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Die
vorliegende Erfindung betrifft Dampfgeneratoren mit einer Wanne,
die zuvor mit Wasser gefüllt
und anschließend
erhitzt wird, um einen Dampf bei einem Druck zu erzeugen, der höher als
der atmosphärische
Druck ist.
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Solche
Dampfgeneratoren, die dadurch kostengünstig sind, dass sie per Hand
gefüllt
werden, werden verwendet, um Bügeleisen
oder andere Haushaltsgeräte
mit Dampf zu versorgen.
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Die
gewöhnlich
aus Metall bestehende Wanne weist eine mit einem Stopfen versehene
Einfüllöffnung,
eine meistens mit einem Elektroventil versehene Öffnung zur Dampfentnahme, ein
Heizelement, einen oder mehrere Temperatur- oder Drucksensoren, die der Regelung
dienen, und Sicherheitseinrichtungen auf.
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Sensoren,
die der Regelung zugeordnet werden können, sind in der Lage, die
Abwesenheit von Wasser in der Wanne zu erfassen und anschließend eine
Anzeigeleuchte einzuschalten.
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Diese
für den
Benutzer nützliche
Vorrichtung bestätigt
diesem die Ursache für
einen Druckabfall, indem er dazu aufgefordert wird, deren Generator
mit Wasser nachzufüllen.
Er muss dann die Arbeit unterbrechen, das Gerät abkühlen lassen, um den Restdruck
abfallen zu lassen, den Stopfen öffnen,
die Wanne wieder mit Wasser füllen
und eines erneutes Aufheizen abwarten.
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Der
Augenblick, in dem diese Arbeitsunterbrechung erfolgt, ist unvorhersehbar
genug, um diesen Zwang unangenehm zu machen. Auch für kurze Bügelvorgänge wird
zudem der Benutzer dazu verleitet, die Wanne vorher so voll wie
möglich
zu füllen, um
eine Unterbrechung der Arbeit zu vermeiden. Dies führt dazu,
dass eine unnötige
Wassermenge erhitzt wird und die Aufheizzeit verlängert werden, zumal
aus Gründen
der Wirtschaftlichkeit und einer leichten Handhabung die Hersteller
die Abmessungen der Wanne so weit wie möglich vergrößern, um die Autonomie des
Generators zwischen zwei Einfüllungen
zu erhöhen.
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Das
Ablesen des Wasserstands in der Wanne würde dem Benutzer es ermöglichen,
die restliche Dauer des Bügelvorgangs
vorwegzunehmen und entsprechende Maßnahmen zu ergreifen. Das Ablesen
des Stands durch die lichtundurchlässige Wand der Wanne ist jedoch
nicht möglich.
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Ein
vertikales oder geneigtes, mit der Wanne verbundenes durchsichtiges
Rohr ermöglicht
es, den Wasserstand zu visualisieren, jedoch außer der Tatsache, dass es eine
technisch empfindliche Vorrichtung für ein Elektrohaushaltsgerät bildet,
verkalkt das Rohr, das rasch unlesbar wird. Um dieses Problem zu
lösen,
ist somit eine Vorrichtung notwendig, die eine mittelbare Ermittlung
des Wasserstands und eine Anzeige umfasst.
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Die
Ermittlung des unter variablem Druck und Temperatur stehenden Stands
der heißen
Wassers kann mittels Vorrichtungen mit Tauchkolben erfolgen, wie
derjenigen, die im Patent
US3992941 beschrieben
ist. Diese Vorrichtungen erfordern jedoch empfindliche bewegliche
Teile, die mit den Elektrohaushaltsgeräten wenig kompatibel sind.
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Es
sind auch Standmessvorrichtungen bekannt, die Ultraschall verwenden,
wie im Patent
US4229798 beschrieben.
Diese in den Kesseln angebrachten Vorrichtungen erfordern jedoch
zahlreiche Korrekturen und werden durch das Sieden beeinträchtigt.
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Einfacher
ist eine Wasserstandmessung in einem Kessel mit automatischer Nachfüllung mit Wasser
aus einem Vorratsbehälter
bekannt, wie im Patent
EP0843039 beschrieben.
In diesem Dokument wird beschrieben, wie der Wasserstand in der Wanne
des Kessels ermittelt wird, wobei die Einfüllpumpe in Abhängigkeit
von der Steigung der Temperaturkurve dieser Wanne angesteuert wird.
