JP6574166B2 - 飲料製造装置用の圧送システムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、飲料製造装置用の圧送システムおよび圧送方法に関する。特に、本発明は、予熱液体を、加圧貯槽から、たとえば、飲料製造装置の浸出または抽出ユニットに圧送するためのシステムおよび方法を提示する。

現行の技術水準から、飲料製造装置に使用される様々な圧送システム、特に、貯槽から浸出または抽出ユニットに液体を圧送するための圧送システムが既知である。

図１は、既知の飲料製造装置に使用されるような、液体圧送システム１１を示す。圧送システム１１は、液体１３を内部に収容している貯槽１２を含み、液体は、主ポンプ１４によって、流量計１７およびヒータ２０を通じて、抽出ユニット１６に圧送される。ヒータ２０は、主ポンプ１４の下流に設けられている。

図２は、既知のマルチ飲料製造装置に使用されるような、さらなる圧送システム１１を示す。圧送システム１１は、液体供給源１９と、ヒータ１２１を含む高圧ボイラ１２を通じて複数の抽出ユニット１６に液体１３を圧送するための主ポンプ１４とを備える。ここでも、ヒータ１２１は、主ポンプ１４の下流に設けられている。

上述した現行の技術水準に照らして、それぞれ予熱貯槽および予熱液体を使用すること、すなわち、ヒータを主ポンプの上流に位置付けることが望ましい。予熱液体が主ポンプによって効率的に圧送され得るとすると、飲料製造は、たとえば、はるかにより高速に実行することができる。

しかしながら、高温液体が予熱貯槽から圧送されるとき、ポンプによって生成される吸引圧力が、ポンプ入口においてキャビテーションの現象をもたらす可能性がある。キャビテーションの現象は、圧送される液体が、低下した圧力で蒸発することに起因して発生し、必然的に、圧送性能の低減をもたらす。

図３は、キャビテーションの現象の背後にある物理的原理を示す。特に、水の状態図が示されており、水の固相、液相および気相の間の相転移条件が、それぞれ実線として示されている。液相から気相への相転移（すなわち、蒸発）は、温度上昇または圧力低減のいずれかを通じて発生し得る。たとえば、室温（約２０℃）において、キャビテーションを誘発するのに必要な液体−蒸気相変化のための絶対圧（蒸気圧）は、絶対圧約２３ｍｂａｒである。既知の飲料製造装置に使用される主ポンプは一般的に、絶対圧約５００ｍｂａｒの吸引圧力を生成する。これは、吸引側における絶対圧（１ｂａｒ−０．５ｂａｒ＝０．５ｂａｒ）が、上述した２３ｍｂａｒの値よりも高く、それによって、水が室温において圧送されるときには問題は発生しないことを意味する。

しかしながら、より高い水温、たとえば、９０℃において、キャビテーションを誘発するのに必要である圧力はより高く、約７００ｍｂａｒである。ポンプ吸引圧力（ここでも１ｂａｒ−０．５ｂａｒ＝０．５ｂａｒ）は、ここでは０．７ｂａｒの必要な値よりも低く、したがって、ポンプ入口においてキャビテーションが発生する可能性があり、圧送性能を著しく低減する可能性がある。

図４はそのような圧送性能の低減を示す。任意のポンプの圧送性能は、出力流量対出力圧力として表現することができる。温度が上昇することによって、圧送性能は著しく降下する。たとえば、９４℃の水温においては、低い出力圧力においてさえ流量が深刻に降下する。

本発明の目的は、現行の技術水準を改善することである。それによって、本発明の目的は、上述した欠点を克服することである。特に、本発明は、圧送性能を著しく低減することが一切ないように、高温液体を予熱貯槽から圧送することが可能である、飲料製造装置用の圧送システムを提供することを目的とする。さらに、本発明は、ポンプ入口（ポンプ吸引側）におけるキャビテーションの現象を抑制することが可能である圧送システムを提供することを目的とする。

本発明の上述した目的は、添付の独立請求項によって解決される。本発明の主な着想は、加圧貯槽を介して吸引圧力を増大させることである。従属請求項が、本発明のさらなる利点を展開する。

本発明は、飲料製造装置用の圧送システムであって、液体を貯蔵および加熱するための貯槽と、貯槽から、好ましくは飲料製造装置の少なくとも１つの抽出ユニットに液体を圧送するための少なくとも１つの主ポンプと、貯槽を加圧するための少なくとも１つの加圧手段とを備える、飲料製造装置用の圧送システムに関する。

貯槽を加圧することによって、すなわち、加圧貯槽を提供することによって、ポンプによって生成される絶対吸引圧力が増大する。貯槽を加圧することによって、貯槽内の液体もまた加圧される。圧力増大に起因して、ポンプ入口においてキャビテーションの現象を回避することができるか、または、少なくとも低減することができる。これによって、高い液体温度における圧送性能が回復されることになる。言い換えれば、予熱液体の主ポンプの圧送性能は、室温における同じ液体の主ポンプの圧送性能とおおよそ同程度良好である。

それゆえ、本発明の装置は、飲料の製造を促進する。さらに、主ポンプの下流にヒータは必要ない。これは、よりコンパクトかつより軽量に構築され得る移動式飲料製造装置に特に有利である。

加圧手段は、貯槽を絶対圧約０．５〜１．０ｂａｒ、好ましくは０．７〜１．０ｂａｒまで加圧するように構成されることが好ましい。

これらの好ましい圧力値によって、実際のポンプ入口の前で蒸気圧よりも高い絶対圧が達成され、それによって、キャビテーションの現象が非常に効果的に抑制される。好ましい値は、貯槽とポンプとの間の液体回路、たとえば、弁、流量計、管などにおけるすべての圧力損失を考慮に入れる。

本発明の一態様において、加圧手段は空気ポンプである。

空気ポンプは、貯槽内に組み込まれるか、または、貯槽の上流に位置付けられることが好ましい。空気ポンプは安価で実装しやすい。

本発明の別の態様において、加圧手段は、貯槽内の液位および液体温度を制御するためのユニットである。

貯槽内の液体が加熱されると、蒸気圧が増大する。貯槽内の液位を制御することによって、蒸気圧を使用して貯槽内の絶対圧を設定することができる。多くの飲料製造装置は、そのようにプログラムすることができる制御ユニットをすでに有している。それゆえ、この解決策は特に容易である。

本発明の別の態様において、加圧手段はピストンである。

ピストンは、貯槽内またはその上に位置付けられる機械ピストンであることが好ましい。ピストンは、絶対圧を増大させるために、貯槽を押圧するように構成されている。ピストンは、電気的または機械的に作動することができる。

本発明の別の態様において、加圧手段は液体ポンプであり、低圧送水ポンプであることが好ましい。

液体ポンプは、液体流路内に容易に組み込むことができ、たとえば、給水源と貯槽との間に位置付けることができる。液体ポンプは、貯槽内の液体の一定の圧力を維持することができる。

圧送システムは、貯槽が魔法瓶であることが好ましい移動式飲料製造装置用に設計することができる。

魔法瓶が貯槽として使用されるとき、液体は貯槽内に充填される前に加熱することができ、魔法瓶内でその温度を維持する。本発明の圧送システムによれば、主ポンプの下流にヒータは必要ない。魔法瓶と組み合わせると、高温飲料を製造するための小型の移動式飲料製造装置を設計することができる。

圧送システムは、貯槽から複数の抽出ユニットに液体を圧送するための複数の主ポンプを備えることが好ましいマルチ飲料製造装置用に設計することもできる。

各種ポンプは、様々な異なる飲料のうちの１つを製造するために、独立して操作することができることが好ましい。各抽出ユニットは、それ自体の主ポンプをさらに有することができる。それによって、各抽出ヘッドに同様の抽出圧力を加える現行の技術水準から既知であるような、コストのかかる単一の主ポンプを使用する代わりに、複数のより小型でより安価な主ポンプを設置することができる。

