動態雙電路線內加熱器的製作方法
2023-06-11 01:05:36
專利名稱：動態雙電路線內加熱器的製作方法
技術領域：
本發明的領域涉及線內(in-line)加熱器，更具體地，涉及在飲料製備機器中使用的加熱器，該飲料製備機器為例如通過將加熱的流體循環穿過包含要製備的飲料的成分(典型地調味料成分)的膠囊而製備飲料的機器。為了本描述的目的，「飲料」指包括如茶、咖啡、熱或者冷巧克力、牛奶、湯、嬰兒食品等等的任意液體食品，「膠囊」指在任意材料以及任意形狀和結構的包封封裝(特別地，氣密封裝)內包括任意預-分份飲料成分，該封裝例如為塑料、鋁、可循環和/或可生物降解封裝並且該任意形狀和結構包括包含該成分的軟杯或者剛性盒。
背景技術：
飲料製備機器已公知多年。例如,US 5，943，472公開了在濃咖啡(espresso)機的蓄水器和熱水或蒸氣分配室之間的水循環系統。該循環系統包括連接到一起並通過使用卡環接合的不同矽酮(silicone)軟管連接到蓄水器的閥、金屬加熱管和泵。EP 1646305公開了一種具有加熱裝置的飲料製備機器，加熱裝置加熱循環水然後水被提供給釀造(brewing)單元的入口。設置釀造單元以將加熱的水傳遞到包含用於釀造的飲料成分的膠囊。釀造單元具有被第一部分和相對於第一部分可移動的第二部分限定的室以及用於在第一和第二部分一起從釀造單元的打開配置移動到關閉配置之前在第一和第二部分之間的中間位置中定位膠囊的導軌。用於加熱循環液體(特別地，水)的線內加熱器同樣已公知並被例如公開在CH 593044、DE 103 22 034、DE 197 32 414、DE197 37 694、EP0485 211、EPl 380 243、FR2 799630、US4, 242，568、US4, 595，13UUS5, 019，690,US 5，392，694、US5, 943，472、US6, 393，967、US6, 889，598、US7, 286，752、W001/54551 和 W02004/006742 中。更具體地說，CH 593044和US4, 242，568公開了一種具有線內熱塊(thermoblock)加熱器的咖啡機，線內熱塊加熱器具有金屬塊體，在塊體中具有電阻加熱纜鑄件並且具有用於循環要加熱的水的導管。熱塊是線內加熱器，通過其循環液體以用於加熱。它們包括加熱室，例如具體地由鋼製成的一個或多個導管，延伸穿過具有用於積累熱能的高熱容量和在需要時用於將積累的熱傳導給循環穿過其中的液體的高熱導率的金屬，具體地由鋁、鋼和/或其他金屬或合金，製成的(大的)金屬塊體。替代明顯的導管，熱塊的導管可以是貫穿通道，其為機器加工或者在導管的體中形成的，例如在熱塊的塊體的鑄造步驟期間形成。當熱塊的塊體由鋁製成時，為健康考慮，優選提供如鋼的分離導管以避免循環液體和鋁之間的接觸。可以由圍繞導管的一個或多個裝配的部分製成熱塊的塊體。熱塊通常包括一個或多個電阻加熱元件，例如分立的或者集成電阻器，其將電能轉換成熱能。這樣的電阻加熱元件在熱塊的塊體之中或者之上，距離導管大於Imm,特別地2到50mm或者5到30mm的距離。熱量提供給熱塊的塊體並且通過塊體提供給循環流體。加熱元件可以是鑄造或者容納在金屬塊體中或者對著金屬塊體的表面安裝。導管具有沿著熱塊的螺旋或者其它設置以最大化它/它們的長度和通過塊體熱傳輸。熱塊的缺點在於難於精確控制溫度和優化用於使液體加熱到期望的溫度的所需加熱能量。實際上，影響塊體在預定位置的測量溫度的金屬塊體的熱慣性、塊體的局部和不均勻電阻加熱、從塊體中的加熱向塊體的不同部分的動態熱擴散使得精確控制熱塊以加熱循環流體到期望的預定溫度非常困難並且另外要求很長的預加熱周期，典型地在濃咖啡機的情況下為I到2分鐘。