DE1068279B

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Publication number: DE1068279B
Application number: DENDAT1068279D
Authority: DE
Priority date: 1958-11-12
Publication date: 1959-11-05
Also published as: DE1067455B; GB895840A; GB894816A; CH393383A

Description

Kleinkühlgerät mit elektrothermischer Kühlung Gegenstand .der Erfindung ist ein Kleinkühlgerät mit elektrothermischer Kühlung. Es sind bereits verschiedene derartige Kleinkühlgeräte bekanntgeworden, deren Kälteaggregat aus einer Säule von Thermoelementen in einem elektrischen Stromkreis besteht, und bei denen die Kühlwirkung durch Ausnutzung des Peltiereffektes erzielt wird. Der konstruktive Aufbau solcher Kleinkühlgeräte ist ganz allgemein so, daß in der Kühlgeräteisolation eine Anzahl Thermoelemente so eingesetzt ist, daß sämtliche kalten Lötstellen dem Kühlraum zugewandt sind, die warmen Lötstellen dagegen an bzw. nahe der Außenwand des Isolierbehälters liegen. Die einzelnen Elemente sind dabei in der Regel über gut elektrisch leitende Verbindungsstücke miteinander elektrisch verbunden, und zwar in Reihenschaltung, z. T. aber auch in Kaskade. Außerdem sind sowohl die kalten als auch die warmen Lötstellen gut wärmeleitend mit Wärmeaustauschern, zumeist in Gestalt von Platten, evtl. mit Kühlrippen, verbunden, wobei aber diese Wärmeaustauscher gegeneinander elektrisch isoliert sein müssen.
Diese Forderungen bedingen einen recht komplizierten Aufbau eines solchen Kühlgerätes, insbesondere machen die hierfür bisher bekanntgewordenen Konstruktionen beim etwaigen Schadhaftwerden eines einzelnen Thermoelementes den Ausbau des gesamten Kälteaggregates notwendig. Da die neuerdings als Elemente besonders hoher Thermokraft bekanntgewordenen Halbleiter zumeist als Preß- oder Sinterkörper dargestellt werden, die mechanisch keine allzu große Festigkeit besitzen, kann durchaus der Fall eintreten, daß ein Thermoelement z. B. auf dem Transport des Kühlgerätes schadhaft wird. Dieselbe Gefahr besteht auch hinsichtlich der Verbindungen, insbesondere Lötverbindungen zwischen einem solchen Halbleiterkörper und dem Anschlußstück. In einem solchen Falle erweist es sich als höchst unwirtschaftlich, das ganze schwer zugängliche Kälteaggregat ausbauen zu müssen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kühlgerät auf thermoelektrischer Basis zu schaffen, das diese Nachteile der bisher bekannten Aufbauformen vermeidet. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß man die Thermoelemente derart in die Isolierung einsetzt, daß sie einzeln auswechselbar sind. Zur Erzielung dieser Auswechselbarkeit wird dabei zweckmäßig jedes Thermoelement für sich in einer in eine Aussparung der Kühlgerätisolierung eingefügte Kapsel, die ihrerseits eine das Thermoelement allseitig umgebende wärmeisolierende Füllung besitzt, untergebracht und ist nach Lösen eines die Kapsel nach außen abschließenden Deckels aus der Isolierung herausnehmbar. Dabei kann man die Anordnung so treffen, daß die ganze Kapsel als solche austauschbar ist. Die Kapseln selbst müssen selbstverständlich aus einem schlecht wärmeleitenden Kunststoff bestehen und gut dichtend in die Kühlgerätisolierung eingepaßt sein. Anstatt in Kapseln kann man die Thermoelemente auch in einen Block aus Schaumkunststoff einbetten, insbesondere einschäumen und diese Blöcke in im voraus vorgesehene Aussparungen in der dann vorzugsweise ebenfalls aus Schaumkunststoff bestehenden Kühlgerätisolierung einsetzen. Diese Schaumstoffumhüllung hat noch weitere Vorteile : Wähltman hierfür einen Schaumkunststoff besonders hoher Dichte, z. B. aus Polystyrolmasse, so erhält man damit auch einen mechanisch festen Schutz für die empfindlichen Thermoelemente und außerdem eine Umhüllung schlechter Wärmeleitfähigkeit. Unter dem Begriff »Thermoelement« sei hier sowohl ein einzelnes Element hoher Thermokraft mit beiderseits verbundenen Anschlußstücken guter elektrischer Leitfähigkeit, deren aufeinanderliegende Flächen die warme bzw. kalte Lötstelle bilden, verstanden, als auch ein Thermoelementenpaar, dessen beide n- und p-leitende Elemente über ein gut elektrisch und wärmeleitendes Zwischenstück miteinander verbunden sind und die Lötstelle der einen Art bilden, während die voneinander abgekehrten Enden der Elemente ihrerseits mit Anschlußstücken verbunden sind, welche zwei Lötstellen der anderen Art bilden. Die Anschlußstücke sind dabei so ausgebildet, daß sie aus der Kühlgerätisolierung nach innen bzw. außen heraustreten und mit entsprechend gestalteten Wärmeaustauschflächen verbunden werden können.
