液體加熱裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種液體加熱裝置，特別是一種主要用于把水加熱到低于蒸汽態溫度的液體加熱裝置。
【背景技術】
[0002]—般，在需要連續出熱水的加熱電器中，將發熱電阻絲通過絕緣層的包裹或填充，鑲嵌于導熱系數較好的鑄鋁中，同時將不銹鋼管折彎形成連續的液體流道，鑲嵌于鑄鋁中。
[0003]因為發熱電阻產生的熱量不能直接和水進行熱交換，需要先將鑄鋁加熱到一定溫度，鑄鋁上的熱量通過不銹鋼管液體流道和水產生熱交換。由于鋁的熱慣量大，會存在以下問題:1、在開機時，需要等待較長的時間15至30S(秒)預熱，才能將鑄鋁加熱到需要的溫度；
2、如果在連續出熱水的情況下，發熱電阻絲產生的熱量不能及時跟上液體吸收的熱量，會導致鑄鋁的溫度下降，如果需要的水溫不能下降，需要繼續等待加熱;3、如果加熱器處于待機中，需要用控制來恒定鑄鋁的溫度，造成能源的浪費；4、帶有這種高熱慣量的鑄鋁加熱器，必須通過預熱來獲得恒定溫度的水，在連續出水時，水溫不能恒定。因為高熱量的慣性，更不能實現水溫的連續變化調節。同時鑄鋁的生產工藝復雜，體積大，重量重。
[0004]基于以上的問題，有一些方案去改善，如在不銹鋼厚膜圓管內做塑料液體流道，來避免熱慣量的影響，塑料具有一定的硬度，需要套入不銹鋼外管中，能夠輕松地套入不銹鋼圓管內，尺寸配合需要減小塑料液體流道的外徑，不能實現緊配合。安裝沒有問題，但會帶來密封的問題，致使水不能完全按照液體流道的流向流動，總有一部分水會從密封不嚴實的縫隙處走捷徑，水流通道一定，必然會導致一部分水不流動，成為死水，在該處持續加熱，最終導致氣化，產生蒸汽噴出，出水斷斷續續，同時因為塑料盒金屬間的密封只能依靠密封圈密封，不能實現儲壓8至1bar的要求，在常壓中，也可能因為速率或密封圈在高溫的環境長期使用而出現老化，出現漏液的風險。
【實用新型內容】
[0005]本實用新型的目的在于克服上述現有技術存在的不足，而提供一種結構簡單、合理，加熱響應速度快、能耗低的液體加熱裝置。
[0006]本實用新型的目的是這樣實現的:
[0007]—種液體加熱裝置，包括分別呈筒狀結構的主體和發熱元件，發熱元件套在主體表面外，發熱元件由外管和印制在外管外表面的發熱電路構成，其特征在于，所述主體由內管和硅膠套構成，內管兩端分別與外管兩端密封配合，外管與內管之間形成內腔，硅膠套套設在內管外、并封閉內腔中，娃膠套外表面設有凸棱，凸棱與外管內壁密封配合，其中，娃膠套外表面、凸棱和外管內壁共同圍成液體流通路徑，主體對應液體流通路徑設有進液通道和出液通道。
[0008]本實用新型的目的還可以采用以下技術措施解決:
[0009]作為更具體的一方案，所述外管和內管均為不銹鋼圓管，內管兩端分別與外管兩端通過焊接方式密封。
[0010]所述內管兩端分別設有外翻邊，外翻邊與外管端口密封。為了實現儲壓，在主體兩端向外翻邊，再套入發熱元件后，用焊接的方式將主體和發熱元件形成密封結構，保證〈50Bar的儲壓能力。焊接能可靠實現密封，液體不會泄露。
[0011]所述硅膠套兩端分別設有外翻擋邊，硅膠套緊套在內管外，外翻擋邊與內管的外翻邊貼緊配合。所述硅膠套可以通過澆注的方式緊套在內管外，避免熱體進入到硅膠套與內管表面之間，降低其加熱效率。
[0012]所述凸棱螺旋設置在硅膠套外周，其與硅膠套外表面和外管內壁共同圍成呈螺旋狀的液體流通路徑，進液通道和出液通道一下一上布置、分別與液體流通路徑兩端連通。螺旋狀的液體流通路徑限定了液體螺旋流動，從而可以與發熱元件做充分的熱交換。為了液體和發熱元件實現大面積的熱交換，主體元件和發熱元件的接觸面積要足夠小，保證發熱元件產生的熱量及時傳遞給液體，所以采用密封凸棱(凸起棱角可以填滿和輔助元件之間的縫隙，保證液體沿著液體流道規則地流動)減小接觸面積。同時也可以讓發熱電阻上被主體元件覆蓋部分的溫度不會過高，對主體發熱元件有益。為了液體流動順暢，需要螺旋狀的液體流通路徑具有一定的線速度和角速度，即液體通道道的布置需要一定的傾斜角度，不至于在液體通道上形成阻力。因為液體受熱后比重下降，熱的液體總是會向上流動。
[0013]作為更佳的方案，所述外管和內管的壁厚分別為0.5mm至1_。
[0014]此款液體加熱裝置的主體由內管和硅膠套構成，其熱慣量小于金屬或塑料的熱慣量，同時通道內的殘余水為5至8ml。加熱元件具有有絲印在與面對主體的表面相對表面上的加熱電阻。主體的鋼管厚度為0.5mm，如果按照2000W的規格計算，長度為62mm，外徑為43mm，硅膠重量為16.5g，硅膠的比熱為0.27J/(g.°C )，如果將25°C的主體加熱至85°C，加熱吸收的熱量為:0.27X/(g.°C)*16.5g*(85-25)°C ? 267J。加熱時間需要:267J/2000W ?
