СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МОЛОЧНОЙ ПЕНЫ
METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING MILK FOAM

Область техники
Изобретение описывает способ получения молочной пены, имеющей регулируемую температуру, и устройство для получения молочной пены, имеющей регулируемую температуру.
Уровень техники
Получение молочной пены, т.е. относительно устойчивой смеси из молока или, соответственно, заменителя молока и воздуха или газа, которая при необходимости нагрета, общеизвестно и применяется различным образом в разных кофейных машинах.
Так, WO 2008/083941 A1 описывает способ и устройство для получения молочной пены, у которого предусмотрен один единственный насос как для нагнетания молока, так и для всасывания воздуха, необходимого для получения молочной пены, и при этом смесь подводится к выпуску через место дросселирования ниже по потоку от насоса. Для получения теплой молочной пены молочно-воздушная смесь после места дросселирования посредством предусмотренного клапана нагревается с помощью проточного нагревателя, расположенного в параллельном участке трубопровода, и нагнетается к выпуску.
Из DE 10 2014 216 534 B3 известно устройство и способ для вспенивания молока, которое, будучи смешано с воздухом, нагнетается нагнетательным насосом к выпуску, и при этом на напорной стороне нагнетательного насоса расположены по меньшей мере один дроссель и один проточный нагреватель. Устройство может эксплуатироваться в режиме холодной пены и в режиме теплой пены. В режиме теплой пены блок управления активирует расположенный ниже по потоку от дросселя проточный нагреватель и настраивает на дросселе предопределенное проточное поперечное сечение, которое отличается от проточного поперечного сечения в режиме холодной пены.
Из EP 1 593 330 A2 известен способ и устройство для получения молочной пены, при этом молоко, насыщенное воздухом или газом, подводится к выпуску через проточный нагреватель и расположенное ниже по потоку от него место дросселирования. Вследствие расположения места дросселирования ниже по потоку от насоса отношение давлений в проточном нагревателе не оптимизировано в отношении ограничения образования больших воздушных пузырей.
Известные системы получения молочной пены с изменяющейся температурой включают в себя в общем случае нагнетательный насос для всасывания молока или вообще вспениваемой жидкости из какой-либо емкости и нагнетания ее по системе трубопроводов к выпуску. Далее, предусмотрены, например, регулируемое устройство подачи воздуха и устройство темперирования для темперирования молока или, соответственно, молочно-воздушной смеси в соответствии с потребностью до регулируемой температуры.
В общем случае уже при подаче воздуха в поток молока происходит первый шаг пенообразования, при котором получается грубая, полидисперсная предварительная пена. Для получения как можно более гомогенной, монодисперсной пены известны элементы, повышающие давление, или, соответственно, дроссельные устройства или элементы, пропускающие с сопротивлением, которые предназначены для создания из молочно-воздушной смеси путем создания противодавления пены, в которой воздух диспергируется на пузыри с определенным распределением размеров. Вместо элемента, повышающего давление, может быть предусмотрен смесительный элемент, который разделяет протекающий поток на отдельные потоки и предусматривает перемешивание этих отдельных потоков таким образом, что возникает молочная пена.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является предоставить способ и устройство для получения молочной пены с регулируемой температурой, при этом консистенция и качество получаемой пены простым образом, независимо от температуры, улучшено по сравнению с известными способами и устройствами. Предлагаемый изобретением способ предпочтительно создан для получения молочной пены с регулируемой температурой посредством предлагаемого изобретением устройства.
В настоящем изобретении термин «молочно-воздушная смесь» или, соответственно, «молочно-воздушная эмульсия» используется в смысле общего понятия, при этом он включает в себя также молочную пену. Молочная пена имеет структуру яичных белков и жиров, которая охватывает пузырьки воздуха или, соответственно, газа. Пена в смысле настоящего изобретения имеет улучшенную консистенцию и качество, когда получается гомогенная устойчивая пена. Под термином «устойчивая пена» понимается пена, имеющая наиболее равномерное возможное распределение пузырей в течение всего контрольного времени.
