Модуль нагревания жидкости,устройство, содержащее указанный модуль, и способ нагревания жидкости

005666 Данное изобретение относится к модулю для нагревания жидкости для использования в машине для приготовления горячих напитков. Кроме того, изобретение относится к устройству, содержащему указанный модуль, и к способу нагревания жидкости. В области кофеварочных машин уже известно использование термоблочного нагревателя в машине,при этом указанный нагреватель находится постоянно под напряжением и обеспечивает получение горячей воды в момент, когда пользователь решит воспользоваться машиной для приготовления кофе. При этом существует следующие проблемы, во-первых, имеется непостоянство температуры, то есть невозможно иметь температуру воды постоянно в заданном диапазоне, например, между 85 и 90 С. Это оказывает отрицательное влияние на качество кофе. Во-вторых, блочный нагреватель обычно очень тяжелый, что не очень удобно, когда необходимо перемещать кофеварочную машину. В-третьих, энергия используется не эффективно, поскольку происходит потеря энергии в течение всего времени, пока машина включена. Также известно использование нагревателя с, по меньшей мере, двумя нагревающими устройствами по длине трубы, по которой протекает вода. Например, в патентах DE, А, 4038462, NL, А, 8101610, FR,А, 2685187 описаны такого рода решения: первая нагревательная часть обеспечивает предварительный нагрев воды и вторая часть обеспечивает нагрев воды до требуемой температуры. Такие технические решения требуют присутствия двух отдельных нагревателей, которые расположены в различных местах на трубе. Проблема такого типа нагревателей состоит в том, что устройство имеет большие габариты,занимает много места и потребляет значительное количество энергии. Целью данного изобретения является минимизация всех трех указанных проблем. Данное изобретение обеспечивает для пользователя систему нагревания с очень точным диапазоном температур без необходимости держать машину все время включенной и с очень легким нагревательным устройством,занимающим мало места. Данная цель достигается тем, что модуль для нагревания жидкости, предназначенный для использования в машине для приготовления горячих напитков, содержит- полую трубу из металлического материала,- по меньшей мере один электрический резистор на первой части наружной поверхности трубы для предварительного подогрева жидкости, текущей через указанную полую трубу, и- по меньшей мере один другой электрический резистор на второй части наружной поверхности трубы для регулирования температуры жидкости, текущей через трубу. Жидкость, которая подлежит нагреванию в модуле, согласно изобретению, не является критической и может быть любым типом жидкости. Предпочтительно, нагреваемая жидкость является водой, например, для приготовления чая, кофе или других напитков. Можно также нагревать молоко, например, для приготовления какао. Можно также использовать создание пара, например, для нагрева воды непосредственно в чашке или для вспенивания молока. Использование нагревательного модуля возможно в небольших машинах, таких как кофеварки, или в больших машинах, таких как торговые автоматы для продажи кофе. Что касается электрического резистора для первой части трубы, то в случае кофеварки имеется один или более резисторов, в случае торгового автомата может иметься от 1 до 5 резисторов. Что касается электрических резисторов для второй части трубы, то можно использовать то же число резисторов,что и для первой части. Более предпочтительно использовать один резистор. Материалом для трубы является металл. Предпочтительно, труба выполнена из нержавеющей стали. Размер трубы может изменяться в зависимости от типа использования. Например, если она используется для кофеварки, то она может иметь диаметр около 6-20 мм и длину около 100 - 200 мм. Толщина трубы составляет около 1-4 мм. В случае использования в торговом автомате труба имеет диаметр около 20-50 мм и длину около 200-400 мм. Толщина трубы остается прежней. Отношение длины полой трубы к диаметру указанной трубы находится в диапазоне от около 5 до около 40. Нагревательный модуль, согласно изобретению, содержит дополнительно цилиндрическую вставку,которая расположена внутри полой трубы по всей ее длине и по существу вдоль ее оси симметрии. Наличие вставки улучшает перенос тепла с поверхности трубы в жидкость при подаче энергии в нагревательный элемент. Это обеспечивает хороший перенос энергии и быстрое нагревание воды. Вставка выполнена из пластмассового или металлического материала, который относится к пищевому классу и имеет хорошую теплопроводность. Вставка предпочтительно выполнена из меди или тефлона (тетрафторэтилена). Отношение диаметра полой трубы к диаметру вставки составляет от 2 до 5. Вставка может быть неподвижной или выполненной с возможностью вращения вдоль ее оси симметрии. В случае поворотной вставки указанная вставка