Pompe volumétrique chauffante pour liquides

Domaine technique

[0001] La présente invention concerne une pompe à liquide volumétrique incluant un corps de chauffe. Une application particulière de cette pompe concerne le chauffage à une température donnée d'une dose précise de liquide, par exemple dans un distributeur de boissons chaudes.

Etat de la technique

[0002] On connaît de nombreux exemples de pompes à liquide fonctionnant selon différents principes. Il existe par ailleurs différents types de dispositifs de chauffage d'eau. De nombreuses machines à café emploient un réservoir dans laquelle l'eau est préchauffée avant d'être pompée à travers la poudre de café puis versée dans les tasses. Ces dispositifs nécessitent de préchauffer un volume d'eau plus important que celui qui sera finalement utilisé, ce qui occasionne un gaspillage énergétique. Lorsqu'inversement on a besoin d'un volume de café supérieur à la contenance du réservoir, il est nécessaire d'attendre après le remplissage que l'eau nouvellement introduite ait été chauffée.

[0003]On connaît par ailleurs des dispositifs de chauffage de liquide en continu dans lesquels l'eau est chauffée lors de son passage dans un tube ou un tuyau. De tels dispositifs sont décrits par exemple dans la demande de brevet EP-A1 -1380243 (Nestec SA) qui illustre un module de chauffage de liquide comportant un tube creux revêtu d'au moins deux résistances chauffantes, par exemple des fils ou des encres conductrices déposées sur un substrat. Une solution similaire est aussi décrite dans EP-A1 -1097663.

[0004] Les solutions de l'art antérieur nécessitent en général une pompe pour faire circuler l'eau dans un tube chauffant ou un thermobloc, et un

débitmètre pour contrôler la quantité d'eau fournie. Le dispositif complet comporte donc de nombreuses pièces discrètes distinctes, complexes à combiner, et dont l'assemblage nécessite un volume important. Par ailleurs, la température de l'eau dépend à la fois du courant électrique dans le module de chauffage et du débit de l'eau dans le tube, ce qui nécessite une régulation assez complexe.

[0005] La demande de brevet FR2780262 décrit une machine à café comportant une pompe à piston creux animé par un moteur électromagnétique. Le piston creux traversé par le liquide est difficile à nettoyer ; en outre, il ne permet pas de déplacer un volume d'eau constant à chaque actionnement. Un débitmètre est donc requis, formé dans ce cas d'une roue folle à ailettes mise en rotation par le flux de liquide.

[0006] Des autres exemples de distributeur de boisson chaude comportant une pompe à piston sont décrits dans les brevets US2654505 et FR2012636

[0007] La demande de brevet EP-A1 -496939 décrit une autre pompe pour machine à café comportant un piston coulissant dans un cylindre actionné par un moteur et un actuateur. La course du piston, qui détermine le volume de liquide aspiré puis rejeté dans le cylindre, est contrôlée à l'aide de micro-connecteurs ou d'un encodeur connectés au moteur. Les signaux des microswitches ou de l'encodeur sont traités par une électronique qui génère des signaux de commande pour le moteur. Le volume d'eau dans le cylindre est chauffé à l'aide d'un fil résistif bobiné autour de la surface externe du cylindre et parcouru par un courant électrique.

[0008]Cet arrangement permet de chauffer le liquide directement à l'intérieur de la pompe, de sorte qu'un tube chauffant additionnel n'est pas requis. Par ailleurs, l'usage d'une pompe à piston permet de contrôler facilement le volume de liquide aspiré, simplement en modifiant la course du piston. Toutefois, le temps nécessaire à l'obtention d'une tasse de café chaud est important, pour plusieurs raisons :

[0009]Tout d'abord, le tube est chauffé à l'aide d'un fil discret enroulé autour du cylindre. Seule une partie de la chaleur émise par le fil est transmise au cylindre puis au liquide ; le reste est dissipé dans l'air. La résistance thermique entre le fil et le cylindre est en effet importante, à moins que des mesures coûteuses, par exemple l'utilisation d'une pâte conductrice électriquement, ne soient mises en œuvre.

