ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЧАЙНИК
ELECTRIC KETTLE

Изобретение относится к предметам домашнего обихода, точнее - к кухонной посуде для кипячения воды, а именно - к чайникам.
Известны различные виды чайников. Все известные чайники (SU 15136, 1930; SU 1205887, 1986; SU 1450820,1989; SU 1659003, 1991; SU 1797482,1993; SU 1801044, 1993) содержат емкость для воды (корпус) и ручку для переноски и наклона. Чайник содержит также крышку, носик для слива (налива) воды и днище. Корпус чайника чаще всего изготавливают из металла: алюминия, нержавеющей стали или из стали, покрытой эмалью. Такой чайник можно устанавливать на нагревательный элемент электрической плитки или плиты, а также на источник тепла (газ, огонь).
Известны также электрические чайники (SU 1741766, 1992; SU 1787429, 1993; RU 2073478, 1997; RU 2156103, 2000; RU 2284140, 2006), которые содержат нагревательный элемент, расположенный обычно на металлическом днище снаружи. Корпус электрического чайника изготавливают из нержавеющей стали или из пластмассы. В электрических чайниках корпус чаще всего установлен на основании, в котором обычно расположен токоподвод к нагревательному элементу. Такое основание выполняют из термоизоляционного материала (например, из пластмассы).
Одним из существенных недостатков некоторых электрических чайников является то, что в них отсутствует блокировка включения пустого (без воды) чайника и/или отсутствует автоматическое выключение чайника после закипания воды. В таких ситуациях происходит повреждение чайника и создается опасность возникновения пожара или получения травмы пользователем. Для предотвращения этой опасности в последнее время в электрических чайниках устанавливают на днище термореле, которое срабатывает при перегреве днища и выключает нагреватель (2284140, 2006). Для отключения нагревателя после закипания воды в некоторых электрических чайниках устанавливают паропровод, подающий пар из-под крышки чайника в основание к термореле нагревателя (2284140, 2006).
В современных электрических чайниках для определения количества воды в корпус чайника устанавливают (или к корпусу чайника прикрепляют вертикально) водомерную трубку, которая связана с основным объемом чайника, как сообщающиеся сосуды, или устанавливают водомерное стекло (RU 2284140, 2006; GB 2003723, 1979; GB 2337194, 1999; GB 2332522, 1999; FR 2766692, 1999).
В чайниках с водомерной трубкой (стеклом) обеспечивается возможность определения количества налитой воды, однако они имеют множество недостатков, главными из которых являются следующие.
Во-первых, существенно увеличивается трудоемкость изготовления чайника, так как металлический корпус приходится разрезать для установки водомерного стекла или трубки. Во-вторых, трудно обеспечить герметичность металлического чайника в месте соединения корпуса с водомерным стеклом (трубкой) из-за различий (в 5-6 раз) температурных коэффициентов расширения металла и стекла (пластмассы) в диапазоне температур (10-100)°C. В-третьих, для оценки количества воды глаза пользователя должны находиться на уровне воды и вблизи шкалы, находящейся на трубке. В результате, пользователю приходится либо чайник поднимать, не наклоняя, на уровень глаз, либо устанавливать на горизонтальную поверхность (например, на стол). Затем приходится наклоняться к водомерной трубке, которая со временем мутнеет, и по шкале определять количество воды в чайнике.
Известны электрические чайники, в которых корпус выполнен целиком или частично из стекла (www.vitek.ru). В них количество воды определяется визуально, снаружи, однако такие чайники также не лишены недостатков.
Во-первых, стекло должно быть жаропрочным. Во-вторых, стекло должно иметь специальный состав, который при высокой температуре не выделяет в питьевую воду вредных для организма человека веществ. В-третьих, оно должно обладать механической прочностью. Кроме того, при обращении со стеклянным чайником всегда существует опасность для пользователя получить травму, если чайник упадет на пол или что-то упадет на чайник и он расколется. В результате, электрические чайники из стекла, при одинаковом с металлическими полезном объеме, имеют большие габариты и вес, а также травмоопасны.
Известны чайники, в которых для определения количества воды устанавливают датчик силы (RU 2405412, 2010). Достоинством таких чайников является простота конструкции и гарантированная герметичность, обусловленная отсутствием водомерного стекла. В таких чайниках датчик силы устанавливают на ручке или между ручкой и корпусом, а количество воды оценивают по механическому или по электронному индикатору, который выполнен цифровым на светодиодах.
Недостатком известных чайников с датчиками силы является то, что для определения количества воды чайник необходимо брать за ручку и поднимать, т.е. в стоящем на столе чайнике количество воды не определяется.
В качестве ближайшего аналога предлагаемого чайника следует принять электрический чайник по патенту GB 2320672, 1998. Этот чайник содержит металлический корпус (емкость) с носиком и крышкой, в котором расположен нагреватель и одна часть разъема (токоподвода). Корпус устанавливается на основание, которое содержит ответную часть разъема (токоподвода), микроконтроллер и подключенные к нему по входу и по выходу через электронные устройства четыре термореле, три датчика веса, реле, элементы включения и выключения чайника. Чайник содержит также датчик кипения, выполненный в виде генератора звука (свиста), расположенного в носике, и приемника звука (микрофона), расположенного в основании и подключенного ко входу микроконтроллера. Датчик веса выполнен в виде двух контактов, один из которых закреплен на основании, а второй - на подвижной части плоской пружины, взаимодействующей через термореле с днищем. Контакты замыкаются, когда в чайнике налито заранее заданное минимальное количество воды. Водомерное стекло в чайнике отсутствует, поэтому общее количество воды в ближайшем аналоге не определяется.
Работа ближайшего аналога осуществляется следующим образом. Пользователь устанавливает корпус чайника на основание, при этом обе части токоподвода соединяются между собой. Расположенные на пружинах датчиков веса термореле, установленные в разных точках основания, соприкосаются с днищем и под действием веса чайника перемещают подвижный пружинный контакт к неподвижному. Затем пользователь включает клавишу включения. Если в чайнике нет воды (контакты датчика веса разомкнуты), то в микроконтроллере команда включения нагревателя блокируется. Если количество воды в чайнике превышает минимально допустимое значение, то контакты датчика веса замыкаются, в микроконтроллере вырабатывается сигнал на подключение нагревателя через контакты реле к сети, и происходит нагрев воды.
Момент закипания воды определяется по датчику кипения, генератор звука которого под действием водяного пара испускает звуковой сигнал, который с помощью микрофона преобразуется в электрический сигнал, поступающий в микроконтроллер. В микроконтроллере вырабатывается сигнал на реле и нагреватель выключается.
Достоинством ближайшего аналога является то, что в электрическом чайнике осуществлена блокировка включения нагревателя при отсутствии воды.
Недостатком ближайшего аналога является трудоемкость изготовления сложного по конструкции чайника, содержащего большое количество датчиков, и прежде всего - громоздкий датчик кипения воды, генератор звука которого установлен в носик чайника, а микрофон - в основание. Кроме того, три контактных датчика веса чайника предназначены только для блокировки включения нагревателя при отсутствии воды: при любом весе меньше минимального - контакты разомкнуты, при любом весе больше минимального - контакты замкнуты.
Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение трудоемкости изготовления электрического чайника.
Поставленная задача, согласно предлагаемому изобретению, решена тем, что электрический чайник, содержащий, в соответствии с ближайшим аналогом, основание, корпус с днищем, установленный на основании, токоподвод, нагреватель, микроконтроллер, к выходу которого подключено реле, коммутирующая цепь которого включена между токоподводом и нагревателем, и подключенные к входу микроконтроллера элемент включения, датчик кипения и датчик силы, силовоспринимающие элементы которого установлены с возможностью взаимодействия с основанием и с днищем, отличается от ближайшего аналога тем, что в нем часть днища, взаимодействующая с датчиком силы, выполнена с возможностью смещения и/или прогиба под силой тяжести воды, а датчик силы выполнен за одно целое с датчиком кипения.
Кроме того, предлагаемый электрический чайник отличается тем, что на его днище выполнены кольцевые изгибы или выполнен кольцевой участок уменьшенной толщины.
Предлагаемый электрический чайник отличается от ближайшего аналога также тем, что датчик силы выполнен в виде преобразователя величин силы и их изменений в пропорциональные величины электрических напряжений постоянного и переменного тока.
Технический результат, заключающийся в уменьшении трудоемкости изготовления предлагаемого электрического чайника, достигнут благодаря тому, что в нем часть днища, взаимодействующая с датчиком силы, выполнена с возможностью смещения и/или прогиба под силой тяжести воды, а датчик силы выполнен за одно целое с датчиком кипения.
Для этого в предлагаемом чайнике впервые, для обеспечения возможности смещения и/или прогиба под силой тяжести воды, центральная часть днища, взаимодействующая с датчиком силы, отделена от краев выполненными на днище кольцевыми изгибами или кольцевым участком уменьшенной толщины.
Для выполнения датчика силы за одно целое с датчиком кипения он реализован в виде преобразователя величин силы и их изменений в пропорциональные величины электрических напряжений постоянного и переменного тока. Это означает, что датчик силы в предлагаемом чайнике преобразует любую постоянную по величине силу в непрерывном диапазоне от нулевой до максимальной (для чайника - это 1,5-2 кГ) в пропорциональное этой силе электрическое напряжение постоянного тока (например, в диапазоне от нуля до 5 В), а изменяющуюся по величине силу в диапазоне частот от нуля до 5-10 Гц - в пропорциональное по величине электрическое напряжение переменного тока в том же диапазоне частот.
В связи с этим, по сравнению с ближайшим аналогом, в предлагаемом электрическом чайнике существенно уменьшена трудоемкость изготовления, так как в нем нет необходимости использовать какой-либо датчик кипения и устанавливать, подобно ближайшему аналогу, в носик чайника генератор звука, а в основание чайника - микрофон, или, подобно другим известным чайникам, паропровод из-под крышки в основание.
Необходимый сигнал о кипении воды вырабатывается в предлагаемом чайнике благодаря указанной конструкции днища, обеспечивающей передачу переменной по величинам и частотам силы, возникающей при кипении воды, на датчик силы, который выполнен за одно целое с датчиком кипения, благодаря тому, что в нем обеспечена возможность преобразовывать изменения величины силы при кипении воды в необходимом диапазоне частот в пропорциональное по величине электрическое напряжение переменного тока.
Таким образом, поставленная выше задача, заключающаяся в уменьшении трудоемкости изготовления электрического чайника, выполнена.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами фиг.1 - фиг.3. На фиг.1 изображен продольный разрез предлагаемого чайника, на фиг.2 - вид А на панель управления и индикации, а на фиг.3 изображена блок-схема соединения основных электрических устройств.
На фиг.1 - 3 приняты следующие обозначения.
1 - корпус;
2 - днище;
3 - основание;
4 - нагреватель;
5 - центральная часть днища 2;
6 - кольцевые изгибы;
7 - токоподвод;
8 - датчик силы;
9 - силовоспринимающие элементы датчика 8 силы;
10 - шток;
11 - микроконтроллер;
12 - реле;
13 - панель индикации и управления;
14 - указатель количества воды;
15 - кнопка включения-выключения.
На фиг.1 показано, что в предлагаемом чайнике металлический корпус 1 с днищем 2 закреплен на основании 3, выполненном из термоизоляционного материала (пластмассы). Снизу на металлическом днище 2 расположен нагреватель 4. Днище 2 содержит центральную часть 5, отделенную от краев кольцевыми изгибами 6, благодаря которым обеспечена возможность ее смещения и/или прогиба. На корпусе токоподвода 7, закрепленном на основании 3, расположен датчик 8 силы, силовоспринимающие элементы 9 которого взаимодействуют с центральной частью 5 днища 2 через шток 10, а с основанием 3 - через корпус токоподвода 7. Для уменьшения теплопередачи на датчик 8 силы шток 10 выполнен из термоизоляционного материала. Внутри основания 3 расположены также микроконтроллер 11 и реле 12. Реле 12 может быть выполнено электромеханическим или полупроводниковым (твердотельным) и установлено на печатной плате вместе с микроконтроллером 11. На основании 3 снаружи (фиг.2) расположен указатель 14 количества воды, который может быть выполнен в виде цифровой светодиодной однознаковой ячейки из семи сегментов или в виде светодиодной полосы.
В предлагаемом чайнике элемент включения выполнен в виде кнопки 15 включения-выключения, которая отличается большим разнообразием видов исполнения и мест установки. Она может быть выполнена, например, в виде пружинной кнопки без механической фиксации, замыкающей при нажатии контакты цепи подачи команд. Кнопка 15 включения-выключения может быть выполнена сенсорной со своим светодиодом сигнализации включения и установлена на панели 13 индикации и управления рядом с указателем 14 количества воды (фиг.2).
На фиг.3 показано, что выход датчика 8 силы и кнопка 15 включения-выключения подключены ко входам микроконтроллера 11. К выходам микроконтроллера 11 подключены указатель 14 количества воды и управляющий вход реле 12, коммутирующая цепь которого включена между токоподводом 7 и нагревателем 4.
Работа предлагаемого чайника (фиг.1-фиг.3) осуществляется после установки его на подставку (не показана) и подключения к электрической сети через ответную часть токоподвода 7, расположенную на подставке.
Работа предлагаемого чайника основана на том, что под действием силы тяжести воды, налитой в корпус 1, который закреплен на основании 3, центральная часть 5 днища 2 смещается и/или прогибается. Для обеспечения такой возможности центральная часть 5 днища 2 отделена от остальной части днища 2 через кольцевые изгибы 6. Возможность смещения и/или прогиба центральной части 5 днища 2 может быть выполнена без кольцевых изгибов 6 за счет создания в том же месте днища 2 кольцевой части уменьшенной толщины (на чертежах не показано). В результате, центральная часть 5 днища 2 передает силу, создаваемую водой, через шток 10 на датчик 8 силы во всем требуемом диапазоне величин и частот.
Датчик 8 силы, в отличие от ближайшего аналога, определяющего только одно значение силы (веса) в момент замыкания/размыкания контактов, выполнен в виде преобразователя любой величины силы от нуля до максимальной в заданном диапазоне, которая для чайника составляет обычно 1,5-2,0 кГ. Поэтому в предлагаемом чайнике датчик 8 силы в этом диапазоне имеет непрерывную однозначную характеристику зависимости величины электрического сигнала постоянного тока от величины силы, приложенной между его силовоспринимающими элементами 9, один из которых взаимодействует с центральной частью 5 днища 2 через шток 10, а другой - с основанием 3 через корпус токоподвода 7 (фиг.1).
Напряжение постоянного тока с выхода датчика 8 силы поступает на вход микроконтроллера 11. Микроконтроллер 11 содержит на этом входе аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который формирует цифровой код в соответствии с величиной напряжения постоянного тока датчика 8 силы. В микроконтроллере 11 проводится сравнение полученных во времени кодированных последовательностей, которые затем осредняются, например, за 1 с, и получается значение кода, соответствующее постоянной составляющей сигнала датчика 8 силы. Этот осредненный код поступает на выход микроконтроллера 11 и на указатель 14 количества воды, на котором и отображается количество воды в чайнике (фиг.2, фиг.3). Обычно для бытовых целей достаточно отобразить количество воды в долях от полного чайника. Если указатель 14 количества воды выполнен однознаковым цифровым, то удобно отобразить полный чайник цифрой 9, а отсутствие воды в нем -цифрой 0 (нулевым кодом).
Для включения чайника пользователь нажимает один раз на кнопку 15 включения-выключения, при этом на вход микроконтроллера 11 подается команда «Включение» и на кнопке 15 включения-выключения загорается сигнальный светодиод. При повторном нажатии на кнопку 15 включения-выключения в микроконтроллер 11 подается команда «Выключение», а светодиод гаснет.
По команде «Включение» сигнал управления нагревателем 4 через реле 12 формируется в микроконтроллере 11 с учетом кода датчика 8 силы. Если количество воды в чайнике отображается нулевым кодом (т.е. чайник пустой), то на управляющий вход реле 12 постоянный ток не подается и нагреватель 4 не включается. В результате, в предлагаемом чайнике блокируется включение нагревателя 4 при отсутствии воды, т.е. исключена возможность повреждения чайника, возникновения пожара или травмы пользователя.
Если количество воды в чайнике отображается кодом, отличным от нулевого (т.е. в чайнике есть вода), то с выхода микроконтроллера 11 на реле 12 (фиг.3) поступает управляющее напряжение. Реле 12 через коммутирующую цепь подключает нагреватель 4 к сети через токоподвод 7 и происходит нагрев воды.
Когда вода в чайнике закипит, с выхода микроконтроллера 11 поступает сигнал на выключение реле 12 и нагреватель 4 отключается от сети.
Происходит это в предлагаемом чайнике потому, что во время кипения из воды начинается интенсивный выход газовых пузырьков, которые попеременно изменяют давление на воду и благодаря обеспеченной возможности смещения и/или прогиба центральной части 5 днища 2 воздействуют на датчик 8 силы (вода бурлит). В датчике 8 силы, выполненном за одно целое с датчиком кипения, обеспечена возможность преобразования переменной по величинам и частотам силы в пропорциональные величины напряжения переменного тока, которые в микроконтроллере 11 выявляются на выходе АЦП по разности последовательно формируемых неосредненных кодов в диапазоне частот от нуля до 5-10 Гц. Когда значение разности между максимальным и минимальным кодами достигнет заданной величины, на выход микроконтроллера 11 поступает сигнал выключения реле 12 и отключения от сети нагревателя 4.
В результате, в предлагаемом чайнике обеспечивается не только контролируемое по количеству воды включение, но и автоматическое выключение нагревателя 4 после закипания воды благодаря тому, датчик 8 силы выполнен за одно целое с датчиком кипения.
При необходимости выключить чайник вручную пользователь может в любой момент нагревания воды нажать на кнопку 15 включения-выключения.
В предлагаемом чайнике сформированные в микроконтроллере 11 сигналы: сигнал блокировки включения нагревателя 4 при отсутствии воды и сигнал о кипении воды, могут быть поданы на выходы (не показаны), к которым подключены устройства световой и/или звуковой сигнализации об отсутствии воды в чайнике и/или о ее кипении, что очень удобно как для обычных пользователей, так и для людей с ослабленным слухом и/или зрением.
Все элементы, необходимые для осуществления предлагаемого чайника, выпускаются промышленностью и в зависимости от особенностей дизайна и конструкции их можно выбрать из каталогов различных фирм (например, www..chipdip.ru/catalog/).
Таким образом, по сравнению с ближайшим аналогом, предлагаемый чайник имеет значительные преимущества, так как благодаря тому, что в нем центральная часть 5 днища 2, взаимодействующая с датчиком 8 силы, выполнена с возможностью смещения и/или прогиба под силой тяжести воды, а датчик 8 силы выполнен за одно целое с датчиком кипения, он обладает существенно меньшей трудоемкостью изготовления и меньшим весом.
В предлагаемом чайнике вода является более чистой и полезной, так как имеет лучшие, по сравнению с ближайшим аналогом, органолептические параметры (вкус, цвет, запах) из-за отсутствия ее контакта с химическими веществами пластмассы и посторонними предметами.