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Die Erfindung betrifft das Gebiet der Zubereitung von Getränken aus einer Kapsel in einer Extraktionsvorrichtung, die zur Aufnahme einer derartigen Kapsel ausgeführt ist, wobei die Vorrichtung/Kapsel-Anordnung normalerweise als Extraktions-”System” bezeichnet wird.
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Der technische Hintergrund der Erfindung betrifft das Gebiet von Kapseln, welche essbare Bestandteile wie gemahlenen Kaffee enthalten und welche in einer Extraktionsvorrichtung unter Heißwasserdruck extrahiert werden. Das heiße Wasser wird über eine Einspritzseite beispielsweise unter Verwendung einer Durchstoßanordnung in die Kapsel eingespritzt, der Flüssigkeitsdruck erhöht sich in der Kapsel, bis eine weitere Seite der Kapsel durch Perforiereinrichtungen perforiert oder durchgestoßen wird, so dass das Extrakt aus der Kapsel geliefert wird. Eine Vielzahl von zu der Perforiereinrichtung gehörenden Reliefs ermöglicht die Bildung von kontrollierten Öffnungen in der Kapselfläche, während das Extrakt gleichzeitig ausreichend gefiltert wird, so dass der Kaffeesatz in der Kapsel verbleibt.
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Ein derartiges System, welches dieses Verfahren einsetzt, ist beispielsweise aus dem Patent
EP-A-512470 bekannt.
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Die Patentanmeldung
EP 1 654 966 schlägt eine Verbesserung zum Vorsehen einer besseren Dichtung bei Verschließen des Extraktionssystems vor, um die Extraktionseigenschaften, insbesondere den Öffnungs- und den Extraktionsdruck, besser zu steuern. Dazu ist die Kapsel mit einer angebrachten Dichtung oder einer einen integralen Bestandteil der Kapsel bildenden Dichtung ausgerüstet, so dass jede neue, zu extrahierende Kapsel perfekt in dem Extraktionssystem abdichtet, wodurch jede Gefahr eines Wasseraustritts durch den Kapselklemmbereich nach außen verhindert wird. Bei den bekannten Systemen wird die Dichtung im Allgemeinen von der Vorrichtung gehaltert, wodurch sich Verschleiß- und auch Verschmutzungsprobleme ergeben können, die sodann eine Veränderung der Extraktionsbedingungen verursachen können. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Kapsel leichter gelöst werden kann, indem verhindert wird, dass die Kapsel in dem Kapselkäfig durch Saug- oder Vakuumwirkung „festklebt”. Hierzu kann die Erfindung Luftdurchlässe wie z. B. Nuten auf der Auflagefläche des Kapselkäfigs vorsehen.
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Um eine zufriedenstellende Dichtung zu erhalten, muss die von der Kapsel gehalterte Dichtung eine ausreichende Stärke eines verformbaren Materials aufweisen. Diese Dichtung muss derart bemessen sein, dass sie genügend zusammengedrückt wird, um jede Trennung nach dem Schließen und wenn die Vorrichtung während der Extraktion ihren höchsten Druck erreicht hat auszugleichen. Man hat nun herausgefunden, dass der Einspritzdruck, der bei 12 bis 20 Bar liegen kann, bei derart hohen Druckniveaus dazu neigt, die Vorrichtung im Bereich weniger Zehntel Millimeter im Kapselklemmbereich zu öffnen. Daher muss die Dichtung in der Lage sein, eine derart „dynamische” Trennung auszugleichen. Wenn die Dichtung nicht groß genug ist, ist der Ausgleich unzureichend und es kann zu Leckagen kommen, was bedeutet, dass kein richtiger Druckanstieg in der Kapsel stattfinden kann.
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Die Erhöhung der Stärke der Dichtung zur Lösung dieses Problems der Abtrennung führt jedoch zu zusätzlichen Kosten bei der Kapselherstellung.
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WO 2006/003116 betrifft eine Filtermaschine (Perkoliermaschine) zur Herstellung eines Getränks unter Verwendung einer abgedichteten Kapsel eines nichtwässrigen Pulvermaterials. Die Kapsel ist eine genormte, versiegelte Kapsel und die Flüssigkeitsdichte wird durch eine Druckdichtung eines hydraulisch unterstützten Sprinklers erreicht, welche gegen den Kapselflansch drückt.
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Insbesondere besteht eine der Aufgaben der Erfindung darin, die Vorteile einer mit der Kapsel verbundenen Dichtung beizubehalten, während gleichzeitig eine Lösung für das Problem der dynamischen Trennung unter dem Einfluss des Innendrucks bei der Extraktion bereitgestellt wird.
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Dazu bezieht die Erfindung auf ein Extraktionssystem zur Zubereitung eines Getränks gemäß Anspruch 1.
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Erfindungsgemäß bildet die Kapseldichtung eine Materialstärke, die dadurch verformt werden kann, dass sie in der Vorrichtung festgehalten wird. Bevorzugt ist die Dichtung weicher als die Kapselhalterung, mit der die Dichtung in dem Klemmbereich der Kapsel in Berührung ist, und als die Klemmfläche der Kolbeneinheit. Zum Beispiel ist die Halterung normalerweise eine Klemmkante der Kapsel. Die Klemmfläche der Kolbeneinheit kann aus einem steifen Material wie einem Metall oder einem Kunststoff hergestellt sein, das sich unter dem Einfluss der Schließkräfte und der Wärme der Flüssigkeit nicht verformen lässt.
