УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАГРЕВАНИЯ ЖИДКОСТИ И СПОСОБ НАГРЕВАНИЯ ЖИДКОСТИ
LUQUID HEATING DEVICE AND METHOD OF LIQUID HEATING

Настоящее изобретение относится к устройству нагревания жидкости, предназначенному для использования в машине для приготовления горячих напитков.
Настоящее изобретение относится также к способу быстрого и точного нагревания жидкости.
Из патента ЕР 1380243 известно устройство нагревания жидкости, предназначенное, в частности, для использования в кофеварках. Это устройство нагревания содержит металлическую трубку, в которой предназначенная для нагревания жидкость циркулирует от впускного канала к выпускному каналу. Наружная поверхность трубки на нескольких участках ее длины покрыта множеством наборов последовательно соединенных электрических нагревательных сопротивлений. В металлической трубке выполнена цилиндрическая вставка, образующая с внутренней стенкой спиралевидный канал для циркуляции жидкости, способствуя таким образом турбулентной циркуляции и быстрой передаче энергии от трубки к жидкости. Кроме того, на входе впускного канала установлен расходомер. Устройство дополнительно содержит множество температурных датчиков, установленных на трубке на входе и на выходе каждого набора нагревательных сопротивлений. Принцип распределения энергии нагревания в данном случае основан на модулировании электрической мощности, развиваемой нагревательными элементами, которые могут коммутироваться независимо друг от друга или последовательно в зависимости от температуры воды на входе канала.
Несмотря на то что устройство отличается хорошими результатами в плане быстроты нагревания, оно является относительно громоздким, поскольку предназначенный для нагревания объем воды определяет высоту трубки, и дорогим, так как требует печатания нагревательных сопротивлений в виде толстых пленок на поверхности трубки (называемых обычно «thick films»).
Кроме того, точность регулирования температуры жидкости является ограниченной, так как жидкость не имеет непосредственного контакта с датчиками, которые находятся снаружи трубки. Быстрота реагирования на изменение температуры является недостаточной, что связано с инерцией нагреваемой жидкости и отрицательно сказывается на точности регулирования температуры. Необходимо также отметить, что близость температурных датчиков к наборам нагревательных сопротивлений может бесконтрольно влиять на измерения из-за теплопроводности стенки трубки.
В области кофеварок расход нагреваемой воды, предназначенной для приготовления кофе, является относительно низким, обычно порядка нескольких десятков мл/мин. При этом имеющиеся в наличии на рынке расходомеры обладают низкой точностью при измерении расходов менее 200 мл/мин. Погрешности измерения расхода в этом варианте применения являются дополнительной проблемой для точного расчета энергии, необходимой для достижения заданной температуры на выходе устройства. В патенте ЕР 1380243 погрешности, связанные с расходомером, невозможно скорректировать, пока жидкость не покинет нагревательное устройство, поскольку для расчета количества энергии, необходимой для устройства, учитывается только температура на входе.
Кроме того, в этом документе ничего не говорится о практическом выполнении температурных датчиков на поверхности трубки, и в любом случае такое выполнение является сложным, если учитывать технологию, предлагаемую для выполнения наборов нагревательных сопротивлений.
В патенте US 6246831 раскрывается система контроля за нагреванием жидкости для бытовых нужд или индивидуальная цистерна, содержащая множество нагревательных камер с электрическими нагревательными элементами, работающими в непрерывном режиме. Регулирование температуры основано на использовании температурных датчиков в каждой камере и определении отклонения между заданной температурой и суммой температур, измеренных в каждой камере. Прибор управления быстро реагирует на изменения температуры и корректирует расчет мощности, используя модулирование мощности. Однако такой способ не учитывает мгновенных изменений реального количества жидкости, циркулирующей в устройстве; это количество основано на косвенной методике расчета. Таким образом, внезапные изменения рабочих условий могут свести на нет эффективность расчета, поэтому система в основном приспособлена для стабильных условий потока, но не годится для получения горячей воды в кофеварке, где расход может резко меняться.
Задача настоящего изобретения заключается в устранении вышеуказанных и других недостатков путем создания устройства нагревания жидкости, использующего простые, компактные и недорогие средства.
Задачей настоящего изобретения является также создание такого нагревательного устройства, которое позволяет осуществлять мгновенное нагревание жидкости за счет предварительного разогрева упрощенной нагревательной системы без предварительного и скрытого накапливания тепловой энергии до заданной выходной температуры, находящейся в пределах от значения температуры на входе и 100°С, повысить точность регулирования температуры жидкости на выходе, а также производить энергию, необходимую и достаточную для нагревания жидкости до указанной заданной температуры.
