DE102021123553A1

DE102021123553A1 - Brüheinheit mit hydraulischen Infusionsmitteln und Verfahren zum Betrieb einer solchen Brüheinheit

Info

Publication number: DE102021123553A1
Application number: DE102021123553.7A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang RIESSBECK; Patrick Egger; Roman Scheurer
Original assignee: Eugster Frismag AG
Current assignee: Eugster Frismag AG
Priority date: 2021-09-10
Filing date: 2021-09-10
Publication date: 2023-03-16
Also published as: WO2023036477A1; CA3230903A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brüheinheit (01) für eine Getränkezubereitungsvorrichtung für Substratportionen, umfassend einen Träger (04) und eine Brühkammer (11), die wenigstens zwei relativ zueinander in einer ersten Richtung (03.1) bewegbare Brühkammerhälften (02, 03) aufweist, wobei in einer Brühkammerhälfte (03) Infusionsmittel (20) zum Eindringen in eine Substratportion und Einleiten von Brühfluid in die Substratportion angeordnet sind, die zwischen einer Rückzugsstellung und einer Brühstellung beweglich gegenüber der Brühkammerhälfte (03) gelagert sind, wobei die Infusionsmittel (20) fluidleitend mit einer Brühfluidzuführung (14) der Brühkammerhälfte (03) verbunden sind und ebenfalls fluidleitend mit der Brühfluidzuführung (14) ein Hydraulikzylinder (21) verbunden ist, dessen Arbeitskolben (24) so mit den Infusionsmitteln (20) verbunden ist, dass ein Füllen des Hydraulikzylinders (21) mit Fluid zu einer Bewegung der Infusionsmittel (20) in Richtung der Brühstellung führt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Hydraulikzylinder (21) fluidleitend zwischen der Brühfluidzuführung (14) und den Infusionsmitteln (20) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brüheinheit für eine Getränkezubereitungsvorrichtung für Substratportionen, insbesondere eine Kaffeemaschine für vorportionierte Kaffeeeinheiten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Getränkezubereitungsvorrichtung für Substratportionen, insbesondere eine Kaffeemaschine für vorportionierte Kaffeeeinheiten mit einer solchen Brüheinheit. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Brüheinheit für eine Getränkezubereitungsvorrichtung für Substratportionen, insbesondere für eine Kaffeemaschine für vorportionierte Kaffeeeinheiten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
Aus dem Stand der Technik sind bereits eine Vielzahl von Brüheinheiten und Verfahren zu deren Betrieb bekannt, die sich grundsätzlich dem Problem oder der Aufgabe widmen im Rahmen eines Brühprozesses in einer Getränkezubereitungsvorrichtung eine Substratportion oder eine vorportionierte Kaffeeeinheit, beispielsweise eine Kaffeekapsel, in der neben Kaffeebohnenmehl oder Kaffeepulver auch Luft in einer festen Umhüllung oder einem festen Kapselmaterial eingeschlossen ist zu öffnen und gleichzeitig oder weiterhin die Möglichkeit zu eröffnen Brühfluid, bevorzugt hei-ßes Wasser, in die Substrateinheit einzuleiten und/oder aufgebrühtes Getränk als Resultat eines Brühvorgangs, aus der Substratportion und/oder einer die Substratportion dichtend umschließenden Brühkammer (11) auszuleiten oder abzuführen und einem Benutzer oder Bediener als Getränk zur Verfügung zu stellen.
In diesem Zusammenhang hat sich insbesondere für das Öffnen und Einbringen oder Einleiten von Brühfluid im Stand der Technik ein Lösungsansatz etabliert, bei dem in einer von bevorzugt zwei Brühkammerhälften beweglich angeordnete Infusionsmittel, beispielsweise als Teil einer Infusionsbaugruppe, vorgesehen sind, die gegenüber der Brühkammerhälfte zwischen einer Rückzugsstellung und einer Brühstellung beweglich gelagert sind und die zusammen mit dem Schließen der Brühkammerhälften oder nach dem Schließen der Brühkammerhälften in eine Brühstellung, bevorzugt auf die Substratportion zu, bewegt werden um diese zu öffnen, anzustechen oder ein Außenmaterial ansonsten zu perforieren oder zu durchdringen, um im Anschluss daran, beispielsweise gewährleistet durch kanülenartige Hohlspitzen, Brühfluid in die Substratportion einleiten zu können.
Bei dem Mechanismus zur Bewegung oder zum Antrieb der Infusionsmittel und/oder Infusionsbaugruppe sind verschiedene Ansätze bekannt. Ein Ansatz der im Stand der Technik durchaus verbreitet ist, sieht vor, dass die Infusionsmittel hydraulisch zwischen der Rückzugsstellung und der Brühstellung bewegt werden. Ein derart hydraulisches Antriebskonzept macht sich dabei den Umstand zunutze, dass in der Regel für den Betrieb der Brüheinheit und/oder Getränkezubereitungsvorrichtung, mit Druck beaufschlagbares Fluid, insbesondere Wasser, Verwendung findet oder verarbeitet wird, sodass eine hydraulische Überführung der Infusionsmittel oftmals auch über entsprechende Fluidpfade oder Hydraulikkreise bereitgestellt werden kann.
Ein Beispiel dieses Ansatzes ist aus der EP 3 653 087 A1 bekannt. Zum sogenannten hydraulischen Einstechen sind weiterhin aus dem Stand der Technik die EP 1 567 036 B1 , die EP 2 218 668 A1 , die EP 2 488 075 A1 , die EP 2 833 766 A1 , die WO 2018/158179 A1 , die EP 2 480 115 A1 , die EP 2 432 354 A1 , die EP 1 247 480 A1 , die EP 2 348 930 A1 sowie die EP 2 344 012 A1 bekannt.
Die bisherigen Lösungen bezüglich des hydraulischen Einstechens oder der hydraulischen Bewegung oder Verstellung von Infusionsmitteln in gattungsgemäßen Brüheinheiten haben den Nachteil, dass verhältnismäßig komplexe fluidtechnische Konstruktionen und dazugehörige fluidtechnische Schaltungssysteme realisiert werden müssen, was auch bedeutet, dass ein verhältnismäßig hoher Steuerungsaufwand betrieben werden muss, um die Fluidkreise und/oder Hydraulikkreise dauerhaft zuverlässig anzusteuern und im richtigen Zeitpunkt des Brühprozesses zu aktivieren und zu deaktivieren.
Vor diesem Hintergrund stellt die vorliegende Erfindung die Aufgabe eine Brüheinheit und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Brüheinheit vorzuschlagen, die die Nachteile im Stand der Technik überwinden und insbesondere eine baulich und regelungstechnische oder steuerungstechnisch einfache Umsetzung ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Brüheinheit für eine Getränkezubereitungsvorrichtung für Substratportionen, insbesondere eine Kaffeemaschine für vorportionierte Kaffeeeinheiten, die in an sich bekannter Weise einen Träger und eine Brühkammer aufweist, wobei die Brühkammer wenigstens zwei relativ zueinander in einer ersten Richtung bewegbare Brühkammerhälften aufweist und in einer Brühkammerhälfte Infusionsmittel zum Eindringen in die Substratportion und Einleiten von Brühfluid in die Substratportion angeordnet sind, die zwischen einer Rückzugsstellung und einer Brühstellung beweglich gegenüber der Brühkammerhälfte gelagert sind, wobei die Infusionsmittel fluidleitend mit einer Brühfluidzuführung der Brühkammerhälfte verbunden sind und ebenfalls fluidleitend mit der Brühfluidzuführung ein Hydraulikzylinder verbunden ist, dessen Antriebskolben so mit den Infusionsmitteln verbunden ist, dass ein Füllen des Hydraulikzylinders zu einer Bewegung der Infusionsmittel in Richtung der Brühstellung, bevorzugt entlang der ersten Richtung, führt.
Erfindungsgemäß zeichnet sich die Brüheinheit dabei dadurch aus, dass der Hydraulikzylinder fluidleitend zwischen der Brühfluidzuführung und den Infusionsmitteln angeordnet ist und dass ferner ein selbsttätiges oder eigengesteuertes Ventil, insbesondere ein Gegendruckventil, am Übergang zwischen den Infusionsmitteln und dem Hydraulikzylinder so angeordnet ist, dass es beim Erreichen eines definierten Drucks, bevorzugt eines Brühdrucks, in dem Hydraulikzylinder eine Fluidverbindung zwischen dem Hydraulikzylinder und Infusionsmitteln freigibt.
Damit macht sich die erfindungsgemäße Brüheinheit zunutze, dass im Rahmen des Brühvorgangs oder des Infusionsvorgangs sowieso unter Druck stehendes Fluid, nämlich das Brühfluid in die Infusionsmittel und anschließend in die Substratportion und/oder die Brühkammer eingeleitet werden muss. Dementsprechend beruht die Grundidee der vorliegenden Erfindung darauf, dass das Brühfluid, bevor es in die Brühkammer und/oder die Substratportion eindringt oder eingeleitet wird eine weitere Funktionalität oder eine weitere Funktion erfüllt, indem nämlich das Brühfluid zunächst den Hydraulikkolben füllt, der die Bewegung der Infusionsmittel von der Rückzugsstellung in die Brühstellung verursacht oder bewirkt. Damit ist, im Gegensatz zum Stand der Technik, kein separater Fluidfluss oder kein separater Fluidkreis zusätzlich zum Fluidkreis oder Fluidfluss des Brühfluids vorzusehen, um die Infusionsmittel hydraulisch zu bewegen.
Weiterhin Ausdruck des Grundprinzips der vorliegenden Erfindung ist dabei der Umstand, dass keine weiteren Maßnahmen vorgesehen werden müssen oder Merkmale realisiert werden müssen, um den Zufluss von Hydraulikfluid zu dem Hydraulikzylinder zu steuern, zu begrenzen und/oder zu beenden. Denn das selbsttätige Ventil am Übergang zwischen den Infusionsmitteln und dem Hydraulikzylinder sorgt gerade dafür, dass die Infusionsmittel in die Brühstellung überführt werden und dann beim Erreichen des definierten Drucks, bevorzugt des Brühdrucks, das Ventil geöffnet wird, woraufhin dann zwar Brühfluid aus dem Hydraulikzylinder in die Infusionsmittel abfließen kann. Vorteilhaft kann die Durchfluss- oder Volumensteuerung für den Brühprozess dafür sorgen, dass genügend unter Druck stehendes Brühfluid zur Durchführung des Brühprozesses nachgefördert wird, was damit die Steuerung des Hydraulikzylinders mitverursacht oder mitbewirkt.
Erst wenn der Überdruck im Hydraulikzylinder, beispielsweise dadurch, dass kein Brühfluid mehr durch die Brühfluidzuführung nachgeliefert wird, unter den definierten Druck, bevorzugt Brühdruck, abfällt, wird das selbsttätige Ventil erneut ohne externe Steuereinflüsse, schließen und dementsprechend den Brühvorgang beenden. Im Anschluss daran muss lediglich zur Rücküberführung der Infusionsmittel aus der Brühstellung in die Rückzugsstellung der Hydraulikzylinder entleert werden, was beispielsweise über ein Drainageventil erfolgen kann, worauf im weiteren Verlauf der Beschreibung noch eingegangen werden wird.
