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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Kühlluftstromes für eine Wärmequelle mittels wenigstens eines thermoelektrischen Elementes. Ferner betrifft die Erfindung ein Kühlsystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Aus der WO 2011/ 138 547 A1 ist ein Verfahren und ein System zur Steuerung einer Wärmepumpe mit thermoelektrischen Einheiten bekannt, um Wärme von einem ersten Wärmeaustauschkreislauf, welcher eine Wärmequelle aufweist, auf einen zweiten Wärmeaustauschkreislauf, welcher eine Wärmesenke aufweist, zu übertragen. Jede thermoelektrische Einheit besteht aus einem thermoelektrischen Element und einem ersten und zweiten Wärmetauscher. Diese thermoelektrischen Einheiten können in unterschiedlicher Weise verschaltet werden, um Wärme von dem ersten Wärmeaustauschkreislauf auf den zweiten Wärmeaustauschkreislauf zu übertragen.
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In einer Kaskadenschaltung wird der erste Wärmeaustauschkreislauf mit einem ersten Wärmetauscher einer als Eingangseinheit eingesetzten thermoelektrischen Einheit verbunden, während der zweite Wärmetauscher dieser Einheit mit dem ersten Wärmetauscher einer weiteren thermoelektrischen Einheit verbunden wird, deren zweite Wärmetauscher wieder mit dem ersten Wärmetauscher einer dritten thermoelektrischen Einheit verbunden wird, usw., bis ein zweiter Wärmetauscher mit einem ersten Wärmetauscher einer als Ausgangseinheit eingesetzten thermoelektrischen Einheit verbunden wird, deren zweiter Wärmetauscher mit dem zweiten Wärmeaustauschkreislauf verbunden ist. Mit dieser Verschaltung der thermoelektrischen Einheiten wird die Wärme der in dem ersten Wärmeaustauschkreislauf angeordneten Wärmequelle stufenartig über die thermoelektrischen Einheiten auf den zweiten Wärmeaustauschkreislauf übertragen.
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In einer Parallelschaltung der thermoelektrischen Einheiten werden alle ersten Wärmetauscher mit dem ersten Wärmeaustauschkreislauf verbunden, während alle zweiten Wärmetauscher mit dem zweiten Wärmeaustauschkreislauf verbunden werden.
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Nun ist es gemäß dieser
WO 2011/138 547 A1 auch vorgesehen, die Kaskadenschaltung und die Parallelschaltung der thermoelektrischen Einheiten zu kombinieren oder auch gleichzeitig zu realisieren, so dass ausgehend von der Parallelschaltung zusätzlich ein zweiter Wärmetauscher und ein erster Wärmetauscher jeweils benachbarter thermoelektrischen Einheiten jeweils beidseitig fluidverbunden werden.
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In welcher Weise die thermoelektrischen Einheiten verschaltet werden, erfolgt gemäß dieser
WO 2011/138 547 A1 mittels von einer Steuereinheit gesteuerten Ventilen auf der Basis von mittels Temperatursensoren gemessenen Temperaturen des ersten und des zweiten Wärmeaustauschkreislaufes sowie der Umgebungstemperatur.
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Aus der
DE 20 2011 110 352 U 1 ist ein elektrisches Kühlmodul mit einem Peltier-Element als thermoelektrisches Element zum elektrischen Kühlen eines Luftstromes bekannt und dient zum Kühlen und Belüften eines Fahrzeugsitzes. Es umfasst mindestens ein Peltier-Element und mindestens einen luftdurchströmbaren Wärmetauscherbereich mit wärmeleitenden Lamellen, die mit dem Peltier-Element in wärmeleitender Verbindung stehen und mit diesem zu einem Modul zusammengefasst sind.
