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DE102005013926A1 - Heating/cooling system, e.g. for temperature control of pharmaceuticals/cosmetics during mixing, has a Peltier element coupled to the heating/cooling surface - Google Patents

Heating/cooling system, e.g. for temperature control of pharmaceuticals/cosmetics during mixing, has a Peltier element coupled to the heating/cooling surface Download PDF

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DE102005013926A1
DE102005013926A1 DE200510013926 DE102005013926A DE102005013926A1 DE 102005013926 A1 DE102005013926 A1 DE 102005013926A1 DE 200510013926 DE200510013926 DE 200510013926 DE 102005013926 A DE102005013926 A DE 102005013926A DE 102005013926 A1 DE102005013926 A1 DE 102005013926A1
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cooling
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André Dipl.-Ing. Kröhnert
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Abstract

The system to heat and/or cool material which is being processed, e.g. to counter friction heat during the mixing of pharmaceutical or cosmetic products, has a medium flowing in a circuit through a heat exchanger (3). The heat exchanger has a Peltier element (1) coupled to the heating/cooling surface, i.e. mounted at the cooling surface (2), with connector lines as droplet-free connections. The heat exchanger assembly is linked to at least one application tool (5) of a flexible material with metal plug pins (4) to vary the temperature.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Beheizung und/oder Kühlung verschiedenartiger Temperiergute mit einem von einem Medium in einem Kreislauf durchströmten Wärmetauscher.The The invention relates to a method and an arrangement for heating and / or cooling various tempering good with one of a medium in one Circulation flowed through 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.
It is a uniform method, in which with an arrangement a temperature in various systems, which can be connected to the arrangement both heat and cool to be able. The invention can be used for a variety of applications. These include in particular:
  • 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 The state of the art for stationary or cyclic temperature control predominantly heating elements used, which are based on the principle of resistance heating, as well as cooling facilities, where one by refrigeration compressors chilled liquid is used.

In DE 297 20 936 U1 ist ein Gerät zur Diagnose und Therapie durch Wärmezufuhr und Wärmeentzug an Körperflächen beschrieben, bei dem ein Handgerät mit einem steuerbaren Thermokontakt vorgesehen ist. Der Thermokontakt ist mittels eines, von einer Spannungsversorgung gespeisten Peltierelements zur wahlweisen Erwärmung oder Kühlung mit einer Frequenz von einem Bruchteil eines Hertz bis zu einigen Hertz steuerbar. Die elektrischen Anschlüsse des Peltierelements ebenso wie die elektrischen Anschlüsse eines Temperaturfühlers im Thermo-Speicher sind in der Nähe des Peltierelements über eine flexible Kabelverbindung an ein Steuergerät mit der Spannungsversorgung angeschlossen.In DE 297 20 936 U1 is a device for diagnosis and therapy by heat and heat removal on body surfaces described in which a handset is provided with a controllable thermal contact. The thermal contact is controllable by means of a Peltier element fed by a power supply for selective heating or cooling with a frequency of a fraction of a hertz up to a few hertz. The electrical connections of the Peltier element as well as the electrical connections of a temperature sensor in the thermal storage are connected in the vicinity of the Peltier element via a flexible cable connection to a control unit with the power supply.

Ferner ist nach DE 299 12 217 U1 eine Weste zum Kühlen von Körperzonen bekannt, die unter Schutzanzügen getragen wird, in denen der Träger zeitweise unter großer Wärmebelastung steht. Hierbei sind Kühlzonen vorgesehen, in denen Peltierelemente angeordnet sind, welche mit einer Stromquelle, die in die Weste integriert ist, versorgt werden. Die kälteausstrahlende Seite der Peltierelemente ist zum Körper hin angebracht und die gegenüberliegende wärmeausstrahlende Seite mit einer Isolierschicht versehen, die über eine gewisse Zeit der Anwendung der Weste die Wärmeenergie speichern kann und damit die Abstrahlung in den Schutzanzug stark hemmt.It is also after DE 299 12 217 U1 a vest for cooling body zones, which is worn under protective suits, in which the wearer is temporarily under great heat load. Here, cooling zones are provided, in which Peltier elements are arranged, which are supplied with a power source which is integrated in the vest. The cold radiating side of the Peltier elements is attached to the body and the opposite heat radiating side provided with an insulating layer which can store the heat energy over a certain period of application of the vest and thus greatly inhibits the radiation in the suit.

