УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ОБЖАРКИ КОФЕЙНЫХ ЗЕРЕН

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области машин для сушки или обжаривания плодов или овощей, например кофейных зерен, какао-бобов, орехов, в частности, к ростерам для обжарки кофе.
Уровень техники
Известно устройство для обжарки кофейных зерен (RU2692224C2, опубл. 21.06.2019), которое относится к термической обработке устройством (100) кофейных зёрен (10) до необходимой степени обжарки с возможностью управления блоком (134) управления обжарочным элементом в зависимости от определённой процессором (130) в процессе обжарки скорости потери массы кофейными зернами. За счёт конструктивного выполнения обеспечена стабильность результатов обжарки.
Однако в данном решении не раскрыта автоматизация загрузки и выгрузки кофейных зерен.
Известно устройство для обжарки кофе с функцией контроля времени обжарки (KR20200013417A, опубл. 2020-02-07), в котором автоматически определяется температура в соответствующие моменты времени обжарки кофе, чтобы отключить нагрев. Согласно настоящему изобретению, устройство для обжарки кофейных зерен содержит электрическую панель управления, реализующую функцию управления временем обжарки. Электрическая панель управления содержит: датчик температуры, расположенный внутри или снаружи электрической панели управления, для определения температуры, чтобы предотвратить скручивание или поломку вала барабана; блок хранения, хранящий данные о температуре, измеренной датчиком температуры, и данные о времени, в течение которого устройство для обжарки кофейных зерен обычно охлаждается после нагревания; блок управления, использующий данные температуры, измеренные датчиком температуры, и данные о времени, в течение которого устройство для обжарки кофейных зерен обычно охлаждается после нагрева, для определения времени окончания обжарки, превышения времени обжарки и деталей, связанных с нагревом; и таймер, подсчитывающий данные о температуре, измеренные датчиком температуры, и данные о времени, в течение которого устройство для обжарки кофейных зерен обычно охлаждается после нагрева, которые хранятся в блоке хранения для возврата информации подсчета к блоку управления.
Однако в данном решении раскрывается использование только датчика температуры для контроля процесса обжарки, не раскрыта автоматизация загрузки и выгрузки кофейных зерен.
Известен, выбранный в качестве прототипа, ростер для обжарки кофе (RU75816 U1, опубл. 2012-03-27), содержащий корпус (11), образующий каркас устройства для обжарки кофе. Предусмотренный на одной стороне верхней части корпуса нагревательный блок 20 проходит через зеленые бобы и проходит через первую и вторую щели после зеленых бобов. Блок 50 охлаждения предусмотрен под блоком нагрева и выполнен с возможностью охлаждения бобов, выгружаемых из блока нагрева. Блок 60 привода предусмотрен на одной стороне нагревательного блока и выполнен с возможностью управления нагревательным блоком, охлаждающим блоком и сепаратором. Сепаратор 80 предусмотрен на одной стороне приводного устройства. Блок 90 управления для управления общей работой ростера расположен на одной стороне корпуса.
Известное изобретение, сконфигурированное, как описано выше, предназначено для обеспечения точной операции, которая может соответствовать условиям, которые влияют на вкус и аромат кофейных зерен, таким как температура и время выдержки при обжарке кофе, а также многим условиям, таким как разновидности, содержание влаги, происхождение зеленых бобов для производства кофейных зерен, удовлетворяющих хорошему вкусу и аромату, даже новички могут обжарить кофе с помощью программы опыта обжарки (Бариста).
Однако в данном решении не раскрывается, какие датчики используются для контроля процесса обжарки, хотя осуществляется автоматическое управление работой нагревательного блока, охлаждающего блока, приводного блока и сепаратора, но не раскрыта автоматизация загрузки и выгрузки кофейных зерен.
Раскрытие полезной модели
В одном аспекте полезной модели раскрыто устройство для автоматической обжарки кофейных зерен, содержащее
корпус, содержащий блок нагрева, блок нагнетания воздуха, блок управления, блок ввода кофейных зерен, блок вывода кофейных зерен, блок датчиков;
блок нагрева, состоящий из барабана, нагревателей и привода вращения барабана, выполненный с возможностью нагрева кофейных зерен до заданной температуры;
блок нагнетания воздуха, состоящий из воздуховода и нагнетеля, выполненный с возможностью нагнетания воздуха в блок нагрева;
блок ввода кофейных зерен, выполненный с возможностью ввода кофейных зерен в блок нагрева;
блок вывода кофейных зерен, выполненный с возможностью приема кофейных зерен из блока нагрева;
блок датчиков, выполненный с возможностью отслеживания параметров обжарки;
характеризующийся тем, что блок управления функционально связан с блоком нагрева, блоком нагнетания воздуха, блоком ввода кофейных зерен, блоком вывода кофейных зерен, блоком датчиков, выполнен с возможностью управлять процессом обжарки кофейных зерен на основании показаний блока датчиков,
причем блок управления выполнен с возможностью управления вводом кофейных зерен в барабан в начале обжарки, выводом кофейных зерен из барабана после окончания обжарки.
