DE102006003816A1 - Hausgerät mit einer thermoelektrischen Wärmepumpe - Google Patents

Hausgerät mit einer thermoelektrischen Wärmepumpe

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DE102006003816A1
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Klaus Grunert
Günter Steffens
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    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT-PUMP SYSTEMS
    • F25B21/00Machines, plant, or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B21/02Machines, plant, or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effect; using Nernst-Ettinghausen effect
    • DTEXTILES; PAPER
    • D06TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06FLAUNDERING, DRYING, IRONING, PRESSING OR FOLDING TEXTILE ARTICLES
    • D06F58/00Domestic laundry driers
    • D06F58/20General details of domestic laundry driers
    • D06F58/206Heat pump arrangements

Abstract

Ein Hausgerät mit einer thermoelektrischen Wärmepumpe (22, 24, 26, 28), welche eine Vielzahl von Peltier-Elementen (22, 24, 30, 32, 34) aufweist, die in einer zu einer Achse (20) parallelen Fläche angeordnet sind, deren jedem eine Wärmepumpleistung zugeordnet ist, und die eine Kaltseite (26) und eine Warmseite (28) bilden, wobei die Kaltseite (26) parallel zur Achse von einem zu kühlenden Luftstrom und die Warmseite (28) parallel zur Achse (20) von einen zu erwärmenden Luftstrom beaufschlagbar sind, und bei dem eine sich entlang der Achse (20) verändernde Verteilung einer Temperaturdifferenz zwischen dem zu kühlenden Luftstrom und dem zu erwärmenden Luftstrom vorliegt, ist dadurch gekennzeichnet, dass eine sich entlang der Achse (20) verändernde Verteilung der Wärmepumpleistung vorgesehen ist, die derart an die Verteilung der Temperaturdifferenz angepasst ist, dass eine höhere Wärmepumpleistung dort vorliegt, wo die Temperaturdifferenz geringer ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Hausgerät mit einer thermoelektrischen Wärmepumpe nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
  • Ein Wäschetrockner als Beispiel für ein solches Hausgerät ist beispielsweise aus der DE 69 26 182 U bekannt.
  • Aus einem Dokument, welches am 25. November 2005 von der Internet-Adresse http://de.wikipedia.org/wiki/Peltier-Element herunterladbar war, ist ein marktübliches Peltier-Element in Aufbau und Funktion bekannt. Halbelemente dieses Peltier-Elements, sind säulen- oder quaderförmig ausgebildet und bestehen aus dotierten Halbleitern als Werkstoffe. Die Halbleiter sind insbesondere Wismut-Tellurid, und es kommen ein p-leitend dotierter und ein n-leitend dotierter Halbleiter zum Einsatz. Jeweils ein Halbelement aus dem p-leitend dotierten Halbleiter und ein Halbelement aus dem n-leitend dotierten Halbleiter sind jeweils an einer Seite über ein Leiterplättchen, auch als Metallbrücke bezeichnet, miteinander verbunden, und an einer anderen Seite, welche der genannten einen Seite gegenüber liegt, über jeweils ein weiteres Leiterplättchen mit einem weiteren Halbelement oder einem Anschlusskontakt zum Anschluss des Peltier-Elements an ein elektrisches Netzwerk verbunden.
  • Weitere Hinweise zu Grundlagen, anwendungsbezogener Auswahl und Montage von Pettier-Elementen ergeben sich aus Dokumenten, die am 25. November 2005 von den Internet-Adressen httpa/www.quick-ohm.de/waerme/download/Erlaeuterung-zu-Peltierelementen.pdf und http://www.quick-ohm.de/waerme/download/Einbau.pdf herunterladbar waren.
  • Aus der DE 1 410 206 A geht eine Waschmaschine hervor, in welcher Waschgut nicht nur gewaschen, sondern auch getrocknet werden kann. Für die dazu erforderlichen zusätzlichen Einrichtungen zeigt die Schrift mehrere Alternativen; insbesondere können eine elektrische Heizvorrichtung zum Erwärmen eines zur Trocknung von Waschgut eingesetzten Luftstroms und ein einfacher Wärmetauscher zum Abkühlen des erwärmten Luftstroms nach dem Beaufschlagen des Waschguts vorgesehen sein, der Heizer und der Kühler können aber auch zu einer Wärmepumpeinrichtung gehören. Die Wärmepumpeinrichtung kann eine Wärmepumpeinrichtung sein, welche mit Peltier-Elementen zur Nutzung des thermoelektrischen Effekts arbeitet.
  • Eine aus einem in der Datensammlung „Patent Abstracts of Japan" zur JP 08 057 194 A gehörigen englischen Kurzauszug hervorgehende Vorrichtung zum Trocknen von Waschgut enthält in ihrem ersten Kanalsystem neben einer Warmseite und einer Kaltseite, welche beide zu einer thermoelektrisch betreibbaren Wärmepumpe gehören, einen der Kaltseite vorgeschalteten zusätzlichen Wärmetauscher zur Abkühlung des von dem Waschgut abgeführten Luftstroms und eine der Warmseite nachgeschaltete zusätzliche Heizeinrichtung zum weiteren Erwärmen des Luftstroms vor dem Beaufschlagen des Waschguts.
  • Ein Peltier-Element-Modul in einer entsprechenden Wärmepumpe hat eine Kaltseite und eine Warmseite. An der Kaltseite wird Luft zur Abkühlung und zum Abgeben von Feuchtigkeit vorbeigeführt. Ebenso wird Luft an der Warmseite zum Aufwärmen vorbeigeführt.
  • Im Stand der Technik sind die Peltier-Elemente auf einer Fläche in einer Mehrzahl von Peltier-Element-Reihen angeordnet. Die Reihenordnung ist dabei zumeist eine sowohl räumliche als auch elektrische Reihenanordnung. In der Regel sieht jede Reihe von Peltier-Elementen gleich aus, d. h. es werden die gleichen Peltier-Elemente verwendet, jede Reihe hat eine gleiche Anzahl von Peltier-Elementen, die Reihen sind gleichmäßig beabstandet und befinden sich gemeinsam auf einem Kühlkörper. Die einzelnen Peltier-Element-Reihen werden gleichmäßig bestromt.
  • In einem bekannten Wäschetrockner strömt Luft an der Kaltseite der Peltier-Elemente-Reihen vorbei, wobei die Luft dort abgekühlt wird und enthaltene Feuchtigkeit auskondensiert. Die so getrocknete Luft wird zu einer Warmseite der Peltier-Elemente-Reihen geleitet, wo sie erhitzt wird. Bei der üblichen Anordnung von Peltier-Elemente-Reihen ist es so, dass die Luft zunächst zur Kaltseite der ersten Peltier-Elemente-Reihe gelangt, dann zur Kaltseite der zweiten Peltier-Elemente-Reihe, dann zur Kaltseite der dritten Peltier-Elemente-Reihe etc. Bei der Erwärmung ist die Reihenfolge genau umgekehrt: Die Luft gelangt dann über die dritte Peltier-Elemente-Reihe zur zweiten Peltier-Elemente-Reihe und schließlich zur ersten Peltier-Elemente-Reihe. Dadurch ergibt sich die Situation, dass die einzelnen Peltier-Elemente-Reihen unterschiedlichen Temperaturdifferenzen ausgesetzt sind: Die erste Peltier-Elemente-Reihe ist der größten Temperaturdifferenz ausgesetzt, und die letzte Peltier-Elemente-Reihe ist der kleinsten Temperaturdifferenz ausgesetzt. Da die Peltier-Elemente-Reihen mit demselben Strom beaufschlagt sind, ergibt sich für die einzelnen Peltier-Elemente ein jeweils verschiedener Arbeitspunkt von Reihe zu Reihe. Im Rahmen einer Optimierung wird der Strom so eingestellt, dass eine der mittleren Reihen tatsächlich im optimalen Arbeitspunkt arbeitet, während die anderen Reihen nicht optimal arbeiten.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Hausgerät der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass die einzelnen Wärmepumpleistungen der Peltier-Elemente in besserer Weise ausgenutzt werden und möglichst alle optimal arbeiten.
  • Die Aufgabe wird durch ein Hausgerät nach Patentanspruch 1 gelöst.
  • Erfindungsgemäß liegt also eine sich entlang einer Achse verändernde Verteilung einer Wärmepumpleistung vor, die an eine Verteilung der Temperaturdifferenz entlang der Achse angepasst ist, und zwar so, dass eine höhere Wärmepumpleistung dort vorliegt, wo die Temperaturdifferenz geringer ist, und eine niedrigere Wärmepumpleistung dort vorliegt, wo die Temperaturdifferenz höher ist.
  • Von der im Stand der Technik vorhandenen Gleichförmigkeit des Einsatzes der einzelnen Peltier-Elemente wird erfindungsgemäß somit abgegangen. Stattdessen wird die Wärmepumpleistung der einzelnen Peltier-Elemente variabel und angepasst an die Verteilung der Temperaturdifferenz verteilt.
  • Hierzu kann im Rahmen einer ersten Maßnahme vorgesehen sein, dass entlang der Achse zumindest zwei verschiedene Typen von Peltier-Elementen verwendet sind, die sich in ihren Betriebswerten für anzulegende Spannung und/oder durchzusendenden Strom unterscheiden. Es kann somit dort, wo die Temperaturdifferenz geringer ist, ein leistungsfähigerer Typ von Peltier-Elementen verwendet werden, und dort, wo die Temperaturdifferenz höher ist, ein weniger leistungsfähiger Typ von Peltier-Elementen.
  • Üblicherweise sind sowohl an der Kaltseite als auch der Warmseite metallische Körper vorgesehen, so genannte Kühlkörper oder Wärmeleitkörper aus Aluminium, die bewirken, dass die Wärme oder Kälte effektiv von den Peltier-Elementen abgeführt und gleichmäßig über die Kaltseite oder die Warmseite verteilt wird. Sowohl die Verteilung der Temperatur als auch die Verteilung der Wärmepumpleistung gestalten sich günstiger, wenn diese Wärmeleitkörper nicht durchgehend an allen Peltier-Elementen angeordnet sind. Die Wärmeleitkörper sind vielmehr bevorzugt in zwei oder mehr Teile geteilt. Mit anderen Worten sind sie entlang der Achse zumindest einmal unterbrochen (oder weisen eine Stelle mit erniedrigter Wärmeleitfähigkeit auf), so dass die Wärmeleitung entlang der Achse unterdrückt ist.
  • Auch bei der vorliegenden Erfindung bleibt es bevorzugt bei der Anordnung von einer Mehrzahl von Peltier-Elementen in Peltier-Elemente-Reihen.
  • Erfindungsgemäß sind dann die Peltier-Elemente-Reihen aber in ihrer Zusammensetzung und in ihrer Anordnung unterschiedlich.
  • So ist dann zumindest eines der folgenden Merkmale erfüllt: Die verschiedenen Peltier-Elemente-Reihen enthalten unterschiedliche Anzahlen von Peltier-Elementen oder verschiedene Typen von Peltier-Elementen, die sich in ihren Betriebswerten für anzulegende Spannung und/oder durchzusendenden Strom unterscheiden; die Peltier-Elemente-Reihen sind paarweise unterschiedlich beabstandet voneinander; die Peltier-Elemente-Reihen befinden sich auf geteilten Wärmeleitkörpern, welche die Wärme so ableiten, dass der Wärmeaustausch zwischen verschiedenen Peltier-Elemente-Reihen unterdrückt ist.
  • Erfindungsgemäß wird also jede Reihe individuell so bereitgestellt, dass die Peltier-Elemente in ihrer Leistung optimiert arbeiten.
  • Es wird nachfolgend eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in der Zeichnung beschrieben; dort zeigen:
  • 1 schematisch einen Wäschetrockner; und
  • 2 schematisch eine Draufsicht auf die Peltier-Elemente in einem Peltier-Element-Modul.
  • Ein Wäschetrockner der Art, wie er in 1 dargestellt ist, umfasst eine Wäschetrommel 10, in der sich zu trocknende Wäsche befindet. Die Wäschetrommel 10 weist eine Luftaustrittsöffnung 12 und eine Lufteintrittsöffnung 14 auf. Luft wird aus der Luftaustrittsöffnung in ein Rohr 16 vermittels eines Ventilators 18 eingesogen und einer Peltier-Element-Wärmepumpe 22, 24, 26, 28 zugeführt.
  • Die Peltier-Element-Wärmepumpe 22, 24, 26, 28 ist in einer zu einer Achse 20 parallelen Fläche angeordnet und in 1 von der Seite schematisch zu sehen. Die Luft umströmt diese Fläche in einem Bogen nach Art eines Buchstaben U. Zunächst strömt die Luft entlang einer Anordnung von Wärmeleitkörpern 26, die eine Kaltseite der Peltier-Elemente 22, 24 bildet. Die in der Fläche sich erstreckenden Wärmeleitkörper 26 sind verrippte Aluminiumplatten 26, welche auf der Kaltseite als Kühlkörper wirken. Im U-förmigen Abschnitt des Rohrs kühlt sich somit die durchströmende Luft im unteren Schenkel des Bogens von links nach rechts ab. Hierbei kondensiert Feuchtigkeit aus ihr aus und wird durch nicht dargestellte Mittel von der Luft abgeführt. Die somit getrocknete Luft strömt nun am Ende des Bogens nach oben und oberhalb der Peltier-Elemente 22, 24 von rechts nach links. Bei der Bewegung von rechts nach links oberhalb der Peltier-Elemente 22, 24 erwärmt sich die Luft. Zur Verbesserung der Abgabe von Wärme an die Luft sind auch hier wieder Wärmeleitkörper 28 vorgesehen, welche eine Warmseite der Peltier-Elemente 22, 24 bilden. Die an der Kaltseite getrocknete Luft wird an der Warmseite somit wieder erwärmt und strömt zur Lufteintrittsöffnung 14 und zur Wäschetrommel 10, um die Wäsche weiter zu trocknen.
  • Das Peltier-Element-Modul 22, 24, 26, 28 weist folgende Eigenheiten auf: Entlang der Achse 20 ist zunächst ein erster Typus von Peltier-Elementen 22 vorgesehen, der bestimmte Betriebswerte aufweist für anzulegende Spannung und/oder durchzusendenden Strom, wobei nominal eine bestimmte Wärmepumpleistung zugeordnet ist. Gezeigt sind zwei solche Peltier-Elemente 22. Entlang der Achse sind zwei weitere Peltier-Elemente 24 gezeigt, die größer dargestellt sind. Dies soll verdeutlichen, dass die Peltier-Elemente 24 andere Betriebswerte als die Peltier-Elemente 22 haben und insbesondere unter ansonsten gleichen Bedingungen eine höhere Wärmepumpleistung haben. Dies trägt einer Verteilung des Temperaturunterschieds zwischen Kaltseite und Warmseite Rechnung. Da an der Kaltseite die Luft von links nach rechts abgekühlt wird und an der Warmseite von rechts nach links aufgewärmt wird, ist im Bild links die Temperaturdifferenz deutlich höher als im Bild rechts. Die leistungsfähigeren Peltier-Elemente 24 sind also dort vorgesehen, wo die Temperaturdifferenz geringer ist.
  • Damit sich die Peltier-Elemente 22 einerseits und die Peltier-Elemente 24 wenig beeinflussen, sind, wie in 1 zu sehen, zwei voneinander getrennte Wärmeleitkörper 26 an der Kaltseite und zwei voneinander Wärmeleitkörper 28 an der Warmseite vorgesehen.
  • Eine mögliche Verteilung von Peltier-Elementen in der erwähnten Fläche parallel zur Achse 20 ist in 2 gezeigt. 2 zeigt eine Draufsicht auf das Peltier-Element-Modul, d. h. auf die Fläche, durch die im Fall von 1 die Achse 20 verläuft.
  • Auch hier sind drei verschiedene Arten von Peltier-Elementen vorgesehen, wobei diese in an sich bekannter Weise in Reihen angeordnet sind. Die ersten beiden Reihen bestehen aus den Peltier-Elementen 30, die dritte Reihe aus den Peltier-Elementen 32, die eine höhere Wärmepumpleistung liefern als die Peltier-Elemente 30, und die vierte bis sechste Zeile bestehen aus den Peltier-Elementen 34, die gegenüber den Peltier-Elementen 32 eine noch höhere Wärmepumpleistung bieten.
  • Die Situation von 2 ist für den Fall gedacht, dass im Bild unten die Temperaturdifferenz am geringsten und im Bild oben am höchsten ist. Mit anderen Worten entspricht die obere Seite von 2 der linken Seite an der Achse 20 in 1 und die untere Seite von 2 der rechten Seite an der Achse 20 in 1. Neben der Verwendung von unterschiedlichen Peltier-Elementen sind weitere Eigenschaften der Peltier-Wärmepumpe in 2 zu erkennen:
    Unterschiedliche Reihen bestehen hier aus unterschiedlichen Anzahlen von Peltier-Elementen. So besteht die erste Reihe aus zwei Peltier-Elementen 30 und die zweite Reihe aus drei Peltier-Elementen 30. Auch von der vierten bis sechsten Reihe erhöht sich die Zahl der jeweiligen Peltier-Elemente 34 von vier auf sechs. Es gibt jedoch auch die Situation, dass zwei benachbarte Reihen die gleiche Anzahl von Peltier-Elementen 32, 34 haben, nämlich wie es zwischen der dritten und vierten Reihe vorliegt. Zur Herstellung einer Verteilung in der Wärmepumpleistung auch an diesen Übergang genügt das Vorsehen von unterschiedlichen Peltier-Element-Typen.
  • Natürlicherweise geht mit der Erhöhung der Anzahl von Peltier-Elementen 30, 32, 34 in einer Reihe eine erhöhte Dichte einher. Dies gilt jedoch, wie in 2 zu sehen, nicht nur für die Beabstandung der Peltier-Elemente 30, 32, 34 innerhalb einer Reihe, sondern auch für den paarweisen Abstand. So ist beispielsweise bei Verwendung gleicher Peltier-Elemente 34 der paarweise Abstand zwischen der fünften und der sechsten Reihe geringer als zwischen der vierten und der fünften Reihe. In noch extremerer Weise unterscheidet sich der paarweise Abstand von der ersten und der zweiten Reihe aus den Peltier-Elementen 30 von dem der fünften und der sechsten Reihe aus den Peltier-Elementen 34.
  • Oberhalb und unterhalb der in 2 dargestellten Ebene befinden sich die Wärmeleitkörper, die in 1 mit 26 und 28 bezeichnet sind. Diese können in geeigneter Weise in mehrere Teile geteilt sein.
  • Die Erfindung geht von dem Prinzip ab, gleiche Peltier-Elemente und gleiche Anzahlen in jeder Reihe zu verwenden sowie die Reihen gleichmäßig zu beabstanden und auf einem gleichen Kühlkörper anzuordnen. Stattdessen wird jede Peltier-Elemente-Reihe individuell optimal gestaltet, so dass entsprechend dem jeweils an der Reihe anliegenden thermischen Gefälle die Wärmepumpleistung optimiert sein kann, was eine Optimierung der Arbeitspunkte der einzelnen Peltier-Elemente mit sich zieht. Dadurch wird die Gesamtleistung der Peltier-Elemente-Wärmepumpe erhöht.

Claims (6)

  1. Hausgerät mit einer thermoelektrischen Wärmepumpe (22, 24, 26, 28), umfassend eine Vielzahl von Peltier-Elementen (22, 24, 30, 32, 34), die in einer zu einer Achse (20) parallelen Fläche angeordnet sind, deren jedem eine Wärmepumpleistung zugeordnet ist und die eine Kaltseite (26) und eine Warmseite (28) bilden, wobei die Kaltseite (26) parallel zur Achse (20) von einem zu kühlenden Luftstrom und die Warmseite (28) parallel zur Achse (20) von einem zu erwärmenden Luftstrom beaufschlagbar sind, wobei eine sich entlang der Achse (20) verändernde Verteilung einer Temperaturdifferenz zwischen dem zu kühlenden Luftstrom und dem zu erwärmenden Luftstrom vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass eine sich entlang der Achse (20) verändernde Verteilung der Wärmepumpleistungen vorliegt, die derart an die Verteilung der Temperaturdifferenz angepasst ist, dass eine höhere Wärmepumpleistung dort vorliegt, wo die Temperaturdifferenz geringer ist.
  2. Hausgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Achse (20) zumindest zwei verschiedene Typen von Peltier-Elementen (22, 24; 30, 32, 34) verwendet sind, die sich in ihren Betriebswerten unterscheiden.
  3. Hausgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der Kaltseite (26) und/oder der Warmseite (28) ein Wärmeleitkörper (26,28) vorgesehen ist, der entlang der Achse (20) zumindest einmal unterbrochen ist oder eine Stelle mit erniedrigter Wärmeleitfähigkeit aufweist, sodass die Wärmeleitung entlang der Achse (20) unterdrückt ist.
  4. Hausgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Peltier-Elemente (22, 24, 30, 32, 34) in einer Mehrzahl von Peltier-Elemente-Reihen angeordnet sind, die sich jeweils quer zur Achse (20) in der Fläche erstrecken.
  5. Hausgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei verschiedene Peltier-Elemente-Reihen unterschiedliche Anzahlen von Peltier-Elementen (22, 24, 30, 32, 34) aufweisen.
  6. Hausgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Peltier-Elemente-Reihen paarweise unterschiedlich beabstandet sind.
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