НАСОСНАЯ СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ АППАРАТА ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ НАПИТКОВ
PUMPING SYSTEM AND METHOD FOR BEVERAGE PRODUCTION APPARATUS

Изобретение относится к насосной системе и способу перекачки для аппарата для приготовления напитков. В частности, изобретение представляет насосную систему и способ перекачки предварительно нагретой жидкости из находящегося под давлением резервуара, например, в блок заваривания или экстракции аппарата для приготовления напитков.
Известны различные насосные системы, применяемые в аппаратах для приготовления напитков, в частности насосные системы для перекачки жидкости из резервуара в блок заваривания или экстракции.
На фиг. 1 показана система 11 перекачки жидкости в том виде, в котором ее применяют в известном аппарате для приготовления напитков. Система 11 перекачки включает в себя резервуар 12, содержащий в себе жидкость 13, которую перекачивают главным насосом 14, пропуская через расходомер 17 и через нагреватель 20, в блок 16 экстракции. Нагреватель 20 расположен позади по ходу от главного насоса 14.
Далее на фиг. 2 изображена насосная система 11 в том виде, в котором ее применяют в известном аппарате для приготовления нескольких типов напитков. Насосная система 11 содержит средство 19 подачи жидкости, главный насос 14 для перекачки жидкости 13 через котел высокого давления 12, который включает в себя нагреватель 121, к некоторому количеству блоков 16 экстракции. И, как было описано для вышеизложенной схемы, позади по ходу от главного насоса 14 расположен нагреватель 121.
При анализе структуры описанного выше известного аппарата, становится очевидно, что целесообразно включить в состав схемы нагреваемый резервуар и нагретую жидкость, соответственно, т.е. нагреватель разместить впереди по ходу от главного насоса. Если главный насос сможет эффективно перекачивать нагретую жидкость, то производство напитков пошло бы, например, более быстрыми темпами.
Однако когда перекачивают горячую жидкость из предварительно нагретого резервуара, давление всасывания, возникающее на входе в насос, может привести к появлению явления кавитации. Явление кавитации возникает вследствие испарения перекачиваемой жидкости в зоне более низкого давления, что неизбежно ведет к снижению производительности насоса.
На фиг. 3 показан физический принцип, стоящий за явлением кавитации. В частности, показана фазовая диаграмма воды, на которой граничные условия фазовых переходов между твердой фазой, жидкой фазой и газообразной фазой воды, соответственно, прочерчены жирными линиями. Фазовый переход от жидкого состояния в газообразное состояние (т.е. испарение) может осуществляться, сопровождаясь или повышением температуры, или понижением давления. Например, при нормальной температуре окружающей среды (приблизительно 20°С) абсолютное давление процесса изменения фазы состояния при переходе из жидкости в пар (давление пара), необходимое для возникновения кавитации, составляет приблизительно 23 μбар абсолютного давления. Главные насосы, применяемые в известных аппаратах для приготовления напитков, чаще всего создают давление всасывания приблизительно 500 μбар абсолютного давления. Это означает, что абсолютное давление на входе насоса (1 бар - 0,5 бар = 0,5 бар) выше, чем упомянутая выше величина 23 μбар, таким образом, при нормальной температуре окружающей среды не возникает никаких проблем.
Однако при более высоких температурах, например, при 90°С, давление, которое необходимо для провоцирования кавитации, также будет более высоким, оно равно приблизительно 700 μбар. Теперь давление всасывания (снова 1 бар - 0,5 бар = 0,5 бар) будет меньшим, чем необходимая величина 0,7 бар, таким образом, на участке входа в насос может возникнуть кавитация, которая существенно снизит производительность процесса перекачки.
Фиг. 4 иллюстрирует указанное падение производительности перекачки. Производительность перекачки любого насоса можно выразить зависимостью расхода жидкости на выходе из насоса от давления на выходе. При возрастании температуры производительность насоса падает существенно. Например, при температуре воды, равной 94°С, расход перекачки резко падает, даже при низких давлениях на выходе.
