DE69300646T2 - Verfahren zur Herstellung eines Durchlauferhitzers für Ausgabevorrichtung für warme Getränke. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wasser-Durchlauferhitzers für Spender von heißen Getränken, wie Kaffee oder Tee, wobei der Wassererhitzer einen rohrförmigen elektrischen Heizkörper, der zu einem U geformt wurde, und ein Wasserdurchlaufrohr aufweist, welches durch Schweißen mechanisch und thermisch mit dem Heizkörper verbunden wird.
• Ein solcher Wassererhitzer wird beschrieben in DE-U-89 05 005.
• Allgemein wird das Wasserdurchflußrohr durch Schmelzen eines Zusatzmetalls an den Heizkörper gelötet, was eine gute Haftung bewirkt. Der Nachteils des Hartlötens besteht darin, daß das Zusatzmetall, zum Beispiel eine Aluminium-Silicium-Legierung vom Material des Durchflußrohrs und des Heizkörpers verschieden ist, welche gewöhnlich aus Aluminium hergestellt sind. Das Zusatzmetall muß nämlich einen sehr viel niedrigeren Schmelzpunkt haben (580ºC) als das Material (660ºC). Das Material schmilzt also praktisch nicht; das Zusatzmetall dringt nur durch Kapillarwirkung leicht in das Material ein. Dies bewirkt die Bildung eines diskontinuierlichen Milieus, welches den Durchfluß von Wärmeenergie bremst. Außerdem ist das Hartlöten ein langwieriges und kostspielige Verfahren. Einerseits ist es nämlich nötig, den Heizkörper und das Durchflußrohr mit einer Verbindungsscheibe einzufassen, um die mechanische Verbindung während des Vorgangs des Hartlötens zu gewähren, andererseits müssen die Teile dekapiert (abgebeizt) werden, und das Gefüge Heizkörper- Lötband-Durchflußrohr muß im Ofen (ungefähr zwei Stunden lang) erhitzt werden. Auch ist der Energieverbrauch bei diesem Vorgang sehr hoch. In anderen bekannten Wassererhitzern werden der Heizkörper und das Durchflußrohr mittels Strangpreßverfahren aus einem einzigen Stück geformt und durch eine Scheidewand miteinander verbunden, was eine gute Wärmeleitung ermöglicht. Der Hauptnachteil eines solchen Vorgangs besteht darin, daß nicht alle gewünschten Formen und Größen für das durch die Scheidewand, den Heizkörper und das Durchflußrohr gebildete Doppelrohr verwendet werden können. Das Biegen des Rohrs zu einem U verlangt nämlich einerseits, daß die Scheidewand eine spezielle Länge und Lage hat und verbietet andererseits die Verwendung eines Durchflußrohrs mit sehr großem Durchmesser.
• Die Erfindung bezweckt die Behebung dieses Nachteils und besonders die Schaffung eines Verfahrens zum Zusammenfügen des Heizkörpers und des Wasserdurchflußrohrs, welches leicht an die verschiedenen Typen von Kaffeemaschinen angepaßt werden kann, eine hervorragende thermische und mechanische Verbindung garantiert und schnell vor sich geht, wobei gleichzeitig verschiedene Formen und Größen für Heizkörper und Durchflußrohr verwendet werden können.
• Erfindungsgemäß werden der Heizkörper und das Wasserdurchflußrohr separat je nach zwei homothetischen Kreisbögen gebogen, danach werden mittels Lichtbogenschweißen unter Inertgasstrom das Wasserdurchflußröhr und der Heizkörper in einem Bereich zwischen dem Heizkörper und dem Wasserdurchflußrohr miteinander verschweißt.
• So erhält man mittels Lichtbogenschweißen unter einem Inertgasstrom eine gute mechanische Verbindung und eine hervorragende Wärmeleitung zwischen dem Heizkörper und dem Wasserdurchflußrohr. Dieses Verfahren bewirkt nämlich das Schmelzen eines Teils des Materials der zu verschweißenden Teile, und die Materialien der zu verschweißenden Teile oder eventuell diese Materialien und ein externes Zusatzmetall diffundieren ineinander. So durchläuft die Wärmeenergie vom Heizkörper bis zum Wasserdurchflußrohr ein kontinuierliches Milieu. Darüberhinaus fordert dieses Verfahren aufgrund der Wahl des homothetischen Verhältnisses zwischen dem Heizkörper und dem Wasserdurchlaßrohr keine Verwendung von bestimmten Formen und Größen für den Heizkörper und das Durchflußrohr.
