DE102019210190B4 - THERMOELECTRIC COOLING UNIT - Google Patents
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Abstract
Thermoelektrische Kühleinheit (1) für einen Kühlschrank (100) umfassend ein Peltierelement (9), das während des Betriebs eine kalte Seite (9a) und eine heiße Seite (9b) aufweist, wobei die kalte Seite (9a) des Peltierelements (9) zum Wärmeaustausch mit dem Inneren des Kühlschranks (100) und die heiße Seite (9b) des Peltierelements (9) zum Wärmeaustausch mit der Umgebung bestimmt ist, die thermoelektrische Kühleinheit (1) umfasst ferner eine Wärmesenke (8), die thermisch mit der kalten Seite (9a) des Peltierelements (9) gekoppelt ist, um den Wärmeaustausch mit dem Inneren des Kühlschranks (100) zu erhöhen,wobei die thermoelektrische Kühleinheit (1) ferner einen Boiler (2) und ein Wärmerohr (7) umfasst, die thermisch mit der heißen Seite (9b) des Peltierelements (9) gekoppelt sind, um den Wärmeaustausch mit der Umgebung zu erhöhen, wobei der Boiler (2) mit der heißen Seite (9b) des Peltierelements (9) verbunden ist, der Boiler (2) einen Auslassanschluss (4) und einen Rücklaufanschluss (5) aufweist, und das Wärmerohr (7) den Auslassanschluss (4) mit dem Rücklaufanschluss (5) verbindet und so einen geschlossenen Kreislauf bildet,wobei der Boiler (2) eine erste Seitenwand (2c) aufweist, von der mindestens ein Teil mit dem Peltierelement (9) in Kontakt steht und der Boiler (2) so ausgelegt ist, dass im montierten Zustand und gefüllt mit einem flüssigen Kältemittel das flüssige Kältemittel innerhalb des Boilers (2) den gesamten Teil der ersten Seitenwand (2c) bedeckt, der mit dem Peltierelement (9) in Kontakt stehtund wobei der Boiler (2) so ausgelegt ist, dass der Boiler (2) nur teilweise mit dem flüssigen Kältemittel gefüllt werden kann,dadurch gekennzeichnet, dassder Boiler (2) quaderförmig ist und im montierten Zustand sowohl das Peltierelement (9) als auch die erste Seitenwand (2c) überwiegend flach und in einer von einer vertikalen Ebene um 1° bis 3° geneigten Ebene angeordnet sind, so dass das Peltierelement (9) und die erste Seitenwand (2c) oben zum Kühlschrank (100) hin gekippt sind.Thermoelectric cooling unit (1) for a refrigerator (100) comprising a Peltier element (9) having a cold side (9a) and a hot side (9b) during operation, the cold side (9a) of the Peltier element (9) for Heat exchange with the interior of the refrigerator (100) and the hot side (9b) of the Peltier element (9) is intended for heat exchange with the environment, the thermoelectric cooling unit (1) further comprises a heat sink (8) which is thermally connected to the cold side ( 9a) of the Peltier element (9) to increase heat exchange with the interior of the refrigerator (100), the thermoelectric cooling unit (1) further comprising a boiler (2) and a heat pipe (7) thermally connected to the hot Side (9b) of the Peltier element (9) are coupled to increase the heat exchange with the environment, the boiler (2) being connected to the hot side (9b) of the Peltier element (9), the boiler (2) having an outlet connection ( 4) and a return connection (5 ) and the heat pipe (7) connects the outlet port (4) to the return port (5), thus forming a closed circuit, the boiler (2) having a first side wall (2c), at least a part of which is covered with the Peltier element (9) is in contact and the boiler (2) is designed in such a way that when assembled and filled with a liquid refrigerant, the liquid refrigerant inside the boiler (2) covers the entire part of the first side wall (2c) that is connected to the Peltier element (9) is in contact and the boiler (2) is designed in such a way that the boiler (2) can only be partially filled with the liquid refrigerant, characterized in that the boiler (2) is cuboid and in the assembled state both the Peltier element ( 9) as well as the first side wall (2c) are mainly flat and arranged in a plane inclined by 1° to 3° from a vertical plane, so that the Peltier element (9) and the first side wall (2c) face the refrigerator (10th 0) are tilted.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine thermoelektrische Kühleinheit für einen Kühlschrank, wie zum Beispiel eine Minibar, und einen Kühlschrank mit einer solchen thermoelektrischen Kühleinheit.The present invention relates to a thermoelectric cooling unit for a refrigerator such as a minibar, and a refrigerator having such a thermoelectric cooling unit.
Kühlschränke sind in der Regel mit einem Kühlaggregat vom Kompressor-Typ ausgestattet. Darin läuft ein Kältemittelkreislauf vom Inneren des Kühlschranks nach außen und wieder zurück und leitet so die Wärmeenergie vom Inneren des Kühlschranks nach außen ab. Das jeweilige Funktionsprinzip ist wohlbekannt und die kompressormäßige Kühleinheit hat mehrere Nachteile. Da der Kältemittelkreislauf auch durch das Innere des Kühlschranks verläuft, wo er verdampft, kann es zu Schäden am Verdampfer kommen, insbesondere beim Abtauen des Verdampfers, und Kältemittel kann im Inneren des Kühlschranks austreten. Darüber hinaus macht der Kompressor Geräusche, die störend sein können, insbesondere in Hotelzimmern, die mit einem Kühlschrank in Form einer Minibar ausgestattet sind.Refrigerators are usually equipped with a compressor-type refrigeration unit. In it, a refrigerant circuit runs from the inside of the refrigerator to the outside and back again, thus dissipating the heat energy from the inside of the refrigerator to the outside. The respective operating principle is well known and the compressor type refrigeration unit has several disadvantages. Because the refrigerant circuit also passes through the inside of the refrigerator, where it evaporates, damage to the evaporator can occur, especially when the evaporator is defrosted, and refrigerant can leak inside the refrigerator. In addition, the compressor makes noise that can be annoying, especially in hotel rooms equipped with a minibar-style refrigerator.
