СПОСОБ И СИСТЕМА ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЗАВАРИВАЕМОГО ПРОДУКТА
BREWABLE PRODUCT COOKING METHOD AND SYSTEM

Данное изобретение относится к приготовлению напитков и т.п. из содержащегося в капсуле экстрагируемого материала, например из молотого кофе. В частности, оно относится к способу заваривания и системе для приготовления завариваемого продукта.
Известны экстракционные аппараты для приготовления напитков из имеющегося в порционной упаковке экстрагируемого материала, например кофеварки и кофеварки для приготовления кофе "эспрессо", при этом они по-прежнему пользуются большой популярностью. Во многих соответствующих системах порционные упаковки выполнены в виде капсул, в которых экстрагируемый материал закрыт, например, герметично. Для экстракции капсулу прокалывают с двух расположенных друг против друга сторон. На первой стороне вводят жидкость для заваривания, чаще всего горячую воду. На второй стороне из капсулы выводят завариваемый продукт. При этом в зависимости от приготавливаемого напитка и системы внутри капсулы должно существовать значительное давление, например 5-20 бар.
В качестве материалов для капсул, в частности, применяют алюминий и полимеры, например полипропилен. Алюминиевые капсулы обеспечивают очень хорошую сохраняемость (сохранение аромата) экстрагируемого материала, но при их изготовлении затрачивают большое количество энергии. Полипропиленовые капсулы в отношении затрат энергии и удаления отходов выгодны, но они предъявляют повышенные требования к механизму для прокалывания и сохранению аромата.
На рынке предлагаются как капсулы со встроенными фильтрующими средствами, так и капсулы, которые только имеют оболочку, окружающую экстрагируемый материал, механизм для прокалывания которых, следовательно, должен иметь такую конструкцию, которая исключает нежелательный вывод из капсулы экстрагируемого материала вместе с завариваемым продуктом.
Из патентного документа WO 2010/118543 известна порционная капсула для кофе, которая имеет приблизительно кубическую форму и в отличие от известных чашеобразных капсул не имеет кольцевой закраины, проходящей в плоскости (верхней) закрывающей поверхности. В известных капсульных системах такая кольцевая закраина необходима, во-первых, чтобы направлять капсулу при загрузке в кофеварку, а после загрузки удерживать ее в промежуточном положении. Во-вторых, такая кольцевая закраина необходима для закрытия капсулы посредством ультразвуковой сварки или термосваривания при помощи плоской крышки (которую также могут выполнить в виде пленки). При закрытии посредством ультразвуковой сварки кольцевая закраина необходима для расположения направителя ультразвуковой энергии. Если капсулу закрывают посредством термосваривания, то кольцевая закраина необходима для того, чтобы крышка прилегала на достаточно большой площади. В противоположность этому согласно патентному документу WO 2010/118543 применяют выпуклую крышку, а закрытие осуществляют посредством одновременной ультразвуковой резки и сварки. Таким образом, капсула, изготовленная в соответствии с документом WO 2010/118543, независимо от своей ("кубической") формы вместо кольцевой закраины имеет валик сварного шва. Этот валик проходит между плоскостями, ограниченными верхней закрывающей поверхностью, при этом протяженность (выступ в боковом направлении) валика значительно уменьшена по сравнению с известными кольцевыми закраинами и он лишь незначительно отклоняется от трехмерной, например кубической, формы капсулы.
Кроме того, из патентного документа WO 2010/118544 известны устройства для выпуска завариваемого продукта из порционной капсулы и ввода жидкости для заваривания в порционную капсулу. Эти устройства имеют перфорационные элементы, проходящие от опорной поверхности. Ввод и вывод осуществляют не через перфорационные элементы, а мимо них. Кроме того, перфорационным элементам могут соответствовать удерживающие ребра, имеющие нережущую кромку, предотвращающую прилегание стенки капсулы к опорной поверхности вблизи удерживающего ребра вследствие того, что стенка капсулы прилегает к этой кромке.
Для приготовления высококачественного заваренного напитка часто является важным, чтобы экстрагируемый материал во время заваривания был плотным и не завихрялся. Однако часто возникает проблема, заключающаяся в том, что по технологическим причинам и/или из-за заданного размера капсулы и количества заполняющего вещества экстрагируемый материал в капсуле не может быть сжат произвольным образом.
В патентном документе WO 2008/015642 предлагается сжимать экстрагируемый материал в таблетку при заполнении капсулы, а затем закрывать капсулу в условиях вакуума, так что после закрытия крышку капсулы прижимают к поверхности капсулы, при этом крышка прилипает к этой поверхности. Недостаток этого решения состоит в том, что, несмотря на существующий внутри капсулы вакуум, экстрагируемый материал при транспортировке может снова разрыхлиться, а таблетка внутри капсулы нестабильна.
Кроме того, из документа WO 2010/118545 известна система, в которой во время заваривания капсулу сжимают при помощи действующих сбоку нажимных пальцев. Однако это само по себе хорошо работающее решение имеет недостаток, заключающийся в том, что для него требуются дополнительные механические элементы, а также в том, что пальцы, входящие снаружи в заварочную камеру, трудно разместить по геометрическим причинам.
Таким образом, задача изобретения состоит в том, чтобы предложить решения для вышеизложенных проблем. В частности, эти решения должны обеспечить возможность процесса заваривания в условиях сжатия, причем даже в ситуациях, когда невозможно полностью заполнить капсулу сжатым экстрагируемым материалом, или ее заполняют неполностью по другим причинам.
Эта задача решается благодаря изобретению, определенному в формуле изобретения.
В соответствии с одним аспектом данное изобретение относится к способу заваривания, в котором из введенной в капсулу жидкости для заваривания (в частности, горячей воды) в процессе экстракции получают завариваемый продукт (в частности, горячий напиток) и который включает в себя следующие этапы:
- обеспечивают капсулу в виде закрытой капсулы, которая имеет стенку капсулы, содержащую закрывающую поверхность со стороны экстракции, закрывающую поверхность со стороны инжекции и окружную боковую поверхность, проходящую между закрывающей поверхностью со стороны экстракции и закрывающей поверхностью со стороны инжекции, а также имеет экстрагируемый материал внутри капсулы, окруженный стенкой капсулы;
- помещают капсулу в заварочный модуль машины для приготовления завариваемого продукта, который имеет инжектор для ввода в капсулу жидкости для заваривания и выпускное устройство для выпуска завариваемого продукта, при этом инжектор имеет по меньшей мере один перфорационный элемент со стороны инжекции, проходящий от опорной поверхности со стороны инжекции, а выпускное устройство имеет по меньшей мере один перфорационный элемент со стороны экстракции, проходящий от опорной поверхности со стороны экстракции;
- закрывают заварочную камеру заварочного модуля настолько, чтобы капсула находилась в заварочной камере, окружная боковая поверхность капсулы со стороны инжекции охватывалась уплотнением капсулы, а указанный по меньшей мере один перфорационный элемент со стороны инжекции проколол закрывающую поверхность со стороны инжекции вдоль линии (например, двухмерной) разреза, например, так, что возникает по меньшей мере один язычок со стороны инжекции закрывающей поверхности со стороны инжекции;
- вводят жидкость для заваривания под давлением в область между опорной поверхностью со стороны инжекции и закрывающей поверхностью со стороны инжекции так, чтобы вследствие давления жидкости закрывающая поверхность со стороны инжекции вдавливалась в направлении полости капсулы и по меньшей мере частично перемещалась в полость капсулы, в то время как охватывающее уплотнение капсулы удерживает окружную боковую поверхность и так, чтобы жидкость для заваривания проходила в полость капсулы мимо по меньшей мере одной вдавленной в полость капсулы части стенки капсулы со стороны инжекции, например, в соответствующих случаях, мимо язычка; и
- поддерживают давление на жидкость для заваривания по меньшей мере до тех пор, пока завариваемый продукт не выйдет из по меньшей мере одного выходного отверстия, образованного в закрывающей поверхности со стороны экстракции в результате прокалывания посредством указанного по меньшей мере одного перфорационного элемента со стороны экстракции.
Перемещение под давлением закрывающей поверхности со стороны инжекции, например, может представлять собой параллельное перемещение центральной части закрывающей поверхности со стороны инжекции или прогиб в направлении полости капсулы закрывающей поверхности со стороны инжекции. Также возможны смешанные формы с прогибающимися участками и участками, остающимися плоскими и перемещающимися параллельно.
Двухмерная линия разреза возникает тогда, когда перфорационный элемент производит не только точечную перфорацию, как тонкая игла, или не только одну прямую (одномерную) линию разреза, а тогда, когда проекция перфорационного элемента на опорную поверхность (и, следовательно, также линию разреза) образует поверхность, при этом перфорационный элемент имеет изогнутую или угловую форму или содержит несколько частей, например, расположенных под углом друг к другу. В частности, перфорационный элемент может содержать плоский элемент, проходящий от опорной поверхности, например, приблизительно перпендикулярно, в особенности листовой элемент (причем термин "листовой элемент" не ограничивает выбор материала и включает в себя плоские элементы соответствующей формы, в том числе из пластикового материала), изогнутый в виде дуги или под углом, или содержит несколько листовых элементов, расположенных под углом друг к другу. Альтернативно по отношению к двухмерной линии разреза также можно использовать одномерную линию разреза в комбинации с расположенным под углом к ней удерживающим ребром, которое вызывает открывание стенки капсулы, надрезанной при помощи линии разреза, по типу рыбьей пасти.
Таким образом, данное изобретение основано на том подходе, что для сжатия капсулы применяют саму жидкость для заваривания, в то время как капсулу удерживают при помощи упругого средства, а именно при помощи охватывающего уплотнения капсулы. Этот подход, помимо прочего, использует тот факт, что в случае капсул с полимерными стенками возможность пластической деформации капсулы также зависит от температуры, при этом в процессе заваривания в капсулу, в целом, вводят горячую жидкость для заваривания (по меньшей мере 80° или по меньшей мере 90°, например, вплоть до температуры кипения (100° на уровне моря) или до 95°). После пластической деформации капсула остается в сжатом состоянии даже тогда, когда давление между наружной стороной капсулы (со стороны инжекции) и полостью капсулы, по существу, выровнено. Поэтому особенно хорошо этот способ действует в сочетании с капсулами, стенка которых имеет температуру стеклования, лишь немного меньшую, чем температура окружающей среды, или даже выше температуры окружающей среды, вследствие чего интервал между температурой окружающей среды и температурой заваривания имеет особое значение и сильно влияет на пластическую деформацию. В частности, температура стеклования капсулы составляет от -50 до 50°, в частности от -30 до 20°, в особенности от -20 до 5° (все данные о температуре в °C).
Толщина полимерной стенки может составлять, например, от 0,2 до 0,4 мм, в частности от 0,25 до 0,35 мм, благодаря чему можно использовать стенки капсулы глубокой вытяжки. В качестве материала можно использовать, например, полипропилен или другие полимеры, в частности, но не исключительно, имеющие температуру стеклования в вышеуказанном диапазоне.
Тем не менее, не исключено применение других материалов, в том числе неполимерных материалов.
