JP2020516046A - 流体の通電加熱のシステム及び方法 - Google Patents
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Abstract
Description
装置から漏れ電流が流出するのを阻止又は抑制するために、様々な方法が提案されている。例えば特許文献2には、装置の入口と出口に配置された接地電極が記載されている。これらの電極は、装置に流入する液体と装置から流出する液体とを確実に接地電位とすることで電気ショックを防ぐように電気的接地に接続されている。この方法の短所は、接地電流を確実に抑えるためにそれらの接地電極を加熱電極から十分に離して設置しなければならないという点である。電気的規則に確実に準拠するため、装置が大型化する。特許文献3では、電極の代わりに、出口チューブ及び入口チューブ(好ましくは、金属製)をアースストラップで電気的接地に接続することが提案されているが、同様の短所を有している。
流体の変質や電極の腐食を減らすため、特許文献4には、流体及び電極中の電流密度を適宜小さく抑えるということが提案されている。これは、加熱電極の導通面積を十分に広く維持することによって達成される。同特許には、電極間に印加される電圧を、電圧供給部と当該電極との間に配置されたトランスによって2倍に昇圧するという2つめのアプローチも記載されている。加わる電流は加熱電力と印加電圧との割合に比例することから、これにより、同じ倍率だけ電流密度が減少する。導通電極の面積を可能な限り広くするという要件は、比較的大型な装置に繋がる。記載のとおり電圧トランスを用いる場合には、大型で高価なトランスが必要となる。
加熱電力の制御、および流体の導電率のばらつきに対する対処は、ほぼ同じ方法で行われる。特許文献2及び特許文献5には、個別に通電されることで活性導通面積を制御することが可能な複数の電極を備えるという共通の概念が提案されている。活性導通面積を増やすことにより、低下した導電率を補償してこれまでと同じ加熱電力を維持したり、導電率が同じままの場合にはそれによって加熱電力を上げたりすることができる。逆に、活性導通面積を減らすことにより、増加した導電率を補償したり印加加熱電力を下げたりすることができる。
−前記流体を収容する少なくとも1つのチャンバと、
−少なくとも1つの電極をそれぞれ含む、少なくとも2つのユニットであって、前記少なくとも1つの電極の各々が、少なくとも1つのガルバニック絶縁手段と対応付けられている、少なくとも2つのユニットと、
を備え、前記2つのユニットの各々における前記電極が、前記チャンバにおいて互いに離間して配置されており、前記ガルバニック絶縁手段が、前記チャンバ外に配置されており、
−当該少なくとも2つの電極ユニットに電気的に接続された、少なくとも2つの電極ユニットを動作させる少なくとも1つの周波数インバータが設けられているシステムが提供される。
以下では、整流済みの商用電源電圧を供給電圧にして静電容量Cのコンデンサを用いた場合のシステムの機能について説明する。
以下で説明するように、整流済みの商用電源電圧を供給電圧にしてトランスを用いた場合にも、システムの機能は同様となる。実際に使用するトランスの挙動は、2つのインダクタL1,L2と理想トランスTとの等価回路(図2Hを参照のこと)によって完全に記述することができる。これらのコイルのインダクタンスは、そのトランスの構造及び形状により決まる。伝達比1:1であるとき、加熱性能は式(7)を用いて求めることができる。式中、Rは流体の抵抗である。
−ガルバニック絶縁にコンデンサが使われた場合には、当該コンデンサに少なくとも1つの誘導性素子(例えば、コイル、トランス等)が対応付けられているのが好ましい。
−ガルバニック絶縁にトランスが使われた場合には、追加のコンデンサおよび/または誘導コイルを直列接続又は並列接続で使用することによって伝達挙動を最適化するのが好ましい。
コンデンサによる結合は、インダクタンスLを有する複数のコイルを直列に接続して共振結合とすることによって拡張することができる。共振結合による変換後の加熱性能は、式(8)を用いて求めることができる。式中、Leq=2Lは直列に接続された2つのコイルの等価インダクタンス値であり、Ceq=C/2は直列に接続された2つのコンデンサの等価静電容量である。
トランスを用いた結合の場合にも、加熱性能に制限が生じる(式(7)を参照のこと)。伝達率を改善するには、インバータとトランスとの間に、静電容量CRを有する追加のコンデンサが、共振結合を形成するように直列で配置され得る。トランスの伝達比が1:1である場合、加熱性能は式(12)に従って求めることができる。
−少なくとも1つの電圧供給部によって電圧を前記少なくとも1つの周波数インバータに供給する過程と、
−前記少なくとも2つの電極−ガルバニック絶縁手段ユニットにおいて電圧の極性が交互に切り替わるように、前記少なくとも1つの周波数インバータを制御する過程と、
を備える、流体を通電加熱する方法で使用される。
本発明にかかる周波数インバータは、FET、例えばIGBT、その他などといった4つの電子スイッチ(S1,S2,S3,S4)を含むブリッジ回路で構成される(図3を参照のこと)。ブリッジ回路は、フルブリッジとしてもハーフブリッジとしても実現され得る。
最新のコーヒーマシンでは、必要な液体を加熱したりスチームを生成したりするのに様々な加熱メカニズムが利用されている。これらのメカニズムには、ガスボイラ、電気ボイラ、蒸気注入、異なる2つの温度の液体同士の混合などがある。
Claims (24)
- 流体を通電加熱するためのシステムであって、
−前記流体を収容する少なくとも1つのチャンバ(1)と、
−少なくとも1つの電極(4a,4b)をそれぞれ含む、少なくとも2つのユニット(6a,6b)であって、前記少なくとも1つの電極の各々が、少なくとも1つのガルバニック絶縁手段(5a,5b,5c)と対応付けられている、少なくとも2つのユニット(6a,6b)と、
を備え、前記2つのユニット(6a,6b)の各々における前記電極(4a,4b)が、前記チャンバ(1)において互いに離間して配置されており、前記ガルバニック絶縁手段(5a,5b,5c)が、前記チャンバ(1)外に配置されており、
−当該少なくとも2つの電極ユニット(6a,6b)に電気的に接続された、前記少なくとも2つの電極ユニット(6a,6b)を動作させる少なくとも1つの周波数インバータ(10)が設けられている、
システム。 - 請求項1に記載のシステムにおいて、前記少なくとも1つのガルバニック絶縁手段(5a,5b,5c)が、少なくとも1つのコンデンサ(5a,5b)または少なくとも1つの絶縁トランス(5c)であることを特徴とする、システム。
- 請求項2に記載のシステムにおいて、前記少なくとも1つのコンデンサ(5a,5b)が、安全コンデンサ(クラスX又はクラスYコンデンサとも称される)であることを特徴とする、システム。
- 請求項1から3のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記電極−ガルバニック絶縁手段ユニットのうちの一つ又は各々に、追加の素子が設けられていることを特徴とする、システム。
- 請求項4に記載のシステムにおいて、追加の素子として、少なくとも1つの追加のコンデンサが、好ましくは直列接続又は並列接続で、共振ネットワークを形成するように設けられていることを特徴とする、システム。
- 請求項4に記載のシステムにおいて、追加の素子として、少なくとも1つのコイルが、直列接続又は並列接続で、共振ネットワークを形成するように設けられていることを特徴とする、システム。
- 請求項4に記載のシステムにおいて、追加の素子として、スイッチング挙動を最適化するセンサが、受取り電力または前記流体の温度を測定するように設けられていることを特徴とする、システム。
- 請求項1から7のいずれか一項に記載のシステムにおいて、複数の電極対が設けられていることを特徴とする、システム。
- 請求項1から8のいずれか一項に記載のシステムにおいて、冷却ユニットが、当該加熱システムの効率を最大限に高めるように設けられていることを特徴とする、システム。
- 本発明にかかるシステムにおいて、前記少なくとも1つの周波数インバータ(10)が、少なくとも1つのブリッジ回路を有することを特徴とする、システム。
- 請求項1から10のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記少なくとも1つの周波数コンバータ(10)が、少なくとも2つのスイッチ(2)と少なくとも1つのセンタータップ(7)との少なくとも1つのスイッチング配置構成を含む、少なくとも1つのブリッジ回路を有しており、前記少なくともセンタータップ(7)が、少なくとも1つの電極−ガルバニック絶縁手段ユニット(6a,6b)に接続されていることを特徴とする、システム。
- 請求項11に記載のシステムにおいて、前記少なくとも1つのスイッチング配置構成が、特にはフルブリッジの場合に、少なくとも4つのスイッチ(2)を有することを特徴とする、システム。
- 請求項11または12に記載のシステムにおいて、前記スイッチング配置構成の電子スイッチ(2)のそれぞれが、少なくとも1つの制御ユニット(3)に接続されていることを特徴とする、システム。
- 請求項13に記載のシステムにおいて、前記少なくとも1つの制御ユニット(3)が、マイクロコントローラであることを特徴とする、システム。
- 請求項1から14のいずれか一項に記載のシステムにおいて、
前記少なくとも1つの周波数インバータ(10)のための少なくとも1つの電圧供給部(8)、
を備えることを特徴とする、システム。 - 請求項15に記載のシステムにおいて、前記少なくとも1つの電圧供給部(8)が、整流器(9)、特にはダイオード整流器を有することを特徴とする、システム。
- 請求項1から16のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記少なくとも1つのチャンバ(1)が、前記流体の少なくとも1つの入口と少なくとも1つの出口とをそれぞれ有する、収容体、容器、またはチューブであることを特徴とする、システム。
- 請求項1から17のいずれか一項に記載のシステムの、少なくとも1種の流体の通電加熱のための使用。
- 請求項1から17のいずれか一項に記載のシステムの電子部品のための冷却ユニットにおいて、加熱対象の流体が冷却流体として使用されることを特徴とする、冷却ユニット。
- 請求項1から17のいずれか一項に記載のシステムで流体を通電加熱する方法において、
−少なくとも1つの電圧供給部によって電圧を前記少なくとも1つの周波数インバータ(10)に供給する過程と、
−前記少なくとも2つの電極−ガルバニック絶縁手段ユニット(6a,6b)間で電圧の極性が交互に切り替わるように、前記少なくとも1つの周波数インバータを制御する過程と、
を備えることを特徴とする、方法。 - 請求項20に記載の方法において、50〜60Hzの周波数fnetを有する110〜240Vの整流された電圧Unetが、前記少なくとも1つの周波数インバータ(10)に印加されることを特徴とする、方法。
- 請求項20または21に記載の方法において、前記電圧の極性が、前記少なくとも1つの制御ユニット(3)により制御されることを特徴とする、方法。
- 請求項20から22のいずれか一項に記載の方法において、前記電圧の極性は、3MHz以下のパルス周波数が達成されるように制御されることを特徴とする、方法。
- 請求項20から23のいずれか一項に記載の方法において、パルス周波数が、加熱性能を制御するように継続的に調節されることを特徴とする、方法。
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