另外，難以預測隨後使用串聯製造的熱塊所涉及的各種參數，例如，環境溫度、幹線的淨電壓、熱塊的加熱電阻器的實際值、熱塊的熱絕緣、通過熱塊循環的流體的初始溫度等等。因此，熱塊通常與動態環路控制供電電路相關，該電路以溫度的連續測量來調整熱塊的供電。然而，由於這樣的系統的複雜的熱流，將熱塊穩定在要循環的液體流的加熱需要所需的確定溫度水平下是漫長的並且還難以獲得。在EP I 380 243中提供了一種改善加熱精度的方法。此專利公開了一種旨在具體地裝配咖啡機的加熱裝置。此加熱裝置包括金屬管，通過其將被加熱的液體可以從入口導管流向出口導管。在其長度的幾部分上用多組串聯電阻元件覆蓋管的外表面。在管中延伸圓柱插入件以與管的內壁形成螺旋導管，流體可以通過其循環並且因此促進湍流和能量從管到流體的快速傳導。還在入口導管的上遊放置流量計。該裝置還包括在每組電阻元件的入口和出口處沿著的管的長度分布的多個溫度傳感器。在此情況下，控制到液體的熱能的分布的原理基於調製通過電阻元件產生的電功率，電阻元件可以互相獨立切換或者根據導管的入口處的水溫串聯。雖然此裝置就加熱速度來說給出了滿意的結果，但是此裝置的體積相對較大，這是由於管道的高度由將被加熱的水的體積確定。另外，液體溫度的調節精度受這樣的事實限制，S卩，液體沒有與位於管道外側的傳感器直接接觸。由於將被加熱的液體的慣性，對不同溫度差的響應速度同樣很慢並且這降低了調節溫度的精度。還應該注意，由於發生通過管道壁的熱傳導，溫度傳感器對串聯電阻元件組的接近性，導致測量會以不可控的方式受到影響的風險。另外，DE197 11 291,EP I 634 520，US4, 700，052，US6 246 831 中旨在改善批加
熱器或線內低慣性加熱器的熱控制的更多或者更少複雜性的嘗試。仍需要提供一種在常規使用期間和在各種使用條件下用於快速預加熱以精確加熱通過其循環的液體的簡單且可靠的加熱器。
發明內容
因此本發明涉及一種線內加熱器，以及包含這樣的加熱器的用於製備飲料的機器並且涉及用於控制這樣的加熱器以製備飲料的方法。用於在對應機器中製備熱飲的水(熱別地，濃咖啡機中的水)，被從龍頭溫度例如10到30°C加熱到釀造溫度，例如80到100°C。對消費者來講，機器的短加熱時間是一個主要優點。本發明的一個目標是提供一種加熱器，具有低熱質量用於降低升溫時間，但是同時滿足飲料例如濃咖啡飲料對水溫調節的要求。另外，閃變(Flicker)標準(IEC規則)限制調節加熱器的可能性。另一個目標是保持在下面三個基本要求之內:快速加熱、調節品質、閃變。另一個目標是在決定低熱質量的快速加熱和另外決定高動態熱調節的可靠調節之間提供平衡解決方案。根據獨立權利要求的加熱器、裝置或者方法滿足這些方面的一個或多個。獨立權利要求還提供對這些目標和/或另外的好處的解決方案。根據第一方面，本發明涉及一種用於液體食品或者飲料製備機器的線內加熱器，其中機器液體通過所述加熱器循環並且隨後被引入釀造室，所述釀造室用於釀造提供給所述釀造室的食品或飲料成分，其包括:體，包括入口、出口和在其間延伸的加熱室，所述入口、出口和加熱室一起形成用於引導所述液體循環通過所述體的剛性通道；以及加熱裝置，與體協作以將熱提供到所述加熱室中。所述加熱裝置包括:至少兩個加熱元件和用於獨立地激活和去激活每個加熱元件的電控制電路。每個加熱元件的所述加熱功率切實相同。所述體由鋁製成。所述剛性通道是嵌入所述體中的不鏽鋼(inox)水管、在所述體中形成塗敷的液體通道。該加熱裝置可以包括諸如厚膜的電阻加熱裝置，該電阻加熱裝置包括適合耦合到所述電控制電路的至少兩個電阻加熱電路。