EP0832400B1 - Durchlauferhitzer - Google Patents

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EP0832400B1
EP0832400B1 EP96919519A EP96919519A EP0832400B1 EP 0832400 B1 EP0832400 B1 EP 0832400B1 EP 96919519 A EP96919519 A EP 96919519A EP 96919519 A EP96919519 A EP 96919519A EP 0832400 B1 EP0832400 B1 EP 0832400B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pipe
heater according
flow heater
result
overall
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP96919519A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0832400A1 (de
Inventor
Francesco Illy
Matthias Hell
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Creaholic SA
Original Assignee
Creaholic SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Creaholic SA filed Critical Creaholic SA
Publication of EP0832400A1 publication Critical patent/EP0832400A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0832400B1 publication Critical patent/EP0832400B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24HFLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/10Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium
    • F24H1/12Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium in which the water is kept separate from the heating medium
    • F24H1/14Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium in which the water is kept separate from the heating medium by tubes, e.g. bent in serpentine form
    • F24H1/16Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium in which the water is kept separate from the heating medium by tubes, e.g. bent in serpentine form helically or spirally coiled
    • F24H1/162Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium in which the water is kept separate from the heating medium by tubes, e.g. bent in serpentine form helically or spirally coiled using electrical energy supply
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24HFLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H9/00Details
    • F24H9/0005Details for water heaters
    • F24H9/0042Cleaning arrangements
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28GCLEANING OF INTERNAL OR EXTERNAL SURFACES OF HEAT-EXCHANGE OR HEAT-TRANSFER CONDUITS, e.g. WATER TUBES OR BOILERS
    • F28G5/00Cleaning by distortion

Definitions

  • the invention relates to a water heater according to the preamble of the first Claim.
  • the instantaneous water heater according to the invention can in particular can be used to heat water in coffee machines.
  • the massive electric heating block of conventional coffee machines namely has a large heat capacity and a relative small heating surface so that a large amount of heating energy is supplied to it to heat it up at all, and heating up the massive electric heating block and the water takes a long time, typically longer than 45 s.
  • the invention has for its object liquids in a tube heat a desired temperature, precipitating solid precipitates avoided on the inside of the pipe or without additional Work and material expenses reversed or made more difficult or slowed down shall be.
  • the device is said to be producible using known methods and in known applications, such as in a coffee machine, be usable without the basic sequence of applications change.
  • the object is achieved by the instantaneous water heater according to the invention, as defined in the claims. If there are solid breakdown products from the heated liquid on the inner wall of the inventive Water heater tube, so they will be back after a short time at least partially detached and carried away by the liquid.
  • Instantaneous water heaters either do not calcify at all or slow down as a known instantaneous water heater and can be used, for example, in coffee machines be used.
  • the limescale detachment is caused by movements and / or deformation of the Instantaneous heater tube causes; it is assumed that the pipe is over its entire length or part of it is floating. A layer of lime or other solid precipitation products is relatively stiff, brittle and brittle. If the instantaneous heater tube is moved and / or deformed, so the layer at least partially detaches from the inner tube walls and crumbles into little pieces that are carried away by the liquid become.
  • the movements and / or deformations of the flow heater tube can basically guaranteed by three different tube designs become.
  • the tube can be elastic and by overpressure in the The inside of the pipe can be stretched radially and / or axially.
  • the pipe be flexible and by an external force at at least one of its ends be moved.
  • the tube can be rigid and through an outer Force moves, for example by a vibrating pump itself to vibrate be excited.
  • between static and dynamic modes of action can be distinguished.
  • a liquid to be heated flows through the interior 1 of an inner tube 2 of the instantaneous water heater according to the invention.
  • the inner tube 2 can consist, for example, of aluminum or another metal or of thermally resistant plastic. It can be surrounded by one or more, for example three, inner insulation layers 3-5. These can be required to electrically isolate the inner tube 2 from a heating wire 6 and to ensure operational safety in accordance with the standards of the household electrical industry.
  • the insulation layers 3-5 consist of an electrically insulating, thermally resistant material, for example a high temperature resistant plastic, polyester or glass wool.
  • a heat source in the form of an electrical heating wire 6 on the outside of the inner tube 2 and the insulation layers 3-5 arranged so that the heating wire 6 the liquid can heat in the inner tube.
  • the heating wire 6 is, for example, spiral wrapped around the insulation layers and can, for example, from a NiCr alloy exist.
  • the Insulation layers 3-5 around the heating wire 6 itself instead of around the inner tube 2 to be appropriate; this variant allows a closer winding of the heating wire and by a shorter heating length and better heat transfer.
  • the heating wire 6 shown in Fig. 1 is advantageously designed so that it has a small heat capacity. This property enables a rapid change in temperature of the heating wire 6 and thus facilitates also a quick heating of the liquid in the water heater, so that For example, water with the instantaneous water heater according to the invention can be heated from 20 ° C to approx. 95 ° C in just a few seconds.
  • the type of heat source does not play an essential role in the present invention Role.
  • the liquid could be in the instantaneous water heater according to the invention can also be heated by means other than an electric heating wire, for example with a gas burner.
  • Additional outer insulation layers 7-9 can all be made like a sheath described elements 1-6 include. They ensure thermal Isolation of elements 1-6 from the outside and protect them from mechanical Damage, moisture, dirt, electrical contact and others undesirable external influences.
  • the total pipe 10, consisting of the (partially optional) elements 1-9, is at least limited in all directions perpendicular to the pipe axis bendable and / or at least limited stretchable parallel to the tube axis. These properties ensure that the entire pipe 10 is below the Influence of an internal overpressure and / or external forces moves and / or deformed, which leads to a detachment of lime from the inner pipe walls.
  • the entire pipe 10 can also be designed in other forms, not shown here his; the heating wire 6 could for example be arranged differently or completely eliminated, or the number of insulation layers 3-5 or 7-9 can be one be different.
  • the term "pipe” could be used throughout this document the term "hose" to be replaced.
  • FIGS. 2-12 show various representations according to the invention in schematic representations Precautions by what movements and / or deformations of the entire tube 10 are effected. Doing so will increase the volume the input side of the total pipe 10 input chamber 11, the volume the output side of the total pipe 10 called output chamber 12; in a Coffee machine corresponds to the input chamber 11 of the water storage chamber, the exit chamber 12 of the brewing chamber. Of course, these must be as Chambers designated volumes 11 and 12 no large storage containers be, but can also be, for example, as a tube-like continuation of the Continuous-flow heater total pipe 10 may be formed.
  • the entire pipe 10 is flexible and is deformed by a static overpressure in the interior of the pipe; for example, it has the shape of an expandable and compressible spiral or coil spring.
  • FIG. 2 shows the entire pipe 10 in the idle state, in which the pressure in the pipe interior 1 is equal to the external pressure p 0 .
  • FIG. 3 shows the same overall pipe 10 in the operating state, in which there is a liquid with the pressure p 1 > p 0 inside the pipe. Under the influence of the overpressure p 1 - p 2 , the entire pipe 10 has the tendency to bend straight or to reduce its curvature. If at least one of the two chambers 11 or 12, in this example the exit chamber 12, is movably suspended, the arrangement follows this tendency. The change in location of the exit chamber 12 is indicated in FIG. 3 by an arrow 18. 3, the radius of curvature of the entire tube 10 increases; the resulting change in shape of the entire pipe 10 favors the detachment of lime from the pipe inner walls.
  • FIGS. 4 and 5 show another arrangement according to the invention, in which a flexible overall tube 10 is deformed by a static overpressure in the interior of the tube.
  • FIG. 4 shows a free-hanging overall pipe 10 in the idle state, in which the pressure inside the pipe 1 is equal to the outside pressure p 0 . If the entire tube 10 itself has a negligibly small bending stiffness, its shape in this idle state is largely determined by the forces acting from outside, for example by the gravitational force F g . The overall tube 10 takes approximately the shape that minimizes its total potential energy.
  • FIG. 5 shows the same overall pipe 10 in the operating state in which there is a liquid with the pressure p 1 > p 0 inside the pipe.
  • the overpressure p 1 - p 2 is sufficiently large, for example a few bar, it can considerably increase the bending stiffness of the entire pipe 10.
  • the overall tube 10 then takes on approximately the shape which minimizes the curvatures along the entire tube length. This form in the operating state can differ significantly from that in the idle state; the resulting change in shape favors the detachment of lime from the inner pipe walls.
  • FIGS. 6 and 7 the entire pipe 10 is deformed by a static overpressure in the pipe interior 1.
  • the tube is elastic and is deformed in the radial direction, so that the decalcifying effect according to the invention also applies to a straight tube, for example.
  • FIG. 6 shows the cross section through the inner tube 2 in the idle state, the insulation layers 3-5 and 7-9 and the heater 6 being omitted for the sake of simplicity. It is assumed that a lime layer 13 had already settled on the inner walls of the pipe during the previous operation.
  • the pressure inside the pipe 1 is equal to the outside pressure p 0 ; the pipe diameter is d 0 .
  • Figure 7 shows the same tube 2 in the operating state.
  • a pressure p 1 > p 0 is built up in the liquid inside the tube 1.
  • the overpressure p 1 - p 0 causes the inner tube diameter to increase to d 1 > d 0 ; the lime layer 13 detaches from the inner tube walls and crumbles into small pieces that can be transported away by the liquid.
  • FIGS. 8 and 9 illustrate a dynamic pipe deformation according to the invention using an exemplary embodiment.
  • FIG. 8 shows a flexible overall pipe 10 in the idle state.
  • Input chamber 11, output chamber 12 and total pipe 10 can be arranged practically as desired; the only condition to be met by the arrangement is that the total pipe length 1 must be greater than the distance a between the inlet and outlet chamber.
  • a pump for example located in the inlet chamber 11, begins to build up a pressure p 1 > p 0 in the interior of the pipe, so that a pressure front begins to run from the inlet chamber 11 to the outlet chamber 12.
  • Figure 9 is a snapshot shortly after commissioning.
