НАГРЕВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ НАГРЕВА ПИЩЕВОГО ПРОДУКТА В ЕМКОСТИ, В ЧАСТНОСТИ, МОЛОКА В ДЕТСКОЙ БУТЫЛОЧКЕ
HEATING DEVICE AND A METHOD FOR HEATING A FOOD PRODUCT IN A CONTAINER, IN PARTICULAR MILK IN A BABY BOTTLE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к нагревательному устройству для нагрева пищевого продукта в емкости, в частности, молока в детской бутылочке, и расчета времени достижения заданной температуры пищевого продукта. В частности, настоящее изобретение относится к подогревателю бутылочек для подогрева молока в детской бутылочке. Кроме того, настоящее изобретение относится к способу нагрева пищевого продукта в емкости и расчета времени достижения заданной температуры пищевого продукта.
Уровень техники
Разогрев пищевого продукта, в частности, молока, до приемлемой температуры является важной частью цикла кормления для младенцев. Пищевым продуктом может быть грудное молоко, которое хранится в холодильнике, или молочная смесь, которая готовится из питьевой воды или охлажденной кипяченой воды. Приемлемая температура молока для большинства младенцев находится между 30°C и 40-42°C и более предпочтительно между 35°C и 39°C. Исследования показали, что если температура молока превышает 40°C в течение более 20 минут, то основные элементы питания, такие как белки и витамины, будут повреждены.
Существует несколько различных способов разогрева молока или пищевого продукта. Они могут представлять собой микроволновый нагрев, подогрев паром и водяной термостат (также известный как нагревание на водяной бане). Способ микроволнового нагрева имеет недостаток, который состоит в том, что нагрев молока является неравномерным, и в определенных местах молоко может становиться очень горячим, что приводит к повреждению питания. При подогреве паром пар конденсируется на стенке бутылочки. Однако недостаток в этом случае состоит в том, что температура внутри молока может быть неоднородной, что также приводит к тому, что кое-где (в верхней части бутылочки) молоко может стать слишком горячими. Это также замечено потребителями.
Принцип водяной бани состоит в нагревании молока, при этом молоко помещается в емкость, в частности, в детской бутылочке, в жидкость, в частности, в воду, которая нагревается с помощью нагревательного элемента, установленного на дне камеры. Эта технология является самой распространенной и используется во многих нагревательных устройствах. Одно из существенных преимуществ системы паровой бани состоит в том, что нагрев молока происходит относительно равномерно, то есть в молоке имеется только маленький температурный градиент.
В настоящее время, чтобы достичь желаемой температуры молока, потребитель должен приблизительно с помощью метода проб и ошибок определить время нагрева детской бутылочки в камере. Если детскую бутылочку не вынуть в надлежащий интервал времени, молоко будет продолжать разогреваться. Так как существует огромное количество разнообразных типов детских бутылочек с различными размерами, объемами молока и воды, толщинами стенок детских бутылочек и начальными температурами молока и воды, производитель не может дать точные рекомендации относительно того, как долго детскую бутылочку необходимо нагревать для достижения требуемой температуры.
Существенная проблема для подогревателя бутылочек состоит в том, что температура молока в бутылочке является неизвестной. В связи с этим довольно сложно напрямую измерить температуру молока в бутылочке. Существуют бутылочки с индикаторами температуры, однако они являются относительно неточными. Кроме того, очень трудно считывать показания этих индикаторов температуры, когда бутылочка с молоком находится в подогревателе бутылочек. В известных до настоящего времени подогревателях бутылочек применяются сложные алгоритмы расчета температуры молока, при этом алгоритмы нельзя реализовать в виде простого микроконтроллера для обычных подогревателей бутылочек. Кроме того, не все допущения содержатся в реальных сценариях использования из-за неконтролируемых параметров и шумов.
В документе US 6,417,498 B1 раскрыто нагревательное устройство разъемного типа для автоматического нагрева и вибрации множества емкостей для одновременного оттаивания, нагревания и смешивания холодной или замороженной жидкости. Устройство нагревает каждый емкость до желаемой температуры с использованием теплообмена нагретой воды с емкостью. Нагреватель устройства содержит термостатное устройство для установки желаемой стабильной температуры.
В документе WO2007/022507A2 раскрыты способ и устройство, способные определять количество времени, которое остается до тех пор, пока нагреваемая пища не достигнет желаемой температуры, и/или пищевой продукт не достигнет приблизительно комнатной температуры за счет прямого измерения температуры пищевого продукта. Определение оставшегося количества времени основано по меньшей мере на скорости изменения температуры пищевого продукта во время нагрева/охлаждения.
Сущность изобретения
Цель настоящего изобретения состоит в создании нагревательного устройства для нагрева пищевого продукта в емкости, в частности, молока в детской бутылочке, и расчета времени достижения заданной температуры пищевого продукта, что позволило бы пользователю знать, когда пищевой продукт достигает заданной температуры без прямого измерения температуры пищевого продукта. Другая цель изобретения состоит в создании соответствующего способа нагрева пищевого продукта в емкости и расчета времени достижения пищевым продуктом заданной температуры.
В первом аспекте настоящего изобретения представлено нагревательное устройство для нагрева пищевого продукта в емкости, в частности, молока в детской бутылочке, и расчета времени достижения заданной температуры пищевого продукта, содержащее камеру, выполненную с возможностью содержания текучей среды и приема емкости, нагревательный блок для нагрева текучей среды в камере, элемент для измерения температуры, предназначенный для измерения температуры текучей среды в первый момент времени и второй момент времени, элемент для измерения температуры, предназначенный для измерения температуры текучей среды во всем временном диапазоне, вычислительный блок для определения, в каждый момент времени из диапазона времени, который представляет собой первый момент времени, разности температур текучей среды между первым моментом времени и соответствующим вторым моментом времени из диапазона времени, который отличается от первого момента времени, причем вычислительный блок выполнен с возможностью сравнения определенной разности температур с заданной величиной температуры, при этом вычислительный блок выполнен с возможностью сравнения определенной разности температур за период времени, в течение которого нагревательный блок находится в деактивированном состоянии, и блок расчета, предназначенный для расчета момента времени достижения заданной температуры, при котором достигается заданная температура пищевого продукта, содержащегося в емкости, на основании результата сравнения вычислительного блока.
