DE2353465B2

DE2353465B2 - Kaffeemaschine

Info

Publication number: DE2353465B2
Application number: DE19732353465
Authority: DE
Inventors: Flemming Dipl.-Ing. Sonderborg; Andersen Niels Lervad Dipl.-Ing.; Christensen John; Nordborg Thorsoee (Dänemark)
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1972-11-08
Filing date: 1973-10-25
Publication date: 1976-04-01
Also published as: DK138300B; FR2205298B1; GB1445608A; JPS49134459A; DK138300C; DE2353465A1; FR2205298A1; NL7315084A

Description

ibgekühlt, daß er wieder in den Ruhezustand zurückuhrt. Ohne die Brücke wäre eine Wiedereinschaltung jes Geräts erst zu einem sehr viel späteren Zeitpunkt möglich. Diese Anordnung wurde dort als unbefriedigend angesehen, weshalb man vorgeschlagen hat, daß ein temperaturabhängiges Halbleiterbauelement nur vom Dampfstrom beeinflußt wird, also keine Brücke mehr zum ersten Rohr vorhanden sein soll.

Bei einer Kaffeemaschine ist die Wassermangelsicherung nicht ein nur in seltenen Fällen ansprechendes Sicherheitselement, sondern der eigentliche Ausschalter, der bei jeder Benutzung der Kaffeemaschine wirksam wird. Daher sollte dafür gesorgt sein, daß dieser Ausschalter mit möglichst geringer Verzögerung anspricht, sobald das Wasser verbraucht ist. Dies leistet beispielsweise ein Schwimmerschalter, der aber aufwendig und kostspielig ist.

Außerdem ist ein Durchlauferhitzer für eine Kaffeemaschine bekanntgeworden, der zugleich mit seinem Heizkörper auch als Warmhalteplatte verwendet werden kann (deutsche Offenlegungsschrift 20 23 598).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kaffeemaschine der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei der eine einfache Überwachung des Vorhandenseins von Wasser und gegebenenfalls auch der Temperatur des Wärmetauschers, erreicht wird. Insbesondere sollen eine Schwimmeranordnung und eine Sicherung mit Bimetallthermostat entfallen, ohne daß die Sicherheit darunter leidet.

Nach der Erfindung ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in Reihe mit dem Heizkörper des Wärmetauschers ein PTC-Widerstand geschaltet ist, der mit dem Zuleitungsrohr für kaltes Wasser mindestens thermisch verbunden ist und der so bemessen und angeordnet ist, daß die wenigstens zu einem erheblichen Teil vom ihn durchfließenden Heizstrom bewirkte betriebliche Erwärmung nur bei Abkühlung durch das kalte Wasser im Zuleitungsrohr zu einer Temperatur unterhalb des Curie-Punktes führt.

Bei dieser Art der Überwachung wird die Steuerung der Temperatur des PTC-Widerstandes durch eine kontrollierte Abkühlung herbeigeführt. Die Abkühlungsstrecke ist so beschaffen, daß sie vergleichsweise rasch ansprechen kann, da Kalorien nur abgeführt werden können, solange kaltes Wasser durch das Zuleitungsrohr hindurchströmt. Umgekehrt hat man es durch die Eigenbeheizung des PTC-Widerstandes, die Bemessung der Masse des PTC-Widerstandes oder die Verbindung des PTC-Widerstandes mit weiteren heißen Teilen in der Hand, den Temperaturanstieg im PTC-Widerstand nach dem Fortfall des Wassers so rasch erfolgen zu lassen, daß eine rechtzeitige Abschaltung erfolgt. Zu berücksichtigen ist hierbei, daß die Abschaltung zwar rasch, aber nicht sofort erfolgen muß, weil vom Zeitpunkt des Beginns der fehlenden Kühlung durch das zulaufende kalte Wasser bis zum Erhitzen dieses Wassers noch eine gewisse Toleranzzeit zur Verfugung steht.

Insbesondere ist dafür gesorgt, daß der PTC-Wider stand außerdem mit dem Wärmetauscher thermisch verbunden ist. Dadurch wird eine weitere Herabsetzung der Heizleistung erzielt, wenn der Wärmetauscher so verkalkt ist, daß die im Heizkörper entwickelte Wärme nicht an das Wasser abgegeben werden kann.

Der PTC-Widerstand wird somit von drei Faktoren beeinflußt:

1. seiner eigenen Erwärmung infolge des ihn durchfließenden Stroms,

2. der Abkühlung durch das kalte Wasser und

3. der Erwärmung vom Wärmetauscher her.

