Нагревательное устройство для нагрева текучих сред и способ управления таким устройством - RU2717955C2

Чертежи

Описание

Область техники, к которой относится изобретение, и уровень техники

[0001] Настоящее изобретение относится к нагревательному устройству для нагрева текучих сред, в частности жидкостей, а также к способу управления таким нагревательным устройством.

[0002] В патентном документе WO 02/12790 А1 раскрыто устройство для приготовления пищи, использующее пар, сгенерированный при помощи нагревательного устройства, и содержащее контейнер для генерирования пара, выполненный в виде вертикальной трубы. Плоский нагревательный элемент установлен на наружной стороне контейнера для генерирования пара. В контейнер для генерирования пара снизу подают воду, а сгенерированный пар может выходить из верхней части и используется устройством для приготовления пищи для варки на пару.

[0003] В патентных документах WO 2007/136268 А1 и DE 102013200277 А1 раскрыта реализация определения температуры при помощи диэлектрического изоляционного слоя на поверхности нагревательных приборов с нагревательными элементами, распределенными по всей площади поверхности. В этом случае, так называемый, ток утечки или ток короткого замыкания, протекающий через изоляционный слой от нагревательных элементов, будет измеряться на электродах. Такой изолирующий слой имеет электрическое сопротивление, уменьшающееся с ростом температуры. Это позволяет определять локальный перегрев на большой площади поверхности, не используя навесные температурные датчики.

Техническая задача и техническое решение

[0004] Задачей настоящего изобретения является разработка нагревательного устройства такого типа, как указано во вступительной части, а также способа управления указанным нагревательным устройством, которые обеспечат решение проблем, существующих в уровне техники, в частности, обеспечат возможность надежного определения температуры или перегрева нагревательного контура нагревательного устройства или нагревательного устройства в целом.

[0005] Эта задача решена посредством нагревательного устройства с признаками, раскрытыми в пункте 1 формулы изобретения, а также посредством способа, с признаками, раскрытыми в пункте 14 формулы изобретения. Выгодные и предпочтительные варианты осуществления изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения и подробно рассмотрены в нижеследующем описании. Некоторые признаки будут раскрыты только для нагревательного устройства или только для способа. Тем не менее, независимо от этого, они могут применяться к нагревательному устройству и способу независимо друг от друга. Содержание формулы изобретения включено в настоящее описание посредством прямой ссылки.

[0006] Изобретением обеспечено нагревательное устройство для нагрева текучих сред, в частности, для нагрева жидкостей, чтобы, таким образом, обеспечивать управление пароварочным аппаратом, содержащее следующие признаки. Указанное нагревательное устройство содержит плоский несущий элемент с поверхностью, причем несущий элемент может быть, по существу или полностью, плоским, наподобие пластины. Альтернативно, несущий элемент может быть изогнут и, в особенно предпочтительном варианте, иметь форму замкнутой трубки или трубчатого контейнера, содержащего подлежащую нагреву жидкость. Нагревательные элементы распределены по всей поверхности несущего элемента, преимущественно - по внешней поверхности, не соприкасающейся с подлежащей нагреву жидкостью. Предпочтительно, указанные нагревательные элементы покрывают большую часть, предпочтительно, по меньшей мере 50%, или даже по меньшей мере, 70%, несущего элемента или его поверхности. Нагревательные элементы разделены на один или несколько нагревательных контуров, способных работать независимо друг от друга. Каждый нагревательный контур содержит по меньшей мере один нагревательный элемент, причем под нагревательным элементом в данном случае понимают участок нагревательного контура. В особенно предпочтительном варианте каждый нагревательный контур содержит несколько отдельных нагревательных элементов, которые соединены между собой или могут быть соединены между собой параллельно, последовательно или и тем, и другим способом.

[0007] Кроме того, предусмотрено термосенсорное устройство с сенсорным слоем, который, предпочтительно, является электрически изолирующим. Сенсорный слой реализован в виде площади поверхности, занимающей, по меньшей мере, площадь поверхности нагревательных элементов, особенно предпочтительно, полностью покрывающей указанные нагревательные элементы. Сенсорный слой может заполнять всю площадь поверхности и быть замкнутым. Предпочтительно, указанный сенсорный слой размещен над нагревательными элементами, и при его расположении, предпочтительно, непосредственно на нагревательных элементах, он должен быть электроизолирующим. Свойства этого сенсорного слоя, в частности, его электрическое сопротивление, зависят от температуры, то есть такой слой представляет собой своеобразный сенсорный элемент. Указанный сенсорный слой в особенно предпочтительном варианте выполнен в соответствии с известными из уровня техники вышеуказанными документами WO 2007/136268 А1 и DE 102013200277 А1 со значительным падением сопротивления при температурах от 200°С до 300°С, например, начиная приблизительно с 250°С. Эти температуры считаются критическими для нагревательных устройств подобного рода. В случае превышения указанных температур нагревательное устройство может быть повреждено или разрушено.

