DE102004062804B3

DE102004062804B3 - Kombitemperierungsgerät

Info

Publication number: DE102004062804B3
Application number: DE102004062804A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Harter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-12-27
Filing date: 2004-12-27
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2024-12-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kombitemperierungsgerät, in welchem unterschiedliche thermische Systemwirkteile, die unterschiedliche Energieformen in thermische Energie wandeln, verbunden sind und in dem diese Systemwirkteilkombination genutzt ist in der Weise, daß unterschiedliche günstige Eigenschaften mit einer Steuer- und Regelungseinrichtung in den insgesamt günstigsten Betriebszustand geführt und betrieben werden.

Description

Gebräuchliche und bekannte Geräte, die flächig Gegenstände heizen oder kühlen sind Heizplatten oder Kühltische. Die bekannten Heizplatten oder Kühltische, oft als Heiz- oder Kühlebenen bezeichnet, beziehen die thermische Energie aus einem dezentralen oder zentralen Heizungs- oder Kaltwassernetz (Glykolnetz).
Zentrale Heizungsnetze bestehen oft aus elektrischen Heizstäben oder Heizplatten, deren Bestandteile Heizwendeln sind, die häufig in einen Wärmespeicher integriert sind. Zentrale Kaltwassernetze sind Kälteanlagen, die mit einem nahegelegenen Wärmespeicher verbunden sind, wobei die thermische Energie der thermischen Maschinen wie Wärmepumpe, Kältemaschine mittels dem Kondensator oder Verdampfer auf den Speicher übertragen wird.
Umwälzpumpen fördern das Medium aus dem Speicher, wobei ein Zirkulationskreis zwischen dem Speicher und der Heiz- oder Kühlebene gebildet ist. Die Heiz- oder Kühlebene wird innenseitig durch das Mediengemisch benetzt, wobei die Tischebene stetig die Gemischtemperatur annimmt.
Dabei liegt das Problem zu Grunde, daß zunächst der Medienspeicher auf die gewünschte Temperatur gebracht werden muß, um dann durch die Umwälzung des Mediums zur Heizplatte oder zum Kühltisch dieselben zu temperieren.
Anderweitige Geräte speisen direkt thermische Energie in die Ebene, wie Heizplatte oder Kühltische ein. Eine spezielle Art thermischer Maschinen, die sowohl für Heizzwecke als auch für Kühlzwecke Verwendung finden, werden als Wärmepumpen oder Kältegeräte bezeichnet. Angewandt wird dabei das Carnotsche Kreisprozessprinzip. Die durch die thermischen Maschinen erzeugte thermische Energie wird mittels der Kondensatoren oder der Verdampfer, die häufig aus einem oder mehreren Rohren bestehen, die meist als Mäander auf Metallplatten oder ähnlichem aufgebracht oder integriert sind, übertragen.
Dabei liegt das Problem zu Grunde, daß die periodischen Zustandsänderungen des Kreisprozesses ungünstig verlaufen. Die Verdampfungs- und Kondensierungsvorgänge der Wärmepumpen oder Kältegeräte sind nicht optimal, so daß dies eine ungünstige Temperaturverteilung und Energieableitung auf der Platte mit sich bringt. Folglich ist ein ungünstiges Temperaturverhalten bezüglich des Einschwing- und Toleranzverhaltens und darüber hinaus eine ungünstige Temperaturstabilisierung gegeben.
Wieder andere Heiz- und Kühlgeräte beruhen auf der Thermoelektrizität, speziell auf dem Peltiereffekt. Wird ein Peltierelement mit Strom durchflossen, so ist dieses infolge des Paltiereffekts thermisch polarisiert, d.h. eine Oberfläche erwärmt sich, während sich die gegenüberliegende Seite abkühlt. Durch die Gleichspannungsumpolung wird die Kaltseite des Elements zur Warmseite und umgekehrt. Mit mehreren Peltierelementen, die abwechselnd elektrisch in Reihe, thermisch parallel geschaltet und nach außen mit einer elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Schicht (Keramikschicht) abgedeckt sind, erhält man einen Thermoelementblock.
Bei dieser Anwendung liegt das Problem zu Grunde, daß bei großem Temperaturunterschied eine geringe thermische Leistung zu Verfügung steht. Des weiteren ist das aus Halbleitermaterial bestehende Peltierelement in sich thermisch leitend, was das thermische Differential d.h. die thermische Leistung schmälert. Nachteilig ist die durch den Strom entstehende Joulesche Wärme, die zusätzlich die Leistung schmälert.

Bekannt sind Klimageräte, die aus Paltier-Block-Aggregaten bestehen, die zwischen Kühlkörper gespannt sind, wobei diese mit dem Medium Luft durchströmt werden, um diese zu temperieren ( DE 196 00 470 A1 ).

Ebenso bekannt ist das Verfahren und Vorrichtung zur Temperierung eines Flüssigkeitsbades in einem Reaktionsbehälter mit einem Medium, dessen Temperatur mit einem Heizkreislauf und einem Kühlkreislauf einstellbar ist ( DE 198 52 733 A1 ).

Eine weitere Möglichkeit des Temperierens erfolgt mittels einem Heizregister und Kühlregister, wobei die Mediumstemperatur durch einen Controller überwacht wird und entsprechend die Register thermisch eingestellt werden (WO 98/09 728 A1).

Wieder andere Geräte erzeugen mittels Druckluft Wärme oder Kälte.

Hier liegt das Problem zu Grunde, daß eine nicht zufriedenstellende Wärme- und Kälteerzeugungsbereitstellung gegeben ist, da zunächst die Druckluft mit einem energetisch ungünstigen Gerät (Kompressor) erzeugt werden muß, was mittels eines weiteren Systems für Wärme- und Kälteerzeugung herangezogen wird.

Anwendung und Nutzen der Geräte sind ein gezieltes Temperieren wie Heizen, Kühlen oder Gefrieren von Objekten oder Flüssigkeiten.

