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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erwärmen von Flüssigkeiten, die insbesondere, aber nicht ausschließlich nützlich und praktisch ist zum Erhitzen von Wasser, Milch oder Ölen, die für zahllose Zwecke im privaten oder industriellen Bereich zu verwenden sind, zum Beispiel zum Heizen von Wohngebäuden (d.h., warmes fließendes Wasser).
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Heutzutage ist die Nutzung von elektrischen Boilern oder Gasboilern - typischerweise Methan-Boilern - bekannt, die speziell zum Erhitzen von Flüssigkeiten, hauptsächlich Wasser, aber auch anderen Substanzen, geeignet sind.
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Diese bekannten Lösungen sind jedoch nicht frei von Nachteilen, zum Beispiel aufgrund der Tatsache, dass sie einen sehr hohen Energieverlust haben und folglich unter energetischen und betrieblichen Gesichtspunkten hochgradig ineffizient sind.
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Ein elektrischer Boiler muss in der Tat ständig eingeschaltet sein, um sicherzustellen, dass die in ihm enthaltene Flüssigkeit eine - typischerweise vom Benutzer festgelegte - Temperatur erreicht, die über die Zeit konstant bleibt.
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In ähnlicher Weise muss ein Gas-Boiler eine Flüssigkeitsmenge erhitzen, die größer ist als die Menge, die vom Benutzer benötigt wird, um die Abgabe der Flüssigkeit bei einer Temperatur sicherzustellen, die über die Zeit konstant bleibt.
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Außerdem werden diese Boiler, wie oben erwähnt, mit Methan betrieben und erfüllen ihre Aufgabe durch Verbrennen dieses Gases, daher bestehen Risiken des Austretens sowohl von Methan als auch von Kohlenmonoxid sowie von Unfällen aufgrund der hohen Entflammbarkeit des Methans selbst.
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EP2868242A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Erhitzen von Wasser in einer Maschine zur Zubereitung und Ausgabe von Getränken, die im Wesentlichen aus einer hohlen Spule, einer elektromagnetischen Induktionswicklung um die hohle Spule herum und einem Kanal besteht, der in der hohlen Spule angeordnet ist und in seinem Inneren von einem Wasserstrom durchquert wird.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die oben beschriebenen Beschränkungen aus dem Stand der Technik zu überwinden durch Bereitstellung einer Vorrichtung zum Erwärmen von Flüssigkeiten, mit der bessere Wirkungen erzielt werden können als mit bekannten Lösungen und/oder ähnliche Wirkungen zu niedrigeren Kosten und mit besserer Leistung.
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Im Rahmen dieses Ziels ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Erwärmen von Flüssigkeiten bereitzustellen, mit der eine Flüssigkeit von einer Ausgangstemperatur auf eine gewählte Endtemperatur bis hin zum gasförmigen Zustand erwärmt werden kann.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Erwärmen von Flüssigkeiten bereitzustellen, die ein hohes Maß an Sicherheit gewährleistet, insbesondere für die Person - sei sie ein Benutzer oder ein Fachmann -, die die Vorrichtung handhabt, zum Beispiel während der Installation oder während Wartungsarbeiten an der Vorrichtung oder während Wartungsarbeiten an der Maschine oder an dem Gerät, in der/dem die Vorrichtung installiert ist.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Erwärmung von Flüssigkeiten bereitzustellen, die eine Energieeinsparung gegenüber dem Stand der Technik ermöglicht.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Erwärmung von Flüssigkeiten bereitzustellen, die nicht ständig in Betrieb sein muss, um die Flüssigkeit angemessen erhitzen zu können.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Erwärmung von Flüssigkeiten bereitzustellen, die es ermöglicht, eine Flüssigkeitsmenge zu erhitzen, die im Wesentlichen auf die tatsächlichen Bedürfnisse des Benutzers begrenzt ist.
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Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Erhitzen von Flüssigkeiten bereitzustellen, die es ermöglicht, ohne Gas-Boiler - typischerweise ohne Methan-Boiler - auszukommen und so die Risiken zu mindern, die aus der Nutzung dieses extrem entzündlichen Gases resultieren.
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Es ist auch ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Erhitzen von Flüssigkeiten bereitzustellen, mit der auf einen elektrischen Boiler verzichtet werden kann.
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Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Erhitzen von Flüssigkeiten bereitzustellen, die verkleinerte Abmessungen hat und so den Platzbedarf mindert.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Erhitzen von Flüssigkeiten bereitzustellen, die hochgradig zuverlässig und relativ einfach herzustellen und zu installieren sowie im Vergleich zum Stand der Technik ökonomisch wettbewerbsfähig ist.
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Dieses Ziel wird erreicht und diese und andere Aufgaben, die im Folgenden deutlicher werden, werden erfüllt durch eine Vorrichtung zum Erwärmen von Flüssigkeiten, die Folgendes umfasst: mindestens einen sich in Längsrichtung erstreckenden Hohlkörper, eine um den Hohlkörper angeordnete elektrische Wicklung aus elektrisch leitendem Metallmaterial und eine sich in Längsrichtung erstreckende Spule, die innen durch den Hohlkörper verläuft und in ihrem Inneren von einem Flüssigkeitsstrom durchquert wird und elektrisch leitendes Metallmaterial umfasst, wobei die elektrische Wicklung ausgebildet ist, um ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen, die ausgebildet ist, um in der Spule einen elektrischen Strom zur elektromagnetischen Induktionserhitzung der Spule zu induzieren, wobei die Spule in thermischem Kontakt mit dem Flüssigkeitsstrom steht;
dadurch gekennzeichnet, dass
der Hohlkörper ein erstes Ende und ein zweites Ende umfasst, wobei der Hohlraum des Hohlkörpers eine erste Öffnung umfasst, die an dem ersten Ende angeordnet ist, und eine zweite Öffnung, die an dem zweiten Ende angeordnet ist; und
die erste Öffnung des Hohlraums des Hohlkörpers zumindest teilweise durch eine erste Verschlussplatte verschlossen ist und die zweite Öffnung des Hohlraums des Hohlkörpers zumindest teilweise durch eine zweite Verschlussplatte verschlossen ist, wobei die Spule durch erste und zweite Verschlussplatten in den Hohlkörper eingeschlossen ist.
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Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden deutlicher anhand der Beschreibung einiger bevorzugter, aber nicht ausschließlicher Ausführungsformen der Vorrichtung zum Erwärmen von Flüssigkeiten gemäß der Erfindung, dargestellt als nicht einschränkende Beispiele mit Hilfe der beigefügten Zeichnungen, worin
- 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Vorrichtung zum Erwärmen von Flüssigkeiten gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
- die 2a und 2b eine perspektivische Ansicht und eine Schnittansicht, entlang einer vertikalen Ebene, einer ersten Variante einer Ausführungsform der Vorrichtung zum Erwärmen von Flüssigkeiten gemäß der vorliegenden Erfindung sind;
- die 3a und 3b eine perspektivische Ansicht und eine Schnittansicht, entlang einer vertikalen Ebene, einer zweiten Variante einer Ausführungsform der Vorrichtung zum Erwärmen von Flüssigkeiten gemäß der vorliegenden Erfindung sind;
- die 4a und 4b eine perspektivische Ansicht und eine Schnittansicht, entlang einer vertikalen Ebene, einer dritten Variante einer Ausführungsform der Vorrichtung zum Erwärmen von Flüssigkeiten gemäß der vorliegenden Erfindung sind;
- 5 eine Draufsicht einer Ausführungsform der Vorrichtung zum Erwärmen von Flüssigkeiten gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
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Mit Bezug auf die Figuren: Die Vorrichtung zum Erwärmen von Flüssigkeiten gemäß der Erfindung, allgemein mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet, umfasst im Wesentlichen mindestens einen sich in Längsrichtung erstreckenden Hohlkörper 12, eine elektrische Wicklung 18, die um den Hohlkörper 12, insbesondere um seine Außenwand, angeordnet ist, und eine sich in Längsrichtung erstreckende Spule 20, die in dem Hohlkörper 12, insbesondere durch den Hohlraum des Hohlkörpers 12, verläuft. Wie der Hohlkörper 12, so erstreckt sich auch der Hohlraum des Hohlkörpers 12 in Längsrichtung.
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Der Hohlkörper 12 ist das tragende Element der Erwärmungsvorrichtung 10 und umfasst ein erstes Ende 14 und ein zweites Ende 16. Der Hohlraum des Hohlkörpers 12 umfasst eine erste Öffnung, angeordnet am ersten Ende 14, und eine zweite Öffnung, angeordnet am zweiten Ende 16. Der Hohlraum des Hohlkörpers 12 ist durch dessen Innenwand begrenzt.
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Praktischerweise wird, wie in 1 gezeigt, die erste Öffnung des Hohlraums des Hohlkörpers 12 teilweise oder vollständig durch eine erste Verschlussplatte 25 verschlossen, die am ersten Ende 14 angeordnet und befestigt ist. In ähnlicher Weise ist die zweite Öffnung des Hohlraums des Hohlkörpers 12 teilweise oder vollständig durch eine zweite Verschlussplatte (nicht gezeigt) verschlossen, die am zweiten Ende 16 angeordnet und befestigt ist.
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Beispielsweise können die erste Verschlussplatte 25 und die zweite Verschlussplatte am ersten Ende 14 beziehungsweise am zweiten Ende 16 des Hohlkörpers 12 mit Hilfe von Verriegelungskopplungen oder Gewindestiften befestigt werden.
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In der Praxis ist die Spule 20 im Wesentlichen mit Hilfe der oben erwähnten Verschlussplatten in den Hohlkörper 12 eingeschlossen, wodurch ein einzelner Körper gebildet wird. In manchen Ausführungsformen können die Endabschnitte der Spule 20, insbesondere ein Einlassabschnitt und ein Auslassabschnitt, aus dem Hohlkörper 12 und somit aus dem einzelnen Körper herausragen.
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Das im Wesentlichen vollständige Einschließen der Spule 20 in den Hohlkörper 12 mit Hilfe der Verschlussplatten stellt sowohl einen korrekten als auch einen sicheren Betrieb der Vorrichtung 10 gemäß der Erfindung, insbesondere gemäß den Arbeitsspezifikationen, und eine korrekte und sichere Installation der Vorrichtung 10 in einer Maschine oder einem Gerät sicher, ohne dass Raum für Fehler während der Installation besteht.
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Was den korrekten und sicheren Betrieb betrifft, so ist anzumerken, dass, wenn die Spule 20 eine Durchgangsspule wäre, die aber nicht vollständig in den Hohlkörper 12 eingeschlossen wäre, der Gesamt-Induktivitätswert der Vorrichtung 10 gemäß der Erfindung sich ändern würde, was zu Fehlfunktionen in der elektronischen Leiterplatte 30, zum Beispiel dem Versagen der entsprechenden Komponenten sowie zu anormalen Absorptionen aus dem Stromnetz führen würde.
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Insbesondere würde, da die Spule 20 vorzugsweise ferromagnetisches elektrisch leitendes Metallmaterial umfasst, die Spule 20 den Gesamt-Induktivitätswert verändern, wenn sie nicht vollständig in den Hohlkörper 12 eingeschlossen wäre. Bei der Spule 20 besteht in der Tat eine magnetische Kopplung mit der elektrischen Wicklung 18, die um den Hohlkörper 12 herum angeordnet ist. Die Vorrichtung 10 gemäß der Erfindung ist so ausgebildet, dass die Spule 20 und die elektrische Wicklung 18 des Hohlkörpers 12 innerhalb bestimmter Grenzen oder Bereiche der magnetischen Kopplung arbeiten. Wenn diese magnetische Kopplung zwischen der Spule 20 und der elektrischen Wicklung 18 nicht innerhalb der oben erwähnten Grenzen oder Bereiche liegen würde, würden bei der Vorrichtung 10 gemäß der Erfindung Fehler auftreten.
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Wenn auch nur ein Drittel der Länge der Spule 20 nicht in den Hohlkörper 12 eingeschlossen wäre, wären die Absorptionen aus dem Stromnetz bis zu zweieinhalb Mal höher als diejenigen, die während des Normalbetriebs erforderlich sind. Zum Beispiel kann in einem Normalbetriebszustand der Vorrichtung 10 gemäß der Erfindung für eine bestimmte Anwendung eine Absorption von 1 kW aus dem Stromnetz vorliegen; wenn die Spule 20 über zwei Drittel ihrer Länge im Hohlkörper 12 eingeschlossen wäre, wäre die Absorption aus dem Stromnetz größer als 2,3 kW und würde zum Ausfall der Leiterplatte 30 führen.
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Was die korrekte und sichere Installation betrifft, so ist anzumerken, dass die Tatsache, dass der Hohlkörper 12 und die Spule 20 im Wesentlichen Teil eines einzigen Körpers sind, die Installation der Vorrichtung 10 gemäß der Erfindung durch den Bediener beschleunigt, der nur noch die beiden Enden der Vorrichtung 10, zum Beispiel mit Hilfe des Einlassverteilers 24 und des Auslassverteilers 26, und die elektrischen Anschlüsse 32 verbinden muss.
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Ein weiterer Vorteil der monolithischen Lösung, die den Hohlkörper 12, die Spule 20, die erste Verschlussplatte 25 und die zweite Verschlussplatte umfasst, besteht darin, dass der Hohlraum des Hohlkörpers 12, in dem die durch elektromagnetische Induktion erhitzte Spule 20 angeordnet ist, während des Betriebs der Vorrichtung 10 gemäß der Erfindung nicht zugänglich ist.
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Der Hohlkörper 12 kann jede Geometrie, jeden Querschnitt und jede beliebige Länge haben, die in jedem Fall je nach den Anforderungen zu definieren sind. In den bevorzugten und dargestellten Ausführungsformen hat der Hohlkörper 12 einen kreisförmigen Querschnitt. Dementsprechend haben auch sowohl die Außenwand des Hohlkörpers 12 als auch die Innenwand des Hohlkörpers 12 einen kreisförmigen Querschnitt. In den bevorzugten und dargestellten Ausführungsformen hat der Hohlkörper 12 einen Röhrenform, d. h. er ist ein zylindrischer Hohlkörper variabler Länge. In anderen Ausführungsformen, die sich von den bevorzugten und dargestellten unterscheiden, ist der Hohlkörper 12 stumpfförmig. In weiteren Ausführungsformen, die sich von den bevorzugten und dargestellten unterscheiden, hat der Hohlkörper 12 einen einfachen, vorzugsweise regelmäßigen, vieleckigen Querschnitt, zum Beispiel einen quadratischen, rechteckigen, sechseckigen o. ä. Querschnitt.
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Der Hohlkörper 12 kann aus einem beliebigen hitzebeständigen Material, zum Beispiel aus einem Kunststoffmaterial (z. B. Polyamid 66) bestehen. Vorzugsweise besteht der Hohlkörper 12 aus einem elektrisch isolierenden Material.
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Die elektrische Wicklung 18 der Erwärmungsvorrichtung 10, die, wie oben erwähnt, um den Hohlkörper 12 herum angeordnet ist, besteht aus elektrisch leitendem Metallmaterial, z. B. Kupfer oder Aluminium vom feindrähtigen Typ oder vom Typ mit Massivdocht. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die elektrische Wicklung 18 im Kontakt mit der Außenwand des Hohlkörpers 12 angeordnet. In einer anderen Ausführungsform ist die elektrische Wicklung 18 in der Nähe der Außenwand des Hohlkörpers 12 angeordnet. In den bevorzugten und dargestellten Ausführungsformen, in denen der Hohlkörper 12 einen kreisförmigen Querschnitt hat, hat die elektrische Wicklung 18 eine zylindrische Schraubenform mit einer Steigung, die je nach den Anforderungen variieren kann.
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Praktischerweise ist die elektrische Wicklung 18, wie in den 1 und 4 gezeigt, außen mit einer Isolierschicht 22 bedeckt. Im Allgemeinen besteht die Isolierschicht 22 aus einem elektrisch und thermisch isolierenden Material, z. B. einem Epoxidharz, einem Silikonharz oder einem thermoplastischen Harz. Vorzugsweise besteht die Isolierschicht 22 aus einem thermoplastischen Harz, zum Beispiel Polyethylenterephthalat (z. B. Mylar®).
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Die elektrische Wicklung 18 ist ausgebildet, um die Energie zu übertragen, die zur elektromagnetischen Erhitzung der Spule 20 durch Induktion erforderlich ist. Im Speziellen ist die elektrische Wicklung 18 ausgebildet, um ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen, das geeignet ist, zur elektromagnetischen Erhitzung der Spule 20 durch Induktion einen elektrischen Strom in der Spule 20 zu induzieren. In der Praxis dient die elektrische Wicklung 18 als Induktor oder als Spule.
