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Tauchkühler mit thermoelektrischer Kühlung Diese Erfindung bezieht
sich auf Tauchkühler mit thermoelektrischer Kühlung, die als tragbares, leicht bewegliches
Kleinkühlgerät in ein Gefäß eingesetzt werden sollen, um eine darin befindliche
Flüssigkeit zu kühlen. Es sind bereits verschiedene Vorschläge für solche Geräte
gemacht und ähnliche Geräte, wie z. B. Kühlkissen, bekanntgeworden, bei denen die
Kühlwirkung mit Hilfe von Thermoelementen unter Ausnutzung des Peltiereffektes erzielt
wird, jedoch haben sich diese Vorschläge bisher nicht in die Praxis einführen lassen,
da entweder der Wirkungsgrad zu schlecht oder der technische Aufwand so hoch war,
daß ihre Herstellung unwirtschaftlich war. Die Hauptursache, die die praktische
Realisierung verhinderte, ist in der Schwierigkeit zu erblicken, die an den warmen
Lötstellen der Thermoelemente auftretende Wärme abzuführen. Man hat vorgeschlagen,
diese mittels einer Kühlflüssigkeit abzuführen, die zu diesem Zweck in einem Kreislaufsystem
entweder durch natürliche Konvektion oder unter Verwendung von Pumpen umläuft. Erstere
Maßnahme dürfte in vielen Fällen unzureichend sein, da in dem äußeren Teil des Kreislaufs
nicht genügend Wärme abgegeben werden kann, letztere erhöht wieder den Aufwand für
ein derartiges Gerät, das ja möglichst billig sein soll, in untragbarer Weise.
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Es ist auch eine thermoelektrisch betriebene Anlage zur Kühlung bzw.
Heizung von Wasser bekannt, bei denen die an den warmen Lötstellen einer Thermoelementenbatterie
auftretende Wärme durch ein wärmeübertragendes Medium an die kalten Lötstellen einer
zweiten Thermoelementenbatterie weitergegeben wird. Diese Anordnung stellt eine
Kaskadenschaltung zur Erhöhung der Heizleistung der Anlage dar. Die bekannte Anordnung
ist schon auf Grund ihres konstruktiven Aufbaus als tragbares, leicht bewegliches
Tauchkühlgerät nicht anwendbar.
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Ein bekanntes Tauchkühlgerät zur Kühlung einer Flüssigkeit unter Ausnutzung
des Peltiereffektes besteht darin, daß in einem Gefäß die zu Gruppen zusammengefaßten
Thermoelemente verschiedene Länge besitzen, wobei die warmen Lötstellen sämtlicher
Thermoelemente in gleicher Höhe in einem eine Kühlflüssigkeit enthaltenden Behälter
liegen, während durch unterschiedliche Länge der Thermoelemente die kalten Lötstellen
in verschiedenen Ebenen liegen, was bewirken soll, daß die kalten Lötstellen der
kürzeren Elemente jeweils die Joulesche Wärme der längeren Elemente kompensieren
sollen. Dabei können nur die kalten Lötstellen der längsten Elemente durch Eintauchen
in einen Flüssigkeitsbehälter zur Kühlung der darin befindlichen Flüssigkeit ausgenutzt
werden. Diese bekannte Anordnung ist äußerst aufwendig und unwirtschaftlich. Als
tragbares, leicht bewegliches Kleinkühlgerät, das in ein beliebiges Flüssigkeitsgefäß
eingetaucht werden kann, ist diese bekannte Anordnung nicht brauchbar.
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Durch die Erfindung soll nun ein Tauchkühlgerät geschaffen werden,
das klein und handlich ist, jederzeit zur Kühlung einer Flüssigkeit in ein beliebiges
Gefäß eingetaucht werden kann, und bei dem für eine ausreichende Abfuhr der aus
der Flüssigkeit aufgenommenen Wärme Sorge getragen ist. Der Erfindung ist dabei
das an sich bekannte Prinzip der Abführung der aufgenommenen Wärme durch ein wärmetragendes
Medium zugrunde gelegt.
