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Die
Erfindung betrifft zunächst
ein Verfahren zum Betreiben eines zur Vereisung seines Inhaltes geeigneten
Behältnisses,
wobei in einer Wandung des Behältnisses
zur Kälteerzeugung
Peltierelemente angeordnet sind, die auf ihrer Heißseite aktiv
gekühlt
werden mittels eines in einem eigenen Kreislauf umlaufenden Kühlmittels,
das seinerseits aktiv gekühlt
wird.
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Verfahren
der in Rede stehenden Art sind bekannt. Bei der Kälteerzeugung/Eiserzeugung
mit Peltierelementen entstehen am Element eine Kalt- und eine Heißseite.
Die entstehende Kälteleistung
ist direkt abhängig
von der Wärmeabfuhr über die
Heißseite
des Elements. Diese Wärmeabfuhr
geschieht in der Regel über
Kühlkörper und/oder
Lüfter
und/oder über
eine Wasserkühlung.
Peltierelemente arbeiten wirkungsvoll bei kleinen Temperaturdifferenzen
zwischen der Heiß-
und der Kaltseite. Um größere Temperaturdifferenzen
bzw. eine größere Kälteleistung zwischen
Heiß-
und Kaltseite zu erzielen, bedarf es einer Kühlung der Heißseite.
Die zur Eiserzeugung notwendigen Temperaturdifferenzen von größer 30 K werden
bspw. mit einer Wasserkühlung
und zusätzlichem
Wärmetauscher
in Form eines Lüfters
auf der Heißseite
der Elemente erreicht. Diesbezüglich
wird auf die
EP 0133
844 B1 verwiesen. Diese Patentschrift zeigt und beschreibt
eine Vorrichtung zur Speiseeisbereitung, insbesondere in Form eines
Haushaltsgeräts,
bei welchem gemäß einer
ersten Ausführungsform
die der Kälteerzeugung
dienenden Peltierelemente rückwärtig durch
einen Kühlmittelkreislauf
aktiv gekühlt
werden. Dieser Kühlmittelkreislauf verfügt über einen
Wärmetauscher,
welcher mit einem motorbetriebenen Gebläse zusammenwirkt.
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Im
Hinblick auf den beschriebenen Stand der Technik wird eine technische
Problematik der Erfindung dahin gesehen, ein Verfahren der in Rede
stehenden Art insbesondere hinsichtlich der aktiven Kühlung des
Kühlmittels
weiter zu verbessern.
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Diese
Problematik ist zunächst
und im Wesentlichen dadurch gelöst,
dass die aktive Kühlung des
Kühlmittels
durch Wärmetausch
des Kühlmittels mit
einem Latentwärmespeicher
vorgenommen wird. Zufolge dieses erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Wirkungsgrad
zur Vereisung eines in einem geeigneten Behältnis vorgesehenen Inhaltes
verbessert. Die jeweils zu überwindenden
Temperaturdifferenzen werden relativ klein gehalten. Sowohl die
Peltiertechnik als auch die Latentwärmespeichertechnik sind sehr
gut geeignet zum Kühlen über kleine
Temperaturdifferenzen. Latentwärmespeicher
nutzen die Energie aus dem Phasenwechsel. Das Speichermaterial gibt über den
gesamten Schmelzvorgang Wärmeenergie
bei konstanter Temperatur ab, was wiederum über das hierüber gekühlte Kühlmedium
eine konstante rückwärtige, aktive
Kühlung
der Peltierelemente bewirkt. Dies besonders über einen längeren Zeitraum, über welchen
Latentwärmespeicher
in der Lage sind eine konstante Temperatur abzugeben. Darüber hinaus
ist mittels des vorgesehenen Latentwärmespeichers und dessen Eigenschaft über mehrere
Stunden Wärmeenergie
zu speichern die Möglichkeit
gegeben, eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende Vorrichtung,
insbesondere Speiseeisvorrichtung für die Zubereitung von Speiseeis
für den
Betrieb vorzubereiten. Der Kühlmittelkreislauf
sorgt dafür,
dass die Heißseite
der Peltierelemente beständig
und über
längere
Zeit mit einer bevorzugt Minusgrade aufweisenden Flüssigkeit
gekühlt
wird. Durch die hierdurch geschaffene große Temperaturdifferenz zwischen
Heißseite
der Peltierelemente und dem Kühlmittel
kann eine viel größere Wärmemenge
von der Heißseite
der Peltierelemente abtransportiert werden und somit wiederum auf
der Kaltseite der Peltierelemente eine zur Eisbereitung ausreichende
Minustemperatur erreicht werden. Bei der aus dem Stand der Technik
bekannten Wasserkühlung
hat das Kühlmittel
Umgebungstemperatur und erwärmt
sich relativ schnell. Mit steigender Erwärmung des Kühlwassers sinkt die Temperaturdifferenz
zur Umgebungstemperatur, die notwendig ist, um Wärmemengen zu transportieren.
