DE102014217341A1

DE102014217341A1 - Latentwärmespeicher für ein Haushaltsgerät

Info

Publication number: DE102014217341A1
Application number: DE102014217341.8A
Authority: DE
Inventors: Oliver Wuttge; Andreas Stolze
Original assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Current assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Priority date: 2014-08-29
Filing date: 2014-08-29
Publication date: 2016-03-03
Anticipated expiration: 2034-08-30
Also published as: DE102014217341B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Latentwärmespeicher 1 für ein Haushaltsgerät, der ein Speichermaterial 27, 28 enthält, das durch jeweilige Phasenwechsel während des Ladevorgangs Energie aus einem Fluid 42 aufnimmt bzw. während des Entladevorgangs Energie an ein Fluid 42 abgibt. Um den Latentwärmespeicher besonders formstabil und hocheffizient auszugestalten und ihn einfach an individuelle Anforderungen hinsichtlich des verfügbaren Bauraums und vor allem der Speicherkapazität anpassbar zu machen, weist der Latentwärmespeicher 1 mindestens zwei Tragrahmen 2 auf, in denen jeweils mindestens eine Speichermaterialschicht 27, 28 angeordnet ist, wobei die Tragrahmen 2 unter Bildung eines Rahmenstapels 5 mit einander verbunden sind und zwischen den Tragrahmen 2 wenigstens ein Strömungskanal 33 bis 40 ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der energieeffizienten Haushaltsgeräte, insbesondere Wäschebehandlungsmaschinen, und betrifft einen Latentwärmespeicher für ein Haushaltsgerät, der ein Speichermaterial enthält, das durch jeweilige Phasenwechsel während des Ladevorgangs Energie aus einem Fluid aufnimmt bzw. während des Entladevorgangs Energie an ein Fluid abgibt.
Derartige Latentwärmespeicher sind in verschiedener Ausgestaltung u.a. aus den Dokumenten DE 10 2007 060 853 A1 , DE 10 2008 006 348 A1 , DE 10 2009 046 547 A1 und DE 10 2011 089 111 A1 bekannt.
Haushaltsgeräte wie beispielsweise Wäschetrockner, Waschtrockner, Waschmaschinen oder Spülmaschinen, verwenden zur Behandlung bzw. zum Reinigen und Trocknen der in einer Behandlungskammer befindlichen Gegenstände ein im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein als Fluid bezeichnetes Arbeitsmedium in Form eines Gases und/oder einer Flüssigkeit. Dieses Fluid wird zu Reinigungs- oder Trocknungszwecken auf vergleichsweise hohe Arbeitstemperaturen erwärmt und in Anschluss an einen Reinigungs- bzw. Trocknungsvorgang mit einer verbleibenden Restwärme aus der Behandlungskammer herausgeführt. Die Behandlungskammer kann beispielsweise eine Wäschetrommel sein. Um derartige Haushaltsgeräte möglichst energieeffizient betreiben zu können, wird die Restwärme dem Fluid anschließend entzogen und mit Hilfe sogenannter Latentwärmespeicher für einen anschließenden oder späteren Prozessschritt nutzbar gemacht.
Latentwärmespeicher (vgl. z.B. DE 10 2009 046 547 A1 oder DE 10 2011 089 111 A1 ) enthalten ein Speichermedium, insbesondere ein PCM-Material (Phase Change Material), das unter Ausnutzung der Enthalpie reversibler thermodynamischer Zustandsänderungen thermische Energie speichert bzw. freigibt. Die Speicherfähigkeit nutzt eine Enthalpiedifferenz bei einer Phasenumwandlung des Speichermaterials, wobei diese Umwandlung bei einer vergleichsweise konstanten Temperatur stattfindet. Besonders bevorzugt finden Materialien Anwendung, bei denen Phasenübergänge zwischen einem festen und einem flüssigen Zustand vollzogen werden, bevorzugt auf der Basis von Salzhydraten, Wachsen oder Paraffinen. Grundsätzlich sind aber auch Materialien verwendbar, bei denen reversible Phasenübergänge vom flüssigen in den gasförmigen oder vom festen in den gasförmigen Zustand ausgenutzt werden. Entsprechende Materialien werden von dem Unternehmen Rubitherm Technologies, GmbH, Berlin, DE, unter den Handelsnamen Rubitherm RT und Rubitherm SP vermarktet. Solches Material kann von einer Haut oder Hülle umgeben, in einer Tasche aufgenommen oder von einer Wandung, z.B. aus Glas, umschlossen beziehungsweise darin gekapselt sein. Das Material kann auch an ein Polymer gebunden sein. Damit ist sichergestellt, dass das Material während der Energieaustauschvorgänge mit einem umströmenden Fluid innerhalb des Latentwärmespeichers bzw. einer Speicherzelle verbleibt. Entsprechende Verbundmaterialien werden von dem Unternehmen Rubitherm Technologies GmbH unter den Handelsnamen Rubitherm PK, Rubitherm PX und Rubitherm GR, sowie von dem Unternehmen BASF SE, Ludwigshafen, DE, unter dem Handelsnamen Micronal PCM vertrieben.
