ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ОХЛАЖДАЕМЫЙ ИЛИ НАГРЕВАЕМЫЙ СОСУД
THERMOELECTRIC COOLED OR HEATED VESSEL

Данное изобретение относится к термоэлектрически охлаждаемому или нагреваемому сосуду, в частности, холодильному и/или морозильному устройству, содержащему по меньшей мере одно охлаждаемое или нагреваемое внутреннее пространство и по меньшей мере один термоэлектрический элемент, в частности, по меньшей мере один элемент Пельтье, который расположен так, что он создает холод или тепло во внутреннем пространстве.
В термоэлектрических холодильных или, соответственно, морозильных устройствах перенос тепла от охлаждаемой внутренней стороны к термоэлектрическому элементу и от термоэлектрического элемента к наружной стороне устройства может основываться исключительно на теплопроводности твердого тела. Для этого используются твердые тела, которые находятся в проводящем тепло соединении с термоэлектрическим элементом. В таком устройстве перенос тепла от твердых тел к термоэлектрическому элементу имеет большое значение. Если имеется дефект в контакте, то это может приводить к падению температуры на пограничной поверхности и тем самым к не эффективному созданию холода или тепла. Неподвижное соединение между термоэлектрическим элементом и твердым телом, например, с помощью теплопроводящего клея, является предпочтительным.
Кроме того, в одном предпочтительном варианте выполнения предусмотрено, что для механической разгрузки термоэлектрического элемента, в процессе изготовления на одной стороне располагается тонкая графитная пленка в качестве элемента связи, при этом термоэлектрический элемент фиксируется посредством сжатия между обоими твердыми телами с помощью более подробно поясняемых ниже соединительных элементов. С другой стороны, теплопроводящий клей применяется также с целью компенсации допусков на изготовление толщины термоэлектрического элемента, твердых тел и соединительных элементов. Предпочтительно, графитная пленка используется на теплой стороне, поскольку здесь проходят большие потоки тепла, и сопротивление переносу тепла за счет тонкой графитной пленки обычно меньше, чем, например, за счет компенсации допусков, более толстого слоя теплопроводящего клея.
Другая особенность состоит в том, что переходы материала в теплообменнике, т.е. в твердом теле, должны по возможности исключаться, поскольку они приводят к дополнительным сопротивлениям переносу тепла. В идеальном случае теплообменник, т.е. одно из твердых тел, которое, например, может состоять из алюминия, которое находится в соединения с термоэлектрическим элементом, представляет наружную оболочку устройства. Это приводит к технологическим трудностям при обеспечении контакта с термоэлектрическим элементом.
Дополнительно к этому, имеется жесткое соединение между внутренним сосудом и наружной оболочкой через термоэлектрический элемент.
Если во время работы возникают термические напряжения или же при изготовлении сосуда возникают механические нагрузки, то они могут приводить к разрушению термоэлектрического элемента.
Эти соображения не ограничиваются холодильными и/или морозильными устройствами, а относятся вообще к теплоизолированным сосудам.
Теплоизолированный сосуд имеет по меньшей мере одно внутреннее пространство с поддерживаемой постоянной температурой, при этом оно может охлаждаться или нагреваться, так что во внутреннем пространстве получается температура выше или ниже окружающей температуры, например, 21°С.
В основу данного изобретения положена задача дальнейшего усовершенствования сосуда указанного вначале вида, так что механическая нагрузка термоэлектрического элемента удерживается возможно меньшей и одновременно обеспечивается хороший перенос тепла.
Эта задача решена с помощью сосуда с признаками пункта 1 формулы изобретения. В соответствии с этим предусмотрено, что термоэлектрический элемент расположен или, соответственно, размещен по меньшей мере между двумя теплопроводящими твердыми телами, из которых один или оба с увеличением расстояния до термоэлектрического элемента имеют увеличивающуюся площадь поперечного сечения.
По меньшей мере два хорошо проводящих тепло твердых тела находятся в теплопроводящем контакте с термоэлектрическим элементом, так что одно из твердых тел при работе термоэлектрического элемента представляет холодную сторону, а другое твердое тело при работе термоэлектрического элемента представляет теплую сторону.
По меньшей мере два теплопроводящих твердых тела образуют первичный теплообменник, который соединен с термоэлектрическим элементом, так что при работе термоэлектрического элемента одно из твердых тел образует холодную сторону, а другое твердое тело - теплую сторону.