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Ein Peltier-Element ist ein elektrothermischer Wandler, der basierend auf dem Peltier-Effekt bei Stromdurchfluss eine Temperaturdifferenz erzeugt. Wenn dem Peltier-Element elektrische Energie zugeführt wird, wird eine Seite, die Kaltseite gekühlt (Wärmeaufnahme) und eine andere Seite, die Warmseite erwärmt (Wärmeabgabe). Bei Stromrichtungsumkehr kann ein solches Peltier-Element auch zum Heizen verwendet werden.
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Aus der
DE 10 2008 013 850 B3 ist eine Klimatisierungseinrichtung für in einem Schaltschrank angeordnete elektronische Bauelemente mit einer Trennwand bekannt, die beidseitig mit Wärmetauscherelementen versehen ist und einen ersten Kanal mit einem Einlass und einem Auslass für ein strömbares erstes Fluid abgrenzt, wobei an der dem ersten Kanal abgewandten Seite der Trennwand ein zweites Fluid in Verbindung mit den elektrischen Bauelementen steht, wobei zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid ein Wärmetausch stattfindet, wobei die Klimatisierungseinrichtung drei Kanäle aufweist, wobei der erste Kanal als Außenkanal fungiert und wobei die Trennwand den Außenkanal von einem Mittelkanal trennt, wobei ein beidseitig mit Wärmetauscherelementen versehenes Peltierelement den Mittelkanal von einem Innenkanal trennt.
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Aus der
DE 102 18 343 A1 ist eine elektrische Temperiervorrichtung zum Temperieren von in den Innenraum eines Fahrzeugs einströmender Luft mit mindestens einem Peltierelement bekannt.
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Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zur Erzeugung eines Kühlluftstromes für eine Wärmequelle, insbesondere für eine Wärmequelle eines Fahrzeugs, wie bspw. eines Fahrzeugsitzes oder einer Batterie anzugeben, welches zu einem erhöhten Systemwirkungsgrad führt. Ferner ist es Aufgabe ein Kühlsystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anzugeben.
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Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Bei diesem Verfahren zur Erzeugung eines Kühlluftstromes für eine Wärmequelle wird:
- - aus einem Rohluftstrom mittels eines Strömungsteilers ein erster Teilluftstrom, ein zweiter Teilluftstrom und ein dritter Teilluftstrom erzeugt, wobei der erste Teilluftstrom der Wärmequelle zur Kühlung derselben zugeführt wird,
- - mittels eines ersten thermoelektrischen Elementes der Kühlluftstrom als der erste Teilluftstrom des Rohluftstromes mit dem zweiten Teilluftstrom des Rohluftstromes zur Übertragung von Wärme des ersten Teilluftstromes auf den zweiten Teilluftstrom wärmegekoppelt,
- - in Strömungsrichtung des Rohluftstromes vor dem ersten thermoelektrischen Element ein zweites thermoelektrisches Element eingesetzt, mit welchem der zweite Teilluftstrom mit dem dritten Teilluftstrom des Rohluftstromes zur Übertragung von Wärme des zweiten Teilluftstromes auf den dritten Teilluftstrom wärmegekoppelt und der dritte Teilluftstrom (S3) als Abwärmeluftstrom abgeführt wird,
- - bei einer gegenüber der Temperatur des Rohluftstromes kleineren Temperatur des von dem ersten thermoelektrischen Element erwärmten zweiten Teilluftstromes dieser zweite Teilluftstrom in Strömungsrichtung des Rohluftstromes vor dem zweiten thermoelektrischen Element in den dritten Teilluftstrom geführt oder anstelle des dritten Teilluftstromes mit dem zweiten Teilluftstrom mittels des zweiten thermoelektrischen Elementes wärmegekoppelt, und
- - bei einer mindestens der Temperatur des Rohluftstromes entsprechenden Temperatur des von dem ersten thermoelektrischen Element erwärmten zweiten Teilluftstromes dieser zweite Teilluftstrom in Strömungsrichtung (R) des Rohluftstromes nach dem zweiten thermoelektrischen Element dem Abwärmeluftstrom zugemischt.