  • the entire pipe 10 In front of the pressure front at location D, the entire pipe 10 has a low bending stiffness, while the excess pressure p 1 -p 0 behind the location D stiffens the entire pipe and tries to minimize its curvature. Therefore, a wave hump spreads from the input chamber 11 towards the output chamber 12. At the location of the wave hump, the pipe is strongly accelerated and deformed, which results in limescale detachment from the pipe inner walls.
  • FIGS. 1 () and 11 A further embodiment of the invention with a flexible overall tube is shown in FIGS. 1 () and 11.
  • FIG. 10 shows the inlet chamber 11, the entire pipe 10 and the outlet chamber 12 in their normal position.
  • Two important prerequisites are that firstly the length 1 of the entire pipe 10 is greater than the distance a 0 between the inlet chamber 11 and outlet chamber 12 and secondly that the inlet or outlet chamber can be removed from its normal position; otherwise there are no special requirements for the arrangement.
  • one of the two chambers for example the exit chamber 12 is brought out of its normal position by an external force F, the overall pipe 10 assumes a different shape than in the normal position.
  • FIG. 11 one of the two chambers, for example the exit chamber 12
  • the force F increases the distance between the input chamber 11 and the output chamber 12 from a 0 to a 1 > a 0 , so that the curvature along the total pipe length becomes smaller.
  • Such movement and / or deformation of the entire pipe 10 also prevents pipe calcification.
  • This embodiment is motivated by the use of the instantaneous water heater according to the invention in a coffee machine, where the coffee goods in the brewing chamber 12 must be replaced after each coffee preparation; for this purpose the brewing chamber 12 is embedded in a movable part which can be pulled out of the coffee machine.
  • FIG. 12 shows a further dynamic mechanism according to the invention, which counteracts pipe calcification.
  • the entire pipe 10 can also be rigid; it is moved by external forces. Movements of the entire pipe 10 are caused by a pump 14 located in the inlet chamber 11, for example.
  • the shape of the entire tube 10 is immaterial in this embodiment.
  • the pump 14 should be movable or suspended and vibrate during operation, as is the case, for example, with a diaphragm pump. It transmits its vibrations, the direction of which is indicated by an arrow, for example, to the entire pipe 10.
  • the accelerations thus imposed on the entire pipe 10 prevent pipe calcification or promote limescale detachment from the inner pipe walls.
  • the instantaneous water heater according to the invention can be equipped with a control circuit which ensures that the liquid at the pipe end has the desired temperature.
  • Figures 13 and 14 show two variants with control loop.
  • the pipe 15 is shown here without details; it is wrapped with a heating wire 6.
  • a temperature sensor 16 measures the tube temperature T at the end of the tube 15.
  • the temperature of the liquid itself could also be measured at the end of the tube 15 or in the outlet chamber 12.
  • the measured temperature T is a controlled variable for the heating power P H generated by a heating current source 17.
  • the pump 14 promotes a liquid flow ⁇ that is constant over time from the inlet chamber 11 into the outlet chamber 12.
  • the heating power P H is constant over time and the liquid flow ⁇ is variable, ie the temperature T is the controlled variable for the pump power.
  • This variant could prove to be superior to that of FIG. 13.
  • a time-varying liquid flow ⁇ can cause turbulence in the liquid and thus ensure more uniform heating of the liquid and better heat transfer.
  • both the heating power P 11 and the liquid flow ⁇ can be regulated simultaneously.
  • the instantaneous water heater according to the invention consists of an overall pipe 10 through which liquid can flow and a heat source.
  • the entire tube 10 is supported in a floating manner such that it can be moved and / or deformed by an internal overpressure p 1 -p 0 and / or by external forces F.
  • the movements and / or deformations cause undesired precipitation products 13 to detach from the inner tube walls.
  • the invention was stimulated by the need for a non-calcifying water heater in coffee machines.

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Description

Die Erfindung betrifft einen Durchlauferhitzer gemäss Oberbegriff des ersten Patentanspruchs. Der erfindungsgemässe Durchlauferhitzer kann insbesondere zum Erhitzen von Wasser in Kaffeemaschinen eingesetzt werden.
Vorrichtungen zum Erhitzen von Flüssigkeiten in Rohren oder Schläuchen werden beispielsweise in den Patentschriften EP-0 082 025, GB-2 181 628, US-4 156 127 oder US-4 038 519 beschrieben. Ein beträchtlicher Nachteil solcher Durchlauferhitzer ist ihre Verunreinigung durch das Ausfällen von in der Flüssigkeit gelösten Stoffen. Bekanntlich ist die Löslichkeit stark temperaturabhängig. Wird nun die Temperatur einer Lösung im Rohr erhöht, so kann die Löslichkeit herabgesetzt werden; die gelösten Stoffe werden ausgefällt und schlagen sich an den Rohrinnenwänden nieder. Dies führt zu Rohrverengungen und schlimmstenfalls gar zur Rohrverstopfung. So enthält beispielsweise Leitungstrinkwasser, das für die Kaffeezubereitung verwendet wird, je nach geographischem Standort mehr oder weniger ablagerfähige Anteile, im folgenden auch "Kalk" genannt. Beim Erhitzen des Leitungswassers von ca. 20 °C Zimmertemperatur auf ca. 95 °C Siedetemperatur fällt der Kalk aus und setzt sich an den Rohrinnenwänden nieder; starke Kalkablagerung ist ab ca. 60 °C zu beobachten.
