УСТРОЙСТВО И СПОСОБ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЕ ДЛЯ ЭКСТРАКЦИИ ЖИДКОСТИ, И СРЕДСТВА КОМПЕНСАЦИИ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ
DEVICE AND METHOD USING CENTRIFUGATION FOR EXTRACTION OF LIQUID AND HEAT LOSS COMPENSATION MEANS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу и устройству для приготовления жидкого пищевого продукта из пищевых ингредиентов, таких как порошкообразный кофе, путем пропускания жидкости через эти ингредиенты, используя центробежные силы. В частности, изобретение относится к усовершенствованным устройству и способу, с помощью которых жидкий пищевой продукт после центрифугирования выдают при подходящей высокой температуре.
Уровень техники
Известно, что напитки приготавливают путем разделения смеси, состоящей из заваренного кофе и порошкообразного кофе, с помощью центробежных сил. Такую смесь получают при взаимодействии горячей воды и молотого порошкообразного кофе. Затем через сетку, на которой находится порошкообразный продукт, пропускают под давлением воду.
2
Существующим системам, использующим центробежные силы, присущ недостаток, который заключается в том, что отводимый из устройства жидкий экстракт поступает потребителю при слишком низкой температуре. В частности, жидкий экстракт охлаждается в накопительном узле за счет теплообмена с большими поверхностями накопительного элемента устройства. При использовании устройства заварочный узел в соответствии с принципом центрифугирования вращается вокруг центральной оси с образованием тонкого слоя или струй жидкости, оказывающих давление на по существу цилиндрическую поверхность. Жидкость вступает в контакт и стекает с поверхности, которая может быть равной, например, первой поверхности динамического воздействия, если она представляет собой простой цилиндр с поверхностью, по меньшей мере, приблизительно равной 500 мм. Кроме того, жидкость обычно накапливается в камере U-образной формы в сечении, которая ведет в по меньшей мере один канал дозирования, образующий опять же большие поверхности контакта с экстрагированной жидкостью. Помимо этого приемная емкость, такая как чашка, если она не была предварительно нагрета перед размещением под устройством, дополнительно охлаждает жидкость.
Кроме того, известно, что определенные ингредиенты напитка, такие как молотый обжаренный кофе, должны быть заварены нагретой жидкостью, например горячей водой, в пределах определенного интервала температур для обеспечения полного экстрагирования ингредиентов с извлечением желательных ароматических компонентов кофе. По этой причине подаваемая в заварочный узел жидкость не может быть перегрета с целью компенсации снижения температуры жидкости после экстракции, поскольку это может негативно повлиять на качество экстракции. Интервал температур для оптимального заваривания, например, кофе или чая должен быть соблюден таким, чтобы обеспечить наилучшее качество целевого напитка. Кроме того, во время приготовления должны быть сохранены другие характерные особенности кофейного напитка, такие как слой пенки на кофе, называемой «крема».
Задачей изобретения является создание устройства и способа, компенсирующих, по меньшей мере частично, тепловые потери напитка (или жидкого экстракта) во время его приготовления посредством центрифугирования, что позволяет тем самым выдавать напиток потребителю при подходящей температуре.
Задача изобретения заключается также в создании устройства и способа, которые позволяют сохранять вкусовые качества и свойства вспенивания кофейного напитка.
Раскрытие изобретения
Одним объектом изобретения является устройство для приготовления напитка, использующее для приготовления жидкого экстракта взаимодействие жидкости и пищевых ингредиентов с образованием жидкого экстракта за счет эффекта центрифугирования протекающей через ингредиенты жидкости. Устройство содержит:
- заварочный узел для приема пищевых ингредиентов;
- накопительный узел для сбора центрифугированного жидкого экстракта, расположенный снаружи узла центрифугирования;
- привод вращения узла центрифугирования;
- средства подачи жидкости в узел центрифугирования;
- нагреватель жидкости, подаваемой в узел центрифугирования, при этом устройство содержит средства дополнительного нагрева жидкого экстракта после, во время или перед его выпуском из заварочного узла.
Предпочтительно температуру жидкого экстракта, покидающего устройство, регулируют, чтобы она была не более чем на 10° ниже, предпочтительно не более чем на 8° ниже, чем температура нагретой жидкости, подаваемой в заварочный узел.
В частности, средства дополнительно нагрева могут быть термически связаны с заварочным узлом, или с накопительным узлом, или с воздушным зазором между заварочным и накопительным узлами, или с любой их комбинацией.
Средства дополнительного нагрева могут нагревать жидкий экстракт на основе различных принципов нагрева. Для этого средства дополнительного нагрева содержат элемент конвективного нагрева, или элемент нагревания излучением, или элемент контактного нагрева за счет теплопроводности, или любую комбинацию этих элементов.
В частных случаях выполнения нагревательный элемент представляет собой электрическое сопротивление, или «толстую пленку», или вентиляторный воздухонагреватель, или теплообменник, или парогенератор, или индуктор, или инфракрасный нагреватель, или любую комбинацию указанных нагревательных элементов.
Например, заварочный узел содержит вращающийся барабан и крышку, по меньшей мере частично закрывающую указанный барабан, при этом по меньшей мере один из этих элементов объединен с по меньшей мере одним из указанных нагревательных элементов. В частности, вращающийся барабан и крышка могут быть соединены с образованием по меньшей мере одного сужения для прохода жидкости с целью создания по меньшей мере одного слоя или струи жидкости, вытекающей из заварочного узла с высокой скоростью за счет действия центробежного эффекта. Такое сужение может быть образовано нерегулируемым выпускным отверстием или рядом нерегулируемых выпускных отверстий небольшого поперечного сечения или, в качестве альтернативы, ограничительным клапаном, который открывается за счет действующего на него давления жидкости по периферии заварочного узла на указанный клапан, как описано в опубликованной международной заявке WO 2008014856.
Заварочный узел может быть сконфигурирован для приема определенной дозы пищевых ингредиентов в порционной упаковке, например в капсуле или в чалде. При этом барабан имеет такие размеры и форму, чтобы выполнять функцию держателя капсулы или чалды перед осуществлением операции заваривания. Крышка может содержать средства для подачи жидкости в капсулу или в чалду или дополнительно может быть снабжена средствами прокалывания входного отверстия для ввода в него тонкой трубки с целью подачи жидкости. Крышка также может быть снабжена на периферии средствами прокалывания выпускных отверстий для создания, по меньшей мере одного, а предпочтительно нескольких, периферийных выпускных отверстий в капсуле или в чалде для того, чтобы обеспечить выпуск жидкости из порционной упаковки. Конечно, чалда может иметь фильтрующие стенки, проницаемые для жидкости, и поэтому она не требует прокалывания. В другом варианте выполнения барабан содержит фильтр, например цилиндрическую сетчатую стенку. Сетчатая стенка может находиться на расстоянии от периферийных выпускных отверстий заварочного блока, чтобы оставить для жидкого экстракта определенный объем перед тем, как он достигнет выпускных отверстий. В таком варианте исполнения барабан предназначен для приема неупакованных рассыпных пищевых ингредиентов, например молотого кофе, который предварительно не расфасован в виде порционной упаковки. Нагревательные элементы могут быть заделаны в стенку барабана и/или в крышку. Например, нагревательные элементы, такие как электрическое сопротивление или толстая пленка, сосредоточены на участке с периферийным выпускным отверстием заварочного блока и служат для нагревания жидкости, когда она покидает заварочный блок в виде тонкой пленки или нескольких струй. Накопительный блок может содержать отражательную стенку, расположенную на расстоянии от отверстия для выпуска жидкости заварочного блока и предназначенную для приема центрифугированного жидкого экстракта. Отражательная стенка может быть объединена с указанными нагревательными элементами. Например, нагревательными элементами могут быть по меньшей мере одно электрическое сопротивление, заделанное в стенку или в толстую пленку, которая примыкает к указанной стенке или отпечатана на указанной стенке. Отражательная стенка может быть расположена на небольшом расстоянии от выпускного отверстия (отверстий) заварочного блока, например, на расстоянии от 5 до 25 мм.
Накопительный блок может также содержать накопительную камеру кольцевой формы и по меньшей мере один выпускной канал. По меньшей мере один из этих элементов может быть объединен со средствами дополнительного нагрева, например с одним или большим числом нагревательных элементов. Накопительной камера может быть элементом, который выполнен отдельно от отражательной стенки, т.е. может быть расположен ниже этой стенки. В качестве альтернативы накопительная камера может быть элементом, который выполнен за одно целое с отражательной стенкой, например проходит вверх от дна камеры вдоль заварочного блока и на расстоянии от него. Выпускным каналом может служить трубчатый участок, который или изготовлен за одно целое с указанной камерой, или присоединен (например, прикреплен) к ней. Может иметься несколько выпускных каналов для подачи жидкого экстракта в различные приемные емкости (например, в две чашки).
В одном из вариантов выполнения, когда накопительная камера объединена со средствами дополнительного нагрева, накопительный блок содержит отражательную стенку, которая отделена от любых средств дополнительного нагрева. Термин «отделена» означает, что стенка не нагревается непосредственно средствами нагрева, который могли бы обеспечить определенную тепловую компенсацию с помощью жидкости, оказывающей давление на стенку. На самом деле опытным путем установлено, что во время динамического воздействия центрифугируемой жидкости на отражательную стенку, т.е. как только жидкость вытекает из заварочного узла (например, когда жидкость выходит из капсулы) с большой величиной центробежных сил, пузырьки пены имеют тенденцию разрушаться при контакте с нагретой поверхностью. В результате при нагретой отражательной стенке пенка на кофе может быть в значительной степени разрушена. Таким образом, предпочтительно компенсировать тепловые потери в накопительном узле только в приемной камере и поддерживать сплошную стенку при температуре, равной или близкой к окружающей температуре, чтобы избежать разрушения пузырьков пены.
