用於分份膠囊的咖啡機的製作方法

2023-12-02 10:37:16

本發明涉及由裝在膠囊中的萃取物如磨製咖啡(咖啡粉)製備飲料等的萃取設備領域。特別是，本發明涉及咖啡機。

背景技術：

由盛放在分份包裝中的萃取物製備飲料等的萃取設備尤其以咖啡機或意式濃縮咖啡機的形式為人所知。在許多相應系統中，分份包裝以膠囊狀構成，萃取物例如以氣密方式被封裝在膠囊中。為了進行萃取，膠囊例如在彼此相反的兩側被刺穿。萃取流體(通常是熱水)在第一側被引入。萃取產品在第二側從膠囊中被排出。

水必須在相對高的壓力下被引入膠囊(泵壓通常在15巴和20巴之間)，以便製備各種不同的咖啡類型，尤其是意式濃縮咖啡、芮斯崔朵咖啡或意式濃縮加長咖啡(在瑞士稱為奶泡咖啡)，且只有通過足夠高的衝泡壓力才能形成倍受咖啡愛好者喜愛的「咖啡油脂泡沫」。

但在衝泡時表明，在某些膠囊情況下且恰好在精磨咖啡情況下，人們發現流量—流入膠囊的流體的體積流量(和再次流出膠囊的流體的體積流量，除留在膠囊內的剩餘量外)—會突然大幅下降，因而使用者在預定衝泡時間下僅能得到不完全的咖啡。這是令人煩惱的。儘管可以控制咖啡機以使衝泡過程繼續直到流過預定的流體量，但這除了會導致泵負載增大外還會導致口味不讓人滿意的結果。

人們希望萃取設備可被設計成包括用於確保能從絕大部分所用膠囊中衝泡出滿足質量要求的咖啡的裝置，即便是在不可避免的膠囊特性波動和/或在衝泡期間所存在的條件變化的情況下。

技術實現要素：

根據本發明的一個方面，提供一種萃取設備特別是咖啡機用於製備作為萃取產品的飲料等。該設備包括能夠形成用於分份膠囊的衝泡室的衝泡模塊，該衝泡模塊具有包括泵且通常還包括熱水器(燒水器或直通快熱式熱水器)的供水裝置用於在壓力下將水供送至衝泡室。萃取設備還包括至少所述泵的控制裝置，該控制裝置可被整合到泵內或至少部分設置在泵外，以及包括用於測量進入衝泡室的流體流量的裝置。根據本發明的這一方面，該控制裝置被構造成至少在某些預置條件下泵的泵功率取決於流體流量，確切說與較高流體流量相比該泵功率在較小流體流量情況下被減小。

所提出的做法與泵的可控變量(調節變量)是泵功率本身還是例如速度或泵壓無關地發揮作用。關鍵的僅是，有效流入泵中的功率在流體流量較小情況下被減小，這在控制並非泵功率本身的其它變量時同樣如此。

這種過程是反直觀的。人們會預計在流體流量太低時應提高功率，以便再次增大流體流量並使其至少接近額定值。

但事實證明，在利用分份膠囊的系統中會出現高壓增強流動阻力的情形。在極端情況下，當達到最大泵壓時，流通由此完全犧牲掉。這在傳統泵控制中導致堵塞。在這種情形下，本發明的做法允許衝泡室內壓力被降低，這能抵制所述堵塞。

圖3a示出通常在常規起效的衝泡過程中所測量的膠囊內壓(虛線)和進入膠囊的流量(實線)的時間曲線。膠囊在衝泡過程開始時被注水。此時流量很高。一旦注水的萃取物移向和/或膨脹向萃取側，反壓就會出現。在膠囊和萃取側穿刺裝置的一個實施例中，反壓還可能增大，因為在流入過程中膠囊的流出開口還未打開，而是只有通過不斷升高的壓力才被完全打開。流量和壓力達到一定水平並且在剩餘的衝泡時間內保持大致恆定。在衝泡很短暫如在意式濃縮咖啡的情況下，衝泡也可能在達到這種恆定水平之前就結束。可在可達到的19巴泵壓(通常是咖啡機的振動膜片泵)下所出現的壓力根據膠囊特性的不同例如可以是在5巴和16巴之間的值。在一定時間之後出現的且隨後保持大致恆定的流量以下也被稱為「正常流量」。

圖3b示出發生堵塞時的情況。在圖3b中，實線也表示流量的時間曲線，虛線表示壓力曲線。在初始階段，參數看上去相同，膠囊被注水。然而，隨著衝泡進行，膠囊內阻力大幅增加。衝泡壓力實際上增大至泵所能達到的最高壓力(泵壓)且流量持續減小。根據現有技術，泵在一定流量限值下或在一定時間後被關停且衝泡提前結束，即便尚未衝泡出期望的萃取產品量，這是出於安全考慮且為了防止系統過熱。所用膠囊由此浪費了並且令使用者不快。

所觀察到的這些牽涉流量降幅過大的偶爾出現的問題可以通過分份膠囊的工作原理和泡脹的萃取物(特別是咖啡粉)之間的相互作用來解釋。尤其出現以下情況，流體流出膠囊所經過的通道須設計成較小尺寸，以便可在膠囊內維持壓力。因為總是會有膠囊性能如咖啡粉磨細度的小幅波動，故可能出現萃取產品在流出時須克服的阻力會稍微變高。於是，可能發生自我強化作用。

這種可能的第一種作用是，例如當萃取產品磨製得較細，則通過熱水、壓力和溫度的相互配合在膠囊的萃取側邊界處形成咖啡積層。對於常規衝泡，這種咖啡積層不再是充分可滲透的。因為在膠囊內壓增大時有其它咖啡粉被壓入咖啡積層中，故流速不斷下降且衝泡過程在極端情況下停止。

與第一種作用相互配合的另一種可能的作用涉及在分份膠囊中形成萃取開口，特別是當分份膠囊由比較堅韌的材料比如塑料(聚丙烯等)製成時，其將妨礙形成太大的開口。

圖4圖示示出萃取側的穿刺裝置12的一個例子，穿刺裝置在衝泡室關閉時或在升高的膠囊內壓作用下也在關閉後在萃取側刺穿膠囊，由此，萃取產品被排出。在此所示的穿刺裝置對應於歐洲專利申請13185359.0的穿刺裝置，明確參照該文獻。穿刺裝置包括基板102和從基板突伸至衝泡室內的多個萃取尖103。每個萃取尖均包括主體，該主體在這裡呈金字塔形且逐漸變細成尖端105。向外凸起的軸向肋部120沿周面111延伸。在該基板中，輸送開口108分別形成在肋部兩側。

膠囊壁在刺穿後將環繞包圍萃取尖103的根部(下部，例如大致直到肋厚度開始向上逐漸變小的位置)，並通過膠囊內壓被壓到這些萃取尖103上。因為這些肋部具有角形橫截面，此時沿肋部120根部保持一通道敞通，萃取產品可通過該通道流出膠囊，流入輸送開口並經這些輸送開口流走。

圖5示出肋部120之一的橫剖視圖，膠囊壁21壓靠於該肋部。附圖標記22非常示意性地表示存在於膠囊內的咖啡粉，實際上，咖啡粉基本會沿整個膠囊壁21都有。如雙箭頭示意所示，膠囊內壓將膠囊壁壓到萃取尖上。這將減小通往輸送開口的通道140的橫截面積，特別是當膠囊壁21因由熱水引起的溫度升高而變得更軟時。在壓力過高的情況下，這種作用根據膠囊特性可能因通道140變窄而附加地或替代地導致堵塞。

也可能發生這兩種作用的混合，特別是咖啡積層擠壓膠囊壁21，而所述擠壓本身就能縮小通道140，或者在本來因壓力而縮小的通道的入口處形成咖啡積層。

這些作用與如圖4所示的萃取尖的具體設計無關。相反，即便用於引出流體的通道例如在沿周面111的溝槽中延伸和/或穿過周面中的開口延伸入萃取尖內，這些作用還是會產生。這在圖6和圖7中被非常示意性地示出。

圖6示出萃取側穿刺裝置12的另一例子，該穿刺裝置在衝泡室關閉時或在升高的膠囊內壓作用下也在關閉後在萃取側刺穿膠囊，由此，萃取產品可被排出。該穿刺裝置也包括基板102和從基板突伸到衝泡室內的多個萃取尖103。每個萃取尖包括主體，其在此呈金字塔形且逐漸變細成尖端105。多個突起130沿軸面111延伸。在突起的上側，呈溝道狀開口形式的貫通開口140在周面中在相應的萃取尖103中形成。

在這些實施例中也可能發生堵塞，堵塞在因咖啡積層作用而產生的較高壓力下發生，或在由膠囊內壓引起的開口140閉合下發生，或者由於這些作用綜合而發生，這在圖7中被示出。

