WO2009012904A2 - Kompakte hochdruckfähige spiraldurchfluss-heizeinheit - Google Patents

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WO2009012904A2
WO2009012904A2 PCT/EP2008/005689 EP2008005689W WO2009012904A2 WO 2009012904 A2 WO2009012904 A2 WO 2009012904A2 EP 2008005689 W EP2008005689 W EP 2008005689W WO 2009012904 A2 WO2009012904 A2 WO 2009012904A2
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heating unit
unit according
spiral flow
flow
core element
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PCT/EP2008/005689
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WO2009012904A3 (de
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Martin Reichl
Andreas Pleschinger
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Bleckmann Gmbh & Co. Kg
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Publication date
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    • A47—FURNITURE; DOMESTIC ARTICLES OR APPLIANCES; COFFEE MILLS; SPICE MILLS; SUCTION CLEANERS IN GENERAL
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    • A47J31/00—Apparatus for making beverages
    • A47J31/44—Parts or details or accessories of beverage-making apparatus
    • A47J31/54—Water boiling vessels in beverage making machines
    • A47J31/542—Continuous-flow heaters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F22B1/28—Methods of steam generation characterised by form of heating method in boilers heated electrically
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B27/00—Instantaneous or flash steam boilers
    • F22B27/04—Instantaneous or flash steam boilers built-up from water tubes
    • F22B27/08—Instantaneous or flash steam boilers built-up from water tubes bent helically, i.e. coiled
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/40—Heating elements having the shape of rods or tubes
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05B3/40—Heating elements having the shape of rods or tubes
    • H05B3/42—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible
    • H05B3/46—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible heating conductor mounted on insulating base

Definitions

  • the present invention relates to a spiral flow heating unit for electric appliances for preparing hot drinks according to claim 1, which is particularly operable for the selective production of hot water or steam at pressures up to 15 bar and more.
  • the invention further relates to a compact hydraulic flow heating system module according to claim 21 or 22 with the hydraulic spiral flow heating unit for electric devices for the preparation of hot drinks, such as espresso coffee machines or coffee pots coffee machines.
  • espresso machines hot water is pressed with a temperature around 90 0 C under much higher pressure of about 15 bar by coffee powder located in a coffee powder.
  • the cold water is supplied from a water tank to an electric motor-driven pump, by means of which the water then under the required pressure by an electric heater, usually a so-called thermoblock, the coffee powder intake, such as a brewing group or a portafilter fed.
  • the coffee powder is in a recording chamber designed as a brewing chamber, which is sealed during the actual brewing against the atmospheric pressure. From a corresponding outlet of the brewing chamber, the brewed espresso is dispensed into a container.
  • Another increasingly popular type of coffee machine is located between the conventional non-pressure coffee machine and espresso machine.
  • the water is first fed to prepare the coffee from the water reservoir into a heatable intermediate tank and then fed as heated water via an electric motor driven pump under elevated pressure of 2 to 3 bar a coffee powder.
  • the brewing chamber is usually closed and locked with a mechanical cover, so that the sealed pressure chamber is formed into which the hot water is pressed under pressure via a feed in the cover and the brewed coffee can be returned to a drinking vessel from a corresponding outlet of the brewing chamber ,
  • thermoblock is usually made of cast aluminum with a good heat conductively connected to the block heating element such as a tubular heater, wherein within the thermoblock water supply ducts are provided.
  • thermoblock Although a very well controlled heating of the water can be achieved both with regard to steam development and to the stability of the brewing temperature with a thermoblock, considerable disadvantages are the costly production and the high thermal mass, ie. H. the non-negligible heat capacity in relation to the electrical power of the thermoblock used, which long heating or warm-up after switching on the machine conditional until the first hot drink can be obtained. On the other hand, it is precisely the large thermal mass which makes it possible to ensure temperature stability or temperature stability by means of stored heat. In other words, the heating time can only be achieved by means of correspondingly oversized heating elements.
  • EP 1 056 503 B1 shows a water heater for a household electric appliance having a vertical axis cylindrical body defining a chamber and having an inlet for introducing water into the chamber and a body-associated electrical heating device having a heating element - A -
  • the body also has an outlet for the delivery of hot water or vapor formed in the chamber.
  • the heating element is formed as a printed resistor in the form of a layer or plate extending over part of the height of the longitudinal wall of the body substantially from the lower end of the body. Furthermore, a heat protection device is provided, which can interrupt the power supply of the heating element when the water level in the chamber is below the upper end of the layer, whereby the better protection of the arrangement against overheating damage in case of improper operation such as dry running is intended.
  • An object of the invention is therefore to improve the known heating devices.
  • a heating system in which the components needed to heat water in a hot beverage preparation appliance, such as a coffee maker, can be combined in a compact assembly.
  • the spiral flow heating unit for electrical appliances for the preparation of hot drinks, it has: a tubular carrier with at least one electrical heating conductor structure in thick-film technology on its outer side and one each at its two ends. the outwardly facing flange, a core element arranged in the tubular carrier with at least one web extending spirally on the lateral surface of the core, two adjacent web flanks forming a flow groove with the lateral surface which is substantially dense to the outside through the inside of the tubular carrier is completed to a flow channel, a first and a second end piece, each having a communicating with the flow channel connection, wherein the end pieces are respectively connected at its end of the tubular support to the core member, and wherein the consisting of the end pieces and the core element of unit At least two parts, which are in engagement with each other by means of at least one snap connection and mechanically clamped such that between the tubular support and the respective end pieces arranged seals are loaded with a sufficient pressing pressure, so that the seals n are water and
  • the heating system module consists of a hydraulic strand with a flow meter, a pump, a spiral flow heating unit according to the invention, a vapor pressure valve as components, wherein the components are each connected via pressure-resistant hose connections, and wherein the pump substantially over each of the End pieces of the spiral flow heating unit provided fastening elements parallel to the heating unit, and the flow meter and the vapor pressure valve are each arranged in the region of an end piece.
  • the individual components which are required for heating the water in a device for hot beverage preparation, such as a coffee maker, combined to form a compact module or a system module.
  • This makes it possible to provide a space-saving and easy-to-install heating system module for the production of any designs of such hot drinks devices, which are hardly set limits to the design of the hot beverage device due to the extremely space and space-saving design.
  • the heating system module consists of a hydraulic strand with a flow meter, a pump, a spiral flow heating unit according to the invention, a vapor pressure valve as components, wherein the components are each connected via pressure-resistant hose connections, and wherein the components are fixedly connected to a common carrier element via respective fastening elements, wherein the pump substantially parallel to the heating unit, and the Flow meter and the vapor pressure valve are each arranged in the region of an end piece.
  • the alternative embodiment offers even more flexibility with regard to installation in a hot beverage device, wherein the common carrier element as a so-called mounting shell is customized to the installation.
  • FIG. 1 shows a three-dimensional view of an exemplary embodiment of the spiral flow heating unit according to the invention, the support tube of the thick-film electric heater being shown approximately halfway open for viewing the core element;
  • Fig. 2a shows a first longitudinal sectional view at the center through the spiral flow heating unit of Fig. 1;
  • FIG. 2b shows a second longitudinal sectional view through the spiral flow heating unit, wherein the section through 90 ° with respect to the representation in FIG
  • Fig. 2a is rotated about the longitudinal axis of the heating unit
  • FIG. 3a shows a three-dimensional view of the core element with the water guide groove of the spiral flow heating unit of FIG. 1 in isolation;
  • Fig. 3b shows a longitudinal section through the center of the core element of Fig. 3a;
  • Fig. 4a shows a three-dimensional view of the tubular support of the spiral flow heating unit of Figure 1 in isolation.
  • Fig. 4b shows a longitudinal section through the center of the tubular support of Fig. 4a;
  • FIG. 5a shows a three-dimensional view of one of the two covers with a connection for the spiral flow heating unit of FIG. 1 in isolation;
  • Fig. 5b shows a plan view from the outside on the lid of Fig. 5a;
  • Fig. 5c shows a longitudinal sectional view along the cut surface CC * through the lid of Fig. 5a and 5b;
  • FIG. 6 shows a first exemplary embodiment of a hydraulic line, in which all system components for a complete heating system are mounted directly on the flow heater according to the invention
  • Fig. 7 shows a second embodiment of a hydraulic train, in which all system components for a complete heating system are not directly attached to the flow heater according to the invention but with a mounting bracket as a carrier, which is tuned to the individual installation situation of each application;
  • FIG. 8 shows a block diagram with the system components of the hydraulic train of FIGS. 6 and 7, respectively.
  • FIG. 1 shows in a three-dimensional view an exemplary embodiment of the spiral flow heating unit 100 according to the invention with two lids or end pieces 111 and 112, respectively, which consist of a heat-resistant plastic, in particular suitable for vapor loading, for example PPA (polyphthalamide) ).
  • PPA polyphthalamide
  • PPE polyphenylene ether
  • PPS polyphenylsulfide
  • PTFE a heat-resistant plastic
  • the end pieces 1 11 are each at one end of a core element 120 by means of a snap connection 131, 132 against a on the Kemelement 120 arranged tubular support 140 pressed or tension this hiss and fix so the entire assembly.
  • the tubular core member 120 is also made of a heat-resistant, particularly suitable for steam plastic, such as the above-mentioned PPA, PPE, PPS or PTFE and has a spirally encircling web 122, wherein two adjacent edges 122a, 122b of the web 122 leading a water Forming groove 124 which also spirally extends around the core member 120 around.
  • the end pieces and the core element are produced in one piece as a plastic injection molded part.
  • the water-guiding groove or water-guiding groove 124 is closed toward the outside through the inner surface 145 of the tubular carrier 140 to form a flow channel 126.
  • an interference fit at the contact surfaces 127 between the web 122 and the inner surface 145 of the support tube 140 is sufficient for the function of the heating unit 100, since the flow resistance of a train, ie a 360 ° revolution, of the flow channel 126 is substantially less than the flow resistance of a gap between the web 122 and the inner surface 145 (see Fig. 4a) of the support tube 140 is.
  • the tubular support 140 has at each of its two ends 141 and 142 (hidden in Fig. 1) an outwardly facing flange 143 and 144 (also hidden in Fig. 1).
  • Fig. 1 it can be seen on the left cover or end piece 111 that the pointing in the direction of the lid 111 flange in a circumferential recess 1 14 of the end piece 1 11, wherein between the flange 116 of the lid 111 and the flange surface of the support tube 140 is an O-ring seal 151 (or 152) as a sealing element, which is compressed or compressed by the clamped by the snap connections arrangement that the heating unit 100 at normal operating pressures of at least 15 bar and more to hot water and steam tight is.
  • Each of the covers 1 11 and 112 has a connection 1 13 or 114 which is designed to receive a hydraulic connector element 161, 162 in order to enable a high-pressure-loadable connection with a corresponding high-pressure hose to other system components. Since such hydraulic connection techniques or hose connection techniques and high-pressure hoses in the field of pressure-loaded hot water devices are known to the person skilled in the art and are not essential for the understanding of the present invention, they will not be described in detail here.
  • FIGS. 2a and 2b each show a longitudinal section through the middle of the spiral flow heating unit 100 of FIG. 1, wherein the section of FIG. 2b is rotated by 90 ° with respect to the illustration of FIG. 2a.
  • the pitch of the helical land 122 decreases towards one end of the heating unit 100, i. H. has a lower slope.
  • the width (d1, d2, ..., d9) of the water guide groove 124 and the cross-section of the flow channel 126 decreases towards the end piece 112, which inevitably causes a higher flow rate for the heated water in the water due to the continuous flow rate Heating unit adjusts to the outlet.
  • the outlet 102 of the heating unit 100 is located at the end piece 112, where the flow channel 126 has the smallest flow cross section, and therefore the inlet 101 of the heating unit 100 at the corresponding other end piece 111.
  • FIG. 3a shows a three-dimensional view of the core element 120 with the flow grooves 124 of the heating unit 100 of FIG. 1 in isolation and FIG. 3b shows a longitudinal section through the center of the core element 120 of FIG. 3a.
  • the initial region of the water guide groove 124 which is made significantly narrower in this initial region 124a than the immediately adjacent thereto by the spiral formed around the core element 120 extending web 122 actual flow channel 126, which has its largest cross-section there.
  • the water guide groove 124 is formed along the outer surface of the core member 120 by the circumferential ridge 122 to the beginning portion 124 a of Wasserment- rungsrille 124 opposite end decreasing slope by two opposite web edges 122 a and 112 b as a left and right boundary.
  • the water guide groove 124 or the flow channel 126 terminates in an end region 124b, at which the flow channel 126, after assembly with the annular covers or end pieces 111 and 112 shown in FIG Drill holes 101 a, 102 a communicate with the inlet or outlet.
  • a spring element 134 d. H. its related to the longitudinal axis of the core member 120 material or wall thickness arrow-shaped or ramped or wedge-shaped towards the end of the core member 120 back.
  • illustrated end piece 111 serve the flanks of the latching hook as an inclined, ramp-like sliding contact and pressure surface 135 to push the respective latching hook radially inward away.
  • the ratchet hook can then engage with its peripheral shoulder or edge 136 a circumferential edge provided in the respective cover or end piece, or engage or snap into the edge designed as an undercut, thus latching or latching. fix snapped parts permanently.
  • At least one of the recesses 138 has a different shape compared to the other recesses, in particular a different width, which is exactly the width of one provided on the respective cover or end piece 111 or 112
  • Guide nose 115 is tuned to allow mounting of the end pieces 111 and 112, respectively, with a predetermined orientation to the core piece, in particular during machining.
  • the predetermined orientation aims at that the bore 101a, 102a in the inlet port 110 and the outlet port 102, respectively, open correctly into the respective starting region or end region of the water guide groove 126.
  • FIG. 4a shows a three-dimensional view of the tubular carrier 140 of the spiral flow heating unit 100 of FIG. 1 in isolation and FIG. 4b shows a longitudinal section through the center of the tubular carrier 140 of FIG. 4a.
  • the tubular carrier 140 has a first end 141 and a second end 142, on which a respective circumferential outward-whetting flange 143 or 144 is provided.
  • the flange 143 and 144 respectively, has at each end of the tubular support a substantially annular annular flange surface 147 or 148 pointing away from the respective end of the tubular carrier.
  • the tubular support 140 is preferably made of a ferritic stainless steel, but in an advantageous development can also consist of two different chen metals that are mechanically connected to each other, for example, by plating, be prepared.
  • the inner surface 145 of the tubular support 140 which is in contact with the water to be heated during normal operation of the heating unit 100, is made of a corrosion-resistant metal.
  • the inner surface 145 is also possible to provide the inner surface 145 with an additional functional layer, which prevents Kalkanhaftung. Particularly advantageous here layers that lower the surface free energy, such as.
  • PTFE coatings based on LXE (Iigid wax ester) systems proven.
  • the tubular support 140 carries at least one realized in thick film technology, electrical Walkerleiter Anlagen as a heating element and also serves for heat transfer from the at least one heating element to the water to be heated in the flow channel 126 in the interior of the tubular support 140.
  • the support tube is made of a ferritic stainless steel wherein the inner surface 145 as the side facing the water as the medium to be heated (ie, medium side) preferably with a lime-repellent and / or corrosion-resistant coating.
  • the at least one heat conductor layer preferably has a thickness in the range of 5 to 150 ⁇ m.
  • the heating conductor layer is made of one of the following materials or an optional combination thereof: nickel-based, iron-based, aluminum-based, copper-based, cobalt-based, molybdenum-based and titanium-based metals, and combinations thereof.
  • cermets and ceramics such as barium titanate are conceivable, particularly preferably NiCr 8020 and Kanthai is used.
  • the support tube consists of at least a first and a second composite metal layer.
  • the first inner metal layer is in normal operation in contact with the water and consists of a metal that is water, in particular Steam, largely corrosion resistant.
  • the second outer metal layer consists of aluminum or an alloy of aluminum with copper, magnesium, manganese, silicon, iron, titanium, beryllium, chromium, zinc, zirconium and / or molybdenum and carries the electric heating system as functional layers. It is preferred a permanent bond between the first metal layer and the second metal layer made by means of rolling or roll cladding.
  • the thick-film structure can have an electrically insulating layer in the region of the heating conductor layer which conducts current and voltage during operation or the conductor structures explained later relative to the carrier tube.
  • the electrically insulating layer has a thickness in the range of 0.1 to 0.3 mm.
  • the thick-film structure can have one or more further functional layers, which are designed, for example, as conductor layers for electrical signals and which are connected to circuit elements for protection, monitoring, control, regulation or a combination thereof.
  • one of the further functional layers may be arranged in the same layer plane defined by the heating conductor layer and / or also above or below the layer plane defined by the heating conductor layer.
  • electrical signals for temperature monitoring and / or temperature measurement-carrying conductor tracks corresponding sensor components, such as an NTC resistor, preferably in SMD technology, contact, which are arranged on or in the vicinity of a Schuleiterbahn the Schuleiter GmbH.
  • the said conductor track layers have a thickness in the range of 5 to 150 ⁇ m.
  • the wiring layers are made of one of the following materials or an optional combination thereof: copper-based and silver-based metals or the like. More preferably, CuNiIO and CuNiZn are used.
  • the corresponding instantaneous resistance value of the at least one electrical resistance heating element of the thick-film heater is detected by a correspondingly configured control. Furthermore, temporal changes of the resistance value of the at least one electrical resistance heating element are determined therefrom, and the power of the heating system is controlled based on the respectively current time change of the resistance value.
  • the time change of the resistance value of the at least one electrical resistance heating element of the thick film heater is determined substantially after a predetermined system-dependent time constant or startup time after switching on the electric heating element.
  • D. h. Preferably takes place during heating during the start-up time is still no control of the electric heating element in the sense of an operation control and / or backup, wherein the detection of the change over time of the resistance value in principle is already possible from switching.
  • the evaluation for the corresponding control of the heating system looks as follows: If there is no water in the heating system after the preset or predetermined delay time or startup time, the resistance continues to rise sharply (dR (t) / dt is high) and the heating element - ment is shut down accordingly to avoid damage due to overheating. On the other hand, if there is enough water in the heating system, the resistance increases more slowly (dR (t) / dt is low) or remains almost constant and the heating system can continue to emit heat to the water in the system producing hot water or steam.
  • the measurement of the medium temperature takes place alternatively or additionally with an integrated temperature sensor.
  • an integrated temperature sensor This can be carried out, for example, as a soldered NTC resistor. If the temperature sensor is installed vertically, ie if the heating unit is installed vertically, i. H.
  • the longitudinal axis of the core element of the heating unit is arranged vertically to the footprint of the overall system, as high as possible, it is also possible to detect an improper operating state, such as dry running of the heating unit (i.e., without water).
  • the functional layers and / or the insulating layer (s) are impregnated with one of the following materials or an optional combination for hydrophobization: siloxane, silicone oil, nano coating, alumina suspension, boehmite or the like. Siloxane is particularly preferably used for the impregnation.
  • a covering layer is provided at least for the functional layers of the heating system.
  • the at least one covering layer preferably has a thickness in the range from 10 to 200 ⁇ m. Particularly preferably, the thickness of the cover layer is 20 ⁇ m.
  • the at least one covering layer preferably consists of one of the following materials or an optional combination thereof: polyetheretherketone (PEEK), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyphenylene sulphide (PPS), silicone, silicone polyester, epoxide, PI or the like, silicon being particularly preferred.
  • PEEK polyetheretherketone
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PPS polyphenylene sulphide
  • silicone silicone polyester, epoxide, PI or the like, silicon being particularly preferred.
  • the layers of the electrical heating system are produced by means of at least one layer-forming method, preferably by means of a thermal spraying method, for example an arc spraying method on the outside of the carrier tube.
  • At least in the area of the functional layers of the thick-film structure is located on the support tube an electrical insulating layer, which was generated for example by means of physical vapor deposition, anodizing, hard anodizing or oxidizing.
  • the at least one heating conductor layer and, if appropriate, further conductor track layers are then preferably produced as a functional layer by means of a thermal spraying method such as atmospheric plasma spraying and arc spraying.
  • a thermal spraying method such as atmospheric plasma spraying and arc spraying.
  • the one or more functional layers are applied over the entire area by means of layer-forming methods, and the printed conductors in the respective functional layer are subsequently structured by means of a removal method. For this purpose, removal by means of a laser or water jet or a combination of the methods is particularly preferably used.
  • FIG. 5a shows a three-dimensional view of one of the two covers or end pieces 111 (or 112) shown in FIG. 1 with a connection piece receptacle 113 (or 1 14) for the spiral flow unit 100 of FIG. 1, wherein FIG. 5b shows a plan view on the cover of Fig. 5a and Fig. 5c is a longitudinal sectional view along the cut surface CC * through the lid or the end piece 111 (or 1 12) of Fig. 5a and 5b shows.
  • a circumferential sealing surface 1 17a or 118a In the interior of the annular cover or end piece 111 (or 112) is a circumferential sealing surface 1 17a or 118a, which in the assembled state of the heating unit 100 together with an interposed O-ring seal as a sealing member 151 and 152 with the respective flange 143 and 144 of the tubular support 140, a water-impermeable and vapor-impermeable seal is formed.
  • the annular lid has in its interior a cylindrical jacket-shaped inner surface 119 whose diameter substantially corresponds to the inner diameter of the tubular carrier 140 and the outer diameter of the core element 120, measured from the outermost point of the outer circumferential ridge 122 on one side to the outermost point of the ridge 122 on the opposite side, corresponds.
  • the inner surface 119 of the cover or end piece 111 is delimited by the sealing surface 17a (or 118a) and on the other side by a further sealing surface 117b or 118b which also extends substantially perpendicular to the inner surface 119 and parallel to the sealing surface 1 17a or 118a over the entire circumference of the annular cover or end piece 111, 112.
  • the flow channel 126 which runs spirally in the interior of the heating unit 100 is provided at both ends of the heating unit 100 by means of a seal arranged between the carrier tube 140 and an end piece 11 1 (or 1 12) and by means of a seal between an end face 127 (resp 128) of the core element 120 and the respective gene lid or end piece 111 and 112 arranged seal sealed to the outside against leakage of both water and steam.
  • Fig. 5b is a plan view of the lid or the end piece 111 or 112, wherein the annular configuration and the tangential orientation of the connector receptacle 113 (or 114) can be seen. Further, in Fig. 5b, on the inner surface of the lid or end piece 111 (or 112) arranged guide nose 115 can be seen, the predetermined and orientation correct mounting means of the guide nose corresponding recess 138 on the core member 120, as shown in FIG. 2a shown ensured.
  • Fig. 5c shows a sectional view along the sectional area CC * , the course of which is defined in Fig. 5b, with reference to which substantially the structure of an annular lid 111 (or 112) is shown in somewhat greater detail.
  • the embodiment of the connecting piece receptacle 113 or 114, in which corresponding hydraulic plug connections can be used for high-pressure-suitable hose connections, and the through-bore 101a or 102a for hydraulic communication of a connected hose connection with the flow channel 126, can be seen particularly well Through hole substantially tangentially into the flow channel 126 at composite heating unit 100 opens.
  • the body formed from the core element 120 and the two end pieces 11 1 and 112 can also be made in two parts, the illustrated core element being manufactured as a unit with an end piece, thus essentially an interface to be sealed, between the core element and an end piece comes in elimination.
  • the one required for the manufacturability division of the body formed from the two end pieces and the core element can also be performed elsewhere than described here.
  • FIG. 6 shows a first exemplary embodiment of a hydraulic line, in which all system components for a complete heating system module 600 are attached directly to the spiral flow heating unit according to the invention.
  • the hydraulic strand consists of the following components, wherein the following is the naming in the flow direction:
  • a (not shown) water reservoir or any other water connection is a flow meter 610 with a corresponding connector 612 for a hose.
  • the required amount of water can be measured during the preparation of a hot beverage, but with the flow meter, a simple protection of the heating unit against dry running can be done, because if the flow meter does not indicate a throughput, this indicates the missing water or A defective pump can be turned off and the heating unit can be switched off automatically.
  • the water is led via a connecting hose 614 to an electro-mechanical pump 620, which is designed to build up the required system pressure of 2.5 to 3 bar for use in coffee-pad coffee machines or for 13 to 15 bar for use in espresso machines
  • NEN is designed. From the pump 620, the water is supplied under pressure via a suitable high-pressure hose connection 622, for example a Teflon hose of the spiral flow heating unit 630.
  • a suitable high-pressure hose connection 622 for example a Teflon hose of the spiral flow heating unit 630.
  • Hose is usually connected via a known hydraulic plug connection fertil 632 to the inlet port 634.
  • the water is heated to the required temperature, ie depending on the application to about 9O 0 C to 13O 0 C and at the inlet port 634 opposite end via a corresponding drain port 636 to a corresponding assembly of the hot beverage guided.
  • This may be a brewing group or a filter holder of an espresso machine or a carrier for coffee pads of a coffee pod coffee machine or a device for frothing milk or delivery point or dispenser for hot water or steam.
  • an electrically controlled vapor relief valve 640 is integrated, by means of which, after the preparation of a hot beverage or the supply of steam or hot water, the system can be depressurized or expanded.
  • Heating unit 630 of the invention attached Phystyrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrenelastomer or another suitable elastic material, on the modified end pieces of the spiral flow.
  • Heating unit 630 of the invention attached Phystyrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styren
  • the heating system module 600 is used for brewing hot water and steam generation in coffee machines, primarily intended for installation in espresso machines, due to the structure of the spiral flow heating unit according to the invention, high pressures of over 15 bar, as they are needed in Espressoma- machines, do not pose a problem.
  • a particular advantage of the arrangement is the compact installation-friendly design and the ability to provide equipment manufacturers with a complete and space-saving system module from a single source.
  • 7 shows a second exemplary embodiment of a hydraulic line, in which all system components for the complete heating system module 700 are not directly attached to the spiral flow heating unit according to the invention, but rather to an assembly shell 705 as support or holder.
  • FIG. 9 shows a schematic system overview of a hot water appliance 1000 with a heating system module 900 of the invention.
  • a water reservoir 910 is connected to the flow meter of the heating system module 900 with flow meter 901, pump 902 heating unit 903 and steam voltage valve 904, wherein the water reservoir 910 still a water level detector 912 is provided as a further protective measure against dry running.
  • a control valve 920 At the outlet of the heating system module 900 is a control valve 920, by means of which the hot beverage device controls the choice of the user, the hot water HW generated or the generated steam D forwarding to the respective demand site.
  • the steam release valve 904 connected to the steam circuit with the corresponding collecting container 940 is indicated.

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Abstract

Spiraldurchfluss-Heizeinheit für elektrische Geräte zur Bereitung von Heißgetränken aufweisend einen rohrförmigen Träger mit wenigstens einer elektrischen Heizleiterstruktur in Dickschichttechnik auf seiner Außenseite und je einem an seinen beiden Enden umlaufenden nach Außen weisenden Flansch, ein in dem rohrförmigen Träger angeordnetes Kernelement mit wenigstens einem auf der Mantelfläche des Kerns spiralförmig umlaufenden Steg, wobei zwei benachbarte Stegflanken mit der Mantelfläche eine Strömungsrille bilden, die nach Außen durch die Innenseite des rohrförmigen Trägers im Wesentlichen dicht zu einem Strömungskanal abgeschlossen ist, ein erstes und ein zweites Endstück mit je einem mit dem Strömungskanal kommunizierenden Anschluss, wobei die Endstücke jeweils an ihrem Ende des rohrförmigen Trägers mit dem Kernelement fest verbunden sind, und wobei die aus den Endstücken und dem Kernelement bestehende Einheit aus wenigstens zwei Teilen besteht, die mittels wenigstens einer Schnappverbindung miteinander in Eingriff stehen und mechanisch derart verspannt sind, dass zwischen dem rohrförmigen Träger und den jeweiligen Endstücken angeordnete Dichtungen mit einem ausreichenden Pressdruck belastet sind, sodass die Dichtungen wasser und dampfdicht sind.

Description

Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spiraldurchfluss-Heizeinheit für elektrische Geräte zur Bereitung von Heißgetränken gemäß Anspruch 1 , das insbesondere zur wahlweisen Erzeugung von Heißwasser oder Dampf bei Drücken bis zu 15 bar und mehr betreibbar ist. Die Erfindung betrifft weiter ein kompaktes hydraulisches Durchfluss-Heizsystemmodul nach Anspruch 21 oder 22 mit der hydraulischen Spiraldurchfluss-Heizeinheit den für elektrischen Geräte zur Bereitung von Heißgetränken, wie Kaffeemaschinen des Typs Espresso- oder Kaffeemaschinen für Kaffeepads.
Hintergrund
Elektrische Geräte zur bzw. mit integrierter Heißwasser- bzw. Dampfableitung finden sich in zahlreichen Haushaltsgeräten mit Heißwasser- bzw. Dampferzeugung, beispielsweise Geräte zur Heißgetränkezubereitung. Am Beispiel der bekannten Kaffee- bzw. Espressomaschinen, die nach unterschiedlichen Prinzi- pien arbeiten, seien die hier interessierenden Aspekte kurz erläutert. Am wohl bekanntesten sind drucklos arbeitende Kaffeemaschinen, bei denen Wasser aus einem Vorratsbehälter durch eine Heizvorrichtung, üblicherweise ein elektrisch beheiztes Rohr, zu einem Filterhalter mit Kaffeefilter und darin befindlichem Kaffeepulver geführt wird. Infolge von Dampfentwicklung im beheizten Rohr wird erwärmtes Wasser über eine Steigleitung zu und aus einem Auslauf gedrückt, um Kaffeepulver im Kaffeefilter mit dem Heißwasser zu überbrühen. Aus dem Kaffeefilter fließt der gebrühte Kaffee unter Einfluss des atmosphärischen Drucks in ein entsprechendes Auffanggefäß.
Bei Espressomaschinen wird heißes Wasser mit einer Temperatur um die 900C unter deutlich höheren Druck von etwa 15 bar durch in einer Kaffeepulveraufnahme befindliches Kaffeepulver gedrückt. Dabei wird das kalte Wasser aus einem Wasserbehälter einer elektromotorisch angetriebenen Pumpe zugeführt, mittels der das Wasser dann unter dem benötigten Druck durch eine elektrische Heizvorrichtung, üblicherweise einem so genannten Thermoblock, der Kaffeepul- veraufnahme, wie zum Beispiel einer Brühgruppe oder einem Siebträger, zugeführt. Zum Aufbau und Erhalt des gewünschten hohen Drucks im Bereich des Kaffeepulvers befindet sich die Kaffeepulveraufnahme in einer als Druckraum ausgelegten Brühkammer, die während des eigentlichen Brühvorgangs gegenüber dem atmosphärischen Druck abgedichtet ist. Aus einem entsprechenden Auslass der Brühkammer wird der gebrühte Espresso in ein Gefäß abgegeben.
Eine weitere immer populärere Kaffeemaschinenart ist zwischen der herkömmlichen drucklosen Kaffeemaschine und Espressomaschine angesiedelt. Dabei wird das Wasser zur Zubereitung des Kaffees zuerst aus dem Wasservorratsbehälter in einen beheizbaren Zwischenbehälter geführt und anschließend als erhitztes Wasser über eine elektromotorisch angetriebene Pumpe unter erhöhtem Druck von 2 bis 3 bar einer Kaffeepulveraufnahme zugeführt. Dabei befindet sich, anders als bei der oben erwähnten Espressomaschine, kein loses Kaffeepulver in der Brühkammer sondern der Kaffee ist in Form eines so genannten Kaffeepads vorportioniert. Dabei handelt es sich um Kaffeepulver in verdichteter Form, das z. B. mit Filterpapier umgeben oder in Aluminiumfolie verkapselt ist und so vorportioniert bequem in die entsprechende Aufnahme der Brühkammer eingesetzt werden kann. Die Brühkammer wird üblicherweise mit einer mechanisch Abdeckung verschlossen und verriegelt, sodass der abgedichteter Druckraum entsteht, in den über eine Zuführung in der Abdeckung das heiße Wasser unter Druck gedrückt wird und aus einem entsprechenden Auslass der Brühkammer der gebrühte Kaffee wieder in ein Trinkgefäß abgegeben werden kann.
Zur Bereitung des heißen Wassers bzw. Heißwassers befindet sich in den bekannten mit Druck arbeitenden Kaffeemaschinen üblicherweise als Heizeinrichtung ein Wärmetauscher in Form eines Durchlauferhitzer. Der Wärmetauscher weist im Allgemeinen ein elektrisches Heizelement und einen Wasserkreislauf auf, der mit diesem Heizelement thermisch verbunden ist, wobei das Wasser nur dann zirkuliert, wenn eine Pumpe in Betrieb ist. Der Wärmetauscher mit seinem elektrischen Heizelement, Befestigungsmitteln und elektrischen Sicherheitselementen bildet üblicherweise eine Unterbaugruppe, die Thermoblock genannt wird. Der Thermoblock besteht meist aus Aluminiumguss mit einem gut Wärme leitend mit dem Block verbundenes Heizelement wie ein Rohrheizkörper, wobei innerhalb des Thermoblocks Wasserführungskanäle vorgesehen sind. Zwar lässt sich sowohl im Hinblick auf Dampfentwicklung als auch auf die Stabilität der Brühtemperatur mit einem Thermoblock eine sehr gut kontrollierte Erwärmung des Wassers erreichen, aber wesentliche Nachteile bestehen in der aufwendigen Herstellung sowie der hohen thermischen Masse, d. h. der nicht zu vernachlässigende Wärmekapazität in Relation zur eingesetzten elektrischen Leistung des Thermoblock, was lange Aufheizzeit bzw. Aufwärmzeit nach dem Einschalten der Maschine bedingt, bis das erste Heißgetränk bezogen werden kann. Andererseits ermöglicht gerade die große thermische Masse, mittels gespeicherter Wärme eine Temperaturstabilität bzw. Temperaturkonstanz sicherzustellen. D. h., die Aufheizzeit kann hier nur über entsprechend überdimensionierte Heizelemente erreicht werden.
Die EP 1 056 503 B1 zeigt einen Wassererhitzer für ein elektrisches Haushaltsgerät mit einem zylindrischen Körper mit vertikaler Achse, der eine Kammer begrenzt und der einen Einlass zum Einleiten von Wasser in die Kammer und eine zum Körper gehörende elektrische Heizvorrichtung mit einem Heizelement - A -
mit aufgedrucktem elektrischen Widerstand zum Erhitzen des in die Kammer eingeleiteten Wassers aufweist. Der Körper besitzt weiter auch einen Auslass für die Abgabe heißen Wassers oder in der Kammer gebildeten Dampfs. Das Heizelement ist als gedruckter Widerstand in Form einer Schicht oder Platte ausge- bildet, die sich über einen Teil der Höhe der Längswand des Körpers im Wesentlichen vom unteren Ende des Körpers ausgehend erstreckt. Weiter ist eine Wärmeschutzvorrichtung vorgesehen, welche die Stromversorgung des Heizelements unterbrechen kann, wenn der Wasserstand in der Kammer unterhalb des oberen Endes der Schicht liegt, wodurch die bessere Absicherung der Anord- nung gegen Überhitzungsschäden bei unsachgemäßem Betrieb wie Trockenlaufen beabsichtigt ist.
Überblick
Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, die bekannten Heizvorrichtungen zu verbessern. Insbesondere besteht Bedarf hinsichtlich eines Heizsystems, bei dem die Bauteile, die zur Beheizung von Wasser in einem Gerät zur Heißgetränkebereitung, wie etwa einer Kaffeemaschine, benötigt werden, in einer kompakten Baugruppe vereinen zu können.
Besonderes Interesse besteht dahingehend, bei einem Heizsystem für die genannten Zwecke den Zeitablauf vom Einschalten des Systems bis zur Möglichkeit eines ersten Bezuges einer ersten Tasse so kurz wie möglich zu halten.
Die vorstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Spiraldurchfluss-Heizeinheit gemäß Anspruch 1 sowie durch ein hydraulisches Durchfluss-Heizsystemmodul nach Anspruch 21 oder 22. Einzelne Ausführungsbeispiele sowie vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den jeweils angeschlossenen Unteransprüchen.
In der Grundform der erfindungsgemäßen Spiraldurchfluss-Heizeinheit für elektrische Geräte zur Bereitung von Heißgetränken weist diese auf: einen rohrförmi- gen Träger mit wenigstens einer elektrischen Heizleiterstruktur in Dickschichttechnik auf seiner Außenseite und je einem an seinen beiden Enden umlaufen- den nach Außen weisenden Flansch, ein in dem rohrförmigen Träger angeordnetes Kernelement mit wenigstens einem auf der Mantelfläche des Kerns spiralförmig umlaufenden Steg, wobei zwei benachbarte Stegflanken mit der Mantelfläche eine Strömungsrille bilden, die nach Außen durch die Innenseite des rohr- förmigen Trägers im Wesentlichen dicht zu einem Strömungskanal abgeschlossen ist, ein erstes und ein zweites Endstück mit je einem mit dem Strömungskanal kommunizierenden Anschluss, wobei die Endstücke jeweils an ihrem Ende des rohrförmigen Trägers mit dem Kernelement fest verbunden sind, und wobei die aus den Endstücken und dem Kernelement bestehende Einheit aus wenigs- tens zwei Teilen besteht, die mittels wenigstens einer Schnappverbindung miteinander in Eingriff stehen und mechanisch derart verspannt sind, dass zwischen dem rohrförmigen Träger und den jeweiligen Endstücken angeordnete Dichtungen mit einem ausreichenden Pressdruck belastet sind, sodass die Dichtungen wasser- und dampfdicht sind.
In einer ersten Ausführung besteht das erfindungsgemäße Heizsystemmodul aus einem hydraulischen Strang mit einem Durchflussmesser, einer Pumpe, einer erfindungsgemäßen Spiraldurchfluss-Heizeinheit, einem Dampfspannungsventil als Komponenten, wobei die Komponenten jeweils über druckbelastbare Schlauchverbindungen verbunden sind, und wobei die Pumpe im Wesentlichen über jeweils an den Endstücken der Spiraldurchfluss-Heizeinheit vorgesehenen Befestigungselementen parallel zu der Heizeinheit, und der Durchflussmesser sowie das Dampfspannungsventil jeweils im Bereich eines Endstücks angeordnet sind. Somit sind die einzelnen Bauteile, die zur Beheizung des Wassers in einem Gerät zur Heißgetränkebereitung, wie einer Kaffeemaschine, benötigt werden, zu einer kompakten Baugruppe bzw. einem Systemmodul vereint. Dies ermöglicht die Bereitstellung einer platzsparenden und montagefreundlichen Heizsystemmoduls für die Fertigung beliebiger Ausführungen derartiger Heißgetränkegeräte, wobei aufgrund der äußerst platz- und raumsparenden Ausführung dem Design für das Heißgetränkegerät kaum Grenzen gesetzt werden.
In einer alternativen Ausführung besteht das erfindungsgemäße Heizsystemmodul aus einem hydraulischen Strang mit einem Durchflussmesser, einer Pumpe, einer erfindungsgemäßen Spiraldurchfluss-Heizeinheit, einem Dampfspannungsventil als Komponenten, wobei die Komponenten jeweils über druckbelastbare Schlauchverbindungen verbunden sind, und wobei die Komponenten mit einem gemeinsamen Trägerelement über jeweilige Befestigungselemente fest verbun- den sind, wobei die Pumpe im Wesentlichen parallel zu der Heizeinheit, und der Durchflussmesser sowie das Dampfspannungsventil jeweils im Bereich eines Endstücks angeordnet sind. Neben den vorstehend genannten Vorteilen der ersten Ausführung bietet die alternative Ausführung noch mehr Flexibilität hinsichtlich des Einbaus in ein Heißgetränkegeräte, wobei das gemeinsame Träger- element als sogenannte Montageschale individuell auf den Einbau.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sowie ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden nachstehend im Zusammenhang mit den Zeichnungsfiguren erläutert. In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass sich die in der Beschreibung des Ausführungsbeispiels verwendeten Begriffe „links", „rechts", „unten" und „oben" auf die jeweilige Zeichnungsfigur mit normal lesbaren Bezugszeichen und Figurenbezeichnungen beziehen. Hierbei ist:
Fig. 1 zeigt in einer dreidimensionalen Ansicht ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Spiraldurchfluss-Heizeinheit, wobei das Träger- röhr der elektrischen Dickschichtheizung zur Sicht auf das Kernelement ungefähr hälftig aufgebrochen dargestellt ist;
Fig. 2a zeigt eine erste Längsschnittdarstellung mittig durch die Spiraldurchfluss-Heizeinheit der Fig. 1 ;
Fig. 2b zeigt eine zweite Längsschnittdarstellung durch die Spiraldurchfluss- Heizeinheit, wobei der Schnitt um 90° gegenüber der Darstellung in
Fig. 2a um die Längsachse der Heizeinheit gedreht ist;
Fig. 3a zeigt eine dreidimensionale Ansicht des Kernelements mit den Wasserführungsrille der Spiraldurchfluss-Heizeinheit der Fig. 1 in Alleinstellung; Fig. 3b zeigt eine Längsschnittdarstellung mittig durch das Kernelement der Fig. 3a;
Fig. 4a zeigt eine dreidimensionale Ansicht des rohrförmigen Trägers der Spiraldurchfluss-Heizeinheit der Fig. 1 in Alleinstellung;
Fig. 4b zeigt eine Längsschnittdarstellung mittig durch den rohrförmigen Träger der Fig. 4a;
Fig. 5a zeigt eine dreidimensionale Ansicht eines der beiden Deckel mit einem Anschluss für die Spiraldurchfluss-Heizeinheit der Fig. 1 in Alleinstellung;
Fig. 5b zeigt eine Draufsicht von Außen auf den Deckel der Fig. 5a;
Fig. 5c zeigt eine Längsschnittdarstellung entlang der Schnittfläche CC* durch den Deckel der Fig. 5a bzw. 5b;
Fig. 6 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines hydraulischen Strangs, bei dem alles Systemkomponenten für ein vollständiges Heizsystem di- rekt an den erfindungsgemäßen Durchflusserhitzer angebaut sind;
Fig. 7 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines hydraulischen Strangs, bei dem alle Systemkomponenten für ein vollständiges Heizsystem nicht direkt an den erfindungsgemäßen Durchflusserhitzer angebaut sind sondern mit einer Montageschale als Träger, der an die indivi- duell Einbausituation der jeweiligen Anwendung abgestimmt ist; und
Fig. 8 zeigt ein Blockschaltbild mit den Systemkomponenten des hydraulischen Strangs der Fig. 6 bzw. 7.
Ausführungsbeispiele
Fig. 1 zeigt in einer dreidimensionalen Ansicht ein Ausführungsbeispiel der erfin- dungsgemäßen Spiraldurchfluss-Heizeinheit 100 mit zwei Deckeln bzw. Endstücken 111 bzw. 112, die aus einem hitzebeständigen, insbesondere für die Belastung durch Dampf geeigneten Kunststoff bestehen, als Beispiele seien PPA (Polyphtalamid). PPE (Polyphenylenether), PPS (Polyphenylsulfid) und PTFE genannt. Die Endstücke 1 11 (bzw. 1 12) sind jeweils an einem Ende eines Kern- elements 120 mittels einer Schnappverbindung 131 , 132 gegen einen auf dem Kemelement 120 angeordneten rohrförmigen Träger 140 gepresst bzw. spannen diesen zischen sich ein und fixieren so die gesamte Anordnung.
