DE19739348A1

DE19739348A1 - Tragbares Kühlsystem

Info

Publication number: DE19739348A1
Application number: DE1997139348
Authority: DE
Inventors: Nasr Elhedi Dr Ben
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-09-09
Filing date: 1997-09-09
Publication date: 1998-05-20

Description

Die Erfindung betrifft ein tragbares Kühlsystem mit optimiertem Energieverbrauch, das zur Schaffung eines nutzbaren Kühlraumes ein Peltier-Kühlmodul verwendet, welches zur besseren Wärmeübertragung auf der Warm- und Kaltseite mit je einem metallischen Kühlkörper und zumindest auf der Warmseite mit einem Lüfter versehen wird. Durch die Maßnahmen nach den Merkmalen von Anspruch 1 wird der Energieverbrauch stark reduziert, so daß der Bau eines tragbaren, handlichen Kühlsystems möglich wird, das z. B. zur Aufbewahrung von Medikamenten, insbesondere von Insulin gut geeignet ist.

Oft werden temperaturempfindliche Produkte z. B. für medizinische Zwecke benötigt, die kühl aufbewahrt und transportiert werden müssen. So stehen z. B. insulinpflichtige Diabetiker nicht selten vor dem Problem, auf Reisen das für sie lebenswichtige Insulin vor unzulässiger Erwärmung zuverlässig und ununterbrochen schützen zu müssen. Die bisher hilfsweise benutzten Kühltaschen, die gut isoliert und mit vorgekühlten Kühlpatronen versehen werden, lösen das Problem nur unbefriedigend und nur für eine begrenzte Zeit. Eine handliche Kühlbox, die auch von einer Batterie versorgt und problemlos bei Reisen mitgenommen werden kann, ist nicht erhältlich. Herkömmliche tragbare Kühlgeräte mit einem Peltier-Kühlmodul, wie sie z. B. im Freizeitbereich benutzt werden, sind unhandlich und zeichnen sich durch hohen Energiebedarf aus, so daß stets eine leistungsstarke Stromquelle erforderlich ist. Bei diesen Geräten wird das Peltier-Kühl modul typischerweise mit 12 Volt Gleichstrom und 3 bis 4,5 Ampere, entsprechend 36 bis 54 Watt versorgt.

Ein Peltier-Modul zeichnet sich dadurch aus, daß beim Anschluß an eine Gleichstromquelle die eine Seite warm und die andere Seite kalt wird. Ein Petier-Modul kann damit je nach Richtung des fließenden elektrischen Stromes zum Kühlen oder zum Erwärmen benutzt werden. Wird ein Peltier-Modul zum Kühlen verwendet, so muß an der Warmseite neben der abzuführenden Wärme aus dem Kühlraum zusätzlich die unvermeidliche Joulesche Wärme an die Umgebung abgegeben werden. Aus diesem Grund wird die Warmseite mit einem großen Kühlkörper versehen, der von einem Lüfter angeblasen wird. Die Kaltseite wird direkt oder über einen metallischen Kühlkörper mit dem zu kühlenden Raum in Kontakt gebracht, wie es z. B. in der deutschen Offenlegungsschrift 35 03 281 und der internationalen Offenlegungsschrift WO 87/077704 beschrieben ist. Die effektive Kühlleistung des Peltier-Kühlmoduls ist proportional zu der Stromstärke und hängt ab von der Temperaturdifferenz zwischen der Warm- und Kaltseite, die möglichst klein gehalten werden soll. Bei einer im Handel erhältlichen Kühlbox wird für die Kaltseite des Peltier-Kühlmoduls ein Lüfter eingesetzt, der zusammen mit dem Lüfter für die Warmseite von einem Elektromotor angetrieben wird. Auch bei dieser Kühlbox befindet sich die mit metallischem Kühlkörper versehene Kaltseite des Peltier-Kühlmoduls im nutzbaren Kühlraum und ist mit diesem immer im thermischen Kontakt. Durch die Umwälzung der Kaltluft im Kühlraum wird die Wärmeübertragung zwischen Kühlraum und Peltier-Kühlmodul verbessert. Die Temperatur des Kühlraumes wird nicht reguliert. Der Energiebedarf beträgt 36 W, so daß man immer eine leistungsstarke Stromquelle, z. B. einen Anschluß an eine Autobatterie braucht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kühlsystem zu entwickeln, das die oben genannten Nachteile der bisher bekannten Kühlgeräte mit Peltier-Kühlmodul vermeidet und sich durch einen stark reduzierten Energiebedarf auszeichnet. Damit wird der Bau eines tragbaren und handlichen Kühlsystems möglich, wie es z. B. von insulinpflichtigen Diabetikern dringend benötigt wird.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird in überraschender Weise dadurch gelöst, daß im Gegenteil zu dem bekannten Stand der Technik, wonach die Kaltseite des Peltier-Kühlmoduls stets möglichst guten thermischen Kontakt zu dem nutzbaren Kühlraum haben soll, ein Kühlsystem vorgeschlagen wird, bei dem der nutzbare Kühlraum von der mit einem metallischen Kühlkörper versehenen Kaltseite des Peltier-Kühl moduls thermisch isoliert wird. Eine gute thermische Kopplung, die durch Umwälzung eines flüssigen oder gasförmigen Wärmeträgers zwischen beiden Räumen realisiert wird, findet nur dann statt, wenn ein Kühlen des nutzbaren Kühlraumes auf eine gewünschte Temperatur erforderlich ist. In der übrigen Zeit wird der thermische Kontakt über die unvermeidliche thermische Brücke Peltier-Kühlmodul zwischen nutzbarem Kühlraum und Umgebung auf ein Minimum reduziert. Zur Einhaltung der gewünschten Temperatur im Kühlraum kann daher der Stromkreis des Peltier-Kühl moduls ein- und ausgeschaltet und gleichzeitig oder zeitversetzt die Umwälzung des Wärmeträgers in Gang gebracht bzw. ausgesetzt werden, ohne übermäßigen Wärmeaustausch zwischen Kühlraum und Umgebung zu haben.