Bei den bekannten Heiz- und Kühlsystemen ist nachteilig, dass diese für unterschiedliche Anwendungen nicht individuell dem Temperiergut angepasst werden können und somit keinen optimalen Wärmeübergang ermöglichen. 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.at the known heating and cooling systems disadvantageous that this for different applications not individually to the temperature can be adjusted and thus no optimal heat transfer enable. A defined temperature control with inert conditions, such as when mixing different fabrics for medical and pharmaceutical applications is required not known.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem ein optimaler Wärmeübergang für wechselnde Anwendungsfälle verschiedener Formen des Temperiergutes und eine inerte Temperaturerfassung ermöglicht wird.Of the Invention is based on the object, a method and an apparatus specify the type mentioned, in which an optimal heat transfer for changing use cases various forms of Temperiergutes and an inert temperature detection allows becomes.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Anordnung, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale und mit einem Verfahren, welches die in Anspruch 14 angegebenen Merkmale enthält, gelöst.According to the invention Task with an arrangement which the features specified in claim 1 and a method which is as recited in claim 14 Contains features, solved.

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, das 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.
The Peltier generator supplies one of the respective application thermally adapted heating or cooling energy. The heat transfer from the Peltier element to the heat exchanger and the temperature control to the application tools via a liquid or gaseous heating / cooling medium in Umwälzprinzip. The application tools are connected to the heat exchanger via a drop-free or gaseous tight connection system. The functional characteristics are determined by the thermal properties of the assemblies, which can be very accurately calculated and regulated by means of an electronic, computer-aided heat quantity regulator. By reversing the direction of the current, you can choose between the cooling and heating modes. The electri cal power is preferably supplied to the Peltier element via an AC / DC power supply, an accumulator or a solar module. By defined cooling of the hot side, a heat resistance of the heat sink attached to the Peltier element preferably less than 0.2 K / W, the cooling performance is optimized. In the case of heating, the heat sink dissipates the cooling capacity. On Peltier element a heat exchanger is mounted so that an optimal heat transfer is possible. Depending on the control principle, the heat exchangers are used in three versions. These are:
  • 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 advantageous standarized designed to be pluggable.

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 will the cooling or heating medium over a circulation pump moves and thus the energy over Connecting lines to the application tool is transported. A special form of the connecting lines is the capillary line. The circulation pump is advantageously constructed so that the electrical part thermally is separated from the mechanical pump part to a thermal influence of the cooling / heating medium to avoid. The control technical specification of the cooling and Heating energy offers the possibility of medical applications, since heat / heat 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.
The invention is characterized by a number of advantages. These include in particular:
  • 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 purpose, 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.The Invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment.

In der zugehörigen Zeichnung zeigen:In the associated Show drawing:

1 eine Prinzipdarstellung des kombinierten Heiz- und Kühlsystems, 1 a schematic representation of the combined heating and cooling system,

2 schematischen Aufbau eines kombinierten Heiz- und Kühlsystems mit Stecksystem, 2 schematic structure of a combined heating and cooling system with plug-in system,

3 ein kombinierten Heiz- und Kühlsystems mit einem flexiblen Anwendungstool, 3 a combined heating and cooling system with a flexible application tool,

4 ein Blockschaltbild der elektrischen Funktionsgruppen und 4 a block diagram of the electrical function groups and

5 das elektrische Ersatzschaltbild des Wärme- und Kälteleistungsreglers ohne direkte Temperaturmessung. 5 the electrical equivalent circuit diagram of the heating and cooling capacity controller without direct temperature measurement.

