Brevet FR2685760A3 — publié le 19930702

FR 2685760 A3 19930702 FR 9116457 A 19911230 1. Appareil à eau chaude instantanée La présente invention concerne un appareil à eau chaude instantanée. C'est devenu l'une des nécessités de notre vie de tous les jours que de pouvoir boire du café, du thé ou du lait préparé à partir de poudre, et le chauffage de l'eau à cette fin dans un appareil extrêmement pratique est l'un des éléments de base qui sont indispensables dans la vie moderne. Donc, lorsque les appareils électriques de production d'eau chaude sont apparus sur le marché, ils ont été immédiatement très appréciés des consommateurs On trouve de tels appareils à eau chaude dans les lieux publics, dans les salles de con- férences, et même dans les bureaux et les intérieurs, pour fournir de l'eau chaude à tout moment. Le principe de chauffage d'un appareil à eau chaude classique consiste à chauffer l'eau au moyen d'une températu- re élevée produite par un courant électrique qui passe à tra- vers un fil résistant Pour éviter aux utilisateurs le risque de secousses électriques dues à la conduction électrique qui est causée par le contact direct de l'eau avec le fil résis- tant, la surface extérieure de ce dernier doit être traitée au moyen d'un matériau isolant La structure d'ensemble de l'unité de chauffage est celle que montre la figure 1: En général, le fil résistant 1 est réalisé sous la forme d'une spirale, et il est placé au centre d'un tube métallique 3; le volume compris entre le fil résistant 1 et le tube métallique 3 est rempli d'un matériau 2 qui est élec- triquement isolant Lorsque du courant électrique est fourni, le fil résistant 1 transmet de la chaleur à l'eau à travers le matériau isolant 2 et le tube métallique 3 Comme la conductivité thermique du fil résistant 1 est généralement faible, l'effet de conduction thermique du fil résistant n'est pas vraiment idéal. En outre, la quantité d'eau bouillie maintenue chaude par l'appareil à eau chaude est finalement limitée. Une fois qu'elle a été utilisée, il faut beaucoup de temps pour chauffer l'eau de façon à avoir de l'eau qui a été complètement bouillie. Pour économiser de l'énergie, il ne faut pas que l'appareil à eau chaude continue à chauffer l'eau constam- ment; il est seulement nécessaire de chauffer l'eau qui doit être soutirée. De plus, l'appareil à eau chaude devrait être susceptible de fournir de l'eau chaude bouillant en continu pendant une longue durée, car c'est là ce dont les utilisa- teurs ont besoin, mais une telle fonction fait défaut dans les appareils à eau chaude classiques. Les problèmes mentionnés plus haut ont existé pendant très longtemps, mais personne n'a été capable de les résoudre. Par ailleurs, la théorie du chauffage du corps métallique tubulaire par utilisation d'une bobine d'induction électromagnétique de chauffage a été décrite dans le livre intitulé "Elements of Induction Heating" (Eléments de chauf- fage par induction), page 23, figure 2 12, publié en 1988 (Electric Power Research Institute, Inc, Palo Alto, Californie) La théorie de l'assemblage d'une bobine d'induc- tion électromagnétique de chauffage et d'un corps métallique tubulaire a aussi été décrite dans le livre intitulé "Induc- tion Heat Treatment of Steel" (Traitement thermique de l'acier par induction), page 55, figure 3 3, publié en 1986 (American Society for Metals, Metals Park, Ohio) Il existe toutefois de nombreuses difficultés quant à l'application de ces théories à la réalisation d'appareils à eau chaude et, jusqu'à présent, aucun appareil à eau chaude adoptant ces théories n'a été développé et vendu sur le marché avec succès La présente invention a résolu certaines de ces difficultés, comme les problèmes consistant à agir sur la température de l'eau, à chauffer instantanément jusqu'au point d'ébullition l'eau qui doit être soutirée, etc, en réalisant ainsi un appareil à eau chaude pouvant être commer- cialisé. Le but essentiel de la présente invention est de fournir un appareil à eau chaude qui soit susceptible de chauffer de l'eau instantanément et qui ne nécessite pas une conduite très longue pour le chauffage. Selon l'invention, ce but est atteint grâce à un appareil à eau chaude instantanée, caractérisé par le fait qu'il comprend, en combinaison: un réservoir destiné à con- tenir de l'eau et comprenant une sortie; une électrovanne reliée à ladite sortie dudit réservoir; une conduite présen- tant une première extrémité et une seconde extrémité, ladite première extrémité étant reliée à ladite électrovanne; une bobine d'induction électromagnétique de chauffage qui entoure ladite conduite entre ladite première extrémité et ladite seconde extrémité de ladite conduite et qui est susceptible de produire un champ magnétique alternatif; un robinet de sortie relié à ladite seconde extrémité de ladite conduite; un dispositif de commande de la puissance qui fournit de l'énergie électrique immédiatement après avoir reçu un signal indiquant que ledit robinet de sortie a été ouvert; un dispositif de supervision et de commande qui est relié à la bobine de ladite électrovanne et qui est susceptible de pro- duire une fréquence d'oscillation réglable; un dispositif de commande qui est susceptible de produire une onde d'impul- sions modulées en largeur à haute tension et à courant conti- nu, et qui comprend une extrémité d'entrée des signaux et une extrémité de sortie des signaux, ladite extrémité d'entrée des signaux étant reliée audit dispositif de supervision et de commande pour recevoir la fréquence d'oscillation, et ladite extrémité de sortie des signaux étant reliée à ladite bobine d'induction électromagnétique de chauffage. On comprendra plus clairement ce qui précède, ainsi que d'autres caractéristiques et avantages de la présente invention, grâce à la description détaillée qui suit et aux dessins annexés, parmi lesquels: La figure 1 est une vue schématique de l'unité de chauffage d'un appareil à eau chaude classique; La figure 2 est une vue schématique de la structure de l'appareil à eau chaude de la présente invention; La figure 3 est une vue extérieure de l'unité de chauffage de l'appareil à eau chaude de la présente inven- tion; La figure 4 est une forme de réalisation préférée du circuit de commande destiné à l'unité de chauffage de l'appareil à eau chaude de la présente invention; et La figure 5 est un organigramme. L'appareil à eau chaude de l'invention comprend un réservoir 5 destiné à contenir de l'eau et comprenant une sortie 51 qui est reliée à une électrovanne 19, qui passe à travers le centre d'une bobine d'induction électromagnétique 7 grâce à un tube en métal 6 et qui rejoint un robinet de sortie 10 Il est prévu dans l'appareil à eau chaude un sys- tème de supervision et de commande qui exécute les étapes suivantes auxquelles on se réfère sur la figure 5: 1 Emettre un signal 12 lorsque le robinet de sortie est actionné, ce signal pouvant être transmis par un micro-interrupteur 11 coopérant avec le robinet de sortie 10 (étape 20); 2 Commuter un circuit de puissance commutable 16 pour fournir de l'énergie électrique à tous les éléments qui en ont besoin (étape 21); 3 Recueillir un signal de niveau d'eau 15 et un signal de température de l'eau 13 (étape 22); 4 Lorsque le niveau de l'eau est trop bas, envoyer un signal à un circuit de supervision et de commande 17 pour produire un signal d'alarme et arrêter instantanément la production d'une fréquence d'oscillation (étape 23); Amener le circuit de supervision et de commande 17 à fournir à sa sortie une fréquence d'oscillation variable (étape 24); 6 Le circuit de supervision et de commande 17 active un circuit de commande 18 pour produire une modulation des impulsions en largeur à haute tension et à courant continu, et fournir à la sortie une onde modulée selon la fréquence d'oscillation (étape 25); 7 Fournir l'onde modulée à la bobine d'induction électromagnétique de chauffage 7 pour produire un champ magnétique alternatif, de sorte que la conduite d'eau 6 située dans la bobine de chauffage 7 produit de la chaleur (étape 26); 8 Après un court retard, le circuit de supervision et de commande 17 commande le circuit de l'électrovanne 19 dans le sens de l'ouverture (étape 27), 9 L'eau du réservoir 5 qui s'écoule à travers la conduite 6 située dans la bobine d'induction 7 est chauffée (étape 28), et elle s'écoule par le robinet de sortie 10 (étape 29). Sur la vue schématique que montre la figure 2, la structure principale de l'appareil à eau chaude instantanée selon la présente invention comprend: un réservoir 5 destiné à contenir de l'eau et comprenant une sortie 51; une con- duite d'eau en métal 6 qui envoie l'eau depuis le réservoir 5 jusqu'au robinet de sortie 10 situé à son extrémité, à travers l'électrovanne 19 et une bobine de chauffage 7, l'électrovanne 19 étant reliée à la sortie 51 du réservoir 5; une bobine d'induction électromagnétique de chauffage 7 qui entoure la partie centrale de la conduite d'eau 6 pour chauffer cette dernière; un robinet de sortie 10 relié à l'extrémité de la conduite d'eau 6 pour faire s'écouler l'eau qui a été chauffée; un micro-interrupteur 11 relié au robinet de sortie 10 et commandé de façon à fournir un signal lorsque le robinet de sortie 10 est ouvert; un circuit de puissance commutable 16 pour fournir de l'énergie électrique; un circuit de supervision et de commande 17 comprenant pour l'essentiel un système à microprocesseur (ou unité centrale de traitement CPU sur la figure 4) chargé de détecter le niveau de l'eau et la température de l'eau et de déterminer des instructions; et un circuit de commande 18 pour exécuter les instructions provenant du circuit de supervision et de commande 17. Lorsque l'on appuie sur le robinet de sortie 10, le circuit de puissance commutable 16 reçoit un signal de commu- tation 12 qui est fourni par le micro-interrupteur 11, et il déclenche le fonctionnement Il envoie alors un signal au circuit de supervision et de commande 17 qui est le circuit principal du système d'ensemble, qui utilise le signal de niveau d'eau 15 fourni par un capteur de niveau d'eau 8 monté dans le réservoir 5 pour vérifier le niveau de l'eau dans celui-ci, et qui utilise aussi un capteur de température 9 monté sur la conduite d'eau 6 pour déterminer la température de l'eau dans cette dernière Le capteur de température 9 est de préférence monté sur la conduite d'eau 6 entre la bobine d'induction électromagnétique de chauffage 7 et le robinet de sortie 10 Tant que l'on n'appuie pas sur ce dernier, l'élec- trovanne 19 reste à l'état "hors circuit" et l'eau contenue dans le réservoir 5 ne s'écoule pas, ce qui évite à l'utili- sateur de boire de l'eau qui n'a pas bouilli Après avoir analysé le signal de niveau d'eau 15 fourni par le capteur de niveau d'eau 6 et le signal de température 13 fourni par le capteur de température 9, le circuit de supervision et de commande 17 fournit un signal de commande au circuit de com- mande 18 qui fournit à son tour à sa sortie un courant alter- natif 14, proportionnel au signal de commande, à la bobine d'induction électromagnétique de chauffage 7, laquelle éta- blit alors un champ magnétique alternatif proportionnel au courant d'entrée Du fait de la loi de Faraday, et parce que le champ magnétique alternatif est coupé par la ligne de force magnétique, la conduite d'eau 6 disposée dans la bobine d'induction électromagnétique de chauffage 7 produit un courant de Foucault qui est alors converti en énergie thermi- que afin de fournir de la chaleur Après un retard de quel- ques dizaines de millisecondes, le circuit de supervision et de commande 17 envoie une tension à l'électrovanne 19 qui est alors excitée, et l'eau contenue dans le réservoir 5 commence à couler; lorsqu'elle passe à travers la conduite d'eau 6 située dans la bobine d'induction de chauffage 7, cette eau est chauffée instantanément, en fournissant ainsi de l'eau chaude La durée de réaction entre le moment o l'on appuie sur le robinet de sortie 10 pour produire un signal de commu- tation 12, et celui o la conduite d'eau 6 produit un courant de Foucault qui est ensuite converti en énergie thermique, peut être très courte Dans la conception selon la présente invention, la durée de réaction pour le processus global est très courte, et elle est seulement de 100 à 200 millisecondes environ. Les circuits qui commandent la bobine d'induction électromagnétique de chauffage 7, tels qu'ils sont représen- tés dans la forme de réalisation préférée de la figure 4, sont les suivants: ( 1) Circuit commutable d'alimentation en énergie 16. Ce circuit est chargé de fournir de l'énergie élec- trique à tout le système de l'appareil à eau chaude Le déclenchement du circuit est commandé par le signal de commu- tation 12 qui est émis par le micro-interrupteur 11 fixé sur le robinet de sortie 10 Après la mise en marche du circuit de puissance commutable 16, le courant alternatif est dévolté par un transformateur, et il est ensuite redressé pour four- nir les diverses alimentations en puissance et les diverses tensions dont tout le système de l'appareil à eau chaude a besoin pour faire fonctionner l'ensemble du système. ( 2) Circuit de supervision et de commande 17. Ce circuit est constitué pour l'essentiel par un microprocesseur CPU et par des circuits intégrés de mémoire morte ROM, de mémoire vive RAM, de conversion analogique- numérique A/D, de conversion numérique-analogique D/A, etc. Quand il reçoit l'alimentation en énergie (+ 5 V), le circuit se met à fonctionner Tout d'abord, le signal de température 13 et le signal de niveau d'eau 15 sont transférés à l'unité centrale de traitement CPU par un convertisseur analogique- numérique A/D, puis ils sont évalués par le programme enre- gistré au préalable dans la mémoire morte ROM (en se référant à l'ordinogramme de la figure 5), et un signal correspondant est transmis de l'unité centrale de traitement CPU au conver- tisseur numérique-analogique D/A, ce qui le convertit en une tension analogique correspondante pour commander l'oscilla- teur commandé par la tension VCO, de façon à produire une fréquence d'oscillation en fonction de la valeur de la ten- sion En général, lorsque le signal de température 13 fourni par le capteur de température 9 indique que la température de l'eau dans la conduite d'eau 6 est inférieure à la valeur prédéterminée, l'unité centrale de traitement CPU fournira une tension plus élevée, de sorte que l'oscillateur commandé par la tension VCO produira une fréquence d'oscillation plus élevée Au contraire, si le signal de température 13 indique que la température de l'eau est supérieure à la valeur prédé- terminée, l'unité centrale de traitement CPU fournira une tension plus faible, de sorte que la fréquence d'oscillation produite par l'oscillateur commandé par la tension VCO sera diminuée en conséquence Lorsque le capteur de niveau d'eau 8 disposé dans le réservoir d'eau 5 détecte que le niveau de l'eau est inférieur au niveau minimal, le capteur de niveau d'eau 6 produira un signal de niveau d'eau 15; après avoir reçu un tel signal, l'unité centrale de traitement CPU enver- ra un signal intermittent à un haut-parleur, à travers le convertisseur numérique-analogique D/A, de façon à produire un signal d'alarme, et elle coupera simultanément la tension de commande de l'oscillateur commandé par la tension, de sorte qu'aucune fréquence d'oscillation ne sera produite et que l'électrovanne 19 sera maintenue dans son état "hors cir- cuit", du fait que sa tension d'entrée est coupée En consé- quence, l'eau du réservoir 5 ne s'écoulera pas Ceci réalise donc la fonction de protection de la présente invention. ( 3) Circuit de commande 18. Ce circuit est un circuit de sortie de puissance. IC 1 est un appareil de comparaison constitué par un calcula- teur-amplificateur chargé de comparer la fréquence d'oscilla- tion fournie par le circuit de supervision et de commande 17 à une valeur fixe, de façon à produire une série d'impulsions modulées en largeur pour commander un circuit de sortie de puissance qui est constitué par les composants Q 1, Q 2, Q 3 et Q 4 et qui est chargé de fournir à la sortie un courant conti- nu de 150 volts sous la forme d'impulsions modulées en lar- geur, de façon à fournir un courant alternatif à la bobine d'induction électromagnétique de chauffage 7 et à réaliser l'effet de chauffage. REVENDICATIONS - 1 Appareil à eau chaude instantanée, caractérisé par le fait qu'il comprend, en combinaison un réservoir ( 5) destiné à contenir de l'eau et comprenant une sortie ( 51); une électrovanne ( 19) reliée à ladite sortie ( 51) dudit réservoir ( 5); une conduite ( 6) présentant une première extrémité et une seconde extrémité, ladite première extrémité étant reliée à ladite électrovanne ( 19); une bobine d'induc- tion électromagnétique de chauffage ( 7) qui entoure ladite conduite ( 6) entre ladite première extrémité et ladite secon- de extrémité de ladite conduite ( 6) et qui est susceptible de produire un champ magnétique alternatif; un robinet de sortie ( 10) relié à ladite seconde extrémité de ladite con- duite ( 6); un dispositif de commande de la puissance ( 16) qui fournit de l'énergie électrique immédiatement après avoir reçu un signal indiquant que ledit robinet de sortie ( 10) a été ouvert; un dispositif de supervision et de commande ( 17) qui est relié à la bobine de ladite électrovanne ( 19) et qui est susceptible d'émettre une fréquence d'oscillation régla- ble; un dispositif de commande ( 18) qui est susceptible de produire une onde d'impulsions modulées en largeur à haute tension et à courant continu, et qui comprend une extrémité d'entrée des signaux et une extrémité de sortie des signaux, ladite extrémité d'entrée des signaux étant reliée audit dispositif de supervision et de commande ( 17) pour recevoir la fréquence d'oscillation, et ladite extrémité de sortie des signaux étant reliée à ladite bobine d'induction électro- magnétique de chauffage ( 7). 2 Appareil à eau chaude selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un dispositif de détection du niveau de l'eau ( 8) susceptible de produire un signal de niveau d'eau ( 15) qui est destiné à être envoyé audit dispositif de supervision et de commande ( 17). 3 Appareil à eau chaude selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un dispositif il de détection de la température de l'eau ( 9) susceptible de produire un signal de température de l'eau ( 13) qui est destiné à être envoyé audit dispositif de supervision et de commande ( 17 >. 4 Appareil à eau chaude selon la revendication 3, caractérisé par le fait que ledit dispositif de détection de la température de l'eau ( 9) est relié à ladite conduite d'eau ( 6). Appareil à eau chaude selon la revendication 3, caractérisé par le fait que ledit dispositif de détection de la température de l'eau ( 9) est disposé sur ladite conduite ( 6) entre ladite bobine d'induction électromagnétique de chauffage ( 7) et ledit robinet ( 10 > de sortie de l'eau. 6 Appareil à eau chaude selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un dispositif d'alarme relié audit dispositif de supervision et de commande ( 17 >. 7 Appareil à eau chaude selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit robinet ( 10) de sortie de l'eau est relié à un micro-interrupteur ( 11) qui transmet un signal audit dispositif d'alimentation en puissance ( 16) et qui coopère avec ledit robinet ( 10) de sortie de l'eau.