Durchlauferhitzer für Heißgetränkezubereitungsvorrichtungen

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Durchlauferhitzer für Heißgetränkezubereitungs- vorrichtungen mit einer rohrförmigen Kunststoff-Wasserleitung und einer wasserumströmten Heizeinrichtung, wobei die Wasserleitung einen Wasserzulauf und einen Wasserablauf und die Heizeinrichtung einen Anschluss für eine elektrische Heizspannung aufweist. Eine derartige Heißgetränkezubereitungsvorrichtung kann zum Beispiel eine Kaffeemaschine sein.

Aus der DE 103 17 353 A1 ist ein Heizmodul für eine Heißgetränkezubereitungs- vorrichtung bekannt, das in Form eines elektrisch beheizbaren Rohrheizkörpers innerhalb einer wasserführenden Nut angeordnet ist und von Wasser umspült wird. Rohrheizkörper bestehen typischerweise aus einem Metallrohr, zum Beispiel aus Aluminium oder Edelstahl, in dem ein Heizdraht angeordnet ist. Zwischen Heizdraht und Metallrohr befindet sich zur elektrischen Isolation Magnesiumoxid. Um das Wasser auf eine Brühtemperatur von ca. 94°C zu erhitzen, müssen zunächst das den Heizdraht umgebende Magnesiumoxid sowie das Rohrleitungsmaterial erhitzt werden. Aufgrund der hohen Wärmekapazität der den Heizdraht umgebenden Materialien ist für die Erwärmung des Wassers eine hohe Heizleistung mit entsprechendem Energiebedarf erforderlich. Die hohe Wärmekapazität der den Heizdraht umgebenden Materialien führt außerdem zu trägen Regelungseigenschaften, da die erwärmten Materialien die gespeicherte Wärmemenge nur allmählich wieder abgeben.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Durchlauferhitzer für Heißgetränkezubereitungsvorrichtungen anzugeben, mit dem eine schnelle und genaue Regelung der Wassertemperatur möglich ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Erfindungsgemäß wird bei dem eingangs genannten Durchlauferhitzer die Heizeinrichtung durch einen innerhalb der Kunststoff-Wasserleitung angeordneten Heizdraht gebildet. Im

Gegensatz zum Stand der Technik befindet sich das Heizelement, zum Beispiel ein Heizdraht, in direktem Kontakt zum Wasser. Es müssen also nicht erst zwischen Heizeinrichtung und Wasser angeordnete Isolationsmaterialien mit hoher Wärmekapazität erwärmt werden. Damit kann ein wesentlicher Anteil an Heizenergie eingespart werden. Vielmehr erwärmt der Heizdraht das Wasser unmittelbar und damit in kürzerer Zeit. Die Erwärmung des Wassers erfolgt somit energieeffizienter. Ein weiterer Vorteil dieser Heizdrahtanordnung ist eine spontane und präzise Regelbarkeit der Wassertemperatur. Damit lassen sich sehr kurze Wasservorheizzeiten realisieren, so dass nach dem Einschalten der Kaffeemaschine ein schnelles Starten des Brühprozesses erfolgen kann. Das fertige Brühgetränk steht somit in kürzerer Zeit zur Verfügung.

Da nicht nur der Heizdraht, sondern auch das ihn umgebende Wasser den elektrischen Strom leitet, müssen geeignete Vorkehrungen zum Schutz eines Benutzers der Kaffeemaschine vor einem Stromschlag getroffen werden. Es muss demnach verhindert werden, dass der direkte Kontakt des stromdurchflossenen Heizdrahtes mit dem Wasser nicht zu einem Kurzschluss mit anderen ebenfalls mit dem Wasser in Kontakt stehenden und elektrisch leitfähigen Materialien führt. Die den Heizdraht umgebende Wassermenge ist deshalb erfindungsgemäß so dimensioniert, dass das Wasser selbst als Isolator für den Heizdraht wirkt. Die Fließstrecke des Wassers zwischen Heizdraht und dem nächst gelegenen elektrisch leitenden Bauteil der Heißgetränkezubereitungsvorrichtung ist so bemessen, dass es zu keinem Kurzschluss bzw. Stromschlag kommen kann. Da das Wasser die Funktion des Isolators übernimmt, kann also auf zusätzliche Isolationsmaterialien verzichtet werden.

Für eine schnelle Regelbarkeit sowie für minimale Vorheizzeiten ist auch das Volumen des zu erhitzenden Wassers von Bedeutung. Grundsätzlich gilt, dass weniger Wasser schneller zu erwärmen ist. Umso genauer lässt sich auch die gewünschte Brühtemperatur einstellen. Durch kleinere Wassermengen wird außerdem vermieden, dass nach einer längeren Nichtbenutzung der Heißgetränkezubereitungsvorrichtung ein hoher Anteil „alten" Wassers dem Brühprozess zugeführt wird. Das den Heizdraht umgebende Volumen weist daher erfindungsgemäß einen Wert kleiner als 100 ml, vorzugsweise einen Wert kleiner als 50 ml, insbesondere einen Wert kleiner als 20 ml auf. Damit ist ein optimaler Brühprozess möglich, bei dem immer frisches brühheißes Wasser im permanenten geringen Durchfluss das Brühgut aufbrüht.

Die Anordnung des Heizdrahtes innerhalb der Kunststoff-Wasserleitung ist grundsätzlich frei gestaltbar. Es darf lediglich kein direkter Kontakt zur Kunststoff-Wasserleitung bestehen, da der Kunststoff sonst verbrennen könnte. Um das zu vermeiden und um das Wasser möglichst gleichmäßig erwärmen zu können, ist eine Anordnung des Heizdrahtes mit im Wesentlichen gleichem Abstand zur Kunststoff-Wasserleitung bevorzugt. Auch die Anordnung mehrerer voneinander beabstandeter Heizdrähte ist möglich. Um die Abstände zwischen dem Heizdraht und der Kunststoff-Wasserleitung und/oder zwischen mehreren Heizdrähten möglichst konstant zu halten, können zwischen dem Heizdraht und der Kunststoff-Wasserleitung und/oder zwischen mehreren Heizdrähten Abstandshalter angeordnet sein. Die Abstandshalter müssen dabei den Heizdraht gegenüber der Kunststoff-Wasserleitung thermisch isolieren. Als geeignetes Material kann zum Beispiel Keramik zur Anwendung kommen. Keramik ist hitzebeständig und sowohl ein thermischer als auch ein elektrischer Isolator.

Bei der Heizeinrichtung kann es sich um einen langgestreckten Heizdraht bzw. Heizstab mit gerader Längsachse oder um einen spiralförmig oder U-förmig gebogenen Heizdraht handeln. Auch Kombinationen davon sind möglich. Ein Heizstab hat einen größeren Durchmesser als ein Heizdraht, besteht aber genauso wie der Heizdraht vollständig aus Metall. Der Durchmesser des Heizstabes ist so dimensioniert, dass er auch bei langgestreckter Ausführung formstabil bleibt und sich nicht aufgrund seines Gewichtes durchbiegt. Auf die Verwendung der Abstandshalter kann dann weitgehend verzichtet werden.

Die Form der Heizeinrichtung orientiert sich also an der Form bzw. dem Verlauf der Kunststoff-Wasserleitung. Vorzugsweise kommt ein spiralförmig oder U-förmig gebogener Heizdraht bzw. Heizstab zur Anwendung. Diese Formen sind am besten dafür geeignet, wärmebedingte Ausdehnungen zu kompensieren. Das ist insbesondere bei unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Heizdrahtes bzw. Heizstabes einerseits und des Wasserleitungsmaterials andererseits von Bedeutung. Durch eine geeignete Formgebung des Heizdrahtes bzw. Heizstabes kann ein Verspannen beider Materialien aufgrund unterschiedlicher wärmebedingter Ausdehnungen vermieden werden. Bei Verwendung eines Heizstabes können an dessen Enden zum Beispiel Gleitlager angeordnet sein, die eine wärmebedingte Längenausdehnung des Heizstabes

gegenüber der Kunststoff-Wasserleitung zulassen. Die Gleitlager müssen dabei den Heizstab gegenüber der Kunststoff-Wasserleitung abdichten, so dass ein Wasseraustritt verhindert ist.

Auch durch die Wahl des die Wasserleitung bildenden Kunststoffs kann vorteilhaft auf die gegenüber dem Kunststoff größere Wärmeausdehnung des Heizdrahtes bzw. Heizstabes reagiert werden. Der die Wasserleitung bildende Kunststoff kann grundsätzlich elastisch oder nicht-elastisch sein. Bei Verwendung eines elastischen Kunststoffs kann dieser die Wärmeausdehnung des Heizdrahtes bzw. Heizstabes zumindest soweit kompensieren, dass ein zerstörungsfreier Betrieb des Durchlauferhitzers möglich ist. Gerade bei der Verwendung von Heizstäben, die aufgrund ihrer Konstruktion die wärmebedingte Ausdehnung nicht selbst kompensieren können, ist die Wahl eines elastischen Kunststoffs von Vorteil.

Die Wasserleitung kann erfindungsgemäß geradlinig oder gekrümmt, wie zum Beispiel U- förmig oder mäanderförmig, ausgebildet sein. Bei einer U-förmigen oder mäanderförmigen Wasserleitung kann sich ein darin angeordneter Heizstab in den Bögen der Wasserleitung wärmebedingt ausdehnen. Der Abstand zwischen Heizstab und Wasserleitung ist so bemessen, dass ein Kontakt beider Teile selbst bei maximaler Wärmeausdehnung ausgeschlossen ist. Die Relativbewegung zwischen Heizstab und Wasserleitung kann dann in den Bögen erfolgen, ohne dass der Heizstab dabei die Wasserleitung berührt. Verspannungen zwischen Wasserleitung und Heizdraht werden auf diese Weise vermieden. Dadurch können auch nicht-elastische Kunststoffe zur Anwendung kommen. Die geradlinige Form der Wasserleitung kommt vorzugsweise in Kombination mit Heizstäben zum Einsatz, da diese typischerweise eine geradlinige Form aufweisen.

Erfindungsgemäß kann die Wasserleitung auch aus zwei durch Reibschweißen miteinander verbundenen Halbschalen aus nicht elastischem Kunststoff gebildet sein. Die zweiteilige Form der Wasserleitung ermöglicht eine vereinfachte Montage der Heizeinrichtung in der Wasserleitung.

Ein Problem von Durchlauferhitzern allgemein ist eine mögliche überhitzung bei Trockenlauf. Der Heizstab bzw. Heizdraht kann dabei durchbrennen, was zu einem

Ausfall des Durchlauferhitzers führt. Daher werden thermische Sicherungen eingesetzt, die bei überschreitung einer bestimmten Betriebstemperatur der Heizeinrichtung die Stromzufuhr unterbrechen. Erfindungsgemäß ist zwischen jedem Heizdraht bzw. Heizstab und dessen elektrischen Anschluss eine thermische Schmelzsicherung angeordnet.

