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DE102005013926B4 - Device and method for temperature control of a thermostated - Google Patents

Device and method for temperature control of a thermostated

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DE102005013926B4
DE102005013926B4 DE200510013926 DE102005013926A DE102005013926B4 DE 102005013926 B4 DE102005013926 B4 DE 102005013926B4 DE 200510013926 DE200510013926 DE 200510013926 DE 102005013926 A DE102005013926 A DE 102005013926A DE 102005013926 B4 DE102005013926 B4 DE 102005013926B4
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André Dipl.-Ing. 71672 Kröhnert
Jürgen Dipl.-Ing. 98693 Kröhnert
Kai Dipl.-Ing. 76571 Kröhnert
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Jürgen Dipl.-Ing. 98693 Kröhnert
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    • F28F9/26Arrangements for connecting different sections of heat-exchange elements, e.g. of radiators

Abstract

Vorrichtung zur Temperaturregelung eines Temperiergutes mit einem von einem Medium (12) in einem Kreislauf durchströmten Wärmetauscher (3), welcher mit der Heiz- oder Kühlfläche eines Peltierelementes (1) gekoppelt ist und ein Anwendungstool (5) zur Aufnahme des Temperiergutes umfasst, wobei das Anwendungstool (5) mittels Verbindungsleitungen (4) an einem Einlauf und einem Auslauf in den Kreislauf integriert ist, ebenfalls vom Medium (12) durchströmt wird und eine dem Temperiergut angepasste Form aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Temperaturmesseinrichtung (10.3, 10.4) am Einlauf und am Auslauf des Anwendungstools (5) angeordnet ist. A device for temperature control of a thermostated to one of a medium (12) through which flows in a circulation heat exchanger (3) connected to the heating or cooling surface of a Peltier element (1) is coupled, and includes an application tool (5) for receiving the thermostated, wherein the is integrated application tool (5) by means of connecting lines (4) to an inlet and an outlet in the cycle, also from the medium (12) flowing through it and has an adjusted to the temperature application form, characterized in that in each case a temperature-measuring device (10.3, 10.4) on the is the inlet and disposed at the outlet of the application tool (5).

Description

  • [0001] [0001]
    Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Temperaturregelung eines Temperiergutes mit einem von einem Medium in einem Kreislauf durchströmten Wärmetauscher. The invention relates to an apparatus and a method for temperature control of a thermostated with a throughflow of a medium in a circuit heat exchanger.
  • [0002] [0002]
    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. This is a common procedure, heating with an arrangement of a temperature application in various systems which can be connected to the arrangement in which both, as well as to be able to cool. Die Erfindung ist für eine Vielzahl von Anwendungen einsetzbar. The invention is useful for a variety of applications. Hierzu zählen insbesondere: These include in particular:
    • 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. 1. Applications for preparing pharmaceutical or cosmetic products through improvement of fabrication technologies, for example in the preparation of compositions in the pharmaceutical and cosmetics which can be prepared by a treatment by a specific temperature control with higher quality. Dies kann beispielsweise durch Abführung von Reibungswärme bei mechanischen Mischtechnologien der Fall sein. This may be the case, for example, by removal of frictional heat in mechanical mixing technologies. Ferner ist auch das Verändern der Konsistenz bei verschiedenen Wärmevorbehandlungs- oder Aufschmelzvorgängen möglich, wodurch erst eine mechanische Verarbeitung ermöglicht wird. Furthermore, changing the consistency at different Wärmevorbehandlungs- or reflows which only a mechanical processing is possible is possible.
    • 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. 2. applications in medicine by a defined cooling and / or heating, for example in medical healing therapies in which subsequent cycles of cooling and warming stages by setting the temperature gradients, are used analogously to the heat and cold stimuli of the Kneipp water treatment.
    • 3. Anwendungen im Wellness-Bereich, zum Beispiel zur Hautpflege. 3. Applications in the wellness area, for example for skin care.
  • [0003] [0003]
    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. Heating elements in the prior art for stationary or cyclic temperature control used mainly based on the principle of resistance heating, and cooling means in which a cooled by refrigeration compressors liquid is used.
  • [0004] [0004]
    In In DE 297 20 936 U1 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. is described on body surfaces, in which a handset is provided with a controllable thermal contact to a device for diagnosis and treatment by heat supply and heat extraction. 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. The thermal contact is up to a few Hertz controlled by means of, fed by a voltage supply Peltier element for selectively heating or cooling at a rate of a fraction of a Hertz. 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. The electrical connections of the Peltier element as well as the electrical connections of a temperature sensor in the thermal storage are connected in the vicinity of the Peltier element via a flexible cable connection to a control device with the power supply.
  • [0005] [0005]
    Ferner ist nach Further, according to DE 299 12 217 U1 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. a vest for cooling zones of the body is known which is worn under protective suits, in which the carrier is temporarily under high Wärmebelasturg. Hierbei sind Kühlzonen vorgesehen, in denen Peltierelemente angeordnet sind, welche mit einer Stromquelle, die in die Weste integriert ist, versorgt werden. Here, cooling zones are provided, in which Peltier elements are arranged, which are supplied with a power source that is integrated into the vest. 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. The kälteausstrahlende side of the Peltier elements is attached to the body and provided towards the opposite heat-radiating side with an insulating layer that can store the heat energy over a certain time of the application of the vest, and thus the radiation strongly inhibits in the protective suit.
