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Die Erfindung betrifft eine Kaffeemaschine und insbesondere eine Espressomaschine.
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Espressomaschinen sind in den verschiedensten Ausgestaltungen bekannt. Allgemein ausgedrückt dienen sie dazu, heißes Wasser mit einem Druck in der Größenordnung von 9 bar durch eine bestimmte Menge an gemahlenem Kaffeepulver zu drücken.
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Im Hinblick auf die Qualität des zubereiteten Espressos sind Siebträgermaschinen die einzige Bauform, die von Kaffee- und Espressokennern allgemein akzeptiert wird. Sie weisen einen Siebträger auf, der mit (vorzugsweise frisch gemahlenem) Kaffeepulver befüllt und dann an dem Brühkopf der Espressomaschine befestigt wird. Anschließend wird das heiße Wasser durch das Kaffeepulver (den „Puck“) gedrückt.
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Der Druck, der notwendig ist, um das Wasser durch das Kaffeepulver zu drücken, wird meist mittels einer Wasserpumpe erzeugt. Als Alternative sind Handhebel-Maschinen bekannt, bei denen mittels eines Handhebels ein Kolben betätigt wird, der das Wasser mit dem gewünschten Druck durch das Kaffeepulver presst.
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Handhebel-Maschinen haben den Nachteil, dass der Wasserdruck und die Geschwindigkeit, mit der das Wasser durch das Kaffeepulver gedrückt wird, nicht zuverlässig reproduziert werden können. Daher ist einiges an Übung erforderlich, um mit solchen Maschinen eine konsistente Espresso-Qualität zu erzielen.
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Espressomaschinen mit integrierter Pumpe ermöglichen es grundsätzlich, eine bestimmte Wassermenge mit einer reproduzierbaren Geschwindigkeit durch das Kaffeepulver zu pressen. Das Problem bei Espressomaschinen mit integrierter Wasserpumpe besteht eher darin, das Wasser im Brühkopf so zu verteilen, dass das Wasser gleichmäßig durch den Puck strömt. Zu diesem Zweck sind verschiedene Versuche bekannt, durch Verteilkanäle im Zusammenwirken mit einem Verteilsieb zu gewährleisten, dass der Puck über den gesamten Querschnitt gleichmäßig mit Wasser beaufschlagt wird.
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Auch wenn hier überwiegend von einer Espressomaschine die Rede ist, kann mit einer solchen Maschine, wenn die Parameter geeignet geänderte werden, auch Kaffee zubereitet werden. Der Einfachheit halber wird daher nachfolgend von „Espressomaschine“ gesprochen, auch wenn mit derselben Maschine und mit demselben Aufbau auch ein anderes Produkt erhalten werden kann als Espresso.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Espressomaschine zu schaffen, bei der das Wasser mittels eines elektrischen Antriebs durch den Puck gepresst wird, wobei dieser so gleichmäßig wie möglich mit Wasser beaufschlagt wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Espressomaschine vorgesehen mit einem Zylinder, der einen Wasserzulauf an einem Ende und am anderen Ende einen Brühkopf mit einem Verteilsieb aufweist, wobei in dem Zylinder ein Kolben angeordnet ist, mit dem Wasser durch den Brühkopf gedrückt werden kann, wobei der Querschnitt des Kolbens im Wesentlichen dem Querschnitt des Verteilsiebs entspricht, und wobei ein elektromechanischer Aktor vorgesehen ist, mit dem der Kolben im Zylinder translatorisch verstellt werden kann. Die Grundidee der Erfindung besteht darin, mittels des Kolbens elektromotorisch eine Wassersäule oberhalb des Verteilsiebs zu verschieben, deren Querschnitt dem Verteilsieb (und damit auch im Wesentlichen dem Querschnitt des Pucks) entspricht. Hierdurch ist gewährleistet, dass der gesamte Puck gleichmäßig von Wasser durchströmt wird. Da der Kolben elektromotorisch verfahren wird, lassen sich vorgegebene Profile für die Verstellung des Kolbens, beispielsweise basierend auf der Verfahrgeschwindigkeit oder dem aufgebrachten Druck, präzise reproduzieren.
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Vorzugsweise ist der Zylinder vertikal angeordnet, sodass keinerlei Umlenkung erforderlich ist. Der Kolben drückt das Wasser von oben durch das Verteilsieb und den Puck im Siebträger.
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Um den Kolben innerhalb des Zylinders zu verstellen, sind verschiedene Ausgestaltungen möglich, mit denen elektrische Antriebsenergie in die translatorische Bewegung des Kolbens umgesetzt werden kann.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist der elektromechanische Aktor ein Linearaktor, beispielsweise ein Spindeltrieb.
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Es ist auch möglich, dass der elektromechanische Aktor ein Servomotor ist, der die elektrische Antriebsenergie in eine Schwenkbewegung eines Hebels umsetzt.
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Es ist auch möglich, mechanische Getriebe zu verwenden, beispielsweise mit Kurvenscheiben, die es ermöglichen, eine Drehbewegung in einen Betätigungshub des Kolbens umzusetzen.
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Abhängig von den räumlichen Verhältnissen kann der elektromechanische Aktor unmittelbar auf den Kolben einwirken bzw. im Wesentlichen vertikal oberhalb des Kolbens angeordnet sein. Es ist alternativ auch möglich, dass der elektromechanische Aktor mittels eines Umlenkhebels mit dem Kolben gekoppelt ist, sodass der elektromechanische Aktor seitlich neben dem Zylinder angeordnet werden kann.
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Es kann ein Boiler vorgesehen sein, der mit dem Wasserzulauf des Zylinders verbunden ist. Auf diese Weise kann eine vergleichsweise große Menge an Heißwasser vorrätig gehalten werden.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass dem Zylinder eine Heizung zugeordnet ist, sodass er als offener Boiler ausgeführt ist. Hierdurch ergibt sich einerseits ein sehr geringer konstruktiver Aufwand. Andererseits kann die Temperatur des Wassers im Zylinder sehr präzise geregelt werden.
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Die Heizung kann beispielsweise eine Heizmanschette sein, die auf der Außenwand des Zylinders angeordnet ist. Alternativ ist auch möglich, dass die Heizung eine Heizpatrone ist, die im Inneren des Zylinders angeordnet ist, oder dass die Heizung als Widerstandsheizung ausgeführt ist, die in die Wandung des Zylinders integriert ist.
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Der Kolben kann ein Rückschlagventil aufweisen, durch das Wasser von der Seite des Wasserzulaufs durch den Kolben hindurch in den Raum zwischen dem Kolben und dem Brühkopf gelangen kann. Ähnlich einer Kolbenpumpe wird dann der Raum zwischen dem Brühkopf und dem Kolben gefüllt, wenn der Kolben nach oben bewegt wird, also vom Brühkopf wegbewegt wird, und der Kolben presst dann das Wasser aus dem Raum zwischen ihm und dem Brühkopf heraus, wenn er nach unten verstellt wird.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass der Zylinder einen Steuerkanal aufweist, durch den Wasser abhängig von der Stellung des Kolbens vom Wasserzulauf in den Raum zwischen dem Kolben und dem Brühkopf gelangen kann. Bei dieser Ausgestaltung kann der Kolben massiv ausgeführt sein. Der Steuerkanal kann als einfache Nut in der Wand des Zylinders gebildet werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist ein Sensor für die Bewegung des Kolbens vorgesehen. Auf die Weise kann sehr präzise die Menge des durch das Kaffeepulver gepressten Wassers erfasst werden.
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Es kann auch eine Waage vorgesehen sein, mit der die in eine Tasse fließende Wassermenge erfasst werden kann. Dies ermöglicht es, die Menge des erzeugten Espressos unmittelbar mit maximaler Präzision zu erfassen, da die Wassermenge, die nach der Extraktion im Puck verbleibt, das Messergebnis nicht verfälscht.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Steuerung vorgesehen, in der unterschiedliche Profile zum Verstellen des Kolbens innerhalb des Zylinders hinterlegt sind. Mit diesen Profilen kann auf unterschiedliche Eigenschaften des verwendeten Kaffees reagiert oder auf benutzerspezifische Wünsche eingegangen werden.