Das rohrförmige Kernelement 120 ist ebenfalls aus einem hitzebeständigen, insbesondere für Dampf geeigneten Kunststoff, wie dem oben genannten PPA, PPE, PPS oder PTFE gefertigt und weist einen spiralförmig umlaufenden Steg 122 auf, wobei zwei benachbarte Flanken 122a, 122b des Stegs 122 eine Wasser führende Rille 124 ausbilden, die ebenfalls spiralförmig um das Kernelement 120 herum verläuft. Bevorzugt werden die Endstücke sowie das Kernelement einstückig als Kunststoffspritzgussteil hergestellt.
An Hand der aufgebrochenen Schnittkante 140* des rohrförmigen Trägers 140 ist zu erkennen, dass die Wasser führende Rille bzw. Wasserführungsrille 124 nach Außen hin durch die Innenfläche 145 des rohrförmigen Trägers 140 zu einem Strömungskanal 126 abgeschlossen wird. Hier sei angemerkt, dass eine Presspassung an den Kontaktflächen 127 zwischen dem Steg 122 und der Innenfläche 145 des Trägerrohres 140 für die Funktion des der Heizeinheit 100 ausreichend ist, da der Strömungswiderstand eines Zuges, d. h. ein 360° Umlauf, des Strömungskanals 126 wesentlich geringer als der Strömungswiderstand eines Spalts zwischen dem Steg 122 und der Innenfläche 145 (siehe Fig. 4a) des Trägerrohres 140 ist.
Der rohrförmige Träger 140 besitzt an jedem seiner beiden Enden 141 und 142 (in Fig. 1 verdeckt) einen nach Außen weisenden Flansch 143 bzw. 144 (in Fig. 1 ebenfalls verdeckt). In Fig. 1 ist am linken Deckel bzw. Endstück 111 zu erkennen, dass die in Richtung des Deckels 111 weisende Flanschfläche in einer umlaufenden Ausnehmung 1 14 des Endstücks 1 11 liegt, wobei sich zwischen der Flanschfläche 116 des Deckels 111 und der Flanschfläche des Trägerrohrs 140 eine O-Ringdichtung 151 (bzw. 152) als Dichtungselement befindet, das durch die mittels der Schnappverbindungen verspannte Anordnung derart komprimiert bzw. gepresst wird, dass die Heizeinheit 100 bei bestimmungsgemäßen Betriebsdrücken von mindestens 15 bar und mehr gegenüber heißem Wasser als auch Dampf dicht ist. Jeder der Deckel 1 11 bzw. 112 besitzt einen Anschluss 1 13 bzw. 114 der für die Aufnahme eines hydraulischen Steckverbindungselements 161 , 162 ausgelegt ist, um eine mit hohem Druck belastbare Verbindung mit einem entsprechenden Hochdruckschlauch zu anderen Systemkomponenten zu ermöglichen. Da derar- tige hydraulische Anschlusstechniken respektive Schlauchverbindungstechniken sowie Hochdruckschläuche im Bereich druckbelasteter Heißwassergeräte für den Fachmann bekannt und nicht wesentlich für das Verständnis der vorliegenden Erfindung sind, werden sie hier nicht näher beschrieben.
Figuren 2a und 2b zeigen jeweils eine Längsschnittdarstellung mittig durch die Spiraldurchfluss-Heizeinheit 100 der Fig. 1 , wobei der Schnitt der Fig. 2b um 90° gegenüber der Darstellung des der Fig. 2a gedreht ist. An den Schnittdarstellungen ist zu erkennen, dass die Steigung des spiralförmigen Stegs 122 in Richtung eines Endes der Heizeinheit 100 abnimmt, d. h. eine geringere Steigung aufweist. Als Folge davon nimmt die Breite (d1 , d2, ..., d9) der Wasserführungsrille 124 respektive der Querschnitt des Strömungskanals 126 in Richtung des Endstücks 112 hin ab, wodurch sich aufgrund des kontinuierlichen Volumenstromes zwangsläufig eine höhere Fließgeschwindigkeit für das erhitzte Wasser in der Heizeinheit zum Auslass hin einstellt.
Bestimmungsgemäß befindet sich der Auslass 102 der Heizeinheit 100 am End- stück 112, wo der Strömungskanal 126 den geringsten Strömungsquerschnitt aufweist, und demnach der Einlass 101 der Heizeinheit 100 am entsprechend anderen Endstück 111.
Fig. 3a zeigt eine dreidimensionale Ansicht des Kernelements 120 mit den Strömungsrillen 124 der Heizeinheit 100 der Fig. 1 in Alleinstellung und Fig. 3b eine Längsschnittdarstellung mittig durch das Kernelement 120 der Fig. 3a.
Am linken Ende des Kernelements 120 befindet der Anfangsbereich der Wasserführungsrille 124, die in diesem Anfangsbereich 124a deutlich schmäler ausgeführt ist als der sich unmittelbar daran anschließendende durch den spiralförmig um das Kernelement 120 verlaufenden Steg 122 gebildete eigentliche Strömungskanal 126, der dort seinen größten Querschnitt aufweist.
Die Wasserführungsrille 124 wird entlang der Außenfläche des Kernelements 120 durch den umlaufenden Steg 122 zum Anfangsbereich 124a der Wasserfüh- rungsrille 124 gegenüberliegenden Ende hin abnehmender Steigung durch jeweils zwei gegenüberliegende Stegflanken 122a und 112b als jeweils eine linke und rechte Begrenzung gebildet. Am auslassseitigen, rechten Ende des Kernelements 120 endet die Wasserführungsrille 124 bzw. der Strömungskanal 126 in einem Endbereich 124b, an dem der Strömungskanal 126 nach Zusammenfü- gung mit den in Fig. 1 gezeigten ringförmigen Deckeln bzw. Endstücken 111 bzw. 112 über entsprechend vorgesehene Bohrungen 101 a, 102a mit dem Ein- lass bzw. Auslass kommunizieren.
An den jeweiligen Enden des Kernelements 120 befinden sich in regelmäßigem Abstand angeordnete entlang des Umfangs des Endes des Kernelements 120 verlaufende Federzungen mit Rasthaken 134. Wie anhand von Fig. 3b besser zu erkennen ist, verjüngt sich ein Federelement 134, d. h. seine auf die Längsachse des Kernelements 120 bezogene Material- bzw. Wandungsstärke pfeilförmig bzw. rampenförmig bzw. keilförmig zum Ende des Kernelements 120 hin.
Beim Zusammenfügen des Kernelements 120 und eines, beispielsweise in Fig. 1 dargestellten, Endstücks 111 (bzw. 112) dienen die Flanken des Rasthakens als schräg verlaufende, rampenartige gleitende Kontakt- und Druckfläche 135 dazu, den jeweiligen Rasthaken radial nach Innen weg zudrücken. In der bestimmungsgemäßen Endposition kann der Rasthacken dann mit seiner umlaufenden Schulter bzw. Kante 136 eine in dem jeweiligen Deckel bzw. Endstück vorgese- hene umlaufende Kante derart hintergreifen, bzw. in die als Hinterschneidung ausgeführte Kante einrasten bzw. einschnappen und so die verrasteten bzw. eingeschnappten Teile dauerhaft fixieren.
Zwischen den einzelnen Rasthaken 134 befinden sich regelmäßige Aussparungen 137, die im Wesentlichen so zu einander beabstandet sind, dass die einzel- nen Federelemente 134 eine ausreichende Flexibilität für das oben beschriebene Wegbiegen beim Durchführen des Einschnappens besitzen, aber andererseits eine ausreichende Steifigkeit aufweisen, um bei hergestellter Schnappverbindung genügende Stabilität für die dauerhafte Verbindung und Verspannung der Anordnung zu gewährleisten.
Wenigstens eine der Ausnehmungen 138 (siehe Fig. 3a und Fig. 2a) weist im Vergleich zu den anderen Ausnehmungen eine unterschiedliche Form auf, insbesondere unterschiedliche Breite auf, die genau auf die Breite einer an dem jeweiligen Deckel bzw. Endstück 111 bzw. 112 vorgesehene Führungsnase 115 abgestimmt ist, um eine Montage der Endstücke111 bzw. 112 mit einer vorbestimmten Orientierung zu dem Kernstück, insbesondere bei maschineller Fertigung, zu ermöglichen. Die vorbestimmte Orientierung zielt darauf ab, dass die Bohrung 101a, 102a im Einlassanschluss 110 bzw. Auslassanschluss 102 korrekt in den jeweiligen Anfangsbereich bzw. Endbereich der Wasserführungsrille 126 einmünden.
Fig. 4a zeigt eine dreidimensionale Ansicht des rohrförmigen Trägers 140 der Spiraldurchfluss-Heizeinheit 100 der Fig. 1 in Alleinstellung und Fig. 4b eine Längsschnittdarstellung mittig durch den rohrförmigen Träger 140 der Fig. 4a.
Wie bereits erwähnt besitzt der rohrförmige Träger 140 ein erstes Ende 141 und ein zweites Ende 142 an dem jeweils ein umlaufender nach Außen weißender Flansch 143 bzw. 144 vorgesehen ist. Zur Herstellung einer jeweils gegenüber Wasser bzw. Dampf dichten Schnittstelle zwischen dem rohrförmigen Träger 140 und dem aus den Endstücken 111 bzw. 112 und dem Kernelement 120 gebildeten Körper der Heizeinheit 100 zu bilden, besitzt der Flansch 143 bzw. 144 an jedem Ende des rohrförmigen Trägers eine im Wesentlichen von dem jeweiligen Ende des rohrförmigen Trägers wegweisende ringförmig umlaufende Flanschfläche 147 bzw. 148.
Der rohrförmige Träger 140 ist bevorzugt aus einem ferritischen Edelstahl hergestellt, kann aber in einer vorteilhaften Weiterbildung auch aus zwei unterschiedli- chen Metallen, die beispielsweise mittels Plattierung mechanisch miteinander verbunden sind, hergestellt sein.
Es ist jedenfalls bevorzugt, dass die im bestimmungsgemäßen Betrieb der Heizeinheit 100 mit dem zu erhitzenden Wasser in Kontakt stehende Innenfläche 145 des rohrförmigen Trägers 140 aus einem korrosionsbeständigen Metall gefertigt ist. Selbstverständlich ist es auch möglich die Innenfläche 145 mit einer zusätzlich Funktionsschicht zu versehen, welche eine Kalkanhaftung verhindert. Als vorteilhaft haben sich hier insbesondere Schichten, welche die freie Oberflächenenergie absenken, wie z. B. PTFE Beschichtungen basierend auf LXE (Ii- quid wax ester) Systemen, erwiesen.
