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Anordnung zur Temperaturbeeinflussung in geschlossenen Räumen mit,
Hilfe von Ihermoelementen sowie temperatur- und spannungsabhängigen Widerständen
Die Erfindung bezieht sich auf eine -Anordnung zur Temperaturbeeinflussung, insbesondere
zur Temperaturregelung in geschlossenen Räumen, bei welcher zu einer Stromquelle
zwei in Reihe geschaltete Widerstände mit verschieden großen Temperaturkoeffizienten
parallel liegen.
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Es ist bekannt,. zum Zwecke der Temperaturregelung zwei in Reihe geschaltete
Widerstände mit unterschiedlich großen Temperaturkoeffizienten parallel zu einer
Stromquelle zu schalten, wobei mindestens einer dieser Widerstände als Temperaturfühler
dient und eine Regelspannung zur Steuerung des durch einen Heizwiderstand fließenden
Stromes liefert. Ausgehend von dieser bekannten Anordnung schlägt nun die Erfindung
eine besondere Art der Verwendung eines den Peltiereffekt ausnutzenden Thermoelementes
für die Temperaturbeeinflussung vor. Es ist bekannt, daß man mit Thermoelementen
sowohl Temperaturerniedrigung (Kühlung) als auch Temperaturerhöhung (Heizung) erzielen
kann. Unter Thermoelementen sei hier allgemein eine beliebige funktionsfähige Anordnung
von Metall- oder Halbleiterkombinationen mit mindestens zwei Lötstellen
A und B verstanden, bei der sich die eine Lötstelle A
auf Grund
des Peltiereffektes abkühlt und die andere Lötstelle B erwärmt, wenn ein elektrischer
Gleichstrom in der einen Richtung durch die Lötstellen fließt und bei der in entgegengesetzter
Richtung des elektrischen Stromflusses die Lötstelle A sich erwärmt und B abkühlt.
Auch Kaskadenschaltungen mit derartigen Anordnungen (hintereinander oder parallel)
sollen hier unter den Begriff Thermoelement fallen.
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Thermoelemente dieser Art werden je nach Bedarf zur Kühlung oder Heizung
von Behältern oder großen Räumen verwendet. Sie sind so eingebaut, daß die eine
Lötstelle, z. B. B, an einer Außenwand angebracht ist, wo sie mit der Außenluft
bzw. Umgebungstemperatur in direkte Berührung kommt; die Lötstelle A dagegen ragt
in den zu kühlenden oder zu heizenden Raum hinein und kann z. B. an der Innenwand
angeordnet sein. Zur besseren Ausbreitung oder Übertragung der jeweiligen Temperatur
werden die Lötstellen mit Metallflächen versehen.
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Eine Anordnung zur Temperaturbeeinflussung insbesondere zur Temperaturregelung
in geschlossenen Räumen, bei welcher zu einer Stromquelle zwei in Reihe geschaltete
Widerstände mit verschieden großen Temperaturkoeffizienten parallel liegen, ist
gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch die Verwendung eines den Peltiereffekt
ausnutzenden Thermoelementes, jedoch in einer solchen Anordnung, daß (für eine Temperaturbeeinflussung
in beiden Richtungen, nämlich Heizung und Kühlung) parallel zu den beiden temperaturabhängigen
Widerständen zwei gleichsinnig hintereinandergeschaltete spannungsabhängige Widerstände
mit scharfem Knick in einer Stromspannungskennlinie geschaltet sind und das den
Peltiereffekt ausnutzende Thermoelement als Brückendiagonale zwischen dem Verbindungspunkt
der spannungsabhängigen Widerstände und dem der temperaturabhängigen Widerstände
liegt.
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Wird eine Temperaturbeeinflussung in nur einer Richtung (Heizung oder
Kühlung) verlangt, so kann in Vereinfachung der erfindungsgemäßen Anordnung einer
der beiden je einen spannungsabhängigen Widerstand enthaltenden Brückenarme fortfallen.
Die Erfindung soll an Hand von Beispielen und Figuren näher erläutert werden.
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F i g. 1 zeigt die Prinzipschaltung einer Ausführungsform der Anordnung
zur Temperaturbeeinflussung. F i g. 2 zeigt die Prinzipschaltung einer vereinfachten
Ausführungsform der Anordnung zur Temperaturbeeinflussung. In F i g. 3 sind zwei
Beispiele für den grundsätzlichen Verlauf der temperaturabhängigen Widerstände angegeben.
F i g. 4 gibt qualitativ den Kennlinienverlauf einer Zenerdiode wieder.