  • [0006] [0006]
    Die The DE 600 10 890 T2 DE 600 10 890 T2 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Temperaturregelung, welches in der Prüfung von integrierten Schaltkreisen auf Wafern Anwendung findet. describes an apparatus and a method for temperature control, which is used in the testing of integrated circuits on wafers. Die Vorrichtung umfasst einen Wärmetauscher mit einer Wärmesenke und einem Heizelement. The apparatus comprises a heat exchanger with a heat sink and a heating element. Die Wärmesenke wird mittels eines Flüssigkeits-Rezirkulationssystems auf einer bestimmten Temperatur gehalten. The heat sink is held by means of a fluid recirculation system at a certain temperature. 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. A valve disposed on the heat sink heating element serves to control the temperature of a corresponding heating element with the region to a temperature above the predetermined temperature from the heat sink.
  • [0007] [0007]
    Die The WO 00/73715 A1 WO 00/73715 A1 betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für Ausschank- und Klimaanlagen, mit einem Peltiergenerator. relates to a heat exchanger, in particular for dispensing and air conditioning systems, with a Peltier generator. 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. The Peltier generator is arranged on a highly thermally conductive material block, which comprises a through passage for the medium flowing through and quick closures of connectable external lines of other components. Die Anlage ist sowohl zum Kühlen, als auch zum Heizen des durchfließenden Mediums geeignet. The system is suitable both for cooling and for heating the flowing medium. Das durchfließende Medium ist dabei das Temperiergut. The flowing medium is the temperature application.
  • [0008] [0008]
    Aus der From the WO 94/00086 A1 WO 94/00086 A1 ist eine Einrichtung zur Temperierung von Therapie-Pads bekannt, die einen von einem Medium durchströmten Wärmetauscher und ein Peltierelement umfasst. discloses a device for tempering treatment pads comprising a medium through which flows a heat exchanger and a Peltier element. Das Pad ist in den Kreislauf integriert und weist eine dem Körperteil angepasste Form auf. The pad is integrated into the circuit and has an adapted part of the body shape. Eine Temperaturregeleinrichtung ist hinter dem Wärmetauscher in den Kreislauf integriert. A temperature control device is integrated behind the heat exchanger in the circulation.
  • [0009] [0009]
    Eine Weiterentwicklung dieses Systems ist in der A further development of this system is in the US 5 871 526 A US 5871526 A offenbart. disclosed. Ein programmierbarer Temperaturregler kann automatisch vorprogrammierte Kühl- und Heizzyklen verschiedener Längen und Temperaturen ausführen. A programmable temperature controller can automatically execute pre-programmed cooling and heating cycles of different lengths and temperatures.
  • [0010] [0010]
    Die The US 4 962 761 A US 4962761 A beschreibt eine gattungsgemäße thermische Bandage. describes a generic thermal bandage. Ein Temperatursensor ist im Kreislauf des Mediums zum Zwecke des Heizens und zur Überwachung vorgesehen. A temperature sensor is provided in the circulation of the medium for the purpose of heating and monitoring. Ein weiterer Temperatursensor kann die Hauttemperatur ermitteln und in den Regelkreis eingebunden sein. Another temperature sensor can detect the skin temperature and be involved in the control loop.
  • [0011] [0011]
    Aus der From the DE 10 2004 023 598 A1 DE 10 2004 023 598 A1 ist eine Kühlvorrichtung bekannt, die zum Kühlen eines Körperteils geeignet ist. discloses a cooling device suitable for cooling a body part. Die Vorrichtung umfasst ein Steuergerät, ein Körperkühlteil und ein Verbindungsmittel, welche im Betrieb einen geschlossenen Kühlkreislauf bilden. The device comprises a control unit, a body cooling part and a connection means forming a closed cooling circuit in operation. Die Temperatursteuerung kann über die Vorgabe einer Soll-Temperatur des Kältemittels und die Erfassung einer Ist-Temperatur am Wärmetauscher und/oder am Körperteil erfolgen. The temperature control can be performed by specifying a target temperature of the refrigerant and the detection of an actual temperature at the heat exchanger and / or the body portion.
  • [0012] [0012]
    Bei den bekannten Heiz- und Kühlsystemen ist nachteilig, dass eine aufwendige Regeleinrichtung erforderlich ist, um die gewünschten Effekte zu erzielen. In the known heating and cooling systems is disadvantageous that complex control system is required to achieve the desired effects. 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. A defined temperature control with inert conditions, as required, for example when mixing different substances for medical and pharmaceutical applications, is not known.
  • [0013] [0013]
    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. The object underlying the invention is to improve a generic device in that an optimum heat transfer for alternate applications for various forms of thermostated and an inert temperature detection is made possible. Außerdem soll ein Verfahren zur Temperaturregelung in einer solchen Vorrichtung bereitgestellt werden. Moreover, a method for controlling the temperature in such a device is to be provided.
  • [0014] [0014]
    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. According to the invention the object is achieved with a device which solved the stated in claim 1. and a method which comprises the features specified in claim 17.
  • [0015] [0015]
    Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Advantageous embodiments are disclosed in the dependent claims.
