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Durchlauferhitzer
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Die Erfindung betrifft einen Durchlauferhitzer mit mindestens einem
Heizelement und mit einem Wasserdurchlaufkanal, wobei das Heizelement bzw. die Heizelemente
und der Wasserdurchlaufkanal in wärmeleitender Verbindung stehen. Insbesondere,
wenngleich nicht ausschließlich bezieht die Erfindung sich auf einen Durchlauferhitzer
dieses Aufbaus, wie er als Verdampfer in Getränkezubereitungsmaschinen wie Kaffeemaschinen
od. dgl. eingesetzt wird. Durchlauferhitzer dieses Aufbaus werden aber außerdem
auch für zahlreiche Anwendungsfälle und in verschiedensten Leistungsbereichen eingesetzt.
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Bei den (aus der Praxis) bekannten Durchlauferhitzern der erläuterten
Gattung besteht das Heizelement aus einem elektrischen Rohrheizkörper, der mit dem
als metallisches Rohr ausgeführten Wasserdurchlaufkanal zur Herstellung der wärmeleitenden
Verbindung verlötet bzw. verschweißt ist oder überhaupt innerhalb des Wasserdurchlaufkanals
angeordnet ist. Üblicherweise ist ein Temperaturregler vorgesehen, der die Stromzufuhr
unterbricht, wenn der Wasservorrat aufgebraucht ist. Zusätzlich wird ein Überhitzungsschutz
in Form einer Temperaturschmelzsicherung vorgesehen, um
im Falle
des Trockengehens eine Zerstörung des Gehäuses, das üblicherweise aus Kunststoff
besteht, durch Überhitzung zu verhüten.
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Bei dieser bekannten Ausführungsform wird ein thermischer Wirkungsgrad
erreicht, der noch nicht voll befriedigt, insbesondere ist der Wärmeübergang zwischen
Heizelement und Wasserdurchlaufkanal verbesserungsbedürftig. Es kommt hinzu, daß
diese bekannten Durchlauferhitzer hinsichtlich Herstellung und Montage im Gerät
verhältnismäßig aufwendig sind, was vorallem bei Haushaltsgeräten kleinerer bis
mittlerer Leistung, die in großen Stückzahlen gebaut werden, nachteilig ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Durchlauferhitzer
der eingangs beschriebenen Gattung anzugeben, der sich durch verbesserten thermischen
Wirkungsgrad auszeichnet und eine einfache, kostengünstige Herstellung und Montage
erlaubt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Aufbau des Durchlauferhitzers
als prismen- bzw. zylinderförmiges Vollteil (Grundkörper), wobei der Wasserdurchlaufkanal
aus mindestens einer zur Prismen- bzw. Zylinderachse parallel verlaufende Längsausnehmung
des Grundkörpers besteht und wobei das Heizelement bzw.
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die Heizelemente in zur Prismen- bzw. Zylinderachse parallel und radial
verlaufenden Aufnahmenuten des Grundkörpers angeordnet sind.
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Erfindungsgemäß wird damit erreicht, daß sowohl der Wasserdurchlaufkanal
als auch die Heizelemente gleichsam in den massiven Grundkörper eingebracht sind
und folglich in optimalem Wärmekontakt stehen. Aufgrund seines geometrisch einfachen
Aufbaus mit den
sich über die ganze Länge erstreckenden Längsausnehmungen
und Aufnahmenuten Ser Grundkörper sich ohne weiteres so ausgestalten, daß er in
kostengünstiger Weise durch Gießen, Strangpressen od. dgl.
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so weitgehend vorgefertigt werden kann, daß nur noch wenig aufwendige
Fertigstellungsmaßnahmen notwendig sind. Zugleich gestaltet die Montage in einem
Gerät sich aufgrund des kompakten Aufbaus des Grundkörpers außerordentlich einfach.
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Grundsätzlich können im Rahmen der Erfindung Heizelemente verschiedenster
Typen eingesetzt werden, beispielsweise also auch Heizelemente der bisher üblichen
und allgemein verbreiteten Bauart mit einem metallischen Widerstands leiter. Insbesondere
sieht die Erfindung aber vor, daß das Heizelement bzw. die Heizelemente aus einem
Material mit positivem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands (PTC-Material)
bestehen. Solche PTC-Heizelemente sind an sich bekannt (vgl. DT-OS 25 04 237), bestehen
gewöhnlich aus einem Keramikmaterial, insbesondere auf Bariumtitanat-Basis, und
haben die Eigenschaft, daß sie sich in ihrer elektrischen Leistungsaufnahme gleichsam
selbst stabilisieren. Im kalten Zustand ist ihr Widerstand gering, und es fließt
dementsprechend bei vorgegebener elektrischer Spannung ein verhältnismäßig hoher
Strom. Dadurch wird in kurzer Zeit die Betriebstemperatur mit dem vorgesehenen Betriebswiderstand
erreicht. Nimmt aus irgendwelchen Gründen die Temperatur des PTC-Heizelements über
die vorgesehene Temperatur hinaus zu, so steigt der Widerstand weiter an, so daß
die umgesetzte elektrische Leitung reduziert wird.
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Infolgedessen kann bei Einsatz von PTC-Heizelementen sowohl auf Temperaturregler
als auch auf Überhitzungsschutz verzichtet werden.
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Der Einsatz solcher PTC-Heizelemente ist jedoch nicht ohne weiteres
möglich. Einerseits sind die üblichen Einbau- und Montagemaßnahmen auf PTC-Heizelemente
nicht anwendbar, weil diese gewöhnlich in Form von verhältnismäßig kleinen, üblicherweise
planparallelen
Plättchen vorliegen. Andererseits muß beim Einsatz von PTC-Heizelementen ganz besonders
auf einen einwandfreien, thermischen Kontakt geachtet werden. Für die vorstehend
erläuterte erfindungsgemäße Anordnung ist von besonderer Bedeutung, daß damit der
Einsatz von PTC-Heizelementen bei einem Durchlauferhitzer der eingangs erläuterten
Gattung ermöglicht wird.
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Vorzugsweise werden die Heizelemente aus PTC-Material in Form von
planparallelen Plättchen eingesetzt, wobei die Aufnahmenuten einen an den Plättchenquerschnitt
angepassten Querschnitt aufweisen, der mit Rücksicht auf möglichst guten Wärmeübergang
nur geringes Übermaß aufweist. Da die PTC-Heizelemente üblicherweise an ihren den
Nutenwandungen zugewandten Breitseiten zur Herstellung des elektrischen Anschlusses
metallisiert sind, empfiehlt es sich, Zwischenlagen aus elektrisch isolierendem
und gut wärmeleitendem Material, beispielsweise Aluminiumoxid-Keramik, zur elektrischen
Isolation vorzusehen. Zur Verringerung der Wärmeverluste und zur Erzielung einer
möglichst homogenen Erwärmung wird weiter vorgesehen, die Aufnahmenuten mit einer
elektrisch isolierenden und gut wärmeleitenden Füllmasse, beispielsweise Silikonkautschuk,
Kunstharz auf Polyamid- oder Polyimidbasis oder wärmeleitender Keramik wie Aluminiumoxid-Pulver
auszufüllen bzw. zu vergießen.