В дополнительных аспектах полезной модели раскрыто, что блок вывода кофейных зерен выполнен с дополнительной возможностью охлаждения кофейных зерен; дополнительно содержится циклонный фильтр; блок нагнетания выполнен с дополнительной возможностью обеспечения воздушного потока через блок вывода кофейных зерен для охлаждения; блок нагнетания воздуха выполнен с возможностью обеспечивать рециркуляцию воздуха при предварительном прогреве и при обжарке кофейных зерен; блок нагрева выполнен с возможностью индукционного нагрева барабана; передняя стенка корпуса выполнена толстостенной и быстросъемной; блок датчиков содержит по меньшей мере несколько из датчика температуры, датчика давления, датчика углекислого газа, акустического датчика, причем датчик температуры представляет собой по меньшей мере одно из ИК-датчика, термопары, термосопротивления; датчик давления представляет собой датчик перепада давления; блок управления содержит блок визуализации и управления; блок управления содержит по меньшей мере одно из пульта управления, средства связи с внешним устройством, средства индикации, причем блок управления выполнен с возможностью обновления программного кода для управления процессом обжарки, визуализации данных о процессе обжарки.
Основной задачей, решаемой заявленным устройством, является обеспечение возможности автоматической обжарки кофейных зерен.
Сущность полезной модели заключается в том, что для полной автоматизации процесса обжарки кофейных зерен в заявленном устройстве обеспечена возможность следования предварительно заданному профилю обжарки, для чего используются средства управления нагрева кофейных зерен и датчики для контроля этого процесса, при этом обеспечена автоматическая загрузка и выгрузка кофейных зерен по команде блока управления.
Технический результат, достигаемый решением, заключается в расширении арсенала технических средств, автоматизации процесса обжарки кофейных зерен, возможности повторения профиля обжарки.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 показывает блок схему заявленного ростера.
Фиг.2 показывает внешний вид ростера.
Фиг.3 показывает внутреннее устройство ростера.
Осуществление полезной модели
Известно, что обжарка кофе сильно влияет на вкусовые качества получаемого продукта, но повторить один рецепт может быть проблематично, так как легко перегреть продукт, не вовремя изменить температурный режим, не вовремя извлечь зерна, неточно соблюсти количество тепла, количество и интенсивность или скорость передачи тепла, передаваемого через теплопроводность (кондукционный нагрев), через конвекцию (нагрев через воздух) и через ИК-излучение от нагретых металлических частей.
Для решения этих проблем может использоваться ростер, который может соблюдать автоматическую программу обжарки (управлять параметрами нагрева, обдува, ввода зерен, вывода зерен и т.д.).
На фиг.1 показана блок-схема автоматического ростера. В корпусе 101 ростера расположен блок 102 нагрева, который содержит теплоизолированный барабан с приводом для вращения барабана. Барабан предпочтительно содержит лопатки для лучшего перемешивания кофейных зерен при вращении. Барабан выполнен из металла, представляет собой полый цилиндр, первое основание которого представляет собой перфорированный круг, а второе основание представляет собой просто отверстие. Вокруг цилиндрической поверхности барабана установлены тэны, поверх них установлен кожух, а поверх него утеплитель. Отверстие барабана закрыто толстой металлической пластиной на передней стенке корпуса, для того чтобы обеспечить возможность эффективного следования профилю обжарки, так как толстая металлическая пластина (толщиной от 3 мм до 1 см) позволяет сохранять заданную температуру внутри барабана, в отличие от тонкой пластины, которая быстро передает холод окружающей среды к обжариваемым зернам, находящимся около передней стенки.
Через предназначенное для этого входное отверстие в верхней части передней стенки корпуса осуществляется загрузка зерен с помощью блока 103 ввода зерен. Через предназначенное для этого выходное отверстие в нижней части передней стенки корпуса осуществляется выгрузка зерен с помощью блока 104 вывода зерен.
Нагревательные элементы (тэны) снаружи барабана нагревают его, а он в свою очередь благодаря теплопроводности нагревает кофейные зерна.
Нагрев осуществляется не только за счет теплопроводности, но и за счет конвекции, благодаря тому, что блок 105 нагнетания воздуха нагнетает воздух в барабан с помощью нагнетателя и системы воздуховодов, а нагретый воздух в свою очередь передает тепло кофейным зернам. Кроме того, нагретый барабан излучает тепло в ИК-диапазоне, которое тоже нагревает зерна.
Нагрев барабана может осуществляться не только за счет тэнов, но и за счет индукционного нагрева, что не влияет на сущность заявленного решения.
Нагнетатель представляет собой одно из вентилятора или турбины, система воздуховодов обеспечивает движение воздуха через барабан с помощью нагнетателя. В некоторых вариантах осуществления система воздуховодов выполнена так, чтобы обеспечивать рециркуляцию воздуха внутри корпуса 101, что позволяет экономить энергию на нагрев воздуха.
Разное соотношение количества тепла переданного за счет конвекции и теплопроводности, а также ИК-излучения влияет на вкусовые характеристики получаемого продукта (обжаренного кофе).
Для контроля температуры внутри барабана и количества нагнетаемого воздуха используется блок 106 датчиков, который содержит по меньшей мере датчик температуры и датчик давления.
Данные от блока 106 датчиков по функциональным линиям связи поступают на блок 107 управления, обрабатываются им, в результате блок 107 по функциональным линиям связи подает сигналы управления к блоку 105 нагнетания воздуха и блоку 102 нагрева, чтобы обеспечить следование заранее заданному профилю обжарки. В блоке 107 предусмотрена возможность автоматической корректировки процесса обжарки, в случае если с помощью датчиков он обнаруживает отклонение от заранее заданного профиля обжарки, так блок 107 управления может увеличить длительность обжарки, например, если кофейные зерна не выйдут на заданную температуру за заданное время и/или объем воздуха, проходящего через барабан, не будет соответствовать заданному из-за погодных условий, особенностей вытяжной вентиляции. Также если в силу особенностей сети электропитания или из-за повышенной температуры окружающей среды нагрев зерен окажется более быстрым или более интенсивным, блок 107 управления может внести коррективы, чтобы вернуть профиль к требуемым параметрам.
Работа устройства
Устройство для автоматической обжарки кофейных зерен работает следующим образом. Загружают кофейные зерна в блок 103 ввода кофейных зерен, выбирают или задают профиль обжарки с помощью блока 107 управления.
Выбранный профиль обжарки определяет программу обжарки для ростера. Если в профиле указано, что температура в барабане должна достичь 150 градусов Цельсия, то программа обжарки управляет блоком 102 нагрева, чтобы обеспечить заданную температуру. Профиль показывает, какие параметры должны быть у обжарки, а программа их обеспечивает.
Блок 107 управления подает сигнал на блок 102 нагрева, чтобы осуществить предварительный нагрев согласно заданному профилю обжарки. После осуществления предварительного нагрева блок 107 подает сигнал блоку 103 ввода кофейных зерен, чтобы он направил кофейные зерна в барабан, после чего продолжается обжарка. Блок 107 управляет блоком 102 нагрева и блоком 105 нагнетания воздуха, чтобы обеспечивать процесс обжарки кофейных зерен согласно заданному профилю. Процесс обжарки контролируется блоком 107 управления с помощью блока 106 датчиков, который предоставляет данные по меньшей мере о давлении подаваемого воздуха и температуре в барабане.
Профиль обжарки определяет последовательность действий по обжарке, в которой задают температуру нагрева, интенсивность обдува и другие параметры в заданные моменты времени, однако в связи с разными параметрами исходного сырья и внешних условий необходимо контролировать процесс с помощью датчиков. Необходимо управлять скоростью вращения барабана на разных стадиях обжарки, контролировать объем проходящего воздуха на разных стадиях обжарки, управлять обратным контуром подачи нагретого воздуха в барабан, чтобы следовать профилю обжарки. Профиль обжарки так же может содержать данные о первом и втором крэке, если доходит до второго, данные о количестве концентрации углекислого газа на разных стадиях обжарки, данные производных по температурным датчикам, данные ROR (скорость прироста температуры за интервал времени), данные о площади под графиком температур (количестве переданной зерну энергии). Блок 107 управления выполнен с возможностью корректировать работу ростера, если заданные в профиле параметры не достигаются. Конкретные алгоритмы корректировки не раскрываются в данной заявке, так как не относятся к сущности заявленного решения. Специалист в данной области техники сможет реализовать различные варианты корректировки работы ростера на основании общих знаний.
Когда процесс нагрева в блоке 102 завершается блок 107 управления подает сигнал блоку 104 вывода зерен, чтобы он начал принимать обжаренные зерна. Предпочтительно блок 104 также остужает зерна, помешивая их, для обеспечения лучших вкусовых качеств. В некоторых вариантах осуществления блок управления подает сигнал на переключение воздушного клапана, чтобы обеспечить закачку воздуха через блок 104. То есть блок 105 нагнетания воздуха переключается на закачку воздуха через блок 104 для более быстрого охлаждения кофе, чтобы как можно быстрее остановить термические реакции в зерне.
Вариант 1 осуществления
В одном предпочтительном варианте заявленное устройство представляет собой ростер, показанный на фиг.2. В корпусе 101 такого ростера размещены блок 102 нагрева, блок 105 нагнетания воздуха, блок 107 управления, блок 103 ввода кофейных зерен, блок 104 вывода кофейных зерен, блок 106 датчиков.
Блок 104 вывода кофейных зерен выполнен в виде цилиндра без верха и с перфорированным дном, внутри цилиндра установлено средство перемешивания в виде ворошителя, который перемешивает зерна для их равномерного остывания. Воздуховоды блока 105 нагнетания воздуха содержат  клапан переключения потока на блок 103 вывода кофейных зерен, который по команде  блока 107 управления переключает направление движения воздуха так, чтобы холодный воздух окружающей среды втягивался нагнетателем через перфорированное дно блока 104 вывода кофейных зерен. Ворошитель также управляется блоком 107 управления. Этап охлаждения является важным этапом обжарки кофе, так как от параметров охлаждения также зависит вкус обжаренного кофе.
Воздуховоды блока 105 нагнетания воздуха содержат рециркуляционный клапан, который по команде блока 107 управления переключает направление движения воздуха так, чтобы нагнетаемый воздух циркулировал внутри корпуса, что помогает тратить меньше энергии на подогрев.
На фиг.3 показано внутреннее устройство варианта ростера, содержащего
блок 301 ввода кофейных зерен, выполненный в виде воронки с управляемым клапаном;
блок 302 остужителя, выполненный в виде открытого цилиндра, к перфорированному дну которого подключен воздуховод 303;
воздуховод 303, подключенный к блоку 302 остужителя, блоку 304 нагрева, блоку 305 нагнетания воздуха, выполненный с возможностью обеспечивать движение воздушного потока через блок 304 нагрева и далее через циклонный фильтр наружу, при переключении первого клапана обеспечивать движение от блока 302 остужителя через циклонный фильтр наружу, а также при переключении второго клапана обеспечивать замкнутое движение воздуха внутри контура;
блок 304 нагрева, выполненный в виде барабана с тэнами;
блок 305 нагнетания воздуха, выполненный в виде электродвигателя с центробежным вентилятором;
циклонный фильтр 306.
Блок фильтрации воздуха выполнен в виде циклонного фильтра. Горячий воздух приводит к нагреванию и увеличению в объеме кофейного зерна, что приводит к образованию шелухи, которую необходимо отфильтровывать. Блок фильтрации устанавливается в воздуховоде блока 105 нагнетания воздуха.
Вариант 2 осуществления
В этом варианте осуществления блок 102 нагрева может содержать средства индукционного нагрева, которые нагревают металлический барабан, что повышает эффективность и равномерность нагрева.
Для контроля температуры внутри устройства для обжаривания  используется датчик температуры, который представляет собой по меньшей мере одно из ИК-датчика, термопары, термосопротивления. Выбор типа и количества датчиков определяется решаемыми задачами.
Может использоваться набор датчиков, часть из которых определяет температуру непосредственно в зернах, часть – температуру барабана или передней стенки корпуса, часть – температуру воздуха в верхней трубе воздуховода и трубе воздуховода, соединенной с блоком вывода кофейных зерен. Каждый датчик повышает точность работы автоматического ростера.
Датчик давления устанавливается в трубе воздуховода над барабаном и служит для контроля количества, проходящего через барабан воздуха, количество проходящего через зерна воздуха определяет, каким образом в большей степени прогреваются зерна: посредством конвекции или кондукции, что может быть важно для следования заданному профилю обжарки.
