УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЕ НАГРЕВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
PERFECTED HEATER

Область техники
Изобретения относится к нагревательному устройству с термоблоком и управляющим блоком и может быть использовано, в частности, в устройстве для приготовления напитков.
Под термином «напиток» подразумевается любой жидкий пищевой продукт, такой как кофе, чай, горячий или холодный шоколад, молоко, суп, детское питание, горячая вода и т.п. Под термином «капсула» подразумевается любой предварительно дозированный ингредиент напитка, заключенный в упаковку из любого материала, в частности, в герметичную упаковку, например, упаковку из пластика, алюминия, упаковку для повторного использования или биоразлагающуюся упаковку любой формы и конструкции, включая мягкие пакетики или твердые картриджи с ингредиентом.
Уровень техники
Устройства для приготовления напитков давно известны. Например, в документе US 5943472 раскрыта система циркуляции воды между баком с водой и камерой распределения горячей воды или пара в кофеварке эспрессо. Такая система циркуляции включает в себя соединенные между собой клапан, металлическую нагревательную трубку и насос, подсоединенные к баку посредством различных силиконовых шлангов, закрепленных с помощью зажимных колец.
В документе ЕР 1646305 представлено устройство для приготовления напитков с нагревательным устройством, нагревающим протекающую через него воду, подающуюся затем на вход заварочного блока. В заварочном блоке нагретая вода подается в капсулу, содержащую ингредиент напитка, для его заваривания. В заварочном блоке имеется камера, разделенная на две части, причем вторая часть является подвижной относительно первой. Кроме того, в заварочном блоке имеется направляющая для установки капсулы в промежуточном положении между первой и второй частями перед взаимным перемещением частей заварочного блока из открытого его положения в закрытое.
Проточные нагреватели для нагрева жидкости, например, воды, также хорошо известны и описаны, например, в документах СН 59044, DE 10322034, DE 19711291, DE 19732414, DE 19737694, ЕР 0485211, ЕР 1380243, ЕР 1634520, FR 2799630, US 4242568, US 4595131, US 4700052, US 5019690, US 5392694, US 5943472, US 6246831. US 6393967, US 6889598, US 7286752, WO 01/54551 и WO 2004/006742.
Одной из проблем, встречающихся при использовании нагревателей для нагрева воды в устройствах для приготовления напитков, является близость рабочей температуры к температуре кипения воды, что способствует отложению накипи на нагревательном устройстве. Проточные нагреватели, имеющие в своей конструкции нагреваемый трубопровод или канал для быстрого нагрева протекающей в нем воды, особенно подвержены такому образованию накипи, в результате которого может произойти закупоривание проточного нагревателя.
Данная проблема имеет особое значение для термоблоков, широко используемых в устройствах для приготовления напитков.
Для решения этой проблемы использовались процедуры удаления накипи, в процессе которых в гидросистеме установки циркулирует антинакипин. Однако такая процедура может занимать достаточно длительное время, например, от получаса до нескольких часов, и требует присутствия пользователя или обслуживающего персонала.
Термоблоки - это проточные нагреватели, через которые циркулирует жидкость для нагревания. Они включают в себя нагревательную камеру, например, в виде одного или нескольких трубопроводов, в частности, стальных, проходящих сквозь (большую) массу металла, в частности, алюминия, железа и/или другого металла или сплава, обладающего высокой теплоемкостью, для аккумулирования тепловой энергии, и высокой теплопроводностью, для передачи при необходимости требуемого количества накопленного тепла протекающей через него жидкости. Вместо отдельного трубопровода в качестве канала в термоблоке может использоваться сквозной канал, выполненный посредством машинной обработки или каким-либо другим способом в корпусе термоблока, например, созданный на этапе отливки корпуса термоблока. Если масса термоблока выполнена из алюминия, то из требований по обеспечению безопасности для здоровья предпочтительно иметь отдельный трубопровод, например, стальной, во избежание контакта протекающей жидкости с алюминием. Масса блока может быть выполнена из одной или нескольких собираемых частей вокруг трубопровода. Термоблоки обычно содержат один или несколько резистивных нагревательных элементов, например, отдельных или встроенных резисторов, которые преобразуют электрическую энергию в тепловую. Такие резистивные нагревательные элементы, как правило, расположены в массе термоблока или на ней на расстоянии от трубопровода свыше 1 мм, в частности, от 2 до 50 мм, или от 5 до 30 мм. Тепло подводится к массе термоблока и через эту массу передается протекающей жидкости. Нагревательные элементы должны быть влиты или вмонтированы в металлическую массу или зафиксированы не ее поверхности. Трубопровод (трубопроводы) должен (должны) иметь винтовую или какую-либо другую форму вдоль термоблока, чтобы обеспечить его (их) максимальную длину и максимальную передачу тепла.
Чтобы термоблок смог нагреть протекающую через него воду от комнатной температуры до температуры, например, 90-98°C, необходимо его предварительно нагревать, как правило, в течение 1,5-2 минут. Для уменьшения времени ожидания между двумя последовательными циклами приготовления напитков, рабочую температуру такого термоблока необходимо поддерживать. Однако для обеспечения готовности в любое время, данный способ требует потребления большого количества энергии, особенно когда последовательные циклы приготовления напитков производятся со значительными перерывами по времени. Более экологически безопасные и энергосберегающие устройства для приготовления напитков включают в себя таймеры для отключения установки или автоматического включения режима ожидания, например, как это описано в документах WO 2009/092745 и ЕР 09168147.8.
Были разработаны нагреватели для быстрого нагрева, которые применялись в устройствах для приготовления напитков в незначительном объеме. Такие нагреватели обладают очень низкой тепловой инерцией и представляют собой резистивные нагреватели большой мощности, например, толстопленочные нагреватели. Примеры таких систем можно найти в документах ЕР 0485211, DE 19732414, DE 10322034, DE 19737694, WO 01/54551, WO 2004/006742, US 7286752 и WO 2007/039683.
Однако такие нагреватели для быстрого нагрева являются дорогими и требуют усложненной и высокоточной системы управления, чтобы избежать образования локальных горячих точек. Точного регулирования мощности таких нагревателей трудно достичь без конфликта с требованиями стандартов по скачкам напряжения.
Таким образом, по-прежнему существует потребность в создании простой, экологически чистой, недорогой и надежной нагревательной системы в установках для приготовления горячих напитков, таких как чай или кофе.