В связи с этим объектом настоящего изобретения является устройство нагревания жидкости для получения горячей жидкости или пара, в частности, для бытовых нужд и, в частности, для приготовления горячих напитков, содержащее корпус, оборудованный каналом для циркуляции жидкости, при этом канал содержит вход для жидкости и выход для жидкости и соединен, по меньшей мере, с одним электрическим нагревательным элементом, питание которого управляется средствами коммутации, соединенными со средствами управления; при этом канал содержит, по меньшей мере, первые и вторые участки канала, соединенные между собой третьим участком канала, образующим соединительный канал; при этом, по меньшей мере, первые и вторые участки канала соединены, каждый, по меньшей мере, с одним нагревательным элементом. Соединительный канал связан с промежуточным температурным датчиком, соединенным со средствами управления; при этом промежуточный температурный датчик выполнен с возможностью вхождения в прямой или косвенный контакт с жидкостью, циркулирующей в канале, для измерения температуры жидкости. Устройство отличается тем, что содержит расходомер, измеряющий количество жидкости, проходящей через канал, и тем, что средства управления и коммутации выполнены с возможностью управления указанным нагревательным элементом указанного, по меньшей мере, второго участка канала в зависимости от количества полезной энергии, необходимого для подачи во второй участок канала с целью доведения промежуточной температуры, измеренной промежуточным температурным датчиком, до заданной температуры; при этом количество энергии рассчитывают при помощи средства управления в зависимости от количества жидкости, измеренного расходомером, от измеренной промежуточной температуры и от заданной температуры на выходе устройства, при этом количество энергии подается на нагревательный элемент, по меньшей мере, второго участка канала при помощи средств управления и коммутации через определенные интервалы времени.
Согласно предпочтительному варианту выполнения определенные интервалы времени являются меньшими 500 миллисекунд. В связи с этим необходимо отметить, что при использовании импульсного расходомера интервал времени приводят к частоте импульсов импульсного расходомера.
Таким образом, изобретение повышает точность регулирования температуры и, следовательно, обеспечивает оптимальное использование потребляемой энергии за счет того, что, с одной стороны, измерение температуры жидкости происходит напрямую и, с другой стороны, рассчитанная и подаваемая энергия нагревания учитывает мгновенные изменения расхода.
Согласно предпочтительным отличительным признакам устройство в соответствии с настоящим изобретением дополнительно содержит температурный датчик для измерения входной температуры жидкости, выполненный с возможностью вхождения в прямой или косвенный контакт с жидкостью на входе устройства для измерения температуры жидкости, и расходомер, установленный, например, перед входом первой камеры. Предусмотрены также средства регулирования для расчета поправочного коэффициента с целью корректировки мощности, подаваемой на нагревательное тело второго участка канала, в зависимости от измеренной входной температуры и промежуточной температуры, от расхода, измеренного расходомером, и от энергетического баланса.
Предпочтительно средства управления и коммутации выполнены также с возможностью управления нагревательным элементом первого участка канала в зависимости от теоретического количества полезной энергии, необходимой для подачи в первый участок канала с целью доведения количества жидкости от входной температуры, измеренной входным датчиком, до заданной промежуточной температуры.
На практике для подачи соответствующего теоретического количества энергии на нагревательный элемент первого участка канала измеряют температуру жидкости, предназначенной для нагревания, на входе устройства при помощи датчика, находящегося в прямом или косвенном контакте с измеряемой жидкостью, и определяют необходимое количество энергии в зависимости от количества предназначенной для нагревания жидкости (определенного при помощи расходомера) для достижения заданной промежуточной температуры по формуле Е = количество предназначенной для нагревания жидкости × (заданная промежуточная Т - измеренная промежуточная Т) × теплоемкость жидкости.
Для подачи соответствующего теоретического количества энергии на нагревательный элемент второго участка канала количество энергии вычисляют по формуле Е = количество предназначенной для нагревания жидкости × (требуемая температура на выходе - измеренная промежуточная температура) × теплоемкости жидкости.
Вместе с тем, чтобы учитывать возможные ошибки и погрешности при измерении расхода, допуски мощности нагревательных элементов, напряжение в сети и так далее, предпочтительно применять поправочный коэффициент, вычисляемый по формуле:
k=(измеренная промежуточная Т - измеренная входная Т)/(заданная промежуточная Т - измеренная входная Т).
После этого поправочный коэффициент вводят в средства управления для корректировки значения количества энергии, необходимого для нагревания жидкости во второй камере, чтобы получить температуру, максимально близкую к требуемой температуре на выходе нагревательного блока.
Эти расчеты скорректированных энергетических балансов и подачу вычисленного таким образом количества энергии на нагревательные элементы осуществляют через короткие повторяющиеся интервалы, чтобы учитывать измерения расхода, зарегистрированные расходомером.
Предпочтительно расчет производят через равномерные интервалы, примерно равные 30 мс. Определенное при помощи такого расчета количество энергии нагревания подают во время каждого импульса расходомера (для расходомера, работающего в импульсном режиме) либо, как правило, примерно каждые 10-100 мс, предпочтительно каждые 10-30 мс. Таким образом, обеспечивают быстрое реагирование нагревания на резкие изменения расхода.
Конструкция устройства в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно позволяет точно определять разность между заданной промежуточной температурой и измеренной промежуточной температурой и, следовательно, вычислить поправочный коэффициент для точного определения энергии, необходимой для нагревания жидкости в следующем или следующих участках канала, чтобы довести жидкость от измеренной промежуточной температуры до заданной выходной температуры.
