НАГРЕВАТЕЛЬ С РЕГУЛИРОВАНИЕМ ПОТОКА ЖИДКОСТИ ЧЕРЕЗ НЕГО
HEATER WITH REGULATION OF FLUID FLOWING THROUGH IT

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к нагревателю, через который проходит поток жидкости, для нагревания жидкости, проходящей по каналу, и к устройству для заваривания напитка, включающему такой нагреватель.
Уровень техники, предшествующий изобретению
В US 2002/0051632 A1 описывается водонагреватель с первым нагревательным элементом для подачи фиксированной мощности и вторым регулируемым нагревательным элементом. Температурный сенсор измеряет температуру нагретой воды. Контрольный блок управляет подачей тепла от второго нагревательного элемента в зависимости от температуры, измеренной температурным сенсором. Насос создает поток воды через канал со скоростью в заданных пределах. В одном варианте воплощения изобретения для получения нагретой воды сначала осуществляют фазу предварительного нагревания, когда контрольный блок запускает оба нагревательных элемента. По окончании периода предварительного нагревания приводится в действие насос и вода начинает проходить через нагревательные элементы. Во время этой фазы используют замкнутый контур обратной связи: контрольный блок реагирует на изменение измеренной температуры посредством регулирования мощности, подаваемой на второй нагревательный элемент, для препятствования изменению температуры.
Хотя для управления мощностью, подаваемой на второй нагревательный элемент в зависимости от измеренной температуры, присутствует замкнутый контур обратной связи, известный водонагреватель имеет недостаток, заключающийся в том, что температура подаваемой воды не достаточно постоянна.
Краткое описание изобретения
Целью изобретения стало создание проточного нагревателя, который подает жидкость с более постоянной температурой.
В первом аспекте настоящего изобретения создан проточный нагреватель, как он заявлен в п.1 формулы настоящего изобретения. Во втором аспекте настоящего изобретения создано устройство для заваривания напитка, как оно заявлено в п.13 формулы настоящего изобретения. Преимущественные варианты воплощения настоящего изобретения приведены в зависимых пунктах формулы настоящего изобретения. Проточный нагреватель для нагревания жидкости согласно первому аспекту настоящего изобретения содержит канал, по которому проходит нагреваемая жидкость. Электрический нагревательный элемент нагревает, по меньшей мере, часть канала. Такая комбинация нагревательного элемента и канала, как правило, называется проточным нагревателем. Температурный сенсор измеряет температуру стенки канала, или стенки электрического нагревательного элемента, или жидкости, проходящей через канал. Устройство или блок контроля потока контролирует жидкость, проходящую через канал. Например, устройство для регулирования подачи потока может представлять собой насос, который при работе прокачивает жидкость через канал. Как вариант, вода из резервуара для воды может проходить через канал под воздействием гравитации, и устройство для регулирования подачи потока представляет собой клапан в канале или последовательно соединенный с каналом.
Контроллер управляет электрическим нагревательным элементом и устройством регулирования подачи потока, по меньшей мере, в трех последующих последовательных фазах, упомянутых в следующем порядке.
В первой фазе, также называемой фазой предварительного нагревания, контроллер управляет электрическим нагревательным элементом для предварительного нагревания, по меньшей мере, части канала. Контроллер управляет устройством регулирования подачи потока жидкости для получения относительно низкой скорости потока жидкости, проходящей через канал. Это является преимуществом, поскольку можно измерить температуру самой жидкости без использования дорогостоящего температурного сенсора для стенки. Дополнительно можно измерить температуру жидкости, выходящей из канала. Скорость потока во время первой фазы относительно мала по сравнению со скоростью потока во время второй фазы и третьей фазы, чтобы предотвратить подачу большого количества жидкости при слишком низкой температуре. Например, соотношение потока в первой фазе и потока во второй фазе и/или третьей фазе может составлять в пределах от 1:4 до 1:25.
