DE2457115A1

DE2457115A1 - Two stage high precision thermostat - has Peltier effect blocks separated by heat source to reduce effect of regulator variations

Info

Publication number: DE2457115A1
Application number: DE19742457115
Authority: DE
Inventors: Dietmar Dr Neumann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-12-03
Filing date: 1974-12-03
Publication date: 1976-06-10

Abstract

A two stage thermostat operating on the Peltier effect provides high precision and minimum sensitivity to input disturbances. The thermostat chamber (1) is thermally in contact with the cold side of a block (2) exhibiting a Peltier effect. Located between this block and a similar block (4) is a constant heat source coupled to a supply (8). The relatively warm side of the source is in contact with a heat exchanger (5) in a regulating circuit. A temperature sensor (11) provides a feedback to a regulating stage (10) that operates on the difference between the measured value and a pre-determined reference value (12). In operation a fluctuation of (+-) 0.001 deg.C, in the heat exchanger produces a variation of (+-) 0.00063 deg.C in the heat source (3), which is reduced by the Peltier block (2) to (+-) 0.00004 deg.C in the thermostat chamber (1).

Description

Peltier-Hochpräzisionsthermostat Die Erfindung bezieht sich auf einen PeltieriIochpräzisionsthermostaten. Peltier high precision thermostat The invention relates to a Peltieri high-precision thermostats.

In Technik und Wissenschaft sind Thermostaten bekannt, die unter Ausnützen des Peltiereffekts die Temperatur in einer Therrnostatenkairiner für Proben oder dgl. auf einem zumeist einstellbaren Wert konstant halten. Dabei wird üblicherweise der Thermostatenkammer eine Information iiber den "Ist"-\7ert der Temperatur in Form eines elektrischen oder mechanischen Signals entnommen, das in einer Vergleichsschaltung mit einem Signal-verglichen wird, das dem zumeist einstellbaren "Soll"-Wert der Temperatur entspricht bzw. das durch Kontaktgabe Schaltvorgänge auslöst. Das derart gewonnene Stellsignal wird dazu henützt, iiber eine Stellschaltung die Versorgungsspannung zumindest eines Peltierelements bzw. In technology and science, thermostats are known that under Exploiting the Peltier effect the temperature in a thermostat chamber for samples or the like. Keep constant at a mostly adjustable value. Usually the thermostat chamber information about the "actual" temperature in Taken from the form of an electrical or mechanical signal, which is then used in a comparison circuit is compared with a signal that corresponds to the usually adjustable "setpoint" value of the Temperature or that triggers switching processes by making contact. That kind of thing The control signal obtained is used to control the Supply voltage at least one Peltier element or

Peltierblocks zu steuern. Auf diese Weise wird entsprechend der Differenz zwischen Ist-Werten und Soll-Werten der Wärmetransport durch das Peltierelement bzw. den Peltierblock geregelt. Bei dieser Anordnung treten jedoch Temperaturschwankungen auf, die durch Zeitverzögerungen im Regelkreis und durch Ungenauigkeiten verursacht werden, die an irgendeinem Teil des Regelkreises auftreten, beispielsweise an dem Temperaturfühler, der Versorgungsspannung, den Leitungswiderständen oder dgl.Control Peltier blocks. This way it will match the difference between actual values and target values is the heat transport through the Peltier element or the Peltier block regulated. With this arrangement, however, there are temperature fluctuations caused by time delays in the control loop and by inaccuracies occurring at any part of the control loop, for example the Temperature sensor, the supply voltage, the line resistances or the like.

