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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Klimatisierungseinrichtung,
welche eine thermoelektrische Wandlereinheit verwendet.
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JP-A-6-147524,
JP-A-6-146371 oder U.S.-Patent Nr. 5 524 439 (entsprechend JP-A-9-505497) offenbaren
eine Klimatisierungseinrichtung, in welcher ein Peltier-Element, d.h. eine thermoelektrische
Wandlereinheit, verwendet wird.
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Im
Allgemeinen führt
eine Kälteerzeugungskreis-Einrichtung
Kühlbetrieb
durch Komprimieren und Expandieren von Kältemittel in einem Kälteerzeugungskreis
durch, und weist eine Leistungszahl (COP = Coefficient of Performance)
in einem Bereich zwischen 3 und 4 auf. Jedoch weist die Klimatisierungseinrichtung,
welche das Peltier-Element verwendet, einen COP in einem Bereich
zwischen 0,2 und 1 auf. D.h., die Effizienz bzw. der Wirkungsgrad zum
Ausführen
von Kühlbetrieb
der Klimatisierungseinrichtung, welche das Peltier-Element verwendet, ist
weitaus niedriger als das der Kälteerzeugungskreislauf-Einrichtung.
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Mit
Blick auf das Vorstehende und andere Probleme ist es eine Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, eine Klimatisierungseinrichtung bereitzustellen,
welche eine thermoelektrische Wandlereinheit verwendet, welche den
Wirkungsgrad in einem Kühlbetrieb
oder einem Heizbetrieb wirksam verbessert.
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Gemäß einem
ersten Beispiel der vorliegenden Erfindung enthält eine Klimatisierungseinrichtung
eine Pumpe, eine thermoelektrische Wandlereinheit, eine Ziel-Einstelleinheit und
eine Steuereinheit. Die Pumpe fördert
ein thermisches Medium. Die thermoelektrische Wandlereinheit absorbiert
Wärme von
dem thermischen Medium, um so das thermische Medium zu erwärmen. Die
Ziel-Einstelleinheit stellt einen Ziel-Kühlwert zum Kühlen des
thermischen Mediums ein. Die Steuereinheit steuert eine Strömungsmenge
des thermischen Mediums aus der Pumpe und eine Wärmeabsorptionsmenge der thermoelektrischen
Wandlereinheit auf der Grundlage des Ziel-Kühlwerts. Die Steuereinheit
erhöht
die Strömungsmenge
des thermischen Mediums aus der Pumpe dahingehend, größer als
eine vorbestimmte Menge zu sein, und stoppt Absorption von Wärme durch
die thermoelektrische Wandlereinheit, wenn der Ziel-Kühlwert kleiner
als ein vorbestimmter Wert ist. Die Steuereinheit erhöht die Wärmeabsorptionsmenge
der thermoelektrischen Wandlereinheit in Entsprechung mit dem Ziel-Kühlwert und
hält die
Strömungsmenge
des thermischen Mediums auf mehr als die vorbestimmte Menge, wenn
der Ziel-Kühlwert gleich
oder größer als
der vorbestimmte Wert ist.
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Demgemäß kann die
Klimatisierungseinrichtung einen hohen Wirkungsgrad für einen
Kühlbetrieb
aufweisen.
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Gemäß einem
zweiten Beispiel der vorliegenden Erfindung enthält eine Klimatisierungseinrichtung
eine Pumpe, eine thermoelektrische Wandlereinheit, eine Ziel-Einstelleinheit und
eine Steuereinheit. Die Pumpe fördert
ein thermisches Medium. Die thermoelektrische Wandlereinheit strahlt
Wärme von
dem thermischen Medium ab, um so Klimatisierung durchzuführen. Die
Ziel-Einstelleinheit stellt einen Ziel-Heizwert zum Heizen des thermischen
Mediums ein. Die Steuereinheit steuert eine Strömungsmenge des thermischen
Mediums aus der Pumpe und eine Wärmeabstrahlmenge
der thermoelektrischen Wandlereinheit auf der Grundlage des Ziel-Heizwertes. Die Steuereinheit
erhöht
die Strömungsmenge
des thermischen Mediums aus der Pumpe dahingehend, größer als
eine vorbestimmte Menge zu sein, und stoppt Abstrahlung von Wärme durch
die thermoelektrische Wandlereinheit, wenn der Ziel-Heizwert kleiner
als der vorbestimmte Wert ist. Die Steuereinheit erhöht die Wärmeabstrahlmenge
der thermoelektrischen Wandlereinheit entsprechend dem Ziel-Heizwert
und hält
die Strömungsmenge
des thermischen Mediums auf mehr als die vorbestimmte Menge, wenn
der Ziel-Heizwert gleich oder größer als
der vorbestimmte Wert ist.
