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Durchlauferhitzer für Kaffeemaschinen Die Erfindung betrifft einen
Durchlauferhitzer für Kaffeemaschinen oder andere Haushaltsgeräte mit einem Rohrheizkörper
und einem Wasserdurchlaufrohr.
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Durchlauferhitzer der in Rede stehenden Art werden in Millionen Stückzahlen
benötigt. Sie sind dementsprechend Massenartikel, welche kostenmäßig äußerst scharf
kalkuliert werden. Sie bestehen im allgemeinen aus einem hufeisenförmig oder haarnadelförmig
gebogenen Wasserrohr, mit dem sich ein in gleicher Weise gebogener Rohrheizkörper
in gut wärmeleitender
Verbindung befindet. Eine derartige Verbindung
setzt im allgemeinen Löt- oder Schweißarbeiten voraus. Dementsprechend bestehen
viele Durchlauferhitzer der in Rede stehenden Art aus Kupfer, einem Material, das
einerseits teuer und andererseits wenig korrosionsbeständig ist.
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Beispiele derart iger Ausführungsformen sind aus der DOS 2 222 743
und aus dem Gebrauchsmuster 7 412 048 ersichtlich.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung soll nun einerseits eine billigere
Fertigung der Durchlauferhitzer und andererseits eine Verbesserung hinsichtlich
des Wärmeüberganges und der Korrosionsbeständigkeit erzielt werden.
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Durchlauferhitzer der in Rede stehenden Art werden im allgemeinen
von einem Thermostaten geregelt. Dabei liegt ein besonderes Problem im Wärmeübergang
vom Rohrheizkörper auf das das Wasserdurchlaufrohr durchfließende Wasser. Das Wasser
läuft aus einem Vorratsbehälter in das Wasserdurchlaufrohr und wird dort soweit
erhitzt, daß es durch den Dampfdruck in ein Steigrohr hochgetrieben wird, dessen
Auslauf im allgemeinen höher liegt als der Wasserpegel im Vorratsgefäß. Dabei ist
zu berücksichtigen, daß der Wasserpegel im Vorratsgefäß nicht konstant ist, sondern
je nach der eingefüllten Wassermenge bzw. nach der bereits durchgelaufenen Wassermenge
sich ändert. Wenn ein größerer Teil des Wassers im Wasserdurchlaufrohr in Dampf
verwandelt wird, dann tritt aus dem Steigrohr nur mehr Dampf aus, so daß also kein
Wasser mehr auf das Kaffeepulver aufläuft. Bei zqgeringem Dampfdruck wird das Wasser
nicht mehr im Steigrohr hochgetrieben. Dieser Effekt tritt auch auf, wenn der Wasserpegel
im Vorratsgefäß bereits zu weit abgefallen ist, so daß ein entsprechend höherer
Druckunterschied zu überwinden ist. Es kommt dementsprechend sehr darauf an, daß
der Wärmeübergang vom Rohrheizkörper auf das Wasserdurchlaufrohr bei einer Massenfertigung
von Stück zu Stück
genau konstant ist, was sich bei Löt- oder Schweißarbeiten
schlecht realisieren läßt. Weiterhin ist zu berücksichtigen, daß sich der Wärmeübergang
bei Kalkbildung im Wasserdurchlaufrohr ändert.
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Wenn das Wasser völl ig durchgelaufen ist, dann hat der Rohrheizkörper
die Aufgabe, die über ihm angeordnete Warmhalteplatte für das aufgestellte Kaffeegefäß
zu heizen. Der Thermostat hat dementsprechend auch weiterhin die Aufgabe zu erfüllen,
diesen Warmhaltevorgang zu regeln.
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Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, insbesondere
auch in den spezielleren Ausführungsformen diesen Problemen gerecht zu werden.
