饮料机以及在饮料机中使用的泵单元和套件的制作方法

专利名称：饮料机以及在饮料机中使用的泵单元和套件的制作方法
技术领域：
本发明涉及在饮料机中使用的泵单元，其包括用于容纳液体的 贮液器以及具有至少一个导管的导管系统，该至少一个导管连接至
该贝i液器并且适合于在泵吸力的影响下输送流体。本发明还涉及至 少包括该泵单元的导管系统的套件(cartridge),其中该套件可以是 一次性套件。另外，本发明还涉及两种类型的饮料机，即包括该泵 单元的饮料机，其中该泵单元是该饮料机的组成部分，以及包括用 于容纳该套件的空间的饮料机，在该套件中设置了该泵单元的至少 导管系统。
背景技术：
从EP1462042可以得知包括前面段落中所提及的包括泵单元的 一次性套件。该已知的一次性套件的贮液器以液体来填充。该导管 系统包括用于输送该液体的导管、用于输送蒸汽的导管和用于输送 空气的导管，这些导管合并至混合导管，该混合导管用于输送将该 液体、蒸汽和空气放到一起而得到的流体。该混合导管作为用于输
送蒸汽的导管的延续而延伸，而用于输送液体的导管和用于输送空 气的导管两者在导管的一侧合并至混合导管。
用于输送蒸汽的导管的一个端部受到限制，使得蒸汽在进入混 合导管时加速。当对套件操作并且通过用于输送蒸汽的导管将蒸汽 提供到混合导管时，在混合导管中得到局部的负压，其结果是液体 和空气都被吸入该混合导管。在通过经由限制而连续地传送另外的 流体以及将该流体提供至较宽的导管或者腔室内而获得的局部负压 的影响下吸入流体的原理公知为文丘里原理。上述的一次性套件具有一些重要的优点。首先， 一次性套件的 使用是卫生的，因为贮液器最初所包含的液体仅仅与该套件的部分 接触。随后，完全避免了液体与其中放置了一次性套件的饮料机之 间的接触，使得饮料机没有被液体污染，并且不需要用户清洗饮料 机。第二， 一次性套件易于使用。具体地，当应用了一次性套件时， 对于制作饮料的过程的准备仅仅包括替换饮料机中的套件。另外， 由于一次性套件包含了适当的液体量，所以用户不需要计量饮料的 配料。第三，由于不会出现因泵单元污染而引起的饮料机的故障， 所以 一 次性套件的使用产生了较高的饮料机操作可靠性。
一次性套件不仅具有优点，也具有一些缺点。重大的缺点涉及 导管系统最初被空气填充的事实。当将蒸汽提供至导管系统中时， 在用于输送液体的导管中存在的空气被抽入混合导管，之后是液体。 由于空气的密度比液体的密度低得多的事实，在蒸汽流的影响下在 混合导管中产生的局部负压对空气具有相对较差的泵吸性能。基于 在空气中蒸汽比在液体中更少冷凝的事实，进一步增加了空气和液 体的泵吸性能之间的差别。对于空气的较差的泵吸作用导致启动问 题，除非产生的压力差足以将空气从用于输送液体的导管中移除。 然而，在这种情况下，对于泵吸液体而言压力差过大，导致液体的 流量过高。

发明内容
本发明提供了对于具有启动问题或者液体的流量过高的问题的 解决方案，本发明提供了一种泵单元，其包括用于容纳流体的贮液 器和包含至少一个导管的导管系统，该至少一个导管连接至该贮液
器，并且适合于在泵吸力的影响下输送液体；其中该导管系统适合 于允许基于泵吸力之外的力利用流体来初始填充该导管的至少 一 部 分。
根据本发明，该泵单元适合于允许基于泵吸力之外的力利用流 体来初始填充该导管的至少一部分。因此，并不需要用于从导管中泵吸空气的用途的泵吸力，并且该泵吸力可以具有适合于以期望的 流量来泵吸流体的值。
在根据本发明的泵单元的 一 个实施例中，导管的至少 一 个部分 在贮液器和泵吸部分之间延伸，在该泵吸部分，使流体在泵单元操 作期间受到泵吸力。优选地，在该实施例中，该泵单元适合于允许 基于泵吸力之外的力利用流体来初始填充该导管的该部分。这样， 就确保了 一旦操作了泵吸部分就泵吸了流体，其中由于在贮液器和 泵吸部分之间没有空气存在，所以不需要首先泵吸空气。
根据第一实际的可能性，该泵单元适合于允许基于毛细作用力 利用流体来初始填充该导管的至少一部分。这可以通过多种方式来 实现。例如，可以局部限制导管。在这种情况下，如果该导管在局 部限制该导管的长度上包括至少两个子导管，以使得对于流体流的 阻力的增加保持尽可能地小，则是有利的。根据另一种可能，为导 管提供有端部，其具有比邻接部分更小的直径。可以通过降低流体 与导管的内表面之间的接触角，即通过提高流体对导管的内表面的 浸润，来增加导管内流体的毛细作用上升。例如，该接触角可以降
低至60。以下。该接触角甚至可以降低至30。以下，例如可以是大约 10。。可以通过将导管的材料选择为流体对其具有良好的浸润的材
料，来实现该接触角的降低。还可以制造任意类型材料的导管，并 提供适于确保流体对导管具有良好的浸润的附加装置。根据第 一 种 可能性，此类装置包括具有良好的流体浸润的材料层，其被涂覆到 导管的内表面。例如，导管可以由塑料制成，其中导管的内表面涂 覆有金属。根据第二种可能性，可以提供用于通过施加电压在流体 和导管之间产生电浸润效应的装置。电浸润作用包括流体相对于导
管的接触角的降低，由此增加了流体对导管的浸润以及导管中流体 的毛细作用上升。根据第二种实际可能性，泵单元适合于允许基于 重力以流体初始填充导管的至少一部分。特别地，贮液器和导管的 配置允许这种初始填充。这可以通过将贮液器的至少上部定位在比 该导管的至少一个部分更高的水平处来实现，以便在重力的影响下，将流体牵引到导管中的这部分。
在泵单元的操作之前，实现在容纳流体的贮液器和导管系统的 出口之间的开口连接。因此，当本发明付诸实践并且在泵单元实际 操作之前利用流体填充了导管系统中导管的至少 一部分时，存在流 体过早地从泵单元流出的危险，除非釆取预防措施。在本发明的上 下文中，提出了许多这种预防措施。
