieb eine Temperaturdifferenz
von rd. 400 C nicht überschritten werden sollte. Von dieser, für den Betrieb
zur Verfügung stehenden Temperaturdifferenz wird ein relativ großer Teil für die
Wärmeabfuhr benötigt (die wärmeabgebenden Teile des Aggregates müssen nämlich zur
Ausbildung eines nennenswerten Wärmestromes eine merklich über der Umgebungstemperatur
liegende
Temperatur aufweisen). Zum Kühlen steht demnach nur noch ein kleiner Teil (ca. 25o
C) der maximalen TemperatUrdifferenz zur Verfügung. Um für diesen Zweck gr¢ßere
Werte zu erhalten, verwendet man häufig mehrstufige Batterien.
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Bei mit elektrothermischen Kühlaggregaten ausgerüsteten Kühlgeräten
sind Ausführungen bekannt, bei denen die metallische Außenhaut gleichzeitig als
Wärmeaustauschvorrichtung dient. Eine solche-Ausführung ist vom konstruktiven Standpunkt
wegen der glatten Außenflächen eines solchen ebenen Wärmeaustauschers sehr erwünscht;
sie weist leider aber auch Nachteile auf. Aus den bereit: weiter oben dargelegten
Umständen liegt bei einer solchen Anordnur; an der Isolation zwischen Innenbehälter
und Außenhaut eine größere Temperaturdifferenz als der Temperaturunterschied: Luft/innen
-Duft/außen beträgt. Dementsprechend sind natürlich die Isolationsverluste größer.
Wenn man diese höheren Verluste durch Verwendung eines besonderen Wärmeaustauschers
(z. B. Rippenkühler mit Eigenkonvektion oder mit Zwangsbelüftung) zu vermeiden sucht,
muß man wiederum andere Nachteile in Kauf nehmen, so z. B. die ungünstigere Veränderung
des Verhältnisses Kühlnutzvolumen zu GerätevolLu:,,:; trenn man an der Außenseite
des Kühlgerätes beispielsweise einen Rippenkühler anordnet. . Die Erfindung betrifft
ein Kühlgerät, das mit einem in der Wand des Gerätes angeordneten zwei- oder
mehrstufigen elektrothermischer. Kühlaggregat ausgerüstet ist, izobei-die wärmeleitende,
die Isolierschicht des Gerätes von der Umgebung abschließende Haut (Außenhau;; als
Wärmeaustauschvorrichtung dient und zielt darauf ab, die erwähnten Schwierigkeiten
bei solchen Kühlvorrichtungen weitgehend
zu vermeiden.@Bei Geräten
mit einem zweistufigen Aggregat, das in der Isolierung angeordnet ist, kann man
beobachten, daß die Temperatur tZ zwischen den beiden Aggregatstufen schon ein wenig
höher liegt als die Temperatur des umgebenden Raumes TR (hierbei Wird vorausgesetzt,
daß die beiden Stufen gleiche Leistung besitzen). Von dieser Beobachtung ausgehend
Wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß nur ein Teil der verwendeten elektrothermischen
Stuf 3 die Verbindung Kühlrauminnenbehälter-Außenhaut bildet, während mindestens
eine Stufe so angeordnet ist, daß ihre Wärmetransportleistung zur Kühlung der Außenhaut
dient. Auf diese Weise wird die aus dem Kählrauminnexen (Temperatur TI) von einem
Teil der elektrothermischen Stufen transportierte Wärme sowohl über das Außengehäu<<_
als auch über die restlichen elektrothermischen Stufen an die Umgebung abgeführt.
Die Außenhaut bleibt dabei mit Sicherheit annähernd auf der Temperatur der Umgebung,
so daß an der Isolationsschicht eine wesentlich geringere Temperaturdifferenz als
bei bekannten Anordnungen liegt. Diese geringere Temperaturdiferenz ermöglicht es,
daß erheblich an Isoliermaterial eingespart werden kann, wenn man entsprechend der
geringeren Temperaturdifferenz die Dicke der Isolierschicht verringert, d. h. wenn
man die Gerät-Konstante (z. B. 10 Watt/25o C) unverändert läßt.
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In weiterer Ausgestaltung dieser Anordnung wird man mit Vorteil den
zur Kühlung der Außenhaut dienenden Anteil des elektrothermischen Aggregates an
seiner Außenseite mit einem Wärmeaustauscher t verbinden. Insbesondere in dem Fall,
daß dieser äußere Wärmeaustauscher als ebener Körper ausgebildet ist, kann er zugleich
mindestens eiheil Teil des Gerätegehäuses bilden, weil man stets bestrebt sein wird,
das Kühlgerät nach außen durch eine möglichst
glatte Fläche abzuschließen..
