EP0350502B1 - Kühlschrank mit thermoelektrischem Element - Google Patents

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EP0350502B1
EP0350502B1 EP89900179A EP89900179A EP0350502B1 EP 0350502 B1 EP0350502 B1 EP 0350502B1 EP 89900179 A EP89900179 A EP 89900179A EP 89900179 A EP89900179 A EP 89900179A EP 0350502 B1 EP0350502 B1 EP 0350502B1
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EP
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refrigerator
heat
peltier element
wall
blocks
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EP89900179A
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Virgil Künzle
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CHEMONORM AG
Original Assignee
CHEMONORM AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B21/00—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B21/02—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effect; using Nernst-Ettinghausen effect
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2321/00—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B2321/02—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effects; using Nernst-Ettinghausen effects
    • F25B2321/021—Control thereof
    • F25B2321/0212—Control thereof of electric power, current or voltage
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2321/00—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B2321/02—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effects; using Nernst-Ettinghausen effects
    • F25B2321/023—Mounting details thereof

Definitions

  • the present invention relates to a refrigerator, in particular a small refrigerator, with the features of the first part of claim 1.
  • a refrigerator is known from US-A-4301658.
  • EP-A-0 021 307 shows a cooling unit with a Peltier element and heat pipes.
  • the structure is already so complex that it is not possible to install it (even retrospectively) in any refrigerator wall (special recesses and fastenings required).
  • US-A-2 947 150 also shows a cooling unit with Peltier elements and heat pipes, which is particularly complex and also takes up a lot of space. An installation in any refrigerator is out of the question.
  • the object of the invention is to provide a refrigerator with a cooling unit which can be installed in a refrigerator back wall in the simplest way, also retrospectively and in a space-saving manner.
  • thermoelectric Peltier element is present as the cold source, which is on the one hand in heat-conducting connection with a first heat exchanger arranged in the interior of the refrigerator and on the other hand with a second heat exchanger arranged on an outer wall of the refrigerator, such that when electrical energy is supplied in the feed circuit of the Peltier element, heat is transferred from the first to the second heat exchanger.
  • An electrical circuit arrangement is provided for regulating the supply of electrical energy to the feed circuit of the Peltier element.
  • a refrigerator 10 has a rear wall 11 and two side walls 12 and 13 which project beyond the rear wall 11 to the rear.
  • the inner surfaces of the refrigerator 10 are covered with an insulating layer 14.
  • On this heat-conducting block 15 is by means of screws 17 on the Arranged rear of the refrigerator arranged metal block 18, with the interposition of a thermoelectric Peltier element 19 which is clamped by means of screws 17 between the two metal blocks 15 and 18.
  • the Peltier element 19 is a commercially available example that is supplied by the North American company Melcor under the type designation 1.4 / 127.06L.
  • a further metal block 20 is fastened by means of screws 21, so that the blocks 15 and 20 are in good heat-conducting connection.
  • the metal block 20 has a bore 22 in which an end portion of a so-called heat pipe 23 is seated, which is otherwise provided with a larger number of convection fins 24.
  • the heat pipe 23 consists, in a known manner, of an evacuated copper pipe which is closed at both ends and filled with saturated steam of high-purity water and on its cylindrical inner surfaces with a covering 25 acting as a wick (FIG. 2) is provided. Heat pipes of this type are also commercially available and are manufactured, for example, by Furukawa Electric Co. Ltd., Tokyo (Japan) and marketed under the type designation SB 100.
  • the metal block 20, the heat pipe 23 and the fins 24 together form a first heat exchanger, which is arranged in the interior of the refrigerator 10.
  • the already mentioned metal block 18 on the back of the refrigerator 10 has two parallel bores 26 and 27, in each of which an end part of a heat pipe 28 and 29 is seated. These two heat pipes 28 and 29 are of the same design as the previously described heat pipe 23 and are also each provided with a larger number of convection fins 30 and 31, respectively.
  • the metal block 10 and the heat pipes 20 and 29 with their fins 30 and 31 together form a second heat exchanger, which is located on the outside of the rear wall 11 of the refrigerator.
  • a housing 33 is fastened by means of screws 32 (FIG. 2), which contains an electrical circuit arrangement for automatically regulating the supply of electrical energy to the feed circuit of the Peltier element 19 already mentioned.
  • FIG. 3 the electrical circuit arrangement is shown schematically and generally designated 34.
  • the electrical circuit arrangement 34 has an electronic voltage comparator 35 with two inputs 36 and 37 and an output 38.
