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Die Erfindung betrifft das Gebiet von Getränkebereitungsmaschinen mit Schutz vor unerwünschten Geräuschen und insbesondere einen Wasserkocher zum geräuscharmen Erhitzen von Flüssigkeiten.
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Stand der Technik
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Problem:
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Haushaltsübliche, meist elektrisch betriebene Wasserkocher arbeiten verhältnismäßig laut, übertönen ruhige Musik und Gespräche. Ihr Betrieb ist zudem in Ruhezeiten oder in der Nähe von schlafenden Kindern oft problematisch.
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Die Ursache der ungewollten Geräuschentwicklung ist durch Kavitation erklärbar. Aufgrund der verhältnismäßig hohen Heizleistungsdichte (auch Wärmestromdichte) in modemen Wasserkochern, mit dem Ziel heißes oder kochendes Wasser möglichst schnell zur Verfügung zu stellen, sind die Wärmeübergangsoberflächen, die im Kontakt mit dem zu erhitzenden Wasser stehen, besonders heiß. Dadurch kommt es zu lokalen Überhitzungen und lokalem Sieden des Wassers. Die Bereiche des Wassers, die der Wärmeübergangsoberfläche am nächsten sind, sieden bereits, während das restliche Wasser noch kalt oder kaum erwärmt ist. Im Vergleich zu einem normalen Kochtopf ist der Effekt bei elektrischen Wasserkochern wegen der besonders hohen Heizleistungsdichte meist stärker ausgeprägt. Die beim lokalen Sieden entstehenden Dampfblasen steigen aufgrund ihrer geringeren Dichte auf, kühlen sich in den kälteren Wasserschichten wieder ab, verringern ihren Dampfdruck (auch Sättigungsdampfdruck) und implodieren (Kavitation). Die dabei erzeugten Druckwellen sind als Schallwellen deutlich hörbar und verantwortlich für das oft unangenehme und laute „Zischen“ oder „Rauschen“, bereits kurz nachdem der Kochvorgang begonnen hat.
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Am Ende des Kochvorgangs ist das Wasser weitestgehend vollständig erhitzt. Aufsteigende Blasen schaffen es nun bis an die Wasseroberfläche und platzen dort, ein etwas leiseres und angenehmeres „Blubbern“ oder „Sprudeln“ ist zu hören, das Wasser „kocht“.
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Neben den heute haushaltsüblichen Wasserkochern gibt es bereits zahlreiche Angebote am Markt, mit Technologien wie „Quiet Boil“- (Russell Hobbs) oder „Whisper Boil“ (Dualit), und eine Vielzahl an Patenten, die Besserung versprechen. Es wird mit unterschiedlichen Techniken versucht die Geräuschentwicklung beim Erhitzen von Wasser zu reduzieren.
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Bekannte Prinzipien zur Geräuschreduktion sind:
- - besser isolierende, schalldämmende oder geräuschdämpfende Behälter und Elemente (Beispielsweise GB 2 524 872 B , DE 10 2017 001 978 A1 )
- - eine geringere Heizleistung oder größere, beheizte Wärmeübergangsoberflächen und damit eine geringere Heizleistungsdichte (Beispielsweise DE 201 19 638 U1 , WO 2009/ 046 550 A2 )
- - eine verbesserte Wärmeleitung, um Wasser gleichmäßiger zu erhitzen (Beispielsweise DE 10 2016 222 839 A1 , CN 2 09 269 373 U , DE 20 2017 003 312 U1 )
- - Beschichtungen, spezielle Geometrien der Wärmeübergangsoberflächen oder Diffuser-Platten, um entstehende Dampfblasen möglichst klein zu halten (Beispielsweise EP 1 566 123 B1 , DE 198 25 835 C2 , WO 2022/ 221 914 A1 )
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Selbst als leise beworbene Kocher arbeiten häufig immer noch verhältnismäßig laut oder sind aber sehr langsam, groß und unhandlich, schwer zu reinigen oder haben sich auf dem Markt nicht durchsetzen können, sodass verfügbare Lösungen nicht zufriedenstellend sind.
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Aus anderen Fachbereichen sind jedoch Prinzipien bekannt, mit denen das ursprüngliche Problem des lokalen Siedens handhabbar wird.
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Aus industriellen Anwendungen sind Heißwasseranlagen bekannt, die Wasser als Wärmeträger verwenden. Das Wasser wird beim Erhitzen mit Hilfe von hohen Wasserdrücken in den Leitungen am lokalen Sieden gehindert, da Wasser entsprechend des Phasendiagramms bei höheren Drücken später zu sieden beginnt. Dieses Prinzip wird ebenfalls in
EP 3 273 174 B1 erwähnt. Diese Lösungsmöglichkeit ist zwar für einen haushaltsüblichen Wasserkocher nicht anwendbar, kann aber in feststehenden Heißwasserspendern mit einem Wasseranschluss, wie beispielsweise in
DE 691 18 036 T2 beschrieben, zur Anwendung kommen.
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Erfindungsgemäß wird dieses Prinzip aufgegriffen und für alleinstehende, beheizbare Behälter ohne weitere Anschlüsse abgewandelt, bei denen es zwar keine Wasserleitungen gibt, die unter Druck stehen können, der erforderliche, statische Druck aber mit Hilfe eines erhöhten Gasdrucks über der zu erhitzenden Flüssigkeit erzeugt werden kann. Der erhöhte Gasdruck im Behälter kann die problematische Blasenbildung wortwörtlich unterdrücken. Findet der Kochvorgang unter ausreichend Druck statt, können sich keine Dampfblasen bilden, die Flüssigkeit bleibt oberhalb der normalen Siedetemperatur flüssig und die Geräuschbildung wird wirksam reduziert.
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Aus
DE 10 2019 124 816 A1 ist ein Druckgargerät bekannt, welches den vorherrschenden Überdruck mit Hilfe von Sensoren und Ventilen regelt, diesen jedoch nicht unabhängig vom Vorgang des Erhitzens aufbauen kann, sondem beim Erhitzen entstehenden Wasserdampf zur Druckerzeugung nutzt. Eine wirksame Geräuschreduktion lässt sich auf Grund eines fehlenden Überdrucks zu Kochbeginn nicht gewährleisten.
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Aus dem Bereich der Reiskocher und Schnellkochtöpfe sind bereits Kocher bekannt, die mit Hilfe eines Kompressors einen Überdruck in einem beheizbaren Behälter aufbauen können und damit unterschiedliche Vorteile erzielen.
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Die Steuerung und Regelung dieser Kocher ist jedoch vor allem dafür geeignet, Nahrungsmittel mit geringem Wasseranteil auch unter hohem Druck kochen zu können, das Überkochen beim Kochen von Lebensmitteln zu verhindern und beim Reiskochen die Absorption von Wasser zu beschleunigen.
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Es ist zwar durch die freie Druckwahl möglich, beliebige Kochtemperaturen einzustellen, für eine Verbesserung des Geräuschproblems ist die Steuerung und Regelung dieser Kocher jedoch nicht ausgelegt. Eine Geräuschreduktion wird nicht angestrebt und ebenso keine dementsprechende Handhabung oder Verwendung vorgeschlagen. (Beispielsweise
JP H02 - 74 219 A ,
JP H05 - 38 312 A ,
JP 2018 - 198 924 A ,
WO 2020/ 000 898 A1 )
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wasserkocher bereitzustellen, mit dem Flüssigkeiten geräuscharm erhitzbar sind.
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Dies wird mit einem Wasserkocher gemäß Anspruch 1 erreicht. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Für die erfindungsgemäße Umsetzung des zuvor beschriebenen Lösungsprinzips wird ein beheizbarer Behälter, welcher einigen, inneren Überdruck standhält, mit einer Flüssigkeit befüllt und luftdicht verschlossen. Mit Hilfe eines Kompressors wird der statische Druck im Behälter erhöht und ein Überdruck erzeugt.
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Bei dem anzuwendenden Verfahren ist es entscheidend, dass der Überdruck bereits aufgebaut wird, bevor die Flüssigkeit erhitzt wird, um eine Geräuschreduktion während des gesamten Vorgangs zu gewährleisten. Zudem ist darauf zu achten, einen ausreichend großen Überdruck aufzubauen. Im Idealfall ist der im Behälter vorherrschende Überdruck größer als der Siededruck (auch Sättigungsdampfdruck oder Dampfdruck) gemäß des Phasendiagramms, bei der jeweiligen Temperatur der Wärmeübergangsoberfläche. Je nach angestrebter Heizleistungsdichte kann diese Temperatur jedoch sehr hoch sein und der damit erforderliche Überdruck in einem kritischen Bereich liegen. Auch in diesen Fällen sorgt bereits eine Druckerhöhung auf ein geringeres, akzeptables Druckniveau für eine merkliche Geräuschreduktion.
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Aufgrund der geringeren Dampfbildung und der fehlenden, akustischen Anzeichen, dass die Flüssigkeit die Normalsiedetemperatur erreicht hat, muss das Kochende anhand der Temperatur, mit Hilfe eines Temperatursensors festgestellt und eingeleitet werden.
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Für eine sichere Entnahme der erhitzten Flüssigkeit sollte ein Druckausgleich des Behälters erfolgen. Nach dem Abbau des Überdrucks kann die Flüssigkeit kurz sprudelnd aufkochen, bis die Temperatur leicht abgefallen ist, ähnlich wie bei einem abkühlenden Kochtopf, der kurz sprudelnd weiter kocht, nachdem er von der Hitzequelle entfernt wurde.
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Bei Versuchen an einem Prototyp mit mittlerer Heizleistungsdichte wurden bei einem Überdruck von 1,5 bar sehr gute, geräuschreduzierende Ergebnisse erzielt. Der Kochvorgang verlief weitestgehend geräuschlos. Der Lautstärkepegel lag im Mittel bei 30 dB(A). Der Lautstärkepegel im Referenzversuch ohne aktiv aufgebauten Überdruck war um etwa 25 dB(A) größer.
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Zudem wurde mit dem Prototyp die Zieltemperatur von 100°C mit in etwa 75% der Zeit, die im Referenzversuch benötigt wurde, deutlich schneller erreicht.
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Neben dem wesentlichen Vorteil der deutlichen Geräuschreduktion während des Kochvorgangs wird also ein höherer Wirkungsgrad erreicht. Die Zeit bis zu dem Erreichen der Zieltemperatur kann verkürzt oder der erforderliche Energiebedarf reduziert werden.
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Umgedreht ist es möglich mit Hilfe des Überdrucks, ohne eine Zunahme der Geräuschbelastung, bei einem Kocher die Heizleistung zu erhöhen und damit Kochzeiten zu reduzieren.
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Ein weiterer Vorteil kann die reduzierte Ausfällung von Kesselstein (Kalkstein, Calciumcarbonat) bei der Erhitzung von hartem Wasser sein. Bei der herkömmlichen Erhitzung von Wasser entweicht gelöstes Kohlendioxid und wasserunlösliches, zuvor als Calciumhydrogencarbonat vorliegendes Calciumcarbonat fällt aus. Da die Wasserlöslichkeit von Kohlendioxid neben der Temperatur aber auch von dem Druck abhängt, kann das Kochen unter erhöhtem Druck einen positiven Effekt erzielen. Insbesondere wenn der Überdruck mit Hilfe von Kohlendioxid erzeugt wird, verhindert dessen hoher Partialdruck das Ausgasen von Kohlendioxid und damit das Ausfällen von Kesselstein.
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Im Gegensatz zu einem einfachen Druckkochtopf kann der Überdruck am Ende des Kochvorgangs innerhalb weniger Sekunden abgebaut werden, da der Behälter keinen überhitzten Wasserdampf enthält, der erst langsam abkühlen muss. Der Kocher kann schnell wieder geöffnet und das erhitzte oder kochende Wasser verwendet werden.
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Als weiteren Vorteil kann der Kocher Wasser auch im Hochgebirge auf 100°C erhitzen, um ein sicheres Lebensmittel zu erhalten.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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In der Zeichnung zeigt:
- 1 eine schematische seitliche Ansicht eines erfindungsgemäßen Wasserkochers.
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Eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung ist in 1 dargestellt und entspricht im Wesentlichen einem heute haushaltsüblichen, elektrischen Wasserkocher (im Folgenden auch verkürzt Kocher genannt), der zusätzlich wie ein Druckkochtopf luftdicht verschlossen werden kann und einigem inneren Druck standhält.
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Die Flüssigkeit 1 wird in den druckfesten, beheizbaren Behälter 2 gefüllt. Der Behälter 2 wird mit dem abdichtenden Verschluss 3 luftdicht und druckfest verschlossen.
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Der Kochvorgang wird vom Nutzer gestartet. Entsprechend der hinterlegten Steuerung und Regelung beginnt der Kocher mit dem elektrischen, integrierten Kompressor 4 einen Überdruck im Behälter 2 aufzubauen, der durch das Rückschlagventil 5 aufrechterhalten wird. Sobald der Drucksensor 6 einen ausreichenden Überdruck feststellt, wird das Heizelement 7, welches durch den Sockel 8 mit Strom versorgt wird, eingeschaltet.
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Sobald die Zieltemperatur erreicht und durch den Temperatursensor 9 festgestellt wird, schaltet der Kocher ab. Der Überdruck kann sich nach händischer Betätigung des Bedienelements 10 von dem Auslassventil 11 schnell über den Auslass (eine Auslassöffnung) 12 ausgleichen. Für einen sicheren Betrieb ist das Überdruckventil 13 vorgesehen, welches beim Überschreiten eines kritischen Drucks selbstständig durch den Auslass (eine Auslassöffnung) 14 entlüftet.
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Es können unterschiedliche Flüssigkeiten 1, wie zum Beispiel Wasser, gemäß des jeweiligen Phasendiagramms, mit der beschriebenen Erfindung geräuscharm erhitzt werden.
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Für den beheizbaren Behälter 2 kommen unterschiedlichste Bauformen und Materialien in Frage, wobei ein einfacher Zylinder aus Edelstahl mit einem Ausguss besonders geeignet scheint, den Anforderungen an Druckbeständigkeit, guter Reinigbarkeit und gesundheitlicher Unbedenklichkeit zu genügen. Zusätzlich kann der Behälter 2 hinsichtlich Wärme- oder Schalldämmung isoliert ausgeführt werden.
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Der Verschluss 3 kann mit Hilfe unterschiedlicher form- und kraftschlüssiger Verbindungen den Behälter 2 verschließen und abdichten. Neben bewährten Möglichkeiten wie einem Bajonettverschluss sind unterschiedliche Lösungen bei Druckkochtöpfen am Markt vertreten. Denkbar ist zudem ein einfacher Schraubverschluss, ein Bügelverschluss, eine schnell zu schließende Schnappverbindung oder eine Pressverbindung, die sich den Überdruck im Behälter 2 zu Nutze macht und diesen mit Dichtlippen, die sich gegen eine Dichtfläche anlegen, von selbst abdichtet und verschließt.
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Neben einem kleinen, kompakten, elektrischen Kompressor 4, der vorzugsweise im Griff oder Verschluss 3 des Kochers integriert werden kann, können auch mehrere Kompressoren 4 oder Pumpen zum Auf- und Abbau des Überdrucks verwendet werden. Die Aktivierung des Kompressors 4 zum Druckaufbau kann beim Starten des Kochvorgangs, aber beispielsweise auch bereits durch das Schließen des Verschlusses 3 oder eine andere Interaktion mit dem Kocher erfolgen.
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Neben einer Vollintegration ist es möglich, einen separaten, fest oder flexibel angeschlossenen oder teilintegrierten Kompressor 4 zu verwenden.
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Der Kompressor 4 ist im einfachsten Fall eine separate, händisch betriebene Luftpumpe, die über ein Rückschlagventil 5 zum Druckaufbau angeschlossen wird. Der prinzipielle Aufbau mit einer teilintegrierten Luftpumpe kann beispielsweise dem Aufbau aus
DE 403 282 A ähneln, bei dem die Luftpumpe am Gehäusedeckel integriert wird. Im Gegensatz zu dem hier beschriebenen Aufgussgerät müsste natürlich eine Heizmöglichkeit vorgesehen werden.
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Des Weiteren kann anstelle eines Kompressors 4 eine andere Gasdruckquelle oder eine Kombination unterschiedlicher Gasdruckquellen genutzt werden. Mit Hilfe einer Gasdruckquelle in Form eines Gasdruckreservoirs (auch Druckluftspeicher oder Windkessel) lässt sich der erforderliche Überdruck im Behälter 2 besonders schnell und leise aufbauen. Zudem kann dadurch die Aktivierung des Kompressors 4 vom Kochvorgang entkoppelt werden und Überdruck langsam und zu einem beliebigen Zeitpunkt erzeugt und im Gasdruckreservoir zwischengespeichert werden. Für ein unabhängig arbeitendes Gasdruckreservoir sind zudem Gaspatronen und Gasflaschen denkbar, die in geeigneter Weise eingesetzt oder angeschlossen werden.
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Neben dem Aufbau eines Überdrucks mit einem Kompressor 4 und dem Verdichten der Luft oder Gasphase durch das Fördern von zusätzlichem Gas in ein festes Behältervolumen ist auch der Aufbau eines Überdrucks durch das Verkleinern des Behältervolumens denkbar.
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Dies kann, ähnlich wie bei einem fluidtechnischen Zylinder, beispielsweise durch das Verschieben des Verschlusses 3 oder das Einbringen eines Körpers in den Behälter 2 erreicht werden. Durch einen Spannmechanismus, der beispielsweise einem Bügelverschluss ähnelt, kann das Behältervolumen, nachdem der Behälter 2 verschlossen wurde, reduziert und das enthaltene Gas verdichtet oder die Flüssigkeit 1 unter Druck gesetzt werden.
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Das Rückschlagventil 5 kann im Kompressor 4 integriert sein oder unter bestimmten Umständen entfallen, insbesondere wenn der Überdruck durch den Dauerbetrieb des Kompressors 4 aufrechterhalten wird oder ein Gasdruckreservoir zum Einsatz kommt. Des Weiteren können unterschiedliche Ventile verwendet werden, um den Behälter 2 abzuschließen. Besonders bei der Verwendung eines Gasdruckreservoirs wird die Verwendung eines steuer- und regelbaren Ventils als Teil eines Druckregelkreises bevorzugt.
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Neben einem Drucksensor 6 mit der entsprechenden Elektronik sind einfache Druckschalter mit einer Membran und Schaltkontakten oder die manuelle Bedienung mit Hilfe eines Manometers mit Anzeige denkbar.
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Für eine bestmögliche Reinigung werden elektrische Heizelemente 7, die außerhalb des Behälters 2 liegen und die Flüssigkeit 1 indirekt erhitzen, bevorzugt. Dennoch sind natürlich auch innenliegende Heizelemente 7 möglich, mit direktem Kontakt zur Flüssigkeit 1. Des Weiteren können beliebige sekundäre Hitzequellen wie Gaskocher oder Herdplatten oder andere integrierte Heizmöglichkeiten wie Gasbrenner Verwendung finden.
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Die bevorzugte und flexibelste Variante eines Wasserkochers mit einem Sockel 8 zur Stromversorgung kann natürlich auch durch eine einfachere Bauweise mit einer direkten Stromversorgung der Heizelemente 7 ersetzt werden. Werden alternative oder sekundäre Hitzequellen genutzt, kann der Sockel 8 selbstverständlich ebenfalls entfallen.
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Ein Temperatursensor 9 mit der entsprechenden Elektronik erlaubt die Feststellung unterschiedlicher Temperaturen, wie für das Erhitzen auf die Normalsiedetemperatur (100°C), aber auch für geringere oder höhere Temperaturen, wie Brühtemperaturen für grünen Tee (70°C). Bimetall-Temperaturschalter lassen sich durch das unterdrückte Sieden zwar nicht wie oft üblich über den entstehenden Wasserdampf auslösen, können aber an geeigneten Positionen eine Alternative bieten. Des Weiteren können beispielsweise Kapillarrohr-Thermostate, Widerstandsthermometer (Pt100) oder, im einfachsten Fall, Thermometer mit Anzeige zur manuellen Überwachung Anwendung finden.
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Am geeignetsten erscheint ein händisches Bedienelement 10, um nach dem Kochvorgang für einen Druckausgleich zu sorgen. Dieses kann beispielsweise ein in den Griff eingelassener Druckknopf sein, mit dem der Nutzer den Druckausgleich gezielt herbeiführt und die ausströmende, warme Luft sicher entweichen kann. Da es sich bei der entweichenden Luft allerdings nicht, wie bei einem Druckkochtopf, um überhitzten Dampf handelt und das Ausströmen der verhältnismäßig kühlen Luft schnell erfolgt, sollte auch ein automatischer Druckausgleich keine Gefahr darstellen. Denkbar sind ein automatisches Auslösen bei einer Interaktion mit dem Kocher, wie das Anheben des Kochers oder ein automatisches Öffnen eines steuerbaren Ventils nach dem Erreichen der Zieltemperatur.
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Das Auslassventil 11 kann bei aktiver Absaugung zum Abbau des Überdrucks entfallen. Es kann manuell, elektrisch oder pneumatisch betrieben werden. Je nach Art des Verschlusses 3 ist es möglich, den Behälter 2 auch ohne vorherigen Druckausgleich zu öffnen.
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Zudem kann es vorteilhaft sein das Auslassventil 11 mit einer Steuerung und Regelung gegen einen unkontrollierten Überdruck, durch das Erhitzen der Flüssigkeit 1, auszustatten und den Druck im Behälter 2 auf einen Zielwert zu begrenzen.
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Neben einer einfachen Öffnung kann der Auslass 12 so angeordnet und gestaltet sein, dass entweichende Luft nicht auf den Nutzer gerichtet werden kann und gedämpft ausströmt.
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Das Überdruckventil 13 kann mit dem Auslassventil 11 kombiniert werden, um die Anzahl der Komponenten zu reduzieren und dessen einwandfreie Funktion, durch eine regelmäßige Betätigung dieses sicherheitsrelevanten Bauteils, besser zu überwachen. Als Alternative oder redundante Absicherung zum Überdruckventil 13 können unterschiedliche Mechanismen zum Einsatz kommen. Beispielsweise kann das Überschreiten eines kritischen Drucks durch den Drucksensor 6 festgestellt, das Erhitzen abgebrochen sowie der Nutzer gewarnt werden.
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Der Auslass 14 ist bevorzugterweise mit dem Auslass 12 zu kombinieren, um die Anzahl der Komponenten zu reduzieren.
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Zudem kann Dank des Überdrucks ein Auslasshahn mit Steigrohr zum komfortablen Abzapfen kleiner Mengen von Flüssigkeiten 1 aus dem Behälter 2 integriert werden.