节能咖啡机的制作方法

存在在家里、办公室、健身中心、学校和工厂中装配的数百万的用于自动产生浓缩咖啡的机器。这些机器的能量消耗没有被优化，并且实际用于制作咖啡的能量是总吸收功率的非常小的一部分。一方面，考虑到全世界存在的非常高的数量的机器，我们见证了显著的能量浪费，并且另一方面，在电力的可用性是有限的地方(例如，在汽车中或户外)，我们不能够获得咖啡。本发明的目的在于实现一种具有高能量效率的咖啡机，即使在电力供给网络不可用的情况下通过可替代地连接到器具中自含的或者它被安装在其上的运输工具的装置中可用的电池(例如，汽车电池)也能够制作咖啡。

现有技术

如图1所示，用于在家庭或者办公室大小中产生浓缩咖啡的机器至少由水箱(1)、泵(2)组成，该泵(2)用于将水传送到加热器(3)并传送到容纳在容器(4)中的咖啡的混合物，该容器(4)通过喷嘴(11)将咖啡运送到杯子(5)中。

在被放入与咖啡混合物接触之前，水必须加热到大约90℃，以这样的方式提取混合物的最大量的芳香和精华。温度传感器(12)被使用以便将加热器的温度稳定在所需的温度。该机器还可包括连接到咖啡分配器(13)的咖啡磨(6)。作为替代，研磨可以在机器外部进行，或者甚至可以使用市场上各种类型可用的且被咖啡的混合物填充的粉囊包(pod)或胶囊。控制单元(9)和键盘显示屏(10)允许管理机器的操作功能，包含要制作的咖啡的量和类型，检查操作功能(水的存在，咖啡的存在，机器准备好分配咖啡等等)。另外，包含一组辅助和安全设备，诸如水位传感器(7)和超温恒温器(8)。

当前可用机器中的关键部件是用于对水进行加热的加热器(3)，原因在于它是使用最大量的能量的部件。图2是典型实施例中的加热器的更详细的图：运输水的管(21)与电加热电阻器(22)一起被加入金属模块(20)，该金属模块典型地由铝制成。冷水(33)从管(21)的一端进入，并且加热后从相对的端(34)出来。电流被施加到电阻器(22)以对加热器进行加热。存在两个恒温器，一个用于调节的恒温器(12)被设置在85-90℃，其将水保持在被设置的温度，周期性地向加热电阻器(22)供给电力，而第二个安全恒温器(8)被设置在更高的温度，如果恒温器(12)或控制系统故障，其能够介入以便使加热电阻器(22)停止作用。

加热器的操作如下：电阻器(22)被馈送直到整个模块(电阻器、水管和恒温器)达到大于90℃的温度。此时，电阻器(22)由控制系统断开连接，并且不再重新连接直到温度已下降到例如85℃。加热元件的功率在1200瓦特与2200瓦特之间改变(1500w为最常用的值)，而供给电压取决于操作的国家在110v与230v之间变化。热时间常数相当长并且加热时间(在机器为冷的情况下)在2分钟与5分钟之间改变，而在操作状态下电阻器(22)的开/关周期为数秒钟的数量级。

用于制作一杯咖啡的能量：

一杯浓缩咖啡具有25cc的典型容量。水从20℃的室温被加热到大约90℃，以便使咖啡处在大约85℃。为了使1cc的水的温度升高1℃，需要1卡路里(calorie)，对应于4.18j。所利用的以焦耳为单位的能量因此是水的量(25cc)乘以温度增量(从20到90℃)即70℃、再乘以水的比热的乘积。因此制作一杯咖啡需要25x70x4.18＝7315j，并且考虑到还由辅助控制电路和泵所使用的能量，可以计算出实际大约8000焦耳的量。

由咖啡机吸收的功率：

我们可以识别机器的两种不同的操作模式。第一操作模式是典型的家庭使用，其中每次制备一杯咖啡时机器被接通。第二操作模式是典型的办公室使用，其中机器保持每天连续接通大约10小时并且分配例如30杯咖啡。如果我们假定1500w的加热器功率，2分钟的加热时间，以及在机器接通的情况下50w的消耗(电阻器的接通时间为总共的1/30)，则结果是：

在第一操作模式中，吸收功率为2分钟的1500w或以j为单位(1焦耳＝1wx1秒)，并且我们得到1500wx120秒＝180000j。相对于由机器全部消耗的能量，考虑用于制备一杯咖啡所需要的能量，结果为(8000/180000)＝4.44％，即仅所利用能量的4.44％已被用于制作咖啡。

