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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, ein Verfahren und eine Anordnung zum elektrothermischen Kühlen und/oder Heizen mit zumindest einem Peltier-Element.
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Elektrothermische Kühler sind ideal für Anwendungen mit begrenztem Platzangebot, hohen Umgebungstemperaturen, schmutzigen Umgebungsbedingungen und unter extremen Witterungsbedingungen. Beispielweise werden als Schaltschrank-Kühler im unteren Leistungsbereich elektrothermische Kühler mit Peltier-Elementen verwendet, wobei die bei der Kühlung entstehende Abwärme über metallische Kühlkörper an eine Umgebung abgeführt wird.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum elektrothermischen Kühlen und/oder Heizen mit zumindest einem Peltier-Element, eine Anordnung mit einer solchen Vorrichtung sowie ein Verfahren dazu bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1, 11 bzw. 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der wachsende Grad an Automatisierung in der Produktion erfordert immer mehr Schalt- und Rechentechnik in den Schaltschränken. Die elektrische Verlustleistung der darin verbauten Schaltkreise heizt den Schaltschrank auf und die Innenraumtemperatur steigt zwangsläufig an. Die notwendige Kühlung der Schaltschränke stellt je nach Jahreszeit und Umgebung eine große Herausforderung dar, gerade wenn z.B. die Umgebungstemperatur wie in Gießereien oder Stahlwerken deutlich höher ist. Herkömmlich sind in einem Schaltschrank verbaute Komponenten der Elektronik oder Elektrotechnik für eine maximale Betriebstemperatur von 50°C ausgelegt. Eine Temperatur unter 5°C erfordert im Gegenzug eine Heizung der elektronischen Bauteile um Schaden abzuwenden. Als Idealtemperatur zwischen Lebensdauer der Komponenten und Aufwand für die Schaltschrank-Klimatisierung wird in der Regel eine Temperatur von 35°C im Inneren des Schaltschranks gewählt. Die Position des Schaltschrankes ist mit entscheidend für die abzupumpende Wärme, denn bei reduzierter Abstrahlung durch die Außenwände heizt sich das Innere verstärkt auf. Bei starkem Staubanfall ist der Schaltschrank zusätzlich hermetisch zu schließen und kann somit nicht durch Frischluft gekühlt werden. Deshalb ist eine geeignete aktive Kühlung erforderlich.
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Gemäß Anspruch 1 wird eine Vorrichtung zum elektrothermischen Kühlen und/oder Heizen bereitgestellt, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Steuereinheit, eine Wärmepumpe mit zumindest einem Peltier-Element zum Erzeugen eines Wärmestroms von einer ersten Seite (Kaltseite) zu einer gegenüberliegenden zweiten Seite (Warmseite) der Wärmepumpe, und zumindest ein mit der Wärmepumpe thermisch gekoppeltes Fluidkreislaufsystem zum Abführen bzw. Abtransport der von der Wärmepumpe übertragenen bzw. erzeugten Wärmeenergie. Der erzeugte Wärmestrom bzw. Wärmefluss entspricht einer übertragenen Wärmeenergie pro Zeiteinheit. Beispielsweise fließt bei einem Peltier-Element der Wärmestrom von einer ersten Seite bzw. Warmseite zu einer gegenüberliegenden (und parallelen) zweiten Seite bzw. Kaltseite des Peltier-Elements. Mittels einer elektrothermischen Wärmepumpe bzw. Peltier-Element(en) kann die Übertragungsrichtung der Wärmeenergie einfach durch Umkehr der Polarität der Versorgungsspannung bzw. des Versorgungsstroms der Peltier-Elemente umgekehrt werden. D.h. die Warmseite und Kaltseite kann vertauscht werden, so dass die Vorrichtung sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen verwendet werden kann. Die Steuerung der Komponenten der Vorrichtung wie der Wärmepumpe und des Fluidkreislaufsystems zur Bereitstellung von Kühlung oder Heizung erfolgt über die Steuereinheit.
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Eine wie oben und nachfolgend beschriebene Vorrichtung stellt ein Klimagerät dar, das aufgrund der für die Wärmepumpe verwendeten Peltier-Elemente kleine Außenmaße aufweist und im Betrieb leise und weitgehend erschütterungsfrei arbeitet. Eine lange Lebensdauer ist auch bei Dauerbetrieb durch wenige bewegliche Bauteile gesichert. Zudem stellt die Vorrichtung ein geringes elektrisches Gefahrenpotential dar, da sie z.B. mit 10-15 Volt Gleichspannung betrieben werden kann. Zudem sind im Vergleich zu Kompressor-Kühlgeräten der Betrieb und die Herstellungskosten der beschriebenen Vorrichtung kostengünstiger. Das Abführen von (positiver oder negativer) Wärmeenergie (Abwärme oder Kälte) mittels eines Fluids bzw. Fluidkreislaufsystems ist wesentlich effizienter als z.B. ein (passiver) Kühlkörper, der thermisch mit einem Peltier-Element verbunden ist. Da mittels der Fluidkreislaufsystems Abwärme schneller vom der Wärmepumpe bzw. einem Peltier-Element abgeführt werden kann wird die Kühl-/Heiz-Leistung der Wärmepumpe bzw. der Vorrichtung gesteigert. Vorzugsweise ist die Vorrichtung so ausgestaltet, dass Kühlleistungen im Bereich zwischen ca. 800 W - 1,5 kW erreicht werden können. Beispielsweise weist die Wärmepumpe zwischen 6 bis 15 Peltier-Elemente auf, die benachbart zueinander in einer Ebene angeordnet sind.
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Mit der Vorrichtung kann die Temperatur in einem Behälter, wie z.B. einem Schaltschrank oder einem Behälter für Medikamente, auf einen vorgegebenen Temperaturwert oder in einem vorgegebenen Temperaturbereich gehalten werden. So kann, je nach Umgebungstemperatur außerhalb eines Behälters in dem die Vorrichtung eingesetzt wird, der Innenraum des Behälters entweder gekühlt oder geheizt werden. Zusätzlich kann das Abscheiden von Feuchtigkeit auf Flächen innerhalb des Behälters verhindert werden, indem mittels der Vorrichtung die Temperatur im Behälter über dem Taupunkt bzw. über der Taupunkttemperatur gehalten wird. Die Vorrichtung wird als Klimagerät-Modul bereitgestellt, so dass beliebige Behälter mit der Vorrichtung nachgerüstet werden können. Das Erreichen des Taupunkt kann durch eine genaue Temperatur-Steuerung und gleichmäßige, starke Zirkulation (mittels eines Lüfters) und den hermetischen Verschluss des Schaltschrankes sowie der automatischen Heizung bei Erreichen von z.B. + 5°C verhindert und damit eine Kondensatbildung weitgehend vermieden werden.
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Vorzugsweise ist das zumindest eine Fluidkreislaufsystem thermisch an eine Warmseite der Wärmepumpe gekoppelt, so dass von der Wärmepumpe übertragene Wärme vom Fluidkreislaufsystem abgeführt wird. Mittels des Fluidkreislaufsystems kann die Abwärme der Wärmepumpe zu einem beliebigen von der Wärmepumpe entfernten Ort transportiert werden (z.B. mindestens 50 cm oder mindestens 100 cm entfernt). So tritt z.B. keine Stauwärme in der Nähe der Wärmepumpe auf und die Effizienz der Wärmepumpe wird gesteigert. Beispielseise weist das zumindest eine Fluidkreislaufsystem ein geschlossenes Leitungssystem mit einer Pumpe zum Fördern/Zirkulieren des Fluids im Leitungssystem auf. Durch das geschlossene Leitungssystem und die Peltier-Elemente ist die Vorrichtung besonders geeignet für eine Vielzahl von Umgebungen, wie z.B. für CNC-Schaltschränke, Branchen wie Öl und Gas, Lebensmittel- und Getränkeverarbeitung, Gastronomie, Sicherheit und Überwachung, Nahverkehr und Kommunikation, Schiffselektronik, mobile Kommunikation, Verschlüsselung sowie integrierte UAV-Steuerungssysteme. Weitere Einsatzorte und Einsatzbereiche können z.B. Erdölraffinerien, Offshore-Bohrinseln, Benzinlager- und Benzinausgabebereiche, Trockenreinigungsanlagen und anderen Anlagen sein, in denen Dämpfe aus Reinigungsflüssigkeiten vorhanden sein können, wie Flugzeughallen, Nutzgasanlagen und andere gefährliche Standorte. Ein weiteres Beispiel ist der Medikamenten-Transport bei dem eine durchgängige Kühlkette erforderlich ist. Dabei ist der Transport von den Chemiewerken zu den VerteilerZentren sicher und zuverlässig organisiert. Die Kleinverteilung ist jedoch unsicher und eine Unterbrechung der Kühlkette verursacht einen Ausfall von Medikamenten. Mit der beschriebenen Vorrichtung können kleine Mengen in gekühlten Kleinbehälter mit präziser Regelung gelagert und/oder transportiert werden. Beim Einsatz im Medikamententransport kann eine Kühlbox mit unterschiedlichen Fächern bereitgestellt werden in der mittels einer oder mehrerer der Vorrichtungen unterschiedliche Temperaturen sicher und präzise gehalten werden können z.B. mit der Bordspannung von 12V eines Fahrzeuges. So kann z.B. ein Diabetiker mit einem eigenen Vorrat an Insulin unbehindert auf Reisen gehen, ohne von Apotheken im Ausland abhängig zu sein.
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Besonders bevorzugt weist die Vorrichtung zwei voneinander getrennte Fluidkreislaufsysteme auf. Ein erstes Fluidkreislaufsystem, das thermisch an die erste Seite (Kaltseite oder Warmseite) der Wärmepumpe gekoppelt ist, und ein zweites Fluidkreislaufsystem, das thermisch an die gegenüberliegende zweite Seite (Warmseite oder Kaltseite) der Wärmepumpe gekoppelt ist. In dieser Ausgestaltung kann sowohl die auf einer Warmseite der Wärmepumpe auftretende Wärmenergie mittels des ersten Fluidkreislaufsystems (Heizkreislauf) an einen beliebigen von der Wärmepumpe entfernten Ort transportiert werden, als auch die auf einer Kaltseite der Wärmepumpe generierte Kälte mittels der zweiten Fluidkreislaufsystems (Kühlkreislauf). Dabei können die beiden Fluidkreislaufsysteme ihre Funktion als Heizkreislauf bzw. Kühlkreislauf tauschen durch die oben beschriebene Umkehr der Polarität der Versorgungsspannung der Wärmepumpe bzw. des zumindest einen Peltier-Elements. Beispielsweise weist dazu jedes Fluidkreislaufsystem eine Fluidpumpe auf, um das Fluid in jedem Kreislaufsystem unabhängig voneinander zirkulieren zu lassen. Beispielsweise ist das im zumindest einen Fluidkreislauf zirkulierende Fluid ausgewählt aus: wasserbasierten Kühlmitteln, silikatfreien Kühlmitteln, Wasser. Insbesondere werden keine umweltschädlichen Kühlmittel oder Gase wie z.B. Freon/Frigen, FCKW verwendet.
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Die Vorrichtung kann somit in Form einer „Split-Unit“ bereitgestellt werden, bei der Kühl-Teil und Abluft-Teil getrennte Einheiten sind, welche an unterschiedlichen Stellen verbaut werden können, da diese nur mit Fluidschläuchen und Kabeln verbunden sind. Je nach Aufbau eines Behälters wie z.B. eines Schaltschrankes, des vorhandenen Raumes und sonstiger äußerer Parameter kann die (Kühl)Vorrichtung entweder auf einer Oberseite oder an einer Seite des Schaltschrankes platziert werden, wobei die Kaltluft mittels des ersten Fluidkreislaufsystems innerhalb des Schaltschrankes zirkuliert und mittels des zweiten Fluidkreislaufsystems die Abwärme außerhalb des Schaltschrankes abgeführt wird. Dabei kann ein Radiator (mit Lüfter) des Fluidkreislaufsystems, entweder auf dem Schaltschrank oder auch an einem anderen beliebigen Platz angebracht werde.
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Durch die Nutzung von zwei separaten, zwangsgesteuerten Fluidkreisläufen mit Radiatoren und kräftigen Lüftern kann die Hitze besser von der Wärmepumpe abgeführt werden. Dadurch wird auf der Kaltseite mehr Kälte wirksam, so dass die Kühlleistung auf > 1,5 kW gesteigert werden kann.
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Bevorzugt weist die Vorrichtung zumindest eine Trägerplatte auf, die mit der Wärmepumpe so verbunden ist, dass mittels der Wärmepumpe Wärmeenergie zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten der Trägerplatte übertragbar ist. Beispielsweise kann eine Integralschaumplatte verwendet werden, die sowohl leicht ist als auch eine thermische Isolierung zwischen den beiden Seiten bereitstellt. In der Integralschaumplatte sind die Peltier-Elemente zentral angeordneten und transportieren in sich selbst Wärme z.B. von unten nach oben und somit wird auf der unteren Seite Kälte frei und auf der oberen Seite kann die Abwärme mittels des Fluidkreislaufsystems abgeführt werden. Beispielsweise können einzelne Komponenten/Bauteile der Vorrichtung einfach und schnell mit der Trägerplatte verbunden und so eine einfach handhabbare und montierbare Kühl/Heiz-Einheit bereitgestellt werden. Gemäß einer Ausgestaltung kann die Vorrichtung mit der Trägerplatte in einem Deckel oder einer Seite eines Schaltschrankes montiert werden, damit die von der Wärmepumpe erzeugte Kaltluft im hermetisch geschlossenen und staubgeschützten Schaltschrank gleichmäßig und ohne Kältenester zirkulieren kann, während gleichzeitig die Abwärme auf einer gegenüberliegenden Seite der Vorrichtung/Trägerplatte oder über dem Schaltschrank abgeblasen oder alternativ an einem an einem besonders geeigneten Platz in beliebigen Positionen und in beliebige Richtungen abgeführt wird. Vorzugsweise sind die Bauteile der Warmseite analog zu denen der Kaltseite der Wärmepumpe angeordnet und deren Funktion ist analog bzw. die Gleiche. Der Abluftkreislauf kann auf einer getrennten Trägerplatte montiert werden und dadurch kann Abwärme an einer günstigen Position und mit vorteilhafter Blasrichtung besser abgeführt werden, was zur Leistungssteigerung der Kühl/Heiz-Vorrichtung führt.
