DE4231702A1 - Thermoelektrische Heiz- und Kühlkammer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Heiz- und Kühlkammer mit Wär­ meisolation, die mindestens im Bereich ihrer Grundfläche mit einer Mehrzahl von in Kaskadenanordnung elektrisch verbundener, plattenförmiger und in ei­ ner Heiz/Kühlfläche verteilt angeordneter Peltier-Elemente ausgerüstet und auf wenigstens einer Außenfläche mit einer wärmeabführenden Einrichtung versehen ist.

Mit Peltier-Bausteinen ausgerüstete Kälteerzeuger, die bekanntlich auch in umgekehrter Richtung, d. h. sofern durch ein kammerartiges Gehäuse umge­ ben, auch als Wärmekammer betrieben werden können, haben gegenüber Kom­ pressorgeräten den großen Vorteil, daß sie elektrisch sehr genau regelbar sind auf eine Temperaturkonstanz, die mit anderen Kältetechniken nicht zu errei­ chen ist. Peltier-Heiz-/Kühlkammern bekannter Bauart haben jedoch den Nachteil, daß der einstellbare Temperaturbereich zu begrenzt ist und/oder daß der Aufwand für die "wegzupumpende" Verlustleistung zu groß wird. Die in der Regel in Kaskadenanordnung Verbundenen plattenförmigen Peltier-Elemente lassen sich dann (vor allem in den Randzonen) nicht ausreichend gegen Überhit­ zung schützen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein thermoelektrisch betriebenes Heiz-/Kühlaggregat, insbesondere eine Heiz-/Kühlkammer mit entsprechender Wärmeisolation zu schaffen, die sich in einem wesentlich größeren Temperatur­ bereich betreiben läßt, ohne daß der Aufwand für die abzuführende Verlustlei­ stung unvertretbar groß wird.

Die Erfindung ist bei einer thermoelektrischen Heiz- und Kühlkammer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 gekennzeichnet durch eine Schichtan­ ordnung der plattenförmigen Peltier-Elemente derart, daß eine erste Anzahl von Peltier- Elementen niedrigerer Leistung eine erste, innere Heiz-/Kühlfläche und eine zweite Anzahl von Peltier-Elementen höherer Leistung eine äußere Heiz-/ Kühlfläche bilden, wobei die beiden Heiz-/Kühlflächen durch eine Zwischen­ platte aus einem gut wärmeleitenden, spannungsfreien Material getrennt sind.

Die erste und zweite Anzahl der plattenförmigen Peltier-Elemente kann jeweils in Vertiefungen einer gut wärmeisolierenden rahmenartigen Aufnahme einge­ setzt sein.

Um bei Heizbetrieb eine Überhitzung der Peltier-Kaskadenanordnung, insbe­ sondere Temperatur-Spitzen in den Randzonen der Peltier-Elemente zu vermei­ den, ist erfindungsgemäß weiterhin vorgesehen, daß zumindest einzelne der zweiten Anzahl von Peltier-Elementen höherer Leistung elektrisch durch eine Bypassdiode überbrückt sind, die so gepolt ist, daß bei Heizbetrieb das oder die betreffende(n) Peltier-Element(e) stromlos bleibt(bleiben). Um weiterhin Tem­ peratur-Spitzen in den Randzonen abzubauen, ist als Ergänzung des Erfin­ dungsgedankens vorgesehen, die Fläche der Zwischenplatte größer als die durch die beiden Flächenanordnungen von Peltier-Elementen eingenommene Gesamtfläche auszubilden, so daß die Zwischenplatte randseitig alle Peltier- Elemente überlappt.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Prinzipaufbau einerthermoelektrischen Heiz- und Kühlkammer mit erfindungsgemäßen Merkmalen;

Fig. 2 eine vorteilhafte Schaltungsmaßnahme zur Vermeidung von Überhit­ zung der Peltier-Elemente;

Fig. 3 die Schnittdarstellung einer Peltier-Heiz-/Kühlkammer gemäß einem ersten erprobten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. 4 und 5 die Längsschnitt- und die Querschnittdarstellung einer anderen er­ probten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Peltier-Heiz-/ Kühlkammer.

