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Dokumentenidentifikation DE102006023451A1 22.11.2007
Titel Schaltungsanordnung und Verfahren zum Betreiben eines Peltier-Moduls einer Wärmepumpe eines Hausgeräts
Anmelder BSH Bosch und Siemens Hausgeräte GmbH, 81739 München, DE
Erfinder Steffens, Günter, 14624 Dallgow-Döberitz, DE;
Stolze, Andreas, Dr., 14612 Falkensee, DE;
Albayrak, Hasan Gökcer, 13469 Berlin, DE;
Grunert, Klaus, 13465 Berlin, DE;
Krüger, Sven-Stefan, 14480 Potsdam, DE;
Sattler, Guido, 14612 Falkensee, DE
DE-Anmeldedatum 18.05.2006
DE-Aktenzeichen 102006023451
Offenlegungstag 22.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.11.2007
IPC-Hauptklasse D06F 58/28(2006.01)A, F, I, 20060518, B, H, DE
IPC-Nebenklasse A47L 15/48(2006.01)A, L, I, 20060518, 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 an Peltier-Elementen (2), wobei das Peltier-Modul (1) zumindest zwei Peltier-Gruppen (1a, 1b, 1c, 1d) aufweist, von denen jede zumindest ein Peltier-Element umfasst, und ein Multiphasenspannungsregler (6, 7, 8, 9) angeordnet ist, welcher mit den Peltier-Gruppen (1a, 1b, 1c, 1d) elektrisch verbunden ist und zur separaten Spannungsregelung der einzelnen Peltier-Gruppen (1a, 1b, 1c, 1d) ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines Peltier-Moduls (1) einer Wärmepumpe eines Hausgeräts.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Peltier-Moduls eines Hausgeräts zur Pflege von Wäschestücken, 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, den Betrieb eines Peltier-Moduls einer Wärmepumpe eines Hausgeräts zu verbessern.

Die Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung, welche die Merkmale nach Patentanspruch 1 aufweist, und ein Verfahren, welches die Merkmale nach Patentanspruch 4 aufweist, gelöst.

Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist zum Betreiben eines Peltier-Moduls einer Wärmepumpe eines Hausgeräts, welches insbesondere zur Pflege von Wäschestücken ausgebildet ist, konzipiert. Das Peltier-Modul weist eine Mehrzahl an Peltier-Elementen auf, wobei zumindest zwei Peltier-Gruppen vorgesehen sind, von denen jede zumindest ein Peltier-Element umfasst. Die Schaltungsanordnung umfasst des Weiteren einen Multiphasenspannungsregler, welcher mit den Peltier-Gruppen elektrisch verbunden ist und zur separaten Spannungsregelung der einzelnen Peltier-Gruppen ausgebildet ist. Dies ermöglicht einen reduzierten Leistungsverbrauch des Peltier-Moduls.

Vorzugsweise ist das Peltier-Modul im Vergleich zu einem Peltier-Modul ohne Peltier-Gruppen mit einer geringeren Betriebsspannung betreibbar. Die Betriebsspannung des Peltier-Moduls ist bevorzugt eine Gleichspannung kleiner 120 V, insbesondere kleiner 70 V, insbesondere etwa 60 V.

Vorzugsweise umfasst die Schaltungsanordnung erste Mittel, mit welchen in einer ersten Betriebsphase des Peltier-Moduls zumindest ein erster Betriebsparameter des Peltier-Moduls erfassbar ist, und zweite Mittel, mit welchen in einer zweiten Betriebsphase des Peltier-Moduls zumindest ein zweiter Betriebsparameter des Peltier-Moduls erfassbar ist, und einen Schaltregler, mit welchem aus den erfassten Betriebsparametern Feuchtegrade der in dem Hausgerät eingebrachten und zu trocknenden Gegenstände, insbesondere Wäschestücke, ermittelbar sind und abhängig davon der weitere Betriebsprozess steuerbar ist. Informationen des Peltier-Moduls können dadurch zum weiteren Einstellen des Betriebsprozesses des Hausgeräts und insbesondere des Peltier-Moduls verwendet werden, wodurch eine exaktere Steuerung möglich ist.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Peltier-Moduls einer Wärmepumpe eines Hausgeräts, welches insbesondere zur Pflege von Wäschestücken ausgebildet ist und eine Mehrzahl an Peltier-Elementen aufweist, wird das Peltier-Modul zumindest in zwei Peltier-Gruppen unterteilt, von denen jede zumindest zwei Peltier-Elemente umfasst, wobei die jeweiligen Peltier-Gruppen separat durch einen Multiphasenspannungsregler spannungsversorgt werden.