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Der Kolben kann beispielsweise kraftgesteuert oder geschwindigkeitsgesteuert verfahren werden. Hierdurch können der Verlauf des Drucks, wenn das Wasser durch das Kaffeepulver gepresst wird, oder die Geschwindigkeit geregelt werden, mit der das Wasser durch das Kaffeepulver gepresst wird.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist ein Analysemodul vorgesehen, mit dem das Verstellprofil des Kolbens ausgewertet werden kann. Hieraus kann beispielsweise erkannt werden, dass der Mahlgrad des Kaffeepulvers nicht optimal ist. Es kann dann beispielsweise einem Bediener der Hinweis gegeben werden, wie die Kaffeemühle verstellt werden sollte, um ein besseres Ergebnis zu erzielen.
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Die Espressomaschine kann mit einer Internet-Schnittstelle versehen sein, um auf eine externe Datenbank zuzugreifen, in der verschiedene Profile für unterschiedliche Kaffeesorten hinterlegt sind. Es ist über eine solche Schnittstelle auch möglich, Erfahrungen mit anderen Nutzern auszutauschen, die diese mit beispielsweise derselben Kaffeemühle oder derselben Kaffeeröstung gemacht haben.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand verschiedener Ausführungsformen beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. In diesen zeigen:
- - 1 in einer schematischen, teilgeschnittenen Seitenansicht eine Espressomaschine gemäß einer ersten Ausführungsform,
- - 2 in einer schematischen, teilgeschnittenen Seitenansicht eine Espressomaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform, und
- - 3 in einer schematischen, teilgeschnittenen Seitenansicht eine Espressomaschine gemäß einer dritten Ausführungsform.
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In 1 ist schematisch eine Espressomaschine gemäß einer ersten Ausführungsform gezeigt. Sie weist eine Basis 2 auf, an der ein Ständer 4 angebracht ist. Am Ständer 4 ist mittels einer Halterung 6 eine Brühgruppe 8 angebracht, an deren unterem Ende ein Siebträger 10 befestigt werden kann.
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Die Brühgruppe 8 weist einen Zylinder 12 auf, der hier vertikal ausgerichtet ist. An seinem oberen Ende ist ein Wasserzulauf 14 vorgesehen, der im einfachsten Fall eine Einfüllöffnung ist.
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Am unteren Ende ist ein Verteilsieb 16 (auch als „Dusche“ bekannt) vorgesehen, das einen wichtigen Teil eines Brühkopfes darstellt, also des unteren Endes des Zylinders 12.
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Im Siebträger 10 ist in an sich bekannter Weise ein Filtersieb 18 angeordnet, das eine vorbestimmte Menge an gemahlenem Kaffeepulver 20 aufnehmen kann.
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Innerhalb des Zylinders 12 ist ein Kolben 22 angeordnet, der innerhalb des Zylinders 12 translatorisch verfahren werden kann.
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Der Kolben 22 gleitet dicht innerhalb des Zylinders 12. Hierzu können (nicht gezeigte) Dichtungen vorgesehen sein. Mit dem Kolben 22 ist der Innenraum des Zylinders in einen Raum unterhalb des Kolbens 22, also zwischen dem Kolben und dem Brühkopf, und einen Raum oberhalb des Kolbens 22 unterteilt.
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Der Kolben 22 steht mit einer Kolbenstange 24 in Verbindung, die wiederum mit einem elektromechanischen Aktor 26 gekoppelt ist. Der elektromechanische Aktor 26 ist über einen Träger 27 am Ständer 4 der Espressomaschine gelagert.
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Mit dem elektromechanischen Aktor 26 kann der Kolben 22 translatorisch innerhalb des Zylinders 12 verstellt werden. Der genaue Aufbau des elektromechanischen Aktors 26 ist dabei von untergeordneter Bedeutung. Relevant ist lediglich, dass er in der Lage ist, den Kolben 22 mit der gewünschten Geschwindigkeit innerhalb des Zylinders 12 zu verfahren und dabei die gewünschte Kraft aufzubringen.
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Ein Ausführungsbeispiel für den elektromechanischen Aktor besteht darin, einen Spindelantrieb zu verwenden, der die Drehbewegung eines Elektromotors über eine Bewegungsmutter und eine Bewegungsspindel in eine translatorische Bewegung umsetzt.
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Im Zylinder 12 ist beim Betrieb der Espressomaschine Wasser aufgenommen, um aus dem Kaffeepulver 20 Espresso zubereiten zu können. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist der Zylinder 12 als offener Boiler ausgeführt, was bedeutet, dass das Wasser im Zylinder 12 druckfrei erwärmt wird.