Die Prinzip-Schnittdarstellung einer thermoelektrisch betriebenen Heiz- und Kühlkammer gemäß Fig. 1 weist eine Isolierhaube 1 auf, die eine Aufnahmeplat­ te 2 allseitig dicht umschließt und einen auf sehr genaue Temperaturkonstanz zu kühlenden bzw. zu erwärmenden Innenraum von typischerweise 3 bis 30 l Rauminhalt gut wärmeisolierend umschließt. Unterhalb der Aufnahmeplatte 2 befindet sich eine erste innere Schichtanordnung von flächenartigen Peltier- Elementen 3 mit vergleichsweise niedriger Leistung, die paßgenau in vorgeform­ te Vertiefungen einer gut wärmeisolierenden Rahmenplatte eingesetzt sind. In bekannter Weise sind diese Peltier-Elemente in Kaskadenanordnung elektrisch verbunden. Die innere Schicht der ersten Anzahl von Peltier-Elementen 3 nie­ driger Leistung ist durch eine Zwischenplatte 6, die insbesondere aus span­ nungsfreiem Aluminiumguß hergestellt ist, von einer zweiten Anzahl von flä­ chenartigen Peltier-Elementen 4 höherer Leistung getrennt, die ebenfalls paß­ genau in entsprechende Vertiefungen einer gut wärmeisolierenden weiteren Rahmenplatte eingesetzt sind. Auch diese Peltier-Elemente 4 höherer Leistung sind elektrisch in Kaskade geschaltet und überdies in Kaskadenanordnung mit der ersten Anzahl von Peltier-Elementen 3 geringerer Leistung verbunden. Eine umlaufende, stark isolierende Abdichtung ist mit Bezugshinweis 5 angegeben. Unterhalb des Schichtaufbaus von erster Anzahl von Peltier-Elementen 3, Zwi­ schenplatte 6 und zweiter Anzahl von Peltier-Elementen 4 ist ein Kühlkörper 7 angebracht, der für einen Abtransport der Wärmeverlustleistung sorgt.

Eine Lage der Peltier-Elemente, beispielsweise die innere Schichtanordnung von Peltier-Elementen 3, kann bis zu zehn Elemente umfassen. Um Temperatur­ spitzen, insbesondere im Bereich der Randzonen der Peltier-Elemente 3 bzw. 4 zu vermeiden, steht jede Peltier-Elementeschicht mit der gemeinsamen Zwi­ schenplatte in eng angepaßtem Kontakt, damit der Wärmewiderstand für jedes Element etwa gleich groß ist. Die Zwischenplatte 6 überlappt sämtliche Peltier- Elemente randseitig um mindestens 1 cm. Die befürchtete Überhitzung in den Randzonen der Peltier-Elemente ist damit wirkungsvoll verhindert.

Die Fig. 2 zeigt eine spezielle Schaltungsanordnung für die Kaskadenschaltung von Peltier-Elementen 3 kleinerer und Peltier-Elementen 4 größerer Leistung. Wird die Aufnahmeplatte 2 gekühlt, so transportieren die Peltier-Elemente 3 kleinerer Leistung Wärmeenergie von der Aufnahmeplatte 2 in die Zwischen­ platte 6. Die Peltier-Elemente 4 höherer Leistung müssen einen Teil ihrer eige­ nen Verlustleistung und die Verlustleistung der Peltier-Elemente 3 kleinerer Leistung abführen. Aus diesem Grund werden die näher am Kühlkörper 7 ange­ ordneten Peltier-Elemente 4 höherer Leistung vorteilhafterweise auch flächen­ mäßig größer ausgelegt.

Beim Heizen läuft der Wärmeenergiefluß entgegengesetzt. Hier besteht jetzt die Gefahr, daß auf der Zwischenplatte 6 ein unzulässiger Wärmestau dadurch ent­ steht, daß die Peltier-Elemente 3 kleinerer Leistung die wesentlich höhere Ver­ lustleistung der Peltier-Elemente 4 höherer Leistung nicht wegtransportieren können. Aus diesem Grund wird, wie die Fig. 2 veranschaulicht, parallel zum Stromkreis der Peltier-Elemente 4 höherer Leistung eine Leistungsdiode 10 als Bypass geschaltet. Je nach dem gewünschten Temperaturbereich und in Abhän­ gigkeit von anderen konstruktiven Parametern kann es auch ausreichend sein, nur einzelne der Peltier-Elemente 4 höherer Leistung mit einer parallel liegen­ den Bypassdiode zu versehen. Durch diese Schaltungsmaßnahme wird erreicht, daß während der Heiz-Phase nur die Peltier-Elemente 3 kleinerer Leistung ar­ beiten. Daraus ergibt sich der Vorteil, daß höhere Temperaturen gefahrlos ange­ steuert werden können.