Eine weitere Art der Kühlung basiert auf dem thermoelektrischen Effekt, genauer gesagt dem Peltiereffekt. Der Peltier-Effekt basiert auf dem Kontakt von zwei Halbleitern, die ein unterschiedliches Energieniveau (entweder p oder n leitend) der Leitungsbänder aufweisen. Wird ein Strom durch zwei aufeinanderfolgende Kontaktstellen dieser Materialien geleitet, muss an einer Kontaktstelle thermische Energie absorbiert werden, damit das Elektron das energetisch höhere Leitungsband des benachbarten Halbleitermaterials erreichen kann, was zu einer Abkühlung führt. An der anderen Kontaktstelle fällt das Elektron von einem höheren auf ein niedrigeres Energieniveau, so dass hier Energie in Form von Wärme abgegeben wird.Another type of cooling is based on the thermoelectric effect, more precisely the Peltier effect. The Peltier effect is based on the contact of two semiconductors that have different energy levels (either p-type or n-type) of the conduction bands. If a current is passed through two consecutive contact points of these materials, thermal energy must be absorbed at one contact point so that the electron can reach the energetically higher conduction band of the neighboring semiconductor material, which leads to cooling. At the other contact point, the electron falls from a higher to a lower energy level, so that energy is released here in the form of heat.
Da n-dotierte Halbleiter ein geringeres Energieniveau des Leitungsbandes aufweisen, findet eine Abkühlung an dem Punkt statt, an dem Elektronen vom n-dotierten zum p-dotierten Halbleiter gelangen (technischer Stromfluss vom p-dotierten zum n-dotierten Halbleiter).Since n-doped semiconductors have a lower energy level of the conduction band, cooling takes place at the point where electrons pass from the n-doped to the p-doped semiconductor (technical current flow from the p-doped to the n-doped semiconductor).
Ein Peltierelement besteht im Wesentlichen aus zwei oder mehreren kleinen Blöcken aus p- und n-dotiertem Halbleitermaterial, z.B. Wismuttellurid und Siliziumgermanium, die oben und unten durch Metallbrücken wechselseitig verbunden sind. Die Metallbrücken bilden auch die Wärmekontaktflächen und sind durch eine darüberliegende Folie oder Keramikplatte elektrisch isoliert. Immer zwei verschiedene Quader sind so miteinander verbunden, dass sie eine Reihenschaltung bilden. Der zugeführte elektrische Strom fließt nacheinander durch alle Quader. Abhängig von der Stromstärke und -richtung kühlen die oberen Verbindungen ab, während sich die unteren aufwärmen. Der Strom pumpt also Wärme von einer Seite zur anderen und erzeugt eine Temperaturdifferenz zwischen den Platten.A Peltier element essentially consists of two or more small blocks of p- and n-doped semiconductor material, e.g. bismuth telluride and silicon germanium, which are mutually connected at the top and bottom by metal bridges. The metal bridges also form the thermal contact surfaces and are electrically insulated by an overlying foil or ceramic plate. Two different cuboids are always connected with each other in such a way that they form a series connection. The electrical current supplied flows through all the cuboids one after the other. Depending on the magnitude and direction of the current, the top connections cool down while the bottom ones heat up. So the current pumps heat from one side to the other, creating a temperature difference between the plates.
Eine gängige Form von Peltierelementen besteht aus zwei meist quadratischen Platten aus Aluminiumoxidkeramik mit einer Kantenlänge von 20 mm bis 90 mm und einem Abstand von 3 mm bis 5 mm, zwischen denen die Halbleiterblöcke verlötet werden. Zu diesem Zweck werden die Keramikoberflächen auf ihren Deckflächen mit lötbaren Metalloberflächen versehen.A common form of Peltier elements consists of two mostly square plates made of aluminum oxide ceramic with an edge length of 20 mm to 90 mm and a distance of 3 mm to 5 mm between which the semiconductor blocks are soldered. For this purpose, the ceramic surfaces are provided with solderable metal surfaces on their top surfaces.
Wird die heiße Seite gekühlt, z.B. durch einen Kühlkörper mit Lüfter, wird die kalte Seite noch kälter. Die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Seiten kann je nach Element und Strom bis zu ca. 70 Kelvin betragen.If the hot side is cooled, e.g. by a heat sink with a fan, the cold side becomes even colder. Depending on the element and the current, the temperature difference between the two sides can be up to approx. 70 Kelvin.
Eine entsprechende thermoelektrische Kühleinheit für ein Kühlgerät ist beispielsweise in der
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit diesem Thema und zielt darauf ab, eine Kühleinheit für Kühlschränke, wie zum Beispiel eine Minibar, ohne die oben genannten Nachteile bereitzustellen.The present invention addresses this issue and aims to provide a refrigeration unit for refrigerators, such as a minibar, without the disadvantages mentioned above.
Zur Lösung der Aufgabe sieht die vorliegende Erfindung eine thermoelektrische Kühleinheit für einen Kühlschrank mit einem Peltierelement vor, das während des Betriebs eine kalte Seite und eine heiße Seite aufweist. Die kalte Seite des Peltierelements ist für den Wärmeaustausch mit dem Inneren des Kühlschranks bestimmt. Die heiße Seite des Peltierelements ist für den Wärmeaustausch mit der Umgebung bestimmt. Die thermoelektrische Kühleinheit umfasst ferner eine Wärmesenke, die thermisch mit der kalten Seite des Peltierelements gekoppelt ist, um den Wärmeaustausch mit dem Inneren des Kühlschranks zu erhöhen.In order to achieve the object, the present invention provides a thermoelectric cooling unit for a refrigerator with a Peltier element, which has a cold side and a hot side during operation. The cold side of the Peltier element is intended for heat exchange with the inside of the refrigerator. The hot side of the Peltier element is intended for heat exchange with the environment. The thermoelectric cooling unit further includes a heat sink thermally coupled to the cold side of the Peltier element to increase heat exchange with the interior of the refrigerator.