Weitere mit dem Erfindungsgegenstand verknüpfte zweckmäßige Maßnahmen sind der folgenden Be- Schreibung eines Ausführungsbeispieles zu entnehmen, auf welches die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist.
Als Ausführungsbeispiel, das in der Fig. 1 bis 4 schematisch dargestellt ist, ist ein zylindrischer bzw. topfförmiger Isolierbehälter gewählt, bestehend aus einem Außengehäuse 1, einem Innengehäuse 2 und einer Wärmeisolation 3. In dieser Wärmeisolation ist in zwei übereinanderliegenden Ebenen eine Anzahl von Thermoelementenpaaren 4 auf den Umfang des Behälters gleichmäßig verteilt angeordnet. Jedes Thermoelementenpaar ist aus einem n- und einem p-leitenden Element 5, 6 und drei Anschlußstücken 7, 8 und 9 zusammengesetzt, wobei das mittlere, 8, die beiden Thermoelemente verbindet und zugleich die kalte Lötstelle bildet, während die äußeren Anschlußstücke 7, 9 die warmen Lötstellen darstellen. Das so zusammengesetzte Thermoelementenpaar, das in der Fig. 3 nochmals für sich von der Seite gesehen dargestellt ist, ist in eine Kapsel 10 aus schlecht wärmeleitendem Kunststoff eingesetzt, deren Hohlräume 11 mit einem geeigneten Wärmedämmstoff ausgefüllt sind. Diese Kapseln sind in entsprechende Aussparungen in der Kühlbehälterisolation gut dichtend eingebracht und so ausgebildet, daß sie nach Lösen eines die Kapsel nach außen dicht abschließenden Deckels 12 leicht radial nach außen einzeln herausgezogen werden können. Sowohl nach dem Innengehäuse zu als auch nach der Gehäuseaußenseite sind die Anschlußstücke 7, 9 mit Wärmeaustauschern, vorzugsweise in Plattenform, lösbar verbunden. Diese sind in den Figuren mit 13 und 14 bezeichnet. Als Wärmeaustauschflächen werden zweckmäßig an sich bekannte Wärmeaustauscher mit vergrößerter Fläche, z. B. die der bekannten Jalousieverflüssiger, verwendet.
Wichtig ist, daß für einen guten Wärmeübergang zwischen den Anschlußstücken und den Wärmeaustauschflächen gesorgt ist. Deshalb sind in dem Ausführungsbeispiel die Verbindungen zwischen diesen Teilen über beiderseits gut flächenhaft anliegende Zwischenstücke 15 und 16 hergestellt und alle Teile miteinander verschraubt. Die Schrauben 17 und 18 dienen ebenfalls der Wärmeübertragung. Die Anschlußstücke, die vorzugsweise aus Kupfer sind, können aber auch unmittelbar mit den Wärmeaustauschflächen verbunden werden.
