AT399608B - Einrichtung zur steuerung, insbesondere konstanthaltung, der oberflächentemperatur eines körpers - Google Patents

Description

AT 399 608 B

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Steuerung, insbesondere Konstanthaltung, der Oberflächentemperatur eines Körpers, welcher Umgebungseinflüssen, insbesondere Witterungseinflüssen, ausgesetzt ist, die im Sinne einer Änderung der Oberflächentemperatur auf die Körperoberfläche einwirken, wobei eine im Abstand von der genannten Körperoberfläche im oder am betreffenden Körper angeordnete, s steuerbare Vorrichtung zur Zufuhr und/oder Ableitung von Wärme von diesem Körper und eine diese Vorrichtung temperaturabhängig steuernde Regeleinrichtung vorgesehen ist.

Es herrscht oft das Bedürfnis oder die Notwendigkeit, die Oberflächentemperatur von Körpern, welche Umgebungseinflüssen, insbesondere Witterungseinflüssen ausgesetzt sind, zu steuern, insbesondere auf einem im wesentlichen konstanten Wert zu halten. So stehen Oberflächen, welche Witterungseinflüssen io ausgesetzt sind, mit der Umgebung in einem Wärmeaustausch, dessen Ausmaß von mannigfachen Faktoren beeinflußt wird. Dieser Wärmeaustausch ist nicht nur von der Temperatur, welche die betreffende Oberfläche im jeweils betrachteten Moment aufweist, und der zu diesem Zeitpunkt herrschenden Umgebungstemperatur sowie der Windströmung abhängig, sondern auch in verhältnismäßig großem Ausmaß von Niederschlägen, Taubildung, Eisbildung, Schmelzen von Eisschichten, Verdampfung und Verdunstung von 75 Eis und Wasser; auch Strahlungseinflüsse, und zwar sowohl die von der betreffenden Oberfläche abgegebene Strahlung als auch Einstrahlungen von außen, können die Oberflächentemperatur verhältnismäßig stark beeinflussen. Um die Temperatur einer solchen Oberfläche eines Körpers zu steuern, insbesondere auf einem bestimmten vorgegebenen konstanten Wert zu halten, muß man eine steuerbare Zufuhr und/oder Abfuhr von Wärme zu bzw. von einem solchen Körper vornehmen. Hlefür kann man in oder an einem 20 solchen Körper geeignete Kühlelemente oder Heizelemente anordnen, die zur jeweils erforderlichen Abfuhr oder Zufuhr von Wärme verwendet werden. So kann man im inneren eines Körpers, der eine Oberfläche hat, welche Witterungseinfiüssen ausgesetzt ist und deren Oberflächentemperatur geregelt bzw. konstant gehalten werden soll, ein Kanalsystem vorsehen, welches von einem Wärmeträgermedium durchflossen wird. Durch entsprechende Steuerung der Temperatur des Wärmeträgermediums und/oder der Durchflußra-25 te, mit der dieses Medium die vorgenannten Kanäle im Körper durchfließt, kann eine Regelung der Oberflächentemperatur eines solchen Körpers vorgenommen werden. Es Ist nun häufig bei einer solchen Anordnung nicht nur ein gewisser Wärmewiderstand zwischen der für die Abfuhr und/oder Zufuhr von Wärme dienenden Einrichtung {z.B. Medium führendes Kanalsystem) und der den Witterungseinflüssen ausgesetzten Oberfläche gegeben, sondern auch eine beträchtliche Wärmekapazität, die an verschiedenen so Teilen der Gesamtanordnung vorliegen kann. Es ergibt sich dadurch ein träges Arbeiten der Steuerung oder Regelung, weiches den oft rasch wechselnden Witterungseinflüssen nur unbefriedigend zu folgen vermag und zum Einhalten bestimmter Temperaturgrenzwerte oft den Einsatz von Energie im Übermaß erfordert.

Es kann hier als Beispiel ein mit künstlicher Kühlung betriebener Eislaufpiatz genannt werden, bei dem ja die Oberflächentemperatur des Eises unter 0°C zu halten ist. Die Oberfläche des Eises ist dabei 35 mannigfachen Umgebungs- bzw. Witterungseinflüssen ausgesetzt. Bei herkömmlichen Anlagen erfolgt die Steuerung der Wärmeabfuhr von der Eisfläche über Thermometer, welche die Temperatur des wärmeabführenden Mediums, das ein unter dem Eis angeordnetes Kanal- bzw. Rohrsystem durchfließt, messen, wodurch das Ausmaß der vom Eis her kommenden Aufwärmung dieses Mediums erfaßt wird. Aus konstruktiven und betrieblichen Gründen hat schon die meist aus Beton bestehende Basis für die Eisschicht 40 und das in dieser Basis angeordnete Kanal- bzw. Rohrsystem eine beträchtliche Wärmekapazität, und hiezu kommt noch, daß auch das wärmeabführende Medium selbst und auch die Eisschicht eine beträchtliche Wärmekapazität haben. Um trotz dieser Umsfände die Oberflächentemperatur des Eises mit einiger Sicherheit unter 0“C halten zu können, muß eine verhältnismäßig starke und damit energieaufwendige Wärmeabfuhr durch entsprechend tiefe Temperaturen des wärmeabführenden Mediums' und damit erhöh-45 tem Energieaufwand vorgesehen werden.