另外，也在萃取尖的不同設計情況下，膠囊內壓與摩擦力結合可阻止在膠囊壁中通過尖端105所形成的開口的入口朝向根部(在圖4和圖6中向下)滑動足夠遠以致放開通道入口(在圖4中位於肋部120的上側端，在圖6中位於開口140的上側端)。

如果現在根據本發明的做法響應於堵塞地減小泵功率且進而減小膠囊內壓，則通道140可能因壓力降低而擴大。隨之而來的膠囊內的運動也可能鬆動可能有的咖啡積層。另外，膠囊壁因摩擦減小而可能更容易沿各自的穿刺尖向下滑動，因而更好地放開通道入口。堵塞得到消除。

關於如何選擇調節變量(泵功率、轉速、壓力等)與測得流量之間的關聯性，有各種不同的可能性。

第一簡單選項是在低於流量閾值時減小功率：一旦流量已低於某個閾值，功率(或其它調節變量)便從第一值減小至第二值，例如以一個不等於零的係數K0減小，其中0<K0<1。可以規定，調節變量隨後保持在第二值，直到萃取過程(衝泡過程)結束。也可以套用至多於一個的閾值和例如調節變量的階梯式調整。

第二選項是規定連續的或不連續的修正函數(在此，若函數是非連續的，則或許在躍變點可以規定滯後行為)。於是，以修正係數K來修正功率(或其它調節變量)，其中，K至少在一個區間內是流量的函數。

對於第二選項有一系列可能性。簡單的第一可能性是階梯函數，其可能帶有滯後，以便不會出現快速的來回切換。與第二選項相似，一旦流量已低於某個閾值，調節變量就會減小至第二值。但與第二選項不同，一旦流量高出該閾值或高出略高於該閾值的上閾值，則調節變量會跳回至第一值。在這種可能性中也可以套用至多個階梯。

第二可能性例如是規定連續變化的值，其例如根據流量在1(如果流量高於上閾值)和最小修正係數mF之間線性變化，其中0<mF<1，其中如果流量低於下閾值，則修正係數可選地恆定在mF。

在上閾值之下，也可選擇其它函數以代替線性函數，例如細分成多條具有不同斜率的直線、非線性函數等。

根據第三可能性，也可省去上閾值並且調節變量可以依循與流量相關的線性或非線性的特性曲線，在此甚至能可選地規定該泵功率從某個高流量起再次減小。這與本發明的理念並不衝突，因為對此僅重要的是在一定範圍的流量下泵功率以其隨流量降低也減小的方式被調節。

控制裝置可設立成使泵功率取決於流量，該流量作為表徵衝泡過程的唯一被測變量(即作為在衝泡期間所確定的僅有的被測變量，泵功率據此還可以在相關膠囊的衝泡過程中自適應調整)。這並不排除例如可以有各種不同的衝泡程序並且採取行動可以與所選的衝泡程序相關。例如可以規定，使用者能在不同衝泡程序之間手動選擇，並且當流體流通量較小(過小)時泵功率只在選擇一定衝泡程序如「意式濃縮咖啡」或「芮斯崔朵咖啡」的前提條件下才被減小，而這在其它衝泡程序中未被採用。

作為在不同衝泡程序之間手動選擇的替代或補充也可以規定膠囊自動識別，且根據所識別的膠囊的特性進行衝泡程序選擇。這種膠囊識別例如可以包括，每個膠囊均配設有合適的例如光學的或磁性的編碼供萃取設備識別。特別是可以規定，當所識別的膠囊例如包含特別精磨的咖啡或較粗的咖啡時，或當其它咖啡性能如烘烤程度、烘烤時間、脂肪含量、溼度或混合導致流動阻力增大時，選擇包括在流體流通量較小(過小)時泵功率減小的程序。

供水裝置可包括水箱，供水管路從水箱起經過泵和熱水器通至衝泡模塊。也不排除直接連接至冷水接口而非水箱。

流量測量裝置可包括流量傳感器(流量計)，該流量傳感器在供水管路中例如布置在泵的上遊，或者布置在泵的下遊且在熱水器的上遊。也不排除直接布置在衝泡室入口處，儘管這牽扯到可能存在的、流量傳感器會接觸熱水的缺點。