Во второй фазе, кроме того также называемой фазой открытого контура, контроллер управляет устройством регулирования подачи потока жидкости для подачи жидкости в канал. Например, работает насос или открыт клапан. В случае, когда канал уже содержит жидкость, эта жидкость уже имеет высокую температуру. В случае, когда в канале жидкости нет, жидкость впускают для быстрого нагревания, поскольку нагреватель и стенки канала предварительно нагреты. Теперь жидкость протекает по каналу и контроллер управляет электрическим нагревательным элементом для подачи заданной мощности нагревания, независимо от измеренной температуры, но с заданным значением, или изменениями согласно заданной кривой, или рядом величин. Следовательно, мощность нагревания управляется без использования замкнутого контура обратной связи.
Например, электрический нагревающий элемент может подавать мощность нагревания, равную максимальной мощности нагревания. Как вариант, нагревательный элемент может подавать мощность нагревания, которая равна приблизительно мощности нагревания в стабильном состоянии или которая изменяется от максимальной мощности нагревания в стабильном состоянии до приблизительно мощности нагревания в стабильном состоянии. Мощность нагревания в стабильном состоянии представляет собой мощность нагревания, требующуюся в конце третьей фазы, во время которой система работает в замкнутом контуре подачи.
В третьей фазе, которая следует за второй фазой, также дополнительно называемой фазой замкнутого контура, контроллер управляет электрическим нагревательным элементом для подачи мощности нагревания в зависимости от измеряемой температуры, чтобы по существу стабилизировать температуру на заданном целевом значении. Контроллер управляет устройством регулирования подачи потока для обеспечения потока жидкости по каналу, или включает насос, или открывает клапан.
Введение фазы открытого контура между фазой предварительного нагревания и фазой замкнутого контура имеет преимущество, состоящее в том, что уменьшена возможность недогрева или перегрева жидкости, выходящей из канала. В предшествующем уровне техники фаза замкнутого контура начинается сразу же после фазы предварительного нагревания. Поскольку для контроля замкнутой системы не известны характеристики, вызывающие недогрев или перегрев жидкости, замкнутый контур не способен их минимизировать. В соответствии с настоящим изобретением система распознает эти характеристики и способна создать или определить оптимальную кривую мощности или уровень(и) для минимизации недогрева или перегрева жидкости. Следовательно, за счет добавления фазы открытого контура, в котором подается заданная мощность нагревания, обеспечивает возможность подачи жидкости с более постоянной температурой по сравнению с предшествующим уровнем техники.
В одном варианте воплощения настоящего изобретения контроллер управляет устройством регулирования подачи потока жидкости для предотвращения прохождения жидкости через канал. Следовательно, если в канале нет жидкости, то предотвращается ее поступление в канал, или когда жидкость находится в канале, предотвращается ее прохождение через канал. В обоих случаях насос не работает или клапан закрыт. Электрический нагреватель может подавать любую заданную мощность нагревания. Чем выше мощность нагревания, тем короче будет фаза предварительного нагревания. Следовательно, предпочтительно нагреватель подает максимальную мощность нагревания. Для предотвращения слишком внезапной большой нагрузки на сеть мощность нагревания может увеличиваться во время фазы предварительного нагревания постепенно.
В варианте воплощения настоящего изобретения блок измерения температуры содержит температурный сенсор для получения измеренной температуры стенки канала, или измеренной температуры стенки нагревательного элемента, или измеренной температуры жидкости при прохождении ее через канал.
В одном варианте воплощения настоящего изобретения контроллер определяет во время первой фазы момент повышения определяемой температура выше заданного уровня и начинает вторую фазу, если это так. Во время третьей фазы контроллер стабилизирует измеренную температуру. В этом варианте воплощения настоящего изобретения эта же измеренная температура используется как для начала второй фазы, так и для стабилизации этой температуры замкнутым контуром во время третьей фазы. Требуется только один сенсор. Как вариант вторая фаза может начаться через заданный интервал времени после первой фазы.
В одном варианте воплощения настоящего изобретения блок измерения температуры содержит первый температурный сенсор для определения первой измеренной температуры и второй температурный сенсор для определения второй измеренной температуры. Первая и вторая измеренные температуры являются разными температурами измеренной температурой стенки канала, или измеренной температурой стенки электрического нагревательного элемента, или измеренной температурой жидкости при прохождении ее через канала. Использование более чем одного сенсора может улучшить температурное поведение системы. Однако то, что нужно два сенсора, является недостатком.