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Vorzugsweise weist das Fluidkreislaufsystem zumindest ein Kopplungselement zum thermischen Koppeln des zirkulierenden Fluids an die Wärmepumpe bzw. an das zumindest eine Peltier-Element auf, wobei das zumindest eine Kopplungselement einen Fluideinlass und Fluidauslass für das zirkulierende Fluid aufweist. Eine Kontaktseite bzw. Kontaktfläche des zumindest einen Kopplungselements ist dabei vollflächig oder im Wesentlichen vollflächig mit einer Kontaktfläche der Wärmepumpe bzw. des zumindest einen Peltier-Elements verbunden, so dass eine gute Übertragung der Wärmeenergie gewährleistet ist. Zur Erhöhung der Wärmeleitung können die Kontaktflächen zwischen Peltier-Element und Kopplungselement mit Wärmeleitpaste, z.B. harz- und säurefreiem, hitzebeständigem, nicht-trocknendem Motor-Ö1 bestrichen werden. Vorzugsweise ist das Kopplungselement, insbesondere zumindest die Kontaktseite/-fläche, aus einem gut wärmeleitenden Material wie z.B. Aluminium und Kupfer ausgebildet.
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Bevorzugt ist auf jeder Seite (Warmseite und Kaltseite) der Wärmepumpe zumindest ein Kopplungselement angeordnet. D.h. zumindest ein erstes Kopplungselement liegt mit einer Kontaktseite flächig mit der Warmseite/Kaltseite der Wärmepumpe bzw. auf dem zumindest einen Peltier-Element auf, und zumindest ein zweites Kopplungselement liegt mit einer Kontaktseite flächig auf der Kaltseite/Warmseite der Wärmepumpe auf. Alternativ können mehrere miteinander fluidisch verbundene Kopplungselemente vorgesehen sein. Falls die Wärmepumpe mehrere Peltier-Elemente aufweist, z.B. 6 oder 9 Elemente, kann für jedes Peltier-Element oder für jeweils zwei oder drei Peltier-Elemente jeweils ein (2-fach oder 3-fach-)Kopplungselement vorgesehen sein. Das Peltier-Element bzw. die Peltier-Elemente liegt bzw. liegen also sandwichartig zwischen zwei gegenüberliegenden Kopplungselementen, so dass (positive/negative) Wärmeenergie bzw. Wärme/Kälte effizient von beiden Seiten der Wärmepumpe abgeführt werden kann.
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Vorzugsweise weist das zumindest eine Fluidkreislaufsystem zumindest einen Radiator zum Abführen von Wärmeenergie aus dem Fluidkreislaufsystem an die Umgebung bzw. Umgebungsluft auf. Der zumindest eine Radiator ist fluidisch mit dem Kreislaufsystem verbunden, so dass die mit dem Fluid transportierte Wärme/Kälte vom Radiator im Wesentlichen über Wärmestrahlung abgegeben werden kann. Beispielsweise weist ein Radiator dazu (Kühl-)Körper wie Finnen auf, die Wärme/Kälte passiv an die Umgebung des Radiators abgeben. Zusätzlich oder alternativ ist ein Lüfter für den Radiator vorgesehen. Mittels des Lüfters kann zum einen Wärme/Kälte schneller vom Radiator abgeführt werden. Zum anderen kann die Wärme/Kälte bzw. Warmluft/Kaltluft effizient verteilt werden, z.B. in einem Innenraum eines Behälters, in dem die Vorrichtung zum Kühlen/Heizen eingesetzt ist. Beispielsweise kann der zumindest eine Radiator auf der oben beschriebenen Trägerplatte angeordnet bzw. mit ihr verbunden sein, so dass eine kompakte Kühl-/Heiz-Einheit bereitgestellt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der zumindest eine Radiator nicht auf der Trägerplatte mit der Wärmepumpe angeordnet, sondern ist beabstandet bzw. entfernt von der Wärmepumpe, insbesondere von der Trägerplatte angeordnet, so dass von der Wärmepumpe erzeugte Wärmeenergie an einen vorbestimmten/gewünschten Ort/Umgebung abführbar ist. Beispielsweise ist bei Verwendung der Vorrichtung zum Kühlen/Heizen eines Behälters zumindest ein Radiator außerhalb des Behälters angeordnet, so dass z.B. von der Wärmepumpe abgeführte Wärme außerhalb des Behälters abgegeben werden kann. Insbesondere kann ein Radiator außerhalb oder innerhalb des Behälters an einen besonders geeigneten Ort positioniert werden, so dass die vom Fluidkreislaufsystem zum Radiator transportierte Wärme/Kälte unabhängig vom Ort bzw. der Position der Wärmepumpe bzw. Peltier-Elemente verteilt werden kann. Für einen flexiblen Einsatz der Vorrichtung kann der zumindest eine Radiator, zumindest ein Teil des Fluidkreislaufsystems, eine Pumpe des Fluidkreislaufsystems und/oder die Steuereinheit nicht auf der Trägerplatte bzw. beabstandet/entfernt von der mit der Wärmepumpe verbundenen Trägerplatte angeordnet sein.
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Vorzugsweise weist die Vorrichtung zumindest einen Temperatursensor auf, der mit der Steuereinheit verbunden ist. Beispielsweise ist zumindest ein Temperatursensor in einem Innenraum eines Behälters angeordnet, der mit der Vorrichtung gekühlt/geheizt wird. Dabei ist die Steuereinheit ausgebildet bei Erreichen einer vorbestimmten Temperatur (z.B. 5°C) durch Umpolen der Versorgungsspannung der Wärmepumpe die Transportrichtung der Wärmeenergie umzukehren. Beispielsweise ist die Steuereinheit so ausgestaltet, dass eine lückenlose (Fern-) Überwachung und Steuerung aller wichtigen Funktionen durch eine Steuereinheit bereitgestellt wird. Alternativ kann die Vorrichtung mit einem Thermostat, z.B. einem programmierbaren Temperaturregler, gesteuert werden. Beispielsweise wird die Vorrichtung zunächst so betrieben, dass ein Innenraum eines Behälters gekühlt wird. Bevor die vom Temperatursensor detektierte Innentemperatur des Behälters den Taupunkt erreicht, wird der Betrieb der Vorrichtung von Kühlen auf Heizen gewechselt. D.h. die Warmseite und Kaltseite der Wärmepumpe werden durch Umpolen der Versorgungsspannung getauscht. Das Umpolen bzw. die Funktionsumkehr der Wärmepumpe verhindert eine Kondensation von Luftfeuchte im Behälter durch zu starkes Kühlen. Gemäß einer Ausgestaltung ist ein Netzteil zur Stromversorgung für die Peltier-Elemente und die Komponenten eines Fluidkreislaufsystems, wie Fluidpumpe und Lüfter, vorgesehen. Damit beim Umpolen der Versorgungsspannung der Betrieb des Fluidkreislaufsystems bzw. einer Fluidpumpe und eines Lüfters gewährleistet ist, wird für diese Komponenten die Umpolung mittels einer Polwendeplatine wieder aufgehoben. Vorzugsweise ist die Steuereinheit ausgebildet bei Überschreiten einer vorbestimmten maximalen Temperatur eine automatische Sicherheitsabschaltung der Vorrichtung durchzuführen. Besonders bevorzugt sind alle Temperatur(schwell)werte zum Umpolen/Abschalten/Einschalten der Vorrichtung mittels der Steuereinheit regelbar bzw. von einem Nutzer auf gewünschte Werte einstellbar.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist eine Anordnung vorgesehen, die eine wie oben beschriebene Vorrichtung aufweist, welche in einem verschlossenen oder verschließbaren Behälter, wie z.B. einem Schaltschrank, angeordnet ist. Die Vorrichtung, insbesondere die Wärmepumpe, kann dabei in einem oberen Bereich des Behälters angeordnet sein, so dass eine erste Seite (Kaltseite) der Wärmepumpe in einen Innenraum des Behälters weist und erzeugte Wärmeenergie von der zweiten Seite (Warmseite) der Wärmepumpe mittels des zumindest einen Fluidkreislaufsystems in eine Umgebung außerhalb des Behälters abgeführt wird. In dieser Ausgestaltung kann die im Behälter an der Kaltseite erzeugt Kälte beispielsweise mittels eines Lüfters im Innenraum des Behälters verteilt werden. Wie oben beschrieben ist durch das Fluidkreislaufsystem ein effizienter Abtransport von Wärmeenergie (Abwärme/Kälte) gewährleistet und zudem kann mittels des Kreislaufsystems bzw. dessen Leitungssystem die Wärmeenergie an einen gewünschten, besonders geeigneten Ort transportiert und dort mittels eines Radiators (und Lüfters) an die Umgebung abgegeben werden. Vorzugsweise ist die Wärmepumpe in einem oberen Bereich des Behälters angeordnet, so dass die von der Wärmepumpe abgekühlte Luft nach unten absinkt und so die Abkühlung des gesamten Innenraums des Behälters unterstützt.