Таким образом, устройство в соответствии с настоящим изобретением позволяет компенсировать ошибки и корректировать неточности и допуски измерительных элементов и элементов производства энергии нагревания, в частности ошибки измерений расходомера, допуски мощности нагревательных элементов, напряжение сети и т.д.
Для корректировки этих ошибок на втором участке канала, в частности, допусков мощности нагревательных элементов, напряжения сети и других погрешностей можно измерять выходную температуру и при помощи тех же расчетов энергетического баланса вычислять новый поправочный коэффициент, применяемый для этого второго участка канала. Этот второй поправочный коэффициент применяют для количества энергии, используемого для следующего расчета.
Чтобы компенсировать также колебания напряжения в сети по отношению к нормальному значению, устройство регулярно измеряет напряжение и/или ток сети и вычисляет поправочный коэффициент, отражающий изменение напряжения и/или тока, и применяет этот поправочный коэффициент для вычисления количества энергии, необходимого для подачи на нагревательные элементы, чтобы скорректировать время срабатывания нагревательных элементов в зависимости от этих изменений.
Согласно предпочтительному варианту выполнения настоящего изобретения участки канала, соединенные соответственно, по меньшей мере, с одним нагревательным элементом, образуют, каждый, камеры, соединенные между собой при помощи соединительного канала, сечение которого меньше сечения камер, при этом один или несколько нагревательных элементов погружены в каждую из камер.
Согласно предпочтительным отличительным признакам каждый нагревательный элемент содержит сопротивление, при этом каждое сопротивление каждого нагревательного элемента имеет независимую коммутацию. Таким образом, корректировку температур можно производить быстрее и обеспечивать более высокую точность выходной температуры. Это позволяет также избежать проблем, связанных с резкими скачками или падениями напряжения (эффект «мигания»).
Согласно первому варианту выполнения количество нагревательных элементов равно двум, при этом каждый нагревательный элемент установлен в отдельной камере и содержит два сопротивления, при этом каждое сопротивление двух нагревательных элементов выполнено с возможностью коммутации независимо друг от друга при помощи средств коммутации.
Согласно второму варианту выполнения количество нагревательных элементов равно четырем, при этом каждый из них установлен в отдельной камере и содержит сопротивление, при этом каждое сопротивление выполнено с возможностью независимой коммутации при помощи средств коммутации. В этом варианте выполнения промежуточный температурный датчик устанавливают на выходе камеры, сообщающейся с входом жидкости, и на входе камеры, сообщающейся с выходом жидкости.
Таким образом, конструкция устройства в соответствии с настоящим изобретением позволяет использовать нагревательные элементы, выполненные в виде сменных термоблоков, которые имеются в наличии на рынке и являются более экономичными по сравнению с печатными наборами сопротивлений из предшествующего уровня техники.
Использование множества нагревательных блоков такого типа, имеющих номинальную мощность ниже 450 Вт, предпочтительно меньшую или равную 400 Вт, при напряжении 230 В предпочтительно позволяет за счет последовательного и неодновременного подключения различных нагревательных блоков, установленных в канале, с определенной частотой, предпочтительно порядка 10 мс, распределить нагрузку на электрическую сеть и ограничить таким образом возможность резких перепадов напряжения, вызывающих эффект мигания. Кроме того, использование такого типа нагревательного блока позволяет выполнить устройство с низкой тепловой инерцией, что позволяет последовательно получать жидкости с разной температурой на выходе, например, в зависимости от вида получаемого напитка, через короткие интервалы времени. В частности, устройство в соответствии с настоящим изобретением позволяет оптимизировать изменяющуюся температуру жидкости в машине для приготовления горячих напитков, описанной в американской патентной заявке №10/983,671, поданной 9 ноября 2004 года под названием «Способ и устройство для оптимизации изменяющихся температур жидкости». Полное содержание этой заявки включено в качестве ссылки в настоящую заявку.
Настоящее изобретение относится также к способу быстрого и точного нагревания жидкости, в частности, для бытовых нужд и, в частности, для приготовления кофе и других горячих напитков. В способе используют нагревательное устройство, содержащее корпус, оборудованный каналом для циркуляции жидкости, по меньшей мере, первый нагревательный элемент, соединенный с первым участком канала, по меньшей мере, второй нагревательный элемент, соединенный со вторым участком канала. Согласно способу в соответствии с настоящим изобретением:
а) предназначенное для нагревания количество жидкости измеряют при помощи расходомера,
б) промежуточную температуру измеряют при помощи промежуточного температурного датчика, находящегося в прямом или косвенном контакте с жидкостью и установленного между первым и вторым нагревательными элементами,
в) теоретическое количество энергии, выдаваемое вторым нагревательным элементом, вычисляют при помощи средства управления в зависимости от измеренного количества предназначенной для нагревания жидкости, от измеренной промежуточной температуры, от заданной температуры на выходе устройства и от теплоемкости жидкости,
г) это расчетное значение количества энергии при помощи средств коммутации применяют для вторых нагревательных элементов путем селективной коммутации нагревательных элементов, чтобы довести жидкость до (во всяком случае максимально близко) заданной температуры на выходе устройства,
д) по меньшей мере, несколько этапов а)-г) повторяют при помощи средства управления через определенные интервалы времени.
Согласно предпочтительному варианту осуществления способа, по меньшей мере, несколько этапов а)-г) повторяют через интервалы времени меньше 500 миллисекунд. На этапе г) временной интервал для подачи количества энергии приводят к частоте импульсов расходомера или, по меньшей мере, к определенной частоте примерно от одного до нескольких десятков миллисекунд для другого типа расходомера.
Такой способ позволяет добиться более высокой точности требуемой температуры жидкости на выходе, в частности, благодаря реальному измерению температур жидкости (а не температур нагревательного элемента, как в известных технических решениях) и при помощи определения подаваемого количества энергии, при котором учитывают реальные измерения расхода жидкости в устройстве.
Согласно предпочтительному варианту осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением количество энергии, необходимое одновременно для первого и второго нагревательных элементов, вычисляют в зависимости от переменных значений измеренных температур и от измерений расходомера.
В этом случае способ содержит следующие этапы:
е) температуру жидкости на входе устройства измеряют при помощи входного температурного датчика, находящегося в прямом или косвенном контакте с жидкостью,
ж) количество предназначенной для нагревания жидкости измеряют при помощи расходомера,
з) теоретическое количество энергии, выдаваемое первым нагревательным элементом, вычисляют при помощи средства управления в зависимости от измеренного количества жидкости, от температуры, измеренной на входе устройства, от заданной промежуточной температуры и от теплоемкости жидкости,
и) промежуточную температуру измеряют при помощи промежуточного температурного датчика, находящегося в прямом или косвенном контакте с жидкостью и установленного между первым и вторым нагревательными элементами,
к) теоретическое количество энергии, выдаваемое вторым нагревательным элементом, вычисляют при помощи средства управления в зависимости от измеренного количества жидкости, от измеренной промежуточной температуры, от заданной температуры на выходе устройства и от теплоемкости жидкости,
л) эти расчетные значения количества энергии при помощи средства коммутации применяют соответственно для первого и второго нагревательных элементов путем селективной коммутации нагревательных элементов, чтобы довести жидкость до (или, по меньшей мере, максимально близко) требуемой заданной температуры на выходе устройства,
м) по меньшей мере, несколько этапов е)-л) повторяют при помощи средства управления через определенные интервалы времени.
Согласно предпочтительному варианту способ учитывает общие ошибки и неточности, связанные с работой различных компонентов устройства (например, расходомера, сопротивлений и т.д.) или с напряжением в сети, чтобы скорректировать количество энергии, необходимое, в частности, для второго нагревательного элемента и повысить таким образом точность нагревания. Для этого вычисляют поправочный коэффициент по формуле:
k=(измеренная промежуточная температура - измеренная входная температура)/(заданная промежуточная температура - измеренная входная температура), и этот поправочный коэффициент применяют для вычисления количества энергии, выдаваемого вторым нагревательным элементом.
Разумеется, что способ в соответствии с настоящим изобретением осуществляют циклично через короткие интервалы времени (порядка нескольких миллисекунд, например каждые 30 мс, что касается вычисления, и каждые 10 мс, что касается подачи энергии на нагревательные элементы) во время прохождения жидкости через устройство нагревания; в частности, при помощи средств регулирования, таких как микроконтроллер или другие эквивалентные электронные средства регулирования.
Согласно отличительному признаку изобретения температуру жидкости измеряют при помощи датчиков, которые находятся в прямом или косвенном контакте с жидкостью. Под «прямым» контактом следует понимать измерение при помощи датчика, погруженного в жидкость. Речь может идти, например, о зонде NTC, защищенном стеклянной или керамической оболочкой. Под «косвенным» контактом следует понимать измерение при помощи датчика (такого как тонкий зонд NTC), закрепленного, например, при помощи клея на сухой стороне не нагревающего канала, в котором циркулирует жидкость, такого как металлическая трубка. В любом случае жидкость отделяет датчик от собственно нагревательного элемента таким образом, что измеренная температура является температурой жидкости, а не температурой, создаваемой за счет передачи тепла от нагревательного элемента к теплопроводящей твердой поверхности.
Другим объектом настоящего изобретения является устройство нагревания текучей среды для получения горячей жидкости или пара с целью приготовления кофе или других горячих напитков, содержащее корпус, оборудованный каналом для циркуляции текучей среды, при этом канал содержит вход текучей среды и выход текучей среды, соединенный трубопроводом с устройством-потребителем, при этом канал соединен, по меньшей мере, с одним электрическим нагревательным элементом, питание которого управляется средствами коммутации, соединенными со средствами управления; при этом устройство дополнительно содержит, по меньшей мере, один температурный датчик, установленный в канале или на выходе канала и находящийся в прямом контакте с текучей средой, циркулирующей в канале, при этом указанный температурный датчик соединен с указанными средствами управления; при этом средства управления и коммутации выполнены с возможностью управления нагревательным элементом таким образом, чтобы довести предназначенную для нагревания текучую среду от первой температуры до заданной температуры в области канала, где установлен датчик, при этом устройство отличается тем, что дополнительно содержит электроклапан, установленный в трубопроводе между выходом текучей среды и устройством-потребителем и управляемый средствами управления, и тем, что средства управления выполнены с возможностью управления электроклапаном таким образом, чтобы направлять текучую среду, поступающую от выхода текучей среды, в дренажный бак или в рециркуляционный контур, когда температура, измеренная указанным датчиком, еще не достигает заданной температуры, и в устройство-потребитель, когда измеренная температура достигла заданной температуры.
Заданной температурой может быть теоретическая промежуточная температура устройства, когда температурный датчик установлен таким образом, чтобы измерять промежуточную температуру в канале. В варианте заданной температурой является требуемая температура на выходе, когда температурный датчик установлен на выходе канала таким образом, чтобы измерять температуру текучей среды на выходе устройства.
Благодаря этим отличительным признакам текучая среда, предназначенная для устройства-потребителя, как правило, устройства экстрагирования, например, кофе или паровыпускной насадки, поступает в это устройство всегда при достаточной температуре, даже если это устройство используют первый раз за день. Учитывая низкую тепловую инерцию устройства, период отвода в дренажный бак, как правило, составляет всего несколько секунд (обычно 3-6 секунд). Такая конструкция обеспечивает быстрое приготовление напитков постоянного качества независимо от возможных флуктуаций на уровне устройства нагревания.
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего подробного описания вариантов выполнения устройства нагревания в соответствии с настоящим изобретением, представленных в качестве не ограничительных примеров, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - вид в перспективе в частичном разрезе устройства нагревания жидкости согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения;
фиг.2 - схематичный вид кофеварки, содержащей устройство нагревания, показанное на фиг.1, при этом устройство нагревания показано в разрезе;
фиг.3 - вид в перспективе устройства нагревания жидкости согласно второму варианту выполнения настоящего изобретения;
фиг.4 - схематичный вид кофеварки, содержащей устройство нагревания, показанное на фиг.3, при этом устройство нагревания показано в разрезе;
фиг.5 - вид, аналогичный фиг.4, другого варианта выполнения настоящего изобретения.
На фиг.1 и 2 под общей позицией 1 показан пример устройства нагревания жидкости согласно первому варианту выполнения, встроенного в кофеварку 2 (фиг.2), которая может быть предназначена для бытовых или промышленных нужд. Следует отметить, что нагреваемая в устройстве жидкость может быть любой, например водой, молоком, шоколадным напитком и т.д. В показанном варианте устройства нагревания предназначенной для нагревания жидкостью является вода. Кофеварка 2, показанная на фиг.2, содержит емкость 4 с холодной водой, соединенную трубопроводом 6 с насосом 8, питающим водой устройство 1 нагревания через вход 10 жидкости. Вода циркулирует по каналу 12, выполненному в корпусе 13 устройства 1 нагревания. Канал 12 связан с нагревательными элементами 14а, 14b, 14с и 14d, электрическим питанием которых управляют средства 16 коммутации, соединенные со средствами 18 управления. В данном случае нагревательные элементы погружены в нагреваемую жидкость и находятся с ней в прямом контакте. Вода выходит из устройства нагревания через выход 20 жидкости, затем циркулирует по трубопроводу 22 и через трубопровод 24 поступает в патрон 26, содержащий вещество, предназначенное для приготовления напитка, такого как кофе, из жареного и молотого кофе или из растворимого кофе, чай, какао, или других горячих напитков. Патрон 26 является, например, запечатанным патроном, открывающимся под давлением жидкости, как описано в европейском патенте №512468. После этого кофе вытекает в чашку 28. Кофеварка позволяет также получать пар через трубопровод 30, соединенный с трубопроводом 22. На фиг.1 направление циркуляции воды в устройстве нагревания показано стрелками А и В.
В устройстве 1 нагревания согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения канал 12 содержит четыре участка 12а, 12b, 12с и 12d канала, последовательно соединенные между собой соединительными каналами 32ab, 32bc и 32cd. Каждый из участков 12а, 12b, 12с и 12d канала образует камеру, в которой установлен нагревательный элемент 14а, 14b, 14с и 14d. В связи с этим необходимо отметить, что соединительные каналы 32ab, 32bc и 32cd имеют поперечные сечения, меньшие поперечных сечений камер 12а, 12b, 12с и 12d. Камеры 12а, 12b, 12с и 12d расположены параллельно друг другу в блоке 13а, содержащем корпус 13. Все камеры 12а, 12b, 12с и 12d выходят на первую сторону блока 13а первым из своих концов, через которые в камеры 12а, 12b, 12с и 12d устанавливают нагревательные элементы 14а, 14b, 14с и 14d. Вторые концы камер 12а, 12b, 12с и 12d выходят на вторую сторону блока 13а, противоположную первой, и камеры 12а, 12b, 12с и 12d соединены между собой на одном из концов тремя соединительными каналами 32ab, 32bc и 32cd. Камера 12а соединена, с одной стороны, с входом 10 жидкости через канал 36 на конце, расположенном на второй стороне блока 13а, и, с другой стороны, с камерой 12b через соединительный канал 32ab на конце, расположенном на первой стороне блока 13а. Камера 12b соединена с камерой 12 с через соединительный канал 32bc на конце, расположенном на второй стороне блока 13а. Камера 12 с соединена с камерой 12d через соединительный канал 32cd на конце, расположенном на первой стороне блока 13а, и камера 12d соединена с выходом 20 жидкости через канал 38 на конце, расположенном на второй стороне блока 13а.
Необходимо отметить, что каждый нагревательный элемент 14а, 14b, 14с и 14d расположен по существу по всей длине соответствующей камеры. Согласно предпочтительному варианту выполнения (не показанному на чертежах) наружная поверхность нагревательных элементов и/или внутренняя стенка соответствующей камеры содержат спиралевидную канавку, что позволяет удлинить путь жидкости, во время которого она находится в контакте с нагревательным элементом, и повысить ее скорость и, следовательно, увеличить коэффициент теплообмена, при этом размеры устройства нагревания не увеличиваются.
Устройство 1 нагревания дополнительно содержит температурный датчик 40, установленный в канале 36, соединяющем вход жидкости с входом камеры 12а. Этот датчик 40 выполнен с возможностью вхождения в прямой контакт с предназначенной для нагревания жидкостью и измерения температуры предназначенной для нагревания жидкости на входе устройства нагревания, то есть до того как жидкость входит в контакт с нагревательным элементом устройства 1. В канале 36, то есть на входе камеры 12а, установлен также расходомер 42.
Как показано на фиг.2, корпус 13 содержит две крышки 44, 46, находящиеся соответственно с первой и со второй стороны блока 13а и закрывающие оба конца каждой из камер 12а, 12b, 12с и 12d. На крышке 44, находящейся на первой стороне блока 13а, закреплены нагревательные элементы 14а, 14b, 14с и 14d, а на крышке 46, находящейся на второй стороне блока 13а, установлен промежуточный температурный датчик 48. Промежуточный температурный датчик 48 связан с соединительным каналом 32bc и выполнен с возможностью вхождения в прямой контакт с нагреваемой жидкостью, циркулирующей в канале.
Входной температурный датчик 40, расходомер и промежуточный температурный датчик 48 соединены со средствами 18 управления устройства 1.
Крышка 44 закрывает первый конец камер 12а, 12b, 12с и 12d и, кроме того, вместе с блоком 13а ограничивает канал 32bc. Крышка 46 ограничивает также канал 36а, соединяющий канал 36с камерой 12а, а также канал 38а, соединяющий камеру 12d с каналом 38. Обычно крышки 44 и 46 крепят на блоке 13а при помощи винтов (не показаны), а герметичность обеспечивают при помощи кольцевых прокладок 44а, 46а, установленных между крышками 44, 46 и блоком 13а.
Средства 18 управления и средства 16 коммутации выполнены с возможностью управления нагревательными элементами 14а, 14b, 14с и 14d. Эти средства 16 управления управляют, в частности, нагревательными элементами 14с и 14d, находящимися соответственно в камерах 12с и 12d, расположенных после промежуточного температурного датчика 48, в зависимости от необходимого количества энергии, подаваемого в камеры 12с и 12d, для доведения предназначенной для нагревания жидкости от промежуточной температуры, измеренной промежуточным температурным датчиком 48, до заданной температуры, введенной, например, в запоминающее устройство средств 18 управления.
Каждый нагревательный элемент 14а, 14b, 14с и 14d содержит сопротивление. Сопротивления соединены со средствами 16 коммутации, и средства 18 коммутации выполнены с возможностью коммутирования сопротивлений независимо друг от друга. Принцип распределения энергии основан на импульсах расходомера (например, каждые 100 мс или меньше). Каждому импульсу расходомера соответствует энергия или данное время нагревания на нагревательных элементах. Такая пропорциональная система позволяет реагировать на быстрые изменения расхода, которые могут происходить во время цикла экстрагирования из капсулы, в частности в момент прокалывания капсулы. Каждое сопротивление развивает номинальную мощность меньше значения теоретической мощности мигания сети, как правило, меньше 450 Вт при напряжении 230 В. Согласно стандарту IEC 1000-3-3 максимальная мощность, которую можно коммутировать во всем диапазоне частот, составляет примерно 380 Вт. Чтобы избежать отклонений мощности по абсолютной величине, превышающих номинальную мощность каждого из сопротивлений, средства 18 управления выполнены таким образом, чтобы переключать сопротивления нагревательных элементов из состояния «включено» в состояние «выключено» и наоборот периодически и не одновременно. Переключение всегда происходит через переход напряжения на ноль, чтобы избежать возмущений в электрической сети.
Средства 18 управления дополнительно содержат средства регулирования, выполненные с возможностью вычисления количества энергии, необходимого для нагревательных элементов 14с, 14d, установленных в участках 12с, 12d канала, находящихся после промежуточного температурного датчика 48, в зависимости от измеренных входной и промежуточной температур и от расхода, измеренного расходомером 42. При вычислении количества энергии можно учитывать также другие факторы, в частности напряжение сети (например, 230 В). Количество энергии можно корректировать при помощи поправочного коэффициента, основанного на флуктуации между реально измеренным напряжением сети и теоретическим номинальным напряжением. Этот коэффициент показывает, является ли реальное напряжение большим или меньшим номинального напряжения, например, 230 В. Этот коэффициент обновляют при включении сопротивлений, чтобы учитывать также падения напряжения в сети питания.
Как правило, средства регулирования содержат микроконтроллер, запоминающее устройство и программы вычисления энергетических балансов и применяемых поправочных коэффициентов. Вычисления энергетических балансов, корректировку и коммутацию нагревательных элементов микроконтроллер осуществляет через очень короткие интервалы времени таким образом, чтобы постоянно регулировать количество энергии, подаваемое на нагревательные элементы. Интервалы для вычислений количества энергии составляют порядка нескольких миллисекунд, предпочтительно менее 100 мс, например каждые 30 мс.
Способ автоматического регулирования основан на следующем принципе. Измерение температуры жидкости на входе устройства производится температурным датчиком 40, установленным на входе устройства; количество предназначенной для нагревания жидкости измеряется импульсным расходомером 42. Промежуточная температура между первым и вторым нагревательными элементами измеряется температурным датчиком 48. В варианте выполнения без температурного датчика на входе жидкости система может учитывать теоретическую входную температуру, как правило, температуру воды в сети водоснабжения, введенную в память микроконтроллера.
Результаты этих измерений поступают в микроконтроллер, содержащий программу вычисления количества энергии. В частности, микроконтроллер вычисляет теоретическое количество энергии, выдаваемое первым нагревательным элементом, по формуле:
Количество энергии первых нагревательных элементов (14а, 14b, 14е) = Количество предназначенной для нагревания жидкости, измеренное расходомером × (заданная промежуточная температура Т - измеренная входная температура Т) × теплоемкость жидкости. К конечному значению количества энергии можно применять поправочный коэффициент, основанный на изменениях напряжения сети.
Заданная промежуточная температура является величиной, определенной вычислением во время испытаний устройства и соответствующей оптимальному теоретическому значению в зависимости от измеренной температуры воды на входе, от фиксированной выходной температуры (заданная величина), от поправочного коэффициента сети 230 В, от теоретических значений электрического сопротивления нагревательных элементов. Это значение меняется в зависимости от выходной температуры, необходимой, например, для приготовления кофе или другого напитка, такого как шоколад. Это значение заносится в программу или в запоминающее устройство контроллера.
Микроконтроллер вычисляет также теоретическое количество энергии, выдаваемое вторым нагревательным элементом, по формуле:
Количество энергии для вторых нагревательных элементов (14с, 14d, 14f) = Количество предназначенной для нагревания жидкости, измеренное расходомером × (требуемая выходная температура - измеренная промежуточная температура) × теплоемкость жидкости. Это количество энергии можно также корректировать, чтобы учитывать напряжение сети.
После этого микроконтроллер вычисляет распределение этих рассчитанных количеств энергии на единицу времени нагревания, управляя коммутацией «включено/выключено» сопротивлений, содержащихся в нагревательных элементах.
Вместе с тем, чтобы учитывать возможные ошибки и неточности при измерении расхода, допуски мощности сопротивлений, напряжение в сети и т.д., предпочтительно применять поправочный коэффициент, вычисляемый по формуле:
k = (измеренная промежуточная Т - измеренная входная Т)/(заданная промежуточная Т - измеренная входная Т).
После этого поправочный коэффициент используется микроконтроллером для корректировки значения количества энергии, необходимого для нагревания жидкости во второй камере, чтобы получить температуру, максимально близкую к требуемой температуре на выходе нагревательного блока.
Таким образом, поправку для нагревательного(ых) элемента(ов) применяют следующим образом:
Скорректированное количество энергии второго нагревательного элемента = (2-k) × теоретическое количество энергии второго нагревательного элемента,
или:
Скорректированное количество энергии = (2-k) × теплоемкость жидкости × количество предназначенной для нагревания жидкости × (требуемая выходная температура - измеренная промежуточная температура). Это количество энергии можно также корректировать с учетом напряжения сети.
Таким образом, если поправочный коэффициент меньше 1, это значит, что реальное количество энергии, выдаваемое нагревательным(и) элементом(ами) перед промежуточным температурным зондом, является слишком малым и необходимо произвести корректировку путем увеличения количества энергии, выдаваемого нагревательным(и) элементом(ами), находящимся(имися) после промежуточного температурного зонда. Если поправочный коэффициент больше 1, это значит, что реальное количество энергии, выдаваемое нагревательным(и) элементом(ами) перед промежуточным температурным зондом, является слишком большим и необходимо произвести корректировку путем уменьшения количества энергии, выдаваемого нагревательным(и) элементом(ами), находящимся(имися) после промежуточного температурного зонда. Например, если вычисленный поправочный коэффициент равен 1.10, это значит, что количество энергии, выдаваемое первым(и) нагревательным(и) элементом(ами), превышает необходимое на 10% и, следовательно, необходимо уменьшить количество энергии второго(ых) нагревательного(ых) элемента(ов) на 10%, чтобы получить выходную температуру, максимально близкую к требуемой температуре.
На фиг.3 и 4 показано устройство нагревания жидкости согласно второму варианту выполнения настоящего изобретения, в котором элементы, идентичные с элементами, показанными на фиг.1 и 2, обозначены теми же цифровыми позициями.
Это устройство нагревания отличается от описанного выше устройства тем, что канал 12, который выполнен в корпусе 13 и через который циркулирует предназначенная для нагревания жидкость, содержит только два участка 12е и 12f, соединенные между собой соединительным каналом 32ef, с которым связан промежуточный температурный датчик 48, и тем, что каждый нагревательный элемент 14е и 14f канала, связанный соответственно с участками 12е и 12f, содержит два сопротивления, при этом каждое из них соединено со средствами 18 управления через средства 16 коммутации.
Так же как и в первом варианте выполнения, каждое электрическое сопротивление нагревательных элементов 14е и 14f развивает номинальную мощность, меньшую значения теоретической мощности мигания сети, как правило, меньшую 450 Вт при напряжении 230 В, а средства 18 управления выполнены с возможностью переключения этих сопротивлений из состояния «включено» в состояние «выключено» и наоборот периодически, как правило, с частотой порядка 10 мс. Нагревательные элементы этого типа являются, например, термоблоками, называемыми блоками «высокой нагрузки» или «высокой плотности», то есть развивающими большую мощность на единицу поверхности нагревания.
На фиг.5 схематично показана кофеварка с другим вариантом выполнения изобретения. На этой фигуре элементы, идентичные элементам, описанным со ссылкой на фиг.4, обозначены теми же цифровыми позициями.
Эта кофеварка отличается от ранее описанной тем, что содержит устройство, обеспечивает получение «первой» жидкости или «первого» пара соответствующей температуры. Для этого устройство содержит первый главный трубопровод 22, соединенный с устройством 26 экстрагирования. На входе устройства 26 установлен вентиль противодавления 24а трубопровода 24. Первый электроклапан 50а соединен с участком 22а трубопровода, ведущим к дренажному баку 52. Второй электроклапан 50b, называемым «паровым», соединен с трубопроводом 30, находящимся между первым устройством-потребителем и вторым устройством-потребителем, являющимся, например, паровыпускной насадкой 56. Электроклапаны 50а, 50b управляются средствами 18 управления. Последние выполнены с возможностью управления соответственно электроклапанами 50а, 50b с целью направления текучей среды, поступающей от выхода 20 текучей среды, либо в одно из устройств-потребителей, либо в дренажный бак 52 в зависимости от того, достигла или нет температура, измеренная датчиком 48, значения заданной температуры для соответствующего устройства-потребителя. Следует отметить, что дренажный бак можно заменить рециркуляционным контуром, возвращающимся к входу 10 устройства нагревания. Однако рециркуляционный контур усложняет конструкцию устройства, так как требует наличия дополнительного насоса. Кроме того, заданную температуру получают только через несколько секунд, и поэтому возвращаемое количество воды является незначительным.
Устройство работает следующим образом.
Для приготовления напитка при помощи экстрагирующего устройства 26 «паровой» электроклапан 50b остается закрытым. Водяной насос 8 питает устройство нагревания, работающее на уже описанном выше принципе. Температуру воды постоянно контролируют при помощи температурного датчика 48. Пока эта температура остается ниже заранее определенной заданной температуры, контроллер 18 удерживает «отводящий» электроклапан 50а открытым таким образом, чтобы выходящая из устройства нагревания вода не использовалась для экстрагирования, а отводилась в дренажный бак или рециркулировалась. После достижения заданной температуры контроллер подает команду на закрывание клапана 50а. После этого жидкость начинает циркулировать, заставляет открыться вентиль противодавления и поступает в устройство 26.
При подаче команды на производство пара, например, при приготовлении вспененного молока, принцип повышения температуры остается таким же. В начале нагревания клапан 50b остается закрытым и клапан 50а открыт для отвода или рециркуляции жидкости (как правило, воды). После достижения заданной температуры для производства пара контроллер закрывает клапан 50а и открывает клапан 50b. Поскольку давление пара является слишком слабым, чтобы открыть вентиль 24 противодавления, пар поступает непосредственно на выход 56. Необходимо отметить, что вместо промежуточного температурного датчика для контроля температуры можно использовать выходной температурный датчик на выходе 20 устройства.
Разумеется, настоящее изобретение не ограничивается описанными вариантами выполнения, и специалист может предусматривать его различные модификации и варианты, не выходя при этом за рамки изобретения, определенные прилагаемой формулой изобретения. Например, промежуточный датчик 48, находящийся между камерами 12b и 12с на фиг.1 и 2, можно установить также между камерами 12с и 12d, при этом идея состоит в том, чтобы промежуточный температурный датчик находился после камеры, содержащей нагревательный элемент и сообщающейся с входом жидкости, и перед камерой, содержащей нагревательный элемент и сообщающейся с выходом жидкости.