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Um das Wasser zu erwärmen, ist eine Heizung 28 vorgesehen, die hier als Heizpatrone im Inneren des Zylinders 12 ausgeführt ist.
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Die Heizpatrone 28 wird von einer Steuerung 30 angesteuert, die auch den elektromechanischen Aktor 26 ansteuert. Die entsprechenden Steuerleitungen sind hier gestrichelt gezeigt.
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Der Kolben 22 wirkt zusammen mit dem Zylinder 12 als Kolbenpumpe, wobei der Querschnitt der vom Kolben 22 verdrängten Wassersäule dem Querschnitt des Verteilsiebs 16 und auch dem Querschnitt des vom Kaffeepulver 20 gebildeten Pucks entspricht. Hierdurch ist gewährleistet, dass das Kaffeepulver 20 gleichmäßig mit Wasser beaufschlagt wird.
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Damit Wasser von der Oberseite des Kolbens 22 auf die Unterseite, also zwischen den Kolben 22 und den Brühkopf gelangen kann, kann der Zylinder 12 mit einem Steuerkanal 32 versehen sein, also einer Bohrung oder einer Nut in seiner Wandung, durch die Wasser aus dem Raum oberhalb des Kolbens in den Raum unterhalb des Kolbens gelangen kann, wenn sich der Kolben oberhalb des unteren Endes des Steuerkanals 32 befindet.
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Um Espresso zuzubereiten, wird die Brühgruppe mit Wasser gefüllt, und es wird die Heizung 28 eingeschaltet. Außerdem wird in den Siebträger 10 eine geeignete Menge an Kaffeepulver 20 eingefüllt.
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Zunächst wird der Kolben 22 relativ zu der in 1 gezeigten Position nach oben verfahren, sodass er oberhalb des unteren Endes des Steuerkanals 32 ist. Dadurch gelangt Wasser in den Raum zwischen dem Kolben 22 und dem Verteilsieb 16. Anschließend wird der Kolben 22 vom Linearaktor 26 nach unten verstellt. Sobald der Kolben 22 über das untere Ende des Steuerkanals 32 hinaus verstellt ist, wird beim Vorschub des Kolbens 22 Druck im dann abgeschlossenen Raum zwischen dem Kolben 22 und dem Verteilsieb 16 aufgebaut. Indem der Kolben weiter Richtung Verteilsieb 16 verschoben wird, wird die gewünschte Menge Wasser durch das Kaffeepulver 20 gedrückt, was als Espresso in eine Tasse 34 fließt, die auf einer Unterlage 36 unterhalb des Siebträgers 10 positioniert ist.
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Da die Qualität des erzeugten Espressos stark vom Brühprofil abhängt, also von der Geschwindigkeit und dem Druck, mit dem das Wasser durch das Kaffeepulver 20 gepresst wird, ist die Steuerung 30 dafür ausgelegt, unterschiedliche Profile zu fahren.
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Die Geschwindigkeit dieses Profils kann dadurch verändert werden, dass durch geeignetes Ansteuern des elektromechanischen Aktors 26 die Verfahrgeschwindigkeit des Kolbens 22 in der gewünschten Weise gesteuert wird. Es kann auch der Druck gesteuert werden, mit dem das Wasser durch das Kaffeepulver gepresst wird. Dies kann indirekt dadurch erfolgen, dass die Kraft erfasst wird, die zum Verstellen des Kolbens 22 innerhalb des Zylinders 12 erforderlich ist. Aufgrund des bekannten Querschnitts des Kolbens 22 kann auf den unterhalb des Kolbens wirkenden Druck zurückgerechnet werden.
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Die Kraft, die zum Verfahren des Kolbens 22 erforderlich ist, kann entweder direkt bestimmt werden, beispielsweise durch an geeigneter Stelle angebrachte Dehnmessstreifen, oder indirekt, beispielsweise abgeleitet werden von der Höhe der Stromaufnahme des elektromechanischen Aktors 26.
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Es ist auch möglich, die Menge des erzeugten Espressos direkt zu bestimmen. Hierfür kann beispielsweise eine Waage 38 verwendet werden, die unterhalb der Unterlage 36 angeordnet ist.