[0008] На сенсорном слое расположены по меньшей мере два сенсорных электрода, преимущественно - в электродном слое, в частности - непосредственно на сенсорном слое. Два этих электрода электрически разъединены и, в отличие от сенсорного слоя, выполнены не на большой площади поверхности, а содержат удлиненные пальцевидные или в виде витка участки сенсорных электродов. Эти участки сенсорных электродов отстоят друг от друга по меньшей мере на 2 см, предпочтительно - менее чем на 1 см или даже менее чем на 0,5 см, например - всего на 1-3 мм. Участки сенсорных электродов должны иметь одинаковую и/или постоянную ширину. Ширина двух участков сенсорных электрода, расположенных рядом друг с другом, иными словам, ширина одного из двух сенсорных электродов в любом случае составляет, предпочтительно, менее 2 см. В особенно предпочтительном варианте указанная ширина составляет менее 1 см и более 1 мм.

[0009] Наконец, предусмотрено управляющее устройство для оценки термосенсорного устройства. Это управляющее устройство может быть предусмотрено только для термосенсорного устройства. Альтернативно, указанное управляющее устройство может быть выполнено в виде контроллера для дополнительного нагревательного устройства или в целом для электрического прибора, в котором установлено нагревательное устройство. В этом случае хорошее взаимодействие с нагревательным устройством может быть также реализовано на основании информации или данных от термосенсорного устройства. Тем не менее, может быть предусмотрено отдельное управляющее устройство, предназначенное только для термосенсорного устройства или только для нагревательного устройства.

[0010] Наличие в термосенсорном устройстве двух электродов, совместно перекрывающих площадь поверхности нагревательного устройства или, по меньшей мере, нагревательных контуров, позволяет контролировать площадь поверхности на предмет проявлений локального повышения температуры или перегрева, то есть, так называемых, горячих точек, что не может быть реализовано при помощи отдельных навесных температурных датчиков. Локальное повышение температуры такого рода, как правило, имеет диапазон расширения не более 2-3 см при очень высоких критических температурах, то есть потребуется очень плотная сеть отдельных температурных датчиков. Наличие двух сенсорных электродов позволяет увеличить отказоустойчивость (вплоть до двукратного увеличения). Даже в случае отказа или повреждения одного из двух электродов сохраняется возможность контроля перегрева при помощи другого сенсорного электрода, благодаря чему нагревательное устройство может продолжать работать. Помимо повышения надежности или отказоустойчивости, можно значительно увеличить надежность идентификации перегрева такого рода. В частности, если оба сенсорных электрода распознают повышенный ток короткого замыкания, очень высока вероятность наличия перегрева такого рода в данной области.

[0011] В предпочтительном варианте осуществления изобретения участки двух сенсорных электродов, расположенные рядом друг с другом, могут быть ориентированы параллельно друг другу. Указанные участки сенсорных электродов, предпочтительно, имеют одинаковую и/или постоянную ширину, то есть один участок сенсорного электрода должен иметь одинаковую и постоянную ширину. В особенно предпочтительном варианте участки двух сенсорных электродов расположены поочередно друг за другом.

[0012] В одном из вариантов осуществления изобретения термосенсорное устройство можно разделить на несколько, по меньшей мере - две, предпочтительно - три, области идентификации. В этом случае разделение должно быть выполнено таким образом, чтобы каждая область идентификации соответствовала нагревательному контуру или была связана с нагревательным контуром. Это выгодно тем, что область идентификации конгруэнтна нагревательному контуру. Таким образом, каждая область каждого нагревательного контура отслеживается и/или защищается от перегрева по отдельности.

[0013] В одном из вариантов осуществления изобретения участки сенсорных электродов могут быть выполнены в виде удлиненных дорожек на несущем элементе, то есть, по существу, по двухниточной схеме. В этом случае участки двух сенсорных электродов будут также ориентированы параллельно друг другу и рядом друг с другом и/или друг за другом. В этом случае профиль указанных участков сенсорных электродов будет, особенно предпочтительным образом, соответствовать, так называемой, форме меандра, если используется плоский несущий элемент. В случае использования трубчатого несущего элемента участки сенсорных электродов с двухниточным профилем могут соответствовать полным виткам спирального профиля.

[0014] В альтернативном варианте осуществления изобретения участки сенсорных электродов могут быть выполнены таким образом, чтобы они заходили друг в друга наподобие гребенки или перемежались друг с другом наподобие гребенки, в частности, в областях, перекрывающих нагревательные контуры, как было раскрыто выше. Участки двух сенсорных электродов и в этом случае должны быть расположены чередующимся образом.

[0015] Благодаря чередующемуся расположению участков сенсорных электродов друг за другом и рядом друг с другом в области с перегревом возможно своеобразное перекрывание участков двух сенсорных электродов за счет их локального расширения. В этом случае перегрев может быть распознан, по существу, двумя электродами датчика, следовательно, с удвоенной надежностью.

