DE102005013926B4 - Device and method for controlling the temperature of a Temperiergutes - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur Temperaturregelung eines Temperiergutes mit einem von einem Medium (12) in einem Kreislauf durchströmten Wärmetauscher (3), welcher mit der Heiz- oder Kühlfläche eines Peltierelementes (1) gekoppelt ist und ein Anwendungstool (5) zur Aufnahme des Temperiergutes umfasst, wobei das Anwendungstool (5) mittels Verbindungsleitungen (4) an einem Einlauf und einem Auslauf in den Kreislauf integriert ist, ebenfalls vom Medium (12) durchströmt wird und eine dem Temperiergut angepasste Form aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Temperaturmesseinrichtung (10.3, 10.4) am Einlauf und am Auslauf des Anwendungstools (5) angeordnet ist.Device for regulating the temperature of a material to be tempered with a heat exchanger (3) through which a medium (12) flows in a circuit, which is coupled to the heating or cooling surface of a Peltier element (1) and comprises an application tool (5) for receiving the material to be tempered, the Application tool (5) is integrated into the circuit by means of connecting lines (4) at an inlet and an outlet, the medium (12) also flows through it and has a shape adapted to the material to be tempered, characterized in that a temperature measuring device (10.3, 10.4) on each Inlet and at the outlet of the application tool (5) is arranged.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Temperaturregelung eines Temperiergutes mit einem von einem Medium in einem Kreislauf durchströmten Wärmetauscher.The invention relates to a device and a method for controlling the temperature of a Temperiergutes with a flowed through by a medium in a heat exchanger.
Es handelt sich dabei um ein einheitliches Verfahren, bei dem mit einer Anordnung ein Temperiergut in verschiedenen Systemen, welche mit der Anordnung verbunden werden können sowohl heizen als auch kühlen zu können. Die Erfindung ist für eine Vielzahl von Anwendungen einsetzbar. Hierzu zählen insbesondere:
- 1. Anwendungen zur Herstellung pharmazeutischer oder kosmetischer Produkte durch Vervollkommnung der Herstellungstechnologien, zum Beispiel bei der Herstellung von Stoffmischungen in der Pharmazie und in der Kosmetik, die durch eine Behandlung durch eine konkrete Temperaturführung mit höherer Qualität hergestellt werden können. Dies kann beispielsweise durch Abführung von Reibungswärme bei mechanischen Mischtechnologien der Fall sein. Ferner ist auch das Verändern der Konsistenz bei verschiedenen Wärmevorbehandlungs- oder Aufschmelzvorgängen möglich, wodurch erst eine mechanische Verarbeitung ermöglicht wird.
- 2. Anwendungen in der Medizin durch definiertes Kühlen und/oder Erwärmen, zum Beispiel bei medizinischen Heiltherapien, bei denen Folgezyklen mit Kühlungs- und Erwärmungsphasen nach Vorgabe von Temperaturgradienten, analog der Wärme-Kälte-Reize der Kneippschen Wasserbehandlung, verwendet werden.
- 3. Anwendungen im Wellness-Bereich, zum Beispiel zur Hautpflege.
- 1. Applications for the production of pharmaceutical or cosmetic products by perfection of the production technologies, for example in the production of mixtures in the pharmaceutical and cosmetic, which can be prepared by a treatment by a concrete temperature control with higher quality. This can be the case, for example, by dissipating frictional heat in mechanical mixing technologies. Furthermore, it is also possible to change the consistency during various heat pretreatment or reflow processes, which first enables mechanical processing.
- 2. Applications in medicine by defined cooling and / or heating, for example in medical healing therapies, in which subsequent cycles with cooling and heating phases after the specification of temperature gradients, analogous to the heat-cold stimuli of Kneipp water treatment are used.
- 3. Applications in the wellness sector, for example for skin care.
Im Stand der Technik werden zur stationären oder zyklischen Temperaturregelung überwiegend Heizelemente eingesetzt, die auf dem Prinzip der Widerstandserwärmung beruhen, sowie Kühleinrichtungen, bei denen eine durch Kältekompressoren gekühlte Flüssigkeit verwendet wird.In the prior art, for stationary or cyclic temperature control predominantly heating elements are used, which are based on the principle of resistance heating, and cooling devices in which a cooled by refrigeration compressors liquid is used.
In
Ferner ist nach
Die
Die
Aus der
Eine Weiterentwicklung dieses Systems ist in der
Die
Aus der
Bei den bekannten Heiz- und Kühlsystemen ist nachteilig, dass eine aufwendige Regeleinrichtung erforderlich ist, um die gewünschten Effekte zu erzielen. Eine definierte Temperaturführung mit inerten Bedingungen, wie dies zum Beispiel beim Mischen von verschiedenen Stoffen für medizinische und pharmazeutische Anwendungen erforderlich ist, ist nicht bekannt.In the known heating and cooling systems is disadvantageous that a complex control device is required to achieve the desired effects. A defined temperature control with inert conditions, as required, for example, when mixing different substances for medical and pharmaceutical applications is not known.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung dahingehend zu verbessern, dass ein optimaler Wärmeübergang für wechselnde Anwendungsfälle verschiedener Formen des Temperiergutes und eine inerte Temperaturerfassung ermöglicht wird. Außerdem soll ein Verfahren zur Temperaturregelung in einer solchen Vorrichtung bereitgestellt werden.The invention has for its object to improve a generic device to the effect that an optimal heat transfer for changing applications of different forms of Temperiergutes and an inert temperature detection is possible. In addition, a method for temperature control is to be provided in such a device.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Vorrichtung, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale und mit einem Verfahren, welches die in Anspruch 17 angegebenen Merkmale enthält, gelöst.According to the invention, the object is achieved with a device which has the features specified in
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous embodiments are specified in the subclaims.
Der Peltiergenerator liefert eine der jeweiligen Anwendung thermisch angepasste Heiz- bzw. Kühlenergie. Die Wärmeübertragung vom Peltierelement zum Wärmetauscher und die Temperaturführung zu den Anwendungstools erfolgt über ein flüssiges oder gasförmiges Heiz/Kühlmittel im Umwälzprinzip. Die Anwendungstools werden über ein tropfenfreies oder gasförmig dichtes Anschlusssystem mit dem Wärmetauscher verbunden. Die Funktionscharakteristik wird durch die thermischen Eigenschaften der Baugruppen bestimmt, die regelungstechnisch über einen elektronischen, rechnergestützten Wärmemengenregler sehr genau berechnet und geregelt werden können. Durch Umpolung der Stromrichtung kann zwischen den Anwendungsarten Kühlung und Heizung gewählt werden. Die elektrische Leistung wird dem Peltierelement vorzugsweise über ein AC/DC Netzgerät, einen Akkumulator oder ein Solarmodul zugeführt. Durch definierte Kühlung der Warmseite, einen Wärmewiderstand des am Peltierelement angebrachten Kühlkörpers vorzugsweise kleiner 0.2 K/W wird die Kühlleistung optimiert. Im Falle der Heizung führt der Kühlkörper die Kühlleistung ab. Am Peltierelement ist ein Wärmetauscher so angebracht, dass ein optimaler Wärmeübergang möglich ist. Die Wärmetauscher werden je nach Regelungsprinzip in drei Ausführungen eingesetzt. Dies sind:
- – ein vorwiegend für den zyklisch geschalteten Betrieb des Peltierelementes verwendeter massereicher Wärmetauscher,
- – ein für den stationären Betrieb des Peltierelementes geeigneter massearmer Wärmetauscher und
- – ein vorwiegend für den Einsatz von genauen Festtemperaturniveaus geeigneter Latentspeicher.
- A massive heat exchanger used predominantly for the cyclically operated operation of the Peltier element,
- - A suitable for stationary operation of the Peltier element low mass heat exchanger and
- A latent storage tank which is predominantly suitable for the use of precise fixed temperature levels.
Die Wärmetauscher sollten vorteilhaft standarisiert zusammensteckbar konzipiert sein.The heat exchangers should be designed in an advantageous standardized manner.
Vorzugsweise wird das Kühl- bzw. Heizmedium über eine Umwälzpumpe bewegt und damit die Energie über Verbindungsleitungen zum Anwendungstool transportiert wird. Eine spezielle Form der Verbindungsleitungen ist die Kapillarleitung. Die Umwälzpumpe ist vorteilhaft so aufgebaut, dass der elektrische Teil thermisch vom mechanischen Pumpenteil getrennt ist, um eine thermische Beeinflussung des Kühl-/Heizmittel zu vermeiden. Die regelungstechnische Vorgabe der Kühl- und Heizenergie bietet die Möglichkeit der medizinischen Anwendungen, da Wärmemenge/Wärmeleistung und thermischer Gradient vorgegeben werden können.Preferably, the cooling or heating medium is moved via a circulation pump and thus the energy is transported via connecting lines to the application tool. A special form of the connecting lines is the capillary line. The circulation pump is advantageously constructed so that the electrical part is thermally separated from the mechanical pump part in order to avoid a thermal influence of the cooling / heating medium. The control engineering specification of the cooling and heating energy offers the possibility of medical applications, since heat quantity / heat output and thermal gradient can be specified.
Die Erfindung zeichnet sich durch eine Reihe von Vorteilen aus. Hierzu zählen insbesondere:
- 1. Durch die Verwendung von Peltierelementen als Generator sowohl von Wärme- als auch von Kälteenergie wird über einen Anwendungstool eine gute Anpassung an die erforderliche Erwärmung oder Kühlung des Temperiergutes ermöglicht. Es besteht die Möglichkeit einer dynamischen, stufenlosen Stellbarkeit der zu generierenden Wärme- und Kälteenergie. Ein Kontakt mit den stromführenden Leitern durch Keramikheiz- und – kühlplatten wird vermieden. Da die Anordnung in kleinen Abmessungen gefertigt werden kann und für die Kühlung nur ein geringer Medienaufwand erforderlich ist, ist auch ein mobiler Einsatz möglich.
- 2. Aufgrund des flächigen oder punktförmigen und formschlüssigen Kontaktes mit dem Temperiergut bzw. dessen Behältnis wird eine energetisch optimierte Wärmeübertragung gewährleistet.
- 3. Durch den optimierten Wärmeübergang kann die Temperatur des Temperiergutes durch eine stationäre Konstantregelung der Kupfer-Verteilernetztemperatur oder eines flexiblen Wärmeflächenleiters mit einer einfachen und preiswerten 2- oder 3-Punkt-Regelung geregelt werden. Hierzu ist die Messung der Kupfer-Verteilernetztemperatur oder die Messung der Vor- und Rücklauftemperatur ausreichend. Daraus ergeben sich deutliche Vorteile für eine vereinfachte Adaption des flexiblen Flächenmoduls sowie der Sicherstellung inerter Bedingungen, die in der Medizin und pharmazeutischen Industrie essentiell notwendig sind. Hierfür muss die zu regelnde Temperatur indirekt ermittelt werden.
- 1. By using Peltier elements as a generator of both heat and cold energy, a good adaptation to the required heating or cooling of the temperature-controlled material is made possible by an application tool. There is the possibility of a dynamic, stepless adjustability of the heat and cold energy to be generated. Contact with the live conductors by ceramic heating and cooling plates is avoided. Since the arrangement can be made in small dimensions and only a small amount of media is required for the cooling, a mobile use is possible.
- 2. Due to the flat or punctiform and positive contact with the Temperiergut or its container an energetically optimized heat transfer is ensured.
- 3. Due to the optimized heat transfer, the temperature of the temperature control can be controlled by a stationary constant control of copper distribution network temperature or a flexible heat transfer surface with a simple and inexpensive 2 or 3-point control. For this the measurement of the copper distribution network temperature or the measurement of the supply and return temperatures is sufficient. This results in clear advantages for a simplified adaptation of the flexible module and the assurance of inert conditions, which are essential in the medical and pharmaceutical industries. For this, the temperature to be controlled must be determined indirectly.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment. In the accompanying drawing show:
Das in
- –
Peltierelement 1 mit Kühlkörper 2 - –
Wärmetauscher 3 - – Kapillar-
Verbindungsleitungen 4 - –
Anwendungstool 5 - –
Heizregister 8
- -
Peltier element 1 withheat sink 2 - -
Heat exchanger 3 - -
Capillary connection lines 4 - -
Application Tool 5 - - Heating register
8th
Die Fluidkammer kann sowohl in Form eines massereichen Körpers ausgebildet sein, der als Wärmespeicher dient (zyklischer Betrieb), oder als ein massearmes Bauteil, das als Durchlaufkammer für ein flüssiges oder gasförmiges Medium
Die Anordnung gestattet es, unterschiedliche Anwendungstools
In
Die Regelung des Peltierelementes
Eine erste Variante besteht in der Verwendung eines Stationärreglers für zyklische Regelung. Als Stationärregler dient dabei ein 2- oder 3-Punkt-Regler, der abhängig von der Regelabweichung die Kühl- oder Heiznennleistung für das Peltierelement
Als eine kostengünstige Variante ist es auch möglich, stationäre Betriebsbedingungen durch festeingestellte Parameter ohne Regelung der Betriebstemperatur zu erreichen.As a cost-effective variant, it is also possible to achieve stationary operating conditions by fixed parameters without control of the operating temperature.
Eine
Es ist auch möglich, die Anordnung der transienten Temperaturregelung auf der Basis der Peltier-Temperaturen zu betreiben. Dabei wird durch definierte Variation der Speisespannung und somit des vom Peltierelement
Die beschriebenen Varianten zur Regelung der Wärme- und Kälteleistung sind in
Die Wärmeleistung des Peltierelementes
Die Wärmeleistung des Peltierelementes
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
Fig. 5
- Rel
- Elektrischer Widerstand des Peltierelementes
- I
- Elektrischer Strom durch das Peltierelement
- A
- Peltierelementoberfläche
- Δx
- Dicke des Peltierelements
- α
- Seebeck-Koeffizient/Thermokraft
- λ
- Wärmeleitfähigkeit, z. B. Wismut-Tellurid: 1,3 W/(K*m)
- τ
- Thompsonkoeffizient
- ΠAB
- Peltierkoeffizient
- ΔT
- Temperaturdifferenz zw. warmer und kalter Peltierelementoberfläche
- T
- Absolute Temperatur
- TW
- Absolute Temperatur der warmen Peltierelementoberfläche
- TK
- Absolute Temperatur der kalten Peltierelementoberfläche
- TCU
- Absolute Temperatur des Kupfer-Verteilernetzes
- TTG
- Absolute Temperatur des Temperiergutes
- TWTE
- Absolute Temperatur Wärmetauschereintritt
- TWTA
- Absolute Temperatur Wärmetauscheraustritt
- QKK
- Wärmekapazität Kühlkörper
- QKF
- Wärmekapazität Kühlflüssigkeit
- QTG
- Wärmekapazität Temperiergut
- RWÜK
- Wärmeübergangswiderstand Kühlflüssigkeit
- RWüL
- Wärmeübergangswiderstand Kühlluft
- RWKF
- Wärmeleitungswiderstand Kühlflüssigkeit (Wärmetauscher)
- RWTG
- Wärmeübergangswiderstand Behälter Temperiergut
- Rwcu
- Wärmeübergangswiderstand Cu-Verteilernetz
- RW
- Wärmeleitungswiderstand
- R el
- Electrical resistance of the Peltier element
- I
- Electric current through the Peltier element
- A
- Peltier element surface
- Ax
- Thickness of the Peltier element
- α
- Seebeck Coefficient / thermopower
- λ
- Thermal conductivity, z. B. bismuth telluride: 1.3 W / (K * m)
- τ
- Thompsonkoeffizient
- Π AB
- Peltier coefficient
- .DELTA.T
- Temperature difference between warm and cold Peltierelementoberfläche
- T
- Absolute temperature
- T W
- Absolute temperature of the warm Peltier element surface
- T K
- Absolute temperature of the cold Peltier element surface
- T CU
- Absolute temperature of the copper distribution network
- TG
- Absolute temperature of the temperature control material
- T WTE
- Absolute temperature heat exchanger inlet
- T WTA
- Absolute temperature heat exchanger outlet
- QKK
- Heat capacity heat sink
- Q KF
- Heat capacity of coolant
- Q TG
- Heat capacity temperature product
- R WÜK
- Heat transfer resistance coolant
- R WüL
- Heat transfer resistance cooling air
- R WKF
- Heat conduction resistance of cooling liquid (heat exchanger)
- R WTG
- Heat transfer resistance Container Temperiergut
- R wcu
- Heat transfer resistance Cu distribution network
- R W
- Heat conduction resistance
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8120 | Willingness to grant licences paragraph 23 | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20110923 |
|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |