一種具有多級壓力的咖啡萃取裝置的製作方法

2023-12-05 13:35:46

本發明屬於食品加工領域，具體涉及一種具有多級壓力的咖啡萃取裝置。

背景技術：

在意式咖啡的萃取過程中，大多使用熱水對研磨後的咖啡粉進行萃取，而在常壓下，僅通過熱水萃取出的咖啡溶液通常無法達到意式咖啡的濃度要求。此外咖啡粉中還包含咖啡脂(crema)，咖啡脂通常由植物油、蛋白質以及糖類所構成；咖啡脂會大大提高咖啡的口感和味道，但是咖啡脂通常無法在常壓下通過熱水進行有效萃取。

技術實現要素：

本發明的目的是根據上述現有技術的不足之處，提供一種具有多級壓力的咖啡萃取裝置，該具有多級壓力的咖啡萃取裝置通過多級萃取的方式萃取出高濃度的咖啡溶液，解決了現有技術中存在的問題。

本發明目的實現由以下技術方案完成：

一種具有多級壓力的咖啡萃取裝置，其特徵在於：包括互相配合的網杯以及壓粉頭；所述網杯內部設置有濾板，所述濾板將所述網杯內部分隔成分別位於上、下的一級萃取倉以及二級萃取倉，所述二級萃取倉的出液口安裝有背壓閥；所述壓粉頭的側壁面和所述一級萃取倉的內壁之間構成密封配合，所述壓粉頭連接有高壓熱水供給組件以及豎向驅動組件。

所述濾板上開設有若干小直徑通孔。

所述背壓閥包括筒形殼體，所述筒形殼體的一端為進水口並與所述二級萃取倉連接，所述筒形殼體的另一端為出水口；所述進水口設置有錐形閥芯以及復位彈簧，所述復位彈簧用於頂撐所述錐形閥芯與所述進水口構成密封配合。

所述錐形閥芯的尖端朝向所述進水口，所述復位彈簧的一端頂撐所述錐形閥芯，所述復位彈簧的另一端支承在設置於所述出水口的彈簧支座。

環繞所述壓粉頭側壁面設置有密封圈。

所述壓粉頭的底部具有開口向下的槽體，所述槽體底部的開口處安裝有多孔的分水板，所述分水板與所述槽體共同圍合構成封閉腔體；所述封閉腔體通過管路與外部的高壓熱水供給組件相連通，所述管路中設置有洩壓回氣閥。

所述洩壓回氣閥包括筒形殼體，所述筒形殼體的第一端為進水口，所述筒形殼體的第二端為洩壓回氣口，所述筒形殼體的側面開設有出水口；所述進水口與所述洩壓回氣口之間具有一同軸通道，所述同軸通道內設置有一與其內壁相配合的閥芯，所述閥芯上具有驅動其指向所述進水口復位的恢復彈簧，所述閥芯位於所述洩壓回氣口的端面上具有密封橡膠塞；所述閥芯與所述同軸通道的內壁之間具有供水體從所述進水口流向所述出水口的間隙。

所述進水口通過所述管路連接所述高壓熱水供給組件，所述出水口與所述壓粉頭中的所述封閉腔體相連通，所述洩壓回氣口與一廢水槽相連通。

所述壓粉頭包括一個補償彈簧，所述壓粉頭通過所述補償彈簧連接所述豎向驅動組件。

所述豎向驅動組件包括沿豎直方向設置的軌道支架以及曲柄連杆機構；所述軌道支架的數目為二，兩個所述軌道支架對稱設置在所述壓粉頭的兩側；所述壓粉頭的兩側具有和所述軌道支架相配合的凸塊；所述曲柄連杆機構包括曲柄和連杆，所述曲柄連接有把手，所述連杆的一端鉸接於所述曲柄，所述連杆的另一端鉸接於所述壓粉頭的頂部。

本發明的優點是：（1）通過壓粉頭對咖啡粉進行擠壓成型，使得咖啡粉形成緻密的咖啡粉餅，這樣可以增加熱水流過咖啡粉餅時的阻力以便減緩熱水的流速同時增加熱水與咖啡粉的接觸時間，便於熱水對咖啡粉進行充分萃取；（2）對咖啡粉進行多級加壓深度萃取，可以萃取出常壓作用下難以萃取的有效成分，提升咖啡的味道和口感。

附圖說明

圖1為本發明中壓粉頭處於升起狀態時的剖視圖；

圖2為本發明中壓粉頭擠壓並萃取咖啡粉時的剖視圖；

圖3為本發明圖1中A處的局部放大圖；

圖4為本發明中背壓閥的出水口的結構示意圖；

圖5為本發明中洩壓回氣閥的結構示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖通過實施例對本發明的特徵及其它相關特徵作進一步詳細說明，以便於同行業技術人員的理解：

如圖1-5，圖中標記1-29分別為：網杯1、壓粉頭2、濾板3、一級萃取倉4、二級萃取倉5、背壓閥6、豎向驅動組件7、密封圈8、軌道支架9、曲柄連杆機構10、曲柄11、連杆12、把手13、補償彈簧14、分水板15、封閉腔體16、筒形殼體17、出水口18、錐形閥芯19、復位彈簧20、彈簧支座21、洩壓回氣閥22、筒形殼體23、進水口24、洩壓回氣口25、出水口26、閥芯27、恢復彈簧28、密封橡膠塞29。

實施例：如圖1所示，本實施例具體涉及一種具有多級壓力的咖啡萃取裝置，其包括互相配合的網杯1以及壓粉頭2；在網杯1內部設置有濾板3，濾板3用於在萃取咖啡過程中承載咖啡粉；濾板3將網杯1內部分隔成分別位於上、下的一級萃取倉4以及二級萃取倉5；位於二級萃取倉5底部的出液口安裝有背壓閥6；壓粉頭2的側壁面和一級萃取倉4的內壁之間構成密封配合；壓粉頭2連接有高壓熱水供給組件以及豎向驅動組件7。

如圖1和圖3所示，濾板3用於承載待萃取的咖啡粉；濾板3上開設有若干小直徑通孔，該通孔用於在萃取過程中過濾萃取後的液體，防止咖啡粉穿過濾板進入二級萃取倉5；為了避免咖啡粉落下，小直徑通孔的孔徑在0.3mm-0.5mm之間，濾板3上小直徑通孔的數目為100至300.

如圖1和圖2所示，為了便於使用壓粉頭2擠壓一級萃取倉4內部的咖啡粉末；壓粉頭2的側面安裝有密封圈8。在擠壓咖啡粉末以及萃取過程中（如圖2所示）壓粉頭2側面的密封圈8緊貼一級萃取倉4的內表面，使得一級萃取倉4和壓粉頭2之間形成密閉空間，防止萃取過程中網杯內部的水汽和咖啡粉末從壓粉頭2和一級萃取倉4之間的縫隙洩露。

如圖1和圖2所示，豎向驅動組件7用於驅動壓粉頭2沿豎直方向運動，以便壓粉頭擠壓一級萃取倉4內的咖啡粉末；豎向驅動組件7包括沿豎直方向設置的軌道支架9以及曲柄連杆機構10。軌道支架9用在壓粉頭2運動過程中提供導向作用。在本實施中，軌道支架9的數目為二，兩個軌道支架9對稱設置在壓粉頭2的兩側；壓粉頭2的兩側具有和軌道支架9相配合的凸塊（圖中沒有畫出）；在壓粉頭2運動過程中凸塊沿軌道支架9的凹槽滑動。曲柄連杆機構10包括曲柄11和連杆12，曲柄11連接有把手13；曲柄11的第一端鉸接在所述咖啡萃取裝置的殼體，並固定連接有一把手13；曲柄11的第二端鉸接於連杆12的第一端，連杆12的二端鉸接於壓粉頭2的頂部。通過轉動把手13，曲柄連杆機構10會驅動壓粉頭2沿軌道支架9滑動。

如圖1和圖2所示，壓粉頭2的頂部固定安裝有一補償彈簧14；壓粉頭2通過補償彈簧14連接至豎向驅動組件7。通過補償彈簧14，壓粉頭2可以適應一級萃取倉4內部不同厚度的咖啡粉末，為不同厚度的咖啡粉末提供足夠的補償壓力；在壓粉頭2擠壓一級萃取倉4內部的咖啡粉末過程中（如圖2所示），壓粉頭2底部的分水板15接觸咖啡粉末之後，補償彈簧14開始收縮；隨後繼續轉動把手13使得補償彈簧14繼續收縮，對咖啡粉末提供足夠的壓力使之形成咖啡粉餅。需要說明的是，當壓粉頭2壓到底部時，曲柄11與連杆12呈直線，由活動的四邊形變成穩定的三角形結構，使得壓粉頭2鎖止固定在該位置不動，從而抵擋萃取過程中一級萃取倉4和二級萃取倉5內所產生的高壓。

壓粉頭2除了用於壓縮一級萃取倉4內部的咖啡粉之外，還用於向一級萃取倉4內部的咖啡粉提供高壓熱水以便萃取咖啡；壓粉頭2的底部具有開口向下的槽體，槽體底部的開口處安裝有多孔的分水板15；在本實施例中，分水板15通過螺栓固定安裝至壓粉頭2；分水板15與槽體共同圍合構成封閉腔體16；封閉腔體16通過管路與外部的高壓熱水供給組件相連通，高壓熱水供給組件通過高壓泵進行熱水的高壓泵送。咖啡粉末擠壓完成後即可利用壓粉頭2向咖啡粉餅高壓加注熱水，以便萃取咖啡粉餅。外部提供的高壓熱水通過管路輸送至壓粉頭2底部的封閉腔體16內部，熱水經過多孔的分水板15導流之後均勻的流向咖啡粉餅。

如圖5所示，洩壓回氣閥22包括筒形殼體23，筒形殼體23的第一端為進水口24，筒形殼體14的第二端為洩壓回氣口25，筒形殼體23的側面開設有出水口26；進水口24通過管路連接高壓熱水供給組件，出水口26與壓粉頭2上的封閉腔體16相連通，洩壓回氣口25接廢水槽。進水口24與洩壓回氣口25之間具有一同軸通道，同軸通道內設置有一與其內壁相配合的閥芯27。閥芯27上具有驅動其指向進水口24復位的恢復彈簧28，閥芯27朝向洩壓回氣口25的端面上具有密封橡膠塞29；閥芯27與同軸通道的內壁之間具有供水體從進水口24流向出水口26的間隙。

如圖1至圖4所示，背壓閥6用於在二級萃取倉5內的壓力大於預定值時打開；背壓閥6包括筒形殼體17，筒形殼體17的一端為進水口，進水口與二級萃取倉連接5，筒形殼體17的另一端為出水口18；進水口設置有錐形閥芯19以及復位彈簧20，復位彈簧20用於頂撐錐形閥芯19與進水口構成密封配合。錐形閥芯19的尖端朝向進水口，復位彈簧20的一端頂撐錐形閥芯19，復位彈簧20的另一端支承在設置於出水口18的彈簧支座21；彈簧支座21為連接在出水口18的鏤空板；如圖4所示，在本實施例中，彈簧支座21為十字形鏤空板；筒形殼體17中的液體從彈簧支座21的鏤空處排出筒形殼體17的外側。

如圖1和圖3所示，二級萃取倉5內的壓力小於預設值時，錐形閥芯19在復位彈簧20的頂撐下插入背壓閥6的進水口並將進水口阻塞，此時背壓閥6處於關閉狀態，二級萃取倉5內的液體無法從背壓閥6流出；當二級萃取倉5內部大於預設值時，在二級萃取倉5內的液體或氣體的推動下，錐形閥芯19向出水口18方向運動，復位彈簧20逐漸壓縮，背壓閥6進入打開狀態；處於打開狀態時二級萃取倉5內的液體或氣體經由背壓閥6的筒形殼體17從背壓閥6的出水口流出；開啟背壓閥6的壓力由復位彈簧20決定，通過換裝不同彈性模量的彈簧，可以調整開啟背壓閥6的壓力。

如圖1至圖3所示，使用本實施例的具有多級壓力的咖啡萃取裝置對咖啡粉進行萃取包括以下步驟：

1）裝填咖啡粉；使用豎向驅動組件7將插設在一級萃取倉4內的壓粉頭2向上拔出；隨後將咖啡粉倒入一級萃取倉4內部，裝填的咖啡粉堆堆在濾板3的上表面；為了保證萃取質量，每次裝填咖啡粉的重量在8g-10g之間。

2）咖啡粉擠壓成型；使用豎向驅動組件7驅動壓粉頭2向下運動，並插入一級萃取倉4內部，位於壓粉頭2下表面的分水板15對一級萃取倉4內部的咖啡粉進行擠壓，使之形成緻密的咖啡粉餅；在擠壓過程中，首先壓粉頭2底部的分水板15接觸咖啡粉末之後，補償彈簧14開始收縮；隨後繼續轉動把手13使得補償彈簧14繼續收縮，對咖啡粉末提供足夠的壓力使之形成咖啡粉餅；補償彈簧14的設置使得壓粉頭2可以為不同體積的的咖啡粉提供足夠的壓力。通過擠壓成型，咖啡粉形成緻密的咖啡粉餅，這樣可以增加熱水流過咖啡粉餅時的阻力以便減緩熱水的流速同時增加熱水與咖啡粉的接觸時間，便於熱水對咖啡粉進行充分萃取。