Das in 1 dargestellte kombinierte Heiz- und Kühlsystem besteht aus den Systemkomponenten

  • – Peltierelement 1 mit Kühlkörper 2
  • – Wärmetauscher 3
  • – Kapillar-Verbindungsleitungen 4
  • – Anwendungstool 5
  • – Heizregister 8
sowie einen Lüfter 6 und eine in der Figur nicht dargestellte Regeleinrichtung 13.This in 1 shown combined heating and cooling system consists of the system components
  • - Peltier element 1 with heat sink 2
  • - Heat exchanger 3
  • - Capillary connection lines 4
  • - Application Tool 5
  • - Heating register 8th
as well as a fan 6 and a control device, not shown in the figure 13 ,

2 zeigt ein detailliertes Beispiel. Das Heiz- und Kühlsystems enthält mindestens ein Peltierelement 1, an welches eine von einer hier nicht dargestellten Regeleinrichtung 13 vorgegebene elektrische Gleichspannung angelegt wird und somit je nach Stromrichtung Wärme- oder Kälteenergie an den Wärmetauscher abgegeben wird. Unterhalb des Peltierelementes 1 befindet sich ein Kühlkörper 2, der mit einem Lüfter 6 und einem Heizregister 8 gekoppelt ist. Die Temperatur am Wärmetauscher kann je nach Einsatz eines bestimmten Peltier-Elementes ausgehend von der Raumtemperatur-Kühlung des Kühlkörpers abgesenkt werden bzw. je nach Vorheizung des Kühlkörpers und elektrischer Umpolung bis auf die maximal zulässige Temperatur des Peltierelementes erhöht werden. Der Temperaturgradient im Aufheiz – Modus wird durch die Vorheizung bestimmt. Je nach Kühlkörper-Temperatur und Höhe der Strom/Spannungswerte können die Temperaturwerte stufenlos von –20°C–+100°C verändert werden. Vom Peltierelement 1 wird die Wärme- oder Kälteenergie an einen Wärmetauscher 3 übertragen. Der Wärmetauscher 3 ist zur Gewährleistung einer guten Energiebilanz von einem Isolierkörper 9 umgeben. Im dargestellten Fall ist der Wärmetauscher 3 eine Fluidkammer, die Bestandteil eines Hydrauliksystems ist. Das Hydrauliksystem enthält eine Fluidumwälzpumpe 7, ein Ausgleichsgefäß 11 und ein Anwendungstool 5. Das Ausgleichsgefäß 11 besteht hier aus einem durchsichtigen Behälter, der gleichzeitig als Füllstandsanzeige und zur Befüllung des Hydrauliksystems mit dem Medium 12 dient. Das Anwendungstool 5 enthält ein Kapillarsystem und ist über die tropfenfreien Steckverbindungen 4.1 und 4.2 lösbar mit dem Hydrauliksystem verbunden. Das Kapillarsystem dient dem gleichmäßigen Fluidtransport im Anwendungstool 5 und bildet ein Wärme-Verzweigungsnetz. Die gleichmäßige Flächenverteilung der Wärme- und Kälteenergie sowie die bessere Wärmeübertragung an das Temperiergut kann durch ein flexibles Kupfernetz aus Feinstlitze oder einen flexiblen Wärmeflächenleiter, das im Anwendungstool 5 integriert ist, unterstützt werden. Es sind auch Ausführungen möglich, bei denen eine punktuelle Energieübertragung vom Anwendungstool 5 auf das Temperiergut durch die Anordnung von gut wärmeleitenden Metallspitzen am Anwendungstool 5 realisiert wird. Zur Temperaturmessung sind Temperaturmessstellen 10 an den Oberflächen des Peltierelementes 1 sowie am Einlauf und am Auslauf des Anwendungstools 5 angebracht. 2 shows a detailed example. The heating and cooling system contains at least one Peltier element 1 to which one of a control device, not shown here 13 predetermined electrical DC voltage is applied and thus depending on the direction of heat or cooling energy is delivered to the heat exchanger. Below the Peltier element 1 there is a heat sink 2 that with a fan 6 and a heater 8th is coupled. The temperature at the heat exchanger can ever be lowered starting from the room temperature cooling of the heat sink after use of a certain Peltier element or increased depending on the preheating of the heat sink and electrical reversal to the maximum allowable temperature of the Peltier element. The temperature gradient in the heating mode is determined by the preheating. Depending on the heat sink temperature and the level of the current / voltage values, the temperature values can be infinitely varied from -20 ° C to + 100 ° C. From the Peltier element 1 is the heat or cold energy to a heat exchanger 3 transfer. The heat exchanger 3 is to ensure a good energy balance of an insulating body 9 surround. In the case shown, the heat exchanger 3 a fluid chamber that is part of a hydraulic system. The hydraulic system includes a fluid circulation pump 7 , a surge tank 11 and an application tool 5 , The equalizing vessel 11 here consists of a transparent container, which also serves as a level indicator and for filling the hydraulic system with the medium 12 serves. The application tool 5 contains a capillary system and is via the drop-free connectors 4.1 and 4.2 releasably connected to the hydraulic system. The capillary system is used for uniform fluid transport in the application tool 5 and forms a heat branching network. The uniform surface distribution of the heating and cooling energy as well as the better heat transfer to the temperature control material can be achieved by a flexible copper mesh made of ultrafine strands or a flexible heat transfer conductor, which can be used in the application tool 5 is integrated, supported. Embodiments are also possible in which a selective energy transfer from the application tool 5 on the Temperiergut by the arrangement of good thermal conductivity metal tips on the application tool 5 is realized. For temperature measurement are temperature measuring points 10 on the surfaces of the Peltier element 1 as well as at the inlet and outlet of the application tool 5 appropriate.

