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Die
Erfindung betrifft eine thermoelektrische Wärmepumpe nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein damit hergestelltes Hausgerät,
insbesondere einen Kondensations-Wäschetrockner nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 20.
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Ein
Hausgerät der hier interessierenden Art zeichnet sich beispielsweise
durch einen Behälter aus, in dem feuchte Prozessluft erzeugt
wird und der mit einem geschlossenen Kreislauf für diese
Prozessluft verbunden ist. Im Fall eines Kondensations-Wäschetrockners
ist der Behälter z. B. eine übliche Trockentrommel.
Aus dem Behälter bzw. der Trockentrommel abgeführte,
feuchte Prozessluft wird in dem Kreislauf zunächst auf
ihren Taupunkt oder eine noch niedrigere Temperatur abgekühlt,
um die in ihr enthaltene Feuchtigkeit durch Kondensation zu entfernen,
und daran anschließend mit einem elektrischen Heizelement
wieder erhitzt, bevor sie erneut dem Behälter zugeführt
wird. Da die Prozessluft am Ausgang des Behälters einerseits
eine vergleichsweise hohe relative Luftfeuchtigkeit von z. B. 60%
bis 95%, andererseits aber auch eine meist erheblich über
dem Taupunkt liegende Temperatur besitzt, ist in den Kreislauf ein
Kondensator geschaltet, der sowohl die Abkühlung der Prozessluft
auf den Taupunkt bewirkt als auch die Kondensationswärme
abführt.
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Als
Kondensatoren können z. B. übliche Luft/Luft-Wärmeaustauscher
dienen (
DE 30 27 900 A1 ),
die zwar vergleichsweise preisgünstig herstellbar, aber
wenig effizient sind, so dass mit ihnen hergestellte Wäschetrockner
derzeit in die Energieeffizienzklasse B gemäß
Norm
EN 61121 fallen. Ähnliche Ergebnisse werden bei
Anwendung von Kondensatoren erhalten, die Wasser/Luft-Wärmeaustauscher und
mit diesen verbundene Rückkühler aufweisen (
DE 36 10 920 A1 ).
Derartige Kondensatoren sind außerdem wegen des hohen Verbrauchs
von Leitungswasser aus Umweltschutzgründen unerwünscht.
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Die
genannten Probleme lassen sich bisher nur mit Hilfe einer mit einem
Kältemittel arbeitenden Wärmepumpe vermeiden (
DE 92 04 952 U1 ).
Dem Vorteil einer guten, zur Energieeffizienzklasse A führenden
Energiebilanz steht hier aufgrund der erforderlichen Kompressor/Verdampfer-Einheit
der Nachteil hoher Anschaffungskosten gegenüber.
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Es
ist weiterhin bereits bekannt geworden, den Kondensationsprozess
ausschließlich mit Hilfe einer thermoelektrischen, Peltierelemente
aufweisenden Wärmepumpe vorzunehmen (z. B.
DE 69 26 182 U1 ,
DE 10 2005 060 355
A1 ,
DE
10 2006 016 294 A1 ). Das erfordert jedoch, sofern die Energieeffizienzklasse
A erreicht werden soll, entweder eine Vielzahl von kleineren Peltierelementen
oder groß dimensionierte und daher nicht wirtschaftlich
herstellbare Peltierelemente, die außerdem in den erforderlichen
Größen nicht ausreichend zuverlässig
sind.
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Schließlich
ist es bekannt, als Kondensator eine Kombination aus einem Luft/Luft-Wärmeaustauscher
und einer diesen unterstützenden, thermoelektrischen Wärmepumpe
zu verwenden (z. B.
JP
0 80 57 194 A ,
DE
201 01 641 U1 ). Es ist dann möglich, die Prozessluft
vor oder nach dem Durchgang durch den Luft/Luft-Wärmeaustauscher
durch einen mit einer kalten Seite der Wärmepumpe verbundenen Strömungskanal
zu leiten, um dadurch den Kondensationsprozess zu unterstützen,
und nach Vollendung des Kondensationsprozesses durch einen mit einer
warmen Seite der Wärmepumpe verbundenen Strömungskanal
zu führen, um dadurch die Erwärmung der Prozessluft
zu unterstützen, bevor diese erneut in die Trockentrommel
od. dgl. eintritt.
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Berechnungen
haben gezeigt, dass es mit derartigen Kombinationen aus Luft/Luft-Wärmeaustauschern
und thermoelektrischen Wärmepumpen durchaus möglich
wäre, Hausgeräte der beschriebenen Art herzustellen,
die in die Energieeffizienzklasse A fallen und im Hinblick auf die
Kosten den mit konventionellen Wärmepumpen arbeitenden
Hausgeräten sogar überlegen sind. Auch diese zuletzt
genannten Hausgeräte haben allerdings bisher keinen Eingang
in die Serienproduktion gefunden. Ein Hauptgrund hierfür
besteht darin, dass die Prozessluftführung wegen der erforderlichen
Umlenkung des Prozessluftstroms zwischen der kalten und warmen Seite
der Wärmepumpe vergleichsweise aufwändig ist und
aufgrund des üblicherweise geringen, in den Hausgeräten
zur Verfügung stehenden Raums konstruktive Änderungen
erforderlich macht.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung das
technische Problem zugrunde, die Wärmepumpe der eingangs
bezeichneten Gattung so auszubilden, dass sie trotz Erreichen der
Energieeffizienzklasse A vergleichsweise klein und kompakt ausgebildet
und in herkömmlichen, zur Pflege von Wäschestücken
bestimmten Hausgeräten wie z. B. Kondensations-Wäschetrocknern
untergebracht werden kann, ohne dass an diesen wesentliche Änderungen
vorgenommen werden müssen.