Die Aueenhaut der Isolierung und der als Gerätegehäuse dienende Teil des ebenen
Wärmeaustauschers kann man vorteilhafterweise zu einer Doppelwand zusammenfassen.
Man wirr in diesem Falle im unteren äußeren Bereich Lufteintrittsöffnungen und im
oberen Bereich, vorzugsweise in deal horizontalen Verbindung.-stück stück beider
Teilwände, Zuftaustrittsöffnungen für die durch den Innenraum der Doppelwand hindurchzuführende
Kühlluft vorsehen. Auf diese Weise wird sowohl die äußere als auch die innere Oberfläche
des ebenen Wärmeaustauschers an der Außenseite des Gerätes am Wärmeaustausch beteiligt,
die wirksame Fläche dieses Körpers also verdoppelt. Darüber hinaus kann auch noch
die Außenhaut der Isolierung Wärme an die Umgebung abgoben. Wenn die abgegebene
Wärmemenge pro Flächeneinheit auch nicht groß sein kann, da die Temperatur der Außenhaut
höchstens um ein Grad über der Temperatur der Umgebung-liegen soll, so kann doch
von der gesamten Außenhaut auf Grund ihrer relativ großen Oberfläche eine beträchtliche
Wärmemenge abgegeben werden, Man wird die Doppelwand ferner so ausbilden, daß ihr
oberer horizontal verlaufender Verbindungsteil mit der Außenseite des Gerätedeckels
in einer Ebene liegt, um eine möglichst glatte äußere Fläche zu erzielen. Da die
im Inneren der Doppelwand geführte Kühlluft zwei unterschiedlich temperierte Körper
zu kühlen hat (Außenhaut und äußeren Wärmeaustauscher), kann man im Innenraum der
Doppelwand Luftieitvorrichtungen m rsehen, die dafür sorgen, daß der aufsteigende
Kühlluftstrom in zwei Teilströme aufgeteilt wird, von denen der eine ari der relativ
warmen inneren Oberfläche des äußeren r ebenen Wärmeaustauschers entlanggeführt
wird, während der andere zur Kühlung der wesentlich kühleren Außenhaut dient. Entsprechend
der
unterschiedlichen Wärmemengen, die jeder Teilstrom aufzunehmen hat, kann man den
Abstand der Luftleitvorrichtungen von den zu kühlenden Flächen bemessen, um damit
zu erreichen, daß der auf der höheren Temperatur befindlichen Fläche ein größeres
Luftvolumen in der Zeiteinheit zur Verfügung steht.
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Zusammenfassend.sei noch einmal festgestellt, daß das Wesentliche
der Er2indung darin zu sehen ist, daß von der mit der Isolierung in Verbindung stehenden
Außenhaut die dort anfallende Wärme im wesentlichen durch eine Wärmepumpe auf ein
merklich über Umgebun;.°:-temperatur liegendes Niveau gehoben wird. Da die in der
Zeiteinheä mit der Umgebung ausgetauschte Wärmemenge dem aus Fläche und Temperaturdifferenz
bestehenden Produkt proportional ist, erkennt man, daß die Erfindung einen Weg weist,
die Austauschfläche klein zu; halten, da der andere Faktor des Produktes vergrößert
wird. Dieser Gedanke gilt ganz allgemein für alle Wärmeaustauschvorgänge und ist
keinesfalls auf ein im Gattungsbegriff des Hauptanspruchs beschriebenes Gerät beschränkt.
In diesem Zusammenhang sei auch darauf hingewiesen, daß die Erfindung auch solche
Anordnungen umfaß t, bei denen statt eines mehrstufigen Aggregates mehrere einstufige
Aggregate Verwendung finden. Maßgebend ist in jedem Falle nur die Tatsache, daß
die abzugebende Wärme aus dem Bereich der Isolierung mit Hilfe einer Wärmepumpe
auf ein höheres Temperaturniveau geschafft wird.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung und zum Vergleich
bekannte Ausführungen schematisch dargestellt.
