制备饮料的自动售货机中的连续流式电磁感应流体加热器的制作方法

制备饮料的自动售货机中的连续流式电磁感应流体加热器
1.相关申请的交叉引用
2.本专利申请要求2019年6月18日递交的意大利专利申请第102019000009381号的优先权，其全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本发明总体上涉及制备饮料的自动售货机领域，并且尤其涉及制备饮料的自动售货机中的用于加热流体(尤其是水、牛奶、空气等)的连续流式电磁感应流体加热器，以从无水材料制备热饮料，例如咖啡、茶、热巧克力等。


背景技术：

4.用于从无水材料制备饮料的自动售货机是已知的，特别是热饮料，例如咖啡、茶、热巧克力等。
5.这种自动售货机设置有一个或多个配置成加热水的加热器，例如煮器或水壶。已知的加热器通常包括由电阻材料制成并易于加热容置于售货机水箱或容器内的水的加热元件。
6.更具体地说，加热元件永久浸入盛在容器中的水中；在加热元件的端部施加电位差。因此，在加热元件内部产生电流，通过焦耳效应(joule effect)加热元件以热的形式耗散能量，从而通过传导加热水。
7.因此，有必要将盛在容器中的水保持在所需温度，以确保快速分配饮料。
8.因此，如果机器长时间处于非活动状态，将消耗大量能量，以将容器内的水保持在所需温度(通常85℃以上)。
9.此外，上述加热器为积蓄式，即在这种类型中，容器中盛有一定体积的水且将水加热并保持在所需温度；当要求分配一定体积的热水以制备相应的饮料时，从容器中抽取的热水用室温水进行补充。因此，需要将容器中的水加热并再次升高至所需温度，以确保在所需温度进行下一次分配。
10.在后一种情况下，需要等待一段时间来重新加热水，等待时间的长短取决于之前一次或多次分配期间分配的热水量。
11.除了温度，待要满足的一个重要参数是分配热水的流速，这首先取决于待要制备的饮料类型；例如，对于通过可溶性物质生产的饮料而言，需要相当大(至少10cc/s)的热水流速。当分配的热水流速高时，盛在容器中的水的温度将会迅速下降，导致长的等待时间用于后续分配或者获得其中可溶性物质可能形成团块的饮料。
12.cn-a-107647785和wo-a-2016016225描述了两个制备饮料的自动售货机中的用于加热水的连续流式热水器的示例。
13.上述与制备饮料的自动售货机中的水加热有关的问题起源于给定质量的水加热时的热惯性。
14.为了弥补这些技术缺陷，利用电磁感应现象加热水的解决方案是已知的。
15.尤其，已知的连续流式热水器，其利用电磁感应以在待加热的水在其内流动的由导电材料制成的管道内产生寄生电流。寄生电流通过焦耳效应以热量的形式耗散能量，由此加热管道，从而加热与管道接触流动的水流。
16.众所周知电磁感应加热器特别有优势，因为它们允许快速加热水。
17.本技术人的ep-a-2868242描述了一种加热器，其包括缠绕成螺旋形状并位于由电绝缘材料制成的套管(spool)的空腔中的金属管道，其上缠绕有电磁感应绕组。
18.绕组由交流电供电，交流电通过电磁感应产生寄生电流，寄生电流通过焦耳效应加热螺旋金属管道，从而加热管道内流动的水。
19.套管附接到机器的支撑结构上，而金属管道与套管没有机械附接，仅由液压线路简单支撑，通过简单的推入式配件连接到液压线路上。
20.更具体地说，金属管道和套管通过自由空间(气隙)径向分离。
21.以这种方式，加热器的维护，尤其是金属管道的更换更容易、更经济和简化。


技术实现要素：

22.尽管上述类型的加热器代表了一种用于加热从无水材料制备饮料的自动售货机中的水的功能上可行的解决方案，但申请人有机会验证已知加热器可以进一步改进，特别是关于加热器的整体流体动力学效率。
23.本发明的目的是实现一种连续流式电磁感应流体加热器，其非常可靠且成本有限，并且使得能够满足上述关于已知加热器规定的要求。
24.根据本发明，该目的通过如所附权利要求中所述的连续流式电磁感应流体加热器和包括这种连续流式电磁感应流体加热器的用于制备热饮料的自动售货机实现。
附图说明
25.图1是根据本发明第一优选实施例实现的包括加热器的供应和加热组件的示意性透视图，其中为了清晰起见移除了零件；
26.图2以放大比例显示了沿图1中所示线ii-ii的轴向剖面，其中为了清晰起见移除了零件；
27.图3显示了沿图2所示线iii-iii的横截面；
28.图4类似于图2且以放大比例显示了根据本发明第二优选实施例的加热器的相应的轴向剖面，其中为了清晰起见移除了零件；