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Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird mittels zwei in Kaskade geschalteten thermoelektrischen Elementen ein als erster Teilluftstrom eines Rohluftstromes erzeugter Kühlluftstrom gekühlt und einer Wärmequelle zu deren Kühlung zugeführt. Zur Kühlung dieses ersten Teilluftstromes wird ein zweiter Teilluftstrom und dritter Teilluftstrom des Rohluftstromes verwendet, indem zunächst mit einem thermoelektrischen Element der zweite Kühlluftstrom gekühlt und dessen Wärme mittels des dritten Teilluftstromes als Abwärmeluftstrom an die Umgebung abgegeben und dieser abgekühlte zweite Kühlluftstrom seinerseits mit dem weiteren thermoelektrischen Element zur Kühlung des ersten Teilluftstromes wärmegekoppelt wird. Der zweite Kühlluftstrom wird entweder als Abwärmeluftstrom an die Umgebung abgegeben, wenn dessen Temperatur gleich oder größer ist als die Temperatur des Rohluftstromes, im anderen Fall, wenn diese Temperatur kleiner als die Temperatur des Rohluftstromes ist, wird der zweite Teilluftstrom auf den dritten Teilluftstrom rückgeführt oder anstelle des dritten Teilluftstromes erneut an dem thermoelektrischen Element vorbeigeführt. Damit wird erreicht, dass im Fall eines gegenüber dem Rohluftstrom kühleren zweiten Teilluftstromes dieser nochmals zur Kühlung des thermoelektrischen Elementes, welches den zweiten mit dem dritten Teilluftstrom wärmegekoppelt, verwendet wird. Durch diese zweifache Nutzung des gegenüber dem Rohluftstrom gegebenenfalls kühleren zweiten Teilluftstromes wird eine Erhöhung des Wirkungsgrades des Kühlprozesses erreicht.
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Die zweitgenannte Aufgabe wird gelöst durch ein Kühlsystem mit den Merkmalen des Patentanspruches 2.
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Ein solches Kühlsystem zur Erzeugung eines Kühlluftstromes für einer Wärmequelle mit einer Kanalanordnung umfasst:
- - eine Lufteintrittsöffnung zur Zuführung eines Rohluftstromes,
- - einen Strömungsteiler zur Teilung des Rohluftstromes in einen in einem ersten Kanal geführten ersten Teilluftstrom, in einen in einem zweiten Kanal geführten Teilluftstrom und in einen in einem dritten Kanal geführten Teilluftstrom,
- - ein erstes thermoelektrisches Element, welches derart angeordnet ist, dass der erste Teilluftstrom als Kühlluftstrom mit dem zweiten Teilluftstrom zur Übertragung von Wärme des ersten Teilluftstromes auf den zweiten Teilluftstrom wärmegekoppelt ist,
- - ein zweites thermoelektrisches Element, welches in Strömungsrichtung des Rohluftstromes vor dem ersten thermoelektrischen Element derart angeordnet ist, dass der zweite Teilluftstrom mit dem dritten Teilluftstrom zur Übertragung von Wärme des zweiten Teilluftstromes auf den dritten Teilluftstrom wärmegekoppelt ist,
- - eine Abströmöffnung des dritten Kanals, über welche der dritte Teilluftstrom als Abwärmeluftstrom abgeführt wird,
- - ein erstes Ventil, mit welchem bei einer mindestens der Temperatur des Rohluftstromes entsprechenden Temperatur des von dem ersten thermoelektrischen Element erwärmten zweiten Teilluftstromes der zweite Kanal zur Abführung des zweiten Teilluftstromes über die Abströmöffnung mit dem dritten Kanal verbunden wird, und
- - ein Bypass-Kanal, mit welchem bei einer gegenüber der Temperatur des Rohluftstromes kleineren Temperatur des von dem ersten thermoelektrischen Element erwärmten zweiten Teilluftstromes der zweite Kanal mittels des ersten Ventils mit dem Bypass-Kanal verbunden ist, wobei der Bypass-Kanal in Strömungsrichtung vor dem zweiten thermoelektrischen Element mit dem dritten Kanal verbunden ist.