所述厚膜可以被印刷在焊接到所述體上的不鏽鋼板上。所述加熱裝置可以包括熱筒(heat cartridge)和纏繞的熱筒。所述加熱裝置可以包括熱筒和厚膜加熱器根據第二方面，本發明涉及一種包括根據第一方面的加熱器的液體食品或飲料製備機器，更具體地，涉及一種通過釀造可選地包含在膠囊或艙(pod)中的食品或飲料成分製備諸如湯、茶和/或咖啡的液體食品或飲料的機器。根據第二方面，本發明涉及一種用於控制根據第一方面的加熱器的方法，其中通過打開或關閉所述電控制電路獨立激活或去激活所述加熱元件，以便避免同時打開或關閉兩個加熱元件以符合閃變標準。本發明的流通(flow through)(線內)加熱器可以由具有集成水通路(例如，以模製的不鏽鋼水管)的鋁體和連接到鋁體的厚膜或表面加熱元件構成。設計該連接用於優化熱傳導、用於良好的機械穩定性以及用於消除(taking)從鋁體和厚膜板的不同熱長度擴張導致的力。另外可以解決腐蝕問題。諸如鋁的體具有足夠的熱容量以抑制能量變化。雖然此容量被限制為最小化從室溫或靜止(rest)溫度開始的加熱時間。為了不違反閃變標準，將加熱功率分割成多個(優選2個，用於濃咖啡應用，例如從雀巢膠囊的膠囊製備)並且需要熱電路。加熱器可以具有如下特徵:流通原理(flowthrough principle)水加熱器，用於從O高到3.5ml/s的水流量流量梯度，最大6ml/s2入水溫度，10-30°C出水溫度，80-95°C加熱器中的水質量，低於15g兩個電阻加熱電路，印刷在厚膜板上，具有約1200W的總功率
加熱電路的功率分割可在300W/900W到600W/600W之間在不鏽鋼水管中的熱密度:0.lff/mm2 —沒有蒸氣的高達95°C的最大出口水溫度。兩層螺旋水管從20°C到90°C的低於20s的加熱時間(為釀造咖啡準備)加熱的功率速率(功率/整個加熱器質量的克重):超過5W/g在穩定狀態下使用下的熱調節質量:+/_2°C
現在將參考附圖描述本發明，其中:圖1到圖4示出了根據本發明的加熱器的各種細節；圖5示出了根據本發明的用於控制加熱器的方法的計時圖。
具體實施例方式典型地，通過幹線經由電纜來供電飲料製備機器。該機器具有被外殼覆蓋的內部飲料製備模塊。設置飲料製備模塊以在膠囊內保持調味成分，具體地，預分份成分，例如向這樣的模塊提供的成分，並且循環液體流過以形成飲料。諸如水的液體可以被存儲在水箱中並且自水箱提供給飲料製備模塊。在形成後，飲料可以通過出口分配到分配區域，例如用於保持用戶的杯或者馬克杯的支撐體(support)。分配區域可以包括第一杯支撐體，例如用於濃咖啡杯的支撐體，其可從出口之下移走以便為用於更大的杯或者馬克杯(例如分配淡或者超大飲料)的更低的第二茶杯支撐體提供訪問。更低的杯支撐體可以連接到機器基座。例如在EP 1867260和W02009/074557中公開了可合適移動的杯支撐體，在此弓I入其整個內容作為參考。該機器還包括蒸氣和/或熱水產生器以用於通過管道的開口傳送這樣的蒸氣和/或熱水，例如，用於起泡牛奶和/或茶的製備。鄰近飲料製備模塊，機器可以具有用於使用過的調味成分例如包含在膠囊中的釀造後的磨碎的咖啡或者茶的收集器。收集器可以位於飲料製備模塊的下面以在製備飲料後收集例如經由重力排放到收集器的使用過的調味成分。例如，在WO 2009/074559和WO2009/135869中公開了適宜的收集器，在此引入其整個內容作為參考。該機器具有可在傳遞位置和循環位置之間移動的柄，該傳遞位置用於將例如在膠囊中成分裝載入模塊中和/或從模塊排出這樣的成分；以及該循環位置用於使液體循環穿過成分。典型地，柄通過以下位置來致動飲料製備模塊的具有諸如釀造單元的成分室的成分保持器:用於將調味成分插入保持器和/或從其中排出此成分的傳遞位置(未示出);以及用於將液體循環穿過在成分保持器中的該成分以形成飲料的循環位置。典型地，成分保持器，例如釀造單元，具有兩個可相對移動的部分，其可以移動分開用於打開成分保持器以進入傳遞位置以及移動到一起用於關閉成分保持器以進入循環位置。在循環位置(未示出)，成分保持器可以緊緊包封調味成分以確保適宜地引導流體穿過成分。在循環位置，柄可以停在機器頂表面之上或者之中。特別地，柄可以與外殼齊平。