Diese Vorrichtung ist kompliziert und berücksichtigt die aufeinanderfolgenden
Aufheizungen und Entnahmen. Die Genauigkeit ist gut, da dieser Typ
Generator eine Wanne mit automatischer Füllung von geringem Volumen
aufweist. Folglich sind die augenblicklichen Entnahmen im Verhältnis zum
Volumen der Wanne beträchtlich,
was bei der angedachten Anwendung auf eine Wanne mit großem Fassungsvermögen und periodischem
Einfüllen
per Hand nicht der Fall ist.
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Der
Gegenstand der folgenden Erfindung ist ein kostengünstiger
Dampfgenerator, dessen Wanne per Hand gefüllt wird und der eine Einrichtung
zum Ermitteln und Visualisieren des Wasserstands aufweist, die nicht
die zuvor genannten Nachteile aufweist. Der Wasserstand kann als
Wasserhöhe
in der Wanne, als Restvolumen oder als in der Wanne verbleibende
Wassermasse ausgedrückt
werden, wobei diese Werte physisch eingebunden sind.
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Das
Ziel der Erfindung wird bei einem Dampfgenerator mit einer Wanne
erreicht, die dazu vorgesehen ist, mit Wasser gefüllt und
anschließend erhitzt
zu werden, um einen Dampf bei einem Druck zu erzeugen, der höher als
der atmosphärische Druck
ist, mit einer elektronischen Einrichtung zum Ermitteln und Visualisieren
des Wasserstands, der sich dadurch auszeichnet, dass die Einrichtung
zum Ermitteln des Wasserstands Mittel zum Berechnen eines Ausgangswasserstands
in Abhängigkeit
von der Temperaturkurve beim ersten Erhitzen, Mittel, um bei jeder
Entnahme das Produkt aus dem Massedurchsatz des Wasserdampfs und
der Dauer der Entnahme zu berechnen, welches der als Dampf entnommenen
Wassermasse entspricht, sowie Mittel zum Berechnen jedes Restwasserstands
umfasst.
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Die
elektronische Vorrichtung weist einen Sensor zum Ermitteln der Temperatur
der Wanne auf. Es wird vorzugsweise der Sensor verwendet, der gleichzeitig
zum Regeln der Temperatur oder, in ähnlicher Weise und gleichzeitig,
des Drucks verwendet. Ein Mikroprozessor ermöglicht es, die Ausgangswassermasse
in Abhängigkeit
von der Erhöhung
der Temperatur und der Dauer einer Messung während der ersten Erhitzung
nach der Formel m0 = axt/(TEnde – TAnfang) + b zu berechnen, wobei m0 die Ausgangswassermasse, a und b mit dem
Aufbau der Wanne verbundene Konstanten, t die Dauer der Messung, TEnde die Temperatur am Ende der Messung und
TAnfang die Temperatur am Anfang der Messung
darstellen. Die Dauer t am Anfang des Heizens kann verhältnismäßig lang
sein, wobei der Temperaturunterschied groß sein kann, was auch bei einer
Wanne großer
Abmessungen eine gute Genauigkeit beim Berechnen ergibt. Die Ausgangswassermasse
wird vom Mikroprozessor gespeichert. Dieser Mikroprozessor stellt
vorzugsweise auch die Regelung der Temperatur und des Drucks sicer.
In ähnlicher
Weise kann eine analoge Elektronik oder eine ASIC verwendet werden,
die eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung ist.
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Anschließend bewirken
die Entnahmen und Wiedererhitzungen geringe Temperaturunterschiede und
Störungen,
die der Genauigkeit einer einfachen Ermittlung des Wasserstands
gemäß der vorherigen Formel
schaden. Es wird somit bevorzugt, die bei jeder Entnahme herausgenommene
Wassermasse zu berechnen und diese von der Ausgangswassermasse gemäß der Formel
m = m0 – Durchsatz × Entnahmezeit
abzuziehen. Dieses ist dadurch möglich
geworden, dass in den meisten Anwendungsfällen, der vom Druck abhängigen Durchsatz
praktisch nur durch die Lastverluste des Gebrauchsgeräts begrenzt
ist und je nach Gebrauchsbedingungen sehr wenig variiert. Beispielsweise
hängt der
Dampfdurchsatz eines Bügeleisens
wenig von der Art ab, wie das Bügeleisen
auf den Stoff aufgesetzt wird; der Druck des Dampfs der Wanne von
beispielsweise drei bar ist sehr viel höher als der zum Durchsetzen
der Stoffe notwendige Druck. Dieser Druck entspannt sich im Wesentlichen
in den verschiedenen Leitungen und Öffnungen der Einrichtung. Hingegen
variiert der Druck und somit der Durchsatz stark mit der Temperatur
der Wanne. Der Mikroprozessor liefert ein für den Wasserstand repräsentatives
Signal.
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Vorzugsweise
bestimmen die Mittel den Durchsatz in Abhängigkeit von der Temperatur
der Wanne.
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Da
der Druck ein sättigender
Dampfdruck ist, ist er unmittelbar mit der Temperatur der Wanne
verbunden. Das Berechnen des Durchsatzes, das mit dem Druck durch
einen Funktion verbunden ist, die nur von konstruktiven Anordnungen
des Geräts
abhängen,
ist möglich.
Vorzugsweise wird eine Entsprechungstabelle des bei verschiedenen
Temperaturen der Wanne im Arbeitsbereich gemessenen Dampfdurchsatzes
erstellt. Diese Tabelle wird durch die elektronische Einrichtung
gespeichert, und der Momentanwert des Durchsatzes wird ausgehend
von dieser Tabelle in Abhängigkeit
von der Momentantemperatur der Wanne bestimmt. Der Vorteil dieser Berechnung
ist es, dem Benutzer, der aufgrund eines Sollwerts handelt, zu ermöglichen,
Anpassungen großer
Amplitude der Temperatur und des Drucks vorzunehmen. Auf diese Weise
kann der Benutzer den Durchsatz seines Geräts variieren, ohne dass dies
die Bestimmung des Wasserstands beeinträchtigt.
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In
einer Ausführungsform
weist der Generator einen Drucksensor auf, und die Mittel berechnen den
Durchsatz in Abhängigkeit
von dem Druck in der Wanne.
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Die
Berechnung ist somit unmittelbarer. Vorzugsweise wird eine Entsprechungstabelle
des Durchsatzes und des Drucks im Betriebsnutzbereich erstellt.
Diese Tabelle wird in der elektronischen Einrichtung gespeichert,
und der Momentanwert des Durchsatzes wird ausgehend von dieser Tabelle
berechnet.
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Selbstverständlich könnte in
einer Verwendung des Generators, in welcher die anderen Verwendungsbedingungen
variabel, gegenüber
dem Durchsatz bestimmend sowie bekannt wären, der Durchsatz in Abhängigkeit
dieser momentanen Umständen
korrigiert werden. Er könnte
beispielsweise in Abhängigkeit
des allmählichen Öffnens einer Öffnung zur
Entnahme des Wassers korrigiert werden.
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Die
Wanne des Generators ist mit einem Heizelement ausgestattet, der
mit einer im Wesentlichen konstanten und bekannten Leistung funktioniert.
Die Schwankungen der Heizleistung, die als Folge von Netzschwankungen
oder von Schwankungen von einem Heizelement zu einem anderen in
einer Serienherstellung festzustellen sind, bleiben normalerweise für die erstrebte
Genauigkeit in annehmbaren Grenzen. Wenn jedoch eine hohe Genauigkeit
gewünscht ist,
ist es möglich,
bekannte elektronische Mittel zur Messung von Spannung, sogar von
verbrauchter Leistung hinzuzufügen,
um als Konsequenz dieser Schwankungen den berechneten Durchsatz
zu korrigieren.
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Vorzugsweise
zeigt die Visualisierungseinrichtung den Stand als einen Wert bezüglich des Stands
der vollen Wanne an.
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Die
Angabe des Einfüllprozentsatzes
ist für den
Benutzer besser lesbar als die Angabe eines absoluten Werts.
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Das
für den
Wasserstand repräsentative
Signal kann geeignet sein, um jedes analoge oder digitale Anzeigemittel,
beispielsweise einen digitalen Anzeiger zu steuern, der einen Wert
zwischen Null und Hundert anzeigt. Vorzugsweise ist Null für eine leere Wanne
und Hundert für
eine volle Wanne repräsentativ.
