生产冷却和加热的液体的节能系统的制作方法

本发明总体上涉及用于生产冷却的液体和加热的液体的系统的领域。这种系统可以以单一设备的形式体现，该单一设备被构造成分配冷冻水和接近沸腾的水供人类消费。特别地，但不排他地，本发明可以以电动台上或台下组合水加热器和冷冻器的形式实施。

背景技术：

家庭厨房和办公室茶水间内可见类型的现有技术的水加热和冷冻单元提供了显著的便利。

用户只需简单地致动出口阀以通过喷口分配水，这些单元就可以根据需要立即提供用于咖啡和茶的热水。一般来说，进入单元的市政水进入绝热罐，在那里通过电阻线圈加热。线圈的电加热能力被设计为足以满足一天中所需的预期体积的热水，并考虑到在喝茶和午餐时间经常增加的需求。即使设计得非常好的加热器也会消耗大量的能量，以确保在需要时可获得接近沸腾的水。虽然隔热被用来限制持续的热损失，但不可避免的是，将存在一些能量损失，这必然会要求对水进行间歇再热，以确保按需提供充分加热的水。本领域的问题是根据需要提供可用的热水，并且减少能量输入。

关于冷冻水的供应，现有技术的单元典型地包括绝热罐或由制冷系统蒸发器盘管冷却的固体大容量储热块。典型地，提供了包含制冷剂的冷却回路，处于液态的压缩制冷剂从绝热罐中的水吸取热能，并且在该过程中返回到气态。气态制冷剂被冷凝回液态，同时向大气释放热量。为了冷凝器的高效操作，释放的热量必须从冷凝器传递出去，这通常通过简单的对流方式实现，或者在某些情况下通过风扇来促进。

当单元安装在封闭的位置(诸如在橱柜中)时，最大化来自冷凝器的热量的传递可能会有一些困难。因此，本领域的一个问题是提高冷凝器操作的效率。

本发明的一个方面是通过提供能够以更高的能量效率加热和冷冻液体的系统来克服或减轻现有技术的问题。另一个方面是提供一种系统，该系统减少了加热到低于期望温度的水被分配给用户的可能性。另一个方面是提供一种有用的现有技术的替代方案。

文件、行为、材料、设备、制品等的讨论被包括在本说明书中，仅仅是为了提供本发明的上下文。没有暗示或表示任何或所有这些事项形成了现有技术基础的一部分，或者是与本发明相关的领域中的公知常识，因为它在本申请的每个权利要求的优先权日之前就存在。

技术实现要素：

在第一方面，但不一定是最广泛的方面，本发明提供了一种用于加热和冷却液体的系统，该系统包括：液体冷却单元，其包括热输出部件；第一液体加热装置，其被构造成保持和加热液体；其中，第一液体加热装置被构造成将液体的第一主体保持在热输出部件周围，使得液体被加热，并且此外，在液体的第一主体内形成并维持温度梯度。

在第一方面的一个实施例中，第一液体加热装置包括具有底板和壁的第一容器，并且热输出部件延伸到容器内部。

在第一方面的一个实施例中，液体冷却单元是冷凝器，并且热输出部件是冷凝器盘管。

在第一方面的一个实施例中，冷凝器盘管延伸至第一容器内的大部分或基本上全部液体深度。

在第一方面的一个实施例中，温度梯度由液体的第一主体的下部区域中的较低温度限定，并且较高的温度是液体的第一主体的上部区域。

在第一方面的一个实施例中，该系统包括液体入口端口，该液体入口端口被定位成允许液体进入液体的第一主体的下部区域。

在第一方面的一个实施例中，第一容器具有顶板。

在第一方面的一个实施例中，该系统包括引起或允许液体从液体的第一主体的上部区域排出的装置。

在第一方面的一个实施例中，引起或允许液体从液体的第一主体的上部区域排出的装置(当存在时)是构造成引起或允许水从第一容器排出的顶板中或其周围的间断部。

在第一方面的一个实施例中，间断部是壁和顶板之间的空间，或者顶板内的孔口。

在第一方面的一个实施例中，该系统包括第二容器，该第二容器被构造成保持液体的第二主体，其中第一和第二容器液体连通，从而引起或允许液体的第一主体的液体传送到第二容器中。

在第一方面的一个实施例中，第二容器设置在第一容器上方。

在第一方面的一个实施例中，第一容器的顶板形成第二容器的底板。

在第一方面的一个实施例中，该系统包括加热器，该加热器被构造成加热由第二容器保持的液体的第二主体。

在第一方面的一个实施例中，加热器被构造成将液体的第二主体加热到至少约70℃，或接近沸腾。

在第一方面的一个实施例中，该系统包括单个罐，该单个罐被构造成基本上单独地维持液体的第一主体和液体的第二主体，第二主体设置在第一主体上方，该系统被构造成使得引起或允许来自第一主体的液体以受限的速率移动到第二主体中，其中第一主体和第二主体彼此基本上绝热。

在第一方面的一个实施例中，第一主体和第二主体之间的基本绝热由挡板提供，以防止或抑制在液体的第一主体和第二主体之间的大量液体混合，同时仍然引起或允许液体以受限的速率从第一主体移动到第二主体中。