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Der Durchlauferhitzer gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch
gekennzeichnet, daß das Mantelrohr mindestens eines der beiden Teile - nämlich des
Rohrheizkörpers oder des Wasserdurchlaufrohres - aus einem im Strangpreßverfahren
hergestellten Profilstrang mit mindestens einer seitlich abstehenden Längsrippe
besteht, und daß die Längsrippe ausgestanzte oder ausgedrückte Durchzüge besitzt,
deren Ränder von der Oberfläche der Längsrippe in Form von Zacken abstehen und daß
das Mantelrohr des anderen Teils auf die Längsrippe so aufgepreßt ist, daß die Zacken
in das Mantelrohr eindringen und das Material des Mantelrohrs in die Durchzüge einfließt
oder daß beide Mantelrohre je eine Längsrippe besitzen und daß beide Längsrippen
miteinander in der angegebenen Form verbunden und bzw. oder verschweißt sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Wasserdurchlaufrohr
an mehreren Stellen eingedrückt, so daß an diesen Stellen der Querschnitt verkleinert
ist. Wechselweise oder zusätzlich kann in dem Wasserdurchlaufrohr eine sich über
die gesamte Länge oder einen Teil derselben erstreckende Wendel angeordnet werden.
Das Wasserdurchlaufrohr kann in üblicher Weise hufeisenförmig oder haarnadelförmig
gebogen sein. Die
Wendel wird dann im geraden Schenkel an der Wasserablaufseite
angeordnet. Die Wendel ist dabei unter Längsspannung eingesetzt. Sie kann auch aus
einem Bimetall bestehen, und zwar dergestalt, daß sich ihr Außendurchmesser unter
den Temperaturänderungen vergrößert.
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Der wesentliche Vorteil des Erfindungsgegenstandes liegt also darin,
daß Wasserrohr und Rohrheizkörpermantel im Strangpreßverfahren aus Aluminium oder
Aluminiumlegierungen hergestellt werden können. Vorzugs -weise besteht dabei das
Wasserrohr aus einem stranggepreßten Aluminium-Magnesium -Siliz ium -Profil, der
Rohriieizkörpermantel aus Reinaluminium In diesem Fall besitzt das Wasserdurchlaufrohr
die Längsrippe, in welche Durchzüge eingestanzt sind. Die Verbindung der beiden
Teile erfolgt einfach dadurch, daß in einer Presse der Rohrheizkörper auf die Zacken
der Durchzüge aufgepreßt wird. Da die Legierung des Wasserrohres härter ist als
das Reinaluminium des Rohrheizkörpers, dringen diese in den Rohrheizkörpermantel
ein. Das Material des Rohrheizkörpermantels fließt in die Löcher der Durchzüge Trotz
der Einfachheit des Befestigungsvorganges ist diese äußerst widerstandsfähig. Vor
allem wird ein äußerst gleichmäßiger Wärmeübergang erreicht, der bei jedem Stück
der Serie gleich bleibt und der sich auch im Laufe der Jahre nicht mehr ändert.
Die Querschnittsverminderung des Wasserrohres an bestimmten im Abstand voneinander
gelegenen Stellen bzw. das Einsetzen der Drahtwendel führt nun, wie später noch
ausführlich beschrieben wird, zu einer wesentlichen Verbesserung der Funktionsfähigkeit
des Wasserdurchlauferhitzers. Der Dampf muß mehrfach Engstellen passieren und wird
so gezwungen, das Wasser mitzunehmen. Der Effekt der eingesetzten Wendel in dieser
Hinsicht ist gravierend, jedoch physikalisch noch nicht ganz einwandfrei zu klären.
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Die Wendel, insbesondere wenn sie unter Längsspannung eingesetzt ist
oder Bimetall besteht, beginnt unter den Temperaturschwankungen bei Nichtgebrauch
bzw. bei Erhitzung bis zum Siedepunkt zu "arbeiten", d.ll.
