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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung, eine Anordnung eines Heizsystems umfassend eine solche Heizvorrichtung, die Verwendung einer solchen Heizvorrichtung, bzw. einer solchen Anordnung eines Heizsystems, ein Verfahren zum Erwärmen oder Warmhalten eines oder mehrerer Fluide mittels einer solchen Heizvorrichtung, bzw. einer solchen Anordnung eines Heizsystems sowie einen Heißgetränkebereiter umfassend eine solche Heizvorrichtung bzw. eine solche Anordnung eines Heizsystems.
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Insbesondere im Lebensmittelbereich besteht häufig ein kurzfristiger Bedarf an warmen bzw. heißen Fluiden - insbesondere Wasser. Vor allem in der Zubereitung von Heißgetränken müssen Fluide, meist Wasser, möglichst schnell erhitzt werden und oft auf längere Zeit warmgehalten werden.
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Zurzeit auf dem Markt befindliche Beheizungssysteme für die Zubereitung von Heißgetränken werden häufig durch Rohrheizkörpersysteme betrieben. Rohrheizkörper besitzen systembedingt hohe Massen, die für jeden Heizprozess erwärmt werden müssen. So muss zunächst die Heizvorrichtung des Rohrheizkörpersystems erhitzen, diese überträgt anschließend Wärme auf den Behälter des Fluids, meist ein Metallrohr, welcher dann schließlich die Wärme an das Fluid abgibt. Nachteilig bei dieser Form der Beheizung ist, dass aufgrund der zunächst erforderlichen Erwärmung des Behälters, bzw. des Metallrohrs, viel Zeit für die Erwärmung des Fluids benötigt wird. Zudem muss durch die Erwärmung verschiedener Bestandteile des Rohrheizkörpersystems, bis schließlich das Fluid erwärmt wird, viel Energie aufgewendet werden.
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Des Weiteren wird in vielen Heißgetränkebereitern eine gewisse Menge an Fluid, insbesondere Wasser, ständig auf hohem Temperaturniveau (abhängig von dem Fluid, Wasser z.B. > 90°C) gehalten. Dabei entstehen regelmäßig hohe Stand-By-Verluste innerhalb der Maschine.
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Im Stand der Technik wurde nun versucht, diese Probleme durch einen Blankdrahtheizkörper, bei welchem sich das Fluid systembedingt in einem Kunststoffbehälter befindet, zu umgehen. Schnell wurde hierbei jedoch festgestellt, dass das Fluid, vor allem nach dem Erhitzen und besonders bei längerem Warmhalten, einen Kunststoffgeschmack annimmt. Im Bereich der Lebensmittel- und besonders der Heißgetränkezubereitung stellt dies einen großen Nachteil dar, da das Fluid dem zubereiteten Produkt, beispielsweise Kaffee, ebenfalls einen Kunststoffgeschmack verleiht und beispielsweise bei der Zubereitung von Kaffee aus hochwertigen Kaffeebohnen nicht akzeptabel ist.
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Neben der geschmacklichen Beeinträchtigung durch einen Kunststoffbehälter wurde vor allem im Bereich hochwertiger Kaffeemaschinen oder anderer Heißgetränkebereiter der Einsatz solcher Kunststoffbehälter und dadurch auch das optische Erscheinungsbild der (hochwertigen) Maschine als wenig ansprechend empfunden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand nun darin, ein dynamisches System bereitzustellen, bei welchem das Fluid in geringer Zeit erwärmt wird und die oben genannten Nachteile nicht oder fast nicht vorhanden sind.
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Die Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung gelöst und zwar durch eine Heizvorrichtung umfassend einen Heizwiderstand und ein diesen Heizwiderstand umgebendes, metallisches Rohr, wobei das metallische Rohr einen Strömungspfad definiert und von mindestens einem Fluid durchflossen werden kann, wobei der Heizwiderstand ein Blankdraht ist, und wobei das metallische Rohr an seiner Innenwandfläche eine, bevorzugt die gesamte Innenwandfläche bedeckende, isolierende Beschichtung aufweist.
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Das metallische Rohr ist dabei vorzugsweise ein Kupferrohr, ein Edelstahlrohr oder ein Rohr mit einem Kupfer- bzw. Edelstahlanteil. Vorzugsweise hat das metallische Rohr einen Außendurchmesser von 10 - 20 mm, bevorzugt 12 - 18 mm, besonders bevorzugt 14 - 16 mm.
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Die bevorzugt die gesamte Innenwandfläche bedeckende, isolierende Beschichtung ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform irreversibel mit dem metallischen Rohr verbunden.