  • a constant reference voltage U1 is applied, which is generated by means of a bridge rectifier 39, smoothed by two capacitors 40, 41 and a resistor 42, stabilized to a constant value U0 by means of a voltage stabilizer 43 and by means of a voltage divider 44, 45 the desired value U 1 is reduced.
  • the bridge rectifier 39 has two connection terminals 46 and 47, which are to be connected to the AC network via a transformer, not shown.
  • a second voltage divider 48, 49 which reduces the stabilized voltage U0 to a variable value U2.
  • This second voltage divider consists of an adjustable fixed resistor 48 and a variable resistor 49, which has a pronounced negative temperature coefficient (NTC) and serves as a temperature sensor.
  • NTC negative temperature coefficient
  • the heat-conducting block 15 is provided with a bore 50 for receiving the variable resistor 49, which is connected to two connection terminals 51, 52 of the circuit arrangement 34.
  • a capacitor 53 is used to suppress short-term fluctuations in the variable voltage U2.
  • the output 38 of the voltage comparator 35 is via a Protective resistor 54 is connected to the control input 55 of an electronic FET switch 56, which is looped into the feed circuit of the Peltier element 19.
  • the circuit arrangement 34 has two terminals 57 and 58 for connecting the Peltier element 19. When the switch 56 is turned on, the Peltier element 19 is supplied directly with the unstabilized voltage from the bridge rectifier 39.
  • variable resistor 49 serving as a temperature sensor becomes smaller, which has a corresponding decrease in the variable voltage U2 at the negative input 37 of the voltage comparator 35. If the variable voltage U2 falls below the value of the reference voltage U1 at the control input 55 of the electronic switch 56 lying voltage U3 suddenly almost equal to zero. As a result, the switch 56 is controlled in its non-conductive or blocking state and thus the supply circuit of the Peltier element 19 is interrupted. The cooling unit is then in an inactive state, which is indicated visually by the LED 69 going out.
  • the cooling capacity of the cooling unit is in the range of 5 to 30 watts.
  • the adjustable resistor 48 it is possible to lower the temperature inside the refrigerator to about 2 ° C. if the outside temperature is in the range of the usual living room temperature.
  • the cooling unit described requires no maintenance and has an extremely long lifespan of the order of 150,000 hours or more.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kühlschrank, insbesondere einen Kleinkühlschrank, mit den Merkmalen des ersten Teils des Anspruchs 1. Ein derartiger Kühlschrank ist aus der US-A-4301658 bekannt.
  • Es sind ferner folgende Konstruktionen bekannt:
       EP-A-0 021 307 zeigt ein Kühlaggregat mit Peltier-Element und Wärmerohren. Allerdings ist schon der Aufbau so aufwendig, daß ein Einbau (auch nachsträglich) in eine beliebige Kühlschrankwand ist nicht möglich ist (besondere Ausnehmungen und Befestigungen erforderlich).
  • US-A-2 947 150 zeigt ebenfalls ein Kühlaggregat mit Peltier-Elementen, und Wärmerohren, das von besonderer Komplexität ist und zudem viel Platz beansprucht. An einen Einbau in beliebige Kühlschränke ist nicht zu denken.
  • Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Kühlschrankes mit einem Kühlaggregat, das auf einfachste Weise, auch nachträglich, sowie platzsparend in eine Kühlschrankrückwand einbaubar ist.
  • Diese Aufgabe ist durch die Schaffung des im Patentanspruch 1 definierten Kühlschrankes gelöst.
  • Beim erfindungsgemässen Kühlschrank ist als Kältequelle ein bekanntes thermoelektrisches Peltier-Element vorhanden, das einerseits mit einem im Innern des Kühlschrankes angeordneten ersten Wärmetauscher und andererseits mit einem an einer Aussenwand des Kühlschrankes angeordneten zweiten Wärmetauscher in wärmeleitender Verbindung steht, derart, dass beim Zuführen elektrischer Energie in den Speisestromkreis des Peltier-Elementes ein Wärmetransport vom ersten zum zweiten Wärmetauscher stattfindet. Für die Regelung der Zufuhr elektrischer Energie zum Speisestromkreis des Peltier-Elementes ist eine elektrische Schaltungsanordnung vorgesehen.
  • Zweckmässige Weiterbildungen des erfindungsgemässen Kühlschrankes mit Kühlaggregates ergeben sich aus dem abhängigen Patentanspruch.
  • Einzelheiten der Erfindung und die mit ihr erzielten Vorteile sind in der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert, unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Darin zeigen:
    • Fig. 1 einen horizontalen Schnitt entlang der Linie 1-1 in Fig. 2 durch einen Teil eines Kühlschrankes und eine Draufsicht auf ein am Kühlschrank angebautes Kühlaggregat nach der Erfindung;
    • Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie 2-2 in Fig. 1, in grösserem Massstab;
    • Fig. 3 eine elektrische Schaltungsanordnung zum automatischen Regeln der Energiezufuhr zum thermoelektrischen Peltier-Element des Kühlaggregates.
  • Gemäss den Fig. 1 und 2 weist ein Kühlschrank 10 eine Rückwand 11 und zwei Seitenwände 12 und 13 auf, die über die Rückwand 11 hinaus nach hinten vorspringen. Die Innenflächen des Kühlschrankes 10 sind mit eine Isolierschicht 14 belegt. Ein aus Metall, vorzugsweise einer Aluminiumlegierung, bestehender Wärmeleitblock 15 ist in eine Durchbrechung 16 der Rückwand 11 und der dortigen Isolierschicht 14 passend eingelassen. An diesem Wärmeleitblock 15 ist mittels Schrauben 17 ein an der Rückseite des Kühlschrankes angeordneter Metallblock 18 befestigt, und zwar unter Zwischenschaltung eines thermoelektrischen Peltier-Elementes 19 das mittels der Schrauben 17 zwischen den beiden Metallblöcken 15 und 18 festgeklemmt ist. Das Peltier-Element 19 ist ein handelsübliches Exemplar, das z.B. von der Nordamerikanischen Firma Melcor unter der Typenbezeichnung 1.4/127.06L geliefert wird. Es ist sandwichartig ausgebildet und weist zwischen zwei gut wärmeleitenden, aber elektrisch isolierenden Endplatten, die mit den beiden Blöcken 15 und 18 in wärmeleitender Berührung sind, mehrere Paare von Halbleiter-Organen auf, die intern elektrisch in Reihe geschaltet sind und den Speisestromkreis des Peltier-Elementes bilden. Da solche Peltier-Elemente wie erwähnt handelsüblich sind, kann hier auf eine ausführliche Beschreibung und zeichnerische Darstellung verzichtet werden.
  • An dem im Innern des Kühlschrankes 10 liegenden Ende des Wärmeleitblockes 15 ist ein weiterer Metallblock 20 mittels Schrauben 21 befestigt, so dass die Blöcke 15 und 20 in guter Wärmeleitverbindung stehen. Der Metallblock 20 weist eine Bohrung 22 auf, in welcher eine Endpartie eines sogenannten Wärmerohres 23 sitzt, das im übrigen mit einer grösseren Anzahl von Konvektionslamellen 24 versehen ist. Das Wärmerohr 23 besteht in bekannter Weise aus einem an beiden Enden verschlossenen, evakuierten Kupferrohr, das mit gesättigtem Dampf von hochreinem Wasser gefüllt und an seinen zylindrischen Innenflächen mit einem als Docht wirkenden Belag 25 (Fig. 2) versehen ist. Wärmerohre dieser Art sind ebenfalls handelsüblich und werden z.B. von der Firma Furukawa Electric Co.Ltd., Tokyo (Japan), hergestellt und unter der Typenbezeichnung SB 100 auf den Markt gebracht. Der Metallblock 20, das Wärmerohr 23 und die Lamellen 24 bilden zusammen einen ersten Wärmetauscher, der im Innern des Kühlschrankes 10 angeordnet ist.
  • Der bereits erwähnte Metallblock 18 an der Rückseite des Kühlschrankes 10 weist zwei parallele Bohrungen 26 und 27 auf, in denen je eine Endpartie eines Wärmerohres 28 bzw. 29 sitzt. Diese zwei Wärmerohre 28 und 29 sind gleich ausgebildet wie das zuvor beschriebene Wärmerohr 23 und sind ebenfalls je mit einer grösseren Anzahl von Konvektionslamellen 30 bzw. 31 versehen. Der Metallblock 10 und die Wärmerohre 20 und 29 mit ihren Lamellen 30 und 31 bilden zusammen einen zweiten Wärmetauscher, der sich an der Aussenseite der Rückwand 11 des Kühlschrankes befindet.
  • Oben auf dem Metallblock 18 ist mittels Schrauben 32 (Fig. 2) ein Gehäuse 33 befestigt, das eine elektrische Schaltungsanordnung zum automatischen Regeln der Zufuhr elektrischer Energie zum bereits erwähnten Speisestromkreis des Peltier-Elementes 19 enthält. In Fig. 3 ist die elektrische Schaltungsanordnung schematisch dargestellt und generell mit 34 bezeichnet.