Ausgehend von der Technik der zentralen Heiz- oder Kaltwassernetze liegt das Problem zu Grunde, daß Geräteteile wie Speicher, Pumpen etc. notwendig sind und daß durch die Medienkreise zusätzliche Wärmeübergangsverluste und Wärmedurchgangsverluste auftreten. Zum anderen sind die Förderverluste stets gegenwärtig. Zudem bedarf es einer großen Zeitspanne, um dynamische Vorgänge wie Störeinflüsse hinreichend schnell auszugleichen. Entsprechendes gilt bei veränderten Sollwerten, wobei hinreichend schnell eine Medientemperaturänderung zu erzwingen ist. Dabei wirkt sich sowohl die große Wärmekapazität des Mediums als auch die Wärmekapazitäten der Peripherien wie Rohre, Ventilkörper etc. ungünstig auf das dynamische Verhalten aus.

Nachteilig wirkt sich zusätzlich die Totzeit aus, die durch das Umwälzen, dem Transport des Mediums hervorgerufen wird. Ein zeitlich versetztes Temperieren des Systems (Kühltische) ist die Folge. Besonders ungünstig ist dieser Effekt bei großen Massenströmen oder großen Wärmekapazitäten zu finden, was ein zusätzliches träges Einschwingen beinhaltet.

Ausgehend von der Technik der Direktverdampfersysteme wie bei Wärmepumpen oder Kältemaschinen liegt das Problem zu Grunde, daß die zu temperierende Ebene sich ungünstig temperieren lässt, was eine große Temperaturtoleranz zur Folge hat. Aufwendige Steuerungs- und Regelungstechniken, die eine Stabilisierung bewirkt sollen, führen nicht zum wirtschaftlichen Ziel. Zum anderen ist durch den gegebenen Kreisprozeß mit den Zustandsänderungen kein lineares thermisches Verhalten zwischen dem Verdichten und Entspannen gegeben, was zusätzliche Stabilisierungserschwernisse mit sich bringen. Das Einschwing- und Stabilisierungsverhalten ist daher unbefriedigend.

Ausgehend von der Technik der Temperierung von Ebenen (Kühltische) mittels einem thermoelektrischen Aggregat, den Thermoelementblöcken, liegt das Problem zu Grunde, daß bei großem Temperaturdifferential stets eine große Verlustleistung gegenwärtig ist. Die Verlustwärme muß entweder durch große unhandliche Kühlkörper oder durch flüssiges kühlendes Medium abgeführt werden. Nachteilig ist neben den besagten Kühlkörpern oder der zusätzlichen Medienkühlung der ungünstige Wirkungsgrad, hier die Leistungszahl. Nachteilig wirkt sich der zusätzliche Medienkreis bzw. Kühlkreis aus, der für die Abführung der großen Verlustwärme erforderlich ist.

Das gewünschte Anwendungsprofil von thermischen Geräten besteht darin, einerseits bei der Umwandlung in thermische Energie ein günstiger Wirkungsgrad oder eine günstige Leistungszahl zu erhalten, andererseits das thermische Niveau temperaturgenau mit kleinen Temperaturgradienten zu erhalten. Dies bedingt, die Verluste wie Übergangsverluste, Durchgangsverluste und Dichte, Volumen, spezifische Wärmekapazität folglich den thermischen Speicher und anderes zu minimieren oder zu meiden, um thermisch schnell reagieren zu können und darüber hinaus den Gradienten klein zu halten.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Konstruktion mit thermischen Systemen, die unterschiedliche Energieformen bzw. deren Inhalte in thermische Energie wandeln. Eine Kombination verschiedener thermischer Systeme, welche eine Systemwirkteilkombination, ein Kombitemperierungsgerät bilden, wobei die jeweiligen thermischen Wirkteile sich funktionell ergänzen und zusammenwirken. Ein Systemwirkteil, ein thermischer Träger, welcher den Hauptanteil der thermischen Energie mit zugehörigem großem thermischem Differential bereitstellt, ist gepaart mit einem weiteren Systemwirkteil, das thermische Energie übertragungsstark mit kurzem thermischem Einschwingverhalten ableitet. Eine Überlagerung von thermischer Energie, die insgesamt ein leistungsstarkes, dynamisches und genaues Temperieren beinhaltet. Die unterschiedlichen und jeweils günstigen Systemeigenschaften werden genutzt, indem die verschiedenen Funktionsteile und Wirkteile mittels einer Steuer- und Regelungseinrichtung in den im Gesamten vorteilhaftesten Betriebszustand geführt und betrieben werden.

Das Kombitemperierungsgerät basiert auf einer thermischen Maschine, beruhend auf dem carnotschen Kreisprozeß und dem Thermoelementblock der Thermoelektrizität (Peltiereffekt), wobei diese in der Systemwirkteilkombination gekoppelt sind, in der das gesamte nutzbare thermische energetische Potental entsteht.

Die Aufgabe der Systemkombination besteht darin, einerseits bei der Umwandlung in thermische Energie einen günstigen Wirkungsgrad (Leistungszahl) zu erhalten, andererseits das thermische Niveau temperaturgenau über die Ebene zu halten. Um thermisch schnell reagieren zu können, ist die Minimierung oder Vermeidung von Verlusten wie Übergangsverlusten, Durchgangsverlusten und thermischen Speicher erforderlich.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 bis 9 gelöst.

Das auf dem Carnotprozess beruhende System, meist Kaltdampf-Kältemaschinen, einer Wärmepumpe oder einer Kältemaschine, welche den Hauptanteil der thermische Energie mit Bezugstemperatur leistungsstark zu Verfügung stellt, ist kombiniert mit dem auf dem Peltiereffekt beruhenden Thermoelementblock, welcher im großen Bereich thermische Energie bezugsunabhängig mit kurzem thermischem Einschwingverhalten ableitet.

Während die thermischen Maschinen unter Einwirkung elektrischer Energie mechanische Energie (Arbeit) verrichten, diese in thermische Energie wandeln, wobei der Energieinhalt, die Entropiedifferenz (Entalpie) der Nutzung zu Verfügung steht, erfolgt bei dem Thermoelementblock die thermoelektrische Umwandlung von elektrischer in thermische Energie direkt und steht unmittelbar der Nutzung zur Verfügung.

Die thermisch ergänzenden Systemwirkteile bilden eine Systemwirkteilkombination bestehend aus einem Kondensator oder Verdampfer, der mit einem Thermoelementblock oder mehreren Thermoelementblöcken gekoppelt ist.

