CN116717907A - 连续流式水加热组件及生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及连续流式水加热组件及生产方法，公开了一种水加热组件(10)，所述水加热组件包括加热元件(12)和管(11)。所述加热元件(12)被布置在所述管(11)内而在所述加热元件(12)与所述管(11)的内壁之间形成间隙(19)，并且适于对所述间隙(19)内的水进行加热。所述水加热组件包括被布置在所述间隙(19)内的间隔元件(13)。本发明提出了一种用于生产水加热组件的方法以及一种通过使用所述水加热组件对水进行加热的方法。
Description
本申请是申请号为201480081054.3的专利申请的分案申请，原申请的申请日为2014年8月20日，发明名称为“连续流式水加热组件及生产方法”。
技术领域
本发明涉及水加热组件，尤其是连续流式水加热组件，以及用于生产水加热组件的方法。
背景技术
目前，对于台式咖啡机、泡茶器、饮料自动售货机等而言主要存在三种类型的水加热系统。第一种类型为热水器。加热器诸如电阻线圈浸入水箱内并与水直接接触。连续地制备并储存热水。第二种类型为加热块系统。加热元件和水管浇铸在铝块内，只要机器保持处于使用模式，铝块就保持在高温下。流过水管的水通过铝块的储存热量加热。第三种类型为加热带。加热单元环绕水箱并加热水箱的壁，从而加热内部的水。
所有上述加热系统无法按需提供热水，这是由于它们无法在不延迟的情况下加热水。需要一定制备时间。这些系统相对庞大且笨重。
因此，第四种类型的水加热系统为连续流式加热器，当水在管内连续地循环时，其使用该管加热水。具体地讲，WO 2008/110847 A2示出了连续流式水加热设备，其包括被布置在水管内的加热元件。水管和加热元件形成水流过其中的间隙。但该连续流式加热系统具有缺点，这是由于需要非常长的水管及因此也需要非常长的加热元件来加热水，并且由于因水管的几何形状而使得暴露于加热元件热量的时间非常短。这导致所得水加热器的高重量和高容积。
US4975559涉及用于对咖啡机中的水进行加热和充气的设备。水回路具有水循环通道和空气保持袋，这些空气保持袋沿着水循环通道间隔地设置在这些通道的正常水位之上。空气保持袋在循环水中提供湍流，并使袋中保持的空气溶解于水中。
US2006027103A1涉及用于对饮料机中的液体进行加热的设备。该设备包括管加热器，该管加热器具有水入口、水出口以及有螺旋凹槽的管内插件。水被迫以螺旋方式穿过小间隙。一个问题是水温难以控制，有可能发生过热。这就需要一套复杂的、电连接在一起的电阻器。此外，内部插件提供了流体回路中增加的压力损失，这需要加以克服。
发明内容
因此，本发明的目的是提供连续流式水加热组件，其具有低容积和/或占地面积、低重量、改善的传热效率，并且组装和生产起来简单并具有成本效益。
该目的通过独立权利要求的主题来实现。从属权利要求包含进一步展开。
本发明水加热组件包括核心的加热元件和管。加热元件被布置在管内而在加热元件与管内壁之间形成用于流动路径的间隙，并且适于对间隙内的水进行加热。水加热组件包括被布置在间隙内的间隔元件(本文也称为流动影响装置或湍流生成装置)。管因此环绕流动路径，该流动路径至少部分地由包括间隔元件的间隙形成。间隔元件扰动穿过间隙的水流，从而延长水暴露于加热元件所发出的热量的时间。这使得水加热组件的管的每个长度单位具有更长流动路径，并且水加热组件具有低重量和低容积。根据本发明，因此不需要受热的水箱或铝块。因此，不需要热水可供使用之前预热系统。此外，可有利地缩短加热元件，同时提供相同的加热效率。
优选地，间隙沿着管所环绕的整个流动路径延伸。因此，加热元件是截面比管更小的细长管状元件，该元件至少沿着整个管的长度延伸。本发明的效应可因此最大化。
有利地，间隔元件适于将管和加热元件保持在限定距离处。由于间隔元件由此有助于水加热组件的结构完整性，可省略保持管和加热元件的附加元件。这使得所得水加热组件的重量和容积进一步降低。