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Der
Gegenstand des weiteren Anspruchs ist nachstehend in Bezug zu dem
Gegenstand des Anspruches 1 erläutert,
kann aber auch in seiner unabhängigen
Formulierung von Bedeutung sein.
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So
ist bevorzugt vorgesehen, dass der Latentwärmespeicher mittels des Kühlkreislaufs,
dem hierzu ein gesondertes Peltierelement zugeordnet ist, abgekühlt wird.
Zufolge dieser Ausgestaltung wird die Peltiertechnik zugleich zum
Laden des Latentwärmespeichers
genutzt. Hierzu kann, wie bevorzugt, ein gesondertes Peltierelement
vorgesehen sein. Denkbar ist auch eine Lösung, bei welcher das den zur
Eisbereitung dienenden Behälter
kühlende Peltierelement
zeitlich versetzt zugleich der Ladung des Latentwärmespeichers
dient. Um eine verlustarme Ladung des Latentwärmespeichers zu erreichen ist
ein gesondertes Peltierelement vorgesehen, welches indirekt über den
Kühlkreislauf
auf den Latentwärmespeicher
einwirkt. Hierzu ist weiter bevorzugt das gesamte Kühlsystem
in zwei Stufen unterteilt. In einer ersten Stufe wird der Latentwärmespeicher
beispielsweise über
einen Zeitraum von vier Stunden mit Peltiertechnik heruntergekühlt, wobei
während
dieser ersten Stufe bevorzugt der Kühlkreislauf auf ein Minimum
reduziert ist. Insbesondere der Wärmetauscherbereich zwischen
Kühlkreislauf
und den der Eiszubereitung zuzuordnenden Peltierelementen ist während dieser
ersten Stufe ausgeschlossen. Zum Herunterkühlen des Latentwärmespeichers
wird sehr wenig Energie benötigt.
Bevorzugt ist der Behälter
in dem sich der Latentwärmespeicher
befindet isoliert, so dass keine Wärmeenergie an die Umgebung
verloren geht. Ist der Latentwärmespeicher
geladen, so kann hiernach der komplette Kühlkreislauf geöffnet werden
und der Vereisungsvorgang beginnen. Das Kühlmittel wird bevorzugt durch
eine Pumpe, weiter bevorzugt durch eine Elektropumpe im Kreislauf
gehalten.
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Die
Erfindung betrifft des Weiteren eine Speiseeisbereitungs-Vorrichtung
mit einem zur Vereisung seines Inhaltes geeigneten Behältnis, dessen
Wandung zur Kälteerzeugung
ein (erstes) Peltierelement zugeordnet ist, wobei dieses Peltierelement
auf seiner Heißseite
mittels eines Wärmeübertragungsmediums
aktiv gekühlt
wird, wobei weiter das Wärmeübertragungsmedium
in einem gesonderten Kühlkreislauf
geführt
ist.
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Eine
Speiseeisbereitungs-Vorrichtung der in Rede stehenden Art ist aus
der eingangs erwähnten
EP 0133 844 B1 bekannt.
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Im
Hinblick auf den bekannten Stand der Technik wird eine technische
Problematik der Erfindung darin gesehen, eine Vorrichtung der in
Rede stehenden Art derart verbessert auszugestalten, dass bei möglichst
geringer Energie eine Zieltemperatur zur Vereisung des Behältnisinhaltes
erreicht wird, die deutlich unter dem Gefrierpunkt liegt.
