CN1246785A - 加热容器及控制这种加热容器之加热元件的方法 - Google Patents

加热容器及控制这种加热容器之加热元件的方法 Download PDF

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Abstract

一种液体加热容器,例如水壶,能够使用户选择要被加热的液体所要达到的温度。设置一个可对加热元件的温度作出反应的热传感器。在加热周期内,加热元件的工作被中断,当元件冷却时,可得到温度样本。对加热元件在中断过程中温度衰减函数的分析可估算出液体的体积及将液体加热到选定温度所需的时间。

Description

加热容器及控制这种加热容器之加热元件的方法
本发明涉及一种液体加热容器，尤其涉及设置于这种容器中的电热元件之控制。本发明尤其涉及电水壶，具体地说，本发明涉及能够使用户选择所需水温的电水壶。
使水壶或咖啡壶中的水被加热到低于沸点的温度之优点是众所周知的。例如，对于煮咖啡而言，80°至90°的水温是最合适的，这一点已被认可。在WO95/34188中所述的电水壶包括一控制装置，该装置可使水的温度保持在低于沸点的温度。WO95/34188中所述的容器使用双金属传感器，该传感器用于慢慢煮沸的控制并对双金属传感器附近的具体温度作出反应。
本发明旨在提供一种可由用户选择所需温度的容器，而且只需要一个简单的与加热容器相连接的热传感器之配置结构。
一种控制液体加热容器中液体温度的可行办法是为容器的内容物配置一个温度传感器。但是，最好不要在容器的内体上设置温度传感器，因为这样就会需要从外部控制电路到容器主体的电气连接，而且还需要坚固耐用的热传感器。例如，对于电水壶的情形而言，最近已经用印刷加热线路来代替平直的加热元件。该项技术为邻近加热丝设置印刷热传感器提供了可能性。然而，如果这些热传感器对容器中液体的温度作出反应，那么就要求将热传感器与加热丝隔开，或采取其它的措施隔离两组丝。因此，能够基于温度测量的结果实现液体温度的控制是最理想的，而这种温度测量结果体现出加热元件的温度而不是容器中液体的温度。
例如，WO96/25869公开了一种电水壶，这种电水壶设置有一厚的薄片加热元件，该加热元件内设置有一测量加热元件丝之温度的温度传感器，而且加热丝的温度样本被用于确定水壶中的水何时沸腾。
根据本发明通过利用来自温度传感器的信号提供一种控制电热元件工作的方法，其中电热元件用于将容器中的液体加热到一个可选的温度，温度传感器用于测量加热元件的温度，该方法包括：获得一初始的温度测量结果；使加热元件在第一预定的时间段内工作；在第二预定的时间段内中止加热元件的工作并定期获得温度传感器的测量结果；由温度测量结果确定出额外的时间段，在该时间段内加热元件应该工作，目的是使液体达到选定的温度；并在该额外的时间段内使加热元件工作。
在本发明的方法中，加热元件的工作在一预定的时间段内被中止，对加热元件在该时间段内的温度反应之分析可以计算出将容器的内容物加热到选定温度所需的时间。这样，本发明就提供了一种方法，该方法要求在邻近加热元件处设置一个温度传感器以能够获得可选的温度。
作为优选，确定额外时间段之步骤包括：由初始的温度测量结果估算出初始液体温度的步骤，由定期的温度测量结果估算出在第一预定时间段内通过加热所达到的液体温度，计算出在第一预定时间段内由加热而产生的液体温度的升高，和由该温度的升高估算出容器内液体的体积。
这些计算都假设，加热元件的初始温度测量结果与容器中液体的初始温度相对应，即如果加热元件在一定的时间段内没有工作，那么就可被认为是这种情况。
所达到的液体温度可通过数学最佳配合技术由定期的温度测量估算得出。通过液体体积及当时液体温度的估算就可能通过考虑加热元件输出的能量计算出所需的加热时间段，目的是将液体及加热元件升高到选定的温度。这种方法还包括显示容器中的液体达到选定温度的持续时间。
该方法最好还包括在额外时间段之后使加热元件周期性工作的附加步骤，以使容器中的液体保持在一选定的温度。
本发明还提供一种用于通电加热液体的液体加热容器，这种加热容器包括：一电热元件，一温度选择器和一温度传感器，其中温度选择器用于选择容器中的液体所要达到的温度，温度传感器用于检测加热元件的温度，该容器由根据本发明的方法所控制。
本发明还提供一种用于通电加热液体的液体加热容器，其包括：一电热元件，用于控制加热元件工作的装置，一温度选择器，一温度传感器和计算装置，其中温度选择器用于选择容器中的液体被加热所要达到的温度，温度传感器用于检测加热元件的温度，控制装置包括用于在一预定时间段内中断加热循环的装置，从而为加热元件提供一段冷却时间，所说的计算装置接收冷却过程中温度传感器的信号，并由温度传感器的信号估算出液体达到选定温度所需的加热时间。
这种容器最好包括一电水壶。
参照附图，通过实施例对本发明作出说明，其中附图：
图1示出了适用于本发明之容器的加热元件；
图2为一曲线图，该图示出了容器中加热元件和液体的加热特性曲线，其操作根据本发明的方法控制；
图3示出了适用于本发明的电水壶。
图1示出了可用于本发明操作之容器的加热元件。加热元件2包括一基底，该基底上设有一绝缘介质层；和一设置于该绝缘层上的电阻加热丝4。在图1所示的实施例中，设置一条加热丝，该加热丝在两个接线端子6之间延伸。以电阻丝8之形式构成的热传感器也设置在绝缘层上，并在两个传感器接线端子10之间延伸。用传感器丝8作为热传感器可使热传感器及加热丝4在同一加工阶段被制造出来，从而简化了加热元件的整个加工工艺。但是，在加热元件基底的同一侧设置热传感器和加热线(或者以丝的形式构成，或者以独立装置的形式构成)的一个问题在于：热传感器不能对容器中液体的温度作出精确的反应。容器中的液体使基底的相反侧与加热丝4接触。这样，就可以通过环绕热传感器设置一个不含加热丝的区域而在一定程度上将热传感器与加热丝隔绝。但是，这样就减少了基底的整个面积，其中可设有加热丝。进而难以减小加热元件的尺寸，而且难以预测热传感器对液体温度反应的精确程度，其中减小加热元件的尺寸对不同类型的液体容器而言可能是必需的。
用于图1所示之加热元件的热传感器被设计成对加热元件之加热部分的温度作出反应，而不是对液体的温度作出反应。从而，可贴近加热丝4设置热传感器丝8，并且可增加加热丝在加热元件中所占的比例，从而形成较大功率的加热元件。
尽管丝型的热传感器已在图1中示出，但是在本发明中可采用任何类型的热传感器。不论所选的热传感器为何种特定的热传感器，其都没有必要对液体温度作出精确的反应。
图2示出了根据本发明的液体加热容器在一个周期内容器中的液体温度与加热元件的温度曲线。为便于说明，在如下的说明中假设要被加热的液体为水，但应该知道：本发明也可同样应用于加热其它液体的容器。
沿时间轴可看到，加热元件的操作被划分为几个部分。假设在时间t＝0时，加热容器被打开，并且已选定温度为T选定。加热周期包括：在第一时间段t打开内使加热元件工作，然后在时间段t关闭内中断加热元件的工作。最后在时间段t额外内再次打开加热元件，该时间段足够使容器中的液体达到选定的温度。从热传感器收集到的测量结果包括在时间t＝0时的初始温度测量结果，及当加热元件关闭期间所采集的多个温度样本。这些样本在图2中由十字线表示。
在时间t＝0时的初始温度传感器测量值可被假定为测量加热元件的温度和容器中水的温度，这就是假设加热元件已被关闭足够的时间，以使加热元件达到容器中水温下的平衡状态。从而：
T元件(t＝0)＝T水(t＝0)＝TO    (1)
其中，T元件(t＝0)为时间t＝0时(加热)元件的温度，T水(t＝0)为当时间t＝0时水的温度。
加热元件开始工作在一预定的时间段t打开内，并直到时间t1。在该点上，加热元件被关闭一预定段时间t关闭。在时间段t关闭内，一些热量从温度较高的加热元件传导给水，一些热量从水散失到周围环境中去。整个水的温度缓慢升高(如图所示)，而加热元件的温度降低。在某一温度下达到平衡状态。为了后面的计算，本发明的方法需要中断结束时估算出水的温度Tw。温度Tw基本对应于平衡状态下的温度。由于Tw可约等于加热元件将要达到的温度，因此加热元件的温度衰减曲线样本可由温度Tw得到一个估算值。有许多方法可由所采集的样本计算出温度Tw，下文中将对一些方法作出说明。一旦得到温度Tw，那么就可以利用下面的等式确定容器中水的体积：
将水从TO加热到Tw的能量＝加热元件输出的能量-将加热元件从TO加热到TE的能量                   (2)
上述的等式基本说明，供给加热元件的能量通过加热元件本身的加热和水的加热被扩散。该等式忽略了进入容器体内的热量损失和辐射到空气中的热量损失。可以引入一个系数来表示这些附加的热量损失，但这一点未在说明书中作更进一步的考虑。用数值替代等式(2)得到：V×ρ×s(水)×(Tw-TO)＝P×t打开-C(元件)×(TE-TO)(3)
其中：
V＝水的体积；    (Tw为T水；TE为T元件)；
ρ＝水的密度；
s(水)＝水的比热；
P＝加热元件的功率；
C(元件)＝加热元件的热含量(比热)。
为实施本发明的方法，加热元件的功率及其热含量必须是已知的。这两个常数可通过前述的实验被确定。水的比热是一个常数，等式(3)中出现的三个温度值可通过上述的测量结果确定出来。从而，只有水的体积V是未知的，因此该体积可被确定。
知道了容器中水的体积就可计算出所需额外的加热时间，以使水达到所选定的温度。再通过考虑由加热元件提供的所需额外能量的数量就可得到这个时间段t额外：
元件的额外能量输出＝将水加热到选定温度所需的能量+使元件加热到选定温度所需的能量    (4)
将数值代入等式(4)得到：
P×t额外＝(T选定-Tw)×V×s(水)×ρ+(T选定-TE)×C(元件)(5)
在该等式中唯一的未知参数为t额外，因此可被计算出来。
如图2所示，加热元件在时间段t额外内被打开，从而为水和元件加热到选定的温度T选定提供足够的能量。实际上，在时间段t额外之后的T3时刻，加热元件已经超过温度T选定，而水的温度还未达到该温度。一旦加热元件被关闭，那么一些能量就会从加热元件传导到水中，从而在时刻t3之后的某一时刻在选定的温度下形成平衡状态。在这一点上，就可使加热元件循环工作以使水保持在选定的温度。
加热元件的循环工作可通过在一短的预定脉冲内打开加热元件而实现，每次打开加热元件时，加热元件的温度都下降到低于选定的温度。脉冲的周期可取决于选定的温度水平或选定温度与已知的水之体积的组合。
如上所述，可采用各种不同的技术确定温度Tw，可通过在关闭时间段t关闭内使元件的温度降低而接近该温度。如果时间段t关闭相当长，那么就可假设，元件在该时间段结束时的最终温度TE等于水的温度Tw，这就是假设已经达到了平衡状态。但是，为了这种假设要相当精确，因此就需要长时间地中断加热元件的工作，可是加热元件的中断时间增加了液体达到选定温度所需的整个时间，因此这一点不合乎要求。为此，最好在加热周期内有一个较短的中断期间并最好进行抽样点的数学分析。这种数学分析基本包括将数学近似法应用于所得到的温度样本，并外推数学接近法以确定出加热元件所接近的温度。例如，加热元件之温度的衰减函数可近似为指数衰变函数来，该指数函数可与得到的抽样点相匹配，其中抽样点是应用最小平方法得到的。当然，也可采用各种不同的其它方法，或者根据所得到的温度样本的实际值，或者利用抽样温度曲线的不同值。
图3示出了装配有图1之加热元件2的电水壶20，该电水壶适合于根据本发明的方法操作。这种水壶20包括一主体22，主体22形成一个用于加热水的空腔24。加热元件2形成空腔24的底面，加热丝和传感器丝4、8设置于元件2朝向空腔24的相反侧。在加热元件的工作过程中，加热丝4的热量通过加热元件的基底传导，以在空腔24的底部加热水。热传感器8更精确地反应于加热丝4的温度而不是空腔24中的水温度。
温度传感器的接线端子被连接到传感器回路28上，传感器电路28将传感器信号转化为表示所测定的温度的信号，该信号被传送到计算电路30，该计算电路设置于电水壶的电源32(其可能包括一个无绳接头)与加热丝4之间。计算电路30还接收一温度选择器的信号并打开/关闭控制单元34，控制单元34还可包括一显示装置，用于显示为使水达到选定温度的持续时间。该计算电路30根据前述的方法控制着供给加热丝4的电流，并提供控制单元34的显示信息。
尽管，已参照电水壶对本发明作出了说明，但是本发明还可应用于加热数量可变的液体并能够选择不同最终温度的其它液体加热容器。此外，尽管已对厚的薄片加热元件作出了说明，但其它类型的加热元件也同样适用。

Claims (9)

1、一种控制用于加热容器中之液体的电热元件工作的方法，该方法利用温度传感器的信号使容器中的液体加热到可选择的温度，其中温度传感器用于测定加热元件的温度，这种方法包括：
获取一初始温度测量结果；
在第一预定时间段内使加热元件工作；
在第二预定时间段内中断加热元件的工作，并周期性地得到温度传感器的测量结果；
由温度测量结果确定出加热元件应该工作的额外时间，以使液体达到选定的温度；和
在所说的额外时间段内使加热元件工作。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：确定额外时间段的步骤包括：由初始温度测量结果估算出初始液体温度的步骤；由周期性的温度测量结果估算出在第一预定时间段内通过加热所达到的液体温度的步骤；计算出在第一预定时间段内通过加热而产生的温度升高之步骤；以及由该温度升高估算出容器中液体的体积的步骤。
3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于：由周期性的温度测量结果通过数学最佳配合技术估算出液体所达到的温度。
4、根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于：确定额外时间段的步骤还包括：计算出使估算出的水体积和使加热元件升达选定温度所需能量的步骤。
5、根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，还包括显示容器中的液体达到选定温度的持续时间之步骤。
6、根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，还包括在额外的时间段之后使加热元件周期性工作以保持容器中的液体处于选定温度的步骤。
7、一种用于通电加热液体的加热容器，包括：一电热元件，一温度选择器和一温度传感器，其中温度选择器用于选择容器中的液体被加热后所要达到的温度，温度传感器用于检测加热元件的温度，该容器被根据前面任一权利要求所述的方法所控制。
8、一种用于通电加热液体的加热容器，包括：一电热元件；用于控制加热元件工作的装置；一温度选择器；一温度传感器及一计算装置；其中温度选择器用于选择容器中的液体被加热后所要达到的温度，温度传感器用于检测加热元件的温度，控制装置包括在一预定时间段内中断加热周期以形成加热元件的冷却时间段之装置，所述的计算装置接收冷却过程中来自温度传感器的信号，并且由该温度传感器的信号估算出液体达到选定温度所需的加热时间。
9、根据权利要求7或8所述的容器包括一电水壶。
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