优选地，外部的管形成为非直线形状。在一种优选模式中，外部的管形成为三维形状，诸如螺旋形式。具体地讲，这能够生产具有高加热效率的极紧凑的加热组件，其可易于装配到小饮料机诸如台式饮料制备机中。在另一种模式中，外部的管形成为二维形状，诸如M形式或二维盘旋形式。
核心的加热元件优先由与管形状相同的大体形状形成，但具有减小的截面，从而能够在其间形成管状截面的小间隙。
在一个方面，间隔元件是独立于核心的加热元件和外部的管的分立元件。优点在于，加热组件可被构造成适当的尺寸，并且以更具成本效益的方式更容易地组装。由于能轻松更换间隔元件但保持加热组件的相同其他元件，因此可以径向地改变组件的加热和流动特征，从而提供重要的设计和生产灵活性。
进一步有利地，间隔元件是被布置在加热元件与管内壁之间并与之接触的盘簧。弹簧的绕组形成螺旋水路径。弹簧的使用进一步稳定了水加热组件，与此同时显著增加了水须在水加热组件内流动的路径的长度。从而，显著延长了水暴露于热量的时间，这允许提高加热组件或管的每单位长度的传热效率，并且允许水加热组件的极轻质且低容积的构造。此外，盘簧的节距可根据所需的流动条件和加热特征而改变。
间隔元件可沿着管的内壁和/或沿着加热元件的外壁包括至少一个优选螺旋的凹槽。该凹槽形成优选螺旋的水路径。与使用弹簧形成水路径相比，该解决方案少需要一个部件。从而可进一步降低生产成本。
间隔元件可为螺旋金属线，例如其具有圆形或有利地具有正方形或矩形的截面。正方形或矩形截面提供了更大的表面与管的内表面和加热元件接触，从而防止管或加热元件在金属线施加的压力下损坏或变形，并且还可有利于组装，诸如在管与加热元件之间插入金属线。
间隔元件还可包括被布置在管内壁与加热元件外壁之间的多个纵向间隔开的间隔件。通过凹痕的使用，还可以比使用弹簧时少使用一个部件。这允许生产成本的进一步降低。间隔件各自适于在间隙内生成非线性曲折水流路径，和/或在间隙内生成水流的湍流。通过使用不必设置在间隙内的预先指定位置处的单独间隔件，可以实现非常简单的构造。
有利地，间隔元件由管的向内突出的多个间隔开的永久凹痕形成，其中凹痕适于在间隙内生成非线性曲折水流路径和/或在间隙内生成水流湍流。
有利地，管包括适于接纳待加热的水的水入口以及适于排出经加热的水的水出口，并且加热元件适于对在间隙内经过加热元件的水进行加热。
有利地，管包括用于接纳待加热的水的水入口转接器以及用于排出经加热的水的水出口转接器。加热元件适于对经过间隙内的加热元件的水进行加热。从而可以实现连续流式水加热。
有利地，水加热组件此外还包括控制单元、泵和至少一个温度传感器，优选地为负温度系数电阻器。泵适于将水泵送穿过间隙。所述至少一个温度传感器适于至少监测管的水排出端处的温度。控制单元适于基于所述至少一个温度传感器所感测的温度来控制泵的泵送。从而可以实现非常有效地将水加热到可确切指定的温度。
有利地，温度传感器被布置在加热组件的水出口中。从而可以实现非常简单的构造。
另选地，温度传感器被布置在管内并在加热元件的水排出端处与加热元件接触。温度传感器适于在间隙中填充有水的情况下感测周围水的温度，并且在间隙中未填充有水的情况下感测加热元件的温度。传感器可因此用于确定间隙中是否填充有水。
有利地，温度传感器被布置在管内并在管的水排出端处与加热元件接触。温度传感器适于在间隙中填充有水的情况下感测周围水的温度，以及在间隙中未填充有水的情况下感测加热元件的温度。
有利地，控制单元适于通过以下方式确定间隙中是否填充有水：激活加热元件，监测温度传感器所感测的温度，并且如果热量聚集慢于阈值，则确定间隙中填充有水，且如果热量聚集快于阈值，则确定间隙中未填充有水。如果控制单元已确定间隙中未填充有水，则控制单元适于使加热元件去激活。从而可防止系统的意外过热。另外，从而可以实现节能。
有利地，该管可为不锈钢管。该管也可为另一材料，诸如铜或铝。该管在该管的水加载端处和该管的水排出端处不可渗透地熔接或焊接到加热元件。从而可实现水加热组件的非常长的寿命。
另选地，该管可为耐热弹性体管，优选为硅橡胶管，其通过夹钳在该管的水加载端处和该管的水排出端处不可渗透地连接到加热元件。在这种情况下，正是核心的加热元件自身向水加热组件提供永久形状。从而可实现非常低的生产成本。
用于生产将弹簧或间隔件用作间隔元件的水加热组件的本发明方法包括生产管、加热元件和间隔元件，将加热元件和间隔元件插入管中，以及将管的水加载端、管的水排出端不可渗透地连接到加热元件，并且任选地，将水出口和水入口连接到管并任选地将水传感器连接到水出口或管。从而可以进行非常简单且低成本的生产。
用于生产将凹槽用作间隔元件的水加热组件的本发明方法包括生产管和加热元件，包括通过任何以下操作来生产所述至少一个凹槽：浇铸、铣削、压制或它们的组合，将加热元件插入管中，将管的水加载端和管的水排出端不可渗透地连接到加热元件，并且任选地，将水出口和水入口连接到管并任选地将水传感器连接到水出口或管。同样，通过该生产方法，可以实现非常低成本的生产。
用于生产将管的凹痕用作间隔元件的水加热组件的本发明方法包括生产管和加热元件，将加热元件插入管中，通过将管压靠在加热元件上而形成凹痕，将管的水加载端和管的水排出端不可渗透地连接到加热元件，并且任选地，将水出口和水入口连接到管并任选地将水传感器连接到水出口或管。为了形成管内突出的永久凹痕，管优选地由塑性可变形材料诸如金属(铝、铜、钢等)制成。同样，通过该方法，可以实现水加热组件的低成本生产。
本发明还涉及使用根据本发明的水加热组件对水进行加热的方法。
附图说明
现在进一步参照附图阐述本发明的示例性实施方案，在附图中
图1示出了本发明水加热组件的第一实施方案；
图2示出了本发明水加热组件的所述第一实施方案的若干部件；
图3示出了本发明水加热组件的所述第一实施方案的细部；
图4示出了本发明水加热组件的第二实施方案的管；
图5示出了本发明水加热组件的变型；
图6以剖视图示出了本发明水加热组件的另一个变型；
图7示出了本发明水加热组件的第三实施方案；
图8以框图示出了本发明水加热组件；
图9示出了本发明水加热组件的细部；
图10示出了根据本发明水加热组件的变型的细部；
图11示出了本发明水加热组件的第四实施方案；
图12示出了本发明水加热组件的第五实施方案；
图13以流程图示出了本发明生产方法的第一实施方案；
图14以流程图示出了本发明生产方法的第二实施方案，以及
图15以流程图示出了本发明生产方法的第三实施方案。
具体实施方式
首先，本发明水加热组件的不同实施方案的构造和功能示于图1-12中。在第二步中，沿着图13-15阐述了本发明生产方法的若干实施方案的功能。已部分地省略了不同附图中的类似实体和参考标号。
在图1中，示出了本发明水加热组件10的第一实施方案。水加热组件10包括环绕加热元件12的管11。管11和加热元件12并不紧密接触，而是界定间隙19。间隙具有大体管状截面。在间隙19内定位有间隔元件13，其占据间隙的一部分并将管11和加热元件12保持在彼此的相对位置。间隔元件13可优先为盘簧。管11包括水加热组件10的水加载端15上的水入口26以及水排出端14上的水出口25。此外，加热元件12包括电连接器16、17，它们优选地从管11的相对两端延伸出。
间隔元件13被布置在管11与加热元件12之间，以使得形成弹簧13的绕组之间的螺旋(流动)路径。盘簧的节距可被确定为使得节距越短，流动路径越长。水从水入口26穿过管11到达水出口25必须顺着弹簧13的绕组所形成的该螺旋路径，由此增加了水必须流过的路径的长度，从而延长了加热元件12与水接触的时间。
如区域18中所示的管11中的开口并非是实际水加热组件10的一部分，而仅仅是为了能看到弹簧13才在这里示出。本发明水加热组件没有这种开口。管11不可渗透地密封在水加热组件的端部周围。水流可仅穿过水入口26和水出口25出现。
在图2中，单独地示出了图1的水加热组件10的一些部件。在最上图中，示出了加热元件12。内部加热元件12包括电连接器16、17。在中图中，单独地示出了盘簧13。在下图中，单独地示出了外部的管11。
在图3中，示出了图1中所示的水加热组件10的细部。该细部对应于图1中标记为18的区域。在这里能易于看到在加热元件12与管11之间的间隙内由弹簧13的绕组形成的螺旋路径20。水并非从水入口26穿过间隙直接流到水出口25，而是必须沿着这些螺旋路径20前行，从而围绕加热元件12盘旋许多次。
在图4中，示出了本发明水加热组件的另一实施方案。在这里仅示出了管11。管11包括凹痕21作为间隔元件。凹痕伸入管11内部。凹痕21优选地桥接间隙19并与加热元件12接触。流过间隙19内的凹痕21的水必须围绕凹痕分流，从而形成水的更长路径。管可由塑性可变形的材料制成，以便能够保持管的永久螺旋形状和凹痕的产生。用于管的材料可为钢、铝、铜等。
在图5中，示出了本发明水加热组件10的另一实施方案。在该示例中，管11可为硅橡胶或金属管，其在水加热组件10的水加载端15和水排出端14处不可渗透地连接到加热元件12。该不可渗透的连接由夹钳22、23形成，这些夹钳优选地还包括水入口26和水出口25。此外，水加热组件10的水排出端14上的夹钳22包括温度传感器33。温度传感器可为热敏电阻、负温度系数电阻器、正温度系数电阻器或任何其他类型的温度传感器。对于温度传感器的位置和功能，参见后面参照图8和图10的讨论。
在图6中，示出了本发明水加热组件10的另一实施方案。在这里示出了剖视图。该剖视图提供了弹簧13的单独绕组的绝佳视角，该弹簧被布置在管11与加热元件12之间的间隙19内。
在图7中，示出了本发明水加热组件10的另一实施方案。在这里，管11为不锈钢管，其在水加热组件10的水加载端15处和水加热组件10的水排出端14处不可渗透地焊接或熔接到加热元件12。在图7中，还能易于看到水入口26和水出口25。此外，温度传感器34连接到水出口25。对于温度传感器34的功能，参见参照图8和图9的论述。
在图8中，以框图示出了本发明水加热组件10的另一实施方案。水加热组件10包括传感器33(其不仅对应于图5的传感器33，而且可对应于图7的传感器34)、控制单元35、泵36和加热元件12。温度传感器33、泵36和加热元件12各自连接到控制单元35。控制单元35接收温度传感器33所测量的温度，并控制泵36的功能和加热元件12的功能。
泵36将水泵送穿过水加热组件10。当水被泵送穿过水加热组件10时，加热单元12对水进行加热。通过改变泵送和加热的量，控制单元35可改变由水加热组件10加热的水的温度和量。尤其是通过形成泵36、加热元件12与温度传感器33之间的控制回路，可以实现经加热的水的量和温度的非常准确控制。
在图9中，示出了本发明水加热组件10的另一实施方案的细部。水加热组件10包括形成间隙的管11和加热元件12。在间隙内定位有弹簧13。在这里示出的水加热组件10的部件是水排出端14。在这里可清楚看见的是水出口25，其包括温度传感器34。温度传感器34具有连接金属线44。具有设置到水出口25的温度传感器34的该构型可应用于前述图1至图8实施方案以及以下图11和图12实施方案中任一者。
此外，水出口25通过使用焊缝40连接到管11。此外，管11通过使用焊缝46连接到加热元件12。在这里所示的示例中，温度传感器34可仅测量流过水出口25的水的温度。这足以调节输出水温，但无法用于水加热组件的安全关断。
在图10中，示出了替代实施方案。这里示出的水加热组件10对应于图9的水加热组件，不同的是温度传感器定位在管11内并任选地与加热元件12接触。温度传感器33通过使用焊缝41连接到管11。通过将温度传感器34连接到管11并将其设置成与加热元件12接触或靠近加热元件12，可以不仅测量环绕温度传感器33的水的温度，而且测量加热元件12的温度。当水环绕温度传感器33时，温度传感器33所记录的温度对应于水的温度。但在没有环绕温度传感器33的水的情况下，温度传感器33记录加热元件12的温度。由于加热元件12在激活时通常远热于周围水，因此根据温度传感器33是否被水环绕，该温度传感器会检测到不同温度。该特征可用于检测水加热组件中是否填充有水，并用于在水加热组件10内不存在水的情况下自动切断加热元件12。具有设置在管内的温度传感器34的该构型可应用于前述图1至图8实施方案以及以下图11和图12实施方案中任一者。
在图11中，示出了水加热组件10的另一实施方案。在这里，水加热组件10预先形成M形状，使得在较低容积和占地面积内得到较高水加热能力。
水加热组件10的替代实施方案示于图12中。在这里，水加热组件10预先形成“二维”盘旋形状，使得在容积和占地面积非常低的情况下得到甚至更为增强的水加热能力。
在图13中，以流程图示出了本发明生产方法的第一实施方案。这里所述的生产方法对应于将弹簧或单独间隔件用作管11与加热元件12之间的间隙19内的间隔元件13。在第一步100中，单独地生产管11、加热元件12和间隔元件13。优选地，以直线方式生产加热元件和间隔元件(诸如盘簧)，并且将包括管的元件切成所需长度。在第二步101中，将加热元件12和间隔元件13插入管11中。在第三步102中，将加热元件12和管11不可渗透地连接在水加热组件10的两端。在任选的最终步骤中，可通过弯折将整个水加热组件10成形为所需的永久形状，诸如如图11和图12中所示的螺旋形。最后，诸如通过熔接，将如图1中表示的水入口26和水出口25连接在管中的适当位置处。可将温度传感器连接在水出口中，诸如在图9的模式中。另选地，诸如通过熔接，将温度传感器连接到管自身，如在图10的模式中。
在图14中，示出了本发明生产方法的第二实施方案。这里所示的方法对应于将加热元件12的外壁的或管11的内壁的凹槽用作间隔元件。在第一步200中，生产管11和加热元件12。该步骤包括生产至少一个凹槽作为加热元件11的外壁的一部分和/或作为管11的内壁的一部分。优选地，以直线方式生产加热元件和间隔元件(诸如盘簧)，并且将包括管的元件切成所需长度。在第二步201中，将加热元件12插入管11中。在第三步202中，将加热元件12和管11不可渗透地连接在水加热组件10的两端。另外在这里，通过弯折整个水加热组件10，可实现所需的永久形状。最后，诸如通过熔接，将如图1中表示的水入口26和水出口25连接在管中的适当位置处。该连接可包括在管的壁中钻取出口孔和入口孔；然后将水出口和水入口熔接到相应孔。可将温度传感器连接在水出口中，诸如在图9的模式中。另选地，诸如通过熔接，将温度传感器连接到管自身，如在图10的模式中。
在图15中，示出了本发明生产方法的另一实施方案。这里所示的方法对应于将凹痕21用作间隔元件。在第一步300中，生产管11和加热元件12。优选地，以直线方式生产加热元件和间隔元件(诸如盘簧)，并且将包括管的元件切成所需长度。在第二步301中，将加热元件12插入管11中。在第三步301a中，通过将管11压制在加热元件12周围来形成凹痕21。这些凹痕21被压入管11与加热元件12之间的间隙19中，从而与加热元件12形成接触。应当注意，另选地，也可在将加热元件12插入管11中之前提供凹痕。为了使凹痕变成永久的，管由塑性可变形的材料诸如金属制成。在最后一步302中，将加热元件12和管11不可渗透地连接在水加热组件10的两端上。任选地，在这里也可通过弯折整个水加热组件10来形成所需形状。最后，诸如通过熔接，将如图1中表示的水入口26和水出口25连接在管中的适当位置处。可将温度传感器连接在水出口中，诸如在图9的模式中。另选地，诸如通过熔接，将温度传感器连接到管自身，如在图10的模式中。
本发明不限于这些示例，尤其是不限于用于饮料机的水加热组件。示例性实施方案的特征可按任何有利组合使用，前提是该组合被所附权利要求书涵盖。应当注意，本发明中使用的术语“水”应理解为涵盖任何种类的液体，优选地为适于制备饮料如咖啡或茶的液体。此外，本发明不限于间隔元件的具体数量或尺寸或类型，前提是间隔元件允许对流动液体有对应影响如湍流的生成，从而增加流动路径或至少延长水暴露于加热元件所发出的热量的时间。本文所述的间隔元件也可进行组合，并且可为管和/或加热元件的单独特征和/或一体特征。水加热组件的总体几何形状可视需要为平直的或优选弯曲的，优选地为2D或3D螺旋形，以节省空间。间隙优选地提供弯曲的、更优选螺旋的流动路径，或管所环绕的流动路径的一部分。
Claims (10)
1.水加热组件，包括核心的加热元件(12)和外部的管(11)，
其中所述加热元件(12)被布置在所述管(11)内而在所述加热元件(12)与所述管(11)的内壁之间形成间隙(19)，并且适于加热所述间隙(19)内的水，
其中所述水加热组件(10)包括被布置在所述间隙(19)内的间隔元件(13,21)。
2.根据权利要求1所述的水加热组件，其中所述间隙(19)沿着所述管(11)所环绕的整个流动路径延伸，并且其中所述间隔元件(13,21)适于将所述管(11)和所述加热元件(12)保持在限定距离处。
3.根据权利要求1或2所述的水加热组件，其中所述外部的管(11)形成为非直线形状，特别是三维形状诸如螺旋形式，或二维形状诸如M形式或二维盘旋形式。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的水加热组件，其中所述间隔元件(13)是独立于所述核心的加热元件和所述外部的管的分立元件。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的水加热组件，
其中所述间隔元件(13)包括被布置在所述加热元件(12)与所述管(11)的内壁之间并与之接触的盘簧(13)，并且其中所述盘簧(13)的绕组形成螺旋水流路径。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的水加热组件，
其中所述间隔元件沿着所述管(11)的内壁和/或沿着所述加热元件(12)的外壁包括至少一个优选螺旋的凹槽，并且
其中所述凹槽形成优选螺旋的水路径。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的水加热组件，
其中所述间隔元件(21)由所述管(11)的向内突出的多个间隔开的永久凹痕(21)形成，
其中所述凹痕(21)适于在所述间隙内生成非线性曲折水流路径和/或在所述间隙(19)内生成水流湍流。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的水加热组件，
其中所述管(11)包括适于接纳待加热的水的水入口(26)以及适于排出经加热的水的水出口(25)，并且
其中所述加热元件(12)适于对在所述间隙(19)内经过所述加热元件(12)的水进行加热。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的水加热组件，
其中所述水加热组件(10)包括控制单元(35)、泵(36)和至少一个温度传感器(33,34)，所述温度传感器优选地为负温度系数电阻器，其中所述泵(36)适于将水泵送穿过所述间隙(19)，
其中所述至少一个温度传感器(33,34)适于至少监测所述管(11)的水排出端(14)处的温度，并且
其中所述控制单元(35)适于基于所述至少一个温度传感器(33,34)所感测的温度来控制所述泵(36)的所述泵送。
10.根据权利要求9所述的水加热组件，
其中所述温度传感器(34)被布置在所述加热组件的水出口(25)中。
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