ПОДОГРЕВАТЕЛЬ ДЛЯ БУТЫЛОЧЕК С ДЕТСКИМ ПИТАНИЕМ С ВОЗМОЖНОСТЬЮ КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
BOTTLE WARMER FOR BABY FOOD WITH POSSIBILITY OF TEMPERATURE CONTROL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к устройствам для регулирования температуры и стерилизации изделий, а более точно, к подогревателям для бутылочек с детским питанием и стерилизаторам для таких бутылочек.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Измерение температуры с помощью датчиков инфракрасного излучения, в т.ч. пироэлектрических датчиков, известно давно - существуют патенты, которым более 20 лет, напр. US 5567941 (MATSUSHITA ELECTRIC INDUSTRIAL CO., LTD, МПК G01J 1/04, опубл. 22.10.1996). Датчики инфракрасного излучения широко выпускаются радиоэлектронной промышленностью.
Также очень давно известны технические решения, где датчик инфракрасного излучения (в частности пироэлектрический датчик) применяется для контроля температуры объектов, нагреваемых в СВЧ-печах, напр. US 4347418 (MATSUSHITA ELECTRIC IND СО LTD, МПК Н05В 6/68, опубл. 31.08.1982), MY116721 (SANYO ELECTRIC СО, МПК F24C 7/00, опубл. 31.03.2004). Известное техническое решение является вполне тривиальным, поэтому количество патентов, в которых оно применено, довольно велико.
Основными недостатками аналогов, использующих для подогрева бутылочек с детским питанием СВЧ-печь с датчиком инфракрасного излучения, являются:
1) необходимость вручную вводить целевую температуру содержимого;
2) низкая точность измерения температуры из-за удаленности датчика от нагреваемого объекта (большая камера нагрева);
3) для более равномерного облучения нагреваемого объекта в СВЧ-печах, как правило, используется вращающийся столик, который не позволяет хорошо позиционировать нагреваемый объект для точного измерения температуры датчиком инфракрасного излучения;
4) из-за отсутствия принудительного перемешивания содержимое бутылочки нагревается неравномерно - наружный слой прогревается сильнее, что может приводить к разложению полезных веществ, при этом внутренний слой остается холодным;
5) низкая точность выхода на целевую температуру.
Под целевой температурой в данном описании следует понимать введенное пользователем, или выставленное по умолчанию, или соответствующее выбранному режиму нагрева значение температуры содержимого бутылочки, при достижении которой (по результатам измерения) нагрев прекращается.
На открытом рынке предлагаются модели подогревателей бутылочек с детским питанием, в которых подогрев осуществляется с помощью горячей воды или пара, например электронный подогреватель фирмы Philips (http://www.philips.ru/c/avent-baby-preparing-for-feeding/avent-digital-bottle-warmer-scf260_37/prd/). В данной модели пользователю необходимо ввести объем, тип, и начальную температуру содержимого, на основании которых процессор автоматически рассчитывает время подогрева, необходимое для достижения целевой температуры.
Основными недостатками известного аналога являются:
1) необходимость вручную вводить объем, тип, и начальную температуру содержимого, точные значения которых в ряде случаев не известны пользователю, что приводит к неправильному вычислению времени нагрева;
2) предлагается выбор всего из трех типов содержимого, для остальных типов с отличающимися теплопроводностью и теплоемкостью время нагрева может быть вычислено неправильно;
3) кроме неудобства для пользователя при вводе указанной информации, повышается вероятность ошибки пользователя при ее вводе (человеческий фактор), что приводит к неправильному вычислению времени нагрева;
4) устройство содержит горячую воду, которая может привести к ожогам, в т.ч. для ребенка;
5) в устройстве скапливается накипь, которая изменяет характеристики нагрева;
6) из-за отсутствия принудительного перемешивания содержимое бутылочки нагревается неравномерно - наружный слой прогревается сильнее, что может приводить к разложению полезных веществ, при этом внутренний слой остается холодным;
7) при расчете времени нагрева не учитывается теплоемкость и теплопроводность бутылочки, что может приводить к неправильному вычислению времени нагрева.
Из заявки US 20080121636 A1 известна бытовая СВЧ-печь, снабженная инфракрасным датчиком, который измеряет температуру контейнера с пищей (в т.ч. бутылочки с детским питанием). Данное измерение осуществляют именно до начала подогрева контейнера (бутылочки). Для правильного измерения температуры указанный контейнер (бутылочка) помещается в специальный держатель, который обеспечивает его позиционирование относительно датчика. Пользователю предлагается ввести массу или объем пищи, а также целевую температуру. На основании этих данных автоматически производится расчет времени и мощности, необходимых для нагрева содержимого до целевой температуры. При этом указанный держатель может снабжаться устройством, автоматически измеряющим массу контейнера с содержимым.
Основными недостатками указанного аналога являются:
1) необходимость вручную вводить объем (массу) содержимого (в некоторых вариантах осуществления);
2) необходимость вручную вводить целевую температуру содержимого;
3) при автоматическом взвешивании бутылочки с содержимым не учитывается масса самой бутылочки, которая может быть сравнима с массой содержимого, что приводит к неправильному вычислению времени нагрева;
4) разные типы содержимого бутылочки могут иметь существенно разные теплопроводность и теплоемкость, что не учитывается в расчете времени нагрева и приводит к его неправильному вычислению;
5) из-за отсутствия принудительного перемешивания содержимое бутылочки нагревается неравномерно - наружный слой прогревается сильнее, что может приводить к разложению полезных веществ, при этом внутренний слой остается холодным.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является оснащенная процессором СВЧ-печь (CN 103844916, HARBIN SAN НЕ JIAMEI TECHNOLOGY DEVELOPMENT CO., LTD, МПК A47J 36/24, опубл. 11.06.2014), содержащая сетевой штепсель (1), контроллер специального назначения (2), вращающуюся платформу (3), снабженную бутылочкой (4) для детского питания, источник СВЧ-излучения (5), ИК датчик температуры (6), корпус СВЧ-печи (7), верхнюю крышку (8), где сетевой штепсель, обеспечивающий доступ к источнику питания контроллера специального назначения (2), представляет собой источник питания микроволновой энергии. Контроллер (2) установлен в нижней части корпуса СВЧ-печи (7) и является центром управления всей СВЧ-печи. Вращающаяся платформа (3) установлена в центре нижней части корпуса СВЧ-печи (7) и выполнена с возможностью вращения во время нагрева бутылочки с питательной смесью с постоянной скоростью. Источник СВЧ-излучения (5) установлен в корпусе (7) с правой стороны и предназначен для нагрева жидкого содержимого молочной бутылочки (4). ИК датчик температуры (6) установлен с левой стороны корпуса СВЧ-печи (7) и предназначен для измерения температуры жидкости внутри бутылочки (4). Крышка (8) предназначена для закрытия корпуса (7) во время нагрева и выполнена с возможностью открытия для размещения бутылочки (4) во внутренней части корпуса (8) на платформе (3). При этом контроллер (2) выполнен с возможностью подачи сигнала на источник СВЧ-излучения для начала нагрева и подачи сигнала о прекращении нагрева при достижении температуры 37°С, и поддержании температуры, чтобы получить продукт.
Одним из недостатков прототипа является отсутствие принудительного перемешивания содержимого бутылочки, из-за чего устройство не способно качественно выполнять возложенные задачи, а именно нагревать содержимое бутылочки до 37°C за приемлемое время равномерно и без перегревов. При этом отключение по датчику температуры произойдет до того, как средняя по объему температура содержимого достигнет целевой. Например, если попытаться нагреть стакан молока в микроволновой печи, то молоко разогреется сильно неравномерно, что заметно даже на ощупь - о стенки стакана можно обжечься, а в центре молоко остается холодным. Детские смеси еще более густы, поэтому для них в этом плане ситуация будет еще хуже. Замороженное молоко также нельзя качественно разогреть без перемешивания.
Таким образом, недостатками прототипа являются:
1) низкая скорость нагрева, так как конструкция устройства не обеспечивает перемешивание содержимого бутылочки как в объеме поверхностного слоя, так и на некоторой глубине, следовательно, чтобы избежать локального перегрева поверхностного слоя содержимого бутылочки и обеспечить выравнивание температуры по объему бутылочки необходимо поддерживать среднюю мощность нагрева на достаточно низком уровне, что увеличит время нагрева;
2) наличие локального перегрева, опять же за счет того, что конструкция устройства не обеспечивает перемешивание содержимого бутылочки по объему, в результате чего при нагревании будет образовываться перепад температур между поверхностным слоем содержимого и содержимым на некоторой глубине;
3) низкая точность выхода на целевую температуру, так как датчик инфракрасного излучения в предусмотренной конструкции устройства способен измерять температуру поверхностного слоя, а при нагревании поверхностный слой содержимого бутылочки всегда будет иметь температуру большую, чем содержимое на некоторой глубине.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в создании нового устройства для подогрева бутылочек с детским питанием, обеспечивающего быстрый и равномерный по объему подогрев содержимого бутылочек, включая содержимое поверхностного слоя и содержимое на некоторой глубине, без локальных перегревов, в том числе выше температур, способных привести к разложению в содержимом полезных веществ.
Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается в повышении скорости нагрева при одновременном обеспечении отсутствия локального перегрева, в том числе выше температур, способных привести к разложению в содержимом полезных веществ, и повышение точности выхода на целевую температуру во всем объеме содержимого бутылочки, включая содержимое поверхностного слоя и содержимое на глубине.
Поставленная задача и требуемый технический результат достигаются за счет того, что новый подогреватель для бутылочек с детским питанием с возможностью контроля температуры, содержащий блок питания, блок управления, СВЧ-генератор, по меньшей мере, один датчик инфракрасного излучения, камеру нагрева, снабженную с одного торца крышкой и закрытую с другого торца, с расположенным внутри нее средством для вращения бутылочки, снабженным электродвигателем, где согласно изобретению, средство для вращения бутылочки представляет собой барабан, выполненный с возможностью принудительного перемешивания содержимого бутылочки в процессе нагрева, причем камера нагрева и барабан дополнительно снабжены сквозными отверстиями, по меньшей мере, одним каждый, выполненными таким образом, что при вращении барабана отверстие барабана периодически способно совмещаться со сквозным отверстием в стенке камеры нагрева, при этом датчик инфракрасного излучения расположен напротив указанного отверстия камеры с внешней ее стороны таким образом, что при вращении барабана в процессе нагрева инфракрасное излучение от бутылочки, соответственно, периодически способно попадать на чувствительную зону инфракрасного датчика, при этом ось вращения барабана расположена горизонтально или под углом к горизонтали, где выход блока питания соединен с входом блока управления, выходы которого соединены с СВЧ-генератором и электродвигателем, а боковая поверхность барабана снабжена, по меньшей мере, одним элементом, выполненным с возможностью изменения угла наклона оси бутылочки при вращении, представляющего собой выступы, выполненные, например, в виде ребер и/или сферических выпуклостей, и/или углубления, причем, по крайней мере, одно отверстие выполнено, например, в виде прорези или щели, сам барабан и элементы для изменения оси бутылочки выполнены из диэлектрического материала, а ось вращения барабана может быть расположена под углом не более 60° к горизонтали, при этом отверстие в камере нагрева снабжено диэлектрической крышкой, пропускающей ИК излучение в диапазоне, который соответствует полосе чувствительности датчика инфракрасного излучения, и препятствующей возможному загрязнению чувствительной площадки инфракрасного датчика, который может быть дополнительно снабжен датчиком температуры, например, термопара, или другой пирометрический датчик, измеряющий температуру самого инфракрасного датчика, и/или окружающих его конструктивных элементов, а средство для вращения бутылочки дополнительно снабжено устройством синхронизации, выход которого соединен с входом блока управления.
В альтернативном варианте осуществления изобретения подогреватель дополнительно снабжен устройством для обеспечения охлаждения содержимого камеры нагрева, вход которого соединен с выходом блока управления.
В еще одном альтернативном варианте осуществления изобретения подогреватель дополнительно снабжен поддоном для воды, выполненным с возможностью обеспечения стерилизации содержимого камеры нагрева производимым в процессе нагрева паром.
В еще одном альтернативном варианте осуществления изобретения подогреватель дополнительно снабжен вентилятором для охлаждения магнетрона СВЧ-генератора.
В еще одном альтернативном варианте осуществления изобретения камера нагрева снабжена дополнительными вентиляционными отверстиями для прохождения воздуха от вентилятора.
В еще одном альтернативном варианте осуществления изобретения подогреватель снабжен внешним дополнительным корпусом.
В еще одном альтернативном варианте осуществления изобретения подогреватель дополнительно снабжен индикатором установленной целевой и/или текущей температуры содержимого бутылочки, вход которого соединен с выходом блока управления, где в качестве индикаторов используют, например, светодиодную панель, жидкокристаллический дисплей или LED дисплей.
В еще одном альтернативном варианте осуществления изобретения подогреватель дополнительно снабжен, по меньшей мере, одним органом управления для изменения целевой температуры, выполненным, например, в виде сенсорной панели, кнопки, джойстика или рукоятки.
В еще одном альтернативном варианте осуществления изобретения подогреватель дополнительно снабжен звуковым излучателем, подающим звуковые сигналы о событиях при работе подогревателя.
Существенным отличием предлагаемого изобретения является постоянное в процессе нагрева в СВЧ-поле перемешивание содержимого детской бутылочки, оптимально спозиционированной относительно датчика инфракрасного излучения для точного измерения температуры, сопряженное с многократными за время нагрева измерениями температуры ее поверхности. СВЧ-поле нагревает не только поверхностный слой, но и содержимое на некоторой глубине, при этом постоянное перемешивание обеспечивает незначительную разность температур по всему объему содержимого, что позволяет увеличивать среднюю мощность нагрева без опасности перегрева отдельных областей содержимого, в том числе выше температур, способных приводить к разложению в нем полезных веществ. Увеличение средней мощности, в свою очередь, позволяет пропорционально сократить время нагрева. При этом производимые совместно с перемешиванием измерения температуры поверхности бутылочки по описанной выше причине позволяют с большей, чем в прототипе (без перемешивания), точностью определять среднюю температуру по объему содержимого, что позволяет более точно определить момент для прекращения нагрева и, тем самым, повысить точность выхода на целевую температуру.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение будет более понятным из описания, не имеющего ограничительного характера и приводимого со ссылками на прилагаемый чертеж, на котором:
На Фиг. 1 - изображена общая схема устройства.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Бутылочка 1 с содержимым размещается горизонтально (Фиг. 1) или под углом (на чертежах не показано) в диэлектрическом барабане 2 с одним или несколькими отверстиями 3, выполненными, например, в виде прорезей или щелей на его боковой поверхности. Барабан 2 может быть выполнен в форме цилиндра (Фиг. 1) или многогранника (на чертежах не показано) или любой другой подходящей форме. Указанный барабан 2 соединен валом с электродвигателем 4, который также может быть снабжен редуктором (на чертежах не показано), например, с электродвигателем, используемым в бытовых СВЧ-печах для вращения столика. Электродвигатель 4 обеспечивает вращение барабана 2 с периодом от 0,3 до 30 секунд. При более высокой скорости происходит взбалтывание и вспенивание содержимого, а при более низкой не достигается достаточно эффективное перемешивание. С внутренней стороны барабан 2 может быть снабжен, по меньшей мере, одним элементом, выполненным с возможностью изменения угла наклона оси бутылочки при вращении, представляющим собой углубления (на чертежах не показано) и/или выступы, выполненные, например, в виде ребер (на чертежах не показано) и/или сферических выпуклостей 5 (Фиг. 1). Эти элементы способствуют более интенсивному перемешиванию содержимого бутылочки 1 по направлению вдоль ее продольной оси.
Барабан 2 и элементы для изменения оси бутылочки 2 выполнены из диэлектрического материала.
Ось вращения барабана может быть расположена под углом (на чертежах не показано), но не более 60° к горизонтали, так как при больших углах не обеспечивается достаточное перемешивание содержимого бутылочки.
Барабан 2 размещается в цилиндрической металлической камере 6 нагрева, расположенной горизонтально (Фиг. 1) или под углом (на чертежах не показано), закрытой с одного торца, и снабженной с другого торца металлической крышкой (дверцей) 7, которая может быть закреплена на корпусе камеры 6 на шарнирах с возможностью ее открывания пользователем, через которую внутрь загружается бутылочка 1. Камера 6 может иметь любую возможную форму, обеспечивающую функционирование устройства должным образом, например, форму прямоугольной призмы (на чертежах не показано). В указанную камеру 6 вводится СВЧ-излучение от СВЧ-генератора 8, например, одного из стандартных магнетронов, используемых в бытовых микроволновых печах, а в ее боковой поверхности имеется, по меньшей мере, одно сквозное отверстие 9. Снаружи камеры 6 нагрева возле сквозного отверстия 9 расположен датчик 10 инфракрасного излучения таким образом, что при вращении барабана 2 в некоторые периоды времени отверстия 3 (прорези, щели) в барабане 2 способны оказываться напротив отверстия 9 в стенке камеры 6 нагрева, и тепловое инфракрасное излучение 11 от нагреваемой бутылочки 1, соответственно, способно время от времени попадать на чувствительную площадку датчика 10 инфракрасного излучения. Такая конструкция камеры 6 и барабана 2, а также расположение сквозных отверстий 3 и 8 обеспечивают оптимальное позиционирование бутылочки относительно датчика инфракрасного излучения для обеспечения точного измерения и контроля температуры при непрерывном перемешивании содержимого в процессе нагрева, что позволяет повысить скорость нагрева и при этом одновременно избежать образования перепада температур между поверхностным слоем содержимого бутылочки 1 и содержимого на некоторой глубине, а именно, устранить локальный перегрев, т.е. при нагревании поверхностный слой содержимого бутылочки 1 всегда будет иметь ту же температуру, что и содержимое на глубине, следовательно, датчик 10 инфракрасного излучения, измеряя температуру поверхностного слоя содержимого бутылочки, по сути, будет выдавать действительную температуру содержимого в целом, за счет чего повысится точность выхода устройства на целевую температуру.
Отверстие 9, через которое из камеры 6 нагрева ИК излучение 11 поступает к датчику 10 инфракрасного излучения, может быть закрыто тонкой диэлектрической крышкой (на чертежах не показано), пропускающей ИК излучение в диапазоне, который соответствует полосе чувствительности датчика 10 инфракрасного излучения, и препятствующей возможному загрязнению чувствительной площадки инфракрасного датчика 10. Отверстие 12 (Фиг. 1), через которое в камеру 9 нагрева вводится электромагнитное излучение от СВЧ-генератора 8 также может быть закрыто крышкой или колпачком из диэлектрика, позволяющим избежать попадания посторонних предметов и веществ к излучающему штырю магнетрона.
Выполненный с возможностью вращения барабан 2 совмещает в себе функции обеспечения перемешивания содержимого бутылочки 1, ее позиционирования относительно датчика 10 инфракрасного излучения, а также функции обтюратора для инфракрасного теплового излучения от бутылочки 1.
Барабан 1 может быть дополнительно оборудован устройством 13 синхронизации, соединенным с блоком 14 управления, которое в указанные выше периоды времени вырабатывает электрический сигнал - синхроимпульс. Наличие синхроимпульса позволяет, например, применить для измерения теплового излучения от нагреваемого объекта датчиком 10 инфракрасного излучения известную методику синхронного детектирования, реализованную в блоке 14 управления. Для минимизации влияния СВЧ-поля непосредственно на датчик 10 инфракрасного излучения, по синхроимпульсу блок 14 управления может отключать питание СВЧ-генератора 8 в периоды времени, когда тепловое излучение от нагреваемого объекта измеряется датчиком 10 инфракрасного излучения. Это позволяет избежать влияния электромагнитного излучения от СВЧ-генератора на датчик инфракрасного излучения в процессе измерения, которое иногда может приводить в ошибке в измерениях, и тем самым дополнительно повысить точность измерения температуры датчиком 10. Устройство 13 синхронизации может быть механическим или магнитным выключателем, приводимым в действие кулачками или магнитами на валу электродвигателя. Также возможно использование оптопары (на чертежах не показано), в этом случае на валу электродвигателя закрепляется обтюратор.
Сигналы с датчика 10 инфракрасного излучения и с устройства 13 синхронизации направляются в блок 14 управления.
Вход блока 14 управления соединен выходом блока питания (на чертежах не показано), снабженного выключателем 15, с помощью которого пользователь может включить или принудительно выключить подогреватель. Блок 14 управления также подает сигнал и питание на СВЧ-генератор 8 и на электромотор 4. В отдельных вариантах осуществления изобретения блок 14 управления может содержать дополнительные промежуточные элементы, например, блоки специфического питания элементов и др. (на чертежах не показано).
За счет применения стандартных технических приемов, известных в СВЧ-технике, камера 6 нагрева с крышкой (дверцей) выполнены так, чтобы минимизировать СВЧ-излучение в окружающее пространство.
С использованием синхроимпульса в блоке 14 управления реализуется широко известный метод синхронного детектирования сигнала от инфракрасного датчика 10. Данный метод позволяет существенно увеличить точность измерения полезного сигнала даже при наличии сильных шумов. Для минимизации влияния СВЧ-поля непосредственно на датчик 10 инфракрасного излучения, по синхроимпульсу блок 14 управления может отключать питание СВЧ-генератора в периоды времени, когда тепловое излучение от нагреваемого объекта измеряется датчиком инфракрасного излучения. Когда сигнал от датчика 10 инфракрасного излучения достигает некоторого уровня, соответствующего заданной целевой температуре бутылочки с содержимым (напр., близкой к нормальной температуре тела человека - 36-37°C), блок 14 управления отключает нагрев.
Таким образом, в новой конструкции предлагаемого подогревателя благодаря непрерывному перемешиванию содержимого бутылочки, оптимально спозиционированной на протяжении всего процесса перемешивания относительно датчика 10, с одновременным контролем температуры происходит более быстрый и равномерный по сравнению с прототипом, а следовательно и более точный нагрев до целевой температуры (36-37°C) независимо от начальной температуры, объема, типа, теплопроводностей, теплоемкостей содержимого и бутылочки. Нагрев 100 мл занимает примерно 50 с, т.е. в 2,5 раза быстрее самых быстрых конкурентов (подогревателей для детских бутылочек), причем без опасности локального перегрева содержимого.
Подогреватель удобен в использовании, так как работает полностью в автоматическом режиме, в виду чего может иметь всего одну кнопку - вкл/выкл (в предпочтительном варианте осуществления). Подогреватель также безопасен в использовании, так как не содержит горячей воды, нагретых частей. Перегрев содержимого, например из-за ошибки пользователя, невозможен. Предустановленная целевая температура безопасна для ребенка. При этом подогреватель обеспечивает бережный нагрев. Нагревается не поверхность, а весь объем с принудительным перемешиванием. Локальная температура не поднимается выше температур, способных привести к разложению в содержимом полезных веществ, что позволяет сохранить все полезные вещества в детском питании. При этом возможна работа с замороженным содержимым (например, замороженное донорское грудное молоко). В замороженном виде опасность локального перегрева также отсутствует, т.к. температура содержимого не может подняться выше его температуры плавления, близкой к 0°C. Когда в результате нагрева и оттаивания внутри бутылочки появляется жидкая фаза, она начинает перемешиваться, постоянно соприкасаясь с твердой фазой, имеющей температуру плавления, поэтому локальный перегрев и на данном этапе также исключен.
Дополнительно подогреватель может быть снабжен концевыми выключателями (на чертежах не показано), размыкающими цепи питания СВЧ-генератора 8 при открытой крышке (дверце) 7. Также подогреватель может быть снабжен датчиком температуры (термореле) (на чертежах не показано), размыкающими цепи питания СВЧ-генератора 8 при его перегреве. Указанные элементы не изображены на схеме, так как принципиально не меняют работу подогревателя, но необходимы по требованиям безопасности для бытовых СВЧ-печей.
Дополнительно подогреватель может быть снабжен вентилятором (на чертежах не показано), охлаждающим магнетрон. Указанный вентилятор также управляется блоком 14 управления. Также в стенках камеры 6 нагрева могут присутствовать вентиляционные отверстия (на чертежах не показано), сквозь которые поток воздуха от вентилятора попадает в камеру 6 и выходит из нее. При этом поток воздуха охлаждает стенки камеры 6 и вращающийся барабан 2 до комнатной температуры, что позволяет снизить их тепловое излучение и дополнительно повысить точность измерения температуры непосредственно бутылочки 1.
Дополнительно подогреватель может быть снабжен внешним кожухом (корпусом), в т.ч. металлическим (на чертежах не показано). За счет применения стандартных технических приемов, известных в СВЧ-технике, кожух выполнен так, чтобы минимизировать СВЧ-излучение в окружающее пространство.
Дополнительно к инфракрасному датчику 10, регистрирующему излучение от нагреваемого объекта, может применяться датчик температуры (напр., термопара, или другой пирометрический датчик), измеряющий температуру самого инфракрасного датчика, и/или окружающих его конструктивных элементов (на чертежах не показано). На основании этой измеренной температуры вводится коррекция, позволяющая дополнительно повысить точность измерения температуры бутылочки 1.
Дополнительно подогреватель может быть снабжен индикатором установленной целевой и/или текущей температуры бутылочки 1 (на чертежах не показано), например, светодиодной панелью, жидкокристаллическим, LED-, или иным дисплеем, что повышает удобство использования подогревателя.
