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Die
Erfindung betrifft ein Hausgerät
mit einer thermoelektrischen Wärmepumpe,
welche zumindest eine mit einer konstanten Anschlussspannung betreibbare
Reihenanordnung von Peltier-Elementen umfasst, deren Widerstand
mit steigender Temperatur zunimmt, und bei der eine Grenztemperatur
für die
Peltier-Elemente vorgegeben ist.
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Aus
einem Dokument, welches am 25. November 2005 von der Internet-Adresse
http://de.wikipedia.org/wiki/Peltier-Element herunterladbar war,
ist ein Peltier-Element in Aufbau und Funktion bekannt, welches
den vorstehend beschriebenen Aufbau aufweist. Die 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.
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Weitere
Hinweise zu Grundlagen, anwendungsbezogener Auswahl und Montage
von Peltier-Elementen ergeben sich aus Dokumenten, die am 25. November
2005 von den Internet-Adressen http://www.quick-ohm.de/waerme/download/Erlaeuterung-zu-Peltierelementen.pdf
und http://www.quick-ohm.de/waerme/download/Einbau.pdf herunterladbar
waren.
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Aus
der
DE 1 410 206 A geht
ein Hausgerät in
Form einer 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 Wärmepumpe
gehören.
Die Wärmepumpe
kann eine Wärmepumpe
sein, welche mit Peltier-Elementen zur Nutzung des thermoelektrischen
Effekts arbeitet; in diesem Fall wird die Wärmepumpe als „thermoelektrische
Wärmepumpe" bezeichnet.
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Ein
aus einem in der Datensammlung „Patent Abstracts of Japan" zur
JP 08 057 194 A gehörigen englischen
Kurzauszug hervorgehendes Hausgerät zum Trocknen von Waschgut
enthält
in einem Kanalsystem neben einem Heizer und einem Kühler, welche
beide zu einer thermoelektrischen Wärmepumpe gehören, einen
dem Kühler
vorgeschalteten zusätzlichen
Wärmetauscher
zur Abkühlung
des von dem Waschgut abgeführten
Luftstroms und eine dem Heizer nachgeschaltete zusätzliche
Heizeinrichtung zum weiteren Erwärmen
des Luftstroms vor dem Beaufschlagen des Waschguts.
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Ein
Hausgerät
in Form eines Wäschetrockner
mit einer thermoelektrischen Wärmepumpe
ist aus der
DE 69 26
182 U bekannt. Üblicherweise nimmt
der Widerstand mit steigender Temperatur bei sämtlichen Peltier-Elementen
zu. Bei Peltier-Elementen ist eine Grenztemperatur dadurch vorgegeben, dass
ein Lot verwendet wird, welches aufschmelzen kann. Üblicherweise
liegt eine Grenztemperatur für Peltier-Elemente
bei 150°C.
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Problematisch
ist ein solcher Aufbau, wenn es zu einer Störung im Betrieb des Hausgeräts kommt,
zum Beispiel einem Ausfall eines Lüftergebläses, einer übermäßigen Trocknung des Wäscheguts
oder einer übermäßigen Beladung
der Luftwege mit Flusen. Wenn für
einen solchen Fall nicht geeignete Sicherheitsmaßnahmen getroffen sind, kann
es zu einer Zerstörung
der Wärmepumpe durch Überhitzung
kommen. Bei einer solchen Überhitzung
kann eine Lötstelle
in einem Peltier-Element beschädigt
und damit seine elektrische Kontaktierung beeinträchtigt werden;
es ist auch möglich,
dass aus einer überhitzten
Lötstelle
ein Metall in ein Halbleitermaterial des Peltier-Elements eindiffundiert
und dessen Funktion nachhaltig beeinträchtigt.
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In
einem Wäschetrockner
oder in einer entsprechend aufgerüsteten Waschmaschine wird üblicherweise
Wäsche
in einer Wäschetrommel
getrocknet, der heiße
Luft zugeführt
wird.
