DE102007053253A1

DE102007053253A1 - Heißgetränkezubereitungsvorrichtung und Verfahren zum Regeln von Leistungsergebnissen netzspannungsabhängiger Verbraucher in einer Heißgetränkezubereitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102007053253A1
Application number: DE102007053253A
Authority: DE
Inventors: Josef Daburger; Anton Dr. Mathes; Gottfried Schneiderbauer
Original assignee: BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
Current assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Priority date: 2007-11-08
Filing date: 2007-11-08
Publication date: 2009-05-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Heißgetränkezubereitungsvorrichtung, zumindest umfassend einen Frischwassertank oder einen Frischwasseranschluß, eine Wasserpumpe, einen massearmen Durchlauferhitzer, ein Mahlwerk und eine elektronische Regeleinrichtung zur Regelung eines Regelkreises, dessen Regelgröße das Leistungsergebnis zumindest eines netzspannungsabhängigen Verbrauchers ist, die gekennzeichnet ist durch eine Einrichtung zur Ermittlung der Netzspannung. Die ermittelte Netzspannung dient in dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Regeln von Leistungsergebnissen netzspannungsabhängiger Verbraucher in einer Heißgetränkezubereitungsvorrichtung, dazu im Fall einer Netzspannungsschwankung ein Korrekturfaktor für einen Regelkreis, der das Leistungsergebnis eines netzspannungsabhängigen Verbrauchers regelt, zu berechnen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Heißgetränkezubereitungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs und ein Verfahren zum Regeln von Leistungsergebnissen netzspannungsabhängiger Verbraucher in einer Heißgetränkezubereitungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des dritten Patentanspruchs. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Regeln einer Getränkeauslauftemperatur in einer Heißgetränkezubereitungsvorrichtung.
Heißgetränkezubereitungsvorrichtungen, wie beispielsweise Kaffeevollautomaten oder Portionsmaschinen, die mit formschlaffen Pads oder formstabilen Kapseln oder Discs beladen werden, arbeiten mit mehreren unterschiedlichen netzspannungsabhängigen Verbrauchen. Hierunter zählen insbesondere Durchlauferhitzer oder Boiler, Mahlwerke und Wasserpumpen.
Eine Heißgetränkezubereitungsvorrichtung mit einem Durchlauferhitzer, muß geregelt (geschlossener Regelkreis), zumindest aber gesteuert (offener Regelkreis) werden, da das Leistungsergebnis des Durchlauferhitzers, nämlich die Getränkeauslauftemperatur von vielen Einflussfaktoren abhängt. Die WO 2005/072575 A1 offenbart hierzu eine elektronische Steuereinrichtung und ein Verfahren zum Steuern von Heizvorgängen in einer Kaffeemaschine. Das Verfahren basiert auf dem Messen einer Temperatur im Bereich des Durchlauferhitzers und/oder des von der Pumpe geförderten Wassers und Beeinflussen der von der Pumpe geförderten Wassermenge in Abhängigkeit der Temperatur.
Insbesondere bei hochpreisigen Heißgetränkezubereitungsvorrichtungen, wie beispielsweise Kaffeevollautomaten, ist neben einer schnellen, insbesondere aber einer exakten Einstellung der Getränkeauslauftemperatur, die Einstellung weiterer Leistungsergebnisse netzspannungsabhängiger Verbraucher, wie beispielsweise der Mahlgutmenge und der Wasserfördermenge, gefordert.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Heißgetränkezubereitungsvorrichtung und ein Verfahren zum Regeln der Leistungsergebnisse netzspannungsabhängiger Verbraucher in einer Heißgetränkezubereitungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die eine schnelle und exakte Einstellung der Leistungsergebnisse gewährleisten.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die Netzspannung als Störgröße ermittelt wird, und dann im Fall einer Netzspannungsschwankung, ein Korrekturfaktor für einen Regelkreis, der das Leistungsergebnis eines netzspannungsabhängigen Verbrauchers regelt, berechnet wird.