Die mit den Anschlußstücken 7 und 9 jeweils verbundenen Wärmeaustauscher müssen gegeneinander elektrisch isoliert sein. Diese Isolation kann durch einen kleinen Luftabstand zwischen den benachbarten Flächen gebildet werden. Sicherheitshalber können doch zumindest die Ränder dieser Flächen mit einem zusätzlichen Isolierstoffüberzug, beispielsweise einem Isolierlack od. dgl., überzogen sein, der die Wärmeleitung praktisch nicht beeinträchtigt. Das gleiche gilt natürlich auch für die inneren Wärmeaustauscher benachbarter Thermoelementenpaare.
Die elektrischen Verbindungen zwischen den in Reihe zu schaltenden Thermoelementen werden im Inneren durch die Anschlußstücke 8 eines jeden Thermoelementenpaares, außen lediglich auf der warmen Seite durch ein gut elektrisch leitendes und leicht lösbares Verbindungsglied hergestellt. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß man als Verbindungsglieder kurze Drähte mit angeschlossenen Lötösen bzw. flexible Bänder verwendet, die zusammen mit den äußeren Wärmeaustauschflächen an die äußeren aus der Isolierung heraustretenden Anschlußstücke angeschraubt sind. An sich können benachbarte Wärmeaustauscher von verschiedenen Thermoelementenpaaren auch selbst als elektrische Verbindungsglieder verwendet werden und hierzu unmittelbar miteinander verbunden werden, jedoch muß dann dafür Sorge getragen werden, daß diese Verbindungen ebenfalls leicht lösbar sind, um die leichte Auswechselbarkeit einzelner Elemente zu gewährleisten. In der schematischen Zeichnung sind diese elektrischen Verbindungen nicht näher dargestellt, sondern nur in Fig.2 durch die kleinen Bogen 19 angedeutet.
Um elektrische Kurzschlüsse zu vermeiden, die insbesondere auf der Innenseite durch in metallischen Gefäßen gelagerte Kühlgüter erzeugt werden können, muß das Innengehäuse aus Isolierstoff sein. Dieses Gehäuse ist so ausgebildet, daß es als Ganzes oder wenigstens teilweise herausziehbar ist, damit im Falle eines Defektes an einem Thermoelement die mit diesem Element verbundene Wärmeaustauscherplatte zugänglich wird und die Befestigungsschraube 17 gelöst werden kann. Um durch dieses Innengehäuse die Wärmeleitung zwischen Innenraum und Wärmeaustauscher möglichst wenig zu beeinträchtigen, wird zweckmäßig das Innengehäuse im Bereich dieser Flächen luftdurchlässig gestaltet, z. B. perforiert.
Man kann aber auch auf dieses Innengehäuse ganz oder teilweise im Bereich der Wärmeaustauschflächen verzichten, wenn man diese Flächen selbst mit einem dünnen Überzug aus einem Isolierlack bzw. einer Isolierfolie versieht.
In den Figuren sind die Anschlußstücke an die n- und p-leitenden Thermoelemente der Einfachheit halber als flache Stäbe dargestellt. Es erscheint jedoch zweckmäßig, um einen guten Wärmeübergang von und zu den Wärmeaustauschern zu erzielen, ihre Querschnitte und damit ihre Übergangsflächen gegenüber diesen Wärmeaustauschflächen zu vergrößern. Dies kann beispielsweise dadurch erzielt werden, daß man die Anschlußstücke ebenfalls aus Rundstäben herstellt und diese nur im Bereich ihrer Verbindung mit den Thermoelementen auf den beispielsweise in Fig. 4 gezeigten rechteckigen Querschnitt abflacht.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Kleinkühlgerät mit elektrothermischer Kühlung mit einer Anzahl von elektrisch in Reihe oder Kaskade geschalteten Thermoelementen innerhalb der Isolierung des Gerätes, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelemente derart in die Isolierung eingesetzt sind, daß sie einzeln auswechselbar sind.
2. Kleinkühlgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Thermoelement für sich in einer in eine Aussparung der Kühlgeräteisolierung eingefügten Kapsel, die ihrerseits eine das Thermoelement allseitig umgebende wärmeisolierende Füllung besitzt, montiert und nach Lösen eines die Kapsel nach außen abschließenden Deckels herausnehmbar ist.
3. Kleinkühlgerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Kapsel als auswechselbare Baueinheit ausgebildet ist.
4. Kleinkühlgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Kapsel aus einem schlecht wärmeleitenden Kunststoff besteht und gut dichtend in die Kühlgerätisolierung eingepaßt ist.
5. Kleinkühlgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Thermoelemente in einem Block aus Schaumkunststoff eingeschäumt sind und daß diese Blöcke in im voraus vorgesehene Aussparungen in der vorzugsweise ebenfalls aus Schaumkunststoff bestehenden Kühlgerätisolierung eingesetzt sind.
6. Kleinkühlgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Schaumstoffumhüllung ein Schaumkunststoff besonders hoher Dichte, z. B. auf Polystyrolbasis, verwendet ist, der zugleich als mechanisch fester Schutzüberzug für die Thermoelemente dient.
7. Kleinkühlgerät nach Anspruch 1 und einem der Unteransprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelemente sowohl auf der kalten als auch der warmen Seite mit Wärmeaustauschflächen verbunden sind und daß zu diesem Zweck in der Stirnwand der Kapsel und in ihrem äußeren Abschlußdeckel gut abgedichtete Öffnungen vorgesehen sind, durch welche wärmeleitende Verbindungsstücke zwischen Thermoelement und Wärmeaustauscher hindurchtreten. B.
Kleinkühlgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauscher mit den Verbindungsstücken lösbar verbunden, vorzugsweise verschraubt sind.
9. Kleinkühlgerät nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstücke zugleich die Anschlußstücke für die n- und p-leitenden Glieder des Thermoelementes bilden und aus gut wärmeleitendem Material (z. B. Kupfer) bestehen.
10. Kleinkühlgerät nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Verbindung der einzelnen. Thermoelemente ausschließlich auf der äußeren warmen Seite durch leicht lösbare Verbindungsglieder gebildet ist.
11. Kleinkühlgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Verbindungsglieder kurze Drähte mit angeschlossenen Lötösen bzw. leitende Bänder dienen, die zusammen mit den äußeren Wärmeaustauschflächen an die außen aus der Isolierung heraustretenden Anschlußstücke angeschraubt oder angelötet sind.
12. Kleinkühlgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Erzielung der erforderlichen Kälteleistung notwendige Zahl von Thermoelementen ringförmig nebeneinander und gegebenenfalls in mehreren Ebenen übereinander in der Isolierung so. angeordnet ist, daß jedes einzelne Element nach Lösen der mit ihm verbundenen Wärmeaustauschflächen und elektrischen Anschlüsse aus der Isolierung nach außen herausziehbar ist.
13. Kleinkühlgerät nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmeaustauschflächen Platten- bzw. Jalousiewärmeaustauscher an sich bekannter Art verwendet sind.
14. Kleinkühlgerät nach Anspruch 7 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die den einzelnen Thermoelementen zugeordneten Wärmeaustauscher gegebenenfalls elektrisch isoliert sind.
15. 'Kleinkühlgerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrische Isolation ein die Wärmeleitung praktisch nicht beeinträchtigender dünner Überzug aus einem Isolierlack bzw. eine Isolierfolie dient.
16. Kleinkühlgerät nach Anspruch 1 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Isolierung der inneren Wärmeaustauscher eine zugleich das Innengehäuse bzw. einen Teil derselben bildende Kunststoffolie dient und daß diese so ausgebildet ist, daß sie aus dem Gehäuse herausziehbar ist, um die Verbindung zwischen den Thermoelementen und ihren inneren Wärmeaustauschern zugänglich zu machen.
17. Kleinkühlgerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die das Innengehäuse bildende Kunststoffolie luftdurchlässig gestaltet ist (z. B. gelocht).
18. Kleinkühlgerät nach Anspruch 1 und 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstücke gegen die Wärmeaustauschflächen einen vergrößerten Querschnitt besitzen.
19. Kleinkühlgerät nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, da.ß die Anschlußstücke aus Rundstabmaterial bestehen, das lediglich im Bereich der Berührungsflächen mit den Thermoelementen abgeflacht ist.