Luftgekühlter Wärmeaustauscher für, Kühlgeräte,
insbesondere für Peltier-Kühlgeräte
Bei allen Kühlgeräten besteht das Problem, die.dem Kühlgut
bei tiefer Temperatur entzogene Wärme -zusammen-mit der@Vexlust-
wdrme der Wärmepumpe (Kompressor-Kältemaschine, Absorber--
Aggregat, Peltier-Aggregat).durch einen «'ärmeaustauseher bei
hoher Temperatur an die Umgebung abzuführen. Die erreichbare
Kühltemperatur hängt dabei unmittelbar von-der lföhe-der grund-
sätzlich erforderlichen Übertemperatur. des '!'ärmeaustauschers
>.
gegenüber der Umgebung ab. Das fällt insbesondere-bei Peltier-Kühlgeräten
ins Gewicht, da bei diesen die erreichbare Kälteleistung um so kleiner ist; je größer
die Temperaturdifferenz zwischen Kalt- und Warmseite des P eltier-Kühlblockes ist.
Man muß daher dafür .sorgen, daß der Wärmewiderstand des flärmeaustauschers zur
Umgebung möglichst niedrig ist, z.B. durch Flüssigkeitskühlung, durch Verwendung
eines Rippenkühlers mit Fremdbelüftung durch einen Ventilator oder durch Vergrößerung
von Anzahl und Fläche der Kühlrippen bei Kühlung durch Eigenkonvektion. -Die Erfindung
zeigt eine andere Lösung des genannten Problems. Sie bezieht sich-auf einen luftgekühlten
Wärmeaustauscher für Kühlgeräte, insbesondere für Peltier-Kühlgeräte, und ist dadurch
gekennzeichnet, daß die-wärmeabgebenden Teile des Wärmeaustaushers aus einem -porösen
Material bestehen, das in der Lage ist, eine verdunstende Flüssigkeit zu speichern.
Als verdunstende Flüssigkeit wird eine Flüssibkeit mit möglichst hoher Verdampfungsviärme,
vorzugsweise nasser, verwendet. Wird der Wärmeaustauscher nach der Erfindung durch
die vom Kühlaggregat abgegebene lärme geheizt, so tritt eine'langsane Verdunstung
der gespeicherten Flüssigkeit ein, wobei die hierfür nötige Verdampfungswärme dem
eärmeaustauscher entzogen.wird. Diese Wärmeabgabe kommt zu dem unmittelbaren Wärmeübergang
vom Wärmeaustauscher zur Kühlluft hinzu. Dadurch
wird, wie Versuche
gezeigt haben, der x1,lärmewiderstand des Wärmeaustauschers zur Umgebung-bei gleicher
Kühlflüche auf etwa ein Dritte. reduzierte Bei einem Kühlgerät mit Peltierkühlung
üblicher Baureise wird-infolgedessen die erreichbare Kühltemperatur um- etwa 7 bis
10o C herabgesetzt. blit Vorteil ist der Wärmeaustauscher als metallischer Rippenkühler
ausgebildet, dessen Rippen mit einer Schicht aus porösem Material belegt sind. Füreine
derartige Schicht kommen z.8. Filz, Gaze, Papier oder Ton in Frage.- Der Wärmeaustauscher
kann aber-auch ganz aus porösem Material bestehen; z.B. aus poröser Aluminiumoxyd-Keramik,
die eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt. -Für Kühlgeräte-, die nur kurzzeitig in
Betrieb gerfoommen werden, kann es genügen, die porösen Teile des ?Urärmesustauschers
vor der Benutzung mit Wasser zu tränken. Bei Kühlgeräten für längeren und dauernden
Betrieb kann unter dem Wärmeäustauscher eine Vorratsschale-mit der zu verdunstenden
Flüssigkeit angeordnet sein; in die-die porösen Teile des "ee!ärmeaustuuschers teilweise
eintauchen. -Die Figuren 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. In
Figur 3 sind Kühldiagramme für eine Peltier-Kühlbox mit und ohne Anwendung der Erfindung
riedergegeben.