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Gelöst
wird dieses Problem erfindungsgemäß mit den Merkmalen
des Anspruchs 1.
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Durch
die Erfindung ist es möglich, eine Wärmepumpe
zur Verfügung zu stellen, die vergleichsweise klein baut
und keine Umlenkung des Prozessluftstroms erfordert. Da außerdem
ein Teil der für die Kondensation erforderlichen Abkühlung
der Prozessluft durch die thermoelektrische Wärmepumpe
bewirkt wird bzw. diese zumindest einen Teil der Kondensationswärme
abführt, kann der zusätzlich verwendete Luft/Luft-Wärmeaustauscher
kleiner als üblich ausgebildet werden. Es ist daher möglich,
eine Kombination aus Luft/Luft-Wärmeaustauscher und erfindungsgemäßer
Wärmepumpe in dem für den Kondensator vorgesehenen
Raum eines Wäschetrockners od. dgl. unterzubringen, ohne
wesentliche bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen.
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Die
Erfindung beinhaltet außerdem ein mit der erfindungsgemäßen
Wärmepumpe ausgestattetes, zur Pflege von Wäschestücken
bestimmtes Hausgerät, insbesondere einen Kondensations-Wäschetrockner
mit den Merkmalen des Anspruchs 20.
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Weitere
vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen
an Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen
Hausgeräts in Form eines Kondensations-Wäschetrockners;
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2 eine
perspektivische Draufsicht auf die untere Hälfte einer
Bodengruppe eines erfindungsgemäßen Kondensations-Wäschetrockners mit
einem ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Wärmepumpe;
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3 einen
vergrößerten, perspektivischen Teilschnitt der
Wärmepumpe nach 2;
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4 eine
perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Wärmepumpe;
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5 eine
perspektivische Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Wärmepumpe;
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6 einen
schematischen Schnitt längs der Linie VI-VI der 5;
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7 eine
stark vergrößerte Ansicht des Einbaus eines Peltierelements
einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe nach 3;
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8 eine
perspektivische Ansicht eines vierten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Wärmepumpe;
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9 einen
schematischen Schnitt längs der Linie IX-IX der 8;
und
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10 eine
perspektivische Ansicht eines fünften Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Wärmepumpe.
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Die
erfindungsgemäße Wärmepumpe wird nachfolgend
anhand eines zur Pflege von Wäschestücken bestimmten
Hausgeräts in Form eines Kondensations-Wäschetrockners
näher erläutert, der einen in der Regel drehbaren,
der Aufnahme feuchter Wäschestücke dienenden Behälter
in Form einer üblichen Trockentrommel 1 enthält.
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Wie
schematisch in 1 dargestellt ist, enthält
der Kondensations-Wäschetrockner einen an die Trockentrommel 1 angeschlossenen
Strömungskreislauf zur Führung von Prozessluft,
der an einem Ausgang der Trockentrommel 1 beginnt und an
einem Eingang der Trockentrommel 1 endet. Die Strömungsrichtung
der Prozesslift ist durch Pfeile angedeutet. Danach durchströmt
die von der Trockentrommel 1 kommende, feuchte und warme
Prozessluft zunächst einen Abluftkanal 2, von
dem sie in einen üblichen, z. B. als Plattenwärmeaustauscher ausgebildeten
Luft/Luft-Wärmeaustauscher 3 gelangt. Von dort
wird die Prozessluft von einem Lüfter 4 in einen
Zuluftkanal 5 und von dort zurück in die Trockentrommel 1 transportiert.
In den Zuluftkanal 5 ist außerdem ein übliches
elektrisches Heizelement 6 geschaltet, um die im Wärmeaustauscher 3 abgekühlte
Prozessluft wieder zu erwärmen. In Strömungsrichtung
unmittelbar hinter der Trockentrommel 1 kann außerdem
ein nicht dargestelltes Flusensieb im Abluftkanal 2 angeordnet
sein.
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Der
Wärmeaustauscher 3 weist je einen Prozessluft-
und Kühlluftkanal auf. Er dient auf der Prozessluftseite
als Kondensator und ist dazu in der üblichen, nicht näher
dargestellten Weise ausgebildet. Aus der Prozessluft kondensiertes
Wasser wird über einen Ablauf 7 weggeführt.
Der Kühlluftkanal ist vorzugsweise quer zum Prozessluftkanal
angeordnet und wird mit Hilfe eines Lüfters 8 mit
Kühlluft versorgt. Kondensations-Wärmeaustauscher
dieser Art sind dem Fachmann allgemein bekannt und brauchen daher
nicht näher erläutert werden.
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In
Strömungsrichtung hinter dem Luft/Luft-Wärmeaustauscher 3 ist
eine thermoelektrische, erfindungsgemäß ausgebildete
Wärmepumpe 9 angeordnet. Diese enthält,
wie 1 nur grob schematisch zeigt, zwei in der Strömungsrichtung hintereinander
angeordnete, von der Prozessluft zu durchströmende Strömungskanäle,
die beide in einer im Wesentlichen geraden Linie hintereinander
und damit fluchtend bzw. koaxial angeordnet sind. Darunter wird
verstanden, dass die Prozessluft die Wärmepumpe 9 in
einer im Wesentlichen geraden Linie durchströmt und nicht
wie beim Stand der Technik nach dem Durchströmen des einen
Strömungskanals um ca. 180° umgelenkt werden muss,
bevor sie in den anderen Strömungskanal eintritt. Außerdem
ist im Falle eines Wäschetrockners der zuerst von der Prozessluft
durchströmte Strömungskanal mit einer kalten Seite 9a und
der danach durchströmte Strömungskanal mit einer
warmen Seite 9b der thermoelektrischen Wärmepumpe 9 wärmeleitend
verbunden.