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Demgemäß kann die
Klimatisierungseinrichtung einen hohen Wirkungsgrad für einen
Heizbetrieb aufweisen.
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Die
vorstehenden und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung
ersichtlicher, welche unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen
ausgeführt
wird. In den Zeichnungen ist:
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1 ein
schematisches Diagramm, welches eine Klimatisierungseinrichtung
für einen
Fahrzeugsitz gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ein
Flussdiagramm, welches eine Steuerung der Einrichtung zeigt;
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3 ein
Graph, welcher ein Verhältnis
zwischen einem Zielkühlwert
und einer Kühlleistung
eines Pettier-Elements, einer Luftfördermenge und einer Leistungszahl
(COP = Coefficient of Performance) des Peltier-Elements in der Einrichtung
zeigt;
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4 ein
Graph, der ein Verhältnis
zwischen der Luftfördermenge
und der Leistungszahl (COP) des Peltier-Elements zeigt;
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5 ein
Graph, welcher ein Verhältnis
zwischen einem Ziel-Kühlwert
und einer Kühlkapazität eines
Peltier-Elements, einer Luftfördermenge
und einer Leistungszahl (COP) des Peltier-Elements in einer fachverwandten
Einrichtung zeigt; und
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6 ein
Graph, welcher ein Verhältnis
zwischen einem Ziel-Kühlwert
und einer Kühlkapazität eines
Peltier-Elements, einer Luftfördermenge
und einer Leistungszahl (COP) des Peltier-Elements in einer modifizierten
Einrichtung der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Wie
in 1 gezeigt ist, wird eine Klimatisierungseinrichtung
typischerweise für
einen Fahrzeugsitz mit einem Sitzpolster 30 und einer Sitzlehne 31 verwendet
und enthält
eine Luftführung 10.
Die Luftführung 10 weist
einen Saugabschnitt 10a zur Einleitung von Luft (d.h. Innenluft)
von einem Abteil des Fahrzeugs auf. Ein Lüfter 11 (Pumpe) ist
an dem Saugabschnitt 10a angeordnet. Der Lüfter 11 enthält Zentrifugalflügelräder, welche
durch einen Gleichstrom-(DC)-Motor 11a angetrieben wird.
Eine Luftfördermenge
(Luftblasmenge) des Lüfters 11 ist
durch eine Spannung steuerbar, welche an den Gleichstrommotor 11a angelegt
wird.
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Ein
Peltier-Element 12 (thermoelektrische Wandlereinheit) ist
an einer stromabwärtigen
Seite des Lüfters 11 in
der Luftführung 10 angeordnet.
Das Peltier-Element 12 wird gebildet durch abwechselndes
Schichten eines p-leitenden Halbleiters und eines n-leitenden Halbleiters.
Das Peltier-Element 12 enthält einen ersten Wärmetauscher 12a und
einen zweiten Wärmetauscher 12b.
Die Luftführung 10 ist in
einen ersten Durchtritt 10c und einen zweiten Durchtritt 10b (Öffnung)
an einer stromabwärtigen Seite
des Peltier-Elements 12 unterteilt. Der erste Wärmetauscher 12a ist
in dem ersten Durchtritt 10c angeordnet und absorbiert
Wärme von
Luft, die von dem Lüfter 11 gefördert wird,
um so Luft zu kühlen. Der
zweite Wärmetauscher 12b ist
in dem zweiten Durchtritt 10b angeordnet und gibt eine
Abwärme aus
der Luftführung 10 ab.