  • Die elektrische Schaltungsanordnung 34 weist einen elektronischen Spannungskomparator 35 mit zwei Eingängen 36 und 37 sowie einem Ausgang 38 auf. An den positiven Eingang 36 ist eine konstante Referenzspannung U₁ angelegt, die mittels eines Brückengleichrichters 39 erzeugt, durch zwei Kondensatoren 40, 41 und einen Widerstand 42 geglättet, mittels eines Spannungsstabilisators 43 auf einen konstanten Wert U₀ stabilisiert und mit Hilfe eines Spannungsteilers 44, 45 auf den gewünschten Wert U₁ reduziert wird. Der Brückengleichrichter 39 weist zwei Anschlussklemmen 46 und 47 auf, die über einen nicht dargestellten Transformator an das Wechselstromnetz anzuschliessen sind.
  • Am negativen Eingang 37 des Spannungskomparators 35 liegt der Abgriff eines zweiten Spannungsteilers 48, 49, der die stabilisierte Spannung U₀ auf einen variablen Wert U₂ vermindert. Dieser zweite Spannungsteiler besteht aus einem einstellbaren Festwiderstand 48 und einem variablen Widerstand 49, der einen ausgeprägten negativen Temperaturkoeffizienten (NTC) aufweist und als Temperaturfühler dient. Gemäss Fig. 2 ist der Wärmeleitblock 15 mit einer Bohrung 50 zur Aufnahme des variablen Widerstandes 49 versehen, der mit zwei Anschlussklemmen 51, 52 der Schaltungsanordnung 34 in Verbindung steht. Ein Kondensator 53 dient der Unterdrückung von kurzzeitigen Schwankungen der variablen Spannung U₂.
  • Der Ausgang 38 des Spannungskomparators 35 ist über einen Schutzwiderstand 54 mit dem Steuereingang 55 eines elektronischen FET-Schalters 56 verbunden, der in den Speisestromkreis des Peltier-Elementes 19 eingeschleift ist. Die Schaltungsanordnung 34 weist zwei Klemmen 57 und 58 für den Anschluss des Peltier-Elementes 19 auf. Bei durchgesteuertem Schalter 56 erfolgt die Speisung des Peltier- Elementes 19 unmittelbar mit der unstabilisierten Spannung aus dem Brückengleichrichter 39. Zwischen den beiden Anschlussklemmen 57 und 58 für das Peltier-Element 19 liegt eine Reihenschaltung aus einer Leuchtdiode 59 und einem zugehörigen Vorwiderstand 60. Zwischen dem Ausgang 38 des Spannungskomparators 35 und dem Pluspol der unstabilisierten Spannung des Brückengleichrichters 39 liegt ein Pull-up-Widerstand 61, und mit Hilfe einer Zenerdiode 62 ist dafür gesorgt, dass die am Ausgang 38 das Komparators 35 und am Steuereingang 55 des elektronischen Schalters 56 liegende Spannung U₃ keinesfalls einen unzulässig hohen Wert annehmen kann. Zwischen dem positiven Eingang 36 und dem Ausgang 38 des Spannungskomparators 35 liegt eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 63 und einer Diode 64, um eine positive Rückkopplung zu bewirken, wenn die Spannung U₂ die Spannung U₁ übersteigt.
  • Die Wirkungsweise des beschriebenen Kühlagggregates ist kurz wie folgt:
  • Es wird vorausgesetzt, dass an die Klemmen 46 und 47 eine Wechselspananung von z.B. 10 Volt angelegt ist. Wenn und solange die Temperatur im Innern des Kühlschrankes 10 einen mittels des Einstellwiderstandes 48 in gewissen Grenzen wählbaren Wert von z.B. +6°C übersteigt, hat der als Temperaturfühler dienende variable Widerstand 49 einen verhältnismässig hohen Widerstandswert, so dass die variable Spannung U₂ am negativen Eingang 37 des Spannungskomparators 35 die konstante Referenzspananung U₁ am positiven Eingang 36 übersteigt. Am Steuereingang 55 des elektronischen Schalters 56 liegt dann folglich eine positive Spannung U₃, durch welche der Schalter 56 in seinen leitenden Zustand gesteuert wird. Hierdurch wird der Speisestromkreis des Peltier-Elementes 19 geschlossen und letzteres veranlasst, Wärme vom Wärmetauscher 20, 23, 24 im Innern des Kühlschrankes zum Wärmetauscher 18, 28, 29, 30, 31 an der Aussenseite der Rückwand 11 des Kühlschrankes zu pumpen. Dies bewirkt einen Wärmetransport vom Innern des Kühlschrankes nach aussen und eine Absenkung der Temperatur im Innern des Kühlschrankes. Parallel zum Speisestromkreis des Peltier-Elementes 19 wird auch die Leuchtdiode 59 eingeschaltet, um den aktivierten Zustand des Kühlaggregates visuell anzuzeigen.
