CN101341366B - 处理在饮料分配器中热水器内部水垢沉积物的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明相关于一种方法与装置(1)，用以移除或是实质上减少饮料分配器的热水器(5)内部的水垢沉积物，通过引发超声波产生器(2)的超声波振动。具有优点的是，引发超声波振动的步骤是以高能量位阶且非连续性的实施。

Description

处理在饮料分配器中热水器内部水垢沉积物的方法和装置

技术领域

本发明相关于一种方法与装置，用以处理在饮料分配器中热水器的水垢沉积物。

背景技术

被众人所周知的，热水器内部接触水的表面常会产生水垢。事实上，将水加热导致分解盐分的离子化，且导致在热水器表面上沉积一层水垢。该水垢的增加造成质硬的沉积物，很难去除并且有害于热水器以及热水器输送管的运作。此种沉积物减少在加热器与水的热表面之间热能的交换效率，因此造成能量的浪费。并且多余的水垢增加会造成输送管的阻塞。

已经有人提出不同的装置用震动的方式以减少在热水器中水垢的累积，例如在烧水壶、快速加热器等等的水垢的累积。

由Fianara International B.V.所申请的EP-A-1378194揭示一种装置，其预防在饮料分配器中热水器的水垢沉积物。该装置具有一超声波传送器与一超声波接收器，例如压电转换器，其直接或是间接的耦合至热水器。该超声波传送器在饮料分配器的整个运转期间被供电，以产生传送到加热体的震荡，并且由接收器所接收。放大器将震荡放大而未将相位变换，将震荡经由加热体回授至传送器。以此种方式，提供一回授回路，其使得热水器以其自然频率震荡，因此而避免了水垢在加热器表面产生。该装置提供低功率的压电转换器，其包含长时间保持在100Mw至250mW的范围内。

根据EP-A-1378194的装置需要具有超声波接收器以及相关电路的一放大器，如此会导致复杂的组件以及高昂的生产成本与维修成本。而且，该电路的设定可能会很复杂，该放大器以及电路需要冷却，特别是如果该电路设置在热水器旁边，在设备安装的期间需要特别的注意。

另外，如果压电变换器是用陶瓷材料制成，其必须是与热水器呈现隔热状态。事实上，当变换器的温度超过陶瓷温度的居礼温度(Curie temperature)时，变换器会停止运作。因此绝缘材料必须提供于每个变换器与热水器之间。此种隔热材料必须促进音声传送以使得震荡得以行进。

由Instants Limited所申请的GB-A-2227254是参照一种方法以及相关装置用以移除或是防范在热水器内部的水垢沉积物的生成。其中该水是通过引出超声波震动而以高频率作振动，例如通过压电装置的方式在20kHz至100kHz之间的范围振动。传送至热水器的振动是持续的产生以避免水垢生成或是移除沉积物。

移除或是避免水垢在热水器内部生成的已知方法和装置具有数种缺点。

使热水器以其自然频率振动可能会造成令人困扰的噪音，并且热水器必须经过特别的设计以承受被最大化的机械压力，其以加热器的自然频率作振动。加热器通常装设在饮料分配器内部，其设计简单而不昂贵，在加热器部件之间的焊接物，装配，耦接等等在不间断的振动下可能会故障，热水器的设计必须考虑到此种风险，而常常会导致生产成本的增加。

使热水器持续的以高频率振动一段长时间，可能会造成机械故障，并且此种消除水垢的方法是很耗功率的。

发明内容

本发明的目的是克服上述已知方法的缺点，通过提供方法以及装置用以移除在饮料分配器的热水器内部的水垢沉积物，且该方法与装置容易实施，有效果并且具有节省能源的功用。

上述目的与其它目的是由根据本发明在申请专利范围第1项所提出的方法而达成。

较佳的是，该方法提供于该热水器内部的非持续性感应高能量超声波振动的步骤，以达成将水垢沉积物从加热器表面分离的目的。「非持续性」意指在离散的时间区间，其意指相对于机器供电的时间而言是相当的短，并且是不连续的，由已知解决方案而言是必须的。达成的时间区间数量是在于1至10个之内，要视每一个时间区间的持续时间而定。达成的总时间量较佳是位于15分钟至40分钟的范围内，并且较佳的是不超过30分钟。如此会明显的节省电源，用以引发振动的时间区间的持续时间是在30秒至30分钟的范围内，并且可以依照经验设定为一正确值，以有效的达到移除在热水器内部水垢沉积物，或是将水垢沉积物减少到一欲求的实质程度。

申请人发现可以有效处理在20公升的加热器内部的水垢沉积物，通过在加热器内部于短时间区间中引发高能量的振动，亦即少于20分钟，因此相较于先前技术的解决方法，可以减少电源消耗以及噪音的产生。较佳的是，振动的频率是不同于热水器的自然频率，如此将可把对热水器的破坏性机械压力或是噪音产生的机率降至最少。

超声波振动可以通过对至少一个压电变换器供电而产生，该压电变换器是直接的或是间接的连接至加热器。例如该压电变换器可以附加至热水器本体的壁部，以直接的传送振动至其表面。另一种选择是，该变换器可以沉在加热器内部的水面下。通过引发水的振动，加热器本体也可以振动，必须提供变换器适当的电绝缘以避免电流经由水而通过。

根据本发明的方法特别适用于处理饮料分配器的热水器内部的水垢沉积物，例如分配咖啡，茶，卡布奇诺或是任何热的饮料的饮料分配器。

引发超声波振动的步骤是较佳为在关闭或是启动相同机器时实施，一天一次或是一天多次。如此可以简单的通过将压电变换器供电一段预定的时间区间而达成，较佳为当该机器并未运作时或是在待命阶段。

对于本申请案适当的频率是包含在20kHz至100kHz的范围内，较佳为在25kHz至35kHz的范围内。通过以30kHz引发振动，在饮料分配器的传统热水器内部的水垢沉积物可以在少于30分钟内，通常为15分钟内被移除/或是可以大量的减少。

引发在热水器内部的振动的时间区间的持续时间可以设定至每天整整30分钟。一或多个清洁步骤可以通过实施本发明的方法，以达成生成水垢的欲求减少度，而维持加热器以及相关的饮料分配器的效率。

根据本发明的实施例，振动是由扫描包含在20kHz至100kHz范围内的频率而引发。频率的扫描，亦即以不同频率在压电变换器的运作期间引发振动，可以由数种方式实施。

例如压电变换器可以被供电以一频率振动热水器，该频率可以增加或是减少为在前述范围中的模拟数量。此方法可以通过将压电变换器以持续增加/持续减少的电压供电而达成。

或是另一选择，该压电变换器可以被供电以某频率振动热水器，该频率是增加或是减少为一成串的脉冲，每一脉冲是在于一给定的频率上。例如该变换器首先以20kHz供电5秒钟，然后以30kHz再供电5秒钟，然后以40kHz供电10秒钟，等等。此方法可以通过将压电变换器以不连续增加/减少的电压供电而达成。

本发明亦相关于一种装置，用以移除或是减少在热水器内部的水垢沉积物，如申请专利范围第11项所提出者。

一种用以引发超声波振动的适当装置可包含一个或多个压电变换器。对于一种传统的咖啡机热水器，单一陶瓷压电变换器可以是具有直径约为40毫米以及高度约为5毫米的碟型物形状；为了达到所需的振动强度，亦即提供高能量的振动，该变换器是以100至200伏特供电，碟状物附加至加热器的侧面壁部，并且受控以实施前述的方法。

为了减少在加热器本体内部的高能量振动，该压电变换器功率约为2瓦，亦即根据先前技术的装置所提供的功率比较，至少高了10倍。一般而言，该压电变换器功率是包含在100毫瓦至5瓦之间的范围。根据本发明，此种高能量振动是以短的时间区间所引发，较佳为当该饮料分配器是处于待命状态或是非运转状态。

可以用有利的方式施加本发明的方法与装置以清洁提供在饮料分配器内部的调和腔室。例如水与奶粉、水与可可亚粉的成分…等等，是由在腔室中转动的调和器所调和，残余物可能会建构在其表面上，造成卫生的问题。可以引发腔室的振动而非加热器的振动，以将此种营养残留物从腔室表面与调和器移除，以提供有效的清洁过程。

