DE102011089111A1

DE102011089111A1 - Latentwärmespeicher für Haushaltsgerät, sowie Haushaltsgerät

Info

Publication number: DE102011089111A1
Application number: DE102011089111A
Authority: DE
Inventors: Andreas Stolze; Jörg Waschull; Karsten Hackeschmidt
Original assignee: BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
Current assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2013-06-20
Also published as: WO2013092392A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Latentwärmespeicher 7 für ein Haushaltsgerät, insbesondere einen Wäschetrockner, umfassend eine, einen Einlass 9 und einen Auslass 10 aufweisende Kammer 8, die mit einem Fluid durchströmbar ist. In der Kammer 8 sind mehrere, von dem Fluid jeweils umströmbare Speicherzellen 11, 12 vorgesehen, welche jeweils über je ein Speichermedium verfügen. Dabei ist an der einzelnen Speicherzelle 11, 12 im Rahmen eines Entladezyklus durch einen jeweiligen Phasenwechsel des je einen Speichermediums Wärme in umströmendes Fluid einbringbar. Um nun ein möglichst gleichmäßiges Entladen des Latentwärmespeichers 7 zu erreichen, sind Mittel vorgesehen, durch welche beim Durchströmen der Kammer 8 mit Fluid im Rahmen des Entladezyklus ein jeweiliges Zeitfenster bis zum vollständigen Entladen der einzelnen Speicherzelle 11; 12 bei allen Speicherzellen 11, 12 im Wesentlichen vereinheitlicht ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Latentwärmespeicher für ein Haushaltsgerät, insbesondere einen Wäschetrockner, umfassend eine einen Einlass und einen Auslass aufweisende Kammer, die mit einem Fluid durchströmbar ist, wobei in der Kammer mehrere, von dem Fluid jeweils umströmbare Speicherzellen vorgesehen sind, welche jeweils über je ein Speichermedium verfügen, und wobei an der einzelnen Speicherzelle im Rahmen eines Entladezyklus durch einen jeweiligen Phasenwechsel des je einen Speichermediums Wärme in umströmendes Fluid einbringbar ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Haushaltsgerät, bei welchem ein erfindungsgemäßer Latentwärmespeicher zur Anwendung kommt.
Bei Haushaltsgeräten, wie beispielsweise Wäschetrocknern, Waschmaschinen oder Spülmaschinen, kommt zur Ausführung der jeweiligen Arbeitsaufgabe, nämlich dem Reinigen bzw. Trocknen von in einer Arbeitskammer befindlichen Gegenständen, ein Arbeitsmedium in Form von Luft bzw. Wasser zum Einsatz. Dieses Arbeitsmedium wird dabei vor einem Einströmen in die jeweilige Arbeitskammer auf eine jeweils geforderte Temperatur erwärmt und im Anschluss an einen Reinigungs- bzw. Trocknungsprozess dann mit einer gewissen Restwärme wieder aus der Arbeitskammer herausgeführt. Um diese, in dem herausgeführten Arbeitsmedium enthaltene Restwärme, beispielsweise für eine eingangsseitige Wiedererwärmung von Arbeitsmedium, nutzen zu können, verfügen Haushaltsgeräte teilweise über Latentwärmespeicher, über die diese Restwärme zumindest zum Teil als latente Wärme gespeichert werden kann. Durch diese Nutzung der Restwärme des aus der Arbeitskammer herausgeführten Arbeitsmediums kann der Energieverbrauch des jeweiligen Haushaltsgeräts reduziert werden.
Aus der DE 29 16 839 A1 geht ein gattungsgemäßer Latentwärmespeicher hervor, bei welchem mehrere Speicherzellen hintereinandergeschaltet sind, deren Speichermedien temperaturmäßig abgestufte Phasenübergangstemperaturen aufweisen. Die einzelnen Speicherzellen sind dabei rohrförmig ausgebildet und werden von einem, durch eine Kammer des Latentwärmespeichers durchgeführten Fluid umströmt. In Fließrichtung des Fluids sind die Speicherzellen nun derartig angeordnet, dass das Fluid bei Eintritt in die Kammer zunächst mit derjenigen Speicherzelle in Kontakt tritt, deren Speichermedium die höchste Phasenübergangstemperatur aufweist, wobei Phasenübergangstemperaturen der jeweiligen Speichermedien folgender Speicherzellen stufenweise verringert sind. In Folge dessen wird auch das, den Latentwärmespeicher durchströmende Fluid stufenweise abgekühlt, indem dem Fluid an jeder Speicherzelle im Rahmen eines jeweiligen Speicherzyklus thermische Energie entzogen wird. Aufgrund dieser Anordnung der Speicherzellen entsprechend einer jeweiligen Phasenübergangstemperatur der zugehörigen Speichermedien kann dabei jede Speicherzelle trotz stetiger Abkühlung des vorbeiströmenden Fluids Wärme entziehen. Wird nun ein kühleres Fluid durch den Latentwärmespeicher hindurchgeführt, so geben die einzelnen Speicherzellen im Rahmen eines jeweiligen Entladezyklus Wärme an das Fluid ab, indem das in der jeweiligen Speicherzelle befindliche Speichermedium einen Phasenwechsel durchführt.
Ausgehend vom vorstehend beschriebenen Stand der Technik ist es nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Latentwärmespeicher für ein Haushaltsgerät zur Verfügung zu stellen, bei welchem ein möglichst gleichmäßiges Entladen erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die hierauf folgenden, abhängigen Patentansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder. Die Verwendung eines erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers bei einem Haushaltsgerät geht dabei aus einem entsprechenden unabhängigen Patentanspruch hervor.
Gemäß der Erfindung umfasst ein Latentwärmespeicher eine Kammer, welche einen Einlass und einen Auslass aufweist und mit einem Fluid durchströmbar ist. In der Kammer sind mehrere, von dem Fluid jeweils umströmbare Speicherzellen vorgesehen, welche jeweils über je ein Speichermedium verfügen, wobei an der einzelnen Speicherzelle bei im Rahmen eines Entladezyklus durch einen jeweiligen Phasenwechsel des je einen Speichermediums Wärme in umströmendes Fluid eingebracht werden kann. Im Sinne der Erfindung handelt es sich bei dem jeweiligen Speichermedium dabei insbesondere um ein PCM (Phase Change Material), welches unter Ausnutzung der Enthalpie reversibler thermodynamischer Zustandsänderungen thermische Energie speichert. Die Speicherfähigkeit basiert hierbei auf einer Enthalpiedifferenz bei einer Phasenumwandlung des PCM, wobei diese Phasenumwandlung bei einer festen Temperatur bzw. in einem schmalen Temperaturfenster stattfindet. Vorliegend findet dabei insbesondere ein PCM Anwendung, bei welchem Phasenübergänge zwischen einem festen und einem flüssigen Zustand vollzogen werden, bevorzugt auf der Basis von Salzen oder Paraffinen. Abgesehen davon ist aber prinzipiell auch die Verwendung von Speichermedien denkbar, bei welchen Phasenübergänge flüssig-gasförmig, fest-gasförmig, amorph-kristallin, etc. stattfinden. Innerhalb einer Speicherzelle ist das PCM dabei insbesondere über ein umliegendes Material, beispielsweise Glas, gekapselt oder an ein Polymer gebunden, so dass beim Wärmeaustausch mit dem umströmenden Fluid innerhalb der jeweiligen Speicherzelle verbleibt.
Im Rahmen eines Speicherzyklus wird dann thermische Energie eines vorbeiströmenden Fluids gespeichert, wenn eine Temperatur des vorbeiströmenden Fluids im Bereich einer Phasenübergangstemperatur des PCM liegt, so dass die thermische Energie des Fluids im Folgenden zur Durchführung eines Phasenwechsels des PCM, beispielsweise von fest nach flüssig herangezogen wird. Hat dann das gesamte PCM einer Speicherzelle einen Phasenwechsel durchgeführt, so ist diese Speicherzelle vollständig geladen. Im Rahmen eines Entladezyklus wird die thermische Energie dann wieder freigegeben, indem bei Vorbeiführen eines kälteren Fluids ein Phasenübergang des PCMs in die entgegengesetzte Richtung vollzogen wird, also bei einer PCM mit Phasenübergängen zwischen fest und flüssig ein Phasenwechsel von einem flüssigen Zustand in die feste Phase rückvollzogen wird. Dabei wird entsprechend einer Erstarrungsenthalpie des PCMs thermische Energie in Form von Wärme freigesetzt, die in das vorbeiströmende Fluid eingebracht wird.
