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CN101282671B - 用于家电设备的液体加热装置 - Google Patents

用于家电设备的液体加热装置 Download PDF

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Abstract

一种用于家电设备的液体加热装置(11)，包括主体(1)以及覆盖该主体(1)的表面的配套元件(3)。该主体(1)与该配套元件(3)之间具有液体流通通道(4)。该液体流通通道(4)具有分别形成进口(5)和出口(6)的两端，进口(5)设计用于连接至贮液器，出口(6)设计用于排出经加热的液体。该配套元件(3)具有设置用来对沿液体流通通道(4)流动的液体进行加热的加热电阻器(2)。该液体流通通道(4)具有最小截面液体流动区域，该区域距离出口(6)一定距离，并且与该液体流通通道(4)的进口(5)相比更接近于液体流通通道(4)的出口(6)。

Description

用于家电设备的液体加热装置
本发明一般涉及家电设备领域。更具体地，本发明涉及的家电设备需要将液体加热(更具体地将水加热)到低于液体变化到气态的温度。这些设备可以是电咖啡壶、浓咖啡机及热饮分配器，它们需要将水快速地加热到高于60℃且低于液体沸点的温度。
更具体地，本发明涉及一种用于家电设备的液体加热装置，它包括与配套元件相关联的主体，所述配套元件覆盖所述主体的表面。在所述主体和所述配套元件之间形成液体流通通道，所述液体流通通道具有分别形成进口和出口的两端，其中所述进口被设计来连接至贮液器；所述出口被设计为排出已加热的液体，所述配套元件具有加热电阻器，设置所述加热电阻器用来加热沿所述液体流通通道流动的液体。
为减少将给定量的液体加热到给定温度所需的时间，液体加热装置的制造商已开发出了具有不同构造加热装置，所述构造用于相对加热电阻器来设置液体流通通道。
如上定义的这种类型的液体加热装置已在文献FR-A-2855359中公开，所述液体加热装置具有低热惯性的主体，所述热惯性低于铝的热惯性。所述主体由于其低热惯性而存储非常少量的由电阻器产生的热量，所以此装置是特别有利的。因此，所述加热装置在减少热损失的同时热效率得到提高。
但是，温度高于80℃且具有正常所需的水流速时，在通道的出口部分观察到蒸汽泡的出现，长期来看，所述蒸汽泡的出现会侵蚀具有通道的主体的塑料材料。因此大大缩短了设备的使用寿命。所以有必要使用昂贵的塑料技术。此外，诸如此类的装置有结垢的趋势，因此在操作流通进程中降低了所述装置的能量效率。
在此背景下，本发明的目的在于建议一种加热装置，所述加热装置使得至少一些前述问题能够得到缓解，并且特别的，当将液体加热至接近沸腾的温度时，所述加热装置具有较小的结垢趋势。
因此，本发明的装置在其他方面与以上阐述的发明领域中对其的一般定义相一致，而其主要的特征在于：所述通道具有最小截面液体流动区域，该区域位于距离所述出口一定距离，并且与所述通道的进口相比更接近于所述通道出口。
因为本发明，在所述通道的最小截面区域和所述进口之间，液体流速相对缓慢，这使得在所述通道的相当长的长度上(至少等于所述通道的长度)能够逐渐地加热液体。于是，在所述最小截面区域的位置，并且在具有定量流动的液体的情况下，所述液体的流速由于与所述最小截面区域相关联的缩窄而增加。
对形成于所述通道中的缩窄的位置进行选择以使其位于所述通道的热区域中，即邻近所述通道的出口处。事实上，所述热的区域是蒸汽泡形成以及水垢沉积的区域。通过使通道的热区域中的流体速率加速，于是增加了作用在所述通道的热壁上的液体的压力，因此导致产生的蒸汽量的减少和/或这些蒸汽泡的更快速的排出，数量减少的蒸汽和/或更快排出这些蒸汽泡减少了对材料的侵蚀。
提高所述通道的热区域中的液体速率伴随着被沉积在所述通道壁上的水垢的量的减少。
此外，所述通道的壁与液体之间的热交换被改进了，这是因为相比较于蒸汽/壁的界面，液体/壁的界面具有更好的热传导。
