УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ГОРЯЧИХ НАПИТКОВ С МЕХАНИЗМОМ АВТОМАТИЧЕСКОГО СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ
APPARATUS FOR PREPARING HOT BEVERAGES WITH AUTO-POWER-DOWN MECHANISM

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к устройству для приготовления горячих напитков, такому как кофеварка, и, в частности, к такому устройству, включающему в себя механизм автоматического снижения энергопотребления или автоматического выключения.
Уровень техники
По всему миру миллионы машин для приготовления горячих напитков, таких как кофеварки, продаются каждый год. В настоящее время энергоэффективность этих машин оставляет желать лучшего, тогда как усовершенствования могут быть достигнуты с помощью относительно простых мер, например, механизма автоматического снижения энергопотребления.
Устройство для приготовления горячих напитков может работать по меньшей мере в двух обычно последовательных режимах, отражающих его основные функции: режим варки и режим поддержания тепла. В первом случае устройство выполняет цикл варки, при котором оно варит напиток, во втором случае оно поддерживает сваренный напиток теплым для употребления обычно в термически неизолированном кувшине, чашке или другой емкости, размещенной на подогреваемой пластине поддержания тепла. Механизм автоматического снижения энергопотребления для устройства может служить для ограничения продолжительности режима поддержания тепла и для переключения устройства либо в полное выключение, либо в режим ожидания, после определенного времени задержки, которое следует после окончания цикла варки, так, чтобы снижать энергопотребление устройства. Время задержки, обеспечивающее баланс между комфортом для пользователя и энергоэффективностью, может составлять порядка десятков минут.
В частности, в относительно недорогих машинах, таких как бытовые капельные кофеварки с фильтром, необходимо, чтобы механизм автоматического снижения энергопотребления был экономически осуществимым.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является обеспечение устройства для приготовления горячих напитков, оснащенного механизмом автоматического снижения энергопотребления, который является экономически осуществимым.
Другой задачей настоящего изобретения является обеспечение устройства для приготовления горячих напитков, оснащенного механизмом автоматического снижения энергопотребления, который способен к синхронизации периодов времени порядка десятков минут, например, 30-60 минут.
Устройство для приготовления горячих напитков согласно изобретению определено в пункте 1 формулы изобретения. Дополнительные предпочтительные варианты выполнения изложены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Устройство может включать в себя электрический нагреватель. Устройство может дополнительно включать в себя средство аккумулирования скрытой теплоты, которое расположено в функциональном тепловом контакте с нагревателем и которое содержит или выполнено с возможностью содержания материала с фазовым переходом. Устройство также может включать в себя электрическую цепь для питания электрического нагревателя. Электрическая цепь может в дополнение к электрическому нагревателю включать в себя узел переключателя, который выполнен с возможностью прекращения подачи питания на нагреватель, когда температура средства аккумулирования скрытой теплоты удовлетворяет заданному условию автоматического снижения энергопотребления.
Чтобы сохранить устройство согласно настоящему изобретению экономично изготавливаемым, его функциональность автоматического снижения энергопотребления не основывается на высокотехнологичных решениях, включающих сложную электронику, например, микропроцессорную интегральную схему, электронные таймеры и т.п. Вместо этого, оно может применять совокупность средства аккумулирования скрытой теплоты (LHSP) и предпочтительно электромеханического узла переключателя. Эта совокупность может взаимодействовать с нагревателем устройства, причем нагреватель может использоваться для режима поддержания тепла устройства и обычно также для его режима варки.
По меньшей мере во время работы устройства LHSP представляет собой тепловую массу, которая может рассматриваться как обладающая «инерцией» в том смысле, что она противостоит изменениям температуры. За счет этой тепловой инерции LHSP может использоваться в качестве неэлектронного таймера. В пределах устройства LHSP может быть расположено в функциональном тепловом контакте, например, кондуктивном или излучательном тепловом контакте, с нагревателем. Учитывая определенную ограниченную энергию поддержания тепла нагревателя (т.е. электрическую энергию, рассеиваемую нагревателем во время режима поддержания тепла), может потребоваться определенное регулируемое количество времени, времени задержки, для теплового взаимодействия между нагревателем, LHSP и окружающей средой, чтобы температура LHSP удовлетворяла заданному условию автоматического снижения энергопотребления. Это условие автоматического снижения энергопотребления может обычно вызывать повышение или понижение ниже определенного значения температуры. Время задержки может быть установлено, в частности установлено на заводе, путем настройки одного или более из энергии поддержания тепла нагревателя, теплопроводности теплового контакта между нагревателем и LHSP и эффективной или средней теплоемкости LHSP, тем самым учитывая любые тепловые потери, которые могут быть вовлечены в теплообмен с окружающей средой. Узел переключателя может обычно включать в себя механический термостат, выполненный с возможностью непрерывного отслеживания температуры LHSP, и выключения нагревателя, когда он удовлетворяет заданному условию автоматического снижения энергопотребления, в частности, путем прекращения подачи электрической энергии к нему.
Выражение LHSP, которое используется в этом тексте, может быть истолковано для ссылки на признак устройства, который использует материал с фазовым переходом для обмена теплотой (так называемой «скрытой теплотой») с его окружающей средой без изменения температуры. «Материал с фазовым переходом» (PCM), в свою очередь, может быть истолкован для ссылки на материал или вещество, которое в обстоятельствах, при которых оно содержится в LHSP, изменяет его фазу (например, между твердой и жидкой или между жидкостью и газом) во время штатного режима работы устройства, в частности, за счет обмена теплотой между окружающей средой PCM и PCM.
Использование LHSP не только является экономичным; это также практично и обеспечивает точную синхронизацию периодов времени задержки, которые являются длительными по сравнению со сроками теплопроводных процессов. Эти преимущества, в частности, справедливы относительно таймеров тепловой инерции без PCM, например таймера тепловой инерции, который использует блок определенного твердого материала, такого как металл, в качестве тепловой массы.
