Die Erfindung betrifft einen Backofen, insbesondere einen Haushalt-Backofen, gemäss Oberbegriff von Anspruch 1.

Der Energieverbrauch von Backöfen ist verhältnismässig gross. Es wurden deshalb verschiedene Massnahmen vorgeschlagen, um deren Energieverbrauch zu senken, so z.B. mittels besserer Isolation oder innerhalb der Muffel angeordneter Heizschlangen.

Aufgabe der Erfindung ist eine weitere Reduktion des Energieverbrauchs eines Backofens.

Diese Aufgabe wird vom Backofen gemäss Anspruch 1 gelöst.

Eine Analyse zeigt, dass bei einem Backvorgang ein beträchtlicher Teil der Energie verwendet wird, um das Gerät selbst zu erwärmen, insbesondere im Bereich der Muffel. Diese Energie kann in konventionellen Geräten nicht sinnvoll genutzt werden und geht nach dem Backvorgang als Abwärme verloren.

Das erfindungsgemässe Gerät ist deshalb mit einem unterkühlbaren Latentwärmespeicher ausgestattet, d.h. einem Latentwärmespeicher, welcher zwei Phasenzustände besitzt, z.B. fest und flüssig, wobei der dem höheren Temperaturbereich zugehörige erste Phasenzustand deutlich unter die Phasenübergangstemperatur unterkühlt werden kann, vorzugsweise bis unter Zimmertemperatur (d.h. bis unter 20°C), so dass er auch bei Zimmertemperatur die Latentwärme zu speichern vermag.

Weiter umfasst das Gerät Wärmekopplungsmittel, um die Muffel selektiv mit dem Latentwärmespeicher thermisch zu koppeln und so den Latentwärmespeicher mittels Wärme von der Muffel vom zweiten (tieferen) in den ersten (höheren) Phasenzustand zu bringen. Der Begriff "selektiv" ist dabei so zu verstehen, dass die Wärmekopplungsmittel aktiviert und deaktiviert werden können, wobei sie im aktivierten Zustand eine höhere thermische Kopplung zwischen Muffel und Latentwärmespeicher bewirken als im deaktivierten Zustand.

Schliesslich besitzt das Gerät auch noch einen Initiator, um den Phasenübergang des Latentwärmespeichers vom ersten Phasenzustand zurück in den zweiten Phasenzustand auszulösen, wenn der Latentwärmespeicher unterkühlt ist. Dadurch ist es möglich, die latente Wärme zu einem gewünschten Zeitpunkt gezielt freizusetzen.

Im erfindungsgemässen Gerät ist es somit möglich, einen Teil der Wärme aus dem Muffelbereich in den Latentwärmespeicher zu befördern, indem die Wärmekopplungsmittel nach Ende eines Backvorgangs aktiviert werden, wenn der Muffelbereich noch warm ist, aber die Hitze dort nicht mehr benötigt wird. So wird der Muffelbereich abgekühlt und gleichzeitig die Energie als latente Wärme gespeichert. Zu Beginn des nächsten Backvorgangs kann sodann der Initiator aktiviert werden, um die latente Wärme freizusetzen. Diese wird von den Wärmekopplungsmitteln mindestens teilweise wieder in den Muffelbereich transferiert, um diesen zu erwärmen. Nach Abschluss dieses Energietransfers werden die Wärmekopplungsmittel deaktiviert und die Muffel wird von einer konventionellen Heizung weiter erhitzt.

In einer ersten, einfachen Variante können die Wärmekopplungsmittel einen Antrieb bewegbaren Teil aufweisen, der eine erste und eine zweite Position besitzt. In der ersten Position koppelt er die Muffel thermisch besser mit dem Latentwärmespeicher als in der zweiten Position. Vorzugsweise ist in diesem Fall der Latentwärmespeicher mit dem bewegbaren Teil verbunden und wird mit diesem zusammen bewegt. Zum Beispiel bildet der bewegbare Teil eine Wand für den Latentwärmespeicher, welche in der ersten Position an der Muffel anliegt und in der zweiten Position von ihr beabstandet ist.

