Устройство для размещения разогретых кальянных углей (варианты)
DEVICE FOR PLACING HEATED HOOKAH COALS (OPTIONS)

Изобретение относится к технологическому оборудованию, предназначенному для нагрева табака кальянными углями.
В частности, изобретение рассматривает конструкцию устройства для регулирования жара кальянных углей или устройства для регулируемого нагрева кальянной смеси.  Такие устройства называются калауд (клауд), хиткипер (Heat Keeper), хоткипер, альфахук (Alpha Hookah), колодка, головка  – приспособление, в которое кладутся раскаленные угли, жар от которых нагревает табак или курительную смесь в чаше для кальяна. Устройство используется не только для размещения разогретых кальянных углей над чилимом (чашка с табаком), но и для управления количеством жара, исходящего от этих углей в сторону чилима, заполненного табаком или курительной смесью.
Это устройство, как правило, состоит из емкости и крышки, которая регулируется ручкой и может быть приоткрыта. Внутрь емкости кладется разогретый уголь, и устройство ставится на чашку. Его особенность в том, что нет потребности в получении полной герметичности. Такие конструкции описаны, например, в RU 171519, US 8459269, 9237770. Это устройство имеет выгодные преимущества:
- сделано из металла, быстро нагревается и быстро охлаждается (стоит погрузить его в холодную воду и через пару секунд оно остывает);
- материал, не прогорает, предназначен для длительного многократного использования;
- вмещает необходимое количество угля (2-4 кусочка);
- во время курения можно снять его и остудить табак в случае возгорания;
- крышка позволяет контролировать жар и избежать пригорания табака;
- за счет того, что уголь напрямую не воздействует на табак, уменьшается количество угарного газа.
Так, известно устройство для размещения разогретых кальянных углей, представляющее собой емкость, имеющую плоское сплошное дно, от которого отходит боковая стенка, в которой на уровне выше дна выполнены отверстия для входа свежего воздуха в полость емкости, в центральной части дна перпендикулярно стенке дна закреплен полый стояк в виде полой трубки, вход в которую расположен выше уровня расположения кальянных углей для исключения попадания в канал стояка золы, а выход из которой выполнен в дне для вывода потока жара из емкости при горении кальянных углей в направлении к чашке с табаком или курительной смесью (US 2017325499, A24F1/30, A24F1/32, F28F21/08, опубл. 16.11.2017 г.).
Как вариант емкость может закрываться крышкой, используемой для исключения выброса искр и взвешенной золы и для регулировки вентиляции зоны горения кальянных углей. С внутренней стороны поверхность крышки может быть выполнена ребристой для управления направлением нагретых потоков и потоков поступающего воздуха
Это решение принято в качестве прототипа для обоих заявленных объектов.
Нагрев табака или курительной смеси в чилиме определяет качество вдыхаемого потребителем дыма. Могут быть выделены три температурные точки в разных областях табака в чилиме. Первая точка – наружная поверхность соприкосновения табака с жаром от углей, температура разогрева доходит до 350-400°С (в момент затяжки). Вторя точка -  температура внутри табака в емкости под наружным поверхностным слоем, температура 200-240°С. Третья точка -  средний слой самого табака, постоянная температура "в крейсерском режиме" 100-105°С.
На самом деле, в кальянной чаше табак не горит, а при нагревании лишь испаряется влага из сиропа. Весь густой пар получается именно путем испарения, а не горения. Учитывая это, есть некоторые важные моменты, связанные с температурой.
Уровень дымности зависит от содержания глицерина в табаке, испаряться он начинает примерно при температуре в 100°С. Во всех современных табаках этого компонента достаточно, и при нужном уровне жара они будут хорошо дымить. В табачном сиропе также имеется сахар, и при температуре примерно в 168°С он будет гореть, что чревато неприятным привкусом жженой карамели. Чтобы этого не произошло, надо делать нагрев равномерным. Достаточной считается температура разогрева всей массы табака или смеси в пределах 100-105°С, при которых табачная мокрая масса доводится до кипения и образования пара без неприятных вкусовых ощущений. В частности, это так же касается и поверхностного слоя смеси в чилиме.
В известном решении разогретые до красного или красно-оранжевого цвета со всех сторон кальянные угли укладываются на дно и выдерживаются некоторое время для того, чтобы жар смог разогреть смесь до состояния выделения из нее пара. Например, кокосовый уголь дает равномерный жар на протяжении всего времени курения и выдает температуру в диапазоне от 600 до 700°С, а температура тления древесного угля во время курения кальяна составляет около 450-500°С.