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 12 dient, mit welchen der Wärmetransport erfolgt. Bei dieser Betriebsart ist ein statischer Betrieb vorteilhaft.The fluid chamber can be formed both in the form of a massive body that serves as a heat storage (cyclic operation), or as a massearmes component that serves as a flow chamber for a liquid or gaseous medium 12 serves, with which the heat transport takes place. In this mode, a static operation is advantageous.

Die Anordnung gestattet es, unterschiedliche Anwendungstools 5 an die Fluidkammer anzuschließen. Besonders geeignet sind hierzu starre Module oder flexible Flächenmodule. Der Anschluss von starren Modulen bietet die Möglichkeit, Kühl- und Heizplatten zu realisieren auf die das Temperiergut direkt oder in Gefäße aufgesetzt wird.The arrangement allows different application tools 5 to connect to the fluid chamber. Particularly suitable for this purpose are rigid modules or flexible surface modules. The connection of rigid modules makes it possible to realize cooling and heating plates on which the temperature control material is placed directly or in vessels.

In 3 ist eine Ausführungsform mit einem elastischen Flächenmodul dargestellt. Dabei besteht das Anwendungstool 5 aus einem Verband, der um das zu erwärmende oder zu kühlende Temperiergut gelegt wird. Im Anwendungstool 5 sind eine Kapillare und ein Kupfer-Verteilernetz eingearbeitet. Durch die flexible Formanpassung des Verbandes an das Temperiergut werden optimale Wärmeübergangsbedingungen erreicht. Das elastische Flächenmodul kann vorteilhaft aus einem Kunststoff-Folienbeutel bestehen in dem die Durchflusskanäle durch Folienschweißverbindungen hergestellt sind. Das Ausgleichsgefäß 11 besteht hier aus einem dehnbaren Schlauchmaterial.In 3 an embodiment is shown with an elastic surface module. There is the application tool 5 from a dressing that is placed around the temperature to be heated or cooled. In the application tool 5 a capillary and a copper distribution network are incorporated. Due to the flexible adaptation of the form of the dressing to the tempering material optimal heat transfer conditions are achieved. The elastic surface module may advantageously consist of a plastic film bag in which the flow channels are made by film welding joints. The equalizing vessel 11 consists here of a stretchable tubing.