3）對咖啡粉進行浸潤；壓粉頭2保持鎖止擠壓狀態，使用高壓熱水供給組件經洩壓回氣閥22向壓粉頭2供應高壓熱水；高壓熱水流入壓粉頭2內部的封閉腔體16，隨後高壓熱水穿過封閉腔體16下表面的多孔的分水板15向咖啡粉餅均勻擴散；咖啡粉浸潤膨脹後變得更加緻密，熱水流過咖啡粉餅受到的阻力進一步增大；

需要說明的是，高壓熱水流經洩壓回氣閥22時，閥芯27在來自進水口24的水壓作用下向洩壓回氣口25的方向移動；同時恢復彈簧28處於壓縮狀態，密封橡膠塞29將洩壓回氣口完全堵塞，熱水從進水口24經由閥芯27與同軸通道的內壁之間的空隙流向出水口26從而進入壓粉頭2。

4）對咖啡粉進行一級萃取；一級萃取過程中，高壓熱水供給組件繼續向壓粉頭2供應高壓熱水；隨著熱水的供給，一級萃取倉4內部的壓力不斷增大；當一級萃取倉4的內的壓力大於一級萃取閾值時，高壓熱水在高壓的作用下熱水流過浸潤的咖啡粉餅以及濾板3，進入二級萃取倉5內部。一級萃取閾值主要由咖啡粉餅的阻力和濾板3上的小直徑通孔由於微孔效應造成的阻力共同決定；在一次萃取過程中，高壓熱水在各種阻力的作用下緩慢流過咖啡粉餅，使得咖啡粉可以與高壓熱水充分接觸，以便咖啡粉被充分萃取。

在一級萃取過程中，二級萃取倉5底部的背壓閥6尚未打開，此時包含萃取成分的高壓熱水進入二級萃取倉5內部，二級萃取倉5內部的壓力不斷增大，當二級萃取倉5內部的壓力大於二級萃取閾值時，背壓閥6進入打開狀態，對咖啡粉進行二級萃取，二級萃取閾值由背壓閥6內部的復位彈簧20的回彈力度決定。

5）對咖啡粉進行二級萃取；在二級萃取隨著包含萃取成分的熱水通過背壓閥6流出二級萃取倉5；由於在二級萃取過程中包含萃取成分的熱水需要具備足夠壓力以便開啟背壓閥6，因此二級萃取過程中咖啡粉粉餅承受更大水壓。在二級萃取過程中咖啡粉餅承受的水壓可達12bar-15bar，在巨大水壓的作用下可以對咖啡粉餅實現深度萃取，咖啡粉餅中的油脂（crema）以及其他在低壓條件下溶解度較低的有效物質可以在巨大的水壓作用下溶解在高壓熱水中進入二級萃取倉5。萃取完成後，包含萃取成分的咖啡溶液從背壓閥6中流出，進入收集容器內部。

6）待完成萃取後，高壓熱水供給組件中的水泵停止泵水，由於水泵具有單向結構性，因此一級萃取倉4和二級萃取倉5中的壓力不會通過高壓熱水組件得到釋放；當高壓熱水供給組件停止泵水後，水壓作用消失，恢復彈簧28將閥芯27向進水的方向推動，此時洩壓回氣閥22工作在復位狀態；處於復位狀態時，一級萃取倉4和二級萃取倉5中所具有的超過10bar壓力的殘餘水汽通過分水板15、出水口26、閥芯27與同軸通道的內壁之間的空隙以及洩壓回氣口25排到廢水槽內，從而達到洩壓的目的，其中，分水板15能夠阻擋咖啡粉向出水口26方向的流動。

在上述一級萃取和二級萃取過程中，高壓熱水的溫度在95℃-98°之間，萃取時間為15s-25s，整個萃取過程中高壓熱水供給組件供應水量為30ml-45ml,從背壓閥中流出的咖啡溶液的體積可達25ml-35ml；在本實施例中，通過調節供水組件的供水流量從而調節咖啡粉餅承受的水壓，在本實施例中，供水組件的供水流量穩定在1.0g/s-2.0g/s。

本實施例的有益技術效果為：（1）通過壓粉頭2對咖啡粉進行擠壓成型，使得咖啡粉形成緻密的咖啡粉餅，這樣可以增加熱水流過咖啡粉餅時的阻力以便減緩熱水的流速同時增加熱水與咖啡粉的接觸時間，便於熱水對咖啡粉進行充分萃取；（2）對咖啡粉進行多級加壓深度萃取，可以萃取出常壓作用下難以萃取的有效成分，提升咖啡的味道和口感。