Устройство нагревания жидкости для электробытового прибора и электробытовой прибор, оборудованный таким устройством - RU2328835C2

Чертежи

Описание

Область техники

Предлагаемое изобретение относится к области электробытовых приборов. В частности, данное изобретение относится к бытовым электрическим приборам, требующим нагревания до температуры меньшей, чем температура перехода в парообразную фазу некоторой жидкости, в частности воды. К таким приборам можно отнести электрические кофейники, кофейные машины "экспрессо", дозаторы горячих напитков, требующие быстрого приготовления горячей воды с температурой в диапазоне от 60°С до 90°С.

Предлагаемое изобретение, более конкретно, относится к конструкции устройства нагревания жидкости, которое позволяет обеспечить нагревание жидкости за время, существенно меньшее времени нагревания в существующих устройствах.

Существующий уровень техники

Как правило, приборы, основанные на приготовлении горячей воды в непрерывном режиме, содержат устройства нагревания, которые имеют в своем составе электрические сопротивления, связанные с нагревательным корпусом таким образом, чтобы передать этому корпусу некоторое количество тепловой энергии. Этот нагревательный корпус содержит контур циркуляции воды, выполненный таким образом, чтобы в том случае, когда вода проходит через этот нагревательный корпус, она получала часть энергии, выделяемой электрическим сопротивлением. Известны многочисленные конструкции, предназначенные для формирования контура циркуляции жидкости, а также размещения электрического сопротивления внутри нагревательного корпуса. Так, например, является общепринятым располагать электрическое сопротивление внутри нагревательного корпуса, который изготавливается из металла, обычно из алюминия.

Для исключения опасности поражения электрическим током это сопротивление обычно экранируется, после чего утапливается и припаивается или зачеканивается в массе нагревательного корпуса.

Контур циркуляции воды может быть реализован различными способами и, в частности, образован трубкой, встроенной, например, при помощи литья в форму, сделанную по готовому изделию, в нагревательный корпус.

Совокупность известных на сегодняшний день систем подобного рода имеет ряд недостатков, в частности высокую тепловую инерцию вследствие того, что электрическое сопротивление скрыто в толще нагревательного корпуса и оно должно быть экранированным. Таким образом, продолжительная фаза предварительного нагрева абсолютно необходима для доведения нагревательного корпуса до заданной температуры перед тем, как можно будет обеспечить нагревание жидкости, которая проходит через этот нагревательный корпус.

Иначе говоря, при использовании существующих систем невозможно получить горячую воду практически с самого начала цикла функционирования.

Вследствие этой тепловой инерции также необходимо обеспечивать циклическое электропитание сопротивления при помощи термостата регулирования для поддержания корпуса нагревания при постоянной температуре, даже при перерывах в использовании устройства, с тем, чтобы иметь возможность получить достаточно горячую воду с самого начала новой фазы использования.

Вышеупомянутые недостатки присущи устройствам, описанным в патенте ЕР 0345528 и содержащим основной нагревательный корпус, внутри которого скрыто экранированное электрическое сопротивление. Этот нагревательный корпус связан с дополнительным элементом, образующим крышку, таким образом, чтобы сформировать некоторый объем циркуляции жидкости. При этом центральный корпус может быть либо плоским, либо цилиндрическим. Такая конструкция обладает значительной тепловой инерцией, поскольку нагревающее электрическое сопротивление утоплено в толщу материала, образующего нагревательный корпус, со всеми упомянутыми выше недостатками.

В области электробытовых приборов, в которых используется нагревание воды, известны также водонагревательные устройства типа описанных в патенте WO 99/59453. Водонагревательное устройство такого типа содержит цилиндрическую по объему камеру, стенка которой оборудована электрическим сопротивлением, локализованным в ее нижней части. Это электрическое сопротивление, нанесенное на стенку камеры методом трафаретной печати, вызывает нагревание жидкости, содержащейся в камере. Водонагревательное устройство этого типа с большим объемом не способно, разумеется, исключить период его предварительного нагрева, вследствие чего такое водонагревательное устройство не позволяет получить воду с достаточно высокой температурой сразу после его включения. Кроме того, следует предусмотреть регулирование температуры для поддержания путем длительного циклического подвода тепловой энергии температуры воды на предварительно заданном уровне.