Das erfindungsgemäße tragbare Kühlsystem unterscheidet sich in vorteilhafter Weise von den bekannten Kühlgeräten dadurch, daß es sich durch einen stark reduzierten Energieverbrauch auszeichnet, über einen Kühlraum mit einstellbarer Temperatur verfügt und von einer handelsüblichen wiederaufladbaren Batterie von z. B. 6 Volt und 10 Ampere Stunden oder auch über entsprechende Adapter von einer Autobatterie oder direkt vom Netz versorgt wird. Damit ist das handliche, tragbare Kühlsystem z. B. zum Aufbewahren von Medikamenten, insbesondere von Insulin daheim und/oder unterwegs in idealer Weise geeignet.

Das tragbare Kühlsystem kann nach der Erfindung besonders vorteilhaft betrieben werden, wenn zur Wärmeübertragung zwischen dem nutzbaren Kühlraum und der von diesem thermisch isolierten und mit einem Kühlkörper aus Aluminium versehenen Kaltseite des Peltier-Kühlmoduls Luft eingesetzt wird, die nur während der Abkühlphase zwischen beiden Räumen umgewälzt wird. Unter Abkühlphase ist die Zeit zu verstehen, in der der nutzbare Kühlraum auf die gewünschte Temperatur gekühlt werden muß und die Kaltseite des Peltier-Kühlmoduls eine niedrigere Temperatur als im Kühlraum aufweist. Dies ist der Fall, wenn das Peltier-Kühlmodul an die Stromquelle angeschlossen ist. Da der Aluminium-Kühlkörper eine eigene Wärmekapazität besitzt, die möglichst klein sein soll, kann die Abkühlphase vorteilhafterweise erst zeitversetzt nach Einschalten des Stromkreises des Peltier-Kühlmoduls beginnen und zeitversetzt nach Abschalten des Stromkreises enden. Zur Umwälzung der kalten Luft ist ein Radiallüfter vorteilhaft, der auch gemeinsam mit dem Lüfter für die Warmseite des Peltier-Kühlmoduls von einem Elektromotor angetrieben wird, der parallel zum Kühlmodul an die Gleichstromquelle angeschlossen wird. Die Leistung des Elektromotors wird so gewählt, daß die Temperaturen der metallischen Kühlkörper an der Warm- und Kaltseite des Peltier-Kühl moduls nur wenig, vorzugsweise unter 5°C, oberhalb der Umgebungstemperatur bzw. unterhalb der Temperatur im Kühlraum liegen. Der nutzbare Kühlraum und die mit Aluminium-Kühlkörper versehene Kaltseite des Peltier-Kühlmoduls werden so gestaltet, daß eine reibungsarme Umwälzung der Kaltluft stets gewährleistet ist. Die Temperatur im Kühlraum kann vorzugsweise auf zwei Werte, z. B. 7°C und 22°C mit einer Schwankungsbreite von maximal 2°C, automatisch eingestellt werden. Damit ist das tragbare Kühlsystem z. B. zum langfristigen und sicheren Aufbewahren eines Vorrats an Insulin bei 7°C, aber auch zum Schützen von täglich gebrauchtem Insulin vor unzulässiger Erwärmung sehr gut geeignet.

