Клапанный узел с улучшенным регулированием температуры и снабженное им устройство для приготовления напитка
Изобретение относится к области приготовления напитков. Заявлен клапанный узел (8) для точного регулирования температуры некоторой жидкости, нагретой или охлажденной на теплообменном участке устройства (1) для изготовления напитка. Клапанный узел (8) содержит смесительный клапан (10), имеющий первый входной канал (21) для жидкостной связи с выходным каналом теплообменного участка (6), второй входной канал (22) для жидкостной связи с источником более горячей или более холодной части вышеупомянутой жидкости, первое и второе закрывающие средства для изменения скорости потока соответственно через первый и второй входные каналы, а также управляющее средство для управления первым и вторым закрывающими средствами таким образом, чтобы увеличение скорости потока через один из входных каналов соответствовало по существу равновеликому уменьшению скорости потока через другой входной канал так, чтобы общая скорость потока через смесительный клапан оставалась по существу постоянной. Заявленная группа изобретений позволяет осуществлять подачу заданного количества жидкости с точно отрегулированной температурой путем простого регулирования времени, в течение которого клапанный узел открыт. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 9 ил.
Изобретение касается клапанного узла и устройства, использующего такой клапанный узел, в частности устройства для приготовления напитка требуемой температуры.
Во многих устройствах, предназначенных для приготовления напитков, на одной из стадий процесса приготовления напиток или его жидкий компонент пропускают через теплообменный участок, чтобы нагреть или охладить упомянутую жидкость до требуемой температуры. Например, при приготовлении детского молока из воды и молочной смеси воду могут сначала пропускать через средство нагревания для улучшения санитарного состояния воды, а затем через средство охлаждения для охлаждения воды до подходящей температуры использования. Температура жидкости, исходящей из упомянутого теплообменного участка, может варьировать в зависимости, например, от температуры жидкости на входе в эту зону, скорости потока в этой зоне и т.д.
Для более точного регулирования упомянутой температуры может использоваться клапанный узел для смешивания жидкости с такой же, но более холодной или более горячей жидкостью, при этом более холодная или более горячая жидкость может отводиться из некоторой точки, расположенной дальше или ближе по ходу в устройстве, или поступать от внешнего источника. Для установления соответствующего соотношения компонентов смеси упомянутых жидкостей известные смесительные клапаны снабжены термочувствительным телом, которое расширяется, когда температура смешанных жидкостей отклоняется от требуемой температуры. Такое расширение приводит к уменьшению притока одной из жидкостей, а следовательно, к изменению коэффициента смешивания и итоговой температуры смешивания.
Недостаток таких известных смесительных клапанов заключается в том, что для нормального функционирования термочувствительного тела требуется достаточно высокая скорость потока. Подобная высокая скорость потока обычно не может быть получена в известных устройствах. А если ее и можно получить, подобная высокая скорость потока приведет к тому, что за время достижения оптимальной регулировки клапана через клапан пройдет большой объем слишком холодной или слишком горячей жидкости. Кроме того, выходящий поток у известных смесительных клапанов изменяется в зависимости от выбранного коэффициента смешивания. Следовательно, если смесительный клапан должен обеспечивать подачу определенного количества жидкости (а именно это часто требуется в устройстве по настоящему изобретению), для замера требуемого количества понадобится специальный датчик скорости потока или иной соответствующий датчик. Это делает устройство более дорогим и сложным.
Таким образом, существует потребность в клапанном узле для усовершенствованного регулирования температуры, предназначенном для использования в устройствах, работающих с относительно малыми, но предпочтительно постоянными скоростями потоков, таких как устройства для приготовления напитков.
Сущность изобретения
Для этой цели устройство по изобретению содержит систему подачи жидкости, по меньшей мере, с одним теплообменным участком для охлаждения или нагревания жидкости, пропускаемой через него, а также клапанный узел со смесительным клапаном. Смесительный клапан имеет первый входной канал, сообщенный по текучей среде с выходным каналом теплообменного участка устройства, второй входной канал, сообщенный по текучей среде с источником более горячей или более холодной части вышеупомянутой жидкости, первое и второе закрывающие средства для изменения скорости потока соответственно через первый и второй входные каналы, а также управляющее средство для управления первым и вторым закрывающими средствами таким образом, чтобы увеличение скорости потока через один из входных каналов соответствовало, по существу, равновеликому уменьшению скорости потока через другой входной канал.
