CN101795608A - 用于利用石灰垢预防系统来制备具体为咖啡的饮料的机器和相关方法 - Google Patents

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Abstract

描述一种用于利用液压回路使用热水来制备饮料、具体为咖啡以及其他食物的机器(1)，该机器包括：水箱(5)；用于加热水的煮沸器(11)；用于馈送水的泵(9)；冲泡单元(3)，其从所述煮沸器(11)接收水，并且用于制备咖啡或者其他食物的产品插入于其中。该机器(1)具有用于处理水以减少钙质沉积物在所述液压回路中的形成的磁场发生器(31)。

Description

用于利用石灰垢预防系统来制备具体为咖啡的饮料的机器和相关方法
技术领域
本发明涉及一种用于使用热水来制备食品、具体为饮料并且更具体为咖啡的机器。
背景技术
在小型家电之中越来越多地使用通过用热水冲泡来制备饮料的机器。通常，在这些机器之中，用来制备咖啡的自动、半自动或者手动型机器尤为突出。
用于制备这一类饮料的电动机器通常具有水容器和液压回路，该回路一般包括馈送泵、煮沸器和冲泡单元。在冲泡单元中，限定有食品(比如松散的研磨咖啡、单份成盒研磨咖啡、将在水中稀释或者溶解的成盒产品等)加载到其中的冲泡室。通过向冲泡室馈送加压热水以从加载到冲泡室中的食品提取饮料成分。
在使用这些机器时遇到的最大缺点之一在于形成钙质沉积物、具体为碳酸钙并且次要地沿及碳酸镁。这些沉积物通常形成于煮沸器中，而且也形成于热水穿过的管中，并且逐渐地阻碍水流。在煮沸器中形成的积垢降低热交换效率，因为它们实质上形成热绝缘层。
形成的沉积物紧密并且粘附到煮沸器和水管的壁，并且必须使用化学物质来定期去除。除垢操作对于用户而言既费时又麻烦，这需要高成本的化学产品并且必需对机器进行后续清洗循环(再调整)，以去除用于除垢的化学产品的残留物。事实上，这些产品在机器产生的饮料中的存在造成健康威胁和饮料的口感改变。
然而，在一些情况下，使用除垢循环并不令人满意并且不能从这一类机器的液压回路高效地去除碳酸盐积垢。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种完全地或者部分地克服前述缺点的用于使用热水来制备咖啡的机器、具体为咖啡机。
本发明一个具体实施例的目的在于提供如下机器，在该机器中延迟、抑制或者在任何情况下减少难以从液压回路去除的碳酸钙和碳酸镁沉积物以及其他沉积物的形成。
根据一个不同方面，本发明的一个目的在于提供一种用于制备热饮、具体为咖啡的方法，该方法允许减少石灰垢沉积物的形成而不改变饮料的口味特性并且无需使用化学除垢产品或者在任何情况下降低这些产品的使用频率。
实质上，根据本发明的一个实施例，提供一种用于利用液压回路使用热水来制备饮料和其他食物(特别是咖啡)的机器，该机器包括：水箱；用于加热水的煮沸器；用于馈送水的泵；冲泡单元，其从所述煮沸器接收水，并且用于制备饮料或者其他食品的产品插入于其中。该机器的特征在于还包括布置成进行水处理以便减少石灰垢沉积物在液压回路中的形成的磁场发生器。
使用磁场以影响碳酸钙和碳酸镁的沉淀条件已经成为关于功效和可实现的结果而言有矛盾结果的诸多研究的主题内容。一般而言，已经尝试在水的工业处理以及沉淀所致碳酸钙和碳酸镁的去除中运用磁场。
在1865年的第50,773号美国专利中已经描述了使用由永磁体生成的磁场以减少钙质沉积物在煮沸器中的形成。US-A-4216092和US-A-2,652,925描述了用于水处理的磁设备。这些设备包括如下管，在该管中有包含钙和镁离子的水流动，并且在该管以内或者以外一连串永磁体相对于管布置于同轴位置，从而减少钙和镁沉淀物在热交换器和煮沸器以内的粘附。EP-A-1006083描述了以一种用于处理工业水以减少碳酸盐沉积物的相似系统。在EP-A-0325185中描述了一种用于使用磁场来处理工业水的又一设备。