  • [0016] [0016]
    Der Peltiergenerator liefert eine der jeweiligen Anwendung thermisch angepasste Heiz- bzw. Kühlenergie. The Peltier generator supplies the application thermally matched heating or cooling energy. Die Wärmeübertragung vom Peltierelement zum Wärmetauscher und die Temperaturführung zu den Anwendungstools erfolgt über ein flüssiges oder gasförmiges Heiz/Kühlmittel im Umwälzprinzip. The heat transfer from Peltier element to the heat exchanger and the temperature control to the application tool is provided by a liquid or gaseous heating / coolant in the circulation principle. Die Anwendungstools werden über ein tropfenfreies oder gasförmig dichtes Anschlusssystem mit dem Wärmetauscher verbunden. The application tools are connected via a drip-free or gas-tight connection system with the heat exchanger. Die Funktionscharakteristik wird durch die thermischen Eigenschaften der Baugruppen bestimmt, die regelungstechnisch über einen elektronischen, rechnergestützten Wärmemengenregler sehr genau berechnet und geregelt werden können. The function characteristic is determined by the thermal characteristics of the modules that can be calculated very accurately control technology with an electronic, computer based heat quantity controller and controlled. Durch Umpolung der Stromrichtung kann zwischen den Anwendungsarten Kühlung und Heizung gewählt werden. By reversing the polarity of the current direction can be made between the types of applications cooling and heating. Die elektrische Leistung wird dem Peltierelement vorzugsweise über ein AC/DC Netzgerät, einen Akkumulator oder ein Solarmodul zugeführt. The electric power is supplied to the Peltier element preferably supplied via an AC / DC power supply, a battery or a solar module. Durch definierte Kühlung der Warmseite, einen Wärmewiderstand des am Peltierelement angebrachten Kühlkörpers vorzugsweise kleiner 0.2 K/W wird die Kühlleistung optimiert. By a defined cooling of the hot side, a heat resistance of the Peltier element mounted on the cooling body is preferably less than 0.2 K / W will be optimized, the cooling performance. Im Falle der Heizung führt der Kühlkörper die Kühlleistung ab. In the case of heating the heat sink dissipates the cooling capacity. Am Peltierelement ist ein Wärmetauscher so angebracht, dass ein optimaler Wärmeübergang möglich ist. On Peltier element, a heat exchanger is mounted so that an optimum heat transfer is possible. Die Wärmetauscher werden je nach Regelungsprinzip in drei Ausführungen eingesetzt. The heat exchangers are used depending on the control principle in three versions. Dies sind: These are:
    • – ein vorwiegend für den zyklisch geschalteten Betrieb des Peltierelementes verwendeter massereicher Wärmetauscher, - a predominantly used for the cyclically switched operation of the Peltier element of massive heat exchanger,
    • – ein für den stationären Betrieb des Peltierelementes geeigneter massearmer Wärmetauscher und - a suitable for stationary operation of the Peltier element of low mass and heat exchanger
    • – ein vorwiegend für den Einsatz von genauen Festtemperaturniveaus geeigneter Latentspeicher. - a predominantly suitable for the use of accurate fixed temperature levels latent storage.
  • [0017] [0017]
    Die Wärmetauscher sollten vorteilhaft standarisiert zusammensteckbar konzipiert sein. The heat exchanger should be advantageous designed standardized plugged together.
  • [0018] [0018]
    Vorzugsweise wird das Kühl- bzw. Heizmedium über eine Umwälzpumpe bewegt und damit die Energie über Verbindungsleitungen zum Anwendungstool transportiert wird. Preferably, the cooling or heating medium is moved over a circulating pump and thus the energy via connection lines is transported to the application tool. Eine spezielle Form der Verbindungsleitungen ist die Kapillarleitung. A special form of the connecting lines is the capillary. 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. The circulation pump is advantageously constructed so that the electrical part is thermally separated from the mechanical pump portion, in order to avoid a thermal influencing of the cooling / heating means. Die regelungstechnische Vorgabe der Kühl- und Heizenergie bietet die Möglichkeit der medizinischen Anwendungen, da Wärmemenge/Wärmeleistung und thermischer Gradient vorgegeben werden können. The control technology requirement of the cooling and heating energy offers the possibility of medical applications as heat / heat output and thermal gradient can be specified.
  • [0019] [0019]
    Die Erfindung zeichnet sich durch eine Reihe von Vorteilen aus. The invention is characterized by a number of advantages. Hierzu zählen insbesondere: These include in particular:
    • 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. 1. Through the use of Peltier elements as a generator of both heat and cold energy of a good adaptation to the required heating or cooling of the tempering medium is provided via an application tool. Es besteht die Möglichkeit einer dynamischen, stufenlosen Stellbarkeit der zu generierenden Wärme- und Kälteenergie. There is the possibility of a dynamic, continuous adjustability of the generated heat and cooling energy. Ein Kontakt mit den stromführenden Leitern durch Keramikheiz- und – kühlplatten wird vermieden. A contact with the live conductors by Keramikheiz- and - cooling plates is avoided. 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. Since the arrangement can be made in small dimensions, and only a small media effort is required for cooling, a mobile application is possible.
    • 2. Aufgrund des flächigen oder punktförmigen und formschlüssigen Kontaktes mit dem Temperiergut bzw. dessen Behältnis wird eine energetisch optimierte Wärmeübertragung gewährleistet. 2. Based on the area or point-like and form-fitting contact with the thermostated or its receptacle an energetically optimized heat transfer is ensured.
    • 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. 3. the temperature of the thermostated through the optimized heat transfer can be controlled by a stationary constant control of the copper-distribution system temperature, or a flexible surface heat conductor with a simple and inexpensive 2- or 3-point control. Hierzu ist die Messung der Kupfer-Verteilernetztemperatur oder die Messung der Vor- und Rücklauftemperatur ausreichend. For this purpose, the measurement of the copper-distribution system temperature or the measurement of the flow and return temperature is sufficient. 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. This results in significant advantages for a simplified adaptation of the flexible sheet module and ensuring inert conditions that are essential need in the medical and pharmaceutical industries. Hierfür muss die zu regelnde Temperatur indirekt ermittelt werden. For this, the temperature to be controlled must be determined indirectly.
  • [0020] [0020]
    Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. The invention is explained below with reference to an embodiment in more detail. In der zugehörigen Zeichnung zeigen: In the accompanying drawings:
  • [0021] [0021]
    1 1 : eine Prinzipdarstellung des kombinierten Heiz- und Kühlsystems; Shows a schematic diagram of the combined heating and cooling system;
  • [0022] [0022]
    2 2 : einen schematischen Aufbau eines kombinierten Heiz- und Kühlsystems mit Stecksystem; : A schematic configuration of a combined heating and cooling system with connector system;
  • [0023] [0023]
    3 3 : ein kombiniertes Heiz- und Kühlsystem mit einem flexiblen Anwendungstool; : A combined heating and cooling system with a flexible application tool;
  • [0024] [0024]
    4 4 : ein Blockschaltbild der elektrischen Funktionsgruppen; Is a block diagram of the electrical functional groups; und and
  • [0025] [0025]
    5 5 : das elektrische Ersatzschaltbild des Wärme- und Kälte leistungsreglers ohne direkte Temperaturmessung. : The electrical equivalent circuit of the heating and cooling power regulator without direct temperature measurement.
  • [0026] [0026]
    Das in This in 1 1 dargestellte kombinierte Heiz- und Kühlsystem besteht aus den Systemkomponenten shown combined heating and cooling system consists of the system components
    • – Peltierelement - Peltier element 1 1 mit Kühlkörper with heatsink 2 2
    • – Wärmetauscher - Heat exchangers 3 3
    • – Kapillar-Verbindungsleitungen - capillary interconnections 4 4
    • – Anwendungstool - Application Tool 5 5
    • – Heizregister - heating register 8 8th
    sowie einem Lüfter and a fan 6 6 und einer in der Figur nicht dargestellten Regeleinrichtung and a control device not shown in the figure 13 13 . ,
  • [0027] [0027]
    2 2 zeigt ein detailliertes Beispiel. shows a detailed example. Das Heiz- und Kühlsystem enthält mindestens ein Peltierelement The heating and cooling system includes at least one Peltier element 1 1 , an welches eine von einer hier nicht dargestellten Regeleinrichtung To which a control device not shown here from a 13 13 vorgegebene elektrische Gleichspannung angelegt wird und somit je nach Stromrichtung Wärme- oder Kälteenergie an den Wärmetauscher abgegeben wird. predetermined electrical DC voltage is applied, and is thus output, depending on the direction of current heating or cooling energy to the heat exchanger. Unterhalb des Peltierelementes Below the Peltier element 1 1 befindet sich ein Kühlkörper There is a heat sink 2 2 , der mit einem Lüfter Provided with a fan 6 6 und einem Heizregister and a heater 8 8th gekoppelt ist. is coupled. 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. The temperature at the heat exchanger can be lowered on the basis of the room temperature-cooling the heat sink or increased depending on the pre-heating of the heat sink and electrical polarity reversal up to the maximum allowable temperature of the Peltier element according to the application of a given Peltier element. Der Temperaturgradient im Aufheiz-Modus wird durch die Vorheizung bestimmt. The temperature gradient in the heating-up mode is determined by the preheating. Je nach Kühlkörper-Temperatur und Höhe der Strom/Spannungswerte können die Temperaturwerte stufenlos von –20°C–+100°C verändert werden. Depending on the heat sink temperature and level of the current / voltage values, the temperature values ​​may be continuously changed from -20 ° C- + 100 ° C. Vom Peltierelement The Peltier element 1 1 wird die Wärme- oder Kälteenergie an einen Wärmetauscher is the heating or cooling energy to a heat exchanger 3 3 übertragen. transfer. Der Wärmetauscher The heat exchanger 3 3 ist zur Gewährleistung einer guten Energiebilanz von einem Isolierkörper is to ensure good energy balance of an insulating body 9 9 umgeben. surround. Im dargestellten Fall ist der Wärmetauscher In the illustrated case, the heat exchanger 3 3 eine Fluidkammer, die Bestandteil eines Hydrauliksystems ist. is a fluid chamber forming part of a hydraulic system. Das Hydrauliksystem enthält eine Fluidumwälzpumpe The hydraulic system includes a fluid circulation pump 7 