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Dokumentenidentifikation DE102006020578A1 08.11.2007
Titel Schaltungsanordnung und Verfahren zum Betreiben eines Peltier-Moduls einer Wärmepumpe eines Hausgeräts
Anmelder BSH Bosch und Siemens Hausgeräte GmbH, 81739 München, DE
Erfinder Albayrak, Hasan Gökcer, 13469 Berlin, DE;
Grunert, Klaus, 13465 Berlin, DE;
Krüger, Sven-Stefan, 14480 Potsdam, DE;
Ludenia, Thomas, 14612 Falkensee, DE;
Steffens, Günter, 14624 Dallgow-Döberitz, DE;
Stolze, Andreas, Dr., 14612 Falkensee, DE
DE-Anmeldedatum 03.05.2006
DE-Aktenzeichen 102006020578
Offenlegungstag 08.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.11.2007
IPC-Hauptklasse D06F 58/28(2006.01)A, F, I, 20060503, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Peltier-Moduls (1) einer Wärmepumpe eines Hausgeräts, welches insbesondere zur Pflege von Wäschestücken ausgebildet ist, mit einer Mehrzahl von Peltier-Elementen (2), welche in Reihe geschaltet sind, mit einem Schaltregler (6), welcher mit einer Steuereinheit elektrisch verbunden ist, wobei die Steuereinheit zur Übertragung von Sollwerten zumindest eines Betriebsparameters des Peltier-Moduls (1) an den Schaltregler (6) ausgebildet ist und der Betrieb des Peltier-Moduls (1) abhängig von den vorgegebenen Sollwerten mittels des Schaltreglers (6) regelbar ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Peltier-Moduls.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Peltier-Moduls einer Wärmepumpe eines Hausgeräts, insbesondere eines Wäschetrockners.

Aus einem Dokument, welches am 25.11.2005 von der Internetadresse http://de.wikipedia.org/wiki/Peltier-Element herunterladbar war, ist ein Peltier-Element in Aufbau und Funktion beschrieben. Die Halbelemente dieses Peltier-Elements sind säulen- oder quaderförmig ausgebildet und bestehen aus dotierten Halbleitern als Werkstoffe. Die Halbleiter sind insbesondere Wismut-Tellurid und es kommen ein p-leitend dotierter und ein n-leitend dotierter Halbleiter zum Einsatz. Jeweils ein Halbelement aus dem p-leitend dotierten Halbleiter und ein Halbelement aus dem n-leitend dotierten Halbleiter sind jeweils an einer Seite über ein Leiterplättchen, auch als Metallbrücke bezeichnet, miteinander verbunden, und an einer anderen Seite, welcher der genannten einen Seite gegenüberliegt, über jeweils ein weiteres Leiterplättchen mit einem weiteren Halbelement oder einem Anschlusskontakt zum Anschluss des Peltier-Elements an ein elektrisches Netzwerk verbunden.

Weitere Hinweis zu Grundlagen, anwendungsbezogener Auswahl und Montage von Peltier-Elementen ergeben sich aus Dokumenten, die am 25.11.2005 von den Internet-Adressen http://www.quick-ohm.de/waerme/download/Erlaeuterung-zu-Peltierelementen.pdf und http://www.quick-ohm.de/waerme/download/Einbau.pdf herunterladbar waren.

Aus der DE 1 410 206 A ist eine Waschmaschine bekannt, in welcher Waschgut nicht nur gewaschen sondern auch getrocknet werden kann. Für die dazu erforderlichen zusätzlichen Einrichtungen zeigt die Schrift mehrere Alternativen. Insbesondere können eine elektrische Heizvorrichtung zum Erwärmen eines zur Trocknung von Waschgut eingesetzten Luftstroms und ein einfacher Wärmetauscher zum Abkühlen des erwärmten Luftstroms nach dem Beaufschlagen des Waschguts vorgesehen sein, wobei der Heizer und der Kühler aber auch zu einer Wärmepumpeneinrichtung gehören können. Die Wärmepumpeneinrichtung kann auch derartig ausgestaltet sein, dass sie mit Peltier-Elementen zur Nutzung des thermoelektrischen Effekts arbeitet.

Eine aus einem in der Datensammlung „Patent Abstracts of Japan" zur JP 08 057 194 A gehörigen englischen Kurzauszug hervorgehende Vorrichtung zum Trocknen von Waschgut, enthält in ihrem ersten Kanalsystem neben einem Heizer und einem Kühler, welche beide zu einer thermoelektrisch betreibbaren Wärmepumpeneinrichtung gehören, einen dem Kühler vorgeschalteten zusätzlichen Wärmetauscher zur Abkühlung des von dem Waschgut abgeführten Luftstroms und eine dem Heizer nachgeschaltete zusätzliche Heizeinrichtung zum weiteren Erwärmen des Luftstroms vor dem Beaufschlagen des Waschguts.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Betriebsweise des Peltier-Moduls im laufenden Betrieb des Hausgeräts zu verbessern.

Die Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung oder ein Verfahren mit den Merkmalen des jeweiligen unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstände der abhängigen Patentansprüche.

Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist zum Betreiben eines Peltier-Moduls einer Wärmepumpe eines Hausgeräts, welches insbesondere zur Pflege von Wäschestücken ausgebildet ist, ausgebildet. Das Peltier-Modul umfasst eine Mehrzahl von Peltier-Elementen, welche bevorzugt in Reihe geschaltet sind. Die Schaltungsanordnung weist einen Schaltregler auf, welcher mit einer Steuereinheit elektrisch verbunden ist, wobei die Steuereinheit zur Übertragung von Sollwerten zumindest eines Betriebsparameters des Peltier-Moduls an den Schaltregler ausgebildet ist, und der Betrieb des Peltier-Moduls abhängig von den vorgegebenen Sollwerten mittels des Schaltreglers einstellbar, insbesondere regelbar ist. Die Schaltungsanordnung ermöglicht eine sehr exakte Betriebsweise des Peltier-Moduls.

Die Betriebsparameter sind bevorzugt eine elektrische Spannung und ein elektrischer Strom. Das Peltier-Modul ist vorzugsweise mit einer Netzspannung versorgbar, wobei eine Schaltfrequenz des Schaltreglers oder eine Pulsweitenmodulation des Ausgangssignals des Schaltreglers auf die Frequenz der Netzspannung synchronisiert ist. Dadurch kann eine aktive Power-Faktor-Korrektur erreicht werden und eine Netzrückwirkung verhindert werden.

Die Schaltungsanordnung umfasst bevorzugt eine Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation zwischen dem Schaltregler und der Steuereinheit, welche auch als eine extern angeordnete Steuereinheit ausgebildet sein kann.

Das Peltier-Modul ist vorzugsweise situationsabhängig mittels Umschaltern von der Energieversorgung trennbar. Dadurch können verschiedene Betriebsphasen des Peltier-Moduls generiert werden, in denen wiederum verschiedene Betriebsparameter erfasst werden können. Insbesondere können aus diesen Betriebsparametern Feuchtegrade der Wäschestücke ermittelt werden und davon abhängig der weitere Trocknungsprozess eingestellt werden. Die Betriebsweise kann dadurch energiereduziert erfolgen.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Peltier-Moduls einer Wärmepumpe eines Hausgeräts, welches insbesondere zur Pflege von Wäschestücken ausgebildet ist, bei dem das Peltier-Modul eine Mehrzahl von Peltier-Elementen umfasst, welche bevorzugt in Reihe geschaltet werden, wird ein Schaltregler einer Schaltungsanordnung zum Betreiben des Peltier-Moduls mit einer Steuereinheit elektrisch verbunden und werden Sollwerte zumindest eines Betriebsparameters des Peltier-Moduls von der Steuereinheit an den Schaltregler übertragen, wobei der Betrieb des Peltier-Moduls abhängig von den vorgegebenen Sollwerten mittels des Schaltreglers eingestellt, insbesondere geregelt wird.

Vorzugsweise werden eine lastseitige Ausgangsspannung oder ein lastseitiger Ausgangsstrom abhängig von den vorgegebenen Sollwerten eingestellt. Weiter vorzugsweise werden eine Schaltfrequenz des Schaltreglers oder eine Pulsweitenmodulation des Ausgangssignals des Schaltreglers auf die Frequenz der Netzspannung, welche zur Versorgung des Peltier-Moduls bereitgestellt wird, synchronisiert. Die Sollwerte und Istwerte der Betriebsparameter zwischen dem Schaltregler und der Steuereinheit werden bevorzugt über eine Kommunikationsschnittstelle ausgetauscht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung entsprechen vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Schaltungsanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; und

