JP5495590B2 - 飲料分与装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、流体入口と流体出口との間に連結されて上記入口から上記出口に流体を圧送するためのソレノイドポンプと、ソレノイドポンプ用のコントローラとを備え、上記ポンプがばね付勢停止位置とばね解放位置との間で軸方向に変位可能なばね付勢リニアポンピング部材を備える、飲料分与装置に関する。

本発明はさらに、そのような装置でソレノイドポンプを制御するための方法に関する。

飲料分与装置は、家庭環境および商業環境の両方で普及している。そのような装置は、装置が加熱ステージを備える場合には、例えばコーヒーまたは茶などの温かい飲み物、装置が冷却ステージを備える場合には、例えば清涼飲料または水などの冷たい飲み物のような飲料を要望に応じて分与することができるので、人気がある。そのような装置は当分野で周知である。そのような装置の例は、例えば米国特許出願第２００７／１８１００４号に見ることができる。

ソレノイドポンプは、その低コストおよび信頼性のため、そのような装置で一般的に使用される。しかし、飲料分与装置におけるソレノイドポンプの使用に問題が無いわけではない。例えば、ソレノイドポンプは騒音が非常に大きくなることがあり、それは飲料分与装置の使用者にとって邪魔でありかつ／または不快であるかもしれない。そのような騒音公害は実際、ソレノイドポンプの軸方向に変位可能なばね付勢ポンピング部材、例えばピストンが、部材の消勢位置、すなわち変位可能なポンピング部材が解放されたばねによって押し込まれる位置で、その端部位置に衝突することによって発生する。

ソレノイドポンプによって生じる騒音を低減するために、幾つかの努力が行なわれてきた。例えば米国特許第５，０７３，０９５号およびその中の先行技術引例は、ピストンの衝撃を和らげるために端位置に環状ワッシャを含み、こうして電磁ポンプによって生じる騒音を軽減する電磁ポンプを開示している。ポンプによって生じる騒音を軽減するための代替的構成は、仏国特許出願公開第２，８４７，７０８Ａ１号に開示されており、そこではソレノイドポンプの制御回路機構は、ピストンのばね解放変位によってソレノイドに発生する電流から、解放ばねによって発生する力に対する反力を生じ、こうして速度の低下および／またはピストンのばね解放端位置の変化（すなわち制限）を導くように構成される。しかし、これは、ピストンをそのばね付勢位置に着かせるために使用される電流を再循環させるために、制御回路機構に追加のインダクタが必要であるという不利点を有する。

米国特許第４，３０８，４７５号は、磁気回路によって動作可能である往復動可能な電機子を有し、電機子が予め定められた位置を越えて移動すると空隙の磁気抵抗が実質的に変化するように磁路の上下空隙に構造物を有する、ソレノイド作動流体ポンプを開示している。電機子は流体を通過させるためのスロットを有し、それは空隙を最小化するようにＣ字形断面を有する。

欧州特許出願公開第０２８８２１６Ａ１号は、中央流路および受動弁を有する電磁振動電機子を用いて動作するポンプを開示している。電機子は弁を作動させるための細い延長部を有し、流路もそこを通過する。流体が電機子とそのガイドとの間に集まるのを回避し、かつ電機子の運動を妨げるために、これらの少なくとも１つは、第一にそのような流体を素早く排出除去させるための長手方向流路をもたらし、第二に、流体によって迂回され、それらの間に流体が集まりにくい協働ガイド面をもたらすように、不規則な形状である。

国際公開第０２／０６１７８０Ａ１Ａ１号は、巻線電流および電圧の監視ならびに磁束、力指示、および磁気ギャップの推測に基づいて、強磁性芯材および電気巻線を使用するサーボコントロールを開示している。

本発明は、冒頭の段落に記載した比較的静かな飲料分与装置を提供しようとするものである。

本発明はさらに、飲料分与装置が比較的静かに動作することができるように、冒頭の段落に記載した飲料分与装置を制御するための方法を提供しようとするものである。

本発明の一態様によれば、流体入口と流体出口との間に連結されて上記入口から上記出口に流体を圧送するためのソレノイドポンプと、ソレノイドポンプ用のコントローラとを備え、上記ポンプがばね付勢位置とばね解放端位置との間で軸方向に変位可能なばね付勢リニアポンピング部材を含み、上記コントローラが電流波形に応答する飲料分与装置において、ポンピング部材がばね解放端位置とばね付勢位置との間の中間位置に付勢されるように制御信号から電流波形の一部を除外することによって、コントロールが上記電流波形からポンピング部材を制御するための制御信号を発生するように構成されることを特徴とする装置を提供する。

本発明は、ポンピング部材のばね解放端位置からの軸方向変位を低減することによって、ポンプのばね解放端位置に対するポンピング部材の衝撃を軽減することができるという認識に基づく。これは、ばねに貯蔵されるエネルギの量を制限し、したがってソレノイドポンプの端位置、すなわちストップに対するポンピング部材の衝撃を制限する。

コントローラは交流に応答し、実質的に交流電流の各周期にソレノイドポンプに制御信号を提供するように構成されることが好ましい。

一実施形態において、制御信号は位相角正弦波信号であり、エネルギの量は位相角によって定まる。これは、位相角によって定まる交流電流の関連半周期の整流部を選択することによって、制御信号を交流電流から容易に導出することができるという利点を有する。

ソレノイドポンプを実質的に交流電流の各周期に付勢することは、予め定められた数の交流周期の部分集合で、例えば１０周期のうち３周期、または１０周期のうちの５周期にポンプが付勢される、いわゆるバースト点弧制御機構によって制御されるソレノイドポンプに優る利点を有する。

バースト点弧制御機構は、飲料分与装置中の流体流量にかなりのばらつきを生じることが分かっており、それは流体流量の測定の精度に悪影響を有することがあり得る。これは特に、飲料分与装置の流体流量計がパドルホイールを備える場合に当てはまる。パドルホイールは流体流量の周期的バースト型増加に対処することができず、それはパドルホイールを回転させ、それによって流体流量計による流体流量計測の精度が低下するからである。そのようなばらつきは、ソレノイドポンプを実質的に交流電流の各周期に付勢することによって回避され、それによって流体流量は上記周期全体にわたって実質的に一定になる。

例えば流体流速を利用して、高品質の飲料が分与されることを確実にする場合、流体流速の正確な読みを得ることが重要である。例えば、例としてパッド、カプセル、または別の適切なタイプの飲料製品パッケージ内のコーヒーまたは茶のような飲料抽出製品を受容するためのホルダを備える飲料分与装置の場合、流体流速の制御は、装置によって抽出される飲料の正しい濃さを確保するために非常に重要である。この目的のために、計測された流体流速をコントローラの制御入力として使用することができ、コントローラは流体流速指示信号に応答して、例えば流体流速指示信号と、使用者が定義することのできる要求される流体流速との間の相違に基づいて制御信号を調整することによって、制御信号のエネルギの量を設定するように構成される。例えば、使用者は濃厚な抽出飲料を要求するかもしれず、それは飲料分与装置中の流体の流速を低減することによって達成することができる。

本発明のさらなる態様によれば、飲料分与装置の流体入口から流体出口に流体を圧送するためのソレノイドポンプであって、ばね付勢停止位置とばね解放位置との間で軸方向に変位可能なばね付勢リニアポンピング部材を備えるソレノイドポンプを制御する方法において、制御信号から電流波形の一部を除去することによって電流波形からポンピング部材を制御するための制御信号を発生するステップと、ポンピング部材に制御信号を提供し、それによってばね解放端位置とばね付勢位置との間の中間位置にポンピング部材を付勢するステップとを含むことを特徴とする方法を提供する。

本発明の方法に従って動作するソレノイドポンプは、前述の通り、動作中の騒音レベルの低下によって利益を得る。さらに、ポンプが実質的に制御サイクル毎に、例えば交流電流の位相半周期毎に付勢されると、前述の通り、実質的に一定した流体流速がもたらされるという追加の利点が達成される。

本発明の実施形態について、非限定的な実施例として、添付の図面を参照しながらさらに詳しく説明する。

本発明の実施形態に係る飲料分与装置を概略的に示す。 本発明の実施形態に係る飲料分与装置の態様をより詳細に概略的に示す。 本発明の実施形態に係る代替的飲料分与装置の態様を概略的に示す。 本発明の実施形態に係るソレノイドポンプのための制御信号を概略的に示す。 本発明の代替的実施形態に係るソレノイドポンプのための制御信号を概略的に示す。

図は単なる略図であって、縮尺通りに描かれてはいないことを理解されたい。また、同一または同様の部品を示すために、図全体を通して同一参照番号が使用されていることも理解されたい。

図１は、本発明の実施形態に係る飲料分与装置１００を概略的に示す。飲料分与装置１００は、流体入口１０２、例えば水または清涼飲料のような液体を受け取るための入口と、飲料分与装置１００の使用者に飲料を分与するための流体出口１０４とを備える。流体入口１０２と流体出口１０４との間には、流体を入口から出口に圧送するためのソレノイドポンプ１０６が配置される。ソレノイドポンプ１０６はコントローラ１０８によって制御される。コントローラについては後でさらに詳述する。

加えて、飲料分与装置１００の実施形態は本発明にとって不可欠ではないので、飲料分与装置１００は任意の適切な構成を有することができる。例えば、流体入口１０２と流体出口１０４との間の流路は、パドルホイールに基づく流量計とすることのできる流量計１１０、流体加熱ステージおよび／または流体冷却ステージとすることのできる温度調整ステージ１１２、温度センサ１１６、およびばら状材料、例えばコーヒー顆粒もしくは茶葉、またはパッド、カプセル、もしくは他の適切なパッケージに包装された形でホルダ１１８に配置することのできる飲料抽出製品、例えばコーヒーまたは茶を受容するためのホルダ１１８をさらに含むことができる。他の実施形態も同等に適する。

コントローラ１０８は、ソレノイドポンプ１０６に制御信号１２２を提供するように構成される。制御信号１２２は、流体出口１０４に提供される流体が、流速および／または温度のような要求された特性を有することを確実にするために、コントローラ１０８によって規定される。例えば流速の制御は、流体流速が比較的一定であり、飲料分与装置１００の使用者によって好ましいものとして経験された速度であることを確実にするために重要である。流速の制御は、飲料分与装置１００が飲料抽出製品ホルダ１１６を含む場合に、流体出口１０４に提供される流体の濃さが使用者の要求に従っていることを確実にするためにも重要である。

流速の制御はまた、温度調整ステージ１１２が流体の温度を適切に調整することができることを確実にするためにも重要である。流速が速すぎる場合、温度調整ステージ１１２は、この温度を充分に調整するための能力が不充分となり、飲料分与装置１００の使用者に気づかれる品質の損失を招くおそれがある。

この目的のために、コントローラ１０８は、流体流量計１１０および／または温度センサ１１６からの読出しデータを表わす信号、すなわち信号１２４および１２６に応答することができる。コントローラ１０８は、そのようなフィードバック信号、例えば実際の流体流速を示す流体流量計１１０からのフィードバック信号１２４を、予め定められた流体流速と比較するように構成することができ、かつ実際の流体流速と予め定められた流体流速との間の決定された相違に応答して、制御信号１２２を調整するように構成することができる。予め定められた流体流速は、使用者が選択した流体出力要件に対応することができ、いずれかの適切なデータ格納媒体、例えばＳＲＡＭ、ＲＯＭ、ルックアップテーブル等に格納することができる。飲料分与装置１００は、使用者がそのような流体出力要件、例えば分与される飲料の濃さまたは温度を定義することを可能にするために、ユーザインタフェース１３０、例えば１つ以上のボタンを備えることができる。

一実施形態では、コントローラは、電源電流または電圧のばらつき、例えばフリッカまたは他のタイプの変動を検出するために電流を監視し、それに応じて制御信号１２２を調整して、要求される流体流速を維持するように構成することができる。電源のそのようなばらつきは例えば、温度調整ステージ１１２、例えば加熱ステージの加熱要素がオンまたはオフに切り替わったときに発生することがある。

さらなる実施形態では、装置１００は、要求される流速が維持されることを確実にすべく、ソレノイドポンプ１０６のソレノイドの温度を感知するため、かつソレノイド温度の変化によって生じるソレノイドの巻線の抵抗の変化を補償するための温度センサ（図示せず）を備える。

ソレノイドポンプ１０６の可能な制御機構の上記の例は、非限定的な実施例にすぎないことを理解されたい。コントローラ１０８が関与する他の適切な制御原理が当業者には明らかになるであろう。また、開示した制御機構を含む適切な制御機構の組合せも実現可能であるであることを理解されたい。コントローラ１０８は、ハードウェアで実現される、飲料分与装置１００とは分離した構成部品とすることができる。代替的に、コントローラ１０８は、他のコントローラ、例えば、温度調整ステージ１１２を制御するため、かつ流量計１１０からのフィードバック信号１２４および温度センサ１１６からのフィードバック信号１２６のようなフィードバック信号を処理するためのコントローラ１１４を実現するようにさらに構成することのできる、信号プロセッサ１２０の一部とすることができる。コントローラ１０８は、そのような信号プロセッサ１２０にソフトウェアで実現することができる。

飲料分与装置１００におけるソレノイドポンプ１０６の本発明の制御原理は、図２でさらに詳しく説明する。図２で、ソレノイドポンプ１０６は、弁（図示せず）を備えることのできる流体入口２０２および流体出口２０４を備える。ソレノイドポンプ１０６はさらに、軸方向に変位可能なポンピング部材２０６、例えばピストンまたはダイアフラムを備え、それはソレノイド２２０の制御下で軸２０８上を軸方向に変位可能である。この目的のために、ポンピング部材２０６は磁性材料を含むことができる。ばね２１０は、ポンピング部材２０６がソレノイド２２０の制御下で入口２０２に向かって移動したときにばね２１０が圧縮されるように、ポンピング部材２０６の後ろに取り付けられる。

図１および２で、ソレノイドポンプ１０６は、入口２０２、出口２０４、およびソレノイドポンプ１０６のチャンバ２１２の間にＴ字状接合装置を有するように構成される。しかし、この構成は非限定的な実施例として示すだけであって、図１の飲料分与装置のソレノイドポンプ１０６が図３に示すソレノイドポンプに置換された代替的構成のような、ソレノイドポンプ１０６の他の実施形態も同等に実現可能であることを強調しておく。図３に示すソレノイドポンプ１０６では、チャンバ２１２が入口２０２と出口２０４との間に配置される。そのようなソレノイドポンプも周知である。例えば米国特許第６，９４２，４７０号を参照されたい。

ポンピング部材２０６は、ばね２１０がその張力を解放する端位置２３０と、ばね２１０が完全に圧縮されるソレノイド２２０の制御下のばね付勢位置２４０との間で、軸方向に移動することができる。端位置２３０はストップ、例えば衝撃吸収部材を含むことができる。ポンピング部材２０６の端位置２３０からばね付勢位置２４０の方向への変位は、流体を入口２０２からソレノイドポンプ１０６のチャンバ２１２内に吸引させる一方、ばね２１０の張力の解放は、ポンピング部材２０６を端位置２３０の方向に変位させ、それによってチャンバ２１２内に捕集された流体が出口２０４から圧送される。

前に説明した通り、ソレノイドポンプ１０６のポンピング動作中のばね２１０の張力の解放は、ポンピング部材２１０を端位置２３０の方向に加速し、端位置２３０におけるポンピング部材２１０の衝撃はかなりの量の騒音を生じる。このために、本発明によれば、ポンピング部材がチャンバ２１２内に完全に引き込まれず、端位置２３０から端位置２３０とばね付勢位置２４０との間の中間位置２３５に変位するように、コントローラ１０８がソレノイド２２０を制御するように構成される。換言すると、ばね２１０の張力（圧縮）の形で貯蔵されるエネルギの量は、ばね２１０に貯蔵することのできる最大量のエネルギより少ない。したがって、ばね２１０が解放されるときに、ポンピング部材２０６に対する力は、完全に付勢されたばね２１０によって生じる力に比べて減少し、こうして端位置２３０に対するポンピング部材２０６の衝撃およびこの衝撃によって発生する騒音が低減される。

ポンピング部材２０６をチャンバ２１２内に部分的に引き込むことのさらなる利点は、飲料分与装置１００および／またはコントローラ１０８に電力を供給する交流電流の各位相周期にソレノイドポンプ１０６を依然として作動させながら、ソレノイドポンプ１０６によって生じる流体流速を調整することができることである。これは、中間位置２３５を動的に調整することによって、例えばそれを端位置２３０に向かって、またはばね付勢位置２４０に向かって移動させることによって、達成される。これは、ばね２１０によってポンピング部材２０６に働く力の量を調整することのできないソレノイドポンプでは、不可能である。そのようなポンプ、例えばバースト点弧モード制御式ソレノイドポンプでは、ポンプが作動する位相周期の数を変化させることによって、流速を調整しなければならない。しかし、前に説明した通り、そのようなポンプは、ある期間にわたって流体流速のかなりの変動を示し、それは、パドルホイールに基づく流量計で流速を監視する場合に、問題を引き起こすおそれがある。そのような流量計は、バースト点弧制御式ソレノイドポンプでは一般的な流体流速の突然の変化に正しく応答することができないためである。コントローラ１０８の実質的各位相周期にソレノイドポンプ１０６を作動させることにより、飲料分与装置１００の流路中の流体流速が期間中に大きい変動を示さないことが確保され、したがってパドルホイールに基づく流量計１１０で流体流速を正確に監視することが可能になる。

図４は、本発明の実施形態に係るコントローラ１０８によって生成される制御信号１２２を示す。図３の制御信号１２２は、周波数ｆ、例えば５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電流の整流された半周期から導出される。制御信号１２２の振幅は、ソレノイドポンプ１０６の駆動電圧Ｖである。コントローラ１０８は、この半位相の位相角部分をソレノイドポンプ１０６のソレノイド２２０に送るように構成される。位相角θは、制御信号１２２下の面積４１２を効果的に画成する。面積４１２の大きさは、ばね２１０に貯蔵されるエネルギの量に相関する。したがって位相角θの変動は、ソレノイドポンプ１０６のばね２１０に貯蔵されるエネルギの量を変化させ、あるいは換言すると、チャンバ２１２の中間位置２３５の場所を変化させる。面積４１４は、制御信号１２２から除外される交流の半周期の部分を示す。制御信号１２２の周期は間隔１／ｆだけ時間的に分離される。すなわち交流の各位相周期に発生する。

位相角θは、例えば、意図する流体流速と実際に流体流速との間の相違を示す、流量計１１０からのフィードバック信号１２４に応答して、または使用者の要求の変化に応答して、コントローラ１０８によって動的に調整することができる。この位相角を動的に調整するための他の実施形態は、当業者には明らかであろう。

図４の制御信号１２２の形状は、非限定的な実施例として示すだけであることを理解されたい。他の形状が同等に実現可能である。例えば図５に示すように、制御信号１２２から除外される面積４１４は、交流電流の半位相の始めではなく、その終わりに位置することができる。代替的に、制御信号１２２を交流電流から導出する必要はなく、また斜切正弦波形とする必要はない。他の波形、例えば方形波が同等に実現可能である。

上記実施形態は本発明を制限するものではなく、当業者は、付属の特許請求の範囲に記載する範囲から逸脱することなく、多くの代替的実施形態を策定することができることを理解されたい。特許請求の範囲において、括弧内に含まれる参照符号は、特許請求の範囲を制限するものと解釈してはならない。用語「〜を備える」は、請求の範囲に記載されるもの以外の要素またはステップの存在を除外するものではない。要素の前に付く用語「ひとつの」（「ａ」または「ａｎ」）は、複数のそのような要素を除外するものではない。本発明は、幾つかの異なる要素を備えるハードウェアを用いて実現することができる。幾つかの手段を列挙する装置の請求項において、これらの手段の幾つかをハードウェアの１つの同一品目によって具現することができる。特定の方策が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの方策の組合せを有利に使用することができないことを示すものではない。

１００…飲料分与装置、１０２、２０２…流体入口、１０４、２０４…流体出口、１０６…ソレノイドポンプ、１０８、１１４…コントローラ、１１０…流量計、１１２…温度調整ステージ、１１６…温度センサ、１１８…ホルダ、１２０…信号プロセッサ、１２２…制御信号、１２４…流体流速指示信号、２０６…ポンピング部材、２０８…軸、２１０…ばね、２１２…チャンバ、２２０…ソレノイド、２３０…端位置

Claims (15)

1. 流体入口（１０２）と流体出口（１０４）との間に連結され、前記入口から前記出口に流体を圧送するソレノイドポンプ（１０６）であって、
   ばね付勢位置（２４０）とばね解放端位置（２３０）との間で軸方向に変位可能であるばね付勢リニアポンピング部材（２０６）を備える前記ソレノイドポンプ（１０６）と、
   前記ポンピング部材（２０６）が前記ばね解放端位置（２３０）と前記ばね付勢位置（２４０）との間の中間位置（２３５）に付勢されるように、電流波形に応答して、制御信号（１２２）から電流波形の一部を除外することによって前記電流波形から前記ポンピング部材（２０６）を制御するための制御信号（１２２）を発生するよう構成された、前記ソレノイドポンプ（１０６）用のコントローラ（１０８）と、
   を備える飲料分与装置（１００）。
2. 前記コントローラ（１０８）が交流電流に応答し、前記交流電流の実質的に各周期に前記ソレノイドポンプ（１０６）に前記制御信号（１２２）を提供するように構成された、請求項１に記載の飲料分与装置（１００）。
3. 前記コントローラ（１０８）が、流体流速指示信号（１２４）に応答して前記制御信号（１２２）のエネルギの量を設定するように構成された、請求項２に記載の飲料分与装置（１００）。
4. 前記制御信号（１２２）が正弦波信号であり、エネルギの量が位相角（θ）によって定まる、請求項３に記載の飲料分与装置（１００）。
5. 前記正弦波信号が前記交流電流の整流された半周期の位相角部分である、請求項４に記載の飲料分与装置（１００）。
6. 流体流速指示信号（１２４）を生成するための流量計（１１０）をさらに備え、
   前記コントローラ（１０８）が、前記流体流速指示信号（１２４）と要求される流体流速との間の相違に基づいて前記制御信号（１２２）を調整するように構成された、請求項３〜５のいずれか一項に記載の飲料分与装置（１００）。
7. 前記流量計（１１０）がパドルホイールを備える、請求項６に記載の飲料分与装置（１００）。
8. 前記要求される流体流速が使用者により定められる、請求項６または７に記載の飲料分与装置（１００）。
9. 前記流体入口（１０２）と前記流体出口（１０４）との間に流体温度調整ステージ（１１２）をさらに備える、請求項１〜８のいずれか一項に記載の飲料分与装置（１００）。
10. 前記流体温度調整ステージ（１１２）が加熱ステージを含み、当該飲料分与装置（１００）が、前記加熱ステージと前記流体出口（１０４）との間に飲料抽出製品を受容するためのホルダ（１１８）をさらに備える、請求項９に記載の飲料分与装置（１００）。
11. 信号プロセッサ（１２０）をさらに備え、
    前記コントローラ（１０８）が前記信号プロセッサのソフトウェアに実現される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の飲料分与装置（１００）。
12. 飲料分与装置（１００）の流体入口（１０２）から流体出口（１０４）に流体を圧送するためのソレノイドポンプ（１０６）であって、ばね付勢位置（２４０）とばね解放端位置（２３０）との間に軸方向に変位可能なばね荷重リニアポンピング部材（２０６）を備える前記ソレノイドポンプ（１０６）を制御する方法において、
    制御信号（１２２）から電流波形の一部を除外することによって、電流波形から前記ポンピング部材（２０６）を制御するための制御信号（１２２）を生成するステップと、
    前記ポンピング部材（２０６）に前記制御信号（１２２）を提供し、それによって前記ばね解放端位置（２３０）と前記ばね付勢位置（２４０）との間の中間位置（２３５）に前記ポンピング部材（２０６）を付勢するステップと、
    を備える方法。
13. 前記制御信号（１２２）を提供するステップが、交流電流の実質的に各周期に前記ソレノイドポンプ（１０６）に前記制御信号（１２２）を提供する工程を備える、請求項１２に記載の方法。
14. 前記制御信号（１２２）を提供する工程が、位相角（θ）によって定まるエネルギの量を有する正弦波信号を提供することを備える、請求項１３に記載の方法。
15. 流体流速指示信号（１２４）と要求される流体流速との間の相違に基づいて前記制御信号（１２２）を調整するステップをさらに備える、請求項１３または１４に記載の方法。

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