DE4231702C2 - Thermoelektrische, beheizbare Kühlkammer - Google Patents
Thermoelektrische, beheizbare KühlkammerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische, beheizbare Kühlkammer
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine Vorrichtung dieser Gattung ist aus der DD-PS 0 049 626 bekannt.
Mit Peltier-Bausteinen ausgerüstete Kälteerzeuger, die bekanntlich
auch in umgekehrter Richtung, d. h. sofern durch ein kammerartiges Gehäuse
umgeben, auch als Wärmekammer betrieben werden können, haben
gegenüber Kompressorgeräten den großen Vorteil, daß sie elektrisch
sehr genau regelbar sind auf eine Temperaturkonstanz, die mit anderen
Kältetechniken nicht zu erreichen ist. Peltier-Heiz-/Kühlkammern be
kannter Bauart haben jedoch den Nachteil, daß der einstellbare Tempe
raturbereich zu begrenzt ist und/oder daß der Aufwand für die "wegzu
pumpende" Verlustleistung zu groß wird. Die in der Regel in Kaskaden
anordnung verbundenen, plattenförmigen Peltier-Elemente lassen sich
dann (vor allem in den Randzonen) nicht ausreichend gegen Überhitzung
schützen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine thermoelektrisch be
heizbare Kühlkammer zu schaffen, die sich in einem größeren
Temperaturbereich betreiben läßt, ohne daß der Aufwand für die ab
zuführende Verlustleistung unvertretbar groß wird.
Die Lösung dieser Aufgabe wird bei einer thermoelektrischen Heiz- oder
Kühlvorrichtung gemäß der eingangs genannten Gattung durch die kenn
zeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 erreicht.
Die erste und zweite Gruppe der plattenförmigen Peltier-Elemente kann jeweils
in Vertiefungen einer gut wärmeisolierenden, rahmenartigen Aufnahme
eingesetzt sein.
Um bei Heizbetrieb eine Überhitzung der Peltier-Kaskadenanordnung,
insbesondere Temperatur-Spitzen in den Randzonen der Peltier-Elemente
zu vermeiden, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß zumindest einzelne
der zweiten Gruppe von Peltier-Elementen höherer Leistung elektrisch
durch eine Bypassdiode überbrückt sind, die so gepolt ist, daß bei Heizbetrieb
die betreffenden Peltier-Elemente stromlos bleiben.
Um weiterhin Temperatur-Spitzen in den Randzonen abzubauen, ist
als Ergänzung des Erfindungsgedankens vorgesehen, die Fläche der Zwischenplatte
größer als die durch die beiden Flächenanordnungen von Peltier-
Elementen eingenommene Gesamtfläche auszubilden, so daß die Zwischenplatte
randseitig alle Peltier-Elemente überlappt.
Die US 48 33 889 beschreibt zwar den Aufbau einer Peltier-
Kaskade aus Einzelelementen in einer Vielzahl von
Ebenen, wobei die speziellen, mit der Erfindung gelösten
Probleme dort aber nicht auftreten, als sich der
Gegenstand dieses US-Patents nur auf den Kühlbetrieb
bezieht. Die GB 22 41 378 A tangiert das spezielle,
mit der Erfindung gelöste Problem ebenfalls nicht, da
dort nur eine Kühl- oder Heizvorrichtung beschrieben
ist, die aus nur einer Ebene von Peltier-Elementen
aufgebaut ist.
Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend anhand
eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 den Prinzipaufbau einer thermoelektrischen Heiz- und Kühl
kammer mit
erfindungsgemäßen Merkmalen;
Fig. 2 eine vorteilhafte Schaltungsmaßnahme zur Vermeidung von Überhitzung
der Peltier-Elemente;
Fig. 3 die Schnittdarstellung einer Peltier-Heiz-/Kühlkammer gemäß einem
ersten erprobten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
Fig. 4 und 5 die Längsschnitt- und die Querschnittdarstellung einer anderen er
probten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Peltier-Heiz-/
Kühlkammer.