Rein praktisch läßt sich dies konstruktiv dadurch erreichen, daß man den PTC-Widerstand elektrisch isoliert, jedoch thermisch verbunden auf einer Metallbrücke, die mit dem Wasserzuleitungsrohr und dem Wärmetauscher verlötet ist, anordnet, vorzugsweise so, daß der thermische Widerstand zwischen dem Zuleitungsrohr und dem PTC-Widerstand so gering wie

ίο möglich ist. Dabei kann dann der thermische Widerstand zwischen Wärmetauscher und PTC-Widerstand sowie die im PTC-Widerstand umgesetzte Leistung den Erfordernissen zur Erlangung des thermischen Gleichgewichts angepaßt werden.

is Vorzugsweise ist der Wärmetauscher ein zylindrischer Metallbehälter, um den ein elektrischer, vom Behälter isolierter Heizkörper angeordnet ist.

Verwendet man einen ringförmigen PTC-Widerstand, so läßt sich dieser in einem den oberen oder unteren Teil des Wärmetauschers bildenden, isolierenden Körper um einen Anschlußstutzeil für die Wasserzuleitung einfach anordnen.

Ferner kann der Wärmetauscher selbst ein PTC-Widerstard sein. Dabei muß das Wasser gegenüber dem PTC-Widerstand elektrisch isoliert sein.

Bei dieser Kaffeemaschine muß sich der PTC-Widerstand nach dem Aufbrühen einer Portion Kaffee jedoch erst abkühlen, bevor eine Wiedereinschaltung des Heizkörpers bei Anwendung des PTC-Widerstandes als thermischer Schutz erfolgen kann. Denn der PTC-Widerstand nimmt in seinem warmen, hochohmigen Zustand zwar einen kleinen, aber dennoch genügend großen Strom auf, um sich auf dem Curie-Punkt zu halten.

;s Um hier Abhilfe zu schaffen, kann in Verbindung mit der Warmhalteplatte der Kaffeemaschine ein Mikroschalter angeordnet sein, der den Stromkreis des PTC-Widerstandes unterbricht, wenn die Kaffeekanne zum Einschenken des Kaffees entfernt wird.

Nach weniger als etwa einer Minute ist der PTC-Widerstand abgekühlt, so daß er niederohmig wird und nach Entleerung der Kaffeekanne sofort neues Wasser in die Kaffeemaschine gegossen und die Kanne auf die Warmhalteplatte gesetzt werden kann, wonach

4s sich die Maschine automatisch wieder einschaltet.

Schließlich kann unter der Warmhalteplatte der Kaffeemaschine ein vorzugsweise kreisrunder, scheibenförmiger PTC-Widerstand angeordnet sein, der mit der Heizwicklung des Wärmetauschers elektrisch in

so Reihe geschaltet ist und mit der Kaltwasserzuleitung in thermisch leitender Verbindung steht. Während des Aufbrühens wird der PTC-Widerstand dabei von dem durchfließenden kalten Wasser kühl gehalten, und der Wärmetauscher erwärmt das durchfließende Wasser.

Nach Beendigung des Aufbrühens hört die Kühlung auf und die Temperatur des PTC-Widerstands steigt über den Curie-Punkt an, so daß der PTC-Widerstand einerseits den fertig aufgebrühten Kaffee auf der gewünschten Temperatur und andererseits den Wärme-

ho tauscher ausgeschaltet halten kann.

Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnung im Vergleich mit einer bekannten Kaffeemaschine näher beschrieben. In dieser stellt

F i g. 1 schematisch eine bekannte Kaffeemaschine,

F i g. 2 schematisch ein Ausführungsbeispiel,

F i g. 3 ein Ersatzschaltbild der thermischen Verhältnisse.

F i g. 4 schematisch ein Ausführungsbeispiel für den

thermischen Anschluß des PTC-Widerstands,

F i g. 5 ein anderes Ausführungsbeispiel für den thermischen Anschluß des PTC-Widerstands,

F i g. 6 ein Ausführungsbeispiel eines aus ringförmigen PTC-Widerständen aufgebauten Wärmetauschers,

F i g. 7 ein anderes Ausführungsbeispiel einer Kaffeemaschine dar.