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ihr Durchmesser vergrößert und verkleinert sich und die einzelnen
Wicklungen
gleichen die Spannung unter sich durch sprunghafte kleine
Lageveränderungen aus. Dabei wird jedoch ein beginnender Kalkansatz im Wasserrohr
abgesprengt, so daß der Kalk aus dem Wasserrohr wieder ausgespült wird.
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Von besonderer Bedeutung ist, wie bereits eingangs erwähnt, die Funktion
des Thermostaten bzw. Überhitzungsschutzes .
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist an der Längsr
ippe des Wasserdurchlaufrohres und/oder des Rohrheizkörpermantels eine Brücke befestigt,
welche den Temperaturbegrenzungsschalter trägt .
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Bei hufeisenförmig gebogenem Wasserrohr überspannt d ie Brücke die
Schenkel in der Nähe des Wassereinlaufes und des Wasserauslaufes.
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Der Thermostat erhält damit seinen Steuer impuls sowohl von der Temperatur
des einlaufenden Wassers als auch des auslaufenden Wassers und von der Temperatur
der Abstellplatte, wie dies in der speziellen Beschreibung anhand eines Ausführungsbeispieles
näher erläutert wird.
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Aus den Zeichnungen sind bevorzugte Ausführungsformen des Gegenstandes
der Erfindung dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 eine auseinandergezogene schaubildliche
Darstellung des Durchlauferhitzers vor dem Aufpressen des Rohrheizkörpers; Fig.
2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1; Fig. 3 ähnlich wie Fig. 2 einen
Schnitt einer abgewandelten Ausführungsform;
Fig. 4 in verkleinertem
Maßstab eine Schnittansicht einer Kaffeemaschine mit aufgestelltem Gefäß.
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Ein Wasserrohr 1 besteht aus einem stranggepreßten Aluminium-Magnesium-Silizium-Profil
mit einer einstückig angesetzten Längsrippe 2. Der Wassereinlauf des Wasserdurchlaufrohres
list mit 3, der Wasserauslauf mit 4 bezeichnet. Die Längsrippe 2 besitzt nun ausgestanzte
oder ausgedrückte Durchzüge 5, deren Ränder 6 zackenförmig nach oben abstehen.
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Ein in ähnlicher Form hufeisenförmig oder haarnadelförmig wie das
Wasserrohr 1 gebogener Rohrheizkörper 7 wird nun auf die Längsrippe 2 aufgepreßt,
wobei die Zacken 6 in den Rohrheizkörpermantel eindringen und andererseits das Material
des Rohrheizkörpermantels in die Öffnungen der Durchzüge 5 einfließt. Dieser Effekt
tritt dadurch auf, daß die Legierung des Wasserrohres härter ist als das Reinaluminium
des Rohrheizkörpermantels 7. Bei diesem Eindringen können Löcher im Rohrmantel des
Heizkörpers entstehen, die bis zur Magnesiumoxidfüllung 8 des Rohrheizkörpermantels
7 durchgehen. Die entstehenden Löcher sind selbstverständlich mikroskopisch klein,
da im allgemeinen unter dem starken Preßdruck alle Öffnungen verschlossen werden.
Sie sind jedoch erwünscht, und zwar aus folgendem Grund: Das Magnesiumoxid 8 im
Rohrheizkörper kann Feuchtigkeitsmengen enthalten. Solche Feuclltigkeitsmengen werden
bei einem Rohrheizkörper mit hochschmelzendem Rohrmantel bei der Glühung nach dem
Reduzieren ausgetrieben. Bei Rohrheizkörpermänteln aus Aluminium, wie sie jedoch
im vorliegenden Fall verwendet werden, können infolge des niedrigeren Schmelzpunktes
des Aluminiums keine derartig hohen Glühtemperaturen angewendet werden. Es besteht
dementsprechend die Gefahr, daß im Laufe des Betriebes die Feuchtigkeitsmengen sukzessive
verdampfen und ein Aufblähen des Aluminiumrohrheizkörpers verursachen. Dadurch wäre
jedoch
die für eine einwandfreie Wärmeübertragung erforderliche
Wärmeleitung von der Wendel auf den Rohrmantel nicht mehr gewährleistet und der
Rohrheizkörper würde durchbrennen. Durch die feinen Löcher, die durch die Durchzüge
entstehen, kann nun die Feuchtigkeit nach außen entweichen, so daß diese Gefahr
bei der vorliegenden Ausführungsform nicht mehr gegeben ist. Um eine Feuchtigkeitsaufnahme
durch die Löcher aus der Luft zu verhindern, wird dem Magnesiumoxid Silikonöl beigemischt,
was im vorliegenden Fall zulässig ist, da die Gebrauchstemperaturen unter 6000 C
liegen, so daß das Silikonöl noch nicht zersetzt wird.