В одном варианте воплощения настоящего изобретения контроллер определяет во время первой фазы момент повышения измеренной температуры выше заданного значения и в этот момент начинает вторую фазу. Контроллер стабилизирует вторую измеренную температуру во время третьей фазы. Этот подход имеет то преимущество, что различные температуры могут быть использованы для начала второй фазы и обеспечения входного сигнала управления, изменяющегося для замкнутого контура третьей фазы. Например, первая измеряемая температура является измеряемой температурой стенки канала, предпочтительно вблизи нагревателя, или температурой стенки нагревателя, и вторая измеренная температура является измеряемой температурой жидкости.
В одном варианте воплощения настоящего изобретения за третьей фазой следует четвертая фаза, на которой контроллер отключает электрический нагревательный элемент таким образом, что он больше не осуществляет подачу мощности нагревания. Кроме того, контроллер управляет устройством, регулирующим подачу потока, для поддержания потока жидкости, проходящей через канал. Преимущество здесь заключается в том, что система достаточно охлаждается, чтобы предотвратить образование пара.
Поток жидкости, проходящей через нагреватель, может быть использован, например, в устройстве для заваривания напитка, для чего горячая вода под давлением пропускается или протекает, например через кофе, блок с чаем или шоколадом. Также нагреватель может быть использован для нагревания молока, например для получения горячего шоколадного напитка. Нагретое молоко может быть добавлено в кофе или чай или может быть употреблено само по себе. В частности, в случае, когда молоко (или другой напиток или пищевой продукт на жидкой основе) дают ребенку или людям с ограниченной дееспособностью, основополагающим является точный контроль температуры молока. Нагреватель также может быть использован для получения пара, который, например, может быть использован для получения пенной шапки из молока. Использование нагревателя не ограничивается нагревателем устройства для заваривания напитка, работающего с блоками или пакетами. Вместо блока может быть пополняемый холдер с молотым кофе или чаем. Нагреватель может быть использован в системах, в которых воду пропускают под давлением через канал, такой как в машинах эспрессо, но также может быть использован в системах, в которых вода протекает через канал только под действием силы тяжести. Эти и другие аспекты настоящего изобретения будут более понятны из приведенных далее вариантов воплощения настоящего изобретения.
Краткое описание чертежей
На чертежах
Фиг.1 представляет схематический вариант воплощения настоящего изобретения, устройство для заваривания напитка с проточным нагревателем,
Фиг.2A-2C - схематично показанные формы сигнала для разъяснения работы проточного водонагревателя, известного из предшествующего уровня техники, и
Фиг.3A-3C - схематичные формы сигнала устройства для заваривания напитков согласно настоящему изобретению.
Следует отметить, что на различных фигурах одинаковые элементы имеют одни и те же ссылочные позиции, имеют те же конструктивные признаки и выполняют те же функции или являются теми же сигналами. Когда функция и/или конструкция такого элемента уже объяснена, нет необходимости в повторении объяснения в детальном описании настоящего изобретения.
Детальное описание изобретения
Фиг.1 - схематичный вариант воплощения настоящего изобретения устройства для заваривания напитка, с проточным нагревателем. Устройство для заваривания напитка содержит резервуар 1 для воды, в котором хранится жидкость 10 для нагревания. Как правило, в устройстве для заваривания напитка эта жидкость представляет собой воду, но как вариант жидкость может представлять собой молоко.
В варианте воплощения настоящего изобретения, на Фиг.1, насос 3 перекачивает воду 10 из резервуара 1 для воды в чашку 9. Вода 10 поступает в насос 3 через канал или трубку 2 и подается насосом в канал 4. Насос 3 качает воду через канал 4 через расходный блок 8 в чашку 9. Как вариант вместо насоса 3 может быть использован клапан, если самый низкий уровень воды 10 в резервуаре 1 для воды будет выше по сравнению с самым высоким уровнем заполнения чашки 9, таким образом, что вода 10 может вытекать из резервуара 1 в чашку 9 без необходимости в насосе 3. Например, расходуемый блок 8 может содержать кофе или чай. Вместо расходуемого блока 8 может быть использован пополняемый холдер для молотого кофе или чайного листа. Как вариант приведенная схема может быть использована для заваривания кофе с использованием фильтра.
Хотя блок 8 показан размещенным в открытой системе таким образом, что горячая воды проходит через блок под воздействием силы гравитации, система может быть закрытой, и горячая вода может подаваться под давлением в блок 8 такой, как обычно используемый в устройствах Philips Senseo или в устройствах для заваривания эспрессо.
Электрический нагреватель 5 имеет нагревательные элементы 50, которые расположены вдоль канала 4 для нагревания канала 4 и воды 10 во время ее нахождения в канале 4. Часть канала 4, которая нагревается нагревательными элементами 50, может располагаться по существу вертикально для улучшения конвекции. Нагревательные элементы могут включать проволоку высокого сопротивления, которая нагревается проходящим через нее переменным током. Хотя показан единственный нагревательный элемент 50, как вариант несколько элементов могут быть расположены параллельно или последовательно. Регулируемая электрическая мощность может подаваться на все нагревательные элементы или только на выбранные нагревательные элементы.
Сенсор 6 расположен рядом с каналом 4 для измерения температуры стенки канала 4, находящейся ниже нагревателя 5 по потоку. Как вариант сенсор 6 может быть расположен внутри канала 4 для определения температуры воды 10, выходящей из нагревателя 5, или сенсор 6 может измерять температуру стенки нагревателя 5. Например, эта стенка нагревателя 5 может представлять собой стенку нагревательного элемента 50. При желании может присутствовать дополнительный температурный сенсор 60, который, например, определяет температуру воды 10, находящейся выше нагревателя 5 по потоку.
Контроллер 7 получает входной сигнал для получения измеренной температуры ST1, измеренной температурным сенсором 6, и по выбору дополнительный входной сигнал для получения измеренной температуры ST2, измеренной температурным сенсором 60. Контроллер 7 может использовать различные измеренные температуры ST1 и ST2 для получения оптимального температурного профиля воды посредством управления различными параметрами с различными температурами, как будет объяснено далее. Как вариант, контроллер 7 может использовать разницу температур между температурами, измеренными двумя температурными сенсорами 6 и 60. Контроллер 7 имеет выходной сигнал для подачи управляющего сигнала на нагреватель и насос 3.
Нагреватель 5 может управляться посредством управления уровнем подаваемого электрического напряжения или уровня проходящего через нагревательные элементы 50 тока. Контроль может быть непрерывным или дискретным. Как правило, хотя не суть важно, нагревательные элементы подключены к сети (не показано) через устройство электронного переключения (не показано). Управляющий сигнал, подаваемый контроллером 7, может управлять рабочим циклом включение-выключение устройства электронного переключения для управления средней электрической мощностью, подаваемой на нагревательные элементы 50. Следовательно, также управляется мощность нагревания HP, подаваемая нагревательными элементами 50.
Насос 3 может быть включен или выключен. Как вариант, прохождение потока воды через насос 3 также может управляться контроллером 7, чтобы даже дополнительно уменьшить флуктуации температуры нагретой воды. В случае, когда вместо насоса 3 используют клапан, его включают или выключают для прохождения воды 10 или для блокировки прохождения воды 10, соответственно.
Система, приведенная на Фиг.1, используется для объяснения формы сигналов, приведенных на Фиг.2A-2C, для разъяснения работы проточного водонагревателя, известного из предшествующего уровня техники, и формы сигналов, приведенных на Фиг.3A-3C для устройства для заваривания напитков согласно настоящему изобретению. Формы сигналов, приведенные на Фиг.2 и 3 имеют место в системе, в которой температурный сенсор 6 измеряет температуру воды. Аналогичные формы сигналов возникают, если температурный сенсор 6 измеряет температуру стенки канала 4 внутри или расположен снаружи ниже нагревателя 5 по потоку. Форма сигналов может отклоняться больше, если измеряют температуру стенки нагревателя 5.
Как вариант, в варианте воплощения настоящего изобретения, когда присутствуют два температурных сенсора, один температурный сенсор измеряет температуру стенки, в то время как другой измеряет температуру воды. Температурный сенсор, измеряющий температуру стенки, используют для включения насоса и начала работы замкнутого контура, в то время как температурный сенсор, измеряющий температуру воды, используют для контроля температуры воды во время фазы замкнутого контура.
