-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Durchlauferhitzer für Heißgetränkezubereitungsvorrichtungen
mit einer rohrförmigen
Kunststoff-Wasserleitung und einer wasserumströmten Heizeinrichtung, wobei
die Wasserleitung einen Wasserzulauf und einen Wasserablauf und
die Heizeinrichtung einen Anschluss für eine elektrische Heizspannung aufweist.
Eine derartige Heißgetränkezubereitungsvorrichtung
kann zum Beispiel eine Kaffeemaschine sein.
-
Aus
der
DE 103 17 353
A1 ist ein Heizmodul für
eine Heißgetränkezubereitungsvorrichtung
bekannt, das in Form eines elektrisch beheizbaren Rohrheizkörpers innerhalb
einer wasserführenden Nut
angeordnet ist und von Wasser umspült wird. Rohrheizkörper bestehen
typischerweise aus einem Metallrohr, zum Beispiel aus Aluminium
oder Edelstahl, in dem ein Heizdraht angeordnet ist. Zwischen Heizdraht
und Metallrohr befindet sich zur elektrischen Isolation Magnesiumoxid.
Um das Wasser auf eine Brühtemperatur
von ca. 94°C
zu erhitzen, müssen
zunächst
das den Heizdraht umgebende Magnesiumoxid sowie das Rohrleitungsmaterial
erhitzt werden. Aufgrund der hohen Wärmekapazität der den Heizdraht umgebenden
Materialien ist für
die Erwärmung
des Wassers eine hohe Heizleistung mit entsprechendem Energiebedarf
erforderlich. Die hohe Wärmekapazität der den
Heizdraht umgebenden Materialien führt außerdem zu trägen Regelungseigenschaften,
da die erwärmten
Materialien die gespeicherte Wärmemenge
nur allmählich
wieder abgeben.
-
Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Durchlauferhitzer
für Heißgetränkezubereitungsvorrichtungen
anzugeben, mit dem eine schnelle und genaue Regelung der Wassertemperatur
möglich
ist.
-
Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
-
Erfindungsgemäß wird bei
dem eingangs genannten Durchlauferhitzer die Heizeinrichtung durch einen
innerhalb der Kunststoff-Wasserleitung angeordneten Heizdraht gebildet.
Im Gegensatz zum Stand der Technik befindet sich das Heizelement, zum
Beispiel ein Heizdraht, in direktem Kontakt zum Wasser. Es müssen also
nicht erst zwischen Heizeinrichtung und Wasser angeordnete Isolationsmaterialien
mit hoher Wärmekapazität erwärmt werden.
Damit kann ein wesentlicher Anteil an Heizenergie eingespart werden.
Vielmehr erwärmt
der Heizdraht das Wasser unmittelbar und damit in kürzerer Zeit.
Die Erwärmung
des Wassers erfolgt somit energieeffizienter. Ein weiterer Vorteil
dieser Heizdrahtanordnung ist eine spontane und präzise Regelbarkeit
der Wassertemperatur. Damit lassen sich sehr kurze Wasservorheizzeiten
realisieren, so dass nach dem Einschalten der Kaffeemaschine ein
schnelles Starten des Brühprozesses
erfolgen kann. Das fertige Brühgetränk steht
somit in kürzerer
Zeit zur Verfügung.
-
Da
nicht nur der Heizdraht, sondern auch das ihn umgebende Wasser den
elektrischen Strom leitet, müssen
geeignete Vorkehrungen zum Schutz eines Benutzers der Kaffeemaschine
vor einem Stromschlag getroffen werden. Es muss demnach verhindert
werden, dass der direkte Kontakt des stromdurchflossenen Heizdrahtes
mit dem Wasser nicht zu einem Kurzschluss mit anderen ebenfalls
mit dem Wasser in Kontakt stehenden und elektrisch leitfähigen Materialien
führt.
