具有泵的饮料制备设备和用于控制泵的方法
技术领域
[0001] 本
发明涉及饮料制备设备，其包括联接在
流体入口和流体出口之间的
电动泵以用于将流体从所述入口泵送到所述出口，并且还包括用于实现对泵的高级控制的处理单元。
[0002] 本发明进一步涉及用于控制饮料制备设备中的泵的方法。
背景技术
[0003] 设计用于分配饮料的饮料制备设备在家庭和商业环境中均是众所周知和常见的。这些设备通常被配置用于根据需要制备冷的或热的饮料，诸如在设备包括加热单元的情况下，特别是咖啡或茶饮料，或冷冻饮品，诸如特别是软饮品或
水。在后一种情况下，该设备可配备有制冷单元。
[0004] 在该领域中常见的原理是利用容纳配料的料盒或胶囊的饮料制备，该料盒或胶囊被插入设备的专用接收装置中，并且通过将液体提供到料盒中来由该料盒或胶囊来制备饮料。因此，将预定量的液体以期望的流量和压
力提供给胶囊，以便与容纳在其中的配料相互作用，诸如，通过提取或通过冲煮。然后将所得饮料优选地直接从料盒倾倒入所提供的接收容器中。
[0005] 已知的饮料制备设备通常实现诸如图7中示意性地指示的
流体回路。因此，设备100a的供水箱10连接到泵106和流量计30，该流量计检测流经将泵106和供水箱10互连的管道的液体的流量和容积。水
过滤器20可被放置在供水源10和泵106之间的流体路径中。设备可包括加热单元，诸如布置在从泵106到接收室118的流体路径中的加热
块112，该接收室用于接收和保持容纳饮料配料的料盒40。从料盒40倾倒的液体饮料被接收在接收杯70中。如在这些设备中使用的泵通常是螺线管泵，诸如欧洲
专利申请EP 2 107 242 A1中所描述的示例。
[0006] 在诸如EP 2 107 242 A1的已知设备中，通常通过以下方式来获得对提供到容纳料盒的接收室中的液体的水流量以及因此其量的控制：基于所提供的
电流的
相位角控制装置来激活泵，并且在流量计和泵之间提供反馈回路，其能够基于已经提供到接收室的液体的流量和/或量的有效测量来调整相位角控制。
[0007] 由于对于饮料制备设备尺寸的小型化和降低制造成本的要求越来越高，所以期望减少设备中的部件数量。鉴于这些要求，寻求解决方案，该解决方案在设备的流体回路中不配备专用流量计，却能够在给定时间内实现对由设备的泵提供的流量以及因此液体容积的增强控制。因此，进一步期望提供对提供到设备的料盒的流体流量的可靠控制，以便对于所得饮料的浓度和容积保持可重现且最佳的结果。
[0008] 另外，因为以不规则方式激活泵和去激活泵可能由于泵送构件与螺线管泵的止动构件或
框架相互作用而导致令人不愉快的声音，所以期望对泵的基本均匀的激活。
[0009] 本发明提供了上述问题的解决方案，并且在
现有技术基础上提供额外的益处，如将在以下描述中显而易见的。
发明内容
[0010] 在第一方面中，本发明提出了饮料制备设备，其设计用于在将流体注入容纳配料的料盒中时制备饮料，该设备包括：
[0011] -联接在流体入口和流体出口之间的电动泵，用于将流体从所述入口泵送到所述出口，以及
[0012] -用于泵的处理单元，其适于响应于
电能来控制泵的操作，该电能具有
波形，使得泵仅在波形的整个
选定的、优选为正的半周期中被通电，
[0013] 其中处理单元被配置为根据以下方面确定泵被通电的相应选定半周期：
[0014] .基于泵的目标流量与预定最大流量的目标比率，以及
[0015] .基于对在相应的饮料制备过程期间，泵被通电的过去半周期的数量与总体半周期的数量的激活比率的计算。
[0016] 本发明基于以下认识：在设备的流体回路中没有专用流量计的情况下，处理单元可根据期望的流量相对于在电能的波形的整个每个正半周期内使泵完全通电时可获得的最大流量来设定泵的功率。可通过在部分时间内关断泵来减小泵的功率以及因此减小流量，以便仅在输送到泵的电能的波形的某些选定半周期期间使泵通电。
[0017] 本发明的设备因此使得能够控制泵以获得作为泵的预定最大流量的分数的任何期望的流量，而不管该分数是否为电能的波形的半周期的倍数。
[0018] 例如，如果需要150mL/min的流量，并且限定了泵的预定最大流量400m/L，则本发明使得能够选择泵被通电的电能的波形的半周期，尽管电能的波形不会出现作为比率150/400的倍数的半周期。
[0019] 处理单元进一步选择泵被通电的整个相应半周期，以获得泵的基本上均匀的激活。在上述具体示例中，可通过在40个半周期中将泵接通三次，每次持续5个连续半周期来获得150mL/min(150/400＝(5+5+5)/40)。然而，这将导致泵发出令人不快的声音。实际上，每当泵的
活塞撞击泵的框架时，可能会感觉到小的声音。取决于这些小声音的规律性，泵的全局声音被感觉到是不愉快的。泵接通5个半周期，然后在10个半周期期间突然关断，就是这种情况。
[0020] 然而，本发明提供了无期望流量无关的泵的基本上均匀的激活，这是由于根据在相应的饮料制备过程期间，泵被通电的过去半周期的数量与总体半周期的数量的激活比率，来选择泵被通电的半周期。
[0021] 处理单元因此优选地被配置为确定泵被通电的相应半周期，以在整个饮料制备过程中提供泵的基本上连续的激活，即防止流体流动中的强偏差和/或突发。根据该原理，该设备及其处理单元优选地不设置泵的突发火灾控制装置和相位角控制装置。
[0022] 设备的处理单元优选地被配置为不断地比较目标比率和激活比率的值。因此，优选地对电能的波形的每个相应正半周期进行比较。
[0023] 在优选的实施方案中，处理单元被配置为逐一计算电能的波形的相应半周期中的每个，无论泵在整个相应半周期内是否被通电。
[0024] 在激活比率低于目标比率的情况下，处理单元优选地针对相应半周期为泵通电。
[0025] 设备的泵是通过处理单元利用电能的波形的正半周期通电的泵。电能通常是交流电，优选地为正弦电流。电能供应源可为整流正弦电流。因此，当电能的波形跨过“0”时，优选地切断到泵的电流。
[0026] 泵优选地为螺线管泵。螺线管泵可包括
弹簧加载的泵送构件，其优选地可在弹簧加载
位置和弹簧释放末端位置之间轴向地位移。
[0027] 当用全功率通电时，即当泵在电能的波形的相应半周期中的每个中被通电时，泵优选地呈现理想且最大的流量。最大流量可介于例如200和600mL/min之间。
[0028] 设备优选地包括用于标识插入饮料制备设备中的容纳配料的料盒的设备，该设备使得处理单元能够定义在饮料制备过程期间的目标流量和/或提供到料盒中的液体的量。
[0029] 设备还可包括
用户界面，该用户界面使得使用者能够定义在饮料制备过程期间的目标流量和/或提供到料盒中的液体的量。因此，用户界面也可适于选择期望的饮料浓度，然后由设备的处理单元将该饮料浓度计算为相应饮料制备过程的期望目标流量。
[0030] 在优选的实施方案中，设备不配备用于检测设备的流体回路中的实际流量的流量计。
[0031] 在另一方面，本发明涉及用于控制电动泵的方法，该电动泵用于将流体从饮料制备设备的流体入口泵送到流体出口，该方法包括以下步骤：
[0032] -从具有波形的电能生成用于操作泵的控制
信号，
[0033] -提供
控制信号以仅在电能的波形的整个选定的、优选为正的半周期内使泵通电，[0034] 其中通过以下方面确定泵被通电的相应选定半周期：
[0035] .基于泵的目标流量与定义的最大流量的目标比率，以及
[0036] .基于对在相应的饮料制备过程期间，泵被通电的过去半周期的数量与总体半周期的数量的激活比率的计算。
[0037] 根据本发明的方法操作的泵使得能够提供作为最大流量的分数的期望流量，而无需设备的流量计的反馈回路，并且不会在操作期间产生令人不愉快的声音，如前所述。
[0038] 此外，可以获得泵的基本上恒定的激活，以及因此获得恒定的流量，如前所述。根据本发明的该原理，优选地确定泵被通电的相应半周期，以在整个饮料制备过程中提供泵的基本上连续的激活，即防止流体流动中的强偏差和/或突发。
[0039] 在优选的实施方案中，方法包括以下步骤：即，优选地对于波形的每个相应半周期，不断比较目标比率和激活比率的值，以及确定泵在整个相应半周期内是否被通电。因此，对于电能的波形的相应半周期中的每个，优选地重新计算激活比率。
[0040] 该方法优选地包括以下步骤：提供控制信号以在激活比率低于目标比率的情况下，在电能的波形的整个相应半周期内使泵通电。
[0041] 在优选的实施方案中，该方法包括以下步骤：
[0042] -基于泵的期望目标流量(FR)与预定最大流量的比率来设定饮料制备的目标比率(TR)，
[0043] -将计数变量A和B的初始整数值设定为“1”，
[0044] -对于电能的波形的每个相应半周期，比较A/B的比率与目标比率(TR)，以及：
[0045] .如果比率A/B小于或等于目标比率(A/B)，则在整个相应半周期内使泵通电，[0046] .如果比率A/B大于目标比率(A/B)，则在整个相应半周期内不使泵(106)通电并且将整数变量A增加“+1”，
[0047] -在确定每个相应半周期的比率A/B之后，将整数变量B增加“+1”。
[0048] 优选地，当在一个步骤(Bmax)时，对于电能的波形的对应半周期(n)，确定A/Bmax的比率与目标比率(TR)之间的差值小于预定百分比，例如1％，则将整数变量A和B中的每个重新设定为1。
[0049] 然后，从头开始重复接通和关断泵的模式(1至n)。
[0050] 本发明的方法步骤可在饮料制备设备的处理单元中实现，或者在设备的
信号处理器上以
软件实现。
附图说明
[0051] 结合附图，在阅读本发明实施方案的以下详细描述时，本发明的其他特征、优点和目的对于技术人员而言将变得显而易见。
[0052] 图1示意性地示出根据本发明的实施方案的饮料制备设备；
[0053] 图2示意性地示出根据本发明的实施方案的饮料制备设备的螺线管泵；
[0054] 图3示意性地示出饮料制备设备的螺线管泵的替代实施方案；
[0055] 图4示意性地示出根据本发明的实施方案的用于螺线管泵的控制信号的生成；
[0056] 图5示出根据本发明的方法的优选示例；
[0057] 图6示出根据本发明的解决方案的螺线管泵的目标流量的不同值和对应控制的优选示例；以及
[0058] 图7示意性地示出现有技术饮料制备设备的流体回路。
具体实施方式
[0059] 应当理解，附图仅仅是示意性的，并且没有按比例绘制。另外，在所有附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部件。
[0060] 图1示意性地示出根据本发明的优选实施方案的饮料制备设备100。饮料制备设备100包括流体入口102，例如用于接收液体诸如水的入口，以及流体出口104，该流体出口用于优选地将饮料分配到饮料制备设备100的使用者的接收器中。螺线管泵106被布置在流体入口102和流体出口104之间，以用于将流体从入口泵送到出口。设备在其流体回路中优选地不配备流量计。螺线管泵106由处理单元108控制，这将在下文中更详细地描述。
[0061] 此外，饮料制备设备100可具有任何合适的构型，因为饮料制备设备100的实施方案对于本发明不是关键的。例如，饮料制备设备可包括
温度调节级112，该温度调节级可为流体加热级，例如，加热块和/或流体制冷级；以及温度
传感器116。
[0062] 在优选的实施方案中，设备100包括用于接收饮料冲煮产品(优选地为容纳配料的料盒或胶囊)的接收室118。料盒优选地容纳咖啡或茶配料，以用于在与通过料盒的水相互作用时重构液体饮料。然而，其他实施方案同样是合适的，其中料盒容纳其他营养配料。
[0063] 处理单元108被布置成为螺线管泵106提供控制信号122以使泵106被通电预定的时间量。控制信号122由处理单元108定义，以确保出现在流体出口104处的流体具有所需的特性，特别是期望的流体流量。因此，处理单元被设计为基于具有波形的电能(优选地为整流交流电源)来使泵通电。
[0064] 处理单元108可被连接到用户界面130，例如一个或多个按钮，以用于允许使用者定义期望的流体输出要求，特别是在相应的饮料制备过程期间，提供到位于接收室118中的料盒(未示出)的流体流量和/或流体的量。因此，使用者也可指示所得饮料的期望浓度，然后将该期望浓度计算成待提供到置于接收室118中的料盒的流体的特定的流量和/或量。出于该原因，处理单元108可包括查找表或存储数据以用于基于使用者的选定饮料浓度来计算期望的流量。
[0065] 作为另外一种选择或同时地，饮料制备设备100可包括这样的设备，该设备用于标识容纳配料的料盒或胶囊119，并且被设计成为处理单元108提供与胶囊的标识相关的信号127，并且特别提供关于提供到位于接收室118中的料盒(未示出)的流体流量和/或流体的量的信息。
[0066] 处理单元108进一步适于存储当通过控制信号122持续使泵通电时可获得的螺线管泵106的预定最大流量。
[0067] 处理单元108可进一步适于控制温度调节级112。另外，温度传感器116的反馈信号可被馈送到处理单元108。因此，处理单元108可被配置为根据由温度传感器116提供的信息来启动和/或停止螺线管泵106的泵送动作。设备还可包括附加处理单元114以用于响应于温度传感器116的反馈信号和/或由处理单元108提供的信息来控制温度调节级112。
[0068] 应当理解，螺线管泵106的可能的控制机构的上述示例仅是非限制性示例。涉及处理单元108的其他合适的控制原理对于本领域的技术人员而言将是显而易见的，并且应当理解，包括所公开的控制机构的合适的控制机构的组合也是可行的。处理单元108可为以
硬件实现的饮料制备设备100的分立部件。作为另外一种选择，处理单元108可为信号处理器120的一部分，该信号处理器可被进一步布置成实现其他处理单元，例如，用于控制温度调节级112，以及用于处理反馈信号(诸如来自温度传感器116的反馈信号124)的处理单元
114。处理单元108可在这样的信号处理器120上以软件实现。
[0069] 图2和图3示出根据本发明的设备100的螺线管泵106的优选实施方案。泵106包括可轴向位移的泵送构件206，例如活塞或隔膜，其在螺线管220的控制下可在轴线208上轴向位移。弹簧210被安装在泵送构件206后面，使得当泵送构件206在螺线管220的控制下朝向入口202移动时，弹簧210被压缩。因此，泵送构件206可在螺线管220的控制下在末端位置230和弹簧加载位置240之间轴向移动，在该末端位置中弹簧210已经释放其
张力，在该弹簧加载位置中弹簧210被完全压缩。泵送构件206从末端位置230朝向弹簧加载位置240的位移导致流体通过入口202被吸入螺线管泵106的室212中，而弹簧210中的张力的释放导致泵送构件206朝向末端位置230位移，从而泵送收集在室212中的流体通过出口204。
[0070] 如图2所示，螺线管泵106被配置为在螺线管泵106的入口202、出口204和室212之间具有T接头布置。在图3所示的螺线管泵106中，室212被放置在入口202和出口204之间。
[0071] 如前所述，在螺线管泵106的泵送动作期间释放弹簧210中的张力使泵送构件206朝向末端位置230
加速，其中泵送构件210在末端位置230处的冲击产生大量的声音。特别是当泵以不规则模式激活时，这种量的声音令人非常不愉快。因此，本发明旨在提供泵的基本上均匀的激活，而不管期望的目标流量是多少。
[0072] 图4示出根据本发明的实施方案的由处理单元108产生的控制信号122。因此，曲线图a)涉及提供给处理单元108的整流正弦电源信号121。电源信号121因此对应于以
频率f(例如，50Hz或60Hz)交流的电流的相应正半周期。曲线图b)指示基于交流电源信号121而提供以使泵106通电的控制信号122的示例。因此，控制信号122的振幅是螺线管泵106的驱动
电压V。
[0073] 处理单元108被设计成将电源信号121转发为控制信号122，以仅在电源信号121的交流电半周期b1、b2、b3、b4、b5…bn的整个具体确定的半周期a1、a2、a3…内使泵106通电。
[0074] 泵被控制信号122通电的相应半周期a1、a2、a3…an由处理单元108通过以下方面来确定：基于泵106的期望目标流量与预定最大流量的定义的目标比率，以及基于对在相应饮料制备过程中泵已被通电的过去半周期的数量A(即，半周期a1、a2、a3…an的总数)与在相应饮料制备过程中总体半周期的数量B(即，b1、b2、b3、b4、b5…bn的总数)的激活比率A/B的优选连续计算。
[0075] 处理单元108被配置为不断地计算，即，优选地计算电源信号121的半周期b1、b2、b3、b4、b5…bn中的每个，不管泵106在整个相应的半周期内是否通过专用控制信号a1、a2、a3…an通电。因此，处理单元108优选地比较电源信号121的每个半周期b1、b2、b3、b4、b5…bn，实际计算的激活比率A/B是否小于期望目标比率；并且如果实际计算的激活比率A/B小于期望目标比率，则在整个相应的半周期a1、a2、a3…an内通过专用信号122使泵106通电。
[0076] 应当理解，图4中的电源信号121和控制信号122的形状仅以非限制性示例的方式示出。其他形状同样是可行的。例如，控制信号122不必来源于正弦电流电源121。其他波形，例如方波同样是可行的。
[0077] 图5示出根据本发明的用于控制饮料制备设备的泵的方法300的优选示例。因此，在饮料制备过程期间，在第一初始化步骤301中，将目标比率定义为例如基于用户输入或胶囊标识的期望流量与当在交流电源的整个每个相应半周期内使泵106通电时可获得的最大流量的比率。最大流量可在设备的处理单元108中预设。另外，计数变量A和B被设定为“A＝1”且“B＝1”。因此，变量A是激活的半周期(即，在相应饮料制备过程期间泵106被通电的半周期)的数量，并且变量B是相应饮料制备过程的交流电源信号121的半周期的总数。
[0078] 在下一个步骤302中，将变量A/B的激活比率与预定目标比率进行比较。优选地，对于交流电源信号121的相应半周期中的每个进行计算。在比率A/B小于或等于目标比率的情况下，泵在交流电的整个相应半周期内被激活。这通过在相应半周期期间将专用控制信号122发送到泵来获得。在比率A/B高于目标比率的情况下，泵不被专用控制信号122激活。
[0079] 在下一个步骤303中，计数变量B被设定为“B＝B+1”。
[0080] 对于交流电源信号121的相应半周期b1、b2、b3、b4、b5…bn中的每个，重复步骤302和303，直到相应饮料制备过程完成。这可由用户输入触发，诸如按下停止按钮，或者如果已达到预定的时间。
[0081] 优选地，如果在一个步骤Bmax处，确定A/Bmax的比率等于目标比率(TR)，或者这些比率之间的差值小于预定百分比，则将整数变量A和B中的每个重新设定为1。
[0082] 图6示出根据本发明的解决方案的螺线管泵的期望流量和对应控制的一个示例。相应期望流量FR为225mL/min。泵的预定最大流量为400mL/min。
[0083] 对于225mL/min的期望流量，从225mL/min除以400mL/min来计算目标比率TR＝0.56，这400mL/min是在泵在交流电源的相应正半周期中的整个每个中被通电的情况下，设备的泵的预定最大流量。
[0084] 在饮料生产过程开始时，变量A和B被设定为“1”，如前所述。在饮料生产过程期间并且优选地对于交流电源的正半周期中的每个，计算实际激活比率AR＝“A/B”(在表的相应第1行中表示)是否小于预定目标比率TR，如果是这种情况，则泵被通电，否则不对泵通电。这在表的第2行(接通/关断)的相应单元格中由“1”(泵被通电)和“0”(泵未通电)表示。
[0085] 应当注意的是，该表的每一列涉及交流电源的一个正半周期，对其进行相应值的计算，并且对其确定泵在相应半周期内是否被通电。因此，基于对目标比率TR与不断更新的激活比率AR的比较，不断地计算泵是否被通电以便获得期望的流量。
[0086] 表中的第2行示出在相应半周期中泵的接通和关断状态，从此行可以得出，在整个饮料制备过程中获得泵的基本上均匀的激活。这与例如螺线管泵的已知突发火灾控
制模式形成强烈对比，在该已知突发火灾控制模式中，泵在嗣后一段时间内被激活，然后在嗣后又一段时间内被关断。
[0087] 从表中的灰色区域可以看出，在第25个半周期处，流量等于0.56，并且实际激活比率AR与目标比率TR之间的差值为零。因此，可以在这25个周期之后再次从头开始来确定泵被激活的相应半周期：A和B可被重新设定为1。
[0088] 在该具体示例中，为了获得400mL/min的最大流量中的225mL/min的流体流量，本发明的控制方法已经计算出泵被通电的半周期的激活为25。因此，泵被通电的25个半周期通过本发明的方法基本上均匀地分布在25个半周期内。
[0089] 应当注意的是，通过本发明的解决方案可获得作为预定最大流量的分数的每个期望流量，而不需要设备的给定流量计的成本高昂的反馈回路。此外，设备的泵的声音不会令人不愉快。
[0090] 泵的期望流量可由饮料制备设备的用户输入。然而，期望的流量也可通过处理单元响应于例如插入设备中的料盒上的专用指示器的读取，以及因此根据容纳在相应料盒中的配料的量和/或类型来选择。
[0091] 应当注意，上述实施方案说明而非限制本发明，并且本领域的技术人员将能够在不脱离所附
权利要求的范围的情况下设计许多替代实施方案。在权利要求中，放置在括号之间的任何参考标记不应被解释为限制权利要求。单词“包括”不排除存在除了权利要求中列出的那些元件或步骤之外的元件或步骤。元件之前的单词“一个”或“一”不排除存在多个此类元件。本发明可通过包括若干不同元件的硬件来实现。在列举了若干装置的设备权利要求中，这些装置中的若干个可由一个且相同的硬件项来体现。在相互不同的
从属权利要求中陈述某些措施的纯粹事实并不表示这些措施的组合不能有利地使用。