根据第一预防措施，导管系统的出口的水平高于贮液器中流体
的最高水平。在这种情况下，由于重力，流体不能从导管系统的出
口流出。泵单元的泵吸作用实际上未受到该措施的妨碍，这是由于
通过重力原理而产生的压力比泵单元操作期间所产生的压力小得 夕
根据第二预防措施，其可在导管系统被布置在基底(substrate) 上的情况下应用，围绕该导管系统的出口的基底部分包括具有较差 流体浸润'的材料。也可以将这种材料的层应用到该衬底的相关部分。 通过选择适当的材料，流体和基底之间的接触角可以相当大，甚至 大于90°,使得可以防止流体漏出。例如，该材津+可以是塑料，诸如 包含氟成分的塑料。这种塑料的示例是聚四氟乙烯。这种塑料的另 一示例是聚二曱基硅氧烷。
在实际的实施例中，具有较差流体浸润的材料层是用于密封导 管系统的出口的可移除密封的部分。这样，当移除了密封时，在衬 底中围绕该出口的部分之后留下有非浸润涂层。
根据第三预防措施，导管的内表面的环形部分覆盖有具有较差 流体浸润性的材料层。但流体与非浸润层的接触角大于90°时，水平 导管毛细作用填充停止。在本发明的范围内，非浸润材料环的位置 可以自由选择，并且可以对更多的非浸润材料环进行涂覆。当泵单 元被操作时，可以忽略一个或多个环对于泵性能的影响。
在原理上，泵单元可以是包括贮液器和导管的任何类型的泵单 元，其中该导管用于在泵单元的操作期间输送从该贮液器泵吸的流 体。在许多实际应用中，该泵单元包括用于输送流体的至少两个导管，该至少两个导管在泵单元中的特定位置处接合。其中一个导管 连接至贮液器，该贮液器中可以包括诸如咖啡或者牛奶的液体。在 这种情况下，另一导管可以适合于输送适合于泵吸该液体的流体。 一种用于泵吸该液体的适当流体是蒸汽或者加压的热水。导管可以 这样布置，使得基于在前面已经描述过的文丘里原理来实现泵吸流 体对于该液体的泵吸作用。这并未改变该泵吸工作可以基于另外适 当的原理来实现的事实，例如基于作为喷射器原理而公知的原理。 通常，根据该原理，在通过允许第二流体至第一流体的动量传递而 得到的局部压力的影响下，产生第 一流体的流动。
根据本发明的泵单元的至少一部分，尤其是泵单元的至少导管 部分，可以是用于在々大并^N几中^f吏用的套件的一部分。这种套件可以 是耐用套件或者是一次性套件。该泵单元还可以是饮料机的组成部 分。
根据本发明的泵单元适合于在任何类型的饮料制作过程中使 用。例如，该饮料可以是热饮或冷饮，并且该饮料可以基于一种或 多种配料制作。
施加的流体可以是液体、气体或者液体和气体的结合。在该流 体是液体的情况下，可以向该流体中添加固体颗粒或者聚合物。


现在将参考附图更加详细地描述本发明，在附图中，类似部件
由相同附图标记来指示，其中
图1示意性地示出了用于在包括喷射器泵单元的饮料机中使用 的一次性套件；
图2示意性地示出了如图1所示的饮料机和一次性套件，其中 该 一 次性套件放置在饮料机中，并且其中该一次性套件连接至饮料 机的蒸汽发生器；
图3示意性地示出了用于在包括文丘里泵单元的饮料机中使用 的一次性套件；
图4示出了根据现有技术的泵单元的启动情形；
10图5示出了在导管中的液体的毛细作用上升现象。
部分进行限制的第 一 可能实现；
部分进行限制的第二可能实现；
图8示意性地示出了根据本发明的泵单元的实施例，其中贮液 器和连接至该贮液器的导管的配置适合于在重力的影响下利用由贮 液器提供的液体实现对于导管的初始填充；
图9示意性地示出了如图8所示根据本发明的泵单元的实施例
的替代方式；
图10示出了根据本发明用于防止液体从泵单元的出口滴流的第 一预防措施；
图11示出了根据本发明用于防止液体从泵单元的出口滴流的第 二预防措施； r
图12示出了根据本发明用于防止液体从泵单元的出口滴流的第 三预防措施；
图13示出了根据本发明用于防止液体从泵单元的出口滴流的第 四予贞防4普施；
图14示出了根据本发明用于防止液体从泵单元的出口滴流的第 五预防措施的第一可能实现；以及
图15示出了根据本发明用于防止液体从泵单元的出口滴流的第 五预防措施的第二可能实现。
具体实施例方式
图1示意性地示出了用于在包括泵单元1的饮料机中使用的一 次性套件10。示出的一次性套件10旨在用于单次使用，换言之，仅 仅可以在一个制备饮料的过程中使用该套件IO—次。在已经了应用 了该套件10—次之后，就不能再使用它了，并且只适合于丢弃。
图2示意性地示出了一次性套件10和饮料机15,其中该一次性套件IO放置在饮料机15中，并且其中该一次性套件IO连接至饮料
机15的蒸汽发生器16。在图2中，饮料机15由矩形虛线来一般性
地表示o
该一次性套件10包括容纳液体(诸如，牛奶或液体咖啡提取液) 的贝i液器20。在该示出的示例中，使贮液器20成形为细长的密封嚢， 其可以通过提供两个箔片板并使这些箔片板沿着它们的外围互连来 制造。这并未改变贮液器20可以以另外的适当方式来实现的事实， 例如作为一次性套件10的部件表面内的凹陷，其中该凹陷被箔片板 覆盖。
该一次性套件10的泵单元1包括喷射器类型的导管系统30。因 此，在下文中，将泵单元1称作喷射器泵单元1。在所示出的实施例 中，导管系统30包括两个导管31、 32。第一导管31在贮液器20 的出口 21和喷射器泵单元1的出口 41之间延伸。在下文中，将连 接至贮液器20的出口 21的第一导管31的端部称作导管系统30的 液体入口 42。在第一导管31至贮液器20的出口 21和喷射器泵单元 1的出口 41的连接之间的位置处，第二导管32合并到第一导管31。