[0010]D'autre part, le chauffage du cylindre commence uniquement lorsque celui-ci est plein de liquide. L'inertie thermique importante du fil chauffant et du cylindre ralentit la transmission de chaleur et augmente le temps nécessaire au chauffage du volume de liquide aspiré. Cette inertie rend en outre difficile le maintien précis d'une température du liquide constante ; le temps de réaction du système est trop important, notamment lorsque les conditions externes changent, par exemple lors de l'évacuation du liquide. Par ailleurs, en raison de l'inertie thermique importante et de la résistance thermique entre le fil et le cylindre, le système reste chaud pendant une durée relativement importante même lorsque le courant électrique est interrompu.

[0011] Enfin, la chaleur de la résistance est transmise sur toute la longueur du cylindre, même lorsqu'une faible quantité de liquide doit être chauffée pour un espresso par exemple. Les spires de la résistance au-dessus du- piston, dans la zone vide de liquide, fournissent une chaleur qui n'est guère utilisée et qui est transmise à l'environnement en pure perte. Si le gaspillage de courant électrique qui en résulte peut à la rigueur être toléré dans une installation alimentée par le courant électrique du réseau, il n'en va pas de même dans le cas d'une machine destinée à être alimentée par une source de courant autonome, par exemple une batterie automobile.

Bref résumé de l'invention

[0012] Un but de la présente invention est de proposer une pompe à liquide exempte des limitations des pompes décrites dans les documents mentionnés ci-dessus. En particulier, un but est de proposer une pompe

permettant de transférer et de chauffer rapidement un volume contrôlé de liquide, à l'aide d'un dispositif compact et facile à fabriquer et à assembler.

[0013] II a été découvert dans le cadre de cette invention que la qualité d'un café dépend fortement de la température de l'eau traversant la poudre ; une température précisément contrôlée et constante tout au long de l'écoulement au travers de la poudre permet d'améliorer considérablement la qualité du café obtenu. En effet, une température trop basse ne permet pas à l'eau d'emporter tous les arômes du café, tandis qu'une température trop élevée brûle certains arômes, ou produit même des bulles de vapeur qui traversent simplement la poudre de café sans en prendre le goût. Un autre but de l'invention est donc de proposer un dispositif permettant de délivrer un volume d'eau contrôlé, à une vitesse d'écoulement contrôlée, et avec une température constante tout au long de l'écoulement.

[0014]Selon l'invention, ces buts sont atteints notamment au moyen d'une pompe à liquide comportant les caractéristiques de la revendication principale, et à l'aide d'un procédé comportant les caractéristiques de la revendication indépendante de procédé. Des formes d'exécution préférentielles mais non essentielles sont indiquées dans les revendications dépendantes et dans la description.

Brève description des figures

[0015] Des exemples de mise en œuvre de l'invention sont indiqués dans la description illustrée par les figures annexées dans lesquelles :

[0016]La figure 1 illustre une vue en perspective d'une pompe selon l'invention.

[0017] La figure 2 illustre une vue en coupe d'une pompe selon l'invention, représentée sans l'élément moteur.

[0018]La figure 3 est un schéma-bloc du système.

Exemple(s) de mode de réalisation de l'invention

[0019] Un exemple de pompe selon l'invention est illustré sur la figure 1. La pompe comporte un cylindre 2 de section cylindrique dans cet exemple non limitatif. Un piston 3 peut coulisser à l'intérieur du cylindre, en étant mu par un élément moteur 3. Un liquide provenant d'un réservoir non représenté ou d'une source de liquide non représentée peut pénétrer dans le volume interne du cylindre par une soupape d'admission 4, ou être éjecté hors de ce volume par une soupape d'expulsion 5. Les soupapes 4 et 5 peuvent être commandées électromécaniquement par des actuateurs, mécaniquement par les mouvements du piston, ou ouvertes et fermées automatiquement en fonction des différences de pression entre l'intérieur et l'extérieur du cylindre.

[002O]Le moteur 1 est de préférence un vérin linéaire électrique capable de se déplacer alternativement dans un sens puis dans l'autre lorsqu'un courant électrique lui est fourni. Selon une caractéristique préférentielle de l'invention, le moteur peut être alimenté en 12 ou en 24 volts, ou à une tension inférieure, ce qui permet de l'utiliser dans une automobile avec le courant produit par une batterie. D'autres sources de tension continues ou alternatives sont également envisageables dans le cadre de l'invention. Des moteurs rotatifs avec un système de vis sans fin, de came, de bielle ou de courroie crantée, pour convertir la rotation en une translation, ou des vérins pneumatiques, peuvent aussi être employés.

[0021] Dans un mode de réalisation préférentiel, la course du piston peut être contrôlée afin de varier la quantité de liquide aspirée par la soupape 4 puis expulsée via la soupape 5. La course est de préférence contrôlée par un microcontrôleur en modifiant la durée d'alimentation du moteur 1. La commande peut être effectuée en circuit ouvert, c'est-à-dire en appliquant une durée d'impulsion qui dépend uniquement de la valeur de consigne choisie pour la course et le volume, ou de préférence en circuit fermé avec

une boucle de contre-réaction prenant en compte une valeur de mesure fournie par un capteur de position 6. Le capteur de position peut comporter par exemple un ou plusieurs capteurs de hall, ou un encodeur, lié à l'arbre mobile du moteur 1.

[0022] Le piston comporte une tête de piston munie dans cet exemple de deux joints périphériques 30, 31 engagés chacun dans une gorge annulaire à la périphérie de la tête de piston. Les joints 30, 31 sont par exemple des joints o-ring et sont légèrement comprimés contre la face interne du cylindre. Un lubrifiant 32, par exemple une graisse compatible alimentaire, est emprisonnée entre les deux joints, la surface externe du piston et la face interne du cylindre afin de lubrifier le piston et de faciliter ses déplacements.

[0023] Le cylindre est de préférence réalisé en métal, par exemple en acier inoxydable ou dans un autre matériau bon conducteur thermique. Ses faces externes sont au moins partiellement recouvertes de pistes électriques 70, 71, .. faisant partie d'un circuit électrique de chauffage 7 ; les pistes ont une résistance électrique qui permet de produire de la chaleur lorsqu'un courant les traverse. Dans un mode de réalisation préférentiel, les pistes 70, 71 sont constituées d'encre conductrice électriquement déposée en couches fines par sérigraphie ou par un autre procédé d'impression sur la surface externe 20 du cylindre 2. En effet, il a été constaté de manière surprenante que ce procédé permet d'imprimer des couches suffisamment épaisses et résistantes pour ne pas être détruites par les courants importants nécessaires au chauffage de l'eau - même si la tension d'alimentation est réduite, par exemple 12V ou 24V continu.

[0024] Le circuit électrique constitué par les pistes comporte de préférence plusieurs branches 70, resp. 71 connectées en parallèle, ce qui permet de réduire le courant dans chaque branche. Des interrupteurs électriques 72 resp. 73, par exemple des transistors, des circuits intégrés ou des relais, permettent de modifier la configuration du circuit et de contrôler les branches qui sont alimentées en courant et qui contribuent au chauffage

du cylindre et du liquide dans le cylindre. Ces interrupteurs peuvent être prévus sur la surface du cylindre, ou plus facilement dans le circuit électronique qui fournit le courant aux différentes branches du circuit.

[0025] Dans un mode de réalisation préférentiel, le circuit électrique de chauffage 7 comporte au moins deux branches 70, 71 qui occupent ou recouvrent des portions longitudinales distinctes du cylindre. Il est ainsi possible de choisir la portion longitudinale du cylindre qui est chauffée en chaque instant en sélectionnant les branches 70 ou 70+71 alimentées en courant. On alimentera donc un nombre de branches qui dépend de la quantité de volume à chauffer, de manière à éviter de larges portions du cylindre au-dessus de la limite de course supérieure du piston. Dans un exemple, seule la moitié inférieure du cylindre est chauffée avec la branche 70 lorsqu'un souhaite produite un demi-volume de cylindre d'eau chaude. Le nombre de pistes de chauffage 70, 71 peut être supérieur à deux.

[0026] Le choix du nombre de branches alimentées en courant peut aussi dépendre de la température du liquide souhaitée. De manière générale, la puissance de chauffe, et donc le temps nécessaire à l'obtention d'une température de liquide donnée, peut être contrôlé en agissant sur un ou plusieurs des paramètres suivants :

- Nombre de branches 70, 71 du circuit alimentées en courant

• Connexion des branches entre elles (série, parallèle, etc)

• Durée du courant dans les différentes branches 70, 71. Il est possible d'alimenter certaines branches plus longtemps, ou différemment, que d'autres.

- Intensité du courant dans chaque branche, ou modulation de cette intensité en fonction du temps.

[0027] Le choix du ou des paramètres ci-dessus dépend du volume de liquide à chauffer et de la température de consigne introduite avec un circuit de commande 12, et éventuellement de la température initiale du cylindre si elle est connue. Un capteur de température 11 peut en outre être utilisé pour mesurer la température du liquide ou d'une pièce en contact avec le liquide, afin d'interrompre ou de modifier le courant électrique en fonction de la température mesurée.

[0028] Les différentes branches du circuit 70, 71 n'ont pas nécessairement toutes la même longueur, la même épaisseur, la même largeur et/ou la même résistance électrique.

[0029]Dans un mode de réalisation avantageux, la pression du liquide éjecté hors du cylindre est également contrôlée à l'aide d'une boucle de réaction, afin d'employer une pression du liquide à travers la poudre de boisson adaptée au type de boisson désiré. La pression du liquide influence en effet directement la qualité du café ou de la boisson. Dans ce but, le dispositif de l'invention comporte avantageusement un détecteur de pression en aval du cylindre, fournissant une valeur de mesure utilisée par un circuit de régulation pour contrôler le courant appliqué au système de translation du piston et obtenir ainsi une pression de liquide constante au cours de l'évacuation et proche de la valeur de consigne dépendant de la boisson désirée.

[0030] L'élément chauffant à couches minces peut être remplacé par une résistance de type Egotherm (marque déposée), ou d'autres systèmes de chauffage similaires comportant des éléments chauffants enroulés et soudés autour de la surface externe d'un cylindre. Dans une variante, l'élément chauffant est remplacé ou complété par un élément refroidissant, par exemple de type Peltier, afin d'abaisser la température d'un liquide qui entre préchauffé dans la pompe.

[0031] Le dispositif décrit ci-dessus peut en outre être modifié en utilisant deux pistons ou plus travaillant avantageusement de façon déphasée pour

transférer et chauffer plusieurs fois des quantités de liquide contrôlées. Cela permet de fournir un liquide chaud en continu, sans point mort lors du remplissage du piston. Par ailleurs, en modifiant le nombre de pistons effectivement utilisés, on peut contrôler le volume de liquide chauffé et transféré. Le nombre de pistons utilisés peut être modifié à l'aide de commandes numériques pour contrôler les soupapes qui doivent être ouvertes ou fermées lors de chaque cycle, et éventuellement les pistons qui doivent être déplacés. Les différents pistons peuvent être entraînés par le même moteur ou vérin, ou par des vérins individuels. Il est également possible d'employer des pistons à double effet, qui aspire et refoule le liquide en continu afin de réduire le temps de tirage.

[0032]Nous allons maintenant décrire le procédé mis en œuvre pour produire une quantité désirée de liquide chaud. Dans une première étape, au moins un interrupteur électrique (par exemple 72 ou 72+73) est ouvert afin de faire circuler un courant électrique dans une des pistes conductrices 70, 71 sur la surface externe 20 du cylindre, de manière à préchauffer ce cylindre. La chaleur produite par les couches minces résistives est immédiatement transmise à la portion correspondante des parois du cylindre 2. Simultanément, ou peu de temps avant ou après, la soupape d'admission 4 est ouverte tandis que la soupape d'expulsion 5 est fermée, par exemple de manière électromécanique sous le contrôle d'un circuit électronique de commande, ou de façon mécanique, par exemple à l'aide de ressorts.

[0033] Le piston 3 est ensuite relevé sous l'action du moteur 1, de manière à aspirer le liquide à l'intérieur du cylindre 2 et au travers de la soupape d'admission 4. Le chauffage du cylindre est de préférence poursuivi au cours de l'aspiration. La course du piston 3 est de préférence régulée de manière à correspondre au volume de liquide à produire à l'aide de la commande à boucle ouverte ou à boucle de contre-réaction fermée évoqué plus haut.

[0034] Lorsque le piston 3 est arrivé en bout en course ou à la hauteur correspondant au volume de liquide désiré, il est de préférence maintenu à cette position pendant la durée nécessaire au chauffage du liquide à la température désirée. Cette durée peut être déterminée en fonction du volume de liquide, ou de préférence interrompue lorsque la sonde de température 11 indique que le liquide a atteint la température souhaitée, par exemple 94° C pour le café. Le courant électrique injecté dans le circuit, ainsi que le nombre de branches traversées par un courant, peuvent être régulés en fonction du volume de liquide à chauffer et/ou de la température de consigne à atteindre. La soupape d'admission 4 est de préférence fermée dès que le piston a atteint sa hauteur maximale, afin d'éviter que le liquide chauffé ne ressorte par le canal d'admission ou que la chaleur ne s'échappe par convexion ou mélange de liquide.

[0035] La soupape d'expulsion 5 est ensuite ouverte, et le piston 3 redescendu de manière à expulser le liquide chauffé. Le chauffage du cylindre peut être maintenu et régulé pendant cette phase d'expulsion de manière à garantir une température du liquide constante tout au long de l'expulsion. Dans une variante préférentielle, le chauffage est interrompu, ou au moins réduit par diminution du courant électrique, avant l'expulsion complète du liquide hors du cylindre. On exploite ainsi l'inertie thermique du cylindre et on évite de transmettre une chaleur au cylindre qui n'aura pas le temps d'être communiquée au liquide. L'interruption ou la réduction rapide du chauffage permet en outre d'éviter des différences de température trop importantes entre les dernières gouttes du liquide expulsées et celles qui quittent le cylindre en premier, ce qui permet par exemple d'éviter la production de vapeur inutile par évaporation des dernières gouttes de liquide. Il est aussi possible de modifier les connexions électriques du circuit de chauffage durant le déplacement du piston, et par exemple d'interrompre plus rapidement l'alimentation des pistes imprimées qui recouvrent le haut du cylindre vidé en premier.

[0036]Un circuit électronique 8, par exemple un microcontrôleur contrôlé par un programme d'ordinateur ou un circuit FPGA, commande de préférence les événements suivants :

• Ouverture et fermeture des soupapes 4, 5.

• Alimentation du moteur 1 de manière à provoquer le déplacement du piston dans un sens ou l'autre

• Commande des différentes pistes 70, 71, ..du circuit de chauffage 7

- Prise en compte des signaux fournis par les capteurs de position 6 du piston, par le capteur optionnel de température 11, et par un circuit de commande 12 permettant d'introduire des valeurs de consigne pour le volume à chauffer et/ou la température à obtenir.

[0037] Dans les modes de réalisation décrits plus haut, le liquide est chauffé dans le cylindre. Il est cependant aussi possible d'aspirer et de transférer un liquide avec la pompe décrite sans le chauffer, par exemple en commandant le corps de chauffe de manière à ne pas y faire circuler de courant, ou en prévoyant une pompe sans corps de chauffe.

[0038] Le dispositif et le procédé de l'invention peuvent être employés par exemple pour un distributeur de boisson chaude, notamment une machine à café, y compris une machine à café pour voiture ou caravane ou mobilhome, ou tous véhicules autonomes électriquement tels qu'avions, taxi, trains, bateaux, etc. Une pompe similaire peut aussi être employée pour le dosage de liquide chauffé, dans l'industrie alimentaire, pour le collage avec une colle chauffée, pour l'évacuation de condensats, etc.