複数の主ポンプの各々が、それぞれの圧力で複数の抽出ユニットの１つに液体を圧送するように構成されることが好ましい。

各抽出ヘッドには主ポンプのうちの１つによって液体を供給することができ、液体は専用の圧力で各抽出ヘッドに供給されることが好ましい。したがって、絵飲料製造装置はより多用途である。さらに、複数の異なる飲料が製造されるためには、複数の異なる液体圧力が最適または必要であるため、マルチ飲料製造装置によって提供される飲料の品質を向上することができる。

貯槽は、約１〜３ｂａｒの圧力をサポートする低圧ボイラであることが好ましい。

圧送システムの主ポンプはボイラから液体を圧送すること、すなわち、高い圧送性能で加熱液体を圧送することが可能であるため、貯槽の上流に主ポンプは必要とされない。貯槽を加圧するためには、低圧液体ポンプのみが貯槽の上流に位置付けられることが好ましい。結果として、現行の技術水準によって使用されるような高圧ボイラを低圧ボイラに置き換えることができ、それによって、圧送システムの設計はより単純、より小型かつより安価になる。

液体ポンプは液体供給源から液体を受け入れるように構成されることが好ましい。

貯槽は、液体を最大約９０℃またはそれ以上の温度まで加熱するように構成されることが好ましい。

温度が高いことによって、貯槽から圧送される液体は飲料製造にすでに適しているため、飲料を製造するのに必要とされる時間を大幅に短縮することが可能である。加圧貯槽に起因して、圧送性能を犠牲にすることなく、液体を予熱するための高い温度が可能である。それゆえ、エスプレッソのような、高いポンプ出力圧力（すなわち、高い圧送性能）を必要とする飲料でさえも、非常に迅速に高品質で製造することができる。

少なくとも１つの主ポンプは、９０℃またはそれ以上に加熱された液体を、最大流量約１００〜３００ｍｌ／ｍｉｎで、それぞれ最大出力圧力約１４〜３ｂａｒで圧送するように構成されている。

これは、少なくとも１つの主ポンプが、９０度の液体、たとえば水を、最大出力圧力１４ｂａｒ、最大流量１００ｍｌ／ｍｉｎで、また、最大出力圧力３ｂａｒ、最大流量３００ｍｌ／ｍｉｎで圧送することが可能であることを意味する。これらの値によって規定される範囲内で、最大流量は、出力圧力が低減するにつれてほぼ線形に増大する。そのようなポンプを用いると、予熱貯槽に起因して、様々な種類の飲料（低い出力圧力のみを必要とするが、高い流量を必要とする飲料もあれば、高い出力圧力を必要とするが、低い流量のみを必要とする飲料もある）を迅速に製造することができる。

本発明はさらに、飲料製造装置に使用するための圧送方法であって、貯槽内で液体を加熱するステップと、加圧手段を用いて貯槽を加圧するステップと、少なくとも１つの主ポンプを用いて、貯槽から、好ましくは飲料製造装置の少なくとも１つの抽出ユニットに液体を圧送するステップとを含む、飲料製造装置に使用するための圧送方法に関する。

液体は９０℃またはそれ以上に加熱され、貯槽は絶対圧約０．５〜１．０ｂａｒまで加圧されることが好ましい。

圧送方法は、上述した圧送システムと同じ利点を達成し、すなわち、加熱された液体を高いポンプ性能で圧送することができる。その結果として、飲料をより迅速に、品質を改善して製造することができる。

ここで、添付の図面に関連して本発明をより詳細に説明する。

飲料製造装置の現行の技術水準の圧送システムを示す図である。 マルチ飲料製造装置の現行の技術水準の圧送システムを示す図である。 水の状態図である。 現行の技術水準の種々の液体温度のポンプ性能の比較を示す図である。 本発明による圧送システムを示す図である。 本発明による圧送システムを示す図である。 本発明による圧送システムを示す図である。 本発明による圧送システムを示す図である。 種々の液体温度および種々の貯槽温度におけるポンプ性能を示す図である。

図５は、本発明の圧送システム１を示す。圧送システム１は、液体３を貯蔵および加熱するように構成されている貯槽２を含む。それゆえ、貯槽２は、予熱液体を供給するように設計されている予熱貯槽である。液体３は、たとえば、水、ミルク、スープ、水ベースの液体、チョコレートベースの液体、コーヒーベースの液体、ミルクベースの液体などであってもよい。特に、液体３は、温かいまたは高温の飲料を準備するのに適している任意の液体であってもよい。

図５に示す圧送システム１は、移動式飲料製造装置に特に有用である。貯槽２は、液体を高温のままにするための魔法瓶であることが好ましい。しかしながら、貯槽２はまた、タンクまたはボイラであってもよい。貯槽２はまた、液体３を加熱するための能動的な加熱手段、たとえば、加熱コイル、電熱線または加熱ブロックをも備えることができる。貯槽２は、少なくとも貯槽２内の液体温度を制御するのに適している制御ユニット（図示せず）をさらに備えるか、またはそれに接続することができる。

貯槽２は、液体流路を介して、たとえば、管８によって、主ポンプ４に接続されている。主ポンプ４は、貯槽２から液体３を圧送するように構成されている。主ポンプ４は、貯槽２から飲料製造装置の浸出または抽出ユニット６に液体３を圧送するように構成されることが好ましい。主ポンプ４は、液圧ポンプ、歯車ポンプ、蠕動ポンプ、または、液体３を圧送するのに適した任意の他のポンプであってもよい。主ポンプ４は、主ポンプ４を通じた流量を測定および制御するように構成されている流量計７を通じて貯槽２に接続されることが好ましい。流量計７は、制御ユニットに測定値をフィードバックすることができ、または、それ自体が主ポンプ４に入る液体流を調整することができる。

圧送システム１は、貯槽２および／または貯槽２内の液体３を加圧するための加圧手段５をさらに設けられている。図５に示すように、加圧手段５は、空気ポンプ５１であってもよい。空気ポンプ５１は、貯槽２内に組み込まれるか、または、貯槽２の上流に設けられるかのいずれかである。空気ポンプ５１は、作動されると、貯槽２内の圧力を増大または低減するように構成されている。空気ポンプ５１は、制御ユニットによって制御することができる。

加圧手段は、貯槽２内の絶対圧約０．５〜１ｂａｒ、より好ましくは０．７〜１ｂａｒを達成するように構成されることが好ましい。この予圧値は、貯槽２と主ポンプ４との間の液体回路、たとえば、弁、流量計、管８などにおける圧力損失のすべての原因を考慮に入れて、主ポンプ入口の前の圧力を、液体３のキャビテーションを効果的に抑制する値まで増大させるように選択される。

加圧手段５によって、圧力下で加熱された液体が貯槽２内に提供される。これは、貯槽２内の絶対圧が増大されることを意味する。それによって、主ポンプ４の入口における絶対吸引圧力も増大され、それによって、キャビテーションの現象が抑制される。それによって、主ポンプ４の圧送性能を、７０℃もしくはそれ以上、または、９０℃もしくはそれ以上の液体温度においてさえ、大幅に増大することができる。

図５に示す空気ポンプ５１は、貯槽２内の絶対圧を増大させるための１つの好ましい方法である。図６は、貯槽２内の圧力を増大させるための代替的な好ましい方法を示す。特に、図６においては、貯槽２を押圧するように設計されている機械ピストン５２が、加圧手段５として使用される。機械ピストン５２は、たとえば、モータによって駆動することができ、上述した制御ユニットによって制御することができる。機械ピストンはまた、機械的に駆動されてもよく、たとえば、ユーザによって手動で操作されるように設計されてもよい。

図７は、貯槽２内の圧力を増大させるための別の好ましい方法を示す。ここで、加圧手段５は、上述した制御ユニットによって実現することができるユニット５３によって実現されるが、また別個のユニットであってもよい。ユニット５３は、貯槽２内の液位を制御するように構成されることが好ましい。ユニット５３はまた、貯槽２内の液体温度を制御するようにも構成されることが好ましい。このとき、液体３を加熱することによって発生する蒸気圧を利用して、貯槽２内の圧力を増大させることができる。液位を制御するために、ユニット５３は、何らかの液体供給源に接続されることが好ましく、貯槽２内の液体３の量を増大または低減することが可能であることが好ましい。

図８は、マルチ飲料製造装置に特に有利である、本発明の別の圧送システム１を示す。マルチ飲料製造装置は、たとえば、茶、コーヒー、エスプレッソおよび／またはチョコレート飲料などを製造することが可能である装置であってもよい。それゆえ、マルチ飲料製造装置は、複数の浸出または抽出ユニット６を備えることが好ましい。図８は、たとえば、それぞれ異なる飲料を準備するのに使用することができる４つの浸出または抽出ユニット６１〜６４を示す。

本発明の圧送システム１は、この事例においては、複数の主ポンプ４を備え、それらの主ポンプ４の各々が、飲料製造装置の浸出または抽出ユニット６１〜６４のうちの１つに専用にされる。主ポンプ４は各々、予熱貯槽２から管８を介して、好ましくは複数の流量計７を通じて、それぞれの飲料抽出ユニット６１〜６４に液体３を圧送するように構成されている。主ポンプ４は、上記の説明に従って設計することができる。

貯槽２はボイラであることが好ましい。それゆえ、ステーション２は、加熱手段２１を備えることが好ましい。加熱手段２１は、たとえば、電熱線、加熱コイルまたは加熱ブロックであってもよい。貯槽２は、液体入口および液体出口を有し、好ましくは液体３が貯槽２を通じて圧送されている間に液体３を加熱するように構成されている。貯槽２は、低圧ボイラ、すなわち、最大約１〜３ｂａｒの圧力をサポートするボイラとして設計されることが好ましい。現行の技術水準は一般的に、最大約１０〜１５ｂａｒの圧力をサポートする高圧ボイラを使用する。しかしながら、高圧ボイラははるかにより複雑であり、製造するのに費用がかかる。

ここでも、圧送システム１は加圧手段５を含む。加圧手段５は、低圧ポンプ５４であることが好ましい。加圧手段５は、液体３を貯槽２内に供給するのに使用される液体供給源９に接続されることが好ましい。

図８の圧送システム１は、現行の技術水準において使用されているような、費用のかかる単一の主ポンプ１４を回避する。一般的に、単一の主ポンプ１４は、各抽出ユニット１６１〜１６４に同様の抽出圧力を加える（図２参照）。図８による本発明の圧送システム１において、各主ポンプ４は独立して操作することができることが好ましい。

さらに、各飲料抽出ユニット６１〜６４は、独立して、かつ異なる動作パラメータで動作することができることが好ましい。異なる飲料原料から製造されることになる異なる飲料は、異なる動作パラメータ、たとえば、供給される液体の異なる圧力を必要とする。たとえば、エスプレッソはより高い液体圧力を必要とし、一方で茶は、より低い液体圧力を必要とする。それゆえ、各抽出ユニット６１〜６４は、飲料抽出ユニット６１〜６４によって製造されるそれぞれの飲料に従って選択される専用の主ポンプ４を有することが好ましい。言い換えれば、エスプレッソを準備するための飲料抽出ユニット６１は、高圧主ポンプ４に接続される。茶を準備するための飲料抽出ユニット６２は、安価な低圧主ポンプ４に接続される。それゆえ、本発明のポンプシステム１は、現行の技術水準よりも高い多用途性をもたらす。

図９は、本発明の圧送システム１および方法を用いて、加圧貯槽２によってたとえ上昇した液体温度であってもいかに高い圧送性能を達成することが可能であるかを示す。図９は特に、本発明の主ポンプ４の性能グラフ（すなわち、流量対出力圧力）を示す。室温における主ポンプ４および非加圧貯槽２によって達成される理想的な性能曲線は、貯槽２内の圧力が０．７ｂａｒまたはそれ以上に増大されるときに、９５℃の液体温度においておおよそ同等であることが見てとれる。

貯槽圧力が増大することによってキャビテーションが抑制されることに起因して、主ポンプ４の圧送性能も増大する。したがって、ポンプ性能を一切損なうことなく、貯槽２から飲料製造装置の抽出ユニット６に予熱液体を圧送することが可能になる。主ポンプ４の後ろ（下流）に設けられるヒータ、ボイラまたは任意の他の加熱手段を省くことができる。キャビテーションの抑制はポンプの音にも影響することがさらに留意される。主ポンプ４は、増大した性能で（または少なくとも、室温よりも大幅に悪くはない性能で）圧送することが可能であるだけでなく、その上より静かに動作することも可能である。

要約すると、本発明は、予熱貯槽２と、予熱液体３を圧送するための主ポンプ４と、貯槽２内の液体３を加圧するための加圧手段５とを有する圧送システム１を説明する。本発明は、キャビテーション現象のほぼ完全な抑制を達成し、したがって、上昇した液体温度における圧送性能の増大を達成する。

Claims (15)

1. 液体（３）を貯蔵および加熱するための貯槽（２）と、
   前記貯槽（２）から前記液体（３）を圧送するための少なくとも１つの主ポンプ（４）と、
   前記貯槽（２）を加圧して、前記主ポンプによって生成される絶対吸引圧力を増大させるための加圧手段（５）と
   を備える、飲料製造装置用の圧送システム（１）。
2. 前記加圧手段（５）が、絶対圧約０．５〜１．０ｂａｒまで前記貯槽（２）を加圧するように構成されている、請求項１に記載の圧送システム（１）。
3. 前記加圧手段（５）が空気ポンプ（５１）である、請求項１または２に記載の圧送システム（１）。
4. 前記加圧手段（５）が、前記貯槽（２）内の液位および液体温度を制御するためのユニット（５３）である、請求項１または２に記載の圧送システム（１）。
5. 前記加圧手段（５）がピストン（５２）である、請求項１または２に記載の圧送システム（１）。
6. 前記加圧手段（５）が液体ポンプ（５４）である、請求項１または２に記載の圧送システム（１）。
7. 移動式飲料製造装置用の圧送システム（１）であって、前記貯槽（２）が魔法瓶である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧送システム（１）。
8. マルチ飲料製造装置用の圧送システム（１）であって、前記貯槽（２）から複数の抽出ユニット（６）に前記液体（３）を圧送するための複数の主ポンプ（４）を備える、請求項１〜６のいずれか一項に記載の圧送システム（１）。
9. 複数の前記主ポンプ（４）の各々が、それぞれの圧力で複数の前記抽出ユニット（６）の１つに前記液体（３）を圧送するように構成されている、請求項８に記載の圧送システム（１）。
10. 前記貯槽（２）が、約１〜３ｂａｒの圧力をサポートする低圧ボイラである、請求項８または９に記載の圧送システム（１）。
11. 前記液体ポンプ（５４）が、液体供給源（９）から前記液体を受け入れるように構成されている、請求項６に従属するときの請求項８〜１０のいずれか一項に記載の圧送システム（１）。
12. 前記貯槽（２）が、最大約９０℃またはそれ以上の温度まで前記液体（３）を加熱するように構成されている、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の圧送システム（１）。
13. 前記少なくとも１つの主ポンプ（４）が、９０℃またはそれ以上に加熱された前記液体（３）を、最大流量約１００〜３００ｍｌ／ｍｉｎで、それぞれ最大出力圧力約１４〜３ｂａｒで圧送するように構成されている、請求項１２に記載の圧送システム（１）。
14. 貯槽（２）内で液体（３）を加熱するステップと、
    加圧手段（５）を用いて前記貯槽（２）を加圧するステップと、
    少なくとも１つの主ポンプ（４）を用いて、前記貯槽（２）から前記液体（３）を圧送するステップと
    を含み、
    前記加圧手段（５）が、前記主ポンプ（４）によって生成される絶対吸引圧力の増大を支援する、飲料製造装置に使用するための圧送方法。
15. 前記液体（３）が９０℃またはそれ以上に加熱され、前記貯槽（２）が絶対圧約０．７〜１．０ｂａｒまで加圧される、請求項１４に記載の圧送方法。