Во втором аспекте настоящего изобретения представлен способ нагрева пищевого продукта в емкости, в частности, молока в детской бутылочке, и расчета времени достижения заданной температуры пищевого продукта, при этом нагревательное устройство содержит камеру, выполненную с возможностью содержания текучей среды и приема емкости, содержащий нагрев текучей среды в камере с помощью нагревательного блока, измерение температуры текучей среды в первый момент времени и второй момент времени, определение, в каждый момент времени из диапазона времени, который представляет собой первый момент времени, разности температур текучей среды между первым моментом времени и соответствующим вторым моментом времени из диапазона времени, который отличается от первого момента времени, сравнение определенной разности температур с заданной величиной температуры, причем сравнение определенной разности температур выполняется за период времени, в течение которого нагревательный блок находится в деактивированном состоянии, и расчет момента времени достижения заданной температуры, в который пищевой продукт, содержащийся в емкости, достигает заданной температуры, на основании результата сравнения вычислительного блока.
В еще одних дополнительных аспектах настоящего изобретения выполнена компьютерная программа, которая содержит средство программного кода, которое побуждает компьютер выполнять этапы способа, раскрытого в данном документе, при выполнении упомянутой компьютерной программы на компьютере, а также невременный машиночитаемый носитель информации, который хранит на нем компьютерный программный продукт, который при исполнении процессором предписывает выполнять способ, раскрытый в данном документе.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения. Следует понимать, что заявленный способ, процессор, компьютерная программа и среда имеют аналогичные и/или идентичные предпочтительные варианты осуществления, как и заявленное устройство и как определено в зависимых пунктах формулы изобретения.
Используя камеру, которая содержит в себе текучую среду, тепло, вырабатываемое нагревательным блоком, может переноситься в пищевой продукт, содержащийся в емкости, таким образом, чтобы пищевой продукт мог нагреваться до определенной температуры, в частности, до температуры, подходящей для младенцев. Посредством элемента для измерения температуры настоящее изобретение позволяет определить температуру пищевого продукта без прямого контакта с пищевым продуктом, тем самым предотвращая загрязнения пищевого продукта, таким образом, чтобы обеспечить повышенную гигиену. Подразумевается, что элемент для измерения температуры позволяет напрямую измерять температуру текучей среды или косвенно посредством измерения температуры камеры.
Кроме того, обеспечивая возможность нагрева пищевого продукта до заданной температуры, нагревательное устройство согласно настоящему изобретению дополнительно позволяет пользователю оценивать момент времени достижения заданной температуры, при котором достигается заданная температура пищевого продукта. В частности, в настоящем изобретении используются знания в области теплофизики относительно того, что при отсутствии тепла в тепловой системе его температура будет достигать устойчивого значения, характеризующего тепловое равновесие между различными частями тепловой системы. В случае нагревательного устройства, когда достигается заданная температура пищевого продукта, нагреватель сконфигурирован таким образом, чтобы он не вырабатывал тепло для дальнейшего повышения температуры пищевого продукта или вырабатывал только определенное количество тепла для того, чтобы поддерживать заданную температуру. Поэтому температура текучей среды будет близка к заданной температуре пищевого продукта.
Таким образом, измеряя температуру текучей среды в два различных момента времени, можно определить разность температур между этими двумя моментами времени. Эта разность сравнивается с заданной величиной температуры. Основываясь на сравнении, можно с высокой точностью и надежностью оценить момент времени достижения заданной температуры, при котором достигается заданная температура пищевого продукта, содержащегося в емкости. Преимущественно, настоящее изобретение позволяет потреблять пищевой продукт сразу после того, как он достигнет заданной температуры, тем самым избегать ухудшения свойств пищевого продукта из-за задержки его употребления.
Вычислительный блок выполнен с возможностью сравнения определенной разности температур за период времени, в течение которого нагревательный блок находится в деактивированном состоянии. Когда нагревательный блок находится в деактивированном состоянии, нагревательное устройство находится в фазе охлаждения, фазе перерегулирования или в интервале между двумя короткими периодами нагрева, в частности, повышениями температуры нагрева, фазы нагрева, в частности, фазы нагрева при термостатировании. Предпочтительно, в расчет принимаются различные фазы охлаждения и/или нагрева, поэтому расчет момента времени достижения заданной температуры будет более точной.
Основные преимущества этого алгоритма состоят в возможности обнаружения готовности пищевого продукта/молока, причем обнаружение выполняется в момент времени достижения заданной температуры пищевого продукта. Предпочтительно, нагревательное устройство позволяет предоставлять пользователю информацию посредством видео-/аудиосигналов относительно готовности пищевого продукта/молока. Нагревательное устройство позволяет оценить момент времени достижения заданной температуры до момента времени достижения заданной температуры. Другими словами, контролируя характер изменения температуры, обнаруженной элементом для измерения температуры, нагревательное устройство оценивает, готово или нет молоко, при этом нагревательное устройство предпочтительно подает пользователю сигнал "готово". Таким образом, пользователю не нужно беспокоиться о том, готово или перегрето молоко.
В предпочтительном варианте осуществления вычислительный блок выполнен с возможностью регистрации промежуточного момента времени, более позднего по сравнению с первым и вторым моментами времени, когда в первый момент времени расчетная разность температур или ее абсолютная величина меньше или равна заданной величине температуры. Таким образом, момент времени достижения заданной температуры можно оценить, основываясь на определении состояния текучей среды и емкости, в частности, состояния текучей среды и пищевого продукта, так называемое состояние теплового равновесия или близкое к нему. Преимущественно, момент времени достижения заданной температуры можно оценить с высокой точностью.
Предпочтительно, блок расчета выполнен с возможностью расчета момента времени достижения заданной температуры, который представляет собой второй момент времени. Таким образом, момент времени достижения заданной температуры можно оценить на основании начала определенного состояния, находящегося близко к или в тепловом равновесии. Преимущественно, расчет момента времени достижения заданной температуры производится с повышенной точностью.
В другом предпочтительном варианте осуществления промежуточный момент времени регистрируется после того, как абсолютная величина определенной разности температур достигнет максимума. Это повышает преимущественно надежность результата расчета.
Предпочтительно, блок расчета выполнен с возможностью расчета момента времени достижения заданной температуры, который является первым моментом времени окончания в конце первого заданного периода времени, начинающегося в промежуточный момент времени, если нагревательный блок находится в деактивированном состоянии в промежуточный момент времени и остается в деактивированном состоянии в течение первого заданного периода времени. Для разогрева небольшого количества пищевого продукта от относительно высокой начальной температуры необходимо только относительно небольшое количество тепловой энергии. Это означает, что в этом случае пищевой продукт можно нагреть до заданной температуры даже во время фазы охлаждения нагревательного устройства, при которой нагревательный блок деактивирован перед любым повышением температуры термостатом. Преимущественно, расчет момента времени достижения заданной температуры производится с дополнительно повышенной точностью для фазы охлаждения нагревательного блока.
Предпочтительно, блок расчета выполнен с возможностью расчета момента времени достижения заданной температуры на основании обнаружения активированного состояния нагревательного блока в пределах первого заданного периода времени, который начинается в промежуточный момент времени. Обнаружение активированного состояния нагревательного блока означает, что нагревательное устройство находится в фазе нагрева, в частности, фазе нагрева при термостатировании. Такая фаза нагрева часто требуется в том случае, когда необходимо иметь относительно большое количество тепловой энергии для того, чтобы подогреть большое количество пищевого продукта от относительно низкой начальной температуры. В частности, при нагреве в условиях термостатировании требуется больше энергии для дальнейшего разогрева пищевого продукта до его заданной температуры. Преимущественно, расчет момента времени достижения заданной температуры производится с высокой надежностью с учетом фазы нагрева, в частности, фазы нагрева при термостатировании нагревательного устройства.
Предпочтительно, блок расчета выполнен с возможностью расчета момента времени достижения заданной температуры на основании обнаружения периода нагрева нагревательного блока, который заканчивается во второй конечный момент времени, причем второй конечный момент времени заканчивается по времени позже, чем обнаружение активированного состояния нагревательного блока. Таким образом, фаза нагрева, предпочтительно фаза нагрева при термостатировании нагревательного устройства, принимается во внимание с более высокой точностью. Преимущественно, расчет момента времени достижения заданной температуры производится с повышенной надежностью. Период нагрева может, без ограничения настоящего изобретения, включать в себя время обнаружения активированного состояния в пределах первого заданного периода времени. В качестве альтернативы, период нагрева может начаться в более поздний момент времени после обнаружения активированного состояния в пределах первого заданного периода времени.
Предпочтительно, блок расчета выполнен с возможностью расчета момента времени достижения заданной температуры на основании обнаружения состояния нагревательного блока в течение второго заданного периода времени, который начинается во второй конечный момент времени. Таким образом, можно обнаружить фазы нагрева или охлаждения нагревательного устройства, поэтому расчет момента времени достижения заданной температуры можно произвести, основываясь на обнаруженном состоянии. Преимущественно, момент времени достижения заданной температуры можно оценить более надежным образом.
Предпочтительно, блок расчета выполнен с возможностью расчета момента времени достижения заданной температуры, который представляет собой третий конечный момент времени в конце второго заданного периода времени, если нагревательный блок находится в деактивированном состоянии, что соответствует второму заданному периоду времени. Таким образом, момент времени достижения заданной температуры можно оценить как третий конечный момент времени в том случае, когда продолжительность времени между вторым конечным моментом времени обнаруженного периода нагрева и началом следующего периода нагрева больше, чем второй заданный период времени. Относительно большая продолжительность времени между двумя последовательными периодами нагрева или повышений температуры нагрева, в частности, два периода нагрева при термостатировании, показывает, что мощность нагрева подается не для дальнейшего разогрева пищевого продукта, а в основном для компенсации потери энергии с течением времени. Контролируя продолжительность времени, в частности, продолжительности времени между двумя последовательными периодами нагрева при термостатировании, настоящее изобретение преимущественно позволяет оценить время достижения заданной температуры с дополнительно повышенной точностью.
В предпочтительном варианте осуществления разница во времени между первым и вторым моментами времени составляет менее 5 минут, предпочтительно меньше или равна 1 минуте. Таким образом, разность температур текучей среды между первым и вторым моментами времени обеспечивает надежную базу для расчета момента времени достижения заданной температуры. В частности, предотвращается слишком большая разница во времени между первым и вторым моментами времени, поэтому преимущественно минимизируется влияние паразитных эффектов на результат расчетного момента времени достижения заданной температуры.
В другом предпочтительном варианте осуществления заданная величина температуры является неотрицательной и меньше 5°C, предпочтительно меньше или равна 1°C. Когда температура пищевого продукта близка к заданной температуре, изменение температуры текучей среды замедляется. Поэтому заданная величина температуры, которая выбрана слишком большой, будет всегда больше, чем разность температур между первым и вторым моментами времени. Это преимущественно предотвращается путем правильного выбора заданной величины температуры, поэтому расчет момента времени достижения заданной температуры является более надежной.
В еще одном дополнительном предпочтительном варианте осуществления элемент для измерения температуры находится в прямом контакте с текучей средой в камере. Таким образом, температура текучей среды измеряется с повышенной точностью, при этом не требуется прямого контакта с пищевым продуктом. Преимущественно, момент времени достижения заданной температуры можно оценить с еще более высокой надежностью.
В еще одном дополнительном предпочтительном варианте осуществления нагревательное устройство дополнительно содержит индикаторный блок для выработки одного или более аудио и/или визуальных индикаторных сигналов после расчета момента времени достижения заданной температуры. Таким образом, пользователь может оповещаться в, предпочтительно перед, момент времени достижения заданной температуры. Сигнал передается по обратной связи пользователю, чтобы показать стадии нагрева и, в конечном счете, проинформировать пользователя о том, когда достигнет заданная температура. Для достижения этой цели сигнал должен иметь различные отображения, например, различные звуковые тональные сигналы, которые отличаются от картины мигания светодиодов. Эти различные отображения сигналов соответствуют различным стадиям нагрева. Поэтому пользователь может узнать посредством отображаемого сигнала о том, когда достигнет стадия непосредственно перед стадией достижения заданной температуры, и заблаговременно узнать о том, когда будет фактически завершен процесс нагрева. Преимущественно, настоящее изобретение позволяет заранее информировать пользователя о моменте времени достижения заданной температуры.
Краткое описание чертежей
Эти и другие аспекты изобретения будут очевидны из и разъяснены со ссылкой на варианты осуществления, описанные ниже. На чертежах:
на фиг.1 показано схематичное представление первого варианта осуществления нагревательного устройства согласно настоящему изобретению;
на фиг.2 показано схематичное представление второго варианта осуществления нагревательного устройства согласно настоящему изобретению;
на фиг.3 показан график температурного профиля в зависимости от времени согласно настоящему изобретению;
на фиг.4 показан график другого температурного профиля в зависимости от времени согласно настоящему изобретению;
на фиг.5 показан график еще одного дополнительного температурного профиля в зависимости от времени согласно настоящему изобретению;
на фиг.6 показано схематичное представление варианта осуществления способа согласно настоящему изобретению;
на фиг.7 показан график экспериментально полученного температурного профиля, график соответствующих фаз нагревательного устройства и график градиента температуры текучей среды и расчетного времени достижения заданной температуры; и
на фиг.8 показан другой график полученного экспериментального температурного профиля, график соответствующих фаз нагревательного устройства и график градиента температуры текучей среды и расчетного момента времени достижения заданной температуры.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 показано схематичное представление первого варианта осуществления нагревательного устройства 10 для нагрева пищевого продукта 12 в емкости 14, в частности, для нагрева молока в детской бутылочке. Нагревательное устройство 10 содержит камеру 16 для содержания текучей среды 18 и приема емкости 14. Нагревательное устройство 10 дополнительно содержит нагревательный блок 20 для нагрева текучей среды 18, содержащейся в камере 16. Нагревательное устройство 10 дополнительно содержит элемент 22 для измерения температуры, предназначенный для измерения температуры текучей среды 18 с течением времени. Кроме того, нагревательное устройство 10 содержит вычислительный блок 24 для определения разности температур текучей среды 18 между первым и вторым моментами времени и для сравнения расчетной разности температур с заданной величиной температуры. В дополнение, нагревательное устройство 10 содержит блок 26 расчета для расчета момента времени достижения заданной температуры, в который достигает заданная температура пищевого продукта 12, содержащегося в емкости 14, на основании результата сравнения вычислительного блока 24.
Емкость 14 можно выполнить из различных материалов, таких как пластмасса, стекло или термочувствительный материал. Пищевой продукт 12, содержащийся в емкости 14, может представлять собой жидкость, такую как вода, молоко или соки, или детское питание. Камера 16 предпочтительно выполнена из материала с низкой теплопроводностью, поэтому можно существенно снизить теплообмен между текучей средой 18 и окружающей средой за пределами камеры 16. Текучая среда 18, содержащаяся в камере 16, представляет собой предпочтительно воду, которая имеет относительно высокой теплоемкость. Однако можно использовать другие жидкости с низкой вязкостью и даже газ. Например, пространство внутри герметичной камеры с двойной стенкой может быть заполнено газом.
Элемент 22 для измерения температуры представляет собой предпочтительно элемент для измерения температуры с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) или с положительным температурным коэффициентом (PTC) или элемент Пельтье. Кроме того, предпочтительно, элементами для измерения температуры могут быть термопары. Нагревательный блок 20 может быть нагревательным элементом, таким как нагревательная спираль, нагревательная пластина, термостат и/или нагревательный стержень. На фиг.1, нагревательный блок 20 расположен на дне камеры 16. Однако настоящее изобретение не ограничивается этим, и могут также использоваться другие размещения, в том числе в стенке 17 камеры 16. Управление с помощью нагревательного блока 20 осуществляется контроллером, например, процессором, который предпочтительно включен в нагревательный блок 20. Предпочтительно, нагревательный блок 20 выполнен с возможностью обеспечения цикла нагрева при термостатировании, который приводится в действие в зависимости от времени и/или приводится в действие в зависимости от температуры, в частности, приводится в действие в зависимости от времени, но не приводится в действие в зависимости от температуры. Цикл нагрева, приводимый в действие в зависимости от времени, означает, что нагревательный блок начинает цикл нагрева на основании временных критериев, например, заданной продолжительности времени, после выключения нагревателя. Цикл нагрева, приводимый в действие в зависимости от температуры, означает, что нагревательный блок начинает цикл нагрева на основании температурных критериев, например, когда температура падает до заданного температурного уровня.
Элемент 22 для измерения температуры размещается в стенке 17 камеры 16, поэтому элемент 22 для измерения температуры выполнен с возможностью косвенного измерения температуры текучей среды 18 посредством температуры камеры 16.
Вычислительный блок 24 выполнен с возможностью регистрации результата измерения, поступающего из элемента 22 для измерения температуры, и определения разности температур текучей среды 18 между первым и вторым моментами времени. Кроме того, вычислительный блок 24 выполнен с возможностью сравнения так называемой разности температур с заданной величиной температуры. Предпочтительно, вычислительный блок 24 сравнивает абсолютную величину разности температур с неотрицательной заданной величиной температуры. Кроме того, предпочтительно пользователь может установить заданную величину температуры с помощью, например, одной или более кнопок или посредством аудио или цифрового ввода.
Блок 26 расчета взаимодействует с вычислительным блоком 24, поэтому результат сравнения, предоставляемый из вычислительного блока 24, обрабатывается блоком 26 расчета для того, чтобы оценить момент времени достижения заданной температуры для пищевого продукта 12. Предпочтительно, блок 26 расчета выполнен с возможностью расчета момента времени достижения заданной температуры для пищевого продукта 12, дополнительно основываясь на обнаружении состояния нагревательного блока 20, в частности, на активированном состоянии или деактивированном состоянии нагревательного блока 20. Обнаружение состояния нагревательного блока 20 схематично показано пунктирной стрелкой 25. Когда нагревательный блок 20 находится в активированном состоянии, управление нагревательным устройством 10 осуществляется во время фазы нагрева, в течение которой мощность нагрева подается в нагревательный блок 20 для разогрева камеры 16 и текучей среды 18. Когда нагревательный блок 20 находится в деактивированном состоянии, управление нагревательным устройством 10 осуществляется во время фазы охлаждения, в которой мощность нагрева не подается в нагревательный блок 20.
На фиг.2 показано схематичное представление второго варианта осуществления нагревательного устройства 10'. Нагревательное устройство 10' содержит по существу такие же элементы, как и нагревательное устройство 10, которое показано на фиг.1, за исключением того, что элемент 22' для измерения температуры размещается таким образом, чтобы он находился в прямом контакте с текучей средой 18, содержащейся в камере 16. Предпочтительно, элемент 22' для измерения температуры содержит удлиненный участок, который вертикально погружен в текучую среду 18.
Принцип работы нагревательного устройства 10, 10' согласно настоящему изобретению основан на понимании того, что когда температура текучей среды 18, предпочтительно воды, и пищевого продукта 12, предпочтительно молока, достигает теплового равновесия, при котором изменение температуры, в частности, снижение температуры воды, будет замедляться. Исследуя градиент температуры воды во время фазы охлаждения нагревательного устройства 10, 10', в течение которой вода остывает, можно оценить информацию относительно того, готово ли молоко, что в свою очередь означает, достигло ли оно заданной температуры.
Далее, функциональные возможности нагревательного устройства 10, 10' согласно настоящему изобретению объяснены с помощью примерных графиков, показанных на фиг.3-8.
На фиг.3 показан график температурного профиля 30, который представляет собой зависимость температуры T в градусах Цельсия (в °C) в зависимости от времени t (в секундах), и который получен и используется согласно настоящему изобретению. На графике показаны две кривые 310, 320. Первая кривая 310 представляет собой зависимость (измеренную) температуры текучей среды от времени, и вторая кривая 320 представляет собой зависимость расчетной температуры текучей среды от времени.
Согласно настоящему изобретению управление нагревательным блоком 20 осуществляется в основном на основе знаний тепловых явлений. Для того, чтобы справиться с большим разнообразием сценариев, возникающих на практике, управление нагревательным блоком 20 предпочтительно осуществляется путем применения кусочно-линейной функции нагрева, имеющей различные фазы нагрева и/или охлаждения, которые будут объяснены постепенно ниже. Основные фазы включают в себя одну или несколько фаз из: начальной фазы 300, фазы 301 нагрева по тарировочному графику (которая также называется первой фазой нагрева), первой фазы 302 перерегулирования, второй фазы 303 нагрева, второй фазы 304 перерегулирования, фазы 305 охлаждения и фазы 306 нагрева при термостатировании.
init
w,min
w,min
calib
w,min+V
Во время начальной фазы 300, продолжающейся от t=0 до t=t, нагревательный блок 20 находится в деактивированном состоянии, в котором не подается мощность нагрева. Во время начальной фазы 300 температура текучей среды находится на своем самом низком уровне T. Температура пищевого продукта также находится на своем самом низком уровне, который близок к T. После начальной фазы 300 нагревательный блок 20 сначала разогревается в течение времени 301a ожидания, что является первой частью фазы 301 нагрева по тарировочному графику. Во время фазы 301 нагрева по тарировочному графику нагревательный блок 20 находится в активированном состоянии, показанном на фиг.3 двухсторонней стрелкой и надписью "вкл.", поэтому мощность нагрева подается в нагревательный блок 20 и камеру 16. По истечении времени ожидания температура воды повышается почти линейно во время второй части 301b фазы 301 нагрева по тарировочному графику, поэтому в конце фазы 301 нагрева по тарировочному графику (t=t) температура текучей среды достигает T. Во время второй части 301b фазы 301 нагрева по тарировочному графику также начинает повышаться температура текучей среды.
w,os
os
heat
Во время первой фазы 302 перерегулирования управление с помощью нагревательного блока 20 снова осуществляется в активированном состоянии. Однако, как показано на фиг.3, во время первой фазы 302 перерегулирования температура текучей среды продолжает увеличиваться и достигает T в конце первой фазы 302 перерегулирования (t=t). К концу первой фазы 302 перерегулирования увеличение температуры текучей среды начинает уменьшаться. Во время второй фазы 303 нагрева управление с помощью нагревательного блока 20 снова осуществляется в активированном состоянии. В начале второй фазы 303 нагрева температура текучей среды остается по существу сначала постоянной, а затем быстро увеличивается. Увеличение температуры текучей среды продолжается даже после окончания второй фазы 303 нагрева (t=t).
w,heat
w,heat
w,heat
Во время второй фазы 304 перерегулирования управление с помощью нагревательного блока 20 снова осуществляется в деактивированном состоянии. Однако, как показано на фиг.3, температура текучей среды продолжает увеличиваться и достигает T в конце второй фазы 304 перерегулирования (t=t), где температура текучей среды достигает своего максимального значения. Как показано на фиг.3, температура пищевого продукта постоянно увеличивается во время первой фазы 302 перерегулирования, второй фазы 303 нагрева и второй фазы 304 перерегулирования. Как видно также из фиг.3, увеличение температуры текучей среды между t=0 и t=t больше, чем увеличение температуры пищевого продукта за тот же самый период времени.
Во время фазы 305 охлаждения нагревательное управление устройством 20 снова осуществляется в деактивированном состоянии таким образом, чтобы мощность нагрева не подавалась в нагревательный блок 20. Как видно из фиг.3, температура текучей среды непрерывно уменьшается во время фазы 305 охлаждения. Однако, так как в начале фазы 305 охлаждения температура текучей среды выше, чем температура пищевого продукта, тепло передается от текучей среды 18 через емкость 14 к пищевому продукту 12 таким образом, что во время фазы 305 охлаждения температура пищевого продукта постепенно повышается.
exp
w,thm
m,exp
w,thm
Фаза 306 нагрева состояния термостатирования состоит из множества повышений B1-B9 температуры нагрева (например, каждый из которых имеет продолжительность 1 секунду). Фаза 306 нагрева при термостатировании, которая начинается при t=t и заканчивается тогда, когда пользователь выключает или выдергивает вилку нагревательного устройства 10, 10' из розетки, выполнена с возможностью достижения и поддержания равновесия между температурой текучей среды и температурой пищевого продукта. Повышение B1 температуры нагрева применяется тогда, когда температура текучей среды ниже T, которая соответствует заданной температуре T пищевого продукта 12. Если температура текучей среды по-прежнему не увеличивается после первого повышения B1 температуры нагрева, применяются одно или более дополнительных повышений B2, B3 температуры нагрева, путем включения нагревательного блока 20 до тех пор, пока температура текучей среды не превысит или не станет равной T. Когда температура текучей среды снова уменьшается, можно применить одну или более групп повышения температуры нагрева, каждая из которых состоит из одного или более повышений B4-B5, B6-B7 и B8-B9 температуры нагрева. Таким образом, температура пищевого продукта может оставаться по существу при желательной или заданной температуре в течение некоторого времени без какого-либо риска перегрева пищевого продукта.
Способ, связанный с процедурой нагрева, показанной на фиг.3, применим не только к устройствам с высокой вычислительной мощностью, но также к устройствам с ограниченной вычислительной мощностью. В последних устройствах обычно невозможно очень точное вычисление с плавающей точкой с несколькими разрядами. Для того, чтобы выполнить надежную расчет момента времени достижения заданной температуры без необходимости вычисления мгновенного градиента температурного профиля воды, требующего высокой вычислительной мощности, разность температур текучей среды 18 вычисляется между каждым контролируемым моментом времени, представляющим собой первый момент времени, и соответствующий второй момент времени который отличается от связанного с ним первого момента времени. Способ расчета схематично показан на фиг.6. Предпочтительно, чтобы второй момент времени выбирался раньше, чем первый момент времени на фиксированное количество времени, которое меньше пяти минут, более предпочтительно меньше или равно одной минуте.
w
0
Когда пищевой продукт 12 нагревается до заданной температуры, не должно происходить дальнейшего повышения температуры пищевого продукта 12. В этом случае температура текучей среды будет незначительно выше, чем заданная температура пищевого продукта. Другими словами, тепловая система, состоящая из текучей среды 18 и емкости 14, в частности, состоящая из текучей среды 18 и пищевого продукта 12, уравновешивается при заданной температуре пищевого продукта, в частности, заданной температуре молока. Если достигается стадия равновесия, то не должно быть значительной разности температур текучей среды 18 в пределах относительно короткого периода времени. Разность температур, которая зависит от времени текучей среды 18, в частности, воды ΔT, в пределах периода Δt времени, можно выразить в виде
w
w
w
0
ΔT(t)=T(t) -T(t-Δt)(1)
w
w
где t - первый момент времени из контролируемого диапазона времени, выраженный в секундах, и T(t) -температура текучей среды, измеренная в градусах Цельсия, в зависимости от времени. Значение ΔT(t) будет вычислено с использованием функции расчетного времени достижения заданной температуры (ETA), как только текучая среда начнет охлаждаться, в частности, в начале фазы охлаждения нагревательного устройства 10, 10'.
w
w
w
w
w
w
Функция ETA активируется на этапе 601, показанном на фиг.6. Затем состояние нагревательного блока 20 обнаруживается на этапе 602, показанном на фиг.6. После того как нагревательный блок 20 будет обнаружен как деактивированный во время фазы 305 охлаждения нагревательного устройства 10, 10', функция ETA применяется с помощью вычислительного блока 24 для определения ΔT(t) в соответствии с уравнением (1) на этапе 603, показанном на фиг.6, где вычислительный блок 24 сравнивает ΔT(t) с заданной величиной температуры, которая предпочтительно является неотрицательной и меньше 5°C, более предпочтительно меньше или равна 1°C (на фиг.6 этап 604). Пока текучая среда 18 охлаждается, температурный градиент текучей среды 18 должен быть отрицательным. Так как разность температур сравнивается во всем временном диапазоне, предпочтительно, в течение одной минуты (Δt0=60 сек), разность ΔT(t) может быть положительной в начале, но затем будет быстро уменьшаться до отрицательных значений. Предпочтительно, вычислительный блок 24 определяет, применяется ли условие -1°C < ΔT(t) < 0°C на этапе 604. Абсолютное значение ΔT(t), то есть |ΔT(t)|, сначала увеличивается, а затем уменьшается, что означает, что температура текучей среды падает быстро в начале, а затем более медленно.
w
w
w
До тех пор, пока на этапе 604 получается отрицательный результат, повторяется этап 603. В противном случае, блок 26 расчета регистрирует промежуточный момент t=t* времени, который представляет собой первый момент времени, в который вычисляется ΔT(t*), более предпочтительно его абсолютное значение |ΔT(t*)|, и который меньше или равен заданной величине температуры, например, 1°C: |ΔT(t*)|≤Δ1°C. В этом случае, температура текучей среды снизилась менее или по существу 1°C между первым и вторым моментами времени, в частности, в течение последней минуты. Считается, что состояние равновесия уже достигнуто, и пищевой продукт 12 практически готов к употреблению. Предпочтительно, индикаторный блок (не показан) может быть предусмотрен для выработки одного или более звуковых и/или визуальных индикаторных сигналов после расчета момента времени достижения заданной температуры на этапе 605, показанном на фиг.6. Например, визуальный текст "молоко почти готово", может показываться на дисплее в заданный момент времени перед расчетным моментом времени достижения заданной температуры. Альтернативно, один или более звуковых сигналов могут вырабатываться с тем, чтобы информировать пользователя о том, когда будет приблизительно достигнут момент времени достижения заданной температуры.
В другом варианте осуществления блок 26 расчета выполнен с возможностью расчета момента времени достижения заданной температуры, который представляет собой промежуточный момент времени t=t*.
В некоторых случаях тепловой энергии, которая подается для разогрева пищевого продукта 12 во время фазы нагрева по тарировочному графику и второй фазы нагрева, достаточно для разогрева пищевого продукта 12 до заданной температуры. Такие случаи упоминаются здесь как первый класс случаев. В других случаях все еще требуется дополнительная тепловая энергия из фазы нагрева при термостатировании для окончательного разогрева пищевого продукта до ожидаемой температуры. Такие случаи упоминаются здесь как второй класс случаев. Для первого класса случаев функция ETA вычисляется путем исследования градиента температуры текучей среды. Для второго класса случаев, так как температура текучей среды будет относительно стабильной во время фазы нагрева при термостатировании, простое исследование градиента температуры текучей среды является необязательным. В дополнение, можно также рассматривать временной интервал между последующими повышениями температуры нагрева для расчета момента времени достижения заданной температуры.
В предпочтительном варианте осуществления блок 26 расчета выполнен с возможностью расчета момента времени достижения заданной температуры на основании обнаружения состояния нагревательного блока 20 после зарегистрированного промежуточного момента времени t=t*. Это будет описано ниже со ссылкой на фиг.4 и фиг.5. Кроме того, способ, применяемый нагревательным устройством 10, 10' для выполнения расчета времени достижения заданной температуры, описан со ссылкой на фиг.6.
w
На фиг.4 показан график температурного профиля 40, представляющий собой зависимость температуры T (в градусах Цельсия [°C]) от времени t (в секундах [сек]), которая получается и используется согласно настоящему изобретению. Аналогично процедуре нагрева, показанной на фиг.3, процедура нагрева, показанная на фиг.4, также включает в себя различные фазы нагрева и/или охлаждения, в частности, начальную фазу 400, фазу 401 нагрева по тарировочному графику, первую фазу 402 перерегулирования, вторую фазу 403 нагрева, вторую фазу 404 перерегулирования, фазу 405 охлаждения и фазу нагрева 406 при термостатировании. На схеме (фиг.4) показана одна кривая 410, которая представляет собой разность ΔT(t) температур текучей среды 18, вычисленную в зависимости от времени в соответствии с уравнением (1).
0
0
w
w
w
w
В частности, разность Δtв уравнении (1) выбрана как Δt=60 сек. В начале фазы 405 охлаждения разность ΔT(t) является положительной и быстро уменьшается до отрицательных значений, как это видно на фиг.4. Кроме того, абсолютное значение ΔT(t) сначала увеличивается и затем уменьшается. После того, как абсолютное значение ΔT(t) прошло свой максимум во время фазы 405 охлаждения, регистрируется промежуточный момент t* времени, в который выполняется условие для абсолютного значения определенной разности температур |ΔT(t*)|≤Δ1°C.
1
1
arr,est
1
1
После промежуточного момента t* времени блок 26 расчета настраивается для приема информации о состоянии нагревательного блока 20, то есть относительно того, находится ли нагревательный блок 20 в активированном состоянии или деактивированном состоянии (этап 607, показанный на фиг.6). При t=t* нагревательный блок 20 деактивируется. Если нагревательный блок 20 остается в деактивированном состоянии в течение первого заданного периода времени с продолжительностью Δt, предпочтительно в течение одной минуты (Δt=60 сек), блок 26 расчета оценивает момент времени достижения заданной температуры для пищевого продукта 12 как конечный момент времени t=t*+Δt первого заданного периода времени от t=t* до t=t*+Δt (на фиг.6 этап 610). Это справедливо для случая, показанного на фиг.4 и означающего, что нагрев при термостатировании не происходит в пределах первого заданного периода времени, в частности, в пределах одной минуты после промежуточного момента t* времени, поэтому тепловая энергия больше не подается для разогрева пищевого продукта 12 в пределах одной минуты.
Предпочтительно, можно предусмотреть индикаторный блок (не показан), для выработки одного или более звуковых и/или визуальных индикаторных сигналов после расчета момента времени достижения заданной температуры. Например, визуальный текст "молоко готово" может быть показан на дисплее. Альтернативно, один или более звуковых сигналов можно выработать таким образом, чтобы информировать пользователя в том случае, когда достигнут или почти достигнут момент времени достижения заданной температуры.
Процедура нагрева, показанная на фиг.4, соответствует случаю, когда требуется относительно небольшое количество тепловой энергии для разогрева относительно небольшого количества пищевого продукта, в частности, молока, начиная с относительно высокой начальной температуры молока. В этом случае молоко может достичь заданной температуры во время фазы 405 охлаждения перед любым повышением температуры при термостатировании.
Если в течение первого заданного периода времени, в частности, в течение одной минуты, обнаруживается нагрев при термостатировании на этапе 607, показанном на фиг.6, необходим дальнейший анализ для расчета момента времени достижения заданной температуры. Это поясняется ниже со ссылкой на фиг.5.
1
1
На фиг.5 показан график, аналогичный графику, показанному на фиг.4, за исключением того, что в течение первого заданного периода времени Δt, который равен предпочтительно одной минуте, нагревательный блок 20 обнаруживается как находящийся в активированном состоянии. Это означает, что фаза 506 нагрева при термостатировании начинается в пределах первого заданного периода времени между t=t* и t=t*+Δt. В этом случае функция ETA позволяет разогревать пищевой продукт в течение большего количества времени и контролировать продолжительность времени между двумя последовательными периодами нагрева, в частности, между двумя последовательными периодами нагрева при термостатировании. Предпочтительно, блок 26 расчета выполнен с возможностью регистрации продолжительности времени между двумя последовательными периодами нагрева при термостатировании, в частности, повышениями температуры нагрева с начала фазы 506 нагрева при термостатировании (на фиг.6 этап 608) до тех пор, пока не будет обнаружена продолжительность, равная или больше, чем второй заданный период времени. Это выполняется путем приема информации относительно состояния нагревательного блока 20 с течением времени.
2
2
arr,est
end,B3
2
Как показано на фиг.5 в качестве примера, блок 26 расчета выполнен с возможностью определения, деактивирован ли нагревательный блок 20 в течение второго заданного периода времени с продолжительностью Δt, которая предпочтительно составляет три минуты, то есть Δt2=180 сек (на фиг.6 этап 609). Если это не так, то регистрация времени на этапе 608 будет повторяться, начиная с конца предыдущих периодов нагрева при термостатировании. Как показано на фиг.5, временной интервал между третьим повышением B3 температуры нагрева и четвертым повышением B4 температуры нагрева больше Δt. Поэтому момент времени достижения заданной температуры оценивается как t=t+Δt (на фиг.6 этап 610), то есть конечный момент времени второго заданного периода времени, как показано на фиг.5. В этом случае дополнительная тепловая энергия не подается для разогрева пищевого продукта в течение относительно продолжительного второго заданного периода времени, что означает, что нагрев при термостатировании в основном предназначен для компенсации потерь тепловой энергии пищевого продукта 12 с течением времени, например, из-за теплообмена с окружающей средой, такой как атмосфера.
Процедура нагрева, показанная на фиг.5, соответствует случаю, когда большое количество энергии необходимо для разогрева относительно большого количества пищевого продукта, в частности, молока, начиная с относительно низкой начальной температуры молока. В этих случаях температура молока может быть ниже заданной температуры на 3°C - 5°C после второй фазы 503 нагрева. Поэтому для дальнейшего разогрева молока после второй фазы 503 нагрева необходимо больше тепловой энергии, поступающей от нагрева при термостатировании.
tend,B3
2
Предпочтительно, индикаторный блок может вырабатывать один или более звуковых и/или визуальных индикаторных сигналов в или перед моментом времени t=t+Δt, чтобы информировать пользователя о расчетном моменте времени достижения заданной температуры для пищевого продукта 12.
На фиг.7 показан график полученного экспериментального температурного профиля (фиг.7А), график соответствующих фаз нагревательного устройства 10, 10' (фиг.7B) и график градиентов температуры текучей среды и расчетного времени достижения заданной температуры (фиг.7C). Температурный профиль, показанный на фиг.7А, аналогичен температурному профилю, показанному на фиг.4. На фиг.7А показаны две кривые, первая кривая 710 представляет собой температуру текучей среды, и вторая кривая 720 представляет собой расчетную температуру пищевого продукта. Моменты времени, характеризующиеся различными фазами нагревательного устройства 10, 10', показаны вертикальными пунктирными линиями. На фиг.7B различные фазы нагревательного устройства 10, 10' показаны кривой 730, которые проходят через различные уровни 700-706, показывающие различные фазы нагревательного устройства 10, 10': начальную фазу 700, фазу 701 нагрева по тарировочному графику, первую фазу 702 перерегулирования, вторую фазу 703 нагрева, вторую фазу 704 перерегулирования, фазу 705 охлаждения и фазу 706 нагрева при термостатировании.
w,heat
w,heat
w,heat
1
1
1
arr,est
1
exp
На фиг.7C градиент температуры текучей среды (температуры воды) показан с помощью кривой 750, которая начинается с момента t времени запуска фазы 705 охлаждения. Кривая 740 представляет собой статус заданной температуры. Кривая 740 показывает различные уровни 740a-d, в том числе инициирование (740a, от t=0 до t=t), развитие (740b, от t=t до t=t*), приближение (740c, от t=t* до t=t*+Δt) и достижение заданной температуры (740d, при t=t*+Δt). Следует отметить, что вода используется в качестве текучей среды, и молоко используется в качестве пищевого продукта для получения результата, показанного на фиг.7. Объем молока и/или воды составляет 60 мл, при этом заданная температура молока равна 37°C. Продолжительность первого заданного периода времени выбрана как Δt=1 минуте. Из фиг.7 также видно, что заданная температура молока достигается при t=t*+Δt перед началом фазы нагрева 706 при термостатировании, отмеченной t=t.
На фиг.8 показан график экспериментально полученного температурного профиля, на фиг.8А показан график соответствующих фаз нагревательного устройства 10, 10' (фиг.8B) и график градиентов температуры текучей среды и расчетного времени достижения заданной температуры (фиг.8C). Температурный профиль на фиг.8А аналогичен тому, который показан на фиг.5. На фиг.8А показаны две кривые: первая кривая 810 представляет собой температуру текучей среды, и вторая кривая 820 представляет собой расчетную температуру пищевого продукта. Моменты времени, характеризующие различные фазы нагревательного устройства 10, 10', показаны вертикальными пунктирными линиями. На фиг.8B различные фазы нагревательного устройства 10, 10' показаны кривой 830, которая проходит через разные уровни 800-806 (аналогично фиг.7B), показывающие различные фазы нагревательного устройства 10, 10'.
w,heat
w,heat
w,heat
1
1
1
exp
exp
exp
arr,est
end,B6
2
На фиг.8C градиент температуры текучей среды (температура воды) показан кривой 850, которая начинается с начального момента t времени фазы 805 охлаждения. Кривая 840 представляет собой статус предварительно установленной температуры. Кривая 840 показывает различные уровни 840a-d, в том числе инициирование (840a, от t=0 до t=t), развитие (840b, от t=t до t=t*), приближение (840c, от t=t* до t=t*+Δt) и достижение заданной температуры (840d, при t=t*+Δt). Следует отметить, что вода используется в качестве текучей среды, и молоко используется в качестве пищевого продукта для получения результата, показанного на фиг.8. Объем молока составляет 210 мл, в то время как объем воды составляет 180 мл, где заданная температура молока равна 37°C. Продолжительность первого заданного периода времени выбрана как Δt=1 минута. В отличие от фиг.7, заданная температура молока не достигает до начала фазы нагрева 806 при термостатировании, отмеченной t=t. В качестве примера, показанного на фиг.8B, промежуточный момент времени по существу совпадает с началом фазы нагрева при термостатировании, то есть t*=t. Временной интервал между двумя последовательными периодами нагрева определяется, начиная с t=t. Как показано на фиг.8B-C, временной интервал между повышением B6 температуры нагрева и повышением B7 температуры нагрева больше, чем второй заданный период времени, равный 3 минутам. Поэтому момент времени достижения заданной температуры оценивается по достижению конца второго заданного периода времени, то есть t=t+Δt.
Хотя изобретение было проиллюстрировано и описано подробно на чертежах и в приведенном выше описании, такую иллюстрацию и описание следует рассматривать как иллюстративные или примерные, но не ограничивающие; при этом изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления. Специалисты в данной области техники могут понять и осуществить на практике другие разновидности раскрытых вариантов осуществления заявленного изобретения, руководствуясь чертежами, описанием и нижеследующей формулой изобретения.
В формуле изобретения слово "содержащий" не исключает другие элементы или этапы, а перечисление элементов в единственном числе не исключает их множества. Одиночный элемент или другой блок может выполнять функции нескольких объектов, перечисленных в формуле изобретения. Сам факт, что определенные меры перечислены в различных взаимозависимых пунктах формулы изобретения, не указывают на то, что сочетание этих мер нельзя успешно использовать.
Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны быть истолкованы как ограничивающие объем.