Благодаря такому клапанному узлу общая скорость потока через смесительный клапан будет по существу постоянной вне зависимости от коэффициента смешивания, необходимого для регулирования температуры жидкости на выходе. Соответственно с использованием клапанного узла по изобретению появляется возможность подачи заданных количеств жидкости с точно отрегулированной температурой путем простого регулирования времени, в течение которого клапанный узел открыт.
Кроме того, теперь узел может работать с малыми скоростями потока, поскольку коэффициент смешивания не устанавливается некоторым термочувствительным телом, а устанавливается управляющим средством, которое может активно управлять положением первого и второго закрывающих средств на основе, например, измерений температуры жидкости на выходе из клапанного узла.
Первое и второе закрывающие средства могут управляться раздельными приводящими средствами. Однако по предпочтительному варианту первое и второе закрывающие средства могут быть механически взаимно соединены и управляться единственным приводящим средством. В этом случае первое закрывающее средство и первый входной канал могут быть выполнены с возможностью зеркального отображения второго закрывающего средства и второго входного канала, так что изменение положения первого закрывающего средства и соответствующее изменение прохода в первом входном канале приведут к изменению в проходе второго входного канала на ту же величину, но с другим знаком. Однако если жидкость, поступающая в смесительный клапан через первый входной канал, поступает в упомянутый клапан под давлением, отличным от давления жидкости, поступающей в смесительный клапан через второй входной канал, конструкция первого закрывающего средства будет незначительно отличаться от конструкции второго закрывающего средства. В случае, когда давление в первом входном канале выше, соответствующие конструкции первого закрывающего средства и второго закрывающего средства таковы, что при изменении положения упомянутых закрывающих средств размер прохода первого входного канала увеличивается или уменьшается в меньшей степени по сравнению с соответствующим уменьшением или увеличением размера прохода второго входного канала, через который жидкость поступает в смесительный клапан под меньшим давлением.
В другом предпочтительном варианте изобретения может обеспечиваться второй клапан, выполненный с возможностью перенаправления потока на выходе смесительного клапана по одному из двух направлений. Таким образом, второй клапан может пропускать жидкость требуемой температуры и отводить жидкость с другой температурой.
В еще одном предпочтительном варианте изобретения второй клапан может иметь конфигурацию смесительного клапана. Это может помочь снизить стоимость клапанного узла.
В еще одном предпочтительном варианте изобретения управление вторым клапаном и смесительным клапаном может выполняться одним и тем же приводящим средством. Это также может помочь снизить стоимость узла.
Изобретение также касается клапанного узла с любым из упомянутых признаков, предназначенного для использования в устройстве по изготовлению напитка по изобретению.
Дополнительные предпочтительные варианты осуществления устройства и клапанного узла по настоящему изобретению изложены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Для объяснения изобретения далее будут описаны варианты его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 - схематичный вид устройства по изобретению для приготовления напитка;
Фиг.2а - схематичный вид в сечении смесительного клапана по изобретению для устройства по Фиг.1;
Фиг.2b - схематичный вид в сечении другого смесительного клапана по изобретению для устройства по Фиг.1;
Фиг.3 - схематичный вид в сечении клапанного узла по изобретению для устройства по Фиг.1;
Фиг.4 - вид в сечении альтернативного варианта клапанного узла по Фиг.3, причем соответствующие клапаны могут управляться одним единственным приводящим средством; а также
Фиг.5 - детальный вид варианта выполнения кулачка, который может быть использован для управления соответствующими клапанами в клапанном узле по Фиг.4.
В нижеследующем описании клапанный узел 8 по изобретению будет описан со ссылкой на его применение в устройстве 1 для приготовления напитка. Следует, однако, понимать, что клапанный узел 8 может использоваться и в других устройствах, а именно в любом устройстве, в котором требуется нагреть и/или охладить жидкость до необходимой температуры.
На Фиг.1 схематично показано устройство 1 для приготовления напитка, например детского молока из воды и молочной смеси. Устройство 1 содержит систему 2 подачи воды и систему подачи молочной смеси (условно представленную стрелкой А) для дозированной подачи требуемого количества воды относительно молочной смеси в смесительную систему 3 или емкость, такую как детская бутылочка 20, после чего смешивание можно проводить вручную.
Система 2 подачи воды содержит водный резервуар 4, первую теплообменную зону 5, вторую теплообменную зону 6, клапанный узел 8, а также соответствующие линии подачи и насосное средство 9 для транспортировки воды по вышеупомянутым составным частям. Вместо водного резервуара 4 или в дополнение к нему система 2 подачи воды может содержать прямое соединение с водопроводной магистралью.
В настоящем варианте осуществления первая теплообменная зона 5 выполнена с возможностью нагревания воды с целью уничтожения или инактивации бактерий. Эта зона 5, например, может содержать бойлер, электрическую катушку или любое другое пригодное нагревательное средство.
Вторая теплообменная зона 6 выполнена с возможностью охлаждения воды до требуемой температуры, например до температуры, при которой ее можно употреблять. В случае детского молока такая температура может находиться в диапазоне от комнатной температуры до температуры около 45°С, предпочтительно примерно 37°С. Данная вторая теплообменная зона 6, например, может включать в себя теплообменник, конкретнее противоточный теплообменник, в котором поток охлаждаемой воды и поток охлаждающей жидкости проходят вдоль друг друга в противоположных направлениях. Используя подобный противоточный теплообменник, у горячей воды можно отобрать относительно большое количество тепла, что приводит к относительно малому времени охлаждения. По предпочтительному варианту осуществления охлаждающая жидкость может содержать воду, нагреваемую благодаря первой теплообменной зоне 5. Таким образом, можно сберечь энергию, поскольку вода, поступающая в первую теплообменную зону 5, уже прошла предварительный нагрев. Следовательно, для нагревания этой воды до требуемой температуры понадобится меньше энергии.
Клапанный узел 8 выполнен с возможностью смешивания охлажденной воды, исходящей из второй теплообменной зоны 6, с более горячей водой так, чтобы точно отрегулировать температуру первой воды до требуемого уровня. Для этой цели клапанный узел 8 содержит смесительный клапан 10 с двумя входными каналами 21, 22, выходным каналом 24, а также поршнем 25, как хорошо видно на Фиг.2. Первый входной канал 21 сообщен по текучей среде с выходным каналом второй теплообменной зоны 6. Второй входной канал 22 сообщен по текучей среде с выходным каналом первой теплообменной зоны 5. Для регулирования соотношения скоростей потоков через соответствующие входные каналы 21, 22 поршень 25 может совершать возвратно-поступательное перемещение между двумя крайними положениями, в которых один из входных каналов 21, 22 полностью открыт, а другой полностью закрыт, а также занимать любое промежуточное положение.
В альтернативном варианте, второй входной канал 22 может быть сообщен по текучей среде с другим источником горячей воды, например с внешним источником или другой зоной системы 2 подачи воды. Однако использование воды первой теплообменной зоны 5 дает преимущество в том, что эта вода будет, в общем, известной температуры и/или достаточно точно регулируемой температуры. Это позволит упростить управление смесительным клапаном 10, в частности установить правильный коэффициент смешивания. Кроме того, упомянутая горячая вода будет гарантированно чистой, поскольку она прошла ту же очистительную обработку в первой теплообменной зоне 5, как и вода, температура которой должна регулироваться.