Синхронизируя время задержки порядка десятков минут, промежуток времени задержки, характеризуемый тепловой массой таймера, достигающего определенной температуры, практически требует, чтобы тепловая масса имела достаточно большую теплоемкость. Для таймеров без PCM это требование большой теплоемкости требует использования большого количества рассматриваемого инерционного вещества. И использование большого количества этого вещества, разумеется, означает более тяжелое, более объемное устройство с более высокими расходами на изготовление и обслуживание. Более того, температура тепловой массы таймера без PCM изменяется со временем в течение всего процесса синхронизации, и скорость, с которой температура изменяется, является обязательно малой. Однако предпочтительно механический термостат, используемый для достижения экономической эффективности при изготовлении устройства, обычно имеет большую погрешность в его температуре переключения, например, ±15°C. Из-за медленно изменяющейся температуры тепловой массы погрешность в температуре переключения термостата приводит к синхронизированному с погрешностью времени задержки.
Предлагаемый в настоящее время таймер на основе PCM решает эти проблемы. Он соответствует вышеупомянутому требованию эффективно большой теплоемкости, используя способность PCM сохранять относительно большое количество тепла на единицу объема (что уменьшает необходимость в относительно большом количестве вещества). При синхронизации времени задержки тепло может быть поглощено или отдано LHSP при постоянной температуре. Только тогда, когда фазовое изменение для всего PCM заканчивается, температура LHSP изменяется; и это будет происходить относительно быстро, так как LHSP - далее ведущее себя как обычное средство аккумулирования явной теплоты - содержит лишь относительно небольшое количество PCM. Соответственно, температура LHSP будет быстро проходить температурный диапазон, связанный с неточной температурой переключения узла переключателя, таким образом, обеспечивая более точную синхронизацию времени задержки.
Эти и другие признаки и преимущества изобретения будут более понятны из следующего далее подробного описания определенных вариантов выполнения изобретения, взятого вместе с сопровождающими чертежами, которые предназначены для иллюстрации, а не ограничения изобретения.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 схематически иллюстрирует капельную кофеварку с фильтром, имеющую LHSP в виде закрытого контейнера, содержащего PCM, причем контейнер встроен в нижней стенке емкости для воды машины;
Фиг. 2 схематически иллюстрирует капельную кофеварку с фильтром согласно настоящему изобретению, имеющую LHSP в виде открытого кармана для воды, обеспеченного в нижней стенке емкости для воды машины;
Фиг. 3 схематически иллюстрирует капельную кофеварку с фильтром согласно настоящему изобретению, имеющую электрическую цепь, включающую в себя два переключателя, которые соединены параллельно и которые вместе обеспечивают синхронизацию времени задержки не с помощью задержки в нагреве LHSP, как в вариантах выполнения на Фиг. 1, 2, а с помощью задержки в охлаждении LHSP;
Фиг. 4 схематически иллюстрирует частично на виде в сечении пример четвертого варианта выполнения, в котором LHSP выполнено в виде тепловой трубки;
Фиг. 5 схематически иллюстрирует пример пятого варианта выполнения, в котором LHSP выполнено в виде термовоскового привода, причем термовосковой привод и взаимодействующий переключатель включения/выключения находятся в первом положении; и
Фиг. 6 представляет вид, подобный виду на Фиг. 5, с термовосковым приводом и взаимодействующим переключателем включения/выключения, находящимся во втором положении.
Подробное описание
Фиг. 1-3 схематически иллюстрируют три различных варианта выполнения устройства 1 согласно настоящему изобретению. Для простоты сравнения и краткости раскрытия все имеют форму автоматической электрической капельной кофеварки с фильтром. Однако следует подчеркнуть, что настоящее изобретение не ограничивается такими кофеварками. Другие варианты выполнения устройства согласно настоящему изобретению могут касаться различных видов кофеварок, например, (ручных) кофеварок эспрессо или машин для приготовления горячих напитков, отличных от кофе, таких как чай или шоколадное молоко. Кофеварки на Фиг. 1-3 отличаются их соответственными механизмами автоматического снижения энергопотребления, которые будут объяснены ниже. Однако сначала описываются вкратце общая конструкция и общая работа изображенного устройства/кофеварок 1.
Раскрываемое сейчас устройство 1 может включать в себя неподвижное основание и удаляемый кувшин или емкость 22. Основание, которое не изображено, в связи с этим может само по себе быть традиционной конструкции и включать в себя емкость для воды или резервуар 10 для воды, который является (пере)заполняемым водой 12, например, через его открытую верхнюю сторону. Основание также может включать в себя по меньшей мере один электрический нагреватель 16, который может быть включен в электрическую цепь 40, которая выполнена с возможностью отключения его от внешнего источника 42 питания, обычно сети. Нагреватель 16 может включать в себя нагревательный элемент 16а любого пригодного вида, например, электрически резистивный нагреватель, и предпочтительно механический термостат 16b, который физически расположен в тепловом контакте с нагревательным элементом 16а и электрически соединен последовательно с ним. Термостат 16b может иметь температуру переключения значительно выше точки кипения воды, например, в диапазоне 120-160°C, и быть выполнен с возможностью переключения в открытое состояние (локально разрывая электрическую цепь 40, в которую он включен), когда его температура превышает его температуру переключения, и, наоборот, с возможностью переключения в закрытое состояние (локально замыкая электрическую цепь 40), когда его температура падает ниже его температуры переключения. Нагреватель может 16 быть расположен в тепловом контакте (например, излучательном, кондуктивном или конвективном тепловом контакте) с пластиной 24 поддержания тепла основания, на которой кувшин 22 может быть размещен во время работы. В изображенных вариантах выполнения устройство 1 включает в себя только один нагреватель 16, который служит и для режима варки и для режима поддержания тепла устройства. Однако в других менее экономичных вариантах выполнения устройство 1 может содержать несколько нагревателей 16, например, один для нагревания воды во время режима варки и другой для нагревания пластины 24 поддержания тепла во время режима варки и/или режима поддержания тепла. Водопровод 14 может продолжаться от впуска 14a, расположенного в емкости 10 для воды, вдоль или через нагреватель 16 по направлению к выпуску 14b, такому как сопло, подобное душевой головке. Выпуск 14b может быть расположен выше корзины 18 фильтра, которая прикреплена к основанию и расположена выше пластины 24 поддержания тепла. Корзина 18 фильтра может вмещать молотый кофе 20, например, в одноразовом бумажном фильтре или постоянном сетчатом фильтре.