在第二操作模式中，机器以平均50w操作10小时，即500w，对应于1800000j，其应被加上用于启动的180000j(在前的情况)。在10小时的运行中，机器因此消耗约1980000j，其被除以30杯咖啡，对应于每杯66000j。在该第二操作模式中，用于制备一杯咖啡所需要的能量与对于一杯咖啡由机器所大约消耗的总能量之间的比证明为8000/66000×100＝12.12％。因此清楚的是，咖啡机的能量产率极其低。

本发明的目的在于使咖啡机的产率达到90％及以外，从而开启了由于其高消耗水平而在过去没有被考虑的实施例可能性的道路。

本发明的特征和优点从通过附图中的非限制性示例的方式所示出的、手边的本发明的实施例的下文详细描述中将变得更明显，其中：

-图1是当前市场上已知和可用的咖啡机的示意图；

-图2是已知类型的加热器的示意图；

-图3a、3b、3c和3d示出了根据本发明的用于机器的加热器的不同实施例；

-图4是根据本发明的机器的第一实施例的总体示意性表示；

-图4a是根据本发明的机器的第二实施例的总体示意性表示；

-图5a、5c、5c和5d是图4中出现的机器的完整的电子电路图。

发明的实现

为了实现非常高的能量产率，用于对水进行加热的加热器的概念需要完全改变。如上所述，用于咖啡机的加热器当前由重量在0.5与1kg之间变化的金属质量构成，其中水管和电阻器被嵌入。该结构类型使得水温的调节简单，原因在于组件的强热质量变成温度的稳定元素，这可以容易通过以数秒钟的周期操作的开/关恒温器来控制。

在本发明中，加热器(图3)被减小到几克重的管(30)，其几乎不具有热惯性，并且因此必须通过复杂的电子系统来调节温度，该电子系统基于通过管的水流成比例地且以极快的速度调节温度。

本发明的优点立即体现：在质量上极度减小，加热器立即升温，从而避免需要持续地维持其温度。以这种方式，加热器在必须制备咖啡时被接通，并且在制备结束时关断。机器待机的消耗因此为零(null)，而在前面的示例中，其大约为50w。考虑到加热器的质量仅仅为几克，用于对管(30)进行加热的能量消耗也非常低。通过示例的方式，让我们考虑具有5克的质量、必须使其从20℃达到90℃的加热器：

5(以克为单位的加热器的质量)×70(温度间隔)×0.4(金属的平均比热)＝140j。制作一杯咖啡需要约8000j，结果，获得一杯咖啡所利用的能量因此证明为是所利用的总能量的98.25％。考虑到损耗和辅助电路也需要的能量，机器的达到90％以上的产率因此在任何情况下似乎是具体考虑。

根据本发明的咖啡机因此包括加热器(3)，其包括为了增加入口(33)与出口(34)之间的水流的温度的目的而预先设置(predispose)以用于被加热的管(30)。在图3a、3b、3c和3d中出现了各种典型但非排他性的结构类型的加热器(3)的不同实施例。加热器(3)表示为直线，然而，根据完整机器的结构要求，它显然可以采用曲线、螺线(spiral)、螺旋(helicoid)或其它复杂形状。

机器还包括加热装置(r)，其利用电流产生热并对管(30)进行加热。加热装置(r)优选为电阻型，即，它通过焦耳效应产生热。

机器还包括至少一个温度传感器(s)，其以大体上处于管(30)的相同温度、且基于它自身的温度来改变电阻的方式被构造。考虑到管(3)的极其有限的质量，温度传感器对温度的变化的响应必须极其快速和精确，以便允许水温的有效控制。

在机器的第一实施例中(图3a)，加热装置(r)包括管(30)，其由导电金属材料制成并且被布置以使电流在其两端(31)之间通过它，以便升温并且还对水流加热。温度传感器(s)也包括金属管(30)。水在入口部分(33)进入管(30)内部，并在出口部分(34)离开管(30)，由于管(30)的长度与直径之间的高比率，通过与管(30)非常有效的热交换而升温。由于管(30)的电阻的变化是基于温度的，所以通过监测所述电阻的值，能够获得管以及因此水的精确温度。由于管(30)的电阻低(典型地为分数欧姆(fractionsofohm))，它特别适合于电池或低电压应用。

在另一实施例中，适合于与电力供给网络连接操作，管(30)被布置以便形成变压器(t)的次级绕组(图3d和4a)。变压器(t)的初级绕组相反被预先设置以连接到电力供给网络或高频发生器(逆变器)，该高频发生器继而连接到电力供给网络。在该第二种情况下，变压器(t)将在重量上更轻并且更小。变压器(t)的利用使得能够将管(30)的端部(31)处的电压降低到期望值，从而保持供给电压对于电力供给网络可用。

图3b中示出了适合于利用电源电压(mainsvoltage)操作的另一实施例。在该实施例中，管(30)是薄壁的，由电绝缘但是热传导的陶瓷材料等制成，或者由包覆有一薄层电绝缘材料的金属材料制成。用于对管(30)进行加热的加热装置(r)包括电导体(32)，其缠绕在管周围或者通过围绕管的沉积处理而被模制(mold)。通过使电流在电导体(32)的端部(31)之间通过，电导体(32)被加热并因此管(30)和其中的水被加热。在这种情况下，如管(30)的情况那样，电导体(32)的电阻也随着温度改变，并因此可以被用于测量水的温度。作为替代，为了测量水的温度，可以使用管(30)，如图3a中出现的示例实施例那样。电导体(32)还凭借它可以被缠绕或模制的事实而具有更高的电阻，并因此适合于与电力供给网络(110-230v)连接操作。电导体(32)可以使用绢网印花沉积(serigraphicdeposition)方法(厚膜)沉积在管(30)上。该沉积可以使用在操作功能方面等效的已知技术(诸如溅射(阴极溅射)、电解、化学或电化学沉积)进行。

另一实施例提供加热装置(r)包括电导体(32)，同时温度传感器(s)包括管(30)。

如前所述，在以上描述的所有实施例中，温度传感器(s)实际上为比例温度测量装置。比例温度测量装置的示例包含例如热敏电阻(thermistor)、集成电路温度传感器、二极管、晶体管、热电阻器(thermoresistor)、热电偶或其它等效装置。温度传感器(s)还可采用最大温度传感器的形式，其存在于所有的机器中以便当超过最大安全温度时断开电力供给；它连接到具有两个温度设置(用于水温控制的较低设置和用于机器安全的较高设置)的电路。

在图4所示的实施例中，机器由电池(50)供电。该机器包括控制模块或控制器(9)。控制器(9)被预先设置以用于控制第一电流调节器(47)。第一电流调节器(47)被预先设置以用于以精确的方式将被控电流传送到加热装置(r)。电流调节器(47)的优选示例提供通过pwm(脉冲宽度调制)技术以成比例的方式对电流进行调节。传送到加热装置(r)的电流的精确控制对于维持恒定的水温是重要的。在图4所示的实施例中，加热装置由管(30)构成，由第一调节器(47)所产生的电流被供给到管(30)。

控制器(9)还被预先设置以用于控制电流发生器(43)。电流发生器(43)被预先设置以用于将测量电流传送到温度传感器(s)。在图4所示的实施例中，温度传感器(s)由管(30)构成，由第二发生器(43)所产生的电流被供给到管(30)。如前所述，管(30)的电阻是管的、并因此是通过它的水的温度的函数。电流发生器(43)将电阻的变化转换为与温度成比例的电压。

处理模块(40)被预先设置以用于测量温度传感器(s)(在这种情况下为管(30))的端子处存在的电压，当仅发生器(43)所产生的测量电流通过它时。处理模块(40)还提供对与管(30)的温度成比例的被测量的电压进行放大和过滤，将它与已知的参考电压(52)进行比较。处理模块(40)生成误差信号(51)，其被发送到控制器(9)。误差信号(51)含有关于图4中的温度传感器(s)即管(30)处的瞬时温度误差的信息。基于接收到的误差信号(51)，控制器(9)命令第一电流调节器(47)使得一定的电流被发送到加热装置(r)，以便使由温度传感器(s)即管(30)测量的温度达到期望值。第一电流调节器(47)将从控制器(9)接收到的命令转化成置于电池(50)与加热装置(r)(在这种情况下为管(30))之间的第一开关(45)的开/关比(ratio)。水温因此如所需要的那样每秒多次以成比例的方式被调节，以便在机器从加热器(3)中咖啡的分配到没有水的所有操作条件下维持温度稳定。

采样模块(42)被预先设置以用于在仅发生器(43)的测量电流被发送到温度传感器(s)时(即在第一开关(45)打开时)同步温度传感器(s)(在这种情况下为管(30))的电阻的测量。