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Weiterhin ist bei der dargestellten Ausführungsform eine Brücke 8
vorgesehen, welche an dem Wasserrohr 1 befestigt ist,und zwar in der Nähe des Wassereinlaufes
3 und des Wasserauslaufes 4. An der Brücke 8 ist ein Thermostat 9 befestigt. Weiterhin
ist ein Erdungskontakt 10 vorgesehen.
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Das Wasserrohr 1 ist an der Stelle der Brückenbefestigung, also bei
11 und 12 eingedellt, d.h. der Querschnitt desselben ist verringert. Derartige "Eindellungen"
können beispielsweise im Abstand von 10 - 15 mm über die gesamte Länge des Wasserrohres
vorgesehen sein.
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Weiterhin ist in den geraden Schenkel an der Wasserauslaufseite des
Wass errohres 1 eine Wendel 13 eingesetzt.
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Der in der bisher beschriebenen Weise hergestellte Heizeinsatz wird
nun an eine Abdeckplatte 14 aus Aluminium oder rostfreiem Stahl von unten her angedrückt,
und zwar so, daß der abgeflachte Teil 15 des Rohrheizkörpermantels 7 an die Abdeckplatte
zu liegen kommt. Auf der Abdeckplatte 14 steht dann ein Glasgefäß 16" in welches
der zubereitete Kaffee hineinfließt.
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Die Befestigung des Heizansatzes an der Abdeckplatte 14 kann in konventioneller
Weise erfolgen. Es kann jedoch wiederum eine "Kaltverbindung't mit
Durchzügen,
ähnlich den Durchzügen 5, verwendet werden. Gegebenenfalls wird eine blechförmige
Einlage verwendet, wobei dann die Ränder der Durchzüge wechselweise gegen den Rohrheizkörper
und gegen die Abdeckplatte 14 gerichtet sind.
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Die Funktionsweise der Vorrichtung ist nun folgende: Solange Wasser
durch den Durchlauferhitzer gefördert wird, tritt der auf der z.B. aus vernickeltem
Kupfer bestehende Brücke 8 montierte Thermostat 9 nicht in Aktion; es sei denn,
daß das Wasserrohr 1 stark verkalkt ist, wodurch das ganze System überhitzt wird
und der Thermostat 9 zum Ansprechen kommt. Damit das Ansprechen des Thermostatep
in diesem Fall mit Sicherheit erreicht wird, ist die Brücke 8 sowohl mit der Auslaufseite
des Wasserrohrs als auch mit der Einlaufseite desselben wärmeleitend, z.B. durch
eine "Kaltverbindung", wie oben beschrieben, verbunden.
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Wenn nur eine wärmeleitende Verbindung mit der Einlaufseite bestehen
würde, dann würde der Thermostat 9 in einem solchen Fall nicht ansprechen und der
Rohrheizkörper 7 durchbrennen, weil in der Einlaufseite bei völlig zugewachsenem
Wasserrohr Wasser steht, welches ein Ansprechen des Thermostaten verhindert. Da
die Brücke 8 jedoch auch mit der Auslaufseite des Wasserrohrs 1 wärmeleitend verbunden
ist, wird von dieser Seite her so viel Wärme in die Brücke 8 geliefert, daß der
Thermostat 9 ansprechen kann.