Nach der Erfindung verfügt die thermoelektrische Kühleinheit weiterhin über einen Boiler und ein Wärmerohr. Der Boiler und das Wärmerohr sind thermisch mit der heißen Seite des Peltierelements gekoppelt, um den Wärmeaustausch mit der Umgebung zu erhöhen, wobei der Boiler mit der heißen Seite des Peltierelements verbunden ist. Der Boiler verfügt über einen Auslassanschluss und einen Rücklaufanschluss. Das Wärmerohr verbindet den Auslassanschluss mit dem Rücklaufanschluss und bildet so einen geschlossenen Kreislauf.According to the invention, the thermoelectric cooling unit also has a boiler and a heat pipe. The boiler and the heat pipe are thermally coupled to the hot side of the Peltier element to increase the heat exchange with the surroundings, the boiler being connected to the hot side of the Peltier element. The boiler has an outlet connection and a return connection. The heat pipe connects the outlet port to the return port, forming a closed loop.
Thermoelektrische Kühleinheiten für Kühlschränke gemäß dem vorstehenden Oberbegriff der vorliegenden Erfindung sind beispielsweise aus der
Erfindungsgemäß weist der Boiler eine erste Seitenwand auf, von der mindestens ein Teil mit dem Peltierelement in Kontakt steht, und der Boiler ist so ausgelegt, dass im montierten Zustand und gefüllt mit einem flüssigen Kältemittel das flüssige Kältemittel innerhalb des Boilers den gesamten Teil der ersten Seitenwand bedeckt, die mit dem Peltierelement in Kontakt steht. Der Begriff „gefüllt“ soll in diesem Zusammenhang nichts über den Grad der Befüllung aussagen. Wenn das flüssige Kältemittel die Innenfläche der ersten Seitenwand zumindest in dem Bereich bedeckt, in dem die gegenüberliegende Außenfläche der ersten Seitenwand mit der heißen Seite des Peltierelements in Kontakt steht, wird die Kühleffizienz der heißen Seite des Peltierelements erhöht. Die Begriffe „innen“ und „außen“ beziehen sich auf die Innenseite und die Außenseite des Boilers.According to the invention, the boiler has a first side wall, at least part of which is in contact with the Peltier element, and the boiler is designed such that when assembled and filled with a liquid refrigerant, the liquid refrigerant inside the boiler covers the entire part of the first side wall covered, which is in contact with the Peltier element. In this context, the term "filled" is not intended to say anything about the degree of filling. When the liquid refrigerant covers the inner surface of the first side wall at least in the area where the opposite outer surface of the first side wall is in contact with the hot side of the Peltier element, the cooling efficiency of the hot side of the Peltier element is increased. The terms "inside" and "outside" refer to the inside and outside of the boiler.
Erfindungsgemäß ist der Boiler darüber hinaus so ausgelegt, dass der Boiler nur teilweise mit dem flüssigen Kältemittel gefüllt werden kann. Dadurch wird sichergestellt, dass sich im Inneren des Boilers eine Gasschicht oberhalb des Flüssigkeitsniveaus befindet, die verhindert, dass die Flüssigkeit während des Kochens in die Heatpipe gepresst wird.According to the invention, the boiler is also designed in such a way that the boiler can only be partially filled with the liquid refrigerant. This ensures that there is a gas layer above the liquid level inside the boiler, which prevents the liquid from being forced into the heat pipe during boiling.
Erfindungsgemäß ist der Boiler quaderförmig und im montierten Zustand sind sowohl das Peltierelement als auch die erste Seitenwand überwiegend flach und in einer von einer vertikalen Ebene um 1° bis 3° geneigten Ebene angeordnet, so dass das Peltierelement und die erste Seitenwand oben zum Kühlschrank hin gekippt sind. In dieser Konfiguration wird der Bereich der ersten Seitenwand, der mit der heißen Seite des Peltierelements in Kontakt steht, vollständig vom flüssigen Kältemittel bedeckt und das siedende Kältemittel und die Dampfblasen können nach oben und entlang der geneigten Oberseite des Boilers von der ersten Seitenwand weg in die Dampfzone über dem Flüssigkeitspegel, wo sich der Auslassanschluss befindet, fließen. Diese Konfiguration sorgt für eine effiziente Konvektion des flüssigen Kältemittels im Boiler.According to the invention, the boiler is cuboid and when assembled, both the Peltier element and the first side wall are predominantly flat and arranged in a plane inclined by 1° to 3° from a vertical plane, so that the Peltier element and the first side wall are tilted up towards the refrigerator are. In this configuration, the area of the first side wall that is in contact with the hot side of the Peltier element is completely covered by the liquid refrigerant and the boiling refrigerant and vapor bubbles can escape up and along the sloping top of the boiler away from the first side wall into the vapor zone above the liquid level where the outlet port is located. This configuration ensures efficient convection of the liquid refrigerant in the boiler.
Der zentrale Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft somit die Kühlung der heißen Seite des Peltierelements mit dem Wärmerohrprinzip, das als solches für die Bereitstellung hochwirksamer Wärmeleiter bekannt ist.The central aspect of the present invention thus relates to the cooling of the hot side of the Peltier element using the heat pipe principle, which is known as such for the provision of highly effective heat conductors.