An die Dynamik bei der Energieaufnahme (Speicherung) bzw. Energieabgabe derartiger Speichermodule oder Latentwärmespeicher werden zunehmend hohe Anforderungen bei gleichzeitigen Restriktionen durch Designvorgaben und verfügbaren Bauraum gestellt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Latentwärmespeicher für ein Haushaltsgerät dahingehend zu optimieren, dass dieser formstabil und hocheffizient arbeitet und in vielfältiger Weise an die individuellen Anforderungen hinsichtlich des verfügbaren Bauraums und vor allem der Speicherkapazität anpassbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Latentwärmespeicher mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Einzelheiten, Aspekte, Vorteile und bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstände der abhängigen Patentansprüche, nachfolgender Beschreibung sowie beigefügter Zeichnung. Die darin beschriebenen Merkmale sind allein und in beliebiger Kombination anwendbar.
Bei einem Latentwärmespeicher der eingangs genannten Art ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Latentwärmespeicher mindestens zwei Tragrahmen aufweist, in denen jeweils eine Speichermaterialschicht angeordnet ist, wobei die Tragrahmen unter Bildung eines Rahmenstapels miteinander verbunden sind, und wobei zwischen den Tragrahmen wenigstens ein Strömungskanal ausgebildet ist.
Der erfindungsgemäße Latentwärmespeicher ist als Stapelkonstruktion aus mehreren, im Wesentlichen waagerecht liegenden Rahmen ausgeführt, die das Speichermaterial aufnehmen bzw. tragen und bevorzugt in Doppelfunktion zugleich wenigstens Teile eines Strömungskanals für das Fluid bilden. Dies stellt einen besonders kompakten und durch entsprechende Aufstapelung einer geeigneten Anzahl von Rahmen an die individuellen Erfordernisse anpassbaren Latentwärmespeicher zur Verfügung.
Der erfindungsgemäße Latentwärmespeicher ist nach einem „Plattformkonzept“ unter Vorhaltung einer sehr geringen Anzahl von Baukomponenten z.B. an Haushaltsgeräte verschiedener Leistungsfähigkeit anpassbar.
Das Speichermaterial kann bevorzugt als polymergebundenes Speichermaterial (PCM) ausgebildet sein, das in Plattenform vorliegt. Beim Phasenwechsel kann das Speichermaterial an Steifigkeit und Formtreue verlieren und elastische Eigenschaften annehmen. Nach einer diesbezüglich vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass jeder Tragrahmen wenigstens einen Aufnahmebereich für eine Speichermaterialschicht aufweist und im Aufnahmebereich eine Stützstruktur vorgesehen ist, die die Bodenfläche der Speichermaterialschicht mechanisch stützt. Damit ist die Formstabilität und somit die Dynamik der Wärmeenergieaufnahme und Wärmeenergieabgabe wesentlich verbessert.