Da sich diese Ungenauigkeiten nicht vermeiden lassen, weist eine solche Anordnung den Nachteil auf, daß Schwankungen ( 0,001° C um den konstant zu haltenden Temperaturwert herum nicht erreicht werden können. In manchen Fällen ist jedoch eine höhere Genauigkeit bzw. eine geringere Schwankung erforderlich.Since these inaccuracies cannot be avoided, such Arrangement has the disadvantage that fluctuations (0.001 ° C around the constant to be kept Temperature value around cannot be reached. In some cases, however, is higher accuracy or less fluctuation is required.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, bei einem Peltierthermostaten die Temperaturgenauigkeit zu erhöhen bzw. die Schwankungsbreite zu verringern. It is therefore the object of the invention in a Peltier thermostat to increase the temperature accuracy or to reduce the fluctuation range.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kaltseite eines mit konstanter Spannung versorgten Peltierblocks mit der Thermostatkammer thermisch verbunden wird, während seine Warmseite mittels eines Wärmetauschers auf hochkonstanter Temperatur gehalten wird. This object is achieved according to the invention in that the cold side a Peltier block supplied with constant voltage with the thermostat chamber is thermally connected, while its warm side is on by means of a heat exchanger is kept at a highly constant temperature.

Diese Lösung macht sich die Tatsache zunutze, daß gemäß Messungen bei der Untersuchung des thermischen Verhaltens bei einem Peltierelement bzw. mehreren zu einem Peltierblock zusammengefaßten Elementen zwischen der Kaltseitentemperatur Tk (Grad Celsius) und der Warmseitentemperatur T (Grad Celsius) folgende Beziehung besteht: w Tk = 0,63 Tw - 34 Diese Beziehung ist zumindest annähernd bis zu einer Kaltseitentemperatur von etwa - 500 C gültig. Der hier als Beispiel angeführte, aus Messungen ermittelte proportionalitätsfaktor 0,63 ist von dem Aufbau des Gerätes wie beispielsweise dessen Wärmeisolierung abhängig. Er kann durch entsprechend verbesserten Aufbau verringert werden. Aus der Beziehung ergibt sich, daß Änderungen der Temperaturen der Warmseite mit dem Proportionalitätsfaktor multipliziert an die Kaltseite weitergegeben werden. This solution takes advantage of the fact that according to measurements when investigating the thermal behavior of a Peltier element or several Elements combined to form a Peltier block between the cold side temperature Tk (degrees Celsius) and the warm side temperature T (degrees Celsius) have the following relationship consists: w Tk = 0.63 Tw - 34 This relationship is at least approximately up to one Cold side temperature of around - 500 C applies. The one given here as an example, The proportionality factor 0.63 determined from measurements is due to the structure of the device such as its thermal insulation dependent. He can be improved by appropriately Build-up can be reduced. From the relationship it can be seen that changes in temperatures the warm side multiplied by the proportionality factor is passed on to the cold side will.

Durch die Erfindung wird dieser Effekt vorteilhaft genutzt, indem nämlich auf der Warmseite des Peltierblocks auftretende unerwünschte Temperaturschwankungen an der Kaltseite um den Proportionalitätsfaktor vermindert werden. Hierdurch ergibt sich eine insgesamt um den Proportionalitätsfaktor verringerte Schwankungsbreite einer konstant- zu haltenden Temperatur und damit eine entsprechend höhere Genauigkeit. This effect is advantageously used by the invention by namely undesired temperature fluctuations occurring on the warm side of the Peltier block be reduced by the proportionality factor on the cold side. This results in an overall fluctuation range reduced by the proportionality factor a constant temperature and thus a correspondingly higher accuracy.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann dieser Effekt mehrfach genutzt werden, inaem mehrere Peltierblöcke thermisch in Kaskade geschaltet werden. In a further embodiment of the invention, this effect can be multiple can be used inaem several Peltier blocks are thermally connected in cascade.

