устройство для нагревания жидкости

Формула изобретения

1. Устройство (5) для нагревания жидкости в автомате для приготовления напитков, содержащее трубку или плоское основание, выполненные с возможностью протекания жидкости по ним для нагревания,

первый индивидуальный резистор (R1), установленный на участке трубки (24) или плоского основания (30) для нагревания жидкости до первой температуры,

комплект из, по меньшей мере, двух резисторов (R2, R3), установленный на участке трубки или плоского основания для нагревания жидкости от указанной первой температуры до требующейся конечной температуры,

причем в указанном комплекте из, по меньшей мере, двух резисторов (R2, R3) они электрически соединяются вместе так, что один резистор (R2) может подключаться к питанию индивидуально или последовательно одним или более резисторами (R3) этого комплекта,

и причем первый индивидуальный резистор (R1) может подключаться к питанию индивидуально или в параллельном соединении с одним резистором (R2) указанного комплекта резисторов или в параллельном соединении с последовательно соединенными резисторами (R2, R3) указанного комплекта.

2. Устройство по п.1, в котором система резисторов располагается на трубке (24), а жидкость течет внутри указанной трубки.

3. Устройство по п.2, которое дополнительно содержит цилиндрическую вставляющуюся часть (23), расположенную внутри трубки (24), вдоль всей ее длины и по существу вдоль ее оси симметрии.

4. Устройство по п.3, в котором вставляющаяся часть (23) содержит винтообразные канавки (25) на своей внешней поверхности.

5. Устройство по п.4, в котором вокруг вставляющейся части (23) находится пружина.

6. Устройство по п.5, в котором отношение длины полой трубки (24) к ее диаметру находится в пределах примерно от 5 до примерно 40.

7. Устройство по п.6, в котором вставляющаяся часть (23) изготавливается из изолированного материала, выбираемого из группы, состоящей из пластика, металла или керамики.

8. Устройство по п.3, в котором вставляющаяся часть (23) зафиксирована или может вращаться относительно своей оси симметрии.

9. Устройство по п.8, в котором вставляющаяся часть (23) вращается благодаря соединению с вращающимся колесом расходомера, расположенного в нижней части указанной вставляющейся части.

10. Устройство по п.9, в котором вращающаяся цилиндрическая часть (23) содержит проволочную щетку.

11. Устройство по п.1, в котором система резисторов (R1, R2, R3) располагается на плоском основании (30), жидкость протекает через каналы (33), которые располагаются вдоль канавок резисторов.

12. Устройство по п.11, в котором каналы (33) для течения жидкости имеют уменьшенную площадь сечения, так что в потоке жидкости достигается турбулентное течение.

13. Устройство по п.1, в котором различные электрические резисторы изготавливаются либо в виде проводов, либо в виде толстопленочных резисторов.

14. Устройство по п.1, в котором все электрические резисторы имеют плотность мощности, доходящую до 15-70 Ватт/см ².

15. Устройство по п.2, в котором внешняя часть полой трубки (24) под резисторами покрыта эмалевой краской.

16. Устройство по п.1, в котором электрические резисторы покрыты или изолированы с помощью неэлектропроводного материала.

17. Устройство для нагревания жидкости, содержащее

источник жидкости,

насос для перекачивания жидкости в

устройство для нагревания жидкости по п.1, где указанная жидкость течет от источника жидкости через трубку или каналы в указанное устройство,

путь для выхода нагретой жидкости, которая поступает на извлекаемое вещество или в смеситель для смешивания указанной нагретой жидкости с порошком.

18. Способ нагревания системы по п.17, в котором электрическая энергия в резисторах и/или комплекте резисторов управляется таким образом, чтобы обеспечивать в реальном времени подачу к жидкости количества энергии, необходимого для того, чтобы жидкость нагрелась до требующейся температуры, в соответствии с балансом энергии.

19. Способ по п.18, в котором расход жидкости находится в пределах от 50 до 300 мл/мин, для автоматов по приготовлению кофе и от 300 до 5000 мл/мин, для автоматов по продаже напитков.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение касается устройства, предназначенного для нагревания жидкости в автомате для приготовления напитков.

В настоящее время имеется блок нагревания жидкости, предназначенный для использования в автомате для приготовления горячих напитков. Заявка на патент WO 01/54551 касается блока нагревания жидкости, предназначенного для использования в автомате для приготовления горячих налитков. Данный блок содержит полую трубку, изготовленную из металла, цилиндрическую вставляющуюся часть, расположенную внутри полой трубки, по меньшей мере, один электрический резистор, расположенный на первой стороне внешней части трубки и предназначенный для предварительного нагрева жидкости, и, по меньшей мере, один другой электрический резистор, расположенный на второй стороне внешней части трубки и предназначенный для регулировки температуры жидкости, которая протекает через трубку. Недостаток такой конструкции заключается в том, что резисторы работают параллельно и поэтому требуется большое количество энергии вследствие того, что потребности резисторов в энергии складываются. Когда имеется необходимость придать жидкости большую температуру, то потребность в энергии может достигать больших величин.

Цель настоящего изобретения также заключается в том, чтобы предложить устройство для нагревания жидкости в автомате для приготовления горячих напитков, где изменение потребности в энергии менее важно и где необходимая температура жидкости достигается быстро и имеется возможность тонкой регулировки температуры жидкости в момент, когда указанная жидкость поступает на выход устройства.

Настоящее изобретение касается устройства, предназначенного для нагревания жидкости в автомате для приготовления напитков, содержащего

- по меньшей мере, одно множество, состоящее из, по крайней мере, двух резисторов, где указанные резисторы электрически соединены друг с другом так, чтобы имелась возможность использовать один резистор каждого множества отдельно или последовательно вместе с одним резистором или большим количеством резисторов того же множества;

- по меньшей мере, один отдельный резистор и, по меньшей мере, одно множество, состоящее из, по крайней мере, двух резисторов, где указанные резисторы электрически соединены друг с другом так, чтобы имелась возможность использовать первый резистор множества отдельно или последовательно вместе с одним резистором или большим количеством резисторов того же множества, указанные резисторы передают максимальное количество энергии потоку жидкости и позволяют проводить точную регулировку температуры жидкости.

В первом варианте реализации устройства используются известные сами по себе резисторы. В данном случае нет особых ограничений на резисторы: могут использоваться все возможные резисторы, известные специалистам в данной области. Во второй реализации используются резисторы, наносимые на подложку. Подложка может быть выполнена из любого материала. Предпочтительно, чтобы подложка имела хорошую удельную теплопроводность и низкую теплоемкость. Подобная подложка предпочтительно изготавливается из металла или керамического материала.

В соответствии со вторым вариантом реализации электрические резисторы изготавливаются в виде либо проводов, либо в виде толстопленочных резисторов. Технология толстопленочного резистора известна в области электроники и в настоящее время используется для производства резисторов. В данной технологии используются проводящие составы (такие как паста), наносимые поверх подложки, изготовленной из кварца, металла, оксида алюминия или бериллия. Как сказано выше, предпочтительнее, чтобы подложка была выполнена из металла.

Электрические резисторы имеют плотность мощности, доходящую до 15-70 Ватт/см ². Такая плотность тепловыделения позволяет очень быстро нагревать воду от комнатной температуры до температуры в 85-90°С. Для того чтобы обеспечить хорошую электрическую изоляцию полой трубки, предпочтительно, чтобы внешняя часть трубки под резисторами была покрыта эмалевой краской. Толщина слоя эмали обычно составляет от 100 до 300 микрон. Наконец, электрические резисторы полой трубки покрываются неэлектропроводным материалом, например слоем эмалевой краски или пластика. Данная изоляция может представлять собой или трубку или слой неэлектропроводного материала.

То, какую жидкость необходимо нагревать в устройстве, соответствующем настоящему изобретению, не играет роли. Данная жидкость может быть жидкостью любого типа. Предпочтительно, чтобы нагреваемой жидкостью была вода, например, для приготовления чая, кофе или других напитков. Также возможно нагревать молоко, например, для приготовления напитков на основе какао. Нагреватель также может использоваться для нагревания поддающейся перекачке жидкости или массы, такой как супы. Также можно использовать устройство для выработки пара, например, для прямого нагревания жидкости в чашке или для вспенивания молока. Устройство, соответствующее настоящему изобретению, может использоваться в маленьких автоматах, таких как автоматы для приготовления кофе, или больших автоматов, таких как автоматы для продажи напитков.

Важным свойством настоящего изобретения является то, что в устройстве используются резисторы, соединенные последовательно: это важно, потому что в случае, по меньшей мере, трех резисторов, получаемая мощность Р не всегда является суммой мощностей отдельных резисторов, а, например, в случае n резисторов, соединенных последовательно

p_общее=(р₁×р ₂×...×р_n)/(p ₁+р₂+...+p_n )

В результате имеется возможность добиться более точного соответствия необходимой мощности и таким образом можно получить более точное значение температуры на выходе устройства. Все объяснения будут даны в дальнейшем со ссылками на фигуры и пример.

Что касается устройства для нагревания, имеющего, по крайней мере, одно множество, состоящее, по меньшей мере, из двух электрических резисторов, то в случае автомата для приготовления кофе имеется от одного до пяти резисторов, а в случае автомата для продажи напитков возможно установить от 1 до 10 резисторов. Что касается устройства, соответствующего настоящему изобретению и содержащего, по крайней мере, один отдельный резистор и, по меньшей мере, одно множество, содержащее, по крайней мере, два резистора, то в случае автомата для приготовления кофе имеется от двух до пяти резисторов, а в случае автомата для продажи напитков возможно установить от 1 до 10 резисторов. Резисторы располагаются или на трубке или на плоской поверхности.

В случае, когда резисторы размещаются на трубке, материалом из которого изготавливается полая трубка, должен быть металл. Предпочтительно, чтобы трубка изготавливалась из нержавеющей стали. Размеры трубки могут быть разными в зависимости от вида использования устройства. Например, при использовании устройства в автомате для приготовления кофе диаметр трубки может составлять от 6 до 20 мм, а длина примерно от 100 до 200 мм. Толщина стенок трубки составляет от 1 до 4 мм. При использовании устройства в автомате для продажи напитков диаметр трубки находится в пределах от 30 до 50 мм, а длина примерно от 200 до 400 мм. Толщина стенок трубки остается такой же, как и в предыдущем случае.

Отношение длины полой трубки к ее диаметру находится в пределах примерно от 5 до примерно 40.

Нагревающий блок, соответствующий данному изобретению, содержащий резисторы на трубке, кроме перечисленного, имеет цилиндрическую вставляющуюся часть, расположенную внутри полой трубки, вдоль всей ее длины и по существу расположенную вдоль ее оси симметрии. Присутствие вставляющейся части улучшает передачу тепла от поверхности трубки к жидкости посредством увеличения скорости жидкости, что увеличивает коэффициент теплообмена. Наилучшей является такая скорость, при которой имеется турбулентное течение. Это позволяет добиться хорошей передачи энергии и быстрого нагрева воды. Вставляющаяся часть изготавливается из пластика, металла или керамического материала, для которого разрешен контакт с пищей. Вставляющаяся часть предпочтительно изготавливается из материала, который имеет низкую теплоемкость и электропроводность, такого как пластик и особенно тефлон (тетра-флюоро-этилен). Однако возможен и другой материал, для которого разрешен контакт с пищей. Отношение диаметра полой трубки к диаметру вставляющейся части составляет от 1 до 5. Возможно, чтобы вставляющаяся часть была либо зафиксирована, либо она вращалась вдоль своей оси симметрии. В том случае, когда вставляющаяся часть вращается, эта часть соединяется с вращающимся колесом прибора, измеряющего скорость жидкости и расположенного в нижней части вставляющейся части, и таким образом эта часть может приводиться в движение холодной водой, текущей в тангенциальном направлении на крыльчатку прибора, измеряющего скорость жидкости. Вращающаяся цилиндрическая вставляющаяся часть содержит металлическую проволочную щетку. Узлы данной металлической щетки встроены во вставляющуюся часть в продольной плоскости (только на одной стороне или на двух симметричных сторонах вставляющейся части) или в виде спирали, например одной, или двух спиралей. Они вделаны только во вставляющуюся часть, расположенную внутри полой трубки. Щетка должна иметь надлежащую механическую прочность на растяжение и обычную прочность, так чтобы она была способна удалять накипь с внутренней поверхности трубки. Оба конца узла щетки должны слегка касаться внутренней поверхности трубки под углом в 90°. Все узлы должны быть разработаны так, чтобы толкать воду вперед, когда они приводятся во вращательное движение крыльчаткой прибора, измеряющего скорость жидкости.

Вставляющаяся часть также может быть полым объектом, который привносит измененный поток части горячей воды с целью смешивания с холодной водой, и таким образом улучшает процесс смешивания воды при ее нагревании.

Вставляющаяся часть также может содержать винтообразные канавки на своей внешней поверхности: это решение хорошо для того, чтобы заставить жидкость течь по каналам, и для того, чтобы добиваться турбулентного течения жидкости. Таким образом, это решение способствует быстрому нагреванию жидкости до необходимой температуры. Наконец, возможно установить пружину вокруг вставляющейся части.

В случае, когда резисторы располагаются на плоском основании, каналы находятся внутри системы, предназначенной для течения жидкости, указанные каналы располагаются вдоль канавок резисторов. В данном случае возможно либо расположить резисторы только на одной стороне упомянутой системы, либо на обеих сторонах системы. Каналы для течения жидкости имеют уменьшенную площадь сечения, так что скорость жидкости достигает такого значения, что возникает турбулентное течение.

Блок нагревания жидкости, соответствующий изобретению, используется в качестве составной части в аппарате для нагревания жидкости с последующим приготовлением напитков. Настоящее изобретение, кроме перечисленного, касается аппарата для нагревания, содержащего:

- источник жидкости,

- насос для перекачивания жидкости в

- устройство для нагревания жидкости, как описано выше, где указанная жидкость течет от источника жидкости через трубку или каналы в указанном аппарате,

- путь для выхода нагретой жидкости, которая поступает или на извлекаемое вещество, или на смеситель для дальнейшего перемешивания указанной нагретой жидкости с порошком.

В соответствии с первым вариантом реализации настоящего изобретения блок нагревания жидкости является частью аппарата для приготовления кофе или другого аналогичного аппарата, основанного на извлечении вещества, такого как кофе или чай. В данном случае возможно, чтобы извлекаемое вещество непосредственно имелось в распоряжении, например, в виде слоя кофе, а затем автомат-эспрессо, или чтобы извлекаемое вещество имелось в заранее приготовленных контейнерах или капсулах, подобно тем, которые описаны в европейских патентах №512468 и 602203.

В соответствии со второй реализацией устройство настоящего изобретения используется в автоматах по продаже напитков, то есть таких автоматах, из которых клиент непосредственно получает чашку чая, кофе или какао, где нагретая жидкость смешивается с соответствующим порошком непосредственно перед ее наливанием в чашку.

Устройство, предложенное в настоящем изобретении, также содержит другие обыкновенные элементы, обычно присутствующие в автоматах по продаже напитков или в автоматах по приготовлению кофе. Такими элементами являются клапан, элемент управления температурой, прибор, измеряющий скорость течения жидкости.

Наконец, настоящее изобретение касается процесса для устройства, описанного выше, при котором электрическая энергия в резисторах и/или множестве резисторов управляется таким образом, чтобы обеспечивать в реальном времени подачу к жидкости количества энергии, необходимого для того, чтобы жидкость нагрелась до необходимой температуры, в соответствии с балансом энергии.

В соответствии с данным процессом скорость течения жидкости находится в пределах от 50 до 300 мл/мин для автоматов по приготовлению кофе и от 300 до 5000 мл/мин для автоматов по продаже напитков.

Одним из достоинств указанного процесса, соответствующего настоящему изобретению, является то, что автомат всегда находится в полной готовности к тому, чтобы подавать горячую воду, нагретую до необходимой температуры, или пар, при этом на стадии ожидания не тратится дополнительная энергия. Например, не существует задержки между моментом времени, когда клиент нажал кнопку «включено» для включения автомата, и моментом, когда автомат уже готов к приготовлению кофе. Когда клиент решает приготовить кофе, насос заставляет воду течь по трубке до уровня первого резистора, затем насос останавливается и первый резистор нагревает воду до температуры примерно составляющей 72°С. Когда первый резистор выделит необходимое количество тепла для нагревания данного количества воды, насос начинает работать снова и вода заполняет трубку до уровня второго резистора. Затем второй резистор нагревает холодную воду, пришедшую от первого резистора, с температуры в 72°С до температуры примерно составляющей 80°С и одновременно первый резистор нагревает вновь поступившую холодную воду от температуры окружающей среды до 72°С. Насос начинает работать снова и заполняет трубку до уровня третьего резистора, затем третий и второй резисторы электрически соединяются последовательно для того, чтобы нагреть воду до 86°С, а первый резистор нагревает вновь поступившую холодную воду от температуры окружающей среды до 72°С. Затем насос снова начинает работать и вода начинает нагреваться в постоянном режиме (насос не останавливает свою работу) для приготовления кофе в чашке. В зависимости от типа кофе вся процедура занимает примерно 20-30 секунд. Для приготовления следующей чашки кофе повторяется такая же процедура.

Другое решение состоит в том, чтобы заполнять трубку водой до уровня последнего резистора с уменьшенной скоростью (например, изменяя частоту работы насоса) и начать при полной скорости течения жидкости, как только будет достигнут уровень последнего резистора.

Далее изобретение будет описано более конкретно с помощью примера.

Пример

В данном случае имеются три резистора: R1=750 Ватт, R2=660 Ватт и R3=1300 Ватт. В данной реализации резистор R1 расположен отдельно, R2 может быть отдельным или соединен последовательно с R3. Это означает, что можно получить следующие возможные мощности:

R1	750 Ватт
R2	660 Ватт
R1 R2	1410 Ватт
R2+R3	438 Ватт
R1, R2+R3	1188 Ватт

Приведенные данные были вычислены в соответствии с выше упомянутой формулой. Как ясно показано в данной таблице, невозможно в соответствии с изобретением иметь сумму мощностей трех резисторов. Это означает, что имеется возможность точной регулировки температуры без больших затрат энергии. Трубка выполнена из нержавеющей стали. Ее диаметр составляет 20 мм, а длина равна 170 мм. Вставляющаяся часть изготовлена из тефлона и имеет диаметр 16 мм и ее длина равна длине полой трубки. Вода течет со скоростью от 50 до 200 мл/мин. Необходимая температура достигается за 4 секунды.

Далее изобретение будет описано более подробно со ссылками на фигуры, в которых:

Фиг.1 является схемой устройства для нагревания жидкости в аппарате для приготовления кофе, в котором кофе находится в закрытых контейнерах в соответствии с примером 1,

Фиг.2 представляет собой схематическое изображение устройства, соответствующего первой реализации изобретения,

На Фиг.3 изображен увеличенный фрагмент фигуры 2,

Фиг.4 является схематичным изображением устройства нагревания, соответствующего второму варианту реализации изобретения.

Согласно фигуре 1 аппарат для приготовления кофе содержит резервуар (1) холодной воды, соединенный через трубку (2) с прибором (3), измеряющим скорость жидкости, и с насосом (4), который гонит холодную воду к устройству (5), предназначенному для нагревания воды. Устройство (5) имеет три части: первый резистор R1, отдельно расположенный, и два резистора R2 и R3, соединенные последовательно. Соединение данных резисторов к источнику энергии происходит через (6, 7). На выходе устройства (5) горячая вода течет через трубопровод (8) и попадает через (11) на контейнер (9), содержащий жареный и молотый кофе. Данный контейнер запечатан и он открывается под давлением в соответствии с европейским патентом №512468. Готовый к употреблению кофе течет в чашку (10). Автомат для приготовления кофе, кроме перечисленного, содержит датчик (12) холодной воды, датчик (13) температуры горячей воды и также датчики (14) и (15), расположенные между R1, R2 и R2, R3 соответственно. Также в соответствии с изобретением можно предусмотреть на выходе нагревательного устройства трубопровод (16) для получения пара. В электрической цепи для функционирования автомата для приготовления кофе необходимо наличие переключателей S1, S2 и S3.

Автомат для приготовления кофе функционирует следующим образом: клиент кладет контейнер (9) и запускает аппарат. Насос (4) качает холодную воду из резервуара (1) через трубку (2) таким образом, что уровень воды достигает уровень R1, и затем насос останавливается. В это время только переключатель S1 включен, R1 находится под напряжением и вода нагревается до температуры, составляющей примерно 72°С. Когда необходимое количество теплоты передано от первого резистора воде (по вычислениям баланса энергии), насос включается снова и качает воду до тех пор, пока ее уровень не достигнет уровня R2, насос снова останавливается и переключатели S1 и S2 переводятся в положение включено. Когда необходимое количество теплоты передано от второго резистора воде, находящейся ниже уровня второго резистора, и ее температура достигала примерно 80°С и необходимое количество теплоты передано первым резистором на нагревание воды, находящейся ниже первого резистора, до температуры 72°С, насос включается снова и качает воду до тех пор, пока ее уровень не достигнет уровня третьего резистора. Далее переключатели S1 и S3 переводятся в положение включено, а переключатель S2 выключается, таким образом, три резистора могут передавать энергию воде так, что на выходе из устройства вода будет иметь температуру примерно равную 86°С. Далее подкачка и нагрев происходят непрерывно, так что горячая вода подается на выход непрерывно.

Фигуры 2 и 3 дают возможность более близко рассмотреть нагреватель, имеющий форму трубки. Нагреватель (20) имеет впускной канал (21) для воды и выпускной канал (22). Вставляющаяся часть (23) расположена внутри трубки и имеет на своей внешней стороне винтообразные канавки (25); таким образом, это заставляет воду проходить через путь (26). На внешней части (24) трубки находятся резисторы R1, R2 и R3 (не показаны), которые делают возможным осуществить только что описанный процесс нагревания.

Фигура 4 изображает нагреватель (30), имеющий плоскую форму. Имеется впускной канал (31) для воды и выпускной канал (32) для воды. Вода течет через каналы (33). В соответствии с данным вариантом реализации на одной или обеих поверхностях нагревателя могут находиться от 1 до 5 резисторов (не показано).