ITBO20100513A1

ITBO20100513A1 - HEATING DEVICE FOR LIQUIDS AND TEMPERATURE CONTROL METHOD

Info

Publication number: ITBO20100513A1
Application number: IT000513A
Authority: IT
Inventors: Gianfranco Gozzi
Original assignee: Gianfranco Gozzi
Priority date: 2010-08-06
Filing date: 2010-08-06
Publication date: 2012-02-07

Description

DESCRIZIONE dell’ invenzione industriale dal titolo: “DISPOSITIVO DI RISCALDAMENTO PER LIQUIDI E METODO DI CONTROLLO DELLA TEMPERATURA” DESCRIPTION of the industrial invention entitled: "HEATING DEVICE FOR LIQUIDS AND TEMPERATURE CONTROL METHOD"

La presente invenzione s’inquadra nel settore tecnico del riscaldamento e del controllo della temperatura di liquidi e riferisce ad un dispositivo di riscaldamento per liquidi particolarmente adatto a macchine per il caffè espresso ed a macchine distributrici di bevande calde. The present invention is part of the technical sector of heating and temperature control of liquids and refers to a heating device for liquids particularly suitable for espresso coffee machines and hot drink vending machines.

L’invenzione si riferisce inoltre ad un metodo di controllo della temperatura in tale dispositivo. The invention also refers to a method of controlling the temperature in this device.

Sono note macchine da caffè espresso dotate di dispositivi di riscaldamento per liquidi ciascuno dotato di un serbatoio per l’acqua che, tramite una pompa elettrica o manuale, alimenta un termoblocco ovvero una caldaia dotata di un sistema riscaldante, preferibilmente una resistenza elettrica, e di una uscita per l’acqua riscaldata verso una camera in cui l’acqua attraversa la polvere di caffè producendo la bevanda. La resistenza è alimentata elettricamente tramite un termostato che interrompe l’alimentazione elettrica al raggiungimento della rispettiva temperatura di intervento da parte dell’acqua o più frequentemente da parte di una porzione della parete della caldaia. Espresso coffee machines are known equipped with heating devices for liquids each equipped with a water tank which, by means of an electric or manual pump, feeds a thermoblock or a boiler equipped with a heating system, preferably an electric resistance, and with an outlet for the heated water to a chamber where the water passes through the coffee powder producing the drink. The resistance is electrically powered by a thermostat which cuts off the power supply when the respective intervention temperature is reached by the water or more frequently by a portion of the boiler wall.

In assenza di azionamento della pompa non c’è flusso di acqua e la resistenza viene accesa dal termostato ogni volta che, a causa della dispersione termica, la temperatura rilevata dal termostato scende sotto la temperatura di intervento. Nel momento in cui l’operatore deve produrre un caffè, aziona la pompa che immette acqua a temperatura ambiente, che generalmente si assume essere compresa tra 20° C e 25° C, dal serbatoio alla caldaia ed acqua calda dalla caldaia alla camera del caffè. In the absence of pump activation, there is no water flow and the resistance is turned on by the thermostat each time, due to thermal dispersion, the temperature detected by the thermostat drops below the intervention temperature. When the operator has to produce a coffee, he activates the pump that introduces water at room temperature, which is generally assumed to be between 20 ° C and 25 ° C, from the tank to the boiler and hot water from the boiler to the coffee chamber .

L’afflusso d’acqua più fredda nella caldaia provoca un raffreddamento dell’acqua nella caldaia e delle pareti della caldaia stessa. Con un certo ritardo il termostato rileva tale raffreddamento ed aziona la resistenza fino al ripristino della temperatura voluta. The inflow of colder water into the boiler causes a cooling of the water in the boiler and the walls of the boiler itself. With a certain delay, the thermostat detects this cooling and activates the resistance until the desired temperature is restored.

