ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ КОФЕМАШИНА
ENERGY-SAVING COFFEE MACHINE

ОПИСАНИЕ
Существуют миллионы машин для автоматического приготовления кофе «эспрессо», устанавливаемых в домах, офисах, фитнес-центрах, школах и на предприятиях. Энергопотребление этих машин не оптимизировано, и энергия, фактически используемая для приготовления кофе, составляет очень малую долю от общей поглощаемой мощности. С одной стороны, мы видим заметную потерю энергии, учитывая огромное количество машин, существующих по всему миру, а с другой стороны, мы не можем получить кофе там, где доступность электроэнергии ограничена (например, в автомобиле или на открытом воздухе). Целью настоящего изобретения является разработка кофемашины с высокой энергоэффективностью, которая способна готовить кофе в ситуациях, когда недоступна сеть энергоснабжения, за счет альтернативного подсоединения к батарее, автономно расположенной в этом приборе или доступной в транспортном средстве, в котором он установлен (например, автомобильная аккумуляторная батарея).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Машины для приготовления кофе «эспрессо» с размерами, подходящими для использования дома или в офисе, как показано на фиг. 1, содержат, по меньшей мере, емкость (1) для воды, насос (2) для подачи воды к нагревателю (3) и к смеси кофе в контейнере (4), который через носик (11) выдает кофе в чашку (5).
Вода должна быть нагрета до приблизительно 90°C перед тем, как она вступит в контакт со смесью кофе, чтобы извлечь максимальное количество вкуса и запаха смеси. Датчик (12) температуры используется для того, чтобы стабилизировать температуру нагревателя на требуемом уровне температуры. Машины могут также содержать кофемолку (6), соединенную с подающим устройством (13) для кофе. Альтернативно, помол может производиться вне машины, либо могут использоваться даже таблетки или капсулы, наполненные смесью кофе и доступные в разных видах на рынке. Блок (9) управления и дисплей (10) с клавиатурой обеспечивают управление рабочими функциями машины, включая количество и тип приготавливаемого кофе, проверку рабочих функций (наличие воды, наличие кофе, машина готова к выдаче кофе и т.п.). Кроме того, в машине имеются вспомогательные устройства и устройства защиты, такие как датчик (7) уровня воды и термостат (8) для защиты от перегрева.
Ключевым компонентом в доступных в настоящее время машинах является нагреватель (3) воды, поскольку он потребляет наибольшее количество энергии. Фиг. 2 представляет более детальное изображение нагревателя в типичном варианте осуществления изобретения: имеется трубка, которая транспортирует воду (21), с электрическим нагревательным резистором (22) в металлическом блоке (20), обычно выполненном из алюминия. Холодная вода (33) поступает с одного конца трубки (21) и выходит нагретой на противоположном конце (34). Ток подводится к электрическому резистору (22) для нагревания нагревателя. Имеется два термостата: один для регулирования уставки на 85-90°C, что сохраняет установленную температуру воды путем периодической подачи мощности в нагревательный резистор (22), а второй - защитный термостат (8), установленный на более высокую температуру, способный влиять на работу таким образом, чтобы деактивировать нагревательный резистор (22) в случае, если неправильно функционируют термостат (12) или система управления.
Работа нагревателя происходит следующим образом: резистор (22) получает питание до тех пор, пока весь блок (резистор, трубка для воды и термостаты) не достигнет температуры приблизительно 90°C. В этот момент резистор (22) отключается системой управления и повторно не включается, пока температура не опустится, например, до 85°C. Мощность нагревательного элемента изменяется между 1200 и 2200 Вт (1500 Вт является общепринятым значением), в то время как напряжение питания находится в диапазоне от 110 В до 230 В, в зависимости от страны использования. Тепловые постоянные времени являются довольно большими, а время нагревания (при холодной машине) варьирует между 2 и 5 минутами, в то время как цикл включения/отключения резистора (22) в рабочем режиме составляет порядка нескольких секунд.