Die von der thermischen Maschine (Wärmepumpe, Kältegerät) erzeugte Nutzkondensations- oder Nutzverdampfungsenergie (Verdampfungskälte, -wärme) ist Trägerenergie und Bezugstemperatur, die Ausgangsbasis für den thermisch verbundenen Thermoelementblock ist. Die thermische Energie des Kondensators oder Verdampfers wird durch den Thermoelementblock verstärkt oder reduziert, was einer Summierung von thermischer Energie gleich kommt, wobei sich das gewünschte thermische Niveau einstellt, das auf die Heizplatte oder den Kühltisch übertragen wird und der Nutzung zur Verfügung steht.

Die konstruktive Anordnung der Wirkteile ist die, daß in einem thermisch isolierenden Medienverteiler, ein Kondensator oder Verdampfer enthalten ist. Auf dem Kondensator oder Verdampfer ist ein Thermoelementblock oder sind mehrere Thermoelementblöcke plaziert und fixiert. Der Kondensator oder Verdampfer ist mit dem Thermoelementblock in den Medienverteiler eingelassen und wird mit einer thermisch leitenden Abdeckung verschlossen, wobei eine Dichtung, die sich zwischen dem Rand des Medienverteilers und der Abdeckung befindet, das Innere der Systemwirkteilkombination vor Feuchtigkeit schützt bzw. abdichtet und verschließt. Das durch die thermische Maschine geförderte Medium ist über den Medienverteiler in den Kondensator oder Verdampfer eingeleitet und entsprechend ausgeleitet. Der oder die Thermoelementblöcke werden mit elektrischer Energie versorgt indem diese an eine Stromversorgung angeschlossen sind.

Ein erfinderischer Vorteil ist, daß das Kombitemperierungsgerät, das eine auf dem Carnotkreisprozeß arbeitende thermische Maschine beinhaltet, die thermische Energie als eine thermische Trägerenergie mit Bezugstemperatur bereitstellt, wobei diese mittels des nach dem Peltiereffekt arbeitenden Thermoelementblocks, welcher übertragungsstark ein Ableiten von thermischer Energie bewirkt, diese überlagert werden, eine Überlagerung von thermischer Energie stattfindet, was sich in einem thermisch leistungsstarken und temperaturgenauem Verhalten zeigt.

Ein weiterer mit der Erfindung erzielter Vorteil dieser Konstruktion ist, daß durch die Kombination eines energiestarken Trägers mit einer sensiblen Energieableitung durch den Thermoelementblock, der sich durch seine geringe Masse und folglich durch eine kleine Wärmekapazität auszeichnet, eine geringe thermische Speicherenergie desselben gegeben ist, was das Erzwingen eines thermischen Ausgleichs begünstigt.

Ein weiterer mit der Erfindung erzielter Vorteil dieser Konstruktion ist, daß in der thermisch leitenden Abdeckung Materialien wie Siliziumcarbid, Siliziumnitrid Verwendung finden, die wegen der geringen Dichte, der kleinen Wärmekapazität folglich eine kleine Speicherkapazität beinhalten.

Ein weiterer erfinderischer Vorteil ist, daß durch die Thermoelektrizität der Thermoelementblöcke eine bipolare thermische Energieableitung gegeben ist, womit der Energiefluß, der thermische Strom in kürzester Zeit umkehrbar ist und folglich thermischen Lasteinflüssen mit äquivalenter reversierter thermischer Energie schnellstens begegnet werden kann.

Ein weiterer mit der Erfindung erzielter Vorteil dieser Konstruktion ist, daß durch die kleinen und parallel angeordneten Thermoelementblöcke bis ins infinitesimale ein Energie- und Temperaturausgleich statt findet, was innerhalb der Gesamtfläche partielle Temperaturgradienten minimieren.

Ein weiterer erfinderischer Vorteil ist, daß durch die Konstellation, die günstigen Eigenschaften der Systemprozesse und summierend die thermischen Energien genutzt werden, welches ein kurzes thermisch aperiodisches Einschwingen implizierend, somit thermische Störungen schnell ausgleichbar sind und die Temperaturtoleranzen klein sind.

Ein weiterer erfinderischer Vorteil ist, daß zur Bezugsenergie bzw. zur Bezugstemperatur ein zusätzliches thermisches Differential durch eine Kaskadierung von thermischer Energie, einer thermischen Reihenschaltung von Thermoelementblöcken, gegeben ist, was das gesamte thermische Differential größer ausfallen läßt.

Der mit der Erfindung gegebene Vorteil ist zudem, daß durch die Systemkombination, das Kombitemperierungsgerät eine thermische Nutzungsfläche gegeben ist, die mit einem schnellen Ausgleich bei Sollwertänderung oder bei thermischen Störungen reagiert, was einem stabilen, aperiodischen Einschwingen entspricht.

Ein weiterer mit der Erfindung gegebener Vorteil ist, daß durch die gekoppelten Systeme die günstigen Eigenschaften, wie Leistungsstärke, Dynamik mittels der Steuer- und Regelungseinrichtung genutzt sind und sich die jeweils unterschiedlichen günstigen Systembetriebszustände ergänzend einstellen, wobei die Systemteile in der jeweils günstigsten Bandbreite betrieben sind und so der insgesamt optimale Betriebspunkt der Systemkombination erwirkt ist.

Eine zweckmäßige und vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist eine Systemwirkteilkombination bei der die Trägerenergie, die Entropiedifferenz, direkt an die Thermoelementblockoberfläche abgeleitet wird.

Damit werden Wärmeübergangsverluste und Wärmedurchgangsverluste minimiert. Das durch die thermische Maschine erzeugte Medium wird direkt auf eine Thermoelementblockoberfläche aufgeleitet, während die gegenüberliegende Thermoelementblockoberfläche mit der Innenseite der Nutzfläche kontaktiert ist. Ein durch die thermische Maschine direktes thermisches Energieableiten (Entropiedifferenz) mittels dem kondensierenden oder verdampfenden Medium wie Kältemittel auf die Thermoelementblockoberfläche ist gegeben, welche durch die Thermoblöcke auf die Nutzfläche abgeleitet wird. Eine Systemwirkteilkombination, die eine Anordnung von Medienverteiler und Thermoelementblock oder -blöcke beinhaltet, wobei die Thermoelementblockoberfläche als Kondensator oder Verdampfer genutzt ist.

