具有均匀温度控制的即时管式加热器的制作方法

本发明整体涉及提供均匀温度分布的即时管式加热器，均匀温度分布改善加热装置与待加热的液体之间的热交换并提高温度的准确性。本发明还涉及包括即时管式加热器的饮料制备机器。

背景技术：

即时管式加热器在饮料分配器诸如水分配器或咖啡胶囊机等领域中是已知。优点包括按需快速、反复且经济地对液体进行加热，例如以便利用胶囊或荚包中所含的单次剂量饮料配料来冲煮饮料。加热管是经济的，因为其基本上仅对液体穿过加热管时所需的液体体积加热。管式加热器具有低惯性质量，不需要任何显著的预热时间。因此，热饮料的制备更为快速，并且需要比热水器或加热块更少的能量。

US4975559涉及用于对咖啡机中的水进行加热和充气的设备。水回路具有水循环通道和空气保持袋，这些空气保持袋沿着水循环通道间隔地设置在这些通道的正常水位之上。空气保持袋在循环水中提供湍流，并使袋中保持的空气溶解于水中。

US2006027103A1涉及用于对饮料机中的液体进行加热的设备。该设备包括管式加热器，该管式加热器具有进水口、出水口以及管内带有螺旋形凹槽的插件。水被迫以螺旋方式穿过小间隙。一个问题是水温难以控制，有可能发生过热。这就需要一套复杂的、电连接在一起的电阻器。此外，内部插件提供了流体回路中增加的压力损失，这需要加以克服。

具体地讲，即时管式加热器可包括涂布有电热膜的玻璃管。例如，中国实用新型CN202636656(U)提供了用于即时水分配器和热水器的加热主体组件。该加热主体组件包括进水口端和出水口端，其中加热管布置在进水口端与出水口端之间。该加热主体组件的特征在于加热管是外径为20-25mm、长度为180-230mm且功率为1800-2800W的单个管。

通常，通过以下方式获得温度调节：饮料机的控制单元利用NTC传感器直接在水流出口处感测温度，并且相应地使加热管通电和断电。

已经发现，加热管中的温度并不均匀，而是从管中心线向其周边成梯度。通常，由于液流为层状的，所以在管中心流动的液体要比在管的管状壁附近流动的液体更冷。由于NTC传感器优先测量来自管中心的温度，所以由于所测量的温度系统性地过低，温度调节较差。使NTC传感器相对于管移动(朝温度梯度的较热区域移动)无法提供更好的调节。

另外，由于所感测的温度低于真实的液体平均温度，所以管往往会过热，从而在加热管与内部液体之间形成一层蒸气。这个小隔热区显著降低了管式加热器的热效率。

技术实现要素：
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本发明旨在解决上述问题。

为此，本发明涉及用于加热流动液体的即时管式加热器，该即时管式加热器包括中空加热管，该中空加热管包括用于在液体从中流过时对液体进行加热的管状流动通道。该管状流动通道沿着中心轴线延伸。该即时管式加热器还包括密封连接到中空加热管入口端的入口连接器、以及密封连接到中空加热管出口端的出口连接器。其有利地还包括至少一个温度传感器。该温度传感器优先连接到出口连接器，以便感测离开加热管的液体的温度。根据本发明的一个方面，该即时管式加热器局部地包括入口偏流构件，该入口偏流构件局部地定位在加热管的入口端，并且被构造用于迫使进入加热管的管状通道的液体流在至少一个方向上远离管状通道的中心轴线方向。

更具体地讲，该入口偏流构件包括横向于中心轴线方向布置的至少一个壁，该至少一个壁包括沿着既不与中心轴线方向对齐也不与中心轴线方向平行(或与中心轴线方向不同)的方向延伸的至少一个贯穿开口。该入口偏流构件从而被构造用于使进入加热管的管状通道的液体流偏离所述中心轴线的方向。

优选地，该管式加热器包括入口偏流构件，该入口偏流构件被布置用于使该流分成多个流动束流，并且迫使这些束流在多个方向上远离管状通道的中心轴线方向。

该入口偏流构件被“局部地”布置，是指其仅在管状流动通道的入口端延伸，并因此沿着管状流动通道的有限轴向部分延伸。具体地讲，该有限轴向部分小于管状通道的总轴向长度的10％，最优选地小于5％。具体地讲，在管状通道的入口端和出口端外部，管状通道没有干扰或阻碍流动的(即，横向的)障碍物。因此，液体流在管状通道中可均匀化，并且管式加热器中的压力损失也最小化。