Da das Wasser den Heizdraht vollständig umgibt, ist eine nahezu verlustfreie und schnelle Wärmeabgabe an das Wasser möglich. Bei konstantem Abstand zwischen Heizdraht bzw. Heizstab und Kunststoff-Wasserleitung ist auch eine gleichförmig schnelle Erwärmung des Wassers erreichbar. Das ist unter anderem die Voraussetzung für die schnelle und genaue Regelbarkeit der Brühtemperatur. Diese kann so auch bei sich ändernden Rahmenbedingungen wie beispielsweise Temperaturschwankungen des Wasserzulaufs besser konstant gehalten werden. Das ist für einen optimalen Brühprozess und für den davon abhängenden Geschmack des Brühgetränks von wesentlicher Bedeutung.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele anhand von Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 einen Durchlauferhitzer mit Heizstab in geradliniger Ausführung;

Figur 2 einen Durchlauferhitzer mit Heizstab in U-förmig gebogener Ausführung;

Figur 3 einen Durchlauferhitzer mit spiralförmigem Heizdraht in geradliniger

Ausführung.

Figur 1 zeigt einen entlang seiner Längsachse 126 geschnittenen Durchlauferhitzer 110 mit einem geraden hohlzylinderförmigen Kunststoffrohr 112. Das Kunststoffrohr 112 wird an einem ersten und zweiten Ende 118, 120 von je einer Stirnwand 114, 116 abgeschlossen. Nahe dem ersten Ende 118 sind ein Wasserzulauf 122 und nahe dem zweiten Ende 120 ein Wasserablauf 124 jeweils im rechten Winkel zur Rohrlängsachse 126 angeordnet. Im Inneren des Kunststoffrohrs 112 erstreckt sich ein gerader Heizstab 128 entlang der Rohrlängsachse 126 durch die Stirnwände 114 und 116 hindurch. An beiden Enden des Heizstabes 128 befindet sich jeweils ein elektrischer Anschluss 132. Zwischen dem elektrischen Anschluss 132 und dem Heizstab 128 ist je eine rohrförmige

Anschlusskappe 134 angeordnet. In den Stirnwänden 114 und 116 umschließt eine Dichtung 130 ringförmig die Anschlusskappen 134. Innerhalb einer der Anschlusskappen 134 ist eine thermische Schmelzsicherung 136 angeordnet. Sie verbindet elektrisch leitend den Heizstab 128 und den Anschluss 132. Zwischen dem Heizstab 128 und der Innenwandung des Kunststoffrohrs 112 erstreckt sich ein spiralförmiger Abstandshalter 138.

Der Durchlauferhitzer 110 hat innerhalb einer Heißgetränkezubereitungsvorrichtung die Aufgabe, eine bestimmte Wassermenge auf Brühtemperatur zu erhitzen. Im Betrieb des Durchlauferhitzers 110 fließt kaltes Wasser durch den Wasserzulauf 122 in das Kunststoffrohr 112. Dort umströmt das Wasser den Heizstab 128 und wird von diesem erwärmt. über die elektrischen Anschlüsse 132 wird der Heizstab 128 dazu mit Strom versorgt. Die Länge des Durchlauferhitzers 110 ist dabei auf die Heizleistung des Heizstabes 128 so abgestimmt, dass das Wasser das Kunststoffrohr 112 durch den Wasserablauf 124 mit Brühtemperatur verlässt. Der Wasserzulauf 122 und der Wasserablauf 124 sind flanschartig an das Kunststoffrohr 112 angeformt, um die Verbindung beispielsweise mit einem Schlauch zu erleichtern. Der Wasserzulauf kann so zum Beispiel mit einem Wassertank und der Wasserablauf mit einer Aufbrüheinrichtung verbunden werden.

Um die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen des Heizstabes 128 aus Edelstahl und des Kunststoffrohrs 112 auszugleichen, ist das Kunststoffrohr 112 aus elastischem Kunststoff gefertigt. Es kann durch elastische Verformung einen Teil der wärmebedingten Ausdehnung des Heizstabes 128 mit aufnehmen. Der verbleibende Teil wird von den Dichtungen 130 aufgenommen, in denen der Heizstab 128 wie in einer Gleitlagerung mechanisch beweglich, aber wasserdicht fixiert ist. Es kann somit nicht zu einer schädigenden Verspannung zwischen dem Heizstab 128 und dem Kunststoffrohr 112 kommen.

