Способ и устройство для подачи горячей воды
Настоящее изобретение относится к способу приготовления напитка посредством подачи горячей воды в дозатор горячих напитков при помощи контура передачи жидкости, содержащего нагревательный элемент. Нагревательный элемент имеет тепловое сопротивление и насос. Когда средство управления приводится в действие пользователем, жидкость нагревается посредством подачи заранее установленной средней электрической мощности на тепловое сопротивление, нагревание жидкости поддерживается, и как только измеренная температура превысит первый заданный температурный порог, жидкость циркулирует в нагревательном элементе при постоянном номинальном расходе 0,5-1,5 сл/сек, и средняя электрическая мощность теплового сопротивления является такой, что отношение указанной мощности, выраженной в ваттах, к номинальному расходу, выраженному в сантилитрах в секунду, составляет больше 2000. Изобретение позволяет экономить время при приготовлении напитка. 2 н. и 24 з.п. ф-лы, 6 ил.
Настоящее изобретение в основном относится к способу и устройству для подачи горячей питьевой воды.
Известны устройства, производящие небольшие количества очень горячей воды (в отличие от нагревателей воды, которые производят большие количества не очень горячей воды), то есть от одного до двух литров максимум, такие как дозаторы горячей воды, кофеварки или чайники.
Например, патент GB 2 394 215 A раскрывает устройство для приготовления напитка посредством подачи горячей воды, содержащее:
- контур передачи жидкости;
- электронное устройство управления, имеющее источник электропитания и средство управления устройства; причем
контур передачи жидкости содержит
- нагревательный элемент для жидкости, включающий в себя тепловое сопротивление и расположенный последовательно с насосом, обеспечивающим циркуляцию жидкости в контуре при заданном расходе, причем насос и нагревательный элемент снабжаются электроэнергией и управляются независимо друг от друга устройством управления.
Данное устройство в соответствии с известным уровнем техники содержит емкость для хранения жидкости, постоянно нагреваемой нагревательным элементом до температуры от 50 до 60°C. Как только пользователь задает количество горячей воды, нагревательный элемент включается для нагревания воды, уже предварительно нагретой устройством, до температуры, которая может достигать температуру кипения, и, затем, приводится в действие насос для подачи воды при температуре выше 60°C.
Такое устройство может быстро производить горячую воду, но оно имеет недостаток в том, что оно постоянно потребляет электроэнергию, необходимую для предварительного нагревания.
Основным недостатком электрочайников является то, что во время нагревания воды при помощи этого устройства пользователю кажется, что устройство не работает. Другим недостатком является то, что пользователь стремится нагреть больше воды, чем требуется, что вызывает потерю времени и энергии.
В случае дозаторов горячих напитков или кофеварок типа «эспрессо» количество воды или алюминиевая масса поддерживаются постоянно горячими. Это приводит к излишнему энергопотреблению.
Кроме того, время нагрева перед началом подачи горячей жидкости является относительно продолжительным и обычно составляет более 5 секунд, таким образом увеличивается время получения напитка.
Кофеварка указанного типа, которая исключает необходимость в предварительном нагревании большого количества воды, раскрыта в патенте US 6 000 317. Эта кофеварка содержит фильтр, содержащий кофе, размещенный на выпускном отверстии из контура передачи жидкости. Во время работы вода нагревается очень быстро (например, для достижения температуры фильтрации кофе от 92 до 96°C, но возможно выше 100°C в результате противодавления, создаваемого кофе) при высоком давлении и передается в фильтр с расходом, который зависит от насоса и уменьшается, когда потери давления из-за наличия кофе в фильтре увеличиваются. Таким образом, данная кофеварка не может обеспечивать горячую воду (температуру выше 70°C и, предпочтительно, ниже 90°C) с высоким постоянным расходом, например, более 0,5 сантилитров в секунду.
Возникающая проблема состоит в возможности обеспечения горячей воды с использованием способа и устройства, обеспечивающих почти быстрое получение количества горячей, но не кипящей воды (70°C минимум и, предпочтительно, ниже 90°C), по меньшей мере, достаточного для заполнения емкости, такой как чашка (от 12 до 40 сл), для того, чтобы приготовить напиток, такой как чай, без предварительного нагревания устройства и/или некоторого количества воды и без потребления очень большой мощности нагревания.
Выражение «предварительное нагревание» означает операцию предварительного нагревания перед тем, как пользователь начнет управлять устройством, и очень большую мощность следует рассматривать как превышающую 3,5 кВт, потребление более данной величины может вызвать проблемы в домашней электрической сети, обычно используемой для питания небольших бытовых электроприборов.
Выражение «довольно быстрое получение» означает, во-первых, начало получения необходимого расхода горячей жидкости в течение менее 5 секунд после того, как пользователь приведет в действие устройство контроля и, во-вторых, получение объема жидкости, равного, по меньшей мере, 12 сантилитрам при 70°C менее чем за 25 секунд.
Необходимо отметить, что в описании настоящего изобретения сокращение «сл» означает сантилитр, который равен 10-2 кубических дециметров (десять в минус второй степени кубических дециметров).
Для достижения этого в соответствии с настоящим изобретением способ для приготовления напитка посредством подачи горячей воды через контур передачи жидкости, содержащий нагревательный элемент, имеющий тепловое сопротивление, и насос, расположенный последовательно с нагревательным элементом и обеспечивающий циркуляцию воды в контуре, заключается в том, что после того как пользователь приведет в действие средство управления:
- жидкость нагревают посредством подачи заранее установленной средней электрической мощности на тепловое сопротивление и измеряют температуру (T) нагретой жидкости,
- жидкость поддерживают нагретой, и как только измеренная температура (T) станет выше первого заданного температурного порога (T1), жидкость для питья подают в указанный нагревательный элемент с заданным постоянным расходом (D), меньшим 2 сл/сек и, предпочтительно, между 0,5 сл/сек и 1,5 сл/сек, причем средняя электрическая мощность теплового сопротивления становится такой, что отношение (R) данной мощности, выраженной в ваттах, к постоянному номинальному расходу, выраженному в сантилитрах в секунду, составляет больше 2000.
