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" K ü h l g e r ä t " Die Erfindung betrifft ein Içühlgerät, insbesondere
ein Ifleinkühlgerät, wobei unter Icleinkuhlgerät z.B. ein solches in Ausbildung
und Grösse eines Tischflaschenkiihlers oder Kleinkühlschrankes zu verstehen ist,
das also sowohl bezüglich Baugrösse als auch Gewicht und llerstellungskosten, schliesslich
auch hinsichtlich der aufgenommenen und verwerteten Leistung klein ist. Im Zusammenhang
mit der thermischen Leistung ist jedoch auch an die Erfassung eines mittleren Bereiches
gedacht. Neben dem erwähnten Gerät zum Kühlen von Objekten, z.B. Flaschen, kann
das Gerät auch als Raumkuhlgerät z.B. Kühlventilator ausgebildet sein.
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üblicherweise arbeiten Kühlgeräte, z.B. Kühlschränke mit Kompressor
oder nach dem Absorptionsverfahren. Beiden ist gemeinsam, dass mit Flüssigkeiten
gearbeitet wird, die bei niedriger Verdampfungstemperatur hohe Verdampfungswärme
aufnehmen.
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Marktanteilmässig herrscht der Kompressor vor. Der Absorber wird wegen
seines schlechteren Wirkungsgrades vorwiegend dort eingesetzt, wo keine elektrische
Ausgangsenergie zum Betrieb eines Kompressors zur Verfügung steht oder wo Wert auf
absolute Lautlosigkeit des Betriebes gelegt wird.
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Neben diesen allgemein ütslichen und eingeführten Içühltechniken gäbe
es noch die Möglichkeit, den Peltier-Effekt auszuwerten, der darin zu sehen ist,
dass bei Fließen eines elektrischen Stromes durch die Verbindungsstelle zweier metallischer
Leiter unterschiedlichen Werkstoffes neben der Erwärmung durch die Joule'suche Wärme
je nach Stromrichtung eine zusätzliche Erwartung oder Abkühlung auftritt. Ausgehend
von dieser Entdeckung wurden Kühlelemente entwickelt und gebaut, die als sogenannte
Peltier-Säulen bekannt geworden sind. Technisch möglich wurde dies durch die hohen
Peltier-Koeffizienten von Halbleitern gegenüber Kupfer. Die Peltier-Säulen bestehen
aus einer Mehrzahl elektrisch hintereinander, thermisch parallel geschalteter Einzelelemente
aus je zwei einander zugeordneten, den erwtinsohten Effekt besonders gut ergebenden
Einzelelementen. Wird an eine solche Peltier-Säule Gleichspannung gelegt, erfolgt
auf der einen Seite der das äussere Bild einer flachen Scheibe zeigenden Peltier-Säule
eine Erwärmung, auf der anderen eine Abkuhlung.Wird auf die warme Seite ein wirksamer
Wärmeableiter aufgebracht, so werden die Kalorien von der anderen Seite fortlaufend
abtransportiert.
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Mit der kalten Seite kann dann wirkungsvoll gekühlt werden.
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Die Verwendung solcher Peltier-Säulen stösst jedoch, obwohl die Kühlung
technisch einwandfrei gelöst ist, auf Schwierigkeiten, die bisher verhindert haben,
dass der Peltier-Effekt in der Kühltechnik, obwohl es sich-hier um eine sehr elegante,
weil absolut geräusch- und verschleissfreie Technik handelt, allgemein Eingang gefunden
hat.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Mittel und Wege aufzuzeigen,
wie der Peltier-Effekt auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten brauchbar ausgenutzt
werden kann und aufzuzeigen, wie ein entsprechendes Kühlgerät beschaffen sein muss.
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Eine Peltier-Säule hat einen elektrischen Widerstand von etwa maximal
0,15 Ohm. Bei einer angelegten Spannung von z.B. 2,5 V würde also bereits ein Strom
von etwa i7 A fliessen. Von diesen Voraussetzungen ist aber auszugehen, weil in
dem durch diese Grössen umrissenen Bereich der günstigste innere Wirkungsgrad der
Peltier-Säule liegt.