4 erläutert an Hand eines Blockbildes die elektrische Funktionsweise der Anordnung. Zentrales Element ist die mit den Peltierelementen 1 gekoppelte Regeleinrichtung 13, die vom Netzteil 14 versorgt wird und die Umwälzpumpe 7, das Heizregister 8 und den Kühllüfter 6 steuert. Sie ist mit einer Sicherheitsschaltung 15 zur Vermeidung gestörter Betriebsfälle, wie thermische Überlastung der Peltier Elemente, sowie mit den Temperatursensoren 10 und einer PC-Schnittstelle 16 verbunden. 4 explained on the basis of a block diagram, the electrical operation of the arrangement. The central element is the one with the Peltier elements 1 coupled control device 13 that from the PSU 14 is supplied and the circulation pump 7 , the heating register 8th and the cooling fan 6 controls. It is with a safety circuit 15 to avoid malfunctioning operating conditions, such as thermal overload of the Peltier elements, as well as with the temperature sensors 10 and a PC interface 16 connected.

Die Regelung des Peltierelementes 1 kann nach verschiedenen Methoden erfolgen.The regulation of the Peltier element 1 can be done by different methods.

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 1 stellt. Die Regelung erfolgt durch zyklisches Ein- und Ausschalten der Energiezufuhr an das Anwendungstool 5. Der Regler besteht zweckmäßigerweise aus einem Ausschaltrelais für den ersten Punkt, d. h. es erfolgt weder Heizen noch Kühlen, sowie aus zwei Umschaltschaltrelais für das Schalter der Richtungsumkehr der Speisespannung des Peltierelements 1. Die an das jeweilige Peltierelement 1 angepasste Versorgungsspannung und Strombegrenzung wird über eine separate Spannungsquelle zugeführt, was mit einem Akku, einem Solarmodul oder einem Netzgerät möglich ist.A first variant is the use of a stationary controller for cyclic control. The stationary controller is a 2- or 3-point controller which, depending on the control deviation, provides the cooling or heating output for the Peltier element 1 provides. The regulation takes place by cyclically switching the energy supply on and off to the application tool 5 , The regulator expediently consists of a switch-off relay for the first point, that is, there is neither heating nor cooling, as well as two change-over switch relay for the switch of the direction reversal of the supply voltage of the Peltier element 1 , The to the respective Peltier element 1 adapted supply voltage and current limiting is supplied via a separate power source, which is possible with a rechargeable battery, a solar module or a power supply.

Als eine kostengünstige Variante ist es auch möglich, stationäre Betriebsbedingungen durch festeingestellte Parameter ohne Regelung der Betriebstemperatur zu erreichen.When a cost-effective Variant it is also possible stationary Operating conditions due to fixed parameters without control to reach the operating temperature.

Eine 2. Variante besteht in der Echtzeitregelung mit einem Transientregler. Hierbei wird durch Messung der Kupfer-Verteilernetztemperatur oder der Temperatur des Wärmeflächenleiters der exakte Temperaturgradient an der Übergabestelle zum Temperiergut ermittelt. Durch Messung der Fluidtemperaturen am Ein- und Ausgang der Anwendungstools 5 kann die vom Temperiergut aufgenommene Wärme- und Kälteenergie errechnet werden. Mit einem vorab mit dem Temperiergut durchgeführten Kühl- oder Heizvorgang wird dessen Wärmekapazität ermittelt. Damit kann der Temperaturverlauf im Temperiergut ohne direkte Messung bestimmt und über den Speise-Wärmestrom des Peltierelementes 1 präzise geregelt werden.A second variant consists of the real-time control with a transient controller. In this case, the exact temperature gradient at the transfer point to the temperature control material is determined by measuring the copper distribution network temperature or the temperature of the thermal surface conductor. By measuring the fluid temperatures at the input and output of the application tools 5 the heat and cold energy absorbed by the temperature can be calculated. With a previously carried out with the Temperiergut cooling or Heating process determines its heat capacity. Thus, the temperature profile in Temperiergut determined without direct measurement and the feed heat flow of the Peltier element 1 be precisely regulated.

