連續流式水加熱組件及生產方法與流程

2023-06-09 22:02:16 2

本發明涉及水加熱組件，尤其是連續流式水加熱組件，以及用於生產水加熱組件的方法。

目前，對於臺式咖啡機、泡茶器、飲料自動售貨機等而言主要存在三種類型的水加熱系統。第一種類型為熱水器。加熱器諸如電阻線圈浸入水箱內並與水直接接觸。連續地製備並儲存熱水。第二種類型為加熱塊系統。加熱元件和水管澆鑄在鋁塊內，只要機器保持處於使用模式，鋁塊就保持在高溫下。流過水管的水通過鋁塊的儲存熱量加熱。第三種類型為加熱帶。加熱單元環繞水箱並加熱水箱的壁，從而加熱內部的水。

所有上述加熱系統無法按需提供熱水，這是由於它們無法在不延遲的情況下加熱水。需要一定製備時間。這些系統相對龐大且笨重。

因此，第四種類型的水加熱系統為連續流式加熱器，當水在管內連續地循環時，其使用該管加熱水。具體地講，wo2008/110847a2示出了連續流式水加熱設備，其包括被布置在水管內的加熱元件。水管和加熱元件形成水流過其中的間隙。但該連續流式加熱系統具有缺點，這是由於需要非常長的水管及因此也需要非常長的加熱元件來加熱水，並且由於因水管的幾何形狀而使得暴露於加熱元件熱量的時間非常短。這導致所得水加熱器的高重量和高容積。

us4975559涉及用於對咖啡機中的水進行加熱和充氣的設備。水迴路具有水循環通道和空氣保持袋，這些空氣保持袋沿著水循環通道間隔地設置在這些通道的正常水位之上。空氣保持袋在循環水中提供湍流，並使袋中保持的空氣溶解於水中。

us2006027103a1涉及用於對飲料機中的液體進行加熱的設備。該設備包括管加熱器，該管加熱器具有水入口、水出口以及有螺旋凹槽的管內插件。水被迫以螺旋方式穿過小間隙。一個問題是水溫難以控制，有可能發生過熱。這就需要一套複雜的、電連接在一起的電阻器。此外，內部插件提供了流體迴路中增加的壓力損失，這需要加以克服。

因此，本發明的目的是提供連續流式水加熱組件，其具有低容積和/或佔地面積、低重量、改善的傳熱效率，並且組裝和生產起來簡單並具有成本效益。

該目的通過獨立權利要求的主題來實現。從屬權利要求包含進一步展開。

本發明水加熱組件包括核心的加熱元件和管。加熱元件被布置在管內而在加熱元件與管內壁之間形成用於流動路徑的間隙，並且適於對間隙內的水進行加熱。水加熱組件包括被布置在間隙內的間隔元件(本文也稱為流動影響裝置或湍流生成裝置)。管因此環繞流動路徑，該流動路徑至少部分地由包括間隔元件的間隙形成。間隔元件擾動穿過間隙的水流，從而延長水暴露於加熱元件所發出的熱量的時間。這使得水加熱組件的管的每個長度單位具有更長流動路徑，並且水加熱組件具有低重量和低容積。根據本發明，因此不需要受熱的水箱或鋁塊。因此，不需要熱水可供使用之前預熱系統。此外，可有利地縮短加熱元件，同時提供相同的加熱效率。

優選地，間隙沿著管所環繞的整個流動路徑延伸。因此，加熱元件是截面比管更小的細長管狀元件，該元件至少沿著整個管的長度延伸。本發明的效應可因此最大化。

有利地，間隔元件適於將管和加熱元件保持在限定距離處。由於間隔元件由此有助於水加熱組件的結構完整性，可省略保持管和加熱元件的附加元件。這使得所得水加熱組件的重量和容積進一步降低。

優選地，外部的管形成為非直線形狀。在一種優選模式中，外部的管形成為三維形狀，諸如螺旋形式。具體地講，這能夠生產具有高加熱效率的極緊湊的加熱組件，其可易於裝配到小飲料機諸如臺式飲料製備機中。在另一種模式中，外部的管形成為二維形狀，諸如m形式或二維盤旋形式。