Die Erfindung umfasst nun die technische Lehre, dass Mittel vorgesehen sind, durch welche beim Durchströmen der Kammer mit einem Fluid im Rahmen eines Entladezyklus ein jeweiliges Zeitfenster bis zum vollständigen Entladen der einzelnen Speicherzelle bei allen Speicherzellen im Wesentlichen vereinheitlicht ist. Mit anderen Worten ist der Latentwärmespeicher also derartig gestaltet, dass ein jeweiliges Zeitfenster, innerhalb welchem sich die einzelne Speicherzelle beim Durchströmen der Kammer vollständig entlädt, also die in ihr gespeicherte latente Wärme vollständig an das umströmende Fluid abgibt, bei allen Speicherzellen in der Kammer annähernd gleich groß. Das bedeutet, dass sich eine, im Bereich des Einlasses der Kammer angeordnete Speicherzelle bei Durchströmen der Kammer mit Fluid genauso schnell entlädt, wie eine, im Bereich des Auslasses der Kammer vorgesehene Speicherzelle. Hierdurch kann ein gleichmäßiges Entladen des erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers erzielt und damit eine Zeit bis zum nächsten möglichen Speicherzyklus vereinheitlicht werden. Denn insbesondere bei Latentwärmespeichern von Haushaltsgeräten tritt das Problem auf, dass aufgrund eines bauraumbedingten Aufbaus der jeweiligen Kammer, insbesondere bei winkeliger Anordnung von Einlass und Auslass, ein Durchströmen der Kammer mit dem Fluid sehr ungleichmäßig erfolgt. Dies bringt jedoch beim Entladezyklus das Problem mit sich, dass einige Speicherzellen beim Durchströmen der Kammer mit Fluid optimal von diesem Fluid umströmt werden, während andere Speicherzellen nur unzureichend oder teilweise auch gar nicht in Kontakt mit dem Fluid gelangen können. In der Folge sind dann ausreichend von Fluid umströmte Speicherzellen bereits zu einem Zeitpunkt vollständig entladen, zu welchem die strömungstechnisch ungünstig angeordneten Speicherzellen entweder nur zum Teil oder noch gar nicht entladen sind. Da bei einem Latentwärmespeicher üblicherweise ein Speicherzyklus und ein Entladezyklus in Abhängigkeit einer Temperatur in der Kammer des Latentwärmespeichers vorgenommen wird, also ein Beladungszustand über die Temperatur in der Kammer überwacht wird, führt das ungleichmäßige Entladen dazu, dass mit Beginn eines neuen Speicherzyklus abgewartet werden muss, bis auch die sich am langsamsten entladene Speicherzelle nahezu vollständig entladen ist. Wird ansonsten bereits vorher jeweils in den Speicher- bzw. Entladezyklus übergegangen, so wird eine Kapazität des Latentwärmespeichers nicht vollständig genutzt, da die ungünstig liegenden Speicherzellen in diesem Fall nicht oder nur zu geringen Teil an den Zyklen teilnehmen.
Aber auch ein gleichmäßiges Durchströmen der Kammer eines Latentwärmespeichers mit Fluid führt zu dem Problem, dass in einem Entladezyklus des jeweiligen Latentwärmespeichers ohne Vornahme weiterer Maßnahmen eine Entladefähigkeit der einzelnen Speicherzelle umso schlechter wird, je weiter sie in Fließrichtung des Fluids angeordnet ist. Denn das über den Einlass einströmende Fluid wird durch die Speicherzellen auf seinem Weg zum Auslass der Kammer stetig erwärmt, so dass auch mit steigender Temperatur des Fluids umso schlechter thermische Energie durch gleich ausgestaltete Speicherzellen abgegeben werden kann, je weiter diese in Richtung Auslass des Latentwärmespeichers angeordnet sind.
Durch Vorsehen der Mittel bei dem erfindungsgemäßen Latentwärmespeicher entladen sich nun alle Speicherzellen in der Kammer beim Durchströmen mit einem Fluid gleich schnell, so dass sich ein Entladen der Latentwärmespeichers effizient gestalten lässt.
Im Falle der DE 29 16 839 A1 sind in Fließrichtung des Fluids hintereinander liegende Speicherzellen vorgesehen, wobei diese Speicherzellen dabei mit Speichermedien mit voneinander abweichenden Phasenübergangstemperaturen ausgestattet sind. Hierbei sind die Speicherzellen dann derartig angeordnet, dass eine Speicherzelle mit einem Speichermedium höherer Phasenübergangstemperatur im Bereich eines Einlasses der Kammer vorgesehen ist, während die Speicherzellen mit Speichermedien niedrigerer Phasenübergangstemperaturen abgestuft dahinter positioniert sind. Dementsprechend kann einem, die Kammer durchströmenden Fluid im Rahmen eines Speicherzyklus des Latentwärmespeichers gleichmäßig thermische Energie auch bei stetiger Abkühlung des Fluids entzogen werden. Ein gleichmäßiges Entladen dieses Latentwärmespeichers wird hierbei aber nicht ermöglicht bzw. durch die gewählte Abstufung der Phasenübergangstemperaturen in den einzelnen Speicherzellen sogar behindert.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Mittel durch eine entsprechende Gestaltung der Kammer gebildet. In Weiterbildung dieser Variante verringert sich ein Durchflussquerschnitt der Kammer zum Auslass. Dies hat zur Folge, dass zum Auslass hin höhere Strömungsgeschwindigkeiten eines durchströmenden Fluids erreicht werden, so dass sich die im Bereich des Auslass der Kammer liegenden Speicherzellen aufgrund einer höheren, im Zeitquerschnitt vorbeiströmenden Fluidmenge schneller entladen können, als bei einer geringeren Strömungsgeschwindigkeit des Fluids. Hierdurch kann dem Effekt des schlechteren Entladens aufgrund einer ungleichmäßigen Durchströmung der Kammer oder der stetigen Erwärmung des Fluids auf seinem Weg durch die Kammer entgegengewirkt werden. Folglich kann also bei einer geeigneten Wahl eines Durchflussquerschnitts ein ansonsten stattfindendes, schlechteres Entladen von Speicherzellen im Auslassbereich ausgeglichen werden.
Entsprechend einer hierzu alternativen oder auch ergänzenden Variante einer Gestaltung der Kammer sind in der Kammer Leiteinrichtungen vorgesehen, welche derartig angeordnet sind, dass ein gleichmäßiges Durchströmen der Kammer mit Fluid erreicht werden kann. Das Vorsehen von Leiteinrichtungen, wie beispielsweise entsprechender Leitbleche, hat dabei den Vorteil, dass das einströmende Fluid damit gezielt in Bereiche der Kammer geleitet werden kann, die ansonsten aufgrund der Gestalt der Kammer nur unzureichend durchströmt werden würde. Folglich kann ein Umströmen der an diesen Stellen platzierten Speicherzellen deutlich verbessert werden und in der Folge über das Vorsehen der Leiteinrichtungen und das gleichmäßigere Durchströmen auch ein gleichmäßiges Entladen realisiert werden. Insbesondere bei Kammern, bei welchen ein Einlass winkelig zu einem Auslass vorgesehen ist, kann mittels derartiger Leiteinrichtungen das Fluid in Eckbereiche der Kammer geführt werden. Je nach Gestaltung der Speicherzellen können auch diese durch entsprechende Ausrichtung die Leiteinrichtungen der Kammer ausbilden.
Gemäß einer alternativen Ausführung der Mittel des erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers, die hierbei alternativ oder ergänzend zu den vorgenannten Gestaltungen der Kammer Anwendung finden können, sind die Mittel durch unterschiedliche Ausgestaltungen der einzelnen Speicherzellen in Fließrichtung des Fluids gebildet. Entsprechend einer ersten Möglichkeit vergrößert sich dabei eine jeweils zugehörige Oberfläche der einzelnen Speicherzellen in Fließrichtung des Fluids. Die Speicherzellen sind also in Fließrichtung des Fluids derartig angeordnet, dass in Fließrichtung Oberflächen der einzelnen Speicherzellen größer werden. Eine Anordnung von Speicherzellen mit größeren Oberflächen im Bereich des Auslasses und von Speicherzellen mit vergleichsweise kleineren Oberflächen im Bereich des Einlasses hat dabei den Vorteil, dass aufgrund der größeren Oberfläche ein besserer Wärmeaustausch zwischen den auslassseitigen Speicherzellen und dem vorbeiströmenden Fluid stattfindet, also bei ansonsten gleichen Bedingungen an Ein- und Auslass ein schnelleres Entladen dieser auslassseitigen Speicherzellen erfolgen würde. In Kombination mit einer ungleichmäßigen Durchströmung der Kammer des Latentwärmespeichers und/oder der stetigen Aufwärmung des Fluids beim Strömen vom Einlass zum Auslass wirken die in Fließrichtung unterschiedlich dimensionierten Wärmeaustauschoberflächen der einzelnen Speicherzellen jedoch kompensierend, so dass bei entsprechender Abstimmung der Oberflächen der Speicherzellen das gewünschte einheitliche Zeitfenster bis zum vollständigen Entladen und damit ein gleichmäßiges Entladen erreicht werden kann. Bevorzugt haben die Oberflächen der Speicherzellen zudem hydrophobe Eigenschaften, wenn es sich bei dem vorgeführten Fluid um Luft handelt. Hierdurch wird ein Abfließen von Kondensat verbessert, welches im Rahmen des Speicherzyklus des Latentwärmespeichers aufgrund der Abkühlung der Luft an den Speicherzellen auftritt. Dieser verbesserte Kondensatabfluss wirkt positiv zu Beginn des Entladezyklus, da hierbei ein ungewolltes Rückbefeuchten der vorbeiströmenden Luft geringer ausfällt.
Alternativ oder auch ergänzend zu der vorhergehenden Variante steigert sich eine jeweilige Wärmeleiteigenschaft der einzelnen Speicherzellen in Fließrichtung des Fluids. Dementsprechend verbessert sich ebenfalls der Wärmeaustausch zwischen dem, die Kammer durchströmenden Fluid und den einzelnen Speicherzellen, je weiter in Fließrichtung gewandert wird. Bei ansonsten gleichen Bedingungen würde dementsprechend ebenfalls wieder ein schnelleres Entladen der in Fließrichtung weiter hinten liegenden Speicherzellen erzielt werden. Bei Effekten, wie einem ungleichmäßigem Durchströmen der Kammer und/oder dem stetigen Aufwärmen des Fluids beim Strömen zum Auslass, kann durch diese Ausgestaltung erneut eine Kompensation herbeigeführt werden, über welche ein gleichmäßiges Entladen über den gesamten Latentwärmespeicher realisierbar ist. So kann beispielsweise im Bereich des Auslasses der Kammer Metallschaum im Bereich der Speicherzellen vorgesehen sein, welcher dementsprechend eine Wärmeleitung zwischen dem Fluid und den dort platzierten Speicherzellen steigert.
Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Speicherzellen erhöht sich eine jeweilige Phasenübergangstemperatur des je einen Speichermediums der einzelnen Speicherzellen in Fließrichtung des Fluids. In Folge dessen ist also eine zugehörige Phasenübergangstemperatur eines jeweiligen Speichermediums der Speicherzellen im hinteren Bereich der Kammer höher als eines Speichermediums einer vorderen Speicherzelle, so dass trotz einer steigenden Temperatur des, die Kammer durchströmenden Fluids eine gleichbleibende Temperaturdifferenz hinsichtlich der jeweiligen Phasenübergangstemperatur der jeweiligen Speicherzelle bestehen bleibt. In Folge dessen kann damit dem Effekt der steigenden Erwärmung des Fluids beim Durchströmen des Latentwärmespeichers in dessen Entladezyklus entgegengewirkt werden. Eine Kaskadierung zwischen den einzelnen Speicherzellen kann dabei bis zu 15K betragen, wobei für die einzelnen verwendeten Speichermedien in den Speicherzellen schmale Temperaturbereiche bei der Wärmeabgabe in einer Erstarrungsphase und eine kleine Hysterese zur Schmelztemperatur gewünscht sind.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung nimmt eine jeweilige Speicherkapazität der einzelnen Speicherzellen in Fließrichtung des Fluids ab. Folglich weisen also Speicherzellen im Bereich des Einlasses der Kammer eine hohe Speicherkapazität ab, die bei den hierauf folgenden Speicherzellen in Fließrichtung des Fluids zum Auslass jeweils geringer wird. Eine hohe Speicherkapazität der einlassseitigen Speicherzellen führt hierbei dazu, dass diese beim Entladen auch eine höhere Energiemenge an das vorbeiströmende Fluid abgeben müssen, bis sie vollständig entladen sind. Dementsprechend würden diese Speicherzellen bei ansonsten gleichen Bedingungen eine längere Zeit bis zu ihrer vollständigen Entladung benötigen. Im Zusammenspiel mit einer ungleichmäßigen Durchströmung der Kammer des Latentwärmespeichers und/oder dem Effekt der stetigen Erwärmung des Fluids auf seinem Weg zum Auslass der Kammer bewirkt diese größere Speicherkapazität der einlassseitigen Speicherzellen aber erneut eine Vereinheitlichung der Entladezeiten der Speicherzellen, indem die Speicherzellen im Bereich eines besseren Wärmeübergangs eine höhere Wärmemenge abzugeben haben.
Die im Vorfeld beschriebenen, einzelnen Varianten können dabei im Sinne der Erfindung beliebig miteinander in Kombination verwendet werden, um den gewünschten, erfindungsgemäßen Effekt eines gleichmäßigen Entladens des Latentwärmespeichers zu erreichen.
In einer Weiterbildung der Erfindung sind die Speicherzellen platten- oder stangenförmig ausgebildet. Durch diese Maßnahme kann durch die Speicherzellen ein entsprechendes Leiten des Fluids bei seinem Durchströmen der Kammer dargestellt werden, indem diese entsprechend ausgerichtet und mit bestimmten Dicken versehen innerhalb der Kammer angeordnet sind.
Erfindungsgemäß kommt ein Latentwärmespeicher entsprechend einer oder mehrerer der vorgenannten Ausgestaltungsmöglichkeiten in einem Haushaltsgerät zum Einsatz und ist dabei in einer, von einem Fluid durchströmten Leitung platziert. Bei diesem Haushaltsgerät handelt es sich insbesondere um einen Wäschetrockner, bei welchem in einer Arbeitskammer aufgenommene, zu trocknenden Wäschestücke durch ein Arbeitsmedium in Form von Prozessluft getrocknet werden. Dieser Wäschetrockner ist dabei als Kondensationstrockner ausgestaltet, bei welchem die aus der Arbeitskammer heraus geführte Prozessluft durch einen erfindungsgemäß ausgestalteten Latentwärmespeicher geleitet und anschließend über eine Heizeinrichtung erwärmt wieder in die Arbeitskammer zurückgeführt wird. Durch die, in der Kammer des Latentwärmespeichers vorgesehenen Speicherzellen wird dabei in einem Speicherzyklus das Latentwärmespeichers der vorbeiströmenden Prozessluft Wärme entzogen und zur Phasenumwandlung des in den jeweiligen Speicherzellen enthaltenen Speichermediums verwendet. Dabei kondensiert Wasser an den Speicherzellen aus der Luft aus, welche abgekühlt zur Heizeinrichtung des Wäschetrockners weiterströmt, um im Folgenden aufgeheizt wieder in die Arbeitskammer zurückgeführt zu werden. Bei einem vollständig geladenen Latentwärmespeicher wird hingegen die Heizeinrichtung des Kondensationstrockners deaktiviert und im Folgenden die, der Arbeitskammer wieder zuzuführende Prozessluft über die Speicherzellen des Latentwärmespeichers aufgeheizt, bis dieser wiederum vollständig entladen und ein neuer Speicherzyklus gestartet werden kann. Abgesehen davon kann es sich beim dem Haushaltsgerät aber auch um eine Waschmaschine oder eine Spülmaschine handeln.
Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale des Hauptanspruchs oder der abhängigen Ansprüche beschränkt. Es ergeben sich darüber hinaus Möglichkeiten, einzelnen Merkmale, welche sich aus den Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform oder unmittelbar aus den Zeichnungen ergeben, miteinander zu kombinieren. Außerdem soll die Bezugnahme der Patentansprüche auf die Zeichnungen durch Verwendung von Bezugszeichen den Schutzumfang der Patentansprüche nicht beschränken.
Weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die Bezug auf die in den Zeichnungen dargestellten Figuren nimmt. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Haushaltsgeräts mit einem Latentwärmespeicher; und
2 eine schematische Einzeldarstellung des Latentwärmespeichers aus 1.
Aus 1 geht eine schematische Ansicht eines Haushaltsgeräts hervor, wobei es sich bei diesem Haushaltsgerät um einen Kondensationstrockner 1 handelt. Dieser Kondensationstrockner 1 weist dabei eine Arbeitskammer 2 auf, die als Trommel ausgestaltet der Aufnahme von zu trocknenden Wäschestücken dient. Dabei wird bei Betrieb des Kondensationstrockners 1 zum Trocknen dieser in der Arbeitskammer 2 befindlichen Wäsche Luft mittels eines Gebläses 3 über einen Prozessluftkanal 4 durch die Arbeitskammer 2 hindurch geführt. Vor einem Eintreten in die Arbeitskammer 2 wird diese Luft dabei über eine Wärmeeinrichtung 5 in Form einer elektrischen Heizung geführt und damit aufgeheizt, so dass sie entsprechend ihrer Temperatur bei Durchströmen der Arbeitskammer 2 eine entsprechende Feuchtigkeitsmenge der darin befindlichen Wäsche aufnehmen kann und diese damit trocknet. Nach Durchströmen der Arbeitskammer 2 tritt die Prozessluft in den Prozessluftkanal 4 ein und wird über das Gebläse 3 wieder angesaugt.
Wie zudem aus 1 ersichtlich ist, ist dem Gebläse 3 ein Wärmetauscher 6 und ein Latentwärmespeicher 7 vorgeschaltet, wobei der Latentwärmespeicher 7 dabei zwischen dem Wärmetauscher 6 und dem Gebläse 3 in dem Prozessluftkanal 4 liegend vorgesehen ist. Der Latentwärmespeicher 7 wird dabei in zwei unterschiedlichen Zyklen betrieben, indem er in einem Speicherzyklus der vorbeiströmenden und zum Gebläse 3 gelangenden Prozessluft Wärme entzieht und in Form latenter Wärme speichert, während er in einem Entladezyklus wiederum der vorbeiströmenden Luft die gespeicherte, thermische Energie zuführt.
Ein genauerer Aufbau des Latentwärmespeichers geht nun aus der schematischen Ansicht in 2 hervor. Wie hierbei zu erkennen ist, umfasst der Latentwärmespeicher 7 eine Kammer 8, welche einen Einlass 9, sowie einen ungefähr rechtwinklig zum Einlass 9 verlaufenden Auslass 10 aufweist. Im verbauten Zustand des Latentwärmespeichers 7 im Kondensationstrockner 1 strömt dabei über die Einlass die Luft in die Kammer 8 ein und weiter zum Auslass 10, über welchen sie die Kammer 8 wiederum in Richtung Gebläse 3 und den dahinter liegenden Komponenten verlässt. In der Kammer 8 sind zudem im Bereich des Einlasses 9 Speicherzellen 11 und im Bereich des Auslasses 10 Speicherzellen 12 aufgenommen, an welchen die Prozessluft vorbeiströmt. Um ein gleichmäßiges Durchströmen der Kammer 8 und damit auch eine ausreichende Strömung im Eckbereich der Kammer 8 zu erreichen, sind die 11 und 12 stangenförmig ausgestaltet und jeweils derartig ausgerichtet, dass die über den Einlass 9 einströmende Luft auch auf ihren Weg zum orthogonal hierzu liegenden Auslass 10 in den Eckbereich der Kammer 8 geleitet wird.
Die einzelnen Speicherzellen 11 und 12 verfügen dabei jeweils über ein Speichermedium, welches als PCM (Phase Change Material) ausgeführt ist. Dabei ist dieses PCM an Polymeren der Speicherzellen 11 gebunden und liegt in Form von Paraffinen vor, welche einen Phasenwechsel zwischen fest und flüssig beim Wärmeaustausch mit der Luft ausführen. Im Speicherzyklus des Latentwärmespeichers 7 strömt dabei Prozessluft mit einer Temperatur im Bereich einer Schmelztemperatur der PCMs der einzelnen Speicherzellen 11 und 12 durch die Kammer 8 und an den Speicherzellen 11 und 12 vorbei, wobei der Prozessluft dabei Wärme entzogen und als Schmelzenthalpie zum Aufschmelzen des jeweiligen PCMs der einzelnen Speicherzellen 11 und 12 herangezogen wird. Hierdurch kühlt die Luft an Oberflächen der Speicherzellen 11 und 12 ab, wobei bei diesem Abkühlen Wasser aus der Luft auskondensiert. Um hierbei ein anhaften des Wassers an den Speicherzellen 11 und 12 zu verhindern, weisen die Oberflächen der Speicherzellen 11 und 12 jeweils hydrophobe Eigenschaften auf, so dass das Kondenswasser abfließt.
Ab einem bestimmten Zeitpunkt ist der Latentwärmespeicher 7 vollständig geladen, indem in jeder Speicherzelle 11 und 12 das zugehörige PCM vollständig aufgeschmolzen ist. Dieser vollgeladene Zustand wird dabei über einen – vorliegend nicht weiter dargestellten – Temperatursensor erfasst. In der Folge wird bei dem Kondensationstrockner 1 die Wärmeeinrichtung 5 abgeschaltet, so dass die Prozessluft vor einem Einströmen in die Arbeitskammer 2 nicht mehr aufgeheizt wird und dementsprechend auch kälter zum Gebläse und damit auch zum Latentwärmespeicher 7 zurückströmt. Sobald die Temperatur der Prozessluft dabei auf eine Temperatur im Bereich der Erstarrungstemperatur des PCMs der jeweiligen Speicherzellen 11 und 12 abgesunken ist, wird ein entgegengesetzter Phasenwechsel des PCMs vollzogen, wobei hierbei jeweils Erstarrungsenthalpie in Form von Wärme in die vorströmende Prozessluft eingebracht wird. In Folge dessen wird die Prozessluft nunmehr über den Latentwärmespeicher 7 aufgeheizt, bis dieser vollständig entladen ist und ein neuer Speicherzyklus durch entsprechendes Zuschalten der Wärmeeinrichtung 5 wieder gestartet werden kann. Der vorgeschaltete Wärmetauscher 6 übernimmt dabei die Aufgabe eines Abkühlens der zum Latentwärmespeicher 7 strömenden Prozessluft, um weiterhin ein Auskondensieren von Wasser aus der Prozessluft zu gewährleisten.
Um nun beim Entladezyklus des Latentwärmespeichers 7 ein möglichst gleichmäßiges Entladen zu realisieren, d.h. sowohl im Bereich des Einlasses 9 als auch im Bereich des Auslasses 10 jeweils nahezu gleiche Entladezeiten der Speicherzellen 11 und 12 zu verwirklichen, sind im Bereich des Latentwärmespeichers 7 verschiedene Maßnahmen getroffen, die beim Durchströmen der Kammer 8 mit der Luft in gleichen Entladezeiten der einzelnen Speicherzellen 11 und 12 resultieren. Als erste Maßnahme verringert sich ein Durchflussquerschnitt der Kammer 8 zum Auslass 10 hin, so dass sich eine Strömungsgeschwindigkeit der, durch die Kammer 8 strömenden Luft zum Auslass 10 hin vergrößert. Dies hat zur Folge, dass in einem Zeitquerschnitt an den, im Bereich des Auslasses 10 liegenden Speicherzellen 12 eine größere Menge an Prozessluft vorbeiströmt als an den Speicherzellen 11, wodurch sich diese Speicherzellen 12 bei ansonsten gleichen Bedingungen schneller entladen würden als die einlassseitig vorgesehenen Speicherzellen 11. Da die Prozessluft aber bereits durch die einlassseitigen Speicherzellen 11 aufgeheizt wurde und somit im Bereich des Auslasses 10 bereits eine höhere Temperatur aufweist, würde hier ein geringerer Wärmeaustausch mit den PCMs der auslassseitigen Speicherzellen 12 stattfinden. Diesem Effekt, der dann zu einem ungleichmäßigen Entladen führen würde, wird nun zum einen durch die höhere Strömungsgeschwindigkeit im Bereich des Auslasses 10 entgegengewirkt.
Als weitere Maßnahme, über welche einem schlechteren Entladen der Speicherzellen 12 im Bereich des Auslasses 10 entgegengewirkt wird, weisen die Speicherzellen 12 im Bereich des Auslasses 10 eine größere Oberfläche auf, so dass ein Wärmeübergang zwischen der vorbeiströmenden Prozessluft und der jeweiligen Speicherzelle 11 aufgrund der größeren, wirksamen Oberfläche verbessert ist. Ferner ist im Bereich des Auslasses 10 in der Kammer 8 Metallschaum 13 eingebracht, der eine Wärmeleitung zwischen der Luft und den, in diesem Bereich vorgesehenen Speicherzelle 12 verbessert.
Wie des Weiteren aus der 2 hervorgeht, sind die Speicherzellen 11 im Bereich des Einlasses 9 größer und damit mit einer größeren Speicherkapazität gestaltet, als Speicherzellen 11 im Bereich des Auslasses 10. Durch diese Vergrößerung der einlassseitigen Speicherkapazität wird ebenfalls eine Vereinheitlichung des Entladens des Latentwärmespeichers 7 erreicht, indem bei den, sich ansonsten schneller entladenden Speicherzellen 11 im Bereich des Einlasses 9 eine höhere Speicherkapazität vorgesehen wird, so dass diese bis zum vollständigen Entladen eine längere Zeit benötigen. Hierdurch kann ebenfalls dem, durch die ansteigende Temperatur der Luft bedingten schlechteren Entladen entgegengewirkt werden.
Als weitere, letzte Maßnahme zum Erreichen eines einheitlichen Entladens der Speicherzellen 11 und 12 weisen Speichermedien der Speicherzellen 11 und 12 in Fließrichtung der Prozessluft unterschiedliche Phasenübergangstemperaturen auf. So findet bei den Speicherzellen 11 im Bereich des Einlasses 9 bei einer geringeren Temperatur der vorbeiströmenden Prozessluft ein Phasenübergang des PCMs in die feste Phase statt, während Erstarrungstemperaturen der jeweiligen PCMs der in Fließrichtung folgenden Speicherzellen 12 demgegenüber erhöht sind. Hierdurch wird eine Kaskadierung ausgestaltet, so dass auch bei der stetigen Erwärmung der durch die Kammer 8 strömenden Prozessluft stets ein ausreichendes Temperaturniveau zwischen Erstarrungstemperatur des PCMs und der Temperatur der Prozessluft eingehalten und damit ein ausreichendes Entladen gewährleistet wird. Die Kaskadierung zwischen den Speicherzellen 11 und den Speicherzellen 12 beträgt dabei bis zu 15K.
Vorliegend wird durch eine geeignete Kombination der vorgenannten Maßnahmen erreicht, dass die Prozessluft zum einen bei ihrem Strömen vom Einlass 9 zum Auslass 10 die Kammer 8 möglichst gleichmäßig durchströmt und damit auch die einzelnen Speicherzellen 11 und 12 an den jeweiligen Positionen möglichst gleichmäßig umströmt werden. Zum anderen wird durch die Oberflächengestaltung, die Speicherkapazität und die Verwendung von PCMs mit entsprechenden Eigenschaften einer steigenden Entladezeit der Speicherzellen 11 und 12 in Fließrichtung der Luft aufgrund einer stetigen Erwärmung der Luft entgegengewirkt.
Mittels der erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines Latentwärmespeichers 7 ist es dementsprechend möglich, durch ein gleichmäßiges Entladen des Latentwärmespeichers 7 dessen Effizienz zu steigern.
Bezugszeichenliste

1: Kondensationstrockner
2: Arbeitskammer
3: Gebläse
4: Prozessluftkanal
5: Wärmeeinrichtung
6: Wärmetauscher
7: Latentwärmespeicher
8: Kammer
9: Einlass
10: Auslass
11: Speicherzellen
12: Speicherzellen
13: Metallschaum

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2916839 A1 [0003, 0011]

Claims

Latentwärmespeicher (7) für ein Haushaltsgerät, insbesondere einen Wäschetrockner, umfassend eine, einen Einlass (9) und einen Auslass (10) aufweisende Kammer (8), die mit einem Fluid durchströmbar ist, wobei in der Kammer (8) mehrere, von dem Fluid jeweils umströmbare Speicherzellen (11, 12) vorgesehen sind, welche jeweils über je ein Speichermedium verfügen, und wobei an der einzelnen Speicherzelle (11, 12) im Rahmen eines Entladezyklus durch einen jeweiligen Phasenwechsel des je einen Speichermediums Wärme in umströmendes Fluid einbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, durch welche beim Durchströmen der Kammer (8) mit Fluid im Rahmen des Entladezyklus ein jeweiliges Zeitfenster bis zum vollständigen Entladen der einzelnen Speicherzelle (11; 12) bei allen Speicherzellen (11, 12) im Wesentlichen vereinheitlicht ist.
Latentwärmespeicher (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel durch eine entsprechende Gestaltung der Kammer (8) gebildet sind.
Latentwärmespeicher (7) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Durchflussquerschnitt der Kammer (8) zum Auslass (10) hin verringert.
Latentwärmespeicher (7) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kammer (8) Leiteinrichtungen vorgesehen sind, welche derartig angeordnet sind, dass ein gleichmäßiges Durchströmen der Kammer (8) mit Fluid erreichbar ist.
Latentwärmespeicher (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel durch unterschiedliche Ausgestaltungen der einzelnen Speicherzellen (11, 12) in Fließrichtung des Fluids gebildet sind.
Latentwärmespeicher (7) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine jeweils zugehörige Oberfläche der einzelnen Speicherzellen (11, 12) in Fließrichtung des Fluids vergrößert.
Latentwärmespeicher (7) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine jeweilige Wärmeleiteigenschaft der einzelnen Speicherzellen (11, 12) in Fließrichtung des Fluids steigert.
Latentwärmespeicher (7) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine jeweilige Phasenübergangstemperatur des je einen Speichermediums der einzelnen Speicherzellen (11, 12) in Fließrichtung des Fluids erhöht.
Latentwärmespeicher (7) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine jeweilige Speicherkapazität der einzelnen Speicherzellen (11, 12) in Fließrichtung des Fluids abnimmt.
Latentwärmespeicher (7) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzellen (11, 12) platten- oder stangenförmig ausgebildet sind.
Haushaltsgerät, insbesondere Wäschetrockner, umfassend mindestens eine von einem Fluid durchströmbare Leitung, wobei in der mindestens einen Leitung je ein Latentwärmespeicher (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche platziert ist.