In einer anderen Variante, welche auch mit der ersten Variante kombiniert werden kann, umfassen die Wärmekopplungsmittel Luftfördermittel, beispielsweise einen Ventilator oder ein Gebläse, mit welchen selektiv (d.h. ein- und ausschaltbar) Luft zwischen Muffel und Latentwärmespeicher gefördert werden kann.

In einer dritten Variante, welche sich durch besonders hohe Effizienz auszeichnet, können die Wärmekopplungsmittel von einer Wärmepumpe gebildet werden. Dies hat den Vorteil, dass ein grösserer Teil der Wärmeenergie vom Muffelbereich zum Latentwärmespeicher und vom Latentwärmespeicher zum Muffelbereich gefördert werden kann. Vorzugsweise kann die Wärmepumpe in zwei Richtungen betrieben werden, so dass wahlweise Wärme von der Muffel zum Latentwärmespeicher oder vom Latentwärmespeicher zur Muffel gefördert werden kann.

Weitere Ausgestaltungen, Vorteile und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der nun folgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen:

• Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch eine erste Ausführung eines Backofens,
• Fig. 2 den Backofen nach Fig. 1, wenn sich der Latentwärmespeicher in thermischem Kontakt mit der Muffel befindet,
• Fig. 3 einen vertikalen Schnitt durch eine zweite Ausführung eines Backofens,
• Fig. 4 den Backofen nach Fig. 3, wenn Luft von der Muffel in den Latentwärmespeicher und wieder zurück gefördert wird, und
• Fig. 5 einen vertikalen Schnitt durch eine dritte Ausführung eines Backofens mit Wärmepumpe.

Erste Ausführung:

• Fig. 1 und 2 zeigen einen Backofen mit einem Gehäuse 1, in welchem eine Muffel 2 angeordnet ist, die einen Backraum 3 umschliesst. Das vordere Ende des Backraums ist von einer Türe 4 verschlossen. In der vorliegenden Ausführung ist der Backofen ein Umluft-Backofen, bei dem am hinteren Ende der Muffel 2 ein Lüfterraum 5 mit einem Umluft-Lüfterrad 6 angeordnet ist, mit welchem Luft durch erste, radial innen liegende Ansaugöffnungen 7 vom Backraum 3 angesogen und durch zweite, radial aussen liegende Abblasöffnungen 8 wieder zurück in den Backraum 3 gefördert werden kann. Im Lüfterraum 5 ist in bekannter Weise eine elektrische Heizung (nicht gezeigt) angeordnet, um die angesaugte Luft zu erwärmen. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Muffel 2 mit einer Ober-und/oder Unterhitze ausgestattet werden.

Ausserhalb des Lüfterraums 5 befindet sich ein Antrieb 10, der über eine Welle 11 mit dem Lüfterrad 6 gekoppelt ist und dieses antreibt.

Weiter umfasst der Backofen, wie eingangs erläutert, einen Latentwärmespeicher 12. Der Latentwärmespeicher 12 basiert auf einem "Phasenumwaldungsmaterial" (Phase Change Material, PCM), welches einen Phasenübergang bei einer Phasenübergangstemperatur Tc durchläuft, welche vorzugweise über 50°C und unter 200°C liegt, so dass es mit der Restwärme typischer Backofentemperaturen geschmolzen werden kann. Weiter sollte das Material bis mindestens auf Raumtemperatur unterkühlt werden können, damit die latente Wärme bis zur nächsten Nutzung gespeichert werden kann. Schliesslich muss die Kristallisation des unterkühlten Materials bzw. der Übergang vom ersten (höheren) Phasenzustand zum zweiten (tieferen) Phasenzustand gezielt ausgelöst werden können, damit die latente Wärme zum richtigen Zeitpunkt zurück in den Muffelbereich gefördert werden kann. Zu diesem Zweck ist ein Initiator 13 vorgesehen.

