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CN110248579B - 用于饮料制备模块的隔膜泵 - Google Patents

用于饮料制备模块的隔膜泵 Download PDF

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CN110248579B CN201880007498.0A CN201880007498A CN110248579B CN 110248579 B CN110248579 B CN 110248579B CN 201880007498 A CN201880007498 A CN 201880007498A CN 110248579 B CN110248579 B CN 110248579B
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Abstract

本发明涉及一种用于饮料制备模块的隔膜泵(10)，该隔膜泵以特定流速(F)和特定压力(P)向饮料制备模块输送流体：压力(P)和流速(F)根据要制备的饮料的类型来选择。本发明的隔膜泵(10)包括集成的旁通阀(20)，该旁通阀将泵出口(11)连接到泵入口(12)，以便在高于特定压力(P1)值时将流速(F)降低。本发明还涉及饮料制备模块，该饮料制备模块包括如上所述的隔膜泵(10)，并且被构造为由布置在容器中的饮料配料制备饮料：饮料制备模块包括被构造为从具有饮料制备过程参数的容器中的标识装置检索信息的读取装置。

Description

用于饮料制备模块的隔膜泵
技术领域
本发明涉及一种用于饮料制备模块中的隔膜泵，该隔膜泵以特定压力和流速输送流体以制备饮料，提供高的杯中质量和广泛的使用灵活性。本发明还涉及包括这样的泵的饮料制备模块。
背景技术
本发明领域涉及饮料制备机器，尤其是使用具有待制备饮料的配料的胶囊的机器。一些饮料制备机器使用包含要提取或溶解的配料的胶囊并包括填充装置，该填充装置包括用于通常为水的液体的泵，其用来泵送来自水源的液体，这种液体是冷的或通过加热装置诸如加热块等加热的。
尤其是在茶和咖啡制备领域中，已广泛开发了多种机器，其中容纳饮料配料的胶囊插入在冲煮设备中。冲煮设备紧紧围住胶囊，水在胶囊的第一面注入，饮料在胶囊的封闭容积内制作，并且冲煮的饮料可从胶囊的第二面排出并收集到容器诸如杯中。
通常，饮料制备机器具有被布置成将流体循环至连接布置的主体，该连接布置具有胶囊穿刺器，用于连接配料胶囊的可移除的支撑件或保持器并且在连接期间刺穿此类胶囊。通过将液体与胶囊中的成分混合，将液体经由连接布置循环到刺穿的胶囊中以形成饮料。此类饮料机的示例公开于WO2005/016093和EP 1 868 473中。
通常，饮料制备机器的流体系统包括活塞泵。这些流体系统被设计和优化用于在给定压力下将固定的液体流量输送至胶囊中。具体地选择流量/压力组合以符合机器被布置用来制备的饮料的类型。根据设计，活塞泵的特征和性能是熟知的，并且仅适用于该受限域：例如，用于以在低压下注入的高液体流量制备饮料。
通常，常规低压机器例如咖啡机的流体系统被布置成在包含在0bar和5bar之间的压力下输送介于350ml/min和600ml/min之间的水。高压浓缩咖啡机的流体系统被布置成在包含在15bar和25bar之间的压力下输送介于150ml/min和300ml/min之间的水。虽然活塞泵在传统的单系统饮料机(即适于制备具有类似流量/压力要求的饮料的机器)中表现相当良好，但它不适于多系统饮料机，该多系统饮料机适于以不同流量/压力要求制备不同饮料。
隔膜泵允许根据要制备的饮料良好地调整要输送至胶囊的流体的压力和流速。因此，在使用通用流体系统和单个隔膜泵的情况下，可使用不同的流量/压力要求。此类解决方案是一种灵活且高性价比的解决方案，允许对制备过程进行微调以提高饮料的杯中质量。此外，隔膜泵允许在整合到机器方面具有更高的灵活性，尤其是由于与活塞泵相比，以更大的灵活性布置泵的入口和出口的可能性，并且由于泵室的长度减小。
本发明涉及提供一种用于饮料制备模块中以在特定压力和流速下输送流体的改进的隔膜泵，允许高杯中质量(咖啡的良好味道、香味和克丽玛以及可溶产品更好的溶解)，在高于定义的压力时减小流速，从而在不损害压力值的情况下获得更好的杯中质量，同时通过不增加使用的部件数目并且不需要另外的水连接器，保持严格的成本。本发明的隔膜泵还允许装配所有饮料制备模块的高灵活性，并且允许根据要制备的饮料的类型来调整流速和压力值，通常使用高压值(包含在12bar和25bar之间)以及低流速(通常介于100ml/min和300ml/min之间)，以制备浓缩咖啡和卡布奇诺咖啡，该隔膜泵允许以包含在0bar和3bar之间的压力将介于300ml/min和600ml/min之间的液体输送至模块，适合制备低压高流量饮料，例如过滤式咖啡或巧克力。
发明内容
根据第一方面，本发明涉及用于饮料制备模块的隔膜泵，其以特定流速(F)和特定压力(P)向饮料制备模块输送流体，使得根据要产生的饮料的类型来选择压力(P)和流速(F)：隔膜泵包括将泵出口连接至泵入口的集成旁通阀，以在高于特定压力(P1)值时，将流速(F)降低。
优选地，根据本发明，旁通阀为弹簧型，并且弹簧特性经选择以便仅在高于特定阈值压力值(P1)时，通过作用于弹簧压缩距离允许水流动。通常，当达到阈值压力值(P1)时，旁通阀打开，这导致通过泵出口的流速降低。
在本发明的隔膜泵中，旁通阀通常被构造成允许最大压力值(Pmax)作为安全值，高于该值时，泵压力不能增大。
根据可能的实施方案，旁通阀可由机械致动器或马达主动操作，使得阀特性和压力设置可被修改。
优选地，本发明的隔膜泵适于将至多600ml/min的流体输送至饮料制备模块，并且通常被构造为在至多25bar的压力下将流体输送至模块。
通常，本发明的隔膜泵被构造为在饮料制备的至少一个周期期间，在包含在4bar和25bar之间的压力下将80ml/min和500ml/min之间的流体输送至饮料制备模块。
根据本发明，隔膜泵通常还包括阻尼环，该阻尼环允许为启动准备好泵中的内容积，并且允许通过改变环材料的刚度来修改泵的流速(F)和压力(P)行为。
优选地，阻尼环包括多个堆叠的弹性体材料层。
本发明的隔膜泵通常还包括柔性膜，该柔性膜布置在泵入口中并且被构造为吸收由旁通阀的运动产生的振动和冲击。
优选地，本发明的泵中的柔性膜包括多个堆叠的弹性体材料层。
根据第二方面，本发明涉及饮料制备模块，该饮料制备模块包括如上所述的隔膜泵，并且被构造为由布置在容器中的饮料配料制备饮料：饮料制备模块包括被构造为从具有饮料制备过程参数的容器中的标识装置检索信息的读取装置。
饮料制备过程参数优选地包括关于输送至饮料制备模块的流体的流速(F)和压力(P)的信息。
在本发明的饮料制备模块中，标识装置通常包括关于旁通阀的致动参数和/或马达的速度的信息，以调节输送至饮料制备模块的流体的流速(F)和压力(P)。
附图说明
结合附图，在阅读本发明的非限制性实施方案的以下详细描述时，本发明的其他特征、优点和目的对于技术人员而言将变得显而易见，其中：
图1示出了根据本发明的用于饮料制备模块中的隔膜泵的构型。
图2示出了根据本发明的用于饮料制备模块中的泵(隔膜泵)的运行的启动准备步骤。
图3示出了根据本发明的用于饮料制备模块中的泵(隔膜泵)的运行的步骤，其中允许流体通过泵入口进入。
图4示出了根据本发明的用于饮料制备模块中的泵(隔膜泵)的运行的压力步骤，其中流体通过泵出口被压缩。
图5示出了根据本发明的用于饮料制备模块中的隔膜泵的构型，示出了连接到泵入口的旁通阀的定位，该旁通阀被主动控制。
图6示出了当被动和主动操作旁通阀时，根据本发明的用于饮料制备模块中的隔膜泵中的通过连接到泵入口的旁通阀的作用的流速和压力变化的曲线图。
图7示出了根据本发明的用于饮料制备模块中的隔膜泵的构型，示出活塞下面的阻尼环。
图8示出了根据本发明的在用于饮料制备模块中的隔膜泵中，通过修改阻尼环的材料的刚度来表示流速和压力变化的曲线图。
图9示出了根据本发明的用于饮料制备模块中的隔膜泵的构型，其中旁通阀被主动控制。
具体实施方式
参见图1，其示出了根据本发明的一个实施方案的隔膜泵10，其适于用在饮料制备模块中。泵10为隔膜泵，有时也通过术语膜式泵指定。隔膜泵是包括具有至少一个柔性膜入口40的室的容积式泵。该膜入口40在由联接到马达16的偏心件70致动的活塞50的作用下是可变形的。膜入口40是柔性的，并且允许根据其位置增大或减小室的体积，因此允许在饮料制备期间控制由泵输送至饮料模块的流体的流速和压力。泵10还设置有出口止回阀60以防止液体的反向流动。
本发明领域涉及饮料制备机器，尤其是使用具有待制备饮料的配料的胶囊的机器。
出于本说明书的目的，“饮料”意在包括任一种可供人类食用的液体物质，诸如茶、咖啡、巧克力热饮或冷饮、奶、汤、婴孩食物等。“胶囊”意在包括置于封闭包装，尤其是气密包装内的任一种预先分份的饮料配料，诸如调味配料，所述封闭包装由任一种材料制成(例如塑料包装、铝包装、可回收包装和/或可生物降解包装)并可为任意形状和结构，包括容纳前述饮料配料的柔软荚包或刚性储盒。
膜入口40可由橡胶、热塑性塑料或特氟隆制成。室流体连接到泵入口12和至少泵出口11。泵入口12借助于软管或管状构件与液体供应装置流体连接：液体供应装置可为液体贮存器，该液体贮存器优选地以可分离的方式连接到设备。泵入口12包括旁通阀20，而泵出口11包括出口止回阀60。旁通阀20允许在饮料制备期间对输送至模块的流体的流速和压力进行进一步且精确的控制。
图2-4示出了根据本发明的隔膜泵10的操作，如将进一步对其描述。图2示出了称为启动准备的第一步骤，其中膜入口40被偏心件70推起以便最大程度移除截留在室中的空气：柔性膜入口40闭合泵入口12，同时泵出口11打开，从而允许净化来自室的空气。图3示出了操作的第二步骤，其中柔性膜入口40被偏心件70推下，从而在腔室中产生真空效应，从而允许流体通过泵入口12进入室；出口止回阀60被关闭，使得无流体可离开室并通过泵出口11排出。在图3中示出了第三阶段或步骤，示出了压力位置，其中柔性膜入口40被偏心件70再次推回，闭合泵入口12并且通过出口止回阀60压缩流体。上下移动的膜入口40完成若干个循环。
连接到泵入口12的旁通阀20是本发明的泵10中的主元件，其集成在泵的构造中并且不是现有技术中的外部，这将使得系统不那么紧凑并且需要附加的水连接器。本发明的泵10中的旁通阀20将泵出口11连接回泵入口12。阀20通常被构造为弹簧，其被特别设计成仅在高于特定压力值(如后文所述的阈值压力值P1)时让水流入泵室。当达到该压力时，阀20开始打开，致使通过泵出口11提供的流体的流速降低。
旁通阀20是本发明的泵构型中的关键元件，原因有两个：其允许在高于特定定义的压力水平时将流速降低，以获得更佳的杯中质量；极其重要的是在不损害压力的情况下降低流速，这可通过该旁通阀20完成。参见图6，当达到某个阈值压力值P1时，旁通阀20开始打开，因此流速下降。另外，阀20充当用于保护使用者的安全阀，因为其将室中的最大压力限制在特定定义的水平Pmax。
旁通阀20能够通过将泵出口11连接到泵入口12来调节压力值：阀被构造为具有弹簧，该弹簧被设计成仅在高于特定压力值P1时让流体流动。当达到该压力P1时，阀20开始打开，这致使通过泵出口11的流速降低，如图6的曲线图中所示。本发明的泵10中的旁通阀20的作用是允许在不损害压力的情况下降低流速(以在使流体穿过饮料配料时获得良好的饮料质量，通常为咖啡)，从而允许高杯中质量。此外，如图6的曲线图所示，旁通阀20允许安全地保护使用者，因为其将泵中允许的最大压力值限制为特定值Pmax。
本发明的泵10还包括布置在活塞50下方的阻尼环30(例如，参见图7)。阻尼环50是本发明的系统中的关键元件，原因有两个：a)确保所有气隙和死体积被适当地闭合以便确保正确的启动准备，以及b)修改并调节曲线流速和压力以根据要产生的饮料得到请求的规格，通常对于浓缩咖啡和卡布奇诺咖啡使用高压力值和低流速，并且较高的流速和较低的压力适于制备低压力高流量饮料，例如过滤式咖啡或巧克力。回到图8，其示出流速和压力的不同可能曲线，以根据要制备的不同饮料来选择：流速轴线(Y垂直轴线)中曲线的起点是固定的，并且根据阻尼环30的材料的刚度、软阻尼器Ds的较低起点、以及较硬阻尼器Dh的流速轴线上的较高起点。Y轴线(流速)中曲线的起点根据阻尼环30的刚度是固定的，压力轴线(X轴线)中曲线的终点根据旁通阀20的位置，即根据用于压力调节的开口水平。然而，图8中的曲线图仅示出了在特定阻尼器刚度的特定压力水平下结束的曲线，而未显示在偏离相同阻尼器刚度时压力轴线上的不同终点的变化。
图9也示出了本发明的隔膜泵的另一个实施方案。可手动操作旁通阀20，或者其可由额外的马达15自动操作(图9)。当旁通阀20的弹簧被机械致动器或马达(额外的马达15)主动控制时，可修改旁通阀20的特性并且可限定不同的压力设置(P1和Pmax)。这允许为任何产品提取特征提供非常广的自由度，例如低压冲煮。当在泵中执行特定操作(例如除垢)时，这也可用作低压力值(减小的Pmax)下的安全模式操作。回到图6，主动控制的旁通阀的曲线被表示为以较低的最大压力值结束：当由额外的马达15主动控制时，旁通阀20开始较早地打开。
通常，本发明的泵中的阻尼环30包括多个堆叠的弹性体材料层，这些层不需要是食物级，因为没有流体将流过它们。本发明的泵10中的柔性膜40可包括多个堆叠的弹性体材料层，然而，由于流体可与它们接触，它们需要为食品级。
根据第二方面，本发明涉及饮料制备模块，该饮料制备模块包括如前所述的隔膜泵10，并且被构造为由布置在容器中的饮料配料制备饮料。饮料制备模块通常被构造为咖啡机等，并且容器通常以胶囊的形式提供。饮料制备模块优选地包括被构造为在容器中的标识装置中检索信息的读取装置：这些标识装置通常包括具有饮料制备过程参数的信息。在饮料的制备期间，这些饮料制备过程参数优选地包括关于输送至饮料制备模块的流体的流速(F)和压力(P)的信息。此外，标识装置还通常包括关于旁通阀20的致动参数(其打开、闭合、打开程度等)和/或致动偏心件70的马达16的速度，并且该偏心件作用于柔性膜入口40，以调节输送至饮料制备模块的流体的流速(F)和压力(P)。
通常，在制造泵10时，马达16的标称速度在工厂中校准，以便根据泵环境(例如管道长度等)优化泵振动和总体泵性能。
虽然已参考本发明的优选实施方案描述了本发明，但本领域的技术人员可在不脱离所附权利要求书所限定的本发明范围的情况下作出许多变型和更改。

Claims (14)

1.用于饮料制备模块的隔膜泵(10)，
所述隔膜泵(10)以特定流速和特定压力向所述饮料制备模块输送流体，所述压力和所述流速根据要制备的饮料的类型来选择；
所述隔膜泵(10)包括集成的旁通阀(20)，所述旁通阀(20)将泵出口(11)连接到泵入口(12)，以便在高于特定压力值时将所述流速降低，所述隔膜泵(10)还包括阻尼环(30)，所述阻尼环(30)允许为启动准备好所述隔膜泵(10)中的内容积，并且允许通过改变环材料的刚度来修改所述隔膜泵的流率和压力行为。
2.根据权利要求1所述的隔膜泵(10)，其中所述旁通阀(20)为弹簧型，弹簧特性经选择以便仅在高于特定阈值压力值时，通过作用于弹簧压缩距离允许水流动。
3.根据权利要求2所述的隔膜泵(10)，其中当达到所述阈值压力值时，所述旁通阀(20)打开，这导致通过所述泵出口(11)的流速降低。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的隔膜泵(10)，其中所述旁通阀被构造为允许最大压力值作为安全值，高于所述安全值时，隔膜泵压力不能增大。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的隔膜泵(10)，其中所述旁通阀(20)由机械致动器或马达(15)主动操作，使得能够修改所述阀特性和压力设置。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的隔膜泵(10)，适于将至多600ml/min的所述流体输送至所述饮料制备模块。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的隔膜泵(10)，所述隔膜泵(10)被构造为在至多25bar的压力下将所述流体输送至所述模块。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的隔膜泵(10)，所述隔膜泵(10)被构造为在所述饮料制备的至少一个周期期间，在包含在4bar和25bar之间的压力下将80ml/min至500ml/min之间的所述流体输送至所述饮料制备模块。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的隔膜泵(10)，其中所述阻尼环(30)包括多个堆叠的弹性体材料层。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的隔膜泵(10)，还包括柔性膜(40)，所述柔性膜(40)被布置在所述泵入口(12)中并且被构造为吸收由所述旁通阀(20)的运动产生的振动和冲击。
11.根据权利要求10所述的隔膜泵(10)，其中所述柔性膜(40)包括多个堆叠的弹性体材料层。
12.饮料制备模块，所述饮料制备模块包括根据权利要求1至11中任一项所述的隔膜泵(10)，并且被构造为由布置在容器中的饮料配料制备饮料；
所述饮料制备模块包括读取装置，所述读取装置被构造为从所述容器中的具有饮料制备过程参数的标识装置检索信息。
13.根据权利要求12所述的饮料制备模块，其中所述饮料制备过程参数包括关于输送至所述饮料制备模块的所述流体的所述流速和所述压力的信息。
14.根据权利要求12或13所述的饮料制备模块，其中所述标识装置包括关于所述旁通阀(20)的致动参数和/或马达(16)的速度的信息，以调节输送至所述饮料制备模块的所述流体的所述流速和所述压力。
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