НАКОПИТЕЛЬНЫЙ КОТЕЛ
ACCUMULATING BOILER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к накопительному котлу, то есть котлу, предназначенному для нагрева заданного количества жидкости до заданной температуры и удерживания ее при заданной температуре.
Более точно, настоящее изобретение относится к накопительному котлу, предназначенному для использования в автоматах по продаже горячих напитков, например торговых автоматах, предназначенных для получения кофейных напитков, таких как кофе эспрессо (ES), кофе из растворимого кофе (INST) и/или слабый кофе (FB), и такого типа, как торговые автоматы, содержащие резервуар с камерой для размещения заданного количества воды; впускной элемент для подачи воды в камеру; выпускной элемент для выпуска воды из резервуара; и нагревательные средства, установленные внутри камеры для нагрева воды, находящейся внутри камеры, до температуры, соответствующей режиму ожидания (standby temperature), и удерживания воды, находящейся внутри камеры, при данной температуре.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Обычные накопительные котлы, такие как котлы, предназначенные для применения в быту, могут быть «одинарными», то есть они содержат один резервуар и один нагреватель, или «двойными», то есть они содержат два накопительных котла, расположенные последовательно и один внутри другого, подобно тем, которые описаны в документах DE 3218442 или US 2004/0079749. В последнем случае накопительный котел содержит основной резервуар с первым нагревателем для нагрева воды до заданной температуры Т1, соответствующей режиму ожидания, и поддержания ее при заданной температуре Т1, соответствующей режиму ожидания, и вспомогательный резервуар меньшего размера, вставленный внутрь основного резервуара, термически изолированный от основного резервуара и имеющий второй нагреватель для нагрева воды до заданной второй температуры Т2, соответствующей режиму ожидания, и поддержания ее при заданной второй температуре Т2, соответствующей режиму ожидания и превышающей температуру Т1. Еще один пример «двойного» накопительного котла описан в документе CH367610, в котором второй котел приводится в действие только для получения пара, при этом в данном случае вследствие повышения давления во вспомогательном резервуаре клапан перекрывает сообщение по текучей среде между двумя резервуарами, так что только вода во вспомогательном резервуаре превращается в пар.
В известных накопительных котлах, используемых в автоматах по продаже горячих напитков, нагревательные средства обычно содержат один или несколько электрических резисторов, предназначенных для нагрева воды в резервуаре до температуры, соответствующей режиму ожидания, и поддержания ее при температуре, соответствующей режиму ожидания и равной температуре, при которой напиток выдается и которая обычно близка к 100°С, но варьируется от одного напитка к другому.
Известные накопительные котлы вышеуказанного типа имеют многочисленные недостатки, самыми главными из которых являются:
- относительно высокая температура, соответствующая режиму ожидания, которая как сама по себе, так и вследствие создающихся давлений исключает пластик как материал для изготовления резервуара, который обычно изготавливают из металла, предпочтительно из стали;
- низкий термический коэффициент полезного действия, обусловленный значительным рассеянием тепла наружу, вызываемым относительно высокой температурой, соответствующей режиму ожидания, и металлом, из которого изготовлен резервуар;
- низкая эксплуатационная гибкость вследствие невозможности, даже путем регулирования электрических резисторов, изменения температуры всей воды в резервуаре сравнительно быстро; в результате торговый автомат для получения различных горячих напитков при различных температурах обычно должен быть снабжен некоторым число котлов, предпочтительно по одному для каждого типа напитка.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения состоит в разработке накопительного котла вышеописанного типа, предназначенного для устранения вышеуказанных недостатков.
В соответствии с настоящим изобретением разработан накопительный котел по пункту 1 формулы изобретения и предпочтительно по любому из пунктов формулы изобретения, зависящих непосредственно или опосредованно от пункта 1 формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Неограничивающий вариант осуществления изобретения будет описан в качестве примера со ссылкой на приложенные чертежи, в которых:
фиг. 1 показывает выполненный с частичным разрезом и с компонентами, удаленными для ясности, схематический вид сбоку предпочтительного варианта осуществления накопительного котла в соответствии с настоящим изобретением;
фиг. 2 показывает осевое сечение накопительного котла по фиг. 1;
фиг. 3 показывает сечение варианта накопительного котла по фиг. 1 и 2.
НАИЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ссылочная позиция 1 на фиг. 1 и 2 обозначает котел в целом, в частности, накопительный котел, содержащий резервуар 2, который в показанном примере (но необязательно) является по существу цилиндрическим с вертикальной продольной осью 3.
Резервуар 2 содержит цилиндрическую боковую стенку 4, коаксиальную по отношению к продольной оси 3 и предпочтительно выполненную из пластика; верхнюю стенку 5 и нижнюю стенку 6, каждая из которых предпочтительно выполнена из пластика и образована круглой плитой, имеющей периферийную кольцевую канавку 7, в которой размещено уплотнение 8, и центральный трубчатый стяжной элемент 9, который, как правило, выполнен из металла, является коаксиальным по отношению к продольной оси 3 и соединяет верхнюю и нижнюю стенки 5 и 6 друг с другом и с боковой стенкой 4.
Более точно, стяжной элемент 9 закрыт с противоположных сторон двумя стенками 10 и 11, поперечными по отношению к продольной оси 3, имеет две концевые части, которые входят в соответствующие сквозные отверстия 12 и 13, образованные соответственно в верхней стенке 5 и нижней стенке 6, и удерживает каждую из верхней и нижней стенок 5 и 6 в заданном положении вместе с ее наружной периферией и уплотнением 8, вставленным внутрь соответствующей внутренней кольцевой канавки 14 на соответствующем конце боковой стенки 4, и с ее наружной периферией, опирающейся на соответствующий кольцевой уступ, образованный соответствующей кольцевой канавкой 14.
Внутри резервуара 2 стяжной элемент 9 образует две кольцевые камеры 15 и 16, которые коаксиальны по отношению к продольной оси 3 и из которых камера 15 расположена снаружи камеры 16 и ограничена в аксиальном направлении верхней и нижней стенками 5 и 6 и в боковом направлении боковой стенкой 4 и стяжным элементом 9. Камера 16 расположена внутри стяжного элемента 9, имеет меньший объем по сравнению с камерой 15, ограничена в аксиальном направлении стенками 10 и 11 и ограничена внутри регулируемым экранированным резистором 17, который является коаксиальным по отношению к продольной оси 3, установлен с обеспечением герметичности в сквозных отверстиях в стенках 10 и 11 и имеет две противоположные концевые части, выступающие наружу из стяжного элемента 9 и резервуара 2 и снабженные соответствующими выводами 18.
Камера 16 сообщается на одном конце с камерой 15 посредством некоторого числа сквозных отверстий 19, образованных в боковой стенке стяжного элемента 9 рядом со стенкой 10, и сообщается на другом конце с радиальным отводящим или выпускным трубчатым элементом 20, регулируемым посредством электромагнитного клапана 21 и присоединенным к концевой части 9а стяжного элемента 9, выступающей наружу из резервуара 2 у нижней стенки 6. Камера 15 сообщается с наружным пространством вдоль аксиального впускного или входного трубчатого элемента 22, вставленного через нижнюю стенку 6 и соединенного с нагнетательной стороной насоса 23 при обратном клапане 24, расположенном между ними.
В камере 15 размещен экранированный резистор 25, который содержит змеевидную центральную часть 26, коаксиальную по отношению к продольной оси 3 и свернутую по спирали вокруг стяжного элемента 9, и две концевые части 27, каждая из которых простирается параллельно продольной оси 3, вставлена с обеспечением герметичности в верхнюю стенку 5 через соответствующее отверстие 28 и заканчивается снаружи резервуара 2 соответствующим выводом 29.
Котел 1 снабжен устройством 30 для измерения расхода, соединенным, как и электромагнитный клапан 21, резисторы 17 и 25 и насос 23, с центральным управляющим устройством (непоказанным). Устройство 30 для измерения расхода расположено по потоку перед насосом 23 и служит для регулирования притока воды в камеру 15 так, чтобы камера 15 была постоянно полностью заполнена водой.
Котел 1 также снабжен двумя устройствами для измерения температуры, которые также соединены с центральным управляющим устройством (непоказанным) и одно из которых измеряет температуру воды внутри камеры 15 на уровне, близком к отверстиям 19, и другое - температуру воды внутри камеры 16 рядом с трубчатым элементом 20. В показанном примере одно устройство для измерения температуры образовано датчиком 31 температуры, вставленным сквозь боковую стенку 4 на высоте отверстий 19, и другое устройство для измерения температуры образовано датчиком 32 температуры, вставленным сквозь концевую часть 9а стяжного элемента 9.
При использовании и в состоянии покоя центральное управляющее устройство циклически приводит в действие резистор 25 для поддержания всей воды в котле 1 при сравнительно низкой температуре Т1, соответствующей режиму ожидания, например, составляющей 50-60°С, и резистор 17 выключен.
При заказе напитка, что предусматривает выдачу определенного количества Q воды при определенной температуре Т2 выдачи, которая, по меньшей мере, равна температуре Т1, но обычно превышает температуру Т1 и обычно находится в интервале между 85 и 98°С, центральное управляющее устройство приводит в действие резистор 17 для нагрева воды внутри камеры 16 почти мгновенно до температуры Т2, обеспечивает открытие электромагнитного клапана 21 и приводит в действие насос 23 для подачи количества Q воды - в данном случае воды при температуре окружающей среды - в нижнюю часть камеры 15 и одновременно обеспечивает перетекание количества Q воды в камеру 16 и наружу вдоль выпускного трубчатого элемента 20. Когда вода проходит вдоль камеры 16 к выпускному трубчатому элементу 20, количество Q воды, имеющей температуру Т1, мгновенно нагревается до температуры Т2 посредством резистора 17.
Как только количество Q воды с температурой Т2 будет выдано, насос 23 и резистор 17 выключаются, электромагнитный клапан 21 закрывается и резистор 25 приводится в действие циклически для нагрева воды в котле 1 до температуры Т1 и поддержания ее при температуре Т1.
Преимущества котла 1 по отношению к известным накопительным котлам очевидны:
- температура Т1 воды, контактирующей с боковой стенкой 4 и верхней и нижней стенками 5 и 6, является достаточно низкой для того, чтобы данные стенки были изготовлены из пластика, в результате чего значительно уменьшаются затраты на производство котла 1 и устраняются любые проблемы, вызываемые тяжелыми металлами в выдаваемой воде;
- как в примере по фиг. 1 и 2, котел 1 предпочтительно может быть изготовлен из некоторого числа компонентов (боковой стенки 4, верхней стенки 5 и нижней стенки 6), соединенных при размещении уплотнений между ними и выполненных с возможностью легкого разъединения для обеспечения возможности полного и легкого доступа к котлу 1 для осмотра, технического обслуживания и ремонта;
- рассеяние тепла наружу значительно меньше, чем рассеяние тепла из известных накопительных котлов, за счет того, что температура Т1 является более низкой, чем температура Т2 выдачи, за счет улучшения теплоизоляции путем выполнения боковой стенки 4 и верхней и нижней стенок 5 и 6 из пластика и за счет того, что вода при температуре Т2 выдачи - имеющаяся только внутри камеры 16 при выдаче воды - «защищена» от наружного пространства массой воды, имеющей температуру Т1 и находящейся внутри камеры 15;
- то обстоятельство, что вся вода в котле 1 поддерживается в режиме ожидания при температуре Т1, в отличие от температуры Т2 выдачи и только вода в камере 16, которая имеет меньший объем, чем камера 15, нагревается до температуры Т2 только при ее выдаче, обеспечивает значительное уменьшение энергопотребления;
- подача воды в нижнюю часть камеры 15 и отвод воды из верхней части камеры 15 через отверстия 19 обеспечивает возможность использования температурных слоев внутри камеры 15 с максимальным эффектом, поскольку сравнительно холодная вода проходит внутрь по трубчатому элементу 22, приток данной холодной воды в действительности практически не оказывает никакого влияния на температуру воды в отверстиях 19, которая остается по существу при температуре Т1;
- за счет временного регулирования работы резистора 17 температура Т2 может быть адаптирована к температуре выбранного напитка при использовании одного котла для некоторого числа типов напитков в отличие от каждого типа напитка, в результате чего уменьшаются затраты и размеры;
- за счет задания температуры Т1 посредством программного обеспечения на основе местоположения/рынка работа котла может быть настроена таким образом, чтобы разрешить потребление в режиме ожидания (более низкую температуру Т1) или эксплуатации (температуру Т1, более близкую к температуре Т2 выдачи) согласно потребности.
В непоказанном варианте резистор 25 в камере 15 может быть заменен двумя резисторами, каждый из которых имеет мощность, составляющую приблизительно половину мощности резистора 25. Использование двух нагревательных элементов низкой мощности, то есть с малой тепловой инерцией, в отличие от одного нагревательного элемента более высокой мощности имеет двойное преимущество, а именно обеспечение возможности более точного регулирования температуры воды и предотвращение «колебаний» - то есть возмущений, вызываемых присоединением и отсоединением большой, работающей прерывисто нагрузки, соединенной с электрической сетью, - в результате чего улучшаются эксплуатационные характеристики котла.
Вариант по фиг. 3 относится к котлу 1а, выполненному с возможностью подачи воды в нижнюю часть камеры 15, выпуска воды при температуре Т2 из верхнего конца камеры 16 и, если возможно, повышения термического коэффициента полезного действия.
Соответственно, стяжной элемент 9 котла 1а не имеет концевой части 9а, и стенка 10 имеет центральное отверстие 33, которое коаксиально по отношению к продольной оси 3 и в которое с обеспечением герметичности вставлен трубчатый элемент 34, который простирается внутри стяжного элемента 9 и содержит часть 35, которая закрыта в аксиальном направлении торцевой стенкой 36, выступает наружу от верхней стенки 5 и имеет выпускной трубчатый элемент 20. Трубчатый элемент 34 также содержит часть 37, которая простирается внутри стяжного элемента 9 коаксиально по отношению к продольной оси 3 и заканчивается на заданном расстоянии от стенки 11 для образования кольцевого канала 38 вместе со стенкой 11.
Внутри стяжного элемента 9 трубчатый элемент 34 ограничивает внутри камеру 16 и ограничивает снаружи вместе со стяжным элементом 9 промежуточную камеру 39, которая сообщается с камерой 15 посредством отверстий 19 и с камерой 16 посредством кольцевого канала 38.
Резистор 17 котла 1а вставлен с обеспечением герметичности через отверстие 40 в стенке 11 и через отверстие 41, образованное в торцевой стенке 36 и коаксиальное по отношению к продольной оси 3 и отверстию 40.
Работа котла 1а отличается от работы котла 1 за счет того, что камера 15 сообщается с камерой 16 не только посредством отверстий 19, но и посредством отверстий 19, взаимодействующих с промежуточной камерой 39, и за счет того, что промежуточная камера 39 не только обеспечивает изменение направления потока вдоль камеры 16 для отвода горячей воды из верхней части, но также обеспечивает более эффективную термическую защиту камеры 16 от камеры 15.