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Andererseits ist es bekannt, dass zum Betreiben von Peltier-Säulen
möglichst reiner Gleichstrom notwendig ist. Werden sie mit ungesiebtem Gleichstrom
aus dem normalen 50-Hz-Wechselstromnetz betrieben, ist ihr Wirkungsgrad sehr schlecht,
da der Wechselstromanteil dieses ungesiebten Gleichstromes erhebliche-Erwärmungen
in den Peltier-Säulen hervorruft, die flir die gewünschte Wirkung schädlich sind.
Ein hoher Strom bei der gegebenen niedrigen Spannung mit entsprechender Glättung
ist nur sehr kostenaufwendig darzustellen. Entsprechend ausgebildete Stromversorgungsgeräte
sind ftir die Praxis unvertretbar gross, schwer und teuer. Dies liegt zum einen
schon daran, dass Gleichrichter bei den in Frage stehenden niedrigen Spannungen
hohe Innenwiderstände haben. Bei Anwendung einer simisförmigen Wechselspannung liegen,
selbst wenn der Spannungshöchstwert höher liegt, unverhältnismässig grosse Spannungsbereiche
in diesem Bereich des hohen Innenwiderstandes des Gleichrichters. Eine weitere kostentreibende
Schwierigkeit liegt zum anderen darin, dass der gleichgerichtete Wechselstrom von
50 oder 60 Hz gesiebt werden muss, was hohe Induktivitäten mit grossen Eisen- und
Kupferquerschnitten sowie
Kondensatoren entsprechend hoher Kapazität
erfordert. Diese Schwierigkeiten bestehen auch dann, wenn Peltier-Säulen zur Vervielfachung
der Gleichstrombetriebsspannung hintereinander geschaltet werden. Des weiteren ist
der Wirkungsgrad solcher Siebglieder nicht befriedigend. Gerade in Zusammenhang
mit der vorliegenden EdSndung besteht des weiteren die Unzuträglichkeit der zusätzlichen
Wärmeerzeugung durch Verlustwärme in diesen Siebgliedern.
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Werden Kühlleistungen gefordert, die die Anordnung einer Mehrzahl
von Peltier-Säulen erforderlich machen, können die aufgezeigten Schwierigkeiten
wenigstens zum Teil dadurch umgangen werden, dass mehrere Peltier-Säulen, wie schon
gesagt, in Serie geschaltet werden und damit die anzulegende Spannung vervielfacht
wird. Soll die gewünschte Leistung jedoch im Rahmen eines Kleinliühlgerätes verhältnismässig
gering sein, ergibt die Serienschaltung von Peltier-Säulen wiederum eine untragbare
Verteuerung, weil auch sie teuer sind.
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Aus den vorgenannten Gründen konnte sich also bisher die Kühlung unter
Ausnützung des Peltier-Effektes auf dem Markt, abgesehen von ganz speziellen Anwendungen,
nicht durchsetzen.
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Damit liegt das Angebot im Bereich der KleinkUhlgeräte im Argen, da
die anderen bekannten Verfahren unter Einsatz von Kompressoren und Absorbern bei
Kleinstbarnveise auch wesentlich teuerer sind als bei Gross- und Mittelbauweise,
des weiteren eine bestimmte Grenze der Baugrösse einfach nicht unterschritten werden
kann.
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Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch ein Kühlgerät unter
Einsatz von Peltier-Säulen, bei welchem zur Speisung der Peltier-Säulen mit Gleichstrom
ein Umsetzer zur Erzeugung eines Wechselstromes hoher Frequenz zeitlich rechteckigen
oder
annähernd rechteckigen Spannungsverlaufes mit nachgeschaltetem Transformator zum
IIeruntertransformieren und anschliessender Gleichrichtung auf die niedrige Betriebsspannung
der Peltier-Säulen vorgesehen ist.
