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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Temperaturregelung eines Temperiergutes mit einem von einem Medium in einem Kreislauf durchströmten Wärmetauscher.
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Es handelt sich dabei um ein einheitliches Verfahren, bei dem mit einer Anordnung ein Temperiergut in verschiedenen Systemen, welche mit der Anordnung verbunden werden können sowohl heizen als auch kühlen zu können. Die Erfindung ist für eine Vielzahl von Anwendungen einsetzbar. Hierzu zählen insbesondere:
- 1. Anwendungen zur Herstellung pharmazeutischer oder kosmetischer Produkte durch Vervollkommnung der Herstellungstechnologien, zum Beispiel bei der Herstellung von Stoffmischungen in der Pharmazie und in der Kosmetik, die durch eine Behandlung durch eine konkrete Temperaturführung mit höherer Qualität hergestellt werden können. Dies kann beispielsweise durch Abführung von Reibungswärme bei mechanischen Mischtechnologien der Fall sein. Ferner ist auch das Verändern der Konsistenz bei verschiedenen Wärmevorbehandlungs- oder Aufschmelzvorgängen möglich, wodurch erst eine mechanische Verarbeitung ermöglicht wird.
- 2. Anwendungen in der Medizin durch definiertes Kühlen und/oder Erwärmen, zum Beispiel bei medizinischen Heiltherapien, bei denen Folgezyklen mit Kühlungs- und Erwärmungsphasen nach Vorgabe von Temperaturgradienten, analog der Wärme-Kälte-Reize der Kneippschen Wasserbehandlung, verwendet werden.
- 3. Anwendungen im Wellness-Bereich, zum Beispiel zur Hautpflege.
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Im Stand der Technik werden zur stationären oder zyklischen Temperaturregelung überwiegend Heizelemente eingesetzt, die auf dem Prinzip der Widerstandserwärmung beruhen, sowie Kühleinrichtungen, bei denen eine durch Kältekompressoren gekühlte Flüssigkeit verwendet wird.
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In
DE 297 20 936 U1 ist ein Gerät zur Diagnose und Therapie durch Wärmezufuhr und Wärmeentzug an Körperflächen beschrieben, bei dem ein Handgerät mit einem steuerbaren Thermokontakt vorgesehen ist. Der Thermokontakt ist mittels eines, von einer Spannungsversorgung gespeisten Peltierelements zur wahlweisen Erwärmung oder Kühlung mit einer Frequenz von einem Bruchteil eines Hertz bis zu einigen Hertz steuerbar. Die elektrischen Anschlüsse des Peltierelements ebenso wie die elektrischen Anschlüsse eines Temperaturfühlers im Thermo-Speicher sind in der Nähe des Peltierelements über eine flexible Kabelverbindung an ein Steuergerät mit der Spannungsversorgung angeschlossen.
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Ferner ist nach
DE 299 12 217 U1 eine Weste zum Kühlen von Körperzonen bekannt, die unter Schutzanzügen getragen wird, in denen der Träger zeitweise unter großer Wärmebelasturg steht. Hierbei sind Kühlzonen vorgesehen, in denen Peltierelemente angeordnet sind, welche mit einer Stromquelle, die in die Weste integriert ist, versorgt werden. Die kälteausstrahlende Seite der Peltierelemente ist zum Körper hin angebracht und die gegenüberliegende wärmeausstrahlende Seite mit einer Isolierschicht versehen, die über eine gewisse Zeit der Anwendung der Weste die Wärmeenergie speichern kann und damit die Abstrahlung in den Schutzanzug stark hemmt.
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Die
DE 600 10 890 T2 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Temperaturregelung, welches in der Prüfung von integrierten Schaltkreisen auf Wafern Anwendung findet. Die Vorrichtung umfasst einen Wärmetauscher mit einer Wärmesenke und einem Heizelement. Die Wärmesenke wird mittels eines Flüssigkeits-Rezirkulationssystems auf einer bestimmten Temperatur gehalten. Ein an der Wärmesenke angeordnetes Heizelement dient dazu, die Temperatur einer mit dem Heizelement korrespondierenden Region auf eine Temperatur oberhalb der von der Wärmesenke vorgegebenen Temperatur einzuregeln.