Первая задача, решаемая с помощью предлагаемого изобретения, состоит в уменьшении продолжительности промежутка времени от момента включения данного устройства нагревания до того момента, когда вода или в более общем случае жидкость приобретает достаточно высокую температуру.

Другая задача, решаемая с помощью предлагаемого изобретения, состоит в ограничении в максимально возможной степени потерь энергии в фазах перерывов в использовании нагревательного прибора.

Еще одна задача, решаемая с помощью предлагаемого изобретения, состоит в ограничении до минимума подвода тепловой энергии при обеспечении получения жидкости искомой температуры.

При этом конструкция нагревательного устройства должна оставаться достаточно простой и должна характеризоваться умеренной стоимостью изготовления.

Сущность изобретения

Предлагаемое изобретение относится к устройству нагревания для электробытового прибора. Известно, что такое устройство содержит главный корпус, соединенный с каналом подвода холодной воды и связанный с некоторым дополнительным элементом, перекрывающим одну из его сторон, для формирования некоторого объема циркуляции жидкости.

В соответствии с предлагаемым изобретением главный корпус имеет тепловую инерцию меньшую, чем тепловая инерция алюминия, и упомянутый дополнительный элемент содержит нагревающее электрическое сопротивление, нанесенное методом трафаретной печати на его поверхность, противоположную поверхности, располагающейся против главного корпуса.

Под тепловой инерцией (Ith) следует понимать способность физического тела накапливать большее или меньшее количество тепловой энергии, что может быть выражено произведением величины массовой плотности этого физического тела (ρ) на величину его удельной теплоемкости (ср)

Ith = ρ × ср

На этом основании следует отметить, что металлические корпуса обычно имеют высокую тепловую инерцию, которая будет определяться только их значительной массовой плотностью. Иначе говоря, в соответствии с предлагаемым изобретением, главный корпус представляет собой тело типа "теплового изолятора", характеризующееся тем, что в ходе фазы нагревания это тело отбирает значительно меньше тепловой энергии, чем циркулирующая жидкость.

Предпочтительно, чтобы главный корпус был изготовлен из пластического материала.

Предпочтительно, чтобы дополнительный элемент имел высокий коэффициент поперечной теплопроводности, величина которого, например, превышала бы 40. В данном случае под коэффициентом поперечной теплопроводности (Cth) следует понимать отношение величины коэффициента теплопроводности (λ) материала, из которого изготовлен дополнительный нагревательный элемент, к величине толщины этого дополнительного элемента (е), выраженной в миллиметрах.

Cth = λ/е

Дополнительный элемент в результате своей теплопроводности очень быстро передает тепловую энергию от нагревающего электрического сопротивления к жидкости либо если толщина этого дополнительного элемента будет уменьшенной, то есть будет иметь величину порядка 3 мм для такого материала, как алюминий, обладающего высоким коэффициентом теплопроводности, либо если его толщина будет уменьшенной в еще большей степени, то есть будет составлять порядка одного миллиметра, для материала с меньшим коэффициентом теплопроводности, например для нержавеющей стали.

За счет нанесения нагревающего электрического сопротивления методом трафаретной печати в сочетании с удовлетворительным коэффициентом поперечной теплопроводности удается получить дополнительный нагревательный элемент, представляющий также небольшую тепловую инерцию, уменьшающую энергетические потери. При этом такой нанесенный методом трафаретной печати нагревающий элемент позволяет реализовать однородное нагревание на большой поверхности, обращенной к жидкости, что повышает общую эффективность его теплопроводности.

Предлагаемое устройство нагревания содержит главный корпус, который является теплоизолирующим элементом и который покрыт быстродействующим нагревающим элементом. Таким образом, этот нагревающий элемент передает тепловую энергию жидкости, циркулирующей в пространстве, которое отделяет этот нагревающий элемент от главного корпуса. Вследствие высокого коэффициента теплопередачи за счет теплопроводности дополнительного элемента основная часть тепловой энергии, рассеиваемой электрическим сопротивлением, нанесенным методом трафаретной печати, передается к циркулирующей жидкости, а не накапливается в этом дополнительном нагревающем элементе. Кроме того, главный нагревательный корпус обладает небольшой тепловой инерцией таким образом, что позволяет ему накапливать лишь небольшое количество энергии, поступающей от нагревающего элемента.

Из сказанного выше следует, что жидкость очень быстро и практически интегральным образом получает тепловую энергию, поступающую от нанесенного методом трафаретной печати электрического сопротивления таким образом, что нагревание жидкости осуществляется практически мгновенно. Кроме того, главный корпус практически не принимает участия в процессах нагревания жидкости, так что в случае, когда данное устройство не функционирует, нет необходимости в подаче некоторого количества энергии для поддержания достаточно высокой температуры жидкости.

Таким образом, потребление энергии таким устройством нагревания в промежутках между собственно фазами нагревания является нулевым. Вследствие этого практически отсутствует необходимость в осуществлении продолжительных фаз предварительного нагревания в начале использования данного устройства, поскольку корпус нагревания не нуждается в получении значительного количества энергии для перехода к обычной температуре использования.

На практике принцип предлагаемого изобретения может быть использован в устройствах нагревания, имеющих различные геометрические характеристики. Так, например, в соответствии с первым вариантом реализации, центральный корпус может иметь цилиндрическую форму, причем на наружной поверхности этого центрального корпуса может быть размещен дополнительный нагревающий элемент, образующий муфту.

В соответствии с другим вариантом реализации этот центральный корпус может быть плоским, и в этом случае на нем может быть размещен нагревающий элемент, также выполненный плоским.

Для повышения эффективности данного устройства можно предусмотреть, чтобы главный корпус содержал канавку, позволяющую сформировать совместно с упомянутым дополнительным элементом канал циркуляции жидкости, увеличивая таким образом путь, проходимый этой жидкостью внутри устройства нагревания, и повышая тем самым ее способность принять тепловую энергию.

С той же самой целью нанесенное методом трафаретной печати электрическое сопротивление предпочтительно может быть локализовано на одной линии с каналом циркуляции жидкости.

На практике в том случае, когда данное устройство имеет в целом цилиндрическую форму, упомянутая канавка может быть винтовой, тогда как в том случае, когда центральный нагревательный корпус является плоским, эта канавка может иметь форму спирали.

В том же смысле главный нагревательный корпус может быть выполнен полым таким образом, чтобы в еще большей степени ограничить его массу и, соответственно, тепловую инерцию.

Предпочтительно, чтобы на упомянутом дополнительном элементе был установлен датчик температуры и устройство нагревания содержало бы электрическую и/или электронную схему, обеспечивающую регулирование температуры дополнительного корпуса на заданном уровне, предпочтительно имеющем величину в диапазоне от 70°С до 90°С.

Вследствие того, что дополнительный элемент обладает высокой поперечной теплопроводностью, а также вследствие того, что главный корпус и этот дополнительный элемент имеют малую тепловую инерцию, электрическое и/или электронное регулирование является особенно динамичным и практически непрерывным, обеспечивая тем самым возможность поддержания практически постоянной температуры жидкости при минимальном потреблении энергии.

Краткое описание чертежей

Различные аспекты предлагаемого изобретения, а также преимущества его использования будут лучше поняты из приведенного ниже описания примера его осуществления со ссылками на приведенные в приложении фигуры, в числе которых

фиг.1 представляет собой перспективный вид в разборе устройства нагревания в соответствии с предлагаемым изобретением, показанного перед сборкой.

Фиг.2 представляет собой вид в продольном разрезе устройства нагревания, показанного на фиг.1, демонстрирующий это устройство в собранной конфигурации.

Лучший вариант осуществления изобретения

На фиг.1 и 2 проиллюстрирован способ осуществления предлагаемого изобретения, в соответствии с которым устройство нагревания выполнено цилиндрическим.

В рассматриваемом случае устройство (10) содержит центральный главный корпус (1), связанный с дополнительным нагревающим элементом (3), выполненным в форме цилиндрической муфты. Пространство, между наружной поверхностью (6) главного центрального корпуса (1) и внутренней поверхностью (7) муфты (3), формирует объем в виде полого цилиндра, предназначенный для циркуляции жидкости.

В проиллюстрированном варианте осуществления наружная поверхность центрального корпуса (1) содержит винтовую канавку (4), которая позволяет определить совместно с муфтой траекторию движения жидкости вокруг центрального корпуса (1). Однако в других вариантах осуществления, не представленных на чертежах, наружная поверхность центрального корпуса (1) может быть полностью цилиндрической и формировать совместно с муфтой некоторый объем циркуляции жидкости, имеющий постоянную толщину и проходящий вдоль цилиндра. Также могут быть рассмотрены и другие варианты осуществления, не выходящие за рамки предлагаемого изобретения.

