CN102958409A - 牛奶起泡系统 - Google Patents

Abstract

牛奶起泡系统(1)，其包括：水管(10)，水管(10)依次互连水贮存器(11)、泵(12)、构造成蒸发水的加热器(15)以及混合节点(31)。该系统还包括空气管(20)，空气管(20)依次互连空气入口(21)、第一止回阀(22)、第二止回阀(24)和混合节点。该系统还包括依次互连混合节点和起泡装置(32)的蒸汽/空气管(30)。该牛奶起泡系统另外包括具有水室和空气室的膨胀容器(60)，所述水室连接到处在泵下游和加热器上游的水管的点，并且所述空气室连接到设置在空气管中的第一止回阀下游和第二止回阀上游的空气管的点。

Description

牛奶起泡系统

技术领域

本发明涉及一种用于制备蒸汽奶泡的牛奶起泡系统，该系统可与咖啡机一起使用或集成到咖啡机（例如特别是(水)箱或贮存器式浓缩咖啡机）中。

背景技术

咖啡机可配有牛奶起泡系统，以用于制备包括蒸汽奶泡的咖啡类型，例如卡布奇诺或拿铁咖啡。牛奶起泡系统在此类机器中的一般用途是制备或辅助制备包含极小的(优选微米级)泡沫且温度在约50-70℃的范围内的奶泡。

已知的牛奶起泡系统可通过将蒸汽、空气和牛奶借助于文丘里管混合而使牛奶起泡。然后使蒸汽强制通过文丘里管，在其中产生真空，利用真空将大气和牛奶两者分别通过空气供应管线和牛奶供应管线吸入。被吸入的牛奶和空气的量通过在相应的供应管线中的配量限制器来控制。该方法从制造成本角度讲是有利的，因为它可能仅需要一个典型地电动的泵来为蒸汽发生器提供要汽化并用来使系统保持适当加压的水。然而遗憾的是，在文丘里管内的混合方法可能是稍微剧烈且不稳定的，因此，牛奶残余物可能意外地最终进入且进一步缩小空气供应管线中的配量限制器。最后，空气配量限制器可能甚至变得完全被堵塞，在这种情况下，牛奶起泡系统将停止工作。

对于将大气吸入蒸汽驱动的文丘里管中的替代方案是将压缩空气强制引入一直通到文丘里管的蒸汽管线，该文丘里管于是可专门用来吸入牛奶。压缩空气的使用可以免除对易损的空气配量限制器的需要，因为可以使用单独的空气泵或压缩机来压缩和计量供应的空气。然而，额外的泵也将提高牛奶起泡系统的制造成本，并因此使这种替代方案不太有利。

本发明的目的是克服或减轻已知的牛奶起泡系统的上述缺点，并且提供在经济上可制造的牛奶起泡系统，其中空气供应管线被牛奶残余物堵塞的风险被最小化。

发明内容

本发明的一个方面涉及一种牛奶起泡系统。牛奶起泡系统可包括水管，在其下游方向上观察，水管依次互连：水贮存器；泵；加热器或热块，其被构造成蒸发水管中的水；以及混合节点。该系统还可包括空气管，在其下游方向上观察，空气管依次互连：空气入口；第一止回阀；第二止回阀；以及混合节点。该系统还可包括蒸汽/空气管，在其下游方向上观察，蒸汽/空气管依次互连混合节点和起泡装置。牛奶起泡系统可附加地包括膨胀容器，其具有水室和空气室，所述水室连接到泵下游和加热器上游的水管的点，并且所述空气室连接到设置在空气管中的第一止回阀下游和第二止回阀上游的空气管的点。

