Nespresso C101

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네슬레, 네스프레소, C101, Essenza 에센자, 커피메이커
1. 정보
  1. 한글 사용자 설명서
    1. 사용하는 방법
      1. 잔 그림이 있는 녹색불이 깜박이면 예열중이다. 녹색불이 계속 켜져 있으면 준비되었다.
      2. 첫 사용시 컵을 예열한다. 이 때는 캡슐없이 물 한 컵을 사용한다.
      3. 잔 선택 버튼을 누르고, 캡슐을 넣고, 잔 선택 버튼을 누른다. 녹색불이 깜박인다.
      4. 물 양 조절은 해당 컵 선택 버튼을 3초 이상 누른 후 원하는 물 높이가 되면 손을 뗀다.
        
        초기화는, 전원을 켜기전 큰 컵 버튼을 계속 누른상태에서 전원을 켠다.
      5. 큰 잔을 누르면 세척이 된다.
    2. 압력 최대 19bar - 실제 너무 높은 압력이다. 정말 이렇게 높은 압력이 걸리는지 나중에 측정해보자.
  2. 분해 후 파악한 재질
    1. 몸체: ABS
    2. 좌우 광택면: PC
    3. 회로기판 보호케이스 3개: PA6
    4. 뜨거운 물이 통과되는 실린더 및 피스톤: 유리섬유 강화 폴리아미드, PA66GF (폴리아미드66 + 유리섬유(30% 또는 50%))
  3. 분해 후 알게된 정보
    1. 히터 표면 온도가 75도가 되면 사용가능 LED가 켜진다.
  4. 이력
    1. 2021/07/22 안종연씨로부터 입수
    2. 2021/08/19 타원머리 스크류를 풀 수 있는 스크류드라이버 구입
    3. 2021/12/20 히터에 부착된 끊어진 TCO퓨즈를 제거하고 직접연결하여 가동시킴
    4. 2022/07/30 완전히 분해하여 버림
2. 외형
  - Essenza 에센자
  - 제조년월: 2011년 4월, 제조국: Switzerland(스위스), 정격소비전력: 1150W
3. 타원 머리 스크류 7개를 사용해야 분해됨.
  1. 나사를 풀어보기 위해서 임시로 공구를 만들었으나 실패함.
    1. 나사
      - elliptical head screw, 4x3.3mm 타원형으로 추정
    2. 임시 스크루드라이버를 제작했으나 실패함
      - 알루미늄 너트에 3mm 구멍을 뚫고, 4mm 폭은 그라인딩
      - 한 개는 풀었으나 다시 조일 때 공구 머리가 모두 뭉개져 조일 수 없었다.
  2. 임시 공구가 헛돌아 조일 수 없어 정식 스크루드라이버 구입함.
    - 4x3.3mm 구입
    - 헛도는 느낌이 있어 실측해보니
4. 기구부
  1. 물통 water tank
    - >SMMA< 수지
    - 물 출구 체크 밸브
    - 체크 밸브 구조, 오링
  2. 고온 고압의 물을 수송하는, 테프론 계열로 추정되는 튜브
    1. 규격: 2x4mm로 추정 - 확인할 것.
      1. 가동중 압력을 측정하려면 T를 연결하고, 압력계까지 연결해야 하므로 규격을 알아서 해당 피팅을 구매해야 하므로
    2. 사진
      - 단열을 위해 사용된 실리콘 튜빙
      - 튜브 말단 처리 방법 및 금속핀을 꼽아서 빠지지 않게 고정
  3. 아연으로 주조한 피스톤 레버
    - >ZAMAK<
  4. 커피 캡슐 추출 부위
    1. 고압고온 물이 통과하는 모든 사출물의 수지 재질은 유리섬유 강화 폴리아미드로 PA66GF 이다.
      - >PA66GF
      - 캡슐 밀봉
    2. 실린더 및 피스톤 구조
      - connecting rod mechanism
      - 캡슐 넣는 곳
    3. 포터필터(portafilter; portable + filter) 기능에서 필터 부분. 마치 그물망같다. 에스프레소가 흐르는 총 구멍 면적이 작아야 추출압력이 유효해진다.
      - 필터. 사진에 나타난 모든 기구물은 하나의 사출물이다.
    4. 캡슐에 물 공급하는 피스톤
      1. 커넥팅 로드가 최고높이로 피스톤을 밀었을 때, 스프링 압력에 해당되는 유격을 갖도록 한다.
      2. 캡슐 넣는 곳
        
        캡슐 뒤에서 구멍을 내는 3개의 바늘
      3. 체크밸브. 펌프가 꺼졌을 때 에스프레소가 역류하지 않게한다. 액션에 의해 뒤에서 핀을 누르면 밸브가 약간 개방된다.
5. 전기 회로
  1. 밑에서 볼 때
    - (좌)히터, (아래)유량센서, 파랑(펌프)
  2. 모두 분해한 후
  3. 제어회로
    1. DC 전원 만들 때 isolation이 안되어(Non-Isolated) 있기 때문에, 오실로스코프 프루브의 접지 단자를 연결하면 누전차단기인 ELCB가 동작한다.
    2. 중요부품
      - BTB12-600BW, 12A 600V Triac, 히터 가동용
      - Z0107MN, 1A 600V 4-quadrant Triac, 펌프 가동용
      - 마이크로칩 테크놀로지 MCU PIC16F688
  4. 발열소자
    1. 2시반 방향 및 6시 방향에 TCO퓨즈가 설치되어 있다. 이중 하나가 끊어져 있다.
      - 230V 1200W 전력용량
    2. 상세
      - MCU와 연결되는 NTC 온도센서 설치 방법
      - 히터용 quick disconnect 터미날 및 물 입구/출구
      - 단열을 위한 실리콘 댐퍼와셔 및 PA 수지 브라켓
    3. TCO퓨즈, 2개 있다. 전원스위치를 통과한 AC입력 두 가닥이 각각 통과한다.
      - 히터 밑에 고정된다.
      - Microtemp, SXEBPA, E5A01, Tf 167C
      - 두 니켈도금 내열전선 연결방법
    4. 고장 원인
      1. AC 전원 전선 2개 각각 연결된 TCO퓨즈 중에서 하나가 끊어졌다.
      2. MCU가 NTC 온도센서로 온도를 파악하여 충분히 제어할텐데, MCU 동작에 문제가 발생되어 과열된 듯.
      3. 즉, 프로그래밍이 필요한 피드백제어에서는 항상 오류가 존재하므로, 독립적으로 동작하는 퓨즈가 필요하다.
      4. 끊어진 TCO퓨즈를 제거하고 직접 연결함. 즉, TCO퓨즈는 하나만 사용하여 향후 동작테스트를 실시함.
  5. 유량 센서, NSF Component, 932-9521-A. 1리터에 open collector 신호로 1925펄스가 나온다.
    1. 사진
      - 찬물이 들어가 유량을 측정하고 펌프를 거처 히터로 들어간다.
    2. 분해
    3. 동작원리 및 측정
      1. 현재 엑셀 파일 내용 없음
  6. 솔레노이드 플런저 펌프
    1. 펌프 모델
      - invensys, italy, CP.04.116.0/ST/S/P, 240V 70W, 운전조건:1분ON 2분OFF
    2. 장착 외형
    3. 진동방지마운트
      - >NBR< 고무
    4. 바이메탈 TCO 스위치, 115'C용
      - Klixon US PAT 4349806, Sensata 회사로 변경됨.
      - 1NT01L-4314 L115-25 1107 AB
    5. AC 전원을 40분간 공급하고, 물이 순환시켜 흐르는 상태에서, 표면 온도 파악
      1. 열화상카메라 온도. 화살표 지점 홈에 385 RTD 온도센서를 부착. 해당 지점 온도센서로는 92도인데 열화상 카메라로 가장 뜨거운 곳은 130도이다.
      2. 시간에 따른 표면 온도 및 소비전력. 온도 상승에 따라 저항온도계수에 의한 코일 저항이 상승하여 소비전력이 감소한다.
        
        시간에 따른 소비전력 및 표면온도.
      3. 의견: 실 가동상태에서 115'C용 바이메탈 TCO 스위치는 동작하지 않는다. 연속동작을 하면, 물이 없을 때는 115'C 초과할 수 있다.
    6. 정적압력(static pressure) 측정
      1. 먼저, 공기상태에서 압력을 측정하면, 30초 경과 후 최대압력 80kPa를 보인다. 전원을 끄고 35분 경과해도 실험 시스템에서 리크는 없다.
      2. 물을 공급하면서, 사전 문제점 파악
        
        이 상태에서 출구를 손가락으로 막아보았지만 압력이 높아 막을 수 없다.
        
        압력계까지 연결된 다양한 튜브에서 누출을 검사하기 위해
        
        가동 후 2~3초 지나니, 막힌 실리콘 튜브가 팽창한다. 즉시 전원 차단함.
      3. 2MPa(20기압) 측정가능한 Hitachi DMS-7A와 연결하여
        
        화살표는 리크가능한 지점
        
        가동 7~8초만에 20기압에 도달한다.
      4. 실험 정리
        
        압력계 측정포트까지 공기로 채워진 튜브 체적이 작아, 20기압 압력이 가해져 물이 압력계 내부로 들어갔다.
        
        압력계 연결 튜브를 길게하여 체적이 감소되는 것을 막아 물이 들어가지 않도록 해야 한다.
        
        20기압 압력으로 가장 헐렁한 조인트(펌프 출구에 연결된 튜브 끝단에서)가 뽑혔다. 그래서 물이 분출하였다.
      5. 실험 결과
        
        정적압력은 20기압이 나온다.
        에스프레소 추출 유량이 1mL/초(25초동안 25mL 추출하므로)에서 9기압이 나오도록 펌프가 설계되어 있다.
6. 가동하면서
  1. 물온도
    - 소량물 버튼 누르면 50g물이 반복적으로 잘 나옴. 유량계 및 펌프 동작에 문제 없음.
    - 종이컵 물 온도 60'C
  2. 밑에서 본 히터온도
    - 히터 표면 52'C, 뜨거운 물 나오는 곳 75'C
    - 온도 측정한 히터
  3. 열화상카메라로 온도 측정
    - 예열이 끝나고 준비 상태에서 히터 표면 온도은 최고 약 83'C이다.
    - 내려오는 물 온도는 약 74'C이다.
  4. AC 전원 동작, 히터 온도 파익
    1. 사전실험으로 AC 전원 동작 파악 엑셀 파일
    2. 전기 회로만 모아서 실험하는 장면
    3. 큰 잔 하나를 추출할 때. 추출할 때는 히터가 가동되지 않는다. 그리고 계속 대기하면
      - 약 85도에서 사용가능 불이 켜진다. 90도 상태를 유지한다. 약 10분 뒤에는 95도를 유지하는데 이유를 모르겠다.
    4. 큰 잔 추출을 연속으로 할 때. 추출시 히터 동작을 하지 않기 때문에 히터 온도가 흐르는 물에 의해 급속히 낮아진다. 4회 연속 추출하면 히터가 물온도로 떨어진다.
      - 한 잔 추출한 후 약 1분 30초 쉬어야 정상 온도 90도씨를 보인다.
    5. 초기 히터 가동 파형. PWM 방식이다. 주기는 약 6초이고 width는 3.5초에서 0.5초를 보인다.
      - on되는 주기는 6초로 일정하다.
      - 각 ON 시간이 sink 함수를 보이므로, MCU는 온도를 피드백 받아 제어한다.
    6. 0.5초 동안 ON되는 AC220V 파형을 오실로스코프로 관찰하면
      - Triac이 정확히 1/60초 파형(사인파 주기 1) 갯수(정수배)로 제어한다.
    7. 의견
      1. 온도 제어를 위해 PID 제어 알고리즘이 탑재되어 있다. 즉, 온도차가 크면 PWM width가 크다.
      2. 추출되는 동안(물이 흐르는 동안) 히터는 동작하지 않는다.
        
        히터 동작용 Triac과 펌프 동작용 Triac이 따로 존재하므로, 독립적으로 동작할 수 있다. 그런데도 펌프가 동작할 때는 히터는 동작하지 않도록 프로그래밍 되어 있다.
        큰 잔 버튼을 누르면, 물이 흐르는 동안 초기 90도에서 50도로 떨어진다.
        추출을 뜨거운 물에서 하고, 이후 찬물을 섞는 과정인 듯하다. 계속 뜨거운 물이 나오면 커피 맛이 나빠지기 때문일까?
        아니면, 물이 흐르는 동안 전기를 가하지 않아야 안전하기 때문일까?
        전원을 켠 후, 두 번째 추출부터는, 사용 가능 버튼이 온도와 무관하게 켜진다. (프로그램 수정이 필요할 듯)
      3. 추출 후 약 1분 30초가 지나야 히터가 90도를 보인다.
        
        개인용 커피머신이므로 연속으로 추출을 하지 않는다는 조건인듯 하다.
        그래도, 히터온도가 85도씨 미만이면 추출 가능 버튼이 동작하지 않도록 해야 했다.
      4. 히터 표면 온도와 흐르는 물의 온도는 거의 비슷하다.
      5. 히터 제어용 Triac은 AC 스위칭을 0도, 360도 위상을 맞춰 ON과 OFF를 한다. 0, 180도 아닌 파형의 중간에 스위칭되면 높은 전압이 발생되어, (Triac이 고장나고) 전자파 장애를 발생시키기 때문이다.