CN101568765A - 用于发生蒸汽的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种蒸汽发生装置(10)，包括：主体(12)，用于容纳要加热的水并包括包含第一金属的第一部分(16)；以及加热设备(14)，包括包含第二金属的第二部分(18)，其中加热设备(14)包括通过在第一部分(16)和第二部分(18)之间形成金属间层(20)而与主体(12)连接的加热板(15)，并且用于测量指示主体(12)内部压力的温度的温度传感器(24)布置在主体(12)外部与加热设备(14)热接触。本发明还涉及一种控制蒸汽发生装置中蒸汽压力的方法，该蒸汽发生装置包括主体，用于容纳要加热的水并包括包含第一金属的第一部分(16)；加热设备(14)，包括包含第二金属的第二部分(18)，该主体通过在第一部分(16)和第二部分(18)之间形成金属间层与加热设备(14)的加热板(15)连接；以及用于测量指示主体(12)内部压力的温度的温度传感器(24)，该温度传感器(24)布置在主体(12)外部与加热设备(14)热接触，该方法包括以下步骤：设置第一时间周期的目标水温为第一设置温度；设置第二时间周期的目标水温为高于第一设置温度的第二设置温度；以及设置第三时间周期的目标水温为低于第二设置温度的第三设置温度。

Description

用于发生蒸汽的装置和方法
技术领域
本发明通常涉及一种蒸汽发生装置和一种控制蒸汽发生装置中蒸汽压力的方法。特别地，本发明涉及一种具有改进的热传递性质的蒸汽发生装置以及一种基于这些热传递性质控制蒸汽发生设备中蒸汽压力的方法。
背景技术
例如用于发生蒸汽的水的加热可以在水加热装置或锅炉中执行。在这些系统中，可以以如下方式通过加热设备和温度传感器将水温控制在一定温度范围内：当温度传感器的温度信号指示水温降到一定水平以下时，激活加热设备并且对水加热。如果温度信号指示水温升到超过一定水平，则去激活加热设备。
为蒸汽发生而加热水需要在压力下的水加热装置和蒸汽压力控制。蒸汽压力控制可以通过使用压力传感器直接执行或者通过温度传感器间接执行。通过感测水温来控制压力使用了锅炉中蒸汽压力和温度的相关性，因为蒸汽压力在水加热期间增加，并且在锅炉中的水冷却下来时降低。
为了基于测量的温度控制锅炉中的压力，需要精确感测水温。特别地，温度传感器的布置是关键的。传感器可以附接到锅炉外壳的侧壁或者锅炉外壳的底部。
温度传感器布置在侧壁要求平坦部分以用于适当安装传感器，这进而使外壳的成形变复杂。在这些布置的一些中，在温度传感器和锅炉外壳之间应用热传导膏剂。这使得需要附加安装过程。
将温度传感器附接在锅炉外壳的底部也是不利的。一些锅炉包括具有嵌入加热元件的加热板。加热板通常通过螺栓或螺丝安装到锅炉外壳的底部。例如石墨的热传导材料层可以布置在锅炉和加热板之间以填充气隙从而改进热传递。然而，在锅炉外壳和加热板之间的热传导并不是最佳的。尤其在加电期间，水温和加热板的温度差异显著。这导致在感测位置的温度-时间曲线相比于水的温度-时间曲线的时延，因为从加热元件到水的热传递被显著延迟。此外，锅炉中的空间和时间的温度分布不均匀。例如，远离加热设备附接的传感器的感测区域内的水可能比加热设备的区域内的水较迟变热。这易于造成蒸汽压力的过冲或者相反。
本发明的目的是提供一种发生蒸汽的装置和方法，用于提供改进的控制蒸汽压力的能力。
发明内容
通过独立权利要求的特征来实现该目的。在从属权利要求中说明了本发明的进一步发展和优选实施方式。