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 1 aufgenommenen elektrischen Stroms sowie durch Messung der Temperaturwerte auf der kalten und heißen Peltierelementoberfläche 1.1 und 1.2 die generierte Wärme- und Kälteenergie (Speise-Wärmestrom) ermittelt. Durch experimentelle Ermittlung der nahezu konstanten Wärmeübergangswiderstände können die Temperaturverläufe in Abhängigkeit vom Speise-Wärmestrom im voraus ermittelt werden. Hiermit wird es möglich, eine prozessorgestützte Vorsteuerung für eine gewünschte dynamische oder transienten Temperaturregelung zu realisieren.It is also possible to operate the arrangement of the transient temperature control based on the Peltier temperatures. This is done by defined variation of the supply voltage and thus of the Peltier element 1 absorbed electric current and by measuring the temperature values on the cold and hot Peltierelementoberfläche 1.1 and 1.2 the generated heating and cooling energy (feed heat flow) determined. By experimental determination of the almost constant heat transfer resistances, the temperature curves can be determined in advance as a function of the feed heat flow. This makes it possible to realize a processor-based feedforward control for a desired dynamic or transient temperature control.

Die beschriebenen Varianten zur Regelung der Wärme- und Kälteleistung sind in 5 an einem elektrischen Ersatzschaltbild erläutert, bei dem die Wärme- bzw. Kälte über einen Leistungsregler prozessorgestützt geregelt wird. Die Bestimmung der Temperatur erfolgt hier über das energetische Verhalten des Peltierelementes 1, so dass eine direkte Messung im Anwendungstool nicht erforderlich ist. Dadurch können inerte Bedingungen für medizinisch saubere Technologien ermöglicht werden, was ein grundlegender Vorteil für Anwendungen im medizinischen Bereich bedeutet.The variants described for controlling the heat and cooling capacity are in 5 explained on an electrical equivalent circuit diagram in which the heat or cold is controlled by a power controller processor-based. The determination of the temperature takes place here via the energetic behavior of the Peltier element 1 so that a direct measurement in the application tool is not required. This can enable inert conditions for medically clean technologies, which is a fundamental advantage for medical applications.

Die Wärmeleistung des Peltierelementes 1 auf der warmen Oberfläche ergibt sich aus der Beziehung

Figure 00090001
The heat output of the Peltier element 1 on the warm surface arises from the relationship
Figure 00090001

Die Wärmeleistung des Peltierelementes 1 auf der kalten Seite aus der Beziehung

Figure 00090002
The heat output of the Peltier element 1 on the cold side of the relationship
Figure 00090002

Wärmeleitungswiderstand

Figure 00090003
Heat conduction resistance
Figure 00090003

Peltierkoeffizient

Figure 00090004
Peltier coefficient
Figure 00090004

11
PeltierelementPeltier element
1.11.1
Kaltseite des Peltierelementescold side of the Peltier element
1.21.2
Warmseite des Peltierelementeswarm side of the Peltier element
22
Kühlkörperheatsink
33
Wärmetauscher/FluidkammerHeat exchanger / fluid chamber
44
Kapillar-VerbindungsleitungenCapillary connection lines
4.1, 4.24.1 4.2
Steckverbindungenconnectors
55
Anwendungstoolapplication tool
5.15.1
Kapillarsystemcapillary
66
LüfterFan
77
Umwälzpumpecirculating pump
88th
Heizregisterheater
99
Isolierkörperinsulator
1010
TemperaturmessstelleTemperature measuring point
10.110.1
Messstelle an erster Seite des Peltierelementesmeasuring point on the first side of the Peltier element
10.210.2
Messstelle an zweiter Seite des Peltierelementesmeasuring point on the second side of the Peltier element
1111
Ausgleichsgefäßexpansion tank
1212
Mediummedium
1313
Regeleinrichtungcontrol device
1414
Netzteilpower adapter
1515
Sicherheitsschaltungsafety circuit
1616
PC-SchnittstellePC interface