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Für die geometrische Gestaltung des Grundkörpers bestehen verschiedene
Möglichkeiten. Bei einer verhältnismäßig kleinen Anzahl von Längsausnehmungen empfiehlt
es sich, diese innerhalb eines von den Aufnahmenuten durchsetzten Randbereichs des
Grundkörpers anzuordnen, so daß diese gleichsam von den Heizelementen umschlossen
sind. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Längsausnehmungen in dem von den
Aufnahmenuten durchsetzten Randbereich
des Grundkörpers und mit
untereinander und von den Aufnahmenuten jeweils gleichmäßigen Abständen anzuordnen,
insbesondere also Längsausnehmungen und Aufnahmenuten auf einem Kreis gleich verteilt
anzuordnen. Insbesondere für Durchlauferhitzer verhältnismäßig kleiner Leistung,
wie sie beispielsweise in Kaffeemaschinen eingesetzt werden, empfiehlt sich eine
Ausbildung des Grundkörpers mit rechteckigem Querschnitt, wobei die Aufnahmenuten
paarweise miteinander fluchtend in zu den Rechteckseiten parallelen Mittelebenen
verlaufen und zwei Längsausnehmungen vorgesehen sind, die beiderseits der zu den
Rechteckschmalseiten parallelen Aufnahmenuten verlaufen. Die Abstände zwischen den
Längsausnehmungen und den nächst benachbarten Aufnahmenuten werden dabei vorzugsweise
im wesentlichen gleichmäßig gewählt. Diese Anordnung zeichnet sich durch besonders
günstige Wärmeausnutzung aus, zudem kann eine der Rechteckbreitseiten zusätzlich
als Heizplatte zur Warmhaltung eines darauf abgestellten Gefäßes genutzt werden.
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Zur Herstellung eines zusammenhängenden Wasserdurchlaufkanals können
die Längsausnehmungen wahlweise parallel, in Reihe oder gemischt miteinander verbunden
werden. Dazu können in einer ersten Ausführungsform an den Stirnseiten des Grundkörpers
den Längsausnehmungen zugeordnete Anschlußstücke, beispielsweise in Form einfacher
Rohrabschnitte, Schlauchwellen od. dgl., vorgesehen werden, die beispielsweise angegossen
oder nachträglich eingeklebt bzw. eingekittet werden. Die Verbindung zwischen den
Längsausnehmungen kann in einfacher Weise mit Schlauchabschnitten vorgenommen werden.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß auf die Stirnseiten des Grundkörpers
starre Anschlußkappen abdichtend aufgesetzt werden, die den Längsausnehmungen zugeordnete
und an einen Zu- bzw. Ablauf angeschlossene Verbindungskanäle aufweisen.
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Die Art der Zusammenschaltung der Längsausnehmungen lässt sich dabei
durch entsprechende Auslegung der Verbindungskanäle festlegen, die in den Abschlußkappen
geschlossen oder - unter Abdichtung gegenüber der Stirnseite des Grundkörpers auch
offen verlaufen können.
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Zur Optimierung des Wärmewirkungsgrades empfiehlt es sich weiter,
den Grundkörper mit einer wärmeisolierenden Ummantelung aus Isoliermaterial und/oder
einer reflektierenden metallischen Abschirmung zu umgeben. Der Grundkörper selbst
besteht vorzugsweise aus einem gut wärmeleitenden Metall, beispielsweise aus Aluminium
bzw. einer Aluminiumlegierung.
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Wie erläutert sieht die Erfindung vor, daß die Aufnahmenuten nach
dem Einsetzen der Heizelemente mit einer Füllmasse vergossen werden. Dabei ist darauf
zu achten, daß ein Masseschluß zwischen den Heizelementen und dem Grundkörper vermieden
wird.
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Das gelingt in besonders einfacher und eleganter Weise, wenn die Heizelemente
vor dem Vergießen mittels beidseitig zwischen Heizelement und Nutenwandung angeordneten
Fixierstiften fixiert werden. Diese Maßnahme wird ausführlich in einer gleichzeitigen
Patentanmeldung der Anmelderin beschrieben, deren Inhalt hiermit ausdrückalich zum
Offenbarungsinhalt der vorliegenden Patentanmeldung gemacht wird.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele
darstellenden Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen: Figur 1 einen Durchlauferhitzer im Querschnitt Figur 2
den Gegenstand der Figur 1 in Seitenansicht Figur 3 eine andere Ausführungsform
eines Durchlauferhitzers im Querschnitt Figur 4 eine weitere Ausführungsform eines
Durchlauferhitzers, Figur 5 den Gegenstand der Figur 4 in Seitenansicht.