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Die in Reihe geschalteten Widerstände R1 und R2 in F i g. 1 liegen
parallel zu einer Gleichspannungsquelle U und weisen unterschiedlich große Temperaturkoeffizienten
auf. Außerdem sind noch zwei gleichsinnig hintereinandergeschaltete, in Sperrrichtung
betriebene Zenerdioden Z1 und Z2 an die Gleichspannungsquelle U angeschlossen. Die
Zündspannungen Uz beider Zenerdioden sind gleich hoch gewählt, und zwar so, daß
UZ nur geringfügig kleiner
als U/2 ist. Zwischen den Verbindungspunkten
der Widerstände und den Verbindungspunkten der Zenerdioden ist das Thermoelement
Th mit den Lötstellen A und B angeordnet. Die Lötstelle
A sei an der Innenwand, die Lötstelle B an der Außenwand eines Behälters
oder Raumes angebaut. Fließt ein Strom von A nach B (+ nach -), dann
soll sich B
erwärmen und A abkühlen (Kühlung). Bei einem Stromfluß von
B nach A soll die Abkühlung bei B,
die Erwärmung bei A erfolgen
(Heizung). Erwärmung und Abkühlung hängen bekanntlich vom Vorzeichen der Thermokraft
der Thermoelemente ab. R1 sei ein Widerstand mit großem positivem, R2 ein solcher
mit großem negativem Widerstandstemperaturkoeffizienten. Es genügt aber allgemein,
wenn R1 und R2 unterschiedlich große Widerstandstemperaturkoeffizienten aufweisen.
F i g. 3 zeigt ein Beispiel für den qualitativen Verlauf der Widerstände in Abhängigkeit
von der Temperatur. Ein geeignetes Material mit positivem Widerstandstemperaturkoeffizienten
ist z. B. PbSe; als Beispiele für Materialien mit negativem Widerstandstemperaturkoeffizienten
seien Ge, InSb, InAs und Ag2S erwähnt.
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Zur Temperaturregelung des Raumes seien die Widerstände R1 und R2
im Innern des Raumes angeordnet. Bei Solltemperatur Ts sei R1 = R2 (s. F i g. 3).
Beide Zenerdioden Z, und Z2 sperren; es fließt praktisch kein Strom über Th. Das
soll durch entsprechende Dimensionierung der einzelnen Größen gewährleistet sein.
Steigt die Raumtemperatur TA über Ts, dann wird R, größer, R2 kleiner. Der Spannungsabfall
über R1 und damit auch über der Zenerdiode Z1 steigt, bis Z1 zündet, ein Strom durch
Th von A nach B fließt und den Innenraum infolge Temperaturerniedrigung
von A kühlt, bis 'die gewünschte Temperatur Ts erreicht ist. Fällt die Raumtemperatur
TA unter Ts, dann wird R1 kleiner, R., wächst. Nun steigt der Spannungsabfall
über R2 und damit über der Zenerdiode Z2, bis Z2 zündet, ein Strom durch Th von
B nach A fließt und den Innenraum infolge Temperaturerhöhung von A
heizt, bis Ts erreicht ist. Eine gewisse Regelung der Kühl-bzw. Heizleistung, die
von der Stromstärke durch Th abhängt, ist noch durch die Zenerdioden Z1 bzw. Z2
gegeben, weil die Zündspannung einer Zenerdiode sich bekanntlich über einen kleinen
Spannungsbereich erstreckt (s. F i g. 4). Je höher die Spannung, um so höher der
Strom, der durch Th fließt. Und der Spannungsabfall wird über R1 bzw. R2 - und damit
auch über Z, bzw. Z2 - um so größer, je größer die Temperaturdifferenz zwischen
Ts und vorhandener Temperatur TA im Innenraum ist. Das heißt, je tiefer die
Temperatur TA im Raum (A), um so stärker die Heizung, bzw. je höher TA, um so stärker
die Kühlung.
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Wenn man einen der beiden Widerstände laut F i g. 1 oder beide, R1
und R" an die Außenwand des Raumes anbringt, dann können die Temperaturverhältnisse
im Innern des geschlossenen Raumes durch die Außentemperatur gesteuert werden. Die
außen angebauten Widerstände sind dann dem Einfluß der Außentemperatur, der Außenluft
oder - bei Fahrzeugen - dem Fahrwind ausgesetzt. Die Temperatursteuerung erfolgt
im wesentlichen in gleicher Weise wie oben beschrieben, nur daß bei einer Außentemperatur
TB>Ts und Zündung der Zenerdioden die Thermoelementanlage den Innenraum ständig
kühlt, bei Tß<Ts ständig heizt. Eine weitere Beeinflussung der Regelung oder
auch Steuerung der Anordnung kann noch dadurch erfolgen, daß die spannungsabhängigen
Widerstände Z1 und Z2 in F i g. 1 gleichzeitig temperaturabhängig sind. Das heißt,
die Zündspannung U_ in F i g. 4 soll temperaturabhängig sein. Eine solche Temperaturabhängigkeit
ist zum Teil sowohl bei Zenerdioden als auch bei spannungsabhängigen Halbleiterwiderständen
gegeben. In den meisten Fällen nimmt die Zündspannung Uz mit wachsender Temperatur
ab. Das bedeutet, daß man eine Begünstigung der Regelung im Beispiel nach F i g.