Этот первичный теплообменник находится в теплопроводящем соединении по меньшей мере с одним вторичным теплообменником. Вторичный теплообменник содержит по меньшей мере одно и предпочтительно два твердых тела. Эти твердые тела вторичного теплообменника могут образовывать, например, внутренний сосуд, т.е. стенки охлаждаемого или нагреваемого внутреннего пространства и/или наружную оболочку сосуда.
Предпочтительно, твердые тела первичного и/или вторичного теплообменника состоят из металла или содержат металл. Это может быть, например, алюминий.
Размещение термоэлектрического элемента в первичном теплообменнике, который образован с помощью по меньшей мере двух твердых тел, защищает его от чрезмерных механических нагрузок.
Первичный теплообменник, который содержит твердые тела, между которыми расположен термоэлектрический элемент, имеет очень хорошую термическую связь с создаваемым холодом, а также с отводимым теплом, и распределяет тепловой поток на основании своей увеличивающейся площади поперечного сечения по сравнительно большой поверхности, что обеспечивает то преимущество, что при дальнейшем соединении с другими твердыми телами, такими как, например, указанный выше вторичный теплообменник, возникает возможно меньшая потеря тепла.
Предпочтительно предусмотрено, что термоэлектрический элемент размещен между двумя твердыми телами так, что воздействующие на твердые тела силы не передаются или передаются в меньшей степени на термоэлектрический элемент.
Согласно одному предпочтительному варианту выполнения предусмотрено, что термоэлектрический элемент зажат между двумя твердыми телами, которые образуют первичный теплообменник. При этом предпочтительно предусмотрено, что один или несколько соединительных элементов, которые соединяют друг с другом твердые тела, имеют небольшую теплопроводность, так что не возникает значительный тепловой мостик.
При этом тем самым зажатие или, соответственно, соединение между твердыми телами предпочтительно выполнено так, что тепловой мостик на основании соединительных средств, которые соединяют твердые тела, является возможно меньшим.
В принципе может иметься один единственный соединительный элемент или же два или больше соединительных элементов.
Возможно, что происходит сжатие друг с другом обоих твердых тел, т.е. стягивание вместе твердых тел, так что соединительные средства нагружаются на растяжение.
В одном варианте выполнения соединительное средство является распоркой. Возможно, что соединительное средство выполнено так, что оно нагружается одной или несколькими нагрузками на растяжение, сжатие, кручение или срез.
В другом варианте выполнения изобретения предусмотрено, что одно из твердых тел соединено теплопроводящим образом с наружной оболочкой устройства, и одно из твердых тел находится в теплопроводящем соединении с внутренней стенкой устройства. Это соединение может быть непосредственным или опосредованным, при этом непосредственное соединение является предпочтительным.
В другом варианте выполнения предусмотрено, что сосуд имеет в качестве теплоизоляции внутреннего пространства вакуумную изоляцию, которая полностью или частично окружает охлаждаемое внутреннее пространство. Возможно также другая изоляция, такая как, например, заполнение полых пространств вспененным материалом.
Предпочтительно, первичный теплообменник и/или термоэлектрический элемент находится в изоляционном слое, который находится между внутренней стенкой и наружной стенкой сосуда.
Теплоизоляция находится между наружной оболочкой и внутренним сосудом устройства и/или между внутренней стенкой и наружной стенкой закрывающего элемента, например, двери, крышки или заслонки, полки и т.д. Теплоизоляция может иметь, например, одну или несколько вакуумно изолированных панелей. Возможно также использование для теплоизоляции одного или нескольких оболочковых тел из вакуумплотной оболочки и, в частности, из высокобарьерной пленки, которая заполнена вспомогательным материалом, таким как, например, перлит. Оболочковое тело является закрытым элементом, в котором создан вакуум.
Особенно предпочтительным является вариант выполнения, в котором между внутренним пространством и наружной оболочкой расположена теплоизоляция, которая состоит из системы полного вакуума, которая исключительно или преимущественно состоит из вакуумированной зоны, которая заполнена вспомогательным материалом. Ограничение этой зоны может быть образовано, например, с помощью вакуумплотной пленки и предпочтительно из высокобарьерной пленки. Таким образом, между внутренней стенкой сосуда, предпочтительно устройства, и наружной оболочкой сосуда, предпочтительно устройства, может иметься в качестве теплоизоляции исключительно такое пленочное тело, которое имеет окруженную вакуумплотной пленкой зону, в которой создан вакуум и в котором расположен вспомогательный материал. Вспенивание и/или панели с вакуумной изоляцией в качестве теплоизоляции или другая теплоизоляция, за исключением системы полного вакуума между внутренней стороной и наружной стороной сосуда или, соответственно устройства, предпочтительно не предусмотрены.
Этот предпочтительный вид теплоизоляции в виде системы полного вакуума может проходить между ограничивающей внутреннее пространство стенкой и наружной оболочкой корпуса и/или между внутренней стороной и наружной стороной закрывающего элемента, такого как, например, дверь, заслонка, крышка или т.п.
Система полного вакуума может быть получена так, что оболочка из газонепроницаемой пленки заполняется вспомогательным материалом, а затем вакуумплотно закрывается. В одном варианте выполнения как заполнение, так и вакуумплотное закрывание оболочки осуществляется при нормальном или, соответственно, окружающем давлении. В этом варианте выполнения предпочтительно ни в какой момент времени изготовления не требуется размещение оболочки в вакуумной камере. Поэтому в одном варианте выполнения во время изготовления вакуумной изоляции можно отказаться от вакуумной камеры.
Под вакуумплотной и непроницаемой для диффузии или, соответственно, под вакуумплотным и непроницаемым для диффузии соединением или, соответственно под высокобарьерной пленкой, предпочтительно понимается оболочка или, соответственно, соединение или, соответственно, пленка, с помощью которых вход газа в вакуумно изолированное тело уменьшается так, что обусловленная за счет входа газа теплопроводность вакуумно изолированного тела является достаточно небольшой в течение его срока службы. Под сроком службы принимается промежуток времени, например, 15 лет, предпочтительно 20 лет и особенно предпочтительно 30 лет. Предпочтительно, обусловленное входом газа повышение теплопроводности вакуумно изолированного тела в течение его срока службы составляет меньше 100% и особенно предпочтительно меньше 50%.
-5
2
-6
2
-2
2
-3
2
Предпочтительно, удельная относительно поверхности скорость пропускания газа оболочки или, соответственно соединения или, соответственно высокобарьерной пленки, меньше 10 мбар л/с м, особенно предпочтительно меньше 10 мбар л/с м (при измерении в соответствии со стандартом ASTM D-3985). Эта скорость проникновения газа справедлива для азота и кислорода. Для других газов (в частности, водяного пара) скорости проникновения газа также являются низкими, предпочтительно в диапазоне меньше 10 мбар л/с м и особенно предпочтительно в диапазоне меньше 10 мбар л/с м (при измерении в соответствии со стандартом ASTM F-1249-90). Предпочтительно, за счет этих небольших скоростей проникновения газа достигаются указанные выше повышения теплопроводности.
Известной из области вакуумных панелей оболочковой системой являются высокобарьерные пленки. Под этим в рамках данного изобретения понимаются предпочтительно однослойные и многослойные пленки (которые предпочтительно являются термосваривающимися) с одним или несколькими барьерными слоями (обычно металлическими слоями или оксидными слоями, при этом в качестве металла или оксида предпочтительно применяется алюминий или, соответственно, оксид алюминия), которые соответствуют указанным выше требованиям (повышения теплопроводности и/или удельной относительно поверхности скорости проникновения газа) в качестве барьера против проникновения газа.
Указанные выше значения или, соответственно указанное выполнение высокобарьерной пленки, являются приведенными в качестве примера данными, которые не ограничивают изобретение.
Предпочтительно предусмотрено, что термоэлектрический элемент механически неподвижно сжат с твердыми телами.
Предпочтительно предусмотрено, что соединительные средства сжимают по меньшей мере два теплопроводящих твердых тела с помощью зажимного соединения.
Для удерживания проводимости тепла через соединительные средства возможно меньшей, может быть предусмотрено, что оба твердых тела соединены друг с другом с помощью соединительных средств и предпочтительно сжаты, при этом соединительные средства имеют меньшую теплопроводность, чем твердые тела.
Предпочтительно, соединительные средства состоят из другого материала, чем твердые тела, которые образуют первичный и/или вторичный теплообменник.
Возможно, что соединительные средства состоят из пластмассы или содержат пластмассу. Возможно применение, например, полиамида или же другой пластмассы.
В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусмотрено, что соединительные средства фиксируют расстояние друг от друга теплопроводящих твердых тел.
Как указывалось выше, предпочтительный вариант выполнения изобретения состоит в том, что твердые тела состоят из металла, предпочтительно из алюминия, или содержат его.
Соединительные средства могут быть расположены на возможно большем расстоянии от термоэлектрического элемента. Поскольку наиболее критическими нагрузками являются деформации всего устройства или, соответственно сосуда, которые через жесткий первичный теплообменник в качестве рычага передаются на термоэлектрический элемент, то предпочтительной является стабилизация во всех местах возможно дальше от термоэлектрического элемента.
Предпочтительно, расстояние соединительных средств до термоэлектрического элемента больше длины кромки термоэлектрического элемента.
Другие подробности и преимущества изобретения поясняются более детально ниже на основании примеров выполнения со ссылками на прилагаемый чертеж.
На единственной фигуре показан в изометрической проекции первичный теплообменник с расположенным в нем термоэлектрическим элементом. Он может быть выполнен в виде элемента Пельтье.
Термоэлектрический элемент зажат между двумя хорошо проводящими тепло твердыми телами 10, 12, при этом твердое тело 10 при прохождении через плоскость изоляции, как показано на фигуре, слева направо уменьшается в поперечном сечении, а твердое тело 12 при прохождении через плоскость изоляции, как показано на фигуре, слева направо увеличивается в поперечном сечении.
Между обоими твердыми телами находится термоэлектрический элемент. Твердые тела могут быть расположены зеркально симметрично относительно проходящей через термоэлектрический элемент оси.
Оба твердых тела образуют первичный теплообменник. Он находится в теплопроводящем соединении через лежащие снаружи поверхности 10ʹ и 12ʹ твердых тел 10, 12, которые предпочтительно выполнены плоскими, предпочтительно по меньшей мере с одним вторичным твердым телом или, соответственно теплообменником. Вторичный теплообменник предпочтительно расположен непосредственно на поверхностях 10ʹ и 12ʹ.
Вторичный теплообменник может иметь два или больше твердых тел, которые образуют, с одной стороны, наружную оболочку сосуда и, с другой стороны, внутреннюю стенку сосуда, или же соединены с ними. Внутренняя стенка ограничивает нагреваемое или охлаждаемое внутреннее пространство сосуда согласно изобретению.
Понятие «сосуд» следует понимать широко, и оно охватывает любую систему, которая имеет по меньшей мере одно внутреннее пространство, которое нагревается или охлаждается. В одном предпочтительном варианте выполнения изобретения под сосудом понимается холодильное и/или морозильное устройство. Предпочтительно, это устройство не имеет обычного контура циркуляции охлаждающего средства, а имеет в качестве источника тепла или, соответственно для создания холода исключительно элемент Пельтье или другой термоэлектрический элемент.
Внутреннее пространство, в котором поддерживается постоянная температура, охлаждается или нагревается в зависимости от вида устройства (холодильник, термостат и т.п.).
В одном варианте выполнения предусмотрено, что сосуд согласно изобретению является холодильным и/или морозильным устройством, в частности бытовым прибором или, соответственно, коммерческим холодильником. Например, сюда входят устройства для стационарного расположения в домашнем хозяйстве, в комнате гостиницы, в коммерческой кухне или в баре. Например, это может быть холодильник для вин. Кроме того, изобретение относится к холодильным и/или морозильным витринам. Устройства согласно изобретению могут иметь место сопряжения для соединения с электрической сетью, в частности, с электрической сетью для бытовых нужд (например, штекер) и приспособления для установки, например, постановочные ножки или место сопряжения для фиксации внутри мебельной ниши. Например, устройство может быть встраиваемым устройством или же напольным устройством.
В одном варианте выполнения сосуд или, соответственно устройство выполнено так, что оно может работать с переменным напряжением, таким как, например, напряжение бытовой сети, например, 120 В с частотой 60 Гц или 230 В и с частотой 50 Гц. В альтернативном варианте выполнения сосуд или, соответственно устройство, может работать с постоянным током с напряжением, например, 5 В, 12 В или 24 В. В этом варианте выполнения может быть предусмотрено, что внутри или снаружи устройства предусмотрен штекерный блок питания, через который устройство снабжается электроэнергией. Преимущество применения термоэлектрических тепловых насосов в этом варианте выполнения состоит в том, что все проблемы электромагнитной совместимости возникают лишь в блоке питания.
В частности, может быть предусмотрено, что холодильное и/или морозильное устройство выполнено в виде шкафа и имеет полезное пространство, которое является доступным для пользователя на своей передней стороне (в случае витрины на верхней стороне). Полезное пространство может быть разделено на несколько отделений, которые все работают при одинаковой или различной температуре. В качестве альтернативного решения может быть предусмотрено лишь одно отделение. Внутри полезного пространства или, соответственно отделения могут быть предусмотрены приспособления для хранения, такие как, например, приемные карманы, выдвижные ящики или держатели для бутылок (в случае витрины также разделители пространства), с целью обеспечения оптимального хранения подлежащих охлаждению или замораживанию изделий и оптимального использования пространства.
Полезное пространство может закрываться с помощью по меньшей мере одной поворотной вокруг вертикальной оси двери. В случае витрины возможна поворотная вокруг горизонтальной оси заслонка или сдвигаемая крышка в качестве закрывающего элемента. Дверь или другой закрывающий элемент в закрытом состоянии может находиться в соединении с корпусом по существу непроницаемо для воздуха с помощью окружного магнитного уплотнения. Предпочтительно, также дверь или, соответственно другой закрывающий элемент теплоизолированы, при этом теплоизоляция может достигаться с помощью вспенивания и, возможно, с помощью вакуумных изоляционных панелей, или же предпочтительно с помощью вакуумной системы и особенно предпочтительно с помощью системы полного вакуума. На внутренней стороне двери могут быть предусмотрены дверные полки с целью хранения там охлаждаемых изделий.
3
3
3
В одном варианте выполнения речь может идти о небольшом устройстве. В таких устройствах полезное пространство, которое задано внутренней стенкой сосуда, имеет, например, объем меньше 0,5 м, меньше 0,4 м или меньше 0,3 м.
Наружные размеры сосуда или, соответственно устройства, лежат предпочтительно в диапазон 1м относительно высоты, ширины и глубины.
Однако изобретение не ограничивается холодильными и/или морозильными устройствами, а относится вообще к устройствам с темперированным внутренним пространством, например, термостатам.
В случае сосуда или, соответственно устройства с нагреваемым внутренним пространством перенос тепла осуществляется из окружения или, соответственно, с наружной оболочки сосуда с помощью твердого тела к термоэлектрическому элементу и от него с помощью твердого тела посредством переноса тепла во внутреннее пространство или, соответственно, к ограничивающей внутреннее пространство внутренней стенке сосуда.
Твердые тела 10, 12 состоят предпочтительно из алюминия.
Позицией 20 обозначены соединительные элементы, которые механически неподвижно сжимают по меньшей мере один термоэлектрический элемент с теплопроводящими твердыми телами 10, 12.
Предпочтительно, сжатие осуществляется с помощью зажимного соединения. Слабо теплопроводящий элемент или, соответственно, один или несколько соединительных элементов 20 сжимают оба твердых тела 10, 12 с помощью зажимного соединения.
Соединительные элементы 20 образуют нетеплопроводящее или слабое теплопроводящее крепление обоих твердых тел 10, 12 друг с другом.
Расстояние теплоизоляционных элементов 20 до термоэлектрического элемента выбирается возможно большим. В показанном здесь примере выполнения расстояние одного из соединительных элементов 20 до термоэлектрического элемента больше дины его кромки.
В принципе может быть предусмотрен ровно один соединительный элемент 20. Возможно также использование больше, чем одного соединительного элемента согласно изобретению.
В показанном примере выполнения четыре соединительных элемента 20 находятся в угловых зонах твердых тел 10, 12. Они все удалены от термоэлектрического элемента на одинаковом расстоянии.
Состоящий из твердых тел 10, 12 первичный теплообменник обеспечивает очень хороший отвод создаваемого холода или, соответственно тепла термоэлектрического элемента. На основании увеличивающейся, исходя от термоэлектрического элемента, площади поперечного сечения тепловой поток распределяется по большой поверхности, так что при соединении с другим элементом, таким как, например, другое теплопроводящее твердое тело, возникает возможно меньшая потеря тепла.
Предпочтительно, термоэлектрический элемент зажат между твердыми телами 10, 12 без возникновения за счет соединительных элементов значительного теплового моста.
Твердые тела 10, 12 являются алюминиевыми телами, которые насажены на термоэлектрический элемент.
Как показано на фигуре, твердые тела стянуты с помощью пластмассовых соединений с небольшой или, соответственно, с меньшей теплопроводностью.
Возможно использование в качестве соединительного элемента или соединительных элементов винтов.
Возможно также применение в качестве соединительного элемента или соединительных элементов детали, такой как отлитая под давлением деталь, которая закрепляется на одном из твердых тел 10, 12 и при монтаже защелкивается на другом твердом теле.
Поскольку пластмассовые соединители, а также другие соединительные элементы представляют тепловые мостики, то для них применяется возможно меньшее поперечное сечение, за счет чего, с другой стороны, уменьшается конструктивная прочность. Поскольку критическими нагрузками являются деформации всего устройства, которые передаются через жесткий первичный теплообменник, т.е. через твердые тела 10, 12, на термоэлектрический элемент, предпочтительной является стабилизация, как показано на фигуре, на всех сторонах и возможно дальше, т.е. снаружи термоэлектрического элемента.
Указанные первичные теплообменники пригодны для использования там, где с помощью термоэлектрического элемента должна создаваться разница температуры на изоляции.