WO2017215690A1 - Verfahren zum regeln einer thermoelektrischen einrichtung - Google Patents

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thermoelectric device
tempered
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heat exchanger
temperature value
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Shaun MCBRIDE
Sheila WALIÑO ARIETE
Tobias Mangold
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Gentherm GmbH
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    • F25B2321/025—Removal of heat

Definitions

  • thermoelectric device Method for controlling a thermoelectric device
  • the invention relates to a method for controlling a thermoelectric device and a device for controlling the temperature of an object.
  • thermoelectric devices are used.
  • thermoelectric device If a potential difference between two contact poles is produced in a thermoelectric device, then the thermoelectric device transports heat from its first exchange surface to its second exchange surface. As a result, the two exchange surfaces therefore have different temperatures.
  • the thermoelectric device thus generates a temperature gradient from the applied electrical voltage.
  • the thermoelectric device operates in this case as a Peltier element and allows under supply of electrical power to transport heat also contrary to their normal flow direction of a colder exchange surface (cold side) to a warmer exchange surface (hot side).
  • thermoelectric device When a temperature difference between two exchange surfaces is produced in a thermoelectric device, the thermoelectric device transports electrical charge from its first electrical contact pole to its second electrical contact pole. As a result, the two electrical contact poles therefore have different electrical potentials. The thermoelectric device thus generates an electrical voltage from the applied temperature gradient.
  • the thermoelectric device operates in this case as a Seebeck element and can generate electricity by means of unilaterally supplied or withdrawn heat from temperature differences.
  • thermoelectric device causes a thermal barrier effect when it is arranged between an object to be tempered and a heat exchanger.
  • This thermal barrier effect of a deactivated thermoelectric device is influenced by its electrical behavior, the electrical behavior depending on the type of shading of the thermoelectric device in its deactivated state.
  • the invention was therefore based on the object to provide a way to minimize the thermal barrier effect caused by a deactivated thermoelectric device.
  • thermoelectric device is heat-transmitting connected to an object to be tempered and a heat exchanger and comprises two contact poles for supplying and / or discharging electrical energy.
  • inventive method comprises providing a variable electrically conductive connection between the two contact poles of the thermoelectric device, detecting the heat flow between the object to be tempered and the heat exchanger, and changing the state of the electrically conductive connection between the two contact poles of the thermoelectric device in dependence the heat flow direction between the object to be tempered and the heat exchanger.
  • thermoelectric device makes use of the knowledge that by changing the state of the electrically conductive connection between the two contact poles of the thermoelectric device as a function of Heat flow between the object to be tempered and the heat exchanger caused by a temperature gradient voltage generation of a deactivated, so energized, thermoelectric device can be influenced.
  • the Peltier effect resulting from the voltage generation which leads to the generation of a temperature gradient directed counter to from the outside of the temperature gradient, can be influenced.
  • detecting the heat flow direction between the object to be tempered and the heat exchanger comprises detecting the temperature of the object to be tempered and / or detecting the temperature of the heat exchanger.
  • the state of the electrically conductive connection between the two contact poles of the thermoelectric device is changed as a function of the temperature of the object to be tempered and the temperature of the heat exchanger.
  • the detection of the temperature of the object to be tempered is preferably carried out by means of a first temperature sensor, which is arranged on the object to be tempered.
  • the first temperature sensor is arranged between the object to be tempered and the thermoelectric device.
  • the detection of the temperature of the heat exchanger is preferably carried out by means of a second temperature sensor, which is arranged on the heat exchanger.
  • the second temperature sensor is arranged between the heat exchanger and the thermoelectric device.
  • the method according to the invention is advantageously further developed by changing the state of the electrically conductive connection between the two contact poles of the thermoelectric device as a function of the temperature of the object to be tempered and the temperature of the heat exchanger producing the electrically conductive connection between the two contact poles of the thermoelectric device by closing a switch within the electrically conductive connection between the two contact poles of the thermoelectric device.
  • changing the state of the electrically conductive connection between the two contact poles of the thermoelectric device in dependence on the temperature of the object to be tempered and the temperature of the heat exchanger comprises disconnecting the electrically conductive connection between the two contact poles of the thermoelectric device by opening a switch within the electrically conductive connection between the two contact poles of the thermoelectric device.
  • thermoelectric device By using a switch for making or separating the electrically conductive connection between the two contact poles of the thermoelectric device, the state change of the electrically conductive connection between the two contact poles of the thermoelectric device can be achieved in a particularly simple and cost-effective manner.
  • the inclusion of a switch in a control device is straightforward and leads to a low control complexity.
  • the method according to the invention comprises providing an electrical resistance within the electrically conductive connection between the two contact poles of the thermoelectric device.
  • the electrical resistance is preferably an ohmic resistance.
  • the electrical resistance between the two contact poles of the thermoelectric device counteracts the Peltier effect and thus the generation of a temperature gradient, which is directed against the externally applied temperature gradient opposite.
  • the electrical resistance to minimize the thermal barrier effect of a deactivated thermoelectric device Preferably, changing the state of the electrically conductive connection between the two contact poles of the thermoelectric device comprises changing the electrical resistance as a function of the temperature of the object to be tempered and / or the temperature of the heat exchanger.
  • the electrical resistance is preferably adjustable.
  • the electrical resistance is designed as a potentiometer. Depending on the temperature of the object to be tempered and the temperature of the heat exchanger, it is therefore always possible to set a suitable electrical resistance for minimizing the thermal blocking effect caused by the thermoelectric device.
  • the step of detecting the temperature difference between the temperature of the object to be tempered and the temperature of the heat exchanger and / or the step of detecting whether the temperature of the object to be tempered or the temperature of the heat exchanger is greater is carried out. Based on the temperature difference between the temperature of the object to be tempered and the temperature of the heat exchanger, a particularly precise adjustment of the electrical resistance within the electrically conductive connection between the two contact poles of the thermoelectric device, whereby the thermal barrier effect of the thermoelectric device is further reduced. But it may also be sufficient to determine only which of the two temperatures is greater, so only determine the sign of the difference so as to determine the natural tendency or direction of the heat flow.
  • a preferred embodiment of the method according to the invention comprises providing a maximum temperature value for the object to be tempered and / or providing a minimum temperature value for the object to be tempered.
  • the state of the electrically conductive connection between the two contact poles of the thermoelectric device changes depending on the maximum temperature value for the object to be tempered and / or the minimum temperature value for the object to be tempered.
  • the maximum temperature value refers to a critical temperature which may only be exceeded for a certain time in order to avoid damage or damage to the object to be tempered.
  • the minimum temperature value refers to a critical temperature which may only be undershot for a certain time in order to avoid impairments or damage to the object to be tempered.
  • the method according to the invention thus comprises changing the electrical resistance as a function of the maximum temperature value for the object to be tempered and / or the minimum temperature value for the object to be tempered. For this purpose, it is preferably determined whether the temperature of the object to be tempered is closer to the maximum temperature or to the minimum temperature.
  • the method according to the invention is advantageously further developed in that the change in the electrical resistance as a function of the maximum temperature value for the object to be tempered and / or the minimum temperature value for the temperature to be tempered Object, wherein the temperature of the object is higher than the temperature of the heat exchanger and at the same time is below the maximum temperature value, above the minimum temperature value and closer to the maximum temperature value than the minimum temperature value.
  • the reduction of the electrical resistance can be carried out until the electrical resistance is removed, so that a short circuit is caused.
  • an active cooling operation of the thermoelectric device can be delayed. Active cooling of the thermoelectric device would require the application of an external voltage and thus additional power consumption.
  • changing the electrical resistance as a function of the maximum temperature value for the object to be tempered and / or the minimum temperature value for the object to be tempered comprises increasing the electrical resistance when the temperature of the object is higher than the temperature of the heat exchanger and at the same time below the Maximum temperature value, above the minimum temperature value and closer to the minimum temperature value than the maximum temperature value.
  • Increasing the electrical resistance may be performed until the idle state is established.
  • an active heating operation of the thermoelectric device can be delayed in this case.
  • An active heating operation of the thermoelectric device would require the application of an external voltage and thus additional energy consumption.
  • changing the electrical resistance as a function of the maximum temperature value for the object to be tempered and / or the minimum temperature value for the object to be tempered comprises reducing the electrical resistance when the temperature of the object is lower than the temperature of the heat exchanger and at the same time is below the maximum temperature value, above the minimum temperature value and closer to the minimum temperature value than the maximum temperature value.
  • the reduction of the electrical resistance can be carried out until the electrical resistance is removed, so that a short circuit is caused.
  • an active heating operation of the thermoelectric device can be delayed.
  • An active heating operation of the thermoelectric device would require the application of an external voltage and thus additional energy consumption.
  • changing the electrical resistance as a function of the maximum temperature value for the object to be tempered and / or the minimum temperature value for the object to be tempered comprises increasing the electrical resistance when the temperature of the object is lower than the temperature of the heat exchanger and at the same time below the temperature Maximum temperature value, above the minimum temperature value and closer to the maximum temperature value than the minimum temperature value.
  • Increasing the electrical resistance may be performed until the idle state is established.
  • an active cooling operation of the thermoelectric device can be delayed in this case. Active cooling of the thermoelectric device would require the application of an external voltage and thus additional power consumption.
  • the electrically conductive connection between the two contact poles of the thermoelectric device is established by closing a switch within the electrically conductive connection between the two contact poles of the thermoelectric device, if the temperature of the object to be tempered is higher than the temperature of the heat exchanger is. In this case, the object to be tempered is warmer than the heat exchanger, so that a cooling by the Heat exchanger can be done.
  • the switch By closing the switch, the thermal blocking effect of the deactivated thermoelectric device is reduced due to the electrical resistance within the electrically conductive connection between the two contact poles of the thermoelectric device, so that the cooling of the object to be tempered is improved.
  • the making of the electrically conductive connection between the two contact poles of the thermoelectric device by closing a switch within the electrically conductive connection between the two contact poles of the thermoelectric device can also take place when the temperature of the object to be tempered higher than the temperature of the heat exchanger and higher than the maximum temperature value is.
  • the separation of the electrically conductive connection between the two contact poles of the thermoelectric device by opening a switch within the electrically conductive connection between the two contact poles of the thermoelectric device, when the temperature of the object to be tempered is higher than the temperature of the heat exchanger and is lower than the minimum temperature value.
  • the object to be tempered is warmer than the heat exchanger, so that cooling could take place through the heat exchanger.
  • the temperature of the object to be tempered is already below the minimum temperature, so that no cooling, but a heating of the object to be tempered is necessary.
  • the minimization of the thermal barrier effect of the thermoelectric device is undesirable.
  • Such a heating can be done by the activation of the thermoelectric device, wherein the current flow direction is set accordingly.
  • a preferred embodiment of the method according to the invention comprises activating the thermoelectric device when the Temperature of the object to be tempered is higher than the temperature of the heat exchanger and lower than the minimum temperature value, and / or adjusting the electric current direction through the thermoelectric device such that the heat flow caused by the thermoelectric device directed from the heat exchanger to the object to be tempered is.
  • an active heating of the object to be tempered can be implemented. This is necessary because the heat exchanger is not suitable due to its relatively low temperature to heat the object to be tempered.
  • the separation of the electrically conductive connection between the two contact poles of the thermoelectric device is effected by opening a switch within the electrically conductive connection between the two contact poles of the thermoelectric device, when the temperature of the object to be tempered lower than the temperature of the heat exchanger and higher than the maximum temperature value.
  • the object to be tempered is colder than the heat exchanger, so that heating could occur through the heat exchanger.
  • the temperature of the object to be tempered is already above the maximum temperature, so that no heating, but cooling of the object to be tempered is necessary.