Das Peltier-Modul wird bevorzugter Weise im Vergleich zu einem Peltier-Modul ohne Peltier-Gruppen mit einer geringeren Betriebsspannung betrieben. Vorzugsweise wird das Peltier-Modul mit einer Gleichspannung kleiner 120V, insbesondere kleiner 70 V, insbesondere etwa 60 V, versorgt.

In einer ersten Betriebsphase eines Peltier-Moduls einer Wärmepumpe des Hausgeräts wird vorzugsweise zumindest ein erster Betriebsparameter des Peltier-Moduls und in einer zweiten Betriebsphase zumindest ein zweiter Betriebsparameter des Peltier-Moduls erfasst, wobei abhängig von diesen erfassten Betriebsparametern Feuchtegrade von im Hausgerät zu trocknenden Gegenständen, insbesondere Wäschestücken, bestimmt werden und abhängig davon der weitere Betriebsprozess eingestellt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Die einzige 1 zeigt einen Schaltplan einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

In der 1 ist schematisch ein Peltier-Modul 1 veranschaulicht, welches zur Verwendung in einer Peltier-Wärmepumpe für ein als Wäschetrockner ausgebildetes Hausgerät dienen soll. Das Peltier-Modul 1 umfasst im Ausführungsbeispiel viermal drei in Reihe geschaltete Peltier-Elemente 2, zusammen also zwölf Peltier-Elemente 2; das Peltier-Modul 1 ist jedoch nicht auf diese Zahl festgelegt ist.

Zur Erzeugung der gleichgerichteten Netzspannung wird zunächst diese als übliche Wechselspannung mit 120 V oder 230 V (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 Spannung ist ein Kondensator 4 als Puffer vorgesehen und parallel zu den gleichstromseitigen Anschlüssen des Netzgleichrichters 3 geschaltet.

In einem auf den Kondensator 4 folgenden Schaltungsteil 5 erfolgen eine Netzstrommessung und eine Netzspannungsmessung, wobei der Schaltungsteil 5 mit einem Schaltregler 6 elektrisch verbunden ist und die Messwerte an den Schaltregler 6 zum Auswerfen und weiteren Verarbeiten übertragbar sind. Der Schaltregler 6 kann als Mikroprozessor ausgebildet sein. Des Weiteren umfasst die Schaltungsanordnung eine Treiberschaltung 7, einen Schaltungsteil 8 und einen Spannungsmesswandler 9, welche neben dem Schaltregler 6 einem Multiphasenspannungsregler zugeordnet sind.

Der Schaltregler 6 kann darüber hinaus über eine Kommunikationsschnittstelle (nicht dargestellt), über welche Sollwerte und Istwerte verschiedener Parameter, insbesondere des Peltier-Moduls 1, übertragbar sind, mit einer externen Steuer- und Kontrolleinheit (nicht dargestellt) elektrisch verbunden sein.

Am Peltier-Modul 1 ist ein Temperatursensor 10, vorliegend ein PTC-Widerstand, angeordnet. Abhängig von den von diesem Temperatursensor 10 detektierten Messwerten kann ein wechselstromseitiger Schalter 13 mittels einem Relaisansteuerkreis 12 betätigt werden, wodurch abhängig von der Schalterstellung das gesamte Peltier-Modul 1 ausgeschaltet wird.

Des Weiteren ist am Peltier-Modul 1 ein NTC-Widerstand 11 angeordnet, welcher ebenfalls zur Temperaturermittlung ausgebildet ist und die detektierten Messwerte an den Schaltregler 6 überträgt.

Soll nun in einem Wäschetrockner ein Trocknungsprozess durchgeführt werden und Wäschestücke, welche in einen Behälter des Wäschetrockners eingebracht sind, getrocknet werden, so wird im Ausführungsbeispiel 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 Transistoren 8a und 8b 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, wobei dazu das Peltier-Modul 1 von der Energieversorgung getrennt wird, indem die Transistoren 8a und 8b 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 11 eine örtliche Temperatur des Peltier-Moduls 1 bestimmt, welche insbesondere die Temperatur der Warmseite oder eine mittlere Temperatur des Peltier-Moduls 1 darstellt.