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Mit einem solchen erfindungsgemäßen Kühlsystem wird das erfindungsgemäße Verfahren in konstruktiv einfacher Weise umgesetzt, so dass auch mit diesem Kühlsystem der Systemwirkungsgrad erhöht ist.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Kühlsystems ist ein zweites Ventil vorgesehen, welches bei einer gegenüber der Temperatur des Rohluftstromes kleineren Temperatur des von dem ersten thermoelektrischen Element erwärmten zweiten Teilluftstromes zur Vermeidung der Erzeugung eines dritten Teilluftstromes den dritten Kanal verschließt. Damit wird verhindert, dass der auf den dritten Teilluftstrom rückgeführte zweite Teilluftstrom von diesem dritten Teilluftstrom erwärmt wird, da dessen Temperatur höher als die Temperatur des zweiten Teilluftstromes ist.
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Das erfindungsgemäße Kühlsystem ist generell geeignet zur Kühlung von Räumen oder Objekten, also insbesondere auch zur Kühlung einer Insassenkabine eines Fahrzeugs oder einer Wärmequelle eines Fahrzeugs, wie bspw. eines Fahrzeugsitzes oder einer Batterie.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine einzige beigefügte Figur ausführlich beschrieben. Diese 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kühlsystems 10 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Das Kühlsystem 10 gemäß 1 umfasst eine Kanalanordnung 1 zur Erzeugung eines Kühlluftstromes S1, welcher einer Wärmequelle 5 zu deren Kühlung zugeführt wird.
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Diese Kanalanordnung 1 umfasst einen Kanal 1 mit einer Lufteintrittsöffnung 2, über die ein Rohluftstrom S0 der Kanalanordnung 1 mittels eines Ventilators 6 zugeführt wird. Die Temperatur TFan des zugeführten Rohluftstromes S0 wird mittels eines ersten Temperatursensors T1 gemessen. Mittels eines Strömungsteilers 3 wird der Rohluftstrom S0 in drei Teilluftströme, einen ersten Teilluftstrom S1 in einem ersten Kanal 3.1, einen zweiten Teilluftstrom S2 in einem zweiten Kanal 3.2 und einen dritten Teilluftstrom S3 in einem dritten Kanal 3.3 aufgeteilt, wobei die beiden Teilluftströme S2 und S3 gegenüber dem als Kühlluftstrom geführte Teilluftstrom S1 volumenmäßig klein sind.
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Zwischen dem ersten Kanal 3.1 in dem zweiten Kanal 3.2 ist ein als Peltierelement ausgeführtes erstes thermoelektrisches Element P1 so angeordnet, dass an dessen Kaltseite der erste Teilluftstrom S1 als Kühlluftstrom vorbeiströmen kann und an dessen Warmseite der zweite Teilluftstrom S2 vorbeigeführt wird. Mit dieser Wärmekopplung zwischen dem ersten Teilluftstrom S1 und dem zweiten Teilluftstrom S2 wird der erste Teilluftstrom S1 gekühlt und dabei dessen Wärme auf den zweiten Teilluftstrom S2 übertragen, wenn dem ersten thermoelektrischen Element P1 elektrische Energie zugeführt wird. Die Temperatur des anderen dem ersten thermoelektrischen Element P1 vorbeigeführten zweiten Teilluftstromes S2 wird mittels eines zweiten Temperatursensors T2 ermittelt. Entsprechend der Stellung eines in Strömungsrichtung R des Rohluftstromes S0 nach dem ersten thermoelektrischen Element P1 angeordneten ersten Luftleitventils V1 wird der mittels des ersten thermoelektrischen Elementes P1 erwärmte zweite Teilluftstrom S2 in einen Bypass-Kanal 4 oder über eine Öffnung in der Kanalwand in den benachbarten dritten Kanal 3.3 weitergeleitet. In einer Position pos1 des ersten Luftleitventils V 1 wird diese Öffnung der Kanalwand verschlossen, so dass der zweite Teilluftstrom S2 als Bypass-Luftstrom S5 in den Bypass-Kanal 4 geleitet wird, während in einer Position pos2 des ersten Luftleitventils V1 dieser Bypass-Kanal 4 verschlossen wird, so dass der zweite Teilluftstrom S2 als Abluftstrom S4 über den dritten Kanal 3.3 und eine Abströmöffnung 3.30 des dritten Kanals 3.3 in die Umgebung des Kühlsystems 10 abgeführt wird.