Der zweite Durchtritt 10b veranlasst, dass Inneres und Äußeres der
Luftführung 10 miteinander
kommunizierend verbunden sind.
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Eine
erste Abzweigluftführung 13 und
eine zweite Abzweigluftführung 14 sind
an einer stromabwärtigen
Seite des ersten Durchtritts 10c der Luftführung 10 angeschlos sen.
Die erste Abzweigluftführung 13 ist
an dem Sitzpolster 30 angeschlossen, und die zweite Abzweigluftführung 14 ist
an der Sitzlehne 31 angeschlossen. Beide, Sitzpolster 30 und
Sitzlehne 31 sind beispielsweise durch Bedecken eines Urethanharzes
mit einem Leder (Sitzoberflächenschicht) ausgebildet.
Ein Durchtritt 15 ist in dem Urethanharz des Sitzpolsters 30 und
der Sitzlehne 31 vorgesehen, und von der Abzweigluftführung 13, 14 strömt Luft
in den Durchtritt 15. Das Leder weist Mikroporen 16 zum
Emittieren von Luft aus dem Durchtritt 15 zu einem Körper, z.B.
der Hüfte
oder dem Rücken,
eines Fahrzeuginsassen auf dem Sitz auf.
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Die
Klimatisierungseinrichtung enthält
eine Bedienkonsole 20 (OP = Operation Panel) und eine elektrische
Steuereinheit 21 (ECU = Electronic Control Unit). Ein Bediener,
z.B. der Insasse, bedient die Bedienkonsole 20, um so einen
Ziel-Kühlwert
in die ECU 21 einzugeben. Die ECU 21 ist beispielsweise mit
einem Mikrocomputer und einem Speicher aufgebaut und steuert den
Lüfter 11 und
das Peltier-Element 12 auf der Grundlage des Ziel-Kühlwerts.
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Als
Nächstes
wird die Arbeitsweise der Einrichtung beschrieben. Die ECU 21 führt Steuerbetrieb
auf der Grundlage eines Computerprogramms aus, wie in einem Flussdiagramm
von 2 gezeigt. Nachdem ein Zündschalter des Fahrzeugs eingeschaltet
ist, wird das Computerprogramm für
jede vorbestimmte Zeitperiode ausgeführt.
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Bei
Schritt S100 vergleicht die ECU 21 den Ziel-Kühlwert (TCV
= Target Cooling Value) mit einem vorbestimmten ersten Wert R. Wenn
der Ziel-Kühlwert
kleiner als der erste Wert R ist, stoppt die ECU 21 den
Betrieb des Pettier-Elements 12 bei Schritt S110. Dann
steuert bei Schritt S120 die ECU 21 eine Menge von aus
dem Lüfter 11 geblasener
Luft auf der Grundlage des Ziel-Kühlwerts.
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Dahingegen
betreibt dann, wenn der Ziel-Kühlwert
gleich oder größer als
der erste Wert R ist, die ECU 21 das Peltier-Element 12 auf
der Grundlage des Ziel-Kühlwerts
bei Schritt S130. Dann behält die
ECU 21 bei Schritt S140 die Steuerung der Menge von aus
dem Lüfter 11 geblasener
Luft bei.
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Hier
wird, wie in 3 gezeigt, eine Luftfördermenge
entsprechend dem Ziel-Kühlwert geändert. Mit
steigendem Ziel-Kühlwert
wird die Luftfördermenge
des Lüfters 11 von
einer Minimummenge zu einer Maximummenge erhöht. Die Luftfördermenge
des Lüfters 11 wird
durch eine Pulsbreitenmodulation-(PWM = Pulse Width Modulation)-Methode
gesteuert. Der Gleichstrommotor 11a des Lüfters 11 wird
mit einem Steuerpulssignal mit einer relativen Einschaltdauer in
einem Bereich zwischen 20% und 80% versorgt. Dadurch kann die Luftfördermenge durch
das Steuerpulssignal gesteuert werden.