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Im Übrigen
dient die kalte Seite 9a der Wärmepumpe 9 dem
Zweck, die aus dem Luft/Luft-Wärmeaustauscher 3 austretende
Prozessluft weiterhin abzukühlen und/oder zumindest die
Kondensationswärme aufzunehmen und dadurch die Wirkung
des Luft/Luft-Wärmeaustauschers 3 zu unterstützen.
Vorzugsweise sind daher der Luft/-Luft-Wärmeaustauscher 3 und
die Wärmepumpe 9 so dimensioniert, dass die Prozessluft
im Luft/Luft-Wärmeaustauscher 3 auf eine im Wesentlichen
dem Taupunkt entsprechende Temperatur abgekühlt, die latente,
beim Kondensationsprozess entstehende Wärme teils vom Luft/Luft-Wärmeaustauscher 3 und
teils von der Wärmepumpe 9 abgeführt
und insgesamt ein hoher Kondensationsgrad erreicht wird. Der mit
der kalten Seite 9a der Wärmepumpe verbundene
Strömungskanal ist außerdem so eingerichtet, dass
auch in diesem durch Kondensation entstehendes Wasser in den Ablauf 7 gelangt,
wie in 1 schematisch angedeutet ist.
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Die
die kalte Seite 9a verlassende Prozessluft wird unmittelbar
durch den mit ihr fluchtenden, mit der warmen Seite 9b verbundenen
Strömungskanal geleitet und in diesem erwärmt.
Dadurch können einerseits die Abmessungen des Luft/Luft-Wärmeaustauschers 3 entsprechend
demjenigen Anteil, der bei der Kondensation der Prozessluft von
der kalten Seite 9a der Wärmepumpe 9 übernommen
wird, reduziert werden, während andererseits das Heizelement 6 nur
noch von der warmen Seite 9b der Wärmepumpe 9 bereits
vorgewärmte Prozessluft auf den bei ihrem Eintritt in die
Trockentrommel 1 gewünschten Wert erwärmen
braucht.
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Der
Luft/Luft-Wärmeaustauscher 3 bildet mit der thermoelektrischen
Wärmepumpe 9 einen Kondensations-Wärmeaustauscher
und ist im Übrigen vorzugsweise so im Wäschetrockner
od. dgl. angeordnet, dass er bei Bedarf leicht herausgenommen und
z. B. gereinigt werden kann. 2 zeigt
beispielhaft seinen typischen Einbau in eine Bodengruppe 10 eines
Kondensations-Wäschetrockners. Die von der nicht dargestellten
Trockentrommel 1 kommende und der Bodengruppe 10 zugeführte
Prozessluft strömt in Richtung eines Pfeils u in den Luft/Luft-Wärmeaustauscher 3 ein.
Die Kühlluft (z. B. Raumluft) für den Luft/Luft-Wärmeaustauscher 3 tritt
durch eine seitliche, z. B. mit einem Schutzgitter abgedeckte Öffnung in
die Bodengruppe 10 ein (Pfeil v) und wird in dieser zur
Kühlluftseite des Luft/Luft-Wärmeaustauschers 3 hin
umgelenkt (Pfeil w). Die Prozessluft wird dadurch im Luft/Luft-Wärmeaustauscher 3 vorzugsweise
auf den Taupunkt abgekühlt, so dass der größte
Teil der Feuchtigkeit kondensiert.
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In
Strömungsrichtung unmittelbar hinter dem Luft/Luft-Wärmeaustauscher 3 befindet
sich die Wärmepumpe 9, wobei wegen der fluchtenden
Anordnung der Strömungskanäle für die
Kalt- und Warmseite 9a, 9b eine äußerst
platzsparende, gedrungene Bauform erzielt werden kann. Das gilt
insbesondere dann, wenn die Strömungskanäle für
die kalte und warme Seite 9a, 9b auch mit den
Kühlkanälen des Luft/Luft-Wärmeaustauschers 3 in
einer Flucht liegen. Die die Bodengruppe 10 durchströmende
Prozessluft braucht dann allenfalls am Ende der Wärmepumpe 9 zu
einem Raum 11 hin umgelenkt werden, in dem sich das Heizelement 6 oder
eine zum Heizelement 6 führende Austrittsöffnung 12 der
Bodengruppe 10 befindet. Nicht dargestellt sind in 2 der
Abluftkanal 2 und der Zuluftkanal 5, die in der
bei Wäschetrocknern od. dgl. üblichen Weise mit
der Bodengruppe 10 verbunden sind und auch hier mit dem Luft/Luft-Wärmeaustauscher 3 und
der Wärmepumpe 9 einen im Wesentlichen geschlossenen
Strömungskreislauf für die Prozessluft bilden.
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Ein
wesentlicher Vorteil der Anordnung nach 2 besteht
außerdem darin, dass die Bodengruppe 10 ohne größere
bauliche Änderungen wahlweise auch ohne Wärmepumpe 9 verwendet
werden kann, indem z. B. ein größer dimensionierter
Luft/Luft-Wärmeaustauscher 3 eingebaut und die
Wärmepumpe 9 weggelassen wird.