соединена с вращающимся колесом расходомера, расположенного у нижней части вставки, так что он может приводиться в движение протекающей холодной водой, которая протекает по касательной к пропеллеру расходомера. Выполненная с возможностью вращения цилиндрическая вставка содержит щетку из металлической проволоки. Эти металлические пучки щетки выполнены как единое целое с вставкой в продольной плоскости (только на одной стороне или на двух симметричных сторонах вставки) или по спирали, например, по 1 или 2 спиралям. Щетка должна иметь правильную-1 005666 механическую упругость и прочность, так чтобы обеспечивать удаление накипи с внутренней поверхности трубы. Оба конца пучков щетки должны находится в легком соприкосновении с внутренней поверхностью трубы при 90 С. Все пучки должны быть выполнены так, чтобы толкать воду вверх при приведении во вращение пропеллером расходомера. Вставка может быть также полым элементом, который вводит обратный поток части горячей воды для смешивания с холодной водой и тем самым улучшает перемешивание воды при ее нагревании. Электрические резисторы трубы выполнены в форме, выбранной из группы, состоящей из проволочных и толстопленочных. Технология толстых пленок известна из области электроники и используется в настоящее время для изготовления резисторов. В этой технологии используют проводящие краски (подобные пасте) на поверхности кварца, металла, окиси алюминия или окиси бериллия. Как указывалось выше, предпочтительной является металлическая подложка. Полая труба содержит дополнительно по меньшей мере один другой электрический резистор для контроля температуры. Этот резистор расположен на входе или выходе холодной/горячей воды трубы. Электрические резисторы имеют плотность мощности до 30-70 Вт/см 2. Эта плотность мощности резисторов обеспечивает очень быстрое повышение температуры воды от комнатной температуры до около 85-90 С. Для обеспечения хорошей изоляции полой трубы предпочтительно иметь эмалевое покрытие на наружной поверхности указанной трубы под резисторами. Толщина этого покрытия обычно составляет между 100 и 300 мкм. Наконец, электрические резисторы полой трубы покрыты электрически не проводящим материалом, например, пластмассой. Эта изоляция может быть выполнена в виде трубы или в виде слоя не проводящего материала. Модуль для нагревания жидкости, согласно изобретению, используется в качестве части машины для нагревания жидкости с целью приготовления напитка. Кроме того, данное изобретение относится дополнительно к устройству для нагревания жидкости, содержащему:- подачу воды,- насос для подачи указанной воды,- модуль для нагревания жидкости, описанный выше, при этом все три элемента находятся в соединении, обеспечивающем прохождение воды,канал для выхода нагретой жидкости на вещество, подлежащее извлечению, или в смеситель для смешивания указанной нагретой воды с порошком. В устройстве, согласно изобретению, труба расположена горизонтально или вертикально. Предпочтительным является вертикальное расположение трубы. Модуль для нагревания жидкости является частью кофеварки или другой подобной машины, основанной на извлечении вещества, такого как кофе или чай. В этом случае можно извлекать вещество непосредственно, например, из слоя кофе, как в машине типа эспрессо, или же извлекать вещество из уже приготовленных контейнеров или капсул, подобных предмету европейских патентов 512 468 и 602 203. Согласно второму варианту выполнения, устройство, согласно изобретению, используется в торговых автоматах, которые являются машинами, из которых клиент получает непосредственно чашку чая,кофе или какао, при этом нагретая жидкость смешивается непосредственно перед выдачей в чашке с соответствующим порошком. Таким образом, устройство, согласно изобретению, содержит другие полезные элементы, обычно присутствующие в кофеварках и в торговых автоматах, такие как вентили, устройство управления температурой, расходомер. Наконец, данное изобретение относится к способу нагревания жидкости, в котором указанную жидкость подают через модуль для нагревания жидкости, описанный выше, со скоростью потока, составляющей от 150 до 1000 мл/мин, и доводят до температуры около 85-90 С в течение 3-10 с, и в котором электрический резистор на первой части трубы постоянно соединен с источником электропитания, а электрический резистор на второй части трубы соединяют или отсоединяют от источника электропитания в соответствии с определенной частотой в зависимости от требуемой конечной температуры. В соответствии со способом, согласно изобретению, можно нагревать воду за несколько секунд от комнатной температуры до 85-90 С без необходимости постоянного нахождения машины во включенном состоянии. Нагревание электрических резисторов происходит только тогда, когда пользователь решит приготовить кофе. Первый электрический резистор, например, повышает температуру воды с 20 С до около 60 С, а вторая группа электрических резисторов должна повысить температуру только с 65 С до 85 С. Поэтому нет необходимости в постоянном нагревании этого второго электрического резистора. В этом случае электрический резистор на второй части трубы соединен с источником электропитания в течение около 50-100% времени подачи полной энергии. Второй резистор включается и выключается на время, достаточное для получения заданной выходной температуры при изменении напряжения электрической сети и скорости потока. Мощность этой группы резисторов такова, что регулирование с помощью включения и выключения не вызывает пульсаций.