Der rohrförmige Träger 140 trägt wenigstens eine in Dickschichttechnik realisierte, elektrische Heizleiterschicht als Heizelement und dient gleichzeitig zur Wärmeübertragung von dem wenigstens einen Heizelement auf das zu erwärmende Wasser im Strömungskanal 126 im Inneren des rohrförmigen Trägers 140. Be- vorzugt besteht das Trägerrohr aus einem ferritischen Edelstahl, wobei die Innenoberfläche 145 als die dem Wasser als zu beheizendem Medium zugewandte Seite (d.h., Mediumseite) bevorzugt mit einer Kalk abweisenden und/oder korrosionsbeständigen Beschichtung.
Die wenigstens eine Heizleiterschicht weist bevorzugt eine Dicke bzw. Stärke im Bereich von 5 bis 150 μm auf. Bevorzugt besteht die Heizleiterschicht aus einem der folgenden Materialen oder einer wahlweisen Kombination davon: Metalle auf Nickel-Basis, Eisen-Basis, Aluminium-Basis, Kupfer-Basis, Kobalt-Basis, Molyb- den-Basis und Titan-Basis und Kombinationen davon. Auch Cermets und Keramiken wie Bariumtitanat sind denkbar, besonders bevorzugt kommt NiCr 8020 und Kanthai zur Anwendung.
In einer besonderen Ausführung besteht das Trägerrohr aus wenigstens einer ersten und einer zweiten Verbund bildenden Metallschicht. Die erste innen liegende Metallerschicht steht im bestimmungsgemäßen Betrieb mit dem Wasser in Kontakt und besteht aus einem Metall, das gegenüber Wasser, insbesondere Dampf, weitgehend korrosionsbeständig ist. Die zweite außen liegende Metallschicht besteht aus Aluminium oder einer Legierung von Aluminium mit Kupfer, Magnesium, Mangan, Silizium, Eisen, Titan, Beryllium, Chrom, Zink, Zirkon und/oder Molybdän und trägt das elektrische Heizsystem als funktionelle Schich- ten. Bevorzugt ist ein dauerhafter Verbund zwischen der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht mittels Walzen oder Walzplattieren hergestellt.
Der Dickschichtaufbau kann im Bereich der im Betrieb Strom und Spannung führenden Heizleiterschicht oder der später erläuterten Leiterstrukturen gegenüber dem Trägerrohr eine elektrisch isolierende Schicht aufweisen. Die elektrisch isolierende Schicht weist eine Dicke im Bereich von 0,1 bis 0,3 mm auf.
Weiter kann der Dickschichtaufbau eine oder mehrere weitere Funktionsschichten aufweisen, die beispielsweise als Leiterbahnschichten für elektrische Signale ausgeführt sind und die mit Schaltungselementen zur Absicherung, Überwachung, Steuerung, Regelung oder einer Kombination davon verschaltet sind. Dabei kann eine der weiteren Funktionsschichten in derselben durch die Heizleiterschicht definierten Schichtebene und/oder auch über oder unter der durch die Heizleiterschicht definierten Schichtebene angeordnet sein. So können beispielsweise elektrische Signale zur Temperaturüberwachung und/oder Temperaturmessung führende Leiterbahnen entsprechende Sensor-Bauelemente, wie zum Beispiel ein NTC-Widerstand, bevorzugt in SMD-Technik, kontaktieren, die auf oder in der Nähe einer Heizleiterbahn der Heizleiterschicht angeordnet sind.
Die genannten Leiterbahnschichten weisen eine Dicke bzw. Stärke im Bereich von 5 bis 150 μm auf. Bevorzugt bestehen die Leiterbahnschichten aus einem der folgenden Materialien oder einer wahlweisen Kombination davon: Metalle auf Kupferbasis und Silberbasis oder Ähnlichem Besonders bevorzugt wird CuNiIO und CuNiZn verwendet.
An dieser Stelle sei noch auf eine besondere Weiterbildung der elektrischen Heizeinheit mit der elektrischen Heizleiterstruktur in Form der Dickschichtheizung zum Schutz des Heizelements und der Umgebung sowohl im sachgemäßen als auch im unsachgemäßen Betrieb, insbesondere im Hinblick auf Brandgefahr aber auch mechanische Schäden am Heizelement durch Überhitzung, hingewiesen.
Daher wird in einer besonderen Ausführung einer Absicherung und Steuerung des Durchflusserhitzers von einer entsprechend eingerichteten Steuerung der jeweilige Momentan-Widerstandswerts des wenigstens einen elektrischen Widerstandsheizelements der Dickschichtheizung erfasst. Weiter werden daraus zeitliche Änderungen des Widerstandswerts des wenigstens einen elektrischen Widerstandsheizelements bestimmt und die Leistung des Heizsystems basierend auf der jeweils aktuellen zeitlichen Änderung des Widerstandswerts gesteuert.
Als besonders einfacher Schutz gegen so genanntes Trocken- oder Leerlaufen des Heizsystems wird im Wesentlichen nach einer vorbestimmten systemabhängigen Zeitkonstante bzw. Anlaufzeit nach dem Einschalten des elektrischen Heizelements die zeitliche Änderung des Widerstandswerts des wenigstens einen elektrischen Widerstandsheizelements der Dickschichtheizung bestimmt. D. h., bevorzugt erfolgt beim Aufheizen während der Anlaufzeit noch keine Steuerung des elektrischen Heizelements im Sinne einer Betriebssteuerung und/oder Sicherung, wobei die Erfassung der zeitlichen Änderung des Widerstandswerts prinzipiell schon ab Einschalten möglich ist.
Entscheidend für die Länge der für das jeweilige Heizsystem vorbestimmte An- laufzeit ist das Anlaufverhalten des Heizelementes und seine thermische Massen. Nach der Anlaufzeit bzw. Verzögerungszeit hat bzw. sollte bei ordnungsgemäßen Betrieb des Heizsystems die korrekte Betriebstemperatur vorliegen, wobei der ordnungsgemäße Betriebszustand daran zu erkennen ist, dass die zeitliche Änderung des elektrischen Widerstands gegenüber dem Vorliegen einer Störung wie Leerlaufen eine deutlich geringe Steigung auf. Somit kann nach dieser Verzögerungszeit mit einer einfachen Auswertung der aktuellen Steigung des Widerstandsverlaufs (dR(t)/dt) entsprechend reagiert, d. h. gesteuert werden. Es sei darauf hingewiesen, dass die Bewertung der aktuellen zeitlichen Änderung des Widerstandswerts als hoch oder gering bzw. niedrig prinzipiell einem Ver- gleich des aktuellen Wertes mit einem vorbestimmten bzw. systemabhängigen Wert entspricht. Die Auswertung für die entsprechende Steuerung des Heizsystems sieht beispielsweise wie folgt aus: Befindet sich nach der voreingestellten bzw. vorbestimmten Verzögerungszeit bzw. Anlaufzeit kein Wasser im Heizsystem, steigt der Widerstand weiter stark an (dR(t)/dt ist hoch) und das Heizele- ment wird entsprechend abgeschaltet, um eine Beschädigung durch Überhitzung zu vermeiden. Befindet sich dagegen genug Wasser im Heizsystem steigt der Widerstand langsamer (dR(t)/dt ist niedrig) bzw. bleibt nahezu konstant an und das Heizsystem kann weiter Heizleistung an das zu Wasser im System zur Erzeugung von Heißwasser oder Dampf abgeben.
Damit kann die Durchflussheizung relative einfach vor Schäden durch zu hohe Heizleitertemperaturen durch unsachgemäßen Betrieb, wie einem Betrieb ohne Wasser, geschützt werden. Dabei ist es insbesondere nicht notwendig, einen absoluten oder relativen Widerstandswert als Schaltschwelle festzulegen, der üblicherweise aufgrund zulässiger Wertestreuung keine zuverlässige Tempera- turkontrolle bzw. Temperaturüberwachung zulässt. Mit anderen Worten, die vorstehende Schutzmaßnahme ist völlig unabhängig den Materialschwankungen des Heizleiters unterworfenen Temperaturschwellen.
In einer Ausführung der erfindungsgemäßen Heizeinheit erfolgt die Messung der Mediumstemperatur alternative oder zusätzlich mit einem integrierten Tempera- tursensor. Dieser kann beispielsweise als aufgelöteter NTC-Widerstand ausgeführt sein. Wird der Temperatursensor bei einem senkrechten Einbau der Heizeinheit, d. h. bei senkrechter Anordnung der Längsachse des Kernelements der Heizeinheit zur Standfläche des Gesamtsystems, möglichst hoch angeordnet, kann damit auch ein unsachgemäßer Betriebszustand wie etwas Trockenlaufen der Heizeinheit (d.h. ohne Wasser) erkannt werden.
In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Heizeinheit sind die Funktionsschichten und/oder die Isolationsschicht(en) mit einem der folgenden Materialen oder einer wahlweisen Kombination zur Hydrophobisierung imprägniert: Siloxan, Silikonöl, Nano Coating, Aluminiumoxid-Suspension, Böhmit oder Ähnlichem. Besonders bevorzugt wird zur Imprägnierung Siloxan verwendet. In einer Weiterbildung des Heizsystems ist wenigstens für die Funktionsschichten des Heizsystems einer Abdeckschicht vorgesehen. Die weinigstens eine Abdeckschicht weist bevorzugt eine Dicke im Bereich von 10 bis 200 μm auf. Besonders bevorzugt beträgt die Dicke der Abdeckschicht 20 μm. Die weinigstens eine Abdeckschicht besteht bevorzugt aus einem der folgenden Materialen oder einer wahlweisen Kombination davon: Polyetheretherketon (PEEK), Polytetraflu- orethylen (PTFE), Polyphenylensulfid (PPS), Silikon, Silikonpolyester, Epoxid, PI oder Ähnlichem, wobei Silikon besonders bevorzugt wird.
Im Hinblick auf die Herstellung des Dickschichtheizsystems sei angemerkt, dass die Schichten des elektrischen Heizsystems mittels wenigstens einem Schicht bildenden Verfahren, bevorzugt mittels eines thermischen Spritzverfahren beispielsweise einem Lichtbogenspritzverfahren auf der Außenseite des Trägerrohrs erzeugt wird.
Wenigstens im Bereich der Funktionsschichten des Dickschichtaufbaus befindet sich auf dem Trägerrohr eine elektrische Isolierschicht, die beispielsweise mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, Anodisieren, Hartanodisieren oder Oxi- dieren erzeugt wurde. Die wenigstens eine Heizleiterschicht sowie ggf. weitere Leiterbahnschichten sind darauf bevorzugt als Funktionsschicht mittels eines thermischen Spritzverfahren wie atmosphärisches Plasmaspritzen und Lichtbo- genspritzen hergestellt. Bei der Herstellung werden die eine Funktionsschicht oder mehreren Funktionsschichten mittels Schicht bildender Verfahren vollflächig aufgetragen und anschließend mittels eines Abtragungsverfahren die Leiterbahnen in der jeweiligen Funktionsschicht strukturiert. Hierfür wird besonders bevorzugt Abtrag mittels Laser bzw. Wasserstrahl bzw. eine Kombination der Verfah- ren verwendet.