Фиг.2A-2C схематично показывают формы сигнала для разъяснения работы проточного водонагревателя, известного из предшествующего уровня техники. Фиг.2A показывает мощность нагревания HP в ваттах, подаваемую нагревателем 5. Фиг.2B показывает как температуру стенки TW в градусах Цельсия канала 4 и нагревателя 5, так и температуру воды WT в градусах Цельсия, выходящей из канала 4 в положении температурного сенсора 6. Фиг.2C показывает скорость потока воды 10, проходящей через канал 4 в мл в секунду. Все временные интервалы, мощности, температуры и скорости потока приведены только в качестве примера.
В момент t0, начинается фаза предварительного нагревания PH1, и контроллер 7 управляет нагревателем 5 для подачи максимальной мощности нагревания HPM. И температура стенки, показанная графиком TW, и измеренная температура воды, показанная графиком WT, начинают возрастать. В момент t1 температура воды WT достигает заданной температуры или заданного уровня стабильного состояния TLW и фаза предварительного нагревания PH1 заканчивается. В этот момент t1 температура стенки TW равна TLT. В случае, когда присутствует сенсор 6, можно измерить температуру стенки, и не нужен никакой поток жидкости для измерения температуры в положении нагревателя или вблизи него. Как вариант, например, если присутствует только сенсор 60, во время первой фазы подается поток жидкости с относительно небольшой скоростью для обеспечения возможности измерения температуры жидкости.
В момент t1 контроллер 7 включает насос 3 и вода 10 начинает проходить через канал 4, см. Фиг.2C. Кроме того, в момент t1 контур управления замыкается и контроллер 7 начинает управлять нагревателем 5 для подачи мощности нагревания HP в зависимости от измеренной температуры ST. Начальным значением замкнутого контура является мощность нагревания в стабильном состоянии HPS. Как следует из Фиг.2B, контроллер 7 начинает работу по образцу замкнутого контура, когда температура воды WT становится выше заданной температуры TLW. Следовательно, как реакция, контроллер 7 снижает мощность нагревания HP. Однако из-за свойственного временного запаздывания, вызванного постоянными времени в системе и интегрирующим воздействием замкнутого контура, требуется некоторое время, пока температура WT снова достигнет заданной температуры TLW. Теперь мощность нагревания HP снова увеличивается для противодействия слишком низкой температуре WT. Но, как видно на Фиг.2B, температура воды WT находится ниже заданной температуры TLW в течение достаточно длительного периода времени. В конце температура воды стабилизируется на заданной температуре TLW. Фаза замкнутого контура PH3 длится с момента t1 до момента t2.
Следует отметить, что температура воды может показывать перегрев, поскольку в момент t1, когда насос начинает работать, вода во входящей части потока через нагреватель уже имеет такую же высокую температуру, что и остальная вода в потоке через нагреватель, но будет дополнительно нагрета при протекании через проточный нагреватель к выходному отверстию.
В момент t2 контроллер 7 выключает нагреватель 5 и насос 3 и поток воды останавливается. Температура стенки TW нагревателя 5 начинает снижаться, и температура стенки WT начинает увеличиваться из-за все еще высокой температуры стенки TW.
Фиг.3A-3C схематично показывают формы сигнала для разъяснения работы устройства для заваривания напитка согласно настоящему изобретению. Фиг.3A показывает мощность нагревания HP в ваттах, подаваемую нагревателем 5. Фиг.3B показывает как температуру стенки TW канала 4 в градусах Цельсия в позиции температурного сенсора 6, так и температуру воды WT в градусах Цельсия, выходящей из канала 4. Фиг.3C представляет скорость потока воды 10, проходящей через канал 4 в мл в секунду. Все временные интервалы, мощности, температуры и скорости потока приведены только в качестве примера.
В момент t10 начинается известная фаза предварительного нагревания PH1 и контроллер 7 контролирует нагреватель 5 для обеспечения максимальной теплоотдачи HPM. Обе температуры стенок показаны на графике TW, и определяемая температура воды показана на графике WT как начало увеличения. В момент t11 температура воды WT достигает заданной температуры или заданного уровня установленного режима TLW, и фаза предварительного нагревания PH1 заканчивается. В этот момент t11 температура стенки TW равна TLT.
В момент t11, в который начинается фаза открытого контура PH2, контроллер 7 включает насос 3 и вода 10 начинает проходить через канал 4, см. Фиг.2C. Кроме того, в момент t11 контроллер 7 управляет нагревателем 5 для подачи максимальной мощности нагревания HPM. Как вариант, во время фазы открытого контура PH2 контроллер 7 может управлять нагревателем 5 для подачи мощности нагревания в стабильном состоянии HPS, или любого другого подходящего уровня мощности, последовательных уровней мощностей или непрерывного изменяющейся мощности нагревания HP. Фаза открытого контура PH2 заканчивается в момент t12,в который начинается известная фаза замкнутого контура PH3. Момент t12 определяется температурой воды WT, снижающейся ниже заданной температуры TLW.
В момент t12 начинается известная фаза замкнутого контура PH3. Контроллер 7 включает насос 3, и вода 10 начинает проходить через канал 4. Кроме того, в момент t12 контур управления замыкается, и контроллер 7 начинает управлять нагревателем 5 для подачи мощности нагревания HP в зависимости от измеренной температуры ST. Начальным значением замкнутого контура предпочтительно является мощности нагревания в стабильном состоянии HPS. Как следует из Фиг.3B, сразу же после начала работы замкнутого контура температура воды WT становится ниже заданной температуры TLW. Соответственно, контроллер 7 увеличивает мощность нагревания HP. Однако из-за свойственного временного запаздывания, вызванного постоянными времени в системе и интегрирующим воздействием замкнутого контура, требуется некоторое время, пока температура WT достигнет заданной температуры TLW. Теперь мощность нагревания HP снижается для противодействия слишком высокой температуре WT. Как показано на Фиг.3B, температура воды WT находится ниже заданной температуры TLW в течение относительно короткого периода времени. Таким образом, сравнение кривой температуры воды WT, приведенной на Фиг.3B, с кривой на Фиг.2B показывает, что температура WT в начале операции заваривания стала более постоянной. В конце температура воды стабилизируется на заданной температуре TLW. Фаза замкнутого контура PH3 длится с момента t12 до момента t13.
По желанию в момент t13 контроллер 7 выключает нагреватель 5, но оставляет насос 3 включенным. Таким образом, нагреватель 5 и канал 4 быстро охлаждаются, что предотвращает образование пара. Эта фаза охлаждения четко определена, так что может быть компенсирована во время фазы нагревания, так что получается корректная средняя температура жидкости.
Следует отметить, что указанные выше варианты воплощения настоящего изобретения только иллюстрируют его, но не ограничивают объем притязаний, и что специалист в области техники, к которой относится настоящее изобретение, может создать множество альтернативных вариантов воплощения настоящего изобретения, не выходя за его рамки.
Например, между насосом 3 и проточным нагревателем 5 может быть установлен фильтр. Для определения температуры жидкости 10, выходящей из резервуара 1 для жидкости, или жидкости, входящей в нагреватель 5, по желанию может быть установлен температурный сенсор. Такой дополнительный температурный сенсор способен компенсировать контурное управление при изменении температуры жидкости 10. Температурный сенсор ST2, расположенный выше проточного нагревателя по потоку, может быть установлен рядом с выходным отверстием, например, для проверки, не превышает ли температура жидкости заданные параметры. Следует отметить, что жидкость может представлять собой воду и что порошок может быть смешан с нагретой водой с получением напитка, такого как горячее молоко или горячий шоколад.
В формуле изобретения обозначения, любая ссылочная позиция, помещенная в скобках, не ограничивают объем притязаний настоящего изобретения. В настоящем документе и формуле изобретения глагол «содержать» и его формы следует интерпретировать в открытом, а не закрытом значении, если ясно не указано иное. Использованные здесь и в приложенной формуле изобретения формы единственного числа включают и множественное число, если в контексте ясно не просматривается иное. Кроме того, единственное число подразумевает, по меньшей мере, один. Настоящее изобретение может быть осуществлено с использованием средств, включающих несколько различных элементов, и подходящего компьютера с программным обеспечением. В формуле на устройство приведены номера некоторых из средств, некоторые из этих средств могут иметь одинаковые обозначения. Сам факт, что определенные параметры приведены по умолчанию в различных зависимых пунктах, не указывает на то, что комбинация этих параметров не может быть альтернативно использована.