Клапанный узел 8 дополнительно содержит второй клапан 12 для впуска воды определенной температуры и отвода всякой другой воды. Для этой цели второй клапан 12 может быть выполнен в виде трехходового клапана, как хорошо видно на Фиг.3, имеющего входной канал 26, два выходных канала 27, 28, а также поршень 30. Входной канал 26 сообщен по текучей среде с выходным каналом 24 смесительного клапана 10. Первый выходной канал 27 сообщен по текучей среде с входным каналом смесительной системы 3. Второй выходной канал 28 сообщен по текучей среде с резервуаром 4. Поршень 30 может совершать возвратно-поступательное перемещение лишь между двумя крайними положениями, в которых первый выходной канал 27 либо полностью открыт, либо полностью закрыт, а второй выходной канал 28 соответственно полностью закрыт или полностью открыт.
Клапанный узел 8 может дополнительно включать в себя температурный датчик 32, который, например, может быть установлен возле выходного канала 24 смесительного клапана 10, а также управляющий узел (не показан) для управления перемещениями соответствующих поршней 25, 30 на основе измерительных данных, поступающих от датчика 32.
Вышеописанное устройство может работать следующим образом.
Когда следует приготовить детское молоко, вода их резервуара 4 прокачивается через первую теплообменную зону 5, где вода нагревается для уничтожения бактерий. Затем вода проходит через вторую теплообменную зону 6 для охлаждения воды до требуемой температуры, например температуры потребления. Предпочтительно эта вторая теплообменная зона 6 выполнена так, что температура воды, покидающей эту зону, будет варьироваться между требуемой температурой и некоторым более низким значением. Эта вода далее проходит через клапанный узел 8, где температура воды измеряется датчиком 32. Если температура воды имеет требуемое значение, управляющий узел осуществит управление поршнем 30 так, чтобы полностью открыть первый выходной канал 27 второго клапана 12, чтобы пропустить воду в смесительную систему 3. С другой стороны, если действительная температура воды имеет отклонение от требуемой температуры, управляющий узел осуществит управление поршнем 30 так, чтобы полностью открыть второй выходной канал 28, чтобы вернуть упомянутую воду в резервуар 4. В то же время управляющий узел изменит положение поршня 25 так, чтобы изменить коэффициент смешивания смесительного клапана 10, а именно так, чтобы уменьшить поток воды через первый входной канал 21 и увеличить поток горячей воды через второй входной канал 22. Когда вода достигнет требуемой температуры, положение поршня 30 может быть снова изменено, чтобы позволить этой воде пройти в смесительную систему 3.
На Фиг.2а видно, что конструкция поршня 25, а также первого и второго входных каналов 21, 22 симметрична. Это дает преимущество в том, что увеличение расхода через один из входных каналов 21, 22 сопровождается равным по величине уменьшением расхода через другой входной канал 21, 22. Таким образом, общий расход на выходе смесительного клапана 10 остается по существу постоянным. То же самое верно для второго клапана 12, который просто работает на перенаправление этого общего расхода в одном из двух направлений (т.е. в смесительную систему 3 или в резервуар 4). Таким образом, расход на выходе клапанного узла 8 будет по существу постоянным. Это в особенности предпочтительно в том случае, когда система 2 подачи воды должна подавать определенное заданное количество жидкости (а именно это часто требуется в устройствах по приготовлению напитков). Поскольку расход на выходе клапанного узла 8 постоянен, такое заданное количество может быть легко отмерено путем контроля времени, в течение которого первый выходной канал 27 открыт. Соответственно можно обойтись без дополнительного датчика расхода.
