УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ В ПЛИТЕ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПИЩИ
COOKING STOVE IMPROVEMENTS

Настоящее изобретение относится к плитам для приготовления пищи и, более конкретно, к плитам для приготовления пищи, выполненным с возможностью сжигать твердое топливо, используя принудительную конвекцию для повышения эффективности горения и сокращения выбросов загрязняющих веществ.
По оценке в мире приблизительно 2,5 миллиарда человек для приготовления пищи сжигают древесину, при этом процесс проходит медленно, неэффективно и дает существенное количество дыма. Такой дым ежегодно может становиться причиной множества смертей. Кроме того, малоэффективные дровяные плиты потребляют большое количество природных лесных ресурсов, что приводит к исчезновению лесов.
Известны бездымные дровяные плиты, в которых используется помощь вентилятора, однако исследования, проведенные изобретателем, показали, что такие кухонные плиты по предшествующему уровню техники обладают существенным количеством недостатков. К таким недостаткам относятся один или более из следующих: (i) ненадежность и стремление вентиляторов к сгоранию, (ii) отсутствие хорошего управления нагревом, (iii) стоимость производства, неприемлемая для слаборазвитых и развивающихся частей света; (iv) менее чем оптимальная "бездымная" работа, особенно на фазе прогревания в работе плиты; и (v) потребность в запасных частях, таких как сменные батарейки, что не является идеальным решением для отдаленных и слаборазвитых частей света.
В US 3868943 описана переносная туристическая плита с принудительной тягой, работающая на твердом топливе, содержащая вентилятор, работающий на батарейках, для принудительной конвекции воздуха в камеру сгорания. Вентилятор питается от батареек, и воздух подается в камеру сгорания через каналы, примыкающие к камере для предварительного подогрева воздуха. В GB 2125160 описана кухонная плита, имеющая воздушную камеру, в которую воздух для горения затягивается извне либо естественной тягой, либо ручным воздушным насосом, либо комбинацией этих двух средств. В GB 2081888 описана нагревательная печь на твердом топливе, в которой в выпускном дымоходе печи установлен электродвигатель с вентилятором, который питается от термопары, установленной сверху на печи. В US 5544488 описан вентилятор, установленный снаружи на источнике теплоты для распределения воздуха, нагретого источником теплоты по комнате, где вентилятор запитан от термопары, установленной сверху на источнике теплоты.
Задачей настоящего изобретения является создание более эффективной и недорогой плиты, сжигающей твердое топливо, в которой устранены некоторые или все из вышеуказанных недостатков плит согласно предшествующему уровню техники.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения предлагается портативная плита на твердом топливе, содержащая:
камеру сгорания, для размещения топлива для сгорания;
вентилятор, выполненный с возможностью нагнетать воздух в камеру сгорания;
перезаряжаемый источник электроэнергии для привода вентилятора; и
термоэлектрический элемент для подачи питания на вентилятор и перезаряжаемый источник электроэнергии.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения предлагается портативная плита на твердом топливе, содержащая:
камеру сгорания для размещения топлива для сгорания;
вентилятор, содержащий электродвигатель и крыльчатку, примыкающий к камере сгорания и выполненный с возможностью нагнетать воздух в камеру сгорания;
источник электрического питания для привода вентилятора; и
тепловой экран, расположенный между электродвигателем и камерой сгорания для экранирования двигателя от теплоты, исходящей от камеры сгорания.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения предлагается портативная плита на твердом топливе, содержащая:
камеру сгорания для размещения топлива для сгорания;
вентилятор, выполненный с возможностью нагнетать воздух в камеру сгорания; и
термоэлектрический элемент для подачи питания на вентилятор и имеющий первую активную поверхность, расположенную в непосредственной близости от камеры сгорания, и вторую активную поверхность, принимающую охлаждающий поток воздуха от вентилятора.
Далее следует подробное описание иллюстративных вариантов настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, где:
фиг.1 вид в перспективе высокоэффективной портативной плиты для приготовления пищи;
фиг.2 - схематическое поперечное сечение, иллюстрирующее внутренние детали первого варианта плиты по фиг.1.