在第一方面的一个实施例中，在罐壁和挡板的边缘之间存在空间，挡板和空间的组合用于防止或抑制在液体的第一主体和第二主体之间的大量液体混合，同时仍然引起或允许液体以受限的速率从第一主体移动到第二主体中。

在第一方面的一个实施例中，挡板包括构造成加热液体的第二主体的加热元件。

在第一方面的一个实施例中，加热元件被构造成将液体的第二主体加热到至少约70℃，或接近沸腾。

在第一方面的一个实施例中，该系统包括液体出口端口，该液体出口端口被定位成引起或允许液体从液体的第一或第二主体中抽出。

在第一方面的一个实施例中，该系统包括与出口端口液体连通的分配器喷口。

在第一方面的一个实施例中，该系统包括与出口端口液体连通的热水储罐。

在第一方面的一个实施例中，热水储罐包括加热器，该加热器被构造成将其中包含的水加热到至少约70℃，或者接近沸腾。

在第一方面的一个实施例中，该系统包括与热水储罐液体连通的分配器喷口。

在第一方面的一个实施例中，该系统包括构造成在系统的罐或容器(当存在时)周围保持热能的绝热体。

在第一方面的一个实施例中，该系统包括阀、螺线管、液位传感器、电开关、排水管、导管、加热器和泵中的任意一个或多个，其被构造成引起或允许：输入流体的进入以形成液体的第一主体，以及预热液体的第一主体。

在第一方面的一个实施例中，该系统具有液体的第一主体和液体的第二主体，以及阀、螺线管、液位传感器、电开关、加热器和泵中的任意一个或多个，使得排水管、导管和泵、阀、螺线管、液位传感器、电开关、加热器和泵中的任意一个或多个被构造成引起或允许液体从液体的第一主体移动到液体的第二主体，并进一步加热液体的第二主体。

在第一方面的一个实施例中，其中该系统具有液体的第一主体和液体的第二主体，以及阀、螺线管、液位传感器、电开关、加热器、排水管、导管和泵中的任意一个或多个，阀、螺线管、液位传感器、电开关、加热器、排水管、导管和泵中的任意一个或多个(当存在时)被构造成引起或允许液体从液体的第二主体移动到(i)分配喷口或(ii)另一容器以用于储存和任选地进一步加热。

在第一方面的一个实施例中，该系统包括数据处理器，该数据处理器被构造成接收来自诸如液位传感器或开关的输入设备的输入数据或信号，并提供构造成致动诸如阀或泵或加热器的输出设备的输出信号或数据。

在第一方面的一个实施例中，该系统体现为构造成分配用作饮料的加热和冷却的水的单元的形式。

在第一方面的一个实施例中，该系统包括具有相关联的用户致动装置的喷口，该用户致动装置被构造成根据需要从喷口分配加热的液体或冷却的液体以用作饮料。

在第二方面，本发明包括获得用作饮料的加热的液体或冷却的液体的方法，该方法包括致动第一方面的系统的任何实施例的用户致动装置的步骤。

在第二方面的一个实施例中，加热的液体或冷却的液体是水或不纯水，或基本上是溶质的水溶液，或基本上是材料的水悬浮液。

附图说明

图1是本发明的优选系统的横向剖视图，该系统是加热和冷冻水系统。系统的一部分通常由分成上部容器和下部容器的单个罐构成。在移动到上部容器以进一步加热之前，水在下部容器中使用系统的冷冻水回路的冷凝器盘管进行预热。第二容器中的进一步加热的水被传送到第三容器，用于加热到接近沸腾温度。从第三容器中抽取用于饮料的接近沸腾的水。

水移动的大致方向由虚线箭头示出。图中的元件未按比例绘制，也没有相对于其他元件进行任何精确定位。

图2是本发明的一个实施例的横向视图，该实施例被修改为包括当制冷回路压缩机关闭时控制液体制冷剂的位置的元件，以防止制冷剂迁移。

平行于导管的箭头表示制冷剂在其中的流动。

具体实施方式

贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定都指同一实施例，但是可以指同一实施例。此外，如本领域普通技术人员从本公开中将显而易见的，在一个或多个实施例中，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合。

类似地，应当理解，本发明的示例性实施例的描述、本发明的各种特征有时被组合在单个实施例、附图或其描述中，目的是简化公开内容并帮助理解各种发明方面中的一个或多个。然而，该公开方法不应被解释为反映所要求保护的发明需要比每个权利要求中明确陈述的更多特征的意图。相反，如以下权利要求所反映的，发明方面在于少于单个前述公开的实施例的所有特征。因此，在具体实施方式之后的权利要求被明确地结合到该具体实施方式中，每个权利要求独立地作为本发明的单独实施例。

此外，虽然本文描述的一些实施例包括其他实施例中包括的一些特征，但不包括其他特征，但是不同实施例的特征的组合意味着在本发明的范围内，并且形成不同实施例，如本领域技术人员将理解的。