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Das
Signal kann analog sein und einen Nadelgalvanometer betätigen. Der
volle Ausschlag wird dann für
die volle Wanne und kein Ausschlag für eine leere Wanne erreicht
oder umgekehrt. Piktogramme zeigen dann die Richtung des Ausschlags
für die
volle Wanne.
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Vorzugsweise
ist der Anzeigebereich in mehrere nebeneinanderliegende Bereiche
aufgeteilt, die vorgegebenen Abständen entsprechen, in welchen sich der
augenblickliche Stand befinden kann, wobei jeder Bereich mit einer
Anzeigeleuchte versehen ist.
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Die
Anzeigeleuchte kann eine Leuchtdiode oder beispielsweise ein Element
eines Flüssigkristallbildschirms
sein.
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Die
Anzeigeleuchten sind nebeneinander so angeordnet, dass sie eine
Einfüllskala
darstellen. Jede Anzeigeleuchte ist erregt, wenn sich der Stand in
dem ihr entsprechenden Intervall befindet. Die Anzeigeleuchten und
die Intervalle sind so angeordnet, dass sich die Skala allmählich von
einem Ende zum anderen ein- und ausschaltet, wenn der Stand von 100
% auf 0 % übergeht.
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Die
Anzahl der Anzeigeleuchten kann sehr groß sein, wobei die Standanzeige
dann beinahe kontinuierlich ist, oder sehr gering und beispielsweise auf
vier beschränkt,
wobei lediglich angezeigt wird, ob die Füllung ein Viertel oder die
Hälfte
oder drei Viertel des Fassungsvermögens erreicht hat, oder ob die
Füllung
voll ist.
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Der
Generator weist vorzugsweise eine Anzeigeleuchte oder ein akustisches
Signal zum Melden des Leerstands der Wanne auf, die/das durch die Mittel
zum Erfassen des Leerstands der Wanne und/oder die Einrichtung zum
Erfassen des Stands angesteuert ist, wenn der Stand eine vorbestimmte Schwelle
unterschreitet.
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Diese
Einrichtung ermöglicht
dem Benutzer, das vollständige
Anhalten des Betriebs vorwegzunehmen. Die Anzeigeleuchte zeigt dann
einen Betrieb auf Wasservorrat bis zum Anhalten der Dampferzeugung.
Die Zündschwelle
der Anzeigeleuchte kann so festgelegt werden, dass dem Benutzer
vor dem vollständigen
Anhalten der Verdampfung einige Minuten Zeit gelassen werden. Er
kann somit eigene Maßnahmen
treffen, um seine Arbeit unter den besten Bedingungen anzuhalten.
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Die
Erfindung deckt auch ein Verfahren zur Ermitteln des Wasserstands
in einem Dampfgenerator mit einer Wanne ab, die dazu vorgesehen
ist, mit Wasser gefüllt
und anschließend
erhitzt zu werden, um einen Dampf bei einem Druck zu erzeugen, der höher als
der atmosphärische
Druck ist, wobei es darin besteht, einen Ausgangswasserstand in
Abhängigkeit
von der Temperaturkurve beim ersten Erhitzen, bei jeder Entnahme
das Produkt aus dem Massedurchsatz des Wasserdampfs und der Dauer
der Entnahme, welches der als Dampf entnommene Wassermasse entspricht,
sowie jeden Restwasserstand zu berechnen.
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Die
Erfindung wird bei der Durchsicht der folgenden Beschreibung und
der beigefügten
Zeichnungen besser verstanden.
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Die 1 ist
eine schematische Ansicht eines Bügelgeräts mit einem erfindungsgemäßen Generator.
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In
einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung weist der Generator eine zylindrische Wanne 1 auf,
die mit einem elektrischen Heizelement 11, einem Sicherheitsthermoschalter,
einer Einfüllöffnung, die
mit einem Überdruck-Sicherheitsstopfen 12 verschlossen
ist, einer mit einem Elektroventil 13 versehenen Dampfentnahmeöffnung versehen
ist. Das Elektroventil 13 ist von dem den Dampf verwendenden
Gerät 20,
hier einem Bügeleisen
gesteuert, das mit einer Verdampfungssteuerung 21 versehen
ist, die das öffnen
des Elektroventils 13 bewirken kann.
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Eine
elektronische Schaltung 30, die in unmittelbarer Nähe einer
sichtbaren Frontseite des Generators angeordnet ist, fügt maximal
die aktiven Kontrollbausteine sowie die Steuer- und Visualisierungsbausteine
für den
Betrieb zusammen. Die Schaltung 30 unterstützt auch
Leistungsbausteine, die unter anderen auf das Heizelement 11 einwirken. Ein
Mikroprozessor 31 erhält
die Informationen über die
Temperatur der Wanne 1, die durch einen auf dem Boden der
Wanne 1 angeordneten Sensor 14 geliefert sind,
sowie eine Information über
den Öffnungs-
bzw. Schließzustand
des Elektroventils 13. Der Benutzer kann eine Gruppe von
vier in einer Reihe angeordneten Anzeigeleuchten 32 beobachten, die
nacheinander aufleuchten, wenn die Wanne zu einem Viertel bzw. zur
Hälfte
bzw. zu drei Viertel des Fassungsvermögens und maximal gefüllt ist.
Eine sogenannte Wannenleerstandsanzeigeleuchte 33 blinkt
auf, wenn die Wanne zu weniger als 5 % des Maximums gefüllt ist.
Ist die Wanne vollständig
leer, halten die üblichen
Mittel zum Erfassen des Leerstands der Wanne die Anzeigeleuchte 33 dauerhaft aufgeleuchtet.
Die Schaltung 30 unterstützt auch eine Steuerung 34,
die dem Benutzer ermöglicht,
den Durchsatz seines Bügeleisens,
d.h. in Wirklichkeit die Solltemperatur der Wanne 1 zu
regeln.
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Die
weiteren üblichen
Steuerungen und Visualisierungen bei dieser Art von Geräten, wie Ein/Aus-Steuerungen,
Heizstandanzeiger, usw. sind nicht dargestellt.
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Beim
Beginn eines Bügelvorgangs
entfernt der Benutzer den Sicherheitsstopfen 12, füllt die Wanne 1 mit
Wasser und verschließt
sie, zeigt einen gewünschten
Dampfdurchsatz an, indem er auf die Steuerung 34 einwirkt
und setzt das Gerät
unter Spannung. Der Mikroprozessor 31 speichert die vom Sensor 14 ermittelte
Ausgangstemperatur und zählt die
verstreichende Zeit. Gleichzeitig stellt der Mikroprozessor 31 die
Regelung der Temperatur in der Wanne 1 sicher.
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Die
Versorgung des Heizelements ist unterbrochen, wenn der Sensor 14 eine
von der Steuerung 34 gelieferte Temperatur, beispielsweise
115°C anzeigt,
die der Solltemperatur gleich ist. In diesem Augenblick speichert
der Mikroprozessor den Unterschied zwischen der Temperatur des Sensors 14 mit der
Anfangstemperatur und stoppt die Zeitzählung. Aus dem Verhältnis zwischen
dem Temperaturunterschied und der gemessenen Zeit ergibt sich eine Heizgeschwindigkeit,
die es ermöglicht,
die von der Wanne 1 enthaltene Wassermasse zu bestimmen, wobei
die Leistung des Heizelements konstant und bekannt ist.
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Der
Wert dieser Masse wird gespeichert und mit vier Schwellen verglichen,
die jeweils einer Füllung
entsprechen, die im Wesentlichen 5 %, einem Viertel, der Hälfte, drei
Vierteln der in der Wanne 1 maximal zulässigen Wassermasse gleich ist.
Wenn die Wassermenge unter 5 % des möglichen Fassungsvermögens liegt,
wird die Anzeigeleuchte für den
Leerstand der Wanne blinken oder dauerhaft aufleuchten, wenn kein
Wasser übrigbleibt,
wenn aber die Wassermenge unter einem Viertel liegt, leuchtet die
erste Anzeigeleuchte, wenn aber die Wassermenge unter der Hälfte liegt,
leuchtet die zweite Anzeigeleuchte, wenn aber die Wassermenge unter
drei Vierteln liegt, leuchtet die dritte Anzeigeleuchte, sonst leuchtet
die vierte Anzeigeleuchte auf. Der Benutzer verfügt somit über eine zufriedenstellende
Anzeige der Größenordnung
der Füllung
seiner Wanne.