Die den Heizdraht umgebende Wassermenge ist deshalb erfindungsgemäß so dimensioniert,
dass das Wasser selbst als Isolator für den Heizdraht wirkt. Die
Fließstrecke
des Wassers zwischen Heizdraht und dem nächst gelegenen elektrisch leitenden
Bauteil der Heißgetränkezubereitungsvorrichtung
ist so bemessen, dass es zu keinem Kurzschluss bzw. Stromschlag
kommen kann. Da das Wasser die Funktion des Isolators übernimmt, kann
also auf zusätzliche
Isolationsmaterialien verzichtet werden.
-
Für eine schnelle
Regelbarkeit sowie für
minimale Vorheizzeiten ist auch das Volumen des zu erhitzenden Wassers
von Bedeutung. Grundsätzlich gilt,
dass weniger Wasser schneller zu erwärmen ist. Umso genauer lässt sich
auch die gewünschte
Brühtemperatur
einstellen. Durch kleinere Wassermengen wird außerdem vermieden, dass nach
einer längeren
Nichtbenutzung der Heißgetränkezubereitungsvorrichtung
ein hoher Anteil „alten" Wassers dem Brühprozess
zugeführt
wird. Das den Heizdraht umgebende Volumen weist daher erfindungsgemäß einen
Wert kleiner als 100 ml, vorzugsweise einen Wert kleiner als 50
ml, insbesondere einen Wert kleiner als 20 ml auf. Damit ist ein
optimaler Brühprozess möglich, bei
dem immer frisches brühheißes Wasser im
permanenten geringen Durchfluss das Brühgut aufbrüht.
-
Die
Anordnung des Heizdrahtes innerhalb der Kunststoff-Wasserleitung
ist grundsätzlich
frei gestaltbar. Es darf lediglich kein direkter Kontakt zur Kunststoff-Wasserleitung
bestehen, da der Kunststoff sonst verbrennen könnte. Um das zu vermeiden und
um das Wasser möglichst
gleichmäßig erwärmen zu
können,
ist eine Anordnung des Heizdrahtes mit im Wesentlichen gleichem
Abstand zur Kunststoff-Wasserleitung bevorzugt. Auch die Anordnung mehrerer
voneinander beabstandeter Heizdrähte
ist möglich.
Um die Abstände
zwischen dem Heizdraht und der Kunststoff-Wasserleitung und/oder
zwischen mehreren Heizdrähten
möglichst
konstant zu halten, können
zwischen dem Heizdraht und der Kunststoff-Wasserleitung und/oder
zwischen mehreren Heizdrähten
Abstandshalter angeordnet sein. Die Abstandshalter müssen dabei
den Heizdraht gegenüber
der Kunststoff-Wasserleitung thermisch isolieren. Als geeignetes
Material kann zum Beispiel Keramik zur Anwendung kommen. Keramik
ist hitzebeständig
und sowohl ein thermischer als auch ein elektrischer Isolator.
-
Bei
der Heizeinrichtung kann es sich um einen langgestreckten Heizdraht
bzw. Heizstab mit gerader Längsachse
oder um einen spiralförmig
oder U-förmig
gebogenen Heizdraht handeln. Auch Kombinationen davon sind möglich. Ein
Heizstab hat einen größeren Durchmesser
als ein Heizdraht, besteht aber genauso wie der Heizdraht vollständig aus Metall.
Der Durchmesser des Heizstabes ist so dimensioniert, dass er auch
bei langgestreckter Ausführung
formstabil bleibt und sich nicht aufgrund seines Gewichtes durchbiegt.
Auf die Verwendung der Abstandshalter kann dann weitgehend verzichtet werden.
-
Die
Form der Heizeinrichtung orientiert sich also an der Form bzw. dem
Verlauf der Kunststoff-Wasserleitung. Vorzugsweise kommt ein spiralförmig oder
U-förmig
gebogener Heizdraht bzw. Heizstab zur Anwendung. Diese Formen sind
am besten dafür
geeignet, wärmebedingte
Ausdehnungen zu kompensieren. Das ist insbesondere bei unterschiedlichen
Wärmeausdehnungskoeffizienten des
Heizdrahtes bzw. Heizstabes einerseits und des Wasserleitungsmaterials
andererseits von Bedeutung. Durch eine geeignete Formgebung des
Heizdrahtes bzw. Heizstabes kann ein Verspannen beider Materialien
aufgrund unterschiedlicher wärmebedingter
Ausdehnungen vermieden werden. Bei Verwendung eines Heizstabes können an
dessen Enden zum Beispiel Gleitlager angeordnet sein, die eine wärmebedingte
Längenausdehnung
des Heizstabes gegenüber
der Kunststoff-Wasserleitung zulassen. Die Gleitlager müssen dabei
den Heizstab gegenüber
der Kunststoff-Wasserleitung abdichten, so dass ein Wasseraustritt
verhindert ist.
-
Auch
durch die Wahl des die Wasserleitung bildenden Kunststoffs kann
vorteilhaft auf die gegenüber
dem Kunststoff größere Wärmeausdehnung
des Heizdrahtes bzw. Heizstabes reagiert werden. Der die Wasserleitung
bildende Kunststoff kann grundsätzlich
elastisch oder nicht-elastisch sein. Bei Verwendung eines elastischen
Kunststoffs kann dieser die Wärmeausdehnung
des Heizdrahtes bzw. Heizstabes zumindest soweit kompensieren, dass
ein zerstörungsfreier
Betrieb des Durchlauferhitzers möglich
ist. Gerade bei der Verwendung von Heizstäben, die aufgrund ihrer Konstruktion
die wärmebedingte
Ausdehnung nicht selbst kompensieren können, ist die Wahl eines elastischen
Kunststoffs von Vorteil.
-
Die
Wasserleitung kann erfindungsgemäß geradlinig
oder gekrümmt,
wie zum Beispiel U-förmig oder
mäanderförmig, ausgebildet
sein. Bei einer U-förmigen
oder mäanderförmigen Wasserleitung kann
sich ein darin angeordneter Heizstab in den Bögen der Wasserleitung wärmebedingt
ausdehnen. Der Abstand zwischen Heizstab und Wasserleitung ist so
bemessen, dass ein Kontakt beider Teile selbst bei maximaler Wärmeausdehnung
ausgeschlossen ist. Die Relativbewegung zwischen Heizstab und Wasserleitung
kann dann in den Bögen
erfolgen, ohne dass der Heizstab dabei die Wasserleitung berührt. Verspannungen
zwischen Wasserleitung und Heizdraht werden auf diese Weise vermieden.
Dadurch können
auch nicht-elastische Kunststoffe zur Anwendung kommen. Die geradlinige
Form der Wasserleitung kommt vorzugsweise in Kombination mit Heizstäben zum
Einsatz, da diese typischerweise eine geradlinige Form aufweisen.
-
Erfindungsgemäß kann die
Wasserleitung auch aus zwei durch Reibschweißen miteinander verbundenen
Halbschalen aus nicht elastischem Kunststoff gebildet sein. Die
zweiteilige Form der Wasserleitung ermöglicht eine vereinfachte Montage der
Heizeinrichtung in der Wasserleitung.
-
Ein
Problem von Durchlauferhitzern allgemein ist eine mögliche Überhitzung
bei Trockenlauf. Der Heizstab bzw. Heizdraht kann dabei durchbrennen,
was zu einem Ausfall des Durchlauferhitzers führt. Daher werden thermische
Sicherungen eingesetzt, die bei Überschreitung
einer bestimmten Betriebstemperatur der Heizeinrichtung die Stromzufuhr unterbrechen.
Erfindungsgemäß ist zwischen
jedem Heizdraht bzw. Heizstab und dessen elektrischen Anschluss
eine thermische Schmelzsicherung angeordnet.
-
Da
das Wasser den Heizdraht vollständig umgibt,
ist eine nahezu verlustfreie und schnelle Wärmeabgabe an das Wasser möglich. Bei
konstantem Abstand zwischen Heizdraht bzw. Heizstab und Kunststoff-Wasserleitung
ist auch eine gleichförmig schnelle
Erwärmung
des Wassers erreichbar. Das ist unter anderem die Voraussetzung
für die
schnelle und genaue Regelbarkeit der Brühtemperatur. Diese kann so
auch bei sich ändernden
Rahmenbedingungen wie beispielsweise Temperaturschwankungen des
Wasserzulaufs besser konstant gehalten werden. Das ist für einen
optimalen Brühprozess
und für den
davon abhängenden
Geschmack des Brühgetränks von
wesentlicher Bedeutung.
-
Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele anhand
von Figuren beispielhaft näher
erläutert.
Es zeigen:
-
1 einen
Durchlauferhitzer mit Heizstab in geradliniger Ausführung;
-
2 einen
Durchlauferhitzer mit Heizstab in U-förmig gebogener Ausführung;
-
3 einen
Durchlauferhitzer mit spiralförmigem
Heizdraht in geradliniger Ausführung.
-
1 zeigt
einen entlang seiner Längsachse 126 geschnittenen
Durchlauferhitzer 110 mit einem geraden hohlzylinderförmigen Kunststoffrohr 112. Das
Kunststoffrohr 112 wird an einem ersten und zweiten Ende 118, 120 von
je einer Stirnwand 114, 116 abgeschlossen. Nahe
dem ersten Ende 118 sind ein Wasserzulauf 122 und
nahe dem zweiten Ende 120 ein Wasserablauf 124 jeweils
im rechten Winkel zur Rohrlängsachse 126 angeordnet.
Im Inneren des Kunststoffrohrs 112 erstreckt sich ein gerader
Heizstab 128 entlang der Rohrlängsachse 126 durch
die Stirnwände 114 und 116 hindurch.
An beiden Enden des Heizstabes 128 befindet sich jeweils
ein elektrischer Anschluss 132. Zwischen dem elektrischen Anschluss 132 und
dem Heizstab 128 ist je eine rohrförmige Anschlusskappe 134 angeordnet.
In den Stirnwänden 114 und 116 umschließt eine
Dichtung 130 ringförmig
die Anschlusskappen 134. Innerhalb einer der Anschlusskappen 134 ist
eine thermische Schmelzsicherung 136 angeordnet. Sie verbindet elektrisch
leitend den Heizstab 128 und den Anschluss 132.
Zwischen dem Heizstab 128 und der Innenwandung des Kunststoffrohrs 112 erstreckt
sich ein spiralförmiger
Abstandshalter 138.
-
Der
Durchlauferhitzer 110 hat innerhalb einer Heißgetränkezubereitungsvorrichtung
die Aufgabe, eine bestimmte Wassermenge auf Brühtemperatur zu erhitzen. Im
Betrieb des Durchlauferhitzers 110 fließt kaltes Wasser durch den
Wasserzulauf 122 in das Kunststoffrohr 112. Dort
umströmt
das Wasser den Heizstab 128 und wird von diesem erwärmt. Über die
elektrischen Anschlüsse 132 wird
der Heizstab 128 dazu mit Strom versorgt. Die Länge des Durchlauferhitzers 110 ist
dabei auf die Heizleistung des Heizstabes 128 so abgestimmt,
dass das Wasser das Kunststoffrohr 112 durch den Wasserablauf 124 mit
Brühtemperatur
verlässt.
Der Wasserzulauf 122 und der Wasserablauf 124 sind
flanschartig an das Kunststoffrohr 112 angeformt, um die
Verbindung beispielsweise mit einem Schlauch zu erleichtern. Der
Wasserzulauf kann so zum Beispiel mit einem Wassertank und der Wasserablauf
mit einer Aufbrüheinrichtung
verbunden werden.
-
Um
die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen
des Heizstabes 128 aus Edelstahl und des Kunststoffrohrs 112 auszugleichen,
ist das Kunststoffrohr 112 aus elastischem Kunststoff gefertigt.
Es kann durch elastische Verformung einen Teil der wärmebedingten
Ausdehnung des Heizstabes 128 mit aufnehmen. Der verbleibende
Teil wird von den Dichtungen 130 aufgenommen, in denen
der Heizstab 128 wie in einer Gleitlagerung mechanisch
beweglich, aber wasserdicht fixiert ist. Es kann somit nicht zu
einer schädigenden
Verspannung zwischen dem Heizstab 128 und dem Kunststoffrohr 112 kommen.
-
Die
Anschlusskappen 134 haben die Funktion einer thermischen
Isolierung. Sie trennen die hohen Betriebstemperaturen des Heizstabes 128 einerseits
von einem Niedrigtemperaturbereich an den Dichtungen 130 und
den elektrischen Anschlüssen 132 andererseits.
Die thermische Schmelzsicherung 136 hat die Aufgabe, eine
Zerstörung
des Heizstabes 128 oder anderer Teile des Durchlauferhitzers 110 infolge
einer Überhitzung zu
verhindern. Zu einer Überhitzung
kann es beispielsweise beim Betrieb des Heizstabes 128 kommen,
wenn sich kein Wasser im Kunststoffrohr 112 befindet.
-
Der
Abstandshalter 138 stellt sicher, dass der Heizstab 128 nicht
in Kontakt mit dem Kunststoffrohr 112 kommt und dass das
Wasser den Heizstab 128 vollständig und gleichmäßig umströmen kann.
Er stellt einen konstanten radialen Abstand zwischen dem Heizstab 128 und
der Innenwandung des Kunststoffrohrs 112 her, wodurch eine
gleichmäßige Wassererwärmung gewährleistet
ist.
-
In 2 ist
ein entlang seiner Längsachse 226 geschnittener
Durchlauferhitzer 210 mit einem U-förmig gebogenen, hohlzylinderförmigen Kunststoffrohr 212 dargestellt.
Der Durchlauferhitzer 210 verfügt über den prinzipiell gleichen
Aufbau wie der in 1 gezeigte Durchlauferhitzer 110,
mit dem Unterschied, dass das Kunststoffrohr 212 U-förmig gebogen
ist. Die entsprechenden Teile des Durchlauferhitzers 210 sind
gegenüber
dem Durchlauferhitzer 110 mit einer „2" anstelle der „1" in der Hunderterstelle der Bezugszeichen
gekennzeichnet.
-
Im
Inneren des Kunststoffrohrs 112 erstreckt sich ein entsprechend
der Krümmung
des Kunststoffrohrs 212 gebogener Heizstab 228 entlang
der Rohrlängsachse 226.
Als Abstandshalter ist zwischen dem Heizstab 228 und der
Innenwandung des Kunststoffrohrs 212 ein Auflagesteg 238 angeordnet.
-
Im
Unterschied zu dem in 1 gezeigten Durchlauferhitzer 110 mit
elastischem Kunststoffrohr 112 kommt in dieser Ausführungsform
ein nicht-elastisches Kunststoffrohr 212 zur Anwendung.
Die Wärmeausdehnung
des Heizstabes 228 aus Edelstahl kann nun nicht mehr vom
Kunststoffrohr 212 mit ausgeglichen werden. Der Heizstab 228 liegt
deshalb im Bereich des Bogens des Kunststoffrohrs 212 auf
dem Auflagesteg 238 beweglich gelagert auf. Dehnt sich der
Heizstab 228 wärmebedingt
aus, kann er sich innerhalb des gebogenen Kunststoffrohrs 212 auf
dem Auflagesteg 238 aufliegend in Richtung der äußeren Rohrwandung
frei bewegen. Der Durchmesser des Kunststoffrohrs 212 ist
dafür genau
so bemessen, dass eine Berührung
des Heizstabes 228 und des Kunststoffrohrs 212 selbst
bei maximaler Ausdehnung des Heizstabes 228 ausgeschlossen
ist. Die Dichtungen 230 nehmen die bei der Wärmeausdehnung
des Heizstabes 228 eventuell auftretenden Längs- und
Querkräfte
auf. Eine Verspannung zwischen dem Heizstab 228 und dem
Kunststoffrohr 212 sowie eine damit eventuell verbundene
Zerstörung des
Durchlauferhitzers 210 werden somit vermieden.
-
Die
Anordnung sowie die Funktion der übrigen mit den Bezugsziffern 214 bis 236 bezeichneten Teile
entsprechen den bereits bei 1 beschriebenen
Teilen 114 bis 136.
-
3 zeigt
ebenfalls einen entlang seiner Längsachse 326 geschnittenen
Durchlauferhitzer 310 mit einem geraden hohlzylinderförmigen Kunststoffrohr 312 ähnlich dem
in 1 dargestellten Durchlauferhitzer 110.
-
Im
Unterschied zu dem in 1 gezeigten Durchlauferhitzer 110 ist
anstelle eines Heizstabes ein entlang der Rohrlängsachse 326 angeordneter, spiralförmiger Heizdraht 328 innerhalb
des Kunststoffrohrs 312 angeordnet. Beide Enden des Heizdrahtes 328 werden
jeweils von einer senkrecht zur Rohrlängsachse 326 angeordneten
Drahtaufhängung 334 fixiert.
Jede der Drahtaufhängungen 334 weist
einen elektrischen Anschluss 332 auf. Zwischen einem elektrischen
Anschluss 332 und dem Heizdraht 328 ist eine thermische
Schmelzsicherung 336 angeordnet.
-
Das
Kunststoffrohr 312 wird an einem ersten und zweiten Ende 318, 320 von
je einer Stirnwand 314, 316 verschlossen. In den
Stirnwänden 314 und 316 sind
ein Wasserzulauf 322 und ein Wasserablauf 324 angeordnet.
-
Die
Wärmeausdehnung
des Heizdrahtes 328 aus Edelstahl gegenüber dem nichtelastischen Kunststoffrohr 312 wird
allein durch die Spiralform des Heizdrahtes 328 kompensiert.
Dehnt sich das Metall des Heizdrahtes 328 wärmebedingt
aus, verändert
sich lediglich der Abstand zwischen den einzelnen Windungen des
Heizdrahtes 328 bzw. der Abstand zwischen den Windungen
und der Innenwandung des Kunststoffrohrs 312. Der Heizdraht 328 verformt
sich dabei elastisch und kehrt nach erfolgter Abkühlung wieder
in seine ursprüngliche
Form zurück.
Es kann somit auch bei dieser Ausführungsform nicht zu einer Verspannung
zwischen dem Heizstab 328 und dem Kunststoffrohr 312 kommen.
-
Die
Spiralform des Heizdrahtes 328 gibt diesem ausreichend
Stabilität.
Sie stellt sicher, dass der Heizdraht 328 nicht in Kontakt
mit dem Kunststoffrohr 312 kommt und dass das Wasser den
Heizdraht 328 gleichmäßig umströmen kann.
Auf Abstandshalter kann deshalb verzichtet werden.
-
Es
wird abschließend
noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorhergehenden, detailliert
beschriebenen Durchlauferhitzern 110, 210 und 310 um
Ausführungsbeispiele
handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden
können,
ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere können auch
die konkreten Ausgestaltungen der Heizstäbe 128 und 228 sowie des
Heizdrahtes 328 in anderer Form als in der hier beschriebenen
erfolgen. Ebenso kann das Kunststoffrohr 110, 210 und 310 in
einer anderen Form ausgestaltet werden, wenn dies aus Platzgründen bzw.
designerischen Gründen
notwendig ist. Ebenso können
mehrere Heizstäbe
bzw. Heizdrähte
in einem Kunststoffrohr vorgesehen sein.
-
Es
wird der Vollständigkeit
halber außerdem darauf
hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein" bzw. „eine" nicht ausschließt, dass
die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können.
-
- 110,
210, 310
- Durchlauferhitzer
- 112,
212, 312
- Kunststoffrohr
- 114,
214, 314
- Stirnwand
- 116,
216, 316
- Stirnwand
- 118,
218, 318
- erstes
Ende des Kunststoffrohrs
- 120,
220, 320
- zweites
Ende des Kunststoffrohrs
- 122,
222, 322
- Wasserzulauf
- 124,
224, 324
- Wasserablauf
- 126,
226, 326
- Rohrlängsachse
- 128,
228
- Heizstab
- 328
- Heizdraht
- 130,
230
- Dichtung
- 132,
232, 332
- elektrischer
Anschluss
- 134,
234
- Anschlusskappe
- 334
- Drahtaufhängung
- 136,
236, 336
- Schmelzsicherung
- 138
- Abstandhalter
- 238
- Auflagesteg