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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Schaltungsanordnung
zum Betreiben eines Peltier-Moduls einer Wärmepumpe eines Hausgeräts, insbesondere
eines Wäschetrockners.
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Aus
einem Dokument, welches am 25.11.2005 von der Internetadresse http://de.wikipedia.org/wiki/Peltier-Element
herunterladbar war, ist ein Peltier-Element in Aufbau und Funktion
beschrieben. Die Halbelemente dieses Peltier-Elements sind säulen- oder
quaderförmig
ausgebildet und bestehen aus dotierten Halbleitern als Werkstoffe.
Die Halbleiter sind insbesondere Wismut-Tellurid und es kommen ein p-leitend
dotierter und ein n-leitend dotierter Halbleiter zum Einsatz. Jeweils
ein Halbelement aus dem p-leitend dotierten Halbleiter und ein Halbelement
aus dem n-leitend dotierten Halbleiter sind jeweils an einer Seite über ein
Leiterplättchen,
auch als Metallbrücke
bezeichnet, miteinander verbunden, und an einer anderen Seite, welcher
der genannten einen Seite gegenüberliegt, über jeweils
ein weiteres Leiterplättchen
mit einem weiteren Halbelement oder einem Anschlusskontakt zum Anschluss
des Peltier-Elements an ein elektrisches Netzwerk verbunden.
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Weitere
Hinweis zu Grundlagen, anwendungsbezogener Auswahl und Montage von
Peltier-Elementen ergeben sich aus Dokumenten, die am 25.11.2005
von den Internet-Adressen http://www.quick-ohm.de/waerme/download/Erlaeuterung-zu-Peltierelementen.pdf
und http://www.quick-ohm.de/waerme/download/Einbau.pdf herunterladbar
waren.
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Aus
der
DE 1 410 206 A ist
eine Waschmaschine bekannt, in welcher Waschgut nicht nur gewaschen
sondern auch getrocknet werden kann. Für die dazu erforderlichen zusätzlichen
Einrichtungen zeigt die Schrift mehrere Alternativen. Insbesondere
können
eine elektrische Heizvorrichtung zum Erwärmen eines zur Trocknung von
Waschgut eingesetzten Luftstroms und ein einfacher Wärmetauscher
zum Abkühlen
des erwärmten
Luftstroms nach dem Beaufschlagen des Waschguts vorgesehen sein,
wobei der Heizer und der Kühler
aber auch zu einer Wärmepumpeneinrichtung
gehören
können.
Die Wärmepumpeneinrichtung
kann auch derartig ausgestaltet sein, dass sie mit Peltier-Elementen
zur Nutzung des thermoelektrischen Effekts arbeitet.
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Eine
aus einem in der Datensammlung „Patent Abstracts of Japan" zur
JP 08 057 194 A gehörigen englischen
Kurzauszug hervorgehende Vorrichtung zum Trocknen von Waschgut,
enthält
in ihrem ersten Kanalsystem neben einem Heizer und einem Kühler, welche
beide zu einer thermoelektrisch betreibbaren Wärmepumpeneinrichtung gehören, einen dem
Kühler
vorgeschalteten zusätzlichen
Wärmetauscher
zur Abkühlung
des von dem Waschgut abgeführten
Luftstroms und eine dem Heizer nachgeschaltete zusätzliche
Heizeinrichtung zum weiteren Erwärmen
des Luftstroms vor dem Beaufschlagen des Waschguts.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, die Betriebsweise des Peltier-Moduls
im laufenden Betrieb des Hausgeräts
zu verbessern.
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Die
Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung oder ein Verfahren mit
den Merkmalen des jeweiligen unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Bevorzugte
Ausgestaltungen sind Gegenstände
der abhängigen
Patentansprüche.
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Eine
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
ist zum Betreiben eines Peltier-Moduls einer Wärmepumpe eines Hausgeräts, welches
insbesondere zur Pflege von Wäschestücken ausgebildet
ist, ausgebildet. Das Peltier-Modul umfasst eine Mehrzahl von Peltier-Elementen, welche
bevorzugt in Reihe geschaltet sind. Die Schaltungsanordnung weist einen
Schaltregler auf, welcher mit einer Steuereinheit elektrisch verbunden
ist, wobei die Steuereinheit zur Übertragung von Sollwerten zumindest
eines Betriebsparameters des Peltier-Moduls an den Schaltregler
ausgebildet ist, und der Betrieb des Peltier-Moduls abhängig von
den vorgegebenen Sollwerten mittels des Schaltreglers einstellbar,
insbesondere regelbar ist. Die Schaltungsanordnung ermöglicht eine sehr
exakte Betriebsweise des Peltier-Moduls.
