TWI231752B - Device and method for the continuous heating of a liquid to a constant temperature - Google Patents

Description

1231752 五、發明說明（1) 本發明之主題係一 及方法。該裝置之一 溫度以允許譬如製備 該裝置及方法特別 水。 為了調製咖啡，已 定量之水，再藉一泵 水量有限、加 加熱液體至一定溫之裝置 藉加熱至一固定且精確之 種用以連續 特殊應用係 食物。 有利於在壓力下加熱調製咖啡用之 需等待一段時 亦存在某些 欲入一塊體中 一高熱容量以 之熱容量，且 置皆無法由經 提出，其加熱 這種用以連 考譬如以下文 771 542及FR 本發明之目 裝置，其價格 的熱容量且因 本發明之主 及方法，其可 此，依據本發 熱時間 間。此 用於連 之導管 確保定 無論使 濟合算 時間較 續加熱 件：EP 2 68 3 的係提 低廉、 此不需 知使用非連 輔助調製咖 長且在母次 外，這些裝 續加熱水之 或管子而得 溫。其可使 用調節電源 之裝置達成 長。 水以調製咖 0 307 955 135 ° 續加熱水之裝置來加熱一 啡。這種裝置中，可用之 調製咖啡之間無可避免地 置係龐大且昂貴。 裝置，其中水係藉通過一 以加熱，且該塊體係具有 用之水量係受限於該塊體 供應及/或輸送水量之裝 足夠精確之溫度。再一次 啡之裝置係屬已知，可參 、EP 0 676 1 6 3、EP 0 供一種用以連續加熱液體至一定溫之 輸出之液體溫度精確、加熱體無需高 一較長的加熱時間。 加熱液體至一定溫之裝置 點且可達成上述目的。為 請專利範圍第1項所列出 題係一種用以連續 免除已知裝置之缺 明之裝置係具有申·

1231752 五、發明說明（2) 之特徵且其方法具有申請專利範圍第1 5項中所列出者。 隨附圖式係藉圖示範例說明一依據本發明之加熱裝置具 體實施例。 圖1係連續加熱裝置之一方塊圖。 圖2係貫穿一用於調節流率及將水再循環之裝置的一縱 向剖面。 圖3係一貫穿流率調節器之一較大比例的部份剖面。 圖4、圖5及圖6係以一較大比例顯示流率調節器中根據 水溫區分之二個部份。 圖7係顯示根據流率調節器之位置而因此係一根據水溫 改變之流率與水壓之間的關係。 圖8係顯示一流率調節器細部之兩種變型。 圖9係再循環裝置之一較大比例剖面圖。 圖1. 0、圖1 1及圖1 2係顯示水再循環裝置中根據水溫而變 之各個不同位置。 圖1 3係一顯示用於調節流率及再循環裝置中的恆溫元件 根據離開加熱體之水溫而變化的運動結果圖表。 依據圖式範例所示具體實施例，用以連續加熱液體至一 定溫之裝置包括一處於環境溫度之水貯存器1、一用於抽 取貯存器1内之水或液體之泵2、及一允許該抽出之水或液 體通過的加熱體3、且包含一設有一閥4之使用者輸出口。 冷水泵2具有適合譬如調製咖啡等特定使用場合之特 徵，且更明確地係有關於其「壓力-流率」特徵。該泵可 為譬如機電型且具有相似於圖7中所示之特徵者。