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Die
heiße
Luft sättigt
sich mit verdampfendem Wasser, und die somit befeuchtete Luft wird
der thermoelektrischen Wärmepumpe
zugeführt.
An einer Kaltseite dieser Wärmepumpe
kondensiert Wasser aus der befeuchteten Luft aus und wird aus dieser abgeschieden.
Die Luft wird einer Warmseite dieser Wärmepumpe zugeführt, wo
sie wieder aufgeheizt wird, um erneut der Wäschetrommel zugeführt zu werden.
Dieser Betrieb kann gestört
sein. Beispielsweise kann es durch Verstopfung in den Luftwegen, wie
etwa durch Wäscheteile
oder Flusenansammlungen, dazu kommen, dass nicht mehr ausreichend
viel Luft an der thermoelektrischen Wärmepumpe vorbeigeführt wird.
Es kann auch der abnorme Betriebszustand auftreten, dass der Wäschetrockner
an sich anhalten müsste,
weil die Wäsche
getrocknet ist oder die Wäschetrommel
leer ist, und dass der Wäschetrockner
dennoch weiterläuft.
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In
jedem solchen Fall kommt es zu einer Erhitzung der Peltier-Elemente
der thermoelektrischen Wärmepumpe über ihre
gewöhnliche
Betriebstemperatur, welche in der Regel zwischen 60°C und 100°C liegt.
Es kann hierbei leicht möglich
sein, dass deren Grenztemperatur überschritten wird, wodurch
es zum Ausfall der Module kommen und darüber hinaus eine gewisse Brandgefahr
entstehen kann.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein Hausgerät der eingangs genannten Art
so zu gestalten, dass er auch bei einem abnormen Betriebszustand
intakt und sicher bleibt. Diese Aufgabe wird durch einen artgemäßes Hausgerät mit den
Merkmalen gemäß dem Kennzeichen
des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist also über einen
Wärmestrompfad
Wärme von
jedem Peltier-Element ableitbar. Dabei handelt es sich um einen
gesonderten Wärmestrompfad,
der von der üblichen
Wärmeableitung
bei der Aufheizung der Luft an der Warmseite der thermoelektrischen
Wärmepumpe
verschieden ist. Der Wärmestrompfad
ist so ausgelegt, dass bei steigender Temperatur vor Erreichen der
Grenztemperatur die Leistung der abgeleiteten Wärme der elektrischen Leistung
gleich wird, welche die Peltier-Elemente von der konstanten Anschlussspannung
ziehen.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Peltier-Elemente gerade
nicht durch eine Wärmeisolierung
geschützt
werden müssen,
sondern dass im Gegenteil ein Wärmestrompfad
vorgesehen sein muss, welcher Wärme
von ihnen ableitet. Durch den glücklichen
Umstand, dass der Widerstand eines Peltier-Elements mit steigender
Temperatur zunimmt, sinkt mit steigender Temperatur die gezogene
elektrische Leistung. Dadurch ist die im Notfall abzuleitende Wärmeleistung
geringer als die beim regulären
Betrieb aufgenommene elektrische Leistung. Die Erfindung gibt eine
klare Vorschrift, wie einerseits der Wärmestrompfad zu bemessen ist
und wie andererseits dem die elektrische Leistung der Peltier-Elemente
gegenüberzustehen
hat. Selbstverständlich
kann bei feststehendem Wärmestrompfad auch
die zu ziehende elektrische Leistung der Peltier-Elemente geändert werden, um den Bedingungen
gemäß der Erfindung
Genüge
zu tun. Beispielsweise kann die Anzahl der Peltier-Elemente erhöht werden,
um den Widerstand der Peltier-Elemente zu erhöhen und so die gezogene Leistung
abzusenken, um bei vorgegebenem Wärmestrompfad die erfindungsgemäße Bedingung
zu erfüllen.
