JP2016527671A - 飲料又は食品調製マシンのための体積加熱装置 - Google Patents

飲料又は食品調製マシンのための体積加熱装置 Download PDF

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Abstract

本発明は、放射源であり、電磁放射線を放出し、放射源を少なくとも部分的に囲む液体にエネルギーを伝達するように設計された放射源と、液体導管と、放射スペクトルの電磁放射線に対して本質的に透過性であり、放射源を液体から電気的に分離するように設計された分離手段とを含む、飲料調製マシンのための体積加熱装置を提供する。【選択図】 図２２

Description

本発明は、好ましくは飲料又は食品調製マシンにおいて適用される、体積加熱装置に関する。
体積加熱装置は、飲料又は食品調製プロセス、特に、コーヒー、紅茶、又はスープオートマットなどの、飲料又は食品分配マシンにおいて使用される液体を加熱するように特に設計されている。
液体の体積加熱に、マイクロ波が使用され得ることは既知である。例えば、液体、例えば、水、脂肪、及び他の物質は、誘電加熱と称されるプロセスにより、放出されるマイクロ波からエネルギーを吸収する。多くの分子（例えば、水などの）は、電気双極子であり、これは、これらの分子が、一端において部分的に正の電荷を、他端において部分的に負の電荷を有し、マイクロ波の交流電界と自ら整列しようとして回転することを意味している。回転する分子は他の分子とぶつかり、これらを運動させ、したがってエネルギーを分散させる。固体及び液体中において分子の振動として（すなわち、原子のポテンシャルエネルギー及び運動エネルギーの両方として）分散されるとき、このエネルギーは熱である。したがって体積加熱は、従来的な加熱方法とは異なり、これは熱交換器を必要とせずに、エネルギーが、液体の分子に直接伝達されることを意味する。
しかしながら、マイクロ波加熱装置は多くの場合、複雑な装置であり、また高価であることが多い。マイクロ波加熱装置は例えば、高電圧電源、一般的には単純な変圧器、又は電力変換器を含むことがあり、これはマグネトロン、マグネトロンに接続された高電圧コンデンサへとエネルギーを伝達する。装置はマグネトロン自体を必要とし、これは高電圧の電気エネルギーをマイクロ波放射へと変換し、かつまた、マグネトロン制御回路（通常、マイクロコントローラを備える）を必要とする。更に、導波管（マイクロ波の方向を制御する）、及び調理チャンバ（一般的に導電性材料から形成され、マイクロ波が調理チャンバから逃れるのを防ぐために、ファラデーケージと同様に構成される）が、重要な部分である。
電子レンジなどのマイクロ波加熱装置は、顧客に対し比較的低価格で市販されているが、飲料又は食品調製装置における用途は、技術的及び安全性要件のために、またこのような用途のためのスペースが必要とされるために、複雑であることが多い。
次に、一般的に比較的単純な飲料又は食品調製装置の費用は、このようなマイクロ波加熱装置の使用により、劇的に増加する。
したがって、例えば、飲食サービスの環境において、容易かつ安全に使用され得、液体の加熱を必要とする飲料又は食品調製マシンにおいて容易に実行され得る、マイクロ波加熱装置の代替物を提供することが本発明の目的である。また、本発明の加熱装置の用途に必要なスペースは、既知の加熱装置よりもはるかに小さい。
本発明は、独立請求項において特許請求される、これらの問題に対する解決法を提供する。本発明の更なる有益な態様は、従属請求項に従う。
一態様において、本発明は、放射源であり、好ましくは、赤外及び／又は紫外スペクトルの電磁放射線を放出し、放射源を少なくとも部分的に囲む液体にエネルギーを伝達するように設計された放射源と、液体導管と、放射スペクトルの電磁放射線に対して本質的に透過性であり、放射源を液体から電気的及び／又は熱的に分離するように設計された分離手段とを含む、飲料調製マシンのための体積加熱装置を提供する。
体積加熱装置は、分離手段に対して液体を選択的に供給して分離手段を液体内に少なくとも部分的に浸漬するように構成されている。
液体は好ましくは水である。分離手段は、ガラス、好ましくは石英ガラス、又は硼珪酸ガラスであり得る。
放射源は、フィラメント、好ましくは蛇行フィラメント及び／又は螺旋状フィラメント、例えば、螺旋状構造に巻かれたワイヤーを含んでもよい。
螺旋状構造は、単純な螺旋、二重螺旋、又はより多くの螺旋であってもよい。
フィラメントは好ましくは、本質的に線形、Ｖ字型、三角形、矩形、星形、又は蛇行形状の断面輪郭、特に多角形の断面輪郭を呈してもよい。フィラメントは好ましくは、ストライプ、好ましくは金属製ストライプである。
体積加熱装置は、液体を特定の厚さの膜で分離手段に供給するように構成され得る。
膜の厚さは、液体により吸収されるエネルギーの割合により決定され、吸収されるエネルギーの割合は９７％〜９９％であり得る。
膜の厚さは、０．５〜６ｍｍ、好ましくは１〜４ｍｍ、より好ましくは１〜２ｍｍであり得る。
フィラメントは、約５〜１０Ｗ／ｃｍ２の真空内に閉じ込められたときに、ｃｍ２当たりの放出電力（物理的には輝度）を供給することができる。
放射源、及び分離手段は、被覆手段により少なくとも部分的に囲まれることができ、被覆手段は、分離手段に対し特定の距離で配置されている。被覆手段は、放射源に露出される膜の厚さを規定するように設計され得る。被覆手段は、液体導管を少なくとも部分的に形成することができる。
加熱装置は、放射源を通り過ぎて液体を搬送するように構成され得る。加熱装置は更に、放射源を通り過ぎて液体を搬送するための、ポンプ及び／又は液体流洛要素構成を含み得る。加熱装置は、フロースルー加熱装置であり得る。液体を加熱するために加熱装置内に設けられる容積、好ましくは被覆手段と分離手段との間の容積は、５〜１５ｍＬ、好ましくは７〜１３ｍＬ、又は１０ｍＬであり得る。これはまた、液体が案内手段を通過するときに、液体を回転運動させる、案内手段を含み得る。特に、案内手段は、案内手段を通過する液体の回転運動を生じさせるように構成されている。