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Die Dichtung hat vorzugsweise eine Stärke von 0,8 mm oder weniger und bevorzugt eine Dicke von 0,2 bis 0,6 mm. Mit einer Stärke in dieser Größenordnung ist es möglich, die Verwendung einer Dichtung in der Vorrichtung zu vermeiden, während gleichzeitig ein dynamisches Abdichten möglich ist, das hohen Drücken, zum Beispiel Drücken zwischen 12 und 20 Bar, standhalten kann.
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Die Kapseldichtung kann aus einem elastisch verformbaren Material bestehen, um ein mögliches Öffnen an der Klemmfläche des Kapselkäfigs schneller auszugleichen. Beispiele verformbarer Materialien für die Dichtung können Elastomere wie TPE (thermoplastisches Elastomer), LSR (Flüssigsilikongummi), Silikon oder EPDM umfassen.
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In einigen Fällen kann die Dichtung auch aus einem verformbaren aber leicht elastischen Material wie z. B. Synthetikfasern, Zellulose, Schaum, Kunststoff oder Mastix hergestellt sein.
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Die Dichtung kann ein Element sein, welches vorgefertigt und durch irgendwelche Verbindungsmittel mit der Kapsel verbunden ist oder alternativ zusammen mit der Kapsel gefertigt werden kann. Die Dichtung kann eine mit der Kapsel verbundene O-Ringdichtung sein. Sie kann durch Kleben, Schweißen oder andere Verbindungsmittel an der Kapsel befestigt sein. Sie kann auch in flüssiger Form aufgebracht und vor Ort polymerisiert werden oder je nach dem Material, aus dem die Kapsel besteht, mit eingespritzt oder angespritzt werden. Die Dichtung kann auch einen integralen Bestandteil einer Kapselwand bilden und aus demselben Material, beispielsweise aus Kunststoff, bestehen.
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Bezüglich der Extraktionsvorrichtung umfasst diese einen Einspritzkäfig mit einem Sockel und einer Schließkolbeneinheit. Die Schließkolbeneinheit kann sich in Bezug auf den Sockel unter der Einwirkung der Flüssigkeit beim Einspritzen verschieben.
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Der Einspritzkäfig umfasst im Allgemeinen einen inneren Extraktionshohlraum in einer Form, die zumindest teilweise den Umriss einer Kapsel aufnehmen soll, mindestens einen Flüssigkeitszufuhrkanal, der den Hohlraum mit Flüssigkeit versorgt, möglicherweise mindestens eine Öffnungseinrichtung, wie z. B. ein Durchstoßelement, mit dem die Kapsel geöffnet werden kann, so dass die Flüssigkeit in die Kapsel eingeführt werden kann.
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Der Begriff „Flüssigkeit” bezieht sich insbesondere auf heißes Wasser, die Verwendung anderer Flüssigkeiten wie Nahrungsflüssigkeiten ist aber nicht ausgeschlossen.
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Gemäß einem Merkmal wird die Kolbeneinheit bezüglich des Sockels derart eingebaut, dass sie sich koaxial mit diesem bewegt, wobei diese Einheit mit dem Sockel eine Druckkammer festlegt, deren Volumen sich ausdehnen kann, wobei die Ausdehnung der Druckkammer unter dem Einfluss der Flüssigkeit bewirkt, dass die Kolbeneinheit zurück in Richtung der Kapsel geschoben wird, und wobei die Einheit eine Klemmfläche umfasst, welche Schließkräfte auf die Kapseldichtung in dem Kapselklemmbereich unter dem Einfluss des durch die Flüssigkeit auf die Kolbeneinheit ausgeübten Schubs ausübt.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist zwischen der Kolbeneinheit und dem Sockel mindestens eine Dichteinrichtung vorgesehen, um eine Dichtung zwischen der Druckkammer und der Außenseite herzustellen.
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Gemäß einem weiteren Merkmal ist in der Druckkammer eine nicht zusammendrückbare, elastische Schubeinrichtung vorgesehen, die elastisch verformbar ist und zumindest teilweise die Druckkammer ausfüllt; diese elastische Einrichtung ist derart in der Druckkammer angeordnet, dass sie durch die Flüssigkeit verformt wird und somit in der Lage ist, axiale Schubkräfte gegen die Wirkung der Kolbeneinheit aufzubringen. Gemäß einer möglichen Ausführungsform nimmt die elastische Einrichtung die Druckkammer vollständig ein, wenn sich die Druckkammer in der Ruhestellung befindet. Es ist die Aufgabe, das von der Flüssigkeit in der Druckkammer eingenommene Volumen zu verringern, indem deren Volumen durch die elastische Einrichtung ersetzt wird. Die elastische Schubeinrichtung nimmt die von der unter Druck stehenden Flüssigkeit ausgeübten Kräfte auf und überträgt sie auf die Kolbeneinheit. Die Vorteile liegen in der besseren Steuermöglichkeit der Schließkräfte (zum Beispiel durch Vorsehen von unterschiedlich harten Materialien), in der Verringerung von Flüssigkeitsstaubereichen und der Verhinderung einer Verschmutzung der Druckkammer mit Nahrungsresten wie Kaffeesatz.
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Somit kann die nicht zusammendrückbare, elastische Schubeinrichtung aus einem Silikonmaterial oder einem anderen Elastomer bestehen. Die Härte eines derartigen Materials ist so angepasst, dass sie der gewünschten Leistung und den gewünschten, zu übertragenden Schließkräften entspricht.
