TWI428105B - 飲料分配機及操作方法 - Google Patents

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Description

飲料分配機及操作方法
本發明係關於一種飲料分配機及一種操作其之方法，特定言之係關於一種全自動或半自動咖啡/飲料分配機。
已知自動機器或半自動機器藉由提供一迫入之熱水流以使其通過一含有咖啡粉之沖煮腔來製備咖啡飲品或其類似物，其中有時在腔室之出口處定位一機械閥以調整背壓。該閥門徑校準以設定腔室內之水的壓力及咖啡粉之注入時間推移。
大體而言，飲料分配機意謂用於製備及分配諸如義式濃縮咖啡(espresso coffee)、美式咖啡(Americano coffee)、卡布奇諾(cappuccino)、拿鐵瑪琪朵(latte macchiato)、茶或類似飲料之飲料的半自動(使用者須參與飲料製備)或全自動機器(由機器自動實行飲料之製備，使用者無需參與，但需要選擇所要之飲料)。
US 2001/0050002揭示了用於製備義式濃縮咖啡之機器。沖煮腔包含一與腔室出口噴嘴同軸之螺紋底座，其中插入一充當可手動調整之閥門的螺紋構件。可將該螺紋構件螺合在底座內以在較大或較小程度上阻塞出口噴嘴，亦即，從而部分關閉沖煮腔出口。藉由調整螺紋構件在相關底座內的插入程度，可調適沖煮腔內之背壓以獲得具有所要之感觀特徵的義式濃縮咖啡。螺紋構件在相關底座內的插入程度係在裝配機器時提供的。US 6,711,988揭示一義式濃縮咖啡機，其設有一可在沖煮腔內移動以擠壓沖煮腔中所含之咖啡粉且調整該腔室之容積的活塞。在腔室出口處，對應於咖啡排放出口，提供一機械閥以調整背壓。該閥門包含一支撐一球體之彈簧。通常，球體由彈簧壓在沖煮腔之排放出口上，由此防止飲料排出腔室。僅當腔室內之咖啡飲料的壓力足夠對抗彈簧負載時，球才被壓回且飲料被遞送至腔室外部。對閥門之操作的控制係藉由選擇待安裝之閥門彈簧之壓縮彈簧特徵來達成的。
事實上，傳統機器不允許對在沖煮腔出口處充當擋閘之閥門的操作進行控制。換言之，已知閥門主要充當打開/關閉閥且無法經控制以快速地或即刻將背壓調整至所要程度，以(例如)補償咖啡機之其他非最佳操作參數。
且，無法在不拆卸機器或手動調整用於產生背壓之構件的情況下將已知閥門設定為不同於與初始設計值相對應之背壓值的背壓值。此缺點不僅應用於義式濃縮咖啡機，還應用於其他用於製備並分配義式濃縮咖啡及其他飲料(諸如不同類型之咖啡飲品(義式濃縮咖啡、美式咖啡、卡布奇諾等等)、茶、巧克力等)的手動或自動機器，其通常設有該等已知閥門。
因此，感覺到需要允許對沖煮腔出口閥之操作進行控制以修改沖煮時間及壓力及沖煮過程以滿足使用者之品味(此關係到所製備之飲料的感觀特徵)的機器。
已知飲料分配機之另一缺點在於，其需要進行週期性維護以用於清潔提供在沖煮腔出口處之閥門。對應於閥門底座而積聚的所分配之飲料之殘餘物常常妨害傳統閥門恰當發揮功能。特定言之，閥體歸因於殘餘物之黏著作用而黏著在相關底座上，由此妨礙或阻止閥門打開。
本發明之一目的係提供一種飲料分配機，其消除了上述缺點，同時不昂貴、操作簡單且易於保持清潔。
本發明之又一目的係提供一種飲料分配機，其允許快速地控制排出沖煮腔之飲料流動速率。
本發明之再一目的係提供一種飲料分配機，其允許在製備並分配飲料之階段期間即刻控制設在沖煮腔之出口處的閥門，以補償機器之其他參數較之最佳值的可能出入。
本發明之再一目的係提供一種飲料分配機，其設有一位於沖煮腔之出口內的閥門，可在製備並分配飲料之階段期間控制該閥門以影響沖煮條件，從而滿足使用者關於所選飲料之類型及品質的偏好。
此等及其他目的係藉由關於如申請專利範圍第1項之咖啡/飲料分配機的本發明來達成的。該機器可為全自動式或半自動式。
本發明之分配機提供了多種較之先前技術實施例的優勢。
電閥易於連續控制，例如，控制單元可每當飲料製備過程期間操作電閥。在電閥中，壓電閥對於電輸入具有快速回應。該機器之控制單元藉由電信號來指示閥門以快速地達成對排出沖煮腔之飲料之流動速率的所要控制。控制單元基於儲存的演算法來進行操作。
有利地，電閥不僅提供打開/關閉功能，還提供對沖煮腔出口之可調整式扼流。
較佳地，電閥為定位在沖煮腔之出口處的壓電閥，例如，位於該沖煮腔之出口管道內。或者，壓電閥可定位在沖煮腔之上游處。
根據本發明之機器允許在機器操作期間對電閥進行電控制以便打開/關閉沖煮腔之出口達所要程度。控制單元可操作閥門以補償針對待製備之給定飲料而預設之機器操作參數(諸如(例如)供至沖煮腔之水的溫度、沖煮時間、咖啡粉大小、沖煮腔容積等等)的至少一些不欲之變化。
該控制可為對位於沖煮腔之出口處之閥門的“即時”調整(亦即，在分配飲料時)；該控制亦可在每一次製備飲料之前實行，亦即，用於使沖煮壓力及時間適合於消費者所選擇之飲料的類型。
舉例而言，若待分配之飲料為義式濃縮咖啡，則控制單元指示閥門在第一時間推移之後且以所選流動速率打開沖煮腔之出口。若待在義式濃縮咖啡之後分配的飲料為“美式”咖啡，則控制單元指示閥門在短於第一時間推移之第二時間推移之後且以更高流動速率打開沖煮腔之出口。
再一優勢在於，根據本發明之閥門易於清潔，尤其是壓電閥。可在分配機之待命期間(亦即，當不在製備飲料時)操作壓電閥以有助於對閥門擋閘構件及相關底座進行清潔。閥門擋閘可在其底座內快速移動以清除由於所分配之飲料而殘留在相關表面上的殘餘物。以此方式，對閥門之維護簡單且有效，而無需外部操作者經常介入。
參看作為非限制性範例而附上之圖式，本發明之進一步優勢及特徵將自以下詳細描述而變得顯而易見。
參看圖1，其展示根據本發明之飲料分配機的簡化圖解，該分配機設有一熱水器1、一沖煮腔2、一定位在該腔室2之下游處的電閥3及一用於將飲料遞送至使用者的排放區段4。電閥3較佳為壓電閥，亦即，可根據壓電元件對控制單元所提供之電信號之回應來啟動的閥門。或者，電閥3為比例電閥(proportional electrovalve)。一種合適之比例電閥為MOOG Inc.公司出售的15系列伺服閥。
控制單元5(例如，電子單元)至少控制閥門3。控制單元5較佳亦控制熱水器1及沖煮腔2之操作。控制單元5基於儲存之演算法來運作，其可為軟體程式、韌體等。
熱水器1向水供熱，水又被導向製備飲料所在之沖煮腔2中。熱水器可設有一溫度感應器，其向控制單元傳達水溫，藉此允許在達到所要溫度時由控制單元來中斷對水之加熱。
沖煮腔2提供了待全部地或部分地由用於製備飲料之成份(例如，咖啡粉、茶、奶粉等)所佔據的容積。通常，活塞可在沖煮腔內移動以擠壓粉末達到給定程度，亦即，活塞以預設壓力來擠壓粉末。較佳地，在根據本發明之機器中，控制單元控制活塞之操作以調整施予粉末的壓力。
藉由向沖煮腔內所含之粉末供應熱水來製備飲料。所製備之飲料的品質(亦即，其感觀特徵)視機器之若干操作參數而定，諸如沖煮時間(亦即，在注入期間流逝之時間)、供至沖煮腔之水的壓力、沖煮腔中所含粉末之量及相關顆粒大小、水溫等等。
顯而易見，應亦視待製備之飲料的類型且視使用者之偏好來設定操作參數。舉例而言，使用者可在至少兩種類型之咖啡之間進行選擇：義式濃縮咖啡及美式咖啡，且對於每一種飲料，機器應(例如)藉由改變待提供至沖煮腔之粉末的量、水溫、咖啡粉之顆粒大小等等來滿足使用者之關係到品質或感觀特徵的偏好。
控制單元5基於使用者之選擇來提供對機器之操作參數的設定。出於此目的，機器設有一使用者介面以允許使用者在操作參數之多個設定之間作出選擇。根據本發明，分配機設有至少一電閥3，該電閥3較佳設在沖煮腔之下游處以控制排出沖煮腔之飲料流動速率。作為替代，將閥門3設在沖煮腔之上游處以控制進入沖煮腔之水流速率。根據另一實施例，提供兩個閥門：位於沖煮腔之上游處的第一閥門3A及位於同一腔室之下游處的第二閥門(圖1)。
適合在本發明之機器中使用的壓電閥可在市場上以低成本獲得且已被證實可靠。大體而言，該等閥門具有最小之尺寸，因此尤其適合安裝在沖煮腔之出口處，此處之可用空間通常有限。
合適之閥門為(例如)ASCO JOUCOMATIC所售賣，630系列之閥門，且更特定言之為可處理在1 ml/s至20 ml/s之範圍內之流動速率(當打開時)及在1,5巴至20巴之範圍內之壓力的閥門。
提供感應器S以用於量測位於熱水器之下游、沖煮腔2之上游及下游以及壓電閥3之下游處之液流的流動速率及/或壓力及/或溫度。
圖2展示一合適之壓電閥3的剖面圖。閥門3包含一經配置以與沖煮腔2(圖1所示)直接流體連接或經由短通路32而與沖煮腔2(圖1所示)流體連接的本體31。一擋閘34可在本體31內移動以打開/關閉一通向飲料供應區段4的排放出口39。供應區段4係用於將所製備之飲料導向使用者之杯子、玻璃杯或其類似物。
擋閘34可具有多種形狀。圖2所示之擋閘為針狀，且具有一耦接至壓電元件36之第一端及一為楔形或錐形之第二末端38。第二末端38之形狀與閥體31之底座39的形狀互補。
擋閘34在被彈簧元件37偏向時滑動越過內壁35。通常，擋閘34以其末端38來鄰接底座39，亦即，閥門3通常係關閉的。
閥門3之機能係簡單的。控制單元5藉由電連接33來啟動壓電元件36，該壓電元件36在克服彈簧元件37之力的同時膨脹，由此導致擋閘34自出口/底座39縮回其第二末端38。當出口39打開時，允許來自沖煮腔2且進入閥體31之飲料流向排放區段4。當控制單元5關閉壓電元件36時，彈簧元件37推動擋閘34以使其返回其初始位置，由此導致第二末端38鄰接底座39，藉此關閉出口且防止飲料流至閥體31外部而流向供應區段4。
有利地，擋閘34之衝程可直接由控制單元5控制以調整所分配之飲料的流動速率。特定言之，擋閘34之衝程視控制單元5供至壓電元件36的電壓而定。
圖3及圖4以剖面圖展示閥門3之細節。圖3中之擋閘34在底座39上方以最小程度上升以允許飲料具有最小流動速率，例如，每秒1 ml之義式濃縮咖啡。圖4中之擋閘34在底座39上方上升至最大程度以允許同一飲料具有最大流動速率，例如，每秒10 ml。
有利地，壓電閥3使得控制單元5能夠對排出沖煮腔之飲料流動速率進行完全控制，亦即，控制單元5操作閥門3以便將流動速率自0 ml/s(或大約0 ml/s)調整至最大之流動速率值，例如，20 ml/s，以較佳保持腔室2內之壓力大體恆定。
將瞭解，閥門3之操作亦對沖煮腔2內之水的壓力有影響。當關閉閥門3時，在藉由泵而自熱水器處將受壓之水供至沖煮腔2時，同一腔室2內之壓力升高。視擋閘34之位置，一特定流動速率之飲料可排出沖煮腔2，由此減小或防止壓力升高。就此而言，控制單元5藉由調整擋閘34在底座39上方之升高程度(亦即，藉由縮小或增大末端38與底座39之間的間隙)而在沖煮腔之下游處調整背壓。
舉例而言，控制單元5調整擋閘34之位置以增大、減小或停止排出沖煮腔之飲料的流動速率從而分別縮短或增加注入時間。控制單元5亦可控制閥門3之操作以將沖煮腔中之壓力保持在預設範圍(例如，10巴至15巴)內或補償咖啡粉之顆粒大小的可能變化。就此而言，控制單元5提供了對壓電閥3之“即時”反饋控制。
為清潔閥門，由控制單元5高頻激發(亦即，啟動)閥門之壓電元件(舉例而言，圖2中之元件36)以將振動傳遞至擋閘34。此係在飲料分配機待命時(亦即，當機器無須製備飲料時)進行的。當在清潔週期期間迫使擋閘34振動時，至少部分地除去了可能存在於擋閘34及底座39表面上的殘餘物。換言之，施予擋閘34之振動及末端38與底座39之間的摩擦促進自該等表面上除去殘餘物。
根據本發明之飲料分配機可提供對閥門3之週期性清潔週期，由此防止底座39由於所分配之飲料的殘餘物而阻塞及隨後之機器故障。本發明之機器的閥門可設有一類型不同於閥門3之壓電閥。擋閘及/或底座由壓電材料製成，且藉由向該擋閘及/或向底座元件供應電壓時元件之膨脹來獲得打開/關閉。此實施例具有額外優勢在於，其簡單且更快(不需要彈簧)且由於閥門振動及膨脹而改良了清潔效果。參看圖5，揭示此實施例3'之機能。
在圖5中，擋閘38'為固定在支撐軸34'上之盤狀物。壁41'提供底座39'。擋閘38'或壁41'中之任一者由壓電材料製成且由控制單元5電激發。或者，擋閘38'及壁41'兩者均由壓電材料製成。當操作閥門3'時(亦即，當控制單元5激發擋閘38'及/或壁41'之壓電材料時)，該材料經受膨脹，亦即，尺寸改變。舉例而言，當擋閘38'及壁41'兩者均由壓電材料製成時，擋閘38'變寬，而底座39'變窄，由此扼流或明確地關閉出口。閥門3'之打開程度視擋閘及/或相關底座之壓電材料之膨脹的本質而定，該膨脹係藉由以適當電壓對材料供電來調整的。
當僅擋閘38'由壓電材料製成時，底座39'保持靜止不變，亦即，不膨脹。當僅底座39'(亦即，壁41')由壓電材料製成時，擋閘39'保持靜止不變，亦即，不膨脹。
如上文中參看閥門3所述來完成對閥門3'之清潔，亦即，藉由振動壓電構件(擋閘38'及壁41'中之任一者或兩者)。
下文中揭示對根據本發明之機器之操作的兩個範例，每一範例係關於對一特定飲料之製備。
範例1－咖啡1
將量為8 g之咖啡粉裝載至沖煮腔中且由一可移動活塞以10 kg/cm2 來擠壓其。藉由機械或電約束設備而將該活塞阻擋在其最終位置上，亦即，在咖啡粉上方。藉由一研磨機而經由一延伸向沖煮腔的斜槽來提供咖啡粉。藉由向熱水器1供電來加熱水，直至溫度感應器量測到90℃為止。藉由一定位在加熱器1之上游處的泵(圖中未示)(例如，旋轉泵)來提供穿越熱水器1且流向沖煮腔2的水循環。
控制單元5指示打開定位在沖煮腔2之上游處的打開/關閉閥，由此允許熱水進入腔室2中。此時，壓電閥3保持關閉且沖煮腔內之壓力增加。
在預設之時間推移(例如，5秒)之後，控制單元5指示閥門3打開。壓電閥3迅速作出回應且擋閘34快速地在底座39上方升高一給定程度，此導致飲料排出腔室2。
腔室內之壓力驟降，舉例而言，自15巴降至10巴。
若使用者已選擇“濃烈”的義式濃縮咖啡，則控制單元5指示閥門3再次關閉持續一短暫之時間推移(例如，20 ms)從而促進沖煮腔2內之壓力恢復。最後，控制單元5打開閥門3以完成對使用者之飲料遞送。
在自飲料排放起之預設時間推移後，舉例而言，30秒後(或更遲或一天一次)，若機器無須製備新的飲料，則控制單元5指示閥門3執行一或多個清潔週期。
清潔週期具有可變持續時間，例如，自10秒至30秒。控制單元5提供之高頻脈衝激發壓電元件36以導致擋閘34快速振動。特定言之，擋閘34快速地向上及向下移動且反覆鄰接底座39。該等振動有助於自同一擋閘34及底座39之表面除去飲料殘餘物。
範例2－咖啡2
將量為10 g之咖啡粉裝載至沖煮腔2中且由一可移動活塞以4 kg/cm2 來擠壓其。接著，活塞在沖煮腔內阻擋於咖啡粉上方。
藉由向熱水器1供電來加熱水，直至溫度感應器量測到80℃為止。
控制單元5指示打開定位在沖煮腔2之上游處的打開/關閉閥，由此允許熱水進入腔室2中。此時，壓電閥3保持關閉且沖煮腔內之壓力增加至高達10巴。
當沖煮腔內之壓力滿足10巴時，或在2秒之後，控制單元5指示閥門3打開。壓電閥3迅速作出回應且擋閘34快速地在底座39上方升高一給定程度，此導致飲料排出腔室2。
一旦完成對使用者之飲料遞送，控制單元5就啟動閥門3以進行為期5秒之清潔週期。在對閥門3進行清潔期間，5 ml/s流動速率之熱水被供至空沖煮腔且流經同一閥門3以用於沖洗相關表面且最佳化對殘餘物之清潔。歸因於諸如元件36之壓電元件的特徵，藉由以適當之脈衝串對同一壓電元件供電而輕易地振動閥體31及擋閘34之至少一部分。對於每一清潔週期，元件36可被電激發持續5 s、10 s、20 s、30 s等等。可頻繁地提供清潔週期以避免殘餘物積聚在閥門3內。
換言之，壓電閥不僅可操作以允許在沖煮飲料期間控制機械操作，還可操作以提供“自清潔”週期。
圖6展示經定位以在沖煮腔之出口處截流的另一壓電閥50。閥門50包含兩個板狀元件51、52，其各具有一用於允許飲料流經各別元件的通孔51'、52'。孔51'與孔52'未對準，而是相對於板狀元件之中心配置在相反側上。元件51、52設有各別軸53、54，其中至少一者由壓電材料製成。當閥門50關閉時，板狀元件51鄰接板狀元件52。當壓電軸53及/或54被啟動時，如圖6所示，元件51與元件52分開至所要程度且其間呈現一間隙，由此允許飲料流排出沖煮腔2流向排放處4。
作為壓電閥50之替代形式，可使用比例電閥(圖7)。圖7所示之閥門包含兩個盤狀板60及61，其類似於板51及52，具有各別槽60'、61'，配置在沖煮腔2之出口處。槽60'、61'為通孔。盤狀板60、61經定位成彼此鄰接。至少一盤狀板60或61可藉由電致動元件(圖中未示)而由各別軸63、64旋轉。當如圖7所示相互配置槽60'、61'時，閥門50關閉。當盤狀板60、61相對於彼此旋轉時，槽60'部分地或完全地截斷槽61'，由此允許飲料排出沖煮腔2。藉由調整盤狀板60、61之相對旋轉(亦即，槽60'與61'之重疊程度)，可能調整被允許穿過閥門60之流動速率。將瞭解，槽60'及61'可具有不同於圖7所示之形狀的形狀。舉例而言，槽60'及61'可為圓形孔。重要的是，閥門60提供了藉由調整槽60'與61'之重疊來調節流動速率。
1．．．熱水器/加熱器
2．．．沖煮腔/腔室
3．．．電閥/閥門/壓電閥
3'．．．電閥/實施例/閥門
4．．．排放區段/飲料供應區段/排放處
5．．．控制單元/電子單元
31．．．閥體
32．．．通路
33．．．電連接
34．．．擋閘
34'．．．支撐軸
35．．．內壁
36．．．壓電元件
37．．．彈簧元件
38．．．第二末端
38'．．．擋閘
39．．．底座/排放出口
39'．．．底座/排放出口
41'．．．壁
50．．．壓電閥/閥門
51．．．板狀元件/板
51'．．．通孔
52．．．板狀元件/板
52'．．．通孔
53．．．壓電軸
54．．．壓電軸
60．．．盤狀板/閥門
60'．．．槽
61．．．盤狀板
61'．．．槽
63．．．軸
64．．．軸
3A．．．第一閥門
S．．．感應器
圖1為根據本發明之飲料分配機的圖解；圖2為待於根據本發明之機器中使用之第一壓電閥的示意剖面圖；圖3為圖2所示之閥門之細節的剖面圖，其呈第一組態；圖4為圖2所示之閥門之細節的剖面圖，其呈第二組態；圖5為待於根據本發明之機器中使用之第二壓電閥的剖面圖；圖6為待於根據本發明之機器中使用之第三閥門的示意剖面圖；圖7為待於根據本發明之機器中使用之第四閥門的示意剖面圖。
1．．．熱水器/加熱器
2．．．沖煮腔/腔室
3．．．電閥/閥門/壓電閥
4．．．排放區段/飲料供應區段/排放處
5．．．控制單元/電子單元
32．．．通路
33．．．電連接
3A．．．第一閥門
S．．．感應器

Claims (12)

  1. 一種飲料分配機，其設有一沖煮腔(2)及用於完全地及/或部分地阻斷該飲料之至少一閥門，其特徵在於，該至少一閥門為一可受控以調整排出該沖煮腔(2)之該飲料的流動速率的電閥(3、3')，其中該電閥(3、3')為一壓電閥。
  2. 如申請專利範圍第1項之飲料分配機，其中該電閥被至少設在該沖煮腔(2)之排放出口(39、39')處。
  3. 如申請專利範圍第1項之飲料分配機，其中其進一步包含一電子控制單元(5)，且該電閥(3、3')被該控制單元電控制，以完全地或部分地阻塞該出口(39、39')達所要程度。
  4. 如申請專利範圍第3項之飲料分配機，其中該控制單元(5)基於儲存之演算法來操作該電閥(3、3')以調整該沖煮腔(2)內之壓力。
  5. 如申請專利範圍第4項之飲料分配機，其中其進一步包含監視該機器之一或多個操作參數的構件，且該控制單元(5)操作該壓電閥(3、3')以補償該等參數中之一或多者的與一預期值的差值。
  6. 一種操作一設有一沖煮腔之飲料分配機的方法，其特徵在於，藉由一電可操作閥門(3、3')來調節腔室(2)排放出口之打開/關閉以達所要程度，其中該電閥(3)為一壓電閥。
  7. 如申請專利範圍第6項之方法，其中操作該電閥(3) 以僅在將水供至該沖煮腔(2)之一預設時間推移之後打開該出口(39、39')。
  8. 如申請專利範圍第6項之方法，其中操作該電閥以僅在於該沖煮腔(2)內達到一預設壓力之後打開該出口(39、39')。
  9. 如申請專利範圍第6項之方法，其中操作該電閥(3、3')以調整被分配之飲料的飲料流動速率。
  10. 如申請專利範圍第6項之方法，其中一電子單元(5)提供對該電閥(3、3')之一反饋控制，調整該操作中的沖煮腔(2)內之壓力以補償不欲之沖煮條件變化。
  11. 如申請專利範圍第6項之方法，其中一電子單元(5)控制該電閥(3、3')以相應地使該操作中的沖煮腔(2)內之該壓力及/或該流動速率適應於使用者所選擇並由該機器製備之飲料類型。
  12. 如申請專利範圍第6項之方法，其中在該機器之一待命狀況期間操作該電閥(3)以促進對該同一閥門(3、3')及相關底座(39、39')之自清潔。
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