Es ist nun ein Ziel der vorliegenden Erfindung,eine verbesserte Einrichtung eingangs erwähnter Art zu schaffen, mit der auf einfache Weise eine raschere und exaktere Steuerung bzw. Regelung der Energie, welche dem Körper, dessen Oberflächentemperatur geregelt werden soll, zuzuführen oder- von diesem Körper abzuführen ist, erreicht werden kann, und in Verbindung mit einer besseren Steuer- bzw. Regelfunk-50 tion gegenüber dem bisherigen Vorgehen auch Einsparungen an Energie, welche für die Regelung der Oberflächentemperatur eingesetzt werden muß, zu erreichen.

Die erfindungsgemäße Einrichtung eingangs erwähnter Art ist dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung mit einer Modellregelung versehen ist, welche einen Modellkörper und eine mit diesem Modellkörper zusammenarbeitende Modellregeleinrichtung beinhaltet, wobei der Modellkörper eine Oberflächenzone 55 aufweist, die in ihrem thermischen Verhalten gegenüber Umgebungseinflüssen dem Verhalten der Körperoberfläche, deren Temperatur mit der Einrichtung gesteuert werden soll, entspricht, und wobei der Modellkörper weiter eine eigene steuerbare Wärmezufuhr- und/oder Wärmeabfuhreinrichtung und einen in der genannten Oberflächenzone des Modellkörpers placierten Temperatursensor besitzt und die Modellre- 2

AT 399 608 B geleinrichtung einerseits mit diesem, einen Istwertgeber bildenden Temperatursensor und andererseits mit der Wärmezufuhr- und/oder Wärmeabfuhreinrichtung des Modellkörpers zur Steuerung derselben verbunden ist und die zum Erzielen einer vorgegebenen Temperatur an der genannten Oberfiächenzone des Modellkörpers nötige Temperatur der Wärmeübertragungsseite der Wärmezufuhr- und/oder Wärmeabfuhreinrichtung des Modellkörpers regelt, und zwischen der Wärmeübertragungsseite dieser Wärmezufuhr-und/oder Wärmeabfuhreinrichtung und der genannten Oberflächenzone des Modellkörpers eine Wärmeisolierung mit geringer Wärmespeicherkapazität vorgesehen ist und die Wärmespeicherkapazität des Modellkörpers pro Flächeneinheit der genannten Oberflächenzone des Modellkörpers geringer ist als die für die mit der Einrichtung zu steuernde Oberflächentemperatur relevante Wärmespeicherkapazität des betreffenden Körpers, pro Flächeneinheit dieser Oberfläche, und daß an der Wärmeübertragungsseite der Wärmezufuhr- und/oder Wärmeabfuhreinrichtung des Modellkörpers und an der Wärmeübertragungsseite der für die Zufuhr und/oder Ableitung von Wärme zum genannten Körper, dessen Oberflächentemperatur gesteuert werden soll, vorgesehenen Vorrichtung je ein weiterer Temperatursensor placiert ist, und diese beiden Temperatursensoren an die Regeleinrichtung angeschlossen sind, welche die für die Zufuhr und/oder Ableitung von Wärme zum bzw. vom genannten Körper vorgesehene Vorrichtung steuert, wobei das Signal des an der Wärmeübertragungsseite dieser Vorrichtung angeordneten Temperatursensors das lstsignal für diese Regeleinrichtung bildet und das Signal des an der Wärmeübertragungsseite der Wärmezufuhr-und/oder Wärmeabfuhreinrichtung des Modellkörpers angeordneten Temperatursensors einen Bezugswert für diese Regelung bildet. Durch diese Ausbildung kann der vorstehend angeführten Zielsetzung gut entsprochen werden.