2 eine Schaltungsanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

In der 1 ist schematisch ein Peltier-Modul 1 veranschaulicht, welches zur Verwendung in einer Peltier-Wärmepumpe für einen Wäschetrockner dienen soll. Das Peltier-Modul 1 umfasst in Reihe geschaltete Peltier-Elemente 2. Es sind vorliegend zwölf Peltier-Elemente 2 gezeigt, wobei das Peltier-Modul 1 jedoch nicht auf diese Zahl festgelegt ist. Die Anzahl der Peltier-Elemente 2 und deren Betriebswerte sind gemeinsam so ausgelegt, dass die Reihenanordnung der Peltier-Elemente 2 mit einer Spannung betrieben werden kann, die sich bei Gleichrichtung der Netzspannung ergibt. Es ist auch ein Peltier-Modul 1 mit mehr als einer hier gezeigten Reihenanordnung möglich, wobei die einzelnen Reihenanordnungen üblicherweise parallel zueinander angeordnet werden.

Zur Erzeugung der gleichgerichteten Netzspannung wird zunächst die herkömmliche Netzspannung von 120 V oder 230 V Wechselspannung (120 VAC/230 VAC) bereitgestellt, wobei hier schematisch die Anschlüsse L und N gezeigt sind. Die Wechselspannung wird von einem Netzgleichrichter 3 gleichgerichtet, der einen herkömmlichen Aufbau aufweist. Zur Stabilisierung der gleichgerichteten Netzspannung ist ein Kondensator 5a als Puffer parallel zu den gleichstromseitigen Anschlüssen des Netzgleichrichters 3 geschaltet. Zur Begrenzung des netzseitigen Kondensatorladestroms ist dem Kondensator 5a des Schaltungsteils 5 ein strombegrenzendes Element 4a, beispielsweise ein NTC-Widerstand, in einem Schaltungsteil 4 vorgeschaltet. Das strombegrenzende Element 4a wird nach dem Ladevorgang über einen Schalter 4b, beispielsweise ein Relais, überbrückt.

In dem Schaltungsteil 5 können eine Netzstrommessung und eine Netzspannungsmessung erfolgen, wobei der Schaltungsteil 5 mit einem Schaltregler 6 elektrisch verbunden ist, und die Messwerte an den Schaltregler 6 zum Auswerten und weiteren Verarbeiten übertragbar sind. Der Schaltregler 6 kann als Mikroprozessor ausgebildet sein.

Der Schaltregler 6 ist mit einer Kommunikationsschnittstelle 7, über welche Sollwerte verschiedener Parameter übertragbar sind, elektrisch verbunden. Der Schaltregler 6 ist zur Kommunikation mit einer externen Steuer- und/oder Kontrolleinheit (nicht dargestellt) über die Schnittstelle 7 ausgebildet.

Darüber hinaus umfasst die Schaltungsanordnung einen Schaltungsteil 10, welcher zur Messung der elektrischen Leistungsaufnahme und insbesondere des Stroms und der Spannung am Peltier-Modul 1 ausgebildet ist. Der Schaltungsteil 10 ist mit einem Strom- und Spannungsmesswandler 11 elektrisch verbunden, welcher wiederum mit dem Schaltregler 6 elektrisch verbunden ist. Des Weiteren umfasst der Schaltungsteil 10 einen Kondensator 9.

Ferner umfasst die Schaltungsanordnung zwei Umschalter 12, welche als Relais ausgebildet sein können. Mit Hilfe der Umschalter 12 kann die gleichgerichtete Netzspannung von dem Peltier-Modul 1 getrennt und das Peltier-Modul 1 an eine Innenraumbeleuchtung 14 des Wäschetrockners geschaltet werden. Für die Innenraumbeleuchtung 14 sind hier schematisch vier Leuchtdioden und ein zusätzlicher, zu den Leuchtdioden in Reihe geschalteter Widerstand veranschaulicht. Anstelle der Innenraumbeleuchtung 14 können die Umschalter 12 auch eine Umschaltung zu einem anderen Verbraucher, zum Beispiel einem weiteren Sensor, einer weiteren Messeinrichtung, einer Steuerung, einem Anzeigeelement oder dergleichen, allein oder in Kombination mit einem anderen Verbraucher, bewirken. Bevorzugt und zweckmäßig ist eine derartige Messeinrichtung in die Hauptsteuerung umfassend den Schaltregler 6 des Wäschetrockners integriert. Die Umschalter 12 werden durch den Schaltregler 6 geschaltet.

Am Peltier-Modul 1 ist ein PTC-Widerstand 13 als Temperatursensor 13 angeordnet. Abhängig von den von diesem Temperatursensor 13 detektierten Messwerten kann ein wechselstromseitiger Schalter 15 betätigt werden, wodurch abhängig von der Schalterstellung das gesamte Peltier-Modul 1 abgeschaltet werden kann.

Des Weiteren ist am Peltier-Modul 1 ein NTC-Widerstand 16 angeordnet, welcher ebenfalls zur Temperaturermittlung ausgebildet ist und die detektierten Messwerte an den Schaltregler 6 überträgt.

Die Schaltungsanordnung umfasst des Weiteren eine Schaltungsteil 17 mit einer Treiberschaltung 17a und einem Transistor T1. Darüber hinaus sind eine Drossel 18 sowie eine Diode 19 vorgesehen.

Soll nun in einem Wäschetrockner ein Trocknungsprozess durchgeführt werden und sollen Wäschestücke, welche in einen Behälter des Wäschetrockners eingebracht sind, getrocknet werden, so wird zunächst eine erste Betriebsphase des Wäschetrockners eingestellt, wobei in dieser ersten Betriebsphase das Peltier-Modul 1 einer Wärmepumpe des Wäschetrockners mit Energie versorgt wird. Dazu ist das Peltier-Modul 1 mit der gleichgerichteten Netzspannung verbunden, wobei dazu die Umschalter 12 entsprechend geschaltet sind. Zum Ermitteln charakteristischer Parameter und Größen für den Trocknungsprozess der Wäschestücke wird nachfolgend zu vorgebbaren Phasen des Trocknungsprozesses eine zweite Betriebsphase eingestellt, wozu das Peltier-Modul 1 von der Energieversorgung getrennt wird, indem die Umschalter 12 entsprechend geschaltet werden. In dieser zweiten Betriebsphase werden die Temperaturen einer Kaltseite und einer Warmseite des Peltier-Moduls 1 bestimmt. Dazu wird die nach der Trennung von der Energieversorgung vom Peltier-Modul 1 erzeugte Thermospannung gemessen, aus welcher die Temperaturdifferenz zwischen der Kaltseite und der Warmseite des Peltier-Moduls 1 in dem Schaltregler 6 ermittelt wird. Des Weiteren wird über den NTC-Widerstand 16 eine örtliche Temperatur des Peltier-Moduls 1 bestimmt, welche vorliegend die Temperatur der Warmseite des Peltier-Moduls 1 darstellt.

Aus der bestimmten Temperaturdifferenz und der örtlichen Temperatur an der Warmseite des Peltier-Moduls 1 kann dann die örtliche Temperatur der Kaltseite des Peltier-Moduls 1 berechnet werden.

Nachdem diese Temperaturwerte ermittelt sind, wird das Peltier-Modul 1 wieder mit der Energieversorgung verbunden, indem die Umschalter 12 entsprechend geschaltet werden und dadurch wieder die erste Betriebsphase des Wäschetrockners und des Peltier-Moduls 1 eingestellt wird. In dieser wiedereingestellten ersten Betriebsphase wird dann die Leistungsaufnahme des Peltier-Moduls 1 nach dem Verbinden von diesem mit der Energieversorgung bis zum Einstellen eines Soll-Arbeitspunkts des Peltier-Moduls 1 gemessen. Mit den Informationen über die gemessene Leistungsaufnahme und die gemessenen und ermittelten Temperaturen an der Warmseite und der Kaltseite des Peltier-Moduls 1 kann in dem Schaltregler 6 eine während des bisher fortgeschrittenen Trocknungsprozesses bereits aus den Wäschestücken auskondensierte Feuchte bestimmt werden. In dem Schaltregler 6 sind dazu Kennlinien und/oder Berechnungsmodelle abgelegt, welche eine Ermittlung dieser auskondensierten Feuchte ermöglichen. Aus dieser auskondensierten Feuchte kann dann ebenfalls in dem Schaltregler 6 die in den Wäschestücken noch verbliebene Feuchte bestimmt werden. Des Weiteren sind in diesem Schaltregler 6 Referenz-Feuchten in Abhängigkeit von der momentanen Phase eines Trocknungsprozesses abgelegt. Die ermittelte verbliebene Feuchte in den Wäschestücke wird dann mit der Referenz-Feuchte verglichen, wobei die Referenz-Feuchte die in den Wäschestücken verbliebene Feuchte charakterisiert, welche zu dem momentanen Zeitpunkt der erreichten Phase des Trocknungsprozesses erreicht sein sollte. Abhängig von dem Vergleich wird der weitere Trocknungsprozess gesteuert.