Vorteilhaft kann das Gegendruckventil einen Ventilkörper umfassen, der mit Vorspannmitteln, bevorzugt mit einer Feder, auf einen Ventilsitz kraftbeaufschlagt wird. Ventilkörper und Ventilsitz können nach Art eines Nadelventils ausgebildet sein und zusammenwirken. Die Fluidverbindung zum Hydraulikzylinder kann dann so hergestellt werden, dass das Fluid den Ventilkörper gegen die Vorspannung der Vorspannmittel vom Ventilsitz abheben muss, um das Ventil zu öffnen. In dieser Ausführungsform wird der Überdruck, bei dem das Gegendruckventil öffnet durch die Vorspannmittel und die Geometrien des Ventilkörpers sowie des Ventilsitzes bestimmt.
Mit anderen Worten ausgedrückt erreicht die Brüheinheit der vorliegenden Erfindung eine weitestgehend automatische, nur durch die Bereitstellung des Brühfluids verursachte und gesteuerte Bewegung der Infusionsmittel sowie eine gleichermaßen automatische Initiierung und Beendigung des Brühvorgangs durch das besagte Ventil.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der Brüheinheit kann vorgesehen sein, dass die Brühkammerhälfte, die die Infusionsmittel aufnimmt oder in der die Infusionsmittel angeordnet sind mechanische Anschlagsmittel aufweist oder umfasst, die die Bewegung des Hydraulikzylinders, insbesondere die Bewegung des Arbeitskolbens des Hydraulikzylinders begrenzen und bevorzugt die Brühposition der Infusionsmittel definieren. Dadurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass beim zunehmenden Einströmen von Brühfluid in den Hydraulikzylinder zunächst der Arbeitskolben und damit auch die Infusionsmittel bewegt oder angetrieben werden, und zwar bevorzugt bis über die Anschlagsmittel eine Brühstellung der Infusionsmittel erreicht ist, bevor sich dann bei weiterem Einströmen von Brühfluid in den Hydraulikzylinder im Inneren des Hydraulikzylinders ein Überdruck aufbaut, der schließlich zur Öffnung des Ventils und damit zur Freigabe des Fluidkanals oder der Fluidverbindung zwischen dem Hydraulikzylinder und den Infusionsmitteln und damit schließlich zum Einleiten des Brühfluids in die Brühkammer und/oder die Substratportion führt.
Die mechanischen Anschlagsmittel aufseiten der Brüheinheit, insbesondere aufseiten der Brühkammerhälfte bieten damit die Möglichkeit zu einem reproduzierbareren Brühprozess, verglichen mit einer Situation oder eine Ausführung, in der die Substratportion oder vorportionierte Kaffeeeinheit selbst als Anschlag fungiert und die Bewegung des Hydraulikzylinders, insbesondere des Arbeitskolbens und damit der Infusionsmittel steuert und/oder begrenzt.
Vorteilhaft weiterbildend kann vorgesehen sein, dass den Infusionsmitteln Verformungsmittel so zurückversetzt zugeordnet sind, dass bei der Bewegung der Infusionsmittel aus der Rückzugsstellung in die Brühstellung die Verformungsmittel eine Verformung der Oberfläche oder zumindest eines Teils der Oberfläche der Substratportion, insbesondere Kaffeeeinheit, bewirken, nachdem oder während die Infusionsmittel in die Substratportion eindringen. Damit kann in vorteilhafter Weise der Zufluss von Brühfluid in den Hydraulikzylinder eine weitere vorteilhafte Wirkung oder eine weitere Funktion im Rahmen des Brühprozesses bewirken oder verursachen. Denn über die Verformungsmittel, die gegebenenfalls notwendig sind um die Substratportion, deren Oberfläche oder zumindest ein Teil deren Oberfläche, in eine gewünschte Form zu überführen, kann dann die über den Hydraulikzylinder und den dort herrschenden Überdruck sowie die daraus resultierende Kraft, beispielsweise in der ersten Richtung, genutzt werden, um mit den Verformungsmitteln die Verformung der Substratportion zu bewirken, gleichzeitig oder zeitversetzt zum Eindringen der Infusionsmittel in die Substratportion.
Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Form und die Bewegung der Verformungsmittel so auf die Substratportion abgestimmt sind, dass beim Bewegen der Infusionsmittel in die Brühstellung ein Aufbrechen der Substratportion erreicht wird. Dabei können bevorzugt in ein Teil einer Hülle oder eines Oberflächenmaterials der Substratportion ein Rissgefüge oder sonstige, ähnliche Perforationen eingebracht werden. Gleichzeitig oder alternativ können die Verformungsmittel auch zum Tampern des Getränkesubstrats dienen, so dass beim Überführen der Infusionsmittel in die Brühstellung die Verformungsmittel einen Tamperdruck oder eine Tamperkraft auf die Substratportion ausüben.
Gemäß einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass mechanische Antriebsmittel zur Überführung der Brühkammerhälften zwischen einer geöffneten, voneinander beabstandeten Position und einer geschlossenen, die Brühkammerhälften an Kontaktflächen aneinander zur Anlage bringenden Position vorgesehen sind. Durch die mechanischen Antriebsmittel kann die Brühkammer, bevorzugt realisiert durch die zwei in der ersten Richtung zueinander beweglichen Brühkammerhälften, geschlossen werden. Besonders bevorzugt kann eine Öffnung der Brühkammerhälften automatisch erfolgen, was beispielsweise dadurch realisiert werden kann, dass beim Verschließen über die mechanischen Antriebsmittel auch ein Rückstellmittel oder ein Federmittel vorgespannt wird, dass dann das automatische Öffnen unterstützt oder verwirklicht.
Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Variante der Brüheinheit kann vorgesehen sein, dass ein Zylinder des Hydraulikzylinders durch ein ebenfalls in der ersten Richtung beweglich in einem Außengehäuse der Brühkammerhälfte angeordneten Innengehäuse gebildet wird. Das Außengehäuse kann, wie nachfolgend noch im Detail beschrieben werden wird, eine grundsätzliche, und bevorzugt mechanisch erzeugte Verstellung zwischen einer Öffnungsposition und einer Verschlussposition der Brühkammerhälften bewirken. Das im Außengehäuse beweglich gelagerte Innengehäuse kann zudem, gerade in der Verschlussposition der Brühkammerhälften dazu dienen oder dazu benutzt werden durch eine Bewegung gegenüber dem Außengehäuse die Abdichtung oder die Dichtwirkung zwischen den Brühkammerhälften im Bereich der Kontaktflächen zu unterstützten oder herzustellen, bevorzugt indem das Innengehäuse, das bevorzugt an einem Ende oder in einem Endbereich die Kontaktflächen wenigstens einer Brühkammerhälfte ausbildet, ebenfalls in der ersten Richtung kraftbeaufschlagt wird und damit die Kontaktflächen gegen die komplementären oder gegenüberliegenden Kontaktflächen der zweiten Brühkammerhälfte gepresst oder angedrückt werden.
Relativ zu dem Innengehäuse kann dann der Arbeitskolben des Hydraulikzylinders bewegt werden, was besonders einfach und platzsparend realisiert werden kann, wenn der Zylinder des Hydraulikzylinders durch das Innengehäuse oder durch einen Teil des Innengehäuses selbst ausgebildet wird und der Arbeitskolben beweglich in dem Innengehäuse gelagert angeordnet ist.
Eine weitere, besonders bevorzugte Ausgestaltung sieht, wie vorangehend bereits angedeutet vor, dass das Innengehäuse einends eine Kontaktfläche zur Kontaktierung und dichtenden Anlage an der anderen Brühkammerhälfte, bevorzugt an einer Kontaktfläche der anderen Brühkammerhälfte, ausbildet.
Weiterhin kann besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass zwischen dem Innengehäuse und dem Außengehäuse ein hydraulischer Dichtzylinder angeordnet und/oder ausgebildet ist, der fluidleitend mit der Brühfluidzuführung der Brühkammerhälfte und dem Hydraulikzylinder verbunden und insbesondere fluidleitend zwischen der Brühfluidzuführung und dem Hydraulikzylinder angeordnet ist, und bei einer Füllung mit Brühfluid eine Anpresswirkung der Kontaktfläche an die andere Brühkammer, insbesondere an die Kontaktfläche der anderen Brühkammer, besonders bevorzugt durch eine Kraft auf das Innengehäuse in der ersten Richtung, bewirkt.
Dadurch kann eine weitere besonders vorteilhafte Funktionalität oder Wirkung der Brüheinheit ebenfalls durch die Versorgung der Brüheinheit mit Brühfluid im Rahmen des Brühvorgangs erreicht werden. Denn zusätzlich zu dem Hydraulikzylinder, der die Bewegung der Infusionsmittel steuert, und dem Ventil, das gleichermaßen die Streuung des Hydraulikzylinders und der Infusionsmittel beeinflusst, kann auch die Abdichtung oder der Verschluss der Brühkammerhälften durch das Brühfluid unterstützt werden, indem gleichzeitig und/oder vorgelagert zu dem Einströmen von Brühfluid in den Hydraulikzylinder auch der hydraulische Dichtzylinder mit Brühfluid gefüllt wird, sodass, beispielsweise nach dem Erreichen des mechanischen Anschlags des Hydraulikzylinders, insbesondere des Arbeitskolbens, der Druck nicht nur im Hydraulikzylinder sondern auch im Dichtzylinder ansteigt und der sich im Dichtzylinder aufbauende Druck, bevorzugt über das beweglich im Außengehäuse gelagerte Innengehäuse dazu führt, dass die Kontaktflächen der Brühkammerhälften aneinander angepresst werden oder aufeinander zu kraftbeaufschlagt werden, sodass vor und während des tatsächlichen Brühvorgangs die Dichtwirkung an den Kontaktflächen der Brühkammerhälften verbessert und sichergestellt wird.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Druck im Dichtzylinder ebenfalls durch das selbsttätige Ventil zwischen Infusionsmitteln und Hydraulikzylinder gesteuert wird. Dies ermöglicht in besonders vorteilhafter Weise eine einfache und effektive Steuerung sowohl des Hydraulikzylinders als auch des hydraulischen Dichtzylinders. Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Fluidverbindung oder die fluidleitende Verbindung zwischen Dichtzylinder und Hydraulikzylinder uneingeschränkt oder ungesteuert, beispielsweise in Form einer einfachen Durchflussöffnung, ausgebildet ist. Die entsprechenden Drücke und Kräfte werden kann im Wesentlichen durch die Flächenverhältnisse und/oder Volumenverhältnisse zwischen Dichtzylinder und Hydraulikzylinder eingestellt oder gesteuert.
Wie oben bereits beschrieben, kann es besonders vorteilhaft sein, wenn die Verschiebung oder Bewegung des Arbeitskolbens des Hydraulikzylinders die Verstellung oder Bewegung der Infusionsmittel aus der Rückzugsstellung in die Brühstellung verursacht. In diesem Zusammenhang kann weiterhin besonders vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Infusionsmittel mit Rückstellmitteln, insbesondere Federmitteln, zusammenwirkend ausgebildet sind, wobei die Rückstellmittel eine Rückstellung der Infusionsmittel in die Rückzugsstellung bewirken und die Infusionsmittel entsprechend grundsätzlich und /oder zumindest in der Brühstellung durch die Rückstellmittel vorgespannt sind.
In dieser Ausführungsform ist einerseits die hydraulische Steuerung des Hydraulikzylinders so zu realisieren, dass dieser bei der Bewegung des Arbeitskolbens zur Erreichung der Brühstellung auch die Rückstellmittel auflädt, insbesondere vorspannt, oder weiter komprimiert, und dass dementsprechend auch bei dem geöffneten Ventil, während des Brühens oder Einleiten von Brühfluid in die Substratportion und/oder Brühkammer, der Druck im Hydraulikzylinder stets so gehalten werden muss, dass nicht etwa die Rückstellmittel die Infusionsmittel aus der Brühstellung zurück in die Richtung der Rückzugsstellung bewegen.