Überraschenderweise wurde nämlich gefunden, daß beispielsweise die Getränkeauslauftemperatur als Leistungsergebnis des Durchlauferhitzers neben der Wassertemperatur im Frischwassertank, d. h. der Wassereinlauftemperatur, der Umgebungstemperatur und Toleranzen des Heizkörpers, insbesondere von Netzspannungsschwankungen abhängt.
Unter einer Netzspannungsschwankung wird eine kurzfristige oder länger anhaltende Abweichung der von den Energieversorgern in den Stromnetzen bereitgestellten elektrischen Spannung verstanden. Der Nennwert der Netzwechselspannung in Europa sowie den meisten anderen Gebieten der Erde beträgt 230 Volt.
Das Verfahren zum Regeln von Leistungsergebnissen netzspannungsabhängiger Verbraucher in einer eine elektronische Regeleinrichtung und eine Einrichtung zum Ermitteln einer Netzspannung umfassenden Heißgetränkezubereitungsvorrichtung, bei dem die dem Verbraucher zugeführte elektrische Energie als Stellgröße in einem offenen oder geschlossenen Regelkreis dient, ist dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die Netzspannung als Störgröße ermittelt wird, und dann, im Fall einer Netzspannungsschwankung ein Korrekturfaktor für den Regelkreis, der das Leistungsergebnis des netzspannungsabhängigen Verbrauchers regelt, berechnet wird.
Zur Regelung und Berechnung der Leistungsergebnisse werden vorzugsweise Mikroprozessoren oder Mikrocontroller herangezogen. Stattdessen kann aber auch eine einfachere elektronische Schaltung benützt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Regelung des Mahlgutdurchsatzes in einer erfindungsgemäßen Heißgetränkezubereitungsvorrichtung dadurch, daß die dem Elektromotor des Mahlwerks zugeführte elektrische Energie als Stellgröße in dem Regelkreis dient.
Dabei wird zunächst die Netzspannung als Störgröße ermittelt. Beispielsweise liefert der Mahlwerksmotor bei einem geringeren Nennwert der Netzwechselspannung einen geringeren Mahlgutdurchsatz. Im Fall einer Netzspannungsschwankung wird ein Korrekturfaktor für den Regelkreis, der den Mahlgutdurchsatz regelt, berechnet. Dann erfolgt durch eine elektronische Regeleinrichtung die Regelung des Mahlgutdurchsatzes mittels der dem Elektromotor zugeführten elektrischen Energie, beispielsweise über die Laufzeit.
Auch eine Wasserpumpe ist von Netzspannungsschwankungen abhängig, und wird in vorteilhafter Weise durch das erfindungsgemäße Verfahren geregelt.
Demnach erfolgt in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die Regelung einer Wasserfördermenge in einer erfindungsgemäßen Heißgetränkezubereitungsvorrichtung dadurch, daß die dem Elektromotor der Pumpe zugeführte elektrische Energie als Stellgröße in einem Regelkreis dient.
Das Verfahren zum Regeln einer Wasserfördermenge in einer eine elektronische Regeleinrichtung und eine Einrichtung zum Ermitteln einer Netzspannung umfassende Heißgetränkezubereitungsvorrichtung, bei dem die elektrische Energie als Stellgröße dient, ist dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die Netzspannung als Störgröße ermittelt wird, und dann, im Fall einer Netzspannungsschwankung, ein Korrekturfaktor für den Regelkreis, der die Wasserfördermenge regelt, berechnet wird.
Wurde ein Korrekturfaktor für den Regelkreis aufgrund von Netzspannungsschwankung berechnet, erfolgt durch die elektronische Regeleinrichtung die Regelung der Wasser fördermenge mittels der dem Elektromotor der Wasserpumpe zugeführten elektrischen Energie, beispielsweise über die Laufzeit.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dient zum Regeln einer Getränkeauslauftemperatur.
Gemäß dieser Ausführungsform ist das Verfahren zum Regeln einer Getränkeauslauftemperatur in einer eine elektronische Regeleinrichtung und eine Einrichtung zum Ermitteln einer Netzspannung umfassende Heißgetränkezubereitungsvorrichtung, bei dem die elektrische Energie als Stellgröße dient, dadurch gekennzeichnet, daß die Netzspannung als Störgröße ermittelt wird, und dann, im Fall einer Netzspannungsschwankung, ein Korrekturfaktor für den Regelkreis, der die Getränkeauslauftemperatur regelt, berechnet wird.
Insbesondere in dieser Ausführungsform ist es vorteilhaft, daß zusätzlich zumindest die Störgrößen Wassereinlauftemperatur und Durchflußmenge gemessen werden und in den Regelkreis mit einfließen, insbesondere um eine schnelle und exakte Einstellung der Getränkeauslauftemperatur zu gewährleisten.
Demnach wird eine ermittelte Netzspannungsschwankung als Störgröße neben den beiden Störgrößen Wassereinlauftemperatur und Wassermenge von einer elektronischen Regeleinrichtung dafür verwendet, die Getränkeauslauftemperatur zu regeln.
Die Wassertemperatur am Einlauf des Durchlauferhitzers wird beispielsweise mit einem NTC gemessen. Die von der Pumpe geförderte Wassermenge wird mit einem Durchflußsensor gemessen.
Die Regelung erfolgt durch eine elektronische Regeleinrichtung mittels der dem Durchlauferhitzer zugeführten elektrischen Energie, vorzugsweise durch eine gepulste Spannungsversorgung des Heizstabs, beispielsweise durch das Sperren von Spannungshalbwellen. Für den Fall, daß der Durchlauferhitzer mehrere Heizstäbe aufweist, kann die Heizleistung auch durch ein Schalten einer unterschiedlichen Anzahl von Heizstäben beeinflußt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Durchlauferhitzers ist dieser mit zwei einander gegenüberliegenden Heizstäben ausgestattet, so daß sich die Möglichkeit einer selektiven Spannungsversorgung der Heizstäbe zur Beeinflussung der Heizleistung anbietet. Gegebenenfalls wird die Getränkeauslauftemperatur zusätzlich durch die von der Pumpe geförderten Wassermenge, beispielsweise durch einen getakteten Betrieb der Pumpe, beeinflußt.
Die Getränkeauslauftemperatur wird durch einen offenen oder geschlossenen Regelkreises geregelt. Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Regelung der Getränkeauslauftemperatur durch einen offenen Regelkreis. In diesem offenen Regelkreis wird am Einlauf des Durchlauferhitzers, d. h. zwischen der Pumpe und dem Durchlauferhitzer, eine Wassertemperatur und die von der Pumpe geförderte Wassermenge gemessen und die Netzspannung mittels der Einrichtung zur Ermittlung der Netzspannung ermittelt.
Anhand dieser Messwerte erfolgt dann durch eine elektronische Regeleinrichtung die Regelung der Getränkeauslauftemperatur mittels der Heizenergie als Stellgröße gegebenenfalls in Verbindung mit der von der Pumpe geförderten Wassermenge. Die Wassertemperatur am Auslauf des Durchlauferhitzers wird in dieser Ausführungsform nicht als Regelgröße verwendet.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Regelung der Getränkeauslauftemperatur durch einen geschlossenen Regelkreis. In einem geschlossenen Regelkreis dient ein Temperatursensor auf dem Durchlauferhitzer, am Auslauf des Durchlauferhitzers oder an einer beliebigen Stelle zwischen dem Durchlauferhitzer und einer Brühkammer als Sensor, d. h. als Meßeinrichtung. In diesem Regelkreis liefert die Wassertemperaturmessung zwischen dem Durchlauferhitzer und einer Brühkammer einen direkten Anhaltspunkt für die Getränkeauslauftemperatur. Folglich ist es nützlich, diese Temperatur bei der Regelung der Getränkeauslauftemperatur mittels der Heizenergie und gegebenenfalls dem Takten der Pumpe zu berücksichtigen. Die Regelung erfolgt dabei besonders bevorzugt mittels der dem Durchlauferhitzer zugeführten elektrischen Energie, beispielsweise durch eine selektive Spannungsversorgung der Heizstäbe über eine bestimmte Zeitdauer.
Die Aufgabe der Erfindung wir auch gelöst durch eine Heißgetränkezubereitungsvorrichtung, die gekennzeichnet ist durch eine Einrichtung zur Ermittlung der Netzspannung.
Neben dieser Einrichtung weist die erfindungsgemäße Heißgetränkezubereitungsvorrichtung insbesondere einen Frischwassertank oder einen Frischwasseranschluß, eine Wasserpumpe, einen massearmen Durchlauferhitzer, ein Mahlwerk und eine elektronische Regeleinrichtung zur Regelung eines Regelkreises, dessen Regelgröße das Leistungsergebnis zumindest eines netzspannungsabhängigen Verbraucher ist, auf.
Die Einrichtung zur Ermittlung der Netzspannung umfaßt zumindest einen hochohmigen, zwischen Phase und Nulleiter gesetzten Widerstand und einen Mikrocontroller (ohmsche Einrichtung).
In einer weiteren Ausführungsform umfaßt die Einrichtung zur Ermittlung der Netzspannung zumindest zwei gekoppelte Spulen und einen Mikrocontroller (induktive Einrichtung) auf. In einer noch weiteren Ausführungsform umfaßt die Einrichtung zumindest einen parallel zur Heizeinrichtung geschalteten Kondensator und einen Mikrocontroller (kapazitive Einrichtung) auf.
Durch die Einrichtung zur Ermittlung der Netzspannung können Verbraucher mit netzspannungsabhängigen Leistungsergebnissen in erfindungsgemäßer Weise dadurch geregelt werden, daß zumindest die Netzspannung als Störgröße ermittelt wird, und im Fall einer Netzspannungsschwankung ein Korrekturfaktor für den Regelkreis berechnet wird.
Die erfindungsgemäße Heißgetränkezubereitungsvorrichtung ist bevorzugt dadurch weitergebildet, daß zwischen dem Durchlauferhitzer und einer Brühkammer ein weiterer Temperatursensor angeordnet ist. Des weiteren kann es nützlich sein, daß die Heißgetränkezubereitungsvorrichtung ein Differenzglied zur Ermittlung der Temperaturdifferenz, zwischen einer von einem dem Durchlauferhitzer vorgeschalteten Temperatursensor gemessenen Temperatur und einer von einem dem Durchlauferhitzer nachgeschalteten Temperatursensor gemessenen Temperatur aufweist. Die Differenz dieser gemessenen Temperaturen kann zuverlässigen Aufschluß über die Vorgänge im Durchlauferhitzer ohne Beeinflussung durch Vorgänge vor beziehungsweise hinter dem Durchlauferhitzer geben.
Die Erfindung wird anhand der Regelung der Getränkeauslauftemperatur durch eine elektronische Regeleinrichtung mittels der Heizleistung des Durchlauferhitzers näher erläutert:
Die Heizleistung wird gemäß der Beziehung (I) ermittelt,
mit

P:: Heizleistung des Durchlauferhitzers
m:: Masse des zu erhitzenden Wassers
t:: Zeitraum in dem die Heizleistung ermittelt wird
T₁:: Wassertemperatur am Einlauf des Durchlauferhitzers
T₂:: Zieltemperatur am Auslauf des Durchlauferhitzers
C:: Wärmekapazität des Wassers

In einem offenen Regelkreis ist T₂ eine Konstante, in einem geschlossenen Regelkreis ein Messwert.
Die Heizleistung wird auch gemäß der Beziehung (II) ermittelt,
mit

U:: Netzspannung
R:: elektrischer Widerstand der Heizwendel

Durch die Beziehung (II) wird deutlich, daß die Netzspannung im Quadrat in die Heizleistung des Durchlauferhitzers eingeht und somit einen erheblichen Einfluß auf die Erwärmung des Wassers bzw. auf die Getränkeauslauftemperatur hat.
Beispielsweise beträgt die Heizleistung P eines Durchlauferhitzers mit zwei Heizungen, die bei einer Netzspannung U von 230 Volt eine Heizleistung von insgesamt 2000 Watt abgeben, bei einer Netzspannung U von 220 Volt nur 1830 Watt.
Die einem netzspannungsabhängigen Verbraucher zugeführte elektrische Energie ist in der Beziehung (III) angegeben: Q = U·I·t·k (III)mit

Q:: elektrische Energie
U:: elektrische Spannung
I:: Stromstärke
t:: Zeitdauer
k:: Korrekturfaktor

Um ein exaktes Leistungsergebnis, beispielsweise eine exakte Getränkeauslauftemperatur zu erhalten, muß die dem netzspannungsabhängigen Verbraucher zugeführte elektrische Energie konstant sein. Da die Netzspannung eine Störgröße darstellt, wird ein Korrekturfaktor für den Regelkreis, der das Leistungsergebnis regelt, berechnet. Der Korrekturfaktor k ist bei einer ermittelten Netzspannung U von 230 Volt gleich eins; bei einer Netzspannungsschwankung größer 230 Volt ist k kleiner eins und bei einer Netzspannungsschwankung kleiner 230 Volt ist k größer eins.
Die Netzspannung muß, um einen brauchbaren Korrekturfaktor für den Regelkreis berechnen zu können, unter Last gemessen werden, da die Netzspannung bei einer Belastung von beispielsweise 2 mal 1000 Watt um bis zu 10 Volt absacken kann.
Weiterhin muß die Messung vor jeder Brühung erfolgen, da die Netzspannung auch innerhalb kurzer Zeitintervalle starken Schwankungen unterliegt. Darüber hinaus muß mindestens 1 Sekunde lang gemessen werden, da das Versorgungsnetz solange braucht, um sich an die Belastung anzupassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 2005/072575 A1 [0003]

Claims

Heißgetränkezubereitungsvorrichtung zumindest umfassend einen Frischwassertank oder einen Frischwasseranschluß, eine Wasserpumpe, einen massearmen Durchlauferhitzer, ein Mahlwerk und eine elektronische Regeleinrichtung zur Regelung eines Regelkreises, dessen Regelgröße das Leistungsergebnis zumindest eines netzspannungsabhängigen Verbraucher ist, gekennzeichnet, durch eine Einrichtung zur Ermittlung der Netzspannung.
Heißgetränkezubereitungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Ermittlung der Netzspannung einen hochohmigen, zwischen Phase und Nulleiter gesetzten Widerstand und einen Mikrocontroller umfaßt.
Verfahren zum Regeln von Leistungsergebnissen netzspannungsabhängiger Verbraucher in einer eine elektronische Regeleinrichtung und eine Einrichtung zum Ermitteln einer Netzspannung umfassenden Heißgetränkezubereitungsvorrichtung, bei dem die dem Verbraucher zugeführte elektrische Energie als Stellgröße in einem offenen oder geschlossenen Regelkreis dient, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die Netzspannung als Störgröße ermittelt wird, und dann, im Fall einer Netzspannungsschwankung ein Korrekturfaktor für den Regelkreis, der das Leistungsergebnis des netzspannungsabhängigen Verbrauchers regelt, berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher ein Mahlwerksmotor und das Leistungsergebnis der Mahlgutdurchsatz ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher eine Wasserpumpe und das Leistungsergebnis der Wasserfördermenge ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher ein Durchlauferhitzer und das Leistungsergebnis die Getränkeauslauftemperatur ist.