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Die
relative Einschaltdauer ist auf 20% für die Minimum-Luftfördermenge
gewählt,
um eine Minimum-Startspannung für
den Gleichstrommotor 11a sicherzustellen. Die relative
Einschaltdauer wird auf 80% für
die Maximum-Luftfördermenge
gewählt,
um Geräusche
und Schwingungen des Gleichstrommotors 11a zu reduzieren.
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Wenn
der Ziel-Kühlwert
kleiner als der erste Wert R ist, werden die Schritte S100, S110
und S120 wiederholt. Das meiste der von dem Lüfter 11 geblasenen
Luft tritt durch den ersten Wärmetauscher 12a hindurch
und strömt
in die Abzweigluftführung 13, 14. Dann
wird Luft aus dem Durchtritt 15 zu dem Insassen über die
Mikroporen 16 der Sitzoberflächenschicht geblasen. Ein Teil
der von dem Lüfter 11 geförderten
Luft wird aus der Luftführung 10 durch
den zweiten Wärmetauscher 12b in
den zweiten Durchtritt 10b geblasen.
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Wenn
der Ziel-Kühlwert
dahingegen gleich oder größer als
der erste Wert R ist, wird die Kühlleistung
des Peltier-Elements 12 auf der Grundlage des Ziel-Kühlwerts
gesteuert. Die Kühlleistung
des Peltier-Elements 12 wird entsprechend dem Ziel-Kühlwert geändert. Wenn der Ziel-Kühlwert in
einem Bereich zwischen dem vorbestimmten ersten Wert R und einem
vorbestimmten zweiten Wert Q ist, wird die Kühlleistung des Peltier-Elements 12 von
einem Minimumwert zu einem Maximumwert erhöht, sowie der Ziel-Kühlwert ansteigt.
Wenn der Ziel-Kühlwert gleich
oder größer als
der zweite Wert Q ist, wird die Kühlleistung des Peltier-Elements 12 auf
dem Maximumwert gehalten. Die ECU 21 steuert die Kühlkapazität des Peltier-Elements 12 durch Ändern einer relativen
Einschaltdauer eines Steuersignals, welches dem Peltier-Element 12 zugeführt wird.
Das Steuersignal weist eine konstante Amplitude (Höhe) auf.
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Wenn
der Ziel-Kühlwert
gleich oder größer als
der erste Wert R ist, werden die Schritte S100, S130 und S140 wiederholt.
Das meiste der Luft, die aus dem Lüfter 11 geblasen wird,
wird in dem ersten Wärmetauscher 12a gekühlt und
strömt
in die Abzweigluftführung 13, 14.
Dann wird die durch den ersten Wärmetauscher 12a gekühlte Luft
aus dem Durchtritt 15 zu dem Insassen über die Mikroporen 16 der
Sitzoberflächenschicht
geblasen. Ein Teil der von dem Gebläse 11 geförderten
Luft wird zu dem zweiten Wärmetauscher 12b in
dem zweiten Durchtritt 10b geblasen und kühlt den
zweiten Wärmetauscher 12b.
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Gemäß der Ausführungsform
stoppt die ECU 21 das Peltier-Element, wenn der Ziel-Kühlwert kleiner als der erste
Wert R ist und steuert nur die Luftfördermenge des Gebläses 11.
Wenn dahingegen der Ziel-Kühlwert
gleich oder größer als
der erste Wert R ist, steuert die ECU 21 die Kühlleistung
des Peltier-Elements 12 und hält die Luftfördermenge des
Lüfters 11 auf
dem Maximumwert.
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Hier
weist, wie von dem Graph G in 4 gezeigt,
mit steigender Luftfördermenge
des Lüfters 11 das
Peltier-Element 12 eine größere Leistungszahl (COP) auf.
Daher ist, wenn das Peltier-Element 12 betrieben wird,
während
die Luftfördermenge
des Lüfters 11 klein
ist, der COP des Pettier-Elements 12 niedrig, wie in 5 gezeigt
ist.
