ПОРЦИОННАЯ КАПСУЛА ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЗАВАРНОГО ПРОДУКТА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
PORTION CAPSULE FOR PREPARATION OF BREWED PRODUCT AND METHOD OF ITS MANUFACTURE

Данное изобретение относится к приготовлению напитков и т.п. из содержащегося в капсуле экстрагируемого материала, например молотого кофе. В частности оно относится к способу изготовления капсулы, наполненной экстрагируемым материалом, и к капсуле, изготовленной этим способом.
Экстракционные аппараты для приготовления напитков из имеющегося в порционной упаковке экстрагируемого материала, известные, например, в виде кофеварок, кофеварок для приготовления кофе "эспрессо" и чаеварок, по-прежнему пользуются большой популярностью. Во многих соответствующих системах порционные упаковки выполнены в виде капсул, в которых закрыт, например, непроницаемо для воздуха, экстрагируемый материал. Для экстракции капсулу прокалывают с двух расположенных друг против друга сторон. С первой стороны вводят текучую среду для заваривания, чаще всего горячую воду. Со второй стороны из капсулы выводят заварной продукт. При этом в зависимости от приготавливаемого напитка и системы внутри капсулы должно существовать значительное давление, например, 5-20 бар, а в случае кофе, сваренного в кофеварке с фильтром, или чая, это давление может быть ниже.
В качестве материалов для капсул в частности применяют алюминий и пластики, например, полипропилен. Алюминиевые капсулы обеспечивают очень хорошую сохраняемость (сохранение аромата) экстрагируемого материала, но при их изготовлении затрачивают большое количество энергии. Полипропиленовые капсулы в отношении затрат энергии и удаления отходов выгодны, но они предъявляют повышенные требования к механизму для прокалывания и сохранению аромата.
Из патентного документа WO 2010/118543 известна порционная капсула для кофе, которая имеет приблизительно кубическую форму и в отличие от известных чашеобразных капсул не имеет окружной закраины, проходящей в плоскости (верхней) поверхности крышки. Кроме того, в существующих капсульных системах такую окружную закраину применяют для закрытия капсулы при помощи плоской крышки (обычно выполненной в виде мембраны или пленки). При закрытии посредством ультразвуковой сварки окружная закраина необходима для расположения устройства направления энергии. Если капсулу закрывают посредством термосваривания, то окружная закраина необходима для того, чтобы крышка лежала на достаточно большой площади. В противоположность этому согласно патентному документу WO 2010/118543 применяют выпуклую крышку, а закрытие осуществляют, например, посредством одновременной ультразвуковой резки и сварки. Таким образом, капсула, изготовленная в соответствии с описанием WO 2010/118543, независимо от своей ("кубической") формы имеет валик сварного шва. Этот валик проходит между плоскостями, образованными поверхностью крышки, и образует лишь минимальную закраину. Однако протяженность (боковой выступ) валика по сравнению с окружными закраинами известных капсул значительно уменьшена.
Капсула согласно WO 2010/118543 обладает значительными преимуществами, которые также описаны в этом документе. Однако, принимая во внимание ограничения в отношении выбора размеров окружного сварного шва, надежное прикрепление крышки к основному корпусу капсулы представляет собой сложную задачу. Кроме того, в случае закрытия при помощи ультразвуковой сварки сложной задачей является позиционирование устройства направления энергии на окружной закраине, имеющей после изготовления весьма ограниченные размеры, особенно, если капсулу изготавливают посредством глубокой вытяжки.
В соответствии с вышеуказанным задача данного изобретения состоит в том, чтобы усовершенствовать способ изготовления капсул того типа, который описан в WO 2010/118543, так, чтобы обеспечить возможность более простой технологичности, а также надежного, в частности стойкого к давлению, закрытия капсулы.
В соответствии с одним из аспектов изобретения способ изготовления капсулы содержит следующие этапы:
- обеспечение наличия основного корпуса из пластика с нижней областью, окружной боковой стенкой и окружной закраиной основного корпуса, примыкающей к окружной боковой стенке, причем основной корпус имеет по существу прямоугольное поперечное сечение в области закраины;
- обеспечение наличия крышки из пластика (из того же пластика, из которого состоит основной корпус, или из пластика, который имеет другой состав, но может свариваться с пластиком основного корпуса) для закрытия капсулы, т.е. для образования вместе с основным корпусом закрытой капсулы, причем крышка образует направленную наружу выпуклость с примыканием к окружной закраине крышки, при этом по своим размерам окружная закраина крышки соответствует закраине основного корпуса;
- наполнение основного корпуса экстрагируемым материалом; и
- установка крышки на основном корпусе так, что закраина крышки лежит закраине основного корпуса, и прикрепление закраины крышки на закраине основного корпуса при помощи ультразвуковой сварки.
Этот способ отличается тем, что крышка имеет устройство направления энергии, фокусирующее ультразвуковую энергию в течение ультразвуковой сварки, тем, что крышка изготовлена посредством глубокой вытяжки, и тем, что крышка имеет по меньшей мере один окружной паз, проходящий на наружной стороне в области закраины крышки.
Изготавливаемая этим способом капсула с экстрагируемым материалом имеет:
- основной корпус из пластика с нижней областью и окружной боковой стенкой; и
- прикрепленную на основном корпусе крышку из пластика;
- причем крышка прикреплена к основному корпусу вдоль окружной закраины, при этом эта закраина изготовлена посредством ультразвуковой сварки закраины основного корпуса, со стороны крышки примыкающей к окружной боковой стенке, и закраины крышки;
- причем основной корпус имеет по существу прямоугольное поперечное сечение в области закраины;
- при этом крышка образует направленную наружу выпуклость, так что крышка вносит вклад в объем капсулы;
- причем в закраину крышки интегрировано устройство направления энергии;
- при этом крышка изготовлена посредством глубокой вытяжки; и
- крышка имеет по меньшей мере один окружной паз, проходящий на наружной стороне в области закраины крышки.
Устройства направления энергии для способов ультразвуковой сварки с целью закрытия порционных капсул давно известны и описаны, например, в патентном документе WO 2010/118543. Однако в вышеупомянутом документе описывается, что устройство направления энергии устанавливают на закраине основного корпуса. К моменту подачи данной заявки это представляло собой обычную технологию изготовления порционных капсул посредством ультразвуковой сварки, при этом преобладало убеждение в том, что интеграция устройства направления энергии не в закраину основного корпуса, а в крышку невозможна и не предпочтительна. Таким образом, данное изобретение впервые предлагает использовать такое устройство направления энергии не на основном корпусе, а на крышке, которая в процессе ультразвуковой сварки вследствие наполнения основного корпуса всегда расположена сверху.
Помимо прочего, это дает следующие преимущества.
Во-первых, оказалось, что изготавливать устройство направления энергии на крышке легче. А именно, выяснилось, что при глубокой вытяжке основного корпуса, тем более имеющего в поперечном сечении прямоугольную форму, размещение устройства направления энергии на узкой закраине, вблизи окружной боковой стенки, представляет собой относительно сложную задачу.
Благодаря предложенному подходу данное изобретение способствует тому, что могут сохранить узкую кромку и, таким образом, например, улучшить штабелируем ость и компактность готовой капсулы.
Во-вторых, оказалось, что ультразвуковая сварка, по крайней мере, в случае капсул описанного здесь типа, лучше функционирует, если устройство направления энергии находится со стороны сонотрода. Однако из-за наполнения основного корпуса воздействие сонотродом снизу, т.е. со стороны основного корпуса, невозможно. Данное изобретение предлагает выход из этого затруднительного положения, так как оно предусматривает, что устройство направления энергии находится на крышке.
Капсула имеет такую форму, что в области закраины основной корпус имеет прямоугольное, например, по существу квадратное, поперечное сечение. Сама закраина, например ее наружная кромка, также может иметь по существу прямоугольную, в частности, квадратную форму. "По существу прямоугольная форма" или "по существу квадратная форма", в частности, не исключает закругленные углы.
В целом капсула, за исключением закраины и возможного смещения выпуклости крышки (см. ниже), может иметь форму куба или прямоугольного параллелепипеда, в частности, куба. В вариантах осуществления закраина может выступать вбок по меньшей мере на 0,8 мм, в частности по меньшей мере на 1 мм и/или максимально на 2 мм, в частности максимально на 1,5 мм. Преимущество таких размеров (ширина от 0,8 до 2 мм) заключается в том, что благодаря этому получают лучший компромисс между штабелируемостью/компактностью (небольшая вторичная упаковка) и надежным уплотнением. Кроме того, при направлении и удержании в заварочном модуле узкая кромка способствует правильной ориентации, не считаясь с недостатками известных больших кромок (наружный объем и соответствующий занимаемый объем в упаковке и заварочном модуле; внешний вид). Это действует независимо от размеров капсулы в целом, т.е. размеры закраины в вариантах осуществления для капсул меньшего размера выбирают в указанном диапазоне точно также, как в случае капсул большего размера.
Кубическая форма не исключает наклона (например, обусловленного технологией изготовления капсул посредством глубокой вытяжки) окружных боковых поверхностей относительно оси (перпендикулярно нижней поверхности и/или поверхности крышки) составляющего, например, не более 3°, в частности, не более 2° или не более 1,5°.
Если капсула выполнена так, что она имеет по существу кубическую форму, то для объема наполнения приблизительно от 6 до 10 г кофе наружная длина ребер куба, например, составляет от 24 до 30 мм. Большие объемы наполнения не исключают также больших размеров, например, до 35 мм.
Основной корпус имеет нижнюю область и окружную боковую стенку. Таким образом, он образует своего рода чашу, закрываемую крышкой. При этом нижняя область может быть плоской, хотя это не обязательно.
В направлении снаружи вовнутрь форма крышки может иметь закраину крышки, изогнутую переходную область и среднюю плоскую область, образующую собственно верхнюю поверхность крышки. Из-за переходной области, обеспечивающей выпуклость, такая плоская область смещена наружу от плоскости закраины крышки. Переходная область, например, может быть изогнута в форме буквы S или проходить плавно изогнутым образом от наружной части, расположенной под углом к плоскости закраины, к центральной плоской области. При этом размеры могут быть выбраны, например, так, что в визуальном отношении доминирует средняя плоская область, так как она, например, имеет такие же размеры, что и нижняя область, или лишь немного меньше (например, максимально на 10%) поверхности крышки. В частности, в одном из вариантов осуществления капсула в целом может иметь форму прямоугольного параллелепипеда или куба, так что эта плоская область занимает более 60% диаметра и, соответственно, по меньшей мере 40% поверхности.
В целом, закраина крышки образует окружную, обращенную к стороне крышки поверхность, проходящую от наружной кромки закраины до основания выпуклости. В вариантах осуществления изобретения может быть предусмотрено, что основание выпуклости смещено вовнутрь по сравнению с той частью боковой стенки, к которой примыкает закраина. Такое смещение может составлять, например, по меньшей мере 0,2 мм.
Как основной корпус, так и крышка изготовлены из пластика. В частности, может быть предусмотрено, что основной корпус и крышка изготовлены из одинакового пластика. В качестве примера материала можно назвать полипропилен, причем может быть встроен барьерный слой, способный задерживать кислород и предотвращающий диффузию кислорода в капсулу. Например, такой барьерный слой состоит из сополимера этилена и винилового спирта (EVOH). Толщина стенки в области основного корпуса, в частности, составляет от 0,1 до 0,7 мм, предпочтительно от 0,2 до 0,4 мм, например, от 0,25 до 0,35 мм. То же самое может относиться и к толщине стенки крышки. В одном из вариантов осуществления толщина стенки крышки приблизительно соответствует толщине стенки основного корпуса.
Вместо полипропилена могут использовать и другие пластики. Также не исключено применение изобретения в отношении свариваемых при помощи ультразвука материалов, не относящихся к пластикам.
Как само по себе известно, устройство направления энергии может иметь форму ребра, например, V-образного профиля. Такое ребро может быть расположено так, что оно проходит по периметру параллельно закраине. Также может быть расположены два или более таких ребер. Не исключено также, что одно или несколько ребер проходят не параллельно закраине. Также возможны другие формы устройства направления энергии, например, устройство направления энергии, выполненное в виде окружного расположения отдельных холмообразных возвышений и т.д.