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Der Tauchkühler gemäß der Erfindung ist gekennzeichnet durch zwei
getrennte, je mit einer Anzahl von Thermoelementen bestückte und miteinander durch
Rohrleitungen verbundene Gefäße oder Behälter, von denen der erste so ausgebildet
ist, daß er in das zu kühlende Gut, insbesondere eine Flüssigkeit eingetaucht werden
kann, um dieser Wärme zu entziehen, wobei zur Abführung der aufgenommenen Wärme
in an sich bekannter Weise ein wärmetragendes Medium dient, das in einem durch die
Rohrleitungen und die beiden Gefäße gebildeten geschlossenen Kreislaufsystem die
Wärme in das zweite außerhalb des zu kühlenden Gutes angeordnete Gefäß und in diesem
an die kalten Lötstellen der in ihm enthaltenen Thermoelemente abgibt, worauf das
abgekühlte Medium auf Grund der Thermosyphonwirkung in das erste Gefäß zurückfließt.
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Im Gegensatz zu der erwähnten bekannten Anordnung, bei welcher das
wärmetragende Medium innerhalb des gleichen Gefäßes von den warmen Lötstellen einer
ersten Thermoelementengruppe auf die kalten Lötstellen einer zweiten Thermoelementengruppe
übertragen wird, um eine Kaskadenschaltung von Thermoelementen zu bilden, wird es
bei der Erfindung dazu benutzt, in einem zweiten, vom ersten getrennten Gefäß durch
eine zweite Thermoelementengruppe
rückgekühlt zu werden, worauf
es in das erste Gefäß auf Grund der Thermosyphonwirkung zurückfließt, um dort erneut
Wärme aufzunehmen.
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Durch die Aufteilung des Tauchkühlgerätes in zwei getrennte Gefäße,
die lediglich durch Schlauch- oder Rohrleitungen zur Bildung eines geschlossenen
Kreislaufes für das wärmetragende Medium miteinander verbunden sind, wird ein konstruktiv
einfacher, übersichtlicher Aufbau erzielt, für dessen Betrieb, abgesehen von einer
Füllmöglichkeit für das wärmetragende Medium, lediglich die elektrischen Anschlüsse
benötigt werden. Es ist also leicht beweglich, kann sehr klein und handlich gestaltet
werden und ist auf diese Weise außerordentlich vielseitig anwendbar. Durch die Aufteilung
in die zwei Gefäße, von denen das zweite durch die Anwendung einer zweiten Thermoelementengruppe
lediglich zur Erhöhung der Wärmeabfuhr dient, wird ein Tauchkühlgerät geschaffen,
das gegenüber den bekannten Geräten dieser Art bei vermindertem Aufwand einen wesentlich
besseren Wirkungsgrad erzielt.
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Zweckmäßig ist dieses Kleinkühlgerät so aufgebaut, daß in dem ersten,
wärmeisolierten, in das zu kühlende Gut einsetzbaren Behälter eine Anzahl von Thermoelementen
eingesetzt ist, deren kalte Lötstellen mit aus dem Behälter heraustretenden Wärmeaustauschern
und dessen warme Lötstellen mit rohrförmigen, das Kühlmedium führenden Wärmeleitkörpern
verbunden sind, die gegenüber den kalten Wärmeaustauschern wärmeisoliert sind, und
daß dieser Behälter mit dem zweiten, nicht mit dem zu kühlenden Gut in Verbindung
stehenden Behälter über das Kühlmedium führende Rohr- oder Schlauchleitungen verbunden
ist, wobei dieser zweite Behälter ebenfalls eine Anzahl von Thermoelementen enthält,
deren den kalten Lötstellen zugeordnete Wärmeaustauscher in wärmeleitender Verbindung
mit dem Kühlmedium stehen, während die deren warmen Lötstellen zugeordneten Wärmeaustauscher
mit aus dem Behälter in die Umgebungsluft heraustretenden Kühlrippen od. dgl. ausgerüstet
sind.
