CN1811650B - 液体加热容器中的温度控制 - Google Patents

Abstract

液体加热容器内的温度控制一种用于液体加热容器的加热器，它包括用来封闭容器的底部的开口的加热器盘(2)和形成或安装在加热器盘(2)的下侧的加热元件(10)，该加热器还包括可自动复位的热敏感致动器(12)，其设置得在第一温度减少或中断对该加热元件(10)的供电并且在第二较低温度恢复供电，其中该第二温度低于液体的沸点，且其中致动器(12)设置成与加热元件(10)直接热接触。致动器可以包括按钮恒温器或可变恒温器装置。

Description

液体加热容器中的温度控制

技术领域

本发明涉及液体加热容器中液体的温度调节，比如是为了使水保持在低于沸点、适于泡咖啡的一个温度。

背景技术

在已有技术中具有保温功能的液体加热容器是众所周知的。有些装置提供第一主加热器以对液体进行初始加热，以及较低功率的第二加热器以使液体保持在所需温度上或保持在所需温度左右。

另外，单个加热元件可以具有适宜的恒温控制器，该恒温控制器将该元件循环断开或闭合以使液体保持在合适的温度左右。后一种装置总体上更划算，因为它不需要提供另外的元件，但其的确有一些缺点。

与这种装置有关的一个问题就是用于感知水温度的恒温控制器倾向于采用快动(snap-acting)双金属致动器或具有过中心机构的缓动(creepaction)双金属，它们具有固有的滞后——这就是说，尽管可以将它们设计为当达到目标水温时运行来中断对元件的供电，但是双金属不会重制，即跳回其原来的构形，来恢复对元件的供电，直到恒温控制器的温度冷却好几度为止。这只有在水的温度也冷却了同样多度数的情况下才会发生，因此即便平均温度可能达到了目标温度，但是水温会波动20℃或20℃以上。

而且，还有一个问题就是当对加热元件的供电被切断时，储存在元件和加热盘等中的热能还会继续对水加热。然而，这对水温的实际影响将取决于水相应的热质量以及由此取决于水的体积。因此，在已有技术的装置中，不仅水温上下波动相对较大，而且波动值取决于使用者决定加热的水的实际体积。

发明内容

本发明的目的是提供对这种装置的改进，并且从本发明的第一方面来看时，本发明提供一种用于液体加热容器的加热器，它包括用来封闭容器的底部的开口的加热盘和形成或安装在加热盘的下侧的加热元件，该加热器还包括可自动复位的热敏感致动器，其设置成在第一温度减少或中断对加热元件供电，并且在第二较低温度恢复供电，其中所述第二温度低于液体的沸点，且其中所述执行器设置成与加热元件直接热接触。

因此，本领域技术人员能看出，根据本发明，感知的是加热元件的温度而不是液体的温度。当目标是为了获得对液体温度的更好控制时，这非常违反直觉的。然而，本申请人意识到，通过采用根据本发明的装置并将致动器的复位温度设置得与液体的期望温度相一致，可以实现对液体温度更精确的调节。下文将对此作出解释。

当加热器通电时，其温度迅速升高并因此运行致动器。元件和加热盘中的热量接着传输至液体，直到加热器冷却至致动器的复位温度为止。因此，致动器复位并给加热器通电，加热器将再次迅速升温并在短时间后断开。

元件和盘中的热量将再次传输至液体，直到元件再次冷却到致动器的复位温度。这将持续到当元件和液体达到微高于致动器的复位温度的热平衡为止。因此，通过将致动器的复位温度设置为液体的目标温度，液体将会精确地达到目标温度。

然而，由于在每个循环中只有一小部分热量被传至水里，因此不存在热量过量的问题，而且在元件冷却相同度数来使致动器复位并提供另一小股热量之前，液体只需要冷却几度。此外，可以理解液体的温度将按指数规律达到目标温度，因为每个循环中元件冷却所需的时间将取决于相对于致动器的复位温度的水温。

重要的是，现在也能够理解，达到的平均温度不取决于被加热液体的体积。

到目前为止所描述的装置能够将液体从室温加热到目标温度。然而，如果水的最初温度高于目标温度，该装置会同样好地工作。例如，可以先将水烧开，在这种情况下，根据本发明的装置仅仅让水冷却下来，直至达到目标温度为止，随后，液体将在低误差范围内被保持在这个温度。在目标温度相对接近沸点而非室温的温度，如在适于泡咖啡的80-85℃，可以通过将水烧开更快地获得目标温度。因此，在有些优选实施例中，还提供了与本发明的热敏感致动器并联设置的沸腾敏感控制器以先将液体加热至沸腾。任何适于检测沸腾并随后中断电源的方法都可以采用，如与水槽相关联的蒸汽敏感开关或热传感器。当然，为其它目的也可能需要先将水烧开，如为了杀死水里的细菌。

本申请人还设计了更进一步的装置来降低将液体从室温加热到目标温度所需的时间。因此，根据有些优选实施例，第二热传感器设置成与容器中的液体充分热接触，所述第二传感器具有与之相关联的一对开关触点并设置成能使所述开关触点在低于第一致动器的复位温度的一个温度断开。

在这种布置中，第二对开关触点设置成与那些和第一致动器相关联的开关触点并联，其会使元件对液体持续加热，直到液体达到该较低温度为止。第二对触点接着会断开，而第一致动器将接管对液体温度的调节。通过这种方法，使液体的温度可以迅速接近目标温度，然后通过本发明的装置精确地达到正确的温度。当然，会存在与通过第二对触点断开元件相关的热过量，尽管由于其只会发生一次所以其影响会相对小。在优选实施例中，当容器大约半满时，也可以将第二对触点设置成在比目标温度低一定度数的一个温度不为元件供电，这个温度数低于目标温度的度数是与所发生的热过量相对应的。

第二热传感器不需要包括致动器，例如它可以是热敏电阻器或热电偶，但是优选地应采用致动器，更好的是双金属致动器，最好的是快动双金属致动器。第二传感器可以通过加热盘与容器中的液体充分热接触。然而，优选地是将第二传感器设置成与水更直接地接触，如通过将其安装在容器的测壁上或安装在容器的底部加热器的外面。可以将与第二传感器相关联的触点设置成在温度下降的情况下能重新闭合，或设置为需要手动复位的锁闭断开(latchedopen)。

根据本发明，与加热元件热接触的致动器可以具有固定运行并能重新确定温度，如所谓的按钮恒温器。另外，它可以是可变恒温器装置的一部分，从而使得液体的目标温度可以变化。在一个适宜的实施例中，提供致动器作为所谓的“熨斗站(iron stat)”的一部分，该“熨斗站”就是已知的能调节电熨斗温度的温度可变恒温器装置。在这种装置中，缓动双金属片与过中心双稳闭锁装置可操作地耦合在一起。因此，双金属片本身并不具有固有的操作或复位温度。致动器这个术语应该广义地理解为包括任何机构或装置，其总体上既热敏感又作用于一组触点。

致动器或致动器装置可以与加热元件直接物理接触或者可以通过适宜的热连接部件与其接触。然而，这种热连接部件与加热盘如果有热接触的话也只是有较少的热接触，使得致动器主要承受加热元件的温度。

当然，应该能理解的是如果加热器严重过热的话，可以提供另外的致动器来提供常见的安全保护——如另外的双金属致动器或热熔丝。

元件优选地是被覆套的加热元件。

附图说明

现在将参照附图仅通过示例的方式描述本发明的某些实施例，其中附图包括：

图1为实现本发明的加热器下侧的透视图；

图2为在类似于图1中加热器的加热器运行过程中获得的温度相对时间的曲线图；

图3为根据第二实施例的加热器下侧的视图；

图4为图3中所示的恒温器的近视图；

图5a为本发明第三实施例的透视图；

图5b为图5a中AA线上的截面图；

图6为本发明第四实施例的示意图；

图7为图6的实施例的示意电路图；及

图8为图6中容器内水的温度相对时间的曲线图。

具体实施方式

现在来看图1，可以看到标准的底板加热装置，这是本技术领域中众所周知的。简言之，该加热器包括不锈钢加热盘2，其形状制成能够封闭液体加热容器的底部的开口。这是通过外围槽4实现的，根据本申请人的、众所周知的Sure Seal装置，外围槽4可以卡在容器壁的悬置底部边缘上。专利文件WO96/18331中给出了其更详细的信息。

铝质扩散器盘6被铜焊到加热器盘2的底侧的平整的中心部分上，且其上设有螺纹安装凸台8，用来将控制单元安装于其上。管状覆套电阻加热元件10被铜焊到扩散器盘6的下面的外围上。加热元件的功率例如可以设定在如2至3千瓦之间，这适于将水迅速加热到沸腾。

可以看到加热器的最低面10a(当从使用中的构造看时)为平展的。通常被称作按钮站(buttonstat)的整装的恒温开关单元12安装在元件的平展表面10a上，这样就使它们二者之间有充分的热接触。例如，它可以通过拧到螺纹安装凸台8的支架或控制单元进行安装。这种器件包括快动双金属致动器，当达到恒温器的运行温度时，快动双金属致动器被设置来断开一对与两个扁形端子14连接的电触点。触点接着被保持在断开状态，直到恒温器12冷却到整个双金属的较低复位温度为止，这时允许它们再次闭合。

尽管为了清楚的目的，该图中省略了电接头，但是恒温器12串联地电连接在电力网供电的线路侧与元件的一个电端子或冷引线(cold tail)10b之间。因此，当恒温器12操作时，恒温器12将切断对元件10的供电。

未示出的还有控制单元，它包括蒸汽操作的双金属致动器(蒸汽叶片)，在严重过热的情况下，双金属致动器断开与恒温器12以及另一个备用热传感器如热熔丝并联的一对触点，以中断对元件10的供电。

下面将参照图2描述图1中所示加热器的运行。

图2示出了额定容量为1.7升的容器内的水温相对时间的曲线图，容器内的底部具有参照图1描述的加热器，纵轴表示水温，横轴表示以分钟为单位的时间。加热器元件的功率设为近似3千瓦。恒温器12的运行温度为150℃，而复位温度为82℃。

首先，向容器内注入0.5升冷水并向加热器供电。如加热曲线16的第一阶段的陡峭坡度所示，通过加热元件的持续供电，水最初被迅速加热，使得水温在大约一分钟左右就从初始温度升到100℃，即沸腾了。在初始加热阶段16的过程中，恒温器12是不起作用的，因为与蒸汽叶片相关联的触点越过它连接在一起。在水沸腾的同时产生蒸汽，因此蒸汽被传导至蒸汽叶片，蒸汽叶片断开与其相关联的一组触点。在对加热器供电期间，典型的运行温度将在250℃左右，因此在冷却阶段20期间，随着水和加热元件10的冷却，恒温器触点将保持断开。

如曲线图上的点22处所示，当元件10再次冷却到82℃时，恒温器12将复位，并由此重新闭合其电触点并对元件供电。因此元件的温度将再次迅速升高至250℃，由此导致恒温器12同样迅速地再次运行并断开其触点。因此，尽管元件功率很高，且温度升高很迅速，但是它仅运行非常短的时间，因此如短峰值24所示，随之发生的水温升高仅有几度。

一旦元件再次断开，它很快就能再次达到与水的热平衡，在它们都冷却到82℃时循环会重新开始。

如曲线的下一个阶段26所示，水温可以长期保持在目标温度82℃上下几度的范围内。特别是当理解到该曲线图的纵轴是被偏置并被放大时，将会理解所获得的温度是极其稳定的。重要的是，这并不是依靠双金属致动器固有的滞后性实现的，而是元件10、扩散器盘6和加热盘2的热质量的函数。

进一步沿着曲线图观察，在点28处又加入0.5升冷水。这具有将容器内的水的整体温度降至刚刚超过50℃的瞬时效应，但是之后，温度以近似负指数曲线30重新升至大约82℃的目标温度。在这条指数曲线30上的峰值是考虑到了这样的事实，该事实就是加热实际上发生在一系列迅速爆发期间，其间元件10通电，然后又在其达到运行温度时被迅速断电，但是元件相对快地被容器内的水冷却，所以它被再次通电。

当然，随着容器内水接近加热器被通电时的温度，即恒温器12的复位温度(82℃)，元件10被容器内的水冷却的速度在降低，这就对曲线图的指数形状做出了解释。在下一个阶段32的过程中，温度再次长期保持在82℃左右。事实上，更大体积的水意味着温度的波动值甚至小于在最初保温阶段26过程中的温度波动值。

在点34处，再加入0.5升水，所以现在容器内盛了1.5升水。再次，整个液体经历了最初(但更小)的温度下降，随后是负指数加热升高36。应该注意的是，温度再次自动升高至目标温度。

因此，这已经证明，根据本发明，可以不考虑容器内水的体积而长期地保持稳定的温度。

图3示出了本发明的第二实施例。除了设置温度可变快动恒温装置38代替图1所示的固定温度按钮恒温器之外，这与第一实施例相类似。在本领域中，该恒温器装置38即通常所说的熨斗站(ironstat)，因为它通常被用来调节电熨斗的温度。它以与固定温度按钮站完全相同的方式与电路相连接，因此这一方面的运行就不再解释了。然而，恒温器本身的运行将通过参照图4进行简要解释。

首先要注意的是，加热器在图4中示出的是其正常使用中的取向。因此，恒温器装置38被安装在加热盘2下方的元件的平展底面10a上。恒温器装置38包括全部安装在由螺母42支持的铜螺栓40上的一组部件，螺栓的头部44压靠在元件的平展底面10a上，以便与其有充分的热接触。

由上往下看这组部件，第一部件是一个大致为矩形的双金属片46。在双金属片46的近端为一个孔，螺栓40穿过该孔，而在其远端接合着联动部件48。

向下看该部件有电绝缘隔离片50，紧随其后的是电接触片52。螺栓40穿过(不接触)片52的中心，片52的一端为扁形端子54，而另一端为开关触点56。

在这个下面为第二隔离片50，且在其下面是复合成形的金属片58，该复合成形的金属片58为双稳片簧结构。双稳片簧58一端具有扁形端子60，向右，螺栓40穿过其而并不发生接触。在其右端，弹簧58形成水平延伸的长U形。在U形的上臂的远端为第二开关触点62，其与位于其上方的电接触片52上的开关触点56互相配合。U形的上臂和下臂都具有从其切割出来的舌片，舌片都弯曲出平面并彼此远离，但它们都向回弯曲，使得两个舌片的自由端互相接合。正如从图4中看到的，这发生在最右端。下臂的舌片64大致为直的，其端部向上弯曲成直角，而上臂的舌片68向上弯曲成曲线轮廓。

整个装置就是这样的：构件58形成双稳片簧，当将其被联动部件48按压时，其快跳至另外一个图4未示出的结构，以断开触点56，62，且当其被联动部件48拉动时，其再次过中心快跳，以将触点再次闭合。

进一步向下看这组部件有第三隔离片50，在这组部件的底部是安装板70，用来安装螺旋操作的锥形凸轮机构，该凸轮机构将对下部的簧上舌片64起作用的推杆74略微向上或向下推动，向上或向下取决于旋钮76的旋转量。

在操作中，双金属片46通过与元件相接触的螺栓头部44被元件10加热。这导致双金属片向下弯曲并因此通过联动部件48作用于双稳片簧58。当达到某一温度时，片簧装置58过中心快跳以断开那组触点56，62。这阻断了从扁形端子54通过触点56，62和片簧组件58本身到达第二扁形端子60的电路。

随着双金属片46的冷却，它将回复到图4所示的平面状态，这将上拉双稳片簧58的端部以使其跳回其初始结构并再次闭合触点56，62。因此，这个装置的运行在功能上与第一实施例描述的按钮恒温器的操作非常相似。然而，在本实施例中，可以通过使旋钮76将推杆74向上或向下推动来改变片簧58上的偏置从而可改变双稳装置的复位温度。正如可以理解的，这有效地允许改变恒温器装置38的复位温度，因此，也改变了被保持的水温度。

本发明的第三实施例在图5a和5b中示出。在该实施例中，按钮站12与元件10直接热接触；但借助了如由铜制成的热连接部件78，而非直接物理接触。如图5b中所示，热连接部件78包括一对平行的垂直偏置的凸缘80，82。上凸缘80置放在加热器的平展表面10a上；而下凸缘82接纳按钮站12。腿84支撑下凸缘82使其不接触扩散器盘6，使得热连接部件78和按钮站12都不与扩散器盘6有充分热接触。

该加热器的其余部分与第一实施例中描述的相同，因此就不需要进一步的解释了。类似地，加热器的运行和第一实施例中描述的也完全相同。当然，可以理解，这种热连接部件也可以与第二实施例中的恒温器或甚至任何恒温器一起使用。

图6示意性地示出了本发明的另一个实施例。在该装置中，与上述实施例相同，设置循环恒温器器件90与加热元件10通过热连接部件94充分热接触。然而，容器还设有第二恒温器件96，其安装在容器的侧壁上以与容器内的水充分热接触。

如图7所示，两个恒温器件90，96在电路上互相并联，该并联装置与电力网供电的线路侧以及加热元件10串联。将第一恒温器90的复位温度设置成近似为容器内液体的目标温度，如85℃。第二恒温器96的运行温度或断路温度比该温度低几度。由于这是手动复位器件，所以没有限定复位温度。

参照图8可理解该装置的运行。如图所示，首先通过第二恒温器96的触点对加热器10供电，直到其运行温度达到点98处。这可能是例如80℃。然后，元件10被第二恒温器96断开，热过量使水近似地达到目标温度。

此后，容器内水的温度由第一恒温器90根据上述实施例中描述的相同方式进行调节，尽管现在我们可以理解，水能更快地达到目标温度，因为不需要将所有的水烧开然后等待水冷却到目标温度；水能迅速达到目标温度并保持这个温度。

Claims (18)

1.一种用于液体加热容器的加热器，它包括用来封闭容器的底部的开口的加热盘和形成或安装在加热盘的下侧的加热元件，该加热器进一步包括可自动复位的热敏感致动器，该热敏感致动器布置成使其在第一温度减少或中断对所述加热元件的供电，并在第二温度恢复供电，所述第二温度低于所述第一温度，其中所述第二温度低于液体的沸点，而且其中所述热敏感致动器设置成与所述加热元件直接热接触。

2.根据权利要求1的加热器，其特征在于，其还包括与热敏感致动器并联设置的沸腾敏感控制器。

3.根据权利要求1的加热器，其特征在于，其还包括第二热传感器，其中所述第二热传感器设置成在使用中与容器内的液体充分热接触。

4.根据权利要求3的加热器，其特征在于，所述第二热传感器具有与之相关联的第二对开关触点，其设置成使所述第二对开关触点在低于所述热敏感致动器的所述第二温度的温度断开。

5.根据权利要求4的加热器，其特征在于，所述热敏感致动器具有与之相关联的第一对开关触点，并且其中所述第二对开关触点与所述第一对开关触点并联设置。

6.根据权利要求4的加热器，其特征在于，所述第二对开关触点设置为锁闭断开的，需要手动复位。

7.根据权利要求3至6中任一项的加热器，其特征在于，所述第二热传感器包括热敏感致动器。

8.根据权利要求3至6中任一项的加热器，其特征在于，所述第二热传感器包括双金属致动器。

9.根据权利要求3-6中任一项的加热器，其特征在于，所述第二热传感器包括快动双金属致动器。

10.根据权利要求3至6中任一项的加热器，其特征在于，所述第二热传感器设置成在使用中与容器内的水直接接触。

11.根据权利要求10的加热器，其特征在于，所述第二传感器安装在容器的侧壁上或安装在容器的底部加热器的外部。

12.根据权利要求1至6中任一项的加热器，其特征在于，所述可自动复位的热敏感致动器包括按钮恒温器。

13.根据权利要求1至6中任一项的加热器，其特征在于，所述可自动复位的热敏感致动器包括可变恒温装置。

14.根据权利要求13的加热器，其特征在于，所述可变恒温装置包括缓动双金属片，其可操作地与过中心双稳闭锁装置相连接。

15.根据权利要求1至6中任一项的加热器，其特征在于，所述可自动复位的热敏感致动器设置成与所述加热元件直接物理接触。

16.根据权利要求1至6中任一项的加热器，其特征在于，所述可自动复位的热敏感致动器设置成通过热连接部件与加热元件直接热接触。

17.根据权利要求16的加热器，其特征在于，所述热连接部件与加热器盘的热接触少于其与加热元件的热接触。

18.根据权利要求1至6中任一项的加热器，其特征在于，所述加热元件包括被覆套的加热元件。

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