Verfahren zum Betreiben eines zur Vereisung seines Inhaltes geeigneten Behältnis sowie Speiseeisbereitungs-Vorrichtung

Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Betreiben eines zur Verei- sung seines Inhaltes geeigneten Behältnisses, wobei in einer Wandung des Behältnisses zur Kälteerzeugung Peltierelemente angeordnet sind, die auf ihrer Heißseite aktiv gekühlt werden mittels eines in einem eigenen Kreislauf umlaufenden Kühlmittels, das seinerseits aktiv gekühlt wird.

Verfahren der in Rede stehenden Art sind bekannt. Bei der Kälteerzeugung/Eiserzeugung mit Peltierelementen entstehen am Element eine Kalt- und eine Heißseite. Die entstehende Kälteleistung ist direkt abhängig von der Wärmeabfuhr über die Heißseite des Elements. Diese Wärmeabfuhr geschieht in der Regel über Kühlkörper und/ oder Lüfter und/ oder über eine Wasserkühlung. Peltierelemente arbeiten wirkungsvoll bei kleinen Temperaturdifferenzen zwischen der Heiß- und der Kaltseite. Um größere Temperaturdifferenzen bzw. eine größere Kälteleistung zwischen Heiß- und Kaltseite zu erzielen, bedarf es einer Kühlung der Heißseite. Die zur Eiserzeugung notwendigen Temperaturdifferenzen von größer 30 K werden bspw. mit einer Wasserkühlung und zu- sätzlichem Wärmetauscher in Form eines Lüfters auf der Heißseite der Elemente erreicht. Diesbezüglich wird auf die EP 0 133 844 Bl verwiesen. Diese Patentschrift zeigt und beschreibt eine Vorrichtung zur Speiseeisbereitung, insbesondere in Form eines Haushaltsgeräts, bei welchem gemäß einer ersten Ausführungsform die der Kälteerzeugung dienenden Peltierelemente rückwärtig durch einen Kühlmittelkreislauf aktiv gekühlt werden. Dieser Kühlmittelkreislauf verfügt über einen Wärmetauscher, welcher mit einem motorbetriebenen Gebläse zusammenwirkt.

Im Hinblick auf den beschriebenen Stand der Technik wird eine technische Problematik der Erfindung dahin gesehen, ein Verfahren der in Rede stehenden

Art insbesondere hinsichtlich der aktiven Kühlung des Kühlmittels weiter zu verbessern.

Diese Problematik ist zunächst und im Wesentlichen dadurch gelöst, dass die aktive Kühlung des Kühlmittels durch Wärmetausch des Kühlmittels mit einem Latentwärmespeicher vorgenommen wird. Zufolge dieses erfindungs gemäßen Verfahrens wird der Wirkungsgrad zur Vereisung eines in einem geeigneten Behältnis vorgesehenen Inhaltes verbessert. Die jeweils zu überwindenden Temperaturdifferenzen werden relativ klein gehalten. Sowohl die Peltiertechnik als auch die Latentwärmespeichertechnik sind sehr gut geeignet zum Kühlen über kleine Temperaturdifferenzen. Latentwärmespeicher nutzen die Energie aus dem Phasenwechsel. Das Speichermaterial gibt über den gesamten Schmelzvorgang Wärmeenergie bei konstanter Temperatur ab, was wiederum über das hierüber gekühlte Kühlmedium eine konstante rückwärtige, aktive Kühlung der Peltierelemente bewirkt. Dies besonders über einen längeren Zeitraum, über welchen Latentwärmespeicher in der Lage sind eine konstante Temperatur abzugeben. Darüber hinaus ist mittels des vorgesehenen Latentwärmespeichers und dessen Eigenschaft über mehrere Stunden Wärmeenergie zu speichern die Möglichkeit gegeben, eine mit dem erfindungsgemäßen Ver- fahren arbeitende Vorrichtung, insbesondere Speiseeisvorrichtung für die Zubereitung von Speiseeis für den Betrieb vorzubereiten. Der Kühlmittelkreislauf sorgt dafür, dass die Heißseite der Peltierelemente beständig und über längere Zeit mit einer bevorzugt Minusgrade aufweisenden Flüssigkeit gekühlt wird. Durch die hierdurch geschaffene große Temperaturdifferenz zwischen Heißsei- te der Peltierelemente und dem Kühlmittel kann eine viel größere Wärmemenge von der Heißseite der Peltierelemente abtransportiert werden und somit wiederum auf der Kaltseite der Peltierelemente eine zur Eisbereitung ausreichende Minustemperatur erreicht werden. Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Wasserkühlung hat das Kühlmittel Umgebungstemperatur und er- wärmt sich relativ schnell. Mit steigender Erwärmung des Kühlwassers sinkt

die Temperaturdifferenz zur Umgebungstemperatur, die notwendig ist, um Wärmemengen zu transportieren.

Der Gegenstand des weiteren Anspruchs ist nachstehend in Bezug zu dem Ge- genstand des Anspruches 1 erläutert, kann aber auch in seiner unabhängigen Formulierung von Bedeutung sein.

So ist bevorzugt vorgesehen, dass der Latentwärmespeicher mittels des Kühlkreislaufs, dem hierzu ein gesondertes Peltierelement zugeordnet ist, abgekühlt wird. Zufolge dieser Ausgestaltung wird die Peltiertechnik zugleich zum Laden des Latentwärmespeichers genutzt. Hierzu kann, wie bevorzugt, ein gesondertes Peltierelement vorgesehen sein. Denkbar ist auch eine Lösung, bei welcher das den zur Eisbereitung dienenden Behälter kühlende Peltierelement zeitlich versetzt zugleich der Ladung des Latentwärmespeichers dient. Um eine ver- lustarme Ladung des Latentwärmespeichers zu erreichen ist ein gesondertes Peltierelement vorgesehen, welches indirekt über den Kühlkreislauf auf den Latentwärmespeicher einwirkt. Hierzu ist weiter bevorzugt das gesamte Kühlsystem in zwei Stufen unterteilt. In einer ersten Stufe wird der Latentwärmespeicher beispielsweise über einen Zeitraum von vier Stunden mit Peltiertech- nik heruntergekühlt, wobei während dieser ersten Stufe bevorzugt der Kühlkreislauf auf ein Minimum reduziert ist. Insbesondere der Wärmetauscherbereich zwischen Kühlkreislauf und den der Eiszubereitung zuzuordnenden Peltierelementen ist während dieser ersten Stufe ausgeschlossen. Zum Herunterkühlen des Latentwärmespeichers wird sehr wenig Energie benötigt. Bevor- zugt ist der Behälter in dem sich der Latentwärmespeicher befindet isoliert, so dass keine Wärmeenergie an die Umgebung verloren geht. Ist der Latentwärmespeicher geladen, so kann hiernach der komplette Kühlkreislauf geöffnet werden und der Vereisungsvorgang beginnen. Das Kühlmittel wird bevorzugt durch eine Pumpe, weiter bevorzugt durch eine Elektropumpe im Kreislauf gehalten.

Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Speiseeisbereitungs- Vorrichtung mit einem zur Vereisung seines Inhaltes geeigneten Behältnis, dessen Wandung zur Kälteerzeugung ein (erstes) Peltierelement zugeordnet ist, wobei dieses Peltier- element auf seiner Heißseite mittels eines Wärmeübertragungsmediums aktiv gekühlt wird, wobei weiter das Wärmeübertragungsmedium in einem gesonderten Kühlkreislauf geführt ist.

Eine Speiseeisbereitungs- Vorrichtung der in Rede stehenden Art ist aus der eingangs erwähnten EP 0 133 844 Bl bekannt.

Im Hinblick auf den bekannten Stand der Technik wird eine technische Problematik der Erfindung darin gesehen, eine Vorrichtung der in Rede stehenden Art derart verbessert auszugestalten, dass bei möglichst geringer Energie eine Zieltemperatur zur Vereisung des Behältnisinhaltes erreicht wird, die deutlich unter dem Gefrierpunkt liegt.