在以下权利要求和本文的描述中，术语“包括”、“包含”或“其包括”中的任何一个都是开放术语，其意味着至少包括随后的元件/特征，但不排除其他元件/特征。因此，当在权利要求中使用时，术语“包括”不应被解释为对其后列出的装置或元件或步骤的限制。例如，包括步骤a和步骤b的方法的表达的范围不应限于仅由方法a和方法b组成的方法。本文使用的术语“包含”或“其包含”中的任何一个也是开放术语，其也意味着至少包括跟随该术语的元件/特征，但不排除其他元件/特征。因此，“包含”与“包括”同义并表示“包括”。

此外，并不表示所有实施例都显示了本发明的所有优点，尽管一些可以。一些实施例可以仅显示一个或几个优点。一些实施例可能不显示本文提到的任何优点。

在第一方面，本发明提供了一种用于加热和冷却液体的系统，该系统包括：液体冷却单元，其包括热输出部件；第一液体加热装置，其被构造成保持和加热液体；其中，第一液体加热装置被构造成将液体的第一主体保持在热输出部件周围，使得液体被加热，并且此外，在液体的第一主体内形成并维持温度梯度。

申请人已经发现，在组合式水加热器/冷却器单元的加热回路中预热水的装置中建立温度梯度的优点在于，相对较热的水可以从梯度的相对较高温度区域排出，在梯度的相对较低温度区域中留给相对较冷的水更长的时间来加温。从温度梯度的相对较高温度区域排出的水然后可以暴露于系统内的专用加热器，该加热器进一步将温度升高到接近沸腾温度。假设水被预热(从温度梯度的相对较高温度区域排出)，与水未被预热的情况相比，专用加热器需要消耗较少的能量来使水达到接近沸腾温度。

如本文所用，术语“接近沸腾温度”旨在包括人类饮料消费者通常更喜欢的饮料温度(当新鲜制备时)或通常更喜欢制备饮料的温度。示例性温度为至少约90、91、92、93、94、95、96、97、98和99℃。在许多市售的加热和冷冻水单元中，为此分配的热水的温度典型地为约98℃。可以理解，该98℃的温度可以根据任何特定应用的需要而变化。

可以理解，在一些情况下，可能需要较低的饮料温度。例如，绿茶优选地在低至72℃的温度下冲泡。较低的温度可以通过降低水加热元件的恒温器设置来实现，或者优选地通过将接近沸腾的水与较冷的水混合来实现，如下面更全面地描述的。

第一液体加热装置可以被构造成使得通过允许由第一液体加热装置加热的水上升到液体内的上部区域而允许被动地形成温度梯度。可以理解，第一液体加热装置优选地被构造成防止或至少抑制由其保持的水的混合，从而防止干扰温度梯度。

可以通过优先加热水的第一主体的上部区域而不是下部区域来建立温度梯度。例如，热输出部件可以设置在水的第一主体的上部区域中，或者热输出部件可以能够选择性地加热水的第一主体的上部区域。

在用于加热和冷却水的组合系统的上下文中，热输出部件(其加热由第一液体加热装置保持的水的第一主体)可以是在系统的冷却回路中使用的冷凝器的冷凝器盘管，并且盘管的热气入口可以设置在温度梯度的上部区域内，以便快速加热梯度的相对较高温度区域中的液体。通过这种方式，相对热的预热水可以容易地被抽取以用于在系统的专用加热器中使用。

然而，在这种布置中，由冷凝器盘管的热气体保持的汽化潜热的大部分将被释放到温度梯度的下部区域中的水，因为其中存在相对较低温度的水。在潜热能量转移到下部区域中的水时，水被加热并将上升到梯度的上部区域。

作为替代方案，该系统可以被构造成使得冷凝器盘管内的热进入气体首先暴露于温度梯度的下部区域中的相对较低温度的水，以便快速加热该水并使其上升到梯度的上部区域。在该实施例中，由冷凝器气体保持的汽化的潜热相对较早地被释放到水中，较少的热能可用于升高温度梯度的上部区域中的水的温度。

在上面概述的布置中，冷凝器盘管可以穿过大部分或基本上所有的温度梯度，使得盘管的上部区域在温度梯度的上部区域内，并且盘管的下部区域在温度梯度的下部区域内。

可以理解，从第一液体加热装置排出的热水典型地将被进水替代。通常，通过将第一液体加热装置连接到市政水主供应源来提供进水。优选的是，该系统被构造成使得进水基本上不干扰在水的第一主体中建立的温度梯度。该目标典型地通过将系统构造成将进水(通常处于环境温度)引入温度梯度的下部区域来实现，在该下部区域水处于相对较低的温度。将环境温度的水引入温度梯度的上部区域会降低梯度的△t(温差)。此外，环境水(比上部梯度区域中的热水更冷)将迅速下沉到下部梯度区域，从而不利地混合上部梯度区域和下部梯度区域中的水。

因此，进入水的第一主体的任何水入口优选地被构造成最小化温度梯度的干扰。例如，入口可以被构造成限制进水的压力。此外或替代地，入口可以被构造成基本上水平地引导进水，以限制第一水主体中的竖直混合量。在某些情况下，考虑到气泡导致显著混合和对温度梯度的破坏的倾向，可能希望系统包括用于捕获进水中的任何空气的装置。