После укладки кальянных углей в состоянии розжига происходит разогрев дна, на котором эти угли лежат. Дно приобретает температуру практически равную температуре разогретых углей. Но емкость с углями расположена над или на чаше с курительной смесью. Поэтому жар от дна передается поверхностному слою смеси и разогревает его в ускоренном темпе до высоких температур (существенно более 100°С). Выделяющийся пар приобретает неприятный вкусовой оттенок пережженного сахара. Жар, поступающий от углей в конвекционном режиме скапливается под крышкой, потоком перенаправляется в стояк и поступает в центральную зону смеси. Перегретая в центральной зоне смесь передает тепло от центра в направлении к периферии чилима, на которой температура смеси существенно меньше температуры поступающего жара.  Таким образом в известном решении происходит неравномерный разогрев табака или курительной смеси: происходит перегрев в центральной и поверхностной зоне смеси и разогрев до номинальных температур в зоне периферии.  Применение крышки как инструмента регулировки объема поступающего в зону тления углей воздуха позволяет снизить температуры жара, поступающего через стояк к смеси, но не снижает температуру разогретого дна емкости, особенно в зоне прикрепления стояка к дну.
Нельзя забывать, что основное тепло или жар, разогревающий табак или курительную смесь, путем теплопередачи поступает в чилим именно со стороны дна, что является определяющим в процессе разогрева смеси до состояния выделения пара. Естественно, что известная конструкция не может обеспечить равномерный разогрев смеси до оптимизированных температур 100-105°С.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в улучшении теплопередающих свойств устройства для регулирования жара кальянных углей за счет исключения прямого разогрева дна емкости этого устройства и обеспечения локального контакта разогретых кальянных углей с поверхностью, на которой они располагаются.
Указанный технический результат для первого варианта исполнения достигается тем, что в устройстве для размещения разогретых  кальянных углей, содержащем емкость с дном для размещения разогретых кальянных углей и отходящей от дна боковой стенкой, в которой выполнены сквозные отверстия для подачи воздуха из внешней среды внутрь емкости, полый стояк в виде трубки, закрепленной в центре дна и полость которой сообщена с отверстием в дне для вывода наружу теплового потока от разогретых углей, дно выполнено из двух расположенных на расстоянии друг от друга пластин, первая из которых связана непосредственно с боковой стенкой емкости, а вторая, расположенная внутри емкости и выполненная диаметром меньшим диаметра боковой стенки по ее внутренней поверхности, закреплена на  первой с образованием закрытой по боковым сторонами полости, сообщенной с внешней средой через отверстия в первой пластине, выполненные по ее периферии, при этом сквозные отверстия в боковой стенке выполнены на уровне или ниже уровня поверхности второй пластины, на которой выполнены выступы для локального опирания кальянных углей, а в центре расположен полый стояк в виде трубки, полость которой через отверстие во второй пластине сообщена с полостью между первой и второй пластинами.
Устройство по этому примеру исполнения может быть снабжено крышкой для закрывания емкости, и в которой выполнены отверстия для подачи воздуха из внешней среды в полость емкости и которая выполнена с ручкой. А емкость может быть оснащена опорами для опирания на чашку с курительной смесью.
Указанный технический результат для второго варианта исполнения достигается тем, что в устройстве для размещения разогретых  кальянных углей, содержащем емкость с дном для размещения разогретых кальянных углей и отходящей от дна боковой стенкой, в которой выполнены сквозные отверстия для подачи воздуха из внешней среды внутрь емкости, полый стояк в виде трубки, закрепленной в центре дна и полость которой сообщена с отверстием в дне для вывода наружу теплового потока от разогретых углей,  а так же крышку, выполненную с отверстиями для подачи воздуха из внешней среды в полость емкости, дно выполнено из двух расположенных на расстоянии друг от друга пластин, первая из которых связана непосредственно с боковой стенкой емкости, а вторая, расположенная внутри емкости и выполненная диаметром меньшим диаметра боковой стенки по ее внутренней поверхности, закреплена на  первой с образованием закрытой по боковым сторонами полости, сообщенной с внешней средой через отверстия в первой пластине, выполненные по ее периферии, сквозные отверстия в боковой стенке выполнены на уровне или ниже уровня поверхности второй пластины, на которой выполнены выступы для локального опирания кальянных углей, а в центре расположен полый стояк в виде трубки, полость которой через отверстие во второй пластине сообщена с полостью между первой и второй пластинами, крышка выполнена в виде связанной с ручкой пластины и боковой стенки, повторяющей по форме в плане боковую стенку емкости, при этом боковая стенка крышки соединена с пластиной, имеющей ручку, перемычками для образования между боковой стенкой и этой пластиной щелевых проходов для поступающего внутрь емкости воздуха.
В этом варианте исполнения пластина крышки, связанная с ручкой, может быть выполнена со сквозными отверстиями и с удерживающими и/или центрирующими элементами для ее удержания сверху на боковой стенке емкости.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящее изобретение поясняется конкретными примерами исполнения, которые, однако, не являются единственно возможными, но наглядно демонстрируют возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг. 1 – общий вид в изометрии емкости для разогретых кальянных углей, первый вариант исполнения;
фиг. 2 – то же, что на фиг. 1, продольное сечение;
фиг. 3 – продольное сечение емкости по фиг. 1;
фиг. 4 – вид сверху на емкость по фиг. 1;
фиг. 5 – показано распределение потоков воздуха и жара, вид по продольному сечению емкости по фиг. 1;
фиг. 6 - показано распределение потоков воздуха и жара в емкости по фиг. 1, вид сверху;
фиг. 7 – общий вид в изометрии емкости для разогретых кальянных углей, второй вариант исполнения, крышка одета на емкость;
фиг. 8 – то же, что на фиг. 7, крышка показана отдельно от емкости.
Согласно настоящего изобретения рассматривается новая конструкция устройства для размещения разогретых кальянных углей. Устройство позволяет регулировать жар кальянных углей и формировать регулируемый нагрев кальянной смеси для равномерного разогрева всей смеси в чилиме (чашке) жаром, при котором компоненты курительной смеси переходят в состояние пара.
В общем случае, для обоих вариантов исполнения (фиг. 1 и 7) устройство представляет собой располагаемую на чашке или над чашкой с курительной смесью емкость 1, имеющую дно 2, от которого отходит боковая стенка 3, в которой на уровне внутренней поверхности дна или немного ниже этой поверхности выполнены отверстия 4 для входа свежего воздуха в полость емкости. Дно со стороны, обращаемой к чашке, выполнено плоским. Боковая стенка в примере на фиг. 1 и 7 выполнена цилиндрической, но ничто не исключает возможности выполнить ее несколько выпуклой или фигурной по образующей. В примере на фиг. 1 боковая стенка выполнена цилиндрической, но возможно выполнение этой стенки квадратной в плане. Первый пример исполнения более технологичен, так как чашка в плане так же выполняется круглой. В дальнейшем анализ заявленных объектов будет проводиться на примере цилиндрической формы емкости.  Верхний край боковой стенки может быть выполнен с посадкой для крышки 5 (фиг. 7 и 8), закрывающей полость емкости. Для первого варианта исполнения крышка 5 не используется, горение кальянных углей в емкости проходит открытым способом.
Особенностью исполнения емкости 1 для первого и второго вариантов исполнения является то, что ее дно 2 выполнено двойным.
Дно 2 состоит из располагаемой внутри емкости пластины 6 (внутренняя пластина), выполненная диаметром, меньшим диаметра боковой стенки по ее внутренней поверхности. Таким образом, между внутренней поверхностью стенки емкости и наружной торцевой поверхностью пластины 6 образуется зазор, который выполняет функцию канала поступления воздуха из внешней среды в полость емкости 1 через отверстия 4 в стенке 3.  Пластина выполнена с буртом 7 по периметру, образующим невысокий выступ.  В центре этой пластины выполнено сквозное отверстие. Так же на пластине закреплен полый стояк 8, который расположен перпендикулярно поверхности пластины и закреплен на ней так, что полый канал стояка совпадает со сквозным отверстием пластины.  На поверхности пластины 6 между буртом 7 и стояком 8 выполнены выступы 9, ориентированные перпендикулярно поверхности пластины. Выступы 9 могут быть выполнены в виде одиночных возвышений или сформированы в виде зигзагообразных возвышений, как это показано на фиг. 1. Суть этих выступов заключается в том, чтобы разогретые кальянные угли опирались не на поверхность пластины 6, а локально на возвышения.
Например, кокосовый уголь в форме кубика может иметь размеры от 22 до 28 мм.  При подготовке кальянные угли разжигаются на раскаленной поверхности печки или плитки до формирования на их поверхности красного или оранжевого цвета разогретого состава. Чтобы этот разогрев был со всех сторон, угли переворачивают. И в таком разогретом со всех сторон угли помещают в емкость вокруг стояка. Традиционно в обычных емкостях угли всегда одной стороной лежат на поверхности дна и передают ему температуру разогрева. В заявленном устройстве угли лежат на возвышениях, не касаются поверхности пластины 6 и под ними сформирован воздушный проход между возвышениями, позволяющий снимать жар со всех сторон угля одновременно. Учитывая необходимость локального опирания кубика угля расстояние между рядом расположенными выступами выбирается меньше размера кубика и целесообразно эти выступы располагать так, чтобы кубик при перевороте не мог попасть в зону между выступами. По сути, выступы, независимо от формы их выполнения, выполняют функцию решетки для размещения углей.
Дно 2 так же включает в себя располагаемую снаружи емкости пластину 10 (наружная или внешняя пластина), выполненная диаметром, равным диаметру боковой стенки и соединенной с ней. При этом отверстия 4 могут быть выполнены в углах примыкания наружной пластины к боковой стенке, как это показано на фиг. 1-3.
На наружной пластине расположены проставки 11 (могут быть выполнены заодно с пластиной 10 или как отдельные детали, приваренные к ней), на которые опирается пластина 6 и на которых она закреплена (например, точечной сваркой). Таким образом, между пластинами 6 и 10 образуется воздушная полость, сообщенная с каналом полого стояка 8. В наружной пластине 10 по ее периметру выполнены сквозные отверстия 12, сообщенные с воздушной полостью между пластинами 6 и 10 и являются выходными каналами для направления теплового потока от жара углей в чашку (чилим). При этом этот тепловой поток направляется на периферическую зону курительной смеси в чашке, разогревая смесь и стенки чашки с целью передачи тепла от стенок в нижележащие слои смеси.
Емкость может иметь опоры или ножки для надежного размещения на чашке или на рабочей поверхности при подготовке (для первого варианта исполнения не показаны). Опоры, являясь ограничителями, обеспечивают устойчивость емкости на кальянной чаше.
Как правило, в центральной части пластины 6 полый стояк в виде полой трубки выполняется высотой, при которой вход в него располагается выше уровня расположения кальянных углей для исключения попадания в канал стояка золы. Каналы между выступами используются не только для направления нагретого потока от нижних зон углей в сторону стояка, но и для сбора золы.
При размещении, разогретые кальянные угли внутри емкости опираются на выступы. Воздух в полость емкости поступает через открытый проем емкости (фиг. 5 и 6), обеспечивая тление углей. Разогретый воздух/жар от углей конвекционно поднимается вверх и часть его проходит в канал полого стояка. Процесс имеет не динамический характер, при котором большая часть жара уходит вверх в окружающую среду.
Динамический процесс перемещения потока жара возникает в момент всасывания трубки кальяна, при котором внутри трубки и в чашке образуется зона низкого давления. Так как при конвекционном перемещении разогретых масс образуется зона низкого давления, то воздух из внешней среды начинает так же поступать в полость емкости через сквозные отверстии 4 в боковой стенке емкости, попадая в зоны между выступами и обеспечивая процесс тления/горения углей на сторонах, обращенных к дну. Поступающий из внешней среды воздух смешивается с тепловым потоком, идущим от углей и смешанный проток поступает в канал стояка, полость которого образует вместе с полостью емкости общее пространство. Попадающий из стояка поток жара поступает в воздушную полость между пластинами 6 и 10 дна, передавая часть тепла этим пластинам. При этом надо учитывать, что пластина 10 является наружной и находится в контакте с внешней средой, температура которой существенно ниже температуры разогретого потока. Происходит передача части тепла от жара наружной пластине, которая по отношению к потоку является элементом понижения температуры теплового потока. Температурный график изменения при затяжке выглядит примерно следующим образом. Температура на поверхности углей примерно 600°С, при затяжке поток жара смешивается с воздухом из внешней среды, поступающим через сквозные отверстия и 4 и через открытый верх емкости. Происходит понижение температуры на входе в стояк примерно до 300-350°С. Тепловой поток  через стояк поступает в воздушную полость дна, где из-за теплообмена нижней (наружной) пластины с внешней средой, температура понижается до 120-150°С. Затем выходящий через отверстия 12 в пластине 10 тепловой поток попадает в зону воздушного зазора между емкостью и чилимом (эта зона составляет примерно 5 см) и направляется на поверхность курительной смеси, температура которой существенно ниже температуры поступающего теплового потока. Происходит теплопередача между смесью и потоком, при которой температура падает до нормированных 100-105°С. При каждой затяжке динамический процесс повторяется. По правилам курения между затяжками должны быть паузы, в момент которых динамический процесс плавно переходит в стационарный без наддува жара в курительную смесь.
Таким образом, рассмотренная конструкция устройства позволяет при открытом тлении/горении кальянных углей обеспечить понижение температуры поступающего на угли жара до близких к нормированным из-за того, что тепловой поток проходит достаточно длинный путь, на котором происходит отбор тепла структурами конструкции емкости. К тому же, полностью исключается попадание раскаленных (горящих) частиц угля в табачную смесь.
В первом варианте исполнения емкости тление кальянных углей происходит в режиме открытого доступа воздуха в емкость за счет свободно протекающей окислительной реакции с кислородом воздуха. Ограничение доступа воздуха в зону тления кальянных углей позволяет увеличить жар за счет ограничения выхода теплового потока в атмосферу. Для ограничения выходящего во внешнюю среду жара от кальянных углей используется крышка 5, одеваемая на емкость.
На фиг. 7 и 8 показан второй вариант исполнения устройства для размещения разогретых кальянных углей. В этом варианте емкость полностью по конструкции повторяет конструкцию емкости по первому варианту исполнения. Но эта емкость используется с крышкой 5.
Крышка 5 выполнена в виде связанной с ручкой 13 пластины 14, являющейся верхней деталью крышки, и боковой стенки 15, повторяющей по форме в плане боковую стенку емкости. Боковая стенка крышки соединена с пластиной 14 перемычками 16 для образования между боковой стенкой и этой пластиной щелевых проходов 17 для поступающего внутрь емкости воздуха. Эти щелевые проходы так же служат для выпуска жара из емкости в окружающую среду.
Пластина 14 крышки может быть выполнена со сквозными отверстиями 18, так же решающими задачу выпуска жара из емкости в окружающую среду при стационарном режиме курения кальяна и поступления внутрь емкости воздуха при динамическом режиме курения.
Как правило, крышка выполняется из материала с низкой теплопроводностью (для исключения ожогов) или из материала емкости, но при этом ручка крышки выполняется из материала, обеспечивающего ее нагрев не более 40°С градусов при нормальном использовании кальяна.
Крышка выполнена с удерживающими и/или центрирующими элементами 19 для ее удержания сверху на боковой стенке емкости.
При стационарном режиме курения (временная пауза между затяжками) тепловой проток от тления/горения кальянных углей поднимается вверх и большей частью проходит через отверстия в крышке наружу. Другая часть проходит через канал стояка и попадает через воздушную полость между пластинами 6 и 10 в зону нахождения курительной смеси. Таким образом, поддерживается режим разогрева смеси. В этом режиме подъем теплового потока вызывает тягу, в результате которой свежий воздух из окружающей среды проходит через отверстия 4 и попадает в донную зону емкости. Это поддерживает режим тления углей.
При динамическом режиме в зоне стояка образуется низкое давление, которое обуславливает перенаправление теплового потока в канал стояка, засасывание воздуха через отверстия 4 и впуск воздуха через отверстия в крышке. Далее процесс повторяется в том режиме, который описан для первого примера исполнения емкости. Разница заключается в меньшем объеме воздуха, поступающего через крышку, большей температуре теплового потока, поступающего в канал стояка и увеличении времени тления углей.
Оба варианта позволяют получить на выходе из емкости тепловой поток с температурой, которая ниже температуры перехода сахара в жженную форму и при которой смесь закипает с выделением пара, в составе которого придающие пару вкусовые компоненты сохраняются и не сгорают.
Настоящее изобретение промышленно применимо. Особенностью изобретения является многослойная конструкция дна емкости с трубчатым выводом для поступления воздуха. Двойное дно защищает кальянную смесь от локального перегрева, а также попадания раскаленных (горящих) частиц угля в табачную смесь. Горячий воздух от углей проходит в двойное дно через трубку, расположенную в центре, распределяется в пространстве двойного дна и выходит через отверстия, расположенные в нижней пластине дна. Данная конструкция обеспечивает равномерный разогрев кальянной смеси за счет изменения температуры теплового потока в дне емкости.