Таким образом, в задачу настоящего изобретения входит повышение характеристик применяемого в настоящее время оборудования. Таким образом, цель настоящего изобретения заключается в преодолении упомянутых выше недостатков. В частности, настоящее изобретение нацелено на создание насосной системы, предназначенной для использования в аппарате для приготовления напитков, системы, которая будет в состоянии перекачивать горячую жидкость из предварительно нагретого резервуара без какого-либо значительного снижения производительности перекачки. Кроме того, настоящее изобретение ставит своей задачей предложение такой насосной системы, которая способна подавлять явление кавитации на входе насоса (со стороны всасывания насоса).
Выше обозначенные цели настоящего изобретения достигаются посредством осуществления прилагаемых независимых пунктов формулы изобретения. Основная идея настоящего изобретения заключается в увеличении давления всасывания посредством внедрения резервуара, который находится под повышенным давлением.
Дополнительные пункты многозвенной формулы изобретения расширяют демонстрацию преимуществ настоящего изобретения.
Настоящее изобретение направлено на создание насосной системы для аппарата для приготовления напитков, содержащего резервуар для хранения и нагревания жидкости, по меньшей мере, один главный насос для перекачки жидкости из резервуара, предпочтительно, по меньшей мере, в один блок экстракции аппарата для приготовления напитков, а также средство для создания избыточного давления в резервуаре.
Посредством повышения давления в резервуаре, т.е. посредством обеспечения резервуара под высоким давлением, достигается повышение абсолютного давления всасывания на входе насоса. При повышении давления в резервуаре одновременно повышается и давление жидкости. Вследствие повышения давления можно избежать возникновения кавитации или, по меньшей мере, уменьшить ее на входе насоса. Это приводит к восстановлению производительности насоса при высоких температурах жидкости. Другими словами, характеристики производительности главного насоса, работающего с нагретой жидкостью, становятся более или менее такими же высокими, какими они были, когда насос работал с той же самой жидкостью, но при нормальной температуре окружающей среды.
По изложенным причинам аппарат по настоящему изобретению может ускорить производство напитка. Более того, отпадает необходимость в нагревателе, устанавливаемом дальше по ходу от главного насоса. Это обстоятельство приобретает особое значение для мобильных аппаратов для приготовления напитков, которые могут стать более компактными и иметь меньший вес.
Предпочтительно, чтобы средству повышения давления придали такую конфигурацию, при которой абсолютное давление в резервуаре находилось в диапазоне приблизительно от 0,5 до 1,0 бар, предпочтительно от 0,7 до 1,0 бар.
При достижении этих предпочтительных величин абсолютного давления, которое превышает давление пара перед фактическим входом насоса, создаются условия, при которых явление кавитации подавляется весьма эффективно. Указанные предпочтительные величины учитывают все потери давления, происходящие в гидравлической системе на участке между резервуаром и насосом, например, потери в трубопроводной арматуре, расходомерах, в трубах и т.п.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, средство повышения давления может быть представлено воздушным насосом.
Предпочтительно, чтобы воздушный насос помещался внутри резервуара или находился впереди по ходу относительно резервуара. Воздушные насосы недороги и легко встраиваются в систему.
В другом варианте осуществления средство повышения давления может выглядеть как устройство, регулирующее уровень жидкости и температуру жидкости в резервуаре.
При нагревании жидкости в резервуаре возрастает давление пара. Регулируя уровень жидкости в резервуаре, можно установить желательное абсолютное давление пара. Многие существующие аппараты для приготовления напитков в настоящее время оснащаются блоком управления, который можно запрограммировать соответствующим образом. Поэтому подобное решение может быть легко найдено.
Другой вариант осуществления может в качестве средства повышения давления предусматривать использование некоего поршня.
Указанный поршень, предпочтительно, представляет собой механический поршень, который устанавливают внутри резервуара или поверх него. Конструкция поршня предусматривает его опускание на резервуар с целью повышения абсолютного давления. Указанный поршень может перемещаться электрическим двигателем или механически.
В одном из дополнительных вариантов осуществления средством повышения давления может быть гидравлический насос, предпочтительно водяной насос низкого давления.
Гидравлический насос может быть без труда включен в состав гидросистемы, например, его можно разместить между средством подачи воды и резервуаром. Гидравлический насос может поддерживать давление жидкости в резервуаре на определенном уровне.
Указанную насосную систему можно спроектировать и для мобильного аппарата для приготовления напитков, в котором указанный резервуар предпочтительно может быть представлен в виде термоса.
Когда в качестве резервуара применен термос, жидкость может быть нагрета до того, как ее заливают в резервуар, который будет поддерживать ее температуру по принципу термоса. В насосной системе по настоящему изобретению никакого нагревателя, который бы располагался сзади по ходу от главного насоса, не требуется. Идею использования термоса можно применить при проектировании небольшого аппарата для приготовления горячих напитков.
Настоящую насосную систему можно также использовать при проектировании аппарата для приготовления нескольких типов напитков, который предпочтительно содержит несколько главных насосов для перекачки жидкости из резервуара в определенное число блоков экстракции.
Предпочтительно, чтобы каждый главный насос управлялся независимо таким образом, чтобы он приготовлял один конкретный напиток, при возможности приготовления нескольких других типов напитков. Таким образом, чтобы использовать один дорогостоящий насос, как это происходит в известных конструкциях аппаратов, который обеспечивает аналогичное давление экстрагирования для каждого уровня жидкости в соответствующем блоке экстракции, можно установить определенное количество меньших и более дешевых главных насосов.
Предпочтительно, чтобы каждый один из некоторого количества главных насосов был спроектирован таким образом, чтобы он мог перекачивать жидкость под соответствующим давлением к одному из определенного числа блоков экстракции.
В каждом случае давление экстрагирования может устанавливаться посредством подачи жидкости одним из множества главных насосов, каждый из которых подает жидкость под специально предназначенным давлением в каждый соответствующий блок экстракции. Таким образом, аппарат для приготовления напитков становится более универсальным. Более того, поскольку для каждого типа напитка жидкость должна поступать под давлением, оптимальным или необходимым для определенного типа приготовляемого напитка, можно повысить качество напитков, приготовляемых аппаратом, предназначенным для нескольких типов напитков.
Предпочтительно резервуар должен представлять собой котел низкого давления, работающего при давлениях приблизительно от 1 до 3 бар.
Поскольку главные насосы насосной системы способны перекачивать жидкость из котла, т.е. качать нагретую жидкость с высокой производительностью перекачки, отпадает необходимость в установке главного насоса впереди по ходу от резервуара. Предпочтительно для того, чтобы поддерживать в резервуаре надлежащее давление, впереди по ходу от резервуара требуется установить только гидравлический насос низкого давления. В результате этого котел высокого давления, необходимый в конструкции известных аппаратов, можно заменить котлом низкого давления, благодаря чему упрощается конструкция насосной системы, она становится более компактной и дешевой.
Предпочтительно, чтобы гидравлический насос предусматривал питание жидкостью от средства подачи жидкости.
Предпочтительно, чтобы конструкция резервуара позволяла нагревать жидкость до температуры приблизительно 90°С или выше.
Высокая температура позволяет существенно сократить время, необходимое для приготовления напитка, поскольку жидкость, перекаченная из резервуара, уже готова для приготовления напитка. Вследствие поддержания резервуара под давлением, становится возможным нагревать жидкость до высоких температур, не жертвуя производительностью перекачки. Поэтому даже те напитки, которые требуют высокого давления на выходе насоса (т.е. высокой производительности перекачки), например кофе-эспрессо, могут быть приготовлены быстрее и с более высоким качеством.
Предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, один главный насос был предназначен для перекачки жидкости, нагретой до 90°С или выше, с максимальным расходом жидкости в примерном диапазоне от 100 до 300 мл/мин при максимальном давлении на выходе соответственно равном от 14 до 3 бар.
Это означает, что, по меньшей мере, один главный насос должен быть способен перекачивать жидкость при температуре 90°С, например, воду, с максимальным расходом 100 мл/мин при максимальном давлении на выходе насоса, равном 14 бар, и максимальным расходом 300 мл/мин при максимальном давлении на выходе насоса, равном 3 бар. В пределах рассматриваемого диапазона этих величин максимальный расход возрастает почти пропорционально падению давления на выходе насоса. С подобным насосом, и благодаря нагретому резервуару, можно быстро приготовлять различные виды напитков (некоторым напиткам требуется только низкое давление на выходе при высоком расходе жидкости, другим напиткам нужно высокое давление на выходе при обязательном условии низкого расхода жидкости).
Дополнительно настоящее изобретение направлено на усовершенствование способа перекачки при применении в аппаратах для приготовления напитков, который включает в себя этапы по нагреву жидкости в резервуаре, по повышению давления в резервуаре с использованием средства повышения давления и по перекачке жидкости из резервуара, предпочтительно, по меньшей мере, в один блок экстракции аппарата для приготовления напитков при условии применения, по меньшей мере, одного главного насоса.
Предпочтительно, чтобы жидкость нагревали до температуры 90°С или выше, а резервуар поддерживали под абсолютным давлением приблизительно от 0,5 до 1,0 бар.
Способ перекачки обладает теми же достоинствами, что и описанная выше насосная система, в частности, нагретую жидкость можно перекачивать при высокой производительности перекачки. При этих условиях напитки могут быть приготовлены быстрее и с более высоким качеством.
Настоящее изобретение будет описано ниже более подробно в соответствии с прилагаемыми чертежами, на которых:
На фиг. 1 показана насосная система аппарата для приготовления напитков в соответствии с современным уровнем техники.
На фиг. 2 показана насосная система аппарата для приготовления нескольких типов напитков в соответствии с современным уровнем техники.
На фиг. 3 показана фазовая диаграмма воды.
На фиг. 4 показано сравнение характеристик производительности насоса в соответствии с уровнем техники при различных температурах жидкости.
На фиг. 5 показана насосная система в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 6 показана насосная система по настоящему изобретению.
На фиг. 7 показана насосная система по настоящему изобретению.
На фиг. 8 показана насосная система по настоящему изобретению.
На фиг. 9 показаны характеристики насоса при различных температурах жидкости и при различных давлениях в резервуаре.
На фиг. 5 показана насосная система 1 по настоящему изобретению. Насосная система 1 включает в себя резервуар 2, который предназначен для хранения и нагревания жидкости 3. Резервуар 2 по этой причине является резервуаром с подогревом, предназначенным для подачи подогретой жидкости. Жидкость 3, например, может быть водой, молоком, супом, жидкостью на основе воды, жидкостью на основе шоколада, жидкостью на основе кофе, жидкостью на основе молока и т.п. В частности, жидкость 3 может быть любой жидкостью, которая пригодна для приготовления теплого или горячего напитка.
Насосная система 1 по фиг. 5 особенно полезна для применения в мобильных аппаратах для приготовления напитков. Предпочтительно резервуар 2 представляет собой термос, поддерживающий жидкость в горячем состоянии. Однако резервуар 2 может быть баком или котлом. Резервуар 2 может быть также оборудован активными средствами нагрева для нагревания жидкости 3, например, посредством нагревательного змеевика, проволочной нагревающей спирали или же нагревательным узлом. Дополнительно резервуар 2 может быть оснащен или соединен с блоком управления (не показан), который предназначен для регулирования, по меньшей мере, температуры жидкости в резервуаре 2.
Резервуар 2 соединен трубопроводной системой, например, трубками 8 с главным насосом 4. Главный насос 4 предназначен для перекачки жидкости 3 из резервуара 2. Предпочтительно, главный насос 4 предназначен для перекачки жидкости 3 из резервуара 2 в блок 6 заваривания или экстракции аппарата для приготовления напитков. Главный насос 4 может быть гидравлическим насосом, шестеренчатым насосом, шланговым насосом или любым другим насосом, пригодным для перекачки жидкости 3. Предпочтительно, чтобы главный насос 4 был соединен с резервуаром 2 через расходомер 7, который предназначен для измерения и регулирования расхода жидкости посредством главного насоса 4. Расходомер 7 может транслировать показания измерения на блок управления или регулировать расход жидкости, подаваемой к главному насосу 4 самостоятельно.
Дополнительно насосная система 1 может быть оснащена средством повышения давления 5 для повышения давления резервуара 2 и/или жидкости 3 в резервуаре 2. Как видно из фиг. 5, в качестве средства повышения давления 5 может быть использован воздушный насос 51. Воздушный насос 51 может быть размещен или внутри резервуара 2 или расположен впереди по ходу от резервуара 2. Воздушный насос 51 при запуске в работу позволяет проводить повышение или понижение давления в резервуаре 2. Работа воздушного насоса 51 может регулироваться блоком управления.
Предпочтительно средство повышения давления 5 предназначено для создания абсолютного давления в резервуаре 2 в пределах приблизительно от 0,5 до 1 бар, а еще более предпочтительно от 0,7 до 1 бар. Такая величина предварительного сверхдавления выбрана для увеличения давления жидкости перед ее входом в главный насос до значений, которые позволяют эффективно подавить кавитацию в жидкости 3, с учетом всех причин потери давления в гидравлической линии между резервуаром 2 и главным насосом 4, вызванных, например, потерями в трубопроводной арматуре, расходомере, в трубах 8 и т.п.
За счет применения средства повышения давления 5 в резервуаре 2 накапливается нагретая жидкость под требуемым давлением. Это означает, что абсолютное давление жидкости в резервуаре 2 повысилось. В результате чего также повысилось абсолютное давление всасывания на входе главного насоса 4, таким образом происходит подавление явления кавитации. Это в свою очередь значительно повышает производительность главного насоса 4 даже при температурах 70°С или выше, или даже 90°С или выше.
Воздушный насос 51, изображенный на фиг. 5, служит одним из средств, которые способны повысить абсолютное давление в резервуаре 2. На фиг. 6 изображено альтернативное предпочтительное решение для повышения давления в резервуаре 2. В частности, на фиг. 6 изображен механический поршень 52, используемый в качестве средства повышения давления 5, который предназначен для подачи воздуха в резервуар 2. Механический поршень 52, например, может приводиться в движение электрическим мотором с регулированием работы с помощью блока управления, который упомянут выше. Указанный механический поршень может приводиться в движение с помощью механических средств или, например, он может быть спроектирован для ручного управления оператором.
На фиг. 7 показан другой предпочтительный способ повышения давления в резервуаре 2. В этом варианте в качестве средства 5 повышения давления применено устройство 53, которое реализует свою функцию под командой упомянутого выше блока управления, однако его можно применять и как самоуправляющее устройство. Предпочтительно устройство 53 предназначено для регулирования уровня жидкости в резервуаре 2. Также предпочтительно, чтобы устройство 53 использовалось для регулирования температуры жидкости в резервуаре 2. В таком случае для повышения давления в резервуаре 2 может быть использовано давление пара, вызываемое нагреванием жидкости 3. Для регулирования уровня жидкости устройство 53 предпочтительно должно быть соединено с определенным источником жидкости и предпочтительно должно быть способно увеличивать или уменьшать количество жидкости 3 в резервуаре 2.
На фиг. 8 показана другая насосная система 1 по настоящему изобретению, которая обладает особыми преимуществами при использовании в аппаратах для приготовления нескольких типов напитков. К таким аппаратам для приготовления нескольких типов напитков можно, например, отнести аппараты для приготовления чая, кофе, кофе-эспрессо и/или шоколадные напитки и т.п. По этой причине аппараты для приготовления нескольких типов напитков предпочтительно оснащают несколькими блоками 6 заваривания или экстракции 6. На фиг. 8, например, показаны четыре блока 61-64 заваривания или экстракции, которые соответственно можно использовать для приготовления разнообразных напитков.
Насосная система 1 по настоящему изобретению содержит в этом случае некоторое число главных насосов 4, в которой каждый из главных насосов 4 предназначен для обслуживания одного из блоков 61-64 заваривания или экстракции аппарата для приготовления напитков. Каждый из главных насосов 4 спроектирован для того, чтобы перекачивать жидкость 3 из предварительно нагретого резервуара 2 по трубопроводу 8, пропуская ее через несколько расходомеров 7, в соответствующий блок 61-64 заваривания или экстракции. Главные насосы 4 могут быть спроектированы в соответствии с изложенными выше описаниями.
В качестве резервуара 2 предпочтительно устанавливать котел. Таким образом, резервуар 2 должен быть снабжен средствами нагрева 21. Средства нагрева 21 могут быть представлены нагревательной проволочной спиралью, нагревательным змеевиком или нагревательным блоком. Резервуар 2 имеет отверстие для приема жидкости, отверстие для выпуска жидкости и предпочтительно нагревает жидкость 3 при прокачке жидкости 3 через резервуар 2. Предпочтительно, чтобы резервуар 2 проектировался как котел низкого давления, т.е. котел, который удерживает давление приблизительно от 1 до 3 бар. Аппараты известной конструкции обычно используют котлы высокого давления, которые рассчитаны на давление приблизительно от 10 до 15 бар. Однако котлы высокого давления намного более сложны и их производство обходится дороже.
Как уже отмечалось, насосная система 1 включает в себя средство повышения давления 5. Средство повышения давления 5 предпочтительно представлять в виде насоса низкого давления 54. Средство повышения давления 5 предпочтительно соединять со средством подачи жидкости 9, который применяют для подачи жидкости 3 в резервуар 2.
Насосная система 1 по фиг. 8 предусматривает отказ от применения дорогостоящего единого главного насоса 14, который используют в известных аппаратах. Обычно единый главный насос 14 подает одинаковое экстракционное давление на каждый блок 161-164 экстракции (см. фиг. 2). Предпочтительно, чтобы в насосной системе 1 по настоящему изобретению в соответствии с фиг. 8 каждый главный насос работал независимо.
Более того, предпочтительно, чтобы каждый блок 61-64 экстракции напитков мог бы функционировать независимо и с различными рабочими параметрами. Различные напитки при своем приготовлении требуют различные исходные ингредиенты и различные рабочие параметры, например, различные величины давления подаваемой жидкости. Кофе эспрессо, например, требует для своего приготовления использование высоких давлений жидкости в то время, как чай требует низкого давления жидкости. По этой причине каждый блок 61-64 экстракции снабжается своим главным насосом 4, который назначается в зависимости от свойств соответствующего напитка, приготовляемого указанным блоком 61-64 экстракции. Другими словами, блок 61 экстракции для приготовления экстрагированного напитка кофе-эспрессо соединен с главным насосом 4 высокого давления. Блок 62 экстракции для приготовления чая соединен с более дешевым главным насосом 4 низкого давления. Следовательно, насосная система 1 по настоящему изобретению дает возможность достичь большей универсальности, чем системы известных аппаратов.
Фиг. 9 изображает, какие возможности открываются перед насосной системой 1 и перед способом по настоящему изобретению по достижению высоких показателей производительности перекачки даже при повышенных температурах жидкости в условиях воздействия повышенного давления в резервуаре 2. В частности, на фиг. 9 приведена диаграмма характеристик производительности (т.е. отношения расхода жидкости к давлению жидкости на выходе насоса). Как видно из диаграммы, идеальная кривая производительности, которую достигает главный насос 4 при нормальных температурах окружающей среды и в условиях отсутствия давления в резервуаре 2, более или менее приближается к кривым производительности при температуре жидкости, равной 95°С, и при давлении в резервуаре 2, повышенном до 0,7 бар или выше.
Вследствие подавления кавитации, которое достигнуто благодаря повышению давления в резервуаре, повышаются также рабочие характеристики главного насоса 4. Таким образом, становится возможным перекачивать нагретую жидкость из резервуара 2 в блок 6 экстракции аппарата для приготовления напитков без каких-либо потерь рабочих характеристик насоса. Нагреватель, котел или какое-либо иное средство нагрева, которые устанавливали после (сзади по ходу от) главного насоса 4, могут быть исключены из системы. Далее необходимо отметить, что подавление кавитации также влияет на шумность работы насоса. Главный насос 4 не только в состоянии перекачивать жидкость с повышенной производительностью (или, по меньшей мере, ненамного менее эффективно, чем при нормальных температурах окружающей среды), но и более того, работать менее шумно.
Подводя итог, можно утверждать, что настоящее изобретение описывает насосную систему 1 с предварительно нагретым резервуаром 2, главным насосом 4 для перекачки нагретой жидкости 3 и средством повышения давления 5, предназначенными для повышения давления жидкости 3 в резервуаре 2. Настоящее изобретение достигает почти полного подавления явления кавитации, и таким образом, повышения рабочих характеристик перекачки при повышенных температурах жидкости.