DE102022209108A1

DE102022209108A1 - Heizeinrichtung zum Erhitzen von Flüssigkeit und Verfahren zum Betrieb einer Heizeinrichtung

Info

Publication number: DE102022209108A1
Application number: DE102022209108.6A
Authority: DE
Inventors: Gerd Krüger; Wolfgang Thimm; Uwe Schaumann
Original assignee: EGO Elektro Geratebau GmbH
Current assignee: EGO Elektro Geratebau GmbH
Priority date: 2022-09-01
Filing date: 2022-09-01
Publication date: 2024-03-07
Also published as: WO2024046648A1

Abstract

Eine Heizeinrichtung zum Erhitzen von Wasser zum Erzeugen von Dampf weist ein Außengehäuse mit einer äußeren Mantelwand und einem Innenvolumen auf. In dem Innenvolumen ist ein Heizer mit Abstand zur Mantelwand angeordnet, wobei um den Heizer herum eine Flüssigkeitsleitung in Schraubenlinienform verläuft, die einen Abstand zu der Mantelwand aufweist, wodurch ein umlaufender Zwischenraum gegeben ist. Am oberen Ende des Heizers verläuft eine Dampfleitung um diesen herum mit mindestens einer halben Windung, die einen Dampfeinlass aufweist, der über einem Flüssigkeitsauslass der Flüssigkeitsleitung angeordnet ist. Ein Dampfauslass der Dampfleitung führt aus dem Außengehäuse heraus.

Description

ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIK
Die Erfindung betrifft eine Heizeinrichtung zum Erhitzen von Flüssigkeit, insbesondere auch zum Erzeugen von Dampf. Des Weiteren betrifft die Erfindung Verfahren zum Betrieb einer solchen Heizeinrichtung.
Aus der DE 102014206592 A1 ist eine Heizeinrichtung bekannt, mit der Wasser erhitzt werden kann. Eine geschlossene Wasserleitung verläuft dabei in Schraubenlinienform um einen Heizer herum, so dass das Wasser im Durchlauf vom Heizer erhitzt wird.
AUFGABE UND LÖSUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Heizeinrichtung sowie ein eingangs genanntes Verfahren zum Betrieb einer solchen Heizeinrichtung zu schaffen, mit denen Probleme des Standes der Technik gelöst werden können und es insbesondere möglich ist, eine Heizeinrichtung sicher und praxistauglich auszugestalten und Flüssigkeit möglichst schnell erhitzen zu können bzw. auch Dampf erzeugen zu können.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Heizeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betrieb einer Heizeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 22 und 23. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im Folgenden näher erläutert. Dabei werden manche der Merkmale nur für die Heizeinrichtung selbst oder nur für das Verfahren zu ihrem Betrieb erläutert. Sie sollen jedoch unabhängig davon sowohl für die Heizeinrichtung als auch für das Verfahren selbständig und unabhängig voneinander gelten können. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Die Heizeinrichtung soll zum Erhitzen von Flüssigkeit bzw. Wasser und insbesondere zum Erzeugen von Dampf dienen, wobei sie ein längliches Außengehäuse aufweist, das eine äußere Mantelwand und ein Innenvolumen aufweist. Vorteilhaft sind auch ein Deckel und ein Boden vorgesehen. Sie weist ein längliches Außengehäuse auf, vorteilhaft vertikal ausgerichtet bzw. vertikal erstreckt, das eine äußere Mantelwand und ein Innenvolumen aufweist. In dem Innenvolumen ist ein länglicher Heizer angeordnet, vorzugsweise mittig angeordnet, der zu der äußeren Mantelwand einen Abstand aufweist. So kann zusätzlich Raum geschaffen werden für die zu erhitzende Flüssigkeit, um sie darin mittels des Heizers noch weiter zu erhitzen. Um den Heizer herum verläuft eine Flüssigkeitsleitung, vorteilhaft mit Windungen in Form einer Schraubenlinie oder in Mäanderform, wobei vorzugsweise die Flüssigkeitsleitung geschlossen ist. Ein Flüssigkeitseinlass ist von außerhalb des Außengehäuses in die Flüssigkeitsleitung an einem unteren Endbereich der Flüssigkeitsleitung vorgesehen. Ein Flüssigkeitsauslass aus der Flüssigkeitsleitung in das Innenvolumen ist an einem oberen Endbereich der Flüssigkeitsleitung vorgesehen, wobei dieser Flüssigkeitsauslass unterhalb eines oberen Endes des Heizers angeordnet ist. So kann der Heizer den Bereich über dem Flüssigkeitsauslass noch weiter beheizen. Außen um die Anordnung der Flüssigkeitsleitung herum ist ein Abstand zu der Mantelwand gegeben, wobei vorzugsweise dieser Abstand zwischen 0,1 mm und 10 mm betragen kann, insbesondere zwischen 2 mm und 5 mm. Innerhalb dieses Abstands kann Flüssigkeit vorhanden sein, die erhitzt zum Flüssigkeitsauslass aus der Flüssigkeitsleitung ausgetreten ist und hier vom Heizer noch weiter erhitzt werden kann.