本系统在水的第一主体中可实现的△t将至少在一定程度上取决于由盘管提供的潜热能量的量、水的第一主体中的水体积、水的第一主体中任何无意的混合、水的第一主体的深度、由系统在任何时间段分配的热水的体积等。在一些实施例中，本系统在水的第一主体中可实现的△t至少为约5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、48、49或50°c。

第一水加热装置的目的是至少在一定程度上预热水，以便减少在后续加热步骤所需的能量。虽然温度梯度提供了优势，即相对充分加热的水被优先抽取(留下加热较不充分的水与冷凝器盘管保持接触，直到其也被相对较充分地加热)，但是该系统将提供优势，即使在获得小的△t的情况下。然而，较大的△t值是优选的，因为这表示系统能够在相对高的绝对温度下提供水。可以理解，具有相对低的△t值的系统可以提供处于相对低的温度上限的水，因为将热量集中在小体积的水中的能力较低。相比之下，在高△t值系统中，水可以以处于相对较高的温度的上限温度提供，因为将热量集中在小体积的水中的能力更强。

因此，在较高△t系统中，来自冷凝器的热能集中在温度梯度的最上部区域中的小体积的水中。这种具有高热量浓度(即高绝对温度)的水被传送到主加热容器中，并且在进入时对降低主加热容器中水的温度的影响小得多。

例如，高温差系统可能能够将水预热到60℃的温度，而低温差系统可能能够将水加热到最高温度仅30℃。主加热容器中的水可以处于98℃，允许处于60℃的设定体积的预热水进入导致降低到比如95℃。相比之下，允许处于30℃的相同体积的水进入会将主加热容器中的水的温度降低到92℃。显而易见的是，与95℃的预热水相比，当预热水被允许在30℃加入时，主加热容器中的加热器将需要更多的能量来将主加热容器中的水加热回98℃。

在饮料分配单元中，用户典型地在白天期间间歇地以小体积抽取接近沸腾的水。因此，可以由本系统的第一水加热装置提供的小体积的高温水可以很好地用于替代从系统的主加热容器分配的小体积的接近沸腾的水。

在一个实施例中，第一液体加热装置被构造成将水加热到至少约20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69或70°c的温度。在一个实施例中，第一液体加热装置被构造成将水加热至少约5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、48、49或50°c。

从上面可以理解，至少在一些实施例中，本系统提供了用于更有效地回收组合式水冷冻和加热单元中冷凝器的热输出的装置。回收的热量用于预热第一容器中的水，该水被传送到主加热容器。主加热容器可以被认为是系统的第二容器，第二容器包括水的第二主体，如下文进一步描述的。

在本发明的一些实施例中，优选的是引入当制冷回路压缩机关闭时控制液体制冷剂位置的元件。

对旋转式压缩机进行了性能测试，冷凝器盘管位于热水预热容器内，并且蒸发器盘管位于固体铝热交换块内。测试涉及每20秒抽取200ml杯的几杯冷水，自来水温度为23℃。出口目标温度为10℃或更低。

最初的几杯显然是冷的，但是随后几杯的温度上升，直到约第20杯，此时水温已经上升到超过14°c。然后，出口温度开始随着每个连续的杯下降。在第66杯时，出口温度下降到10.0℃。到第122杯，出口温度已经稳定，并且每个连续抽取的杯为8.3℃。显而易见，制冷冷却效果需要几分钟才能达到完全性能。

申请人发现，对于测试的系统，当压缩机停止时，系统中的所有液体制冷剂将自然迁移到最冷的区域，如同所有制冷系统一样，该区域是蒸发器铝块盘管。这种迁移有两个后果。首先，当压缩机开始再次运行时，一部分来自蒸发器的液态制冷剂直接流向压缩机，导致其带走液体，这是旋转式压缩机的禁忌。

第二个影响是冷凝器现在没有制冷剂液体。在没有可用的液态制冷剂的情况下，蒸发器盘管中没有可蒸发的制冷剂，因此最初没有冷却效果。吸入压力下降，并且压头保持较低。有必要运行压缩机几分钟，以便制冷剂气体冷凝并产生足够的液体，以开始平稳地流过毛细管。几分钟后，压头逐渐增加，从而增加了通过毛细管的制冷剂流量，并且提高了冷却性能。据发现，一旦压缩机停止运转(并且持续短至一分钟的时间)，同样的影响就会重复出现。

为了解决上述情况，需要一种在压缩机停止时将液态制冷剂截留在冷凝器内的方法。在确定的一种解决方案中，在冷凝器之后和毛细管之前，将螺线管阀插入液体管线。螺线管阀是常闭的，并且线圈与压缩机并联地电连接。一旦压缩机停止，阀就关闭。由于这将具有防止当压缩机停止时高侧和低侧均衡的效果，所以装配了第二螺线管阀(热气旁通阀)，以在压缩机停止时将压缩机压头释放到吸入管线中。该螺线管阀是常开的，并且线圈与压缩机并联地电连接。一旦压缩机停止，该阀就打开，并且气体压头被直接释放到压缩机吸入管线中。为了防止液态制冷剂通过打开的螺线管阀回流，在通向压头减压螺线管阀的分支之后，在排放管路中装配了直列式止回阀。

通过这种布置，一旦压缩机启动，冷冻器快速响应以开始冷却水。由于冷凝器充满液体，制冷冷却作用几乎立即开始，并且吸入压力不会大幅下降。压头迅速上升，允许制冷剂良好流动。

当减压螺线管阀一打开，压缩机中的压头就完全释放时，压缩机几乎可以立即启动，甚至在停止几秒钟后就可以启动。这种类型的标准冷冻水冷却系统典型地需要至少一分钟的时间延迟，内部压力才能充分平衡，以允许压缩机马达启动。

总的来说，与没有如上所述布置的阀的相同或类似系统相比，装配有螺线管阀和止回阀的系统的性能和效率得到改善(并且在一些实施例中得到显著改善)。

通过受益于本文公开内容的技术人员认为合适的任何方式，水可以从第一容器排出。在一个实施例中，第二容器与第一容器流体连通，使得水从第二容器的排出导致水从第一容器的上部区域传送到第二容器(优选地第二容器的下部区域)中。在一个实施例中，水从第二容器的排出(例如，由于从第二容器中分配接近沸腾的水)触发入口阀的打开，从而允许自来水(在压力下)进入第一容器，进而将热水从第一容器转移到第二容器中。当分配停止时，入口阀关闭，并且从容器到第二容器的水的流动停止。

有利地，第二容器设置在第一容器上方，使得在第一容器的顶部区域的热水向上流到第二容器的底部区域。通过提供其中设置有基本上水平的分隔器的单个罐，以便将该罐分成系统的两个容器，可以实现这种布置。下部容器是系统的第一容器(用于预热进水)，并且上部容器是系统的第二容器(用于将预热的水进一步加热到储存温度或接近沸腾)。

优选地，分隔器被构造成防止热量从第二容器中的水的第二主体传递到第一容器中的水的第一主体。以这种方式，该系统只需要加热可能立即需要进行分配的水，而不需要预热第一容器中的水。分隔器可以由绝热材料制成，或者可以包括从其排出空气的腔体。

在该系统的一个实施例中，单个罐设置有用于将罐分成第一(下部)容器和第二(上部)容器的分隔器。第一和第二容器之间的液体连通可以通过引起或允许液体离开第一容器并进入第二容器的任何装置来提供。优选地，液体连通装置是分隔器的间断部、一个或多个孔口、或格栅。

在一个实施例中，用于引起或允许水从第一容器离开以进入第二容器的装置是分隔器边缘和罐的内表面之间的一个或多个空间。该空间可以延伸分隔器的基本上整个周边，该空间被分隔器和罐壁之间的附接点中断。在该实施例中，分隔器可以被认为是挡板，其用于防止液体在两个容器之间的大量移动，但是引起或允许来自下部容器的水仅围绕罐的周边向上迁移并进入上部容器。分隔器边缘和罐壁之间的空间小于约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20mm。

在一个实施例中，分隔器包括电阻加热元件，该电阻加热元件被构造成选择性地优先加热上部容器中的水而不是下部容器中的水。优先加热可以通过热绝缘或热能反射器的存在来实现，该热绝缘或热能反射器防止或抑制下部容器中的水的加热。加热元件能够将上部容器中的水的温度升高到期望的温度。在一个实施例中，加热元件将水加热到诸如98℃的最终期望温度，如在用于为咖啡和茶提供水的水加热器中所述。

在其他实施例中，加热元件将水加热到低于期望温度的温度，然后水在该温度储存。例如，水可以被加热到70℃并在该温度储存。稍后，70℃的水被转移到最终的容器中，在那里被加热到98℃以分配给用户。

应当理解，典型地将在包括任何罐、容器、导管、泵或阀的系统的外表面上或周围提供热绝缘。热绝缘的作用是为了减少保持在系统内的水保持的热能的损失。

本系统可以包括液位传感器、电动泵、阀、混合阀、加热器等。优选地，这种设备可通过电气或电子手段控制，以便允许系统的自动操作。

现在参考本发明的优选系统，该系统被构造为台下或台上的电动单元，用于向人类用户提供小体积(杯尺寸、大杯尺寸或饮用玻璃杯尺寸)的饮料，如图1所示。示例性体积在约50ml和约500ml之间。该系统被构造成分配热水和冷却水两者，然而为了清楚起见，仅示出了水冷却回路的冷凝器盘管。

系统(10)包括第一罐(15)，该第一罐(15)是大体圆柱形的并且被制造成在其中容纳热水。罐(10)具有挡板(20)，该挡板基本上分隔罐(15)，从而提供下部容器(25)和上部容器(30)。

下部容器(25)基本上充满围绕制冷冷凝器的盘管(35)的水。入口管(35a)和出口管(35b)分别延伸穿过罐(15)的底部。实际上，冷凝器盘管(35)几乎向上延伸到挡板(20)的下表面。