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Der Heizwiderstand ist in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Blankdraht. Der Blankdraht kann dabei vorzugsweise in gewendelter Form (Heizwendel) oder mäanderförmig vorliegen.
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Damit der Strom durch den Blankdraht nicht auch durch das metallische Rohr fließt, sollte wenigstens der Draht oder das Rohr isoliert sein, denn das metallische Rohr muss von außen, z.B. bei der Reinigung oder einer Reparatur, gefahrlos anfassbar sein. Bei einer Beschichtung des Blankdrahtes müsste jedoch zunächst die den Draht umhüllende, isolierende Schicht erwärmt werden, bevor schließlich Wärme an das Fluid abgegeben werden kann. Dies würde somit eine Verzögerung beim Aufheizen mit sich bringen, was jedoch gerade durch die Wahl eines Blankdrahts gegenüber einem Rohrheizkörper verhindert werden sollte.
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Durch die isolierende Beschichtung wird gerade dieses Problem gelöst: Der Blankdraht liegt hierbei frei in dem metallischen Rohr und hat direkten Kontakt mit dem Fluid, wodurch ein schnelles Aufheizen ermöglicht wird. Zudem isoliert die isolierende Beschichtung das metallische Rohr, so dass kein Strom hindurchfließt und das metallische Rohr gefahrlos angefasst werden kann.
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Das Material der isolierenden Beschichtung umfasst dabei beispielsweise ein Epoxy-Phenolharz oder eine Keramik. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Material der isolierenden Beschichtung nicht Kunststoff, Magnesiumoxid.
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Die Schichtdicken der die gesamte Innenwandfläche bedeckenden, isolierenden Beschichtung liegen vorzugsweise bei 200 µm oder niedriger, insbesondere bei 100 µm oder niedriger oder insbesondere bei 50 µm oder niedriger.
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Besonders bevorzugt ist eine Schichtdicke von 10 µm bis 40 µm. Als besonders vorteilhaft haben sich Schichtdicken von 10 µm bis 30 µm, besonders vorteilhaft von 12 µm bis 25 µm erwiesen.
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Die Schichtdicke der die gesamte Innenwandfläche bedeckenden, isolierenden Beschichtung kann innerhalb eines Bauteils variieren. In diesem Fall sind die oben angegebenen Schichtdicken als durchschnittliche Schichtdicken zu verstehen. Schwankungen von bis zu 15 µm, vorzugsweise von bis zu 10 µm, besonders bevorzugt von 3 µm bis 10 µm, haben sich dabei als vorteilhaft erwiesen. Besonders bevorzugt ist, dass die Schichtdicke innerhalb eines Bauteils in einem Bereich von 10 µm bis 20 µm, in einem Bereich von 15 µm bis 25 µm oder in einem Bereich von 20 µm bis 30 µm variiert.
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Vorteilhaft sind auch mehrschichtige Beschichtungen, deren Schichtdicken ebenfalls schwanken können. Bei mehrschichtigen Beschichtungen können die oben angegebenen Schichtdicken jeweils für jede Schicht gelten. Alternativ können die oben angegebenen Schichtdicken auch für die gesamte mehrschichtige Beschichtung gelten.
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Bei einer mehrschichtigen Beschichtung weist bevorzugt eine zweite Schicht eine Schichtdicke von bis zu 120 % der Schichtdicke einer ersten Schicht auf. Besonders bevorzugt ist, dass mehrere Schichten von verschiedener Schichtdicke übereinander und/oder nebeneinander aufgebracht sind. Die Schichtdicke einer ersten Schicht ist besonders bevorzugt unterschiedlich zu der Schichtdicke einer zweiten Schicht.
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Durch den nur gering vorhandenen Platz in beispielsweise Heißgetränkebereitern ist der Durchmesser des metallischen Rohrs begrenzt und möglichst klein zu halten. Die isolierende Schicht muss dabei das Rohr in ausreichender Dicke bedecken, um dieses zu isolieren. Gleichzeitig sollte aber eine ausreichend große Menge an Fluid das metallische Rohr durchströmen können. Somit darf die Dicke der isolierenden Schicht wiederum nicht zu groß gewählt werden. Die erfindungsgemäße isolierende Beschichtung erfüllt diese Anforderungen insbesondere in der erfindungsgemäßen Dicke.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt das metallische Rohr in gebogener Form, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus haarnadelförmig, mäanderförmig, und spiralförmig, oder in gerader Form, insbesondere zwischen einer, zwei oder mehr Adaptionsplatten, vor.
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Wie oben bereits beschrieben, ist der Raumbedarf in einem Heißgetränkebereiter besonders problematisch. Insbesondere für Vor- und Nachschaltstrecken, die einen zusätzlichen Isolationswiderstand für das metallische Rohr darstellen, muss das metallische Rohr eine ausreichende Länge aufweisen. Um gleichzeitig innerhalb des Heißgetränkebereiters Platz zu sparen, liegt das Rohr in entsprechend angepasster Form, bevorzugt in gebogener Form vor.
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In einer bevorzugten Ausführungsform liegt das metallische Rohr in gebogener Form vor und der Heizwiderstand enthält mindestens eine Ausstellung, vorzugsweise zwei, drei, vier oder mehr, durch welche definierte Anlagepunkte des Heizwiderstands an dem metallischen Rohr gewährleistet sind.
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Unter Ausstellungen im Sinne der vorliegenden Erfindung ist zu verstehen, dass der Heizwiderstand, z.B. als Heizwendel, in seiner Form stellenweise einen größeren Außendurchmesser hat, wobei der Durchmesser des Drahtes bevorzugt nicht verändert ist.
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Eine solche Ausstellung ist der 2 beispielhaft zu entnehmen. 3 zeigt hingegen die beispielhafte Position eines gebogenen Heizwiderstands in einem gebogenen metallischen Rohr, bei welchem der Heizwiderstand zwei Ausstellungen aufweist.
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Sobald das metallische Rohr in einer gebogenen Form vorliegt, muss zwangsläufig auch der Heizwiderstand, der innerhalb des Rohres verläuft, eine gebogene Form, bevorzugt die gleiche Form wie das Rohr, annehmen. Damit der Heizwiderstand nur an vorgegebenen, definierten Stellen an dem beschichteten, metallischen Rohr anliegt, weist dieser stellenweise einen größeren Außendurchmesser auf. Bei einem gebogenen metallischen Rohr, und somit einem gebogenen Heizwiderstand, liegt der Heizwiderstand gemäß der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung nur mit seinen Ausstellungen an dem beschichteten, metallischen Rohr an.
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Die vorliegende Erfindung betrifft zudem eine Anordnung eines Heizsystems, umfassend einen Einlauf, eine Pumpe, der Heizvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, sowie eine Vorschaltstrecke und eine Nachschaltstrecke der Heizvorrichtung, die im Strömungspfad der Anordnung jeweils vor bzw. hinter der Heizvorrichtung angebracht sind, und einem Auslauf sowie optional einem, zwei, drei oder mehreren Ventilen und einer Kreislaufleitung.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind in der Anordnung der Einlauf, die Pumpe, die Vorschaltstrecke, die Heizvorrichtung, die Nachschaltstrecke und der Auslauf im Strömungspfad entsprechend hintereinander angebracht, wobei vorzugsweise ein erstes Ventil zwischen dem Einlauf und der Pumpe angebracht ist, ein zweites Ventil zwischen der Nachschaltstrecke und dem Auslauf angebracht ist und eine Kreislaufleitung das erste Ventil und das zweite Ventil miteinander verbindet, wobei mindestens ein Fluid, vorzugsweise ein Fluid, bevorzugt Wasser, das sich in der Anordnung befindet, steuerbar über das zweite Ventil in die Kreislaufleitung gelangen kann, um über das erste Ventil vor der Heizvorrichtung wieder eingespeist zu werden.
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Das Fluidvolumen, das sich zu Beginn des Erwärmens des Fluids in der Nachschaltstrecke befindet, wird nicht erwärmt und könnte somit nicht für eine Heißgetränkezubereitung in Frage kommen. Damit dieses Wasservolumen jedoch ebenfalls genutzt werden kann, ist es gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung möglich, über das zweite Ventil, die Kreislaufleitung und das erste Ventil einen Kreislauf zu schalten. Durch einen solchen Kreislauf kann das Fluidvolumen, das sich zu Beginn des Erwärmens des Fluids in der Nachschaltstrecke und somit im Strömungsverlauf hinter der Heizvorrichtung befindet, im Strömungsverlauf wieder vor die Heizvorrichtung eingespeist werden. So kann auch das Wasser das sich zu Beginn des Erwärmens des Fluids in der Nachschaltstrecke befindet, genutzt werden.
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Des Weiteren kann die erfindungsgemäße Anordnung auch zu einem Warmhalten eines Fluids herangezogen werden. Dabei gibt die Heizvorrichtung kontinuierlich oder in regelmäßigen Abständen geringe Mengen an Wärme an das Fluid ab, um dessen Temperatur aufrecht zu erhalten. In der bereits beschriebenen, bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können über die Kreislaufleitung auch größere Mengen an Fluid warmgehalten werden. Durch das Bilden eines Kreislaufs, wie oben beschrieben, kann die gesamte Menge an Fluid, die sich in diesem Kreislauf befindet, auf eine bestimmte Temperatur gebracht, bzw. auf einer bestimmten Temperatur gehalten werden.
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Die vorliegende Erfindung betrifft zudem die Verwendung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung und/oder der erfindungsgemäßen Anordnung zum Erwärmen oder Warmhalten mindestens eines Fluids, vorzugsweise zum Erwärmen oder Warmhalten von Wasser.
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Ebenfalls betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Erwärmen oder Warmhalten eines Fluids, bevorzugt Wasser, in einer erfindungsgemäßen Anordnung, umfassend die folgenden Schritte:
- (i) Einbringen des zu erhitzenden oder warmzuhaltenden Fluids in das metallische Rohr der Heizvorrichtung der erfindungsgemäßen Anordnung,
- (ii) Erhitzen oder Warmhalten des Fluids durch Wärmeabgabe des Heizwiderstands der Heizvorrichtung einer erfindungsgemäßen Anordnung,
- (iii) optional: Einleiten von Fluid, welches bereits Wärme durch die Heizvorrichtung aufgenommen hat, über das zweite Ventil in die Kreislaufleitung und anschließendes Wiedereinspeisen des Fluids über das erste Ventil vor der Heizvorrichtung (1), um Schritt (ii) zu wiederholen
und
- (iv) Ausführen des erhitzten oder warmgehaltenen Fluids aus dem metallischen Rohr der Heizvorrichtung der erfindungsgemäßen Anordnung,
wobei die Schritte (ii) und (iii), sofern vorhanden, einmal oder beliebig oft wiederholt werden können.
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Zudem betrifft die vorliegende Erfindung einen Heißgetränkebereiter, insbesondere eine Kaffeemaschine, umfassend eine erfindungsgemäße Heizvorrichtung und/oder eine erfindungsgemäße Anordnung.
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Ausführungsbeispiele sind beschrieben mit Verweis auf 1 bis 4.
- 1 zeigt einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen metallischen Rohrs.
- 2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Heizwiderstands.
- 3 zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Heizvorrichtung.
- 4 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung.
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1 zeigt den Querschnitt eines metallischen Rohrs 12, mit jeweils einer Öffnung 124 an dem jeweiligen Ende in Längsrichtung des metallischen Rohrs 12. Das metallische Rohr 12 weist an seiner Innenwandfläche 121 eine isolierende Beschichtung 122 auf, das die gesamte Innenwandfläche 121 bedeckt und sich in dieser Ausführungsform bis auf die Außenwandfläche 125 erstreckt.
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Das metallische Rohr 12 weist in dieser Ausführungsform an seinen beiden Enden in Längsrichtung zudem jeweils einen Aufsteckanschluss 123 auf, über welches das metallische Rohr 12 mit weiteren Bestandteilen einer erfindungsgemäßen Anordnung verbunden werden kann. Damit auch im Bereich der Aufsteckanschlüsse 123 kein Strom durch das metallische Rohr 12 selbst fließt und das metallische Rohr 12 somit gefahrlos angefasst werden kann, ist es vorteilhaft, wenn sich die die Innenwandfläche 121 isolierende Beschichtung 122 auf die Außenwandfläche 125 des metallischen Rohrs 12 erstreckt, insbesondere über den Bereich der Aufsteckanschlüsse 123.
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2 zeigt eine schematische Darstellung des Heizwiderstands 11, der in gewendelter Form vorliegt und an definierten Stellen jeweils eine Ausstellung 112 ausbildet.
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3 zeigt einen Querschnitt durch eine Heizvorrichtung 1 mit einem Heizwiderstand 11 und einem diesen umgebenden, metallischen Rohr 12. Der Heizwiderstand 11 sowie das metallische Rohr 12 liegen in gebogener Form vor. An definierten Stellen bildet der Heizwiderstand 11 Ausstellungen 112 aus, welche das beschichtete, metallische Rohr 12 berühren.
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4 zeigt eine Anordnung 2 eines Heizsystems mit einem Einlauf 21, einer Pumpe 22, einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung 1, einer Vorschaltstrecke 13, einer Nachschaltstrecke 14 und einem Auslauf 23, sowie einem ersten Ventil 25, einem zweiten Ventil 26 und einer Kreislaufleitung 24, wobei die Kreislaufleitung 24 das erste Ventil 25 und das zweite Ventil 26 miteinander verbindet.