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Jedoch
wird gemäß der Ausführungsform, wenn
der Ziel-Kühlwert
kleiner als der erste Wert R ist, das Peltier-Element 12 nicht
betrieben. Wenn der Ziel-Kühlwert
gleich oder größer als
der erste Wert R ist, wird das Peltier-Element 12 betrieben
und die Luftfördermenge
des Lüfters 11 wird
auf der Maximummenge gehalten.
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Hier
wird die Kühlkapazität des Peltier-Elements 12 durch
die relative Einschaltdauer des Steuersignals mit der konstanten
Höhe gesteuert.
Der COP des Peltier-Elements 12 wird durch die Höhe des Steuersignals
geändert.
Daher kann, wie in 3 gezeigt ist, der COP des Pettier-Elements 12 konstant
gehalten werden, wenn der Ziel-Kühlwert gleich
oder größer als
der erste Wert R ist.
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Gemäß der Ausführungsform
wird, wenn der COP des Pettier-Elements 12 niedrig ist,
das Peltier-Element 12 nicht betrieben. Das Peltier-Element 12 wird
nur dann betrieben, wenn der COP des Pettier-Elements 12 hoch
ist. Demgemäß kann die
Effizienz für
Kühlbetrieb
der Einrichtung verbessert werden.
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Ferner
ist die Verbrauchsenergie zur Erzeugung der Maximum-Luftfördermenge
in dem Lüfter 11 weitaus
kleiner als für
den Betrieb des Peltier-Elements 12. Daher kann die Betriebseffizienz
der Klimatisierungseinrichtung in dem Kühlbetrieb im Vergleich mit
einem Fall von 5 verbessert werden, in welchem
das Peltier-Element 12 selbst dann betrieben wird, wenn
die Luftfördermenge
klein ist.
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Wenn
der Ziel-Kühlwert
kleiner als der erste Wert R ist, stoppt die ECU 21 das
Peltier-Element 12 und betreibt den Lüfter 11, um so die
Luftfördermenge
in Übereinstimmung
mit einer Erhöhung
des Ziel-Kühlwerts
zu erhöhen.
Daher kann in einer milden Jahreszeit, z.B. Frühling oder Herbst, Luft mit
einer Temperatur unterhalb einer menschlichen Körpertemperatur (36°C) zu dem
Insassen aus dem Sitz geblasen werden. Es kann daher ein stickiges
Gefühl seitens
des Insassen reduziert werden und ein komfortables Kühlgefühl für den Insassen
bereitgestellt werden.
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Wenn
der Ziel-Kühlwert
kleiner als der erste Wert R ist, wird der Betrieb des Peltier-Elements 12 gestoppt.
Daher kann durch den zweiten Durchtritt 10b hindurchtretende
Luft in das Abteil des Fahrzeugs eingeleitet werden, ohne dass sie
durch den zweiten Wärmetauscher 12b erwärmt wird.
Somit kann eine Temperatur in dem Abteil niedrig gehalten werden.
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Die
Kühlkapazität des Peltier-Elements 12 kann
durch das PWM-Verfahren gesteuert werden. Das Peltier-Element 12 kann
jedoch mit einem Steuersignal einer Gleichstromspannung versorgt
werden, und die Kühlleistung
des Peltier-Elements 12 kann durch die Spannung gesteuert
werden. In diesem Fall wird, wenn die angelegte Spannung geringfügig größer als
null wird, wie in 6 gezeigt ist, der COP des Peltier-Elements 12 schnell
auf dem Maximumwert αP erhöht.
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Das
Peltier-Element 12 ist in dieser Ausführungsform derart angeordnet,
dass der erste Wärmetauscher 12a Luft
kühlt.