Das Funktionsprinzip der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein flüssiges Kältemittel im Inneren des Boilers aufgrund der Wärmeenergie, die von der heißen Seite des Peltierelements bereitgestellt wird, zu kochen beginnt. Das Kältemittel verdampft und das Evaporat oder der Dampf strömt durch das Wärmerohr, kondensiert innerhalb des Wärmerohres wieder zu Flüssigkeit, wodurch die Wärmeenergie an die Umgebung abgegeben wird, und fließt zurück in den Boiler.The working principle of the present invention is that a liquid refrigerant starts to boil inside the boiler due to thermal energy provided by the hot side of the Peltier element. The refrigerant vaporizes and the evaporate or vapor passes through the heat pipe, condenses back into liquid within the heat pipe, releasing the thermal energy to the surroundings, and flows back into the boiler.
Somit stellt der Boiler zusammen mit dem Wärmerohr eine Form einer Wärmesenke dar, die mit der heißen Seite des Peltierelements gekoppelt ist.Thus, together with the heat pipe, the boiler represents a form of heat sink coupled to the hot side of the Peltier element.
Wie bereits erwähnt, funktioniert der Wärmesenke an der kalten Seite des Peltierelements jedoch umgekehrt. Gemäß dem strengen Sinn des Begriffs „Wärmesenke“ stellt die „Wärmesenke“, wie sie im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet wird, also eine Wärmesenke für das Innere des Kühlschranks dar, die die Wärme von dort auf die kalte Seite des Peltierelements weiterleitet.However, as already mentioned, the heat sink on the cold side of the Peltier element works in reverse. According to the strict sense of the term "heat sink", the "heat sink" as used in the context of the present invention represents a heat sink for the interior of the refrigerator, which transfers the heat from there to the cold side of the Peltier element.
Ebenfalls im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezeichnet der Begriff „während des Betriebs“ eine Situation, in der der Kühlschrank bestimmungsgemäß betrieben wird.Also within the scope of the present invention, the term “during operation” designates a situation in which the refrigerator is operated as intended.
Weiterhin ist immer dann, wenn von einem „montierten Zustand“ der thermoelektrischen Kühleinheit die Rede ist, ein Zustand gemeint, in dem die thermoelektrische Kühleinheit fertig am Kühlschrank montiert ist und der Kühlschrank betriebsbereit ist.Furthermore, whenever an “assembled state” of the thermoelectric cooling unit is mentioned, a state is meant in which the thermoelectric cooling unit is fully assembled on the refrigerator and the refrigerator is ready for operation.
Neben jeder Art von Kühlschrank oder Minibar ist auch ein Gefrierschrank vom Begriff „Kühlschrank“ im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst.In addition to any type of refrigerator or minibar, the term “refrigerator” also includes a freezer within the scope of the present invention.
Begriffe, die sich beispielsweise auf eine Orientierung eines Bauteils beziehen, wie „oben“, „unten“, „nach oben“, „nach unten“, „vertikal“, „horizontal“, und ähnliche Begriffe beziehen sich auf die Erdoberfläche, es sei denn, es wird ausdrücklich ein anderer spezifischer Bezug im jeweiligen Kontext angegeben.For example, terms relating to an orientation of a component, such as "top", "bottom", "up", "down", "vertical", "horizontal", and similar terms refer to the surface of the earth, unless unless another specific reference is expressly made in the respective context.
In einer bevorzugten Ausführungsform der thermoelektrischen Kühleinheit nach der vorliegenden Erfindung ist das Wärmerohr ein einziges kontinuierliches Rohr ohne Abzweigungen. Dies führt zu weniger Komponenten und damit zu geringeren Produktions- und Montagekosten. Darüber hinaus kann ein hoher Wirkungsgrad gewährleistet werden, da unvorhersehbare Auswirkungen auf die Dampfkonvektion in zwei oder mehr parallelen Rohren eliminiert werden.In a preferred embodiment of the thermoelectric cooling unit according to the present invention, the heat pipe is a single continuous pipe without branches. This leads to fewer components and thus lower production and assembly costs. In addition, high efficiency can be guaranteed as unpredictable effects on steam convection are eliminated in two or more parallel tubes.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Wärmerohr an seiner Außenseite mit einer Vielzahl von Drähten versehen. Dies erhöht die Effektivität der Kondensation und Kühlung des Kältemittels innerhalb des Wärmerohrs.According to a preferred aspect of the present invention, the heat pipe is provided with a plurality of wires on its outside. This increases the effectiveness of the condensation and cooling of the refrigerant within the heat pipe.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Auslassanschluss im montierten Zustand an einer Oberseite des Boilers angeordnet und das Wärmerohr führt vom Auslassanschluss weg und nach oben. Dabei wird die Schwerkraft ausgenutzt, da heißer Dampf aufsteigt und dadurch der Dampffluss im Kreislauf gefördert wird.According to a further preferred aspect of the present invention, the outlet connection is arranged on an upper side of the boiler in the assembled state and the heat pipe leads away from the outlet connection and upwards. Gravity is used here, as hot steam rises and this promotes the flow of steam in the circuit.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung erstreckt sich das Wärmerohr zumindest teilweise in Serpentinenform. Dadurch kann ein langes Wärmerohr mit geringem Platzbedarf realisiert werden.According to a further preferred aspect of the present invention, the heat pipe extends at least partially in a serpentine form. As a result, a long heat pipe with a small space requirement can be implemented.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Rücklaufanschluss im montierten Zustand an einer Unterseite des Boilers angeordnet und das Wärmerohr führt vom Rücklaufanschluss weg und nach unten. Dabei wird die Schwerkraft genutzt, da kondensierte und kalte Flüssigkeit mit der höchsten Dichte von unten in den Boiler eintritt und somit der Kältemittelstrom im Kreislauf gefördert wird.According to a further preferred aspect of the present invention, the return connection is arranged on an underside of the boiler in the mounted state and the heat pipe leads away from the return connection and downwards. Gravity is used here, since condensed and cold liquid with the highest density enters the boiler from below and the refrigerant flow is thus promoted in the circuit.