Die Figuren 1 und 2 stellen eine Klein-Kühlbox mit
Pelt-ier- -kühlung dar, und zwar Figur 1 im vertikalen Schnitt und' Figur 2 in einem
Schnitt längs der Linie 11-1I in Figur 1. Air-cooled heat exchanger for, cooling devices,
especially for Peltier cooling devices
The problem with all refrigerators is that the goods to be cooled
heat withdrawn at low temperature - together-with the @ Vexlust-
wdrme of the heat pump (compressor-chiller, absorber--
Aggregate, Peltier aggregate) .by a heat exchanger
dissipate high temperature to the environment. The achievable
The cooling temperature depends directly on-the flow height-the basic-
additionally required excess temperature. of the '!' heat exchanger>.
towards the environment. This is particularly important in the case of Peltier cooling devices, since with these the achievable cooling capacity is all the smaller; the greater the temperature difference between the cold and warm side of the P eltier cooling block. One must therefore ensure that the heat resistance of the heat exchanger to the environment is as low as possible, e.g. by liquid cooling, by using a finned cooler with external ventilation by a fan or by increasing the number and area of the cooling fins when cooling by self-convection. -The invention shows another solution to the problem mentioned. It relates to an air-cooled heat exchanger for cooling devices, in particular for Peltier cooling devices, and is characterized in that the heat-emitting parts of the heat exchanger consist of a porous material which is able to store an evaporating liquid. A liquid with the highest possible evaporation heat, preferably wet, is used as the evaporating liquid. If the heat exchanger according to the invention is heated by the noise emitted by the cooling unit, the stored liquid will evaporate slowly, with the heat of evaporation required for this being withdrawn from the heat exchanger. This heat release is added to the direct heat transfer from the heat exchanger to the cooling air. As a result, as tests have shown, the x1, noise resistance of the heat exchanger to the environment - with the same cooling surface to about a third. reduced In the case of a cooling device with Peltier cooling of the usual type, the achievable cooling temperature is reduced by about 7 to 10 ° C as a result. The heat exchanger is advantageously designed as a metallic fin cooler, the fins of which are covered with a layer of porous material. For such a layer there are, for example, 8. Felt, gauze, paper or clay in question. The heat exchanger can, however, also consist entirely of porous material; For example, made of porous aluminum oxide ceramic, which has a high thermal conductivity. -For cooling devices that are only in operation for a short time, it may be sufficient to soak the porous parts of the primary heat exchanger with water before use. In cooling devices for longer and continuous operation, a storage tray with the liquid to be evaporated can be arranged under the heat exchanger; in which the porous parts of the heat exchanger are partially immersed. FIGS. 1 and 2 show an exemplary embodiment of the invention. FIG. 3 shows cooling diagrams for a Peltier cool box with and without application of the invention a small cool box with Peltier cooling, namely Figure 1 in vertical section and 'Figure 2 in a section along the line 11-1I in Figure 1.
Das wärmeisolierende ,Gehäuse der Kühlbox ist mit 1 bezeichnet; es
besteht aus einer Außenhaut 2 aus Kunststoff, die mit einem Festschaumstoff 3, z.B.
Polyurethanschaum oder Styropor, ausgeschäumt ist. Das. Gehäuse ist durch einen
entsprechend ausgebildeten Deckel 4 verschlossen.The heat-insulating housing of the cool box is denoted by 1; it
consists of an outer skin 2 made of plastic, which is covered with a solid foam 3, e.g.
Polyurethane foam or styrofoam. That. Housing is through a
appropriately designed cover 4 closed.
Der Kühlraum des Gerätes wird durch einen Aluminiumbehälter-5 gebildet,
dessen @Vandstärke so gewählt ist (z.B. 2 bis 3 mm), daß eine gute Wärmeleitung
ge.=rährleistet ist. Unmittelbar mit der Wand des Behälters 5 ist der Peltier=Kühlblock
6 verbunden, dessen Warmseite ihrerseits über ein Aluminiumzwischenstück 7 mit dem
als Rippenkühler 8 ausgebildeten P)lärmeaustauscher verbunden ist. Der Rippenkühler
8, das Zwischenstück 7, der Peltier-Kühlblock 6 und der Behälter 5 sind vorzugsweise
so miteinander verbunden, daß der Rippenkühler das tra-gende Bauelement der Teile
7, 6 und 5 bildet. Diese Teile können z.B. miteinander verschraubt, verspannt oder
mit Hilfe eines dünnflüssigen, aushärtbaren, elastischen Epoxydharz-Klebers verklebt
werden. Der Behälter 5, die Trägerplatten 6a und 6b des Peltier-Kühlblockes, das
metallische Zwischenstück 7 und der Rippenkühler-bestehen vorzugsweise aus dem gleichen
Material, insbesondere Aluminium, so daß an den
Klebeflächen keine
Schubspannungen auftreten können. Die vorgefertigte Baueinheit aus den Teilen 5,
6, 7 und 8 wird von der Rückseite her in das Gehäuse 1 eingeschoben, worauf
der Rippenkühler 8 mit der Außenhaut des Gehäuses 1-,verbunden -wird, gras z.B.
ebenfalls durch Verklebung geschehen kann.-Danach `wird das Gehäuse ausgeschäUmt.