根据实践的可能性，导管31、 32在一次性套件10的主体40内 形成为凹陷。该凹陷被用于封闭该凹陷的顶面的适当装置(未示出) 所覆盖。适当封闭装置的示例是箔片板。注意，导管31、 32并非必 定需要包括凹陷和封闭装置，只要导管31、 32能够输送流体即可。 例如，导管31、 32也可以包括管子。然而，假设事实是使用铸模成 型技术来形成该套件的主体40,则具有凹陷和用于覆盖该凹陷的箔 片板是有利的，这是因为这种装置的制造工艺比组装大量管子的工 艺容易得多。
导管系统30的导管31和导管32的横截面的形状可以是任何适 当的形状。例如，横截面可以是圆形、矩形、方形或者六边形。圆 形横截面的优点是得到了相对较低的导管31， 32的流动阻力。
第一导管31中链接到贮液器20的部分相对于第二导管32以角 度G延伸，该角度e小于90。。在示出的示例中，该角度6约为25。。
12一次性套件IO适合应用于制备诸如热牛奶或者咖啡的热饮。根 据实际的可能性，在其中应用了一次性套件IO的饮料制备过程中， 通过利用蒸汽来加热最初贮液器20中容纳的液体来获得该热饮。因 此，用于接收和操作该一次性套件10的饮料机15包括蒸汽发生器
16。在图2中，所示出的是，当将一次性套件IO放置在饮料机15 中时，将第二导管32连接至蒸汽发生器16的蒸汽插孔17。在下文 中，当将一次性套件10置于饮料机15中时连接至蒸汽发生器16的 蒸汽插孔17的第二导管32的端部被称作导管系统30的蒸汽入口 43。
在下文中，将描述其中应用了一次性套件10和饮料机15的制 备饮料的过程。为了清晰起见，在图1和图2中的进入流和输出流 利用箭头来指示。
对于制备饮料的过程的准备包括步骤将一次性套件IO放置在 饮料机15中，以及将诸如杯等的容器放置在套件10的喷射器泵单 元1的出口 41之下。在将一次性套件IO放置在饮料机15中适当的 位置的过程中，在饮料机15的蒸汽发生器16的蒸汽插孔17和套件 10的喷射器泵单元1的导管系统30的蒸汽入口 43之间建立连接。
当开始了制备饮料的过程时，重要的是使得液体通过第一导管 31的液体入口 42从容器20流至第一导管31。因此，应用适当的装 置(未示出)以用于在适当的位置刺穿容器的箔片。例如，这种装 置可以包括可移动布置的针。
当在第一导管31中存在液体并且在蒸汽发生器16进行操作时， 开始饮料制备的实际过程，其中蒸汽通过蒸汽入口 43进入第二导管 32。在第二导管32的另一端，即第二导管32合并到第一导管31的 那端，动量从蒸汽流传递到液体，其结果得到了局部负压。在局部 负压的影响下，将液体抽出贮液器20，其中产生了朝向喷射器泵单 元1的出口 41的液体流。在该过程中，蒸汽在液体中冷凝，使得液 体被加热，并且负压的效果得到增强。这样，就得到了热饮，其通 过出口 41排出喷射器泵单元1。在喷射器泵单元1的操作期间，应用蒸汽是出于将液体从贮液 器20泵吸到出口 41的目的，其中在蒸汽流的影响下得到液体流。 具体地，通过将动量从蒸汽流传递到液体来得到局部负压，并且在 该负压的影响下液体被抽入第一导管31。另外，发生了蒸汽在液体 中的冷凝，其结果是液体被加热。得到蒸汽对液体的泵吸作用所依 据的原理称作所谓的喷射器原理。
为了具有良好的泵吸作用，重要的是第一导管31和第二导管32 之间的角度e小于90。。在角度e为90。的情况下，蒸汽流实际上不 会引起液体流入第一导管31，在允许液体运动的方向上，即在第一
导管3i的纵轴延伸的方向上，蒸汽将不会具有动量。在角度e大于
卯。的情况下，蒸汽流对于第一导管31中的流体的影响将仅仅使得 液体向后流动，即朝着贮液器20的方向。当液体是牛奶时，当第一 导管31和第二导管32之间的角度9大约为25°时，得到喷射器泵单
元i的良好性能，但是这并不意味着角度e不可以较小或者较大。
如图1和图2所示的喷射器泵单元1的导管系统30是喷射器类 型。注意到的是导管系统30的导管数量和这些导管的配置存在众多 可能性。因此，导管系统30可以是另一类型，例如是文丘里类型。 在图3中示出了具有这种导管系统30的泵单元2。在下文中，将泵 单元2称作文丘里泵单元2。
文丘里泵单元2是一次性套件10的一部分，并且在很大程度上 类似于喷射器泵单元l。具体地，文丘里泵单元2也包括容纳液体的 贝i液器20。另外，文丘里泵单元2的导管系统30也布置在套件10 的主体40内。
文丘里泵单元2的导管系统30包括三个导管31 - 33以及混合 腔室34。第一导管31连接至贮液器20的出口 21,并且合并到混合 腔室34。第二导管32也合并至混合腔室34,并且在文丘里泵单元2 的蒸汽入口 43和导管系统30的混合腔室34之间延伸。第三导管33 是导管系统30的出口导管，并且在混合腔室34和文丘里泵单元2 的出口41之间延伸。导管系统30的显著特征在于，第一导管31和第二导管32相对于彼此以直角延伸的事实，以及第二导管32和出 口导管33在混合腔室34的相对侧连接到混合腔室34的事实。
具有文丘里泵单元2的一次性套件10适合于放置在饮料机15 中，并且适合于以与已经相对于具有喷射器泵单元1的一次性套件 10所描述的方式类似的方式来制备诸如热牛奶或者咖啡的热饮。
在下文中，将描述其中应用了具有文丘里泵单元2的一次性套 件10的制备饮料的过程。为了清晰起见，在图3中，进入流和输出 流利用箭头来指示。
当第一导管31充满来自贮液器20的液体并且蒸汽通过第二导 管32被提供至混合腔室34时，制备饮料的实际过程开始。在该过 程中，在混合腔室34中得到负压，其结果是在混合腔室34中抽入 液体。另外，在混合腔室34中，蒸汽在液体中冷凝，使得液体被加 热，并且增强了负压的效果。这样，就得到了热饮，其通过出口 41 排出文丘里泵单元2。
在文丘里泵单元2的操作期间，应用蒸汽是出于将液体从贮液 器20泵吸到出口 41的目的，其中在蒸汽流的影响下得到液体流。 特别地，通过经由第二导管32向混合腔室34中提供蒸汽，产生了 相对于大气压的低气压，并且在因此而得到的负压的影响下，液体 被抽入混合腔室34。另外，发生了蒸汽在液体中的冷凝，其结果是
文丘里原理。
为了制作泡沫饮料，泵单元1、 2的导管系统30可以包括用于 提供空气的至少一个空气导管。优选地，这种空气导管可通过阀等 封闭，使得用户可以选择是制作具有泡沫的饮料还是制作不带泡沫 的饮料。
对于一次性套件IO而言，不需要提供用于在制备饮料的过程中 使用的容纳液体的贮液器20。还可能的是，饮料机15包括这样的贮 液器，其中第一导管31可连接至贮液器，并且其中可以在接收饮料 机15中的套件时建立第一导管31和贮液器之间的开口连通。另外，可能的是使用外部贮液器，该外部贮液器甚至可以是容纳液体的硬 纸盒，并且应用用于使第一导管31与外部贮液器中的液体连通的软 官。
原理上，可能的是应用旨在使用不止一次的套件。这样的套件
可以具有与一次性套件IO相同的设计。在该套件包括贮液器20的 情况下，该贝i液器20布置成可以再次补充，或者该贮液器20包括 适于使用预定次数的液体量，其中该数量大于一。在该套件不具有 贮液器20的情况下，将要由用户来决定在扔掉该套件之前其将被使 用多少次。
饮料机15可以布置成根据用户的选择提供不同量的饮料。例如， 用户可以选择获得单份量的饮料或者具有双份量的饮料。在这种情 况下， 一次性套件10的贮液器20可以包括双份的液体量，以便一 次性套件10适合于使用两次来制备单份量的饮料或者使用 一次用于 制备双份量的饮料。 '
在泵单元1、 2的4乘作期间^v贮液器20泵吸出的液体可以是纯 液体，但还可以包含颗粒。根据另一种选择，提供包含颗粒的贮存 装置，其中这些贮存装置适合于向液体提供颗粒。该颗粒例如可以 是巧克力粉。
在制备饮料的过程中，不是必需使用一次性套件10,尽管这种 制备饮料的方式具有很重大的优势。这些优势其中之一是施加的液 体和得到的饮料仅仅接触了一次性套件10的部件，使得饮料机15 未被污染。在液体易于较快变质的情况下，例如在液体中包括牛奶 的情况下，这特别重要。
可以具有固定布置在饮剩-才几15中的泵单元1、2。在这种情况下， 饮料机15可以包括用于容纳液体的可补充的贮液器。根据另一种可 能，提供了用于使泵单元l、 2与外部贮液器中的液体连通的例如软 管的适当装置。饮料机15还可以适合于接收用于容纳液体的一次性 贮液器。
根据现有技术，与包含贮液器20和连接至贮液器20的至少一个导管31的泵单元1、 2相关的问题涉及到泵单元1、 2的操作的启
动情形，下面将参考图4来对其进行说明。在该图中，示意性地示 出了泵单元3，其中将导管系统30的部分描述为类似盒子，尤其是 用于输送从贮液器20中抽出的液体的第一导管31和用于输送诸如 蒸汽的泵吸流体的第二导管32 (在图4中未示出)接合的部分。在 下文中，该导管系统30的部分将会被称作泵吸部分50。泵吸部分 50可以适合于以适当的方式利用泵吸流体来对液体进行泵吸。在泵 单元3是喷射器泵单元的情况下，第二导管32以角度e合并到第一 导管31,泵单元3的出口导管由第一导管31的端部构成。在泵单元 3是文丘里泵单元的情况下，第一导管31和第二导管32合并到混合 腔室34,并且泵单元3的出口导管是在混合腔室34和泵单元3的出 口 41之间延伸的出口导管33。在示出的示例中，将泵吸部分50的 水平布置成比贝i液器20中液体的水平更高。在图4中，泵吸部分50 相对于贮液器20中液体水平的高度H由双箭头来指示。
在泵单元3的启动情形中，导管系统30填充有空气，但除了第 一导管31的端部之外，该第一导管31插入存在于贮液器20内的液 体中。由于毛细作用，第一导管31的该端部内液体水平相对于该贮 液器20内的液体的整体水平略有升高。这通过图5来示出，其中示 意性地示出了该贮液器20和第一导管31的部分的相关端部。在该 图中，第一导管31内的液体水平相对于贮液器20中液体水平的高 度h由双箭头来指示。
通常，第一导管31内的液体水平相对于贮液器20中液体水平
的高度h由毛细作用压力和水压的平衡来确定。对于环形毛细管，
高度h和所提及的压力之间的关系如下
<formula>formula see original document page 17</formula>其中，r是毛细管的半径，o是液体的表面张力，p是液体的密度，a 是液体于第一导管31的内表面35之间的接触角，并且g是重力加 速度。出于完整性考虑，需要说明的是，对于非圓形导管，可以得 到类似的关系。在液体是牛奶的情况下，表面张力CJ接近于水的表面张力CJ,其
是0.07N/m,密度p是1000 kg/m,接触角a的估计值是60。。第一 导管31的直径的实际值是3mm。在这种情况下，可以得到典型的 5mm的高度h,其只是第一导管31直到泵吸部分50的总高度H 40mm的实际值的一小部分。因此，贮液器20内的液体并没有基于 毛细作用力而自发地填充第一导管31在贮液器20和泵吸部分50之 间延伸的那部分。
正如已经说明的那样，在泵单元3的启动情形中，导管系统30 填充了空气。只要执行了泵吸作用，则产生了相对于空气压力的负 压Ap。在该压力差Ap的影响下，增加了第一导管31内的液体水平 相对于贮液器20中液体水平的高度h。基于力的平衡，得到下列关 系。
<formula>formula see original document page 18</formula>
其中Pa是大气压力。
为了克服重力并将液体从贮液器20泵吸到泵吸部分50,压力差 △p必须至少是
<formula>formula see original document page 18</formula>
压力差Ap必须等于或者高于如上示出的最小值。当应用上面提 及的各种参数值时，最小值典型地为0.004bar。
在已经开始泵单元3的操作之后不久，就泵吸液体而非泵吸空 气。由于液体的密度显著大于空气的密度的事实，因此结果使得所 产生的压力差Ap强力上升。在泵吸流体是蒸汽的情况下，因蒸汽在 液体中冷凝的结果而进一步改善了泵吸性能。清楚的是，需要具有 高性能的泵，以便能够在泵单元3的启动期间抽走空气，并且当泵 吸液体时该泵的高性能是不必要的。在许多情况下，泵的性能过高， 将得到过高的液体流量。
本发明提供了对于这种冲突问题的解决方案，该沖突问题即， 一方面要求泵具有高性能以保证泵单元3的安全操作，包括安全启动，另 一 方面要求泵具有较低性能以实现流量受到限制的液体流。 特别地，本发明提供了一种用于确保在开始泵单元3的操作之前利
用液体来完全填充第一导管31中在贮液器20和泵吸部分50之间延
伸的至少 一个部分的措施。
第一方面，本发明提供了这样的措施，其基于毛细作用力来实
现利用液体对第一导管31中在贮液器20和泵吸部分50之间延伸的 部分进行初始填充。根据关系
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由此可见，可以通过降低导管31的半径r和/或降低液体于导管31 的内表面35的接触角a来增加第一导管31中的液体的高度h。
图6和图7示出了第一导管31的可能的实施例，其中实现了导 管31的垂直定向部分36的半径r的降低。导管31的水平定向部分 37的半径r不需要降低，这是因为在这样的部分37中，毛絢作用并 未受到重力的影响。
在图6中，示出了第一导管31的第一可能实施例的部分，其中 降低了垂直定向部分36的半径r,换言之，其中垂直定向部分36受 到限制。例如，在cosot具有大约0.5的值时，通常降低到lmm的导 管直径给出了大约14mm的毛细作用上升。出于完整性考虑，需要 说明的是，位于贮液器20的液体的水平之下的第一导管31的部分 38可以具有较大的半径。并且，在原理上，该半径的降低仅仅相对 于导管31的垂直定向部分36的另外部分39是相关的。这样，实现 了以任何方式都不会妨碍第一导管31中的液体的吸入。然而，可以 省略具有较大直径的部分38。在图6中以虚线示出不具有该部分38 的选择，该虛线指示了在没有改变直径的情况下第一导管31的垂直 定向部分36的延伸。
在本发明的范围内，可以利用箔片等来初始密封贮液器20,以 便防止液体腐败。在这种情况下，如果第一导管31的端部适合于打 开密封或者如果提供了用于此的附加装置，则是有利的。第一导管31的垂直定向部分36可以包括多个子导管45,而非 单个狭窄部分39。在图7中，通过示例示出了具有四个子导管45 的第一导管31的部分。该第一导管31的实施例的重大优势在于， 实现了导管31的半径r的降低，却没有导管31的流动阻力的不期望 上升，这是由于子导管45的横截面之和可以等于原导管31的横截 面或者仅仅小于原导管31的横截面少许。
可以以各种方式来实现液体与导管31的内表面35的接触角a 的降低，即液体对于导管31的内表面35的浸润的改善，这引起第 一导管31中液体的毛细作用上升的增加。可以作为用于增加导管31
31的内表面35的浸润措施，但是也可以附加于上述降低导管31的 半径r的4普施而应用。
在其中泵单元3布置为一次性套件10的情况下，出于成本原因， 泵单元3的导管系统30布置在塑料套件主体40中。公知的是水并 不具有很好的塑料浸润。考虑到该公知的事实，液体对于导管31的 内表面35的浸润可以通过选择套件主体40的适当材料而改善。这 种材料可以是相对于液体具有更小接触角a的塑料，并可以例如是 具有改善结晶度的塑料。例如可以通过对金模铸聚合物(molding a polymer against gold )来制造这种塑泮牛。
套件10的整个主体40不需要由液体对其具有良好浸润的材料 制成。如果第一导管31的内表面35的相关长度由这样的材料制造， 或者第一导管31的内表面35的相关长度被这样的材料层所覆盖， 这就足够了。例如，公知的是，通常金属比塑料具有更好的表面能 量，并且因此金属具有更好的液体浸润。考虑到公知的事实， 一种 可行的选择是由金属制造第一导管31的内表面35的至少相关的长 度，或者在该内表面35包括塑料材料的情况下，将薄金属涂层涂覆 到第一导管31的内表面35的至少相关的长度上。另外，可以使用 用于降低接触角a的各种其它材料或者材料涂层。例如，内表面35 可以涂覆有像是溶胶凝胶涂层的无机涂层。当接触角a降低到25。或者甚至更低的值时，cosa可以是0.9或 者更高的值。在这种情况下，毛细作用上升可以增加至接近30mm 的高度h。在相对于贮液器20中的液体水平的泵吸部分50的高度H 低于毛细作用上升时，例如为20mm或者更低时，确保了在毛细作 用力的影响下使第一导管31在贮液器20和泵吸部分50之间延伸的 部分初始填充有液体。上面提到的尺寸是非常实际的，尤其是对于 实际的一次性套件10。
还可能的是，基于公知为电浸润效应的作用来实现液体与第一 导管31的内表面的接触角a的降低。例如，在US6438211中描述了 该效应。通常，通过施加电压，可以降低基底上的液体的接触角a。 因此，以这种方式，可以降低液体在导管31中的毛细作用上升。
第二方面，本发明提供了这样的措施，其用于基于重力来实现 利用液体对第一导管31在贮液器20和泵吸部分50之间延伸的部分 ^j^H台i^^。 -'
在图8中，示出了具有贮液器20和泵吸部分50的泵单元4,其 中贝e:液器20位于比泵吸部分50以及在贮液器20和泵吸部分50之 间延伸的导管31更高的水平处。因此，当实现贮液器20和导管31 之间的开口连接时，在重力的影响下液体从贮液器20的底部分填充 导管31。
在图9中，示出了具有贮液器20和泵吸部分50的泵单元5,其 中贮液器20的大部分位于比泵吸部分50以及在贮液器20和泵吸部 分50之间延伸的导管31更低水平处，^f旦是贮液器20的顶部分22 仍然位于比导管31和泵吸部分50更高的水平处。因此，当实现贮 液器20和导管31之间的开口连接时，在重力的影响下液体从^液 器20的顶部分22填充导管31。
当将本发明付诸实践，并且在泵吸力的影响下开始泵单元l-5 的实际操作之前，得到了对泵单元1 -5的导管系统30中至少一个 导管31的至少一部分的初始填充时，存在液体过早地从泵单元l-5 的出口41滴流的危险。因此，本发明还提供了旨在确保液体将不会漏出的措施。在没有初始填充的情形中，也可以应用这些措施，例 如用于防止在已经操作泵单元之后的滴流。
现在将基于图4来描述第一措施。当将贮液器20相对于泵单元
3的出口 41进行定位以使得贮液器20内的液体的水平低于出口 41 的水平时，液体不会因为重力而从出口 41滴流。应当说明的是，在 泵单元3的操作期间，实际上将不会降低泵性能，这是因为在重力 的影响下所产生的压力比泵单元3的操作期间所产生的压力低得多。
在优选的实施例中，泵吸部分50和出口 41之间的距离相对短， 使得最初存在于泵吸部分50和出口 41之间的导管系统30中的液体 的容积比贝±液器20中的液体的总容积小得多。在液体不仅在泵吸部 分50中进行泵吸而且还被加热或者冷却的情况下，这是很重要的， 这是因为，这种情况下，未被加热或者冷却的液体的容积相对小。
通过在^液器20的出口 21上设置密封25，可以防止贮液器20 的液体腐败。在这种情况下，需要在开始泵单元1 - 5的操作之前打 开密封25。在图9中示意性地描述了密封25。
现在将基于图10来描述旨在确保液体不会过早经过出口 41泄 漏的另一措施。该措施包括对主体40中围绕出口 41的部分的浸润 特性进行适应性改变。特别地，在主体40中的该部分的浸润特性使 液体与该部分的^妻触角a相对大，优选地大于90。时，可以防止液体 滴流。这可以通过选择液体对其具有较差浸润的材料来实现。在这 方面上的适当材料的示例是塑料材料，例如包括氟成分的塑料，诸 如聚四氟乙烯和聚二曱基硅烷。
主体40中围绕出口 41的部分的材料可以是非浸润材料，但是 这并不是必须的，这是因为在主体40中的这个部分被非浸润材料的 涂层覆盖的情况下，也可以得到阻止滴流的效果。具体地，这种涂 层包含这样的材料，该材料使得与液体的接触角a相对大，优选地 大于90。。在这方面上的适当材料的示例是二甲基二氯硅烷和氨丙基 三曱氧基硅烷。此外，还可以利用包括氟成分的材料，例如氟硅烷。 还可以利用氟等离子体。需要说明的是，该涂层可以非常薄，甚至为了获得期望的接触角a的增加，单层就足够了。根据一种具有优 势的选4奪，该涂层是定位在出口 41处的密封的初始部分。当移除该 密封时，非浸润涂层仍然保留在出口 41周围。
需要说明的是，非浸润材料仅仅能够容纳2cj/r的压力差。基于 关系
， 2<7 cos a A =-
发现，在定位出口使得在贮液器20中的初始液体水平低于2o/pgr 的高度h时，抗浸润涂层就不够了 ，就不能防止液体从出口 41滴落。 然而，该高度h大约为几厘米的数量级，可以在实践中实现出口41 相对于贝i液器20内液体的初始水平的适当位置，尤其是在一次性套 件10中。
非浸润涂层不一定必须涂覆在出口 41的周围。还可以将该涂层 涂覆到用于输送该流体的一个或多个导管31、 33的内表面35的环 形部分。在图11中，示出了喷射器类型的泵吸部分50,其中在第二 导管32合并到第一导管31位置之后的部位，在第一导管31的内表 面35上布置抗浸润材料的环形涂层60。在液体相对于导管31、 33 的内表面的接触角a大于90。的情况下，水平导管毛细作用填充将会 停止。所涂覆的材料可以类似于在前面所描述的非浸润材料。
该非浸润材料环60可以布置在导管31、 33内的任何位置处。 另外，在导管系统30中可以存在两个或甚至更多的这种环60。当操 作泵单元1 - 5时， 一个或多个环60对于泵吸性能的影响可以忽略。
将基于图12至图15来说明用于防止液体过早从泵单元1 - 5的 出口 41滴落的其它措施，尤其是基于导管系统30中至少一个导管 31的至少 一个部分的初始填充期间和泵吸作用期间之间的条件差异 的措施。除此之外，这种措施可以基于下列两种差异
1 )泵吸作用期间占主导的力比初始填充期间占主导的力大得
夕^ 。
2)在蒸汽或者另一个相对热的流体用作泵吸流体的情况下，泵 吸作用期间导管系统3 0的特定部分中占主导的温度比初始填充期间
23导管系统30的这些部分中占主导的温度高得多。 鉴于此，措施可能涉及
a) 用于使液体流停止的障碍物，在由泵吸作用期间液体流所施 加的沖击力的影响下，至少部分地移除障碍物。
b) 用于使液体流停止的障碍物，在由泵吸作用期间占主导的温 度增加的影响下，至少部分地移除障碍物。
c) 上述要点(a和b)中叙述的两种类型障碍物的结合。 将要理解的是，仅仅可以在制作饮料的过程中使用了蒸汽或者
其它相对热的流体的情况下或者在以另外方式使温度增加的情况 下，才应用根据要点b和c的措施。
在图12中，示出了利用初始填充和泵吸作用期间占主导的力之 间的差异的措施。该措施包括在导管系统30中的可移动布置阻塞物 的应用。特别地，在图12中，示出了喷射器类型的泵吸部分50,其 中在第二导管32合并至第一导管31的位置之后的部位，阀门61以 可绕枢轴转动地布置在枢轴62周围。
阀门61可在闭合位置和打开位置之间移动，其中在闭合位置， 阀门61挡住了第一导管31,其中在打开位置，阀门61使第一导管 31通畅。因此，在阀门61的闭合位置，液体流被阻碍，使得液体不 能到达出口41。在图12中，示出阀门61处于闭合位置。
在力的影响超过特定阈值的情况下，使阀门61从闭合位置开始 达到打开位置。在导管系统30的初始填充期间占主导的力相对低， 低于该阈值。因此，这些力不能使阀门61达到打开位置。然而，在 泵吸作用期间，在导管系统30中占主导的力相对高，高于该阈值， 因此使阀门61达到打开位置，并且至少在该泵吸作用持续时期内使 其保持在该位置。
优选地，第一导管31配备有用于容纳在打开位置的阀门61的 突起63。这样，就实现了在第一导管31中的流体在泵吸作用期间根 本不受阻碍，这是因为阀门61完全离开导管通路。
当计划使用泵单元1 -5多于一次时，如果提供了用于在已经发生泵吸作用之后使阀门61返回闭合位置的装置，则这是有利的。这 种装置可以包括例如弹簧。通过使阀门61返回到闭合位置，停止或 者至少最小化了液体从出口 41的滴流。
在本发明的范围内，阻塞物可以存在于泵单元1 - 5中任何适当 的位置。例如，阻塞物可以定位在出口 4i处，或者在出口41附近。 在图13中示出了该选择，其中该阻塞物通过附图标记61来指示， 例如图12中的阀门61。
另外，可以提供可移动布置的成分，在泵吸作用期间施加的力 的影响下，可以从泵单元1 - 5移除该成分。这种成分可以由人类可 消费材料制成，使得它能够落入用于接收饮料的杯中并成为饮料的 一部分。该成分可以包括例如调味剂或者泡沫增加剂。
在图14中，示出了利用初始填充期间和泵吸作用期间占主导的 温度之间的差异的措施。该措施包括应用在较高温度时溶解的阻塞 物64。因此，仅在通过使用诸如蒸汽的热流体来制备热饮的情况下， 才可以应用该措施。特别地，在图14中，示出了喷射器类型的泵吸 部分50,其中在第二导管32合并至第一导管31的位置之后的部位， 布置了可溶解阻塞物64。
在初始填充期间，在导管系统30内的温度是环境温度或者甚至 更低，例如当液体曾经储在较冷地方时。在那些环境下，该阻塞物 64保持原状，使得该液体不能流动超出该阻塞物。然而，当启动泵 吸作用时，通过第二导管32提供蒸汽，温度上升，致使该阻塞物64 溶解。^v此刻开始，允许流体自由地朝着出口 41流动。
该可溶解阻塞物64可以包括诸如调味剂或者泡沫增加剂的材 料。另外，阻塞物64可以具有一个或多个孔。在图15中示出了具 有中心孔的阻塞物64。同样，阻塞物64可以布置在泵单元1 - 5中 适当的位置。例如，还可以将阻塞物64布置在出口 41处或者在出 口 41附近。
需要说明的是，所示的根据本发明的泵单元1 - 5的所有的实施 例包括单个出口 41。然而，这并不能改变泵单元1 - 5可以包括多于一个出口 41的事实。提供多个出口 41的优势在于，单个出口 41的
直径可以相对小。这样，可以得到更高的流动阻力，其中流动阻力
甚至可以高得足以防止流体经过出口 41泄漏出来。
本发明可以应用在任何类型的饮料制作器具中，并且其提供了 对于在启动泵吸至少 一 种饮料配料的过程中可能出现的问题的解决
方案。特别地，本发明包括在启动泵吸作用之前，对泵单元1-5的 导管系统30的导管31、 33的至少一部分进行初始填充。另外，为 了防止导管31、 33的初始填充导致流体经过导管系统30的出口 41 过早流失的情形，本发明提出了旨在确保只要基于压力差的泵吸作 用尚未发生就使流体留在导管系统30中的措施。
本领域技术人员应当明白的是，本发明的范围并不仅限于前面 所讨论的示例，而且在并未脱离所附权利要求书所定义的本发明的 范围的情况下，可以存在若干修改和变形。
'在前面已经公开了泵单元1-6，其包括用于容纳液体的贮液器 20、用于输送该液体的导管系统30以及用于使液体受到泵吸力的泵 吸部分50。通常泵吸力可以是作为压力差的结果而得到的力。例如， 在泵吸部分50中，可以在诸如蒸汽的另外流体流的影响下来泵吸液 体。在根据现有技术的泵单元3中，导管系统30最初填充空气。这 导致了在泵单元3开始操作时的问题，或者在施加的泵吸力高得足 以防止这种问题是情况下，却导致了液体的流量过高。通过使得在 并非泵吸力的另外力的影响下，例如在毛细作用力或者重力的影响 下，对用于从贮液器20向泵吸部分50输送流体的导管31的至少一 部分进行初始填充，解决了这个问题。
权利要求
1.一种用于在饮料机中使用的泵单元，包括用于容纳流体的贮液器(20)以及具有至少一个导管(31)的导管系统(30)，该至少一个导管(31)连接至该贮液器(20)并且适合于在泵吸力的影响下输送该流体；其中该泵单元适合于允许基于泵吸力之外的力来利用该流体对该导管(31)的至少一部分进行初始填充。
2. 根据权利要求1所述的泵单元，进一步包括泵吸部分(50), 其使得该流体在该泵单元的操作期间受到泵吸力，其中该导管(31) 的至少一部分在该贮液器(20)和该泵吸部分(50)之间延伸，并 且其中该泵单元适合于允许基于泵吸力之外的力来利用该流体对该 导管(31)的所述部分进行初始填充。
3. 根据权利要求1或2所述的泵单元，其适合于允许基于毛细 作用力利用该流体来对该导管(31)的至少一部分进行初始填充。
4. 根据权利要求3所述的泵单元，其中该导管(31)受到局部 限制。
5. 根据权利要求4所述的泵单元，其中该导管(31)在该导管 (31 )局部受到限制的长度上包括至少两个子导管(45)。
6. 根据权利要求3-5任一项所述的泵单元，其中该导管(31) 的材料是流体对其具有良好浸润的材料。
7. 根据权利要求3-5任一项所述的泵单元，包括适合于确保该 流体对该导管(31)具有良好浸润的装置。
8. 根据权利要求7所述的泵单元，其中该适合于确保该流体对 该导管(31)具有良好浸润的装置包括具有良好的流体浸润并涂覆 到该导管(31)的内表面(35)的材料层。
9. 根据权利要求7所述的泵单元，其中该适合于确保该流体对 该导管(31)具有良好浸润的装置包括用于通过施加电压而在该流 体和该导管(31)之间产生电浸润作用的装置。
10. 根据权利要求1或2所述的泵单元，其中该贮液器(20)和该导管(31)的配置允许基于重力利用该流体来对该导管(31)的至少 一部分进行初始填充。
11. 根据权利要求10所述的泵单元，其中该贮液器(20)的至 少上部分(22)定位在比该导管(31)的至少一部分较高的水平。
12. 根据权利要求1 - 11任一项所述的泵单元，适合于在已经发 生了初始填充之后防止流体从该导管系统(30)漏出。
13. 根据权利要求12所述的泵单元，其中该导管系统(30)的 出口 (41)的水平高于该贮液器(20)中流体的最高水平。
14. 根据权利要求12或13所述的泵单元，包括其中布置了该导 管系统(30)的基底(40),其中该基底(40)围绕该导管系统(30) 的出口 (41)的部分包括流体对其具有较差浸润的材料。
15. 根据权利要求12或13所述的泵单元，包括其中布置了该导 管系统(30)的基底(40),其中该基底(40)围绕该导管系统(30) 的出口 (41)的部分由具有较差流体浸润的材料层所覆盖。
16. 根据权利要求15所述的泵单元，其中该具有较差流体浸润 的材料层是用于密封该导管系统(30)的出口 (41)的可移除密封 的一部分。
17. 根据权利要求12-16任一项所述的泵单元，其中该导管系 统(30)的导管(31、 33)中至少之一的内表面(35)的环形部分 由具有较差流体浸润的材料层所覆盖。
18. 根据权利要求12-17任一项所述的泵单元，包括可移动布 置的阻塞物(61),其适合于在初始填充期间施加了泵吸力之外的 力时保持在原位，并且适合于在受到该泵吸力的影响下被移动。
19. 根据权利要求18所述的泵单元，包括可绕枢轴旋转地布置 在该导管系统(30 )内的阀门(61 )。
20. 根据权利要求12 - 19任一项所述的泵单元，包括阻塞物(64 )， 其适合于在其温度超过阈值时溶解，该阈值高于在初始填充期间提 供的该流体的温度。
21. 根据权利要求1 - 20任一项所述的泵单元，其中该导管系统(30)包括用于输送流体的至少两个导管(31， 32),该至少两个 导管在该泵单元中的特定位置处接合。
22. 根据权利要求21所述的泵单元，其中该贮液器(20)适合 于容纳液体，其中连接至该贮液器(20)的该导管(31)适合于输 送该液体，并且其中另一导管(32)适合于输送蒸汽。
23. —种用于在饮料机中使用的泵单元，包括导管系统(30), 其具有用于在泵吸力的影响下输送流体的至少一个导管(31);其 中该泵单元适合于防止流体从该导管系统(30)泄漏。
24. 根据权利要求23所述的泵单元，进一步包括用于容纳该流 体的贮液器(20),其中该导管系统(30)的出口 (41 )的水平高 于该贮液器(20)中流体的最高水平。
25. 根据权利要求23或24所述的泵单元，包括其中布置了该导 管系统(30)的基底(40),其中该基底(40)围绕该导管系统(30) 的出口 (41)的部分包括该流体对其具有较差浸润的材料。
26. 根据权利要求23或24所述的泵单元，包括其中布置了该导 管系统(30)的基底(40),其中该基底(40)围绕该导管系统(30) 的出口 (41)的部分由具有较差流体浸润的材料层所覆盖。
27. 根据权利要求26所述的泵单元，其中该具有较差流体浸润 的材料层是用于密封该导管系统(30)的出口 (41)的可移除密封 的一部分。
28. 根据权利要求23 - 27所述的泵单元，其中该导管系统(30) 的导管(31、 33)的至少之一的内表面(35)的环形部分由具有较 差流体浸润的材料层所覆盖。
29. 4艮据权利要求23 - 28任一项所述的泵单元，包括阻塞物 (61),其适合于在该泵吸力的影响下被移除。
30. 根据权利要求29所述的泵单元，包括可绕枢轴旋转地布置 在该导管系统(30 )内的阀门(61 )。
31. 根据权利要求23 - 30任一项所述的泵单元，包括阻塞物
32. —种用于在饮料机(15)中使用的套件(10),至少包括根 据权利要求1 - 31任一项的该泵单元的导管系统(30)。
33. 根据权利要求32所述的套件(10),其适合于用作一次性 套件来使用。
34. —种饮料机(15 ),包括根据权利要求1 - 31任一项所述的 泵单元，其中该泵单元是该饮料机(15)的组成部分。
35. —种饮料机(15 ),包括用于容纳根据权利要求32或33所 述的套件(10)的空间。
全文摘要
一种泵单元(4)包括用于容纳液体的贮液器(20)、用于输送该液体的导管系统(30)以及用于使液体受到泵吸力的泵吸部分(50)。在根据现有技术的泵单元中，初始时空气填充了导管系统。这在开始泵单元的操作时导致了问题，或者在所施加的泵吸力高到足以防止这样的问题的情况下，却导致过高的液体流量。通过泵吸力之外的力的影响，例如在重力影响下，使初始填充用于从贮液器(20)向泵吸部分(50)输送该液体的导管(31)的至少一部分，这个问题得到了解决。
文档编号F04F99/00GK101316535SQ200680044828
公开日2008年12月3日 申请日期2006年11月29日 优先权日2005年11月30日
发明者F·弗雷, J·努尔德休斯, M·C·汉森, P·C·杜伊尼维尔德 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司