Über die Kommunikationsschnittstelle 7 ist der Schaltregler 6 mit einer externen Steuer- und Kontrolleinheit (nicht dargestellt) verbunden. Diese Steuer- und Kontrolleinheit überträgt Sollwerte für einen Betriebsparameter, beispielsweise die Leistung und/oder den Strom und/oder die Spannung des Peltier-Moduls 1 an den Schaltregler 6. Abhängig von diesen Sollwerten regelt der Schaltregler 6 die lastseitige Ausgangsspannung und dadurch die Betriebsweise des Peltier-Moduls 1. Die Kommunikationsschnittstelle 7 ist zur bidirektionalen Kommunikation zwischen dem Schaltregler 6 und der externen Einheit ausgebildet.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung ist in 2 gezeigt. Auch diese Schaltung ist dazu geeignet, die oben erläuterten Parameter zu messen und auszuwerten und eine Steuerung des Peltier-Moduls 1 davon abhängig im Hinblick auf einen optimierten Trocknungsprozess durchzuführen. Auch hier ist eine nicht dargestellte externe Steuer- und Kontrolleinheit vorgesehen, welche mit dem Schaltregler 6 zum Austausch von Soll- und Istwerten von Betriebsparametern über die Kommunikationsschnittstelle 7 kommuniziert.

Das Hausgerät kann auch als Geschirrspüler mit einer Wärmepumpe und einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung ausgebildet sein.


Anspruch[de]
Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Peltier-Moduls (1) einer Wärmepumpe eines Hausgeräts, welches insbesondere zur Pflege von Wäschestücken ausgebildet ist, mit einer Mehrzahl von Peltier-Elementen (2), gekennzeichnet durch einen Schaltregler (6), welcher mit einer Steuereinheit elektrisch verbunden ist, wobei die Steuereinheit zur Übertragung von Sollwerten zumindest eines Betriebsparameters des Peltier-Moduls (1) an den Schaltregler (6) ausgebildet ist, und der Betrieb des Peltier-Moduls (1) abhängig von den vorgegebenen Sollwerten mittels dem Schaltregler (6) einstellbar ist. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei welcher die Betriebsparameter eine Spannung oder ein Strom sind. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher das Peltier-Modul (1) mit einer Netzspannung versorgbar ist, wobei die Schaltfrequenz des Schaltreglers (6) oder eine Pulsweitenmodulation des Ausgangssignals des Schaltreglers (6) auf eine Frequenz der Netzspannung synchronisierbar ist. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher eine Kommunikationsschnittstelle (7) zur Kommunikation zwischen dem Schaltregler (6) und der Steuereinheit, insbesondere einer extern angeordneten Steuereinheit, ausgebildet ist. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das Peltier-Modul (1) situationsabhängig mittels Umschaltern (12) von der Energieversorgung trennbar ist. Verfahren zum Betreiben eines Peltier-Moduls (1) einer Wärmepumpe eines Hausgeräts, welches insbesondere zur Pflege von Wäschestücken ausgebildet ist, bei dem das Peltier-Modul (1) eine Mehrzahl von Peltier-Elementen (2) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaltregler (6) einer Schaltungsanordnung zum Betreiben des Peltier-Moduls mit einer Steuereinheit elektrisch verbunden wird und Sollwerte zumindest eines Betriebsparameters des Peltier-Moduls (1) von der Steuereinheit an den Schaltregler (6) übertragen werden, wobei der Betrieb des Peltier-Moduls (1) abhängig von den vorgegebenen Sollwerten mittels des Schaltreglers (6) eingestellt wird. Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem eine lastseitige Ausgangsspannung oder ein lastseitiger Ausgangsstrom abhängig von den vorgegebenen Sollwerten eingestellt wird. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei welchem eine Schaltfrequenz des Schaltreglers (6) oder eine Pulsweitenmodulation des Ausgangssignals des Schaltreglers (6) auf eine Frequenz der Netzspannung, welche zur Versorgung des Peltier-Moduls (1) bereitgestellt wird, synchronisiert wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei welchem die Sollwerte und Istwerte der Betriebsparameter zwischen dem Schaltregler (6) und der Steuereinheit über eine Kommunikationsschnittstelle (7) übertragen werden.






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