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Diese
Problematik ist zunächst
und im Wesentlichen durch den Gegenstand des Anspruchs 3 gelöst, wobei
darauf abgestellt ist, dass dem Kühlkreislauf ein Kältereservoir
in Form eines Latentwärmespeichers
zugeordnet ist. Zufolge dieser Ausgestaltung ist eine Speiseeisbereitungs-Vorrichtung
geschaffen, deren behältnisseitiges
Peltierelement rückseitig,
d. h. auf der Heißseite
mittels des Kühlkreislaufes
auf einer bevorzugt konstanten Temperatur gehalten wird. Das Kältereservoir
ist gebildet durch einen Latentwärmespeicher,
der vorab in einem gesonderten Prozess geladen wurde. Ein derartiger
Speicher kann über
einen längeren
Zeitraum eine konstante Temperatur übertragen, so im vorliegenden
Fall auf das Kühlmittel.
Dieses wird gefördert in
einem geschlossenen Rohrsystem, welches Kühlrohr zum Wärmetausch
den Latentwärmespeicher bzw.
das Wärmespeichermaterial
durchsetzt. Alternativ kann auch eine Anordnung vorgesehen sein, bei
welcher die Kühlleitung
an einer Außenwandung des
Speichers vorbeigeführt
ist. In üblicher
Weise sind solche Kühlleitungen
zum Wärmetausch
spiralförmig
angeordnet, um so eine genügend
große Oberfläche zu bieten.
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Die
Gegenstände
der weiteren Ansprüche sind
nachstehend in Bezug zu dem Gegenstand des Anspruchs 3 erläutert, können aber
auch in ihrer unabhängigen
Formulierung von Bedeutung sein.
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Der
Latentwärmespeicher
wird bevorzugt über
ein Peltierelement geladen. Hierbei kann es sich um dasselbe Peltierelement
handeln, welches der Wandung des zur Vereisung seines Inhalts geeigneten
Behältnisses
zugeordnet ist. Um einen erhöhten Wirkungsgrad
der Vorrichtung zu erreichen ist vorgesehen, dass dem Kühlkreislauf
ein gesondertes Peltierelement zum Laden des Latentwärmespeichers zugeordnet
ist. Dieses wird nur zum Laden des Latentwärmespeichers bestromt, während die
Aktivierung des ersten Peltierelements erst zum Vereisen des Behältnisinhaltes
durchgeführt
wird. Zufolge dieser Ausgestaltung kann aufgrund der geringen Leistungsaufnahme
von Peltierelementen bei relativ geringer Energie der Latentwärmespeicher
geladen werden, welcher hiernach über einen relativ langen Zeitraum
eine konstante Temperatur an den Kühlkreislauf abgibt. Weiter
wird vorgeschlagen, dass der Kühlkreislauf
zur zeitlichen Trennung der Ladung des Latentwärmespeichers von der Speiseeisbereitung von
der Kühlung
des ersten Peltierelementes abkoppelbar ist. Dies trägt weiter
zur Steigerung des Wirkungsgrades der Vorrichtung bei. Das Kühlmittel
umströmt
beim Ladevorgang des Latentwärmespeichers
nicht den Behältnisbereich
mit den hier vorgesehenen ersten Peltierelementen. Der Kühlkreislauf zum
Laden des Latentwärmespeichers
ist so klein wie möglich
gehalten, um Verlusten entgegenzuwirken. Das Kühlmittel dient dem Wärmetransport
zwischen dem weiteren Peltierelement und dem Latentwärmespeicher,
wobei weiter das weitere Peltierelement nicht zwingend direkt auf
das Kühlmittel
bzw. die das Kühlmittel
aufnehmenden Rohre einwirken muss. Auch eine indirekte Einwirkung
ist denkbar, bspw. unter Zwischenschaltung eines weiteren Kreislaufes.
Ist der Latentwärmespeicher
geladen, so werden die weiteren Peltierelemente ausgeschaltet und der
große
Kühlkreislauf
freigeschaltet, der die manschettenartigen, die ersten Peltierelemente
aufweisenden Kühlabschnitte
des Behältnisses
einschließt.