На Фиг.2b показана другая конструкция поршня, в данном случае плунжера 25. Данный асимметричный плунжер 25 используется в случае различия в давлении воды, поступающей через первый входной канал 21, и воды, поступающей через второй входной канал 22. В том случае, когда вода, поступающая в смесительный клапан 10 через первый входной канал 21, подается под сравнительно высоким давлением, а вода, поступающая в смесительный клапан 10 через второй входной канал 22, подается под сравнительно низким давлением, увеличение и уменьшение расхода в упомянутых входных каналах 21, 22 останется равным по величине, в результате чего расход на выходе клапанного узла 8 будет постоянным. Однако соответствующие проходы в этом случае не будут одинаковыми по размеру. Проход, позволяющий воде со стороны 25b плунжера 25, находящейся под высоким давлением, проходить в смесительный клапан 10 будет увеличиваться или уменьшаться меньше по величине, чем соответствующий проход, позволяющий воде, находящейся под низким давлением проходить в смесительный клапан со стороны 25а плунжера 25. Это может быть достигнуто с использованием плунжера 25 асимметричной конструкции, как показано на Фиг.2b. Ясно, что конструкция упомянутого плунжера 25 выполнена с возможностью прохождения воды при соответствующем различии в давлении подачи через соответствующие входные каналы 21, 22. Изменение положения плунжера 25, например сдвиг плунжера 25 по направлению к первому входному каналу 21, приведет к большему изменению размера прохода, а значит, большему увеличению его размера, во втором входном канале 22, чем изменение размера прохода, а значит, меньшее уменьшение его размера, в первом входном канале 21, и наоборот. Ясно, что плунжер 25 может иметь иную форму, чем на Фиг.2b, при этом обеспечивая тот же способ регулирования прохода двух входных каналов 21, 22, как было описано.
В варианте осуществления согласно Фиг.3 смесительный клапан 10 и второй клапан 12 имеют по существу одинаковую конфигурацию. Это может способствовать минимизации производственной стоимости клапанного узла 8. Кроме того, можно заметить, что поршни 25, 30 соответствующих клапанов 10, 12 приводятся в движение двумя различными двигателями M1, M2. Производственная стоимость может быть дополнительно снижена путем управления обоими поршнями 25, 30 одним двигателем M согласно варианту осуществления 8' на Фиг.4 (где сам двигатель не показан). Чтобы позволить поршням 25, 30 совершать возвратно-поступательные перемещения независимо друг от друга, используется специальный кулачок 35, вариант осуществления которого показан на Фиг.5.
Кулачок 35 содержит верхнюю кольцеобразную поверхность 40 кулачка для приведения в движение поршня 25, а также нижнюю кольцеобразную поверхность 42 кулачка для приведения в движение поршня 30. Поверхности 40, 42 кулачка расположены эксцентрично относительно главной оси S вращения кулачка 35 и каждая разделена на четыре сегмента I-IV, попарно диаметрально противоположных. Периферическая длина второй пары сегментов II, IV существенно больше таковой у первой пары I, III. В каждом сегменте I-IV радиус R поверхностей 40, 42 кулачка изменяется согласно заданной траектории.
Верхняя поверхность 40 кулачка имеет минимальный радиус R(a) на сегменте I, а максимальный радиус R(b) - на сегменте III. На промежуточных сегментах II, IV радиус R постепенно и весьма медленно увеличивается от минимального значения R(a) до максимального значения R(b). Наоборот, нижняя поверхность 42 кулачка имеет минимальный радиус R(a) на сегменте IV, а максимальный радиус R(b) - на сегменте II. На промежуточных сегментах I, III ее радиус R довольно быстро увеличивается от минимального значения R(a) до максимального значения R(b).
Разность между минимальным и максимальным радиусами R(a), R(b) соответствует максимальному возможному ходу поршней 25, 30. Обеспечиваются средства 45 смещения (см. фиг.) для смещения поршней 25, 30 в направлении соответствующих поверхностей 40, 42 кулачка.
Благодаря специальной конструкции кулачка поршни 25, 30 могут быть отрегулированы независимо друг от друга. Конкретнее, сегмент I можно использовать для быстрого возвратно-поступательного перемещения поршня 30 между его двумя крайними положениями, в то время как поршень 25 неизменно остается в своем крайнем положении, в котором он блокирует входной канал 21 (что соответствует положению, показанному на Фиг.4). Сегмент III можно использовать для быстрого возвратно-поступательного перемещения поршня 30 между его двумя крайними положениями, в то время как поршень 25 неизменно остается в своем другом крайнем положении, в котором он блокирует входной канал 22. Таким же образом, сегменты II и IV можно использовать для возвратно-поступательного перемещения поршня 25 между его крайними и любым промежуточным положениями, в то время как поршень 30 неизменно остается в одном из своих крайних положений, в котором он полностью блокирует второй выходной канал 28 или полностью блокирует первый выходной канал 27.
