СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ВСПЕНЕННОЙ ЖИДКОСТИ ИЗ РАСТВОРИМЫХ ИНГРЕДИЕНТОВ И РАСТВОРИТЕЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF MAKING FOAMED LIQUID OF SOLUBLE INGREDIENTS AND SOLVENT AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к устройству для приготовления вспененной жидкости в открытой камере, в частности, с использованием струи растворителя для растворения растворимого ингредиента или жидкого концентрата и его вспенивания, превращая во вспененную жидкость. Кроме того, изобретение относится к аппарату для приготовления напитка, содержащему такое устройство. Изобретение также относится к способу растворения порошка и приготовления вспененной жидкости с использованием струи растворителя для растворения растворимого ингредиента и его вспенивания, превращая во вспененную жидкость.
Существуют аппараты для приготовления напитков, предназначенные для приготовления вспененных жидкостей - напитков, которые используют растворитель для растворения растворимого ингредиента, такого как кофейный порошок. Известные системы обычно используют вращающийся с высокой скоростью механический элемент, такой как взбивалка, для создания в жидкости сдвигающих усилий, дающих возможность надлежащим образом растворять порошок и приготавливать удовлетворительное количество пены.
Например, документы WO 03/068039 и ЕР 1639924 относятся к решениям с вращательным механизмом для улучшения вспенивания жидкости, получаемой из смеси растворимых ингредиентов и растворителя.
Эти решения имеют недостатки, заключающиеся в том, что они являются шумными, имеют высокую сложность механической части и влекут за собой дополнительные производственные издержки, так как нуждаются в приводном элементе, таком как электрический двигатель. Такого рода решение требует также более частой очистки или ополаскивания.
Решения, использующие давление, оказались не очень подходящими для создания производительного, низкого по цене, бесшумного и гигиеничного аппарата для приготовления напитка, в частности, в малых бытовых электроприборах для приготовления кофе.
Существуют лишенные взбивалок решения для получения вспененной жидкости из растворимого ингредиента, в частности, в порционных пакетах, таких как капсулы или контейнеры. Как правило, в этих известных решениях растворитель впрыскивается под давлением в по существу закрытую камеру и вынужден под давлением проходить через перфорированную мембрану или фильтр, создавая перепад давления и сдвигающие усилия для образования вспененной жидкости. Хотя эти решения работают вполне хорошо, они также являются сложными и дорогостоящими в своем осуществлении вследствие необходимости обеспечивать герметизацию камеры под давлением в течение варки или растворения ингредиента. Более того, системы получения напитков с использованием порционных пакетов создают отходы упаковки.
Например, документ WO 2005/020769 А1 относится к способу и устройству для приготовления пищевого продукта посредством впрыскивания жидкости через капсулу, содержащую пищевую субстанцию, которая является растворимой и/или предназначенной для экстрагирования, при этом жидкость впрыскивают из по меньшей мере одной точки таким образом, чтобы породить турбулентное перемещение впрыскиваемой жидкости в пределах капсулы, тем самым приводя к варке. Как было упомянуто, в этом решении необходимо, чтобы капсула была полностью заполнена водой до тех пор, пока внутри капсулы не будет создано определенное давление для того, чтобы растворитель и субстанция напитка смешались вместе и создали вспененный напиток. Другая проблема заключается в том, что, когда давление в капсуле падает, капсула остается заполненной жидкостью, следовательно, невозможен полный слив из капсулы.
Документ WO 02/087400 относится к способу приготовления вспененного напитка с использованием капсулы, содержащей вспенивающийся ингредиент, включающему: этап, на котором располагают приемный резервуар так, чтобы собирать вытекающую из капсулы текучую среду; этап, на котором впрыскивают жидкость в капсулу так, чтобы смешать ее с вспенивающимся ингредиентом; этап, на котором позволяют смешанному с жидкостью вспенивающемуся ингредиенту вытекать из капсулы в приемный резервуар; за чем следует этап, на котором дополнительно впрыскивают жидкость в приемный резервуар струей, имеющей диаметр приблизительно 0,5-2 мм, для приготовления вспененной жидкости в приемном резервуаре. Однако этот способ имеет тот недостаток, что требует два отдельных этапа вспенивания, выполняемых соответственно в капсуле и в приемном резервуаре.
Таким образом, имеется потребность в более простом, гигиеничном и низком по стоимости решении, дающем возможность приготовления вспененной жидкости из сочетания растворителя и растворимого ингредиента или жидкого концентрата и не требующем использования камеры повышенного давления или средств взбивания с приводом от двигателя и не дающем твердые остатки.
Изобретение основано на том, что в устройстве, содержащем открытую камеру, сочетание по меньшей мере одной струи растворителя и средств выпуска жидкости выполнено таким образом, что поверхности циркулирующей жидкости в камере подвергаются действию высоких сдвигающих усилий, эффективных при растворении порошка и приготовлении вспененной жидкости.
В результате получается даже улучшенная по сравнению с механическими взбивающими устройствами пена, которая по меньшей мере сопоставима с пеной, полученной в системе, содержащей капсулу под давлением, однако не имеет при этом вышеупомянутых недостатков ни одной из этих систем.
Более конкретно, устройство согласно изобретению содержит открытую в атмосферу камеру с поперечной стенкой дна и продольной направленной вверх стенкой и имеет по меньшей мере одно впускное отверстие для растворителя и по меньшей мере одно выпускное отверстие для выдачи жидкости, при этом впускное отверстие для растворителя выполнено в направленной вверх стенке и имеет размеры и ориентацию для направления струи растворителя в камеру, а по меньшей мере одно выпускное отверстие для выдачи жидкости выполнено в донной стенке, обеспечивая жидкости возможность подниматься по направленной вверх стенке за счет поступления в камеру струи растворителя в результате его направления и согласно размеру этого впускного отверстия для растворителя.
Таким образом, камера выполнена так, что создается слой циркулирующей жидкости, который поднимается по направленной вверх стенке, образуя поверхность жидкости, которая подвергается действию значительных сдвигающих усилий от по меньшей мере одной струи растворителя. Вдоль дна камеры также может быть создана вторая поверхность жидкости, которая также подвергается действию сдвигающих усилий от струи растворителя. Слой циркулирующей жидкости в основном получают за счет управления потоком вытекающей из камеры жидкости так, чтобы поддерживать достаточный объем жидкости в камере, и за счет формы впускного отверстия для растворителя, которое должно надлежащим образом воздействовать на жидкость, чтобы сделать ее бурлящей и вспенить ее. Выпускное отверстие (выпускные отверстия) для выдачи жидкости и направление и размер впускного отверстия для растворителя выполнены так, чтобы давать жидкости возможность подниматься по направленной вверх стенке.
Растворитель может представлять собой любую подходящую жидкость, предназначенную для растворения пищевого ингредиента, с учетом особенностей устройства и условий его работы. Предпочтительно растворитель представляет собой горячую воду, но могут быть использованы и другие растворители, такие как холодная вода или другие водосодержащие жидкости, например натуральное молоко.
Растворимый ингредиент может представлять собой любой способный вспениваться пищевой ингредиент, который растворяется и ведет себя таким образом, чтобы создавать вспененную жидкость. Предпочтительно такой ингредиент представляет собой порошок быстрорастворимого кофе. Однако в устройстве согласно изобретению для создания вспененной жидкости могут быть использованы и другие ингредиенты, такие как быстрорастворимый чай, обезвоженные кулинарные ингредиенты и/или ингредиенты на основе молока. Устройство и способ согласно настоящему изобретению применимы также к растворению и вспениванию растворителем жидких концентратов. Такие жидкие концентраты могут представлять собой кофе, шоколад или молочные концентраты.
2
2
2
Согласно изобретению донная стенка имеет одно или несколько выпускных отверстий для жидкости. Более конкретно, полная площадь поверхности выпускного отверстия (выпускных отверстий) выбирается так, чтобы расход вытекающей жидкости под действием силы тяжести через выпускное отверстие (выпускные отверстия) был ниже, чем расход заполнения камеры растворителем через впускное отверстие. Под термином «ниже» подразумевается, что расход вытекания меньше или равен расходу заполнения. Конечно, более медленное вытекание из камеры учитывает динамику текучей среды в камере. Например, текучая среда может быть менее склонной к вытеканию в случае, когда поддерживается в вихревом движении вдоль стороны камеры. В результате этой конфигурации слой жидкости может поддерживаться циркулирующим в камере для столкновения со струей поступающего в камеру растворителя по меньшей мере до тех пор, пока растворитель поступает в камеру. Предпочтительно выпускное отверстие или выпускные отверстия в большинстве своем расположены в центре донной стенки или в непосредственной близости от него. Такая конфигурация способствует замедлению вытекания жидкости из устройства. В предпочтительном варианте выполнения устройства полное поперечное сечение выпускного отверстия для жидкости является достаточно малым для того, чтобы сохранять достаточное количество жидкости в камере, когда растворитель поступает в камеру, но тем не менее обеспечивает эффективный слив из камеры просто под действием силы тяжести. Предпочтительно направленная вверх стенка является по существу вертикальной, что способствует сливу жидкости. Устройство оказалось самоочищающимся в том смысле, что в камере после работы по существу не остается затвердевшей пены или ее остатка. Растворитель может ополоснуть внутренние поверхности камеры, и жидкость или остаток твердых частиц могут полностью вытечь из выпускного отверстия (выпускных отверстий). На самом деле, важно иметь возможность полностью опорожнять и ополаскивать камеру для поддержания ее чистоты и исключения проблем, связанных с гигиеной. Предпочтительно поперечное сечение единственного выпускного отверстия для жидкости не превышает 12,6 мм. Поперечное сечение каждого выпускного отверстия для жидкости в случае наличия нескольких выпускных отверстий в донной стенке не превышает приблизительно 2 мм, а наиболее предпочтительно - меньше 1,54 мм. Следует отметить, что поперечное сечение выпускных отверстий также зависит от поперечного сечения и объема камеры. Соотношение между поперечными сечениями определено таким образом, чтобы обеспечить управление жидкостью внутри устройства, делающее возможным надлежащее растворение и вспенивание струей растворителя.
Камера может иметь диаметр от 15 до 45 мм, более предпочтительно - от 25 до 36 мм для офисных систем приготовления напитка, имеющих относительно небольшой размер. Камеры могут быть еще больше, например, в машинах для приготовления напитка, имеющих более высокую производительность.
В возможном альтернативном варианте осуществления изобретения удержание жидкости в камере может быть осуществлено донной стенкой, имеющей по меньшей мере одно выпускное отверстие для жидкости, избирательно закрываемое открываемым клапаном. Клапан сохраняет камеру в закрытом состоянии для того, чтобы позволить уровню жидкости подняться в камере, и для того, чтобы задержать в достаточной мере подачу жидкости из выпускных отверстий. Предпочтительно клапан открывается с использованием внешних средств управления. Клапан может быть избирательно открыт после временной задержки от момента запуска струи растворителя.
Для получения достаточной скорости струи растворителя, обладающей достаточной кинетической энергией, обеспечивающей высокие сдвигающие усилия на поверхности жидкости, диаметр впускного отверстия для растворителя предпочтительно составляет от приблизительно 0,2 до 1,0 мм, более предпочтительно - от 0,3 до 0,8 мм, а наиболее предпочтительно - от 0,4 до 0,6 мм. Диаметр впускного отверстия для растворителя обычно определяется в зависимости от диаметра камеры.
Другая особенность впускного отверстия для растворителя относится к направлению этого впускного отверстия в камере для того, чтобы надлежащим образом ориентировать струю растворителя по отношению к поверхностям жидкости. Что касается конфигурации впускного отверстия для надлежащего воздействия на поверхности жидкости, то предпочтительно чтобы впускное отверстие для растворителя было сориентировано вдоль направления внутрь камеры, которое смещено по отношению к продольной центральной оси камеры. Более конкретно, впускное отверстие для растворителя сориентировано так, чтобы отношение d/r находилось в диапазоне от 0,2 до 0,9, где r представляет собой радиус камеры, a d - расстояние до центральной оси камеры, измеренное ортогонально направлению ориентации впускного отверстия. Кроме того, впускное отверстие наклонено вниз под определенным углом по отношению к поперечной плоскости камеры. Предпочтительно этот угол составляет от 5° до 30°. Таким образом, поступающий растворитель может быть надлежащим образом сориентирован по отношению к поверхностям циркулирующей в камере жидкости. Поперечная плоскость камеры обычно ортогональна продольному направлению камеры, которую предпочтительно располагать вертикально для получения хорошего вытекания жидкости из камеры под действием силы тяжести.
Согласно конкретному варианту осуществления изобретения устройство может иметь два впускных отверстия для растворителя, расположенных на различных высотах направленной вверх стенки камеры. Второе впускное отверстие, расположенное ближе к верху камеры, не обязательно характеризуется теми же самыми размерами и ориентацией, что и другое нижнее впускное отверстие, потому что его функция заключается не в том, чтобы вспенивать жидкость, а только в добавлении растворителя. Эти два впускных отверстия обычно расположены в направленной вверх стенке одно над другим, что облегчает их соединение со средствами подачи растворителя.
Камера может иметь различные формы. В предпочтительном варианте осуществления изобретения продольная направленная вверх стенка является по существу цилиндрической. Продольный размер (или высота) такой стенки больше ее диаметра (или ширины) для того, чтобы жидкость не переливалась через края камеры, когда на нее воздействует струя растворителя и она циркулирует под действием этой струи. Также могут использоваться и другие формы, например многоугольная (шестиугольная) или с овальным сечением. Донная стенка может представлять собой по существу часть усеченного конуса, такая форма позволяет улучшить распределение жидкости в слое, который поднимается по направленной вверх стенке камеры в результате действия на жидкость центробежных сил, вызванных воздействием на жидкость струи растворителя.
Камера имеет большое направленное вверх отверстие, которое позволяет воздуху поступать в камеру и подавать в нее растворимый ингредиент. Так, например, камера не закрыта крышкой, а направленная вверх стенка заканчивается свободным торцом. Большое верхнее отверстие может иметь форму воронки, которая расширяется вверх, или может быть продолжением направленной вверх стенки.
Для замедления жидкости перед вытеканием из камеры через выпускное отверстие (выпускные отверстия) в донной стенке может быть расположено множество радиальных лопастей. Более низкая скорость вытекающей из камеры жидкости позволяет обеспечить равномерную ее выдачу и устраняет слишком сильное разбрызгивание со стороны выдачи.
Устройство согласно настоящему изобретению может содержать по меньшей мере одно преграждающее средство, расположенное, по меньшей мере частично, поперек камеры.
Согласно первому варианту осуществления изобретения эти преграждающие средства могут быть расположены выше впускного отверстия. Такие средства не позволяют жидкости подниматься в камере слишком высоко и перелиться за края камеры через верхнее отверстие. Форма, расположение и количество преграждающих средств в камере выбраны такими, чтобы резко изменять скорость жидкости на уровне выше впускного отверстия. В одном варианте осуществления изобретения имеется единственная перегородка в виде пересекающей камеру стенки. Обычно эта стенка расположена по существу вертикально. В другом варианте осуществления изобретения имеется множество перегородок, расположенных вертикально вдоль продольной центральной оси и/или наклоненных относительно нее. Длина таких перегородок может быть меньше диаметра камеры. Таким образом, перегородки могут проходить поперек камеры как по всему ее диаметру, так и только частично. Предпочтительно преграждающие средства выполнены сплошными без отверстий.
2
Согласно второму варианту осуществления изобретения преграждающие средства обращены к впускному отверстию. Предпочтительно эти средства расположены полностью поперек камеры и имеют отверстия. Такие средства могут представлять собой пластину с отверстиями, а преимущественно - решето, которое предпочтительно имеет от 50 до 100 отверстий на 1 см. Отверстия в решете могут иметь любую форму. Наиболее распространенными являются квадратные или прямоугольные отверстия. Преграждающие средства могут быть ориентированы в камере любым образом, однако по ним должна ударять струя растворителя, и предпочтительно, чтобы струя растворителя пересекала отверстия в этих средствах. Предпочтительно преграждающие средства расположены вертикально. Согласно конкретному варианту осуществления изобретения они расположены по существу перпендикулярно направлению струи растворителя. Под «по существу перпендикулярно направлению струи растворителя» подразумевается, что продольная ось преграждающих средств и продольная ось впускного отверстия на виде сверху взаимно ортогональны. Таким образом, выходящая из впускного отверстия струя растворителя ударяет по этим преграждающим средствам, что приводит к резкому изменению интенсивности и скорости струи растворителя, так что исключается выплескивание растворителя из камеры и создаются сдвигающие усилия, действующие на жидкость. В результате улучшается растворение порошка или жидкого концентрата и создается пена. Согласно конкретному выполнению этого второго предпочтительного варианта осуществления изобретения устройство может иметь два впускных отверстия для растворителя, расположенных на различных высотах направленной вверх стенки камеры: первое впускное отверстие обращено к упомянутым выше преграждающим средствам, а второе впускное отверстие расположено над ними. В этом варианте осуществления изобретения предпочтительно, чтобы преграждающие средства были расположены полностью поперек камеры и имели отверстия, а еще более предпочтительно, представляли собой решето, такое, как описано выше. Первое впускное отверстие, расположенное около донной части камеры, предназначено для вспенивания жидкости, тогда как второе впускное отверстие, расположенное около вершины камеры, предназначено для введения растворителя в случае, когда камера используется для приготовления напитка без пены.
Камера также может содержать расположенный наверху канал, имеющий выпускное отверстие для жидкости, через которое жидкость может покидать камеру в случае, если ее количество превышает емкость камеры. Это выпускное отверстие для жидкости обычно расположено под верхним краем камеры, а канал присоединен к внешней поверхности камеры.
Устройство согласно изобретению может быть установлено как смешивающая и вспенивающая часть в аппарат для приготовления напитка. Аппарат для приготовления напитка в таком случае имеет конфигурацию со средством подачи растворителя, которое может быть соединено с впускным отверстием для растворителя. Это соединение может быть постоянным или разъемным для чистки или ополаскивания.
Для снабжения устройства порошком аппарат для приготовления напитка может содержать блок дозирования порошка, расположенный выше дозирующего отверстия устройства. Дозирующий блок может быть связан с резервуаром для порошка. Подачей порошка из дозирующего блока можно управлять автоматически, не загружая порошок вручную. В другом варианте осуществления изобретения дозирующий блок может быть связан с резервуаром жидкого концентрата.
В возможном варианте осуществления изобретения устройство представляет собой одноразовый или пригодный для вторичного использования картридж, который содержит некоторое количество растворимого ингредиента. Этот картридж предварительно заполняется дозой ингредиента и может быть выполнен непроницаемым для газа для сохранения свежести ингредиента. Например, из пластмассы инжекционным формованием изготавливается капсула, и ее впускное отверстие и отверстие для воздуха запечатаны по меньшей мере одной удаляемой воздухонепроницаемой мембраной.
Кроме того, изобретение относится к способу приготовления вспененной жидкости в аппарате для приготовления напитка, включающем этапы, на которых:
- создают камеру с поперечной донной стенкой и продольной направленной вверх стенкой,
- вводят в камеру дозу растворимого ингредиента,
- подают растворитель через впускное отверстие, создавая струю растворителя в камере для смешивания растворителя с растворимым ингредиентом с целью его растворения в жидкости,
- управляют потоком выдаваемой из камеры жидкости так, что, когда в камеру подается растворитель, жидкость поднимается на определенный уровень вверх по направленной вверх стенке и образует поверхность, которая испытывает энергичное воздействие сдвига со стороны струи растворителя в результате направления растворителя имеющимся в камере впускным отверстием,
- прекращают подачу растворителя в камеру и сливают вспененную жидкость из камеры через по меньшей мере одно выпускное отверстие.
Когда растворимый ингредиент представляет собой порошок, более медленное вытекание из камеры может быть также частично результатом наличия кофейного порошка над выпускным отверстием (выпускными отверстиями) камеры.
Предпочтительно способ дополнительно включает этап, на котором управляют потоком выдаваемой из камеры жидкости путем задержки вытекания жидкости из камеры по отношению к подаче растворителя в камеру. Этот результат может быть усилен наличием растворимого ингредиента на выпускном отверстии (выпускных отверстиях) камеры.
Кроме того, способ включает в себя этап, на котором растворитель подают в камеру, пропуская его через впускное отверстие и ориентируя струю растворителя в камере по направлению, которое смещено по отношению к продольной центральной оси камеры. Согласно предпочтительному варианту осуществления способа указанная сориентированная струя растворителя проходит через решето, расположенное поперек камеры.
Настоящий способ особенно применим к приготовлению кофе на основе быстрорастворимого кофе: в таком случае способ включает этап дозированной подачи кофейного ингредиента в камеру.
Способ согласно изобретению может дополнительно включать этап, на котором ополаскивают камеру, пропуская растворитель через впускное отверстие после слива вспененной жидкости из камеры и последующего слива ополаскивающей жидкости. Таким образом, устройство можно полностью ополоснуть, так что в камере не остается никакого твердого остатка, такого как остатки не полностью растворенного твердого кофе или пены.
На фиг.1 схематично показан аппарат для приготовления напитка, содержащий устройство согласно изобретению;
на фиг.2 показано устройство согласно изобретению, вид в разрезе по продольной плоскости D, проходящей через впускное отверстие для растворителя (плоскость D показана на фиг.4);
на фиг.3 - то же, но в продольном разрезе по продольной плоскости А, показанной на фиг.2;
на фиг.4 - то же, но в поперечном разрезе по плоскости В, показанной на фиг.2;
на фиг.5 - то же, но в поперечном разрезе по плоскости С, показанной на фиг.2;
на фиг.6 - первый вариант выполнения устройства, показанного на фиг.5;
на фиг.7 - второй вариант выполнения устройства, показанного на фиг.2;
на фиг.8 - разрез по плоскости D на фиг.7;
на фиг.9 - третий вариант устройства, показанного на фиг.2;
на фиг.10 - разрез по плоскости Е на фиг.7;
на фиг.11 показана в перспективе верхняя часть устройства в соответствии с четвертым вариантом выполнения устройства согласно изобретению;
на фиг.12 - то же, вид снизу;
на фиг.13 - разрез по линии Е-Е на фиг.12;
на фиг.14 - разрез по линии F-F на фиг.12;
на фиг.15 - нижняя часть устройства, соответствующего фиг.11, вид в перспективе;
на фиг.16 - то же, вид снизу;
на фиг.17 - то же, вид сбоку;
на фиг.18 - разрез по линии G-G на фиг.16;
на фиг.19 - нижняя часть, показанная на фиг.15, вид на внутреннюю сторону;
на фиг.20 - устройство согласно изобретению, вид в разрезе по продольной плоскости D', проходящей через впускное отверстие для растворителя (плоскость D' показана на фиг.22);
на фиг.21 - то же, но в разрезе по продольной плоскости А', показанной на фиг.20;
на фиг.22 - разрез по плоскости В', показанной на фиг.20;
на фиг.23 - устройство согласно изобретению, вид в разрезе по продольной плоскости, проходящей через два впускных отверстия для растворителя;
на фиг.24 - то же, но в разрезе по другой плоскости А', показанной на фиг.23.
Как показано на фиг.1, аппарат 1 для приготовления напитка содержит устройство 2 согласно изобретению для приготовления вспененной жидкости из ингредиента и растворителя, поступающего в устройство. В дальнейшем устройство согласно изобретению будет называться «смешивающее и вспенивающее устройство» или просто «устройство».
Аппарат для приготовления напитка содержит расположенный над устройством 2 резервуар 3 для растворимого ингредиента, соединенный с дозирующим блоком 4. Основная функция дозирующего средства заключается в том, чтобы отмерять требуемые дозы ингредиента в смешивающее и вспенивающее устройство. Резервуар может представлять собой контейнер, который является постоянной или одноразовой упаковкой, содержащей растворимый ингредиент. Дозирующее средство может быть любым, например шнеком-дозатором или возвратно-поступательным дозирующим поршнем. Способ дозирования зависит также и от свойств растворимого ингредиента. Растворимый ингредиент обычно представляет собой сухой порошкообразный пищевой концентрат. Однако он может быть жидким концентратом. По требованию в устройство загружается ингредиент вручную или автоматически в соответствии с тем, что предписывается контроллером 11 и пультом 12 управления. Следует отметить, что и резервуар, и дозирующее средство в аппарате являются необязательными, т.е. устройство может загружаться и вручную с использованием, например, лопатки.
Для подачи в смешивающее и вспенивающее устройство 2 растворителя, в частности горячей воды, в аппарате имеется контур подачи растворителя. Для этого имеется резервуар 5, пополняемый пресной водой. Водяной насос 6 подает растворитель из резервуара 5 в систему 7 нагрева воды, например в термоблок или нагреватель патронного типа, и в итоге - к обратному клапану 8. Насос может быть любым, например поршневым, диафрагменным или перистальтическим. Вода подается в устройство по трубопроводу 9.
Как показано на фиг.1, смешивающее и вспенивающее устройство может быть расположено непосредственно над сервисным поддоном 10, на который помещают приемный резервуар для вспененной жидкости.
Кроме того, имеется контроллер 11 для координирования дозирования растворимого ингредиента дозирующим блоком 4 и подачи растворителя насосом 6 после того, как пользователь приведет аппарат в действие посредством пульта управления 12.
На фиг.2 и 3 смешивающее и вспенивающее устройство согласно изобретению показано более подробно. Устройство содержит камеру 13, которая отграничена донной стенкой 14 и боковой стенкой 15, направленной вверх и заканчивающейся фланцем 16, окружающим большое верхнее центральное отверстие 17 и обеспечивающим механическое крепление в аппарате. Через центральное отверстие 17 в камеру может быть загружен растворимый ингредиент, подаваемый внутрь либо дозирующим средством аппарата, либо вручную мерной посудой. Для того чтобы ингредиент падал прямо в камеру, поверхность направленной вверх стенки 15 предпочтительно выполнена гладкой и по существу вертикальной, хотя допустим небольшой наклон относительно вертикали. Центральное отверстие 17 также служит отверстием для впуска воздуха, позволяя воздуху поступать в камеру и смешиваться с создаваемой вспененной жидкостью.
Диаметр камеры может составлять приблизительно от 15 до 45 мм, предпочтительно от 25 до 36 мм. Для того чтобы жидкость циркулировала в камере надлежащим образом без риска перелива через край верхнего отверстия, предпочтительно, чтобы отношение диаметра камеры к ее высоте находилось в диапазоне между 1:2 и 1:10, наиболее предпочтительно - между 1:2,5 и 1:5, при этом высотой камеры считается расстояние «f» направленной вверх стенки.
Растворитель подается в камеру с относительно высокой скоростью посредством впускного отверстия 18, проходящего через направленную вверх стенку 15. Это впускное отверстие имеет такие размеры и сориентировано таким образом, чтобы способствовать как центробежной циркуляции жидкости, так и сдвигу на поверхности жидкости. В результате жидкость вспенивается за короткий промежуток времени.
С этой целью впускное отверстие 18 образует сопло малого диаметра, позволяющее создать в камере струю с высокой линейной скоростью. Предпочтительно диаметр «а» впускного отверстия составляет от 0,3 до 0,8 мм, а наиболее предпочтительно - от 0,4 до 0,6 мм. Расход предпочтительно составляет приблизительно от 1,5 до 5 мл/с, а наиболее предпочтительно - приблизительно от 2 до 4,5 мл/с. Такие условия потока и размер сопла способны создать линейную скорость от 10 до 50 м/сек, а наиболее предпочтительно - от 12 до 30 м/сек, например приблизительно 18 м/сек.
Впускное отверстие для растворителя по своему направлению сориентировано так, что оно смещено относительно продольной центральной оси камеры. Более конкретно, направление впускного отверстия таково, что отношение d/r находится в диапазоне от 0,2 до 0,9, где «d» представляет собой ортогональное расстояние между направлением впускного отверстия и центральной осью, а «r» - радиус камеры на горизонтальном уровне впускного отверстия (фиг.3).
Положение впускного отверстия 18 по вертикали также может быть важным. Предпочтительно чтобы высота «с» впускного отверстия относительно внутреннего края донной стенки находилась в диапазоне приблизительно от 5 до 20 мм, наиболее предпочтительно - от 6 до 15 мм.
Также предпочтительно, чтобы впускное отверстие для растворителя было расположено относительно низко, чтобы предотвращалось выплескивание жидкости или перелив ее через края камеры вследствие подъема жидкости по поверхности стенки, вызванного динамикой потока, то есть центробежным эффектом. Предпочтительно впускное отверстие для растворителя расположено ближе к основанию донной стенки, чем к отверстию 17. Более предпочтительно впускное отверстие расположено приблизительно на уровне или в пределах нижней четверти камеры (измеряемой высотой «f» направленной вверх стенки 15).
Важно, что донная стенка 14 камеры содержит средства для управления расходом вспененной жидкости через устройство. Общий принцип заключается в том, что жидкости не дают слишком быстро покинуть камеру для того, чтобы иметь возможность создать слой жидкости, который поднимается вверх по направленной вверх стенке 15 и на который можно воздействовать струей растворителя для создания большого суммарного сдвига. Например, на фиг.2 показана поверхность 19 жидкости, циркулирующей вследствие центробежного эффекта, вызванного струей, действующей на жидкость в камере.
Таким образом, регулирование расхода осуществляют путем управления размером и формой выпускного отверстия (выпускных отверстий).
2
В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.5, в донной стенке выполнено единственное выпускное отверстие 20. Предпочтительно площадь сечения этого выпускного отверстия составляет 0,8-12,6 мм.
2
В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.6, имеется несколько выпускных отверстий 21, предпочтительно от 2 до 15, а наиболее предпочтительно - от 7 до 12, площадь сечения каждого из которых составляет приблизительно 0,28-1,5 мм.
Вследствие сочетания центробежного эффекта и малых выпускных отверстий жидкость вынуждена накапливаться в камере, и пока в камеру через впускное отверстие с высокой скоростью вводится растворитель, жидкость стремится подняться вдоль направленной вверх стенки камеры. С другой стороны, устройство является самосливным в том смысле, что жидкость может полностью покинуть камеру через выпускные отверстия, по существу не оставив в устройстве никакого твердого или пенного остатка. Может быть выполнено ополаскивание камеры растворителем, направляемым через форсунку в камеру либо непрерывно, либо периодически, например посредством пульсирующей его подачи в камеру. Камера может также быть полностью удалена из устройства для ее очистки.
Форма донной стенки 14 может быть конической, что способствует растеканию слоя жидкости. Угол «j» конуса донной стенки относительно плоскости, поперечной оси О, может варьироваться от 1° до 45°. Конечно, донная стенка также может быть округленной или плоской.