Nach einem weiteren bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung erstreckt sich das Wärmerohr überwiegend innerhalb einer Ebene oder innerhalb von mindestens zwei parallelen Ebenen. Insbesondere der Serpentinenabschnitt des Wärmerohres ist überwiegend innerhalb der Ebene(n) vorgesehen. Diese Anordnung ist platzsparend.According to a further preferred aspect of the present invention, the heat pipe extends predominantly within one plane or within at least two parallel planes. In particular, the serpentine section of the heat pipe is predominantly provided within the plane(s). This arrangement saves space.
Nach einem weiteren, noch bevorzugteren Aspekt der vorliegenden Erfindung sind im montierten Zustand die eine Ebene oder die mindestens zwei parallelen Ebenen, in denen sich das Wärmerohr überwiegend erstreckt, vertikal angeordnet. Dadurch wird der gesamte Kühlschrank kompakt.According to a further, even more preferred aspect of the present invention, the one plane or the at least two parallel planes in which the heat pipe predominantly extends are arranged vertically in the assembled state. This makes the entire refrigerator compact.
Nach einem weiteren bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Wärmesenke zumindest abschnittsweise plattenförmig und steht auf einer Seite der Plattenform in Kontakt mit dem Peltierelement. Dadurch wird eine hohe Oberfläche der Wärmesenke erreicht, wodurch die Wärmeleitung vom Inneren des Kühlschranks zur kalten Seite des Peltierelements erhöht wird. Das Material des Kühlkörpers ist nicht besonders eingeschränkt und kann aus einem Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit bestehen, wie bei bekannten Wärmesenken.According to a further preferred aspect of the present invention, the heat sink is plate-shaped at least in sections and is in contact with the Peltier element on one side of the plate shape. This achieves a high surface area of the heat sink, which increases the heat conduction from the inside of the refrigerator to the cold side of the Peltier element. The material of the heatsink is not particularly limited, and may be made of a metal having high thermal conductivity as in known heat sinks.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die thermoelektrische Kühleinheit weiterhin Befestigungsmittel zur Befestigung des Boilers an der Wärmesenke auf, wodurch das Peltierelement zwischen dem Boiler und der Wärmesenke geklemmt wird. Dies stellt eine einfache und stabile Anordnung dar und sorgt für eine effektive Übertragung der Wärmeenergie von der Wärmesenke auf das Wärmerohr.According to a further preferred aspect of the present invention, the thermoelectric cooling unit further comprises fastening means for fastening the boiler to the heat sink, whereby the Peltier element is clamped between the boiler and the heat sink. This provides a simple and stable arrangement and ensures efficient transfer of thermal energy from the heat sink to the heat pipe.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung gibt es mindestens vier Befestigungsmittel, die in einer Draufsicht auf den plattenförmigen Abschnitt, der mit dem Peltierelement in Kontakt steht, um das Peltierelement herum angeordnet sind. Dies ist besonders vorteilhaft bei quadratischen Peltierelementen. Dabei befindet sich ein Befestigungselement in der Nähe jeder Ecke des Peltierelements. Aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen der heißen und der kalten Seite des Peltierelements biegt sich das gesamte Bauteil so, dass die kalte Seite konkav und die heiße Seite konvex wird. Durch die vier Befestigungsmittel an den Ecken der Peltierelemente wird das Peltierelement auf Planarität zurückgeschoben, wodurch der Kontakt und die Wärmeübertragung über die gesamte Oberfläche des Peltierelements gewährleistet wird.According to a further preferred aspect of the present invention, there are at least four fixing means arranged around the Peltier element in a plan view of the plate-shaped portion which is in contact with the Peltier element. This is particularly advantageous with square Peltier elements. There is a fastener near each corner of the Peltier element. Due to the temperature difference between the hot and cold sides of the Peltier element, the entire device bends so that the cold side becomes concave and the hot side convex. The four fasteners at the corners of the Peltier elements push the Peltier element back to planarity, ensuring contact and heat transfer over the entire surface of the Peltier element.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Befestigungsmittel Haken, die von der Seite des Boilers durch Löcher in der Wärmesenke ragen und auf der anderen Seite der Wärmesenke einhaken. Dies ermöglicht eine einfache Montage und eine zuverlässige Verbindung.According to a further preferred aspect of the present invention, the fastening means are hooks which protrude from the side of the boiler through holes in the heat sink and hook onto the other side of the heat sink. This enables easy assembly and a reliable connection.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die thermoelektrische Kühleinheit ferner einen Aufnahmebereich zur Aufnahme des Peltierelements und zum Verhindern, dass sich das Peltierelement entlang der Oberfläche der Plattenform der Wärmesenke bewegt, die mit dem Peltierelement in Kontakt steht. Im Prinzip besteht der Aufnahmebereich aus Wandelementen, die das Peltierelement seitlich umschließen. Dies erhöht die Stabilität der Anordnung. Vorzugsweise verfügen der Aufnahmebereich oder die Wandelemente über geeignete Aussparungen oder Nuten, um eine Kabelverbindung zum Peltierelement zu gewährleisten.According to another preferred aspect of the present invention, the thermoelectric cooling unit further includes an accommodating portion for accommodating the Peltier element and preventing the Peltier element from moving along the surface of the plate shape of the heat sink that is in contact with the Peltier element. In principle, the recording area consists of wall elements that enclose the Peltier element on the side. This increases the stability of the arrangement. The receiving area or the wall elements preferably have suitable recesses or grooves in order to ensure a cable connection to the Peltier element.