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Kühlschrank mit thermoelektrischer Kälteerzeugung Die Erfindung bezieht
sich auf einen Kühlschrank mit- elektrothermischer Kälteerzeugung und ist in erster
Linie auf die Anordnung der n- und p-Elemente der Thermosäule in der Kühlschrankwandung
gerichtet.
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Die wirtschaftliche Ausnutzung des Peltier-Effektes zur Erzielung
einer für den Betrieb eines Kühlschrankes ausreichenden Kälteleistung hängt entscheidend
vom dem Aufwand an thermoelektrischem Material, d. h. von den Thermoelementen selbst
sowie vom Gesamtgewicht des »Kälteerzeugers« ab, der auch die als Kalt- und Warmflächen
erscheinenden Verbindungsstücke zwischen den n- und p-Elementen (Lötbrücken) sowie
die Anschlußstücke mit umfaßt. Auch die erforderlich werdenden wärmeübertragenden
Flächen -zur Wärmeaufnahme bzw. -abführung gehören dazu. Betrachtet man unter diesem
Gesichtspunkt die bisher bekannten Vorschläge für die Thermoelementenanordnung,
so muß man erkennen, daß die bestehenden Forderungen bei diesen nur sehr unvollkommen
erfüllt sind.
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So zeigt beispielsweise Fig. 1 eine bekannte ältere Anordnung, bei
der sich die n- und p-Elemente 1 quer durch die gesamte Stärke der Isolierwand 3
erstrecken, und die aus Kupfer oder Aluminium bestehenden Verbindungsstücke 2 überbrücken
mit ihrem vollen Querschnitt und vollkommen frei liegend den Abstand zwischen den
einzelnen Elementen. Hierbei ist der Aufwand an thermoelektrisch wirksamem Material
sehr hoch. Um diesen Aufwand herabzusetzen, ist eine verbesserte Anordnung vorgeschlagen,
die in Fig. 2 schematisch dargestellt ist und darin besteht, daß man einen Teil
der sehr teuren Thermoelemente durch Kupfer- oder Aluminiumblöcke ersetzt, d. h.
die Länge der Thermoelemente verringert und die restliche Länge bis zu den beiderseitigen
Wandflächen der Isolation 3 durch Kupferstücke 4 ergänzt. Diese Maßnahme bringt
zwar eine gewisse Verbilligung, aber keine nennenswerte Einsparung am Gesamtgewicht
des Kältererzeugers mit sich.
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Prüft man die Gründe für die Unvollkommenheit dieser und anderer bekannter
Vorschläge, so ergibt sich, daß bei einem Aufbau gemäß Fig. 1 und 2 wohl die elektrothermisch
bedingten Zweckmäßigkeiten, wie geeignete Wahl der Kontaktflächen sowie der Übergangs-
und Leitwiderstände, berücksichtigt sind, nicht aber auf die wärmetechnisch sich
bietenden Mögli'chkeiten geachtet wurde.
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Hier erscheint nämlich die Erkenntnis wichtig, daß bei Verwendung
geeigneter Stoffe, die nur der Wärmeleitung zu oder von den warmen und kalten Austauschflächen
dienenden Querschnitte erheblich geringer sein können als die zugleich oder allein
elektrothermisch beanspruchten Querschnitte. Ausgehend von dieser Erkenntnis wird
erfindungsgemäß vorgeschlagen, bei einem Kühlschrank mit elektrothermischer Kühlung
die Elemente der Thermosäule mit ihren Verbindungsstücken in an sich bekannter Weise
entsprechend der verlangten Leistung zu dimensionieren, die Verbindungen zwischen
beiderseits der Kühlschränkwandungen angeordneten Wärmeaustauschflächen und den
Verbindungsstücken zwischen den einzelnen- Elementen der Thermosäule dagegen als
lediglich nach der erforderlichen Wärmeleitung dimensionierte ' Brücken auszubilden.
- Der Querschnitt dieser Brücken ist abhängig von der Leistungsziffer-und ergibt
bei den derzeit erreichbaren Werten zumindest auf der kalten Seite erheblich geringere
Querschnitte gegenüber denen der Elemente und der Verbindungsstücke. Diese Brückenquerschnitte
sind außerdem, wie sich aus 'der Leistungsziffer ohne weiteres ergibt,- auf der
kalten und warmen Seite verschieden.
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Man kommt auf diese Weise zu Anordnungen, die gegenüber den bisher
bekannten ein beträchtlich geringeres Gewicht für den gesamten Kälteerzeuger und
außerdem einen besonders kleinen Aufwand an Elementen erreichen.
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Schematisch ist eine Anordnung gemäß der Erfindung in Fig.3 dargestellt.
Hier sind etwa in der Mittelebene einer Kühlschrankwand 3 die n- und p-Elemente
1, die mit A und B bezeichnet sind, mit ihren Verbindungsstücken 4
geradlinig aneinandergereiht, wie dies nach der verlangten Leistung notwendig und
in technologischer Hinsicht am einfachsten und günstigsten ist. Von den Verbindungsstücken
führen jetzt verhältnismäßig dünne Brücken 5 zu den kalten und warmen Austauschflächen
6.
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Setzt man nämlich je Element, dessen Kontaktfläche beispielsweise
1 cm2 betrage, als Leistung auf der kalten Seite rund 1 dieser Wert ist heute bereits
realisierbar - und entsprechend einer Leistungsziffer 0,3 auf der-warmen Seite eine
Wärmeabgabe
von 4,3 kcal/h an, so zeigen einfache Berechnungen,
daß zur Fortleitung dieser Wärmemengen über gut wärmeleitende Brücken, z. B. aus
Kupfer oder Aluminium, unter den in der Praxis üblichen Verhältnissen Querschnitte
von nur wenigen mm2 notwendig sind. Gegenüber der obenerwähnten Kontaktfläche von
1 cm2 können also die nur der Wärmeleitung dienenden Querschnitte um fast zwei Größenordnungen
kleiner gehalten werden. Damit ist klar erkennbar, daß die Anordnung gemäß Fig.
3 beträchtliche Vorteile aufweist.
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Bei der praktischen Auswertung dieser Erkenntnisse zeigt sich nun,
daß die Unterbringung der luftberührten Flächen für den Wärmeaustausch sowohl auf
der kalten als auch der warmen Seite, wenn die gedrängte Bauweise nach Fig. 3 beibehalten
werden soll, gewisse Schwierigkeiten bereitet, weil für einen kleinen Kühlschrank
etwa vierzig solcher Thermoelemente erforderlich sind. Die niedrigen Wärmeübergangszahlen
der Austauschflächen gegen stille Luft, die bei etwa 10 kcal/m2/h/° C liegen mögen,
verlangen z: B. auf der warmen Seite zur Abgabe von 4,3 kcal/h eine Fläche von 0,03
m2. Da es zweckmäßig ist, jedes Teilelement, dessen Länge nur etwa 1 cm beträgt,
möglichst zentrisch zu der ihnen zugeordneten Austauschfläche anzuordnen, ergibt
sich hieraus eine Ruftrennung der nach Fig. 3 geplanten Elementenkette, wie sie
in Fig. 4 dargestellt ist. Diese Figur gibt eine zweckmäßige Anordnung der Thermoelemente
und ihrer Wärmeaustauschflächen in den richtigen Größenverhältnissen wieder. Die
verschiedenen Teile sind mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet wie in den vorhergehenden
Figuren. Fig. 4 a zeigt ein Element mit seinen Anschlüssen in etwa natürlicher Größe.
Wesentlich bei dieser Anordnung ist, daß der Querschnitt der Austauschfläche selbst
als Strompfad zum nächsten Element dient. Obwohl die Fläche der Verbindungsstücke
gleich der der Elemente selbst ist, bedeutet eine anschließende Querschnittsverminderung
in den Austauschflächen in bezug auf die Kälteleistung keinen Nachteil, da erkannt
worden ist, daß in einem gewissen Abstand von der Lötfläche selbst der hierfür notwendige
Querschnitt nicht mehr erforderlich ist, vielmehr der für die Wärmeleitung erforderliche
Querschnitt maßgebend ist.
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Die Verbindungsbrücken zu den plattenförmigen Austauschflächen können
mit diesen ein einheitliches Ganzes bilden, beispielsweise als vom Plattenrand herausragende
Fahnen ausgebildet sein. Das durch die Ruftrennung der Elemente geschaffene Gebilde
aus Elementen, Brücken und Austauschflächen kann vor der Einbringung in den Kühlschrank
zusammengefügt werden. Am zweckmäßigsten dürfte es dabei sein, als Isolation einen
Schaumkunststoff zu verwenden und das gesamte System in diese Schaumstoffisolation
einzuschäumen.
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Eine wärmetechnisch noch bessere Anordnung der Elementenkette ergibt
sich, wenn man die Teilelemente in Richtung des Wärmeflusses in der Isolierwand
des Kühlschrankes anordnet, d. h. die warmen Kontaktstellen nahe an die warme Außenseite
der Schrankwand, die kalte Kontaktstelle zur kalten Innenwand hin legt. Da außerdem
die Wärmeaufnahme auf der kalten Seite gemäß der oben gemachten beispielsweisen
Annahme nur 1 kcal/h, die Abgabe zur warmen Seite hin aber 4,3 kcal/h beträgt, ist
es sowohl für die wirksamere Schrankisolation als auch hinsichtlich einer weiteren
Werkstoff- und damit Gewichtseinsparung günstig, das wärmere Ende jedes Teilelementes
nahe an die Außenwand zu legen, zweckmäßig derart, daß das auf dieser Seite gelegene
Verbindungsstück mit der äußeren Schrankwand abschneidet. Eine solche Anordnung
ist in Fig. 5 dargestellt.
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Während für die Austauschflächen auf der warmen Seite die obenerwähnten
Ausführungsformen mit Rippen bzw. in jalousieform zweckmäßig sind, erscheint auf
der kalten Seite die Anwendung ebener Blechtafeln vorteilhafter. Diese können zugleich
die Innenwand selbst bilden. In diesem Fall müssen sie aber zur Verminderung elektrischer
Kurzschlüsse infolge Berührung von im Kühlschrankinneren abgestellten metallischen
Gefäßen mit einem dünnen elektrischen Isolierüberzug, beispielsweise in Gestalt
einer Folie, versehen sein. Aber auch die warme Fläche muß mindestens durch einen
Lacküberzug elektrisch isoliert sein.
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Die vorstehend beschriebenen Anordnungen weisen gegenüber bekannten
Ausführungen von elektrothermischen Kühlschränken einen besonders sparsamen Aufwand
an n- und p-Elementen auf, sie bringen ferner eine erhebliche Gewichtsverminderung
des Kälteerzeugers mit sich. Weitere Vorteile werden erzielt durch die sinnvolle
Anordnung der Teilelemente innerhalb der Isolierung gegenüber den Wärmeaustauschern
hinsichtlich des Wärmeflusses sowie durch die haushaltgerechte Ausbildung der wärmeaufnehmenden
Flächen im Schrank.