入口偏流构件因此被构造成迫使进入加热管的流动通道中的液体层流进入与管的流动通道中的轴向方向不同的一个或多个方向，使得液体并不严格沿着加热管通道的轴向方向流动。更具体地讲，液体以一定方式移动，使得在液体流过通道时不断补充与加热表面接触的液体层。因此，降低或消除了管的中心线与加热表面之间的温度梯度。

优选地，偏流构件包括壁，该壁相对于加热管的中心轴线(或中心线)横向地延伸，并且包括多个入口流贯穿开口。偏流构件可为固体耐热塑料(例如，注塑)或金属插件，该插件由优选管状的这些贯穿开口穿孔。偏流构件也可为例如金属和/或聚合物网格或格栅。

在一个优选的方面，入口流贯穿开口在既不与中心轴线的方向对齐也不与中心轴线的方向平行的许多不同方向上导向。更优选地，入口流贯穿开口在从中心轴线的方向朝加热管的内表面发散和/或与中心轴线会聚的许多不同方向上导向。作为一个优选的实施例，大多数贯穿开口以从通道的中心轴线的方向发散的方式导向。

在一个方面，大多数(优选所有)贯穿开口为偏心的，并且进一步沿着相对于居中且轴向延伸的轴线及相对于管的径向平面倾斜的方向取向。这些开口的该特定取向促进了液体流在加热通道中的涡流运动；从而补充流过通道的液体层，同时还使流动阻力最小化。

在优选的构型中，入口流贯穿开口包括沿着具有第一直径的第一圆分布在其进路侧处的多个进路孔区、以及沿着具有比第一圆的直径更大的具有第二直径的第二圆分布在其出路侧处的多个出路孔区。

流贯穿开口的数量可有所变化。在优选的方式中，流贯穿开口的数量优选地介于2与20之间，更优选地在3与10之间。在另一个方面，即时管式加热器优选地还包括加热管与温度传感器之间的混合装置。混合装置有助于使在液体离开加热管时由温度传感器感测到的液体温度变得均匀。

更具体地讲，混合装置至少包括出口扰流构件。该扰流构件起到阻碍来自管状通道的液流的作用。该出口扰流构件从而有助于形成离开加热管的受热液体流的湍流，使得温度进一步均匀化。

优选地，出口扰流构件包括壁，该壁横向于中心轴线延伸，并且包括多个出口流贯穿开口。这种出口扰流构件定位在加热管的出口端。与定位在扰流构件上游的通道的流动区相比，这些流贯穿开口可形成离开加热管的液体的局部减小流动区。

具体地讲，均匀化热液体的温度感测变得更为准确，因此温度调节得以改善，加热器的总效率也得以提高。

具体地讲，出口扰流构件相对于中心轴线的方向横向地(优选成圆锥形地)延伸。例如，出口扰流构件可为固体耐热塑料(例如，注塑)或金属插件，例如该插件由优选管状的这些流贯穿开口穿孔。出口扰流构件也可为例如金属和/或聚合物网格或格栅。

在一个优选的方面，受热液体的混合室设置在出口扰流构件与出口连接器之间。混合室使液体能够在离开管式加热器之前连续混合并均匀化。

出口扰流构件与混合室的这一组合形成了流的“静态混合器”。然而，可以设想到具有“动态”混合装置，诸如在液体流自身作用下移动或推进的移动或旋转叶片或搅拌器。

优选地，温度传感器被定位成至少部分地在混合室内部延伸。然而，这不是绝对强制性的，并且温度传感器也可定位在更下游，诸如出口连接器的外部连接部分内部。

优选地，一些(优选地大多数)出口流贯穿开口在与温度传感器和/或与混合室中心会聚的许多不同方向上导向。同样，该构型确保了液体温度均匀性，特别地确保了与管的加热表面接触的液体最外层(尤其是在可能局部过热的管末端)可与较低温度液体混合。

