CN105120720A - 意式浓缩咖啡牛奶发泡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种牛奶发泡设备，所述牛奶发泡设备包括蒸汽探针；壶和壶架；传感器，所述传感器用以确定壶中牛奶的深度。所述蒸汽探针或壶架优选地由步进电机驱动而可移动，使所述探针的尖端保持在牛奶表面下。温度传感器监测所述壶中所述牛奶的温度。微控制器可编程以开始工艺；维持所述蒸汽探针相对于所述牛奶表面的位置，当所述牛奶达到所期望温度时停止所述工艺，并且维持循环数目的记录和对所处理牛奶的数量的测量。通过使用传感器测量到壶中所述牛奶表面的距离，所述蒸汽探针的所述尖端可通过相对于所述探针移动所述壶或优选地移动所述探针而维持于所述牛奶表面下方的适当距离处。可通过感测所述牛奶温度并且确保在所述牛奶变得过热之前完成所述工艺来更精确地控制所述工艺。所述装置可使用意式浓缩咖啡机中产生的蒸汽或使用指定蒸汽锅炉。所述装置可具有各自具有壶和蒸汽探针以及相关温度传感器的多个壶台。所述壶台可提供用以防止在所述工艺进行过程中移除所述壶的锁定机构。

Description

意式浓缩咖啡牛奶发泡器

技术领域

本发明涉及意式浓缩咖啡机的改进和用于意式浓缩咖啡机的配件。

发明背景

在发达和发展中国家均存在咖啡消耗量增长的全球性趋势。到目前为止，按欧式风格供应的咖啡加牛奶(特别是，咖啡拿铁、卡布奇诺和平白咖啡)最为流行。生产欧式风格的咖啡更耗时，因为牛奶必须借助于蒸汽的注入加热以产生泡泡或泡沫，所述泡泡或泡沫是咖啡风格的整体味道、口感和外观的主要成分。

美国专利4800805公开了一种具有可套叠并且还包括用以将空气和蒸汽混合到牛奶中的进气口的蒸汽探针的典型意式浓缩咖啡机。因为目前汽蒸牛奶的手动工艺取决于操作员，所以咖啡风格的温度、味道和外观会存在很大变化。

为了节约时间并且减小对咖啡师的依赖性，已经提出了具有自动牛奶发泡器的机器。

美国专利5611262公开了一种用于所发泡牛奶的分配器。牛奶通过与空气混合而发泡并且避免了咖啡师使用蒸汽的必要性。

美国专利6183800(SarahLee)通过使用机器中的发泡器来分配发泡的牛奶以类似方式解决了避免咖啡师所花费时间的问题。这些提议对餐厅标准咖啡来说是不可接受的。

美国专利6901848提出了一种自动牛奶发泡器，该牛奶发泡器可感测牛奶的温度并且具有控制器，所述控制器能够使蒸汽和空气的组合在预定时间段产生不同的发泡结果。咖啡师简单地将牛奶壶保持在适当位置直到预设定的循环结束为止。该提议并不会减少咖啡师的工作量或改进咖啡师的生产力。

本发明的目标是改善在先技术的缺点并且提供制作高质量意式浓缩咖啡牛奶同时改进咖啡师的生产力的装置。

发明概要

为此目的，本发明提供一种牛奶发泡器，所述牛奶发泡器包括：

蒸汽探针

壶和壶架

传感器，所述传感器用以确定壶中牛奶的深度；

所述蒸汽探针或壶架优选地由步进电机驱动而可移动，使所述探针的尖端保持在牛奶表面下；

温度传感器，所述温度传感器用以监测所述壶中所述牛奶的温度；

微控制器，所述微控制器开始工艺；维持所述蒸汽探针相对于所述牛奶表面的位置；当所述牛奶达到所期望温度时停止所述工艺，并且维持循环数目的记录和对所处理牛奶的数量的测量。

通过使用传感器来测量到壶中所述牛奶表面的距离，所述蒸汽探针的所述尖端可通过相对于所述探针移动所述壶或优选地移动所述探针而保持在所述牛奶表面下方的适当距离处。可通过感测所述牛奶温度并且确保在所述牛奶变得过热之前完成所述工艺来更精确地控制所述工艺。所述装置可使用意式浓缩咖啡机中产生的蒸汽或使用指定蒸汽锅炉。所述装置可具有各自具有壶和蒸汽探针以及相关的温度传感器的多个壶台。所述壶台可提供用以防止在所述工艺进行过程中移除所述壶的锁定机构。

在操作循环期间，当表面/泡泡在所述壶中上升时所述深度传感器(固体探针或使用红外或超声波技术的非接触式传感器)监测液体的表面，蒸汽棒自动升高以在所述液体中维持探针尖端的相同深度/关系。超声波是优选的，因为其能够检测到牛奶/泡沫界面或泡沫/空气界面处的阶段性变化表面。替代传感器将使所述蒸汽探针电绝缘并且使用不锈钢探针作为电阻式传感器来测量所述壶中的液位。

恒定反馈还被从两个温度传感器接收，并且当达到所述液体的期望温度时，蒸汽阀关闭并且所述蒸汽棒从所述液体退出并返回到起始位置。

在所述循环完成之前固定的所述壶使用机械操作的凸耳或销钉来释放并且在操作员将其移除以供使用之前保持坐于定位座中。加热元件可并入到壶架基座中以在发泡/加热工艺完成之后维持所述牛奶的温度达有限周期。

所述装置可包含具有其自身蒸汽发生器的单个独立式牛奶发泡器并且具有各自具有其单独蒸汽探针、传感器和独立操作机构的一个或多个壶台以管理所述蒸汽探针和壶相对于彼此的移动。所述壶可具有不同大小并且可含有不同类型的牛奶，例如，脱脂牛奶、全脂牛奶或豆奶。可选地，所述装置可被布置成放置在意式浓缩咖啡机旁边并且连接到所述意式浓缩咖啡机的蒸汽出口。

现有技术牛奶发泡器具有不能使经验丰富、有能力胜任的咖啡师做的咖啡实现相同质量和粘稠度的共同元件，尽管其确实节约时间并且允许“自助服务”机器的操作。本发明的目的在于使用机电装置模仿通常由咖啡师实施的工艺使一致加热和发泡的牛奶(包括动物奶和源自大豆、大米、其他谷粒和坚果等植物的奶)的生产自动化。

通过精确监测蒸汽棒尖端在所述牛奶/液体中的温度、蒸汽压力和位置并且能够根据所使用牛奶的类型改变所述工艺期间的这些变量中的任何或所有变量，产生可能借助于其做出完美的一杯欧式风格咖啡的最可能并且最一致的加热/发泡牛奶产品。

设想特别是在忙碌的操作周期期间咖啡师将得到一个或多个此类装置的辅助。此外，工作技能较低的咖啡师将能够生产更一致的咖啡并且其制作速度比单独使用手动技术快。

在咖啡师将牛奶倒入杯子或玻璃杯(所述杯子或玻璃杯可能已经含有意式浓缩咖啡)中时，本发明的发泡器可同时加热下一壶或容器的牛奶并使其发泡。鉴于加热和发泡的牛奶的较大输出，咖啡师生产咖啡的速度将与意式浓缩咖啡机(能通过咖啡师载入现磨咖啡并且进行浓缩)一样快。这样不仅提高了生产力，并且节省了可观的人工成本。附图说明

现在将参考附图描述本发明的优选实施例，在附图中：

图1是蒸汽探针缩回的本发明汽蒸装置的正视图；

图2是沿图1中A-A的横截面图；

图3是蒸汽探针伸出的本发明的汽蒸装置的正视图；

图4是沿图1中A-A的横截面图；

图5至图11是控制器程序的流程图，其中图5展示机器的就绪逻辑；

图6至图9为标准操作循环的流程图；

图10为手动模式的流程图；及图11表示控制器操作参数的设置步骤。

具体实施方式

对于咖啡师来说，使牛奶发泡是一种艺术并且存在应对牛奶成分、蒸汽温度、空气容器和蒸汽探针尖端的位置等许多变量。

留截的加热空气在牛奶的上层膨胀，从而导致气泡(产生泡泡)的直径膨胀。经过牛奶的蒸汽(i)使温度升高并且开始导致所溶解的气体(空气)从溶液中出来。最初，微小气泡开始膨胀并且在液层中聚集，最终在加热液体的顶部或上部上升/沉降。起源于蒸汽管口的一个或多个蒸汽喷嘴通常向下引导或以倾斜角度引导到牛奶表面的平面。这可通过具有以辐射方式从尖端引导蒸汽的一个或多个穿孔的蒸汽棒的尖端来达成。