Per minimizzare le oscillazioni di temperatura dell’acqua immessa nella camera d’infusione del caffè, che compromettono la qualità della bevanda, i dispositivi di riscaldamento noti delle macchine da caffè sono dotati di caldaie grandi, molto capaci, e pesanti per ridurre le oscillazioni di temperatura aumentando l’inerzia termica e sono dotate di resistenze molto potenti per un veloce ripristino della temperatura desiderata. To minimize the temperature fluctuations of the water introduced into the coffee brewing chamber, which compromise the quality of the beverage, the known heating devices of coffee machines are equipped with large, very capable, and heavy boilers to reduce fluctuations of temperature increasing the thermal inertia and are equipped with very powerful resistances for a quick recovery of the desired temperature.

Per minimizzare i cali di temperatura conseguenti al prelievo, taluni dispositivi noti sono dotati di caldaia con cavità interna tubolare di grande sviluppo e/o a forma di chiocciola o serpentina. In order to minimize the temperature drops resulting from sampling, some known devices are equipped with a boiler with an internal tubular cavity of great development and / or in the shape of a scroll or serpentine.

Uno svantaggio di tali dispositivi noti consiste nel fatto che le grandi dimensioni e l’elevato peso delle caldaie le rende costose ed ingombranti. Altro svantaggio consiste nel fatto che la grande superficie delle caldaie richiede un costoso ed ingombrante largo impiego di isolanti termici e/o causa un elevato spreco energetico. A disadvantage of these known devices consists in the fact that the large size and high weight of the boilers makes them expensive and bulky. Another disadvantage consists in the fact that the large surface of the boilers requires an expensive and bulky large use of thermal insulators and / or causes a high energy waste.

Ulteriore svantaggio dei dispositivi noti consiste nel fatto che devono impiegare resistenze di grande potenza, ad esempio 500 W - 1300 W per macchine di piccola e media capacità che aumentano i costi di acquisto e le spese di conduzione. A further disadvantage of the known devices consists in the fact that they have to use resistors of great power, for example 500 W - 1300 W for small and medium capacity machines which increase the purchase costs and the running costs.

Altro svantaggio dei dispositivi noti consiste nel fatto che nonostante il costo elevato, il loro grande peso ed ingombro, non sono in grado di fornire una sufficiente stabilità alla temperatura dell’acqua. Another disadvantage of known devices consists in the fact that despite the high cost, their large weight and bulk, they are not able to provide sufficient stability at the temperature of the water.

Uno scopo della presente invenzione è quello di proporre un dispositivo di riscaldamento per liquidi in grado di fornire una ottimale stabilità della temperatura, che sia di piccole dimensioni e di costo ridotto. An object of the present invention is to propose a heating device for liquids capable of providing optimal temperature stability, which is small in size and of reduced cost.

Altro scopo è di proporre un dispositivo dotato di una resistenza elettrica di bassa potenza, ad esempio 250 W - 300 W, che sia quindi economico da acquistare e che garantisca elevati risparmi energetici. Another object is to propose a device equipped with a low power electrical resistance, for example 250 W - 300 W, which is therefore economical to purchase and which guarantees high energy savings.

Altro scopo è di proporre un dispositivo che essendo dotato di una piccola caldaia possa essere efficacemente coibentato con ridotti volumi di isolante. Ulteriore scopo è di proporre un metodo di controllo della temperatura in tale dispositivo. Another object is to propose a device which, being equipped with a small boiler, can be effectively insulated with reduced volumes of insulation. A further object is to propose a method of controlling the temperature in this device.

L’invenzione viene nel seguito descritta con riferimento alla tavola di disegno allegata in cui la figura 1 illustra una vista schematica del dispositivo di riscaldamento per liquidi The invention is described below with reference to the attached drawing table in which Figure 1 illustrates a schematic view of the heating device for liquids

Facendo riferimento alla figura 1, con l’indice numerico 1 viene designato il dispositivo di riscaldamento per liquidi che comprende una sorgente di liquido 2, ad esempio un serbatoio per l’acqua, collegata tramite un mezzo pompante 3 e rispettivi condotti ad un ingresso di un mezzo a caldaia 4 destinato a fornire ad una sua uscita l’acqua ad una temperatura compresa in un predeterminato intervallo. Detta uscita è collegata ad un utilizzatore di tale acqua calda, ad esempio consistente in una camera di passaggio dell’acqua attraverso la polvere di caffè ottenendo tale bevanda. With reference to Figure 1, the numerical index 1 designates the heating device for liquids which comprises a source of liquid 2, for example a tank for water, connected by means of a pumping means 3 and respective conduits to an inlet of a boiler means 4 intended to supply water at a temperature included in a predetermined range to its outlet. Said outlet is connected to a user of such hot water, for example consisting of a chamber for the passage of water through the coffee powder to obtain this drink.

Il mezzo a caldaia 4 è dotato di una resistenza elettrica 5 per il riscaldamento del liquido, controllata da mezzi di rilevamento termico 6. The boiler means 4 is equipped with an electric resistance 5 for heating the liquid, controlled by thermal detection means 6.

Detto dispositivo 1 comprende un mezzo di comando 10 del mezzo pompante 3 provvisto di un mezzo rilevatore d’azionamento che genera un segnale quando il mezzo pompante 3 viene attivato. Il dispositivo 1 comprende anche un mezzo di controllo 11, ad esempio di tipo cablato, analogico o di tipo digitale, collegato al mezzo rilevatore di azionamento ed alla resistenza elettrica 5 per alimentarla per un intervallo di tempo a decorrere dalla ricezione di un segnale generato dal mezzo rilevatore di azionamento. Said device 1 comprises a control means 10 of the pumping means 3 provided with an activation detector means that generates a signal when the pumping means 3 is activated. The device 1 also comprises a control means 11, for example of the wired type, analogue or of the digital type, connected to the actuation detector means and to the electric resistance 5 to supply it for an interval of time starting from the reception of a signal generated by the means of activation detector.

Preferibilmente il mezzo pompante 3 è elettrico ed il mezzo di comando 10 consiste nel pulsante di azionamento del mezzo pompante 3 ed integra il mezzo rilevatore di azionamento. Preferably, the pumping means 3 is electric and the control means 10 consists of the button for actuating the pumping means 3 and integrates the actuation sensing means.

Tale mezzo di comando 10 è collegato al mezzo di controllo 11 che, quando riceve il segnale dal mezzo di comando 10, a seguito di una pressione esercitata dall’ utilizzatore, aziona il mezzo pompante ed alimenta la resistenza elettrica 5 per un intervallo temporale indipendentemente dalla temperatura rilevata del mezzo a caldaia 4. L’intervallo di tempo può essere determinato dalla pressione esercitata manualmente da un utilizzatore sul pulsante del mezzo di comando 10 e può coincidere con il tempo durante il quale è mantenuto premuto tale pulsante o per il tempo intercorrente tra una pressione di avviamento della pompa ed una pressione di arresto della pompa oppure può coincidere con il tempo di azionamento automatico del mezzo pompante 3 avviato dalla pressione di tale pulsante. In alternativa, tale intervallo di tempo può essere determinato dal mezzo di controllo 11 di tipo programmabile. This control means 10 is connected to the control means 11 which, when it receives the signal from the control means 10, following a pressure exerted by the user, activates the pumping means and feeds the electric resistance 5 for a time interval regardless of the detected temperature of the boiler vehicle 4. The time interval can be determined by the pressure exerted manually by a user on the button of the control means 10 and can coincide with the time during which this button is kept pressed or for the time between a starting pressure of the pump and a stop pressure of the pump or it can coincide with the automatic activation time of the pumping means 3 started by the pressure of this button. Alternatively, this time interval can be determined by the control means 11 of the programmable type.

In caso di mezzo pompante 3 manuale, il mezzo di comando consiste nella leva di tale mezzo pompante ed il mezzo rilevatore di azionamento consiste in un interruttore associato alla leva per commutare un segnale quando tale leva viene spostata dalla sua posizione di riposo. In the case of manual pumping means 3, the control means consists of the lever of said pumping means and the actuation sensing means consists of a switch associated with the lever for switching a signal when said lever is moved from its rest position.

I mezzi di rilevamento termico 6 comprendono un primo termostato 12 collegato al mezzo di controllo 11 che alimentano la resistenza elettrica 5 quando ricevono dal primo termostato 12 un segnale di temperatura del mezzo a caldaia 4 inferiore alla predeterminata temperatura preferita per l’uso previsto dell’acqua che consiste nella preparazione di caffè espresso. The thermal detection means 6 comprise a first thermostat 12 connected to the control means 11 which feeds the electric resistance 5 when they receive from the first thermostat 12 a temperature signal of the boiler means 4 lower than the predetermined temperature preferred for the intended use of the water which consists in the preparation of espresso coffee.

Eventualmente i mezzi di rilevamento termico 6 possono comprendere almeno un secondo termostato 13 collegato al mezzo di controllo 11 ed avente una diversa temperatura d’intervento. La presenza di diversi termostati permette di determinare diversi valori della predeterminata temperatura dell’acqua del mezzo a caldaia, ad esempio per ottimizzare la produzione di diversi tipi di caffè o bevande. Uno dei termostati (13) può agire come controllo di massima interrompendo l’alimentazione della resistenza quando viene superata la temperatura massima. Possibly the thermal detection means 6 may include at least a second thermostat 13 connected to the control means 11 and having a different intervention temperature. The presence of different thermostats allows you to determine different values of the predetermined water temperature of the boiler medium, for example to optimize the production of different types of coffee or drinks. One of the thermostats (13) can act as a maximum control by interrupting the power supply of the resistance when the maximum temperature is exceeded.

II dispositivo 1 può comprendere un sensore termico 15 opzionale, collegato al mezzo di controllo 11 ed associato ad un condotto d’adduzione del mezzo a caldaia 4 per rilevare la temperatura dell’acqua in entrata per consentire al mezzo di controllo 11 di regolare la quantità di calore erogata dalla resistenza in funzione della temperatura del liquido in entrata. The device 1 can comprise an optional thermal sensor 15, connected to the control means 11 and associated with a supply duct of the boiler means 4 for detecting the temperature of the incoming water to allow the control means 11 to regulate the quantity of heat supplied by the resistance according to the temperature of the incoming liquid.

In alternativa, i mezzi di rilevamento termico 6 possono comprendere un sensore termico 12 di rilevamento della temperatura del mezzo a caldaia di tipo simile al sensore termico 15 opzionale associato al condotto d’adduzione del mezzo a caldaia 4. In tal caso il mezzo di controllo 11 è preferibilmente di tipo digitale programmabile. Alternatively, the thermal detection means 6 may comprise a thermal sensor 12 for detecting the temperature of the boiler means of a type similar to the optional thermal sensor 15 associated with the supply duct of the boiler means 4. In this case the control means 11 is preferably of the digital programmable type.

La resistenza elettrica 5 ha potenza compresa tra circa 150 W e circa 350 W, preferibilmente circa 300 W e la predeterminata temperatura è compresa tra circa 75° C e circa 98° C, preferibilmente tra 88° C e 92° C. The electrical resistance 5 has a power of between about 150 W and about 350 W, preferably about 300 W, and the predetermined temperature is between about 75 ° C and about 98 ° C, preferably between 88 ° C and 92 ° C.

Il metodo di controllo della temperatura dell’acqua del dispositivo 1 prevede di calcolare la potenza termica da fornire all’acqua che fluisce nel mezzo a caldaia 4 per innalzare la temperatura di tale liquido ad un certo predeterminato valore di temperatura ottimale per un certo caffè. Tale operazione di calcolo è resa possibile anche dalla conoscenza della portata del sistema, della capacità termica dell’acqua e dalla misura della temperatura dell’acqua prima della sua immissione nel mezzo a caldaia; in alternativa è possibile determinare una volta per tutte il salto termico evitando di misurare la temperatura dell’acqua in immissione nel mezzo a caldaia ed assumendo che tale temperatura d’immissione sia di 25° C. The method of controlling the water temperature of the device 1 provides for calculating the thermal power to be supplied to the water flowing in the medium to the boiler 4 to raise the temperature of this liquid to a certain predetermined optimum temperature value for a certain coffee. This calculation operation is also made possible by the knowledge of the system flow rate, the heat capacity of the water and the measurement of the water temperature before its introduction into the boiler medium; alternatively, it is possible to determine the temperature difference once and for all by avoiding measuring the temperature of the water entering the boiler medium and assuming that this inlet temperature is 25 ° C.

Inoltre tale metodo prevede di fornire al mezzo a caldaia, tramite la resistenza elettrica, la potenza termica calcolata a partire dall’istante di inizio di azionamento della pompa. In addition, this method provides for providing the boiler medium, through the electrical resistance, with the thermal power calculated from the instant the pump starts to operate.

Il metodo prevede inoltre di alimentare tale resistenza elettrica 5 ad ogni immissione di liquido nel mezzo a caldaia 4, indipendentemente dalla temperatura rilevata nel mezzo a caldaia 4 e comunque ogni volta che la temperatura della caldaia scende sotto detto predeterminato valore di temperatura. The method further provides for powering said electrical resistance 5 at each injection of liquid into the boiler medium 4, regardless of the temperature detected in the boiler medium 4 and in any case whenever the boiler temperature falls below said predetermined temperature value.

L’operatività del dispositivo consente di evitare i ritardi di intervento dovuti anche alle inerzie termiche ed alle isteresi dei rilevatori ed anzi permette di anticipare la fase di riscaldamento prima che il raffreddamento dovuto all’immissione di acqua più fredda si faccia rilevare. The operation of the device allows to avoid intervention delays also due to thermal inertia and hysteresis of the detectors and indeed allows to anticipate the heating phase before the cooling due to the introduction of colder water is detected.

Nel caso di adozione di sensori termici per il rilevamento della temperatura del mezzo a caldaia e di mezzi di controllo digitali di tipo programmabile, è possibile regolare a piacere la predeterminata temperatura. In the case of adoption of thermal sensors for detecting the temperature of the boiler medium and of digital control means of the programmable type, it is possible to adjust the predetermined temperature as desired.

Una semplice forma di realizzazione con mezzo di controllo 11 di tipo cablato, la cui comprensione non richiede specifiche figure, prevede che il primo termostato 12 sia semplicemente posto in serie alla resistenza 5 e che un interruttore del mezzo di controllo 11 sia posto in parallelo a tale primo termostato 12 e sia controllato dal circuito di azionamento del mezzo pompante 3; in tal modo detto interruttore del mezzo di controllo alimenta la resistenza contemporaneamente all’azionamento del mezzo pompante 3. Tale configurazione realizza quindi l’alimentazione della resistenza in contemporanea con l’azionamento dell’elemento pompante ed attua un’azione prioritaria sul termostato 12. L’eventuale secondo termostato 13, di tipo normalmente chiuso, agisce invece come controllo di massima ed è cablato in serie al parallelo descritto in precedenza, agendo prioritariamente su entrambi i controlli precedenti interrompendo l’alimentazione della resistenza quando viene superata la temperatura massima. Il primo termostato realizza un semplice controllo in retroazione e l’interruttore comandato del mezzo di controllo 11 implementa un controllo di tipo predittivo; il termostato ausiliario 13 costituisce un controllo di sicurezza o di massima. A simple embodiment with control means 11 of the wired type, the understanding of which does not require specific figures, provides that the first thermostat 12 is simply placed in series with the resistance 5 and that a switch of the control means 11 is placed in parallel with said first thermostat 12 is controlled by the circuit for actuating the pumping means 3; in this way said switch of the control means supplies the resistance at the same time as the actuation of the pumping means 3. This configuration therefore provides the supply of the resistance at the same time as the actuation of the pumping element and performs a priority action on the thermostat 12. The possible second thermostat 13, of the normally closed type, on the other hand acts as a maximum control and is wired in series to the parallel described above, acting as a priority on both the previous controls by cutting off the power supply to the resistor when the maximum temperature is exceeded. The first thermostat performs a simple feedback control and the controlled switch of the control means 11 implements a predictive control; the auxiliary thermostat 13 constitutes a safety or maximum control.

Un vantaggio della presente invenzione è quello di fornire un dispositivo di riscaldamento per liquidi in grado di fornire un’ottimale stabilità della temperatura, che sia di piccole dimensioni e di costo ridotto. An advantage of the present invention is to provide a heating device for liquids capable of providing optimal temperature stability, which is small in size and low in cost.

Altro vantaggio è di fornire un dispositivo dotato di una resistenza elettrica di bassa potenza, ad esempio 250 W - 300 W che sia quindi economico da acquistare e che garantisca elevati risparmi energetici. Another advantage is to provide a device equipped with a low power electrical resistance, for example 250 W - 300 W, which is therefore economical to purchase and guarantees high energy savings.

Altro vantaggio è di fornire un dispositivo che possa essere efficacemente coibentato con ridotti volumi di isolante e che si presti alla realizzazione di macchine per il caffè. Another advantage is to provide a device which can be effectively insulated with reduced volumes of insulation and which is suitable for making coffee machines.

Ulteriore vantaggio è di fornire un metodo di controllo della temperatura in tale dispositivo. A further advantage is to provide a method of controlling the temperature in such a device.

Claims

CLAIMS Heating device for liquids comprising a source of liquid (2) connected by means of a pumping means (3) and respective conduits to an inlet of a boiler means (4) intended to supply the liquid at its outlet at a temperature comprised within a predetermined interval, said boiler means (4) is equipped with an electric resistance (5) for heating the liquid, controlled by thermal detection means (6); said device (1) being characterized in that it comprises a control means (10) for the pumping means (3) provided with an actuation sensing means which generates a signal when the pumping means (3) is activated and comprises a means of control (11) connected to the activation detector means and to the electric resistance (5) to supply it for an interval of time starting from the reception of a signal generated by the activation detector means. Device according to claim 1 characterized in that, in the case of manual pumping means (3), the control means consists of the lever of said pumping means and the actuation sensing means consists of a switch associated with the lever for switching a signal when such lever is moved from its rest position. Device according to claim 1 characterized in that, in the case of electric pumping means (3), the control means (10) consists of the pumping means (3) actuation button and integrates the actuation sensing means, said control means (10) being connected to the control means (11) which, when it receives the signal from the control means (10), activates the pumping means and starts a time interval for feeding the electric resistance (5). 4 Device according to any one of the preceding claims characterized in that the thermal detection means (6) comprise a first thermostat (12) connected to the control means (11) which supplies the electrical resistance (5) when received from the first thermostat (12 ) a temperature signal of the boiler means (4) lower than a predetermined temperature. 5 Device according to claim 4 characterized in that the thermal detection means (6) comprise at least a second thermostat (13) connected to the control means (11) and having a different intervention temperature. 6 Device according to any one of the preceding claims characterized by the fact of comprising a thermal sensor (15) connected to the control means (11) and associated with a supply duct of the boiler means (4). 7 Device according to any one of claims 1 to 3 or claim 6 characterized in that the thermal detection means (6) comprise a thermal sensor (12) and the control means (11) is of the programmable digital type. 8 Device according to any one of the preceding claims characterized in that in correspondence with an espresso coffee machine, the predetermined temperature is between about 75 ° C and about 98 ° C and the electrical resistance (5) has a power of between about 150W and about 350 W. 9 Method of controlling the temperature of a liquid for the device (1) of any one of the preceding claims, characterized by the fact of supplying the thermal power to a boiler means 4 by supplying electrical power to one of its electrical heating elements 5 at least at each injection of liquid in said boiler means 4 and in any case whenever the temperature of the boiler falls below said predetermined temperature value. 0 Method according to claim 9 characterized by the fact of measuring the temperature of the liquid before its introduction into the boiler medium to determine the necessary heat output or assume that this input temperature is 20 ° C - 25 ° C.