Die Anschlusskappen 134 haben die Funktion einer thermischen Isolierung. Sie trennen die hohen Betriebstemperaturen des Heizstabes 128 einerseits von einem Niedrigtemperaturbereich an den Dichtungen 130 und den elektrischen Anschlüssen 132 andererseits. Die thermische Schmelzsicherung 136 hat die Aufgabe, eine Zerstörung des Heizstabes 128 oder anderer Teile des Durchlauferhitzers 110 infolge einer überhitzung

zu verhindern. Zu einer überhitzung kann es beispielsweise beim Betrieb des Heizstabes 128 kommen, wenn sich kein Wasser im Kunststoffrohr 112 befindet.

Der Abstandshalter 138 stellt sicher, dass der Heizstab 128 nicht in Kontakt mit dem Kunststoffrohr 112 kommt und dass das Wasser den Heizstab 128 vollständig und gleichmäßig umströmen kann. Er stellt einen konstanten radialen Abstand zwischen dem Heizstab 128 und der Innenwandung des Kunststoffrohrs 112 her, wodurch eine gleichmäßige Wassererwärmung gewährleistet ist.

In Figur 2 ist ein entlang seiner Längsachse 226 geschnittener Durchlauferhitzer 210 mit einem U-förmig gebogenen, hohlzylinderförmigen Kunststoffrohr 212 dargestellt. Der Durchlauferhitzer 210 verfügt über den prinzipiell gleichen Aufbau wie der in Figur 1 gezeigte Durchlauferhitzer 110, mit dem Unterschied, dass das Kunststoffrohr 212 U-förmig gebogen ist. Die entsprechenden Teile des Durchlauferhitzers 210 sind gegenüber dem Durchlauferhitzer 110 mit einer „2" anstelle der „1" in der Hunderterstelle der Bezugszeichen gekennzeichnet.

Im Inneren des Kunststoffrohrs 112 erstreckt sich ein entsprechend der Krümmung des Kunststoffrohrs 212 gebogener Heizstab 228 entlang der Rohrlängsachse 226. Als Abstandshalter ist zwischen dem Heizstab 228 und der Innenwandung des Kunststoffrohrs 212 ein Auflagesteg 238 angeordnet.

Im Unterschied zu dem in Figur 1 gezeigten Durchlauferhitzer 110 mit elastischem Kunststoffrohr 112 kommt in dieser Ausführungsform ein nicht-elastisches Kunststoffrohr 212 zur Anwendung. Die Wärmeausdehnung des Heizstabes 228 aus Edelstahl kann nun nicht mehr vom Kunststoffrohr 212 mit ausgeglichen werden. Der Heizstab 228 liegt deshalb im Bereich des Bogens des Kunststoffrohrs 212 auf dem Auflagesteg 238 beweglich gelagert auf. Dehnt sich der Heizstab 228 wärmebedingt aus, kann er sich innerhalb des gebogenen Kunststoffrohrs 212 auf dem Auflagesteg 238 aufliegend in Richtung der äußeren Rohrwandung frei bewegen. Der Durchmesser des Kunststoffrohrs 212 ist dafür genau so bemessen, dass eine Berührung des Heizstabes 228 und des Kunststoffrohrs 212 selbst bei maximaler Ausdehnung des Heizstabes 228 ausgeschlossen ist. Die Dichtungen 230 nehmen die bei der Wärmeausdehnung des Heizstabes 228 eventuell auftretenden Längs- und Querkräfte auf. Eine Verspannung

zwischen dem Heizstab 228 und dem Kunststoffrohr 212 sowie eine damit eventuell verbundene Zerstörung des Durchlauferhitzers 210 werden somit vermieden.

Die Anordnung sowie die Funktion der übrigen mit den Bezugsziffern 214 bis 236 bezeichneten Teile entsprechen den bereits bei Figur 1 beschriebenen Teilen 114 bis 136.