在WO-A-2006/029203中和在WO-A-03/000596中描述了用于处理工业用水流的更多磁系统。
然而，虽然知道使用磁场来影响碳酸钙和碳酸镁的沉淀条件的可能性已经有一百多年，但是迄今为止看来尚未将这一现象作为系统用于防止或者减少碳酸盐沉积物在用于制备食物的机器以内并且具体地在用于制备咖啡的机器内的形成。
这一境况在考虑如上文强调的那样由于碳酸盐在用于制备咖啡的机器的液压回路中的沉淀和粘附所致的重大缺点时尤为相关。
使用磁场以减少积垢在咖啡机中的形成，获得包括以下优点在内的重要优点：
-增加煮沸器的寿命并且随之减少技术辅助成本；
-改进制备的食物的口味性质；
-无需使用化学剂以清洁形成有积垢的区域，或者至少明显减少对这些化学剂的使用；
-消除(或者至少减少)用于在使用化学除垢剂之后再调整设备的冲洗循环；
-与在没有防止石灰垢的磁设备时的相同操作时间相比，由于形成于其中的积垢的厚度减少，由于煮沸器中的热交换功效减少量更少而节省能量。
磁场发生器设备可以包括一个或多个永磁体或者一个或多个电磁体或者电磁体和永磁体的组合。
在一个实施例中，磁场发生器可以布置于水箱以内，泵从该水箱吸水以将它馈送到机器的煮沸器。
在本发明的一个优选实施例中，沿着机器的液压回路的管之一对磁场发生器设备进行定位。在一个实施例中，在煮沸器的上游、沿着在泵与煮沸器之间的管布置磁场发生器，以作用于从泵流向煮沸器的水并且保证向水施加的磁场的作用减少难以去除的沉积物在煮沸器以内的形成。在一个实施例中，沿着水流管并且在其以外布置一个或者多个永磁体。
在一些实施例中，煮沸器可以是包括用于让水通过的盘管的类型，该盘管近似同轴地布置于也在盘管中缠绕的电阻元件以外或者以内。在其他实施例中，煮沸器可以是包括具有入口和出口的水容器或者水箱的类型，电阻元件布置于该水容器或者水箱以内。
在一个实施例中，磁体布置有相反极性。例如，如果提供单对磁体，则这些磁体定位于管以外，其中一个磁体以北极(N)面向管而另一磁体以南极(S)面向管。也将有可能在管周围布置多于两个磁体，例如两对磁体。在一个实施例中，磁体被布置成沿着水流方向对准极N-S。有可能使用单个磁体或者单对磁体或者布置于相同位置(即彼此相邻)或者沿着水在其中流动的管的长度对准的数对磁体。
管优选地由塑料材料如聚四氟乙烯、硅树脂或者其他如下材料制成，这些材料适合于与食物接触并且使得它们无碍于布置于管以外的磁体的场线的通过。也将有可能将磁体布置于管以内。
已经注意到，如果磁场作用于温度高于环境温度的水则获得更大功效。具体而言，当向温度约为60℃乃至80℃的水施加磁场时已经发现有利结果。因此根据本发明的一个实施例，在煮沸器的上游预热水并且使水在已经在环境温度以上(例如高于40℃并且优选地高于60℃而且在该值以上，例如等于或者大于70℃)的温度流过由磁场发生器生成的一个或者多个磁场。为了避免从机器的煮沸器向在煮沸器的上游的液压回路的部分转移碳酸盐沉淀的问题，水的预热优选地在流动条件下发生，即在水流过管时加热水(例如通过将电阻元件定位于磁场发生器的接近处，从而没有可能在磁场的作用区域的上游形成钙质积垢)。
在一个可能实施例中，所用磁场具有范围从0.1到5特斯拉(T)、优选地从0.2到1.5T并且甚至更优选地从0.4到1.2T的磁感应。在一个实施例中，水经过受一个或者多个磁场作用的管的流量在90克/分钟并且一般在50与200克/分钟之间、优选地在70与150克/分钟之间的级别。