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Wenn das Wasserrohr 1 einen durchgehenden gleichmäßigen Querschnitt
besitzen würde und wenn keine Wendel 3 in das Wasserrohr eingesetzt wird, dann wird
die Funktion bei Überschreiten einer Heizflächenbelastung von etwa 20 - 25 W/cm2
problematisch, und zwar insofern, als der Dampfanteil immer mehr zunimmt. Das hat
zur Folge, daß der Wirkungsgrad schlechter wird und daß außerdem bei Absinken des
Wasserspiegels im
Vorratsbehälter unter ein gewisses Niveau überhaupt
nur mehr Dampf aus dem Steigrohr austritt.
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Durch die Eindellungen 11 und 12 entsteht im beheizten Raum ein Dampfraum,
wodurch der Lauf der Maschine wesentlich gleichmäßiger wird und der austretende
Dampfanteil abnimmt, weil der Dampf an den eingedellten Stellen nochmals durch das
Wasser hindurchtreten muß. Wenn keine Wendel 13 verwendet wird, dann sollte das
Wasserrohr zumindest im letzten Drittel vor dem Auslauf mit Dellen im Abstand von
z.B. 10 - 15 mm versehen sein, so daß der im Bogen entstehende Dampf mehrfach durch
das Wasser hindurchtreten muß.
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Noch eine bessere Wirkung ergibt jedoch, wenn in das letzte Drittel
oder auch über die gesamte Länge des Wasserrohrs 1 die Wendel 13 unter Spannung
eingesetzt wird. Die Wendel kann dabei aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung
bestehen. Das beste Ergebnis sowohl hinsichtlich eines ruhigen Laufes als auch hinsichtlich
eines guten Wirkungsgrades wurde mit einer Wendel erzielt, die aus Alu-Mg 5 Draht
mit 1 mm Durchmesser besteht und die eine Steigung von 5 mm besitzt. Wenn die Wendelsteigung
zu groß oder zu klein gewählt wird, dann verschlechtern sich die Laufbedingungen
wieder. Mit einer derartigen Wendel gelingt es auch mit einer Leistung von 1000
W, das entspricht einer Heizflächenbelastung im Inneren von etwa 32 W/cm2, einen
einwandfreien Lauf der Maschine bis zum vollkommenen Leeren des Wasservorratsbehälters
zu erzielen.
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Die Wendel 13 hat weiterhin die Funktion, Kalkablagerungen abzusprengen.
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Zur Steigerung dieser Funktion kann die Wendel als Bimetallwendel
ausgebildet sein. Sie wird so dimensioniert, daß sie sich im Betriebszustand an
die Rohrinnenwand anlegt. Wenn nach jedem Betrieb die Maschine wieder auskühlt und
die Wendel sich durchmessermäßig zusammenzieht, löst sie sich dementsprechend von
der Rohrwand und sprengt dabei einen sich
eventuell bildenden Kalkbelag
ab. Wenn die Wendel als Bimetallwendel ausgeführt wird, hat sie einen rechteckigen
Drahtquerschnitt.
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Wenn eine Wendel 13 verwendet wird, dann ergibt sich ein Wirkungsgrad
der Kaffeemaschine von über 90 %, d.h. ein ausgezeichnetes Ergebnis.
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Bei der in Fig. 3 dargestellten abgewandelten Ausführungsform besitzt
nicht nur das Wasserrohr 1 eine Längsrippe 2, sondern ebenfalls der Rohrheizkörpermantel
7 eine Längsrippe 17. Bei dieser Ausführungsform können die Längsrippen in beliebiger
Weise miteinander, z.B. durch eine "Kaltverbindung" oder aber auch durch Löten,
Schweißen oder Nieten mit einander verbunden werden, ohne daß die Gefahr besteht,
daß der Rohrheizkörper 7 oder das Wasserrohr 1 dabei beschädigt wird.