替代地，流量測量裝置也可被直接整合到泵內。功耗與另一參數如轉速或振動頻率之間的關係也可以是流量的尺度。

最好不應在流量測量裝置和衝泡室之間設置藉以分流出一開始並不知道的一部分流體的支路，如果該裝置並未直接安置在衝泡室入口處，即，例如在傳感器或泵的下遊不應有繞過衝泡室的用於一部分流體的旁路。可能還是有的旁路應被調整成使進入衝泡室的流量還是能被至少近似確定。

泵功率的控制存在多種可能性。在飲料製備設備中廣泛採用的交流振動膜片泵的情況下，例如可以規定呈相角控制形式的功率控制。也可通過可變的頻率或轉速來控制。其它類型的功率控制也未被排除，其中就有在泵的上遊或下遊設置可控的節流閥。

萃取設備可以可選地還配備有主動溫度調節裝置。這種調節可能是有意義的，因為流量並非恆定的並且在採用例如直通快熱式熱水器作為熱水器時其功率在某些情況下也不應是簡單恆定的。主動溫度調節裝置例如可包括設置在熱水器和衝泡室之間或在熱水器自身上的溫度測量機構。

如本身已知地，衝泡模塊能以水平衝泡模塊形式構成，其中膠囊在為此規定的位置(投入開口等)被投入，然後衝泡室如通過操作杆被關閉，在此，膠囊被自動從衝泡室移除並被頂拋到膠囊容器中，衝泡室在衝泡過程後重新打開。在此，膠囊從上方投入，衝泡室關閉是兩個衝泡模塊部的水平相對運動，水基本水平流動，且膠囊容器形成在衝泡室下方。

也知道了其它的衝泡模塊設計，例如其具有相對傾斜的衝泡模塊部，具有呈活塞狀的衝泡模塊部(尤其豎直布置)等，它們適用於本發明的萃取設備。

膠囊尤其可以包括塑料膠囊壁。可以考慮的一種塑料是聚丙烯。膠囊壁的厚度可在0.1mm和0.6mm之間，特別是在0.2mm與0.5mm或0.4mm之間。在一些實施例中可以根據WO2010/118543、歐洲專利申請13199514.4或13199517.7來設計膠囊。

本發明的主題還是具有萃取設備的製備系統及萃取設備的運行方法。

附圖說明

以下，結合附圖來描述本發明的實施例。在附圖中，相同的附圖標記表示相同的或相似的零部件。附圖有時在不同的圖之間以不同的比例示出相互對應的零部件，其中：

圖1是萃取設備特別是咖啡機的示意圖；

圖2a-2f示出調節變量的修正係數與被測流量之間關係的可能形式；

圖3a示出正常運行的衝泡過程中根據時間測得的流量和壓力的關係；

圖3b示出依照現有技術在衝泡過程中發生堵塞的情況下根據時間測得的流量和壓力的關係；

圖4示出萃取側的穿刺裝置；

圖5示出圖4的穿刺裝置的細節的橫剖視圖；

圖6示出不同的穿刺裝置；以及

圖7示出圖6的穿刺裝置的細節的與圖5相似的橫剖視圖。

具體實施方式

圖1示出萃取設備特別是咖啡機的示意圖。供水裝置包括水箱1和從水箱引至衝泡模塊10的供水管路2。水由泵5輸送且在其流入衝泡模塊之前流經熱水器，在這裡被畫成直通快熱式熱水器。流量傳感器3布置在泵的上遊，該流量傳感器測量經過供水管路的水流量，並且由於供水管路2沒有支路，故它還測量進入衝泡模塊10的流量。

流量傳感器布置在泵上遊所具有的優點是，流量傳感器未布置在承壓區域中且也未布置在熱區中。然而在流量傳感器適當設計的情況下，並不能推理排除在流通方向上布置在泵下遊，甚或布置在熱水器下遊，或者布置在熱水器中。將流量傳感器整合在泵內也是一種選擇。在所有情況下，流量傳感器都應布置成由它測得的流量允許確定流入在衝泡模塊關閉時形成的且包含膠囊20的衝泡室中的流體流量。單位時間流過的流體量被稱為流體流量，例如以單位時間的體積或質量來表示。

如本身已知地，衝泡模塊包括用於將水引入分份膠囊20的注入器11及用於將流體從膠囊排出至傾倒部13的排出裝置12(或萃取裝置)。

控制裝置9控制泵5且還可能控制熱水器。由流量傳感器3測得的流量值和或許由可選的溫度傳感器8測定的溫度值作為輸入變量用於控制。

如圖所示，溫度傳感器8可以與供水管路2接觸地連接至熱水器、安置在熱水器自身中或安置在熱水器上。該控制裝置可設立成它通過控制熱水器而使溫度傳感器8所測的溫度總在一定範圍內變動而形成溫度控制迴路。還可以加入其它測量值即測得的流量用於溫度調控。

可以將其它輸入變量傳給控制裝置9並影響該控制裝置。

萃取設備例如可具備輸入模塊和/或編程模塊6，可藉此影響額定流體量及可能還有溫度和或許額定泵功率。

另一種可能性是設置膠囊識別模塊15，藉此，例如結合所投入的分份膠囊的適當編碼，可以調選表徵膠囊的參數，例如關於膠囊是否含有精磨咖啡或相反含有更粗磨的咖啡的信息。

也還可能的是設置泵過熱傳感器(圖中未示出)或其它傳感器或輸入可能性。

在一些實施例中，壓力計並不是為了影響泵功率而必需的，一般甚至根本沒有壓力計。根據本發明的做法的優點之一是，這種相對昂貴且維護費力的零部件可以省掉。

泵的控制可直接或間接取決於所有這些測得參數。但優選規定，測得的流體流量被用作唯一的被測變量，控制裝置在衝泡期間根據該被測變量調節泵功率。所有其它參數，只要其對泵控制有影響，都造成衝泡過程預設定(例如額定流體量或自適應泵控制裝置的「開/關」)或在必要時造成衝泡過程中斷(例如由使用者通過輸入模塊和/或編程模塊6啟動，或通過泵過熱保護裝置等啟動)，但優選不造成泵功率的自適應控制。

圖2a至圖2f還示出以下可能，調節變量可如何與測得流量相關聯。在這些圖中分別畫出與流量F相關的修正係數K。假定，對泵功率P而言下式是適用的：P＝P0K，其中P0對應於正常功率或最大功率。與功率相似地，也可以設定能影響功率的另一變量(轉速、頻率等)。

根據圖2a，一旦流量低於閾值Fs(也見圖3b)，則係數K從1減小至值K0。完成所述減小後，不論流量的後續進展如何，該係數保持於值K0。

與圖2a不同，也可以規定多個階梯，例如在低於上閾值時減小至K1，並且在低於下閾值時減小至K2<K1。

圖2b示出一個變型，據此，當流量在K減小後再次增大超過閾值時，係數K再次回調到1。如圖2b所示，可以規定滯後以避免快速來回切換，即回調到1隻在高出上閾值F'S時進行。此實施例也可套用到多個階梯。

在圖2a和圖2b的實施例中，值K0小於1且大於0，例如在0.3和0.8之間，特別是在0.4和0.7之間，尤其在0.5和0.6之間。

圖2c示出F與K作為連續函數的關係的例子。值K是高於上閾值FU的1，其線性減小至下閾值FL處的最小修正係數Km。值Km例如可以在0.3和0.8之間，特別是在0.4和0.7之間，尤其在0.5和0.6之間。

在根據圖2d的實施方式中得到係數與流量的函數關係，該函數由多條有不同斜率的直線構成並且在局部是線性的且整體是連續的。圖2e示出套用至連續非線性函數。

在圖2f中畫出關聯性K(F)，其中在一個區段中的斜率是負的(最右側實線)。因此，根據此變型，泵功率可以在很大的測得流量下再次下降。

根據一個次級變型，也能可選地規定，在衝泡過程最開始，直到膠囊根據經驗已灌滿流體，修正係數使在高流量下也保持為1(虛線；(1))，而在衝泡過程的隨後階段中該修正係數在測得流量較高時被減小(實線；(2))。

類似地，也並未完全排除泵功率在測得流量非常小時再次增大(圖中的最左側)。

在所有實施例中，各閾值特別是FS均匹配於在沒有發生堵塞的衝泡中在正常運行下的相應流量值。在例如圖2a和圖2b所示的具有多個階梯的實施方式中，閾值或最大閾值例如可以在正常流量的50％和85％之間(正常流量是指在膠囊注水後的一段時間之後得到的平均流量)。在具有連續曲線的實施方式中，最大閾值FU例如可以在正常流量的70％和110％之間的值，而可能的下閾值(圖2c和圖2d)在0和上閾值的最大70％之間。

根據圖2a-2f所示的做法的組合也是可想到的，例如在低於閾值時的分級減小與線性或非線性函數相結合，等等。