航空機用飲料製造機のための調節インライン水加熱システム

関連出願の相互参照 本出願は、その内容の全体が参照により組み込まれる2012年9月18日に提出され米国特許出願第61/702,602号、2012年10月10日に提出された米国特許出願第61/711,848号、および2013年9月11日に提出された米国特許出願第14/024,121号に基づき、優先権を主張するものである。

本発明は、飲料加熱システムに関し、より具体的には、コーヒー、茶、およびエスプレッソなどの調製に加熱された水を利用する航空機用飲料製造機のために設計された水加熱システムに関する。

民間航空機では、従来、コーヒーおよび茶などの温かい飲料が、その乗客に提供されている。この目的のために、民間航空会社のギャレーは、一般的に、コーヒー、エスプレッソ、カプチーノ、および茶などを調製するために使用され得る飲料製造機を含む。民間航空機内の多くの構成要素と同様に、このような飲料製造機は、小型かつ軽量でなければならず、さらに、ロバストな動作を実現しなければならない。飲料製造機の従来の設計において、水は、使用前は加熱タンクに蓄えられている。タンクは、水の全体量を所望の温度に加熱する。一旦加熱されると、水は、コーヒーまたは他の生成物を用いた浸出のために淹出バスケットに導かれる。米国特許第7,861,644号明細書は、航空機用淹出システムのための3つの加熱器システムを含む、飲料を淹出するための装置について記載している。この米国特許第7,861,644号明細書の特許では、このようなシステムにおいて一般的なように、各加熱器は、単相加熱素子である。この種のシステムにおいて、加熱器の1つが、水温を調整するために停止されるか、または故障すると、不平衡である電気負荷が発生する可能性があり、このことは、結果的に、大部分の民間航空機の電気的要件に違反する。

大部分の民間航空機は、三相電力システムを組み込んでいるため、このような航空機の電気器具は、三相電力の供給を利用するように設計されなければならない。三相電力は、同じ電圧の同等の単相システムに比べてより経済的でより信頼性が高いことから使用されている。三相システムでは、3つの回路導体が、同じ周波数だが、位相の異なる3つの交流を搬送するが、この場合、各電流は、他の2つの電流と異なる時間にそれぞれのピーク値に達するようになっている。三相設計の目的は、電気負荷が直線的に平衡である場合に相電流が互いに打ち消し合い、合計がゼロになることである。この結果、安定した電力伝達がもたらされ、これにより、発電機およびモータの振動が低減される。

米国特許第7,861,644号明細書

一般的に、各相電圧は、数ボルトしか異ならない。電圧が大きく異なる場合、過熱、損傷、モータの過度の応力および摩耗、ならびに接続された構成要素への損傷などのシステム問題をもたらし得る負荷不平衡が発生し得る。負荷不平衡の最も極端なケースは、位相が、完全に失われるか、または遮断される場合である。本発明は、相電圧の不平衡を回避するように設計されており、より安全でより信頼性の高い飲料加熱システムを提供する。

本発明は、インラインまたはタンク水加熱システムの複数の三相加熱器(特に、航空機用飲料製造機に適した)を有する水加熱システムである。このようなシステムにおいて、1つ以上の加熱器は、一般的なコーヒー淹出サイクル中(最後の3〜4分間)に水温の上昇および定常加熱を制御するためにスイッチオンまたはスイッチオフされてもよい。各加熱器は、三相回路を用いて構成されるため、加熱器が作動停止および再作動されるときに、平衡負荷を達成し、維持することができ、この結果、上述した短所が克服される。

本発明は、1つ以上の中間電力レベルに負荷を調整するコントローラを実現しながら、三相電力システムを用いて平衡負荷を維持する。したがって、本発明のシステムを組み込んだ装置は、特に、温かい飲料の製造機(民間航空機で使用されるものなど)の一部であるインラインまたはタンクタイプの水加熱システムに適している。本発明のシステムは、飲料淹出温度が安全かつ高信頼性の方法で達成され、維持されることを可能にする温度制御システムを採用している。ソフトウェアフィードバック制御が、温度上昇時間を最小限に抑え、一旦達した淹出温度を安定させるために水温を監視し、調整する。水温の不安定性を防止するために、1つ以上の加熱器の調節が、定常状態の温度を維持するために淹出温度に近づくようオンおよびオフされる(1つ以上の加熱器は、フィードバックループによって制御される)。各加熱器は、三相素子を用いて設計されていることから、すべての加熱器は、平衡負荷を維持しつつ調節され得るため、航空機の電気的要件が満たされる。結果として、より経済的でより安全な動作システムが実現される。

本発明の三相加熱器は、温度制御を最適化するために異なる電力定格を有してもよい。さらに、加熱器の数は、最大の柔軟性を可能にするために、複数の中間レベルに水温を調整するために変更されてもよい。

本発明の他の特徴および利点は、例として本発明の動作を示す、添付図面に関連した、好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明からより明らかとなる。

飲料淹出装置に組み込まれた三相加熱タンクである。

部分的に陰に隠れている、拡大された三相加熱タンクである。

三相加熱ユニットの概略図である。

飲料を加熱するための制御ループのフローチャートである。

図1は、本発明の水加熱ユニットを組み込んだ飲料淹出装置10を示している。飲料淹出装置10は、3つの加熱素子40を有するタンク30を取り囲むハウジング20を含む。タンク30は、水入口50および水出口60を含み、新しい水が、新しい水の供給部から入口50を経由してタンク30内に導入され、温水が、タンク30から出口60を介して圧送され、導管70を登り、ノズル90を介してコーヒー淹出バスケット80に送られる。温水は、コーヒー100が充填されたバスケット80に流入し、濾過されてデカンタ110に流れ込み、こうして、乗客に供され得るものとなる。

タンク30(図2)は、3つの加熱素子40を含み、3つの加熱素子40は、温度センサ120によって測定される水温を上昇させるために別々に動作する。3つの加熱素子は、それぞれ電気ケーブル130によりコネクタ150を介して電力システムに接続されている。電力システムは、淹出装置10の動作を制御する、回路基板160上のプロセッサによって制御される。

図3は、淹出または水加熱装置10に組み込まれ得るハウジング20に取り付けられる、3つで一組の三相カートリッジヒータ40を含む三相水加熱タンク30のための電気的接続を概略的に描いている。各加熱器40自体は、熱を発生させるために三相電力システムからの3つの交流のすべてを利用する三相加熱素子である。この実施形態において、1つの加熱器が無効になったとき、航空機の電気システムにかかる、電圧または電流の不平衡は発生しない。各加熱素子は、回路基板160上のプロセッサからの命令に基づいて回路を開閉することができるスイッチ180を含む。3つの電流源200a、200b、200cのそれぞれは、図3に示されているように3つの加熱素子40a、40b、40cのそれぞれに供給される。したがって、ある電流源が故障した場合、3つの加熱器40のそれぞれは、3つの電流源の代わりに2つの電流源だけで以前のように動作する。電流源の喪失によって不平衡は発生せず、加熱器には、電流が、残りの2つの電流源から等しく分配され続ける。文字A、B、およびCが、3つの位相を表している場合、図3において各加熱器は、単相の交流に接続されており、これにより、電気システムにわたって負荷の均等な分配がもたらされることが理解され得る。加熱器のいずれかが切り離された場合、3つの位相のそれぞれの負荷は、負荷の不平衡が回避されるように等しく減少する。負荷は、加熱器のそれぞれの作動および作動停止に応じて等しく増加および減少し、これにより、不平衡およびノイズがより少ないより安全なシステムがもたらされる。

このようにして、システムにおける過負荷が低減または除去される。したがって、本発明において、1つの加熱器が無効になったとき、航空機の電気システムにかかる、電圧または電流の不平衡は発生しない。反対に、従来技術の装置では、単一の加熱器が作動停止すると、重大な不平衡が、副作用として航空機に伝達され得る。後者の状況は、航空機の電気システムにとって有害である可能性があり、一方、前者は、安全性および経済性を促進する。

電圧は、プロセッサに従って加熱器に供給され、これにより、各加熱器は、別々に調整および作動され、この結果、加熱動作のより微妙な制御が可能となり得る。好ましい実施形態において、各加熱器は、異なる加熱能力(高温熱、中温熱、低温熱)を有する。このようにして、加熱は、より高度に制御することができ、この結果、システムが、より円滑でより効率的に動作することが可能となる。

図4は、プロセッサのロジックによって適用され得るような、加熱システムの制御に関するフローチャートを示しており、ここでは、加熱素子40のそれぞれは、異なる加熱能力を有する。これは、過熱を防止し、エネルギー消費の最も効率的な傾斜を用いる、加熱動作のより微妙な調整のために使用されてもよい。3つの加熱素子H1、H2、およびH3が存在すると仮定した場合、加熱動作300の開始時に、3つの加熱素子H1、H2、およびH3のそれぞれが、ステップ305において作動される。センサ120は、ステップ310において加熱器30内の水温を連続的に検知し、水温Tに対応する信号をプロセッサに送信する。ある温度点T1(例えば、ターゲット温度Tfの80%であってもよい)で、プロセッサは、ステップ320において水の加熱速度を遅くするために加熱素子H3を作動停止させる。他の2つの加熱器H1およびH2は、水を加熱し続け、これと並行して、センサ120は、温度を監視する。水温がT2(例えば、最終温度Tfの90%であってもよい)に達したら、プロセッサは、ステップ330においてH3を再作動させ、H2を作動停止させてもよい。同様に、水温がT3(最終温度の95%であってもよい)に達したら、プロセッサは、ステップ340において加熱能力が最大の加熱器H1を作動停止させる一方で、H2およびH3を再作動させてもよい。最後に、センサ120が、加熱器内の温度がTf以上になったと判定したら、すべての加熱器が作動停止される。このようにして、加熱動作のより微妙な制御が維持され、水が過度に加熱されないことから、エネルギーのより効率的な使用が行われる。

本発明は、インラインまたはタンク水加熱システム(特に、航空機用飲料製造機)において複数の三相加熱器を利用しており、この場合、1つ以上の加熱器は、コーヒー淹出サイクル中に(最後の3〜4分であってもよい)水温の上昇および淹出定常温度を制御するためにスイッチオンおよびスイッチオフされる。各加熱器は、それ自体三相回路を用いて構成されているため、平衡負荷が維持され、単相加熱が回避される。

本発明の特定の形態について示し、説明してきたが、様々な修正が、本発明の精神および範囲から逸脱することなくなされ得ることは、前述の内容から明らかである。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲による以外に、限定されることを意図されていない。