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TWI659719B - 用於飲料製備模組之薄膜泵 - Google Patents

用於飲料製備模組之薄膜泵 Download PDF

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TWI659719B
TWI659719B TW106145845A TW106145845A TWI659719B TW I659719 B TWI659719 B TW I659719B TW 106145845 A TW106145845 A TW 106145845A TW 106145845 A TW106145845 A TW 106145845A TW I659719 B TWI659719 B TW I659719B
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beverage preparation
pressure
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beverage
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Inventor
亞歷山卓 普格利斯
亞歷山卓 皮瑞特
Original Assignee
瑞士商耐斯泰克公司
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Abstract

本發明係關於一種用於一飲料製備模組之薄膜泵(10)，該薄膜泵以一特定流速(F)且以一特定壓力(P)遞送流體至該飲料製備模組：該壓力(P)及該流速(F)經取決於待製作飲料之類型選定。本發明之薄膜泵(10)包含一經整合之旁通閥(by-pass valve)(20)，其將一泵出口(11)連接至一泵入口(12)以在一特定壓力(P1)值之上減低該流速(F)。
本發明係進一步關於一種飲料製備模組，其包含如所描述者之一薄膜泵(10)且經組態以自配置於一容器中之一飲料成分製備一飲料：該飲料製備模組包含讀取構件，該讀取構件經組態以自該容器中之識別構件擷取具飲料製備程序參數之資訊。

Description

用於飲料製備模組之薄膜泵
本發明係關於一種用於以一特定壓力及流速遞送流體以製備飲料之一飲料製備模組中之薄膜泵，其提供高品質杯中物及廣泛之用途彈性。本發明進一步係關於一種包含此一泵之飲料製備模組。
本發明之領域涉及飲料製備機，具體而言係使用含待製備之飲料之一成分的膠囊。特定之飲料製備機使用含有待萃取或待溶解之成分的膠囊，且包含包括一液體(通常係水)泵之填充構件，該泵將該液體自一冷的或透過加熱構件(例如一熱塊體或類似者)加熱的水源泵送。
尤其在製備茶與咖啡的領域，已廣泛開發機器，其中將一含有飲料成分之膠囊插入一沖泡裝置中。該沖泡裝置在該膠囊周圍緊密閉合，於該膠囊之第一面處將水注入，於該膠囊之閉合體積中製作飲料，且可將一經沖泡之飲料自該膠囊之一第二面汲出並收集至一盛器(例如一杯)中。
一般而言，飲料製備機具有一主體，其經配置以將一流體傳遞至具有一膠囊穿刺器之一連接配置以連接一成分膠囊之一可移除的支撐件或持器，並在連接期間刺穿此一膠囊。液體經由該連接配 置傳遞至該經刺穿膠囊中以藉由將該液體與該膠囊中之該成分混合來形成飲料。WO2005/016093及EP 1 868 473中揭示此類飲料機之實例。
一般而言，飲料製備機之流體系統包含一活塞泵。此等流體系統經設計及最佳化以在一給定壓力下將一固定之液體流遞送至該膠囊中。流/壓力(flow/pressure)之配對經特別選定以適配機器經配置以製備之飲料的類型。在設計方面，該活塞泵之特性及效能係熟知的並僅適用於此限定領域：例如，用於以低壓力注入高流量液體來製備飲料。
一般而言，習用之低壓力機器之流體系統(例如一咖啡機)經配置以在包含介於0與5巴之間的壓力下遞送介於350與600mL/min之間的水。高壓力濃縮咖啡機之流體系統經配置以在包含介於15與25巴之間的壓力下遞送介於150與300mL/min之間的水。雖然活塞泵在傳統單系統飲料機(即，經調適以用相似流/壓力要求製備飲料之機器)中表現相當良好，其未經調適至經調適以用不同流/壓力要求製備不同飲料之多系統飲料機。
薄膜泵允許待遞送至一膠囊之流體取決於待製備之飲料之壓力及流速的良好調適。因此，使用一常見流體系統及一單一薄膜泵，可使用不同的流/壓力要求。此一解決方案係一具彈性且具成本效益之解決方案，允許微調製備程序以增進杯中飲料之品質。此外，該薄膜泵在整合至機器中方面允許較高的彈性，具體地歸功於以較大的 彈性置放該泵之入口及出口之可能性，及歸功於該泵腔室之長度相較於一活塞泵有所縮減。
本發明係關於：提供一經改良之薄膜泵以用於以一特定壓力及流速遞送流體之一飲料製備模組中；允許高品質杯中物(對於咖啡：好味道、香氣及浮沫(crema)，而對於溶解性產品：較佳的溶解)；在一經定義壓力之上減低流速以得到較佳品質之杯中物而不犧牲壓力值；以及同時藉由不增加所用部件之數量且不需額外之水連接器來嚴密維持成本。本發明之薄膜泵進一步允許適配所有飲料製備模組並允許取決於待製備飲料之類型調適流速及壓力值之一高彈性，一般使用高壓力值(包含介於12與25巴之間)及低流速(一般介於100與300mL/min之間)以製備濃縮咖啡及卡布奇諾咖啡(cappuccino)，該薄膜泵允許以包含介於0與3巴之間之一壓力遞送介於300與600mL/min之間之液體至模組，經調適以製備低壓力高流飲料，例如過濾咖啡或巧克力飲料。
根據一第一態樣，本發明係關於一種用於一飲料製備模組之薄膜泵，該薄膜泵以一特定流速(F)且以一特定壓力(P)將一流體遞送至該飲料製備模組，以使該壓力(P)及該流速(F)經取決於待製作飲料之類型選定：該薄膜泵包含一經整合之旁通閥(by-pass valve)，其將一泵出口連接至一泵入口以在一特定壓力(P1)值之上減低該流速(F)。
較佳地，根據本發明，該旁通閥係屬彈簧類型且該彈簧之特性經選定以藉由操控彈簧壓縮距離僅在一特定臨限壓力值(P1)之 上允許水流。一般而言，當達到該臨限壓力值(P1)時，該旁通閥開啟，此致使透過該泵出口之一流速減低。
在本發明之薄膜泵中，該旁通閥一般經組態以允許一最大壓力值(Pmax)作為一安全值，泵壓力無法增加至此安全值之上。
根據一可能的實施例，該旁通閥可由一機械致動器或由一馬達主動操作，以使該閥之特性及壓力設定可修改。
較佳地，本發明之薄膜泵經調適以遞送至多600mL/min之該流體至該飲料製備模組並經一般組態以以至多25巴之一壓力將該流體遞送至該模組。
一般而言，本發明之薄膜泵經組態以在至少一段飲料製備時間期間在包含介於4與25巴之間的一壓力下遞送介於80與500mL/min之間的該流體至該飲料製備模組。
根據本發明，該薄膜泵一般進一步包含一擋環，其允許該泵中之內部容量之起動注給(priming)並藉由修改該環材料之剛度允許該泵之流速(F)及壓力(P)行為的修改。
較佳地，該擋環包含多個彈性體材料之堆疊層。
本發明之薄膜泵一般進一步包含一撓性薄膜，該撓性薄膜經配置於該泵入口且經組態以吸收由該旁通閥之移動產生之振動及衝擊。
較佳地，本發明之泵中之撓性薄膜包含多個彈性體材料之堆疊層。
根據一第二態樣，本發明係關於一種飲料製備模組，其包含如所描述者之一薄膜泵且經組態以自配置於一容器中之一飲料成分製備一飲料：該飲料製備模組包含讀取構件，該讀取構件經組態以自該容器中之識別構件擷取具飲料製備程序參數之資訊。
該等飲料製備程序參數較佳地包含關於經遞送至該飲料製備模組之流體的流速(F)及壓力(P)之資訊。
在本發明之飲料製備模組中，該識別構件一般包含關於該旁通閥之致動參數、及/或調節遞送至該飲料製備模組之該流體之該流速(F)及壓力(P)之一馬達之速度的資訊。
10‧‧‧薄膜泵
11‧‧‧泵出口
12‧‧‧泵入口
15‧‧‧額外馬達
16‧‧‧馬達
20‧‧‧旁通閥
30‧‧‧擋環
40‧‧‧撓性薄膜
50‧‧‧活塞
60‧‧‧出口止回閥
70‧‧‧偏心器
具有通常知識者在結合隨附圖式來閱讀下文之本發明之非限制性實施例的詳細說明時，本發明之優點、及目的將為顯而易見的，其中：
圖1圖示根據本發明用於一飲料製備模組中之一薄膜泵之組態。
圖2圖示根據本發明用於一飲料製備模組中之一薄膜泵之泵之作用的一起動注給步驟。
圖3圖示根據本發明用於一飲料製備模組中之一薄膜泵之泵之作用的一步驟，其中允許該流體透過泵入口進入。
圖4圖示根據本發明用於一飲料製備模組中之一薄膜泵之泵之作用的一壓力步驟，其中透過該泵出口壓縮該流體。
圖5圖示根據本發明用於一飲料製備模組中之一薄膜泵的組態，其表示連接至該泵入口之一旁通閥之定位，該旁通閥經主動控制。
圖6圖示一圖表，其表示當一旁通閥在被動及主動操作時之動作之流速及壓力變異，該旁通閥在根據本發明用於一飲料製備模組中之一薄膜泵中連接至該泵入口。
圖7圖示根據本發明用於一飲料製備模組中之一薄膜泵之組態，其表示於一活塞下方之一擋環。
圖8圖示一圖表，其表示修改根據本發明用於一飲料製備模組中之一薄膜泵中之擋環材料之剛度之流速及壓力變異。
圖9圖示根據本發明用於一飲料製備模組中之一薄膜泵之組態，該旁通閥經主動控制。
請看圖1，其表示根據本發明之一實施例的一薄膜泵10，其經調適以用於飲料製備模組中。泵10係一薄膜泵，有時亦以用語「隔膜泵(diaphragm pump)」標明。薄膜泵係一正位移泵，其包含具至少一撓性薄膜40之一腔室。此撓性薄膜40可在一活塞50由耦合至一馬達16之一偏心器70所致動之動作下變形。撓性薄膜40係可撓的且允許腔室之體積取決於其位置增加或減少，因而允許在飲料製備期間控制由泵遞送至飲料模組之流體的流速及壓力。泵10進一步具備一出口止回閥60，其預防流體之回流。
本發明之領域涉及飲料製備機，具體而言係使用含待製備之飲料之一成分的膠囊。
為了本說明書之用途，一「飲料(beverage)」旨在包括任何人類可消耗之液體物質，例如茶、咖啡、冷或熱巧克力、牛奶、湯、嬰兒食品等。一「膠囊(capsule)」旨在包括任何預先份量化之在任何材料、任何形狀及結構(包括含有成分之軟莢或硬匣)之一密封包裝、具體而言一氣密包裝(例如，塑膠、鋁、可回收及/或生物可分解包裝)內的飲料成分(例如一調味成分)。
撓性薄膜40可由橡膠、熱塑性塑膠、或聚四氟乙烯製成。腔室係與一泵入口12及至少一泵出口11流體連接。泵入口12藉由一軟管或管狀構件與一液體供應器流體連通：該液體供應器可係一液體貯器，其較佳係以一可分離之方式連接至該裝置。泵入口12包含一旁通閥20，而泵出口11包含一出口止回閥60。旁通閥20允許進一步且精確地控制在飲料製備期間遞送至模組之流體的流速及壓力。
圖2至圖4圖示根據本發明之一薄膜泵10的操作，如將進一步描述者。圖2圖示稱為起動注給之一第一步驟，其中偏心器70將撓性薄膜40上推以盡可能將困在腔室中之空氣移除：撓性薄膜40閉合泵入口12，而泵出口11則開啟以允許將空氣自腔室排出。圖3圖示一第二操作步驟，其中偏心器70將撓性薄膜40下推，於腔室中產生一真空效應，允許流體透過泵入口12進入腔室；出口止回閥60閉合使流體不能離開腔室而透過泵出口11溢出。圖3表示一第三階段或步驟，其圖示一壓力位置，其中偏心器70再度將撓性薄膜40 往上回推，閉合泵入口12並透過出口止回閥60壓縮流體。撓性薄膜40上下移動完成數個循環。
連接至泵入口12之旁通閥20係本發明之泵10中的主要元件，其整合於該泵之組態中，而非如先前技術中處於外部，此會使系統較不精巧且需要額外的水連接器。本發明之泵10中的旁通閥20將泵出口11連接回泵入口12。閥20一般經組態為一彈簧，經特殊設計以讓水僅在一特定壓力值(如稍後所解釋之臨限壓力值P1)以上流入泵腔室。當到達此壓力時，閥20開始開啟，致使透過泵出口11提供之流體之流速減低。
旁通閥20係本發明之泵組態中的一關鍵元件，有兩個原因：其允許在一特定經定義壓力位準之上減低流速以得到一較佳之杯中物品質；減低流速而不犧牲壓力(其以此旁通閥20進行係可行的)是極其重要的。請看圖6，當達到一特定臨限壓力值P1時，旁通閥20開始開啟，且因此流速下降。另，閥20作用為一安全閥，因其將腔室中之最大壓力限制於一特定經定義位準Pmax而保護使用者。
旁通閥20能夠藉由將泵出口11連接至泵入口12來調節壓力值：該閥經組態而具有經設計以讓流體只在一特定壓力值P1以上流動之一彈簧。當達到此壓力P1時，閥20開始開啟，此致使透過泵出口11之流速減低，如可見於圖6之圖表中者。本發明之泵10中之旁通閥20所做的是允許減低流速(以在使流體行進穿過飲料成分時獲得通常係咖啡之飲料的良好品質)而不犧牲壓力，從而允許高品質 杯中物。此外，如圖6之圖表中所表示者，旁通閥20因將泵中允許之最大壓力值限制至一具體值Pmax而允許安全地保護使用者。
本發明之泵10進一步包含經配置於活塞50下方之一擋環30(例如見圖7)。擋環50係本發明之系統中的一關鍵元件，有兩個原因：a)以確保所有氣隙及無效體積(dead volume)均閉合妥當以確保一妥當的起動注給，以及b)以取決於待製作之飲料修改及調整流速及壓力之曲線以得到所要求之規格，一般使用高壓力值及低流速於濃縮咖啡及卡布奇諾咖啡，及以經調適之較高流速及較低壓力製備低壓力高流飲料，例如過濾咖啡或巧克力飲料。回到圖8，其圖示不同之流速及壓力之可能的曲線，以取決於待製備之不同飲料而選定：流速軸(Y垂直軸)中之曲線之起點係固定且取決於擋環30之材料的剛度，在流速軸上一軟的擋件Ds之起點較低而一較硬擋件Dh之起點較高。Y軸(流速)中之曲線的起點係取決於擋環30之剛度而固定，壓力軸(X軸)中之曲線的終點取決於旁通閥20之位置，即，取決於其用於壓力調節之開啟位準。然而，圖8中之圖表僅圖示一具體擋件剛度之終止於一特定壓力位準之曲線，而非當脫離一相同擋件剛度時在壓力軸中不同終點之變異。
圖9圖示本發明之薄膜泵之又另一實施例。旁通閥20可手動操作，或其可由一額外馬達15(圖9)自動操作。當旁通閥20之彈簧由一機械致動器或一馬達(額外馬達15)主動控制時，旁通閥20之特性可修改且可定義不同之壓力設定(P1及Pmax)。此允許為任何產品(例如低壓力沖泡)之萃取概貌提供一非常廣泛之自由度。此 亦可作為在於泵中執行特定操作(例如除垢)時之於低壓力值(經減低Pmax)之一安全模式操作。回到圖6，經主動控制之旁通閥的曲線表示終止於一較低最大壓力值：當旁通閥20由一額外馬達15主動控制時會較早開啟。
一般而言，本發明之泵中之擋環30包含多個彈性體材料之堆疊層，其等不需是食品級，因為不會有流體流經其間。本發明之泵10中之撓性薄膜40可包含多個彈性體材料之堆疊層，然而其等需是食品級，因為流體可能與其等接觸。
根據一第二態樣，本發明係關於一種飲料製備模組，其包含作為前述之一者之一薄膜泵10且經組態以自配置於一容器中之一飲料成分製備一飲料。該飲料製備模組一般經組態成一咖啡機或類似者，且該容器一般係以一膠囊提供。該飲料製備模組較佳地包含讀取構件，該讀取構件經組態以於該容器中之識別構件擷取資訊：此等識別構件一般包含具飲料製備程序參數之資訊。此等飲料製備程序參數較佳地包含關於在一飲料製備期間遞送至該飲料製備模組之流體的流速(F)及壓力(P)之資訊。再者，識別構件一般亦包含關於旁通閥(20)之致動參數(其開啟、閉合、開啟之程度等)、及/或致動偏心器70(此作用於撓性薄膜40上)之馬達(16)之速度的資訊，以調節遞送至飲料製備模組之流體的流速(F)及壓力(P)。
一般而言，在生產泵10時，馬達16之標稱速度在工廠中經校準以根據泵之環境(例如管之長度等)將泵振動及整體泵效能最佳化。
儘管已參考較佳實施例來說明本發明，然所屬領域中具有通常知識者可實施眾多修改及變更，而不致脫離隨附申請專利範圍所定義之本發明範疇。

Claims (15)

  1. 一種用於飲料製備模組之薄膜泵(10)：其以一特定流速(F)且以一特定壓力(P)遞送流體至該飲料製備模組，該壓力(P)及該流速(F)經取決於待製作飲料之類型選定；該薄膜泵(10)包含一經整合之旁通閥(by-pass valve)(20)，其將一泵出口(11)連接至一泵入口(12)以在一特定壓力(P1)值之上減低該流速(F)。
  2. 如請求項1之薄膜泵(10)，其中該旁通閥(20)係屬彈簧類型，該彈簧之特性經選定以藉由操控彈簧壓縮距離僅在一特定臨限壓力值(P1)之上允許水流。
  3. 如請求項2之薄膜泵(10)，其中當達到該臨限壓力值(P1)時，該旁通閥(20)打開，此致使透過該泵出口(11)之一流速減低。
  4. 如請求項1至3中任一項之薄膜泵(10)，其中該旁通閥經組態以允許一最大壓力值(Pmax)作為一安全值，泵壓力無法增加至此安全值之上。
  5. 如請求項1至3中任一項之薄膜泵(10)，其中該旁通閥(20)係由一機械致動器或一馬達(15)主動操作，以使該閥之特性及壓力設定可修改。
  6. 如請求項1至3中任一項之薄膜泵(10)，其經調適以遞送至多600mL/min之該流體至該飲料製備模組。
  7. 如請求項1至3中任一項之薄膜泵(10)，其中該薄膜泵經組態以以至多25巴之一壓力遞送該流體至該飲料製備模組。
  8. 如請求項1至3中任一項之薄膜泵(10)，其經組態以在至少一段飲料製備時間期間在包含介於4與25巴之間的一壓力下遞送介於80與500mL/min之間的該流體至該飲料製備模組。
  9. 如請求項1至3中任一項之薄膜泵(10)，其進一步包含一擋環(30)，其允許該泵(10)中之內部容量之起動注給(priming)並藉由修改該環材料之剛度允許該泵之流速(F)及壓力(P)行為的修改。
  10. 如請求項9之薄膜泵(10)，其中該擋環(30)包含多個彈性體材料之堆疊層。
  11. 如請求項1至3中任一項之薄膜泵(10)，其進一步包含一撓性薄膜(40)，其經配置於泵入口(12)中且經組態以吸收由該旁通閥(20)之移動產生之振動及衝擊。
  12. 如請求項11之薄膜泵(10)，其中該撓性薄膜(40)包含多個彈性體材料之堆疊層。
  13. 一種飲料製備模組，其包含如前述請求項中任一項之一薄膜泵(10)，且該飲料製備模組經組態以自配置於一容器中之一飲料成分製備一飲料；該飲料製備模組包含讀取構件，該讀取構件經組態以自該容器中之識別構件擷取具飲料製備程序參數之資訊。
  14. 如請求項13之飲料製備模組，其中該等飲料製備程序參數包含關於經遞送至該飲料製備模組之流體的流速(F)及壓力(P)之資訊。
  15. 如請求項13至14中任一項之飲料製備模組，其中該識別構件包含關於該旁通閥(20)之致動參數、及/或調節遞送至該飲料製備模組之該流體之該流速(F)及壓力(P)之一馬達(16)之速度的資訊。
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