Раскрытие изобретения
Основной задачей изобретения является создание удобного нагревателя и системы управления для устройства для приготовления напитков, позволяющих устранить по меньшей мере некоторые из вышеуказанных недостатков.
Указанная задача решается в устройстве для приготовления напитков, содержащем нагреватель жидкости от температуры ее подачи до температуры приготовления напитка, в частности, проточный нагреватель и/или устройство для аккумулирования тепла, такое как термоблок; и блок управления для управления подачей жидкости и нагревателем, так чтобы нагреватель включался, обеспечивал нагрев подаваемой в установку для приготовления напитков жидкости до рабочей температуры и поддерживал эту температуру во время приготовления напитка.
Термин «приготовление напитка», как правило, обозначает ряд операций, автоматически выполняемых устройством для приготовления напитков, для выполнения предъявляемых обычно потребителем требований к напитку, например, к дозировке напитка для заполнения приемной емкости или чашки до требуемого уровня. Такие операции включают в себя, в частности, подготовку требуемого потребителем объема напитка, например, соответствующей чашки или кружки, и разлива напитка через выпускную трубку в область размещения приемной емкости или кружки потребителя. Подготовка заданного количества напитка может включать в себя нагрев определенного количества жидкости, такой как вода, т.е. жидкости-носителя, и смешивание данной жидкости с ингредиентом напитка, таким как ароматизирующий ингредиент (например, шоколад, суп, растворимый кофе, растворимый чай или молоко), и/или заваривание данного ингредиента с жидкостью (например, молотого кофе или чайного листа), под давлением или без давления, в частности, с использованием насоса. «Приготовление напитка» обычно заканчивается в тот момент времени, когда затребованное потребителем количество напитка обработано и выдано потребителю. Такое окончание обработки и/или разлива может соответствовать окончанию циркуляции жидкости в устройстве для приготовления напитков или окончанию разлива напитка через разливное устройство, например, выпускную трубку устройства для приготовления напитков. Учитывая стандартные операции, проводимые по окончании циркулирования жидкости, в частности, связанные с напитком проверки, или процессы по безопасности или эргономичности (например, тесты по проверке образца и гигиеничности), или по каким-либо другим причинам, «приготовление напитка» может превысить реальное время циркулирования и разлива на время от нескольких секунд до нескольких десятков секунд, так что окончание «приготовления напитка» оказывается немного задержанным относительно окончания циркулирования и/или разлива напитка после поступления команды от потребителя.
Устройство может иметь гидравлический контур для циркулирования жидкости, например, воды, из источника, такого как емкость с жидкостью или кран, до выпускной трубки. Указанный выше нагреватель, как правило, гидравлически соединен с гидравлическим контуром. Для облегчения циркуляции жидкости по гидравлическому контуру он может содержать насос. Управление таким насосом может осуществляться блоком управления.
Обычно устройство для приготовления напитка представляет собой устройство для приготовления кофе, чая, шоколада или супа. В частности, такое устройство может быть предназначено для приготовления напитка в заварочном блоке путем пропускания холодной или горячей воды или другой жидкости через ароматизирующий ингредиент, например, через ароматизирующий ингредиент, содержащийся в смесительном и/или заварочном блоке. Например, ароматизирующий ингредиент может подаваться в блок заключенным в капсулу. Такая капсула обычно представляет собой упаковку, ограничивающую внутреннюю полость, внутри которой содержится ингредиент приготовляемого напитка, например молотый кофе, чай, шоколад, какао или сухое молоко. Таким образом, ингредиент, используемый для приготовления напитка, может быть введен в установку в предварительно дозированном виде посредством капсулы, т.е. упаковки для содержания и хранения данного ингредиента.
Согласно изобретению, блок управления выполнен так, что, когда приготовление напитка не производится, на нагреватель подается питание для достижения и поддержания пониженной температуры.
Таким образом, когда нагреватель не используется для приготовления напитка, он может охлаждаться до определенной пониженной температуры. Он может охлаждаться до такой пониженной температуры сразу после окончания приготовления напитка, например, после того, как нагреватель выдал требуемое количество нагретой жидкости для приготовления напитка, или после того, как устройство для приготовления напитков выдало требуемое количество затребованного напитка, например, чашку или кружку, или немного позже этого момента, т.е. от нескольких секунд до нескольких десятков секунд, например, 1-2 минуты спустя. В частности, если производится операция заваривания, окончание разлива напитка может происходить после окончания циркуляции.
В наиболее простом варианте осуществления изобретения, когда устройство для приготовления напитков использует подаваемые в капсулах предварительно дозированные ингредиенты напитка, вышеупомянутое «приготовление напитка» может быть приравнено к нахождению в устройстве такой капсулы в положении разлива напитка из этой капсулы, например, к наличию капсулы с ингредиентом напитка в заварочном блоке устройства независимо от того, циркулирует ли жидкость на самом деле, или происходит или нет разлив напитка. В этом случае достаточно контролировать наличие или отсутствие капсулы в разливочной конфигурации установки. Это может быть сделано даже автоматически.
В конце приготовления напитка на нагреватель подается напряжение, обеспечивающее поддержание пониженной температуры. Разница между рабочей и пониженной температурами может быть достигнута за счет отключения питания нагревателя блоком управления. После этого на нагреватель может быть подано напряжение соответствующего уровня для поддержания пониженной температуры. В дальнейшем для приготовления напитка температуру нагревателя повышают до рабочей.
Таким образом, потребление энергии нагревателем между двумя последовательными процессами приготовления напитка значительно снижается по сравнению с системой, непрерывно поддерживающей рабочую температуру нагревателя в течение продолжительного периода времени. Кроме того, время нагрева нагревателя от пониженной до рабочей температуры меньше времени, требующегося для нагрева отключенного нагревателя, который полностью охладился. К тому же, если рабочая температура нагревателя близка к температуре кипения жидкости, например, воды, отложение накипи в нагревателе также может быть значительно уменьшено из-за снижения температуры нагревателя на несколько градусов.
Например, рабочая температура нагревателя находится в диапазоне от 65 до 98°C, в частности, в от 85 до 95°C. При приготовлении кофе, например, эспрессо, температура разливаемого напитка может быть в диапазоне от 80 до 90°C. С учетом снижения температуры за нагревателем, например, при заваривании, нагревателю может понадобиться нагревать протекающую через него воду до 85-95°C или более. Наилучшая температура для чая составляет от 60 до 95°C. Аналогичным образом, с учетом снижения температуры за нагревателем, например, при заваривании, нагревателю может понадобиться нагревать протекающую через него воду до 65-98°C.
Обычно пониженная температура ниже рабочей температуры, например, как было указано выше, и выше температуры выключенного нагревателя, равной температуре окружающей среды, например, на 10-30°C.
Пониженная температура может составлять от 50 до 95% рабочей температуры относительно температуры выключенного нагревателя, например, от 60 до 90%, при необходимости, от 70 до 85%. Например, если температура выключенного нагревателя равна 20°C (комнатная температура), а рабочая температура равна 90°C, то перепад между ними составляет 70°C, и, таким образом, от 50 до 95% данного перепада соответствует диапазону температур от 35 до 66,5°C, и, следовательно, соответствующая пониженная температура (составляющая от 50 до 95% рабочей температуры 90°C относительно температуры выключенного нагревателя 20°C) лежит в диапазоне от (20+35)°C до (20+66,5)°C, т.е. от 55°C до 86,5°C.
Пониженная температура может быть на 3-50°C ниже рабочей температуры, в частности, на 5-35°C.
В одном из возможных вариантов осуществления изобретения пониженную температуру выбирают на таком уровне, чтобы предупредить значительное отложение накипи в нагревателе. Пониженная температура может быть ниже 90°C, в частности, может лежать в диапазоне от 80°C до 89°C, например, от 84 до 88°C.
Отложение накипи в гидравлическом контуре происходит преимущественно при превращении воды в пар. В этот момент присутствующие в воде минералы осаждаются в гидравлическом контуре. Для приготовления, например, оптимального кофе, воду необходимо нагреть до температуры приблизительно 95°C, которая очень близка к температуре кипения 100°C, или ниже, в зависимости от окружающих условий (например, атмосферного давления).
При снижении температуры нагревателя на несколько градусов, например, приблизительно до 85-90°C, закипание воды практически предупреждается, и удается эффективно избежать отложения накипи. У известных устройств для приготовления напитков, использующих термоблоки мощностью, например, от 1 до 1,5 кВт, снижение температуры, например, от 94 до 88°C может занимать приблизительно 1 минуту после выключения термоблока, в частности, после окончания приготовления напитка.
Например, пониженная температура может быть ниже 90°C, в частности, ниже 85°C. Если рабочая температура близка к температуре кипения, например, приблизительно 90-99°C, снижение температуры в нагревателе даже всего на несколько градусов приводит к значительному уменьшению риска отложения накипи, в частности, в нагревателях, в которых тепло в полости нагрева распределяется неравномерно. Неравномерное распределение тепла может привести к возникновению «горячих точек» с повышением риска отложения накипи в этих точках. Таким образом, снижение температуры нагревателя в целом, как минимум, на пару градусов или более, в значительной степени уменьшает, затрудняет, или даже предупреждает любое отложение накипи на этапе приготовления напитка.
В другом варианте осуществления изобретения в блоке управления имеется режим обслуживания, который включается в момент достижения пониженной температуры. Пониженная температура может находиться в диапазоне от 55 до 75°C, в частности, если рабочая температура составляет от 80 до 98°C. Очистка или удаление накипи могут осуществляться при температуре от 50 до 65 или до 70°C. В качестве пониженной температуры можно устанавливать температуру, которая требуется для очистки и/или удаления накипи, например, от 50 до 65 или до 70°C, или можно выбирать температуру между такой температурой и рабочей температурой, чтобы сократить время нагрева нагревателя от пониженной температуры до рабочей. В последнем случае нагреватель может охлаждаться от пониженной температуры, например, от 65-80°C, до температуры обслуживания, например, от 50 до 65 или до 70°C, если обслуживание необходимо и/или затребовано.
Удаление накипи или очистка может, как правило, включать в себя циркулирование, например, с помощью насоса, очищающей жидкости или жидкости для удаления накипи в объеме от 250 до 1000 мл, например, от 400 до 750 мл. Циркулирование жидкости может производиться непрерывно или с некоторыми перерывами потока.
Очистка от накипи может осуществляться и при более высокой температуре, выше 70-75°C. Однако некоторые средства для удаления накипи, как правило, испаряются при более высоких температурах, и могут при этом выделять токсичные газы.
Промывание контура циркуляции жидкости в устройстве, в частности, нагревателя, предпочтительно выполняется при пониженной температуре, чтобы, с одной стороны, требовалось меньше энергии на нагрев промывочной жидкости, а, с другой стороны, снижалась вероятность отложения накипи из самой промывочной жидкости, особенно в нагревателе. Промывание может производиться пульсирующим потоком промывочной жидкости.
Уровень пониженной температуры может устанавливаться на заводе и/или может выбираться или изменяться потребителем, а именно, пользователем и/или обслуживающим персоналом. В частности, установка может содержать приспособление, например, пользовательский интерфейс, дающий возможность пользователю устанавливать пониженную температуру в диапазоне значений от 45 до 90°C, например, от 55 до 85°C, при необходимости - от 60 до 80°C. Пользовательский интерфейс для установки уровня пониженной температуры в температурном диапазоне может быть связан с устройством индикации (для пользователя) экономии энергии при выбранной пониженной температуре и/или времени, необходимого для нагрева нагревателя от выбранной пониженной температуры до рабочей. Это устройство может быть устройством цифровой или символической индикации, прилегающим к интерфейсу или расположенном в другом месте, чтобы потребитель был в состоянии прогнозировать и оценить экологические преимущества и возможные неудобства при нагреве нагревателя от пониженной температуры до рабочей. Отсюда следует, что эргономичность применения, экологические преимущества и стимулирующие факторы к использованию преимуществ, связанных с возможностью использования пониженной температуры, возрастают.
Также предполагается предусмотреть возможность отключения пользователем опции охлаждения нагревателя в то время, когда устройство включено, но приготовление напитка не осуществляется.
Вообще говоря, «приготовление напитка» может быть начато по запросу потребителя, например, с помощью соответствующего интерфейсного устройства, такого как переключатель, кнопка, сенсорная панель или экран, и/или закончено после прекращения подачи жидкости в нагреватель в момент окончания приготовления напитка или после окончания разлива напитка.
Начало и завершение «приготовления напитка» может быть связано с конкретной конструкцией и/или особенностями устройства для приготовления напитков.
Устройство для приготовления напитков может включать в себя устройство для смешивания и/или заваривания одного или нескольких ингредиентов напитка. В частности, устройство для смешивания и/или заваривания может включать в себя устройство для загрузки и/или выгрузки ингредиента и устройство для смешивания и/или заваривания данного ингредиента. Такие устройства широко известны и описаны например, в документах ЕР 1646305, ЕР 1859713, ЕР 1859714, WO 2009/043630 и ЕР 09172187.8, содержание которых приведено в качестве ссылки.
Блок управления может быть выполнен с возможностью осуществлять включение нагревателя, обеспечивать повышение его температуры до рабочей и поддерживать эту температуру до момента наступления по меньшей мере одного из следующих событий: смесительный и/или заварочный блок находится с состоянии загрузки; смесительный и/или заварочный блок загружен ингредиентом; в смесительном и/или заварочном блоке обнаружен ингредиент.
Выбор в качестве стартовой точки приготовления напитка конкретной конфигурации смесительного и/или заварочного блока, обнаруживаемой предпочтительно автоматически и указывающей на необходимость немедленного нагрева жидкости для разлива напитка, помогает сократить время достижения рабочей температуры нагревателем.
Автоматическое обнаружение ингредиента и/или капсулы с ингредиентом в смесительном или заварочном блоке может быть использовано в качестве начальной точки приготовления напитка из данного ингредиента. Как следствие, чтобы повысить температуру нагревателя до рабочей, блок управления не будет ждать, пока потребитель задействует интерфейсное устройство для разлива напитка, например, нажмет кнопку для наполнения большой или маленькой чашки на устройстве для приготовления напитков.
Аналогичным образом, блок управления может включить нагреватель, обеспечить повышение его температуры до пониженной и поддерживать такую температуру до момента наступления по меньшей мере одного из следующих событий: смесительный и/или заварочный блок находится с состоянии разгрузки; ингредиент выгружен из смесительного и/или заварочного блока; в смесительном и/или заварочном блоке обнаружено отсутствие ингредиента, в частности, когда данный блок находится в смесительной или заварочной конфигурации (например, когда смесительный и/или заварочный блок пуст).
В конкретном примере осуществления изобретения смесительный и/или заварочный блок может быть приспособлен для загрузки капсулы, содержащей определенный ингредиент, например, ароматизирующий ингредиент в виде молотого кофе, чая, шоколада, супа, молока и т.д. В частности, блок управления может содержать датчик автоматического обнаружения капсулы в смесительном и/или заварочном блоке. Такие датчики могут быть известными оптическими или на основе радио. Например, датчик для обнаружения капсулы выполнен с возможностью измерения ее электрических характеристик, как описано в документе ЕР 10167463.8, содержание которого включено в настоящее описание посредством ссылки.
Автоматическое обнаружение ингредиента и/или капсулы с ингредиентом в смесительном или заварочном блоке может быть использовано в качестве начальной точки приготовления напитка из данного ингредиента. Как следствие, блок управления не будет ждать, пока потребитель задействует интерфейсное устройство разлива напитка, например, нажмет кнопку для наполнения большой или маленькой чашки, на устройстве для приготовления напитков, чтобы повысить температуру нагревателя до рабочей.
В одном из вариантов осуществления изобретения автоматическое обнаружение ингредиента и/или капсулы в смесительном и/или заварочном устройстве используется для повышения температуры нагревателя до рабочей. Отсутствие ингредиента и/или капсулы в смесительном и/или заварочном блоке может быть принято в качестве стартовой точки для нагрева нагревателя до его пониженной температуры. Завершение циркуляции жидкости при обнаружении ингредиента и/или капсулы может быть принято в качестве стартовой точки для начала снижения температуры нагревателя до его пониженной температуры.
В другом варианте осуществления изобретения автоматическое обнаружение ингредиента и/или капсулы в смесительном и/или заварочном блоке, а также определение состояния загрузки смесительного и/или заварочного блока используются для нагрева нагревателя до его рабочей температуры и ее поддержания. При этом отсутствие ингредиента и/или капсулы в смесительном и/или заварочном блоке в его рабочей конфигурации может быть принято в качестве стартовой точки для снижения температуры нагревателя до его пониженной температуры.
Кроме того, блок управления может также автоматически прерывать подачу питания на нагреватель для достижения установившейся температуры неактивного режима, например, температуры окружающей среды, при выключении устройства или включении режима ожидания. Помимо прерывания питания нагревателя, может прерываться питание и других компонентов устройства для приготовления напитков, например, насоса или активных датчиков или других энергопотребляющих компонентов, например, интерфейса.
Объектом настоящего изобретения является также способ известного устройства для приготовления напитков в устройство, описанное выше. Известное устройство включает в себя:
- нагреватель для нагрева подаваемой жидкости от температуры подачи до температуры приготовления напитка, в частности, проточный нагреватель и/или устройство для аккумулирования тепла, такое как термоблок;
- блок управления для управления подачей жидкости и работой нагревателя, чтобы нагреватель включался и нагревался до своей рабочей температуры и поддерживал ее для нагрева подаваемой жидкости во время приготовления напитка.
Согласно изобретению, блок управления модифицирован, в частности, перепрограммирован, таким образом, что во время использования на него подается питание для достижения и поддержания определенной пониженной температуры, когда приготовление напитка не производится.
Таким образом, изобретение может быть внедрено с минимальными затратами в уже существующие установки для приготовления напитков, и вряд ли требует каких-либо существенных дополнительных затрат при использовании в новых установках.
Изобретение поясняется чертежами
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показано нагревательное устройство, содержащее термоблок и блок управления в устройстве для приготовления напитков согласно настоящему изобретению;
на фиг.2 - циркулирование жидкости в подобном термоблоке;
на фиг.3 и 4 - сравнительные профили изменения температуры по времени в нагревателе устройства для приготовления напитков согласно изобретению и существующего устройства, соответственно.
Осуществление изобретения
На фиг.1 представлено изображение в разобранном виде нагревателя устройства для приготовления напитков согласно настоящему изобретению, в котором жидкость циркулирует по термоблоку и затем направляется в заварочную камеру для заварки ингредиента напитка, помещенного в эту заварочную камеру. Пример такого устройства для приготовления напитков подробно описан в документе WO 2009/130099, содержание которого включено в настоящее описание посредством ссылки.
Например, ингредиент напитка подается в устройство заключенным в капсулу. Обычно, такой тип устройства для приготовления напитков пригоден для приготовления кофе, чая и/или других горячих напитков или даже супов и аналогичных жидких пищевых продуктов. Давление жидкости, циркулирующей в заварочной камере, может составлять, например, от 2 до 25 бар (от 0,2 до 2,5 МПа), в частности, от 5 до 20 бар (от 0,5 до 2 МПа), например, от 10 до 15 бар (от 1 до 1,5 МПа).
Например, данное устройство содержит блок приготовления напитка, в котором происходит циркулирование жидкости от источника через ароматизирующий ингредиент для придания аромата жидкости с целью получения напитка. Блок приготовления напитка может осуществлять разлив приготовленного напитка через выпускную трубку в приемную емкость или кружку потребителя.
Блок приготовления напитка обычно включает в себя один или несколько следующих компонентов:
а) смесительный и/или заварочный блок в виде средства для приема ингредиента, например, заварочный блок для приема ароматизирующего ингредиента напитка, в частности, предварительно дозированного ингредиента в капсулах, и пропускания входящей струи жидкости, например, воды, через данный ингредиент с последующим направлением ее в выпускную трубку;
б) проточный нагреватель, например, термоблок или какой-либо другой теплоаккумулирующий нагреватель, для нагрева указанной струи жидкости, поступающей в устройство для приема ингредиента;
в) насос для прокачки жидкости через проточный нагреватель;
г) один или несколько жидкостных соединительных элементов для направления жидкости от ее источника, например, емкости, к выпускной трубке;
д) электрический блок управления, в частности, содержащий печатную плату (ПП) для получения команд от потребителя через интерфейс и для управления встроенным нагревателем и насосом; и
е) один или несколько электрических датчиков для измерения по меньшей мере одной рабочей характеристики, выбранной из характеристик смесительного и/или заварочного блока, проточного нагревателя, насоса, емкости с жидкостью, приемника ингредиента, расхода жидкости, давления жидкости, температуры жидкости, и для сообщения данных характеристик блоку управления.
Примеры подходящих заварочных блоков и способов управления капсулами раскрыты, например, в документах WO 2005/004683, W02007/135136 и WO 2009/043630, включенных в настоящее описание в качестве ссылки. Подходящие блоки приготовления напитка раскрыты также в документах WO 2009/074550 и WO 2009/130099, содержание которых включено в настоящее описание в качестве ссылки.
Показанное на фиг.1 нагревательное устройство включает в себя термоблок с алюминиевой металлической массой 1 и блок 2 управления, содержащий термически и электрически изолирующий пластиковый корпус 3 и печатную плату 4, на которой размещены, например, один или несколько микроконтроллеров, ЗУ, и т.п.
Металлическая масса 1 включает в себя вход и выход для воды и водонагревательный канал, проходящий между ними с образованием свободного прохождения воды из водяного бака посредством насоса (не показан) через металлическую массу 1.
Как показано на фиг.2, масса 1 термоблока может включать в себя нагревательный канал 12. Нагревательный канал 12 имеет вход 12' и выход 12'".
Нагревательный канал 12 может проходить по винтообразной траектории сквозь массу 1, в частности, вдоль ее горизонтальной оси. Канал 12 может иметь несколько верхних областей прохождения жидкости, за которыми следуют направленные вниз области прохождения жидкости. Такие направленные верх и вниз области канала 12 могут иметь сужающееся поперечное сечение для увеличения скорости прохождения воды через них с целью предупреждения скопления пузырьков в верхних частях канала за счет «сталкивания» их вниз в нижерасположенные части канала вследствие увеличенной скорости потока. В данной конфигурации размер поперечного сечения канала изменяется вдоль камеры для повышения скорости потока в областях, обычно верхних, в которых, в противном случае, могли бы скапливаться пузырьки, в частности, пара. Увеличение скорости прохождения жидкости в данных областях приводит к «вымыванию» всех возможных пузырьков из этих областей быстрым течением жидкости в них. Во избежание перегрева в таких областях с уменьшенной площадью поперечного сечения мощность нагрева в соответствующих частях нагревателя может быть снижена, например, путем регулировки резистивных элементов в данных областях. Как вариант, данный канал может иметь площадь поперечного сечения, уменьшающуюся по всей его длине, с целью обеспечения достаточной скорости прохождения потока для смыва возможных пузырьков пара, образующихся в нем при нагревании. Нагревательный канал 12 может быть выполнен с несколькими поперечными сечениями для влияния на скорость потока, чтобы добиться более равномерной теплопередачи и предупреждения локального перегрева и, следовательно, образования пузырьков.
Как показано на фиг.1, металлическая масса 1 термоблока также включает в себя отверстие 1b, образующее или служащее для жесткого присоединения верхней части заварочной камеры (не показана), таким образом, что жесткий канал металлической массы 1 входит в заварочную камеру. Устройство для приготовления напитков также содержит нижнюю часть (не показана), включающую в себя выпускную трубку и взаимодействующую с верхней частью, образуя заварочную камеру. Нижняя и верхняя части могут отсоединяться друг от друга и соединяться вместе для подачи ингредиента в заварочную камены и удаления ингредиента из нее.
Как правило, верхняя часть заварочной камеры, встроенная в термоблок, зафиксирована в устройстве для приготовления напитков, а нижняя часть заварочной камеры является подвижной, но может быть и наоборот. Заварочная камера обычно расположена горизонтально, т.е. имеет такую конфигурацию и ориентацию, что вода протекает через нее в горизонтальном направлении; при этом верхняя часть и/или нижняя часть могут отодвигаться в направлении, совпадающем с направлением потока, или в противоположном направлении. Варианты выполнения таких термоблока и заварочной камеры раскрыты, например, в документе WO 2009/043630, содержание которого включено в настоящее описание посредством ссылки.
Блок 2 управления прикрепляется к металлической массе 1 защелками 3а корпуса 3, взаимодействующими с соответствующими углублениями 1а на поверхности металлической массы 1 при присоединении корпуса 3 к металлической массе 1 в направлении стрелки 3'.
Состоящий из двух частей корпус 3 блока 2 управления содержит печатную плату, закрывая ее со всех сторон и являясь практически непроницаемым для обеспечения защиты печатной платы от жидкости и паров в устройстве. Две части корпуса 3 могут соединяться винтами 3b или другими подходящими соединительными средствами, такими как заклепки, клей, сварка, и т.п. Блок 2 управления содержит пользовательский интерфейс с главным выключателем 2а и двумя управляющими выключателями 2b, соединенными через корпус 3 с печатной платой. Разумеется, можно использовать и более сложные пользовательские интерфейсы, содержащие мониторы или сенсорные экраны. Печатная плата включает в себя разъемы питания для подачи электроэнергии для нагрева металлической массы 1 через электрические контакты 11, выходящие из соответствующих отверстий в корпусе 3, а также электрические разъемы для одного или нескольких дополнительных электрических компонентов устройства для приготовления напитков, таких как пользовательский интерфейс, насос, вентилятор, клапан, датчики, и т.п., которые могут являться необходимыми, и разъем для подсоединения к централизованной сети электропитания.
Термоблок включает в себя электрические компоненты, в частности, температурный датчик 70, соединенный с печатной платой, плавкий предохранитель 75, силовой выключатель в виде симистора 60 в углублении, отверстие которого образовано между выступающими стенками 102 и терморезистором (не показан) с электрическими контактами 11, жестко встроенными в металлическую массу 1 и жестко прикрепленными к печатной плате. Кроме того, печатная плата с помощью жесткого разъема или кабеля 91 электрически соединена с датчиком 90 Холла расходомера, расположенным в гидравлическом контуре устройства для приготовления напитков, как правило, между насосом и уровнем воды или другой жидкости типа воды, или емкостью с жидкостью, или между насосом и нагревательным устройством, или внутри нагревательного устройства.
Кроме того, на печатной плате может быть расположен микроконтроллер или процессор, и, возможно, кварцевые часы для регулирования силы тока, поступающего на резистивный нагревательный элемент, в зависимости от расхода циркулирующей воды, измеряемого расходомером, и температуры нагреваемой воды, измеряемой температурным датчиком 70. Температурный датчик 70 может быть установлен внутри термоблока на расстоянии от циркулирующей воды, чтобы обеспечить непрямое измерение температуры воды. Для повышения точности измерения температуры один или несколько температурных датчиков могут быть размещены в металлической массе 1 и/или в заварочной камере перед металлической массой 1, или на входе воды в металлическую массу. Контроллер или процессор также могут осуществлять управление дополнительными функциями устройства для приготовления напитков или жидких пищевых продуктов, например, работой насоса, датчиком уровня жидкости в емкости для подачи жидкости, клапаном, пользовательским интерфейсом, устройством управления электроснабжением, устройством автоматической подачи ингредиента напитка, например, встроенной кофемолки или устройством автоматической подачи капсул или пакетиков с ингредиентом, и т.п.
Дополнительные подробности выполнения нагревательного устройства и его встраивании в устройство для приготовления напитков раскрыты, например, в документах WO 2009/043630, WO 2009/043851, WO 2009/043865 и WO 2009/130099, содержание которых включено в настоящее описание посредством ссылки.
Далее будет более подробно рассмотрено регулирование температуры нагревателя 1 с помощью блока 2 управления.
Нагреватель 1 предназначен для нагрева подаваемой жидкости, т.е. жидкости, циркулирующей по нагревательному каналу 12, от температуры подачи до температуры приготовления напитка.
Блок 2 управления предназначен для управления подачей жидкости, т.е. подачей жидкости с помощью насоса, и работой нагревателя 1, чтобы нагреватель 1 включался и нагревался до своей рабочей температуры и поддерживал ее с целью нагрева подаваемой жидкости до температуры приготовления напитка во время процесса приготовления напитка.
Согласно изобретению блок 2 управления также осуществляет включение нагревателя 1 для достижения и поддержания определенной пониженной температуры, когда приготовление напитка не производится.
На фиг.3 и 4 представлены два температурных профиля В1 и В2 (показаны пунктиром) нагревателя 1 в то время, когда управление его работой осуществляет блок 2 управления согласно настоящему изобретению. Для сравнения приведены температурные профили А1 и А2 (показаны непрерывными линиями), соответствующие температуре нагревателя известных устройств для приготовления напитков.
На фиг.3 и 4 представлены три уровня температуры.
Уровень «0» соответствует установившейся температуре нагревателя 1 при установившемся режиме, когда нагреватель выключен или находится в режиме ожидания. В этом режиме температура нагревателя 1 обычно равняется температуре окружающей среды или комнатной температуре, например, от 5 до 45°C, как правило, в диапазоне от 15 до 30°C.
Уровень «Рабочий» соответствует рабочей температуре нагревателя 1 во время приготовления напитка. Управление подачей питания на нагреватель 1 и его работой осуществляет блок 2 управления, чтобы поднять температуру жидкости в нагревателе до требуемой для разлива напитка, например, до температуры приблизительно 85-88°C для приготовления кофе или около 60-95°C для приготовления чая. Температура жидкости, выходящей из нагревателя, может быть выше, обычно на несколько градусов, например, около 89-92°C для воды, предназначенной для заварки кофе, чем температура разливаемого напитка, например, около 85-88°C для кофе. Таким образом, при управлении работой нагревателя принимаются во внимание потери тепла в жидкости, циркулирующей от нагревателя до чашки или кружки потребителя, в которую производится разлив.
Уровень «Экономичный» соответствует пониженной температуре нагревателя 1, когда приготовление напитка не производится. Этот уровень находится между уровнем «0» и уровнем «Рабочий».
Пониженная температура на уровне «Экономичный» ниже рабочей температуры (уровень «Рабочий») и выше температуры неработающего нагревателя (уровень «0»), например, температуры окружающей среды. Как показано на фиг.3 и 4, пониженная температура может составлять от 50 до 95% рабочей температуры, например, около 70 или 75%. Например, пониженная температура может быть приблизительно на 10-20°C ниже рабочей температуры, которая, например, может равняться 90 или 95°C.
Температура нагревателя при подаче жидкости, нагретой до заданной температуры (уровень «Рабочий»), может слегка изменяться в процессе приготовления напитка с целью компенсации изменений расхода жидкости или изменений температурного баланса перед нагревателем вследствие прохождения жидкости при температуре подачи, которая может быть ниже или выше начальной температуры устройства циркуляции жидкости перед нагревателем.
На фиг.3 представлено изменение по времени температуры термоблока 1 мощностью, например, 1,2 кВт, управление которым осуществляет блок 2 управления с известной системой терморегулирования. Обычно такая система терморегулирования представляет собой систему регулирования теплового контура. В устройстве для приготовления кофе данная система регулирования предназначена для нагрева заданного объема воды от 20 до 100 мл от комнатной температуры, например, 15-25°C, до температуры приблизительно 90-94°C для заваривания молотого кофе в заварочном блоке.
Период предварительного нагрева нагревателя от комнатной до рабочей температуры продолжается обычно от 1,5 до 2 минут, например, при медленном этапе окончательной настройки в конце линии предварительного нагрева A11, В11 до начала приготовления напитка («ST»). В конце линии предварительного нагрева А11, В11 может начинаться приготовление напитка, которое продолжается от момента «ST» до момента окончания приготовления напитка («END»), и продолжительность которого зависит от объема напитка, затребованного потребителем. В течение этого периода времени поддерживается рабочая температура «RUN» нагревателя, которая может быть более или менее стабильной по времени, как показано линиями А12, В12.
Как показано на фиг.3, приготовление напитка начинается непосредственно по окончании предварительного нагрева нагревателя. Например, запрос на приготовление напитка получается устройством перед окончанием предварительного нагрева, сохраняется в ЗУ устройства и затем автоматически выполняется устройством по окончании предварительного нагрева, когда достигнута рабочая температура (уровень «Рабочий»). Система такого типа в общих чертах описана в документе ЕР 09168147.8, содержание которого включено в настоящее описание посредством ссылки.
По достижении времени «END» приготовление напитка завершается. В этот момент времени температура известных нагревателей поддерживается на уровне, необходимом для немедленного разлива напитка, как правило, на уровне «RUN», как показано линией А13. Нагревателю 1, управляемому контроллером 2, разрешают охлаждаться до температуры «ЕСО», например, посредством отключения электропитания нагревателя 1, после чего поддерживается питание нагревателя, необходимое для поддержания соответствующей температуры «ЕСО» между температурой «0» и температурой «RUN», как показано температурной линией В 13.
После определенного периода времени, которое может определяться периодом нахождения установки в неиспользуемом состоянии, определяемым с помощью таймера, включаемого в момент окончания приготовления напитка («END»), нагреватель может переходить в режим ожидания или автоматического отключения, и может охлаждаться до температурного уровня «0», как показано линиями А14, В14.
На фиг.4 представлен другой температурный профиль для сравнения работы нагревательной системы согласно настоящему изобретению и известной нагревательной системы. Изменение температуры в зависимости от времени для нагревательной системы согласно настоящему изобретению представлено линией В2. Изменение по времени температуры известной нагревательной системы показано линией А2. Известная нагревательная система и нагревательная система согласно настоящему изобретению аналогичны системам, представленным на фиг.3.
Масштаб времени на фиг.4 сжат по сравнению с масштабом времени на Фиг.3.
В отличие от профиля, показанного на фиг.3, приготовление напитка начинается не сразу после окончания предварительного нагрева. Температурные линии А21 и В21 при начале нагрева поднимаются от уровня «0» непосредственно после включения питания нагревателя.
В известной нагревательной системе нагреватель нагревается до уровня «RUN» рабочей температуры и остается на этом уровне, как показано линией А211, до момента «ST» начала приготовления напитка, в результате чего температура нагревателя поддерживается на одном и том же уровне, как видно из линии А22.
Нагреватель нагревательной системы согласно настоящему изобретению нагревается (как показано линией В21) от уровня «0» до уровня «ЕСО» пониженной температуры и поддерживается на данной пониженной температуре, как показано линией В211, до момента поступления команды на приготовление напитка. После поступления команды на приготовление напитка нагреватель согласно настоящему изобретению нагревается от пониженной температуры «ЕСО» до рабочей температуры «RUN» для приготовления напитка, как это показано линией В22.
После этого, система нагревания согласно настоящему изобретению и известная система ведут себя так же, как показано на предыдущей фиг.3. Действительно, по окончании приготовления напитка в момент времени «END», температура известной нагревательной системы поддерживается на рабочем уровне, как показано линией А23, до момента «OFF» включения режима ожидания или отключения нагревателя, когда подача электроэнергии на нагреватель прерывается (линия А24). После окончания приготовления напитка нагревательной системе согласно настоящему изобретению позволяют охладиться до пониженной температуры «ЕСО», а затем поддерживают данную температуру, как показано кривой В23, до момента включения режима ожидания или отключения нагревателя (линия В24).
Подходящие системы включения режима ожидания или отключения нагревателя раскрыты, например, в документах WO 2009/092745 и ЕР 09168147.8, содержание которых включено в настоящее описание в качестве ссылки.
Таким образом, как видно из иллюстративных и неограничивающих примеров, показанных на фиг.3 и 4, известная нагревательная система в течение длительного периода времени поддерживается на рабочей температуре «RUN», даже если приготовление напитка установкой не производится, в то время как нагревательная система согласно настоящему изобретению нагревается до рабочей температуры «RUN» лишь в течение времени, необходимого для приготовления напитка, и удерживается на пониженной температуре «ЕСО», когда приготовление напитка не осуществляется.
Понижение температуры может способствовать предотвращению отложения накипи в нагревателе; для этого снижение температуры не должно быть значительным, достаточно, например, понизить температуру на 10-20°C ниже температуры кипения жидкости, нагреваемой нагревателем, что может быть на 2-5 или 10°C ниже рабочей температуры нагревателя установки для приготовления кофе. Это обеспечивает эффективное предотвращение образования накипи, при том, что время, необходимое для достижения рабочей температуры от пониженной температуры, может быть очень коротким, например, от 2 до 5 или 8 секунд для известных систем регулирования температуры.
Если разница между рабочей и пониженной температурами является малой, например, менее 5 или 10°C, то время, требующееся для повышения температуры от пониженной до рабочей температуры, может быть достаточно коротким, например, менее 3 или 5 секунд, так что данный процесс может протекать незаметно для потребителя. Например, установка может быть устроена таким образом, чтобы идентифицировать событие, предшествующее обязательному последующему разливу напитка, и поднимать температуру нагревателя до рабочей, не дожидаясь поступления команды на приготовление напитка. Таким событием может являться событие, обычно предшествующее поступлению команды на приготовление напитка от потребителя, например, ввод в устройство для приготовления напитков ингредиента, в частности, дозированного и/или заключенного в капсуле, или выполняемая потребителем операция с отдельным элементом машины, таким как заварочный блок, например, открытие его или закрытие.
Например, при регулировании, предусматривающем поддержание пониженной температуры нагревателя, блок управления может отслеживать ввод ингредиента напитка и/или открытие потребителем камеры ингредиента, например, заварочного блока. Как только управляющий блок обнаружит ввод ингредиента напитка и/или выполнение потребителем операции с камерой ингредиента, блок управления может начать повышение температуры нагревателя от пониженной до рабочей, не дожидаясь поступления от потребителя команды на приготовление напитка. Если время нагрева нагревателя от пониженной температуры до рабочей является достаточно малым, нагреватель может достичь рабочей температуры к моменту поступления от потребителя команды на приготовление напитка. Если же время, требуемое для достижения рабочей температуры нагревателя, является слишком большим, чтобы пройти незамеченным потребителем, как минимум, сократится время ожидания для потребителя.
Пониженная температура также может обеспечить значительное снижение потребления энергии между последовательными операциями приготовления напитка. В этом случае, можно допустить снижение температуры в большей степени, например, на 15-30°C. В этом случае время, необходимое для достижения рабочей температуры, разумеется, увеличится, если, конечно промежуток времени между двумя последовательными операциями приготовления напитка будет достаточным для снижения температуры нагревателя до заданной пониженной температуры. Однако если последовательные операции приготовления напитка разделены малым периодом времени, у нагревателя не будет времени, чтобы охладиться до пониженной температуры, и соответственно сократится время, требующееся для его нагрева до рабочей температуры.
Пример
Изобретение может быть реализовано путем перепрограммирования управляющего блока существующего устройства для приготовления кофе, в частности, устройства Nespresso™ серии Citiz™, серийно выпускаемого и в общем виде описанного в документе WO 2009/074550. За счет обеспечения уровня пониженной температуры для данной установки можно получить следующее сокращение энергозатрат по сравнению с немодифицированной установкой.
Данные примеры соответствуют кофейной машине Citiz™, имеющей нагреватель с термоблоком мощностью 1,2 кВт с алюминиевой массой 330 г для аккумулирования тепла. Установка может быть испытана при температуре окружающей среды (комнатной температуре) 20°C. Это соответствует перепаду температур 74°C между температурой окружающей среды и рабочей температурой. Насос установки обеспечивает свободный расход жидкости (т.е. расход при отсутствии капсулы с кофе в заварочном блоке) 300 мл/мин через термоблок.
Пониженную температуру можно установить на уровне 70°C. Это соответствует перепаду 50°C относительно температуры окружающей среды (20°C) и перепаду 24°C относительно рабочей температуры, т.е. на 30% ниже рабочей температуры 94°C относительно температуры окружающей среды.
Устройству с нагревателем и контроллером согласно настоящему изобретению потребуется около 15 минут для того, чтобы достичь пониженной температуры 70°C от 94°C, т.е. при отключении нагревателя. В течение этого периода времени известная устройство будет продолжать оставаться при температуре нагревателя 94°C, что потребует 1,91 Вт-час. Однако известная установка будет готова немедленно начать нагрев воды для приготовления, в то время как установке согласно настоящему изобретению сперва потребуется поднять температуру нагревателя от пониженной до рабочей. Для выполнения последней операции потребуется предварительный нагрев в течение 20-30 секунд. Такая же продолжительность предварительного нагрева потребуется и для более длительного времени нахождения в отключенном состоянии, поскольку пониженная температура при этом также будет поддерживаться на уровне 70°C. Однако если промежуток времени между двумя последовательными операциями приготовления напитка меньше 15 минут, у нагревателя не будет времени для того, чтобы охладиться до 70°C, и время, требующееся для нагрева до рабочей температуры, будет, соответственно, меньше. Например, для периода бездействия 5 минут, время, необходимое для повторного нагрева, составит от 6 до 10 секунд.
Время, требующееся для повышения температуры нагревателей как в известном устройстве, так и в устройстве согласно настоящему изобретению, от температуры окружающей среды до 94°C, составит 1,5 минуты.
Данную задержку по времени можно значительно сократить посредством оптимизации алгоритма нагревания и уменьшения массы нагревателя. В частности, известный алгоритм нагрева может быть использован с прогнозирующей или даже самообучающейся системой, как, например, раскрыто в документе ЕР 10166366.4. В данном случае задержку по времени удастся сократить в 2-4 раза.
Если устройство включено и не осуществляет приготовление какого-либо напитка в течение часа, использование известных нагревателя и блока управления, т.е. известного нагревательного устройства, приводит к потреблению дополнительных 2,3 Вт-час; иными словами, полные энергозатраты составляют 7,65 Вт-час для известного нагревательного устройства и 5,35 Вт-час для нагревательного устройства согласно настоящему изобретению, т.е. уменьшение энергозатрат благодаря применению настоящего изобретения составит около 30%.
При проведении цикла ополаскивания количеством воды 240 мл известное нагревательное устройство произведет нагрев воды с помощью нагревателя до 94°C, во время которого будет затрачено 20,1 Вт-час, в то время как нагревательное устройство, выполненное в соответствии с настоящим изобретением, нагреет воду до температуры 70°C, на что потребуется 14,1 Вт-час. Таким образом, можно повторно отметить, что использование нагревательного устройства согласно изобретению взамен нагревательного устройства известной конструкции обеспечит сокращение энергозатрат на 30%.
Если кофе приготавливается в течение 30-минутного периода времени, как известному нагревательному устройству, так и нагревательному устройству, выполненному в соответствии с настоящим изобретением, потребуется одинаковое количество энергии для нагрева воды. Однако известному нагревательному устройству потребуется намного больше энергии, чем нагревательному устройству согласно настоящему изобретению, когда напиток не производится: известное нагревательное устройство будет оставаться в состоянии постоянной готовности к приготовлению напитка, а нагревательное устройство согласно настоящему изобретению обеспечит сокращение энергозатрат на 3,1 Вт-час, т.е. на 23% по сравнению с энергозатратами известного нагревательного устройства.