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3 zeigt
einen Teilschnitt durch ein erstes, derzeit für am besten
gehaltenes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Wärmepumpe 9, die eine Mehrzahl von ersten, auf
der kalten Seite 9a liegende Strömungskanäle 14 und
von zweiten, auf der warmen Seite 9b liegenden Strömungskanälen 15 aufweist.
Die ersten Strömungskanäle 14 sind von
je zwei, vorzugsweise parallel angeordneten Seitenwänden 16 begrenzt.
Dagegen sind die zweiten Strömungskanäle 15 durch
je zwei vorzugsweise parallele Seitenwände 17 begrenzt,
die im Ausführungsbeispiel nach Art von Mehrkammerrohren
durch quer angeordnete Elemente 18 wie Rippen od. dgl.
miteinander verbunden sind, die die Strömungskanäle 15 in eine
Mehrzahl von parallelen Kanalabschnitten unterteilen und dem Zweck
dienen, die Wärme übertragende Fläche
zu vergrößern. Die Seitenwände 17 bestehen
vorzugsweise aus planparallelen Platten.
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Wie
in 3 speziell für einen Strömungskanal 15a gezeigt
ist, sind die Strömungskanäle 15 an entgegengesetzten
Seiten unmittelbar mit einer gleichartigen, hier warmen Seite je
eines Peltierelements 19a bzw. 19b wärmeleitend
verbunden, die unmittelbar an den entsprechenden Seitenwänden 17 anliegen.
Die fluchtende Anordnung der ersten Strömungskanäle 14 wird
dadurch ermöglicht, dass die jeweils anderen gleichartigen,
hier voneinander abgewandten, kalten Seiten der Peltierelemente 19a, 19b mit
je einem Wärmeleitelement 20a, 20b wärmeleitend
in Berührung stehen, das zweckmäßig als dünne
Platte aus einem gut wärmeleitenden Material ausgebildet
ist. Diese Wärmeleitelemente 20a, 20b stehen
nach vorn über die Strömungskanäle 15 und deren
Seitenwände 17 vor und sind an einer in Strömungsrichtung
der Prozessluft (Pfeil vor den Strömungskanälen 15 liegenden
Stelle mit je einer der Seitenwände 16 wärmeleitend
verbunden. Dadurch sind die Seitenwände 16 bzw.
die von ihnen begrenzten Strömungskanäle 14 im
Gegensatz zu den Strömungskanälen 15 und
den Seitenwänden 17 nicht direkt, sondern mittels
der Wärmeleitelemente 20a und 20b, d.
h. nur indirekt mit der kalten Seite 9a der Wärmepumpe 9 bzw.
den kalten Seiten der Peltierelemente 19a, 19b wärmeleitend
verbunden. Die koaxiale Anordnung der Strömungskanäle 14 und 15 wird daher
mit Hilfe der in Strömungsrichtung x erstreckten Wärmeleitelemente 20a, 20b ermöglicht.
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Die
die Kälte bzw. Wärme auf die Prozessluft übertragenden
Elemente sind die Strömungskanäle 14, 15 und
insbesondere deren Seitenwände 16, 17 und
die Elemente 18, während die Wärmeleitelemente 20a, 20b lediglich
dazu dienen, die von den Peltierelementen 19a, 19b abgegebene
Kälte zu den Seitenwänden 16 zu leiten,
am eigentlichen Wärmeaustausch aber nicht beteiligt sind.
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Da
die Seitenwände 16 eines Strömungskanals 14 quer
zur Strömungsrichtung x jeweils um die Dicke eines Peltierelements 19a, 19b von
den Seitenwänden 17 eines Strömungskanals 15 beabstandet
sind, weisen sie gemäß 3 vorzugsweise
von vorn nach hinten und in Richtung der Seitenwände 17 schräg
angeordnete Führungsflächen 16a auf.
Dadurch wird erreicht, dass die ersten Strömungskanäle 14 eine
in Richtung der zweiten Strömungskanäle 15 allmählich
kleiner werdende Breite aufweisen und vorzugsweise in der unmittelbaren
Verlängerung der Seitenwände 17 enden.
In der Praxis kann dies z. B. dadurch realisiert werden, dass die
Seitenwände 14 mit dreieckförmigen Querschnitten
versehen werden, die gemäß 3 an ihrer
Rückseite je eine mit einem der Wärmeleitelemente 20a, 20b verbundene
Basisfläche 21 aufweisen und sich von dieser aus
nach vorn keilförmig verjüngen.
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Die
aus 3 ersichtliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Wärmepumpe 9 ist auch in 2 angedeutet,
wonach eine Vielzahl von z. B. zehn nebeneinander liegenden Strömungskanälen 14 und 15 vorgesehen
ist. Die ersten und zweiten Strömungskanäle 14, 15 sind
zu einem Stapel zusammengefasst und bilden eine feste Baueinheit. Dies
wird dadurch erreicht, wie insbesondere 3 deutlich
zeigt, dass plattenförmige Seitenwände 17, Peltierelemente 19a, 19b und
Wärmeleitelemente 20a, 20b abwechselnd
nebeneinander gestapelt und durch Kleben, besondere Spannmittel
wie Schrauben od. dgl. oder sonstwie fest miteinander verbunden
werden. Prinzipiell würde es für Wärmepumpen 9 kleiner
Leistung aber auch ausreichen, nur je einen Strömungskanal 14 und 15 vorzusehen,
wobei dann z. B. auf einander zugewandten Innenseiten der Wärmeleitelemente 20a, 20b je
eines der Peltierelemente 19a, 19b angeordnet
wäre, die zwischen sich einen der Strömungskanäle 15 aufnehmen.