在系统(10)的水冷却回路(未示出)启动时，冷凝器开始从待冷却的水中提取热能。提取的热能导致制冷剂回路中的制冷剂液体膨胀并转变成气相。气态制冷剂被压缩机装置移动通过冷凝器盘管(35)，在冷凝器盘管(35)中，气态制冷剂被盘管(35)周围水中的水冷却，从而返回到液相。当下部容器(25)中的水被加温到不能再接收任何可感知的热能的程度时，泵(40)可以被致动，以便从罐(15)中移除水(并送至排水管)，从而允许新鲜的自来水经由螺线管致动的入口阀(45)进入。这种新进入的水用于冷却盘管35，从而有利于水冷却回路的正常操作。

在任何情况下，热能从盘管(35)传递到下部容器(25)的周围水中在水中建立了温度梯度。标记为(50)的区域中的水相对温暖(典型地高达约60℃)，标记为(55)的区域中的水处于环境温度(约20℃)附近。如本文其他地方所讨论的，该温度梯度的上部区域中的这种水被显著预热，并且需要较少量的能量来将其温度升高到接近沸腾，以便分配给用户。

梯度的建立部分是由于冷凝器盘管(35)的上部区域首先接收进入的气态制冷剂，因此是盘管的最热部分。随着制冷剂从盘管(35)的上部区域移动到下部区域，气体冷凝成液体。等到制冷剂进入盘管(35)的下部区域，保持在制冷剂中的大部分或全部热能已经损失到水中，因此在下部容器(25)的下部区域中很少或没有水被加热。

热水上升的自然趋势进一步有助于梯度的建立。因此，在理想条件下，接触挡板(20)的下表面的水保持下部容器(25)中所有水的最大量的热能。

为了维持温度梯度，尽可能抑制下部容器(25)中的水的混合。进水(经由入口阀(45)有破坏温度梯度的倾向，并且为了限制任何破坏，在入口端口(45)上设置了凹形扩散器盖(60)。扩散器盖(60)将进水径向地且稍微向下地引导，以最小化与下部容器(25)的上部区域中的较高温度的水的混合。进水由螺线管阀(47)控制。

如从图1中将注意到的，在罐(15)壁和挡板(20)的边缘之间存在狭窄的空间(65a)、(65b)。空间(65a)、(65b)允许预热的水从下部容器(25)的最上部区域流到上部容器(30)。水的这种移动典型地是通过入口阀(45)的致动使水进入而引起的，从而将上面的水向上推动并通过空间(65a)、(65b)进入上部容器(30)。

上部容器(30)内的预热水通过恒温控制的电加热元件(70)进一步加热到70℃。70℃的温度通常被认为是储存水的安全温度，不能支持微生物的复制。当然，这种70℃的温度可以根据手头的具体应用而变化。第二容器中的水可以通过将水输送到分配喷口(80)的泵(75)直接分配给用户。对于一些饮料(例如草药茶)，加热到显著低于沸腾温度的水是理想的。

挡板(20)由绝热材料形成或包括绝热材料，以防止热量从上部容器(30)损失到下部容器(25)中的水。如果允许发生的话，以这种方式进行的热传递将导致加热元件(70)用来加热罐(15)中的所有水，包括下部容器(25)中的水。这种加热将减小下部容器(25)中水的温度梯度的△t，从而抵消整个系统的节能效果，并进一步抑制冷凝器盘管(35)的有效冷却。

上部容器(30)中的水可以经由导管(85)输送到主加热罐(90)。通过恒温控制加热元件(95)，包含在主加热罐(90)中的水被加热到接近沸腾并储存在那里，直到用户需要。泵(92)用于将接近沸腾的水输送到分配喷口(80)。主加热罐(90)具有指定的顶部空间(100)和排气管(105)。

在该优选实施例中提供顶部空间(100)以允许较冷的进水膨胀。当将水从20℃加热到98℃时，体积膨胀约4%。对于单个罐，所有膨胀都发生在该罐内。在本系统中，水开始在下部容器(25)中被加热，在上部容器(30)中被进一步加热，并且在主加热罐(90)中被进一步加热，由于在每个阶段产生的热量而膨胀。罐(15)(即下部容器(25)或上部容器(30))中的任何膨胀经由导管(85)溢流到主加热罐(90)中。顶部空间(100)还提供缓冲区域，因此如果水沸腾，防止水从龙头喷出。

主加热罐(90)包括竖直导管(114)，该导管在上端(114a)处接纳来自导管(85)的预热水，并在下端(114b)处将该水排放到主加热罐(90)的下部区域中。通常情况下，从导管(85)排出的水将比主加热罐(90)中的水冷(例如70℃对90℃)。相对较冷的水将逐渐向下朝着主加热罐(90)的下部区域下沉，从而与周围的水混合，并降低主加热罐(90)中水的总温度。由于温度传感器(122)被定位为朝向罐的底部，只有在一段时间后，温度传感器(122)才会检测到降低的温度并触发加热开始(通过元件(95))，并且在该时间内整个罐的水温可能已经显著下降。竖直导管(114)将进入的相对较冷的水向下引导至主加热罐(90)的下部区域。在一些实施例中，可能优选的是，竖直导管(114)将水排放到温度传感器(122)附近，以允许加热元件(95)更快地响应进水的冷却效果。

竖直导管的上端(114a)延伸超出主加热罐(90)中的最大水位例如15mm，同时仍然在导管(85)之间留下空气间隙。因此，进入主加热罐(90)的相对较冷的70℃的水流入导管的上端(114a)。自然对流导致导管内的水向下移动，这种向下移动借助于将要形成的15mm水头。导管的下端(114b)优选地位于泵(92)的入口的远端，使得当加热元件(95)打开时，进水被吸入由元件(95)产生的上升的对流流中，因此避免“短路”水流穿过泵(92)的入口。

提供温度传感器(110)来感测出口导管(112)中的水的温度。出口导管(112)中的水可以仅源自主加热罐(90)，并且因此接近沸腾，或者仅源自上部容器(30)，并且因此处于大约70℃的温度。或者，出口导管(112)中的水可以从上部容器(30)和主加热罐(90)两者抽取，并且因此处于中间温度。为了分配接近沸腾的水，热龙头杆(未示出)被用户按压，泵(92)运行以从罐(90)中抽水，并通过出口导管(112)将水输送到分配器喷口(80)。在热龙头杆被释放后，泵(92)停止，并且留在出口导管(112)中的热水通过重力流回，通过泵(92)进入罐(90)。

为了输送热水但在降低的温度下进行，泵(75)运行以将70℃的水从上部容器(30)输送到出口导管(112)。同时，泵(92)运行以从主加热罐(90)输送98℃的水。两股水流在出口管(112)交叉点(113)处汇合，形成温度在70℃至98℃之间的水。两个泵(75)和(92)都由无刷dc电动马达驱动，并且每个泵的速度可以通过改变每个泵(75)、(92)的dc电源电压来精确控制。通过仔细控制每个泵(75)、(92)的速度，不同比例的各种温度的水混合，并且从分配器喷口(80)输送处于用户选择温度的水。参考存储在电子存储器中的查找表来选择针对给定出口温度的泵速度。出口温度传感器(110)是快速响应型的，并且用于在分配混合热水时监测混合热水出口温度。如果感测到的温度与选择的温度不同，泵的速度会立即改变以校正偏差。每次应用温度校正后，系统软件都在查找表中添加小的校正因子。这样，随着时间的推移，给定温度下的泵速度设置被自动校准。

第二容器(30)和主加热罐(90)都分别具有液位传感器探头(115)、(120)和温度传感器(117)、(122)，它们经由微控制器装置(未示出)提供系统输入。根据由传感器探头(115)、(120)报告的变化的液位，可以调节水的液位。例如，在经由喷口(80)分配水时，主加热罐(90)和/或上部容器(30)中的水位将降低，从而需要通过螺线管输入阀(45)的微控制器调节的打开来允许新鲜的自来水进入。一旦水位被补充，微控制器指示螺线管入口阀(45)关闭。液位传感器(115)、(120)还具有安全功能，因为当水的液位降低到预定最小值时，加热元件(70)或(95)可以被停用。

逆流止回阀(82)也结合到图1的优选系统中。止回阀(82)的作用是双重的。在热水被输送到出口喷口(80)之后，热水无论是仅在70℃下从上部容器(30)中抽取，还是来自上部容器(30)和主加热罐(90)的混合流，还是仅从主加热罐(90)中抽取，保留在出口导管(112)中的水总是流回到主加热罐(90)中，止回阀(82)防止流回到上部容器(30)中。当从主加热罐(90)抽取98℃的水时，泵(92)运行以便将水输送到出口导管(112)。止回阀(82)防止液流流入上部容器(30)，而是将其引向出口导管(112)。当选择混合热水(在70℃和例如95℃之间)时，两个泵(75)和(92)都在运行。对于70℃的水，泵(75)以100%的负荷运行，并且泵(92)以大约45%的负荷运行，这刚好足以防止70℃的水回流到主加热罐(90)中。

可以设想图1所示系统的替代方案。作为一种替代方案，该系统可以没有主加热罐(90)，并且在这种情况下，加热元件(70)被构造成将上部容器(30)中的水加热到接近沸腾。在一些实施例中，加热元件(70)可以结合到挡板(20)中，并且比加热元件低的绝缘层进一步结合到挡板中，以防止元件加热下部容器(25)中的水。

现在提供如图1所示的系统(10)的各种部件的正常操作。当系统(10)在正常操作模式下运行，并且冷冻水已经从分配喷口(80)被抽出时，制冷压缩机(未示出)被启动。由蒸发器盘管(未示出)从水中移除的热量通过冷凝器盘管(35)排出，冷凝器盘管位于下部容器(25)中。下部容器(35)中的水因此被加热，并可达到大约60℃。

随着下部容器(35)中的水温升高，制冷系统(其盘管标记为(35))的压头增加，导致压缩机消耗更大的工作能量。温度传感器(未示出)在冷凝器盘管(35)之后附接到液态制冷剂管线，以监测这种情况。