На фиг.4 показано наличие в камере перегородки 22, функция которой заключается в том, чтобы разбивать циркулирующий поток жидкости в камере над впускным отверстием для растворителя. В результате предотвращается перелив жидкости через край камеры через верхнее вентиляционное и дозирующее отверстие 17. Перегородка может быть единой стенкой, пересекающей камеру, как это показано на чертеже. Перегородка образует стенку, расположенную по существу параллельно оси О или на одной линии с ней.
При обычном использовании устройства перегородка расположена по существу вертикально. Размер перегородки зависит от геометрии и размера камеры. Предпочтительно высота Н перегородки составляет от 10 до 30 мм, длина равна диаметру камеры, например от 20 до 31 мм, а толщина - приблизительно 1-2 мм. Представленная на чертеже вертикальная перегородка обеспечивает хорошие результаты с порошком, имеющим относительно низкую способность прилипания к стенкам устройства в условиях повышенной влажности, таким как агломерированный порошок кофе или молока. С неагломерированным порошком были отмечены менее хорошие результаты, потому что некоторое количество порошка, попадая в устройство, прилипает к перегородке.
На фиг.7 и 8 показан вариант осуществления изобретения, в котором перегородка разделена на несколько частей, например на четыре перегородки 23, распределенные по направленной вверх стенке. Перегородки расположены по существу параллельно продольной оси камеры и в радиальном направлении только частично проходят поперек камеры, оставляя центральный проход 24. Предпочтительно перегородки проходят в поперечном направлении на расстоянии от внутренней поверхности камеры, составляющем 0,1-0,5 радиуса камеры. Таким образом, образован центральный проход 24, преимущество которого заключается в том, что порошок из дозирующего отверстия 17 может подаваться в центр камеры, при этом ограничивается возможность его прилипания к поверхностям перегородок при его падении в устройство под действием силы тяжести. В частности, хорошие результаты были получены с неагломерированным порошком кофе или кофейных смесей. В возможном неограничивающем примере высоту Н перегородок составляет от 10 до 30 мм, а длина L - приблизительно от 5 мм до половины внутреннего диаметра «е» камеры. Количество перегородок может быть от 2 до 6, при этом они равномерно расположены в камере и радиально выступают от стенки 15. На фиг.8 показаны четыре перегородки, расположенные с равными промежутками в 90°.
На фиг.9 и 10 показан другой вариант выполнения перегородок 23, которые образуют участки стенок, наклонные к продольной центральной оси О. Перегородки наклонены по отношению к горизонтали, и их свободные концы 28 направлены в сторону отверстия 17 или вверх. Перегородка может проходить внутрь камеры на расстояние от приблизительно 5 мм до величины радиуса камеры. Предпочтительно перегородки проходят в поперечном направлении от внутренней поверхности камеры на расстояние L от 0,1 до 0,5 радиуса камеры. Перегородки могут также быть ориентированы с поперечным наклоном таким образом, что их боковые края 26, 27 находятся по отношению друг к другу на различных высотах. Альтернативно, боковые края 26, 27 могут находиться по отношению друг к другу на одной и той же высоте. В частности, хорошие результаты были получены с неагломерированным порошком кофе или кофейных смесей.
В альтернативном варианте осуществления изобретения перегородки могут пересекать друг друга, оставляя определенные промежутки, чтобы воздух и порошок поступали в камеру из вентиляционного и дозирующего отверстия 17.
Конечно же, перегородки могут иметь различные формы, значительно отличающиеся от участков плоских стенок. Они могли бы быть штифтами, иголками, решеткой или участками решетки или криволинейными стенками, спиральной стенкой, или кольцевой стенкой, или стенкой в форме звезды.
На фиг.11-19 показана возможная конструкция устройства согласно изобретению, состоящая из двух собираемых вместе частей. Первая верхняя часть 30 показана на фиг.11-14. Вторая нижняя часть 40 показана на фиг.15-19. Эти две части могут быть изготовлены методом инжекционного формования пластмассы и собраны вместе напрессовкой с установкой или без установки между ними герметизирующего элемента или могут быть, в конечном счете, сварены или склеены для получения непроницаемой для жидкости сборочной единицы.
Верхняя часть представляет собой деталь трубчатой формы, образующей направленную вверх стенку 15. Впускное отверстие 18 для растворителя выполнено в виде выступающего от направленной вверх стенки соединительного участка 31, обеспечивающего легкое и быстрое соединение с гибким шлангом подачи растворителя, входящим в состав показанного на фиг.1 аппарата 1 для приготовления напитка. В камере может быть расположена перегородка 22, которая также выполнена за одно целое с трубчатой верхней частью 30. В нижнем конце части 30 расположен соединительный элемент 32 для прессовой посадки, например внутренняя кольцевая канавка. Соединительный элемент 32 выполнен ответным по отношению к соединительному элементу для прессовой посадки, расположенному на нижней части 40 устройства, показанной на фиг.15-19.
Нижняя часть 40 образует коническую донную стенку и выпускной участок 41 устройства. Выпускной участок может быть выполнен в виде трубчатого участка уменьшающегося сечения, выступающего от центра конической стенки для направления потока вытекающей из устройства жидкости. Внутри нижней части может быть выполнено множество малых лопастей 42, сходящихся к центру и уменьшающих скорость жидкости перед ее вытеканием через выпускной участок. По малому круговому контуру непосредственно вокруг центра донной стенки распределен ряд малых выпускных отверстий 43. Предпочтительно выпускные отверстия, например, в количестве восьми расположены между малыми лопастями на расстоянии от центра, не превышающем приблизительно 0,5 мм. Диаметр каждого выпускного отверстия составляет приблизительно 0,8-1,1 мм. От верхнего основания конического участка выступает вверх малый упругий фланец 44, образующий ответный запирающий выступ соединения для прессовой посадки. Эта нижняя часть может быть выполнена из пластмассы и непосредственно запрессована в верхнюю часть, образуя устройство согласно изобретению.
Устройства, изображенные на фиг.20 и 21, аналогичны устройствам, изображенным на фиг.2 и 3, за исключением того, что перегородка 22 представляет собой решето, расположенное поперек камеры и обращенное к впускному отверстию 18. Решето проходит по всей низкой части камеры 13 таким образом, чтобы выходящая из впускного отверстия 18 струя растворителя ударяла в решето 22 и проходила через него. Как показано на фиг.22, плоскость решета 22 перпендикулярна горизонтальной проекции оси впускного отверстия для растворителя. На дне камеры имеется несколько выпускных отверстий 21.
Решето 22 предназначено для того, чтобы разбивать циркулирующий поток жидкости в камере над впускным отверстием и препятствовать переливанию жидкости из камеры через верхнее вентиляционное и дозирующее отверстие 17. Решето 22 также предназначено для улучшения растворения растворимых порошковых ингредиентов в растворителе и вспенивания жидкости. Диапазон размеров камеры и перегородки, приведенных выше при описании фиг.2-4, идентичен для устройства по фиг.20-22.
Устройства, изображенные на фиг.23 и 24, аналогичны устройствам, изображенным на фиг.20 и 21, за исключением того, что камера содержит второе впускное отверстие 181 для растворителя, расположенное выше первого впускного отверстия 18 и выше решета 22. Второе впускное отверстие 181 имеет такие размеры и сориентировано таким образом, чтобы способствовать как центробежной циркуляции жидкости, так и сдвигу на ее поверхности. В процессе работы устройства растворитель вводится либо через первое впускное отверстие, либо через второе впускное отверстие в зависимости от того, является ли требующийся напиток напитком с большим количеством пены, например кофе эспрессо, или напитком без пены или с небольшим ее количеством, например кофе фильтрованного или американского типа. Если требуется напиток с большим количеством пены, то растворитель впрыскивается только через впускное отверстие для растворителя, обращенное к решету. Если требуется напиток с меньшим количеством пены или без пены, то растворитель впрыскивается только через второе впускное отверстие, которое не обращено к решету.
Работа аппарата для приготовления напитка, соответствующего настоящему изобретению, осуществляется следующим образом.
Пользователь нажимает кнопку пульта 12 управления (фиг.1), приводя аппарат в действие. Контроллер 11 принимает команду от пульта 12 управления и приводит в действие дозирующий блок 4 согласно сделанному им выбору. Дозирующий блок отмеряет определенное количество растворимого ингредиента из резервуара 3, и это количество ингредиента подается во вспенивающее устройство через его верхнее отверстие. Растворимый ингредиент может представлять собой, например, агломерированный или неагломерированный кофейный порошок. Порошок падает под действием силы тяжести на дно камеры, предпочтительно непосредственно через центральный проход между перегородками, особенно в случае, когда порошок имеет склонность прилипать к стенкам или перегородкам (например, неагломерированный кофейный порошок). Когда порошок находится в устройстве, контроллер 6 включает насос, а также нагреватель, если требуется горячая вода. Вода смешивается с порошком, и таким образом приготавливается вспененная жидкость. Вода может быть дозирована в объеме от 25 до 250 мл. Для малых количеств кофе предпочтительно, чтобы одной непрерывной струей подавалось 40 или 70 мл воды. Контроллер может останавливать насос через равные промежутки времени для того, чтобы дать вспененной жидкости слиться, особенно для больших объемов. Затем контроллер выключает насос. В случае необходимости контроллер вновь дополнительно включает насос для подачи небольшого объема воды для проведения этапа ополаскивания. Альтернативно этап ополаскивания осуществляется непрерывно единой струей при приготовлении вспененной жидкости.
Одним из преимуществ изобретения является способность эффективно растворять и выдавать вспененную жидкость высокого качества, такую как кофе с густой и однородной пеной, использующей в качестве исходного материала растворимый ингредиент, и который сопоставим по качеству с напитками из обжаренного и молотого кофе, такого как кофе «эспрессо» или кофе «ланго». При этом изобретение не имеет недостатков, заключающихся в том, что в устройстве или картридже остается твердый остаток, не имеет оно и недостатка, заключающегося в создании потенциальных отходов упаковки. Изобретение удобно в использовании, потому что оно может быть с легкостью автоматизировано и может служить как для использования в малых бытовых электроприборах по приготовлению напитка, так и в высокопроизводительных устройствах для приготовления напитка, таких как машины типа «barista». Кроме того, оно не требует использования насоса высокого давления для растворителя: достаточен насос, обеспечивающий растворителю давление от 4 до 5 бар.
Вышеупомянутые варианты осуществления изобретения были описаны только в качестве примера. Специалисту будут очевидны и многие другие варианты осуществления изобретения, входящие в объем прилагаемой формулы изобретения.