Die Fig. 3 veranschaulicht in verkleinert er Schnittdarstellung eine erprobte Ausführungsform einer thermoelektrischen Heiz- und Kühlkammer gemäß der Erfindung. Die bereits anhand der Fig. 1 erläuterten Teile und Baugruppen wer­ den nicht erneut beschrieben. Auf der Oberseite der isolierenden Haube 1 ist ein Sichtfenster 8 vorgesehen. Die jeweilige Rahmenplatte für die Peltier-Elemente 3 bzw. 4 ist mit Bezugshinweis 12 bzw. 11 angegeben. Mittels eines geeichten Temperatursensors 9 läßt sich die Ist-Temperatur im Inneren der Heiz-/Kühl­ kammer erfassen, um den den Peltier-Elementen 3, 4 zuzuführenden Strom ge­ nau regeln zu können. Unterhalb des Kühlkörpers 7 zwischen nicht näher be­ zeichneten Standfüßen sind (im dargestellten Beispiel) zwei flache Axiallüfter 14 vorhanden, um im Bedarfsfall eine ausreichende Abfuhr der Verlustlei­ stungswärme zu gewährleisten.

Bei der Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Heiz- und Kühlkammer nach den Fig. 4 und 5 ist die Luftströmungskühlung durch den Kühlkörper 7, gegebenenfalls mit Unterstützung der Axiallüfter 14, durch eine Wasserküh­ lung 15 oder eine Kompressorkühlung kleiner Leistung ersetzt.

Durch die erfindungsgemäße Schichtanordnung mit eng tolerierter gegenseiti­ ger Anpassung, überlappender Fläche der Zwischenplatte 6 und die spezielle Auswahl und Anordnung von Peltier-Elementen 3 niedrigerer Leistung einer­ seits und Peltier-Elementen 4 höherer Leistung andererseits wurde erreicht, daß das erfindungsgemäße Gerät über einen wesentlich größeren Temperatur­ bereich von beispielsweise -15 bis +95°C (luftgekühlt) bzw. -40 bis +95°C (was­ sergekühlt) betrieben werden kann, der für vergleichbare Kühl-/Heizeinrich­ tungen dieser Art bisher unbekannt war.

Claims (5)

1. Thermoelektrische Heiz- und Kühlkammer mit Wärmeisolation, die min­ destens im Bereich ihrer Grundfläche mit einer Mehrzahl von in Kaskadenan­ ordnung elektrisch verbundenen, plattenförmigen und in einer Heiz-/Kühlflä­ che verteilt angeordneten Peltier-Elemente (3, 4) ausgerüstet ist und auf wenig­ stens einer Außenfläche mit einer wärmeabführenden Einrichtung (7, 14, 15) versehen ist, gekennzeichnet durch eine Schichtanordnung der plattenförmi­ gen Peltier-Elemente derart, daß eine erste Anzahl von Peltier-Elementen (3) niedrigerer Leistung eine erste, innere Heiz-/Kühlfläche und eine zweite Anzahl von Peltier-Elementen (4) höherer Leistung eine äußere Heiz-/Kühlfläche bil­ den, wobei die beiden Heiz-/Kühlflächen durch eine Zwischenplatte (6) aus ei­ nem gut wärmeleitenden, spannungsfreien Material getrennt sind.

2. Thermoelektrische Heiz- und Kühlkammer nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mindestens einzelne der zweiten Anzahl von Peltier-Ele­ menten (4) höherer Leistung elektrisch durch eine Bypassdiode (10) überbrückt sind, die so gepolt ist, daß bei Heizbetrieb die betreffenden Peltier-Elemente stromlos bleiben.

3. Thermoelektrische Heiz- und Kühlkammer nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Anzahl von plattenförmi­ gen Peltier-Elementen (3, 4) jeweils in Vertiefungen einer gut wärmeisolieren­ den Rahmenplatte (11, 12) eingesetzt sind.

4. Thermoelektrische Heiz- und Kühlkammer nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Fläche der Zwischenplatte (6) größer ist als die durch beide Flächenanordnungen von Peltier-Elementen (3, 4) eingenommene Ge­ samtfläche, derart, daß die Zwischenplatte (6) randseitig alle Peltier-Elemente überlappt.

5. Thermoelektrische Heiz- und Kühlkammer nach Anspruch 3, gekenn­ zeichnet durch einen die gesamte Außenseite der Aufnahmeplatte (11) für die zweite Anzahl von Peltier-Elementen (4) höherer Leistung überdeckenden Kühl­ körper (7).