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Im Allgemeinen ist elektromagnetische induktive Erwärmung ein Verfahren, das entwickelt wurde, um elektrisch leitende Materialien, im Speziellen ferromagnetische Materialien, zu erhitzen. Elektromagnetische induktive Erwärmung beinhaltet, dass der elektrische Wechselstrom durch die elektrische Wicklung 18 strömt, die durch Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes denselben Wechselstrom auf die Spule 20 induziert und sie so erhitzt. Dieser physikalische Prozess ist als elektromagnetische Induktion oder Faradaysches Gesetz bekannt.
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Nach der Erhitzung durch elektromagnetische Induktion leitet die Spule 20 Wärme zum Flüssigkeitsstrom, der in ihr strömt, insbesondere durch Kontakt zwischen der Spule 20 und der Flüssigkeit.
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In der Praxis erhitzt der in der Spule 20 induzierte Wechselstrom dieselbe auf eine gewünschte Temperatur, so dass der in der Spule 20 strömende Flüssigkeitsstrom wiederum erhitzt wird.
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Die Erwärmungsvorrichtung 10 gemäß der Erfindung umfasst weiter mindestens eine Leiterplatte 30, die mit der elektrischen Wicklung 18, insbesondere mit ihren Enden, über Stromkabel 32, z. B. vom feindrähtigen Typ oder vom Typ mit Massivdocht, verbunden ist. Praktischerweise haben die elektrischen Verbindungen 32 von der Leiterplatte 30 zur elektrischen Wicklung 18 eine Länge, die kleiner oder gleich einen Meter beträgt. Natürlich ist es auch möglich, elektrische Verbindungen 32 zu verwenden, die länger sind als einen Meter, aber in diesem Fall nimmt die abgegebene Leistung erheblich ab.
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Die Leiterplatte 30 wird vom Stromnetz mit Strom versorgt. Die Leiterplatte 30 ist ausgebildet, um der elektrischen Wicklung 18 den Wechselstrom zuzuführen, der benötigt wird, um das elektromagnetische Feld zur elektromagnetischen induktiven Erwärmung der Spule 20 zu erzeugen. In der Praxis arbeitet die Leiterplatte 30 wie Hochfrequenz-Stromgenerator.
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Der Arbeitsfrequenzwert oder -bereich der Leiterplatte 30 hängt ausschließlich von der gewünschten Temperatur, der Menge an zu erhitzender Flüssigkeit, die in der Spule 20 strömt, und von der Wärmeabgabeziffer der betreffenden Flüssigkeit ab.
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Die Spule 20 der Erwärmungsvorrichtung 10, die, wie oben erwähnt, innerhalb des Hohlkörpers 12 verläuft, ist eine Röhre oder Leitung, die intern von dem zu erhitzenden Flüssigkeitsstrom durchquert wird. In einer Ausführungsform besteht die Spule 20 aus einem vorzugsweise ferromagnetischen elektrisch leitenden Metallmaterial. In einer anderen Ausführungsform besteht die Spule 20 aus Silikonmaterial, d. h. Material auf Silikonbasis, bedeckt mit einem Geflecht aus elektrisch leitendem, vorzugsweise ferromagnetischen, Metallmaterial. Diese Kombination aus Silikonmaterial und Metallgeflecht ermöglicht eine einfachere Konstruktion der Spule 20 und erweitert die Nutzungsmöglichkeiten der Vorrichtung 10 gemäß der Erfindung, zum Beispiel im Lebensmittelsektor.
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Die Spule 20 steht in Wärmekontakt mit dem Strom von Flüssigkeit. Im Speziellen ist die Spule 20 ausgebildet, um Wärme zu dem in ihr strömenden Flüssigkeitsstrom zu übertragen. Der Flüssigkeitsstrom, der aus der Spule 20 austritt, kann jede beliebige Temperatur erreichen, bis hin zum gasförmigen Zustand.
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Weiter ist die Spule 20 ausgebildet, um den zu erhitzenden Flüssigkeitsstrom aufzunehmen und seinen Fluss von einem Einlassabschnitt der Spule 20, z. B. nahe dem ersten Ende 14 des Hohlkörpers 12 und/oder nahe der ersten Öffnung des Hohlraums des Hohlkörpers 12, zu einem Auslassabschnitt der Spule 20 zu leiten, der sich zum Beispiel nahe dem zweiten Ende 16 des Hohlkörpers 12 und/oder nahe der zweiten Öffnung des Hohlraums des Hohlkörpers 12 befindet.
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Die Spule 20 kann jede beliebige Geometrie, jeden Querschnitt und jede beliebige Länge haben, die in jedem Fall abhängig von den Anforderungen des Anwendungsfalls zu definieren sind. In den bevorzugten und dargestellten Ausführungsformen hat die Spule 20 einen kreisförmigen Querschnitt. In einer Ausführungsform der Erfindung, z. B. wie in den 2a, 2b, 3a und 3b dargestellt, hat die Spule 20 eine spiralförmige, vorzugsweise zylindrische Form mit einer Steigung, die je nach den Anforderungen variieren kann.
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Unter besonderer Bezugnahme auf die 2a und 2b: In einer Ausführungsvariante hat die Spule 20 eine Schraubenform, vorzugsweise eine zylindrische Form, und mindestens ein Teil ihrer Wicklungen, vorzugsweise alle, steht in Kontakt mit der Innenwand des Hohlkörpers 12.
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Unter besonderer Bezugnahme auf die 3a und 3b hat die Spule 20 in einer anderen Ausführungsvariante eine Schraubenform, vorzugsweise eine zylindrische Form, und mindestens ein Teil ihrer Wicklungen, vorzugsweise alle, sind mit dem Hohlkörper 12 verbunden. In der Praxis sind in dieser Variante die Spule 20 und der Hohlkörper 12 monolithisch verbunden.
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In einer anderen (nicht gezeigten) Ausführungsvariante hat die Spule 20 eine Schraubenform, vorzugsweise eine zylindrische Form, und mindestens ein Teil ihrer Wicklungen, vorzugsweise alle, sind in der Nähe der Innenwand des Hohlkörpers 12 angeordnet.
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Mit besonderer Bezugnahme auf die 4a und 4b: In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Spule 20 parallel zur zentralen Längsachse des Hohlkörpers 12 und fällt vorzugsweise damit zusammen.
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Die Form und/oder Größe einiger Komponenten der Erwärmungsvorrichtung 10 gemäß der Erfindung, wie z. B. der Durchmesser des Hohlkörpers 12 oder die Krümmungen und der Durchmesser der Spule 20, hängen ausschließlich von der gewünschten Temperatur, der Menge der zu erhitzenden Flüssigkeit, die innerhalb der Spule 20 strömt, und von der Wärmeabgabeziffer der betreffenden Flüssigkeit ab.
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In einer Ausführungsform der Erfindung, die in 1 gezeigt ist, umfasst die Erwärmungsvorrichtung 10 weiter einen Einlassverteiler 24 und einen Auslassverteiler 26, die ausgebildet sind, um die Spule 20 mit einem System von Leitungen für den Strom der Flüssigkeit zu verbinden. Der Einlassverteiler 24 ist mit dem Einlass der Spule 20 verbunden, z. B. nahe dem ersten Ende 14 des Hohlkörpers 12 und/oder nahe der ersten Öffnung des Hohlraums des Hohlkörpers 12. Der Auslassverteiler 26 ist mit dem Ausgang der Spule 20 verbunden, z. B. nahe dem zweiten Ende 16 des Hohlkörpers 12 und/oder nahe der zweiten Öffnung des Hohlraums des Hohlkörpers 12. Wahlweise ist der Einlassverteiler 24 mit der ersten Verschlussplatte 25 gekoppelt, die, wie bereits erwähnt, am ersten Ende 14 des Hohlkörpers 12 angeordnet ist, und der Auslassverteiler 26 ist mit der zweiten Verschlussplatte gekoppelt, die, wie bereits erwähnt, am zweiten Ende 16 des Hohlkörpers 12 angeordnet ist.
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In einer Ausführungsform der Erfindung, die in 1 dargestellt ist, umfasst die Erwärmungsvorrichtung 10 weiter ein elektrisches Ventil 28 vom Drei-Wege-Typ, das ausgebildet ist, um die Flüssigkeit in der Spule 20 ein- und abzulassen.
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Vorzugsweise ist das elektrische Ventil 28 mit dem Auslassverteiler 26 verbunden.
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Das elektrische Ventil 28 ist ausgebildet, um während der Belastung die zu erhitzende Heizflüssigkeit vor den Vorgängen des Heizens (und der anschließenden Abgabe), d. h. vor der elektromagnetischen induktiven Erwärmung der Spule 20, in den hydraulischen Kreislauf, insbesondere in die Spule 20, zu befördern. Der Fluss des Flüssigkeitsstroms in der Spule 20 kann durch die Schwerkraft oder mit Hilfe einer Pumpe oder mit Hilfe des Drucks eines Wassersystems ausgelöst werden. In der Praxis aktiviert das elektrische Ventil 28 die Zirkulation der Flüssigkeit in der Spule 20, bevor die Vorrichtung 10 gemäß der Erfindung eingeschaltet wird. Wenn das elektrische Ventil 28 die Zirkulation der Flüssigkeit in der Spule 20 aktiviert, kann die Vorrichtung 10 gemäß der Erfindung mit den Heizvorgängen beginnen. Dies ist notwendig, um einen „trockenen“ Betrieb der Vorrichtung 10, d. h. ohne Fluss des Flüssigkeitsstroms in ihrem Inneren, insbesondere in der Spule 20, zu vermeiden. Das ist wiederum erforderlich, da der „trockene“ Betrieb der Vorrichtung 10 in wenigen Sekunden zu sehr hohen Temperaturen und einer daraus folgenden Beschädigung der Vorrichtung 10 führen kann.
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Das elektrische Ventil 28 ist ausgebildet, um während des Ablassens die restliche Flüssigkeit, die sich noch im Hydraulikkreislauf, insbesondere in der Spule 20 befindet, nach den Vorgängen des Heizens (und der anschließenden Abgabe), d. h. nach der elektromagnetischen induktiven Erwärmung der Spule 20, abzulassen. In der Praxis lässt das elektrische Ventil 28 keine Flüssigkeit innerhalb der Spule 20, nachdem die Vorrichtung 10 gemäß der Erfindung abgeschaltet wurde. Dieser vom elektrischen Ventil 28 durchgeführte Ablassvorgang ist nützlich, um zu verhindern, dass die Flüssigkeit im Hydraulikkreislauf, insbesondere in der Spule 20, stockt und, im Falle niedriger Temperaturen, gefriert.
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In einer alternativen Ausführungsform kann das elektrische Drei-Wege-Ventil 28 durch ein elektrisches Halteventil, das vorzugsweise mit dem Einlassverteiler 24 verbunden ist, und ein elektrisches Ablassventil ersetzt werden, das vorzugsweise mit dem Ablassverteiler 26 verbunden ist.
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In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung 10 zur Erwärmung von Flüssigkeiten gemäß der Erfindung eine Vielzahl von Hohlkörpern 12, die miteinander seriell, in einer Anzahl, die je nach den Erfordernissen variieren kann, verbunden sind; wobei die Spule 20 die Vielzahl von Hohlkörpern 12 durchläuft. Vorzugsweise haben alle Hohlkörper 12 der Vielzahl von Hohlkörpern denselben Querschnitt.
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Im Allgemeinen wird die Erwärmungsvorrichtung 10 gemäß der Erfindung von einer oder mehreren Leiterplatten (einschließlich der Leiterplatte 30) gesteuert und betrieben, die verschiedene Konfigurationen vom Hardware- und/oder Softwaretyp haben können, welche in jedem Fall entsprechend den jeweiligen Erfordernissen definiert werden, zum Beispiel anhand der Länge des Hohlkörpers 12 und der Spule 20 oder anhand der gewünschten Temperatur, die von der Flüssigkeit, welche aus der Spule 20 austritt, erreicht werden muss.
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Somit findet die Anpassung der Temperatur der Flüssigkeit, die aus der Spule 20 austritt, mit Hilfe einer geeigneten Hardware- und/oder Softwarekonfiguration der oben erwähnten Leiterplatten statt. Zum Beispiel ist es möglich, mit Hilfe dieser Konfigurationen verschiedene Temperaturschwellenwerte der aus der Spule 20 austretenden Flüssigkeit festzulegen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Erwärmungsvorrichtung 10 zur indirekten Messung der Flüssigkeitstemperatur und deren anschließenden Anpassung weiter einen Thermistor, der in Wärmekontakt mit der Spule 20, vorzugsweise mit einem Endabschnitt der Spule 20, angeordnet und funktionell mit einer Steuereinheit der Erwärmungsvorrichtung 10 gemäß der Erfindung und wahlweise auch mit der Leiterplatte 30 verbunden ist. Der Thermistor kann in Kontakt mit der Außenwand oder mit der Innenwand der Spule 20 stehen. Der Thermistor kann an einer beliebigen der Verschlussplatten für die Öffnungen des Hohlraums des Hohlkörpers 12 angeordnet sein.
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In dieser Ausführungsform ist der Thermistor entsprechend der an der Spule 20 erfassten Temperatur charakterisiert. Der Thermistor ist empfindlich gegenüber der Temperatur der Spule. Der Thermistor ist konfiguriert, um die Temperatur der Spule 20 zu erfassen und der Steuereinheit die Temperatur der Spule 20 zu melden, z. B. mit Hilfe eines geeigneten Schaltkreises.
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Auch in dieser Ausführungsform ist die Steuereinheit konfiguriert, um die Temperatur des Stroms von Flüssigkeit, die innerhalb der Spule 20 fließt, auf der Grundlage der Temperatur, die vom Thermistor an der Spule 20 erfasst wurde, mit Hilfe eines geeigneten Algorithmus zu berechnen. Die Steuereinheit ist weiter konfiguriert, um die Leiterplatte 30 zu steuern und die Arbeitsfrequenz der Leiterplatte 30 anhand der Leistung zu verändern, die benötigt wird, um die gewünschte Temperatur der Flüssigkeit ausgehend von der Ist-Temperatur zu erreichen, die zuvor von der Steuereinheit berechnet wurde.
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In einer alternativen Ausführungsform gemäß der Erfindung umfasst die Erwärmungsvorrichtung 10, zum Zwecke der direkten Messung der Temperatur der Flüssigkeit und der anschließenden Temperaturanpassung weiter einen Thermistor, der in Wärmekontakt mit dem Strom von Flüssigkeit angeordnet ist, die innerhalb der Spule 20 strömt, und funktionell mit der Steuereinheit der Erwärmungsvorrichtung 10 gemäß der Erfindung und wahlweise auch mit der Leiterplatte 30 verbunden ist. Der Thermistor kann an einer beliebigen der Verschlussplatten der Öffnungen des Hohlraums des Hohlkörpers 12 angeordnet sein.
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In dieser Ausführungsform wird der Thermistor anhand der Temperatur charakterisiert, die an dem Flüssigkeitsstrom gemessen wurde. Der Thermistor ist empfindlich gegenüber der Temperatur des Flüssigkeitsstroms. Er ist konfiguriert, um die Temperatur des Flüssigkeitsstroms zu erfassen, der innerhalb der Spule 20 strömt, und sie an die Steuereinheit zu senden, zum Beispiel mit Hilfe eines geeigneten Schaltkreises.
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Auch in dieser Ausführungsform ist die Steuereinheit konfiguriert, um die Leiterplatte 30 zu steuern und ihre Arbeitsfrequenz anhand der Leistung zu verändern, die benötigt wird, um die gewünschte Temperatur der Flüssigkeit ausgehend von der Ist-Temperatur zu erreichen, die zuvor vom Thermistor erfasst wurde.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Thermistor der Erwärmungsvorrichtung 10 gemäß der Erfindung vom NTC-Typ (Negative Temperature Coefficient), in der Praxis mit einem Widerstand, der abnimmt, während die Temperatur zunimmt.
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Die Anpassung der Flüssigkeitstemperatur hat eine Genauigkeit von weniger als 0,5°C und ermöglicht die minimale Nutzung des von der Vorrichtung 10 gemäß der Erfindung absorbierten Stroms, um die Flüssigkeit in ihrem Inneren zu erhitzen.
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Man nehme zum Beispiel einen geschlossenen Hydraulikkreislauf, der eine bestimmte zu erhitzende Flüssigkeitsmenge enthält, die in seinem Inneren fließt. Die Steuereinheit der Erwärmungsvorrichtung 10 gemäß der Erfindung ist in der Lage, durch Interaktion mit dem Thermistor, der in Wärmekontakt mit der Spule 20 angeordnet ist, die Mindestleistung der elektromagnetischen Induktion anzupassen, die benötigt wird, um die Flüssigkeit auf die gewünschte Temperatur zu bringen oder dort zu halten.
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Die Steuereinheit der Erwärmungsvorrichtung 10 ermöglicht es, mit Hilfe der Anpassung der Flüssigkeitstemperatur und der Steuerung des elektrischen Ventils 28 nur die Menge an Flüssigkeit und Strom zu verbrauchen, die unbedingt erforderlich sind.
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In einer Ausführungsform gemäß der Erfindung umfasst die Erwärmungsvorrichtung 10 weiter eine Sicherheitsvorrichtung 45, welche sich in Wärmekontakt mit der Spule 20, vorzugsweise mit einem Endabschnitt der Spule 20, befindet und funktionell mit der Leiterplatte 30 verbunden ist. Die Sicherheitsvorrichtung 45 kann in Kontakt mit der Außenwand oder der Innenwand der Spule 20 stehen. Sie kann an einer beliebigen der Verschlussplatten für die Öffnungen des Hohlraums des Hohlkörpers 12 angeordnet sein.
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Die Sicherheitsvorrichtung 45 ist empfindlich gegenüber der Temperatur der Spule 20. Die Sicherheitsvorrichtung 45 ist ausgebildet, um die Temperatur der Spule 20 zu erfassen und auszulösen, wenn die Temperatur der Spule 20 einen Schwellenwert überschreitet. Im Speziellen ist die Sicherheitsvorrichtung 45 ausgebildet, um die elektromagnetische induktive Erwärmung der Spule 20 anzuhalten und so die Stromzufuhr für die Leiterplatte 30 zu unterbrechen, wenn eine Schwellwerttemperatur (z. B. auf 120°C voreingestellt) an der Spule 20 überschritten wird. In der Praxis ist die Sicherheitsvorrichtung 45 ausgebildet, um die Erwärmungsvorrichtung 10 gemäß der Erfindung anzuhalten, wenn ihre Spule 20 eine Temperatur erreicht, welche den Schwellenwert (z. B. 120°C) überschreitet.
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Wenn der Schwellenwert der Temperatur der Spule 20 überschritten wird, löst die Sicherheitsvorrichtung 45 aus, öffnet den Schaltkreis, wirkt so als Ausschalter und unterbricht die Stromversorgung der Leiterplatte 30. Nachdem die Sicherheitsvorrichtung 45 ausgelöst hat, muss sich die Erwärmungsvorrichtung 10 gemäß der Erfindung abkühlen und erneut eingeschaltet werden. Die Erwärmungsvorrichtung 10 startet erneut, wenn die Temperatur der Spule 20 wieder unter den Schwellenwert sinkt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Sicherheitsvorrichtung 45 der Erwärmungsvorrichtung 10 gemäß der Erfindung einen Metallflansch, der in Wärmekontakt mit der Spule 20 angeordnet ist, und einen Temperaturregler, der mit dem Flansch verknüpft und funktionell mit der Leiterplatte 30 verbunden ist. Praktischerweise umfasst der Temperaturregler eine zurücksetzbare thermische Absicherung (z. B. eine Absicherung, die auf 120°C zurückgesetzt werden kann), die ebenfalls metallisch und mit dem Flansch z. B. durch Verschraubung verbunden ist.
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Die Sicherheitsvorrichtung 45 ermöglicht es im Falle eventueller Fehler die Erwärmungsvorrichtung 10 gemäß der Erfindung anzuhalten und zu verhindern, dass die Spule 20 den Hohlkörper 12 zum Schmelzen bringt oder, noch schlimmer, einen Brand der Komponenten auslöst. In einer beliebigen Fehlersituation ermöglicht es die Sicherheitsvorrichtung 45, dass die Temperatur der Spule 20 unter Kontrolle bleibt, ein Schaden an der Leiterplatte 30 verhindert wird und die Betriebstemperatur der Spule 20, und somit der Erwärmungsvorrichtung 10, innerhalb der Sicherheitsgrenzen bleibt, die von den gesetzlichen Bestimmungen und den technischen Spezifikationen der verwendeten Materialien vorgesehen sind.
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In einer Ausführungsform der Erfindung, die in 5 gezeigt ist, ist die Erwärmungsvorrichtung 10 in einen kastenförmigen Körper 50 eingeschlossen, der ausgebildet ist, um die verschiedenen Komponenten, insbesondere den Hohlkörper 12, die elektrische Wicklung 18 und die Leiterplatte 30 zu schützen. Die zu erhitzende Flüssigkeit tritt in die Spule 20 der Erwärmungsvorrichtung 10 in der folgenden Reihenfolge ein: eine Einlassöffnung 36, eine Einlassleitung 34 und den Einlassverteiler 24. Die erhitzte Flüssigkeit tritt aus der Spule 20 der Erwärmungsvorrichtung 10 in der folgenden Reihenfolge aus: den Auslassverteiler 26, eine Auslassleitung 38 und eine Auslassöffnung 40.
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Die Arbeitsweise einer Ausführungsform der Vorrichtung 10 zum Erwärmen von Flüssigkeiten gemäß der Erfindung ist im Folgenden kurz zusammengefasst.
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Zunächst tritt die Flüssigkeit, die auf die gewünschte Temperatur erhitzt werden soll, in die Spule 20 der Erwärmungsvorrichtung 10 ein, die, wie bereits erwähnt, den Hohlkörper 12 durchläuft. Während des Stroms der Flüssigkeit in der Spule 20 erzeugt die elektrische Wicklung 18 der Erwärmungsvorrichtung 10, die, wie bereits erwähnt, um den Hohlkörper 12 herum angeordnet ist, ein elektromagnetisches Feld, das ausgebildet ist, um für die elektromagnetische induktive Erwärmung der Spule 20 einen elektrischen Strom zu erzeugen. Die Spule 20 überträgt dann Wärme auf den Strom der Flüssigkeit, der in ihr strömt, insbesondere mit Hilfe des Wärmekontakts zwischen der Spule 20 und der Flüssigkeit. Schließlicht tritt die auf die gewünschte Temperatur erhitzte Flüssigkeit aus der Spule 20 der Erwärmungsvorrichtung 10 aus.
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In der Praxis ist festgestellt worden, dass die Erfindung das angestrebte Ziel erreicht und die Aufgaben vollständig erfüllt. Insbesondere hat sich gezeigt, dass die so konzipierte Vorrichtung zur Erwärmung von Flüssigkeiten es ermöglicht, die qualitativen Beschränkungen aus dem Stand der Technik zu überwinden, da mit ihr bessere Effekte erzielt werden können als mit bekannten Lösungen, und/oder ähnliche Effekte zu niedrigeren Kosten und mit besserer Leistung.
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Ein Vorteil der Vorrichtung zur Erwärmung von Flüssigkeiten gemäß der Erfindung besteht darin, dass sie es ermöglicht, eine Flüssigkeit während des Durchlaufs durch die Spule von einer beliebigen Ausgangstemperatur auf eine gewünschte Endtemperatur zu erhitzen, bis zum gasförmigen Zustand.
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Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung zur Erwärmung von Flüssigkeiten gemäß der Erfindung besteht darin, dass sie hohe Sicherheit gewährleistet, insbesondere für die Person - ob sie nun ein gewöhnlicher Benutzer oder ein spezialisierter Techniker ist -, die die Vorrichtung handhabt, zum Beispiel während der Installation oder während beliebiger Arbeiten zur Wartung der Vorrichtung oder während Arbeiten zur Wartung der Maschine oder des Apparats, in welcher/welchem die Vorrichtung installiert ist.
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Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung zur Erwärmung von Flüssigkeiten gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sie eine hohe Energieeinsparung verglichen mit dem Stand der Technik ermöglicht.
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Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung zur Erwärmung von Flüssigkeiten gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sie nicht dauerhaft aktiviert sein muss, um die Flüssigkeit angemessen erwärmen zu können.
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Ein anderer Vorteil der Vorrichtung zur Erwärmung von Flüssigkeiten gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sie die Erwärmung einer Flüssigkeitsmenge ermöglicht, die im Wesentlichen auf die absolut notwendige Menge begrenzt ist.
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Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung zur Erwärmung von Flüssigkeiten gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sie die Verwendung eines Gas-Boilers - typischerweise eines Methan-Boilers - vermeidet und so die Risiken vermindert, die aus der Nutzung dieses äußerst entzündlichen Gases resultieren. Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung zur Erwärmung von Flüssigkeiten gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass mit ihr die Nutzung eines elektrischen Boilers ebenfalls vermieden werden kann.
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Ein anderer Vorteil der Vorrichtung zur Erwärmung von Flüssigkeiten gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sie reduzierte Abmessungen hat, wodurch der Platzbedarf erheblich vermindert werden kann.
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Nicht zuletzt ist ein Vorteil der Vorrichtung zur Erwärmung von Flüssigkeiten gemäß der vorliegenden Erfindung, dass sie hochgradig zuverlässig, relativ einfach bereitzustellen und zu installieren sowie verglichen mit dem Stand der Technik wirtschaftlich wettbewerbsfähig ist.
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Obwohl die Vorrichtung zur Erwärmung von Flüssigkeiten gemäß der Erfindung insbesondere für Arbeiten zur Erwärmung von Wasser, Milch oder Ölen zur Verwendung für zahllose Zwecke auf privatem oder industriellem Gebiet konzipiert wurde, z. B. zur Heizung von Wohnräumen (d. h. warmes fließendes Wasser), kann sie in jedem Fall auch allgemeiner genutzt werden, um jede Art von Flüssigkeit zu erhitzen oder um Dampf zu erzeugen.
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Die so konzipierte Erfindung ist geeignet für zahlreiche Modifikationen und Variationen, die alle im Schutzumfang der beigefügten Ansprüche liegen. Weiter können alle Details durch andere, technisch gleichwertige Elemente ersetzt werden.
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In der Praxis können die verwendeten Materialien, vorausgesetzt, dass sie mit der spezifischen Anwendung kompatibel sind, ebenso wie die dazugehörigen Formen und Abmessungen, je nach den Anforderungen und dem Stand der Technik beliebig sein.
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Schließlich darf der Schutzumfang der Ansprüche nicht durch die Darstellungen oder bevorzugten Ausführungsformen beschränkt sein, die exemplarisch in der Beschreibung gezeigt sind, sondern die Ansprüche müssen alle Eigenschaften patentfähiger Neuheit umfassen, die in der vorliegenden Erfindung vorliegen, einschließlich aller Eigenschaften, die vom Fachmann als gleichwertig behandelt würden.
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Die Offenbarungen in der Italienischen Patentanmeldung Nr. 102019000003373, aus der diese Anmeldung die Priorität beansprucht, sind hierin durch die Bezugnahme eingeschlossen.
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Wenn in irgendeinem Anspruch erwähnte technische Merkmale von Bezugszeichen gefolgt sind, wurden diese Bezugszeichen nur für den Zweck eingeschlossen, die Verständlichkeit der Ansprüche zu erhöhen, und dementsprechend haben solche Bezugszeichen keine einschränkende Wirkung auf die Interpretation jedes Elements, das exemplarisch durch solche Bezugszeichen gekennzeichnet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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