В целом, перфорационные элементы не имеют проходных каналов, проходящих через перфорационные элементы в осевом направлении (здесь осевое направление соответствует направлению перпендикулярно опорной поверхности). Данные элементы предназначены только для перфорации капсулы. Как более подробно поясняется ниже, ввод и вывод жидкостей из капсулы происходит мимо перфорационных элементов. Поэтому сами перфорационные элементы могут представлять собой сравнительно простые, незащищенные, компактные, не содержащие отверстий элементы, например пластинчатые элементы (из металла или полимера).
Является особенно предпочтительным, если, по меньшей мере, перфорационные элементы со стороны экстракции и, например, также перфорационные элементы со стороны инжекции имеют по одному нережущему удерживающему ребру, протяженность которого в осевом направлении меньше осевой протяженности режущей и/или перфорирующей части соответствующего перфорационного элемента. Поэтому при перфорировании режущая часть сначала образует двухмерную (т.е. представляющую не только одну прямую) линию разреза, которая, однако, сразу же снова закрывается режущей частью (например, пластинчатыми элементами). При дальнейшем проникновении перфорационных элементов в полость капсулы язычок материала, например, благодаря соответствующим удерживающим ребрам, приподнимается, так что образуется отверстие для жидкости.
Заварочный модуль и капсула могут быть выполнены с такими размерами, чтобы расстояние между закрывающей поверхностью капсулы со стороны инжекции и закрывающей поверхностью капсулы со стороны экстракции примерно соответствовало или было немного меньше расстояния между опорными поверхностями со стороны инжекции и экстракции при закрытой заварочной камере, так что, - например, помимо прочего, из-за пластической деформации капсулы при наталкивании перфорационных элементов вследствие сопротивления, которое оказывает полимер резанию при помощи перфорационных элементов, - перед вводом жидкости для заваривания к опорным поверхностям прилегают не обе закрывающие поверхности. Таким образом, даже при закрытой заварочной камере со стороны инжекции и/или со стороны экстракции между опорной поверхностью и соответствующей закрывающей поверхностью капсулы остается промежуточное пространство. В этом случае перфорационные элементы также проникают в капсулу не до самого упора.
В частности, прокалывание может происходить так, что язычок закрывающей поверхности со стороны инжекции может вдавливаться в полость капсулы (например, при наличии, при помощи соответствующего удерживающего ребра и/или действующего снаружи давления жидкости для заваривания), однако капсула, по меньшей мере, своей закрывающей поверхностью со стороны экстракции прилегает к опорной поверхности, расположенной со стороны экстракции, не полностью, т.е. между ними имеется расстояние, которое, например, соответствует от 30 до 100% высоты перфорационных элементов со стороны экстракции.
В этом случае данный способ можно осуществить так, что посредством ввода жидкости для заваривания давление в полости капсулы увеличивают до тех пор, пока закрывающая поверхность со стороны экстракции, под действием образованного в капсуле внутреннего давления, не переместится к опорной поверхности, расположенной со стороны экстракции, причем при помощи перфорационных элементов со стороны экстракции в капсуле образуют или увеличивают выходные отверстия, через которые из капсулы можно вывести завариваемый продукт.
Однако опционально в этом варианте осуществления предлагаемого способа прокалывание со стороны экстракции можно произвести уже во время этапа закрытия заварочной камеры. В частности, перфорационные элементы со стороны экстракции могут выдаваться в капсулу настолько, что возникают щелевидные проколотые отверстия, которые, однако, закрываются самими перфорационными элементами, так что завариваемый продукт может выходить через эти отверстия лишь с трудом. Затем после создания внутреннего давления закрывающую поверхность со стороны экстракции, например, прижимают к перфорационным элементам настолько, что удерживающие ребра перфорационных элементов в каждом случае вдавливают в полость капсулы язычок, расположенный со стороны экстракции, так что возникают выходные отверстия.
Таким образом, подход, осуществляемый в соответствии с этим вариантом, улучшает возможность создания внутри капсулы высокого внутреннего давления. Получается процесс предварительного заваривания в сжатом кофе тонкого помола. Процесс предварительного заваривания известен, например, для автоматических кофеварок с кофемолкой. В этих кофеварках к указанному процессу стремятся сознательно, сначала сжимая молотый кофе при помощи механических средств, а затем вводя жидкость для заваривания до пропитывания сжатого кофе тонкого помола, после чего подачу жидкости для заваривания на некоторое время (от долей секунды до нескольких секунд) прекращают, и только после этого начинается сам процесс заваривания. Хотя в предлагаемом подходе не исключено целенаправленное прекращение подачи жидкости для заваривания при помощи соответствующего управления, однако оно не является безусловно необходимым для процесса заваривания благодаря предлагаемым мерам.
В целом, уплотнение капсулы со стороны инжекции выполняется из гибкого, эластично деформируемого материала, в частности из материала, обладающего резиноподобной эластичностью, и/или эластомерного материала. В частности, уплотнение капсулы может охватывать капсулу вдоль окружной боковой поверхности и, благодаря своей гибкости, давить на стенку капсулы так, что уплотнение удерживает капсулу.
В частности, уплотнение капсулы предпочтительно выполнено с такими размерами и согласовано с капсулой так, что окружной уплотнительный элемент (в частности, уплотняющая кромка или уплотняющее утолщение) проходит внутрь в радиальном направлении настолько, что окружную боковую поверхность при закрытии заварочной камеры локально деформируют и перемещают внутрь вдоль уплотнительного элемента. Таким образом, происходит не только нажатие (воздействие силы) на стенку благодаря гибкости уплотнения, но и уплотнительный элемент проходит внутрь настолько, что также происходит деформация капсулы, - на стенке капсулы формуют, по меньшей мере, временно, элементы, соответствующие уплотнительному элементу, - например, желобок, соответствующий уплотняющей кромке или уплотняющему утолщению, или в случае нескольких таких элементов - соответствующее множество желобков.
Температура заваривания, материал стенки капсулы и размеры, в частности, могут быть согласованы друг с другом так, что эта деформация представляет собой пластическую деформацию и сохраняется во время и после процесса заваривания, что, как рассмотрено ниже, может оказать особое стабилизирующее действие.
Кроме того, радиальная деформация, вызванная уплотнением капсулы, может привести к дополнительному легкому уплотнению наполнения капсулы, что также может быть предпочтительным.
Особенно предпочтителен вариант, когда уплотнение капсулы имеет множество окружных уплотняющих кромок и/или уплотняющих утолщений, которые благодаря своей гибкости давят на стенку капсулы в направлении полости капсулы, причем между следующими друг за другом уплотняющими кромками и/или уплотняющими утолщениями в каждом случае расположено углубление таким образом, что в рабочем состоянии между следующими друг за другом уплотняющими кромками и/или уплотняющими утолщениями и капсулой образуется окружная полость.
Если свойства материала капсулы, например, благодаря выбору материала, имеющего температуру стеклования, выбранную так, как рассмотрено выше, а также выбору давления заваривания от 8 до 20 бар и температуры от 80° до температуры кипения воды, согласованы с давлением заваривания и температурой так, что возможна пластическая деформация капсулы, то это обстоятельство может также использоваться для прочной фиксации капсулы во время и после процесса заваривания, вплоть до выбрасывания. А именно, благодаря внутреннему давлению между уплотняющими кромками или утолщениями возникают небольшие прогибы в окружной полости, что оказывает стабилизирующее действие, направленное против выпадения капсулы в осевом направлении.
Уплотнения капсулы могут иметься также с обеих сторон, т.е. как со стороны инжектора, так и со стороны выпускного устройства. Однако в вариантах осуществления изобретения уплотняющая манжета со стороны инжекции имеет большее протяжение и/или уплотнение со стороны инжекции, имеет больше уплотняющих кромок, чем уплотнение со стороны экстракции. Поэтому в этих вариантах осуществления, в целом, капсула со стороны инжекции также фиксируется с большей силой трения, чем со стороны экстракции.
Капсула может иметь почти любую форму, согласованную с формой заварочной камеры. Изобретение особенно предпочтительно в отношении капсул без одной окружной поверхности из закрывающих поверхностей кольцевой закраины, известной для большинства имеющихся на рынке продуктов. Хотя кольцевая закраина капсулы по-прежнему возможна, необходимой она уже не является. Формы капсулы без кольцевой закраины даже особенно предпочтительны. Как следствие этого, можно принять во внимание также формы капсулы, которые уже не имеют анизотропного усиления в виде кольцевой закраины, что делает возможным большее число степеней свободы.
Изобретение особенно предпочтительно относительно капсулы, имеющей, по существу, форму прямого цилиндра (в широком смысле, т.е. в соответствии с геометрическим определением термина "цилиндр", не ограничивающимся цилиндром вращения), т.е. закрывающие поверхности имеют, по существу, плоскую форму и приблизительно одинаковы, а окружная боковая поверхность расположена приблизительно перпендикулярно к закрывающим поверхностям. Это не исключает наклона боковой поверхности относительно перпендикуляра к закрывающей поверхности, составляющего, например, не более 3°, в частности не более 2° или не более 1,5°. Также не исключено наличие обусловленного технологическими причинами окружного валика сварного шва, расположенного в области боковой поверхности. Тем не менее, капсула может иметь обусловленные технологией кольцевые кромки (например, валик сварного шва), которые проходят в боковом направлении, например, не более чем на 1,5 или 1 мм, или менее и, например, образуют уступ относительно плоскости концевой поверхности.
Для многих применений предпочтительной является такая капсула, которая в перпендикулярном к оси поперечном сечении имеет многоугольную, в частности прямоугольную, форму, например, по существу, кубическая капсула. Преимущества этой формы в отношении логистики, уже описанные в других документах, совершенно неожиданно дополняются повышенной устойчивостью при процессе заваривания с боковой фиксацией при помощи уплотнения и при пластической деформации закрывающей поверхности со стороны инжекции. Во время сжатия посредством жидкости для заваривания боковые кромки оказывают положительное стабилизирующее действие, что удалось подтвердить во время испытаний при помощи формы капсулы, получающейся после заваривания.
Перфорационным элементам можно придать разную форму и расположить их по-разному, причем благодаря следующим признакам, осуществляемым независимо друг от друга или в комбинации, можно реализовать оптимизацию определенных конфигураций.
- Расположение перфорационных элементов со стороны инжекции вблизи направляющей части уплотнения капсулы, т.е. периферийно относительно закрывающей поверхности со стороны инжекции. При прокалывании это оказывает стабилизирующее механическое действие, т.е. материал капсулы может смещаться в меньшей степени. Кроме того, таким образом, обеспечивают хорошее пропитывание экстрагируемого материала. В частности, в случае прямоугольной закрывающей поверхности могут иметься четыре перфорационных элемента со стороны инжекции, по одному элементу на каждом углу.
- Расположение перфорационных элементов со стороны экстракции ближе к оси, т.е. не так периферийно, как расположение перфорационных элементов со стороны инжекции. Благодаря этому можно содействовать тому, что перфорационные элементы со стороны экстракции перед завариванием прокалывают капсулу лишь частично (или вообще не прокалывают ее), и только благодаря увеличивающемуся внутреннему давлению в капсуле происходит полное открытие выходных отверстий.