Die konstruktive Anordnung der Wirkteile ist die, daß in einem thermisch isolierenden Medienverteiler ein oder mehrere Thermoelementblöcke integriert und gelagert sind. Zwischen Medienverteilersystem und eingelassener Thermoelementblockoberfläche kommt jeweils am Rand desselben eine Dichtung zum Liegen, die nach außen abdichtet. Innerhalb der jeweiligen Dichtfläche befindet sich ein Medieneinlaßtrichter der Stützflächen aufweist auf welchen der Thermoelementblock aufliegt. Das Medium wird über den Hauptzufluß und Trichter auf die Thermoelementblockoberfläche aufgeleitet, und fließt radial nach außen ab, und wird durch einen am inneren Rand der Dichtung verlaufenden Kanal, der Verbindung zum Hauptabfluß hat, abgeleitet. Der im Medienverteiler eingelassene Thermoelementblock wird durch eine thermisch leitende Abdeckung verschlossen, wobei eine Dichtung die zwischen dem Rand des Medienverteilers und der Abdeckung zu liegen kommt, diesen nach außen abdichtet. Das durch die thermische Maschine geförderte Medium wird über den Medienverteiler und den Trichter auf die Thermoelementblockoberfläche aufgeleitet und über den im Trichterrand befindenden Kanal entsprechend aufgeleitet. Der oder die Thermoelementblöcke werden mit elektrischer Energie versorgt.

Ein durch die Ausgestaltung gegebener erfinderischer Vorteil ist, daß durch die direkte Kontaktierung der Trägerenergie die Entropiedifferenz direkt an die Thermoelementblockoberfläche abgegeben wird, Durchgangswiderstände, Wärmeübergänge entfallen, und somit die Wärmeverluste minimiert sind.

Ein durch die Ausgestaltung weiterer erfinderischer Vorteil ist, daß die Dickentoleranzen des Thermoelementblocks oder -blöcke durch die Dichtung kompensiert werden und diese gleichermaßen durch die Dichtung nach außen abgedichtet und gelagert werden.

Ein durch die Ausgestaltung weiterer erfinderischer Vorteil ist, daß durch die direkte Kontaktierung des Mediums, der Trägerenergie (Entropiedifferenz) mit der Oberfläche des oder der Thermoelementblöcke der Kondensatorwirkteil oder Verdampferwirkteil entfällt.

Erfindungsgemäß ist weiter durch die Ausgestaltung von Vorteil, daß die durch die wechselnden Temperatureinflüsse und wegen den unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten die dadurch resultierenden mechanischen Spannungen von Kondensator oder Verdampfer zu dem Thermoelementblock gemieden werden.

Ein weiterer mit der Ausgestaltung erzielter Vorteil dieser Konstruktion ist, daß zusätzliche Wärmekapazitäten des Kondensators oder Verdampfers entfallen und wegen der geringen Masse des Thermoelementblocks folglich eine sehr kleine thermische Speicherenergie vorhanden ist, was seinerseits zu sehr schnellem Sollwert- oder Störausgleich führt.

Ein durch die Ausgestaltung erfinderischer Vorteil ist, daß sich die Oberfläche der Thermoelementblöcke, die aus einem keramischen Werkstoff wie Aluminiumoxid besteht, durch chemisch korrosionsbeständiges Verhalten auszeichnet.

Ein weiterer mit der Ausgestaltung einhergehender erfinderischer Vorteil ist, daß das Kombitemperierungsgerät, das eine auf dem Carnotkreisprozeß arbeitende thermische Maschine beinhaltet, die thermische Energie als eine thermische Trägerenergie mit Bezugstemperatur bereitstellt, wobei diese mittels des nach dem Peltiereffekt arbeitenden Thermoelementblocks, welcher übertragungsstark ein Ableiten von thermischer Energie bewirkt, eine Überlagerung von thermischer Energie in der Systemwirkteilkombination beinhaltet, was sich in einem thermisch leistungsstarken und temperaturgenauen Verhalten zeigt.

Ein durch die Ausgestaltung weiterer erfinderischer Vorteil dieser Konstruktion ist, daß durch die kleinen und parallel angeordneten Thermoelementblöcke bis ins infinitesimale ein Energie- und Temperaturausgleich statt findet, was innerhalb der Gesamtfläche partielle Temperaturgradienten zusätzlich minimiert.

Ein durch die Ausgestaltung weiterer erfinderischer Vorteil dieser Konstruktion ist, daß durch den Trichter, mit dem darin enthaltenen und kontinuierlich verdampfenden Medium der Partialdruck in demselben minimiert ist und dadurch ein optimierter Energieabtrag von der Thermoelementblockoberfläche gegeben ist und entsprechend umgekehrt beim Kondensieren.

Eine weitere zweckmäßige und vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist die Konstruktion mit einer Systemwirkteilkombination, in dem der Thermoelementblock durch eine keramische Flächenheizung ersetzt ist.

Die Flächenheizung oder Flächenheizungen sind entweder als Implantat im Kondensator oder Verdampfer integriert oder diese sind Bestand des Medienverteilers, wobei einseitig eine Oberfläche der Heizung direkt mit dem Medium benetzt ist. Die Temperierung erfolgt in der Weise, daß durch die thermische Maschine die thermische Trägerenergie, die Entropiedifferenz, mit der thermoelektrischen Energie der Flächenheizung kumuliert. Das gewünschte Energieniveau und folglich das thermische Niveau stellt sich insgesamt mit kurzem Einschwingen ein, was sich in einem dynamischen thermischen Einschwingen der Systemwirkteilkombination, der Nutzfläche des Kombitemperierungsgeräts ausdrückt.

Die konstruktive Anordnung der Wirkteile ist die, daß in einem thermisch isolierenden Medienverteiler, in dem sich ein Kondensator oder Verdampfer befindet, dieser mit einer oder mehreren keramischen Flächenheizungen bestückt ist.

Eine anderweitige konstruktive Anordnung ist dadurch gegeben, daß die einseitige keramische Flächenheizungsoberfläche als Kondensator oder Verdampfer wirkt, diese im direktem Kontakt mit dem kondensierenden oder dem verdampfenden Medium steht. Die keramische Flächenheizung ist entsprechend der Anordnung des Thermoelementblocks eingepaßt und im Medienverteiler eingebettet.

Entweder ist das Medium, die thermische Energie über den Medienverteiler und durch den Kondensator oder Verdampfer auf die keramische Flächenheizung abgeleitet, oder das Medium steht in direktem Kontakt mit der Flächenheizungsoberfläche. Der oder die Flächenheizungen werden mit elektrischer Energie versorgt.

Eine durch die weitere zweckmäßige und vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist, daß das Kombitemperierungsgerät, das eine auf dem Carnotkreisprozeß arbeitende thermische Maschine beinhaltet, die thermische Energie als eine thermische Trägerenergie mit Bezugstemperatur bereitstellt, wobei diese mit sehr schnell reagierender thermoelektrischer Energie durch eine keramische Flächenheizung überlagert wird, welche ein thermisch leistungsstarkes und temperaturgenaues Verhalten zeigt.

Ein durch die Ausgestaltung weiterer erfinderischer Vorteil dieser Konstruktion ist dadurch gegeben, daß durch die Kombination eines energiestarken Trägers mit der Kopplung einer leistungsstarken thermoelektrischen Flächenheizung, das Erzwingen eines thermischen Ausgleichs begünstigt wird.

Ein weiterer mit der Ausgestaltung einhergehender erfinderischer Vorteil ist, daß die thermoelektrische Flächenheizung eine sehr große Leistungsdichte aufweist und dadurch ein sehr schneller thermischer Ausgleich gewährleistet ist.

Ein durch die Ausgestaltung weiterer erfinderischer Vorteil ist, daß durch die überlagerte thermoelektrische Energie ein kurzes thermisch aperiodisches Einschwingen mit kleinen Temperaturtoleranzen impliziert ist und somit thermische Störungen schnell ausgleichbar sind.

Ein durch die Ausgestaltung weiterer erfinderischer Vorteil ist, daß durch die Systemwirkteilkombination eine thermische Nutzungsfläche gegeben ist, die einen schnellen Ausgleich bei Sollwertänderung oder bei thermischen Störungen ermöglicht, wobei die Nutzfläche mit kurzer thermischer Einschwingzeit reagiert.

Ein weiterer mit der Ausgestaltung einhergehender erfinderischer Vorteil ist, daß durch die Verwendung der thermoelektrischen Flächenheizung, die aus keramischem Werkstoff wie Siliziumcarbid, Siliziumnitrid und andere besteht, ein thermoschockbeständiges, hochtemperaturbeständiges und ein inertes Verhalten gegeben ist.

Ein weiterer mit der erfinderischen Ausgestaltung einhergehender Vorteil ist, daß durch die Verwendung der elektrisch keramischen Flächenheizung die Oberfläche lebensmitteltechnisch und medizintechnisch unbedenklich ist.

Ein durch die Ausgestaltung weiterer erfinderischer Vorteil ist, daß durch die direkte Kontaktierung der Trägerenergie, die Entropiedifferenz direkt an die Flächenheizung abgeleitet wird und dadurch Durchgangswiderstände, Wärmeübergänge entfallen und somit die Wärmeverluste minimiert sind.

Ein weiterer mit der Erfindung gegebener Vorteil ist, daß durch die gekoppelten Systeme die günstigen Eigenschaften, wie Leistungsstärke, Dynamik mittels der Steuer- und Regelungseinrichtung genutzt werden und sich die jeweils unterschiedlichen Systembetriebszustände ergänzend einstellen, wobei die Systemteile in der jeweils günstigsten Bandbreite betrieben werden und so der insgesamt optimale Betriebspunkt der Systemkombination erwirkt ist.

Ein durch die Ausgestaltung weiterer erfinderischer Vorteil ist, daß beim direkten Kontaktieren des Mediums, der Trägerenergie mit der Oberfläche der keramischen Flächenheizung die Dickentoleranzen der Flächenheizung oder Flächenheizungen durch die Dichtung kompensiert werden.

Ein durch die Ausgestaltung weiterer erfinderischer Vorteil ist, daß beim direkten Kontaktieren des Mediums, der Trägerenergie mit der keramischen Flächenheizung, welche wechselnden Temperatureinflüsse unterworfen wird und wegen den verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten die resultierenden mechanischen Spannungen von Kondensator oder Verdampfer zur Flächenheizung folglich gemieden werden.

Ein durch die Ausgestaltung weiterer erfinderischer Vorteil dieser Konstruktion ist, daß beim direkten Kontaktieren des Mediums, der Trägerenergie mit der keramischen Flächenheizung zusätzliche Wärmekapazitäten von Kondensator oder Verdampfer entfallen und durch die geringe Masse der Flächenheizung und die kleine Wärmekapazität derselben das sich insgesamt mit einer sehr kleinen thermischen Speicherenergie ausdrückt, was einen sehr schnellen Sollwert- oder Störausgleich impliziert.

Ein durch die Ausgestaltung weiterer erfinderischer Vorteil dieser Konstruktion ist, daß durch die kleinen und parallel angeordneten keramischen Flächenheizungen bis ins infinitesimale ein Energie- und Temperaturausgleich statt findet, was innerhalb der Gesamtfläche partielle Temperaturgradienten minimieren.

Ein durch die Ausgestaltung weiterer erfinderischer Vorteil dieser Konstruktion ist, daß durch den Trichter, mit dem darin enthaltenen und kontinuierlich verdampfenden Medium der Par tialdruck in demselben minimiert ist und dadurch ein optimierter Energieabtrag von der Thermoelementblockoberfläche gegeben ist und entsprechend umgekehrt beim Kondensieren. Erfindungsgemäß ist von Vorteil, daß durch die direkte Kontaktierung des Mediums mit der Oberfläche der elektrischen keramischen Flächenheizung ein körperlich mechanischer Kondensator oder Verdampfer entfällt.

Die Systemwirkteilkombination wird mit Energie, der Entropiedifferenz, des Mediums (Kältemittel) und mit thermoelektrischer Energie gespeist, wobei mit einer Steuer- und Regelungseinrichtung der Temperaturabgleich einerseits durch Medienmengenregulierung und andererseits durch elektrische Stromregulierung erfolgt, was Einfluß auf die gewünschte Temperatur und Energieniveau und damit die Nutzflächentemperatur nimmt.

Die Steuer- und Regelungseinrichtung nimmt Einfluß auf die thermische Maschine, die Trägerenergie mit zugehöriger Basistemperatur bereitstellt und auf die gekoppelten und thermischen Wirkteile, wie Thermoelementblöcke oder Flächenheizung, die dieser überlagert sind.

Ein optimales gegenseitiges Ergänzen der günstigen systembezogenen Eigenschaften ist durch die Steuer- und Regelungseinrichtung erwirkt, wobei die Systemwirkteilkombination bzw. die zur Verfügung stehende Nutzfläche, Teil des Kombitemperierungsgeräts ist.

Ein Kombitemperierungsgerät mit Steuer- und Regelungseigenschaften ist gegeben, dessen Funktionsteile in Wechselwirkung zum jeweiligen Systemwirkteil stehen, wobei die Systemwirkteile zueinander jeweils das optimale Übergangs- und Stabilisierungsverhalten zeigen und die Systemwirkteile adaptiv den insgesamt günstigsten Betriebszustand einnehmen.

Vorteilhaft reagiert die Systemkombination mit kleinen thermischen Toleranzen.

Erfindungsgemäß ist vorteilhaft, daß ein sehr schneller Ausgleich von thermischen Störungen gegeben ist, die durch die Nutzung bzw. Lasteinflüsse resultieren oder die durch die Temperaturschwankungen der thermischen Maschinen bzw. des Medienflusses gegeben sind, die mittels der Steuerungs- und Regelungseinrichtung und auf Grund der schnellen thermischen Reaktion der Thermoelementblöcke oder durch die thermoelektrische keramische Flächenheizung in kürzester Zeit ausgeglichen werden.

Anwendungen und Einsatzgebiete der oben benannten Erfindung und der Ausgestaltungen sind in der Verfahrenstechnik, als Wärmepumpe für Heizzwecke oder als Kühlgerät für Kühlzwecke, wie bei der Trocknung von Luft- oder Gasgemischen, Abscheiden von organischen Substanzen und ähnlichem zu finden. Wegen den sehr schnellen und präzisen leistungsbezogenen Temperatureinstellungen ist im speziellen das Einsatzgebiet in der Analyse, Medizin und Meßtechnik gegeben.

Andere technische Geräte sind z.B. in der Optoelektronik, bspw. den LED-Anzeigen zu finden, die einerseits eine große thermische Energieableitung, also gut entwärmt werden müssen andererseits geringe Temperaturtoleranzen voraussetzen, um deren Lebensdauer zu sichern.

Ein anderer Geräteeinsatz ist bei den „CYCUER" oder PCR-Systemen (poly merase chain rejection) gegeben, bei denen große und schnelle Temperaturänderungen erfolgen und gleichzeitig der partielle Temperaturgradient klein ausfallen muß.

Anwendungen bei Emulsionen wie Milch, Blutplasma und anderen sind gegeben, die empfindlich auf thermische Änderungen reagieren, und wo es gilt, molekulare Strukturänderungen, die sich durch eine ungünstige Temperierung ergeben, zu verhindern.

Geräte für die Anwendungen von explosiven oder empfindlichen Substanzen wie Gasen, Schornsteinabgasen etc., wobei es eine Grenzschichttemperaturüberschreitung oder Grenzschichttemperaturunterschreitung zu verhindern gilt.

Gastrocknungsgerät, das auf schnell wechselnde Medienströmungen reagiert, wie bei organischen Gärungsvorgängen wobei mittels Kältefallen Kondensate ausgefällt werden z.B. wie es bei der Aromarückgewinnung gegeben ist, bei der hohe schwankende Ausgasungslasten auftreten denen sensibel mit äquivalenter negierter leistungsvariabler Thermik entsprochen wird. Anwendungen bei denen eine exakte Temperaturhaltung erforderlich ist, wie bei den Gefriertischen, wobei die Maßhaltigkeit des bearbeitenden Guts sicher zu stellen ist.