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Die
Betriebsparameter sind bevorzugt eine elektrische Spannung und ein
elektrischer Strom. Das Peltier-Modul ist vorzugsweise mit einer
Netzspannung versorgbar, wobei eine Schaltfrequenz des Schaltreglers
oder eine Pulsweitenmodulation des Ausgangssig nals des Schaltreglers
auf die Frequenz der Netzspannung synchronisiert ist. Dadurch kann eine
aktive Power-Faktor-Korrektur erreicht werden und eine Netzrückwirkung
verhindert werden.
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Die
Schaltungsanordnung umfasst bevorzugt eine Kommunikationsschnittstelle
zur Kommunikation zwischen dem Schaltregler und der Steuereinheit,
welche auch als eine extern angeordnete Steuereinheit ausgebildet
sein kann.
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Das
Peltier-Modul ist vorzugsweise situationsabhängig mittels Umschaltern von
der Energieversorgung trennbar. Dadurch können verschiedene Betriebsphasen
des Peltier-Moduls
generiert werden, in denen wiederum verschiedene Betriebsparameter
erfasst werden können.
Insbesondere können aus
diesen Betriebsparametern Feuchtegrade der Wäschestücke ermittelt werden und davon
abhängig der
weitere Trocknungsprozess eingestellt werden. Die Betriebsweise
kann dadurch energiereduziert erfolgen.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren zum
Betreiben eines Peltier-Moduls einer Wärmepumpe eines Hausgeräts, welches
insbesondere zur Pflege von Wäschestücken ausgebildet
ist, bei dem das Peltier-Modul eine Mehrzahl von Peltier-Elementen
umfasst, welche bevorzugt in Reihe geschaltet werden, wird ein Schaltregler
einer Schaltungsanordnung zum Betreiben des Peltier-Moduls mit einer Steuereinheit
elektrisch verbunden und werden Sollwerte zumindest eines Betriebsparameters
des Peltier-Moduls von der Steuereinheit an den Schaltregler übertragen,
wobei der Betrieb des Peltier-Moduls abhängig von den vorgegebenen Sollwerten
mittels des Schaltreglers eingestellt, insbesondere geregelt wird.
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Vorzugsweise
werden eine lastseitige Ausgangsspannung oder ein lastseitiger Ausgangsstrom abhängig von
den vorgegebenen Sollwerten eingestellt. Weiter vorzugsweise werden
eine Schaltfrequenz des Schaltreglers oder eine Pulsweitenmodulation
des Ausgangssignals des Schaltreglers auf die Frequenz der Netzspannung,
welche zur Versorgung des Peltier-Moduls bereitgestellt wird, synchronisiert. Die
Sollwerte und Istwerte der Betriebsparameter zwischen dem Schaltregler
und der Steuereinheit werden bevorzugt über eine Kommunikationsschnittstelle
ausgetauscht.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung entsprechen
vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Schaltungsanordnung gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel;
und
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2 eine
Schaltungsanordnung gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel.
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In
der 1 ist schematisch ein Peltier-Modul 1 veranschaulicht,
welches zur Verwendung in einer Peltier-Wärmepumpe für einen Wäschetrockner dienen soll. Das
Peltier-Modul 1 umfasst
in Reihe geschaltete Peltier-Elemente 2. Es sind vorliegend zwölf Peltier-Elemente 2 gezeigt,
wobei das Peltier-Modul 1 jedoch nicht auf diese Zahl festgelegt
ist. Die Anzahl der Peltier-Elemente 2 und deren Betriebswerte
sind gemeinsam so ausgelegt, dass die Reihenanordnung der Peltier-Elemente 2 mit
einer Spannung betrieben werden kann, die sich bei Gleichrichtung
der Netzspannung ergibt. Es ist auch ein Peltier-Modul 1 mit mehr als einer
hier gezeigten Reihenanordnung möglich,
wobei die einzelnen Reihenanordnungen üblicherweise parallel zueinander angeordnet
werden.
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Zur
Erzeugung der gleichgerichteten Netzspannung wird zunächst die
herkömmliche
Netzspannung von 120 V oder 230 V Wechselspannung (120 VAC/230 VAC)
bereitgestellt, wobei hier schematisch die Anschlüsse L und
N gezeigt sind. Die Wechselspannung wird von einem Netzgleichrichter 3 gleichgerichtet,
der einen herkömmlichen
Aufbau aufweist. Zur Stabilisierung der gleichgerichteten Netzspannung
ist ein Kondensator 5a als Puffer parallel zu den gleichstromseitigen
Anschlüssen
des Netzgleichrichters 3 geschaltet. Zur Begrenzung des netzseitigen
Kondensatorladestroms ist dem Kondensator 5a des Schaltungsteils 5 ein
strombegrenzendes Element 4a, beispielsweise ein NTC-Widerstand, in einem
Schaltungsteil 4 vorgeschaltet. Das strombegrenzende Element 4a wird
nach dem Ladevorgang über
einen Schalter 4b, beispielsweise ein Relais, überbrückt.
