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Dokumentenidentifikation DE102004047502A1 13.04.2006
Titel Einrichtung zur kapazitiven Erwärmung von Flüssigkeiten oder flüssigen Materialien
Anmelder Herberich, Matthias, 97776 Eußenheim, DE
Erfinder Herberich, Matthias, 97776 Eußenheim, DE
Vertreter Pöhner, W., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 97070 Würzburg
DE-Anmeldedatum 30.09.2004
DE-Aktenzeichen 102004047502
Offenlegungstag 13.04.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.04.2006
IPC-Hauptklasse F24H 1/20(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
Zusammenfassung Vorrichtung zur Erwärmung von Flüssigkeiten oder flüssigen Materialien mit Elementen, an denen elektrischer Wechselstrom anliegt, sowie mit einem die Flüssigkeit aufnehmenden Behältnis, wobei die an den Wechselstrom angeschlossenen Elemente Elektroden sind, von denen jeweils zwei die gegeneinander isolierten Leiteroberflächen eines Kondensators bilden und zwischen den Elektroden eine Potentialdifferenz erzeugbar ist und die Leiteroberflächen im Inneren oder im Wandbereich des Behältnisses positioniert sind, wobei die Leiteroberflächen jeweils eines Kondensators in die Flüssigkeit mit jeweils im wesentlichen gleichen Oberflächenanteilen ganz oder teilweise eintauchen oder einen Teil der die Flüssigkeit begrenzenden Innenwand des Behältnisses bilden und dabei jeweils im wesentlichen zu gleichen Oberflächenanteilen von der Flüssigkeit bedeckt sind.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kapazitiven Erwärmung von Flüssigkeiten oder eines flüssigen Materials nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus dem Stand der Technik sind Tauchsieder und Wasserkocher bekannt, deren Heizelement im Inneren einen an das Stromnetz angeschlossenen Glühdraht aufweist. Nachteiliger Weise ist der Wirkungsgrad derartiger Heizvorrichtungen nicht optimal.

Die Aufgabe der Erfindung besteht vor diesem Hintergrund in der Konstruktion einer Vorrichtung zur schnellen und effektiven sowie sicheren Erwärmung von Wasser oder anderen Flüssigkeiten unter Verwendung von an den Wechselstrom angeschlossenen Kondensatoren.

Die Lösung der Aufgabe gelingt durch eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, die dadurch gekennzeichnet ist, dass

  • – die an den Wechselstrom angeschlossenen Elemente Elektroden sind, von denen jeweils zwei die gegeneinander isolierten Leiteroberflächen eines Kondensators bilden und zwischen den Elektroden eine Potentialdifferenz erzeugbar ist, und
  • – die Leiteroberflächen
  • – im Inneren oder im Wandbereich des Behältnisses positioniert sind, wobei die Leiteroberflächen jeweils eines Kondensators
  • – in die Flüssigkeit mit jeweils im wesentlichen gleichen Oberflächenanteilen ganz oder teilweise eintauchen, oder
  • – einen Teil der die Flüssigkeit begrenzenden Innenwand des Behältnisses bilden und dabei jeweils im wesentlichen zu gleichen Oberflächenanteilen von der Flüssigkeit bedeckt sind.

Die zu den Kondensatoren gehörenden Leiteroberflächen sind im Inneren des Behältnisses oder in dessen Wandbereich installiert. Die Leiteroberflächen sind zumindest teilweise von der Flüssigkeit umgeben und können jeweils auch einen Teil der die Flüssigkeit begrenzenden Innenwand des Behältnisses bilden.

Kondensatoren bestehen aus zwei gegeneinander isolierte, entgegengesetzt geladene Leiteroberflächen, zwischen denen eine Potenzialdifferenz bzw. eine Spannungsdifferenz herrscht. Als mikroelektronische Bauteile sind Kondensatoren wichtige Bauelemente für elektrische Schaltkreise, wobei die Kondensatoren zur Speicherung elektrischer Ladung und elektrischer Energie dienen.

Kondensatoren können eine beliebige Oberfläche haben. So sind beispielsweise neben den Plattenkondensatoren, die aus zwei zueinander parallel ausgerichteten Platten bestehen, Kugelkondensatoren und Zylinderkondensatoren bekannt. Plattenkondensatoren bestehen jeweils aus zwei parallelen Platten, die auch als Leiteroberflächen bezeichnet werden und den Abstand d zueinander aufweisen. Liegt zwischen den beiden Leiteroberflächen eine Spannung U an, dann herrscht zwischen denselben an jeder Stelle dasselbe elektrische Feld mit der homogenen Feldstärke E. Bei Zylinderkondensatoren handelt es sich um zwei konzentrisch ineinander geführte Zylinder, wobei der äußere Zylinder ein Hohlzylinder ist und der innere Zylinder ein Hohlzylinder oder ein Vollzylinder sein kann. Die Leiteroberflächen werden beim Zylinderkondensator von der inneren Mantelfläche des äußeren Zylinders und der äußeren Mantelfläche des im Inneren liegenden Zylinders gebildet. Die Geometrie und der Abstand der Leiteroberflächen bestimmen die Ladungstrennungsarbeit und damit die Spannung, die je getrennte Ladungsmenge Q entsteht. Das Maß dafür ist die Kapazität C des Kondensators, d.h. die Ladungsmenge Q, die bei einer Spannung U auf den Kondensatoroberflächen gespeichert wird. Die Kapazität des Plattenkondensators hängt davon ab, ob zwischen den Platten ein Vakuum (oder nährungsweise Luft) ist, oder ein Werkstoff anderer Art angebracht ist, dessen Permittivitätszahl &egr; einen Wert aufweist, der immer größer ist als 1. Die Permittivitäszahl, die auch als relative Dielektrizitätszahl bezeichnet wird, von Wasser beträgt 81 und ist dimensionslos.

Der Kerngedanke der Erfindung besteht in der Verwendung von Kondensatoren, die an einen Wechselstrom angeschlossen sind, zur Erwärmung von Wasser, wobei die Gefahr unkontrollierter Energiezufuhr, etwa bei hohem Elektrolytgehalt des Wassers, durch entsprechende Sicherungseinrichtungen, die in die elektrische Schaltung integriert sind, ausgeschlossen wird.

Als flüssige Materialien im Sinne dieser Anmeldung gelten auch Suspensionen wie sie beispielsweise bei der Fertigung von Spannplatten oder Schaumsteinen sowie bei der Farbenherstellung (Dispersionsfarben) auftreten.

Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist insbesondere der Einsatz von Plattenkondensatoren oder Zylinderkondensatoren vorgesehen. Dabei können die Kondensatoren mit dem Behältnis fest- oder lösbar verbunden sein. Im Falle einer lösbaren Verbindung zwischen Kondensatoren und Behältnis ist es praktikabel, wenn die Kondensatoren an einem bewegbaren Träger befestigt sind. Der die Kondensatoren haltende Träger weist zur besseren Handhabung einen Handgriff auf, sodass die Leiteroberfläche der Kondensatoren mit Hilfe des Trägers für den entsprechend erforderlichen Zeitraum der Erwärmung der Flüssigkeit in dieselbe eingetaucht werden können.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung ist vorgesehen, dass der die Leiteroberflächen haltende Träger zusätzlich ein korbartiges und flüssigkeitsdurchlässiges Gestell aufweist, das die Leiteroberflächen schützend umgibt und zugleich die zu erwärmende Flüssigkeit bis zu denselben vordringen lässt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist als Wasserkocher verwendbar und die an einem manuell manipulierbaren Träger befestigten Leiteroberflächen sind als Tauchsieder einsetzbar.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass das Behältnis, in dessen Innerem oder in dessen Wandflächen die Leiteroberflächen der Kondensatoren positioniert sind, einen Zu- und einen Ablauf aufweist. Ein derartiges Behältnis kann in die wasserführenden Bestandteile eines Heizungssystems eingebunden sein und als Durchlauferhitzer dienen.

Unter Ausnutzung der geometrischen Form eines Zylinderkondensators ist prinzipiell denkbar, dass dessen Stirnseiten mit den beiden freiliegenden Enden einer unterbrochenen wasserführenden Leitung eines Heizkreislaufs verbunden sind.

Ein in dieser Weise in den Heizkreislauf integrierter Zylinderkondensator ist ebenfalls als Durchlauferhitzer nutzbar. Der Einsatz von Zylinderkondensatoren ist insbesondere im Zusammenhang mit Kapillarrohrheizungen sinnvoll und interessant. Kapillarrohrheizungen bestehen in ihrer einfachsten Ausführungsform aus zwei voneinander beabstandeten parallel zueinander verlaufenden Leitungen, wobei die erste Leitung Verteilerfunktion und die zweite Leitung Sammelfunktion hat. Die Verteilerleitung und die Sammelleitung sind wiederum durch jeweils querabgehende, ebenfalls parallel zueinander verlaufende Kapillarrohre, miteinander verbunden. Der Innendurchmesser der Kapillarrohre beträgt im Regelfall zwei bis fünf Millimeter. Die Integration von Zylinderkondensatoren entsprechenden Umfangs in die Kapillarrohre erlaubt insbesondere bei Einsatz mehrere Kondensatoren, aufgrund der Flächigkeit des Kapillarrohrnetzes, eine ausreichende Raumtemperierung und zugleich die Trockenhaltung von Wänden. Prinzipiell ist vorgesehen, dass mehrere Zylinderkondensatoren oder Behältnisse, deren Leiteroberflächen zum Teil die Wände der Behältnisse bilden, in die Leitungen bzw. Kapillarrohre des Heizkreislaufs integriert sind.

Hinsichtlich der elektrischen Verschaltung der Kondensatoren ist denkbar, dass diese sowohl in Reihe oder parallel zueinander geschaltet sind.

Besonders wichtig ist, dass in die elektrische Schaltung eine Sicherung integriert ist, die eine unkontrollierte Energiezufuhr vermeidet. Als Schwellenwert für die Aktivierung der Sicherung dient eine in Abhängigkeit von der Leistung des jeweiligen Gerätes wählbare Obergrenze für die Stormstärke. Die Sicherung ist so ausgelegt, dass der Stromkreis unterbrochen wird, wenn die Obergrenze überschritten wird. Unerwünscht hohe Stromstärken können beispielsweise auftreten, wenn der Elektrolytgehalt der Flüssigkeit hoch ist. Die Vorrichtung wird dann mit der durch die Sicherung festgelegten Obergrenze weiter betrieben. Die Begrenzung der Stromstärke führt dazu, dass die Flüssigkeit weniger schnell erwärmt wird.

Eine alternative elektrische Sicherung der Vorrichtung kann darin bestehen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung zusätzlich eine Vorrichtung zum Messen des Elektrolytgehaltes bzw. der Leitfähigkeit der Flüssigkeit aufweist. Bei Überschreitung eines bestimmten Elektrolytgehalts bzw. einer bestimmten Leitfähigkeit reagiert eine mit dem zusätzlichen Messvorrichtungen verbundene Sicherung und unterbricht den Stormkreis bzw. limitiert die Stromstärke.

Im folgenden sollen weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung an Hand eines Beispiels näher erläutert werden. Das abgebildete Beispiel soll die Erfindung jedoch nicht einschränken, sondern nur erläutern. Es zeigt in schematischer Darstellung:

1 Behältnis mit Plattenkondensatoren zur Erwärmung von Flüssigkeiten

1 zeigt in schematischer Darstellung ein Behältnis 1, das zur Hälfte mit einer Flüssigkeit 2 befüllt ist. Die zu einem Kondensator 3 gehörenden Leiteroberflächen 3a, 3b bilden einen Teil der Wände des Behältnisse 1 und sind jeweils zu gleichen Teilen mit der Flüssigkeit 2 bedeckt.

In den elektrischen Stromkreis 4, der die beiden zum Kondensator 3 gehörenden Leiteroberflächen verbindet, ist eine Sicherung 5 und ein Wechselstromgenerator 6 eingebunden.