В области закраины крышки, на наружной стороне, т.е. на стороне, обращенной в противоположную от основного корпуса сторону, крышка имеет окружной паз, который, при необходимости, образует структуру, инверсную по отношению к устройству направления энергии и видимую даже в окончательно изготовленной капсуле. Такая структура возникает при изготовлении крышки посредством глубокой вытяжки (из-за своей ограниченной глубины процесс глубокой вытяжки на крышке также можно рассматривать, как процесс тиснения) благодаря тиснению устройства направления энергии. При сваривании капсулы эта структура также может служить в качестве средства центрирования. Например, на сонотроде может быть расположено комплементарное по отношению к пазу окружное ребро. В этом случае при помощи этого ребра крышку можно центрировать на капсуле.
Основной корпус также может быть изготовлен посредством глубокой вытяжки или альтернативно - посредством литья под давлением. В целом, посредством глубокой вытяжки или литья под давлением можно изготовить обе детали - как основной корпус, так и крышку, но также возможны комбинации из изготовленного глубокой вытяжкой основного корпуса и крышки, изготовленной способом литья под давлением, или наоборот.
Можно использовать закраину основного корпуса и/или закраину крышки с превышением размера. В таком случае после сваривания или одновременно со свариванием выступающие области отделяют, например, посредством ультразвука или штамповки.
В вариантах осуществления изобретения крышка или основной корпус, но в особенности крышка, может иметь средство позиционирования. В частности средство позиционирования может иметь выступ, выдающийся наружу за плоскость, в которой прилегают друг к другу закраина крышки и закраина основного корпуса. В соответствии с первым вариантом осуществления изобретения средство позиционирования образовано заплечиком в области закраины крышки или закраины основного корпуса, причем затем эту область с заплечиком отделяют. Такой заплечик может взаимодействовать с закраиной основного корпуса или закраиной крышки, чтобы при установке крышки выровнять крышку относительно основного корпуса. В частности такой заплечик предпочтителен при изготовлении посредством глубокой вытяжки, так как его можно просто изготовить. Согласно второму варианту осуществления средство позиционирования может иметь выдающийся вовнутрь установочный выступ, который расположен внутри объема капсулы и также выравнивает крышку относительно основного корпуса.
В вариантах осуществления изобретения такое средство позиционирования предназначено не только для выравнивания крышки относительно основного корпуса, но и для улучшения штабелируемости нескольких крышек после их изготовления.
Ниже со ссылками на чертежи описаны примеры осуществления изобретения. Одинаковые или аналогичные элементы на чертежах обозначены одинаковыми номерами позиции. Чертежи выполнены не в масштабе, частично они имеют соответствующие друг другу элементы, которые на разных чертежах имеют различные размеры. На чертежах изображено следующее.
Фиг. 1 - капсула;
фиг. 2 - основной корпус для изготовления капсулы в соответствии с фиг. 1;
фиг. 3 - крышка для изготовления капсулы;
фиг. 4 - крышка согласно фиг. 3 (показанная в разрезе);
фиг. 5 и 6 - вид в разрезе детали капсулы, выполненной согласно фиг. 4, в области закраины;
фиг. 7 - еще одна крышка;
фиг. 8 - крышка согласно фиг. 7 (показанная в разрезе);
фиг. 9 - вид снизу крышки согласно фиг. 7 (также показана в разрезе).
Капсула 1 согласно фиг. 1 по существу имеет форму куба с закругленными ребрами. Однако в направлении вышерасположенной стороны протяженность немного увеличивается, так что в строго математическом смысле капсула имеет форму усеченной пирамиды. Угол наклона поверхностей, которые на этом чертеже являются боковыми, относительно перпендикуляра к нижней области 5 - разумеется, имеется в виду та плоскость, которая является перпендикулярной поверхности крышки и проходит через ребро между нижней областью и соответствующей боковой поверхностью - очень мал, предпочтительно он составляет не более 2°, например, приблизительно лишь 1°. Кроме того, высота капсулы над нижней областью приблизительно соответствует длине ребер нижней области.
Капсула имеет основной корпус (или чашу) 2 и крышку 3, прикрепленную к основному корпусу вдоль окружной закраины 4. Основной корпус образует нижнюю область 5 капсулы и окружную боковую стенку 6, которая на наружном конце (если смотреть в осевых направлениях, т.е по оси 10; на чертеже - сверху) заканчивается закраиной 4. Крышка выполнена выпуклой наружу благодаря тому, что поверхность 9 крышки, по существу параллельная нижней области 5 капсулы, по отношению к окружной закраине 4 смещена наружу.
Фиг. 2 показывает основной корпус 2 (чашу) перед наполнением и закрытием. Протяженность закраины 41 основного корпуса больше протяженности закраины 4 готовой капсулы.
При изготовлении капсулы сначала основной корпус 2 наполняют экстрагируемым материалом, а затем размещают крышку 3. Фиг. 3 и 4 иллюстрируют пример осуществления крышки 3, изготовленной посредством глубокой вытяжки. Устройство 23 направления энергии, сформованное в области закраины 34 крышки, выполнено в виде окружного ребра, которое в поперечном сечении имеет приблизительно V-образную форму. Соответственно с обратной стороны (после изготовления капсулы - с наружной стороны) образуется окружной паз 11.
Крышка имеет боковой выступ 31, который отделяют при прикреплении или после прикрепления к основному корпусу. На выступе имеется ступенчатая область, поэтому образуется заплечик 32. Крышка имеет такие размеры, что, когда крышку размещают на основном корпусе, закраина 41 основного корпуса доходит до этого заплечика, так что заплечик служит в качестве средства позиционирования относительно основного корпуса.
Как очень схематично показано на фиг. 5, при закрытии капсулы закраину при установленной крышке поддерживают снизу при помощи первого инструмента 21 (неподвижный упор), при этом сверху при помощи второго инструмента 22 (сонотрода) в закраину крышки вводят ультразвуковую энергию, так что происходит сваривание. Фиг. 6 иллюстрирует место сваривания после отделения возможного выступа. Область, выделенная перекрестной штриховкой, показывает первоначальное положение устройства 23 направления энергии. В действительности после закрытия закраину основного корпуса и закраину крышки сваривают друг с другом также рядом с этой областью.
Окружная закраина образует поверхность 8, обращенную к стороне крышки и проходящую от наружной кромки 7 закраины до основания 12 выпуклости. Как показано на фиг. 6, основание 12 может быть смещено вовнутрь относительно окружной боковой стенки, образованной основным корпусом 2. При этом такое смещение v может быть значимым по сравнению с толщиной стенки капсулы, в частности, оно составляет по меньшей мере 0,2 мм. Как показано на фиг. 6, смещение v измеряют между плоскостями, параллельными наружной поверхности основного корпуса в области закраины 4, которые проходят через положение максимальной вогнутой кривизны на переходном участке между поверхностью 8 со стороны крышки или поверхностью 18 закраины 4 со стороны основного корпуса и выпуклостью крышки или, соответственно, наружной поверхностью основного корпуса.
Между областью закраины и собственно поверхностью 9 крышки крышка 8 образует переходную область 13, в которой стенка обладает кривизной и, таким образом, образует выпуклость. В показанном примере эта область, начиная от той части, которая расположена почти под прямым углом к плоскости закраины и поверхности 9 крышки, с постоянной выпуклой кривизной переходит в плоскую область, образующую поверхность крышки. Поэтому вогнутая кривизна у основания 12 велика (радиус кривизны мал). Несмотря на это, можно согласовать друг с другом вогнутую кривизну и выпуклую кривизну, в результате в поперечном сечении возникает S-образная кривая. Благодаря ограничению площади переходной области обеспечено, что центральная плоская область составляет большую часть площади крышки (не менее 40%), и поэтому форма куба или прямоугольного параллелепипеда в целом не нарушается.
Кроме того, на фиг. 6 изображено опциональное утолщение 14 на переходном участке между окружной боковой стенкой и закраиной. Это утолщение предназначено для придания дополнительной жесткости.
Для лучшего понимания изобретения фиг. 7-9 иллюстрируют крышку 3, изготовленную не глубокой вытяжкой, а литьем под давлением. В дополнение к устройству 23 направления энергии сформована стенка 33, выступающая с внутренней стороны вовнутрь. Эта стенка предназначена для придания механической жесткости и облегчения штабелирования. В качестве средства позиционирования служат установочные выступы 35, сформованные в области углов. Капсула, изготовленная посредством глубокой вытяжки, также может иметь сформованное на ней средство позиционирования.