Aus der bestimmten Temperaturdifferenz und der örtlichen Temperatur des Peltier-Moduls 1 kann dann die Temperatur der Kaltseite des Peltier-Moduls 1 sowie, falls noch nicht vorliegend, der Warmseite des Peltier-Moduls 1, berechnet werden.

Nachdem diese Temperaturen ermittelt sind, wird das Peltier-Modul 1 wieder mit der Energieversorgung verbunden, indem die Transistoren 8a und 8b entsprechend geschaltet werden und dadurch wieder die erste Betriebsphase des Wäschetrockners und des Peltier-Moduls 1 eingestellt wird. In dieser wieder eingestellten 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.

Das Peltier-Modul 1 umfasst vorliegend vier Peltier-Gruppen 1a, 1b, 1c und 1d, von denen jede mehrere Peltier-Elemente, vorliegend jeweils drei Peltier-Elemente 2, aufweist. Die Peltier-Gruppen 1a bis 1d sind als separate Komponenten ausgebildet und mit einem Multiphasenspannungsregler, welcher den Schaltregler 6, die Treiberschaltung 7, den Schaltungsteil 8 mit den Schalttransistoren 8a und 8b, sowie den Spannungsmesswandler 9 umfasst. Grundsätzlich kann jede Peltier-Gruppe 1a, 1b, 1c und 1d nur ein einziges Peltier-Element umfassen; es dient allerdings einer wünschenswerten Einfachheit der Schaltungsanordnung, jeweils mehrere Peltier-Elemente in einer Peltier-Gruppe zusammenzufassen. Dabei ist es von besonderem Vorteil, jeweils solche Peltier-Elemente zusammenzufassen, die in dem Peltier-Modul 1 unter weitgehend gleichen Bedingungen betrieben werden.

Jede der Peltier-Gruppen 1a bis 1d ist dabei separat durch den Multiphasenspannungsregler mit einer entsprechenden Spannung versorgbar. Dazu können die Transistoren 8a und/oder 8b entsprechend angesteuert werden, wodurch eine angelegte und gleichgerichtete Netzspannung an die separaten Peltier-Gruppen 1a bis 1d übertragen wird.

Das Peltier-Modul 1 ist im Vergleich zu einem herkömmlichen Peltier-Modul, welches keine Gruppierung und somit keine Peltier-Gruppen aufweist, mit einer geringeren Betriebsspannung betreibbar. Im Ausführungsbeispiel ist die Betriebsspannung eine Gleichspannung mit etwa 60 V.

Die Schaltungsanordnung gemäß 1 ist derart konzipiert, dass das Peltier-Modul 1 in einer ersten Betriebsphase und in einer zweiten Betriebsphase betreibbar ist. In einer ersten Betriebsphase ist das Peltier-Modul energieversorgt und somit über den Multiphasenspannungsregler 6, 7, 8 und 9 durch eine entsprechende Schaltung der Transistoren 8a und 8b mit der Netzspannung verbunden. In dieser Betriebsphase kann als Betriebparameter die elektrische Leistungsaufnahme des Peltier-Moduls 1 oder die Leistungsaufnahme der einzelnen Peltier-Gruppen 1a bis 1d bestimmt werden.

In einer zweiten Betriebsphase des Peltier-Moduls 1 wird dieses von der Netzspannung entkoppelt, in dem die Transistoren 8a und 8b entsprechend geschaltet werden. In dieser zweiten Betriebsphase werden als Betriebsparameter die Temperaturdifferenz zwischen der Kaltseite und der Warmseite des Peltier-Moduls 1 aus einer auf Grund des Seebeck-Effekts erzeugten Thermospannung des Peltier-Moduls 1 mittels des Spannungsmesswandlers 9 bestimmt. Die Temperatur der Kaltseite des Peltier-Moduls 1 wird dann aus dieser gewonnenen Temperaturdifferenz und aus der Temperaturinformation der Warmseite, welche durch den NTC-Widerstand bzw. den Temperatursensor 11 gewonnen wird, ermittelt.

