WO1996041994A1 - Durchlauferhitzer - Google Patents

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WO1996041994A1
WO1996041994A1 PCT/CH1996/000222 CH9600222W WO9641994A1 WO 1996041994 A1 WO1996041994 A1 WO 1996041994A1 CH 9600222 W CH9600222 W CH 9600222W WO 9641994 A1 WO9641994 A1 WO 9641994A1
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WO
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heater according
water heater
pipe
tube
instantaneous water
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PCT/CH1996/000222
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English (en)
French (fr)
Inventor
Francesco Illy
Matthias Hell
Original Assignee
Creaholic Sa
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Publication date
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Priority to JP9502450A priority patent/JPH11515084A/ja
Priority to AU58082/96A priority patent/AU5808296A/en
Priority to DE59601388T priority patent/DE59601388D1/de
Priority to US08/973,795 priority patent/US6192192B1/en
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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 be used in particular for heating water in coffee machines.
  • tap drinking water that is used for the preparation of coffee contains, depending on the geographical location, more or less storable components, hereinafter also referred to as "lime".
  • lime When the tap water is heated from approx. 20 ° C room temperature to approx. 95 ° C boiling temperature, the lime precipitates and settles on the inner walls of the pipe; Heavy limescale can be observed from around 60 ° C.
  • the problem of pipe calcification complicates or in many cases prevents the use of instantaneous water heaters to heat tap water.
  • the instantaneous water heater pipes in question would have to be decalcified or replaced regularly and relatively frequently, which would cause undesired interruptions in operation, labor and material costs.
  • the water is heated with a solid electric heating block at the exit of a water supply chamber.
  • the hot water first flows through a riser pipe into the brewing chamber, then through the coffee goods in the brewing chamber and then borrowed through a filter into the coffee jug.
  • heating the electric heating block for a one-off coffee preparation does not appear to make sense.
  • the massive electric heating block of conventional coffee machines namely has a large heat capacity and a relatively small heating surface, so that it has to be supplied with a large amount of heating energy in order to heat it up at all, and the heating of the massive electric heating block and the water takes a long time, typically longer than 45 s, lasts.
  • the object of the invention is to heat liquids in a tube to a desired temperature, in which case precipitation of solid precipitation products on the inner walls of the tube should be avoided or reversed or made more difficult or slowed down without additional work and material expenditure.
  • the device is said to be producible with known methods and to be usable in known applications, such as in a coffee machine, for example, without changing the basic sequence of the applications.
  • the object is achieved by the instantaneous water heater according to the invention, as defined in the patent claims. If there are solid breakdown products from the heated liquid on the inner wall of the instantaneous heater tube according to the invention, they are at least partially detached again after a short time and carried away by the liquid.
  • the instantaneous water heater according to the invention therefore either does not calcify at all or does not calcify more slowly than known instantaneous water heaters and can be used, for example, in coffee machines.
  • the limescale detachment is brought about by movements and / or deformations of the flow heater tube; it is assumed that the pipe is floating over its entire length or over part of it.
  • a layer of lime or other solid precipitation products is relatively stiff, brittle and brittle. If the continuous-flow heater tube is moved and / or deformed, the layer at least partially detaches from the tube inner walls and crumbles into small pieces that are carried away by the liquid.
  • the tube can be elastic and can be expanded radially and / or axially by excess pressure in the interior of the tube.
  • the tube can be flexible and can be moved by an external force at at least one of its ends.
  • the tube can be rigid and can be moved by an external force, for example excited by a vibrating pump itself, to vibrate.
  • a distinction can be made between static and dynamic modes of action in these embodiments.
  • FIG. 1 is a perspective view of the instantaneous water heater, which is laid out in layers for the purpose of clarity,