Das Problem der Rohrverkalkung erschwert oder verhindert in vielen Fällen den Einsatz von Durchlauferhitzern zum Erhitzen von Leitungswasser. Die betreffenden Durchlauferhitzerrohre müssten nämlich regelmässig und relativ häufig entkalkt oder ersetzt werden, was unerwünschte Betriebsunterbrüche, Arbeitsaufwand und Materialkosten verursachen würde. Aus diesen Gründen wird zum Beispiel in herkömmlichen Kaffeemaschinen das Wasser schon am Ausgang einer Wasservorratskammer mit einem massiven Elektroheizblock erhitzt. Das heisse Wasser fliesst zuerst durch ein Steigrohr in die Brühkammer, dann durch das in der Brühkammer befindliche Kaffeegut und schliesslich über ein Filter in den Kaffeekrug. Aus Energiespar- und aus Zeitgründen erscheint das Erhitzen des Elektroheizblocks für eine einmalige Kaffeezubereitung nicht als sinnvoll. Der massive Elektroheizblock herkömmlicher Kaffeemaschinen weist nämlich eine grosse Wärmekapazität und eine relativ kleine Heizfläche auf, so dass ihm eine grosse Heizenergie zugeführt werden muss, um ihn überhaupt aufzuheizen, und das Aufheizen des massiven Elektroheizblocks und des Wassers lange, typischerweise länger als 45 s, dauert.
Zur Entfernung von Kalkablagerungen von Rohrinnenwänden wurde schon vorgeschlagen, das Rohr einem radial wirkenden Druck auszusetzen, so bspw. in der Patentschrift DE-A-176 202. Durch den Druck wird ein auch nur leicht elastisches Rohr deformiert; da Kalkablagerungen an und für sich unelastisch sind, werden sie dabei von den Rohrinnenwänden abgesprengt. Zur Verstärkung dieses Effektes waren in der Patentschrift DE-A-606 028 elastische Rohrwände mit mehreren Ruhelagen vorgesehen. Bei einem durch radialen Druckwechsel hervorgerufenen Übergang von der einen Ruhelage in die andere erleiden die Rohrwände faltenreiche Umformungen, wodurch die Kalkabsprengung begünstigt wird. Solche Einrichtungen sind jedoch wegen ihrer speziellen Bauform und der teilweise aufwendigen Mechanismen zur Druckänderung kostspielig und für viele Anwendungen ungeeignet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Flüssigkeiten in einem Rohr auf eine gewünschte Temperatur zu erhitzen, wobei ein Niederschlag fester Ausfällprodukte an den Rohrinnenwänden vermieden bzw. ohne zusätzlichen Arbeits- und Materialaufwand rückgängig gemacht oder erschwert bzw. verlangsamt werden soll. Die Vorrichtung soll mit bekannten Verfahren herstellbar und in bekannten Anwendungen, wie beispielsweise in einer Kaffeemaschine, einsetzbar sein, ohne den grundsätzlichen Ablauf der Anwendungen zu verändern.
Die Aufgabe wird gelöst durch den erfindungsgemässen Durchlauferhitzer, wie er in den Patentansprüchen definiert ist. Falls sich feste Ausfällprodukte aus der erhitzten Flüssigkeit an der Innenwand des erfindungsgemässen Durchlauferhitzerrohrs niederschlagen, so werden sie nach kurzer Zeit wieder wenigstens teilweise abgelöst und von der Flüssigkeit weggetragen. Der erfindungsgemässe Durchlauferhitzer verkalkt also entweder gar nicht oder langsamer als bekannte Durchlauferhitzer und kann beispielsweise in Kaffeemaschinen eingesetzt werden.
Die Kalkablösung wird durch Bewegungen und/oder Verformungen des Durchlauferhitzerrohrs bewirkt; dabei wird vorausgesetzt, dass das Rohr über seine gesamte Länge oder über einen Teil davon schwimmend gelagert ist. Eine Schicht aus Kalk bzw. anderen festen Ausfällprodukten ist relativ steif, spröd und brüchig. Wird das Durchlauferhitzerrohr bewegt und/oder verformt, so löst sich die Schicht von den Rohrinnenwänden wenigstens teilweise ab und zerbröckelt in kleine Stücklein, die von der Flüssigkeit weggetragen werden.
Die Bewegungen und/oder Verformungen des Durchlauferhitzerrohrs können grundsätzlich durch drei verschiedene Ausfühungsformen des Rohrs gewährleistet werden. Erstens kann das Rohr elastisch sein und durch Überdruck im Rohrinnern radial und/oder axial gedehnt werden. Zweitens kann das Rohr biegsam sein und durch eine äussere Kraft an mindestens einem seiner Enden bewegt werden. Drittens kann das Rohr starr sein und durch eine äussere Kraft bewegt, beispielsweise durch eine vibrierende Pumpe selbst zu Vibrationen angeregt, werden. Ausserdem kann bei diesen Ausführungsformen zwischen statischen und dynamischen Wirkungsweisen unterschieden werden.