Die Prinzip-Schnittdarstellung einer thermoelektrisch betriebenen Heiz- und
Kühlkammer gemäß Fig. 1 weist eine Isolierhaube 1 auf, die eine Aufnahmeplatte
2 allseitig dicht sowie einen auf sehr genaue Temperaturkonstanz
zu kühlenden bzw. zu erwärmenden Innenraum von typischerweise 3 bis 30 l
Rauminhalt gut wärmeisolierend umschließt. Unterhalb der Aufnahmeplatte 2
befindet sich eine erste innere Schichtanordnung von flächenartigen Peltier-
Elementen 3 mit vergleichsweise niedriger Leistung, die paßgenau in vorgeform
te Vertiefungen einer gut wärmeisolierenden Rahmenplatte eingesetzt sind. In
bekannter Weise sind diese Peltier-Elemente in Kaskadenanordnung elektrisch
verbunden. Die innere Schicht der ersten Anzahl von Peltier-Elementen 3 nie
driger Leistung ist durch eine Zwischenplatte 6, die insbesondere aus span
nungsfreiem Aluminiumguß hergestellt ist, von einer zweiten Anzahl von flä
chenartigen Peltier-Elementen 4 höherer Leistung getrennt, die ebenfalls paß
genau in entsprechende Vertiefungen einer gut wärmeisolierenden weiteren
Rahmenplatte eingesetzt sind. Auch diese Peltier-Elemente 4 höherer Leistung
sind elektrisch in Kaskade geschaltet und überdies in Kaskadenanordnung mit
der ersten Anzahl von Peltier-Elementen 3 geringerer Leistung verbunden. Eine
umlaufende, stark isolierende Abdichtung ist mit Bezugshinweis 5 angegeben.
Unterhalb des Schichtaufbaus von erster Anzahl von Peltier-Elementen 3, Zwi
schenplatte 6 und zweiter Anzahl von Peltier-Elementen 4 ist ein Kühlkörper 7
angebracht, der für einen Abtransport der Wärmeverlustleistung sorgt.
Eine Lage der Peltier-Elemente, beispielsweise die innere Schichtanordnung
von Peltier-Elementen 3, kann bis zu zehn Elemente umfassen. Um Temperatur
spitzen, insbesondere im Bereich der Randzonen der Peltier-Elemente 3 bzw. 4
zu vermeiden, steht jede Peltier-Elementeschicht mit der gemeinsamen Zwi
schenplatte in eng angepaßtem Kontakt, damit der Wärmewiderstand für jedes
Element etwa gleich groß ist. Die Zwischenplatte 6 überlappt sämtliche Peltier-
Elemente randseitig um mindestens 1 cm. Die befürchtete Überhitzung in den
Randzonen der Peltier-Elemente ist damit wirkungsvoll verhindert.
Die Fig. 2 zeigt eine spezielle Schaltungsanordnung für die Kaskadenschaltung
von Peltier-Elementen 3 kleinerer und Peltier-Elementen 4 größerer Leistung.
Wird die Aufnahmeplatte 2 gekühlt, so transportieren die Peltier-Elemente 3
kleinerer Leistung Wärmeenergie von der Aufnahmeplatte 2 in die Zwischen
platte 6. Die Peltier-Elemente 4 höherer Leistung müssen einen Teil ihrer eige
nen Verlustleistung und die Verlustleistung der Peltier-Elemente 3 kleinerer
Leistung abführen. Aus diesem Grund werden die näher am Kühlkörper 7 ange
ordneten Peltier-Elemente 4 höherer Leistung vorteilhafterweise auch flächen
mäßig größer ausgelegt.
Beim Heizen läuft der Wärmeenergiefluß entgegengesetzt. Hier besteht jetzt die
Gefahr, daß auf der Zwischenplatte 6 ein unzulässiger Wärmestau dadurch ent
steht, daß die Peltier-Elemente 3 kleinerer Leistung die wesentlich höhere Ver
lustleistung der Peltier-Elemente 4 höherer Leistung nicht wegtransportieren
können. Aus diesem Grund wird, wie die Fig. 2 veranschaulicht, parallel zum
Stromkreis der Peltier-Elemente 4 höherer Leistung eine Leistungsdiode 10 als
Bypass geschaltet. Je nach dem gewünschten Temperaturbereich und in Abhän
gigkeit von anderen konstruktiven Parametern kann es auch ausreichend sein,
nur einzelne der Peltier-Elemente 4 höherer Leistung mit einer parallel liegen
den Bypassdiode zu versehen. Durch diese Schaltungsmaßnahme wird erreicht,
daß während der Heiz-Phase nur die Peltier-Elemente 3 kleinerer Leistung ar
beiten. Daraus ergibt sich der Vorteil, daß höhere Temperaturen gefahrlos ange
steuert werden können.