1231752_^ 五、發明說明（3) 貯存器1設有一止回閥5以防止任何水或液體經由連接至 泵2之管子6返回槽1。 加熱體3之功率係適合於待加熱之液體之標稱流率且可 包括一以熱式連接至一電阻式元件之水或液體管路。該單 元係製成一單件、或著藉組合或連接一液體用導管與另一 包覆該電阻式元件之兩管路製成，並且具有一低熱容量。 該管路之長度及直徑主要係根據液體之流率與所需功率而 定。目前存在有這種加熱體且已商品化。水管路之剖面係 適合連續加熱裝置之標稱流率且其可由特別為不鏽鋼之各 種材料製成，並且可實施額外處理以避免尺寸增大。 該連續加熱裝置更包括一用於調節水流率且當該水或液 體未達其調定點溫度時將該水或液體再循環。 該流率/再循環調節單元7包括一含有流率調節器之冷部 7a及一含有一恆溫調節器與水再循環裝置之熱部7b。該流 _ 率/再循環單元之熱部較佳地係固定或安裝至加熱體3。該 流率/再循環調節單元7係藉泵2經由其冷部之輸入口 8將冷 水供應至該流率調節器、再由其輸出口 9供應至加熱體3之 輸入口 10。該加熱體之輸出口 11係連接至該單元7之熱部 7b的輸入口 12。單元7之熱部7b具有兩輸出口，其一為熱 水之使用者輸出口 1 3且另一個1 4係用於將未達其調定點溫 度之水再擔壤。 使用者輸出口 1 3係藉閥4連接至一譬如為調製咖啡用之 濾萃器1 5或其他任何需使用加熱液體的裝置。 圖2至圖1 2中將更詳細地描述流率/再循環調節單元7，

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五、發明說明（4) 其係製成兩圓柱部7 a、7 b且沿軸向連接兩者末端，但該兩 者係互相熱絕緣。 包含有流率調節器之冷部7a包括一收納一調節桿丨6之軸 =中央孔口而經過密封件17、18、19在該孔口中滑動。該 單元7之冷部7a包括一環形且位於密封件丨8與丨9之間的水 輸入口容室20係直接連通由泵2供應之冷水輸入口8。該單 疋7之冷部7a亦包括一環形且位於密封件丨7與丨8之間的水 輸出口容室21係直接連通供應加熱體冷水之輸出口9。

流率調節器包括一噴嘴，且其中水通過之剖面可根據桿 件16之軸向位置改變。該噴嘴係設於桿件16中之徑向狹長 孔22且開口係設於該桿件外圍上以允許單元7之冷部化之 輸出口容室2 1藉一剖面係根據桿件丨6軸向位置而由最小變 為最大的導管連接輸入口容室20。如圖8所示，徑向狹長 孔22之外型可為一連續傾斜或一步階型。因此可藉由選擇 狹長孔22之剖面外型來定義水流率與桿件16在本體以中之 軸向位移兩者之間的關係。

早兀7之熱部7b包括一孔口，其直徑大於冷部以中提供 桿件16頭部16a滑動通過一密封件23者。一恆溫元件係由 ％25輔助固定至單元7之本體7b。該恆溫元件24之運 活塞係僅罪著棒件1 6頭部1 6 a中之孔口封閉末端。 该單tg7之熱部7b包括一第一容室27，其中之埶水係 加熱體3之輸出口丨丨提供再藉該熱部之輸入口 12供應之 =:容室27係直接連接至該熱部之輸丨口 13以供 1231752

才干件1 6頭部1 6 a之外圍表面具有一橫跨其部份長度之徑 向銑槽28而使第一容室27可根據桿件16之位置來連接單元 7之再循環輸出口 1 4。該再循環輸出口丨4係連接至導管6以 將貯存器1連接至泵2。 彈簧3 0係將桿件1 6保持於一傾向朝熱部7 a移動之休止 位置以使冷水流率受喷嘴2 2調節之程度最小且使再循環輪 出口 14連接至單元7熱部7b之第一容室27。 。桿件1 6本身係承受感熱元件2 4作用而得以操縱流率調節 ^及再循環裝置。該感熱元件24可譬如為蠟卡匣型、液體 条發型、型態記憶金屬型、或高膨脹係數金屬型。 本申請案之特徵主要係其可在負荷下針對一精確溫度產 生一位移的能力。就遲滯、準確、速度及成本之判斷標準 而纖卡E型之元件特別適合用在該調節流率及將水再 循環之裝置中。以圖1 3為例來說明這種壤卡匣型恒溫元件 之特徵。 … 操縱上述連續加熱裝置之方式如下：

處於「關閉」位置時，桿件16係在彈簧3〇作用下向左移 動至一休止位置而使冷水輸入口容室2〇經由喷嘴22之一小 剖面連接至流率調節器之輸出口容室2 1，因 低。在該休止位置下，熱部7b之第一容室 連接至熱部7b之再循環輸出口 14。 當使用者開啟加熱裝置時將提供加熱體3電力。該加熱 體之低熱慣性將允許溫度快速上升。當到達預熱溫度時、 固定於加熱體之一恆溫開關2 9將自動或以手動開啟^果

第10頁 1231252^, __一- 五、發明說明（6) 2，因此該泵將在流率調節器位於最小流率位置下時以一 低流率供應加熱體3冷水。離開加熱體之水將導入再循環 器之第一容室2 7中並且使慄渫元件2 4感應。只要未達到操 作溫度，桿件1 β受丨亙溫元件影響產生之位移將不足以隔離 容室27與再循環輸出口 14旦·所有水將再循環至輸入泵2而 與冷水混合。實際上，只要容室27中不具有一咼於閥4扣 持力之足夠壓力即無法將水輸送至濾萃器。 當進入容室27之水溫逐漸升高時，桿件16將向右移動而 增加噴嘴22之通道剖面且減少喷嘴28者。 是以’譬如熱部7b之第一容室2 7中的水溫係8 6 °C或更低 時’流率調節器將處於圖4中所示之位置且再循環裝置將 處於圖1 0中所示之位置，並且操作點係圖7及圖丨3中之點 A ° ' 當高於使用水所需之最低需求溫度時，感熱元件24之活 塞2 6將藉增加冷水流率至其標稱值而移動桿件1 6並且減少 再循環噴嘴28之剖面。在譬如90 t之標稱溫度下，噴嘴22 =28之位置係顯示於圖5與圖1 1中且操作點係對應圖7及圖 中之點B。此時爲循環喷嘴28關閉、容室27中之壓力上 升且超過閥4之扣持力而使水供應至濾萃器。 倘若溫度升高超過此標稱值，則桿件1 6將繼續向右運動 且噴嘴22之剖面更為增加，並且流率變為遠高於該標稱值 (―圖6、圖12)且操作點係位於C(圖7及圖13)，使得進入容 至2、7之水溫自動下降’加熱體將無法加熱至所需溫度，此 即為水流率可明顯高於標稱流率之設計目的。因此，桿件

第11頁 1231752 五、發明說明（7) — "~' ^---- —__ 1 6將向左移動而再次減少冷水流率。 一旦加熱裝置輸送熱水即可自動調節離 的標稱使用值。 汗之水溫至所需 當使用者關閉加熱裝置時即關閉泵2及加埶 上述之加熱裝置在下列數方面中極具致益、、、·。 一旦水溫未達需求溫度即不再送水，· • ~旦未達標稱溫度即降低加熱之水之 無水可用之等待時間； 叫率以縮短完全 •當水溫低於使用所需之溫 口且與冷水混合以縮小結構尺寸 水再㈣至系輸入 •流率與再循環調節裝置士八 僅運用一怪溫元件來,μ & =機械式、易於製造、且 環。复制、土及估田即冷水流率以及將不夠埶之水*循 可輕易發現，本發明之一：：柱f且操作精確度高。 渡萃器之間設置係在於栗、加熱體與 感；元件同時；；：再循環的裝置。該兩功能可由-單- 二然，亦可使用—以不同於上述方 =2進：加熱器、以及將水輸送至一4J=成 單二d: 4且戎調節較佳地係機械式，但亦可為：之 至一？明之主題亦有關於-種連續加熱-通常為i:即。 疋溫之方法’其使抽取自冷水貯存器之 =夜體 '皿度下之水通過-具有小熱慣性之加熱體而能約；：：境 第12頁 1231752_ 五、發明說明（8) 預定溫度之熱水輸送至譬如一濾萃器之使用者輸出口。本 方法出色之處在於其係根據離開加熱體之水溫來調節輸送 至加熱體之冷水流率以及再循環至泵輸入側之熱水比例。 依據本方法，直到水溫到達其標稱溫度且該熱水具有一預 定壓力時才將該水輸送至使用者輸出口。使用一單一溫度 感應器同時控制冷水流率及熱水再循環程度之調節。 本方法係在開始加熱水時，僅以低流率將水輸送至加熱 體以快速加熱該水，且一旦水溫未達一最小使用溫度時即 將該水再循環至泵輸入口。當離開加熱體之水溫到達其標 稱溫度後即停止再循環而使水壓增加以輸送至熱水使用者 輸出口。同時，輸送至加熱體之冷水流率亦增加。 倘若熱水超過固定之標稱溫度，則將更增加輸送至加熱 體之冷水流率而使離開加熱體之水溫下降。 使用本方法時可使離開加熱體之水温升高至其標稱值所 需的加熱時間縮短，其可當該水溫未達其標稱值時避免將 水輸送至使用者出口，因此可藉調節進入加熱體之冷水流 率來調節該輸送出之水溫。 總之，回憶用於連續加熱液體之方法及裝置，包括： A) 藉調節儲存於一貯存器1中且由一泵2輸送並且處於 環境溫度下之水的流率來調節輸出口處之水溫。 藉一設於將熱水送出加熱體3之管路中的感熱元件24控 制一可變噴嘴裝置2 2即得以達成該流率調節。 加熱體3可具有一適合所需水流率之固定功率而無需一 高熱容量或一大的熱慣性。

第13頁 1231752_ 五、發明說明（9) 因此其預熱時間可縮至最短且大量生產這些加熱體之成 本亦較低廉。 ， 調節冷水流率可限制尺寸增加，此為高溫水管路中一難 以克服之重要現象。 根據恆溫元件造成之位移逐漸或步階地改變水通道剖面 即可達成調節流率。 只要未達到調定點溫度，水流率將遠低於給定之加熱功 率能夠使水溫升高至所需溫度時的流率。 在調定點溫度附近時，流率將接近加熱功率所指定之標 稱流率。 當溫度超過調定點溫度時，流率將變為遠高於標稱流 率。 B)只要未達到調定點溫度，熱水即再循·環至一槽或貯 存器、或至泵之輸入側。 為使成本最低廉，再循環裝置係藉相同之感熱元件控制 之。 再循環至泵之輸入側時，熱水/冷水混合將可限制增加 泵之尺寸。 此外，調節流率及再循環用之裝置較佳地係分為兩部 份： 一冷部7a，係包括流率調節器且可由塑膠材料製成， 一熱部7b，係包括感熱元件、再循環及加熱體，且係由 一譬如鋁合金等具有良好熱傳導性之材料製成， 該兩部份係互相熱絕緣。 .

第14頁 1231752_ 五、發明說明（10) 這種結構係一緊密、構件最少、且水量極少者，而能夠 非常快速地預熱。 該熱部之預熱係由一機械或電子式恆溫元件2 9控制之。 當達到預熱溫度時，恆溫元件2 9將命令泵自動開啟，或 通知使用者預熱已完成。 因此可達成以下動作： 藉泵2抽取貯存器1中之水且於8處導入流率調節器2 2 中 。 水流率係根據恆溫元件24運動所造成之控制桿1 6位移而 改變，且該水將於9處離開流率調節器而在1 0處進入加熱 體3。 熱水將在1 1處流出且在1 2處進入調節器之熱部7b以使恆 溫元件2 4感應。 水係於1 4處再次排出，且只要桿件1 6之位移未關閉再循 環裝置2 8，即導引該水至泵2之輸入側。 當達到調定點溫度時，恆溫元件2 4開始移動桿件1 6而關 閉再循環裝置28。 水將由1 3處排出且經由一閥4輸送至濾萃器頭1 5。 在以上說明之具體實施例中，用於調節冷水進入加熱體 之流率的裝置以及當離開加熱體之水溫未達最小調定點之 值時將該水再循環的裝置係組合成一藉由單一感熱元件控 制之單體。就結構、成本及體積之觀點而言，如此設計者 係較優。 然而，在一變型中，用於調節冷水流率以及將離開加熱

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Claims (1)

1. 1231752 案號 89120769 曰 月 六、申請專利範圍 1 . 一種用以連續加熱液體至一定溫之裝置，係特別係用 於家用設備上且更明確地係用於製備咖啡者，其包括一處 於環境溫度之水貯存器（1 )、一泵（2 )、一藉由一開關控制 其電源之加熱體（3 )、及一輸出具有所需溫度之液體的使 用者輸出口，其特徵為其包括：一包含有一冷部（7a)且由 離開該加熱體（3 )之水溫所控制以調節藉該泵（2 )輸送至該 加熱體（3 )之冷水流率的裝置（7 )，及一包含有一熱部（7b ) 且當該水未達一最小預設操作溫度時將離開該加熱體（3 ) 之水再循環至該貯存器（1 )或至該泵之輸入側的裝置，該 再循環裝置亦藉一位在再循環裝置之熱部（7 b )内之感熱元 件（2 4 )以控制離開該加熱體（3 )之離開加熱體（3 )之水溫； 以及其特徵為包括一設於該使用者液體輸出口上之額定閥 (4)。 2 .如申請專利範圍第1項之裝置，其中，該調節輸送至 該加熱體（3 )之冷水流率的裝置及該再循環裝置係組合成 一單元（7 )而由一反應離開該加熱體（3 )之水溫之單一感熱 元件（2 4 )操縱之。 3 ·如申請專利範圍第2項之裝置，其中，該用於調節冷 水流率及再循環之單元包括一冷部（7 a)本體，係具有一來 自該泵（2 )之水輸入口（ 8 )及一將水進給至該加熱體（3 )之 輸出口（ 9 )，該冷部（7 a )内具有一喷嘴（2 2 )係能夠改變輸 送至該加熱體（3 )之冷水流率。 4.如申請專利範圍第3項之裝置，其中，該用於調節流 率及再循環之單元包括一熱部（7b )，其具有一本體係與該

   1111 O:\66\66774-930917.ptc 第18頁 1231752 _案號89120769_年月曰 一_ 六、申請專利範圍 冷部（7a)本體同軸且固定至該本體但與其互相熱絕緣，該 熱部（7b )包括一輸入口（ 1 2 )係將離開加熱體之水進給至一 設於該熱部本體中之容室（2 7 )，該容室（2 7 )係直接連通該 裝置中設有閥門（4)之該使用者輸出口（ 1 3 )並且經由一關 閉之喷嘴（2 8 )連接至一水再循環輸出口（ 1 4 )而連接該貯存 器（1 )或該泵輸入口；以及其中，操縱該喷嘴（2 8 )之該感 熱元件（2 4 )係設於該單元之該熱部（7 b )的該容室（2 7 )中。 5 .如申請專利範圍第4項之裝置，其中，該流率/再循環 調節單元（7 )包括一設有一較大直徑頭部（1 6 a )之桿件 (1 6 )，當該桿件（1 6 )之頭部（1 6 a)於該單元之該熱部（7b ) 本體之一孔口中滑動時，該桿件（1 6)將於該單元之該冷部 (7a)本體之一孔口中滑動；及其中，位於該單元之該本體 之該容室（2 7 )中的恆溫元件（24 )係固定至該熱部（7b )本體 而該恆溫元件（2 4 )之運動活塞（2 6 )的軸向位置係根據容室 (2 7 )中之水溫變化以軸向定驅動該桿件（1 6 )抵抗一回動彈 簧（3 0 )之作動。 6 .如申請專利範圍第5項之裝置，其中，該單元之該冷 部（7a)本體包括一輸入口容室（20)係連接至用於導入來自 該泵（2 )之冷水的吸入口（ 8 )，及一輸出口容室（2 1 )係連接 至供應該加熱體（3 )的輸出口（ 9 );及其中，該用於調節冷 水流率之喷嘴包括一開口設於該桿件外圍上之徑向狹長孔 (2 2 )，該狹長孔之剖面係沿該桿（1 6 )件縱向軸變化，該狹 長孔（2 2 )可根據該桿件之軸向位置而使該輸入口容室（2 0 ) 以不同剖面之通道連接至該輸出口容室（21);以及其中，

   O:\66\66774-930917.ptc 第19頁 1231752 _案號89120769_年月日_ 六、申請專利範圍 當該桿件位於休止位置時，該通道之剖面係最小。 7.如申請專利範圍第6項之裝置，其中，介於該單元之 該冷部（7 a )本體與該桿件（1 6 )之間的複數密封件（1 7，1 8 ) 係設於該兩容室（2 0，2 1 )之間且各別位於該容室（2 0，2 1)之 一側上。 8 .如申請專利範圍第4項至第7項其中一項之裝置，其 中，該桿件（1 6 )之頭部（1 6 a)包括一開口設於其外圍上且 橫跨其部份長度之徑向銑槽（2 8 )，係根據該桿件頭部 (1 6 a )在該單元之該熱部（7 b)本體中的軸向位置而將該單 元之該熱部（7b)本體的該容室（24)與該再循環輸出口連接 或不提供這種連接。 9 .如申請專利範圍第8項之裝置，其中，該桿件之頭部 (1 6 a )與該單元之該熱部（7 b)本體之間具有一密封件 (2 3 )，且該密封件（2 3 )係位於該容室（2 7 )與該再循環輸出 口（ 1 4 )之間。 1 0 .如前述任一項申請專利範圍之裝置，其中，包括一 溫度感測器（2 9 )係安裝於該再循環裝置本體上且控制供應 予該泵之電力。 1 1 .如前述任一項申請專利範圍之裝置，其中，該使用 者熱水輸出口包括一濾萃器（15)。 1 2 .如前述任一項申請專利範圍之裝置，其中，該恆溫 元件（24 )係蠟卡匣型、液體蒸發型、以一型態記憶金屬為 基料者、或以一具有高膨脹係數之金屬為基料者以使一活 塞軸向運動。

   O:\66\66774-930917.ptc 第20頁 1231752 _案號89120769_年月日_ 六、申請專利範圍 1 3 .如前述任一項申請專利範圍之裝置，其中，該加熱 體（3 )具有低的熱慣性。 1 4.如申請專利範圍第3項至第1 3項其中一項之裝置，其 中，用於調節輸送至該加熱體（3 )之冷水流率的喷嘴通道 剖面（2 2 )係連續地變化或不連續的增加。 1 5 . —種用以連續加熱一特別地為水之液體至一定溫之 方法，其使抽取自一冷水貯存器（1 )之冷水通過一具有一 冷部（7a )之冷水流率調節裝置，一具有小熱慣性之加熱體 (3)而能夠將一處於預定溫度之熱水輸送至一包含一熱部 (7 b)之再循環裝置，一使用者輸出口 ，其特徵為係藉一位 於再循環裝置之熱部（7 b)内之感熱元件（2 4 )根據離開該加 熱體（3 )之水溫來一方面調節輸送至該加熱體（3 )之冷水流 率且另一方面調節再循環至該泵（2 )輸入側或該貯存器（1 ) 之熱水比例。 1 6 .如申請專利範圍第1 5項之方法，其中，直到該業經 加熱之水溫到達其預定溫度且該熱水具有一預定壓力時才 將該水輸送至該使用者輸出口。 1 7.如申請專利範圍第1 5項或第1 6項之方法，其中，只 要未達到調定點溫度，冷水流率將遠低於給定之加熱功率 能夠使水溫升高至所需溫度時的流率。 1 8 .如申請專利範圍第1 7項之方法，其中，當離開該加 熱體（3 )之水溫超過調定點溫度時，進給至該加熱體（3 )之 冷水率流將變為高於標稱流率。 1 9 .如申請專利範圍第1 5項至第1 8項其中一項之裝置，

   O:\66\66774-930917.ptc 第21頁 1231752 _案號89120769_年月日_ 六、申請專利範圍 其中，只要使用者之熱水溫度未達到調定點溫度，離開該 加熱體之熱水將再循環至該貯存器（1 )或至該泵之輸入 α 〇 2 〇 .如申請專利範圍第1 5項至第1 9項其中一項之裝置， 其中，係藉由相同於調節冷水流率用之感熱單元（2 4 )來控 制水之再循環。

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