фиг.3 - схематическое поперечное сечение, иллюстрирующее внутренние детали второго варианта плиты по фиг.1.
фиг.4а-4d - ряд электрических схем, иллюстрирующих разные режимы работы плиты по фиг.3.
фиг.5 - электрическая схема другого варианта плиты, позволяющая подавать избыточное электропитание на внешнее устройство.
Как показано на фиг.1, "бездымная" плита 10 содержит по существу цилиндрический корпус 11, камеру 12 сгорания, сформированную внутри верхней части корпуса и имеющую по существу открытый верхний конец 15 для использования в качестве варочной поверхности. По существу открытый конец 15 содержит множество опорных стоек 13 или подобных элементов для поддержки расположенного сверху варочного сосуда, например сковороды. По существу открытый конец 15 может быть по меньшей мере частично закрыт сеткой, решеткой или другой открытой структурой (не показана) для дополнительной поддержки варочного сосуда и, одновременно, для эффективного выхода теплоты в направлении вверх. Выражение "бездымная" в настоящем описании применяется, чтобы указать на существенное уменьшение выхода дыма для любого данного топлива, по сравнению с плитами, в которых не используется принудительная конвекция и, следовательно, имеющими существенно более низкую температуру горения.
Корпус 11 содержит множество впускных отверстий 14 для воздуха в своем нижнем конце для входа воздуха, который используется для принудительной конвекции в камере 12 сгорания, как будет описано ниже. Плита 10 может иметь съемную рукоятку для переноски (не показана), которая может крепиться на кронштейнах (также не показаны) к корпусу 11. На фиг.1 видно множество верхних отверстий 16 для выпуска воздуха из камеры 12 сгорания.
На фиг.2 показано внутреннее устройство первого варианта плиты 20. Камера 12 сгорания определена внутренним цилиндрическим сосудом 21, в котором выполнено множество нижних выходных отверстий 22 для воздуха и множество верхних выходных отверстий 23 для воздуха, расположенных в вертикальных стенках камеры сгорания. Между вертикальными стенками внутренней цилиндрической камеры 21 и корпусом 11 образовано кольцевое пространство, которое действует как камера предварительного подогрева. Кольцевое пространство заполнено распределителем 24 воздуха, который предпочтительно содержит серию цилиндрических металлических листов 24а с отштампованными наружу ребрами 24b, которые поддерживают зазоры между листами, образующий каналы для воздуха. Металлические листы 24а направляют поток воздуха и отражают теплоту обратно в камеру 12 сгорания, предварительно подогревают воздух, который входит в камеру сгорания через верхние выходные отверстия 23, и обеспечивают достаточно низкую температуру внешней поверхности 11 при работе, которая остается безопасной при касании. Цилиндрические металлические листы удерживаются на месте поддерживающей структурой 24с.
Основание цилиндрического сосуда 21 содержит теплоизолирующую структуру 25, которая действует как тепловой экран, уменьшающий направленное вниз излучение теплоты к промежуточной камере 26 и нижней камере 27 корпуса 11. Промежуточная камера 26 и нижняя камера 27 разделены стенкой 28, в которой выполнено отверстие 29. Рядом с отверстием 29 установлен низкопрофильный вентилятор 50, имеющий центральный двигатель 52 и выполненные заодно отбрасывающие воздух радиально лопасти 53, образующие крыльчатку, направляющую воздух в отверстие 29. Центральный двигатель 52 предпочтительно защищен дополнительным элементом 51 теплового экрана, которым может быть тонкая пленка теплоотражающего материала, такого как алюминиевая фольга, расположенная на двигателе. Нижняя камера 27 окружена корпусом 11, который содержит отверстия 14 для входа воздуха.