1 dann erzielt, wenn die Zündspannung U, der Zenerdiode Z, mit wachsender Temperatur
sehr stark abnimmt. Die Zündung erfolgt dann bei Erwärmung früher, Ts wird weniger
stark überschritten. Die Zündspannung UZ der Zenerdiode Z2 dagegen sollte in diesem
Falle nur unwesentlich von der Temperatur abhängen, d. h. mit steigender Temperatur
nur wenig abnehmen; besonders günstige Verhältnisse lassen sich mit einem spannungsabhängigen
Widerstand ZZ erzielen, dessen Zündspannung mit steigender Temperatur zunimmt. Z,
und Z2 müßten dann im Innenraum angeordnet sein.
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Bei der vereinfachten in F i g. 2 dargestellten Anordnung liegen die
in Reihe geschalteten Widerstände R, und RI, parallel zu einer Gleichspannungsquelle
U und weisen unterschiedlich große Temperaturkoeffizienten auf. Parallel zu RI,
liegt die Reihenschaltung aus einer in Sperrichtung geschalteten Zenerdiode Z und
dem Thermoelement Th mit den Lötstellen A und B. An Stelle einer Zenerdiode
kann in diesem wie auch im vorigen Beispiel ein spannungsabhängiger Halbleiterwiderstand
mit scharfem Knick in der Stromspannungskennlinie verwendet werden. Die Lötstelle
A des Thermoelementes Th soll an der Innenwand eines geschlossenen Behälters
oder Raumes angebracht sein, die Lötstelle B an der Außenwand desselben. Zur Kühlung
des Raumes soll das Thermoelement so beschaffen sein, daß bei einem Stromfluß von
A nach B die Lötstelle Kühlwirkung aufweist. R,I sei in diesem Falle
ein Widerstand mit sehr großem positivem Temperaturkoeffizienten, R, ein solcher
mit geringer Temperaturabhängigkeit oder mit sehr großem negativem Temperaturkoeffizienten.
Beide Widerstände R, und RI, seien innerhalb des zu kühlenden Raumes eingebaut,
um die Temperaturregelung desselben zu bewerkstelligen. Bei Abkühlung wird RI, kleiner,
so daß der Spannungsabfall auch über der Zenerdiode Z kleiner wird und unter die
Zündspannung UZ fällt (s. F i g. 4); die Zenerdiode sperrt, es fließt kein Strom
durch Th, die Kühlwirkung unterbleibt. Steigt die Temperatur im Raum an, so wächst
auch RI, und damit der Spannungsabfall über der Zenerdiode Z, bis die Zündspannung
U= (F i g. 4) überschritten wird; die Zenerdiode zündet, es fließt Strom durch Th,
wodurch auf Grund des Peltiereffektes die Lötstelle A und damit der Raum wieder
gekühlt wird. Im Falle der Heizung des Raumes muß das Thermoelement so beschaffen
sein, daß bei einem Stromfluß von A nach B die Lötstelle
A im Innern des Raumes Erwärmung zur Folge hat. RI, sei dann ein Widerstand
mit sehr großem negativem Temperaturkoeffizienten, R, ein solcher mit geringer Temperaturabhängigkeit
oder mit sehr großem positivem Temperaturkoeffizienten. Beide Widerstände R, und
RI, seien wieder innerhalb des zu heizenden Raumes
angeordnet.
Bei Erwärmung des Innenraumes wird nun RII kleiner, der Spannungsabfall über der
Zenerdiode Z wird ebenfalls kleiner bis die Zenerdiode sperrt, so daß kein Strom
durch Th fließt, und die Heizwirkung unterbleibt, wenn die gewünschte Temperatur,
die man durch Auswahl und Dimensionierung der Widerstände sowie der Zenerdiode einstellt,
erreicht ist. Fällt die Temperatur, dann wächst RII und damit auch der Spannungsabfall
über der Zenerdiode Z, bis die Zündspannung UZ überschritten ist, die Zenerdiode
zündet und die Heizung von Th erneut in Aktion tritt.