HOLZNER, Reto (Apfelbaumstrasse 2, Zurich, CH-8050, CH)
WEIDMANN, Urs A. (Industriestrasse 13 B, Zug, CH-6300, CH)
HOLZNER, Reto (Apfelbaumstrasse 2, Zurich, CH-8050, CH)
| PATENTANSPRÜCHE 1. Isolator, umfassend mindestens einen thermisch aktiven Isolator (1), der zwei Oberflächen (3, 4) aufweist, zwischen denen thermoelektrische Wandler angeordnet sind, und eine Steuereinrichtung (9), die die thermoelektrischen Wandler des mindestens einen thermisch aktiven Isolators (1) mit einem elektrischen Strom beaufschlagt und die einen Betriebsmodus aufweist, in dem sie den durch die thermoelektrischen Wandler flies senden Strom derart steuert, dass kein Wärmeübertrag von der einen Oberfläche zur anderen Oberfläche des mindestens einen thermisch aktiven Isolators (1) stattfindet. 2. Vorrichtung, umfassend einen Wärmetauscher (11), umfassend erste Austauschräume (12), die von einem ersten Medium durchströmbar sind, und zweite Austauschräume (13), die von einem zweiten Medium durchströmbar sind, wobei die ersten Austauschräume (12) und die zweiten Austauschräume (13) durch thermisch aktive Isolatoren (1) getrennt sind, die zwei Oberflächen (3, 4) aufweisen, zwischen denen thermoelektrische Wandler angeordnet sind, eine Steuereinrichtung (9), mindestens einen ersten Temperatursensor (14) für die Erfassung einer Temperatur des ersten Mediums und mindestens einen zweiten Temperatursensor (15) für die Erfassung einer Temperatur des zweiten Mediums, deren Temperatursignale der Steuereinrichtung (9) zugeführt werden, wobei die Steuereinrichtung (9) eingerichtet ist, die thermisch aktiven Isolatoren (1) in verschiedenen Betriebsmodi zu betreiben, wobei die Steuereinrichtung (9) in einem der Betriebsmodi einen durch die thermoelektrischen Wandler fliessenden Strom derart steuert, dass kein Wärmeübertrag von der einen Oberfläche zur anderen Oberfläche der thermisch aktiven Isolatoren (1) stattfindet. 3. Verfahren zum Betrieb eines Wärmetauschers (11) mit ersten Austauschräumen (12), die von einem ersten Medium durchströmbar sind, und zweiten Austauschräumen (13), die von einem zweiten Medium durchströmbar sind, wobei die ersten und zweiten Austauschräume durch thermisch aktive Isolatoren (1) getrennt sind, die zwei Oberflächen (3, 4) aufweisen, zwischen denen thermoelektrische Wandler angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch die thermoelektrischen Wandler fliessender Strom derart gesteuert wird, dass kein Wärmeübertrag von der einen Oberfläche zur anderen Oberfläche der thermisch aktiven Isolatoren (1) stattfindet. |
Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung betrifft einen thermischen Isolator, einen Wärmetauscher mit thermisch aktiven Isolatoren und ein Verfahren zum Betrieb eines Wärmetauschers mit solchen Isolatoren. Hintergrund der Erfindun
[0002] Wärmetauscher werden zum Beispiel verwendet, um Wärme zu tauschen zwischen der Abluft, die aus einem Raum abgeführt wird, und der Frischluft, die dem Raum zugeführt wird. Im Winter, wenn die Abluft wärmer ist als die Frischluft, wird die in der Abluft enthaltene Wärme an die Frischluft übertragen, damit diese weniger stark geheizt werden muss. Im
Sommer, wenn die Abluft tagsüber kälter ist als die Frischluft, dann wird in der Frischluft enthaltene Wärme an die Abluft übertragen, d.h. die Frischluft gekühlt. Während der
Sommernächte ist es jedoch oft so, dass die Frischluft kälter ist als die Abluft. In diesem Fall soll jedoch kein Wärmeaustausch zwischen der Frischluft und der Abluft erfolgen, damit der Raum am Morgen, wenn der Tag beginnt, eine angenehme Kühle aufweist. Um dies zu ermöglichen, wird im Sommerbetrieb während der Nacht die Frischluft oder die Abluft durch einen Bypass am Wärmetauscher vorbei geführt.
Kurze Beschreibung der Erfindung
[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung ohne Bypass zu entwickeln.
[0004] Das Ergebnis der Erfindung ist einerseits ein Isolator, der mindestens einen thermisch aktiven Isolator, der zwei Oberflächen aufweist, zwischen denen eine Vielzahl von
thermoelektrischen Wandlern angeordnet sind, und eine Steuereinrichtung umfasst, die die thermoelektrischen Wandler des mindestens einen thermisch aktiven Isolators mit einem elektrischen Strom beaufschlagt und die einen Betriebsmodus aufweist, in dem sie den durch die thermoelektrischen Wandler flies senden Strom derart steuert, dass kein Wärmeübertrag von der einen Oberfläche zur anderen Oberfläche des mindestens einen thermisch aktiven Isolators stattfindet.
[0005] Das Ergebnis der Erfindung ist andererseits eine Vorrichtung mit einem
Wärmetauscher, der erste Austauschräume, die von einem ersten Medium durchströmbar sind, und zweite Austauschräume, die von einem zweiten Medium durchströmbar sind, umfasst, wobei die ersten Austauschräume und die zweiten Austauschräume durch thermisch aktive Isolatoren getrennt sind, die zwei Oberflächen aufweisen, zwischen denen eine Vielzahl von thermoelektrischen Wandlern angeordnet sind. Die Vorrichtung umfasst weiter eine
Steuereinrichtung, mindestens einen ersten Temperatursensor für die Erfassung einer
Temperatur des ersten Mediums und mindestens einen zweiten Temperatursensor für die Erfassung einer Temperatur des zweiten Mediums, deren Temperatursignale der
Steuereinrichtung zugeführt werden. Die Steuereinrichtung ist eingerichtet, die thermisch aktiven Isolatoren in verschiedenen Betriebsmodi zu betreiben, wobei die Steuereinrichtung in einem der Betriebsmodi einen durch die thermoelektrischen Wandler fliessenden Strom derart steuert, dass kein Wärmeübertrag von der einen Oberfläche zur anderen Oberfläche der thermisch aktiven Isolatoren stattfindet. [0006] Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Wärmetauschers mit ersten Austauschräumen, die von einem ersten Medium durchströmbar sind, und zweiten Austauschräumen, die von einem zweiten Medium durchströmbar sind, wobei die ersten und zweiten Austauschräume durch thermisch aktive Isolatoren getrennt sind, die zwei Oberflächen aufweisen, zwischen denen thermoelektrische Wandler angeordnet sind, wobei bei dem Verfahren der durch die thermoelektrischen Wandler fliessende Strom derart gesteuert wird, dass kein Wärmeübertrag von der einen Oberfläche zur anderen Oberfläche der thermisch aktiven Isolatoren stattfindet.
[0007] Geeignete thermoelektrische Wandler sind insbesondere Peltierelemente.
[0008] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnung näher erläutert. Um einzelne Details besser erkennen zu können, sind die Figuren nicht massstäblich gezeichnet, sondern dienen einzig der Illustration der der Erfindung zu Grunde liegenden Prinzipien.
Beschreibung der Figuren
Fig. 1, 2 zeigen in Aufsicht und im Querschnitt einen thermisch aktiven Isolator mit
Peltierelementen,
Fig. 3 zeigt ein Verdrahtung Schema der Peltierelemente,
Fig. 4 zeigt einen Wärmetauscher,
Fig. 5 zeigt einen weiteren thermisch aktiven Isolator mit Peltierelementen, und Fig. 6 zeigt einen weiteren Wärmetauscher. Detaillierte Beschreibung der Erfindung
[0009] Die Fig. 1 zeigt einen thermisch aktiven Isolator 1 in Aufsicht, die Fig. 2 zeigt den thermisch aktiven Isolator 1 in einer bevorzugten Ausführungsform im Querschnitt, d.h.
senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 1. Der thermisch aktive Isolator 1 hat bei diesem Beispiel eine flächige Form, d.h. seine Abmessungen in zwei Dimensionen sind um mindestens einen Faktor 10, in der Regel um mindestens einen Faktor 100, grösser als seine Abmessung in der zu den genannten Dimensionen senkrechten Richtung. Der thermisch aktive Isolator 1 hat beispielsweise wie dargestellt die Form einer dünnen rechteckförmigen Platte. Der thermisch aktive Isolator 1 kann aber auch die Form einer beliebigen zweidimensionalen Fläche haben. Der thermisch aktive Isolator 1 enthält thermoelektrische Wandler, nämlich eine Vielzahl von Peltierelementen 2. Peltierelemente 2 sind thermoelektrische Wandler, die es ermöglichen, mithilfe eines elektrischen Stroms Wärme von der einen Oberfläche 3 des thermisch aktiven Isolators 1 auf die gegenüberliegende Oberfläche 4, oder umgekehrt, zu transportieren, d.h. entweder die Oberfläche 3 oder die Oberfläche 4 bei gleichzeitiger Erwärmung der jeweils anderen Oberfläche 4 bzw. 3 zu kühlen.
[0010] Aus der Fig. 2 ist ersichtlich, dass der thermisch aktive Isolator 1 zwei parallel zueinander verlaufende Träger 5 umfasst, zwischen denen die Peltierelemente 2 angeordnet sind. Die Träger 5 bilden die beiden Oberflächen 3 und 4. Sie sind beispielsweise Folien, die mit elektrischen Leiterbahnen 6 versehen sind, um die Peltierelemente 2 elektrisch zu verbinden. Jeweils mehrere Peltierelemente 2 sind elektrisch in Reihe geschaltet. Die Peltierelemente 2 sind dünne Schichten, die aus einem Material mit einer n-Dotierung oder mit einer p-Dotierung bestehen. Die Richtung des im Betrieb durch die Peltierelemente 2 fliessenden Gleichstroms hängt ab von der Dotierung der Peltierelemente 2. Die n-dotierten Peltierelemente 2 und die p- dotierten Peltierelemente 2 sind deshalb derart mit den Leiterbahnen 6 verdrahtet, dass die Richtung des technischen elektrischen Stroms durch die n-dotierten Peltierelemente 2 entgegengesetzt ist zur Richtung durch die p-dotierten Peltierelemente 2, so dass im Betrieb alle Peltierelemente 2 Wärme in die gleiche Richtung transportieren. Die Zwischenräume zwischen den Peltierelementen 2 sind mit Vorteil mindestens teilweise mit einem schaumartigen, elektrisch isolierenden Material 7 gefüllt, das die Luftzirkulation innerhalb der Zwischenräume unterbindet und somit als thermisch passiver Isolator wirkt. Die Peltierelemente 2 können beispielsweise durch Aufdampfen oder Sputtern auf die Träger 5 aufgebracht werden. Der thermisch aktive Isolator 1 lässt sich beinahe beliebig verbiegen und krümmen.
[0011] Der thermisch aktive Isolator 1 hat mindestens zwei elektrische Anschlüsse 8, an die eine Steuereinrichtung 9 angeschlossen werden kann, um die Peltierelemente 2 mit einem elektrischen Strom zu versorgen. Die Steuereinrichtung 9 kann beispielsweise auch innerhalb oder auf dem thermisch aktiven Isolator 1 angebracht werden. Die Steuereinrichtung 9 ist mit Temperatursensoren verbunden, damit sie den thermisch aktiven Isolator 1 steuern kann.
Beispiele für die Steuerung sind weiter unten am Beispiel eines Wärmetauschers beschrieben. Die Steuereinrichtung 9 und mindestens ein thermisch aktiver Isolator 1 bilden zusammen einen erfindungsgemässen Isolator.
[0012] Die Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der elektrischen Verdrahtung der
Peltierelemente 2. Die Peltierelemente 2 werden von der Steuereinrichtung 9 mit elektrischer Energie gespeist, beispielsweise durch Beaufschlagung mit einem elektrischen Strom. Bei diesem Beispiel sind jeweils mehrere der Peltierelemente 2 elektrisch zu einem Block 10 zusammengefasst, wobei die Blöcke 10 von der Steuereinrichtung 9 einzeln mit elektrischer Energie versorgt werden. Im Beispiel sind jeweils acht Peltierelemente 2 zu einem Block 10 zusammengefasst und insgesamt fünf Blöcke 10 vorhanden. Die Anzahl der Peltierelemente 2 pro Block 10 und die Anzahl der Blöcke 10 ist jedoch nicht auf diese Beispielwerte beschränkt. Pfeile deuten die Richtung des Stroms an, der von der Steuereinrichtung 9 zu jeweils einem der Blöcke 10, durch die Peltierelemente 2 des Blocks 10 hindurch und zurück zur
Steuereinrichtung 9 fliesst. Entsprechend sind bei diesem Ausführungsbeispiel zehn Anschlüsse 8 vorhanden, über die der thermisch aktive Isolator 1 mit der Steuereinrichtung 9 verbunden ist.
[0013] Die Fig. 4 zeigt im Querschnitt einen Wärmetauscher 11 für den Austausch von Wärme zwischen einem ersten Medium und einem zweiten Medium. Unter dem Begriff„Medium" ist ein Gas, z.B. Luft, oder eine Flüssigkeit zu verstehen. Ein solches Medium wird auch als Fluid bezeichnet.
[0014] Der Wärmetauscher umfasst erste Austauschräume 12, die vom ersten Medium durchströmbar sind, und zweite Austauschräume 13, die vom zweiten Medium durchströmbar sind, und wärmetauschende, im Abstand parallel zueinander angeordnete thermisch aktive Isolatoren 1, wobei jeder der thermisch aktiven Isolatoren 1 einen der ersten Austauschräume 12 von einem der zweiten Austauschräume 13 trennt. Aus Gründen der zeichnerischen Klarheit sind die thermisch aktiven Isolatoren 1 breiter dargestellt als sie in Wirklichkeit sind. Die Strömungsrichtung der beiden Medien verläuft senkrecht zur Zeichenebene, mit Vorteil strömen die beiden Medien in entgegengesetzter Richtung. Im Beispiel sind zwei Austauschräume 12 für das erste Medium und drei Austauschräume 13 für das zweite Medium vorhanden, die Anzahl der Austauschräume 12, 13 ist jedoch meistens grösser. Die den Austauschräumen 12 zugewandten Oberflächen der thermisch aktiven Isolatoren 1 sind mit dem Bezugszeichen 3 bezeichnet, die den Austauschräumen 13 zugewandten Oberflächen mit dem Bezugszeichen 4 und die Steuereinrichtung 9 und die Isolatoren 1 sind dementsprechend verdrahtet.
[0015] Eine gemeinsame Steuereinrichtung 9 für alle thermisch aktiven Isolatoren 1 ist eingerichtet, die thermisch aktiven Isolatoren 1 des Wärmetauschers 11 in verschiedenen Betriebsmodi zu betreiben, von denen die wichtigsten nachfolgend aufgeführt sind. Dabei wird vorausgesetzt, dass einem Raum zuzuführende Frischluft durch die Austauschräume 12 strömt und aus dem Raum abzuführende Abluft durch die Austauschräume 13. Das erste Medium, d.h. die Frischluft, strömt daher an den Oberflächen 3, das zweite Medium, d.h. die Abluft, strömt an den Oberflächen 4 der thermisch aktiven Isolatoren 1 vorbei. Der Wärmetauscher 11 ist in der Regel ein Teil einer Vorrichtung für die Konditionierung der einem Raum zuzuführenden Zuluft, wobei die Steuereinrichtung bevorzugt ein Teil dieser Vorrichtung ist und mit
Temperatursignalen von entsprechenden Temperatursensoren versorgt wird. Die
Temperatursensoren sind an geeigneten Stellen innerhalb des Wärmetauschers 11 und/oder innerhalb der Vorrichtung für die Konditionierung der Zuluft angeordnet. Typischerweise ist ein erster Temperatursensor 14 beim strömungsmässigen Eingang der ersten Austauschräume 12 angeordnet, um die Temperatur des ersten Mediums, im Beispiel der Frischluft, zu erfassen, und ein zweiter Temperatursensor 15 ist beim strömungsmässigen Eingang der zweiten
Austauschräume 13 angeordnet, um die Temperatur des zweiten Mediums, im Beispiel der Abluft, zu erfassen. Bei Bedarf können weitere Temperatursensoren vorgesehen sein. Betriebsmodus 1
[0016] Dieser Betriebsmodus entspricht dem Winterbetrieb, bei dem die Frischluft kälter ist als die Abluft. Die Steuereinrichtung 9 steuert den durch die Peltierelemente 2 fliessenden Strom derart, dass Wärme von der Oberfläche 4 zur Oberfläche 3 der thermisch aktiven Isolatoren 1 transportiert wird. Die Peltierelemente 2 unterstützen somit die Übertragung von Wärme von der Abluft auf die Frischluft.
Betriebsmodus 2
[0017] Dieser Betriebsmodus entspricht dem Sommerbetrieb während der Zeiten, während denen die Abluft kälter ist als die Frischluft, was vor allem im Laufe des Vormittags bis in die Abend- und Nachtstunden der Fall ist. Die Steuereinrichtung 9 steuert den durch die
Peltierelemente 2 fliessenden Strom derart, dass Wärme von der Oberfläche 3 zur Oberfläche 4 der thermisch aktiven Isolatoren 1 transportiert wird. Im Betriebsmodus 2 fliesst der Strom durch die Peltierelemente 2 daher in umgekehrter Richtung als beim Betriebsmodus 1. Die Peltierelemente 2 unterstützen somit die Kühlung der Frischluft durch die Abluft. Betriebsmodus 3
[0018] Dieser Betriebsmodus entspricht dem Sommerbetrieb während der Zeiten, während denen die Frischluft kälter ist als die Abluft, was vor allem in den Stunden nach Mitternacht bis in die Morgenstunden der Fall sein kann. Die Steuereinrichtung 9 steuert den durch die
Peltierelemente 2 fliessenden Strom derart, dass kein Wärmeübertrag von der Oberfläche 4 zur Oberfläche 3 der thermisch aktiven Isolatoren 1 stattfindet. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass die Peltierelemente 2 den Wärmetransport, der bei ausgeschalteten Peltierelementen 2 von der Abluft zur Frischluft erfolgen würde, vollständig oder annähernd vollständig kompensieren. Die thermisch aktiven Isolatoren 1 sind dann wärmemässig bis zu 100% isolierend.
Betriebsmodus 4
[0019] Dieser Betriebsmodus basiert auf dem Betriebsmodus 3. Er wird verwendet, wenn die Frischluft zwar kälter ist als die Abluft, aber nicht genügend kalt, um den Raum während der Nacht durch die Kühle der Frischluft allein auf die gewünschte Temperatur abzukühlen. Die Steuereinrichtung 9 steuert den durch die Peltierelemente 2 fliessenden Strom derart, dass
Wärme von der Oberfläche 3 zur Oberfläche 4 der thermisch aktiven Isolatoren 1 transportiert wird, so dass die Frischluft gekühlt und die entzogene Wärme und die Abwärme der
Peltierelemente 2 mit der Abluft abgeführt wird.
[0020] Die Fig. 5 zeigt einen weiteren thermisch aktiven Isolator 1 im Querschnitt. Bei diesem Ausführungsbeispiel bilden die beiden Träger 5 zusammen mit von den Trägern 5 abstehenden Lamellen 16 einen starren Körper. Dieser Körper ist hier ein Körper mit grosser Oberfläche. Die Lamellen 16 dienen dazu, eine im Vergleich zu dem in der Fig. 2 gezeigten thermisch aktiven Isolator 1 bessere Wärmeübertragung von den Oberflächen 3 bzw. 4 an ein gasförmiges Medium, wie zum Beispiel Luft, zu erreichen. Dieser thermisch aktive Isolator 1 ist wie ein Kühlkörper aufgebaut und die Form der Lamellen 16 kann demzufolge der Verwendung entsprechend optimal angepasst gewählt werden. Der Kühlkörper kann beispielsweise durch Falten von Blechen geformt oder als Spritzgussteil ausgebildet sein.
[0021] Die Fig. 6 zeigt einen Wärmetauscher 11 mit thermisch aktiven Isolatoren 1 des in der Fig. 5 gezeigten Typs. Die Lamellen 16 benachbarter thermisch aktiver Isolatoren 1 sind mit Vorteil wie gezeigt verschachtelt.