CN102770055A - 流加热器 - Google Patents

Abstract

一种流加热器，其包括加热元件(48；248)和第一加热区(18，20；218，220)，该第一加热区(18，20；218，220)由加热元件(48；248)加热，用于将流过其的液体加热至低于沸腾点的第一温度。该流加热器还包括第二加热区(22；222)，用于将所述液体加热至低于沸腾点的第二温度。该第二区(22；222)具有用于允许蒸汽与被加热的液体分离地从其离开的装置(25；225)。该流加热器不能操作为使得在第二区(22；222)中发生所述液体的主体沸腾。

Description

流加热器

技术领域

本发明涉及用于加热例如水的液体的流加热器。

背景技术

已知为家用消费提供热的或沸腾的水的多种方法。传统地，电壶或罐用于使一定量的水沸腾，例如用于制作热饮料。

最近，已有允许非常迅速地提供少量热水的产品上市。它们并非批量地加热水体，而是基于流加热器，该流加热器在水通过一侧上带有厚膜印刷元件的狭窄通路时加热这些水。然而这种技术具有显著的缺点。这些缺点中的一个是，与用其能够加热水且限制效率的常规的批量加热器相比有较大的加热元件过热的风险。

在使常规的壶中的水沸腾的过程中，水的主体处于大致相同的温度，其在加热进行时逐渐上升。仅靠近被加热表面的边界层显著较热。热量通过传导从被加热的表面传递至边界层，并且至少最初通过对流从边界层传递至主体。在具有高表面温度的加热器中，边界层中的水能够达到100℃并沸腾，而主体水相对冷。蒸汽气泡由于与较冷的主体的水接触而开始冷凝并塌陷。

随着加热的继续，比周围的水轻的蒸汽气泡从加热器表面上升。随着气泡上升，它们将热量传导至周围较冷的水，并且所造成的冷凝最终导致该气泡塌陷。然而，随着水的主体接近沸腾温度，其不再导致上升的气泡的完全冷凝，并且它们上升至表面并自由破裂，这一般认为是指示水在沸腾。在实践中，在这个阶段，主体的水的温度并非真正在100℃。常规地，家用罐或壶会维持几秒钟的“滚沸(rolling boil)”，这使得主体的水液体能够均匀地达到非常靠近100℃的温度，但是其永远不会真正为100℃，此外，实际的沸腾点取决于其他因素，诸如大气压力和水中溶解的物质的存在。

相比之下，流加热器具有能够根据要求加热水，以及仅操作必需的时长以传送所需要的量的水的益处。然而，消费者期望显现为几乎是瞬间的——当然不长于几秒钟的启动时间。在小的家用产品的情况下，功率的量由可从墙上的插座获得的功率(通常1500W至3000W)确定，并且不能增大。在稳定的状态的条件下，根据热力学基本规律，水的流量将与加热器的输出功率相匹配(对于3kW的加热器，大约0.5升/分钟直至1升/分钟的流量会提供温度范围为从邻近沸腾向下至大约65℃的水)。加热器的类型以及热交换机制几乎没有影响。

当设计具有非常快速的启动的流加热器时，将加热器本身的热质量以及其需要加热至的温度最小化是重要的。将水和加热器之间的接触面积最大化也是重要的。在近来的现有技术中，这些要求已通过使用经由中间电绝缘层结合至不锈钢热交换器的厚膜加热器而解决。该热交换器设计有面向加热器的复杂的腔体，以将接触面积最大化。然而，申请人意识到必须注意水流在加热器表面上的分布。如果允许与表面接触的水的任何部分停滞，其会迅速沸腾，产生蒸汽包。蒸汽包不会再向元件表面提供冷却。此现象的效果是表面的快速局部加热，以及常常为加热器轨道和加热器基片表面之间的绝缘的失效。因此，为了避免此现象，将水约束为在婉蜒的狭窄通道中流动以避免停滞点。

申请人还了解到，随着狭窄水通道的使用出现了另一个问题。当水接近加热器的端部时，其会处于最热——例如85℃。水通道尽管小，仍然包括边界层和主体水通道；边界层中的水将经常沸腾，产生蒸汽气泡。在此构造中，出现在该非常小的通道中的蒸汽气泡不能通过传导和冷凝而传递热量，因为其不能将其表面区域暴露至周围的水，替代地，膨胀的气泡将简单地推动其前方的剩余的水。可以看到，如果此气泡例如在沿通道的长度的80％中发生，其实际上将导致在通道的最后20％中的所有的水猛烈地排出。除了从使用者的角度不期望的“喷出”(spitting)效果之外，覆盖在加热器的端部部分的水的消耗经常能够引起过早的元件失效。

局部热点和喷出的问题约束了流加热器设计能够优化到的程度，该优化是为了将加热器表面积与所需要的液体体积之间的比率最大化以将加热时间最小化。此外，对元件温度提供足够的感测以预防过热的需要也拖累了加热器的设计。

发明内容

从第一方面来看，本发明提供了一种流加热器，其包括：加热元件；由所述加热元件加热的第一加热区，其用于将流过其的液体加热至低于沸腾点的第一温度；以及第二加热区，其用于将所述液体加热至低于沸腾点的第二温度，所述第二区具有用于允许蒸汽与被加热的液体分离地从其离开的装置，其中所述流加热器不能操作为使得在第二区中发生所述液体的主体沸腾。

从第二方面来看，本发明提供了一种流加热器，其包括：被加热的流导管，用于将其中的液体加热至低于沸腾点的第一温度；以及最终加热腔体，用于将所述液体加热至低于沸腾点的第二温度，其中所述加热腔体包括在液体表面之上的空间，用于允许蒸汽从该液体表面逸出，其中所述流加热器不能操作为使得在最终加热腔体中发生所述液体的主体沸腾。

在本申请的情况下，流加热器限定为在液体流过并流出加热器时能够加热液体的流加热器。

本领域技术人员会看出，根据本发明，流加热器设置有第二加热区或最终加热腔体，该第二加热区或最终加热腔体允许蒸汽从水的表面逸出而不会迫使被加热的水出去，即，减小或避免了喷出的现象。此外，用于蒸汽逸出的设施允许加热器的表面保持淹没在水中，从而避免局部热点。即使第二加热区不将液体的主体温度升高至沸腾点，如上文所解释的，微沸腾也会倾向于发生在加热器表面，导致随着主体温度升高而产生局部蒸汽。

标准的流加热器能够看做是在使用中在其中沿流动方向存在温度梯度的流加热器。当本发明允许产生被加热的水时，仅第二区中的水达到最终温度；并不必要像在壶或其他“批量”加热器的情况中那样，将加热器的全部内容物加热至该温度。例如20℃的冷水温度在第一区中预加热至80℃，会具有仅50℃的平均温度。

根据本发明，该第二加热区或最终加热腔体将水从水离开该第一区(例如该第一区类似传统的流加热器)的温度继续加热至更高的温度但主体并不沸腾。为此目的可以设置分离的加热器。然而在一组优选的实施例中，设置有延伸至第二加热区或最终加热腔体中的单个加热器。

在下文中会分别地仅引用第一加热区和第二加热区。然而，这些引用应当理解为等同地应用至根据本发明的第二方面分别列举的被加热的流导管和最终加热腔体。这后两个术语的省略仅仅是为简明的原因，而不应当引出其他结论。

第一加热区和第二加热区之间的过渡的形式对本发明来说并不认为是必要的，并且可以设想出几种可能性。例如该第一加热区可以在其下游端部逐渐打开以形成第二加热区。在这种情况下，第一加热区和第二加热区之间的过渡点可以相对任意地限定。例如，该过渡可以从被加热的液体所流过的通道的尺寸方面来限定，诸如此通道的截面开始扩大或当其完全扩大的点，或中间点。可替换地，可以设想从线性流速方面的限定，例如线性流速减小至第一区中的速度的一半的位置。从功能上来说，该过渡发生在蒸汽气泡能够从液体的表面逸出而不使剩余的液体位移时。

在第一区中，受控的参数是水的速度(实现高速的良好热传递和可接受的水压压降之间的平衡)，而在第二区中受控的参数是水位，实现通过确保加热器被覆盖所得到的热传递和通过确保水位尽可能低所得到的最小化水体积之间的平衡。将第一区和第二区中的水体积最小化将维持最快的启动时间。

根据本发明的第二方面，该被加热的流导管可以以多种方法加热。在一组实施例中，如根据本发明的第一方面，其设置有电加热元件，用于加热其中的液体。然而这不是必要的。可替换地，其可以例如由热交换器的一侧提供，而较热的液体或气体通过该热交换器的另一侧。