1Behältnis 2Flüssigkeit 3Kondensator 3a, 3bLeiteroberflächen des Kondensator 4Elektrischer Stromkreis 5Sicherung 6Wechselstromgenerator

Anspruch[de]
  1. Vorrichtung zur Erwärmung von Flüssigkeiten (2) oder flüssigen Materialien mit Elementen, an denen elektrischer Wechselstrom anliegt, sowie mit einem die Flüssigkeit (2) aufnehmenden Behältnis (1), dadurch gekennzeichnet, dass

    – die an den Wechselstrom angeschlossenen Elemente Elektroden (3a, 3b) sind, von denen jeweils zwei die gegeneinander isolierten Leiteroberflächen (3a, 3b) eines Kondensators (3) bilden und zwischen den Elektroden (3a, 3b) eine Potentialdifferenz erzeugbar ist, und

    – die Leiteroberflächen (3a, 3b)

    – im Inneren oder im Wandbereich des Behältnisses (1) positioniert sind, wobei die Leiteroberflächen (3a, 3b) jeweils eines Kondensators (3)

    – in die Flüssigkeit (2) mit jeweils im wesentlichen gleichen Oberflächenanteilen ganz oder teilweise eintauchen, oder

    – einen Teil der die Flüssigkeit (2) begrenzenden Innenwand des Behältnisses (1) bilden und dabei jeweils im wesentlichen zu gleichen Oberflächenanteilen von der Flüssigkeit (2) bedeckt sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (3) bzw. die Kondensatoren (3) Zylinderkondensatoren sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (3) bzw. die Kondensatoren (3) Plattenkondensatoren sind.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Kondensatoren (3) mit dem Behältnis (3) fest- oder lösbar verbunden sind.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Leiteroberflächen (3a, 3b) der Kondensatoren (3) an einem Träger befestigt sind und mit Hilfe des Trägers temporär, für die Erwärmung der Flüssigkeit (2) in dem Behältnis (1), zumindest teilweise in die Flüssigkeit (2) eintauchbar sind.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiteroberflächen (3a, 3b) der Kondensatoren (3) an einem Träger (5) befestigt sind und von einem korbartigen flüssigkeitsdurchlässigen Gestell umgeben sind.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Behältnis (1) als Wasserkocher dient.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Behältnis (1) einen Zu- und einen Ablauf aufweist und dieselben mit den wasserführenden Bestandteilen eines Heizungssystems verbunden sind und das Behältnis als wasserführendes Elemente in die Leitungen eines Heizkreislaufs integriert sind.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderkondensatoren, deren zwischen dem Außen- und Innenzylinder liegender Raum ein Behältnis (1) bildet, die jeweils als wasserführende Elemente an ihren Stirnseiten flüssigkeitsdicht in die Leitungen eines Heizkreislaufs integriert sind.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderkondensatoren bzw. die Behältnisse, in welche die Leiteroberflächen der Kondensatoren integriert sind, an mehreren Stellen eines Heizkreislaufs oder einer Kapillarrohrheizung integriert sind.
  11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoren (3) zueinander in Reihe und/oder parallel geschaltet sind.
  12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Stromkreis (4), in welche der bzw. die Kondensatoren (3) integriert sind, eine Sicherung (5) beinhaltet, die ab einer festlegbaren Stromstärke den Stromkreis unterbricht und/oder durch die eine Obergrenze der Stromstärke für den weiteren Betrieb der Vorrichtung festlegbar ist.
  13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Stromkreis (4), in welche der oder die Kondensatoren (3) integriert sind,

    – eine Vorrichtung zur Messung des Elektrolytgehalts bzw. der Leitfähigkeit der Flüssigkeit (2), sowie

    – eine Sicherung (5), die zur Vermeidung unkontrollierter Energiezufuhr ab einem bestimmten Elektrolytgehalt bzw. einer bestimmten Leitfähigkeit der Flüssigkeit (2) den Stromkreis unterbricht,

    beinhaltet.
  14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltung (4) einen Wechselstromgenerator (6) beinhaltet.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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