別の態様において、本発明は、赤外スペクトルの電磁放射線を放出するように設計された放射源と、放射源に電気エネルギーを供給するように適合された電気接続手段であって、放射源はフィラメント、好ましくは金属製ストライプを含み、蛇行フィラメントの断面輪郭は好ましくは、本質的に、線形、Ｖ字型、三角形、矩形、星形、又は蛇行形状、特に多角形の形状である、電気接続手段と、放出される赤外スペクトルの電磁放射線に対して本質的に透過性であり、放射線を電気的に分離し、特に放射源を少なくとも部分的に囲むように設計されている、分離手段とを含む、ランプを提供する。
ランプは、中空部分を含む場合があり、中空部分は、少なくとも１つの液体の通過を可能にするように構成されている。
更に別の態様において、本発明は、上記の体積加熱装置、及び／又は上記のランプを含む、温かい飲料又は食品、特に紅茶又はコーヒーを供するように構成された飲料又は食品調製マシンを提供する。
本発明はまた、ここで図面を参照して記載される。具体的に、
体積加熱装置の基本セットアップを示す。 フィラメントの断面輪郭の基本的な例を示している。 フィラメントの断面輪郭の基本的な例を示している。 フィラメントの断面輪郭の基本的な例を示している。 フィラメントの断面輪郭の基本的な例を示している。 フィラメントの断面輪郭の基本的な例を示している。 フィラメントの断面輪郭の基本的な例を示している。 フィラメントの断面輪郭の基本的な例を示している。 フィラメントの断面輪郭の基本的な例を示している。 フィラメントの断面輪郭の基本的な例を示している。 フィラメントの断面輪郭の基本的な例を示している。 フィラメントの断面輪郭の基本的な例を示している。 フィラメントの断面輪郭の基本的な例を示している。 本発明による代表的な放射源を示す。 は、代表的なフィラメント構成を示す。 は、本発明による放射源の更なる例を示す。 図５の更なる放射源の概略側面図を示す。 体積加熱装置の例を示す。 体積加熱装置の別の例を示す。 体積加熱装置の構成例を示す。 体積加熱装置の構成例を示す。 体積加熱装置の構成例を示す。 体積加熱装置の構成例を示す。 体積加熱装置の更なる構成例を示す。 体積加熱装置の更なる構成例を示す。 体積加熱装置と、熱交換器を備える従来的な加熱装置との違いを詳細に表わす図を示す。 図５の本発明による放射源の更なる例をより詳細に示す。 特定の実施形態（外側コーム）の詳細を示している。 特定の実施形態（外側コーム）の詳細を示している。 特定の実施形態（内側コーム）の詳細を示している。 特定の実施形態（内側コーム）の詳細を示している。 放射源の構成例を示す。 分離手段の例を示す。 放射源と分離手段との組み合わせを概略的に示す。 放射源と分離手段とを既に組み合わせた状態を概略的に示す。 液体流洛構成の例を示す。 本発明による体積加熱装置を示す。 本発明による体積加熱装置を示す。 本発明による体積加熱装置を示す。
本発明の重要な態様は、あるスペクトル（例えば、ヒトの眼に対して可視であるスペクトル領域）において透明に見える液体、特に水は、別のスペクトルにおいては透明でないことがあるということである。特に、加熱される液体は、他のスペクトルにおいては本質的に黒体であり得る。本発明はこの原理を使用して、加熱される液体が、本質的に黒体に見えるスペクトルでエネルギーを放出する放射源を提供し、結果とて、エネルギーが液体によりほぼ完全に吸収されるようにする。例えば、水はヒトの眼に可視であるスペクトル領域において透明であり、よってこのスペクトル領域外の放射線を効果的に使用して、水に対し、特にこれを加熱するためにエネルギーを伝達することができる。
上記のように、本発明による体積加熱装置の原理は、体積加熱装置が放射源を含むことであり、これは、電源に接続されているときに、ある特定のスペクトルでエネルギーを放出又は放射し、このエネルギーを、エネルギーが放射スペクトルにおいて本質的に黒体を構成する液体に対して、伝達する。
図１は、本発明の非常に基本的な概略図を示し、これは、液体３への矢印で示されるエネルギー２を放出する、放射体１を示す。
加熱されるべき液体３から放射源１を隔離又は分離するために、本発明はまた、分離手段４を含む。分離手段４は、放射されるエネルギー２に対して本質的に透過性であり、すなわち、エネルギー及び／又は光が放射スペクトル又はスペクトル領域において透過性である。
本発明により、加熱される液体が分離手段に直接適用され、よって体積加熱装置の動作中、分離手段は、加熱される液体中に少なくとも部分的に浸漬され得る。
問題に対して費用効果の高い解決法を提供するため、本発明は好ましくは電磁波の赤外スペクトラムの光を使用する。
以下において、用語「赤外光」（ＩＲ）は、このスペクトルのエネルギーの放出と、同義語として使用される。しかしながら、上記のように、エネルギーを液体に伝達するため、別のスペクトルの放出、すなわち、異なる波長のエネルギーを使用することができる。紫外スペクトルにおける液体（例えば、水）の吸収率は、より高いことがある。したがってまた、紫外（ＵＶ）光が、本発明によって使用され得る。しかしながらこれらは、ＩＲ光源と比較してより高価であるために、本文書の他所においてこれ以上詳細に記載されることはない。赤外線放射体の部品は市販されており、比較的低費用で得られることは特に有利である。更に、本発明はまた食品調製マシンにも関するが、以下においては、飲料調製マシンという用語のみが使用される。特に、本発明により使用される電磁放射は好ましくは、２．２μｍ以上の波長を中心とする。
また、体積加熱の使用は、液体の加熱時間がはるかに短くなるために、上記の従来的な加熱方法（例えば、熱交換器を必要とする）よりも有益である。放射源により放出されるエネルギーは、液体（例えば、水）により直接吸収される。これはまた、加熱装置のいずれの部分も、加熱液体の温度よりも高い温度まで加熱されないため、全体的な効率性を向上させる。
これはまた、特に水が加熱されるときに、加熱装置内のカルシウム残留物を低減することに繋がるが、これは典型的にカルシウムの沈殿の殆どが（従来的な）加熱装置の最も高温の部分、すなわち加熱液体よりも高温の部分で生じるためである。体積加熱は、液体中における均一な温度をもたらすため、カルシウムは加熱された体積全体にわたって顕れる。これは、提示される体積加熱装置（体積加熱セルを含む）には、液体自体よりも高温の部分が存在しないという事実による。カルシウムはその後、好ましくは、液体が加熱される領域の外へと、液体と共に移送され得る。
これは特に、フィラメント（およそ１０００°Ｋ）が、分離手段から熱的に分離される場合に特に該当する。このような熱分離を達成するために最も効果的な方法は、フィラメントを含む分離手段の排気である。このようにして、ＩＲ放射／放出に対して透過性な、分離手段の分離壁部は、この収容部内側の熱伝導ガスにより加熱され得ない。これはまた、液体への熱エネルギー、及び液体単独を搬送するために有益である。
熱伝導のなんらかの寄与により、分離手段壁部も加熱する効果を生じ、よってカルシウムの沈殿を生じ得る。当然、使用時間が短ければ（意図される目的のために、数十秒、例えば１〜１０秒の時間）、分離手段壁部が加熱するだけの時間はない。しかし、使用時間がより長い（又は連続的な）他の用途において、真空分離は不利であり得る。
体積加熱装置がフロースルー加熱装置である場合、カルシウムは、液体の流れによって体積加熱装置の外に移送され得る。カルシウムはその後、後の工程において濾過され得る。飲料生成プロセスにおいて、カプセルを使用する飲料調製マシンの場合、カルシウムは、液体が通過するカプセル内に残る残留物により濾過され得る。
この発明はまた、赤外線放射源、又はＩＲランプ構成に対する、低費用な設計代替物を提供する。特に、本用途において使用される赤外線ランプの放射源は、飲料調製マシンにおいて使用するために特に効率的であるように調節された特定の設計を示し得る。
加熱装置を設計するための１つの重要なパラメータは、例えば水などの、加熱される液体の最大吸収率と適合するべきである、放射源の最大放射である。特に、好ましくはガラスである、分離手段内に配置されるフィラメントである放射源はしたがって、約２．２μｍの波長の範囲内で放出するように設計され、これはフィラメントが約１３００℃の温度まで加熱されることを必要とする。この関係は、ウィーンの法則によって決定される。
よく適合する放出スペクトルに関して考慮すべき第２の制約は、ステファンボルツマンの法則により生じ、これは、必要なピーク波長を放出／放射するために必要な単位電力当たりの放出表面は、温度の４乗の逆数と共に増加することを示している。
また、フィラメント表面は、真空内に閉じ込められたときに、ｃｍ２当たり、限られた放出電力（輝度）を有する。この限界に達するか、又はこれを超えたとき、スパッタリングが生じ体積加熱装置の実用時間が低減し得る。スパッタリング限界は、フィラメント材料の選択によって、及び分離手段内における残留ガス圧によって生じる。より高いガス圧は、より高いスパッタリング限界を生じるが、これは、最終的にカルシウムの堆積を生じ得る、高温フィラメントと分離手段壁部との間の熱伝導のリスクの増加を伴う。
これは、２．２μｍ波長領域において、およそ１〜２ｋＷの電力が放出されるとき、およそ１７７ｃｍ２のフィラメント表面が必要とされることを意味する。したがって本発明は、小型ランプ容積内に最大フィラメント表面が設けられる、体積加熱装置を提供することを目的とする。
水の場合、吸収係数は、ｃｍ当たりおよそ１０−４〜１０−３である。これは、放射源を囲む厚さ約０．５〜５ｍｍ、好ましくは１〜約２ｍｍの水膜が、放出されるエネルギーの９９％超を吸収するのに十分であることを意味する。体積加熱装置はしたがって、好ましくは、分離手段により、加熱される液体から分離された中央位置に配置される、放射源を備える、フロースルー加熱装置である。
本発明の装置には、熱交換の等式が適用され、温度差は、入力加熱電力及び流量のみに依存する。よってこれは、容積とは無関係である。しかしながら、低温で開始される際に必要とされる時間は、加熱器の容積及び加熱器の電力に依存する。約１２５０Ｗ（ワット）である、飲料調製マシンの従来的な加熱器の電力、及び水の特定の熱容量（４．１９Ｊ／ｇＫ）を使用し、加熱時間ｔｈｕを決定するために以下の式が使用され得る。
Figure 2016527671
上記の式において、ｔｈｕは加熱時間を表し、ｃＷは、水の特定の熱容量を表し、ｗＷは、加熱される水の体積を表し、７０℃は、水が加熱される温度を表わす。分母の１２５０Ｗは、加熱に使用される電力を表わす。
他方で、所与の流量、及び温度差により、加熱器電力が計算され得る。
Figure 2016527671
この式において、ＴＯは、出力温度を表し、Ｔ０は、２１℃の周囲温度を表し、１２５０Ｗはここでも加熱装置／電源の電力を表わし、ｆＷは流量を表し、ｃＷはここでも水の特定の温度／熱容量を表している。この場合、流量は、およそ５ｇ／秒である。見てわかるように、出力温度は約７５〜８５℃、特に約８１℃（例えば、８０．６６℃）である。
当然、本発明は、１〜２ｋＷの範囲に決して限定されない。特定の用途において、より高い電力（例えば、５〜１０ｋＷ、及び特に８ｋＷ〜１２ｋＷ）が必要とされ得る。これは、例えば、短い加熱時間が重要であり、流量が、例えば、５ｍＬ／秒、又は５ｇ／秒より高い用途の場合に該当する。例えば、同じ体積加熱装置は、シャワー、又は同様の洗浄用途にとって有用な２０℃〜６０℃に液体を加熱するため、およそ５０ｍＬ／秒の流量、及び８ｋＷで使用することができる。
この結果は、加熱される体積とは無関係である。したがって、加熱は、流量及び温度差とは無関係に最適化され得る。一般的に、加熱される容量がより小さいと、加熱時間はより短くなる。安定的な流れ状態において出力温度は、選択される容積に影響されない。
赤外光による体積加熱を使用するとき、液体、特に水の高い吸収係数は、加熱装置の非常に小型の設計を可能にし、加熱される体積は約１０ｍＬまで低減させることができる。これは、５〜７秒、好ましくは３秒の低温開始時間を可能とする。
既に記載されたように、本発明の一態様は、放射源として使用されるフィラメントの新しい構造を提供することに関する。
液体の体積加熱に必要な大きな表面積を達成するため、本発明は、好ましくは高い電気抵抗を有する金属から形成された、折りたたまれた、又は平坦なストリップの構成を提示する。この「ストライプフィラメント」は、従来的なワイヤーベースのフィラメントよりもエネルギー放出に適している。特に、ストリップは、高放出表面をもたらすために、本質的に蛇行した、又は多角形の断面輪郭を示すように構成され得る。
断面輪郭の例が図２ａ〜２ｋに示される。当然、他の構成も可能である。特に、代表的な断面輪郭は、フィラメントを電源に接続するために必要な電気接続手段などの詳細、並びに断面と本質的に垂直な軸に沿ったフィラメントの空間的構成を無視して示されている。
一般的に、ストライプフィラメント構成として構成された放射源は、ワイヤーベースのフィラメント（螺旋状にワイヤーが巻きつけられている）を使用した標準的な手法と比較した場合に、同じ容積内にはるかに大きなフィラメント表面を取り入れることができる。
ストライプフィラメント３１を使用する、本発明による放射源３０の一例は、図３に示される。見てわかるように、フィラメント３１は、本質的に、図２ｊ及び２ｌに示される代表的な断面輪郭と同様の、星形の断面輪郭を有している。図３はまた、フィラメント３１に電気エネルギーを供給するように適合された電気接続手段３２、３３を示す。
図３に示されるフィラメント３１は、内側及び外側にエネルギーを放射するように設計されている。フィラメント３１のオーム抵抗を、例えば、２２０Ｖ配電線に供給する電源（図示されない）に適合させるため、有利なことに蛇行した形状の断面輪郭が提供される（例えば、図２ｌに示される）。
比較して、放射源４０が図４に示され、フィラメント４１、４２は、より従来的な巻線構造に基いている。ここでは、ワイヤーは二重螺旋を形成するように巻かれており、これは螺旋状に巻かれたワイヤー４１が、ここでも、第２螺旋構造４２を形成するために使用されていることを意味する。しかしながら、より多くの螺旋も既知であり、高いフィラメント表面を得るためにフィラメントとして使用される。放出表面４０を電源に直接、又は間接的に接続するために使用される、電気接続手段４４、４５もまた示される。
当然、放射源はまた、双方の手法の組み合わせを示すように構成され得る。例えば、図５は、螺旋構造に巻かれたストライプ形状のフィラメント５１を有する、放射源５０の別の形態を示している。電気接続手段５２も示されている。この放射源は本質的に、図２ｋに示される断面輪郭を示している。
図６は、図５に示される放射源の側面図を示しており、ここでは放射源６０は螺旋構造に巻かれた、ストライプ形状のフィラメント６１を示している。電気接続手段６２、６３も示されている。
しかしながら、フィラメントの自己照射に関する一般的な問題が存在する。自己照射とは、放出されるエネルギーの一部が外側（すなわち、加熱される液体の方）に放出されず、フィラメントの他の部分（例えば、隣接する巻線又は表面の方）に放出されることを意味する。
これは、フィラメントの一部が、予測又は計算されるよりも高い温度まで加熱され、したがって放射表面が予想外の挙動を示し得る、という効果を有する。体積加熱の場合、この効果は不利である。
状況を改善するため、フィラメントは、管を通じて搬送される液体を加熱するために例えば、ガラス、特に石英ガラスから形成される、分離手段として機能する、中央パイプを囲むように構成され得る。図７及び８は、体積加熱セルの構成についての２つの例を示す。
図７は、電気接続手段７２、７３により電源に接続された放射源７１が加熱される液体７４、例えば、水などの体積によって囲まれる、体積加熱装置７０を示している。
液体７４は、入口７５を通じて、体積加熱装置に入る。液体はその後放射源７１の周囲から、出口７６へと搬送される。当然、液体はまた、反対方向に搬送されてもよく、この場合入口７５は出口として機能し、出口７６は入口として機能する。
液体が搬送されるときの体積及び速度は、体積加熱装置から出る液体が特定の所望の温度をもたらすような形で、決定される。
図７において、放射源は、分離手段７７により液体から分離される。図７はまた、被覆手段７８を使用して、放射源７１に沿って液体を案内することを示している。
フィラメントの自己照射の問題を低減するため、図７の設計は、図８に示される体積加熱装置８０の設計へと変更することができる。
ここで、放射源８１が加熱される液体８２によって囲まれるのみではなく、液体８２もまた、放射源８１及び分離手段８５によりそれぞれ提供される中空部分を通じて搬送される。特に、液体８２は、入口８３を通じて体積加熱装置８０に入り、放射源８１の周囲から、出口８４へと搬送される。当然、液体はまた、反対方向に搬送されてもよく、この場合入口８３は出口として機能し、出口８４は入口として機能する。図８においてはまた、反射性変位本体８７が示される。
液体が搬送されるときの体積及び速度は、体積加熱装置から出る液体が特定の所望の温度をもたらすような形で、決定される。
図８において、放射源は、分離手段８５により液体から分離される。図８はまた、被覆手段８６を使用して、放射源８１に沿って液体を案内することを示している。電気接続手段は示されない。
体積加熱装置の効率性は、例えば、放射源の方向を向く被覆手段の壁部が、例えば、ミラー材料などの、反射性材料から作製される場合、更に向上し得る。
重要な態様は、体積加熱装置の合計体積が、３つの部分からなることである：１）外側体積、２）遷移領域、及び３）内側体積。
これらの体積の配分に関して、２つの態様に言及する：１つ目は、「最高効率」のための体積加熱装置構成に関し、２つ目は最短の「低温開始」時間のための構成に関する（当然、これはまた、前者に対する影響を有する）。
「最高効率」のため、好ましい設定は、内側体積（例えば、分離手段８５と反射性変位本体８７との間の体積）からの高温出口を有し、よって外側に放射される熱損失を防ぐことである。これは、例えば、高温に達することが決してないように構成され得る、体積加熱装置の外側分離のための要件を低減する（又は完全に排除する）ことができる。これはまた、個人の安全性を考慮した際に有利であり得る（高温部分によって人が怪我をするリスクがない）。例えば、被覆手段において、外側からの低温の入口を設けるため、又は分離手段８５と被覆手段８６との間に体積を供給するための別の議論は、体積加熱装置を封止するために、エポキシ樹脂が使用できる場合についてである。この構成において、接着剤は、低温液体によって効率的に冷却されることが保証される。
例えば図８におけるような構成を考慮し、フィラメントの放出されたエネルギーの半分が、内側に、残りの半分が外側に向かうものと想定することができる。これは当然、厳密に当てはまるのではなく、近似として機能し得る。液体で充填された体積加熱装置が「低温開始」サイクルを行う場合、高温出口における液体が標的温度に到達するまでの時間は、内側体積のみに依存する。
この事実は、内側体積を可能な限り小さくすることによって、この特徴を別個に最適化することを可能にする。これを達成するための手段は、反射性変位本体８７によるものである。例えば、合計体積が約１３ｍＬであり、内側体積が約３ｍＬまで低減されると、低温開始時間は、大幅に低減する。１２５０ワットで１３ｍＬを加熱するのにかかる時間は約３秒にすぎず、３ｍＬを６００ワットで加熱するのには１．５秒未満である。
更に、安定的な流れ状態において、出力温度は流量のみに依存するために、何も変化しない。
小さな内側体積を有するということは、安定的な流れ条件（すなわち、安定的な流れ状態）において、単位体積の液体が、内側体積をより迅速に移動し、よって遷移領域において加速される。体積加熱装置の体積のこの配分により、遷移領域は、可能な限り小さくあるべきであり（加熱に影響しない）、液体の流れを加速させるために使用されるべきであることを付言すべきである。
実際的な要件は、部品の公差により生じ、関連する部品の直径の公差は、水膜の厚さと危険なほどに近い場合がある。したがって、例えば、体積加熱装置の主軸周囲に、液体の回転運動をもたらすことは有利であり、これは、フィラメントにより放出される電力、及び被覆手段直径及び壁部厚さの寸法ばらつきなど、あらゆる種類の不均一性又は公差を解消する効果を有する。
図９ａ〜９ｄは、本発明による加熱装置の構成例を示す。図９ａ〜９ｄは全て、分離手段内の、螺旋状に巻かれたフィラメント９２、９２’、９２’’、９２’’’を概略的に示しているが、フィラメントは上記のように異なる形状であり得ることが理解されるべきである。
図９ａ〜９ｄにおいて、実線の矢印は、放射源９０、９０’、９０’’、９０’’’に沿った液体の可能な流れを示している。図９〜９ｄでは、点線及び破線の矢印により、代表的な別の流れ方向が示されている。
図９ａの場合において、液体は、分離手段９１によって液体から分離される、放射源９０の外側表面に沿って流れている。
図９ｂは、図９ａの構成に対する代替を示し、液体はフィラメント９２’を含む放射源９０’の分離手段表面９１’に沿って、また放射源９０’内に形成される中空部分９３’を通じて通過する。当然中空部分９３’においてもまた、放射源は、分離手段９１’と同じ材料で作製されていても、されていなくてもよく、分離手段によって液体から分離される。
上記のように、実線の矢印は、放射源９０’に沿って液体がとる可能性のある方向を示し、一方点線及び破線の矢印は、液体がとる別の方向を表している。特に、液体は、分離手段９１’によって形成される外側表面に沿って／放射源９０’の中空部分９３’を通じて、一方向に搬送され得る一方で、中空部分９３’を通じて、／放射源９０’の分離手段９１’により形成される外側表面に沿って、反対方向へと搬送され得る。特に、被覆手段９４’’は、液体を偏向させる、及び／又は液体の搬送方向を変更するために使用されてもよい。
図９ｃは、液体が、分離手段９１’’により形成される放射源９０’’の外側表面に沿ってのみ搬送される、更なる代替を示す。放射源９０’’は、分離手段９１’’により液体から分離されるが、被覆手段９４’’内を通過する。したがって、加熱される液体の体積９５’’は、被覆手段９４’’の分離手段９１’’に対する距離により画定される。
図９ｄは、液体が、中空部分９３’’’を通じ、並びに放射源９０’’’の分離手段９１’’’により形成される外側表面に沿って通過する、構成を示している。図９ｄの放射源９０’’’はまた、放射源９０’’’を少なくとも部分的に囲む、被覆手段９４’’’を示している。
上記のように、実線の矢印は、放射源９０’に沿って液体がとる可能性のある方向を示し、一方点線及び破線の矢印は、液体の方向がとる別の経路を示している。特に、液体は、分離手段９１’’’によって形成される外側表面に沿って／放射源９０’’’の中空部分９３’’’を通じて、一方向に搬送され得る一方で、中空部分９３’’’を通じて、／分離手段９１’’’により形成される外側表面に沿って、反対方向へと搬送され得る。特に、被覆手段９４’’’は、液体を偏向させる、及び液体の搬送方向を変更するために使用されてもよい。
また、液体は、分離手段９１’’’により形成された放射源９０’’’の外側表面に沿ってのみ搬送され、この分離手段９１’’’はまた、液体を放射源９０’’’から、被覆手段９４’’’の内側に分離する。被覆手段９４’’’と分離手段９１’’’により形成される放射源９０’’’の外側表面との間で加熱される液体の体積９５’’’は、被覆手段９４’’’の分離手段９１’’’に対する距離により画定される。
当然、図９ａ〜９ｄの全ての構成は、体積加熱装置が構成され得る方法を概略的に示しているにすぎない。一般的に、液体の流れは自由に設計することができるが、例えば図８を参照し、被覆手段８６と分離手段８５との間で、体積加熱セルの外側に流れる低温液体を、例えばやはり図８を参照し、分離手段８５と反射性変位本体８７との間で、体積加熱セルの内側に加熱液体を維持することが好ましい。
図９ａ及び９ｂに示される構成に対応する、放射源の星形断面輪郭を備える構成が図１０ａ及び１０ｂに示され、放射源１００、１００’が示される。フィラメント１０１，１０１’もまた、星形の断面輪郭を備えている。
フィラメント１０１、１０１’は、液体が通過し得る外側表面に沿った、分離手段１０２、１０２’により囲まれている。電気接続手段１０３、１０４、１０３’、１０４’もまた示されている。
図１０ｂの構成は、図９ｂの構成に対応しており、フィラメント１０２’は、外側分離手段１０１’によって囲まれている。また同様に、フィラメントを電源に電気的に接続するための、接続手段１０３’、１０４’が示されている。この構成はまた、内側分離手段１０６’により放射源／フィラメントから分離される、中空部分１０５’を示す。当然、分離手段１０１’、１０６’は、１つの材料、又は１つの部品により一体的に形成される必要はなく、いくつかの部品からなってもよく、またこれらの部品は異なる材料から形成されてもよい。しかしながら、材料は、放出されるエネルギーに対して本質的に透過性、又は半透過性であるべきである。
図１１は、熱交換器を備える従来的な加熱装置（下部）と比較した、体積加熱装置（上部）の利益を示している。水は液体例として使用される。見てわかるように、加熱時間ははるかに短い。水を約９１℃の温度まで加熱するための加熱時間（加熱される体積が充填（空洞充填）された後）は、過剰な温度（従来的な加熱装置の図を参照）が生成されないために短縮される。特に、熱交換器は、液体を加熱して所望の温度を達成するために、液体よりも高い温度に加熱される必要がない。
したがって、体積加熱装置の全体的電力消費は、従来的な加熱装置により要求される電力よりもはるかに低い。特に、体積加熱装置の温度は、熱交換器を使用する従来的な加熱装置に関連する指数関数的温度曲線と対照的に、直線的に上昇する。
要約すると、本発明は、液体が好ましくは、全ての側面から放射源を囲み、よって好ましくは放出される放射線を全体的に吸収するために、小さな体積の放射源における最大フィラメント表面をもたらすことを可能にし、かつまた放射源に対し加熱される液体を効果的に供給することを可能にする。
放射源の効率性は、反射性材料を被覆手段に適用することによって向上させることができる。また中空部分において、反射性手段は、例えば、中空部分を通じて延び、好ましくは、分離手段／放射源の断面輪郭に従う断面輪郭を有する、ロッド又はチューブ上に配置されてもよい。
有利なことに、本発明の放射源は、飲料調製マシン内に配置され、分離手段を含む中央ランプとして形成され、加熱される液体に浸漬される。ランプは、加熱される液体が通過／搬送される中空部分／孔をもたらすことができる。大きな放射源をもたらすように、フィラメントは、螺旋状に巻かれた１本のワイヤーであってもよいが、また多数の螺旋状構造が使用されてもよく、例えば、多くのワイヤーが螺旋方式に巻かれて使用されてもよい（例えば、二重螺旋、又はより多くの螺旋）。当然、放射源は、平坦な金属シートからフィラメント形状として形成され得る。また、本明細書において記載されるフィラメントの組み合わせをランプ内で使用して、ランプの効率性を更に向上させることができる。
液体は、ポンプによって、又は他のいずれかの液体質量移動手段のいずれかによって搬送され得る。
本発明の特定の実施形態はここで、図５に示される実施形態から離れて記載され、図１２においてより詳細に説明される。
図１２はまた、螺旋構造に巻かれたストライプ形状のフィラメント１２１を有する、放射源１２０の別の形態を示している。フィラメント１２１は好ましくは、３０〜５０ｍｍの直径、及びより好ましくは４０ｍｍの直径を有し、フィラメントの巻線は、１．５〜３．５ｍｍ、好ましくは２．５ｍｍのピッチで配置されている。
フィラメント１２１は、約１６０〜１８０ｃｍ２の表面、好ましくは約１７０又は１７１ｃｍ２の表面を示す。一例において、本発明はバイファイラーフィラメントを示す。例えば、２３０Ｖの電源を使用するときの、フィラメントの電力定格は、約１．１５ｋＷ〜１．２５ｋＷの範囲、好ましくは１．２５ｋＷである。好ましくはフィラメントは、良好な形状安定性、及び耐用寿命を有する、Ｋａｎｔｈａｌ ＡＥ、フェライト鉄クロムアルミ合金（ＦｅＣｒＡｌ合金）で形成される。最大１３００℃の温度で使用するのに好適であり、特に０．０５〜０．１５ｍｍ、特に０．１ｍｍの幅を有する。
電気接続手段１２２もまた示されている。図１２はまた、フィラメント１２１の巻線を適所に保持し、フィラメント巻線の間の所望のスペースを維持するために、フィラメント１２１の巻線を収容するために使用される、少なくとも外側構造を示す。
外側構造はその設計のために「外側コーム」１２３と称される。外側コーム１２３は、一方の側においてブリッジプレート１２４に取り付けられ、基部プレート１２５に接続されてもよい。ブリッジプレート１２４は、好ましくはステンレススチールで形成され、点溶接によってフィラメントに接続される。ブリッジプレートの好ましい材料厚さは、０．２〜０．４ｍｍ、好ましくは０．３ｍｍである。バイファイラー構成において、フィラメント１２１は実際には、２つのフィラメント部分で形成され得る。再び図６を参照し、第１フィラメント部分は第１電気接続手段６２に接続され、第２フィラメントは、第２電気接続手段６３に接続される。双方のフィラメント部分はその後ブリッジプレート１２４へと延び、これはフィラメント部分の間に導電性接続を形成する。
外側コーム１２２の側面図が図１３ａに示され、図１３ｂは、２つの接続された外側コーム１２３を備えるブリッジプレート１２４を示す。本質的に図１３ｂに示される構成は、基部プレート１２５、フィラメント１２１、及び電気接続手段１２２が取り除かれた後の、図１２の構成に対応している。
外側コームは好ましくは非導電性材料、例えば、セラミック材料から形成され、０．５〜１．１ｍｍ、好ましくは０．８ｍｍの材料厚さを示す。外側コームは、０．４０〜０．５０ｍｍ、好ましくは０．４５ｍｍの幅を備える複数の歯を提供する。歯は、互いに１．９５〜２．１５ｍｍ、好ましくは２．０５ｍｍ離間し得る。当然、例えば、フィラメントの安定性を向上させるために、３つ以上の内側コームが設けられてもよい。内側コームは、スナップ嵌め接続／コネクタによってブリッジプレートに取り付けられてもよい。
図１２にはまた、はっきりとは見えないが、少なくとも内側構造が存在しており、フィラメント１２１の巻線を適所に保持し、フィラメント巻線の間の所望のスペースを維持するために、フィラメント１２１の巻線を収容するために使用される。この内側構造は、その形状から、以降においては「内側コーム」と称される。
内側コーム１２６の側面図が図１４ａに示され、図１４ｂは、２つの接続された外側コーム１２６を備える基部プレート１２５を示す。本質的に、図１４ｂに示される構成は、基部プレート１２４、フィラメント１２１、及び外側コーム１２３が取り除かれた後の、図１２の構成に対応している。
また、電気接続手段１２２は、内側コーム１２６に接続されていることが示される。内側コームは好ましくは非導電性材料、例えば、セラミック材料から形成され、０．５〜１．１ｍｍ、好ましくは０．８ｍｍの材料厚さを示す。内側コームは、０．４０〜０．５０ｍｍ、好ましくは０．４５ｍｍの幅を備える複数の歯を提供する。歯は、互いに１．９５〜２．１５ｍｍ、好ましくは２．０５ｍｍ離間し得る。当然、例えば、フィラメントの安定性を向上させるために、３つ以上の内側コームが設けられてもよい。基部プレート１２５は好ましくは、アルミニウム酸化物で形成される。好ましくは基部プレートの材料厚さは、１〜３ｍｍ、好ましくは２ｍｍである。
図１５は、図１２の構成の別の図を示しており、左側は、螺旋構造に巻かれたストライプ形状のフィラメント１２１を備える、放射源１２０を示している。また、外側コーム１２３、ブリッジプレート１２４、基部プレート１２５、及び内側コーム１２６が示されている。追加的に、フィラメント１２１がブリッジプレート１２４に接続される、接続点１２７が示されている。また、放射源１２０の中空部分１２８が明確に可視である。
図１５の右側は、同様の図を示し、同じ特徴部は左側の図と同じ参照記号により示されている。フィラメント１２１は、内側構成のよりよい理解を可能にするために示されていない。更に、反射性変位本体１２９が示され、これは以下でより詳細に説明される。内側コーム１２３、基部プレート１２５、及び外側コーム１２６はまた、セラミック材料で形成され得る。
図１６はここで、好ましくはガラス、特に石英ガラス、硼珪酸ガラス、及び／又は「ガラスセラミック」材料から形成され、放射源及び特にフィラメントを液体から電気的に分離する、分離手段１６０を示す。分離手段１６０は特に、外側表面１６１、１６２、加えて中空部分１６３をもたらす。
図１７はここでは、放射源１２０が分離手段１６０へと移動される様子を示している。
特に、放射源１２０の中空部分１２８は、放射源１２０の中空部分１２８が分離手段１６０の中空部分１６３を収容するように、分離手段内において動かされる。組み合わせた後、分離手段１６０は、フィラメント１２１の内側及び外側を囲む。特に基部プレート１２５は、分離手段１６０により画定されたチャンバ１６４を本質的に密封する。エポキシ接着剤によって封止が設けられてもよく、これは特に、封止される部品を効果的に冷却する、低温液体の入口として外側入口が使用される際に、好ましい。
これは、放射源１２０及び分離手段１６０を組み合わせた後の、組み合わせた装置１８０を示している図１８からより明らかである。チャンバ１６４はここでは、基部プレート１２５により封止され、分離手段１６０の外側表面１６１、１６２は、組み合わされた装置１８０の外側表面を形成しているが、基部プレート１２５により形成される表面は除外される。
上記により概説されたように、液体は分離手段１６０の表面１６１、１６２に沿って搬送される。したがって、体積加熱装置は、液体を移動させる装置を含み得る。体積加熱装置はしたがって、持ち上げ、変位、及び重力により液体を移動させるために使用されるポンプをもたらすことができる。
追加的に、体積加熱装置は、第１外側表面１６１から第２外側表面１６２へと、又はその逆に、液体を導くために使用される液体流洛構成を含む場合がある。体積加熱装置はしたがって、体積加熱装置の液体入口から液体出口への液体の搬送をもたらす。液体搬送はこれにより、少なくとも部分的に、液体流洛構成によって構成される。
このような液体流洛構成１９０の例は、図１９に示される。この構成は、流洛要素又は案内手段１９１を含み、これは剛性又は可撓性材料から形成され得、図１９に示されるように、本質的に「扇型」であり得る。好ましくは、案内手段は、シリコーンラバーから形成される。案内手段１９１は、図１６に示される分離手段１６０の中空部分１６３に配置されるように適合される、反射性変位本体１９２に接続される。案内手段はしたがって、一実施形態において、ブレード１９４を備えるブレード構成を示している。案内手段１９１は特に、遷移区域における液体の流れを加速させ、公差を調節するためにこれに捻れを加えるように機能する。特に、案内手段１９１は、液体が案内手段１９１を通過するときに、液体を回転運動させるように設計される。案内手段１９１はしたがって、好ましくは、上記に概説されるように、体積加熱装置の主要対称軸を中心に液体を回転させるために設けられる。
反射性変位本体１２９として、図１５にも示される反射性変位本体１９２の表面１９３は、好ましくは反射性であり、例えば、放出されたエネルギーを反射する材料により形成される。反射性変位本体１９２の表面１９３は好ましくは研磨され、特に合金、例えば、アルミニウム合金（例えば、ＡｌＭｇＳｉ）で形成されている。また、分離手段１６０の中空部分１６３内に配置されるとき、液体の通過を可能にするために、第２外側表面１６２と、反射性変位本体１９２の表面１９３との間に空隙が維持される。したがって、第２外側表面１６２と、反射性変位本体の表面１９３との間で搬送される液膜の厚さは、空隙の直径により規定される。
図１９はまた、案内手段１９１及び反射性変位本体１９２を基部プレート１２５に接続するために使用される接続手段１９５を示している。反射性変位本体１９２はまた、案内手段１９１の、接続手段１９５に対する距離及び配置を規定する。
図２０は、図１８の組み合わせた装置１８０と図１９の液体流洛構成１９０との、組み合わせ２００を示す。分離手段１６０の第１外側表面１６１が示されているがまた、分離手段の、基部プレート１２５と反対側に配置される案内手段１９１と、分離手段１６０の中空部分１６３（ここでは示されない）内に配置される反射性変位本体１９２とが示される。組み合わせ２００はまた封止部材２０１を提供し、これは後に、組み合わせ２００が最終的に被覆手段内に配置されるときに、液体の漏れを防ぐために使用される。組み合わせ２００はまた、加熱される液体の入口又は出口として機能し得る、第１供給手段２０２をもたらす。
図２０の組み合わせ２００はここで、図２１の被覆手段２１０内に配置されるものとして示されている。反射性変位本体１９２は任意により、被覆手段２１０から突出することが示されている。また、案内手段１９１の一部は、被覆手段２１０の外側に設けられてもよい。被覆手段２１０の遠位端において、基部プレート１２５が表示され、これは封止部材（例えば、Ｏリング）と共に、被覆手段を封止する。被覆手段２１０は、非浸食性材料、好ましくは、例えばアルミニウムなどの金属（am metal）から作製される。被覆手段はまた、好ましくは、１〜３ＭＰａ（１０〜３０バール）、好ましくは２ＭＰａ（２０バール）の圧力抵抗を示す。図２１はまた、加熱される液体の入口又は出口として機能し得る、第２供給手段２１１を提供する。
案内手段１９１は、第１外側表面１６１から第２外側表面１６２へと通過する液体を方向付ける目的を有する。図１９にも示される例において、案内手段１９１は、材料構造をもたらすように構成され、これは、分離手段１６０の中空部分１６３へと向けられる液体が、案内手段１９１と、反射性変位本体１９２の表面１９３との間で流れることを可能にする。
図１９において、案内手段１９１は典型的に、被覆手段２１０が体積加熱装置に適用された後に、被覆手段２１０と適合する「ファン」ブレード１９４を備えている。被覆手段２１０を適用した後、すなわち、被覆手段２１０が、分離手段１６０の第１外側表面１６１に沿って、好ましくは基部プレート１２５まで動かされた後、案内手段１９１のブレード１９４間の空隙は、液体が分離手段１６０と反射性変位本体１９３との間の空隙に向かって流れることができる、チャネルをもたらす。実際、ブレード１９４が内側被覆手段表面及び分離手段１６０の外側表面（例えば、分離手段１６０の第１外側表面１６１）と適合すると、液体は、ブレード１９４が存在する場所を流れることはできず、したがってブレード１９４間の経路をとる。ブレード１９４はしたがって、液体を案内し、特に液体に対する障壁を生じる。
しかしながら、案内手段１９１は、別様に構成することができることが理解されるべきである。例えば、案内手段１９１は、好ましくは、反射性変位本体１９２から径方向に、又は渦巻き状に延びる、チャネル、溝、及び／又はリッジを備える、マットであり得る。チャネル及び／又は溝は、案内手段の材料厚さと同じ深さ（「切り込み」）、又はより小さい深さを有し得る。また、案内手段１９１は一般的に、少なくとも部分的に多孔質材料、又は水透過性材料から作製され得る。
図２２はここで、被覆手段２１０、及び基部プレート１２５を備える、体積加熱装置２２０を示している。見てわかるように、先に記載された電気接続手段１２２は、電源に接続されるために基部プレートから突出している。加熱される液体を、体積加熱装置２２０内に、及びここから外に移送するために使用される第１供給手段２０２及び第２供給手段２１１もまた可視である。
加えて、液体温度及び／若しくは圧力（例えば、放射源により放出されるエネルギー量）を調節するため、並びに／又は液体が搬送される速度を調節するため、体積加熱装置２２０内に設けられるセンサー（好ましくは温度及び／又は圧力センサー）を制御ユニット（図示されない）と接続するために、リード２２１が設けられてもよい。

Claims (15)

  1. 飲料調製マシン用の体積加熱装置であって、
    電磁放射線を放射する放射源であり、前記放射源を少なくとも部分的に囲む液体にエネルギーを伝達するように設計された放射源と、
    液体導管と、
    放射スペクトルの前記電磁放射線に対して本質的に透過性であり、前記放射源を前記液体から電気的に分離するように設計された分離手段と、を含む、体積加熱装置。
  2. 前記加熱装置は、前記分離手段に対して前記液体を選択的に供給して前記分離手段を前記液体内に少なくとも部分的に浸漬するように構成されている、請求項１に記載の体積加熱装置。
  3. 前記分離手段は、ガラス、石英ガラス、及び／又は珪硼酸ガラスであり、前記分離手段は、前記放射源を前記液体から熱的に分離するように構成されている、請求項１又は２に記載の体積加熱装置。
  4. 前記放射源はストライプフィラメントを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の体積加熱装置。
  5. 前記放射源は蛇行フィラメントを含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の体積加熱装置。
  6. 前記放射源は、単純な螺旋、二重螺旋、及びより多くの螺旋の少なくとも１つを含む、螺旋状構造のフィラメントを含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の体積加熱装置。
  7. 前記フィラメントは本質的に線形、Ｖ字型、三角形、矩形、星形、又は蛇行形状の断面輪郭を呈する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の体積加熱装置。
  8. 前記体積加熱装置は、前記液体を特定の厚さの膜で前記分離手段に供給するように構成されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の体積加熱装置。
  9. 前記膜の厚さは、前記液体により吸収されるエネルギーの割合により決定されている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の体積加熱装置。
  10. 前記膜の厚さは０．５〜６ｍｍである、請求項１〜９のいずれか一項に記載の体積加熱装置。
  11. 前記放射源及び前記分離手段は、被覆手段により少なくとも部分的に囲まれており、前記被覆手段は、前記液体導管を少なくとも部分的に形成するように、前記分離手段に対して特定の距離に配置されている、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の体積加熱装置。
  12. 前記被覆手段は、前記膜の前記厚さを規定するように設計されている、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の体積加熱装置。
  13. 前記加熱装置は、案内手段を通過する前記液体の回転運動を生じさせるように構成された案内手段を更に含む、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の体積加熱装置。
  14. 前記放射源は、２．２μｍ以上の波長を中心とする赤外スペクトルの電磁放射線を放出する、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の体積加熱装置。
  15. 請求項１〜１４のいずれか一項に記載の体積加熱装置を含む、温かい飲料、特に紅茶又はコーヒーを供するように構成された飲料調製マシン。
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