Aus diesen Temperaturinformationen und der elektrischen Leistungsaufnahme des Peltier-Moduls 1 kann dann über Kennlinien und/oder Berechnungsmodelle die aus den im Hausgerät enthaltenen Wäschestücken bereits auskondensierte Feuchte bestimmt werden. Aus diesem Feuchtegrad kann dann wiederum die noch in den Wäschestücken verbliebene Feuchte ermittelt werden. Abhängig davon wird dann ein Vergleich mit einer Referenz-Feuchte durchgeführt, wobei die Referenz-Feuchte einen Feuchtegrad charakterisiert, welcher zum momentanen Zeitpunkt des Trocknungsprozesses im Hinblick auf einen optimalen Trocknungsvorgang erreicht sein sollte. Abhängig von dem Vergleich wird dann der weitere Betriebsprozess des Hausgeräts und somit auch der weitere Trocknungsprozess gesteuert, in dem die Peltier-Gruppen 1a bis 1d und somit das gesamte Peltier-Modul 1 im Hinblick auf das Erreichen der vorgegebenen optimalen Trocknung gesteuert werden.

Das Hausgerät kann auch als Geschirrspüler ausgebildet sein, welcher eine Wärmepumpe und eine soeben beschriebene Schaltungsanordnung aufweist.


Anspruch[de]
Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Peltier-Moduls (1) einer Wärmepumpe eines Hausgeräts, welches insbesondere zur Pflege von Wäschestücken ausgebildet ist, mit einer Mehrzahl an Peltier-Elementen (2), dadurch gekennzeichnet, dass das Peltier-Modul (1) zumindest zwei Peltier-Gruppen (1a, 1b, 1c, 1d) aufweist, von denen jede zumindest ein Peltier-Element (2) umfasst, und ein Multiphasenspannungsregler (6, 7, 8, 9) angeordnet ist, welcher mit den Peltier-Gruppen (1a, 1b, 1c, 1d) elektrisch verbunden ist und zur separaten Spannungsregelung der einzelnen Peltier-Gruppen (1a, 1b, 1c, 1d) ausgebildet ist. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei welcher die Betriebsspannung des Peltier-Moduls (1) eine Gleichspannung kleiner 120 V, insbesondere kleiner 70 V, insbesondere etwa 60 V, ist. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit ersten Mitteln (6, 7, 8, 9), mit welchen in einer ersten Betriebsphase des Peltier-Moduls (1) zumindest ein erster Betriebsparameter des Peltier-Moduls (1) erfassbar ist, mit zweiten Mitteln (10, 11, 6, 9), mit welchen in einer zweiten Betriebsphase des Peltier-Moduls (1) zumindest ein zweiter Betriebsparameter des Peltier-Moduls (1) erfassbar ist, und einem Schaltregler (6), mit welchem aus den erfassten Betriebsparametern Feuchtegrade der in dem Hausgerät eingebrachten und zu trocknenden Gegenstände, insbesondere Wäschestücke, ermittelbar sind und abhängig davon der weitere Betriebsprozess einstellbar ist. Verfahren zum Betreiben eines Peltier-Moduls (1) einer Wärmepumpe eines Hausgeräts, welches insbesondere zur Pflege von Wäschestücken ausgebildet ist, mit einer Mehrzahl an Peltier-Elementen (2), dadurch gekennzeichnet, dass das Peltier-Modul (1) zumindest in zwei Peltier-Gruppen (1a, 1b, 1c, 1d) unterteilt wird, von denen jede zumindest ein Peltier-Element (2) umfasst, wobei die jeweiligen Peltier-Gruppen (1a, 1b, 1c, 1d) separat durch einen Multiphasenspannungsregler (6, 7, 8, 9) spannungsversorgt werden. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem das Peltier-Modul (1) mit einer Gleichspannung kleiner 120 V, insbesondere kleiner 70 V, insbesondere etwa 60 V, versorgt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 und 5, bei dem in einer ersten Betriebsphase eines Peltier-Moduls (1) einer Wärmepumpe des Hausgeräts zumindest ein erster Betriebsparameter des Peltier-Moduls (1) und in einer zweiten Betriebsphase zumindest ein zweiter Betriebsparameter des Peltier-Moduls (1) erfasst wird, wobei abhängig von diesen erfassten Betriebsparametern Feuchtegrade von im Hausgerät zu trocknenden Gegenständen, insbesondere Wäschestücken, bestimmt werden und abhängig davon der weitere Betriebsprozess eingestellt wird.






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