用于该第一区的加热元件，或者被加热的流导管的加热元件(在设置有加热元件的情况下)可以采取任何便利的形式。在一组实施例中，该加热元件设置在形成第一加热区的通道或导管的外侧。该元件可以采取所谓的厚膜印刷元件的形式。这种元件常规地是平坦的，但是也能够以不平坦的基底生产。可替换地，如在用于家用壶的所谓的底板下加热器中常见的，其可以包括具有或不具有中间金属热扩散板的带有护套的电阻加热元件。在通道的外侧上具有元件的优点在于其相对容易制造，并且其允许与元件紧密热接触地提供过热保护，以在通道中没有水而元件通电的情况下切断元件。

在另一组实施例中，浸入元件设置在形成第一加热区的通道或导管中。因此，在优选的实施例中，该第一加热区包括用于运送液体的通道，该通道具有设置于其中的带有护套的加热元件，用于加热该液体。该元件可以安装至该通道的壁或与该通道的壁接触，但是在一组优选的实施例中，其设置于该通道中，使得液体始终围绕其外围与其接触。在一组优选的实施例中，该第一加热区优选地包括围绕加热元件的管状套，以使得液体能够在元件和套之间流动。这在液体和加热器表面之间提供大的表面接触面积方面是有益处的，并且还有助于在形成气泡时将喷出的趋势最小化，因为单个的气泡不能占据通道的整个截面。正常操作时，即主体的水温不超过85或90℃时，气泡的形成会在剩余的流中造成较高的水的速度，改善热传递，并且将气泡周边地增长的可能性最小化。

该套可以在轮廓上与该加热元件一致(例如如果加热元件为圆形的截面，则该套为圆形的截面)，但是这不是必要的；其可以为块的形式，其具有限定在其中以容纳该元件和围绕该元件的液体的通道。

任何适合的材料都可以用于该套。在一组优选的实施例中，该套包括不锈钢。这提供了整体的加热器坚固性并且尤其确保了其对例如因不接触液体而操作所导致的过热的耐受性。理想地，该套应当具有低的热质量，并且在不锈钢套的情况下，这意味着在优选的实施例中其应当相对薄。当提供不锈钢的或其他金属的套时，优选地其小于0.7mm厚，更优选地接近0.4-0.6mm厚。申请人发现，与本领域的主流知识相反，实际上具有如上文所概述的薄不锈钢套的标准的带有护套的浸入元件(例如直径为6.6mm，操作于35W/cm²)，实际上具有比典型的对应厚膜加热元件装置低的热质量。

优选地，该加热元件具有圆形截面。优选地，该通道或套(或至少其内部壁)具有圆形截面。当该加热元件的截面是非圆形时，优选地，该套或通道(或至少其内部壁)的截面是相同的形状。

能够对根据本发明的流加热器的操作进行适当的控制是重要的。这样的一方面是防止在加热器不具有液体而意外操作时加热器的严重过热。当然有多种方法可以做到这一点。有利地，过热保护设置在第二区中。这解决了在包括设置于通道中并由液体包围的带有护套的加热元件的流加热器中设置干接通(dry-switch-on)过热保护的基本问题；通道的存在物理上阻碍了与元件良好地热接触地放置传感器。在一个特别便利的实施例中，采用了带有护套的浸入加热元件，其部分以与已知用于传统的浸入壶元件的方法全然相同的方法结合至金属“封头(head)”板，以形成热返回部。这样的优点在于，其允许诸如申请人的极其受欢迎和成功的R7系列控制器的用于浸入元件的常规控制器用于为元件提供初级和二级过热保护。这种控制器的细节在GB-A-2181598中给出。进一步优选地，这种控制器还用于提供直接或间接地到元件的电接触。

该热传感器可以例如为热敏电阻、热电偶或其他电子传感器，或可以为热机械传感器，诸如形状记忆金属致动器或双金属致动器。其可以为直接物理接触，但是，良好的热接触优选通过第二区的导热壁(例如上文所说明的传统的封头和热返回部设置方式)实现。

优选地，该元件与该热传感器良好热接触的部分高于该元件的其余被加热的部分。

附加地或可替换地，可能需要测量加热器中或从加热器离开的液体的温度。这可以例如辅助过热检测，或者其可以用作反馈控制系统的一部分，以控制通过加热器的水的流量。当需要被加热的水时，有利的是能够进行对流量的控制，因为最佳的流量是通过精确的加热器功率、设置的任何泵的性能、电源电压和进入的环境水温度确定的。这些因素的前两个服从于制造公差，而后两个在使用过程中可以改变。

在一组优选的实施例中，设置有用于控制由加热器所供给的液体的温度的装置。申请人已经了解到液体的输出温度是加热器的功率和流量的函数。因此这两个参数中的任一个都可以改变。在一组实施例中，用于控制温度的装置包括用于改变通过加热器的液体的流量的装置。例如，对于典型的3千瓦的加热元件，申请人发现如果通过加热器的流量为接近每分钟590ml，则水能够以接近90℃(假设其在接近17℃开始)供给。如果流量增大至每分钟1000ml，则水以接近60℃的温度供给。

加热元件一通电，液体流动的启动(例如由泵的致动或阀的打开)就可以进行。然而在优选的实施例中，加热器设置为在相对于加热元件的通电的延迟间隔之后启动水的流动。申请人已经了解到通过引入蓄意的延迟，能够确保大致所有液体都在期望的温度分配——即，在分配操作的开始也没有初始的一点较冷的液体。该延迟可以是固定的，但优选地随着加热器中的液体的温度的函数而确定，使得如果加热器中的液体是温的，该延迟减小，可能降至零(无延迟)或甚至负的——即，例如如果该系统在短暂的“切断”时间后再启动，并且选择了较低的期望温度时，泵可以在加热器之前启动。

类似地，流动可以与加热元件同时切断，但是在一组优选的实施例中，加热元件在流动停止之前切断。这允许存储在元件和其他部件中的热量部分地回收以加热水。这不仅能量效率更高，而且意味着该加热器在那之后能够更快地用于分配较冷的液体。

液体分配时间的长度可以是固定的或不限的——例如在使用者保持按下按钮的时长。在一组优选的实施例中，液体以由使用者预设定的时间分配。该时间可以直接设定，但是其优选地借助于分配体积控制器而设定，在该情况下分配时间还将是流量的函数，如上文所解释的，其可能又是分配温度的函数。以预定的时间分配液体有益于允许加热元件在接近分配操作结束时关小或关闭，以如上文所概述的那样回收存储的热量。

申请人已经了解到当液体被加热到的温度增大时，精确地测量其温度是非常困难的，因为第二区中的液体会猛烈运动并会含有许多蒸汽气泡，使得诸如热敏电阻的任何点温度传感器都倾向于给出不精确并大幅波动的结果。然而，申请人设计出了允许精确并稳定得多的确定液体的输出温度的装置。

根据本发明的优选的实施例，温度感测装置设置在第一加热区中，用于确定液体的输出温度。由此，根据这些实施例，在液体最终分配的位置上游进行液体的温度测量，而不是测量液体的实际输出温度。这是由申请人意识到在第一加热区中的已知点的液体的温度和输出温度之间有强的相关性而得出的。若已知液体的容量和测量点下游的加热元件的加热功率，则能够计算输出温度。在第一区中测量温度的优点在于，因为在该区中液体较不猛烈，所以能够进行精确得多的温度测量。

第二区中的水的温度的精确获知(例如由测量第一区中的温度获得)是有益于允许以多种方法控制该设备的。首先，当然其允许水的输出温度变化。然而，其还允许把设备之前操作引起的不平衡的形势考虑进来。例如，如果该设备用于分配热水，并且使用者随后要求了较冷的水，液体的流动可以相对于加热器的通电较早地起始，或者根据液体冷却的程度甚至可以根本不必要使加热器通电。

当在第一区中测量温度时，申请人意识到在一些情况下期望激发围绕通道或导管的纵向轴线的涡流流动分量，因为这确保了较可靠的单点温度测量。基于成本的理由，能够测量温度比要求多个传感器更优选。在一组实施例中，包括第一区的通道或导管包括入口，该入口设置为使得沿从通道或导管的中心轴线偏移的方向向其引入液体，以提供促进通道内侧的液体的混合以及由此的更均匀的温度分布的期望涡流。例如入口可以设置为具有切向的流动分量地引入液体。

在不相互排斥的另一组实施例中，第一区中的通道或导管构造为促进涡流流动。有许多可能的方法可以实现这一点。在这些实施例的子集中，通道的一个或多个壁的内表面设置有螺旋特征部。例如，该表面可以设置有肋、槽、或激发涡流流动的任何其他形式的突出部或凹陷部。该特征部可以部分地或始终围绕内表面的周界延伸，并且可以沿通道的长度全部或部分地延伸。该特征部不需要是连续的；它们可以包括一系列的隆起部或其他突出部。

当通道设置有在通道内侧的浸入元件时，螺旋特征部可以附加地或替代地设置在元件的外表面上。同样不与上文给出的选择相互排斥的另一个可替换的方式是将独立的流成形元件引入至通道中。在特别便利的一组实施例中，这种流成形元件包括围绕浸入在通道中的带有护套的加热元件卷绕的丝。这不仅生产较经济，组装也相对简单。类似的可替换的方式可以包括弹性线圈，该弹性线圈在制造过程中在元件插入的同时围绕元件卷绕并随后释放，从而膨胀抵靠通道壁的内表面。在一些实施例中，丝的粗细显著地小于元件表面和通道壁之间的间隙的宽度，例如不大于其50％；换句话说，该丝并不限定分离的单独螺旋通道，而是简单地通过导致液体的边界层的涡流运动而激发涡流流动。在一些这种实施例中，丝的粗细小于该间隙的宽度的三分之一。

在其他实施例中，丝的宽度大于该间隙的宽度的50％——例如接近等于该间隙的宽度，使得丝限定水流动通过的分离的单独螺旋通道。

流成形装置——例如上述流成形元件——可以沿导管的全部长度延伸，但是在一组优选的实施例中，其沿导管的长度仅部分地延伸。更优选地，该流成形装置的端部从通道或导管的出口轴向偏移。已发现这是有利的，因为通道或导管中的流成形装置的结构本身导致通过通道或导管的液体的压力和流动的局部线性变化，特别是在其占据通道的截面流面积的多于50％时，因为流动倾向于沿流成形装置的“前边缘(leading edge)”而集中。这能够导致所感测的液体温度的变化。流成形装置的端部从通道或导管的出口偏移，允许成涡流的液体充分混合在一起，从而在温度测量点处

(通常在通道或导管的出口附近)，由于流成形装置导致的液体中存在的温度的任何变化会减小。

这就其自身而不仅在上文所说明的实施例中被认为是有新颖性和创造性的，因此从另一个方面，本发明提供了一种流加热器，其包括用于运送液体的通道，所述通道具有入口和出口以及设置在通道中或通道上的加热元件，其中该通道包括流成形装置，该流成形装置具有从所述出口轴向偏移的端部，以沿通道的长度仅部分地延伸。

优选地，该流成形装置构造为向通道中的液体引入涡流运动。该流成形装置可以包括引入至通道中的流成形元件，但这不是必要的。如上文所说明，其可以包括在通道的壁上或在设置在通道中的带有护套的元件上(当设置有该带有护套的元件时)的诸如肋、槽等的特征部。

流成形装置的端部还可以从通道或导管的入口偏移。这反应了申请人的意识，即如果直到最后才测量温度，一般不必要为流动的第一段引入涡流。这简化了组件并进一步降低了材料成本。

在一组实施例中，流成形装置的端部从出口偏移的距离大于通道或导管的直径(或等效地说，最小截面尺寸)，例如大于直径的两倍，例如大于直径的三倍。这允许液体变得良好地混合，以在其到达通道或导管的出口的附近(通常在此处测量温度)之前将任何温度变化最小化。此外，通过使流成形装置从出口偏移通道或导管的长度的假定30％，在流成形装置的位置中的主体的水温将不会接近沸腾点，因此，即使尽管有局部停滞或漩涡的风险，也减小了无意的局部沸腾的风险。

优选地，流成形装置具有螺旋构造。在一组实施例中，该螺旋构造包括多个匝，由此，对于其长度的至少一部分，相邻匝之间的距离随着离开与所述入口最靠近的端部而减小。此设置方式的益处在于，从入口流动的液体最初经历流成形装置的较缓和的梯度，由此最小化猛烈度，但是随着螺旋流成形装置的梯度增大，实现了快速的旋转并由此实现液体的混合，其允许对离开流成形装置的液体的可靠的温度测量。

这就其自身被认为是有新颖性和创造性的，因此从另一个方面，本发明提供了一种流加热器，其包括用于运送液体的通道，所述通道具有入口和出口以及设置在通道中或通道上的加热元件，其中该通道包括流成形装置，该流成形装置具有包括多个匝的螺旋构造，由此，对于其长度的至少一部分，相邻匝之间的距离随着离开与入口最靠近的端部而减小。

根据本发明的所有方面，液体流动可以通过静水压力驱动，该静水压力通过在出口上方设置液体蓄存器以及使用阀或水龙头而实现。然而，优选设置泵以驱动液体通过流加热器。

在本发明的第一方面的一组优选的实施例中，第一区包括相互流体平行的一对通道，该对通道均与第二区连通。通过将这些通道也设置为至少接近物理平行，对于给定的总流体路径长度，加热器组件的整体尺寸能够减小，这在生产可接受的工业设计时给出了更大的自由。可以为各自的通道设置分离的加热元件，但是优选地设置单个公共元件。有利地，这包括带有护套的加热元件，其形成为接近U形，使得其每个臂设置在各自的一个通道中，并且一个或多个弯曲段设置在第二区中。申请人认识到，在这种设置方式中，确保每个通道中的流动足够平衡以防止该元件的一部分相对于其它部分过热是重要的。如下文将解释的，进一步设计了几种实现其的方法。

加热器可以包括用于每个通道的泵，每个通道具有独立的流量反馈控制电路，但是在一组优选的实施例中，加热器包括向两个通道均供给的公共泵，因为这降低了成本和复杂性。申请人意识到在这种装置中，在一些情况下存在两个通道之间的流动不平衡的可能。这例如可以为一个通道中的加热元件管道(如果使用了这种装置)与另一个相比略微偏离中心，会有不均匀的水垢堆积，或产生蒸汽气泡。

申请人认识到，如果允许不平衡地影响通道的流阻的因素对对应的流量具有显著影响，则将失去对加热器的温度的控制，并且过热的风险严重。然而，进一步认识到，如果整体加热器系统构造为使得被加热的通道呈现出系统中的整体压降的微小比例，则这种不平衡的因素的影响能够减小。因此，在一组实施例中，加热器系统包括在被加热的流通道上游的装置，其用于限制到其的液体流动，以使得在使用中跨过该流限制装置的压降大于从泵至通道的出口的总压降的50％。

这就其自身被认为是有新颖性和创造性的，因此当从另一个方面来看时，本发明提供了一种用于加热液体的设备，其包括：两个被加热的流通道，每个被加热的流通道包括用于加热流过其的液体的加热装置，并且每个通道具有入口和出口；公共泵，其用于将液体供给至被加热的流通道，以及在被加热的流通道上游的装置，其用于限制到其的液体流动，使得在使用中跨过流限制装置的压降大于从泵至通道的出口的总压降的50％。所述总压降可以等于大于500mm的水的压差。

由此将了解，如上文所解释的，用于限制到两个被加热的流通道中的流动的装置有助于将两个被加热的流通道的阻力之间的不平衡效果最小化，并且因此为加热装置提供一些针对过热的保护。

可以为两个通道设置公共的流限制装置，但是在一些优选的实施例中，为每个通道设置单独的限制件。通过例如在工厂调整每个这种限制件的阻力，能够补偿在生产时出现的其流阻之间的任何微小的不平衡。

用于限制流动的装置可以简单地通过管道、歧管等的模压或机械加工的形状而提供，但是便利地，使用分离的孔径受限部件。如上文所提到的，此选择提供了调整流阻的灵活性——通过调整部件的长度和/或通过从一系列不同孔径的部件中选择。

在一组实施例中，跨过用于限制流动的装置的压降大于总压降的75％，例如大于85％，例如大于90％。如将要了解的，跨过限制装置的压降越高，被加热的流通道的流阻之间的任何不平衡的效果越不显著，因此能够实现的可靠性的改善越大。然而，为提供通过人工增大的流阻的所设计的流量，这需要提供较高功率的泵为代价。

在提供解决通道之间的流阻不平衡的另一种方法的(不相互排斥的)一组实施例中，平行的通道中的每个设置有流调节装置，该流调节装置构造为根据通过对应通道的流量而提供流阻，使得随着通道中的流量增大(例如由减小另一个通道中的流动的阻塞物所导致)，该流调节装置的流阻增大以补偿。虽然这将导致通过两个通道的总流量的整体减小，但是对于通道中的流量处于不平衡来说这是优选的。流量的整体减小能够例如通过增大泵速而补偿。

这就其自身被认为是有新颖性和创造性的，因此从另一个方面，本发明提供了一种流加热器，其包括至少两个流体平行的通道，其中每个通道包括：

加热元件，其设置在该通道上或该通道中，以加热流过其的液体；以及

流调节装置，其构造为根据通过对应通道的流量而提供流阻，使得随着通道中的流量增大，由流调节装置提供的流阻增大。

该流调节装置可以采取多个不同形式，该多个不同形式中的一些本身可以是本领域中已知的。然而，在特别便利的一组实施例中，已发现使用上文所讨论的类型的用于将涡流引入至通道中的流动中的螺旋构造的流成形元件(通过使其由弹性材料形成)能够实现这种效果。这是因为随着流量增大，其倾向于迫使元件逆着其弹性而收缩，减小相邻匝的分离。这给出了液体被激发(或被迫使)沿其而行的螺旋路径的较小的有效段，由此增大流阻。虽然不是必要的，但是典型地，这种流成形元件会设置为在设置于通道中的带有护套的加热元件之外，也就是在元件和通道的内部壁之间。

流成形元件优选地在其下游端部处固定至例如元件(如果该元件设置在通道中)或通道的壁，并且在上游端部处允许移动(以允许需要的收缩)。

将了解，通过采用这种流调节装置，能够实现某种程度的自调节并且由此实现两个通道中的流动的平衡。当此特征有益地可以与之前讨论的流限制装置结合地采用时，其可以允许流限制装置的阻力与没有这种自调节的其值相比减小。

在提供解决通道之间的流阻不平衡的又一种方法的(不相互排斥的)一组实施例中，该设备包括用于将来自泵的液体供给至两个被加热的流通道的两个入口通道，其中该两个入口通道包括用于响应于一个入口通道中的压力增大而增大另一个入口通道中的流阻的装置。由此将了解，当被加热的流通道中的一个中的压力增大，且因此其相关联的入口通道中的压力增大(例如由减小被加热的通道中的流动的阻塞物所导致)时，另一个入口通道中的阻力增大，以使两个入口通道之间的压力平衡，从而使被加热的流通道的流量平衡。此外，虽然这将导致通过两个被加热的通道的总流量的整体减小，但是对于通道中的流量处于不平衡来说这是优选的。流量的整体减小能够例如通过增大泵速而补偿。

这就其自身被认为是有新颖性和创造性的，因此从另一个方面，本发明提供了一种用于加热液体的设备，其包括：两个被加热的流通道，每个被加热的流通道包括用于加热流过其的液体的加热装置，并且每个通道具有入口和出口；公共泵，其用于将液体供给至被加热的流通道；以及两个入口通道，其用于将来自泵的液体供给至两个被加热的流通道，其中两个入口通道包括用于响应于一个入口通道中的压力增大而增大另一个入口通道中的流阻的装置。

还将了解，用于增大一个入口通道中的流阻的装置可以代替前面列举的用于调节或限制流动的装置，并且因此在一组实施例中，其允许使用较低功率的泵，因为不是必须克服由流调节或流限制装置所提供的阻力，其仅仅为使流动平衡的可变流阻。然而，申请人意识到使用与用于增大一个入口通道中的流阻的装置和更高压力的泵结合的流调节或流限制装置可能是有利的，因为这能够对通过通道的流动中的任何变化给出更瞬时的响应。

用于响应于一个入口通道中的压力而改变另一个入口通道中的阻力的装置可以包括两个分离的入口通道之间的机械联接部，例如柔性或可位移的壁之间的填充有流体或凝胶的区、支杆、肋或其他联接部。然而，在一组优选的实施例中，入口通道至少在其部分长度上共享可位移的公共壁。因此，当入口通道中的一个的压力增大时，公共壁位移，以增大该入口通道的截面流面积，并且减小另一个入口通道中的流面积，由此使两个入口通道之间的压力平衡，从而使通过被加热的流通道的流量平衡。

该可位移的公共壁可以仅包括两个入口通道之间的柔性或簧载壁。然而，在一组优选的实施例中，该公共壁包括配给增压块中的隔膜。在配给增压块中设置隔膜给出了两侧之间的大的公共面积，由此给出了对通道之间的流平衡的精细控制。该隔膜可以包括用于将隔膜偏置于其中心位置的偏置装置，例如在隔膜的任一侧的弹簧，以使得能够控制隔膜的弹性响应。

除了已陈述的，根据本发明的所有方面，可以采用该流加热器以生产沸腾液体——例如通过将第二区中的液体加热至沸腾点。

没有明确提到的是，能够在这样的流加热器中有利地采用本发明的所有方面，该流加热器包括：第一加热区，其用于将流过其的液体加热至低于沸腾点的第一温度；以及第二加热区，其用于将所述液体进一步加热至沸腾点或加热至低于沸腾点的第二温度，所述第二区具有用于允许蒸汽与被加热的液体分离地从其离开的装置。

在本发明的所有方面中，用于允许蒸汽与被加热的液体分离地从其离开的装置优选地构造为允许蒸汽和被加热的液体同时离开其各自的离开装置。

根据本发明，有许多用于从第二区分配已加热的液体的可能的装置。一个可能性可以是简单的阀或水龙头，用于允许水从第二区/最终加热腔体排出。这种装置的问题在于通过这种阀或水龙头的流出必须与来自泵的流入准确协调。例如，如果流出量即使稍微大于流入量(或者如果过早地开始向外流动)，加热器也会干运行。如果流出量稍微低，则流出腔体会溢出，或者随着水位增高，腔体中的微沸腾效果会导致水喷出。这之所以会发生，是因为由于在表面生成的蒸汽气泡现在必须行进通过垂直水体，它们会携带水滴并以高速度将它们输送至表面。如所讨论的，泵的流入可以不规则地开始和停止，并且响应于所有的输入变量(期望的出口温度、入口水温、电压波动以及可能发生在任何闭环控制系统中的固有振荡)而不断变化。在启动时阻止流出直到已进入充分的水将系统填充至其预期的工作水位的需要进一步加剧了控制流出的困难。

因此，在一组优选的实施例中，设置允许液体在液体达到预定的水位时自动流出的装置。这确保一定量的液体得以保留，并且因此能够确保加热器表面被充分覆盖以阻止其过热。这种功能可以通过电子地或通过使用浮漂实现，但是优选地，设置堰以使得当第二区/最终加热腔体中的水位超过预定的高度(由堰的高度确定)时，液体逸过该堰和逸出第二区/最终加热腔体之外。

在一组实施例中，堰设置在第二区中，该堰的高度围绕其周界变化。这能够允许对第二区中给定高度的液体的流出量的更好的控制。

在一组实施例中，第二区中设置有出口，该出口的表面积随着该第二区中的液体的高度增大。这也能够允许对从第二区的流出量的更好的控制。特别地，其能够构造为在一定的流入量的范围内都允许第二区中的液体维持对加热元件的足够覆盖。

已发现，上文所概述的两个特征能够使用具有开口的出口而实现，该开口成形为与加热元件的设置在第二区中的部分的形状接近一致——例如使得该开口处于与元件的接近固定的间隔处。在另一组实施例中，跨过出口设置有堰，该堰的开口表面积随着第二区中的液体的高度增大。

优选地，第二区的出口设置为在流入量低于预定阈值时，允许液体从其排出至第二区中的加热元件的一部分之下的水位。这确保了如果系统中的流动大幅减慢或意外中止，元件在第二区中的所述部分将过热并在元件的第一区中的部分由于低流量而导致过热之前触发过热保护。在一组实施例中，这是通过将出口的表面积或跨过出口的堰的表面积构造为随第二区中的液体的高度增大而实现的。表面积随高度的增大可以为线性或非线性的。

在本发明的所有实施例中，从加热腔体离开的已加热的或沸腾的液体可以例如通过喷嘴直接分配至使用者的容器中，或者可以运送至器具的另一个部分用于进一步处理。

根据本发明的各种方面，允许蒸汽从第二区与被加热的液体分离地离开。在正常使用中，其可以被引导以从器具的远离使用者的一部分离开。例如，其可以排放至器具的后部。在其他实施例中，可以将蒸汽捕获并冷凝在适合的捕集器、滴水盘等中。这可以是专用的滴水盘，或者更便利地，可以使用位于喷嘴下方的滴水盘。

在一组实施例中，蒸汽出口构造为将蒸汽从第二区引导至放置为接收从设备分配的被加热的液体的容器中。这具有几个益处。第一，其通过避免蒸汽从器具的另一部分放出(这对于使用者来说可能是不期望的)而增强了安全性，相反使用者将期望热流体从喷嘴放出；能够将蒸汽以及水捕获在容器中。第二，蒸汽可以辅助限制在分配被加热的液体时，从被加热的液体中损失的热量，由此提供更接近需要的温度的液体。第三，特别是在意图提供接近沸腾点的水的器具或操作模式中，在出口附近见到蒸汽给予使用者较大的感知，即所提供的水在沸腾。

在上文提到的便利的一组实施例中，蒸汽路径和被加热的液体的路径由延伸至第二区中的同轴管道设置方式来提供。蒸汽路径管道的开口会设置在第二区中所期望的液体的最高水平面之上的水平面处，而液体管道的开口会低于此水平面。由此，此设置方式维持了用于被加热的液体和蒸汽/水蒸气的重要的区分开的路径，这对于最小化喷出来说是关键。

在本发明的一些实施例中，将第二区/最终加热腔体和大气之间的蒸汽路径充分限制，以在使用中产生跨过其的在0.1和1巴之间的，优选地在0.2巴和0.5巴之间的压力差。通过允许第二区/最终加热腔体在使用中变得与大气相比稍微增压，水或其他液体的沸腾温度稍微增大，这有助于提高在使用者的容器中实际接收的液体的温度。

本文中提及了“蒸汽”，这不应当理解为暗示发生任何显著的或主体的沸腾；而是意图指示可能出现的任何水蒸气、潮湿空气或严格意义上的蒸汽。

设备，特别是第一区的取向能够选择为适合其中采用了该加热器的器具的形式。便利地，在一组实施例中，第一区中的被加热的流导管设置为水平延伸，但是在一些实施例中，例如在咖啡机中，通道或被加热的流导管设置为垂直延伸，以节省空间。

附图说明

现将仅通过示例的方式结合附图说明本发明的某些实施例，在附图中：

图1是体现本发明的分配被加热的水的设备的立体图；

图2是该设备的部分剖视图，示出了该设备的主要部件；

图3是通过水蓄存器和其他部件的截面图；

图4是通过水入口配给块和流加热器管的水平截面图；

图5和图6是流加热器、加热腔体、控制单元和变型的水配给块的立体图；

图7是变型的水配给块的特写图；

图8是示出图7的变型的水配给块的内部的垂直截面图；

图9是示出流加热器中的一个的内部的垂直截面图；

图10是示出另一个流加热器的内部的垂直截面图；

图11是通过加热管道的大幅放大截面图；

图12是元件封头和控制单元的从前方看的分解图；

图13是元件封头和控制单元的从后方看的分解图；

图14是为了清楚移除了元件封头的加热腔体的视图；

图15是示出加热腔体的内部的垂直截面图；

图16和17是另一个实施例的流加热器、加热腔体、控制单元和水配给块的立体图；以及

图18和19是示出图16和17的加热腔体的内部的垂直截面图。

具体实施方式

图1示出了本发明的一个实施例，其能够用于根据要求分配被加热的水至杯2中以制作热饮料。水的温度也能够通过旋转旋钮4来调整。分配温度能够例如从65℃至邻近100℃变化。要分配的水的量通过第二旋钮(未示出)控制。该设备的主要部分的上部上是水箱8，其必须由使用者定期填充。

图2示出了该设备的一些主要内部部件，为了清楚省略了其他部分。从这里可以看到水箱8，连接至泵12的入口侧的出口管10从该水箱8向下延伸。如下文将参考图4至8较详细解释地，该泵12的出口侧经由管道14连接至水配给增压块16，其将进入该块的水在一起形成第一加热区的两个平行的流加热器段18、20之间配给。

在流加热器部分18、20的下游端部有形成第二加热区的加热腔体22。这是由深拉不锈钢杯23装配至接近圆形的不锈钢元件封头54形成的(见图3、8、9、13和14)。该加热腔体22具有从其向下凸出的出口喷嘴24，用于将已加热的水分配至使用者的杯2中。

图3的截面示出了水箱8的内部。从这里可以看到该水箱8的底座具有圆形开孔26，该圆形开孔26设计为接收水过滤器，例如申请人的AquaOptima水过滤器。这由用附图标记28标记的部件非常示意性地表示。该水过滤器28具有受限制的出口开孔(典型地为4mm的量级)，这在本发明的情况下具有附加的益处，即其太小而不会在过滤器中有水时允许空气进入该过滤器中；如果不这样，空气气泡会进入过滤器和蓄存器中从而允许水连续流动。水过滤器28的下部接收在另外的中间保持腔体30中，在该中间保持腔体30的中心是连接至管10的出口，该管10将该出口连接至泵12。

垂直管道32从保持腔体30的上部延伸至主水箱8中，并且正好在水箱8的顶部的凹进部分34内侧终止。这允许保持腔体30和水箱8之间的压力均衡。

图4示出了通过配给增压块16和两个平行的流加热器18、20的水平截面的示意图。泵的出口侧经由管道(这里未示出)连接至该配给块16中的垂直入口通道36。在该块中其连接至两个侧向延伸的管道38，该两个侧向延伸的管道38向外开口至与该侧向管道38成直角的对应的较大口径的圆形截面的圆柱形腔体40、42中。侧向管道38中的每个中设置有环37，该环37具有与对应的侧向管道38的内径相等的外径，以形成紧密的过盈配合。环37的内径明显比管道38狭窄，从而呈现有意的附加流阻。环37的入口端部可以向外展开。因为环37是在制造过程中插入的分离部件，所以可以在任一侧上使用具有稍微不同的流阻的环，以补偿可能在制造过程中出现的两个流加热器管道18、20的流阻的任何固有区别。最便利的实现方式是通过调整单独的环的长度而提供所需要的流阻。

该圆柱形腔体40、42分别接收两个流加热器段18、20的端部。如现在能够看到的，流加热器段18、20中的每个包括外套44、46以及一定长度的带有护套的浸入型加热元件48，虽然没有描绘，该加热元件48包括不锈钢壳体和包裹在氧化镁绝缘粉末中的卷绕电阻丝。该浸入元件的不发热引线(cold tail)50、52通过设置在配给增压块16的后部中的孔露出。

两个流加热器套筒44、46的直径大于对应的加热元件48，并且从而为流加热器段18、20中的每个在其之间限定对应的环形通道。如从此截面可以看到的，该套筒44、46与块16中的圆形通道40、42的前端部形成密封连接，但是在那些通道中在其与侧向通道38汇合的点之前停止，使得流加热器18、20中的每个中的前述的环形通道是开口至形成在配给块16中的圆柱形腔体40、42的，同时带有护套的元件48延伸通过该块并抵靠其密封。这样的结果是有从块入口36经由侧向通道38、环37和圆柱形腔体40、42至两个流加热器18、20的内部环形通道的流体路径。

图5和6示出了从图1到4中所示出的实施例略微变型的实施例的两个不同的视图，其大多数部件是相同的。主要区别是设置在流加热器18、20的入口端部之间的不同形状的配给增压块16’。除图1到4中示出的特征之外，管道41从加热腔体22的下表面与流加热器中的一个18的出口相邻地延伸。另一个管道43从另一个流加热器20的下侧正好在其进入加热腔体22中的出口之前延伸。在这两个管道41、43中的每个中容纳有热敏电阻(在图8和9中示出)，该热敏电阻定位为在流加热器18、20的各自的点处感测水的温度。还示出了标准浸入元件控制单元58，其固定至浸入元件封头板54的加热腔体22的另一侧。

图7示出了包括侧向管道38’和环37’的配给增压块16’的特写图，该侧向管道38’和环37’的设置方式与图4中所示出的设置方式不同。其中设置有环37’的侧向管道38’在配给增压块16’的任一侧上从配给增压块16’的表面向外凸出。管(未示出)连接至侧向管道38’中的每个上，以提供到泵12的出口管14的流体连接。

图8示出了通过图7的配给增压块的垂直截面。在配给增压块16’的内侧，侧向管道38’及其环37’通往由隔膜100分离的两个圆形段的圆柱形腔体140、142的底部中。由诸如硅橡胶的柔性材料制成的隔膜包括在其周边处的肋，该肋夹在配给增压块16’的两半之间，使得其拉伸以产生两个分离的入口腔体140、142。

圆柱形腔体140、142中的每个在配给增压块16’中经由两个另外的侧向管道102、104，连接至与侧向管道102、104成直角的两个另外的圆形段圆柱形腔体40’、42’。圆柱形腔体40’、42’分别接收两个流加热器段18、20的端部。这样的结果是有从入口侧向管道38’、环37’经由圆柱形腔体140、142、另外的侧向管道102、104和另外的圆柱形腔体40’、42’到两个流加热器18、20的内部环形通道的流体路径。隔膜还包括与直通配给增压块16’的两个侧向管道102、104相对的加宽的中心部分，在配给增压块16’中的两个圆形段圆柱形腔体140、142中的一个中的压力大大增加的情况下(例如由于两个流加热器18、20中的一个中完全阻塞)，该中心部分将起到将直通另外的圆柱形腔体140、142的侧向管道102、104的开口密封的作用。这由侧向管道102、104的开口从圆柱形腔体140、142的边缘略微凸出予以辅助。

图9示出了流加热器18、20的全部长度。从这里能够看到，其各自的外套筒44、46在另一个端部密封至加热腔体22。加热元件48延伸至加热腔体22中并弯曲过来以形成两个伸长的臂，该两个伸长的臂分别形成两个流加热器18、20的一部分。这在图11和13中看得更清楚。在图9中还示出了收容热敏电阻45的管道41，其从加热腔体22的下表面与流加热器中的一个18的出口相邻地延伸。热敏电阻45凸出到加热腔体22中底座上方一小段距离。

图10示出了与图9类似的，但是从流加热器18、20的相对侧的视图。这示出了其中收容有热敏电阻47的另一个管道43，其从另一个流加热器20的下侧正好在其进入加热腔体22中的出口之前延伸。热敏电阻47的顶端与流加热器20的套46齐平地坐落。

图9和图10中以及图11中的放大的孤立视图示出了(图12到图14中再一次示出)丝96，其以螺旋方式围绕带有护套的加热元件48的两个臂中的每个卷绕。该丝96设计为激发在流加热器的环形通道内侧的水的涡流，并且在从不发热引线50、52沿带有护套的加热元件48的每个臂的大约半路处开始其螺旋缠绕。丝96的匝相对于带有护套的加热元件的轴线以浅梯度开始，并且梯度增加，使得丝96的匝之间的距离随着每个匝减小。丝96的螺旋缠绕持续三个匝，其之间具有分别接近3×d、2×d和d的距离，其中d是流加热器套筒44、46的直径。螺旋缠绕在离流加热器18、20的出口接近3×d的距离处结束。

在制造过程中，在将元件48的臂插入各自的套筒44、46中(例如见图9和10)之前执行丝96的螺旋缠绕，以形成环形通道(在使用中水沿该环形通道流动)。丝96由具有例如0.4mm的直径的不锈钢便利地制成，但是可以选择该丝的材料、尺寸和螺距以适合特定的应用。然而，从图11中将注意到，至少在此特定的实施例中，围绕该元件48卷绕的丝96的宽度足够宽，以几乎完全地填充形成在元件48和外套筒44之间的环形通道。已发现，在使用中，丝96的存在会激发水在各自通道内侧的涡流运动，如上文所解释的，该涡流运动给出更均匀的周边温度分布，并且从而便于温度测量。螺旋丝96的匝之间的减小的距离使得丝96相对于加热元件48的轴线的梯度不会太大以导致对水的流动的破坏性影响，但是在丝96的端部处梯度增大之时，这产生了水的必要的快速涡流运动，以使其充分混合，以使得能够在丝的下游得到可靠的温度测量。丝96在流加热器48的端部之前停止，这允许水在其到达温度传感器45、47之前自由地混合，所感测的温度不被由丝所导致的流假象所影响。

两个螺旋丝96在其各自的下游端部点焊至元件管道48，使得线圈的剩余部可相对于元件48纵向自由移动。在使用中，这提供了对管道的流阻的某种程度的自调节，该管道的流阻取决于弹簧96使水沿其而行的螺旋路径的横截面积。可以了解，该截面积取决于形成在元件48和套44、46之间的整个环形空间的高度；并依赖于丝线圈96的相邻匝之间的距离。如果在流加热器段中的一个18中出现部分阻塞，则在另一个20中的流量将升高，因为其呈现为向增压部16之外的更容易的路径。然而，这将倾向于压缩第二通道20中的弹簧线圈96，由此增大其流阻，直到两个通道18、20之间的平衡恢复。这有减少通过设备的总流量的代价，但是对于两个通道中不平衡的流量来说，这是优选的。总减少量能够通过增大泵送速度而在一定范围内增大。

如从图9、10和12中能够看到的，元件48的弯曲部分钎焊至与在传统浸入元件的壶中看到的元件封头板非常相似的浸入元件封头板54。此设置方式已知为热返回部，如从图13中能够看到的，该封头板54的另一侧形成有半圆形凹进部56以接收标准浸入元件控制单元58的快动(snap-acting)双金属致动器57。图13还示出了从该热返回部延伸的铜带60，控制单元58的尼龙热熔断器59(图12中示出)承靠该铜带60，以提供第二级别的过热保护。可替换地，也如本领域中已知的，在镀镍的铜的浸入元件封头中不需要铜带。

本领域技术人员在看到图12和13时可以了解，元件的不发热引线50、52并不像浸入壶元件常规的那样通过元件封头54凸出，而是其通过配给增压块16(在图12和13中为了清楚而省略)凸出。代替地，两个伪(dummy)不发热引线部件62、64通过该元件封头54凸出，以与控制单元58建立电接触，并且又借助于飞线(未示出)连接至不发热引线(严格意义上的)50、52。这允许标准生产的控制单元58不用修改即可采用，这比起需要设计并生产新的专用控制单元来说很大地节省成本。该元件封头设置有用于控制单元58的三个安装螺柱66。

从图14(移除了元件封头54)和图15的视图能最好地看到加热腔体22的内部。从这里能够看到由不锈钢杯23形成的腔体22大体上为短粗圆柱形形状，但是其内部体积由两个伪不发热引线62、64、加热元件48的弯曲部分以及由蒸汽管道25限定，该蒸汽管道25几乎延伸至加热腔体22的顶部，并且同轴地通过出口喷嘴24而出来。该蒸汽管道形成用于蒸汽和水蒸气的出口，该蒸汽和水蒸气是来自腔体22的并从用于被加热的液体的出口路径分离。

螺栓66也通过加热腔体22(以及蒸汽管道25)，以将不锈钢杯23加接至元件封头54上。

出口管道顶部24a并非平的而是有圆齿的，以容纳加热元件48的弯曲部分。此外，使蒸汽管道25通过出口管道24的中部，这限制了水向出口管道24外流动，由此确保加热元件48保持足够地覆盖在水中，从而防止正常使用中的过热。出口管道顶部24a的有圆齿的形状还防止从流加热器18、20的通道出来的水直接流动至出口管道24中，由此确保其被适当地加热至期望的温度。出口管道24顶部的形状的第三个功能是，通过使其朝向加热腔体的底部的最低部位于加热元件48的水平面以下，如果来自流加热器18、20的水流突然减少或停止(例如由于流加热器18、20中的阻塞)，则腔体22会迅速流干。这导致加热元件48的暴露在加热腔体22中的部分过热，而这能够经由热返回部迅速感测到，然而出口管道24的顶部的最低水平面仍然足够高，以使一些水保持在加热腔体22的底部中，以提供来自热敏电阻45、47的可靠的温度测量。蒸汽管道25和出口管道24的直径选择为使得在操作过程中加热腔体22变得略微增压(例如至大约1巴)。如果例如在加热器用于诸如滴漏式咖啡机的设备中，这起到了将从加热腔体输出的水增压的作用。

现将说明该设备的操作。首先使用者通过移除水箱8，将其倒置，移除水过滤器28并从水龙头填充而以水填充水箱8。然后放回过滤器28，再次倒置该箱并随后放回该设备上。如已知地，水立刻开始以由水过滤器的受限制的出口确定的速率通过其中的水过滤器28。随着水通过过滤器28，其开始填充连接管10以及随后填充下部保持腔体30，通过通风管道32将空气位移至水箱8的密封的顶部空间中。当保持腔体30中的水位达到通风管道32的底部时，空气不再能够从腔体排出，这样水停止流动。

当使用者希望分配水时，他/她在第一旋钮4上设定所需要的温度，然后从“关闭”位置旋转第二旋钮(未示出)至所需要的体积。最初，控制电路(未示出)致动加热元件48。在一或两秒钟的延迟(取决于已经在加热器中的水的温度)之后，泵12操作以从下部腔体30经由管10和14将水泵送至配给增压块16、16’。在其他实施例中，该泵可以在加热器之前启动。

当水通过增压块中的通道38时，水流在左和右通道之间平衡。这些通道38中的环37、37’的口径选择为使得跨过环37、37’的压降远大于水压系统的所有其余部分。这对于维持通过下游的环形通道18、20的正确流动是非常重要的。例如，如果在一个通道18、20中出现微小的限制而另一个中没有出现，在流量上几乎没有影响，因为显著的压降是通过环37、37’的。比如10∶1的压降比率即给出所需要的效果。例如如果跨过该管状加热器18、20的压降相当于100mm的水压差，则跨过该增压通道38的压降将相当于1000mm的压差。在图5至15中示出的实施例中，流动的进一步平衡通过设置在配给增压块16’的中心的隔膜100调节。该隔膜100的设置起到减少通过配给增压块16’的一侧的截面流面积，同时增大通过另一侧的截面流面积的作用，由此增大其中流量已减小(例如由于阻塞)的一侧上的流量，并通过减小在另一侧上的流量而使其平衡。

一旦水已泵送至配给块16、16’中，其被泵送通过此处并向下沿着加热元件48和对应的不锈钢外部套44、46之间的两个流加热器18、20的每一个的环形通道。随着水通过，这将水从配给块16、16’中的环境温度(20℃的量级)快速地加热至流加热器18、20的下游端部处的50℃到80℃之间(取决于在出口管道24处的水的期望温度，其能够选择为65℃到几乎100℃之间)。流加热器18、20中的每个中的以螺旋方式设置的丝96起到在水沿环形通道经过时使水成涡流的作用。该丝96在环形通道的端部之前停止，以允许成涡流的水在其在流加热器18、20的端部附近被测量温度之前良好地混合，因为如上文所讨论的，已经发现丝的存在能够引出温度的与空间有关的偏差。

水的温度由热敏电阻45、47监测，该热敏电阻45、47分别凸出至流加热器中的一个18的邻近加热腔体22的一侧中的管道41、43中，以及在另一个流加热器20的出口处凸出至加热腔体22中。这里该温度能够精确并可靠地监测，因为水没有沸腾并且因此其中没有大量蒸汽气泡，并且还因为不再存在螺旋丝96，这允许成涡流的水混合，并使任何温度区别都平衡。使两个热敏电阻45、47处于流加热器18、20中任一个上的略微不同的点处，给出了对水温的两个独立测量，以允许较精确确定最终出口的水温预计为多少。控制电路能够使用所测量的温度中的任何变动而改变泵12的速度，以对应地产生从流加热器18、20输出的水的恒定温度，即增大泵速，以减小水的温度，反之亦然。

然后，水排出流加热器18、20并且进入加热腔体22的内部，在这里其开始填充此腔体，由此(在正常操作条件下)覆盖元件48的凸出至加热腔体22中的弯曲部分。在加热元件48的弯曲部分继续加热加热腔体22中的水。借助于在其顶部处开口的蒸汽管道25，在加热腔体22中的水加热的过程中由微沸腾而产生的任何蒸汽能够容易地逸出。蒸汽通过蒸汽管道并来到便利的出口，然而由于蒸汽管道同轴地通过水出口管道24，其有利地帮助保持被加热的水在其从加热腔体22进入使用者的杯2中时是温的。

特别地参考图14和15，能够看到当加热腔体22中的水位上升至与出口管道24的顶部的最低部齐平和高于出口管道24的顶部的最低部时，其将开始通过开孔并通过出口管道24向外涌并进入使用者的杯2中。所泵送的流量与元件48的功率匹配，使得在水离开加热腔体通过开孔和出口管道24时其处于需要的温度。该出口管道顶部24a的高度和有圆齿的形状选择为确保在正常流量下元件48保持覆盖在水中，但是如果流量下降，则加热腔体22会迅速流干，以迅速触发快动双金属致动器57。

被加热的水继续分配，直到使用者所设定的体积已经分配。在该点切断泵12。为增大该设备的能量效率，加热元件48在泵关闭之前大约2秒关闭。在元件和其他部件中有充足的存储的能量确保水继续被加热。

如果水箱8干涸，则加热元件48会开始过热。然而，这能够由分别通过管道41、43凸出至流加热器中的一个18以及正好通过另一个流加热器20的出口凸出至加热腔体22中的温度传感器45、47感测。作为后备，控制单元58上的双金属致动器将感测元件48的过热，并且由此突变(snap)至其反向弧度，由此以众所周知的方式打开控制单元中的一组触点。二级后备保护是由控制单元58的热熔断器59提供的，同样在本领域中是众所周知的。该加热元件48设置为确保在干沸腾或干接通时，钎焊至封头54的热返回部部分是首先变干的。这是通过确保第一加热器的双管道18、20中的流动在所有不利条件(如前面所解释的)下都是平衡的，以及还通过确保该热返回部稍微高于元件48的其余部分而实现的，该热返回部稍微高于元件48的其余部分是通过将其和周围的管道18、20稍微倾斜而实现的。这在干启动时具有进一步的益处，即确保管道18、20是自由排放的，流动的水能够容易地将最初体积的空气推到其前方并推出至沸腾腔体22中而不形成气锁。

如果使用者希望以不同温度分配水，他或她能够使用在器具的顶部处的旋钮4以设定需要的温度，这将导致泵12以较高或较低的速度操作(取决于是否已选择了相应的较低或较高的温度)，并由此通过该设备分别给出较高或较低流量的水，这将意味着在其分配之前其分别被加热至较低或较高的温度。凸出至管道41、43中的温度传感器45、47允许根据加热元件48在出口喷嘴24上游的比例以及该元件48在出口喷嘴24下游的对应比例(即在加热腔体中的弯曲部分)的信息来预测通过出口喷嘴24分配的水的温度。该传感器还能够用于根据设备中的水的环境温度(例如作为前面操作的结果)、考虑使用者所要求的水的温度而在操作泵和接通元件48之间引入相对延迟。

由此可以看到，上文所说明的实施例提供了流加热器的益处，即能够根据要求分配可控体积的水，同时还具有能够经由热返回部通过元件封头54而容易地感测加热元件48的过热，并因此提供安全并可靠的设备的显著优点。该加热腔体和蒸汽通过蒸汽管道25从水出口24的分离给出了另一个益处，即可以分配水而没有由于微沸腾的喷出和加热元件上的局部热点。

图16至19示出了与图5至15中示出的实施例略微不同的实施例的不同的视图，其大多数部件是相同的。主要区别是流加热器218、220在配给增压块216和加热腔体222之间垂直延伸。配给增压块216在其中具有向隔膜的任一侧的两个水平入口238(未示出，但是如图8中所示的那样设置)。流加热器218、220垂直地离开配给增压块216，并在其相对端部进入加热腔体222。加热腔体222与图5至15的实施例中示出的加热腔体相比旋转了90度。还示出了标准浸入元件控制单元258，其固定至浸入元件封头板254的加热腔体222的另一侧。在此实施例中，出口喷嘴224水平地离开加热腔体222，并且具有在其中同轴的蒸汽管道225。

从图18和19中能最好地看到加热腔体222的内部。从这里能够看到由不锈钢杯223形成的腔体222大体上为短粗圆柱形形状，但是其内部体积由加热元件248的弯曲部分限定。水出口管道224从加热腔体222的上部离开，并且其下部由堰226覆盖。蒸汽出口管道225的开口在水出口管道224的顶部处并且在水出口管道224的内部。热敏电阻245通过加热腔体222的底座凸出，并且其顶端处于堰226的底部的水平面。

堰226在其上部中具有较宽的截面，并在其下部中具有较窄的截面(缝)。这限制了水向出口管道224中的流动，由此确保加热元件248保持被足够地覆盖在水中，从而防止在正常使用中的过热。堰226的形状的第二个功能在于，通过在其下部中具有较小的截面，在加热元件248的底部的水平面处，如果来自流加热器218、220的水流突然减少或停止(例如由于流加热器218、220中的阻塞)，加热腔体222会迅速流干。这导致加热元件248的最高部过热，而这能够迅速经由热返回部感测到，然而出口管道224的顶部的最低水平面仍然足够高，以使一些水保持在加热腔体222的底部中，以提供来自热敏电阻245的可靠的温度测量。如前面的实施例中那样，蒸汽管道225和出口管道224的开口的截面面积选择为使得在操作过程中加热腔体222变得略微增压(例如至大约1巴)。

对图16至19中示出的设备的实施例的操作与对前面的实施例所说明的非常类似。主要区别是加热腔体222中的堰的效果。在正常操作条件下，当水在从流加热器218、220排出之后开始填充加热腔体222时，加热元件248的弯曲部分被覆盖。

加热腔体222中的水的温度由热敏电阻245监测，该热敏电阻245邻近出口224地凸出至加热腔体222中。加热元件248的弯曲部连续地加热加热腔体222中的水。借助于在其顶部处开口的蒸汽管道225，在加热腔体222中的水的加热过程中由微沸腾而产生的任何蒸汽能够容易地逸出。蒸汽通过蒸汽管道225并来到至便利的出口，然而因为其同轴地通过水出口管道224，其有利地帮助保持被加热的水在其从加热腔体222进入使用者的杯中时是温的。

特别地参考图18和19，能够看到当加热腔体222中的水位上升至与堰226的最低部齐平和高于堰226的最低部时，其将开始在堰226之上并通过出口管道224向外涌并进入使用者的杯。所泵送的流量与元件248的功率匹配，使得在水离开加热腔体越过堰226并通过出口管道224时其处于需要的温度。堰226的高度和形状选择为确保在正常流量下元件248保持覆盖在水中，但是如果流量下降，加热腔体222则迅速流干，以迅速触发连接至热返回部的另一侧的快动双金属致动器(此实施例中未示出)。

如前面的实施例中的那样，该加热腔体和蒸汽通过蒸汽管道225从水出口224的分离给出了这样的益处，即可以分配水而没有由于微沸腾的喷出和加热元件上的局部热点。

Claims (53)

1.一种流加热器，其包括：加热元件；由所述加热元件加热的第一加热区，其用于将流过其的液体加热至低于沸腾点的第一温度；以及第二加热区，其用于将所述液体加热至低于沸腾点的第二温度，所述第二区具有用于允许蒸汽与被加热的液体分离地从其离开的装置，其中所述流加热器不能操作为使得在所述第二区中发生所述液体的主体沸腾。

2.一种流加热器，其包括：被加热的流导管，其用于将其中的液体加热至低于沸腾点的第一温度；以及最终加热腔体，其用于将所述液体加热至低于沸腾点的第二温度，其中所述加热腔体包括在所述液体表面之上的空间，用于允许蒸汽从所述液体表面逸出，其中所述流加热器不能操作为使得在所述最终加热腔体中发生所述液体的主体沸腾。

3.如权利要求2所述的流加热器，其中所述被加热的流导管包括热交换器的一侧。

4.根据权利要求2所述的流加热器，其中所述被加热的流导管包括电加热元件。

5.如权利要求1或4所述的流加热器，其中所述加热元件延伸至所述第二加热区或最终加热腔体中。

6.如权利要求1、4或5所述的流加热器，其中所述加热元件设置在所述被加热的流导管或形成所述第一加热区的通道的外侧上。

7.如权利要求1、4、5或6的任一项所述的流加热器，其中所述加热元件包括带有护套的电阻加热元件。

8.如任一项前述权利要求所述的流加热器，其中所述被加热的流导管或第一加热区包括用于运送液体的通道，所述通道具有设置于其中用于加热所述液体的带有护套的加热元件。

9.如权利要求8所述的流加热器，其中所述加热元件设置于所述通道中，使得液体始终围绕其外围与其接触。

10.如权利要求9所述的流加热器，其中所述被加热的流导管或第一加热区包括围绕所述加热元件形成所述通道的管状套，使得液体能够在所述加热元件和所述套之间流动。

11.如权利要求10所述的流加热器，其中所述套包括不锈钢，优选地小于0.7mm厚。

12.如权利要求8至11中任一项所述的流加热器，其中所述加热元件的部分结合至金属封头板以形成热返回部。

13.如任一项前述权利要求所述的流加热器，其中所述被加热的流导管或第一区包括具有入口的通道，所述入口设置为沿从所述通道的所述中心轴线偏移的方向向其引入液体。

14.如任一项前述权利要求所述的流加热器，其中所述被加热的流导管或第一区包括构造为促进涡流流动的通道。

15.如任一项前述权利要求所述的流加热器，其包括用于控制由所述加热器供给的液体的温度的装置。

16.如权利要求15所述的流加热器，其中所述用于控制温度的装置包括用于改变通过所述加热器的液体的流量的装置。

17.如任一项前述权利要求所述的流加热器，其设置为导致水在相对于所述加热元件的通电的延迟间隔之后流过所述流加热器。

18.如任一项前述权利要求所述的流加热器，其设置为使得所述加热元件在通过其的液体流动停止之前切断。

19.如任一项前述权利要求所述的流加热器，其包括在所述第一加热区或被加热的流导管中的温度感测装置，用于确定液体的输出温度。

20.如任一项前述权利要求所述的流加热器，其包括用于驱动液体通过所述流加热器的泵。

21.如任一项前述权利要求所述的流加热器，其包括在所述第二区或最终加热腔体中的液体达到预定的水位时，允许所述液体从所述第二区或最终加热腔体自动流出的装置。

22.如权利要求21所述的流加热器，其包括堰，所述堰设置为使得当所述第二区或最终加热腔体中的水位超过预定的高度时，所述液体逸过所述堰并逸出所述第二区或最终加热腔体之外。

23.如权利要求22所述的流加热器，其中所述堰的高度围绕其周界而变化。

24.如权利要求21所述的流加热器，其中所述第二区或最终加热腔体包括出口，所述出口的表面积随着所述第二区或最终加热腔体中的液体的高度而增大。

25.如任一项前述权利要求所述的流加热器，其包括蒸汽出口，所述蒸汽出口构造为将来自所述第二区或最终加热腔体的蒸汽引导至容器中，所述容器放置为接收从所述流加热器或设备分配的被加热的液体。

26.如权利要求25所述的流加热器，其包括成延伸至所述第二区或最终加热腔体中的同轴管道的设置方式的蒸汽路径和被加热的液体的路径。

27.如任一项前述权利要求所述的流加热器，其中所述通道或被加热的流导管设置为垂直延伸。

28.一种用于根据要求提供被加热的水的器具，其包括如任一项前述权利要求所述的流加热器。

29.如权利要求28所述的器具，其构造为在所述第二区或最终加热腔体与大气之间提供蒸汽路径，所述蒸汽路径受到充分限制，以在使用中产生跨过其的在0.1和1巴之间、优选地在0.2巴和0.5巴之间的压力差。

30.如任一项前述权利要求所述的流加热器或器具，其中所述被加热的流导管或第一区包括相互流体平行的一对通道，所述一对通道均与所述最终加热腔体或第二区连通。

31.如权利要求30所述的流加热器或器具，其中所述一对通道包括单个的公共元件。

32.如权利要求30或31所述的流加热器或器具，其中所述加热器包括向两个通道供给的公共泵。

33.如权利要求30、31或32所述的流加热器或器具，其包括在所述通道的上游的装置，所述装置用于限制到其的液体流动，使得在使用中跨过所述流限制装置的压降大于从所述泵到所述通道的出口的总压降的50％。

34.如任一项前述权利要求所述的流加热器或器具，其中所述被加热的流导管或第一区包括通道，所述通道包括流成形装置。

35.如权利要求34所述的流加热器或器具，其中所述流成形装置包括丝，所述丝围绕浸入在所述通道中的带有护套的加热元件卷绕。

36.如权利要求34或35所述的流加热器或器具，其中所述流成形装置沿所述通道的长度仅部分地延伸。

37.如权利要求34、35或36所述的流加热器或器具，其中所述流成

形装置的端部从所述通道或导管的所述出口轴向偏移。

38.一种用于加热液体的设备，其包括：两个被加热的流通道，每个所述被加热的流通道包括用于加热流过其的液体的加热装置，并且每个通道具有入口和出口；公共泵，其用于将液体供给至所述被加热的流通道；以及在所述被加热的流通道上游的装置，其用于限制到其的液体流动，使得在使用中跨过所述流限制装置的压降大于从所述泵到所述通道的所述出口的总压降的50％。

39.如权利要求33或38所述的流加热器、器具或设备，其中每个通道包括单独的流限制装置。

40.如权利要求33、38或39所述的流加热器、器具或设备，其中跨过用于限制流动的所述装置的压降大于所述总压降的75％，例如大于85％，例如大于90％。

41.如权利要求33或38至40中任一项所述的流加热器、器具或设备，其中所述通道中的每个设置有流调节装置，所述流调节装置构造为根据通过对应的所述通道的流量而提供流阻。

42.一种流加热器，其包括至少两个流体平行的通道，其中每个通道包括：

加热元件，其设置在所述通道上或所述通道中，用于加热流过其的液体；以及

流调节装置，其构造为根据通过对应的所述通道的流量而提供流阻，使得由所述流调节装置提供的所述流阻随着所述通道中的流量增大而增大。

43.如权利要求41或42所述的流加热器、器具或设备，其中所述流调节装置包括由弹性材料形成的螺旋构造的流成形元件，其用于将涡流引入至所述通道中的流中。

44.如权利要求43所述的流加热器、器具或设备，其中所述流成形元件在其下游端部处固定。

45.如权利要求30至33或38至44中任一项所述的流加热器、器具或设备，其包括用于将来自所述泵的液体供给至所述两个被加热的流通道的两个入口通道，其中所述两个入口通道包括用于响应于一个入口通道中的压力而改变另一个入口通道中的流阻的装置。

46.一种用于加热液体的设备，其包括：

两个被加热的流通道，每个所述被加热的流通道包括用于加热流过其的液体的加热装置，并且每个通道具有入口和出口；

公共泵，其用于将液体供给至所述被加热的流通道，以及两个入口通道，其用于将来自所述泵的液体供给至所述两个被加热的流通道，

其中所述两个入口通道包括用于响应于一个入口通道中的压力而改变另一个入口通道中的流阻的装置。

47.如权利要求45或46所述的流加热器、器具或设备，其中所述入口通道至少在其长度的一部分共享可位移的公共壁。

48.如权利要求47所述的流加热器、器具或设备，其中所述公共壁包括配给增压块中的隔膜。

49.一种流加热器，其包括：用于运送液体的通道，所述通道具有入口和出口；以及设置在所述通道中或所述通道上的加热元件，其中所述通道包括流成形装置，所述流成形装置具有从所述出口轴向偏移的端部，以沿所述通道的长度仅部分地延伸。

50.如权利要求34至37或49中任一项所述的流加热器、器具或设备，其中所述流成形装置构造为向所述通道中的液体引入涡流运动。

51.如权利要求34至37、49或50中任一项所述的流加热器、器具或设备，其中所述流成形装置具有螺旋构造。

52.如权利要求51中所述的流加热器、器具或设备，其中所述螺旋构造包括多个匝，由此，对于其长度的至少一部分，相邻匝之间的距离随着离开与所述入口最靠近的端部而减小。

53.一种流加热器，其包括：用于运送液体的通道，所述通道具有入口和出口；以及设置在所述通道中或所述通道上的加热元件，其中所述通道包括流成形装置，所述流成形装置具有包括多个匝的螺旋构造，由此，对于其长度的至少一部分，相邻匝之间的距离随着离开与所述入口最靠近的端部而减小。

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