БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ И ЭЛЕКТРОБЫТОВОЙ ПРИБОР, СОДЕРЖАЩИЙ ТАКОЙ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ
FAST-OPERATION WATER HEATER AND ELECTRICAL HOUSEHOLD APPLIANCE WITH SAID HEATER

Группа изобретений относится в целом к электробытовым приборам, снабженным водонагревателем для получения горячей воды.
В частности, она касается электробытовых приборов для приготовления напитков, в состав которых входит подобный водонагреватель.
Из документа EP 1076503 известен водонагреватель бойлерного типа для электробытового прибора, содержащий кипятильную камеру с дном, на котором установлен нагревательный элемент. Эта кипятильная камера снабжена водовпускной трубой, впускной патрубок которой соединен с резервуаром с водой специальным трубопроводом, в котором предусмотрен обратный клапан. В этой камере имеется также восходящая труба для отвода нагретой воды, имеющая нижнюю часть, конец которой расположен рядом с дном кипятильной камеры, и верхнюю часть, выступающую наружу за пределы камеры. Указанная отводная труба установлена вертикально, и в ее части, находящейся в кипятильной камере, выполнено отверстие, расположенное вблизи от свода указанной камеры. Преимущество такого водонагревателя состоит в том, что он экономичен в изготовлении, поскольку подача воды в камеру осуществляется из резервуара самотеком, так что нет необходимости в насосе. Однако, учитывая, что площадь поверхности дна довольно незначительна, это не позволяет получить большую площадь поверхности теплообмена с водой, чтобы можно было установить достаточно мощный нагревательный элемент. В результате этого нагрев происходит медленно, вследствие чего время ожидания циркуляции горячей воды оказывается слишком большим, а выход этой воды - недостаточным. Кроме того, с учетом того, что нагревательный элемент обладает значительной тепловой инерцией, при прекращении нагрева в процессе выполнения рабочего цикла продолжает вытекать горячая вода, что может привести к переполнению емкости, в которую она поступает.
Одной из задач настоящего изобретения является устранение перечисленных выше недостатков путем разработки используемого в электробытовом приборе водонагревателя, с помощью которого можно было бы обеспечить быстрое получение горячей воды в достаточно больших объемах.
Другая задача изобретения заключается в разработке используемого в электробытовом приборе водонагревателя для получения горячей воды, который имел бы чрезвычайно простую конструкцию и был бы экономичным в изготовлении.
Еще одна задача - разработка используемого в электробытовом приборе водонагревателя для получения горячей воды, который был бы надежным и работал с максимальным соблюдением безопасности.
Следующая задача - разработка электробытового прибора, снабженного водонагревателем описанного выше типа.
Для достижения указанных выше целей предложен водонагреватель для электробытового прибора для приготовления напитков, содержащий кипятильную камеру, в которую вода поступает самотеком из резервуара, причем эта камера имеет дно, вертикальную стенку и средства нагрева, при этом площадь поверхности вертикальной стенки больше площади поверхности дна камеры, а средства нагрева образованы изготовленным методом трафаретной печати электрическим резистором, который закреплен на вертикальной стенке.
В таком водонагревателе площадь поверхности теплообмена между средствами нагрева и водой довольно значительна, что позволяет добиться быстрого получения горячей воды в больших количествах.
Благодаря изготовленному методом трафаретной печати электрическому резистору удается получить средства нагрева с малой тепловой инерцией, что дает возможность исключительно быстрого нагрева. Кроме того, при отключении питания этого резистора в ходе выполнения рабочего цикла процесс выработки горячей воды немедленно прекращается. Нанесение электрического резистора с использованием трафаретной печати позволяет равномерно распределить сопротивление по поверхности вертикальной стенки с предотвращением при этом возникновения локальных перегревов.
Благодаря изобретению удается получить кипятильную камеру удлиненной формы, пригодную для получения небольших порций горячей воды. В результате появляется возможность создания последовательности из небольших количеств горячей воды, что позволяет добиться потока, близкого к непрерывному.
Благодаря подаче воды в камеру самотеком удается обойтись без дорогостоящих узлов вроде насоса и получить простую экономичную конструкцию. Отсутствие электрических компонентов вроде насоса или электроклапана с подвижными деталями позволяет значительно повысить надежность водонагревателя.
Целесообразно, чтобы водонагреватель был снабжен обратным клапаном в линии подачи воды и чтобы кипятильная камера имела свод, через который проходит восходящая труба для отвода нагретой воды, нижний конец которой находится рядом с дном кипятильной камеры, причем в восходящей трубе, в той ее части, которая находится в кипятильной камере, вблизи от свода указанной камеры, должно быть выполнено отверстие.
Благодаря этим мерам удастся получить исключительно экономичный водонагреватель с подачей воды самотеком.
Кроме этого, благодаря размещению изготовленного методом трафаретной печати электрического резистора на вертикальной стенке камеры удается на начальной стадии кипения добиться формирования пара на внутренней поверхности стенки. При этом генерируемый пар будет подталкивать горячую воду к середине камеры, облегчая тем самым ее выталкивание через восходящую трубу.
Целесообразно также, чтобы восходящая труба находилась в середине камеры.
Предпочтительно, чтобы камера имела выпускной патрубок для отвода нагретой воды, снабженный, по меньшей мере, одним обратным клапаном.
После выталкивания находящейся в камере горячей воды через восходящую трубу в камере создается разрежение. При этом помещенный в выпускном патрубке камеры обратный клапан закрывается, и происходит очень быстрое заполнение исключительно с помощью обратного клапана в линии подачи воды. Благодаря этому становится возможной последовательность из ряда циклов выработки горячей воды без прерывания питания нагревательных элементов в процессе заполнения водонагревателя. В результате удается избежать нормативных проблем, связанных с последовательными циклами включения-отключения питания.
Целесообразно, чтобы изготовленный методом трафаретной печати электрический резистор проходил по вертикальной стенке от первой нижней точки до второй верхней точки и чтобы камера была снабжена средствами уменьшения, по меньшей мере, на десять процентов объема, находящегося за вертикальной стенкой, между первой горизонтальной плоскостью, проходящей через первую нижнюю точку, и второй горизонтальной плоскостью, проходящей через вторую верхнюю точку.
Благодаря такому техническому решению удается уменьшить объем подлежащей нагреванию воды с сохранением той же площади поверхности теплообмена между средствами нагрева и водой. В результате этого водонагреватель будет выдавать небольшие порции воды, которые будут очень быстро следовать друг за другом, и поток горячей воды максимально приблизится к непрерывному.
Предпочтительно, чтобы в камере были предусмотрены нижняя заглушка и верхняя заглушка, причем, по меньшей мере, одна из заглушек должна иметь выступ, вытянутый внутрь камеры. Этот выступ будет образовывать собой средства уменьшения объема.
Благодаря такому решению удается выполнить средства уменьшения объема с максимальной экономией затрат.
Целесообразно, чтобы нижняя заглушка имела выступ конической формы.
Благодаря этому удастся повысить температуру воды, вырабатываемой в водонагревателе.
Как установили заявители, в таком водонагревателе не вся вода достигает нужной температуры с одинаковой скоростью. Существует зона, в которой вода не претерпевает турбулентности или претерпевает лишь незначительную турбулентность и которая не имеет контакта с вертикальной стенкой. Эта зона конической формы располагается у основания восходящей трубы и тянется дальше вверх вдоль этой трубы. Благодаря нижней заглушке конической формы удается ликвидировать указанную зону с менее горячей водой.
Целесообразно, чтобы изготовленный методом трафаретной печати электрический резистор проходил по вертикальной стенке от первой нижней точки до второй верхней точки и чтобы камера была снабжена средствами увеличения, по меньшей мере, на десять процентов объема, ограничиваемого вертикальной стенкой, между первой горизонтальной плоскостью, проходящей через первую нижнюю точку, и второй горизонтальной плоскостью, проходящей через вторую верхнюю точку.
Благодаря этому удастся оптимизировать количество материала, применяемого для изготовленного методом трафаретной печати электрического резистора и вертикальной стенки, например нержавеющего металла, напротив средств нагрева.
Предпочтительно, чтобы в камере были предусмотрены нижняя заглушка и верхняя заглушка, причем, по меньшей мере, одна из указанных заглушек должна иметь выступ, вытянутый наружу от камеры, причем этот выступ будет образовывать собой средства увеличения объема.
Благодаря этой мере удается выполнить средства увеличения объема камеры с максимальной экономией затрат.
Целесообразно, чтобы выпускной патрубок был соединен со средствами разделения воды, находящейся первоначально перед закипанием в восходящей трубе, и воды, находящейся в камере.
В процессе эксплуатации вода, находящаяся в восходящей трубе, нагревается медленнее, чем вода, заключенная между вертикальной стенкой камеры и наружной стороной восходящей трубы. Вследствие этого оказывается, что при выталкивании вода, находящаяся в восходящей трубе, еще не достигла температуры кипения. Благодаря тому, что этот объем воды отделяется от объема находящейся в камере воды, которая достигла температуры кипения, удается вырабатывать горячую воду с температурой, близкой к точке кипения.
Предпочтительно, чтобы средства разделения включали в себя, по существу, вертикальный трубопровод, соединенный с выпускным патрубком, для отвода воды, содержащейся в камере, и наклонный трубопровод, соединяющий выпускной патрубок с резервуаром, для отвода воды, содержащейся в восходящей трубе.
При выталкивании горячей воды из камеры давление, создаваемое на начальной стадии кипения, медленно двигает воду, содержащуюся в восходящей трубе, которая затем поступает самотеком по наклонному трубопроводу в резервуар. После того как достигнута температура кипения, в камере создается такое давление, при котором вода приводится в движение в восходящей трубе со скоростью, достаточной для перехода в вертикальный отводной трубопровод, ведущий к патрубку для выпуска горячей воды. Таким образом, благодаря этому удается выполнить средства отделения воды, содержащейся в восходящей трубе, от воды, содержащейся в камере, предельно простыми и экономичными в изготовлении.
Целесообразно, чтобы выпускной патрубок был соединен с камерой разделения воды и пара.
Благодаря этому удастся добиться плавного потока на выпуске горячей воды с ограничением сильных выбросов, а также визуального подтверждения для пользователя того факта, что температура воды действительно достигла точки кипения, по выходу пара через трубопровод.
Предпочтительно, чтобы камера разделения имела, по меньшей мере частично, внутреннюю стенку и наружную стенку, ограничивающие объем, который образует трубопровод отвода пара.
Благодаря этой мере удастся использовать пар для нагрева стенок камеры и, тем самым, предотвратить охлаждение горячей воды, выходящей из водонагревателя. Целесообразно, чтобы материалы, используемые для формирования камеры разделения, обладали незначительной тепловой инерцией, - можно применить, в частности, пластик небольшой толщины.
Целесообразно рассчитать выпускной патрубок горячей воды таким образом, чтобы ограничить расход горячей воды, при этом камера разделения будет также служить буферной емкостью.
Благодаря такой мере удастся получить непрерывный поток.
Предметом изобретения является также электробытовой прибор, снабженный водонагревателем типа, описанного выше.
Предпочтительно, чтобы в качестве такого прибора был использован прибор для раздачи горячей воды.
Благодаря этому удастся получить прибор фонтанного типа с быстрой выработкой горячей воды в больших количествах.
Изобретение станет более понятным в ходе рассмотрения отдельных вариантов его осуществления, не имеющих ограничительного характера, которые иллюстрируются на приложенных чертежах, где:
фиг.1 представляет собой вид в аксонометрии, иллюстрирующий водонагреватель в соответствии с одним из отдельных вариантов осуществления;
фиг.2 - вид в разрезе водонагревателя по фиг.1;
фиг.3 - плоская развертка средств нагрева для водонагревателя по фиг.1;
фиг.4 - вид в разрезе камеры водонагревателя по фиг.1 в соответствии с одним из вариантов осуществления;
фиг.5 - вид в разрезе камеры водонагревателя по фиг.1 в соответствии с другим вариантом осуществления.
Как видно на фиг.1 и 2, водонагреватель 2 имеет цилиндрический корпус 3, образующий вертикальную стенку. Этот корпус ограничивает собой кипятильную камеру 4, на нижнем конце которой имеется нижняя заглушка 10. В заглушке выполнены два впускных патрубка 11 и 12 для впуска воды в камеру 4. Корпус 3 снабжен также средствами нагрева 30, содержащими изготовленный методом трафаретной печати электрический резистор 31 для нагрева воды, поступающей в камеру 4. На верхнем конце указанного цилиндрического корпуса 3 предусмотрена верхняя заглушка 20, в которой выполнен выпускной патрубок 21 для отвода горячей воды, выработанной в камере 4. Через этот патрубок выходит также пар, выполняющий функцию приведения воды в движение.
В камере 4 расположена восходящая труба 5 для отвода нагретой воды, верхний конец которой располагается в одну линию с выпускным патрубком 21 и неразъемно связан с верхней заглушкой 20, образующей свод камеры 4. В верхнем конце восходящей трубы 5 выполнено отверстие 6, с помощью которого обеспечивается сообщение между внутренним объемом этой трубы и камерой 4. Нижний конец восходящей трубы 5 расположен рядом с нижней заглушкой 10.
Вода поступает в камеру 4 самотеком из резервуара 7 по трубопроводу 8. Для этого резервуар рассчитан таким образом, чтобы его нижний уровень находился выше средств нагрева 30 камеры.
Каждый их впускных патрубков 11, 12, выполненных в нижней заглушке 10, снабжен шаровым обратным клапаном 13, 14, который предназначен для предотвращения обратного потока горячей воды в резервуар 7.
Кроме того, такой же шаровой обратный клапан 22 выполнен в выпускном патрубке 21 в верхней заглушке 20 для облегчения заполнения камеры 4.
Продолжением выпускного патрубка 21 служит вертикально расположенный трубопровод 41. Верхний конец трубопровода 41 разделен на наклонный трубопровод 42, соединяющий его с резервуаром 7, и отводной трубопровод 43, идущий вертикально по оси трубопровода 41. Указанный отводной трубопровод заходит в камеру 45 для разделения горячей воды и пара.
Камера 45 разделения имеет скругленный свод 46, вертикальную внутреннюю стенку 47, наружную стенку 57 и наклонное дно 48. Отводной трубопровод 43 расположен возле вертикальной стенки 47, и его выход расположен вблизи от свода 46. В наклонном дне 48 выполнен выпускной носик 40 для выдачи горячей воды. В камере 45, в месте ее соединения с вертикальной внутренней стенкой 47 и сводом 46, выполнено отверстие 60, которое соединяет верхнюю часть камеры разделения 45 с кольцевым пространством, образующим трубопровод 49 отвода пара. Это отверстие расположено горизонтально, благодаря чему оно образует своего рода перегородку и дает возможность прохождения исключительно пара. Свод 46, наружная стенка 57 и наклонное дно 48 изготовлены из пластика толщиной около миллиметра.
Верхняя заглушка 20 имеет выступ 23, вытянутый наружу от камеры 4, который обеспечивает возможность увеличения объема нагретой воды в каждом цикле нагрева.
В соответствии с одним из вариантов осуществления, представленным на фиг.4, верхняя заглушка выполнена без выступа, тогда как нижняя заглушка 10 имеет выступ 50, вытянутый внутрь камеры и ограничивающий ее объем. Выступ 50 имеет кольцевую форму и располагается вокруг восходящей трубы. В этом выступе выполнена вертикальная прорезь 51, образующая в нижней части отверстие 52, которое соединяет камеру с нижним концом восходящей трубы.
В соответствии с другим вариантом (см. фиг.5), верхняя заглушка выполнена без выступа, а нижняя заглушка 10 имеет выступ 50, вытянутый внутрь камеры и ограничивающий ее объем. Выступ 50 имеет коническую форму и располагается вокруг восходящей трубы. В нижней части этого выступа выполнен, по меньшей мере, один канал 53, соединяющий камеру с нижним концом восходящей трубы. Впускной патрубок канала 53 находится рядом с вертикальной стенки камеры. Во время выталкивания воды обеспечивается ее принудительная циркуляция по нагретой вертикальной стенке.
На фиг.3 дана плоская развертка цилиндрического корпуса 3 со средствами нагрева 30. Изготовленный методом трафаретной печати электрический резистор 31 выполнен в виде двух трафаретных дорожек, идущих по высоте вертикальной стенки цилиндрического корпуса 3. Эти дорожки помещены на электроизолирующую подложку, например, слой эмалированного материала. На указанных трафаретных дорожках предусмотрены контактные накладки 32, 33 для соединения с соответствующими средствами управления (не показаны).
Водонагреватель 2 снабжен средствами терморегулирования типа термореле, которые отключают электропитание, когда температура корпуса 3 превышает некоторое заданное значение, и средствами тепловой защиты типа плавкого предохранителя, которые отключают электропитание в случае избыточного перегрева (на чертежах не показаны).
В процессе работы прибора пользователь заполняет резервуар 7 водой в количестве, необходимом для нагрева. Вода поступает в камеру 4 по впускным патрубкам 11, 12 через посредство шаровых обратных клапанов 13, 14. Уровень поступающей самотеком воды поднимается до нижнего конца восходящей трубы 5. Для того чтобы обеспечивалось продвижение воды, она должна вытеснять находящийся в камере 4 воздух через отверстие 6 и далее по выпускному патрубку 21, выполненному в верхней заглушке 20, до тех пор, пока уровень воды в резервуаре 7 не сравняется с уровнем воды в камере 4.
Затем пользователь включает питание изготовленного методом трафаретной печати электрического резистора 31, при этом создается мощность нагрева порядка 3000 Вт. Температура находящейся в камере 4 воды доходит до точки кипения, и на стенке корпуса 3 начинает генерироваться пар. Размер отверстия 6 выбирают таким образом, чтобы выходить наружу могла лишь часть генерируемого пара, тогда как остающаяся его часть будет создавать давление, под действием которого горячая вода проталкивается в восходящую трубу 5. Под действием давления, создаваемого на начальной стадии закипания, вода, содержащаяся в восходящей трубе 5, медленно проталкивается через выпускной патрубок 21, проходит через обратный клапан 22 и поступает в трубопровод 41. Поскольку скорость истечения воды довольно незначительна, она поступает затем самотеком по наклонному трубопроводу 42 в резервуар. По достижении температуры кипения давление, создаваемое в результате внезапного притока пара в камеру 4, имеет такую величину, что вода, остающаяся в камере 4, движется в восходящую трубу со скоростью, достаточной для ее поступления в вертикальный отводной трубопровод 43 и далее - в камеру 45 разделения горячей воды и пара. Диаметр восходящей трубы 5 рассчитывают таким образом, чтобы все количество воды, содержащейся в восходящей трубе 5, вытекало в резервуар 7 в начале стадии выталкивания.
Струя горячей воды, смешанной с паром, которая проталкивается в камеру разделения 45, направляется через скругленный свод 46 к наклонному дну 48. Пар выходит через выпускной патрубок 60 и отводной трубопровод 49. Часть горячей воды начинает вытекать самотеком через выпускной носик 40 для горячей воды со скоростью, заметно меньшей, чем скорость воды, выталкиваемой по отводному трубопроводу 43, в результате чего другая часть воды временно скапливается в нижней части разделительной камеры. Вся горячая вода, выталкиваемая по отводному трубопроводу 43, вытекает через выпускной носик 40 за время, несколько меньшее, нежели время цикла выработки горячей воды.
После выталкивания горячей воды из камеры 4 по отводному трубопроводу 43 остающийся в камере пар очень быстро конденсируется на холодных частях, вызывая при этом разрежение, под действием которого закрывается обратный клапан 22 и вода всасывается из резервуара 7 в камеру 4 через обратные клапаны 13, 14. Поскольку заполнение происходит крайне быстро, удается поддерживать нагрев на этом этапе без риска перегрева изготовленного методом трафаретной печати электрического резистора 31, при этом запускается очередной цикл выработки горячей воды. Как только достигается нужное количество вырабатываемой горячей воды, пользователь отключает электропитание указанного резистора.
Настоящее изобретение охватывает также аппарат для выдачи горячей воды фонтанного типа, снабженный водонагревателем 2.
Этот аппарат предназначен для выработки заданного объема вскипяченной воды, полученного путем последовательного формирования нескольких элементарных объемов, каждый из которых приблизительно соответствует емкости камеры 4.
В качестве примера можно указать, что аппарат выдает количество горячей воды с температурой выше 90°C, которое может поместиться в чашке или другом сосуде емкостью порядка 250 мл, который ставится под выпускным носиком 40. Если учесть, что объем камеры 4 составляет от 70 до 100 мл, водонагреватель 2 должен для заполнения чашки произвести 3 цикла выработки горячей воды. Мощность изготовленного методом трафаретной печати электрического резистора равна 2500-3000 Вт при напряжении 240 В, в время выполнения одного цикла выработки горячей воды меньше 10 сек. Таким образом, суммарное время, необходимое для заполнения горячей водой одной чашки, не превышает 30 сек.
Совершенно очевидно, что изобретение никоим образом не ограничивается описанными выше и проиллюстрированными на чертежах вариантами его осуществления, которые были приведены здесь лишь в качестве примеров. Вполне возможны разнообразные модификации, касающиеся, в частности, состава различных компонентов или замены их техническими эквивалентами, при условии, что они не будут выходить за рамки заявленного объема охраны.
Так, в соответствии с одним из вариантов, нижняя заглушка тоже может иметь выступ, вытянутый наружу от камеры.