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Wie oben beschrieben sind die Komponenten der Vorrichtung wie Wärmepumpe, Radiator und Fluidpumpe mit Gleichstrom betreibbar, wobei bei Erreichen einer vorbestimmten Temperatur im Innenraum des Behälters die Steuereinheit ausgebildet ist, die Polarität der Gleichspannung bzw. -stroms für die Wärmepumpe umzukehren, so dass die Wärmepumpe Wärmenergie in umgekehrter Richtung transportiert. D.h. so dass eine Warmseite der Wärmepumpe in den Innenraum des Behälters weist und den Innenraum wieder auf eine Temperatur aufheizt bis ein weiterer vorbestimmter Temperaturwert erreicht wird, bei dem die Polarität der Versorgungsspannung bzw. des -stroms wieder umgekehrt wird, so dass der Innenraum des Behälters wieder gekühlt wird.
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Optional kann zur Leistungssteigerung der Wärmepumpe das Abführen von Abwärme durch die Verwendung von Heatpipes bzw. thermischen Zwischenleitern unterstützt werden. Mit Heatpipes lässt sich auf einfache Weise Wärme zielgerichtet transportieren, z.B. an einen Ort außerhalb eines mit der Vorrichtung gekühlten Schaltschranks, wo dann die Wärme an z.B. die Umgebungsluft abgegeben werden kann.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist ein Anordnung vorgesehen mit einem verschlossenen oder verschließbaren Behälter, insbesondere einem Schrank, einer Box, und zumindest einer Vorrichtung zum elektrothermischen Kühlen und/oder Heizen, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Steuereinheit, eine Wärmepumpe mit zumindest einem Peltier-Element, um einen Wärmestrom von einer ersten Seite der Wärmepumpe zu einer gegenüberliegenden zweiten Seite zu erzeugen, und zumindest ein mit der Wärmepumpe thermisch gekoppeltes Fluidkreislaufsystem zum Abführen (Abtransport) der von der Wärmepumpe erzeugbaren/erzeugten Wärmeenergie, wobei ein erstes Fluidkreislaufsystem thermisch an die erste Seite der Wärmepumpe gekoppelt ist und ein zweites Fluidkreislaufsystem thermisch an die gegenüberliegende zweite Seite der Wärmepumpe gekoppelt ist, und wobei die Vorrichtung, insbesondere eine Trägerplatte mit der Wärmepumpe, in einem oberen Bereich des Behälters angeordnet ist, so dass eine Seite der Wärmepumpe in einen Innenraum des Behälters weist (liegt) und mittels des ersten Fluidkreislaufsystems Wärmeenergie von dieser Seite der Wärmepumpe in eine Umgebung außerhalb des Behälters abführbar ist und mittels des zweiten Fluidkreislaufsystems Wärmeenergie von der gegenüberliegenden Seite der Wärmepumpe in einen Innenraum des Behälters abführbar ist.
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Nachfolgend wird beispielhaft ein Verfahren zum elektrothermischen Kühlen und/oder Heizen eines Behälters mit einer wie oben beschriebenen Vorrichtung bzw. Anordnung beschrieben:
- • Aktivieren einer elektrothermischen Wärmepumpe der Vorrichtung so dass Wärmeenergie von einer ersten Seite (Kaltseite) der Wärmepumpe zu einer gegenüberliegenden zweiten Seite (Warmseite) der Wärmepumpe transportiert wird (Innenraum kühlen),
- • Abführen von Wärmeenergie von der ersten Seite (Kaltseite) der Wärmepumpe in einen Innenraum eines Behälters mittels eines ersten Fluidkreislaufsystems, und
- • Abführen von Wärmeenergie von der zweiten Seite (Warmseite) der Wärmepumpe an einen Ort außerhalb des Behälters mittels eines zweiten Fluidkreislaufsystems,
- • Umpolen (Umkehren der Polarität) einer Versorgungsspannung der Wärmepumpe bei Erreichen eines ersten vorbestimmten/einstellbaren Temperatur(schwell)werts im Behälter, so dass die Wärmepumpe Wärmenergie in umgekehrter Richtung von der zweiten zur ersten Seite transportiert (Innenraum heizen),
- • insbesondere Umpolen (Umkehren der Polarität) einer Versorgungsspannung der Wärmepumpe bei Erreichen eines zweiten vorbestimmten/einstellbaren Temperatur(schwell)werts im Behälter, so dass die Wärmepumpe Wärmenergie in umgekehrter Richtung von der ersten zur zweiten Seite transportiert (Innenraum kühlen), wobei der erste Temperaturschwellwert niedriger als der zweite Temperaturschwellwert ist.
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Beispielsweise kann der erste Temperaturschwellwert auf +5°C und der zweite Temperaturschwellwert auf +30°C festgelegt werden. So wird gewährleistet, dass die Temperatur im z.B. Schaltschrank immer in einem akzeptablen Bereich zwischen 5-30°C liegt, bei dem die elektronischen/elektrischen Bauteile im Schaltschrank weder durch zu hohe Temperaturen noch durch Kondensat bzw. Feuchtigkeit Schaden nehmen. Vorzugsweise kann über die Steuereinheit jeder gewünschte Temperaturbereich bzw. erster/zweiter Temperaturschwellwert eingestellt werden, so dass die Vorrichtung an die Anforderungen verschiedener Verwendungen (z.B. Kühlung von Medikamenten) angepasst werden kann.
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Mit den oben beschrieben Vorrichtungen, Anordnungen und Verfahren werden unter anderem die folgenden Vorteile erreicht:
- • die unempfindliche Technik der elektrothermischen Kühlung (TEC) in den mittleren Leistungsbereich 800 W bis >1,5 kW anzuheben,
- • ohne Kühlmittel oder Gasen (Freon, Ammoniak etc.) umweltfreundlich zu kühlen,
- • bauseitig mit der Einbauposition für eine optimale Heißluftabführung flexibel zu werden, um die Abwärme stärker und mit orientierter Blasrichtung abführen zu können,
- • einfach, schnell, kostenorientiert zu montieren,
- • Ferndiagnose und Fernsteuerung an jedem Standort zu ermöglichen,
- • Automatische Umschaltung von Kühlen auf Heizung bei Erreichen der kritischen Temperatur von +5 °C zu realisieren, dabei die Funktion der Lüfter und Pumpen sichern.