Erfindungsgemäß verläuft am oberen Ende des Heizers eine Dampfleitung, die vorzugsweise geschlossen ist, um den Heizer herum in Form einer Schraubenlinie mit mindestens einer halben Windung, vorteilhaft mit mindestens einer ganzen Windung. Am unteren Endbereich der Dampfleitung ist ein Dampfeinlass vom Innenvolumen in die Dampfleitung vorgesehen. Ein darüber angeordneter Dampfauslass aus der Dampfleitung läuft aus dem Außengehäuse heraus. Der Dampfeinlass ist in Richtung entlang der Längsrichtung des Außengehäuses über dem Flüssigkeitsauslass angeordnet, vorteilhaft mindestens 1 cm darüber. So kann die Flüssigkeit zum Flüssigkeitseinlass eintreten und dann von dem Heizer zuerst innerhalb der Flüssigkeitsleitung erhitzt werden, während sie schraubenlinienförmig um den Heizer umläuft und nach oben steigt. Zum Flüssigkeitsauslass tritt die auf eine erste Temperatur erhitzte Flüssigkeit, beispielsweise 70°C bis 80°C erhitzt, aus der Flüssigkeitsleitung aus und strömt in den Bereich außerhalb der Flüssigkeitsleitung, also in den Abstand zwischen Flüssigkeitsleitung und Mantelwand. Der Flüssigkeitsstand kann etwas über dem Flüssigkeitsauslass liegen, beispielsweise 0,5 cm bis 2 cm. Dort ist die Flüssigkeit dann so heiß, dass ein gewisser bzw. großer Teil verdampft und in den darüber angeordneten Dampfeinlass eintritt und somit in die ebenfalls Dampfleitung gelangt, die vorteilhaft wie die Flüssigkeitsleitung ausgebildet sein kann, besonders vorteilhaft ebenfalls schraubenlinienförmig. In dieser Dampfleitung läuft der Dampf um den Heizer herum und wird nochmals stärker erhitzt, beispielsweise auf 95°C bis 100°C. Der so erhitzte Dampf tritt zum Dampfauslass aus dem Außengehäuse und somit aus der Heizeinrichtung aus, wobei er beispielsweise in einen Dampfgarer eingeleitet werden kann.
In Weiterbildung der Erfindung kann das Außengehäuse zylindrisch sein und langgestreckt sein. Es kann zusätzlich oder alternativ runden bzw. kreisrunden oder rechteckigen Querschnitt aufweisen, insbesondere quadratischen Querschnitt. Das Innenvolumen kann im Wesentlichen rundzylindrisch oder quaderförmig sein.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann die Außenform des Heizers zylindrisch sein, insbesondere rundzylindrisch bzw. kreisrundzylindrisch, vorteilhaft entsprechend der Form des Außengehäuses. Dadurch kann ein in etwa gleichmäßiger Abstand zwischen Heizer und Außengehäuse gegeben sein. Vorzugsweise kann die Flüssigkeitsleitung rundum laufende Windungen aufweisen, also um den Heizer herum. So kann ein guter Wärmeübergang realisiert werden.
Besonders vorteilhaft kann die Flüssigkeitsleitung in Windungen in Form einer Schraubenlinie verlaufen, vorzugsweise in Form einer gleichmäßigen Schraubenlinie. Dabei sollten die Windungen der Flüssigkeitsleitung entlang der Längsrichtung des Heizers geringen Abstand zueinander haben oder sogar aneinander anliegen. So kann auch die Länge des Wasserwegs entlang des Heizers maximiert werden.
In Weiterbildung der Erfindung kann die Flüssigkeitsleitung, insbesondere auch die Dampfleitung, einen runden oder kreisrunden Innenquerschnitt aufweisen. Alternativ können die Leitungen einen Querschnitt aufweisen, der zum Heizer hin aus einem Rechteck besteht, das zu einer Außenseite hin abgerundet ausgebildet ist. Dies kann vorzugsweise mittels einer allgemeinen Rundung oder eines Halbkreises sein. Dabei kann die Flüssigkeitsleitung und/oder die Dampfleitung auch einen Außenquerschnitt mit derselben Form haben. Eine Wandung der Leitungen sollte relativ dünn sein, vorteilhaft zwischen 0,1 mm und 3 mm.
Vorteilhaft ist ein Innengehäuse für den Heizer vorgesehen, so dass der Heizer nicht direkt freiliegt bzw. mit Wasser in Kontakt kommt. Dabei kann das Innengehäuse mittig in dem Innenvolumen verlaufen. Der Heizer ist dann in dem Innengehäuse angeordnet, wobei er vorzugsweise das Innengehäuse voll ausfüllt bzw. bündig an einer Innenwandung des Innengehäuses anliegt. Das Innengehäuse weist vorteilhaft eine Form entsprechend dem Heizer auf, wobei es besonders vorteilhaft auch rundzylindrischen Querschnitt aufweist.
In vorteilhafter Ausgestaltung kann die Flüssigkeitsleitung, vorzugsweise auch die Dampfleitung, direkt außen an dem Innengehäuse bzw. an einer Außenseite des Innengehäuses anliegen oder entlang der Außenseite verlaufen. So ist ein Abstand zu dem Heizer minimal, was für eine besonders gute Wärmeübertragung sorgt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Flüssigkeitsleitung derart einstückig und einteilig mit dem Innengehäuse verbunden sein, dass zumindest bereichsweise eine Wandung des Innengehäuses bildet. Auch dies spart Material ein und verbessert die Wärmeübertragung. Hierfür bietet sich als eine erste Möglichkeit ein Kunststoffspritzen oder ein Zusammenbau, insbesondere Verkleben, aus mehreren Teilen an. Als eine zweite Möglichkeit bietet sich an, das Innengehäuse und die Flüssigkeitsleitung in einem Stück herzustellen, insbesondere mittels additivem Fertigungsverfahren bzw. vorteilhaft mittels 3D-Druckverfahren. So können das Innengehäuse und die Flüssigkeitsleitung mit dem Außengehäuse und insbesondere auch mit der Dampfleitung in einem Stück hergestellt werden, vorzugsweise mittels 3D-Druckverfahren. Damit ist eine sehr gute Integration auch mit komplizierten Formen und dünnen Wandstärken möglich.
Vorteilhaft verläuft die Flüssigkeitsleitung von dem unteren Ende des Innenvolumens nach oben geschraubt und in Windungen in Form einer Schraubenlinie. Der Flüssigkeitsauslass kann oberhalb der halben vertikalen Höhe des Innenvolumens angeordnet sein, vorzugsweise zwischen 50% und 90% der vertikalen Höhe des Innenvolumens.