Da der Modellkörper eine Oberflächenzone aufweist, deren thermisches Verhalten gegenüber Umgebungseinflüssen dem diesbezüglichen Verhalten der Oberfläche (z.B. Oberseite des Eises eines Eislaufplatzes), deren Temperatur gesteuert bzw. konstant gehalten werden soll, entspricht, ergibt sich an dieser Oberflächenzone ein Abfluß von Wärme zur Umgebung oder eine Aufnahme von Wärme aus der Umgebung, welche den diesbezüglichen Verhältnissen bei der Oberfläche, deren Temperatur gesteuert werden soll, entspricht; diese zur Umgebung abfließende oder aus der Umgebung aufgenommene Wärme wird durch die am Modellkörper vorgesehene Wärmezu- und/oder -abfuhreinrichtung, welche selbst eine möglichst geringe Wärmespeicherkapazität aufweist, ausgeglichen, und es ist zwischen der genannten Oberflächenzone des Modelikörpers und der Wärmeübertragungsseite der Wärmezu- und/oder -abfuhreinrichtung des Modellkörpers eine Wärmeisolierung vorgesehen, welche eine möglichst geringe Wärmespeicherkapazität aufweist. Da bei dem Modellkörper die baulichen Gegebenheiten einer größeren Anlage (z.B. große Mengen an Wärmeträgermedium, Konstruköverfordemisse - betonierte Basis, dicke Eisschicht) nicht vorliegen, kann ein solcher Modellkörper mit sehr geringen Wärmespeicherkapazitäten aufgebaut sein, sodaß sich auch bei einem verhältnismäßig großen Wärmewiderstand zwischen der den Umgebungseinflüssen ausgesetzten Oberflächenzone des Modelikörpers und der Wärmeübertragungsseite der Wärmezufuhr-und/oder Wärmeabfuhreinrichtung des Modelikörpers ein rasches Reagieren der Modellregeleinrichtung auf Umgebungseinflüsse ergibt. Es wird bei dieser Modelleinrichtung die Temperatur der am Modellkörper vorgesehenen, den Witterungseinflüssen ausgesetzten Oberflächenzone gemessen und unter Benützung dieses Meßwertes als Istwert die Zufuhr und/oder Abfuhr von Wärme zu dieser Oberfläche mittels Steuerung der an dem Modellkörper vorgesehenen Wärmezufuhr- und/oder Wärmeabfuhreinrichtung so geregelt, daß sich an der den Umgebungseinflüssen ausgesetzten Oberflächenzone des Modellkörpers eine Temperatur ergibt, die in einem festgelegten Zusammenhang mit der Temperatur an jener Oberfläche steht, deren Temperatur gesteuert werden soll, und vorzugsweise dieser Temperatur gleich ist. Durch diese am Modellkörper rasch und exakt arbeitende Regelung stellt sich an der Wärmeübertragungszone der Wärmezufuhr- und/oder Wärmeabfuhreinrichtung des Modellkörpers ein bestimmter Temperaturwert ein, der den im betreffenden Zeitpunkt vorliegenden Umgebungs- und/oder Witterungseinflüssen Rechnung trägt; dieser Temperaturwert wird mit einem Temperatursensor gemessen und dessen Signal wird als Bezugswert für die Regelung der Zufuhr und/oder Ableitung von Wärme zu jenem Körper, dessen Oberflächentemperatur gesteuert werden soll, verwendet Solcherart wird eine rasch und exakt arbeitende Steuerung dieser Oberflächentemperatur erhalten, wobei diese Regelung auch einen wirtschaftlichen Einsatz der aufzuwendenden Energie erzielen läßt.

Eine einfache und vorteilhafte Regelfunktion für die Steuerung dieser Oberflächentemperatur kann dabei erhalten werden, wenn man gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorsieht, daß das Signal des an der Wärmeübertragungsseite der Wärmezufuhr- und/oder Wärmeabfuhreinrichtung des Modellkörpers angeordneten Temperatursensors den Sollwert der Regelung bildet, deren Istwert, wie vorstehend erwähnt, das Signal des an der Wärmeübertragungsseite der für die Zufuhr und/oder Ableitung von Wärme zum genannten Körper vorgesehenen Vorrichtung angeordneten Sensors ist. Auch sieht man zum Erhalten einer einfachen und vorteilhaften Regelfunktion vorzugsweise vor, daß der Wärmewiderstand, der im Modellkör- 3

AT 399 808 B per zwischen der genannten Oberflächenzone und der Wärmeübertragungsseite der Wärmezufuhr-und/oder Wärmeabfuhreinrichtung des Modellkörpers pro Flächeneinheit dieser Oberflächenzone vorliegt, annähernd gleich groß wie der im Körper, dessen Oberflächentemperatur gesteuert werden soll, zwischen der betreffenden Oberfläche und der Wärmeübertragungsseite der für die Zufuhr und/oder Ableitung von Wärme zu diesem Körper vorgesehenen Vorrichtung vorliegende Wärmewiderstand pro Flächeneinheit dieser Oberfläche ist.

Um eine möglichst gute Übereinstimmung der auf die genannte Oberflächenzone des Modellkörpers einwirkenden Umgebungseinflüsse mit den auf die Oberfläche, deren Temperatur zu steuern ist, einwirkenden Umgebungseinflüsse zu erhalten, sieht man vorzugsweise vor, daß der Modeilkörper in unmittelbarer Nähe des Körpers, dessen Oberflächentemperatur gesteuert werden soll, angeordnet ist. Es ist auch im Sinne des Erzielens der vorerwähnten Übereinstimmung vorteilhaft und bevorzugt, daß die genannte Oberflächenzone bzw. die gemittelte Richtung der Flächennormalen dieser Oberflächenzone des Modellkörpers in die gleiche Richtung weist wie die Oberfläche, deren Temperatur gesteuert werden soll, bzw. die gemittelte Richtung der Flächennormalen dieser Oberfläche. Weiter ist es im Sinne des Erzielens der vorerwähnten Übereinstimmung vorteilhaft und bevorzugt, daß die genannte Oberflächenzone des Modellkörpers annähernd gleiche Strahlungs- und Konvektionseigenschaften und annähernd gleiche Flächenform wie die Oberfläche, deren Temperatur gesteuert werden soll, aufweist.