[0016] В варианте осуществления изобретения, в котором участки сенсорных электродов заходят друг в друга, участки сенсорных электродов могут быть выполнены, предпочтительно, наподобие пальцев. Указанные участки сенсорных электродов могут выдаваться из сплошных базовых участков сенсорных электродов, ориентированных, по существу, под углом или перпендикулярно указанным участкам сенсорных электродов. Что касается площадей поверхности нагревательных контуров, то сплошные базовые участки в данном случае могут пролегать по противоположным концевым областям площади поверхности, контролируемой электродами датчика, а участки сенсорных электродов могут проходить к этим базовым участкам. В этом случае участки одного сенсорных электрода от своего базового участка могут проходить почти перед базовым участком другого сенсорного электрода, особенно предпочтительно - на расстояние от 1 до 10 мм. Это расстояние может соответствовать расстоянию между двумя соседними участками сенсорных электродов, особенно предпочтительно, может быть равно указанному расстоянию.

[0017] Особенно предпочтительно, если ширина участков одного сенсорных электрода остается неизменной в области нагревательного контура. Это применимо, предпочтительно, строго для одного нагревательного контура. В частности, если все участки двух сенсорных электродов будут иметь одинаковую ширину, то можно будет идентифицировать перегрев с двойным запасом надежности, однако при этом локализация указанного перегрева окажется невозможной. Однако, если участки двух сенсорных электродов будут иметь различную ширину в области над по меньшей мере одним нагревательным контуром, предпочтительно, с разницей от 10% до 500%, то возникающий перегрев можно будет связать с по меньшей мере одним нагревательным контуром или областью над одним из нагревательных контуров с использованием всего двух сенсорных электродов. Это можно выполнить путем измерения и сравнения друг с другом токов утечки или токов короткого замыкания на двух сенсорных электродах. Если ширина участков сенсорных электродов различается существенно, например, ширина одного участка составляет всего 50% от ширины другого участка, то перекрытие сенсорного слоя увеличенной площадью поверхности позволит распознавать значительно более высокий ток утечки или ток короткого замыкания на сенсорном электроде с более широкими участками. Если ширина участков сенсорных электродов меньше вышеуказанного значения 1 см, то можно предположить, что область перегрева перекрывает по меньшей мере два смежных участка сенсорных электродов и в каждом случае генерирует ток короткого замыкания, зависящий от площади перекрытия. Если ток короткого замыкания на одном сенсорном электроде значительно превышает ток на другом сенсорном электроде, то перегрев имеет место в той области нагревательного устройства, в которой указанный сенсорный электрод имеет более широкие участки.

[0018] Предпочтительно, ширина участков сенсорных электродов должна различаться по меньшей мере на 50%, в особенно предпочтительном варианте - по меньшей мере на 100%. Это позволяет проводить достоверное различение, даже если область перегрева не распределена поровну по двум электродам датчика или участкам указанных сенсорных электродов.

[0019] В предпочтительном варианте осуществления изобретения нагревательное устройство может содержать три нагревательных контура.

[0020] Участки двух сенсорных электродов могут иметь одинаковую ширину в области одного из нагревательных контуров. Таким образом, если обнаружены токи короткого замыкания приблизительно равной величины на двух сенсорных электродах, то перегрев имеет место в этой области или в соответствующем нагревательном контуре. Участки двух сенсорных электродов могут иметь различную, преимущественно, значительно отличающуюся ширину в области двух других нагревательных контуров. Поэтому, даже в том случае, если на одном сенсорном электроде будет обнаружен значительно более высокий ток короткого замыкания, чем на другом электроде, то можно будет определить, в каком из этих двух нагревательных контуров имеет место перегрев. Возможно подразделение даже более чем на три области или нагревательных контура, однако при этом снижается способность к эффективной и достоверной локализации перегрева.

[0021] Для обеспечения эффективного покрытия нагревательных контуров и различения участков сенсорных электродов различной ширины предпочтителен вариант, в котором каждый сенсорный электрод будет содержать по меньшей мере два, предпочтительно - по меньшей мере три, участка, расположенных над каждым нагревательным контуром. В этом случае ширина соответствующих участков сенсорных электродов будет не настолько большой, и это гарантирует, что перегрев повлияет по меньшей мере на два, предпочтительно - по меньшей мере на три, участка сенсорных электродов в связи с увеличением тока замыкания.

[0022] Во-первых, как раскрыто выше, можно выполнить плоский несущий элемент, например, типа пластины, и соединить, в частности - термически соединить, указанный несущий элемент с контейнером или каналом, который содержит подлежащую нагреву текучую среду, в частности, жидкость, или через который протекает подлежащая нагреву текучая среда, в частности, жидкость. Примером такого устройства может служить основание в бойлере или в чайнике.