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Befestigungsmittel und der Aufnahmebereich im Boiler integriert, der hauptsächlich aus einem Kunststoffmaterial gefertigt ist. Der Boiler als solches ist eine einteilige Komponente und es sind keine weiteren Befestigungsteile, wie Schrauben oder Halterungen, erforderlich, um am Kühlkörper montiert zu werden und das Peltierelement zwischen Wärmesenke und Boiler zu befestigen und aufzunehmen. Dies reduziert den Montageaufwand und die Herstellungskosten.According to a further preferred aspect of the present invention, the fastening means and the receiving area are integrated in the boiler, which is mainly made of a plastic material. As such, the boiler is a one-piece component and no additional fasteners, such as screws or brackets, are required to mount to the heatsink and attach and accommodate the Peltier element between the heat sink and the boiler. This reduces the assembly work and the manufacturing costs.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Boiler eine Aluminiumplatte als die erste Seitenwand auf, so dass sich im Betrieb nur die Aluminiumplatte zwischen der heißen Seite des Peltierelements und dem Kältemittel befindet. Somit ist das einteilige Kunststoffbauteil für den Boiler an der Seite offen, an der sich das Peltierelement befinden soll. In diesem Bereich ist stattdessen die Aluminiumplatte vorhanden. Die Aluminiumplatte sorgt für eine effizientere und effektivere Kühlung der heißen Seite des Peltierelements. Der Begriff „Aluminiumplatte“ ist nicht dazu bestimmt, das Material der Aluminiumplatte auf reines Aluminium zu beschränken. Vielmehr wird der Fachmann auf diesem Gebiet zu schätzen wissen, dass zu diesem Zweck eine Vielzahl geeigneter Materialien ausgewählt werden können, von denen die meisten wahrscheinlich Aluminium in hohem Maße enthalten, was den Grund für die Bezeichnung der jeweiligen Platte als Aluminiumplatte darstellt. Daher wird jedes Material, das für die Verwendung als Aluminiumplatte geeignet ist, unter dem Begriff „Aluminiumplatte“ zusammengefasst.According to a further preferred aspect of the present invention, the boiler has an aluminum plate as the first side wall, so that in operation only the aluminum plate is between the hot side of the Peltier element and the refrigerant. Thus, the one-piece plastic component for the boiler is open on the side where the Peltier element is to be located. In this area, the aluminum plate is present instead. The aluminum plate ensures more efficient and effective cooling of the hot side of the Peltier element. The term "aluminum plate" is not intended to limit the material of the aluminum plate to pure aluminum. Rather, those skilled in the art will appreciate that a variety of suitable materials can be selected for this purpose, most of which are likely to contain high levels of aluminum, which is the reason for the naming of the particular panel as an aluminum panel. Therefore, any material that is suitable for use as aluminum plate is summarized under the term "aluminum plate".
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Aluminiumplatte bereits während des Kunststoffformgebungsprozesses in den Boiler integriert. Dadurch wird eine zuverlässige und dichte Verbindung zwischen dem einteiligen Kunststoffboiler und der Aluminiumplatte gewährleistet. So kann beispielsweise beim Gasinnendruckguss die Aluminiumplatte bereits im Formwerkzeug eingesetzt werden.According to a further preferred aspect of the present invention, the aluminum plate is already integrated into the boiler during the plastic molding process. This ensures a reliable and tight connection between the one-piece plastic boiler and the aluminum plate. For example, in gas injection molding, the aluminum plate can already be used in the mold.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der Boiler durch ein Gehäuse gehalten, in welchem die Befestigungsmittel und der Aufnahmebereich integriert sind. Das Gehäuse besteht vorzugsweise aus Wandelementen, die den Boiler zumindest teilweise allseitig umschließen. „ Zumindest teilweise“ bedeutet hier, dass die Wandteile freie Bereiche aufweisen können, in denen der Boiler freiliegt, z.B. am Auslassanschluss, am Rücklaufanschluss und an einem Anschluss für eine Serviceleitung. Im Falle eines quaderförmigen Boilers sind die das Gehäuse bildenden Wandelemente vorzugsweise an allen sechs Seiten vorhanden. Die Trennung der Boilerfunktion und der durch das Gehäuse erreichten Fixierfunktion hat mehrere Vorteile. Zum einen ist der Boiler einer geringeren mechanischen Belastung ausgesetzt. Der Boiler kann aus einem anderen Material hergestellt werden, wie beispielsweise einem einfachen Quader aus Stahlplatten. Das Gehäuse kann ausschließlich unter Berücksichtigung der Befestigungszwecke gestaltet werden, was zu effektiveren und effizienteren Ergebnissen führt.According to a further preferred aspect of the present invention, the boiler is held by a housing in which the fastening means and the receiving area are integrated. The housing preferably consists of wall elements which at least partially enclose the boiler on all sides. "At least partially" here means that the wall parts may have free areas where the boiler is exposed, e.g. at the outlet connection, at the return connection and at a connection for a service line. In the case of a cuboid boiler, the wall elements forming the housing are preferably present on all six sides. The separation of the boiler function and the fixing function achieved by the housing has several advantages. On the one hand, the boiler is exposed to less mechanical stress. The boiler can be made from another material, such as a simple parallelepiped of steel plates. The case can be designed solely with the mounting purposes in mind, leading to more effective and efficient results.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Aufnahmebereich am Gehäuse durch einen offenen Bereich dargestellt, in dem das Peltierelement hineinpasst. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die erste Seitenwand nur im Bereich ihrer Kanten von einem Wandelement des Gehäuses abgedeckt. Im mittleren Bereich der ersten Seitenwand ist der Boiler jedoch durch den offenen Bereich freigelegt. Dadurch wird das Peltierelement zuverlässig an seinem Platz gehalten, während gleichzeitig der Boiler umhaust ist.According to a further preferred aspect of the present invention, the receiving area on the housing is represented by an open area into which the Peltier element fits. In a preferred embodiment, the first side wall is covered by a wall element of the housing only in the area of its edges. In the central area of the first side wall, however, the boiler is exposed through the open area. This reliably holds the Peltier element in place while at the same time enclosing the boiler.