0.1S，即單獨考慮主體的熱慣量，僅需要2s即可以溫升65°C。
[0015]加熱管內的殘余水為6ml，如果從25°C加熱至85°C，吸收的熱量為:4.2J/(g.°C)*6g*(85-25)°C ? 1512J。加熱時間需要:1512J/2000W?0.7S，即需要將主體和殘余水溫升60°C的時間僅需要0.7+0.1=0.8 S0
[0016]同時，由于加熱電阻和不銹鋼外管之間的厚度僅83um左右的絕緣材料，并且與良好的橫向熱導系數不銹鋼結合在一起，因而輔助發熱元件的熱慣量也很小，減少了熱量流失。這樣，由于這種絲印型發熱元件能在朝向液體的大表面上均勻加熱，所以提高了發熱元件總的熱導效率。
[0017]液體很快并幾乎全部接受從絲印電阻傳遞過來的熱量，于是液體就能在一瞬間加熱。所以當裝置不工作時，并不需要提供大量的能量來使它保持夠高的溫度，在此時的加熱裝置的能量消耗為零。
[0018]所述發熱電路包括依次印燒在外管外壁的絕緣底層、發熱電阻和絕緣外層，絕緣底層上還設有與發熱電阻導電接觸的加熱供電輸入端。所述發熱電阻盡可能正對液體流通路徑，使得發熱電阻產生的熱量盡量被流經液體流通路徑的液體吸收。同時，發熱電阻的軌跡在進出液通道形成的液面之間，即進出液通道形成的液面包含發熱電阻的軌跡，確保工作時，發熱電阻產生的熱量及時傳遞液體，不至于因為過熱而燒毀發熱電阻。
[0019]所述發熱電阻至少由一層電阻漿燒結而成，其從上至下設有多條，各條發熱電阻相互平行，相鄰兩條發熱電阻之間通過導電引橋串聯，上下兩端的發熱電阻分別與加熱供電輸入端導電連接。
[0020]所述發熱電路的絕緣底層上還設有溫控器件。
[0021]所述溫控器件包括控溫用感溫器件和/或防干燒用感溫器件，發熱電路上還設有與溫控器件電性連接的溫度采集電極;其中，控溫用感溫器件設置在靠近出液通道處、并盡量遠離發熱電阻；防干燒用感溫器件位于發熱電阻旁。由于控溫用感溫器件的目的主要是探測出液溫度、并反饋至控制電路，控制電路根據實測出液溫度數據與用戶設定出液所需溫度進行比較，自動調節發熱電阻的功率，實現準確控溫。因此，控溫用感溫器件盡量靠近出液通道可以獲得最接近出液通道的液溫，但同時又要遠離發熱電阻，以免被發熱電阻影響其測量的數據，即控溫用感溫器件在液體離開了正對的發熱電阻的路徑之后、出口之前的正對液體的位置。發熱電阻對液體流通路徑中液體進行加熱時，發熱電阻與液體發生熱交換，所以溫度下降，但如果缺乏液體時，發熱電阻的溫升很快，出現過溫狀態，所以，防干燒用感溫器件需要設置在靠近發熱電阻的位置。
[0022]本實用新型的有益效果如下:
[0023](I)此款液體加熱裝置能減少開機預熱等待時間在3秒左右，連續出水溫度穩定，在待機時，不需要依靠加熱來維持鑄鋁的溫度；
[0024](2)此款液體加熱裝置能避免因為液體流道和不銹鋼厚膜加熱器之間的縫隙，帶來的串水問題引起氣化，帶來的出水蒸氣和不連續出水；
[0025](3)此款液體加熱裝置將內管和外管采用焊接的方式密封，可以承受儲壓<50bar的要求，避免長期使用漏液；
[0026](4)此款液體加熱裝置結構簡單，制造成本低廉；
[0027](5)此款液體加熱裝置能迅速產生溫度在60°C到98°C之間的水，同時需要儲壓〈50bar，可適用于電咖啡壺、濃咖啡制作器和飲料加熱器等，滿足對咖啡或飲料口感及營養的萃取；
[0028](6)此款液體加熱裝置能在初始及任意時刻得到連續穩定溫度或變化溫度的水。
【附圖說明】
[0029]圖1為本實用新型一實施例分解結構示意圖。
[0030]圖2為圖1裝配后結構示意圖。
[0031]圖3為本實用新型仰視結構示意圖。
