CN102317703A - 用于流通式加热器的插入件 - Google Patents

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Abstract

当反馈回路控制用于在流通式加热器的出口(5)处控制液体温度时，出口(5)处该流通式加热器的无效部分(4)的容积构成导致反馈过程中延迟的死区容积。为了最小化该延迟，应用插入件(6)，其用作通过占有大量此容积来减少该死区容积。实际情形中，该插入件(6)包括用于从该流通式加热器的液体输送管道(2)输送液体到该插入件(6)的出口(10)的导管系统(12)。优选地，这种液体输送导管系统(12)的容积相对小，以便该插入件(6)中该导管系统(12)的出现不会扰乱该插入件(6)应用的死区容积减少效果。

Description

用于流通式加热器的插入件
技术领域
本发明涉及用于加热液体的设备，包括具有用于输送液体的管道和用于当液体流经该管道时加热液体的装置的流通式加热器；以及用于检测该流通式加热器的出口处的液体温度的装置，其是用于控制该流通式加热器的出口处的液体温度的设备的一部分。
此外，本发明涉及用于提高在流通式加热器出口处的液体温度的控制精确度的方法。
背景技术
在许多类型的设备中，需要能够在设备操作过程中加热要使用的一定量的液体的装置。例如，在适合制作热咖啡的设备中，一定量的水在流经一定量的研磨的咖啡豆之前先被加热。
为了加热例如水的液体的目的，许多设备装备了煮水器，即，具有用于容纳一定量的液体的容器以及与该容器相关联的加热装置的设备，加热装置用作加热当前该容器内的液体。一旦液体的温度到达期望的水平，该液体就可以从该煮水器排出用于其预期的目的。
然而，煮水器的应用有些值得注意的不足，因此，已经发展了加热液体的另一个方法，其包括流通式加热器的应用，即，具有用于输送液体的管道和用于加热流经该管道的液体的装置的设备。在该流通式加热器的实际实施方式中，在该液体输送管道周围布置了电加热元件。应用流通式加热器的一些重要优势是该液体的加热过程几乎是瞬间完成的，所以几乎没有任何等待时间，当与煮水器应用比较时，其需要更少的能量，并且该流通式加热器不仅只适用于替代煮水器，还适用于高压系统例如蒸馏咖啡设备。
为了控制该流通式加热器出口处液体温度的目的，很可能使用反馈控制回路。然而，实际上，达到关于提及的出口温度的高要求看来是困难的乃至不可能。换句话说，以出口温度的检测为基础，通过充分精确的方式控制该流通式加热器的操作看来是困难的乃至不可能。
发明内容
本发明的目的是优化包括流通式加热器和用于控制出口温度的反馈控制回路的设备中的反馈控制回路。通过在该流通式加热器的出口侧，提供部分插入至该流通式加热器的液体输送管道的插入件来达到该目的，其中位于该流通式加热器的液体输送管道内的插入件的一部分至少占用存在于不直接与该流通式加热器的加热装置相关联的液体输送管道的一部分中的空间的大部分。
根据下面对本发明的基本了解，控制出口温度中的困难由反馈过程中的延迟导致，其涉及该流通式加热器的常规设计。具体地，此设计中，液体输送管道和加热元件相对于彼此的布置方式，使得管道在该流通式加热器的入口侧和出口侧都相对于该加热元件凸出一定的长度。因此，当检测流通式加热器出口处的液体温度时，实际上是该管道的出口处，存在由该液体到达检测发生的地方之前已经首先穿过不与加热元件直接相关联的管道的长度导致的延迟。下面，此现象将被认为是流通式加热器中死区容积的存在，并且不与加热元件直接相关联的管道的部分被认为是该流通式加热器的无效部分。