Fig. 5a zeigt eine dreidimensionale Ansicht eines der beiden in Fig. 1 gezeigten Deckel bzw. Endstücke 111 (bzw. 112) mit einer Anschlussstückaufnahme 113 (bzw. 1 14) für die Spiraldurchflusseinheit 100 der Fig. 1 , wobei Fig. 5b eine Draufsicht auf den Deckel der Fig. 5a und Fig. 5c eine Längsschnittdarstellung entlang der Schnittfläche CC* durch den Deckel bzw. das Endstück 111 (bzw. 1 12) der Fig. 5a bzw. 5b zeigt.
Im Inneren des ringförmigen Deckels bzw. Endstücks 111 (bzw. 112) ist eine umlaufende Dichtfläche 1 17a bzw. 118a, die im zusammengebauten Zustand der Heizeinheit 100 zusammen mit einer zwischengelegten O-Ringdichtung als Dichtelement 151 bzw. 152 mit dem jeweiligen Flansch 143 bzw. 144 des rohr- förmigen Trägers 140 eine für Wasser sowie Dampf undurchlässige Dichtung ausgebildet wird.
Weiter besitzt der ringförmigen Deckel in seinem Inneren eine zylindermantelför- mige Innenfläche 119, deren Durchmesser im Wesentlichen dem Innendurchmesser des rohrförmigen Trägers 140 entspricht sowie dem Außendurchmesser des Kernelements 120, gemessen vom äußersten Punkt des Außen umlaufenden Steges 122 auf einer Seite zum äußersten Punkt des Steges 122 auf der gegenüberliegenden Seite, entspricht.
An der im Bezug auf das Kernelement 120 innen liegenden Seite wird die Innenfläche 119 des Deckels bzw. Endstücks 111 (bzw. 112) von der Dichtfläche 1 17a (bzw. 118a) und auf der anderen Seite von einer weiteren Dichtfläche 117b bzw. 118b begrenzt, die auch im Wesentlichen senkrecht zur Innenfläche 119 sowie parallel zur Dichtfläche 1 17a bzw. 118a über den gesamten Umfang des ringför- migen Deckels bzw. Endstücks 111 , 112 verläuft.
Die zweite ebenfalls ringförmige Dichtfläche 117b, 118b bildet jeweils zusammen mit einer Stirnfläche 127 bzw. 128 des Kernelements 120 mittels zwischengelegter O-Ringdichtungen 153 bzw. 154 als Dichtungselemente eine weitere gegenüber Wasser bzw. Dampf dichtende Dichtung. Im Ergebnis ist damit der im Inne- ren der Heizeinheit 100 spiralförmig verlaufende Strömungskanal 126 an beiden Enden der Heizeinheit 100 jeweils mittels einer zwischen Trägerrohr 140 und einem Endstück 11 1 (bzw. 1 12) angeordneten Dichtung sowie mittels einer zwischen einer Stirnfläche 127 (bzw. 128) des Kernelement 120 sowie dem jeweili- gen Deckel bzw. Endstück 111 bzw. 112 angeordneten Dichtung nach Außen hin gegen Austritt von sowohl Wasser bzw. Dampf abgedichtet.
Fig. 5b ist eine Draufsicht auf den Deckel bzw. das Endstück 111 bzw. 112, wobei die ringförmige Ausgestaltung sowie die tangentiale Orientierung der Anschlussstückaufnahme 113 (bzw. 114) zu erkennen ist. Weiter ist in Fig. 5b die an der Innenoberfläche des Deckels bzw. Endstücks 111 (bzw. 112) angeordnete Führungsnase 115 zu sehen, die eine vorbestimmte und orientierungsrichtige Montage mittels der zur Führungsnase korrespondierenden Ausnehmung 138 an dem Kernelement 120, wie in der Fig. 2a dargestellt, gewährleistet.
Fig. 5c zeigt eine Schnittansicht entlang der Schnittfläche CC*, deren Verlauf in Fig. 5b definiert ist, anhand derer im Wesentlichen der Aufbau eines ringförmigen Deckels bzw. Endstücks 111 (bzw. 112) etwas detaillierter gezeigt ist. Besonders gut zu erkennen ist die Ausführung der Anschlussstückaufnahme 113 bzw. 114 zu erkennen, in die entsprechende hydraulische Steckverbindungen für hoch- druckgeeignete Schlauchverbindungen eingesetzt werden können sowie die Durchgangsbohrung 101a bzw. 102a für eine hydraulische Kommunikation einer angeschlossenen Schlauchverbindung mit dem Strömungskanal 126, wobei die Durchgangsbohrung im Wesentlichen tangential in den Strömungskanal 126 bei zusammengesetzter Heizeinheit 100 einmündet.
An dieser Stelle sie bezüglich des vorstehend detailliert besprochenen Ausführung einer Spiraldurchfluss-Heizeinheit 100 der Erfindung noch Folgendes angemerkt. Grundsätzlich kann der aus dem Kernelement 120 und den beiden Endstücken 11 1 und 112 gebildete Körper auch zweiteilig ausgeführt werden, wobei das dargestellte Kernelement mit einem Endstück als eine Einheit herge- stellt werden, wodurch im Wesentlichen eine abzudichtende Schnittstelle, zwischen dem Kernelement und einem Endstück in Wegfall kommt. Selbstverständlich kann die eine für die Herstellbarkeit benötigte Unterteilung des aus den beiden Endstücken sowie dem Kernelement gebildeten Körper auch an anderer Stelle als hier beschrieben ausgeführt werden. Auch ist es möglich die Federzungen mit den Rasthaken für die Schnappverbindung an dem einen oder beiden Endstücken und in der Innenoberfläche des Kernelements entsprechend umlaufende Kanten für das Eingreifen der Rasthaken zum Herstellen der Schnappverbindung vorzusehen. Dem Fachmann sind in Kenntnis der vorliegenden Erfindung sofort zahlreiche Modifikationen der beschriebenen Anordnung erkenntlich, die jedoch nicht von dem in den Ansprüchen definierten Prinzip der Erfindung abweichen.
Fig. 6 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines hydraulischen Strangs, bei dem alle Systemkomponenten für ein vollständiges Heizsystemmodul 600 direkt an die erfindungsgemäße Spiraldurchfluss-Heizeinheit angebaut sind.
Dabei besteht der hydraulische Strang aus folgende Komponenten, wobei im Folgenden die Nennung in Durchflussrichtung erfolgt: Als erstes nach einem (nicht gezeigten) Wasservorratsbehälter oder einem beliebigem anderem Was- seranschluss befindet sich ein Durchflussmesser 610 mit einem entsprechenden Anschlussstück 612 für eine Schlauch. Mittels dem Durchflussmesser kann zum einen die benötigte Wassermenge bei der Zubereitung eines Heißgetränkes gemessen werden, aber mit dem Durchflussmesser kann auch eine einfache Absicherung der Heizeinheit gegen Trockenlaufen erfolgen, denn wenn der Durchflussmesser keinen Durchsatz anzeigt, deutet dies auf das Fehlende Was- ser bzw. eine defekte Pumpe hin und die Heizeinheit kann automatisch abgeschaltet werden.
Nach dem Durchflussmesser 610 wird das Wasser über einen Verbindungsschlauch 614 zu einer elektro-mechanischen Pumpe 620 geführt, die für den Aufbau den benötigten Systemdrucks von 2,5 bis 3 bar für den Einsatz in Kaffee- pad-Kaffeemaschinen bzw. für 13 bis 15 bar für den Einsatz in Espressomaschi-
,nen ausgelegt ist. Von der Pumpe 620 wird das Wasser unter Druck über eine entsprechend für Hochdruck geeignete Schlauchverbindung 622, zum Beispiel einen Teflonschlauch der Spiraldurchfluss-Heizeinheit 630 zugeführt. Der
Schlauch wird dabei üblicherweise über eine bekannte hydraulische Steckverbin- düng 632 an den Zulaufanschluss 634 angeschlossen. In der Spiraldurchflussheizung 630 wird das Wasser auf die benötigte Temperatur erhitzt, d. h. je nach Anwendung auf ca. 9O0C bis 13O0C und am dem Zulauf- anschluss 634 gegenüber liegenden Ende über einen entsprechenden Ablaufan- schluss 636 zu einer entsprechenden Baugruppe des Heißgetränkegeräts ge- führt. Dabei kann es sich um eine Brühgruppe bzw. einen Siebträger einer Espressomaschine oder einen Träger für Kaffeepads einer Kaffeepad- Kaffeemaschine oder eine Vorrichtung zum Aufschäumen von Milch oder Abgabestelle oder Abgabevorrichtung für Heißwasser oder Dampf sein. Schließlich ist noch ein elektrisch gesteuertes Dampfentspannungsventil 640 integriert, mittels dem nach Zubereitung eines Heißgetränks bzw. Bezug von Dampf oder Heißwasser das System drucklos gemacht bzw. entspannt werden kann.
Die oben genannten Systemkomponenten sind alle direkt an die gegenüber der Ausführung in den Fig. 1 bis 5 geringfügig modifizierten Spiraldurchfluss- Heizeinheit 630 der Erfindung angebaut.
Um Auswirkungen von mechanischen Schwingungen der Pumpe 620 im Betrieb einzudämmen bzw. zu entkoppeln, ist diese beispielsweise über Halterungen 621 , 622 aus einem Schwingungen dämpfenden Material, wie zum Beispiel einem Elastomer oder einem anderem geeigneten elastischem Material, jeweils an den modifizierten Endstücken der Spiraldurchfluss-Heizeinheit 630 der Erfin- düng befestigt.
Das Heizsystemmodul 600 dient zur Brühung von Heißwasser und zur Dampferzeugung in Kaffeemaschinen, in erster Linie ist es zum Einbau in Espressomaschinen gedacht, wobei aufgrund des Aufbaus des erfindungsgemäßen Spiraldurchfluss-Heizeinheit hohe Drücke von über 15 bar, wie sie bei Espressoma- schinen benötigt werden, kein Problem darstellen. Ein besonderer Vorteil der Anordnung besteht im kompakten montagefreundlichen Aufbau sowie der Möglichkeit Geräteherstellern ein komplettes und Raum sparendes Systemmodul aus einer Hand zur Verfügung stellen zu können. Fig. 7 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines hydraulischen Strangs, bei dem alle Systemkomponenten für das vollständige Heizsystemmodul 700 nicht direkt an die erfindungsgemäße Spiraldurchfluss-Heizeinheit angebaut sind, sondern jeweils an eine Montageschale 705 als Träger bzw. Halter. Die Monta- geschale 705 der an die individuell Einbausituation der jeweiligen Anwendung abgestimmt werden kann, aufgebaut sind. Ansonsten erfüllt die in Fig. 7 gezeigte Variante dieselben Zwecke wie die der Fig. 6 und bedarf daher nicht einer erneuten Beschreibung. Als besonderer Vorteil des Systems der Fig. 7 sei wieder den Platz sparenden und Montage freundlichen Aufbau sowie die individuelle Ab- stimmbarkeit der Montageschale als Schnittstelle zum Gerät, in welches das Modul eingebaut werden soll.