Geräte zur Anwendung in einer Kombination von Kühlschrank und Herd. Thermische Energie, der Wärmeverlust (die Abwärme), die bei Kühlzwecken ohnehin auftritt, wird mit geringer zusätzlicher elektrischer Energie für Heizzwecke wie das Betreiben einer Heizung oder von Herdplatten nutzbar.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen perspektivisch und schematisch dargestellt und werden, soweit es für das Verständnis der Erfindung notwendig ist, im folgenden näher erläutert. Es zeigen:
1 Explosionsdarstellung einer Systemwirkteilkombination, bestehend aus thermisch isolierendem Medienverteiler in dem mehrere Thermoelementblöcke integriert sind, wobei dieses Gebilde mit einer Abdeckplatte verschlossen ist.
2 Explosionsdarstellung einer Systemwirkteilkombination, bestehend aus thermisch isolierendem Medienverteiler in dem mehrere elektrische Flächenheizungen integriert sind, wobei dieses Gebilde mit einer Abdeckplatte verschlossen ist.
3 Explosionsdarstellung einer Systemwirkteilkombination, bestehend aus thermisch isolierendem Medienverteiler und den thermischen Wirkteilen eines Verdampfers/Kondensators, dem mehrere Thermoelementblöcke aufliegen, wobei dieses Gebilde mit einer Abdeckplatte verschlossen ist.
4 Schematische Darstellung eines Kombitemperierungsgerätes mit der Schutz-, Meß-, Steuerungs- und Regelungseinheit (SMSR), welche das funktionale Zusammenwirken der Peripherien zeigt.
1 Explosionsdarstellung einer Systemwirkteilkombination, bestehend aus thermisch isolierendem Medienverteiler in dem mehrere Thermoelementblöcke integriert sind, wobei dieses Gebilde mit einer Abdeckplatte verschlossen ist.
Die im thermisch isolierenden Medienverteiler 1 enthaltenen Hohlzylinder bilden den Hauptzufluß 2 und Hauptabfluß, wobei der Hauptzufluß zu den jeweiligen Zuflußöffnungen 3 und der Hauptabfluß zum jeweiligen Abflußkanal 4 in Verbindung steht. Die Passungen 5 sind zur Fixierung des jeweiligen Thermoelementblockes 6 vorgesehen, wobei zwischen dem Medienverteiler 1 und dem Rand des jeweiligen Thermoelementblocks 6 eine Dichtung 7 zu liegen kommt, so daß der jeweilige Thermoelementblock 6 auf der Dichtung 7 gelagert ist. Innerhalb und im Abstand von der Dichtung 7 weist der Medienverteiler 1 trichterförmige Vertiefungen 8 auf in die die jeweilige Zuflußöffnung 3 mündet und in der Stützen 9 für die Positionierung des jeweiligen Thermoelementblocks 6 enthalten sind. Um diese trichterförmigen Vertiefungen 8 und innerhalb der Dichtungen 7 verlaufen die Abflußkanäle 4. Rund um das Thermoblockfeld und im bestimmten Abstand weist der Medienverteiler 1 einen umschließenden Kanal 10 auf, in dem die Anschlüsse 11 verwahrt und verschaltet sind.
Elektrisch leitende Bolzen 12 führen vom Kanal 10 durch den Medienverteiler 1 nach außen und stellen eine Verbindung vom außenliegenden elektrischen Anschluß zu den Thermoelementblöcken 6 her. Entsprechend sind die Bolzen 13 für die internen Fühler durchgeführt und verbunden. Die Bolzen sind jeweils im Medienverteiler abgedichtet. Die thermisch leitende Abdeckplatte 14 verschließt das Gebilde, in dem zwischen ihr und dem Rand des Medienverteilers 1 eine Dichtung 15 zum Liegen kommt. Verbindungsschrauben 16 verlaufen durch die Stabilisierungsplatte 17 und den Medienverteiler 1, und sind in der Abdeckplatte 14 fixiert und verspannt.
2 Explosionsdarstellung einer Systemwirkteilkombination, bestehend aus thermisch isolierendem Medienverteiler in dem mehrere elektrische Flächenheizungen integriert sind, wobei dieses Gebilde mit einer Abdeckplatte verschlossen ist.
Die im thermisch isolierende Medienverteiler 18 enthaltenen Hohlzylinder bilden den Hauptzufluß 19 und Hauptabfluß, wobei der Hauptzufluß mit den jeweiligen Zuflußöffnungen 20 und der Hauptabfluß mit dem jeweiligen Abflußkanal 21 verbunden ist. Die Passungen 22 sind zur jeweiligen Fixierung der elektrischen keramischen Flächenheizungen 23 vorgesehen, wobei zwischen dem Medienverteiler 1g und dem Rand der jeweiligen elektrischen keramischen Flächenheizung 23 eine Dichtung 24 zu liegen kommt, so daß die jeweilig elektrische keramische Flächenheizung 23 auf der Dichtung 24 gelagert ist. Innerhalb und im Abstand von der Dichtung 24 weist der Medienverteiler trichterförmige Vertiefungen 25 auf in die die jeweilige Zuflußöffnung 20 mündet und in der Stützen 26 für die Positionierung der elektrischen keramischen Flächenheizungen 23 enthalten sind. Um diese trichterförmigen Vertiefungen 25 und innerhalb der Dichtungen 24 verlaufen die Abflußkanäle 21. Rund um das elektrische keramische Flächenheizungsfeld und im Abstand weist der Medienverteiler 1g einen umschließenden Kanal 27 auf, in dem die Anschlüsse 28 verwahrt und verschaltet sind.
Elektrisch leitende Bolzen 29 führen vom Kanal 27 durch den Medienverteiler 18 nach außen und stellen eine Verbindung vom außenliegenden elektrischen Anschluß zu den elektrischen keramischen Flächenheizung 23 her. Entsprechend sind die Bolzen 30 für die internen Fühler durchgeführt und verbunden. Die Bolzen sind jeweils im Medienverteiler abgedichtet. Die thermisch leitende Abdeckplatte 31 verschließt das Gebilde, in dem zwischen und dem Rand des Medienverteilers 1g eine Dichtung 32 zum Liegen kommt. Verbindungsschrauben 33 verlaufen durch die Stabilisierungsplatte 34 und den Medienverteiler 18, und sind in der Abdeckplatte 31 fixiert und verspannt.
3 Explosionsdarstellung einer Systemwirkteilkombination, bestehend aus thermisch isolierendem Medienverteiler und den thermischen Wirkteilen eines Verdampfers/Kondensators, dem mehrere Thermoelementblöcke aufliegen, wobei dieses Gebilde mit einer Abdeckplatte verschlossen ist.
Die im thermisch isolierenden Medienverteiler 35 enthaltenen Hohlzylinder bilden den Zufluß 36 und den Abfluß, und steht jeweils in Verbindung zum Verdampfer 37. Auf dem Verdampfer 37 sind mehrere Thermoelementblöcke 3g plaziert. Diese thermische Wirkteilkombination ist mit einer thermisch leitende Abdeckplatte 39 versehen. In der Oberfläche des Verdampfers 37 sind Mulden 40 eingelassen in denen die Thermoelementblöcke 38 eingepaßt und fixiert sind. Rund um den Verdampfer 37 im Medienverteiler 35 befindet sich in einem bestimmten Abstand ein Kanal 41, in dem die Anschlüsse 42 der Thermoelementblöcke 38 verwahrt und verschaltet sind. Elektrisch leitende Bolzen 43 sind mit den Anschlüssen 42 verbunden, die vom Kanal 41 durch den Medienverteiler 35 nach außen geführt sind, und die Verbindung zum außenliegenden elektrischen Anschluß herstellen. Entsprechend sind die Bolzen 44 der Fühler durchgeführt, die mit den internen Fühlern verbunden sind. Die Bolzen sind jeweils im Medienverteiler abgedichtet. Die thermisch leitende Abdeckplatte 39 verschließt das Gebilde, in dem zwischen ihr und dem Rand des Medienverteilers 35 eine Dichtung 45 zum Liegen kommt. Verbindungsschrauben 46 verlaufen durch die Stabilisierungsplatte 47 und den Medienverteiler 35, und sind in der Abdeckplatte 39 fixiert und verspannt.
4 Schematische Darstellung eines Kombitemperierungsgerätes mit der Schutz-, Meß-, Steuerungs- und Regelungseinheit (SMSR), welche das funktionale Zusammenwirken der Peripherien zeigt.
Hauptfunktionsteilen wie Temperaturfühler 48, Drosselorgan 49, elektrischer Leistungssteller 50 und thermische Maschine 51 sind mit der SMSR 52 verbunden. Weitere Maßorgane, Schutzeinrichtungen und Funktionsteile wie Druckschalter und andere werden ebenfalls durch die SMSR überwacht, gesteuert, geregelt und mit elektrischer Energie versorgt.