[0032]圖4為圖3的A-A剖視結構示意圖。
【具體實施方式】
[0033]下面結合附圖及實施例對本實用新型作進一步描述:
[0034]參見圖1至圖4所示，一種液體加熱裝置，包括分別呈筒狀結構的主體20和發熱元件10，發熱元件10套在主體20表面外，發熱元件10由外管I和印制在外管I外表面的發熱電路構成，所述主體20由內管6和硅膠套5構成，內管6兩端分別與外管I兩端密封配合，外管I與內管6之間形成內腔，娃膠套5套設在內管6外、并封閉內腔中，娃膠套5外表面設有凸棱52，凸棱52與外管I內壁密封配合，其中，娃膠套5外表面、凸棱52和外管I內壁共同圍成液體流通路徑7，主體20對應液體流通路徑7設有進液通道63和出液通道62。
[0035]所述外管I和內管6均為不銹鋼圓管，內管6兩端分別與外管I兩端通過焊接方式密封。
[0036]所述外管I和內管6的壁厚分別為0.5mm至1mm。
[0037]所述內管6兩端分別設有外翻邊64，外翻邊64與外管I端口密封。
[0038]所述硅膠套5兩端分別設有外翻擋邊54，硅膠套5緊套在內管6外，外翻擋邊54與內管6的外翻邊64貼緊配合。
[0039]所述凸棱52螺旋設置在硅膠套5外周，其與硅膠套5外表面和外管I內壁共同圍成呈螺旋狀的液體流通路徑7，進液通道63和出液通道62—下一上布置、分別與液體流通路徑7兩端連通。內管6內側形成空腔61，空腔61中設有進液管66和出液管65分別與進液通道63和出液通道62連通。
[0040]所述發熱電路包括依次印燒在外管I外壁的絕緣底層2、發熱電阻3和絕緣外層，絕緣底層2上還設有與發熱電阻3導電接觸的加熱供電輸入端32。
[0041]所述發熱電阻3至少由一層電阻漿燒結而成，其從上至下設有多條，各條發熱電阻3相互平行，相鄰兩條發熱電阻3之間通過導電引橋31串聯，上下兩端的發熱電阻3分別與加熱供電輸入端32導電連接。
[0042]所述發熱電路的絕緣底層2上還設有溫控器件。
[0043]所述溫控器件包括控溫用感溫器件41和防干燒用感溫器件42，發熱電路上還設有與溫控器件電性連接的溫度采集電極43;其中，控溫用感溫器件41設置在靠近出液通道62處、并盡量遠離發熱電阻3;防干燒用感溫器件42位于發熱電阻3旁。
[0044]上述實施例中:液體加熱裝置由一個在不銹鋼內管6外表面澆注硅膠的主體20、以及一個套設在主體外的發熱元件10構成，發熱元件10由表面印燒有發熱電路的不銹鋼外管I構成，主體20和發熱元件10兩端焊接密封，結合硅膠套5的凸棱52，使得主體20與發熱元件10之間形成螺旋形上升的液體流通路徑7，水沿下方的進液管66進入液體流通路徑7內做螺旋形上升運動，水在流動過程中，發熱元件10產生的熱量傳到外管的內表面，和流動的水實現熱交換后從出液管65流出。
[0045]由于內管6采用0.5至1.0mm的不銹鋼管，在管內形成一個空腔61，減小不銹鋼的質量，減小熱慣量。同時考慮耐壓50bar的承受能力，為了同外管I兩端實現焊接后有一個圓環的空腔結構，將內管兩端向外翻邊64。上述硅膠套5的澆注厚度為0.8mm，凸棱52(螺旋線凸起的棱角)高度為2mm，凸棱52的節距為10.5mm，即液體流通路徑7的深度遠小于寬度，液體在液體流通路徑7流動時，大面積吸收發熱元件10經由外管I的內表面傳遞的熱量。通常，夕卜管I都制成高橫向熱導性和低熱慣量的形狀，為了快速地實現橫向傳熱，需要最可能小的厚度，但為了承受50bar的壓力，在本實例中，采用0.8_的厚度不銹鋼。材料的選用的原則，要能在其表面通過絲印發熱電路。