Как только устройство 1 настроено для использования и активировано, нагреватель 16 может нагревать воду в водопроводе 14 до ее точки кипения. По принципу пузырькового насоса пар и горячая вода могут далее подниматься по водопроводу 14 и впоследствии быть распределенными по молотому кофе 20 в корзине 18 фильтра на выпуске 14b. Так как вода протекает через молотый кофе 20, она диффундирует с кофе до того, как в итоге она попадает в кувшин 22. Пока свежая вода 12 может быть извлечена из емкости 10 для воды, устройство 1 может продолжать этот ход работы, который соответствует его режиму варки. Однако в какой-то момент времени подача воды 12 в емкость 10 для воды уменьшится так, что вода больше не может быть извлечена из нее для охлаждения нагревателя 16. Нагреватель 16, который до этого момента времени мог иметь температуру лишь незначительно выше точки кипения воды, может в связи с этим быть способным в меньшей степени отдавать генерируемое тепло и увеличивать температуру. Когда температура нагревателя 16 превышает температуру переключения его встроенного термостата 16b, последний будет переключаться в его открытое состояние и, таким образом, прекращать подачу питания на нагревательный элемент 16а. Нагреватель 16 далее может охлаждаться, в частности, путем рассеивания тепла к кувшину 22 на пластине 24 поддержания тепла, пока его температура снова не упадет ниже температуры переключения встроенного термостата 16b. Когда это случается, термостат 16b будет переключаться обратно в его закрытое состояние и, таким образом, обеспечивать подогрев нагревателя 16, пока нагреватель снова не превысит температуру переключения термостата 16а, и т.д. Повторяющиеся циклы термостатического включения и выключения нагревателя 16 соответствует режиму поддержания тепла устройства 1. Конфигурация устройства 1 может предпочтительно быть такой, что кувшин 22 сваренного кофе, размещенный на пластине 24 поддержания тепла во время режима поддержания тепла, поддерживается при температуре в диапазоне около 80-95°C.
Теперь, когда общая конструкция и общая работа примерных капельных кофеварок с фильтром на Фиг. 1-3 были объяснены, внимание предлагается направить на механизм автоматического снижения энергопотребления согласно настоящему раскрытию, который служит для завершения режима поддержания тепла после требуемого заданного времени задержки с его начала. Сначала в общих выражениях и где это применимо со ссылкой на Фиг. 1-3 будет описана конструкция механизма. Далее будет объяснена его работа.
В общем, варианты выполнения раскрываемого сейчас механизма автоматического снижения энергопотребления могут включать в себя средство аккумулирования скрытой теплоты (LHSP) 30. В этом тексте выражение «средство аккумулирования скрытой теплоты» (LHSP) может быть истолковано для ссылки на признак устройства, который использует материал с фазовым переходом для обмена теплотой (так называемой «скрытой теплотой») с его окружающей средой без изменения температуры. LHSP может быть способно и к поглощению/сохранению и к отдаче скрытой теплоты. Выражение «материал с фазовым переходом» (PCM) может быть истолковано для ссылки на вещество, которое в обстоятельствах, при которых оно содержится в LHSP, изменяет его фазу (например, между твердой и жидкой или между жидкостью и газом) во время штатного режима работы устройства, в частности, в связи с изменением температуры. PCM и условия, при которых PCM содержится в LHSP, могут предпочтительно быть выбраны для обеспечения того, что PCM претерпевает фазовый переход при температуре в диапазоне около 60-160°C. Нижний край этого температурного диапазона может обеспечивать, что фазовый переход обычно не возникает без действия нагрева нагревателя 16 (например, когда устройство выключено); верхний край может соответствовать типичной безопасной максимальной температуре нагревателя 16, используемого в устройстве для приготовления горячих напитков.
В одном варианте выполнения, например, как варианты выполнения на Фиг. 1 и 3, LHSP 30 может включать в себя закрытый, т.е. непроницаемый для текучей среды, контейнер 32, который может вмещать определенное количество PCM 38. Сам контейнер 32 может предпочтительно быть изготовлен из должным образом проводящего тепло материала, т.е. материала, имеющего теплопроводность ≥ 10 Вт/м⋅К, такого как металл или металлический сплав. В совокупности с закрытым контейнером 32 установка PCM для фазового изменения жидкость-газ может быть невозможной, в частности, из-за больших объемов и высоких давлений, которые обычно требуются для содержания газообразных материалов. Соответственно, PCM 38 может предпочтительно быть установлен для фазового изменения твердое тело-жидкость, и, таким образом, может храниться внутри контейнера 32 при таких условиях, при которых он имеет точку плавления в вышеупомянутом температурном диапазоне. PCM 38 может в принципе быть любым пригодным органическим или неорганическим PCM, и, например, включает в себя соль, такую как нитратная соль, которая обычно может иметь рабочий температурный диапазон 120-260°C. Для рабочих температурных диапазонов ниже 100°C могут быть применены PCM гидрата соли или на основе парафина.
В одном варианте выполнения закрытый контейнер 32 PCM LHSP 30 может быть расположен с возможностью хорошего предпочтительно кондуктивного теплового контакта с емкостью 10 для воды и ее содержимым. В одном варианте выполнения, например, контейнер 32 может быть соединен - например, путем сварки или склеивания с помощью термического геля - с внешней поверхностью граничной стенки емкости 10 для воды; в этом случае стенка емкости 10 для воды также может предпочтительно быть изготовлена из должным образом проводящего тепло материала. В другом варианте выполнения, таком как изображенный на Фиг. 1, контейнер 32 может быть встроен в стенку емкости 10 для воды предпочтительно так, что он сам частично ограничивает внутренний объем емкости 10 для воды, и он находится в непосредственном тепловом контакте с содержимым емкости. В вариантах выполнения, в которых контейнер 32 соединен с или встроен в граничную стенку емкости 10 для воды, указанная стенка может предпочтительно быть нижней стенкой так, чтобы обеспечивать тепловой контакт между контейнером 32 и массой воды 12 в емкости 10 для воды, пока емкость 10 не будет полностью опустошена. В еще одном варианте выполнения контейнер 32 может быть расположен полностью внутри емкости 10 для воды, например, смежно нижней стенке, так, что он погружается в воду, когда емкость для воды заполняется для использования. В последних двух вариантах выполнения контейнер 32 может быть обеспечен признаками повышения теплообмена, такими как ребра теплоотвода, которые продолжаются во внутренний объем емкости 10 для воды.