Hinsichtlich des Modellkörpers ist eine baulich einfache und hinsichtlich ihrer Funktionseigenschaft vorteilhafte Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, daß der Modeilkörper aus zwei gut wärmeleitenden Metalischichten und einer dazwischenliegenden Wärmeisolierschicht mit geringer Wärmespeicherkapazität gebildet ist, wobei die Außenseite der einen Metallschicht die genannte Oberflächenzone bildet und an der Außenseite der anderen Metallschicht die Wärmezufuhr- und/oder Wärmeabfuhreinrichtung des Modellkörpers mit ihrer Wärmeübertragungsseite angeordnet ist.

Die Erfindung wird nun anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung weiter erläutert. In der Zeichnung zeigt Fig. 1 eine vereinfachte grobschematische Darstellung eines mit einer künstlichen bzw. maschinellen Kühlung und mit einer konventionellen Steuerung für die Oberflächentemperatur des Eises ausgestatteten Eislaufplatz, Fig. 2 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild für die thermischen Parameter, welche bei einem solchen Eislaufplatz voriiegen, Fig. 3 eine vereinfachte grobschematische Darstellung eines mit einer künstlichen bzw. maschinellen Kühlung und einer erfindungsgemäß ausgebildeten Steuerung für die Oberflächentemperatur des Eises ausgestatteten Eislaufplatz, und Fig. 4 einen bei einer solchen Steuerung vorgesehenen Modellkörper im Schnitt.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel ist die meist aus Beton bestehende Basisplatte 2 eines Eislaufplatzes 1 mit einem eingebetteten Rohrsystem 3 versehen, durch welches ein wärmeabführendes Medium, meist Sole, hindurchgeieitet wird. Auf der Basisplatte 2 befindet sich eine Eisschicht 4, deren Oberfläche 5 eine vorgegebene Temperatur haben soll, um ein angenehmes Gleitverhalten beim Eislaufsport zu erzielen. In der Regel wird eine unter -5‘C liegende Temperatur der Oberfläche 5 angestrebt, wobei diese Temperatur auch beim Vorliegen mannigfacher, von der Umgebung auf die Oberfläche 5 einwirkender veränderlicher Einflüsse gehalten werden soll. Solche Umgebungseinflüsse sind in Fig. 1 mit gegen die Oberfläche 5 gerichteten Pfeilen 6, 7, 8 versinnbildlicht, welche z.B. für Einstrahlung 6, konvektionsfördernde Luftbewegung bzw. Konvektionswärmeübergang 7 zur Umgebung und Einwirkung von Niederschlägen 8 stehen. Der durch solche Umgebungseinflüsse auftretende Wärmeübergang zwischen der Umgebung und der Oberfläche 5 des durch die Basisplatte 2 zusammen mit dem Rohrsystem 3 und der Eisschicht 4 gebildeten Körpers muß durch entsprechende Wärmeableitung durch das Medium, welches durch das Rohrsystem 3 geleitet wird, ausgeglichen werden. Das Medium wird hiezu mittels einer Pumpe 9 im Kreislauf einer Kühleinrichtung 10 zugeführt, welche Kühlvorrichtung als Wärmepumpe arbeitet, dem Medium Wärme entzieht und in Form von Abwärme (Pfeil 11) abgibt. Die durch die Kühlvorrichtung 10 bewirkte Entziehung von Wärme aus dem Medium wird mit einer Regeleinrichtung 12 gesteuert, an der ein bestimmter Temperatursollwert einstellbar ist (Pfeil 13), und der von einem in der Rücklaufleitung 14 angeordneten Temperatursensor 15 das Istwertsignal zugeführt wird.

Veränderungen der Umgebungseinflüsse, welche den Wärmeübergang zwischen der Umgebung und der Oberfläche 5 der Eisschicht 4 verändern, führen in weiterer Folge zu einer Veränderung der Temperatur der Eisschicht 4 und der Temperatur des im Rohrsystem 3 befindlichen Mediums, und diese Veränderung der Temperatur des Mediums wird mit dem Temperatursensor 15 erfaßt und damit das der Regeleinrichtung 12 zugeführte Istwertsignal entsprechend verändert. Dieser Veränderung wirkt die Steuerung der Kühlvorrichtung 10, welche mittels der Regeleinrichtung 12 ausgeführt wird, entgegen. Die Regeleinrichtung reagiert verhältnismäßig langsam auf Veränderungen der Umgebungseinflüsse, da die Temperaturänderungen sich durch die verhältnismäßig große Wärmespeicherkapazität, welche schon der Basispiatte 2 mit ihrem Rohrsystem 3 und nicht zuletzt der Eisschicht 4 innewohnt, sehr langsam 4

AT 399 608 B fortpflanzen. Es kann dadurch zu unangenehmen Schwankungen der Temperatur der Oberfläche 5 kommen, denen die Regelung nur mit größerer zeitlicher Verzögerung entgegenwirkt, sodaß z.B. die Temperatur der Oberfläche 5 durch Umgebungseinflüsse verhältnismäßig stark erhöht werden kann. Die bisherige Praxis beim Betrieb derartiger Anlagen hat, um die Temperatur der Oberfläche 5 sicher unter einem 5 vorgegebenen Grenzwert halten zu können, vorgesehen, das durch das Rohrsystem 3 geleitete Medium so tief abzukühlen, daß auch bei kräftigen wärmezuführenden Umgebungseinflüssen die Temperatur an der Oberfläche 5 der Eisschicht 4 immer unter einem vorgegebenen Grenzwert liegt, was aber eine sehr unwirtschaftliche Arbeitsweise darstellt und bei einer zeitweisen Minderung der wärmezuführenden Umgebungseinflüsse auch eine Absenkung der Temperatur der Eisschicht 4 auf sehr niedrige Werte herbeiführen jo kann, bei denen das Gleitverhalten bzw. der Eislaufkomfort schon gemindert ist.

Das Ausmaß der Zeitverzögerung zwischen dem Auftreten einer Änderung in den auf die Oberfläche 5 einwirkenden Umgebungseinflüssen und dem Voriiegen eines entsprechenden Signals am Temperatursensor f5 hängt dabei wesentlich von der Wärmespeicherkapazität des Körpers 2, 4 und vom Wärmewiderstand ab, der zwischen der Wärmeübertragungsseite der in diesem Fall für die Ableitung von Wärme vom is Körper 2, 4 vorgesehenen Vorrichtung 3, 10 und der Oberfläche 5 dieses Körpers 2, 4 vorliegt, d.h. vom Wärmewiderstand der zwischen der Oberfläche 5 des Körpers 2, 4 und der im Abstand 16 von der Oberfläche 5 liegenden geometrischen Fläche 17, in der das Rohrsystem 3 liegt.

Das vorgenannte Verhalten kann in seinem prinzipiellen Grundzügen auch in Form einer sogenannten Ersatzschaltung dargestellt werden, wie sie Fig. 2 zeigt. In dieser Ersatzschaltung ist ein erstes Klemmen-zo paar 18 vorgesehen, weiches zur Oberfläche 5 des Körpers 2, 4 der in Fig. 1 dargestellten Anlage korrespondiert, wobei an diesem Klemmenpaar 18 eine elektrische Spannung herbeigeführt werden soll, welche dem Sollwert t1 der an der Oberfläche 5 herrschenden Temperatur entspricht. An dieses Klemmenpaar 18 ist ein veränderlicher Widerstand 19 angeschlossen, welcher die auf die Oberfläche 5 einwirkenden Umwelteinflüsse, deren Ausmaß sich in der Regel häufig ändert, repräsentiert. Den thermischen Wider-25 stand, der im Körper 2, 4 der in Hg. 1 dargestellten Anlage zwischen der Oberfläche 5 und der geometrischen Räche 17 vorliegt, ist in der Ersatzschaltung durch den Widerstand 20 repräsentiert. Kondensatoren 21, 22 repräsentieren in Näherung die Wärmespeicherkapazität des Körpers 2, 4. An einem zweiten Kiemmenpaar 23 liegt eine einer Temperatur t2 entsprechende Spannung, welche der im Körper 2, 4 an der geometrischen Fläche 17, an der wie erläutert die Abfuhr oder Zufuhr von Wärme erfolgt, 30 vorliegenden Temperatur entspricht. Ein weiterer Widerstand 24 verkörpert die Leistungsfähigkeit, mit der die Vorrichtung 10 Wärme abführen kann. Es kann aus diesem Schaltbild unmittelbar ersehen werden, daß durch die Wärmespeicherkapazität, welche in der Ersatzschaltung durch die Kondensatoren 21 und 22 repräsentiert ist, eine Veränderung der der Temperatur t1 entsprechenden Spannung an den Klemmen 18, welche durch ein Verändern des Wertes des Widerstandes 19 entstanden sein kann, erst nach einiger Zeit 35 eine merkbare bzw. erfaßbare Veränderung der der Temperatur t2 entsprechenden Spannung an den Klemmen 23 herbeiführt, und daß ein steuernder Eingriff, mit dem die der Temperatur t2 entsprechende Spannung an den Klemmen 23 beeinflußt wird, durch die Wirkung der Widerstände 20, 24 und durch die Wirkung der Kondensatoren 21, 22 erst nach geraumer Zeit am Klemmenpaar 18 eine dem Sollwert der Temperatur t1 entsprechende Spannung herbeizuführen vermag. 40 Fig. 3 zeigt in vereinfachter, schematischer Darstellung eine Anlage, bei der die Oberflächentemperatur des Eises eines mit einer künstlichen bzw. maschinellen Kühlung ausgestatteten Eislaufplatzes mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Einrichtung zur Steuerung der Oberflächentemperatur versehen ist.

