DE1202805B - Elektrothermisches Kuehlelement mit einer durch einen einstellbaren Speisestrom gesteuerten Kaelteleistung - Google Patents

Description

• Elektrotherinisches Kühlelement mit einer durch einen einstellbaren Speisestrom gesteuerten Kälteleistung Die Erfindung betrifft ein elektrothennisches Kühlelement, d. h. ein Peltierelement, mit einer durch einen einstellbaren Speisestrom gesteuerten Kälteleistung.
• Bisher war es erforderlich, um die Kälteleistung des Kühlelementes zu steuern, die Stromstärke des jeweils verwendeten Speisegleichstroms oder Speisewechselstroms zu ändern. Da der Speisegleichstrom jedoch bei den üblichen Peltier-Kühlelementen bei niedriger Spannung (c"i 2 V) eine Stromstärke von 10 bis 20 Amp. erreicht, ist eine Änderung der Stromstärke von Speisegleichstrom sehr aufwendig oder mit hohen Verlusten verbunden.
• Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Kälteleistung eines mit Gleichstrom gespeisten Peltier-Kühlelementes einfach und möglichst ohne Verluste zu steuern.
• Die Erfindung besteht darin, daß bei einem elektrotherinischen Kühlelement mit einer durch einen einstellbaren Speisestrom gesteuerten Kälteleistung, gemäß der Erfindung, im Speisestromkreis dem gegebenenfalls in seiner Stromstärke einstellbaren Speisegleichstrom ein Wechselstrom mit steuerbarer Stromstärke überlagert ist. Dabei ist zweckmäßigerweise das Verhältnis zwischen Gleich- und Wechselstrom einstellbar. Durch Ändern der Stromstärke des überlagerten Wechselstromes kann die Kälteleistung des Kühlelementes innerhalb bestimmter Grenzen einfach und mit gutem Wirkungsgrad gesteuert werden.
• Die Erfindung ist im folgenden an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 ein Diagramm, in dem die in einem elektrotherinischen Kühlelement auftretende Wärme, abhän-gig vom Betriebsstrom, dargestellt ist, F i g. 2 bis 4 drei Schaltbilder von Ausführungsbeispielen eines Kühlelementes mit steuerbarer Kälteleistung gemäß der Erfindung.
• Die F i g. 1 zeigt die Wännebilanz eines elektrothermischen Kühlelementes. An der Kaltseite des von einem Gleichstrom durchflossenen Kühlelementes stellt sich bei einem bestimmten Wert dieses Stromes ein Gleichgewicht ein zwischen der Peltierkälte,-r - I, der an der Kaltseite fließenden Jouleschen Wärme 1/2 - K - 12 und der bei einem Temperaturgefälle A T zwischen der Warmseite und der Kaltseite von der Warinseite zur Kaltseite fließenden Wärmemenge a - IT.
• Bei vorgegebenen Materialkonstanten und Halbleiterabmessungen wird bei einem bestimmten Strom I."., die Temperaturdifferenz der Kühlleistung der Kaltseite einen Maximalwert annehmen. Kleinere Kühlleistungen bzw. kleinere Temperaturdifferenzen (d. h. die Kaltseite wird wärmer) lassen sich durch Verringern oder Vergrößern des Speisegleichstromes einstellen. Ein Steuern lediglich durch Ändern der hohen Speisegleichstromstärke ist jedoch, wie oben bereits erwähnt, recht aufwendig.
• Gemäß der Erfindung sind im Speisestromkreis Gleichstrom und Wechselstrom wirksam, so daß dem Speisegleichstrom ein Wechselstrom überlagert ist, der die im Halbleiter umgesetzte Joulesche Wärme und damit die Temperatur der Kaltseiten erhöht.
• In der F i g. 1 ist die Wärmeleistung P über dem Speisegleichstrom aufgetragen. Die resultierende ne.-.ative Wärmeleistung, d. h. die Kälteleistung ergibt sich aus der Differenz zwischen der Pelterkälte ir - I und der vom Speisegleichstrom herrührenden Jouleschen Wärme I # 2 - R sowie der von dem überlagerten Wechselstrom herrührenden Jouleschen Wärme Ic-,)2 - R. Die gestrichelte Kurve 1 zeigt diese Differenz für den Fall, daß der überlagerte Wechselstrom gleich Null ist und die Kurve 2 für den Fall, daß der überlagerteWechselstrom einen bestimmtenWertIc-,) hat. Die Kälteleistung des Kühlementes läßt sich also durch Ändern des überlagerten Wechselstromes innerhalb der durch die beiden Kurven 1 und 2 gegebenen Grenzen ändern. Dabei kann auch I =, d. h. der Arbeitspunkt auf der Kurve 1, verändert werden.
• Im folgenden werden einige Speiseanordnungen für Kühlelemente beschrieben, die es gestatten, den überlagerten Wechselstrom möglichst einfach zu erzeugen und in seiner Größe zu ändern.
• In dem Ausführungsbeispiel nach der F i g. 2 wird der überlagerte Wechselstrom durch den Brummanteil gebildet, der dem vom Gleichrichter 3, 4 gelieferten Speisegleichstrom für das Kühlelement 5 überlagert ist. Die Größe dieses überlagerten Wechselstromes kann z. B. durch Verändern der Frequenz der Speisespannung der Gleichrichterschaltung 3, 4 oder einfacher, wie in der F i g. 2 dargestellt, dadurch verändert werden, daß man den Siebfaktor der zwischen dem Gleichrichter und dem Kühlelement eingeschalteten Siebkette 6, 7, 8 ändert. Dies ist z. B. dadurch möglich, daß man entweder die Induktivität der Siebdrossel 7, gegebenenfalls durch veränderbare Vormagnetisierung, oder die Größe der Abschlußkapazität der Siebkette, oder, wie dargestellt, die Größe der Ladekapazität 6 der Schaltung durch Zu-oder Abschalten von einzelnen Kondensatoren mit Hilfe von Schaltern 9 oder eines geeigneten Mehrfachschalters ändert.
• Das Ändern der Ladekapazität hat den Vorteil, daß sich auch der Gleichstrom ändert, der Steuerbereich also größer wird. Um zu verhindern, daß beim Zu- oder Abschalten von einzelnen Kondensatoren die Schalter 9 elektrisch zu stark beansprucht werden, wird man zweckmäßigerweise die Schalterkontakte durch in der Zeichnung nicht dargestellte hochohmige Widerstände überbrücken, so daß die Kondensatoren stets auf die mittlere Gleichspannung aufgeladen sind.
• Weiter ist es möglich, in den Speisekreis des Kühlelementes 5 eine Wechselspannung veränderlicher Größe kapazitiv, induktiv oder galvanisch einzukoppeln, die sich dem Speisegleichstrom überlagert. Die F i g. 3 zeigt die induktive Einkopplung eines durch den Widerstand 12 veränderbaren Wechselstroms von der Quelle 11 über den Transformator 10 in den Speisegleichstromkreis.
• Die F i g. 4 zeigt schließlich eine Speiseanordnung mit einem steuerbaren Gleichrichterelement 13, bei der durch Phasenanschnittsteuerung dieses Elementes gleichzeitig der erzeugte Gleichstrom und der überlagerte Wechselstrom verändert werden können.