29.图5类似于图3且显示了图4所示加热器的相应的横截面；
30.图6类似于图2且以放大比例显示了根据本发明第三优选实施例的加热器的相应的轴向剖面，其中为了清晰起见移除了零件；和
31.图7类似于图3且显示了图6所示加热器的相应的横截面。
具体实施方式
32.以下将参考水加热来描述本发明，但不会因此放弃任何通用性，因为本发明还可用于加热制备饮料的自动售货机中其他类型的流体，特别是液态奶或者用于乳化该液态奶或除水以外的流体的空气。
33.参考图1至图3，以1整体上指示连续流式电磁感应流体加热器，其配置成加热在制备饮料的自动售货机(未示出)内的流体，特别是水，尤其是从无水材料制备热饮料，例如咖啡、茶、热巧克力等。
34.尤其，加热器1是上述机器的供应和加热组件2的一部分，其包括：
[0035]-液压供应线路3(在图1中示意性示出)，其设置有容纳水、优选室温水的容器4，并配置为通过管5将水流从容器4输送至加热装置1；和
[0036]-电路6(在图1中示意性示出)，其功能将在下文中阐明。
[0037]
具体地，加热器1连接至电路6，并以流体(fluidically)连接至液压线路3。
[0038]
如图2所示，加热器1包括管状体7，该管状体7内部限定用于水的流动通道7a。因此，管状体7是中空的，具有纵向轴线a，且包括进入口8和排出口10，在使用中，液压线路3输送的待加热水通过该进入口8送入通道7a；并且在使用中，经加热的水通过该排出口10从通道7a流出。
[0039]
根据该优选和非限制性的实施例，管状体7基本上是直线形的，而通道7a与轴线a同轴获得，并且具有基本上圆形的横截面。
[0040]
根据未示出的替代实施例，管状体7和/或通道7a可以具有非直线形配置，例如包括一个或多个弯曲段；而且，通道7a可以具有非圆形横截面(例如椭圆形、卵形、方形、矩形、多边形等)。
[0041]
管状体7以未详细描述的已知方式附接到机器的内部支撑结构(未示出)。
[0042]
尤其，加热器1包括第一成型上端部分14和第二成型下端部分15，其布置在管状体7的轴向相对两侧、固定在管状体7上、并适于联接(尤其是安装)到机器的内部支撑结构上。
[0043]
更具体地，成型部分14和成型部分15与轴线a同轴布置，具有基本上呈圆顶的形状，并限定管状体7的各自轴向闭合元件。
[0044]
在一个实施例中，成型部分14和成型部分15以可拆卸的方式联接到管状体7，例如通过螺纹接头(threaded coupling)。
[0045]
如图1和图2所示，进入口8和排出口10分别由从成型部分14和成型部分15轴向延伸的各自中空突起限定。尤其，这些突起以及由此进入口8和排出口10与轴线a同轴布置。
[0046]
具体地，成型部分14的轴向突起在内部限定了过道17，该过道17使进入口8流体连接到通道7a，从而允许水流入通道7a。
[0047]
类似地，成型部分15的轴向突起在内部限定了过道18，该过道18使通道7a流体连接到排出口10，从而允许水从管状体7流出。
[0048]
鉴于上述情况，进入口8和排出口10分别布置在管状体7的相对轴向端。
[0049]
在所示示例中，排出口10流体连接至出口管16(图1)。该出口管16配置为将热水从加热装置1引导至饮料生产室(未显示)，在该室中，热水拍打通常包含在预先冲孔的胶囊中的无水材料。然后将由此获得的饮料从生产室输送至分配器(也未显示)，通过分配器将其从机器中排出。
[0050]
加热器1还包括由多个同心螺旋11a限定的绕组11，这些同心螺旋11a直接与管状体7的外表面12接触。
[0051]
具体地说，绕组11配置成以给定的振荡频率被提供交流电，并以此方式产生电磁感应场。
[0052]
更详细地，在使用中电路6向绕组11的各个端11b施加交流电压，从而产生前述交流电流和前述电磁感应场。
[0053]
优选地，管状体7由具有零磁化率的材料制成。
[0054]
以这种方式，管状体7与绕组11产生的电磁感应场相互作用的程度最小或基本上完全不相互作用，从而防止绕组11的干扰。
[0055]
加热器1还包括加热元件13，该加热元件布置在通道7a内，以便在使用中被在所述通道7a内流动的水流拍打并且在使用中可通过绕组11产生的电磁感应场激活。
[0056]
具体地，通过向绕组11提供交流电，产生交变电磁感应场，其磁通线在通道7a内会合，特别是通过加热元件13。根据法拉第定律(faraday's law)，产生的电磁感应场通量的变化在加热元件13内产生寄生电流，其通过焦耳效应加热加热元件13。