第二电流调节器(46)被预先设置以用于调节施加到供水泵(2)的功率，以为了在所有情形下确保用于制作咖啡的水的最佳流速。已放入容器(4)中的咖啡混合物被喷洒适当温度的水。咖啡可以通过喷嘴(11)分配到杯子(5)中。利用极度减少尺寸(基本上限制到管(30)的尺寸)的加热器(3)，使得机器能够实时地执行水温控制。这意味着水流不必如已知类型的机器那样保持恒定，而是它可以随着时间改变，并且特别是在分配咖啡的过程期间。因此，能够例如向混合物发送第一股热水并且中断流数秒钟，以便保持混合物处于浸泡状态。流然后继续以便分配咖啡。实质上，在根据本发明的机器中，被加热的水的流速如所期望的那样根据预定的模式随着时间改变。

如前所述，在图4出现的实施例中，机器由电池(50)供电。咖啡的分配的启动和停止由用户通过启动/停止按钮(48)来确立。从机器的初始停止状态启动(其中所有电路待机并且由电池吸收的电流为零)，按压启动/停止按钮(48)关闭第一开关(45)并且通过由第一调节器(47)发送到管(30)的电流确定水的加热。泵(2)通过将水从水箱(1)中抽出来将其供给到管(30)。该操作在加热装置包括图3b中所示的电阻器(32)的情况下不改变。

发送到管(30)或电阻器(32)的电流由第一调节器(47)通过pwm(脉冲宽度调制)技术以成比例的方式调节，以便维持恒定的水温。电流发生器(43)向管(30)供给预先确立值的电流，管(30)的电阻是管(30)的、并因此是通过它(30)的水的温度的函数。当加热电流没有通过管(30)的或者电阻器(32)的端部(31)(开关45打开)，而仅发生器(43)所发送的测量电流通过它们时，处理模块(40)测量供给到这些端部(31)的电压。处理模块(40)提供对与温度成比例的信号进行放大和过滤，将它与已知的参考电压(52)进行比较，并且生成误差信号(51)。含有关于瞬时温度误差的信息的误差信号(51)被发送到控制器(9)并被发送到将其转化成第一开关(45)的开/关比的第一调节器(47)。水温因此如所需要的那样每秒多次以成比例的方式被调节，以便在机器从加热器中咖啡的分配到没有水的所有操作条件下维持温度稳定。采样模块(42)在第一开关(45)打开时同步管(30)的或者电阻器(32)的电阻的测量。第二电流调节器(46)相反调节施加到泵(2)的功率，以便在所有情形下确保用于制作咖啡的水的最佳流速。

通过再次按压启动按钮(48)，用户在所期望的水平处停止咖啡的分配，并且所有的机器电路切断，使吸收再次回到零。

指示器led(49)可以被利用以例如通过保持连续点亮来通知用户咖啡的适当分配。在故障(缺水、电池电量低等)的情况下，led将闪烁以便用信号通知咖啡没有被分配。

注意，考虑到辅助和安全电路对于本领域技术人员是已知的，为了提供清楚的阐述，所有的辅助和安全电路已被省略。

还注意，在所有示出的实施例中机器的操作是相同的，即考虑到电阻器(32)代替管(30)作为加热装置，以及电阻器(32)或其它比例温度测量设备(8)代替管(30)。图3c示出了本发明的实施例，其中管(30)由ptc(正温度系数)陶瓷材料制成。ptc材料具有显著的非线性电阻/温度响应：当达到居里(curie)温度时，该材料在20-30℃间隔内电阻增加多达10倍，并且这使得一定的工作温度的调节成为可能。通常所述调节没有充分精确到将水温以几度的容差维持在90℃，但是如果发生控制电路(9)的故障时，其如预先调节和/或安全措施在任何情况下是有用的。通过用第二调节器(46)改变泵(2)的流速，ptc的典型温度控制可以被改进，使它在所需的几度的精度内。ptc电阻因此被利用以通过第二调节器(46)调节泵(2)的流速。在这种情况下，pwm电流发生器(43)维持在最大的占空比(duty-cycle)。

在本文所描述和示出的所有实施例中，提供了连接到控制器(9)的一个或多个最大温度传感器，考虑到它们在本领域技术人员触及的范围内，它们没有被示出。如果由一个或多个最大温度传感器检测到的温度超过预定的阈值，控制器(9)使加热装置(r)停止作用。

在图5a、5b、5c和5d中，作为本发明的主题的咖啡机的完整和功能实现在控制电路和电源的部分中被指示并用于电热器(3)的实现。水箱(1)、泵(2)以及用于咖啡的混合的容器(4)的实现没有被详细地描述，因此它们是市场上可用的标准部件。