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Die
Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zur Verwendung insbesondere
von heißem Wasser
und/oder Dampf zur Vernichtung von Pflanzenwuchs und ein handgehaltenes
Gerät zur
Abgabe von erhitztem Wasser.
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HINTERGRUND
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Ein
Unkraut ist allgemein als Pflanze definiert, die an einer Stelle
wächst,
wo sie nicht benötigt wird.
Die Vernichtung von Unkraut kann auf vielerlei Weise erfolgen: durch
Ausreißen,
Bedecken, herbizide Chemikalien, Verbrennen oder Verbrühen mit
heißem
Wasser, Dampf oder beidem. Diese Verfahren haben jeweils in bestimmten
Anwendungssituationen verfahrenseigene Nachteile; herbizide Chemikalien können beispielsweise
für andere
Lebensformen schädliche
Rückstände hinterlassen
oder von der Zielpflanze auf wertvolle Pflanzen verweht werden. Verbrennen
kann zerstörerische
Brände
verursachen.
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Im
US Patent 5385106 wird ein Unkrautvernichtungssystem beschrieben,
bei dem heißes
Wasser oder Dampf alleine oder in Kombination mit einem Herbizid
zur Unkrautvernichtung eingesetzt wird. Diese Vorrichtung ist Teil
eines handgezogenen Karrens, so dass sie zwar buchstäblich „tragbar", jedoch schwer und
unhandlich ist und darum nicht einfach als „handgehalten" bezeichnet werden
kann.
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In
US Patent 4501952 wird ein Flüssigkeitserhitzer
zur Anwärmung
von Farben, Lacken, Firnissen und anderen Sprühbeschichtungsstoffen beschrieben,
die bei einer erhöhten
Temperatur aufzutragen sind, um ihre Viskosität ausreichend herabzusetzen,
dass die Lack-/Firnisflüssigkeit
aufgetragen werden kann. Obwohl diese Vorrichtung als zum allgemeinen
Hintergrund gehörig
betrachtet werden kann, lässt
sie sich nicht wirklich auf Wassererhitzvorrichtungen anwenden.
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Dieses
gilt andererseits für
die UK Patentschrift 2122511. Hier werden eine Unkrautvernichtungsvorrichtung
und ein zugehöriges
Verfahren der bekannten Technik beschrieben, welche heißes Wasser
verwenden. Der Beschreibung zufolge wird die Flüssigkeit damit auf etwa den
Kochpunkt erhitzt. Es wird dazu jedoch eine große Menge Wärmeenergie verwendet.
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Das
bevorzugte Verfahren der vorliegenden Erfindung hinterlässt aufgrund
der Verwendung von heißem
Wasser keine Rückstände, und
obwohl am Einsatzort Energie notwendig ist, ist zur Rohstoffversorgung,
d.h. für
das Wasser, keine besondere Energie erforderlich.
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Es
ist sehr sinnvoll, die von einer Heißwasserabgabevorrichtung verbrauchte
Wärmeenergiemenge
zu reduzieren, denn Wasser hat eine hohe spezifische Wärme und
der Vorgang des Wasserkochens verbraucht noch mehr Wärme. Der
Energieverbrauch wird immer als Nachteil der Unkrautbekämpfung mit
heißem
Wasser betrachtet, doch ist zu bedenken, dass dieser äußerst sichtbar
ist, während die
Energiekosten für
Herstellung oder Entsorgung von Unkrautvernichtungsmitteln unsichtbar
bleiben.
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ZIEL
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung
zur Bereitstellung von heißem
Wasser durch ein tragbares Herbizidgerät zu bieten oder dem Verbraucher
zumindest eine nützliche
Wahlmöglichkeit
zu geben.
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ERFINDUNGSAUSSAGE
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Die
Erfindung bietet ein tragbares Wassererhitzgerät in der Anordnung eines Stabes
mit einem Griff an einem ersten Ende, das bei der Benutzung von
einer stehenden Person an diesem Griff gehalten werden kann, und
welches in der Lage ist, einen zur Vernichtung von Pflanzenwuchs
geeigneten Wasserfluss etwa um den Kochpunkt zu erzeugen, wobei das
Gerät einen
Wassereinlass am oder nahe am Griff zum Anschluss an eine Wasserquelle,
eine Wassererhitzvorrichtung und eine Ausgangsdüse an einem zweiten Ende des
Stabes umfasst, wobei eine Vorrichtung zur Begrenzung des Wasserflusses durch
die Wassererhitzvorrichtung besteht; die Wassererhitzvorrichtung
umfasst eine elektrische Heizvorrichtung und eine Vorrichtung zur
Ermittlung zumindest der Wassertemperatur am Ausgang, wo das Wasser
die elektrische Heizvorrichtung verlässt, sowie eine Vorrichtung
zur Regelung der elektrischen Leistung, die der Wassererhitzvorrichtung
zugeführt wird,
um die Temperatur des erhitzten Wasser, das den Ausgang verlässt, zu
regeln, wobei der Wasserfluss durch den Stab so erfolgt, dass im
Gebrauch das Wasser vom Griff zum Ausgang hin und dann aufwärts durch
die elektrische Heizvorrichtung fließt und diese in der Nähe des Griffs
verlässt,
woraufhin das nunmehr erhitzte Wasser an die Abgabedüse geleitet
wird.
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Bevorzugterweise
umfasst die Wassererhitzvorrichtung ein erstes Heizelement zur Erhöhung der Eingangswassertemperatur
sowie ein zweites Heizelement, das den Wasserfluss vom ersten Heizelement
empfangen kann, wobei das zweite Heizelement zumindest durch einen
temperaturempfindlichen Regler in Thermalkontakt mit einem Ausgang für erhitztes
Wasser regelbar ist, so dass das zweite Heizelement in der Lage
ist, das Wasser nach Bedarf weiter zu erhitzen und die Wassertemperatur
am Ausgang auf der gewünschten
Temperatur zu halten.
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Bevorzugterweise
erhöht
das erste Heizelement die Eingangswassertemperatur bei typischen Durchflussgeschwindigkeiten
auf ca. 75–85°C.
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Bevorzugterweise
erhöht
das zweite Heizelement die Temperatur des Wasserflusses des weiteren
innerhalb eines typischen Durchflussgeschwindigkeitsbereichs und/oder
innerhalb eines Bereichs von Eingangswassertemperaturen auf zwischen
95 und 100°C.
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Bevorzugterweise
umfasst die Vorrichtung zur Regelung der elektrischen Leistung,
die der Wassererhitzvorrichtung zugeführt wird, einen elektronischen
Regler, der die Leistungsstufe, die der elektrischen Heizvorrichtung
zugeführt
wird, in Reaktion auf die ermittelte Wassertemperatur am Ausgang
regelt.
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Bevorzugterweise
führt der
Regler maximale Leistung zu, wenn die Wassertemperatur am Ausgang
unter einem vorbestimmten ersten Grenzwert liegt, und weniger als
maximale Leistung, wenn die Wassertemperatur am Ausgang oberhalb
dieses vorbestimmten ersten Grenzwerts liegt.
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Bevorzugterweise
umfasst die elektrische Heizvorrichtung ein einziges Widerstandsheizelement
von ca. 2 kW Leistung, das von einer Koaxialröhre umgeben ist, durch welche
das Wasser fließen kann.
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Höchst bevorzugterweise
ist das Format der verbrauchten elektrischen Leistung mit dem Haushaltsnetzstrom
kompatibel, beispielsweise 2 kW bei 230 V Wechselstrom.
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Bevorzugterweise
wird die Flussgeschwindigkeit des Wassers begrenzt, so dass verfügbare Energiemengen
in der Lage sind, die Abgabetemperatur so weit zu erhöhen, dass
sie im bevorzugten Temperaturbereich liegen.
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Bevorzugterweise
ist die Erfindung mit Sicherheitsvorrichtungen ausgestattet, die
die Elektrizitätsversorgung
im Falle der Überhitzung
unterbrechen können.
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Bevorzugterweise
ist die Erfindung mit Sicherheitsvorrichtungen ausgestattet, die
die Elektrizitätsversorgung
im Falle einer gefährlichen
Menge von Stromleckage in das Wassersystem unterbrechen können.
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ZEICHNUNGEN
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Es
folgt eine Beschreibung einer bevorzugten Form der Erfindung, die
lediglich als Beispiel angeführt
ist, unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen.
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1:
zeigt den Schaltkreis eines Stabes, wobei der Wasserfluss graphisch
dargestellt ist.
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2:
zeigt das Verhältnis
der beiden Heizelemente zum Wasserfluss.
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3:
zeigt die Bestandteile eines Stabes in Einzelteile aufgelöst.
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4:
zeigt ein Verdrahtungsschema für
einen elektronischen Temperaturregler zur Verwendung im zweiten
Ausführungsbeispiel.
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ERSTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
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Dieses
erste Ausführungsbeispiel
wird unter Bezugnahme auf ein verbessertes handgehaltenes Gerät in Form
eines Stocks oder Stabes mit einem Griff an einem Ende beschrieben,
das mit Leitungswasser und einphasigem Netzstrom arbeitet und am anderen
Ende einen Wasser- bzw. Dampffluss abgibt.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
werden ein Thermostat und zwei Heizelemente verwendet (im zweiten
Ausführungsbeispiel
wird dagegen ein elektronischer Regler statt eines Thermostats verwendet, und
es kann wahlweise nur ein Heizelement oder mehrere umfassen).
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Das
erste Ausführungsbeispiel,
wie in 1 bis 3 dargestellt, hat einen Haupterhitzer,
der die Temperatur des einlaufenden Wassers von seinem Ausgangswert
(der je nach Standort irgendwo zwischen Null und 30 Grad liegen
kann) bei einer bevorzugten Wasserflussgeschwindigkeit um ca. 60
Grad erhöht,
sowie einen zweiten, geregelten Erhitzer nach dem Haupterhitzer,
der das Wasser gerade so weit erhitzt, dass es die Solltemperatur
(vorzugsweise 95°C)
erreicht, die durch einen voreingestellten Thermostat in der Nähe der Abgabestelle
des zweiten Erhitzers bestimmt wird. Typischerweise schließt er seine
Kontakte bei 95°C
und öffnet
sie bei 100°C. Eine
bevorzugte Thermostatmarke ist „Clickson"TM, doch gleichwertige
Alternativen können
ebenfalls benutzt werden.
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Das
Hauptheizelement ist vorzugsweise etwa drei Mal so leistungsstark
wie das geregelte Heizelement, und angesichts der Begrenzungen einer
typischen Haushaltsstromquelle benutzen wir bevorzugt ein Widerstandselement
von etwa 1,5 kW in dem Haupterhitzer und ein Widerstandselement
von 0,5 kW in dem geregelten Erhitzer, so dass die Gesamtbelastung
des Stromnetzes unter zehn Ampere liegt. Der Thermostat regelt eine
relativ geringe Widerstandsbelastung und sollte daher von langer
Lebensdauer sein. Bevorzugte handelsübliche Bauteile haben eine
Nennleistung von Millionen von Betriebszyklen.
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Angesichts
einer begrenzten Höchstenergiezufuhr
wird der Wasserfluss, der in das Erhitzungssystem eintritt, vorzugsweise
so geregelt, dass die Abgabe weder innerhalb des Hauptheizelements
verkocht (wie bei niedriger Flussgeschwindigkeit) noch zu kühl am Ausgang
ist (wie bei zu hohem Durchfluss). Ein Druckminderventil in dem
Stab sorgt für ausreichend
Durchflussregelung. Zum Zwecke des Überhitzungsschutzes (falls
der Durchfluss beim Gebrauch unzureichend würde) ist ein Überhitzungsschalter
in Serie mit beiden Heizelementen vorgesehen, und falls dieser ausfällt, ist
außerdem
auch eine Wärmesicherung,
die auf ca. 180°C
eingestellt ist, in Serie mit beiden Heizelementen vorgesehen.
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Frühere Versionen
dieses Stabes nutzten eine vom Benutzer modifizierte Durchflussregelung (mit
einem einstellbaren Druckventil), um die Temperatur des abgegebenen
Wassers indirekt zu regeln. Diese war jedoch unzureichend; beispielsweise
wurde die Abgabetemperatur bei einer bestimmten Flussgeschwindigkeit
auch von der Eingangstemperatur bestimmt, und es bestand eine erhebliche
Zeitverzögerung
zwischen dem Augenblick, wo die Anpassung vorgenommen wurde, und
der Auswirkung (eine bestimmte Abgabetemperatur, die nach Augenmaß zu ermessen
war), wodurch das Gerät
relativ schwer zu benutzen war.
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Demzufolge
stellt die Entwicklung eines Stabes für die Unkrautbekämpfung (oder
andere Anwendungen) mit heißem
Wasser, der eine Wasserabgabe mit einer eingestellten Temperatur
erzeugen kann, auch wenn unterschiedliche Bedingungen in Bezug auf Eingangstemperaturen
und Durchflussgeschwindigkeiten vorliegen, eine Verbesserung gegenüber früheren Versionen
dar. Außerdem
kann er einen Bereich von Eingangsspannungen ausgleichen. Die dem
Stab zur Verfügung
stehende Spannung hängt von
der Gesamtbelastung dieser Phase ab und auch von der Länge des
jeweils benutzten Verlängerungskabels.
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1 zeigt
ein Beispiel eines Schaltkreises 100 für einen Stab, wobei der Wasserfluss
(Pfeile) ebenfalls graphisch dargestellt ist. 101 ist der
Phasendraht von einem Anschlussteil oder Ansatz, und 102 ist
der neutrale oder Rückdraht,
obwohl diese natürlich
austauschbar sind und beide eine ähnliche Spannung führen können, wenn
ein Isoliertransformator benutzt oder das Gerät von zwischen zwei Phasen
angetrieben wird. Erdung ist nicht dargestellt. In einigen Ländern wird
doppelte Isolierung als zu erfüllende
Norm bevorzugt. Wenn ein Erdungsdraht erforderlich ist, würde er am
Außenschutz über dem
Erhitzerabschnitt angeschlossen. (Bezüglich der Erdung wäre es auch
möglich,
als zusätzliche
Sicherheitsvorrichtung einen Stromungleichgewichtssensor in den
Stab oder in das zum Stab führende Stromkabel
einzubauen). Die Phasenleitung 101 verläuft durch einen An-Aus-Schalter 103,
und die Kontrolllampe 104 zeigt an, wenn der Strom angeschlossen
ist. Punkt 105 ist eine Wärmesicherung, die bei Temperaturen über beispielsweise
180°C ein
offener Kreis wird (und bleibt). Punkt 106 ist ein (umkehrbarer) Überhitzungsschalter,
der als Sicherheitsmerkmal vorgesehen ist, falls Strom ohne Wasserfluss
zugeführt
wird, und der typischerweise bei ca. 120°C ausschaltet. Punkt 107 ist
ein Heizelement von 1,5 kW, das normalerweise eingeschaltet ist,
wenn der Schalter 103 geschlossen und der Strom angeschlossen
ist. Punkt 108 ist eine Thermostatbauteil, vorzugsweise
eines, das bei 100°C
schließt
und bei 95°C öffnet, so
dass das zweite Heizelement 109 (typischerweise mit 0,5
kW Nennleistung) unter Thermostatregelung steht. Der Thermostat 108 ist
tatsächlich
im Kontakt mit der Wasserrinne bei etwa 113, nach Ausgang
vom Kontakt mit dem Heizelement 109. Wir bevorzugen, dass
der zweite, geregelte Erhitzer von geringerer Leistung ist, um die
Lebensdauer des Thermostats zu verlängern und, wenn möglich, die
Reaktionszeit zu verkürzen.
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Wasser
fließt
von einem Einlass 110 durch ein Druckminderventil 111 durch
eine Röhre,
die die beiden Heizelemente 107 und 109 umgibt,
und tritt aus einer Düse 114 aus.
Der Düsenwiderstand
und der geregelte Druck innerhalb der Röhre 112 bestimmen
eine annährende
Durchflussgeschwindigkeit. Die eigentliche Flussrichtung ist jedoch
nicht so einfach – siehe 2.
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In 2 sind
die beiden Wärmeaustauscheinheiten
und die beiden Heizelemente 107 und 109 mit Wasserröhren in
den relativen Stellungen, die sie in dem Stab einnehmen, dargestellt.
Zu beachten ist die Richtung des Wasserflusses, die von den Pfeilen
angegeben wird. Die Düse 114 befindet sich
unterhalb des Pfeils unten links. Die Markierung 113 veranschaulicht
den Wasserabfluss aus dem kleineren, geregelten Element und zeigt
annähernd die
Position des Thermostats, der den Stromfluss durch den kleineren,
geregelten Wärmetauscher
um das Element 109 regelt. Wasser fließt von der Röhre oben
rechts ein und in den abhängigsten
Teil des größeren Wärmetauschers.
Dann fließt
es aufwärts durch
die Verbindungsröhre 112 in
den kleinerem Wärmetauscher,
der ein geregeltes Heizelement aufweist. Es ist zu beachten, dass
der obere Wärmetauscher
nur auf der Zeichnung oben offen, in der Praxis jedoch oben geschlossen
ist. Auf der Zeichnung ist das Heizelement 109 innerhalb
des Wärmetauschers dargestellt.
Die Röhre 305 (siehe 3),
die in Thermalkontakt mit dem Heizelement und mit dem zu erhitzenden
Wasser ist, ist hier nicht dargestellt.
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In 3 ist
ein Stab der Erfindung in seine Einzelteile aufgelöst dargestellt.
In dieser Zeichnung ist nur ein Erhitzer/Wärmetauscher/Umgebungsrohr darstellt. 300 und 301 sind
die beiden Hälften
eines Griffes aus geformtem Kunststoff, die den Stromschalter 103 und
einen Schlaucheinlass 110 enthalten sowie ein Wasserdruckventil 111.
In früheren Ausführungsbeispielen
war dieses Wasserdruckventil als Temperaturregelvorrichtung oder
als Ausgleich von Eingangstemperatur oder Spannung von außen verstellbar.
Die Röhre 302 umgibt
den gesamten Heizabschnitt des Stabes und kann 600 mm bis zu 1 Meter
lang sein, abhängig
in gewissem Maße
vom Zielmarkt. Allgemein misst der Stab von der Düse 114 (innerhalb
des Düsenschutzblechs 303)
bis zum Griff etwa 1 Meter. Punkt 304 ist eine Röhre, gewöhnlich aus
Kupfer oder Edelstahl hergestellt, die das werkseitig hergestellte
Heizelement 107 umgibt, das einen Chromnickeldraht umfasst,
der von Mineralisolierung innerhalb einer Metallröhre umgeben
ist. In einem Prototyp benutzten wir eine spiralig geschmiedete
Wärmeaustauschoberfläche oder
-röhre 305, die
eng über
das Element angepasst war, aber das ist nicht unbedingt notwendig.
Wasser fließt
durch den Zwischenraum zwischen 304 und 305. Die
Röhre 114 stellt
den Auslass vom Wärmetauscher
dar (es ist zu beachten, dass sie am entfernten Ende des Austauschers
in der Nähe
des Thermostats 108 austritt). Die Düse würde an die Stelle der Markierung 114 angebracht.
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Es
ist zu beachten, dass das Wasser in diesen Stäben vom Griff zum niedrigsten
Teil des Heizelements, und dass das erhitzte Wasser vom höchsten Punkt
die ganze Länge
des Stabes hinab zur Düse
geleitet wird. Damit soll gewährleistet
werden, dass im Falle des Kochens am wenigsten Wasser verdrängt wird.
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Dieser Stab umfasst:
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- (1) Wasser, das entlang der Außenseite von einem oder mehreren
Heizelementen des Widerstandserhitzertyps (typischerweise Chromnickeldraht
innerhalb eines Mineralisolators, umgeben von einer harten Metallröhre) fließt.
- (2) Der Wasserfluss beginnt am Griff, wird zum abhängigsten
Ende der Erhitzerkette geleitet, tritt aus den Erhitzern in der
Nähe des
Griffs aus und wird von einer Röhre
wieder nach unten zur abhängigen
Düse geleitet.
Der Stab wird natürlich
so benutzt, dass der Griff sich höher als der Boden befindet
und die Wasserflussrichtung gestattet, dass bei einem Kochvorgang
Dampf statt kochendem Wasser abgegeben wird, wenn der eingehende
Wasserfluss reduziert wird und die Wassertemperatur vorübergehend
mehr als 100°C
beträgt.
- (3) Der Griff wurde ergonomisch zur Benutzung durch links- oder
rechtshändige
Personen gestaltet.
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Zahlenangaben:
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Energieeingabe
besteht aus Elektrizität:
230 V, bis zu 10 A.
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Wassereinlauf
umfasst 21 Liter pro Stunde, bei einem Druck von vorzugsweise 45
Pfund je Quadratzoll und einer Eingangstemperatur von nominal 15°C. Bei der
Abgabe liegt die Wassertemperatur bei 95°C.
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Der
Durchmesser der Abgabedüse
ist 0,63 mm.
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Da
das Gerät
wärmeisoliert
ist, wird die gesamte von den Heizelementen abgegebene Wärme an das
Wasser abgegeben, womit im Wesentlichen eine Energierückgewinnungsleistung
von 100% (bei Konstantbedingungen) gegeben ist. Natürlich ist
es wünschenswert,
Stromverlängerungskabel
mit reichlicher Nennleistung zu benutzen (niedriger Widerstand relativ
zum Erhitzerwiderstand), so dass der Spannungsabfall durch das Kabel
gering ist. Diese Bedingung gilt vor allem in Ländern, wo amerikanische Versorgungsnormen
benutzt werden; 117 V Wechselstrom Einphasensteckdosen.
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ZWEITES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
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In
diesem Ausführungsbeispiel
wird ein elektronischer Regler, wie in 4 abgebildet,
statt des Thermostats von 1 benutzt.
Es kann mit zwei oder mehr Heizelementen ausgestattet werden, aber es
hat sich herausgestellt, dass es am Besten mit einem einzigen 2
kW-Heizelement benutzt wird, das sich über die Länge des Stabes erstreckt. Der
Schaltkreis von 4 und sein Haupttemperatursensor kann
Punkt 108 in 3 ersetzen, während alle
anderen Teile gleich bleiben (außer Röhre 305, die nicht benötigt wird).
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Der
Stab 302 ist ein handgehaltenes Werkzeug, das einem dicken
Spazierstock ähnelt,
der über
ein 10 Amp Verlängerungskabel
mit einer Stromquelle von 220–240V,
50–60
Hz verbunden und über
ein Schnappanschlussteil an einen Gartenschlauch angeschlossen wird.
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Das
Schlauchwasser läuft
durch ein Kupferrohr 304, an dessen Zentralachse Heizelemente) 107 mit
2 kW verlaufen. Vorzugsweise ist das ein einziger 2 kW Widerstandserhitzer,
aber zwei oder mehr Elemente können,
falls erwünscht,
benutzt werden. Das Abgabewasser wird durch eine Düse 114 auf
einen feinen Strahl begrenzt, und das Einlasswasser läuft durch
einen Druckregler, um eine konstante Wasserflussgeschwindigkeit
zu gewährleisten.
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Ein
elektronischer Regler benutzt einen Sensor, der in der Nähe des Erhitzerauslasses
angebracht wird, um die Stromzufuhr zu den Elementen so anzupassen,
dass eine Temperatur des abgegebenen Wassers von knapp unter 100°C aufrechterhalten
wird. Ein zweiter Sensor wird etwa in der Mitte des Elements als
Schutzvorrichtung angebracht, die den Regler ausschaltet, falls
sie ungewöhnlich
hohe Temperaturen ermittelt. Die Stromzufuhr wird dann unterbrochen
und das Wasser sollte vor dem erneuten Anschalten abkühlen dürfen.
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Inbetriebnahme
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Zunächst ist
zu prüfen,
dass Wasserschlauch und Stromkabel lang genug sind, den vorgesehenen
Einsatzort zu erreichen. Der Wasserschlauch ist stets zuerst anzuschließen und
aufzudrehen, so dass Luftlöcher
in der Leitung beseitigt werden, bevor der Schnappverschluss angeschlossen
wird. Beim Betrieb ist der Wasserverbrauch recht gering, so dass
es relativ lange dauert, bis Luftlöcher beseitigt sind. Der Schnappverschluss
ist bei zugedrehtem Wasserhahn anzuschließen, damit kein Wasser auf
den Griff des Stabes spritzt, doch danach sollte die Wasserzufuhr
ständig
an sein, um die Bildung von Luftlöchern zu vermeiden. Es ist
eine Schlauchart zu verwenden, die nicht leicht knickt, da Knicke
den Wasserfluss unterbrechen. Die Wasserabgabe vom Stab sollte konstant
und frei von luftlochbedingten Spritzern sein, bevor die Stromzufuhr
zum Stab angeschlossen wird. Beim Anschalten und beim Gebrauch ist
der Stab so zu halten, dass der Griff deutlich höher liegt als die Sprühdüse, damit
alle Luft aus den Heizröhren
entfernt wird. Nun wird kaltes Wasser zum unteren Teil (in der Nähe der Sprühdüse) geleitet,
und das heiße
Wasser tritt in der Nähe des
Griffs aus dem/den Heizelementen aus, bevor es nach unten zur Düse geleitet
wird. Das bedeutet, dass einlaufendes Wasser Luft aus dem/den Heizelementen
beseitigt. Die Stromversorgung kann hergestellt und angeschaltet
werden, wenn der Wasserfluss regelmäßig ist.
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Elektrischer
Betrieb erfordert eine Startphase, gefolgt vom Betriebsmodus.
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Beim
Anschalten sorgt eine Pause von einer Sekunde dafür, dass
der Regler sich stabilisiert. Dann prüft er die Wassertemperatur.
Wenn sie über 30°C liegt,
wird 80 % Strom, wenn unter 30°C,
dann wird volle Leistung zugeführt.
Dann prüft
der Regler, wie lange es dauert, bis die Temperatur 85°C erreicht,
und schaltet sich für
2,5 Sekunden aus und beginnt dann den Betrieb mit einer Stromleistung,
die der Eingangswassertemperatur gemäß ist. Diese Stromleistung
wird nach Bedarf aufwärts
oder abwärts
angepasst, um eine Temperatur von zwischen 95°C und 100°C aufrechtzuerhalten. Diese
Veränderung
reagiert langsam in Schritten von ca. 3% mit Intervallen von ca.
einer halben Minute.
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Die
Startphase dauert typischerweise eine Minute, doch unter bestimmten
Umständen
kann sie bis zu 1 Minute 40 Sekunden dauern. Heißes Wasser benötigt weniger
Zeit als Kaltwasser.
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Die
Startphase wird von einem Neonlämpchen
am Griff angezeigt. Der überwachte
Anstieg auf 85°C
hat Blinkabstände
von 1 Sekunde, gefolgt von einer 2,5 Sekunden langen Auszeit, dann
Betriebs-Blinkabstände
von ca. 0,6 Sekunden.
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Sollte
sich das Neonlämpchen
aus- und nicht wieder anschalten, hat der Schutzsensor vermutlich eine
zu hohe Temperatur im Erhitzer ermittelt, wahrscheinlich weil der
Wasserfluss zu schwach ist. Dieses wäre eine Sperrbedingung, wo
der Strom ausgeschaltet und der Wasserfluss wiederhergestellt werden
muss. Dann ist das Abgabewasser stark abkühlen zu lassen, bevor der Strom
wieder angeschaltet wird.
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Wenn
der Wasserfluss wiederhergestellt wurde, kann der Strom bedenkenlos
wieder eingeschaltet werden, doch die Startphase nimmt dann an, dass
sehr heißes
Wasser einläuft
und beginnt die Betriebsphase mit sehr geringer Stromleistung, so
dass es viele Minuten dauert, bis die Betriebstemperatur wieder
erreicht wird. Es geht schneller, das Wasser abkühlen zu lassen und die normale
Startphase zu durchlaufen.
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Beim
Betrieb ist die Heißwasserabgabedüse nah an
das Unkraut zu halten, da die Wassertemperatur mit steigender Entfernung
schnell absinkt.
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Um
den Einsatz zu beenden, ist der Strom auszuschalten und das Gerät über eine
Minute abkühlen
zu lassen, bevor das Wasser ausgeschaltet und der Schlauch abgenommen
wird. Das Wasser ist möglichst
aus dem Stab zu entfernen, indem er etwa horizontal gehalten und
dann ein Ende mehrmals langsam nach oben und nach unten gekippt
wird.
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Angaben zum Regler.
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- Siehe Schaltkreisdiagramm von 4.
- 230 V-Phase ist mit J5 verbunden.
- Neutral an J8.
- Heizelemente zwischen J6 und J7.
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Der
Regelsensor (NTC Thermistor) zwischen J3 und J4. Der Sensor hat
einen teflonisolierten Draht in einer Aluminiumumhüllung mit
Iridium-Passivierung.
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Der
Schutzsensor wird zwischen J1 und J2 angeschlossen. Beide Sensoren
sind austauschbar, abgesehen von der Leitungslänge.
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Stromversorgung des Reglers.
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Es
wird eine kapazitive Stromversorgung vom Netzstrom benutzt, wobei
C1 den Brückengleichrichter
D1 mit Wechselstrom versorgt. Widerstand R1 begrenzt den Spitzenstrom
und ist von einem Typ, der Stromspitzen aushält. Kondensator C1 ist vom
Typ X2 mit einer Nennleistung von 250 V Wechselstrom mit selbstheilender
Metallisierung.
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Zener
Z1 begrenzt die Spannung aus dem Brückengleichrichter.
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C2
glättet
Welligkeit und bietet Speicherraum für die Triac-Zündimpulse.
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R2
leitet den Strom in Z2, der die Spannung von Sensorbrücke und
Brückengleichrichter
stabilisiert.
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Der
Regler und die Sensoren bewegen sich um bis zu 13 V oberhalb und
unterhalb der Neutrallinie, da die Brücke in beide Richtungen leitet.
Der Optokuppler U3 isoliert diese Bewegung. Die Widerstände R10
und 11 werden in Serie angeordnet, um den in 240-V-Systemen im Prozess
der Ermittlung von Nulldurchgängen
auftretenden Spannungsspitzen von 340 V zu widerstehen.
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Regler, Allgemeines.
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U2,
der Mikroprozessor, achtet auf Nulldurchgänge des Netzstroms und treibt
den Triac-Zündkreis,
Q1, R12, U3, an.
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Der
Strom wird geregelt, indem Integralzyklen beim Aufwärmen mit
einem Arbeitszyklus von einer Sekunde und beim Betrieb von 0,64
Sekunden an- oder ausgeschaltet werden. Die Betriebsperiode kann
in künftigen
Versionen geändert
werden.
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U2 überwacht
auch die Abgabe der 4 Komparatoren in U1, die die Sensoren mit den
Spannungsteilern in der Sensorbrücke
vergleichen.
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- U1D ist der Regelkomparator.
- U1C ist der Schutzkomparator.
- U1B ist der Regelsensor-Unterbrechungsdetektor.
- U1A ist der Schutzsensor-Unterbrechungsdetektor.
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Der
Mikroprozessor verwendet einen internen R-C-Oszillator, wobei die
Zeitmessungen von den Nulldurchgängen
gesteuert werden.
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Im
Betriebsmodus wird der Strom über
eine 0,64 Sekunden-Periode zugeteilt. Das „An"-Verhältnis ist
etwa für
die nächste
halbe Minute konstant, dann wird die Temperatur geprüft und das „An"-Verhältnis wird
um einen Integralzyklus geändert,
entweder mehr oder weniger, je nach Bedarf. Dieser Prozess wiederholt
sich, bis er entweder vom Schutzsensor unterbrochen oder ausgeschaltet
wird.
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Kartenbeschichtung
wurde verwendet, um die Empfindlichkeit gegen Kondensation in der
Gartenschuppenumgebung herabzusetzen.
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Triac
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Der
Triac wurde in die neutrale Schaltposition gestellt, da wir in Zukunft
womöglich
Direktzündung
verwenden wollen. Die Verwendung des Optokupplers würde „Phasenumschaltung" ermöglichen, falls
das erwünscht
wäre.
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Es
wird ein isolierter Flachstecker-Triac oder ein gekapselter Flachsteckertyp
verwendet. Da beträchtlicher
Wärmeschutz
erforderlich ist, wird der Triac auf eine Kupferplatte montiert,
die mit dem Kaltwasserzuleitungsrohr, welches geerdet ist, verbunden
ist.
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Ein
Trockenisolator bis zu 220 wird unter dem Triac verwendet, um die
Isolierungsspannung zu erhöhen.
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VARIATIONEN
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Wenn
mehr als ein Heizelement verwendet wird, kann der Stab kürzer gestaltet
sein und die Elemente können
nebeneinander angeordnet werden. Doch angesichts der Anforderungen
bezüglich
Wasserfluss und Erhitzung hat sich ein einziger 2 kW starker Erhitzer
als ausreichend erwiesen. Es können
jedoch auch zwei Heizelemente von je 1 kW nacheinander so angeordnet
werden, dass das Wasser in Serie von einem in das andere fließt.
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Das
Reglerelement könnte
beispielsweise mit einem Reglerknopf einstellbar, statt fest auf
95°C eingestellt
zu sein. Bei dem Gerät
könnte
das Wasser auch mittels eines schwarzen, in der Sonne liegenden
Zuleitungsschlauches vorgewärmt
werden, ohne dass die Steuerbarkeit beeinträchtigt würde.
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Ein
Düsenventil
könnte
angebracht werden, das beispielsweise mit einem Auslöser am Griff
verbunden ist, so dass kochendes Wasser nur bei Bedarf austritt,
wenn eine genauere Regelung der Heizelemente installiert ist. Wenn
der Fluss aufhört, steigt
die Temperatur und die Stromversorgung wird entsprechend unterbrochen.
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In
den beschriebenen Ausführungsbeispielen
ist ein Druckventil (111) vorgesehen. Auf dieses könnte möglicherweise
verzichtet werden.
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Die
bisherige Beschreibung betrifft einen Stab für den Haushaltsgebrauch, der
mit einem Gartenschlauch und einem einphasigen Stromkabel betrieben
werden kann. Dieses temperaturgeregelte Stabgerät könnte auch vergrößert werden.
Im Gartenbau könnte
beispielsweise eine Vorrichtung mit Laster oder Traktor benutzt
werden, die einen geeigneten elektrischen Generator, wie etwa einen
Dreiphasengenerator, hat oder einen, der für Schweißzwecke entwickelt wurde (selbstverständlich mit
geeigneten Stabmodifikationen), sowie eine größere Zuleitungsgeschwindigkeit.
Das Wasser könnte
um einen Motorauspuff vorgewärmt
werden. Das wäre nützlich im
Weinbau, in der städtischen
Unkrautbekämpfung
oder für ähnliche
Zwecke.
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VORTEILE
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Diese
beiden Ausführungsbeispiele
bieten:
Abgabe von erhitztem Wasser innerhalb eines geregelten
Temperaturbereichs trotz beträchtlicher
Variationen der Eingangstemperatur;
Abgabe innerhalb eines
geregelten Temperaturbereichs trotz beträchtlicher Variationen der Zuflussgeschwindigkeit.
Abgabe
innerhalb eines geregelten Temperaturbereichs trotz beträchtlicher
Variationen der Netzspannung am Stab.
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Dieses
Verfahren zur Regelung der Abgabetemperatur ist unmittelbarer als
bei anderen Verfahren, wie etwa einer genauen Regelung des Wasserflusses,
zumindest zum Teil deswegen, weil eine Reihe von Variablen (Flussgeschwindigkeit,
Eingangstemperatur, verfügbare
Energiemenge) alle zusammen die Abgabetemperatur beeinflussen, und
damit kann ein Regelkreis einigen oder allen Variationen entgegenwirken.
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Das
gestattet dem gewöhnlichen
Benutzer, den Stab einfach in Gebrauch zu nehmen, auch wenn Wasserzufluss
oder Eingangswassertemperatur schwanken (je nach Jahreszeit, oder
wenn die Sonne auf einen Wärme
absorbierenden Schlauch scheint oder weil der Wasserdruck aufgrund
eines anderen Wasserverbrauchs zeitweilig niedriger ist), oder wenn
die Spannung der Elektrizitätsversorgung schwankt,
etwa aufgrund anderer Stromnachfrage oder weil ein Verlängerungskabel
zum Stromkreis hinzugefügt
wird.
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Ohne
die Regelung der in dieser Erfindung beschriebenen Art könnte die
Abgabetemperatur mitunter wirkungslos sein, oder der Stab könnte das Wasser
zum Kochen bringen, Strom verschwenden und dem Benutzer Schwierigkeiten
bereiten. Ein Stab, der das Wasser zeitweise innen kochen lässt, könnte zumindest
gefährlich
erscheinen.
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Unnötiger Energieverbrauch
wird eingeschränkt.
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Das
einlaufende Wasser kann durch Sonnenenergie vorgewärmt werden,
womöglich
sogar einfach in einem schwarzen Gartenschlauch, ohne die Stabilität des Stabes
zu beeinträchtigen.
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INDUSTRIELLE
ANWENDUNG
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Die
Erfindung kann zur Bekämpfung
von Pflanzenwuchs (im Allgemeinen Unkraut) insbesondere in der Nähe von wertvollen
Nutzpflanzen eingesetzt werden oder an Stellen, wo Sprühverwehungen nachteilige
Auswirkungen haben können.
Die Erfindung sorgt für
sparsamsten Energieverbrauch.
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Abschließend versteht
es sich, dass am Vorstehenden verschiedene Änderungen und Modifikationen
vorgenommen werden können,
ohne vom Umfang der Erfindung wie in den Patentansprüchen dargelegt
abzuweichen.