Legende zur 5 Legend to 5

  • Rel R el
    – Elektrischer Widerstand des Peltierelementes- Electrical resistance of the Peltier element
    II
    – Elektrischer Strom durch das Peltierelement- Electric current through the Peltier element
    AA
    – Peltierelementoberfläche- Peltier element surface
    ΔxAx
    – Dicke des Peltierelements- Thickness of the Peltier element
    αα
    – Seebeck-Koeffizient/Thermokraft- Seebeck coefficient / Thermokraft
    λλ
    – Wärmeleitfähigkeit, z. B. Wismut-Tellurid: 1,3 W/(K·m)- Thermal conductivity, z. B. bismuth telluride: 1.3 W / (K * m)
    ττ
    – Thompsonkoeffizient- Thompson coefficient
    ΠAB Π AB
    – Peltierkoeffizient- Peltier coefficient
    ΔT.DELTA.T
    – Temperaturdifferenz zw. warmer und kalter Peltierelementoberfläche- Temperature difference zw. Warmer and cold Peltier element surface
    TT
    – Absolute Temperatur- Absolute temperature
    TW T W
    – Absolute Temperatur der warmen Peltierelementoberfläche- Absolute temperature of the warm Peltier element surface
    TK T K
    – Absolute Temperatur der kalten Peltierelementoberfläche- Absolute temperature of the cold Peltier element surface
    TCU T CU
    – Absolute Temperatur des Kupfer-Verteilernetzes- Absolute temperature of the copper distribution network
    TTG TG
    – Absolute Temperatur des Temperiergutes- Absolute temperature of the temperature control material
    TWTE T WTE
    – Absolute Temperatur Wärmetauschereintritt- Absolute temperature heat exchanger inlet
    TWTA T WTA
    – Absolute Temperatur Wärmetauscheraustritt- Absolute temperature heat exchanger outlet
    QKK QKK
    – Wärmekapazität Kühlkörper- Heat capacity heat sink
    QKF Q KF
    – Wärmekapazität Kühlflüssigkeit- Heat capacity coolant
    QTG Q TG
    – Wärmekapazität Temperiergut- Heat capacity Temperiergut
    RWÜK R WÜK
    – Wärmeübergangswiderstand Kühlflüssigkeit- Heat transfer resistance coolant
    RWÜL R WÜL
    – Wärmeübergangswiderstand Kühlluft- Heat transfer resistance cooling air
    RWKF R WKF
    – Wärmeleitungswiderstand Kühlflüssigkeit (Wärmetauscher)- Heat conduction resistance of cooling liquid (heat exchanger)
    RWTG R WTG
    – Wärmeübergangswiderstand Behälter Temperiergut- Heat transfer resistance container Temperiergut
    RWCU R WCU
    – Wärmeübergangswiderstand Cu – Verteilernetz- Heat transfer resistance Cu - distribution network
    RW R W
    – Wärmeleitungswiderstand- thermal conduction resistance

Claims (16)

Anordnung zur Temperaturregelung eines Temperiergutes mit einem von einem Medium (12) in einem Kreislauf durchströmten Wärmetauscher (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (3) mit der Heiz- oder Kühlfläche eines Peltierelementes (1) gekoppelt ist und mittels Verbindungsleitungen, welche lösbare tropfenfreie Anschlussstellen aufweisen, mit mindestens einem Anwendungstool (5) verbunden ist.Arrangement for controlling the temperature of a temperature-controlled material with one of a medium ( 12 ) flowed through in a heat exchanger ( 3 ), characterized in that the heat exchanger ( 3 ) with the heating or cooling surface of a Peltier element ( 1 ) and by means of connecting lines, which have detachable drip-free connection points, with at least one application tool ( 5 ) connected is. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Verbindungsleitungen eine Umwälzpumpe (7) angeordnet ist.Arrangement according to claim 1, characterized in that in the connecting lines a circulating pump ( 7 ) is arranged. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Anwendungstool 5 aus flexiblem Material besteht.Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the application tool 5 made of flexible material. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Anwendungstool 5 zur Verbesserung der Wärmeübertragung auf oder vom Temperiergut mit einer flexiblen Wärmeleitungsfläche und/oder mit gut wärmeleitenden Metallspitzen versehen ist. 5 Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Peltierelementes (1) auf einem Kühlkörper (2) angeordnet ist.Arrangement according to claim 3, characterized in that the application tool 5 to improve the heat transfer to or from the temperature to be provided with a flexible heat conduction surface and / or with good heat conducting metal tips. 5 arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the Peltier element ( 1 ) on a heat sink ( 2 ) is arranged. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (2) mit einer Heizungs- und/oder Kühleinrichtung gekoppelt ist.Arrangement according to claim 5, characterized in that the heat sink ( 2 ) is coupled to a heating and / or cooling device. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Kreislauf ein des Mediums ein Ausgleichsgefäß (11) angeordnet ist.Arrangement according to one of claims 1 to 6, characterized in that in the circuit one of the medium, a surge tank ( 11 ) is arranged. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichsgefäß (11) als Füllstandsanzeiger und/oder als Nachfülleinrichtung dient.Arrangement according to claim 7, characterized in that the compensating vessel ( 11 ) serves as a level indicator and / or refill. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgleichsgefäß (11) ein aus dehnbarem Material bestehender Wärmetauscher (3) dient.Arrangement according to claim 7, characterized in that as compensating vessel ( 11 ) consisting of a stretchable material heat exchanger ( 3 ) serves. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung mit Temperaturmesseinrichtungen versehen ist.Arrangement according to one of claims 1 to 9, characterized that the arrangement is provided with temperature measuring means. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils mindestens eine Temperaturmesseinrichtung an der Fluidkammer und/oder am Einlauf und/oder Auslauf des Anwendungstools (5) angeordnet ist.Arrangement according to claim 10, characterized in that in each case at least one temperature measuring device to the fluid chamber and / or at the inlet and / or outlet of the application tool ( 5 ) is arranged. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Fluidkammer mit einer thermischen Isolation versehen ist.Arrangement according to one of claims 1 to 11, characterized that at least the fluid chamber with a thermal insulation is provided. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (3) als zusammensteckbare Standardanordnung ausgeführt ist.Arrangement according to one of claims 1 to 12, characterized in that the heat exchanger ( 3 ) is designed as a pluggable standard arrangement. Verfahren zur Temperaturregelung eines Temperiergutes mit einem von einem Medium (12) in einem Kreislauf durchströmten Wärmetauscher (3), dadurch gekennzeichnet, dass mit einem Peltiergenerator eine der jeweiligen Anwendung thermisch angepasste Heiz- bzw. Kühlenergie erzeugt und auf ein Anwendungstool (5) übertragen wird, wobei die vom Peltiergenerator zu erzeugende oder abzuführende Wärmemenge über einen elektronischen, rechnergestützten Wärmemengenregler berechnet und geregelt wird.Method for controlling the temperature of a temperature-controlled material with one of a medium ( 12 ) flowed through in a heat exchanger ( 3 ), characterized in that generated with a Peltier generator one of the respective application thermally adapted heating or cooling energy and an application tool ( 5 ), wherein the amount of heat to be generated or dissipated by the Peltier generator is calculated and controlled by an electronic, computer-aided heat quantity regulator. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragung vom Peltiergenerator zum Wärmetauscher (3) und zum Anwendungstool (5) über ein flüssiges oder gasförmiges Heiz-/Kühlmittel mittels einer Umwälzpumpe (7) erfolgt.A method according to claim 14, characterized in that the heat transfer from the Peltier generator to the heat exchanger ( 3 ) and the application tool ( 5 ) via a liquid or gaseous heating / cooling medium by means of a circulating pump ( 7 ) he follows. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Peltiergenerator zu erzeugende oder abzuführende Wärmeenergie über einen Wärmemengenregler geregelt wird, wobei die Regelung über das energetische Verhalten des Peltiergenerators ohne eine direkte Temperaturmessung vorgenommen wird.Method according to claim 14 or 15, characterized that the heat energy to be generated or dissipated by the Peltier generator via a heat quantity regulator is regulated, whereby the regulation over the energetic behavior of the Peltier generator without a direct temperature measurement becomes. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung als Konstantregelung der Anwendungstooltemperatur als stationäre Regelung erfolgt, wobei die Temperatur außerhalb des Mediums am Anwendungstool (5) gemessen wird.A method according to claim 14 or 15, characterized in that the control is carried out as a constant control of the application tool temperature as a stationary control, wherein the temperature outside the medium at the application tool ( 5 ) is measured.
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