Im folgenden wird der erfindungsgemässe Durchlauferhitzer anhand von Figuren detailliert beschrieben. Dabei zeigen:
Fig. 1
den zwecks klarerer Darstellung schichtweise offengelegten Durchlauferhitzer in perspektivischer Ansicht,
Fig. 2 und 3
die Verformung eines spiralförmigen biegsamen Rohrs durch einen statischen Überdruck im Rohrinnern,
Fig. 4 und 5
die Verformung eines freihängenden biegsamen Rohrs durch einen statischen Überdruck im Rohrinnern,
Fig. 6 und 7
die Verformung eines elastischen Rohrs in radialer Richtung durch einen statischen Überdruck im Rohrinnern,
Fig. 8 und 9
die dynamische Verformung eines biegsamen Rohrs durch eine sich im Rohrinnern ausbreitende Druckfront,
Fig. 10 und 11
die Verformung eines biegsamen Rohrs durch eine von einer äusseren Kraft verursachte Bewegung eines Rohrendes,
Fig. 12
die von einer Pumpe verursachte Vibration eines starren Rohrs und
Fig. 13 und 14
zwei Ausführungen des Durchlauferhitzers mit Regelkreis in schematischer Darstellung.
Im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 fliesst eine zu erhitzende Flüssigkeit durch das Innere 1 eines Innenrohrs 2 des erfindungsgemässen Durchlauferhitzers. Das Innenrohr 2 kann beispielsweise aus Aluminium oder einem anderen Metall oder aus thermisch beständigem Kunststoff bestehen. Es kann von einer oder von mehreren, hier beispielsweise drei, inneren Isolationsschichten 3-5 umgeben sein. Diese können benötigt werden, um das Innenrohr 2 von einem Heizdraht 6 elektrisch zu isolieren und die Betriebssicherheit gemäss den Normen der Haushaltselektroindustrie zu gewährleisten. Die Isolationsschichten 3-5 bestehen aus einem elektrisch isolierenden, thermisch beständigen Material, beispielsweise einem hochtemperaturbeständigen Kunststoff, Polyester oder Glaswolle.
In der hier dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist eine Wärmequelle in der Form eines elektrischen Heizdrahtes 6 aussen am Innenrohr 2 und den Isolationsschichten 3-5 so angeordnet, dass der Heizdraht 6 die Flüssigkeit im Innenrohr erhitzen kann. Der Heizdraht 6 ist beispielsweise spiralförmig um die Isolationsschichten gewickelt und kann beispielsweise aus einer NiCr-Legierung bestehen. In einer anderen Ausführungsform können die Isolationsschichten 3-5 um den Heizdraht 6 selbst anstatt um das Innenrohr 2 angebracht sein; diese Variante erlaubt eine engere Wicklung des Heizdrahtes und darurch eine kürzere Heizlänge und bessere Wärmeübertragung.
Der in Fig. 1 dargestellte Heizdraht 6 wird vorteilhafterweise so ausgelegt, dass er eine kleine Wärmekapazität aufweist. Diese Eigenschaft erfmöglicht eine schnelle Temperaturänderung des Heizdrahtes 6 und erleichtert damit auch ein schnelles Erhitzen der Flüssigkeit im Durchlauferhitzer, so dass beispielsweise Wasser mit dem erfindungsgemässen Durchlauferhitzer innerhalb von wenigen Sekunden von 20 °C auf ca. 95 °C erhitzt werden kann. Die Art der Wärmequelle spielt aber für die vorliegende Erfindung keine wesentliche Rolle. Die Flüssigkeit könnte im erfindungsgemässen Durchlauferhitzer auch mit anderen Mitteln als mit einem elektrischen Heizdraht erhitzt werden, zum Beispiel mit einem Gasbrenner.
Weitere, äussere Isolationsschichten 7-9 können wie ein Mantel alle bisher beschriebenen Elemente 1-6 umfassen. Sie gewährleisten eine thermische Isolation der Elemente 1-6 gegen aussen und schützen sie vor mechanischer Beschädigung, Feuchtigkeit, Schmutz, elektrischem Kontakt und anderen unerwünschten äusseren Einflüssen.
Das Gesamtrohr 10, bestehend aus den (teilweise fakultativen) Elementen 1-9, ist in allen Richtungen senkrecht zur Rohrachse mindestens beschränkt biegbar und/oder parallel zur Rohrachse mindestens beschränkt dehnbar. Diese Eigenschaften gewährleisten, dass sich das Gesamtrohr 10 unter dem Einfluss eines inneren Überdrucks und/oder äusserer Kräfte bewegt und/oder verformt, was zu einer Ablösung von Kalk von den Rohrinnenwänden führt. Das Gesamtrohr 10 kann auch in anderen, hier nicht gezeigten Formen ausgeführt sein; der Heizdraht 6 könnte beispielsweise anders angeordnet sein oder ganz entfallen, oder die Anzahl Isolationsschichten 3-5 bzw. 7-9 kann eine andere sein. Der Begriff "Rohr" könnte in dieser gesamten Schrift auch durch den Begriff "Schlauch" ersetzt werden.
Die Figuren 2-12 zeigen in schematischen Darstellungen verschiedene erfindungsgemässe Vorkehrungen, durch welche Bewegungen und/oder Verformungen des Gesamtrohrs 10 bewirkt werden. Dabei wird das Volumen auf der Eingangsseite des Gesamtrohrs 10 Eingangskammer 11, das Volumen auf der Ausgangsseite des Gesamtrohrs 10 Ausgangskammer 12 genannt; in einer Kaffeemaschine entspricht die Eingangskammer 11 der Wasservorratskammer, die Ausgangskammer 12 der Brühkammer. Selbstverständlich müssen diese als Kammern bezeichneten Volumina 11 und 12 keine grossen Vorratsbehälter sein, sondern können auch beispielsweise als rohrartige Fortsetzungen des Durchlauferhitzer-Gesamtrohrs 10 ausgebildet sein.
In den Figuren 2 und 3 ist das Gesamtrohr 10 biegsam und wird durch einen statischen Überdruck im Rohrinnern verformt; es hat hier beispielsweise die Form einer dehn- und stauchbaren Spirale oder Schraubenfeder. Figur 2 zeigt das Gesamtrohr 10 im Ruhezustand, in welchem der Druck im Rohrinnern 1 gleich dem Aussendruck p0 ist. Figur 3 zeigt dasselbe Gesamtrohr 10 im Betriebszustand, in welchem sich im Rohrinnern eine Flüssigkeit mit dem Druck p1 > p0 befindet. Unter dem Einfluss des Überdrucks p1 - p2 hat das Gesamtrohr 10 die Tendenz, sich geradezubieben bzw. seine Krümmung zu verringern. Ist mindestens eine der beiden Kammern 11 oder 12, in diesem Beispiel die Ausgangskammer 12, beweglich aufgehängt, so folgt die Anordnung dieser Tendenz. Die Ortsänderung der Ausgangskammer 12 ist in Fig. 3 durch einen Pfeil 18 angedeutet. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, vergrössert sich der Krümmungsradius des Gesamtrohrs 10; die resultierende Formänderung des Gesamtrohrs 10 begünstigt die Ablösung von Kalk von den Rohrinnenwänden.
Die Figuren 4 und 5 zeigen eine andere erfindungsgemässe Anordnung, in welcher ein biegsames Gesamtrohr 10 durch einen statischen Überdruck im Rohrinnern verformt wird. Figur 4 zeigt ein frei hängendes Gesamtrohr 10 im Ruhezustand, in welchem der Druck im Rohrinnern 1 gleich dem Aussendruck p0 ist. Falls das Geamtrohr 10 selbst eine vernachlässigbar kleine Biegesteifigkeit aufweist, wird seine Form in diesem Ruhezustand weitgehend durch die von aussen angreifenden Kräfte, beispielsweise durch die Gravitationskraft Fg, bestimmt. Das Gesamtrohr 10 nimmt annähernd diejenige Form an, welche seine totale potentielle Energie minimiert. Figur 5 zeigt dasselbe Gesamtrohr 10 im Betriebszustand, in welchem sich im Rohrinnern eine Flüssigkeit mit dem Druck p1 > p0 befindet. Wenn der Überdruck p1 - p2 genügend gross, beispielsweise einige bar, ist, so kann er die Biegesteifigkeit des Gesamtrohrs 10 erheblich erhöhen. Das Gesamtrohr 10 nimmt dann annähernd diejenige Form an, welche die Krümmungen entlang der ganzen Rohrlänge minimiert. Diese Form im Betriebszustand kann sich wesentlich von derjenigen im Ruhezustand unterscheiden; die resultierende Formänderung begünstigt die Ablösung von Kalk von den Rohrinnenwänden.
Auch in den Figuren 6 und 7 wird das Gesamtrohr 10 durch einen statischen Überdruck im Rohrinnern 1 verformt. Bei diesem Beispiel ist das Rohr aber elastisch und wird in radialer Richtung verformt, so dass die erfindungsgemässe entkalkende Wirkung beispielsweise auch bei einem geraden Rohr zum Tragen kommt. Figur 6 zeigt den Querschnitt durch das Innenrohr 2 im Ruhezustand, wobei die Isolationsschichten 3-5 und 7-9 sowie die Heizung 6 der Einfachheit halber weggelassen wurden. Es wird angenommen, dass sich während des früheren Betriebs an den Rohrinnenwänden bereits eine Kalkschicht 13 niedergesetzt habe. Der Druck im Rohrinnern 1 ist gleich dem Aussendruck p0; der Rohrdurchmesser beträgt d0. Figur 7 zeigt dasselbe Rohr 2 im Betriebszustand. In der im Rohrinnern 1 befindlichen Flüssigkeit wird ein Druck p1 > p0 aufgebaut. Der Überdruck p1 - p0 bewirkt eine Vergrösserung des Innenrohrdurchmessers auf d1 > d0; die Kalkschicht 13 löst sich dabei von den Rohrinnenwänden und zerbröckelt in kleine Stücklein, die von der Flüssigkeit wegtransportiert werden können.
Im Gegensatz zu den oben diskutierten statischen Rohrverformungen illustrieren die Figuren 8 und 9 eine erfindungsgemässe dynamische Rohrverformung anhand eines Ausführungsbeispiels. Figur 8 zeigt ein biegsames Gesamtrohr 10 im Ruhezustand. Eingangskammer 11, Ausgangskammer 12 und Gesamtrohr 10 können praktisch beliebig angeordnet sein; die einzige von der Anordnung zu erfüllende Bedingung ist, dass die Gesamtrohrlänge 1 grösser sein muss als die Entfernung a zwischen Eingangs- und Ausgangskammer. Bei der Inbetriebnahme beginnt eine beispielsweise in der Eingangskammer 11 befindliche Pumpe einen Druck p1 > p0, im Rohrinnern aufzubauen, so dass eine Druckfront von der Eingangskammer 11 zur Ausgangskammer 12 zu laufen beginnt. Die Figur 9 ist eine Momentaufnahme kurz nach der Inbetriebnahme. Vor der Druckfront am Ort D hat das Gesamtrohr 10 eine geringe Biegesteifigkeit, während der Überdruck p1 - p0 hinter dem Ort D das Gesamtrohr versteift und seine Krümmung zu minimieren versucht. Deshalb breitet sich ein Wellenbuckel von der Eingangskammer 11 in Richtung Ausgangskammer 12 aus. Am Ort des Wellenbuckels wird das Rohr stark beschleunigt und verformt, was eine Kalkablösung von den Rohrinnenwänden zur Folge hat.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit biegsamem Gesamtrohr ist in den Figuren 1() und 11 dargestellt. Figur 10 zeigt Eingangskammer 11, Gesamtrohr 10 und Ausgangskammer 12 in ihrer Normallage. Zwei wichtige Voraussetzungen sind, dass erstens die Länge 1 des Gesamtrohrs 10 grösser ist als die Entfernung a0 zwischen Eingangskammer 11 und Ausgangskammer 12 und dass zweitens die Eingangs- oder Ausgangskammer aus ihrer Normallage entfernbar sind; ansonsten werden keine besonderen Anforderungen an die Anordnung gestellt. Wird nun, wie in Figur 11 dargestellt, eine der beiden Kammern, beispielsweise die Ausgangskammer 12, durch eine äussere Kraft F aus ihrer Normallage gebracht, so nimmt das Gesamtrohr 10 eine andere Form an als in der Normallage. Im Beispiel von Fig. 11 vergrössert die Kraft F die Entfernung zwischen Eingangskammer 11 und Ausgangskammer 12 von a0 auf a1 > a0, so dass die Krümmung entlang der totalen Rohrlänge kleiner wird. Auch eine solche Bewegung und/oder Verformung des Gesamtrohrs 10 verhindert die Rohrverkalkung. Diese Ausführungsform ist durch die Anwendung des erfindungsgemässen Durchlauferhitzers in einer Kaffeemaschine motiviert, wo nach jeder Kaffeezubereitung das in der Brühkammer 12 befindliche Kaffeegut ausgewechselt werden muss; zu diesem Zweck ist die Brühkammer 12 in einem beweglichen Teil eingebettet, der aus der Kaffeemaschine herausgezogen werden kann.
Die Figur 12 zeigt einen weiteren erfindungsgemässen dynamischen Mechanismus, welcher einer Rohrverkalkung entgegenwirkt. Bei dieser Ausführungsform kann das Gesamtrohr 10 auch starr sein; es wird durch äussere Kräfte bewegt. Bewegungen des Gesamtrohrs 10 werden durch eine beispielsweise in der Eingangskammer 11 befindliche Pumpe 14 verursacht. Die Form des Gesamtrohrs 10 ist in dieser Ausführungsform unwesentlich. Die Pumpe 14 soll beweglich oder fliegend aufgehängt sein und während des Betriebs vibrieren, wie dies zum Beispiel eine Membranpumpe tut. Sie überträgt ihre Vibrationen, deren beispielsweise Richtung mit einem Pfeil angedeutet ist, auf das Gesamtrohr 10. Die so dem Gesamtrohr 10 aufgezwungenen Beschleunigungen verhindern eine Rohrverkalkung bzw. begünstigen die Kalkablösung von den Rohrinnenwänden.
Der erfindungsgemässe Durchlauferhitzer kann mit einem Regelkreis ausgestattet sein, welcher gewährleistet, dass die Flüssigkeit am Rohrende die gewünschte Temperatur aufweist. Die Figuren 13 und 14 zeigen zwei Varianten mit Regelkreis. Das Rohr 15 ist hier ohne Details dargestellt; es ist von einem Heizdraht 6 umwickelt. Ein Temperatursensor 16 misst die Rohrtemperatur T am Ende des Rohres 15. In einer anderen Ausführungsform könnte auch die Temperatur der Flüssigkeit selbst am Ende des Rohres 15 oder in der Ausgangskammer 12 gemessen werden. In der Anordnung von Fig. 13 ist die gemessene Temperatur T Regelgrösse für den von einer Heizstromquelle 17 erzeugte Heizleistung PH. Dabei fördert die Pumpe 14 einen zeitlich konstanten Flüssigkeitsstrom Φ von der Eingangskammer 11 in die Ausgangskammer 12.
Demgegenüber ist in der Anordnung von Fig. 14 die Heizleistung PH zeitlich konstant und der Flüssigkeitsstrom Φ veränderlich, d. h. die Temperatur T ist Regelgrösse für die Pumpleistung. Diese Variante könnte sich derjenigen von Fig. 13 überlegen erweisen. Ein zeitlich variierender Flüssigkeitsstrom Φ kann nämlich Turbulenzen in der Flüssigkeit verursachen und damit eine gleichmässigere Erwärmung der Flüssigkeit und eine bessere Wärmeübertragung gewährleisten. In einer weiteren Ausführungsform können sowohl Heizleistung P11 als auch Flüssigkeitsstrom Φ gleichzeitig geregelt werden.
Zusammengefasst besteht der erfindungsgemässe Durchlauferhitzer aus einem mit Flüssigkeit durchströmbaren Gesamtrohr 10 und einer Wärmequelle. Das Gesamtrohr 10 ist derart schwimmend gelagert, dass es durch einen internen Überdruck p1 - p0 und/oder durch äussere Kräfte F bewegbar und/oder verformbar ist. Die Bewegungen und/oder Verformungen bewirken eine Ablösung unerwünschter Ausfällprodukte 13 von den Rohrinnenwänden. Die Erfindung wurde durch den Bedarf nach einem nicht-verkalkenden Durchlauferhitzer für Wasser in Kaffeemaschinen angeregt.

Claims (18)

  1. Durchlauferhitzer, bestehend aus einem mit Flüssigkeit durchströmbaren Gesamtrohr (10) und einer Wärmequelle (6), dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung von Ablagerungen (13) im Rohrinnern das Gesamtrohr (10) derart beweglich aufgehängt ist, dass es durch einen internen Überdruck (p1 - p0) und/oder durch äussere Kräfte (F) bewegbar und/oder verformbar ist.
  2. Durchlauferhitzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtrohr (10) elastisch und durch internen Überdruck (p1 - p0) oder durch äussere Kräfte (F) radial und/oder axial dehnbar ist.
  3. Durchlauferhitzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtrohr (10) biegsam und durch internen Überdruck (p1 - p0) oder durch äussere Kräfte (F) bewegbar ist.
  4. Durchlauferhitzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtrohr (10) starr ist und durch äussere Kräfte (F) bewegbar ist.
  5. Durchlauferhitzer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtrohr (10) durch äussere Kräfte (F) zu Vibrationen anregbar ist.
  6. Durchlauferhitzer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Geamtrohr (10) direkt an einer beweglich oder fliegend aufgehängten Pumpe (14) angeschlossen ist, deren Vibrationen während des Betriebs auf das Rohr übertragbar sind.
  7. Durchlauferhitzer nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtrohr (10) die Form einer dehn- und stauchbaren Spirale oder Schraubenfeder hat.
  8. Durchlauferhitzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (6) eine elektrische Heizung ist.
  9. Durchlauferhitzer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtrohr (1()) aus einem Innenrohr (2), mindestens einer Isolationsschicht (3-5), mindestens einem elektrischen Heizdraht (6) mit kleiner Wärmekapazität und mindestens einer äusseren Isolationsschicht (7-9) besteht.
  10. Durchlauferhitzer nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Regelkreis und einen Temperatursensor (16) am Ende des Rohrs (15) oder in der Ausgangskammer (12) aufweist.
  11. Durchlauferhitzer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Temperatursensor (16) gemessene Temperatur (T) Regelgrösse für die Heizleistung (PH) ist.
  12. Durchlauferhitzer nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Temperatursensor (16) gemessene Temperatur (T) Regelgrösse für die Leistung der Pumpe (14) ist.
  13. Durchlauferhitzer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (2) aus Aluminium oder einem anderen Metall besteht.
  14. Durchlauferhitzer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (2) aus thermisch beständigem Kunststoff besteht.
  15. Durchlauferhitzer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschichten (3-5, 7-9) aus mindestens einem elektrisch isolierenden, thermisch beständigen Material bestehen.
  16. Durchlauferhitzer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizdraht (6) aus einer NiCr-Legierung besteht.
  17. Verwendung des Durchlauferhitzers nach einem der Ansprüche 1-16 in einer Kaffeemaschine mit einer Wasservorratskammer (11) und einer Brühkammer (12), dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtrohr (10) die Wasservorratskammer mit der Brühkammer verbindet.
  18. Verwendung des Durchlauferhitzers nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kaffeemaschine das Gesamtrohr (10) direkt an der Brühkammer (12) befestigt ist und beim Öffnen der Brühkammer bewegt und/oder verformt wird.
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