Предпочтительно это отношение (R) между указанной заранее установленной средней электрической мощностью и заданным постоянным номинальным расходом равно постоянному заданному значению 2000-4000.
Следовательно с помощью данного способа можно решить возникающую проблему посредством быстрой подачи заданного количества горячей жидкости при температуре выше 70°C без необходимости в постоянном предварительном нагревании подаваемой жидкости.
Благодаря указанному отношению способ нагревания в соответствии с настоящим изобретением может быть осуществлен посредством подачи на устройство электропитания от сети, т.е. обычной сети общего пользования (например, 16 ампер в европейской сети с напряжением 220 В и американской сети с напряжением 110 В).
Таким образом, средняя электрическая мощность теплового сопротивления, используемая для осуществления способа и устройства в соответствии с настоящим изобретением, выбирается меньше 3500 Вт, причем эта величина измеряется, когда на сопротивление подается электроэнергия от упомянутой внутренней сети общего пользования.
В соответствии с настоящим изобретением насос и нагревательный элемент управляются независимо друг от друга электрическим устройством управления, оснащенным источником электропитания и средством управления, причем способ выполняется просто посредством подачи начальной команды пользователем в средство управления, и когда электронное устройство управления получает данную команду, оно реализует набор операций, включенных в способ.
Таким образом, нагревание жидкости не начинается до тех пор, пока пользователь не приведет в действие средство управления, и циркуляция нагретой жидкости с заданным фиксированным расходом не начнется до тех пор, пока температура жидкости не достигнет первого температурного порога.
Кроме того, можно было бы организовать порядок работы таким образом, что электропитание теплового сопротивления отключается, как только измеренная температура T1 превышает второй порог T2 при сохранении циркуляции жидкости, а циркуляция жидкости прекратится, когда подано необходимое количество жидкости пользователю. Это означает, что нагретая жидкость может подаваться непрерывно без ее нагревания до температуры испарения. Подаваемая жидкость наливается в емкость, предпочтительно в чашку.
Настоящее изобретение также относится к устройству для приготовления напитка посредством подачи горячей воды, содержащему нагревательное устройство, подобное описанному выше, и в котором насос и нагревательный элемент выполнены такими, что отношение (R) средней электрической мощности (P) теплового сопротивления, выраженной в ваттах, к номинальному расходу жидкости (D), который насос контура передачи жидкости способен выдавать/подавать, выраженному в сл/сек, выше 2000.
Кроме того, данное устройство решает возникающую проблему, так что способ в соответствии с настоящим изобретением может быть использован.
Оно также может содержать конкретный нагревательный элемент, обеспечивающий быстрое нагревание некоторого объема жидкости благодаря трафаретной печати теплового сопротивления, выполненной непосредственно на наружной поверхности дополнительного элемента. Тепловая мощность, выделяемая сопротивлением с трафаретной печатью, передается непосредственно через дополнительный элемент в жидкость, находящуюся в нагревательном элементе между корпусом и дополнительным элементом.
Преимущественно устройство может быть выполнено таким образом, что после отключения подачи мощности на тепловое сопротивление при сохранении циркуляции жидкости устройство управления включает тепловое сопротивление снова, как только измеренная температура становится ниже третьего температурного порога, который ниже второго порога и выше первого порога, и цикл, при котором подачу мощности на тепловое сопротивление отключают и включают, начинается снова до тех пор, пока пользователь не получит необходимое количество жидкости в зависимости от данного случая.
Данная отличительная особенность означает, что горячая вода может подаваться непрерывно при заданном расходе, другими словами, при постоянном фиксированном расходе до тех пор, пока необходимое количество жидкости не будет получено. Данный расход, предпочтительно, составляет менее 2 сл/сек и, предпочтительно, составляет от 0,5 сл/сек до 1,5 сл/сек.
Кроме того, чтобы пользователь не удивлялся, что жидкость не подается после его команды (см. выше время нагревания меньше 5 секунд), прежде чем температура T жидкости достигнет первого температурного порога T1, жидкость для приготовления его напитка циркулирует в нагревательном устройстве при минимальном расходе
(Dmin), который ниже номинального расхода D.
Конкретное исполнение насоса и сопротивления в соответствии с настоящим изобретением является таким, что когда они включены, мощность нагревания всегда является достаточной для нагревания жидкости, циркулирующей при постоянном расходе, до температуры выше первого температурного порога. Следовательно, не нужно уменьшать расход для предотвращения выхода жидкости (воды) при температуре ниже первого температурного порога.
Это обеспечивает непрерывный расход, так что всегда имеется горячая вода с температурой второго температурного порога.
Таким образом, после нагревания части жидкости выше первого температурного порога нет сомнения в том, что пока в контур передачи подается жидкость при заданном расходе и пока включена подача мощности на сопротивление, жидкость, выходящая из устройства, нагревается, по меньшей мере, до второго температурного порога (обычно выше 70°C).
Благодаря данной отличительной особенности устройство в соответствии с настоящим изобретением может использоваться для быстрого распределения нагретой жидкости, причем данное распределение прерывается только после команды пользователя при помощи средства управления или посредством программирования необходимого количества.
Поскольку отношение мощности нагревания к фиксированному расходу может достигать 2000, то в результате не нужно соответствующим образом регулировать сопротивление.
Таким образом, регуляция теплового сопротивления осуществляется устройством управления в цифровой форме, что более экономично по сравнению с пропорциональным регулированием.
Преимущественно устройство содержит датчик температуры, соединенный с устройством управления и установленный для измерения температуры на участке контура, расположенном между нагревательным элементом и свободным концом контура. Необходимо отметить, что «расположенный между нагревательным элементом и свободным концом контура» означает, что датчик может быть расположен на нагревательном элементе, а также на выходной стороне нагревательного элемента, между этим элементом и свободным концом контура.
Этим датчиком температуры, предпочтительно, является терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом (NTC), но также им мог бы быть терморезистор с положительным температурным коэффициентом (PTC).
Другие отличительные особенности и преимущества настоящего изобретения станут понятными после изучения нижеследующего описания, которое не является ограничивающим, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - перспективный вид спереди нагревательного устройства для жидкости в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;
фиг.2 - перспективный вид сзади устройства на фиг.1;
фиг.3 - перспективный вид с пространственным разделением деталей нагревательного элемента устройства в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.4 - вид в разрезе примера запорного клапана устройства в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.5 - схематическое изображение цепи управления устройства в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.6 - вид цикла нагревания, соответствующего способу и устройству, являющимся объектами настоящего изобретения.
Как указано выше, настоящее изобретение относится к устройству для подачи горячей жидкости, причем этой жидкостью обычно является вода, предварительно нагретая до температуры окружающего воздуха приблизительно 20-25°C (условия, для которых устройство особенно пригодно).
Устройство 1 подачи горячей жидкости, изображенное на фиг.1 и 2, содержит контур 2 передачи жидкости и электронное устройство управления для приема команд пользователя, рабочих данных устройства и для управления устройством. Таким образом, устройство управления осуществляет способ в соответствии с настоящим изобретением.
При условии, что устройство в соответствии с настоящим изобретением используется для приготовления напитков посредством подачи горячей воды, части контура 2 передачи жидкости, которые контактируют с нагретой жидкостью, другими словами, с горячей водой, выполнены из качественного материала (качественных материалов), пригодного для пищевых продуктов, такого как нержавеющая сталь или пластмасса (например, полиамид со стеклянным наполнителем). Вода, нагретая и циркулирующая в соответствии со способом, описанным в настоящем изобретении, проходит в емкость, такую как чашка, и пользователь может ее пить.
Контур 2 передачи жидкости содержит подающий конец 3, соединенный с емкостью 15 для жидкости через запорный клапан (описанный на фиг.4), и другой свободный конец 4 для подачи нагретой жидкости пользователю.
Благодаря наличию емкости устройство в соответствии с настоящим изобретением может работать без необходимости соединения с водопроводной сетью.
Чашка изображена под свободным концом 4 контура 2 передачи жидкости для приема нагретой и подаваемой жидкости.
Контур также содержит нагревательный элемент 8 для жидкости, установленный последовательно с насосом 14 на выпускной стороне данного насоса.
Насос 14 приспособлен для циркуляции жидкости в контуре 2 передачи жидкости при заданном фиксированном расходе D, другими словами, при постоянном расходе. Местоположение насоса между емкостью 15 и нагревательным элементом 8 может быть использовано для подачи в насос воды при невысокой температуре, что продлевает его срок службы. Кроме того, благодаря такому местоположению жидкость, находящаяся в нагревательном элементе, всегда находится под незначительным давлением, поскольку он находится на выпускной стороне насоса. Это незначительно повышенное давление означает, что температура нагрева, близкая к точке кипения, может быть получена в течение короткого периода времени без риска значительного парообразования в контуре.
Устройство управления снабжается электроэнергией при помощи кабеля электропитания, который не показан, и соединено с сетью переменного тока. Как показано на фиг.5, это устройство содержит электронную схему, соединенную с датчиком C температуры, расположенным на нагревательном элементе рядом с выпускным отверстием для нагретой жидкости (другими словами, на выпускной стороне теплового сопротивления 12 нагревательного элемента 8).
Нагревательный элемент 8, изображенный на фиг.3, содержит основной корпус 9, соединенный с дополнительным элементом 10, закрывающим наружную поверхность основного корпуса 9 для образования пространства для циркуляции жидкости, причем указанный дополнительный элемент 10 содержит тепловое сопротивление 12 с трафаретной печатью на его наружной поверхности, противоположной наружной поверхности, обращенной к основному корпусу 9.
Тепловая инерция основного корпуса 9 меньше тепловой инерции алюминия, и дополнительный элемент содержит тепловое сопротивление с трафаретной печатью на его наружной поверхности 13, противоположной наружной поверхности, обращенной к основному корпусу.
Тепловой инерцией (Ith) является способность корпуса сохранять больше или меньше тепла, которая может быть выражена как произведение значения его плотности (ρ) на значение его удельного тепла (cp).
Ith = ρ x cp
В соответствии с настоящим изобретением основной корпус представляет собой нечто вроде «тепловой изоляции» и отличается тем, что во время фазы нагрева он поглощает меньше калорий, чем циркулирующая жидкость, благодаря своей низкой тепловой инерции.
Для достижения этого основной корпус 9 выполнен из пластмассы.
Преимущественно дополнительный элемент имеет высокий коэффициент теплопроводности в поперечном направлении, например больше 40. Коэффициент теплопроводности (Cth) в поперечном направлении означает отношение значения коэффициента (λ) теплопроводности материала в дополнительном нагревательном элементе к значению его толщины (e), выраженному в миллиметрах.
Cth = λ / e
Другими словами, дополнительный элемент очень быстро передает тепло от теплового сопротивления к жидкости в результате теплопроводности, так как или толщина дополнительного элемента маленькая (порядка 3 мм для материала, такого как алюминий с высоким коэффициентом удельной проводимости), или толщина очень маленькая (порядка 1 мм) для материала с низким коэффициентом удельной проводимости, такого как нержавеющая сталь.
Кстати, тот факт, что тепловое сопротивление является типом с трафаретной печатью в сочетании с оптимальным коэффициентом теплопроводности в поперечном направлении, означает, что дополнительный нагревательный элемент также имеет низкую тепловую инерцию, уменьшающую потери энергии. Данный тип нагревательного элемента 8 с тепловым сопротивлением 12 с трафаретной печатью позволяет достигать равномерного нагревания на большой площади, находящейся в контакте с жидкостью, что повышает его общую эффективность удельной теплопроводности.
Другими словами, нагревательный элемент 8 содержит основной корпус 9, который является относительно теплоизолирующим и который закрыт дополнительным элементом 10, быстро нагреваемым. Следовательно, этот дополнительный элемент 10 передает тепло в жидкость, циркулирующую в пространстве, которое отделяет его от основного корпуса 9. Благодаря высокому коэффициенту теплопередачи, обусловленной теплопроводностью дополнительного элемента, большая часть энергии, рассеиваемая от сопротивления с трафаретной печатью, передается в циркулирующую жидкость, а не накапливается в дополнительном нагревательном элементе 10. Аналогичным образом основной нагревательный корпус 9 имеет низкую тепловую инерцию, так что он сохраняет небольшое количество энергии от дополнительного нагревательного элемента 10.
Отсюда следует, что жидкость очень быстро и почти полностью получает тепловую энергию от сопротивления 12 с трафаретной печатью, так что жидкость нагревается почти мгновенно. Аналогичным образом основной корпус особенно не участвует в нагревании жидкости, так что когда устройство не работает, не нужно подавать какую-либо энергию для того, чтобы он оставался при достаточно высокой температуре.
Другими словами, потребление тепла нагревательным устройством вне собственно фаз нагревания равно нулю. Следовательно, фаза нагревания нагревательного элемента 8 протекает очень быстро, когда сначала используется устройство, поскольку корпус нагревательного элемента не обязательно должен получить большое количество энергии для достижения рабочей температуры. Следовательно, не нужна фаза нагревания перед тем, как пользователь приведет в действие средство 7 управления, которое состоит из кнопки «включено/выключено».
Фактически нагревательный элемент 8 может иметь различные формы. Таким образом, в первом варианте осуществления, изображенном на фиг.3, центральный корпус является цилиндрическим, и дополнительный нагревательный элемент, образующий кольцеобразный рукав, насаживается на его наружную поверхность 11.
В другом варианте осуществления центральный корпус может быть плоским и вмещать нагревательный элемент, который также является плоским.
Как показано на фиг.3, устройство может быть выполнено более эффективным, если основной корпус 9 предусмотрен с канавкой, так что она может образовывать канал для циркуляции жидкости в дополнительном элементе 10, таким образом, увеличивая траекторию, по которой проходит жидкость в нагревательном устройстве, и, следовательно, ее способность принимать тепловую энергию.
По той же самой причине сопротивление 12 с трафаретной печатью, преимущественно, может быть расположено вертикально на одной линии с каналом для циркуляции жидкости.
Фактически канавка 21 является спиралеобразной, как показано на фиг.3, когда нагревательный элемент имеет обычную цилиндрическую форму, в то время как канавка может быть в виде спирали, когда центральный корпус нагревательного элемента является плоским. Спиралеобразная канавка 21 образуется посредством намотки спирали 24 вдоль наружной поверхности 11 корпуса 9.
Таким же образом основной корпус 9 нагревательного элемента, предпочтительно, является полым с целью ограничения его массы и, следовательно, его тепловой инерции.
Датчик C температуры установлен на дополнительном элементе.
Поскольку дополнительный элемент 10 имеет высокую удельную проводимость в поперечном направлении, а основной корпус 9 и дополнительный элемент 10 имеют низкую тепловую инерцию, то электрическое и/или электронное управление является особенно динамическим и мгновенным, так что жидкость подается при довольно стабильной температуре с минимальным потреблением энергии.
Фиг.3 изображает вариант осуществления нагревательного элемента 8, в соответствии с которым этот нагревательный элемент является цилиндрическим.
В этом случае нагревательный элемент 8 содержит центральный основной корпус 9, соединенный с дополнительным нагревательным элементом 10 в виде цилиндрического рукава. Пространство, образованное между наружной поверхностью 11 центрального основного корпуса 9 и внутренней поверхностью рукава 10, является полым цилиндрическим пространством, через которое циркулирует жидкость.
В изображенном варианте осуществления наружная поверхность основного корпуса 9 содержит спиралеобразную канавку 4, которая взаимодействует с рукавом для образования канала для жидкости вокруг основного корпуса. Однако в других вариантах осуществления, которые не показаны, наружная поверхность основного корпуса 9 может быть полностью цилиндрической, взаимодействующей с рукавом для образования пространства для циркуляции с постоянной толщиной, проходящего вдоль цилиндра. Возможны другие варианты, не выходящие за рамки настоящего изобретения. Фактически центральный основной корпус 9 соединяется с подачей холодной воды, другими словами, с выпускным отверстием насоса для воды. Это впускное отверстие соединяется с наружной поверхностью (поверхностью 11 основного корпуса) через практически радиальный канал 19, который открывается на наружной поверхности 11.
Центральный основной корпус 9, предпочтительно, выполнен из пластмассы или, как правило, из материала с низкой тепловой инерцией Ith, в любом случае меньшей инерции алюминия в 2,3 раза, так что накапливается только небольшое количество тепловой энергии. Некоторые материалы, которые могли бы быть пригодными для изготовления основного корпуса 9 в соответствии с настоящим изобретением, включают полиамид (Ith = 1,9), полиацеталь (Ith = 2), полипропилен (Ith = 1,6), полисульфон (Ith = 1,4) или поликарбонат (Ith = 1,5) и полифенин сульфон PPS.
В варианте осуществления, изображенном на фиг.3, можно видеть, что центральный основной корпус 9 содержит центральную выемку 20, которая будет даже дополнительно уменьшать его вес и, следовательно, его тепловую инерцию.
В этом примере глубина канавки 21 составляет порядка 3 миллиметров, а ее ширина приблизительно 8 миллиметров. Эта канавка 21 имеет спиралеобразную форму с шагом приблизительно 9 миллиметров. Другими словами, глубина меньше ширины, так что жидкость «распространяется» в контакте с дополнительным нагревательным элементом 10, таким образом, облегчая передачу тепла.
Предпочтительно рукав или дополнительный элемент 10 выполнен таким образом, чтобы иметь высокий коэффициент теплопроводности в поперечном направлении и низкую тепловую инерцию.
Толщина рукава 10 минимизирована как функция основного материала для уменьшения этой тепловой инерции и для увеличения явлений теплопроводности. Материалы, которые дают хорошие результаты с точки зрения тепловых свойств, включают медь, нержавеющую сталь, алюминий и стекло. Следует обратить внимание на то, что рукав 10 обеспечивает размещение электрического нагревательного сопротивления 12 с трафаретной печатью.
Способ выполнения каналов для нагревания включает нанесения одного или нескольких слоев изоляционного материала с трафаретной печатью, затем слоя проводящей пасты вдоль конкретного канала для образования контактных площадок и в конце одного или нескольких слоев изоляционного материала. Допустимая мощность может быть порядка 2000-3000Вт.
Следовательно, электрическое сопротивление 12 образует ленту, которая в изображенном варианте осуществления расположена в форме поперечных кругов со смещением вдоль одной и той же продольной линии; вся внутренняя поверхность рукава образует нагревательную пластину, в контакте с которой по канавкам проходит жидкость. Если необходимо, сопротивление с трафаретной печатью может быть спиралеобразным и может быть установлено вертикально на одной линии с каналами, образованными канавками 21 основного корпуса 9 нагревательного элемента. В этом случае повышаются эффективность и скорость нагревания.
Таким образом, для рукава из нержавеющей стали/дополнительного элемента 10 с наружным диаметром порядка 45 мм толщина рукава 10 может преимущественно составлять 0,5-1,5 мм, предпочтительно, 0,8-1 мм. Ее коэффициент теплопроводности Cth в поперечном направлении составляет порядка 60. Преимущество нержавеющей стали состоит в ее коррозионностойкости и жаропрочности, что облегчает изготовление нагревательных элементов.
Можно было бы рассмотреть использование алюминиевого рукава/дополнительного элемента 10, но с нагревательными элементами на полиамидной основе и пастами с более низкой температурой отверждения. Например, коэффициент теплопроводности Cth алюминиевого рукава с толщиной приблизительно 3 мм для изготовления нагревательных элементов с трафаретной печатью составляет порядка 70.
Фактически циркуляция воды в канале вдоль наружной поверхности 11 основного корпуса 9 управляется насосом, но эта циркуляция также могла бы выполняться без насоса самотеком, однако насос имеет преимущество в обеспечении постоянного расхода.
Датчик C температуры, такой как сопротивление с отрицательным температурным коэффициентом, добавлен в контакте с дополнительным нагревательным элементом и соединен с электронным устройством 5 на фиг.5.
При начальном включении и когда нагревательное устройство холодное, посредством регулировки обеспечивается быстрое нагревание, длящееся в течение 2-3 секунд перед началом циркуляции воды. Это предварительное нагревание является особенно быстрым и почти незаметным для пользователя и является результатом низкой общей тепловой инерции устройства и его эффективности теплообмена, по существу, с водой, содержащейся в контуре.
Фактически измерения, выполненные для этого типа нагревательного устройства (оснащенного электрическим тепловым сопротивлением с мощностью 2600 В), могут быть использованы для нагревания 21 сантилитров воды до температуры 70-80°C только за 25 секунд. Фаза предварительного нагрева является только вспомогательной и особенно короткой, поскольку расход жидкости начинается не позже, чем примерно через три секунды после включения нагревательного устройства.
Из указанного понятно, что нагревательный элемент 8 устройства в соответствии с настоящим изобретением имеет много преимуществ и, особенно, то, что он имеет очень низкую тепловую инерцию. Следовательно, отсюда следует, что вода, циркулирующая в устройстве, нагревается почти сразу, как только включается тепловое сопротивление 12.
При выключении сопротивления 12 нагревательный элемент быстро охлаждается благодаря своей низкой тепловой инерции, таким образом, предотвращая нагревание близлежащей окружающей среды и, кроме того, облегчая регулировку температуры на выходе.
Наличие сопротивления с трафаретной печатью также способствует распределению тепла на большей площади поверхности по сравнению с существующими решениями для оптимизации теплопередачи.
Фиг.4 изображает пример запорного клапана 16, установленного в нижней части емкости. Этот клапан 16 установлен с возможностью скольжения в нижней части емкости таким образом, что в одном положении он закрывает отверстие 17 для прохождения жидкости, в другом положении он открывает то же самое отверстие.
Соединение между емкостью и подающим концом контура выполнено посредством вставки охватываемой трубки в охватывающую трубку.
Клапан содержит коническую уплотнительную часть и стержень 22, который удерживается в контакте с дополнительной частью подающего конца, когда емкость собрана с подающим концом.
Когда емкость 15 собрана с подающим концом 3, стержень 22 клапана останавливается в контакте с подающим концом 3 контура, таким образом, заставляя клапан проходить от своего закрытого положения в свое открытое положение. Напротив, когда емкость отсоединена от подающего конца 3, клапан возвращается в свое закрытое положение под действием силы тяжести и/или под давлением пружины, действующей на клапан, или под давлением жидкости в емкости.
Таким образом, запорный клапан 16 автоматически открывает отверстие 17 для прохождения жидкости из емкости 15 в насос 14, когда емкость 15 соединена с подающим концом 3, и автоматически закрывает это отверстие 17, когда емкость 15 отсоединена от подающего конца 3.
Фильтр 18 может быть установлен на входе подающего конца для предохранения от загрязнения частицами, проходящими в контур 2 передачи жидкости.
Фиг.5 изображает монтажную схему устройства в соответствии с настоящим изобретением.
Электронное устройство 5 управления и/или электрическое устройство управления содержит средство 7 управления, которое является пусковой кнопкой, с возможностью соединения со средством предварительного выбора объема жидкости, который будет подаваться.
Если устройство в соответствии с настоящим изобретением содержит средство для предварительного выбора объема жидкости, который будет подаваться, то этим средством, предпочтительно, является регулируемое вручную реле времени, управляемое устройством 5 управления. Поскольку расход, выдаваемый насосом устройства, является фиксированным (постоянным), тогда фактически распределяемый объем жидкости зависит непосредственно от времени работы насоса с фиксированным расходом.
Например, если реле времени установлено на 7 секунд, то насос будет работать в течение 7 секунд, так что он будет выдавать приблизительно 7 сантилитров горячей воды при постоянном расходе.
Устройство управления также соединено с датчиком C температуры и двумя выключателями, причем один выключатель включает электропитание теплового сопротивления 12, а другой включает электропитание насоса 14.
Таким образом, насос 14 и нагревательный элемент 8 снабжаются электроэнергией и управляются независимо друг от друга с помощью устройства 5 управления.
Генератор G (изображающий символически электропитание сети) подает электроэнергию на тепловое сопротивление 12 и насос 14, с которыми он соединен.
Способ управления устройством включает единственную начальную команду, подаваемую пользователем с помощью средства 7 управления устройством. После принятия данной команды электронное устройство управления управляет всеми операциями, включенными в способ.
Работа этой схемы и управление нагреванием и расходом через электронное устройство управления изображены на фиг.6.
Фиг.6 изображает цикл нагревания, выполняемый в соответствии со способом, раскрытым в настоящем изобретении, при помощи устройства в соответствии с настоящим изобретением. По оси абсцисс нанесено время в секундах.
Левая ось ординат градуирована от 0 до 120°C и соответствует кривой зависимости температуры в градусах Цельсия в соответствии с отрицательным температурным коэффициентом от времени. Эта кривая фактически является кривой, показывающей температуру жидкости, которая проходит через нагревательный элемент 8, как функцию времени.
Кривая D соответствует мгновенному расходу жидкости, производимому насосом, как функции времени. Численное значение, соответствующее кривой D, показано на правой оси ординат, градуированной от 0 до 1,2 сантилитров в секунду. В данной примерной операции фиксированный расход насоса во время работы установлен для 1 сантилитра в секунду.
Третьей кривой P является кривая подачи электрической мощности на тепловое сопротивление 12 как функция времени. Для этой кривой не дана единица электрической мощности. Однако точки на этой кривой, соответствующие 0 на левой оси ординат, указывают на то, что на сопротивление не подана мощность. Напротив, точки на этой кривой, соответствующие 78 на левой оси ординат, указывают на то, что на сопротивление подана мощность, приблизительно, 2600 Вт от источника электропитания.
Различные измерения начинаются в момент времени 0 секунд. В первой фазе от 0 до 4 секунд измеренная температура жидкости составляет 25°C, что является температурой окружающего воздуха нагреваемой жидкости.
В момент времени, равный 4 секундам, пользователь включает средство 7 управления для управления запуском устройства (данный момент изображен символически надписью «включено») и устанавливает время отключения «Tpmin», равное 21 секунде, соответствующее 21 сантилитрам нагретой жидкости.
В этот момент времени, равный 4 секундам, на тепловое сопротивление 12 подается мощность 2600Вт, и температура жидкости, заданная кривой «отрицательного коэффициента температуры (T)», быстро поднимается выше 25°C.
От 4 до 7 секунд, другими словами, в течение 3 секунд, температура жидкости поднялась от 25 до 55°C.
Поскольку первый температурный порог установлен для 55°C, то электронное устройство управления, которое принимает контрольные данные о температуре, приводит в действие насос при его номинальном расходе 1 сантилитр в секунду в течение времени до момента отключения «Tpmin», выбранном пользователем. Затем жидкость циркулирует в контуре передачи жидкости в течение 21 секунды, другими словами, от 7 до 28 секунд. Необходимо отметить, что в способе управления в соответствии с настоящим изобретением время «Tpmin» используется для определения времени начала работы насоса, начиная от момента, когда пройден первый порог T1.
Несмотря на введение в действие насоса, температура жидкости продолжает расти и достигает второго порога T2, установленного для 95°C в момент времени, равный 10 секундам.
Данное повышение температуры во время работы насоса связано с тем, что отношение R мощности нагревания, выраженной в ваттах, к заданному фиксированному расходу жидкости, обеспечиваемому насосом, больше 2000.
Как только второй порог T2, который установлен для 95°C, будет зарегистрирован, электронное устройство 5 управления отключит подачу электроэнергии на тепловое сопротивление 12.
От момента времени, равного 10 секундам, при котором происходит это отключение до момента времени, равного 11 секундам, температура продолжает расти до тех пор, пока не достигнет пика 105°C в момент времени, равный 11 секундам.
После момента времени, равного 11 секундам, температура жидкости падает, приблизительно, до температуры 89°C, которая является третьим порогом T3 в момент времени, равный 13 секундам. Этот порог T3, предпочтительно, рассчитывается посредством вычитания величины «дельты» температуры из величины второго порога T2. Таким образом, третий порог T3 всегда немного ниже второго порога T2, и в изображенном примере эта «дельта» температуры составляет 1°C. Такая «дельта» может составлять от 1 до 10°C. «Дельта» температуры выбирается как можно меньшей, поскольку колебания температуры на выходе из нагревательного устройства будет ниже, когда эта «дельта» является незначительным. В идеале температура воды на выходе из устройства должна стремиться к постоянной величине.
Начиная от T3, устройство управления затем повторно подает электроэнергию на электрическое сопротивление 12, как можно видеть на кривой P мощности нагревания, которая изменяется от 0 до 2600Вт в момент времени, равный 13 секундам.
Температура жидкости продолжает падать благодаря тепловой инерции и затем быстро поднимается после падения до минимальной температуры 62°C до температуры близкой к 90°C.
Цикл нагревания с использованием способа в соответствии с настоящим изобретением затем прерывается в 28 секунд, когда устройство управления одновременно отключит подачу мощности на тепловое сопротивление и насос.
Как вариант, цикл нагревания мог бы быть увеличен без отключения насоса только посредством продолжения измерения изменения температуры жидкости и подачи мощности на сопротивление, когда температура упадет ниже T3, и отключения подачи мощности, когда температура поднимется выше T2.
Одним из возможных вариантов способа управления устройством мог бы включать принудительную циркуляцию жидкости в указанном нагревательном устройстве 1 при минимальном расходе Dmin, меньшем номинального расхода D, до того, как температура T жидкости достигнет первого температурного порога T1.
Благодаря этой отличительной особенности, небольшое количество жидкости, которое еще недостаточно нагрелось (меньше T1), может циркулировать, как только пользователь включит устройство управления, таким образом, создавая впечатление у пользователя, что устройство приводится в действие немедленно. В любом случае температура жидкости превысит порог T1 через 3 секунды, после того, как пользователь введет свою команду.
Выбор может быть сделан в зависимости от параметров в соответствии с настоящим изобретением:
- первый температурный порог T1 от 50 до 70°C и, предпочтительно, 55°C;
- второй температурный порог T2 от 80 до 100°C и, предпочтительно, 90°C;
- третий температурный порог T3 ниже T2 на значение «дельты» температуры от 1 до 10°C и, предпочтительно, 1°C.
1. Способ приготовления напитка посредством подачи горячей воды через контур (2) передачи жидкости, включающий:
нагревательный элемент (8), имеющий тепловое сопротивление (12);
насос (14), расположенный последовательно с нагревательным элементом (8) и обеспечивающий циркуляцию жидкости в контуре (2);
причем согласно способу после того как пользователь приведет в действие средство (7) управления;
жидкость нагревают посредством подачи заранее установленной средней электрической мощности на тепловое сопротивление и измеряют температуру (Т) нагреваемой жидкости;
жидкость поддерживают нагретой;
и как только измеренная температура (Т) превышает первый заданный температурный порог (Т1) жидкость для напитка подают в указанном нагревательном элементе (8) при заданном постоянном минимальном расходе (D), отличающийся тем, что указанный заданный постоянный минимальный расход (D) составляет меньше 2 сл/с, причем средняя электрическая мощность теплового сопротивления (12) является такой, что отношение (R) этой мощности, выраженной в ваттах, к постоянному номинальному расходу, выраженному в сантилитрах в секунду, составляет больше 2000.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанный заданный постоянный номинальный расход (D) составляет 0,5-1,5 сл/с.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что отношение (R) указанной заранее установленной средней электрической мощности к заданному постоянному номинальному расходу равно постоянному заданному значению 2000-4000.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что подачу мощности на тепловое сопротивление отключают как только измеренная температура (Т) становится выше второго порога (Т2) при сохранении циркуляции жидкости, и циркуляцию жидкости прекращают, когда необходимое количество жидкости подано пользователю.
5. Способ по п.4, отличающийся тем, что после отключения подачи мощности на тепловое сопротивление (12) при сохранении циркуляции жидкости тепловое сопротивление (12) включают снова как только измеренная температура (Т) становится ниже третьего температурного порога (Т3), который ниже второго порога (Т2) и выше первого порога (Т1), и цикл, при котором подачу мощности на тепловое сопротивление отключают и включают, начинают еще раз до тех пор, пока пользователь не получит необходимого количества жидкости в зависимости от данного случая.
6. Способ по п.4, отличающийся тем, что второй температурный порог (Т2) составляет 80-100°С и предпочтительно 90°С.
7. Способ по п.4, отличающийся тем, что после отключения подачи мощности на тепловое сопротивление (12) при сохранении циркуляции жидкости тепловое сопротивление (12) включают снова как только измеренная температура (Т) становится ниже третьего температурного порога (Т3), который ниже второго порога (Т2), составляющего 80-100°С, предпочтительно 90°С, на «дельту» величины температуры 1-10°С, предпочтительно 1°С, и выше первого порога (Т1), и цикл, при котором подачу мощности на тепловое сопротивление отключают и включают, начинают еще раз до тех пор, пока пользователь не получит необходимого количества жидкости в зависимости от данного случая, при этом до того как температура (Т) жидкости достигнет первого температурного порога (Т1) жидкость для напитка циркулирует в указанном нагревательном устройстве (1) при низком минимальном расходе (Dmin), меньшем номинального расхода D.
8. Способ по п.1, отличающийся тем, что до того как температура (Т) жидкости достигнет первого температурного порога (Т1) жидкость для напитка циркулирует в указанном нагревательном устройстве (1) при низком минимальном расходе (Dmin), меньшем номинального расхода D.
9. Способ по п.1, отличающийся тем, что первый температурный порог (Т1) составляет 50-70°С и предпочтительно 55°С.
10. Способ по п.1, отличающийся тем, что после отключения подачи мощности на тепловое сопротивление (12) при сохранении циркуляции жидкости тепловое сопротивление (12) включают снова, как только измеренная температура (Т) становится ниже третьего температурного порога (Т3), который ниже второго порога (Т2) на «дельту» величины температуры 1-10°С, предпочтительно 1°С, и выше первого порога (Т1), составляющего 50-70°С, предпочтительно 55°С, и цикл, при котором подачу мощности на тепловое сопротивление отключают и включают, начинают еще раз до тех пор, пока пользователь не получит необходимого количества жидкости в зависимости от данного случая, при этом до того как температура (Т) жидкости достигнет первого температурного порога (Т1) жидкость для напитка циркулирует в указанном нагревательном устройстве (1) при низком минимальном расходе (Dmin), меньшем номинального расхода D.
11. Способ по п.1, отличающийся тем, что насосом (14) и нагревательным элементом (8) управляют независимо друг от друга электронным устройством (5) управления, имеющим источник электропитания и средство (7) управления, причем способ запускают посредством подачи одной начальной команды пользователем в средство (7) управления, и когда эта команда получена, электронное устройство управления реализует все операции, включенные в данный способ.
12. Способ по п.1, отличающийся тем, что средняя электрическая мощность теплового сопротивления (12) составляет меньше 3500 Вт.
13. Устройство (1) для приготовления напитка посредством подачи горячей воды, содержащее:
контур (2) передачи жидкости;
электронное устройство (5) управления, имеющее источник электропитания и средство (7) управления для устройства; причем контур (2) передачи жидкости, содержит:
нагревательный элемент (8) для жидкости, включающий в себя тепловое сопротивление (12) и расположенный последовательно с насосом (14), обеспечивающим циркуляцию жидкости в контуре (2) при заданном расходе (D), причем насос (14) и нагревательный элемент (8) выполнены с возможностью снабжения энергией и управления независимо друг от друга устройством (5) управления;
отличающееся тем, что насос и нагревательный элемент выполнены такими, что отношение (R) средней электрической мощности (Р) теплового сопротивления (12), выраженной в ваттах, к номинальному расходу (D) жидкости, который может выдаваться насосом (14) контура (2) передачи жидкости и выражен в сантилитрах в секунду, составляет больше 2000.
14. Устройство (1) по п.13, отличающееся тем, что нагревательный элемент (8) и насос имеют такие размеры, что отношение (R) составляет 2000-4000.
15. Устройство (1) по п.13 или 14, отличающееся тем, что нагревательный элемент содержит основной корпус (9), соединенный с дополнительным элементом (10), закрывающим наружную поверхность основного корпуса (9), для образования пространства для циркуляции жидкости, причем указанный дополнительный элемент (10) на своей наружной поверхности (13), противоположной наружной поверхности, обращенной к основному корпусу (9), содержит тепловое сопротивление (12), нанесенное трафаретной печатью.
16. Устройство (1) по п.15, отличающееся тем, что дополнительный элемент (10) выполнен из металла с коэффициентом (Cth) теплопроводности в поперечном направлении, составляющим более 40.
17. Устройство (1) по п.13, отличающееся тем, что тепловое сопротивление (12) управляется устройством (5) управления в цифровой форме.
18. Устройство (1) по п.13, отличающееся тем, что оно содержит датчик (С) температуры, соединенный с устройством (5) управления и установленный для измерения температуры (Т) на участке контура, расположенном между нагревательным элементом (8) и свободным концом контура (2) передачи жидкости.
19. Устройство (1) по п.17, отличающееся тем, что датчиком (С) температуры является терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом (NTC).
20. Устройство (1) по п.13, отличающееся тем, что контур (2) передачи жидкости содержит емкость (15) для жидкости, соединенную последовательно с насосом (14) с помощью подающего конца (3) с контуром и подающую в контур (2) жидкость для нагревания.
21. Устройство (1) по п.20, отличающееся тем, что указанная емкость (15) является съемной и имеет запорный клапан (16), автоматически открывающий канал (17) для жидкости из емкости (15) в насос (14), когда емкость (15) соединена с подающим концом (3), и автоматически закрывающим этот канал (17), когда емкость (15) отсоединена от подающего конца (3).
22. Устройство (1) по п.13, отличающееся тем, что тепловая инерция основного корпуса меньше тепловой инерции алюминия.
23. Устройство (1) по п.13, отличающееся тем, что основной корпус (9) содержит такую канавку, что она может образовать канал (4) для циркуляции жидкости с дополнительным элементом (10).
24. Устройство (1) по п.23, отличающееся тем, что основной корпус (9) является плоским, и канавка имеет спиралеобразную форму.
25. Устройство (1) по п.13, отличающееся тем, что основной корпус (9) является цилиндрическим, и дополнительный элемент (10), образующий рукав, устанавливается на его наружную поверхность.
26. Устройство по п.13, отличающееся тем, что средняя электрическая мощность теплового сопротивления (12) составляет меньше 3500 Вт.