В другом варианте выполнения, таком как вариант выполнения на Фиг. 2, LHSP 30 может включать в себя открытый вместо закрытого контейнера. Открытый контейнер может, в частности, принимать форму кармана 36 для воды, образованного стенкой емкости 10 для воды. (Внутренний объем) кармана 36 для воды может находиться в сообщении по текучей среде с (внутренним объемом) емкости 10 для воды, и быть выполнен так, что он заполняется водой, когда емкость для воды заполняется водой, в то время как он не опустошается при извлечении воды из емкости для воды во время приготовления горячего напитка. Как в варианте выполнения на Фиг. 2, например, карман 36 для воды может быть образован выемкой в нижней стенке емкости 10 для воды, тогда как впуск 14А водопровода 14 может быть выполнен так, что он не может сливать воду из кармана 36 для воды. В альтернативном варианте выполнения карман 36 для воды может быть образован в виде глухого, наклоненного вниз отверстия в боковой стенке емкости 10 для воды. Следует понимать, что в варианте выполнения, имеющем LHSP 30 в форме открытого кармана 36 для воды, PCM 38 может быть водой, которая при нормальных атмосферных рабочих условиях претерпевает фазовый переход жидкость-газ при около 100°C. Варианты выполнения, применяющие карман 36 для воды, могут, таким образом, выполняться без закрытого контейнера 32, содержащего специально выбранный PCM 38, что делает их более экономичными в изготовлении.
LHSP 30 - в частности, закрытый контейнер 32 в вариантах выполнения на Фиг. 1 и 3 и карман 36 для воды в варианте выполнения на Фиг. 2 - может быть расположено в функциональном тепловом контакт с нагревателем 16. То есть LHSP 30 может быть выполнено так, что во время работы устройства 1 тепло может передаваться LHSP 30, возможно, с помощью воды, которая перемещается по водопроводу 14.
Для обеспечения регулирования скорости передачи тепла от нагревателя 16 к LHSP 30 основной тепловой контакт между нагревателем и LHSP может быть обеспечен звеном 34 передачи тепла, т.е. пассивным теплопроводящим корпусом, который взаимосвязывает нагреватель 16 и LHSP для обеспечения теплового контакта между ними. В одном варианте выполнения, например, как варианты выполнения на Фиг. 1-2, звено 34 передачи тепла может быть твердым и иметь вытянутую, например, стержнеобразную, форму, имеющую первый конец, который соединен с нагревателем 16, и второй конец, который соединен с LHSP 30. Посредством его вытянутой прямой или изогнутой формы звено 34 передачи тепла может эффективно разносить нагреватель 16 и контейнер 32 так, чтобы увеличивать значение кондуктивной передачи тепла между ними относительно альтернативных режимов передачи тепла, таких как излучательная и конвективная передача тепла. (Абсолютная) теплопроводность [Вт/К] звена 34 передачи тепла может быть определена путем выбора материала звена (который определяет его характерную для материала теплопроводность [Вт/м⋅K]) и его физических размеров.
В другом варианте выполнения, таком как вариант выполнения на Фиг. 3, тепловой контакт между нагревателем 16 и LHSP 30 может быть обеспечен водопроводом 14. В этом случае основной режим передачи тепла может быть конвективным: поток горячей воды, который проходит через водопровод 14 во время режима варки устройства 1, может передавать тепло от нагревателя 16 к LHSP 30, которое может быть соединено с водопроводом 14 в положении после нагревателя 16. Значимость кондуктивной передачи тепла между нагревателем 16 и LHSP 30 через полый водопровод 14 сама по себе может быть относительно небольшой. Соответственно, скорость передачи тепла от нагревателя 16 к LHSP 30 может быть относительно большой, когда устройство 1 работает в режиме варки, и относительно небольшой, когда устройство работает в режиме поддержания тепла.
В дополнение к LHSP 30 механизм автоматического снижения энергопотребления может включать в себя вышеупомянутую электрическую цепь 40. Эта электрическая цепь 40 может включать в себя нагреватель 16, причем он может быть выполнен с возможностью питания энергией. В дополнение, электрическая цепь может включать в себя узел 44 переключателя.
Узел 44 переключателя может включать в себя по меньшей мере первый переключатель 46, который в пределах электрической цепи 40 может быть соединен последовательно с нагревателем 16. Первый переключатель 46 может предпочтительно включать в себя механический термостат, например, сам по себе традиционный аналоговый термостат с биметаллической полосой или спиральный термостат, который выполнен с возможностью поочередного локального замыкания и размыкания/разрыва электрической цепи 40 так, чтобы соответственно включать и отключать подачу питания на нагреватель 16.
Первый переключатель 46 может быть выполнен в тепловом контакте с LHSP 30 для обеспечения того, что температура первого переключателя 46 непосредственно связана с температурой LHSP 30. Хотя тепловой контакт может быть по меньшей мере частично излучательным и/или конвективным по природе, он может предпочтительно быть главным образом кондуктивным. Для обеспечения такого главным образом кондуктивного теплового контакта первый переключатель 46 может быть соединен с LHSP 30 либо непосредственно, например, путем закрепления одного на другом (смотри Фиг. 3), либо опосредованно, например, путем соединения первого переключателя 46 со звеном 34 передачи тепла (смотри Фиг. 1 и 2).
Условие, при котором первый переключатель 46 локально замыкает и размыкает электрическую цепь 40, может отличаться для различных вариантов выполнения. В одном варианте выполнения например, как варианты выполнения на Фиг. 1 и 2, первый переключатель 46 может переключаться из замкнутого состояния в разомкнутое состояние, когда его температура превышает заданную температуру переключения; эта температура переключения может быть выбрана в некоторой степени более высокой, чем температура, при которой происходит фазовое изменение PCM 38 соответственного LHSP 30. В другом варианте выполнения, таком как вариант выполнения на Фиг. 3, первый переключатель 46 может переключаться из замкнутого состояния в разомкнутое состояние, когда его температура падает ниже заданной температуры переключения; здесь температура переключения может быть в некоторой степени ниже температуры, при которой происходит фазовое изменение PCM 38 LHSP 30, термически соединенного с первым переключателем 46. В любом случае разница между выбранной температурой переключения и температурой, при которой происходит фазовое изменение PCM 38, может предпочтительно быть больше погрешности температуры переключения. Например, когда первый переключатель 46 должен переключаться в разомкнутое состояние, когда его температура становится слишком высокой, в то время как температура переключения первого переключателя имеет погрешность ±15°C, а температура фазового перехода PCM 38 составляет T, температура переключения первого переключателя 46 может предпочтительно быть выбрана большей T+15°C так, чтобы надежно срабатывать только после окончания фазового изменения PCM 38.