在典型的较高使用率安装中，诸如办公室厨房/休息区，白天从该单元抽取的冷冻水和热水量可能大致相等。当热水经由喷口(80)被抽取时，主加热罐(90)中的水位下降，这由液位传感器(120)检测到。电子系统控制器(未示出)启动螺线管水入口阀(45)。冷的自来水被送入下部容器(25)，并且在上部容器(30)顶部的预热水通过导管(85)溢流到主加热罐(90)中。当主加热罐(90)中的水位达到由液位传感器(120)检测到的满液位时，水入口阀(45)关闭。

进入下部容器(25)的冷水允许冷凝器盘管(35)将热量从制冷系统传递到新进入的冷水中。这允许压缩机(35)高效运行，并防止压缩机压头显著增加。

如果经由喷口(80)抽取的冷冻水的体积显著大于抽取的热水的体积，则可能没有足够的冷水进入下部容器(25)，以有效地冷却冷凝器盘管(35)。离开冷凝器的液态制冷剂的温度逐渐升高，并且压头上升。

当液态制冷剂达到预定温度时，排水泵(40)开启。泵入口(45)的区域中的水温为大约60℃。泵的入口(45)位于下部容器(25)的底部上方大约三分之二的位置，并位于上部几个冷凝器盘管的下方。泵(40)从下部容器(25)的该区域抽取水，并将其直接输送到排水管，或者替代地传送通过风扇冷却的盘管(未示出)，在风扇冷却的盘管处热量被移除。离开风扇冷却的盘管的较冷的水被送回到下部容器(25)的入口(45)中，从而在入口(45)和泵(40)的入口之间形成流通环路。

如果下部容器(25)的上部区域中的60°水被输送到排水管，则由液位传感器(115)检测到的上部容器(30)中的水位下降。空气通过主加热罐(90)中的通风管(105)经由导管(85)被吸入到在上部容器(30)的顶部已经形成的空气空间中。

当上部容器(30)中的水位已经下降到由液位传感器(115)检测到的预定点时，系统控制器打开冷水入口阀(45)。这种新进入的水进入下部容器(25)并用于增加上部容器(30)中的水位。上部容器(30)中的水位增加到第二预定水位点，该水位点略低于水开始溢流到主加热罐(90)中的点。

已进入下部容器(25)的新鲜冷水冷却制冷冷凝器盘管(35)。当来自盘管(35)的液态制冷剂的温度下降到较低的预定点时，排水泵(40)被系统控制器关闭。

上述操作可以循环方式继续，直到冷冻水温度已下降到较低的设定点，在该设定点处，压缩机关闭。

如果沸水然后经由分配喷口(80)被抽取，主加热罐(90)中的水位下降，并且液位传感器(120)触发(通过系统控制器)给水螺线管阀(45)以打开。上部容器(30)中的水位从先前的高水位上升，直到溢流到主加热罐(90)中。来自主加热罐(90)的顶部的空气通过导管(85)排出，直到上部容器(30)充满。

现在参考图2，图2示出了一种示例性系统，该系统被修改，以避免在压缩机停机后冷却延迟的问题。压缩机盘管(35)设置在水预热容器(25)内(等同于图1中标记为25的下部容器)。在该修改中，存在螺线管阀(200)(常开)，其被构造为在压缩机(205)的输出端和输入端之间分流的压头减压阀。止回阀(215)直列地设置在压缩机(205)输出端和冷凝器盘管(35)输入端之间，以防止制冷剂的反向流动。

第二螺线管阀(220)(常闭)直列地设置在冷凝器盘管(35)输出端和蒸发器盘管(225)输入端之间。

在整个说明书中，经常提到水作为本发明可以应用的示例性液体。应当理解，本系统不限于与纯水一起使用，并且可以应用于其他可食用液体，诸如不纯水、含有碳水化合物、脂肪、油、色素、调味剂、盐、溶解气体等中的任何一种或多种的水。

在整个说明书中，本发明的功能在某些部分通过参考诸如水的液体来描述。应当理解，这些参考用于描述系统或系统的部件的操作，或者用于定义系统或系统的部件的功能。这并不表示任何液体都是系统的必要组成部分。该系统典型地将在没有任何流体的情况下出售，填充系统的任务由用户承担。

提供对所公开的实施例的上述描述是为了使本领域的任何技术人员能够制造或使用本发明。对这些实施例的各种修改对于本领域技术人员来说将是显而易见的，并且在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本文描述的一般原理可以应用于其他实施例。因此，应该理解，本文提供的描述和附图代表本发明的当前优选实施例，并且因此代表本发明广泛设想的主题。还应当理解，本发明的范围完全涵盖对本领域技术人员来说可能变得显而易见的其他实施例。

应当注意，对本文描述的当前优选实施例的各种改变和修改对于本领域技术人员来说将是显而易见的。可以在不脱离本发明的精神和范围并且不削弱其伴随的优点的情况下进行这些改变和修改。因此，这种改变和修改旨在包括在本发明的范围内。