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Im Übrigen
wird zwischen den ersten und zweiten Strömungskanälen 14 und 15,
wie 3 zeigt, ein kleiner Zwischenraum vorgesehen.
Der dadurch gebildete Spalt oder eine in diesem vorgesehenen Rinne
ermöglicht den Abfluss von in den ersten Strömungskanälen 14 gebildetem
Kondenswasser in den Ablauf 7 (1).
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4 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Wärmepumpe 9. Zwei dem Wärmeaustausch
mit der Prozessluft dienende Strömungskanäle 23 und 24 sind
wiederum in der Strömungsrichtung x der Prozessluft fluchtend
bzw. koaxial hintereinander angeordnet. Beide Strömungskanäle 23, 24 haben
im Wesentlichen rechteckige (oder quadratische) Querschnitte. Zur
wärmeleitenden Kopplung der beiden Strömungskanäle 23, 24 ist
wenigstens eine Seitenwand 25 des zweiten Strömungskanals 24 mit
einer nach vorn ragenden, über den eigentlichen Strömungskanal 24 nach
vorn vorstehenden Verlängerung versehen, die ein mit dem Wärmeleitelement 20a, 20b nach 3 vergleichbares
Wärmeleitelement 25a bildet. Im Ausführungsbeispiel
sind zwei entgegengesetzt angeordnete Seitenwände 25 mit
je einem solchen Wärmeleitelement 25a versehen.
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Der
erste Strömungskanal 23 ist in diesem Fall mit
Abstand zwischen den beiden Wärmeleitelementen 25a angeordnet.
In den verbleibenden Zwischenräumen zwischen den Wärmeleitelementen 25a und
Seitenwänden 26 des Strömungskanals 23 ist
wenigstens je ein Peltierelement 27 angeordnet, dessen
kalte Seite mit einer Seitenwand 26 und dessen warme Seite
mit einem Wärmeleitelement 25a wärmeleitend
verbunden ist. Im Unterschied zu 3 bestehen
hier die Wärmeleitelemente 25a mit den Seitenwänden 25 des
zweiten Strömungskanals 24 aus einem Stück,
so dass dieser über die Wärmeleitelemente 25a indirekt
mit den Peltierelementen 27 in wärmeleitender
Verbindung steht, während die Seitenwände 26 des
ersten Strömungskanals 23 direkt an den Peltierelementen 27 anliegen.
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Im Übrigen
können die Seitenwände 25 und 26 analog
zu 3 durch die Wärmeübertragungsfläche
vergrößernde Elemente 28, 29 in
Form von Rippen od. dgl. verbunden und/oder in eine Vielzahl von
Strömungskanalabschnitten unterteilt sein. Außerdem
ist zwischen den Strömungskanälen 23 und 24 ein
zum Abfluss von Kondenswasser geeigneter Spalt oder eine diesem
Zweck dienende Rinne vorgesehen.
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5 und 6 zeigen
ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Wärmepumpe 9. Hier ist eine Mehrzahl von ersten
und zweiten Strömungskanälen 31 und 32 mit
rechteckigen und quadratischen Querschnitten vorgesehen, die paarweise in
der Strömungsrichtung x hintereinander und in einer Flucht
liegend angeordnet sind. Die Strömungskanäle 31 werden
durch vorzugsweise parallele, plattenförmige Seitenwände 33,
die Strömungskanäle 32 durch vorzugsweise
parallele, plattenförmige Seitenwände 34 begrenzt,
die vorzugsweise durch Elemente 35, 36 verbunden
und z. B. nach Art von Mehrkammerrohren ausgebildet sind, um die
als Wärmeübertrager wirkenden Flächen
der Seitenwände 33, 34 zu vergrößern.
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Im
Ausführungsbeispiel nach 5 und 6 sind
die beiden Seitenwände 33 der ersten Strömungskanäle
um so viel beabstandet, dass zwischen benachbarten Strömungskanälen 31 jeweils zwei
Peltierelemente 37a, 37b und zwischen diesen noch
je ein Wärmeleitelement 38 angeordnet werden können.
In entsprechender Weise sind die Seitenwände 34 benachbarter
zweiter Strömungskanäle 32 so beabstandet,
dass zwischen ihnen zwei Peltierelemente 39a, 39b und
zwischen diesen jeweils ein bis in die warme Seite 9b der
Wärmepumpe 9 ragender Abschnitt der Wärmeleitelemente 38 angeordnet werden
können. Die Ausrichtung der Peltierelemente 39a, 39b ist
hier umgekehrt zu der Ausrichtung der Peltierelemente 37a, 37b.
Während die Peltierelemente 37a, 37b mit
ihren kalten Seiten an den Seitenwänden 33 der
ersten Strömungskanäle 31 und mit ihren
warmen Seiten an den Wärmeleitelementen 38 anliegen,
ist es bei den zweiten Strömungskanälen 32 umgekehrt.
Hier liegen die kalten Seiten der Peltierelemente 39a, 39b an
den Wärmeleitelementen 38 und die warmen Seiten der
Peltierelemente 39a, 39b an den Seitenwänden 34 an.
Die im Bereich der ersten Strömungskanäle 31 von
den Peltierelementen 37a, 37b aufgenommene Kondensationswärme
wird somit mittels der Wärmeleitelemente 38 zu
den Peltierelementen 39a, 39b ”gepumpt”,
wodurch der Wirkungsgrad der Erwärmung der Prozessluft
auf der warmen Seite 9b der Wärmepumpe 9 beträchtlich
erhöht wird.
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Bei
der Ausführungsform nach 5 und 6 ist
vorzugsweise eine Vielzahl von ersten und zweiten Strömungskanälen 31, 32 nebeneinander, übereinander
oder neben- und übereinander zu einem gestapelten Paket
zusammengefasst, wobei die einzelnen Teile durch Kleben, Verspannen
oder sonstwie zu einer festen Baueinheit miteinander verbunden sind.
Denkbar wäre aber auch die Anwendung von nur je einem ersten
und zweiten Strömungskanal 31 und 32,
die z. B. je eine mit einem Peltierelement 37a verbundene
Seitenwand 33 und je eine mit einem Peltierelement 39a verbundene Seitenwand 34 aufweisen,
wobei die Peltierelemente 37a, 39a in der beschriebenen
Weise durch ein Wärmeleitelement 38 verbunden
sind. Außerdem ist es möglich, die Peltierelemente 37a, 37b, 39a und 39b, auf
die Höhe h der Wärmepumpe 9 bezogen,
entsprechend 5 nur in einem mittleren Teil
der Strömungskanäle 31, 32 vorzusehen
oder jeweils mehrere Peltierelemente pro Wärmeleitelement 38 übereinander
anzuordnen.
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Zwischen
den Strömungskanälen 31, 32 ist wiederum
ein zur Abfuhr von kondensiertem Wasser geeigneter Spalt oder eine
Rinne vorgesehen.
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7 zeigt
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für die Montage
eines Peltierelements 19a an einem Wärmeleitelement 20,
das mit einer Seitenwand 16 nach 3 verbunden
ist. Zur Vermeidung von Korrosion durch Feuchtigkeit ist das Peltierelement 19a in
eine aus Gummi od. dgl. hergestellte Dichtung 41 eingebettet,
die z. B. als ein das Peltierelement 19a ringförmig
umgebender Rahmen ausgebildet ist und eine etwas größere
Dicke als das Peltierelement 19a besitzt. Werden daher
mehrere der Seitenwände 16 bzw. Wärmeleitelemente 20a, 20b entsprechend 3 gestapelt
und fest miteinander verbunden, gegebenenfalls unter Anwendung geeigneter
Spannmittel, dann werden die Dichtungen 41 zwischen je
zwei benachbarten Wärmeleitelementen 20a, 20b zusammengequetscht,
wodurch die Peltierelemente 19a rundum abgedichtet und
gegen Feuchtigkeit geschützt sind.
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Abgesehen
davon zeigt 7 zwei übliche Zuleitungen 42 für
das Peltierelement 19a, die in 3, 4 und 5 nach
oben oder seitlich aus dem jeweiligen Stapel von Strömungskanälen
herausgeführt und in bekannter Weise mit geeigneten Spannungsquellen
verbunden werden können.
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Die übrigen
Peltierelemente 19b, 27, 37a und 37b können
entsprechend ausgebildet und angeordnet sowie mit Dichtungen 41 und
Zuleitungen 42 versehen sein.
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8 und 9 zeigen
ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Wärmepumpe 9. Wie insbesondere 9 zeigt,
ist sowohl auf der kalten Seite 9a als auch auf der warmen
Seite 9b der Wärmepumpe 9 jeweils eine
Mehrzahl von Strömungskanälen 44 und 45 vorgesehen,
die koaxial bzw. in einer geraden Flucht liegen und in Strömungsrichtung
x unmittelbar hintereinander angeordnet sind. Außerdem
sind die Strömungskanäle 44, 45 jeweils
nebeneinander gestapelt und zu einer festen Baueinheit miteinander
verbunden.
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Die
Strömungskanäle 44, 45 sind
seitlich durch je zwei, vorzugsweise parallel angeordnete Seitenwände 46, 47 begrenzt,
die zur Vergrößerung der Wärme übertragenden
Flächen mit quer zu ihnen verlaufenden Elementen 48, 49 in
Form von Rippen od. dgl. versehen sind, die in die Strömungskanäle 44, 45 ragen,
jedoch im Gegensatz zu den Ausführungsbeispielen nach 3 und 4 bis 6 nicht
miteinander verbunden sind. In mittleren Bereichen, bezogen auf
ihre Höhe h (8), sind die Seitenwände 46, 47 frei
von diesen Elementen 47, 48 und lediglich mit
vorzugsweise planparallelen, plattenförmigen Abschnitten 46a, 47a versehen.
An den Abschnitten 46a liegen gemäß 9 jeweils
von beiden Seiten her die kalten Seiten von Peltierelementen 50a bis 50d an.
Dagegen liegen an den Abschnitten 47a, ebenfalls jeweils
von beiden Seiten her, die warmen Seiten weiterer Peltierelemente 51a bis 51d an,
so dass jedem Strömungskanal 44, 45 je
vier Peltierelemente 50 bzw. 51 zugeordnet sind,
wie 9 deutlich zeigt. Daher bildet der aus den Strömungskanälen 44 gebildete
Block wiederum ein Mittel zur unterstützenden bzw. endgültigen
Abkühlung der Prozessluft auf oder unter den Taupunkt,
während der unmittelbar nachfolgende, aus den Strömungskanälen 45 gebildete
Block die Prozessluft zumindest teilweise wieder erwärmt.