Энергия, используемая для приготовления чашки кофе:
3
3
3
Чашка кофе «эспрессо» обычно имеет объем 25 см. Вода нагревается от комнатной температуры 20°C до приблизительно 90°C, чтобы получить кофе при температуре приблизительно 85°C. Для поднятия температуры 1 см воды на 1°C требуется 1 калория, что соответствует 4,18 Дж. Энергия, получаемая в Джоулях, представляет собой, таким образом, произведение количества воды (25 см) на разность температур (от 20 до 90°C), то есть 70°C, и на удельную теплоемкость воды. Следовательно, для приготовления одной чашки кофе необходимо 25×70×4,18=7,315 Дж, а с учетом энергии, используемой вспомогательными схемами управления и насосом, может быть вычислено фактическое количество около 8000 Дж.
Мощность, поглощаемая кофемашиной:
Мы можем идентифицировать два различных рабочих режима машины. Первым рабочим режимом является обычное использование в домашних условиях, при котором машина включается каждый раз, когда готовится чашка кофе. Вторым рабочим режимом является обычное использование в офисе, при котором машина остается включенной непрерывно в течение приблизительно 10 часов в день и выдает, например, 30 чашек кофе. Если предположить, что мощность нагревателя составляет 1500 Вт, время нагревания 2 минуты и потребление 50 Вт при включенной машине (время включенного состояния резистора составляет 1/30 от общего времени), результатом является следующее:
В первом рабочем режиме поглощаемая мощность составляет 1500 Вт в течение 2 минут, или в Дж (1 Джоуль = 1 Вт × 1 с) получим 1500 Вт × 120 с = 180000 Дж. С учетом энергии, необходимой для приготовления чашки кофе, в отношении к мощности, поглощенной в целом машиной, результат составит (8000/180000)×100=4,44%, то есть только 4,44% потребленной энергии было использовано для приготовления кофе.
Во втором рабочем режиме машина работает в течение 100 часов при 50 Вт в среднем, то есть при 500 Вт, что соответствует 1800000 Дж, к чему следует прибавить 1800000 Дж (предыдущий случай) на запуск машины. За десять часов работы машина, следовательно, потребляет приблизительно 1980000 Дж, что при делении на 30 чашек кофе дает соответственно 66000 Дж на одну чашку. В этом втором рабочем режиме соотношение между энергией, необходимой для приготовления чашки кофе, и полной энергией, приблизительно потребленной машиной на одну чашку кофе, оказывается равным 8000/66000×100=12,12%. Следовательно, совершенно очевидно, что энергетический выход кофемашины чрезвычайно низок. Пример известной кофемашины описан в WO 97/24052.
Целью настоящего изобретения является достижение энергетического выхода кофемашины 90% и выше, а также открытие возможностей реализации вариантов, которые в прошлом не могли рассматриваться из-за высоких уровней потребления.
Характеристики и преимущества настоящего изобретения станут более понятными из последующего подробного описания варианта осуществления рассматриваемого изобретения, проиллюстрированного в качестве примера на приложенных чертежах.
На фиг. 1 представлена схема кофемашины, известной в настоящее время и доступной на рынке.
На фиг. 2 представлено схематическое изображение нагревателя известного типа.
На фиг. 3a, 3b, 3c, 3d представлены различные варианты осуществления нагревателя для машины в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 4 представлена общая схема первого варианта осуществления машины в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 4a представлена общая схема второго варианта осуществления машины в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 5a, 5b, 5c и 5d представлены полные электронные схемы машины, представленной на фиг. 4.
ВАРИАНТЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для достижения очень высокого энергетического выхода концепция нагревателя для воды должна быть полностью изменена. Как упоминалось выше, нагреватель для кофемашины в настоящее время образован металлической массой от 0,5 до 1 кг, в которую встроены трубка для воды и резистор. Эта топология конструкции обеспечивает простоту регулирования температуры воды, при этом высокая тепловая масса узла становится элементом стабилизации температуры, которая может легко контролироваться с помощью термостата включения/выключения, работающего с циклом в несколько секунд.
В настоящем изобретении нагреватель (фиг. 3) уменьшен до трубки (30) массой в несколько грамм, которая практически не имеет тепловой инерции и, следовательно, должна регулироваться в отношении температуры с помощью сложной электронной системы, которая регулирует температуру пропорционально и очень быстро, исходя из потока воды, проходящего через трубку.
Преимущества изобретения становятся сразу же очевидны: будучи сильно уменьшенным в массе, нагреватель мгновенно нагревается, что снимает необходимость постоянного поддержания его температуры. Таким образом, нагреватель включается в тот момент, когда кофе должен быть приготовлен, и выключается в конце приготовления. Потребление машины, находящейся в состоянии ожидания, является, таким образом, нулевым, в то время как в предыдущем примере оно составляло около 50 Вт. Потребление энергии для нагревания трубки (30) также очень низкое, если масса нагревателя составляет всего несколько грамм. В качестве примера рассмотрим нагреватель, имеющий массу 5 грамм, который должен быть нагрет от 20 до 90°C:
5 (масса нагревателя в граммах) × 70 (температурный интервал) × 0,4 (средняя удельная теплоемкость металла) = 140 Дж. Приблизительно 8000 Дж необходимо для приготовления одной чашки кофе, и, в результате, энергия, использованная для получения чашки кофе, таким образом, составляет 98,25% от полной использованной энергии. С учетом энергии, которая необходима также для вспомогательных схем, и потерь энергии, энергетический выход машины выше 90%, следовательно, в любом случае оказывается реальной оценкой.
Кофемашина в соответствии с настоящим изобретением, таким образом, содержит нагреватель (3), включающий трубку (30), способную нагреваться для повышения температуры потока воды между входом (33) и выходом (34). Различные варианты осуществления нагревателя (3) различных типичных, но не ограничивающих изобретение, видов представлены на фиг. 3а, 3b, 3с и 3d. Нагреватель (3) изображен прямолинейным, однако, очевидно, он может иметь криволинейную, спиральную, винтообразную форму или другие сложные формы в соответствии с конструктивными требованиями всей машины.
Машина также содержит нагревающее средство (R), которое использует электрический ток для получения тепла и нагревания трубки (30). Нагревающее средство (R) является предпочтительно средством резистивного типа, то есть создает тепло из-за эффекта Джоуля.
Машина также содержит по меньшей мере один датчик (S) температуры, выполненный так, чтобы иметь, по существу, такую же температуру, что и трубка (30), и изменять сопротивление на основе своей собственной температуры. Принимая во внимание крайне ограниченную массу трубки (3), реакция датчика температуры на изменения температуры должна быть очень быстрой и точной, чтобы обеспечить эффективное управление температурой воды.
В первом варианте осуществления машины (фиг. 3а) нагревающее средство (R) представляет собой трубку (30), выполненную из проводящего металла, чтобы электрический ток проходил через эту трубку между двумя ее концами (31) для ее нагревания, а также нагревания потока воды. Датчик (S) температуры также включает металлическую трубку (30). Вода поступает внутрь трубки (30) на входном участке (33) и покидает трубку (30) на выходном участке (34), нагреваясь за счет очень эффективного теплообмена с трубкой (30) благодаря высокому соотношению между длиной и диаметром трубки (30). Так как изменение электрического сопротивления трубки (30) основано на температуре, путем отслеживания величины упомянутого сопротивления имеется возможность получать точную температуру трубки и, следовательно, воды. Поскольку трубка (30) имеет низкое электрическое сопротивление (в основном доли Ома), она особенно подходит для батареи или низковольтных применений.
В следующем варианте осуществления изобретения, подходящем для работы при подключении к сети энергоснабжения, трубка (30) выполнена так, чтобы формировать вторичную обмотку трансформатора (Т) (фиг. 3d и 4a). Первичная обмотка трансформатора (Т) выполнена с возможностью подключения к сети энергоснабжения или к высокочастотному генератору (инвертеру), который, в свою очередь, подключен к сети энергоснабжения. В этом втором случае трансформатор (Т) будет меньше по размеру и легче по весу. Использование трансформатора (Т) делает возможным снизить напряжение на концах (31) трубки (30) до необходимого значения, сохраняя источник напряжения доступным для сети энергоснабжения.
Еще один вариант осуществления изобретения, подходящий для работы с напряжением от сети, показан на фиг. 3b. В этом варианте трубка (30) является тонкостенной, выполненной из керамического материала или подобного материала, который является электрически изолирующим, но теплопроводным, или из металлического материала, покрытого оболочкой из тонкого слоя электрически изолирующего материала. Нагревающее средство (R) для нагревания трубки (30) включает электрический проводник (32), намотанный вокруг трубки или формованный с помощью процесса осаждения вокруг трубки. При прохождении тока между концами (31) электрического проводника (32), этот проводник нагревается, и, следовательно, нагревается трубка (30) и вода в ней. В данном случае сопротивление электрического проводника (32) также может изменяться с температурой и, значит, может использоваться для измерения температуры воды, как в случае с трубкой (30). Альтернативно, для измерения температуры воды может использоваться трубка (30), как в примере осуществления изобретения, представленном на фиг. 3a. Электрический проводник (32), также благодаря тому, что он может быть намотан или формован, обладает повышенным сопротивлением и, следовательно, пригоден для работы при подключении к сети энергоснабжения (110-230 В). Электрический проводник (32) может быть нанесен на трубку (30) способом трафаретной печати (толстая пленка). Нанесение может выполняться посредством известных способов, которые являются эквивалентными с точки зрения рабочей функциональности, например, при распылении (катодное распыление), электролизе и химическом или электрохимическом осаждении.
Еще один вариант осуществления изобретения предусматривает, что нагревающее средство (R) включает электрический проводник (32), в то время как датчик (S) температуры включает трубку (30).
Как упоминалось выше, во всех описанных выше вариантах осуществления изобретения, датчик (S) температуры фактически является устройством пропорционального измерения температуры. Устройствами пропорционального измерения температуры являются, например, термисторы, датчики температуры на интегральных схемах, диоды, транзисторы, терморезисторы и термопары, а также другие эквивалентные устройства. Датчик (S) температуры может также представлять собой датчик максимальной температуры, который имеется во всех машинах, для отключения питания, когда происходит превышение максимальной безопасной температуры; он соединен со схемой с двумя уставками температуры: нижняя уставка для управления температурой воды и верхняя уставка для безопасной работы машины.
В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 4, питание машины производится от батареи (50). Машина содержит блок управления или контроллер (9). Контроллер (9) способен управлять первым регулятором (47) тока. Первый регулятор (47) тока способен подавать точно регулируемый ток в нагревающее средство (R). Предпочтительный пример регулятора (47) тока обеспечивает пропорциональное регулирование тока за счет использования способа ШИМ (широтно-импульсной модуляции) (PWM, pulse width modulation). Точное регулирование тока, подводимого к нагревающему средству (R), имеет важное значение для поддержания постоянной температуры воды. В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 4, нагревающее средство включает трубку (30), к которой подается ток, создаваемый первым регулятором (47).
Контроллер (9) также способен управлять генератором (43) тока. Генератор (43) тока способен подавать измерительный ток в датчик (S) температуры. В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 4, датчик температуры включает трубку (30), к которой подается ток, создаваемый вторым генератором (43). Как упоминалось ранее, сопротивление трубки (30) зависит от температуры трубки и, следовательно, температуры воды, проходящей через нее. Генератор (43) тока преобразует изменение сопротивления в напряжение пропорционально температуре.
Блок (40) обработки способен измерять напряжение на клеммах датчика (S) температуры, в данном случае трубки (30), только когда через нее проходит измерительный ток, создаваемый генератором (43). Блок (40) обработки также обеспечивает усиление и фильтрацию измеренного напряжения, которое пропорционально температуре трубки (30), и сравнение его с известным опорным напряжением (52). Блок (40) обработки формирует сигнал (51) ошибки, который передается в контроллер (9). Сигнал (51) ошибки содержит информацию о мгновенной ошибке температуры на датчике (S) температуры, то есть трубке (30), показанной на фиг. 4. На основании полученного сигнала (51) ошибки контроллер (9) выдает команду первому регулятору (47) тока для подачи определенного тока в нагревающее средство (R) так, чтобы довести температуру, измеренную датчиком (S) температуры, то есть трубки (30), до требуемого значения. Первый регулятор (47) тока переводит команду, полученную контроллером (9), в отношение интервалов времени "включено/выключено" для первого переключателя (45), установленного между батареей (50) и нагревающим средством (R), в данном случае трубкой (30). Температура воды, следовательно, пропорционально регулируется много раз в секунду, по мере необходимости, для поддержания стабильной температуры в любых условиях работы машины, от наливания кофе до отсутствия воды в нагревателе (3).
Блок (42) дискретизации способен синхронизировать измерение сопротивления датчика (S) температуры, в данном случае трубки (30), в такие моменты времени, в которые на датчик (S) температуры подается только измерительный ток генератора (43), то есть в моменты времени, в которые переключатель (45) открыт.
Второй регулятор (46) тока предназначен для регулирования мощности, подаваемой на водяной питающий насос (2), для обеспечения в любых обстоятельствах оптимальной скорости потока воды для приготовления кофе. На смесь кофе, помещенную в контейнер (4), распыляется вода при надлежащей температуре. Кофе может быть налит в чашку (5) через носик (11). Использование нагревателя (3), имеющего сильно уменьшенные размеры и, по существу, ограниченного размерами трубки (30), дает возможность машине осуществлять регулирование температуры воды в реальном времени. Это означает, что поток воды не обязательно должен оставаться постоянным, как в машинах известного типа, но может изменяться во времени и, в частности, в процессе наливания кофе. Следовательно, имеется возможность, например, направить первую струю горячей воды на смесь и прервать поток на несколько секунд так, чтобы удерживать смесь в состоянии настаивания. Поток затем возобновляется для выдачи кофе. По существу, в машине в соответствии с настоящим изобретением скорость потока нагреваемой воды изменяется с течением времени в соответствии с зависимостью, заранее заданной по желанию.
Как упомянуто выше, в варианте, представленном на фиг. 4, машина получает питание от батареи (50). Пуск и останов наливания кофе устанавливаются пользователем с помощью нажимной кнопки (48) пуска/останова. Начиная с первоначального положения останова машины, в котором все схемы находятся в состоянии ожидания, а ток, потребляемый батареей, равен нулю, нажатие на нажимную кнопку (48) пуска/останова замыкает первый переключатель (45) и определяет нагревание воды с помощью тока, поданного первым регулятором (47) в трубку (30). Насос (2) подает воду в трубку (30), втягивая воду из емкости (1). Работа не изменяется в случае, когда нагревающее средство включает резистор (32), показанный на фиг. 3b.
Ток, поданный в трубку (30) или резистор (32), пропорционально регулируется с помощью способа ШИМ (широтно-импульсной модуляции) (PWM, pulse width modulation) посредством первого регулятора (47) так, чтобы поддерживать постоянную температуру воды. Генератор (43) тока подает ток заранее установленной величины в трубку (30), сопротивление которой зависит от температуры трубки (30) и, следовательно, температуры воды, протекающей через нее. Блок (40) обработки измеряет напряжение на концах (31) трубки (30) или резистора (32), когда через них не проходит нагревающий ток (переключатель 45 открыт), а проходит только измерительный ток, поданный генератором (43). Блок (40) обработки обеспечивает усиление и фильтрацию сигнала пропорционально температуре, сравнение ее с известным опорным напряжением (52) и формирование сигнала (51) ошибки. Сигнал (51) ошибки, который содержит информацию о мгновенной ошибке температуры, посылается контроллеру (9) и первому регулятору (47), который переводит этот сигнал в отношение интервалов времени "включено/выключено" для первого переключателя (45). Таким образом, температура воды пропорционально регулируется много раз в секунду, по мере необходимости, для поддержания стабильной температуры во всех условиях работы машины, от наливания кофе до отсутствия воды в нагревателе. Блок (42) дискретизации синхронизирует измерение сопротивления трубки (30) или резистора (32) в такие моменты времени, в которые первый переключатель (45) открыт. Между тем, второй регулятор (46) тока регулирует мощность, подаваемую в насос (2), чтобы обеспечить при всех обстоятельствах оптимальную скорость потока воды для приготовления кофе.
При повторном нажатии на кнопку (48) пуска пользователь останавливает наливание кофе на нужном уровне, и все схемы машины выключаются, вновь возвращая поглощение в ноль.
Может быть использован индикаторный светодиод (49) для информирования пользователя о надлежащем наливании кофе, например, при этом он непрерывно горит. В случае сбоя в работе (отсутствие воды, низкий заряд батареи и т.д.) светодиод будет мигать для того, чтобы сигнализировать о том, что кофе не наливается.
Следует отметить, что с учетом того, что вспомогательные схемы и схемы защиты известны специалистам в данной области техники, эти схемы были опущены для ясности.
Следует также отметить, что работа машины одинакова во всех проиллюстрированных вариантах осуществления изобретения, то есть рассматривается резистор (32) вместо трубки (30) в качестве нагревающего средства и резистор (32) или другое устройство (8) пропорционального измерения температуры вместо трубки (30). Фиг. 3с показывает вариант осуществления изобретения, в котором трубка (30) выполнена из керамического материала с положительным температурным коэффициентом (РТС, positive temperature coefficient). Материал с положительным температурным коэффициентом имеет существенно нелинейный отклик "сопротивление/температура": при достижении температуры Кюри, сопротивление материала возрастает в 10 раз в интервале 20-30°C, что делает возможным некоторое регулирование рабочей температуры. В общем, такое регулирование не является достаточно точным для поддержания температуры воды на уровне 90°C с допуском в несколько градусов, однако является полезным в любом случае в качестве меры предварительного регулирования и/или меры безопасности в случае отказа схемы (9) управления. Путем изменения производительности насоса (2) с помощью второго регулятора (46) может быть улучшена типичная регулировка температуры материала с положительным температурным коэффициентом с обеспечением требуемой точности в пределах нескольких градусов. Сопротивление материала с положительным температурным коэффициентом используется, таким образом, для регулирования производительности насоса (2) посредством второго регулятора (46). В данном случае генератор (43) тока ШИМ поддерживается с максимальным коэффициентом заполнения импульсов.
Во всех вариантах осуществления изобретения, описанных и проиллюстрированных в настоящем документе, предлагается один или более подключенных к контроллеру (9) датчиков максимальной температуры, которые не показаны, поскольку они известны специалистам. Если температура, измеренная датчиком или датчиками максимальной температуры, превышает заранее заданный порог, контроллер (9) деактивирует нагревающее средство (R).
На фиг. 5a, 5b, 5c и 5d полная и функциональная реализация кофемашины в соответствии с настоящим изобретением показана для участков электронных схем питания и управления и для реализации нагревателя (3). Реализация емкости (1) для воды, насоса (2) и контейнера для смеси кофе (4) подробно не описывается, поскольку эти элементы являются стандартными и доступными на рынке.