TWI421052B - 處理在飲料分配器中熱水器內部水垢沉積物的方法和裝置 - Google Patents

Description

處理在飲料分配器中熱水器內部水垢沉積物的方法和裝置

本發明相關於一種方法與裝置，用以處理在飲料分配器中熱水器之水垢沉積物。

被眾人所周知的，熱水器內部接觸水的表面常會產生水垢。事實上，將水加熱導致分解鹽分的離子化，且導致在熱水器表面上沉積一層水垢。該水垢的增加造成質硬的沉積物，很難去除並且有害於熱水器以及熱水器輸送管的運作。此種沉積物減少在加熱器與水的熱表面之間熱能的交換效率，因此造成能量的浪費。並且多餘的水垢增加會造成輸送管的阻塞。

已經有人提出不同的裝置用震動的方式以減少在熱水器中水垢的累積，例如在燒水壺、快速加熱器等等之水垢的累積。

由Fianara International B.V.所申請的EP－A－1378194揭示一種裝置，其預防在飲料分配器中熱水器的水垢沉積物。該裝置係具有一超音波傳送器與一超音波接收器，例如壓電轉換器，其直接或是間接的耦合至熱水器。該超音波傳送器係在飲料分配器的整個運轉期間充電，以產生傳送到加熱體的震盪，並且由接收器所接收。放大器將震盪放大而未將相位變換，將震盪經由加熱體回授至傳送器。以此種方式，提供一回授迴路，其使得熱水器以其自然頻率震盪，因此而避免了水垢在加熱器表面產生。該裝置提供低功率的壓電轉換器，其包含長時間保持在100Mw至250mW的範圍內。

根據EP－A－1378194之裝置需要具有超音波接收器以及相關電路的一放大器，如此會導致複雜的組件以及高昂的生產成本與維修成本。而且，該電路的設定可能會很複雜，該放大器以及電路需要冷卻，特別是如果該電路設置在熱水器旁邊，在設備安裝的期間需要特別的注意。

另外，如果壓電變換器係用陶瓷材料製成，其必須是與熱水器呈現隔熱狀態。事實上，當變換器的溫度超過陶瓷溫度的居禮溫度(Curie temperature)時，變換器會停止運作。因此絕緣材料必須提供於每個變換器與熱水器之間。此種隔熱材料必須促進音聲傳送以使得震盪得以行進。

由Instants Limited所申請之GB－A－2227254係參照一種方法以及相關裝置用以移除或是防範在熱水器內部的水垢沉積物的生成。其中該水係藉由引出超音波震動而以高頻率作振動，例如藉由壓電裝置的方式在20kHz至100kHz之間的範圍振動。傳送至熱水器之振動係持續的產生以避免水垢生成或是移除沉積物。

移除或是避免水垢在熱水器內部生成的已知方法和裝置係具有數種缺點。

使熱水器以其自然頻率振動可能會造成令人困擾的噪音，並且熱水器必須經過特別的設計以承受被最大化的機械壓力，其係以加熱器的自然頻率作振動。加熱器通常係裝設在飲料分配器內部，其設計簡單而不昂貴，在加熱器部件之間的焊接物，裝配，耦接等等在不間斷的振動下可能會故障，熱水器的設計必須考量到此種風險，而常常會導致生產成本的增加。

使熱水器持續的以高頻率振動一段長時間，可能會造成機械故障，並且此種消除水垢的方法是很耗功率的。

本發明之目的係克服上述已知方法的缺點，藉由提供方法以及裝置用以移除在飲料分配器之熱水器內部的水垢沉積物，且該方法與裝置係容易實施，有效果並且具有節省能源之功用。

上述目的與其他目的係由根據本發明在申請專利範圍第1項所提出的方法而達成。

較佳的是，該方法提供於該熱水器內部之非持續性感應高能量超音波振動的步驟，以達成將水垢沉積物從加熱器表面分離的目的。「非持續性」意指在離散的時間區間，其係意指相對於機器充電的時間而言是相當的短，並且是不連續的，由已知解決方案而言是必須的。達成的時間區間數量係在於1至10個之內，要視每一個時間區間的持續時間而定。達成的總時間量較佳係位於15分鐘至40分鐘的範圍內，並且較佳的是不超過30分鐘。如此會明顯的節省電源，用以引發振動的時間區間之持續時間係在30秒至30分鐘的範圍內，並且可以依照經驗設定為一正確值，以有效的達到移除在熱水器內部水垢沉積物，或是將水垢沉積物減少到一欲求的實質程度。

申請人發現可以有效處理在20公升的加熱器內部的水垢沉積物，藉由在加熱器內部於短時間區間中引發高能量的振動，亦即少於20分鐘，因此相較於先前技術的解決方法，可以減少電源消耗以及噪音的產生。較佳的是，振動的頻率係不同於熱水器的自然頻率，如此將可把對熱水器的破壞性機械壓力或是噪音產生的機率降至最少。

超音波振動可以藉由對至少一個壓電變換器充電，該壓電變換器係直接的或是間接的連接至加熱器。例如該壓電變換器可以附加至熱水器本體之壁部，以直接的傳送振動至其表面。另一種選擇是，該變換器可以沉在加熱器內部的水面下。藉由引發水的振動，加熱器本體也可以振動，必須提供變換器適當的電絕緣以避免電流經由水而通過。

根據本發明之方法係特別適用於處理飲料分配器之熱水器內部的水垢沉積物，例如分配咖啡，茶，卡布奇諾或是任何熱的飲料之飲料分配器。

引發超音波振動之步驟係較佳為在關閉或是啟動相同機器時實施，一天一次或是一天多次。如此可以簡單的藉由將壓電變換器充電一段預定的時間區間而達成，較佳為當該機器並未運作時或是在待命階段。

對於本申請案適當的頻率係包含在20kHz至100kHz的範圍內，較佳為在25kHz至35kHz的範圍內。藉由以30kHz引發振動，在飲料分配器之傳統熱水器內部的水垢沉積物可以在少於30分鐘內，通常為15分鐘內被移除/或是可以大量的減少。

引發在熱水器內部的振動之時間區間的持續時間可以設定至每天整整30分鐘。一或多個清潔步驟可以藉由實施本發明的方法，以達成生成水垢的欲求減少度，而維持加熱器以及相關的飲料分配器之效率。

根據本發明的實施例，振動係由掃描包含在20kHz至100kHz範圍內的頻率而引發。頻率的掃描，亦即以不同頻率在壓電變換器的運作期間引發振動，可以由數種方式實施。

例如壓電變換器可以充電以一頻率振動熱水器，該頻率可以增加或是減少為在前述範圍中的類比數量。此方法可以藉由將壓電變換器以持續增加/持續減少的電壓充電而達成。

或是另一選擇，該壓電變換器可以充電以某頻率振動熱水器，該頻率係增加或是減少為一成串的脈衝，每一脈衝係在於一給定的頻率上。例如該變換器首先以20kHz充電5秒鐘，然後以30kHz再充電5秒鐘，然後以40kHz充電10秒鐘，等等。此方法可以藉由將壓電變換器以不連續增加/減少的電壓充電而達成。

本發明亦相關於一種裝置，用以移除或是減少在熱水器內部的水垢沉積物，如申請專利範圍第11項所提出者。

一種用以引發超音波振動之適當裝置可包含一個或多個壓電變換器。對於一種傳統的咖啡機熱水器，單一陶瓷壓電變換器可以是具有直徑約為40毫米以及高度約為5毫米的碟型物形狀；為了達到所需的振動強度，亦即提供高能量的振動，該變換器係以100至200伏特充電，碟狀物係附加至加熱器之側面壁部，並且係受控以實施前述的方法。

為了減少在加熱器本體內部的高能量振動，該壓電變換器功率約為2瓦，亦即根據先前技術的裝置所提供的功率比較，至少高了10倍。一般而言，該壓電變換器功率係包含在100毫瓦至5瓦之間的範圍。根據本發明，此種高能量振動係以短的時間區間所引發，較佳為當該飲料分配器係處於代並狀態或是非運轉狀態。

可以用有利的方式施加本發明之方法與裝置以清潔提供在飲料分配器內部的調和腔室。例如水與奶粉、水與可可亞粉的成分…等等，係由在腔室中轉動的調和器所調和，殘餘物可能會建構在其表面上，造成衛生的問題。可以引發腔室的振動而非加熱器的振動，以將此種營養殘留物從腔室表面與調和器移除，以提供有效的清潔過程。

第1圖顯示根據本發明之方法的流程圖，用以移除或是減少在熱水器之飲料分配器內部的水垢沉積物。該方法包含引發熱水器之高能量超音波振動的步驟，藉由將超音波產生器充電，該超音波產生器係直接或是間接的連接至該同一個加熱器。例如，該熱水器係供應熱水至飲料分配器以準備咖啡、巧克力，卡布奇諾，茶…等等。

不同於先前技術中所揭露的方法，在本發明中該超音波振動係在短的離散時間區間中呈不連續的引發，較佳為以不同於熱水器的自然頻率之頻率作振動。可避免加熱器之共振以預防多餘的機械性壓力。在第1圖中，評量加熱器的自然頻率係可選擇性添加的。

振動係以不連續的方式引發，亦即以離散的時間區間引發，以將能量消耗減至最小。例如該超音波產生器可以一天充一次電，在加熱器或是相關機器的開啟或是關閉期間，充電一段預定的時間長度。或者是該超音波產生器可以以規則的時間長度作充電，例如高於30分鐘。換句話說，引發熱水器之超音波振動可以一天一次實行，一天多次實行，每一鐘頭實行，每30分鐘實行，等等，而與水量消耗無關，或是其可以依照預熱預定水量而實行，例如每一次加熱20公升。

該加熱器之自然頻率係屬已知的。例如飲料分配器之製造器可以試驗性的評估自然頻率的值，因此針對超音波產生器設定振動的不同頻率。

作為另一種選擇的是，該方法可以包含當超音波產生器被充電時，感測加熱器振動幅度的步驟，如果此種振幅的值接近於自然頻率的振動幅度值，或者是考慮造成加熱器焊接物、耦接等等的多餘壓力，然後所引發振動的頻率會改變。藉由引發與加熱器自然頻率不同頻率的的振動，機械性壓力可以減低至最小值，如同由加熱器5的振動表面所製造的噪音一般。

如同第2圖之流程圖所顯示者，當所引發振動的頻率被改變時，時間間隔的持續區間係對應的改變。如同普通的原則，當超音波產生器以低頻率充電時，例如以20至25kHz範圍內的頻率充電，每一用以引發振動的時間區間之持續時間係最大化，例如在20至30分鐘的範圍內。當超音波產生器以高頻率充電時，例如在35至100kHz的範圍內，每一用以引發振動的時間區間之持續時間係最大化，例如在1至10分鐘的範圍內。相同的原則施用於考量功率的範圍，其以100毫瓦至5瓦的範圍內引發振動。當所引發的振動頻率係相關於加熱器的自然頻率時，功率係被受控以最小化。

該超音波產生器可以用此種方式充電以掃描所有在20kHz至100kHz範圍內所引發的所有頻率，其將會在稍後解釋。供應至超音波產生器的頻率會影響在熱水器本體內部引發的振動，換句話說，振動的頻率可以在前述的時間區間期間改變。如果該加熱器之自然頻率係以掃描後的範圍所引發，此種頻率可以快速的進入以避免共振，因此將加熱器5的振動表面所產生的噪音減至最低。從製造者所獲得的自然頻率資料可由測試所獲得。

本發明之方法對於準備並且分配熱飲料的機器而言是很有益處的，該些熱飲料例如是咖啡、巧克力、茶、卡布其諾…等等。實質上的移除或是減少此種機器的熱水器之水垢沉積物允許機器保持熱交換的效率，對於此種機器的運作上與節省功率所做的考量而言是具有明顯的優點。

在第3圖的流程圖所顯示的本發明方法，係較佳為實現當熱水器並非溫熱水時，或是當相關的飲料分配器並未作為分配飲料用時。換句話說，當機器並未分配一飲料時，例如在待命狀態，或是熱水器並未充電時，同一個熱水器係接受實行本發明方法的去水垢以及清潔的步驟。當飲料分配器開啟時就可以實行，或是當飲料分配器關閉時亦可。或者是，去水垢以及清潔的步驟可以在飲料分配器的運作期間以預定的時間區間中完成。

一種根據本發明之裝置1係概要的顯示於第4圖，其中該熱水器本身係屬已知。該加熱器可以是一種快速加熱器，一種管狀燒水器…等等。裝置1包含一種超音波產生器2，其連接至一功率單元3。一種控制單元4管理超音波產生器2以及功率單元3的運作。所顯示的超音波產生器2係附加至一飲料分配器(並未顯示於圖中)熱水器5之壁部，以引發該種加熱器5內部的振動。產生器2可以用膠水附著，焊接，或是已接核的方式附著至加熱器本體。或者是，該超音波產生器2可以沉到包含於加熱器5內部的水面下(其為電氣絕緣)以引發水裡的振動，因此也振動該加熱器5。

熱水器係屬已知，決定要加熱的水量並且供應以作為飲料的準備，例如水係經由從一外部來源的入口導管7供應於加熱器內部。熱水係經由導管6傳送以作處理之用。本發明亦提供熱源8，通常為一種電子加熱構件。

作為另一種選擇的是，可以使用快速加熱器。不同於前述之加熱器，其中收集並加熱一定體積的水，快速加熱器係提供將水加熱的功能，其將經由通道，管線，迷宮狀導管或是類似的水流限制引入的水加以加熱。

將水加熱的動作會促進分解的鹽類以層狀沉積在加熱器5的內部表面上，該層水垢對於加熱構件8的運作，以及飲料分配器的下游元件，例如出水管線6的運作而言是有害的。特別是水垢的沉積減少加熱構件8的效率，此一問題可以藉由引發產生器2之振動來克服，允許從加熱器5之表面上分解沉積物。

較佳的是該超音波產生器係一種壓電變換器，其可以在20kHz至100kHz的頻率範圍內運作。一種適當的產生器係一種環狀陶瓷壓電變換器，其具有約為40mm的直徑以及約為5mm的高度。

一種適當的變換器可由PI Ceramic GmbH公司所提供之編號PRYY－0980的產品，該產品係根據EN 50324－1的標準，由指定PIC 181並且分類為"100"的材料所製造，並且"I"係根據標準DOD－STD－1376A所製造。此種變換器具有約為330℃之居禮溫度，既然普通飲料分配器之一般加熱器係在低於150℃的溫度運作，前述的變換器可以施加至加熱器而不需熱絕緣。換句話說，PIC 181之變換器可以維持在高溫度，因此可以允許在相同的變換器與加熱器之間不安插任何的絕緣材料，而將振動的傳送加以最大化。

已經發現的是，如果要有效的移除或是減少一般的飲料分配器之熱水器內部的水垢沉積物，所引發振動之適當頻率範圍係從25kHz至35kHz之間，而適當的功率範圍係從100mW至20W之間。從加熱器5之表面上分離的水垢可以用一般的方式除去，例如將經由導管6提供的水過濾而除去分離後的水垢。

較佳的是，陶瓷壓電變換器係以2瓦特充電，如此會促進加熱器本體內部的高能量振動的產生。

功率單元3可以是外加的電源，例如從150Volts至200Volts的範圍內所提供者。或者是功率單元3係平均的機械功率單元，例如是一變壓器。

單元4控制壓電變換器2之操作。對於控制單元4適當的電氣機制係顯示在第5圖，相較於EP－A－1378194提供的裝置之電路，該機制較為簡單。不需提供放大器，亦不需提供作為接收之用的第二變換器。

功率單元提供24Volts的直流電，橋接器D2校正在連接器CON4處的交流電壓，變壓器單元係提供以用於從24V至240V的範圍，由積體電路U5所切換的電壓。交流電壓的頻率係由時脈信號CLOCKULTRA所給定。信號ENABLE係用以觸發控制單元4的啟動或是關閉的狀態。

控制單元4根據本發明之方法觸發變換器2的充電，亦即在給定的時間區間與頻率下充電，其時間區間與頻率係不同於熱水器5之自然頻率。較佳的是電源為大於習知技術之已知電源。例如，變換器2係以5瓦充電，作為促進高能量振動的產生。

加熱器5之自然頻率可以從飲料分配器之製造者處查清楚，因此此種頻率的數值可以記憶在控制單元4之記憶機制內，以不同的頻率啟動變換器2。

時間區間可以由控制單元4依照振動的頻率而調整，當所引發的頻率係屬低的時候，例如在20kHz至25kHz的範圍內，時間區間之持續時間係屬最大值，例如在20分鐘至30分鐘的範圍內。當頻率係較高且更具有能量時，例如在35kHz至100kHz的範圍內，時間區間的持續時間係屬最小值，例如從30秒至10分鐘之內的時間。

控制單元4可以收集關於飲料分配器作的資訊，以當機械係處於待命狀態或是非運作狀態時觸發壓電變換器2。例如控制單元4可以依照考量的變數決定最適合的清潔頻率，考量的變數可以是例如水的硬度，分配的生產率，使用者的裝入作業等等。

變換器2，控制單元4以及功率單元3係可在一般市場上獲得的經濟性部件。因此裝置1易於組裝並且在價格上不屬昂貴。

參考第6圖，其顯示一概要的圖式，其為關於根據本發明裝置可能的運作狀況中，頻率對比於時間的關係，提供將超音波產生器充電的動作不是連續性的，如同之前所述者，在運作時間過去時，可以充電相同的產生器，如同第6圖所顯示者，以掃描所有包含在20kHz至100kHz範圍內的頻率，此可藉由在第5圖所顯示的積體電路U5達成，該積體電路U5係提供一種連續性增加的電壓至壓電變換器2。熱水器5所引發的振動頻率係相對應的增加。如同在圖式中所顯示的，對應時間的頻率函數f(t)係一種類比性增加或是減少的斜坡性曲線，時間區間係始自30秒，最高至300秒(5分鐘)。必須了解的是，如果熱水器5之自然頻率係引發在被掃描的範圍內，其自然頻率會被跳過，亦即積體電路U5係受控以避免用自然頻率充電壓電變換器2。

第7圖相關於另一種頻率對比於時間的圖解，其中該函數f(t)係一串個別獨立的脈衝，函數f(t)在指定的時間區間60至600秒內為非連續性的，但是是一種「步進函數」，藉此根據以下的機制，該壓電變換器2係首先以40kHz充電一段10秒種的第一時間區間，然後再以50kHz充電接下來的10秒鐘，以此類推：

必須了解的是，顯示於第6圖與第7圖中的函數f(t)可以是逐漸減少的，亦即在開始的時候是位於最高頻率，隨時間消逝頻率亦隨之遞減。

頻率的掃描允許有效的將熱水器5內部的水垢沉積物分離，其水垢沉積物可能具有不同的厚度或是特性，換句話說，在前述20kHz到100kHz的範圍內掃描所有的頻率，或是掃描數個頻率之動作係發現可改進根據本發明方法的功效，其中每一水垢沉積物係以最適當的頻率振動，以促進個別水垢的分離。

有益的是，根據本發明的方法與裝置1允許有效的移除或是減少熱水器內部的水垢沉積物，同時將功率消耗以及噪音的產生減至最小化的程度。

在水垢沉積物從加熱器表面分離的目的已經達到之後，分離後的水垢廢棄物係被收集或是經由出水口導管沖出。

根據本發明之方法與裝置可以類似的施加至乾淨的腔室，其提供在飲料分配器內部以調和成分，例如水與奶粉或是水與可可亞粉的調和。由變換器2所引發的振動可以針對從調和腔室以及調和機的表面上分離殘存物。

調和腔室一般係以塑膠材質製成，其可吸收由運作變換器2產生的振動，因而減低裝置1的效率。較佳的是，以水填滿調和腔室並且在充滿水的腔室內引發振動。

1．．．裝置

2．．．超音波產生器

3．．．功率單元

4．．．控制單元

5．．．加熱器

6．．．導管

7．．．入口導管

8．．．熱源

D2．．．橋接器

CON4．．．連接器

本發明之進一步優點與特徵將由下列詳細敘述參考所附圖式而得彰顯，所附圖式係以非限制性方式作為示範，其中：第1圖係一種根據本發明方法的第一流程圖；第2圖係根據本發明之方法的第二流程圖；第3圖係根據本發明之方法的第三流程圖；第4圖係根據本發明之裝置的概要圖式；第5圖係顯示於第4圖之裝置的電氣概要圖解；第6圖係第一概要圖解，其相關於根據本發明之方法的頻率對比於時間；第7圖係第二概要圖解，其相關於根據本發明之方法的頻率對比於時間。

Claims (16)

1. 一種用以處理飲料分配器之熱水器(5)內部水垢沉積物之方法，其包含引發超音波振動至熱水器之步驟，該熱水器係由超音波產生器(2)所供電，該方法特徵在於該超音波產生器(2)係不連續性的被充電以掃描包含在20kHz至100kHz範圍內的所有頻率，因而引發超音波振動至該熱水器(5)並移除該水垢沉積物。
2. 根據申請專利範圍第1項之方法，其特徵在於引發超音波振動之步驟係在離散的時間區間中實施。
3. 根據申請專利範圍第1項或是申請專利範圍第1項之方法，其特徵在於該超音波振動係以不同於該熱水器自然頻率之頻率所引發。
4. 根據申請專利範圍第1項之方法，其特徵在於該超音波振動係以20kHz至100kHz範圍內的一種頻率所引發。
5. 根據申請專利範圍第4項之方法，其特徵在於該超音波振動係以25kHz至35kHz的範圍內之一種頻率所引發。
6. 根據申請專利範圍第5項之方法，其特徵在於該超音波振動係以30kHz的頻率所引發。
7. 根據申請專利範圍第1項至第6項任一項之方法，尚包含將分離的水垢沉積物棄置的步驟，藉由收集在個別容器內的沉積物或是從加熱器沖出沉積物的方式棄置。
8. 根據申請專利範圍第2項之方法，其特徵在於該時間區間之持續時間係包含在30秒鐘至30分鐘的範圍內。
9. 根據申請專利範圍第2項之方法，其特徵在於該時間 區間之持續時間係包括在5分鐘至15分鐘的範圍內。
10. 根據申請專利範圍第1項之方法，其特徵在於該超音波產生器(2)包含至少一個壓電變換器。
11. 根據申請專利範圍第1項之方法，其特徵在於該引發超音波振動之步驟係在該機器的待命狀態期間實施。
12. 一種用以移除或者是實質上減少水垢沉積物之裝置(1)，其水垢沉積物係在一飲料分配器之熱水器(5)的內部，該裝置包含一種元件(2)，用以引發在該熱水器(5)內部或是在熱水器內含的水之超音波振動，其特徵在於進一步包含控制機制(4)，用以不連續性的啟動該元件(2)以掃描包含在20kHz至100kHz範圍內的所有頻率，因此從熱水器處移除該等水垢沉積物。
13. 根據申請專利範圍第12項之裝置，其特徵在於該控制機制(4)在離散的時間區間啟動該元件(2)。
14. 根據申請專利範圍第12項之裝置，其特徵在於用以引發超音波振動之該元件(2)包含至少一個壓電變換器，並且該控制機制(4)包含一電路，其供給該壓電變換器電源，以在20kHz至100kHz範圍內的一個頻率振動。
15. 根據申請專利範圍第12項之裝置，其特徵在於該時間區間之持續時間係包含在30秒鐘至30分鐘之間的範圍。
16. 一種根據申請專利範圍第12項至第15項之裝置的使用，用以處理飲料分配器的調和腔室內部的養分殘餘物。