Es sind verschiedene Materialien bekannt, welche geeignete Eigenschaften als Phasenübergangsmaterial besitzen. Beispielsweise kann Natriumacetat-Trihydrat (Schmelzpunkt 58 °C), im US Patent 5728316 genannte Mischung von Magnesiumnitrat-Hexahydrat Mg(NO3)2 · 6 H2O mit Lithiumnitrat LiNO3 (Schmelzpunkt 75.6 °C) und ähnliche Mischungen bekannt aus EP 1 087 003 oder Kalium-Aluminium-Dodecyhydrat (Schmelzpunkt 92 °C) eingesetzt werden, sowie die weiteren in EP 689 024 und EP 1 186 838 genannten Materialien. Die meisten Materialien dieser Art nutzen einen fest-flüssig Phasenübergang. Die Art des Phasenübergangs spielt jedoch im vorliegenden Zusammenhang unter untergeordnete Rolle. Entscheidend ist, dass der Latentwärmespeicher bei thermischer Ankopplung an die Muffel durch Aufheizen in den ersten Phasenzustand gebracht und danach unterkühlt werden kann.

Um das unterkühlte Material gezielt zurück in seinen zweiten Phasenzustand zu bringen, sind dem Fachmann verschiedene Typen von Initiatoren 13 bekannt. So kann ein mechanische Initiator eingesetzt werden, der beispielsweise in der Art eines "Knackfrosches" ausgebildet ist, d.h. als Metallplatte, welche ihre Konfiguration bei Kraftanlegung sprungweise ändert. Bei Verwendung eines mechanischen Initiators wird der Initiator mit einem elektromagnetischen Aktuator verbunden, der den Initiator betätigen kann.

Bekannt sind auch Initiatoren durch Ultraschall, Druck, chemische Initiatoren als Keimbildner sowie elektrische Initiatoren, mit denen die Kristallisation direkt durch Anlegung einer Spannung initiiert wird, vgl. z.B. EP 689 024 und EP 1 186 838.

Wird, wie unten beschrieben, der Latentwärmespeicher 12 mit einer Wärmepumpe kombiniert, kann auch die Wärmepumpe selbst als Initiator verwendet werden, indem der mit dem Latentwärmespeicher 12 verbundene Wärmetauscher der Wärmepumpe auf eine so tiefe Temperatur abgekühlt wird, dass der Übergang vom ersten zum zweiten Phasenzustand spontan erfolgt.

In der Ausführung nach Fig. 1 und 2 ist der Latentwärmespeicher beweglich angeordnet und kann von einem Antrieb 15 bewegt werden. Der Antrieb kann beispielsweise von einem Wachsschalter oder einem Bimetall-Antrieb gebildet werden, oder auch von einem von der Steuerung des Geräts gesteuerten Elektromagneten. In seiner ersten Position, welche in Fig. 1 dargestellt ist, befindet sich der Latentwärmespeicher 12 in einem Abstand von der Muffel bzw. von der Rückwand des Lüfterraums 5 und besitzt somit eine deutlich tiefere Temperatur als jene, die im Backraum 3 herrscht. Vorzugsweise wird der Bereich 16, in welchem sich der Latentwärmespeicher 12 befindet, von einem (nicht dargestellten) Lüfter belüftet, um die Temperatur des Latentwärmespeichers 12 unter der Phasenübergangstemperatur Tc zu halten.

Nach Ende des Backvorgangs, wenn die Muffel 2 noch heiss ist, wird der Latentwärmespeicher 12 vom Antrieb 15 gegen die Muffel und vorzugsweise gegen das Lüfterrad 6 hin bewegt, bis er an der Wand der Muffel 2 bzw. des Lüfterraums 5 anliegt.

In dieser Ausführung werden die eingangs genannten Wärmekopplungsmittel also von der Wand 18 gebildet, die den Latentwärmespeicher 12 gegen vorne abschliesst, sowie vom Antrieb 15.