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Die
elektrische Leistung der Wärmepumpe liegt
im regulären
Betrieb bevorzugt zwischen 800 W und 1500 W, insbesondere bei 1000
W, bei einer Betriebstemperatur der Wärmepumpe zwischen 60°C und 100°C, insbesondere
bei 90°C.
Der Widerstand steigt im Notfall durch die Steigung der Temperatur stark
an, so dass die elektrische Leistung bei einer nicht mehr überschreitbaren
Temperatur, welche vorzugsweise zwischen 120°C und 150°C, insbesondere bei 120°C, liegt,
nur noch etwa die Hälfte
beträgt.
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Bevorzugt
beträgt
die Leistung der abgeleiteten Wärme
bei der Temperatur, bei der sie der gezogenen elektrischen Leistung
gleich wird, 450 W bis 700 W, bevorzugt 600 W.
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Wird
angesetzt, dass die über
den Wärmestrompfad
zu führende
Wärme in
eine Umgebung mit einer Temperatur um 20°C gelangt und die über den Wärmestrompfad
abführbare
Wärme proportional
zu der über
dem Wärmestrompfad
anliegenden Temperaturdifferenz ist, so erschließt sich aus den obigen Ausführungen,
dass der Wärmestrompfad
im regulären
Betrieb des Hausgeräts
lediglich wenige 100 W, insbesondere etwa ein Viertel der von der
Wärmepumpe
regulär
aufgenommenen elektrischen Leistung, an Wärme abführt.
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Vorzugsweise
weist das Hausgerät
neben dem Wärmestrompfad
zumindest eine zusätzliche Wärmeleckage
auf, wobei weiterhin vorzugsweise der Wärmestrompfad und diese zumindest
eine zusätzliche
Wärmeleckage
ausgelegt sind zur Abführung
von Wärme
mit einer Leistung, die zumindest gleich ist der Leistung, welche
die Peltier- Elemente bei
der Betriebstemperatur ziehen. Damit ist eine Voraussetzung für einen
stationären
Betrieb geschaffen, denn für
einen solche stationären
Betrieb ist es erforderlich, dass die gesamte von der Wärmepumpe aufgenommene
Leistung (ebenso wie eventuell zusätzlich in den Kreislauf der
Luft im Wärmetauscher eingebrachte
Leistung) abgeführt
wird. In eine entsprechende Wärmeabführungsbilanz
geht die über den
Wärmestrompfad
abgeführte
Wärme dabei
nur als relativ geringer, und durch entsprechende Auslegung weiterer
erforderlicher Wärmeleckagen
leicht berücksichtigbarer
Beitrag ein.
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Der
genannte Zahlenwert der Leistung der abzuleitenden Wärme macht
deutlich, dass zur Bildung des Wärmestrompfades
gegebenenfalls umfangreiche Kühlmechanismen
eingreifen müssen, dass
zum Beispiel Kühlrippen
vorgesehen werden müssen,
etc.
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Es
wird nun eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, wobei die
Figur schematisch ein Hausgerät
in Form eines Wäschetrockners
darstellt.
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Der
Wäschetrockner 1 umfasst
eine Wäschetrommel 10,
aus der über
eine Luftausgangsöffnung 12 Luft
abgeleitet werden kann, und in die über eine Lufteingangsöffnung 14 Luft
hineingeleitet werden kann. Aus der Luftausgangsöffnung 12 gelangt die
Luft in das Rohr 16, wobei sie vermittels eines Gebläses 18 angesaugt
wird. Die Luft wird in dem Rohr 16 und über das Rohr 22 zu
einer Anordnung aus Peltier-Elementen 20 geführt. Die
Peltier-Elemente 20 (hier als quadratische Blöcke dargestellt) sind
in einer Reihe angeordnet. Eine Anschlussspannung, welche die elektrische
Leistung Pel zuführt, liegt an den Peltier-Elementen 20 an.