在壶中，发泡牛奶将含有3个层次，即低层(液体牛奶)、中层(含有小气泡的牛奶)、高层(大气泡/起泡)。

每一蒸汽喷嘴形成其自身的涡流，所述涡流的能量最终被牛奶吸收，从而搅拌牛奶及升高其温度。

加热牛奶的质地或口感也是通过热应用(尤其是使用蒸汽的直接加热)开发的重要因素。

蒸汽与周围牛奶之间的界面温度通常是130℃，这一温度导致牛奶脂肪熔化并且分散到现在的多形态混合物中。呈乳糖(葡萄糖和半乳糖)形式的牛奶糖也受加热工艺影响。

在蒸汽与悬浮牛奶之间的界面处，大量的细微脂肪颗粒被汽化，从而导致牛奶显示丝滑质地。从其中小气泡占优势的中层即可辨别出牛奶的最佳效果。过热将破坏牛奶糖的结构，从而导致其焦糖化反应和生成物，过热的牛奶将遮住大部分自然咖啡精华的香味和存在。牛奶将有效地经历阶段分离，丢失泡泡，并且除了烫伤饮用者的嘴，还将导致咖啡在味觉上变得无味。发泡程序可准确地控制蒸汽体积、时间和温度参数以达成不同结果。加热和发泡牛奶轮廓根据咖啡饮料的风格而变化。

发泡程序可控制蒸汽体积、时间和温度参数以达成不同结果。

平白咖啡：使用最浓稠的牛奶，在容器的底部有少量气泡。

拿铁：通过保持蒸汽棒的尖端与最浓稠下层接触达较长时间段(即，在牛奶接近期望的最后温度时，更缓慢地垂直向上移动探针)来达成。

卡布奇诺：通过保持尖端远离浓稠下层并且在牛奶接近期望温度时稍微较快地移动或取出棒来达成。

壶设计：

可提供3种尺寸的壶：，小壶、中壶和大壶

大壶高约12到13cm，底部直径约11到12cm，然后朝开口顶部逐渐变细，整体式喷嘴/灌注口直径约9到10cm灌注口。

拿铁壶理想地需要比平常的壶稍微窄并且长的灌注口以用于倒出卡布奇诺和平白咖啡。利用较窄的喷嘴，咖啡师更利于控制倒出牛奶的方式。

壶座设计

壶座设计的优选实施例包含三个或多个刚性同心环，所述同心环逐渐将壶定位在中心位置，使得蒸汽探针、传感器和壶总是处于相同的相对位置。出于容易清洗的目的而可移除的刚性壶座设计可固定到机器的基座上或并入到体现使用固定蒸汽探针之设计的机器的移动平台上。为了便于手动清洗，固定蒸汽探针完全可接近，并且并不需要次级蒸汽回路。需要机器操作员通过按压控制面板上与每个标定壶尺寸对应的按钮手动指定壶的尺寸。

在另一实施例中，壶放置于包含3个同心不锈钢环的弹簧加载的壶座上，如图2所示。内径是大约6到8cm；中间环8到9cm，外径大约9到12cm。这些直径相当于上文所列的壶直径尺寸。将最小的壶放置于环座上使中心环稍微下降(例如，0.5到1cm)，使位于环下方的传感器发送信号到中心PLC，指示正在使用的壶的尺寸。机器的深度传感器定位并确定液位，并且显示先前已标刻度的壶中的牛奶体积。这种相同工艺适用于与本发明机器一起使用的所有壶。

壶座可还包括在循环期间将壶保持在适当位置的锁定机构。当按压工艺按钮或当探针开始其下降时可激活该功能，并且当工艺循环完成并且探针已经缩回时去激活该功能。

形成壶座的同心环使用3个卡销在其每个外部圆周上相互连接。

优选地设计整个装置使其提升，以便于清洗。

参考图1和图3，探针垂直行进的最大行程大约为15cm。

图4所示驱动机构可使用能控制探针在壶中的行进距离的步进电机。在替代实施例中，探针被固定并且壶座使用位于机器基座中的类似步进电机升高。

可使用任何常规齿轮传动装置。

探针或壶座使用由控制器从根据电阻原理的深度探针接收的数据进行移动。假定液体越浓稠，电阻越低。探针的刻度可使用最初冷牛奶填充。探针尖端在整个加热和发泡工艺期间保持在中低(M-L)层。深度控制优选地通过增量使用具有PLC和步进电机的电反馈回路。可选地，单独探针可省略并且通过使不锈钢蒸汽探针电绝缘，探针自身可用作电阻式传感器。

在允许构建具有较低物理轮廓的机器的另一实施例中，用围绕旋转卷盘缠绕的适合挠性管替换刚性蒸汽探针。

挠性探针的一端附接到卷盘的空心轴，所述空心轴然后可在任一方向上旋转。挠性探针由一系列皮带轮捕捉和引导，所述一系列皮带轮彼此直接对置。偏置特定皮带轮允许挠性探针定向至壶上方的垂直位置。根据PLC和步进电机反馈，使用步进电机旋转卷盘使挠性探针前进或缩回。

从发生器通过的蒸汽经过旋转轴并且以通常方式退出探针尖端。

替代电动步进电机，可使用气动驱动机。4.5cm卷盘整转将移动探针尖端14cm；对于直径为6cm卷盘来说，卷盘的270度旋转或对于9cm卷盘来说，180度旋转将达成相同的移动范围。该卷盘实施例可以是优选的，其中机器的高度需要最小化。

蒸汽探针可由不锈钢或聚四氟乙烯、聚碳酸酯或其他耐热聚合材料的挠性管制成。

通过在发泡工艺期间上下调整蒸汽探针尖端，可使用测量各种阶段电阻的探针精确地控制壶中每层或每个阶段的尺寸/深度。深度探针可鉴于液体/牛奶容器中的横向定位和垂直定位而设定于蒸汽棒尖端的最初相对位置处并且优选地与蒸汽探针尖端一起移动。

还可使用红外线(IR)或超声波传感器进行非接触阶段定位。这些传感器可毗邻壶中心上方的蒸汽探针。超声波传感器还可位于壶下方。

机器可被设计为自带电源和整体蒸汽产生源/能力的独立装置。可选地，机器可自带电源来操作步进电机、PLC装置等，但通过到咖啡机自身的锅炉的直接连接或咖啡机的现有蒸汽出口的连接从毗邻蒸汽产生源(例如，咖啡机)获得蒸汽。

本发明的装置也适合于被并入未来咖啡机的设计中作为标准特征或可选优秀模型特征。控制器可包括利用循环超控按钮实现的期望牛奶温度的设定，以便为想要比通常供应的咖啡更热的咖啡的那些客户使用。

可结合小键盘使用矩形LCD屏幕。控制器和屏幕优选地排列于壶架上方的装饰面板上。就在屏幕下方，大的矩形发光红色/绿色按钮可用作主操作按钮。

在主操作按钮周围的右侧，可提供红色“热”按钮，当该按钮紧接着绿色按钮被按下时，PLC开始单个较高牛奶温度循环。在该单循环之后，机器将恢复到其正常编程的温度参数。

图5表示启动程序的逻辑，该逻辑指示自动启动例程，该例程检查所有组件的可操作性，检查蒸汽压力处于操作水平，并且在屏幕上显示机器已准备就绪。

LCD屏幕和编程模式

1程序

-主菜单

-日期

-时间

-用于监测使用和维护要求的循环/数据记录

-温度(i)目标+/-摄氏度改变或设定

牛奶温度和外部壶温度

(ii)“过热”温度设定目标摄氏度

-蒸汽值

最大压力/最小压力限制(巴)

蒸汽压力斜升时间(秒)

蒸汽压力下降时间(秒)

高于或低于设定参数值将导致机器停机，直到所有参数值位于设定公差内。

图6至图9表示正常操作模式的逻辑，其中容器大小已选定，并且已按下操作按钮开始循环。存在可选过热序列。水平传感器确定容器中牛奶的液位，计算牛奶是否足够并且将计算的体积显示在显示面板上。水平传感器是非接触式传感器或接触式传感器。如果使用的是接触式传感器，步进电机移动壶平台或传感器以与液体表面接触。感测并且显示牛奶温度。然后蒸汽探针通过移动探针或壶平台适当地位于牛奶表面下方。然后针对编程周期打开蒸汽回路。如图8所示，监测温度和表面水平并且调整探针位置以维持所期望位置。当牛奶的目标温度达成时，蒸汽回路关闭，然后蒸汽探针升高或壶平台降低。

可然后致动次级蒸汽回路以清洗探针尖端。本发明的发泡器可在探针下降到液体表面起始点之前经由排气孔将压力释放到大气中：如PLC程序所确定，该相对位置可固定或可变化，这主要依赖于由所使用牛奶的类型导致的变化，以便考虑所需发泡的性质和咖啡风格的变化。

在循环期间LED显示屏可以是在机器将已经完成其当前循环之前作为显示倒计时的装置在增量块中呈圆周地改变外观的分段环形物。在其中心可显示牛奶的温度和壶的外表面温度。

在加热/发泡循环开始之前显示的牛奶体积由壶的尺寸和深度传感器测量值确定。

蒸汽持续时间是取决于加热类型和需要生产的发泡轮廓的变量参数，例如，平白咖啡需要小的泡沫、因此，需要较低的尖端、较低的压力(或较长的时间)。

维护程序可以每日/每周/每月一次并且可包括清洗循环。图10图示可手动地控制步进电机1和2的手动操作。这使得主蒸汽探针能够增量降低以实现用于清洗探针轴和尖端的通路。在该手动模式中，来自回路1和2的蒸汽均可用于开启喷嘴。可允许蒸汽探针保持在降低的位置，使其能够浸没于清洗溶液中。可在该位置中切断机器电源。如果机器接通正常启动模式循环，那么将所有阀门和探针返回到起始位置的所有电极和指示灯显示就绪和自动信号。

手动清洗模式将涉及把装有水或清洗溶液的壶放置于壶座中并涉及把蒸汽探针手动地降低到壶中，然后放手浸泡。

复位模式将棒升高到正常起始位置并且将机器从手动返回到自动模式。

在本发明的一些实施例中，清洗循环可以是自动的。

蒸汽阀可将蒸汽引导到次级通道或回路。次级蒸汽回路被固定并且包围蒸汽探针和尖端。当返回到空挡或起始位置时在蒸汽探针经过孔隙时，在次级蒸汽回路的内部圆周中使用由穿孔形成的多个蒸汽喷嘴冲击并且洗刷掉来自蒸汽探针的牛奶残留。

该清洗循环可手动启动或预编程，作为每个正常机器加热/发泡循环之后均具有清洗循环的机器的正常操作过程的一部分。

机器的刻度标定将涉及：

从探针尖端到壶座顶部的高度

从探针尖端到壶的内部基底的高度

壶中沸水的温度

其他可能的可编程参数包括

壶中牛奶/液体的最小体积。

在接通机器之后的那天开始时，机器进行包括蒸汽探针的机械循环(即，降低和升高探针)的故障刻度标定检查。在该工艺期间，将接通和切断各种指示灯。

当所有系统都在“运行”时，机器将最后使主操作按钮发绿光。

图11图示实现针对最佳加热和发泡轮廓的所有必要参数的机器设定、刻度标定和定义的操控之编程模式。可经由用户界面屏幕、小键盘或经由单独计算机输入数据和发出指令。可使用界面组件询问机器自身的数据记录容量。

从上文可看出，本发明提供了一种增加咖啡师生产力而不损失优质意式浓缩咖啡产品所需的牛奶发泡质量的独特装置。所属领域的技术人员将意识到，除了本文所述的实施例之外，还可在其他实施例中实施本发明而不背离本发明的核心教示。

Claims (7)

1.一种牛奶发泡设备，所述牛奶发泡设备包括：

蒸汽探针

壶和壶架

传感器，所述传感器用以确定壶中牛奶的深度；

所述蒸汽探针或壶架优选地由步进电机驱动而可移动，使所述探针的尖端保持在牛奶表面下；

温度传感器，所述温度传感器用以监测所述壶中所述牛奶的温度；

微控制器，所述微控制器开始工艺；维持所述蒸汽探针相对于所述牛奶表面的位置；当牛奶达到所期望温度时停止所述工艺并且维持循环数目的记录和对所处理牛奶的数量的测量。

2.根据权利要求1所述的牛奶发泡设备，其特征在于，所述深度传感器是毗邻于所述蒸汽探针尖端定位的电阻传感器。

3.根据权利要求1所述的牛奶发泡设备，其特征在于，所述深度传感器是由不锈钢制成并且电绝缘以充当电阻式传感器的所述蒸汽探针。

4.根据权利要求1所述的牛奶发泡设备，其特征在于，所述深度传感器是使用红外线或超声波技术的非接触式传感器。

5.根据权利要求1所述的牛奶发泡设备，其特征在于，所述温度传感器是位于壶台上方以直接监测所述牛奶温度的红外线温度传感器。

6.根据权利要求1所述的牛奶发泡设备，其特征在于，另一非接触式温度传感器毗邻所述壶架来定位以监测所述外部壶表面温度。

7.根据权利要求1所述的牛奶发泡设备，其还包括用户界面屏幕和机电小键盘以及用户界面“触摸”屏幕和虚拟小键盘。