  • 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 is arranged on the outside of the inner tube 2 and the insulation layers 3-5 such that the heating wire 6 can heat the liquid in the inner tube.
  • the heating wire 6 is, for example, wound spirally around the insulation layers and can consist, for example, of a NiCr alloy.
  • the insulation layers 3-5 can be applied around the heating wire 6 itself instead of around the inner tube 2; this variant allows a narrower winding of the heating wire and thereby 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 the temperature of the heating wire 6 and thus also facilitates rapid heating of the liquid in the water heater, so that, for example, water can be heated from 20 ° C. to approx. 95 ° C. within a few seconds using the water heater according to the invention.
  • the type of heat source does not play an important role for the present invention.
  • the liquid in the instantaneous water heater according to the invention could also be heated by means other than an electrical heating wire, for example a gas burner.
  • outer insulation layers 7-9 can comprise all of the elements 1-6 described so far. They ensure thermal insulation of the elements 1-6 against the outside and protect them from mechanical damage, moisture, dirt, electrical contact and other undesirable external influences.
  • the entire tube 10 consisting of the (partially optional) elements 1-9, is at least to a limited extent bendable in all directions perpendicular to the tube axis and / or at least to a limited extent parallel to the tube axis. These properties ensure that the entire pipe 10 moves and / or deforms under the influence of an internal overpressure and / or external forces, which leads to a detachment of lime from the inner pipe walls.
  • the overall tube 10 can also be designed in other forms, not shown here; the heating wire 6 could, for example, be arranged differently or be omitted entirely, or the number of insulation layers 3-5 or 7-9 can be different.
  • the term "tube” could also be replaced by the term "hose” throughout this document.
  • FIGS. 2-12 show, in schematic representations, various measures according to the invention, by means of which movements and / or deformations of the entire pipe 10 are brought about.
  • these volumes 11 and 12, referred to as chambers do not have to be large storage containers, but can also be designed, for example, as tubular extensions of the continuous-flow heater overall tube 10.
  • 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,> p 0 inside the pipe. Under the influence of the overpressure pj-p 2 , the overall pipe 10 has the tendency to straighten itself 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.
  • the radius of curvature of the entire pipe 10 increases; the resulting change in shape of the total 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 is largely determined in this idle state the forces acting from the outside, for example determined by the gravitational force F g . The overall tube 10 takes approximately the shape which 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,> p 0 inside the pipe.
  • the overpressure p, -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 tube 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 rest 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.
  • 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. Inlet chamber 11, outlet chamber 12 and overall tube 10 can be arranged practically as desired; the only condition to be fulfilled by the arrangement is that the total pipe length 1 must be greater than the distance a between the inlet and outlet chamber.
  • FIG. 9 is a snapshot shortly after commissioning.
  • the total pipe 10 In front of the pressure front at location D, the total pipe 10 has a low bending stiffness, while the excess pressure p, - p 0 stiffens the overall pipe behind the location D 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. 10 and 11 show 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. If, as shown in FIG. 11, 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. In the example of Fig.
  • the force increases F the distance between the inlet chamber 11 and the outlet chamber 12 from a 0 to a,> 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 have to 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 tube 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 the 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 exit chamber 12.
  • the measured temperature T is a controlled variable for the heating power P ,, generated by a heating current source 17.
  • the pump 14 conveys a time-constant liquid flow ⁇ from the inlet chamber 11 into the outlet chamber 12.
  • the heating power P ⁇ 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 M 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, -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 flow heater for water in coffee machines.

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Abstract

Der Durchlauferhitzer besteht im wesentlichen aus einem elastischen, biegsamen oder starren, schwimmend gelagerten Gesamtrohr (10) und einer Heizquelle (6). Beim Erhitzen einer Flüssigkeit im Rohrinnern (1) können sich unerwünschterweise Stoffe, beispielsweise Kalk, aus der Flüssigkeit ausfällen und an den Rohrinnenwänden niederschlagen. Wird das Rohr (10) aber durch internen Überdruck oder durch äussere Kräfte bewegt und/oder verformt, so lösen sich die Ausfällprodukte von den Rohrinnenwänden ab. Das Gesamtrohr (10) kann beispielsweise aus einem Innenrohr (2), inneren Isolationsschichten (3-5), einem Heizdraht (6) und äusseren Isolationsschichten (7-9) zusammengesetzt sein.

Description

DURCHLAUFERHITZER
Die Erfindung betrifft einen Durchlauferhitzer gemäss Oberbegriff des ersten Patentanspruchs. Der erfind ungsgemässe 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 gelö.sten Stoffen. Bekanntlich ist die Löslichkeit stark tempera¬ turabhängig. 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 Rohrverengun¬ gen 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 folgen¬ den 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 Wasservorrat kammer mit einem massiven Elektroheizblock erhitzt. Das heisse Wasser fliesst zuerst durch ein Steigrohr in die Brühkam¬ mer, dann durch das in der Brühkammer befindliche Kaffeegut und schliess- lieh über ein Filter in den Kaffeekrug. Aus Energiespar- und aus Zeitgründen erscheint das Erhitzen des Elektroheizblocks für eine einmalige Kaffeezube¬ reitung nicht als sinnvoll. Der massive Elektroheizblock herkömmlicher Kaf¬ feemaschinen 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 Elek¬ troheizblocks und des Wassers lange, typischerweise länger als 45 s, dauert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Flüssigkeiten in einem Rohr auf eine gewünschte Temperatur zu erhitzen, wobei ein Niederschlag fester Aus¬ fällprodukte an den Rohrinnenwänden vermieden bzw. ohne zusätzlichen Arbeits- und Materialaufwand rückgängig gemacht oder erschwert bzw. ver¬ langsamt werden soll. Die Vorrichtung soll mit bekannten Verfahren herstell¬ bar und in bekannten Anwendungen, wie beispielsweise in einer Kaffeema- schine, einsetzbar sein, ohne den grund.sätzlichen 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 erfin- dungsgemässe Durchlauferhitzer verkalkt also entweder gar nicht oder langsa¬ mer als bekannte Durchlauferhitzer und kann beispielsweise in Kaffeema¬ schinen 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 ver¬ formt, 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 gewähr¬ leistet 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 Vibratio¬ nen angeregt, werden. Ausserdem kann bei diesen Ausführungsformen zwi¬ schen statischen und dynamischen Wirkungsweisen unterschieden werden. Im folgenden wird der erfindungsgemässe Durchlauferhitzer anhand von Figu¬ ren detailliert beschrieben. Dabei zeigen:
Fig. 1 den zwecks klarerer Darstellung schichtweise offenge- legten 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 Rohr- innern,
Fig. 8 und 9 die dynamische Verformung eines biegsamen Rohrs durch eine sich im Rohrinnern ausbreitende Druck¬ front,
Fig. 10 und 11 die Verformung eines biegsamen Rohrs durch eine von einer äusseren Kraft verur.sachte Bewegung eines Rohrendes,
Fig. 12 die von einer Pumpe verursachte Vibration eines star¬ ren Rohrs und
Fig. 13 und 14 zwei Ausführungen des Durchlauferhitzers mit Regel¬ kreis in schematischer Darstellung. Im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 fliesst eine zu erhitzende Flüssigkeit durch das Innere 1 eines Innenrohrs 2 des erfindungsgemässen Durchlauferhitzers. Das Inneπrohr 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 Isolations¬ schichten 3-5 bestehen aus einem elektrisch isolierenden, thermisch beständi- gen Material, beispielsweise einem hochtemperaturbeständigen Kunststoff, Polyester oder Glaswolle.
In der hier dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist eine Wärmequel- le in der Form eines elektrischen Heizdrahtes 6 aussen am Innenrohr 2 und den Isolationsschichten 3-5 so angeordnet, dass der Heizdraht 6 die Flüssig¬ keit im Innenrohr erhitzen kann. Der Heizdraht 6 ist beispielsweise spiralför¬ mig 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 inner- halb von wenigen Sekunden von 20 °C auf ca. 95 °C erhitzt werden kann. Die Art der Wärmequelle spielt aber für die vorliegende Erfindung keine wesent¬ liche Rolle. Die Flüssigkeit könnte im erfindungsgemässen Durchlauferhitzer auch mit anderen Mitteln als mit einem elektrischen Heizdraht erhitzt wer¬ den, 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 ausge¬ führt 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 erfin¬ dungsgemässe Vorkehrungen, durch welche Bewegungen und/oder Verfor¬ mungen des Gesamtrohrs 10 bewirkt werden. Dabei wird das Volumen auf der Eingangs eite 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 Be¬ triebszustand, in welchem sich im Rohrinnern eine Flüssigkeit mit dem Druck p, > p0 befindet. Unter dem Einfluss des Überdrucks pj - p2 hat das Gesamt¬ rohr 10 die Tendenz, sich geradezubieben bzw. seine Krümmung zu verrin¬ gern. 