另外，該機器包括用戶接口以用於初始化流體穿過在飲料製備模塊中的調味成分的循環。典型地，飲料製備模塊包括下面部件中的一個或多個:a)成分保持器，例如釀造單元，用於接收該飲料的調味成分，特別地，在膠囊中提供的預分份成分，並且用於引導諸如水的液體流進入穿過該成分到達飲料出口 ；b)線內加熱器用於加熱將被提供給成分保持器的該液體流；c)泵，用於泵吸該液體穿過線內加熱器；d)—個或多個流體連接構件，用於從諸如流體箱的液體源引導該液體到飲料出Π ；e)電控制單元，特別地，包括印刷線路板(PCB)，用於通過接口接收來自用戶的指令並且用於控制線內加熱器和泵；以及f) 一個或多個電傳感器，用於感測至少一個操作特性，該至少一個特性選自成分保持器、線內加熱器、泵、液體儲存器、成分收集器、液體的流量、液體的壓力以及此流體的溫度的特性並且用於向控制單元傳送這樣的特性。圖1中示出了根據一個實施例的線內加熱器。該線內加熱器包括具有集成水通路(circuit)的體8。體8可以由鋁製成；鋁體具有足夠的熱容以防止能量變化，雖然被限制為最小化從室溫或靜止溫度開始的加熱時間。水通路包括液體入口 10、液體出口 12和在液體入口和出口之間將入口流體連接到出口的液體管14。可以由嵌入體中的模製不鏽鋼(inox)水管形成水管。還可以通過在體中形成的塗敷的液體通道形成水管。圖1示出的體的外形是圓柱形、具有75mm的直徑Dl和16mm的高度hi,其一個端部被表面加熱兀件16覆蓋。加熱器包括表面加熱兀件16,其與體熱耦合併且機械耦合。典型地，表面加熱元件16是厚膜。特別地，厚膜被印刷在焊接到鋁模鑄(diecast)體上的不鏽鋼板上。設計該耦合用於優化熱傳遞，用於良好的機械穩定性以及用於消除由鋁體和厚膜板的不同熱長度擴張導致的力。表面加熱元件16包括至少兩個加熱電路。每個加熱電路具有分離的控制電路，以便允許獨立於其它加熱電路而激活/去激活加熱電路。每個加熱電路都能提供小於表面加熱元件能夠提供的加熱功率的加熱功率。作為結果，可以得到分割為多個的加熱功率(優選2個用於濃咖啡應用，例如從如雀巢膠囊的膠囊製備)以遵從閃變標準。在兩個加熱線圈之間的功率分割可以是在電路之間的50%/50%加熱功率的重新分配或者從15%/85%到85%/15%的任意重新分配。典型地，表面加熱元件的總加熱功率包括在600W和2000W之間。更特別地，加熱器可以具有如下特徵:流通原理水加熱器，用於從O高到3.5ml/s的水流量流量梯度，最大6ml/s2入水溫度，10-30O出水溫度，80-95°C加熱器中的水質量，低於15g兩個電阻加熱電路，印刷在厚膜板上，具有約1200W的總功率加熱電路的功率分割可以在300W/900W到600W/600W之間
在不鏽鋼水管中的熱密度:0.lff/mm2允許沒有蒸氣的高達95°C的最大出口溫度。兩層螺旋水管從20°C到90°C的低於20s的加熱時間(為釀造咖啡準備)加熱的功率速率(功率/整個加熱器質量的克重):超過5W/g在穩定狀態使用下的熱調節質量:+/_2°C在圖2中示出了根據另一個實施例的線內加熱器。該線內加熱器包括具有集成水通路的體28。體28可以由鋁製成:鋁體具有足夠的熱容以防止能量變化，雖然被限制為最小化從室溫或靜止溫度開始的加熱時間。水通路包括液體入口 20、液體出口 22和在液體入口和出口之間將入口流體連接到出口的液體管24。優選液體管具有螺旋形狀。可以由嵌入體中的模製的不鏽鋼水管形成水管。還可以通過在體中形成的塗敷的液體通道形成水管。圖2示出的體的外形是圓柱形、具有65_的高度H2和50_的外徑d5 (d2=20mm, d3=30mm, d4=42mm)。該加熱器包括加熱元件29，其包括圓柱熱筒29a和纏繞的熱筒29b。通過兩個電路控制圓柱熱筒29a和纏繞的熱筒29b以便允許獨立地激活/去激活圓柱熱筒29a和纏繞的熱筒2%。通過第一電路23a，23b控制圓柱熱筒29a，然而通過第二電路23c，23b控制纏繞的熱筒29b，兩個電路共享公用參考電勢/中性端(neutral) 23c。每個筒29a，29b都能提供小於表面加熱元件能夠提供的加熱功率的加熱功率。作為結果，可以得到分割為多個的加熱功率(優選2個用於濃咖啡應用，例如從如雀巢膠囊的膠囊製備)以遵從閃變標準。在兩個加熱筒之間的功率分割可以是在電路之間的50%/50%的加熱功率的重新分配或者從15%/85%到85%/15%的任意重新分配。典型地，表面加熱元件的總加熱功率包括在600W和2000W之間。圖3a和3b中示出了根據其它實施例的線內加熱器。該線內加熱器包括具有集成水通路的體38。體28可以由鋁製成:鋁體具有足夠的熱容以防止能量變化，雖然被限制為最小化從室溫或靜止溫度開始的加熱時間。水通路循環包括液體入口 30、液體出口 32和在液體入口和出口之間將入口流體連接到出口的液體通道34。典型地，在體38中形成液體通道34。具體地，液體通道34被塗敷。在圖3a/3b中示出的體的外形是圓柱體、具有65mm的高度H3。對於圖3a示出的實施例，體具有40mm的外徑d7 (d6=20mm, d7=36mm)。對於圖3b示出的實施例，體具有50mm的外徑 d8 (d6=20mm, d7=36mm)。加熱器包括加熱元件39，其包括圓柱熱筒39a。圖3b示出的實施例的加熱元件39包括厚膜加熱器39b，其與體熱耦合併且機械耦合。厚膜可以印刷在安裝在體上的鋼圓主體上。通過兩個電路控制圓柱熱筒39a和厚膜加熱器39b以便允許獨立激活/去激活圓柱熱筒39a和厚膜加熱器39b。通過第一電路33a, 33b控制圓柱熱筒39a,然而通過第二電路33c，33b控制厚膜加熱器39b，兩個電路共享公用參考電勢/中性端23c。每個元件39a，39b都能提供小於表面加熱元件能夠提供的加熱功率的加熱功率。作為結果，可以得到分割為多個的加熱功率(優選2個用於濃咖啡應用，例如從如雀巢膠囊的膠囊製備)以允許閃變標準。在兩個加熱元件之間的功率分割可以是在電路之間的50%/50%的加熱功率的重新分配或者從15%/85%到85%/15%的任意重新分配。典型地，表面加熱元件的總加熱功率包括在600W和2000W之間。
圖3b示出的實施例的加熱元件39包括纏繞的熱筒39c。纏繞的熱筒39c可以模製在圍繞體安裝的金屬圓柱體中。通過兩個電路控制圓柱熱筒39a和纏繞的熱筒39c以便允許獨立激活/去激活圓柱熱筒39a和纏繞的熱筒39c。通過第一電路33a，33b控制圓柱熱筒39a，然而通過第二電路33c，33b控制纏繞的熱筒39c，兩個電路共享公用參考電勢/中性端33c。每個元件39a，39b都能提供小於表面加熱元件能夠提供的加熱功率的加熱功率。作為結果，可以得到分割為多個的加熱功率(優選2個用於濃咖啡應用，例如從如雀巢膠囊的膠囊製備)以遵從閃變標準。在兩個加熱元件之間的功率分割可以是在電路之間的50%/50%的加熱功率的重新分配或者從15%/85%到85%/15%的任意重新分配。