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Darin zeigt:
Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch
eine bekannte, mit einem zweistufigen Peltieraggregat ausgerüstete Truhe, Fig. 2
einen senkrechten Schnitt durch eine ähnliche Truhe, bei der die Wärmeabfuhr von
den Peltieraggregaten nach dem Vorschlag gemäß der Erfindung erfolgt, Fig. 3 einen
Wärmeaustauscher bisher bekannter Art, Fig. ¢ einen Wärmeaustauscher, der den Erfindungsgedanken
charakterisiert, Fig. 5 (a und b) den Vergleich der in den Figuren 1 und 2 dargestellten
Truhen an Hand eines Tempera-tur-Wandcbken-Diagrammes und Fig. 6 -(a und b) einen
vergrößerten Ausschnitt der Fig. 1 bzw. 2 der Truhenwand, längs der im Temperatur-Wanddicken-Diagramm
(Pig. 5) der Temperaturverlauf dargestellt ist.
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Fig. 1 zeigt eine Kühltruhe 1, deren Innenbehälter 2 und deren Außenhaut
3 aus gut wärmeleitendem Material bestehen und die beide gleichzeitig die Punktion
eines Wärmeaustauschers innehaben. Beide Teile sind durch eine Schicht Isoliermaterial
4 (beispielsweise Schaumstoff) voneinander getrannt. An den Querseitenwänden 17
befindet sich im Raum zwischen Innenbehälter 2 und Außenhaut 3 je ein zweistufiges
Peltier-Kühlaggregat 5 mit untereinander le.atun,(,-gleichen Stufen. Die erste Stufe
11 ist mit dem Innenbehälter 2 und die zweite Stufe 12 mit der Außenhaut 3, beispielsweise
durch Aluminiumplatten, gut wärmeleitend verbunden. Die Truhe wird durch einen Deckel
6 verschlossen. Im unteren Bereich 7 der Truhe ist das Stromversorgungsaggregat
für die Peltierelemente untergebracht. Um eine gute Belüftung des Stromversorgungsaggregates
sicherzustellen,
sind im Boden 8 der Truhe bzw. in den Längsseitenwänden 9 Luftein- bzw. Luftaustrittsöffnungen
13 bzw. 14 vorgesehen. Die Richtung der Kühlluft ist durch Pfeile 15 angedeutet.
Die Kühlung der Peltieraggregate erfolgt durch die an den Querseitenwänden 17 vorbeistreichende
Luft (Pfeile 16). Eine Beeinflussung der für die Wärmeabfuhr von den Peltieraggregaten
dienenden Luft durch die warmen Teile des Netzgerätes wird dadurch weitgehend vermieden,
daß die Kühlluft für die Peltieraggregate im wesentlichen an den Querseitenwänden
17 entlangstreicht, während die an den Längsseitenwänden 9 aufsteigende Luft die
vom Netzgerät abgegebene Wärme abführt. In Fig. 5a ist der Temperaturverlauf in
einer Querseitenwand 17 vom Innenbehälter 2 zur Außenhaut 3 und in Fig. 6a der entsprechend
vergrößerte Wandquerschnitt dargestellt. Darin bedeuten: 1K und TW die Temperaturen
der kalten und warmen Seite des zweistufigen Aggregates 5, TZ die Zwischentemperatur
der Verbindungsstelle 18 beider Stufen 11 und 12, TI die Lufttemperatur im Innenbehälter
2 und TR.die Temperatur der Außenluft. Das Diagramm 5a läßt deutlich erkennen, daß
bereits die Verbindungsstelle 18 beider Stufen 11 und 12, die innerhalb des Isoliermaterials
liegt, eine Temperatur TZ aufweist, die oberhalb der Raumtemperatur TR liegt. Zur
Beurteilung der Leistung des Aggregates ist durch je einen Doppelpfeil einmal die
gesamte,an der Isolierung anliegende Temperaturdifferenz T (Isolierung) und zum
anderen der lediglich Kühlzwecken dienende Anteil TR - TI eii.-gezeichnet. Man erkennt,
daß ein nicht unerheblicIßr Anteil der ar. der Isolierung liegenden Temperaturdifferenz
nicht zur Kühlung der Truhe beiträgt. Wie weiter unten erläutert wird, knüpft die
Erfindung
hieran unmittelbar an. Fig. 2 zeigt eine Kühltruhe 20, die im wesentlichen der in
Fig. dargestellten entspricht. Bei dieser Kühltruhe 20 erfolgt aber die Wärmeabfuhr
von den Peltieraggregaten nach dem Vorschlag gemäß der Erfindung. Soweit gleiche
Teile vorliegen, sind sie mit gleichen Bezugszeichen versehen. Zum Unterschied zur
gekannten Kühltruhe dient an jeder Querseitenwand 19.nur.eine Peltierstufe 21 der
Kühlung, während eine zweite Stufe 22 dazu verwendet wird, von dem die Isolierung
4 nach ax3en abschließenden Wandteil 24 Wärme abzuführen. Die die Peltieraggzegate
aufnehmenden Querseitenwände 19 sind außerhalb der Isolierung 4 als Doppelwand ausgebildet.