- Выбор таких размеров перфорационных элементов со стороны инжекции по отношению к перфорационным элементам со стороны экстракции, что перфорационные элементы со стороны инжекции имеют большую осевую протяженность (например, расстояние от острия до опорной поверхности, измеренное в перпендикулярном направлении к этой поверхности).
- Обеспечение проходного отверстия для каждого перфорационного элемента, в частности в области, охватываемой перфорационными элементами (в проекции на опорную поверхность перфорационные элементы в случае двухмерной линии разреза охватывают некоторую поверхность, как подробно описывается в РСТ/СН2010/000098; кроме того, при такой конфигурации получается поднимаемый удерживающим ребром язычок). Удерживающее ребро предпочтительно проходит через проходное отверстие.
В некоторых вариантах осуществления особенно предпочтительной является высота перфорационных элементов со стороны инжекции, составляющая от 110 до 160% от высоты перфорационных элементов со стороны экстракции. Расстояние между перфорационными элементами со стороны инжекции и центральной осью, например, соответствует от 110 до 150% от расстояния между перфорационными элементами со стороны экстракции и центральной осью.
В случае приблизительно кубических капсул размером от 25 до 30 мм (длина капсулы) оптимальная высота перфорационных элементов со стороны инжекции составляет от 6 до 10 мм, в частности от 7 до 9 мм. Если перфорационные элементы имеют форму двух пластин (листов), расположенных под углом друг к другу, то протяженность этих пластин в опорной поверхности предпочтительно немного меньше высоты, например, составляет от 4 до 7 мм. Высота перфорационных элементов со стороны экстракции может составлять от 5 до 8 мм, при этом протяженность пластин, образующих перфорационные элементы, может составлять от 3 до 6 мм. Расстояние между перфорационными элементами со стороны инжекции и центральной осью может составлять от 10 до 17 мм, расстояние между перфорационными элементами со стороны инжекции и краем закрывающей поверхности со стороны инжекции (т.е. расстояние, измеренное в перпендикулярном направлении относительно плоскости, определенной окружной поверхностью стенки) может составлять от 3 до 7 мм.
В случае капсул большего размера, имеющих длину ребра до 35 мм или более, можно выбрать такие же размеры или выбрать перфорационные элементы немного большего размера.
Кроме того, предметом изобретения является система приготовления завариваемого продукта, например система капсул для кофе с кофеваркой, причем машина для приготовления завариваемого продукта имеет заварочную камеру, согласованную с капсулой вышеописанным способом.
При этом в вариантах осуществления изобретения заварочная камера в закрытом состоянии окружает капсулу полностью, а инжектор и выпускное устройство имеют элементы, которые точно подогнаны друг к другу и в закрытом положении вместе образуют заварочную камеру. В осевом направлении (относительно направления жидкости для заваривания и/или направления относительно перемещения частей заварочного модуля) стенки, например, образуют пластину инжектора, имеющую по меньшей мере одно перфорирующее острие со стороны инжекции, и пластину выпускного устройства, имеющую перфорационный элемент со стороны экстракции, вдающийся из этой пластины в заварочную камеру. Верхние, нижние и боковые стенки образуются соответствующими примыкающими друг к другу частями стенки инжектора и выпускного устройства. В закрытом положении соответствующие части стенки могут быть уплотнены относительно друг друга, например, посредством окружного фасонного уплотнения. Это уплотнение, например, может иметь манжету, которая закреплена на одной из частей заварочного модуля и при закрытии заварочной камеры примыкает к поверхности другой части заварочного модуля. Заварочная камера, закрытая таким образом, обеспечивает возможность промывки экстракционного аппарата или заварочного модуля без необходимости установки капсулы, что для пользователя является существенным преимуществом. Тем не менее, это не исключает применения во время промывки или чистки промывочной или замещающей капсулы с закрытой или не полностью закрытой заварочной камерой.
Ниже описаны примеры осуществления изобретения со ссылками на чертежи. Одинаковые или аналогичные элементы на чертежах обозначены одинаковыми номерами позиций. Чертежи выполнены не в масштабе, частично они имеют соответствующие друг другу элементы, которые на разных чертежах имеют различные размеры. На чертежах изображено следующее.
Фиг. 1: капсула.
Фиг. 2: деталь изображения в разрезе заварочного модуля.
Фиг. 3: ситовидная пластинка с перфорационными элементами.
Фиг. 4: перфорационные элементы с опорой, расположенные со стороны инжекции.
Фиг. 5: деталь с изображением уплотнения капсулы, прокалывающей пластины и (частично показанной) капсулы.
Фиг. 6: разрез по линии VI-VI фиг. 7 через капсулу после процесса заваривания.
Фиг. 7: вид со стороны инжекции на капсулу после процесса заваривания.
Фиг. 8: вид изнутри на проколотую стенку капсулы.
Фиг. 9: схема кофеварки.
Фиг 10: разрез, соответствующий фиг. 6.
В соответствии с фиг. 1 капсула 1 имеет, по существу, форму куба со скругленными ребрами, так что стенка капсулы образована двумя закрывающими поверхностями 1.1, 1.2 (на фиг. 1 из-за выбранной ориентации чертежа одна закрывающая поверхность с нижней стороны не видна) и окружной боковой поверхностью 1.3. Однако та сторона, которая на этом чертеже расположена вверху, немного больше нижней стороны, так что со строго математической точки зрения капсула имеет форму усеченной пирамиды. На этом чертеже угол наклона боковых поверхностей относительно перпендикуляров к закрывающей поверхности - подразумевается, что имеется в виду та плоскость, расположенная под прямым углом к закрывающей поверхности, которая проходит через ребро между закрывающей поверхностью и соответствующей боковой поверхностью - очень мал, предпочтительно он составляет не более 2°, например, приблизительно лишь 1°. Кроме того, высота капсулы над закрывающей поверхностью приблизительно соответствует длине ребер закрывающей поверхности. На этом чертеже также виден валик 1.4 сварного шва, проходящий в боковом направлении во все стороны не более чем приблизительно на d=0.6 мм, т.е. не более чем на 2-3% длины ребра куба.
Как само по себе известно, здесь стенка капсулы изготовлена из подходящего полимера, например из полипропилена, и имеет толщину от 0,1 до 0,5 мм, предпочтительно от 0,2 до 0,4 мм, например от 0,25 до 0,35 мм. Возможны и иные материалы, в частности другие пищевые полимеры. В стенку капсулы встроен барьерный слой, способный задерживать кислород и предотвращающий диффузию кислорода в капсулу. Например, барьерный слой состоит из сополимера этилена и винилового спирта (EVOH). Стенка капсулы может содержать основную часть и крышку, изготовленные способом глубокой вытяжки. Закрытие капсулы можно осуществить способом одновременной ультразвуковой резки и сварки. Одна особенность заключается в том, что валик сварного шва расположен не в плоскости одной из закрывающих поверхностей, а смещен относительно нее в осевом направлении.
Толщина наружной стенки, например, со всех сторон приблизительно одинакова. Для объема наполнения приблизительно от 6 до 10 г кофе наружная длина ребер куба, например, составляет от 24 до 30 мм, а для объема наполнения приблизительно от 9 до 14 г кофе - от 30 до 35 мм. Капсула может иметь такую конструкцию, что она содержит только стенку и примыкающее прямо к стенке наполнение (без фильтрующего материала и т.п.), или она может иметь более сложную конструкцию и содержать фильтрующий материал, средства управления потоком жидкости и т.д.
Относительно наружной стенки капсулы и способа ее изготовления см. международную патентную заявку РСТ/СН2010/000097.
Как пояснено ниже, в случае описанного здесь варианта осуществления заварочный модуль согласован с валиком 1.4 сварного шва так, что определена ориентация капсулы в заварочном модуле. При этом закрывающая поверхность, на данном чертеже расположенная сверху, представляет собой закрывающую поверхность со стороны экстракции, а закрывающая поверхность 1.2, расположенная снизу, представляет собой закрывающую поверхность со стороны инжекции. Остальные четыре боковые поверхности куба вместе образуют окружную боковую поверхность 1.3. Этой терминологии мы будет придерживаться ниже. Тем не менее, изобретение можно выполнить так, что:
- выбирают другую, например обратную, ориентацию, когда верхняя и нижняя закрывающая поверхность соответствуют закрывающей поверхности со стороны инжекции и, соответственно, со стороны экстракции;
- ориентация в заварочном модуле вообще не задана, капсулу можно загружать с любой ориентацией;
- форма представляет собой не кубическую, а, например, цилиндрическую форму или другую форму, имеющую две закрывающие поверхности и расположенную между ними окружную боковую поверхность; и/или
- по меньшей мере одна закрывающая поверхность (в частности, закрывающая поверхность со стороны экстракции) имеет не плоскую, а другую форму, например выпуклость и т.п.
Описанная здесь конфигурация с приблизительно кубической формой или другой формой прямоугольного параллелепипеда и таким расположением, что окружной валик 1.4 сварного шва или другое утолщение расположено ближе к закрывающей поверхности со стороны экстракции, чем к закрывающей поверхности со стороны инжекции, предпочтительна в случае некоторых расположений, в частности если валик 1.4 сварного шва образует утолщение, механически стабилизирующее капсулу со стороны экстракции.
На фиг. 2 показан в разрезе пока еще открытый заварочный модуль с загруженной капсулой 1. Заварочный модуль имеет выпускное устройство 3 и инжектор 4. Выпускное устройство 3 и инжектор 4 могут перемещаться относительно друг друга в результате приведения в действие соответствующего механизма, например, рычага управления. В изображенном на чертежах варианте осуществления инжектор 4 может перемещаться в направлении выпускного устройства 3, тогда как последнее неподвижно относительно наружного корпуса.
В рабочем состоянии заварочный модуль служит в качестве горизонтального заварочного модуля кофеварки, которая кроме заварочного модуля имеет бак для воды, устройство для нагревания воды (например, прямоточный подогреватель) и насос для подачи воды для заваривания в инжектор 4. Капсулу 1 можно загружать в заварочную камеру через загрузочное отверстие 7 в наружном корпусе. После загрузки, как показано на фиг. 2, капсула 1 лежит на опорном элементе 21 и опорной поверхности 35 выпускного устройства 3. В результате закрытия заварочной камеры опорный элемент 21 перемещают из положения, изображенного на фиг. 2, - более подробно это описано в европейской патентной заявке 12405010.5.
Как видно из фиг. 2, заварочный модуль выполнен так, что осевое направление - ось 5, соединяющая инжектор и выпускное устройство, вдоль которой при закрытии и открытии заварочной камеры перемещается подвижная часть заварочного модуля (т.е. в данном случае - инжектор) - немного, например, приблизительно на 5°, наклонена относительно горизонтали, причем так, что, когда подвижная часть заварочного модуля (т.е. в данном случае - инжектор) приближается к неподвижной части заварочного модуля (т.е. в данном случае - к выпускному устройству), она немного перемещается вниз.
Инжектор имеет по меньшей мере один перфорационный элемент 12 (в показанном на чертеже примере осуществления имеется четыре перфорационных элемента) с соответствующим ему питающим отверстием, так что капсула может прокалываться и снабжаться жидкостью для заваривания через питающее отверстие. Кроме того, кофеварка имеет расположенную, например, под заварочной камерой емкость для капсул, в которую капсула после заваривания автоматически выбрасывается в результате поднятия рычага управления.
Выпускное устройство 3 также имеет опору, определяющую опорную поверхность, и несколько проходящих от опоры перфорационных элементов 11 с проходным отверстием, соответствующим каждому из них. Завариваемый продукт может вытекать через выводной канал 19.
Инжектор 4 имеет уплотнение 43 капсулы с манжетой, которая при закрытии заварочной камеры удерживает капсулу, охватывая ее. Выпускное устройство 3 также имеет уплотнение 33 капсулы, на котором образована манжета.
Детали инжектора и выпускного устройства, образующие заварочную камеру, согласованы друг с другом так, что они точно подогнаны друг к другу и в закрытом положении вместе образуют заварочную камеру. Верхние, нижние и боковые стенки образуются соответствующими примыкающими друг к другу частями стенки первой и второй части заварочного модуля. Те части стенки, которые образованы инжектором 4, и те части стенки, которые образованы выпускным устройством 3, в закрытом положении уплотнены относительно друг друга при помощи окружного фасонного уплотнения 49. Таким образом, при закрытом положении заварочной камеры заварочная камера герметизирована в наружном направлении, дополнительно к действию уплотнений капсулы. Это делает возможным, например, процесс промывки без вставленной капсулы.
На фиг. 3 показаны перфорационные элементы 11 со стороны экстракции с опорой 30, выполненной в виде ситовидной пластинки. Такая ситовидная пластинка описана, например, в публикации WO 2010/118544. Из фиг. 3 видно, что каждый перфорационный элемент содержит две листовые детали 51, расположенные под углом друг к другу и сужающиеся в направлении перфорирующего острия 53. Проходящая от опоры кромка в каждом случае выполнена в виде режущей кромки 52, так что после перфорации стенки капсулы перфорирующим острием 53 в результате дальнейшего вдавливания перфорационных элементов в капсулу в стенке капсулы возникает линия разреза, образующая угол (и, следовательно, двухмерная). Кроме того, каждый перфорационный элемент имеет удерживающее ребро 54, которое в осевом направлении проходит в капсулу не так далеко, как перфорирующее острие, и имеет нережущую кромку. Каждому перфорационному элементу соответствует проходное отверстие 57, которое на рассматриваемом чертеже схематично показано штрихами только для одного элемента и через которое, например, проходит удерживающее ребро. Проходные отверстия покрыты микроситом 56, которое, как описано в WO 2010/118544, выполняет функции сита, как в автоматической кофеварке. Здесь микросито 56 является необязательной деталью.
Перфорационные элементы 12 со стороны инжекции со своей опорой 40 показаны на фиг. 4. Перфорационные элементы со стороны инжекции также имеют по две листовые детали 61, расположенные под углом друг к другу, сужающиеся в направлении перфорирующего острия 63 и имеющие режущую кромку 62. Также имеется соответствующее удерживающее ребро 65. Как и в случае стороны экстракции, когда это представляет собой опцию, листовые детали 61 могут быть закреплены на опорной пластине опоры, в то время как удерживающие ребра образованы из корпуса 68 заварочного модуля, удерживающего опорную пластину, и через соответствующие отверстия опорной пластины проходят в осевом направлении в заварочную камеру. На фиг. 4 также наглядно показаны проходные отверстия 66, образованные в той области опорной пластины, которая частично охвачена листовыми деталями 61.
На фиг. 5 изображена деталь конструкции перед началом процесса заваривания. Здесь показано расположенное со стороны инжекции уплотнение 43 капсулы, опора 40 с расположенными со стороны инжекции перфорационными элементами 12 и часть капсулы после закрытия заварочной камеры. Корпус 68 заварочного модуля на фиг. 5 не показан. При закрытии заварочной камеры окружная манжета 45 уплотнения капсулы охватывает капсулу 1 так, что благодаря ее эластичности уплотняющие кромки 48 или уплотняющие утолщения прижимаются сбоку к стенке капсулы. Перфорационные элементы 12 перфорируют закрывающую поверхность капсулы со стороны инжекции, и вдавливаются в нее.
Заварочная камера выполнена так, и ее размеры согласованы с размерами капсулы для кофе так, что при полностью закрытой заварочной камере перед началом процесса заваривания (т.е. до того, как под давлением подают горячую воду) к соответствующим закрывающим поверхностям капсулы прилегают не обе опорные поверхности, расположенные со стороны инжекции и экстракции. При закрытом состоянии заварочной камеры расстояние между опорными поверхностями соответствует протяженности капсулы вдоль оси 5 (соответственно протяженности сверху вниз на фиг. 1) перед загрузкой в заварочную камеру, т.е. без приложения силы снаружи. Сопротивление против проникновения прокалывающих остриев, существующее из-за вязкости материала, вызывает легкую деформацию капсулы, так что к соответствующей опорной поверхности не прилегает по меньшей мере одна из закрывающих поверхностей.
На изображении фиг. 5 со стороны инжекции видно некоторое промежуточное пространство между опорой 40 и закрывающей поверхностью капсулы со стороны инжекции. Такое же промежуточное пространство образовано также со стороны экстракции, причем благодаря выбору размеров и/или расположению со стороны экстракции капсулу прокалывают, например, лишь настолько, что перфорационные элементы производят только линию разреза, но удерживающие ребра пока не проходят внутрь капсулы.