Die Fig. 3 veranschaulicht in verkleinerter Schnittdarstellung eine erprobte
Ausführungsform einer thermoelektrischen Heiz- und Kühlkammer gemäß der
Erfindung. Die bereits anhand der Fig. 1 erläuterten Teile und Baugruppen wer
den nicht erneut beschrieben. Auf der Oberseite der isolierenden Haube 1 ist ein
Sichtfenster 8 vorgesehen. Die jeweilige Rahmenplatte für die Peltier-Elemente
3 bzw. 4 ist mit Bezugshinweis 12 bzw. 11 angegeben. Mittels eines geeichten
Temperatursensors 9 läßt sich die Ist-Temperatur im Inneren der Heiz-/Kühl
kammer erfassen, um den den Peltier-Elementen 3, 4 zuzuführenden Strom ge
nau regeln zu können. Unterhalb des Kühlkörpers 7 zwischen nicht näher be
zeichneten Standfüßen sind (im dargestellten Beispiel) zwei flache Axiallüfter
14 vorhanden, um im Bedarfsfall eine ausreichende Abfuhr der Verlustlei
stungswärme zu gewährleisten.
Bei der Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Heiz- und Kühlkammer
nach den Fig. 4 und 5 ist die Luftströmungskühlung durch den Kühlkörper 7,
gegebenenfalls mit Unterstützung der Axiallüfter 14, durch eine Wasserküh
lung 15 oder eine Kompressorkühlung kleiner Leistung ersetzt.
Durch die erfindungsgemäße Schichtanordnung mit eng tolerierter gegenseiti
ger Anpassung, überlappender Fläche der Zwischenplatte 6 und die spezielle
Auswahl und Anordnung von Peltier-Elementen 3 niedrigerer Leistung einer
seits und Peltier-Elementen 4 höherer Leistung andererseits wurde erreicht,
daß das erfindungsgemäße Gerät über einen wesentlich größeren Temperatur
bereich von beispielsweise -15 bis +95°C (luftgekühlt) bzw. -40 bis +95°C (was
sergekühlt) betrieben werden kann, der für vergleichbare Kühl-/Heizeinrich
tungen dieser Art bisher unbekannt war.
Claims (6)
1. Thermoelektrische, beheizbare Kühlkammer,
- - mit einer Isolierhaube (1) und einer mit Peltier- Elementen (3, 4) temperierbaren Grundplatte (2),
- - wobei die Peltier-Elemente (3, 4) in zwei Gruppen unterschiedlicher Leistung zusammengefaßt und in einer Kaskadenanordnung elektrisch hintereinandergeschaltet sind,
- - und die Peltier-Elemente (3) geringerer Leistung an der Außenseite der Grundplatte (2) in Wärmekontakt anliegen und mit den Peltier-Elementen (4) höherer Leistung über eine gut wärmeleitende Zwischenplatte (6) in Verbindung stehen,
- - und wobei die Peltier-Elemente (4) höherer Leistung mit einer an der Außenseite der Kühlkammer angebrachten, wärmeabführenden oder wärmeaufnehmenden Einrichtung (7, 14, 15) in Wärmekontakt stehen, welche die Peltier- Elemente (4) höherer Leistung in sich einschließt,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß von den Peltier-Elementen (4) höherer Leistung einzelne Peltier-Elemente elektrisch durch jeweils eine Bypassdiode (10) überbrückt sind, welche im Heizbetrieb den Strom an diesen Peltier-Elementen (4) vorbeileitet,
- - so daß im Heizbetrieb bevorzugt die Peltier-Elemente (3) geringerer Leistung arbeiten und ein unzulässiger Wärmestau auf der Zwischenplatte (6) vermieden wird.
2. Kühlkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß jede der beiden Gruppen von Peltier-Elementen
(3, 4) in Öffnungen einer gut wärmeisolierenden Rahmenplatte
(11, 12) eingesetzt ist.
3. Kühlkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Zwischenplatte (6) aus einem me
chanisch spannungsfreien Material besteht.
4. Kühlkammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zwischenplatte (6) die beiden Gruppen der
Peltier-Elemente (3, 4) randseitig überlappt.
5. Kühlkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die wärmeabführende oder wärmeaufnehmende
Einrichtung (7, 14, 15) die Außenseiten der Rahmenplatten
(11, 12) überdeckt.
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