Die Doppelwand wird von den metallischen Teilen 24 und 25 begrenzt. Teil 24 übernimmt
darin im wesentlichen die Funktion der wasserdampfdichten Außenhaut der Isolierung,
während Teil 25 für eine glatte Außenfläche der Truhe sorgt und gleichzeitig die
Funktion eines Wärmeaustauschers übernimmt.-Die Verbindungsstelle 23 der beides
Peltierstufen 21 und 22' befindet sich bei dieser Anordnung fast auf Raumtemperatur
TR (die Differenz TZ - T beträgt höchstens 10); dafür sorgt einmal die im kaminartigen
Innenraum 2E der Doppelwand 19 aufsteigende Luft (Pfeile 2?), für die entsprechende
Ein(28)- und Aus(29)trittsöffnungen vorgesehen sind und zum anderen die zweite Peltierstufe
22, die ständig von der Verbindungsstelle 23 und von der Wand 24 Wärme abführt und
sie der Wand 25 zuführt, bei der sowohl die äußere als auch die innere Oberfläche
von Kühlluft umstrichen wird.
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In der linken Seite der Fig. 2 sind Luftleitflächen 30 im Kamin 2£
dargestellt, die dazu dienen sollen, den im Kamin avZ teigenden Luft-
Strom
in Teilströme 31 und 32 aufzuteilen. Der Teilstrom 31 kühlt die Wandfläche 24, deren
Temperatur nur wenig oberhalb der Raumtemperatur liegt, während der Teiletrom 32
die auf höherer Temperatur befindliche Außenwand 25 kühlt. In den Figuren 5b und
6b sind die Temperaturverhältnisse im einzelnen analog der Darstellung in den Figuren
5a und 6a dargestellt. Ein Vergleich der Figuren 5a und 5b, insbesondere der beiden
mit -,'2#T (Isolierung) bezeichneten Doppelpfeile, läpt erkennen, daß im Fall der
durch die Erfindung vorgeschlagenen Ausführungsform der Kühltruhe an der Isolierung
nur eine kleinere Temperaturdifferenz liegt, so daß das Verhältnis dieser Differenz
zu dem nur Kühlzwecken dienenden Temperaturanteil bemerkenswert günstiger wird.
In den Figuren 3 und 4 ist zur weiteren Veranschaulichung der Erfindung ein Wärmeaustauscher
herkömmlicher Bauart (Fig. 3) einem Wärmeaustauscher gemäß der Erfindung (Fig. 4)
gegenübergestellt. Mit 41 ist in beiden Fällen der zu kühlende Körper und mit 42
eine Platte aus gut wärmeleitendem Material bezeichnet. Die Platte 42 dient zur
Verbindung des zu kühlenden Körpers mit dem eigentlichen Wärmeaustauschkörper. Das
sind im Fall der Fig. 3 die die Oberfläche der Platte 42 sehr wesentlich vergiißernden
Rippen 43, denen die Aufgabe des Wärmeaustausches mit der Umgebung zufällt. Diese
Anordnung bedingt in der mit dem zu kühlenden Közp;r 41 in direkter Verbindung stehenden
Platte 42 eine merklich über Umgebungstemperatur liegende Temperatur, damit überhaupt
ein Wärmestrom zu den Rippen 43 auftreten kann. Im Gegensatz hierzu ist beim Gegenstand
der Erfindung die Platte 42 mit einer Wärmepumpe 44 verbunden. Die Art dieser Pumpe
ist für den Gedanken der Erfindung ohne Bedeutung.
Sie sorgt in
jedem Pall dafür, daß in der Platte 42 kein Wärmestau auftreten kann und auch nicht
aifzutreten braucht. Wenn nur dafür gesorgt wird, daß die Leistungsfähigkeit der
Pumpe 44 so bemessen ist, daß sie die in der Platte 42 anfallende Wärmemenge wegtransportieren
kann, so kann von der Platte 42 Wärme abgeführt werden, ohne daß ihre Temperatur
oberhalb der Umgebungstemperatur liegen muß. Mit der Wärmepumpe 44 ist ein in Ausführungsbeispiel
ebener Wärmeaustauseher 45 verbunden.