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Vorzugsweise erzeugt der Umsetzer aus dem üblichen Netzwechselstrom
Wechselstrom im Gebiet der Frequenzen niedrigen Ultraschalles.Es sind dies Frequenzen,
bei denen aus induktiv oder kapazitiv angeregten Bauteilen erzeugter Schall vom
Menschen nicht mehr wahrgenommen wird.
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Der Umsetzer kann auch in bekannter Weise so ausgetstattet sein, dass
er beliebige andere Strom- und Spannungsarten, so z.B. die 6-, 12- oder 24-Volt-;leichspannung
der üblichen Fahrzeug- und Kleinflugzeugnetzversorgung oder auch die Spannungen
beliebiger Höhe mit Frequenzen von 16 Hz oder 400 Hz aus Eisenbahn- oder Grossflugzeugnetzversorgungen
in den gewünschten Frequenzbereich umsetzt.
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Die Erzeugung von Strömen mit einer Frequenz im niedrigen Ultraschallbereich
bis zu Leistungen von etwa 100 Watt und mit rechteckförmigem Schwingungsverlauf
ist mit den heute zur Verfügung stehenden Mitteln der llalbleitertechnik ohne weiteres
und auf billige Weise möglich. Es ergeben sich dabei vor allem auch Geräte geringen
Umfanges und geringen Gewichtes mit hohem Wirkungsgrad. Durch Umsetzen auf hohe
Frequenzen werden die ggf. eingesetzten Siebmittel wie Kondensatoren und Drosseln
wesentlich kleiner und leichter als bei 50 Hz.
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Es hat sich jedoch des weiteren gezeigt, dass derartige Siebmittel
gänzlich eingespart werden können, wenn im Frequenzumsetzer ein kernloser Ausgangstransfortnator
vorgesehen
ist, dessen lose gekoppelte Sekundärwicklung mit einer
wesentlich höheren Windungszahl als es für die für den Gleichrichter benötigte Spannung
notwendig wäre, ausgestattet ist.
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Mit dieser bevorzugten Ausführungsform uird erreicht, dass bei Anschluss
der nachgeschalteten Last der Peltier-Säule die induzierte Spannung auf die von
ihr benötigte höhe absinkt. Der Grund liegt in der verhältnismässig hohen Selbstinduktion
und der Streuinduktivität der Sekundärwicklung.
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Des weiteren tritt eine erwknschte Stabilisieruiigswirkung auf den
von den Peltier-Säulen aufgenommenen Gleichstrom ein, dergestalt, dass dieser nicht
mehr wesentlich von. den nach Erreichen höherer Temperaturunterschiede ansteigenden
Polarisationsspannungen der Peltier-Säulen beeinträcht wird.
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Schliesslich wird durch den induktiven Vontiderstand, hervorgerufen
durch die Streuinduktivität der Sekundärwicklung, die im Gleichrichterkreis noch
auftretende Restwelligkeit abgeschwächt.Dies gilt insbesondere, wenn die Spannung
sowieso schon zeitlich rechteckig oder rechteckähnlich verläuft.
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Dies führt dazu, dass auf zusätzliche Siebmittel vollkomien verzichtet
werden kann. Der erzielte Gleichstrom genügt schon ohne diese Siebmittel den hohen
Anforderungen, die die Peltier-Säulen an seine Glätte stellen.
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Durch die erfindungsgetnässen Vorschläge ist es also erstmals möglich,
ein kleines, leichtes und billiges und damit marktgerechtes Gerät zu bauen und anzubieten,
das sogar einen bei üblichen Bedingungen höheren Wirkungsgrad aufweist als die bisher
bekannte und übliche Gleichrichterspeisung aua dem 50 Hz- bzw. 60 Hz-Versorgungsnetz.
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Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, das erfindwngsgemässe
Kühlgerät zusammen mit der Anordnung zur Übertragung elektromagnetischer Energie
einzusetzen, die Gegenstand anderer Patentanmeldungen des gleichen Erfinders ist.
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Diese Anordnung sieht ein Primärgerät vor, das unter der Oberfläche
einer plattenförmigen Unterlage angeordnet ist und zur Erzeugung eines sich über
der Oberfläche dieser plattenförmigen Unterlage bildenden elektromagnetischen Wechselfeldes
dient. Das Kühlgerät kann dann als in dieses Feld einbringbares, auf der plattenförmigen
Unterlage abstellbares, auf dieser verschiebbares und gegebenenfalls lösbar haftbares
Sekundärgerät ausgebild#et sein. Unter diesen Umständen kann der Umsetzer vom nun
das Sekundärgerät bildenden ühlgerät getrennt erden und bildet einen Teil des Primärgerätes.
Dieses Primärgerät kann, wie in den genannten anderen Patentanmeldungen des gleichen
Erfinders ausgeführt, für die dort aufgezeigten Zwecke ebenfalls verwendet werden,
wie z.B. Wärme- und Lichterzeugung.
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Die Schaltung im Kühlgerät beginnt dann mit einer in das elektromagnetische
Wechselfeld des Primärgerätes einzubringenden Wicklung. Die in dieser Wicklung induzierte
Spannung wird.
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zunächst gleichgerichtet und dann der Peltier-Säule des Kühlgerätes
zugeführt. Damit ergibt sich für das eigentliche Kühlgerät eine weitere Verminderung
der Grösse und eine erhebliche Verbilligung der Herstellungskosten.
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Ist das Kühlgerät als Tischflaschenkühler ausgebildet, ergeben sich
eine Reihe weiterer Vorteile.Es entfällt die bisher übliche und notwendige Verwendung
von Wasser und Eisbrocken.
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Damit entfällt auch das leidige Tropfwasser. Wichtiger ist aber, dass
nicht nur eine Kältespeicherung stattfindet, sondern eine Kühlung über beliebige
Zeit und bei beliebiger Temperatur möglich ist.
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Hierzu kann ein verstellbarer Bismetallschalter als Thermostat vorgesehen
sein, der über einen entsprechenden Wähllçnopf mit Skala die Auswahl der gewünschten
Temperatur, abhängig vom jeweiligen Fla scheniniia lt, zulässt.
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Schliesslich ergibt sich die Möglichkeit, durch einfache Umpolung
der Peltier-Säule, die über den bereits erwähnten Wählicnopf erfolgen kann, das
Gerät auch als Wärmegerät einzusetzen, z.B. um etwa Rotweine auf die gewünschte
Temperatur zu bringen oder auch Kleinkindernahrung aufzuwärmen.
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Neben der vorstehend aufgezeigten Objektkühlung ist unter Einsatz
derselben Mittel auch eine Raumkühlung möglich. Hierzu wird das Kühlgerät mit einem
Ventilator und einer entsprechenden-Luftführung unter Einbeziehung des Ventilators
und der mit Kühlrippen ausgestatteten Erwärmungs- und Abkühlungsbereiche der Peltier-Säulen
ausgestattet, die eine entsprechende Lenkung des jeweils gekühlten als auch des
erwärmen Teilluftstromes erlauben.
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Auch hier kann der Kühleffekt durch einen entsprechenden Vorwahlicnopf
in Erwärmung umgekehrt werden. Der Kühlluftventilator wird dann zur Wärmepumpe.
Die Stromversorgung des Ventilatorantriebes erfolgt in der gleichen Weise wie diejenige
der Peltier-Säulen.
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Weitere Merkmale der Erfindung und Einzelheiten der durch dieselbe
erzielten Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von in den beigefügten
Zeichnungen rein beispielsweise und schematisch dargestellten Ausführungsformen
des Erfindungsgegenstandes sowie einem Schaltbild der erforderlichen Versorgungsscha
ltung.
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Fig. 1 zeigt als erstes Ausführungsbeispiel einen Tischflaschenkühler,
in
Fig. 2 ist als weiteres Ausführungsbeispiel ein Kühlventilator
wiedergegeben, Fig. 3 ist ein Schaltbild der gesamten Versorgungsschaltung unter
Einbezug des Primär- und Sekundärgerätes.
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In einem etwa zylindrischen Gehäuse i, z.B. aus Kunst -stoff, ist
ein Flaschenhalter 2 aus gut thermisch leiten -dem Werkstoff, z.B. einer Aluminium
- Legierung, gleich -achsig angeordnet, Im Bereich des Bodens 3 dieses Flaschen
-halters ist eine Peltiersäule 4 angeordnet, die gegenüber dem Boden 3 elektrisch
isoliert, jedoch thermisch möglichst gekoppelt ist.
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Auf der gegenüberliegenden Seite der Peltier-Säule 4 ist ein Austauscher,
z.B. ein Rippenaustauscher 5, vorgesehen, der seinerseits ebenso elektrisch gegen
die Peltiersäule isoliert, aber in möglichst gutem thermischem Schluss eingebaut
ist. (In der Zeichnung ist der Rippenaustauscher 5 mit den Rippen 6 um 900 zur besseren
Darstellung gedreht dargestellt).
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Innerhalb des Rippenaustauschers ist ein Elektromotor 7 für ein Gebläserad
8 vorgesehen, der zur Erzeugung des nötigen Umluftstromes im Rippenkörper 5 dient.
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Im Boden des Gehäuses 1 ist eine Wicklung 9 vorgesehen, die aus einem
entsprechenden Primärgerät, welchem der Flaschenkühler des Sekundärgerätes zugeordnet
ist, elektrische Leistung erhält. Die Wechselspannung wird durch einen Gleichrichter
10 gleichgerichtet und so der Peltiersäule 4 und dem Motor 7 zugeführt.
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Vorteilhafterweise ist ein Thermostat 11 zur Regelung der gewünschten
Temperatur vorgesehen. Dieser Thermostat kann auch zusätzlich mit einem Umpolschalter
ausgestattet sein.
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Der Bereich 12 zwischen Gehäuse 1 und Flaschenhalter 2 ist mit wärmeisolierendem
Material ausgefüllt.
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Wird das Gerät in Betrieb genommen, liefert die Wicklung 9 Spannung
für die Peltiersäule 4, die einerseits nach oben Kälte an den Boden 3 des Flaschenhalters
2 abgibt, anderer -seits aber nach unten eine entsprechende Wärme ab strahlt, die
vom Rippenkörper 5 aufgenommen und an die umgebende Luft abgegeben werden muss.
Hierzu tritt durch das Gebläserad 8 gefördert Luft durch Eintritte 13 in den Rippen
-körper 5 ein und durch Austritte 14 im Gehäusemantel wieder aus. Die Luftführung
ist in etwa und beispielsweise durch die Pfeile 15 und 16 angedeutet. Die dem Flaschenhalter
und der in diesem eingebrachten Flasche entzogenen Kalorien bewirken die erwünschte
Kühlung.
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Ein Kühlventflator, der im wesentlichen nach dem gleichen Prinzip
aufgebaut ist und arbeitet, weist ein Gehäuse 21, wiederum in aller Regel aus Kunststoff
auf, in welchem -ein Motor 22 zum Antrieb eines Gebläserades 23 in einer entsprechenden
Luftführung 24 angeordnet ist.
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Im Bodenbereich des Gehäuses 21 ist wiederum eine Wicklung 25 zum
Zusammenwirken mit einem Primärgerät vorgesehen.
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Das Gerät ist des weiteren wiederum mit einer Peltiersäule 26 ausgestattet,
die einerseits mit einem Rippenaustauscher 27 und andererseits mit einem anderen
Rippenaustauscher 28 zu -sammengebaut ist. Selbstverständlich ist die Peltiersäule
26 mit den beiden Rippenaustauschern 27 und 28 thermisch mög -licht
fest
gekoppelt, von diesen aber wiederum isoliert.