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Die
WO 00/73715 A1 betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für Ausschank- und Klimaanlagen, mit einem Peltiergenerator. Der Peltiergenerator ist auf einem gut wärmeleitenden Materialblock angeordnet, welcher eine Durchgangsleitung für das durchströmende Medium und Schnell-Verschlüsse für anschließbare Außenleitungen anderer Bauteile umfasst. Die Anlage ist sowohl zum Kühlen, als auch zum Heizen des durchfließenden Mediums geeignet. Das durchfließende Medium ist dabei das Temperiergut.
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Aus der
WO 94/00086 A1 ist eine Einrichtung zur Temperierung von Therapie-Pads bekannt, die einen von einem Medium durchströmten Wärmetauscher und ein Peltierelement umfasst. Das Pad ist in den Kreislauf integriert und weist eine dem Körperteil angepasste Form auf. Eine Temperaturregeleinrichtung ist hinter dem Wärmetauscher in den Kreislauf integriert.
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Eine Weiterentwicklung dieses Systems ist in der
US 5 871 526 A offenbart. Ein programmierbarer Temperaturregler kann automatisch vorprogrammierte Kühl- und Heizzyklen verschiedener Längen und Temperaturen ausführen.
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Die
US 4 962 761 A beschreibt eine gattungsgemäße thermische Bandage. Ein Temperatursensor ist im Kreislauf des Mediums zum Zwecke des Heizens und zur Überwachung vorgesehen. Ein weiterer Temperatursensor kann die Hauttemperatur ermitteln und in den Regelkreis eingebunden sein.
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Aus der
DE 10 2004 023 598 A1 ist eine Kühlvorrichtung bekannt, die zum Kühlen eines Körperteils geeignet ist. Die Vorrichtung umfasst ein Steuergerät, ein Körperkühlteil und ein Verbindungsmittel, welche im Betrieb einen geschlossenen Kühlkreislauf bilden. Die Temperatursteuerung kann über die Vorgabe einer Soll-Temperatur des Kältemittels und die Erfassung einer Ist-Temperatur am Wärmetauscher und/oder am Körperteil erfolgen.
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Bei den bekannten Heiz- und Kühlsystemen ist nachteilig, dass eine aufwendige Regeleinrichtung erforderlich ist, um die gewünschten Effekte zu erzielen. Eine definierte Temperaturführung mit inerten Bedingungen, wie dies zum Beispiel beim Mischen von verschiedenen Stoffen für medizinische und pharmazeutische Anwendungen erforderlich ist, ist nicht bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung dahingehend zu verbessern, dass ein optimaler Wärmeübergang für wechselnde Anwendungsfälle verschiedener Formen des Temperiergutes und eine inerte Temperaturerfassung ermöglicht wird. Außerdem soll ein Verfahren zur Temperaturregelung in einer solchen Vorrichtung bereitgestellt werden.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Vorrichtung, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale und mit einem Verfahren, welches die in Anspruch 17 angegebenen Merkmale enthält, gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Der Peltiergenerator liefert eine der jeweiligen Anwendung thermisch angepasste Heiz- bzw. Kühlenergie. Die Wärmeübertragung vom Peltierelement zum Wärmetauscher und die Temperaturführung zu den Anwendungstools erfolgt über ein flüssiges oder gasförmiges Heiz/Kühlmittel im Umwälzprinzip. Die Anwendungstools werden über ein tropfenfreies oder gasförmig dichtes Anschlusssystem mit dem Wärmetauscher verbunden. Die Funktionscharakteristik wird durch die thermischen Eigenschaften der Baugruppen bestimmt, die regelungstechnisch über einen elektronischen, rechnergestützten Wärmemengenregler sehr genau berechnet und geregelt werden können. Durch Umpolung der Stromrichtung kann zwischen den Anwendungsarten Kühlung und Heizung gewählt werden. Die elektrische Leistung wird dem Peltierelement vorzugsweise über ein AC/DC Netzgerät, einen Akkumulator oder ein Solarmodul zugeführt. Durch definierte Kühlung der Warmseite, einen Wärmewiderstand des am Peltierelement angebrachten Kühlkörpers vorzugsweise kleiner 0.2 K/W wird die Kühlleistung optimiert. Im Falle der Heizung führt der Kühlkörper die Kühlleistung ab. Am Peltierelement ist ein Wärmetauscher so angebracht, dass ein optimaler Wärmeübergang möglich ist. Die Wärmetauscher werden je nach Regelungsprinzip in drei Ausführungen eingesetzt. Dies sind:
- – ein vorwiegend für den zyklisch geschalteten Betrieb des Peltierelementes verwendeter massereicher Wärmetauscher,
- – ein für den stationären Betrieb des Peltierelementes geeigneter massearmer Wärmetauscher und
- – ein vorwiegend für den Einsatz von genauen Festtemperaturniveaus geeigneter Latentspeicher.
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Die Wärmetauscher sollten vorteilhaft standarisiert zusammensteckbar konzipiert sein.
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Vorzugsweise wird das Kühl- bzw. Heizmedium über eine Umwälzpumpe bewegt und damit die Energie über Verbindungsleitungen zum Anwendungstool transportiert wird. Eine spezielle Form der Verbindungsleitungen ist die Kapillarleitung. Die Umwälzpumpe ist vorteilhaft so aufgebaut, dass der elektrische Teil thermisch vom mechanischen Pumpenteil getrennt ist, um eine thermische Beeinflussung des Kühl-/Heizmittel zu vermeiden. Die regelungstechnische Vorgabe der Kühl- und Heizenergie bietet die Möglichkeit der medizinischen Anwendungen, da Wärmemenge/Wärmeleistung und thermischer Gradient vorgegeben werden können.
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Die Erfindung zeichnet sich durch eine Reihe von Vorteilen aus. Hierzu zählen insbesondere:
- 1. Durch die Verwendung von Peltierelementen als Generator sowohl von Wärme- als auch von Kälteenergie wird über einen Anwendungstool eine gute Anpassung an die erforderliche Erwärmung oder Kühlung des Temperiergutes ermöglicht. Es besteht die Möglichkeit einer dynamischen, stufenlosen Stellbarkeit der zu generierenden Wärme- und Kälteenergie. Ein Kontakt mit den stromführenden Leitern durch Keramikheiz- und – kühlplatten wird vermieden. Da die Anordnung in kleinen Abmessungen gefertigt werden kann und für die Kühlung nur ein geringer Medienaufwand erforderlich ist, ist auch ein mobiler Einsatz möglich.
- 2. Aufgrund des flächigen oder punktförmigen und formschlüssigen Kontaktes mit dem Temperiergut bzw. dessen Behältnis wird eine energetisch optimierte Wärmeübertragung gewährleistet.
- 3. Durch den optimierten Wärmeübergang kann die Temperatur des Temperiergutes durch eine stationäre Konstantregelung der Kupfer-Verteilernetztemperatur oder eines flexiblen Wärmeflächenleiters mit einer einfachen und preiswerten 2- oder 3-Punkt-Regelung geregelt werden. Hierzu ist die Messung der Kupfer-Verteilernetztemperatur oder die Messung der Vor- und Rücklauftemperatur ausreichend. Daraus ergeben sich deutliche Vorteile für eine vereinfachte Adaption des flexiblen Flächenmoduls sowie der Sicherstellung inerter Bedingungen, die in der Medizin und pharmazeutischen Industrie essentiell notwendig sind. Hierfür muss die zu regelnde Temperatur indirekt ermittelt werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
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1: eine Prinzipdarstellung des kombinierten Heiz- und Kühlsystems;
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2: einen schematischen Aufbau eines kombinierten Heiz- und Kühlsystems mit Stecksystem;
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3: ein kombiniertes Heiz- und Kühlsystem mit einem flexiblen Anwendungstool;
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4: ein Blockschaltbild der elektrischen Funktionsgruppen; und
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5: das elektrische Ersatzschaltbild des Wärme- und Kälte leistungsreglers ohne direkte Temperaturmessung.
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Das in 1 dargestellte kombinierte Heiz- und Kühlsystem besteht aus den Systemkomponenten
- – Peltierelement 1 mit Kühlkörper 2
- – Wärmetauscher 3
- – Kapillar-Verbindungsleitungen 4
- – Anwendungstool 5
- – Heizregister 8
sowie einem Lüfter 6 und einer in der Figur nicht dargestellten Regeleinrichtung 13.
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2 zeigt ein detailliertes Beispiel. Das Heiz- und Kühlsystem enthält mindestens ein Peltierelement 1, an welches eine von einer hier nicht dargestellten Regeleinrichtung 13 vorgegebene elektrische Gleichspannung angelegt wird und somit je nach Stromrichtung Wärme- oder Kälteenergie an den Wärmetauscher abgegeben wird. Unterhalb des Peltierelementes 1 befindet sich ein Kühlkörper 2, der mit einem Lüfter 6 und einem Heizregister 8 gekoppelt ist. Die Temperatur am Wärmetauscher kann je nach Einsatz eines bestimmten Peltier-Elementes ausgehend von der Raumtemperatur-Kühlung des Kühlkörpers abgesenkt werden bzw. je nach Vorheizung des Kühlkörpers und elektrischer Umpolung bis auf die maximal zulässige Temperatur des Peltierelementes erhöht werden. Der Temperaturgradient im Aufheiz-Modus wird durch die Vorheizung bestimmt. Je nach Kühlkörper-Temperatur und Höhe der Strom/Spannungswerte können die Temperaturwerte stufenlos von –20°C–+100°C verändert werden. Vom Peltierelement 1 wird die Wärme- oder Kälteenergie an einen Wärmetauscher 3 übertragen. Der Wärmetauscher 3 ist zur Gewährleistung einer guten Energiebilanz von einem Isolierkörper 9 umgeben. Im dargestellten Fall ist der Wärmetauscher 3 eine Fluidkammer, die Bestandteil eines Hydrauliksystems ist. Das Hydrauliksystem enthält eine Fluidumwälzpumpe 7, ein Ausgleichsgefäß 11 und ein Anwendungstool 5. Das Ausgleichsgefäß 11 besteht hier aus einem durchsichtigen Behälter, der gleichzeitig als Füllstandsanzeige und zur Befüllung des Hydrauliksystems mit dem Medium 12 dient. Das Anwendungstool 5 enthält ein Kapillarsystem und ist über die tropfenfreien Steckverbindungen 4.1 und 4.2 lösbar mit dem Hydrauliksystem verbunden. Das Kapillarsystem dient dem gleichmäßigen Fluidtransport im Anwendungstool 5 und bildet ein Wärme-Verzweigungsnetz. Die gleichmäßige Flächenverteilung der Wärme- und Kälteenergie sowie die bessere Wärmeübertragung an das Temperiergut kann durch ein flexibles Kupfernetz aus Feinstlitze oder einen flexiblen Wärmeflächenleiter, das im Anwendungstool 5 integriert ist, unterstützt werden. Es sind auch Ausführungen möglich, bei denen eine punktuelle Energieübertragung vom Anwendungstool 5 auf das Temperiergut durch die Anordnung von gut wärmeleitenden Metallspitzen am Anwendungstool 5 realisiert wird. Zur Temperaturmessung sind Temperaturmessstellen 10 an den Oberflächen des Peltierelementes 1 sowie am Einlauf und am Auslauf des Anwendungstools 5 angebracht.
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Die Fluidkammer kann sowohl in Form eines massereichen Körpers ausgebildet sein, der als Wärmespeicher dient (zyklischer Betrieb), oder als ein massearmes Bauteil, das als Durchlaufkammer für ein flüssiges oder gasförmiges Medium 12 dient, mit welchen der Wärmetransport erfolgt. Bei dieser Betriebsart ist ein statischer Betrieb vorteilhaft.
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Die Anordnung gestattet es, unterschiedliche Anwendungstools 5 an die Fluidkammer anzuschließen. Besonders geeignet sind hierzu starre Module oder flexible Flächenmodule. Der Anschluss von starren Modulen bietet die Möglichkeit, Kühl- und Heizplatten zu realisieren auf die das Temperiergut direkt oder in Gefäße aufgesetzt wird.
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In 3 ist eine Ausführungsform mit einem elastischen Flächenmodul dargestellt. Dabei besteht das Anwendungstool 5 aus einem Verband, der um das zu erwärmende oder zu kühlende Temperiergut gelegt wird. Im Anwendungstool 5 sind eine Kapillare und ein Kupferverteilernetz eingearbeitet. Durch die flexible Formanpassung des Verbandes an das Temperiergut werden optimale Wärmeübergangsbedingungen erreicht. Das elastische Flächenmodul kann vorteilhaft aus einem Kunststoff-Folienbeutel bestehen, in dem die Durchflusskanäle durch Folienschweißverbindungen hergestellt sind. Das Ausgleichsgefäß 11 besteht hier aus einem dehnbaren Schlauchmaterial.
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4 erläutert an Hand eines Blockbildes die elektrische Funktionsweise der Anordnung. Zentrales Element ist die mit den Peltierelementen 1 gekoppelte Regeleinrichtung 13, die vom Netzteil 14 versorgt wird und die Umwälzpumpe 7, das Heizregister 8 und den Kühllüfter 6 steuert. Sie ist mit einer Sicherheitsschaltung 15 zur Vermeidung gestörter Betriebsfälle, wie thermische Überlastung der Peltierelemente, sowie mit den Temperatursensoren 10 und einer PC-Schnittstelle 16 verbunden.
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Die Regelung des Peltierelementes 1 kann nach verschiedenen Methoden erfolgen.
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Eine erste Variante besteht in der Verwendung eines Stationärreglers für zyklische Regelung. Als Stationärregler dient dabei ein 2- oder 3-Punkt-Regler, der abhängig von der Regelabweichung die Kühl- oder Heiznennleistung für das Peltierelement 1 stellt. Die Regelung erfolgt durch zyklisches Ein- und Ausschaltender Energiezufuhr an das Anwendungstool 5. Der Regler besteht zweckmäßigerweise aus einem Ausschaltrelais für den ersten Punkt, d. h. es erfolgt weder Heizen noch Kühlen, sowie aus zwei Umschaltschaltrelais für das Schalter der Richtungsumkehr der Speisespannung des Peltierelements 1. Die an das jeweilige Peltierelement 1 angepasste Versorgungsspannung und Strombegrenzung wird über eine separate Spannungsquellezugeführt, was mit einem Akku, einem Solarmodul oder einem Netzgerät möglich ist.
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Als eine kostengünstige Variante ist es auch möglich, stationäre Betriebsbedingungen durch festeingestellte Parameter ohne Regelung der Betriebstemperatur zu erreichen.
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Eine 2. Variante besteht in der Echtzeitregelung mit einem Transientregler. Hierbei wird durch Messung der Kupfer-Verteilernetztemperatur oder der Temperatur des Wärmeflächenleiters der exakte Temperaturgradient an der Übergabestelle zum Temperiergut ermittelt. Durch Messung der Fluidtemperaturen am Ein- und Ausgang des Anwendungstools 5 kann die vom Temperiergut aufgenommene Wärme- und Kälteenergie errechnet werden. Mit einem vorab mit dem Temperiergut durchgeführten Kühl- oder Heizvorgang wird dessen Wärmekapazität ermittelt. Damit kann der Temperaturverlauf im Temperiergut ohne direkte Messung bestimmt und über den Speise-Wärmestrom des Peltierelementes 1 präzise geregelt werden.
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Es ist auch möglich, die Anordnung der transienten Temperaturregelung auf der Basis der Peltier-Temperaturen zu betreiben. Dabei wird durch definierte Variation der Speisespannung und somit des vom Peltierelement 1 aufgenommenen elektrischen Stroms sowie durch Messung der Temperaturwerte auf der kalten und heißen Peltierelementoberfläche 1.1 und 1.2 die generierte Wärme- und Kälteenergie (Speise-Wärmestrom) ermittelt. Durch experimentelle Ermittlung der nahezu konstanten Wärmeübergangswiderstände können die Temperaturverläufe in Abhängigkeit vom Speise-Wärmestrom im Voraus ermittelt werden. Hiermit wird es möglich, eine prozessorgestützte Vorsteuerung für eine gewünschte dynamische oder transiente Temperaturregelung zu realisieren.
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Die beschriebenen Varianten zur Regelung der Wärme- und Kälteleistung sind in 5 an einem elektrischen Ersatzschaltbild erläutert, bei dem die Wärme- bzw. Kälte über einen Leistungsregler prozessorgestützt geregelt wird. Die Bestimmung der Temperatur erfolgt hier über das energetische Verhalten des Peltierelementes 1, so dass eine direkte Messung im Anwendungstool nicht erforderlich ist. Dadurch können inerte Bedingungen für medizinisch saubere Technologien ermöglicht werden, was ein grundlegender Vorteil für Anwendungen im medizinischen Bereich bedeutet.
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Die Wärmeleistung des Peltierelementes
1 auf der warmen Oberfläche ergibt sich aus der Beziehung
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Die Wärmeleistung des Peltierelementes
1 auf der kalten Seite aus der Beziehung
Wärmeleitungswiderstand
RW = Δx / λ·A Peltierkoeffizient
ΠAB = α·T -
Bezugszeichenliste
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Fig. 5
- Rel
- Elektrischer Widerstand des Peltierelementes
- I
- Elektrischer Strom durch das Peltierelement
- A
- Peltierelementoberfläche
- Δx
- Dicke des Peltierelements
- α
- Seebeck-Koeffizient/Thermokraft
- λ
- Wärmeleitfähigkeit, z. B. Wismut-Tellurid: 1,3 W/(K*m)
- τ
- Thompsonkoeffizient
- ΠAB
- Peltierkoeffizient
- ΔT
- Temperaturdifferenz zw. warmer und kalter Peltierelementoberfläche
- T
- Absolute Temperatur
- TW
- Absolute Temperatur der warmen Peltierelementoberfläche
- TK
- Absolute Temperatur der kalten Peltierelementoberfläche
- TCU
- Absolute Temperatur des Kupfer-Verteilernetzes
- TTG
- Absolute Temperatur des Temperiergutes
- TWTE
- Absolute Temperatur Wärmetauschereintritt
- TWTA
- Absolute Temperatur Wärmetauscheraustritt
- QKK
- Wärmekapazität Kühlkörper
- QKF
- Wärmekapazität Kühlflüssigkeit
- QTG
- Wärmekapazität Temperiergut
- RWÜK
- Wärmeübergangswiderstand Kühlflüssigkeit
- RWüL
- Wärmeübergangswiderstand Kühlluft
- RWKF
- Wärmeleitungswiderstand Kühlflüssigkeit (Wärmetauscher)
- RWTG
- Wärmeübergangswiderstand Behälter Temperiergut
- Rwcu
- Wärmeübergangswiderstand Cu-Verteilernetz
- RW
- Wärmeleitungswiderstand