-2 005666 В случае первого варианта выполнения системы, согласно изобретению, то есть кофеварки, скорость потока воды, подлежащей нагреванию, составляет между 150 и 300 мл/мин. В случае торгового автомата скорость потока воды составляет между 300 и 1000 мл/мин. Как указывалось выше, полезно контролировать температуру нагреваемой воды. В этом случае измеряют температуру жидкости на выходе из трубы, так что если температура слишком высокая, то электрический резистор на второй части трубы отключают, а если температура жидкости является недостаточно высокой, этот электрический резистор остается соединенным с источником электропитания. Ниже приводится подробное описание изобретения со ссылками на чертежи, на которых изображено: фиг. 1 - модуль для нагревания жидкости, согласно изобретению; фиг. 2 - схема кофеварки, содержащей модуль, показанный на фиг. 1; фиг. 3 - схема торгового автомата, содержащего модуль, показанный на фиг. 1. Нагревательный модуль 1 содержит полую трубу 2, выполненную из нержавеющей стали, цилиндрическую вставку 3, выполненную из пластмассы (тефлона), первый электрический резистор 4 на первой части трубы и второй электрический резистор 5 на второй части трубы. Оба этих электрических резистора выполнены из толстой пленки и соединены с источником электропитания. Направление потока воды в полой трубе указано стрелками А и В. Полая труба установлена вертикально для минимизации скопления воздуха или пара внутри трубы. Концы вставки 3 закреплены один на крышке 6 холодной воды и второй на крышке 7 горячей воды. Вставка 3 соединена с вращающимся колесом расходомера 8 и тем самым может приводиться в движение с помощью протекающей холодной воды и вращаться в направлении стрелки С. Кроме того, на конце полой трубы 2 расположен резистор 9 для измерения и управления температурой горячей воды, выходящей из модуля. На вставке 3 внутри полой трубы 2 установлены пучки металлической щетки 10. Диэлектрическая изоляция 13, например, эмаль, нанесена на трубу 2 под резисторами. Для предотвращения слишком больших потерь энергии и обеспечения лучшей безопасности изоляция 14 покрывает резисторы по всей высоте полой трубы. В крышке 7 горячей воды предусмотрено свободное пространство 15 для амортизации и сбора образующегося пара и отделенного воздуха. Модуль для нагревания жидкости работает следующим образом: когда пользователь решает приготовить напиток, оба резистора 4 и 5 подключаются к источнику электропитания. Резистор 4 остается постоянно под напряжением во время прохождения воды через полую трубу, в то время как резистор 5 включается и выключается с определенной частотой в зависимости от потребности в энергии для обеспечения конечной температуры воды, необходимой для приготовления кофе. Например, резистор 4 обеспечивает повышение температуры от 20 до 65 С, а резистор 5 должен лишь обеспечить энергию для повышения температуры воды от 65 до 85 С. Под действием потока воды расходомер 8 вращается и приводит во вращение вставку 3. Металлическая щетка 10 на вставке 3 исключает осаждение кальция на внутренней поверхности полой трубы 2. На фиг. 2 показан вариант использования модуля 1 в кофеварке. Машина содержит бак 16 холодной воды, соединенный трубкой 17 с насосом 18, подающим холодную воду в нагревательный модуль 1. На выходе модуля 1 вода проходит через трубку 19 и достигает контейнера 20, содержащего жареный и молотый кофе. Этот контейнер является герметичным контейнером, открываемым под давлением, согласно европейскому патенту 512 486. Готовый к употреблению кофе вытекает в чашку 21. Кофеварка может содержать дополнительные элементы, такие как вентили, элементы электрического управления. На фиг. 3 показан второй вариант использования модуля 1 в торговом автомате. Холодная вода проходит из бака 22 через трубку 24 с помощью насоса 23 в нагревательный модуль 1. На выходе из указанного модуля вода имеет температуру около 85 С и проходит через трубку 25 в смеситель 26. Одновременно с приходом горячей воды в смеситель подается порошок, такой как кофе, из емкости 27 для кофе посредством шнека 28, этот порошок смешивается с горячей водой и подается в чашку 29. Как указывалось выше, эта машина может также содержать дополнительные элементы, имеющиеся обычно в таком типе машин. Ниже приводится описание конкретного примера использования нагревательного модуля в кофеварке. Пример. Используется полая труба 2 из нержавеющей стали диаметром 12 мм и длиной 160 мм. Вставка 3 выполнена из пластмассы и имеет диаметр 4 мм и одинаковую с полой трубой длину. Каждый из резисторов 4 и 5 имеет мощность 600 Вт. Труба 2 должна выдерживать давление, равное максимально 20 бар. Вода течет со скоростью 20 мл/мин. Необходимая температура достигается за 7 с. Второй резистор включен в течение 60 % времени. С помощью этого нагревательного модуля температура поддерживается очень постоянной во времени и колебания температуры составляют лишь около 2 С.