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Das
Speichermaterial des Latentwärmespeichers
basiert bevorzugt auf Paraffin oder Salz. Die Verflüssigungs-/Verfestigungs-Temperatur
des Latentwärmespeichermittels
ist bevorzugt unterhalb von 0°C
gewählt,
wobei idealerweise die Verflüssigungs-Temperatur
und die Verfestigungstemperatur gleich sind. Durchaus können diese
Temperaturen auch unterschiedlich sein, wenngleich auch nur um einen
Differenzbetrag von wenigen Grad C. Beispielsweise kann hierbei
die Verfestigungs-Temperatur bei minus 8°C liegen, während eine Verflüssigung bereits
bei minus 5°C
erreicht wird. Im Allgemeinen liegt die Temperatur zwischen minus
1°C bis
minus 10°C,
so in idealer Weise bevorzugt bei minus 5°C.
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Der
Wirkungsgrad der Peltierelemente zur Erzeugung von Kälteleistung
im Bereich des zur Vereisung seines Inhaltes geeigneten Behältnisses
wird zufolge der vorgeschlagenen Erfindung erheblich verbessert.
Der Eisherstellungsprozess wird beschleunigt. Das Kältereservoir
(Latentwärmespeicher)
ist jederzeit wieder aufladbar. Die Vorteile eines Latentwärmespeichers
und der Peltierelemente sind vorteilhaft und energetisch günstig kombiniert.
Durch die Kühlung
der Heißseite
der behälterseitigen
Peltierelemente mit bevorzugt minus 5°C kaltem Kühlmittel (bevorzugt Wasser-Glykol-Gemisch)
sind die Baugröße und das
Gewicht der Vorrichtung gegenüber
herkömmlichen
Vorrichtungen stark reduziert. Die Kälteleistung der Peltierelemente
kann optimal genutzt werden, da die Heißseite optimal gekühlt wird.
Die Wärmeverlustmengen
sind klein gehalten, wobei weiter die Kühlung der Peltierelemente bei konstanter
Temperatur stattfindet.
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Nachstehend
ist die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung, welche lediglich
ein Ausführungsbeispiel
darstellt, näher
erläutert.
Es zeigt:
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1 in
schematischer Seitenansicht eine Speiseeisbereitungs-Vorrichtung in Form
einer Küchenmaschine;
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2 eine
partiell geschnittene Darstellung durch den Sockelbereich eines
zur Vereisung seines Inhaltes geeigneten Behältnisses und den den Behältnissockel
manschettenartig umfassenden Aufnahmebereich der Vorrichtung;
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3 in
schematischer Darstellung die Vorrichtung zur Vereisung eines Behältnisinhaltes.
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Dargestellt
und beschrieben ist zunächst
mit Bezug zu 1 eine Speiseeisbereitungs-Vorrichtung 1,
welche in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
Teil einer Küchenmaschine 2 ist.
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Bezüglich der
Küchenmaschine
2 handelt
es sich um eine solche, wie sie beispielsweise aus der
DE 102 10 442 A1 her bekannt
ist. Der Inhalt dieser Patentanmeldung wird hiermit vollinhaltlich
in die Offenbarung vorliegender Erfindung mit einbezogen, auch zu
dem Zwecke, Merkmale dieser Patentanmeldung in Ansprüche vorliegender
Erfindung mit einzubeziehen.
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Demnach
ist der dargestellten Küchenmaschine 2 ein
Behältnis 3 zuordbar.
Dieses wird in eine Aufnahme 4 der Küchenmaschine 2 gestellt.
In dem Behältnis 3,
welches als Rührgefäß ausgeformt
ist, ist dem Rührgefäßboden zugeordnet
ein Rührwerk 5 vorgesehen,
welches über
einen in der Küchenmaschine 2 unterhalb
der Aufnahme 4 angeordneten, nicht näher dargestellten Elektroantrieb
betrieben wird.
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Die
Steuerung, insbesondere Drehzahlsteuerung des Rührwerkes 5 wird über ein
Bedienfeld 6 der Küchenmaschine 2 vorgenommen. Über dieses Bedienfeld
sind weitere Funktionen steuerbar, so bspw. eine Erwärmung des
Behältnisses 3 im
Bereich dessen Bodens, so bspw. zum Garen von Lebensmitteln in dem
Behältnis 3 oder,
wie weiter ausgeführt,
zur Kühlung
bis hin zur Vereisung des Behältnisinhaltes.
