DE102013206406B4

DE102013206406B4 - Raumklimamessgerät und Regelungseinrichtung

Info

Publication number: DE102013206406B4
Application number: DE102013206406.3A
Authority: DE
Inventors: Erhard Mayer; Michael Visser
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2013-04-11
Filing date: 2013-04-11
Publication date: 2017-11-02
Anticipated expiration: 2033-04-12
Also published as: DE102013206406A1

Abstract

Raumklimamessgerät (1) mit
zumindest einer Messfläche (10), welche auf der ersten Seite (151) eines Trägermaterials (15) angeordnet ist,
wobei der Messfläche (10) ein Wärmestrom zuführbar ist und die Messfläche (10) dazu eingerichtet ist, Wärme durch Konvektion und/oder Strahlung an ihre Umgebung abzugeben, und weiterhin eine Wärmestromerfassungseinrichtung (12) mit einer ersten Seite (121) und einer gegenüberliegenden zweiten Seite (122) vorhanden ist, wobei die erste Seite (121) der Wärmestromerfassungseinrichtung (12) einer zweiten Seite (152) des Trägermaterials (15) gegenübersteht, und
wobei das Raumklimamessgerät weiterhin zumindest einen Heizwiderstand (13) enthält, mit welchem der Wärmestrom erzeugbar ist und welcher der zweiten Seite (122) der Wärmestromerfassungseinrichtung (12) gegenübersteht

Description

Die Erfindung betrifft ein Raumklimamessgerät mit zumindest einer Messfläche, welcher ein Wärmestrom zuführbar ist und welche dazu eingerichtet ist, Wärme durch Konvektion und/oder Strahlung an die Umgebung abzugeben, wobei die sich einstellende Temperatur der Messfläche bestimmbar ist und das Raumklimamessgerät weiterhin zumindest einen Heizwiderstand enthält, mit welchem der Wärmestrom erzeugbar ist. Raumklimamessgeräte der eingangs genannten Art können dazu verwendet werden, die thermische Wechselwirkung zwischen einem Individuum und seiner Umgebung messtechnisch zu erfassen.
Aus der DE 199 83 520 B4 ist ein Messgerät der eingangs genannten Art bekannt. Dieses bekannte Messgerät weist eine Oberseite und eine Unterseite auf, welche durch eine Dämmschicht voneinander getrennt sind. Die Unterseite wird auf eine konstante Temperatur geheizt, so dass ein Wärmestrom von der Unterseite zur Oberseite fließt. Weiterhin kann die Oberseite thermische Energie aus der Umgebung aufnehmen oder thermische Energie an die Umgebung abgeben. Auf diese Weise stellt sich eine Gleichgewichtstemperatur der Oberseite ein, welche abhängig ist vom bekannten Wärmestrom von der Unterseite zur Oberseite und von den unbekannten Größen Konvektion und Strahlung in der Umgebung der Oberseite. Durch Messung der sich einstellenden Temperatur kann eine Messgröße erhalten werden, welche Konvektion und Strahlung und damit das Raumklima in gewissen Grenzen repräsentiert.
Die DE 100 50 235 A1 und die EP 1 172 669 A1 zeigen jeweils einen klimatechnischen Sensor, bei welchem einer Messfläche durch einen Heizwiderstand thermische Energie zugeführt wird. Ein rückwärtiger Wärmestromsensor erfasst dabei teilweise die Wärmeverluste des Heizwiderstandes, welche nicht der Messfläche zugeführt werden.
Aus der DE 32 05 704 C2 und aus der DE 36 11 084 C2 sind ebenfalls klimatechnische Sensoren bekannt, bei welchen einer Messfläche durch einen Heizwiderstand thermische Energie zugeführt wird. Die zugeführte Wärmemenge wird jedoch nicht gemessen, sondern lediglich die sich einstellende Temperatur der Messfläche.
Die DE 602 06 802 T2 offenbart eine Kombination aus zwei Strahlungs- und einem Strömungssensor zur Bestimmung der Wärmeempfindung. Diese Messwerte sind jedoch in der Praxis zu ungenau, da der Wärmestrom in die Messfläche nicht bestimmbar ist.
Aus der DE 20 47 171 C3 und der DE 1 573 374 A sind Wärmestrommesser bekannt, welche einen durch eine Fläche hindurchtretenden Wärmestrom erfassen können.
Diese bekannten Messgeräte weisen jedoch den Nachteil auf, dass das Messergebnis durch unbekannte Wärmeströme verfälscht wird, etwa zu den Seiten der Messflächen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, ein Raumklimamessgerät erhöhter Genauigkeit bereitzustellen. Weiterhin soll das Raumklimamessgerät kostengünstig herstellbar sein und als kompaktes und robustes Gerät einsetzbar sein.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Raumklimamessgerät gemäß Anspruch 1 und eine Regelungseinrichtung gemäß Anspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Raumklimamessgerätes finden sich in den Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Raumklimamessgerät weist zumindest eine Messfläche auf. Der Messfläche wird ein Wärmestrom zugeführt. Gleichzeitig gibt die Messfläche Wärme durch Konvektion und/oder Strahlung an ihre Umgebung ab. Die sich dabei einstellende Temperatur der Messfläche ist ein Maß für den Wärmeverlust, welcher von den Umgebungsbedingungen abhängt und dadurch ein Maß für die thermische Behaglichkeit eines Menschen in diesen Umgebungsbedingungen ist.
Die Messfläche kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung eine Breite von etwa 1 mm bis etwa 20 mm aufweisen. Ebenso kann die Höhe bzw. Länge der Messfläche etwa 1 mm bis etwa 20 mm betragen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Messfläche quadratisch oder rund ausgeführt sein.
Die Messfläche kann metallisch blank ausgeführt sein, d.h. die Messfläche kann einen niedrigen Emissionsgrad aufweisen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Messfläche als schwarzer Strahler ausgestaltet sein, d.h. der Emissionsgrad ist größer als etwa 0,90 oder etwa 0,95 oder größer als etwa 0,99. In wiederum einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann die Messfläche in etwa die Farbe menschlicher Haut aufweisen. Somit entspricht das Absorptionsverhalten bzw. das Emissionsverhalten der Messfläche in etwa dem der menschlichen Haut, so dass die sich einstellende Temperatur der Messfläche unmittelbar ein Maß für die sich einstellende Hauttemperatur und damit die thermische Behaglichkeit eines Menschen ist.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Messfläche ein Bauteil bzw. eine Folie aus einem Metall oder einer Legierung sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Messfläche als Beschichtung auf einem Trägermaterial angebracht sein, wobei die Beschichtung ein Metall oder eine Legierung enthält oder daraus besteht. Beispielsweise kann die Messfläche Gold und/oder Platin und/oder Silber und/oder Kupfer und/oder Aluminium und/oder Titan enthalten. Beispielsweise kann die Messfläche durch thermisches Abscheiden oder Sputtern oder galvanisch auf einem Polymer erzeugt werden. Das Polymer kann beispielsweise Polyamid, Polyethylen oder Polyester enthalten. Auf der metallischen Schicht der Messfläche können weitere Beschichtungen angebracht sein, beispielsweise um das Oxidieren der Oberfläche zu verhindern und/oder um einem vorgebbaren Emissionsgrad zu erreichen. Beispielsweise kann die weitere Beschichtung in einem Sputterprozess aufgebracht werden oder mittels an sich bekannter Lacke oder als außenstromlose oder galvanische Beschichtung.
Die sich einstellende Temperatur der Messfläche ergibt sich einerseits aus einem auf die Messfläche einwirkenden Wärmestrom, welcher mit zumindest einem Heizwiderstand erzeugt wird. Andererseits gibt die Messfläche thermische Energie an Ihre Umgebung ab. Die Menge der abgegebenen Energie hängt dabei von der Lufttemperatur, der Luftgeschwindigkeit, der Luftfeuchtigkeit und der mittleren Strahlungstemperatur in dem die Messfläche umgebenden Halbraum ab. Diese Größen beeinflussen auch maßgeblich die thermische Behaglichkeit eines Menschen. Somit ist die Temperatur der Messfläche unmittelbar ein Maß für die thermische Behaglichkeit.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist der zumindest eine Heizwiderstand des Raumklimamessgerätes dazu eingerichtet, der Messfläche einen Wärmestrom von etwa 60 W/m² bis etwa 120 W/m² zuzuführen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung ist der Heizwiderstand dazu geeignet, der Messfläche einen Wärmestrom von etwa 70 W/m² bis etwa 100 W/m² zuzuführen. In wiederum einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann der Messwiderstand einen Wärmestrom von etwa 80 bis etwa 90 W/m² erzeugen. Hierzu wird an den Heizwiderstand eine elektrische Spannung angelegt, welche einen elektrischen Stromfluss durch den Heizwiderstand bewirkt.
Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, den vom Heizwiderstand ausgehenden und auf die Messfläche eintreffenden Wärmestrom durch eine Wärmestromerfassungseinrichtung zu messen. Auf diese Weise kann aus der Messung des eintreffenden Wärmestroms und der sich daraus einstellenden Temperatur der Messfläche eine vollständige Energiebilanz erstellt werden, aus welcher die Wärmeverluste durch Konvektion und/oder Strahlung an die Umgebung der Messfläche bestimmt werden kann. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Raumklimamessgerät weist dabei den Vorteil auf, dass eine exakte Regelung der Heizleistung auf einen vorgebbaren Sollwert entfallen kann. Weiterhin kann die Genauigkeit des vorgeschlagenen Raumklimamessgeräts erhöht sein, da die vom Heizwiderstand erzeugt Wärme, welche nicht auf die Messfläche auftrifft, von der zwischen Messfläche und Heizwiderstand angeordneten Wärmestromerfassungseinrichtung nicht erfasst wird und damit die Wärmebilanz nicht verfälscht.
In einigen Betriebszuständen des Raumklimamessgerätes kann der zumindest eine Heizwiderstand so geregelt werden, dass ein zeitlich konstanter Wärmestrom auf die Messfläche auftrifft. In anderen Betriebszuständen kann der Heizwiderstand auf eine konstante Temperatur geregelt werden, und der sich bei dieser Temperatur einstellende Wärmestrom gemessen werden. In diesem Fall kann nach erfolgter Kalibirierung die sich einstellende Temperatur der Messfläche unmittelbar die thermische Behaglichkeit repräsentieren, ohne dass es einer Korrektur der Messwerte bedarf. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Wärmestrom und die Temperatur des Heizwiderstandes zeitlich variieren. In diesem Fall kann aus dem zugeführten Wärmestrom und der sich einstellenden Temperatur ein Maß für die thermische Behaglichkeit bestimmt werden, beispielsweise mit einem Mikroprozessor, einem Mikrocontroller, einem digitalen Signalprozessor oder einer ähnlichen Einrichtung.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Messfläche mit einer Seite der Wärmestromerfassungseinrichtung im thermischen Gleichgewicht stehen. In diesem Fall kann die Temperatur der entsprechenden Seite der Wärmestromerfassungseinrichtung unmittelbar zur Bestimmung der Temperatur der Messfläche herangezogen werden. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann zur Bestimmung der Temperatur der Messfläche der elektrische Widerstand eines die Messfläche bildenden metallischen Bauteiles bzw. der elektrische Widerstand der die Messfläche bildenden metallischen Beschichtung gemessen werden. Hierzu kann die Messfläche eine Strukturierung aufweisen, beispielsweise in Form eines Mäanders, um eine gewünschte Querschnittsfläche und/oder eine gewünschte Länge des Messwiderstandes zu erhalten.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Wärmestromerfassungseinrichtung zumindest eine Trägerschicht und zumindest eine Thermoelementkette aufweisen, wobei die Thermoelementkette eine Mehrzahl von seriell verschalteten Thermoelementen enthält, welche dazu eingerichtet sind, eine Temperaturdifferenz zwischen gegenüberliegenden Seiten der Trägerschicht zu bestimmen. Die Trägerschicht kann beispielsweise aus einem Kunststoff mit einem vorgebbaren Wärmewiderstand bestehen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Trägerschicht einen glasfaserverstärkten Kunststoff enthalten, beispielsweise in Form eines an sich bekannten Platinenmaterials, welches zum Aufbau elektronischer Schaltungen verwendet wird. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Trägerschicht eine Keramik enthalten, beispielsweise Siliziumoxid, Siliziumcarbit oder Aluminiumoxid. In wiederum einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann die Trägerschicht ein Glas oder Silicium enthalten. Bevorzugt handelt es sich bei der Trägerschicht um ein elektrisch isolierendes Material oder um ein isolierend beschichtetes Material.
Die Dicke der Trägerschicht kann beispielsweise etwa 0,5 mm bis etwa 2 mm betragen. Die Trägerschicht trägt zumindest eine Thermoelementkette. Diese kann in der Trägerschicht eingebettet sein oder an zwei gegenüberliegenden Oberflächen der Trägerschicht mit Hilfe von an sich bekannten Durchkontaktierungen ausgebildet sein. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann in der Trägerschicht eine Mehrzahl von Bohrungen angeordnet sein, welche die Leiter der Thermoelementkette aufnehmen. Die Bohrungen weisen Berührungspunkte auf, in welchen Leiter unterschiedlicher Zusammensetzungen kontaktiert werden, beispielsweise durch Schweißen oder Löten. An diesen Stellen bilden sich die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Thermoelemente aus.
Die Thermoelementkette besteht aus einer Mehrzahl seriell verschalteter Thermoelemente. Jedes Thermoelement besteht aus einem Übergang zweier unterschiedlicher Metalle oder Legierungen mit unterschiedlicher Austrittsarbeit, so dass bei Änderung der Temperatur eine Thermospannung erzeugt wird. Dabei ist ein Teil der Thermoelemente der Thermoelementkette an einer Seite der Trägerschicht angeordnet und ein anderer Teil der Thermoelemente der Thermoelementkette an der gegenüberliegenden Seite der Trägerschicht. Dies führt dazu, dass die Thermospannung eine Funktion der Temperaturdifferenz der zwei gegenüberliegenden Seiten der Trägerschicht ist. Aus der Temperaturdifferenz kann nach Kalibrierung auf den Wärmewiderstand der Trägerschicht unmittelbar der durch die Wärmestromerfassungseinrichtung hindurchtretende Wärmestrom bestimmt werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung enthält die Thermoelementkette etwa 100 bis etwa 10000 seriell verschaltete Thermoelemente. Die Thermoelemente können zumindest auf einer Teilfläche der Trägerschicht mit einer Dichte von etwa 30 bis etwa 70 Thermoelementen pro mm² angeordnet sein. Dies ermöglicht eine genaue Bestimmung der Temperaturdifferenz und damit eine exakte Bestimmung des auf die Messfläche eintreffenden Wärmestromes.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Anschlusskontakte der Thermoelementkette auf der der Messfläche abgewandten Seite angeordnet sein. Dadurch können Wärmeverluste über die Anschlüsse vermieden werden, so dass die Genauigkeit erhöht ist.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Thermoelementkette vorgefertigt sein, und nachfolgend in das die Trägerschicht bildende Material eingebettet werden. Diese Ausführungsform der Erfindung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Trägerschicht ein Thermoplast oder ein Duroplast oder ein Glas enthält, welches in flüssiger bzw. pastöser Form mit der Thermoelementkette in Kontakt gebracht werden kann, ehe das Material zur Aushärtung gebracht wird.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Wärmestromerfassungseinrichtung zumindest eine Trägerschicht aufweisen, welche eine erste Seite und eine gegenüberliegende zweite Seite aufweist, wobei auf jeder Seite zumindest ein Temperatursensor angebracht ist. Diese Ausführungsform kann mit geringem Aufwand hergestellt werden, da innerhalb der Trägerschicht keine Bauelemente angeordnet sind. Die Temperatursensoren können beispielsweise als Widerstandsthermometer oder als Thermoelement ausgeführt sein und durch Kleben mit der Trägerschicht verbunden sein.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zumindest ein Widerstandthermometer dadurch ausgebildet sein, dass zumindest eine Widerstandsschicht auf einer Seite der Trägerschicht angeordnet ist. Die Widerstandsschicht kann in einigen Ausführungsformen eine Beschichtung aus einem Metall, einer Legierung oder einem Halbleiter enthalten. Die Widerstandsschicht kann durch CVD- oder PVD-Verfahren oder durch galvanisches Abscheiden erzeugt werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Beschichtung eine Strukturierung aufweisen, beispielsweise in Form eines Mäanders, um eine gewünschte Querschnittsfläche und/oder eine gewünschte Länge des Messwiderstandes zu erhalten.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Wärmestromerfassungseinrichtung dazu eingerichtet sein, den Wärmestrom für verschiedene Teilflächen der Trägerschicht getrennt zu bestimmen. Dies kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung dadurch erfolgen, dass jede Teilfläche der Wärmestromerfassungseinrichtung zumindest eine zugeordnete Thermoelementkette aufweist. Dieses Merkmal kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung eine erhöhte Genauigkeit bewirken. In diesem Fall kann die Messfläche von weiteren Teilflächen umgeben sein, welchen ebenfalls ein Wärmestrom zugeführt wird, so dass der laterale Temperaturgradient der Messfläche reduziert ist. Durch Bestimmung der Temperaturen und Wärmeströme sämtlicher Teilflächen in der Messebene kann eine vollständige Wärmebilanz der Messflächen aufgestellt werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der zumindest eine Heizwiderstand auf der der Messfläche abgewandten Seite der Wärmestromerfassungseinrichtung aufgebracht sein. Dies ermöglicht einen mechanisch robusten Aufbau, da die Wärmestromerfassungseinrichtung und der Heizwiderstand eine gemeinsame Einheit bilden und relative Bewegungen zwischen beiden Elementen vermieden werden können.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann auf der der Wärmestromerfassungseinrichtung abgewandten Seite des Heizwiderstandes eine Isolationsschicht angebracht sein. Hierdurch wird der Wärmeverlust verringert, so dass der betrieb mit geringerem Energieeinsatz ermöglicht wird. Hierdurch kann die Betriebszeit eines tragbaren Gerätes mit dem vorgeschlagenen Raumklimamessgerät verlängert sein oder die Baugröße verringert werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zwischen der Wärmestromerfassungseinrichtung und dem Heizwiderstand eine erste Isolationsschicht angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die erste Isolationsschicht ein Polymer und/oder einen Gummi und/oder eine Keramik enthalten oder daraus bestehen. Die erste Isolationsschicht kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung zusammen mit der Trägerschicht der Wärmestromerfassungseinrichtung ein einheitliches Bauteil bilden. Diese Ausführungsform der Erfindung erlaubt es, den Heizwiderstand unmittelbar auf der Wärmestromerfassungseinrichtung aufzubringen und gleichzeitig eine Beeinflussung der Thermoelementkette durch die elektrischen Potentiale der Heizwiderstände zu vermeiden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der zumindest eine Heizwiderstand so strukturiert sein, dass die vom Heizwiderstand zugeführte Wärmeenergie für verschiedene Teilflächen getrennt regelbar ist. Dies erlaubt beispielsweise eine erhöhte Wärmezufuhr in die Randbereiche der Messfläche, um auf diese Weise den erhöhten Wärmeverlust an diesen Stellen auszugleichen. In wiederum anderen Ausführungsformen der Erfindung können die Randbereiche der Messfläche so beheizt werden, dass sich dort in etwa die Temperatur der Messfläche einstellt, so dass der Wärmestrom minimiert ist. Hierzu kann die Temperatur der Randbereiche auf die sich einstellende Temperatur der Messfläche geregelt werden. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Temperatur der Randflächen gemessen werden, so dass der Wärmestrom von der Messfläche in die Randflächen berechnet werden kann.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann eine Teilfläche eine Breite und/oder eine Länge von etwa 1 mm bis etwa 10 mm aufweisen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann eine Teilfläche eine Breite und/oder eine Länge von etwa 5 mm aufweisen. Dadurch sind die Teilflächen einerseits klein genug, um eine hinreichende Genauigkeit sicherzustellen und andererseits groß genug um eine die thermische Behaglichkeit repräsentierende Messgröße mit hinreichender Genauigkeit zu erfassen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der zumindest eine Heizwiderstand Platin oder eine Platinlegierung enthalten oder daraus bestehen. Ein solcher Heizwiderstand kann in einigen Ausführungsformen auch als Metallschicht ausgeführt sein, welche unmittelbar auf die Oberfläche der Trägerschicht der Wärmestromerfassungseinrichtung abgeschieden wird oder unter Verwendung einer ersten Isolationsschicht. Der Heizwiderstand kann beispielsweise durch PVD- oder CVD-Verfahren im Vakuum abgeschieden werden oder durch einen außenstromlosen oder galvanischen Abscheideprozess. Sofern der Heizwiderstand dazu eingerichtet ist, unterschiedliche Teilflächen mit unterschiedlicher Energie zu beheizen, kann nachfolgend durch Strukturieren und Ätzen aus der homogenen Metallschicht eine Mehrzahl von Heizwiderständen erzeugt werden. Daneben können durch Strukturieren und Ätzen, beispielsweise durch Fotolithographie, auch Leiterbahnen erzeugt werden, um unterschiedliche Heizwiderstände in der jeweils gewünschten Weise in der mit elektrischer Energie zu versorgen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Raumklimamessgerät zusätzlich eine Einrichtung zur Bestimmung der Luftfeuchtigkeit aufweisen. Dies erlaubt neben der Bestimmung des Einflusses der Lufttemperatur, der Luftbewegung und der Strahlung auch die Berücksichtigung des Einflusses der Schweißverdunstung auf die thermische Behaglichkeit. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann aus der sich einstellende Temperatur der Messfläche und der Luftfeuchte unmittelbar der Hautbenetzungsgrad bestimmt werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das vorgeschlagene Raumklimamessgerät Bestandteil einer Regelungseinrichtung zur Steuerung oder Regelung eines Innenraumklimas sein. Dies erlaubt ein angenehmeres Innenraumklima, da nicht nur die Lufttemperatur bei der Regelung Berücksichtigung findet, sondern sämtliche die thermische Behaglichkeit beeinflussende Messgrößen, also auch die Luftbewegung, der Strahlungseinfluss der umschließenden Wände und optional die Luftfeuchte. Zur Regelung des Innenraumklimas kann der von der erfindungsgemäßen Regelungseinrichtung bereitgestellte Messwert einer Heizungsanlage und/oder einer Klimaanlage zugeführt werden und beispielsweise die Temperatur, die Feuchte und die Menge der dem Innenraum zugeführten Luft beeinflussen.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
Dabei zeigt 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung in der Aufsicht.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung in der Aufsicht.
3 zeigt einen Querschnitt durch eine dritte Ausführungsform der Erfindung.
4 zeigt einen Querschnitt durch die erste Ausführungsform der Erfindung.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in der Aufsicht. Dargestellt ist eine dritte isolierende Schicht 35, welche beispielsweise eine Platine aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff sein kann, einer Keramik, beispielsweise Aluminiumoxid oder Siliziumkarbit oder Diamant. Wesentlich für die Wahl der zweiten isolierenden Schicht 35 ist eine hinreichende elektrische Durchschlagsfestigkeit. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die isolierende Schicht 35 als Wärmeisolation verwendet werden, so dass und eine geringe Wärmeleitfähigkeit vorteilhaft ist.
Auf der zweiten isolierenden Schicht 35 ist die Heizeinrichtung und die Wärmestromerfassungseinrichtung aufgebracht. Diese Bauteile sind durch die Messfläche 10 verdeckt und werden anhand der 3 und 4 näher erläutert. Die Messfläche 10 kann beispielsweise als Metall bzw. Metalllegierungsschicht aus dem Vakuum abgeschieden oder durch außenstromlose oder galvanische Abscheidung auf der zweiten isolierenden Schicht 32 erzeugt werden. Die Messfläche 10 kann eine nicht dargestellte Strukturierung aufweisen, so dass die Messfläche gleichzeitig als Widerstandsthermometer verwendet werden kann, um die sich im Betrieb einstellende Temperatur der Messfläche 10 zu bestimmen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann auch der Widerstand der unstrukturierten Messfläche gemessen werden, beispielsweise mit einer an sich bekannten 4-Punkt-Messung. In wiederum einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die Temperatur der Messfläche 10 aus der Temperatur der Wärmestromerfassungseinrichtung ermittelt.
Die Messfläche 10 ist von optionalen Randflächen 11 umgeben. Die Randflächen 11 können ebenso wie die Messfläche 10 von der Rückseite der zweiten isolierenden Schicht 32 her beheizt werden, so dass sich lateral ein geringerer Temperaturgradient zur Messfläche 10 einstellt, so dass Wärmeverluste der Messfläche 10 innerhalb der Ebene der zweiten isolierenden Schicht 32 vermieden werden. Zur thermischen und/oder elektrischen Isolierung der Randflächen 11 und der Messfläche 10 können die jeweiligen Teilflächen beabstandet zueinander angeordnet sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann ein Isoliermaterial zwischen den Teilflächen 10 und 11 eingebracht sein.
Weiterhin sind auf der dritten isolierenden Schicht 35 optionale Spaltenkontakte 33 und Zeilenkontakte 34 angebracht, welche jede der Teilflächen 10 und 11 elektrisch kontaktieren. Durch Anschließen eines Widerstandsmessgeräts an je einen Spaltenkontakt 33 und einen Zeilenkontakt 34 kann der elektrische Widerstand und damit die Temperatur der entsprechenden Teilfläche bestimmt werden. Dies kann im Betrieb durch einen Multiplexer erfolgen, so dass alle Temperaturen zyklisch erfasst werden.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung in der Aufsicht. Gleiche Teile der Erfindung sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass sich die nachfolgende Beschreibung auf die wesentlichen Unterschiede beschränkt. 2 zeigt eine dritte isolierende Schicht 35, welche auf der der Wärmestromerfassungseinrichtung abgewandten Seite der Heizeinrichtung angeordnet ist.
Auf der dritten isolierenden Schicht 35 befindet sich die Heizeinrichtung, die Wärmestromerfassungseinrichtung und eine erste Messfläche 10a und eine zweite Messfläche 10b. Die Messflächen sind von Randflächen 11 umgeben, wie bereits anhand von 1 erläutert. Auch in diesem Fall können die Randflächen 11 auf eine ähnliche Temperatur beheizt werden, wie die Messflächen 10a und 10b, so dass der laterale Wärmeverlust verringert wird, welcher einen Messfehler verursachen würde.
Die Messflächen 10a und 10b weisen einen rechteckigen Grundriss auf. Die doppelte Ausführung der Messflächen kann einerseits dazu verwendet werden, den Messwert unabhängig voneinander zweimal zu erfassen, um auf diese Weise die ermittelten Werte plausibilisieren zu können und die Genauigkeit weiter zu erhöhen.
In anderen Ausführungsformen der Erfindung können die beiden Messflächen 10a und 10b einen unterschiedlichen Emissionsgrad aufweisen. Beispielsweise kann eine Messfläche geschwärzt sein und eine Messfläche kann metallisch blank sein. Statt der Schwärzung kann eine hautfarbene Messfläche gewählt werden, um das Emissionsverhalten der menschlichen Haut zu simulieren. In jedem Fall erfasst die metallisch blanke Messfläche im Wesentlichen den konvektiven Anteil des abgegebenen Wärmestromes. Die Messfläche mit größerem Emissionsgrad wird hingegen einen größeren Wärmestrom in die Umgebung abgeben, welcher sich aus dem konvektivem Anteil und einem Strahlungsanteil zusammensetzt. Durch Subtraktion der Messsignale kann daher der Strahlungsanteil der Wärmeabgabe getrennt ermittelt werden.
Weiterhin sind auf der dritten isolierenden Schicht 35 elektronische Bauteile 40, 41 und 42 angeordnet. Das Bauteil 42 kann beispielsweise ein Steckverbinder sein, welcher das Raumklimamessgerät mit elektrischer Energie versorgt und/oder analoge oder digitale Messwerte ausliest, um diese einer nachfolgenden elektronischen Schaltung oder einer elektronischen Datenverarbeitung zuzuführen. Weiterhin ist in 2 ein A/D-Wandler 41 dargestellt sowie ein Mikroprozessor 40. Diese Komponenten können dazu eingesetzt werden, die Messwerte für den zugeführten Wärmestrom und die sich einstellende Temperatur der Messfläche 10 zu erfassen sowie die den Heizwiderständen zugeführte elektrische Energie zu steuern und/oder zu regeln. Daneben können weitere, an sich bekannte Bauelemente vorgesehen sein, um den Betrieb der Vorrichtung sicherzustellen oder zu vereinfachen. Diese Bauteile können ausgewählt sein aus Halbleiterspeichern, drahtlosen Schnittstellen, Regeleinrichtungen oder weiteren, hier nicht genannten Bauteilen.
In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann selbstverständlich an Stelle der dritten isolierenden Schicht 35 auch die zweite isolierende Schicht 32 oder die erste isolierende Schicht 31 treten, um die Spaltenkontakte 33 und/oder die Zeilenkontakte 34 und/oder die elektronischen Bauteile 40, 41 und 42 zu tragen und/oder untereinander zu kontaktieren.
3 zeigt den Schnitt durch eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dargestellt ist ein Trägermaterial 15, beispielsweise aus einem Polymer oder einer Keramik. Das Trägermaterial 15 weist eine erste Seite 151 und eine gegenüberliegende zweite Seite 152 auf. Die Dicke des Trägermaterials 15 kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung zwischen etwa 25 µm und etwa 250 µm betragen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Trägermaterial 15 eine Dicke von etwa 125 µm bis etwa 500 µm aufweisen.
Auf der ersten Seite 151 ist zumindest eine Messfläche 10 ausgebildet. Die Messfläche 10 kann optional von Randflächen 11 umgeben sein, wie anhand der 1 und 2 beschrieben. Die Randflächen 11 und die Messfläche 10 können beispielsweise durch Abscheiden einer Metallisierung auf der ersten Seite 151 gebildet sein. Die Metallisierung kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung Platin oder eine Platinlegierung enthalten oder daraus bestehen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Beschichtung Gold oder eine Goldlegierung enthalten oder daraus bestehen.
Wie im Schnitt gemäß 3 durch Trennlinien angedeutet ist, können die Randflächen 11 und die Messflächen 10 auch auf jeweils zugeordneten Trägermaterialien 15 angeordnet sein. Eine Mehrzahl von Trägermaterialien 15 kann beispielsweise durch Löten, Kleben oder Schweißen zu den anhand von 1 und 2 exemplarisch gezeigten Mustern zusammengesetzt werden.
Gegenüber der zweiten Seite 152 des Trägermaterials 15 ist die Wärmestromerfassungseinrichtung 12 angeordnet. Die Wärmestromerfassungseinrichtung 12 weist eine erste Seite 121 und eine gegenüberliegende zweite Seite 122 auf. Die Wärmestromerfassungseinrichtung ist so angeordnet, dass die erste Seite 121 der zweiten Seite 152 des Trägermaterials 15 gegenübersteht. Das Trägermaterial 15 und die Wärmestromerfassungseinrichtung 12 können durch einen Spalt 16 voneinander beabstandet sein. Die Breite des Spaltes 16 kann zwischen etwa 0,5 mm und etwa 5 mm betragen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Breite des Spaltes etwa 0,1 mm bis etwa 1 mm betragen.
Die Wärmestromerfassungseinrichtung 12 ist ebenfalls in Teilflächen 123, 124 und 125 unterteilt. Hierdurch können die jeweils auf die Messfläche 10 und die Randflächen 11 einwirkenden Wärmeströme separat voneinander erfasst werden.
Weiterhin weist jede Teilfläche eine zugeordnete Thermoelementkette 20 auf. Die Thermoelementkette 20 enthält eine Mehrzahl von Drähten aus einem ersten Material und eine Mehrzahl von Drähten aus einem zweiten Material, welche immer abwechselnd im Material der Wärmestromerfassungseinrichtung 12 eingebettet sind. Hierdurch ergeben sich nahe der ersten Seite 121 erste Thermoelemente 201 und nahe der zweiten Seite 122 zweite Thermoelemente 202. Jede Thermoelementkette 20 ist mit Anschlusskontakten 25 versehen, welche auf der zweiten Seite 122 der Wärmestromerfassungseinrichtung 12 geführt sind und welche mit einer entsprechenden Messeinrichtung zur Bestimmung der Thermospannung verbunden sind.
Aufgrund der Lage der ersten Thermoelemente 201 und der zweiten Thermoelemente 202 ist die Thermospannung direkt proportional zur Temperaturdifferenz zwischen der zweiten Seite 122 und der ersten Seite 121 der Wärmestromerfassungseinrichtung 12. Nach Kalibrierung auf den Wärmewiderstand der Wärmestromerfassungseinrichtung 12 ist die Thermospannung an den Anschlüssen 15 ein Maß für den durch die Wärmestromerfassungseinrichtung 12 hindurchtretenden Wärmestrom.
Vorteilhafterweise befinden sich die Anschlüsse 25 der Thermoelementketten 20 auf der zweiten Seite 122. Hierdurch werden unkontrollierte Wärmeverluste durch Wärmeleitung über die Anschlussdrähte der Thermoelementketten 20 vermieden, so dass der von der Wärmestromerfassungseinrichtung 12 erfasste Wärmestrom mit großer Genauigkeit demjenigen Wärmestrom entspricht, welcher der Messfläche 10 zugeführt wird.
Weiterhin kann die Temperatur der zweiten Seite 122 der Wärmestromerfassungseinrichtung 12 dazu verwendet werden, die sich im Betrieb der Vorrichtung einstellende Temperatur der Messfläche 10 zu bestimmen.
Gegenüber der zweiten Seite 122 der Wärmestromerfassungseinrichtung 12 befindet sich zumindest ein Heizwiderstand 13. Auch der Heizwiderstand 13 weist eine erste Seite 131 und eine gegenüberliegende zweite Seite 132 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Heizwiderstand 13 in Teilflächen 133, 134 und 135 unterteilt, so dass die den Teilflächen 11 und 10 zugeführte Wärme für jede Teilfläche separat kontrollierbar ist. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann jedoch der Heizwiderstand 13 auch eine Flächenheizung bilden, so dass der Wärmestrom lediglich gemessen, jedoch nicht für jede Teilfläche separat geregelt wird. Aus den Messwerten kann dennoch die für die Auswertung der Messwerte erforderliche Wärmestrombilanz der Messfläche 10 gebildet werden.
Auch der Heizwiderstand 13 kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung Platin oder eine Platinlegierung enthalten. Fallweise können in jeder Teilfläche 133, 134 und 135 mehrere getrennt voneinander schaltbare Heizwiderstände angeordnet sein, um die den Teilflächen zugeführte Wärmemenge mit größerer Genauigkeit zu steuern. Darüber hinaus kann die von den Heizwiderständen erzeugte Wärme durch Anpassen des Stromes bzw. der elektrischen Spannung oder durch Pulsweitenmodulation gesteuert oder geregelt werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Heizwiderstände bei Betrieb der Vorrichtung auf konstante Temperatur geregelt werden.
Auch zwischen der Wärmestromerfassungseinrichtung 12 und den Heizwiderständen 13 befindet sich ein Spalt 17, welcher die elektrische Isolation der Bauteile sicherstellt und in welchem Anschlusskontakte der Thermoelementketten 20 geführt werden können.
4 zeigt einen Schnitt durch die zweite Ausführungsform der Erfindung. Gleiche Bestandteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass sich die nachfolgende Beschreibung auf die wesentlichen Unterschiede beschränkt.
Wie aus 4 ersichtlich ist, sind anstelle der Spalte 16 und 17 eine erste Isolationsschicht 31 und eine zweite Isolationsschicht 32 eingebracht. Die Isolationsschichten 31 und 32 können ein Kunststoffmaterial enthalten, beispielsweise ein Thermoplast oder ein Duroplast. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Isolationsschichten 31 und 32 mit Fasern verstärkt sein, so dass beispielsweise ein an sich bekanntes Platinenmaterial aus GFK oder Hartpapier verwendet werden kann. Daneben können die Isolationsschichten 31 und 32 Füllmaterialien enthalten, um einen vorgebbaren Wärmewiderstand und/oder eine vorgebbare Dielektrizitätszahl einzustellen.
In anderen Ausführungsformen der Erfindung können die Isolationsschichten 31 und 32 eine Keramik enthalten, beispielsweise Siliziumkarbid, Aluminiumoxid, Titanoxid oder Siliziumoxid. Eine solche Isolationsschicht kann beispielsweise durch Sputtern auf den vorangegangenen Bauteilen abgeschieden werden. Auch eine solche Isolationsschicht kann durch Dotierung oder Füllmaterialien einen vorgebbaren elektrischen Widerstand oder einen vorgebbaren Wärmewiderstand aufweisen. Vorteilhaft sind die Isolationsschichten 31 und 32 dünn gehalten, um einen geringen Wärmewiderstand aufzuweisen.
Die zweiten Isolationsschicht 32 weist eine erste Seite 321 und eine gegenüberliegende zweite Seite 322 auf. Die zweite Seite 322 ist auf der ersten Seite 121 der Wärmestromerfassungseinrichtung 12 angeordnet. Die Befestigung kann beispielsweise durch Kleben oder Löten erfolgen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die zweite Isolationsschicht 32 als Dünnschicht im Vakuum direkt auf die erste Seite 121 der Wärmestromerfassungseinrichtung 12 abgeschieden werden.
Auch die Messfläche 10 und die Randflächen 11 können durch Vakuumbeschichten, galvanisches Abscheiden oder außenstromloses Abscheiden auf der ersten Seite 321 der Isolierschicht 32 abgeschieden werden.
Auf der Rückseite der Heizwiderstände 13 kann eine optionale dritte Isolierschicht 35 angeordnet sein. Diese kann als Schaltungsträger ausgebildet sein, wie anhand der 1 und 2 erläutert. In diesem Fall kann zumindest ein elektronisches Bauelement 40 aufnehmen und/oder als Wärmedammschicht die rückseitigen Wärmeverluste der Heizwiderstände 13 begrenzen.
Ebenso kann die erste Isolationsschicht 31 mit ihrer ersten Seite 311 auf der zweiten Seite 122 der Wärmestromerfassungseinrichtung 12 abgeschieden werden. Durch Metallisieren und Ätzen der sich daraus ergebenden Oberfläche sowie erneutes Überwachen mit einem Isoliermaterial können die Anschlusskontakte 25 innerhalb der ersten Isolierschicht 31 geführt werden. Schließlich kann der Heizwiderstand 13 auf der zweiten Seite 312 der ersten Isolationsschicht 31 durch Vakuumbeschichten oder galvanisches Abscheiden erzeugt werden. Auf diese Weise kann das gesamte Raumklimamessgerät mit an sich bekannten Dünnschichtmethoden aus der Halbleitertechnik hergestellt werden. Auch die anhand von 2 erläuterten elektronischen Bauteile können monolithisch in das Raumklimamessgerät integriert werden. Hieraus ergibt sich ein miniaturisierter Aufbau mit großer Betriebssicherheit, weiten Anwendungsmöglichkeiten und hoher Messgenauigkeit.

Claims

Raumklimamessgerät (1) mit zumindest einer Messfläche (10), welche auf der ersten Seite (151) eines Trägermaterials (15) angeordnet ist, wobei der Messfläche (10) ein Wärmestrom zuführbar ist und die Messfläche (10) dazu eingerichtet ist, Wärme durch Konvektion und/oder Strahlung an ihre Umgebung abzugeben, und weiterhin eine Wärmestromerfassungseinrichtung (12) mit einer ersten Seite (121) und einer gegenüberliegenden zweiten Seite (122) vorhanden ist, wobei die erste Seite (121) der Wärmestromerfassungseinrichtung (12) einer zweiten Seite (152) des Trägermaterials (15) gegenübersteht, und wobei das Raumklimamessgerät weiterhin zumindest einen Heizwiderstand (13) enthält, mit welchem der Wärmestrom erzeugbar ist und welcher der zweiten Seite (122) der Wärmestromerfassungseinrichtung (12) gegenübersteht
Raumklimamessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmestromerfassungseinrichtung (12) zumindest eine Trägerschicht (128) und zumindest eine Thermoelementkette (20) aufweist, wobei die Thermoelementkette (20) eine Mehrzahl von seriell verschalteten Thermoelementen (201, 202) enthält, welche dazu eingerichtet sind, eine Temperaturdifferenz zwischen gegenüberliegenden Seiten (121, 122) der Trägerschicht (12) zu bestimmen.
Raumklimamessgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoelementkette (20) etwa 100 bis etwa 10000 seriell verschaltete Thermoelemente (201, 202) enthält.
Raumklimamessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmestromerfassungseinrichtung (12) zumindest eine Trägerschicht (128) aufweist, welche eine erste Seite und eine gegenüberliegende zweite Seite aufweist, wobei auf jeder Seite zumindest ein Temperatursensor angebracht ist.
Raumklimamessgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Temperatursensor als Widerstandthermometer ausgebildet ist, welches zumindest eine Widerstandsschicht enthält, welche auf einer Seite der Trägerschicht (128) angeordnet ist.
Raumklimamessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmestromerfassungseinrichtung (12) dazu eingerichtet ist, den Wärmestrom für verschiedene Teilflächen (123, 124, 125) der Trägerschicht (128) getrennt zu bestimmen.
Raumklimamessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Heizwiderstand (13) so strukturiert ist, dass die vom Heizwiderstand (13) zugeführte Wärmeenergie für verschiedene Teilflächen (133, 134, 135) getrennt regelbar ist.
Raumklimamessgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Wärmestromerfassungseinrichtung (12) und dem Heizwiderstand (13) eine erste Isolationsschicht (31) angeordnet ist, welche ein Polymer und/oder einen Gummi und/oder eine Keramik enthält oder daraus besteht.
Gerät nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Teilfläche (123, 124, 125, 135, 134, 133) eine Breite und eine Länge von jeweils etwa 1 mm bis etwa 5 mm aufweist.
Raumklimamessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Heizwiderstand (13) Platin oder eine Platinlegierung enthält oder daraus besteht.
Raumklimamessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfläche (10) beabstandet von der Wärmestromerfassungseinrichtung (12) angeordnet ist oder dass die Messfläche (10) unter Verwendung einer zweiten Isolationsschicht (32) auf der Wärmestromerfassungseinrichtung (12) angeordnet ist.
Raumklimamessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, weiterhin enthaltend eine Mehrzahl von Messflächen (10a, 10b), welche jeweils einen unterschiedlichen Emissionsgrad (ε) aufweisen.
Raumklimamessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Wärmestromerfassungseinrichtung (12), die Messfläche (10), der Heizwiderstand (13) und zumindest ein elektronisches Bauteil (40, 41, 42) auf einem Trägermaterial (31, 32, 35) integriert sind.
Raumklimamessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Raumklimamessgerät zusätzlich eine Einrichtung zur Bestimmung der Luftfeuchtigkeit aufweist.
Regelungseinrichtung zur Steuerung oder Regelung eines Innenraumklimas mit einem Raumklimamessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 14.