Die Temperaturschwankungen der äußersten Warmseite der Peltierblöcke werden dabei zu der Kaltseite an der Thermostatkammer hin um den Proportionalitätsfaktor in der entsprechenden Potenz verringert. Für das Erreichen eines bestimmten Temperaturbereichs kann sich jedoch der an jedem Peltierblock bestehende konstante Temperatursprung hinderlich erweisen, der bei dem angeführten Meßbeispiel - 340 C beträgt. Zum Kompensieren dieser Temperatursprünge wird daher in Weitergestaltung der Erfindung zwischen in Kaskade geschaltete Peltierblöcke eine konstante Wärmeleistung eingeleitet, so daß ein zusätzlicher Freiheitsgrad in der Bemessung der Temperaturbereiche sowohl der Warmseite als auch der Kaltseite des gesamten Thermostaten gegeben ist.The temperature fluctuations on the outermost warm side of the Peltier blocks are increased by the proportionality factor towards the cold side of the thermostat chamber reduced in the corresponding potency. For reaching a certain temperature range However, the constant temperature jump existing at each Peltier block can change prove to be a hindrance, which is - 340 C in the measurement example given. To compensate these temperature jumps are therefore in a further development of the invention between in Cascade-connected Peltier blocks introduced a constant heat output, so that an additional degree of freedom in dimensioning the temperature ranges for both the Warm side as well as the cold side of the entire thermostat is given.

»ie Einstellung der zu erzielenden Temperatur in der Thermostatkammer kann uurch Einstellung der Temperatur am Wärmetauscher, durch Andrung der Versorgungsspannungen der Peltierblöcke, durch Änderung der Wärmezufuhr zwischen Peltierblöcken oder aber auch durch eine Kombination dieser Maßnahmen bewerkstelligt werden. »He setting of the temperature to be achieved in the thermostat chamber can be done by adjusting the temperature at the heat exchanger, by applying pressure to the supply voltages the Peltier blocks, by changing the heat supply between Peltier blocks or else can also be accomplished by a combination of these measures.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. The invention is described below with reference to the drawing explained in more detail.

Die Zeichnung stellt schematisch den Aufbau eines zweistufigen Hochpräzisionsthermostaten mit Peltierblöcken dar, wobei konstruktive Einzelheiten, beispielsweise Stromversorgung usw. weggelassen sind. Eine Thermostatkammer 1 ist mit der Kaltseite eines ersten Peltierblocks 2 thermisch verbunden. Diesem ersten Peltierblock 2 wird aus einer ersten Konstantspannungsquelle 7 eine derartige konstante Spannung zugeführt, daß er Wärme aus der Thermostatkammer 1 aufnimmt und an einen mit seiner Warmseite verbundenen Wärmepuffer 3 abgibt. Dem Wärmepuffer 3 kann über eine konstante Spannungsquelle 8 und über nicht dargestellte Heizvorrichtungen eine konstante Wärme zugeführt werden. Eine Gruppe zweiter Peltierblöcke 4 ist mit ihren Kaltseiten an den Wärmepuffer 3 und mit ihren Warmseiten an einen Wärmetauscher 5 thermisch angeschlossen. Sie wird von einer zweiten Konstantspannungsquelle 9 mit einer konstanten Spannung so versorgt, daß sie Wärme von dem Wärmepuffer 3 auf den Wärmetauscher 5 überträgt. The drawing schematically shows the structure of a two-stage high-precision thermostat with Peltier blocks, with structural details, for example power supply etc. are omitted. A thermostat chamber 1 is with the cold side of a first Peltier blocks 2 thermally connected. This first Peltier block 2 is made of a first constant voltage source 7 is supplied with such a constant voltage that it absorbs heat from the thermostat chamber 1 and is connected to one of its warm side Heat buffer 3 gives off. The heat buffer 3 can have a constant voltage source 8 and a constant heat can be supplied via heating devices (not shown). A group of second Peltier blocks 4 is with their cold sides on the heat buffer 3 and thermally connected to a heat exchanger 5 with their warm sides. she is from a second constant voltage source 9 with a constant voltage so supplied so that it transfers heat from the heat buffer 3 to the heat exchanger 5.