Es ist bei dieser Einrichtung zur Steuerung der Temperatur der Oberfläche 5 der Eisschicht eine Modellregelung vorgesehen, welche einen Modellkörper 25 und eine mit diesem Modellkörper 25 zusam-45 menarbeitende Modellregeleinrichtung 26 beinhaltet. Eine Ausführungsform eines derartigen Modellkörpers ist In Fig. 4 im Schnitt dargestellt. Der Modellkörper 25 weist eine Oberflächenzone 27 auf, die in ihrem Wärmeverhalten gegenüber Umgebungseinflüssen, wie Einstrahlung, Konvektion und Niederschläge, und vorteilhaft auch hinsichtlich ihres eigenen Strahlungsverhaltens, dem Verhalten der Körperoberfiäche 5, deren Temperatur gesteuert werden soll, entspricht. Am Modellkörper 25 ist weiter eine eigene steuerbare so Wärmezufuhr- und/oder Wärmeabfuhreinrichtung 28 und ein in der Oberflächenzone 27 placierter Temperatursensor 29 vorgesehen. Die Modeliregeleinrichtung 26 ist einerseits mit diesem, einen Istwertgeber bildenden Temperatursensor 29 und andererseits mit der Wärmezufuhr- und/oder Wärmeabfuhreinrichtung 28 zur Steuerung derselben verbunden, und es ist die Modeliregeleinrichtung 26 so eingestellt, daß sie die zum Erzielen einer vorgegebenen Temperatur an der Oberflächenzone 27 des Modellkörpers nötige 55 Temperatur der Wärmeübertragungsseite 30 der Wärmezufuhr- und/oder Wärmeabfuhreinrichtung 28 durch entsprechende Regelung herstellt.

Der Modellkörper 25 weist zwischen seiner Oberflächenzone 27 und der Wärmeübertragungsseite 30 der Wärmezufuhr- und/oder Wärmeabfuhreinrichtung 28 eine Wärmeisolierung 31 mit geringer Wärmespei- 5

AT 399 608 B cherkapazität auf. Es ist weiter die Wärmespeicherkapazität des Modellkörpers 25 insgesamt pro Flächeneinheit der Oberflächenzone 27 geringer, und zwar zweckmäßig weitaus geringer als die auf den Flächeninhalt der Oberfläche 5 bezogene, für deren Oberflächentemperatur relevante Wärmespeicherkapazität des Körpers 2, 4.

Indem nun der Modellkörper 25 den praktisch gleichen Umgebungseinflüssen 6, 7, 8 ausgesetzt wird wie der Körper 2, 4, dessen an seiner Oberfläche 5 vorliegende Temperatur gesteuert werden soll, kann in raschem Reagieren auf sich ändernde Umgebungseinflüsse ein Temperaturwert ermittelt werden, welcher, wenn er an der einen Seite eines Wärmewiderstandes 31 vorliegt, an der anderen Seite 30 dieses Wärmewiderstandes, nämlich an der Oberflächenzone 27 des Modellkörpers, unter Berücksichtigung der im betreffenden Zeitpunkt vorliegenden Umgebungseinflüsse die gewünschte Temperatur an dieser Oberflächenzone 27 herstellt.

Es wird nun dieser an der Wärmeübertragungsseite 30 der Wärmezufuhr- und/oder Wärmeabfuhreinrichtung 28 vorliegende Temperaturwert mit einem weiteren Temperatursensor 32 erfaßt und das von diesem Temperatursensor 32 abgegebene Signal als Bezugswert einer Regeleinrichtung 33 zugeführt, welche die für die Ableitung von Wärme vom Körper 2, 4 vorgesehene Vorrichtung 10 steuert. Ein weiterer Temperatursensor 34, der an der geometrischen Fläche 17 oder an geeigneter Stelle in der Strömung des durch das Rohrsystem 3 geleiteten Mediums angeordnet ist, liefert ein Temperatursignal, welches gleichfalls der Regeleinrichtung 33 zugeführt wird und das Istsignal für diese Regeleinrichtung bildet.

Es kann solcherart sehr rasch an der geometrischen Fläche 17, welche die Wärmeübertragungsseite der für die Ableitung von Wärme vom Körper 2, 4 vorgesehenen Vorrichtung 10 darstellt, eine Temperatur herbeigeführt werden, welche unter Berücksichtigung des zwischen der geometrischen Fläche 17 und der Oberfläche 5 vorliegenden Wärmewiderstandes und unter Berücksichtigung der jeweils gerade vorliegenden Umgebungseinflüsse an der Oberfläche 5 die für diese Oberfläche 5 gewünschte Temperatur herstellt.

Um mit einer möglichst einfach gebauten Regeleinrichtung 33 arbeiten zu können, sieht man vorteilhaft vor, daß das Signal des Temperatursensors 32 nicht bloß einen variablen Bezugswert für die Regeleinrichtung darstellt, sondern vielmehr direkt dem Sollwert der Temperatur, welche an der geometrischen Fläche 17 hergestellt werden soll, entspricht.