1: thermisch isolierenden Medienverteiler
2: Hauptzufluß
3: jeweiligen Zuflußöffnungen
4: jeweiligen Abflußkanal
5: Passungen
6: jeweiligen Thermoelementblockes
7: Dichtung
8: trichterförmige Vertiefungen
9: Stützen
10: Kanal
11: Anschlüsse
12: elektrisch leitende Bolzen
13: elektrisch leitende Bolzen (Fühler)
14: thermisch leitende Abdeckplatte
15: Dichtung
16: Verbindungsschrauben
17: Stabilisierungsplatte
18: thermisch isolierende Medienverteiler
19: Hauptzufluß
20: Zuflußöffnungen
21: Abflußkanal
22: Passungen
23: elektrischen keramischen Flächenheizung
24: Dichtung
25: trichterförmige Vertiefungen
26: Stützen
27: umschließenden Kanal
28: Anschlüsse
29: elektrisch leitende Bolzen
30: elektrisch leitende Bolzen (Fühler)
31: thermisch leitende Abdeckplatte
32: Dichtung
33: Verbindungsschrauben
34: Stabilisierungsplatte
35: thermisch isolierenden Medienverteiler
36: Zufluß
37: Verdampfers
38: Thermoelementblock
39: thermisch leitende Abdeckplatte
40: Mulden
41: Kanal
42: Anschlüsse
43: elektrisch leitende Bolzen
44: elektrisch leitende Bolzen (Fühler)
45: Dichtung
46: Verbindungsschrauben
47: Stabilisierungsplatte
48: Temperaturfühler
49: Drosselorgan
50: Leistungssteller
51: thermische Maschine
52: Schutz-, Meß-, Steuerungs- und Regelungseinheit SMSR

Claims

Vorrichtung zum Temperieren von Gegenständen und/oder Medien, in der in einem thermisch isolierenden Medienverteiler (1) mindestens ein Thermoelementblock (6) eingepasst ist, der auf einer Dichtung (7) aufliegt, die zwischen dem Medienverteiler (1) und dem Rand des Thermoelementblocks (6) eingepasst ist, wobei der Medienverteiler (1) innerhalb dieser Dichtung (7) mindestens eine trichterförmige Vertiefung (8) aufweist, in die eine Zuflussöffnung (3) einmündet, die mit einem Hauptzufluss (2) über Hohlzylinder in Verbindung steht, und in der Stützen (9) für die Positionierung des Thermoelementblocks (6) enthalten sind, wobei innerhalb entlang der Dichtung (7) im Abstand ein Abflußkanal (4) verläuft, der mit einem Hauptabfluss, welcher als Hohlzylinder ausgebildet ist, verbunden ist, wobei außerhalb um den Thermoelementblock (6) im Abstand ein Kanal (10) verläuft, in dem elektrische Anschlüsse (11) für den Thermoelementblock (6) verwahrt und verschaltet sind, die ihrerseits mit elektrisch leitenden Bolzen (12) verbunden sind, die durch den Medienverteiler (1) durchgeführt und abgedichtet sind und wobei am äußersten Rand des Medienverteilers (1) rundherum um denselben eine Dichtung (15) verläuft, auf der eine thermisch leitende Abdeckplatte (14) aufliegt, die durch Verbindungsschrauben (16), mit einer Stabilisierungsplatte (17) und dem Medienverteiler (1) fixiert und verspannt ist, und wobei auf der, der Öffnung der trichterförmigen Vertiefung (8) zugewandten Oberfläche des Thermoelementblocks (6) das zugeführte Medium gleichmäßig kondensiert oder verdampft.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermisch leitende Abeckplatte (14) durch einen gleichartigen Medienverteiler (1) ersetzt ist, der auf dem Thermoelementblock (6) aufliegt und der mit Verbindungsschrauben (16), die durch beide Medienverteiler (1) und beide Stabilisierungsplatten (17) verlaufen, fixiert und verspannt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im thermisch isolierenden Medienverteiler (35) ein thermisch leitender Kondensator (37) oder Verdampfer (37) in einer Vertiefung eingebettet ist, wobei der Kondensator (37) oder Verdampfer (37) Verbindungen zum Zufluß (36) und Abfluß aufweist und sowohl im Kondensator (37) als auch im Verdampfer (37) mindestens eine Mulde (40) für den aufliegenden Thermoelementblock (38) enthalten ist, und wobei damit die Gestaltungsformen Trichter (7), Stützen (9), Dichtung (7), Abflußkanal (4) entfallen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Medienverteiler (1) mit mehreren Thermoelementblöcken (6) bestückt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (37) oder Verdampfer (37) mit mehreren Thermoelementblöcken (38) bestückt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Thermoelementblöcke (6, 38) im Medienverteiler (1, 35) eine Kaskade bilden und thermisch seriell geschaltet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Thermoelementblöcke (6, 38) mindestens eine elektrische keramische Flächenheizung (23) eingesetzt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Temperieren von Gegenständen und/oder Medien mehrere Male parallel und/oder seriell aneinander reihbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß unter Verwendung einer thermischen Maschine (51) und einer Schutz-, Meß-, Steuer- und Regelungseinrichtung (52) die Vorrichtung, bestehend aus der thermischen Maschine (51), dem mindestens einen Thermoelementblock (6, 38) und/oder der mindestens einen elektrischen keramischen Flächenheizung (23), in den optimalen Betriebspunkt geführt und betrieben werden.