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 Krüm¬ mungsradius des Gesamtrohrs 10; die resultierende Formänderung des Ge¬ samtrohrs 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 Aussen¬ druck p0 ist. Falls das Geamtrohr 10 selbst eine vernachlässigbar kleine Biege- steifigkeit 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, wel¬ che seine totale potentielle Energie minimiert. Figur 5 zeigt dasselbe Gesamt¬ rohr 10 im Betriebszustand, in welchem sich im Rohrinnern eine Flüssigkeit mit dem Druck p, > p0 befindet. Wenn der Überdruck p, - 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 Ruhe- zustand unterscheiden; die resultierende Formänderung begünstigt die Ablö¬ sung 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 erfindungsgemäs¬ se entkalkende Wirkung beispielsweise auch bei einem geraden Rohr zum Tragen kommt. Figur 6 zeigt den Querschnitt durch das Innenrohr 2 im Ru¬ hezustand, wobei die Isolationsschichten 3-5 und 7-9 sowie die Heizung 6 der Einfachheit halber weggelassen wurden. Es wird angenommen, dass sich wäh¬ rend des früheren Betriebs an den Rohrinnenwänden bereits eine Kalkschicht 13 niedergesetzt habe. Der Druck im Rohrinnern 1 ist gleich dem Aussen¬ druck p0; der Rohrdurchmesser beträgt d0. Figur 7 zeigt dasselbe Rohr 2 im Betriebszustand. In der im Rohrinnern 1 befindlichen Flüssigkeit wird ein Druck p, > p0 aufgebaut. Der Überdruck p, - p0 bewirkt eine Vergrösserung des Innenrohrdurchmessers auf d, > d0; die Kalkschicht 13 löst sich dabei von den Rohrinnenwänden und zerbröckelt in kleine Stücklein, die von der Flüs¬ sigkeit wegtransportiert werden können. Im Gegensatz zu den oben diskutierten statischen Rohrverformungen illustrie¬ ren die Figuren 8 und 9 eine erfindungsgemässe dynamische Rohrverformung anhand eines Ausführungsbeispiel . Figur 8 zeigt ein biegsames Gesamtrohr 10 im Ruhezustand. Eingangskammer 11, Ausgangskammer 12 und Gesamt- röhr 10 können praktisch beliebig angeordnet sein; die einzige von der Anord¬ nung zu erfüllende Bedingung ist, dass die Gesamtrohrlänge 1 grösser sein muss als die Entfernung a zwischen Eingangs- und Ausgangskammer. Bei der Inbetriebnahme beginnt eine bei.spielsweise in der Eingangskammer 11 be¬ findliche Pumpe einen Druck p, > 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 Inbetriebnah¬ me. Vor der Druckfront am Ort D hat das Gesamtrohr 10 eine geringe Biege- steifigkeit, während der Überdruck p, - 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 10 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 a, > 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 Anwen¬ dung des erfindungsgemässen Durchlauferhitzers in einer Kaffeemaschine motiviert, wo nach jeder Kaffeezubereitung das in der Brühkammer 12 befind¬ liche Kaffeegut ausgewechselt werden muss; zu diesem Zweck ist die Brüh¬ kammer 12 in einem beweglichen Teil eingebettet, der aus der Kaffeemaschi¬ ne herausgezogen werden kann.
Die Figur 12 zeigt einen weiteren erfindungsgemässen dynamischen Mecha¬ nismus, welcher einer Rohrverkalkung entgegenwirkt. Bei dieser Ausführungs¬ form 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 vibrie¬ ren, wie dies zum Beispiel eine Membranpumpe tut. Sie überträgt ihre Vibra- tionen, deren beispielsweise Richtung mit einem Pfeil angedeutet ist, auf das Gesamtrohr 10. Die so dem Gesamtrohr 10 aufgezwungenen Beschleunigun¬ gen verhindern eine Rohrverkalkung bzw. begünstigen die Kalkablösung von den Rohrinnenwänden.
Der erfindungsgemässe Durchlauferhitzer kann mit einem Regelkreis ausge¬ stattet sein, welcher gewährleistet, dass die Flüssigkeit am Rohrende die ge¬ wünschte 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 Aus¬ gangskammer 12 gemessen werden. In der Anordnung von Fig. 13 ist die gemessene Temperatur T Regelgrösse für den von einer Heizstromquelle 17 erzeugte Heizleistung P,,. Dabei fördert die Pumpe 14 einen zeitlich konstan¬ ten Flüssigkeitsstrom Φ von der Eingangskammer 11 in die Ausgangskammer 12.
Demgegenüber ist in der Anordnung von Fig. 14 die Heizleistung Pπ 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 gleich- massigere Erwärmung der Flüssigkeit und eine bessere Wärmeübertragung gewährleisten. In einer weiteren Ausführungsform können sowohl Heizleistung PM 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 p, - p0 und/oder durch äussere Kräfte F bewegbar und/oder ver¬ formbar ist. Die Bewegungen und/oder Verformungen bewirken eine Ablö- sung unerwünschter Ausfällprodukte 13 von den Rohrinnenwänden. Die Erfin¬ dung wurde durch den Bedarf nach einem nicht-verkalkenden Durchlauferhit¬ zer für Wasser in Kaffeemaschinen angeregt.

Claims

P A T E N T A N S P R U C H E
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 Gesamt¬ rohr (10) derart schwimmend gelagert ist, dass es durch einen internen Überdruck (p, - 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 (p, - 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 (p, - 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 gekennzeich¬ net, dass das Gesamtrohr (10) die Form einer dehn- und stauchbaren Spi¬ rale 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 ( 10) aus einem Innenrohr (2), mindestens einer Isolations¬ schicht (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 gekennzeich¬ net, 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 Temperatur ensor (16) gemessene Temperatur (T) Regel¬ grösse 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 isolieren¬ den, 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 gekenn¬ zeichnet, 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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