更具体地讲，出口流贯穿开口包括在具有第一直径的第一圆中分布的进路孔区、以及在具有比第一圆的直径更小的第二直径的第二圆中分布的出路孔区。

出口扰流构件的流贯穿开口的数量可有所变化。在优选的方式中，流贯穿开口的数量优选地介于2与30之间，更优选地在3与15之间。

加热管优选地为涂布有具有电阻加热特性的材料诸如电热膜的玻璃管。另选地，加热管可为厚膜。

管式加热器优选地还包括外壳体，该外壳体分别连接到入口连接器和出口连接器，并且通过环形间隙与加热管隔开。壳体提供适当的隔热以保证加热器的安全性和效率。

本发明还涉及包括如上所述即时管式加热器的饮料制备机器。具体地讲，饮料机优选地包括常温或冷液体供应管线和受热液体供应管线，该常温或冷液体供应管线包括连接到液体贮存器(诸如水箱)的液体供应泵或其他液体供应设备，并且该受热液体供应管线连接到饮料制备室，诸如胶囊或荚包接纳室；其中所述即时管式加热器的入口连接器密封连接到常温或冷液体供应管线，并且所述即时管式加热器的出口连接器密封连接到受热液体供应管线；该机器还包括控制单元，该控制单元被布置用于从温度传感器接收温度输入并且用于根据温度输入来控制液体供应泵。

附图说明

本发明的其他特性和优点也将从以下描述中显露出来。

在作为非限制性实施例给出的附图中：

图1示出了根据本发明的优选模式的即时管式加热器的透视图；

图2示出了其外壳体被移除的即时管式加热器；

图3示出了图1和图2的即时管式加热器的侧视图；

图4是图3的即时管式加热器的剖视图A-A；

图5是管式加热器的入口偏流构件的透视与顶部取向视图(即，出路侧)；

图6是管式加热器的入口偏流构件的透视与底部取向视图(即，进路侧)；

图7是入口偏流构件的进路侧的平面视图；

图8是入口偏流构件的出路侧的平面视图；

图9是入口偏流构件的侧视图；

图10是入口偏流构件的剖视图D-D；

图11是出口扰流构件的透视图与顶视图(即，进路侧)；

图12是出口扰流构件的透视与底视图(即，出路侧)；

图13是出口扰流构件的出路侧的平面视图；

图14是出口扰流构件的进路侧的平面视图；

图15是出口扰流构件的侧视图；

图16是出口扰流构件的剖视图C-C；

图17示出了具有如图5-图10中所示的入口偏流构件(没有出口扰流构件)的本发明管式加热器的流模拟模型；

图18是出口扰流构件变型形式的进路侧的平面视图；

图19是图18的出口扰流构件的出路侧的平面视图；

图20是图18和图19的出口扰流构件的剖视图E-E；

图21示出了包括本发明即时管式加热器的饮料制备机器的示意图。

具体实施方式

以下描述将参考上述附图给出。

术语“入口”、“出口”、“进路”、“出路”、“上游”和“下游”在文中用于通过参考在管式加热器操作期间液体流的相对意义来指示该设备的构型。

本发明的即时管式加热器1大体包括中空加热管2、入口连接器3和出口连接器4。入口连接器和出口连接器两者均被布置用于使加热器与饮料制备机器的外部流动管道(未呈现)实现液体连通。入口连接器3优选地密封连接到中空加热管2的入口端21。相似地，出口连接器4密封连接到加热管的出口端22。

考虑到许多其他替代连接是可能的，入口连接器3和出口连接器4与管2之间的连接可如下更详细地描述。每个连接器3、4可为相同的，以便减少工件的数量，因此有利于即时管式加热器的组装以及降低生产成本。每个连接器3、4具有管状连接部分31、41，该管状连接部分接合例如弹性体或有机硅的密封环32、42，而密封环自身分别与加热管的入口端21和出口端22紧密装配。还提供了优选固体耐热聚合物的外环部分33、43，以将管状连接部分31、41与环32、42固定在一起。在连接器的自由端上设置有外部连接部分34、44，该外部连接部分被布置用于接纳管道等(未示出)的外部连接。

外壳体8设置在入口连接器与出口连接器之间。外壳体通常为刚性的，并且由隔热材料诸如耐热聚合物形成。活动间隙80保持在壳体与加热管的外表面之间。然而，如图2中所示，可省略外壳体，但出于安全原因，强烈推荐保留外壳体。在优选的模式中，如图所示，壳体由两个外环部分33、43安装和固定。活动间隙可简单地由气体占据，或另选地可充入耐久、隔热且耐热的轻质材料诸如泡沫或纤维。