-3 005666 ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Модуль нагревания жидкости для использования в машине для приготовления горячих напитков,содержащий полую трубу (2) из металлического материала, по меньшей мере один электрический резистор (4) на первой части наружной поверхности трубы для предварительного подогрева жидкости, текущей через указанную трубу, по меньшей мере один другой электрический резистор (5) на второй части наружной поверхности трубы для регулирования температуры жидкости, текущей через трубу, и цилиндрическую вставку (3), которая расположена внутри полой трубы (2) по всей ее длине и, по существу, по ее оси симметрии. 2. Модуль нагревания жидкости по п.1, отличающийся тем, что цилиндрическая вставка (3) выполнена из пластмассового или металлического материала. 3. Модуль нагревания жидкости по любому из пп.1, 2, отличающийся тем, что полая труба (2) выполнена из нержавеющей стали. 4. Модуль нагревания жидкости по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что отношение длины к диаметру трубы (2) находится между около 5 и около 40. 5. Модуль нагревания жидкости по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что наружная поверхность полой трубы (2) содержит по меньшей мере один дополнительный резистор для измерения температуры и управления. 6. Модуль нагревания жидкости по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что вставка (3) установлена неподвижно или с возможностью вращения относительно ее оси симметрии. 7. Модуль нагревания жидкости по п.6, отличающийся тем, что вставка (3) соединена с вращающимся колесом расходомера (8), расположенного у нижней части вставки с возможностью совместного вращения. 8. Модуль нагревания жидкости по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что различные электрические резисторы (4, 5) трубы выполнены в виде, выбранном из группы, состоящей из проволочных, толстопленочных. 9. Модуль нагревания жидкости по любому из пп.7 или 8, отличающийся тем, что вращаемая цилиндрическая вставка (3) содержит металлическую проволочную щетку (10). 10. Модуль нагревания жидкости по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что все электрические резисторы (4, 5) имеют плотность мощности до 30-70 Вт/см 2. 11. Модуль нагревания жидкости по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что полая труба (2) содержит эмалевое покрытие (13) на своей наружной поверхности под резисторами. 12. Модуль нагревания жидкости по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что электрические резисторы (4, 5) покрыты или изолированы электрически непроводящим материалом (14). 13. Устройство для нагревания жидкости, содержащее средство (16) подачи воды, насос (18) для подачи воды, модуль нагревания жидкости по любому из пп.1-12, при этом все три элемента находятся в соединении, обеспечивающем прохождение воды, канал (19, 25) для выхода нагретой жидкости на вещество, подлежащее извлечению, или в смеситель для смешивания нагретой воды с порошком. 14. Способ нагревания жидкости, в котором указанную жидкость подают через модуль нагревания жидкости по любому из пп.1-12, со скоростью потока, составляющей от 150 до 1000 мл/мин, и доводят до температуры около 85-90 С в течение 3-10 с, и в котором электрический резистор на первой части трубы постоянно соединен с источником электропитания, а электрический резистор на второй части трубы выполнен с возможностью соединения или отсоединения от источника электропитания в соответствии с определенной частотой в зависимости от требуемой конечной температуры. 15. Способ по п.14, отличающийся тем, что электрический резистор на второй части трубы соединен с источником электропитания в течение около 50-100% времени полной подачи электропитания. 16. Способ по любому из п.14 или 15, отличающийся тем, что скорость потока составляет между 150 и 300 мл/мин для кофеварки и между 300 и 1000 мл/мин для торгового автомата. 17. Способ по любому из пп.14-16, отличающийся тем, что измеряют температуру жидкости на выходе из трубки, и если температура слишком высокая, то электрический резистор на второй части трубы отключают, а если температура жидкости является недостаточно высокой, этот электрический резистор оставляют подключенным к источнику электропитания.