关于死区容积和相关延迟时间，要注意的是死区容积越大，实现所有环境下期望的平均出口温度越困难。当死区容积对比该流通式加热器的总容积占相当的部分时尤其明显，例如，这正是适用于蒸馏咖啡设备的流通式加热器的情形。大体上，延迟时间越长，反馈控制回路的响应越慢，并且不稳定性越早发生。因此，较长延迟时间导致该流通式加热器适用性的约束。例如，蒸馏咖啡设备中的应用是实际上不可能的，因为这样的应用要求快速响应的反馈控制回路。
在许多应用中，具有最低可能的制造成本是重要的。因此，在许多情形下，为了解决上面简述的问题而改变该流通式加热器的设计不是可行的选择。相反，需要以常规流通式加热器应用的假定为基础的另一种解决方案。本发明通过建议在该流通式加热器的出口侧处，部分插入该流通式加热器的液体输送管道中的插入件的应用来提供这种解决方案，其中位于该流通式加热器的液体输送管道内部的插入件的一部分占用了至少大部分的死区容积。
当应用根据本发明的插入件时，实现了显著减少了该死区容积。这是由于位于该流通式加热器的液体输送管道内部的插入件的一部分填充了死区容积的事实。许多实际情形中，考虑该流通式加热器中液体的流向，插入件的该部分长于用于保持插入件在该液体输送管道中就位的需求。
由于通过应用提到的插入件而实现的死区容积的减少，检测液体的出口温度的延迟时间显著地减少了，作为有利结果，可以更有效并且精确地控制该出口温度。根据本发明，不用做出该流通式加热器设计的修改，也不用更新用于温度控制过程的组件以达到这种有利结果，只需进行简单添加组件的应用，也就是该插入件。
为了尽可能的减少该流通式加热器无效部分的死区容积，并且为了在该管道中插入件的安全布置，优选地在该流通式加热器的液体输送管道的内表面和位于该液体输送管道内部的插入件的一部分的外表面之间仅存在小的间隙。
在实际情形中，该插入件包括用于将液体从该流通式加热器的液体输送管道输送到该插入件的出口的导管系统。在此情况下，该插入件的液体输送导管系统的一个或多个导管用作通过该流通式加热器的无效部分传送液体。优选地，在流通式加热器出口处，这种液体输送导管系统的一个或多个导管的直径显著小于该流通式加热器的液体输送管道的直径，使得该一个或多个导管的容积大大小于该流通式加热器无效部分的容积，并且该插入件应用的死区容积减少效果可以是最佳。
根据本发明的插入件可以在位于该流通式加热器液体输送管道外部的插入件的一部分中，包括从该插入件的外表面延伸到液体输送导管系统的导管，其中用于检测该流通式加热器出口处液体温度的装置与此导管相关联。优选地，此导管位于尽可能接近该流通式加热器的液体输送导管的末端，以便出口温度的检测可以发生在离该液体输送导管末端尽可能近的位置，并且尽管有相对小的死区容积，但死区容积存在的长度保持为最小。
关于可以是插入件的一部分的液体输送导管系统，注意此导管系统可以至少包括两个关于彼此成角度地取向的导管。在有利的设计中，该导管系统包括至少一个用于使液体进入该导管系统的导管，其中该至少一个入口导管的取向基本上垂直于该流通式加热器中液体的流向，并且从该插入件的一侧延伸到另一侧；以及用于使液体从该导管系统排出的导管，其中此出口导管的取向基本上平行于该流通式加热器中液体的流向，并且其中至少一个入口导管和出口导管互相连接。
应用该插入件的液体输送导管系统的设计的优势是预防了液体可能残存在该插入件的出口的情形，其中至少一个入口导管的取向与该出口导管成角度，并且其中该入口导管从该插入件的一侧延伸到另一侧。该入口导管用作为一种捷径，液体不能到达该插入件的出口，除非应用抽吸和/或压迫力。此外，当应用在一个或多个入口导管和出口导管之间具有角度的概念时可能创建多种入口通道，以便在一个或多个入口导管到出口导管的连接处实现液体的混合，其结果是甚至更精确的温度检测。
在实际实施方式中，特别是在其中该插入件包括液体输送导管系统的实施方式中，根据本发明的设备可以进一步包括用于密封位于该流通式加热器的液体输送管道内部的插入件的一部分的外表面和该液体输送管道的内表面之间的空间。通过使用适当的密封装置，预防了从液体输送管道通过该插入件的外表面和该管道的内表面之间(狭窄的)空间的液体渗漏。当然，密封装置，其可以包括O形环等，考虑流通式加热器中液体的流向，位于插入件的液体输送导管系统的一个或多个入口后面。
当分别考虑时，本发明的许多上述方面从该插入件显现。在此情况下，这些方面表达如下。
插入件一般地描述为有意在如上所述用于加热液体的设备中使用的插入件，包括：
-适合插入用于输送液体的管道的末端部分，特别是为进一步具有用于当流过该管道时加热液体的装置的流通式加热器的一部分的液体输送管道；以及
-用于通过该插入件输送液体的导管系统，其中液体输送导管系统的一个或多个导管的直径显著小于末端部分的外直径。
在根据本发明的插入件中，如果液体输送导管系统包括至少两个关于彼此成角度地取向的导管是有利的。优选地，在此情况下，液体输送导管系统包括至少一个用于使液体进入该导管系统的导管，其中该至少一个入口导管的取向基本上垂直于插入件的轴向，即插入件的纵向，并且从该插入件的一侧延伸到另一侧；以及用于使液体从该导管系统排出的导管，其中此出口导管的取向基本上平行于插入件的轴向，并且其中至少一个入口导管和出口导管互相连接。
为了允许插入件内部液体的温度检测目的，如果在插入件的不是适合插入管道用于输送液体的末端部分的另一个部分中，插入件进一步包括从插入件的外表面延伸到液体输送导管系统的导管是有利的。
优选地用于避免液体从流通式加热器的液体输送管道渗漏的密封装置可以作为插入件的一个或多个组件提供。在此情况下，插入件进一步包括例如O形环的装置，其适用于密封两个表面之间的空间，其中这些密封装置位于适合插入用于输送液体的管道的末端部分。
除了上面描述的用于加热液体的设备，本发明还提供了在具有用于输送液体的管道和当流经该管道时用于加热液体的装置的流通式加热器的出口处用于提高精确度的方法，其中在流通式加热器的出口侧，通过提供插入件并且将插入件的至少一部分引入到流通式加热器的液体输送管道中来填充存在于不与流通式加热器的加热装置直接相关联的流通式加热器的液体输送管道的一部分中的空间的至少大部分。
优选地，当根据本发明的方法执行时，仅在该流通式加热器的液体输送管道的内表面和插入在该液体输送管道内的插入件的一部分的外表面之间允许小的间隙。
当根据本发明的方法执行时，应用的插入件可以是如上面定义的插入件，或任何其它适当的插入件，假设死区容积的减少可以通过占据此容积来实现，并且不阻塞液体流。
本发明的上述和其它方面将从关于下面根据本发明的插入件的实施方式的详细描述的阐明中呈现。
附图说明
现将参照其中用相同参考标号表示相同或相似部分的以下附图更具体地说明本发明，附图中：
图1概略地示出了流通式加热器；
图2概略地示出了根据本发明的流通式加热器的一部分和插入件；以及
图3和图4示出了插入件和流通式加热器的液体输送管道的末端的两个纵向截面的示图。
具体实施方式
图1概略地示出了本领域内已知的流通式加热器1。大体上，流通式加热器1包括用于输送液体的管道2和加热元件3，其布置为紧紧围绕着液体输送管道2。大多数情况下，液体输送管道的横截面为环形，其不改变可能的其它形状的事实。
图1中，可以清楚地看出不是液体输送管道2的所有长度都由加热元件3覆盖。在流通式加热器1的入口侧和出口侧，液体输送管道2的长度4不直接与加热元件3相关联。这些长度4被认为是流通式加热器1的无效部分4。
在流通式加热器1操作过程中，使液体例如水流经液体输送管道2，操作加热元件3用于对液体提供热量以实现液体温度的增加。实现流通式加热器1出口5处期望的液体温度中的三个重要因素是液体的初始温度、流量和热量的提供。为了检查液体的实际出口温度是否在期望的范围内，并且确定流通式加热过程的参数例如提供给流通式加热器1的加热元件3的能量是否需要调整，这是具有反馈控制回路的常规实践，其中检测出口温度并用作可能的调整的基础。然而，由于流通式加热器1的液体输送管道2出口处无效部分4的存在，反馈控制回路有了延迟，其在温度控制过程的精确度上起了负面影响。
反馈控制回路中的延迟直接涉及流通式加热器1出口处无效部分4的容积，其被认为是死区容积。例如，当无效部分4具有2cm长度时，液体输送管道2的内直径是1cm，流量是5ml/s并且在流通式加热器1的出口5处检测出口温度，延迟时间约为0.314s。通过确定死区容积，并且用死区容积除以流量来得出该值。该死区容积等于pi*r2*l＝pi*0.52*2＝1.57ml，其中r代表液体输送管道2的内半径，并且其中l代表流通式加热器1的无效部分4的长度。因此，延迟时间等于1.57/5＝0.314s。例如，针对涉及制作蒸馏咖啡的应用，对比总容积1.57ml的死区容积是显著的。因此，这种情形中，该死区容积具有在该饮料的最终温度上的显著影响。
为了最小化反馈控制回路中的延迟，本发明提出用于使该死区容积尽可能小的措施。这些措施包括部分插入流通式加热器1的液体输送管道2中的插入件6的应用，由图2所示其中插入件6由虚线指示。此外，图2指示温度传感器7的适当位置，其在流通式加热器1的插入件6右外部的一部分中。优选地设计插入件6使得尽可能多地移除死区容积，同时允许要求的液体流。插入件6的设计将进一步基于图3和图4来阐明，其中示出了插入件6的纵向部分，也示出了流通式加热器1的液体输送管道2的一部分，其中插入件6被部分地插入。
如图3和图4中示出的插入件6的示例包括三个部分。第一部分8是适合定位于流通式加热器1的无效部分4内部的末端部分。因此，插入件6的此末端部分8的外直径小于该流通式加热器1的液体输送管道2的内直径。第二部分9是允许将插入件6连接到软管等的另一个末端部分，并且具有针对其自由末端处的液体的出口10。第三部分11是中间部分，其被有意布置为紧挨着流通式加热器1的液体输送管道2的末端。因此，插入件6的此中间部分11的外直径大于该流通式加热器1的液体输送管道2的内直径。
在插入件6的内部，布置有用于通过插入件6输送液体的导管系统12。在入口侧，即，最靠近流通式加热器1的一侧，导管系统12包括两个导管13a、13b，其沿着插入件6的径向延伸，即，垂直于流通式加热器1中液体流向的方向。这些导管13a、13b用作使液体进入插入件6中并且将该液体输送到插入件6内部导管13a、13b交叉的中心位置。从此位置延伸到该插入件6的出口10，出口导管14存在于插入件6内部。为了完整起见，注意流通式加热器1中液体的流向借助于图中的箭头指示。
应该清楚其它设计而非插入件6的液体输送导管系统12的上述设计可能在本发明的范围内。例如，可以是延伸通过插入件6的单一、中心导管。然而，优选为具有径向取向的入口导管13a、13b的配置，因为有可能避免当实现此配置时，液体未被更新和在插入件6的出口侧残留液体的情形。这点是重要的，考虑到液体的残留量可以是细菌滋长的源头。此外，通过使液体从插入件6的各侧进入，实现液体的混合，这将有助于平稳的温度检测。
除了用于输送液体的导管13a、13b、14，插入件6具有用于容纳用于检测液体出口温度的过程的一个或多个组件或部分组件(现在图3和图4中示出)的导管15。下面，此导管15将被认为是检测导管15。在插入件6的中间部分11中布置该检测导管15，并且从插入件6的外表面延伸到出口导管14，以便允许一个或多个检测组件到流经出口导管14的液体自由通路。在示出的示例中，检测导管15具有插入件6中的径向取向，如出口导管13a、13b。
为了避免液体从流通式加热器1的液体输送管道2渗漏的目的，在管道2的内表面和插入件6的外表面之间布置密封装置，在插入件6的入口导管13a、13b放置位置的后面位置处。在本发明范围内，可以应用任何适合类型的密封装置。示出的示例中，密封装置包括O形环16，其容纳于布置在插入件6的外表面的凹槽中。
图3和图4示出了适合定位于流通式加热器1的无效部分4中的插入件6的末端部分8的尺寸，该尺寸的选择使得当插入件6在其适当的位置时仅存在于插入件6的此部分8的外表面和流通式加热器1的液体输送管道2的内表面之间的最小空间。总而言之，当将插入件6放置于流通式加热器1的出口侧就位时，填充了流通式加热器1的无效部分4的大多数容积，其中导致液体出口温度检测中的延迟的该容积不大于存在于插入件6的插入部分8的外表面和流通式加热器1的液体输送管道2的内表面之间的空间的总和的容积，插入件6的入口导管13a、13b的容积，和连接在入口导管13a、13b和检测导管15的位置之间的出口导管14的容积。
如果在流通式加热器1的出口侧处，导管插入件6的液体输送导管系统12的导管13a、13b、14的直径显著小于流通式加热器1的液体输送管道2的直径会是非常有利的，使得死区容积可以实际上尽可能的小。由于流通式加热器1的无效部分4的死区容积的减少，本发明允许控制出口温度的改进方法，其导致将本发明应用于其中的设备产生更好的性能。值得提到的这种设备的示例是饮料制作设备，特别是多种类型的咖啡设备和蒸馏咖啡设备，包括滴灌过滤器类型和垫处理类型，和婴儿乳品设备。
设备的制造过程中，其中应用了本发明，提供了常规流通式加热器1，其中通过根据本发明提供了插入件6减少了流通式加热器1的出口侧的死区容积，并且将插入件6的末端部分8引进至流通式加热器1的液体输送管道2中。
本领域技术人员将清楚，本发明的范围不限于前文中讨论的示例，但是在不脱离如所附权利要求书中限定的本发明范围的情况下对示例的若干改进和修改是可能的。尽管已经在附图和说明书中具体地图示和描述了本发明，但是将认为这样的图示和描述仅为示例或者举例而不是限制。本发明并不限于公开的实施例。
本领域技术人员根据对附图、说明书和所附权利要求的研读在实现要求保护的本发明时可以理解和实现对公开的实施例的变形。在权利要求书中，词语“包括”并不排除其他步骤或者单元，而不定冠词“一个/一种”并不排除多个/多种。在互不相同的从属权利要求中记载某些措施这唯一事实并不表明不能有利地利用这些措施的组合。权利要求书中的任何标号不应理解为限制本发明的范围。
本发明可以总结如下。常规设计的流通式加热器1中，可以辨别有效部分和两个位于流通式加热器1的末端的无效部分4，其中无效部分4是流通式加热器1的液体输送管道2不直接与流通式加热器1的加热装置3相关联的部分。当反馈回路控制用于在流通式加热器1的出口5处控制液体的温度时，出口5处无效部分4的容积构成导致反馈过程中的延迟的死区容积，导致温度控制的不稳定性和不精确性。为了预防，应该最小化该延迟。因此，考虑流通式加热器1中液体的流向，期望在流通式加热器1的有效部分之后尽可能快地检测出口温度。这通过应用用于减少通过占据大部分此容积的死区容积的插入件6来实现。实际情形中，插入件6包括用于从流通式加热器1的液体输送管道2输送液体到插入件6的出口10的导管系统12。优选地，在这种情形中，在流通式加热器1的出口5处，液体输送导管系统12的一个或多个导管13a、13b、14的直径显著小于流通式加热器1的液体输送管道2的直径，使得液体输送导管系统12的容积相对小，插入件6中导管系统12的存在不会扰乱死区容积而减少插入件6应用的效果。

Claims (9)

1.一种用于加热液体的设备，包括：
-具有用于输送液体的管道(2)和用于当液体流经所述管道(2)时加热所述液体的装置(3)的流通式加热器(1)；
-用于检测所述流通式加热器(1)的出口(5)处的液体温度的装置(7)，其为用于控制所述流通式加热器(1)的出口(5)处的液体温度的设备的一部分；以及
-部分插入所述流通式加热器(1)的液体输送导管(2)中的插入件(6)，其在所述流通式加热器(1)的出口侧，其中位于所述流通式加热器(1)的液体输送管道(2)内部的插入件(6)的一部分(8)占据存在于不与所述流通式加热器(1)的加热装置(3)直接相关联的液体输送管道(2)的一部分(4)中的空间的至少大部分。
2.根据权利要求1所述的设备，其中在所述流通式加热器(1)的液体输送管道(2)的内部表面和位于所述液体输送管道(2)内部的插入件(6)的部分(8)的外表面之间仅存在小的间隙。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述插入件(6)包括用于将液体从所述流通式加热器(1)的液体输送管道(2)输送到所述插入件(6)的出口(10)的导管系统(12)，以及其中在所述流通式加热器(1)的出口(5)处，所述液体输送导管系统(12)的一个或多个导管(13a、13b、14)的直径显著小于所述流通式加热器(1)的液体输送管道(2)的直径。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述插入件(6)的液体输送导管系统(12)包括至少两个关于彼此成角度地取向的导管(13a、13b、14)。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述插入件(6)的液体输送导管系统(12)包括至少一个用于使液体进入所述导管系统(12)的导管(13a、13b)，其中所述至少一个入口导管(13a、13b)的取向基本上垂直于所述流通式加热器(1)中液体的流向，并且从所述插入件(6)的一侧延伸到另一侧；以及用于使液体从所述导管系统(12)排出的导管(14)，其中所述出口导管(14)的取向基本上平行于所述流通式加热器(1)中液体的流向，并且其中所述至少一个入口导管(13a、13b)与所述出口导管(14)彼此连接。
6.根据权利要求3所述的设备，其中所述插入件(6)进一步包括在位于所述流通式加热器(1)的液体输送管道(2)的外部的插入件(6)的一部分(11)中，从所述插入件(6)的外表面延伸到所述液体输送导管系统(12)的导管(15)，并且其中用于检测所述流通式加热器(1)的出口(5)处的液体温度的装置(7)与所述导管(15)相关联。
7.根据权利要求3所述的设备，进一步包括用于密封在位于所述流通式加热器(1)的液体输送管道(2)内部的插入件(6)的一部分(8)的外表面和所述液体输送管道(2)的内表面之间的空间。
8.一种用于提高在具有用于输送液体的管道(2)和用于当液体流经所述管道(2)时加热所述液体的装置(3)的流通式加热器(1)的出口处液体温度的控制精确度的方法，其中通过提供插入件(6)填充出现在不与所述流通式加热器(1)的加热装置(3)直接相关联的所述流通式加热器(1)的液体输送管道(2)的部分(4)中的大部分空间，并且在所述流通式加热器(1)的出口侧，将至少所述插入件(6)的部分(8)引入至所述流通式加热器(1)的液体输送管道(2)。
9.根据权利要求8所述的方法，其中仅允许所述流通式加热器(1)的液体输送管道(2)的内表面和插入至所述液体输送管道(2)的插入件(6)的部分(8)的外表面之间小的间隙。
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