Nach einem weiteren bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das Gehäuse im Bereich des offenen Bereichs eine Materialdicke auf, die kleiner ist als die Dicke des Peltierelements. Das heißt, das Wandelement des Gehäuses, das die Kanten der ersten Seitenwand bedeckt, ist dünner als das Peltierelement. Dadurch wird der direkte Kontakt zwischen der Wärmesenke und dem Peltierelement einerseits und dem Peltierelement und der ersten Seitenwand des Boilers andererseits gewährleistet.According to a further preferred aspect of the present invention, the housing has a material thickness in the area of the open area which is smaller than the thickness of the Peltier element. That is, the wall element of the housing covering the edges of the first side wall is thinner than the Peltier element. This ensures direct contact between the heat sink and the Peltier element on the one hand and the Peltier element and the first side wall of the boiler on the other hand.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das Gehäuse Pressmittel auf, die sich in der Nähe einer zweiten Seitenwand des Boilers befinden, die der ersten Seitenwand gegenüber liegt. Durch das Pressmittel werden die zweite Seitenwand des Boilers und das jeweilige Wandelement des Gehäuses auseinander geschoben und, da das Gehäuse durch das Befestigungsmittel an der Wärmesenke befestigt ist, der Boiler als Ganzes geschoben und an das Peltierelement gedrückt und das Peltierelement wird an die Wärmesenke geschoben und an diese gepresst. Dies stellt eine einfache und hochwirksame Konfiguration in Bezug auf Stabilität und Wärmeübertragung dar.According to a further preferred aspect of the present invention, the housing has pressing means located in the vicinity of a second side wall of the boiler, opposite to the first side wall. The second side wall of the boiler and the respective wall element of the housing are pushed apart by the pressing means and, since the housing is fastened to the heat sink by the fastening means, the boiler as a whole is pushed and pressed against the Peltier element and the Peltier element is pushed against the heat sink and pressed against them. This represents a simple and highly effective configuration in terms of stability and heat transfer.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfassen die Pressmittel eine Schraube oder einen Bolzen, der durch das Gehäuse hindurchreicht und auf die Mitte der zweiten Seitenwand des Boilers wirkt, um den Boiler mit seiner ersten Seitenwand an das Peltierelement zu drücken. Dadurch kann der Boiler durch einfaches Eindrehen der Schraube oder des Bolzens von außerhalb des Gehäuses leicht zum Peltierelement geschoben werden. Vorzugsweise kann die Schraube durch eine Gewindebohrung im Gehäuse geführt werden, so dass die Spitze der Schraube eine entsprechende Kraft auf die zweite Seitenwand des Boilers ausübt.According to a further preferred aspect of the present invention, the pressing means comprises a screw or bolt which passes through the housing and acts on the middle of the second side wall of the boiler to press the boiler with its first side wall against the Peltier element. This allows the boiler to be easily pushed to the Peltier element from outside the housing by simply screwing in the screw or bolt. Preferably the screw can be passed through a threaded hole in the housing so that the tip of the screw exerts a corresponding force on the second side wall of the boiler.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kühlschrank mit einer thermoelektrischen Kühleinheit gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellt, wobei während des Betriebs die kalte Seite des Peltierelements mit dem Inneren des Kühlschranks über die Wärmesenke und die heiße Seite des Peltierelements mit der Umgebung über den Boiler und das Wärmerohr im Wärmeaustausch steht, und wobei der Boiler nur teilweise mit einem flüssigen Kältemittel gefüllt ist und das flüssige Kältemittel im Inneren des Boilers den gesamten Teil der ersten Seitenwand bedeckt, der mit dem Peltierelement in Kontakt steht. Vorteilhafte Effekte dieser Lösung sind bereits oben beschrieben.According to a further aspect of the present invention, a refrigerator is provided with a thermoelectric cooling unit according to the present invention, wherein during operation the cold side of the Peltier element is connected to the interior of the refrigerator via the heat sink and the hot side of the Peltier element is in heat exchange with the surroundings via the boiler and the heat pipe, and wherein the boiler is only partially filled with a liquid refrigerant and the liquid refrigerant inside the boiler covers the entire part of the first side wall that is connected to the Peltier element is in contact. Advantageous effects of this solution have already been described above.
Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben, wobei
-
1 eine Seitenansicht einer Ausführungsform der thermoelektrischen Kühleinheit; -
2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht der thermoelektrischen Kühleinheitvon 1 ; -
3 einen vertikalen und längsseitigen Querschnitt durch diethermoelektrische Kühleinheit von 1 ; -
4 einen vertikalen und längsseitigen Querschnitt durch einen Kühlschrank, der mit der thermoelektrischen Kühleinheitvon 1 ausgestattet ist; -
5 eine perspektivische Ansicht der thermoelektrischen Kühleinheitvon 1 ohne die Drähte; -
6 eine perspektivische Ansicht des Boilers und des Peltierelements der thermoelektrischen Kühleinheitvon 1 ; -
7 eine Explosionsdarstellung des Boilers und des Peltierelements der thermoelektrischen Kühleinheitvon 1 ; -
8 eine weitere perspektivische Ansicht des Boilers der thermoelektrischen Kühleinheitvon 1 ; -
9 eine Explosionsdarstellung der thermoelektrischen Kühleinheitvon 1 ; -
10 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Boilers der thermoelektrischen Kühleinheit; -
11 den Boiler von 10 in einer weiteren perspektivischen Ansicht; -
12 : eine perspektivische Ansicht inden Boiler von 10 ; und -
13 eine Ausführungsform der Wärmesenke zeigt.
-
1 a side view of an embodiment of the thermoelectric cooling unit; -
2 12 is an enlarged perspective view of the thermoelectric cooling unit of FIG1 ; -
3 Fig. 14 shows a vertical and longitudinal cross-section through the thermoelectric cooling unit of fig1 ; -
4 a vertical and longitudinal cross-section through a refrigerator with the thermoelectric cooling unit of1 Is provided; -
5 FIG. 12 is a perspective view of the thermoelectric cooling unit of FIG1 without the wires; -
6 FIG. 14 is a perspective view of the boiler and the Peltier element of the thermoelectric cooling unit of FIG1 ; -
7 an exploded view of the boiler and the Peltier element of the thermoelectric cooling unit of1 ; -
8th 1 ; -
9 an exploded view of the thermoelectric cooling unit of1 ; -
10 a perspective view of another embodiment of the boiler of the thermoelectric cooling unit; -
11 the boiler from10 in another perspective view; -
12 : a perspective view inside the boiler of10 ; and -
13 shows an embodiment of the heat sink.
Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die
Die Wärmesenke 8 soll sich im Kühlschrank 100 oder in der Minibar befinden und besteht aus einem Metall oder einem anderen Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Wie in den
Der Boiler 2 ist direkt mit der Wärmesenke 8 gekoppelt und das Peltierelement 9 ist zwischen dem Boiler 2 und der Wärmesenke 8 angeordnet. Insbesondere ist der Boiler 2 von einem Gehäuse 12 umgeben, das wiederum im Wesentlichen aus zwei Halbschalen 24 und einer Abdeckung 13 besteht. Der Boiler 2 ist ferner mit Anschlüssen ausgestattet, insbesondere dem Auslassanschluss 4 und dem Rücklaufanschluss 5 sowie der Serviceleitung 6. Der Auslassanschluss 4 befindet sich auf der Oberseite 2a des Boilers 2. Bei Verwendung der thermoelektrischen Kühleinheit 1 wird der Dampf des Kältemittels durch die Auslassleitung 4 geleitet und strömt nach oben in das Wärmerohr 7. Das Wärmerohr 7 führt zunächst steil nach oben und dann Schritt für Schritt serpentinenartig wieder nach unten. Für eine effizientere Wärmeübertragung an die Umgebung sind auf dem Wärmerohr 7 Drähte 14 angeordnet. Der Dampf des Kältemittels kondensiert dabei im Inneren des Wärmerohrs 7, strömt das Wärmerohr 7 hinunter und kehrt über den Rücklaufanschluss 5 zum Boiler 2 zurück.The
In der dargestellten Ausführungsform der thermoelektrischen Kühleinheit 1 ist der Boiler 2 aus Stahl gefertigt. Unabhängig vom Material des Boilers 2 steht der Boiler 2 in engem Kontakt mit dem Peltierelement 9, während gleichzeitig das Peltierelement 9 in engem Kontakt mit der Wärmesenke 8 steht. All dies wird durch das Gehäuse 12 und seine Befestigungsmittel 3 erreicht. Die beiden Halbschalen 24 und der Deckel 13 des Gehäuses 12 sind über die am Deckel 13 vorhandenen Deckelhaken 15 miteinander verbunden, die in entsprechende Hinterschneidungen 16 an den Halbschalen 24 eingreifen. Die Halbschalen 24 greifen ebenfalls über die Nasen 17 und Nuten 18 ineinander.In the illustrated embodiment of the
Wie in der in
Wie in
Der serpentinenartige Verlauf des Wärmerohrs 7 ist am besten in
Wie in
Weiterhin können in
Wie in
In den
In
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Thermoelektrische KühleinheitThermoelectric cooling unit
- 22
- Boilerboiler
- 2a2a
- Oberseite des Boilerstop of the boiler
- 2b2 B
- Unterseite des Boilersbottom of the boiler
- 2c2c
- Erste SeitenwandFirst side panel
- 2d2d
- Zweite SeitenwandSecond side wall
- 33
- Befestigungsmittelfasteners
- 44
- Auslassanschlussoutlet port
- 55
- Rücklaufanschlussreturn connection
- 66
- Serviceleitungservice line
- 77
- Wärmerohrheat pipe
- 88th
- Wärmesenkeheat sink
- 99
- PeltierelementPeltier element
- 9a9a
- Kalte Seitecold side
- 9b9b
- Heiße Seitehot side
- 1010
- Kabel des PeltierelementsPeltier element cable
- 1111
- Finnefin
- 1212
- GehäuseHousing
- 1313
- Abdeckungcover
- 1414
- Drahtwire
- 1515
- Abdeckungshakencover hook
- 1616
- Hinterschneidungundercut
- 1717
- NaseNose
- 1818
- Nutgroove
- 1919
- Pressmittelpressing means
- 2020
- Hakenhook
- 2121
- LochHole
- 2222
- Aufnahmebereichrecording area
- 2323
- Aluminiumplattealuminum plate
- 2424
- Halbschalehalf shell
- 2525
- Offener Bereichopen area
- 2626
- Schraubescrew
- 2727
- Gewindebohrungthreaded hole
- 100100
- Kühlschrankrefrigerator
- 101101
- Türdoor
- 102102
- Kühlraumfridge
- αa
- Winkelangle
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