Однако в конфигурации согласно фиг. 5 перфорационные элементы 12 со стороны инжекции проникли в капсулу настолько, что вследствие действия удерживающих ребер 65 в каждом случае язычок 70 материала капсулы, образованный благодаря двухмерной линии разреза, вдавливается внутрь капсулы. Без удерживающих ребер это происходило бы (только) благодаря давлению жидкости.
В процессе заваривания горячую жидкость для заваривания под давлением подают через проходные отверстия 66. Это отличается от решений, известных из уровня техники, в которых жидкость для заваривания направляют через сами перфорационные элементы, таким образом, эта жидкость проходит прямо в полость капсулы. Напротив, в решении согласно данному аспекту изобретения благодаря ограниченной пропускной способности отверстий в стенке капсулы давление сначала повышается снаружи стенки, причем жидкость проходит в промежуточное пространство между опорой 40 и стенкой капсулы, так что давление действует на стенку капсулы по всей поверхности. Одновременно благодаря повышенной температуре жидкости для заваривания увеличивается пластическая деформация стенки капсулы (температура стеклования полипропилена составляет приблизительно 0° или немного ниже). В результате сначала стенка капсулы вдавливается внутрь, поэтому, прежде чем в капсулу проникнет большее количество жидкости, содержимое капсулы сжимается и уплотняется. Этот прогиб становится возможным благодаря стабилизирующему действию охватывающего уплотнения 43 капсулы (или охватывающей манжеты 45), удерживающего на месте окружную стенку.
По истечении некоторого времени (в целом, от 1 секунды до нескольких секунд) жидкость для заваривания, проникающая в капсулу в больших количествах, повышает избыточное давление также внутри капсулы, при этом происходит выравнивание давления между полостью капсулы и инжектором. В этот момент времени благодаря тому, что плотный и защищенный от завихрений экстрагируемый материал пропитан жидкостью для заваривания, внутри капсулы начинается процесс предварительного заваривания. Для этого благодаря большему внутреннему давлению в капсуле со стороны экстракции закрывающая поверхность слегка выдавливается наружу и по всей поверхности прижимается к ситовидной пластинке, в результате стенка капсулы со стороны экстракции прижимается к опорной поверхности, расположенной со стороны экстракции. Вследствие этого перфорационные элементы со стороны экстракции (которые расположены, например, на меньшем удалении от оси 5, чем перфорационные элементы со стороны инжекции, поэтому прогиб в этом месте действует сильнее) проникают в капсулу дальше, пока язычки, образованные перфорационными элементами, не будут заметно приподняты от закрывающей поверхности внутрь удерживающими ребрами и, таким образом, откроют выходное отверстие, через которое из капсулы вытекает теперь уже заваренный завариваемый продукт.
На фиг. 6 и 7 форма капсулы показана в разрезе и, соответственно, со стороны инжекции. Здесь хорошо виден прогиб внутрь, так что возникает объем капсулы, уменьшенный на объем 75 сжатия. Благодаря действию охватывающей манжеты в краевой части образовались ребра 74. Кроме того, на этих чертежах изображены имеющиеся в стенке капсулы отверстия 71 со стороны инжекции.
При этом объем сжатия приблизительно может соответствовать объему, на который капсула не была заполнена при ее изготовлении. Например, используемая в описанном здесь варианте осуществления изобретения крышка слегка прогнута. При наполнении капсулы даже при полном наполнении закрытого крышкой стаканчика (образующего нижнюю закрывающую поверхность 1.2 и боковые стенки 1.4) объем, определенный прогибом крышки, не может заполниться, поэтому в этом случае остаточный объем и, следовательно, объем 75 сжатия приблизительно соответствует этому объему. При этом, как показано на фиг. 10, обычно можно наблюдать, что перемещение нижней закрывающей поверхности 1.2 внутрь, на этом чертеже имеющее обозначение "y", приблизительно соответствует величине "x", на которую прогнулась крышка.
Как особенно наглядно показано на фиг. 6, после процесса заваривания капсула деформирована так, что окружная боковая поверхность 1.3 под действием охватывающего уплотнения со стороны инжекции слегка сжата, в то время как со стороны экстракции благодаря внутреннему давлению в капсуле она немного расширена. Кроме того, окружная боковая поверхность, как отпечаток уплотнения, благодаря нескольким уплотняющим кромкам 48 может быть слегка ребристой со стороны инжекции.
Кофе (или подобный ему продукт), выходящий из капсулы, поступает из выходного отверстия через соответствующие каналы в выпускное отверстие, из которого он может течь в приготовленную чашку.
На фиг. 8 изнутри (без экстрагируемого материала) показана проколотая закрывающая поверхность 1.2 капсулы со стороны инжекции. Здесь виден язычок (70), выдавленный под действием удерживающего ребра 65 из плоскости закрывающей поверхности внутрь и, таким образом, открывший отверстие между стенкой капсулы и перфорирующими ножами (листовыми деталями 61). Аналогичный эффект возникает со стороны экстракции, причем со стороны экстракции отсутствует стабилизирующее действие охватывающего уплотнения.
Как схематично показано на фиг. 9, кофеварка с заварочным модулем, кроме заварочного модуля, имеет бак 91 для воды, насос 92 для подачи воды для заваривания в инжектор 4 и устройство 93 для нагревания воды (например, прямоточный подогреватель). Под заварочным модулем установлена емкость 95 для капсул, в которую капсулы 1 падают или перемещаются после заваривания. Под номером позиции 98 обозначена кофейная чашка.
В заключение следует дополнительно отметить, что применение предлагаемого способа не ограничено завариванием кофе. При помощи описанного здесь способа и/или описанных здесь средств также можно изготавливать другие завариваемые напитки, в частности чай, или другие завариваемые продукты.