7 , ein Ausgleichsgefäß An expansion tank 11 11 und ein Anwendungstool and an application tool 5 5 . , Das Ausgleichsgefäß The expansion tank 11 11 besteht hier aus einem durchsichtigen Behälter, der gleichzeitig als Füllstandsanzeige und zur Befüllung des Hydrauliksystems mit dem Medium here consists of a transparent container, at the same time as a level indicator and for filling the hydraulic system with the medium 12 12 dient. serves. Das Anwendungstool The application tool 5 5 enthält ein Kapillarsystem und ist über die tropfenfreien Steckverbindungen includes a capillary system and is connected via the drip-free plug connections 4.1 4.1 und and 4.2 4.2 lösbar mit dem Hydrauliksystem verbunden. releasably connected to the hydraulic system. Das Kapillarsystem dient dem gleichmäßigen Fluidtransport im Anwendungstool The capillary system serves the uniform fluid transport in the Application Tool 5 5 und bildet ein Wärme-Verzweigungsnetz. and forms a heat-branch network. 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 The uniform surface distribution of heat and cold as well as better heat transfer to the temperature application can be prepared by a flexible copper net or a flexible heat from Feinstlitze surface conductor, which in the Application Tool 5 5 integriert ist, unterstützt werden. is integrated, are supported. Es sind auch Ausführungen möglich, bei denen eine punktuelle Energieübertragung vom Anwendungstool There are also possible configurations in which a selective energy transfer from the application tool 5 5 auf das Temperiergut durch die Anordnung von gut wärmeleitenden Metallspitzen am Anwendungstool to the load through the array of highly heat-conductive metal tips on the application tool 5 5 realisiert wird. is realized. Zur Temperaturmessung sind Temperaturmessstellen For temperature measurement, temperature measurement points 10 10 an den Oberflächen des Peltierelementes on the surfaces of the Peltier element 1 1 sowie am Einlauf und am Auslauf des Anwendungstools and at the inlet and outlet of the application tools 5 5 angebracht. appropriate.
  • [0028] [0028]
    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 The fluid chamber may be either in the form of a massive body which serves as a heat store (cyclic operation), or as a low-mass component, which as a flow chamber for a liquid or gaseous medium 12 12 dient, mit welchen der Wärmetransport erfolgt. is used, with which the heat transport takes place. Bei dieser Betriebsart ist ein statischer Betrieb vorteilhaft. In this mode, a static operation is advantageous.
  • [0029] [0029]
    Die Anordnung gestattet es, unterschiedliche Anwendungstools The arrangement allows different application tools 5 5 an die Fluidkammer anzuschließen. be connected to the fluid chamber. Besonders geeignet sind hierzu starre Module oder flexible Flächenmodule. Particularly suitable for this purpose rigid modules or flexible space modules. Der Anschluss von starren Modulen bietet die Möglichkeit, Kühl- und Heizplatten zu realisieren auf die das Temperiergut direkt oder in Gefäße aufgesetzt wird. The connection of rigid modules offers the possibility of cooling and heating plates to realize on the temperature application is placed directly or in vessels.
  • [0030] [0030]
    In In 3 3 ist eine Ausführungsform mit einem elastischen Flächenmodul dargestellt. shows an embodiment with an elastic surface module. Dabei besteht das Anwendungstool Here is the application tool 5 5 aus einem Verband, der um das zu erwärmende oder zu kühlende Temperiergut gelegt wird. from a bandage that is wrapped around the to be heated or cooled thermostated. Im Anwendungstool In the application tool 5 5 sind eine Kapillare und ein Kupferverteilernetz eingearbeitet. a capillary and a copper distribution system are incorporated. Durch die flexible Formanpassung des Verbandes an das Temperiergut werden optimale Wärmeübergangsbedingungen erreicht. Due to the flexible conformability of the dressing to the requiring temperature optimum heat transfer conditions are achieved. Das elastische Flächenmodul kann vorteilhaft aus einem Kunststoff-Folienbeutel bestehen, in dem die Durchflusskanäle durch Folienschweißverbindungen hergestellt sind. The elastic surface module may advantageously consist of a plastic film bag in which the flow channels are produced by film welded joints. Das Ausgleichsgefäß The expansion tank 11 11 besteht hier aus einem dehnbaren Schlauchmaterial. here consists of an expandable tubing.
  • [0031] [0031]
    4 4 erläutert an Hand eines Blockbildes die elektrische Funktionsweise der Anordnung. illustrates the electrical operation of the arrangement with reference to a block image. Zentrales Element ist die mit den Peltierelementen The central element is connected to the Peltier elements 1 1 gekoppelte Regeleinrichtung coupled control device 13 13 , die vom Netzteil That the power supply 14 14 versorgt wird und die Umwälzpumpe is supplied and the circulation pump 7 7 , das Heizregister The heating radiator 8 8th und den Kühllüfter and the cooling fan 6 6 steuert. controls. Sie ist mit einer Sicherheitsschaltung It is equipped with a safety circuit 15 15 zur Vermeidung gestörter Betriebsfälle, wie thermische Überlastung der Peltierelemente, sowie mit den Temperatursensoren to prevent faulty operation events, such as thermal overload of the Peltier elements, and with the temperature sensors 10 10 und einer PC-Schnittstelle and a PC interface 16 16 verbunden. connected.
  • [0032] [0032]
    Die Regelung des Peltierelementes The control of the Peltier element 1 1 kann nach verschiedenen Methoden erfolgen. can be done by various methods.
  • [0033] [0033]
    Eine erste Variante besteht in der Verwendung eines Stationärreglers für zyklische Regelung. A first variant is to use a stationary controller for cyclic control. Als Stationärregler dient dabei ein 2- oder 3-Punkt-Regler, der abhängig von der Regelabweichung die Kühl- oder Heiznennleistung für das Peltierelement As a stationary regulator thereby serves a 2- or 3-position controller, which depends on the control deviation, the cooling or Heating capacity of the Peltier element 1 1 stellt. provides. Die Regelung erfolgt durch zyklisches Ein- und Ausschaltender Energiezufuhr an das Anwendungstool The control is effected by cyclically input and Ausschaltender power supply to the application tool 5 5 . , Der Regler besteht zweckmäßigerweise aus einem Ausschaltrelais für den ersten Punkt, dh es erfolgt weder Heizen noch Kühlen, sowie aus zwei Umschaltschaltrelais für das Schalter der Richtungsumkehr der Speisespannung des Peltierelements The regulator consists suitably of a switch-off relay for the first point, ie, there is no heating or cooling, as well as two Umschaltschaltrelais for the switch of the direction reversal of the supply voltage of the Peltier element 1 1 . , Die an das jeweilige Peltierelement The respective to the Peltier element 1 1 angepasste Versorgungsspannung und Strombegrenzung wird über eine separate Spannungsquellezugeführt, was mit einem Akku, einem Solarmodul oder einem Netzgerät möglich ist. adjusted supply voltage and current limitation is via a separate power source is supplied, which is possible with a battery, a solar module or a power supply.
  • [0034] [0034]
    Als eine kostengünstige Variante ist es auch möglich, stationäre Betriebsbedingungen durch festeingestellte Parameter ohne Regelung der Betriebstemperatur zu erreichen. As a low-cost variant, it is also possible to reach steady-state operating conditions by permanently set parameters without controlling the operating temperature.
  • [0035] [0035]
    Eine A 2 2 . , Variante besteht in der Echtzeitregelung mit einem Transientregler. Variant is the real-time control with a Transientregler. Hierbei wird durch Messung der Kupfer-Verteilernetztemperatur oder der Temperatur des Wärmeflächenleiters der exakte Temperaturgradient an der Übergabestelle zum Temperiergut ermittelt. Here, it is determined by measuring the copper distribution system temperature or the temperature of the heat conductor surface the precise temperature gradient at the transfer point to be thermostated. Durch Messung der Fluidtemperaturen am Ein- und Ausgang des Anwendungstools By measuring the fluid temperatures at the inlet and output of the application tools 5 5 kann die vom Temperiergut aufgenommene Wärme- und Kälteenergie errechnet werden. the power absorbed by requiring temperature heating and cooling energy can be calculated. Mit einem vorab mit dem Temperiergut durchgeführten Kühl- oder Heizvorgang wird dessen Wärmekapazität ermittelt. With a previously performed with the thermostated cooling or heating the heat capacity is determined. Damit kann der Temperaturverlauf im Temperiergut ohne direkte Messung bestimmt und über den Speise-Wärmestrom des Peltierelementes So that the temperature profile in the thermostated products can be determined without direct measurement and the supply heat power of the Peltier element 1 1 präzise geregelt werden. precisely be controlled.
  • [0036] [0036]
    Es ist auch möglich, die Anordnung der transienten Temperaturregelung auf der Basis der Peltier-Temperaturen zu betreiben. It is also possible to operate the arrangement of the transient temperature control based on the Peltier temperatures. Dabei wird durch definierte Variation der Speisespannung und somit des vom Peltierelement Here is defined variation of the supply voltage and thus of the Peltier element 1 1 aufgenommenen elektrischen Stroms sowie durch Messung der Temperaturwerte auf der kalten und heißen Peltierelementoberfläche consumed electric current, and by measuring the temperature values ​​on the cold and hot Peltier element surface 1.1 1.1 und and 1.2 1.2 die generierte Wärme- und Kälteenergie (Speise-Wärmestrom) ermittelt. the generated heating and cooling energy (heat supply current) is determined. Durch experimentelle Ermittlung der nahezu konstanten Wärmeübergangswiderstände können die Temperaturverläufe in Abhängigkeit vom Speise-Wärmestrom im Voraus ermittelt werden. By experimental determination of the almost constant heat transfer resistances, the temperature curves as a function of supply heat flow in advance can be determined. Hiermit wird es möglich, eine prozessorgestützte Vorsteuerung für eine gewünschte dynamische oder transiente Temperaturregelung zu realisieren. This makes it possible to realize a processor-based pilot control for a desired dynamic or transient temperature control.