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Das
Behältnis 3 weist
einen Handgriff 7 auf. Die nach oben weisende Behältnisöffnung ist
durch einen abnehmbaren Deckel 8 verschließbar.
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Die
Aufnahme 4 ist im Wesentlichen gebildet aus zwei gegenüberliegend
angeordneten, turmartigen Backen 9. Die oberen freien Endbereiche
dieser Backen 9 formen Schultern 10 aus. In diesen
Schulterbereichen sind Verriegelungselemente 11 in Form von
horizontalen Nuten vorgesehen. Diese wirken zusammen mit entsprechenden
Gegenelementen in Form von radial abragenden Fingern 12 des
Deckels 8. Nach einem Einsetzen des Behältnisses 3 in die Aufnahme 4 wird
der Deckel 8 aufgesetzt und unter Eindrehen der Finger 12 in
die nutartigen Verriegelungselemente 11 der Schultern 10 verriegelt,
wobei weiter die einfahrenden Finger 12 eine Freigabe der elektrischen
Funktionen, insbesondere eine Freigabe des Rührwerkes 5 erbringen.
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Die
Küchenmaschine 2 ist
weiter ausgelegt zur Speiseeisbereitung, wozu dasselbe Behältnis 3 Verwendung
finden kann. Alternativ kann auch zur üblichen Speisebereitung gegebenenfalls
unter Wärmebeeinflussung
ein Behältnis 3 mit
im Behältnisboden
integrierter Heizung vorgesehen sein, während zur Speiseeisbereitung
ein Behältnis 3 bevorzugt wird,
welches diese Bodenheizung nicht aufweist.
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Das
Rührwerk 5 wird
zur Speiseeisbereitung gegen ein entsprechendes Rührwerk ausgetauscht, so
insbesondere gegen eines schaberartige Schaufeln aufweisendes.
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Um
den Inhalt 13 des Behältnisses 3 zu
vereisen, ist zunächst
in dem manschettenartig den Sockelbereich des Behältnisses 3 umfassenden
Abschnitt der Aufnahme 4 eine Kälteerzeugungsvorrichtung 14 vorgesehen.
Diese besteht aus mehreren in der Aufnahme 4 manschettenartig
den Sockelabschnitt 15 umfassend angeordneten Peltierelementen 16.
Diese werden elektrisch angesteuert.
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Abhängig von
Stromstärke
und Stromrichtung kühlen
sich die oberen Bereiche der Peltierelemente ab, während sich
untere erwärmen.
Der Strom „pumpt" somit Wärme von
einer Seite auf die andere und erzeugt eine Temperaturdifferenz
zwischen den Oberflächen.
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Alternativ
zur Anordnung der Peltierelemente 16 in der Aufnahme 4 können diese
auch bei entsprechender elektrischer Kontaktierung in der Aufnahme 4 direkt
im Sockelbereich des Behältnisses 3 vorgesehen
sein.
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Um
eine genügende
Temperaturdifferenz zwischen Kaltseite und Heißseite der Peltierelemente 16 zu
erreichen, werden diese rückwärtig, d.
h. auf der Heißseite,
dem Behältnis 3 abgewandt
aktiv gekühlt.
Hierzu ist ein Kühlkreislauf 17 vorgesehen.
Ein Wasser-Glykol-Gemisch fließt
durch eine, einen Kreislauf bietende Rohrleitung 18. Ein
Abschnitt dieser Rohrleitung 18 umfasst den die Peltierelemente 16 aufweisenden
Bereich manschettenartig, zur großflächigen Kühlung derselben.
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Der
Kühlkreislauf 17 wird
angetrieben über eine
elektrische Pumpe 19.
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Eine
Kühlung
erfährt
das umlaufende Gemisch durch einen vorgesehenen, ein Kältereservoir bietenden
Latentwärmespeicher 20,
durch den die Rohrleistung 18 wendelförmig geführt ist. Der Latentwärmespeicher 20 ist
doppelwandig ausgebildet und dient entsprechend als Wärmetauscher.
