СПОСОБ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ КОФЕЙНЫХ ЗЕРЕН
TWO-STAGE ROLL MILL

Область техники
Настоящее изобретение относится к способам и устройствам для размалывания кофейных зерен или подобных материалов и, более конкретно, к способам и устройствам для размалывания кофейных зерен или подобных материалов с получением как крупных, так и мелких частиц и/или любого желательного гранулометрического состава (распределения частиц по размерам).
Уровень техники
Приготовление чашки хорошего эспрессо часто рассматривается как вид искусства. Традиционно лучший эспрессо приготавливает бариста, человек, обладающий высокой квалификацией в отношении контроля переменных, обеспечивающего правильную варку чашки эспрессо. В число этих переменных входят температура и давление воды, используемой при варке, доза кофе, его свежесть, влажность, размеры частиц, давление трамбования и т.д. Названные переменные вносят вклад в сопротивление, которое кофе создает для проливаемой воды и наличие которого позволяет воде осуществить процесс варки кофе.
Для того чтобы смолоть дозу кофе, бариста обычно использует регулируемую ножевую (ударную) кофемолку. Однако размеры частиц, получаемых в такой кофемолке, могут варьироваться в широких пределах. Как следствие, непостоянства распределения частиц по размерам кофе может не иметь нужного вкуса. Например, в случае помолов со слишком большим количеством крупных частиц и мелких частиц кофе может оказаться соответственно недоваренным или переваренным. При этом избыток мелких частиц может придать излишнюю горечь.
В связи с этим существует потребность в способах и устройствах, обеспечивающих воспроизводимое желательное распределение частиц по размерам. При этом предпочтительно, чтобы эти способы и устройства можно было настраивать на получение любого желаемого распределения частиц по размерам.
Раскрытие изобретения
В данном описании представлена мельница для размалывания материала. Данная мельница может включать первые валки для измельчения материала, по существу, до первого заданного размера частиц и вторые, регулируемые валки для измельчения части помола с частицами первого заданного размера, по существу, до второго заданного размера частиц.
Таким образом, мельница может представлять собой валковую мельницу. Первые валки могут содержать пару дробильных валков. В состав первых валков может входить также пара валков для дополнительного измельчения. Первый заданный размер частиц может составлять от 200 до 300 мкм. Вторые, регулируемые валки могут содержать пару валков мелкого помола. Длина вторых, регулируемых валков может быть меньшей, чем длина первых валков, например, она может составлять около половины длины первых валков. Степень использования вторых регулируемых валков совместно с первыми валками может быть выбрана в пределах от нуля до примерно 100%. Второй заданный размер частиц может составлять, по меньшей мере, около 40 мкм. Вторые, регулируемые валки могут содержать регулируемый по положению валок и зафиксированный валок.
В данном описании представлена также кофемолка для размалывания кофейных зерен. Она содержит дробильные валки для получения частиц молотого кофе, валки для дополнительного измельчения и придания частицам молотого кофе, по существу, первого заданного размера и регулируемые валки мелкого помола для последующего измельчения доли частиц молотого кофе с приданием им, по существу, второго заданного размера частиц.
В данном описании раскрыт также способ измельчения кофейных зерен. Данный способ включает измельчение первого множества кофейных зерен посредством первой группы валков до размера, составляющего около 250 мкм, измельчение второго множества кофейных зерен посредством второй группы валков до размера, составляющего около 40 мкм, и объединения первого множества кофейных зерен и второго множества кофейных зерен. Размер частиц кофе, составляющий около 250 мкм, может охватывать интервал размеров 250±20 мкм, а размер частиц кофе, составляющий около 40 мкм, - интервал размеров 40±10 мкм. При этом второе множество кофейных зерен может составлять часть первого множества кофейных зерен.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 на виде сверху, в перспективном изображении показан картридж для использования с мельницей по изобретению.
На фиг.2 картридж по фиг.1 показан в перспективном изображении на виде снизу.
На фиг.3 картридж по фиг.1 показан в осевом сечении.
На фиг.4 картридж по фиг.1 показан на виде сверху.
На фиг.5 картридж по фиг.1 показан на виде снизу.
На фиг.6 в осевом сечении показан картридж, снабженный крышкой.
На фиг.7 в осевом сечении показан картридж с помещенным в него материалом для варки.
На фиг.8 предлагаемая мельница показана на виде спереди.
На фиг.9 мельница по фиг.8 представлена на виде сбоку.
На фиг.10A-10D представлены перспективные изображения валков мелкого помола для применения в мельнице по фиг.8.
Сходные или идентичные элементы на различных чертежах имеют сходные или идентичные обозначения.
Осуществление изобретения
На фиг.1-7 представлен вариант картриджа 100, который может использоваться совместно с изобретением. Картридж 100 может быть использован, например, в системе варки порций напитка, описанной в патенте США № 6786134, принадлежащем заявителю настоящего изобретения, или в других системах варки напитков. Хотя в данном описании подробно описан именно картридж 100, вместо него могут применяться и другие емкости для приема частиц после помола. В картридж 100 может быть помещено некоторое количество материала 105, используемого при варке, такого как молотый кофе, чайные листы, порошки или смешиваемый материал иного типа, вкусоароматические или другие добавки или какие-то иные материалы.
Картридж 100 может иметь, по существу, форму чашки 110. Чашка 110 может быть изготовлена из обычного термопластика, например, такого как полистирол, полиэтилен или полипропилен. В качестве альтернативы, возможно использование также нержавеющей стали или других коррозионно-стойких материалов. Чашка 110 может быть выполнена достаточно жесткой для того, чтобы выдерживать тепло и давление, имеющие место в цикле варки, без придания напитку какого-то нежелательного привкуса. Термин "жесткая" применительно к чашке 110 допускает, что она может слегка изгибаться или деформироваться при приложении к ней давления.
Чашка 110 может иметь боковую стенку 120, по существу, в форме кругового цилиндра и, по существу, плоское основание 130. Чашка может иметь и иные формы. Боковая стенка 120 и основание 130 чашки 110 могут быть сформованы как единая деталь. Альтернативно, изготовленные по отдельности боковая стенка 120 и основание 130 могут быть жестко соединены между собой. Боковая стенка 120, основание 130 и чашка 110 в целом могут иметь любой подходящий диаметр, позволяющий использовать чашку в системе варки порций напитка или в устройствах аналогичного типа. При этом боковая стенка 120 и основание 130 чашки 110 могут иметь любые пригодные для использования формы или размеры. Так, боковая стенка 120 может быть прямой вертикальной, наклонной, ступенчатой или криволинейной. В качестве примера, боковая стенка 120 может иметь внутренний диаметр 39,3 мм при толщине стенки 1,1 мм, но возможны и любые иные подходящие размеры.
Картридж 100 может иметь различную глубину в зависимости от количества материала 105 для варки, которое нужно в него поместить. Если картридж 100 используется для приготовления 355 мл напитка, его общая высота может составлять, например, 28,7 мм, а полезная высота его внутреннего объема - 17,1 мм. Таким образом, отношение высоты к диаметру для картриджа 100 объемом 355 мл может составлять 0,73 для общей высоты и 0,435 для полезной высоты. Картридж 100 из полипропилена может иметь массу около 6,4 г.
Картридж 100 для приготовления 237 мл напитка может иметь общую высоту 22,5 мм и полезную высоту 11,8 мм. В этом варианте отношение высоты к диаметру будет составлять 0,57 для общей высоты и 0,3 для полезной высоты при массе картриджа из полипропилена, равной 5,8 г.
Указанные соотношения между диаметром и глубиной позволяют придать чашке 110 и картриджу 100 в целом достаточную прочность и жесткость при минимальном расходе материала: масса картриджа 100 при его изготовлении, например, из гомополимера полипропилена может составлять 5-8 г. При этом чашка 110 и картридж 100 в целом способны выдерживать температуры до 93°С в течение 60 с или более при гидравлическом давлении, превышающем 1 МПа. Хотя картридж 100 с указанным соотношением размеров может слегка прогибаться или деформироваться, он, тем не менее, способен выдерживать ожидаемое давление проходящей через него воды. Приведенные размеры и характеристики указаны только в качестве примера.
В основании 130 может быть выполнено множество отверстий 140, которые могут проходить по всей толщине основания 130. Отверстия 140 могут иметь, по существу, круглую форму с диаметром около 1,6 мм, однако возможны и любые иные подходящие формы и размеры отверстий. В представленном варианте имеется 54 отверстия 140, но возможны и иные их количества. Количество и размеры отверстий 140 выбираются из условия обеспечения требуемого падения давления при использовании картриджа 100 с указанными выше размерами.
Основание 130 может быть также снабжено сформованными на нем ребрами 150. Можно использовать любые желательные профили, количество и/или положение ребер 150. В представленном примере используются круглое внутреннее ребро, круглое наружное ребро и радиальные ребра. Ребра 150 могут иметь высоту около 1 мм, хотя возможны и иные значения высоты. Конструкция ребер 150 выбирается из условия обеспечения дополнительной прочности и стабильности картриджа 100 в цепом при минимальном расходе материала.
У боковой стенки 120 картриджа 100 может иметься верхний фланец 160. Верхний фланец 160 может иметь, по существу, плоскую верхнюю часть 170 шириной 3,45 мм и вертикальным размером 3,4 мм. Размеры фланца 160 могут выбираться в зависимости от размеров соответствующих частей системы приготовления порций напитка (или аналогичной системы), для которой предназначен картридж 100, а также от ожидаемой нагрузки со стороны горячей воды при использовании минимального количества материала. Это требование обусловлено тем, что картридж 100 в процессе подачи в него воды может поддерживаться только своим фланцем 160.
Боковая стенка 120 чашки 110 может также иметь канавки 180. В представленном варианте могут иметься три канавки 180. Однако, в зависимости от количества помещаемого в чашку материала, количество канавок 180 может быть иным. Так, в картридже, рассчитанном на объем напитка, равный 237 мл, можно использовать только две канавки 180. Канавки 180 могут проходить непрерывно по всей окружности внутренней поверхности боковой стенки 120 или иметь разрывы.
Канавки 180 могут взаимодействовать с крышкой 190, у которой может иметься кромка 200, выполненная, по существу, клиновидной по своему периметру для облегчения ее ввода в канавку 180. Наличие канавок 180 гарантирует, что крышка 190 будет зафиксирована в требуемом положении. Кромка 200 может быть непрерывной или иметь разрывы в соответствии с формой канавок 180. Крышка 190 предпочтительно имеет прогиб вовнутрь, т.е. является вогнутой. При изготовлении крышки из пропилена ее масса может составлять около 0,8 г.
В зависимости от количества материала 105 для варки, которое требуется поместить в картридж 100, крышка 190 может быть вставлена в ту или иную из канавок 180. Выполнение крышки 190 вогнутой позволяет утрамбовать (компактировать) используемый материал 105 при соответствующем давлении и предотвратить любое его смещение. Крышка может обеспечить приложение требуемого усилия трамбования к материалу 105 и удерживать его под нагрузкой, действуя, по существу, по принципу шайбы Белльвиля (Bellville washer). Применение крышки 190 для трамбования используемого для варки материала 105 позволяет также ускорить процесс заполнения картриджа 100 указанным материалом. В крышке 190 также могут быть выполнены отверстия 210 для того, чтобы обеспечить возможность прохода через картридж воды, поступающей из системы варки порций напитка или аналогичного устройства. Для некоторых вариантов указанной системы использование крышки 190 может оказаться необязательным.
Картридж 100 может быть устлан одним или несколькими слоями фильтровальной бумаги 220, в качестве которой может применяться стандартная фильтровальная бумага, используемая для сбора материала 105 при обеспечении прохода сквозь нее приготовляемого напитка. При этом, однако, фильтровальная бумага 220 должна иметь достаточные прочность, жесткость и/или пористость, чтобы она не втягивалась в отверстия 140 основания 130 и/или не позволяла мелким частицам материала 105 перекрывать или забивать эти отверстия. Забивание отверстий 140 может привести к дисбалансу падения давления на картридже 100. С учетом жесткости бумаги 220, которая обеспечивает сопротивление деформации, диаметр отверстий 220 основания 130 чашки 110 может быть несколько увеличен для соответствующего увеличения потока через эти отверстия.
2
В качестве примера, фильтровальная бумага 220 может быть изготовлена из комбинации волокон целлюлозы и термопластика. Пригодные сорта фильтровальной бумаги продаются фирмой J.R.Crompton (США) под обозначениями PV-377 и PV-347С. В частности, материал PV-347C может иметь поверхностную плотность около 40 г/м и разрывное давление в мокром состоянии около 62 кПа. Могут быть использованы и иные схожие материалы. Можно также использовать несколько листов с одинаковыми или различными характеристиками.
Картридж 100 может иметь несколько слоев фильтровальной бумаги 220. В рассматриваемом варианте он может иметь верхний фильтрующий слой и нижний фильтрующий слой, который обычно помещается в заданное положение без применения адгезивов. Верхний фильтрующий слой необязательно должен иметь такую же прочность, что и нижний фильтрующий слой. Этот верхний слой обеспечивает диспергирование воды и предотвращает забивание системы для варки порций напитка или аналогичного устройства частицами размолотого материала. Сам используемый для варки материал 105 может быть размещен между указанными слоями фильтровальной бумаги 220, предпочтительно находясь в контакте с боковой стенкой 120, т.е. фильтровальная бумага 220 не перекрывает боковую поверхность чашки 110. Такое выполнение позволяет воде проходить сквозь сам используемый материал 105 вместо того, чтобы проходить через чашку 110 по фильтровальной бумаге 220.
Используемый для варки материал 105 может быть помещен в пакет из фольги или иного воздухонепроницаемого материала. Такой пакет может служить для удерживания используемого материала 105 внутри него свежим и вне контакта с окружающим воздухом. Альтернативно, картридж 100 индивидуально или в группе может целиком храниться в пакете из фольги до момента его применения.
Используемый для варки материал 105 обычно приготавливается в мельнице 250. Мельница 250 может принимать исходный (сырьевой) материал, которым в рассматриваемом примере являются кофейные зерна, и размалывать его на частицы кофе. Могут использоваться и другие материалы. Как показано на фиг.8-10, мельница 250 предпочтительно является валковой мельницей. Подобные мельницы выпускаются, например, фирмой Modern Process Equipment, Inc. (США), как модели 660FX, 666EX.WC, 888EX.WC и др. Как будет показано далее, валковая мельница 250 предпочтительнее мельниц других типов, например ударных.
В рассматриваемом примере мельница 250 может иметь три ступени валков. В качестве первой ступени может использоваться пара дробильных валков 260. Вторая ступень может быть образована парой валков 270 для дополнительного измельчения. Заключительная ступень может состоять из пары валков 280 мелкого помола. Альтернативно, может использоваться любое количество валков 260, 270, 280. Валки 260, 270, 280 могут быть выполнены регулируемыми, чтобы получать частицы с любыми заданными размерами. Мельница 250 может содержать также входной бункер 290 и выходной узел 300. Мельница 250 может иметь и иные конфигурации.
Как показано на фиг.10A-10D, взаимное положение валков 280 мелкого помола может перестраиваться с целью регулирования количества мелких частиц, дополняющих более крупные частицы. В представленном примере степень использования валков 280 мелкого помола может быть изменена от нуля до примерно 100%. При этом валки 280 мелкого помола могут иметь меньшую длину, чем остальные валки 260, 270. Например, если валки 260, 270 имеют длину 76.2 см, длина валков 280 мелкого помола может составлять 38,1 см. В данном случае при максимальной степени использования валков мелкого помола примерно 50% частиц будут являться мелкими частицами. При этом степень использования валков 280 мелкого помола может быть настроена на любое значение. Кроме того, валки 280 могут иметь любую длину. В отсутствие использования (т.е. взаимного перекрытия) валков 280 (что соответствует фиг.10А) мелкие частицы будут отсутствовать, Степень использования, равная 20% (см. фиг.10В), даст примерно 10% мелких частиц, степень использования, равная на 50% (см. фиг.10С). даст примерно 25% мелких частиц, а полное использование (на 100%) даст примерно 50% мелких частиц. Таким образом, может быть получена любая желаемая доля мелких частиц, размер которых может составлять всего 40 мкм. При этом могут быть получены любые желательные размеры.
Регулируемым по положению может быть сделан только один из валков 280 мелкого помола, тогда как второй валок может быть зафиксирован. После получения заданного перекрытия посредством настройки, регулируемого по положению валка 280, он может быть зафиксирован с помощью соответствующего хомута или любого иного пригодного для этой цепи средства.
Материал 105 для варки (в рассматриваемом варианте кофейные зерна) может быть помещен во входной бункер 290, откуда он будет проходить между дробильными валками 260, которые будут дробить данный материал 105, по существу, до желаемых размеров. Затем он проходит через валки 270 для дополнительного измельчения. Расстояние между этими валками 270 выбрано таким, чтобы обеспечить получение частиц с заданными размерами. Применительно к рассматриваемому варианту заданный размер частиц может составлять, например, 200-300 мкм, причем для некоторых напитков оптимальный размер частиц составляет 250 мкм. Могут быть обеспечены и другие желательные размеры. Относительно крупные частицы, образующиеся при прохождении через дробильные валки 260 и валки 270 для дополнительного измельчения, позволяют приготавливать напиток с желаемыми крепостью, интенсивностью вкуса и другими характеристиками.
Если требуется иметь определенную долю мелких частиц, валки 280 мелкого помола устанавливаются во взаимное положение, соответствующее этой требуемой доле. Как будет более подробно пояснено далее, использование валков 280 мелкого помола влияет на сопротивление потоку воды и, следовательно, на время варки используемого материала 105. Повышение доли мелких частиц увеличивает сопротивление потоку и время варки.
Мельница 250 может содержать также уплотнитель 310, размещенный под валками 280 мелкого помола. Уплотнитель 310 может содержать ножи, служащие для придания индивидуальным частицам более однородных размера и формы. В частности, частицы приобретают более однородную сферическую форму и, возможно, становятся более твердыми. Уплотнение частиц приводит к модификации свойств напитка, поскольку изменение их плотности влияет на характеристики течения проходящего сквозь них потока.
В дополнение к формированию однородных сферических частиц уплотнитель 310, видимо, уменьшает количество мелких частиц в результате "склеивания" ("слипания") этих частиц в более крупные. Такое "склеивание" может быть обусловлено присутствием в частицах масел, приданием им дополнительной энергии или другими факторами. В частности, содержание твердых веществ в кофе после уплотнения может составлять около 6%. В то же время без уплотнения это содержание может достигать примерно 7,5%, что дает конечный продукт, который может оказаться слишком крепким. Основным результатом уплотнения является получение более узкого, т.е. однородного, распределения частиц. Хотя операция уплотнения использовалась для облегчения затаривания кофе в упаковки, она не применялась ранее для изменения характеристик напитка, получаемого из размолотого материала.
Как показано выше, валковые мельницы, видимо, обеспечивают улучшенное распределение частиц по размерам, которое становится более стабильным. Валковая мельница 250 дает меньшее количество крупных частиц, экстракция из которых может быть неполной и которые могут придавать напитку неоптимальный вкус, и меньшее количество очень мелких частиц, которые могут изменять вкус приготовленного напитка за счет избыточной экстракции и придания ему горечи. Такие частицы оказывают также влияние на противодавление в картридже 100, поскольку оно обратно пропорционально квадрату размеров частиц, т.е. возрастает по мере уменьшения размеров частиц.
Сравнение валковой и ударной мельниц (кофемолок) иллюстрируется фиг.11. Распределение по размерам частиц полученного на валковой кофемолке помола для сорта кофе "Rain Forest" (слева на фиг.11) имеет границу около 8,0 мкм, тогда как аналогичное распределение для сорта "Milano" (полученное на ножевой кофемолке) продолжается до 0,1 мкм. Аналогично, валковая кофемолка дает меньшее количество более крупных частиц.
На фиг.11 показано, что размеры свыше 80% частиц, полученных на валковой кофемолке, распределены в интервале 220-250 мкм, тогда как 99% этих частиц имеют размеры в интервале 8-650 мкм. В более общем случае 75% частиц кофе могут иметь распределение размеров в интервале 200-300 мкм. Хотя воспроизводимое распределение частиц по размерам при максимуме распределения у 250 мкм обеспечивает улучшенное качество напитка, может представляться желательным иметь и некоторое количество мелких частиц, чтобы обеспечить в процессе варки требуемые сопротивление потоку и давление. Отсутствие достаточного количества мелких частиц может привести к слишком быстрому проходу воды. В данном случае от 10% до 20% частиц в распределении могут иметь размеры до 40 мкм. При этом может быть получена любая желаемая доля мелких частиц.
Таким образом, валковая мельница 250 обеспечивает более узкое и более стабильное распределение частиц по размерам. При этом можно регулировать количество мелких частиц, чтобы ограничить горечь напитка при поддержании воспроизводимого падения давления на материале. Такое распределение частиц по размерам дает кофе-напиток с улучшенным и воспроизводимым вкусом.
При использовании картриджа 100 на основание 130 чашки 110 картриджа может быть помещена фильтровальная бумага 220. Затем на этот слой помещают требуемое количество используемого для варки материала 105. После этого, если это необходимо, на используемый материал 105 может быть наложен дополнительный слой фильтровальной бумаги. Затем внутрь чашки 110 можно ввести крышку 190, чтобы утрамбовать материал 105 с приложением силы 133 Н (значение прикладываемой силы можно варьировать). После того как крышка 190 обеспечила компактирование используемого материала 105, ее кромка 200 вводится в канавку 180, выполненную в боковой стенке 120 чашки 110. Картридж 100 после этого может быть запечатан в пакет или иным образом подготовлен для использования совместно с системой для варки порций напитка или с иным устройством.
Давление воды, текущей через картридж 100, можно варьировать в зависимости от характера используемого для варки материала 105. Горячая вода под давлением может подаваться в картридж 100 от любого подходящего источника. Характеристики потока воды, пропускаемой через картридж 100, зависят от его геометрии и размеров, от природы и количества используемого материала 105, от давления и температуры воды, а также от времени варки. Температуру варки обычно выбирают в интервале 85-100°С или несколько выше, а давление - в интервале 1,0-1,4 МПа. Изменение любого из этих параметров может привести к изменению характера напитка. Как было отмечено выше, желательно поддерживать однородность частиц по размерам. Экстракция растворимых твердых веществ из частиц молотого кофе, не имеющих требуемых размеров, обычно оказывается чрезмерной или недостаточной. Использование мельницы 250 способствует повышению однородности и стабильности размеров частиц. Применение уплотнителя 310 также улучшает однородность размеров частиц. Трамбование частиц кофе помогает получить однородный поток жидкости через картридж 100. Как упомянуто выше, размеры частиц влияют на противодавление, за счет которого осуществляется "работа" по приготовлению напитка.