Eine weitere besonders vorteilhafte Ausbildung der Brüheinheit kann vorsehen, dass das Innengehäuse der Brühkammerhälfte einen hinteren Abschnitt mit einem ersteren kleinen Durchmesser zur Ausbildung des Zylinders des Hydraulikzylinders und einen vorderen Abschnitt mit einem grö-ßeren Durchmesser zur Aufnahme der Infusionsmittel, und bevorzugt der Rückstellmittel der Infusionsmittel, aufweist. Dadurch kann in besonders kompakter und bauraumsparender Weise die gesamte, über die Brühfluidzuführung gesteuerte Funktionalität der Brüheinheit oder der Brühkammerhälfte in dem beweglich gegenüber der anderen Brühkammerhälfte und/oder gegenüber dem Träger angeordneten Außengehäuse der Brühkammerhälfte angeordnet werden.
Weiterhin vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass der Durchmesser oder die hydraulisch wirksame Fläche des Dichtzylinders größer ist, als der Durchmesser oder die hydraulisch wirksame Fläche des Hydraulikzylinders. Dadurch kann in vorteilhafter Weise eine gewünschte Druck- und Kraftverteilung sowie eine vorteilhafte Druck- und Kraftentwicklung während des Brühprozesses und während des Einströmens des Brühfluids auf den Hydraulikzylinder und den hydraulischen Dichtzylinder eingestellt werden, ohne dass zusätzlich oder ansonsten Steuermittel, Ventile, Fluss- oder Volumenbegrenzer oder sonstige Regelungstechnik zum Einsatz kommen muss.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Getränkezubereitungsvorrichtung für Substratportionen, insbesondere eine Kaffeemaschine für vorportionierte Kaffeeeinheiten mit einer Brüheinheit gemäß einer der vorangehend genannten Ausführungen.
Ferner wird die oben genannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Getränkezubereitungsvorrichtung für Substratportionen, insbesondere für Kaffeemaschinen für vorportionierte Kaffeeeinheiten, umfassend ein Träger und eine Brühkammer, deren wenigstens zwei Brühkammerhälften, bevorzugt über mechanische Antriebsmittel, zwischen einer Öffnungsposition und einer Verschlussposition bewegt werden, wobei nach der Aufnahme einer Substratportion in der Öffnungsposition und einer Überführung der Brühkammerhälften in die Verschlussposition in einer Brühkammerhälfte angeordnete Infusionsmittel zum Eindringen in die Substratportion und Einleiten von Brühfluid in die Substratportion aus einer Rückzugsstellung in eine Brühstellung überführt werden, wobei während des Brühvorgangs die Infusionsmittel durch eine Fluidverbindung mit einer Brühfluidzuführung der Brühkammerhälfte Brühfluid in die Substratportion einleiten und im Vorfeld der Zuführung des Brühfluids zu den Infusionsmitteln über eine Fluidverbindung zwischen der Brühfluidzuführung der Brühkammerhälfte und einem Hydraulikzylinder ein Arbeitskolben des Hydraulikzylinders, der mechanisch mit den Infusionsmitteln verbunden ist, beim Füllen des Hydraulikzylinders mit Fluid die Infusionsmittel in die Brühstellung bewegt und ferner dadurch gekennzeichnet ist, dass beim Erreichen eines definierten Drucks, bevorzugt Brühdrucks, in dem Hydraulikzylinder eine Fluidverbindung zwischen dem Hydraulikzylinder und den Infusionsmitteln, insbesondere über ein selbsttätiges oder eigengesteuertes Ventil, insbesondere ein Gegendruckventil, am Übergang zwischen den Infusionsmitteln und dem Hydraulikzylinder freigegeben wird und so ein durchgängiger, insbesondere unverzweigter, Fluidkanal zwischen der Brühfluidzuführung und den Infusionsmitteln, insbesondere der Substrateinheit, erzeugt wird.
Die besondere erfindungsgemäße Leistung des Verfahrens besteht also darin, dass wie oben bereits angedeutet, das Brühfluid über die Brühfluidzuführung zunächst den Hydraulikzylinder füllt und von dort aus über das selbsttätige oder eigengesteuerte Ventil in die Infusionsmittel und damit in die Brühkammer und/oder die Substratportion, gelangen kann, sodass zur Steuerung der Bewegung der Infusionsmittel und der Initiierung des Brühvorgangs lediglich das Brühfluid in einer gewünschten Weise, also bevorzugt mit einer gewünschten Flussrate und einem gewünschten Überdruck zur Verfügung gestellt werden muss.
Grundsätzlich soll zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen im Hinblick auf die Merkmale, Eigenschaften und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die obige Offenbarung der Brüheinheit Bezug genommen werden. Dies bedeutet, dass grundsätzlich verfahrensmäßig offenbarte und beschriebene Merkmale als vorrichtungsmäßig beschrieben und beanspruchbar gelten sollen, und umgekehrt.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Bewegung des Hydraulikzylinders, insbesondere des Arbeitskolbens, und der Infusionsmittel vor dem Erreichen des definierten Drucks, bevorzugt Brühdrucks, in dem Hydraulikzylinder, bevorzugt mittels mechanischer Anschlagsmittel, begrenzt wird und bevorzugt die Brühstellung der Infusionsmittel definiert wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass bei der Bewegung der Infusionsmittel aus der Rückzugsstellung in die Brühstellung eine Verformung der Oberfläche der Substratportion oder zumindest eines Teils der Oberfläche der Substratportion bewirkt wird, nachdem oder während die Infusionsmittel in die Substratportion eindringen, insbesondere dadurch, dass den Infusionsmitteln Verformungsmittel zurückversetzt zugeordnet sind, die bei der Bewegung der Infusionsmittel in die Brühstellung an der Substratportion zur Anlage kommen.
Ebenfalls kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass während der Überführung der Infusionsmittel in die Brühstellung in einem Dichtzylinder ein Druck, bevorzugt durch das Brühfluid, aufgebaut wird, der die in einer Verschlussposition befindlichen Brühkammerhälften gegeneinander kraftbeaufschlagt.
Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Druck im Hydraulikzylinder und/oder Dichtzylinder während des gesamten Brühvorgangs im Wesentlichen konstant gehalten wird, bevorzugt dadurch, dass während des Brühvorgangs ab dem Erreichen des definierten Drucks, insbesondere Brühdrucks, im Hydraulikzylinder Brühfluid, insbesondere unter Druck stehendes Brühfluid über die Brühfluidzuführung der Brühkammerhälfte nachgeliefert wird und damit aus dem Hydraulikzylinder und/oder Dichtzylinder abfließendes Brühfluid kompensiert oder sogar überkompensiert wird.
Vorteilhafte Ausführungen, Beispiele und Aspekte der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der schematischen, lediglich beispielhaften Zeichnungen erläutert.
Darin zeigen:

1: einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Brüheinheit in einer Verschlussposition der Brühkammerhälften und einer Rückzugsstellung der Infusionsmittel;
2: einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Brüheinheit in einer Verschlussposition der Brühkammerhälften und einer Brühstellung der Infusionsmittel.

1 zeigt einen Schnitt durch einen Teil einer Brüheinheit 01. Die Brüheinheit 01 weist eine erste Brühkammerhälfte 02 sowie eine zweite Brühkammerhälfte 03 auf. Die Brühkammerhälften 02, 03 sind in der 1 in einer Verschlussposition dargestellt. Beispielhaft kann vorgesehen sein, dass die Brühkammerhälfte 02 ortsfest an einem Rahmen oder Träger 04 festgelegt ist und die Brühkammerhälfte 03 beweglich gegenüber dem Träger 04 ausgebildet ist und im Wesentlichen ein Außengehäuse 05 der Brühkammerhälfte 03 mechanisch durch Antriebsmittel oder eine Antriebsvorrichtung - die in der 1 nicht dargestellt sind - gegenüber dem Träger 04 in eine erste Richtung sowie entgegen der ersten Richtung 03.1 bewegt werden kann.
In dem Außengehäuse 05 kann beweglich ein Innengehäuse 06 angeordnet oder gelagert sein, in dem wiederum beweglich gelagert eine Infusionsbaugruppe 07 mit Infusionsmitteln 20 geführt angeordnet sein kann. Das Innengehäuse 06 bildet an einem Ende 08 eine Kontaktfläche 09, insbesondere eine umlaufende Kontaktfläche 09 aus, die mit einer gegenüberliegenden Kontaktfläche 10 der Brühkammerhälfte 02 zur Anlage kommt, um die geschlossene Brühkammer 11 auszubilden. Aufseiten der Brühkammerhälfte 02 kann die Kontaktfläche 10 teilweise oder abschnittsweise durch Dichtmittel 12, bevorzugt in Form einer Ringdichtung ausgebildet sein.
Im hinteren Bereich der Brühkammerhälfte 03 kann fluidleitend nachgeordnet zu einer Brühfluidzuführung 14 ein hydraulischer Dichtzylinder 13 ausgebildet sein, der durch Teile des Innengehäuses 06 und Teile des Außengehäuses 05 sowie dynamische Dichtmittel 18 ausgebildet wird. Über eine ungesteuerte Fluidverbindung in Form einer Fluiddurchlurchlassöffnung 19 kann Brühfluid von der Brühfluidzuführung 14 über den Dichtzylinder 13 in einen Hydraulikzylinder 21 gelangen, der seinerseits durch einen Teil des Innengehäuses 06 gebildet wird. In dem hinteren Teil des Innengehäuses 06, der als Zylinder dient, ist ein Arbeitskolben 24 gelagert, der teilweise durch dynamische Dichtmittel 18.2 gebildet wird und kraftschlüssig mit den Infusionsmitteln 20 einer Infusionsbaugruppe 07 verbunden ist. Die Wirkung des einströmenden Brühfluids auf die Brüheinheit oder die Brühkammerhälfte 03 und die vorteilhafte Wirkung der hydraulischen Funktionalitäten der Brüheinheit werden anhand des Vergleichs der 1 und der 2 besser erkennbar.
Die 2 zeigt im Vergleich zur 1 einen Zustand, in dem die in der Verschlussposition befindlichen Brühkammerhälften 02, 03 aufeinander zu kraftbeaufschlagt werden und zudem die Infusionsmittel 20 in die Brühstellung überführt wurden und zwar-lediglich dadurch, dass Brühfluid über die Brühfluidzuführung 14 unter Druck in die Brüheinheit oder die Brühkammerhälfte 03 eingeleitet wurde. Denn dadurch wurde sowohl im hydraulischen Dichtzylinder 13 als auch im Hydraulikzylinder 21 ein Innendruck aufgebaut. Der Innendruck führt einerseits dazu, dass über das Innengehäuse 06 die Kontaktflächen 09, 010 gegeneinander gepresst werden. Gleichzeitig führt der Innendruck im Hydraulikzylinder 21 jedoch auch dazu, dass zunächst der Arbeitskolben 24 verschoben wird und gegen die Rückstellkraft der Rückstellmittel 26 die Infusionsmittel 20 bis zu dem mechanischen Anschlag 25 in die dargestellte Brühstellung verschoben werden. Bei weiterem Ansteigen des Innendrucks, verursacht durch weiter einfließendes oder weiter eingepresstes Brühfluid öffnet schließlich das selbsttätige und selbstgesteuerte Ventil 27 und gibt einen Fluidkanal 28 frei, der mit dem Hydraulikzylinder 21 fluidleitend in Verbindung steht und in den Infusionsspitzen 29 der Infusionsmittel 20 mündet.
Die den Infusionsmitteln 20 gegenüber zurückversetzten Verformungsmittel 30 können bei der Überführung der Infusionsmittel 20 aus der Rückzugsstellung in die Brühstellung - Übergang zwischen der Position der 1 und der 2 - die Verformung einer Substratportion gleichzeitig oder nachgelagert zum Eindringen der Infusionsmittel 20 in eine Substratportion bewirken.
Sobald der definierte Druck, bevorzugt Brühdruck, im Hydraulikzylinder 21 nicht mehr gehalten oder überschritten wird, beispielsweise dadurch, dass kein Brühfluid durch die Brühfluidzuführung 14 mehr nachgefördert wird, schließt das Ventil 27 selbsttätig wieder und es kann kein weiteres Brühfluid mehr in die Infusionsmittel 20 oder den Fluidkanal 28 gelangen. Wird dann noch eine Drainage des Hydraulikzylinders 21 und/oder des hydraulischen Dichtzylinders 13 verursacht, zum Beispiel über ein Drainageventil, so wird die Kraftbeaufschlagung der Kontaktflächen 09, 10 und damit die Anpresswirkung oder zusätzliche Anpresswirkung der Kontaktflächen 09, 10 aufgehoben oder reduziert und gleichzeitig die Infusionsmittel 20 aus der Brühstellung zurück in die Rückzugsstellung überführt, indem die Rückstellungsmittel 26 die Infusionsmittel 20 vom mechanischen Anschlag 25 wegbewegen, bevorzugt bis wieder die Stellung der Infusionsmittel 20 gegenüber dem Innengehäuse 06 erreicht ist, wie es in der 1 dargestellt ist.
Gleichzeitig oder alternativ leicht vor oder leicht nach der Drainage der Hydraulikzylinder/Dichtzylinder 21,13 kann eine mechanische und bevorzugt automatische Öffnung der Brühkammerhälften 02, 03 einsetzen und die geschlossene Brühkammer 11 geöffnet und somit die Brühkammerhälften 02, 03 in eine Öffnungsposition überführt werden. Die automatische Öffnung kann bevorzugt ebenfalls durch Rückstellmittel oder Federmittel ausgelöst werden, die bei, bevorzugt mechanischem, Schließen - zum Erreichen der Position der 1 - vorgespannt oder aufgeladen werden.
Bezugszeichenliste

01: Brüheinheit
02: erste Brühkammerhälfte
03: zweite Brühkammerhälfte
03.1: erste Richtung
04: Träger
05: Außengehäuse
06: Innengehäuse
07: Infusionsbaugruppe
08: Ende
09: Kontaktfläche
10: Kontaktfläche
11: Brühkammer
12: Dichtmittel
13: Dichtzylinder
14: Brühfluidzuführung
18: Dichtmittel
18.2: Dichtmittel
19: Fluiddurchlassöffnung
20: Infusionsmittel
21: Hydraulikzylinder
24: Arbeitskolben
25: mechanischer Anschlag
26: Rückstellmittel
27: Ventil
28: Fluidkanal
29: Infusionsspitzen
30: Verformungsmittel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3653087 A1 [0005]
EP 1567036 B1 [0005]
EP 2218668 A1 [0005]
EP 2488075 A1 [0005]
EP 2833766 A1 [0005]
WO 2018158179 A1 [0005]
EP 2480115 A1 [0005]
EP 2432354 A1 [0005]
EP 1247480 A1 [0005]
EP 2348930 A1 [0005]
EP 2344012 A1 [0005]

Claims

Brüheinheit (01) für eine Getränkezubereitungsvorrichtung für Substratportionen, insbesondere Kaffeemaschine für vorportionierte Kaffeeeinheiten, umfassend einen Träger (04) und eine Brühkammer (11), die wenigstens zwei relativ zueinander in einer ersten Richtung (03.1) bewegbare Brühkammerhälften (02, 03) aufweist, wobei in einer Brühkammerhälfte (03) Infusionsmittel (20) zum Eindringen in eine Substratportion und Einleiten von Brühfluid in die Substratportion angeordnet sind, die zwischen einer Rückzugsstellung und einer Brühstellung beweglich gegenüber der Brühkammerhälfte (03) gelagert sind, wobei die Infusionsmittel (20) fluidleitend mit einer Brühfluidzuführung (14) der Brühkammerhälfte (03) verbunden sind und ebenfalls fluidleitend mit der Brühfluidzuführung (14) ein Hydraulikzylinder (21) verbunden ist, dessen Arbeitskolben (24) so mit den Infusionsmitteln (20) verbunden ist, dass ein Füllen des Hydraulikzylinders (21) mit Fluid zu einer Bewegung der Infusionsmittel (20) in Richtung der Brühstellung führt, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydraulikzylinder (21) fluidleitend zwischen der Brühfluidzuführung (14) und den Infusionsmitteln (20) angeordnet ist und dass ein selbsttätiges oder eigengesteuertes Ventil (27), insbesondere ein Gegendruckventil, am Übergang zwischen den Infusionsmitteln (20) und dem Hydraulikzylinder (21) so angeordnet ist, dass es beim Erreichen eines definierten Drucks, insbesondere Brühdrucks, in dem Hydraulikzylinder (21) eine verschließbare Fluidverbindung zwischen dem Hydraulikzylinder (21) und den Infusionsmitteln (20) freigibt.
Brüheinheit nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mechanische Anschlagsmittel (25), die die Bewegung des Hydraulikzylinders (21) und der Infusionsmittel (20) begrenzen und bevorzugt die Brühstellung der Infusionsmittel (20) definieren.
Brüheinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass den Infusionsmitteln (20) Verformungsmittel (30) so zurückversetzt zugeordnet sind, dass bei der Bewegung der Infusionsmittel (20) aus der Rückzugsstellung und die Brühstellung die Verformungsmittel (30) eine Verformung der Oberfläche der Substratportion bewirken, nachdem oder während die Infusionsmittel (20) in eine Substratportion eindringen.
Brüheinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch mechanische Antriebsmittel zur Überführung der Brühkammerhälften (02, 03) zwischen einer geöffneten, voneinander beanstandeten Position und einer geschlossenen, die Brühkammerhälften (02, 03) an Kontaktflächen (09, 010) aneinander zur Anlage bringenden Position.
Brüheinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zylinder des Hydraulikzylinders (21) durch ein ebenfalls in der ersten Richtung (03.1) beweglich in einem Außengehäuse (05) der Brühkammerhälfte (02, 03) angeordneten Innengehäuses (06) gebildet wird.
Brüheinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Innengehäuse (06) einends eine Kontaktfläche (09) zur Kontaktierung und dichtenden Anlage an der anderen Brühkammerhälfte (02, 03) ausbildet.
Brüheinheit nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Innengehäuse (06) und dem Außengehäuse (05) ein hydraulischer Dichtzylinder (13) ausgebildet ist, der fluidleitend mit der Brühfluidzuführung (14) der Brühkammerhälfte (02, 03) und dem Hydraulikzylinder (21) verbunden ist und bei einer Füllung mit Brühfluid eine Anpresswirkung der Kontaktfläche (09) an die andere Brühkammer (11) bewirkt.
Brüheinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Dichtzylinder (13) durch das selbsttätige Ventil (27) zwischen Infusionsmitteln (20) und Hydraulikzylinder (21) gesteuert wird.
Brüheinheit nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Innengehäuse (06) der Brühkammerhälfte (02, 03) einen hinteren Abschnitt mit einem ersten kleineren Durchmesser zur Ausbildung des Zylinders des Hydraulikzylinders (21) und einen vorderen Abschnitt mit einem größeren Durchmesser zur Aufnahme der Infusionsmittel (20), und bevorzugt Rückstellungsmittel (26) für die Infusionsmittel (20), aufweist.
Brüheinheit nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser oder die hydraulisch wirksame Fläche des Dichtzylinders (13) größer ist, als der Durchmesser oder die hydraulisch wirksame Fläche des Hydraulikzylinders (21).
Verfahren zum Betrieb einer Brüheinheit (01) einer Getränkezubereitungsvorrichtung für Substratportionen, insbesondere Kaffeemaschine für vorportionierte Kaffeeeinheiten, umfassend einen Träger (04) und eine Brühkammer (11) deren wenigstens zwei Brühkammerhälften (02, 03), bevorzugt über mechanische Antriebsmittel, zwischen einer Öffnungsposition und einer Verschlussposition bewegt werden, wobei nach der Aufnahme einer Substratportion in der Öffnungsposition und einer Überführung der Brühkammerhälften (02, 03) in die Verschlussposition in einer Brühkammerhälfte (02, 03) angeordnete Infusionsmittel (20) zum Eindringen in die Substratportion und Einleiten von Brühfluid in die Substratportion aus einer Rückzugsstellung in eine Brühstellung überführt werden, wobei während des Brühvorgangs die Infusionsmittel (20) durch eine Fluidverbindung mit einer Brühfluidzuführung (14) der Brühkammerhälfte (02, 03) Brühfluid in die Substratportion einleiten und im Vorfeld der Zuführung des Brühfluids zu den Infusionsmitteln (20) über eine Fluidverbindung zwischen der Brühfluidzuführung (14) und einem Hydraulikzylinder (21) ein Arbeitskolben (24) des Hydraulikzylinders (21), der mechanisch mit den Infusionsmitteln (20) verbunden ist, beim Füllen des Hydraulikzylinders (21) mit Fluid die Infusionsmittel (20) in die Brühstellung bewegt, dadurch gekennzeichnet, dass beim Erreichen eines definierten Drucks, insbesondere Brühdrucks, in dem Hydraulikzylinder (21) eine Fluidverbindung zwischen dem Hydraulikzylinder (21) und den Infusionsmitteln (20), insbesondere über ein selbsttätiges oder eigengesteuertes Ventil (27), insbesondere ein Gegendruckventil, am Übergang zwischen den Infusionsmitteln (20) und dem Hydraulikzylinder (21), freigegeben wird und so ein durchgängiger, insbesondere unverzweigter, Fluidkanal (28) zwischen der Brühfluidzuführung (14) und den Infusionsmitteln (20), insbesondere der Substrateinheit, erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Hydraulikzylinders (21) und der Infusionsmittel (20) vor dem Erreichen des definierten Drucks, bevorzugt Brühdrucks, in dem Hydraulikzylinder (21), bevorzugt mittels mechanischer Anschlagsmittel, begrenzt wird und bevorzugt die Brühposition der Infusionsmittel (20) definiert wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bewegung der Infusionsmittel (20) aus der Rückzugsstellung und die Brühstellung eine Verformung der Oberfläche der Substratportion bewirkt wird, nachdem oder während die Infusionsmittel (20) in eine Substratportion eindringen, insbesondere dadurch dass den Infusionsmitteln (20) Verformungsmittel (30) zurückversetzt zugeordnet sind, die bei der Bewegung der Infusionsmittel (20) in die Brühstellung an der Substratportion zur Anlage kommen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass während der Überführung der Infusionsmittel (20) in die Brühstellung in einem Dichtzylinder (13) ein Druck aufgebaut wird, der die in der Verschlussposition befindlichen Brühkammerhälften (02, 03) gegeneinander kraftbeaufschlagt.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Hydraulikzylinder (21) und/oder Dichtzylinder (13) während des gesamten Brühvorgangs im Wesentlichen konstant gehalten wird.