In Fig. 1 ist schematisch der Aufbau des erfindungsgemäßen Kühlsystems wiedergegeben. Dargestellt ist beispielhaft nur die Variante mit Luft als Wärmeträger zwischen dem Kühlraum und der mit metallischem Kühlkörper versehenen Kaltseite des Peltier-Kühlmoduls. Das Peltier-Modul (1), das beim Anschluß an die nicht mitgezeichnete wiederaufladbare 6 V-Batterie Wärme von der Kaltseite (2) nach der Warmseite (3) transportiert, ist mit zwei Aluminium-Kühlkörpern (4) und (5) für die Warm- bzw. Kaltseite versehen. Erfindungsgemäß ist der nutzbare Kühlraum (7) von der mit Aluminium-Kühlkörper (5) versehenen Kaltseite (2) des Peltier-Moduls (1) durch die Isolierung (6) thermisch weitestgehend abgetrennt. Zur Wärmeübertragung zwischen beiden Räumen während der Abkühlphase wird die Kaltluft mit Hilfe des Radiallüfters (8) im Kreis umgewälzt. Dabei wird die Luft bei (16) aus dem Kühlraum (7) angesaugt, über den Kühlkörper (5) geschickt und bei (15) wieder in den Kühlraum befördert. Der Radiallüfter (8) wird gemeinsam mit dem Radiallüfter (9) für die Warmseite des Peltier-Mo duls vom Elektromotor (10) angetrieben, der ebenfalls an die wiederaufladbare Batterie angeschlossen ist. Die Umgebungsluft, die vom Radiallüfter (9) angesaugt und über den zu kühlenden Kühlkörper (4) geschickt wird, tritt bei (17) wieder aus. Von der Umgebung sind der Kühlraum (7) und die mit Kühlkörper (5) versehene Kaltseite des Peltier-Moduls durch Schaumisolierstoff (11) thermisch gut abgetrennt. Zur Gewährleistung einer aerodynamisch günstigen, reibungsarmen Strömung der Kaltluft während der Abkühlphase befindet sich im nutzbaren Kühlraum eine geeignete, durch die Distanzstücke (13) gehaltene Vorrichtung (12) zur Aufnahme der kühl aufzubewahrenden Güter. Der Kühlraum ist mit einem Deckel (14) versehen, der so gestaltet wird, daß neben einer guten thermischen Isolierung von der Umgebung die Luftströmung im Kühlraum nicht behindert wird. Das tragbare Kühlsystem ist mit herkömmlichen Temperatursensoren und -regler versehen, die die Einhaltung einer vorher eingestellten Temperatur im Kühlraum gewährleisten. Zum Umfang des tragbaren Kühlsystems gehört auch ein Netzteil zum Anschluß an eine 12 V-Autobatterie oder direkt an das öffentliche Netz.

Beispielsweise wurde das in Fig. 1 skizzierte tragbare Kühlsystem an eine 6 V-Batterie angeschlossen und unter anderem folgenden Untersuchungen unterzogen. Zuerst wurde das System mit einem elektronischen Temperatur-Differenzschalter ausgestattet. Der Elektromotor (10) für die Radiallüfter (8) und (9) wurde parallel zu dem Peltier-Kühl modul an die 6 V-Batterie angeschlossen und mit einem Zeitverzögerer ausgestattet, der dafür sorgte, daß der Motor erst 2 Minuten nach Schließen des Stromkreises des Peltier-Moduls eingeschaltet und erst 2 Minuten nach Ausschalten des Peltier-Moduls wieder abgeschaltet wurde. Im eingeschalteten Zustand beträgt die Versorgungsspannung 5,68 V und die Stromstärken betragen für das Peltier-Modul 1,15 A und für den Motor 0,088 A, entsprechend einer Leistung von 6,53 W bzw. 0,5 W. Mit Hilfe des Temperatur-Differenzschalters konnte die Temperatur im Kühlraum unabhängig von der Umgebungstemperatur auf einen bestimmten Wert mit einer Schwankungsbreite von maximal 2°C konstant gehalten werden. In Fig. 2 ist das Ergebnis dieser Untersuchungen für ein tragbares Kühlsystem mit einem 1,7 Liter großen Kühlraum wiedergegeben. Auf der Achse (18) ist die Differenz zwischen der Umgebungstemperatur und der Temperatur im Kühlraum angeben. Auf der unteren Achse (19) ist das Verhältnis f = Zeit, in der der Stromkreis eingeschaltet ist, zu der Gesamtzeit angegeben. Auf der oberen Achse (20) ist der jeweilige Gesamtenergiebedarf eingetragen. Bemerkenswert ist der niedrige Energieverbrauch, der im Normalfall weniger als 20% des Energiebedarfs herkömmlicher Kühlgeräte beträgt, obwohl der untersuchte Prototyp noch weiter optimiert und verkleinert werden kann. Damit kann das erfindungsgemäße tragbare Kühlsystem mit einer handelsüblichen wiederaufladbaren Batterie betrieben und zum Kühlaufbewahren und/oder Schützen von Medikamenten vor unzulässiger Erwärmung auch auf Reisen mitgenommen werden.

Es ist auch im Sinne dieser Erfindung weitere Konstruktionsvarianten für das tragbare Kühlsystem zu entwickeln und das System mit elektronischen Kontroll- und Alarmvorrichtungen oder sonstigen Hilfsgeräten, wie z. B. Solarzellen zu versehen.

Claims

1. Tragbares Kühlsystem, das zur Schaffung eines nutzbaren Kühlraumes ein Peltier-Kühl modul verwendet, welches zur besseren Wärmeübertragung auf der Warm- und der Kaltseite mit je einem metallischen Kühlkörper und zumindest auf der Warmseite mit einem Lüfter versehen wird, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der Kühlraum von der Kaltseite des Peltier-Kühlmoduls einschließlich dem metallischen Kühlkörper thermisch isoliert wird,
b) zum Kühlen des Kühlraumes ein Wärmeträger benutzt wird, der nur während der Abkühlphase eine gute Wärmeübertragung zwischen dem Kühlraum und der Kaltseite des Peltier-Kühlmoduls einschließlich Kühlkörper gewährleistet und
c) die Leistung des Peltier-Kühlmoduls so geregelt wird, daß der Kühlraum auf eine einstellbare Temperatur automatisch gehalten wird.

2. Tragbares Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Wärmeübertragung zwischen dem Kühlraum und der Kaltseite des Pel tier-Kühlmoduls einschließlich Kühlkörper Luft benutzt wird, die zwischen diesen nur während der Abkühlphase im Kreis umgewälzt wird.

3. Tragbares Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Wärmeübertragung zwischen dem Kühlraum und der Kaltseite des Pel tier-Kühlmoduls einschließlich Kühlkörper eine Flüssigkeit benutzt wird, die zwischen diesen nur während der Abkühlphase im Kreis befördert wird.

4. Tragbares Kühlsystem nach den Ansprüchen 1 und 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Peltier-Kühlmodul an eine wiederaufladbare Batterie angeschlossen wird und zum Abkühlen des Kühlraumes auf eine vorgegebene Temperatur die Kühlleistung des Peltier-Kühlmoduls durch Ein- und Ausschalten des Stromkreises geregelt wird.

5. Tragbares Kühlsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auch während des Aufladens der Batterie mit Hilfe eines Aufladegerätes die Funktion des Kühlsystems voll gewährleistet wird.

6. Tragbares Kühlsystem nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwälzung des Wärmeträgers zwischen dem Kühlraum und der mit Kühlkörper versehenen Kaltseite des Peltier-Kühlmoduls nur bei eingeschaltetem Stromkreis des Peltier-Kühlmoduls erfolgt.

7. Tragbares Kühlsystem nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gegekennzeichnet, daß die Umwälzung des Wärmeträgers zwischen dem Kühlraum und der mit Kühlkörper versehenen Kaltseite des Peltier-Kühlmoduls zeitverzögert nach dem Einschalten des Stromkreises des Peltier-Kühlmoduls in Gang gesetzt und zeitverzögert nach dem Ausschalten des Stromkreises des Peltier-Kühlmoduls wieder ausgeschaltet wird.

8. Tragbares Kühlsystem nach den Ansprüchen 1, 2 und 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Umwälzung der kalten Luft zwischen dem Kühlraum und der mit Kühlkörper versehenen Kaltseite des Peltier-Kühlmoduls ein Radiallüfter benutzt wird.

9. Tragbares Kühlsystem nach den Ansprüchen 1, 2 und 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Radiallüfter zur Umwälzung der kalten Luft zwischen dem Kühlraum und der mit Kühlkörper versehenen Kaltseite des Peltier-Kühlmoduls und der Lüfter für die Warmseite des Kühlmoduls von einem gemeinsamen Elektromotor angetrieben werden.

10. Tragbares Kühlsystem nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlsystem mit einem Schalter versehen wird, mit dem die Temperatur des Kühlraumes zwischen zwei vorher eingestellten Temperaturen, vorzugsweise zwischen 7°C und 22°C, umgeschaltet werden kann.

11. Tragbares Kühlsystem nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das tragbare Kühlsystem zur Aufbewährung von Medikamenten, insbesondere von Insulin verwendet wird.