УПРАВЛЯЕМОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ НАПИТКОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ СИЛ
CONTROLLABLE DEVICE FOR PREPARATION OF BEVERAGES USING CENTRIFUGAL FORCES

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к устройству и капсульной системе для приготовления жидкого пищевого продукта из содержащегося в емкости пищевого вещества за счет прохождения жидкости через пищевой продукт с использованием центробежных сил. В частности, изобретение относится к устройству и способу регулирования расхода жидкости во время приготовления напитка.
Уровень техники
Известен способ частота приготовления напитков за счет разделения смеси, состоящей из сваренного кофе и кофейного порошка, с помощью центробежных сил. Такую смесь получают за счет взаимодействия горячей воды и кофейного порошка в течение заданного времени. Вода принудительно вводится через сетку, на которой находится порошок.
Например, в документе GB 1506074 описано центробежное устройство, содержащее фильтр для фильтрации кофе. Однако время контакта между кофе и горячей водой не контролируется. Например, гранулометрия кофе может влиять на время нахождения жидкости в кофе и, таким образом, на качество экстракции.
С другой стороны, известны решения, позволяющие повысить давление в элементе, например, с помощью средств ограничения до фиксированного значения или средств ограничения, реагирующих на изменение давления.
Известен способ увеличения давления в центробежном элементе за счет увеличения частоты вращения, например, как описано в документе ЕР 651963. Солгано этому документу увеличение давления обеспечивается с помощью упругого резинового элемента, помещенного на границе между крышкой и чашкой центробежного элемента. Такой элемент упруго деформируется и формирует фильтрующий канал для жидкости, когда на границе достигается определенное давление.
В документах FR 2487661, US 4545296 и WO 2006/112691 описаны центробежные системы, в которых с целью увеличения давления фиксированное ограничение организуется за фильтром. Однако в этих системах время контакта кофе и воды не контролируется должным образом. Как указано в документе ЕР 651963, вкус кофе может быть изменен за счет изменения частоты вращения и, следовательно, в элементе.
В документе GB 2227405 описано устройство для приготовления кофейного настоя, в котором частота и/или продолжительность вращения устанавливаются в зависимости от заданной крепости настоя.
В документе WO 2007/041954 описана кофеварка с комбинацией перемалывания и варки. Для контроля аромата сваренного кофе могут использоваться различные подходы. Первый подход состоит в контроле размера зерна кофейного порошка во время этапа перемалывания. Второй поход состоит в контроле скорости прохождения воды через порошок молотого кофе. Различные частоты вращения элемента варки задаются с помощью регулятора. Недостаток состоит в том, что в зависимости от характеристик потока в молотом кофе, учитывающих характеристики порошка, сжатие кофе, качество кофе, температуры и т.д., крепость и другие показатели качества (например, пенка) кофе могут значительно колебаться.
В документе РСТ/ЕР 08/056310 представлено решение, согласно которому ограничитель потока расположен в центробежном элементе или снаружи центробежного элемента, например, капсулы, в которой содержится порошок кофе. Ограничитель потока может содержать регулирующий клапан, создающий обратное давление. Клапан открывается под действием давления в элементе. Клапан может быть предварительно нагружен упругим элементом (резина или пружина). В устройстве может быть предусмотрен блок управления для задания частоты вращения в зависимости от типа приготавливаемой жидкости и/или содержащегося в капсуле продукта.
Задачей изобретения является создание устройства и способа, обеспечивающих эффективный контроль крепости жидкого продукта, например, кофе или чая, в центробежном устройстве для приготовления напитков с учетом характеристик потока, проходящего через ингредиенты.
Также задачей изобретения является создание устройства и способа для получения различных уровней пенки в жидком продукте, в частности, в кофейных напитках.
В частности, одна из задач изобретения состоит в том, чтобы обеспечить надлежащее управление основными характеристиками качества напитка. В частности, обеспечить воспроизводимость крепости или концентрации напитка, т.е. обеспечить, чтобы эта характеристика не имела больших отклонений для одного и того же напитка. Еще одна задача изобретения состоит в том, чтобы обеспечить получение и выбор основных характеристик качества (т.е. выбор концентрации и уровня кофейной пенки), а также объема напитка управляемым способом в зависимости от типа напитка, который желает приготовить пользователь.
Раскрытие изобретения
Первым объектом изобретения является устройство для приготовления жидкого продукта из содержащегося в капсуле или камере порционного пищевого продукта, содержащее центробежный узел для приема капсулы или камеры, соединенный с ним привод для вращения капсулы или камеры в этом узле, средства подачи жидкости, соединенные с центробежным узлом и предназначенные для подачи жидкости в капсулу или камеру, средство измерения расхода или давления жидкости и блок управления для управления расходом жидкости или, соответственно, ее давлением в соответствии с исходным значением расхода или давления в схеме управления посредством автоматического регулирования частоты вращения привода во время фазы экстракции при приготовлении напитка в зависимости от измеренного расхода жидкости или, соответственно, ее давления.
С помощью устройства согласно изобретению можно обеспечить управляемое взаимодействие между предпочтительным порционным пищевым продуктом, помещенным в капсулу или камеру, и жидкостью, такой как вода. Взаимодействие, в частности, обеспечивается за счет центробежных сил, воздействующих на капсулу или камеру во время и после подачи в них жидкости, при этом управление взаимодействием продукта с жидкостью осуществляется за счет отслеживания расхода жидкости, поступающей в капсулу или камеру, и регулирования этого расхода.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения капсула вставляется в центробежный узел устройства с возможностью извлечения. Предпочтительно центробежный узел содержит два закрывающих элемента, расположенных с возможностью взаимного перемещения и предназначенных для закрывания капсулы в устройстве.
Предпочтительно первый закрывающий элемент снабжен узлом нагнетания жидкости, который обеспечивает подачу жидкости в капсулу, закрытую в центробежном узле устройства. Предпочтительно узел нагнетания жидкости расположен по центру относительно оси вращения центробежного узла. Узел нагнетания жидкости предпочтительно содержит трубчатый элемент для подачи жидкости в центральное впускное отверстие капсулы. В возможном варианте осуществления изобретения узел нагнетания жидкости содержит прокалывающий элемент, предназначенный для прокалывания поверхности капсулы. Узел нагнетания жидкости соединен со средствами подачи жидкости устройства.
Второй закрывающий элемент центробежного узла предпочтительно является вращающимся барабаном, форма которого соответствует форме капсулы. Таким образом, пользователь может вставлять капсулу во вращающийся барабан, и капсула будет в нем надежно удерживаться.
Привод центробежного узла преимущественно является двигателем, например, электрическим, и соединен с блоком управления устройства. Вал двигателя соединен с вращающимся барабаном, обеспечивая его вращение совместно с помещенной в него капсулой.
Средства подачи жидкости устройства содержат резервуар для хранения жидкости. Предпочтительно резервуар является кипятильником, который содержит средство для нагрева жидкости. Однако средства подачи жидкости также могут содержать резервуар для жидкости и встроенный нагревательный элемент, например, термоблок или мгновенный нагреватель, расположенный в жидкостном контуре после резервуара.
Кроме того, средства подачи жидкости предпочтительно содержат насос для подачи жидкости из резервуара в узел нагнетания жидкости и, следовательно, в центробежный узел устройства. Предпочтительно насос соединен с блоком управления устройства.
Средство измерения расхода жидкости предпочтительно расположено в жидкостном контуре между средствами подачи жидкости и центробежным узлом устройства.
Блок управления предпочтительно содержит инициируемое событием устройство, соединенное с приводом и средством измерения расхода жидкости в центробежном узле. Кроме того, блок управления предпочтительно соединен с интерфейсом, который может управляться пользователем.
В частности, исходное значение расхода может быть задано как постоянная величина во время фазы экстракции. Фаза экстракции определена здесь как основная фаза, во время которой жидкость подается с помощью средств подачи в капсулу и проходит через находящиеся в ней ингредиенты, и, таким образом, жидкий напиток выходит из капсулы.
В возможном альтернативном варианте осуществления изобретения исходный расход представляет собой переменный набор параметров расхода, т.е. зависимость заданных значений от времени. Фактически, в некоторых случаях можно получить преимущества из изменения заданного значения расхода во время фазы экстракции с целью получения конкретных программ экстракции. В этом случае блок управления может хранить переменный набор параметров расхода, который соответствует конкретному выбранному напитку. Однако во избежание слишком сложного управления предпочтение отдается заданному значению постоянного расхода для одного и того же напитка.
Предпочтительно блок управления выполнен с возможностью выбора или расчета различных заданных расходов, соответствующих различным крепостям напитка (например, кофе). Предпочтительно блок управления соединен с интерфейсом пользователя, чтобы пользователь мог выбирать различные напитки.
Таким образом, блок управления обеспечивает регулирование расхода (в соответствии с постоянным значением или переменным набором параметров) за счет регулирования частоты вращения привода во время по меньшей мере одной важной фазы приготовления напитка с целью получения заданной крепости (т.е. концентрации) приготавливаемого напитка. Таким образом, крепость может выбираться пользователем устройства с помощью ручного интерфейса.
Кроме того, блок управления выполнен с возможностью регулирования объема напитка за счет получения данных от средства измерения расхода и регулирования, соответственно, объема жидкости, подаваемой средствами подачи жидкости, в частности, насосом, в капсулу или камеру.
Однако также возможно, чтобы крепость и/или объем задавались с помощью средства идентификации, расположенного в устройстве и выполненного с возможностью взаимодействия с помещенной в устройство капсулой. Такое средство идентификации может быть выполнено в виде устройства, считывающего цифровой код, расположенный на наружной стороне капсулы, и обеспечивающего определение типа капсулы и/или типа находящихся в ней ингредиентов с целью применения заданной программы экстракции для приготавливаемого напитка.
Во время фазы экстракции напитка частота вращения привода регулируется схемой управления с целью корректировки расхода при по существу постоянном значении или, в конечном счете, для соблюдения заданного набора параметров расхода. Таким образом, при приготовлении напитка во время фазы экстракции обеспечивается заданный номинальный расход. Поскольку расход непосредственно связан со временем контакта жидкости с ингредиентом в капсуле, крепость напитка, в конечном счете, определяется поддержанием расхода в соответствии с заданным значением или набором параметров, которые соответствуют выбранной крепости напитка.
Во время фазы экстракции помещенный внутрь центробежного узла центрифугируемая камера действует как центробежный насос, забирая жидкость, например, воду, от источника ее подачи. Соответственно, частота вращения двигателя, приводящего во вращение центробежный узел, учитывает отклонение расхода от заданного значения. В частности, когда измеренный расход становится ниже заданного, блок управления увеличивает частоту вращения для повышения расхода до заданного значения, и наоборот, когда измеренный расход становится выше заданного, блок управления уменьшает частоту вращения для снижения расхода до заданного значения. Понятно, что предпочтительными являются самые низкие возможные колебания расходов относительно заданного значения.
Центрифугируемая камера согласно изобретению может быть одноразовой капсулой, устанавливаемой в центробежном узле. Кроме того, центрифугируемой камерой также может быть многоразовый фильтрующий элемент.
Одноразовая капсула, используемая в настоящем изобретении, может быть герметично закрыта перед использованием для сохранения свежести помещенных в нее пищевых ингредиентов. Предпочтительно в капсуле имеется защитная среда для ингредиентов, например инертный газ. Капсула может быть закрыта мембраной, которая прокалывается или отслаивается во время процесса приготовления напитка. Капсула может содержать кодирующее средство, например, штрих-код, который считывается устройством. Исходя из этого, с помощью блока управления могут быть отрегулированы соответствующие параметры, такие как крепость напитка, его объем и/или уровень пенки в напитке.
Когда центрифугируемой камерой является многоразовый фильтрующий элемент, то предпочтительно он устанавливается в устройство с возможностью извлечения. Кроме того, предпочтительно фильтрующий элемент должен быть доступен с наружной стороны устройства. В результате обеспечивается извлечение пищевого продукта из центрифугируемой камеры или загрузка пищевого продукта в центрифугируемую камеру.
Насос средств подачи жидкости настроен на подачу достаточного количества воды в центрифугируемую камеру во время цикла приготовления напитка, в то время как частота вращения центрифугируемой камеры фактически регулирует расход дозируемой жидкости. Предпочтительно насос является насосом низкого давления, например, центробежным или любым другим пригодным насосом низкого давления.
Время контакта находящихся в капсуле пищевых ингредиентов с горячей водой обратно пропорционально расходу воды, которая проходит через жидкостный контур и, следовательно, через центрифугируемую камеру. В общем, для получения более высокой концентрации или крепости приготавливаемого напитка может быть задано относительно низкое значение расхода воды, в то время как для получения более низкой концентрации или крепости напитка задается относительно высокое значение расхода воды.
Это позволяет, в частности, приготавливать горячий напиток, такой как кофе, чай, горячий шоколад и т.п. с желаемой концентрацией и, соответственно, желаемой крепостью.
Расход измеряется средством измерения расхода, которое расположено в жидкостном контуре устройства.
Такое средство измерения расхода непрерывно передает данные в блок управления, который, в свою очередь, регулирует частоту вращения двигателя.
Предпочтительно средство измерения расхода представляет собой турбину для импульсно-кодового измерения расхода, расположенную между источником воды, например, резервуаром для воды, и узлом нагнетания жидкости в центрифугируемую камеру. Турбина генерирует электрические импульсы, период которых пропорционален скорости потока. Соответственно, блок управления выполнен с возможностью расчета расхода на основе электрических импульсов, генерируемых турбиной при импульсно-кодовом измерении расхода.
Предпочтительно блок управления также выполнен с возможностью регулирования объема подаваемого напитка. Соответственно, объем подаваемого напитка задается на основании полученной информации от расходомера, например, в результате подсчета количества импульсов, вырабатываемых расходомером, или измерения периода импульсов.
Ручной интерфейс устройства предпочтительно содержит средство выбора, позволяющее пользователю выбирать крепость напитка, а предпочтительно также и объем напитка. Таким образом, пользователь может выбирать концентрацию и/или объем приготавливаемого напитка. Например, что касается кофейного напитка, то могут быть выбраны различная крепость кофе (например, низкая, средняя, высокая) и различный объем (например, 25, 40, 110, 250 мл), соответствующий разным размерам чашки. Например, для упрощения выбора с помощью интерфейса пользователя, но вместе с тем и удовлетворения возможных пожеланий пользователей, возможен выбор из ограниченного количества выбираемых комбинаций в отношении крепости и объема кофе, например, выбор кофе, который ясно определен для пользователя (например, ристретто, эспрессо слабый/крепкий, лунго слабый/крепкий, американо и т.д.).
Если предлагаются разные виды напитков, такие как кофе, чай, молоко и т.д., средство выбора также может использоваться для выбора вида приготавливаемого напитка, такого как кофе, чай, травяной чай, суп или горячий шоколад. Таким образом, средство выбора может предоставлять информацию о различных приготавливаемых жидких продуктах, для которых хранятся различные программы экстракции.
В возможном варианте осуществления изобретения, относящемся к приготовлению кофейного напитка с помощью настоящего устройства, ручной интерфейс может использоваться для выбора желаемого вида кофе, такого как ристретто, эспрессо, лунго или американо с конкретной комбинацией крепости и объема кофе. Кроме того, крепость кофе может быть, в конечном счете, дополнительно выборочно отрегулирована для одного или нескольких видов кофе.
Кроме того, предпочтительно желаемая крепость кофе выбирается с помощью средства выбора, такого как потенциометр ручного интерфейса. Соответственно, крепость приготавливаемого кофейного напитка может изменяться за счет непрерывного или пошагового изменения заданного значения расхода, изначально заданного устройством. В возможном варианте осуществления изобретения крепость кофейного напитка может быть установлена, например, после выбора объема кофе.
Если рассматривать, в частности, приготовление кофе из молотого кофе, помещенного в камеру, т.е. одноразовую капсулу, то программа экстракции, задаваемая блоком управления устройства, предпочтительно содержит по меньшей мере фазу предварительного смачивания, фазу экстракции и фазу «сухого» вращения, которые обычно отличаются, по меньшей мере, частотой вращения привода.
Фаза предварительного смачивания в программе экстракции выполняется в начале цикла приготовления напитка. Жидкость, например вода, подается в центрифугируемую камеру, т.е. капсулу, которая удерживается в статическом положении или вращается с относительно низкой частотой вращения, предпочтительно, менее 200 об/мин, наиболее предпочтительно, менее 100 об/мин. Соответственно, фаза предварительного смачивания обеспечивает равномерное смачивание сухих пищевых ингредиентов, т.е. помещенного в капсулу молотого кофе. Таким образом, может эффективно предотвращаться сжатие сухих ингредиентов и последующее закупоривание во время этапа приготовления напитка.
Количество жидкости, подаваемой в центрифугируемую камеру и, соответственно, в капсулу во время фазы предварительного смачивания, предпочтительно выбирается так, чтобы камера и, соответственно, капсула, были заполнены жидкостью, и, в конечном счете, из капсулы вытеснялся газ. Соответственно, пищевые ингредиенты полностью заливаются жидкостью. Во время этой фазы никакая жидкость по существу не выходит из капсулы, поскольку центробежное давление при низкой частоте вращения в капсуле остается слишком низким для того, чтобы преодолеть потери давления в возможном средстве ограничения в линии тока (например, клапане).
После фазы предварительного смачивания осуществляется фаза экстракции в программе экстракции. Предпочтительно она содержит линейное увеличение частоты вращения привода до уровня частоты вращения для экстракции, которая превышает частоту вращения во время фазы предварительного смачивания. Предпочтительно заданная частота вращения для экстракции устанавливается с целью предотвращения значительного колебания расхода во время фазы линейного увеличения частоты вращения. Сразу же после достижения заданной частоты вращения для экстракции частота вращения привода регулируется блоком управления с целью обеспечения относительно постоянного расхода жидкости.
Для управления временем контакта пищевого ингредиента с водой во время этапа приготовления напитка значение расхода жидкости рассчитывается посредством определения периода импульсов, генерируемых расходомером.
В зависимости от типа подаваемого напитка во время этапа экстракции частота вращения может составлять 5000-15000 об/мин, предпочтительно 8000-12000 об/мин. В частности, на частоту вращения может оказывать влияние сопротивление потоку в капсуле и средство ограничения.
После этапа экстракции осуществляется этап центробежной сушки. Водяной насос средства подачи жидкости останавливается блоком управления для прекращения подачи воды в центрифугируемую камеру. Кроме того, осуществляется вторая фаза линейного увеличения или увеличения частоты вращения с последующим поддержанием относительно повышенной постоянной частоты вращения с целью осуществления центробежной сушки внутри капсулы. Цикл приготовления напитка может заканчиваться фазой уменьшения частоты вращения, при которой частота вращения постепенно снижается до нулевого значения.
Соответственно, остаточная жидкость, присутствующая в центрифугируемой камере или капсуле, удаляется и выпускается через выпускной канал устройства. Частота вращения во время центробежной сушки задается выше частоты вращения во время экстракции.
Поскольку концентрация остаточной жидкости, выпускаемой центрифугируемой камерой, может отличаться от концентрации жидкого продукта, выпускаемого во время фазы экстракции, остаточная жидкость может выпускаться с помощью продувочного средства, которое может быть избирательно соединено с выпускным каналом устройства. Таким образом, остаточная жидкость, выпускаемая во время фазы центробежной сушки, не влияет на концентрацию приготавливаемого напитка.
Следует понимать, что фаза центробежной сушки может осуществляться в течение заданного периода времени (например, несколько секунд).
Программа экстракции и, в частности, частота вращения, могут быть различными для каждого типа приготавливаемого напитка с целью оказания влияния на концентрацию или крепость напитка. Соответственно, с помощью ручного интерфейса могут быть выбраны различные программы экстракции. Заданные программы экстракции предпочтительно хранятся в блоке управления или в соединенном с ним запоминающем средстве.
Кроме того, предпочтительно центробежный узел устройства содержит средство ограничения потока, расположенное на стороне подачи центробежного узла.
Средство ограничения потока на стороне подачи центробежного узла может содержать клапан регулирования давления, который открывается под действием давления выходящей из узла жидкости. Такой клапан описан, например, в документе РСТ/ЕР 08/056310.
Средство ограничения может представлять собой неподвижную трубку Вентури (эдуктор), образованную из одного или нескольких небольших выпускных отверстий. Средство ограничения может быть расположено на выпускных отверстиях капсулы или за капсулой.
Преимущество состоит в том, что требуется определенное давление, прежде чем жидкость сможет выйти из центробежного узла, следовательно, продолжительности контакта жидкости в элементе способствует обеспечение ее отсроченного выпуска. Соответственно, обеспечивается улучшенное взаимодействие между находящимися в капсуле водой и продуктом. Что касается кофе, то, например, преимущественно можно оптимизировать взаимодействие воды и частиц молотого кофе, содержащихся в центрифугируемой камере, для обеспечения надлежащей экстракции кофе и ароматических веществ.
Кроме того, средство ограничения, такое как клапан, обеспечивает относительно высокое падение давления, которое способствует образованию желаемой пенки в напитке.
Во время фазы экстракции через пищевые ингредиенты в центрифугируемой камере в поперечном направлении проходит жидкость, поступающая с помощью средств ее подачи. Напиток, получаемый в результате взаимодействия жидкости и пищевых ингредиентов и выпускаемый из центрифугируемой камеры благодаря действию центробежных сил, вынуждает открываться клапан ограничения потока, когда давление жидкости превышает заданное. Напиток выпускается из центробежного элемента через выпускной канал при относительно постоянном расходе.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения клапан ограничения расхода может быть образован по меньшей мере одним контактным участком устройства, выполненным с возможностью перемещения относительно участка, с которым он контактирует и который может быть участком устройства, или, как вариант, участком капсулы, под действием давления выходящей из капсулы жидкости с образованием тонкого кольцевого канала для жидкости.
Предпочтительно предварительная нагрузка клапана ограничения потока может регулироваться. Она может быть увеличена для повышения частоты вращения с целью поддержания такого же расхода. И наоборот, предварительная нагрузка клапана может быть уменьшена для понижения частоты вращения с целью поддержания такого же расхода. Таким образом, регулирование предварительной нагрузки клапана может оказывать влияние на уровень пенки в приготавливаемом напитке.
Установлено, что более высокая частота вращения привода во время фазы экстракции обеспечивает получение большего количества пенки в напитке. Это, в частности, является преимуществом для кофейных напитков, в которых требуется получить обильную пенку.
Согласно описываемому варианту осуществления изобретения имеется возможность регулирования как крепости напитка (например, концентрацией в экстракте кофейной жидкости), так и количеством пенки в напитке.
Таким образом, имеется возможность получения, например, кофе ристретто с относительно высокой концентрацией кофе и большим количеством пенки посредством задания объема 25 мл, относительно низкого расхода и относительно высокой предварительной нагрузки клапана ограничения потока. И наоборот, для приготовления относительно некрепкого кофе лунго с небольшим количеством пенки задают объем до 110 мл, относительно высокий расход и относительно низкую предварительную нагрузку клапана ограничения.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения предварительная нагрузка клапана ограничения потока регулируется механическим исполнительным средством, приводимым в действие вручную или двигателем, управляемым блоком управления. В результате пользователь может регулировать количество пенки в приготавливаемом напитке.
В возможном альтернативном варианте осуществления изобретения частота вращения привода может регулироваться в зависимости от определяемого давления жидкости в центрифугируемой камере или, соответственно, в капсуле, или в зависимости от давления жидкости в жидкостном контуре перед камерой. Таким образом, давление в камере или перед ней предпочтительно измеряется датчиком давления, расположенным в камере или перед ней, например, в жидкостном контуре между насосом и местом нагнетания жидкости в камеру. Следует отметить, что согласно изобретению можно регулировать давление жидкости, а не ее расход, или регулирование давления может быть дополнительным управляющим средством для регулирования частоты вращения и, следовательно, крепости напитка.
Вторым объектом изобретения является система для приготовления напитка из помещенных в капсулу порционных ингредиентов, содержащая
- устройство для приготовления напитков, имеющее центробежный узел, содержащий по меньшей мере два закрывающих элемента для закрывания капсулы за счет их относительного перемещения,
- привод, соединенный с центробежным узлом, для обеспечения его вращения,
- узел нагнетания жидкости, предназначенный для взаимодействия с помещенной в устройство капсулой и соединенный со средствами подачи жидкости,
- средство измерения расхода или давления жидкости,
- блок управления для регулирования расхода или, соответственно, давления жидкости в соответствии с исходным значением расхода или, соответственно, исходным значением давления в схеме управления посредством автоматического регулирования частоты вращения привода во время фазы экстракции при приготовлении напитка в зависимости от измеренного расхода жидкости или, соответственно, измеренного ее давления.
При этом капсула может быть вставлена в центробежный узел устройства с возможностью извлечения.
Предпочтительно капсула для устройства согласно изобретению является одноразовой, герметизированной и содержащей внутри защитную среду. Капсула может иметь жесткий чашеобразный корпус и крышку, при этом крышка капсулы имеет выпускные отверстия, расположенные на ее периферийном участке. В возможном альтернативном варианте осуществления изобретения капсула может быть проницаемой для жидкости или газа при вставлении в устройство, например, фильтрующей капсулой.
Предпочтительно капсула содержит молотый кофе, растворимый кофе, чай, какао, молоко или их сочетания.
Что касается кофе, то его количество в капсуле может быть различным в зависимости от типа подаваемого кофейного напитка. Например, кофе лунго может быть приготовлен из большего количества кофе в капсуле, по сравнению с кофе ристретто или эспрессо. Кофейный порошок также может быть приготовлен из кофе различных сортов, поставляемых из разных мест.
Используемая в устройстве капсула может иметь код, содержащий информацию, касающуюся одного или нескольких параметров, таких как расход, объем напитка, частота вращения, температура напитка и т.д.
Предпочтительно нагнетание подаваемой устройством жидкости осуществляется с верхней стороны капсулы, в которой уже может иметься впускное отверстие, и нагнетание жидкости может осуществляться за счет соединения нагнетательного элемента, такого как трубка, с впускным отверстием капсулы. В возможном альтернативном варианте осуществления изобретения фольга капсулы, которая закрывает крышку, может прокалываться прокалывающим элементом, соединенным с нагнетательным элементом устройства. Выпуск приготавливаемого напитка происходит в периферийном участке крышки капсулы, который имеет множество выпускных отверстий.
Следует понимать, что одноразовая капсула согласно изобретению может содержать любую пригодную для заварки жидкость, например, суп или подливку, напиток, например, кофе, шоколад, молоко, чай и т.д., или питательную жидкость, например, смесь для детского питания.
Третьим объектом изобретения является способ приготовления жидкого продукта из содержащегося в капсуле или камере порционного пищевого продукта за счет прохождения жидкости через этот продукт с использованием центробежных сил, включающий этапы, на которых:
- соединяют капсулу или камеру с источником подачи жидкости,
- вращают капсулу или камеру вокруг оси вращения для обеспечения взаимодействия жидкости с помещенными в капсулу порционными ингредиентами,
- регулируют расход или давление в соответствии с исходным значением расхода или, соответственно, давления за счет автоматического регулирования частоты вращения привода во время фазы экстракции при приготовлении напитка в зависимости от измеренного расхода жидкости или, соответственно, измеренного ее давления.
В частности, расход регулируется в зависимости от выбранной пользователем крепости напитка.
Кроме того, также можно регулировать уровень пенки путем регулирования предварительной нагрузки клапана ограничения, расположенного на выходе из капсулы или камеры.
Способ может включать в себя все возможные вышеупомянутые операции, а также операции, связанные с устройством или системой согласно изобретению.
Другие особенности, преимущества и задачи изобретения станут более понятными из дальнейшего подробного описания вариантов его осуществления со ссылкой на чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 схематично показана центробежная система;
на фиг.2 показан график зависимости частоты вращения от времени в процессе типового цикла варки крепкого концентрированного и сравнительно некрепкого
кофейного напитка;
на фиг.3 - центробежный узел согласно примеру его выполнения, вид в разрезе;
на фиг.4 - увеличенное изображение фрагмента на фиг.3;
на фиг.5 - капсула согласно изобретению, вид сбоку в разрезе;
на фиг.6 - капсула, показанная на фиг.5, с удаленной верхней мембраной, вид в перспективе;
на фиг.7 - центробежный узел согласно изобретению, вид в разрезе;
на фиг.8 - увеличенное изображение фрагмента на фиг.7 во время выпуска центрифугированной жидкости;
на фиг.9 - пример интерфейса пользователя устройства согласно изобретению.
Осуществление изобретения
Как показано на фиг.1, центробежная система согласно изобретению содержит центробежный узел 2, в котором может быть установлена центрифугируемая камера 3. Центрифугируемая камера 3 может быть одноразовой капсулой с порционными пищевыми ингредиентами. Предпочтительно капсула до ее вставления в узел является герметизированной для поддержания свежести содержащихся в ней пищевых ингредиентов. Как вариант, центрифугируемая камера 3 может быть многоразовым фильтрующим элементом, соединяемым с центробежным узлом 2 с возможностью съема.
Центробежный узел 2 соединен с приводом 5, который предпочтительно является электродвигателем. Привод 5 предназначен для вращения барабана центробежного узла 2 вокруг оси А вращения и, следовательно, центрифугируемой камеры 3, расположенной во вращающемся барабане центробежного узла 2, вокруг той же оси А. Следует отметить, что камера может быть частью вращающегося барабана или может образовывать вращающийся барабан, в частности, когда камера является не одноразовой капсулой, а многоразовым элементом, входящим в состав устройства.
Центробежный узел 2 дополнительно содержит собирающую часть и выпускной канал 35, через который приготовленный напиток наливается в емкость 48, например, чашку или кружку.
Система содержит также средства подачи жидкости, которые включают в себя резервуар 6 для воды и жидкостной контур 4. Предпочтительно резервуар 6 содержит средство 31 нагрева находящейся в нем воды. Средство 31 нагрева может представлять собой нагревательную спираль. Нагрев воды также может осуществляться в жидкостном контуре 4 с помощью термоблока, расположенного по потоку после резервуара 6.
Средства подачи жидкости содержат также насос 7, соединенный с резервуаром 6. Предпочтительно насос 7 является центробежным. Кроме того, насос соединен с центробежным узлом 2 с помощью жидкостного контура 4.
Предпочтительно насос 7 является насосом низкого давления, который служит для подачи достаточного количества жидкости в центробежный узел 2 при низком давлении. Кроме того, во время работы центробежного узла 2 центрифугируемая камера 3 действует как центробежный насос, забирая воду от ее источника.
В центробежном узле 2 имеется средство 19 ограничения потока для ограничения течения центрифугированной жидкости, выходящей из камеры 3, прежде чем она будет собрана в собирающей части узла. Средство 19 ограничения потока позволяет увеличить время пребывания жидкости в камере и тем самым улучшает экстракцию, в частности, для кофе или чая, при взаимодействии жидкости с содержащимися в камере ингредиентами. Кроме того, из-за высоких вращательных усилий, необходимых для прохождения потока через средство ограничения, расход является весьма высоким. В результате может быть получено требуемое количество пенки. Предпочтительно средство 19 ограничения потока представляет собой клапан, который открывается или, по меньшей мере, обеспечивает увеличение отверстия (отверстий) для потока за счет давления, создаваемого центрифугированной жидкостью в камере. С этой целью клапан 19 содержит упругое смещающее средство 27 для противодействия давлению центрифугированной жидкости вплоть до заданной нагрузки. Кроме того, нагрузка клапана, действующая на поток при ограничении или закрывании, может быть отрегулирована с помощью средства 50 приложения нагрузки. Например, средство 50 приложения нагрузки действует на упругое смещающее средство 27 для изменения в большую или меньшую сторону предварительной нагрузки на клапан 19. Кроме того, чем сильнее будет предварительное сжатие упругих средств, например, за счет сжимающего воздействия средства 50 на упругий элемент, тем более высокое давление необходимо для преодоления действия средства ограничения, т.е. для открывания клапана и поддержания расхода, и, соответственно, необходима более высокая частота вращения. В результате уровень пенки может регулироваться за счет регулирования нагрузки на клапан 19.
В жидкостном контуре 4 между средством подачи жидкости и центробежным узлом 2 имеется измерительное средство 8 для измерения расхода жидкости. Предпочтительно измерительное средство 8 представляет собой турбину для импульсно-кодового измерения расхода, которая генерирует данные 10 в виде электрических импульсов. Таким образом, период повторения генерируемых импульсов пропорционален расходу жидкости в жидкостном контуре 4.
Кроме того, система содержит блок 9 управления, который содержит счетчик 11, центральное управляющее устройство 12, такое как ПИД (пропорционально-интегрально-дифференциальный) регулятор, обеспечивающий обратную связь в схеме управления, и ручной интерфейс 13 пользователя. Предпочтительно блок 9 управления соединен с турбиной 8 для измерения расхода с целью получения параметра процесса, относящегося к расходу, и с приводом 5, т.е. с электродвигателем, для ввода в него регулируемого параметра, т.е. частоты вращения. Кроме того, управляющее устройство 12 соединено с насосом 7 для запуска и остановки подачи жидкости в контур.
Счетчик 11, соединенный с турбиной 8, обеспечивает анализ данных 10 в виде электрических импульсов. Анализируемые данные передаются на центральное управляющее устройство 12. Соответственно, фактический точный расход жидкости в жидкостном контуре 4 может быть рассчитан в реальном масштабе времени.
Центральное управляющее устройство 12, соединенное с приводом 5, может регулировать частоту вращения привода в зависимости от измеренного расхода жидкости.
Кроме того, предпочтительно центральное управляющее устройство 12 содержит запоминающее устройство (не показано), в котором могут храниться определенные параметры программы экстракции, такие как частота вращения центрифугируемой камеры, начальная скорость камеры при экстракции, калибровка расходомера, время предварительного смачивания, время «сухого» вращения, изменения скоростей при разгоне и торможении и т.д. В частности, управляющее устройство 12 может содержать заданные величины и значения частоты вращения привода 5 на различных этапах цикла приготовления напитка. Эти параметры служат частью различных заданных программ приготовления напитков, относящихся к алгоритмам управления для осуществления различных выбираемых программ.
Помимо этого, с центральным управляющим устройством 12 соединен ручной интерфейс 13, который позволяет пользователю устройства выбирать, по меньшей мере, крепость напитка, а также, предпочтительно, объем приготовляемого напитка. Таким образом, центральное управляющее устройство 12 регулирует расход во время фазы экстракции, который соответствует выбранной крепости напитка в соответствии с данными, введенными с помощью ручного интерфейса, за счет соответствующего изменения частоты вращения привода. Ручной интерфейс может быть любым: механическим, интерактивным или универсальным средством взаимодействия пользователя с машиной, которое связано с устройством, или дистанционным управлением. Таким образом, ручной интерфейс может быть клавиатурой, сенсорным экраном, сотовым телефоном, персональным компьютером, портативным компьютером, карманным компьютером и т.п.
На фиг.2 показан график, иллюстрирующий примеры изменения частоты вращения привода в зависимости от времени в процессе выполнения типовых циклов приготовления высококонцентрированного напитка и сравнительно некрепкого напитка.
Линия 14 на фиг.2 может, например, характеризовать экстракцию для крепкого кофе быстрого приготовления, например, эспрессо или ристретто, а линия 15 может, например, характеризовать экстракцию для некрепкого кофе лунго.
В начале цикла приготовления напитка и после выбора пользователем соответствующих параметров управляющее устройство 12 включает центробежный насос 7, и горячая вода подается из резервуара 6 в центрифугируемую камеру 3 через турбину 8 измерения расхода.
1
Одновременно или немного позже запускается электродвигатель с низкой частотой вращения, чтобы обеспечить предварительное смачивание сухих пищевых ингредиентов, например жареного молотого кофе, помещенного в центрифугируемую камеру 3, т.е. капсулу. Предпочтительно, фаза А предварительного смачивания продолжается в течение заданного периода времени t от 3 до 10 секунд. Время предварительного смачивания предпочтительно определяется посредством подсчета импульсов, генерируемых средством измерения расхода, число которых уже хранится или может храниться в запоминающем устройстве управляющего устройства 12 за счет считывания кода с капсулы или камеры.
A
Во время фазы А предварительного смачивания частота S вращения электродвигателя предпочтительно составляет 10-200 об/мин для обеспечения равномерного распределения воды в ингредиентах. Обычно частота вращения является очень низкой, чтобы жидкость не смогла преодолеть действие ограничительного клапана 19. Таким образом, во время этой фазы жидкость остается в камере и просто заполняет объем, незанятый ингредиентами.
1
1
Счетчик 11 анализирует данные 10 в виде импульсов, генерируемых турбиной 8. Например, счетчик 11 подсчитывает количество импульсов в течение заданного периода времени. При заданном количестве N импульсов фаза А предварительного смачивания завершается. Количество N импульсов может быть отрегулировано с помощью программного обеспечения, загруженного в запоминающее устройство средства управления. Кроме того, с помощью ручного интерфейса 13 можно задавать продолжительность фазы А предварительного смачивания и/или объем жидкости, необходимый для центрифугируемой камеры 3 во время фазы предварительного смачивания.
A
1
1
1
Параметры, относящиеся к частоте S вращения, объему необходимой жидкости и продолжительности t фазы А предварительного смачивания, предпочтительно являются одинаковыми для всех различных типов приготавливаемых напитков. Например, для различных типов кофейных напитков, таких как ристретто, эспрессо или лунго, N или t могут быть одинаковыми. Однако параметры фазы А предварительного смачивания для различных типов напитков могут отличаться с целью обеспечения различных вариантов смачивания.
1
1
2
В цикле приготовления напитка после фазы А предварительного смачивания осуществляется фаза В экстракции. После получения количества подсчитанных импульсов, равного N, блок 9 управления увеличивает частоту вращения привода 5 во время фазы В' постепенного повышения частоты вращения, прежде чем начнется фаза В экстракции, с целью достижения заданного значения S или, соответственно, S частоты вращения привода 5.
Следует понимать, что продолжительность фазы В' постепенного повышения частоты вращения может отличаться для различных видов приготавливаемых напитков.
1
2
1
2
2
1
2
Заданное значение S или S является значением начальной частоты вращения для фазы экстракции, которое может выбрано с помощью ручного интерфейса. Предпочтительно заданное значение S или S является различным для различных напитков, например, кофейных. Как показано на фиг.2, заданное значение S для некрепкого напитка (линия 15) больше заданного значения S для сравнительно крепкого напитка (линия 14), поскольку время контакта воды с пищевыми ингредиентами в центрифугируемой камере 3 будет пропорционально меньше при более высокой частоте вращения (при заданном значении S).
A
1
2
Увеличение частоты вращения от S до S или до S обеспечивает достаточное количество движения для того, чтобы жидкость могла пройти через находящиеся в элементе ингредиенты и вызвать открытие клапана 19 под действием давления центрифугируемой жидкости. Таким образом, фаза постепенного увеличения частоты вращения вызывает открывание клапана или увеличение его открывания, в результате чего центрифугированная жидкость начинает выливаться через канал 35.
1
2
В начале фазы В экстракции характерный расход при заданном значении S или S калибруется с помощью данных 10 в виде импульсов, получаемых от расходомера (турбины 8). Соответственно, расход в начале фазы В экстракции связан с заданной частотой вращения привода.
Следует понимать, что на начальный расход через центрифугируемую камеру 3 во время центробежного процесса приготовления напитка может влиять, например, постепенное сжатие пищевых ингредиентов в центрифугируемой камере 3. Соответственно, падение давления в центрифугируемой камере 3 изменяется, в результате чего расход через центрифугируемую камеру отклоняется от нормы. Для поддержания по существу постоянного расхода через центрифугируемую камеру 3 частота вращения привода 5 изменяется, например, увеличивается или уменьшается, чтобы компенсировать изменение расхода.
1
2
Таким образом, после вышеописанной калибровки расхода при заданном значении S или S блок 9 управления может изменять частоту вращения привода 5 непрерывно или с небольшими интервалами с целью поддержания относительно постоянного номинального расхода во время фазы В экстракции. Для обеспечения относительно стабильного расхода и предотвращения его слишком большого колебания корректировка расхода может контролироваться с помощью алгоритма ПИД-управления, имеющегося в управляющем устройстве, при этом параметром процесса является измеряемый расход, требуемым расходом является заданное значение, а регулируемым параметром - частота вращения, которая обеспечивается электродвигателем управляемым управляющим устройством.
Счетчик 11 измеряет периоды импульсов, генерируемых расходомером 8. Таким образом, если измеренный период будет больше заданного исходного значения, которое было откалибровано ранее, необходимо повысить частоту вращения, и наоборот. Частота вращения может изменяться пошагово или непрерывно. При непрерывном управлении частотой вращения корректировку расхода можно выполнять с помощью управляющего средства, изменяя частоту вращения, например, в диапазоне ±200 об/мин.
Соответственно, во время фазы В экстракции частота вращения привода 5 непрерывно регулируется блоком 9 управления в ответ на измеренные данные 10 о расходе.
Таким образом, может быть получено по существу постоянное значение расхода, которое будет находиться в допустимом пределе, например, ±10%. Предпочтительно частота вращения привода 5 регулируется с интервалами менее 1 секунды, например, порядка нескольких миллисекунд.
2
После получения от средства 8 измерения расхода второго количества импульсов, равного N, блок 9 управления останавливает водяной насос 7. Таким образом, количество импульсов, генерируемое средством 8 измерения расхода, определяет общий объем напитка, подлежащего дозированию.
2
2
Следует понимать, что значения N, N′ для различных видов напитков могут быть различными.
Предпочтительные объемы различных видов кофейных напитков составляют, например, 25 мл для ристретто, 40 мл для эспрессо, 110 мл для лунго и 250 мл для американо.
2
2
Соответственно, исходное значение N может относиться к напитку быстрого приготовления, такому как ристретто или эспрессо, а исходное значение N', которое относится к большему количеству подсчитанных импульсов и, соответственно, к большему объему жидкости, может относиться, например, к кофейному напитку лунго.
2
C
C
C
После остановки насоса 7 в цикле приготовления напитка осуществляется фаза С «сухого» вращения с целью опорожнения элемента от остатков жидкости. Предпочтительно частота вращения привода 5 должна быть выше, чем во время фазы В экстракции. Таким образом, при втором количестве N импульсов частота вращения будет линейно увеличиваться до тех пор, пока не будет достигнуто заданное значение S частоты вращения. Затем в центрифугируемой камере 3 выполняется центробежная сушка ингредиентов в течение заданного периода времени t. Время t для фазы С центробежной сушки может быть задано в программном обеспечении средства управления, при этом оно может составлять, например, 5-10 секунд.
После фазы С центробежной сушки частота вращения привода 5 уменьшается, как показано на фиг.2 с обозначением D. Соответственно, цикл приготовления напитка завершается.
Разумеется, фаза С центробежной сушки может осуществляться при той же или при меньшей частоте вращения, что и фаза экстракции.
Предпочтительно перед началом каждого цикла приготовления напитка пользователь может выбрать с помощью ручного интерфейса 13 системы два параметра:
- объем напитка (например, 25, 40, 110, 250 мл) и
- крепость кофе (например, от некрепкого до крепкого).
1
2
Затем выбранные пользователем параметры поступают в блок 9 управления, вычисляющий соответствующий расход посредством измерения периодичности импульсов, на основе которой регулируется частота вращения привода 5. Таким образом, чтобы предотвратить слишком большое колебание схемы управления в начале фазы В экстракции согласно сделанному выбору, система сначала приближенно настраивает заданное значение частоты вращения S или S.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения в запоминающем устройстве блока 9 управления сохраняются следующие данные, которые могут регулироваться с помощью соответствующего программного обеспечения:
A
- частота S вращения во время фазы предварительного смачивания (т.е. несколько об/мин);
- калибровка расходомера в единицах объема на импульс (например, мл/импульс);
- количество N импульсов во время предварительного смачивания;
- линейное увеличение частоты вращения В' перед фазой экстракции;
- фаза С' увеличения частоты вращения перед фазой центробежной сушки;
C
- частота S вращения при центробежной сушке;
C
- продолжительность t центробежной сушки;
- уменьшение частоты вращения D.
Разумеется, что эти функции могут обеспечиваться интегральной схемой.
На фиг.3 показан в разрезе центробежный узел 2 в одном из вариантов его выполнения.
Центробежный узел 2 устройства содержит верхний закрывающий элемент 20 и нижний закрывающий элемент 32, которые могут перемещаться один относительно другого.
Используемая в устройстве или системе согласно изобретению капсула 3 может быть любой из капсул, описанных в документе РСТ/ЕР 08/056310 (WO 2008/148646).
Показанная на фиг.3 капсула либо предварительно открывается перед ее вставлением в устройство, т.е. герметизирующая фольга, расположенная на верхней стороне капсулы, удаляется путем отслоения, либо в фольге капсулы выполняется центральное отверстие, когда капсула вставляется в устройство.
Капсула 3 дополнительно может содержать внутренний элемент, образующий крышку 17, которая вставляется в чашеобразный корпус капсулы. Крышка 17 и корпус 42 (фиг.4) совместно ограничивают внутреннюю камеру 33 для приема порционного пищевого продукта. Крышка 17 имеет выпускные отверстия 34, расположенные на ее периферийной части 47 для фильтрации напитка и удержания частиц продукта (кофе) внутри капсулы 3 во время приготовления напитка. Соответственно, через выпускные отверстия 34 проходит только приготавливаемая жидкость.
Нижний закрывающий элемент 32 центробежного узла 2 является принимающим узлом, который содержит канал 35 для жидкости, например, выступающий с боковой стороны узла 32, для направления центрифугированной жидкости, выходящей из капсулы 3, в емкость 48, такую как чашка или стакан (фиг.1).
Выпускной канал 35 для жидкости сообщен с приемником 36 жидкости, образующим цилиндрическую стенку, расположенную на небольшом расстоянии от вращающегося барабана 16, в который вставлена капсула, как показано на фиг.3. Вращающийся барабан 16 предпочтительно является полым держателем капсулы, внутренняя полость которого соответствует капсуле и позволяет поместить в нее капсулу. Приемник 36 жидкости образует с барабаном 16 промежуточную камеру 37 для сбора жидкости.
Ниже узла 32 приема жидкости расположен привод вращения барабана 16 с помещенной в него капсулой, который расположен внутри узла 32 приема жидкости. Предпочтительно привод 5 содержит двигатель вращения, который может работать на электричестве или на газе. Барабан 16 и привод 5 соединены валом 23 двигателя, который предпочтительно проходит через отверстие в нижней части приемника 36 жидкости.
Верхний закрывающий элемент 20 центробежного узла 2 содержит узел нагнетания жидкости, который включает в себя канал 22 для воды, сообщенный по жидкости с насосом 7 и расходомером 8 (фиг.1). Кроме того, канал 22 для воды соединен с нагнетателем 21 воды, который расположен соосно с осью А вращения капсулы 3 в центробежном узле 2.
В показанном варианте осуществления изобретения нагнетатель 21 воды представляет собой простой впускной канал капсулы. Однако нагнетатель 21 воды также может быть снабжен средствами прокалывания или прорыва мембраны или фольги, расположенной на верхней стороне капсулы 3.
Вокруг нагнетателя 21 воды установлен поворотный элемент 39, обеспечивающий контакт с капсулой. Элемент 39 имеет центральное отверстие 39а для расположения нагнетателя 21 воды и поворотного направляющего средства, такого как шарикоподшипник или игольчатый подшипник 25, установленного между элементом 39 и нагнетателем 21.
Для герметизации впускного канала капсулы вокруг нагнетателя 21 воды на нижней поверхности элемента 39, обеспечивающего контакт с капсулой, установлен уплотнительный элемент 24. Уплотнительный элемент 24 расположен между элементом 39 и верхней стороной капсулы 3. Таким образом, уплотнительный элемент 24 оказывает некоторое давление на верхнюю крышку 17 капсулы. В результате эффективно предотвращается утечка воды по верхней поверхности капсулы 3 и прохождение воды в обход капсулы для ее выпуска непосредственно через выпускной канал 35 центробежного узла 2. Кроме того, в узле 20 нагнетания жидкости могут быть расположены средства вентиляции (не показаны) для обеспечения выхода газа из капсулы, когда жидкость заполняет капсулу.
Предпочтительно узел 32 приема жидкости и узел 20 нагнетания жидкости приспособлены для расположения в них капсулы или центрифугируемой камеры 3, приемного барабана 16 и нагнетателя 21 воды. Предпочтительно узел 32 приема жидкости и узел 20 нагнетания жидкости могут перемещаться относительно друг друга, чтобы пользователь устройства мог получить доступ к вращающемуся барабану 16, например, для замены капсулы 3. С узлами 32, 20 приема и нагнетания жидкости может быть соединен закрывающий механизм (не показан) для обеспечения относительного перемещения этих узлов.
Для герметизации узла 32 приема жидкости и узла 20 нагнетания жидкости во время работы устройства на контактных поверхностях этих узлов устанавливается уплотнительное средство, например, уплотнительное кольцо 49 круглого сечения.
Узел 20 нагнетания воды дополнительно содержит клапан 19 для управления потоком жидкости, которая выпускается из капсулы 3 во время работы устройства. Клапан 19 может быть расположен на поворотном элементе 39 в виде кольцевого контактирующего элемента 40, который смещается под действием усилия упругого нагружающего средства 27.
Как показано на фиг.4, кольцевой контактирующий элемент 40 содержит нажимной кольцевой выступ 26, который под действием усилия упругого нагружающего средства 27 прикладывает усилие закрывания к кольцевому ободу 41 капсулы 3 с целью ограничения потока жидкости.
Как показано на фиг.4, упругое нагружающее средство 27 может быть упругим резиновым кольцом, которое поддерживается верхней и нижней кольцевыми выемками 28 и 29. В устройстве также могут использоваться другие нагружающие средства, например, пружины.
Следует отметить, что предпочтительно усилие от упругого нагружающего средства 27 можно регулировать. Таким образом, можно регулировать давление жидкости, которое должно воздействовать на клапан 19 ограничения потока для обеспечения выпуска жидкости из капсулы 3 в выпускной канал 35 устройства.
Как показано на фиг.4, нажимной выступ 26 предпочтительно имеет V-образную или коническую форму. Таким образом, давление уплотнения на локальном участке увеличивается. Кроме того, клапан 19 дополнительно содержит внутренний опорный элемент 30, который предпочтительно выполнен за одно целое с элементом 39, обеспечивающим контакт с капсулой, узла 20 нагнетания жидкости. Упругое нагружающее средство 27 вставлено в пространство, расположенное между опорным элементом 30 и контактирующим элементом 40.
В исходном положении контактирующий элемент 40 клапана 19 обеспечивает закрывание на кольцевом ободе 41 капсулы 3 под действием сжимающего действия упругого средства 27.
Устройство работает следующим образом.
Устройство открывается для введения капсулы посредством перемещения двух узлов 20, 32 относительно друг друга, например, с помощью соответствующего закрывающего механизма и разделения двух узлов 20, 32. В результате одноразовая капсула 3, содержащая пищевой продукт, может быть вставлена в устройство, т.е. может быть помещена в полость вращающегося барабана 16. Затем устройство закрывается узлом 20, который соединяется с узлом 32 и блокируется закрывающим механизмом. В заблокированном положении нагнетатель 21 воды соединен с впускным отверстием 44 капсулы. Вода входит в капсулу через центральный нагнетатель 21 воды. Капсула может быть приведена во вращение за счет включения привода 5. Центрифугирование осуществляется посредством вращения капсулы вокруг центральной оси вращения устройства, которая предпочтительно выровнена с центральной осью Z капсулы. Во время фазы предварительного смачивания капсула наполняется водой, в результате чего ингредиенты полностью смачиваются. Блок управления регулирует частоту вращения, поддерживая ее низкой, чтобы давление жидкости было недостаточным для открывания клапана 19. После достаточного увеличения частоты вращения и начала фазы экстракции центрифугированная жидкость может проходить через множество выпускных отверстий 34, выполненных в периферийной части 47 крышки 17 капсулы. Большие центробежные силы вызывают сжатие пищевого продукта, такого как молотый кофе, в радиальном направлении, а вода при этом принудительно протекает через продукт. Это приводит к тому, что продукт сжимается и смачивается водой. Благодаря высокой частоте вращения капсулы центробежные силы равномерно воздействуют на массу вещества. Соответственно, вода также распределяется более равномерно по сравнению с обычными способами, для осуществления которых применяется нагнетательный насос для повышения давления в капсуле. В результате уменьшается риск образования предпочтительного пути течения жидкости через продукт, что могло бы привести к образованию участков продукта, смоченного ненадлежащим образом и поэтому ненадлежащим образом сваренного, распределенного или растворенного. В результате действия больших центробежных сил во время фазы экстракции клапан принудительно открывается, и жидкость с относительно высокой скоростью выбрасывается в виде ламинарного потока в направлении стенки 36.
На фиг.5 и 6 показана капсула, которая предпочтительно используется в устройстве и системе согласно изобретению. Однако следует понимать, что показанный вариант осуществления изобретения является только пояснительным вариантом, и что капсула согласно изобретению может иметь другие варианты выполнения.
Капсула 3 содержит жесткий чашеобразный корпус 42 с периферийным кольцевым ободом 41. Предпочтительно капсула является симметричной относительно центральной оси Z. Следует отметить, что поперечное сечение капсулы относительно оси Z необязательно должно быть круглым, оно может иметь другую форму, например, квадратную, прямоугольную или многоугольную. Когда капсула вставлена в устройство, ось Z предпочтительно выровнена с осью А вращения.
Капсула 3 содержит также крышку 17 из пластика, которая предпочтительно имеет форму диска, содержащего центральный участок 46 и периферийный участок 47. Центральный участок 46 может быть по существу плоским и может иметь впускное отверстие 44 для вставления нагнетателя 21 воды устройства для приготовления напитков.
Следует принять во внимание, что крышка 17 может быть жестким или полужестким элементом, изготовленным, например, из пластика путем горячего формования или литья под давлением. Однако эта часть также может быть гибкой мембраной, которая герметично присоединяется к внутренней поверхности чашеобразного корпуса.
На обращенной внутрь стороне крышки 17 капсулы 3 впускное отверстие 44 может продолжаться с помощью трубчатого впускного элемента 43, который служит для направления воды в нижнюю часть корпуса, чтобы обеспечить полное смачивание продукта в камере и уменьшить риск наличия после смачивания, например, «пятен сухого порошка».
Верхняя поверхность капсулы 3 может быть снабжена фольгой 45, которая герметизирует капсулу 3. Предпочтительно фольга закрывает крышку 17 и приваривается или приклеивается к ободу 41 корпуса капсулы. Фольга может быть постоянно присоединена к ободу, если она будет прокалываться для образования впускных и выпускных отверстий или, как вариант, она может отслаиваться. Перед вставлением капсулы во вращающийся барабан 16 фольга 45 должна быть проколота или удалена с целью приготовления напитка.
На периферийном участке 47 крышки 17 имеется приемная выемка 18 U-образной формы в поперечном сечении (фиг.6), открытая в направлении герметизирующей фольги 45. Предпочтительно выемка непрерывно проходит по всей периферии крышки 17, хотя она может быть заменена несколькими прерывистыми углубленными участками, которые могут быть разделены, например, усиливающими элементами или стенками.
Приемная выемка 18 содержит внутренний периферийный участок стенки крышки 17, в которой имеется группа выпускных отверстий 34, сообщающих по жидкости камеру 33 и приемную выемку 18.
Кроме того, выпускные отверстия 34 могут быть образованы с помощью фильтровальной бумаги, тканого или нетканого материала или другой сетчатой или пористой мембраны (не показаны). Таким образом, крышка 17, вставленная в чашеобразный корпус 42, содержит кольцевую ленту пористого материала. Пористый материал ограничивает поток, создавая определенный перепад давления, например, 0,5-4 бар, и обеспечивая фильтрацию твердых частиц. В частности, размер пор материала может быть также выбран для удержания мелких частиц кофе, т.е. частиц, размером до 90 мкм. Бумажный, тканый, сетчатый или пористый материал может быть образован из ленты или лент, которые могут быть приварены или иным образом присоединены к крышке.
Во время работы устройства капсула 3 вращается вокруг оси Z. Жидкость, которая нагнетается в капсулу 3 по ее центральной оси, направляется вдоль внутренней поверхности боковой стенки корпуса до внутренней стороны крышки и далее выходит через выпускные отверстия 34. Благодаря центрифугированию жидкости, подаваемой в капсулу 3 по ее центральной оси, жидкость и помещенные в капсулу ингредиенты 38 вынуждены взаимодействовать и образовывать жидкий пищевой продукт.
На фиг.7 и 8 показана система приготовления напитков согласно одному из вариантов осуществления изобретения, в которой нагрузка клапана может регулироваться для изменения открывающего давления, чтобы регулировать уровень пенки. Для упрощения описания во избежание повторов для технических средства, схожих с техническими средствами согласно предыдущим вариантам осуществления изобретения, были использованы одни и те же ссылочные номера. Отличия данного варианта осуществления изобретения от других по существу заключаются в средстве прокалывания выпускных/выпускных отверстий в капсуле и в конструкции клапана 19 ограничения потока.
Как показано на фиг.7 и 8, нагнетатель 21 воды проходит вдоль оси капсулы 3 с помощью полого прокалывающего элемента 51. Прокалывающий элемент заходит через верхнюю поверхность капсулы 3 в ее полость 33. Прокалывающий элемент выполнен в виде полой трубки, через конец которой жидкость подается в капсулу. Прокалывающий элемент может использоваться для прокалывания герметизирующей мембраны 52 капсулы, которая герметично закрывает крышку, и до вставления капсулы в устройство.
Поворотный элемент 39, обеспечивающий контакт с капсулой, может дополнительно содержать элементы 53 для прокалывания выпускных отверстий, выровненные по оси со сборником для жидкости капсулы, когда элемент 39 контактирует с капсулой при закрывании. Элементы 53 служат для прокалывания выпускных отверстий в мембране 52 капсулы с целью образования множества выпускных отверстий по периферии капсулы, через которые жидкость, собираемая в сборнике, может выходить из капсулы. Элементы для прокалывания выпускных отверстий вводятся в приемную выемку 18, размеры которой не позволяют прокалывать периферийный участок 47 крышки. Таким образом, центрифугированная жидкость может выпускаться из приемной выемки 18 через отверстия, образованные в герметизирующей фольге с помощью прокалывающих элементов.
Устройство дополнительно содержит средство ограничения потока, образующее клапан 19, который открывается, когда давление центрифугированной жидкости достигает определенной пороговой величины. С этой целью поворотный элемент 39, обеспечивающий контакт с капсулой, имеет выступающую периферийную кромку 40, контактирующую с периферийным ободом 41 капсулы. Контакт обеспечивается механизмом 27 упругого смещения, который прикладывает упругое сжимающее усилие к элементу 39, обеспечивающему контакт с капсулой. В данном варианте осуществления изобретения на одном конце механизма 27 упругого смещения имеется основание 54, в которое вставлена пружина 55 сжатия, а на противоположном конце - опорный элемент 56. Основание 54, пружина 55 и опорный элемент 56 помещены в трубчатый элемент 57. Опорный элемент 56 дополнительно соединен с резьбовым элементом 58, который выступает наружу из трубчатого элемента. Резьбовой элемент и трубчатый элемент совместно образуют исполнительное средство 50. Они содержат резьбу 80, позволяющую регулировать сжимающую нагрузку упругого элемента на элемент 39, обеспечивающий контакт с капсулой.
Как показано на фиг.8, элемент 39, обеспечивающий контакт с капсулой и обычно прикладывающий закрывающее усилие к ободу 41 капсулы с помощью выступа 81, толкается вверх за счет давления, оказываемого центрифугированной жидкостью во время фазы экстракции, как только частота вращения достигает достаточной величины. Кольцевой зазор 59, который образуется между выступающим периферийным ободом 41 капсулы и нажимным выступом 81 клапана, определяет ламинарный поток жидкости. За счет давления центрифугированной жидкости поддерживается очень маленький зазор примерно 0,1-1 мм, позволяющий выпускать жидкость в направлении стенки 61 приемника. Таким образом, когда во время фазы В' линейного увеличения частоты вращения расход жидкости повышается, пропорционально увеличивается зазор 59. После того как во время фазы В экстракции расход стабилизируется за счет его регулирования с помощью управляющего устройства, относительно плотная струя жидкости 60 будет выбрасываться на стенку 61 приемника. Это позволяет получить воспроизводимый уровень пенки после экстракции. Увеличение нагрузки упругого элемента за счет сжатия пружины приводит к увеличению частоты вращения с помощью управляющего устройства для поддержания расхода при заданном значении. В отношении кофе следует отметить, что соответственно может быть получено больше количество кофейной пенки. При желании получить меньшее количество пенки пользователь может уменьшить сжатие упругого элемента с помощью исполнительного средства, что приведет к автоматическому уменьшению частоты вращения для поддержания того же расхода. Таким образом, можно легко регулировать уровень пенки в напитке за счет регулирования нагрузки на клапан ограничения потока. Разумеется, резьбовой элемент может приводиться в действие вручную пользователем или с помощью двигателя. При использовании двигателя также имеется возможность автоматического управления приведением в действие с помощью управляющего устройства, которое может посылать соответствующую команду на двигатель. В таком случае также имеется возможность использования сжимающей нагрузки клапана в качестве регулируемого параметра для регулирования частоты вращения и/или расхода в схеме контура управления.
Следует также отметить, что клапан 19 в закрытом состоянии может оставлять одно или несколько минимальных выпускных отверстий, а открывание клапана за счет давления жидкости приводит к увеличению этих выпускных отверстий. Например, в выступе 81, нажимающем на поверхность капсулы, могут быть образованы один или несколько радиальных каналов, образующих минимальные выпускные отверстия. Каналы, образующие выпускные отверстия, также могут быть расположены на поверхности обода 41 капсулы или как в выступе 81, так и в ободе 41.
Также следует отметить, что клапан ограничения потока может быть расположен после капсулы без необходимости контакта с частью капсулы, а также может быть полностью расположен в самом устройстве.
Как показано на фиг.9, ручной интерфейс 13 пользователя позволяет выбирать напитки, например, кофе, и имеет участок 70 выбора объема, участок 71 выбора крепости и, дополнительно, участок 72 выбора количества пенки. Участок 70 выбора объема может иметь множество отдельных кнопок 700, 701, 702, каждая из которых позволяет пользователю выбрать заданный объем напитка. Например, кнопка 700 относится к чашке для самого быстрого приготовления, например, кофе ристретто, объем которой составляет примерно 25 мл; кнопка 701 относится к чашке для кофе эспрессо быстрого приготовления объемом примерно 40 мл, а кнопка 702 относится к чашке для кофе лунго объемом примерно 110 мл. Участок 71 выбора крепости может быть активирован независимо для задания желаемой крепости для каждого желаемого объема, например, низкого, среднего или высокого уровней крепости. Активирование элемента 710 выбора крепости, например, потенциометра, будет фиксировать заданное значение расхода в регуляторе, как указано выше, что в итоге определяет время взаимодействия жидкости с ингредиентами в капсуле. Участок 72 выбора количества пенки также может содержать элемент 720 выбора, например, потенциометр, для регулирования желаемого количества пенки. Различные уровни, например, низкий, средний, высокий, можно получить за счет изменения, например, непрерывного или пошагового, нагрузки, прикладываемой к ограничительному клапану и, соответственно, будет оказываться непосредственное влияние на частоту вращения, необходимую для открывания ограничительного клапана во время экстракции напитка с целью регулирования расхода при заданном значении, фиксированном с помощью выбора крепости. Следует отметить, что элемент 720 выбора пенки может быть механическим исполнительным средством 50, показанным на фиг.7, если система регулирования не является автоматической. Разумеется, интерфейс пользователя может содержать сенсорный экран или группу мембран или механических кнопок для приема вводных данных от пользователя. Кроме того, интерфейс пользователя может содержать графический или буквенно-цифровой дисплей в виде цветного, или монохромного ЖК-дисплея. Интерфейс пользователя также может содержать интерфейс с голосовой подсказкой, при этом устройство осуществляет локальный мониторинг пищевых остатков и включает в себя громкоговоритель, выдающий пользователю звуковые указания, данные и подсказки. В ответ на информацию пользователь может нажимать кнопки для ввода данных. Как вариант, пользователь может давать голосовые указания в ответ на подсказки, и указания могут приниматься с помощью микрофона и переводиться в команды за счет использования программного обеспечения для распознавания речи, установленного в управляющем устройстве или интерфейсе.
Несмотря на то, что изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты его осуществления, специалист в данной области техники может внести множество модификаций и изменений без отклонения от объема изобретения, определенного в его формуле.