附图说明

本发明的进一步优点与特征将由下列详细叙述参考所附图式而得彰显，所附图式是以非限制性方式作为示范，其中：

图1为一种根据本发明方法的第一流程图；

图2为根据本发明的方法的第二流程图；

图3为根据本发明的方法的第三流程图；

图4为根据本发明的装置的概要图式；

图5为显示于图4的装置的电气概要图解；

图6为第一概要图解，其相关于根据本发明的方法的频率对比于时间；

图7为第二概要图解，其相关于根据本发明的方法的频率对比于时间。

【主要组件符号说明】

1     装置

2     超声波产生器

3     功率单元

4     控制单元

5     加热器

6     导管

7     入口导管

8     热源

D2    桥接器

CON4  连接器

具体实施方式

图1显示根据本发明的方法的流程图，用以移除或是减少在热水器的饮料分配器内部的水垢沉积物。该方法包含引发热水器的高能量超声波振动的步骤，通过将超声波产生器供电，该超声波产生器直接或是间接的连接至该同一个加热器。例如，该热水器供应热水至饮料分配器以准备咖啡、巧克力，卡布奇诺，茶…等等。

不同于先前技术中所揭露的方法，在本发明中该超声波振动在短的离散时间区间中呈不连续的引发，较佳为以不同于热水器的自然频率的频率作振动。可避免加热器的共振以预防多余的机械性压力。在图1中，评量加热器的自然频率是可选择性添加的。

振动是以不连续的方式引发，亦即以离散的时间区间引发，以将能量消耗减至最小。例如该超声波产生器可以一天供一次电，在加热器或是相关机器的开启或是关闭期间，供电一段预定的时间长度。或者是该超声波产生器可以以规则的时间长度作供电，例如高于30分钟。换句话说，引发热水器的超声波振动可以一天一次实行，一天多次实行，每一钟头实行，每30分钟实行，等等，而与水量消耗无关，或是其可以依照预热预定水量而实行，例如每一次加热20公升。

该加热器的自然频率系属已知的。例如饮料分配器的制造器可以试验性的评估自然频率的值，因此针对超声波产生器设定振动的不同频率。

作为另一种选择的是，该方法可以包含当超声波产生器被供电时，感测加热器振动幅度的步骤，如果此种振幅的值接近于自然频率的振动幅度值，或者是考虑造成加热器焊接物、耦接等等的多余压力，然后所引发振动的频率会改变。通过引发与加热器自然频率不同频率的的振动，机械性压力可以减低至最小值，如同由加热器5的振动表面所制造的噪音一般。

如同图2的流程图所显示者，当所引发振动的频率被改变时，时间间隔的持续区间是对应的改变。如同普通的原则，当超声波产生器以低频率供电时，例如以20至25kHz范围内的频率供电，每一用以引发振动的时间区间的持续时间将最大化，例如在20至30分钟的范围内。当超声波产生器以高频率供电时，例如在35至100kHz的范围内，每一用以引发振动的时间区间的持续时间将最小化，例如在1至10分钟的范围内。相同的原则施用于考虑功率的范围，其以100毫瓦至5瓦的范围内引发振动。当所引发的振动频率相关于加热器的自然频率时，功率被受控以最小化。

该超声波产生器可以用此种方式供电以扫描在20kHz至100kHz范围内引发的所有频率，其将会在稍后解释。供应至超声波产生器的频率会影响在热水器本体内部引发的振动，换句话说，振动的频率可以在前述的时间区间期间改变。如果该加热器的自然频率是以扫描后的范围所引发，此种频率可以快速的进入以避免共振，因此将加热器5的振动表面所产生的噪音减至最低。从制造者所获得的自然频率数据可由测试所获得。

本发明的方法对于准备并且分配热饮料的机器而言是很有益处的，该些热饮料例如是咖啡、巧克力、茶、卡布其诺…等等。实质上的移除或是减少此种机器的热水器的水垢沉积物允许机器保持热交换的效率，对于此种机器的运作上与节省功率所做的考虑而言是具有明显的优点。

在图3的流程图所显示的本发明方法，是较佳为实现当热水器并非温热水时，或是当相关的饮料分配器并未作为分配饮料用时。换句话说，当机器并未分配一饮料时，例如在待命状态，或是热水器并未供电时，同一个热水器接受实行本发明方法的去水垢以及清洁的步骤。当饮料分配器开启时就可以实行，或是当饮料分配器关闭时亦可。或者是，去水垢以及清洁的步骤可以在饮料分配器的运作期间以预定的时间区间中完成。

一种根据本发明的装置1概要的显示于图4，其中该热水器本身系属已知。该加热器可以是一种快速加热器，一种管状烧水器…等等。装置1包含一种超声波产生器2，其连接至一功率单元3。一种控制单元4管理超声波产生器2以及功率单元3的运作。所显示的超声波产生器2附加至一饮料分配器(并未显示于图中)热水器5的壁部，以引发该种加热器5内部的振动。产生器2可以用胶水附着，焊接，或是已接核的方式附着至加热器本体。或者是，该超声波产生器2可以沉到包含于加热器5内部的水面下(其为电气绝缘)以引发水里的振动，因此也振动该加热器5。

热水器系属已知，决定要加热的水量并且供应以作为饮料的准备，例如水经由从一外部来源的入口导管7供应于加热器内部。热水经由导管6传送以作处理之用。本发明亦提供热源8，通常为一种电子加热构件。

作为另一种选择的是，可以使用快速加热器。不同于前述的加热器，其中收集并加热一定体积的水，快速加热器提供将水加热的功能，其将经由通道，管线，迷宫状导管或是类似的水流限制引入的水加以加热。

将水加热的动作会促进分解的盐类以层状沉积在加热器5的内部表面上，该层水垢对于加热构件8的运作，以及饮料分配器的下游组件，例如出水管线6的运作而言是有害的。特别是水垢的沉积减少加热构件8的效率，此一问题可以通过引发产生器2的振动来克服，允许从加热器5的表面上分解沉积物。

较佳的是该超声波产生器是一种压电变换器，其可以在20kHz至100kHz的频率范围内运作。一种适当的产生器是一种环状陶瓷压电变换器，其具有约为40mm的直径以及约为5mm的高度。

一种适当的变换器可由PI Ceramic GmbH公司所提供的编号PRYY-0980的产品，该产品是根据EN 50324-1的标准，由指定PIC 181并且分类为″100″的材料所制造，并且″I″系根据标准DOD-STD-1376A所制造。此种变换器具有约为330℃的居里温度，既然普通饮料分配器的一般加热器是在低于150℃的温度运作，前述的变换器可以施加至加热器而不需热绝缘。换句话说，PIC181的变换器可以维持在高温度，因此可以允许在相同的变换器与加热器之间不安插任何的绝缘材料，而将振动的传送加以最大化。

已经发现的是，如果要有效的移除或是减少一般的饮料分配器的热水器内部的水垢沉积物，所引发振动的适当频率范围是从25kHz至35kHz之间，而适当的功率范围是从100mW至20W之间。从加热器5的表面上分离的水垢可以用一般的方式除去，例如将经由导管6提供的水过滤而除去分离后的水垢。

较佳的是，陶瓷压电变换器是以2瓦特供电，如此会促进加热器本体内部的高能量振动的产生。

功率单元3可以是外加的电源，例如从150Volts至200Volts的范围内所提供者。或者是功率单元3是平均的机械功率单元，例如是一变压器。

单元4控制压电变换器2的操作。对于控制单元4适当的电气机制显示在图5，相较于EP-A-1378194提供的装置的电路，该机制较为简单。不需提供放大器，亦不需提供作为接收之用的第二变换器。

功率单元提供24Volts的直流电，桥接器D2校正在连接器CON4处的交流电压，变压器单元提供以用于从24V至240V的范围，由集成电路U5所切换的电压。交流电压的频率由频率信号CLOCKULTRA所给定。信号ENABLE用以触发控制单元4的启动或是关闭的状态。

控制单元4根据本发明的方法触发变换器2的供电，亦即在给定的时间区间与频率下供电，其时间区间与频率不同于热水器5的自然频率。较佳的是电源为大于已知技术的已知电源。例如，变换器2以5瓦供电，作为促进高能量振动的产生。

加热器5的自然频率可以从饮料分配器的制造者处查清楚，因此此种频率的数值可以记忆在控制单元4的记忆机制内，以不同的频率启动变换器2。

时间区间可以由控制单元4依照振动的频率而调整，当所引发的频率系属低的时候，例如在20kHz至25kHz的范围内，时间区间的持续时间系属最大值，例如在20分钟至30分钟的范围内。当频率较高且更具有能量时，例如在35kHz至100kHz的范围内，时间区间的持续时间系属最小值，例如从30秒至10分钟之内的时间。

控制单元4可以收集关于饮料分配器作的信息，以当机械处于待命状态或是非运作状态时触发压电变换器2。例如控制单元4可以依照考虑的变量决定最适合的清洁频率，考虑的变量可以是例如水的硬度，分配的生产率，使用者的装入作业等等。

变换器2，控制单元4以及功率单元3可在一般市场上获得的经济性部件。因此装置1易于组装并且在价格上不属昂贵。

参考图6，其显示一概要的图式，其为关于根据本发明装置可能的运作状况中，频率对比于时间的关系，提供将超声波产生器供电的动作不是连续性的，如同之前所述者，在运作时间过去时，可以供电相同的产生器，如同图6所显示者，以扫描所有包含在20kHz至100kHz范围内的频率，此可通过在图5所显示的集成电路U5达成，该集成电路U5提供一种连续性增加的电压至压电变换器2。热水器5所引发的振动频率相对应的增加。如同在图式中所显示的，对应时间的频率函数f(t)是一种模拟性增加或是减少的斜坡性曲线，时间区间始自30秒，最高至300秒(5分钟)。必须了解的是，如果热水器5的自然频率是引发在被扫描的范围内，其自然频率会被跳过，亦即集成电路U5受控以避免用自然频率供电于压电变换器2。

图7相关于另一种频率对比于时间的图解，其中该函数f(t)是一串个别独立的脉冲，函数f(t)在指定的时间区间60至600秒内为非连续性的，但是是一种「步进函数」，藉此根据以下的机制，该压电变换器2首先以40kHz供电一段10秒种的第一时间区间，然后再以50kHz供电接下来的10秒钟，以此类推：

频率[kHz]                时间区间[秒钟]

40                       60至70(持续时间10)

45                       70至80(持续时间10)

55                       80至90(持续时间10)

60                       90至100(持续时间10)

75                       100至300(持续时间200)

80                       300至600(持续时间300)

必须了解的是，显示于图6与图7中的函数f(t)可以是逐渐减少的，亦即在开始的时候是位于最高频率，随时间消逝频率亦随之递减。

频率的扫描允许有效的将热水器5内部的水垢沉积物分离，其水垢沉积物可能具有不同的厚度或是特性，换句话说，在前述20kHz到100kHz的范围内扫描所有的频率，或是扫描数个频率的动作发现可改进根据本发明方法的功效，其中每一水垢沉积物以最适当的频率振动，以促进个别水垢的分离。

有益的是，根据本发明的方法与装置1允许有效的移除或是减少热水器内部的水垢沉积物，同时将功率消耗以及噪音的产生减至最小化的程度。

在水垢沉积物从加热器表面分离的目的已经达到之后，分离后的水垢废弃物被收集或是经由出水口导管冲出。

根据本发明的方法与装置可以类似的施加至干净的腔室，其提供在饮料分配器内部以调和成分，例如水与奶粉或是水与可可亚粉的调和。由变换器2所引发的振动可以针对从调和腔室以及调和机的表面上分离残存物。

调和腔室一般以塑料材质制成，其可吸收由运作变换器2产生的振动，因而减低装置1的效率。较佳的是，以水填满调和腔室并且在充满水的腔室内引发振动。

Claims (13)

1.一种用以处理饮料分配器的热水器内部水垢沉积物的方法，其包含供电于超声波产生器而引发超声波振动至热水器的步骤，其特征在于该超声波产生器(2)于一预设的时间区间是不连续地被供电，以扫描所有包含在20kHz至100kHz范围内的频率，藉此引发超声波振动至该热水器(5)并且移除水垢沉积物。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于引发超声波振动的步骤是在离散的时间区间中实施。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于该超声波振动是以不同于该热水器自然频率的频率所引发。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于包含将分离的水垢沉积物弃置的步骤，通过在个别容器内收集沉积物或是从加热器冲出沉积物的方式弃置。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于该时间区间的持续时间是包含在30秒钟至30分钟的范围内。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于该时间区间的持续时间是包括在5分钟至15分钟的范围内。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于该超声波产生器包含至少一个压电变换器。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于该引发超声波振动的步骤是在该饮料分配器的待命状态期间实施。

9.一种用以处理水垢沉积物的装置，其水垢沉积物是在一饮料分配器的热水器的内部，该装置包含一种组件(2)，用以引发在该热水器内部或是在热水器内所含的水的超声波振动，其特征在于进一步包含控制单元(4)以激活该组件(2)以及于一预设的时间区间不连续地供电于该组件，以扫描所有包含在20kHz至100kHz范围内的频率，藉此从热水器处移除该水垢沉积物。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于该控制单元(4)在离散的时间区间启动该组件(2)。

11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于用以引发超声波振动的该组件包含至少一个压电变换器，并且该控制单元包含一电路，其供电于该压电变换器。

12.根据权利要求9所述的装置，其特征在于该时间区间的持续时间是包含在30秒钟至30分钟之间的范围内。

13.一种根据权利要求9至12任一项所述的装置的使用，用以处理饮料分配器的调和腔室内部的养分残余物。

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