Изобретение не ограничено примерами вариантов осуществления, представленными в описании и на чертежах. Все сочетания (частей) вариантов осуществления, представленных и описанных, явно предполагают их включение в данное описание и явно предполагают включение в объем изобретения. Кроме того, в объеме изобретения возможны многочисленные изменения, как следует из формулы изобретения.
1. Устройство для приготовления напитка, содержащее систему (2) подачи жидкости с по меньшей мере одним теплообменным участком (6) для охлаждения или нагревания жидкости, пропускаемой через него, а также клапанный узел (8) со смесительным клапаном (10), причем смесительный клапан содержит первый входной канал (21), сообщенный по текучей среде с выходным каналом теплообменного участка (6), второй входной канал (22), сообщенный по текучей среде с источником более горячей или более холодной вышеупомянутой жидкости, первое и второе закрывающие средства для изменения скорости потока соответственно через первый (21) и второй (22) входные каналы, а также управляющее средство для управления первым и вторым закрывающими средствами таким образом, чтобы увеличение скорости потока через один из входных каналов соответствовало, по существу, такому же уменьшению скорости потока через другой входной канал так, чтобы общая скорость потока через смесительный клапан (10) оставалась, по существу, постоянной.
2. Устройство по п.1, в котором управляющее средство содержит температурный датчик (32) возле выходного канала смесительного клапана.
3. Устройство по п.1 или 2, в котором первое и второе закрывающие средства механически взаимно соединены.
4. Устройство по любому предшествующему пункту, в котором первое и второе закрывающие средства образуют часть плунжера (25), который может совершать возвратно-поступательное перемещение между двумя крайними положениями, в которых один из первого и второго входных каналов полностью закрыт, а другой полностью открыт, а также любым промежуточным положением.
5. Устройство по любому предшествующему пункту, в котором клапанный узел (8) содержит второй клапан (12), имеющий входной канал (26) и два выходных канала (27, 28), причем входной канал (26) сообщен по текучей среде с выходным каналом (24) смесительного клапана (10), при этом обеспечено закрывающее средство для выборочного блокирования одного из выходных каналов.
6. Устройство по п.5, в котором смесительный клапан (10) и второй клапан (12) имеют, по существу, одинаковую конфигурацию.
7. Устройство по п.5 или 6, в котором закрывающее средство смесительного клапана и закрывающее средство второго клапана приводятся единственным двигателем.
8. Устройство по п.7, в котором обеспечивается кулачок (35), имеющий первую (40) и вторую (42) эксцентрические поверхности кулачка, выполненные с возможностью управления закрывающими средствами смесительного клапана (10) и второго клапана (12), по существу, независимо друг от друга.
9. Устройство по п.8, в котором первая и вторая поверхности кулачка содержат по меньшей мере один первый участок с переменным радиусом для управления соответствующим закрывающим средством при вращении кулачка, а также по меньшей мере один второй участок, по существу, с постоянным радиусом для поддержания соответствующего закрывающего средства в одном положении при вращении кулачка (35), при этом эти первый и второй участки первой и второй поверхностей кулачка ориентированы по периферии кулачка так, что закрывающее средство смесительного клапана может управляться при поддержании закрывающего средства второго клапана в одном положении, и наоборот.
10. Устройство по п.8 или 9, в котором первая и вторая поверхности кулачка разделены на четыре сегмента, попарно диаметрально противоположных, причем радиус первой поверхности кулачка является постоянным у первой пары сегментов и изменяется у второй пары сегментов, при этом радиус второй поверхности кулачка является постоянным у второй пары сегментов и изменяется у первой пары сегментов.
11. Устройство по п.10, в котором первая пара сегментов (I, III) имеет периферическую длину меньше периферической длины второй пары сегментов (II, IV), в частности менее половины длины упомянутой второй пары сегментов.
12. Клапанный узел, содержащий любой из признаков клапанного узла, указанных в любом предшествующем пункте.