[0046]發熱電路的絲印:在不銹鋼外管表面印燒一層絕緣介質材料(絕緣底層)，根據需要可以通過三層或四層絕緣來提高絕緣耐壓，印燒電極材料，實現電連接，然后印燒發熱電阻，在發熱電阻的表面印燒一層或多層絕緣保護層(絕緣外層)。發熱元件的功率一般在1200至2800W，根據出水流量及出水溫度確定最大功率范圍。
[0047]因為液體流通路徑7的整個通道不是一根直線的軌道，同時根據水受熱后密度減小，熱水向上流動的原理，不能依靠重力推動水的流動，因為有儲壓的要求，需要一臺儲壓的水栗推動水流動。
[0048]在外管I外的發熱電路上集成控溫用感溫器件41(NTC感溫器件)，控溫用感溫器件41通過絕緣底層2及外管I的厚度感知液體流通路徑7內液體的溫度，為了保證測量的準確性及時時性。控溫用感溫器件41布置在離發熱電阻稍遠的位置，避免發熱電阻的溫度對控溫用感溫器件41的干擾。
[0049]在外管I上集成防干燒用感溫器件42(另一NTC感溫器件)，防止在無水干燒或發熱電阻正對的內表面結垢時，在最短的時間內能夠檢測到被干燒的或水垢的集結狀況，距離靠近發熱電阻，具體位置需要根據干燒的時間或閾值溫度來確定。
[0050]控溫用感溫器件41在工作時，測量液體流通路徑7內液體的溫度，返回給PCB控制，通過計算調節發熱電阻3的功率，控制出水溫度達到要求值。
[0051]當出現無水干燒或發熱電阻正對外管I內表面上大量附著水垢時，發熱元件上產生的熱量不能被橫向帶走，溫度急劇上升，橫向傳熱給防干燒用感溫器件42，當到達設定的閾值溫度時，自動切斷電源對發熱元件實現過熱保護。
[0052]在剛開始啟動時，為保證出水溫度即為要求的溫度，控溫用感溫器件41首先測量液體流通路徑7內液體的溫度，根據當前溫度及出水溫度計算預熱通電時間，當預熱時間到達后，水栗工作，為了減小溫度震蕩周期，縮短溫度平衡建立的時間，在當前一段時間內根據計算確定一個恒定的功率，計算的邊界條件包括:進水溫度、出水溫度、流量、工作電壓、裝置的額定功率等。當該段時間完成后，通過測量返回的溫度，控制調節發熱元件的功率，形成閉環控制，直至加熱時間或出水量達到后，停止工作。
[0053]在控制技術上，除了控制發熱電阻2的功率外，也可以選擇控制水栗的流量。預熱時間達到后，當前一段時間內根據計算確定一個恒定的流量，計算的邊界條件包括:進水溫度、出水溫度、流量、工作電壓、裝置的額定功率等。當該段時間完成后，通過測量返回的溫度，控制調節水栗的流量，形成閉環控制，直至加熱時間或出水量達到后，停止工作。
[0054]實際上在使用這種裝置，根據計算及多次實際測試，在剛開始啟動時，最長時間在3S內即可出85°C的熱水，溫度穩定建立時間在3S內，溫度穩定在+/-2 °C內。在3S內的預熱時間是很短的，不需要在待機時，一直保持恒定的保持溫度，避免因為待機帶來的能源浪費。
[0055]綜上所訴，按照本實用新型的裝置有許多優點，特別是，它具有非常小的熱慣量。因而，當向發熱元件供電時，經過很短的時間就能出熱水。
[0056]水道的結構僅為一條相對密封的通道，不會因為串水導致產生蒸汽或水流斷斷續續，不會因為蒸汽的噴出而帶來安全的風險，連續出水帶給用戶平穩的心情體驗。
[0057]在水流通道的結構上，采用完全焊接的密封方式，能夠承受最大50bar的儲壓，滿足咖啡或飲料口感及營養的萃取。避免因為其它密封結構帶來的漏液問題。
[0058]NTC溫度傳感器采用集成的方式，和水的熱交換是無縫隙的結構，在NTC溫度傳感器的整個面通過很薄的絕緣層和不銹鋼測量溫度，熱響應時間短，控溫用感溫器件41測溫及時準確，實現精確的溫度控制，防干燒用感溫器件42檢測靈敏，可靠地實現過熱保護，無需額外的安裝結構，成本低。