  • [0037] [0037]
    Die beschriebenen Varianten zur Regelung der Wärme- und Kälteleistung sind in The variants described for controlling the heating and cooling power are in 5 5 an einem elektrischen Ersatzschaltbild erläutert, bei dem die Wärme- bzw. Kälte über einen Leistungsregler prozessorgestützt geregelt wird. explained by an equivalent electrical circuit in which the heat or cold is controlled by a power controller processor based. Die Bestimmung der Temperatur erfolgt hier über das energetische Verhalten des Peltierelementes The determination of the temperature takes place here on the energy performance of the Peltier element 1 1 , so dass eine direkte Messung im Anwendungstool nicht erforderlich ist. So that a direct measurement of the application tool is not required. Dadurch können inerte Bedingungen für medizinisch saubere Technologien ermöglicht werden, was ein grundlegender Vorteil für Anwendungen im medizinischen Bereich bedeutet. This inert conditions for medically clean technology can be enabled, which means a fundamental advantage for applications in the medical field.
  • [0038] [0038]
    Die Wärmeleistung des Peltierelementes The heat capacity of the Peltier element 1 1 auf der warmen Oberfläche ergibt sich aus der Beziehung on the hot surface is given by the relationship
    Figure 00120001
  • [0039] [0039]
    Die Wärmeleistung des Peltierelementes The heat capacity of the Peltier element 1 1 auf der kalten Seite aus der Beziehung on the cold side from the relationship
    Figure 00120002
    Wärmeleitungswiderstand Heat conduction resistance R W = Δx / λ·A R W = Ax / λ · A Peltierkoeffizient Peltier coefficient Π AB = α·T Π AB = α · T
  • Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
  • Fig. 5 Fig. 5
    R el R el
    Elektrischer Widerstand des Peltierelementes Electrical resistance of the Peltier element
    I I
    Elektrischer Strom durch das Peltierelement Electric current through the Peltier element
    A A
    Peltierelementoberfläche Peltier element surface
    Δx Ax
    Dicke des Peltierelements Thickness of the Peltier element
    α α
    Seebeck-Koeffizient/Thermokraft Seebeck Coefficient / thermopower
    λ λ
    Wärmeleitfähigkeit, z. Thermal conductivity such. B. Wismut-Tellurid: 1,3 W/(K*m) As bismuth telluride: 1.3 W / (K * m)
    τ τ
    Thompsonkoeffizient Thompsonkoeffizient
    Π AB Π AB
    Peltierkoeffizient Peltier coefficient
    ΔT .DELTA.T
    Temperaturdifferenz zw. warmer und kalter Peltierelementoberfläche Temperature difference betw. Hot and cold Peltier element surface
    T T
    Absolute Temperatur absolute temperature
    T W T W
    Absolute Temperatur der warmen Peltierelementoberfläche Absolute temperature of the warm Peltier element surface
    T K T K
    Absolute Temperatur der kalten Peltierelementoberfläche Absolute temperature of the cold Peltier element surface
    T CU T CU
    Absolute Temperatur des Kupfer-Verteilernetzes Absolute temperature of the copper-distribution system
    T TG T TG
    Absolute Temperatur des Temperiergutes Absolute temperature of the low temperature limits
    T WTE T WTE
    Absolute Temperatur Wärmetauschereintritt Absolute temperature heat exchanger inlet
    T WTA T WTA
    Absolute Temperatur Wärmetauscheraustritt Absolute temperature heat exchanger outlet
    Q KK Q KK
    Wärmekapazität Kühlkörper Heat capacity heatsink
    Q KF Q KF
    Wärmekapazität Kühlflüssigkeit Heat capacity coolant
    Q TG Q TG
    Wärmekapazität Temperiergut Heat capacity requiring temperature
    R WÜK R VCCR
    Wärmeübergangswiderstand Kühlflüssigkeit Thermal resistance Coolant
    R WüL R WüL
    Wärmeübergangswiderstand Kühlluft Thermal resistance cooling air
    R WKF R WKF
    Wärmeleitungswiderstand Kühlflüssigkeit (Wärmetauscher) Thermal conduction resistance of the cooling liquid (heat exchanger)
    R WTG R WTG
    Wärmeübergangswiderstand Behälter Temperiergut Thermal resistance temperature application container
    R wcu R wcu
    Wärmeübergangswiderstand Cu-Verteilernetz Thermal resistance Cu-distribution network
    R W R W
    Wärmeleitungswiderstand Heat conduction resistance

Claims (19)

  1. Vorrichtung zur Temperaturregelung eines Temperiergutes mit einem von einem Medium ( A device for temperature control of a thermostated with one (of a medium 12 12 ) in einem Kreislauf durchströmten Wärmetauscher ( ) Through which flows in a circulation heat exchanger ( 3 3 ), welcher mit der Heiz- oder Kühlfläche eines Peltierelementes ( ), Which (with the heating or cooling surface of a Peltier element 1 1 ) gekoppelt ist und ein Anwendungstool ( ) Is coupled and an application tool ( 5 5 ) zur Aufnahme des Temperiergutes umfasst, wobei das Anwendungstool ( ) For receiving low temperature limits, wherein the application tool ( 5 5 ) mittels Verbindungsleitungen ( ) (By means of connecting lines 4 4 ) an einem Einlauf und einem Auslauf in den Kreislauf integriert ist, ebenfalls vom Medium ( ) Is integrated at an inlet and an outlet in the circulation, also (from the medium 12 12 ) durchströmt wird und eine dem Temperiergut angepasste Form aufweist, dadurch gekennzeichnet , dass jeweils eine Temperaturmesseinrichtung ( ) Flows through and having a thermostated adapted to the shape, characterized in that a respective temperature measuring device ( 10.3 10.3 , . 10.4 10.4 ) am Einlauf und am Auslauf des Anwendungstools ( ) (At the inlet and outlet of the application tools 5 5 ) angeordnet ist. ) Is arranged.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitungen ( Device according to claim 1, characterized in that the connecting lines ( 4 4 ) Steckverbindungen ( ) Connectors ( 4.1 4.1 , . 4.2 4.2 ) aufweisen. ) respectively.