Как в вариантах выполнения на Фиг. 1, 2, первый переключатель 46 может быть выполнен так, что его переход из замкнутого состояния в разомкнутое состояние зависит от его температуры, в то время как его переход из разомкнутого состояния в замкнутое состояние требует ручного возврата. Для обеспечения ручного возврата первого переключателя 46 первый переключатель 46 может быть механически связан с или включать в себя предпочтительно механическую кнопку включения/выключения, которая расположена снаружи на устройстве 1, и которая выполнена так, что включение устройства 1 посредством кнопки возвращает первый переключатель 46 в его замкнутое состояние.
В одном варианте выполнения, таком как вариант выполнения на Фиг. 3, узел 44 переключателя может дополнительно включать в себя второй переключатель 48, который подобно первому переключателю 46 может включать в себя механический термостат. Второй переключатель 48 может служить для отслеживания температуры нагревателя 16 и быть выполнен в хорошем тепловом контакте вместе с ним; второй переключатель 48 может, например, быть прикреплен к нагревателю 16 или быть размещен смежно с ним. В пределах электрической цепи 40 второй переключатель 48 может быть соединен последовательно с нагревателем 16 и параллельно с первым переключателем 46. Более того, второй переключатель 48 может быть выполнен с возможностью переключения из замкнутого состояния в разомкнутое состояние, когда его температура превышает заданную температуру переключения, в то время как его переход из разомкнутого состояния в замкнутое состояние может требовать ручного возврата, например, с помощью кнопки включения/выключения, как описано выше. Температура переключения второго переключателя 48 может обычно находиться между максимальной температурой, которая достигается нагревателем 16, когда устройство 1 работает в его режиме варки, и температурой переключения встроенного термостата 16b нагревателя 16.
На Фиг. 4 показан пример средства аккумулирования скрытой теплоты (LHSP), которое выполнено в виде тепловой трубки 50. Вариант выполнения включает в себя звено 34 передачи тепла в форме теплопроводящей полосы, например, изготовленной из металла. Первый конец 34а звена 34 передачи тепла может быть в теплопроводящем контакте с водопроводом 14, лишь малая часть которого показана на Фиг. 4. Этот теплопроводящий контакт может быть образован непосредственным соединением или опосредованным соединением с помощью теплопроводящего материала. Смежно второму концу 34b звена 34 передачи тепла первый переключатель 46, выполненный в виде термостата, например, механического термостата, может быть соединен со звеном 34 передачи тепла. Первый переключатель 46 имеет температуру переключения. Выше температуры переключения первый переключатель 46 находится в разомкнутом положении, и ниже температуры переключения первый переключатель может быть возращен в замкнутое положение. С этой целью первый переключатель 46 может иметь кнопку возврата для возврата первого переключателя 46 из разомкнутого положения, в котором электрическая цепь 40 разорвана, в замкнутое положение, в котором электрическая цепь 40 замкнута. Альтернативно, возврат может быть автоматическим. Между первым концом 34а и вторым концом 34b звена 34 передачи тепла тепловая трубка 50 соединена со звеном 34 передачи тепла. Тепловая трубка 50 включает в себя корпус 52 тепловой трубки, который ограничивает нижнюю камеру, которая образует камеру 54 испарителя и которая находится в теплопроводящем контакте со звеном 34 передачи тепла. Корпус 52 тепловой трубки также ограничивает верхнюю камеру, которая образует камеру 56 конденсатора. Плунжер 58 выполнен с возможностью перемещения в корпусе 52 тепловой трубки. Плунжер 58 может находиться в закрытом положении, в котором жидкость не может проходить из камеры 56 конденсатора в камеру 54 испарителя. С этой целью вариант выполнения плунжера 58, пример которого показан на Фиг. 4, может включать в себя фланец 60 плунжера, который взаимодействует с фланцем 62 корпуса 52 тепловой трубки. Возможно, один из фланцев 60, 62 может быть обеспечен уплотнительным кольцом 64 так, что непроницаемое для жидкости уплотнение может быть получено, когда плунжер 58 перемещается в закрытое положение и фланцы 60, 62 стыкуются со вставкой уплотнительного кольца 64. В примере варианта выполнения, показанного на Фиг. 4, плунжер 58 смещается в это замкнутое положение пружиной 66. Часть плунжера 58 может продолжаться снаружи корпуса 52 тепловой трубки для того, чтобы иметь возможность толкать плунжер 58 из закрытого положения в открытое положение. В варианте выполнения кнопка возврата первого переключателя 46 может быть размещена так, что, когда плунжер 58 толкается в открытое положение, кнопка возврата приводится в действие одновременно. В примере, показанном на Фиг. 4, кнопка возврата первого переключателя 46 находится в нижней стороне первого переключателя 46 и может быть приведена в действие толканием первого переключателя 46 вниз к раме или части 2 корпуса устройства 1. В примере, показанном на Фиг. 4, это толкание вниз может быть осуществлено путем нажима на продолжающуюся наружу часть плунжера 58, тем самым, сгибая звено 34 передачи тепла так, что кнопка возврата первого переключателя 46 может контактировать с рамой или частью 2 корпуса устройства 1. Вследствие этого с помощью одного действия пользователя и первый переключатель 46 возвращается в замкнутое положение, и жидкость 74, присутствующая в камере 56 конденсатора, может протекать в камеру 54 испарителя. Тепловая трубка 50, предпочтительно ее плунжер 58, может включать в себя газовый канал 68, имеющий по меньшей мере одно первое отверстие 70, которое ведет в камеру 54 испарителя, и имеющий по меньшей мере одно второе отверстие 72, которое ведет в камеру 56 конденсатора. Корпус 52 тепловой трубки частично наполняется жидкостью 74, которая действует в качестве средства аккумулирования скрытой теплоты (LHSP). Количество жидкости предпочтительно выбирается так, что вся жидкость может находиться в камере 54 испарителя или альтернативно в камере 56 конденсатора. Работа этого варианта выполнения будет описана позже.
Фиг. 5 и 6 показывают пример варианта выполнения, в котором средство аккумулирования скрытой теплоты (LHSP) представляет собой термовосковой привод 76. Термовосковые приводы сами по себе известны и, например, продаются Caltherm Inc. из США, Vernet S.A. из Франции и BEHR Thermot-tronik GmbH из Германии. Термовосковой привод 76 включает в себя корпус 78 термовоскового привода, в котором расположен поршень 80 с возможностью перемещения. Поршень 80 может продолжаться снаружи корпуса 78 термовоскового привода. Степень продолжения поршня 80 изменяется. Поршень 80 может перемещаться из отведенного положения в выдвинутое положение. Корпус 78 термовоскового привода также содержит восковый материал 82, который может находиться в твердой фазе или в жидкой фазе. Фаза воска 82 зависит от температуры воска 82. Когда воск 82 переходит из твердой фазы в жидкую фазу, он расширяется. За счет расширения воска 82 поршень 80 будет перемещаться в выдвинутое положение, в котором поршень 80 продолжается в большей степени снаружи корпуса 78 термовоскового привода, чем когда воск 82 находится в твердом состоянии. Когда воск 82 находится в твердой фазе, поршень 80 будет перемещаться или может быть перемещен в отведенное положение. Следует отметить, что выражение «отведенное положение» не ограничивается ситуацией, в которой поршень 80 полностью отведен в корпус 78 термовоскового привода, но и ситуацией, в которой поршень 80 частично отведен в корпус 78 термовоскового привода. В варианте выполнения воск 82 и поршень 80 могут быть отделены друг от друга диафрагмой (не показана), которая включена в корпус 78 термовоскового привода. Альтернативно, поршень 80 может быть окружен эластомерным мешком (не показан). При нагреве воск 82, заключенный в корпусе 78 термовоскового привода, расширяется и оказывает давление, возможно, через диафрагму или через мешок, на поршень так, что по меньшей мере аксиальное усилие воздействует на поршень 80. Это аксиальное усилие толкает поршень 80 в выдвинутое положение. В варианте выполнения пружина (не показана) может быть обеспечена для обеспечения того, что поршень возвращается в его отведенное положение, когда восковый материал 82 затвердевает. Однако вариант выполнения без пружины также возможен. Корпус 78 термовоскового привода термовоскового привода 76 изготовлен из материала, который имеет высокую теплопроводность, например, меди, латуни, алюминия или т.п.
В варианте выполнения с термовосковым приводом 76, пример которого показан на Фиг. 5 и 6, термовосковой привод 76 соединен с водопроводом 14 устройства 1. Соединение между термовосковым приводом 76 и водопроводом 14 является теплопроводящим. Водопровод 14 имеет впуск 14а и выпуск 14b. Устройство включает в себя нагреватель 16, содержащий нагревательный элемент 16, который находится в теплопроводящем контакте с водопроводом 14. Нагревательный элемент 16а может быть электрическим нагревателем сопротивления. Нагреватель 16 может включать в себя механический термостат 16b, который физически расположен в тепловом контакте с нагревательным элементом 16а и электрически соединен последовательно с ним. Термостат 16b может иметь температуру переключения значительно выше точки кипения воды, например в диапазоне 120-160°C, и быть выполнен с возможностью переключения в открытое состояние (локально разрывая электрическую цепь 40, в которую он включен), когда его температура превышает его температуру переключения, и, наоборот, с возможностью переключения в закрытое состояние (локально замыкая электрическую цепь 40), когда его температура падает ниже его температуры переключения. Дополнительно, устройство 1 может включать в себя переключатель 84 питания, имеющий кнопку 86 включения/выключения. Термовосковой привод 76 размещен относительно переключателя 84 питания так, что поршень 80 зацепляет переключатель 84 питания для проталкивания переключателя 84 питания в положение выключения, когда поршень 80 находится в выдвинутом положении, и так, что переключатель 84 питания способен быть приведенным в положение включения, когда поршень 80 находится в отведенном положении. Когда воск затвердевает, поршень 80 может автоматически перемещаться в отведенное положение, например, посредством пружины, или может быть перемещен в отведенное положение путем нажатия на кнопку 86 включения/выключения переключателя 84 питания для приведения переключателя 84 питания снова в положение включения. В варианте выполнения переключатель 84 питания может быть кулисным переключателем. Предпочтительно, состав и количество воска 82 выполнены так, что устройство выключается по истечении заданного времени, которое находится в диапазоне 30-60 минут, например, приблизительно 40 минут. Устройство включает в себя электрическую цепь 40, включающую в себя источник 42 питания и проводку 88, которая соединяет последовательно по меньшей мере нагревательный элемент 16а и переключатель 84 питания и возможно также термостат 16b с источником 42 питания.
Теперь, когда были описаны эти различные варианты выполнения механизма автоматического снижения энергопотребления согласно настоящему изобретению, частично относительно автоматических капельных кофеварок с фильтром на Фиг. 1-3, в свою очередь будет обсуждена работа изображенных механизмов автоматического снижения энергопотребления, включенных в изображенные кофеварки.
Обратимся сначала к кофеварке 1 на Фиг. 1. Предположим, что пользователь настроил устройство 1 путем заполнения емкости 10 для воды холодной водой, помещения молотого кофе 20 в корзину 18 фильтра и соединения электрической цепи 40 с сетью 42. Кофеварка 1 далее сначала будет работать в ее режиме варки и готовить горячий кофе, как описано выше в первом цикле варки. Во время этого цикла варки часть тепла, генерируемого нагревателем 16, будет протекать от горячего нагревателя 16 через звено 34 передачи тепла по направлению к LHSP 30. Так как LHSP 30 размещено в хорошем тепловом контакте с емкостью 10 для воды, тепло, таким образом передаваемое к LHSP 30, быстро рассеивается в холодную воду. И так как вода имеет относительно большую удельную теплоемкость, то ни LHSP 30, ни вода в емкости не будут значительно нагреваться.