Fig. 1 stellt eine bekannte Kaffeemaschine schematisch dar. Zunächst wird kaltes Wasser in den Wasserbehälter 1 gegossen und die Netzspannung an die Klemmen 2 gelegt. Am Boden des Wasserbehälters ist eine Schwimmeranordnung 3 mit einem Magneten 4 angebracht, die sich vom Boden abhebt, wenn der Behälter 1 mit Wasser gefüllt wird. Der Schwimmer wird durch ein Netz 5 daran gehindert, an die Wasseroberfläche zu steigen. Wenn sich der Schwimmer vom Austritt 6 des Wasserbehälters abgehoben hat, wird eine magnetisch betätigte Kontaktanordnung 7 freigegeben, die nun nicht länger durch den Magneten 4 beeinflußt wird. Der Heizkörper 9 des Wärmetauschers 10 wird dadurch an die Netzspannung angeschlossen und erwärmt das im Austrittsrohr 8, dem Wärmetauscher 10 sowie dem Steigrohr 11 befindliche Wasser, das während des Auffüllens des Wasserbehälters 1 ein Niveau im Steigrohr eingenommen hat, das dem Niveau des Wassers im Wasserbehälter 1 entspricht. Wenn sich das im Wärmetauscher 10 befindliche Wasser dem Siedepunkt nähert, steigt das Wasser durch das Steigrohr 11 nach oben und fließt in die auf der Warmhalteplatte 12 angeordnete Kaffeekanne 13 mit dem Kaffeefilter M ab. Eine Verengung 15 des Rohrs 8 zwischen dem Wasserbehälter 1 und dem Wärmetauscher 10 hindert das kochende Wasser daran, rückwärts zu fließen. Hier läßt sich auch ein Rückschlagventil einsetzen. Die Warmhalteplatte 12 liegt über die Klemmen 2 direkt an der Netzspannung. Die Temperatur der Warmhalteplatte 12 ist nicht thermostatisch geregelt, sondern die Warmhalteplatte ist so ausgelegt, daß der fertig aufgebrühte Kaffee eine Temperatur von 70 bis 80⁰C beibehält. Diese Temperatur ist etwas von der Kaffeemenge, der Netzspannung und der Umgebungstemperatur abhängig.

Wenn der Wasserbehälter 1 entleert ist, sinkt der Schwimmer mit dem Magneten 4 auf den Boden der Kammer, so daß das Quecksilberrelais 7 betätigt und der Strom zum Wärmetauscher 10 unterbrochen wird. Wegen der Gefahr einer Verstopfung (z. B. infolge Verkalkung) ist der Wärmetauscher 10 außerdem durch eine wiedereinschaltbare thermostatische Sicherung 16 abgesichert (bei der es sich z. B. um eine Sicherung handeln kann, die im Handel unter der Bezeichnung »KLIXON« erhältlich ist).

F i g. 2 stellt ein erstes Ausführungsbeispiel schematisch dar. Die dargestellten Bauteile sind, soweit es sich um gleiche Bauteile handelt, mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen. Vom Wasserbehälter 1 führt ein Verbindungsrohr 8 direkt zum Wärmetauscher 10, aus dem das Wasser in der bereits erwähnten Weise durch das Steigrohr 11 zu einem Austritt über der Kaffeekanne 13 geleitet wird. Hier liegt in Reihe mit dem Heizkörper 9 des Wärmetauschers 10 ein PTC-Widerstand 17, der über eine thermisch leitende Haltevorrichtung 18 sowohl mit dem Kaltwasser-Zuleitungsrohr 8 als auch mit dem Wärmetauscher 10 thermisch verbunden ist. Der PTC-Widerstand 17 steht somit unter dem Einfluß sowohl seiner Eigenerwärmung infolge des durch den Heizkörper fließenden Stroms als auch der Temperatur der Kaltwasserzuleitung und der Oberflächentemperatur des Wärmetauschers. Die Haltevorrichtung ist so befestigt, daß genau definierte thermische Widerstände Rr, und Rr₂ zwischen dem PTC-Widerstand 17 und dem Zuleitungsrohr für kaltes Wasser bzw. dejn Wärmetauscher bestehen. Der elektrische Kaltwiderstand Rek des PTC-Widerstandes (der sehr viel kleiner als der Widerstand des Heizkörpers 9 ist) ist so gewählt, daß die in dem PTC-Widerstand infolge des Wärmetransports durch die thermischen Widerstände umgesetzte Leistung nicht imstande ist, die Temperatur des PTC-Widerstands über die Curie-Temperatur hinauszubringen, solange das System von Wasser durchflossen wird. Wenn der Wasserstrom aufhört (nach Beendigung des Kaffeeaufbrühens), hört gleichzeitig die Abkühlung über /?r, auf, während die Erwärmung über Rt₂ gleichzeitig zunimmt, wonach der PTC-Widerstand seine Curie-Temperatur erreicht und hochohmig (viel größer als der Widerstand des Heizkörpers 9) wird, und daher wird die Stärke des durch den Heizkörper fließenden Stroms auf einen unbedeutenden Wert verringert.