[0023] Во-вторых, несущий элемент нагревательного устройства в особенно предпочтительном варианте выполнен в виде трубки и, следовательно, контейнера для подлежащей нагреву жидкости, причем контейнер, как уже было сказано, постоянно содержит указанную жидкость. Указанная жидкость испаряется при нагревании, например, при использовании в пароварочном аппарате. Благодаря контакту с текучей средой, в частности - с жидкостью, как правило, можно очень легко отводить тепло от нагревательных элементов нагревательных контуров. Вышеуказанный перегрев может произойти только при возникновении проблем или, например, при скоплении известковых отложений при нагреве воды, так как известковые отложения затрудняют передачу тепла. Указанный перегрев необходимо идентифицировать, а работу при наличии такого перегрева следует прекратить, так как в противном случае нагревательный прибор может окончательно выйти из строя. В случае трубчатого несущего элемента нагревательные контуры, предпочтительно, отделены друг от друга вдоль продольной оси трубки. В этом случае указанные нагревательные контуры в большинстве случаев должны пролегать вокруг несущего элемента, преимущественно, в виде манжеты, благодаря чему нагревательными контурами или нагревательными элементами указанных нагревательных контуров будет покрыта максимально возможная площадь поверхности несущего элемента, что позволит передавать мощность наиболее эффективным и единообразным способом. В этом случае большинство участков сенсорных электродов, в частности - все участки сенсорных электродов, могут быть ориентированы под прямым углом к продольной оси трубки. В частности, если в нагревательном устройстве нужно нагревать воду, то участки сенсорных электродов, а при определенных обстоятельствах - и нагревательные элементы нагревательных контуров, должны проходить параллельно поверхности воды. Поэтому можно также разделять нагревательные контуры для оптимизации нагрева в зависимости от уровня наполнения трубки.

[0024] По существу, перегрев может быть идентифицирован, когда ток короткого замыкания на сенсорном электроде возрастает по меньшей мере на 10-50%, или более чем на 10-50 мА. Если указанный ток короткого замыкания увеличивается только на одном сенсорном электроде, то высока вероятность того, что другой сенсорный электрод неисправен. Сообщение об этом должно быть выведено пользователю, а мощность нагрева может быть снижена или даже полностью отключена по истечении определенного времени бездействия пользователя, например, через 1-5 минут.

[0025] В одном из вариантов осуществления изобретения может быть предусмотрено два защитных контура, каждый из которых содержит два резистора, расположенных в электрической входной цепи анализирования термосенсорного устройства. Это позволяет защитить анализирование или соответствующее управляющее устройство.

[0026] В следующем варианте осуществления изобретения можно выполнить проверку на короткое замыкание и/или разрыв кабеля. В этом случае можно подать высокочастотный сигнал на один из двух сенсорных электродов. Предпочтительно, это выполняют с помощью емкостной развязки посредством конденсатора или подобного ему устройства. Затем сигнал повторно считывают с посредством другого из двух сенсорных электродов с помощью управляющего устройства, причем он должен соответствовать поданному сигналу в случае функционирующего термосенсорного устройства. Отклонение формы и/или уровня сигнала, например, по меньшей мере, на 5% считают неисправностью. После этого сигнал может быть выведен пользователю, а режим работы нагревательного устройства может быть изменен, в частности, будет снижена мощность или будет выключен весь нагревательный контур или даже нагревательное устройство в целом.

[0027] Эти и прочие признаки могут быть взяты из формулы изобретения, а также из описания и чертежей, причем отдельные признаки в каждом конкретном случае могут быть реализованы по отдельности или в сочетании с другими признаками в рамках осуществления изобретения и в других областях, и могут образовывать выгодные варианты, которые могут быть патентоспособны независимо друг от друга, не выходя за пределы защищаемого объема настоящей заявки. Подразделение заявки на отдельные части и промежуточные разделы не ограничивает обоснованность заявлений, сделанных в соответствии с этим.

Краткое описание чертежей

[0028] Примерные варианты осуществления изобретения схематично показаны на чертежах и будут подробно разъяснены в нижеследующем тексте. На чертежах изображено:

на фиг. 1: вид сверху заявленного нагревательного устройства с тремя нагревательными контурами, расположенными рядом друг с другом и содержащими нагревательные элементы и термосенсорное устройство;

на фиг. 2: схематичный вид нагревательного устройства, показанного на фиг. 1, с детальным изображением термосенсорного устройства вместе с приводящим в действие устройством для указанного термосенсорного устройства;

на фиг. 3: модификация нагревательного устройства, показанного на фиг. 2, с участками сенсорных электродов различной ширины; и

на фиг. 4: еще одна модификация нагревательного устройства, показанного на фиг. 1, с термосенсорным устройством другой конструкции.

Подробное раскрытие иллюстративных вариантов осуществления

[0029] На фиг. 1 изображено заявленное вертикальное нагревательное устройство 11, содержащее цилиндрический круглый трубчатый контейнер 12, состоящий из металла. Нагревательные элементы 15 в виде полосок, которые, как показано на чертеже, занимают приблизительно от 75% до 90% внешнего периметра контейнера 12, расположены на внешней поверхности 13 контейнера 12. Верхние нагревательные элементы 15а и крайний верхний нагревательный элемент 15а' образуют верхний нагревательный контур 16а. Центральные нагревательные элементы 15b образуют центральный нагревательный контур 16b, а нижние нагревательные элементы 15с образуют нижний нагревательный контур 16с. В данном случае центральные нагревательные элементы 15b центрального нагревательного контура 16b и нижние нагревательные элементы 15с нижнего нагревательного контура 16с, а также нагревательные контуры 16b и 16с идентичны друг другу. Верхний нагревательный контур 16а отличается ввиду того, что крайний нагревательный элемент 15а' расположен на расстоянии приблизительно 60% ширины стандартных нагревательных элементов 15а выше указанных стандартных нагревательных элементов, то есть находится на большем удалении.

