Электронагревательное устройство для приготовления горячей жидкости

 

Сущность изобретения: электронагревательное устройство содержит систему из функционально связанных блока управления и двух датчиков температуры. Датчики температуры изготовлены из пористорных материалов с различающимися характеристиками. Один датчик заключен в теплоизолирующую оболочку и имеет тепловой контакт с жидкостью и корпусом. Другой датчик имеет тепловой контакт с электронагревательным элементом и жидкостью. 2 ил.

Изобретение относится к электротермии и может быть применено в электронагревательных приборах, например электро- самоварах.

Известны электронагревательные приборы, содержащие терморегуляторы и сигнализаторы времени закипания в виде свистков, индикаторов (1). Недостатком этих устройств является отсутствие автоматического отключения при закипании.

Известно устройство, принимаемое за прототип (2), осуществляющее селективное отключение электроводонагревательного прибора при закипании и отсутствии в нем воды, содержащее датчик температуры, связанный с дифференцирующим блоком, который соединен через селектор нагрева и звено задержки с блоком управления, связанным с коммутатором. Датчик температуры, в качестве которого используется терморезистор, находится в электроводонагревательном приборе и имеет тепловой контакт с водой и корпусом нагревательного элемента. Недостатками устройства, принятого за прототип, является его низкая надежность, техническая сложность, высокая себестоимость, невозможность поддержания температуры воды на заданном уровне и ее повторного закипания при доливе воды.

Целью изобретения является повышение надежности, упрощение конструкции, уменьшение себестоимости, обеспечение возможности задания интервала времени кипения жидкости, повторного закипания при доливе жидкости, термостатирование жидкости, аварийное отключение электронагревательного устройства.

Поставленная цель достигается тем, что электронагревательное устройство для приготовления горячей жидкости содержит систему из функционально связанных блока управления и двух датчиков температуры, причем датчики температуры изготовлены из позисторных материалов с различающимися характеристиками, один датчик заключен в теплоизолирующую оболочку и имеет тепловой контакт с жидкостью и корпусом устройства, другой имеет тепловой контакт с электронагревательным элементом и жидкостью, размещение датчиков в устройстве обеспечивает максимальную разность температур между ними.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства; на фиг. 2 - пример конкретного выполнения устройства.

Датчик температуры 1 заключен в теплоизолирующую оболочку, размещен на дне электронагревательного устройства и имеет тепловой контакт с нагреваемой жидкостью и корпусом устройства. Датчик 2 заключен в теплопроводящую оболочку, размещен на корпусе нагревательного элемента 3 в зоне, имеющей максимальную температуру, и контактирует с нагреваемой жидкостью. В качестве датчиков температуры использованы терморезисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления (позисторы) с различающимися характеристиками. Датчики 1 и 2 соединены последовательно. Выход датчиков соединен с входом блока управления 4, выход которого соединен с входом коммутатора 5. Коммутатор 5 соединен с нагревательным элементом 3 и осуществляет его селективное подключение к сети.

Величина суммарного сопротивления датчиков 1 и 2 определяет вид сигнала от блока управления для коммутатора 5 на подключение или отключение электронагревательного элемента от сети. Использование двух последовательно соединенных датчиков 1 и 2 увеличивает крутизну температурной зависимости сопротивления датчиков и, следовательно, повышает надежность срабатывания блока управления и всего устройства в целом.

Устройство работает следующим образом.

При включении в сеть электронагревательного устройства с жидкостью, температура которой ниже температуры закипания, суммарная величина сопротивления датчиков 1 и 2 находится ниже порогового значения и блок 4 управления вырабатывает сигнал для коммутатора 5 на включение электронагревательного элемента 3 в сеть. В электронагревательном устройстве происходит нагрев жидкости. Конвекционные потоки жидкости осуществляют тепловую связь между датчиками 1 и 2. Сопротивление датчиков возрастает. Наличие теплоизолирующей оболочки датчика 1 и размещение его на дне электронагревательного устройства приводит к появлению гистерезиса температуры датчика 1 относительно температуры жидкости и датчика 2. При закипании жидкости температура датчика 1 вследствие наличия теплового гистерезиса будет несколько меньше температуры кипения жидкости. Суммарное сопротивление датчиков 1 и 2 остается ниже порогового значения и блок управления 4 продолжает вырабатывать сигнал для коммутатора 5 на подключение электронагревательного элемента 3 к сети. При этом жидкость продолжает кипеть. Через некоторое время, определяемое конструкцией теплоизолирующей оболочки датчика 1 и материалом, из которого она изготовлена, температура датчика 1 увеличивается, суммарное сопротивление датчиков 1 и 2 становится выше порогового значения и блок 4 управления вырабатывает сигнал для коммутатора 5 на отключение электронагревательного элемента 3 от сети. Кроме того, конструкция блока 4 управления позволяет менять коэффициент передачи сигнала от датчиков 1 и 2 на вход блока 4 управления и таким образом изменять пороговое значение суммарного сопротивления датчиков 1 и 2, при котором вырабатывается сигнал на отключение электронагревательного элемента от сети, что позволяет варьировать время кипения жидкости. Таким образом, время кипения жидкости можно задавать материалом и конструкцией теплоизолирующей оболочки датчика 1 и конструкцией блока 4 управления.

При охлаждении жидкости до температуры, при которой суммарное значение сопротивления датчиков 1 и 2 становится меньше порогового значения, блок 4 управления вырабатывает сигнал для коммутатора 5 на включение электронагревательного элемента 3 в сеть. Происходит разогрев жидкости до температуры, несколько ниже температуры кипения жидкости. Повторного закипания жидкости не произойдет вследствие того, что произошел разогрев теплоизолирующей оболочки датчика 1 и суммарное сопротивление датчиков 1 и 2 достигнет порогового значения при температуре ниже температуры кипения жидкости. В дальнейшем осуществляется термостатирование жидкости при температуре, определяемой пороговым значением суммарного сопротивления датчиков 1 и 2 ниже температуры кипения жидкости.

При доливе холодной жидкости она опускается на дно электронагревательного устройства, в результате происходит резкое охлаждение датчика 1 вместе с теплоизолирующей оболочкой и возникает разность температур между датчиками 1 и 2. Суммарное сопротивление датчиков 1 и 2 становится меньше порогового значения и блок 4 управления вырабатывает сигнал на подключение электронагревательного элемента к сети. Возникновение теплового гистерезиса вследствие охлаждения теплоизолирующей оболочки датчика 1 при доливе холодной жидкости приводит к закипанию жидкости. В дальнейшем происходит разогрев теплоизолирующей оболочки датчика 1 и суммарное сопротивление датчиков 1 и 2 достигает порогового значения при температуре ниже температуры кипения жидкости. Таким образом, осуществляется термостатирование жидкости.

При включении электронагревательного устройства без жидкости блок 4 управления вырабатывает сигнал для коммутатора 5 на включение электронагревательного элемента 3 в сеть. Происходит быстрый разогрев электронагревательного элемента 3, датчика 2 и значительно меньший разогрев датчика 1. При определенной температуре, которая выбирается ниже, чем температура разрушения электронагревательного элемента, суммарная величина сопротивления датчиков 1 и 2 становится выше порогового значения, происходит отключение электронагревательного элемента 3 от сети.

Позисторные материалы для датчиков 1 и 2 подбираются таким образом, что материал для датчика 1 значительно увеличивает сопротивление в области температур, лежащих несколько ниже температуры кипения жидкости, а материал для датчика 2 значительно увеличивает свое сопротивление в области температур, лежащих несколько выше температуры кипения жидкости. Поэтому основной вклад в величину суммарного сопротивления датчиков 1 и 2 при температуре ниже кипения жидкости дает датчик 1. При включении электронагревательного устройства без жидкости и разогреве датчика 2 выше температуры кипения жидкости основной вклад в величину суммарного сопротивления датчиков дает датчик 2. Теплопроводящая оболочка датчика 2 позволяет уменьшить время включения нагревательного элемента 3 в сеть при отсутствии жидкости и тем самым увеличивает срок службы электронагревательного устройства. Использование двух функционально связанных датчиков, изготовленных из позисторных материалов с различающимися характеристиками позволяет в сравнении с прототипом упростить блок-схему устройства путем исключения дифференцирующего блока, селектора нагрева и звена задержки. Кроме того, система из двух функционально связанных датчиков, их конструктивное размещение и наличие теплоизолирующей оболочки датчика 1 позволяет значительно расширить функциональные возможности электронагревательного устройства. В отличии от прототипа предлагаемое устройство кипятит жидкость в течение заданного интервала времени, термостатирует жидкость при заданной температуре после ее закипания и осуществляет повторное кипячение жидкости после долива.

Таким образом, предлагаемое изобретение является новым и имеет изобретательский уровень. Промышленная применимость предлагаемого технического решения иллюстрируется примером конкретного выполнения.

П р и м е р. В электрической схеме датчики температуры 1 и 2 представляют собой позисторы R₁ и R₂. Датчик R₁ установлен на дне электронагревательного устройства и заключен в теплоизолирующую оболочку. Датчик R₂ установлен на электронагревательном элементе типа ТЭН и заключен в теплопроводящую оболочку. Блок 4 управления состоит из конденсатора С₁, резистора R₃ и симметричного динистора V₁. Коммутатор 5 представляет собой симистор V₂. Нагревательный элемент 3 обозначен на схеме как ТЭН.

Указанная схема работает следующим образом.

При подключении к сети выводов 7 и 8, когда в электронагревательном приборе имеется холодная вода, с помощью элементов С₁, R₃ и V₁ формируются запускающие импульсы. Их формирование осуществляется, когда напряжение на конденсаторе С₁ достигает порога переключения динистора V₁. Амплитуда сигналов, поступающих на вход динистора V₁, определяется постоянной времени цепи из элементов R₁, R₂ и С₁, а также коэффициентом передачи сигналов от датчиков R₁ и R₂, который задается делителем из элементов R₁, R₂ и R₃.

При подключении к сети выводов 7 и 8 сетевой сигнал через датчики R₁ и R₂ поступает на вход 9 динистора V₁. Суммарное сопротивление датчиков R₁ и R₂ ниже порогового значения и амплитуда сигнала на входе 9 динистора V₁ превышает его порог переключения, динистор V₁ открывается и на вход 10 коммутатора V₂ поступает сигнал на подключение нагревательного элемента ТЭН к сети. Происходит нагревание воды. Сопротивление датчиков R₁ и R₂ возрастает. Наличие теплоизолирующей оболочки датчика R₁ и размещение его на дне электронагревательного устройства приводит к появлению гистерезиса температуры датчика R₁ относительно температуры воды и датчика R₂. При закипании жидкости температура датчика R₁ вследствие наличия теплового гистерезиса будет несколько меньше температуры кипения жидкости. Суммарное сопротивление датчиков R₁ и R₂ ниже порогового значения и амплитуда сигнала на входе 9 динистора V₁ продолжает превышать его порог переключения, динистор V₁ остается открытым и на вход 10 коммутатора V₂ продолжает поступать сигнал на подключение электронагревательного элемента ТЭН к сети. Жидкость продолжает кипеть. Через некоторое время температура датчика R₁ увеличивается. Суммарное сопротивление датчиков R₁ и R₂ становится выше порогового значения и амплитуда сигнала на входе 9 динистора V₁ становится ниже порога переключения, динистор V₁ закрывается и на вход 10 коммутатора V₂ не поступает сигнал на подключение электронагревательного элемента ТЭН к сети. Пороговое значение суммарного сопротивления датчиков R₁ и R₂, при котором амплитуда сигнала на входе 9 динистора V₁ достигает порога его переключения, определяется коэффициентом передачи сигнала делителем, состоящим из датчиков R₁, R₂ и сопротивления R₃. Измеряя величину сопротивления R₃, можно менять пороговое значение суммарного сопротивления датчиков R₁ и R₂. Возможность варьирования порогового значения суммарного сопротивления датчиков R₁ и R₂ позволяет менять интервал времени между закипанием воды и моментом, когда суммарное сопротивление датчиков R₁ и R₂ в результате прогрева датчика R₁ с теплоизолирующей оболочкой достигнет установленного порогового значения. Такая возможность позволяет варьировать интервал времени кипения воды.

При охлаждении воды после ее закипания до температуры, при которой суммарное значение сопротивления датчиков R₁ и R₂ становится меньше установленного порогового значения, амплитуда сигнала на входе 9 динистора V₁ превысит порог его переключения. Динистор V₁ открывается и на вход 10 коммутатора V₂ поступает сигнал на подключение электронагревательного элемента ТЭН к сети. Повторного закипания воды не произойдет вследствие того, что в результате разогрева теплоизолирующей оболочки датчика R₁ суммарное сопротивление датчиков R₁ и R₂ достигнет порогового значения при температуре ниже температуры кипения воды. В дальнейшем осуществляется термостатирование воды при температуре, определяемой пороговым значением суммарного сопротивления датчиков R₁ и R₂, ниже температуры кипения воды.

При доливе холодной воды в электронагревательное устройство датчик R₁ с теплоизолирующей оболочкой охлаждается. Суммарное сопротивление датчиков R₁ и R₂ становится ниже порогового, и электронагревательный элемент ТЭН подключается к сети. Происходит нагрев воды. В дальнейшем схема работает аналогично вышеописанному.

При отсутствии воды в электронагревательном устройстве и подключении сети к выводам 7 и 8 суммарное значение сопротивления датчиков R₁ и R₂ находится ниже порогового значения, амплитуда сигнала на входе 9 динистора V₁ превышает его порог переключения, динистор V₁ открывается, на вход 10 коммутатора V₂ поступает сигнал на подключение электронагревательного элемента ТЭН к сети. Происходит быстрый нагрев ТЭНа и датчика R₂. Суммарное сопротивление датчиков R₁ и R₂ становится выше порогового значения, амплитуда сигнала на входе 9 динистора V₁ становится ниже порога его переключения, динистор V₁ закрывается, коммутатор V₂ отключает ТЭН от сети.

Формула изобретения

ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ГОРЯЧЕЙ ЖИДКОСТИ, содержащее корпус, электронагревательный элемент, первый датчик температуры в виде терморезистора, находящегося в тепловом контакте с электронагревательным элементом и жидкостью, и блок управления, связанный выходом с термовыключателем, отличающееся тем, что оно снабжено вторым датчиком температуры, заключенным в теплоизолирующую оболочку и находящимся в тепловом контакте с корпусом и жидкостью, оба датчика выполнены из позисторных материалов с различающимися характеристиками, а их выходы соединены с первым и вторым входами блока управления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2