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Anhand der Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische nicht maßstabsgerechte Seitenansicht einer Anordnung mit einer Vorrichtung zum elektrothermischen Kühlen und/oder Heizen gemäß einer ersten Ausgestaltung,
- 2 eine schematische nicht maßstabsgerechte Seitenansicht einer Anordnung mit einer Vorrichtung zum elektrothermischen Kühlen und/oder Heizen gemäß einer zweiten Ausgestaltung,
- 3 ein Blockdiagramm einiger Komponenten der Vorrichtungen gemäß 1 und 2, die Signale an eine Steuereinheit liefern und/oder die von der Steuereinheit gesteuert werden,
- 4a-b nicht maßstabsgerechte Perspektivansichten einer Oberseite einer Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung,
- 5 eine nicht maßstabsgerechte Perspektivansicht von in der Vorrichtung von 4a-b eingesetzten Peltier-Elementen,
- 6a-b nicht maßstabsgerechte Perspektivansichten einer Unterseite der Vorrichtung von 4a-b,
- 7 eine Perspektivansicht einer Trägerplatte der Vorrichtung von 4a-b,
- 8a-e verschiedene Ansichten von Komponenten eines Kopplungselements gemäß einer ersten Ausgestaltung,
- 9a-d verschiedene Ansichten einer Komponente eines Kopplungselements gemäß einer zweiten Ausgestaltung, und
- 10 eine schematische nicht maßstabsgerechte Explosionsansicht einer Anordnung von zwei Kopplungselementen und einer elektrothermischen Wärmepumpe.
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Nachfolgend werden mehrere bevorzugte Ausgestaltungen einer Vorrichtung 2a-c zum elektrothermischen Kühlen und/oder Heizen mit zumindest einem Fluidkreislaufsystem 12a-b beschrieben, sowie Anordnungen mit einer solchen Vorrichtung 2a-c. Sofern nicht anders angegeben können die nachfolgend beschriebenen Komponenten der Vorrichtungen 2a-c in jeder der beschriebenen Ausgestaltungen eingesetzt werden.
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1 zeigt eine schematische nicht maßstabsgerechte Seitenansicht einer Anordnung mit einer Vorrichtung 2a zum elektrothermischen Kühlen und/oder Heizen eines Behälters 60 (z.B. Schaltschrank) gemäß einer ersten Ausgestaltung. Die Vorrichtung 2a weist eine Trägerplatte 22a auf, die aus einer Integralschaumplatte ausgebildet sein kann. In die Trägerplatte 22a ist eine Wärmepumpe 8 integriert, die aus mehreren nebeneinanderliegenden Peltier-Elementen 10 (5) ausgebildet ist. Mit der Wärmepumpe kann einen Wärmestrom zwischen einer Unterseite U und einer Oberseite O erzeugt werden, sowohl von der Unterseite U zur Oberseite O (Kühlbetrieb) als auch umgekehrt von der Oberseite O zur Unterseite U (Heizbetrieb). D.h. ein Innenraum des Behälters 60 kann sowohl gekühlt als auch beheizt werden. Durch Umkehr der Polarisation einer Versorgungsspannung bzw. -stroms der Peltier-Elemente 10 kann die Transportrichtung der Wärmeenergie bzw. die Richtung des Wärmestroms umgekehrt werden, d.h. je nach Polarisation der an die Wärmepumpe 8 angelegten Gleichspannung bzw. des Gleichstroms kann auf der Unterseite U bzw. im Innenraum des Behälters 60 Wärme oder Kälte bereitgestellt werden. Die Wärmepumpe 8 bzw. Peltier-Elemente 10 sind dabei so in der Trägerplatte 22a angeordnet, dass Wärmeenergie von einer Unterseite U zu einer Oberseite O der Trägerplatte 22a (Kühlen des Behälters) oder umgekehrt von einer Oberseite O zur Unterseite U (Heizen des Behälters) transportiert werden kann.
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Ein Fluidkreislaufsystem 12a ist an der Oberseite O und ein zweites Fluidkreislaufsystem 12b ist an der Unterseite U der Trägerplatte 22a mittels Kopplungselementen 26a-b thermisch an die Wärmepumpe 8 gekoppelt. Beide Fluidkreislaufsysteme 12a-b sind geschlossene Kreisläufe, so dass sie unempfindlich gegen Verunreinigungen sind. Jedes der Fluidkreislaufsysteme 12a-b weist auf: eine Fluidpumpe 16a-b (um das Fluid im Kreislauf zu zirkulieren), einen Radiator 18a-b (um Wärme aus dem Fluidkreislauf an eine Umgebung abzugeben), optional einen Lüfter 20a-b (um die Wärmeabgabe des Radiators zu unterstützen), und Fluidleitungen 14a-c, 15a-c, die die Komponenten des Kreislaufsystems 12a-b miteinander verbinden. Jeweils ein Netzteil 6a-b ist auf der Oberseite O und Unterseite U zum Betreiben der einzelnen Komponenten (Fluidpumpe 16a-b, Lüfter 20a-b, Wärmepumpe 8) der Vorrichtung 2a vorgesehen. Mittels einer Steuereinheit 4 wird der Betrieb der Vorrichtung 2a gesteuert, insbesondere in Abhängigkeit eines vom Temperatursensor 24 detektierten Temperatursignals im Inneren des Behälters 60. Durch das Nutzen von zwei separaten, zwangsgesteuerten Flüssigkeitskreisläufen 12a-b mit Radiatoren 18a-b und kräftigen Lüftern 20a-b kann die Hitze/Abwärme besser von der Wärmepumpe 8 abgeführt werden. Dadurch wird auf der Kaltseite mehr Kälte wirksam, so dass die Kühlleistung gesteigert werden kann. Durch diese Ausgestaltung können Kühlleistungen von größer als 1,5 kW erreicht werden.
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Bei der Verwendung der Vorrichtung 2a zum Kühlen eines Innenraums des Behälters 60 wird von der Wärmepumpe 8 an der Oberseite O Abwärme erzeugt und an der Unterseite U Kälte bereitgestellt, d.h. eine Warmseite der Wärmepumpe 8 weist nach oben und eine Kaltseite der Wärmepumpe 8 weist nach unten. Im Unterschied zu den üblicherweise verwendeten (statischen) Metallkühlkörpern, die mit Peltier-Elementen 10 verbunden werden, kann mit dem Fluidkreislaufsystem 12a Abwärme schnell und effizient an einen räumlich von der Wärmepumpe 8 und dem Behälter 60 entfernten Ort transportiert werden. Dort kann die mit dem Fluid transportiere Abwärme mittels des Radiators 18a und Lüfters 20a an eine Umgebung abgeführt werden. D.h. Radiator 18a und Lüfter 20a können außerhalb des Behälters 60, insbesondere beabstandet vom Behälter 60, montiert werden. Beispielsweise kann die Abwärme entfernt vom Behälter 60 zum Heizen verwendet werden. Gleichermaßen kann die von der Wärmepumpe 8 bereitgestellte Kühlung an der Unterseite U mittels des zweiten Fluidkreislaufsystems 12b an einen Ort im Behälter 60 transportiert werden an dem der Bedarf an Kühlung besonders hoch ist.
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In der Ausgestaltung von 1a sind die Komponenten der Vorrichtung 2a bis auf den Radiator 18a und Lüfter 20a auf der Trägerplatte 22a montiert. Damit wird ein einfach handhabbares Modul bereitgestellt, das schnell montiert und einfach nachgerüstet werden kann. In dieser Ausgestaltung ist der Radiator 18a außerhalb des Behälters 60 angeordnet, so dass der Behälter 60 hermetisch versiegelt werden kann und dennoch die generierte Abwärme der Wärmepumpe 8 an der Oberseite O aus dem Behälter 60 an einen vom Behälter 60 entfernten Ort abgeführt werden kann. D.h. es sind nur kleine Durchlässe in den Wänden des Behälters 60 notwendig für die Fluidleitungen 14a, 14b, sowie Leitungen für die Stromversorgung und evtl. Steuerung.
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2 zeigt eine schematische nicht maßstabsgerechte Seitenansicht einer alternativen Ausgestaltung einer Vorrichtung 2b zum elektrothermischen Kühlen und/oder Heizen eines Behälters 60. Sofern nicht anders angegeben entsprechen die Komponenten und deren Funktion der Vorrichtung 2b von 2 denen der oben beschriebenen Vorrichtung 2a von 1.
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Im Unterschied zur oben beschriebenen Vorrichtung 2a ist in dieser Ausgestaltung eine weitere Trägerplatte 22b vorgesehen, auf der das Netzteil 6a, die Pumpe 16a und der Radiator 18a mit Lüfter 20a angeordnet sind. Mittels der Fluidleitungen 14a, 14c sind die Komponenten auf der zweiten Trägerplatte 22b mit der Wärmepumpe 8 verbunden bzw. verbindbar. Mittels der zweiten Trägerplatte 22b kann die Vorrichtung 2b bzw. können die darauf angeordneten Komponenten einfach und schnell an einer geeigneten Stelle außerhalb des Behälters 60, insbesondere beabstandet vom Behälter 60, montiert werden.
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3 zeigt ein Blockdiagramm einiger Komponenten der Vorrichtungen 2ab gemäß 1 und 2 und stellt schematisch die an die Steuereinheit 4 gelieferten Signale und die Steuerung der Komponenten dar. Der Betrieb der Vorrichtung 2a-b wird mittels der Steuereinheit 4 abhängig von einem Temperatursignal des Temperaursensors 24 gesteuert. Solange die Temperatur im Behälter 60 über einem vorbestimmten bzw. einstellbaren unteren Schwellwert liegt wird die Vorrichtung 2a-b so betrieben, das der Innenraum des Behälters 60 gekühlt wird, d.h. Wärmestrom von der Unterseite U zur Oberseite O. Sobald die Temperatur den unteren Schwellwert erreicht wird die Polarität des Netzteils 6b umgeschaltet, so dass die Wärmepumpe 8 Wärmeenergie in umgekehrter Richtung (von der Oberseite O zur Unterseite U) transportiert und der Innenraum des Behälters 60 beheizt wird. Damit die Pumpe 16b und der Lüfter 20b durch die Umkehrung der Polarität nicht beeinflusst werden ist eine hier nicht dargestellte Polwendeplatine 44 (4a) vorgesehen, durch die die Umpolung für die Pumpe 16b und der Lüfter 20b wieder aufgehoben wird. Alternativ hat die Wärmepumpe 8 eine separate Stromversorgung bzw. ein separates Netzteil, so dass eine Polwendeplatine 44 nicht notwendig ist. Sobald durch das Heizen ein vorbestimmter oberer Temperaturschwellwert im Behälter 60 erreicht wird, wird die Versorgungsspannung wieder umgepolt und so der Innenraum des Behälters 60 wieder gekühlt (Wärmestrom von der Unterseite U zur Oberseite O). Dabei ist der untere Temperaturschwellwert niedriger als der obere Temperaturschwellwert, so dass ein ständiges Umpolen der Vorrichtung 2a-b verhindert und die Temperatur in einem vorgegebenen Intervall gehalten wird. Dadurch wird eine zuverlässige Kühlung bei gleichzeitigem Vermeiden von Kondensation im Behälter 60 bereitgestellt. Vorzugsweise ist der obere und untere Temperaturschwellwert einstellbar, so dass die Temperatur im Behälter 60 in einem gewünschten Bereich gehalten werden kann. Als Idealtemperatur zwischen Lebensdauer der Komponenten und Aufwand für die Schaltschrank-Klimatisierung wird in der Regel eine Temperatur im Bereich von 20-35°C im Inneren eines Schaltschranks gewählt.
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4a-b zeigen nicht maßstabsgerechte Perspektivansichten einer Oberseite einer Vorrichtung 2c gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung und 6a-b nicht maßstabsgerechte Perspektivansichten einer Unterseite dieser Vorrichtung 2c. 5 zeigt eine Perspektivansicht einer Anordnung von den in dieser Vorrichtung 2c verwendeten Peltier-Elementen 10, die in Aussparungen 62a-c (7) der Trägerplatte 22a eingesetzt sind. 7 zeigt eine Perspektivansicht der Trägerplatte 22a, die für die Vorrichtung 2c verwendet wird. Zusätzlich zu den Aussparungen 62a-c bzw. Öffnungen weist sie eine Nut 64 für die elektrischen Zuleitungen 66a-b (10) der Peltier-Elemente 10 auf. Sofern nicht anders angegeben entsprechen die Komponenten und deren Funktion der Vorrichtung 2c von 4a-b, 5 und 6a-b denen der oben beschriebenen Vorrichtung 2a-b von 1, 2 und 3.
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In dieser Ausgestaltung der Vorrichtung 2c zum elektrothermischen Kühlen und/oder Heizen sind alle Komponenten der Fluidkreislaufsysteme 12a-b (Pumpen 16ab, Radiatoren 18a-b, Lüfter 20a-b) und die Netzteile 6a-b auf den gegenüberliegenden Seiten O, U der Trägerplatte 22a befestigt. Dieses einfach handhabbare Modul kann in einem Innenraum eines Behälters 60, vorzugweise in einem oberen Bereich des Behälters 60, montiert werden, wie z.B. einem Schaltschrank. Die Fluidleitungen 14a-c, 15a-c der Fluidkreislaufsysteme 12a-b und die Strömungsrichtung des Fluids sind in 4b und 6b schematisch dargestellt.
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In der zentral angeordneten Trägerplatte 22a eingebaut transportieren die Peltier-Elemente 10 in sich selbst Wärme, z.B. im Kühlbetrieb von unten nach oben, so dass auf der unteren Seite U Kälte frei und auf der oberen Seite O Abwärme abgeführt werden muss. An der Unterseite U wird die Kälte von 6 Peltier-Elementen jeweils über 3 parallel stehende 2-fach Kopplungselemente 26b bzw. Kühlblöcke, die mit Fluid (z.B. Wasser) durchströmt sind, über einen Verteilerblock 38d bzw. Sammler zum Radiator 18b transportiert. Anschließend wird das (erwärmte) Fluid vom Radiator 18b zur Pumpe 16b gepumpt und von dort über einen Verteilerblock 38c wieder zu den Kopplungselementen 26b. Mit einem 2-fach Kopplungselement 26b werden gleichzeitig zwei Peltier-Elemente 10 thermisch an den Fluidkreislauf 12b gekoppelt. In dieser Ausgestaltung ist ein 3-fach Radiator 18b mit drei Lüftern 20b vorgesehen. Vom 3-fach-Radiator 18b wird die Kaltluft durch die drei Lüfter 20b im Schaltschrank 60 zirkuliert. Der Taupunkt wird durch eine wie oben beschriebene genaue Temperatur-Steuerung und eine gleichmäßige, starke Zirkulation mittels der Lüfter 20b und den hermetischen Verschluss des Schaltschrankes 60 sowie der automatischen Heizung bei Erreichen von +5°C verhindert und damit eine Kondensatbildung vermieden.
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Im Kühlbetrieb der Vorrichtung 2c wird die Abwärme der Wärmepumpe 8 an der Oberseite O (Warmseite) der Integralschaumplatte 22a abgeführt. Die Komponenten auf der Oberseite O sind dazu analog zur Unterseite U (Kaltseite) der Trägerplatte 22a angeordnet, so dass auf die gleiche Weise wie für die Unterseite U beschrieben an der Oberseite O der Trägerplatte 22a mittels 2-fach Kopplungselementen 26a Wärmeenergie (in diesem Fall Abwärme) abgeführt wird. Der Radiator 18a bzw. die Lüfter 20a sind dabei so im Behälter 60 angeordnet, dass die Abwärme von den Lüftern 20a möglichst schnell aus dem Behälter 60 abgeführt bzw. ausgeblasen wird. Die Lüfter 20a bzw. der Radiator 18a können in der Nähe einer Öffnung in einer Wand des Behälters 60 oder in einer Öffnung der Behälterwand angeordnet sein, z.B. so dass der Radiator 18a eine Öffnung der Behälterwand abdichtet. Beispielsweise ist die Vorrichtung 2c so ausgelegt, dass der Einbau in ein Rack mit 4-5 HE in höchster Position in einem Schaltschrank 60 möglich ist. Zum effizienten Abführen der Warmluft ist dabei eine ausreichende Öffnung im Schaltschrank 60 notwendig. Alternativ kann wie zu 1 und 3 beschrieben der Abluftkreislauf 12a der Vorrichtung 2c auf einer getrennten Trägerplatte 22b montiert werden und dadurch die Abwärme an einer günstigen Position und vorteilhaften Blasrichtung besser abgeführt werden, was zur Leistungssteigerung führt.
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Jedes Fluidkreislaufsystem 12a-b kann über einen Füllhahn 40a-b des Radiators 18a-b mit Fluid befüllt werden, wobei zum Befüllen und Entlüften an der Fluidpumpe 16a-b ein Entlüfter mit Stopfen 42a-b vorgesehen ist. Die Fluidleitungen 14a-c, 15a-c können z.B. mittels einfach handbaren Steckschläuchen mit den anderen Komponenten der Vorrichtungen 2a-c verbunden werden, so dass eine einfache, schnelle, sichere und somit wirtschaftliche Montage gewährleiste ist.
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Vorzugsweise erfolgt eine Regelung, Vernetzung, Konfiguration und Fernüberwachung der Vorrichtungen 2a-c über Ethernet durch eine Steuereinheit 4 wie z.B. Siemens „LOGO! 8“, so dass der Betrieb und die Überwachung an jedem Ort der Erde gesichert ist. Beispielsweise kann die Steuereinheit 4 drei oder mehr Vorrichtungen 2a-c bzw. Kühlgeräte gleichzeitig regeln und überwachen, wobei die Steuereinheit in einem separaten Schalt-Cabinet verbaut wird. Da die Vorrichtungen 2a-c fernüberwacht werden, kann jede Veränderung und auch möglicher Wartungsbedarf an eine Zentrale gemeldet werden. Beispielsweise dient bei der LOGO! 8 das integrierte Display einerseits als Bedieneinheit zum Anzeigen und Ändern von Prozessparametern und andererseits zum direkten Programmieren.
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Alle Komponenten der Vorrichtung können mit 12 V bis ca. 15 V Gleichspannung betrieben werden, es werden keine Gase oder Kältemittel wie FCKW verwendet und die Vorrichtungen 2a-c weisen nur wenige bewegliche Teile auf, so dass sie unempfindlich, zuverlässig und langlebig sind. Insgesamt kann die Vorrichtung damit umweltschonend betrieben werden.
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8a-e zeigen verschiedene Ansichten von Komponenten eines 2-fach Kopplungselements 26c gemäß einer ersten Ausgestaltung, und 9a-d verschiedene Ansichten einer Komponente eines 3-fach Kopplungselements 26d gemäß einer zweiten Ausgestaltung. Die Kopplungselemente 26c-d können wie oben beschrieben verwendet werden, um Wärme oder Kälte von der Wärmepumpe 8 bzw. den Peltier-Elementen 10 abzuführen.
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8a und 9a zeigen Perspektivansichten einer Komponente der Kopplungselemente 26c-d bei denen ein Deckel 34 (8e) zum Verschließen eines Hohlraums 36a-b im Inneren des Kopplungselements 26c-d weggelassen ist. Wenn der Deckel 34 (mit einer Dichtung) auf der in 8a und 9a dargestellten Komponente über dem Hohlraum 36a-b befestigt ist, wird damit der Hohlraum 36a-b versiegelt. Das (Kühl)Fluid kann dann über einen Fluideinlass 28a-b in den Hohlraum 36a-b hinein und über einen Fluidauslass 30a-b aus dem Hohlraum 36a-b heraus fließen und dabei die vom Peltier-Element 10 erzeugte Wärmeenergie (Wärme oder Kälte) abtransportieren. Das 2-fach Kopplungselement 26c ist für die thermische Kopplung an zwei (in einer Ebene) nebeneinanderliegende Peltier-Elemente 10a-b (10) ausgebildet. Das 3-fach Kopplungselement 26d ist zur thermischen Kopplung an drei nebeneinanderliegende Peltier-Elemente 10 ausgebildet. D.h. bei höherer Leistungsanforderung wird ein 3-fach Kopplungselement 26d verbaut mit jeweils drei Peltier-Elementen 10 für jedes Kopplungselement 26d. Alternativ kann ein Kopplungselemente zur Kopplung an mehr als zwei oder drei Peltier-Elemente ausgebildet sein, beispielsweise für bis zu vier Peltier-Elemente, vorzugsweise bis zu sechs Peltier-Elemente. Beim in 9a-d dargestellten Kopplungselement 26d ist zusätzlich eine Innenfläche des Hohlraums 36b geriffelt, so dass durch die größere Oberfläche ein besserer Austausch von Wärme/Kälte stattfinden kann.
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10 zeigt eine schematische Explosionsansicht einer Anordnung von zwei 2-fach Kopplungselementen 26a-b zwischen denen eine Wärmepumpe 8 mit zwei Peltier-Elementen 10a-b angeordnet ist bevor die Komponenten miteinander verbunden werden. Die Kopplungselemente 26a-d sind in der Größe passend für die daran thermisch gekoppelten Peltier-Elemente 10a-b ausgebildet. D.h. eine obere und untere Kontaktfläche 33a-b der nebeneinanderliegenden Peltier-Elemente 10a-b entspricht oder entspricht im Wesentlichen der Kontaktfläche 32a-b des zugehörigen Kopplungselements 26a-b. Damit die Wärmeleitung zwischen den Kontaktflächen 32ab, 33a-b von Kopplungselement 26a-b und Peltier-Element 10a-b bzw. Wärmepumpe 8 verbessert wird, sind die Kontaktflächen feinst-bearbeitet. Zusätzlich werden vor dem Zusammenbau die Kontaktflächen 32a-b, 33a-b mit einer Wärmeleitpaste z.B. mit harz- und säurefreiem, hitzebeständigem, nicht-trocknendem Motor-Öl bestrichen.
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Die beschriebenen Vorrichtungen 2a-c weisen die folgenden Vorteile auf:
- • Umweltfreundliche Konstruktion und Betrieb, keine umweltschädlichen Kühlmittel oder Gase (z.B. Freon/Frigen). Kein Tausch/Recycling von Kühlmitteln erforderlich.
- • Zuverlässigkeit und Langlebigkeit des Betriebs durch maximal vereinfachte Technik und Konstruktion.
- • Geräusch- und Vibrationsarm durch wenige beweglichen Teile.
- • Schnelle, einfache und intuitive Montage, dadurch Senkung der Montagezeit und - kosten.
- • lückenlose Regelung und (Fern-)Überwachung aller wichtigen Funktionen, z.B. durch „Siemens LOGO! 8“.
- • Geringste Wartungskosten durch zentrale Überwachung und Ferndiagnose.
- • Energiesparend im Vergleich zu Kompressor-Kühlung.
- • Variable Heißluftableitung, die Abwärme bzw. heiße Luft kann entfernt vom Kühlaggregat abgeleitet werden.
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Beispiele für Komponenten, die für jede der Vorrichtungen 2a-c verwendet werden können:
- • Bei kombiniertem Verbau aller Bauteile auf einer Trägerplatte 22a (Integralschaumplatte) können zwei Netzteile 6a-b mit einer hohen Leistung >720W (z.B. Netzteil RSP 1000-12 (720W)) verbaut werden.
- • Bei Vorsehen einer separaten Trägerplatte 22b (Integralschaumplatte) zur Abführung der Abwärme kann auf dieser Trägerplatte ein Netzteil 6a wie z.B. MW EPP 500 verwendet werden.
- • Als Radiator 18b kann z.B. Radiator Monsta 360 mm mit jeweils drei leistungsstarke Lüftern 20b wie z.B. Sunon DR 12V EEC0251B1-000U-A99 120x120x25, 12V, 3100rpm, 183m3/h=107cfm=3m3/min verwendet werden.
- • Als Fluidpumpen 16a-b können je nach Leistungsanforderung die Pumpe Phobya DC 12-400 PWM, DC 12-260 PWM oder DC 12-220 PWM mit 800, 600 oder 400 1/h Pumpleistung verwendet werden.
- • Für die Fluidleitungen 14a-c, 15a-c kann eine Verbindungstechnik von Parker Hannifin / Legris in Verbindung mit hochfesten Steckschläuchen verwendet werden.
- • Je nach Leistungsanforderung können Peltier-Elemente 10 in den Größen L × B × H: 40 mm × 40 mm × 3,5 mm oder 50 mm × 50 mm × 3,8 mm oder 62 mm × 62 mm × 4,8 mm verwendet werden mit einer Kühlleistung von ca. 120 W - 250 W Qcmax ΔT je Peltier-Element 10. Zur Abdichtung der Peltier-Elemente 10 ist Epoxidharz vorteilhaft.
- • 2-fach Kopplungselemente 26a-c können ein Außenmaß von 100 mm × 50 mm × 20 mm aufweisen, und 3-fach Kopplungselemente 6d ein Außenmaß von 150 mm × 50 mm × 20 mm.
- • Trägerplatten 22a-b könne aus einem Integralschaumstoff ausgebildet sein und z.B. ein Außenmaß von 420 mm × 480 mm × 19 mm aufweisen.
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Zusammenfassend findet bei den beschriebene Vorrichtungen und Verfahren zum elektrothermischen Kühlen oder Heizen von elektronischen Bauteilen in Schaltschränken oder anderen hermetisch geschlossenen Bereichen die Übertragung der Abwärme und Kühlung durch ein flüssiges Medium statt.
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Nachfolgend werden besonders bevorzugte Ausgestaltungen beschrieben.
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Die einfach und schnell zu montierenden Bauteile können auf einer Integralschaumplatte als Trägerplatte 22a-b montiert sein und diese kann im Deckel des Schaltschrankes 60 montiert werden, damit die Kaltluft im hermetisch geschlossenen und staubgeschützten Schaltschrank 60 gleichmäßig und ohne Kältenester zirkuliert und die Abwärme über dem Schaltschrank 60 abgeblasen wird oder alternativ an einem an einem besonders geeigneten Platz in beliebigen Positionen und in beliebige Richtungen abgeführt wird. Das Aggregat bzw. die Vorrichtung 2a-c kann alternativ auf zwei Integralschaumplatten 22a-b als Trägerplatten 22a-b montiert werden und dadurch die Abwärme auf der zweiten Integralschaumplatte 22b an einem besonders geeigneten Platz in beliebigen Positionen und in beliebige Richtungen abgeführt werden. Je nach Leistungsanforderung (von 120W-250W Qcmax ΔT=0(W)) können pro Vorrichtung 6 oder 9 Peltier-Elemente 10 in den Größen 40 mm x 40 mm x 3,5 mm oder 50 mm x 50 mm x 3,8 mm oder 62 mm x 62 mm x 4,8 mm, an die Kopplungselemente 26a-d angepasst verbaut werden. Zur Abdichtung ist Epoxidharz vorteilhaft. Das flüssige Kühlmedium ist wird zwei geschlossenen und getrennten Kreisläufen 12a-b (heiß/kalt) mit Schnell-Montage-Anschlüssen zirkuliert. Die Kopplungselemente 26a-d auf der Kalt- und der Warmseite haben eine an die Peltier-Elemente 10 angepasste Größe und eine feinst-bearbeitete Kontaktfläche 32a-b, eingefettet mit säurefreiem Öl oder Wärmeleitpaste, für einen sehr gut wärmeleitenden Kontakt mit den Peltier-Elementen 10. Die Regelung, Vernetzung, Konfiguration und Fernüberwachung ist über Ethernet durch eine Steuereinheit 4 wie z.B. Siemens LOGO! 8 an jedem Standort möglich, wobei die Fernsteuerung und -überwachung mittels der Steuereinheit 4 in einem separaten, unabhängigen Cabinet untergebracht ist und auch nachgerüstet werden kann. Die Regelung sichert mit Hilfe einer Zusatzplatine 44 bei Polaritätsänderung die Funktion der Lüfter 20a-b und der Fluidpumpen 16a-b. Die Verbindung zwischen dem Schalt-Cabinet mit der Steuereinheit 4 und der Vorrichtung 2a-c bzw. dem Kühlgerät wird durch zwei Kabelbäume jeweils für Steuerung und Versorgung durch codierte Steckverbindungen hergestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 2a-c
- Vorrichtung
- 4
- Steuereinheit
- 6a-b
- Netzteil
- 8
- Wärmepumpe
- 10, 10a-b
- Peltier-Element
- 12a-b
- Fluidkreislaufsystem
- 14a-c
- Fluidleitung
- 15a-c
- Fluidleitung
- 16a-b
- Fluidpumpe
- 18a-b
- Radiator
- 20a-b
- Lüfter
- 22a-b
- Trägerplatte
- 24
- Temperatursensor
- 26a-d
- Kopplungselement/Kühlblock
- 28, 28a-b
- Fluideinlass
- 30, 30a-b
- Fluidauslass
- 32, 32a-b
- Kontaktseite/-fläche Kopplungselement
- 33a-b
- Kontaktseite/-fläche Peltier-Element(e)
- 34
- Deckel
- 36a-b
- Hohlraum für Fluid
- 38a-d
- Verteilerblock
- 40a-b
- Füllhahn
- 42a-b
- Entlüfter mit Stopfen
- 44
- Polwendeplatine
- 60
- Behälter / Schaltschrank
- 62a-c
- Aussparung
- 64
- Nut für Zuleitungen
- 66a-b
- Zuleitungen
- O
- Oberseite Trägerplatte
- U
- Unterseite Trägerplatte
