НАГРЕВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
HEATING DEVICE

Область техники
Изобретение относится к нагревательным устройствам для нагрева (преимущественно для кипячения) жидкостей, например воды.
Уровень техники
Известны различные способы получения горячей или кипящей воды для домашнего потребления. Чтобы вскипятить требуемое количество воды, например, для приготовления горячих напитков, традиционно применяются электрочайники или аналогичные устройства.
Недавно на рынок были выпущены устройства, способные, как утверждается, очень быстро выдавать небольшие количества горячей воды. Вместо того чтобы обеспечивать равномерный нагрев заданного объема воды, эти устройства основаны на использовании проточных нагревателей, который нагревают воду, когда она проходит по узкому каналу с толстопленочным нагревательным элементом на одной его стороне. Однако подобные нагреватели имеют существенные недостатки, главный из которых состоит в том, что они неспособны (как это будет объяснено далее) довести воду до кипения.
При кипячении воды в обычном чайнике масса воды находится, по существу, при одинаковой температуре, которая постепенно повышается по мере нагрева. Только граничный слой, прилегающий к нагревающей поверхности, является значительно более горячим. Тепло передается от нагретой поверхности к граничному слою посредством теплопроводности и, по меньшей мере в начале процесса, от граничного слоя к объему воды посредством конвекции. В нагревательных устройствах с высокой температурой поверхности вода в граничном слое может достичь температуры 100°C и закипеть, когда масса воды является относительно холодной. Пузырьки пара сначала конденсируются и охлопываются в результате контакта с более холодной массой воды.
При продолжении нагрева пузырьки пара, более легкие, чем окружающая вода, поднимаются от поверхности нагревателя. Поднимаясь, пузырьки передают тепло более холодной окружающей воде, и происходящая при этом конденсация постепенно приводит к схлопыванию пузырьков. Однако когда температура массы воды приближается к температуре кипения, полной конденсации поднимающихся пузырьков уже не происходит, так что они поднимаются к поверхности и покидают воду, что обычно рассматривается как индикатор кипения. Практически на этой стадии температура основной массы воды еще не достигает 100°C. Как правило, домашние электрочайники и аналогичные устройства поддерживают "интенсивное кипение" в течение нескольких секунд, что позволяет массе жидкой воды равномерно нагреться до температуры, очень близкой к 100°C (но всегда меньше этой температуры). Кроме того, реальная температура кипения зависит от ряда факторов, таких как атмосферное давление и присутствие в воде растворенных веществ.
По сравнению с описанными устройствами преимущество проточного нагревательного устройства состоит в том, что оно способно нагревать воду по потребности и функционировать, только пока это необходимо, чтобы нагреть требуемое количество воды. Однако от таких устройств ожидают практически мгновенного (не превышающего нескольких секунд) нагрева из исходного состояния. В контексте бытовых электроприборов мощность питания ограничивается мощностью, подводимой к стенной розетке (обычно 1500-3000 Вт), и, следовательно, не может быть увеличена. В стационарном режиме расход воды должен соответствовать выходной мощности нагревательного устройства в соответствии с основными законами термодинамики (в нагревательном устройстве мощностью 3 кВт при расходе от около 0,5 л/мин до около 1 л/мин температура воды будет находиться в интервале от почти кипящей до примерно 65°C). При этом влияние типа нагревательного устройства и механизма теплообмена незначительно.
При конструировании проточных нагревательных устройств с очень быстрым нагревом важно минимизировать тепловую массу самого нагревателя и температуру, до которой она должна быть нагрета. Важно также максимизировать площадь зоны контакта между водой и нагревателем. Данные требования удовлетворялись в недавних разработках за счет применения толстопленочного нагревательного элемента, прикрепленного посредством промежуточного электрически изолирующего слоя к теплообменнику из нержавеющей стали. Теплообменник имеет камеру сложной формы, которая обращена к нагревателю, чтобы максимизировать зону контакта. Однако заявитель обнаружил, что необходимо обеспечивать правильное распределение потока воды по поверхности нагревателя. Если какая-то часть воды, контактирующая с этой поверхностью, может застаиваться, она будет быстро закипать, создавая "карман" пара, который уже не будет обеспечивать охлаждение поверхности нагревателя. В результате происходит быстрый локальный нагрев поверхности, обычно приводящий к повреждению изоляции между проводящей дорожкой нагревателя и его подложкой. Чтобы предотвратить этот эффект путем устранения застойных зон, поток воды должен направляться по узкому извилистому каналу.
Заявителю удалось выявить и другую проблему, возникающую при использовании узкого проточного канала. Когда вода приближается к концу нагревательного устройства, ее температура будет наиболее горячей - в типичном случае 85°C. Канал для воды, даже будучи узким, содержит граничный слой и массу воды. Вода в граничном слое часто будет закипать, создавая пузырьки пара. В такой конфигурации пузырек пара, поступающий в очень маленький канал, не в состоянии отдать тепло посредством теплопроводности и конденсации, поскольку его поверхность не будет полностью окружена водой. Вместо этого расширяющийся пузырек будет просто проталкивать воду перед собой. Отсюда следует, что если пузырек образовался, например, в точке, соответствующей 80% длины канала, это приведет к резкому выбрасыванию всей воды из отрезка, соответствующего заключительным 20% длины канала. В дополнение к нежелательному эффекту "выплескивания" (как это будет представляться пользователям) уменьшение слоя воды, покрывающего концевой участок нагревательного элемента, часто может приводить к преждевременному выходу нагревателя из строя. Вопреки тому как это будет казаться пользователю, температура основной части выплескиваемой воды будет намного меньше точки кипения.
Проблемы, связанные с локальными горячими точками и выплескиванием воды, означают, что проточные нагревательные устройства не могут использоваться для получения кипящей воды. Фактически чем выше заданная температура воды, тем острее данные проблемы. Поэтому применение проточных нагревательных устройств ограничено ситуациями, требующими нагрева до температур ниже точки кипения, например в душах и диспенсерах горячей воды, не обеспечивающих ее кипячение.
Раскрытие изобретения
Согласно своему первому аспекту изобретение обеспечивает создание нагревательного устройства для нагревания жидкости до кипения, содержащего нагреватель, первую зону нагрева, нагреваемую нагревателем для нагревания текущей через нее жидкости до температуры ниже точки кипения, и вторую зону нагрева для нагревания жидкости до кипения. При этом вторая зона снабжена средством для выпуска из нее пара отдельно от нагретой воды.
В своем втором аспекте изобретение обеспечивает создание проточного нагревательного устройства, содержащего нагреваемый проточный канал для нагревания в нем жидкости до температуры ниже точки кипения и камеру завершающего нагрева для нагревания жидкости до кипения. Внутри данной камеры над поверхностью жидкости имеется пространство для обеспечения возможности выхода пара через поверхность жидкости.
Из приведенной характеристики изобретения специалистам должно быть понятно, что оно позволяет модифицировать стандартное проточное нагревательное устройство путем формирования второй зоны нагрева (камеры завершающего нагрева), в которой пар может выходить через поверхность воды без выталкивания нагретой воды, что ослабляет или устраняет явление выплескивания. Кроме того, возможность выведения пара позволяет поверхности нагревательного устройства оставаться покрытой водой, что предотвращает образование локальных горячих точек. Стандартное проточное нагревательное устройство может рассматриваться как устройство, в процессе функционирования которого возникает температурный градиент в направлении потока воды. Хотя изобретение в своих предпочтительных вариантах позволяет получать кипящую воду, кипение имеет место только во второй зоне, т.е нет необходимости нагревать до кипения все содержимое нагревательного устройства до того, как кипящая вода может быть использована (как это имеет место в случае электрочайника или подобного нагревательного устройства). Например, холодная вода с температурой 20°C, которую нужно нагреть до 90°C, в первой зоне будет иметь среднюю температуру, составляющую только 55°C.
В соответствии с изобретением нагрев воды от температуры, при которой она покидает первую зону (напоминающую традиционное проточное нагревательное устройство), до кипения продолжается во второй зоне нагрева (камере завершающего нагрева). Для этой цели мог бы использоваться отдельный нагреватель; однако согласно предпочтительным вариантам предусматривается единственный нагреватель, который заходит во вторую зону нагрева (в камеру завершающего нагрева).
Дальнейшее описание приводится только применительно к первой и второй зонам нагрева. Однако должно быть понятно, что оно относится в равной степени и к нагреваемому проточному каналу и камере завершающего нагрева соответственно, предусмотренным вторым аспектом изобретения. Эти части не упоминаются далее исключительно из желания сократить объем описания.
Выполнение перехода между первой и второй зонами нагрева не рассматривается как критичное для изобретения, причем возможны различные варианты выполнения этого перехода. Например, первая зона нагрева может постепенно расширяться вблизи своего дальнего конца с формированием второй зоны нагрева. В этом варианте граница между первой и второй зонами нагрева может быть определена достаточно условно. Так, эта граница может быть описана в терминах размеров канала, по которому течет нагреваемая жидкость, например, как плоскость, в которой начинается увеличение поперечного сечения канала или в которой данное увеличение завершается, или как плоскость, лежащая посередине между этими двумя плоскостями. Альтернативное определение границы может быть дано в терминах линейной скорости течения жидкости, например, как точка, в которой эта скорость уменьшается до половины скорости в первой зоне. Функционально переход имеет место, когда пузырьки пара получают возможность выходить через поверхность жидкости, не перемещая жидкость. Параметром, контролируемым в первой зоне, является скорость воды (соответствующая балансу между хорошей теплопередачей при высокой скорости и приемлемым падением гидравлического давления). Во второй зоне контролируемым параметром является уровень воды, соответствующий балансу между теплопередачей, обеспечиваемой за счет того, что нагреватель покрыт водой, и минимизацией объема воды, достигаемой снижением уровня воды, насколько это возможно. Минимизация объема воды в первой и второй зонах позволяет сократить время до начала выдачи воды.
В соответствии со вторым аспектом изобретения нагреваемый проточный канал может нагреваться различными способами. В одной группе вариантов в канал помещен электрический нагревательный элемент (электронагреватель) для нагревания жидкости (аналогично тому, как это имеет место согласно первому аспекту изобретения). Однако такое выполнение не является обязательным. Например, данный канал может составлять одну из сторон теплообменника, тогда как вдоль второй стороны может проходить нагревающая жидкость или нагревающий газ.
Нагревательный элемент для первой зоны или для нагреваемого проточного канала (если он снабжен нагревательным элементом) может иметь любую приемлемую конструкцию. В группе вариантов нагревательный элемент расположен снаружи канала, образующего первую зону нагрева, так что он может представлять собой так называемый толстопленочный элемент (изготовленный методом печати). Такие элементы обычно являются плоскими, но могут наноситься и на неплоские подложки. Альтернативой является резистивный закрытый (трубчатый) нагревательный элемент, имеющий или не имеющий промежуточной металлической теплорассеивающей пластины и устанавливаемый в дне электроприбора. Такой элемент часто применяется в нагревательных устройствах для электрочайников. Преимущества в установке нагревательного элемента снаружи канала состоят в том, что он проще в изготовлении, а средства его защиты от перегрева могут быть установлены в хорошем тепловом контакте с ним, чтобы надежно отключать элемент в случае его включения при отсутствии воды в канале.
В другой группе вариантов используется погружной нагревательный элемент, находящийся внутри канала, образующего первую зону нагрева. Таким образом, в предпочтительных вариантах первая зона нагрева содержит канал для переноса по нему жидкости, а трубчатый нагревательный элемент помещен для нагревания жидкости внутрь указанного канала. Данный элемент может находиться в контакте со стенкой канала, хотя в предпочтительных вариантах он установлен внутри канала таким образом, что жидкость контактирует с ним по длине канала по всей его боковой поверхности. В группе предпочтительных вариантов первая зона нагрева содержит трубчатую оболочку, охватывающую нагревательный элемент и формирующую указанный канал с обеспечением возможности протекания жидкости между нагревательным элементом и оболочкой. Такое выполнение полезно, т.к. обеспечивает большую поверхность контакта между жидкостью и нагревательным элементом, а также способствует минимизации эффекта выплескивания воды при возникновении любых пузырьков, поскольку одиночный пузырек не может занять все поперечное сечение канала. В нормальных условиях, т.е. когда температура массы воды не превышает 85-90°C, формирование пузырьков будет приводить к повышению скорости остающегося потока воды, улучшающему теплообмен и минимизирующему вероятность роста объема пузырьков.
Оболочка может соответствовать профилю нагревательного элемента (например иметь круглое поперечное сечение при использовании нагревательного элемента с круглым поперечным сечением). Однако это требование некритично: оболочке может быть придана форма блока с внутренним каналом для размещения внутри него нагревательного элемента, обтекаемого жидкостью.
2
Для оболочки можно использовать практически любой материал. В одной группе предпочтительных вариантов оболочка выполнена из нержавеющей стали. Это придает конструкции нагревателя прочность и гарантирует устойчивость к перегреву, например, при работе в отсутствие контакта с жидкостью. Желательно, чтобы оболочка имела малую тепловую массу; применительно к оболочке из нержавеющей стали это означает, что она должна быть довольно тонкой, т. е толщина этой оболочки или оболочки из другого металла предпочтительно составляет менее 0,7 мм, более предпочтительно 0,5-0,6 мм. Заявитель установил, что вопреки общепринятым в отрасли оценкам стандартный погружной закрытый нагревательный элемент (например, с диаметром 6,6 мм и плотностью мощности 35 Вт/см) с тонкой оболочкой из нержавеющей стали имеет фактически меньшую тепловую массу, чем соответствующий типичный нагреватель с толстопленочным элементом.
Описанный вариант представляется обладающим новизной и изобретательским уровнем. Соответственно, в другом своем аспекте изобретение обеспечивает создание проточного нагревательного устройства, содержащего проточный канал для жидкости и закрытый нагревательный элемент, установленный в канале таким образом, что в процессе функционирования устройства поверхность нагревательного элемента по меньшей мере частично окружена жидкостью.
Желательно, чтобы поверхность нагревательного элемента в процессе функционирования устройства была полностью окружена жидкостью. Для этого проточное нагревательное устройство согласно данному аспекту предпочтительно содержит описанную выше оболочку.
Нагревательный элемент согласно любому из рассмотренных аспектов изобретения, как и канал или оболочка (по меньшей мере ее внутренний объем), предпочтительно имеют круглое поперечное сечение. Если сечение нагревательного элемента не является круглым, поперечное сечение канала или оболочки (по меньшей мере ее внутреннего объема) предпочтительно имеет ту же форму.
Если нагревательный элемент окружен жидкостью по всей боковой поверхности, его крепежные концы также могут быть соосными с трубкой (оболочкой). Однако в некоторых вариантах оказалось целесообразным поместить между нагревательным элементом и оболочкой разделительный элемент, обеспечивающий поддержание между ними заданного расстояния. Таким разделительным элементом может быть отдельный термостойкий коаксиальный вкладыш. Однако более предпочтительно использовать для этой цели соответствующие элементы, сформированные на нагревательном элементе и/или оболочке.
Так, в одной группе полезных вариантов в наружной поверхности оболочки могут быть сделаны углубления, чтобы образовать выступы, контактирующие с нагревательным элементом и поддерживающие заданное расстояние между ним и остальной поверхностью оболочки, в то же время позволяя жидкости обтекать основную часть поверхности элемента. Выступы могут быть дискретными в продольном направлении; альтернативно, они могут образовывать протяженные продольные ребра, эффективно формирующие множество отдельных каналов, расположенных вокруг нагревательного элемента. Разумеется, дополнительно или альтернативно, такие выступы могут быть выполнены и на нагревательном элементе.
Важным фактором является обеспечение соответствующего управления функционированием проточных нагревательных секций в соответствии с изобретением. Это управление направлено, в частности, на предотвращение перегрева нагревательного устройства, когда оно (по ошибке) работает без жидкости.
Разумеется, для этого можно использовать различные способы. Удобным вариантом является, например, применение закрытого погружного нагревательного элемента, часть которого припаяна к металлической "несущей" пластине, чтобы сформировать горячий поворотный участок точно так же, как это широко используется в электрочайниках с погружным нагревательным элементом. Достоинством такого выполнения является то, что оно позволяет использовать известные средства управления погружными элементами, в частности выпускаемые заявителем и пользующиеся большим успехом средства управления серии R7, обеспечивающие два уровня защиты нагревательного элемента от перегрева. Такие средства подробно описаны в GB 2181598 А. При этом желательно, чтобы данные средства находились в прямом или непрямом электрическом контакте с нагревательным элементом.
Защита от перегрева предпочтительно обеспечивается во второй зоне, в которой вода может кипеть. При этом может быть решена главная проблема защиты от сухого включения проточного нагревательного устройства, содержащего стандартный закрытый нагревательный элемент, установленный в канале и окруженный жидкостью, когда наличие такого канала физически ограничивает возможности хорошего теплового контакта между термодатчиком и элементом.
Описанные решения обладают новизной и изобретательским уровнем, так что в своем следующем аспекте изобретение обеспечивает создание проточного нагревательного устройства, содержащего первую зону с установленным в канале закрытым нагревательным элементом так, что он окружен жидкостью по всей своей длине, причем этот элемент выступает во вторую зону, в которой жидкость может быть доведена до кипения. Устройство содержит также термодатчик, находящийся в хорошем тепловом контакте с участком нагревательного элемента во второй зоне нагрева для детектирования его перегрева.
Термодатчиком может быть, например, термистор, термопара или иной электронный или термомеханический датчик, такой как металлический исполнительный элемент с памятью формы или биметаллический исполнительный элемент. Он может находиться в прямом физическом контакте с нагревательным элементом; однако предпочтительным является хороший тепловой контакт через теплопроводную стенку второй зоны, например, в описанной традиционной схеме для этого используются несущая пластина/горячий поворотный участок.
Предпочтительно часть элемента, находящаяся в хорошем тепловом контакте с термодатчиком, расположена выше остальных нагреваемых частей этого элемента.
Дополнительно или альтернативно, может оказаться желательным измерение температуры жидкости, находящейся в нагревательном устройстве или выводимой из него. Это измерение может, например, способствовать детектированию перегрева или использоваться в качестве одного из сигналов обратной связи для управления расходом воды, протекающей через нагревательное устройство. Когда требуется кипящая вода, управление расходом является целесообразным, поскольку оптимальный расход определяется точным значением мощности нагревательного устройства, характеристиками используемого насоса, напряжением питания и температурой поступающей воды. При этом первые два из названных факторов могут варьировать в пределах допусков на изготовление, тогда как последние два фактора могут изменяться в процессе использования устройства.
Далее, хотя изобретение эффективно обеспечивает получение кипящей воды из проточного нагревательного устройства, в некоторых случаях может оказаться желательным выдавать воду с более низкой температурой или предоставить пользователю возможность задавать эту температуру. Соответственно, в группе предпочтительных вариантов имеются средства управления температурой жидкости, выдаваемой нагревательным устройством.
Заявитель принял во внимание, что температура разливаемой жидкости является функцией мощности нагревательного устройства и расхода жидкости. Соответственно, можно варьировать любой из этих параметров. В некоторых вариантах средство управления температурой содержит средство для изменения расхода жидкости через нагревательное устройство. Например, заявитель определил, что в случае типичного нагревательного элемента мощностью 3 кВт температура воды на выходе может быть близка к 100°C (при начальной температуре примерно 17°C), если ее расход через нагревательное устройство составляет примерно 520 мл/мин. Если уменьшить расход примерно до 475 мл/мин, воде будет передаваться дополнительная энергия, уравновешивающая энергопотери, связанные с выходом пара без передачи его тепла окружающей воде. В результате будет обеспечен режим так называемого бурного кипения, в котором номинальную температуру кипения (в типичном случае 100°C) будет иметь вся масса воды. Альтернативно, при повышении расхода до 900 мл/мин вода будет выдаваться при температуре около 65°C.
Инициирование течения жидкости (например включением насоса или открыванием клапана) может происходить одновременно с подачей питания на нагревательный элемент. Однако в предпочтительных вариантах поток воды формируется с временной задержкой относительно активирования нагревательного элемента. Заявитель принял во внимание, что введение такой задержки позволит выводить при желаемой температуре практически всю жидкость, т.е. избежать выдачи начальной порции жидкости при более низкой температуре. Хотя задержка может быть фиксированной, она предпочтительно определяется в зависимости от температуры жидкости, находившейся в нагревательном устройстве. Так, если эта жидкость является теплой, задержка уменьшается (возможно, до нулевого и даже до отрицательного значения - т.е. насос может запускаться раньше, чем нагревательное устройство, например, если система включается после короткого перерыва, причем была задана невысокая температура на выходе).
Аналогично, поток воды может быть прерван одновременно с отключением нагревательного элемента. Однако в предпочтительных вариантах нагревательный элемент отключается до прерывания потока. Это позволяет использовать для нагревания воды часть тепла, накопленного в нагревательном элементе и в других компонентах. Такой режим не только более энергетически эффективен, но и позволяет быстрее использовать нагревательное устройство для последующего розлива жидкости при меньшей температуре.
Длительность периода, в течение которого может производиться розлив жидкости, может быть фиксированной или бесконечной, например, пока пользователь удерживает нажатой кнопку включения. В группе предпочтительных вариантов розлив жидкости производится в течение времени, заданного пользователем. Это время может задаваться непосредственно; однако желательно задавать его путем управления объемом выдаваемой жидкости. В этом случае длительность розлива будет являться функцией расхода, который, в свою очередь, может быть функцией температуры воды на выходе (как это было пояснено ранее). Осуществление розлива в течение заданного времени полезно в том отношении, что позволяет уменьшить мощность нагревательного элемента или отключить его в конце операции розлива и за счет этого использовать накопленное тепло, как это было описано выше.
Заявитель учел далее, что при розливе жидкости с температурой кипения или близкой к ней очень трудно точно измерить ее температуру, поскольку жидкость во второй зоне будет находиться в турбулентном движении и содержать множество пузырьков пара, так что любое значение температуры, выдаваемое датчиком, например термистором, может быть неточным и флуктуирующим в широких пределах. Тем не менее, заявителю удалось найти решение, обеспечивающее намного более точное и стабильное измерение температуры жидкости на выходе.
Согласно предпочтительным вариантам изобретения средства для определения температуры воды на выходе расположены в первой зоне нагрева. В соответствии с этими вариантами производится измерение температуры жидкости на участке, расположенном перед выходной зоной, а не непосредственно температуры жидкости на выходе. Это стало возможным благодаря осознанию заявителем того что существует сильная корреляция между температурой жидкости в определенной точке внутри первой зоны нагрева и температурой на выходе. При условии, что теплоемкость жидкости и тепловая мощность нагревательного элемента за точкой измерения известны, можно рассчитать выходную температуру. Преимущество измерения температуры в первой зоне состоит в том, что полное или почти полное отсутствие кипящей жидкости в этой зоне позволяет производить значительно более точные измерения температуры.
Точное знание температуры воды во второй зоне (например полученное измерением температуры в первой зоне) обеспечивает ряд преимуществ в отношении управления устройством. Первым и главным среди них является возможность варьирования температуры воды. Кроме того, появляется возможность учитывать неравновесные ситуации, возникающие в связи с предшествующими включениями устройства. Например, если устройство использовалось для розлива кипящей воды, после чего пользователю потребовалась более холодная вода, течение жидкости может быть начато до запитывания нагревателя, причем в некоторых случаях (зависящих от степени охлаждения воды до нового включения) такое запитывание может вообще не требоваться.
Заявитель обнаружил также, что при измерении температуры в первой зоне в некоторых случаях желательно стимулировать создание вращательного (закручивающего) компонента потока воды, направленного вокруг оси канала, поскольку при этом повышается надежность измерений в единственной точке. Такой режим измерения температуры является предпочтительным в отношении затрат по сравнению с измерениями в нескольких точках. В группе вариантов вход в канал, в котором находится первая зона, выполнен с возможностью ввода в канал жидкости вдоль направления, смещенного относительно центральной оси канала, чтобы создать желательное закручивающее (вращательное) движение, обеспечивающее перемешивание жидкости внутри канала и, следовательно, более равномерное распределение температуры. Например, вход может обеспечивать ввод жидкости с тангенциальной составляющей скорости.
В другой группе вариантов, не исключающей варианты первой группы, сам канал в первой зоне сконфигурирован с возможностью стимулирования закручивающего (спирального) течения. Для этого можно использовать различные способы. Так, в некоторых вариантах на внутренней поверхности одной или более стенок канала имеется спиральный профиль. Например, эту поверхность можно снабдить ребрами, канавками или иными выступами и/или углублениями, способствующими созданию закрученного потока. Такие элементы могут быть выполнены по всему периметру внутренней поверхности или на его части и по всей длине канала или на ее части. Данные элементы необязательно должны быть непрерывными: они могут представлять собой серию закругленных выступов или выступов иной формы.
Если в канале находится погружной нагревательный элемент, спиральные элементы могут быть сформированы, дополнительно или альтернативно, на наружной поверхности этого элемента. Другая альтернатива, также не исключающая рассмотренные варианты, состоит во введении в канал специального формирующего элемента. В особенно предпочтительных вариантах такой элемент содержит проволоку, намотанную на закрытый погружной нагревательный элемент, находящийся в канале. Такое решение является не только экономичным, но и простым в осуществлении. Аналогичное решение использует упругую спираль, помещаемую на нагревательный элемент перед его вводом в оболочку в процессе изготовления с последующим освобождением спирали, которая в результате прижимается к внутренней поверхности стенки канала. В данных вариантах толщина проволоки предпочтительно выбирается меньшей, чем величина зазора между поверхностью элемента и стенкой канала. При таком выполнении проволока не формирует отдельные спиральные каналы, а только способствует закручиванию потока за счет завихривания граничного слоя жидкости. В некоторых вариантах толщина проволоки составляет меньше трети от величины зазора в канале.
В соответствии со всеми аспектами изобретения поток жидкости может создаваться за счет гидростатического давления, создаваемого за счет расположения резервуара для жидкости над выходной частью устройства и использования клапана или крана. Однако для переноса жидкости через проточное нагревательное устройство целесообразно использовать насос. Хотя можно использовать любой приемлемый насос, в предпочтительных вариантах применяется центробежный насос. Такие насосы имеют меньшие размеры и являются более тихими, чем поршневые насосы, используемые в некоторых известных устройствах. Можно предположить, что поршневые насосы, которые обычно питаются переменным напряжением от сети, получили применение благодаря их относительной нечувствительности к флуктуациям падения давления на насосе, так что их производительность остается, по существу, неизменной в широком диапазоне давлений. В отличие от них производительность центробежных насосов сильно зависит от перепада давления. Это является проблемой для автономных диспансеров горячей воды, питаемых от статичного резервуара, поскольку входное давление и, следовательно, производительность будут зависеть от уровня воды в резервуаре. Данная проблема может решаться регулировкой скорости насоса с использованием обратной связи. Однако заявитель разработал другой вариант, особенно удобный для бытовых приборов, использующих резервуар для воды.
Более конкретно, согласно предпочтительным вариантам предлагается бытовой прибор, содержащий нагревательное устройство описанного типа, насос для подачи жидкости к нагревательному устройству и резервуар для жидкости, а также промежуточную камеру между резервуаром и насосом и средство для заполнения промежуточной камеры до заданного уровня жидкостью из резервуара.
В соответствии с этими вариантами насос забирает жидкую воду не непосредственно из резервуара, а из промежуточной камеры. Поскольку она заполнена до заданного уровня, давление на входе насоса будет известным и, следовательно, может быть учтено в расчетах скорости насоса, его производительности и т.д. Даже с учетом того, что уровень воды в промежуточной камере может понижаться в процессе розлива, колебания давления будут ограничены небольшим интервалом.
Другое достоинство такого выполнения состоит в том, что жидкость может откачиваться насосом быстрее, чем это допустимо в случае откачки из резервуара. Это прежде всего относится к случаю, когда на выходе резервуара установлен фильтр для воды, поскольку такие фильтры обычно работают наиболее эффективно, когда расход воды через них преднамеренно ограничен (как это имеет место, например, в фильтрах Aqua Optima (RTM), производимых заявителем). Так, типичный расход воды через фильтр Aqua Optima равен примерно 400 мл/мин, хотя, как уже упоминалось, в некоторых случаях желательной является производительность до 900 мл/мин.
Данное решение обладает новизной и изобретательским уровнем. Поэтому изобретение еще в одном своем аспекте обеспечивает создание бытового прибора для розлива нагретой жидкости, содержащего проточное нагревательное устройство, насос подачи жидкости в нагревательное устройство и резервуар для запасания жидкости, а также промежуточную камеру между резервуаром и насосом, выполненную с возможностью заполнения до заданного уровня жидкостью из резервуара.
Резервуар предпочтительно расположен выше, чем промежуточная камера, которая, следовательно, заполняется жидкостью под действием силы тяжести. Объем промежуточной камеры предпочтительно меньше, чем у резервуара.
В некоторых вариантах заданный уровень может соответствовать полной камере - т.е. промежуточная камера должна заполняться до предела. В других вариантах заданный уровень соответствует лишь частичному заполнению промежуточной камеры. Могут быть использованы различные средства для частичного заполнения промежуточной камеры до заданного уровня, например электронные датчики уровня или поплавковый клапан. В некоторых предпочтительных вариантах средство для заполнения промежуточной камеры содержит вентиляционную трубку, выведенную в заполненное воздухом пространство над жидкостью в резервуаре и отходящую вниз до заданного уровня в промежуточной камере. При этом резервуар является герметичным, так что воздух, находящийся над жидкостью, может выходить из резервуара только по данной трубке. При таком выполнении промежуточная камера будет заполняться с вытеснением воздуха через вентиляционную трубку до тех пор, пока уровень жидкости не дойдет до нижнего края данной трубки. После этого воздух уже не сможет поступать в промежуточную камеру, создавая частичный вакуум в резервуаре. В результате жидкость перестанет поступать из резервуара в промежуточную камеру.
Хотя выше изобретение было описано только применительно к проточным нагревательным секциям, заявитель пришел к выводу, что вторая зона, которая может использоваться для кипячения жидкости, может быть полезной в качестве дополнения и к другим типам нагревательных устройств, которые выдают жидкость при температуре ниже точки кипения. Поэтому в следующем своем аспекте изобретение обеспечивает создание устройства для нагрева жидкости, содержащего первую зону нагрева для нагревания в нем жидкости до температуры ниже точки кипения и камеру завершающего нагрева для нагревания жидкости до кипения, внутри которой над поверхностью жидкости имеется пространство для обеспечения возможности выхода пара через поверхность жидкости.
В соответствии с изобретением возможны различные варианты реализации розлива нагретой жидкости из второй зоны. Один вариант просто использует клапан или кран, позволяющий воде выливаться из второй зоны/камеры кипячения. Проблема, связанная с таким вариантом, состоит в том, что расход через такой клапан или кран должен быть точно согласован с расходом, обеспечиваемым насосом. Так, если расход на выходе хотя бы слегка превышает расход на входе (или если выпуск воды начнется слишком рано), нагревательное устройство окажется сухим. Если же расход на выходе окажется слегка меньше расхода на входе, произойдет переполнение выходной камеры или по меньшей мере повышение в ней уровня воды, так что кипение в камере приведет к выплескиванию воды. Это объясняется тем, что пузырьки пара, генерировавшиеся на поверхности, теперь должны будут проходить через вертикальный столб воды, увлекая с собой капельки воды и вынося их с высокой скоростью на поверхность. Как уже упоминалось, насос может начать и завершать формирование входного потока в нерегулярные моменты времени, причем этот поток постоянно изменяется в зависимости от входных переменных: желательной выходной температуры, температуры воды на входе, флуктуации напряжения и естественных колебаний, которые могут происходить в любой системе управления по замкнутому контуру. Трудности управления выходным потоком еще более обостряются необходимостью предотвратить выпуск воды после включения устройства до момента, в который будет закачано достаточно воды, чтобы заполнить систему до заданного рабочего уровня.
Поэтому в предпочтительных вариантах предусмотрено средство, обеспечивающее автоматический выпуск жидкости при достижении жидкостью заданного уровня. Это гарантирует, что некоторое количество жидкости будет удержано, так что поверхность нагревательного устройства будет покрыта настолько, чтобы предотвратить ее перегрев. Такой режим может быть реализован средствами электроники или применением поплавка. Однако предпочтительным является использование затвора, переливаясь через который, жидкость вытекает из второй зоны/камеры кипячения, когда уровень воды в этой зоне/камере превысит заданную высоту (определяемую высотой затвора).
При этом заявитель обнаружил, что такое выполнение позволяет относительно большой поверхности нагревательного устройства оставаться покрытой относительно тонким слоем жидкости и, тем самым, избежать перегрева.
Во всех рассмотренных вариантах нагретая или кипящая жидкость, покидающая камеру завершающего нагрева, может поступать непосредственно в приемную емкость пользователя, например, через сливной носик или переноситься к другим частям электробытового прибора для дальнейшей обработки.
В соответствии с различными аспектами изобретения пар может выходить из второй зоны (камеры кипячения) отдельно от нагретой жидкости. Пар может выходить прямо в атмосферу; однако желательно, чтобы он выходил из той части прибора, которая при его нормальном использовании обращена от пользователя. Так, пар может выводиться с задней стороны устройства. В других вариантах пар может захватываться и конденсироваться соответствующей ловушкой, поддоном или аналогичным приспособлением. Это может быть специальный поддон-каплесборник или, скорее, поддон, находящийся под сливным носиком. Во всех этих случаях может быть желательным, чтобы канал для пара между второй зоной/камерой кипячения и атмосферой был достаточно узким для создания в процессе работы устройства, разности давлений по длине канала, составляющей 10-100 кПа, предпочтительно 20-50 кПа. При создании во второй зоне/камере кипячения давления, слегка превышающего атмосферное, температура кипения воды или другой жидкости слегка повышается, что позволяет повысить реальную температуру жидкости, поступающей в приемную емкость пользователя.
Краткое описание чертежей
Далее, только в качестве примеров, будут описаны со ссылками на прилагаемые чертежи, предпочтительные варианты изобретения.
На фиг.1 в перспективном изображении представлено устройство согласно изобретению для розлива кипящей воды.
На фиг.2 это устройство представлено на частичном виде, чтобы показать его основные компоненты.
На фиг.3 показаны в разрезе резервуар для воды и другие компоненты.
На фиг.4 в разрезе горизонтальной плоскостью показаны распределительный блок и проточные нагревательные секции.
На фиг.5 в разрезе вертикальной плоскостью представлена часть устройства с иллюстрацией внутреннего объема одной из проточных нагревательных секций.
На фиг.6 показаны с пространственным разделением на виде спереди несущая пластина и блок управления.
На фиг.7 несущая пластина и блок управления показаны с пространственным разделением на виде сзади.
На фиг.8 показана камера кипячения со снятой для наглядности несущей пластиной.
На фиг.9 на виде, аналогичном представленному на фиг.8, показан вариант камеры кипячения.
На фиг.10 схематично в увеличенном масштабе на виде сбоку и в сечении показаны нагревательный элемент и оболочка по другому варианту изобретения.
На фиг.11 представлен в увеличенном масштабе входной манифольд согласно еще одному варианту изобретения.
На фиг.12 показан нагревательный элемент для использования в некоторых вариантах изобретения.
На фиг.13 показана в существенно увеличенном масштабе в сечении нагревательная секция, использующая элемент по фиг.12.
На фиг.14 и 15 проиллюстрировано в перспективном изображении проточное нагревательное устройство согласно изобретению.
На фиг.16 устройство по фиг.14 и 15 представлено на частичном виде в разрезе.
Осуществление изобретения
На фиг.1 представлен вариант изобретения, который может быть использован для розлива кипящей воды, когда это требуется, в чашку 2 с целью приготовления горячего напитка. Температура воды может регулироваться поворотом рукоятки 4. Температура разливаемой воды может лежать в интервале от 65°C до точки кипения и даже до состояния "бурного кипения", когда к воде подводится больше энергии, чтобы гарантировать ее полное кипение по всему объему. Количество выдаваемой воды задается второй рукояткой (не изображена). На фиг.1 показан также выход 6 для пара. На верхнюю часть основного устройства прибора помещен резервуар 8 для воды, который пользователю нужно периодически заполнять.
На фиг.2 показаны основные компоненты, находящиеся в устройстве (остальные части не изображены для большей наглядности). На фиг.2 показан резервуар 8 для воды, от которого вниз отходит выпускная трубка 10, подведенная к входной стороне центробежного насоса 12 с низким напряжением питания. Выход насоса 12 через трубку 14 связан с распределительным блоком 16, который распределяет поступающую в него воду между двумя параллельными проточными нагревательными секциями 18, 20, как это будет описано далее со ссылками на фиг.4 и 5.
На дальнем (по направлению течения) конце проточных нагревательных секций 18, 20 находится камера 22 кипячения (камера завершающего нагрева). Она образована контейнером 23, изготовленным из нержавеющей стали методом глубокой вытяжки, прикрепленным к несущей пластине 54 из нержавеющей стали, имеющей примерно круглую форму (см. фиг.3 и 5-7). Камера 22 кипячения имеет отходящий от нее вниз сливной носик 24 для розлива нагретой воды в чашку 2 пользователя.
По меньшей мере одна из проточных нагревательных секций 18, 20 имеет небольшое отверстие 70, выполненное в боковой стенке ее оболочки рядом с камерой кипячения, чтобы установить в него термистор. Альтернативно, он может быть закреплен на поверхности указанной оболочки.
На фиг.3 показан в разрезе резервуар 8. Можно видеть, что в его основании выполнено круглое отверстие 26, предназначенное для установки фильтра для воды, например, модели Aqua Optima, выпускаемой заявителем. Схематично изображенный фильтр обозначен как 28. У данного фильтра имеется небольшое выходное отверстие (имеющее в типичном варианте диаметр 4 мм). В контексте изобретения такой небольшой диаметр целесообразен, поскольку он оказывается слишком малым, чтобы пропускать в фильтр воздух, когда в нем находится вода; в противном случае пузырьки воздуха могли бы проникать в фильтр и резервуар, создавая условия для постоянного потока воды. Нижняя часть фильтра 28 для воды находится внутри промежуточной камеры 30, в центре которой имеется выходное отверстие, сообщающееся с трубкой 10, которая связывает его с насосом 12.
Из верхней части промежуточной камеры 30 выступает вертикальная трубка 32, входящая в основной резервуар 8 и завершающаяся внутри выступа 34, выполненного в верхней стенке резервуара 8. С ее помощью обеспечивается выравнивание давлений в промежуточной камере 30 и в резервуаре 8 для воды.
На фиг.4 показаны в разрезе горизонтальной плоскостью распределительный блок 16 и две параллельные проточные нагревательные секции 18, 20. Насос (на фиг.4 не изображен) подсоединен посредством трубки 14 к вертикальному входному каналу 36 внутри распределительного блока 16. Этот канал соединен внутри блока 16 с двумя горизонтальными патрубками 38, каждый из которых открыт в одну из цилиндрических камер 40, 42 большего диаметра, расположенных под прямым углом к указанным патрубкам 38. В цилиндрические камеры 40, 42 введены концы двух проточных нагревательных секций 18, 20 соответственно. Как показано на фиг.4, у каждой проточной нагревательной секции 18, 20 имеется оболочка 44, 46 и удлиненный закрытый (трубчатый) нагревательный элемент (электронагреватель) 48. Данный элемент содержит корпус из нержавеющей стали и спиральную резистивную проволоку, находящуюся в объеме изолирующего порошкообразного оксида магния. Холодные выводы 50, 52 нагревательного элемента выведены через отверстия, выполненные в задней поверхности распределительного блока 16.
Оболочки 44, 46 проточных нагревательных секций имеют больший диаметр, чем нагревательные элементы 48, так что между этими компонентами в каждой секции 18, 20 имеется кольцевой канал. Как показано на фиг.4, каждая из оболочек 44, 46 герметично присоединена к концу камеры 40, 42 круглого сечения в блоке 16, но не доходит внутри этой камеры до места ее сопряжения с патрубком 38. Как следствие, кольцевой канал в каждой проточной нагревательной секции 18, 20 открыт в цилиндрические камеры 40, 42, образованные внутри распределительного блока 16, тогда как закрытый нагревательный элемент 48 проходит сквозь этот блок и герметизирован относительно него. В результате задается путь для текучей среды от входа в канал 36 через поперечные патрубки 38 и цилиндрические камеры 40, 42 в кольцевые каналы внутри двух проточных нагревательных секций 18, 20.
На фиг.5 представлен общий вид проточных нагревательных секций 18, 20. Можно видеть, что оболочки 44, 46 этих секций другим своим концом герметично прикреплены к камере 22 кипячения. Нагревательный элемент 48 входит в камеру 22 кипячения, внутри которой он изогнут, чтобы сформировать две удлиненные ветви, которые являются компонентами проточных нагревательных секций 18, 20. Более наглядно это проиллюстрировано на фиг.6 и 8.
Как показано на фиг.5 и 6, изогнутый (поворотный) участок нагревательного элемента 48 припаян к несущей пластине 54, выполненной аналогично подобным пластинам в известных трубчатых нагревателях электрочайников. Такой изогнутый нагревательный элемент с движением горячей воды в обратном направлении известен, причем как показано на фиг.7, противоположная сторона несущей пластины 54 выполнена с полукруглым углублением 56 для установки в него биметаллического исполнительного элемента (переключателя) 57 мгновенного действия в составе стандартного блока 58 управления для погружного электронагревателя. На фиг.7 показана также медная полоска 60, которая отходит от изогнутой части нагревательного элемента и в которую упирается плавкий предохранитель 59 из найлона, входящий в состав блока 58 управления для обеспечения дополнительной защиты от перегрева. Альтернативно, как это известно из уровня техники, при использовании несущей пластины с покрытием из никеля никакой медной полоски не требуется.
При рассмотрении фиг.7 специалистам будет понятно, что холодные выводы 50, 52 нагревателя проходят не через несущую пластину 54 (как в традиционных трубчатых нагревателях электрочайников), а через распределительный блок 16 (не изображенный для большей наглядности на фиг.7). Вместо них через несущую пластину 54 проведены имитирующие их детали 62, 64, находящиеся в электрическом контакте с блоком 58 управления и соединенные посредством проволочных выводов (не изображены) с холодными выводами 50, 52. Такое выполнение позволяет использовать без каких-либо модификаций, стандартный блок 58 управления. Тем самым достигается существенное снижение себестоимости по сравнению с вариантом, требующим конструирования и изготовления специализированного блока управления. Несущая пластина снабжена тремя монтажными штырями 65 для фиксации блока 58 управления.
Внутренний объем камеры 22 кипячения лучше всего проиллюстрирован на фиг.8, где она показана со снятой несущей пластиной 54. Можно видеть, что камера 22 кипячения имеет форму короткого цилиндра, причем его внутренний объем ограничен присутствием двух деталей 62, 64, поворотного участка нагревательного элемента 48 и вертикальным выступом 66, в котором выполнен центральный канал 68, сообщающийся со сливным носиком 24. Верхняя поверхность выступа 66 находится на уровне верхней части трубчатого нагревательного элемента 48 или немного выше этого уровня. С учетом высоты мениска это гарантирует, что элемент 48 всегда остается покрытым водой, предотвращающей его перегрев при нормальном использовании. В верхней стенке контейнера 23, образующего камеру 22 кипячения, выполнено отверстие 72, формирующее канал для выхода пара, сообщающийся с выходом 6 для пара, предусмотренным в верхней части устройства.
На фиг.9 представлен вариант камеры 22 кипячения, в котором дополнительно имеется U-образная заслонка 69, распложенная над выступом 66. Ее открытый конец обращен от проточных нагревательных секций 20. Ее заслонки препятствуют поступлению воды, выходящей из этих секций, непосредственно к выходному каналу 68 и тем самым гарантируют заданный нагрев воды до кипения.
Далее будет описано функционирование устройства. Сначала пользователь заполняет водой резервуар 8. Для этого он снимает резервуар, переворачивает его, удаляет фильтр 28 для воды и наливает воду из-под крана, а затем возвращает на место фильтр 28, переворачивает резервуар и снова устанавливает его в устройство. Вода сразу же начинает течь через фильтр 28 для воды со скоростью, которая, как известно, определяется ограниченным диаметром выхода фильтра. Вода, прошедшая через фильтр 28, начинает заполнять выпускную трубку 10, а затем нижнюю промежуточную камеру 30, вытесняя воздух через вентиляционную трубку 32 в герметичное пространство в верхней части резервуара 8. После того как уровень воды в промежуточной камере 30 достигнет нижнего края трубки 32, воздух больше не может вытесняться из камеры, так что движение воды прекращается.
Когда пользователь хочет произвести розлив воды, он задает требуемую температуру первой рукояткой 4, а затем поворачивает вторую рукоятку (не изображена) из положения "Выключено" в положение, соответствующее требуемому объему. Сначала управляющий контур (не изображен) активирует нагревательный элемент 48. Через 1 с или 2 с (в зависимости от температуры воды, уже находящейся в нагревательном устройстве) включается насос 12, чтобы подавать воду из нижней камеры 30 по трубкам 10, 14 в распределительный блок 16. В других вариантах насос может включаться перед включением нагревательного устройства.
За счет прохождения воды через патрубки 38 в распределительном блоке происходит балансирование потока между правой и левой секциями. Сечение этих патрубков выбрано таким, что падение давления на этом участке больше, чем в остальных частях гидравлической системы. Это является важным условием для обеспечения нормального течения в кольцевых проточных секциях 18, 20. Например, если в одной из секций 18, 20 (но не в обеих секциях) появится какое-то небольшое препятствие для жидкости, его влияние на расход жидкости будет незначительным, поскольку основное падение давления происходит внутри патрубков 38. Желательный эффект достигается примерно при соотношении падений давления около 10:1. Так, если падение давления в трубчатых нагревательных секциях 18, 20 эквивалентно 40 мм водяного столба, падение давления в патрубках 38 должно быть эквивалентно 400 мм водяного столба.
После того как вода поступит в распределительный блок 16, она будет прокачиваться через него в кольцевой канал каждой из двух проточных нагревательных секций 18, 20, т.е. проходить между нагревательным элементом 48 и охватывающими его оболочками 44, 46 из нержавеющей стали. В результате происходит быстрый нагрев воды от комнатной температуры (порядка 20°C) в распределительном блоке 16 до примерно 85°C у дальних (от распределительного блока) концов проточных нагревательных секций 18, 20.
Мониторинг температуры воды обеспечивается термистором, введенным в отверстие 70 в боковой стенке одной или обеих проточных нагревательных секций 18, 20, расположенное вблизи камеры 22 кипячения. Поскольку вода не является кипящей и, следовательно, не содержит много пузырьков пара, обеспечиваются высокие точность и надежность отслеживания температуры.
Затем вода выходит из проточных нагревательных секций 18, 20 во внутренний объем камеры 22 кипячения, заполняя его и, следовательно, покрывая поворотный участок нагревательного элемента 48, который находится внутри камеры кипячения. Этот участок нагревательного элемента 48 продолжает нагревать воду в камере 22, причем теперь уже с образованием большого количества пузырьков, которые проходят через поверхность воды, образуя пар. При этом пар может легко выходить из камеры кипячения через выполненный в ее верхней части канал 72 для выхода пара.
Как показано на фиг.8, когда уровень воды в камере 22 кипячения сравняется или превысит высоту выступа 66, она начнет выливаться через канал 68 и сливной носик 24 в чашку 2. Мощности насоса и нагревательного элемента 48 согласованы таким образом, что к моменту, когда вода начнет выходить из камеры кипячения через канал 68 и сливной носик 24, она будет в состоянии эффективного кипения. При этом предусматривается подача избыточного количества энергии по сравнению с количеством, теоретически требуемым для нагрева воды до температуры 100°C, чтобы обеспечить бурное кипение, при котором вода, действительно, достигает температуры, очень близкой к температуре кипения. Высота выступа 66 выбрана такой, чтобы нагревательный элемент 48 оставался покрытым водой независимо от ее расхода.
Кипящая вода будет выдаваться до тех пор, пока не будет розлит объем, заданный пользователем. В этом момент насос 12 отключается. Чтобы повысить энергоэффективность устройства, нагревательный элемент 48 отключается за 2 с до отключения насоса. Энергии, накопленной к этому моменту в нагревательном элементе и в других компонентах, достаточно, чтобы вода продолжала кипеть.
Возвращаясь к фиг.3, должно быть понятно, что благодаря наличию промежуточной камеры 30, из которой забирается вода, расход забираемой воды может превышать ее расход через фильтр 28. Емкость камеры 30 выбрана такой, чтобы с учетом ее пополнения во время работы насоса можно было бы заполнить большую кружку пользователя до того, как расход воды станет слишком малым (т.е. ограниченным скоростью протекания воды через фильтр), что потребует выключения устройства для предотвращения перегрева нагревательного элемента 48. Так, если принять, что для розлива 250 мл воды (объем большой кружки) с температурой 65°C требуется около 15 с, за это время через типичный фильтр Aqua Optima пройдет только 100 мл воды. Однако при наличии промежуточной камеры объемом всего 150 мл большую кружку можно будет наполнить без опасности перегрева нагревательного элемента.
Наличие промежуточной камеры 30 означает, что давление, под которым вода входит в насос 12 по меньшей мере вначале, известно, так что определенный расход может быть обеспечен даже с использованием относительно недорогого и тихого центробежного насоса. Разумеется, как только эта камера снова будет заполнена водой из резервуара 8, розлив может быть возобновлен.
Если резервуар 8 для воды будет опустошен, нагревательный элемент 48 начнет перегреваться. Однако это может быть обнаружено с помощью датчика температуры, введенного через соответствующие отверстия 70 в стенках проточных нагревательных секций 18, 20. В качестве резервного элемента биметаллический переключатель в блоке 58 управления будет при перегреве нагревательного элемента 48 мгновенно переходить в состояние с обратной кривизной, размыкая хорошо известным образом контакты в блоке управления. Дополнительная защита обеспечивается плавким предохранителем в блоке 58 управления, т. е тоже хорошо известным способом. Конструкция нагревателя гарантирует, что в случае полного выкипания или сухого включения горячий поворотный участок нагревательного элемента, припаянный к головке 53, первым становится сухим. Это достигается за счет того, что потоки в проточных секциях 18, 20 первого нагревателя остаются сбалансированными (как это было пояснено выше) при любых неблагоприятных условиях, а также за счет того, что данная часть элемента 48 расположена немного выше, чем остальные его части благодаря приданию нагревательному элементу и охватывающим его трубкам секций 18, 20 небольшого наклона. Еще одно преимущество такого выполнения состоит в возможности вентилирования секций 18, 20 при заполнении водой из сухого состояния, когда поток воды может легко проталкивать перед собой объем воздуха, вытесняя его в камеру 22 кипячения без образования воздушной пробки.
Если пользователь захочет получить воду при более низкой температуре, он может задать эту температуру с помощью рукоятки 4, расположенной в верхней части устройства. В результате насос 12 будет работать на повышенной скорости, что приведет к росту расхода воды, проходящей через устройство, и тем самым к снижению температуры выдаваемой воды. И в этом случае знание напора воды на входе насоса позволяет рассчитать реальный расход воды при определенной скорости насоса и, следовательно, температуру разливаемой воды. Датчики температуры, введенные в отверстия 70, позволяют предсказывать температуру воды, выдаваемой через сливной носик 24, на основе данных о том, какая доля нагревательного элемента 48 расположена перед данным отверстием, а какая доля (приходящаяся в основном на его поворотный участок внутри камеры кипячения) расположена за ним. Термодатчик может быть использован также для задания задержки между активацией насоса и включением элемента 48 в зависимости от температуры воды, находящейся в устройстве (например оставшейся от предыдущего цикла работы), и с учетом температуры воды, заданной пользователем.
Из приведенного описания должно быть понятно, что описанный вариант обладает достоинствами проточного нагревательного устройства, т.е. способен выдавать контролируемый объем воды по требованию, обладая при этом существенным преимуществом - способностью выдавать кипящую воду. Ключевыми факторами в достижении этого преимущества, а также в предотвращении выплескивания кипящей воды и локализации горячих точек на нагревательном элементе являются наличие камеры кипячения и раздельное выведение пара (через выход 72) и воды (через канал 68 и носик 24).
На фиг.10 представлен на двух различных видах закрытый нагревательный элемент 80 обычной конструкции, установленный внутри оболочки 82 из нержавеющей стали так, что вода может течь между наружной поверхностью электронагревателя 80 и внутренней поверхностью оболочки 82. Данная конструкция аналогична описанной применительно к предыдущему варианту, представленному на фиг.4 и 5. Однако в варианте по фиг.10 оболочка из нержавеющей стали снабжена серией углублений 84, взаимно смещенных по ее длине и по окружности и образующих выступы на ее внутренней поверхности, которые уменьшают диаметр оболочки 82 в соответствующих сечениях настолько, что она касается поверхности нагревательного элемента 80. Это обеспечивает поддержание элемента внутри оболочки 82 точно по ее оси. Углубления 84 не оказывают существенного влияния на поток воды между элементом 80 и оболочкой 82, поскольку вода может обтекать практически всю его поверхность.
Данный вариант может быть модифицирован за счет слияния углублений 84 в продольном направлении с образованием непрерывных впадин и соответствующих им непрерывных ребер на внутренней поверхности, которые также могут обеспечить центрирование нагревательного элемента 80. В этой модификации между ребрами могут быть сформированы раздельные каналы для воды. Разумеется, количество углублений/выступов и их распределение не являются критичными. Кроме того, вместо углублений или в дополнение к ним могут быть сформированы выступы на поверхности элемента 80. Описанные признаки могут быть использованы и в других вариантах изобретения.
На фиг.11 представлена модификация вариантов, представленных на предыдущих чертежах, характеризующаяся иным решением для ввода воды в кольцевые каналы, образованные между оболочками 44, 46 и U-образным погружным нагревательным элементом 48. Вместо распределительного блока 16 (показанного на фиг.4) в этом варианте имеется входной манифольд, содержащий общий вход 86, сообщающийся с двумя подводящими трубками 88, 90, которые направляют воду к соответствующим входным втулкам 92, 94. Можно видеть, что втулки 92, 94 обеспечивают на одном своем конце герметизацию концов оболочек 44, 46 проточных нагревательных секций, а на другом конце - герметичное сопряжение по поверхности нагревательного элемента 48. При этом параметры данных компонентов можно выбрать так, чтобы холодные выводы 50, 52 входили внутрь нагревательного элемента 48 достаточно глубоко с целью предотвращения нагрева части поверхности нагревательного устройства, находящейся в контакте с указанным уплотнением.
Следует также отметить, что трубки 88, 90 подведены к входным втулкам 92, 94 в направлениях, смещенных относительно центральных осей секций. В результате вода, входящая в данные втулки и далее текущая по кольцевым каналам, образованным оболочками 44, 46, приобретает в дополнение к осевому компоненту скорости, направленному вперед, компонент, направленный вокруг нагревательного элемента 48, расположенного на оси оболочки, т.е. закручивающий компонент. Движение закручивания сохраняется в процессе движения воды по длине секций, что способствует перемешиванию воды внутри них, т.е. обеспечению более равномерного распределения температуры по длине секций и, соответственно, повышению точности измерений температуры.
На фиг.12, 13 проиллюстрирован другой вариант нагревателя, обеспечивающий поддержку спиральной траектории воды внутри кольцевых каналов проточных нагревательных секций. На фиг.12 показан трубчатый электронагреватель (ТЭН) 48', аналогичный использованным в предыдущих вариантах. Отличие данного варианта состоит в том, что на каждое из плеч нагревательного элемента плотно намотаны по спирали тонкие проволоки 96, 98. Такая намотка производится в процессе изготовления устройства до введения плеч элемента 48' в соответствующие оболочки 44, 46 (показанные, например, на фиг.4) с образованием кольцевых каналов, по которым в процессе функционирования устройства течет вода. Проволоки 96, 98, предпочтительно изготовленные из нержавеющей стали, могут иметь, например, диаметр 0,6 мм, хотя в данном случае можно использовать и проволоки из других материалов, с другими диаметрами и с различными углами намотки. Однако как можно видеть из фиг.13, в данном варианте толщина по меньшей мере проволоки 96, намотанной вокруг нагревательного элемента 48', недостаточна, чтобы полностью перекрыть кольцевой канал между элементом 48' и оболочкой 44. Эта толщина может быть выбрана, например, не превышающей половины ширины канала, в частности составляющей примерно треть этой ширины. Было обнаружено, что присутствие проволок 96, 98 способствует спиральному движению воды в соответствующих каналах, что, как описано выше, приводит к более равномерному распределению температуры и облегчает ее измерения. Вариант по фиг.12, 13 может применяться в сочетании с входным манифольдом по фиг.11, хотя это условие не является критичным.
Далее, со ссылками на фиг.14-16, будет описан еще один вариант изобретения. Как показано на фиг.14, этот вариант содержит, по существу, обычную проточную нагревательную секцию 100 примерно S-образного профиля и блок 102 кипячения на дальнем (по направлению движения воды) конце проточной нагревательной секции 100.
Как показано на фиг.15, проточная нагревательная секция 100 содержит трубку 104 для воды примерно квадратного сечения, к нижней стороне которой припаян нагревательный элемент (трубчатый электронагреватель, ТЭН) 106. Трубка 104 и ТЭН 106 имеют точно соответствующие друг другу профили в вертикальной плоскости, которые, как было упомянуто, являются S-образными. К нижней стороне ТЭНа 106 на различных его отрезках припаяна теплорассеивающая пластина 108. На нижней стороне данной пластины имеются три втулки 110 (видны только две из них), которые позволяют установить термомеханический управляющий блок 112 для защиты от перегрева в хорошем тепловом контакте с теплорассеивающей пластиной 108. Представленный на фиг.15 блок 112 - это выпускаемый заявителем блок управления мод. U11, содержащий пару биметаллических переключателей мгновенного действия, которые при обнаружении перегрева срабатывают индивидуально, размыкая соответствующие контакты, чтобы прервать подачу питания на нагревательный элемент (ТЭН) 106. Разумеется, для этой цели могут быть применены и другие органы управления, термомеханические и/или электронные.
На фиг.16 более подробно в продольном разрезе проиллюстрирован блок 102 кипячения со снятой для большей наглядности крышкой.
На фиг.16 показано, что на входном конце блока 102 кипячения предусмотрены средства для герметичного сопряжения с ним трубки 104 для воды и нагревательного элемента 106. Как можно видеть из фиг.16, трубка 104 заканчивается внутри блока 102 кипячения у зоны ее ввода, тогда как нагревательный элемент 106 проходит по всей длине блока 102 кипячения и выступает из другого его конца через соответствующее отверстие, снабженное уплотнением. Такое выполнение позволяет обеспечить электрическое соединение с другим холодным выводом 114 элемента 106.
Можно видеть, что блок 102 кипячения имеет удлиненную форму с примерно прямоугольным сечением, причем участок элемента 106, находящийся внутри данного блока, занимает его нижнюю часть, хотя вода может обтекать данный элемент со всех сторон. Отверстие в верхней части одной из боковых стенок блока кипячения открыто в канал 116 выведения пара, по которому пар может выходить в атмосферу со стороны, обращенной от пользователя, или может захватываться и конденсироваться соответствующей ловушкой, поддоном или аналогичным приспособлением. Вблизи одного конца блока 102 кипячения находится вертикальная сливная трубка 118 для горячей воды, которая введена в блок кипячения до высоты, слегка превышающей верхнюю границу нагревательного элемента 106. Выпускная трубка 118 смещена в сторону относительно элемента 106 и помещена в предусмотренный для нее выступ в боковой стенке.
Этот вариант изобретения функционирует аналогично предыдущим. Сначала активируется нагревательный элемент 106 путем подачи напряжения на его холодные выводы 107, 114 через неизображенные подсоединения к блоку 112 управления. Вода подается посредством насоса из резервуара (эти компоненты не изображены) к входному концу канала внутри трубки 104. Как было отмечено применительно к предыдущим вариантам, подача воды может начинаться одновременно, до или после подачи напряжения на элемент 106. При протекании воды через трубку 104 она нагревается элементом 106 до тех пор, пока не поступит в блок 102 кипячения при температуре около 85°C. Вода продолжает нагреваться элементом 106, находясь в блоке 102 кипячения, так что у поверхности нагревательного элемента начинается кипение, приводящее к интенсивному движению воды и возникновению крупных пузырьков пара. Однако пар может свободно выходить через канал 116, хотя на выходе этот канал 116 может быть сделан искривленным, чтобы давление пара внутри блока 102 кипячения могло немного, например на 25-50 кПа, превысить атмосферное давление. В результате температура кипения воды слегка повышается, т.е. максимизируется температура воды на выходе.
Когда вода в блоке кипячения достигает уровня верхнего края сливной трубки 118, она получает возможность свободно стекать вниз по этой трубке и далее через сливной носик устройства (не изображен) в приемную емкость, подставленную пользователем. Таким образом, стенка выпускной трубки 118 внутри блока кипячения действует наподобие водяного затвора, чтобы поддерживать минимальный уровень воды в блоке кипячения. Поскольку вода на этом минимальном уровне покрывает элемент 106, гарантируется, что при нормальном функционировании элемент 106 остается покрытым водой и поэтому не может перегреться. Однако если в резервуаре кончится вода или если произойдет "сухое включение" устройства, температура нагревательного элемента 106 будет очень быстро возрастать. Это повышение температуры будет передаваться посредством теплорассеивающей алюминиевой пластины 108 биметаллическим переключателям блока 112 управления, что заставит их разомкнуть соответствующие контакты и прервать подачу питания на элемент 106, т.е. предотвратить опасный перегрев и/или повреждение нагревателя. Следует отметить, что участок элемента 106, находящийся внутри блока кипячения, не находится в прямом тепловом контакте с теплорассеивающей пластиной 108. Это является преимуществом в ситуации, когда заканчивается вода в резервуаре, поскольку в этом случае элемент 106 перегревается сначала в зоне, в которой он припаян к трубке 104, тогда как его участок в блоке кипячения остается внутри минимального объема воды, удержанной затвором, образованным выпускной трубкой 118. Следовательно, даже в этих условиях обеспечивается возможность быстрого отключения питания, чтобы избежать перегрева.