Es kann vorgesehen sein, dass das Innengehäuse mit dem Heizer darin in einem Freibereich zwischen dem Flüssigkeitsauslass aus der Flüssigkeitsleitung und dem Dampfeinlass in die Dampfleitung freiliegt. Der Freibereich kann zwischen 5% und 20% der vertikalen Höhe des Innenvolumens betragen. Hier kann Wasser mit erhöhter Temperatur austreten, wobei es noch nicht zwingend so heiß sein muss, dass sich nennenswerte Mengen an Dampf bilden. Ein Dampfeinlass kann mindestens 1 cm entlang der Längsrichtung des Außengehäuses über dem Flüssigkeitsauslass angeordnet sein, so dass dazwischen der Wasserpegel bzw. die Wasseroberfläche liegen kann.
In Ausgestaltung der Erfindung kann ein Zwischenraum zwischen der Flüssigkeitsleitung bzw. deren radial äußerem Bereich und der Mantelwand umlaufend und durchgängig von unten nach oben bis zu dem Flüssigkeitsauslass aus der Flüssigkeitsleitung vorgesehen sein bzw. verlaufen. Dabei kann dieser Zwischenraum nicht nur dazu dienen, dass hier vorhandenes Wasser, das zum Flüssigkeitsauslass aus der Flüssigkeitsleitung ausgetreten ist, weiter aufgeheizt werden kann. Zusätzlich kann dieser Zwischenraum als Kalkfalle ausgebildet sein zum Ausfällen von Inhaltsstoffen aus der Flüssigkeit, insbesondere von Kalk aus Wasser als Flüssigkeit. So kann Kalk, dessen Entstehen bzw. Ausfällen beim Erhitzen von Wasser kaum vermieden werden kann, auf unschädliche Weise gesammelt werden. Er setzt dann nicht die Leitungen zu. Dabei kann optional unten in dem Zwischenraum ein Auslass aus dem Außengehäuse vorgesehen sein, der verschlossen und geöffnet werden kann zum Entfernen der gesammelten ausgefällten Inhaltsstoffe bzw. des Kalks aus dem Zwischenraum und aus dem Außengehäuse. Auch andere gröbere Verunreinigungen, die im Wasser vorhanden sein könnten, können hier gesammelt und ggf. auch entfernt werden.
Für die Dampfleitung kann bevorzugt vorgesehen sein, dass sie mit mindestens einer vollständigen Windung um den Heizer herum umläuft, wodurch der Dampf von dem darin oder innerhalb verlaufenden Heizer weiter aufgeheizt werden kann. Dabei kann die Dampfleitung maximal mit drei vollständigen Windungen umlaufen. So ist die benötigte vertikale Höhe nicht zu groß für eine kompakte Baugröße der Heizeinrichtung, gleichzeitig kann ein weiteres Aufheizen um etwa 5°C bis 10°C erfolgen.
In Ausgestaltung der Erfindung können das Außengehäuse und/oder die Flüssigkeitsleitung und/oder die Dampfleitung, insbesondere auch das Innengehäuse, aus lebensmittelechtem Kunststoff bestehen. Dies ermöglicht die Verwendung der Heizeinrichtung in Geräte wie einem Dampfgarer oder einem Backofen mit Dampf-Funktion. Bevorzugt ist der Kunststoff auch temperaturbeständig, vor allem für die Flüssigkeitsleitung, die relativ nahe an dem Heizer verläuft und somit mit den höchsten Temperaturen ausgesetzt ist. Der Kunststoff sollte dauerhaft temperaturbeständig bis zu einer Temperatur von 180°C oder darüber und sogar bis 300°C bzw. 350°C sein. Ein vorteilhaft verwendbarer Kunststoff ist „iglidur A350“ des Unternehmens igus GmbH in Köln. Auch das Innengehäuse sollte aus temperaturbeständigem Kunststoff bestehen, da der Heizer die höchste Temperatur erreicht. Bei den vorgenannten Möglichkeiten zur Herstellung durch ein additives Fertigungsverfahren bzw. 3D-Druckverfahren bietet es sich an, alles aus demselben Kunststoff herzustellen. Dann gibt es insgesamt keine Probleme mit Temperaturbeständigkeit und mit Verwendung mit Lebensmitteln.
In weiterer Ausgestaltung kann ein Temperatursensor am Außengehäuse oder an der Heizeinrichtung vorgesehen sein, der insbesondere als Übertemperatur-Schalter ausgebildet sein kann. So kann er sozusagen selbsttätig bei zu hohen Temperaturen abschalten als Schutz für die Heizeinrichtung. Dabei kann der Temperatursensor an der Außenseite des Außengehäuses angeordnet sein, so dass er einfach angebracht sein kann, beispielsweise angeklipst oder angeschraubt. Dann wird keine Öffnung im Außengehäuse benötigt. Alternativ kann das Außengehäuse eine Sensoröffnung aufweisen, durch welche ein Sensor in das Innere reichen kann oder eingesteckt ist. Ein elektrischer Anschluss erfolgt dann bevorzugt von außen. Ein solcher Übertemperatur-Schalter kann einfach als Bimetallschalter ausgebildet sein. Alternativ kann es ein elektronisch auszuwertender Temperatursensor sein. In ähnlicher Ausgestaltung könnte auch ein Sensor zur Messung des Wasserstands angebracht sein, mit dem ein Wasserstand überwacht und geregelt werden kann gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren.