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In
dem Schaltungsteil 5 können
eine Netzstrommessung und eine Netzspannungsmessung erfolgen, wobei
der Schaltungsteil 5 mit einem Schaltregler 6 elektrisch
verbunden ist, und die Messwerte an den Schaltregler 6 zum
Auswerten und weiteren Verarbeiten übertragbar sind. Der Schaltregler 6 kann
als Mikroprozessor ausgebildet sein.
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Der
Schaltregler 6 ist mit einer Kommunikationsschnittstelle 7, über welche
Sollwerte verschiedener Parameter übertragbar sind, elektrisch
verbunden. Der Schaltregler 6 ist zur Kommunikation mit
einer externen Steuer- und/oder Kontrolleinheit (nicht dargestellt) über die
Schnittstelle 7 ausgebildet.
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Darüber hinaus
umfasst die Schaltungsanordnung einen Schaltungsteil 10,
welcher zur Messung der elektrischen Leistungsaufnahme und insbesondere
des Stroms und der Spannung am Peltier-Modul 1 ausgebildet
ist. Der Schaltungsteil 10 ist mit einem Strom- und Spannungsmesswandler 11 elektrisch
verbunden, welcher wiederum mit dem Schaltregler 6 elektrisch
verbunden ist. Des Weiteren umfasst der Schaltungsteil 10 einen
Kondensator 9.
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Ferner
umfasst die Schaltungsanordnung zwei Umschalter 12, welche
als Relais ausgebildet sein können.
Mit Hilfe der Umschalter 12 kann die gleichgerichtete Netzspannung
von dem Peltier-Modul 1 getrennt und das Peltier-Modul 1 an
eine Innenraumbeleuchtung 14 des Wäschetrockners geschaltet werden.
Für die
Innenraumbeleuchtung 14 sind hier schematisch vier Leuchtdioden
und ein zusätzlicher,
zu den Leuchtdioden in Reihe geschalteter Widerstand veranschaulicht.
Anstelle der Innenraumbeleuchtung 14 können die Umschalter 12 auch
eine Umschaltung zu einem anderen Verbraucher, zum Beispiel einem
weiteren Sensor, einer weiteren Messeinrichtung, einer Steuerung,
einem Anzeigeelement oder dergleichen, allein oder in Kombination
mit einem anderen Verbraucher, bewirken. Bevorzugt und zweckmäßig ist
eine derartige Messeinrichtung in die Hauptsteuerung umfassend den
Schaltregler 6 des Wäschetrockners
integriert. Die Umschalter 12 werden durch den Schaltregler 6 geschaltet.
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Am
Peltier-Modul 1 ist ein PTC-Widerstand 13 als
Temperatursensor 13 angeordnet. Abhängig von den von diesem Temperatursensor 13 detektierten
Messwerten kann ein wechselstromseitiger Schalter 15 betätigt werden,
wodurch abhängig
von der Schalterstellung das gesamte Peltier-Modul 1 abgeschaltet
werden kann.
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Des
Weiteren ist am Peltier-Modul 1 ein NTC-Widerstand 16 angeordnet,
welcher ebenfalls zur Temperaturermittlung ausgebildet ist und die
detektierten Messwerte an den Schaltregler 6 überträgt.
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Die
Schaltungsanordnung umfasst des Weiteren eine Schaltungsteil 17 mit
einer Treiberschaltung 17a und einem Transistor T1. Darüber hinaus sind
eine Drossel 18 sowie eine Diode 19 vorgesehen.
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Soll
nun in einem Wäschetrockner
ein Trocknungsprozess durchgeführt
werden und sollen Wäschestücke, welche
in einen Behälter
des Wäschetrockners
eingebracht sind, getrocknet werden, so wird zunächst eine erste Betriebsphase
des Wäschetrockners
eingestellt, wobei in dieser ersten Betriebsphase das Peltier-Modul 1 einer
Wärmepumpe
des Wäschetrockners
mit Energie versorgt wird. Dazu ist das Peltier-Modul 1 mit
der gleichgerichteten Netzspannung verbunden, wobei dazu die Umschalter 12 entsprechend
geschaltet sind. Zum Ermitteln charakteristischer Parameter und
Größen für den Trocknungsprozess
der Wäschestücke wird
nachfolgend zu vorgebbaren Phasen des Trocknungsprozesses eine zweite
Betriebsphase eingestellt, wozu das Peltier-Modul 1 von
der Energieversorgung getrennt wird, indem die Umschalter 12 entsprechend
geschaltet werden. In dieser zweiten Betriebsphase werden die Temperaturen
einer Kaltseite und einer Warmseite des Peltier-Moduls 1 bestimmt.