中空加热管2通常包括管状流动通道20，该管状流动通道沿着管的中心轴线I延伸并且具有一定直径，该直径通常被设定成与预期的液体流率和/或中空管式加热器的加热功率相称。

管式加热器包括温度传感器5，优选为NTC探头或任何等效温度感测装置。温度传感器在加热管2的液体出口端22处或附近定位并固定。具体地讲，传感器可附接到出口连接器4，诸如借助张紧弹簧46等通过传感器接纳部分45进行附接。传感器或探头从而沿着中心轴线I朝加热管内部延伸一定长度。应当指出的是，传感器也可以不同方式定位，例如定位在外部连接部分44内部。顺便提一下，优选与出口连接器4相同的入口连接器3也可包括传感器接纳部分35。该部分可由或不由温度传感器占据。如果不存在温度传感器，则该部分35中的通道由闸门36以不透液体的方式闭合，闸门例如由张紧弹簧37等固定在适当位置。

根据本发明的一个方面，入口偏流构件6定位在加热管的入口端21，以对进入加热管中的液体流进行定向地引导，并且具体地讲，引导到流动通道20中。入口偏流构件被构造成中断进入加热管中的液体流，以便形成管内液体流的湍流模式，从而有利于温度传递以及液体温度的均匀性。入口偏流壁构件可诸如通过密封环32装配在管内。在入口偏流构件6的紧接下游，液体流优选地保持基本上畅通无阻，使得液体可自由流动并占据管状流动通道20的体积。入口偏流构件6的功能因此基本上是以一定方式形成通道中流动的液体的湍流，使得所有液体在行进到出口端时都将接触管状加热表面，因此成功地减少或防止了液体中的温度梯度的形成。因为管壁处的温差得以降低，所以本发明的设备也具有规模减小效应。

在优选的(而非限制性的)模式中，入口偏流构件6相对于加热管的中心轴线I横向地延伸，并且包括多个入口流贯穿开口60。流贯穿开口优选地在许多不同方向上延伸。优选地，这些方向O1、O2、O3、O4、O5、O6从中心轴线I的方向朝加热管的内表面发散。此外或另选地，流贯穿开口可在与中心轴线I会聚的方向上导向(这些可能的模式未呈现)。

由这种贯穿开口取向引起的这种液体束流发散和/或会聚确保了液体不会作为一个单向流动束流或多个单向流动束流进入加热通道，所述一个单向流动束流或多个单向流动束流更倾向于促进层流行为，更容易在加热管内部形成温度梯度。

更具体地讲，至少一些(优选地所有)贯穿开口60为偏心的，并且进一步沿着相对于轴向方向及相对于管的径向平面倾斜的方向取向，如图5和图8中所示。因此，形成了流的涡流运动(和湍流)，如图17中计算机化流模拟模型所物化的许多流线示出。应当注意的是，流线不一定对应于贯穿开口所形成的分流束流的数量。

更具体地讲，贯穿开口还包括沿着具有直径D1的第一圆C1分布在其进路侧62处的多个进路孔区(即，在入口偏流构件的进路的表面处，如图7中所示)，并且包括沿着具有比进路孔区处第一圆的直径D1更大的直径D2的第二圆C2分布在其出路侧65处的多个出路孔区(即，在入口偏流构件的出路的表面处，如图8中所示)。孔的直径优选地等于或大于入口端的直径，以便不给流动造成人为限制。

当然，可以可能的是具有设置在入口偏流构件的进路侧和/或出路侧处的孔区，这些孔区以随机方式或按照与圆不同的几何分布定位。另外，贯穿开口的横截面可具有不同形状。在所示模式中，横截面为圆柱形，但其可以为椭圆形、矩形，或贯穿开口可以为线性或弯曲形状的倾斜狭缝或狭槽。

入口偏流构件6也可以为入口连接器3的一体部分，具体地讲，可以与管状连接部分31成一体。

为了进一步提高温度感测的准确性，即时管式加热器1还包括出口端与温度传感器之间的流混合装置。

在优选的模式中，混合装置可包括定位在加热管出口端22处或附近的出口扰流构件7。

优选地，出口扰流构件7相对于加热管的轴向延伸方向I横向地延伸，并且包括多个流贯穿开口70。更优选地，流贯穿开口在朝混合室75会聚的许多方向I1、I2、I3、I4、I5、I6、I7、I8上导向，诸如由扰流构件7和定位在扰流构件下游的出口连接器4的凹陷部形成。混合室中的开口的会聚(优选地朝其中心线会聚)使得能够在离开加热管的液体到达温度传感器5之前使液体的温度均匀化。