Figur 3 zeigt ebenfalls einen entlang seiner Längsachse 326 geschnittenen Durchlauferhitzer 310 mit einem geraden hohlzylinderförmigen Kunststoffrohr 312 ähnlich dem in Figur 1 dargestellten Durchlauferhitzer 110.

Im Unterschied zu dem in Figur 1 gezeigten Durchlauferhitzer 110 ist anstelle eines Heizstabes ein entlang der Rohrlängsachse 326 angeordneter, spiralförmiger Heizdraht 328 innerhalb des Kunststoffrohrs 312 angeordnet. Beide Enden des Heizdrahtes 328 werden jeweils von einer senkrecht zur Rohrlängsachse 326 angeordneten Drahtaufhängung 334 fixiert. Jede der Drahtaufhängungen 334 weist einen elektrischen Anschluss 332 auf. Zwischen einem elektrischen Anschluss 332 und dem Heizdraht 328 ist eine thermische Schmelzsicherung 336 angeordnet.

Das Kunststoffrohr 312 wird an einem ersten und zweiten Ende 318, 320 von je einer Stirnwand 314, 316 verschlossen. In den Stirnwänden 314 und 316 sind ein Wasserzulauf 322 und ein Wasserablauf 324 angeordnet.

Die Wärmeausdehnung des Heizdrahtes 328 aus Edelstahl gegenüber dem nicht- elastischen Kunststoffrohr 312 wird allein durch die Spiralform des Heizdrahtes 328 kompensiert. Dehnt sich das Metall des Heizdrahtes 328 wärmebedingt aus, verändert sich lediglich der Abstand zwischen den einzelnen Windungen des Heizdrahtes 328 bzw. der Abstand zwischen den Windungen und der Innenwandung des Kunststoffrohrs 312.

Der Heizdraht 328 verformt sich dabei elastisch und kehrt nach erfolgter Abkühlung wieder in seine ursprüngliche Form zurück. Es kann somit auch bei dieser

Ausführungsform nicht zu einer Verspannung zwischen dem Heizstab 328 und dem

Kunststoffrohr 312 kommen.

Die Spiralform des Heizdrahtes 328 gibt diesem ausreichend Stabilität. Sie stellt sicher, dass der Heizdraht 328 nicht in Kontakt mit dem Kunststoffrohr 312 kommt und dass das Wasser den Heizdraht 328 gleichmäßig umströmen kann. Auf Abstandshalter kann deshalb verzichtet werden.

Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorhergehenden, detailliert beschriebenen Durchlauferhitzern 110, 210 und 310 um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere können auch die konkreten Ausgestaltungen der Heizstäbe 128 und 228 sowie des Heizdrahtes 328 in anderer Form als in der hier beschriebenen erfolgen. Ebenso kann das Kunststoffrohr 110, 210 und 310 in einer anderen Form ausgestaltet werden, wenn dies aus Platzgründen bzw. designerischen Gründen notwendig ist. Ebenso können mehrere Heizstäbe bzw. Heizdrähte in einem Kunststoffrohr vorgesehen sein.

Es wird der Vollständigkeit halber außerdem darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein" bzw. „eine" nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können.

Bezugszeichen I iste

110,210,310 - Durchlauferhitzer

112,212,312 - Kunststoffrohr 114,214,314 - Stirnwand

116,216,316 - Stirnwand

118, 218, 318 - erstes Ende des Kunststoffrohrs

120,220,320 - zweites Ende des Kunststoffrohrs

122,222,322 - Wasserzulauf 124,224,324 - Wasserablauf

126,226,326 - Rohrlängsachse

128,228 - Heizstab

328 - Heizdraht

130,230 - Dichtung 132,232,332 - elektrischer Anschluss

134,234 - Anschlusskappe

334 - Drahtaufhängung

136,236,336 - Schmelzsicherung

138 - Abstandhalter 238 - Auflagesteg