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Für etwas
kompliziertere Geräte
kann die Anzahl der Schwellen und der Anzeigeleuchten oder Anzeiger
ohne weiteres erhöht
werden, um die insgesamt gewünschte
Anzeigegenauigkeit zu erhalten.
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Beim
Benutzen des Bügeleisens 20 betätigt der
Benutzer die Steuerung 21, um Dampf zu erhalten. Der Mikroprozessor 31 zählt dann
die Öffnungszeit
des Elektroventils 13, berechnet den Massedurchsatz in
Abhängigkeit
von der vom Sensor 14 gelesene Temperatur und berechnet
die als Dampf entnommene Wassermenge. Diese entnommene Menge wird
von der gespeicherten Menge abgezogen, die der Ausgangsmenge bei
der ersten Entnahme entspricht. Am Ende einer jeden Entnahme wird
die Anzeige durch Vergleich der gespeicherten Wassermenge mit den
Schwellen und wie zuvor angegeben erneut aktualisiert.
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Wenn
die Restwassermenge unter der ersten vorgegebenen Schwelle, beispielsweise
bei 5 % des gesamten Fassungsvermögen liegt, erloschen alle Anzeigeleuchten 32,
und die Anzeigeleuchte 33 zum Melden des Leerstands der
Wanne blinkt. Der Benutzer weiß dann,
dass er nicht über
eine große Wasserautonomie
verfügt,
und kann jedoch seine Arbeit unter den besten Bedingungen unterbrechen, nachdem
er das gerade anstehende Wäschestück zu Ende
gebügelt
hat. Der Benutzer wird nicht durch ein unpassendes Anhalten des
Verdampfens überrascht, was
die Anzeigeleuchte 33 zum dauernden Aufleuchten bringen
würde.
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Falls
die Wanne 1 leer ist, bleibt die Anzeigeleuchte 33 aufgeleuchtet,
und das Heizelement 11 ist ausgeschaltet, bis der Benutzer
das Gerät
vollständig
anhält,
um es erneut zu füllen
und einen Bügelvorgang
erneut zu starten.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
wird die digital gespeicherte Wassermasse in ein analoges Signal
zur dessen Anzeige umgewandelt. Ein Nadelgalvanometer zeigt dann
dem Benutzer den Wasserstand an. Gleichwohl wird der gespeicherte Wert
mit einer Mindestschwelle verglichen, um die Anzeigeleuchte zum
Melden des Leerstands der Wanne wie zuvor zu steuern.
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Gemäß einer ähnlichen
Ausführung
wird die Ausgangswassermasse m0 durch die
Aufheizdauer t zwischen zwei vorgegebenen Temperaturen bestimmt,
die über
der Umgebungstemperatur und unter der niedrigsten Solltemperatur
liegt, die der Benutzer anzeigen kann, beispielsweise zwischen 40°C und 80°C.
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Gemäß einer
weiteren Ausführung
wirkt die Steuerung 34 auf die mittlere Leistung des Heizelements 11 ein.
Beim Einschalten erhitzt sich die Wanne 1 bis zu einer
vorgegebenen Solltemperatur, und bei den Entnahmen ist das Heizelement 11 dann
mit einer verringerten Leistung versorgt, um einem Dampfdurchsatz
zu entsprechen, der unter dem möglichen
Maximum liegt. Der Druck und die Temperatur können dann abfallen, die Vorrichtung
zum Ermitteln des Wasserstands, die die momentane Temperatur berücksichtigt,
ist jedoch dazu geeignet, mit dieser Art der Regelung eine einwandfreie
Meldung zu liefern.
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Es
ist zu sehen, dass die große
Flexibilität dieser
Vorrichtung es ihr ermöglicht,
sich an zahlreiche Arten der Regelung anzupassen.
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Weitere
zahlreiche bekannte Verfahren zum Anzeigen des Wasserstands sind
im Rahmen der wie in den Ansprüchen
definierten Erfindung möglich,
die es ermöglicht,
diesen Wasserstand wirtschaftlich und genau zu bestimmen. Die mit
dieser Vorrichtung versehenen Dampfgeneratoren bringen dem Benutzer einen
erheblichen Gebrauchskomfort ein.