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Mit der Steuerung 30 kann eine Internet-Schnittstelle 40 verbunden sein, beispielsweise nach dem WLAN-Standard, sodass die Espressomaschine auf eine externe Datenbank zurückgreifen kann, in der Brühprofile für unterschiedliche Kaffeesorten, Kaffeeröstungen und/oder Kaffeemühlen hinterlegt sind. Es ist auch möglich, dass in der Steuerung 30 selbst einige Brühprofile hinterlegt sind.
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Die Steuerung 30 kann auch ein Analysemodul enthalten, mit dem anhand der erfassten Daten, beispielsweise der bei einer bestimmten Verfahrgeschwindigkeit erhaltenen Espressomenge und dem dafür nötigen Druck, Rückschlüsse auf die Parameter des Brühprozesses gezogen werden können. Beispielsweise kann einem Benutzer der Hinweis gegeben werden, dass die Kaffeemühle anders eingestellt werden sollte.
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In 2 ist eine zweite Ausführungsform gezeigt. Für die von der ersten Ausführungsform bekannten Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird insofern auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
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Ein Unterschied zwischen der ersten und der zweiten Ausführungsform besteht darin, dass bei der zweiten Ausführungsform kein Linearaktor verwendet wird, sondern ein Servomotor 27 als elektromechanischer Aktor. Dieser wirkt über einen Schwenkhebel 29 und ein Zwischenstück 31 auf die Kolbenstange 24 ein.
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Ein weiterer Unterschied zwischen der ersten und der zweiten Ausführungsform besteht darin, dass bei der zweiten Ausführungsform kein offener Boiler verwendet wird, sondern ein separater Boiler 33, der seitlich am Ständer 4 angebracht ist. Der Zylinder 12 kann hier über eine Wasserleitung mit Steuerventil 35 befüllt werden.
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Ein weiterer Unterschied zwischen der ersten und der zweiten Ausführungsform besteht darin, dass bei der zweiten Ausführungsform die Heizung 28 als Heizmanschette ausgeführt ist, die außerhalb des Zylinders 12 angeordnet ist und diesen umgibt.
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In 3 ist eine dritte Ausführungsform der Espressomaschine gezeigt. Für die von der ersten oder der zweiten Ausführungsform bekannten Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird insoweit auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
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Der wesentliche Unterschied zwischen der dritten Ausführungsform und den vorhergehenden Ausführungsformen besteht darin, dass bei der dritten Ausführungsform der elektromechanische Aktor 26 seitlich am Ständer 4 angebracht ist und die Kolbenstange 24 über einen Umlenkhebel 50 antreibt.
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Am Umlenkhebel 50 ist eine hier schematisch angedeutete Kraftmesszelle 52 angeordnet, mit der die auf den Kolben 22 wirkende Kraft unmittelbar erfasst werden kann.
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Der Zylinder 12 ist bei der dritten Ausführungsform in derselben Weise wie bei der ersten Ausführungsform als offener Boiler ausgeführt. Als Heizung 28 wird hier eine in die Wandung des Zylinders 12 integrierte Widerstandsheizung verwendet.
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Ein weiterer Unterschied zwischen der dritten Ausführungsform und den vorhergehenden Ausführungsformen besteht darin, dass bei der dritten Ausführungsform das Wasser von der Oberseite des Kolbens 22 in den Raum zwischen dem Verteilsieb 16 und dem Kolben 22 durch eine Öffnung im Kolben 22 hindurchgelangt. Zu diesem Zweck ist hier ein Rückschlagventil 54 vorgesehen, das den Durchfluss des Wassers ermöglicht, wenn der Kolben 22 nach oben verstellt wird, aber sperrt, wenn der Kolben nach unten verstellt wird.
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Alternativ zu einem Rückschlagventil 54 kann auch ein zweiteiliger Kolben verwendet werden, bei dem die Rückstellbewegung dazu führt, dass ein Teil vom anderen abgehoben wird, sodass eine Durchflussöffnung freigegeben ist.
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Grundsätzlich können die verschiedenen Bauteile der Ausführungsformen miteinander kombiniert werden. Beispielsweise kann die Kraftmesszelle 52 auch bei der ersten oder der zweiten Ausführungsform eingesetzt werden. Auch ist die Heizmanschette 28 nicht auf eine Ausführungsform mit externem Boiler 33 beschränkt. Weiterhin kann das Rückschlagventil 54 auch bei der ersten oder der zweiten Ausführungsform eingesetzt werden. Dann kann dort auf den Steuerkanal 32 verzichtet werden.