磁场作为诸多研究的主题内容和论题的最重要效果之一在于碳酸钙的结构。该多形晶态化合物以三种不同方式结晶：
1.方解石：这是一种六边形晶体，并且除了是最常见天然矿石之一以外，也是CaCO3的在热力学上最稳定的形式
2.球霰石：这是一种六边形晶体，并且也稳定，而且是最小的稳定结晶形式
3.霰石：这是一种在低温和在环境温度为亚稳定的正斜方晶体；它在范围狭窄的物理-化学条件下在溶液中沉淀，并且在约60-70℃开始沉淀。
可以假设方解石晶体造成有阻积垢，而常常以针形晶体形式存在的霰石的存在是更软、有孔、可溶解并且更容易去除的沉积物的主要形成原因。这应当是用来让磁场影响积垢沉积物的机制，尽管该现象的性质仍然缺乏精确科学解释。
根据一个不同方面，本发明涉及一种用于制备饮料或者其他食品并且具体用于通过用热水冲泡研磨咖啡来制备咖啡的方法，其中为了减少或者消除钙质沉积物的形成，使水受至少一个磁场的影响。
根据一个具体实施例，该方法提供在水进入煮沸器之前的水处理。根据本发明的一个改进实施例，该方法提供如下步骤：预热水流、使水流穿过至少一个磁场并且随后进入煮沸器以将温度提升至用于冲泡的温度。
在所附权利要求书中阐述根据本发明的方法和机器的更多有利特征。
附图说明
按照以下描述和示出本发明的实际非限制实施例的附图将更好地理解本发明。具体而言，在附图中：
图1示出本发明可以被应用到的自动咖啡机；
图2示出图1的机器的对于本发明的理解而言相关的部分的示意图；
图3示出磁体的布置细节；
图4示出在测试循环中获得的实验结果的示意图；
图5示出将一对永磁体应用于U形管的示意图；
图6、图7A和图7B是示出利用如图5中所示磁体布置的更多实验的结果的示意图；以及
图8示出本发明一个改进实施例中与图2的示意图相似的示意图。
具体实施方式
下文将描述应用于自动咖啡机的本发明，尽管它也可以运用于半自动或者手动电动咖啡机或者广义地应用于使用热水来制备饮料或者其他食物的机器。
图1示意地示出和用1表明如下咖啡机，该咖啡机包括本身已知的自动型冲泡单元3。
图2的示意图同样示出如下自动冲泡单元3，其中以下文描述的方式向该自动冲泡单元供应来自通常位于机器1的后部区域中的水箱5的水。经过用于测量流量的流量计7(例如涡轮流量计)，借助向煮沸器11馈送的泵9从水箱5吸水。标号13表明连接泵9和煮沸器11的管，而标号15表明将煮沸器11连接到冲泡单元3的管。泵9可以配备有再流通管17，该管允许从泵9递送的水朝向其入口的再流通。再流通管17经过三向阀19和21连接到泵9。
标号23表明与配发管口25或者一对配发管口25端接的咖啡递送管，一个或者两个杯T可以放置于该管口之下以收集从单元3中形成的冲泡室以内的冲泡获得的咖啡。
根据本发明的一个实施例，沿着管道13布置磁场发生器31。在一个实施例中，发生器31包括在管13周围彼此相对定位的第一永磁体33和第二永磁体35。该管有利地由塑料材料如聚四氟乙烯、硅树脂或者适合于食物接触(即兼容于与用于制备饮料的水接触)的另一材料制成。管13的组成材料还比如不会妨碍由两个永磁体33和35生成的磁场的磁力线通过。
在一个实施例中，磁体33和35布置有相反极性：磁体33定位成北极(N)面向管13，而磁体35定位成南极(S)面向所述管道。
为了验证磁系统在减少持久碳酸钙积垢的形成中的功效，对如下两个咖啡机进行实验，这两个咖啡机的不同之处仅在于在一个咖啡机中存在磁场发生器31而在另一咖啡机中不存在磁场发生器31。机器保持接通持续相同小时数并且使相同数量的水在其中流通以在相同操作条件下生成相同数目的咖啡并且产生相同数量的蒸汽。通过多次拆卸两个机器的煮沸器并且在通过用压缩空气吹气且在室温干燥来消除残留水之后对它们进行称重，从而评估石灰垢的积累。重量随时间的增加可归因于碳酸钙积垢形成于煮沸器的壁上。机器配备有盘管型煮沸器，其具有用于让水通过的螺旋管，该螺旋管还螺旋缠绕有电阻元件，布置在由水管的多圈所包围的体积以内。