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Gemäß einer möglichen Ausführungsform umfasst die nicht zusammendrückbare, elastische Druckeinrichtung eine erste, sich radial erstreckende Oberfläche, auf die der Flüssigkeitsdruck ausgeübt wird, sowie eine zweite, quer verlaufende Druckoberfläche, um einen Axialdruck auf die Kolbeneinheit auszuüben.
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Gemäß einer möglichen Ausführungsform sind das Dichtmittel und die elastische Einrichtung ein und dasselbe Element.
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Die (projizierte) Schubfläche der Kolbeneinheit, auf die für den Schließvorgang der Druck der Flüssigkeit außerhalb der Kapsel ausgeübt wird, ist größer als die Abgabefläche der Kapsel. Folglich bleiben die Trennkräfte, welche die Vorrichtung öffnen wollen, durch Vorsehen eines Verhältnisses der Oberflächenbereiche, das immer die Schubfläche begünstigt, geringer als die Kräfte, welche die Vorrichtung um die Kapsel herum schließen. Bevorzugt beträgt die Schubfläche das 1,2- bis 2-fache der Größe der Abgabeoberfläche.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform bildet die Druckkammer eine Verlängerung des Extraktionshohlraumes. Die Druckkammer wird sodann über mindestens eine Öffnung oder einen Kanal des Extraktionshohlraumes direkt mit Flüssigkeit versorgt. Die Druckkammer ist vorzugsweise eine ringförmige Verlängerung des Extraktionshohlraumes.
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In diesem Fall stellt die Kolbeneinheit teilweise den Extraktionshohlraum dar, so dass die Kolbeneinheit und der Sockel zusammen die Oberflächen des Extraktionshohlraumes festlegen. In diesem Fall umfasst der Sockel einen Flüssigkeitszufuhrkanal, der direkt mit dem Extraktionshohlraum in Verbindung steht. Der Sockel umfasst weiterhin vorzugsweise mindestens eine Öffnungseinrichtung, wie z. B. ein Durchstoßelement, das beispielsweise in den Extraktionshohlraum hineinragt. Die Kolbeneinheit bildet bevorzugt den unteren (Klemm-)Teil des Extraktionshohlraumes. Dann umfasst sie mindestens einen im Wesentlichen zylindrischen oder kegelstumpfartigen Teil, welcher innen der äußeren Form der Kapsel entspricht. In diesem Fall stellt die Druckkammer vorzugsweise eine im Wesentlichen ringförmige, um den Extraktionshohlraum angeordnete und diesen radial erweiternde Kammer dar. Eine Ausgestaltung wie diese ermöglicht eine erhebliche Verringerung der Größe der Vorrichtung.
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Gemäß dieser Ausführungsform wird die Flüssigkeit der Druckkammer über eine Vielzahl von Öffnungen oder Kanälen zugeführt, die radial zwischen dem Extraktionshohlraum und der ringförmigen Druckkammer angeordnet sind. Mit einer Anordnung wie dieser ist es möglich, einen gleichmäßigen Druckanstieg in der Kammer und folglich Schließkräfte zu gewährleisten, welche gleichmäßig über den Umfang der Klemmfläche verteilt sind. Die Kanäle sind beispielsweise offen gestaltet und sind an einer der Kanten zwischen der Kolbeneinheit und dem Sockel angeordnet, um zu verhindern, dass sie möglicherweise durch Kalk oder feste Kaffeeteilchen verstopft werden. In diesem Fall werden die Öffnungen oder Kanäle größer und die Kammerzufuhrfläche vergrößert sich entsprechend, wenn sich die Kolbeneinheit allmählich von dem Sockel wegbewegt.
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Gemäß einer zweiten möglichen Ausführungsform erstreckt sich die Druckkammer stromaufwärts des Extraktionshohlraumes.
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In diesem Fall kann die Kolbeneinheit vollständig den Extraktionshohlraum zur Aufnahme der Kapsel bilden, so dass der Hohlraum der Kolbeneinheit relativ zu einem Sockel verschiebbar ist. Die Druckkammer wird in diesem Fall über mindestens einen Flüssigkeitskanal versorgt, der sich in dem Sockel und stromaufwärts der Kammer befindet. Der Extraktionshohlraum selbst wird dann über die Druckkammer durch mindestens einen durch die Kolbeneinheit hindurch ausgebildeten Flüssigkeitskanal versorgt.
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Gemäß einem weiteren Vorteil sind Einrichtungen zum Lösen der Kapsel vorgesehen, wodurch eine Vakuumwirkung in dem Klemmbereich vermieden wird. Dazu bildet die Klemmfläche der Kolbeneinheit vorzugsweise unterbrochene Klemmabschnitte zum Festlegen des Klemmbereiches der Kapsel.
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Insbesondere umfasst die Klemmfläche der Kolbeneinheit radial verlaufende, offene Nuten, welche diese unterbrochenen Abschnitte voneinander trennen. Die Größe der Nuten hängt von der Größe der Kapseldichtung ab.
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Die Nuten haben bevorzugt eine Höhe, die durch die Stärke der Dichtung ausgeglichen werden kann, wobei diese Höhe geringer ist als die Stärke der Dichtung. Vorzugsweise liegt die Höhe (H) der Nuten bei weniger als 2/3 der Stärke der Dichtung, vorzugsweise ist sie ungefähr gleich der Hälfte der Stärke der Dichtung. Die Nuthöhe liegt beispielsweise bei ca. 0,1 bis 0,4 mm. Die Nutbreite liegt ebenfalls vorzugsweise zwischen ca. 0,8 und 3 mm.