Diese Problematik ist zunächst und im Wesentlichen durch den Gegenstand des Anspruchs 3 gelöst, wobei darauf abgestellt ist, dass dem Kühlkreislauf ein Käl- tereservoir in Form eines Latentwärmespeichers zugeordnet ist. Zufolge dieser Ausgestaltung ist eine Speiseeisbereitungs- Vorrichtung geschaffen, deren be- hältnisseitiges Peltierelement rückseitig, d. h. auf der Heißseite mittels des Kühlkreislaufes auf einer bevorzugt konstanten Temperatur gehalten wird. Das Kältereservoir ist gebildet durch einen Latentwärmespeicher, der vorab in ei- nem gesonderten Prozess geladen wurde. Ein derartiger Speicher kann über einen längeren Zeitraum eine konstante Temperatur übertragen, so im vorliegenden Fall auf das Kühlmittel. Dieses wird gefördert in einem geschlossenen Rohrsystem, welches Kühlrohr zum Wärmetausch den Latentwärmespeicher bzw. das Wärmespeichermaterial durchsetzt. Alternativ kann auch eine An- Ordnung vorgesehen sein, bei welcher die Kühlleitung an einer Außenwandung

des Speichers vorbeigeführt ist. In üblicher Weise sind solche Kühlleitungen zum Wärmetausch spiralförmig angeordnet, um so eine genügend große Oberfläche zu bieten.

Die Gegenstände der weiteren Ansprüche sind nachstehend in Bezug zu dem Gegenstand des Anspruchs 3 erläutert, können aber auch in ihrer unabhängigen Formulierung von Bedeutung sein.

Der Latentwärmespeicher wird bevorzugt über ein Peltierelement geladen. Hierbei kann es sich um dasselbe Peltierelement handeln, welches der Wandung des zur Vereisung seines Inhalts geeigneten Behältnisses zugeordnet ist. Um einen erhöhten Wirkungsgrad der Vorrichtung zu erreichen ist vorgesehen, dass dem Kühlkreislauf ein gesondertes Peltierelement zum Laden des Latentwärmespeichers zugeordnet ist. Dieses wird nur zum Laden des Latentwärme- Speichers bestromt, während die Aktivierung des ersten Peltierelements erst zum Vereisen des Behältnisinhaltes durchgeführt wird. Zufolge dieser Ausgestaltung kann aufgrund der geringen Leistungsaufnahme von Peltierelementen bei relativ geringer Energie der Latentwärmespeicher geladen werden, welcher hiernach über einen relativ langen Zeitraum eine konstante Temperatur an den Kühlkreislauf abgibt. Weiter wird vorgeschlagen, dass der Kühlkreislauf zur zeitlichen Trennung der Ladung des Latentwärmespeichers von der Speiseeisbereitung von der Kühlung des ersten Peltierelementes abkoppelbar ist. Dies trägt weiter zur Steigerung des Wirkungsgrades der Vorrichtung bei. Das Kühlmittel umströmt beim Ladevorgang des Latentwärmespeichers nicht den Behältnisbereich mit den hier vorgesehenen ersten Peltierelementen. Der Kühlkreislauf zum Laden des Latentwärmespeichers ist so klein wie möglich gehalten, um Verlusten entgegenzuwirken. Das Kühlmittel dient dem Wärmetransport zwischen dem weiteren Peltierelement und dem Latentwärmespeicher, wobei weiter das weitere Peltierelement nicht zwingend direkt auf das Kühl- mittel bzw. die das Kühlmittel aufnehmenden Rohre einwirken muss. Auch

eine indirekte Einwirkung ist denkbar, bspw. unter Zwischenschaltung eines weiteren Kreislaufes. Ist der Latentwärmespeicher geladen, so werden die weiteren Peltierelemente ausgeschaltet und der große Kühlkreislauf freigeschaltet, der die manschettenartigen, die ersten Peltierelemente aufweisenden Kühlab- schnitte des Behältnisses einschließt.