  • Such cooling can be done by the activation of the thermoelectric device, wherein the current flow direction is set accordingly.
  • a preferred embodiment of the method according to the invention comprises activating the thermoelectric device when the temperature of the object to be tempered is lower than the temperature of the heat exchanger and higher than the maximum temperature value, and / or adjusting the electric current direction through the thermoelectric device such that the heat flow caused by the thermoelectric device is directed from the object to be tempered to the heat exchanger.
  • an active cooling of the object to be tempered can be implemented. This is necessary because the heat exchanger is not suitable due to its relatively high temperature to cool the object to be tempered.
  • the inventive method is further advantageously further developed in that the establishment of the electrically conductive connection between the two contact poles of the thermoelectric device by closing a switch within the electrically conductive connection between the two contact poles of the thermoelectric device takes place when the temperature of the object to be tempered lower than is the minimum temperature value.
  • the object to be tempered is colder than the heat exchanger, so that heating by the heat exchanger can take place.
  • the switch By closing the switch, the thermal blocking effect of the deactivated thermoelectric device is reduced due to the electrical resistance within the electrically conductive connection between the two contact poles of the thermoelectric device, so that the heating of the object to be tempered is improved.
  • the electrically conductive connection between the two contact poles of the thermoelectric device by closing a switch within the electrically conductive connection between the two contact poles of the thermoelectric device can also take place when the temperature of the object to be tempered is lower than the temperature of the heat exchanger and lower than that Minimum temperature value is.
  • thermoelectric Device comprising at least one heat exchanger and means for controlling the thermoelectric device.
  • the thermoelectric device has two or more contact poles for supplying and / or dissipating electrical energy.
  • the heat exchanger is heat-transmitting connected to the thermoelectric device.
  • the device for controlling the thermoelectric device has a variable electrically conductive connection between the two contact poles of the thermoelectric device.
  • means for controlling the thermoelectric device are adapted to change the state of the electrically conductive connection between the two contact poles of the thermoelectric device as a function of the heat flow direction between the object to be tempered and the heat exchanger.
  • the device according to the invention also makes use of the knowledge that by changing the state of the electrically conductive connection between the two contact poles of the thermoelectric device as a function of the heat flow direction between the object to be tempered and the heat exchanger, the voltage generation caused by a temperature gradient a deactivated, so energized, thermoelectric device can be influenced.
  • the device according to the invention is set up to carry out a method for regulating a thermoelectric device according to one of the embodiments described above.
  • a method for regulating a thermoelectric device according to one of the embodiments described above.
  • thermoelectric device is a Peltier element or a Seebeck element comprises or is designed as a Peltier element or as Seebeck element.
  • the thermoelectric device comprises two thermal exchange surfaces, between which a plurality of p-doped and n-doped semiconductors is arranged.
  • the thermoelectric device is preferably arranged between the heat exchanger and the object to be tempered.
  • the heat exchanger has at least one exchange device for exchanging heat with the environment, wherein the exchange device has at least one of the following options or can be represented by: a fluid channel which is set up for this purpose Heat exchange fluid, wherein a fluid may comprise at least partially a gas, a liquid, a powder, a granulate and / or a mixture of one or more of said components, a heat exchange fin, which is adapted to exchange heat with a heat exchange fluid, a heat conduction , a heat pipe and / or a heat buffer with a phase change material, in particular a salt solution.
  • the heat exchange fluid is preferably a liquid, such as water.
  • the heat exchange fluid is preferably a gas or a gas mixture, such as air.
  • the heat exchange fluid promotes heat to the heat exchanger.
  • the heat exchange fluid promotes heat away from the heat exchanger.
  • the heat exchanger preferably includes at least one heat spreader plate for exchanging heat with the thermoelectric device.
  • the heat exchanger preferably disposed between the heat exchange fluid and the thermoelectric device.
  • the device for controlling the thermoelectric device has a switch which is adapted to selectively close or open a circuit between the thermoelectric device and a voltage source. When closing the switch, the activation of the thermoelectric device takes place. When the switch is opened, the deactivation of the thermoelectric device takes place.
  • the device for controlling the thermoelectric device has at least one control circuit.
  • the device according to the invention is also advantageously further developed in that the device for controlling the thermoelectric device has an electrical resistance within the electrically conductive connection between the two contact poles of the thermoelectric device and the device for controlling the thermoelectric device is adapted to the electrical resistance in dependence the temperature of the object to be tempered and / or the temperature of the heat exchanger to change.
  • the electrical resistance is variable.
  • the electrical resistance is designed as a potentiometer. The adjustability of the electrical resistance optimizes the minimization of the thermal barrier effect of the deactivated thermoelectric device.
  • the device for controlling the thermoelectric device has at least one H-bridge circuit and / or at least two voltage sources.
  • the H-bridge circuit preferably has at least four switches.
  • the switches are preferably each arranged on one of the legs of the "H"
  • the upper end points of the "H” are preferably connected to a first pole of a voltage source.
  • the H bridge circuit comprises the electrical resistance
  • the device for controlling the thermoelectric device is adapted to the electrical resistance as a function of the temperature of the object to be tempered to change the temperature of the heat exchanger, the maximum temperature value for the object to be tempered and / or the minimum temperature value for the object to be tempered
  • the device for controlling the thermoelectric device is adapted to the electrical resistance as a function of the temperature of the object to be tempered to change the temperature of the heat exchanger, the maximum temperature value for the object to be tempered and / or the minimum temperature value for the object to be tempered
  • the at least one H-bridge circuit has a fifth switch which is connected in parallel with the electrical resistance.
  • the fifth switch allows the energization of the thermoelectric device by means of the H bridge circuit, without the current must be passed through the electrical resistance.
  • the device for controlling the thermoelectric device of the device according to the invention comprises a switch which is adapted to selectively establish or supply the electrically conductive connection between the two contact poles of the thermoelectric device by closing and opening the switch separate.
  • a switch which is adapted to selectively establish or supply the electrically conductive connection between the two contact poles of the thermoelectric device by closing and opening the switch separate.
  • opening the switch but also by setting the electrical resistance to a high or infinite resistance is possible.
  • the device according to the invention is designed as a battery temperature control device.
  • the object to be tempered is a battery or a plurality of batteries.
  • the device according to the invention is designed as a beverage tempering device.
  • the object to be tempered is a drinking vessel.
  • the device according to the invention is designed as a device for tempering an electrical circuit.
  • the object to be tempered is an electrical circuit.
  • the device according to the invention is adapted to be integrated in a vehicle.
  • FIG 1 shows an embodiment of the device according to the invention for tempering an object.
  • thermoelectric device 3a shows an H-bridge circuit of a device for controlling the thermoelectric device in a first switching state
  • FIG. 3b shows an H-bridge circuit of a device for regulating the thermoelectric device in a second switching state
  • FIG. 3c shows an H-bridge circuit of a device for regulating the thermoelectric device in a third switching state
  • FIG. 3d shows an H-bridge circuit of a device for regulating the thermoelectric device in a fourth switching state
  • thermoelectric device 4a shows an H-bridge circuit of a device for controlling the thermoelectric device
  • Fig. 4b is a control scheme for the H-bridge circuit shown in Fig. 4a.
  • thermoelectric device 14 for tempering an object 12, comprising a thermoelectric device 14, a heat exchanger 18 and a device 20 for controlling the thermoelectric device 14.
  • the thermoelectric device 14 can be used both as a Peltier element and as a Seebeck element and has two contact poles 16a, 16b for supplying and / or dissipating electrical energy. Furthermore, the thermoelectric device 14 comprises two thermal exchange surfaces 24a, 24b, wherein the first thermal exchange surface 24a is in contact with the heat exchanger 18 and the second thermal exchange surface 24b is in contact with the object 12 to be tempered. Thus, the thermoelectric device 14 is disposed between the heat exchanger 18 and an object 12 to be tempered.
  • the heat exchanger 18 is heat-transmitting connected to the thermoelectric device 14 and has five heat exchange ribs 26a-26e, which are adapted to exchange heat with a heat exchange fluid.
  • the heat exchange fluid is formed as air and promotes heat to the heat exchanger 18 in the heating operation of the thermoelectric device 14 and promotes heat in the cooling operation of the thermoelectric device 14 from the heat exchanger 18 away.
  • the device 20 for controlling the thermoelectric device 14 has a variable electrically conductive connection 22 between the two contact poles 16a, 16b of the thermoelectric device 14.
  • the device 20 for regulating the thermoelectric device 14 is configured to change the state of the electrically conductive connection 22 between the two contact poles 16a, 16b of the thermoelectric device 14 as a function of the heat flow direction between the object to be tempered 12 and the heat exchanger 18.
  • the object 12 is a vehicle battery, so that the device 10 is designed as a battery temperature control device.
  • FIGS. 2 a and 2 each show a diagram which represents the change with time of the temperature of the object 12.
  • the figures underlying method for controlling a thermoelectric device 14 which is heat-transmitting connected to an object to be tempered 12 and a heat exchanger 18 and two contact poles 16a, 16b for supplying and / or dissipating electrical energy, a variable electrically conductive Connection 22 between the two contact poles 16 a, 16 b of the thermoelectric device 14 is provided and detects the heat flow direction between the object to be tempered 12 and the heat exchanger 18.
  • the temperature of the object to be tempered 12 and the temperature of the heat exchanger 18 is detected.
  • the temperature difference (or its sign) between the temperature of the object to be tempered 12 and the temperature of the heat exchanger 18 is detected.
  • an electrical resistance 30 is provided within the electrically conductive connection 22 between the two contact poles 16a, 16b of the thermoelectric device 14.
  • the state of the electrically conductive connection 22 between the two contact poles 16a, 16b of the thermoelectric device 14 is changed depending on the temperature difference between the temperature of the object 12 to be tempered and the temperature of the heat exchanger 18 (or the heat flow direction).
  • changing the state of the electrically conductive connection 22 between the two contact poles 16a, 16b of the thermoelectric device 14 also takes place as a function of the heat flow direction between the object to be tempered 12 and the heat exchanger 18, the temperature of the object to be tempered 12 and the temperature of the heat exchanger 18th
  • thermoelectric device 14 Changing the state of the electrically conductive connection 22 between the two contact poles 16a, 16b of the thermoelectric device 14 takes place in FIG. 2a by establishing the electrically conductive connection 22 between the two contact poles 16a, 16b of the thermoelectric device 14, namely by closing a switch 28a. 28d within the electrically conductive connection 22 between the two contact poles 16a, 16b of the thermoelectric device 14, while the temperature of the object 12 to be tempered is lower than the temperature of the heat exchanger 18. In this case, the object to be tempered 12 is thus colder than the heat exchanger 18, so that heating by the heat exchanger 18 can take place.
  • thermoelectric device 14 By closing the switch 28a-28d, the thermal blocking effect of the deactivated thermoelectric device 14 is reduced due to the electrical resistance 30 within the electrically conductive connection 22 between the two contact poles 16a, 16b of the thermoelectric device 14, so that the heating of the object 12 to be tempered improves becomes.
  • thermoelectric device 14 Changing the state of the electrically conductive connection 22 between the two contact poles 16a, 16b of the thermoelectric device 14 takes place in FIG. 2a by closing a switch 28a-28d within the electrically conductive connection 22 between the two contact poles 16a, 16b of the thermoelectric device 14, while the temperature of the object 12 to be tempered is higher than the temperature of the heat exchanger 14. In this case, the object 12 to be tempered is warmer than the heat exchanger 18, so that cooling by the heat exchanger 18 can take place.
  • thermoelectric device 14 By closing the switch 28a-28d, the thermal blocking effect of the deactivated thermoelectric device 14 is reduced due to the electrical resistance 30 within the electrically conductive connection 22 between the two contact poles 16a, 16b of the thermoelectric device 14, so that the cooling of the object 12 to be tempered improves becomes.
  • FIGS. 3a to 3d show an H-bridge circuit 32 of a device 20 for controlling the thermoelectric device 14 in various switching states.
  • the H-bridge circuit comprises a total of four switches 28a-28d, each arranged on one of the legs of the "H" of the H bridge circuit 32 and adapted to selectively close or open a circuit between the thermoelectric device 14 and a voltage source and selectively connect or disconnect the electrically conductive connection 22 between the two contact poles 16a, 16b of the thermoelectric device 14 by closing and opening the switches 28a-28d, for which purpose the poles 34a, 34b of the H bridge circuit are to be electrically conductively connected to a voltage source.
  • Closing the circuit between the thermoelectric device 14 and a voltage source results in the activation of the thermoelectric device 14.
  • the opening of the circuit between the thermoelectric device 14 and a voltage source results in the deactivation of the thermoelectric device 14.
  • thermoelectric device 14 is arranged in the transverse line section of the "H" of the H bridge circuit 32.
  • Bridge circuit 32 includes an electrical resistor 30, wherein the means 20 for controlling the thermoelectric device 14 is adapted to change the electrical resistance 30 as a function of the temperature of the object to be tempered 12 and the temperature of the heat exchanger 18.
  • the electrical resistance 30 is thus variable. In this way, the minimization of the thermal barrier effect of the deactivated thermoelectric device 14 can be optimized.
  • the electrical resistance 30 may be reduced when the temperature of the object 12 is higher than the temperature of the heat exchanger 18 and simultaneously below a maximum temperature value, above a minimum temperature value and closer to the maximum temperature value than at the minimum temperature value, or if the temperature of the object 12 is lower than the temperature of the heat exchanger 18 and at the same time is below the maximum temperature value, above the minimum temperature value and closer to the minimum temperature value than the maximum temperature value.
  • the electrical resistance 30 may be increased when the temperature of the object 12 is higher than the temperature of the heat exchanger 18 and simultaneously below the maximum temperature value, above the minimum temperature value and closer to the minimum temperature value than the maximum temperature value, or if the temperature of the object 12 is lower as the temperature of the heat exchanger 18 is and is simultaneously below the maximum temperature value, above the minimum temperature value and closer to the maximum temperature value than the minimum temperature value.
  • the illustrated H-bridge circuit makes it possible to reverse the voltage provided by the voltage source.
  • the switches 28a and 28d to open and close the switches 28b and 28c, as shown in Fig. 3a.
  • the switches 28b and 28c are to be opened and the switches 28a and 28d to close, as shown in Fig. 3b.
  • the thermoelectric device 14 can be switched back and forth between the heating operation and the cooling operation.
  • thermoelectric device 14 In a deactivated state of the thermoelectric device 14, the circuit between the thermoelectric device 14 and the voltage source is interrupted. This can be achieved by various switching states, such as the switching states of Fig. 3c and Fig. 3d.
  • the H-bridge circuit 32 shown in FIG. 4a corresponds in part to the H-bridge circuit of FIGS. 3a to 3d, but the H-bridge circuit 32 has been expanded by a fifth switch 28e, which is connected in parallel to the electrical resistor 30.
  • the fifth switch 28e allows the energization of the thermoelectric device 14 without the current having to be conducted through the electrical resistance 30.
  • the control scheme of Fig. 4b shows that the switches 28a, 28d and 28e are in a closed state and the switches 28b and 28c are brought to an open state when the temperature of the object 12 to be tempered is greater than the maximum temperature value for the same tempering object 12.
  • a current flow direction is set by the thermoelectric device 14, which leads to a cooling of the object to be tempered 12 through the thermoelectric device 14.
  • the current does not flow through the electrical resistance 30 due to the closed fifth switch 28e, whereby a in this case undesirable conversion of electrical energy into thermal energy by the electrical resistance 30 is avoided.
  • the control scheme also shows that the switches 28b and 28c are in a closed state and the switches 28a, 28d and 28e are to be brought into an open state when the temperature of the object 12 to be tempered is smaller than the minimum temperature value for the object 12 to be tempered
  • a current flow direction through the thermoelectric device 14 is set, which leads to a heating of the object 12 to be tempered by the thermoelectric device 14.
  • the current does not flow through the electrical resistance 30 due to the opened fifth switch 28e, thereby avoiding, in this case, undesirable conversion of electrical energy into thermal energy by the electrical resistance 30.
  • thermoelectric device 14 If the temperature of the object 12 to be tempered is greater than or equal to the minimum temperature value for the object 12 to be tempered and less than or equal to the maximum temperature value for the object 12 to be tempered, neither active cooling nor active heating by the thermoelectric device 14 is necessary, so that now a current flow through the electrical resistance 30 is desired to minimize the thermal barrier effect caused by the deactivated thermoelectric device 14.
  • the simultaneous opening of the switches 28a and 28c leads to an interruption of the electrically conductive connection between the poles 34a and 34b. Because the switches 28b and 28d are closed and the switch 28e is open, the electrical resistor 30 is connected between the two contact poles 16a, 16b of the thermoelectric device 14. The setting of the electrical resistance 30 is now first dependent on whether the temperature of the object to be tempered 12 is lower or higher than the temperature of the heat exchanger 18.
  • the resistance value to be set increases with increasing temperature of the object 12 to be tempered. If the temperature of the object 12 to be tempered corresponds to the minimum temperature value for the object 12 to be tempered, then the minimum resistance value of the electrical resistance 30 must be set. If the temperature of the object 12 to be tempered corresponds to the maximum temperature value for the object 12 to be tempered, then the maximum resistance value of the electrical resistance 30 must be set. Between these points, the relationship between the temperature of the object to be tempered 12 and the resistance value to be set corresponds to a linear function.
  • the resistance value to be set drops as the temperature of the object 12 to be tempered increases. If the temperature of the object 12 to be tempered corresponds to the minimum temperature value for the object 12 to be tempered, then the maximum resistance value of the electrical resistance 30 must be set. If the temperature of the object 12 to be tempered corresponds to the maximum temperature value for the object 12 to be tempered, then the minimum resistance value of the electrical resistance 30 must be set. Between these points, the relationship between the temperature of the object to be tempered 12 and the resistance value to be set corresponds to a linear function.
  • thermoelectric device 20 Device for controlling the thermoelectric device

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln einer thermoelektrischen Einrichtung (14), welche wärmeübertragend mit einem zu temperierenden Objekt (12) und einem Wärmetauscher (18) verbunden ist und zwei Kontaktpole (16a, 16b) zum Zuführen und/oder Abführen von elektrischer Energie umfasst, mit den Schritten: Bereitstellen einer veränderbaren elektrisch leitenden Verbindung (22) zwischen den zwei Kontaktpolen (16a, 16b) der thermoelektrischen Einrichtung (14), Erfassen der Wärmestromrichtung zwischen dem zu temperierenden Objekt (12) und dem Wärmetauscher (18); und Ändern des Zustande der elektrisch leitenden Verbindung (22) zwischen den zwei Kontaktpolen (16a, 16b) der thermoelektrischen Einrichtung (14) in Abhängigkeit der Wärmestromrichtung zwischen dem zu temperierenden Objekt (12) und dem Wärmetauscher (18).

Description

Verfahren zum Regeln einer thermoelektrischen Einrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln einer thermoelektrischen Einrichtung und eine Vorrichtung zum Temperieren eines Objekts.
Bei gattungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen werden thermoelektrische Einrichtungen eingesetzt.
Erzeugt man bei einer thermoelektrischen Einrichtung eine Potentialdifferenz zwischen zwei Kontaktpolen, so transportiert die thermoelektrische Einrichtung Wärme von ihrer ersten Austauschfläche zu ihrer zweiten Austauschfläche. In der Folge weisen die zwei Austauschflächen daher unterschiedliche Temperaturen auf. Die thermoelektrische Einrichtung erzeugt also aus der angelegten elektrischen Spannung ein Temperaturgefälle. Die thermoelektrische Einrichtung arbeitet in diesem Fall als Peltier-Element und gestattet unter Zufuhr von elektrischer Leistung, Wärme auch entgegen ihrer normalen Flussrichtung von einer kälteren Austauschfläche (Kaltseite) zu einer wärmeren Austauschfläche (Warmseite) zu transportieren.
Erzeugt man bei einer thermoelektrischen Einrichtung eine Temperaturdifferenz zwischen zwei Austauschflächen, so transportiert die thermoelektrische Einrichtung elektrische Ladung von ihrem ersten elektrischen Kontaktpol zu ihrem zweiten elektrischen Kontaktpol. In der Folge weisen die zwei elektrischen Kontaktpole daher unterschiedliche elektrische Potentiale auf. Die thermoelektrische Einrichtung erzeugt also aus dem angelegten Temperaturgefälle eine elektrische Spannung. Die thermoelektrische Einrichtung arbeitet in diesem Fall als Seebeck-Element und kann mittels einseitig zugeführter oder entzogener Wärme aus Temperaturdifferenzen elektrischen Strom erzeugen.
Zwar erzeugt ein Seebeck-Element aus einem Temperaturgefälle elektrische Spannung, jedoch führt diese Spannung wiederum zu einem Peltier-Effekt und damit zur Erzeugung eines Temperaturgefälles. Dieses
|Bestätigungskopie| Temperaturgefälle ist dem von außen angelegten Temperaturgefälle entgegen gerichtet. Insbesondere wenn der Einsatz einer thermoelektrischen Einrichtung nicht notwendig ist und die thermoelektrische Einrichtung nicht bestromt und somit deaktiviert ist, verursacht die thermoelektrische Vorrichtung eine thermische Sperrwirkung, wenn diese zwischen einem zu temperierenden Objekt und einem Wärmetauscher angeordnet ist. Diese thermische Sperrwirkung einer deaktivierten thermoelektrischen Einrichtung wird von ihrem elektrischen Verhalten beeinflusst, wobei das elektrische Verhalten von der Art der Verschattung der thermoelektrischen Vorrichtung in ihrem deaktivierten Zustand abhängt.
Der Erfindung lag somit die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, die von einer deaktivierten thermoelektrischen Einrichtung verursachte thermische Sperrwirkung zu minimieren.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, wobei die thermoelektrische Einrichtung wärmeübertragend mit einem zu temperierenden Objekt und einem Wärmetauscher verbunden ist und zwei Kontaktpole zum Zuführen und/oder Abführen von elektrischer Energie umfasst. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst das Bereitstellen einer veränderbaren elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Kontaktpolen der thermoelektrischen Einrichtung, das Erfassen der Wärmestromrichtung zwischen dem zu temperierenden Objekt und dem Wärmetauscher, und das Ändern des Zustands der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Kontaktpolen der thermoelektrischen Einrichtung in Abhängigkeit der Wärmestromrichtung zwischen dem zu temperierenden Objekt und dem Wärmetauscher.
Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass durch das Ändern des Zustands der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Kontaktpolen der thermoelektrischen Einrichtung in Abhängigkeit der Wärmestromrichtung zwischen dem zu temperierenden Objekt und dem Wärmetauscher die durch ein Temperaturgefälle hervorgerufene Spannungserzeugung einer deaktivierten, also unbestromten, thermoelektrischen Einrichtung beeinflusst werden kann. Damit kann auch der aus der Spannungserzeugung resultierende Peltier-Effekt, welcher zur Erzeugung eines, des von außen angelegten Temperaturgefälles entgegen gerichteten Temperaturgefälles führt, beeinflusst werden. Durch die Beeinflussung des erzeugten Temperaturgefälles lässt sich somit die von der deaktivierten thermoelektrischen Einrichtung verursachte thermische Sperrwirkung minimieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Erfassen der Wärmestromrichtung zwischen dem zu temperierenden Objekt und dem Wärmetauscher das Erfassen der Temperatur des zu temperierenden Objekts und/oder das Erfassen der Temperatur des Wärmetauschers. Vorzugsweise erfolgt das Ändern des Zustands der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Kontaktpolen der thermoelektrischen Einrichtung in Abhängigkeit der Temperatur des zu temperierenden Objekts und der Temperatur des Wärmetauschers. Das Erfassen der Temperatur des zu temperierenden Objekts erfolgt vorzugsweise mittels eines ersten Temperaturfühlers, welcher an dem zu temperierenden Objekt angeordnet ist. Insbesondere ist der erste Temperaturfühler zwischen dem zu temperierenden Objekt und der thermoelektrischen Vorrichtung angeordnet. Das Erfassen der Temperatur des Wärmetauschers erfolgt vorzugsweise mittels eines zweiten Temperaturfühlers, welcher an dem Wärmetauscher angeordnet ist. Insbesondere ist der zweite Temperaturfühler zwischen dem Wärmetauscher und der thermoelektrischen Einrichtung angeordnet. Dadurch, dass nicht nur die Wärmeflussrichtung, sondern auch die Temperaturen des zu temperierenden Objekts und des Wärmetauschers berücksichtigt werden, kann der Zustand der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Kontaktpolen der thermoelektrischen Einrichtung situationsadäquat angepasst werden, um die von der thermoelektrischen Einrichtung verursachte thermische Sperrwirkung zu minimieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird dadurch vorteilhaft weitergebildet, dass das Ändern des Zustands der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Kontaktpolen der thermoelektrischen Einrichtung in Abhängigkeit der Temperatur des zu temperierenden Objekts und der Temperatur des Wärmetauschers das Herstellen der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Kontaktpolen der thermoelektrischen Einrichtung durch Schließen eines Schalters innerhalb der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Kontaktpolen der thermoelektrischen Einrichtung umfasst. Alternativ oder zusätzlich umfasst das Ändern des Zustands der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Kontaktpolen der thermoelektrischen Einrichtung in Abhängigkeit der Temperatur des zu temperierenden Objekts und der Temperatur des Wärmetauschers das Trennen der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Kontaktpolen der thermoelektrischen Einrichtung durch Öffnen eines Schalters innerhalb der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Kontaktpolen der thermoelektrischen Einrichtung. Durch die Verwendung eines Schalters zum Herstellen oder Trennen der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Kontaktpolen der thermoelektrischen Einrichtung lässt sich die Zustandsanderung der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Kontaktpolen der thermoelektrischen Einrichtung auf besonders einfache und kostengünstige Weise erreichen. Die Einbindung eines Schalters in einen Regelungseinrichtung ist unkompliziert und führt zu einer geringen Steuerungskomplexität.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren das Bereitstellen eines elektrischen Widerstandes innerhalb der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Kontaktpolen der thermoelektrischen Einrichtung. Der elektrische Widerstand ist vorzugsweise ein ohmscher Widerstand. Der elektrische Widerstand zwischen den zwei Kontaktpolen der thermoelektrischen Einrichtung wirkt dem Peltier-Effekt und somit der Erzeugung eines Temperaturgefällen, welches dem von außen angelegten Temperaturgefälle entgegen gerichtet ist, entgegen. Somit führt der elektrische Widerstand zur Minimierung der thermischen Sperrwirkung einer deaktivierten thermoelektrischen Einrichtung. Vorzugsweise umfasst das Ändern des Zustands der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Kontaktpolen der thermoelektrischen Einrichtung das Ändern des elektrischen Widerstandes in Abhängigkeit der Temperatur des zu temperierenden Objekts und/oder der Temperatur des Wärmetauschers. Hierzu ist der elektrische Widerstand vorzugsweise verstellbar. Insbesondere ist der elektrische Widerstand als Potentiometer ausgebildet. Abhängig von der Temperatur des zu temperierenden Objekts und der Temperatur des Wärmetauschers kann somit stets ein geeigneter elektrischer Widerstand zur Minimierung der durch die thermoelektrische Einrichtung verursachten thermischen Sperrwirkung eingestellt werden.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Schritt des Erfassens der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des zu temperierenden Objekts und der Temperatur des Wärmetauschers und/oder der Schritt des Erfassens, ob die Temperatur des zu temperierenden Objekts oder die Temperatur des Wärmetauschers größer ist, ausgeführt. Auf Grundlage der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des zu temperierenden Objekts und der Temperatur des Wärmetauschers kann eine besonders präzise Einstellung des elektrischen Widerstandes innerhalb der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Kontaktpolen der thermoelektrischen Einrichtung erfolgen, wodurch die thermische Sperrwirkung der thermoelektrischen Vorrichtung weiter verringert wird. Es kann aber auch bereits ausreichen, nur zu bestimmen, welche der beiden Temperaturen größer ist, also nur das Vorzeichen der Differenz zu bestimmen, um so die natürliche Tendenz oder Richtung des Wärmeflusses zu bestimmen.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Bereitstellen eines Maximaltemperaturwertes für das zu temperierende Objekt und/oder das Bereitstellen eines Minimaltemperaturwertes für das zu temperierende Objekt. Vorzugsweise erfolgt das Ändern des Zustands der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Kontaktpolen der thermoelektrischen Einrichtung in Abhängigkeit des Maximaltemperaturwertes für das zu temperierende Objekt und/oder des Minimaltemperaturwertes für das zu temperierende Objekt. Insbesondere bezieht sich der Maximaltemperaturwert auf eine kritische Temperatur, welche zur Vermeidung von Beeinträchtigungen oder Beschädigungen des zu temperierenden Objekts nur eine gewisse Zeit überschritten werden darf. Insbesondere bezieht sich der Minimaltemperaturwert auf eine kritische Temperatur, welche zur Vermeidung von Beeinträchtigungen oder Beschädigungen des zu temperierenden Objekts nur eine gewisse Zeit unterschritten werden darf. Insbesondere, wenn das zu temperierende Objekt eine Batterie oder eine elektrische Schaltung ist, kann die Über- oder Unterschreitung von kritischen Temperaturen zu einer Funktionsbeeinträchtigung oder sogar zu einem Funktionsausfall führen. Alternativ oder zusätzlich umfasst das erfindungsgemäße Verfahren somit das Ändern des elektrischen Widerstandes in Abhängigkeit des Maximaltemperaturwertes für das zu temperierende Objekt und/oder des Minimaltemperaturwertes für das zu temperierende Objekt. Hierzu wird vorzugsweise ermittelt, ob die Temperatur des zu temperierenden Objekts näher an der Maximaltemperatur oder an der Minimaltemperatur liegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird dadurch vorteilhaft weitergebebildet, dass das Ändern des elektrischen Widerstandes in Abhängigkeit des Maximaltemperaturwertes für das zu temperierende Objekt und/oder des Minimaltemperaturwertes für das zu temperierende Objekt das Verringern des elektrischen Widerstandes umfasst, wenn die Temperatur des Objekts höher als die Temperatur des Wärmetauschers ist und gleichzeitig unterhalb des Maximaltemperaturwertes, oberhalb des Minimaltemperaturwertes und näher an dem Maximaltemperaturwert als dem Minimaltemperaturwert liegt. Das Verringern des elektrischen Widerstandes kann bis zum Aufheben des elektrischen Widerstandes ausgeführt werden, sodass ein Kurzschluss verursacht wird. Durch das Verringern des elektrischen Widerstandes lässt sich in diesem Fall ein aktiver Kühlbetrieb der thermoelektrischen Einrichtung hinauszögern. Ein aktiver Kühlbetrieb der thermoelektrischen Einrichtung würde das Anlegen einer äußeren Spannung und somit einen zusätzlichen Energieverbrauch erfordern. Alternativ oder zusätzlich umfasst das Ändern des elektrischen Widerstandes in Abhängigkeit des Maximaltemperaturwertes für das zu temperierende Objekt und/oder des Minimaltemperaturwertes für das zu temperierende Objekt das Erhöhen des elektrischen Widerstandes, wenn die Temperatur des Objekts höher als die Temperatur des Wärmetauschers ist und gleichzeitig unterhalb des Maximaltemperaturwertes, oberhalb des Minimaltemperaturwertes und näher an dem Minimaltemperaturwert als dem Maximaltemperaturwert liegt. Das Erhöhen des elektrischen Widerstandes kann bis zum Erzeugen des Leerlaufzustandes ausgeführt werden. Durch das Erhöhen des elektrischen Widerstandes lässt sich in diesem Fall ein aktiver Heizbetrieb der thermoelektrischen Einrichtung hinauszögern. Ein aktiver Heizbetrieb der thermoelektrischen Einrichtung würde das Anlegen einer äußeren Spannung und somit einen zusätzlichen Energieverbrauch erfordern.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Ändern des elektrischen Widerstandes in Abhängigkeit des Maximaltemperaturwertes für das zu temperierende Objekt und/oder des Minimaltemperaturwertes für das zu temperierende Objekt das Verringern des elektrischen Widerstandes, wenn die Temperatur des Objekts niedriger als die Temperatur des Wärmetauschers ist und gleichzeitig unterhalb des Maximaltemperaturwertes, oberhalb des Minimaltemperaturwertes und näher an dem Minimaltemperaturwert als dem Maximaltemperaturwert liegt. Das Verringern des elektrischen Widerstandes kann bis zum Aufheben des elektrischen Widerstandes ausgeführt werden, sodass ein Kurzschluss verursacht wird. Durch das Verringern des elektrischen Widerstandes lässt sich in diesem Fall ein aktiver Heizbetrieb der thermoelektrischen Einrichtung hinauszögern. Ein aktiver Heizbetrieb der thermoelektrischen Einrichtung würde das Anlegen einer äußeren Spannung und somit einen zusätzlichen Energieverbrauch erfordern. Alternativ oder zusätzlich umfasst das Ändern des elektrischen Widerstandes in Abhängigkeit des Maximaltemperaturwertes für das zu temperierende Objekt und/oder des Minimaltemperaturwertes für das zu temperierende Objekt das Erhöhen des elektrischen Widerstandes, wenn die Temperatur des Objekts niedriger als die Temperatur des Wärmetauschers ist und gleichzeitig unterhalb des Maximaltemperaturwertes, oberhalb des Minimaltemperaturwertes und näher an dem Maximaltemperaturwert als dem Minimaltemperaturwert liegt. Das Erhöhen des elektrischen Widerstandes kann bis zum Erzeugen des Leerlaufzustandes ausgeführt werden. Durch das Erhöhen des elektrischen Widerstandes lässt sich in diesem Fall ein aktiver Kühlbetrieb der thermoelektrischen Einrichtung hinauszögern. Ein aktiver Kühlbetrieb der thermoelektrischen Einrichtung würde das Anlegen einer äußeren Spannung und somit einen zusätzlichen Energieverbrauch erfordern.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Herstellen der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Kontaktpolen der thermoelektrischen Einrichtung durch Schließen eines Schalters innerhalb der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Kontaktpolen der thermoelektrischen Einrichtung, wenn die Temperatur des zu temperierenden Objekts höher als die Temperatur des Wärmetauschers ist. In diesem Fall ist das zu temperierende Objekt wärmer als der Wärmetauscher, sodass eine Kühlung durch den Wärmetauscher erfolgen kann. Durch das Schließen des Schalters wird aufgrund des elektrischen Widerstandes innerhalb der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Kontaktpolen der thermoelektrischen Einrichtung die thermische Sperrwirkung der deaktivierten thermoelektrischen Einrichtung reduziert, sodass die Kühlung des zu temperierenden Objekts verbessert wird. Das das Herstellen der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Kontaktpolen der thermoelektrischen Einrichtung durch Schließen eines Schalters innerhalb der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Kontaktpolen der thermoelektrischen Einrichtung kann auch erfolgen, wenn die Temperatur des zu temperierenden Objekts höher als die Temperatur des Wärmetauschers und höher als der Maximaltemperaturwert ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Trennen der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Kontaktpolen der thermoelektrischen Einrichtung durch Öffnen eines Schalters innerhalb der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Kontaktpolen der thermoelektrischen Einrichtung, wenn die Temperatur des zu temperierenden Objekts höher ist als die Temperatur des Wärmetauschers und niedriger als der Minimaltemperaturwert ist. In diesem Fall ist das zu temperierende Objekt wärmer als der Wärmetauscher, sodass eine Kühlung durch den Wärmetauscher erfolgen könnte. Jedoch liegt die Temperatur des zu temperierenden Objekts bereits unter der Minimaltemperatur, sodass keine Kühlung, sondern eine Erwärmung des zu temperierenden Objekts notwendig ist. Somit ist auch die Minimierung der thermischen Sperrwirkung der thermoelektrischen Einrichtung unerwünscht. Eine solche Erwärmung kann durch die Aktivierung der thermoelektrischen Einrichtung erfolgen, wobei die Stromflussrichtung entsprechend einzustellen ist.
Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Aktivieren der thermoelektrischen Einrichtung, wenn die Temperatur des zu temperierenden Objekts höher ist als die Temperatur des Wärmetauschers und niedriger als der Minimaltemperaturwert ist, und/oder das Einstellen der elektrischen Stromrichtung durch die thermoelektrische Einrichtung derart, dass der von der thermoelektrischen Einrichtung verursachte Wärmestrom von dem Wärmetauscher zu dem zu temperierenden Objekt gerichtet ist. Auf diese Weise kann eine aktive Erwärmung des zu temperierenden Objekts umgesetzt werden. Diese ist notwendig, da der Wärmetauscher aufgrund seiner vergleichsweise niedrigen Temperatur nicht dazu geeignet ist, das zu temperierende Objekt zu erwärmen.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Trennen der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Kontaktpolen der thermoelektrischen Einrichtung durch Öffnen eines Schalters innerhalb der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Kontaktpolen der thermoelektrischen Einrichtung, wenn die Temperatur des zu temperierenden Objekts niedriger als die Temperatur des Wärmetauschers und höher als der Maximaltemperaturwert ist. In diesem Fall ist das zu temperierende Objekt kälter als der Wärmetauscher, sodass eine Erwärmung durch den Wärmetauscher erfolgen könnte. Jedoch liegt die Temperatur des zu temperierenden Objekts bereits oberhalb der Maximaltemperatur, sodass keine Erwärmung, sondern eine Kühlung des zu temperierenden Objekts notwendig ist. Somit ist auch die Minimierung der thermischen Sperrwirkung der thermoelektrischen Einrichtung unerwünscht. Eine solche Kühlung kann durch die Aktivierung der thermoelektrischen Einrichtung erfolgen, wobei die Stromflussrichtung entsprechend einzustellen ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Aktivieren der thermoelektrischen Einrichtung, wenn die Temperatur des zu temperierenden Objekts niedriger als die Temperatur des Wärmetauschers und höher als der Maximaltemperaturwert ist, und/oder das Einstellen der elektrischen Stromrichtung durch die thermoelektrische Einrichtung derart, dass der von der thermoelektrischen Einrichtung verursachte Wärmestrom von dem zu temperierenden Objekt zu dem Wärmetauscher gerichtet ist. Auf diese Weise kann eine aktive Kühlung des zu temperierenden Objekts umgesetzt werden. Diese ist notwendig, da der Wärmetauscher aufgrund seiner vergleichsweise hohen Temperatur nicht dazu geeignet ist, das zu temperierende Objekt zu kühlen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird ferner dadurch vorteilhaft weitergebildet, dass das Herstellen der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Kontaktpolen der thermoelektrischen Einrichtung durch Schließen eines Schalters innerhalb der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Kontaktpolen der thermoelektrischen Einrichtung erfolgt, wenn die Temperatur des zu temperierenden Objekts niedriger als der Minimaltemperaturwert ist. In diesem Fall ist das zu temperierende Objekt kälter als der Wärmetauscher, sodass eine Erwärmung durch den Wärmetauscher erfolgen kann. Durch das Schließen des Schalters wird aufgrund des elektrischen Widerstandes innerhalb der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Kontaktpolen der thermoelektrischen Einrichtung die thermische Sperrwirkung der deaktivierten thermoelektrischen Einrichtung reduziert, sodass die Erwärmung des zu temperierenden Objekts verbessert wird. Das Herstellen der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Kontaktpolen der thermoelektrischen Einrichtung durch Schließen eines Schalters innerhalb der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Kontaktpolen der thermoelektrischen Einrichtung kann auch erfolgen, wenn die Temperatur des zu temperierenden Objekts niedriger als die Temperatur des Wärmetauschers und niedriger als der Minimaltemperaturwert ist.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, wobei die erfindungsgemäße Vorrichtung zumindest eine thermoelektrische Einrichtung, zumindest einen Wärmetauscher und eine Einrichtung zum Regeln der thermoelektrischen Einrichtung umfasst. Die thermoelektrische Einrichtung weist zwei oder mehr Kontaktpole zum Zuführen und/oder Abführen von elektrischer Energie auf. Der Wärmetauscher ist wärmeübertragend mit der thermoelektrischen Einrichtung verbunden. Die Einrichtung zum Regeln der thermoelektrischen Einrichtung weist eine veränderbare elektrisch leitende Verbindung zwischen den zwei Kontaktpolen der thermoelektrischen Einrichtung auf. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist Einrichtung zum Regeln der thermoelektrischen Einrichtung dazu eingerichtet, den Zustand der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Kontaktpolen der thermoelektrischen Einrichtung in Abhängigkeit der Wärmestromrichtung zwischen dem zu temperierenden Objekt und dem Wärmetauscher zu ändern.
Analog zu dem erfindungsgemäßen Verfahren macht sich auch die erfindungsgemäße Vorrichtung die Erkenntnis zunutze, dass durch das Ändern des Zustands der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Kontaktpolen der thermoelektrischen Einrichtung in Abhängigkeit der Wärmestromrichtung zwischen dem zu temperierenden Objekt und dem Wärmetauscher die durch ein Temperaturgefälle hervorgerufene Spannungserzeugung einer deaktivierten, also unbestromten, thermoelektrischen Einrichtung beeinflusst werden kann.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dazu eingerichtet, ein Verfahren zum Regeln einer thermoelektrischen Einrichtung gemäß einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen auszuführen. Hinsichtlich der Vorteile dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung wird auf die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird ferner dadurch vorteilhaft weitergebildet, dass die thermoelektrische Einrichtung ein Peltier-Element oder ein Seebeck-Element umfasst oder als Peltier-Element oder als Seebeck-Element ausgebildet ist. Insbesondere umfasst die thermoelektrische Einrichtung zwei thermische Austauschflächen, zwischen welchen eine Mehrzahl von p-dotierten und n-dotierten Halbleitern angeordnet ist. Vorzugsweise ist die thermoelektrische Einrichtung zwischen dem Wärmetauscher und dem zu temperierenden Objekt angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der Wärmetauscher zumindest eine Austausch-Einrichtung zum Austausch von Wärme mit der Umgebung auf, wobei die Austausch- Einrichtung mindestens eine der folgenden Optionen aufweist oder dadurch repräsentiert sein kann: einen Fluidkanal, welcher dazu eingerichtet ist, ein Wärmeaustauschfluid aufzunehmen, wobei ein Fluid zumindest teilweise ein Gas, eine Flüssigkeit, ein Pulver, ein Granulat und/oder eine Mischung aus einem oder mehreren der genannten Bestandteile aufweisen kann, eine Wärmeaustauschrippe, welche dazu eingerichtet ist, Wärme mit einem Wärmeaustauschfluid auszutauschen, ein Wärmeleitblech, ein Wärmeleitrohr und/oder einen Wärmepuffer mit einem Phasenwechselmaterial, insbesondere einer Salzlösung. Wenn die Austausch-Einrichtung einen Fluidkanal aufweist ist das Wärmeaustauschfluid vorzugsweise eine Flüssigkeit, wie beispielsweise Wasser. Wenn die Austausch-Einrichtung eine Wärmeaustauschrippe aufweist, ist das Wärmeaustauschfluid vorzugsweise ein Gas oder ein Gasgemisch, wie beispielsweise Luft. Im Heizbetrieb der thermoelektrischen Einrichtung fördert das Wärmeaustauschfluid Wärme zu dem Wärmetauscher hin. Im Kühlbetrieb der thermoelektrischen Einrichtung fördert das Wärmeaustauschfluid Wärme von dem Wärmetauscher weg. Der Wärmetauscher umfasst vorzugsweise zumindest eine Wärmeverteilerplatte zum Austausch von Wärme mit der thermoelektrischen Einrichtung. Außerdem ist der Wärmetauscher vorzugsweise zwischen dem Wärmeaustauschfluid und der thermoelektrischen Einrichtung angeordnet.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Einrichtung zum Regeln der thermoelektrischen Einrichtung einen Schalter auf, welcher dazu eingerichtet ist, einen Stromkreis zwischen der thermoelektrische Einrichtung und einer Spannungsquelle wahlweise zu schließen oder zu öffnen. Beim Schließen des Schalters erfolgt die Aktivierung der thermoelektrischen Einrichtung. Beim Öffnen des Schalters erfolgt die Deaktivierung der thermoelektrischen Einrichtung. Vorzugsweise weist die Einrichtung zum Regeln der thermoelektrischen Einrichtung zumindest eine Regelschaltung auf.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird außerdem dadurch vorteilhaft weitergebildet, dass die Einrichtung zum Regeln der thermoelektrischen Einrichtung einen elektrischen Widerstand innerhalb der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Kontaktpolen der thermoelektrischen Einrichtung aufweist und die Einrichtung zum Regeln der thermoelektrischen Einrichtung dazu eingerichtet ist, den elektrischen Widerstand in Abhängigkeit der Temperatur des zu temperierenden Objekts und/oder der Temperatur des Wärmetauschers zu ändern. Vorzugsweise ist der elektrische Widerstand variabel ausgebildet. Insbesondere ist der elektrische Widerstand als Potentiometer ausgebildet. Durch die Verstellbarkeit des elektrischen Widerstandes wird die Minimierung der thermischen Sperrwirkung der deaktivierten thermoelektrischen Einrichtung optimiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Einrichtung zum Regeln der thermoelektrischen Einrichtung zumindest eine H-Brückenschaltung und/oder mindestens zwei Spannungsquellen auf. Die H-Brückenschaltung weist vorzugsweise mindestens vier Schalter auf. Die Schalter sind vorzugsweise jeweils auf einem der Schenkel des „H" angeordnet. In dem querliegenden Leitungsabschnitt des „H" ist vorzugsweise die thermoelektrische Einrichtung angeordnet. Die oberen Endpunkte des„H" sind vorzugsweise an einen ersten Pol einer Spannungsquelle angeschlossen. Die unteren Endpunkte des „H" sind vorzugsweise an einen zweiten Pol einer Spannungsquelle angeschlossen. Vorzugsweise umfasst die H- Brückenschaltung den elektrischen Widerstand, wobei die Einrichtung zum Regeln der thermoelektrischen Einrichtung dazu eingerichtet ist, den elektrischen Widerstand in Abhängigkeit der Temperatur des zu temperierenden Objekts, der Temperatur des Wärmetauschers, dem Maximaltemperaturwert für das zu temperierende Objekt und/oder dem Minimaltemperaturwert für das zu temperierende Objekt zu ändern. Eine solche Anordnung erlaubt es sehr einfach, die von der Spannungsquelle zur Verfügung gestellte Spannung umzukehren. Auf jeder Seite des„H" sind dabei jeweils ein Schalter geöffnet und ein weiterer so geschlossen, sodass der die thermoelektrische Einrichtung aktivierende resultierende Strom durch die Querverbindung geleitet wird. Durch Vertauschen aller vier Schalterstellungen fließt der Strom dann in umgekehrter Richtung durch die thermoelektrische Einrichtung. Dadurch lässt sich die thermoelektrische Einrichtung zwischen Heiz- und Kühlbetrieb hin und her schalten.
In einer erfindungsgemäßen Weiterbildung der Vorrichtung weist die zumindest eine H-Brückenschaltung einen fünften Schalter auf, welcher parallel zu dem elektrischen Widerstand geschaltet ist. Der fünfte Schalter erlaubt die Bestromung der thermoelektrischen Einrichtung mittels der H- Brückenschaltung, ohne dass der Strom durch den elektrischen Widerstand geleitet werden muss.
Vorzugsweise weist die Einrichtung zum Regeln der thermoelektrischen Einrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung einen Schalter auf, welcher dazu eingerichtet ist, die elektrisch leitende Verbindung zwischen den zwei Kontaktpolen der thermoelektrischen Einrichtung durch Schließen und Öffnen des Schalters wahlweise herzustellen oder zu trennen. Alternativ oder zusätzlich zum Öffnen des Schalters ist aber auch durch Setzen des elektrischen Widerstands auf einen hohen beziehungsweise unendlichen Widerstand möglich.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Vorrichtung als Batterietemperiervorrichtung ausgebildet. In diesem Fall ist das zu temperierende Objekt eine Batterie oder eine Mehrzahl von Batterien. Alternativ ist die erfindungsgemäße Vorrichtung als Getränketemperiervorrichtung ausgebildet. In diesem Fall ist das zu temperierende Objekt ein Trinkgefäß. Alternativ ist die erfindungsgemäße Vorrichtung als eine Vorrichtung zum Temperieren einer elektrischen Schaltung ausgebildet. In diesem Fall ist das zu temperierende Objekt eine elektrische Schaltung. Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dazu eingerichtet, in ein Fahrzeug integriert zu werden.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert und beschrieben. Dabei zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Temperieren eines Objekts;
Fig. 2a ein erstes Temperaturverlaufsdiagramm;
Fig. 2b ein zweites Temperaturverlaufsdiagramm;
Fig. 3a eine H-Brückenschaltung einer Einrichtung zum Regeln der thermoelektrischen Einrichtung in einem ersten Schaltzustand;
Fig. 3b eine H-Brückenschaltung einer Einrichtung zum Regeln der thermoelektrischen Einrichtung in einem zweiten Schaltzustand;
Fig. 3c eine H-Brückenschaltung einer Einrichtung zum Regeln der thermoelektrischen Einrichtung in einem dritten Schaltzustand; Fig. 3d eine H-Brückenschaltung einer Einrichtung zum Regeln der thermoelektrischen Einrichtung in einem vierten Schaltzustand;
Fig. 4a eine H-Brückenschaltung einer Einrichtung zum Regeln der thermoelektrischen Einrichtung; und
Fig. 4b ein Regelungsschema für die in Fig. 4a dargestellte H- Brückenschaltung.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zum Temperieren eines Objekts 12, mit einer thermoelektrischen Einrichtung 14, einem Wärmetauscher 18 und einer Einrichtung 20 zum Regeln der thermoelektrischen Einrichtung 14.
Die thermoelektrische Einrichtung 14 kann sowohl als Peltier-Element als auch als Seebeck-Element eingesetzt werden und weist zwei Kontaktpole 16a, 16b zum Zuführen und/oder Abführen von elektrischer Energie auf. Ferner umfasst die thermoelektrische Einrichtung 14 zwei thermische Austauschflächen 24a, 24b, wobei die erste thermische Austauschfläche 24a in Kontakt mit dem Wärmetauscher 18 steht und die zweite thermische Austauschfläche 24b in Kontakt mit dem zu temperierenden Objekt 12 steht. Somit ist die thermoelektrische Einrichtung 14 zwischen dem Wärmetauscher 18 und einem zu temperierenden Objekt 12 angeordnet.
Der Wärmetauscher 18 ist wärmeübertragend mit der thermoelektrischen Einrichtung 14 verbunden und weist fünf Wärmeaustauschrippen 26a-26e auf, welche dazu eingerichtet sind, Wärme mit einem Wärmeaustauschfluid auszutauschen. Das Wärmeaustauschfluid ist als Luft ausgebildet und fördert im Heizbetrieb der thermoelektrischen Einrichtung 14 Wärme zum Wärmetauscher 18 hin und fördert im Kühlbetrieb der thermoelektrischen Einrichtung 14 Wärme von dem Wärmetauscher 18 weg. Die Einrichtung 20 zum Regeln der thermoelektrischen Einrichtung 14 weist eine veränderbare elektrisch leitende Verbindung 22 zwischen den zwei Kontaktpolen 16a, 16b der thermoelektrischen Einrichtung 14 auf. Die Einrichtung 20 zum Regeln der thermoelektrischen Einrichtung 14 ist dazu eingerichtet, den Zustand der elektrisch leitenden Verbindung 22 zwischen den zwei Kontaktpolen 16a, 16b der thermoelektrischen Einrichtung 14 in Abhängigkeit der Wärmestromrichtung zwischen dem zu temperierenden Objekt 12 und dem Wärmetauscher 18 zu ändern.
Das Objekt 12 ist eine Fahrzeugbatterie, sodass die Vorrichtung 10 als Batterietemperiervorrichtung ausgebildet ist.
Fig. 2a und Fig. 2 zeigen jeweils ein Diagramm, welches die zeitliche Veränderung der Temperatur des Objekts 12 wiedergibt. Bei dem, den Figuren zugrundeliegenden Verfahren zum Regeln einer thermoelektrischen Einrichtung 14, welche wärmeübertragend mit einem zu temperierenden Objekt 12 und einem Wärmetauscher 18 verbunden ist und zwei Kontaktpole 16a, 16b zum Zuführen und/oder Abführen von elektrischer Energie umfasst, wird eine veränderbare elektrisch leitende Verbindung 22 zwischen den zwei Kontaktpolen 16a, 16b der thermoelektrischen Einrichtung 14 bereitgestellt und die die Wärmestromrichtung zwischen dem zu temperierenden Objekt 12 und dem Wärmetauscher 18 erfasst. Zur Erfassung der Wärmestromrichtung zwischen dem zu temperierenden Objekt 12 und dem Wärmetauscher 18 wird die Temperatur des zu temperierenden Objekts 12 und die Temperatur des Wärmetauschers 18 erfasst. Nachfolgend wird die Temperaturdifferenz (oder ihr Vorzeichen) zwischen der Temperatur des zu temperierenden Objekts 12 und der Temperatur des Wärmetauschers 18 erfasst.
Außerdem wird ein elektrischer Widerstand 30 innerhalb der elektrisch leitenden Verbindung 22 zwischen den zwei Kontaktpolen 16a, 16b der thermoelektrischen Einrichtung 14 bereitgestellt. Zum Zeitpunkt tO wird der Zustand der elektrisch leitenden Verbindung 22 zwischen den zwei Kontaktpolen 16a, 16b der thermoelektrischen Einrichtung 14 in Abhängigkeit der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des zu temperierenden Objekts 12 und der Temperatur des Wärmetauschers 18 (oder der Wärmeflussrichtung) geändert. Somit erfolgt das Ändern des Zustande der elektrisch leitenden Verbindung 22 zwischen den zwei Kontaktpolen 16a, 16b der thermoelektrischen Einrichtung 14 auch in Abhängigkeit der Wärmestromrichtung zwischen dem zu temperierenden Objekt 12 und dem Wärmetauscher 18, der Temperatur des zu temperierenden Objekts 12 und der Temperatur des Wärmetauschers 18.
Das Ändern des Zustande der elektrisch leitenden Verbindung 22 zwischen den zwei Kontaktpolen 16a, 16b der thermoelektrischen Einrichtung 14 erfolgt in Fig. 2a durch Herstellen der elektrisch leitenden Verbindung 22 zwischen den zwei Kontaktpolen 16a, 16b der thermoelektrischen Einrichtung 14 nämlich durch Schließen eines Schalters 28a-28d innerhalb der elektrisch leitenden Verbindung 22 zwischen den zwei Kontaktpolen 16a, 16b der thermoelektrischen Einrichtung 14, während die Temperatur des zu temperierenden Objekts 12 niedriger als die Temperatur des Wärmetauschers 18 ist. In diesem Fall ist das zu temperierende Objekt 12 also kälter als der Wärmetauscher 18, sodass eine Erwärmung durch den Wärmetauscher 18 erfolgen kann. Durch das Schließen des Schalters 28a-28d wird aufgrund des elektrischen Widerstandes 30 innerhalb der elektrisch leitenden Verbindung 22 zwischen den zwei Kontaktpolen 16a, 16b der thermoelektrischen Einrichtung 14 die thermische Sperrwirkung der deaktivierten thermoelektrischen Einrichtung 14 reduziert, sodass die Erwärmung des zu temperierenden Objekts 12 verbessert wird.
Das Ändern des Zustands der elektrisch leitenden Verbindung 22 zwischen den zwei Kontaktpolen 16a, 16b der thermoelektrischen Einrichtung 14 erfolgt in Fig. 2a durch Schließen eines Schalters 28a-28d innerhalb der elektrisch leitenden Verbindung 22 zwischen den zwei Kontaktpolen 16a, 16b der thermoelektrischen Einrichtung 14, während die Temperatur des zu temperierenden Objekts 12 höher als die Temperatur des Wärmetauschers 14 ist. In diesem Fall ist das zu temperierende Objekt 12 wärmer als der Wärmetauscher 18, sodass eine Kühlung durch den Wärmetauscher 18 erfolgen kann. Durch das Schließen des Schalters 28a-28d wird aufgrund des elektrischen Widerstandes 30 innerhalb der elektrisch leitenden Verbindung 22 zwischen den zwei Kontaktpolen 16a, 16b der thermoelektrischen Einrichtung 14 die thermische Sperrwirkung der deaktivierten thermoelektrischen Einrichtung 14 reduziert, sodass die Kühlung des zu temperierenden Objekts 12 verbessert wird.
Fig. 3a bis Fig. 3d zeigen eine H-Brückenschaltung 32 einer Einrichtung 20 zum Regeln der thermoelektrischen Einrichtung 14 in verschiedenen Schaltzuständen. Die H-Brückenschaltung umfasst insgesamt vier Schalter 28a-28d, welche jeweils auf einem der Schenkel des„H" der H- Brückenschaltung 32 angeordnet und dazu eingerichtet sind, einen Stromkreis zwischen der thermoelektrische Einrichtung 14 und einer Spannungsquelle wahlweise zu schließen oder zu öffnen und die elektrisch leitende Verbindung 22 zwischen den zwei Kontaktpolen 16a, 16b der thermoelektrischen Einrichtung 14 durch Schließen und Öffnen der Schalters 28a-28d wahlweise herzustellen oder zu trennen. Hierzu sind die Pole 34a, 34b der H-Brückenschaltung mit einer Spannungsquelle elektrisch leitend zu verbinden. Das Schließen des Stromkreises zwischen der thermoelektrische Einrichtung 14 und einer Spannungsquelle führt zum Aktivieren der thermoelektrischen Einrichtung 14. Das Öffnen des Stromkreises zwischen der thermoelektrische Einrichtung 14 und einer Spannungsquelle führt zum Deaktivieren der thermoelektrischen Einrichtung 14.
Die thermoelektrische Einrichtung 14 ist in dem querliegenden Leitungsabschnitt des„H" der H-Brückenschaltung 32 angeordnet. Die H- Brückenschaltung 32 umfasst einen elektrischen Widerstand 30, wobei die Einrichtung 20 zum Regeln der thermoelektrischen Einrichtung 14 dazu eingerichtet ist, den elektrischen Widerstand 30 in Abhängigkeit der Temperatur des zu temperierenden Objekts 12 und der Temperatur des Wärmetauschers 18 zu ändern. Der elektrische Widerstand 30 ist also variabel. Auf diese Weise kann die Minimierung der thermischen Sperrwirkung der deaktivierten thermoelektrischen Einrichtung 14 optimiert werden.
Beispielsweise kann der elektrische Widerstand 30 verringert werden, wenn die Temperatur des Objekts 12 höher als die Temperatur des Wärmetauschers 18 ist und gleichzeitig unterhalb eines Maximaltemperaturwertes, oberhalb eines Minimaltemperaturwertes und näher an dem Maximaltemperaturwert als an dem Minimaltemperaturwert liegt, oder wenn die Temperatur des Objekts 12 niedriger als die Temperatur des Wärmetauschers 18 ist und gleichzeitig unterhalb des Maximaltemperaturwertes, oberhalb des Minimaltemperaturwertes und näher an dem Minimaltemperaturwert als dem Maximaltemperaturwert liegt.
Beispielsweise kann der elektrische Widerstand 30 erhöht werden, wenn die Temperatur des Objekts 12 höher als die Temperatur des Wärmetauschers 18 ist und gleichzeitig unterhalb des Maximaltemperaturwertes, oberhalb des Minimaltemperaturwertes und näher an dem Minimaltemperaturwert als dem Maximaltemperaturwert liegt, oder wenn die Temperatur des Objekts 12 niedriger als die Temperatur des Wärmetauschers 18 ist und gleichzeitig unterhalb des Maximaltemperaturwertes, oberhalb des Minimaltemperaturwertes und näher an dem Maximaltemperaturwert als dem Minimaltemperaturwert liegt.
Die dargestellte H-Brückenschaltung erlaubt es, die von der Spannungsquelle zur Verfügung gestellte Spannung umzukehren. Um eine erste Stromflussrichtung einzustellen, sind die Schalter 28a und 28d zu öffnen und die Schalter 28b und 28c zu schließen, wie es in Fig. 3a dargestellt ist. Um eine zweite entgegengesetzte Stromflussrichtung einzustellen, sind die Schalter 28b und 28c zu öffnen und die Schalter 28a und 28d zu schließen, wie es in Fig. 3b dargestellt ist. Durch das Umschalten der Stromflussrichtung lässt sich die thermoelektrische Vorrichtung 14 zwischen dem Heizbetrieb und dem Kühlbetrieb hin und her schalten.
In einem deaktivierten Zustand der thermoelektrischen Einrichtung 14 ist der Stromkreis zwischen der thermoelektrischen Einrichtung 14 und der Spannungsquelle unterbrochen. Dies kann durch verschiedene Schaltzustände, wie beispielsweise den Schaltzuständen aus Fig. 3c und Fig. 3d erreicht werden.
Die in Fig. 4a gezeigte H-Brückenschaltung 32 entspricht teilweise der H- Brückenschaltung aus Fig. 3a bis Fig. 3d, jedoch wurde die H- Brückenschaltung 32 um einen fünften Schalter 28e erweitert, welcher parallel zu dem elektrischen Widerstand 30 geschaltet ist. Der fünfte Schalter 28e erlaubt die Bestromung der thermoelektrischen Einrichtung 14, ohne dass der Strom durch den elektrischen Widerstand 30 geleitet werden muss.
Das Regelungsschema aus Fig. 4b zeigt, dass die Schalter 28a, 28d und 28e in einen geschlossenen Zustand und die Schalter 28b und 28c in einen geöffneten Zustand zu bringen sind, wenn die Temperatur des zu temperierenden Objekts 12 größer ist als der aximaltemperaturwert für das zu temperierende Objekt 12. Durch die bezeichneten Schalterzustände wird eine Stromflussrichtung durch die thermoelektrische Einrichtung 14 eingestellt, welche zu einer Kühlung des zu temperierenden Objekts 12 durch die thermoelektrische Einrichtung 14 führt. Außerdem fließt der Strom aufgrund des geschlossenen fünften Schalters 28e nicht durch den elektrischen Widerstand 30, wodurch eine in diesem Fall unerwünschte Umwandlung von elektrischer Energie in thermische Energie durch den elektrischen Widerstand 30 vermieden wird.
Das Regelungsschema zeigt außerdem, dass die Schalter 28b und 28c in einen geschlossenen Zustand und die Schalter 28a, 28d und 28e in einen geöffneten Zustand zu bringen sind, wenn die Temperatur des zu temperierenden Objekts 12 kleiner ist als der Minimaltemperaturwert für das zu temperierende Objekt 12. Durch die bezeichneten Schalterzustände wird eine Stromflussrichtung durch die thermoelektrische Einrichtung 14 eingestellt, welche zu einer Erwärmung des zu temperierenden Objekts 12 durch die thermoelektrische Einrichtung 14 führt. Außerdem fließt der Strom aufgrund des geöffneten fünften Schalters 28e nicht durch den elektrischen Widerstand 30, wodurch eine in diesem Fall unerwünschte Umwandlung von elektrischer Energie in thermische Energie durch den elektrischen Widerstand 30 vermieden wird.
Wenn die Temperatur des zu temperierenden Objekts 12 größer oder gleich dem Minimaltemperaturwert für das zu temperierende Objekt 12 und kleiner oder gleich dem Maximaltemperaturwert für das zu temperierende Objekt 12 ist, ist weder eine aktive Kühlung noch eine aktive Erwärmung durch die thermoelektrische Einrichtung 14 notwendig, sodass nunmehr ein Stromfluss durch den elektrischen Widerstand 30 erwünscht ist, um die von der deaktivierten thermoelektrischen Einrichtung 14 verursachte thermische Sperrwirkung zu minimieren.
Die gleichzeitige Öffnung der Schalter 28a und 28c führt zu einer Unterbrechung der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den Polen 34a und 34b. Dadurch, dass die Schalter 28b und 28d geschlossen und der Schalter 28e geöffnet ist, wird der elektrische Widerstand 30 zwischen die beiden Kontaktpole 16a, 16b der thermoelektrischen Einrichtung 14 geschaltet. Die Einstellung des elektrischen Widerstandes 30 ist nun zuerst davon abhängig, ob die Temperatur des zu temperierenden Objekts 12 niedriger oder höher als die Temperatur des Wärmetauschers 18 ist.
Ist die Temperatur des zu temperierenden Objekts 12 niedriger als die Temperatur des Wärmetauschers 18, dann steigt der einzustellende Widerstandswert mit zunehmender Temperatur des zu temperierenden Objekts 12 an. Entspricht die Temperatur des zu temperierenden Objekts 12 dem Minimaltemperaturwert für das zu temperierende Objekt 12, dann ist der Minimalwiderstandswert des elektrischen Widerstands 30 einzustellen. Entspricht die Temperatur des zu temperierenden Objekts 12 dem Maximaltemperaturwert für das zu temperierende Objekt 12, dann ist der Maximalwiderstandswert des elektrischen Widerstands 30 einzustellen. Zwischen diesen Punkten entspricht der Zusammenhang zwischen der Temperatur des zu temperierenden Objekts 12 und dem einzustellenden Widerstandswert einer Linearfunktion.
Ist die Temperatur des zu temperierenden Objekts 12 höher oder gleich der Temperatur des Wärmetauschers 18, dann fällt der einzustellende Widerstandswert mit zunehmender Temperatur des zu temperierenden Objekts 12 ab. Entspricht die Temperatur des zu temperierenden Objekts 12 dem Minimaltemperaturwert für das zu temperierende Objekt 12, dann ist der Maximalwiderstandswert des elektrischen Widerstands 30 einzustellen. Entspricht die Temperatur des zu temperierenden Objekts 12 dem Maximaltemperaturwert für das zu temperierende Objekt 12, dann ist der Minimalwiderstandswert des elektrischen Widerstands 30 einzustellen. Zwischen diesen Punkten entspricht der Zusammenhang zwischen der Temperatur des zu temperierenden Objekts 12 und dem einzustellenden Widerstandswert einer Linearfunktion. Bezuqszeichen
10 Vorrichtung zum Temperieren eines Objekts
12 Objekt
14 thermoelektrische Einrichtung
16a, 16b Kontaktpole
18 Wärmetauscher
20 Einrichtung zum Regeln der thermoelektrischen Einrichtung
22 elektrisch leitende Verbindung
24a, 24b thermische Austauschflächen
26a-26e Wärmeaustauschrippen
28a-28d Schalter
30 elektrischer Widerstand
32 H-Brückenschaltung
34a, 34b Pole

Claims

Ansprüche
Verfahren zum Regeln einer thermoelektrischen Einrichtung (14), welche wärmeübertragend mit einem zu temperierenden Objekt (12) und einem Wärmetauscher (18) verbunden ist und zwei Kontaktpole (16a, 16b) zum Zuführen und/oder Abführen von elektrischer Energie umfasst, mit den Schritten:
Bereitstellen einer veränderbaren elektrisch leitenden Verbindung (22) zwischen den zwei Kontaktpolen (16a, 16b) der thermoelektrischen Einrichtung (14);
Erfassen der Wärmestromrichtung zwischen dem zu temperierenden Objekt (12) und dem Wärmetauscher (18); und Ändern des Zustands der elektrisch leitenden Verbindung (22) zwischen den zwei Kontaktpolen (16a, 16b) der thermoelektrischen Einrichtung (14) in Abhängigkeit der Wärmestromrichtung zwischen dem zu temperierenden Objekt (12) und dem Wärmetauscher (18).
Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen der Wärmestromrichtung zwischen dem zu temperierenden Objekt (12) und dem Wärmetauscher (18) zumindest einen der folgenden Schritte umfasst:
Erfassen der Temperatur des zu temperierenden Objekts (12);
Erfassen der Temperatur des Wärmetauschers (18);
wobei das Ändern des Zustands der elektrisch leitenden Verbindung (22) zwischen den zwei Kontaktpolen (16a, 16b) der thermoelektrischen Einrichtung (14) vorzugsweise in Abhängigkeit der Temperatur des zu temperierenden Objekts (12) und der Temperatur des Wärmetauschers (18) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Andern des Zustands der elektrisch leitenden Verbindung (22) zwischen den zwei Kontaktpolen (16a, 16b) der thermoelektrischen Einrichtung (14) in Abhängigkeit der Temperatur des zu temperierenden Objekts (12) und der Temperatur des Wärmetauschers (18) zumindest einen der folgenden Schritte umfasst:
Herstellen der elektrisch leitenden Verbindung (22) zwischen den zwei Kontaktpolen (16a, 16b) der thermoelektrischen Einrichtung (14) durch Schließen eines Schalters (28a-28d) innerhalb der elektrisch leitenden Verbindung (22) zwischen den zwei Kontaktpolen (16a, 16b) der thermoelektrischen Einrichtung (14);
Trennen der elektrisch leitenden Verbindung (22) zwischen den zwei Kontaktpolen (16a, 16b) der thermoelektrischen Einrichtung (14) durch Öffnen eines Schalters (28a-28d) innerhalb der elektrisch leitenden Verbindung (22) zwischen den zwei Kontaktpolen (16a, 16b) der thermoelektrischen Einrichtung (14).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren den folgenden Schritt umfasst:
Bereitstellen eines elektrischen Widerstandes (30) innerhalb der elektrisch leitenden Verbindung (22) zwischen den zwei Kontaktpolen (16a, 16b) der thermoelektrischen Einrichtung (14);
wobei das Ändern des Zustands der elektrisch leitenden Verbindung (22) zwischen den zwei Kontaktpolen (16a, 16b) der thermoelektrischen Einrichtung (14) vorzugsweise den folgenden Schritt umfasst: Andern des elektrischen Widerstandes (30) in Abhängigkeit der Temperatur des zu temperierenden Objekts (12) und/oder der Temperatur des Wärmetauschers (18).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch mindestens einen der Schritte:
Erfassen der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des zu temperierenden Objekts (12) und der Temperatur des Wärmetauschers (18);
Erfassen, ob die Temperatur des zu temperierenden Objekts (12) oder die Temperatur des Wärmetauschers (18) größer ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch zumindest einen der folgenden Schritte:
Bereitstellen eines Maximaltemperaturwertes für das zu temperierende Objekt (12);
Bereitstellen eines Minimaltemperaturwertes für das zu temperierende Objekt (12);
Ändern des Zustands der elektrisch leitenden Verbindung (22) zwischen den zwei Kontaktpolen (16a, 16b) der thermoelektrischen Einrichtung (14) in Abhängigkeit des Maximaltemperaturwertes für das zu temperierende Objekt (12) und/oder des Minimaltemperaturwertes für das zu temperierende Objekt (12);
Ändern des elektrischen Widerstandes (30) in Abhängigkeit des Maximaltemperaturwertes für das zu temperierende Objekt (12) und/oder des Minimaltemperaturwertes für das zu temperierende Objekt (12).
Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass das Ändern des elektrischen Widerstandes (30) in Abhängigkeit des Maximaltemperaturwertes für das zu temperierende Objekt (12) und/oder des Minimaltemperaturwertes für das zu temperierende Objekt (12) zumindest einen der folgenden Schritte umfasst:
Verringern des elektrischen Widerstandes (30), wenn die Temperatur des Objekts (12) höher als die Temperatur des Wärmetauschers (18) ist und gleichzeitig unterhalb des Maximaltemperaturwertes, oberhalb des
Minimaltemperaturwertes und näher an dem Maximaltemperaturwert als dem Minimaltemperaturwert liegt; Erhöhen des elektrischen Widerstandes (30), wenn die Temperatur des Objekts (12) höher als die Temperatur des Wärmetauschers (18) ist und gleichzeitig unterhalb des Maximaltemperaturwertes, oberhalb des
Minimaltemperaturwertes und näher an dem Minimaltemperaturwert als dem Maximaltemperaturwert liegt.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass das Ändern des elektrischen Widerstandes (30) in Abhängigkeit des Maximaltemperaturwertes für das zu temperierende Objekt (12) und/oder des Minimaltemperaturwertes für das zu temperierende Objekt (12) zumindest einen der folgenden Schritte umfasst:
Verringern des elektrischen Widerstandes (30), wenn die Temperatur des Objekts (12) niedriger als die Temperatur des Wärmetauschers (18) ist und gleichzeitig unterhalb des Maximaltemperaturwertes, oberhalb des
Minimaltemperaturwertes und näher an dem Minimaltemperaturwert als dem Maximaltemperaturwert liegt; Erhöhen des elektrischen Widerstandes (30), wenn die Temperatur des Objekts (12) niedriger als die Temperatur des Wärmetauschers (18) ist und gleichzeitig unterhalb des Maximaltemperaturwertes, oberhalb des Minimaltemperaturwertes und näher an dem Maximaltemperaturwert als dem Minimaltemperaturwert liegt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellen der elektrisch leitenden Verbindung (22) zwischen den zwei Kontaktpolen (16a, 16b) der thermoelektrischen Einrichtung (14) durch Schließen eines Schalters (28a-28d) innerhalb der elektrisch leitenden Verbindung (22) zwischen den zwei Kontaktpolen (16a, 16b) der thermoelektrischen Einrichtung (14) erfolgt, wenn die Temperatur des zu temperierenden Objekts (12) höher als der Maximaltemperaturwert ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass das Trennen der elektrisch leitenden Verbindung (22) zwischen den zwei Kontaktpolen (16a, 16b) der thermoelektrischen Einrichtung (14) durch Öffnen eines Schalters (28a- 28d) innerhalb der elektrisch leitenden Verbindung (22) zwischen den zwei Kontaktpolen (16a, 16b) der thermoelektrischen Einrichtung (14) erfolgt, wenn die Temperatur des zu temperierenden Objekts (12) höher ist als die Temperatur des Wärmetauschers (18) und niedriger als der Minimaltemperaturwert ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10,
gekennzeichnet durch zumindest einen der folgenden Schritte:
Aktivieren der thermoelektrischen Einrichtung (14), wenn die Temperatur des zu temperierenden Objekts (12) höher ist als die Temperatur des Wärmetauschers (18) und niedriger als der Minimaltemperaturwert ist;
Einstellen der elektrischen Stromrichtung durch die thermoelektrische Einrichtung (14) derart, dass der von der thermoelektrischen Einrichtung (14) verursachte Wärmestrom von dem Wärmetauscher (18) zu dem zu temperierenden Objekt (12) gerichtet ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11 ,
dadurch gekennzeichnet, dass das Trennen der elektrisch leitenden Verbindung (22) zwischen den zwei Kontaktpolen (16a, 16b) der thermoelektrischen Einrichtung (14) durch Öffnen eines Schalters (28a- 28d) innerhalb der elektrisch leitenden Verbindung (22) zwischen den zwei Kontaktpolen (16a, 16b) der thermoelektrischen Einrichtung (14) erfolgt, wenn die Temperatur des zu temperierenden Objekts (12) niedriger als die Temperatur des Wärmetauschers (18) und höher als der Maximaltemperaturwert ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12,
gekennzeichnet durch zumindest einen der folgenden Schritte:
Aktivieren der thermoelektrischen Einrichtung (14), wenn die Temperatur des zu temperierenden Objekts (12) niedriger als die Temperatur des Wärmetauschers (18) und höher als der Maximaltemperaturwert ist;
Einstellen der elektrischen Stromrichtung durch die thermoelektrische Einrichtung (14) derart, dass der von der thermoelektrischen Einrichtung (14) verursachte Wärmestrom von dem zu temperierenden Objekt (12) zu dem Wärmetauscher (18) gerichtet ist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellen der elektrisch leitenden Verbindung (22) zwischen den zwei Kontaktpolen (16a, 16b) der thermoelektrischen Einrichtung (14) durch Schließen eines Schalters (28a-28d) innerhalb der elektrisch leitenden Verbindung (22) zwischen den zwei Kontaktpolen (16a, 16b) der thermoelektrischen Einrichtung (14) erfolgt, wenn die Temperatur des zu temperierenden Objekts
Minimaltemperaturwert ist.
Vorrichtung (10) zum Temperieren eines Objekts (12), mit zumindest einer thermoelektrischen Einrichtung (14) mit zwei oder mehr Kontaktpolen (16a, 16b) zum Zuführen und/oder Abführen von elektrischer Energie;
zumindest einem Wärmetauscher (18), welcher wärmeübertragend mit der thermoelektrischen Einrichtung (14) verbunden ist; und
einer Einrichtung (20) zum Regeln der thermoelektrischen Einrichtung (14) mit einer veränderbaren elektrisch leitenden Verbindung (22) zwischen den zwei Kontaktpolen (16a, 16b) der thermoelektrischen Einrichtung (14);
dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (20) zum Regeln der thermoelektrischen Einrichtung (14) dazu eingerichtet ist, den Zustand der elektrisch leitenden Verbindung (22) zwischen den zwei Kontaktpolen (16a, 16b) der thermoelektrischen Einrichtung (14) in Abhängigkeit der Wärmestromrichtung zwischen dem zu temperierenden Objekt (12) und dem Wärmetauscher (18) zu ändern.
16. Vorrichtung (10) nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) dazu eingerichtet5 ist, ein Verfahren zum Regeln einer thermoelektrischen Einrichtung
(14) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 auszuführen.
17. Vorrichtung (10) nach Anspruch 15 oder 16,
dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrische Einrichtung (14)o ein Peltier-Element oder ein Seebeck-Element umfasst oder als
Peltier-Element oder als Seebeck-Element ausgebildet ist. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 15 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (18) zumindest eine Austausch-Einrichtung zum Austausch von Wärme mit der Umgebung aufweist, wobei die Austausch-Einrichtung mindestens eine der folgenden Optionen aufweist oder dadurch repräsentiert sein kann:
a) einen Fluidkanal, welcher dazu eingerichtet ist, ein Wärmeaustauschfluid aufzunehmen, wobei ein Fluid zumindest teilweise ein Gas, eine Flüssigkeit, ein Pulver, ein Granulat und/oder eine Mischung aus ein oder mehreren der genannten Bestandteile aufweisen kann;
b) eine Wärmeaustauschrippe (26a-26e), welche dazu eingerichtet ist, Wärme mit einem Wärmeaustauschfluid auszutauschen;
c) ein Wärmeleitblech;
d) eine Wärmeleitrohr;
e) einen Wärmepuffer mit einem Phasenwechselmaterial, insbesondere einer Salzlösung.
19. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 15 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (20) zum Regeln der thermoelektrischen Einrichtung (14) einen Schalter (28a-28d) aufweist, welcher dazu eingerichtet, ist einen Stromkreis zwischen der thermoelektrische Einrichtung (14) und einer Spannungsquelle wahlweise zu schließen oder zu öffnen.
20. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 15 bis 19,
dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (20) zum Regeln der thermoelektrischen Einrichtung (14) einen elektrischen Widerstand (30) innerhalb der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Kontaktpolen (16a, 16b) der thermoelektrischen Einrichtung
(14) aufweist und die Einrichtung (20) zum Regeln der thermoelektrischen Einrichtung (14) dazu eingerichtet ist, den elektrischen Widerstand (30) in Abhängigkeit der Temperatur des zu temperierenden Objekts (12) und/oder der Temperatur des Wärmetauschers (18) zu ändern.
21. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 15 bis 20,
dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (20) zum Regeln der thermoelektrischen Einrichtung (14) zumindest eine H- Brückenschaltung (32) und/oder mindestens zwei Spannungsquellen aufweist.
22. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 15 bis 21 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (20) zum Regeln der thermoelektrischen Einrichtung (14) einen Schalter (28a-28d) aufweist, welcher dazu eingerichtet ist, die elektrisch leitende Verbindung zwischen den zwei Kontaktpolen (16a, 16b) der thermoelektrischen Einrichtung (14) durch Schließen und Öffnen des Schalters (28a-28d) wahlweise herzustellen oder zu trennen.
23. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 15 bis 22,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) als Batterietemperiervorrichtung, als Getränketemperiervorrichtung oder als eine Vorrichtung zum Temperieren einer elektrischen Schaltung ausgebildet ist.
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