Der Wärmetauscher 5 ist Bestandteil eines Wärmetauscher-Regelkreises, in dem mittels einer Regelsteuerungseinheit 10 die Temperatur -an dem Wärmetauscher 5 dadurch möglichst konstant gehalten wird, daß ein von einem Temperaturfühler 11 eingegebener Ist-Wert mit einem von einem Stellglied 12 eingegebenen Soll-Wert' verglichen wird und gemäß dem Ergebnis dem Wärmetauscher-Kreislauf Wärme leistung zugeführt oder entnormen wird. Das gesamte Gerät ist von einer Vakuum- und PUR-Schaum-Isolation 6 umgeben.The heat exchanger 5 is part of a heat exchanger control circuit, in which by means of a regulating control unit 10 the temperature at the heat exchanger 5 is kept as constant as possible in that a temperature sensor 11 entered actual value with a setpoint value entered by an actuator 12 ' is compared and according to the result of the heat exchanger circuit heat output is fed or removed from the standard. The entire device is vacuum and PUR foam insulation 6 surrounded.

Die Arbeitsweise des erfindungsemäßen Iiochpräzisionsthermostaten wird anhand eines Zahlenbeispiels erläutert, wobei der Proportionalitätsfaktor der Peltierblöcke mit 0,63 und der Wärmesprung an den Peltierblöcken mit - 340 C angenommen wird. Isolationsverluste werden vernachlässigt, da sie sehr gering und zudem konstant sind. Wird nun durch Einstellung an dem Stellglied 12 die Temperatur des Wärmetauschers auf 400 C gehalten, so nimmt die Kaltseite der Gruppe zweiter Peltierblöcke 4 die Temperatur von - 8,80 C an und unterliegt damit einer Temperaturänderung # T von 48,80 C. The operation of the high-precision thermostat according to the invention is explained using a numerical example, the proportionality factor being the Peltier blocks assumed to be 0.63 and the thermal jump at the Peltier blocks to be - 340 C. will. Insulation losses are neglected because they are very low and also constant are. If the temperature of the heat exchanger is now set on the actuator 12 kept at 400 C, the cold side of the group of second Peltier blocks 4 takes the Temperature of - 8.80 C and is therefore subject to a temperature change # T of 48.80 C.

Wenn dem Wärmepuffer 3 keine zusätzliche Wärme leistung zugeführt wird, beträgt die Te-mpera-tur an der Warmseite des ersten Peltierblocks ebenfalls - 8, 8 C. Entsprechend der Temperaturengleichung für die Peltierblöcke ist dann die Temperatur an der Kaltseite des ersten Peltierblocks 2 und somit die Temperatur der Thermostatkammer 1 gleich -39,544 °C. If the heat buffer 3 no additional heat is supplied is, the temperature on the warm side of the first Peltier block is also - 8, 8 C. According to the temperature equation for the Peltier blocks, then the temperature on the cold side of the first Peltier block 2 and thus the temperature of the thermostat chamber 1 equals -39.544 ° C.

Da die Versorgungsspannungen der Peltierblöcke aus den beiden i'onstantspannungsquellen 7 und 9 durch den Einsatz von Vakuum- und PUR-Schaumisolation extrem konstant gehalten werden können, werden sie in der nachfolgenden Betrachtung des Temperaturschwankungsbereichs nicht als Fehlerquellen in Betracht gezogen. Nenn die Temperatur an dem Wärmetauscher 5 um # 0,001° C schssankt, so verursacht diese Schwankung an der Wärmepuffer 3 eine Temperaturschwankung von ~ 0,00063° C.Since the supply voltages of the Peltier blocks come from the two constant voltage sources 7 and 9 kept extremely constant through the use of vacuum and PUR foam insulation can be, they will be discussed in the following consideration of the temperature fluctuation range not considered as sources of error. Name the temperature at the heat exchanger 5 drops by # 0.001 ° C, this causes the fluctuation in the Heat buffer 3 a temperature fluctuation of ~ 0.00063 ° C.

Durch den ersten Peltierblock 2 wird dieser Temperaturschwankungsbereich um den Faktor 0,63 verringert, so daß letztlich an der Thermostatkammer 1 eine Temperaturschwankung von etwa + 0,00040 C auftritt. Die Genauigkeit der Temperatur in der Thermostatkammer ist somit gegenüber der Genauigkeit des ItTärmetauscher-Regelkreises um das 2,5-fache erhöht, d.h.The first Peltier block 2 makes this temperature fluctuation range reduced by a factor of 0.63, so that ultimately at the thermostat chamber 1 a temperature fluctuation of about + 0.00040 C occurs. The accuracy of the temperature in the thermostatic chamber is thus 2.5 times higher than the accuracy of the heat exchanger control circuit increased, i.e.