Вариант 3 осуществления
В этом варианте осуществления передняя стенка корпуса частично или полностью выполнена быстросъемной для обеспечения возможности быстрой чистки барабана. Быстрый съем может быть обеспечен посредством резьбовых соединений передней стенки к корпусу, посредством зажимных соединений или их комбинации.
Вариант 4 осуществления
В этом варианте осуществления на корпусе устройства для обжарки установлен пульт управления процессом обжарки, с его помощью можно задавать временные и температурные режимы, которым устройство будет следовать в автоматическом режиме, подстраивая нагрев, обдув и время через управление блоками нагрева, нагнетания воздуха, управления, ввода кофейных зерен, вывода кофейных зерен. В том числе через пульт управления можно загружать профиль обжарки.
Также на устройстве может быть установлено средство визуализации, которое отображает процесс обжарки через индикацию временных зависимостей температуры зерна, барабана, воздуха, производных температуры, объема подаваемого воздуха и т.п.
Средство визуализации может быть совмещено с пультом управления, в варианте осуществления содержащим сенсорный экран.
Средство визуализации может представлять собой дисплей, установленный на корпусе ростера. В некоторых вариантах осуществления ростер содержит модуль связи для передачи сигналов визуализации на внешнее устройство визуализации.
В некоторых вариантах осуществления блок управления может получать данные о программе обжарки от внешнего устройства через средства связи, например, Wi-Fi- модуль, BLUETOOTH –модуль, модуль сотовой связи.
В некоторых вариантах осуществления блок управления, представляющий аппаратную часть с установленным программным обеспечением, выполнен с возможностью обновлять программное обеспечение посредством средств связи с внешними источниками данных.
Функциональное разделение блоков не означает физического разделения блоков, разные функции могут осуществляться с помощью одной аппаратной базы.
Варианты осуществления не ограничиваются описанными здесь вариантами осуществления, специалисту в области техники на основе информации, изложенной в описании, и знаний уровня техники станут очевидны и другие варианты осуществления полезной модели, не выходящие за пределы сущности и объема данной полезной модели.
Под функциональной связью элементов следует понимать связь, обеспечивающую корректное взаимодействие этих элементов друг с другом и реализацию той или иной функциональности элементов. Частными примерами функциональной связи может быть связь с возможностью обмена информацией, связь с возможностью передачи электрического тока, связь с возможностью передачи механического движения, связь с возможностью передачи света, звука, электромагнитных или механических колебаний и т.д. Конкретный вид функциональной связи определяется характером взаимодействия упомянутых элементов, и, если не указано иное, обеспечивается широко известными средствами, используя широко известные в технике принципы.
Упомянутые линии связи, если не указано иное, являются стандартными, известными специалистам линиями связи, материальная реализация которых не требует творческих усилий. Линией связи может быть провод, набор проводов, шина, беспроводная линия связи (радиочастотная, инфракрасная, ультразвуковая и т.д.), линия связи по текучей среде. Протоколы связи по линиям связи известны специалистам и не упоминаются отдельно.
Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.
Элементы предложенного устройства находятся в общем корпусе, связаны друг с другом конструктивно и функционально посредством монтажных (сборочных) операций.
В заявке не указано конкретное программное и аппаратное обеспечение для реализации блоков на чертежах, но специалисту в области техники должно быть понятно, что сущность полезной модели не ограничена конкретной программной или аппаратной реализацией, и поэтому для осуществления полезной модели могут быть использованы любые программные и аппаратные средства известные в уровне техники. Так аппаратные средства могут быть реализованы в одной или нескольких специализированных интегральных схемах, цифровых сигнальных процессорах, устройствах цифровой обработки сигналов, программируемых логических устройствах, программируемых пользователем вентильных матрицах, процессорах, контроллерах, микроконтроллерах, микропроцессорах, электронных устройствах, других электронных модулях, выполненных с возможностью осуществлять описанные в данном документе функции, компьютер либо комбинации вышеозначенного.
Хотя отдельно не упомянуто, но очевидно, что, когда речь идет о хранении данных, программ и т.п., подразумевается наличие машиночитаемого носителя данных.
Несмотря на то, что примерные варианты осуществления были подробно описаны и показаны на сопроводительных чертежах, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать более широкую полезная модель, и что данная полезная модель не должна ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку различные другие модификации могут быть очевидны специалистам в соответствующей области.