通过制作大量咖啡并且排放大量热水和更少数量的蒸汽来使机器在实验时段内受到密集使用以加速沉积时间并且因此在煮沸器中获得相关数量的石灰垢。监视和记录所用水的所有体积。
图4示出这些实验中获得的结果。横坐标示出实验天数，而纵坐标示出按照煮沸器的重量在每次称重时相对于新煮沸器的重量而言的差值来给出的碳酸钙(CaCO3)以克为单位的量。曲线C 1形成对配备有磁场发生器的机器进行的在测量点之间的插值，而曲线C2是在用于比较的机器上获得的结果的插值曲线。下表分别概括在11、18和46天实验之后获得的实验数据。
  操作天数   有磁体的机器中的石灰垢重量(克)   无磁体的机器中的石灰垢重量(克)   减少％
  11   0.37   0.62   40.3
  18   0.85   1.44   41.0
  46   1.88   3.17   40.7
在图4的曲线图中和在前表中可见石灰垢的形成由于磁场发生器31的使用而减少40％级别。
在测试之后对煮沸器的检查表明在无磁体的控制煮沸器中的石灰垢积垢很一致和紧密并且大量存在。用扫描电子显微镜拍摄的图像示出具有伸长的棱柱体型的晶体异构分布。结晶检查表明混合的钙质成分和显著霰石成分。用X射线进行的分析也确认这些观察。
有磁体的煮沸器表明存在其形成可容易去除的沉积物而无需使用任何特定力使其脱离壁。沉积物的数量相对于控制煮沸器的情况而言显然更少。微观检查揭示具有如下伸长的棱柱体型的晶体的异构维度分布，该棱柱体型具有相对于控制煮沸器的情况而言更小的尺度。在这一情况下用X射线进行的分析也揭示普遍存在霰石相。另外，观察到在有磁体的煮沸器中获得的沉积物具有相对于在无磁体的煮沸器中形成的沉积物而言更高程度的空隙。
图5示意地示出了同样用33、35表明的磁体的不同布置，这些磁体在这一情况下为C或者U形并且应用于管13的弯曲或者肘部。这一类配置用于第二循环的如下实验，这些实验运用半圆周形状的强度为0.1T的磁体，这些磁体应用于钢管肘部周围，该肘部具有4mm的内径和7mm的外径以及30mm的长度。图6示出了与图4的曲线相似的曲线。曲线C1和C2表明作为操作时间(在横坐标上以天为单位)的函数的以克为单位的重量(纵坐标)的趋势。曲线C1与有磁体的煮沸器有关，曲线C2与无磁体的煮沸器(控制煮沸器)有关。
图7A示出了代表石灰垢的减少百分比的曲线，该减少百分比是时间的函数，而图7B示出了代表有磁体的煮沸器中的石灰垢的减少百分比(纵坐标)的曲线，该减少百分比是控制煮沸器中的石灰垢积累(在横坐标上，以克为单位)的函数。
不限于对可以导致所得有效实验结果的复杂现象的任一类化学-物理解释，可以观察到磁场的相关效果不是改变水的化学平衡的效果，而是干扰对晶核周围的过度饱和水平有作用的晶体的成核过程以及造成结晶化学相的改变的效果。如先前所示，碳酸钙在它的结晶形式下可以存在于三个不同相中：
1.方解石，在有三个轴的菱面体系中结晶
2.霰石，在有一个轴的斜方晶系中结晶
3.球霰石，有球型结晶。
在三种形式中，在环境温度和压力时在热力学上最可能的一种形式是方解石的稳定形。
在用于在热回路中加热水的正常过程中，重碳酸钙在它形成碳酸钙形式的后续分解中形成强力粘附到金属壁的紧密积垢。对方解石的演变和形成的一种解释在于碳原子上缺乏一对电子，这种缺乏意味着碳原子往往通过从具有施主能力的原子捕获一对电子来消除。这一看法对于一般拥有可以分享的自由成对电子的金属而言是典型的。
在多数情况下，该作用由与水接触的表面施加，其中水利用它的微观粗糙度、通过与碳分享一对电子来促进晶态晶核的形成，形成将晶态晶核稳定地固定到壁的金属-碳键，所述晶核将持续生长。将在起作用形成键的原子上发现该生长，其中电荷残留物保持于这些原子上，这些残留物触发如下偶极子，这些偶极子充当后续聚集的其他分子的吸引和定向点。在结晶过程中在分子之间的键不会无序发生，而是根据现存电偶极子和由电子生成的磁场的定向来发生。分子的附着将根据其中吸引更大而磁干扰更低的方向在空间中定向。
基于这些电化学方面，从外界施加的磁场所施加的任何影响造成物理但不是化学结构改变，因为它不会影响化合物的溶解度并且因此改变溶解度积的值。
这一影响(其相关度与磁场的强度增加成比例地增加)在结晶晶核化的演变和发展中是决定性的。在溶剂化现象中，各金属离子由于如下电偶极子的存在而由某一数目的水分子围绕，这些电偶极子的带电端在离子静电吸引之后在空间中定向。在该水离子络合物中，离子占据中心空穴而离子的有效半径依赖于该偶极子的定向。有效半径大于结晶半径，并且对于阳离子，当未施加外力时该差值为0.1A。
能够抵消由电子产生的磁场的高强度磁场的影响防止自由和谐波定向。偶极子因此必须根据施加的磁场的磁力线来定向，并且该强制定向将影响离子的有效半径。
在钙离子的情况下，偶极子的该强制定向造成有效半径相对于结晶半径而言的显著增加，它以这一方式表现类似于离子半径大于0.1A的离子从而引起斜方晶系而不是菱面体系的晶体。离子的该变形对应于系统的能量吸收，该能量传送到由霰石相组成的沉淀物，该沉淀物为亚稳性、能含量高于方解石的能含量。然而，可能不仅在方解石和霰石所形成的不同结晶化学形式中发现防垢效果，因为二者(尤其是方解石)引起紧密聚集物和沉积物。事实上，在形成霰石时，分子根据由于存在电偶极子所致的磁场的磁力线来定向，并且该改变将造成对构造晶体网络的位阻障碍，因为它不能在空间中自由定向并且根据存在于其上的电偶极子的吸引线来接合。所述吸引形成如下分子内的力，该力造成晶体内聚。这些的缺乏导致形成非晶形沉积物，这些沉积物具有轻质和不一致粉状滑石的形式，这一形式由多个微晶体组成，这些晶体具有通过水的流体动态作用可容易去除的很轻的针状体型。
可以用图8中示意示出的本发明一个改进实施例获得与上文所示甚至更相关的结果。相同标号表明与图2的图中的部分相同或者等效的部分。
在图8的实施例中，除了已经参照图2描述的部件之外，与磁场发生器31关联地提供用于对经过管13流向煮沸器11的水进行预热的系统41。将预热系统41示意地表示为在管13周围缠绕的电阻元件。事实上，预热系统可以例如由管13的由金属材料或者另一导热材料制成的部分组成以允许对直接在磁场发生器31的上游乃至在所述发生器定位所在区域以内的水的流动预热。因此有可能在与发生器31的一个或者多个磁体生成的磁场的作用区域紧接相邻或者重合的区域中在水流向煮沸器期间加热水。
以这一方式，避免从煮沸器11向预热系统简单地转移钙质沉积物的问题和形成这一问题。同时，有可能磁处理部分加热的水从而在防止形成钙质沉积物时获得磁场的更透彻影响。适当预热温度值范围可以从40℃到80℃并且优选地从50℃到70℃或者更高。
理解附图示出了作为本发明的实际示范来提供的仅一个例子，该例子可以改变它的形式和布置，而不脱离本发明基本概念的范围。提供所附权利要求书中的任何标号以便于参照说明书和附图来阅读权利要求书，而不限制由权利要求书代表的保护范围。

Claims (27)

1.一种用于利用液压回路使用热水来制备饮料和其他食物的机器：包括水箱；用于加热水的煮沸器；用于馈送水的泵；冲泡单元，其从所述煮沸器接收水，并且用于制备饮料或者其他食品的产品插入于其中；所述机器的特征在于包括用于处理水以减少石灰垢沉积物在所述液压回路中的形成的磁场发生器。
2.如权利要求1所述的机器，其特征在于，所述磁场发生器包括至少一个永磁体。
3.如权利要求1或者2所述的机器，其特征在于，所述磁场发生器包括至少一个电磁体。
4.如一个或者多个前述权利要求所述的机器，其特征在于，所述磁场发生器沿着水流管来布置。
5.如一个或者多个前述权利要求所述的机器，其特征在于，所述磁场发生器包括含水体积限定于其间的彼此相对定位的一对磁体。
6.如权利要求5所述的机器，其特征在于，所述一对磁体布置成以相反极性彼此面向。
7.如权利要求5或者6所述的机器，其特征在于，所述体积包括水流管的部分。
8.如一个或者多个前述权利要求所述的机器，其特征在于，所述磁场发生器在所述煮沸器的上游沿着流管来定位。
9.如权利要求8所述的机器，其特征在于，所述磁场发生器布置于所述泵与所述煮沸器之间。
10.如一个或者多个前述权利要求所述的机器，其特征在于，所述机器包括用于在所述煮沸器的上游预热水的设备。
11.如权利要求10所述的机器，其特征在于，所述预热设备与所述磁场发生器关联并且布置成使得穿过所述磁场的水处于环境温度以上的温度。
12.如权利要求10或者11所述的机器，其特征在于，所述预热设备被布置和设计成在水流过磁场时加热水。
13.如权利要求10、11或者12所述的机器，其特征在于，所述预热设备至少部分地布置于由所述磁场发生器生成的磁场中。
14.如一个或者多个前述权利要求所述的机器，其特征在于，所述机器是咖啡机。
15.如权利要求14所述的机器，其特征在于，包括从所述煮沸器馈送的水流穿过的、用于容纳研磨咖啡的冲泡室。
16.一种用于制备饮料或者其他食物的方法，包括步骤：
生成热水流；
使所述热水流穿过用来制备所述饮料或者所述食物的食物物质；
所述方法的特征在于，用至少一个磁场处理水以减少钙质沉积物。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述饮料是咖啡。
18.如权利要求16或者17所述的方法，其特征在于，使水沿着与所述磁场交叉的流管流过。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，在用于加热水的煮沸器的上游生成所述磁场。
20.如权利要求18或者19所述的方法，其特征在于，使用水在其间流动的、彼此相对定位的至少一对磁体来生成磁场。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述磁体被定位成极性彼此相反。
22.如权利要求16至21中的一个或者多个权利要求所述的方法，其特征在于，在借助所述磁场来处理水之前预热水，并且在借助所述磁场的处理之后进一步加热水。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，在流动条件下预热水。
24.如权利要求22或者23所述的方法，其特征在于，在至少部分地包括在所述磁场中的区域中预热水。
25.如权利要求22、23或者24所述的方法，其特征在于，在等于或者大于40℃并且优选地等于或者大于50℃而且甚至更优选地在55℃与80℃之间的温度预热水。
26.如权利要求16至25中的一个或者多个权利要求所述的方法，其特征在于，所述磁场具有范围从0.1特斯拉到5特斯拉并且优选地从0.2特斯拉到1.5特斯拉而且甚至更优选地从0.4特斯拉到1.2特斯拉的磁感应。
27.如权利要求16至26中的一个或者多个权利要求所述的方法，其特征在于，使水以在70克/分钟与150克/分钟之间的流量流过所述磁场。
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