Besondere Befestigungselemente für die Teile 5 und 6. sind auf diesefeise nicht
erforderlich. Der Rippenkühler 8 besteht aus einer Grundplatte ga und einer Reihe
von Rippen 8b. Wie aus Figur .2 hervorgeht, sind die Rippen 8b, vorzugsweise auch
die zwischen ihnen liegenden Oberflächenteile der Grundplatte 8a, mit einer porösen
. Schicht 9 belegt, wofür z.B. eine aufgeklebte Filzschicht verwendet werden kann.-Zur
Tränkung di eser Filzschicht ist gemäss Figur 1 eine Schale 10 mit Wasserfüllung
11 vorgesehen, in die der Rippenkühler 6 eintaucht.-Infolge ihrer Dochtwirkung saugt
die Filzschicht 9 fasser an, bis sie vollständig getränkt ist.The refrigerator compartment of the device is formed by an aluminum container-5, the wall thickness of which is chosen (eg 2 to 3 mm) so that good heat conduction is guaranteed. The Peltier cooling block 6 is connected directly to the wall of the container 5, the warm side of which is in turn connected via an aluminum intermediate piece 7 to the P) noise exchanger designed as a finned cooler 8. The rib cooler 8, the intermediate piece 7, the Peltier cooling block 6 and the container 5 are preferably connected to one another in such a way that the rib cooler forms the structural element of the parts 7, 6 and 5. These parts can, for example, be screwed together, braced or glued with the aid of a thin, curable, elastic epoxy resin adhesive. The container 5, the carrier plates 6a and 6b of the Peltier cooling block, the metallic intermediate piece 7 and the finned cooler are preferably made of the same material, in particular aluminum, so that no shear stresses can occur on the adhesive surfaces. The prefabricated unit consisting of parts 5, 6, 7 and 8 is pushed into the housing 1 from the rear, whereupon the finned cooler 8 is connected to the outer skin of the housing 1-, grass, for example, can also be done by gluing `the casing is foamed out. Special fastening elements for parts 5 and 6 are not required in this case. The fin cooler 8 consists of a base plate ga and a number of fins 8b. As can be seen from Figure .2, are the ribs 8b, preferably also the surface parts of the base plate 8a lying between them, with a porous. Layer 9 is covered, for which, for example, a glued-on felt layer can be used. According to FIG it is completely soaked.
Beim Betrieb des Kühlgerätes wird der Rippenkühler18 über die Temperatur
der ihn umgebenden Luft erwärmt, so daß die Luft infolge natürlicher Konvektion
etwa. längs des Pfeiles 12 durch die Rippen strömt. Dabei gibt der Rippenkühler
8 unmittelbar Wärme an den Lustrom ab; gleichzeitig jedoch verdunstet das in der
Filzschicht 9- enthaatene Wasser, so daß
auch die hierbei verbrauchte
Verdunstungswärme dem Rippenkühler entzogen wird. -Die vorteilhafte @"irkung des
'-Irmeaustauschers nach der Erfindung möge im folgenden am Beispiel einer 20 1 K-ühlbox
üblicher Konstruktion erläutert werden. Eine solche Kühlbox ist z.B. mit einer Hartschaum-tSchicht
von 4 cm Dicke wärmeisoliert; sie ist mit zwei Peltier-Kühlblöcken bestückt, die
die Wärme an einen metallischen Rippenkühler mit einer Kühlfläche von etwa 0,3 m2
abgeben. Der Rippenkühler hat bei natürlicher Luftkonvektion einen V!äraeübergangs:3iidersta-nd
zur Luft Eth = 0,65 grd/W.When the cooling device is in operation, the finned cooler18 is heated above the temperature of the air surrounding it, so that the air as a result of natural convection, for example. flows along the arrow 12 through the ribs. The finned cooler 8 directly emits heat to the current; at the same time, however, the water contained in the felt layer 9 evaporates, so that the heat of evaporation consumed in this process is also withdrawn from the finned cooler. The advantageous effect of the heat exchanger according to the invention will be explained in the following using the example of a 20 1 K cool box of conventional construction. Such a cool box is, for example, thermally insulated with a hard foam layer of 4 cm thickness; -Cooling blocks equipped, which give off the heat to a metallic finned cooler with a cooling surface of about 0.3 m2. With natural air convection, the finned cooler has an era transition: resistance to air Eth = 0.65 degrees / W.
In Figur 3, gestrichelte Kurve a; ist das Kälteleistungsdiagramm von
zwei thermisch parallelgeschalteten, handelsüblichen Peltier-Kühlblöcken dargestellt,
die an einen Rippenkühler der obenoe nannten Abmessungen (ohne poröse Beschichtung)
angeschlossen sind. In der Ordinate des Diagramnis-ist die Temperaturdifferenz der
Peltierblockfaltseite gegenüber der Umgebung, in der Abszisse die Kälteleistung
aufgetragen. Aus der Figur ist ersichtlich, daß die beiden Peltier-Kühlblöcke bei
der Kälteleistung Null eine Temperaturdifferenz von etwa 38° C gegenüber der umgebenden
Luft erreichen, während die maximäle Kälteleistung beider Blöcke etwa 22 21: beträgt;
In
die als Beispiel angenommene 20 1-Kühlbox strömen nun durch die Isolation und die
Undichtigkeiten am Deckel erfahrungsgemäß etwa 9 1;E 17ä:#meleistung in das Innere,
die von den beiC.en Peltier-Kühlblöcken wieder herausgepumpt werden müssen. Damit
ergibt sich aus der Kurve a der Figur 3, daß die Kaltseite der Peltier-Kühlblöcke
etwa 21° C kälter ist.als die Umgebung. Bei +25o C -Umgebungstemperatur hat also
die Kaltseite eine Temperatur von +4o C, so daß eine Eisbereitung in der Kühlbox
nicht möglich ist.In Figure 3, dashed curve a; is the cooling capacity diagram of
two commercially available Peltier cooling blocks connected thermally in parallel are shown,
to a finned cooler of the dimensions mentioned above (without porous coating)
are connected. In the ordinate of the diagram, the temperature difference is the
Peltier block folded side in relation to the environment, the cooling capacity on the abscissa
applied. From the figure it can be seen that the two Peltier cooling blocks at
the cooling capacity is zero, a temperature difference of about 38 ° C compared to the surrounding area
Reach air, while the maximum cooling capacity of both blocks is about 22 21:;
In
the 20 1 cool box assumed as an example now flows through the insulation and the
Experience has shown that leaks on the cover are approx. 9 1; E 17ä: #m performance inside,
which have to be pumped out again by the beiC.en Peltier cooling blocks. In order to
it emerges from curve a in FIG. 3 that the cold side of the Peltier cooling blocks
about 21 ° C colder than the surrounding area. So at + 25o C ambient temperature
the cold side has a temperature of + 4o C, so that ice is made in the cool box
not possible.
Die Kurve b der Figur 3 stellt demgegenüber das Kälteleistungsdiagränm
der Peltier-Kühlblöcke für den Fall dar, daß ihre Karmseiten an einen Rippenkühler
angesAlossen sind, dessen Kühlfläche unverändert 0,3m .beträgt und der gemäß der
Erfindung mit einer wassergetränkten Filzschicht belegt ist. Aus der Kurve b geht
hervor, daß die maximale Temperaturdifferenz auf etwa 500"C und die maximale
Kälteleistung auf 2Q,''.1; ertöht ist. Infolgedessen .ist die Temperatur im Innern
der Kühlbox niedriger, so daß nunmehr etwa 12 VWärmeleistung durch die Isolation
in das Innere fließen.-Daraus ergibt sieh in der Verbindung mit der Kurve b der
Figur 3, daß die Kalt-. sehen der Kühlblöcke eine Temperaturdifferenz von etwa
300 C gegenüber der Umgebung haben. Bei einer Umgebungstemperatur von
250 C kommen also die Kaltseiten auf etwa -5o C, so daß eine Eiswürfelbereitung
in der Kühlbox möglich ist. Der Wärme;
widerstand -Rth des Rippenkühlers beträgt bei. natürlicher-
Luftkonvektion nur noch 0,23 grd/W. .
In contrast, curve b in FIG. 3 represents the cooling capacity diagram of the Peltier cooling blocks for the case that their arm sides are connected to a finned cooler whose cooling surface is unchanged at 0.3m and which, according to the invention, is covered with a water-soaked felt layer. From curve b it can be seen that the maximum temperature difference has increased to about 500 "C and the maximum cooling capacity to 2Q," isolation in the interior fließen.-this check results in the compound with the curve b of Figure 3 that the cold. see the cooling blocks a temperature difference of about 300 C from the environment have. at an ambient temperature of 250 C so the cold sides come to about -5o C, so that it is possible to make ice cubes in the cool box. resistance -Rth of the finned cooler is at. more natural-
Air convection only 0.23 degrees / W. .