Das Speichermaterial kann hierbei auf Paraffin oder Salz basieren.
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Zur
Inbetriebnahme der Speiseeiszubereitungs-Vorrichtung 1 ist
eine Vorbereitung in Form eines Ladens des Latentwärmespeichers 20 erforderlich.
Das Einspeichern der Energie in den Latentwärmespeicher erfolgt mittels
Peltiertechnik, wozu weitere Peltierelemente 21 vorgesehen
sind. Diese sind mit ihrer Kaltseite der Rohrleitungswandung des Kühlkreislaufes 17 zugewandt
angeordnet, während die
Heißseite
mit Kühlrippen 22 versehen
sind.
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Das
gesamte Kühlsystem
ist in zwei Stufen unterteilt. In einer ersten Stufe wird der Latentwärmespeicher 20 über einen
Zeitraum von etwa vier Stunden mit Peltiertechnik heruntergekühlt, wozu
die Peltierelemente 21 angesteuert sind. Während dieser Aufladphase
wird der die ersten Peltierelemente 16 betreffende Kühlkreislaufbereich
nicht durchlaufen, wozu eine Bypassleitung 23 vorgesehen
ist. Diese wird über
elektrisch angesteuerte Ventile 24 geöffnet, während über weitere Ventile 25 der
Weg über
die Peltierelemente 16 gesperrt ist. Entsprechend wird zum
Herunterkühlen
und Laden des Latentwärmespeichers 20 sehr
wenig Energie benötigt.
Der Behälter
in dem sich der Latentwärmespeicher 20 befindet, ist
isoliert, so dass keine Wärmeenergie
an die Umgebung verloren geht.
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Hat
der gesamte Latentwärmespeicherinhalt eine
Zieltemperatur von bevorzugt minus 5°C erreicht. So ist die gesamte
Vorrichtung 1 bereit zur Speiseeisbereitung. Dieser Vorgang
wird gestartet, wie auch bereits zuvor der Ladevorgang des Latentwärmespeichers 20, über das
Bedienfeld 3, wobei zunächst
unter Schließen
der Ventile 24 und Öffnen der
Ventile 25 der große
Kühlkreislauf freigegeben wird.
Unter stetigem Rühren
des Inhaltes 13 mittels des Rührwerks 5 erfolgt
die gewünschte
Vereisung.
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Mittels
des Wärmetauschers,
gebildet durch den Latentwärmespeicher 20 wird
das umlaufende Wasser-Glykol-Gemisch beständig auf einer Temperatur von
minus 5°C
gehalten. Entsprechend wird die Heißseite der behältnisseitigen
Peltierelemente 16 mit dem minus 5°C kalten Kühlmittelgemisch gekühlt, so
dass sich auf der Kaltseite der Peltierelemente 16 eine
Temperatur von minus 10 bis minus 20°C einstellt. Dadurch bedingt,
dass die Heißseite
der Peltierelemente 16 durch den Latentwärmespeicher 20 konstant
auf minus 5°C
gehalten werden, erfolgt eine optimale Kühlung bei kleiner Temperaturdifferenz. Der
zu vereisende Inhalt 13 hat somit – Temperaturverluste durch
den Wärmeübergang/Wärmeverluste berücksichtigend – eine Mindesttemperatur
von minus 5°C.
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Entsprechend
ist eine beispielsweise Speiseeisbereitung unter Zuführung geringer
Energie bei über
einen längeren
Zeitraum konstant gleichbleibender Temperatur erreichbar.
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Durch
Umpolung der Peltierelemente 16 und damit einhergehendem
Tausch von Kalt- und Heißseite
können
diese in weiterer Ausgestaltung auch zur Erwärmung eines in dem Behältnis 3 aufgenommenen
Inhaltes diesen. So weiter insbesondere zum Warmhalten von Speisen,
was sich insbesondere bei einer Anordnung der Vorrichtung in einer,
wie dargestellten Küchenmaschine 2 anbietet.
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Alle
offenbarten Merkmale sind (für
sich) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird
hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen
(Abschrift der Voranmeldung) vollin haltlich mit einbezogen, auch
zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender
Anmeldung mit aufzunehmen.