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In Strömungsrichtung R des Rohluftstromes S0 gesehen ist vor dem ersten thermoelektrischen Element P1 ein ebenso als Peltier-Element ausgeführtes zweites thermoelektrisches Element P2 zwischen dem zweiten Kanal 3.2 und dem dritten Kanal 3.3 angeordnet und führt zu einer Wärmekopplung zwischen dem zweiten Teilluftstrom S2 und dem dritten Teilluftstrom S3. Hierbei ist dieses zweite thermoelektrische Element so angeordnet, dass bei Zuführung von elektrischer Energie die Kaltseite dem zweiten Teilluftstrom S2 ausgesetzt ist und an der Warmseite der dritte Teilluftstrom S3 vorbeigeführt wird. Mit diesem dritten Teilluftstrom S3 wird zunächst der zweite Teilluftstrom S2 mittels des zweiten thermoelektrischen Elementes P2 gekühlt, bevor dieser seinerseits zur Kühlung des ersten Teilluftstromes S1, also des Kühlluftstromes an der Warmseite des ersten elektrischen Elementes P1 vorbeigeführt wird.
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Schließlich weist die Kanalanordnung 1 ein zweites Luftleitventil V2 auf, welches zwischen einer Position pos1 und einer Position pos2 schaltbar ist. In der Position pos1 ist der dritte Kanal 3.3 offen, so dass der dritte Teilluftstrom S3 erzeugt werden kann. In der Position pos2 des zweiten Luftleitventils V2 wird der dritte Kanal 3.3 verschlossen und dadurch die Erzeugung des dritten Teilluftstromes S3 als Teilluftstrom des Rohluftstromes S0 verhindert.
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Die beiden Luftleitventile V1 und V2 werden in Abhängigkeit von der mit dem ersten Temperatursensor T1 gemessenen Temperatur TFan des Rohluftstromes S0 und von der mit dem zweiten Temperatursensor T2 gemessenen Temperatur Tv des zweiten Teilluftstromes S2 mittels eines Steuergerätes gesteuert, wobei zur Auswertung die Sensorwerte dieser beiden Temperatursensoren T1 und T2 diesem Steuergerät zugeführt werden.
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Bei einer Temperatur Tv des zweiten Teilluftstromes S2, die mindestens der Temperatur TFan des Rohluftstromes S0 entspricht (TV ≥ TFan ) befindet sich das erste Luftleitventil V1 in seiner Position pos2, d.h. der von dem ersten thermoelektrischen Element P1 erwärmte Teilluftstrom S2 wird als Abluftstrom S4 in den dritten Kanal 3.3 und von dort über die Abströmöffnung 3.30 in die Umgebung abgeführt. Gleichzeitig verbleibt das zweite Luftleitventil V2 in seiner Position pos1, so dass bei dieser Temperaturkonstellation weiterhin der dritte Teilluftstrom S3 erzeugt und ebenso als Abluftstrom über die Abströmöffnung 3.30 in die Umgebung abgeführt werden kann.