Das Speichermaterial des Latentwärmespeichers basiert bevorzugt auf Paraffin oder Salz. Die Verflüssigungs-/ Verfestigungs-Temperatur des Latentwärmespeichermittels ist bevorzugt unterhalb von 0° C gewählt, wobei idealerweise die Verflüssigungs-Temperatur und die Verfestigungstemperatur gleich sind. Durchaus können diese Temperaturen auch unterschiedlich sein, wenngleich auch nur um einen Differenzbetrag von wenigen Grad C. Beispielsweise kann hierbei die Verfestigungs-Temperatur bei minus 8° C liegen, während eine Verflüssigung bereits bei minus 5° C erreicht wird. Im Allgemeinen liegt die Tem- peratur zwischen minus 1° C bis minus 10° C, so in idealer Weise bevorzugt bei minus 5° C.

Der Wirkungsgrad der Peltierelemente zur Erzeugung von Kälteleistung im Bereich des zur Vereisung seines Inhaltes geeigneten Behältnisses wird zufolge der vorgeschlagenen Erfindung erheblich verbessert. Der Eisherstellungspro- zess wird beschleunigt. Das Kältereservoir (Latentwärmespeicher) ist jederzeit wieder aufladbar. Die Vorteile eines Latentwärmespeichers und der Peltierelemente sind vorteilhaft und energetisch günstig kombiniert. Durch die Kühlung der Heißseite der behälterseitigen Peltierelemente mit bevorzugt minus 5° C kaltem Kühlmittel (bevorzugt Wasser-Glykol-Gemisch) sind die Baugröße und das Gewicht der Vorrichtung gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen stark reduziert. Die Kälteleistung der Peltierelemente kann optimal genutzt werden, da die Heißseite optimal gekühlt wird. Die Wärmeverlustmengen sind klein gehalten, wobei weiter die Kühlung der Peltierelemente bei konstanter Tempe- ratur stattfindet.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung, welche lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellt, näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 in schematischer Seitenansicht eine Speiseeisbereitungs-

Vorrichtung in Form einer Küchenmaschine;

Fig. 2 eine partiell geschnittene Darstellung durch den Sockelbereich eines zur Vereisung seines Inhaltes geeigneten Be- hältnisses und den den Behältnissockel manschettenartig umfassenden Aufnahmebereich der Vorrichtung;

Fig. 3 in schematischer Darstellung die Vorrichtung zur Vereisung eines Behältnisinhaltes .

Dargestellt und beschrieben ist zunächst mit Bezug zu Fig. 1 eine Speiseeisbe- reitungs- Vorrichtung 1, welche in dem dargestellten Ausführungsbeispiel Teil einer Küchenmaschine 2 ist.

Bezüglich der Küchenmaschine 2 handelt es sich um eine solche, wie sie beispielsweise aus der DE 10210442 Al her bekannt ist. Der Inhalt dieser Patentanmeldung wird hiermit vollinhaltlich in die Offenbarung vorliegender Erfindung mit einbezogen, auch zu dem Zwecke, Merkmale dieser Patentanmeldung in Ansprüche vorliegender Erfindung mit einzubeziehen.

Demnach ist der dargestellten Küchenmaschine 2 ein Behältnis 3 zuordbar. Dieses wird in eine Aufnahme 4 der Küchenmaschine 2 gestellt. In dem Behältnis 3, welches als Rührgefäß ausgeformt ist, ist dem Rührgefäßboden zugeordnet ein Rührwerk 5 vorgesehen, welches über einen in der Küchenmaschine 2 unter- halb der Aufnahme 4 angeordneten, nicht näher dargestellten

Elektroantrieb betrieben wird.