当然，凹陷部75可部分地或完全地在出口连接器中形成，并且出口扰流构件可为相对平坦的圆盘形插件。出口扰流构件7也可以为出口连接器的一体部分，具体地讲，可以与管状连接部分41成一体。

更具体地讲，出口流贯穿开口包括沿着具有直径D3的第一圆C3分布的进路孔区、以及沿着具有比第一圆C3的直径更小的直径D4的第二圆C4分布的出路孔区。在所示优选的(而非限制性的)模式中，出口扰流构件7包括锥形部分76，该锥形部分朝管的流动通道20的内部延伸，以促进液体的中心层与液体的外层在通道的出口端处混合，以及促进贯穿开口以会聚构型进行分布和取向。壁构件可进一步由圆柱形部分77延伸，以在内部下游界定混合腔室75，从而提供足够空间用于容纳温度传感器的至少一部分。锥形部分76可具有其他等同形态，诸如凸形(例如，半球形)或棱锥形。孔的直径优选地等于或大于出口端的直径，以便不给流动造成人为限制。

优选地，温度传感器5(优选为NTC探头)部分地延伸穿过混合室75，如图4中所示。然而，可以可能的是将温度传感器布置在离开加热管2的液体流中的任何地方，诸如穿过或跨过出口连接器4的外部连接部分44。

加热管2优选地为玻璃管加热器，诸如石英玻璃管，其上涂布有具有电阻加热特性的一种或多种材料。通常在外部对管进行涂布。其上可包括分别处于入口端21和出口端22的两个电极23、24，例如银环。膜可为锡锑氧化物等。膜可通过任何合适的技术涂布，诸如通过浸渍、热喷、蒸镀或磁控溅射来涂布。这种玻璃管加热器的优点是其能提供即时加热，并且经由电极对所述一种或多种材料(例如，膜)进行通电和断电，因此相对容易调节。在一种变型中，加热管可为例如厚膜加热器。

在本发明的一种可能变型中，出口扰流构件7可具有与图18至图20所示不同的构型。出口流贯穿开口可设置在横向壁部分76中并单向地取向，例如，平行于中心轴线I，并且受热液体在混合室75中的混合可通过横向于贯穿开口方向导向的多个障碍物78(诸如分布在混合室的内部管状表面上的多个横向杆)实现。扰流构件的圆柱形部分是一个实施例，并且可采取其他可能的形态(例如，圆锥或棱锥的主干)。当然，流贯穿开口可以其他方式导向，诸如以如图11-图16的前述模式那样的会聚方式导向。圆柱形部分在这里也可为锥形或棱锥形。

图21以示意性方式示出了饮料制备机器9，该饮料制备机器包括如本申请所述的即时管式加热器1。具体地讲，饮料制备机器9优选地包括常温或冷液体供应管线90，该常温或冷液体供应管线包括连接到液体贮存器92(诸如水箱)上游的液体供应泵91。该机器还包括受热液体供应管线93，该受热液体供应管线连接到饮料制备室94，诸如胶囊或荚包接纳室或饮料过滤接纳器。本发明即时加热器的入口连接器3和出口连接器4分别密封连接到常温或冷液体供应管线90以及密封连接到受热液体供应管线93。该机器还包括控制单元95，该控制单元被布置用于从温度传感器5接收温度输入并且用于根据温度输入来控制液体供应泵91。为此，该控制单元通常包括处理器和存储器，存储器用于存储与从温度传感器感测的温度相比较的一个或多个温度设定点。可严密地确定所述一个或多个温度设定点，以对应于待制备的特定饮料类型，诸如咖啡或茶。液体供应泵91可通过对其选择性地通电和断电来调节，或如果其为具有可变流率的泵的话，则可通过改变功率或电流来调节。

应当指出的是，饮料机可为热水分配器，其中省略了饮料制备室并且可能更换为可通过控制单元自动控制打开和关闭的热水分配阀。