归功于本发明，与加热装置在通道的热区域中不具有形成缩窄的最小横截面积的情况下的形成蒸汽的温度相比，本发明中的在通道中形成蒸汽的温度提高了。因此，能够提高电阻器的热功率，而与现有技术中的液体加热装置相比不会必然产生更多的蒸汽。因此，加热液体的速度能够被提高而不会必然产生结垢区域。
例如，所述液体加热装置可被设置为包括所述通道随着接近通道出口而逐渐缩窄的通道部分。此缩窄的部分位于所述最小截面液体流动区域和所述通道的进口之间、并与所述通道的进口相比更接近于所述通道的出口。
这个逐渐缩窄的区域旨在：
-一方面，是为了减少由于所述最小截面区域的存在而导致的水头损失；
-另一方面，是为了随着接近所述最小截面区域，而逐渐提高所述液体的速度及所述通道内部的静态压力。
因此，与以上所述同理，所述逐渐缩窄区域的温度平均起来能够被提高而不会必然形成产生蒸汽的区域。
例如，可以设计所述最小截面液体流动区域，使其属于这样一部分通道，该一部分通道在其整个长度上的最小横截面是恒定的，所述最小横截面为恒定的一部分通道与所述缩窄部分连续衔接。
在这个实施方式中，随着朝向所述通道的出口移动，所述通道的横截面区域沿着所述缩窄部分而逐渐缩窄，直到在最小横截面恒定的所述通道部分的整个长度上变得最小并且恒定。
所述加热电阻器可设置为通过丝网印刷而形成在背对主体的配套元件的表面上。这个实施方式使得能够实现所述电阻器与所述配套元件之间的最佳热交换，借此同样的提升了所述液体加热装置的效率。
所述通道的最小截面区域与所述出口之间的长度可被设置为至少是所述通道的进口和出口之间的总长度的十分之一。这个实施方式使得能够减小已加热的液体作用在邻近通道出口的壁上的压力，其中所述邻近通道出口的壁是被稍微冷却的区域，这是由于所述壁邻近通向装置外部的出口。可以设置所述通道在邻近出口处的横截面积的加宽，目的在于不会形成任何通过气穴现象而促使蒸汽产生的区域。
所述最小截面区域的横截面积可设置为小于通道中的最大截面液体流动区域的横截面积的一半，优选地小于此最大截面区域的横截面积的四分之一，优选地小于此最大截面区域的横截面积的五分之一。在恒定温度下，在所述通道的某个给定位置的液体速度与所述通道在此给定位置的横截面积成反比。
因此，将采取措施来调节所述通道的截面，以优化液体流过所述通道时的液体加热曲线，从而防止液体转化到汽态。涉及此截面调节，可以确定的是：所述最小横截面积应当至少等于所述最大横截面积的一半，并优选地等于此最大横截面积的五分之一，借此能够确保带走或许已经在邻近所述缩窄横截面区域沿着所述通道形成的水垢颗粒的理想条件。
也可以将所述主体和所述配套元件之间的距离设置在所述液体流通通道的整个长度上位于所述最小截面液体流动区域的位置处最小。
所述主体和所述配套元件之间的这个距离与所述液体流通通道的深度相应。所述液体流通通道的深度越浅，就有越大的流体压力倾向于作用在所述配套元件上，借此促进了在所述位置的热交换，而且同时防止了在此位置产生蒸汽。
所述配套元件还可以被设计成一种管件，所述主体被设置于所述管件中，所述液体流通通道可以采取围绕所述主体的螺旋形式，其中相互最靠近的各螺旋圈位于接近所述最小截面区域的位置处。
由于所述管状的配套元件以及螺旋形状的液体流通通道，热损失被减少了，这是因为热的同心积聚(concentric accumulation)是朝向所述配套元件的内部。所述螺旋在邻近所述最小截区域的位置处的逼近靠拢是有利的，这是因为它在机械方面加强了所述螺旋的结构，与所述螺旋的冷区域(位于与所述出口相比更邻近所述进口的位置)的抵抗力相比，所述螺旋的热的区域(位于与所述进口相比更邻近所述出口的位置)更具有抵抗力。所述螺旋结构的局部加强使得本发明的液体加热装置能够将诸如水等液体加热至超过90℃，而且工作压强为1巴(从2巴到20巴)，被加热液体的速率约为500毫升/分钟。本发明的液体加热装置的这些性能优于那些用于即溶饮料设备中的普通液体加热装置的常规性能。
可选择地，所述主体可被设计为平坦的，所述液体流通通道可以采取平坦的螺旋形式。这个实施方式能被用于某些由于空间要求问题而需要平坦加热装置的某些设备。在这个实施方式中，也可能通过让螺旋圈更相互靠拢以逐渐减小所述平坦液体流通通道的横截面积直到达到所述最小截面区域的方式，来形成所述最小截面液体流动区域。这种液体加热装置的进口能够位于所述螺旋的中心，而出口位于外周，或者这种液体加热装置的出口位于所述螺旋的中心，而进口位于外周。任何时候，例如通过调整如上所述的液体流通通道的深度和/或螺旋的两个连续的圈之间的相对间距，应当确保与所述进口相比，所述最小截面区域位于更接近所述出口的位置。
所述液体流通通道也可设计为通过被设置在所述主体中的沟槽而形成。
本发明的其他特征和优点将从下面以非限定的、以说明为目的、并结合了附图的说明中变得清楚明了。
图1示出了根据本发明的所述加热装置的立体分解图。
图2示出了图1中的液体加热装置的纵向截面图。
图3示出了安装在图1和图2中的液体加热装置内部的单个主体的纵向截面图。
如上所述，本发明涉及一种液体加热装置，所述液体加热装置包括基本上呈圆柱形的主体1以及支撑加热电阻器2的管状的配套元件3。所述主体1的尺寸被做成能够插入形成套筒的配套元件3中。所述主体1和配套元件3之间的防漏区域设置在管3的各端。这些防漏区域在图2中可看见，在所述图2中，O形环12a、12b分别插入到所述主体1的环形沟槽13a、13b中，并抵靠在所述配套元件3的内表面上。
液体流通通道4形成在这些防漏区域之间，并且也形成在所述配套元件3的内表面和所述主体1之间。所述液体流通通道4是存在于所述主体1和配套元件3之间的空间，并且在所述液体流通通道4的进口和其出口之间延伸。沿着所述主体1的纵轴而环绕所述主体1的螺旋形沟槽10使得所述液体流通通道4基本呈螺旋形状。
所述沟槽10的第一端终止于形成所述出口6的第一开口，其中所述出口6通过第一管14a与所述液体加热装置的外部连通。
所述沟槽10的第二端终止于形成所述进口5的第二开口，其中所述进口5通过第二管14b与所述液体加热装置的外部连通。
这些管14a和管14b中的每一个均朝所述液体加热装置的外部延伸，以使它们能够被连接至加热装置的供水系统。所述第二管14b通常连接至供应冷水的储水器；而所述第一管14a连接至装有龙头的热水分配器。所述液体能通过以下方式而流动：以自身的重力的方式、将所述储水器放在所述加热装置的上方的方式或者通过使用设置在所述冷水储水器和所述加热装置11之间的泵来驱使液体流动的方式。
形成在所述主体1上以限定所述液体流通通道4的沟槽10具有可变化的深度和宽度，这些深度和宽度的变化依赖于在所述液体流通通道4中的位置。
所述液体流通通道4在液体流动的方向上基本上具有如下四个连续的部分。
进口5所通入的第一通道部分，它具有最大液体流动横截面积Smax(图3中可见)。此最大横截面积在所述液体流通通道4的整个长度上是最大的。
第二通道部分7，它设置在紧接上述第一部分的下游，以使得所述液体流通通道4的液体流通横截面积能逐渐缩窄。此第二部分7被称作缩窄部分。
第三通道部分8，它设置在紧接上述第二部分的下游，以限定最小液体流动横截面积Smin，其中Smin是沿所述液体流通通道4的整个长度的最小液体流动横截面积。
紧接在上述第三部分的下游的第四截面通道区域，它将第三部分连接到出口，并同时逐渐加宽所述液体流动横截面积。
从占液体流通通道4的整个长度的百分比方面来看：
-第一通道部分占所述液体流通通道4的整个长度的35％至50％；
-第二通道部分占所述液体流通通道4的整个长度的15％至30％；
-第三通道部分占所述液体流通通道4的整个长度的15％至40％；
-第四通道部分占所述液体流通通道4的整个长度的5％至20％。
在图示的实施例中，第一通道部分占所述液体流通通道4的整个长度的50％；所述缩窄部分7占所述液体流通通道4的整个长度的约15％；通道的最小液体流动横截面积的部分8占所述液体流通通道4的整个长度的约25％；而第四通道部分则占所述液体流通通道4的整个长度的约10％。
在这个实施例中，所述恒定的最小液体流动横截面积Smin是4倍小于所述最大横截面积Smax，借此使得所述液体的流速提高4倍。这样可以防止在所述液体流通通道4中产生气泡，并且可以提高所述液体和具有加热电阻器2的配套元件之间的热交换。可以预见，所述液体流通通道便于气泡的排出，而所述气泡对适当的热交换有害。
改变所述沟槽的深度和宽度，就可以以在所述液体流通通道内产生横截面积的变化。因此，所述液体流通通道在所述最大液体流动横截面积的位置处的宽度大约是4毫米，其深度Dmax大约是3毫米，由此形成12平方毫米的最大横截面积。
所述液体流通通道在所述最小横截面积的位置处的宽度大约是1.5毫米，其深度Dmin大约是2毫米，由此形成3平方毫米的最小横截面积。
在这些最大和最小横截面积区域之间的通道，它的形状被做成使得其宽度和深度沿着规则的、渐进的和连续的曲线发展，借此可以减少热损失。
如以上说明，所述丝网印刷的加热电阻器2形成在背对所述主体1的所述配套元件3的表面9上。
所述加热电阻器2被设计成能够在所述液体流通通道4的整个长度上提供均匀分布的、一致的加热能量，其目的在于能沿着所述液体的整个流过路径来加热在所述液体流通通道中流动的液体。所述加热电阻器2在其整个长度上以基本上一致的方式加热。
所述加热电阻器2由两电阻电路2a、2b组成，所述两电阻电路2a、2b并行设置在两个电源连接端子15a、15b之间，其中所述电源连接端子15a、15b也是通过丝网印刷形成的。这些电阻电路以螺旋的方式绕在所述配套元件的表面9上，且所述电源连接端子15a、15b被设置成能够实现与通常由铜制成的金属片的电接触。
为了制作这种电阻器，先将一层或多层绝缘材料丝网印刷在所述配套元件上，然后是沿着特定的路径设置导电性胶，接着是形成所述电源连接端子15a、15b的一层，最后是形成一层或多层绝缘材料。有效加热功率可以约为2000瓦特。
在一个优选实施方式中，所述套筒状的配套元件的厚度最大程度地减小，以促进传导的热从所述电阻器向所述液体流通通道中的液体传输。选择用来制造所述配套元件的材料具有例如大于40的高的热传导性。所述热传导性(Cth)被理解为所述配套元件的材料的热传导性的系数值(λ)除以所述配套元件的厚度值(e)(以毫米表示)的比。
Cth＝λ/e。
换句话说，所述配套元件非常快地将热能量从所述加热电阻器传到所述液体，这是因为所述配套元件的厚度非常小(约为1至3毫米)，而且是因为所述配套元件的组成材料(铝、铜或者不锈钢)具有高度的热传导性。
在一个优先的实施方式中，所述主体由塑料材料或者一般而言由具有低热惯性Ith的材料制成，所述材料的热惯性Ith在任何情况下低于铝的热惯性，并且约为2.30，以便存储少量的热能量。能被引用的很可能适于本发明的主体1制造的材料包括聚酰胺(Ith为1.9)、聚醛树脂(Ith为2)、聚丙烯(Ith为1.6)、聚砜(Ith为1.4)或聚碳酸酯(Ith为1.5)。
由于本发明，所述主体的热的区域(它是重要的设计区域)因所述液体流通通道的小宽度以及形成所述沟槽的片(blade)的较大表面的密度从而具有更坚固的机械性能。需要注意的是，这些片在邻近所述液体流通通道的出口的热的区域比在所述装置的其他部分要更宽。此外，所述新颖的液体流通通道形状能提高与所述液体流通通道中的水的热交换，并且因此在所述最热的区域能显著地冷却所述主体。
因此，一般由机械坚固的但昂贵的食品级聚苯硫醚(PPS)制造的所述主体现在能由机械强度低且成本低的填充聚酰胺来制造。
如图1中可看到，例如热敏电阻器的温度传感器16有利地连接至所述配套元件的表面9上，并通过两个端子16a、16b的方式连接至电路。所述电路控制所述电阻电路的电源，借此当水流动时，所述配套元件被保持在预定温度。
在一个具体的实施方式中，可在所述配套元件的表面上并在所述电阻器中设计可熔区域。通过这种方式，在所述电阻器过热的情况下，所述可熔区域熔化，借此断路所述电阻器的电源从而切断加热。
通常地，使用者使用操作控制来开启所述加热装置，所述操作控制使液体开始在所述液体流通通道内流通，并且使所述电阻器加热。由于本发明，在液体流通通道内的温度上升曲线大约是每秒钟30℃，相比之下，从现有技术的装置上测得的则是每秒钟5℃。因此，本发明的加热装置预热非常快，而且通过调节所述液体的流速以及加热能量，加热到80℃至90℃的液体能够在几秒钟内就被可靠地供应。

Claims (14)

1.一种用于家电设备的液体加热装置(11)，所述液体加热装置(11)包括主体(1)以及面对所述主体(1)的表面而设置的配套元件(3)，所述主体(1)与所述配套元件(3)之间设有液体流通通道(4)，所述液体流通通道(4)具有形成进口(5)和出口(6)的两端，所述进口(5)设计用于连接至贮液器，所述出口(6)设计用于排出被加热的液体，所述配套元件(3)具有设置用来对沿所述液体流通通道(4)流动的液体进行加热的加热电阻器(2)，其特征在于：所述通道(4)具有最小截面液体流动区域，所述最小截面液体流动区域距离所述出口(6)一定距离，并且与所述液体流通通道(4)的所述进口(5)相比更接近于所述液体流通通道(4)的所述出口(6)。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述液体加热装置(11)包括缩窄的通道部分，所述缩窄的通道部分位于所述最小截面液体流动区域与所述通道进口(5)之间，并且与所述液体流通通道(4)的进口(5)相比，更接近于所述液体流通通道(4)的所述出口(6)。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述缩窄的通道部分在朝所述通道出口(6)的方向上逐渐缩窄，此被逐渐缩窄的部分被称为缩窄部分(7)。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于：所述最小截面区域属于这样一部分通道，所述一部分通道在其整个长度上的最小横截面(8)是恒定的并且与所述缩窄部分(7)连续衔接。
5.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于：所述加热电阻器(2)通过丝网印刷形成在所述配套元件(3)的背对所述主体(1)的表面(9)上。
6.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于：所述液体流通通道(4)的最小截面液体流动区域与所述出口(6)之间隔开的长度至少为在所述液体流通通道(4)的所述进口(5)和所述出口(6)之间所测得的所述通道总长度的5％至20％。
7.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于：所述最小截面液体流动区域的横截面积小于在所述液体流通通道(4)中的最大截面液体流动区域的横截面积一半。
8.如权利要求7中所述的装置，其特征在于：所述最小截面液体流动区域的横截面积小于所述最大截面液体流动区域的横截面积的四分之一。
9.如权利要求7中所述的装置，其特征在于：所述最小截面液体流动区域的横截面积小于所述最大截面液体流动区域的横截面积的五分之一。
10.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于：在所述液体流通通道(4)的整个长度上，所述主体(1)和所述配套元件(3)之间的距离在所述最小截面液体流动区域处最小。
11.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于：所述配套元件(3)是管件，所述主体(1)设置在所述管件之中，并且所述液体流通通道(4)采取围绕所述主体(1)的螺旋方式。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，相互最靠近的各螺旋圈位于接近所述最小截面液体流动区域的位置处。
13.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于：所述主体(1)是平坦的，并且所述液体流通通道(4)采取平坦的螺旋方式。
14.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于：所述液体流通通道(4)通过设置在所述主体(1)中的沟槽(10)而形成。
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