За счет того, что LHSP 30 встроено в нижней стенке емкости 10 для воды, тепловой статус-кво сохраняется, пока емкость 10 для воды не будет полностью опустошена. Момент, когда емкость 10 для воды иссякает, обозначает конец режима варки и начало режима поддержания тепла. Он также обозначает начало времени задержки, т.е. временного интервала, после которого кофеварка 1 должна автоматически выключаться. Тепло, генерируемое нагревателем 16, далее больше не используется для кипячения воды в водопроводе 14 для варки кофе. Вместо этого, часть генерируемого тепла передается, например, излучается, пластине 24 поддержания тепла, в то время как другая часть все еще передается LHSP 30 через звено 34 передачи тепла. Однако LHSP 30 может больше не отдавать тепло, принимаемое для массы воды. Вследствие этого оно начнет поглощать тепло. Первоначально LHSP 30 может действовать в качестве устройства аккумулирования явной теплоты, и его температура может увеличиваться, когда оно поглощает тепло, передаваемое ему. Однако когда температура LHSP 30 достигает точки плавления PCM 38, устойчивый рост температуры останавливается. LHSP 30 будет поглощать тепло при почти постоянной температуре, пока весь PCM 38 не преобразуется в жидкую фазу. Следует понимать, что время, необходимое для завершения фазового изменения, может в значительной степени соответствовать времени задержки, и быть установлено путем выбора, в числе прочего, материала, используемого в качестве PCM 38, количества PCM 38 в контейнере 32, материала и размерных характеристик звена 34 передачи тепла и полезной мощности, рассеиваемой нагревателем 16 в режиме поддержания тепла. Как только фазовое изменение завершено и весь PCM 38 преобразован в жидкую фазу, температура LHSP 30 будет продолжать расти дальше. После того, как временной интервал сравняется со временем задержки, температура LHSP 30 будет достигать температуры переключения первого переключателя 46, который термически соединен с ним. Первый переключатель 46 далее будет переключаться из его замкнутого состояния в его разомкнутое состояние, тем самым локально разрывая электрическую цепь 40, прекращая подачу питания к нагревателю 16 и эффективно выключая кофеварку 1.
Чтобы вызывать второй цикл варки, LHSP 30 должно быть перезапущено; т.е. теперь жидкий PCM 38 должен вновь затвердевать. Разумеется, LHSP 30 будет естественным образом охлаждаться до комнатной температуры, если устройство 1 будет предоставлено само себе; однако это может занимать некоторое время. Размещение LHSP 30 в тепловом контакте с емкостью 10 для воды преодолевает эту проблему, так как это естественным образом обеспечивает быстрое повторное затвердевание PCM 38, когда пользователь подготавливается для следующего цикла варки путем выливания свежей холодной воды в емкость 10 для воды. Как только емкость 10 для воды вторично заполнена, PCM 38 снова охлаждается и затвердевает за счет контакта со свежей холодной водой так, что только первый переключатель 46 должен быть вручную возвращен в его замкнутое состояние с помощью переключателя включения/выключения кофеварки 1 для начала другого цикла варки.
Работа по варианту выполнения на Фиг. 2 в общем подобна работе на Фиг. 1. Вариант выполнения на Фиг. 2 главным образом отличается от варианта выполнения на Фиг. 1 тем, что LHSP 30 включает в себя открытый карман 36 для воды, и тем, что PCM 38, используемый с LHSP, представляет собой воду. Соответственно, фазовое изменение жидкость-газ PCM происходит при около 100°C, и температура переключения первого переключателя 46 может выбираться, чтобы быть около, например, в некоторой степени выше, точки кипения воды (разумеется, в зависимости от, в числе прочего, теплопроводности звена 34 передачи тепла).
В отличие от вариантов выполнения на Фиг. 1 и 2 работа по варианту выполнения на Фиг. 3 не синхронизирует время задержки посредством задержки в нагреве LHSP 30. Вместо этого, она синхронизирует время задержки посредством задержки в охлаждении LHSP 30. С этой целью электрическая цепь 40 кофеварки 1 на Фиг. 3 включает в себя два переключателя 46, 48, соединенных параллельно. Первый переключатель 46 отслеживает температуру LHSP 30 и выполнен с возможностью локального разрыва электрической цепи 40, когда его температура падает в некоторой степени ниже температуры, при которой PCM 38 в LHSP 30 изменяет фазу, например, около 70°C. Второй переключатель 48 отслеживает температуру нагревательного элемента 16. Он имеет температуру переключения между максимальной температурой, которая достигается нагревателем 16, когда устройство 1 работает в его режиме варки (например, 105°C), и температурой переключения встроенного термостата 16b нагревателя 16 (например, 140°C), например, около 120°C. Второй переключатель 48 выполнен с возможностью локального размыкания/разрыва электрической цепи 40, когда его температура превышает его температуру переключения. Только второй переключатель 48 требует ручного возврата в его замкнутое состояние.
Далее, когда пользователь настроил устройство 1 для использования, он может вызывать первый цикл варки путем нажатия на его кнопку включения/выключения так, чтобы включать устройство. Нажатие на кнопку включения/выключения вручную возвращает второй переключатель 48 в его замкнутое состояние, и, таким образом, обеспечивает подачу электрического тока на нагреватель 16. Нагреватель 16 может быстро нагреваться и начинать кипячение воды в водопроводе 14. Результирующий выходящий поток текучей среды воды и пара через водопровод 14 может впоследствии нагревать LHSP 30. Так как течение горячей воды продолжается, первый переключатель 46, соединенный с LHSP 30, постепенно нагревается выше его температуры переключения, что заставляет его переключаться в его замкнутое состояние. Далее PCM 38 LHSP 30 будет нагреваться выше температуры его фазового изменения, что будет заставлять его расплавляться. Однако температура ни второго переключателя 48, ни LHSP 30 не будет расти намного выше 100°C, пока свежая холодная вода может извлекаться из емкости 10 для воды для «охлаждения» нагревателя 16. Как только емкость 10 для воды иссякает, нагреватель 16 может больше не отдавать его тепло воде; вследствие этого он будет нагреваться, сначала приводя в действие второй переключатель 48 для (временного) переключения в его разомкнутое состояние, и далее приводя в действие встроенный термостат 16b нагревателя 16 для (временного) переключения в его открытое состояние. Этот момент времени обозначает начало режима поддержания тепла. Во время режима поддержания тепла встроенный термостат 16b нагревателя может периодически переключаться между его открытым и закрытым состояниями, и, таким образом, периодически позволять питанию подаваться на нагревательный элемент 16а через первый переключатель 46 (второй переключатель 48 теперь постоянно замкнут). Так как отсутствует выходящий поток горячей воды через водопровод 14 во время режима поддержания тепла, LHSP 30 будет медленно охлаждаться. LHSP 30 размещено в положении вдоль водопровода 14, в котором равновесная температура режима поддержания тепла ниже температуры переключения первого переключателя 46. Соответственно, в то время как пластина 24 поддержания тепла сохраняется при подходящей температуре, LHSP 30 медленно отдает его тепло его окружающей среде, что позволяет PCM 38 затвердевать и температуре LHSP 30 падать ниже температуры переключения первого переключателя 46. Когда это случается, по истечении заданного времени задержки первый переключатель 46 переключается в его разомкнутое состояние, полностью разрывая электрическую цепь 40 и прекращая подачу питания на нагреватель 16. Новый второй цикл варки далее может просто быть инициирован путем повторения процедуры.
Работа по четвертому варианту выполнения, пример которого показан на Фиг. 4, состоит в следующем. Когда тепло подается к звену 34 передачи тепла, оно будет рассеиваться тепловой трубкой 50, так как жидкость 74 в камере 54 испарителя начнет испаряться. Газ, который образуется, может протекать через плунжер 58 в камеру 56 конденсатора и оставаться там, пока плунжер 58 не будет протолкнут из закрытого положения в открытое положение пользователем. Пока жидкость 74 будет испаряться в камере 54 испарителя, второй конец 34b звена 34 передачи тепла будет оставаться относительно холодным. Вследствие этого первый переключатель 46, который предпочтительно выполнен в виде механического термостата, будет оставаться в замкнутом положении так, что нагреватель 16 остается питаемым источником 42 питания. Когда по истечении определенного времени вся жидкость 72 в камере 54 испарителя испарится, температура звена 34 передачи тепла будет также расти на его втором конце 34b. Вследствие этого первый переключатель 46 будет переключаться в разомкнутое положение, а электрическая цепь 40 будет разрываться так, что нагреватель 16 выключается. Выключение может быть отложено путем проталкивания плунжера 58 из закрытого положения в открытое положение так, что жидкость из камеры 56 конденсатора может протекать снова в камеру 54 испарителя. Когда первый переключатель 46 переключен в разомкнутое положение, он может быть возвращен пользователем посредством кнопки возврата на первом переключателе 46. Кнопка возврата первого переключателя 46 может быть соединена с кнопкой включения/выключения устройства 1, которая может быть приводимой в действие вручную. Дополнительно, та же кнопка включения/выключения также может приводить в действие плунжер 58 так, что любая жидкость в камере 56 конденсатора может протекать в камеру 54 испарителя, когда кнопка включения/выключения приводится в действие. В примере, показанном на Фигурах, это достигается путем проталкивания наружу продолжающейся части плунжера 58 и одновременного изгиба звена 34 передачи тепла так, что кнопка возврата в нижней части первого переключателя 46 толкается к части 2 рамы или корпуса устройства.
Вариант выполнения с тепловой трубкой 50 может быть изготовлен относительно дешево. Так как корпус 52 тепловой трубки закрыт, одно и то же количество жидкости 74 будет всегда присутствовать внутри корпуса 52 тепловой трубки для испарения. Вследствие этого время задержки, которое получается, будет постоянным и не будет зависеть от внешнего фактора, такого как влажность. Дополнительно, первый переключатель может быть простым механическим термостатом, например, биметаллическим, что делает конструкцию очень дешевой. Тепловая трубка 50 имеет простую конструкцию и может быть изготовлена очень экономичным образом.
Работа по пятому варианту выполнения, пример которого показан на Фиг. 5 и 6, состоит в следующем. Когда вода в водопроводе 14 охлаждается, восковый материал 82 в термовосковом приводе 76 будет находиться в твердой фазе и иметь небольшой объем. Вследствие этого поршень 80 может находиться или может быть приведен в отведенное положение, как показано на Фиг. 5. Переключатель питания 84 может быть активирован пользователем для приведения его в положение включения, как показано на Фиг. 5. Когда вода прекращает течь через водопровод 14, нагревательный элемент 16а будет вызвать подъем температуры водопровода 14. Вследствие этого тепло будет передаваться термовосковому приводу 76, и восковый материал 82 в термовосковом приводе 76 начнет расплавляться и расширяться. Вследствие расширения поршень 80 будет перемещаться из отведенного положения в выдвинутое положение, как показано на Фиг. 6. С таким перемещением поршень 80 будет зацеплять переключатель 84 питания и проталкивать переключатель 84 питания в положение выключения. Таким образом, электрическая цепь 40 будет разорвана, и электрический нагревательный элемент 16а будет отсоединен от источника 42 питания. Водопровод 14 снова снизит температуру, а восковый материал 82 снова затвердеет и даст усадку. Вследствие этого поршень 80 будет перемещен обратно в отведенное положение автоматически, например, посредством пружины, или может быть перемещен обратно в отведенное положение путем приведения в действие кнопки 86 включения/выключения переключателя 84 питания.
Термовосковые приводы 76 изготавливаются в больших количествах и являются относительно дешевым, при этом одновременно являясь очень долговечными. Предложенная конструкция является весьма простой и не требует никакого дополнительного переключателя, даже простого механического термостата. Ввиду этого, устройство в соответствии с вариантом выполнения с термовосковым приводом 76 может быть изготовлено при относительно низких затратах и все же соответствовать желанию иметь автоматическое выключение по истечении заданного времени.
Хотя иллюстративные варианты выполнения настоящего изобретения описаны выше частично со ссылкой на сопровождающие чертежи, следует понимать, что изобретение не ограничивается этими вариантами выполнения. Изменения раскрытых вариантов выполнения могут быть понятны и осуществлены специалистом в области техники при осуществлении заявленного изобретения из изучения чертежей, раскрытия и приложенной формулы изобретения. Ссылка во всем этом описании на «один вариант выполнения» или «вариант выполнения» означает, что определенный признак, конструкция или характеристика, описанные в связи с вариантом выполнения, включены по меньшей мере в один вариант выполнения настоящего изобретения. Таким образом, появления фраз «в одном варианте выполнения» или «в варианте выполнения» в различных местах во всем этом описании необязательно все относятся к одному и тому же варианту выполнения. Более того, следует отметить, что определенные признаки, конструкции или характеристики одного или более вариантов выполнения могут быть объединены любым пригодным образом для образования новых явно не описанных вариантов выполнения.