典型地，表面加熱元件的總加熱功率包括在600W和2000W之間。熱調節如圖1到3中示出的通過打開或關閉根據本發明的加熱器的兩個功率電路來分配加熱功率。對具有兩個不同功率(例如400W/800W)電路的加熱器可以獲得不同的選項。通過對所需要的加熱功率的預先計算來確定哪個調節選項對於在熱塊的出口處的特定流量和水溫目標而言是最佳的:需要的功率=水流量* (T μ-T進入)*水的熱容通過此預先計算，可以預先確定最優熱調節算法，並且能夠獲得平滑的精確的溫度調節。為了符合閃變標準，必須避免同時打開或關閉兩個電路。本發明可以獲得如下改進並且提供如下優點:降低從室溫或者靜止溫度到操作溫度的加熱時間根據barrista濃咖啡溫度質量標準以及在閃變公共規則內的可能的熱調節良好的調節動態低質量(總加熱質量低於250g)本發明的重要特徵包括:兩個加熱電路允許高質量熱調節低熱質量，允許加快加熱時間；通過增加或者減少鋁體的重量而可調節的動態；將厚膜板連接到鋁加熱器體的專門知識。
權利要求
1.一種用於液體食品或飲料製備機器的線內加熱器，其中機器液體通過所述加熱器循環並然後被引入釀造室，所述釀造室用於釀造提供給所述釀造室的食品或飲料成分，這樣的加熱器包括: 體(8 ；28 ；38 ；)，包括入口(10 ；20 ;30)、出口(12 ；22 ；32)和在其間延伸的加熱室，所述入口、出口和加熱室一起形成用於引導所述液體循環通過所述體的剛性通道(14 ；24 ；34);以及 加熱裝置(16 ；29 ;39)，與所述體協作以將熱提供到所述加熱室中， 其特徵在於，所述加熱裝置包括:至少兩個加熱元件(16 ;29a，29b ;39a，39b，39c)和用於獨立地激活和去激活每個加熱元件的電控制電路(16 ;23a，23b，23c ;33a，33b，33c)。
2.根據權利要求1的加熱器，其中每個加熱元件的加熱功率切實相同。
3.根據權利要求1到2中任意一個的加熱器，其中所述體由鋁製成。
4.根據權利要求1到3中任意一個的加熱器，其中所述剛性通道是嵌入所述體中的不鏽鋼水管(14 ;24)。
5.根據權利要求1到3中任意一個的加熱器，其中所述剛性通道是在所述體中形成的塗敷的液體通道(34)。
6.根據權利要求1到5中任意一個的加熱器，其中所述加熱裝置包括諸如厚膜的電阻加熱裝置，所述電阻加熱裝置包括適合耦合到所述電控制電路的至少兩個電阻加熱電路。
7.根據權利要求6的加熱器，其中所述厚膜被印刷在焊接到所述體的不鏽鋼板上。
8.根據權利要求1到5中任意一個的加熱器，其中所述加熱裝置包括熱筒(29a，39a)和纏繞的熱筒(29c，39c)。
9.根據權利要求1到5中任意一個的加熱器，其中所述加熱裝置包括熱筒(39a)和厚膜加熱器(39b)。
10.一種包括根據任一前述權利要求的加熱器的液體食品或飲料製備機器，特別地，一種通過釀造可選地包含在膠囊或艙中的食品或飲料成分製備諸如湯、茶和/或咖啡的液體食品或飲料的機器。
11.一種用於控制根據權利要求1-9中任意一個的加熱器的方法，其中通過打開或關閉所述電控制電路來獨立地激活或去激活所述加熱元件(16 ；29a,29b ；39a, 39b, 39c),以便避免同時打開或關閉兩個加熱元件以符合閃變標準。
全文摘要
公開了一種動態雙電路線內加熱器，以及包括該加熱器的機器和操作該機器的方法。
文檔編號F24H1/16GK103180673SQ201180025256
公開日2013年6月26日 申請日期2011年5月20日 優先權日2010年5月21日
發明者S·埃特爾 申請人:雀巢產品技術援助有限公司