Die Steuerung, insbesondere Drehzahlsteuerung des Rührwerkes 5 wird über ein Bedienfeld 6 der Küchenmaschine 2 vorgenommen. über dieses Bedienfeld sind weitere Funktionen steuerbar, so bspw. eine Erwärmung des Behältnisses 3 im Bereich dessen Bodens, so bspw. zum Garen von Lebensmitteln in dem Behältnis 3 oder, wie weiter ausgeführt, zur Kühlung bis hin zur Vereisung des Behältnisinhaltes.

Das Behältnis 3 weist einen Handgriff 7 auf. Die nach oben weisende Behältnisöffnung ist durch einen abnehmbaren Deckel 8 verschließbar.

Die Aufnahme 4 ist im Wesentlichen gebildet aus zwei gegenüberliegend ange- ordneten, turmartigen Backen 9. Die oberen freien Endbereiche dieser Backen 9 formen Schultern 10 aus. In diesen Schulterbereichen sind Verriegelungselemente 11 in Form von horizontalen Nuten vorgesehen. Diese wirken zusammen mit entsprechenden Gegenelementen in Form von radial abragenden Fingern 12 des Deckels 8. Nach einem Einsetzen des Behältnisses 3 in die Aufnahme 4 wird der Deckel 8 aufgesetzt und unter Eindrehen der Finger 12 in die nutartigen Verriegelungselemente 11 der Schultern 10 verriegelt, wobei weiter die einfahrenden Finger 12 eine Freigabe der elektrischen Funktionen, insbesondere eine Freigabe des Rührwerkes 5 erbringen.

Die Küchenmaschine 2 ist weiter ausgelegt zur Speiseeisbereitung, wozu dasselbe Behältnis 3 Verwendung finden kann. Alternativ kann auch zur üblichen Speisebereitung gegebenenfalls unter Wärmebeeinflussung ein Behältnis 3 mit im Behältnisboden integrierter Heizung vorgesehen sein, während zur Speiseeisbereitung ein Behältnis 3 bevorzugt wird, welches diese Bodenheizung nicht aufweist.

Das Rührwerk 5 wird zur Speiseeisbereitung gegen ein entsprechendes Rührwerk ausgetauscht, so insbesondere gegen eines schaberartige Schaufeln aufweisendes.

Um den Inhalt 13 des Behältnisses 3 zu vereisen, ist zunächst in dem manschettenartig den Sockelbereich des Behältnisses 3 umfassenden Abschnitt der Aufnahme 4 eine Kälteerzeugungsvorrichtung 14 vorgesehen. Diese besteht aus mehreren in der Aufnahme 4 manschettenartig den Sockelabschnitt 15 umfas- send angeordneten Peltierelementen 16. Diese werden elektrisch angesteuert.

Abhängig von Stromstärke und Stromrichtung kühlen sich die oberen Bereiche der Peltierelemente ab, während sich untere erwärmen. Der Strom „pumpt" somit Wärme von einer Seite auf die andere und erzeugt eine Temperaturdiffe- renz zwischen den Oberflächen.

Alternativ zur Anordnung der Peltierelemente 16 in der Aufnahme 4 können diese auch bei entsprechender elektrischer Kontaktierung in der Aufnahme 4 direkt im Sockelbereich des Behältnisses 3 vorgesehen sein.

Um eine genügende Temperaturdifferenz zwischen Kaltseite und Heißseite der Peltierelemente 16 zu erreichen, werden diese rückwärtig, d. h. auf der Heißseite, dem Behältnis 3 abgewandt aktiv gekühlt. Hierzu ist ein Kühlkreislauf 17 vorgesehen. Ein Wasser-Glykol-Gemisch fließt durch eine, einen Kreislauf bie- tende Rohrleitung 18. Ein Abschnitt dieser Rohrleitung 18 umfasst den die Peltierelemente 16 aufweisenden Bereich manschettenartig, zur großflächigen Kühlung derselben.

Der Kühlkreislauf 17 wird angetrieben über eine elektrische Pumpe 19.