Eine konstruktiv bevorzugte Fortbildung der Erfindung sieht vor, dass der Tragrahmen zwei Aufnahmebereiche für jeweils eine Speichermaterialschicht aufweist, die durch eine Strebe voneinander abgegrenzt sind. Dabei können die in den jeweiligen Aufnahmebereich einzuführenden oder einzulegenden plattenförmigen Speichermaterialschichten zur Fertigungsvereinfachung spiegelsymmetrisch ausgestaltet sein; sie können aber auch in Anpassung an die individuellen Fluidströmungen unterschiedlich ausgestaltet sein, um insbesondere eine über den Strömungsweg des Fluides möglichst konstante Speicherdynamik sicherzustellen.
Bei Anwendungen, bei denen an dem Speichermaterial Kondensat ausfällt (beispielsweise beim Abkühlen von aus einer Wärmebehandlungskammer eines Wäschetrockners ausströmender Prozessluft an dem Latentwärmespeicher) ist vorteilhafterweise zwischen der Strebe und einem ihm jeweils zugewandten Randbereich des Speichermaterials ein Flüssigkeitsablauf vorgesehen.
Eine hinsichtlich der Effizienz und der Fluidstromleitung besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Stützstruktur Stützrippen umfasst, die zugleich fluidleitende Funktion haben. Dabei können die Rippen bevorzugt fluidleitende Strömungskanäle begrenzen, die das Fluid von einer Eintrittsseite des Latentwärmespeichers zu einer Austrittsseite leiten.
Wie zuvor beschrieben, kann das Speichermaterial beispielsweise in Plattenform in geeignete Ausnehmungen der Tragrahmen eingelegt sein. In diesem Zusammenhang besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Tragrahmen eine umlaufende Auflagefläche für den Randbereich der Speichermaterialschicht aufweist, der so bemessen ist, dass die Speichermaterialschicht in dem Rahmenstapel festklemmbar ist.
Die Formstabilität des eingebrachten Speichermaterials kann weiter verbessert werden, indem Kaschierungen, Verbundfolien oder Materialverstärkungen vorgesehen sind. Die Kaschierungen und Verbundfolien können auch als Dehnsperre für mehrere Schmelzund Erstarrungszyklen die Dynamik verbessern. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass auf wenigstens einer Flachseite der Speichermaterialschicht eine Gaze aufgeprägt ist. Die aufgeprägte Gaze kann durch spezielle Oberflächen den Wärmeübergang zwischen dem Fluid und dem Speichermaterial weiter verbessern.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Speichermaterial nicht als separates Element in Schichtform in den Tragrahmen eingelegt wird, sondern dass das Material im Zweikomponenten-Verfahren in den Kunststoffrahmen eingespritzt ist. Dazu besonders geeignet sind sogenannte polymergebundene Materialien, bei denen beispielsweise ein Anteil von etwa 80 % Paraffin in einer Polymerstruktur unverlierbar gehalten ist, die die etwa verbleibenden 20 % Materialanteil ausmachen. Derartige polymergebundene Materialien sind handelsüblich und beispielsweise unter dem Handelsnamen Rubitherm PK von der Rubitherm Technologies GmbH erhältlich.
Der Rahmen selbst kann natürlich auch aus einer Verbundkonstruktion von Kunststoff oder Metall bestehen, wobei das Speichermaterial in Metallfolien oder Taschen unverlierbar enthalten sein kann.
Hinsichtlich der Abführung etwaigen ausfallenden Kondensats ist es bevorzugt, dass die Tragrahmen hydrophob sind.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung weiter erläutert; es zeigen:
1 einen erfindungsgemäßen Latentwärmespeicher in perspektivischer Ansicht,
2 den Latentwärmespeicher nach 1 mit vollständig eingebrachtem Speichermaterial und
3 einen Tragrahmen.
Der in den 1 und 2 dargestellte Latentwärmespeicher 1 weist insgesamt zehn übereinander gestapelte, identische und waagerecht liegende Tragrahmen 2 auf. Die Tragrahmen weisen miteinander fluchtende Bohrungen 3, 4 auf, durch die nicht dargestellte Verbindungselemente oder Spannelemente dringen und so die Tragrahmen zu einem Rahmenstapel 5 verbinden. Besonders bevorzugt sind dazu nicht näher dargestellte Klemmelemente oder Rasteinrichtungen vorgesehen. Jeder Rahmen 2 weist eine umlaufende Rahmenwand 6 auf. Eine annähernd diagonal verlaufende Strebe 8 teilt einen von der Rahmenwand 6 umschlossenen Aufnahmebereich 10 in zwei Aufnahmebereiche (Teilbereiche) 12 und 14.