Der Betrieb des Geräts nach Fig. 1 und 2 ist wie folgt: Nach Abschluss eines Backvorgangs wird, falls die Muffeltemperatur über den Phasenübergangstemperatur Tc liegt, der Latentwärmespeicher 12 von seiner in Fig. 1 gezeigten, zweiten Position in die in Fig. 2 gezeigte, erste Position gebracht. Das Lüfterrad 6 bleibt im Betrieb oder wird im Betrieb gesetzt, um einen guten Wärmeaustausch zwischen Backraum 3 und Lüfterraum 5 zu erreichen. Da sich der Latentwärmespeicher 12 nun in direktem thermischen Kontakt mit der heissen Rückwand des Lüfterraums befindet, wird er erwärmt und geht in den ersten, höheren Phasenzustand über.

Nach gewisser Zeit, oder wenn die Temperatur im Backraum eine Schwelle unterschreitet, oder nachdem die Temperatur im Latentwärmespeicher 12 wieder unter die Phasenübergangstemperatur Tc abfällt, kann das Lüfterrad 6 abgeschaltet werden. Das Gerät kann sich nun weiter abkühlen.

Beim nächsten Backvorgang bleibt der Latentwärmespeicher 12 zunächst in der in Fig. 2 gezeigten ersten Position. Der Initiator 13 wird aktiviert und löst den Übergang des Latentwärmespeichers 12 vom ersten in den zweiten Phasenzustand aus. Dabei wird Latentwärme frei. Gleichzeitig ist das Lüfterrad 6 in Betrieb, so dass die frei werdende latente Wärme abgeführt und in den Backraum 3 eingebracht werden kann. Sobald der Phasenübergang im Latentwärmespeicher 12 abgeschlossen ist und die Wärme in ausreichendem Mass in den Backraum 3 transferiert wurde, wird der Latentwärmespeicher 12 mit dem Antrieb 15 wieder zurück in die in Fig. 1 gezeigte zweite Position gebracht. Nun kann der Backraum 3 nötigenfalls mit der normalen Heizung weiter erwärmt werden.

Zweite Ausführung:

• Die Ausführung nach Fig. 3 und 4 basiert darauf, dass die Wärmekopplungsmittel Luftfördermittel umfassen, die Luft selektiv zwischen Muffel 2 und Latentwärmespeicher 12 fördern.

In der gezeigten Ausführung werden diese Luftfördermittel vom Lüfterrad 6 und einem Verschlussmechanismus 20, 21 gebildet. Mit dem Verschlussmechanismus 20, 21 können wahlweise die Abblasöffnungen 8 geöffnet werden, durch welche die Luft vom Lüfterraum 5 direkt zurück in den Backraum 3 fliesst, oder Hilfsöffnungen 23 in der Rückwand des Lüfterraums 5, durch welche die Luft vom Lüfterrad 6 zum Latentwärmespeicher 12 und von dort über einen Rückführkanal 24 wieder zurück in den Backraum 3 gefördert werden kann. Somit kann die vom Lüfterrad 6 geförderte Luft wahlweise durch den Latentwärmespeicher 12 geführt werden.

Der Verschlussmechanismus umfasst z.B. eine erste Lochplatte 20 und eine zweite Lochplatte 21, welche bei der Vorder- bzw. Rückwand des Lüfterraums 5 angeordnet sind. Die Lochplatten 20, 21 können über einen geeigneten Antrieb (nicht gezeigt) so verschoben werden, dass sie alternativ die Abblasöffnungen 8 oder die Hilfsöffnungen 23 verschliessen.

Beim Gerät nach Fig. 3 und 4 befindet sich der Verschlussmechanismus während der Hochtemperaturphase eines Backvorgangs in der in Fig. 3 gezeigten Stellung, in welcher die Abblasöffnungen 8 geöffnet, aber die Hilfsöffnungen 23 geschlossen sind, so dass keine Luft durch den Latentwärmespeicher 12 gefördert wird. Die Temperatur im Latentwärmespeicher 12 bleibt somit tief.

Nach Ende des Backvorgangs wird der Verschlussmechanismus in die in Fig. 4 gezeigte Stellung gebracht, in welcher die Abblasöffnungen 8 geschlossen, aber die Hilfsöffnungen 23 offen sind. Das Lüfterrad 6 fördert Luft vom Backraum 3 durch die Ansaugöffnungen 7 und die Hilfsöffnungen 23 durch Lüftungskanäle 25 des Latentwärmespeichers 12, von wo die Luft durch den Rückführkanal 24 wieder zurück in den Backraum geführt wird. Dadurch wird Wärme vom Muffelbereich in den Latentwärmespeicher 12 gefördert, so dass dieser in den ersten Phasenzustand gebracht werden kann.