根据本发明的第一方面，提供了一种蒸汽发生装置，包括：主体，用于容纳要加热的水并包括包含第一金属的第一部分；以及加热设备，包括包含第二金属的第二部分，其中加热设备包括通过在第一部分和第二部分之间形成金属间层而与主体连接的加热板，并且用于测量指示主体内部压力的温度的温度传感器布置在主体外部与加热设备热接触。金属间层提供蒸汽发生装置的主体和加热设备的第一与第二部分之间的机械和热连接二者。这确保加热设备到主体的刚性机械附接，同时基于单个处理步骤确保两部分之间的良好热传递性能。金属间层可以包括第一金属、第二金属和/或例如焊接金属的第三金属的部分。类似螺栓连接或螺丝连接的传统附接方法造成不均匀分布的通常斑点状的接触表面。金属间层提供大的连续接触表面，允许更高且更均匀的热传递。可以分别根据主体和加热元件的需要选择两种金属的性质。第一金属和第二金属可以各是包括两种或更多种金属元素或者金属和非金属元素的混合物，并且可以考虑它们的热传递性质独立地进行优化。因此，主体所包含的第一部分的金属可以设计为符合水加热和蒸汽存储要求，而第二金属可以考虑热发生和传递要求来优化。有多种方法形成金属间层，这将在下面描述。温度传感器可以是热敏电阻器或其他产生与所感测的温度相关的信号的传感器。由于改进的热传导性，温度传感器可以布置为邻近加热设备或者可以直接附接到加热设备或集成在加热设备中。因为在主体、加热设备和温度传感器的感测点之间发生快速热传递，因此温度的发展状态可以通过温度传感器来测量而没有太多延迟。
关于这点，第一金属是不锈钢是有利的。不锈钢等符合湿热环境下低腐蚀的要求。
类似地，第二金属是铝或铝合金。这些材料将良好热传导性与良好处理性质结合。
根据本发明的特定实施方式，通过软焊(soldering)和/或钎焊(brazing)和/或熔焊(welding)形成金属间层。这些可选的或者组合的处理步骤产生如上所述第一部分和第二部分之间的金属间层并且是接合不同金属的公认方法。此外，金属填充粘剂也可以用于提供显示高热传导性和良好机械连接的接合。
根据本发明的实施方式，加热板包括加热元件。加热元件可以通过镶铸、软焊、钎焊、熔焊或类似技术附接到加热板。
根据本发明的优选实施方式，加热设备包括控制装置，用于控制水温。蒸汽的发生要求对蒸汽压力的精确控制，如上所述。通过采用从主体到加热设备以及从加热设备到主体的改进热传递性能，可以获得对水温的精确控制以及由此对蒸汽压力的精确控制。此外，金属间接合的改进的热传递性能减少了系统的反馈时间并允许对水温的更快和更精确的控制。
根据本发明的第二方面，提供了一种控制蒸汽发生装置中蒸汽压力的方法，该蒸汽发生装置包括：主体，用于容纳要加热的水并包括包含第一金属的第一部分；加热设备，包括包含第二金属的第二部分，该主体通过在第一部分和第二部分之间形成金属间层而与加热设备的加热板连接；以及温度传感器，用于测量指示主体内部压力的温度，该温度传感器布置在主体外部与加热设备热接触，该方法包括以下步骤：设置第一时间周期的目标水温为第一设置温度，设置第二时间周期的目标水温为高于第一设置温度的第二设置温度，以及设置第三时间周期的目标水温为低于第二设置温度的第三设置温度。在若干时间周期期间将要加热的水的目标温度调节为不同温度级别提供了通过测量水温来控制蒸汽发生设备的蒸汽压力的灵活方法。例如，蒸汽压力级别可以设置为额定压力，其对应于第一设置温度。在第二时间周期期间，设置较高温度设置并因此也设置较高蒸汽压力级别。这可以用来临时提高蒸汽压力以在较高速率提供蒸汽输出而无需设计关于较高压力的组件。这可以在预定时间周期执行或者响应于信号或事件执行。另一示例是可以补偿蒸汽压力的减少，该减少可通过各自信号在特定时间点预测，但通过温度传感器仍是不可检测的，如下详细所述。
根据本发明的优选实施方式，第二时间周期的开始和/或第二时间周期的持续时间和/或第二设置温度是以下至少之一：预定的；蒸汽发生设备的蒸汽输出的函数，以及输入到蒸汽发生设备中的水的函数。在预定时间周期期间相比于初始额定设置温度将目标水温调节到较高级别允许预先补偿有规律出现的蒸汽需求。可以以灵活的方式调节第二时间周期的开始及其持续时间以对应于期望的蒸汽速率输出。此外，相应设置温度和第二时间周期的配置可以关联于当前蒸汽输出。例如，第二时间周期可以反映当前输出蒸汽速率及其持续时间。因此，对于输入到蒸汽发生设备中的水量也同样成立。通知蒸汽输出或水输入的触发的适当信号可以是由用户启动的开关或者激活水泵的电信号。
根据本发明的另一实施方式，第二时间周期的持续时间等于蒸汽输出的持续时间或水输入的持续时间。此外，第二时间周期的开始可以分别与蒸汽输出的开始和水输入的开始一致。这是通过在适当时间周期添加附加热来改进蒸汽压力的控制的简单方法。
特别地，第二时间周期以作为以下至少之一的函数的时间周期被延长：蒸汽输出的持续时间，以及水输入的持续时间。根据传递到水中的热能的量并且根据蒸汽发生设备的其他方面，可以分别选择适当加热周期来补偿由蒸汽输出和水输入造成的热损失。
同样优选的是，将水温控制在第二温度的步骤包括在以下至少之一的情况下激活加热设备的步骤：当前水温低于第二温度；要求蒸汽输出；以及执行水输入。在第二时间周期期间，只要上述事件之一发生，加热设备就将热传递到水中。即使当前水温仍高于第二温度，加热设备也被激活用于防止或减缓未来压力下降。
根据本发明的特定实施方式，如果当前水温高于最大温度，则控制水温在第二温度的步骤包括去激活加热设备的步骤。为了防止蒸汽压力的过度增加，将当前水温限制在最大温度。
特别地，将水温控制在第二温度的步骤包括在作为以下至少之一的函数的时间周期之后去激活加热设备的步骤：蒸汽输出的持续时间；以及水输入的持续时间。
本发明的这些和其他方面将参考下述实施方式进行阐述，通过这些实施方式本发明的这些和其他方面将变得明显。
附图说明
图1示出根据本发明的蒸汽发生设备的示意设置。
图2示出温度循环的流程图。
图3示出根据本发明的控制蒸汽压力的方法的第一实施方式。
图4示出根据本发明的控制蒸汽压力的方法的第二实施方式。
图5示出根据本发明的控制蒸汽压力的方法的可选第二实施方式。
具体实施方式
图1示出根据本发明的蒸汽发生设备的示意设置。蒸汽发生设备10包括通过连接至少两个成形的不锈钢金属外壳而制成的水锅炉12。锅炉12具有平坦底部16并以水平布置安装在塑料外壳中。类似非水平布置的其他定向也是可以的。锅炉12的平坦底部16附接到包括加热板15和加热元件22的加热设备14。加热板由铝制成-也可以使用具有良好热传导性的铝合金或其他材料。加热板15包括平坦上部18并通过形成金属间层20将其平坦上部18附接到主体12的平坦底部16。金属间层20可以通过软焊、钎焊、熔焊等形成。加热元件22也通过软焊、钎焊、熔焊、类似接合方法或通过镶铸形成金属间层而附接到加热板15，以确保良好热传递。此外，加热设备14包括温度传感器24和水位传感器30。蒸汽发生设备10的锅炉12进一步装备有安全阀32、电子蒸汽输出阀34和给水入口36。锅炉12的给水入口36与电子水泵38连接，该电子水泵38与水箱40连接。在水泵38和给水入口36之间，设置排气阀42，使得锅炉12与水箱40的连接对大气开放。此外，锅炉12经由电子蒸汽输出阀34和蒸汽输送管44与蒸汽熨斗46连接。蒸汽熨斗包括蒸汽触发器48。电子控制单元26与水泵38、加热元件22、温度传感器24、水位传感器30、电子蒸汽输出阀34以及蒸汽熨斗46的蒸汽触发器48连接。
蒸汽发生设备10适用于家用器具，除了作为优选实施方式示出的蒸汽熨烫设备，还包括汽蒸器、蒸汽清洁器、有源熨烫板、面部桑拿器、蒸汽烹饪设备、咖啡机等。水位传感器30用于检测锅炉12的水位改变。当水位低于某水位或者锅炉12为空时，水位传感器30发送信号到电子控制单元26。电子控制单元26激活泵38以将水注入锅炉12，提高水位。当锅炉12中的水位高于某水位时，水位传感器30发送适当信号到电子控制单元26。电子控制单元26去激活泵38以停止泵送。这样，锅炉12内的水位被维持在某范围内。排气阀42提供锅炉12与大气的连接，以防止如果在使用之后冷却下来期间在锅炉12内形成真空时锅炉12过量注入水。水位传感器30可以安装在加热板15上(如图所示)，或者取决于所使用的感测方法可选地安装在锅炉外壳上、锅炉12的侧壁上乃至锅炉12内。如果基于来自温度传感器24的温度进行水位感测，则可以使用温度传感器24作为水位传感器。
温度传感器24安装在加热板15上。这样，温度传感器24定位得邻近于与锅炉12内的水良好热接触的区域，以适当地感测水温。因为锅炉12内的水的蒸汽压力与水温直接相关，温度传感器24用于控制水压。如果所感测的温度低于预置温度值，则压力也低于所需水平。在这种情况下，电子控制单元26激活加热元件12。如果温度传感器24信号通知水温达到或超过预置温度值，则加热元件22通过电子控制单元26关闭。这是控制锅炉12内蒸汽压力的简单方法。与图2至图5相关描述了更复杂的方法。改变锅炉12内水的预置温度值是本发明的优点。因此，在正常使用期间锅炉的压力可以设置为改进在不同蒸汽速率处蒸汽输送的不同级别。此外，在用空气代替锅炉12内蒸汽的锅炉的冷启动期间，压力倾向于变高。因此，可以使用较低预置值来确保在启动期间的压力在控制之中。在激活蒸汽触发器48之后，空气将与蒸汽一起释放。然后，可以使用较高设置温度值。
本发明的另一简化实施方式包括简单锅炉系统，例如没有水箱40、电泵38、排气阀42和给水入口36的锅炉12。可以使用恒温开关作为温度传感器24。可以通过恒温开关直接执行加热设备22的功率控制，而无需附加的电子控制单元26。因此，如果恒温开关仅在一个温度级别工作，则压力被控制在一个级别。
图2示出温度循环的流程图。在步骤S10中，将要加热的水的当前温度Tcurr与额定设置温度Tnom进行比较。如果当前温度Tcurr低于额定温度Tnom，则激活用于加热水的加热元件(S11)。如果当前温度Tcurr高于或等于额定温度Tnom，则处理继续在步骤S10中监测当前温度。在步骤S11中开启加热元件之后，在步骤S12中再次将当前温度Tcurr与额定温度Tnom进行比较。步骤S11中的温度比较可以以不同于步骤S10的频率来进行。如果当前温度Tcurr高于额定温度Tnom，则在步骤S13中去激活加热元件。否则，在步骤S12中继续当前温度Tcurr的监测。在步骤S13中关闭加热元件之后，处理在步骤S10中继续，并且温度循环结束。这是控制要加热的水的温度的简单方法。步骤S10至S13可以定义为使用加热元件的激活和去激活作为标准的温度调整循环。
图3示出根据本发明的控制蒸汽压力的方法的第一实施方式。在步骤S20中，将要加热的水的额定温度Tnom设置为第一温度T1。在步骤S21中，执行结合图2所述的N个温度循环。在步骤S22中，将额定温度Tnom设置为第二温度T2，第二温度T2高于第一温度T1。在步骤S23中，在较高额定温度T2执行M个温度循环。然后，在步骤S24中，将额定温度Tnom降低到第三温度T3，第三温度T3低于第二温度T2。在执行了K个温度循环之后，处理继续步骤S20，或者可选地，继续步骤S22。因此，在M个温度循环期间提供较高温度级别T2，以允许较高压力范围的产生。
图4示出根据本发明的控制蒸汽压力的方法的第二实施方式。在步骤S30中，将要加热的水的额定温度Tnom设置为第一温度T1。然后，在步骤S31中，执行优选但不是预定的数量的如上所述的温度循环。在这些温度循环期间，监测蒸汽触发器的激活，即蒸汽输出的起动，以及水泵的激活(S32)。如果上述事件之一发生，则处理在步骤S33中继续。否则，在步骤S32中继续监测。在步骤S33中，加热元件开启并且对水加热。在该加热期间，监测多个事件。如果这些事件之一发生，则关闭加热元件。首先，在步骤S34中，将水的当前温度Tcurr与最大温度Tmax进行比较。如果当前温度Tcurr超过最大温度Tmax，则在步骤S36中关闭加热元件并且处理继续。其次，监测蒸汽触发器和/或水泵。如果两个信号其中之一显示蒸汽触发器关闭或者水泵不再工作，则处理在步骤S36中继续。否则，在步骤S34中继续事件的监测。在步骤S36中，加热元件关闭并且处理在步骤S31中继续。通过该方法，通过即刻开启加热元件来补偿由于蒸汽输出和/或水输入造成的热损失。加热元件递送热到水中，直到热损失停止或者达到最大温度。因此，可以减少控制设备的反馈时间。
图5示出根据本发明的控制蒸汽压力的方法的可选第二实施方式。在该可选方法中，图4的步骤S34和S35由步骤S44和S45替换。在步骤S44中，将要加热的水的当前温度Tcurr与最大温度Tmax进行比较。如果当前温度Tcurr超过最大温度Tmax，则处理在步骤S36中继续。在步骤S45中，确定做为蒸汽输出和/或水输入的函数的保持加热元件激活的时间t。因此，在该时间t期间，加热元件递送热到水中。在此时间之后，方法继续步骤S36。在步骤S45期间，还鉴于最大温度Tmax，继续监测当前水温。通过该方法，可以根据传递到水中的热能来调节对热损失的补偿。
在不脱离在所附权利要求书中限定的本发明范围的前提下，还可以使用上面未描述的等效和修改。

Claims (13)

1.一种蒸汽发生装置(10)，包括：
主体(12)，用于容纳要加热的水并包括包含第一金属的第一部分(16)，以及
加热设备(14)，包括包含第二金属的第二部分(18)，
其中
所述加热设备(14)包括通过在所述第一部分(16)和所述第二部分(18)之间形成金属间层(20)而与所述主体(12)连接的加热板(15)，以及
温度传感器(24)，用于测量指示所述主体(12)内部压力的温度，所述温度传感器(24)布置在所述主体(12)外部与所述加热设备(14)热接触。
2.根据权利要求1所述的蒸汽发生装置，所述第一金属是不锈钢。
3.根据权利要求1所述的蒸汽发生装置，所述第二金属是铝或铝合金。
4.根据权利要求1所述的蒸汽发生装置，所述金属间层(20)通过软焊和/或钎焊和/或熔焊形成。
5.根据权利要求1所述的蒸汽发生装置，所述加热板(15)包括加热元件(22)。
6.根据权利要求1所述的蒸汽发生装置，所述加热设备(14)包括用于控制水温的控制装置(24，26)。
7.一种控制蒸汽发生装置中蒸汽压力的方法，该蒸汽发生装置包括：
主体，用于容纳要加热的水并包括包含第一金属的第一部分(16)；
加热设备(14)，包括包含第二金属的第二部分(18)，
所述主体通过在所述第一部分(16)和所述第二部分(18)之间形成金属间层而与所述加热设备(14)的加热板(15)连接，以及
温度传感器(24)，用于测量指示所述主体(12)内部压力的温度，该温度传感器(24)布置在所述主体(12)外部与所述加热设备(14)热接触，
该方法包括以下步骤：
设置第一时间周期的目标水温为第一设置温度；
设置第二时间周期的目标水温为高于该第一设置温度的第二设置温度；
设置第三时间周期的目标水温为低于该第二设置温度的第三设置温度。
8.根据权利要求7所述的控制蒸汽发生装置中蒸汽压力的方法，所述第二时间周期的开始和/或所述第二时间周期的持续时间和/或所述第二设置温度是以下至少之一：
预定的；
所述蒸汽发生设备的蒸汽输出的函数；
所述蒸汽发生设备的水输入的函数。
9.根据权利要求7所述的控制蒸汽发生装置中蒸汽压力的方法，其中所述第二时间周期的持续时间等于蒸汽输出的持续时间或水输入的持续时间。
10.根据权利要求7所述的控制蒸汽发生装置中蒸汽压力的方法，其中所述第二时间周期以作为以下至少之一的函数的时间周期被延长：
蒸汽输出的持续时间；
水输入的持续时间。
11.根据权利要求7所述的控制蒸汽发生装置中蒸汽压力的方法，其中将水温控制在该第二温度的步骤包括在以下至少之一的情况下激活所述加热设备的步骤：
当前水温低于所述第二温度；
要求蒸汽输出；
执行水输入。
12.根据权利要求7所述的控制蒸汽发生装置中蒸汽压力的方法，其中将水温控制在该第二温度的步骤包括如果当前水温高于最大温度则去激活所述加热设备的步骤。
13.根据权利要求7所述的控制蒸汽发生装置中蒸汽压力的方法，其中将水温控制在该第二温度的步骤包括在作为以下至少之一的函数的时间周期之后去激活所述加热设备的步骤：
蒸汽输出的持续时间；
水输入的持续时间。
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