[0057]
加热元件13方便地由铁磁性材料制成。这样，电磁感应场线在加热元件13内更紧密，优化了寄生电流的产生，并且不会在管状体7内消散。
[0058]
在使用中，在通道7a内流动的水拍打加热元件13，因此通过传导传热进行加热。
[0059]
如图2所示，加热元件13通过间隙20与管状体7径向隔开，更准确地说，与通道7a的直线段19径向隔开，在使用中水流在间隙20内流动。
[0060]
具体地说，加热元件13基本上从成型部分14到成型部分15在通道7a内轴向延伸，而从未接触通道7a的直线段19。更具体地说，加热元件13通过多个连接部分23联接到管状体7(图3)。
[0061]
根据该优选和非限制性实施例，加热元件13具有基本上圆形的横截面，并且与轴线a同轴地容纳在通道7a内。
[0062]
因此，间隙20具有基本上环形的横截面。
[0063]
根据未示出的替代实施例，加热元件13可具有非圆形横截面，例如椭圆形、卵形、方形、矩形、多边形等。
[0064]
在图2和图3所示的示例中，加热元件13包括单个棒元件，尤其由单个棒元件构成。
[0065]
如图1所示，供应和加热组件2还包括温度传感器21，其配置成测量排出口10处的水温。
[0066]
尤其，传感器21至少部分地布置在成型部分15的过道18内，并且因此被配置为以可接受的近似度测量排出口10处的水温。
[0067]
组件2还包括逻辑单元22，该逻辑单元22被配置为获得由传感器21测量的温度值。
[0068]
逻辑单元22还被配置为控制电路6的激活和去激活，以及控制由电路6施加到绕组11的交流电压的振荡频率。
[0069]
在使用中，基于传感器21测量的出水温度值，逻辑单元22调整振荡频率，从而调整电路6输出的电功率。事实上，已知由于加热元件13的焦耳效应产生的热量较大，因此较高的温度对应较大的电功率。
[0070]
这样，逻辑单元22控制出水温度的变化。
[0071]
此外，加热器1有利地设置有用于偏转水流的挡板构件24，其置于通道7a内，包括：
[0072]-上游挡板或分配元件25，其联接至加热元件13，尤其安装至加热元件13位于进入口8处的第一端部，并布置在进入口8和相应过道17的流动下游(fluidically downstream)和加热元件13的流动上游(fluidically upstream)的位置；和
[0073]-下游挡板或分配元件26，其联接至加热元件13，尤其安装至加热元件13的与第一端部相反且并位于排出口10处的第二端部，并布置在加热元件13的流动下游和排出口10和相应过道18的流动上游的位置。
[0074]
特别地，在使用中，待加热的水流从管5输送并经由开口8流入通道7a，在与加热元件13接触之前与上游挡板25接触。
[0075]
随后，在经由排出口10离开通道7a之前，经加热的水流与下游挡板26接触。
[0076]
这样，与加热元件未设置有挡板的情况相比，流体动力阻力(hydrodynamic drag)更小。同时，总压降减小。
[0077]
方便地，上游挡板25和下游挡板26具有基本上圆顶的形状，以避免通道7a内水流的剧烈和突然的偏转，并促进水流更温和的偏转。
[0078]
上游挡板25和下游挡板26方便地与轴线a同轴布置，从而与进入口8和排出口10同轴布置。通过这种方式，水流尽可能均匀地转向通道7a的直线段19。
[0079]
如图2所示，成型部分14在内部限定通道7a的成型段27，其布置在进入口8的流动下游，特别是过道17的流动下游，且布置在加热元件13的流动上游，特别是直线段19的流动上游。
[0080]
特别地，成型段27至少部分面对上游挡板25，尤其是上游挡板25的外表面25a，并且具有至少部分遵循(或回描)该外表面25a的轮廓。
[0081]
以这种方式，在使用中在通道7a的成型段27内流动的水流遵循弯曲且平缓的轨迹，即没有突然偏转和急弯的轨迹。这有助于进一步限制通道7a内的压力损失。
[0082]
以相同的方式，成型部分15在内部限定通道7a的成型段28，其布置在加热元件13的流动下游，尤其是直线段19的流动下游，并且布置在排出口10的流动上游，尤其是过道18的流动上游。
[0083]
具体地，成型段28至少部分地面对下游挡板26，尤其是下游挡板26的外表面26a，并且具有至少部分地遵循(或回描)该外表面26a的轮廓。以这种方式，在使用中在通道7a的成型段28内流动的水流遵循弯曲且平缓的轨迹，即没有突然偏转和急弯的轨迹。这有助于进一步限制通道7a内的压力下降。
[0084]
此外，如图2和图3所示，管状体7包括第一进料通道29，在具体示例中四个进料通道29，其布置在上游挡板25的流动下游，将成型段27流体连接至直线段19，并适于围绕加热元件13均匀分配水流。以这种方式，可以通过防止生成水可能停滞的区域且从而避免水流加热的不均匀性来实现水流的均一性。
[0085]
根据该第二优选和非限制性的实施例，进料通道29相对于轴线a轴向对称分布，即围绕该轴线a成角度地等间距分布。
[0086]
管状体7还包括第二个进料通道30，在具体示例中四个进料通道30，其布置在下游挡板26的流动上游，将直线段19流体连接到成型段28，且易于围绕下游挡板26均匀传导，即均匀分布水流。
[0087]
最后一个应急手段有助于进一步减少加热装置1内的总流体动力阻力。
[0088]
以下将特别参考室温的水在容器4内的初始条件来描述根据本发明的加热器1的操作。
[0089]
在这种情况下，当用户命令分配饮料时，逻辑单元22通过已知类型的阀和泵的系
统(图1中示意性示出)，允许待加热的水流经进入口8和管状体7内的过道17。
[0090]
同时，逻辑单元22控制电路6的激活，电路6以给定频率向绕组11的端部11b施加交流电压，从而产生交流电流，而交流电流又产生上述电磁感应场。
[0091]
如上所述，该电磁感应场引起加热元件13的加热，加热元件13加热通道7a内流动并拍打所述加热元件13的水。
[0092]
当经加热的水流过过道18时，传感器21测量其温度并将测量值发送至逻辑单元21。通过这种方式，实现了对测量温度的闭环控制。
[0093]
然后，通过管16将经加热的水输送至腔室，以生产所选饮料。
[0094]
参考图4和图5，根据本发明的替代优选实施例实现的连续流式加热器作为一个整体用1’表示。
[0095]
由于加热器1’在结构和操作上与加热器1相似，下文将仅描述与加热器1有关的结构和功能差异。
[0096]
相同的附图标记将用于指示类似或等效的部分和/或特征。
[0097]
特别地，加热器1’与加热器1的不同之处在于，其设置有加热元件13’，该加热元件13’包括多个棒元件，尤其由多个棒元件构成。
[0098]
更准确地说，加热元件13’由一束直径小于形成加热装置1的加热元件13的单个棒元件直径的棒元件构成。
[0099]
具体地，加热元件13’的每个棒元件在通道7a内从成型部分14延伸到成型部分15轴向延伸。
[0100]
更具体地，棒元件在所述棒元件各自的相对轴向端部处固定至所述成型部分14和15上。
[0101]
在使用中，在通道7a内流动的水流拍打每个棒元件，在通道7a的棒元件之间的间隙中流动。由于加热元件13’的总传递表面大于加热元件13的总传递表面，因此，热传递得到改善。
[0102]
参考图6和图7，根据本发明的另一优选实施例实现的连续流式加热器作为一个整体用1”表示。
[0103]
由于加热器1”在结构和操作上与加热器1相似，下文将仅描述与加热器1有关的结构和功能差异。
[0104]
相同的附图标记将用于指示类似或等效的部分和/或特征。
[0105]
特别地，加热器1”与加热器1的不同之处在于，其设置有加热元件13”，该加热元件13”包括多个薄壁板，尤其由多个薄壁板构成。
[0106]
具体地，加热元件13”的各个板在通道7a内从成型部分14延伸到成型部分15轴向延伸。
[0107]
更具体地，板在所述板各自的相对轴向端部处固定这些成型部分14和15上。
[0108]
在使用中，在通道7a内流动的水流拍打每一个薄壁板，在每一对薄板之间的间隙中流动。由于加热元件13”的总传递表面甚至大于加热元件13’的总传递表面，因此，热传递得到改善。
[0109]
通过对根据本发明实现的加热器1、1’、1”的特征的检查，本发明可实现的优点变得明显。
[0110]
特别地，由于上游挡板25和下游挡板26的存在，与这些加热器未设置有挡板元件的情况相比，加热器1、1’、1”的总体流体动力阻力减小。同时，总压降减小。
[0111]
此外，由于上游挡板25和下游挡板26以及成型段27和28的特殊形式，可以实现水流的同质且均匀的加热。
[0112]
显然，所描述和图示的加热器1、1’、1”可以被修改和改变，而不会因此脱离权利要求所限定的保护范围。
[0113]
特别地，上游挡板25和下游挡板26可以是加热元件13、13’、13”的一体部分，且因此分别由加热元件13、13’、13”的第一端部和第二端部形成。