Sobald der ganze Latentwärmespeicher 12 im ersten Phasenzustand ist, oder nach Ablauf einer gewissen Zeit, oder wenn die Temperatur im Backraum unter die Phasenübergangstemperatur Tc sinkt, kann das Lüfterrad 6 abgeschaltet werden.

Bei nächsten Backvorgang bleibt der Verschlussmechanismus zunächst in der in Fig. 4 gezeigten Stellung. Der Initiator 13 wird aktiviert und löst den Übergang des Latentwärmespeichers 12 vom ersten in den zweiten Phasenzustand aus. Dabei wird Latentwärme frei. Gleichzeitig ist das Lüfterrad 6 in Betrieb, so dass die frei werdende latente Wärme abgeführt und über den Rückführkanal 24 in den Backraum 3 eingebracht werden kann. Sobald der Phasenübergang im Latentwärmespeicher 12 abgeschlossen ist und die Wärme in ausreichendem Mass in den Backraum 3 transferiert wurde, wird der Verschlussmechanismus wieder zurück in die in Fig. 3 gezeigte Position gebracht. Nun kann der Backraum 3 nötigenfalls mit der normalen Heizung weiter erwärmt werden.

In der in Fig. 3 und 4 gezeigten Ausführung wird die Luft in der in Fig. 4 dargestellten Betriebsart vom Lüfterrad durch den Latentwärmespeicher 12 geblasen und gelangt von dort zurück in den Backraum 3. Denkbar ist es jedoch auch, die Hilfsöffnungen 23 im radial inneren Bereich des Lüfterrads 6 anzuordnen und die Ansaugöffnungen 7 vom Verschlussmechanismus 20, 21 verschliessbar zu gestalten, so dass die Luft vom Lüfterrad 6 durch den Wärmetauscher angesogen und sodann direkt in den Backraum 3 ausgeblasen werden kann.

In der dritten Ausführung umfassen die Wärmekopplungsmittel eine Wärmepumpe. Dabei kann es sich z.B. um ein Peltier-Element, eine Diffusions-Wärmepumpe oder, wie in Fig. 5 gezeigt, um eine konventionelle Wärmepumpe mit Kompressor, Verdampfer und Kondensator handeln.

In der Ausführung nach Fig. 5 umfasst die Wärmepumpe einen Kompressor 30, welcher in zwei Förderrichtungen betrieben werden kann. Er ist in einem Kreislauf mit einem ersten Wärmetauscher 31, einem Expansionsventil 32 und einem zweiten Wärmetauscher 33 angeordnet. Im Kreislauf befindet sich ein Wärmepumpenmedium. Der erste Wärmetauscher 31 ist mit der Muffel 2 thermisch verbunden, im vorliegenden Ausführungsbeispiel, indem er an der Rückwand des Lüfterraums 5 angeordnet ist. Der zweite Wärmetauscher 33 ist mit dem Latentwärmespeicher 12 thermisch verbunden.

Wird der Kompressor 30 so betrieben, das das Wärmepumpenmedium zunächst in den ersten Wärmetauscher 31, dann durch das Expansionsventil 32 und schliesslich durch den zweiten Wärmetauscher 33 gefördert wird, so arbeitet der erste Wärmetauscher 31 als Kondensator und der zweite Wärmetauscher 33 als Verdampfer und es kann Wärme vom Latentwärmespeicher 12 zum Muffelbereich gefördert werden.

Wird der Kompressor 30 hingegen so betrieben, das das Wärmepumpenmedium zunächst in den zweiten Wärmetauscher 33, dann durch das Expansionsventil 32 und schliesslich durch den ersten Wärmetauscher 31 gefördert wird, so arbeitet der zweite Wärmetauscher 33 als Kondensator und der erste Wärmetauscher 31 als Verdampfer und es kann Wärme von vom Muffelbereich zum Latentwärmespeicher 12 gefördert werden.

Beim Gerät nach Fig. 5 ist der Kompressor 30 während der Hochtemperaturphase eines Backvorgangs ausgeschaltet. Der Latentwärmespeicher 12 ist somit thermisch vom Muffelbereich isoliert. Alternativ kann jedoch der Kompressor 30 während der Hochtemperaturphase auch so betrieben werden, dass er Wärme vom Latentwärmespeicher 12 zur Muffel 2 fördert, wodurch der Latentwärmespeicher 12 gekühlt und die Muffel 2 geheizt wird, wodurch die Wirkung der elektrischen Muffelbeheizung zumindest unterstützt und der Aussenraum der Muffel gekühlt werden kann.

Nach Ende des Backvorgangs wird der Kompressor 30 so betrieben, dass er das Wärmepumpenmedium zuerst in den zweiten Wärmetauscher 33 fördert, wodurch Wärme vom Muffelbereich zum Latentwärmespeicher 12 gefördert wird, damit Latentwärmespeicher 12 in den ersten Phasenzustand gebracht werden kann. Gleichzeitig ist das Lüfterrad 6 im Betrieb, um die Wärme aus dem Backraum 3 zum ersten Wärmetauscher 31 zu bringen. Dank dem Temperaturhub, der durch die Wärmepumpe erzeugt wird, kann der Latentwärmespeicher 12 sogar dann in den ersten (höheren) Phasenzustand gebracht werden, wenn die Muffeltemperatur unter der Phasenübergangstemperatur Tc liegt.

Sobald der ganze Latentwärmespeicher 12 im ersten Phasenzustand ist, oder nach Ablauf einer gewissen Zeit, oder wenn die Temperatur im Backraum unter eine gewisse Schwelle sinkt, kann der Kompressor 30 abgeschaltet werden.

Zu Beginn des nächsten Backvorgangs wird der Kompressor 30 so betrieben, dass Wärme vom Latentwärmespeicher 12 zum Muffelbereich gefördert wird. Der Initiator 13 wird aktiviert und löst den Übergang des Latentwärmespeichers 12 vom ersten in den zweiten Phasenzustand aus. (Alternativ kann, wie bereits erwähnt werden, der Übergang auch initiiert werden, wenn der zweite Wärmetauscher 33 von der Wärmepumpe auf eine ausreichend tiefe Temperatur abgekühlt wird.) Beim Phasenübergang wird Latentwärme frei. Gleichzeitig ist das Lüfterrad 6 in Betrieb, so dass die vom ersten Wärmetauscher 31 abgegebene Wärme in den Backraum 3 abgeführt werden kann. Sobald der Phasenübergang im Latentwärmespeicher 12 abgeschlossen ist und die Wärme in ausreichendem Mass in den Backraum 3 transferiert wurde, kann der Kompressor 30 abgeschaltet werden. Nun kann der Backraum 3 nötigenfalls mit der normalen Heizung weiter erwärmt werden. Alternativ oder zusätzlich dazu kann, wie bereits erwähnt, auch die Wärmepumpe zum weiteren Aufwärmen des Backraums eingesetzt werden.

Bemerkungen:

• In den obigen Ausführungen wurde der Latentwärmespeicher 12 nach Ende eines Backvorgangs vom zweiten in den ersten Phasenzustand gebracht. Denkbar ist es, dem Latentwärmespeicher auch während einem Backvorgang Wärme zuzuführen, nämlich wenn während dem Backvorgang die Temperatur im Backraum 3 reduziert werden soll.
• Die obigen Vorgänge werden von einer Steuerung des Backofens gesteuert. Insbesondere ist, wie beschrieben, der Backofen dazu ausgestaltet, Wärme aus dem Bereich der Muffel 2 nach Ende eines Backvorgangs dazu zu verwenden, den Latentwärmespeicher 12 in den ersten Phasezustand zu bringen, und bei Beginn eines späteren Backvorgangs den Initiator 13 zu betätigen und freiwerdende latente Wärme zurück in den Bereich der Muffel 2 zu fördern.