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Nach
einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die von
den Peltierelementen 50 aufgenommene Wärme, insbesondere
Kondensationswärme, mit Hilfe von vorzugsweise plattenförmigen Wärmeleitelementen 52 von
der kalten Seite 9a auf die warme Seite 9b der
Wärmepumpe 9 übertragen. Hierzu sind
einerseits die Wärmeleitelemente 52 auf der kalten
Seite 9a jeweils zwischen zwei einander gegenüberliegenden
warmen Seiten der Peltierelemente 50 und z. B. zwischen
den Peltierelementen 50b und 50c (9)
angeordnet und wärmeleitend mit diesen verbunden. Andererseits
erstrecken sich die Wärmeleitelemente 52 parallel
zu den Seitenwänden 46, 47 bis in den
auf der warmen Seite 9b vorhandenen Stapel der Strömungskanäle 45,
wo sie jeweils zwischen zwei einander gegenüberliegenden kalten
Seiten der Peltierelemente 51 und z. B. zwischen den Peltierelementen 51b und 51c (9)
angeordnet und wärmeleitend mit diesen verbunden sind.
Die Wärmeleitelemente 52 stellen somit wie bei den
bereits oben erläuterten Ausführungsbeispielen gleichzeitig
ein Mittel zum Wärmetransport von der kalten Seite 9a zur
warmen Seite 9b und ein Mittel zur mechanischen Verbindung
der beiden aus den Strömungskanälen 44, 45 gebildeten
Stapel dar.
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Wie
insbesondere 8 erkennen lässt, sind
die Räume oberhalb und unterhalb der Peltierelemente 50, 51 durch
die Elemente 48, 49 abgedeckt. Es ist daher erforderlich,
Zuleitungen 53, 54 für die Peltierelemente 50, 51 nach
vorn bzw. hinten aus dem jeweiligen Strömungskanalstapel
herauszuführen. Sie können dann dort gesammelt
und mit nicht dargestellten elektrischen Spannungsquellen verbunden
werden.
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In
besonders vorteilhafter Weise können die Zuleitungen 53, 54 zu
diesem Zweck in Dichtungen 55 angeordnet werden. Diese
Dichtungen 55 sind analog zu den Dichtungen 41 (7)
zwischen den Abschnitten 46a, 47a der Seitenwände 46 und 47 an geordnet
und mit rahmenförmigen Aussparungen versehen, in denen
die Peltierelemente 50 und 51 zu liegen kommen
und dadurch vor Feuchtigkeit und Korrosion geschützt werden.
Die Dichtungen 55 ragen jeweils etwas über das
vordere bzw. hintere Ende des jeweiligen Strömungskanalstapels
hinaus und weisen Durchgänge für die Zuleitungen 53, 54 auf.
Diese Durchgänge münden am vorderen und hinteren
Ende der Wärmepumpe 9 jeweils in einer Hohlkammer 56.
Die Hohlkammern 56 der nebeneinander liegenden Dichtungen 55 (8)
bilden im zusammengebauten Zustand je einen quer zur Strömungsrichtung
x angeordneten Hohlraum, durch den die Zuleitungen 53, 54 nach
außen geführt werden können.
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Ein
Vorteil des Ausführungsbeispiels nach 8 und 9 besteht
darin, dass in den auf der kalten und warmen Seite 9a, 9b der
Wärmepumpe 9 vorgesehenen Stapeln in seitlicher
Richtung besonders viele Peltierelemente untergebracht werden können,
was die Leistung pro Bauraum vergrößert.
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Selbstverständlich
können die Seitenwände 46, 47 in 8 und 9 auch
nur oberhalb oder nur unterhalb der Peltierelemente 50, 51 angeordnet sein.
Ein derartiges Ausführungsbeispiel ist in 10 schematisch
dargestellt. Das Ausführungsbeispiel nach 10 unterscheidet
sich von den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen
außerdem dadurch, dass nur die unteren Strömungskanäle 44 und 45 sowie
untere Abschnitte der Seitenwände 46, 47 innerhalb
des geschlossenen Prozessluft-Kreislaufs angeordnet sind, der hier
durch ein allseitig geschlossenes Rohr 57 angedeutet ist.
Außerdem ist eine obere Wand 58 des Rohrs 57 mit
von den Seitenwänden 46, 47 durchragten
Schlitzen versehen. Insbesondere ist die Anordnung so getroffen,
dass obere Abschnitte der Seitenwände 46 und 47,
die an den Peltierelementen 50, 51 anliegen und
frei von den Elementen 48, 49 sind, sowie die
Wärmeleitelemente 52 vollkommen außerhalb
des Rohrs 57 liegen und die Peltierelemente 50, 51 und
die Wärmeleitelemente 52 nur mit diesen außen
liegenden Abschnitten an den Seitenwänden 46, 47 wärmeleitend
anliegen. Daher ist es hier möglich, die Zuleitungen 53, 54 der Peltierelemente 50, 51 analog
zu 7 auf einfache Weise nach oben oder unten auf
der Wärmepumpe 9 herauszuführen und mit
elektrischen Spannungsquellen zu verbinden. Außerdem können
die Dichtungen 55 (8 und 9)
entfallen, da die Peltierelemente 50, 51 und die
Zuleitungen 53, 54 hier nicht im Strömungsweg
der Prozessluft liegen.
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Wie 10 außerdem
zeigt, haben die oberen Abschnitte der Seitenwände 46, 47 hier
gleichzeitig die Funktion von Wärmeleitelementen, da sie
eine wärmeleitende Verbindung zwischen den unteren, im Rohr 57 befindlichen
und der Wärmeübertragung dienenden Abschnitten
zu den außerhalb des Rohrs befindlichen Peltierelementen 50, 51 und
Wärmeleitelementen 52 herstellen. Zumindest die
oberen Abschnitte der Seitenwände 46, 47 sollten
daher aus einem sehr gut wärmeleitenden Material bestehen,
um eine Verschlechterung des Wirkungsgrades zu vermeiden. Außerdem
ist die obere Wand 58 des Rohrs 57 vorzugsweise
als leicht abnehmbarer Deckel ausgebildet, um eine einfache Montage
der Wärmepumpe 9 und einen einfachen Einbau der
Wärmepumpe 9 in den Prozessluft-Kreislauf zu ermöglichen.
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Auch
dieses Ausführungsbeispiel besitzt zwischen den beiden
Strömungskanalstapeln eine zum Abfluss von kondensiertem
Wasser geeigneten Spalt oder eine Rinne.
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Die
von der warmen Seite eines Peltierelementes abzugebende Leistung
setzt sich zusammen aus der von der kalten Seite ”gepumpten” Wärmemenge
plus der elektrischen Antriebsleistung (Spannung x Strom), welche
im Peltierelement in Wärme umgewandelt wird. In den Ausführungsbeispielen
gemäß 5, 6, 8, 9 und 10 sind
je zwei Peltierelemente 37, 39 bzw. 50, 51 wärmetechnisch über
die Wärmeleitelemente 38 bzw. 52 in Reihe
geschaltet, d. h. die Peltierelemente 39 bzw. 51 auf
der warmen Seite 9b der Wärmepumpe müssen auf
ihrer kalten Seite die gepumpte Wärmemenge plus der elektrischen
Antriebsleistung der vorgeschalteten Elemente 37 bzw. 50 aufnehmen,
diese zu ihrer warmen Seite leiten und dort zusammen mit ihrer eigenen
elektrischen Antriebsleistung an den jeweils anliegenden Kühlkörper
abgeben. Damit die thermoelektrische Wärmepumpe als Ganzes
möglichst effizient arbeitet, können folgende
Maßnahmen einzeln oder in Kombination miteinander sinnvoll werden:
- – Bei gleichartigen Peltierelementen
auf den Seiten 9a und 9b können die Peltierelemente
der warmen Seite 9b mit höherer elektrischer Spannung
als die der kalten Seite 9a betrieben werden, dadurch ist
ihre Wärmeleistung ebenfalls höher.
- – Auf der warmen Seite 9b werden größere
oder spezifisch leistungsfähigere Peltierelemente als auf
der kalten Seite 9a verbaut.
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Auf
der warmen Seite 9b werden pro zugeordnetem Peltierelement 37, 50 der
kalten Seite mehrere, vorzugsweise zwei Peltierelemente 39 bzw. 51 verwendet.
Diese können im Ausführungsbeispiel nach 5 und 6 in
Richtung h übereinander angeordnet sein. In diesem Fall
wird das Wärmeleitblech 38 vorzugsweise trapezförmig
ausgebildet. Im Ausführungsbeispiel nach 8, 9 und 10 können
zwei Peltierelemente 51 in Luftströmungsrichtung
hintereinander liegen und mit dem zugehörigen Wärmeleitelement 52 verbunden
sein.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt, die auf vielfache Weise abgewandelt werden
können. Das gilt insbesondere für die Zahl und
die geometrische Ausbildung der im Einzelfall auf der kalten und
warme Seite der Wärmepumpe vorgesehenen Strömungskanäle. Weiter
ist klar, dass die Strömungskanäle in 3 bis 9 analog
zu 10 an den seitlichen Rändern sowohl nach
oben und unten als auch seitlich durch zusätzliche Wände
geschlossen werden können, wobei diese Wände im
Fall von Wäschetrocknern in der Regel durch Wandabschnitte
der Bodengruppe 10 (2) gebildet
sind. Die verschiedenen Teile der Wärmepumpe 9 bzw.
der einzelnen Strömungskanalstapel werden außerdem
vorzugsweise mit Hilfe von Spannschrauben od. dgl. fest miteinander
verspannt, um überall gute Wärmeübergänge
sicherzustellen. Weiter ist es zweckmäßig, die
Wärme leitenden und/oder Wärme übertragenden
Bauteile auf der warmen Seite 9b deutlich größer
als auf der kalten Seite 9a der Wärmepumpe 9 auszubilden,
um dadurch dem Umstand Rechnung zu tragen, dass ein Wärmeaustausch
mit feuchter Prozessluft effektiver als mit trockner Prozessluft
ist. Weiter können in den Strömungskanälen
zusätzliche Mittel wie z. B. Profilierungen od. dgl. zur
Vergrößerung der Wärme übertragenden
Flächen und/oder zur Verringerung des Luftwiderstands vorgesehen
sein. Ferner können die Seitenwände und/oder die
sie verbindenden Rippen od. dgl. der auf der kalten Seite vorgesehenen
Strömungskanäle vorzugsweise mit Mitteln in Form
von Kanten, Stegen, Nuten od. dgl. versehen werden, die den Ablauf
von kondensiertem Wasser fördern. Weiter ist Erfindung
nicht auf den beispielhaft beschriebenen Wäschetrockner
beschränkt. Die erfindungsgemäße Wärmepumpe
kann vielmehr auch in Verbindung mit anderen, zur Pflege von Wäschestücken bestimmten
Hausgeräten, insbesondere z. B. in Verbindung mit Waschtrocknern
verwendet werden. Schließlich versteht sich, dass die verschiedenen Merkmale
auch in anderen als den beschriebenen und dargestellten Kombinationen
angewendet werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3027900
A1 [0003]
- - DE 3610920 A1 [0003]
- - DE 9204952 U1 [0004]
- - DE 6926182 U1 [0005]
- - DE 102005060355 A1 [0005]
- - DE 102006016294 A1 [0005]
- - JP 08057194 A [0006]
- - DE 20101641 U1 [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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