В одном из возможных вариантов выполнения средства нагрева представляют собой средства создания конвекции газа для нагрева вытекающей из заварочного узла центрифугированной жидкости. Воздух или газ могут быть нагреты посредством теплообмена с нагревателем и могут циркулировать за счет вынужденной или естественной конвекции, например, с помощью конструкции, способствующей созданию потока воздуха в свободном объеме между заварочным и накопительным узлами или в самом накопительном узле. В возможном варианте выполнения объем воздуха в накопительным узле поддерживают нагретым при отсутствии характерной циркуляции, обеспечиваемой в ином случае кинетической энергией самой жидкости. В конкретном варианте выполнения средствами дополнительного нагрева являются, например, средства создания конвекции, например средства нагнетания горячего воздуха, предназначенные для подачи потока нагретого воздуха в направлении, пересекающем центрифугированный жидкий экстракт, вытекающий в направлении отражательной стенки накопительного узла. Другими средствами создания конвекции могут быть поток водяного пара в воздушном зазоре и/или контактные стенки накопительного узла.
-1
-1
Например, теплота отводится от нагревательного блока с высокой тепловой инерцией за счет конвекции или теплопроводности, например отводится от термоблока, используемого для нагревания жидкости, подаваемой в заварочный узел. Воздух или газ могут циркулировать, контактируя с этим блоком, и могут быть направлены по каналу в направлении заварочного узда, и/или накопительного узла, и/или зазора между этими двумя узлами. В другом варианте может быть также реализована теплопередача между термоблоком и одним из указанных узлов за счет теплопроводности или излучения. Например, металлический блок с высокой тепловой инерцией размещают в контакте или вблизи со стенкой приемной камеры накопительного узла и/или барабана заварочного узла. Эти стенки узлов предпочтительно выполнены из материала с высокой величиной коэффициента теплопроводности (предпочтительно более 100 Вт·м·К), такого как металл (нержавеющая сталь, алюминий, медь и т.п.).
В основном средняя толщина стенок накопительного узла, находящихся в контакте с жидким экстрактом, составляет менее 2 мм, предпочтительно менее 1 мм, а наиболее предпочтительно - около 0,5 мм. В действительности, как было установлено, особенно эффективным оказывается уменьшение рассеяния теплоты жидкого экстракта при его контакте со стенками накопительного узла. В конкретном примере накопительный узел содержит кольцевую камеру U-образной формы, образованную стенками толщиной менее 1 мм. Предпочтительно внешние поверхности стенок камеры окружены пустотами, что ограничивает рассеяние теплоты через массу устройства.
Предпочтительно средства нагрева экстрагированной жидкости регулируются с возможностью компенсации снижения ее температуры не менее чем на 2°С, предпочтительно не менее чем на 5°С, а наиболее предпочтительно - в интервале от 8° до 15°С. Снижение температуры здесь означает разность температур, которая создается при дозировании 50 мл экстракта кофе из устройства в чашку емкостью 50 мл, изготовленную из стеклянного материала, с использованием или без использования средств дополнительного нагревания.
Например, для экстракта кофе температура заваривания жидкости, поступающей в заварочный узел, находится в интервале от 75 до 95°С. Более предпочтительно устройство выполнено с возможностью нагрева жидкости в нагревателе так, чтобы нагретая жидкость поступала в заварочный узел при температуре в от 90 до 95°С. Указанный интервал температур выбирают так, чтобы обеспечить оптимальную экстракцию ингредиентов и в то же время избежать характерного горелого запаха, который является нежелательным, в особенности для кофе.
В другом возможном варианте выполнения накопительный узел устройства может содержать стенки с теплоизоляционным материалом и/или теплоотражающим материалом для компенсации потерь температуры в накопительном узле. Предпочтительно накопительный узел снабжают теплоизоляцией для компенсации разности температур не менее 1°С (такие же условия, как и вышеупомянутые для средств нагрева). Например, теплоизоляционный материал может представлять собой слой жидкости, слой газа, пеноматериал, стеклянную дробь, волокнистый материал и любую их комбинацию.
Средства дополнительного нагрева также могут быть получены с помощью удлинения или ответвления нагревателя, предназначенного для нагревания жидкости, подводимой в заварочный узел.
Средства дополнительного нагрева могут быть независимыми от указанного нагревателя жидкости, подводимой в заварочный узел. Под независимостью здесь подразумевается, что каждое из средств нагрева выделяет свою собственную теплоту, но в то же время может быть подключено к одному и тому же источнику электрической энергии.
В одном из вариантов выполнения средства дополнительного нагревания образуют по меньшей мере один нагреватель для жидкости, подводимой в заварочный узел.
В одном из варианте дополнительный нагрев включает в себя использование первого нагревателя для нагрева жидкости, подаваемой в заварочный узел, который размещен в первом контуре текучей среды выше по потоку от второго нагревателя для регулирования температуры жидкости, нагнетаемой в заварочный узел.
Средства дополнительного нагрева могут быть также получены близким расположением нагревателя подаваемой в заварочный узел жидкости посредством теплопроводности и излучения. В одном конкретном варианте выполнения нагреватель или отдельный независимый нагревательный элемент взаимодействует посредством излучения с барабаном заварочного узла. Для этого нагреватель или независимый нагревательный элемент могут быть выполнены в виде массы U-образной формы, обладающей тепловой инерцией, например, в виде термоблока, расположенного на вблизи, например, от 0,2 до 0,5 мм ниже барабана и охватывающего средства, направляющие вращение барабана.