Es kann dabei ein besonders einfacher Zusammenhang erhalten werden, wenn man den Wärmewider-Stand der Wärmeisolierung 31 so wählt, daß der pro Flächeneinheit der Oberflächenzone 27 des Modellkörpers 25 vorliegende Wärmewiderstand der Wärmeisolierung 31 annähernd gleich groß wie der im Körper 2, 4 zwischen der Oberfläche 5 und der geometrischen Fläche 17 vorliegende Wärmewiderstand pro Flächeneinheit der Oberfläche 5 ist

Es wird sohin durch die Modellregelung, welche einen Modellkörper beinhaltet, der hinsichtlich seines Wärmewiderstandes - bezogen auf die Größe der Oberfläche, welche den Umgebungseinflüssen ausgesetzt ist - dem Körper, dessen Oberflächentemperatur gesteuert werden soll, ähnlich oder vorzugsweise gleich ist, jedoch eine viel geringere Wärmespeicherkapazität hat, ein sehr rasch auf Änderungen der Umgebungseinflüsse reagierender Bezugswert oder Sollwert, anhand dessen die Temperatursteuerung erfolgen kann, gewonnen, und es kann solcherart die Herstellung der gewünschten Oberflächentemperatur schnell und exakt und mit geringem Energieaufwand erzielt werden.

Man ordnet den Modellkörper vorzugsweise in unmittelbarer Nähe jenes Körpers, dessen Oberflächentemperatur gesteuert werden soll, an, damit an der Oberflächenzone 27 möglichst die gleichen Umgebungseinflüsse vorliegen wie an der Oberfläche jenes Körpers, dessen Oberflächentemperatur gesteuert werden soll. Ebenso wählt man vorteilhaft eine der Oberfläche 5 gleiche Ausrichtung der Oberflächenzone 27 des Modellkörpers· 25, d.h. eine gleiche Stellung dieser Rächen, wenn es sich im wesentlichen um Ebenen handelt, und man sieht, falls es sich dabei um gekrümmte Rächen handelt, vorteilhaft vor, daß die genannte Oberflächenzone bzw. die gemittelte Richtung der Flächennormaien dieser Oberflächenzone des Modellkörpers in die gleiche Richtung weist wie die Oberfläche, deren Temperatur gesteuert werden soll, bzw. die gemittelte Richtung der Flächennormalen dieser Oberfläche.

Es ergibt sich ein sehr einfacher und hinsichtlich seiner Eigenschaften vorteilhafter Aufbau des Modellkörpers 25, wenn man diesen, wie Rg. 4 zeigt, aus zwei gut wärmeleitenden Metallschichten 35, 36 und einer dazwischenliegenden Wärmeisolierschicht 31 bildet, wobei die eine Metallschicht 35 die Oberflächenzone 27 bildet und an der Außenseite der anderen Metallschicht 36 die Wärmezufuhr- und/oder Wärmeabfuhreinrichtung 28 des Modellkörpers 25 mit ihrer Wärmeübertragungsseite angeordnet ist. Die Wärmezufuhr- und/oder Wärmeabfuhreinrichtung 28 kann vorteilhaft in Form einer Peltier-Kühl-und/oder Heizeinrichtung ausgeführt werden. 6

Claims (8)