所公开的牛奶起泡系统在两个交替的循环中操作：起泡循环和停止循环。在起泡循环期间，泵工作以将蒸汽和空气的流提供至混合节点，以便生成蒸汽/空气混合物，该混合物随后被输送至起泡装置以产生奶泡。当泵经由水管从水贮存器向加热器转移液态水时，生成蒸汽，加热器经由相同的水管与设置在其下游的混合节点流体连通。压缩空气向混合节点的流动借助于设置在水管和空气管之间的两室膨胀容器而进行。当泵正在工作以从水贮存器向加热器转移水时，它也将水泵入膨胀容器的水室中。这造成膨胀容器的空气室中的任何空气被压缩并通过空气管朝混合节点驱出。在停止循环期间，泵不工作，并且允许对膨胀容器的水室进行排空和减压。这使容器的空气室有时间经由空气入口或空气管吸入新鲜空气，从而有效地再填充空气室以用于下一起泡循环。因此，根据本发明的牛奶起泡系统有利地仅使用一个(水)泵向混合节点同时进给(蒸汽形式的)水和空气。

根据本发明的改进方案，牛奶起泡系统还包括水回流管，其互连泵下游和加热器上游的水管的点、回流控制阀以及水贮存器下游和泵上游的水管的点。

水回流管提供绕过泵的旁路，以允许水在停止循环期间从膨胀容器的水室流回到水贮存器中。回流控制阀被构造成确保水的回流仅在停止循环期间即当泵不工作时进行。

在一个实施例中，回流控制阀可以是在泵下游的点处设置在水管中的水压操作的三口阀。这样的阀门可以经济方式制造和实现，这特别是因为它不需要诸如螺线管或电动马达的电致动器来工作。

在有利的实施例中，回流控制阀可包括第一阀室，所述第一阀室具有连接到水管的上游段的第一口。回流控制阀还包括第二阀室，所述第二阀室具有第二口和第三口，其中第二口连接到水管的下游段，并且其中第三口连接到水回流管。回流控制阀还可包括限流器，其互连第一口和第二口，使得通过水管的水的流动在限流器上以及第一阀室和第二阀室之间产生压差。可移动的膜可以密封地设置在第一阀室和第二阀室之间。膜可能能够在由泵驱动的水通过水管向下游的流动造成的压差的影响下关闭第三口。

在另一有利的实施例中，回流控制阀可包括阀室，所述阀室具有连接到水管的上游段的第一口、连接到水管的下游段的第二口、以及连接到水回流管的第三口。第三口可以被所述第二口更宽，并且优选地设置在阀室的侧壁或底壁中。回流控制阀还可包括浮子，该浮子设置在阀室中，并且其尺寸设计成使得其能关闭第三口。

根据牛奶起泡系统的改进方案，水管可包括设置在泵下游和加热器上游的止回阀。止回阀可具有仅当泵工作时能达到或超出的开启压力。

水管中的止回阀可用来防止膨胀容器的水室在停止循环期间排放到加热器中。这样的排放将不期望地造成加热器重新产生蒸汽(通常，加热器在起泡循环结束时排空，同时加热器仍然可能处于使水蒸发的足够的温度下)。开启压力的精确值可能取决于系统的构型，但通常使得至少在持续的时间段内仅当泵工作时能达到或超出该开启压力。开启压力可能特别地高于在泵停止工作后至少在持续的时间段内能通过对膨胀容器的水室进行排放而由水的加压向止回阀递送的压力。

根据结合附图的本发明的某些实施例的以下详细描述，将更充分地理解本发明的这些和其它特征和优点，这些实施例意图说明而不是限制本发明。

附图说明

图1示出根据本发明的示例性牛奶起泡系统的管道和仪表图；

图2是用于与图1的牛奶起泡系统一起使用的第一示例性控制阀的示意性截面图；以及

图3是用于与图1的牛奶起泡系统一起使用的第二示例性控制阀的示意性截面图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的示例性牛奶起泡系统1的管道和仪表图。在图示实施例中，四个主要的互连管道可标识为：水管10、空气管20、蒸汽/空气管30和水回流管40。

水管10可从水贮存器11延伸至混合节点31。在水贮存器11和混合节点31之间，水管10可依次包括泵12、水配量或水流量限制器13、止回阀14和加热器15。

水贮存器11可以是适于保持或储存液态水的任何装置。在典型的实施例中，水贮存器可采取可再填充水箱的形式，该水箱可拆卸地连接到水管10。

泵12可以是任何合适类型的泵，其能够优选地在1-2巴的范围内的连续操作压力(即，在连续操作期间在泵出口处可用的压力)下泵送来自水贮存器的水。在典型的实施例中，泵12可以是电动振动泵。此类泵因其紧凑性、低维护性和相对低的成本而闻名。此外，振动泵能无损坏地干运转（run dry），这对于结合可能排空的水贮存器11而言是非常实用的。

水管10中的水配量限制器13可用来计量或配给输送至加热器15的供水。水配量限制器的尺寸可取决于系统1的其它参数(例如，水管10的尺寸和/或泵12的操作压力)，并且典型地可以选择该水配量限制器的尺寸使得水在泵操作期间以在0.3-0.7ml/s范围内的体积流量输送至加热器。水配量限制器13的尺寸可以是固定的，或者是可经由限流控制装置变化的和控制的。

水管10中的止回阀或单向阀14可定向成使得它允许水从泵12流至加热器15。止回阀14的开启压力，即打开阀门所需的最小压差，可以优选地选择使得止回阀将在泵12工作时打开，并且在泵不工作时关闭。因此，止回阀14的主要作用是确保在泵关闭时水不被提供至加热器15。

加热器15可被构造成加热和蒸发供应至其的液态水。加热器15可优选地被构造成将水加热至高达120-160℃的范围内的温度，例如约140℃。加热器15可具有常规设计，并且在原则上采取任何合适的形式。例如，加热器15的一个实施例可包括诸如铝的导热材料的加热块，可能卷绕以形成盘管的一段水管10穿过加热块。至少穿过加热块的这段水管10可以优选地由诸如钢的耐热导热材料制成。加热块还可包括一个或多个加热元件，例如通电的电阻性加热元件，用来对加热块和因此穿过其中的该段水管10进行加热。

空气管20可从空气入口21延伸至混合节点31。在空气入口21和混合节点31之间，空气管可包括第一止回阀22、空气配量限制器23和第二止回阀24。

第一止回阀22和第二止回阀24均可定向成使空气能从空气入口21流至混合节点31。两个阀门22、24的作用略微不同，这从下文对系统的操作的讨论将清楚看出。

空气管20中的空气配量限制器23可用来计量或配给将在混合节点31处与蒸汽混合的空气供给。空气配量限制器23的尺寸可取决于系统1的其它参数(例如，空气管20的尺寸和/或泵12的操作压力)，并且典型地可以选择空气配量限制器23的尺寸使得在泵12操作期间以下述体积流量将空气输送至加热器15，该体积流量是同时供应至加热器15的水的体积流量的约十倍。也就是说，空气流量典型地可以在3-7ml/s(在环境压力下)的范围内。空气配量限制器23的尺寸可以是固定的，或者是可经由空气配量限制控制装置而变化的和控制的。应当理解，空气配量限制器可以典型地采取在空气管20中限定的局部限制器的形式。然而，在一些实施例中，在止回阀22、24之间延伸的一段空气管20自身可以具有这样的尺寸，使得在该段中没有局部限制器23的情况下实现所需的空气配给效应。在这样的实施例中，空气配量限制器23可被认为由所述空气管20的段来实现。

如从图1清楚看出的，水管10和空气管20可以在混合节点31处会合或合并，从两个单独的管道10、20的角度来看，混合节点31可以表示最下游的点。蒸汽/空气管30从混合节点31延伸至起泡装置32。

起泡装置32可用来制备或辅助制备包含优选微米级的极小泡沫的奶泡且可采取不同形式。在起泡装置32被构造成实际上制备或产生奶泡的情况中，起泡装置32可包括文丘里管(或类似的文丘里效应装置)，其主通道形成蒸汽/空气管30的一部分或连接到蒸汽/空气管30。在其狭窄处，文丘里管可连接到牛奶供应管线，牛奶供应管线继而可连接到牛奶贮存器。牛奶供应管线可包括固定或可变且可控的牛奶配量限制器。文丘里管的下游端可设有用于分配所产生的奶泡的喷嘴。在起泡装置32被构造成仅辅助制备奶泡的情况中，起泡装置32可类似于所谓的“蒸汽棒”。它可以因此仅包括蒸汽/空气出口管，该蒸汽/空气出口管可以结合牛奶壶使用以便半手动地制备奶泡。

如上所述，水管10和空气管20可以在混合节点31处彼此流体连通。此外，两个管道10、20可以在混合节点31上游处彼此压力连通，特别是经由两室膨胀容器60。膨胀容器的第一室或水室可以在泵12下游和加热器15上游的点处与水管10流体连通。膨胀容器60的第二室或空气室可以在设置在空气管20中的第一止回阀22和第二止回阀24之间的点处（并且更特别地在第一止回阀22下游和配量限制器23上游的点处）与空气管20流体连通。膨胀容器60的水室和空气室可由柔性、可能弹性的膜分开，该膜可以优选地不可渗透水和空气。

水回流管40基本上形成绕过泵12的水管10的旁路。因此，水回流管40可以将泵12上游的水管10的点连接到该泵下游的水管的点。

水回流管40可包括控制阀41。控制阀41可具有任何合适的(阀门)类型。控制阀41还可进一步被构造成允许水在泵12关闭时流过水回流管40(特别地流至泵12上游的水管10的点)，并且在泵12正在操作且在水管10的下游方向上泵送水时防止水流过水回流管40。为了实现控制阀41的上述行为，可以以任何合适的方式对其进行控制。在一个实施例中，控制阀41可包括机电阀，例如电磁阀或马达驱动球阀，其操作可由控制器或处理器可能地依靠接收自一个或多个传感器的信号来控制。然而，在另一个优选经济的实施例中，控制阀41可以是完全机械的且被构造成由水管中的水压（更特别地是泵12下游和加热器15上游的水管段中的水压）来操作。图2和图3各自示出了这样的机械控制阀41的示例性实施例。这两个实施例均被构造为三口或三通阀，其可设置在水管10中处在紧靠泵12下游的点处，并且具有到水回流管40的口或连接。然而，本领域技术人员将会理解，控制阀41的其它实施例可具有不同数量的口，例如，在控制阀41设置在水回流管40半途某位置的情况下为两个。

图2是控制阀41的第一示例性实施例的示意性剖视图。在该实施例中，控制阀41可包括限定空间的外壳42，该空间可由可移动的膜和/或柔性的膜47分成第一阀室45和第二阀室46。膜47可以是不可渗透水的，并且相应地在第一阀室45和第二阀室46之间形成密封。此外，它可以充当阀门，该阀门能够关闭在第二阀室46和水回流管10(的管路)之间的口49c。弹簧48可以朝口49c打开的位置偏压膜47。第一阀室45和第二阀室46可以各自分别经由第一口49a和第二口49b与插入管43流体连通。插入管43可被构造成在紧靠泵12的下游的点处插入水管10中(即，形成其一部分)，并且可包括设置在第一口49a和第二口49b之间的限流器44。与第一室45开放连通(即，不受所述限流器44的限制)的插入管43的端部可连接到流体管10的上游/泵12侧的点，而与第二室46开放连通的插入管43的端部可连接到水管10的下游/加热器15侧的点。

控制阀41的第一实施例的操作如下。当泵12正在操作时，其将从水贮存器11抽出水并迫使水通过包括插入管43的水管10。设置在水管10中的限流器44阻碍流动，这在限流器44上造成压差。经由第一口49a和第二口49b，这些压差分别连通到第一阀室45和第二阀室46，以便在膜47上造成压差。操作中的泵12因此在第一阀室45中造成比第二阀室46中的压力大的压力。因此，膜47将对抗着(相对小的)弹簧力移动，以关闭水回流管40的口39c。当泵12关闭时，在膜47上的压差降低至平衡弹簧力所需的水平之下。然后，弹簧48将把膜47推至它不再堵塞第二阀室36和水回流管40之间的口49c的位置。这使控制阀41下游和加热器15上游的一段水管10与水贮存器11开放连通。

图3是控制阀41的第二示例性实施例的示意性剖视图。该第二实施例可包括具有三个口52a、52b和52c的单个阀室51。阀门41可借助于口52a和52b设置在水流体管10中紧靠泵12下游的点处。口52a可连接到流体管10的上游/泵12侧，而口52b可连接到流体管10的下游/加热器15侧。口52c继而可连接到水回流管40。口52a-c可以并非全部具有相同的尺寸；特别地，口52c在其具有至少比口52b小的尺寸的意义上而言为狭窄的，使得它在相同压差下允许更小的流量。阀室51还可包含浮子53，浮子53具有在抵靠其边缘推压时能够关闭口52c的尺寸。浮子53可具有适度的浮力。

控制阀41的第二实施例的操作如下。当泵12正在操作时，其可以从水贮存器11抽出水并迫使水通过口52a进入阀室51。水可以经由口52b或经由口52c离开阀室51。当口52b相比口52c狭窄时，水将主要趋向于通过口52c离开阀室51。然而，通过口52c的绝大多数水流可能拖动浮子53并使其与口52c(的边缘)接触。由于在口52c上的压差(由泵12保持)，浮子53可能堵塞口52c，这可能迫使水经由口52b离开阀室51。

当泵12关闭并且口52c上的压差消失时，浮子53的浮力可以将其抬离阻塞位置，并且使口52b和52c以其它方式自由流体连通。

既然已阐明了图1的牛奶起泡系统1的整个构造，现在来关注其操作。

如上所述，牛奶起泡系统1在两个交替的循环中操作：起泡循环和停止循环。

在起泡循环期间，泵12工作以将蒸汽和空气的流提供至混合节点31，以便生成蒸汽/空气混合物，该混合物随后被输送至起泡装置32以产生奶泡。当泵12经由水管10从水贮存器11向加热器12转移液态水时，生成蒸汽，加热器12经由相同的水管10与设置在其下游的混合节点31流体连通。由于水在泵12下游的水管10中的流动，控制阀41关闭水回流管40，从而不允许水再循环。在泵12下游的水管10中的水的加压还确保：(i)止回阀14的开启压力被克服，即使蒸汽压力在阀门的下游/加热器15侧不断积聚；以及(ii)膨胀容器60的水室被填充和加压。将水室与空气室分开的膨胀容器60中的柔性膜允许水室以空气室的体积为代价膨胀。这导致空气室中的空气的压缩，这继而造成在第一止回阀22和第二止回阀24之间的空气管20的段中的空气的加压。由于止回阀22、24的定向，空气加压招致空气通过空气配量限制器23和第二止回阀24向下游流入混合节点中。当膨胀容器60的空气室中的空气源耗尽时，起泡循环可以结束，并且因此不能再产生蒸汽/空气混合物。然后，泵12关闭。

断开泵12标志着停止或再生循环的开始。当水管10中的泵驱动的水流停止时，控制阀41打开水回流管40。这允许膨胀容器60的仍旧加压的水室中的水流回到水管10中，并且经由控制阀41返回到水箱11中。在具有适当开启压力的止回阀14刚好设置在加热器15上游的情况下，不允许水进入加热器中。水从膨胀容器60的回流可由分隔其空气室和水室的膜的弹性来驱动。或者，水的回流可由重力驱动。在这种情况下，水箱可设置在比膨胀容器60更低的竖直水平处。随着水从膨胀容器60的水室流出，空气室膨胀，造成其中的压力下降。因此，空气室将尝试经由空气管20的空气入口21吸入空气。第一止回阀22使这种空气的吸入成为可能，而第二止回阀24防止空气室从混合节点下游的蒸汽/空气管30吸入水蒸汽和/或牛奶残余物。第二止回阀24可因此保护空气管20且更特别地保护空气配量限制器23不受污染。一旦膨胀容器60的水室已完全或部分地排放，并且空气室已被新鲜空气再填充，牛奶起泡系统就可以准备好以进行另一个起泡循环，这可以通过接通泵12来开始。

虽然上文已部分地参照附图描述了本发明的示例性实施例，但应当理解本发明不限于这些实施例。通过研究附图、本公开的内容和所附权利要求，本领域的技术人员可以在实施要求保护的本发明的过程中理解和实现对所公开的实施例的变型。在该说明书全文中，对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合实施例所描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在该说明书全文中，在不同地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定全部指的是同一实施例。此外，应当指出，一个或多个实施例的特定特征、结构或特性可以任何合适的方式结合以形成新的、但未明确描述的实施例。

Claims (13)

1.一种牛奶起泡系统(1)，包括：

水管(10)，在其下游方向上观察，所述水管(10)依次互连：

       水贮存器(11)；

       泵(12)；

       加热器(15)，其被构造成蒸发所述水管中的水；以及

       混合节点(31)；

空气管(20)，在其下游方向上观察，所述空气管(20)依次互连：

       空气入口(21)；

       第一止回阀(22)；

       第二止回阀(24)；以及

       所述混合节点(31)；

蒸汽/空气管(30)，在其下游方向上观察，所述蒸汽/空气管(30)依次互连：

       所述混合节点(31)；以及

       起泡装置(32)；

膨胀容器(60)，其包括水室和空气室，所述水室连接到处在所述泵(12)下游和所述加热器(15)上游的所述水管(10)的点，并且所述空气室连接到设置在所述空气管(20)中的所述第一止回阀(22)下游和所述第二止回阀(24)上游的所述空气管(20)的点。

2.根据权利要求1所述的牛奶起泡系统，还包括：

水回流管(40)，其互连：

       所述泵(12)下游和所述加热器(15)上游的所述水管的点；

       回流控制阀(41)；以及

       所述水贮存器下游和所述泵(12)上游的所述水管的点。

3.根据权利要求1至2中的任一项所述的牛奶起泡系统，其中所述回流控制阀(41)是在所述泵(12)下游的点处设置在所述水管(10)中的水压操作的三口阀。

4.根据权利要求3所述的牛奶起泡系统，其中所述回流控制阀(41)包括：

第一阀室(45)，所述第一阀室具有连接到所述水管(10)的上游段的第一口(49a)；

第二阀室(46)，所述第二阀室具有第二口(49b)和第三口(49c)，其中所述第二口连接到所述水管(10)的下游段，并且其中所述第三口(49c)连接到所述水回流管(40)；

限流器(44)，其互连所述第一口和所述第二口，使得通过所述水管(10)的水的流动在所述限流器上以及所述第一阀室(45)和所述第二阀室(46)之间产生压差；以及

可移动的膜(47)，其密封地设置在所述第一阀室(45)和所述第二阀室(46)之间，并且能够在由泵驱动的水通过所述水管(10)向下游的流动造成的压差的影响下关闭所述第三口(49c)。

5.根据权利要求3所述的牛奶起泡系统，其中所述回流控制阀(41)包括：

阀室(51)，所述阀室具有：

       第一口(52a)，其连接到所述水管(10)的上游段；

       第二口(52b)，其连接到所述水管(10)的下游段；以及

       第三口(52c)，其连接到所述水回流管(40)，所述第三口宽于所述第二口；

浮子(53)，其设置在所述阀室(51)中并且尺寸设计成使得其能关闭所述第三口。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的牛奶起泡系统，其中所述水管(10)还包括第三止回阀(14)，其设置在所述泵(12)下游和所述加热器(15)上游，所述止回阀具有仅当所述泵(12)工作时能达到或超出的开启压力。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的牛奶起泡系统，其中所述空气管(20)包括空气配量限制器(23)，其设置在所述第一止回阀(22)和所述第二止回阀(24)之间。

8.根据权利要求1至7中的任一项所述的牛奶起泡系统，其中所述水管还包括水配量限制器(13)，其设置在所述泵(12)下游和所述加热器(15)上游。

9.根据权利要求1至8中的任一项所述的牛奶起泡系统，其被构造成使得在操作期间蒸汽和空气在所述混合节点(31)处以在1:5和1:15之间的水体积流量与空气体积流量的比率混合，所述体积流量比率在环境压力和温度下确定。

10.根据权利要求1至9中的任一项所述的牛奶起泡系统，其中所述泵(12)为振动泵。

11.根据权利要求1至10中的任一项所述的牛奶起泡系统，其中所述起泡装置(32)包括文丘里管，所述文丘里管在其受限部分连接有牛奶供应管线。

12.根据权利要求1至11中的任一项所述的牛奶起泡系统，其中所述起泡装置(32)包括蒸汽棒。

13.一种包括根据权利要求1至12中的任一项所述的牛奶起泡系统(1)的咖啡机。

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