CH702645A1

CH702645A1 - Thermally active insulator.

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: WO2011095468A3; WO2011095468A2; TW201145626A

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.A thermally active insulator (1) contains two surfaces, between which a plurality of Peltier elements are arranged. The Peltier elements are supplied by a control device (9) with an electric current. They allow the heat transfer from one surface to the other surface or in the opposite direction. They also allow the suppression of heat transfer, which can be used for example in a heat exchanger to prevent the normally occurring exchange of heat between two media of different temperature.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft einen thermisch aktiven Isolator und ein Verfahren zum Betrieb eines Wärmetauschers mit solchen Isolatoren. The invention relates to a thermally active insulator and a method for operating a heat exchanger with such insulators.

[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. Heat exchangers are used, for example, to exchange heat between the exhaust air discharged from a room and the fresh air supplied to the room. In winter, when the exhaust air is warmer than the fresh air, the heat contained in the exhaust air is transferred to the fresh air, so that it must be heated less. In summer, when the exhaust air is colder during the day than the fresh air, then heat contained in the fresh air is transferred to the exhaust air, i. the fresh air cooled. During the summer nights, however, it is often the case that the fresh air is colder than the exhaust air. In this case, however, no heat exchange between the fresh air and the exhaust air should be done so that the room in the morning, when the day begins, has a pleasant coolness. To make this possible, the fresh air or the exhaust air is passed through a bypass on the heat exchanger during the summer during the summer operation.

[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung ohne Bypass zu entwickeln. The invention has for its object to develop a solution without a bypass.

[0004] Die Erfindung ist im Anspruch 1 gekennzeichnet. Eine vorteilhafte Verwendung der Erfindung ergibt sich aus dem Anspruch 2. The invention is characterized in claim 1. An advantageous use of the invention results from claim 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.The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment and with reference to the drawing. <Tb> FIG. 1, 2 <sep> show in plan view and in cross section a thermally active insulator with Peltier elements, <Tb> FIG. 3 <sep> shows a wiring scheme of the Peltier elements, and <Tb> FIG. 4 <sep> shows a heat exchanger.

[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. Fig. 1 shows a thermally active insulator 1 in plan view, Fig. 2 shows the insulator 1 in a preferred embodiment in cross-section, i. perpendicular to the drawing plane of Fig. 1. The insulator 1 has a flat shape, i. its dimensions in two dimensions are at least a factor of 100 greater than its dimension in the direction perpendicular to said dimensions. For example, the insulator 1 has the shape of a thin rectangular plate as shown. The insulator 1 may also have the shape of any two-dimensional surface. The insulator 1 includes a plurality of Peltier elements 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. Peltier elements 2 are thermoelectric transducers which enable electrical energy to be used to transport heat from one surface 3 of the insulator 1 to the opposite surface 4, or vice versa. either to cool the surface 3 or the surface 4.

[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. From Fig. 2 it can be seen that the insulator 1 comprises two mutually parallel support 5, between which the Peltier elements 2 are arranged. The carriers 5 form the two surfaces 3 and 4. They are, for example, foils which are provided with electrical conductor tracks 6 in order to electrically connect the Peltier elements 2. In each case a plurality of Peltier elements 2 are electrically connected in series. The Peltier elements 2 are thin layers which consist of a material with an n-doping or with a p-doping. The direction of the DC current flowing during operation through the Peltier elements 2 depends on the doping of the Peltier elements 2. The n-doped Peltier elements 2 and the p-doped Peltier elements 2 are therefore wired to the conductor tracks 6 in such a way that the direction of the technical electrical current passes through the n-doped Peltier elements 2 is opposite to the direction through the p-doped Peltier elements 2, so that in operation all Peltier elements 2 transport heat in the same direction. The interstices between the Peltier elements 2 are advantageously at least partially filled with a foam-like, electrically insulating material 7, which prevents the air circulation within the interstices and thus acts as a thermally passive insulator. The Peltier elements 2 can be applied to the carrier 5, for example, by vapor deposition or sputtering. The thermally active insulator 1 can be bent and bent almost as desired.

[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. The thermally active insulator 1 has at least two electrical terminals 8, to which a control device 9 can be connected to supply the Peltier elements 2 with an electric current. The control device 9 can also be mounted inside or on the insulator 1.