Von den Peltier-Elementen 20 gelangt die Luft durch das
Rohr 24 über
das Gebläse 18 durch
die Lufteingangsöffnung 14 in
die Trommel 10 zurück.
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Die
in das Rohr 16 gesaugte Luft ist durch in der Wäschetrommel 10 befindliche
Wäsche
(nicht dargestellt) mit Feuchtigkeit aufgeladen. Diese Feuchtigkeit
kondensiert an einer Kaltseite 26 der Peltier-Elemente 20,
welche Kaltseite 26 gebildet ist aus einem mit den Peltier-Elementen 20 thermisch gekoppelten
und insbesondere verrippten Wärmeübertrager 26.
Die auskondensierte Feuchtigkeit wird über eine bekannte und vorliegend
der Übersicht
halber nicht dargestellte Einrichtung gesammelt und aus dem Kreislauf
der Luft entfernt. Von der Kaltseite 26 gelangt die Luft
zu einer Warmseite 28 der Peltier-Elemente 20,
welche Warmseite 28 ebenfalls aus einem mit den Peltier-Elementen 20 thermisch
gekoppelten und insbesondere verrippten Wärmeübertrager 28 gebildet
ist. Dort wird die Luft wieder aufgeheizt und gelangt so letztendlich über die
Lufteingangsöffnung 14 in
die Wäschetrommel 10 zurück.
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Eine
Spannungsquelle 30 stellt die elektrische Spannung zum
Betrieb der Peltier-Elemente 20, mit
welchen sie über
Anschlussleitungen 32 verbunden ist, zur Verfügung.
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Das
System aus den Rohren 16, 22 und 24 kann
störanfällig sein,
insbesondere können
Flusen von der Wäsche
an der Rohrinnenseite fest haften bleiben und ein Rohr zumindest
teilweise verstopfen. Deshalb ist in einem realen Wäschetrockner 1 immer ein
Sieb zum Auffangen solcher Flusen (hier nicht dargestellt) vorgesehen.
Eine Störung
kann auch durch ein fehlerhaftes, eventuell vollständig ausfallendes
Gebläse 18 oder
eine übermäßige Beladung der
Wärmeübertrager 26 und 28 hervorgerufen
werden.
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Es
kann auch möglich
sein, dass die Wäschetrommel 10 gar
keine Wäsche
enthält,
oder dass die Wäsche
bereits sehr schnell getrocknet ist. In all diesen Fällen ist
die in das Rohr 16 gelangende Luft nicht mit Feuchtigkeit
behaftet, so dass es zu keiner Auskondensierung an der Kaltseite 26 kommt.
Die Luft erwärmt
sich immer weiter, wodurch schließlich auch die Temperatur der
Peltier-Elemente 20 ansteigt.
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Um
zu verhindern, dass die Peltier-Elemente 20 sich immer
weiter aufheizen, ist vorgesehen, dass ein Wärmestrom mit Leistung Ptherm, von den einzelnen Peltier-Elementen 20 wegführt. Der
Wärmestrom mit
der Leistung Ptherm ist von dem Wärmestrom
an der Warmseite 28 verschieden und ist ein zusätzlicher
Wärmestrompfad.
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Mit
steigender Temperatur steigt der Widerstand der Peltier-Elemente 20.
Dadurch sinkt die elektrische Leistung Pel.
Die Leistung der abgeleiteten Wärme
Ptherm bleibt hingegen gleich oder steigt. Bei
einer bestimmten Temperatur, der Maximaltemperatur, kommt es nun
zum Gleichstand zwischen Ptherm und Pel.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass diese Maximaltemperatur kleiner ist als die Grenztemperatur,
die die Peltier-Elemente maximal erreichen dürfen. Wird Ptherm gleich Pel, so gleichen sich Zufuhr und Abfuhr von
Wärme bei
der Gesamtheit der Peltier-Elemente 20 aus,
und die Maximaltemperatur, bei der die beiden Leistungen Pel und Ptherm im
Gleichgewicht sind, wird nicht mehr überschritten.
