DE1202805B

DE1202805B - Electrothermal cooling element with a cooling capacity controlled by an adjustable supply current

Info

Publication number: DE1202805B
Application number: DE1963P0032669
Authority: DE
Inventors: Klaus-Dieter Zimmermann
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1963-09-26
Filing date: 1963-09-26
Publication date: 1965-10-14

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.Electrothermal cooling element with a cooling capacity controlled by an adjustable feed current . H. a Peltier element with a cooling capacity controlled by an adjustable supply current.

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.Up to now, in order to control the cooling capacity of the cooling element, it was necessary to change the amperage of the direct or alternating feed current used. However, since the direct current supply with the usual Peltier cooling elements reaches a current strength of 10 to 20 amp.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Kälteleistung eines mit Gleichstrom gespeisten Peltier-Kühlelementes einfach und möglichst ohne Verluste zu steuern.The invention is now based on the object of the refrigeration capacity of a with direct current fed Peltier cooling element easily and as possible without losses to control.

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.The invention consists in that in an electrothermal cooling element with a cooling capacity controlled by an adjustable supply current, according to of the invention, in the supply circuit which can optionally be set in its current intensity Direct supply current is superimposed on an alternating current with a controllable current intensity. Included the ratio between direct and alternating current is expediently adjustable. By changing the amperage of the superimposed alternating current, the cooling capacity of the cooling element within certain limits easily and with good efficiency being controlled.

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.The invention is explained in more detail below using a few exemplary embodiments. It shows F i g. 1 is a diagram in which the occurring in a elektrotherinischen cooling element depend heat is gig represented by the operating current, F i g. 2 to 4 three circuit diagrams of exemplary embodiments of a cooling element with controllable cooling capacity according to the invention.

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.The F i g. 1 shows the heat balance of an electrothermal cooling element. On the cold side of the cooling element through which a direct current flows, an equilibrium is established at a certain value of this current between the Peltier cold, -r - I, the Joule heat flowing on the cold side 1/2 - K - 12 and that at a temperature gradient A T Amount of heat a - IT flowing between the warm side and the cold side from the warin side to the cold side.

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.At given material constants and semiconductor dimensions at a certain current I. "Local cooling capacities and smaller temperature differences is, the temperature difference between the cooling power of the cold side assume a maximum value. (D. E., The cold side heats up) can be adjusted by reducing or increasing the supply direct current However, as already mentioned above, controlling merely by changing the high supply direct current strength is quite costly.

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.According to the invention, direct current and alternating current are in the supply circuit effective, so that an alternating current is superimposed on the direct current supply, which is the im Semiconductor converted Joule heat and thus the temperature of the cold sides increases.

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.In FIG. 1 , the heat output P is plotted against the direct feed current. The resulting ne - ative thermal output, i. H. The cooling capacity results from the difference between the Pelterkälte ir - I and the Joule heat I # 2 - R originating from the direct feed current as well as the Joule heat Ic -,) 2 - R originating from the superimposed alternating current. The dashed curve 1 shows this difference for the case that the superimposed alternating current is equal to zero and curve 2 for the case that the superimposed alternating current has a certain value Ic-,). The cooling capacity of the cooling element can therefore be changed by changing the superimposed alternating current within the limits given by the two curves 1 and 2. I =, d. H. the operating point on curve 1, can be changed.

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 the following some feed arrangements for cooling elements are described, which allow the superimposed alternating current to be generated as simply as possible and change in size.

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.In the embodiment according to FIG. 2, the superimposed alternating current is formed by the hum component which is superimposed on the direct feed current supplied by the rectifier 3, 4 for the cooling element 5 . The size of this superimposed alternating current can, for. B. by changing the frequency of the supply voltage of the rectifier circuit 3, 4 or more simply, as shown in FIG. 2, can be changed by changing the sieve factor of the sieve chain 6, 7, 8 connected between the rectifier and the cooling element. This is e.g. B. possible that either the inductance of the filter choke 7, optionally by variable bias, or the size of the terminal capacitance of the filter chain, or, as shown, the size of the load capacitance 6 of the circuit by connecting or disconnecting individual capacitors with the help of Switches 9 or a suitable multiple switch changes.

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.Changing the charging capacity has the advantage that the direct current also changes, so the control range becomes larger. In order to prevent the switches 9 from being subjected to excessive electrical stress when connecting or disconnecting individual capacitors, the switch contacts are expediently bridged by high-value resistors (not shown in the drawing) so that the capacitors are always charged to the mean DC voltage.

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.It is also possible to capacitively, inductively or galvanically couple an alternating voltage of variable magnitude into the supply circuit of the cooling element 5, which is superimposed on the direct current supply. The F i g. 3 shows the inductive coupling of an alternating current, which can be changed by the resistor 12, from the source 11 via the transformer 10 into the DC supply circuit.

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.The F i g. 4 finally shows a feed arrangement with a controllable rectifier element 13, in which the direct current generated and the superimposed alternating current can be changed at the same time by phase control of this element.

Claims

Claims: 1. Electrothermal cooling element with a cooling capacity controlled by an adjustable feed current, characterized in that an alternating current with controllable current intensity is superimposed on the direct current feed, which is optionally adjustable in its current intensity.

2. Cooling element according to claim 1, characterized in that the superimposed alternating current consists of the hum part of a supply current rectifier arrangement. 3. Cooling element according to claim 2, characterized in that the strength of the superimposed alternating current is changed by changing the sieve factor of the rectifier circuit. 4. Cooling element according to claims 1 to 3, characterized in that the strength of the direct feed current and optionally the strength of the superimposed alternating current is changed by changing the charging capacitor (6) of the rectifier circuit. 5. Cooling element according to claim 2, characterized in that the strength of the superimposed alternating current is changed by changing the frequency of the supply voltage of the rectifier circuit. 6. Cooling element according to claim 1, characterized in that the superimposed alternating current is generated by capacitive, inductive or galvanic coupling of an alternating voltage into the direct current circuit. 7. Cooling element according to claim 1, characterized in that the direct feed current and the superimposed alternating current are generated by a rectifier operating with phase control. Considered publications: Deutsche Auslegesehrift No. 1065 863; U.S. Patent No. 413,136; World Refrigeration magazine, August 1962, p. 36; VDI magazine, issue 7, 1962, p. 330.