Sieht man von den übrigen thermischen Einflüssen ab, so lassen sich die Verhältnisse durch das elektrische Ersatzschaltbild nach F i g. 3 darstellen. Aus diesem Ersatzschaltbild läßt sich folgender Ausdruck zur Dimensionierung ableiten:

R₇₁ + R₇₂

und wenn das Wasser verbraucht ist, gilt für den Zustand über dem Curie-Punkt folgendes:

₌ Ty-R₁₂+ T₂-R₁₁ +

c:^Rrr_RT:_>T

_T2

Diese beiden Bedingungen sind für zahllose Werte der Parameter Rr₁, Rt₂, Wptc und 7α™ erfüllt, was sich in der Praxis in verschiedenen konstruktiven Gestaltungen auswirken kann.

In F i g. 4 ist z. B. ein PTC-Widerstand 17 dargestellt, der elektrisch isoliert auf einer Metallbrücke 18 angebracht ist, die mit dem Zuleitungsrohr 8 und dem Wärmetauscher 10 so verlötet ist, daß der thermische Widerstand Rt₁ zwischen Zuleitungsrohr und PTC-Widerstand minimal ist, während der thermische Widerstand Rr₂ zwischen Wärmetauscher und PTC-Widerstand sowie die im PTC-Widerstand umgesetzte elektrische Leistung se bemessen sind, daß die vorstehend genannten Bedingungen erfüllt sind.

F i g. 5 stellt ein anderes Ausführungsbeispiel dar, bei dem der Boden des Wärmetauschers aus einem unter hohem Druck gepreßten isolierenden Körper 19 mil einem Anschlußstutzen 20 für das kalte Wasser besteht an dem ein ringförmiger PTC-Widerstand 21 se befestigt ist, daß die thermischen Impedanzbedingunger erfüllt sind.

F i g. 6 stellt ein anderes Ausführungsbeispiel de; Wärmetauschers dar, bei dem der Heizkörper de: Wärmetauschers als solcher aus einem PTC-Widersianc besteht. Der Wärmetauscher kann hier aus einerr zylindrischen PTC-Widerstand aufgebaut oder au; mehreren ringförmigen PTC-Widerständen zusammen· gebaut sein. Es ist indessen dafür gesorgt daß sowoh das Wasser als auch die Rohrleitungen gegenüber derr PTC-Widerstand elektrisch isoliert sind, damit da: Wasser nicht stromführend wird.

Fig. 7 stellt ein anderes Ausführungsbeispiel der affeemaschine dar, bei dem der Heizkörper der /armhalteplatte 12 der Kaffeemaschine aus einem orzugsweise kreisrunden, scheibenförmigen PTC-/iderstand 22 besteht, der während des Kaffeeaufbrüens von dem durchfließenden kalten Wasser kühl

gehalten wird, während seine Temperatur r Beendigung des Aufbrühens bis über die Curie-Ten ratur ansteigt, wodurch er imstande ist, einerseits fertig aufgebrühten Kaffee auf der gewünscl Temperatur und andererseits den Wärmelausi jusgeschaltet zu halten.

Hierzu 3 Blatt Zen.iiiivinc.cn

Claims

Die Erfindung betrifft eine ^f^ema^inen^einem Patentansprüche:

1. Kaffeemaschine mit einem hochliegenden Wasserbehälter mit einer Entleerungsanordnung am -^s Boden, der über ein Rohr mit einem elektrisch beheizten Wärmetauscher und einem an dessen anderes Ende angeschlossenen Steigrohr in Verbindung steht, mit einem Austrittsstutzen sowie einer Warmhalteplatte zum Aufsetzen einer Kaffeekanne unter dem Austrittsstutzen, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem Heizkörper (9) des Wärmetauschers (10) ein PTC-Widerstand geschaltet ist, der mit dem Zuleitungsrohr (8; 20) für kaltes Wasser mindestens thermisch verbunden ist und der σο bemessen und angeordnet ist, daß die wenigstens zu einem erheblichen Teil vom ihn durchfließenden Heizstrom bewirkte betriebliche Erwärmung nur bei Abkühlung durch das kalte Wasser im Zuleitungsrohr zu einer Temperatur unterhalb des Curie-Punktes führt.

2. Kaffeemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der PTC-Widerstand (17) außerdem mit dem Wärmetauscher (10) thermisch verbunden ist.

3. Kaffeemaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der PTC-Widerstand elektrisch isoliert, aber thermisch verbunden auf einer Metallbrücke (18) angebracht ist, die mit dem Wasserzuleitungsrohr (8) und dem Wärmetauscher (10) verlötet ist.

4. Kaffeemaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Widerstand (Rn) zwischen Wasserzuleitungsrohr (8) und Wärmetauscher so klein wie möglich gehalten ist.

5. Kaffeemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher ein zylindrischer Metallbehälter ist, um den ein elektrischer, vom Behälter isolierter Heizkörper angeordnet ist.

6. Kaffeemaschine nach einem der Ansprüche 1,2, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der PTC-Widerstand ringförmig ist und in einem den unteren oder oberen Teil des Wärmetauschers bildenden, isolierenden Körper um einen Anschlußstutzen (20) für die Wasserzuleitung (8) angeordnet ist.

7. Kaffeemaschine nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher selbst ein PTC-Widerstand ist.

8. Kaffeemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in Verbindung mit der Warmhalteplatte (12) ein Mikroschalter angeordnet ist, der den Stromkreis des PTC-Widerstands unterbricht, wenn die Kaffeekanne (13) entfernt ist.

9. Kaffeemaschine nach einem der Ansprüche I bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß unter der Warmhalteplatte (12) der Kaffeemaschine ein vorzugsweise kreisrunder, scheibenförmiger PTC-Widerstand (22) angeordnet ist, der mit der Heizwicklung des Wärmetauschers (10) elektrisch in Reihe geschaltet ist und mit der Kaltwasserzuleitung (8) in leitender Verbindung steht.

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entleert ist auf den öoaen uer Kammer absinkt und ein ReIaTs ζ B ein Quecksilberrelais, aktiviert Durch die Aküi'eiing des Relais wird der Stromkreis des elektrischen Wärmetauschers unterbrochen. Außerdem kann in Hintereinanderschaltung m.t diesem Stromkreis Sm Schutz des Heizkörpers eine Rücklotsicherung oHpr Pine Thermostatsicherung angebracht sein.

Der deuSn Gebrauchsmusterschrift 69 18 057 is, eine ähnliche Kaffeemaschine zu entnehmen, jedoch ohne Sicherheitselemente.

ferner ist ein Bügeleisen bekannt ^deutsche Auslegeschrift 12 86 242), dessen Heizwiderstand m.t einem PTC-Widerstand in Reihe liegt der einen solchen Abstand von der Sohle des Bügeleisens hat daß der Curie-Punkt bei einer von diesem Abstand abhangigen Temperatur der Sohle überschritten wird und den Strom in oer Heizwicklung herabsetzt Ähnliches gilt fur eine dort vorgesehene Heizplatte, bei der ein PTC-Widerstand gleichzeitig als Heizwiderstand dient. Sobald er eine vorgegebene Temperatur erreich, ha,. senkt er selbsttätig den hindurchfließenden Strom.

Bei einem Wasserkocher (deutsche Offenlegungsschrift 14 40 567) ist es ebenfalls bekannt, einen PTC-Widerstand in Reihe mit einer Heizwicklung anzuordnen. Der PTC-Widerstand soll die Temperatur der Flüssigkeit bzw. des Gehäuses des Wasserkochers messen und bei einem unzulässigen Anstieg der Temperatur den Heizstrom herabsetzen.

Den beiden zuletzt genannten Konstruktionen isi gemeinsam, daß die Temperatur des PTC- Widerstände: von einer verhältnismäßig großen beheizten Masse abhängt. Das bedeutet, daß jede Zustandsänderung wegen der Massenträgheit erst mit erheblicher Verzo

Terutsch:Oifen.egun_gssc 16 73 502 be

schreibt ein Gerät zur Erhitzung von Wasser, das einer Behälter mit einem beheizbaren Boden und zwei Rohr« aufweist Das eine Rohr dient der Zufuhr von kalten und der Abfuhr von heißem Wasser. Das zweite Roh dient der Abfuhr von Dampf. Als Wassermangelsiche rung ist ein mit dem Boden thermisch verbundene Fühler vorgesehen, der ebenfalls mit einer große: Masse zusammenwirkt und daher Temperaturänderun gen mit erheblicher Verzögerung meldet. Zur Feststel lung des Kochpunktes ist eine Brücke aus Kupfe vorgesehen, die mit dem Abdampfrohr und mit der ersten Rohr fest verbunden ist sowie einen Bimetal schalter trägt. Diese Konstruktion ist vorgesehen, dam nach dem Ansprechen des Bimetallschalters wege Erreichen des Kochpunktes nach Abnahme des heiße Wassers eine möglichst schnelle Wiedereinschaltberer schaft erzielt wird. Denn der Bimetallschalter wir infolge des Einlassens von kaltem Wasser derai