Eine Kühlung erfährt das umlaufende Gemisch durch einen vorgesehenen, ein Kältereservoir bietenden Latentwärmespeicher 20, durch den die Rohrleistung 18 wendeiförmig geführt ist. Der Latentwärmespeicher 20 ist doppelwandig ausgebildet und dient entsprechend als Wärmetauscher. Das Speichermaterial kann hierbei auf Paraffin oder Salz basieren.

Zur Inbetriebnahme der Speiseeiszubereitungs- Vorrichtung 1 ist eine Vorbereitung in Form eines Ladens des Latentwärmespeichers 20 erforderlich. Das Einspeichern der Energie in den Latentwärmespeicher erfolgt mittels Peltiertech- nik, wozu weitere Peltierelemente 21 vorgesehen sind. Diese sind mit ihrer Kaltseite der Rohrleitungswandung des Kühlkreislaufes 17 zugewandt angeordnet, während die Heißseite mit Kühlrippen 22 versehen sind.

Das gesamte Kühlsystem ist in zwei Stufen unterteilt. In einer ersten Stufe wird der Latentwärmespeicher 20 über einen Zeitraum von etwa vier Stunden mit Peltiertechnik heruntergekühlt, wozu die Peltierelemente 21 angesteuert sind. Während dieser Aufladphase wird der die ersten Peltierelemente 16 betreffende Kühlkreislaufbereich nicht durchlaufen, wozu eine Bypassleitung 23 vorgesehen ist. Diese wird über elektrisch angesteuerte Ventile 24 geöffnet, während über weitere Ventile 25 der Weg über die Peltierelemente 16 gesperrt ist. Entsprechend wird zum Herunterkühlen und Laden des Latentwärmespeichers 20 sehr wenig Energie benötigt. Der Behälter in dem sich der Latentwärmespeicher 20 befindet, ist isoliert, so dass keine Wärmeenergie an die Umgebung verloren geht.

Hat der gesamte Latentwärmespeicherinhalt eine Zieltemperatur von bevorzugt minus 5° C erreicht. So ist die gesamte Vorrichtung 1 bereit zur Speiseeisbereitung. Dieser Vorgang wird gestartet, wie auch bereits zuvor der Ladevorgang des Latentwärmespeichers 20, über das Bedienfeld 3, wobei zunächst un- ter Schließen der Ventile 24 und öffnen der Ventile 25 der große Kühlkreislauf

freigegeben wird. Unter stetigem Rühren des Inhaltes 13 mittels des Rührwerks 5 erfolgt die gewünschte Vereisung.

Mittels des Wärmetauschers, gebildet durch den Latentwärmespeicher 20 wird das umlaufende Wasser-Glykol-Gemisch beständig auf einer Temperatur von minus 5° C gehalten. Entsprechend wird die Heißseite der behältnisseitigen Peltierelemente 16 mit dem minus 5° C kalten Kühlmittelgemisch gekühlt, so dass sich auf der Kaltseite der Peltierelemente 16 eine Temperatur von minus 10 bis minus 20° C einstellt. Dadurch bedingt, dass die Heißseite der Peltierele- mente 16 durch den Latentwärmespeicher 20 konstant auf minus 5° C gehalten werden, erfolgt eine optimale Kühlung bei kleiner Temperaturdifferenz. Der zu vereisende Inhalt 13 hat somit - Temperaturverluste durch den Wärmeübergang/Wärmeverluste berücksichtigend - eine Mindesttemperatur von minus 5° C.

Entsprechend ist eine beispielsweise Speiseeisbereitung unter Zuführung geringer Energie bei über einen längeren Zeitraum konstant gleichbleibender Temperatur erreichbar.

Durch Umpolung der Peltierelemente 16 und damit einhergehendem Tausch von Kalt- und Heißseite können diese in weiterer Ausgestaltung auch zur Erwärmung eines in dem Behältnis 3 aufgenommenen Inhaltes diesen. So weiter insbesondere zum Warmhalten von Speisen, was sich insbesondere bei einer Anordnung der Vorrichtung in einer, wie dargestellten Küchenmaschine 2 an- bietet.

Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollin-

haltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen.