DE2415085C2 - Kühlgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlgerät, insbesondere ein Kleinkühlgerät, wobei unter Kleinkühlgerät z. B. ein solches in Ausbildung und Größe eines Tischflaschenkühlers oder Kleinkühlschrankes zu verstehen ist, das also sowohl bezüglich Baugröße als auch Gewicht und Herstellungskosten, 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 Raumkühlgerät z. B. Kühlventilator ausgebildet sein.

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.

Marktanteilmäßig herrscht der Kompressor vor. Der Absorber wird wegen eines schlechteren Wirkungsgrades vorwiegend dort eingesetzt, wo keine elektrische Ausgangsenergie zum Betrieb eines Kompressors zur Verfüng steht oder wo Wert auf absolute Lautlosigkeit des Betriebes gelegt wird.

Neben diesen allgemein üblichen und eingeführten Kühltechniken 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 Joulesche Wärme je nach Stromrichtung eine zusätzliche Erwärmung oder Abkühlung auftritt. Ausgehend von dieser Entdeckung wurden Kühlelemente entwickelt und gebaut, die als sogenannte Peltier-Säulen bekanntgeworden 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 erwünschten 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 Abkühlung. Wird auf die warme Seite ein wirksamer Wärme-

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65 ableiter aufgebracht so werden die Kalorien von der anderen Seite fortlaufend abtransportiert Mit der kalten Seite kann dann wirkungsvoll gekühlt werden.

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

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Mittel und Wege aufzuzeigen, wie der Peltier-Effekt auch unter wirtschaltlichen Gesichtspunkten brauchbar in Kühlgeräten, insbesondere Kleinkühlgeräten ausgenutzt werden kann.

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 17 A fließen. Von diesen Voraussetzungen ist aber auszugehen, weil in dem durch diese Größen umrissenen Bereich der günstigste innere Wirkungsgrad der Peltier-Säule liegt

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 für 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 für 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 sum 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 im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung besteht des weiteren die Unzuträglichkeit der zusätzlichen Wärmeerzeugung durch Verlustwärme in diesen Siebgliedern.

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 wer_: den und damit die anzulegende Spannung vervielfacht wird. Soll die gewünschte Leistung jedoch im Rahmen eines Kleinkühlgerätes verhältnismäßig gering sein, ergibt die Serienschaltung von Peltier-Säulen wiederum eine untragbare Verteuerung, weil auch sie teuer sind.

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. Damit liegt das Angebot im

Bereich der Kleinkühlgeräte im argen, da die anderen bekannten Verfahren unter Einsatz von Kompressoren und Absorbern bei Kleinstbauweise auch wesentlich teuerer sind als bei Groß- und Mittelbauweise, des weiteren eine bestimmte Grenze der BaugröSe einfach nicht unterschritten werden kann.

Die Erfindung löst die gestellte Auigabe durch ein ICühlgerät mit Peltier-Säulen, bei welchem zur Speisung der Pekier-Säulen mit Gleichstrom ein Umsetzer zur Erzeugung eines Wechselstromes im Gebiet der Frequenzen niedrigen Ultraschalls mit rechteckigem Spannungsverlauf mit nachgeschaltetem Transformator zum Heruntertransformieren auf die niedrige Betriebsspannung der Peltier-Säulen und mit einem anschließenden Gleichrichter vorgesehen sind.

Der Umsetzer kann in bekannter Weise so ausgestattet sein, daß er beliebige Strom- und Spannungsarten in ilen gewünschten Frequenzbereich umsetzt

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 Halbleitertechnik 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 höhere Frequen-2:en werden die ggf. eingesetzten Siebmittel wie Kondensatoren und Drosseln wesentlich kleiner und leichter als bei 50 Hz.

Es hat sich jedoch des weiteren gezeigt, daß derartige Siebmittel gänzlich eingespart werden können, wenn vorteilhafterweise im Frequenzumsetzer ein kernloser Ausgangstransformator vorgesehen ist, dessen lose gekoppelte Sekundärwicklung mit einer wesentlich höheren Windungszahl, als es für die für den Gleichrichter benötigte Spannung notwendig wäre, ausgestattet ist.

Mit dieser bevorzugten Ausführungsform wird erreicht, daß bei Anschluß der nachgeschalteten Last der F'eltier-Säule die induzierte Spannung auf die von ihr benötigte Höhe absinkt. Der Grund liegt in der verhältriismäßig hohen Selbstinduktion und der Streuinduktivität der Sekundärwicklung. Des weiteren trifft eine erwünschte Stabilisierungswirkung 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 beeinträchtigt wird. Schließlich wird durch den induktiven Vorwiderstand, 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. Dies führt dazu, daß auf zusätzliche Siebmittel vollkommen verzichtet werden kann. Der erzielte Gleichstrom genügt schon ohne diese Siebmittel den hohen Anforderungen, die die Peltier-Säulen an seine Glätte stellen.

Durch die erfindungsgemäöen 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 aus dem 50-Hz- bzw. 60-Hz-Versorgungsnetz.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Be-Schreibung von in den Zeichnungen rein beispielsweise und schematisch dargestellten Ausführungsformen des Eirfindungsgegensiandes sowie einem Schaltbild der erforderlichen Versorgungsschakung weiter verdeutlicht.

F i g. 1 zeigt als erstes Ausführungsbeispiel einen Tischflaschenkühler, in

F i g. 2 ist als weiteres Ausführungsbeispiel ein Kühlventilator wiedergegeben.

F i g. 3 ist ein Schaltbild der gesamten Versorgungsschakung unter Einbezug des Primär- und Sekundärgerätes.

In einem etwa zylindrischen Gehäuse 1, z. B. aus Kunststoff, ist ein Flaschenhalter 2 aus gut thermisch leitendem Werkstoff, z. B. einer Aluminium-Legierung, gleichachsig angeordnet Im Bereich des Bodens 3 dieses Flaschenhalters ist eine Peltier-Säule 4 angeordnet die gegenüber dem Boden 3 elektrisch isoliert jedoch thermisch möglichst gekoppelt ist.

Auf der gegenüberliegenden Seite der Peltier-Säule 4 ist ein Austauscher, z, B. ein Rippenaustauscher 5, vorgesehen, der seinerseits ebenso elektrisch gegen die Peltier-Säule isoliert aber in möglichst guten thermischem Schluß eingebaut ist (In der Zeichnung ist der Rippenaustauscher 5 mit den Rippen 6 um 90° zur besseren Darstellung gedreht dargestellt)

Innerhalb des Rippenaustauschers ist ein Elektromotor 7 für ein Gebläserad 8 vorgesehen, der zur Erzeugung des nötigen Umluftstromes im Rippenkörper 5 dient.

Im Boden des Gehäuses 1 ist eine Wicklung 9 vorgesehen, die bei dem dargestellten Beispiel aus einem entsprechenden Primärgerät, welchem der Flaschenkühler als Sekundärgerät zugeordnet ist, elektrische Leistung erhält. Die Wechselspannung wird durch einen Gleichrichter 10 gleichgerichtet und so der Peltier-Säule 4 und dem Motor 7 zugeführt

Vorteilhafterweise ist ein Thermostat 11 zur Regelung der gewünschten Temperatur vorgesehen. Dieser Thermostat kann auch zusätzlich mit einem Umpolschalter ausgestattet sein.

Der Bereich 12 zwischen Gehäuse 1 und Flaschenhalter 2 ist mit wärmeisolierendem Material ausgefüllt.

Wird das Gerät in Betrieb genommen, liefert die Wicklung 9 Spannung für die Peltier-Säule 4, die einerseits nach oben Kälte an den Boden 3 des Flaschenhalters 2 abgibt, andererseits aber nach unten eine entsprechende Wärme abstrahlt, 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 Rippenkörper 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.

Ein Kühlventilator, 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 Gebläses 23 in einer entsprechenden Luftführung 24 angeordnet ist.

Im Bodenbereich des Gehäuses 21 ist wiederum eine Wicklung 25 zum Zusammenwirken mit einem Primärgerät vorgesehen.

Das Gerät ist des weiteren wiederum mit einer Peltier-Säule 26 ausgestattet, die einerseits mit einem Rippenaustauscher 27 und andererseits mit einem anderen Ripprnaustauscher 28 zusammengebaut ist. Selbstverständlich ist die Peltier-Säule 26 mit den beiden Rippenaustauschern 27 und 28 thermisch möglichst fest gekoppelt, von diesen aber wiederum isoliert. Bei dem dargestellten Beispiel erfolgt der Kalorientransport bei einge-

schalteter Peltier-Säule 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 Verständnis der Zeichnung, um 90° gedreht dargestellt.

Ein gebündelter Luftstrom geringer Geschwindigkeit, der kühler als die Luft der Umgebung ist, wird beim Auftreffen auf einen Körper, z. B. auf die Körperoberfläche einer Kühlung suchenden Person, abgebremst und sinkt an diesem Körper als kühle Mantelschicht, den thermischen und dynamischen Gesetzen folgend, ab. Wird die Strömungsgeschwindigkeit der Luft, die Durchsetzmenge und der Temperaturunterschied zur Umgebung entsprechend eingestellt, tritt der unangenehme und ggf. auch gefährliche »Zuglufteffekt« nicht auf. Der aus dem unteren Austritt 29 austretende Kühliuftstrom, der den zu kühlenden Körper waagerecht oder nahezu waagerecht gebündelt trifft, macht das Gerät als Tischgerät geeignet. Der Warmluftstrom wird dagegen durch den Austritt 30 senkrecht nach oben gerichtet

Zusätzlich kann durch entsprechende langsame Strömung des Kühiluftstromes 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.

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 Kondenswasser einerseits in einfaeher Weise entfernt und wird andererseits dazu genutzt, den kühlungshemmenden Effekt der Kondensationswärme durch Verdunstungskälte aufzuheben.

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.

Auch bei dem Kühlventilator kann ein nicht dargestellter Umpolschalter vorgesehen sein, der das Gerät zur Wärmepumpe macht und bei geringer Leistungsaufnähme einen gerichteten Warmluftstrom abgibt

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 gespeist wird. Dieser Frequenzgenerator 41 speist eine Primärwicklung 43 und bildet so im Zusammenhang mit den erfindungsgemäßen Geräten als Sekundärgerät das der Versorgung des Sekundärgerätes dienende Primärgerät, das z. B. unter einer Tischplatte 44 angeordnet sein kann.

Mit der Spule 43 wirken die Spulen 9 bzw. 25 der beiden beispielsweise vorgeschriebenen Geräte zusammen, die als mittelangezapfte Sekundärwicklung ausgeführt ist Über zwei Einweggleichrichter 45 erfolgt eine Vollweggleichrichtung zur Gleichstromversorgung der Peltier-Säule 4 bzw. 26 und des Gebläsemotors 7 bzw. 22.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (2)

Patentansprüche:

1. Kühlgerät, insbesondere Kleinkühlgerät, mit Peltier-Säulen, dadurch gekennzeichnet, da3 zur Speisung der Peltier-Säulen mit Gleichstrom ein Umsetzer zur Erzeugung eines Wechselstromes im Gebiet der Frequenzen niedrigen Ultraschalles mit rechteckigem Spannungsverlauf mit nachgeschaltetem Transformator zum Heruntertransformieren auf die niedrige Betriebsspannung der Peltier-Säulen und mit einem anschließenden Gleichrichter vorgesehen sind.

2. Kühlgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Umsetzer ein kernloser Ausgangs- is transformator vorgesehen ist, dessen lose gekoppelte Sekundärwicklung mit einer wesendich höheren Windungszahl, als es für die Tür den Gleichrichter benötigte Spannung notwendig wäre, ausgestattet ist