На практике главный центральный корпус (1), как это проиллюстрировано на фиг.2, соединен с каналом подвода (8) холодной воды. Этот канал подвода (8) соединен с наружной поверхностью (6) при помощи по существу радиального канала (9), который открывается на этой наружной поверхности (6).

Главный центральный корпус (1) предпочтительно изготовлен из пластического материала или, в более общем случае, из материала, обладающего малой тепловой инерцией Ith, величина которой в любом случае меньше, чем величина тепловой инерции алюминия, составляющая примерно 2,30, таким образом, чтобы накапливать в себе только небольшую часть энергии нагревания. В качестве материалов, наилучшим образом подходящих для изготовления главного корпуса устройства в соответствии с предлагаемым изобретением, можно упомянуть полиамид (Ith = 1,9), полиацеталь (Ith = 2), полипропилен (Ith = 1,6), полисульфон (Ith = 1,4) или поликарбонат (Ith = 1,5).

В варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг.2, можно видеть, что главный центральный корпус (1) нагревания представляет центральную выемку (5), предназначенную для еще большего снижения его веса и, соответственно, уменьшения его тепловой инерции.

В примере осуществления, проиллюстрированном на фиг.1 и 2, канавка (4) имеет глубину порядка 3 миллиметров и ширину, составляющую примерно 8 миллиметров. Эта канавка (4) имеет винтовую геометрию с шагом, составляющим примерно 9 миллиметров. Глубина этой канавки является несколько меньшей, чем ее ширина, таким образом, чтобы "распластывать" жидкость против дополнительного нагревающего элемента и содействовать тем самым переносу тепловой энергии.

Предпочтительно муфта (3) реализована таким образом, чтобы представлять высокий коэффициент поперечной теплопроводности и малую тепловую инерцию.

Толщина муфты (3) уменьшается до минимума в функции базового материала для того, чтобы уменьшить тепловую инерцию, и для повышения характеристик ее теплопроводности. Среди материалов, дающих удовлетворительные результаты с точки зрения термических свойств, можно упомянуть медь, нержавеющую сталь, алюминий или стекло. Важно, чтобы муфта (3) обеспечивала возможность нанесения на нее нагревающего электрического сопротивления (2) методом трафаретной печати.

Способ реализации нагревающих дорожек состоит в нанесении при помощи трафаретной печати одного или нескольких слоев изоляционного материала, затем слоя электропроводной пасты в соответствии со специфической схемой, слоя, предназначенного для формирования контактных штифтов и, наконец, одного или нескольких слоев изоляционного материала. При этом потребляемая мощность может иметь величину порядка 2000 Вт.

Электрическое сопротивление (2) формирует, таким образом, полосу, которая в проиллюстрированном варианте осуществления выполнена в форме поперечных окружностей со смещением вдоль одной и той же продольной линии, при этом вся внутренняя поверхность муфты образует нагревающую поверхность, против которой в канавках обеспечивается протекание жидкости. В случае необходимости нанесенное методом трафаретной печати электрическое сопротивление может быть выполнено винтовым и может располагаться на одной линии с каналами, определяемыми канавками (4) главного корпуса нагревания (1). В этом случае повышается эффективность и скорость нагревания жидкости.

Таким образом, например, для муфты, изготовленной из нержавеющей стали и имеющей наружный диаметр порядка 45 мм, толщина этой муфты (3) предпочтительным образом может иметь величину в диапазоне от 0,5 до 1,5 миллиметров и предпочтительно в диапазоне от 0,8 до 1 миллиметра. Для такой муфты коэффициент поперечной теплопроводности Cth имеет величину порядка 60. Преимущество нержавеющей стали состоит в ее высокой антикоррозионной стойкости и в ее устойчивости по отношению к высоким температурам, что облегчает реализацию плоских нагревающих элементов.

Может быть также рассмотрено использование муфты, изготовленной из алюминия, но с нагревающими элементами на полиимидной основе и с пастами, имеющими наименьшую температуру спекания. Так, например, для изготовленной из алюминия муфты, имеющей толщину порядка 3 миллиметров, позволяющей обеспечить нанесение нагревающих элементов методом трафаретной печати, ее коэффициент теплопроводности Cth имеет величину порядка 70.

На практике циркуляция воды в канале, выполненном вдоль наружной поверхности главного корпуса, может осуществляться либо только под действием силы тяжести или самотеком, либо под действием насоса.

Датчик температуры (12) типа сопротивления CTN может быть присоединен к дополнительному нагревающему элементу и подключен к электронному контуру, управляющему электрическим питанием нагревающих резистивных дорожек таким образом, чтобы поддерживать этот нагревающий элемент, выполненный в форме муфты, при предварительно определенной температуре в период циркуляции воды.

В процессе первого включения в холодном состоянии устройства нагревания средства регулирования управляют быстрым предварительным нагревом, осуществляемым за время порядка 2-3 секунд, перед началом циркуляции воды. Этот предварительный нагрев, который является особенно быстрым и практически незаметным для пользователя, возможен вследствие очень малой общей тепловой инерции данного устройства и свойственной ему эффективности передачи тепловой энергии главным образом воде, содержащейся в контуре ее циркуляции.

После многочисленных испытаний, проведенных в лабораторных условиях, оказалось, что для получения на выходе данного устройства горячей воды с температурой 80°С достаточно отрегулировать затем в процессе протекания жидкости температуру дополнительного нагревающего элемента на заданную величину, равную искомой величине температуры жидкости, просто увеличенную на некоторое постоянное значение, например на 30°С.

В том случае, когда устройство нагревания запитывается жидкостью при помощи насоса, этот насос может принимать участие в регулировании этого устройства. Действительно, если расход жидкости через этот насос оказывается слишком малым, температура муфты возрастает выше заданного значения, что вызывает отключение нагревающего элемента при продолжении функционирования этого насоса. Зато в том случае, когда расход жидкости через этот насос оказывается слишком большим, температура муфты понижается и соответствующий сигнал управления будет мгновенно останавливать функционирование насоса.

На практике измерения, осуществляемые при использовании устройства нагревания этого типа, позволяют обеспечить нагревание примерно 25 сантилитров воды до температуры в диапазоне от 70°С до 80°С всего лишь за время от 6 до 7 секунд. При этом фаза предварительного нагрева, используемая только в качестве опции, является особенно сокращенной, поскольку начало истечения жидкости может произойти не позднее чем через примерно три секунды после включения данного устройства нагревания.

Из сказанного выше следует, что устройство в соответствии с предлагаемым изобретением обладает множеством преимуществ и, в частности, имеет преимущество особенно малой тепловой инерции. Это означает, в частности, что вода, циркулирующая в данном устройстве, нагревается практически мгновенно после подачи напряжения на нагревающее электрическое сопротивление.

При снятии напряжения с нагревающего электрического сопротивления предлагаемое устройство нагревания быстро остывает благодаря своей малой тепловой инерции, не допуская, таким образом, нагревания ближайшей окружающей среды и облегчая также регулирование температуры на выходе.

Наличие нанесенного методом трафаретной печати электрического сопротивления обеспечивает также распределение мощности нагревания на большей поверхности по сравнению с существующими техническими решениями таким образом, чтобы оптимизировать перенос тепловой энергии.

В качестве варианта осуществления упомянутый центральный корпус может быть выполнен плоским и может быть накрыт также плоским нагревающим элементом. В этом случае поверхность центрального корпуса, располагающаяся против нагревающего элемента, дополняется канавкой в форме спирали, причем холодная вода поступает через центр, а горячая вода выводится на периферийной части, или наоборот.

Реферат

Устройство нагревания жидкости для электробытового прибора, содержащее главный корпус (1), соединенный с каналом подвода холодной воды и связанный с дополнительным элементом (3), перекрывающим поверхность главного корпуса (1) для формирования некоторого объема циркуляции жидкости, в котором главный корпус имеет тепловую инерцию меньшую, чем тепловая инерция алюминия, причем упомянутый дополнительный элемент (3) содержит нагревающее электрическое сопротивление (2), нанесенное методом трафаретной печати на его поверхность, противоположную поверхности, располагающейся против этого главного корпуса (1). Устройство согласно данному изобретению обладает малой тепловой инерцией. 11 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула