УЛУЧШЕНИЯ В МАШИНАХ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ НАПИТКОВ И ЖИДКИХ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
IMPROVEMENTS IN MACHINES FOR PREPARATION OF BEVERAGES AND LIQUID FOODSTUFFS

Область техники
Настоящее изобретение относится к улучшениям в машинах для приготовления напитков и пищевых продуктов и, в частности, к машине, в которой используют прессованную таблетку для получения пищевого продукта или напитка, которую вставляют в заварочную камеру машины, в которую направляют жидкость для разрушения или растворения таблетки.
Уровень техники
Автоматические машины для заваривания и другие системы для приготовления напитков по требованию, которые используют для заваривания напитков, таких как кофе и чай, или для приготовления пищевых продуктов, как правило, содержат резервуар, в котором жидкость для заваривания, обычно воду, нагревают при помощи нагревательного элемента. После этого нагретую жидкость нагнетают из резервуара в заварочную камеру, в которой находятся ингредиенты для заваривания, такие как кофейная гуща или чайные листья. Нагретую жидкость пропускают через ингредиенты для заваривания с тем, чтобы получить заваренный напиток. Затем напиток направляют из заварочной камеры в емкость, такую как кружка или чашка, расположенную под выпуском заварочной камеры.
Многие современные бытовые машины для приготовления напитков сконфигурированы таким образом, чтобы дозировать индивидуальные порции напитка непосредственно в емкость для питья, а также получать напиток из ингредиентов напитка без упаковки или из индивидуальных упаковок с ингредиентами напитка, таких как капсулы, подушечки или картриджи. Машины, в которых используют такие индивидуальные упаковки, меньше нуждаются в очистке, при этом пользователь может выбрать приготовляемый напиток, например кофе, чай, горячий шоколад и т.п.
Пример одного типа таких картриджей раскрыт в документе ЕР-А-1440903. Напитки приготавливают путем заваривания, размешивания, растворения или суспендирования ингредиентов напитка в воде или другой жидкости. Например, в случае кофейных напитков, нагретую воду под давлением нагнетают через картриджи для извлечения ароматических составляющих из прессованной кофейной гущи, содержащейся в них. Применение картриджей в таких машинах становится все более популярным из-за удобства обращения с картриджами и качества приготовляемого напитка.
Однако для минимизации упаковки, используемой в таких машинах для приготовления индивидуальной порции по требованию, было предложено произвести замену картриджей таблетками из прессованного напитка или пищевого продукта. Такие таблетки могут продавать в формате «мультипак».
Одна из проблем, присущих использованию прессованных порошковых таблеток в машине для приготовления напитков по требованию, заключается в обеспечении достаточно высокой и постоянной скорости растворения, так чтобы весь порошок полностью растворился. Стандартные способы растворения таблеток включают разрушение таблетки за счет включения в ее состав разрыхлителей или путем дробления таблетки, чтобы увеличить площадь ее поверхности. После того как таблетка раздроблена, отмерянную дозу воды пропускают через заварочную камеру, при этом вода может пойти в обход некоторых частей таблетки, в результате чего может не произойти полного растворения таблетки и готовый напиток или пищевой продукт будет недостаточно концентрированным.
Хорошо известно, что создание завихрений способствует увеличению скорости растворения таблеток. Это может быть достигнуто путем использования механического помешивания (перемешивания), ультразвуковой энергии или обладающих высокой скоростью водяных струй. Проблема, возникающая при использовании одиночной водяной струи, заключается в том, что ее энергия уходит на растворение части таблетки, с которой она сталкивается, и, следовательно, струю необходимо перемещать по поверхности таблетки для обеспечения равномерного растворения. Применение нескольких струй, действующих на таблетку, обеспечивает захват большей области таблетки, при этом средний расход и давление должны быть пропорционально увеличены для обеспечения такой же скорости струй. Если некоторые струи прорвутся через таблетку раньше других, то энергия, затрачиваемая на создание этих струй, будет расходоваться напрасно и будет иметь место разбавление результирующего напитка.
Целью настоящего изобретения является создание улучшенной машины для приготовления напитков и пищевых продуктов, использующей водяную струю с высокой энергией для разрушения таблетки из прессованных ингредиентов, которая способна преодолеть указанные выше недостатки.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение предоставляет машину для приготовления напитка или пищевого продукта из прессованного диска, состоящего по меньшей мере из одного ингредиента, причем указанная машина содержит герметизированную заварочную камеру, при этом указанная заварочная камера содержит средство для установки диска таким образом, чтобы он мог свободно вращаться вокруг центральной оси, и по меньшей мере одно сопло, характеризующееся наличием выпуска в заварочной камере, которое расположено таким образом, чтобы направлять струю жидкости на периферийный край диска, установленного в заварочной камере.
Настоящее изобретение также предоставляет систему для приготовления напитка или пищевого продукта, содержащую машину и прессованный диск, состоящий по меньшей мере из одного ингредиента.
Настоящее изобретение дополнительно предоставляет способ дозирования напитка или пищевого продукта, включающий стадии установки прессованного диска, состоящего по меньшей мере из одного ингредиента, таким образом, чтобы он мог свободно вращаться вокруг центральной оси, и распыление по меньшей мере одной струи жидкости на периферийный край диска.
Применение водяной струи для вращения таблетки из прессованного порошка в форме диска вокруг центральной оси предпочтительно обеспечивает быстрое и равномерное разрушение или растворение ингредиентов.
Одиночная точка воздействия водяной струи очень эффективно фокусирует доступную энергию по всей периферии диска. Благодаря этому машина для заваривания может характеризоваться наличием очень простой заварочной камеры, содержащей только одну подвижную часть (диск), которая не только позволяет сохранить низкие эксплуатационные расходы, но также может быть реализована с небольшими затратами.
Краткое описание чертежей
Далее будут приведены предпочтительные варианты осуществления машины для приготовления напитков и пищевых продуктов, которые представлены лишь в качестве примера и описаны со ссылками на прилагаемые фигуры, где:
на фиг. 1 представлена принципиальная схема, иллюстрирующая машину для приготовления напитков и пищевых продуктов;
на фиг. 2 и 2а представлены соответственно вид в перспективе и вид спереди в разрезе диска из прессованного порошка, предназначенного для применения в машине, изображенной на фиг. 1;
на фиг. 3 и 3а представлены соответственно вид в перспективе и вид спереди в разрезе альтернативного диска, предназначенного для применения в машине, изображенной на фиг. 1;
на фиг. 3b представлен вид спереди в разрезе еще одного альтернативного диска, предназначенного для применения в машине, изображенной на фиг. 1;
на фиг. 4 представлен вид сверху диска, установленного в заварочной головке машины, изображенной на фиг. 1, при этом некоторые части опущены для большей ясности;
на фиг. 5 представлен вид в перспективе сопла для нагнетания жидкости в заварочную головку; и
на фиг. 6 представлен вид сверху альтернативных средств для установки диска в заварочную головку.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение относится к машине для приготовления напитков и пищевых продуктов из прессованной таблетки для получения пищевого продукта или напитка. Таблетка выполнена в форме диска, который вставляют в заварочную камеру машины. Надлежащий цикл приготовления (заваривания) выбирают либо вручную, либо автоматически исходя из результатов распознавания продукта, после чего струю воды или другой жидкости направляют на диск для обеспечения его растворения или разрушения контролируемым способом, обеспечивая приготовление пищевого продукта или напитка для его последующей выдачи. Необязательно машина или диск могут также содержать средства для кондиционирования продукта, например, добавления пены, кремы или слоя кремы.
Диски могут быть выполнены из порошкообразных или гранулированных ингредиентов, таких как быстрорастворимый кофе, обжаренный и молотый кофе, порошковое молоко, шоколадный порошок и т.п. Сами ингредиенты могут быть растворимыми, причем в этом случае они постепенно растворяются под воздействием струи жидкости для получения готового продукта. Альтернативно, ингредиенты могут быть полностью или частично нерастворимыми. В последнем случае ингредиенты могут быть связаны друг с другом при помощи вяжущего вещества, которое либо является растворимым, либо будет легко разрушаться под воздействием струи жидкости. В последнем случае образуется суспензия из нерастворимых частиц в жидкости, которая требует заваривания или вымачивания с последующей фильтрацией для приготовления готового продукта.
3
3
Размер частиц будет варьировать в соответствии с природой ингредиентов, как правило, от приблизительно 20 мкм до 400 мкм. Значения плотности дисков также будут варьировать в соответствии с природой ингредиентов, при этом некоторые из них могут быть в диапазоне от 800 кг/м до 1500 кг/м; однако следует отметить, что этот диапазон не следует рассматривать в качестве предельного диапазона. Подходящий диаметр диска для приготовления одной порции кофе или молока находится в диапазоне от 50 до 60 мм. Если диск намного больше, то эффективность струи жидкости будет снижаться при уменьшении диаметра диска. Максимальная толщина диска будет ограничена лишь возможностью формирования равномерно распределенной струи по всему краю диска. Однако с практической точки зрения подходящая толщина диска составляет менее половины его диаметра.
Машина 1 для приготовления напитков или пищевых продуктов схематически изображена на фиг. 1. Машина 1 предпочтительно содержит резервуар 10 для жидкости, при этом она может быть непосредственно связана с водопроводом. Хотя вода является наиболее распространенной жидкостью, используемой для приготовления напитков, таких как кофе, в машине 1 также могут быть использованы другие жидкости, такие как молоко или жидкости на основе молока, для смешивания с ингредиентами напитка или пищевого продукта. Резервуар 10 гидравлически связан с насосом 11, предпочтительно при помощи измерителя 12 расхода, который в свою очередь соединен с нагревательным устройством 13. Нагревательное устройство 13 гидравлически связано с заварочной головкой 14 при помощи подходящего жидкостного трубопровода 28. Следует отметить, что предлагаемая машина не ограничена приготовлением продуктов, которые должны быть «заварены», и что термины «заваривать», «заварочная головка» и т.п. используются лишь для удобства, так как эта технология берет начало от машин, которые были ограничены лишь завариванием напитков.
Заварочная головка 14 предпочтительно содержит устройство 15 распознавания дисков, которое может распознать тип продукта и размер диска 16, вставленного в заварочную камеру 22 внутри заварочной головки 14, для инициирования надлежащего цикла заваривания.
Насос 11, измеритель 12 расхода, водоподогреватель 13 и заварочная головка 14 (и другие компоненты) предпочтительно соединены с электронным контроллером 17. Кроме того, датчики 18, 19 температуры воды могут быть расположены на входе и выходе из водоподогревателя 13, при этом указанные датчики также соединены с контроллером 17.
Функционирование машины предпочтительно обусловлено программным обеспечением, встроенным в контроллер 17, например, как описано в документе ЕР-А-1440644. Запоминающее устройство управляющего процессора содержит одну или несколько переменных для одного или нескольких рабочих параметров машины.
Диск 16 (см. фиг. 2) характеризуется наличием центрального отверстия 25, благодаря чему диск может быть установлен на стержень 26, проходящий вверх по существу в вертикальном направлении от основания заварочной камеры 22.
Камера 22 характеризуется наличием выпуска, через который пищевой продукт или напиток выходит из камеры 22 для дозирования через дозирующее сопло 20. Выпуск может быть выполнен фиксированным, например, в форме по меньшей мере одного и предпочтительней группы выпускных отверстий или протоков, выполненных в основании камеры 22. Размеры отверстий выбраны для предотвращения слишком быстрого выхода жидкости для заваривания из камеры 22 перед тем, как произойдет полное разрушение диска 16 или заваривание продукта. Разрушение диска 16 существенно улучшается при ограничении скорости выхода жидкости, в результате чего во время заваривания заварочная камера 22 по существу заполнена жидкостью. Недостаток полностью заполненной жидкостью камеры 22 заключается в том, что уменьшается формирование пены в выдаваемом напитке или пищевом продукте. Альтернативно, камера 22 может быть снабжена клапанными средствами, предназначенными для варьирования расхода жидкости через выпуск.
Качество пены в полученном в результате напитке могут регулировать путем подачи газа в заварочную камеру 22, где он захватывается струей с высокой энергией. Скорость выпуска жидкости из заварочной камеры 22 является важной характеристикой для формирования пены, и полного заполнения камеры жидкостью предпочтительно избегают.
Относительные значения диаметра отверстия 25 диска и стержня 26 подбирают такими, чтобы диск 16 мог свободно вращаться на стержне 26.
Сопло 27 расположено на конце жидкостного трубопровода 28, по которому жидкость для заваривания поступает из нагревательного устройства 13 в заварочную головку 14, и сообщается с заварочной камерой 22, при этом его выпуск находится на боковой стенке 29 заварочной камеры 22 (см. фиг. 4). Сопло 27 расположено таким образом, чтобы направлять одиночную высокоскоростную струю жидкости непосредственно на периферийный край диска 16, установленного на стержне 26. Такое положение является предпочтительным положением для сопла 27, так как обеспечивается постоянное взаимодействие струи с периферийным краем диска 16, даже при уменьшении его диаметра.
Однако согласно альтернативной конфигурации сопло 27 может быть расположено таким образом, чтобы направлять струю жидкости сверху на край диска 16.
Согласно одному варианту осуществления струя характеризуется скоростью 19,5 м/с при расходе 200 мл/мин и давлении 13 бар. Следует отметить, что чем выше скорость водяных струй, взаимодействующих с таблеткой, тем лучше растворение. Однако, так как изготовлению и эксплуатации отверстий для создания очень тонких струй присущи определенные проблемы, наиболее простым способом увеличения скорости будет являться увеличение давления и расхода, при этом следует учесть и предотвратить возможность чрезмерного разбавления конечного продукта. Согласно другому варианту осуществления струя является пульсирующей, что снижает средний расход жидкости, поступающей в чашку, но повышает мгновенную скорость струи. Пульсирующая подача может быть использована для обеспечения коротких импульсов высокоскоростных струй с поддержанием вращения погруженного в жидкость диска внутри камеры. При использовании одного и того же отверстия и 25% коэффициента заполнения расход может вырасти до 800 мл/мин (78 м/с).
Согласно еще одной альтернативной конфигурации несколько сопел 27 могут быть использованы для создания нескольких струй жидкости в различных местах на протяжении периметра диска 16.
Заварочная головка 14 предпочтительно характеризуется наличием верхней секции, которая может быть перемещена между открытым положением, в котором заварочная камера 22 открыта, так что диск может быть установлен на стержень 26, и закрытым положением, в котором заварочная камера 22 закрыта и герметизирована. Закрытие и открытие предпочтительно осуществляют при помощи ручки или рычага, но они могут выполняться автоматически. Когда заварочная головка 14 закрыта, заварочная камера 22 герметизирована посредством верхней секции заварочной головки 14 с использованием уплотнения на основе силиконового каучука или т.п.
Заварочная камера 22 предпочтительно является цилиндрической, при этом она может характеризоваться любой подходящей конфигурацией. Согласно одной подходящей конфигурации камера 22 характеризуется следующими внутренними размерами: диаметр составляет от 28 мм до 75 мм и высота составляет от 13 мм до 40 мм, и стержень характеризуется диаметром 3 мм.
Одна из подходящих форм сопла(ел) 27 представлена на фиг. 5. Такая форма обеспечивает «веерообразное» распыление, при этом предпочтительно ширина струи приблизительно равняется высоте диска 16. Согласно одной подходящей конфигурации размер сопла 27 является таким, чтобы обеспечить средний расход приблизительно 200 мл/мин, и это достигается за счет использования щелевого отверстия с размерами приблизительно 3,8 мм на 0,045 мм, что обеспечивает скорость струи приблизительно 19,5 м/с. Противодавление на выходе из насоса 11 при этом расходе составляет приблизительно 13 бар. Для некоторых типов дисков может быть необходим более высокий расход, что зависит от степени уплотнения и ингредиентов (в частности, от их растворимости или от используемого вяжущего вещества и размера частиц), из которых такие диски изготовлены. Следовательно, расход предпочтительно может быть отрегулирован, например, увеличен до приблизительно 280 мл/мин с противодавлением 9 бар.
Когда допускают наличие воздуха в частично заполненной жидкостью камере 22, энергия струи очень эффективно смешивает газ с напитком или пищевым продуктом для создания пены из мелких пузырьков, в частности, при использовании диска из молочного порошка. Поскольку давление в камере 22 является очень низким, может быть предусмотрен впуск воздуха, выполненный в форме вентиляционной трубы или отверстия, чтобы обеспечить поступление воздуха в центр камеры 22, который является точкой наименьшего давления. Такое отверстие для впуска воздуха может быть выборочно открыто или закрыто при помощи электромагнитного клапана, в зависимости от типа завариваемого продукта с тем, чтобы создать вспененный напиток или пищевой продукт. Другой подходящий впуск воздуха может представлять собой эжектор, выполненный как часть сопла 27 в конфигурации, изображенной на фиг. 4. Эжектор засасывает воздух за счет высокой скорости жидкости текущей через сопло 27.
Исходя из типа диска 16 или приготавливаемого продукта, предпочтительно выбрать различные значения соотношения между значением входного расхода и значением выходного расхода. Если значение входного расхода превышает значение выходного расхода, то диск 16 будет полностью погружен в ванну с вращающейся жидкостью и скорость растворения/заваривания увеличится. Если камера 22 только частично заполнена жидкостью и часть струи воды выше уровня воды в камере, это приведет к лучшему вспениванию. Для достижения этого, на начальном этапе входящий поток жидкости предпочтительно превышает исходящий поток, а затем потоки постепенно уравновешивают для поддержания постоянного уровня. В этом состоянии электромагнитный клапан отверстия для впуска воздуха может быть открыт, чтобы способствовать созданию большего количества пены. Альтернативно, воздушный эжектор может быть выполнен в качестве части сопла 27 для подачи высокоскоростной струи воды; при необходимости указанный эжектор может быть открыт или закрыт посредством электромагнитного клапана.
Выравнивание входного или выходного значений расходов может быть достигнуто путем использования регулируемого клапана на выпуске камеры (либо с автоматическим, либо с ручным управлением) или путем пульсации струи с переменным коэффициентом заполнения. Обнаружили, что импульсная подача струи является очень эффективным способом регулирования расхода жидкости, поступающей в чашку, что предотвращает чрезмерное разбавление и обеспечивает быстрое разрушение таблетки.
Бурно выделяющий газ материал может быть использован в качестве части диска 16 для введения газа в герметизированную камеру 22, который затем дополнительно кондиционируют под воздействием энергии струи.
Функционирование машины включает в себя стадии открытия заварочной головки 14, установки диска 16 на стержень 26 в заварочную камеру 22, закрытия заварочной головки 14 и осуществления цикла заваривания, в ходе которого происходит приготовление напитка/пищевого продукта.
Во время цикла заваривания струя (или струи) взаимодействуют с периферийным краем диска 16, вызывая вращение диска 16 с последующим разрушением в результате эрозии или растворения ингредиента(ов)/вяжущего вещества. Энергия, переданная диску 16, вызывает локальное немедленное разрушение поверхности в точке взаимодействия струи и поверхности диска, а также вызывает вращение диска с высокой скоростью в окружающей жидкости, смывая весь отделившийся материал и обеспечивая быстрое и равномерное разрушение всех частей диска 16.
Напиток или пищевой продукт выходит из заварочной камеры 22 через выпускные отверстия, выполненные в основании камеры 22, попадая в выпуск 20 для последующего дозирования, предпочтительно в надлежащим образом расположенную емкость 21.
Результаты исследований показали, что, при использовании струи жидкости как описано в настоящем документе, исходный выходной поток напитка или пищевого продукта очень быстро приобретает цвет и становится концентрированным. Разрушение диска 16 происходит равномерно до тех пор, пока не произойдет полное разрушение. Процесс может быть адаптирован к множеству порошкообразных пищевых ингредиентов путем регулировки средних значений расходов, скорости струи или путем импульсной подачи струи во время цикла заваривания.
Для некоторых типов дисков 16, например, выполненных из обжаренного и молотого кофе, может быть предусмотрен фильтр для осуществления стадии фильтрации перед выдачей готового продукта.
Для того чтобы создать «слоистые» напитки, диски 16 могут содержать несколько ингредиентов, спрессованных в одно или несколько концентрических колец или слоев 31, 32. На фиг. 3, 3а представлен пример слоистого диска 16, содержащего кольца кофе 31 и молока 32. При постепенном уменьшении диаметра диска 16 цвет напитка кофе будет изменяться от черного до белого (или наоборот). На фиг. 3b представлена отличающаяся конфигурация диска, в которой слой 32 молока полностью окружен слоем 31 кофе.
Стержень 26 также может быть выполнен с возможностью автоматической адаптации к различным размерам дисков 16, как изображено на фиг. 6. Стержень 26 может быть установлен на подпружиненной штанге 35, которая свободно поворачивается вокруг точки 36 поворота, оснащенной датчиком 37 угла поворота, таким как потенциометр. Изначально, штанга 35 перемещается в загрузочное положение при открытии заварочной головки 14. Закрытие заварочной головки 14 позволяет пружине 38 сместить стержень 26 в направлении сопла 27 таким образом, чтобы диск 16 удерживался напротив или располагался близко к соплу 27. Благодаря этому исходный диаметр диска 16 может быть измерен на основе углового положения штанги 35. Усилие водяной струи при известном расходе удерживает поверхность диска на фиксированном расстоянии от выпуска сопла и, следовательно, позволяет оценить прогресс разрушения диска на основании угла плеча 35 стержня. Перемещение штанги 35а и разрушение диска 16а изображены пунктирными линиями. Однако положение диска 16 должно быть таким, чтобы не блокировать струю жидкости, ударяющуюся об диск 16. Поблизости от сопла 27, например, на расстоянии 2-3 мм, может быть расположен концевой упор, который выступает в роли отметки, указывающей на то, что диаметр диска может быть оценен при помощи датчика 37 угла поворота.
Замкнутая система обратной связи может быть использована с тем, чтобы создать оптимальные циклы заваривания для различных типов или размеров прессованных дисков 16. Значения расхода могут непрерывно изменять или жидкость могут подавать в виде пульсирующей струи, и воздействие на диск 16 могут динамически измерять. Импульсная подача обеспечивает лучшую оценку диаметра диска, так как диск 16 будет временно останавливаться, упираясь об концевой упор при остановке подачи струи.
Экспериментальные исследования проводили на испытательной установке с использованием различных дисков 16, сравнивая время, требуемое диску 16 для разрушения в чашке (1.) и в испытательной установке (2.) с использованием струи жидкости в соответствии с настоящим изобретением. Полученные результаты приведены ниже.
Пример 1
В этом примере используют шипучую таблетку с витаминами массой 5 г, которая характеризуется диаметром 25,4 мм и высотой 6,7 мм (Berocca™ с апельсиновым вкусом). Диск растворяли в воде с температурой 20°С.
1. Чашка - время растворения в 100 мл холодной воды с перемешиванием составило 1 минута 30 секунд.
2. Заварочная камера - время растворения в 180 мл воды составило 55 секунд.
Пример 2
В этом примере используют прессованный диск из молочного порошка массой 1,2 г, характеризующийся диаметром 16,3 мм и высотой 6,5 мм. Диск растворяли в горячей воде с температурой 80°С.
1. Чашка - время растворения в 100 мл горячей воды с перемешиванием составило 3 минуты.
2. Заварочная камера - время растворения в 85 мл горячей воды составило 25 с.
Хотя разрушение диска в чашке произошло очень быстро после погружения в воду, даже при помощи энергичного перемешивания не удалось полностью растворить твердые комки (приблизительно 3-4 мм диаметром) после 3 минут.
В заварочной камере получили напиток, на поверхности которого была молочная пенка объемом приблизительно 25-30 мл, состоящая из мелких пузырьков, которая была чрезвычайно устойчивой. По сравнению с напитком, полученным при помощи перемешивания, в этом напитке осталось намного меньше нерастворенной гущи, и она присутствует в качестве незначительного «осадка» на дне стакана, который является менее заметным.
Пример 3
В этом примере используют прессованный диск из кофе Jacobs Kroenung™ R&G массой 6,7 г, который характеризуется диаметром 31 мм и высотой 13 мм. Диск растворяли в горячей воде с температурой 95°С.
1. Чашка - время разрушения в 150 мл горячей воды с перемешиванием составило 1 минута 10 секунд.
2. Заварочная камера - время разрушения в 270 мл воды составило 54 секунды.