[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. Fig. 3 shows an embodiment of the electrical wiring of the Peltier elements 2. The Peltier elements 2 are fed by the control device 9 with electrical energy, for example by applying an electric current. In this example, several of the Peltier elements 2 are combined electrically into a block 10, wherein the blocks 10 are supplied individually by the control device 9 with electrical energy. In the example, eight Peltier elements 2 are combined into one block 10 and a total of five blocks 10 are present. However, the number of Peltier elements 2 per block 10 and the number of blocks 10 is not limited to these example values. Arrows indicate the direction of the current flowing from the controller 9 to each of the blocks 10, through the Peltier elements 2 of the block 10, and back to the controller 9. Accordingly, in this embodiment, ten terminals 8 are provided, via which the insulator 1 is connected to the control device 9.

[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. Fig. 4 shows in cross section a heat exchanger 11 for the exchange of heat between a first medium and a second medium. By the term "medium" is meant a gas, e.g. Air, or to understand a liquid. Such a medium is also referred to as fluid.

[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. The heat exchanger comprises first exchange spaces 12, through which the first medium can be passed, and second exchange spaces 13, through which the second medium can be passed, and heat exchanging, spaced parallel to one another thermally active insulators 1, wherein each of the thermally active insulators 1 separates one of the first exchange spaces 12 from one of the second exchange rooms 13. For reasons of clarity of drawing, the isolators 1 are shown to be wider than they are in reality. The flow direction of the two media is perpendicular to the plane, with advantage the two media flow in the opposite direction. In the example, two exchange spaces 12 for the first medium and three exchange spaces 13 for the second medium are present, but the number of exchange spaces 12, 13 is usually larger. The exchange spaces 12 facing surfaces of the insulators 1 are designated by the reference numeral 3, the exchange spaces 13 facing surfaces by the reference numeral 4 and the control device 9 and the insulators 1 are wired accordingly.

[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. A common control device 9 for all thermally active insulators 1 is adapted to operate the thermally active insulators 1 of the heat exchanger 11 in different operating modes, of which the most important are listed below. It is assumed that fresh air supplied to a room flows through the exchange rooms 12 and exhaust air from the room through the exchange rooms 13. The heat exchanger 11 is usually a part of a device for conditioning the supply air to be supplied to a room, the control device preferably a part this device is and is supplied with temperature signals from corresponding temperature sensors.

Betriebsmodus 1Operating mode 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. This operating mode corresponds to winter operation, in which the fresh air is colder than the exhaust air. The control device 9 controls the current flowing through the Peltier elements 2 such that heat is transported from the surface 4 to the surface 3 of the insulators 1. The Peltier elements 2 thus support the transfer of heat from the exhaust air to the fresh air.

Betriebsmodus 2Operating mode 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. This mode of operation corresponds to the summer operation during the times during which the exhaust air is colder than the fresh air, which is especially the case during the morning until the evening and night hours the case. The control device 9 controls the current flowing through the Peltier elements 2 such that heat is transported from the surface 3 to the surface 4 of the insulators 1. The Peltier elements 2 thus support the cooling of the fresh air through the exhaust air.

Betriebsmodus 3Operating mode 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. This mode of operation corresponds to the summer operation during the times during which the fresh air is colder than the exhaust air, which can be the case, especially in the hours after midnight to the morning hours. The control device 9 controls the current flowing through the Peltier elements 2 such that no heat transfer from the surface 4 to the surface 3 of the insulators 1 takes place. In other words, this means that the Peltier elements 2 completely or approximately completely compensate for the heat transfer which would take place when the Peltier elements 2 were switched off from the exhaust air to the fresh air. The insulators 1 are then thermally 100% insulating.

Betriebsmodus 4Operating mode 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. This operating mode is based on the operating mode 3. It is used when the fresh air is colder than the exhaust air, but not cold enough to cool the room during the night by the coolness of the fresh air alone to the desired temperature. The control device 9 controls the current flowing through the Peltier elements 2 such that heat is transported from the surface 3 to the surface 4 of the insulators 1, so that the fresh air is cooled and the extracted heat and the waste heat of the Peltier elements 2 is removed with the exhaust air.

Claims

1. A thermally active insulator (1), with two surfaces (3, 4), between which a plurality of Peltier elements (2) are arranged, which can be supplied by a control device (9) with an electric current.

2. A method for operating a heat exchanger (11) having first exchange spaces (12) and second exchange spaces (13), which are separated by thermally active insulators (1) according to claim 1, characterized in that the by the Peltier elements (2) flowing current is controlled so that no heat transfer from the one surface (4) to the other surface (3) of the insulators (1) takes place.