CH702645A1

CH702645A1 - Thermisch aktiver Isolator.

Info

Publication number: CH702645A1
Application number: CH00147/10A
Authority: CH
Inventors: Urs A Weidmann; Reto Dr Holzner
Original assignee: Mentus Holding Ag
Priority date: 2010-02-05
Filing date: 2010-02-05
Publication date: 2011-08-15
Also published as: WO2011095468A2; TW201145626A; WO2011095468A3

Abstract

Ein thermisch aktiver Isolator (1) enthält zwei Oberflächen, zwischen denen eine Vielzahl von Peltierelementen angeordnet sind. Die Peltierelemente werden von einer Steuereinrichtung (9) mit einem elektrischen Strom versorgt. Sie ermöglichen den Wärmetransport von der einen Oberfläche zur anderen Oberfläche oder in umgekehrter Richtung. Sie ermöglichen auch die Unterbindung eines Wärmetransports, was beispielsweise in einem Wärmetauscher angewendet werden kann, um den normalerweise erfolgenden Austausch von Wärme zwischen zwei Medien unterschiedlicher Temperatur zu verhindern.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft einen thermisch aktiven Isolator und ein Verfahren zum Betrieb eines Wärmetauschers mit solchen Isolatoren.

[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.

[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung ohne Bypass zu entwickeln.

[0004] Die Erfindung ist im Anspruch 1 gekennzeichnet. Eine vorteilhafte Verwendung der Erfindung ergibt sich aus dem Anspruch 2.

[0005] Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und anhand der Zeichnung näher erläutert. <tb>Fig. 1, 2<sep>zeigen in Aufsicht und im Querschnitt einen thermisch aktiven Isolator mit Peltierelementen, <tb>Fig. 3<sep>zeigt ein Verdrahtungsschema der Peltierelemente, und <tb>Fig. 4<sep>zeigt einen Wärmetauscher.

[0006] Die Fig. 1 zeigt einen thermisch aktiven Isolator 1 in Aufsicht, die Fig. 2 zeigt den Isolator 1 in einer bevorzugten Ausführungsform im Querschnitt, d.h. senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 1. Der Isolator 1 hat eine flächige Form, d.h. seine Abmessungen in zwei Dimensionen sind um mindestens einen Faktor 100 grösser als seine Abmessung in der zu den genannten Dimensionen senkrechten Richtung. Der Isolator 1 hat beispielsweise wie dargestellt die Form einer dünnen rechteckförmigen Platte. Der Isolator 1 kann aber auch die Form einer beliebigen zweidimensionalen Fläche haben. Der Isolator 1 enthält eine Vielzahl von Peltierelementen 2.

[0007] Peltierelemente 2 sind thermoelektrische Wandler, die es ermöglichen, mithilfe eines elektrischen Stroms Wärme von der einen Oberfläche 3 des Isolators 1 auf die gegenüberliegende Oberfläche 4, oder umgekehrt, zu transportieren, d.h. entweder die Oberfläche 3 oder die Oberfläche 4 zu kühlen.

[0008] Aus der Fig. 2 ist ersichtlich, dass der 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.

[0009] 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 auch innerhalb oder auf dem Isolator 1 angebracht werden.

[0010] 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 Isolator 1 mit der Steuereinrichtung 9 verbunden ist.

[0011] 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.

[0012] Der Wärmetauscher umfasst erste Austauschräume 12, durch die das erste Medium hindurchführbar ist, und zweite Austauschräume 13, durch die das zweite Medium hindurchführbar ist, 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 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 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.

[0013] 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 Abluft aus dem Raum durch die Austauschräume 13. 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.

Betriebsmodus 1

[0014] 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 Isolatoren 1 transportiert wird. Die Peltierelemente 2 unterstützen somit die Übertragung von Wärme von der Abluft auf die Frischluft.

Betriebsmodus 2

[0015] 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 Isolatoren 1 transportiert wird. Die Peltierelemente 2 unterstützen somit die Kühlung der Frischluft durch die Abluft.

Betriebsmodus 3

[0016] 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 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 Isolatoren 1 sind dann wärmemässig zu 100% isolierend.

Betriebsmodus 4

[0017] 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 Isolatoren 1 transportiert wird, so dass die Frischluft gekühlt und die entzogene Wärme und die Abwärme der Peltierelemente 2 mit der Abluft abgeführt wird.

Claims

1. Thermisch aktiver Isolator (1), mit zwei Oberflächen (3, 4), zwischen denen eine Vielzahl von Peltierelementen (2) angeordnet sind, die von einer Steuereinrichtung (9) mit einem elektrischen Strom versorgbar sind.

2. Verfahren zum Betrieb eines Wärmetauschers (11) mit ersten Austauschräumen (12) und zweiten Austauschräumen (13), die durch thermisch aktive Isolatoren (1) nach Anspruch 1 getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Peltierelemente (2) fliessende Strom derart gesteuert wird, dass kein Wärmeübertrag von der einen Oberfläche (4) zur anderen Oberfläche (3) der Isolatoren (1) stattfindet.