ITRE20110109A1 - Macchina da caffe' a risparmio energetico - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Di un brevetto Italiano d’invenzione avente per titolo:

Macchina da caffè a risparmio energetico

Esistono milioni di macchine per la produzione di caffè espresso, in modo automatico, installate presso famiglie, uffici, palestre, scuole ed industrie. Il consumo di queste macchine non è ottimizzato, e l’energia effettivamente utilizzata per produrre il caffè è una frazione molto piccola di quella totale assorbita. Da un lato assistiamo ad uno spreco di energia notevole, considerato il numero molto elevato di macchine presenti nel mondo, e d’altro canto non possiamo ottenere caffè ove la disponibilità di energia elettrica è limitata (ad esempio in auto o al’aria aperta). Scopo del presente brevetto è la realizzazione di una macchina per caffè ad elevata efficienza energetica, in grado di produrre caffè anche nelle situazioni ove la rete elettrica non sia disponibile, collegandosi in alternativa ad una batteria entrocontenuta nell’apparecchio o disponibile nel mezzo su cui è installata (esempio batteria de’automobile).

STATO DELL’ARTE

Le macchine per la produzione di caffè espresso nel formato per famiglia od ufficio, come indicato in fig. 1 , sono composte almeno da un serbatoio per l’acqua 1 ), da una pompa 2) per iniettare l’acqua prima dentro la caldaietta 3), poi sulla miscela del caffè, ospitata nel contenitore 4), che attraverso il beccuccio 1 1 ) convoglia il caffè nella tazza 5) .

L’acqua deve essere riscaldata a circa 90°C prima d i essere posta a contatto con la miscela di caffè, in modo da estrarre al massimo gli aromi e le essenze presenti. Il sensore di temperatura 12) è impiegato per stabilizzare la temperatura della caldaia al valore richiesto. Un macinacaffè 6) collegato ad un dispensatore di caffè 13) possono essere presenti. Oppure la macinatura può avvenire all’esterno della macchinetta, od ancora si potranno impiegare cialde o capsule riempite di miscela di caffè e presenti in commercio con marchi differenti. Una scheda di controllo 9) ed un display con pulsanti 10) permettono di gestire le funzionalità operative della macchinetta, quali lunghezza e tipo di caffè, verifica della funzionalità operative (presenza acqua, presenza caffè, macchinetta pronta all’erogazione e così via). Sono inoltre presenti una serie di dispositivi ausiliari e di sicurezza, come il sensore di livello dell’acqua 7), ed il termostato di sovratemperatura 8).

Molti altri circuiti e componenti possono essere presenti, ma essendo tecnica nota non sono rilevanti per la comprensione del presente brevetto. Ci focalizzeremo invece sulla costruzione della caldaietta 3) per il riscaldamento dell’acqua perché è l’elemento che impiega la maggior quantità di energia. In fig. 2 appare un disegno più dettagliato della caldaietta nella sua realizzazione tipica odierna: il tubo che trasporta l’acqua 21 ) è inglobato, assieme alla resistenza elettrica di riscaldamento 22) in un blocco metallico 20), tipicamente in alluminio. L’acqua fredda 33) entra da un lato del tubo 21 ) ed esce riscaldata 34) dal lato opposto. Alla resistenza elettrica 22), viene applicata la corrente per riscaldare la caldaietta. Sono presenti due termostati, uno di regolazione 12) tarato ad 85-90 °C, che mantiene l’acqua in te mperatura inserendo periodicamente la resistenza di riscaldamento 22), ed un secondo termostato di protezione 8), tarato a temperatura più alta, in grado di intervenire come emergenza se il termostato 12) od il sistema di controllo si guastano.

Il funzionamento della caldaia è il seguente: La resistenza 22) si accende fino a che tutto il blocco (resistenza, tubo dell’acqua, termostati) raggiungono la temperatura di circa 90°C. A quel punto la resistenza 22) viene distaccata dal sistema di controllo e non viene reinserita fino a quando la temperatura non scende ad esempio ad 85°C. La potenza dell’elemento riscaldante varia fra i 1200 ed i 2200 Watt (1500 W il valore più diffuso), mentre la tensione di alimentazione è compresa fra i 110 V e 230 V a seconda del paese il cui si opera. Le costanti termiche sono abbastanza lunghe, il tempo di riscaldamento (a macchina fredda) varia fra i 2 ed i 5 minuti, mentre il ciclo di inserzione / disinserzione dell’elemento resistivo 22) a regime è dell’ordine di alcuni secondi.

Energia impiegata per fare un caffè:

Un caffè espresso ha un volume tipico di 25 CC. L’acqua viene riscaldata da 20°C di temperatura ambiente a ci rca 90°C, per avere sul caffè circa 85°C. Per alzare di 1 °C un cc di acqua o ccorre 1 caloria, che corrisponde a 4,18 J. L’energia impiegata in Joule è quindi il prodotto della quantità di acqua (25 CC) moltiplicata per il delta di temperatura (da 20 a 90°C), ovvero 70°C, ulteriormente moltiplicata per la costante di conversione in Joule. Quindi occorrono 25 x 70 x 4,18 = 7.315 J per fare un caffè, considerando anche l’energia utilizzata dai circuiti ausiliari di controllo e la pompa si può calcolare un dato reale sugli 8000 Joule.

Potenza assorbita dalla macchina del caffè: possiamo identificare 2 differenti modi operativi: il primo caso rappresenta l’uso tipico di abitazione, in cui la macchinetta viene accesa ogni volta che si prepara un caffè, ed il secondo in cui ci troviamo in regime di accensione continua, che è l’uso tipico da ufficio, con ad esempio 10 ore di accensione e 30 caffè prodotti. Ipotizzando una potenza di caldaia di 1500W, un tempo di riscaldamento di 2 minuti, ed un consumo a macchina accesa di 50W (il tempo di accensione della resistenza è 1 /30 del totale), abbiamo che:

Primo caso, la potenza assorbita è di 1500W per 2 minuti, ovvero tradotta in J (1 Joule = 1 W x 1 secondo) abbiamo 1500 W x 120 sec.= 180.000 J. Se calcoliamo la percentuale abbiamo (8000 /180.000) x 100 = 4,44 % , ovvero solo il 4,44% dell’ energia impiegata è stato usato per realizzare il caffè.

Nel secondo caso invece abbiamo che la macchina funziona per 10 ore a 50 W medi, ovvero 500Wh, che (1 Wh = 3600 J) tradotti in Joule sono 500 x 3600 = 1.800.000 J, cui vanno aggiunti 180.000 J (caso precedente) per l’accensione. Sommano così 1.980.000 J, che divisi per 30 caffè fanno 66.000 J cadauno. Calcolando in percentuale abbiamo (8000 /66000) x 100 = 12,12 % .Si può quindi vedere come il rendimento energetico di una macchina da caffè sia estremamente basso, considerando che nel migliore dei casi ipotizzati arriva al 12% .

Scopo del presente trovato è di portare il rendimento di una macchina da caffè al 90% ed oltre, aprendo possibilità realizzative che in passato non potevano essere prese in considerazione per l’elevato consumo energetico delle stesse.

REALIZZAZIONE DELL’ I NVENZIONE

Per ottenere un’efficienza energetica altissima bisogna cambiare totalmente la concezione della caldaia di riscaldamento dell’acqua. Tipicamente una caldaietta per macchine da caffè oggi è costituita da una massa metallica compresa fra 0,5 ed 1 Kg, in cui sono annegati il tubo dell’acqua e la resistenza elettrica. Questa tipologia costruttiva rende semplice la regolazione della temperatura dell’acqua, in quanto la forte massa termica dell'insieme diventa un elemento stabilizzante della temperatura, che può agevolmente essere controllata da un termostato ON/OFF operante con un ciclo di parecchi secondi.

Nel presente trovato la caldaietta (fig. 3) si riduce ad un tubo 30) del peso di pochi grammi, che non ha praticamente inerzia termica e che deve quindi essere regolato in temperatura da un sofisticato sistema elettronico, che regoli in modo proporzionale ed estremamente veloce la temperatura in base al flusso d’acqua che attraversa il tubo medesimo. Se in passato detto sistema era impossibile da realizzare a costi contenuti, oggi grazie ai moderni circuiti integrati, è possibile realizzare detto sistema di controllo ad un costo accessibile.

I vantaggi del trovato appaiono immediatamente evidenti: la massa termica della caldaietta, così ridotta, si riscalda immediatamente, evitando la necessità di tenerla sempre in temperatura. In questo modo la caldaietta viene accesa nell’ istante in cui si deve preparare il caffè e viene spenta alla fine della preparazione. Il consumo della macchina a riposo è quindi zero, contro i 50W del caso precedente. Anche l’energia di riscaldamento è quasi nulla, considerata la massa di pochi grammi della caldaietta. A titolo di esempio poniamo la massa della caldaietta uguale a 5 grammi, che deve essere portata da 20 a 90°C:

5 (massa caldaia in grammi) x 70 (delta di temperatura) x 0,4 (costante termica media per grammo di metallo) = 140 J. Per realizzare un caffè occorrono circa 8000 J, quindi per calcolare l’energia persa per riscaldare il tubo 30) avremo: (140 / 8000) x 100 = 1 ,75% . L’energia utilizzata per ottenere il caffè risulta quindi essere il 98,25% dell’energia totale utilizzata. Considerando anche l’energia necessaria ai circuiti ausiliari e le perdite, appare quindi reale dichiarare comunque un rendimento della macchina superiore al 90% .

In fig. 3 appare la realizzazione fisica della caldaietta, in varie tipologie costruttive tipiche, ma non esclusive. L’elemento riscaldante è qui indicato come rettilineo, ma potrà ovviamente assumere forme curvilinee, spirali, elicoidali, od altre forme complesse a seconda delle necessità costruttive della macchina completa.

In fig. 3A l’elemento 30) consiste in un tubo metallico a parete sottile, che attraversato dalla corrente elettrica applicata ai due capi 31 ) si riscalda. L’acqua che entra al suo interno dal punto 33), ne acquista il calore ed esce dal punto 34), con uno scambio termico molto efficiente, visto l’elevato rapporto fra lunghezza e diametro del tubo 30). Poiché il tubo metallico 30) ha una variazione della propria resistenza elettrica in funzione della temperatura, monitorando il valore di detta resistenza è possibile risalire alla temperatura precisa del tubo e quindi dell’acqua. L’elemento 8) è come sempre un circuito ausiliario di protezione in temperatura, nel caso il circuito principale di regolazione si guasti. Poiché il tubo metallico 30) di fig. 3A è un elemento a bassa resistenza elettrica (tipicamente frazioni di Ohm), esso è particolarmente adatto per applicazioni a batteria od a bassa tensione.

Per applicazioni a tensioni di rete, invece, la configurazione più adatta appare in fig. 3C, ove il tubo a parete sottile 30), è realizzato in materiale ceramico o similare, isolante elettricamente ma conduttivo del calore. La resistenza elettrica di riscaldamento 32) di fig.3C, è avvolta attorno al tubo, o stampata con un processo di deposizione attorno al tubo medesimo. Anche qui il funzionamento è uguale, facendo passare corrente fra i capi 31 ) si ha il riscaldamento della resistenza elettrica 32), quindi del tubo 30) e dell’acqua al suo interno. La resistenza dell’elemento può anche qui variare con la temperatura (dimensionando opportunamente i parametri costruttivi dell’elemento) e quindi diventare indicatore del riscaldamento dell’acqua. La resistenza 30) essendo avvolta o stampata produce un valore resistivo più elevato e quindi adatto ad un funzionamento sulla rete elettrica (1 10 - 230 V).

In fig. 3B appare una realizzazione dell’invenzione che impiega come tubo riscaldante 30) un materiale ceramico PTC (positive temperature coefficient), quindi in grado di autoregolarsi in temperatura. Il materiale PTC ha una resistenza fortemente non lineare con la temperatura: al raggiungimento della temperatura di Curie, il materiale aumenta la propria resistenza anche di 10 volte nell’intervallo di 20-30°C, e questo permette una certa regolazione della temperatura di lavoro. Detta regolazione non è di massima abbastanza precisa per poter mantenere la temperatura dell’acqua a 90°C con una tolleranza di pochi gradi, ma è comunque utile come preregolazione e/o come protezione in caso di guasto del controllo principale. Modificando la portata della pompa 2) di fig. 4 mediante il comando 46) di fig. 4 si può migliorare il controllo di temperatura tipico del PTC, portandolo alla precisione richiesta di pochi gradi. La lettura della resistenza sul PTC andrà quindi a regolare il flusso della pompa 2) invece che il PWM del riscaldatore 47), che in questo caso sarà mantenuto al massimo duty-cycle (ciclo utile).

Nelle figure 3D e 3E si esemplificano altre due realizzazioni del trovato, ove il resistore di riscaldamento 32) è posto all'interno del tubo 30) o a fianco del medesimo e rivestito da un involucro 60) in grado di massimizzare lo scambio termico fra i due elementi 30 e 32). Tutte queste realizzazioni sono esemplificative e non limitative del trovato, e sono qui presentate allo scopo di meglio illustrare il concetto realizzativo della caldaietta con minima massa termica, molto minore della massa del liquido da trattare. Questo al contrario dei prodotti odierni, che sono dotate di una caldaia con forte massa termica, molto maggiore della massa del liquido da riscaldare.

In fig. 4 appare lo schema a blocchi dei circuiti di controllo della macchina per il caffè, in una sua realizzazione esemplificativa. Tutti i circuiti ausiliari e di protezione sono omessi per chiarezza espositiva.

Tutti i circuiti sono a riposo e la corrente assorbita dalla batteria è uguale a zero.

Premendo il pulsante di avvio 48) si chiude l’interruttore 45) che determina il riscaldamento dell’acqua. La pompa 2) rifornisce la caldaietta 3) di acqua, prelevata dal serbatoio 1 ). La corrente sul tubo 30) componente della caldaietta 3), è regolata in modo proporzionale mediante la tecnica PWM (pulse width modulation) o modulazione a larghezza di impulso, dal generatore PWM 47), per mantenere costante la temperatura dell’acqua. Il generatore di corrente 43) inietta una corrente di valore prestabilito sul tubo 30) della caldaietta 3), il cui valore di resistenza è funzione della temperatura del tubo 30) e quindi dell’acqua che lo attraversa. Il circuito di elaborazione del segnale 40) misura il valore di tensione presente sul tubo 30) della caldaietta 3), quando questo non è attraversato dalla corrente di riscaldamento (interruttore 45 aperto), ma solamente dalla corrente di misura iniettata dal generatore 43). Il blocco di elaborazione 40) provvede ad amplificare ed a filtrare il segnale proporzionale alla temperatura, paragonandolo con una tensione di riferimento nota 52). Il segnale 51 ) contiene l’informazione dell’errore istantaneo di temperatura e lo invia al controller 9) ed al generatore di PWM 47), che lo traduce in un rapporto di acceso/spento dell’ interruttore 45). La temperatura dell’acqua è quindi regolata in modo proporzionale molte volte al secondo, quanto è necessario per mantenere la temperatura stabile in ogni condizione operativa della macchina, dall’erogazione del caffè all’assenza di acqua nella caldaietta. Il circuito di campionamento 42) sincronizza la misura della resistenza del tubo 30) della caldaietta 3) nei momenti in cui l’interruttore 45) è aperto. Il generatore di PWM 46) regola invece la potenza applicata alla pompa 2), per assicurare in ogni circostanza la portata d’acqua ottimale alla produzione del caffè. La miscela di caffè posta nel contenitore 4) è irrorata dall’acqua alla giusta temperatura, ed il caffè viene quindi erogato nella tazza 5), tramite il beccuccio 1 1 ).

Un’ulteriore pressione del pulsante di avvio 48) da parte dell’utilizzatore, termina l’erogazione del caffè al livello desiderato e tutti i circuiti della macchinetta si spengono, portando di nuovo l’assorbimento a zero. Il led di indicazione 49) si accenderà durante Γ erogazione del caffè a luce piena. In caso di malfunzionamenti (mancanza d'acqua, batteria scarica, eccetera) funzionerà in modo lampeggiante a segnalare la mancata erogazione del caffè.

Nelle figure 5A, 5B, 5C e 5D è indicata le realizzazione completa e funzionale della macchina per caffè oggetto del presente trovato, nelle parti dei circuiti elettronici di potenza e di controllo e della realizzazione della caldaietta 3). La realizzazione del serbatoio dell’ acqua 1 ), della pompa 2) e del contenitore della miscela del caffè 4) non sono descritte nel dettaglio in quanto componenti standard del commercio. In fig. 6 invece appare Γ elenco dei componenti impiegati.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1 ) Macchina per caffè od altri infusi in acqua bollente costituita da una caldaietta 3) in fig. 3A, avente una massa termica notevolmente inferiore a quella del liquido da trattare, costituita da un tubo metallico 30) in fig. 3A ed in fig. 4, attraversato dalla corrente elettrica 41 ) di fig. 4 in modo discontinuo, fra i due estremi 31 ), per regolare la temperatura del flusso d’acqua entrante freddo in 33) ed uscente caldo in 34) ad una temperatura precisamente controllata. La resistenza elettrica del tubo 30) essendo variabile con la temperatura, è misurata nei momenti in cui la corrente di riscaldamento 41 ) di fig. 4 è nulla. Detta resistenza viene monitorata continuamente per mantenere la temperatura dell’acqua in uscita 34) di f ig .3 A, alla temperatura prefissata mediante il circuito di controllo 9) ed il circuito di condizionamento del segnale 40), entrambi in fig. 4. Essi comandano il generatore PWM 47), che a sua volta aziona Γ interruttore 45), che determina la corrente di riscaldamento 41 ).
2. 2) Macchina da caffè come da rivendicazione 1 costituita da una caldaietta 3) fig. 3C, realizzata mediante un tubo 30) a parete sottile ed a bassa inerzia termica in fig. 3C, di materiale isolante elettricamente, ma ad alta conducibilità termica, su cui è avvolto un elemento resistivo 32) in fig. 3C, che circonda il tubo medesimo.
3. 3) Macchina da caffè come da rivendicazioni 1 e 2, in cui l’elemento resistivo 32) di fig. 3C è depositato con metodo serigrafico (film spesso) sul tubo 30) di fig. 3C. La deposizione può avvenire con tecniche note equivalenti dal punto di vista della funzionalità operativa, quali sputtering (polverizzazione catodica), elettrolisi, deposizione chimica od elettrochimica.
4. 4) Macchina da caffè come da rivendicazione 1 in cui l’elemento resistivo in fig. 3B, è realizzato mediante un tubo 30) di ceramica PTC (positive temperature coefficient) , in grado di fornire una regolazione approssimativa della temperatura dell’acqua in uscita 34) di fig. 3B. Un sistema di controllo proporzionale 46) della velocità della pompa 2) in fig. 4, provvederà a raffinare il controllo della temperatura dell' acqua calda 34) al valore richiesto, adeguando il flusso della pompa alla temperatura di uscita di 34).
5. 5) Macchina come da rivendicazioni 1 e 2, in cui l’elemento resistivo 32) di fig. 3D, è avvolto all’interno del tubo isolante 30).
6. 6) Macchina come da rivendicazioni 1 e 2, in cui l’elemento resistivo 32) fig. 3E, è disposto di fianco al tubo 30) che trasporta il liquido, ed in stretto contatto termico con il medesimo.
7. 7) Macchina come da rivendicazioni da 1 a 6, in cui la misura della temperatura dell'acqua calda 34) è ottenuta mediante il sensore di temperatura 12) di fig. 1 , posto in stretto contatto termico con la parte del tubo 30) di fig. 4, ove esce l’acqua calda 34) 8) Macchina come da rivendicazioni da 1 a 7 caratterizzata dal fatto che il sensore di sovratemperatura 8) di figure 1 , 2 e 3, è usato anche per misurare la temperatura dell’acqua in uscita 34) di figure 3 e 4. ) Macchina come da rivendicazioni da 1 a 8 in grado di produrre caffè od altri infusi in modo istantaneo, senza ritardo percettibile, partendo da spenta e con alta efficienza energetica in ogni condizione operativa e assorbimento a riposo uguale a zero. 0) Macchina come rivendicazioni da 1 a 9 caratterizzata dal fatto di impiegare per la misura della temperatura dell'acqua, la resistenza elettrica del tubo 30 di fig. 4), essendo detta resistenza proporzionale alla temperatura del tubo e dell'acqua che lo attraversa. Detta misura viene eseguita valutando direttamente il rapporto fra tensione applicata all'elemento riscaldatore 30) e la corrente 41 ) che scorre nel tubo 30). In questa configurazione il circuito di campionamento 42) ed il generatore di corrente 43) di fig. 4), non sono più necessari. Inoltre la corrente 41 ) che scorre sul tubo 30) non è più necessario che scorra in modo impulsato per effettuare la misura come descritto nella rivendicazione 1.