核心的加熱元件優先由與管形狀相同的大體形狀形成，但具有減小的截面，從而能夠在其間形成管狀截面的小間隙。

在一個方面，間隔元件是獨立於核心的加熱元件和外部的管的分立元件。優點在於，加熱組件可被構造成適當的尺寸，並且以更具成本效益的方式更容易地組裝。由於能輕鬆更換間隔元件但保持加熱組件的相同其他元件，因此可以徑向地改變組件的加熱和流動特徵，從而提供重要的設計和生產靈活性。

進一步有利地，間隔元件是被布置在加熱元件與管內壁之間並與之接觸的盤簧。彈簧的繞組形成螺旋水路徑。彈簧的使用進一步穩定了水加熱組件，與此同時顯著增加了水須在水加熱組件內流動的路徑的長度。從而，顯著延長了水暴露於熱量的時間，這允許提高加熱組件或管的每單位長度的傳熱效率，並且允許水加熱組件的極輕質且低容積的構造。此外，盤簧的節距可根據所需的流動條件和加熱特徵而改變。

間隔元件可沿著管的內壁和/或沿著加熱元件的外壁包括至少一個優選螺旋的凹槽。該凹槽形成優選螺旋的水路徑。與使用彈簧形成水路徑相比，該解決方案少需要一個部件。從而可進一步降低生產成本。

間隔元件可為螺旋金屬線，例如其具有圓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與管的內表面和加熱元件接觸，從而防止管或加熱元件在金屬線施加的壓力下損壞或變形，並且還可有利於組裝，諸如在管與加熱元件之間插入金屬線。

間隔元件還可包括被布置在管內壁與加熱元件外壁之間的多個縱向間隔開的間隔件。通過凹痕的使用，還可以比使用彈簧時少使用一個部件。這允許生產成本的進一步降低。間隔件各自適於在間隙內生成非線性曲折水流路徑，和/或在間隙內生成水流的湍流。通過使用不必設置在間隙內的預先指定位置處的單獨間隔件，可以實現非常簡單的構造。

有利地，管包括用於接納待加熱的水的水入口轉接器以及用於排出經加熱的水的水出口轉接器。加熱元件適於對經過間隙內的加熱元件的水進行加熱。從而可以實現連續流式水加熱。

有利地，水加熱組件此外還包括控制單元、泵和至少一個溫度傳感器，優選地為負溫度係數電阻器。泵適於將水泵送穿過間隙。所述至少一個溫度傳感器適於至少監測管的水排出端處的溫度。控制單元適於基於所述至少一個溫度傳感器所感測的溫度來控制泵的泵送。從而可以實現非常有效地將水加熱到可確切指定的溫度。

有利地，溫度傳感器被布置在加熱組件的水出口中。從而可以實現非常簡單的構造。

另選地，溫度傳感器被布置在管內並在加熱元件的水排出端處與加熱元件接觸。溫度傳感器適於在間隙中填充有水的情況下感測周圍水的溫度，並且在間隙中未填充有水的情況下感測加熱元件的溫度。傳感器可因此用於確定間隙中是否填充有水。

有利地，控制單元適於通過以下方式確定間隙中是否填充有水：激活加熱元件，監測溫度傳感器所感測的溫度，並且如果熱量聚集慢於閾值，則確定間隙中填充有水，且如果熱量聚集快於閾值，則確定間隙中未填充有水。如果控制單元已確定間隙中未填充有水，則控制單元適於使加熱元件去激活。從而可防止系統的意外過熱。另外，從而可以實現節能。

有利地，該管可為不鏽鋼管。該管也可為另一材料，諸如銅或鋁。該管在該管的水加載端處和該管的水排出端處不可滲透地熔接或焊接到加熱元件。從而可實現水加熱組件的非常長的壽命。

另選地，該管可為矽橡膠管，其通過夾鉗在該管的水加載端處和該管的水排出端處不可滲透地連接到加熱元件。在這種情況下，正是核心的加熱元件自身向水加熱組件提供永久形狀。從而可實現非常低的生產成本。

用於生產將彈簧或間隔件用作間隔元件的水加熱組件的本發明方法包括生產管、加熱元件和間隔元件，將加熱元件和間隔元件插入管中，以及將管的水加載端、管的水排出端不可滲透地連接到加熱元件，並且任選地，將水出口和水入口連接到管並任選地將水傳感器連接到水出口或管。從而可以進行非常簡單且低成本的生產。

用於生產將凹槽用作間隔元件的水加熱組件的本發明方法包括生產管和加熱元件，包括通過任何以下操作來生產所述至少一個凹槽：澆鑄、銑削、壓制或它們的組合，將加熱元件插入管中，將管的水加載端和管的水排出端不可滲透地連接到加熱元件，並且任選地，將水出口和水入口連接到管並任選地將水傳感器連接到水出口或管。同樣，通過該生產方法，可以實現非常低成本的生產。

用於生產將管的凹痕用作間隔元件的水加熱組件的本發明方法包括生產管和加熱元件，將加熱元件插入管中，通過將管壓靠在加熱元件上而形成凹痕，將管的水加載端和管的水排出端不可滲透地連接到加熱元件，並且任選地，將水出口和水入口連接到管並任選地將水傳感器連接到水出口或管。為了形成管內突出的永久凹痕，管優選地由塑性可變形材料諸如金屬(鋁、銅、鋼等)製成。同樣，通過該方法，可以實現水加熱組件的低成本生產。

本發明還涉及使用根據本發明的水加熱組件對水進行加熱的方法。

現在進一步參照附圖闡述本發明的示例性實施方案，在附圖中

圖1示出了本發明水加熱組件的第一實施方案；

圖2示出了本發明水加熱組件的所述第一實施方案的若干部件；

圖3示出了本發明水加熱組件的所述第一實施方案的細部；

圖4示出了本發明水加熱組件的第二實施方案的管；

圖5示出了本發明水加熱組件的變型；

圖6以剖視圖示出了本發明水加熱組件的另一個變型；

圖7示出了本發明水加熱組件的第三實施方案；

圖8以框圖示出了本發明水加熱組件；

圖9示出了本發明水加熱組件的細部；

圖10示出了根據本發明水加熱組件的變型的細部；

圖11示出了本發明水加熱組件的第四實施方案；

圖12示出了本發明水加熱組件的第五實施方案；

圖13以流程圖示出了本發明生產方法的第一實施方案；

圖14以流程圖示出了本發明生產方法的第二實施方案，以及

圖15以流程圖示出了本發明生產方法的第三實施方案。

首先，本發明水加熱組件的不同實施方案的構造和功能示於圖1-12中。在第二步中，沿著圖13-15闡述了本發明生產方法的若干實施方案的功能。已部分地省略了不同附圖中的類似實體和參考標號。

在圖1中，示出了本發明水加熱組件10的第一實施方案。水加熱組件10包括環繞加熱元件12的管11。管11和加熱元件12並不緊密接觸，而是界定間隙19。間隙具有大體管狀截面。在間隙19內定位有間隔元件13，其佔據間隙的一部分並將管11和加熱元件12保持在彼此的相對位置。間隔元件13可優先為盤簧。管11包括水加熱組件10的水加載端15上的水入口26以及水排出端14上的水出口25。此外，加熱元件12包括電連接器16、17，它們優選地從管11的相對兩端延伸出。

間隔元件13被布置在管11與加熱元件12之間，以使得形成彈簧13的繞組之間的螺旋(流動)路徑。盤簧的節距可被確定為使得節距越短，流動路徑越長。水從水入口26穿過管11到達水出口25必須順著彈簧13的繞組所形成的該螺旋路徑，由此增加了水必須流過的路徑的長度，從而延長了加熱元件12與水接觸的時間。

如區域18中所示的管11中的開口並非是實際水加熱組件10的一部分，而僅僅是為了能看到彈簧13才在這裡示出。本發明水加熱組件沒有這種開口。管11不可滲透地密封在水加熱組件的端部周圍。水流可僅穿過水入口26和水出口25出現。

在圖2中，單獨地示出了圖1的水加熱組件10的一些部件。在最上圖中，示出了加熱元件12。內部加熱元件12包括電連接器16、17。在中圖中，單獨地示出了盤簧13。在下圖中，單獨地示出了外部的管11。

在圖3中，示出了圖1中所示的水加熱組件10的細部。該細部對應於圖1中標記為18的區域。在這裡能易於看到在加熱元件12與管11之間的間隙內由彈簧13的繞組形成的螺旋路徑20。水並非從水入口26穿過間隙直接流到水出口25，而是必須沿著這些螺旋路徑20前行，從而圍繞加熱元件12盤旋許多次。

在圖4中，示出了本發明水加熱組件的另一實施方案。在這裡僅示出了管11。管11包括凹痕21作為間隔元件。凹痕伸入管11內部。凹痕21優選地橋接間隙19並與加熱元件12接觸。流過間隙19內的凹痕21的水必須圍繞凹痕分流，從而形成水的更長路徑。管可由塑性可變形的材料製成，以便能夠保持管的永久螺旋形狀和凹痕的產生。用於管的材料可為鋼、鋁、銅等。

在圖5中，示出了本發明水加熱組件10的另一實施方案。在該示例中，管11可為矽橡膠或金屬管，其在水加熱組件10的水加載端15和水排出端14處不可滲透地連接到加熱元件12。該不可滲透的連接由夾鉗22、23形成，這些夾鉗優選地還包括水入口26和水出口25。此外，水加熱組件10的水排出端14上的夾鉗22包括溫度傳感器33。溫度傳感器可為熱敏電阻、負溫度係數電阻器、正溫度係數電阻器或任何其他類型的溫度傳感器。對於溫度傳感器的位置和功能，參見後面參照圖8和圖10的討論。

在圖6中，示出了本發明水加熱組件10的另一實施方案。在這裡示出了剖視圖。該剖視圖提供了彈簧13的單獨繞組的絕佳視角，該彈簧被布置在管11與加熱元件12之間的間隙19內。

在圖7中，示出了本發明水加熱組件10的另一實施方案。在這裡，管11為不鏽鋼管，其在水加熱組件10的水加載端15處和水加熱組件10的水排出端14處不可滲透地焊接或熔接到加熱元件12。在圖7中，還能易於看到水入口26和水出口25。此外，溫度傳感器34連接到水出口25。對於溫度傳感器34的功能，參見參照圖8和圖9的論述。

在圖8中，以框圖示出了本發明水加熱組件10的另一實施方案。水加熱組件10包括傳感器33(其不僅對應於圖5的傳感器33，而且可對應於圖7的傳感器34)、控制單元35、泵36和加熱元件12。溫度傳感器33、泵36和加熱元件12各自連接到控制單元35。控制單元35接收溫度傳感器33所測量的溫度，並控制泵36的功能和加熱元件12的功能。

泵36將水泵送穿過水加熱組件10。當水被泵送穿過水加熱組件10時，加熱單元12對水進行加熱。通過改變泵送和加熱的量，控制單元35可改變由水加熱組件10加熱的水的溫度和量。尤其是通過形成泵36、加熱元件12與溫度傳感器33之間的控制迴路，可以實現經加熱的水的量和溫度的非常準確控制。

在圖9中，示出了本發明水加熱組件10的另一實施方案的細部。水加熱組件10包括形成間隙的管11和加熱元件12。在間隙內定位有彈簧13。在這裡示出的水加熱組件10的部件是水排出端14。在這裡可清楚看見的是水出口25，其包括溫度傳感器34。溫度傳感器34具有連接金屬線44。具有設置到水出口25的溫度傳感器34的該構型可應用於前述圖1至圖8實施方案以及以下圖11和圖12實施方案中任一者。

此外，水出口25通過使用焊縫40連接到管11。此外，管11通過使用焊縫46連接到加熱元件12。在這裡所示的示例中，溫度傳感器34可僅測量流過水出口25的水的溫度。這足以調節輸出水溫，但無法用於水加熱組件的安全關斷。

在圖10中，示出了替代實施方案。這裡示出的水加熱組件10對應於圖9的水加熱組件，不同的是溫度傳感器定位在管11內並任選地與加熱元件12接觸。溫度傳感器33通過使用焊縫41連接到管11。通過將溫度傳感器34連接到管11並將其設置成與加熱元件12接觸或靠近加熱元件12，可以不僅測量環繞溫度傳感器33的水的溫度，而且測量加熱元件12的溫度。當水環繞溫度傳感器33時，溫度傳感器33所記錄的溫度對應於水的溫度。但在沒有環繞溫度傳感器33的水的情況下，溫度傳感器33記錄加熱元件12的溫度。由於加熱元件12在激活時通常遠熱於周圍水，因此根據溫度傳感器33是否被水環繞，該溫度傳感器會檢測到不同溫度。該特徵可用於檢測水加熱組件中是否填充有水，並用於在水加熱組件10內不存在水的情況下自動切斷加熱元件12。具有設置在管內的溫度傳感器34的該構型可應用於前述圖1至圖8實施方案以及以下圖11和圖12實施方案中任一者。

在圖11中，示出了水加熱組件10的另一實施方案。在這裡，水加熱組件10預先形成m形狀，使得在較低容積和佔地面積內得到較高水加熱能力。

水加熱組件10的替代實施方案示於圖12中。在這裡，水加熱組件10預先形成「二維」盤旋形狀，使得在容積和佔地面積非常低的情況下得到甚至更為增強的水加熱能力。

在圖13中，以流程圖示出了本發明生產方法的第一實施方案。這裡所述的生產方法對應於將彈簧或單獨間隔件用作管11與加熱元件12之間的間隙19內的間隔元件13。在第一步100中，單獨地生產管11、加熱元件12和間隔元件13。優選地，以直線方式生產加熱元件和間隔元件(諸如盤簧)，並且將包括管的元件切成所需長度。在第二步101中，將加熱元件12和間隔元件13插入管11中。在第三步102中，將加熱元件12和管11不可滲透地連接在水加熱組件10的兩端。在任選的最終步驟中，可通過彎折將整個水加熱組件10成形為所需的永久形狀，諸如如圖11和圖12中所示的螺旋形。最後，諸如通過熔接，將如圖1中表示的水入口26和水出口25連接在管中的適當位置處。可將溫度傳感器連接在水出口中，諸如在圖9的模式中。另選地，諸如通過熔接，將溫度傳感器連接到管自身，如在圖10的模式中。

在圖14中，示出了本發明生產方法的第二實施方案。這裡所示的方法對應於將加熱元件12的外壁的或管11的內壁的凹槽用作間隔元件。在第一步200中，生產管11和加熱元件12。該步驟包括生產至少一個凹槽作為加熱元件11的外壁的一部分和/或作為管11的內壁的一部分。優選地，以直線方式生產加熱元件和間隔元件(諸如盤簧)，並且將包括管的元件切成所需長度。在第二步201中，將加熱元件12插入管11中。在第三步202中，將加熱元件12和管11不可滲透地連接在水加熱組件10的兩端。另外在這裡，通過彎折整個水加熱組件10，可實現所需的永久形狀。最後，諸如通過熔接，將如圖1中表示的水入口26和水出口25連接在管中的適當位置處。該連接可包括在管的壁中鑽取出口孔和入口孔；然後將水出口和水入口熔接到相應孔。可將溫度傳感器連接在水出口中，諸如在圖9的模式中。另選地，諸如通過熔接，將溫度傳感器連接到管自身，如在圖10的模式中。

在圖15中，示出了本發明生產方法的另一實施方案。這裡所示的方法對應於將凹痕21用作間隔元件。在第一步300中，生產管11和加熱元件12。優選地，以直線方式生產加熱元件和間隔元件(諸如盤簧)，並且將包括管的元件切成所需長度。在第二步301中，將加熱元件12插入管11中。在第三步301a中，通過將管11壓制在加熱元件12周圍來形成凹痕21。這些凹痕21被壓入管11與加熱元件12之間的間隙19中，從而與加熱元件12形成接觸。應當注意，另選地，也可在將加熱元件12插入管11中之前提供凹痕。為了使凹痕變成永久的，管由塑性可變形的材料諸如金屬製成。在最後一步302中，將加熱元件12和管11不可滲透地連接在水加熱組件10的兩端上。任選地，在這裡也可通過彎折整個水加熱組件10來形成所需形狀。最後，諸如通過熔接，將如圖1中表示的水入口26和水出口25連接在管中的適當位置處。可將溫度傳感器連接在水出口中，諸如在圖9的模式中。另選地，諸如通過熔接，將溫度傳感器連接到管自身，如在圖10的模式中。

本發明不限於這些示例，尤其是不限於用於飲料機的水加熱組件。示例性實施方案的特徵可按任何有利組合使用，前提是該組合被所附權利要求書涵蓋。應當注意，本發明中使用的術語「水」應理解為涵蓋任何種類的液體，優選地為適於製備飲料如咖啡或茶的液體。此外，本發明不限於間隔元件的具體數量或尺寸或類型，前提是間隔元件允許對流動液體有對應影響如湍流的生成，從而增加流動路徑或至少延長水暴露於加熱元件所發出的熱量的時間。本文所述的間隔元件也可進行組合，並且可為管和/或加熱元件的單獨特徵和/或一體特徵。水加熱組件的總體幾何形狀可視需要為平直的或優選彎曲的，優選地為2d或3d螺旋形，以節省空間。間隙優選地提供彎曲的、更優選螺旋的流動路徑，或管所環繞的流動路徑的一部分。