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Liegt die Temperatur Tv des zweiten Teilluftstromes S2 unter der Temperatur TFan des Rohluftstromes S0 (TV < TFan ) wird das erste Luftleitventil V1 in seine Position pos1 umgeschaltet, so dass der zweite Kanal 3.2 in den Bypass-Kanal 4 übergeht, der in Strömungsrichtung R gesehen vor dem zweiten thermoelektrischen Element P2 in dem dritten Kanal 3.3 endet. Gleichzeitig wird bei dieser Temperaturkonstellation das zweite Luftleitventil V2 in seine Position pos2 umgeschaltet, so dass der Zugang zum dritten Kanal 3.3 verschlossen wird und dadurch kein dritter Teilluftstrom S3 als Teilluftstrom des Rohluftstromes S0 erzeugt werden kann. Dies hat zur Folge, dass der an dem ersten thermoelektrischen Element P1 auf die Temperatur Tv erwärmte zweite Teilluftstrom S2 als Bypass-Luftstrom S5 an den Anfang des dritten Kanals 3.3 geleitet wird, so dass dieser Bypass-Luftstrom S5 anstelle des dritten Teilluftstromes S3 an dem zweiten thermoelektrischen Element P2 vorbeigeführt wird und dadurch erneut Wärme aus dem zweiten Teilluftstrom S2 aufnehmen kann.
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Damit wird bei dieser Temperaturkonstellation mit Tv < TFan der zweite Teilluftstrom S2 zweifach eingesetzt, nämlich einerseits zur direkten Kühlung des Kühlluftstromes S1 mittels des ersten thermoelektrischen Elementes P1 und andererseits als Bypass-Luftstrom S5 zur Kühlung des auf der Temperatur TFan des Rohluftstromes S0 sich befindenden zweiten Teilluftstromes S2. Damit wird der Wirkungsgrad des Kühlsystems 10 wesentlich erhöht.
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Diese Erhöhung des Wirkungsgrades stellt sich nicht ein, wenn bei dieser Temperaturkonstellation mit Tv < TFan der mit dem ersten thermoelektrischen Element P1 erwärmte zweite Teilluftstrom S2 bei Position pos2 des ersten Luftleitventils V1 in den dritten Kanal 3.3 und von dort über die Abströmöffnung 3.30 ebenso in die Umgebung abgeführt würde.
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Es ist auch möglich, als alternative Ausführung des Kühlsystems 10 auf das zweite Luftleitventil V2 zu verzichten. Dies hat natürlich zur Folge, dass bei der Temperaturkonstellation mit Tv < TFan der rückgeführte Bypass-Luftstrom S5 dem dritten Teilluftstrom S3 zugemischt wird, wodurch der Kühleffekt, also die Temperaturdifferenz an dem zweiten thermoelektrischen Element P2 etwas geringer wäre.
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Das oben beschriebene Kühlsystem 10 ist geeignet für den Einsatz in Fahrzeugen, nämlich zur Kühlung von Wärmequellen, insbesondere zur Kühlung von Fahrzeugsitzen, Batterien usw., als auch zur Kühlung der Fahrgastzelle.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kanalanordnung
- 2
- Lufteintrittsöffnung
- 3
- Strömungsteiler
- 3.1
- erste Kanal des Strömungsteilers 3
- 3.2
- zweiter Kanal des Strömungsteilers 3
- 3.3
- dritter Kanal des Strömungsteilers 3
- 3.30
- Abströmöffnung
- 4
- Bypass-Kanal
- 5
- Wärmequelle
- 6
- Ventilator
- 10
- Kühlsystem
- P1
- erstes thermoelektrisches Element, Peltier-Element
- P2
- zweites thermoelektrisches Element, Peltier-Element
- R
- Strömungsrichtung des Rohluftstromes S0
- S0
- Rohluftstrom
- S1
- erster Teilluftstrom
- S2
- zweiter Teilluftstrom
- S3
- dritter Teilluftstrom
- S4
- Abluftstrom
- S5
- Bypass-Luftstrom
- T1
- erster Temperatursensor
- T2
- zweiter Temperatursensor
- TFan
- Temperatur des Rohluftstromes S0
- Tv
- Temperatur des zweiten Teilluftstromes S2
- V1
- erstes Ventil, Luftleitventil
- V2
- zweites Ventil, Luftleitventil