При использовании вентилятор 50 протягивает воздух сквозь отверстия 14 и вдувает его через отверстие 29 в промежуточную камеру 26. Промежуточная камера 26 действует как распределительная камера для подачи воздуха в кольцевое пространство и на распределитель 24 воздуха. Воздух продувается между листами 24а распределителя 24, который его подогревает и направляет в нижние и верхние входные отверстия 22, 23 камеры 12 сгорания. Излучение теплоты из камеры сгорания вниз по существу предотвращается теплоизолирующей структурой 25, а также отражается обратно в камеру сгорания 12 отражающими листами 24а в распределителе 24 воздуха. Дополнительно или вместо этого, для достижения той же цели, внутренние поверхности стенок корпуса 11 могут быть выполнены так, чтобы иметь высокую отражающую способность или быть покрыты отражающим материалом. Таким образом, воздух, проходящий через распределитель 24, предварительно подогревается теплотой от камеры 12 сгорания.
Конкретное преимущество конструкции плиты, показанной на фиг.2, заключается в том, что вентилятор 50 можно расположить близко к камере 12 сгорания для создания компактной конструкции плиты, используя очень недорогой мотор 52, обычно содержащий пластмассовые детали, которые защищены от теплоты плиты теплоизолирующим экраном, содержащим теплоизолирующую структуру 25 и рефлектор 51. Лопасти 53 вентилятора также могут быть выполнены из отражающего материала, такого как алюминиевая фольга, или могут быть покрыты таким материалом.
о
В одном варианте вентилятор содержит бесщеточный вентилятор постоянного тока мощностью 1 Вт, приводимый в действие источником питания (не показан), создающим напряжение 3-7 В, совместимым с двигателем на 5 В. В другом варианте вентилятор работает на напряжении 12 В и приводится в действие источником питания (не показан) напряжением 8-14 В. Источником питания может быть установленная внутри батарейка, доступная с основания плиты, или внешний источник питания, там где он имеется. Испытания показали, что плита 11 способна вскипятить литр воды за 4 минуты без существенного образования сажи и дыма, при температуре горения более 1000С. Пищу можно медленно кипятить при более высоком напряжении или быстро кипятить при более высоком напряжении, тем самым обеспечивая хороший контроль за процессом приготовления пищи.
На фиг.3 показано внутреннее устройство второго варианта плиты 30. Камера 12 сгорания, внутренний цилиндрический сосуд 21, нижние выпускные отверстия 22, верхние выпускные отверстия 23, распределитель 24 воздуха, теплоизолирующая структура 25, нижняя камера 27, стенка 28, отверстие 29 и вентилятор 50 описаны со ссылками на фиг.2.
Промежуточная камера 26 снабжена термоэлектрическим элементом 31, который имеет первую активную поверхность, расположенную в непосредственной близости к камере 12 сгорания, и вторую активную поверхность, расположенную с возможностью принимать охлаждающую тягу от вентилятора 50. В предпочтительном показанном варианте вторая активная поверхность термоэлектрического элемента находится в прямом тепловом контакте с теплоотводом 32 или образует его часть, которая охлаждается вентилятором. Первая активная поверхность термоэлектрического элемента может находиться в тесном прямом контакте с нижней стенкой камеры 12 сгорания или с изолирующей структурой 25. Термоэлектрический элемент 31 может быть встроен в изолирующую структуру 25 для повышения температуры на первой активной поверхности. Благодаря эффекту теплового экрана, создаваемому термоэлектрическим элементом 31 и теплоотводом 32, отдельный тепловой экран для двигателя 51 в такой конструкции может не потребоваться.
Термоэлектрический элемент 31 является любым подходящим устройством для преобразования теплоты в электроэнергию, например термопарой или элементом Пельтье. Такие термоэлектрические элементы обычно генерируют напряжение на основании перепада температур между первой и второй активными поверхностями устройства. Термоэлектрический элемент подает электроэнергию на вентилятор 50. При использовании вентилятор создает поток воздуха, направленный на теплоотвод 32 и на термоэлектрический элемент 31, а также на распределитель 24 воздуха. Таким образом, температура второй активной поверхности термоэлектрического элемента поддерживается на значительно меньшем уровне, чем если бы она не охлаждалась, что увеличивает выход энергии с этого элемента, тем самым увеличивая поток воздуха в камеру 12 сгорания.
В нижней камере 27 также расположен электронный блок 33 управления, где он также защищен от теплоты плиты, и далее следует описание функций блока управления со ссылками на фиг.4а-4d.
Электронный блок 33 управления содержит заряжаемый аккумулятор 40 и контроллер 41, выполненный с возможностью управлять плитой, предпочтительно в каждом из четырех возможных режимов. В предпочтительном варианте электронный блок управления выполнен с возможностью по очереди автоматически последовательно выполнять каждый из четырех режимов в зависимости от определяемых условий работы, например температуры пламени. Для определения теплоты горения можно использовать датчик температуры (не показан) или этот параметр можно рассчитывать по электрическому выходу термоэлектрического элемента 31.
В первом режиме, показанном на фиг.4а и обозначенном "пусковой режим", для привода вентилятора 50 используется энергия от аккумулятора 40, даже когда от термоэлектрического элемента 31 не поступает питание или этого питания недостаточно. Таким образом, топливо, сжигаемое в камере 12 сгорания, может очень быстро создать оптимальную высокую температуру, существенно снижая образование дыма и других загрязняющих выбросов во время фазы пуска плиты.
Второй режим, показанный на фиг.4b и обозначенный "режим заряда", включается, когда температура достигнет соответствующего уровня. Во втором режиме топливо в камере 12 сгорания сгорает при достаточной температуре, чтобы термоэлектрический элемент 31 мог подать более чем достаточное количество энергии на вентилятор 50 для подержания принудительной конвекции в камере сгорания и подачи достаточного количества энергии для заряда аккумулятора 40.
Третий режим, показанный на фиг.4с и обозначенный "нормальный режим", включается, когда аккумулятор вернется в состояние полного заряда. В третьем режиме топливо в камере 12 сгорания горит при достаточной температуре, чтобы термоэлектрический элемент мог выдавать по меньшей мере достаточно энергии для работы вентилятора 50 для поддержания адекватной принудительной конвекции в камере 12 сгорания. Аккумулятор полностью заряжен, и любой избыток энергии отводится через стабилитрон 53.
Четвертый режим показан на фиг.4d и обозначен "режим охлаждения". Он включается, когда температура падает, например, из-за недостатка топлива в камере сгорания. В четвертом режиме для поддержания горения вентилятор 50 больше не нужен, поскольку горение закончилось. В этом режиме аккумулятор 40 изолируется, и вся энергия, поступающая от термоэлектрического элемента 31, направляется на вентилятор 50 просто для ускорения охлаждения плиты в целом, но без разряда аккумулятора 40. Это позволяет предотвратить нарастание остаточной теплоты от камеры 12 сгорания в корпусе 11, что может потенциально повредить термоэлектрический элемент, вентилятор и/или электронный блок управления. Ускоренное охлаждение в четвертом режиме также способствует портативности плиты, гораздо быстрее обеспечивая возможность перемещения или ношения плиты без риска ожогов.
Для управления частотой вращения двигателя и, следовательно, температурой приготовления пищи в плите используется переменное сопротивление или другой контроллер 42. Контроллер 41 является преобразователем постоянного тока в постоянный ток, выполненный с возможностью подавать достаточно высокое напряжение для привода вентилятора, а также служить источником стабилизированного напряжения для зарядки аккумулятора, независимо от питающего напряжения, имеющегося на термоэлектрическом элементе 31. Числовые обозначения температур, мощности и тока, приведенные на фиг.4а-4d, являются только примерами для иллюстративного варианта.
В варианте по фиг.3 и 4 применяемым аккумулятором предпочтительно является щелочной аккумулятор, не содержащий кадмия или лития, обладающий очень низким саморазрядом.
На фиг.5 показана электрическая схема другого варианта, в котором стабилитрон 53 заменен средством 60 источника питания, преобразователем 62 постоянного тока в постоянный ток и компаратором 61 напряжения. Питание на источник питания 60 подается термоэлектрическим элементом 31 через контролер 41 на компаратор 61. Как описано выше, в третьем режиме работы топливо в камере 12 сгорания горит при достаточной температуре, чтобы термоэлектрический элемент 31 мог подавать по меньшей мере достаточно энергии на вентилятор 50 для поддержания адекватной принудительной конвекции в камере 12 сгорания. В таком "нормальном" режиме аккумулятор 40 полностью заряжен, и любой избыток энергии, генерируемый термоэлектрическим элементом, направляется на источник 60 питания.
Например, когда имеется достаточная мощность, напряжение на термоэлектрическом элементе 31 превышает 3 В. Такое превышение определяется компаратором 61 напряжения, который включает преобразователь 62 постоянного тока в постоянный ток. Этот преобразователь 62 постоянного тока в постоянный ток затем генерирует требуемое напряжение (или ток) на выходе 62. Преобразователь 62 постоянного тока в постоянный ток выполнен с возможностью генерировать достаточную мощность для понижения напряжения на термоэлектрическом элементе 31 до приблизительно 3 В. Для предотвращения колебаний напряжения могут применяться стандартные схемные решения (не показаны).
В одном варианте устройством может быть подходящий радиоприемник.
В другом варианте устройством может быть мобильный телефон, который можно заряжать, когда плита работает. Это особенно полезно, когда доступность источников питания для работы или зарядки устройств ограничена.
Для этих примеров компаратор напряжения обеспечивает, чтобы только избыток мощности подавался на выход, позволяя работать вентилятору 50 и, следовательно, плите.
В еще одном варианте устройство (D) является осветительным компонентом в форме белого светодиода. Преимуществом такого устройства является то, что он эффективно регулирует напряжение без необходимости в компараторе 61 и преобразователе 62. Таким образом, плиту можно оснастить съемными или постоянно прикрепленными осветительными устройствами (не показанными на фиг.5), которые автоматически запитываются, когда плита входит в третий режим работы.
Это особенно полезно, когда приготовление пищи осуществляется на закате или в ранних сумерках, т.е. именно тогда, когда такие плиты чаще всего и используются. В частности, многие из упомянутых выше 2,5 млрд. человек, использующих дровяные плиты, делают это, поскольку у них нет доступа к электроэнергии или такой доступ ограничен. Когда солнце садится, плита работает в первом и втором режиме, а когда она входит в третий режим (т.е., аккумулятор 40 полностью заряжен), включаются светодиоды и создают полезное искусственное освещение.
При испытаниях было обнаружено, что потребность в зарядке щелочного аккумулятора 40 хорошо согласуется с потребностью в питании многих белых светодиодов и портативных устройств. Например, термоэлектрический элемент 31 выдает достаточную мощность для работы белых светодиодов 3,5 В при токе 30 мА. На практике испытания показали, что избытком питания, генерируемым в нормальном режиме, можно запитать от 5 до 10 таких белых светодиодов.
Специалистам понятно, что избыточная мощность, генерируемая термоэлектрическим элементом, отчасти зависит от характеристик самого термоэлектрического элемента. Например, можно выбрать элемент с увеличенной потенциальной выходной мощностью в зависимости от потребностей в мощности или в перезарядке в предполагаемых условиях эксплуатации.
Поэтому плита также может служить вторичным источником питания для работы или зарядки устройств.
Существенное преимущество описанной выше конструкции плиты заключается в том, что вентилятор достаточно защищен от непосредственного источника теплоты, и можно использовать дешевый двигатель, производимый в массовых количествах и имеющий пластмассовые детали, даже если он установлен на небольшом расстоянии от камеры сгорания, что позволяет создать компактную плиту. Такие двигатели оказались очень надежными и имеют большой срок службы. Установка двигателя в потоке подаваемого воздуха означает, что двигатель охлаждает сам себя и может эффективно использоваться для охлаждения стороны термоэлектрического элемента.
Предполагается, что в объем прилагаемой формулы входят и другие варианты осуществления изобретения.