Claims (2)

1. Patentansprüche: 1. Elektrothermisches Kühlelement mit einer durch einen einstellbaren Speisestrom gesteuerten Kälteleistung, dadurch gekennzeichnet, daß im Speisestromkreis dem gegebenenfalls in seiner Stromstärke einstellbaren Speisegleichstrom ein Wechselstrom mit steuerbarer Stromstärke überlagert ist.
2. 2. Kühlelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der überlagerte Wechselstrom aus dem Brummteil einer Speisestrom-Gleichrichteranordnung besteht. 3. Kühlelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke des überlagerten Wechselstromes durch Verändern des Siebfaktors der Gleichrichterschaltung verändert wird. 4. Kühlelement nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke des Speisegleichstromes und gegebenenfalls die Stärke des überlagerten Wechselstromes durch Verändern des Ladekondensators (6) der Gleichrichterschaltung verändert wird. 5. Kühlelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke des überlagerten Wechselstromes durch Verändern der Frequenz der Speisespannung der Gleichrichterschaltung verändert wird. 6. Kühlelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der überlagerte Wechselstrom durch kapazitives, induktives oder galvanisches Einkoppeln einer Wechselspannung in den Gleichstromkreis erzeugt ist. 7. Kühlelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Speisegleichstrom und der überlagerte Wechselstrom durch einen mit Phasenanschnittsteuerung arbeitenden Gleichrichter erzeugt werden. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegesehrift Nr. 1065 863; USA.-Patentschrift Nr. 413 136; Zeitschrift »World Refrigeration«, August 1962, S. 36; VDI-Zeitschrift, Heft 7, 1962, S. 330.