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Durch
die Bereitstellung des zusätzlichen Wärmestrompfads
wird die thermoelektrische Wärmepumpe
eigensicher, d. h. es sind keine zusätzlichen Sicherheitsmaßnahmen
erforderlich, um das Überschreiten
der Grenztemperatur zu verhindern. Die Anschlussleistung und der
Widerstand der Peltier-Elemente 20 einerseits (wobei der
Widerstand durch die Anzahl der Peltier-Elemente 20 bestimmt sein
kann) stehen in einem ausgewogenen Verhältnis zur abführbaren
Leistung Ptherm.
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Während eine
typische Betriebsleistung 1000 W beträgt, um so für eine ausreichende Kondensation
von Wasser auf der Kaltseite 26 und eine Erwärmung der
Luft auf der Warmseite 28 der thermoelektrischen Wärmepumpe
zu sorgen, steigt der Widerstand der Peltier-Elemente 20 mit
der Temperatur so stark an, dass es genügt, wenn Ptherm gleich 600
W beträgt:
Die elektrische Leistung Pel sinkt mit steigender
Temperatur entsprechend stark auf diesen Wert ab, um so die Bedingungen
Pel = Ptherm zu erfüllen, und
dies bevor die Grenztemperatur erreicht wird. Übliche Grenztemperaturen von
Peltier-Elementen liegen bei 150° C.
Es ist möglich,
die Bedingung Pel = Ptherm bereits
bei 120°C
bis 140°C
zu erfüllen.
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Damit
der Wäschetrockner 1 in
einem stationären
Betrieb arbeiten kann, wobei die Peltier-Elemente 20 ihre
bestimmungs- und auslegungsgemäße Betriebstemperatur
zwischen 60°C
und 100°C, insbesondere
bei etwa 90°C,
annehmen, ist die Zufuhr von Wärme
zum Wäschetrockner 1 ausgleichbar durch
die Abfuhr von Wärme
aus dem Wäschetrockner 1.
Dementsprechend ist für
eine Abfuhr aller Wärme
gesorgt, welche in den Peltier-Elementen 20 im regulären Betrieb
entsteht. Der Wärmestrompfad leistet
dies nicht allein, sondern es sind dazu weitere Wärmeleckagen
vorgesehen. Zu diesen Wärmeleckagen
zählen – nicht
zuletzt aufgrund der unvermeidlich auftretenden Verluste – die Rohre 16, 22 und 24 und
die Trommel 10. Es kann erforderlich sein, zusätzliche,
gegebenenfalls steuerbare Wärmeleckagen
vorzusehen – beispielsweise
kann ein Teil der in dem Wäschetrockner 1 zirkulierenden,
heißen
Luft aus diesem entlassen und durch kühlere Luft aus der Umgebung
des Wäschetrockners 1 ersetzt
werden. In jedem Fall sind der Wärmestrompfad und
die zusätzlichen
Wärmeleckagen
ausgelegt für eine Abführung von
Wärme mit
einer Leistung, die zumindest gleich ist der Leistung, welche die
Pettier-Elemente 20 bei der Betriebstemperatur ziehen.
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Es
ist möglich,
den elektrischen Widerstand der Anordnung der Pettier-Elemente 20,
der hier als Selbstregelgröße fungiert,
zu messen, um Auskunft über
das Vorliegen von abnormen Zuständen
zu erhalten. Es ist hierzu notwenig, ein (nicht gezeigtes) Widerstandsmessgerät in den
die Peltier-Elemente 20 speisenden Schaltkreis einzubauen.
Entsprechend kann der Wäschetrockner 1 bereits
frühzeitig abgestellt
werden, bevor sich der abnorme Zustand ungünstig auswirkt.