Эта задача решается с помощью способа получения молочной пены по п.1 формулы изобретения, а также с помощью устройства по п.3 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления способа и предлагаемого изобретением устройства содержатся в зависимых пунктах формулы изобретения.
Предлагаемый изобретением способ получения молочной пены с регулируемой температурой предусматривает, что молоко из по меньшей мере одной емкости и подаваемый воздух всасывается насосом в виде молочно-воздушной смеси, нагнетается через проточный нагреватель и при этом нагревается, и, нагретое, преобразованное дроссельным устройством в молочную пену, нагнетается к выпуску. Далее, способ предусматривает, что молочно-воздушная смесь на напорной стороне насоса нагревается проточным нагревателем и преобразуется в молочную пену.
В соответствии с изобретением предусмотрено, что на напорной стороне насоса дроссельным устройством создается противодавление в молочно-воздушной смеси. Оптимальное вследствие этого сжатие молочно-воздушной смеси способствует получению мелкопористой пены. Это по меньшей мере частично основывается на возникающем в проточном нагревателе действии противодавления, создаваемого включенным после него дроссельным устройством, которое противодействует образованию в нагреваемой молочно-воздушной смеси воздушных пузырей большего размера. Далее, регулирование температуры в проточном нагревателе может упрощаться и становится более точным.
Предлагаемое изобретением устройство для получения молочной пены с регулируемой температурой способом получения молочной пены, имеющей регулируемую температуру, включает в себя насос для нагнетания молока из по меньшей мере одной емкости к выпуску, устройство подачи воздуха для подачи воздуха, проточный нагреватель и дроссельное устройство. Эта основная конструкция соответствует по существу известным устройствам. Помимо этого, устройство предусматривает, что проточный нагреватель расположен на напорной стороне насоса, а дроссельное устройство - ниже по потоку от проточного нагревателя. Благодаря этому предлагаемому изобретением расположению достигается проявление создаваемого в дроссельном устройстве противодавления также предпочтительно в проточном нагревателе. В частности, так получение более мелких воздушных пузырей возможно также в нагретой молочно-воздушной смеси. Предпочтительно также становится более удобным управление температурой проточного нагревателя.
В соответствии с изобретением предусмотрен проточный нагреватель, в котором молоко или, соответственно, молочно-воздушная смесь, нагнетаемая насосом в системе трубопроводов, нагревается до желаемой регулируемой температуры.
В соответствии с изобретением проточный нагреватель предпочтительно выполнен в виде толстопленочного нагревателя, имеющего электрический резистивный элемент, температура которого может регулироваться. Толстопленочный нагреватель включает в себя элемент теплопередачи для передачи тепла, создаваемого электрическим резистивным элементом, нагреваемой жидкости, в частности молочно-воздушной смеси. Элемент теплопередачи создает путь течения нагреваемой жидкости, например, в виде спиралеобразного проточного пути. При этом молочно-воздушная смесь, которая подводится к проточному нагревателю, течет по проходящему снаружи внутрь спиралеобразному проточному пути, при этом она нагревается до желаемой регулируемой температуры. Далее, в надлежащем месте предусмотрены сенсоры температуры, которые соединены с блоком управления. С помощью такого толстопленочного нагревателя возможно быстрое регулирование температуры при одновременно выгодной эффективности затрат и использования энергии.
Расположенное на предлагаемом изобретением устройстве дроссельное устройство выполнено для по меньшей мере частичной поддержки образования молочной пены. Ниже по потоку от насоса, т.е. на напорной стороне, уже имеется молочно-воздушная смесь, которая имеет желаемую регулируемую температуру после проточного нагревателя, и затем в дроссельном устройстве преобразуется в устойчивую молочную пену, т.е. дополнительно вспенивается. При этом дроссельное устройство создает в месте дросселирования противодавление, так что при совокупном действии подаваемая молочно-воздушная смесь вспенивается с получением молочной пены желаемой консистенции и качества. В месте дросселирования по принципу Вентури в суженном месте с повышенной скоростью течения устанавливается более низкое давление, чем выше по потоку от этого места, происходит практически мгновенное понижение давления и связанное с этим образование пузырей.
При предлагаемом изобретением расположении дроссельного устройства ниже по потоку от проточного нагревателя в проточном нагревателе также создается противодавление, так что имеющиеся в нагретой молочно-воздушной смеси пузыри воздуха или, соответственно, газа не могут расширяться беспрепятственно. Возникающая пена является мелкопористой. Кроме того, предпочтительно получается улучшенная теплопередача в проточном нагревателе, так как имеющиеся пузыри воздуха или, соответственно, газа имеют меньший размер, и это позволяет избежать худшей теплопередачи воздуха, имеющейся в противном случае. Предпочтительно возможно соответственно более быстрое и более эффективное регулирование проточного нагревателя.
Дроссельное устройство выполнено с возможностью настройки или с жесткой настройкой, чтобы в месте дросселирования сужать путь течения молочно-воздушной смеси, в частности создавать функцию дросселирования за счет локального сужения поперечного сечения, напр., имеющего прогрессивный характер. При этом сужение поперечного сечения может быть выполнено с изменяющейся площадью свободного поперечного сечения или с жестко настроенной площадью свободного поперечного сечения. Сужение поперечного сечения предоставляемой проточной площади может достигаться посредством форсунки, диафрагмы, напр., дисковой диафрагмы или диафрагмы с кольцевым зазором, клапана, напр., игольчатого клапана или дроссельного клапана. При гибком трубопроводе может быть также предусмотрено зажимное устройство, например, шланговый зажим. Сужение соответствует уменьшенной площади проточного поперечного сечения по сравнению с трубопроводом, лежащим непосредственно выше по потоку. Ниже по потоку от места дросселирования предусмотрено уширение или, соответственно, расширение проточного поперечного сечения, напр., имеющее дегрессивный характер. Расстояние между сужением и уширением поперечного сечения трубопровода составляет максимум 0,5-2 мм.
Для создания высококачественной пены диаметр проточного поперечного сечения в месте дросселирования лежит в пределах от 0,5 до 2 мм.
В одном из вариантов осуществления возможно управление дроссельным устройством с помощью блока управления, т.е. проточное поперечное сечение является регулируемым. Оказалось, что консистенция пены зависима от температуры.
Получение высококачественной мелкопористой пены основывается на согласованном взаимодействии насоса, дроссельного устройства, поперечного сечения трубопровода и длины трубопровода, при этом, в частности, для качества пены имеют значение существующие ниже по потоку от дроссельного устройства перепады давления, причем эти давления лежат в пределах от 4 до 15 бар.
В соответствии с изобретением предусмотрено, что блок управления управляет насосом, клапанами, проточным нагревателем и, возможно, дроссельного устройством.
В соответствии с изобретением ниже по потоку от дроссельного устройства предусмотрен участок трубопровода, поперечное сечение и длина которого до выпуска выбрана так, чтобы улучшалось качество молочной пены. Этот участок трубопровода представляет собой своего рода успокоительный участок, в котором воздух в молочно-воздушной смеси, который по меньшей мере частично может еще находиться в виде больших пузырей, диспергируется на мелкие пузыри. Помимо этого, этот участок трубопровода ниже по потоку от дроссельного устройства влияет также на течение молочно-воздушной смеси, имеющее еще частично турбулентные составляющие, в которой повышается ламинарная составляющая течения смеси.
Этот участок трубопровода предпочтительно выполнен с постоянным внутренним диаметром, который отличен от внутреннего диаметра, имеющегося выше по потоку, и распространяется на длине от 0,5 до 2 м, предпочтительно прибл. 1,5 м. На этом участке трубопровода происходит постепенное падение давление с малой разностью давления на единицу длины.
Краткое описание чертежей
Другие предпочтительные признаки и предпочтительные варианты осуществления поясняются ниже на примерах осуществления и чертеже. При этом показано:
фиг.1: схематичное изображение предлагаемого изобретением устройства для получения молочной пены.
Осуществление изобретения
На фиг.1 схематично показано устройство 1 для получения молочной пены с регулируемой температурой. Как изображено на фиг.1, в области, обозначенной 10, расположены первая емкость 12 и вторая емкость 14, в которых находится запас молока первого типа и второго типа. Предпочтительно область 10 охлаждается. Первая и вторая емкости 12, 14 соединены первым трубопроводом 16, при этом в каждом подводе к трубопроводу 16 предусмотрено по клапану 18, так что молоко или заменитель молока может выборочно забираться из первой и второй емкости 12, 14. Трубопровод 16 соединяет первую и вторую емкость 12, 14 с насосом 20, который предназначен для нагнетания молока или, соответственно, заменителя молока и воздуха в трубопроводе 16. Воздух всасывается устройством 22 подачи воздуха, например, из окружающей среды и через обратный клапан 24 и регулируемое клапанное устройство 26 нагнетается к стороне всасывания насоса 20. На напорной стороне к насосу 20 присоединяется проточный нагреватель 28, который предпочтительно выполнен как проточный нагреватель в виде толстопленочного нагревателя. Такой проточный нагреватель предусматривает, напр., спиралеобразный путь течения молока, насыщенного воздухом, т.е. молочно-воздушной смеси. По пути течения молочно-воздушная смесь при активированном толстопленочном нагревателе нагревается до желаемой регулируемой температуры, которая регулируется, например, имеющимся блоком 30 управления. Посредством блока 30 управления может инициироваться получение порции молочной пены, имеющей желаемую регулируемую температуру, при этом также может устанавливаться количество воздуха, количество и тип молока.
Далее, из фиг.1 видно, что ниже по потоку от проточного нагревателя 28 расположено дроссельное устройство 32, которое создает устойчивую и гомогенную молочную пену из уже имеющейся, возможно, нагретой молочно-воздушной смеси. Дроссельное устройство 32 может быть выполнено в виде форсунки, диафрагмы, жесткой или регулируемой форсунки, при этом в месте дросселирования предусмотрено сужение площади проточного поперечного сечения. Дополнительно к узкому месту ниже по потоку от него дроссельное устройство 32 может иметь уширение проточного поперечного сечения. В частности, дроссельное устройство 32 может быть выполнено в виде дросселя, регулируемого блоком 30 управления или другим устройством. Дроссельное устройство 32 создает противодавление, которое проявляется также на пути течения, содержащемся в проточном нагревателе 28. Тем самым достигается сдерживание тенденциозной склонности воздушных пузырей к расширению по мере повышения температуры и одновременному увеличению. Воздушные пузыри меньшего размера в молочно-воздушной смеси облегчают нагрев смеси, которая в противном случае повергается отрицательному влиянию воздуха как плохого проводника тепла.
Регулируемое дроссельное устройство 32 позволяет, в зависимости от подаваемого количества воздуха и температуры, оптимально перемешивать воздух и молоко с получением молочно-воздушной смеси и диспергировать в смеси более мелкие воздушные пузыри, которые отвечают за качество пены.
i
Между дроссельным устройством 32 и выпуском 36, на котором молочная пена желаемой температуры или же холодное либо теплое молоко может выпускаться, например, в приготовленную чашку, предусмотрен участок 34 трубопровода, который может также считаться успокоительным участком. На этом участке 34 трубопровода подвергается влиянию характеристика течения протекающей молочной пены. В частности, участок 34 трубопровода выполнен с постоянным внутренним диаметром (D), который предпочтительно отличается от соответствующего внутреннего диаметра выше по потоку от дроссельного устройства 32. Длина участка 34 трубопровода лежит в пределах от 0,5 до 2 м, предпочтительно прибл. 1,5 м.