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium eine Flüssigkeit und der Wärmetauscher ( Device according to claim 1 or 2, characterized in that the medium is a liquid and the heat exchanger ( 3 3 ) eine Fluidkammer ist. ) Is a fluid chamber.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in. den Verbindungsleitungen eine Umwälzpumpe ( Device according to claim 3, characterized in that in. The connecting lines, a circulating pump ( 7 7 ) angeordnet ist. ) Is arranged.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Anwendungstool ( Device according to claim 3 or 4, characterized in that the application tool ( 5 5 ) ein Kapillarsystem ( ) A capillary system ( 5.1 5.1 ) zum Fluidtransport aufweist. ) For fluid transport.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Anwendungstool ( Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the application tool ( 5 5 ) zur Verbesserung der Wärmeübertragung auf das oder vom Temperiergut weiterhin umfasst: – einen flexiblen Wärmeflächenleiter oder – ein Kupfernetz aus Feinstlitze oder – gut wärmeleitende Metallspitzen. ) Further comprises for improving the heat transfer to or from the thermostated: - a flexible heat conductor or surface - a copper mesh of Feinstlitze or - good heat-conducting metal tips.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Anwendungstool ( Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the application tool ( 5 5 ) aus flexiblem Material besteht. ) Is made of flexible material.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Anwendungstool ( Device according to claim 7, characterized in that the application tool ( 5 5 ) ein elastisches Flächenmodul ist, das als Verband um das Temperiergut legbar ist. ) Is an elastic surface module that can be placed as a dressing to the temperature application.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Flächenmodul ein Kunststoff-Folienbeutel ist, in welchem Durchflusskanäle durch Folienschweißverbindungen hergestellt sind. Device according to claim 8, characterized in that the elastic surface module is a plastic film bag, in which the flow channels formed by film welded joints.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Peltierelement ( Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the Peltier element ( 1 1 ) auf einem Kühlkörper ( ) (On a heatsink 2 2 ) angeordnet ist. ) Is arranged.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper ( Device according to claim 10, characterized in that the heat sink ( 2 2 ) mit einer Heizungs- und/oder Kühleinrichtung gekoppelt ist. ) Is coupled with a heating and / or cooling device.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Kreislauf des Mediums ein Ausgleichsgefäß ( Device according to one of claims 1 to 11, characterized in that in the circulation of the medium (a compensation vessel 11 11 ) angeordnet ist. ) Is arranged.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichsgefäß ( Device according to claim 12, characterized in that the compensating vessel ( 11 11 ) als Füllstandsanzeiger und/oder als Nachfülleinrichtung dient. ) Serves as a level indicator and / or refilling device.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgleichsgefäß ( Device according to claim 12, characterized in that (as a compensation vessel 11 11 ) ein aus dehnbarem Material bestehender Wärmetauscher ( ) A (stretchable material existing heat exchanger 3 3 ) dient. ) Is used.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine weitere Temperaturmesseinrichtung an der Fluidkammer angeordnet ist. Device according to one of claims 3 to 14, characterized in that at least one further temperature measuring device is arranged on the fluid chamber.
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Fluidkammer mit einer thermischen Isolation versehen ist. Device according to one of claims 3 to 15, characterized in that at least the fluid chamber is provided with a thermal insulation.
  17. Verfahren zur Temperaturregelung in einer Vorrichtung nach Anspruch 1, durch folgende Schritte gekennzeichnet: – Berechnung und Regelung einer der jeweiligen Anwendung thermisch angepassten Heiz- oder Kühlenergie über einen elektronischen, rechnergestützten Wärmemengenregler; A method for temperature control in an apparatus according to claim 1, characterized by the following steps: - calculation and control of a particular application of the thermally matched heating or cooling energy via an electronic, computer-aided heat quantity controller; – Erzeugung der Heiz- bzw. Kühlenergie mit einem Peltiergenerator und Übertragung auf das Anwendungstool ( - generation of the heating or cooling energy with a Peltier generator and transfer to the application tool ( 5 5 ). ).
  18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zur Temperaturregelung die Temperaturen des Mediums ( A method according to claim 17, characterized in that for temperature control (the temperatures of the medium 12 12 ) am Einlauf und am Auslauf des Anwendungstools ( ) (At the inlet and outlet of the application tools 5 5 ) gemessen werden und daraus die vom Temperiergut aufgenommene Wärme- und Kälteenergie errechnet werden. ) Are measured and the current drawn by thermostated heating and cooling energy can be calculated therefrom.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturgradient an der Übergabestelle zwischen Temperiergut und Anwendungstool ( A method according to claim 18, characterized in that the temperature gradient (at the transfer point between thermostated and application tool 5 5 ) gemessen und in die Regelung einbezogen wird. ) Is measured and included in the control.
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