In nochmals weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann auch ein Sensor zur Erfassung einer Verkalkung der Heizeinrichtung vorgesehen sein. Ein solcher Sensor kann entweder die Menge von Kalkablagerungen unten auf dem Boden der Heizeinrichtung erfassen. Alternativ könnte ein solcher Sensor einen Grad einer Verkalkung an der Heizeinrichtung dadurch erfassen, dass er eine mit einer solchen Verkalkung einhergehende Verschlechterung eines Wärmeübergangs erfassbar macht. Wenn beispielsweise die Wasserleitung an ihrer Innenseite oder an ihrer Außenseite verkalkt, oder wenn eine Innenseite der Mantelwand des Außengehäses verkalkt, so ist jeweils ein Wärmeübergang nach außen merkbar verschlechtert. So kann außen an der Mantelwand ein Temperatursensor angeordnet sein, der eine Temperaturdifferenz hin zu dem Heizer erfassen kann. Mit zunehmender Verkalkung in einem der vorgenannten Bereiche oder mit mehr auf dem Boden angesammelter Verkalkung bzw. Kalkresten wird diese Temperaturdifferenz größer. Überschreitet sie einen vorgegebenen Grenzwert so kann ein Benutzer aufgefordert werden, eine Entkalkung einzuleiten oder durchzuführen. Anstelle eines Temperatursensors könnten ggf. auch Leitwertsensoren verwendet werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist mindestens ein Bereich einer Innenseite der Flüssigkeitsleitung, vorzugsweise in einem oberen Endbereich bis hin zu dem Flüssigkeitsauslass aus der Flüssigkeitsleitung, mit Erhebungen und/oder Vertiefungen an dieser Innenseite versehen. Diese Erhebungen und/oder Vertiefungen können als sogenannte Grenzschichtbrecher dienen, die zum Einen verhindern oder zumindest reduzieren sollen, dass Kalk aus dem erhitzten Wasser innerhalb der Leitung ausfällt und sich an der Innenseite festsetzt. Dadurch würde sowohl der Leitungsquerschnitt verringert werden als auch ein Wärmeübergang verschlechtert werden, was ein bekannter Nachteil ist. Zum Anderen können derartige Grenzschichtbrecher dazu dienen, an der Innenseite entlang strömendes Wasser zumindest etwas zu verwirbeln, um eine vollständige laminare Strömung sowie eine mögliche Bildung einer Luftschicht oder einer Schicht von Luftblasen bzw. einzelnen Luftblasen zwischen dem strömenden Wasser und der Innenseite zu verhindern. Auch dies verbessert den Wärmeübergang in das Wasser hinein deutlich.
Die Erhebungen bzw. Vertiefungen können in regelmäßiger Anordnung vorgesehen sein, insbesondere mit einer Höhe bzw. Tiefe zwischen 0,1 mm und 5 mm oder 1% bis 20% des Durchmessers der Leitung. Sie sind vorteilhaft voneinander beabstandet bzw. einzeln ausgebildet, vorzugsweise regelmäßig beabstandet. Ihr Abstand zueinander kann 1 mm bis 5 mm oder bis 10 mm betragen. Sie können insbesondere als Kegel, Pyramiden, Kegelstümpfe oder Pyramidenstümpfe oder entsprechende Vertiefungen ausgebildet sein.
In nochmaliger Weiterbildung der Erfindung können der Flüssigkeitseinlass und der Dampfauslass an derselben Seite des Außengehäuses vorgesehen sein, was die Anschlüsse einfacher macht. Dies kann insbesondere an einer nach vorne weisenden Vorderseite sein, wobei insbesondere an dieser Vorderseite auch der vorgenannte Temperatursensor bzw. Schalter vorgesehen sein kann. Dann sind alle Anschlüsse leicht erreichbar.
Vorteilhaft ist das Innengehäuse nach unten offen ausgebildet, um den Heizer von unten hineinstecken zu können. Elektrische Anschlüsse des Heizers können nach unten aus dem Außengehäuse herausstehen. Dann ist der Heizer zum Einen nicht dem Wasser ausgesetzt bzw. davor geschützt. Zum Anderen kann durch das dicht mit der restlichen Heizeinrichtung verbundene Innengehäuse eine wasserdichte Ausgestaltung vereinfacht werden.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer vorbeschriebenen Heizeinrichtung kann Flüssigkeit durch den Flüssigkeitseinlass in die Heizeinrichtung und in die Flüssigkeitsleitung eingebracht werden, vorteilhaft durch Pumpen oder durch eine Wasserleitung aus einem erhöht angeordneten Wassertank. Dabei kann die Flüssigkeit durch die Flüssigkeitsleitung an der Heizeinrichtung vorbei geführt werden zum Erhitzen. Dann wird die Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsauslass in den vorgenannten Zwischenraum zwischen Flüssigkeitsleitung und Mantelwand gebracht. Hier werden auf vorgenannte Art und Weise Inhaltsstoffe aus der Flüssigkeitsleitung ausgefällt, insbesondere Kalk, die in dem Zwischenraum absinken und unten gesammelt werden und ggf. entfernt werden können.
Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer vorgenannten Heizeinrichtung kann ein Füllstand der Flüssigkeit zwischen dem Flüssigkeitsauslass und dem Dampfeinlass gehalten werden. Vorteilhaft ist das mindestens 0,5 cm über dem Flüssigkeitsauslass und/oder 0,5 cm unter dem Dampfeinlass. Dazu kann entweder der Flüssigkeitseinlass mittels einer Flüssigkeitsleitung mit einem separaten Flüssigkeitsvorrat oder Wassertank verbunden sein, in welchem die Flüssigkeit auf dem für die Heizeinrichtung gewünschten Füllstand gehalten wird. Dies kann vorzugsweise sensorgesteuert erfolgen. Alternativ kann ein Füllstand der Flüssigkeit in der Heizeinrichtung bzw. in dem Innenvolumen selbst mittels eines Sensors überwacht werden, so dass auf einen vorgegebenen Füllstand geregelt werden kann.
Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in Zwischen-Überschriften und einzelne Abschnitte beschränkt die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nachfolgend anhand der Figuren erläutert sind. Dabei zeigen:

1 eine leicht schräge Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung mit schraubenlinienförmigen Leitungen um einen Heizer herum,
2 eine schräge Außenansicht auf die Heizeinrichtung aus 1,
3 eine vergrößerte Schnittdarstellung eines Teils einer Wasserleitung mit Erhebungen an einer Innenseite, und
4 eine Darstellung eines Teils der schraubenlinienförmigen Wasserleitung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In der 1 ist eine erfindungsgemäße Heizeinrichtung 11 in leicht schräger geschnittener Darstellung zu sehen. Die Heizeinrichtung 11 weist ein quaderförmiges eckiges Außengehäuse 13 auf, welches auch beispielsweise runden und kreisrunden Querschnitt anstatt eines rechteckigen oder quadratischen Querschnitts aufweisen könnte. Das Außengehäuse 13 wird von einer Mantelwand 14 gebildet, die unten eine seitliche Schrauböse 15a und an der anderen Seite oben eine obere Schrauböse 15b aufweist, die direkt angeformt sind. Damit kann die Heizeinrichtung 11 in einem Haushaltsgerät, beispielsweise einem Steamer odgl., befestigt werden. Das Außengehäuse 13 weist oben einen einstückig angeformten Deckel 16 auf, der komplett geschlossen ist. Unten weist das Außengehäuse 13 einen Boden 18 auf, der eine mittige runde Bodenöffnung 19 aufweist. Vorteilhaft wird das Außengehäuse 13 einstückig hergestellt, entweder durch Kunststoffspritzguss oder besonders vorteilhaft mittels 3D-Druck. Die Herstellung mittels 3D-Druck weist den großen Vorteil auf, dass noch weitere Komponenten bzw. Bestandteile im gleichen Herstellungsschritt mit angeformt werden können, wie sie nachfolgend noch näher erläutert werden. Damit können auch sehr komplizierte Formen hergestellt werden, die durch Kunststoffspritzguss nicht hergestellt werden könnten.
Das Außengehäuse 13 weist ein Innenvolumen 20 auf. In diesem verläuft mittig, und zwar konzentrisch von der Bodenöffnung 19 nach oben bis zum Deckel 16 gehend, ein Innengehäuse 22. Auch dieses wird vorteilhaft einstückig und in einem Schritt mit dem Außengehäuse 13 hergestellt. Das Innengehäuse 22 wird durch eine Innenwandung 23 gebildet, die relativ dünn ist. Um das Innengehäuse 22 herum verläuft im Wesentlichen von der Oberseite des Bodens 18 ausgehend eine Wasserleitung 25 in Schraubenlinienform. Die einzelnen Windungen der Wasserleitung 25 liegen dabei in Längsrichtung gesehen direkt aneinander an. Dies ist am oberen Ende der Wasserleitung 25 beim Wasserauslass 28 zu erkennen. Der Querschnitt dieser Wasserleitung 25 ist vom Innengehäuse 22 ausgehend rechteckig bzw. eckig und U-förmig. Nach außen hin wird der Querschnitt der Wasserleitung 25 durch einen Halbkreis mit Radius entsprechend der halben Höhe einer Windung abgeschlossen. Ein entsprechender Wassereinlass 26 ist unten am Beginn der Wasserleitung 25 vorgesehen, siehe hierzu auch 2 mit dem nach außen geführten Wassereinlass 26. Wasser kann also zum Wassereinlass 26 in die Wasserleitung 25 hineinströmen und läuft dann schraubenlinienförmig um das Innengehäuse 22 herum nach oben. Dabei wird es von einem in das Innengehäuse 22 eingeschobenen Heizer 46 beheizt und tritt erhitzt oben am Wasserauslass 28 aus, beispielsweise mit einer Temperatur von 70°C bis 85°C. Dadurch, dass die Wasserleitung 25 mit der radialen inneren Seite direkt an der Innenwandung 23 anliegt bzw. nur durch diese dünne Innenwandung 23 von dem Heizer 46 getrennt ist, ist ein sehr guter Wärmeübergang gegeben. Der Heizer 46 kann also sehr gut das durch die Wasserleitung 25 strömende Wasser erhitzen auf seinem Weg nach oben.
Zwischen den radialen Außenseiten der Wasserleitung 25 und der Mantelwand 14 des Außengehäuses 13 ist ein Zwischenraum 34 gegeben. Dieser ist auf der linken Seite besonders gut zu erkennen und kann beispielsweise 0,1 mm bis 5 mm breit sein, vorteilhaft etwa 1,5 mm bis 3 mm. Dieser Zwischenraum 34 läuft voll mit dem erhitzten und von oben aus dem Wasserauslass 28 kommenden Wasser. Der Zwischenraum 34 weist den einen Vorteil auf, dass hier durch das Erhitzen ausgefällter Kalk nach unten rieseln kann und sich auf dem Boden 18 sammelt. Dort kann er entweder gezielt entfernt werden, beispielsweise durch eine separate Öffnung unten durch die Mantelwand 14 oder im Boden 18. Alternativ kann sich hier Kalk ansammeln und dann in längeren Abständen durch Entkalkungsmittel sehr leicht entfernt werden. Gegebenenfalls kann dieser Zwischenraum 34 auch so dimensioniert werden, dass sich über die geplante Lebensdauer der Heizeinrichtung 11 hinweg Kalk ansammeln kann, ohne die Funktion zu beeinträchtigen. Die andere Funktion des Zwischenraums 34 ist die, dass hier gesammeltes Wasser nochmals weiter erhitzt wird um einige Grad Celsius mehr, als es beim Austritt aus dem Wasserauslass 28 aufweist.