Дополнительно подогреватель может быть снабжен органами управления (на чертежах не показано), позволяющими пользователю изменить (например, по рекомендации врача) заранее заданную производителем целевую температуру, в т.ч. сенсорной панелью, кнопками, джойстиком, рукояткой, и т.п.
Дополнительно подогреватель может быть снабжен звуковым излучателем (на чертежах не показано), подающим звуковые сигналы о событиях при работе подогревателя, например, о начале и/или об окончании нагрева.
Дополнительно подогреватель может быть снабжен холодильником (например, элементом Пельтье с вентилятором для охлаждения его горячей части), который обеспечивает охлаждение камеры нагрева вместе с ее содержимым до температуры, например, от 0 до 10°C (на чертежах не показано). Питание на указанный холодильник подается от блока 14 управления. Это позволяет заранее приготовить бутылочку 1 с детским питанием, поместить ее в камеру 6, и сохранять ее там при пониженной температуре в течение длительного времени, а при необходимости включить нагрев и подогреть ее.
Также может быть использован дополнительный термодатчик (термореле), препятствующий охлаждению камеры 6 ниже 0°C (на чертежах не показано). При этом подогреватель снабжается органом управления, например сенсорной панелью, кнопкой, джойстиком, рукояткой, и т.п., для включения режима охлаждения. При этом блок 14 управления снабжается специальной программой, которая при включении режима охлаждения отключает нагрев и вращение барабана, и подает питание на холодильник. При включении режима нагрева блок 14 управления отключает холодильник и переходит к обычному функционированию. Для более эффективного охлаждения камера 6 нагрева может быть покрыта теплоизолирующим материалом, например пористым полимером (на чертежах не показано). Режим охлаждения позволяет пользователю заранее приготовить детское питание в бутылочке 1, и хранить его в камере 6 нагрева при пониженной температуре, например в течение ночи. Это исключает развитие в ней микроорганизмов, в т.ч. патогенных. При необходимости, нажатием всего одной кнопки подогреватель переводится в режим нагрева и в течение короткого времени (например, 0,5-2 минуты, в зависимости от объема содержимого) пользователь получает бутылочку 1 комфортной температуры (например, 36-37°C).
Дополнительно подогреватель может иметь режим стерилизатора. Для этого в нижней части камеры 6 нагрева предусмотрен специальный съемный поддон для воды (на чертежах не показано), а в верхней ее части предусмотрены отверстия для выхода пара (на чертежах не показано). В этом случае подогреватель снабжается органом управления, например сенсорной панелью, кнопкой, джойстиком, рукояткой, и т.п., для включения режима стерилизатора. Перед включением режима стерилизатора от пользователя требуется поместить в барабан 2 изделия, подлежащие стерилизации (бутылочку, соску, и т.п.), и залить в указанный поддон от 20 до 100 мл воды. Меньшее количество воды выкипает слишком быстро и не обеспечивает качественной стерилизации, а большее выкипает слишком долго, в то время как качество стерилизации уже не улучшается. При этом блок 14 управления снабжается специальной программой, которая при включении режима стерилизатора подает питание на СВЧ-генератор 8 в течение определенного времени, достаточного для качественной стерилизации (от 2 до 4 минут - общепринятые значения для стерилизаторов детских бутылочек). СВЧ-излучение нагревает воду, в результате чего она начинает кипеть, и камера 6 нагрева наполняется паром с температурой около 100°C, стерилизующим предметы, помещенные в барабан 2. Избыток пара выходит через отверстия в верхней части камеры 6 нагрева. После завершения стерилизации поддон с остатками воды удаляется из камеры 6 нагрева. Во избежание нагрева внешней поверхности подогревателя, камера 6 нагрева может быть покрыта теплоизолирующим материалом, например пористым полимером.
Подогреватель работает следующим образом.
Пользователю необходимо включить подогреватель в электросеть, открыть крышку (дверцу) 7, загрузить внутрь барабана 2 бутылочку 1 с содержимым и закрыть крышку 7. Содержимое должно обладать достаточной текучестью, чтобы при вращении бутылочки 1 перетекать в ее нижнюю часть. Также содержимое может быть заморожено, однако при размораживании оно должно приобретать указанную текучесть. В камеру 6 вводится СВЧ-излучение от СВЧ-генератора, которое производит нагрев указанного содержимого бутылочки. Барабан 2 в процессе нагрева вращается при помощи электродвигателя 4.
При вращении барабана, за счет того, что ось его вращения расположена горизонтально или под углом к горизонтали, бутылочка перекатывается в барабане и вращается вокруг своей оси, что обеспечивает перемешивание ее содержимого. При перекатывании и вращении бутылочки 1 в барабане 2 в жидком содержимом бутылочки возникают конвекционные потоки 16, которые преимущественно переносят тепло в перпендикулярных оси вращения направлениях, ориентировочно так, как схематично показано на Фиг. 1. при горизонтальном варианте расположения оси вращения барабана. Таким образом, в процесс перемешивания вовлекается преимущественно весь объем жидкого содержимого бутылочки 1, достаточный для возможности обеспечения быстрого и равномерного по объему подогрева содержимого, включая содержимое поверхностного слоя и содержимое на некоторой глубине, без локальных перегревов, в том числе выше температур, способных привести к разложению в нем полезных веществ. СВЧ-поле нагревает только содержимое бутылочки, но не ее стенки, причем не только поверхностный слой, но и содержимое на глубине до нескольких сантиметров (в зависимости от свойств содержимого). Это обеспечивает равномерный прогрев всего объема содержимого, а температура внешней поверхности бутылочки успевает уравняться с температурой содержимого.
В одном из альтернативных вариантов осуществления изобретения, барабан 2 может быть снабжен, по меньшей мере, одним элементом, выполненным с возможностью изменения угла наклона оси бутылочки 1 при вращении, например, выступами 5 (Фиг. 1), и/или углублениями (на чертежах не показано). При вращении барабана 2 (Фиг. 2) бутылочка 1 периодически перекатывается через выступы 5 барабана 2, что обеспечивает более интенсивное перемешивание ее содержимого. При перекатывании бутылочки в процессе вращения через выступ 5 ось бутылочки меняет угол наклона к горизонтали, за счет чего, помимо указанных в предыдущем абзаце потоков 16, возникают дополнительные конвекционные потоки 17, переносящие тепло преимущественно вдоль оси бутылочки. Таким образом, за счет совокупности возникающих одновременно конвекционных потоков 16 и 17 в процесс перемешивания вовлекается весь объем жидкого содержимого бутылочки. Вкупе с принудительным перемешиванием, происходящим за счет расположения оси вращения барабана 2 горизонтально или под углом к горизонтали, это обеспечивает дополнительный равномерный прогрев всего объема содержимого, а температура внешней поверхности бутылочки 1 еще быстрее успевает уравняться с температурой содержимого.
И в первом и во втором вариантах осуществления предлагаемого изобретения, описанных в двух предыдущих абзацах, это позволяет производить нагрев с намного большей мощностью, чем в прототипе без принудительного перемешивания без опасности локального перегрева содержимого свыше температур, способных привести к разложению в содержимом многих полезных молочных белков и других веществ.
Блок 14 управления подает питание на СВЧ-генератор 8, СВЧ-излучение от которого вводится в камеру 6 нагрева. СВЧ-поле нагревает только содержимое бутылочки 1, но не ее стенки, причем нагревается не только поверхностный слой, но и содержимое на глубине до нескольких сантиметров в зависимости от свойств содержимого.
При вращении барабана 2 в некоторые моменты времени сквозные отверстия 3 (прорези, щели) в барабане 2 оказываются напротив сквозных отверстий 9 в стенке камеры 6 нагрева, и тепловое инфракрасное излучение от нагреваемой бутылочки 1 попадает на чувствительную площадку датчика 10 инфракрасного излучения. В эти моменты блок 14 управления по сигналу с устройства 13 синхронизации отключает питание СВЧ-генератора 8, чтобы исключить влияние электромагнитного СВЧ-излучения на датчик 10 инфракрасного излучения, каковое влияние иногда может приводить к ошибке при измерении температуры. Сигнал с датчика 10 инфракрасного излучения поступает в блок 14 управления, который на основании заложенного в нем алгоритма принимает решение о продолжении, прекращении или корректировке мощности нагрева. Если температура не достигла целевой при очередном измерении, блок 14 управления вновь выполняет цикл нагрева. При этом из-за постоянного перемешивания средняя температура содержимого бутылочки 1 будет отличаться от температуры стенки бутылочки на величину не более 2°C, в то время как в прототипе (при отсутствии перемешивания) неравномерности температуры по объему содержимого могут достигать десятков °C. Когда при очередном измерении температура достигает заданного значения, блок 14 управления более не производит циклы нагрева и уведомляет пользователя об окончании работы соответствующей звуковой и/или световой и/или прочей индикацией. После этого пользователю необходимо открыть крышку 7 и извлечь бутылочку 1 с нагретым содержимым.
Таким образом, нагрев в сравнении с прототипом происходит намного (до 2 раз) быстрее, что очень важно для подогревателей бутылочек. При этом можно говорить о существенном повышении точности выхода на целевую температуру, т.к. из-за постоянного перемешивания и отсутствия неравномерностей температур по объему содержимого измеряемая температура стенки бутылочки с точностью до 2°C будет равна средней температуре ее содержимого. При этом следует понимать, что упомянутая точность может быть повышена до величины и менее 2°C, например, при использовании определенных приемов, например, увеличения количества циклов измерений, варьирования мощности нагрева и др. В том числе упомянутая точность будет определяться временем, затрачиваемым на измерение. Чем больше циклов измерения сделать (один из приемов), тем точнее будет измеряться температура, например, осуществлять или нет измерение «паразитного» нагрева дополнительным датчиком и т.д., самим измеряющим датчиком в том числе, типом содержимого.
Следует отметить, что содержимое должно обладать достаточной текучестью, чтобы при вращении бутылочки перетекать в ее нижнюю часть. Также, содержимое может быть заморожено (например, замороженное донорское грудное молоко), однако при размораживании оно должно приобретать указанную текучесть.
В одном из альтернативных вариантов осуществления подогревателя, предусматривающих регулировку целевой температуры, пользователь с помощью соответствующих органов управления (на чертежах не показано) вводит желаемую целевую температуру. Если пользователь этого не делает - используется значение, предустановленное по умолчанию.
Затем пользователь должен нажать на кнопку включения/выключения подогрева, в результате в блоке 14 управления начинает выполняться рабочая программа. В случае если крышка 7 открыта, и ее концевые выключатели находятся в соответствующих положениях, то не выполняется никаких действий, в противном случае, блок 14 управления подает питание на электродвигатель 4, вращающий барабан 2, а также на вентилятор охлаждения (на чертежах не показан).
При вращении барабана 2 в блок 14 управления начинают поступать синхроимпульсы от устройства 13 синхронизации. В одном из вариантов осуществления подогревателя, используя указанные синхроимпульсы как опорный сигнал, блок 14 управления производит синхронное детектирование сигнала отдатчика 10 инфракрасного излучения. При этом подается постоянное или импульсное питание на СВЧ-генератор 8. В другой реализации питание на СВЧ-генератор 8 подается только в те периоды времени, когда инфракрасное излучение от бутылочки 1 не попадает на датчик 10 инфракрасного излучения, что позволяет исключить влияние СВЧ-поля на него.
При использовании в альтернативном варианте осуществления изобретения дополнительного датчика температуры (на чертежах не показано), сигнал от него регистрируется блоком 14 управления и в полезный сигнал вводится соответствующая коррекция.
В случае, если пользователь повторно нажмет на кнопку (на чертежах не показано) включения/выключения подогрева, или откроет крышку 7 камеры 6, или температура СВЧ-генератора 8 превысит предельно допустимую, блок 14 управления немедленно отключает питание СВЧ-генератора 8, электродвигателя 4 барабана 2, и вентилятора.
В случае если сигнал с датчика 10 инфракрасного излучения (после коррекции и/или синхронного детектирования) достигает уровня, соответствующего установленной целевой температуре, процесс прекращается, отключается питание СВЧ-генератора 8, электродвигателя 4 барабана 2, и вентилятора. Если подогреватель оборудован звуковым генератором - подается звуковой сигнал об окончании нагрева.
Если в подогревателе реализована функция стерилизатора, то для ее использования необходимо загрузить в барабан 2 предметы, которые необходимо простерилизовать, залить в специальный поддон (на чертежах не показано) в камере 6 нагрева от 20 до 100 мл воды, закрыть крышку 7, и нажать на кнопку включения режима стерилизации. При этом блок 14 управления подает питание на СВЧ-генератор 8 и вентилятор, например, в течение 2-4 минут - общепринятое время для стерилизации детских бутылочек. Если во время процесса стерилизации пользователь нажмет на кнопку включения/выключения режима стерилизации, или откроет крышку 7 камеры 6, или температура СВЧ-генератора 8 превысит предельно допустимую, блок 14 управления немедленно отключает питание СВЧ-генератора 8 и вентилятора. По прошествии указанного времени процесс прекращается, отключается питание СВЧ-генератора 8 и вентилятора. Если подогреватель оборудован звуковым генератором - подается звуковой сигнал об окончании стерилизации. После окончания процесса пользователь должен удалить поддон с остатками воды.
Если в подогревателе реализована функция холодильника, то для ее использования необходимо загрузить в барабан 2 бутылочку 1 с приготовленным детским питанием, закрыть крышку 7, и нажать на кнопку включения режима холодильника. При этом блок 14 управления подает питание на холодильник (напр. элемент Пельтье) (на чертежах не показано), и на вентилятор, охлаждающий горячую часть холодильника. Если затем пользователь включит режим подогрева, блок 14 управления отключает питание холодильника и переходит в обычный режим подогрева, описанный выше.
В подогреватель можно поместить любую бутылочку с любым количеством содержимого любого типа (необходимо, чтобы оно обладало текучестью в незамороженном состоянии), с любой начальной температурой (в т.ч. изначально замороженное).
Для работы подогревателя от пользователя не требуется вводить никакие данные (в некоторых вариантах осуществления по желанию пользователя можно ввести целевую температуру), что исключает вероятность ошибки из-за человеческого фактора.
За счет принудительного перемешивания содержимое прогревается равномерно, при этом нагрев СВЧ-полем осуществляется достаточно медленно, чтобы температура поверхности бутылочки успевала сравняться с температурой содержимого, а контроль температуры осуществляется датчиком инфракрасного излучения, по сигналу с которого нагрев отключается. Это обеспечивает достижение точной целевой температуры во всем объеме содержимого и исключает возможность его локального перегрева.
Хотя настоящее изобретение было подробно описано на примерах вариантов, которые представляются предпочтительными, необходимо помнить, что эти примеры осуществления изобретения приведены только в целях иллюстрации изобретения. Данное описание не должно рассматриваться как ограничивающее объем изобретения, поскольку в этапы описанных способов и устройств специалистами в области физики, электроники, обработки сигналов и др. могут быть внесены изменения, направленные на то, чтобы адаптировать их к конкретным устройствам или ситуациям, и не выходящие за рамки прилагаемой формулы изобретения. Специалисту в данной области понятно, что в пределах сферы действия изобретения, которая определяется пунктами формулы изобретения, возможны различные варианты и модификации, включая эквивалентные решения.