  • Mit sinkender Temperatur im Kühlschrank wird der Widerstandswert des als Temperaturfühler dienenden variablen Widerstandes 49 kleiner, was eine entsprechene Abnahme der variablen Spannung U₂ am negativen Eingang 37 des Spannungskomparators 35 zur Folge hat. Wenn die variable Spannung U₂ den Wert der Referenzspannung U₁ unterschreitet wird die am Steuereingang 55 des elektronischen Schalters 56 liegende Spannung U₃ schlagartig annähernd gleich null. Hierdurch wird der Schalter 56 in seinen nicht-leitenden oder sperrenden Zustand gesteuert und damit der Speisestromkreis des Peltier-Elementes 19 unterbrochen. Das Kühlaggregat befindet sich dann in einem inaktiven Zustand, was durch Erlöschen der Leuchtdiode 69 visuell angezeigt wird.
  • Bei erneutem Ansteigen der Temperatur im Innern des Kühlschrankes wiederholt sich der beschriebene Zyklus. Es handelt sich somit um eine sogenannte Zweipunktregelung, die erlaubt, die Temperatur im Innern des Kühlschrankes auf etwa +/- 0,15°C konstant zu halten. Das Ein- und Ausschalten des Speisestromkreises des Peltier-Elementes 19 geschieht praktisch verlustlos, ohne überhöhte Leistungsspitzen beim Einschalten.
  • Die Kühlleistung des Kühlaggregates liegt je nach der Temperaturdifferenz der beiden Wärmetauscher innen und aussen im Bereich von 5 bis 30 Watt. Bei entsprechender Einstellung des einstellbaren Widerstandes 48 ist es möglich, die Temperatur im Innern des Kühlschrankes bis auf etwa 2°C zu senken, wenn die Aussentemperatur im Bereich der üblichen Wohnraumtemperatur liegt.
  • Das beschriebene Kühlaggregat bedarf keiner Wartung und hat eine ausgesprochen lange Lebensdauer in der Grössenordnung von 150′000 Stunden oder mehr.

Claims (2)

  1. Kühlschrank mit einem Kühlaggregat, bei welchem mindestens ein thermoelektrisches Peltier-Element (19) zwischen zwei Metallblöcken (18 bzw. 20) angeordnet ist, von denen einer durch die Kühlschrankwand hindurchgeführt und in dieser gehalten ist und der eine Block (20) mit einem im Innern des Kühlschrankes angeordneten ersten, mit Konvektionslamellen (24) versehenen Wärmetauscher (23) und der zweite Block (18) mit wenigstens einem an der Aussenwand des Kühlschrankes (10) angeordneten zweiten, mit Konvektionslamellen (30;31) versehenen Wärmetauscher (28;29) in wärmeleitender Verbindung steht, wobei der elektrische Speisestromkreis des Peltier-Elementes (19) mit einer elektrischen Schaltungsanordnung (34) zur Regelung der Zufuhr elektrischer Energie verbunden ist, derart, dass mittels des Peltier-Elementes (19) ein Wärmetransport vom ersten Wärmetauscher (20,23,24) zum zweiten Wärmetauscher (18,28, 29,30,31) ermöglicht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Konvektionslamellen der Wärmetauscher jeweils auf Wärmerohren (23;28;29) angeordnet sind und die Wärmerohre in durchgehenden Bohrungen (22;26;27) der entsprechenden Metallblöcke (20;18) gehalten sind, wobei sich die Bohrungen (22;26;27) in den Metallblöcken parallel zur Kühlschrankwand in einem solchen Abstand von dieser erstrecken, dass die auf den Wärmerohren angeordneten Konvektionslamellen mit einem ihrer Ränder bis nahe an die Kühlschrankwand reichen.
  2. Kühlschrank nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Kühlschrankwand führende Metallblock aus zwei getrennten, miteinander verbundenen Blöcken (15, 20) besteht, von denen der eine (15) im Durchgang der Rückwand gehalten und direkt oder indirekt den Grundträger für alle übrigen Bestandteile des Kühlaggregates bildet.
EP89900179A 1988-01-05 1988-12-27 Kühlschrank mit thermoelektrischem Element Expired - Lifetime EP0350502B1 (de)

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CH23/88 1988-01-05

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BR (1) BR8807399A (de)
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