ПРОТОЧНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ В АВТОМАТЕ ПО ПРОДАЖЕ НАПИТКОВ
FLOW ELECTROMAGNETIC INDUCTION FLUID HEATER IN A BEVERAGE VENDING MACHINE

Перекрестная ссылка на родственную заявку
Данная патентная заявка испрашивает приоритет итальянской патентной заявки № 102019000009384, поданной 18.06.2019.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в целом относится к области автоматов по продаже напитков, в частности к проточному электромагнитному индукционному нагревателю текучей среды для нагрева текучей среды, в частности воды, молока, воздуха и т.п., в автомате по продаже напитков, чтобы приготавливать горячие напитки из обезвоженного материала, таких как кофе, чай, горячий шоколад и т.п.
Уровень техники
Известны автоматы по продаже напитков, в частности для приготовления горячих напитков, из обезвоженного материала, таких как кофе, чай, горячий шоколад и т.п.
Такие автоматы по продаже напитков снабжены одним или несколькими нагревателями, выполненными с возможностью нагрева воды, например бойлерами или чайниками. Известные нагреватели, как правило, содержат нагревательный элемент, выполненный из резистивного материала и способный нагревать воду, содержащуюся внутри резервуара или контейнера автомата.
Более конкретно, нагревательный элемент постоянно погружен в воду, содержащуюся в контейнере, и к концам нагревательного элемента приложена разность потенциалов. Таким образом, внутри последнего вырабатывается электрический ток, который, за счет эффекта Джоуля, рассеивает энергию в виде тепла, тем самым нагревая воду за счет теплопроводности.
Таким образом, необходимо поддерживать воду, содержащуюся в контейнере, при желаемой температуре, чтобы гарантировать быстрый розлив напитка.
Отсюда следует, что если автомат бездействует в течение длительных периодов времени, для поддержания желаемой температуры воды внутри контейнера (обычно выше 85°C) будет потребляться значительное количество энергии.
Более того, упомянутые выше нагреватели относятся к накопительному типу, то есть к тому типу, в котором заданный объем воды удерживается в контейнере и в котором вода нагревается и поддерживается при желаемой температуре; когда требуется раздача определенного объема горячей воды для приготовления соответствующего напитка, горячая вода, забираемая из контейнера, пополняется водой комнатной температуры. Таким образом, воду в контейнере необходимо нагреть и снова довести до желаемой температуры, чтобы гарантировать, что следующая раздача произойдет при желаемой температуре.
Таким образом, в последнем случае необходим период ожидания для повторного нагрева воды, продолжительность которого зависит от количества горячей воды, подаваемой во время одной или нескольких предыдущих раздач.
3
Помимо температуры, важным параметром, который необходимо контролировать, является расход подаваемой горячей воды, который зависит, прежде всего, от типа приготовляемого напитка; например, в случае напитков, производимых с использованием растворимых веществ, требуется значительный (не менее 10 см/с) расход горячей воды. При высоком расходе подаваемой горячей воды будет происходить быстрое падение температуры воды, содержащейся в контейнере, что приведет к длительному времени ожидания для последующей раздачи или к получению напитка, в котором растворимое вещество может образовывать комки.
В документах FR-A-2855359, EP-A-1380243 и DE-A-102007034370 приведены примеры проточных водонагревателей для нагрева воды за счет тепла, выделяемого с помощью электрических сопротивлений.
Описанные выше проблемы, связанные с нагревом воды в автоматах по продаже напитков, возникают из-за тепловой инерции, с которой нагревается данная масса воды.
Для устранения этих технических недостатков известны решения, использующие явление электромагнитной индукции для нагрева воды.
В частности, известны проточные водонагреватели, в которых используется электромагнитная индукция для создания паразитных токов в канале, выполненном из электропроводящего материала, внутри которого течет вода, подлежащая нагреву. Паразитные токи рассеивают энергию за счет эффекта Джоуля в виде тепла, тем самым нагревая канал и, следовательно, воду, которая течет в контакте с ним.
Как известно, особенно выгодны электромагнитные индукционные нагреватели, так как они позволяют быстро нагревать воду.
В документе EP-A-2868242 настоящего заявителя описан нагреватель, содержащий металлический канал, намотанный в форме спирали и расположенный в полости катушки, которая выполнена из электроизолирующего материала и на которую намотана обмотка для создания электромагнитной индукции.
На обмотку подается переменный электрический ток, который за счет электромагнитной индукции вырабатывает паразитные токи, нагревающие, за счет эффекта Джоуля, спиральный металлический канал и, таким образом, воду, которая течет внутри него.
Катушка прикреплена к опорной конструкции автомата, в то время как металлический канал не имеет механических соединений с катушкой, а просто поддерживается гидравлическим контуром, к которому он присоединен с помощью простых быстроразъемных (вставных) фитингов.
Более конкретно, металлический канал и катушка радиально разделены свободным пространством (воздушным промежутком).
Таким образом, обслуживание нагревателя, в частности замена металлического канала, становится гораздо легче, более экономичным и простым.
В документе JP-A-2001284034 описан пример проточного водонагревателя, который обеспечивает нагрев за счет электромагнитной индукции.
Раскрытие сущности изобретения
Хотя нагреватель описанного выше типа представляет собой функционально жизнеспособное решение для нагрева воды в автоматах по продаже напитков, заявитель имел возможность убедиться, что известные нагреватели могут быть дополнительно усовершенствованы, в частности, в отношении эффективности теплообмена, достигаемого с помощью нагревателя.
Задача настоящего изобретения состоит в создании проточного электромагнитного индукционного нагревателя текучей среды, который является очень надежным и имеет ограниченную стоимость и который позволяет удовлетворить требования, указанные выше в связи с известными нагревателями.
Согласно настоящему изобретению указанная задача решена с помощью проточного электромагнитного индукционного нагревателя текучей среды и торгового автомата для приготовления горячих напитков, содержащего такой проточный электромагнитный индукционный нагреватель текучей среды, как заявлено в прилагаемой формуле изобретения.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан схематичный вид в перспективе, со снятыми для ясности деталями, узла подачи и нагрева, содержащего нагреватель, выполненный в соответствии с первым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 2 – в увеличенном масштабе и со снятыми для ясности деталями, осевой разрез по линии II–II, обозначенной на фиг.1;
на фиг. 3 – поперечный разрез по линии III–III, обозначенной на фиг.2;
на фиг. 4 – как на фиг. 2, соответствующий осевой разрез, в увеличенном масштабе и со снятыми для ясности деталями, нагревателя в соответствии со вторым предпочтительным вариантом осуществления изобретения;
на фиг. 5 – как на фиг. 3, соответствующий поперечный разрез нагревателя, показанного на фиг. 4;
на фиг. 6 – как на фиг. 2, соответствующий осевой разрез, в увеличенном масштабе и со снятыми для ясности деталями, нагревателя в соответствии с третьим предпочтительным вариантом осуществления изобретения; и
на фиг. 7 – как на фиг. 3, соответствующее поперечное сечение нагревателя, показанного на фиг. 6.
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение будет описано ниже со ссылкой на нагрев воды без отказа от какой-либо общности в связи с этим, так как оно может также использоваться для нагрева других типов текучих сред, используемых в автоматах по продаже напитков, в частности жидкого молока или воздуха, используемого для эмульгирования жидкого молока, или других текучих сред, отличных от воды.
На фиг. 1–3 показан проточный электромагнитный индукционный нагреватель текучей среды для нагрева текучей среды, в частности воды, в автомате по продаже напитков (не показан), в частности для приготовления горячих напитков из обезвоженного материала, таких как кофе, чай, горячий шоколад и т. п., который в целом обозначен позицией 1.
В частности, нагреватель 1 является частью узла 2 подачи и нагрева вышеупомянутого автомата по продаже напитков, который содержит:
- контур 3 гидравлической подачи (который схематично показан на фиг. 1), снабженный резервуаром 4, содержащим воду, предпочтительно воду комнатной температуры, и выполненный с возможностью направления потока воды из резервуара 4 к нагревательному устройству 1 посредством трубы 5; и
- электрическую схему 6 (которая схематично показана на фиг. 1), функция которой будет пояснена ниже.
В частности, нагреватель 1 подключен к электрической схеме 6 и соединен по текучей среде с гидравлическим контуром 3.
Как показано на фиг. 2, нагреватель 1 содержит трубчатый корпус 7, внутри которого образован проточный канал 7а для воды. Таким образом, трубчатый корпус 7 является полым, имеет продольную ось A и содержит впускное отверстие 8, через которое вода, которая подлежит нагреву и транспортируется гидравлическим контуром 3, подается при использовании в канал 7a, и выпускное отверстие 10, через которое при использовании нагретая вода вытекает из канала 7а.
Согласно данному предпочтительному и неограничивающему варианту осуществления изобретения трубчатый корпус 7 является по существу прямолинейным, в то время как канал 7а выполнен соосно оси А и имеет по существу круглое поперечное сечение.
Согласно непоказанному альтернативному варианту осуществления изобретения трубчатый корпус 7 и/или канал 7a могут иметь непрямолинейную конфигурацию, например, в том числе один или несколько криволинейных участков; более того, канал 7а может иметь некруглое поперечное сечение (например, эллиптическое, овальное, квадратное, прямоугольное, многоугольное и т.д.).
Трубчатый корпус 7 прикреплен к внутренней опорной конструкции (не показана) автомата известным способом, который подробно не описан.
В частности, нагреватель 1 содержит верхнюю концевую часть 14 и нижнюю концевую часть 15, которые размещены в осевом направлении на противоположных сторонах трубчатого корпуса 7, прикреплены к трубчатому корпусу 7 и способны присоединяться (в частности, устанавливаться) к внутренней опорной конструкции автомата.
Более конкретно, верхняя концевая часть 14 и нижняя концевая часть 15 образуют соответствующие осевые закрывающие элементы трубчатого корпуса 7.
В одном варианте осуществления изобретения верхняя концевая часть 14 и нижняя концевая часть 15 соединены с трубчатым корпусом 7 съемным образом, например, с помощью резьбового соединения.
Как показано на фиг. 1 и 2, впускное отверстие 8 и выпускное отверстие 10 образованы соответствующими выступами, продолжающими в осевом направлении от верхней концевой части 14 и от нижней концевой части 15 соответственно.
Более конкретно, внутри верхней концевой части 14 образован канал 17, который соединяет по текучей среде впускное отверстие 8 с каналом 7a, тем самым позволяя воде проходить через верхнюю концевую часть 14 и поступать в канал 7a.
Аналогичным образом, внутри нижней концевой части 15 образован канал 18, который соединяет по текучей среде канал 7а с выпускным отверстием 10, тем самым позволяя воде проходить через нижнюю концевую часть 15 и вытекать из трубчатого корпуса 7.
В свете вышеизложенного впускное отверстие 8 и выпускное отверстие 10 расположены на соответствующих противоположных осевых концах трубчатого корпуса 7.
В показанном примере выпускное отверстие 10 соединено по текучей среде с выпускной трубой 16 (фиг. 1). Эта выпускная труба 16 выполнена с возможностью подачи нагретой воды из нагревательного устройства 1 в камеру для приготовления напитка (не показана), где нагретая вода окружает обезвоженный материал, как правило, содержащийся в предварительно проколотой капсуле. Полученный таким образом напиток затем подается из камеры для приготовления напитка в устройство розлива напитка (также не показано), с помощью которого он выдается из автомата.
Нагреватель 1 дополнительно содержит обмотку 11, образованную множеством концентрических витков 11а, намотанных с непосредственным контактом на внешнюю поверхность 12 трубчатого корпуса 7.
Более конкретно, обмотка 11 выполнена с возможностью подачи переменного электрического тока с заданной частотой колебаний и создания таким образом электромагнитного индукционного поля.
Более конкретно, при использовании электрическая цепь 6 прикладывает переменное напряжение к соответствующим концам 11b обмотки 11, вырабатывая таким образом вышеупомянутый переменный электрический ток и вышеупомянутое электромагнитное индукционное поле.
Предпочтительно, трубчатый корпус 7 выполнен из материала, имеющего нулевую магнитную восприимчивость.
Таким образом, трубчатый корпус 7 взаимодействует с электромагнитным индукционным полем, создаваемым обмоткой 11, в минимальной степени или практически не взаимодействует с ним, тем самым предотвращая искажение последнего.
Нагреватель 1 дополнительно содержит нагревательный элемент 13, который расположен внутри канала 7a таким образом, чтобы при использовании он был окружен потоком воды, протекающей внутри упомянутого канала 7a, и который при использовании может быть активирован посредством электромагнитного индукционного поля, создаваемого обмоткой 11.
В частности, при подаче на обмотку 11 переменного электрического тока создается переменное электромагнитное индукционное поле, силовые линии которого пересекаются внутри канала 7a и, в частности, проходят через нагревательный элемент 13. Согласно закону Фарадея, изменение результирующего потока электромагнитного индукционного поля создает паразитные токи внутри нагревательного элемента 13, которые нагревают нагревательный элемент 13 за счет эффекта Джоуля.
Нагревательный элемент 13, предпочтительно, выполнен из ферромагнитного материала. Таким образом, линии электромагнитного индукционного поля находятся ближе всего внутри нагревательного элемента 13, оптимизируя возникновение паразитных токов, и не рассеиваются внутри трубчатого корпуса 7.
При использовании вода, которая течет внутри канала 7a, окружает нагревательный элемент 13 и, таким образом, нагревается посредством теплообмена за счет теплопроводности.
Как показано на фиг. 2, нагревательный элемент 13 радиально отстоит от трубчатого корпуса 7, точнее от внутренней поверхности 19 канала 7а, на промежуток 20, внутри которого при использовании течет вода.
В частности, нагревательный элемент 13 продолжается в осевом направлении внутри канала 7a от верхней концевой части 14 до нижней концевой части 15 без какого-либо соприкосновения с внутренней поверхностью 19 канала 7a. Более конкретно, нагревательный элемент 13 прикреплен к верхней и нижней концевым частям 14 и 15.
В соответствии с этим предпочтительным и не ограничивающим вариантом нагревательный элемент 13 имеет по существу круглое поперечное сечение и расположен внутри канала 7a соосно оси А.
Соответственно, промежуток 20 имеет по существу кольцевое поперечное сечение.
Согласно альтернативному варианту осуществления изобретения, который не показан, нагревательный элемент 13 может иметь некруглое поперечное сечение, например: эллиптическое, овальное, квадратное, прямоугольное, многоугольное и т.д.
В примере, показанном на фиг. 2 и 3, нагревательный элемент 13 содержит единственный стержневой элемент, в частности состоит из него.
Как показано на фиг. 1 и 2, узел 2 подачи и нагрева дополнительно содержит датчик 21 температуры, выполненный с возможностью измерения температуры воды в выпускном отверстии 10.
В частности, датчик 21 расположен по меньшей мере частично внутри канала 18 нижней концевой части 15 нагревателя 1 и, таким образом, выполнен с возможностью измерения, с приемлемой степенью приближения, температуры воды в выпускном отверстии 10.
Узел 2 дополнительно содержит логический блок 22, выполненный с возможностью получения значений температуры, измеренных датчиком 21.
Логический блок 22 также выполнен с возможностью управления активацией и деактивацией электрической схемы 6, а также управления частотой колебаний переменного напряжения, прикладываемого электрической схемой 6 к обмотке 11.
При использовании, основываясь на значении температуры выходящей воды, измеренной датчиком 21, логический блок 22 регулирует частоту колебаний и, таким образом, электрическое питание, подаваемое с помощью электрической схемы 6. Действительно, известно, что более высокая температура соответствует большей электрической мощности и в результате большему количеству тепла, вырабатываемого за счет эффекта Джоуля нагревательным элементом 13.
Таким образом, логический блок 22 управляет изменением температуры выходящей воды.
Впускное отверстие 8 и выпускное отверстие 10 трубчатого корпуса 7, предпочтительно, расположены в соответствующих эксцентрических положениях по отношению к оси А.
В частности, впускное отверстие 8 и выпускное отверстие 10 расположены в соответствующих диаметрально противоположных положениях по отношению к оси A.
Таким образом, при использовании вода течет внутри канала 7a от впускного отверстия 8 к выпускному отверстию 10 в соответствии с неламинарным режимом движения. Действительно, так как впускное и выпускное отверстия 8 и 10 расположены на диаметрально противоположных сторонах по отношению к оси A, вода внутри промежутка 20 течет при турбулентном движении вокруг нагревательного элемента 13 таким образом, чтобы обеспечить однородный контакт текучей среды с упомянутым нагревательным элементом 13.
Работа нагревателя 1 согласно настоящему изобретению будет описана ниже с особой ссылкой на начальное состояние, при котором внутри резервуара 4 находится вода комнатной температуры.
В этом состоянии, когда пользователь заказывает раздачу напитка, логический блок 22 позволяет, посредством системы клапанов и насосов известного типа (которые схематично показаны на фиг. 1), нагревать поток воды, проходящий через впускное отверстие 8 и канал 17 внутри трубчатого корпуса 7.
Одновременно с этим логический блок 22 управляет активацией электрической схемы 6, которая прикладывает переменное напряжение заданной частоты к концам 11b обмотки 11, вырабатывая таким образом переменный электрический ток, который, в свою очередь, создает вышеупомянутое электромагнитное индукционное поле.
Как описано выше, это поле вызывает нагрев нагревательного элемента 13, который нагревает воду, протекающую внутри канала 7a и окружающую упомянутый нагревательный элемент 13.
Когда нагретая вода протекает через канал 18, датчик 21 измеряет ее температуру и отправляет измеренное значение в логический блок 22. Таким образом, достигается управление измеренной температурой с обратной связью.
Затем нагретая вода подается по трубе 16 в камеру для приготовления выбранного напитка.
На фиг. 4 и 5 проточный нагреватель, реализованный в соответствии с альтернативным предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, в целом обозначен позицией 1'.
Так как нагреватель 1' аналогичен по конструкции и принципу действия нагревателю 1, ниже будут описаны только его конструктивные и функциональные отличия.
Одинаковые ссылочные позиции будут использоваться для обозначения аналогичных или эквивалентных частей и/или признаков.
В частности, нагреватель 1' отличается от нагревателя 1 тем, что он снабжен нагревательным элементом 13', который содержит множество стержневых элементов, в частности состоит из них.
Более конкретно, нагревательный элемент 13' состоит из пучка стержневых элементов, имеющих меньший диаметр, чем диаметр единственного стержневого элемента, образующего нагревательный элемент 13 нагревателя 1.
В частности, каждый из стержневых элементов нагревательного элемента 13' продолжается в осевом направлении внутри канала 7a от верхней концевой части 14 до нижней концевой части 15.
Более конкретно, стержневые элементы прикреплены к этим верхней и нижней концевым частям 14 и 15.
При использовании поток воды, протекающий внутри канала 7a, окружает каждый из стержневых элементов, проходя в промежутках канала 7a между стержневыми элементами. В результате улучшается теплообмен, так как общая поверхность теплообмена нагревательного элемента 13' больше, чем у нагревательного элемента 13.
На фиг. 6 и 7 проточный нагреватель, реализованный в соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, в целом обозначен позицией 1''.
Так как нагреватель 1'' по конструкции и принципу действия аналогичен нагревателю 1, ниже будут описаны только его конструктивные и функциональные отличия.
Одинаковые ссылочные позиции будут использоваться для обозначения аналогичных или эквивалентных частей и/или признаков.
В частности, нагреватель 1'' отличается от нагревателя 1 тем, что он снабжен нагревательным элементом 13'', который содержит множество тонких листов, в частности состоит из них.
В частности, каждый из листов нагревательного элемента 13'' продолжается в осевом направлении внутри канала 7a от верхней концевой части 14 до нижней концевой части 15.
Более конкретно, листы прикреплены к этим верхним и нижним концевым частям 14 и 15.
При использовании поток воды, протекающий внутри канала 7a, окружает каждый из тонких листов, проходя в промежутках, образованных между каждой парой листов. В результате улучшается теплообмен, так как общая поверхность теплообмена нагревательного элемента 13'' гораздо больше, чем у нагревательного элемента 13'.
Из рассмотрения особенностей нагревателей 1, 1', 1'', реализованных в соответствии с настоящим изобретением, становятся очевидными преимущества, достигаемые с их помощью.
В частности, за счет расположения впускного и выпускного отверстий 8 и 10 можно добиться равномерного потока воды внутри канала 7а трубчатого корпуса 7, чтобы получить по существу турбулентный поток вокруг нагревательного элемента 13, 13', 13'' и, таким образом, эффективный и более равномерный теплообмен с последним.
Более того, благодаря форме нагревательного элемента 13' можно достичь повышенного теплообмена, так как поверхность теплообмена больше, чем у нагревательного элемента 13.
Кроме того, благодаря форме нагревательного элемента 13'' это улучшение становится гораздо более заметным, так как соотношение между поверхностью теплообмена и объемом нагревательного элемента 13'' больше по сравнению с соотношением между поверхностью теплообмена и объемом нагревательного элемента 13, 13'.
В результате очевидно, что описанные и показанные нагреватели 1, 1', 1'' могут быть модифицированы и изменены без отклонения за пределы объема защиты, определяемого формулой изобретения.