Oberhalb des Wasserauslasses 28 und somit oberhalb der Wasserleitung 25 ist ein Freibereich 38 gegeben, beispielsweise 1 cm bis 3 cm hoch. Darüber beginnt eine Dampfleitung 40 mit einem Dampfeinlass 41. Diese Dampfleitung 40 verläuft auch schraubenlinienförmig in entsprechenden Windungen um das Innengehäuse 22 herum und mündet oben in einen Dampfauslass 43 aus dem Außengehäuse 13 heraus, siehe hierzu auch wiederum die 2. Die Dampfleitung 40 kann dabei zwischen einer halben und zwei bis vier Windungen aufweisen. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind es knapp zwei Windungen. Ein Wasserpegel bei Betrieb der Heizeinrichtung 11 zum Erzeugen von Dampf liegt in diesem Freibereich 38, beispielsweise in etwa auf halber Höhe zwischen Wasserauslass 28 und Dampfeinlass 41. Der von dem Wasserpegel bzw. der Wasseroberfläche aufsteigende Dampf tritt in den Dampfeinlass 41 ein und läuft dann mit der entsprechenden Anzahl von Windungen um, bevor er aus dem Dampfauslass 43 austritt. Diese gewundene Dampfleitung 40 weist den Vorteil auf, dass auch aufgrund der Strömungsgeschwindigkeit des Dampfes kleine Wassertröpfchen noch innerhalb der Dampfleitung aus dem Dampf sozusagen herausgeschleudert werden und sich an der Innenseite der Dampfleitung 40 niederschlagen. Dann können sie nach unten laufen und zum Dampfeinlass 41 heraus wieder nach unten in das Wasser im Freibereich 38 hineintropfen. Des Weiteren kann hier in diesem Freibereich 38 der Wasserpegel einigermaßen gut auf einer gewünschten Höhe gehalten werden, wodurch eine einigermaßen kontinuierliche und beherrschbare Dampfproduktion erreicht werden kann. Des Weiteren ist durch den als Kalkfalle fungierenden Zwischenraum 34 auch sichergestellt, dass keine Kalkpartikel oder Kalkbestandteile zum Dampfauslass 43 heraus gelangen können, so dass ein Verkalken in der nachfolgenden Dampfführung verhindert werden kann.
Der Heizer 46 ist von unten durch die Bodenöffnung 19 in das Innengehäuse 22 eingeschoben. Er kann als sogenannte Heizpatrone ausgebildet sein und beispielsweise ein Rohrheizkörper sein, in jedem Fall ist es ein sogenannter Kontaktheizer und ein Widerstandsheizer, der elektrisch betrieben ist. Unten ragen zwei Anschlussleitungen 47 heraus, siehe auch 2. Da das Innengehäuse 22 am Deckel 16 einstückig und wasserdicht ausgeführt ist, können oben keine Dichtigkeitsprobleme entstehen. Unten an der Bodenöffnung 19 ist eine entsprechende temperaturfeste Dichtung vorgesehen, beispielsweise aus Silikon oder Teflon.
Aus der 2 ist auch noch zu ersehen, dass an einer Vorderseite des Außengehäuses 13 auf die Mantelwand 14 aufgesetzt ein Temperaturschalter 49 vorgesehen ist. Dieser kann ein an sich bekannter Bimetallschalter sein, der bei einer bestimmten Temperatur, die als maximale Temperatur für die Heizeinrichtung 11 bestimmt worden ist, abschaltet. Dies wird aber vorteilhaft als Notfallmaßnahme vorgesehen und nicht zum Regeln des Heizers 46 auf eine bestimmte Temperatur.
Des Weiteren kann, was hier nicht explizit dargestellt ist, in etwa an dem Freibereich 38 oder an einer Stelle, an der ein Wasserpegel gewünscht ist, eine Öffnung in der Mantelwand 14 vorgesehen sein. Durch diese Öffnung kann ein Wasserstandsensor eingeschoben sein oder hier angebracht sein, der auf unterschiedliche Art und Weise den Wasserpegel überwachen kann. Dies kann optisch erfolgen, alternativ über Leitfähigkeitssensoren odgl.. So kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die Nachfuhr an Wasser so eingestellt werden, dass der Wasserpegel beim Erzeugen von Dampf und Abströmen des Dampfes stets in etwa auf dem gewünschten Niveau bzw. Pegel gehalten werden kann. Würde nämlich zu wenig Wasser nachströmen, so bestünde die Gefahr, dass der Wasserpegel unterhalb des Wasserauslasses 28 absinkt, möglicherweise deutlich unterhalb davon. Dann wäre die Dampferzeugung zu gering, da durch den recht schmalen Zwischenraum 34 nur eine geringe Wasseroberfläche gegeben wäre. Des Weiteren könnte der obere Bereich der Wasserleitung 25 zu heiß werden, da er nicht mehr durch das umliegende Wasser gekühlt wird bzw. seine Wärme nicht mehr an das umliegende Wasser abgeben kann.
Wird andererseits zu viel Wasser nachgeführt, so besteht die Gefahr, dass es bis an den Dampfeinlass 41 reichen kann, und dann entweder zu nasser Dampf erzeugt wird und austritt. Alternativ können durch Entstehen von Dampfblasen an der Oberfläche des Wasserpegels Wassertropfen bzw. Wasserspritzer mitgerissen werden und dann auch zum Dampfauslass 43 austreten.
Eine alternative Möglichkeit zur Regelung des Wasserpegels könnte darin bestehen, dass der Wassereinlass 26 mittels einer Leitung mit einem Wassertank verbunden ist, der in etwa auf derselben Höhe wie die Heizeinrichtung 11 angeordnet ist. So kann der Wasserpegel in diesem Wassertank aufgrund der kommunizierenden Röhren dann im Betrieb auf der Höhe des gewünschten Wasserpegels für die Heizeinrichtung 11 gehalten werden. In diesem Wassertank kann dann der Wasserpegel aufgrund der beherrschbaren Verhältnisse viel leichter kontrolliert und auf gewünschter Höhe gehalten werden.