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Die Extraktionsvorrichtung wird mit einer Schließvorrichtung zum Schließen des Einspritzkäfigs und der Extraktionshalterung um die Kapsel verbunden, bevor der Druck erhöht wird. Diesen Schließvorgang kann man insofern als „vorläufiges Schließen” betrachten, als eine gewisse Schließkraft bereits von der Vorrichtung auf die Kapsel in dem Klemmbereich aufgebracht wird, bevor sie die Flüssigkeit mit Druck beaufschlagt. Die Schließvorrichtung kann eine mechanische, hydraulische oder hydromechanische Vorrichtung sein. Sie kann ebenfalls ein von Hand betätigtes System oder ein Motor betriebenes System darstellen.
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Aus der genauen Beschreibung der anliegenden Zeichnungen wird die Erfindung besser verständlich und weitere Merkmale werden ersichtlich.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine Schnitt- und Perspektivansicht des erfindungsgemäßen Extraktionssystems, welche das System in einem ersten Betriebszustand darstellt, insbesondere in dem Öffnungsbetrieb beim Einsetzen einer Kapsel in die Extraktionsvorrichtung;
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Teils des Systems in dem Zustand gemäß 1;
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3 zeigt eine der 2 ähnliche Ansicht, jedoch in einem zweiten Betriebszustand, insbesondere im Schließbetrieb und vor der Druckbeaufschlagung des Systems;
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4 ist eine detaillierte Schnittansicht des Systems im Schließzustand gemäß 3;
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5 zeigt eine Schnitt- und Perspektivansicht des Extraktionssystems in einem dritten Betriebszustand, insbesondere wenn das System unter Druck steht;
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6 zeigt eine detaillierte, perspektivische Ansicht des Systems unter Extraktionsdruck (ohne die Kapselmembran);
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7 zeigt eine Seitenansicht im Querschnitt eines Extraktionssystems gemäß einer zweiten Ausführungsform, welche die Erfindung beim Öffnen und Einsetzen einer Kapsel in die Extraktionsvorrichtung darstellt;
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8 ist eine detaillierte Schnittansicht des Systems nach dem mechanischen Verschließen aber vor der Druckbeaufschlagung des Systems;
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9 ist eine detaillierte Schnittansicht des Systems, wenn es mit Druck beaufschlagt wird;
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10 stellt eine detaillierte Schnittansicht einer dritten Ausführungsform nach dem mechanischen Verschließen jedoch vor der Druckbeaufschlagung des Systems dar;
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11 zeigt eine detaillierte Schnittansicht gemäß der Ausführungsform aus 10, nachdem das System mit Druck beaufschlagt wurde.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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In Bezug auf die 1 und 2 besteht das erfindungsgemäße Extraktionssystem 1, wie in dem nicht beschränkenden Beispiel dargestellt, aus einer Extraktionsvorrichtung 2, in welcher eine einen Nahrungsmittelbestandteil zur Zubereitung eines Getränks enthaltende Kapsel 3 untergebracht ist.
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Die Zubereitung erhält man normalerweise durch Einspritzen einer mit Druck beaufschlagten Flüssigkeit in die Kapsel und Extrahieren des Inhaltsstoffes unter dem Druck dieser Flüssigkeit. Die Kapsel ist eine Einwegkapsel, deshalb wird die verbrauchte Kapsel im Allgemeinen weggeworfen oder wieder verwertet. Es wird dann eine neue Kapsel in die Vorrichtung eingesetzt.
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Die „Vorrichtung-Kapsel”-Anordnung ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Anmeldung als das „Extraktionssystem” bekannt. Aus der nachfolgenden Beschreibung wird ersichtlich, dass die Vorrichtung und die Kapsel Einrichtungen darstellen, welche nur miteinander arbeiten können und welche physisch zusammenwirken und einander ergänzen, um das Flüssigkeitsextrakt zu extrahieren, welches das Getränk bilden soll.
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Die Extraktionsvorrichtung als solche ist eine Anordnung mit einem Einspritzkäfig 4 und einer Kapselhalterung 5. Der Einspritzkäfig und die Kapselhalterung sind zum Verschließen um die Kapsel 3 herum relativ zueinander beweglich. In diesem Beispiel wird der Einspritzkäfig 4 auf einem beweglichen, oberen Aufbau 6A befestigt, während die Kapselhalterung 5 auf einem feststehenden, unteren Aufbau 6B befestigt wird, wobei sich der obere Aufbau durch eine Schwenkbewegung um eine Gelenkachse 7 näher an den unteren Aufbau heran bewegt. Man könnte auch das Gegenteil vermuten, nämlich einen feststehenden Kapselkäfig und eine bewegliche Kapselhalterung, oder alternativ könnte man annehmen, dass sich die beiden Teile aufeinander zu bewegen. Die Dynamik, die das Verschließen des Einspritzkäfigs und der Kapselhalterung regelt, unterliegt zahlreichen möglichen Varianten. Eine Dynamik, bei der die Teile sich in einem linearen Weg (und keiner nicht-linearen Kurve) näher zueinander bewegen, stellt tatsächlich eine mögliche Variante dar.
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Der Einspritzkäfig bezeichnet den Teil, der Einrichtungen zum Einspritzen einer unter Druck stehenden Flüssigkeit in die Kapsel enthält. Diese Einrichtungen umfassen normalerweise mindestens einen Hauptflüssigkeitszufuhrkanal 8 sowie Einrichtungen zum Öffnen der Kapsel. Die Öffnungseinrichtungen können beispielsweise Durchstoßelemente 9 darstellen, deren Funktion im Herstellen einer oder mehr Öffnungen in der Kapsel liegt, um die Flüssigkeit eintreten zu lassen. Die Durchstoßmittel können wie dargestellt von dem Kanal 8 getrennt sein. Dies können zum Beispiel Elemente in Form von Klingen, Nadeln oder Dornen sein. In einer Variante kann sich der Kanal durch das Durchstoßelement als solches fortsetzen. Weitere Öffnungseinrichtungen können je nach Art der Kapsel vorgesehen werden.
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Der Einspritzkäfig weist einen Innenhohlraum 10 auf, der die Einspritzfläche der Kapsel beim Verschließen aufnimmt. Der Innenhohlraum 10 kann je nach Kapselform in der Tiefe variieren. Das freie Ende des Käfigs weist eine Klemmfläche 11 auf. Der Einspritzkäfig ist mit einem System zur Versorgung der Vorrichtung mit Flüssigkeit verbunden, welches der Einfachheit halber in 1 nur teilweise dargestellt ist. Das Flüssigkeitszufuhrsystem umfasst im Allgemeinen einen Wassertank, eine Druckpumpe und Kanäle für den Flüssigkeitstransport, einen Wassererhitzer wie z. B. einen Thermoblock, um die Flüssigkeit mit der für die Extraktion gewünschten Temperatur zu befördern. Die Pumpe kann eine elektromagnetische Kolbenpumpe sein, welche in der Lage ist, einen statischen Druck von einigen Bar bereitzustellen, oder auch eine andere gleichwertige Pumpe.
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Die Kapselhalterung 5 weist eine Extraktionsfläche 60 auf, welche ermöglicht, dass die Kapsel unter dem Einfluss des Druckanstiegs in der Kapsel perforiert wird. Zu diesem Zweck umfasst die Oberfläche mindestens ein Relief, vorzugsweise eine Reihe von Reliefs 12, die Einrichtungen zum Perforieren der Kapsel bilden. Die Reliefs können sich in ihrer Geometrie je nach Kapseltyp und den gewünschten Extraktionsbedingungen unterscheiden. In dem Beispiel hat jedes Relief die Form einer abgeschnittenen Pyramide. Es ist ein Netz von Kanälen 61 ausgebildet, durch die das Flüssigkeitsextrakt zwischen der Reliefstruktur hindurch fließen kann, so dass Flüssigkeit in einem Behälter aufgefangen werden kann (in einer Tasse oder ähnlichem).
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Wie in 2 dargestellt, weist die Kapsel 3 gemäß dem System der Erfindung eine Einspritzwand 13 auf, die geschlossen werden kann, wenn die Kapsel in die Vorrichtung eingesetzt oder eingelegt wird. Die Einspritzwand kann die Form eines gewölbten Körpers 14 aufweisen (beispielsweise die Form eines Kegelstumpfes/von Kegelstümpfen). Die Kapsel umfasst eine Abgabewand 15, durch die das Extrakt fließen können muss, sobald die Perforiereinrichtung 12 der Extraktionsoberfläche der Halterung Öffnungen hergestellt hat. Eine derartige Wand 15 kann eine aus Aluminium, Kunststoff oder einem Kunststoff-Aluminiumlaminat bestehende Membran sein, die perforiert werden kann. Die Wand ist beispielsweise eine Aluminiumfolie mit einer Dicke von wenigen Zehntel Mikron, welche zerreißt, wenn sie ihre Zerreißbelastung bei Kontakt mit den Reliefs 12 bei einem Druck erreicht, der je nach Kapsel, den Inhaltsstoffen und der Membrandicke zwischen 6 und 20 Bar betragen kann. Der Kapselkörper kann aus einem steifen oder halbsteifen Material wie Aluminium, Kunststoff oder einem Kunststoff-Aluminiumlaminat bestehen.
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Die Kapsel umfasst einen Klemmbereich 16, durch den sie festgehalten wird, wenn die Vorrichtung auf der Kapsel geschlossen wird. Dieses Festhalten erfolgt dadurch, dass der Einspritzkäfig 4 und die Extraktionshalterung 5 näher zusammen gebracht und daraufhin auf beiden Seiten dieses Klemmbereiches 16 festgeklemmt werden. Der Klemmbereich 16 wird aus einer radial um den Umfang der Kapsel verlaufenden Begrenzung gebildet. Zumindest teilweise kann die Begrenzung von dem Kapselkörper gebildet sein. Die Membran 15 kann durch Versiegeln oder Verschweißen an der Unterseite der Begrenzung in dem Klemmbereich 16 angebracht werden. Erfindungsgemäß umfasst der Klemmbereich eine Dichteinrichtung in Form einer Dichtung 17, die die gesamte Begrenzung oder einen Teil davon einnimmt. Die Dichtung 17 ist vorzugsweise ein aus einem verformbaren, relativ weichen Material bestehendes Element, das an dem Rand angebracht oder befestigt ist. Unter einem relativ weichen Material ist ein Material zu verstehen, das verformbar ist, um dadurch zumindest jede Öffnung des Einspritzkäfigs an der Klemmfläche auszugleichen, wie später erläutert wird. Bevorzugt besteht die Dichtung aus einem elastischen Material wie einem Elastomer. Die Stärke der Dichtung beträgt vorzugsweise maximal 0,8 mm.
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Die Form der Dichtung kann derart ausgeführt sein, dass diese kriechfähig ist, wenn der Druck ansteigt, um so eine bessere Dichtung unter Verwendung einer Mindestmenge an Material bereitzustellen. In dem dargestellten Beispiel weist die Dichtung an dem der Wand des Körpers 14 der Kapsel zugewandten Rand eine größere Dicke auf als zu dem freien Ende des Randes hin, wodurch das Material unter dem Einfluss der gegen den Hohlraum und die Kapselwand drückenden Flüssigkeit nach außen wandern kann. Die Dichtungsstärke kann auf der Seite der Seitenwand ca. 0,5 mm betragen und sich nach außen hin auf einen Wert zwischen 0 und 0,2 mm verringern. Der Kapselrand kann in einer an sich bekannten Quetschnaht 18 enden, auf die die Klemmkräfte theoretisch nicht aufgebracht werden.
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Erfindungsgemäß ist der Einspritzkäfig derart ausgeführt, dass er zur Erhöhung der Schließkräfte auf den Klemmbereich mit Druck beaufschlagt wird, nachdem die Vorrichtung mechanisch geschlossen worden ist. Zu diesem Zweck umfasst der Einspritzkäfig einen Sockel 19 und eine Kolbeneinheit 20, welche axial bezüglich des Sockels mit der Möglichkeit einer kontrollierten Bewegung eingebaut ist. Wie die 3 und 4 zeigen, umfasst die Kolbeneinheit einen seitlichen Rand 21, der in eine in dem Sockel 19 ausgebildete Nut 22 passt. Die Rand-/Nutanordnung legt eine Druckkammer 23 mit erweiterbarem Volumen fest. Die Kammer kann teilweise von einer Dichteinrichtung 24 wie einem elastischen Block eingenommen werden, welcher die Kammer nach außen hin an der Schnittstelle von Rand und Nut abdichtet. Die Flüssigkeit wird aus dem inneren Extraktionshohlraum über Vorkanäle oder Kanäle 25 in die Kammer befördert. Diese Kanäle können beispielsweise auf der Linie 26 ausgebildet sein, wo sich die Kolbeneinheit und der den oberen Teil des Hohlraumes bildende Sockel treffen. In dem dargestellten Beispiel sieht man Vorkanäle, welche sich zu dem Hohlraum hin aufweitende und am oberen Rand der Kolbeneinheit 20 angeordnete Einschnitte bilden. Sie könnten ebenfalls zumindest teilweise auf dem unteren Sockelrand ausgebildet sein. Die Kanäle oder Vorkanäle 25 sind radial angeordnet und gleichmäßig über den Umfang des Hohlraumes verteilt, um die Druckbeaufschlagung der Kammer auszugleichen und eine möglichst geradlinige Bewegung der Kolbeneinheit entlang des Sockels zuzulassen.
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Die Vorrichtung umfasst weiterhin Einrichtungen 27 zum Auffangen und Abgeben des Flüssigkeitsextraktes, wobei diese Einrichtungen stromabwärts der Extraktionshalterung angeordnet sind (1 und 5). Diese an sich bekannten Einrichtungen umfassen beispielsweise eine trichterförmige Auffangeinrichtung und eventuell ein Strahl regulierendes Element.
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Die Vorrichtung ist mit einer an sich bekannten, mechanischen Schließvorrichtung
28 ausgerüstet. Eine derartige Vorrichtung muss in dieser Anmeldung nicht genauer beschrieben werden. Sie kann auf einem Mechanismus zur Übertragung einer Kraft von einem manuellen Hebel
29 oder Motor (nicht dargestellt) auf den den Einspritzkäfig tragenden Aufbau basieren. Dies kann ein Mechanismus sein, der sich das Prinzip eines Rasthebels, wie beispielsweise des in den Patentanmeldungen
EP 1090574 oder alternativ
EP 1495702 beschriebenen, zunutze macht. Es kann auch ein Nockenmechanismus, ein Mechanismus mit einem elektromagnetischen Feld (Elektromagnet) und/oder ein Hydraulikmechanismus sein.
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Die 3 und 4 zeigen das Extraktionssystem, nachdem die Vorrichtung unter Verwendung der Schließvorrichtung 28 um die Kapsel herum geschlossen wurde. Der Hebel 29 wird betätigt, um den Einspritzkäfig 4 näher an die Extraktionshalterung zu dem Punkt zu bringen, dass der Klemmbereich 16 der Kapsel fest eingeklemmt wird. In diesem Betriebszustand bewegt sich der Hohlraum in Richtung der Kapsel und drückt somit die Durchstoßelemente 9 durch die Einspritzwand der Kapsel 3.
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Wie in 4 dargestellt, wird die Kolbeneinheit durch eine Klemmfläche 11, welche in Folge des mechanischen Verschließen Klemmkräfte auf die Kapseldichtung ausübt, in Richtung ihres freien Endes 30 verlängert. Es ist anzumerken, dass die Dichtung bereits vorgespannt und bis zu einem gewissen Grad zusammengedrückt wird. Die Extraktionshalterung dient zur Aufbringung von Gegenkräften, um den Rand festzuhalten und die Kapsel in diesem Bereich unbeweglich zu machen.
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Bevorzugt weist die Klemmfläche 11 unterbrochene Klemmabschnitte auf, welche Nuten 31 zwischen sich begrenzen (1), die bezüglich der Axiallinie I der vom Extraktionshohlraum gebildeten Rotationsfläche in radialer Richtung verlaufen. Die Anzahl der Nuten 31 kann variieren, beträgt aber bevorzugt mehr als 10 und sogar mehr als 20. Die Nuten sind vorzugsweise über den gesamten Umfang der Klemmfläche verteilt.
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Ebenfalls bevorzugt mündet das Ende der Kolbeneinheit in einer Klemmfläche mit inneren 32 und äußeren 33 Kanten, welche auf einander zu laufen und eine relativ schmale und begrenzte Oberfläche 11 bilden. Die Breite der Klemmfläche 11 liegt bevorzugt bei höchstens 1 mm. Ebenso übt die Klemmfläche vorzugsweise Kräfte näher an der Seitenwand des Kapselkörpers als an der freien Kante der Begrenzung aus. Die schmale Breite der Klemmfläche bedeutet, dass lokal größere Kräfte aufgebracht werden können und ermöglicht auch eine Minimierung der Stärke bzw. der Breite der Dichtung bei gleichzeitiger Sicherstellung einer effektiven Dichtung. Bevorzugt bildet die Innenkante 32 einen Winkel A, welcher kleiner als der Winkel B der Außenkante 33 ist (wobei A und B auf die Achse I bezogen sind). Der Winkel A liegt bevorzugt zwischen 5 und 10 Grad, während der Winkel B zwischen 30 und 60 Grad liegt.
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In dem Betriebszustand der 3 und 4 wurde noch keine Flüssigkeit durch den Kanal eingespritzt und die Kolbeneinheit befindet sich in der eingefahrenen Stellung. Die Druckkammer 23 wurde noch nicht mit dem Druck der Flüssigkeit beaufschlagt.
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Die 5 und 6 stellen den Extraktionsschritt richtig dar. Eine Einspritzflüssigkeit wird von der Pumpe der Vorrichtung durch den Versorgungskanal 8 geführt, bis der Druck in der Kapsel 3 und dem Innenhohlraum ansteigt. Die unter Druck stehende Flüssigkeit füllt den Hohlraum, die Kapsel und die Druckkammer durch die Vorkanäle und entlang der Linie 26, wenn sich die Kolbeneinheit zum Verschließen gegen die Dichtung und den Rand der Kapsel bewegt. Die Druckkammer dehnt sich unter dem Einfluss der Druckbeaufschlagung der Flüssigkeit in dem Hohlraum und in der Kapsel aus. Die projizierte Axialfläche an der Druckkammer ist deutlich größer als die Abgabefläche der Kapsel, was bedeutet, dass die von der Kolbeneinheit auf die Klemmfläche ausgeübten Klemmkräfte immer größer sind als die in dem Klemmbereich, aber auf der inneren Hohlraumseite ausgeübten Trennkräfte (zwischen der Kapselwand und dem Hohlraum). Somit wird die hergestellte Dichtung durch den Extraktionsvorgang hindurch aufrechterhalten.
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Dank der Tatsache, dass die Dichtung aufrechterhalten wird, erreicht der auf die Membran gegen die Reliefs ausgeübte Druck während dem Extraktionsvorgang einen Wert (zwischen ca. 6 und 20 Bar je nach Kapsel), der zum Aufreißen der Membran gegen die Reliefs führt, wobei die Zerreißbelastung des Membranmaterials erreicht wird. Daher zerreißt die Membran in einer kontrollierten und lokal begrenzten Weise und bildet an den Ecken der Reliefs Öffnungen. In einigen Fällen kann der Druck in der Kapsel aufgrund einer möglichen Verdichtung der Kaffeeschicht in der Kapsel weiterhin merkbar ansteigen. Der Aufguss wird durch die Membran und die Reliefs gefiltert. Das Extrakt wird in den Kanälen der Extraktionshalterung aufgefangen, soweit durch die bzw. seitlich der Halterungen Löcher vorgesehen sind (nicht dargestellt).
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Die 7 bis 9 zeigen eine weitere mögliche Ausführungsform, in der der Einspritzkäfig 40 aus einer Kolbeneinheit 41 gebildet wird, welche axial in einem Sockel 42 geführt wird, wobei diese Kolbeneinheit 41 vollständig den inneren Hohlraum 43 ausbildet. Die Kapsel 3 ist ihrerseits identisch mit dem System der vorhergehenden Ausführungsform.
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Der Einspritzkäfig 40 wird derart eingebaut, dass er in einem Aufbau 44 zwischen einer offenen Stellung (7) und einer mechanisch geschlossenen Stellung (8) verschiebbar ist. Der Einspritzkäfig wird somit in seiner Bewegung von Führungseinrichtungen 45 gehalten und geführt, welche seitlich des Aufbaus ausgebildet sind und die Käfigführungseinrichtungen ergänzen (beispielsweise eine Rippen-Nutanordnung); somit kann er sich durch Betätigung einer Schließvorrichtung 46 von einer Stellung in die andere bewegen. Die Schließvorrichtung ist beispielsweise vom Typ eines Rasthebels und wird von einem Hebel oder Motor betätigt (nicht dargestellt). Es ist eine Kapselhalterung 47 vorgesehen, und die Kapsel liegt auf dieser auf, sobald der Einspritzkäfig 40 geschlossen wurde und der Klemmbereich 16 der Kapsel festgeklemmt wurde.
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Die Kapselhalterung 47 umfasst einen Reliefaufbau 48 zum Öffnen der Abgabefläche der Kapsel, welcher identisch zu dem in der vorhergehenden Ausführungsform ist.
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Wie vorstehend, weist die bewegliche Kolbeneinheit 41 eine feste Klemmfläche 49 auf, die Druck auf die Kapseldichtung 17 ausübt.
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Wie in 8 dargestellt, umfasst die Kolbeneinheit Radialnuten 50, welche als Vorkanäle für den Flüssigkeitsdurchgang und die Bildung einer Druckkammer 56 zwischen der Kolbeneinheit und dem Sockel fungieren. Die Nuten 50 erstrecken sich von einem mittigen, in der Kolbeneinheit ausgebildeten Zufuhrkanal 51. Der mittige Kanal 51 steht mit einem in dem Sockel 42 ausgebildeten Hauptzufuhrkanal 52 in Verbindung und wird selbst von einer weiter stromaufwärts angeordneten Zufuhreinrichtung für unter Druck stehende Flüssigkeit versorgt (Pumpe, Wassererhitzer etc.).
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Eine Dichtung 53, wie z. B. eine O-Ringdichtung, ist ebenfalls zwischen dem Sockel und der Kolbeneinheit vorgesehen, um Leckagen nach außen zu verhindern. Dazu umfasst die Kolbeneinheit eine ringförmige Nut, in welcher die O-Ringdichtung untergebracht ist. Ebenso wird der Weg der Kolbeneinheit durch Stoppeinrichtungen zwischen dem Sockel und der Einheit gesteuert. Diese Stoppeinrichtungen sind beispielsweise in Schlitzen 55 des Sockels laufende Haken 54. Somit kann verhindert werden, dass sich die Kolbeneinheit von dem Sockel löst.
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Die Kolbeneinheit 41 des Einspritzkäfigs hat die Form einer Glocke mit einem geschlossenen Ende, in welchem Einrichtungen 62 zum Durchstoßen der Einspritzfläche der Kapsel ausgebildet sind.
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In dem Betriebszustand gemäß 8 ist der Einspritzkäfig durch die Schließeinrichtung 46 gegen die Kapsel und die Extraktionshalterung hin verschlossen.
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Es wird lediglich ein mechanischer Druck der Klemmfläche 49 der Kolbeneinheit auf die Kapseldichtung 17 ausgeübt.
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In dem Betriebszustand gemäß 9 wird das System mit Flüssigkeit unter Druck gesetzt und die Kolbeneinheit wird zurückgefahren, wobei zusätzliche Klemmkräfte auf die Kapseldichtung 17 ausgeübt werden.
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Die 10 und 11 veranschaulichen eine weitere Alternative, in der die Druckkammer von einer nicht zusammendrückbaren, elastischen Schubeinrichtung 57 eingenommen wird. Diese Einrichtung nimmt die Druckkammer in deren eingefahrener Stellung ein (d. h. bevor eine Druckbeaufschlagung erfolgt). Die nicht zusammendrückbare, elastische Schubeinrichtung 57 umfasst eine erste Fläche 58, auf welche der Flüssigkeitsdruck ausgeübt wird und welche radial verläuft, sowie eine zweite Schubfläche 59, welche quer verläuft, um axial auf die Kolbeneinheit 41 Schub auszuüben. Die Schubfläche 58 begrenzt einen Ausdehnungskanal 70, der durch die Einheit verläuft, um Flüssigkeit zu dem inneren Hohlraum fließen zu lassen. Die Außenfläche der Einheit auf der der Oberfläche 58 gegenüberliegenden Seite wird ihrerseits durch die Innenfläche der Kolbeneinheit abgesperrt. Daher neigt die Einheit zur Verformung, wodurch ein Axialschub ausgeübt wird.
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Eine derartige nicht zusammendrückbare, elastische Schubeinrichtung kann ein Block aus verformbarem, aber kaum zusammendrückbarem Material sein. Da der Block aus einem verformbaren Material wie einem Silikonelastomer besteht und im Wesentlichen das gesamte Volumen der Druckkammer einnimmt, erfahrt er einen Verformdruck in einer im Wesentlichen radialen Richtung des Kanals 70 (11) aus einer Ruhestellung (10). Die anfängliche Schubfläche, auf die der Flüssigkeitsdruck ausgeübt wird, ist im Wesentlichen gleich der Größe der inneren, ringförmigen Oberfläche des Elastomerblocks. Der Schub durch die Flüssigkeit ist daher im Wesentlichen radial. Da ein derartiger Block nicht zusammendrückbar ist, wird seine Außenfläche gegen die Innenfläche und die Endfläche der Kolbeneinheit derart zusammengedrückt, dass ein Axialschub senkrecht zu dem Radialschub der Flüssigkeit abgefangen wird und deshalb auf die Kolbeneinheit in Richtung des Klemmbereiches 16 ausgeübt wird. Die Kolbeneinheit 41 bewegt sich folglich in Richtung des Klemmbereiches, wobei Kräfte ausgeübt werden, welche sie zum Verschließen gegen die Dichtung 17 veranlassen.
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Im Allgemeinen kann die Erfindung auf jede mechanische Vorrichtung zum Verschließen der Extraktionsvorrichtung angewandt werden, um die Schließkräfte zu reduzieren. Beispielsweise ermöglicht die Verringerung der Schließkräfte den Einsatz eines Motors anstatt einer manuell betätigten Schließvorrichtung (z. B. einen Hebels). Die so beschriebene, von der Hydraulikeinrichtung geleistete Unterstützung ermöglicht eine deutliche Reduzierung der zum mechanischen Verschließen benötigten Kräfte. Diese Anwendung kann für ein Extraktionssystem vorgesehen werden, welches Kapseln mit oder ohne Dichtungen verwendet. Im Falle von Kapseln ohne Dichtung muss dann eine Abdichtung durch eine am Einspritzkäfig ausgebildete Dichtung vorgesehen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 512470 A [0003]
- EP 1654966 [0004]
- WO 2006/003116 [0007]
- EP 1090574 [0058]
- EP 1495702 [0058]