Температура средств дополнительного нагрева также может регулироваться независимо с помощью блока управления и с использованием соответствующих датчиков температуры (например, терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления). Блоком управления может быть центральный котроллер устройства, который обеспечивает выполнение различных функций регулирования, таких как регулирование насоса для подачи жидкости в заварочный узел и управление основным нагревателем жидкости (например, термоблока, патронного нагревательного элемента, парогенератора и т.п.).
Другим объектом изобретения является способ приготовления жидкого экстракта из пищевых ингредиентов в устройстве для приготовления напитков, содержащем заварочный узел, приводимый во вращение с созданием центробежной силы. Данный способ включает в себя операции, на которых:
- подают в заварочный узел пищевые ингредиенты;
- подают в заварочный узел нагретую жидкость;
- центрифугируют заварочный узел, создавая центробежные силы, вынуждающие жидкость проходить через пищевые ингредиенты,
- собирают жидкий экстракт в накопительном узле;
- разливают жидкость.
При этом способ включает в себя по меньшей мере одну операцию для компенсации тепловых потерь жидкого экстракта в заварочном узле и/или в накопительном узле.
Приводом для создания центробежных сил может быть привод вращения заварочного узла, установленный вдоль его центральной оси или, возможно, при определенных условиях вдоль смещенной оси. Движение может быть также не круговым вращением, а, например, движением вдоль эллиптической траектории без выхода при этом за пределы объема изобретения.
Подача жидкости может производиться насосом под давлением или путем подвода жидкости за счет сил гравитации (например, стекания).
Предпочтительно температура жидкого экстракта, покидающего устройство, не более чем на 10°С ниже, предпочтительно не более чем на 8°С ниже температуры нагретой жидкости, подаваемой в заварочный узел.
Предпочтительно нагретую жидкость подают в заварочный узел при температуре в интервале от 70 до 95°С, предпочтительно от 90 до 95°С.
Кроме того, способ включает в себя одну или комбинацию любых из следующих операций:
а) нагревание по меньшей мере части заварочного узла, который содержит пищевые ингредиенты,
б) нагревание по меньшей мере части накопительного узла, который собирает центрифугированный жидкий экстракт,
в) нагревание воздушного зазора между заварочным и накопительным узлами,
г) нагревание зоны выдачи напитка для размещения приемной емкости,
д) теплоизоляцию или отражение теплоты в накопительном узле,
е) уменьшение рассеяния теплоты от поверхностей контакта накопительного узла с жидким экстрактом за счет выбора размера средней толщины стенки накопительного узла, контактирующих с жидким экстрактом, менее 2 мм, предпочтительно менее 1 мм, а наиболее предпочтительно - около 0,5 мм.
Предпочтительно способ в соответствии с настоящим изобретением включает в себя по меньшей мере одну операцию нагревания жидкого экстракта после, во время или перед его вытеканием из заварочного узла.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 схематично показано устройство для приготовления напитков с капсулой внутри в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения, вид в разрезе;
на фиг.2 - то же, но в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения;
на фиг.3 - часть устройства, соответствующего третьему варианту осуществления изобретения, вид в разрезе;
на фиг.4 схематично показано устройство в соответствии с четвертым вариантом осуществления изобретения, вид в разрезе.
Осуществление изобретения
Показанное на фиг.1 устройство 1 для приготовления напитков согласно настоящему изобретению предназначено для приготовления жидкого пищевого продукта, называемого также жидким экстрактом, полученным в результате взаимодействия пищевых ингредиентов и жидкости за счет центрифугирования в заварочном узле 2. Эффект центробежных сил используется для придания необходимого количества движения текучей среде при ее проходящей через ингредиенты таким образом, чтобы жидкость насыщалась твердыми, жидкими и ароматическими компонентами веществ в процессе экстракции в заварочном узле. Термин «экстракция» или «экстракт» используются здесь в общепринятом значении, как процесс или продукт, полученный в результате произведенного заваривания, растворения, разбавления, смешения, эмульгирования и комбинации указанных процессов.
Заварочный 2 узел обычно содержит барабан 4 для приема пищевых ингредиентов. Устройство может быть приспособлено для приема пищевых ингредиентов, упакованных в одноразовую капсулу 60, устанавливаемую в устройство, находящемся в открытом положении. Следует отметить, что барабан может быть выполнен также в виде приводимого во вращение кольцеобразного элемента с центральным отверстием, что позволяет днищу капсулы выступать снизу. Таким образом, кольцеобразный элемент поддерживает капсулу по ее боковой стенке и/или кромке.
С верхней стороны заварочный узел содержит крышку 5, которая, по меньшей мере частично, закрывает барабан так, чтобы обеспечить формирование камеры для введенной в нее капсулы. Заварочный узел соединен с системой 6 подачи жидкости в заварочный узел, в частности, внутрь капсулы, когда она установлена в заварочном узле. Система 6 подачи жидкости содержит резервуар 7 с жидкостью и жидкостный контур 8 с насосом 9 и нагревателем 10. Система оканчивается инжектором 11, который образует трубчатый канал, проходящий вниз в оболочку заварочного узла. Система подачи жидкости подает нагретую жидкость в заварочный узел из резервуара при определенном избыточном давлении. Обычно жидкость является водой, температура которой, как правило, является оптимальной для процесса заваривания и может изменяться в зависимости от завариваемых ингредиентов. Для кофе температура может изменяться приблизительно от 75° до 95°С. Более предпочтительно температура подаваемой жидкости может находиться в интервале приблизительно 90-95°С для того, чтобы обеспечить оптимальное качество экстракции кофе. Температура жидкости в данном случае измеряется в инжекторе 11, т.е. перед подачей ее в капсулу.
Водонагреватель может быть выбран среди различных нагревательных модулей, таких как высокоинерционный тепловой блок (термоблок), патронный нагревательный элемент, кипятильник, встроенный трубчатый нагреватель и т.п. Насосом может быть любой подходящий насос, например поршневой насос, перистальтический насос, диафрагменный насос, центробежный насос, нагнетатель, работающий за счет сил гравитации, и т.п.
Устройство содержит также блок 12 управления, который программируют для управления элементами устройства. В частности, блок 12 управления включает и выключает насос 9. Такое регулирование может производиться за счет подачи команды на клавишной панели (например, с помощью кнопки) или сенсорном экране устройства. Блок управления, кроме того, включает или выключает нагреватель для повышения температуры жидкости в заварочном узле до подходящей величины. Схема управления температурой в блоке управления может быть снабжена одним или несколькими датчиками температуры, установленными в контуре циркуляции текучей среды, заварочном узле и/или на поверхности нагревателя известным образом.
Инжектор 11 установлен в заварочном узле так, что заварочный узел может вращаться относительно центральной оси I вокруг инжектора 11, который предпочтительно зафиксирован. В частности, крышка 5 установлена в шарикоподшипнике 13, так что она может вращаться вокруг инжектора 11.
2
При осуществлении процесса центрифугирования заварочный узел приводится во вращение приводом 14, который предпочтительно соединен с барабаном 4 посредством соединительного элемента 15. Привод содержит электродвигатель 16, например, электрический двигатель постоянного тока (ПТ), установленный на корпусе 17 устройства с помощью болтов или тому подобного. Вал 88 электродвигателя 16 присоединен к соединительному элементу 15 с помощью соответствующей муфты 41. Следует отметить, что барабан также установлен в корпусе с возможностью вращения относительно него. Для этого соединительный элемент 15 соединен с корпусом посредством шарикоподшипника 39. Таким образом, заварочный узел 2 установлен в устройстве с возможностью вращения, а именно между корпусом 17 и инжектором 11. Включением электродвигателя 16 для привода заварочного узла во вращение с целью осуществления процесса центрифугирования также управляют с помощью блока 12 управления. Скорость центрифугирования устанавливают с помощью контроллера в соответствии с параметрами, которые могут быть постоянными или переменными. Обычно скорость вращения при проведении стадии экстракции составляет от 1000 до 16000 об/мин. При осуществлении цикла приготовления напитка скорость вращения при необходимости может увеличиваться или уменьшаться с помощью блока управления. Жидкий экстракт, который центрифугируют в заварочном узле, собирается в накопительном узле 18. Кроме того, предпочтительно заварочный узел имеет такую форму, чтобы оставался небольшой зазор или имелись выпускные отверстия для жидкости на его периферии для того, чтобы жидкий экстракт вытекал из заварочного узла под действием центробежных сил. Указанный зазор или выпускные отверстия для жидкости являются такими, что внутри заварочной камеры создается определенное давление непосредственно выше по потоку от указанных зазора или выходных отверстий, например, в капсуле. В предпочтительном варианте выполнения используют клапан 56, который открывает заварочный узел только в том случае, если во внутренней периферийной зоне заварочного узла создается достаточное давление. Клапан 56 может быть образован кольцевым участком 19, который прикладывает усилие закрытия к барабану и/или кромке капсулы. Кроме того, клапан содержит упругий нагружающий элемент 20, создающий и поддерживающий усилие закрытия клапана кольцевым участком. Нагружающим элементом может быть пружина, эластичный материал, содержащий резину, или средства создания гидравлического давления. Кольцевой участок образует непрерывный зазор в том случае, если клапан открывается за счет давления центрифугируемой жидкости. Зазор или сужение для прохождения потока может иметь весьма небольшую ширину (w), например в интервале от 0,01 до 0,5 мм, и непрерывную внешнюю границу вдоль всей периферии кольцевого участка. Площадь (S) поверхности указанного зазора или сужения для потока может быть также вычислена по формуле: S-=2·π·R·w, где R - радиус кольцевого участка, a w - высота открытия клапана. Площадь поверхности зазора может находиться в пределах от 1 до 500 мм. Площадь поверхности изменяется в зависимости от скорости вращения таким образом, что, как правило, чем выше скорость вращения, тем больше эта площадь. Как показано на фиг.1, крышка может также содержать прокалывающие элементы 21 для образования нескольких выпускных отверстий в стенке капсулы. Прокалывающие элементы могут быть расположены на периферии крышки и направлены вниз в направлении оболочки. На фиг.1 также показано, что капсула может при необходимости содержать фильтрующую часть 22 для разделения основной камеры, содержащей ингредиенты, например молотый кофе, и небольшую периферийную накопительную канавку, примыкающую к верхней прокалываемой стенке капсулы. Указанная канавка в капсуле является достаточно глубокой, например 5-10 мм, чтобы обеспечить ввод в капсулу прокалывающих элементов для формирования нескольких выпускных отверстий.
Накопительный узел 18 устройства образует периферийные стенки, окружающие заварочный узел, для сбора жидкости, которую центрифугируют через небольшой зазор или выпускные отверстия. В частности, накопительный узел содержит первую отражательную стенку 23, расположенную на определенном расстоянии от заварочного узла, в частности от ограничительного клапана или с образованием между ними воздушного зазора (d). Отражательная стенка может быть цилиндрической, образующей поверхность для динамического воздействия жидкости, которая проходит вниз в элемент 24 накопительного узла, имеющий U-образную форму в сечении. Указанный накопительный элемент 24 U-образной формы или является частью корпуса 17 устройства, или присоединен к этому корпусу.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения средства дополнительного нагрева объединены с накопительным узлом. Средства нагрева поддерживают температуру по меньшей мере одной стенки блока равной температуре окружающей среды. В частности, в отражательную стенку 23 накопительного узла встроено по меньшей мере одно проволочное электрическое сопротивление 25. Электрическое сопротивление может быть выполнено в виде проволочной спирали или в виде нескольких участков проволочной спирали. Проволочное электрическое сопротивление может быть также заменено одной или несколькими толстыми пленками, керамических патронных нагревателей, индукционных катушек и/или нагреваемым спиральным каналом для текучей среды, в котором циркулирует нагреваемая текучая среда (жидкость или газ) для поддержания температуры отражательной стенки выше температуры окружающей среды. Таким образом, когда жидкость центрифугируют с высокой скоростью и отводят из заварочного узла через ограничительный клапан, она оказывает динамическое воздействие на нагреваемую поверхность. Затем жидкость собирается в накопительном элементе 24 U-образной формы в сечении.
В одном из возможных вариантов выполнения подобными средствами нагревания (проволочное электрическое сопротивление, керамический патронный нагреватель/нагреватели, индукционная катушка, излучающие спирали с протекающей через них текучей средой) нагревают накопительный элемент 24. В этом случае отражательная стенка не обогревается, а нагревают только накопительный элемент 24 накопительного узла. Такая конструкция уменьшает опасность разрушения кофейной пенки («крема») в процессе выпуска жидкого экстракта из заварочного узла под действием центробежных сил. В другом варианте нагревается как отражательная стенка, так и накопительный элемент.
Таким образом, накопленная жидкость поддерживается при достаточно высокой температуре для потребления (например, 60-90°С), а потери температуры минимальны или предотвращены.
Накопленная жидкость затем выдается потребителю через по меньшей мере один выпускной канал 26. В настоящем изобретении указанный выпускной канал рассматривается как элемент накопительного узла.
Дополнительно или в качестве альтернативы описанным средствам 25 дополнительного нагрева накопительный узел может быть выполнен теплоизолированным с помощью по меньшей мере одного теплоизоляционного слоя, например толстого слоя 27 пенопласта. Теплоизоляционный слой может также обеспечивать изоляцию крышки верхним теплоизоляционным слоем 28. Подходящим теплоизоляционным материалом может быть пенопласт, волокнистый материал, стеклянная дробь, слой текучей среды (жидкости или газа) между двумя стенками, теплоотражающий материал, а также может быть использована комбинация перечисленных материалов.
На фиг.2 показан другой вариант осуществления настоящего изобретения, при этом одинаковые ссылочные номера позиций использованы для обозначения одинаковых или сходных технических средств. Отличие этого варианта заключается, главным образом, в конструктивном исполнении средств дополнительного нагрева, используемых для по меньшей мере частичной компенсации тепловых потерь жидкого экстракта, вытекающего из заварочного узла. Блок 31 дополнительного нагрева представляет собой устройство для нагнетания нагретого воздуха, направляющее нагретый воздух в воздушный зазор (d) между заварочным узлом и отражательной стенкой 23 или создающее циркуляцию нагретого воздуха в этом зазоре. Указанное устройство может содержать корпус 32, образующий камеру, канал 33 для выхода воздуха и воздухоприемник 34. В корпусе установлено средство 36 создания циркуляции воздуха, например вентилятор, за которым по потоку расположен нагревательный элемент 35, например нагревательная проволока. Устройство может быть снабжено установленным в воздушном тракте фильтром 37 для фильтрования пыли или других твердых частиц, которые могут вступить в контакт с жидким экстрактом.
Вместо устройства, создающего вынужденную циркуляцию воздуха, это устройство может содержать более простые средства циркуляции, основанные на создании потока воздуха не механическим путем, а с использованием средств нагрева, таких как нагревательная проволока (проволоки), размещенная на пути движения потока воздуха. Устройство может быть также парогенератором, производящим горячий водяной пар.
В другом возможном варианте средствами дополнительного нагрева могут быть одна или большее число поверхностей нагрева нагревателя 10 жидкости. Например, устройство для нагнетания воздуха встроено в нагреватель (термоблок) как его часть, например, на одной из его сторон.
Как показано на фиг.3, заварочный узел может быть приспособлен для размещения сыпучих ингредиентов, таких как порошкообразный кофе, не упакованных в капсулу. Для этого заварочный узел содержит барабан 4 и фильтр 37, например сетчатый цилиндр, который размещен между камерой 38 для ингредиентов и накопительной камерой 39. Барабан может иметь форму с расширением в направлении зазора или сужения, чтобы позволить жидкости вытекать через сужение, например, образованное клапаном 150. Клапан может иметь различную конфигурацию, например в качестве примера показан клапан, который содержит кромочный участок 40 барабана, участок 41 закрытия выходного отверстия, поддерживаемый усилием давления с помощью кольца 42 О-образного сечения, расположенного между крышкой 5 и указанным участком 41.
Как показано на фиг.3, средства дополнительного нагрева заварочного узла могут быть объединены с барабаном 4. Например, электронагревательный элемент 44 может быть заделан в расширяющиеся стенки 43 и/или кромочный участок 40 барабана. Конечно, средства нагревания могут быть выполнены в виде толстой пленки, которая размещена в контакте со стенками барабана или вставлена в них. Когда жидкий экстракт выходит из фильтра 37 за счет действия центробежных сил, он накапливается в накопительной камере 39 и течет вверх, контактируя с нагретыми стенками 43, 40. В результате температура жидкости может сохраняться высокой, когда она еще находится в заварочном узле, но уже после фильтрования. В дополнение или в качестве альтернативы отражательная стенка 23 также может быть объединена с нагревательными элементами 44, такими как нагревательная проволока высокого сопротивления или нагревательная толстая пленка (пленки). В результате жидкий экстракт, который протекает через клапан в виде тонкого слоя или струй, оказывает динамическое воздействие на нагретую поверхность. Это также способствует сохранению температуры жидкости достаточно высокой и уменьшает или исключает тепловые потери.
На фиг.4 представлен другой возможный вариант выполнения устройства согласно изобретению. Опять же, как и в рассмотренных выше вариантах, одинаковые ссылочные номера позиции использованы для обозначения одинаковых или эквивалентных технических средств. Отличие данного выполнения заключается в том, что нагревательный элемент 65 установлен с возможностью облучения барабана 4. Барабан может быть сконфигурирован для размещения в нем капсулы так, как было описано выше, или, в качестве альтернативы, для размещения в нем непосредственно пищевых ингредиентов. Нагревательный элемент 65 установлен неподвижно в корпусе 17 накопительного узла 18. Между нагревательным элементом 65 и внешней поверхностью барабана 4, например его нижней поверхностью, сохраняется наименьший возможный зазор, чтобы обеспечить эффективную передачу теплоты излучением. Нагревательный элемент 65 присоединен к барабану механически посредством шарикоподшипника 39, так что от барабана возможна передача теплоты теплопроводностью через подшипник и соединительный участок 15. Нагревательный элемент 65 предпочтительно подает нагретую жидкость к средству 11 ее инжектирования. Однако для этого может быть использовано также ответвление или продолжение основного нагревателя или отдельного нагревателя.
В показанном на фиг.4 примере забираемая из резервуара 7 холодная жидкость нагнетается насосом 9 и поступает (по магистрали А-В) в нагревательный элемент 65 для повышения ее температуры до первой величины, например, до 60-90°С. Во время осуществления этой стадии, приводящей к возможному снижению температуры жидкости на несколько градусов, между элементом 65 и барабаном происходит передача теплоты излучением. Затем жидкость подводят ко второму нагревательному элементу (по магистрали C-D) для компенсации тепловых потерь и установления оптимальной температуры жидкости, например, 92°±2° перед инжектированием жидкости в заварочный узел.
Предпочтительно первый нагревательный элемент 65 представляет собой термоблок. Конечно, этот нагревательный элемент может быть также заменен другим нагревательным элементом, способным производить эффективное излучение, например инфракрасным излучателем.
Второй нагреватель 64 также может быть термоблоком или «нагревателем по требованию», таким как патронный нагреватель (описанный, например, в документе ЕР 1913851) или трубчатый нагреватель, в который заделана одна или несколько толстых пленок или электрических сопротивлений (описанный, например, в ЕР 1253844 или ЕР 1380243).
В возможном варианте выполнения, показанном на фиг.4, второй нагреватель может быть исключен и воду для напитка нагревают с помощью единственного нагревателя 65, обеспечивая лишь средства дополнительного нагрева для компенсации тепловых потерь жидкого экстракта. Конечно, в другой возможной конфигурации нагреватель 65 может быть также расположен в контакте с накопительным элементом 24 или на близком расстоянии от него, обеспечивающем передачу теплоты излучением.
Термоблоки обычно являются проточными нагревателями, через которые протекает жидкость для нагревания. Они содержат нагревательную камеру, например одну или несколько трубок, в частности, выполненных из стали, проходящих через массив металла, в частности алюминия, железа и/или другого металла или сплава, который имеет высокую теплоемкость для аккумулирования тепловой энергии и высокую теплопроводность для передачи необходимого количества теплоты жидкости, протекающей по трубкам в тех случаях, когда это необходимо. Вместо отдельной трубки каналом термоблока может быть сквозной канал, который формируют в металлическом массиве путем механической обработки или иным образом, например канал формируют в процессе литья массы термоблока. Если массу термоблока выполняют из алюминия, то с точки зрения охраны здоровья предпочтительно обеспечить отдельную трубку, например, из стали, чтобы избежать контакта жидкости с алюминием. Масса термоблока может быть изготовлена из одного или нескольких соединенных друг с другом элементов, расположенных вокруг трубки для циркуляции жидкости. Термоблоки обычно содержат один или несколько резистивных нагревательных элементов, например дискретных или цельных резистивных элементов, которые преобразуют электрическую энергию в тепловую. Такие резистивные нагревательные элементы обычно размещают в массе или на массе термоблока на расстоянии более 1 мм, в частности от 2 до 50 мм или от 5 до 30 мм от указанной трубки. Теплота подводится к массе термоблока, а через эту массу - к протекающей жидкости. Нагревательные элементы могут быть вплавлены в металлическую массу или размещены в ней, или они могут быть прикреплены к поверхности металлической массы. Трубка (трубки) может иметь спиральное или другое расположение вдоль термоблока для получения максимальной длины и достижения максимальной теплопередачи через термоблок.
В варианте выполнения, показанном на фиг.4 (но применимом и ко всем другим вариантам), тепловые потери в накопительном узле могут быть значительно уменьшены за счет выбора толщины отражательной стенки 23 и/или стенки приемной камеры 24 (называемой также в «накопительным элементом»), при этом средняя толщина стенки составляет менее 2 мм, предпочтительно менее 1 мм, а наиболее предпочтительно - в интервале от 0,2 до 0,7 мм, например около 0,5 мм. В частности, стенка приемной камеры 24 выполнена кольцевой U-образной формы в сечении. Она может быть изготовлена из изогнутой металлической фольги, например медной, стальной или алюминиевой, или из полимерной пленки. Снаружи внешней поверхности стенки имеется теплоизоляция, предпочтительно пустота, образованная в виде воздушного зазора для ограничения рассеяния теплоты в другие элементы устройства. При этом стенка накопительной камеры может опираться на узкие контактные элементы 67 (например, выступы, резиновые продкладки и т.п.), присоединенные к корпусу устройства. Отражательная стенка выполнена также небольшой средней толщины (предпочтительно в пределах интервала 0,5-1 мм). Стенка может быть образована изогнутой металлической фольгой, изготовленной, например, из меди, стали, алюминия или из полимерной пленки.
Нагревательный элемент 68 может быть присоединен к сборной камере накопительного элемента 24 для поддержания в требуемых пределах температуры жидкого экстракта, для которого отражательная стенка является преградой. Отражательная стенка может быть выполнена в виде толстой пленки, например, соединенной с внешней поверхностью указанной сборной камеры. Предпочтительно отражательная стенка не содержит какого-либо нагревательного элемента, поскольку было обнаружено, что нагретая отражательная стенка оказывает отрицательное влияние на количество и/или качество пенки на поверхности кофе (называемой также «крема»). Возможно, теплота приводит к разрушению пузырьков пенки при ее динамическом воздействии на стенку.
Крышка 5 также может быть снабжена дополнительным нагревательным элементом 69, например резистивными проволоками или толстой пленкой. В результате крышка 5 подводит теплоту к верхней поверхностью капсулы за счет теплопроводности или, по меньшей мере, уменьшает тепловые потери. Таким образом, капсула может поддерживаться в нагретом состоянии под действием тепла от нагретого барабана и/или нагретой крышки. Капсула также может быть изготовлена из материала, который проводит теплоту, например из алюминия или из комбинации алюминия и пластмассы.
Может оказаться желательным выполнить стенки устройства теплоотражающими, которые могут минимизировать передачу через них теплоты теплопроводностью и могут отражать теплоту в направлении жидкого экстракта. Такие стенки могут быть выполнены, например, с использованием полимерной подложки, содержащей металлические отражающие наполнители или покрытой тонкой металлической мембраной (например, алюминиевой мембраной).
Во всех описанных выше вариантах средства дополнительного нагрева могут быть выполнены регулируемыми блоком управления, который регулирует нагревание в надлежащем интервале температур, используя датчики 45 температуры (например, датчики с отрицательным температурным коэффициентом), размещенные на нагреваемых поверхностях, и/или на нагревательных элементах, и/или непосредственно в жидкости. Таким образом, нагревательные элементы могут быть установлены в положение «включен» и «выключен» по сигналам от датчиков температуры, поступающим в блок управления.
Для уменьшения потребления электроэнергии блок управления может управлять дополнительными нагревательными элементами так, чтобы они включались только в определенные периоды, например во время цикла вращения заварочного узла. Материалы нагревательных элементов и нагреваемых поверхностей также могут быть выбраны так, чтобы мгновенно (порядка нескольких миллисекунд) довести нагреваемые поверхности до желаемой температуры. Кроме того, устройство, может управляться так, чтобы функционировать в режиме экономии энергии, когда автоматически выключается только часть нагревательных элементов, если устройство не активируется в течение предварительно заданного периода времени.
Конечно, могут быть скомбинированы различные нагревательные элементы, а именно элементы нагревания излучением и нагревательные элементы конвекционного типа.