[0030] Электрический контакт с нагревательным контурами 16а-16с реализован посредством контактных областей 18, в частности, с верхним нагревательным контуром 16а - посредством контактных площадок 18а и 18а'. Центральный нагревательный контур 16b содержит контактные площадки 18b и 18b', а нижний нагревательный контур 16с содержит контактные площадки 18с и 18с'. Кроме того, предусмотрены дополнительные контакты 20а' и 20а-20с, в частности, в каждом случае один дополнительный контакт 20b и, соответственно, 20с для центрального нагревательного контура 16b и, соответственно, нижнего нагревательного контура 16с. Верхний нагревательный контур 16а содержит дополнительный контакт 20а, расположенный подобно центральному нагревательному контуру 16b. Еще один дополнительный контакт 20а' предусмотрен на крайнем верхнем нагревательном элементе 15а'.

[0031] Температурные SMD-датчики 21а-21с, представляющие собой отдельные температурные датчики, раскрытые во вводной части, расположены в левой части нагревательных контуров 16а-16с. Для каждого температурного SMD-датчика 21а-21с предусмотрено по две контактных площадки 22а и 22а', 22b и 22b', 22с и 22с' температурных датчиков. Указанные контактные площадки температурных датчиков полностью электрически изолированы от нагревательных контуров 16а-16с. Эти отдельные температурные датчики подходят для определения температуры воды в нагревательном устройстве 11, но не подходят для локализации области перегрева. Область, контролируемая указанными температурными датчиками, слишком мала для этой цели.

[0032] Полосообразная область 27 расположена в центре контейнера 12 и ориентирована вдоль продольной оси указанного контейнера, сварной шов 28 проходит в полосообразной области, так как трубчатый контейнер 12 выполнен из листового металла, а соприкасающиеся края приварены друг к другу. Так называемый, внешний контакт 30 расположен в нижней части контейнера 12 и предназначен, например, для заземления.

[0033] Как было разъяснено во вступительной части, можно нанести диэлектрический сенсорный слой на нагревательные элементы 15 или нагревательные контуры из однородного материала или из того же материала или из стекла. Однако, как вариант, можно использовать два материала или стекла с различной проводимостью. Их можно наносить один над другим и/или один на другой, причем электрический контакт должен быть реализован с каждым из них по отдельности. Сенсорный слой образует, по существу, плоский, температурно-зависимый электрический резистор, который при температурах до приблизительно 80°С (причем указанная температура является регулируемой) обладает очень высоким электрическим сопротивлением и, следовательно, препятствует протеканию тока через слой изоляции. Если температура продолжает расти лишь в небольшом диапазоне и достигает, например, 100°С, то электрическое сопротивление падает. При температуре, например, 150°С или 200°С сопротивление в этом небольшом диапазоне может уменьшиться до такой степени, что, даже несмотря на сохранение электроизоляционных свойств, достаточных для работы нагревательных контуров 16а-16с, уже можно достоверно обнаруживать ток утечки или ток короткого замыкания, который может протекать в области этих температур.

[0034] Подобные высокие температуры, значительно превышающие 100°С, могут иметь место во время работы нагревательного устройства 11 или испарителя, оснащенного указанным нагревательным устройством, и во время испарения воды только при отсутствии воды в результате выкипания или невозможности отведения достаточного количества тепла в связи с образованием значительных известковых отложений в некоторой точке, что приводит к перегреву. В первом случае, когда в рассматриваемой области отсутствует вода, можно выполнить проверку с помощью соответствующих температурных SMD-датчиков 21а-21с, прежде всего, крайнего верхнего температурного датчика 21а. Если указанная проверка обнаруживает температуру выше 100°С, то очевидно, что уровень воды упал. Тем не менее, если крайний верхний температурный SMD-датчик 21а по-прежнему определяет температуру не выше 100°С, то существует область значительно более высокой температуры, определяемая сенсорными электродами совместно с сенсорным слоем 25 как область перегрева, обусловленная формированием избыточных известковых отложений на внутренней поверхности контейнера 12. В зависимости от площади плоского участка и уровня перегрева соответствующий нагревательный контур 16 может продолжать работу или же может быть выключен. В каждом конкретном случае оператору может быть выведено указание (см. вводную часть), информирующее оператора о необходимости удаления накипи из нагревательного устройства 11 или испарителя.

[0035] Схематичное изображение нагревательного устройства 11 на фиг. 2 предназначено, по существу, для рассмотрения несущего элемента в плане в развернутом состоянии, или, в случае сечения несущей трубки контейнера 12, по существу, в распрямленном виде. На указанном рисунке изображены три нагревательных контура 16а-16с, причем подразделение указанных нагревательных контуров на отдельные нагревательные элементы здесь не показано, потому что это не имеет значения для данного аспекта изобретения. Подключения приводных систем нагревательных контуров 16а-16с также не здесь показаны. Схематично показаны только контактные площадки 18с и 18с' нагревательного контура 16с. Кроме того, на фиг. 2 ясно видно, что три нагревательных контура 16а-16с занимают области, отделенные друг от друга.

[0036] Термосенсорное устройство 30 установлено на нагревательные контуры 16а-16с, в частности, вышеуказанный сенсорный слой 32 исходно устанавливают непосредственно на нагревательные контуры 16 по всей площади поверхности. Этот сенсорный слой 32 включает в себя, по меньшей мере, площади поверхности трех нагревательных контуров 16а-16с; предпочтительно, он занимает всю площадь поверхности или образует непрерывный сенсорный слой. Указанный сенсорный слой может, например, слегка перекрывать площади поверхности нагревательных контуров 16а-16с и доходить почти до края или передней кромки контейнера 12 как несущего элемента. Сенсорный слой наносится непосредственно на нагревательные контуры 16а-16с и состоит из вышеуказанного электроизолирующего материала, предпочтительно - из стекла, известного из уровня техники. При комнатной температуре, а также при температурах, характерных для нагревательного устройства 11 при кипячении или испарении воды, то есть, приблизительно при 100°С, указанный материал обладает практически бесконечно высоким электрическим сопротивлением. При вышеуказанном перегреве, начиная со 150°С, предпочтительно - от 200°С до 300°С, электрическое сопротивление падает, и вышеуказанный ток короткого замыкания, также называемый током утечки, может протекать через сенсорный слой 32. Перегрев такого рода может возникать при отсутствии воды, отводящей произведенное тепло, в области нагревательного элемента или нагревательного контура 16а-16с. Альтернативно, значительные известковые отложения могут образовываться на внутренней поверхности контейнера 12, что также затрудняет отведение тепла. Области подобного перегрева обычно имеют диаметр 0,5-1,5 см, максимум 2 см, если контейнер 12 имеет длину приблизительно 20-30 см и диаметр приблизительно 6-10 см. Области перегрева очень малого размера встречаются довольно редко, так как перекрестная проводимость тепла в контейнере 12 гарантирует достаточное распределение тепла. Значительно более крупные области перегрева тоже встречаются очень редко, так как в этом случае перегрев должен быть идентифицирован и устранен значительно раньше, особенно в центральной части указанных областей.

[0037] Сенсорные электроды 34а и 34b, опять-таки, установлены в сенсорный слой 32, в частности, в электродный слой. В этом случае оба сенсорных электрода 34а и 34b расположены на расстоянии 1-3 мм или более 5 мм друг от друга. По существу, сенсорные электроды 34а и 34b имеют идентичную конфигурацию; участки 37ас, 37ab и 37аа; 37bc, 37bb и 37ba сенсорных электродов в каждом случае выдаются друг к другу от базового участка 36а и 36b, расположенного на боковой стороне. Ширина указанных участков сенсорных электродов составляет приблизительно от 5 мм до 1,2 см. Участки 37 сенсорных электродов заходят друг в друга, имея гребенчатую структуру. Заметно, что эти участки 37 сенсорных электродов более или менее точно накрывают только площади поверхности нагревательных контуров 16а-16с; перегрев в любом случае не может возникать в промежуточных пространствах или рядом с нагревательными контурами. Изображены три участка 37 двух сенсорных электродов 34а и 34b термосенсорного устройства 30 каждого нагревательного контура 16. Также возможен вариант с большим количеством участков 37 сенсорных электродов. При этом их не должно быть меньше двух. Также заметно, что все участки 37 сенсорных электродов имеют одинаковую ширину и находятся на одинаковом расстоянии друг от друга.

[0038] Каждая из линий 39а и 39b питания сенсорных электродов 34а и 34b ведет к защитным контурам 41а и 41b. Каждый из этих защитных контуров 41а и 41b содержит два резистора R1a и R2a и, соответственно, R1b и R2b, которые соединены последовательно. Диоды Da и Db, а также диоды ZDa и ZDb Зенера подключены в каждом случае после указанных резисторов. Защитные контуры 41а и 41b соединены с возможным устройством 43 дистанционного управления для анализирования термосенсорного устройства 30. Таким образом, защитные контуры 41а и 41b могут быть расположены на контейнере 12 как на несущем элементе, а управляющее устройство может быть отделено и объединено или интегрировано, например, с общим контроллером электрического прибора, в котором установлено нагревательное устройство.

[0039] Управляющее устройство 43 содержит ряд резисторов и ряд конденсаторов, подключенных до микроконтроллера 44. Еще одно схемное устройство, ведущее к выходам L, SL, SN и N, подключено после микроконтроллера 44.

[0040] В нагревательном контуре 16а показана область 46 перегрева. Центр указанной области перегрева находится над центральным участком 37ba сенсорного электрода, одновременно перекрывая в определенной степени центральный участок 37аа сенсорного электрода и участок сенсорного электрода, расположенный слева от указанного участка. Таким образом, ток ib и ia короткого замыкания может регистрироваться обоими сенсорными электродами 34а и 34b. Эти токи ia и ib короткого замыкания протекают в зависимости от изменения сопротивления сенсорного слоя 32 в области 46 перегрева. Однако, это включает в себя не только перекрывание площади поверхности области 46 перегрева поверх участков 37 сенсорных электродов, но и наличие соответствующей температуры. Если обнаруженный ток короткого замыкания превышает заданное пороговое значение тока короткого замыкания, то такая ситуация интерпретируется как перегрев, и запускается обработка неисправности. В процессе может быть выведен сигнал; возможно раскрытое выше снижение или даже отключение мощности нагрева. Ток короткого замыкания не должен превышать 0,7 мА. Пороговое значение тока короткого замыкания может быть выбрано равным, например, 0,2-0,5 мА.

[0041] Кроме того, из фиг. 2 следует, что ситуация подобного перегрева или область 46 перегрева может быть идентифицирована одним из сенсорных электродов 34а или 34b или участков 37 указанных сенсорных электродов. Это позволяет удвоить уровень отказоустойчивости; термосенсорное устройство 30 будет работать даже только с одним из его температурных датчиков. Два защитных резистора в защитных контурах 41 предотвращают повреждение или электрическое разрушение управляющего устройства 43 в случае подобного короткого замыкания. Диоды ZD Зенера ограничивают напряжение датчика низким уровнем сигнала.

[0042] Кроме того, из фиг. 2 следует, что два подобных сенсорных электрода с участками, входящими друг в друга наподобие гребенки, можно реализовать независимо друг от друга для каждого нагревательного контура 16. Тем не менее, в этом случае затраты на установление соединений, защитных контуров и управляющего устройства 43 утраиваются, по меньшей мере, в отношении их схемных устройств. Такой вариант, хотя и возможен, но влечет за собой значительные дополнительные затраты. Тем не менее, было бы желательно иметь возможность ограничения развития подобной области перегрева соответствующим нагревательным контуром 16, чтобы можно было уменьшать или отключать только мощность этого нагревательного контура. Мощность может быть снижена, например, в такой степени, чтобы продолжить выработку мощности нагрева и отведение тепла в нагреваемую текучую среду, но исключить опасный перегрев.

[0043] Чтобы стало возможным локализовать область перегрева в одном из нагревательных контуров, конфигурацию сенсорных электродов 134а и 134b можно подобрать в соответствии с нагревательным устройством 111, изображенным на фиг. 3. Оба сенсорных электрода 134а и 134b имеют линии 139а и 139b питания и базовые участки 136а и 136b, соответствующие фиг. 2. Однако, участки 137 сенсорных электродов, выдающиеся из них, имеют разную форму.

[0044] Три участка 137аа сенсорных электродов, выдающиеся вниз от базового участка 136а сенсорного электрода 34а, имеют относительно малую ширину и уже, чем крайний правый участок на фиг. 2 над нагревательным контуром 116а. Тем не менее, соответствующие участки 137ba другого сенсорного электрода 134b, выдающиеся вверх от нижнего базового участка 136b, шире, чем на фиг. 2; их ширина в изображенном варианте исполнения приблизительно в два раза больше. Соответствующие участки 137ab и 137bb сенсорных электродов имеют одинаковую ширину над центральным нагревательным контуром 116b. На левом нагревательном контуре 116с соотношения обратны правому нагревательному контуру 116а. Участки 137ас сенсорных электродов, проходящие сверху вниз, значительно, в частности - в два раза, шире участков 137bc сенсорных электродов, проходящих снизу вверх.

[0045] Благодаря такой конфигурации ширины участков сенсорных электродов над каждым из нагревательных контуров 116 значения токов ia и ib короткого замыкания можно сравнить друг с другом и сделать вывод о наличии области 146 перегрева в области нагревательного контура 116. В частности, если область 146 перегрева снова возникает над правым нагревательным контуром 116а в соответствии с фиг. 2, то увеличенная ширина участков сенсорного электрода 134b будет означать, что площадь поверхности, подвергнутая воздействию области перегрева или перекрываемая областью перегрева, будет гораздо больше. Поэтому ток ib короткого замыкания будет значительно выше тока ia короткого замыкания, например, приблизительно в два раза. Вследствие соответствующим образом выбранного соотношения, в частности, 2:1 - как в данном случае, или даже с еще большей разницей, можно однозначно идентифицировать ситуации, в которых центр области чрезмерного тока расположен непосредственно над относительно узким участком 137 сенсорного электрода, но в то же время по-прежнему перекрывает значительно большую площадь другого сенсорного электрода.

[0046] Если ток ia короткого замыкания значительно выше тока ib короткого замыкания, то область перегрева находится над левым нагревательным контуром 116с. Если два тока короткого замыкания приблизительно равны, то область перегрева находится над центральным нагревательным контуром 116b. Как уже говорилось, после идентификации затронутого нагревательного контура мощность этого нагревательного контура может быть уменьшена, например, на 20-50%. В большинстве случаев температура в области перегрева будет выше обычной, но опустится ниже критического диапазона. Таким образом, можно надежно и достоверно идентифицировать переход температуры в критический диапазон. Это позволяет обойтись без уменьшения или отключения мощности нагрева нагревательного устройства в целом.

[0047] Разделив соотношения участков сенсорных электродов относительно друг друга, можно контролировать или различать даже больше трех областей поверхности. Тем не менее, это почти не имеет смысла в случае изображенного нагревательного устройства с тремя нагревательными контурами. Такое деление имело бы смысл только в том случае, если бы нагревательных контуров было больше, или они были бы разделены на части. Тем не менее, необходимо обратить особое внимание на надежность идентификации перегрева, так как она должна иметь абсолютный приоритет перед, по существу, дополнительными функциями, в частности, локализацией перегрева. В любом случае, местоположение указанного перегрева можно легко определить с помощью токов ia и ib короткого замыкания, приблизительно пропорциональных отношениям площади поверхности соответствующих сенсорных электродов.

[0048] Кроме того, здесь хорошо виден способ выполнения вышеуказанной проверки на короткое замыкание или обрыв кабеля. Для этого соответствующий подходящий высокочастотный сигнал подают с частотного контакта 149 микроконтроллера 144 на сенсорный электрод 134b через соединительное устройство 150 посредством линии 139b питания сенсорных электродов. Соединительное устройство 150 содержит конденсатор, предназначенный для емкостной развязки. После этого сигнал может быть считан другим сенсорным электродом с использованием управляющего устройства 143, в частности, путем стандартного подключения указанного управляющего устройства. Короткое замыкание имеет место, если сигнал не возвращен вовсе или возвращен со значительными изменениями, например, по меньшей мере, на 5-25%. Это соответствует обычной проверке на короткое замыкание или обрыв кабеля. Результатом может стать снижение мощности, выключение нагревательного устройства 111 или, по меньшей мере, вывод пользователю соответствующего сообщения о неисправности, в визуальном и/или звуковом виде. На фиг. 4 изображено еще одно нагревательное устройство 211, причем несущая трубка не развернута, как показано на фиг. 2 и 3, а соответствует, скорее, несущей трубке, показанной на фиг. 1. В то время как участки сенсорных электродов, изображенные на фиг 2 и 3, рассчитаны на вхождение друг в друга и выполнены в виде гребенки или в виде пальцев, участки 237а и 237b сенсорных электродов 234а и 234b неразрывны и проходят друг рядом с другом, то есть, по существу, расположены по двухниточной схеме. Три нагревательных контура 216а, 216b и 216с помещены на контейнер 212 или на внешнюю поверхность 213 указанного контейнера в отдельных областях. Участки 237а и 237b сенсорных электродов проходят, по существу, двумя двойными витками выше каждого из нагревательных контуров 216. Через свободную полосу между двумя нагревательными контурами непосредственно проходят сенсорные электроды, причем они не обязательно должны пересекать ее под прямым углом, как показано на чертеже, но могут проходить по диагонали.

[0049] Здесь видно, что участки 237а и 237b сенсорных электродов, аналогично показанным на фиг. 2 и 3, перекрывают, по существу, всю площадь поверхности нагревательных контуров 216а-216с, то есть позволяют контролировать перегрев. Участки можно сделать плоскими, чтобы улучшить перекрытие поверхности. Область перегрева, возникшую в нагревательном устройстве 211, как показано на фиг. 2 и 3, возможно обнаружить с помощью участков 237а и 237b сенсорных электродов.

[0050] Постоянная в каждом случае ширина участков 237 сенсорных электродов, идентичная для обоих изображенных здесь сенсорных электродов 234а и 234b, приблизительно соответствует фиг. 2, то есть расположение области перегрева над одним из нагревательных контуров не представляется возможным. В отличие от этого, ширина участков 237а и 237b сенсорных электродов, пролегающих над нагревательными контурами 216а-216с, может изменяться в соответствии с фиг. 3 в области каждого из указанных нагревательных контуров. То есть, участки 237b сенсорных электродов могут быть в два раза шире участков 237а сенсорных электродов над нагревательным контуром 216а и иметь одинаковую ширину над нагревательным контуром 216b, а участки 237а сенсорных электродов могут быть в два раза шире участков 237b сенсорных электродов над нагревательным контуром 216с. Как было раскрыто в связи с фиг. 3, область перегрева можно локализовать путем сравнения величин токов короткого замыкания, которые могут быть обнаружены на сенсорных электродах 234а и 234b или на линиях 239а и 239b питания указанных сенсорных электродов.

[0051] Расстояние между участками 237 сенсорных электродов должно быть постоянным и сравнительно небольшим, например, 1-3 мм, в том числе и в нагревательном устройстве 211, изображенном на фиг. 4.

Реферат

Нагревательное устройство для нагрева текучих сред, содержащее плоский несущий элемент с поверхностью, по которой распределено множество нагревательных элементов, разделенных между одним или несколькими нагревательными контурами, способными работать независимо друг от друга, термосенсорное устройство с сенсорным слоем, покрывающим поверхность нагревательных элементов, причем по меньшей мере два сенсорных электрода в электродном слое установлены на сенсорный слой, причем по меньшей мере два сенсорных электрода электрически разъединены друг с другом и содержат пальцевидные или в виде витка участки, пролегающие на расстоянии менее 2 см друг от друга, причем ширина каждого из двух участков сенсорных электродов, расположенных рядом друг с другом, составляет менее 2 см, и управляющее устройство, предназначенное для анализирования термосенсорного устройства. Изобретение обеспечивает повышение надежности определения перегрева нагревательного устройства. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула