飲料又は食品調製マシンのための体積加熱装置

本発明は、好ましくは飲料又は食品調製マシンにおいて適用される、体積加熱装置に関する。

体積加熱装置は、飲料又は食品調製プロセス、特に、コーヒー、紅茶、又はスープオートマットなどの、飲料又は食品分配マシンにおいて使用される液体を加熱するように特に設計されている。

液体の体積加熱に、マイクロ波が使用され得ることは既知である。例えば、液体、例えば、水、脂肪、及び他の物質は、誘電加熱と称されるプロセスにより、放出されるマイクロ波からエネルギーを吸収する。多くの分子(例えば、水などの)は、電気双極子であり、これは、これらの分子が、一端において部分的に正の電荷を、他端において部分的に負の電荷を有し、マイクロ波の交流電界と自ら整列しようとして回転することを意味している。回転する分子は他の分子とぶつかり、これらを運動させ、したがってエネルギーを分散させる。固体及び液体中において分子の振動として(すなわち、原子のポテンシャルエネルギー及び運動エネルギーの両方として)分散されるとき、このエネルギーは熱である。したがって体積加熱は、従来的な加熱方法とは異なり、これは熱交換器を必要とせずに、エネルギーが、液体の分子に直接伝達されることを意味する。

しかしながら、マイクロ波加熱装置は多くの場合、複雑な装置であり、また高価であることが多い。マイクロ波加熱装置は例えば、高電圧電源、一般的には単純な変圧器、又は電力変換器を含むことがあり、これはマグネトロン、マグネトロンに接続された高電圧コンデンサへとエネルギーを伝達する。装置はマグネトロン自体を必要とし、これは高電圧の電気エネルギーをマイクロ波放射へと変換し、かつまた、マグネトロン制御回路(通常、マイクロコントローラを備える)を必要とする。更に、導波管(マイクロ波の方向を制御する)、及び調理チャンバ(一般的に導電性材料から形成され、マイクロ波が調理チャンバから逃れるのを防ぐために、ファラデーケージと同様に構成される)が、重要な部分である。

電子レンジなどのマイクロ波加熱装置は、顧客に対し比較的低価格で市販されているが、飲料又は食品調製装置における用途は、技術的及び安全性要件のために、またこのような用途のためのスペースが必要とされるために、複雑であることが多い。

次に、一般的に比較的単純な飲料又は食品調製装置の費用は、このようなマイクロ波加熱装置の使用により、劇的に増加する。

したがって、例えば、飲食サービスの環境において、容易かつ安全に使用され得、液体の加熱を必要とする飲料又は食品調製マシンにおいて容易に実行され得る、マイクロ波加熱装置の代替物を提供することが本発明の目的である。また、本発明の加熱装置の用途に必要なスペースは、既知の加熱装置よりもはるかに小さい。

本発明は、独立請求項において特許請求される、これらの問題に対する解決法を提供する。本発明の更なる有益な態様は、従属請求項に従う。

一態様において、本発明は、放射源であり、好ましくは、赤外及び/又は紫外スペクトルの電磁放射線を放出し、放射源を少なくとも部分的に囲む液体にエネルギーを伝達するように設計された放射源と、液体導管と、放射スペクトルの電磁放射線に対して本質的に透過性であり、放射源を液体から電気的及び/又は熱的に分離するように設計された分離手段とを含む、飲料調製マシンのための体積加熱装置を提供する。

体積加熱装置は、分離手段に対して液体を選択的に供給して分離手段を液体内に少なくとも部分的に浸漬するように構成されている。

液体は好ましくは水である。分離手段は、ガラス、好ましくは石英ガラス、又は硼珪酸ガラスであり得る。

放射源は、フィラメント、好ましくは蛇行フィラメント及び/又は螺旋状フィラメント、例えば、螺旋状構造に巻かれたワイヤーを含んでもよい。

螺旋状構造は、単純な螺旋、二重螺旋、又はより多くの螺旋であってもよい。

フィラメントは好ましくは、本質的に線形、V字型、三角形、矩形、星形、又は蛇行形状の断面輪郭、特に多角形の断面輪郭を呈してもよい。フィラメントは好ましくは、ストライプ、好ましくは金属製ストライプである。

体積加熱装置は、液体を特定の厚さの膜で分離手段に供給するように構成され得る。

膜の厚さは、液体により吸収されるエネルギーの割合により決定され、吸収されるエネルギーの割合は97%〜99%であり得る。

膜の厚さは、0.5〜6mm、好ましくは1〜4mm、より好ましくは1〜2mmであり得る。

フィラメントは、約5〜10W/cm²の真空内に閉じ込められたときに^、cm²当たりの放出電力(物理的には輝度)を供給することができる。

放射源、及び分離手段は、被覆手段により少なくとも部分的に囲まれることができ、被覆手段は、分離手段に対し特定の距離で配置されている。被覆手段は、放射源に露出される膜の厚さを規定するように設計され得る。被覆手段は、液体導管を少なくとも部分的に形成することができる。

加熱装置は、放射源を通り過ぎて液体を搬送するように構成され得る。加熱装置は更に、放射源を通り過ぎて液体を搬送するための、ポンプ及び/又は液体流洛要素構成を含み得る。加熱装置は、フロースルー加熱装置であり得る。液体を加熱するために加熱装置内に設けられる容積、好ましくは被覆手段と分離手段との間の容積は、5〜15mL、好ましくは7〜13mL、又は10mLであり得る。これはまた、液体が案内手段を通過するときに、液体を回転運動させる、案内手段を含み得る。特に、案内手段は、案内手段を通過する液体の回転運動を生じさせるように構成されている。

別の態様において、本発明は、赤外スペクトルの電磁放射線を放出するように設計された放射源と、放射源に電気エネルギーを供給するように適合された電気接続手段であって、放射源はフィラメント、好ましくは金属製ストライプを含み、蛇行フィラメントの断面輪郭は好ましくは、本質的に、線形、V字型、三角形、矩形、星形、又は蛇行形状、特に多角形の形状である、電気接続手段と、放出される赤外スペクトルの電磁放射線に対して本質的に透過性であり、放射線を電気的に分離し、特に放射源を少なくとも部分的に囲むように設計されている、分離手段とを含む、ランプを提供する。

ランプは、中空部分を含む場合があり、中空部分は、少なくとも1つの液体の通過を可能にするように構成されている。

更に別の態様において、本発明は、上記の体積加熱装置、及び/又は上記のランプを含む、温かい飲料又は食品、特に紅茶又はコーヒーを供するように構成された飲料又は食品調製マシンを提供する。

本発明はまた、ここで図面を参照して記載される。具体的に、

体積加熱装置の基本セットアップを示す。

フィラメントの断面輪郭の基本的な例を示している。

フィラメントの断面輪郭の基本的な例を示している。

フィラメントの断面輪郭の基本的な例を示している。

フィラメントの断面輪郭の基本的な例を示している。

フィラメントの断面輪郭の基本的な例を示している。

フィラメントの断面輪郭の基本的な例を示している。

フィラメントの断面輪郭の基本的な例を示している。

フィラメントの断面輪郭の基本的な例を示している。

フィラメントの断面輪郭の基本的な例を示している。

フィラメントの断面輪郭の基本的な例を示している。

フィラメントの断面輪郭の基本的な例を示している。

フィラメントの断面輪郭の基本的な例を示している。

本発明による代表的な放射源を示す。

は、代表的なフィラメント構成を示す。

は、本発明による放射源の更なる例を示す。

図5の更なる放射源の概略側面図を示す。

体積加熱装置の例を示す。

体積加熱装置の別の例を示す。

体積加熱装置の構成例を示す。

体積加熱装置の構成例を示す。

体積加熱装置の構成例を示す。

体積加熱装置の構成例を示す。

体積加熱装置の更なる構成例を示す。

体積加熱装置の更なる構成例を示す。

体積加熱装置と、熱交換器を備える従来的な加熱装置との違いを詳細に表わす図を示す。

図5の本発明による放射源の更なる例をより詳細に示す。

特定の実施形態(外側コーム)の詳細を示している。

特定の実施形態(外側コーム)の詳細を示している。

特定の実施形態(内側コーム)の詳細を示している。

特定の実施形態(内側コーム)の詳細を示している。

放射源の構成例を示す。

分離手段の例を示す。

放射源と分離手段との組み合わせを概略的に示す。

放射源と分離手段とを既に組み合わせた状態を概略的に示す。

液体流洛構成の例を示す。

本発明による体積加熱装置を示す。

本発明による体積加熱装置を示す。

本発明による体積加熱装置を示す。

本発明の重要な態様は、あるスペクトル(例えば、ヒトの眼に対して可視であるスペクトル領域)において透明に見える液体、特に水は、別のスペクトルにおいては透明でないことがあるということである。特に、加熱される液体は、他のスペクトルにおいては本質的に黒体であり得る。本発明はこの原理を使用して、加熱される液体が、本質的に黒体に見えるスペクトルでエネルギーを放出する放射源を提供し、結果とて、エネルギーが液体によりほぼ完全に吸収されるようにする。例えば、水はヒトの眼に可視であるスペクトル領域において透明であり、よってこのスペクトル領域外の放射線を効果的に使用して、水に対し、特にこれを加熱するためにエネルギーを伝達することができる。

上記のように、本発明による体積加熱装置の原理は、体積加熱装置が放射源を含むことであり、これは、電源に接続されているときに、ある特定のスペクトルでエネルギーを放出又は放射し、このエネルギーを、エネルギーが放射スペクトルにおいて本質的に黒体を構成する液体に対して、伝達する。

図1は、本発明の非常に基本的な概略図を示し、これは、液体3への矢印で示されるエネルギー2を放出する、放射体1を示す。

加熱されるべき液体3から放射源1を隔離又は分離するために、本発明はまた、分離手段4を含む。分離手段4は、放射されるエネルギー2に対して本質的に透過性であり、すなわち、エネルギー及び/又は光が放射スペクトル又はスペクトル領域において透過性である。

本発明により、加熱される液体が分離手段に直接適用され、よって体積加熱装置の動作中、分離手段は、加熱される液体中に少なくとも部分的に浸漬され得る。

問題に対して費用効果の高い解決法を提供するため、本発明は好ましくは電磁波の赤外スペクトラムの光を使用する。

以下において、用語「赤外光」(IR)は、このスペクトルのエネルギーの放出と、同義語として使用される。しかしながら、上記のように、エネルギーを液体に伝達するため、別のスペクトルの放出、すなわち、異なる波長のエネルギーを使用することができる。紫外スペクトルにおける液体(例えば、水)の吸収率は、より高いことがある。したがってまた、紫外(UV)光が、本発明によって使用され得る。しかしながらこれらは、IR光源と比較してより高価であるために、本文書の他所においてこれ以上詳細に記載されることはない。赤外線放射体の部品は市販されており、比較的低費用で得られることは特に有利である。更に、本発明はまた食品調製マシンにも関するが、以下においては、飲料調製マシンという用語のみが使用される。特に、本発明により使用される電磁放射は好ましくは、2.2μm以上の波長を中心とする。

また、体積加熱の使用は、液体の加熱時間がはるかに短くなるために、上記の従来的な加熱方法(例えば、熱交換器を必要とする)よりも有益である。放射源により放出されるエネルギーは、液体(例えば、水)により直接吸収される。これはまた、加熱装置のいずれの部分も、加熱液体の温度よりも高い温度まで加熱されないため、全体的な効率性を向上させる。

これはまた、特に水が加熱されるときに、加熱装置内のカルシウム残留物を低減することに繋がるが、これは典型的にカルシウムの沈殿の殆どが(従来的な)加熱装置の最も高温の部分、すなわち加熱液体よりも高温の部分で生じるためである。体積加熱は、液体中における均一な温度をもたらすため、カルシウムは加熱された体積全体にわたって顕れる。これは、提示される体積加熱装置(体積加熱セルを含む)には、液体自体よりも高温の部分が存在しないという事実による。カルシウムはその後、好ましくは、液体が加熱される領域の外へと、液体と共に移送され得る。

これは特に、フィラメント(およそ1000°K)が、分離手段から熱的に分離される場合に特に該当する。このような熱分離を達成するために最も効果的な方法は、フィラメントを含む分離手段の排気である。このようにして、IR放射/放出に対して透過性な、分離手段の分離壁部は、この収容部内側の熱伝導ガスにより加熱され得ない。これはまた、液体への熱エネルギー、及び液体単独を搬送するために有益である。

熱伝導のなんらかの寄与により、分離手段壁部も加熱する効果を生じ、よってカルシウムの沈殿を生じ得る。当然、使用時間が短ければ(意図される目的のために、数十秒、例えば1〜10秒の時間)、分離手段壁部が加熱するだけの時間はない。しかし、使用時間がより長い(又は連続的な)他の用途において、真空分離は不利であり得る。

体積加熱装置がフロースルー加熱装置である場合、カルシウムは、液体の流れによって体積加熱装置の外に移送され得る。カルシウムはその後、後の工程において濾過され得る。飲料生成プロセスにおいて、カプセルを使用する飲料調製マシンの場合、カルシウムは、液体が通過するカプセル内に残る残留物により濾過され得る。

この発明はまた、赤外線放射源、又はIRランプ構成に対する、低費用な設計代替物を提供する。特に、本用途において使用される赤外線ランプの放射源は、飲料調製マシンにおいて使用するために特に効率的であるように調節された特定の設計を示し得る。

加熱装置を設計するための1つの重要なパラメータは、例えば水などの、加熱される液体の最大吸収率と適合するべきである、放射源の最大放射である。特に、好ましくはガラスである、分離手段内に配置されるフィラメントである放射源はしたがって、約2.2μmの波長の範囲内で放出するように設計され、これはフィラメントが約1300℃の温度まで加熱されることを必要とする。この関係は、ウィーンの法則によって決定される。

よく適合する放出スペクトルに関して考慮すべき第2の制約は、ステファンボルツマンの法則により生じ、これは、必要なピーク波長を放出/放射するために必要な単位電力当たりの放出表面は、温度の4乗の逆数と共に増加することを示している。

また、フィラメント表面は、真空内に閉じ込められたときに、cm²当たり、限られた放出電力(輝度)を有する。この限界に達するか、又はこれを超えたとき、スパッタリングが生じ体積加熱装置の実用時間が低減し得る。スパッタリング限界は、フィラメント材料の選択によって、及び分離手段内における残留ガス圧によって生じる。より高いガス圧は、より高いスパッタリング限界を生じるが、これは、最終的にカルシウムの堆積を生じ得る、高温フィラメントと分離手段壁部との間の熱伝導のリスクの増加を伴う。

これは、2.2μm波長領域において、およそ1〜2kWの電力が放出されるとき、およそ177cm²のフィラメント表面が必要とされることを意味する。したがって本発明は、小型ランプ容積内に最大フィラメント表面が設けられる、体積加熱装置を提供することを目的とする。

水の場合、吸収係数は、cm当たりおよそ10⁻⁴〜10⁻³である。これは、放射源を囲む厚さ約0.5〜5mm、好ましくは1〜約2mmの水膜が、放出されるエネルギーの99%超を吸収するのに十分であることを意味する。体積加熱装置はしたがって、好ましくは、分離手段により、加熱される液体から分離された中央位置に配置される、放射源を備える、フロースルー加熱装置である。

本発明の装置には、熱交換の等式が適用され、温度差は、入力加熱電力及び流量のみに依存する。よってこれは、容積とは無関係である。しかしながら、低温で開始される際に必要とされる時間は、加熱器の容積及び加熱器の電力に依存する。約1250W(ワット)である、飲料調製マシンの従来的な加熱器の電力、及び水の特定の熱容量(4.19J/gK)を使用し、加熱時間t_huを決定するために以下の式が使用され得る。

上記の式において、t_huは加熱時間を表し、c_Wは、水の特定の熱容量を表し、w_Wは、加熱される水の体積を表し、70℃は、水が加熱される温度を表わす。分母の1250Wは、加熱に使用される電力を表わす。

他方で、所与の流量、及び温度差により、加熱器電力が計算され得る。

この式において、T_Oは、出力温度を表し、T₀は、21℃の周囲温度を表し、1250Wはここでも加熱装置/電源の電力を表わし、f_Wは流量を表し、c_Wはここでも水の特定の温度/熱容量を表している。この場合、流量は、およそ5g/秒である。見てわかるように、出力温度は約75〜85℃、特に約81℃(例えば、80.66℃)である。

当然、本発明は、1〜2kWの範囲に決して限定されない。特定の用途において、より高い電力(例えば、5〜10kW、及び特に8kW〜12kW)が必要とされ得る。これは、例えば、短い加熱時間が重要であり、流量が、例えば、5mL/秒、又は5g/秒より高い用途の場合に該当する。例えば、同じ体積加熱装置は、シャワー、又は同様の洗浄用途にとって有用な20℃〜60℃に液体を加熱するため、およそ50mL/秒の流量、及び8kWで使用することができる。

この結果は、加熱される体積とは無関係である。したがって、加熱は、流量及び温度差とは無関係に最適化され得る。一般的に、加熱される容量がより小さいと、加熱時間はより短くなる。安定的な流れ状態において出力温度は、選択される容積に影響されない。

赤外光による体積加熱を使用するとき、液体、特に水の高い吸収係数は、加熱装置の非常に小型の設計を可能にし、加熱される体積は約10mLまで低減させることができる。これは、5〜7秒、好ましくは3秒の低温開始時間を可能とする。

既に記載されたように、本発明の一態様は、放射源として使用されるフィラメントの新しい構造を提供することに関する。

液体の体積加熱に必要な大きな表面積を達成するため、本発明は、好ましくは高い電気抵抗を有する金属から形成された、折りたたまれた、又は平坦なストリップの構成を提示する。この「ストライプフィラメント」は、従来的なワイヤーベースのフィラメントよりもエネルギー放出に適している。特に、ストリップは、高放出表面をもたらすために、本質的に蛇行した、又は多角形の断面輪郭を示すように構成され得る。

断面輪郭の例が図2a〜2kに示される。当然、他の構成も可能である。特に、代表的な断面輪郭は、フィラメントを電源に接続するために必要な電気接続手段などの詳細、並びに断面と本質的に垂直な軸に沿ったフィラメントの空間的構成を無視して示されている。

一般的に、ストライプフィラメント構成として構成された放射源は、ワイヤーベースのフィラメント(螺旋状にワイヤーが巻きつけられている)を使用した標準的な手法と比較した場合に、同じ容積内にはるかに大きなフィラメント表面を取り入れることができる。

ストライプフィラメント31を使用する、本発明による放射源30の一例は、図3に示される。見てわかるように、フィラメント31は、本質的に、図2j及び2lに示される代表的な断面輪郭と同様の、星形の断面輪郭を有している。図3はまた、フィラメント31に電気エネルギーを供給するように適合された電気接続手段32、33を示す。

図3に示されるフィラメント31は、内側及び外側にエネルギーを放射するように設計されている。フィラメント31のオーム抵抗を、例えば、220V配電線に供給する電源(図示されない)に適合させるため、有利なことに蛇行した形状の断面輪郭が提供される(例えば、図2lに示される)。

比較して、放射源40が図4に示され、フィラメント41、42は、より従来的な巻線構造に基いている。ここでは、ワイヤーは二重螺旋を形成するように巻かれており、これは螺旋状に巻かれたワイヤー41が、ここでも、第2螺旋構造42を形成するために使用されていることを意味する。しかしながら、より多くの螺旋も既知であり、高いフィラメント表面を得るためにフィラメントとして使用される。放出表面40を電源に直接、又は間接的に接続するために使用される、電気接続手段44、45もまた示される。

当然、放射源はまた、双方の手法の組み合わせを示すように構成され得る。例えば、図5は、螺旋構造に巻かれたストライプ形状のフィラメント51を有する、放射源50の別の形態を示している。電気接続手段52も示されている。この放射源は本質的に、図2kに示される断面輪郭を示している。

図6は、図5に示される放射源の側面図を示しており、ここでは放射源60は螺旋構造に巻かれた、ストライプ形状のフィラメント61を示している。電気接続手段62、63も示されている。

しかしながら、フィラメントの自己照射に関する一般的な問題が存在する。自己照射とは、放出されるエネルギーの一部が外側(すなわち、加熱される液体の方)に放出されず、フィラメントの他の部分(例えば、隣接する巻線又は表面の方)に放出されることを意味する。

これは、フィラメントの一部が、予測又は計算されるよりも高い温度まで加熱され、したがって放射表面が予想外の挙動を示し得る、という効果を有する。体積加熱の場合、この効果は不利である。

状況を改善するため、フィラメントは、管を通じて搬送される液体を加熱するために例えば、ガラス、特に石英ガラスから形成される、分離手段として機能する、中央パイプを囲むように構成され得る。図7及び8は、体積加熱セルの構成についての2つの例を示す。

図7は、電気接続手段72、73により電源に接続された放射源71が加熱される液体74、例えば、水などの体積によって囲まれる、体積加熱装置70を示している。

液体74は、入口75を通じて、体積加熱装置に入る。液体はその後放射源71の周囲から、出口76へと搬送される。当然、液体はまた、反対方向に搬送されてもよく、この場合入口75は出口として機能し、出口76は入口として機能する。

液体が搬送されるときの体積及び速度は、体積加熱装置から出る液体が特定の所望の温度をもたらすような形で、決定される。

図7において、放射源は、分離手段77により液体から分離される。図7はまた、被覆手段78を使用して、放射源71に沿って液体を案内することを示している。

フィラメントの自己照射の問題を低減するため、図7の設計は、図8に示される体積加熱装置80の設計へと変更することができる。

ここで、放射源81が加熱される液体82によって囲まれるのみではなく、液体82もまた、放射源81及び分離手段85によりそれぞれ提供される中空部分を通じて搬送される。特に、液体82は、入口83を通じて体積加熱装置80に入り、放射源81の周囲から、出口84へと搬送される。当然、液体はまた、反対方向に搬送されてもよく、この場合入口83は出口として機能し、出口84は入口として機能する。図8においてはまた、反射性変位本体87が示される。

液体が搬送されるときの体積及び速度は、体積加熱装置から出る液体が特定の所望の温度をもたらすような形で、決定される。

図8において、放射源は、分離手段85により液体から分離される。図8はまた、被覆手段86を使用して、放射源81に沿って液体を案内することを示している。電気接続手段は示されない。

体積加熱装置の効率性は、例えば、放射源の方向を向く被覆手段の壁部が、例えば、ミラー材料などの、反射性材料から作製される場合、更に向上し得る。

重要な態様は、体積加熱装置の合計体積が、3つの部分からなることである:1)外側体積、2)遷移領域、及び3)内側体積。

これらの体積の配分に関して、2つの態様に言及する:1つ目は、「最高効率」のための体積加熱装置構成に関し、2つ目は最短の「低温開始」時間のための構成に関する(当然、これはまた、前者に対する影響を有する)。

「最高効率」のため、好ましい設定は、内側体積(例えば、分離手段85と反射性変位本体87との間の体積)からの高温出口を有し、よって外側に放射される熱損失を防ぐことである。これは、例えば、高温に達することが決してないように構成され得る、体積加熱装置の外側分離のための要件を低減する(又は完全に排除する)ことができる。これはまた、個人の安全性を考慮した際に有利であり得る(高温部分によって人が怪我をするリスクがない)。例えば、被覆手段において、外側からの低温の入口を設けるため、又は分離手段85と被覆手段86との間に体積を供給するための別の議論は、体積加熱装置を封止するために、エポキシ樹脂が使用できる場合についてである。この構成において、接着剤は、低温液体によって効率的に冷却されることが保証される。

例えば図8におけるような構成を考慮し、フィラメントの放出されたエネルギーの半分が、内側に、残りの半分が外側に向かうものと想定することができる。これは当然、厳密に当てはまるのではなく、近似として機能し得る。液体で充填された体積加熱装置が「低温開始」サイクルを行う場合、高温出口における液体が標的温度に到達するまでの時間は、内側体積のみに依存する。

この事実は、内側体積を可能な限り小さくすることによって、この特徴を別個に最適化することを可能にする。これを達成するための手段は、反射性変位本体87によるものである。例えば、合計体積が約13mLであり、内側体積が約3mLまで低減されると、低温開始時間は、大幅に低減する。1250ワットで13mLを加熱するのにかかる時間は約3秒にすぎず、3mLを600ワットで加熱するのには1.5秒未満である。

更に、安定的な流れ状態において、出力温度は流量のみに依存するために、何も変化しない。

小さな内側体積を有するということは、安定的な流れ条件(すなわち、安定的な流れ状態)において、単位体積の液体が、内側体積をより迅速に移動し、よって遷移領域において加速される。体積加熱装置の体積のこの配分により、遷移領域は、可能な限り小さくあるべきであり(加熱に影響しない)、液体の流れを加速させるために使用されるべきであることを付言すべきである。

実際的な要件は、部品の公差により生じ、関連する部品の直径の公差は、水膜の厚さと危険なほどに近い場合がある。したがって、例えば、体積加熱装置の主軸周囲に、液体の回転運動をもたらすことは有利であり、これは、フィラメントにより放出される電力、及び被覆手段直径及び壁部厚さの寸法ばらつきなど、あらゆる種類の不均一性又は公差を解消する効果を有する。

図9a〜9dは、本発明による加熱装置の構成例を示す。図9a〜9dは全て、分離手段内の、螺旋状に巻かれたフィラメント92、92’、92’’、92’’’を概略的に示しているが、フィラメントは上記のように異なる形状であり得ることが理解されるべきである。

図9a〜9dにおいて、実線の矢印は、放射源90、90’、90’’、90’’’に沿った液体の可能な流れを示している。図9〜9dでは、点線及び破線の矢印により、代表的な別の流れ方向が示されている。

図9aの場合において、液体は、分離手段91によって液体から分離される、放射源90の外側表面に沿って流れている。

図9bは、図9aの構成に対する代替を示し、液体はフィラメント92’を含む放射源90’の分離手段表面91’に沿って、また放射源90’内に形成される中空部分93’を通じて通過する。当然中空部分93’においてもまた、放射源は、分離手段91’と同じ材料で作製されていても、されていなくてもよく、分離手段によって液体から分離される。

上記のように、実線の矢印は、放射源90’に沿って液体がとる可能性のある方向を示し、一方点線及び破線の矢印は、液体がとる別の方向を表している。特に、液体は、分離手段91’によって形成される外側表面に沿って/放射源90’の中空部分93’を通じて、一方向に搬送され得る一方で、中空部分93’を通じて、/放射源90’の分離手段91’により形成される外側表面に沿って、反対方向へと搬送され得る。特に、被覆手段94’’は、液体を偏向させる、及び/又は液体の搬送方向を変更するために使用されてもよい。

図9cは、液体が、分離手段91’’により形成される放射源90’’の外側表面に沿ってのみ搬送される、更なる代替を示す。放射源90’’は、分離手段91’’により液体から分離されるが、被覆手段94’’内を通過する。したがって、加熱される液体の体積95’’は、被覆手段94’’の分離手段91’’に対する距離により画定される。

図9dは、液体が、中空部分93’’’を通じ、並びに放射源90’’’の分離手段91’’’により形成される外側表面に沿って通過する、構成を示している。図9dの放射源90’’’はまた、放射源90’’’を少なくとも部分的に囲む、被覆手段94’’’を示している。

上記のように、実線の矢印は、放射源90’に沿って液体がとる可能性のある方向を示し、一方点線及び破線の矢印は、液体の方向がとる別の経路を示している。特に、液体は、分離手段91’’’によって形成される外側表面に沿って/放射源90’’’の中空部分93’’’を通じて、一方向に搬送され得る一方で、中空部分93’’’を通じて、/分離手段91’’’により形成される外側表面に沿って、反対方向へと搬送され得る。特に、被覆手段94’’’は、液体を偏向させる、及び液体の搬送方向を変更するために使用されてもよい。

また、液体は、分離手段91’’’により形成された放射源90’’’の外側表面に沿ってのみ搬送され、この分離手段91’’’はまた、液体を放射源90’’’から、被覆手段94’’’の内側に分離する。被覆手段94’’’と分離手段91’’’により形成される放射源90’’’の外側表面との間で加熱される液体の体積95’’’は、被覆手段94’’’の分離手段91’’’に対する距離により画定される。

当然、図9a〜9dの全ての構成は、体積加熱装置が構成され得る方法を概略的に示しているにすぎない。一般的に、液体の流れは自由に設計することができるが、例えば図8を参照し、被覆手段86と分離手段85との間で、体積加熱セルの外側に流れる低温液体を、例えばやはり図8を参照し、分離手段85と反射性変位本体87との間で、体積加熱セルの内側に加熱液体を維持することが好ましい。

図9a及び9bに示される構成に対応する、放射源の星形断面輪郭を備える構成が図10a及び10bに示され、放射源100、100’が示される。フィラメント101,101’もまた、星形の断面輪郭を備えている。

フィラメント101、101’は、液体が通過し得る外側表面に沿った、分離手段102、102’により囲まれている。電気接続手段103、104、103’、104’もまた示されている。

図10bの構成は、図9bの構成に対応しており、フィラメント102’は、外側分離手段101’によって囲まれている。また同様に、フィラメントを電源に電気的に接続するための、接続手段103’、104’が示されている。この構成はまた、内側分離手段106’により放射源/フィラメントから分離される、中空部分105’を示す。当然、分離手段101’、106’は、1つの材料、又は1つの部品により一体的に形成される必要はなく、いくつかの部品からなってもよく、またこれらの部品は異なる材料から形成されてもよい。しかしながら、材料は、放出されるエネルギーに対して本質的に透過性、又は半透過性であるべきである。

図11は、熱交換器を備える従来的な加熱装置(下部)と比較した、体積加熱装置(上部)の利益を示している。水は液体例として使用される。見てわかるように、加熱時間ははるかに短い。水を約91℃の温度まで加熱するための加熱時間(加熱される体積が充填(空洞充填)された後)は、過剰な温度(従来的な加熱装置の図を参照)が生成されないために短縮される。特に、熱交換器は、液体を加熱して所望の温度を達成するために、液体よりも高い温度に加熱される必要がない。

したがって、体積加熱装置の全体的電力消費は、従来的な加熱装置により要求される電力よりもはるかに低い。特に、体積加熱装置の温度は、熱交換器を使用する従来的な加熱装置に関連する指数関数的温度曲線と対照的に、直線的に上昇する。

要約すると、本発明は、液体が好ましくは、全ての側面から放射源を囲み、よって好ましくは放出される放射線を全体的に吸収するために、小さな体積の放射源における最大フィラメント表面をもたらすことを可能にし、かつまた放射源に対し加熱される液体を効果的に供給することを可能にする。

放射源の効率性は、反射性材料を被覆手段に適用することによって向上させることができる。また中空部分において、反射性手段は、例えば、中空部分を通じて延び、好ましくは、分離手段/放射源の断面輪郭に従う断面輪郭を有する、ロッド又はチューブ上に配置されてもよい。

有利なことに、本発明の放射源は、飲料調製マシン内に配置され、分離手段を含む中央ランプとして形成され、加熱される液体に浸漬される。ランプは、加熱される液体が通過/搬送される中空部分/孔をもたらすことができる。大きな放射源をもたらすように、フィラメントは、螺旋状に巻かれた1本のワイヤーであってもよいが、また多数の螺旋状構造が使用されてもよく、例えば、多くのワイヤーが螺旋方式に巻かれて使用されてもよい(例えば、二重螺旋、又はより多くの螺旋)。当然、放射源は、平坦な金属シートからフィラメント形状として形成され得る。また、本明細書において記載されるフィラメントの組み合わせをランプ内で使用して、ランプの効率性を更に向上させることができる。

液体は、ポンプによって、又は他のいずれかの液体質量移動手段のいずれかによって搬送され得る。

本発明の特定の実施形態はここで、図5に示される実施形態から離れて記載され、図12においてより詳細に説明される。

図12はまた、螺旋構造に巻かれたストライプ形状のフィラメント121を有する、放射源120の別の形態を示している。フィラメント121は好ましくは、30〜50mmの直径、及びより好ましくは40mmの直径を有し、フィラメントの巻線は、1.5〜3.5mm、好ましくは2.5mmのピッチで配置されている。

フィラメント121は、約160〜180cm²の表面、好ましくは約170又は171cm²の表面を示す。一例において、本発明はバイファイラーフィラメントを示す。例えば、230Vの電源を使用するときの、フィラメントの電力定格は、約1.15kW〜1.25kWの範囲、好ましくは1.25kWである。好ましくはフィラメントは、良好な形状安定性、及び耐用寿命を有する、Kanthal AE、フェライト鉄クロムアルミ合金(FeCrAl合金)で形成される。最大1300℃の温度で使用するのに好適であり、特に0.05〜0.15mm、特に0.1mmの幅を有する。

電気接続手段122もまた示されている。図12はまた、フィラメント121の巻線を適所に保持し、フィラメント巻線の間の所望のスペースを維持するために、フィラメント121の巻線を収容するために使用される、少なくとも外側構造を示す。

外側構造はその設計のために「外側コーム」123と称される。外側コーム123は、一方の側においてブリッジプレート124に取り付けられ、基部プレート125に接続されてもよい。ブリッジプレート124は、好ましくはステンレススチールで形成され、点溶接によってフィラメントに接続される。ブリッジプレートの好ましい材料厚さは、0.2〜0.4mm、好ましくは0.3mmである。バイファイラー構成において、フィラメント121は実際には、2つのフィラメント部分で形成され得る。再び図6を参照し、第1フィラメント部分は第1電気接続手段62に接続され、第2フィラメントは、第2電気接続手段63に接続される。双方のフィラメント部分はその後ブリッジプレート124へと延び、これはフィラメント部分の間に導電性接続を形成する。

外側コーム122の側面図が図13aに示され、図13bは、2つの接続された外側コーム123を備えるブリッジプレート124を示す。本質的に図13bに示される構成は、基部プレート125、フィラメント121、及び電気接続手段122が取り除かれた後の、図12の構成に対応している。

外側コームは好ましくは非導電性材料、例えば、セラミック材料から形成され、0.5〜1.1mm、好ましくは0.8mmの材料厚さを示す。外側コームは、0.40〜0.50mm、好ましくは0.45mmの幅を備える複数の歯を提供する。歯は、互いに1.95〜2.15mm、好ましくは2.05mm離間し得る。当然、例えば、フィラメントの安定性を向上させるために、3つ以上の内側コームが設けられてもよい。内側コームは、スナップ嵌め接続/コネクタによってブリッジプレートに取り付けられてもよい。

図12にはまた、はっきりとは見えないが、少なくとも内側構造が存在しており、フィラメント121の巻線を適所に保持し、フィラメント巻線の間の所望のスペースを維持するために、フィラメント121の巻線を収容するために使用される。この内側構造は、その形状から、以降においては「内側コーム」と称される。

内側コーム126の側面図が図14aに示され、図14bは、2つの接続された外側コーム126を備える基部プレート125を示す。本質的に、図14bに示される構成は、基部プレート124、フィラメント121、及び外側コーム123が取り除かれた後の、図12の構成に対応している。

また、電気接続手段122は、内側コーム126に接続されていることが示される。内側コームは好ましくは非導電性材料、例えば、セラミック材料から形成され、0.5〜1.1mm、好ましくは0.8mmの材料厚さを示す。内側コームは、0.40〜0.50mm、好ましくは0.45mmの幅を備える複数の歯を提供する。歯は、互いに1.95〜2.15mm、好ましくは2.05mm離間し得る。当然、例えば、フィラメントの安定性を向上させるために、3つ以上の内側コームが設けられてもよい。基部プレート125は好ましくは、アルミニウム酸化物で形成される。好ましくは基部プレートの材料厚さは、1〜3mm、好ましくは2mmである。

図15は、図12の構成の別の図を示しており、左側は、螺旋構造に巻かれたストライプ形状のフィラメント121を備える、放射源120を示している。また、外側コーム123、ブリッジプレート124、基部プレート125、及び内側コーム126が示されている。追加的に、フィラメント121がブリッジプレート124に接続される、接続点127が示されている。また、放射源120の中空部分128が明確に可視である。

図15の右側は、同様の図を示し、同じ特徴部は左側の図と同じ参照記号により示されている。フィラメント121は、内側構成のよりよい理解を可能にするために示されていない。更に、反射性変位本体129が示され、これは以下でより詳細に説明される。内側コーム123、基部プレート125、及び外側コーム126はまた、セラミック材料で形成され得る。

図16はここで、好ましくはガラス、特に石英ガラス、硼珪酸ガラス、及び/又は「ガラスセラミック」材料から形成され、放射源及び特にフィラメントを液体から電気的に分離する、分離手段160を示す。分離手段160は特に、外側表面161、162、加えて中空部分163をもたらす。

図17はここでは、放射源120が分離手段160へと移動される様子を示している。

特に、放射源120の中空部分128は、放射源120の中空部分128が分離手段160の中空部分163を収容するように、分離手段内において動かされる。組み合わせた後、分離手段160は、フィラメント121の内側及び外側を囲む。特に基部プレート125は、分離手段160により画定されたチャンバ164を本質的に密封する。エポキシ接着剤によって封止が設けられてもよく、これは特に、封止される部品を効果的に冷却する、低温液体の入口として外側入口が使用される際に、好ましい。

これは、放射源120及び分離手段160を組み合わせた後の、組み合わせた装置180を示している図18からより明らかである。チャンバ164はここでは、基部プレート125により封止され、分離手段160の外側表面161、162は、組み合わされた装置180の外側表面を形成しているが、基部プレート125により形成される表面は除外される。

上記により概説されたように、液体は分離手段160の表面161、162に沿って搬送される。したがって、体積加熱装置は、液体を移動させる装置を含み得る。体積加熱装置はしたがって、持ち上げ、変位、及び重力により液体を移動させるために使用されるポンプをもたらすことができる。

追加的に、体積加熱装置は、第1外側表面161から第2外側表面162へと、又はその逆に、液体を導くために使用される液体流洛構成を含む場合がある。体積加熱装置はしたがって、体積加熱装置の液体入口から液体出口への液体の搬送をもたらす。液体搬送はこれにより、少なくとも部分的に、液体流洛構成によって構成される。

このような液体流洛構成190の例は、図19に示される。この構成は、流洛要素又は案内手段191を含み、これは剛性又は可撓性材料から形成され得、図19に示されるように、本質的に「扇型」であり得る。好ましくは、案内手段は、シリコーンラバーから形成される。案内手段191は、図16に示される分離手段160の中空部分163に配置されるように適合される、反射性変位本体192に接続される。案内手段はしたがって、一実施形態において、ブレード194を備えるブレード構成を示している。案内手段191は特に、遷移区域における液体の流れを加速させ、公差を調節するためにこれに捻れを加えるように機能する。特に、案内手段191は、液体が案内手段191を通過するときに、液体を回転運動させるように設計される。案内手段191はしたがって、好ましくは、上記に概説されるように、体積加熱装置の主要対称軸を中心に液体を回転させるために設けられる。

反射性変位本体129として、図15にも示される反射性変位本体192の表面193は、好ましくは反射性であり、例えば、放出されたエネルギーを反射する材料により形成される。反射性変位本体192の表面193は好ましくは研磨され、特に合金、例えば、アルミニウム合金(例えば、AlMgSi)で形成されている。また、分離手段160の中空部分163内に配置されるとき、液体の通過を可能にするために、第2外側表面162と、反射性変位本体192の表面193との間に空隙が維持される。したがって、第2外側表面162と、反射性変位本体の表面193との間で搬送される液膜の厚さは、空隙の直径により規定される。

図19はまた、案内手段191及び反射性変位本体192を基部プレート125に接続するために使用される接続手段195を示している。反射性変位本体192はまた、案内手段191の、接続手段195に対する距離及び配置を規定する。

図20は、図18の組み合わせた装置180と図19の液体流洛構成190との、組み合わせ200を示す。分離手段160の第1外側表面161が示されているがまた、分離手段の、基部プレート125と反対側に配置される案内手段191と、分離手段160の中空部分163(ここでは示されない)内に配置される反射性変位本体192とが示される。組み合わせ200はまた封止部材201を提供し、これは後に、組み合わせ200が最終的に被覆手段内に配置されるときに、液体の漏れを防ぐために使用される。組み合わせ200はまた、加熱される液体の入口又は出口として機能し得る、第1供給手段202をもたらす。

図20の組み合わせ200はここで、図21の被覆手段210内に配置されるものとして示されている。反射性変位本体192は任意により、被覆手段210から突出することが示されている。また、案内手段191の一部は、被覆手段210の外側に設けられてもよい。被覆手段210の遠位端において、基部プレート125が表示され、これは封止部材(例えば、Oリング)と共に、被覆手段を封止する。被覆手段210は、非浸食性材料、好ましくは、例えばアルミニウムなどの金属(am metal)から作製される。被覆手段はまた、好ましくは、1〜3MPa(10〜30バール)、好ましくは2MPa(20バール)の圧力抵抗を示す。図21はまた、加熱される液体の入口又は出口として機能し得る、第2供給手段211を提供する。

案内手段191は、第1外側表面161から第2外側表面162へと通過する液体を方向付ける目的を有する。図19にも示される例において、案内手段191は、材料構造をもたらすように構成され、これは、分離手段160の中空部分163へと向けられる液体が、案内手段191と、反射性変位本体192の表面193との間で流れることを可能にする。

図19において、案内手段191は典型的に、被覆手段210が体積加熱装置に適用された後に、被覆手段210と適合する「ファン」ブレード194を備えている。被覆手段210を適用した後、すなわち、被覆手段210が、分離手段160の第1外側表面161に沿って、好ましくは基部プレート125まで動かされた後、案内手段191のブレード194間の空隙は、液体が分離手段160と反射性変位本体193との間の空隙に向かって流れることができる、チャネルをもたらす。実際、ブレード194が内側被覆手段表面及び分離手段160の外側表面(例えば、分離手段160の第1外側表面161)と適合すると、液体は、ブレード194が存在する場所を流れることはできず、したがってブレード194間の経路をとる。ブレード194はしたがって、液体を案内し、特に液体に対する障壁を生じる。

しかしながら、案内手段191は、別様に構成することができることが理解されるべきである。例えば、案内手段191は、好ましくは、反射性変位本体192から径方向に、又は渦巻き状に延びる、チャネル、溝、及び/又はリッジを備える、マットであり得る。チャネル及び/又は溝は、案内手段の材料厚さと同じ深さ(「切り込み」)、又はより小さい深さを有し得る。また、案内手段191は一般的に、少なくとも部分的に多孔質材料、又は水透過性材料から作製され得る。

図22はここで、被覆手段210、及び基部プレート125を備える、体積加熱装置220を示している。見てわかるように、先に記載された電気接続手段122は、電源に接続されるために基部プレートから突出している。加熱される液体を、体積加熱装置220内に、及びここから外に移送するために使用される第1供給手段202及び第2供給手段211もまた可視である。

加えて、液体温度及び/若しくは圧力(例えば、放射源により放出されるエネルギー量)を調節するため、並びに/又は液体が搬送される速度を調節するため、体積加熱装置220内に設けられるセンサー(好ましくは温度及び/又は圧力センサー)を制御ユニット(図示されない)と接続するために、リード221が設けられてもよい。