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Der in Figur 1 im Querschnitt dargestellte Durchlauferhitzer ist als
Verdampfer für eine Kaffeemaschine vorgesehen und besteht in seinem grundsätzlichem
Aufbau zunächst und vorallem aus einem zylinderförmigen und massiven Grundkörper
1. Man erkennt zwei sich über die ganze Länge des Grundkörpers und parallel zur
Zylinderachse erstreckende Längsausnehmungen 2, die in noch zu erläuternder Weise
zu einem Wasserdurchlaufkanal verbunden sind. Der Grundkörper 1 weist ferner eine
Mehrzahl von Aufnahmenuten 3 auf, die bezüglich der Zylinderachse radial angeordnet
sind und gleichfalls über die ganze Länge des Grundkörpers 1 und parallel zur Zylinderachse
verlaufen. In die Aufnahmenuten sind Heizelemente 4 in Form von planparallelen Plättchen
aus PTC-Material, beispielsweise Bariumtitanat-Keramik eingesetzt und mit einer
Füllmasse 5, im Ausführungsbeispiel Silikonkautschuk, vergossen. Die Heizelemente
4 weisen an ihren den Nutenwandungen zugewandten Breitseiten eine (nicht dargestellte)
Metallisierung
auf, an die Zuleitungsdrähte 6 angelötet sind.
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Im übrigen ist der Grundkörper 1 als Aluminium-Gussteil ausgeführt.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 1 und 2 sind die Längsausnehmungen
2 zu einem zusammenhängenden Wasserdurchlaufkanal parallel verbunden. Dazu sind
auf die Stirnseiten des Grundkörpers 1 starre Anschlußkappen 7 abdichtend aufgesetzt,
die mit Zu- bzw. Ablauf in Verbindung stehen und je einen die Längsausnehmungen
2 verbindenden Verbindungskanal 8 aufweisen. Zur Verbesserung der Wärmeausnutzung
ist der Grundkörper 1 von einer wärmeisolierenden Ummantelung 11 aus einem geeigneten
Isoliermaterial sowie zusätzlich von einer darüber angeordneten refleSierenden metallischen
Abschirmung 12 umgeben.
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Während bei der Ausführungsform gemäß den Figuren 1 und 2 die Längsausnehmungen
2 innerhalb des von den Aufnahmenuten 3 durchsetzten Randbereichs des Grundkörpers
1 angeordnet sind, zeigt die Figur 3 eine grundsätzlich ähnliche Ausführungsform,
bei der jedoch Längsausnehmungen 2 und Aufnahmenuten 3 in größerer, gleicher Anzahl
auf einem Kreis gleich verteilt angeordnet sind.
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Die Figuren 4 und 5 zeigen eine andere Ausführungsform, bei der der
Grundkörper 1, der wiederum aus einem Aluminium-Gussteil besteht, die Gestalt eines
rechteckigen Prismas aufweist. Die Aufnahmenuten 3a, b verlaufen paarweise miteinander
fluchtend in zu den Rechteckseiten parallelen Mittelebenen. Es sind zwei Längsausnehmungen
2 vorgesehen, die beiderseits der zu den Rechteckschmalseiten parallelen Aufnahmenuten
3a so angeordnet sind, daß zu den benachbarten Aufnahmenuten jeweils etwa gleiche
Abstände resultieren. Die Längsausnehmungen 2 sind hier miteinander
in
Reihe verbunden, und zwar mittels eines Schlauchsabschnitts 9, der auf in die Längsausnehmungen
2 eingeklebte Anschlußstücke 10 in Form gerader Rohrabschnitte aufgesteckt ist.
Diese Anordnung ermöglicht in einfacher Weise eine wirkungsvolle Durchspülung des
Wasserdurchlaufkanals im Falle einsetzender Verkalkung.
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