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Dieser zweite Behälter ist zweckmäßig in seinem Inneren durch die
Thermoelementanordnung in zwei übereinanderliegende Abteile unterteilt, in deren
oberes das erwärmte Kühlmedium geleitet wird. Diese beiden Abteile sind untereinander
durch senkrechte Kanäle in einem oder mehreren den kalten Lötstellen der Thermoelemente
zugeordneten Wärmeaustauschkörpern verbunden, an deren kalten Wänden sich das Kühlmedium
beim Durchfluß abkühlt. Das abgekühlte Kühlmedium wird dann aus dem unteren Abteil
zu dem ersten Behälter zurückgeführt. Auch dieser zweite Behälter ist vorteilhaft
mit einer Wärmeisolierung versehen, die zumindest die warmen Wärmeaustauscher gegenüber
den kalten und die Behälterwand im Bereich des unteren Abteils isoliert. Als Wärmeisolationsmaterial
sind vor allem die an sich in der modernen Kältetechnik bereits verbreitet verwendeten
Schaumkunststoffe geeignet, die als vorgeformte Körper in die Behälter eingesetzt
oder in ihnen selbst erzeugt werden können.
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In den Figuren ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Flüssigkeitskühler
dargestellt, der im folgenden näher beschrieben werden soll. Die Erfindung ist jedoch
nicht nur auf einen Flüssigkeitskühler, sondern auch auf ähnliche kleine, insbesondere
leicht ortsveränderliche, elektrothermisch betriebene Kühlgeräte entsprechenden
Aufbaus, d. h. mit einem in zu kühlendes Gut einsetzbaren Kühlbehälter und einem
davon getrennten Behälter zur Rückkühlung eines die Wärme vom ersten Behälter abführenden
Mediums, anwendbar.
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F i g. 1 zeigt die gesamte Einrichtung in Ansicht. Es ist dabei angenommen,
daß sie von einem nur angedeuteten Stativ 3 gehalten wird. Der wärmeaufnehmende
Teil 1 ist in die in einem Behälter, z. B. einem Glas 4, befindliche zu kühlende
Flüssigkeit 5 eingetaucht, der wärmeabgebende Teil 2 ist rechts oben dargestellt.
Beide Teile sind miteinander durch ein rohrförmiges Teil 6 verbunden, welches die
Hin-und Rückleitung für das Kühlmedium sowie gegebenenfalls auch die elektrischen
Anschlußleitungen enthält. Diese Rohrleitungen u. dgl. sind in beide kolbenartigen
Behälter an deren Hals dicht eingeführt. Die für den Betrieb der Thermoelemente
erforderliche Stromversorgungseinrichtung ist nicht dargestellt.
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F i g. 2 und 3 sind Darstellungen des wärmeabgebenden Teiles, und
zwar F i g. 2 im Querschnitt längs der in F i g. 3 eingezeichneten Schnittlinie
II-II. F i g. 3 zeigt diesen Teil von der Seite, teilweise im Schnitt, und zwar
einmal längs der Schnittlinie AB
und außerdem längs der Linie CD in
F i g. 2.
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Die F i g. 4, 5 und 6 zeigen den wärmeaufnehmenden Teil des Gerätes
in verschiedenen Schnitten. F i g. 4 ist ein Längsschnitt längs der Linie IV-IV
in F i g. 6, F i g. 5 ist ein Längsschnitt entsprechend der Schnittlinie V-V in
F i g. 6, und F i g. 6 ist ein Querschnitt in der in F i g. 4 eingezeichneten Ebene
VI-VI.
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Der in den F i g. 2 und 3 dargestellte wärmeabgebende Teil des Gerätes
besteht aus einem kolbenartigen Behälter 2 ovalen Querschnitts, dessen Wandung aus
Metall oder einem geeigneten Kunststoff besteht. Diese Wandung umgibt einen Formkörper
7 aus wärmeisolierendem Material, insbesondere Schaumkunststoff, der zwei übereinanderliegende
horizontale Kanäle 8, 9 für das umlaufende Kühlmedium aufweist. Das warme Kühlmedium
tritt durch die Leitung 16 in den oberen Kanal 8 ein. In die zwischen den beiden
Kanälen vorhandene Trennwand 10 ist eine Reihe von Thermoelementen 11 in solcher
Anordnung eingesetzt, daß die den warmen Lötstellen dieser Thermoelemente zugeordneten
Wärmeaustauscher 12 seitlich außen in einem Wandausschnitt liegen und mit Kühlrippen
13 in die freie Umgebungsluft ragen. Die innenliegenden kalten Lötstellen sind mit
Wärmeaustauschkörpern 14 verbunden, die mehrere parallele, senkrechte, den oberen
und den unteren Kanal verbindende Bohrungen 15 aufweisen. Die Thermoelemente liegen
in zwei horizontalen Reihen beiderseits dieser die Wärme von dem warmen Kühlmedium
bei dessen Durchfluß durch die Bohrungen aufnehmenden Wärmeaustauschkörper. Zweckmäßig
wird nur ein einziger Wärmeaustauschkörper für alle Thermoelemente gemeinsam verwendet,
der dann nur in an sich bekannter Weise elektrisch gegenüber diesen isoliert sein
muß. Im unteren Kanal 9 befindet sich dann das abgekühlte Kühlmedium, das von dort
über die Leitung 17 zum wärmeaufnehmenden Teil l zurückfließt. Die kalten und die
warmen Wärmeaustauschkörper sind gegeneinander durch die Wärmeisolation 7 des Behälters
wärmeisoliert. Um die Wärmeabgabe zu unterstützen, kann in bestimmten Fällen der
Isolierkörper auch so ausgebildet sein, daß der obere Kanal gegenüber der Behälterwandung
nicht isoliert ist. Dies hängt natürlich von den Betriebstemperaturen und der Temperatur
der
Umgebungsluft bzw. des Mediums, an das die Wärme abgegeben wird, ab.
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Der wärmeaufnehmende Teil des Gerätes (F i g. 4 bis 6) ist folgendermaßen
aufgebaut: Er besteht ebenfalls aus einem kolbenartigen Behälter 1, dessen Wandung
zum Teil von einem gut wärmeleitenden Wärmeaustauschkörper 18 mit durch Rippen 19
vergrößerter Oberfläche gebildet wird. Dieser Wärmeaustauschkörper ist gut wärmeleitend,
jedoch elektrisch isoliert mit den kalten Lötstellen einer Reihe übereinander im
Behälterinneren angeordneter Thermoelemente 20 verbunden. Diese sind in bekannter
Weise und ähnlich wie in dem wärmeabgebenden Teil des Gerätes über Verbindungsstücke
21 aus Kupfer elektrisch in Reihe geschaltet, wobei das erste und das letzte Verbindungsstück
als Anschlußstücke für die elektrischen Leitungen 22, 23 ausgebildet sind. Die den
warmen Lötstellen zugeordneten Verbindungsstücke sind gut wärmeleitend, jedoch elektrisch
isoliert mit einem Wärmeleitkörper 24 verbunden, der eine senkrechte Bohrung 25
aufweist. Die zwischen den Thermoelementen und ihren Wärmeaustauschkörpern befindlichen
Hohlräume in dem Behälter 1 sind wieder mit einer Wärmeisolation 7, vorzugsweise
in Gestalt eines Schaumkunststoffkörpers, ausgefüllt. In diesem sind jedoch zwei
Kanäle 26 und 27 ausgespart, über welche die Bohrung 25 oben und unten an die durch
das Verbindungsstück 6 geführten Leitungen angeschlossen ist. Dabei ist der Kanal
26 an das obere Ende der Bohrung 25 geführt, von welchem die an dem warmen Wärmeleitkörper
24 entstandene und auf das Kühlmedium übertragene Wärme abgeführt wird, während
der Kanal 27 seitlich neben der Thermoelementenanordnung vorbei nach unten
an das untere Ende der Bohrung 25 geführt ist und dieser das in dem zweiten äußeren
Behälter 2 rückgekühlte Kühlmedium zuleitet. Die elektrischen Anschlußleitungen
28, 29 sind ebenfalls durch die Wärmeisolierung hindurch an die bereits erwähnten
Anschlußstücke 22, 23 geführt, mit denen sie in bekannter Weise verbunden sind.
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Die Wärmeisolation 7 umgibt auch innerhalb der Peltierelementenreihe
deren einzelne Elemente und Verbindungsglieder, sie ist dort der Deutlichkeit halber
in der Zeichnung weggelassen.
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Der Zusammenbau des gesamten Gerätes kann beispielsweise wie folgt
durchgeführt werden: Die fertig vorbereiteten Thermoelementleisten werden zunächst
mit den Wärmeleitkörpern verbunden, vorzugsweise durch einen elektrisch isolierenden
Klebelack. Dann werden die Leitungen für das Kühlmedium und die elektrischen Zuleitungen
angeschlossen und diese Teile im zusammengebauten Zustand in eine Schäumform eingelegt
und mit Schaumstoff umschäumt. Dabei wird zweckmäßig Polystyrol- oder Polyurethanschaum
verwendet.
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Der so gebildete Schaumstofformkörper kann dann eine die Behälterwandung
bildende Umhüllung erhalten, die beispielsweise von einem Kunststoffschrumpfschlauch
gebildet wird oder durch Spachteln mit geeigneten Spachtelmitteln und Auftragen
einer glasfaserverstärkten Polyesterharzschicht erzeugt wird. Bei Verwendung von
Polyurethanschaum ergibt sich eine besonders vorteilhafte Lösung dadurch, daß man
von vornherein in der Schäumform ein Vlies aus synthetischem Fasermaterial einlegt,
das dann beim Schäumen mit dem Harz eine harte Oberflächenschicht auf dem Schaumstoffkörper
bildet. Die Rippen der Wärmeleitkörper müssen bei der Fertigung des Gerätes vom
Schaumstoff und von der Umhüllung freigehalten werden. Diese Bedingung bietet zugleich
den Vorteil, daß für den Schaumvorgang diese Rippen als Halterungen für die einzuschäumenden
Teile benutzt werden können. Die Abstützung einzelner Teile der beiden Geräteteile
kann auch durch Einlegen geeigneter Schaumstoffplatten oder -körper entsprechender
Gestaltung erfolgen.
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Die Befestigung des Gerätes in der Gebrauchslage kann je nach dem
Anwendungsfall verschieden sein. Bei dem gezeigten Beispiel ist an eine Anwendung
des Kühlgerätes in einem Laboratorium gedacht, und die Befestigung erfolgt mit Hilfe
eines der dort üblichen Stative, wobei das Verbindungsstück zwischen beiden Geräteteilen
als starrer rohrförmiger Körper ausgebildet ist.
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Die Wärmeabfuhr aus dem Behälter 2 an das umgebende Medium - hier
an die Umgebungsluft -kann gegebenenfalls durch Anwendung eines Ventilators od.
dgl. verbessert werden, der einen Kaltluftstrom über die Kühlrippen bläst, es ist
aber auch möglich, den ganzen Behälter mit seinen Kühlrippen mit einer Kühlflüssigkeit
zu überrieseln oder zu überbrausen. Auch kann selbstverständlich die Wärmeabfuhr
an ein anderes Medium als die Umgebungsluft erfolgen.