Temperaturfehler in dem Wärmetauscher-Regelkreis 6 gelangen um den Faktor 0,4 multiplikativ vermindert an die Thermostatkammer 1. Führt man nun beispielsweise dem Wärmepuffer 3 eine konstante Wärmemenge zu, die in dem Wärmepuffer eine Temperaturerhöhung um + 39,544° C bewirkt, so erhält man in der Thermostatenkammereine Temperatur von 0 # 0,0004° C, also Nullpunkt-Temperatur mit einer Genauigkeit, die mit den herkömmlichen Thermosflaschen mit 51assereis und Eiswasser bei weitem nicht crreicht werden nn.Temperature errors in the heat exchanger control circuit 6 get around the Factor 0.4 reduced multiplicatively to thermostat chamber 1. Now, for example the heat buffer 3 to a constant amount of heat, which in the heat buffer a temperature increase caused by + 39.544 ° C, a temperature of 0 # 0.0004 ° C, i.e. zero point temperature with an accuracy that with conventional Thermos flasks with water ice and ice water are nowhere near enough.

Außer der Nullpunkt-Temperatur können natürlich auch alle beliebigen Temperaturwerte im Arbeitsbereich der Peltierelemente, also von etwa - 1300 C bis etwa + 1200 C konstant gehalten werden. Die Grenzen sind nur durch die Temperaturfestigkeit der Peltier-Elemente nach oben und durch den gegen Null strebenden Wirkungsgrad nach unten begrenzt. Im Rahmen der Erfindung können jedoch für den Temperaturbereich unterhalb von - 1300 C auch magnet-thermo. In addition to the zero point temperature, you can of course also use any Temperature values in the working range of the Peltier elements, i.e. from about - 1300 C to about + 1200 C are kept constant. The limits are only due to the temperature resistance the Peltier elements upwards and through the efficiency tending towards zero limited downwards. In the context of the invention, however, for the temperature range below - 1300 C also magnet-thermo.

elektrische peltierelemente verwendet werden.electrical peltier elements can be used.

Mit der Erfindung ist somit ein Hochpräzisionsthermostat gescilaffen, der durch Ausnutzung des Peltiereffekts die Genauigkeit herkömmlicher Thermostaten erheblich verstärkt. With the invention, a high-precision thermostat is thus created, the accuracy of conventional thermostats by exploiting the Peltier effect significantly reinforced.

Als zusätzliche Vorteile ergeben sich aus der Anwendung von Peltierblöcken ein wartungsfreier Betrieb und aus den unterschiedlichen Einstellmöglichkeiten ein breiter Anwendungsbereich.The use of Peltier blocks results in additional advantages maintenance-free operation and from the various setting options wide scope of application.

Claims

Patent claims

t1. Peltier hole precision thermostat, characterized in that the cold side of a constant voltage supplied Peltier block (2) with the Thermostat chamber (1) is thermally connected, while its warm side by means of a Heat exchanger (5) is kept at a highly constant temperature.

2. Pe ltier ilochpräzi sion thermostat according to claim 1, characterized in that that several Peltier blocks (2, 4) are thermally connected in cascade.

3. Peltier high-precision thermostat according to claim 2, characterized in that that a constant heat output is introduced between cascaded Peltier blocks will.

4. Peltier hole precision thermostat according to claim 3, characterized in that that the supplied heat output is adjustable.

5. Peltier 1-hole precision thermostat according to one of the preceding Claims, characterized in that the temperature in the thermostat chamber (1) by setting the temperature on the heat exchanger (5) and / or by setting one Peltier block supply voltage (7, 9) is controlled.

6. Peltier high-precision thermostat according to one of the preceding Claims, characterized in that the heat exchanger (5) is used to keep the temperature constant by evaporative cooling with a liquid boiling at a fixed temperature directly is applied.