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Dispositivo de calentamiento de un liquido para electrodomestico, electrodomestico provisto de dicho dispositivo. Download PDF

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Abstract

Dispositivo de calentamiento de un líquido para aparato electrodoméstico, que comprende un cuerpo principal (1) unido a un depósito de líquido, y asociado a un elemento complementario (3) que recubre una cara del cuerpo principal (1) para definir un volumen de circulación de líquido, caracterizado porque el cuerpo principal presenta una inercia térmica inferior a la del aluminio y porque el elemento complementario (3) presenta una resistencia calentadora (2) serigrafiada en su cara opuesta a aquélla que está frente al cuerpo principal (1).

Description

Dispositivo de calentamiento de un líquido para electrodoméstico, electrodoméstico provisto de dicho dispositivo.
Ámbito técnico
La invención se vincula al sector de los aparatos electrodomésticos. De modo más particular, se refiere a los aparatos de utilización doméstica que necesitan el calentamiento de un líquido, y de modo más particular de agua, a una temperatura inferior a la del paso a la fase de vapor. Entre estos aparatos pueden citarse las cafeteras eléctricas, las máquinas expreso, los distribuidores de bebidas calientes, que necesitan la producción rápida de agua a una temperatura comprendida entre 60ºC y 90ºC.
La invención concierne de modo más específico a una estructura del dispositivo de calentamiento del líquido, que permite un calentamiento del líquido en un tiempo netamente inferior al de los dispositivos existentes.
Técnicas anteriores
De modo general, los aparatos que necesitan la producción continua de agua caliente comprenden dispositivos de calentamiento que incluyen resistencias eléctricas que están asociadas a un cuerpo calentador, de manera que transmiten a este último una cierta cantidad de energía calorífica. Este cuerpo calentador comprende un circuito de circulación de agua, de modo que, cuando el agua atraviesa el cuerpo calentador, ésta recibe una parte de la energía suministrada por la resistencia. Se han propuesto ya numerosas arquitecturas para disponer el circuito de circulación, así como la resistencia en el seno del cuerpo calentador. Así, de modo habitual, la resistencia está alojada en el interior del cuerpo calentador, que está realizado de metal y típicamente de aluminio.
Para evitar riesgos eléctricos, esta resistencia es, generalmente, blindada, y está empotrada, soldada o engastada en la masa del cuerpo calentador.
El circuito de circulación del agua puede estar realizado de manera diversa y, especialmente, estar formado por un tubo a su vez integrado, por ejemplo por sobremodo, en el cuerpo calentador.
El conjunto de los sistemas conocidos actualmente presentan numerosos inconvenientes y, especialmente, una gran inercia térmica, debido a que la resistencia está empotrada en el cuerpo calentador y a que ésta debe estar blindada. Por tanto, se necesita una larga fase de precalentamiento para llevar el cuerpo calentador a temperatura, antes de que pueda asegurarse el calentamiento del líquido que le recorre.
En otras palabras, con los sistemas existentes es imposible obtener agua caliente prácticamente desde el inicio del ciclo de funcionamiento.
Debido a esta inercia térmica, se necesita, igualmente, asegurar una alimentación cíclica de la resistencia por un termostato de regulación, para mantener el cuerpo calentador a temperatura constante, incluso en las fases de no utilización, y esto con el fin de poder beneficiarse de un agua suficientemente caliente desde la entrada de una nueva fase de utilización.
Estos inconvenientes se encuentran en los dispositivos descritos en el documento EP 0 345 528, que comprenden un cuerpo calentador principal, en cuyo interior está empotrada una resistencia blindada. Este cuerpo calentador está asociado a un elemento complementario, que forma una cubierta, de modo que definen un volumen de circulación del líquido. El cuerpo central puede ser plano, o cilíndrico. Un montaje de este tipo tiene una gran inercia térmica, puesto que la resistencia calentadora está empotrada en el seno del material que forma el cuerpo calentador, con los inconvenientes anteriormente citados.
En el ámbito de los aparatos electrodomésticos que ponen en práctica un calentamiento de agua, se conocen, igualmente, las calderas tales como las descritas en el documento WO 99/59453. Este tipo de caldera comprende una cámara cilíndrica en volumen, cuya pared está equipada con una resistencia localizada en la parte baja. Esta resistencia serigrafiada en la pared de la cámara provoca el calentamiento del líquido contenido en la cámara. Naturalmente, este tipo de caldera de gran volumen no puede suprimir el tiempo de precalentamiento de la caldera, de modo que no permite obtener agua a temperatura suficiente desde el momento de la puesta en marcha del dispositivo. Además, conviene prever una regulación de temperatura para mantener, durante largos ciclos de aportación de energía térmica, la temperatura a una consigna predeterminada.
Un primer problema que intenta resolver la invención es disminuir el tiempo a partir de la puesta en marcha del dispositivo calentador, en el cual el agua, o de modo más general el líquido, está a una temperatura suficiente.
Otro problema que intenta resolver la invención es limitar todo lo posible las pérdidas de energía en las fases de no utilización de un aparato calentador.
\newpage
Otro problema que intenta resolver la invención es limitar estrictamente al mínimo la aportación de energía calorífica para la obtención de un líquido a una temperatura deseada.
La estructura del dispositivo de calentamiento debe, no obstante, continuar siendo simple y de coste de fabricación modesto.
Exposición de la invención
La invención se refiere, por tanto, a un dispositivo de calentamiento de un líquido para aparato electrodoméstico. De modo conocido, un dispositivo de este tipo comprende un cuerpo principal unido a un depósito de líquido, y que está asociado a un elemento complementario que recubre una de sus caras, para definir un volumen de circulación de líquido.
De acuerdo con la invención, el cuerpo principal presenta una inercia térmica inferior a la del aluminio, y el elemento complementario presenta una resistencia calentadora serigrafiada en la cara opuesta a aquélla que está frente al cuerpo principal.
Por inercia térmica (It) se entiende la capacidad de un cuerpo para almacenar más o menos calor, lo que puede expresarse por el producto del valor de su densidad másica (\rho) por el valor de su capacidad térmica específica (cp).
It = \rho \ x \ cp
A este respecto, se significa que los cuerpos metálicos presentan, habitualmente, una gran inercia térmica, aunque solo sea por su gran densidad másica. En otras palabras, de acuerdo con la invención, el cuerpo principal es una especie de "aislante térmico" porque, durante una fase calentadora, éste absorbe muchas menos calorías que el líquido de circulación.
Ventajosamente, el cuerpo principal esta realizado de plástico.
Ventajosamente, el elemento complementario presenta un alto coeficiente de conducción térmica transversal, por ejemplo superior a 40. Por coeficiente de conducción térmica transversal (Ct), se entiende la relación entre el valor del coeficiente de conductibilidad térmica (\lambda) del material del elemento complementario del calentador y el valor de su espesor (e) expresado en milímetros.
Ct = \lambda / e
En otras palabras, el elemento complementario transmite al líquido, muy rápidamente, por conducción, la energía calorífica de la resistencia calentadora, bien porque su espesor sea reducido, del orden de 3 mm para un material como el aluminio de gran coeficiente de conductibilidad, o porque el espesor sea muy reducido, del orden del milímetro, para un material de menor coeficiente de conductibilidad como el acero inoxidable.
Incidentalmente, el hecho de que la resistencia calentadora sea de tipo serigrafiado y esto en combinación con el buen coeficiente de conducción térmica transversal, hace que el elemento complementario del calentador presente, igualmente, una baja inercia térmica disminuyendo las pérdidas energéticas. Ahora bien, este tipo de elemento calentador serigrafiado permite realizar un calentamiento uniforme en una gran superficie con respecto al líquido, lo que aumenta su eficacia de conductibilidad térmica general.
Dicho de otro modo, el dispositivo de calentamiento comprende un cuerpo principal que es relativamente aislante térmicamente, y que está recubierto por un elemento calentador rápido. Así pues, este elemento calentador transmite una energía calorífica al líquido que circula por el espacio que le separa del cuerpo principal. Debido al alto coeficiente de transferencia térmica por conducción del elemento complementario, lo esencial de la energía disipada por la resistencia serigrafiada se transmite al líquido en circulación, más bien que acumularse en el elemento complementario del calentador. Asimismo, el cuerpo principal del calentador tiene una baja inercia térmica, de modo que solamente almacena una pequeña cantidad de la energía que proviene del elemento calentador.
Se deduce que el líquido recibe muy rápidamente, y de manera casi completa, la energía calorífica que proviene de la resistencia serigrafiada, de modo que el calentamiento del líquido es casi instantáneo. Asimismo, el cuerpo principal no participa prácticamente en los fenómenos de calentamiento del líquido, de modo que, cuando el dispositivo no funciona, no es necesario suministrar una cantidad de energía para que éste se mantenga a una temperatura suficiente.
Dicho de otro modo, el consumo del dispositivo de calentamiento fuera de las fases de calentamiento propiamente dichas es nulo. De manera corolaria, no es prácticamente necesario efectuar largas fases de precalentamiento al principio de la utilización del dispositivo, puesto que el cuerpo calentador no tiene necesidad de recibir una cantidad importante de energía para llegar a la temperatura de utilización.
\newpage
En la práctica, el principio de la invención puede aplicarse en dispositivos de calentamiento que tengan diferentes geometrías. Así, en una primera forma de realización, el cuerpo central puede ser cilíndrico, y recibir en su cara exterior el elemento complementario del calentador formando un manguito.
En otra forma de realización, el cuerpo central puede ser plano, y recibir entonces un elemento calentador igualmente plano.
Para aumentar la eficacia del dispositivo, puede preverse que el cuerpo principal comprenda una ranura que permita definir con el elemento complementario un canal de circulación del líquido, aumentando, así, el camino recorrido por este último en el seno del dispositivo de calentamiento y, por tanto, su capacidad de recibir energía calorífica.
Con el mismo objeto, la resistencia serigrafiada puede estar localizada, ventajosamente, a nivel del canal de circulación del líquido.
En la práctica, cuando el dispositivo es de forma general cilíndrica, la ranura puede ser helicoidal, mientras que, cuando el cuerpo central del calentador es plano, la ranura puede ser entonces de forma espiral.
Dentro del mismo espíritu, el cuerpo principal del calentador puede ser hueco, de manera que limite todavía más su masa, por tanto, su inercia térmica.
Ventajosamente, en el elemento complementario está dispuesto un captador de temperatura, y el dispositivo de calentamiento comprende un circuito eléctrico y/o electrónico que regula la temperatura del cuerpo complementario a un valor de consigna, comprendido, preferentemente, entre 70ºC y 90ºC.
Debido a que el elemento complementario tiene una gran conductibilidad transversal y a que el cuerpo principal y el elemento complementario presentan una baja inercia térmica, la regulación eléctrica y/o electrónica es particularmente dinámica, casi permanente, haciendo que el líquido salga a una temperatura más bien estable con un consumo energético minimizado.
Descripción somera de las figuras
La manera de realizar la invención, así como las ventajas que de ella se derivan, se pondrán bien de manifiesto con la descripción del modo de realización que sigue, con el apoyo de las figuras anejas, en las cuales:
La figura 1 es una vista en perspectiva en despide ordenado del dispositivo calentador de acuerdo con la invención, mostrada antes del ensamblaje.
La figura 2 es una vista en corte longitudinal del dispositivo calentador de la figura 1, mostrada en una configuración ensamblada.
Manera de realizar la invención
Las figuras 1 y 2 ilustran un modo de realización de la invención en el cual el dispositivo calentador es cilíndrico.
En este caso, el dispositivo (10) comprende un cuerpo principal central (1) asociado a un elemento complementario calentador (3) en forma de un manguito cilíndrico. El espacio definido entre la cara (6) exterior del cuerpo principal central (1) y la cara interior (7) del manguito (3), forma el volumen en cilindro hueco de circulación del líquido.
En la forma ilustrada, la cara exterior del cuerpo central (1) comprende una ranura helicoidal (4) que permite definir con el manguito un encaminamiento del líquido alrededor del cuerpo central (1). Sin embargo, en otras formas de realización, no representadas, la cara exterior del cuerpo central (1) puede ser totalmente cilíndrica, de manera que define con el manguito un volumen de circulación de espesor constante, que se extiende a lo largo del cilindro. Sin salirse del marco de la invención, puede considerarse otras variantes.
En la práctica, el cuerpo principal central (1), como está ilustrado en la figura 2, está unido a una alimentación (8) de agua fría. Esta llegada (8) está unida a la cara exterior (6) por un canal (9) sensiblemente radial, que desemboca en la cara exterior (6).
El cuerpo principal central (1) está realizado, preferentemente, de material plástico o, de modo más general, de un material que tenga una baja inercia térmica It, en todo caso inferior a la del aluminio del orden de 2,30, de manera que solamente almacene una pequeña parte de la energía de calentamiento. Como material susceptible de ser adecuado para la realización del cuerpo principal de acuerdo con la invención, puede citarse la poliamida (It = 1,9), el poliacetal (It = 2), el polipropileno (It = 1,6), la polisulfona (It = 1,4) o el policarbonato (It = 1,5).
En la forma ilustrada en la figura 2, se observa que el cuerpo principal central (1) del calentador presenta un vaciado central (5), destinado a disminuir todavía más su peso, por tanto su inercia térmica.
\newpage
En el ejemplo ilustrado en las figuras 1 y 2, la ranura (4) presenta una profundidad del orden de 3 milímetros y una anchura de aproximadamente 8 milímetros. Esta ranura (4), presenta una geometría helicoidal, de un paso de aproximadamente 9 milímetros. En otras palabras, la profundidad es menor que la anchura de tal modo que el líquido se "extiende" contra el elemento complementario del calentador y, así se favorece la transferencia de calorías.
Preferentemente, el manguito (3) está realizado de modo que presenta un alto coeficiente de conducción térmica transversal y una baja inercia térmica.
El espesor del manguito (3) se reduce al mínimo en función del material de base para disminuir esta inercia térmica, y para amentar los fenómenos de conducción. Entre los materiales que dan buenos resultados en términos de propiedades térmicas, pueden citarse el cobre, el acero inoxidable, el aluminio o el vidrio. Es importante que el manguito (3) permita el depósito de una resistencia eléctrica calentadora (2) serigrafiada.
El procedimiento de realización de las pistas calentadoras consiste en serigrafiar una o varias capas de material aislante, y una capa de pasta conductora según una trayectoria particular, una capa para formar bornes de contacto y finalmente una o varias capas de material aislante. La potencia disponible puede ser del orden de 2.000 W.
Esta resistencia eléctrica (2) forma, por tanto, una cinta que, en la forma ilustrada, está dispuesta en forma de círculos transversales con desplazamiento a lo largo de una misma línea longitudinal: toda la superficie interna del manguito forma una placa calentadora contra la cual las ranuras fuerzan a circular al líquido. Si se desea, la resistencia serigrafiada puede ser helicoidal, y encontrarse a nivel de los canales definidos por la ranura (4) del cuerpo principal (1) del calentador. En este caso, se mejora la eficacia y la rapidez del calentamiento.
Así, para un manguito de acero inoxidable que tiene un diámetro exterior del orden de 45 mm, el espesor del manguito (3) puede estar comprendido, ventajosamente, entre 0,5 y 1,5 milímetros, preferentemente entre 0,8 y 1 milímetros. Su coeficiente de conducción térmica transversal Ct es, entonces, del orden de 60. La ventaja del acero inoxidable es su resistencia a la corrosión y su estabilidad a alta temperatura, que facilitan la realización de elementos calentadores planos.
Puede considerarse el empleo de un manguito de aluminio, pero con elementos calentadores sobre soporte de poliamida y pastas de menor temperatura de cocción. Por ejemplo, para un manguito de aluminio de espesor del orden de 3 milímetros que permite la realización de elementos calentadores serigrafiados, su coeficiente de conducción térmica Ct es del orden de 70.
En la práctica, la circulación del agua por el encaminamiento a lo largo de la cara externa del cuerpo principal puede efectuarse únicamente por gravedad, o por intermedio de una bomba.
De modo útil, al elemento complementario del calentador se añade un captador de temperatura (12), tal como una resistencia CTN, y se conecta a un circuito electrónico que gobierna la alimentación eléctrica de las pistas resistivas calentadoras, de modo que mantenga este elemento calentador en forma de manguito a una temperatura predeterminada en el período de circulación de agua.
Durante una primera puesta en marcha con un dispositivo de calentamiento frío, la regulación manda un precalentamiento rápido, del orden de 2 a 3 segundos, antes del inicio de la circulación de agua. Este precalentamiento particularmente rápido, y casi no perceptible por el usuario, viene de la inercia térmica global muy baja del dispositivo y de su eficacia de transferencia térmica esencialmente hacia el agua contenida en el circuito.
Después de numerosos ensayos en taller, se considera que, para obtener un agua caliente a 80ºC a la salida, basta regular a continuación, durante la circulación del líquido, la temperatura del elemento complementario del calentador a un valor de consigna igual al deseado del líquido aumentado simplemente en un valor constante, por ejemplo de 30ºC.
Cuando el dispositivo calentador es alimentado por medio de una bomba, ésta puede participar en la regulación. En efecto, si el caudal de la bomba se considera demasiado bajo, la temperatura del manguito sube por encima de su consigna, provocando el corte del elemento calentador dejando al mismo tiempo la bomba en marcha. Por el contrario, si el caudal de la bomba se considera demasiado alto, la temperatura del manguito disminuirá y un mando detendrá momentáneamente la bomba.
En la práctica, las mediciones efectuadas con este tipo de dispositivo calentador permiten obtener un calentamiento de aproximadamente 25 centilitros de agua a una temperatura comprendida entre 70ºC y 80ºC en 6 a 7 segundos solamente. La fase de precalentamiento, solamente opcional, es particularmente reducida, puesto que el inicio de circulación puede intervenir como muy tarde aproximadamente tres segundos después de la puesta en funcionamiento del dispositivo calentador.
De lo que precede, se deduce que el dispositivo de acuerdo con la invención presenta múltiples ventajas y, especialmente, la de tener una inercia térmica particularmente reducida. Se obtiene, por tanto, que el agua circula por el dispositivo calentador de manera casi instantánea durante la puesta en tensión de la resistencia calentadora.
Durante la puesta fuera de tensión de la resistencia, el dispositivo calentador se enfría rápidamente gracias a su baja inercia térmica, preservando, así, del calentamiento el entorno próximo y facilitando, igualmente, la regulación de la temperatura de salida.
La presencia de la resistencia serigrafiada asegura, igualmente, un reparto de la potencia calentadora sobre una superficie mayor con respecto a las soluciones existentes, de manera que se optimiza la transferencia térmica.
En variante, el cuerpo central puede ser plano y recibir un elemento calentador igualmente plano. En este caso, la cara del cuerpo central frente al elemento calentador se completa con una ranura en forma de espiral, llegando el agua fría por el centro, saliendo el agua caliente por la periferia o inversamente.

Claims (11)

1. Dispositivo de calentamiento de un líquido para aparato electrodoméstico, que comprende un cuerpo principal (1) unido a un depósito de líquido, y asociado a un elemento complementario (3) que recubre una cara del cuerpo principal (1) para definir un volumen de circulación de líquido, caracterizado porque el cuerpo principal presenta una inercia térmica inferior a la del aluminio y porque el elemento complementario (3) presenta una resistencia calentadora (2) serigrafiada en su cara opuesta a aquélla que está frente al cuerpo principal (1).
2. Dispositivo de calentamiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el cuerpo principal (1) está realizado de plástico.
3. Dispositivo de calentamiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el elemento complementario (3) realizado de material metálico presenta un coeficiente de conducción térmica transversal (Ct) superior a 40.
4. Dispositivo de calentamiento de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado porque el elemento complementario (3) está realizado de acero inoxidable de espesor comprendido entre 0,5 y 1,5 milímetros, preferentemente entre 0,8 y 1 milímetros.
5. Dispositivo de calentamiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el cuerpo principal (1) comprende una ranura que permite definir con el elemento complementario (3) un canal (4) de circulación del líquido.
6. Dispositivo de calentamiento de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque la resistencia (2) serigrafiada está localizada sensiblemente a nivel del canal (4) de circulación de líquido.
7. Dispositivo de calentamiento de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque el cuerpo principal (1) es plano y porque la ranura tiene forma de espiral.
8. Dispositivo de calentamiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado el cuerpo principal (1) es cilíndrico, y recibe en su cara exterior el elemento complementario (3) en forma de manguito.
9. Dispositivo de calentamiento de acuerdo con las reivindicaciones 5 y 8, caracterizado porque la ranura es helicoidal.
10. Dispositivo de calentamiento de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque el cuerpo principal (1) cilíndrico es hueco.
11. Dispositivo de calentamiento de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque en el elemento complementario está dispuesto un captador de temperatura (12), y porque el dispositivo comprende un circuito eléctrico/electrónico unido a la resistencia calentadora con el fin de regular la temperatura del cuerpo complementario.
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