Im Zusammenhang mit den Systemen der Fig. 7 und 8 sei noch auf eine nicht näher dargestellte Weiterbildung hingewiesen, bei der im Inneren des Spiral- Durchflusserhitzers zur Verfügung stehenden Platz genutzt wird, indem Kompo- nenten wie der Durchflussmesser und/oder das Dampfentspannungsventil und/oder die Pumpe im Inneren des Strömungskerns angeordnet sind.
Fig. 9 zeigt einen schematischen Systemüberblick eines Heißwassergeräts 1000 mit einem Heizsystemmodul 900 der Erfindung. Ein Wasservorratsbehälter 910 ist an den Durchflussmesser des Heizsystemmodul 900 mit Durchflussmesser 901 , Pumpe 902 Heizeinheit 903 sowie Dampfspannungsventil 904 angeschlossen, wobei an dem Wasservorratsbehälter 910 noch ein Wasserstandsmelder 912 als weitere Schutzmaßnahme gegen Trockenlaufen vorgesehen ist. Am Auslass des Heizsystemmodul 900 befindet sich ein Steuerventil 920, mittels dem das Heißgetränkegerät nach Wahl des Benutzers das erzeugte Heißwasser HW bzw. den erzeugten Dampf D die Weiterleitung zur jeweiligen Bedarfsstelle steuert. Schließlich ist noch das an den Dampfkreis angeschlossen Dampfentspannungsventil 904 mit entsprechendem Auffangbehältnis 940 angedeutet.

Claims

Ansprüche
1. Spiraldurchfluss-Heizeinheit für elektrische Geräte zur Bereitung von Heißgetränken aufweisend einen rohrförmigen Träger (140) mit wenigstens einer elektrischen Heizlei- terstruktur in Dickschichttechnik auf seiner Außenseite und je einem an seinen beiden Enden (141 , 142) umlaufenden nach Außen weisenden Flansch (143, 144), ein in dem rohrförmigen Träger (140) angeordnetes Kernelement (120) mit wenigstens einem auf der Mantelfläche des Kernelements (120) spiralför- mig umlaufenden Steg (122), wobei zwei benachbarte Stegflanken (122a,
122b) mit der Mantelfläche eine Strömungsrille (124) bilden, die nach Außen durch die Innenseite (145) des rohrförmigen Trägers (140) im Wesentlichen dicht zu einem Strömungskanal (126) abgeschlossen ist, ein erstes und ein zweites Endstück (111 , 112) mit je einem mit dem Strö- mungskanal (126) kommunizierenden Anschluss (1 13, 114), wobei die
Endstücke (111 , 112) jeweils an ihrem Ende des rohrförmigen Trägers (140) mit dem Kernelement (120) fest verbunden sind, und wobei die aus den Endstücken (111 , 112) und dem Kernelement (120) bestehende Einheit aus wenigstens zwei Teilen besteht, die mittels wenigs- tens einer Schnappverbindung (131 , 132) miteinander in Eingriff stehen und mechanisch derart verspannt sind, dass zwischen dem rohrförmigen Träger (140) und den jeweiligen Endstücken (111 , 112) angeordnete Dichtungen (151 , 152) mit einem ausreichenden Pressdruck belastet sind, so- dass die Dichtungen (151 , 152) wasser- und dampfdicht sind.
2. Spiraldurchfluss-Heizeinheit nach Anspruch 1 , wobei die Steigung des spiralförmig umlaufenden Stegs (122) in Richtung des als Auslass dienenden Anschlusses (114) abnimmt, sodass die Breite (d1 , d2 d8, d9) der
Strömungsrille (124) und somit der Querschnitt des Strömungskanals (126) zum Auslass (114) hin abnimmt.
3. Spiraldurchfluss-Heizeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Schnappverbindung (131 , 132) zwischen einem Ende des Kernelements (120) und einem dort angeordneten Endstück (111 , 112) vorgesehen ist.
4. Spiraldurchfluss-Heizeinheit nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei jeweils eine Schnappverbindung (131 , 132) zwischen je einem Ende des Kernelements (120) und dem jeweils dort angeordneten Endstück (111 , 112) vorgesehen ist.
5. Spiraldurchfluss-Heizeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen zugewandten Stirnflächen (117, 127; 1 18, 128) der wenigstens zwei Teile der aus den Endstücken (111 , 112) und dem Kemele- ment (120) bestehende Einheit eine Dichtung (153, 154) angeordnet ist, die mittels der wenigsten einen Schnappverbindung (131 , 132) mit einem ausreichenden Pressdruck belastet ist, damit die Dichtungen (153, 154) was- ser- und dampfdicht ist.
6. Spiraldurchfluss-Heizeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kernelement (120) innen hohl ist, sodass die Heizeinheit ein an wenigstens einem Ende offenes Rohr darstellt.
7. Spiraldurchfluss-Heizeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Durchgangslöcher (101a, 102a) in jedem der Anschlüsse (113, 114) an dem jeweiligen Ende der Heizeinheit zur Kommunikation des dort jeweils endenden Strömungskanals (126) mit an den Anschlüssen angeordneten hydraulischen Anschlussstücken (161 , 162).
8. Spiraldurchfluss-Heizeinheit nach Anspruch 7, wobei die Durchgangslöcher (101a, 102a) im Wesentlichen tangential im Bezug auf den rohrförmigen
Träger (120) in den Strömungskanal (126) einlaufen.
9. Spiraldurchfluss-Heizeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die von den Enden wegweisenden Flanschflächen (143, 144) des rohrförmige Trägers (140) jeweils als erste Dichtflächen und entsprechende Auflageflächen (117a, 1 18a) in dem jeweiligen Endstück (11 1 , 112) als jeweils zweite Dichtflächen zusammen mit jeweils dem dazwischen angeordneten Dichtelement (151 , 152) eine erste und zweite Dichtung bilden.
10. Spiraldurchfluss-Heizeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der rohrförmige Träger (140) aus einem ferritischen Edelstahl besteht.
11. Spiraldurchfluss-Heizeinheit nach Anspruch 10, wobei die Innenoberfläche (145) des rohrförmigen Trägers (140) mit einer Kalk abweisenden und/oder korrosionsbeständigen Beschichtung versehen ist.
12. Spiraldurchfluss-Heizeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens im Bereich der elektrischen Heizleiterstruktur in Dickschichttechnik zwischen dem Material des rohrförmige Trägers (140) der elektrischen Heizleiterstruktur eine elektrisch isolierende Schicht angeordnet ist.
13. Spiraldurchfluss-Heizeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf dem rohrförmigen Träger (140) neben der elektrischen Heizleiterstruktur in Dickschichttechnik eine oder mehrere weitere Funktionsschichten vorgesehen sind, die als Leiterbahnschichten für elektrische Signale ausgeführt sind und die mit wenigstens einem Bauelement zur Absi- cherung, Überwachung, Steuerung, Regelung der Heizeinheit oder einer
Kombination davon verschaltet sind.
14. Spiraldurchfluss-Heizeinheit nach Anspruch 13, wobei wenigstens eine der weiteren Funktionsschichten in derselben durch die Heizleiterschicht definierten Schichtebene angeordnet ist.
15. Spiraldurchfluss-Heizeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens als ein Bauelement zur Absicherung gegen Überhitzung ein Temperaturerfassungselement (170) vorgesehen ist.
16. Spiraldurchfluss-Heizeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Messung der Wassertemperatur in den Dickschichtaufbau auf dem Träger ein Temperatursensor integriert ist, insbesondere ein aufgelöteter NTC-Widerstand (170).
17. Spiraldurchfluss-Heizeinheit nach Anspruch 16, wobei der Temperatursensor (170) im Wesentlichen über dem Strömungskanal (126) und nahe zum Auslass der Heizeinheit angeordnet ist.
18. Spiraldurchfluss-Heizeinheit nach Anspruch 16 oder 17, wobei der Temperatursensor im Bezug auf eine senkrechte Einbaulage der Heizeinheit, d. h. bei senkrechter Anordnung der Längsachse des Kernelements der Heizeinheit zur Standfläche des Gesamtsystems, an einer höchst möglichen Stelle an dem Träger angeordnet ist.
19. Spiraldurchfluss-Heizeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wenigstens einer elektrischen Heizleiterstruktur in Dickschicht- technik über einen auf dem rohrförmigen Träger angeordneten Steckverbinder kontaktierbar ist.
20. Spiraldurchfluss-Heizeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 19, wobei die Leiterbahnschichten für elektrische Signale des wenigstens einen Bauelements zur Absicherung, Überwachung, Steuerung, Regelung der Heizeinheit oder einer Kombination davon sowie die wenigstens einer elektrischen Heizleiterstruktur in Dickschichttechnik über einen auf dem rohrförmigen Träger angeordneten Steckverbinder kontaktierbar sind.
21. Heizsystemmodul, das einem hydraulischen Strang mit einem Durchfluss- messer, einer Pumpe einer Spiraldurchfluss-Heizeinheit nach einem der
Ansprüche 1 bis 20, einem Dampfspannungsventil als Komponenten aufweist, wobei die Komponenten jeweils über druckbelastbare Schlauchverbindungen verbunden sind, wobei die Pumpe im Wesentlichen über jeweils an den Endstücken der Spiraldurchfluss-Heizeinheit vorgesehenen Befestigungselementen parallel zu der Heizeinheit, und der Durchflussmesser sowie das Dampfspannungsventil jeweils im Bereich eines Endstücks angeordnet sind.
22. Heizsystemmodul, das einem hydraulischen Strang mit einem Durchflussmesser, einer Pumpe einer Spiraldurchfluss-Heizeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 20, einem Dampfspannungsventil als Komponenten aufweist, wobei die Komponenten jeweils über druckbelastbare Schlauchverbindungen verbunden sind, wobei die Komponenten mit einem gemeinsamen Trägerelement über jeweilige Befestigungselemente fest verbunden sind, wobei die Pumpe im Wesentlichen parallel zu der Heizeinheit, und der Durchflussmesser sowie das Dampfspannungsventil jeweils im Bereich eines Endstücks angeordnet sind.
23. Heizsystemmodul nach Anspruch 21 oder 22, wobei der Durchflussmesser und/oder das Dampfspannungsventil teilweise oder ganz im Inneren des Kernelements der Spiraldurchfluss-Heizeinheit angeordnet sind.
24. Heizsystemmodul nach Anspruch 21 oder 22, wobei die Pumpe im Inneren des Kernelements der Spiraldurchfluss-Heizeinheit angeordnet ist.
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