1. AT 399 608 B Patentansprüche 1. Einrichtung zur Steuerung, insbesondere Konstanthaltung, der Oberflächentemperatur eines Körpers, welcher Umgebungseinflüssen, insbesondere Witterungseinflüssen, ausgesetzt ist, die im Sinne einer s Änderung der Oberflächentemperatur auf die Körperoberfläche einwirken, wobei eine im Abstand von der genannten Körperoberfläche im oder am betreffenden Körper angeordnete, steuerbare Vorrichtung zur Zufuhr und/oder Ableitung von Wärme von diesem Körper und eine diese Vorrichtung temperaturabhängig steuernde Regeleinrichtung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (1) mit einer Modellregelung versehen ist, welche einen Modellkörper (25) und eine mit diesem io Modellkörper zusammenarbeitende Modellregeleinrichtung (26) beinhaltet, wobei der Modellkörper (25) eine Oberflächenzone (27) aufweist, die in ihrem thermischen Verhalten gegenüber Umgebungseinflüssen (6, 7, 8) dem Verhalten der Körperoberfläche (5), deren Temperatur mit der Einrichtung (1) gesteuert werden soll, entspricht, und wobei der Modellkörper (25) weiter eine eigene steuerbare Wärmezufuhr- und/oder Wärmeabfuhreinrichtung (28) und einen in der genannten Oberflächenzone 75 (27) des Modellkörpers (25) placierten Temperatursensor (29) besitzt und die Modellregeleinrichtung (26) einerseits mit diesem, einen Istwertgeber bildenden Temperatursensor (29) und andererseits mit der Wärmezufuhr- und/oder Wärmeabfuhreinrichtung (28) des Modellkörpers (25) zur Steuerung derselben verbunden ist und die zum Erzielen einer vorgegebenen Temperatur an der genannten Oberflächenzone (27) des Modellkörpers (25) nötige Temperatur der Wärmeübertragungsseite (30) der 20 Wärmezufuhr- und/oder Wärmeabfuhreinrichtung (28) des Modellkörpers (25) regelt, und zwischen der Wärmeübertragungsseite (30) dieser Wärmezufuhr- und/oder Wärmeabfuhreinrichtung (28) und der genannten Oberflächenzone (27) des Modellkörpers (25) eine Wärmeisolierung (31) mit geringer Wärmespeicherkapazität vorgesehen ist und die Wärmespeicherkapazität des Modellkörpers (25) pro Flächeneinheit der genannten Oberflächenzone (27) des Modelikörpers (25) geringer ist als die für die 25 mit der Einrichtung (1) zu steuernde Oberflächentemperatur relevante Wärmespeicherkapazität des betreffenden Körpers (2, 4), pro Flächeneinheit dieser Oberfläche, und daß an der Wärmeübertra-gungsseite (30) der Wärmezufuhr- und/oder Wärmeabfuhreinrichtung (28) des Modellkörpers (25) und an der Wärmeübertragungsseite (17) der für die Zufuhr und/oder Ableitung von Wärme zum genannten Körper (2, 4), dessen Oberflächentemperatur gesteuert werden soll, vorgesehenen Vorrichtung (10) je 30 ein weiterer Temperatursensor (32, 34) placiert ist, und diese beiden Temperatursensoren (32, 34) an die Regeleinrichtung (33) angeschlossen sind, welche die für die Zufuhr und/oder Ableitung von Wärme zum b2w. vom genannten Körper vorgesehene Vorrichtung (10) steuert, wobei das Signal des an der Wärmeübertragungsseite dieser Vorrichtung angeordneten Temperatursensors (34) das Istsignal für diese Regeleinrichtung (33) bildet und das Signal des an der Wärmeübertragungsseite der Wärmezu-35 fuhr- und/oder Wärmeabfuhreinrichtung des Modellkörpers angeordneten Temperatursensors (32) einen Bezugswert für diese Regelung bildet.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal des an der Wärmeübertragungsseite (30) der Wärmezufuhr- und/oder Wärmeabfuhreinrichtung (28) des Modellkörpers (25) 40 angeordneten Temperatursensors (32) den Sollwert der Regelung bildet.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmewiderstand, der im Modellkörper (25) zwischen der genannten Oberflächenzone (27) und der Wärmeübertragungsseite (30) (30) der Wärmezufuhr- und/oder Wärmeabfuhreinrichtung (28) des Modellkörpers (25) pro Flä- 45 cheneinheit dieser Oberflächenzone (27) vorliegt, annähernd gleich groß wie der im Körper (2, 4), dessen Oberflächentemperatur gesteuert werden soll, zwischen der betreffenden Oberfläche (5) und der Wärmeübertragungsseite (17) der für die Zufuhr und/oder Ableitung von Wärme zu diesem Körper vorgesehenen Vorrichtung (10) vorliegende Wärmewiderstand pro Flächeneinheit dieser Oberfläche (5) ist. 50
4. 4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Modellkörper (25) in unmittelbarer Nähe des Körpers (2, 4), dessen Oberflächentemperatur gesteuert werden soll, angeordnet ist
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Oberflächenzone (27) bzw. die gemittelte Richtung der Flächennormalen dieser Oberflächenzone (27) des Modellkörpers (25) in die gleiche Richtung weist wie die Oberfläche (5), deren Temperatur gesteuert werden soll, bzw. die gemittelte Richtung der Flächennormalen dieser Oberfläche (5). 7 AT 399 608 B
6. 6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Oberflächenzone (27) des Modellkörpers (25) annähernd gleiche Strahlungs- und Konvektionseigenschaften und annähernd gleiche Rächenform wie die Oberfläche (5), deren Temperatur gesteuert werden soll, aufweist. 5
7. 7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Modellkörper (25) aus zwei gut wärmeleitenden Metalischichten (35, 36) und einer dazwischenliegenden Wärmeisolierschicht (31) mit geringer Wärmespeicherkapazität gebildet ist, wobei die Außenseite der einen Metallschicht (35) die genannte Oberflächenzone (27) bildet und an der Außenseite der anderen io Metailschlcht (36) die Wärmezufuhr- und/oder Wärmeabfuhreinrichtung (28) des Modellkörpers (25) mit ihrer Wärmeübertragungsseite (30) angeordnet ist.
8. 8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (1) die Steuereinrichtung für die Oberflächentemperatur der künstlich bzw. maschinell gekühlten is Eisfläche eines Eislaufplatzes ist, und daß mit der Regeleinrichtung (33) die Temperatur des durch ein unter der Eisfläche liegendes Rohrsystem zirkulierenden Wärmeträgermediums gesteuert wird. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen so 25 30 35 40 45 50 8 55