Es kann jedoch eine Polarität einer
an das Peltier-Element 12 angelegten Spannung änderbar
sein. Die Einrichtung kann einen Schalter zum Schalten des Betriebs
des ersten Wärmetauschers 12a zwischen
Kühlbetrieb
zum Kühlen von
Luft und Heizbetrieb zum Heizen von Luft enthalten. In diesem Fall
kann die Einrichtung Luft unter Verwendung des Peltier-Elements 12 durch
Umschalten des Schalters kühlen
oder erwärmen.
In einem Fall, in welchem der erste Wärmetauscher 12a des
Pettier-Elements 12 zum Durchführen eines Heizbetriebs zum
Heizen von Luft geschaltet wird, wird, wenn ein Ziel-Heizwert kleiner
als ein erster Wert ist, wird der Betrieb des Peltier-Elements 12 gestoppt.
Wenn dahingegen der Ziel-Heizwert gleich oder größer als der erste Wert ist,
wird der Betrieb des Peltier-Elements 12 gestartet, um
dort hindurchtretende Luft zu heizen, ähnlich wie bei dem Kühlbetrieb.
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Wenn
der Ziel-Kühlwert
oder der Ziel-Heizwert gleich oder größer als der erste Wert R ist,
wird die Luftfördermenge
des Lüfters 11 auf
der Maximummenge gehalten.
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Wenn
jedoch die Maximummenge als 100% definiert ist und die Minimummenge
als 0% definiert ist, kann die Luftfördermenge des Lüfters 11 in
einem Bereich zwischen 60% und 100% gesteuert werden.
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Luft
wird als ein thermisches Medium in dieser Ausführungsform verwendet. Alternativ
kann Wasser als das thermische Medium verwendet werden. In diesem
Fall ersetzt eine Wasserpumpe den Lüfter 11.
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Das
Peltier-Element 12 wird als die thermoelektrische Wandlereinheit
in dieser Ausführungsform verwendet.
Jedoch ist die thermoelektrische Wandlereinheit nicht auf das Peltier-Element 12 beschränkt. Die
Klimatisierungseinrichtung wird für den Sitz in dem Fahrzeug
verwendet. Alternativ kann die Klimatisierungseinrichtung in einem
Haus oder einem Gebäude
verwendet werden. Z.B. kann die Klimatisierungseinrichtung in einem
Badezimmer verwendet werden.
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Der
Lüfter 11 und
das Peltier-Element 12 werden auf der Grundlage des Ziel-Kühlwerts oder des Ziel-Heizwerts
gesteuert, welche in die Bedienkonsole 20 eingegeben werden.
Die Einrichtung kann jedoch einen Sensor zum Erfassen eines Umgebungszustands
enthalten, z.B. Außenlufttemperatur,
Abteiltemperatur (Innenlufttemperatur), Sitzoberflächentemperatur
oder Sonnenstrahlungsmenge. Eine Zieltemperatur als der Ziel-Kühlwert und
der Ziel-Heizwert können
auf der Grundlage eines in die Bedienkonsole 20 eingegebenen
Befehls und dem Umgebungszustand berechnet werden. Dann können der
Lüfter 11 und
das Peltier-Element 12 auf der Grundlage der berechneten
Zieltemperatur gesteuert werden.
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Z.B.
kann ein Ziel-Kühlwert
TCV unter Verwendung von Formel 1 berechnet werden, in welcher I
einen angewiesenen Kühlwert
repräsentiert,
der in die Bedienkonsole 20 eingegeben ist, T1 die Sitzoberflächentemperatur
repräsentiert,
T2 die Außenlufttemperatur
repräsentiert
und S die Sonnenstrahlungsmenge repräsentiert, welche in das Abteil
eintritt. Ferner repräsentieren α, β, γ, δ, ε Konstanten. TCV = α × I – β × T1 – γ × T2 – δ × S + ε (Formel 1)
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In
Formel 1 kann die Sitzoberflächentemperatur
T2 durch die Abteiltemperatur (Innenlufttemperatur) ersetzt werden.
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Solche Änderungen
und Modifikationen sind dahingehend zu verstehen, dass diese in
dem Bereich der vorliegenden Erfindung sind, wie sie durch die anliegenden
Ansprüche
definiert ist.