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Bei dem dargestellten Beispiel erfolgt der Kalorientrans -port bei
eingeschalteter Peltiersäule von unten nach oben. Damit wird also der untere Luftstrom
abgekühlt, der obere Luftstrom aufgeheizt. Die Rippen des oberen Rippenaustauschers
28 sind wiederum, zum besseren Ver -ständnis der Zeichnung, um 90° gedreht dargestellt.
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Ein gebündelter Luftstrom geringer Geschwindigkeit, der kühler als
die. Luft der Umgebung ist, ~wird beim Auf -treffen auf einen Körper, z.B. auf die
Körperoberfläche einer Kühlung suchenden Person, abgebremst und sinkt an diesem
Körper als kühle Manteischicht, den thermischen und dynamischen Gesetzen folgend,
ab. Wird die Strömungs -geschwindigkeit der Luft, die Durchsetzmenge und der Temperaturunterschied
zur Umgebung entsprechend einge -stellt, tritt der unangenehme und ggf. auch gefährliche
"ZugluSteffekt" nicht auf. Der aus dem unteren Aus -tritt 29 austretende Kühlluftstrom,
der den zu kühlenden Körper waagerecht oder nahezu waagerecht gebündelt trifft,
macht das Gerät als Tischgerät geeignet. Der Warmluft -strom wird dagegen durch
den Austritt 50 senkrecht nach oben gerichtet.
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Zusätzlich kann durch entsprechende langsame Strömung des Kühlluftstromes
im unteren Rippenaustauscher 27 bei sehr feuchter Luft eine erhebliche Wasserkondensation
an den Rippen des Rippenaustauschers 27 eintreten, so dass die Kühlluft entfeuchtet
wird. Damit kann der Kühlungseffekt verbessert werden, da bei entfeuchteter Kühlluft
eine erhebliche Verdunstungskühlung auf der Oberfläche des menschlichen Körpers
ausgenutzt werden kann.
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Ist dies vorgesehen, kann in an sich bekannter Weise das entstehende
Kondenswasser in einer Schale 31 gesammelt und dem warmen Rippenaustauscher 28,
z.B. über einen Docht 32, zur Verdunstung zugeführt werden. Dabei wird das Kondens
-wasser einerseits in einfacher Weise entfernt und wird andererseits dazu genutzt,
den kühlungshemmenden Effekt der Kondensationswärme durch Verdunstungskälte aufzuheben.
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Es wäre auch möglich, die beiden Luftströme so zu führen, dass der
warme Rippenaustauscher unten und~ der kalte Rippenaustauscher oben ist, wobei das
Kondenswasser nur der Schwerkraft zu folgen hätte.
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Auch bei dem I(ühlventilator kann ein nicht dargestellter Umpolschalter
vorgesehen sein, der das Gerät zur Wärme -pumpe macht und bei geringer Leistungsaufnahme
einen ge -richteten Warmluftstrom abgibt.
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Die Gesamtschaltung bei diesem Beispiel sieht als Umsetzer einen Frequenzgenerator
41 vor, der von einer Stromquelle 42 an sich beliebiger und üblicher Stromart und
Spannung ge -speist wird. Dieser Frequenzgenerator 41 speist eine Pri -märwicklung
43 und bildet so das auch im Zusammenhang mit den erfindungsgemässen Geräten als
Sekundärgerät ent -sprechende Primärgerät, das z.B. unter einer Tischplatte 44 angeordnet
sein kann.
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Mit der Spule 43 wirken die Spulen 9 bzw. 25 der beiden bei -spielsweise
vorgeschriebenen Geräte zusammen, die als mittelangezapfte Sekundärwicklung ausgeführt
ist. über zwei Einweggleichrichter 45 erfolgt eine Vollweggleich -richtung zur Gleichstromversorgung
der Peltiersäule 4 bzw. 26 und des Gebläsemotors 7 bzw. 22.