Neben der Möglichkeit zum Ausfällen von Kalk in dem Zwischenraum 34 im Innenvolumen 20 ist in den 3 und 4 eine weitere vorteilhafte Möglichkeit gezeigt. Hier ist eine idealisierte Wasserleitung 125 dargestellt, die einen kreisrunden Querschnitt hat, also anders als bei der Heizeinrichtung 11 gemäß 1. An einer Innenseite 130 dieser Wasserleitung 125 sind kegelstumpfförmige Erhebungen 132 vorgesehen, insbesondere einstückig angeformt, vorteilhaft durch den vorgenannten 3D-Druck. Diese Erhebungen 132 dienen als sogenannte Grenzschichtbrecher, welche das Ausfällen von Kalk beim Strömen von Wasser innerhalb der Wasserleitung 125 reduzieren oder sogar ganz vermeiden können und vor allem auch zur Verwirbelung des an der Innenseite 130 entlang strömenden Wassers für einen besseren Wärmeübergang. Der Kalk fällt dann eben erst nach dem Austritt aus dem Wasserauslass 28 aus, kann dann aber eben gut unten am Boden 18 gesammelt werden. Diese entsprechenden Erhebungen 132 sind auch bei der in längerer Schraubenlinienform dargestellten Wasserleitung 125 gemäß 4 zu erkennen. Die genaue Form dieser Erhebungen 132 kann auch variieren. Neben runder Kegelstumpfform können auch eckige Pyramidenstümpfe vorgesehen sein.
Ein Abstand des Wasserpegels sollte vorteilhaft mindestens 0,5 cm über dem Wasserauslass 28 liegen. In ähnlicher Form sollte er mindestens 0,5 cm unterhalb des Dampfeinlasses 41 liegen.
Angesichts der Darstellung in 1 ist auch leicht vorstellbar, dass die Wasserleitung 25 nicht schraubenlinienförmig an dem Innengehäuse 22 in dem Innenvolumen 20 umläuft, sondern in anderer Form. Beispielsweise könnte dies in Mäanderform mit jeweils in etwa horizontal verlaufenden Schleifen und 180°-Biegungen erfolgen. Alternativ könnten diese Schlaufen auch in vertikaler Richtung parallel zueinander verlaufen. Der Vorteil der Schraubenlinienform liegt darin, dass hier das Wasser am gleichmäßigsten und auch stets mit gleichem Schwerkraftanteil entlangströmt, so dass in der Wasserleitung ausgefällter Kalk möglichst gut mitgerissen werden kann und zum Wasserauslass 28 austreten kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014206592 A1 [0002]

Claims

Heizeinrichtung zum Erhitzen von Flüssigkeit und insbesondere zum Erzeugen von Dampf, wobei die Heizeinrichtung aufweist: - ein längliches Außengehäuse, das eine äußere Mantelwand und ein Innenvolumen aufweist, - in dem Innenvolumen ist ein Heizer angeordnet, der zu der äußeren Mantelwand einen Abstand aufweist, - um den Heizer herum verläuft eine Flüssigkeitsleitung, wobei: - ein Flüssigkeitseinlass von außerhalb des Außengehäuses in die Flüssigkeitsleitung an einem unteren Endbereich der Flüssigkeitsleitung vorgesehen ist, - ein Flüssigkeitsauslass aus der Flüssigkeitsleitung in das Innenvolumen an einem oberen Endbereich der Flüssigkeitsleitung vorgesehen ist, - der Flüssigkeitsauslass unterhalb eines oberen Endes des Heizers angeordnet ist, - um die schraubenlinienförmige Anordnung der Flüssigkeitsleitung herum ein Abstand zu der Mantelwand gegeben ist, vorzugsweise zwischen 0,1 mm und 10 mm, dadurch gekennzeichnet, dass - am oberen Ende des Heizers eine Dampfleitung um diesen herum mit mindestens einer halben Windung verläuft, - ein Dampfeinlass vom Innenvolumen in die Dampfleitung am unteren Endbereich der Dampfleitung vorgesehen ist, - ein Dampfauslass aus der Dampfleitung aus dem Außengehäuse heraus verläuft, - der Dampfeinlass über dem Flüssigkeitsauslass angeordnet ist.
Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Außengehäuse zylindrisch ist und/oder rechteckigen Querschnitt aufweist, insbesondere quadratischen Querschnitt, wobei vorzugsweise das Innenvolumen im Wesentlichen quaderförmig ist.
Heizeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenform des Heizers zylindrisch ist, insbesondere rundzylindrisch bzw. kreisrundzylindrisch, wobei vorzugsweise die Flüssigkeitsleitung rundum laufende Windungen aufweist.
Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsleitung in Windungen in Form einer Schraubenlinie verläuft, vorzugsweise in Form einer gleichmäßigen Schraubenlinie.
Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen der Flüssigkeitsleitung aneinander anliegen.
Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsleitung, insbesondere auch die Dampfleitung, einen Innenquerschnitt aufweist, der aus einem Rechteck besteht, das an einer Seite abgerundet, vorzugsweise mittels eines Halbkreises, ausgebildet ist, wobei vorzugsweise die Flüssigkeitsleitung und/oder die Dampfleitung auch einen Außenquerschnitt mit derselben Form haben.
Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Innengehäuse für den Heizer, wobei das Innengehäuse mittig in dem Innenvolumen verläuft und der Heizer in dem Innengehäuse angeordnet ist, wobei vorzugsweise der Heizer das Innengehäuse voll ausfüllt bzw. bündig an einer Innenwandung des Innengehäuses anliegt, wobei das Innengehäuse rundzylindrischen Querschnitt aufweist.
Heizeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsleitung, vorzugsweise auch die Dampfleitung, direkt außen an dem Innengehäuse bzw. an einer Außenseite des Innengehäuses anliegt.
Heizeinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsleitung einstückig und einteilig mit dem Innengehäuse verbunden ist derart, dass bereichsweise eine Wandung des Innengehäuses eine Wandung der Flüssigkeitsleitung bildet.
Heizeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Innengehäuse und die Flüssigkeitsleitung in einem Stück hergestellt worden sind, insbesondere mittels 3D-Druckverfahren, wobei vorzugsweise das Innengehäuse und die Flüssigkeitsleitung mit dem Außengehäuse und insbesondere auch mit der Dampfleitung in einem Stück hergestellt worden sind, vorzugsweise mittels 3D-Druckverfahren.
Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsleitung von dem unteren Ende des Innenvolumens nach oben in der Form einer Schraubenlinie verläuft, wobei der Flüssigkeitsauslass oberhalb der halben vertikalen Höhe des Innenvolumens angeordnet ist, vorzugsweise zwischen 50% und 90 % der vertikalen Höhe des Innenvolumens angeordnet ist.
Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Innengehäuse mit dem Heizer darin in einem Freibereich zwischen dem Flüssigkeitsauslass aus der Flüssigkeitsleitung und dem Dampfeinlass in die Dampfleitung freiliegt, wobei vorzugsweise der Freibereich zwischen 5% und 20% der vertikalen Höhe des Innenvolumens beträgt.
Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenraum zwischen der Flüssigkeitsleitung und der Mantelwand umlaufend und durchgängig von unten nach oben bis zu dem Flüssigkeitsauslass aus der Flüssigkeitsleitung verläuft, wobei vorzugsweise der Zwischenraum als Kalkfalle ausgebildet ist zum Ausfällen von Inhaltsstoffen aus der Flüssigkeit, insbesondere von Kalk aus Wasser als Flüssigkeit, wobei insbesondere unten in dem Zwischenraum ein Auslass aus dem Außengehäuse vorgesehen ist, der verschließbar und öffenbar ist zum Entfernen der gesammelten ausgefällten Inhaltsstoffe aus dem Außengehäuse.
Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfleitung mit mindestens einer vollständigen Windung um den Heizer herum umläuft, vorzugsweise maximal mit drei vollständigen Windungen umläuft.
Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Außengehäuse und/oder die Flüssigkeitsleitung und/oder die Dampfleitung, insbesondere auch das Innengehäuse, aus lebensmittelechtem Kunststoff bestehen, wobei vorzugsweise der Kunststoff temperaturbeständig ist, insbesondere dauerhaft temperaturbeständig bis zu einer Temperatur von mindestens 180°C.
Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatursensor vorgesehen ist, insbesondere ausgebildet als Übertemperatur-Schalter, wobei vorzugsweise der Temperatursensor an der Außenseite des Außengehäuses angeordnet ist oder das Außengehäuse eine Sensoröffnung aufweist, durch welche ein Sensor in das Innere reichen kann oder eingesteckt ist.
Heizeinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Übertemperatur-Schalter als Bimetallschalter ausgebildet ist.
Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Bereich einer Innenseite der Flüssigkeitsleitung, vorzugsweise in einem oberen Endbereich bis hin zu dem Flüssigkeitsauslass aus der Flüssigkeitsleitung, mit Erhebungen und/oder Vertiefungen an dieser Innenseite versehen ist, wobei vorzugsweise die Erhebungen und/oder Vertiefungen in regelmäßiger Anordnung vorgesehen sind, insbesondere mit einer Höhe oder Tiefe zwischen 0,1 mm und 5 mm.
Heizeinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen und/oder Vertiefungen voneinander beabstandet bzw. einzeln ausgebildet sind, vorzugsweise regelmäßig beabstandet sind, wobei sie insbesondere als Kegel, Pyramiden, Kegelstümpfe oder Pyramidenstümpfe oder entsprechende Vertiefungen ausgebildet sind.
Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitseinlass und der Dampfauslass an derselben Seite des Außengehäuses vorgesehen sind, insbesondere an einer nach vorne weisenden Vorderseite, wobei insbesondere an dieser Vorderseite auch der Temperatursensor vorgesehen ist.
Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Innengehäuse nach unten offen ist, um den Heizer von unten hineinzustecken, wobei elektrische Anschlüsse des Heizers nach unten aus dem Außengehäuse herausstehen.
Verfahren zum Betrieb einer Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Flüssigkeit durch den Flüssigkeitseinlass in die Heizeinrichtung und in die Flüssigkeitsleitung eingebracht wird, wobei die Flüssigkeit durch die Flüssigkeitsleitung geführt wird an der Heizeinrichtung vorbei zum Erhitzen der Flüssigkeit, wobei dann die Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsauslass in einen Zwischenraum zwischen der Flüssigkeitsleitung und der Mantelwand gebracht wird und dabei Inhaltsstoffe aus der Flüssigkeitsleitung ausgefällt werden, die in dem Zwischenraum absinken und unten gesammelt werden.
Verfahren zum Betrieb einer Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein Füllstand der Flüssigkeit zwischen dem Flüssigkeitsauslass und dem Dampfeinlass gehalten wird, vorzugsweise mindestens 0,5 cm über dem Flüssigkeitsauslass und/oder 0,5 cm unter dem Dampfeinlass, wobei insbesondere dazu entweder der Flüssigkeitseinlass mittels einer Flüssigkeitsleitung mit einem separaten Flüssigkeitsvorrat verbunden ist, in dem die Flüssigkeit auf dem für die Heizeinrichtung gewünschten Füllstand gehalten wird, vorzugsweise sensorgesteuert, oder ein Füllstand der Flüssigkeit in der Heizeinrichtung bzw. in dem Innenvolumen selbst mittels eines Sensors überwacht wird und auf den vorgegebenen Füllstand geregelt wird.