【主權項】
1.液體加熱裝置，包括分別呈筒狀結構的主體(20)和發熱元件(10)，發熱元件(10)套在主體(20)表面外，發熱元件(10)由外管(I)和印制在外管(I)外表面的發熱電路構成，其特征在于，所述主體(20)由內管(6)和硅膠套(5)構成，內管(6)兩端分別與外管(I)兩端密封配合，外管(I)與內管(6)之間形成內腔，硅膠套(5)套設在內管(6)外、并封閉內腔中，硅膠套(5)夕卜表面設有凸棱(52)，凸棱(52)與外管(I)內壁密封配合，其中，娃膠套(5)夕卜表面、凸棱(52)和外管(I)內壁共同圍成液體流通路徑(7)，主體(20)對應液體流通路徑(7)設有進液通道(63)和出液通道(62)。2.根據權利要求1所述液體加熱裝置，其特征是，所述外管(I)和內管(6)均為不銹鋼圓管，內管(6)兩端分別與外管(I)兩端通過焊接方式密封。3.根據權利要求2所述液體加熱裝置，其特征是，所述外管(I)和內管(6)的壁厚分別為0.5mm 至 Imm04.根據權利要求2或3所述液體加熱裝置，其特征是，所述內管(6)兩端分別設有外翻邊(64)，外翻邊(64)與外管(I)端口密封。5.根據權利要求4所述液體加熱裝置，其特征是，所述硅膠套(5)兩端分別設有外翻擋邊(54)，硅膠套(5)緊套在內管(6)外，外翻擋邊(54)與內管(6)的外翻邊(64)貼緊配合。6.根據權利要求1所述液體加熱裝置，其特征是，所述凸棱(52)螺旋設置在硅膠套(5)外周，其與硅膠套(5)外表面和外管(I)內壁共同圍成呈螺旋狀的液體流通路徑(7)，進液通道(63)和出液通道(62)—下一上布置、分別與液體流通路徑(7)兩端連通。7.根據權利要求1所述液體加熱裝置，其特征是，所述發熱電路包括依次印燒在外管(I)外壁的絕緣底層(2)、發熱電阻(3)和絕緣外層，絕緣底層(2)上還設有與發熱電阻(3)導電接觸的加熱供電輸入端(32 )。8.根據權利要求7所述液體加熱裝置，其特征是，所述發熱電阻(3)至少由一層電阻漿燒結而成，其從上至下設有多條，各條發熱電阻(3)相互平行，相鄰兩條發熱電阻(3)之間通過導電引橋(31)串聯，上下兩端的發熱電阻(3)分別與加熱供電輸入端(32)導電連接。9.根據權利要求7或8所述液體加熱裝置，其特征是，所述發熱電路的絕緣底層(2)上還設有溫控器件。10.根據權利要求9所述液體加熱裝置，其特征是，所述溫控器件包括控溫用感溫器件(41)和/或防干燒用感溫器件(42)，發熱電路上還設有與溫控器件電性連接的溫度采集電極(43);其中，控溫用感溫器件(41)設置在靠近出液通道(62)處、并盡量遠離發熱電阻(3);防干燒用感溫器件(42)位于發熱電阻(3)旁。
【專利摘要】本實用新型涉及一種液體加熱裝置，包括分別呈筒狀結構的主體和發熱元件，發熱元件套在主體表面外，發熱元件由外管和印制在外管外表面的發熱電路構成，所述主體由內管和硅膠套構成，內管兩端分別與外管兩端密封配合，外管與內管之間形成內腔，硅膠套套設在內管外、并封閉內腔中，硅膠套外表面設有凸棱，凸棱與外管內壁密封配合，其中，硅膠套外表面、凸棱和外管內壁共同圍成液體流通路徑，主體對應液體流通路徑設有進液通道和出液通道。此款液體加熱裝置具有結構簡單合理、加熱響應速度快、能耗低等優點。
【IPC分類】F24H9/18, F24H9/20, F24H1/10
【公開號】CN205383769
【申請號】CN201620117024
【發明人】趙偉, 楊鵬
【申請人】趙偉, 楊鵬
【公開日】2016年7月13日
【申請日】2016年2月5日