In der Darstellung in 1 erkennt man eine Stützstruktur 16, die eine untere Auflageebene 17 der Aufnahmebereiche 12, 14 definiert und wandbildende Rippen 18 (wobei aus Gründen einer übersichtlichen Darstellung nicht jede einzelne Rippe mit der Bezugsziffer 18 versehen ist) aufweist. Die Rippen 18 verlaufen von einem Stirnbereich 20 der jeweiligen Rahmenwand 6, die zugleich wie nachfolgend noch beschrieben eine Fluideintrittsseite 23 bildet, unter der Strebe 8 bis zu einer Fluidaustrittsseite 24.
Der zweitoberste (also der unter dem obersten Tragrahmen 2 liegende) Tragrahmen 2a ist in gleicher Weise ausgestaltet und in seinen entsprechenden Aufnahmen 12, 14 mit einer eingelegten PCM-Speichermaterialschicht 27, 28 belegt. Deshalb sind die unter dem Tragrahmen 2a liegenden, identisch ausgebildeten weiteren Tragrahmen 2 in der Ansicht nach 1 im Einzelnen nicht erkennbar. Man erkennt aber bei jedem Rahmen auf der Unterseite die Enden 30 (wobei auch hier aus Gründen einer übersichtlichen Darstellung stellvertretend nur einige Enden der Rippen mit der Bezugsziffer 30 versehen sind) der Rippen 18. Zwischen den Rippen 18 sind somit individuelle Strömungskanäle oder Strömungsbahnen 33 bis 40 gebildet, in denen das die jeweiligen Phasenwechsel des Speichermaterials bewirkende Fluid 42 (durch Pfeile angedeutet) von der Eintrittsseite 23 zur Austrittsseite 24 strömt. Diese Strömungskanäle sind entsprechend auch zwischen den darunterliegenden Rahmen 2 ausgebildet.
2 zeigt den Latentwärmespeicher gemäß 1, wobei hier allerdings auch der oberste Tragrahmen 2 in seinen Aufnahmebereichen 12, 14 mit einem PCM-Speichermaterial 27 bzw. 28, das als Schicht oder Platte ausgestaltet ist. In gleicher Weise könnten die Aufnahmen aber auch von einem polymergebundenen Latentwärmespeichermaterial ausgefüllt sein, wobei sich dann die von den Rippen 18 gebildete Stützstruktur 16 besonders vorteilhaft auswirkt.
Zwischen der Strebe 8 und den Rändern (in den 1 und 2 ist nur der der Strebe 8 zugewandte Rand 45 des Speichermaterials erkennbar) ist jeweils eine spaltförmige Ablauföffnung 48 ausgebildet. Durch die – entsprechend in den darunterliegenden Tragrahmen 2 ausgebildete – Ablauföffnung kann bei Energieabgabe des Fluides ausfallendes Kondensat ablaufen. Zudem kann Kondensat im Austrittsbereich 24 in entsprechenden, nicht im Einzelnen dargestellten Öffnungen 49 ablaufen. Die Tragrahmen 2 sind aus einem hydrophoben Material hergestellt und/oder hydrophob beschichtet. Die Flachseiten, nämlich die Deckseite 52 und die Bodenseite 53 der Speichermaterialschichten 27, 28 sind wie angedeutet mit einer Gaze 54 belegt. Die Gaze 54 kann auf die jeweilige Seite aufgeprägt sein.
3 zeigt zur weiteren Erläuterung isoliert einen Tragrahmen 2. Der Tragrahmen weist einen umlaufenden Rand 60 auf, der die bereits beschriebene Rahmenwand 6 enthält. Die Rahmenwand 6 stößt in senkrechter Richtung auf einen Vorsprung oder Randbereich 62, der eine Auflagefläche 63 für den jeweiligen Randbereich (1 und 2) 65, 66 der Schichten des Speichermaterials 27, 28 bildet, die dort im Rahmenstapel 5 festgeklemmt sind. Das Speichermaterial kann in die Aufnahme 12, 14 des Tragrahmens 2, wie bereits vorstehend ausführlich erläutert, auch im Zwei-Komponenten-Spritzverfahren direkt eingespritzt werden. Insbesondere in dieser Situation ist es vorteilhaft, wenn die Stützstruktur 16 neben den Rippen 18 zusätzliche Stabilisierungsrippen 70 aufweist, die insbesondere in Bereichen ansonsten vergleichsweise großer freitragender Bodenflächen des Speichermaterials eine zusätzliche Stützfunktion ausüben.
Bezugszeichenliste

1: Latentwärmespeicher
2, 2a: Tragrahmen
3, 4: Bohrungen
5: Rahmenstapel
6: Rahmenwand
8: Strebe
10: Aufnahmebereich
12, 14: Aufnahmebereiche
16: Stützstruktur
17: Auflageebene
18: Rippen
20: Stirnbereich
23: Fluideintrittsseite
24: Fluidaustrittsseite
27, 28: Speichermaterialschicht
30: Enden
33: bis
40: Strömungskanal
42: Fluid
45: Rand
48: Ablauföffnung
49: Öffnungen
52: Deckseite
53: Bodenseite
54: Gaze
60: Rand
62: Randbereich
63: Auflagefläche
65: Randbereich
66: Randbereich
70: Stabilisierungsrippen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007060853 A1 [0002]
DE 102008006348 A1 [0002]
DE 102009046547 A1 [0002, 0004]
DE 102011089111 A1 [0002, 0004]

Claims

Latentwärmespeicher (1) für ein Haushaltsgerät, – der ein Speichermaterial (27, 28) enthält, das durch jeweilige Phasenwechsel während des Ladevorgangs Energie aus einem Fluid (42) aufnimmt bzw. während des Entladevorgangs Energie an ein Fluid (42) abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass – der Latentwärmespeicher (1) mindestens zwei Tragrahmen (2) aufweist, in denen jeweils mindestens eine Speichermaterialschicht (27, 28) angeordnet ist, – die Tragrahmen (2) unter Bildung eines Rahmenstapels (5) mit einander verbunden sind und – zwischen den Tragrahmen (2) wenigstens ein Strömungskanal (33 bis 40) ausgebildet ist.
Latentwärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – jeder Tragrahmen (2) wenigstens einen Aufnahmebereich (10) für mindestens eine Speichermaterialschicht (27, 28) aufweist und – im Aufnahmebereich eine Stützstruktur (16) vorgesehen ist, die die Bodenseite (53) der Speichermaterialschicht (27, 28) mechanisch stützt.
Latentwärmespeicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – der Tragrahmen (2) zwei Aufnahmebereiche (12, 14) für jeweils eine Speichermaterialschicht (27, 28) aufweist, die durch eine Strebe (8) voneinander abgegrenzt sind.
Latentwärmespeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – zwischen der Strebe (8) und einem ihm jeweils zugewandten Randbereich (45) des Speichermaterials (27) ein Flüssigkeitsablauf (48) vorgesehen ist.
Latentwärmespeicher nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass – die Stützstruktur (16) Rippen (18) umfasst, die zugleich fluidleitende Funktion haben.
Latentwärmespeicher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass – die Rippen (18) fluidleitende Strömungskanäle (40) begrenzen, die das Fluid von einer Eintrittsseite (23) des Latentwärmespeichers zu einer Austrittsseite (24) leiten.
Latentwärmespeicher nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Tragrahmen (2) eine umlaufende Auflagefläche (60) für einen Rand (45) der Speichermaterialschicht (27) aufweist, der so bemessen ist, dass die Speichermaterialschicht (27) in dem Rahmenstapel (5) festklemmbar ist.
Latentwärmespeicher nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – auf wenigstens einer Flachseite (52, 53) der Speichermaterialschicht (27, 28) eine Gaze (54) aufgeprägt ist.
Latentwärmespeicher nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das Speichermaterial ein polymergebundenes Material ist, das im Zweikomponentenverfahren in den jeweiligen Tragrahmen (2) eingespritzt ist.
Latentwärmespeicher nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Tragrahmen (2) hydrophob sind.