• Weiterhin ist dieses Verfahren relativ kostengünstig, denn der Verbrauch an Inertgas, an eventuellem Zusatzmetall und an Strom ist ziemlich gering. Das Verfahren kann im Falle einer Großserienherstellung leicht robotisiert werden. Außerdem ist es ausgesprochen schnell, denn es müssen keinerlei Vorbereitungen getroffen werden, und der Schweißvorgang dauert nur wenige Sekunden.
• Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden weiter erläutert durch die folgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, die sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht. Hierin zeigen:
• Fig.1 schematisch den Herstellungsvorgang des erfindungsgemäßen Wassererhitzers; Fig.2 eine Ansicht von unten eines erfindungsgemäßen Wassererhitzers; Fig.3 einen Schnitt entlang der Linie III-III der Fig.2.
• Das in Fig.1 dargestellte Verfahren dient zur Herstellung eines zum Einbau in einem Spender für heiße Getränke wie Kaffee oder Tee bestimmten Wasser- Durchlauferhitzers mit einem elektrischen Heizkörper 1, welcher zu einem U geformt wurde, und einem Wasserdurchflußrohr 2, das mechanisch und thermisch mit dem Heizkörper verbunden ist.
• Erfindungsgemäß werden der Heizkörper 1 und das Wasserdurchflußrohr 2 separat je nach zwei homothetischen Kreisbögen gebogen; der Heizkörper 1 und das Durchflußrohr 2 werden praktisch nebeneinander in eine provisorische Halte-Vorrichtung D gelegt, und dann mittels Lichtbogenschweißen unter Inertgasstrom das Wasserdurchflußrohr 2 und der Heizkörper 1 miteinander verschweißt. Dazu wird z.B. Argon oder eine Argon-Helium-Mischung verwendet. Das Inertgas verhindert die 0xidbildung auf dem schmelzenden Metall. Der Lichtbogen wird zwischen dem Heizkörper und dem Durchflußrohr und einer Elektrode 3 erzeugt, die in einer Leitung 4 angebracht ist, durch welche das Gas (in Richtung der Pfeile F) strömt, um so einen Schweißbrenner 5 zu bilden.
• Die zu verschweißenden Teile und die Elektrode sind deshalb mit einer Stromquelle 6 verbunden, deren Stromstärke ungefähr 150 A und deren Spannung zwischen 16 und 18 V beträgt. Der Vorteil des Lichtbogenschweißens besteht darin, eine Hitze zu produzieren, die ausreicht, um das Material der zu verschweißenden Teile, z.B. Aluminium, zu schmelzen. So ist es möglich, das Material eines Bereichs der zu verschweißenden Teile ohne Zusatz eines weiteren Metalls einfach zu verschmelzen, wobei sich die Teile so miteinander verbinden, daß ein kontinuierliches Milieu entsteht, das die Wärmeleitung nicht bremst. Im Falle eines Heizkörpers mit vieleckigem Querschnitt wird die durch das Schmelzen der Materialien erzeugte enge Verbindung vorteilhafterweise in einem Winkel des Heizkörpers hergestellt.
• Vorteilhafterweise werden das Durchflußrohr 2 und der Heizkörper 1 jedoch mittels eines Zusatzmetalls 7 verschweißt, welches unter der Einwirkung des Lichtbogens schmilzt. Dieses Zusatzmetall vermengt sich seinerseits mit dem Material der zu verschweißenden Teile, wobei ein kontinuierliches Milieu gebildet wird. So wird für den Fall, daß der Heizkörper und das Wasserdurchflußrohr beide aus Aluminium sind, vorzugsweise ein Zusatzmetall 7 des gleichen Materials verwendet, nämlich aus Aluminium. Gemäß einer weiteren Ausführungsform, bei der der Heizkörper aus vorzugsweise mit einer dünnen Schicht Kupfer gegen 0xidation geschütztem Stahl und das Wasserdurchflußrohr aus Edelstahl ist, wird vorzugsweise ein Aluminiumkupfer (Legierung aus Kupfer + ungefähr 8 % Aluminium) oder ein Zinnkupfer (Legierung aus Kupfer + ungefähr 1 % Zinn) als Zusatzmetall 7 verwendet, welche beide eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit besitzen.
• Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform, wie in Fig.1 gezeigt, liegt das verwendete Zusatzmetall in Form eines aufgespulten Drahts vor, der die Elektrode 3 bildet. Die Elektrode 3 wird von einer Spule 8 z.B. durch motorbetriebene Rollen 9 durch das Innere der Leitung 4 des Schweißbrenners 5 kontinuierlich abgegeben. Im Inneren der Leitung 4, durch welche das Inertgas strömt, wird der Draht durch eine Schiene 10 in Position gehalten, welche auch als elektrischer Kontakt mit der Stromquelle 6 dient.
• Der Lichtbogen wird am freien Ende 11 des Drahts erzeugt (Schweißen vom Typ M.I.G.- Metal Inert Gas).
• Das Wasserdurchflußrohr 2 und der Heizkörper 1 werden während des Schweißvorgangs durch eine provisorische Haltevorrichtung D gehalten, die auch als elektrischer Kontakt mit der Stromquelle 6 dient.
• Gemäß eines weiteren (nicht gezeigten) Ausführungsbeispiels der Erfindung wird das Zusatzmetall kontinuierlich von außerhalb des Schweißbrenners zugeführt und dabei wird eine Wolfram-Elektrode verwendet. (Schweißen vom Typ T.I.G - Tungsten Inert Gas).
• Dieser Herstellungsvorgang kann leicht robotisiert werden. Es reicht nämlich aus, daß der Schweißbrenner von einem (nicht gezeigten) Roboter geführt wird, um der Form des Heizkörpers 1 und des Wasserdurchflußrohres 2 zu folgen, daher kann jedwede Form verwendet werden. Vorteilhafterweise jedoch werden der Heizkörper 1 und das Wasserdurchflußrohr 2 vorher gemäß zweier homothetischer Bögen gebogen. Danach kann entlang dem Zwischenraum zwischen dem Heizkörper und dem Durchflußrohr geschweißt werden, wobei dieser Zwischenraum seinerseits kreisbogenförmig ist. Dadurch ist die Verwendung eines festen Schweißbrenners möglich. Die Haltevorrichtung des Wasserdurchflußrohrs und des Heizkörpers wird dann auf eine drehbare Scheibe gestellt. Es genügt also, die Scheibe gegenüber dem Schweißbrenner während des Schweißvorgangs zu drehen, um eine kreisbogenförmige Schweißnaht zu erhalten. Diese Lösung ist besonders kostengünstig.
• Wie in Fig.2 und Fig.3 besser gezeigt, enthält der Wassererhitzer im übrigen eine Halterung 13 für einen Thermostaten 14 und eine Sicherung 15. Die Halterung 13 wird ebenfalls durch Lichtbogenschweißen unter Inertgasstrom an das Durchflußrohr geschweißt.
• So erreicht man durch die gute Wärmeleitung, welche durch das Lichtbogenschweißen erzielt wurde, eine schnelle Reaktion des Thermostaten 14 und der Sicherung 15, und demnach eine höhere Sicherheit.
• Der in den Figuren 2 und 3 gezeigte und durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Wassererhitzer enthält den Heizkörper 1 und das Wasserdurchflußrohr 2, welche durch eine Schweißnaht 16 miteinander verbunden sind, die durch Schmelzen des Zusatzmetalls 7 aufgebracht wurde.
• Durch die Methode des Lichtbogenschweißens können Teile jedweder Form und Größe verwendet werden und die Schweißnaht 16 kann an einer Stelle, welche ideal für den Erhalt einer guten Wärmeleitfähigkeit ist, angebracht werden.
• In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Heizkörper 1, welcher im allgemeinen anfangs zylindrisch ist, vor dem Biegen so gepreßt, daß er einen vieleckigen Querschnitt erhält. Die Schweißnaht zwischen dem Heizkörper 1 und dem Wasserdurchflußrohr 2 wird dann im Bereich einer Ecke 17 des Heizkörpers 1 so angebracht, daß ein guter Wärmekontakt mit dem Wasserdurchflußrohr erreicht wird.
• Durch die vieleckige Form wird eine ebene obere Fläche erhalten, auf die eine Platte P zum Warmhalten des Aufguß-Getränks aufgelegt werden kann, wodurch die Wärmeleitung zwischen dem Heizkörper und der Platte verbessert werden kann. Außerdem verhindert die vieleckige Form , daß sich der Heizkörper während des Biegens verdreht. In der Praxis wird z. B. ein rechteckiger Querschnitt mit einer Höhe von ungefähr 9 oder 10 mm verwendet.
• Durch das Lichtbogenschweißen können auch Wasserdurchflußrohre verschiedener Größen verwendet werden. Wird der Querschnitt des Rohrs vergrößert, kann die elektrische Leistung und demnach der Wasserdurchfluß erhöht werden, ohne die Temperatur stark zu verändern (ungefähr 95ºC).
• Vorzugsweise wird der Querschnitt des Wasserdurchflußrohrs gemäß einer vertikalen Achse oval geformt, wobei sich die Schweißnaht zwischen dem Durchflußrohr und dem Heizkörper also von einem Bereich einer unteren Ecke 17 des Heizkörpers bis zum mittleren Bereich des Wasserdurchflußrohrs erstreckt. So lösen sich die beim Kontakt mit dem mittleren Bereich 19 entstandenen Dampfbläschen von der Wand ab und steigen in den oberen Bereich auf, wobei Wasser ihren Platz einnimmt, welches so kontinuierlich erneuert wird.
• So kann, während früher gewöhnlich zylindrische Rohre mit einem Innendurchmesser von 9 bis 10 mm für eine Leistung von ungefähr 800 Watt verwendet wurden, hier für eine Leistung von beispielsweise mehr als 1000 Watt ein ovales Rohr verwendet werden mit einer inneren Breite I von 10 bis 12 mm und einer Innenhöhe h von 14 bis 16 mm.
• Tatsächlich ist es wichtig, die Schweißnaht 16 im mittleren Bereich 19 nahe der halben Höhe des Wasserdurchlußrohrs anzubringen. Dadurch wird der Kontakt zwischen dem Wasser und der seitlichen heißen Region verlängert, da verhindert wird, daß der Wärmedurchfluß im oberen Bereich des Rohrs stattfindet, wo sich ein Dampfkissen bilden würde, welches das Wasser vom heißen Bereich isoliert.
• Im Ausführungsbeispiel ist der Bereich der unteren Ecke 17 ungefähr 9 bis 10 mm von der Warmhalteplatte entfernt, während der mittlere Bereich des Durchflußrohrs 7 bis 8 mm vom oberen Bereich des Durchflußrohrs entfernt ist. Der obere Bereich des Rohrs befindet sich also unterhalb der ebenen oberen Fläche 18 des Heizkörpers und demnach unter der Warmhalteplatte P.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung eines zum Einbau in einen Spender für heiße Getränke wie Kaffee oder Tee bestimmten Wasser-Durchlauferhitzers mit einem rohrförmigen elektrischen Heizkörper (1), welcher zu einem U geformt ist, und einem Wasserdurchflußrohr (2), das mechanisch und thermisch mit dem Heizkörper durch Schweißen verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizkörper (1) und das Wasserdurchflußrohr (2) separat jeweils entsprechend zwei homothetischen Kreisbögen gebogen und danach mittels Lichtbogenschweißen unter Inertgasstrom das Wasserdurchflußrohr (2) und der Heizkörper (1) in einem Bereich zwischen dem Heizkörper und dem Wasserdurchflußrohr miteinander verschweißt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasserdurchflußrohr (2) und der Heizkörper (1) mittels eines durch den Lichtbogen zum Schmelzen gebrachten Zusatzmetalls (7) verbunden werden, wobei der Lichtbogen zwischen dem Durchflußrohr und dem Heizkörper und einer Elektrode (3) erzeugt wird, die in einer Leitung (4) angebracht ist, durch welche das Gas strömt, wodurch ein Schweißbrenner (5) gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzmetall (7) von der gleichen Art wie das Material des Heizkörpers (1) und des Wasserdurchflußrohrs (2) ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Heizkörper (1) und einem Wasserdurchflußrohr (2) aus Aluminium das Zusatzmetall (7) Aluminium ist.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Heizkörper (1) aus Stahl und einem Wasserdurchflußrohr (2) aus Edelstahl das Zusatzmetall (7) ein Aluminiumkupfer ist.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Heizkörper (1) aus Stahl und einem Wasserdurchflußrohr (2) aus Edelstahl das Zusatzmetall (7) ein Zinnkupfer ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzmetall (7) in Form eines aufgewickelten Drahts vorliegt, der die Elektrode (3) bildet, und die Elektrode (3) durch das Innere der Leitung (4) des Schweißbrenners (5) kontinuierlich abgegeben wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzmetall (7) von außerhalb des Schweißbrenners (5) kontinuierlich zugeführt wird und daß eine Wolfram-Elektrode verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Anssprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserdurchlauferhitzer außerdem noch eine Halterung (13) für einen Thermostaten (14) und eine Sicherung (15) aufweist, wobei die Halterung (13) ebenso durch Lichtbogenschweißen unter Inertgasstrom mit dem Wasserdurchflußrohr (2) verbunden wird.