Dazu wird die nach der Trennung von der Energieversorgung vom Peltier-Modul 1 erzeugte
Thermospannung gemessen, aus welcher die Temperaturdifferenz zwischen
der Kaltseite und der Warmseite des Peltier-Moduls 1 in
dem Schaltregler 6 ermittelt wird. Des Weiteren wird über den
NTC-Widerstand 16 eine örtliche
Temperatur des Peltier-Moduls 1 bestimmt, welche vorliegend
die Temperatur der Warmseite des Peltier-Moduls 1 darstellt.
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Aus
der bestimmten Temperaturdifferenz und der örtlichen Temperatur an der
Warmseite des Peltier-Moduls 1 kann dann die örtliche
Temperatur der Kaltseite des Peltier-Moduls 1 berechnet
werden.
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Nachdem
diese Temperaturwerte ermittelt sind, wird das Peltier-Modul 1 wieder
mit der Energieversorgung verbunden, indem die Umschalter 12 entsprechend
geschaltet werden und dadurch wieder die erste Betriebsphase des
Wäschetrockners
und des Peltier-Moduls 1 eingestellt
wird. In dieser wiedereingestellten ersten Betriebsphase wird dann die Leistungsaufnahme
des Peltier-Moduls 1 nach dem Verbinden von diesem mit
der Energieversorgung bis zum Einstellen eines Soll-Arbeitspunkts
des Peltier-Moduls 1 gemessen. Mit den Informationen über die
gemessene Leistungsaufnahme und die gemessenen und ermittelten Temperaturen
an der Warmseite und der Kaltseite des Peltier-Moduls 1 kann in dem Schaltregler 6 eine
während
des bisher fortgeschrittenen Trocknungsprozesses bereits aus den Wäschestücken auskondensierte
Feuchte bestimmt werden. In dem Schaltregler 6 sind dazu
Kennlinien und/oder Berechnungsmodelle abgelegt, welche eine Ermittlung
dieser auskondensierten Feuchte ermöglichen. Aus dieser auskondensierten
Feuchte kann dann ebenfalls in dem Schaltregler 6 die in
den Wäschestücken noch
verbliebene Feuchte bestimmt werden. Des Weiteren sind in diesem
Schaltregler 6 Referenz-Feuchten in Abhängigkeit von der momentanen
Phase eines Trocknungsprozesses abgelegt. Die ermittelte verbliebene
Feuchte in den Wäschestücke wird
dann mit der Referenz-Feuchte verglichen, wobei die Referenz-Feuchte
die in den Wäschestücken verbliebene
Feuchte charakterisiert, welche zu dem momentanen Zeitpunkt der
erreichten Phase des Trocknungsprozesses erreicht sein sollte. Abhängig von
dem Vergleich wird der weitere Trocknungsprozess gesteuert.
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Über die
Kommunikationsschnittstelle 7 ist der Schaltregler 6 mit
einer externen Steuer- und Kontrolleinheit
(nicht dargestellt) verbunden. Diese Steuer- und Kontrolleinheit überträgt Sollwerte
für einen
Betriebsparameter, beispielsweise die Leistung und/oder den Strom
und/oder die Spannung des Peltier-Moduls 1 an den Schaltregler 6.
Abhängig
von diesen Sollwerten regelt der Schaltregler 6 die lastseitige
Ausgangsspannung und dadurch die Betriebsweise des Peltier-Moduls 1.
Die Kommunikationsschnittstelle 7 ist zur bidirektionalen
Kommunikation zwischen dem Schaltregler 6 und der externen Einheit
ausgebildet.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
einer Schaltungsanordnung ist in 2 gezeigt.
Auch diese Schaltung ist dazu geeignet, die oben erläuterten Parameter
zu messen und auszuwerten und eine Steuerung des Peltier-Moduls 1 davon
abhängig
im Hinblick auf einen optimierten Trocknungsprozess durchzuführen. Auch
hier ist eine nicht dargestellte externe Steuer- und Kontrolleinheit
vorgesehen, welche mit dem Schaltregler 6 zum Austausch
von Soll- und Istwerten von Betriebsparametern über die Kommunikationsschnittstelle 7 kommuniziert.
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Das
Hausgerät
kann auch als Geschirrspüler mit
einer Wärmepumpe
und einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung ausgebildet
sein.