CN106659319B - 用于分份胶囊的咖啡机 - Google Patents

Abstract

根据本发明，提供一种萃取设备特别是咖啡机，其具有能形成用于分份胶囊(12)的冲泡室的冲泡模块(10)、包括泵(5)的且一般还包括热水器(7)的用于在压力下将水供送至冲泡室的供水装置。萃取设备还包括可被整合到泵中或至少部分设于泵外的用于泵的控制装置(9)以及用于测量进入冲泡室的流体流量的装置。根据本发明，该控制装置(9)设立用于至少在预定的前提条件下该泵(5)的泵功率取决于流体流量，确切说是在流体流量较小时与流体流量较高时相比减小泵功率。

Description

用于分份胶囊的咖啡机

技术领域

本发明涉及由装在胶囊中的萃取物如磨制咖啡(咖啡粉)制备饮料等的萃取设备领域。特别是，本发明涉及咖啡机。

背景技术

由盛放在分份包装中的萃取物制备饮料等的萃取设备尤其以咖啡机或意式浓缩咖啡机的形式为人所知。在许多相应系统中，分份包装以胶囊状构成，萃取物例如以气密方式被封装在胶囊中。为了进行萃取，胶囊例如在彼此相反的两侧被刺穿。萃取流体(通常是热水)在第一侧被引入。萃取产品在第二侧从胶囊中被排出。

水必须在相对高的压力下被引入胶囊(泵压通常在15巴和20巴之间)，以便制备各种不同的咖啡类型，尤其是意式浓缩咖啡、芮斯崔朵咖啡或意式浓缩加长咖啡(在瑞士称为奶泡咖啡)，且只有通过足够高的冲泡压力才能形成倍受咖啡爱好者喜爱的“咖啡油脂泡沫”。

但在冲泡时表明，在某些胶囊情况下且恰好在精磨咖啡情况下，人们发现流量—流入胶囊的流体的体积流量(和再次流出胶囊的流体的体积流量，除留在胶囊内的剩余量外)—会突然大幅下降，因而使用者在预定冲泡时间下仅能得到不完全的咖啡。这是令人烦恼的。尽管可以控制咖啡机以使冲泡过程继续直到流过预定的流体量，但这除了会导致泵负载增大外还会导致口味不让人满意的结果。

人们希望萃取设备可被设计成包括用于确保能从绝大部分所用胶囊中冲泡出满足质量要求的咖啡的装置，即便是在不可避免的胶囊特性波动和/或在冲泡期间所存在的条件变化的情况下。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种萃取设备特别是咖啡机用于制备作为萃取产品的饮料等。该设备包括能够形成用于分份胶囊的冲泡室的冲泡模块，该冲泡模块具有包括泵且通常还包括热水器(烧水器或直通快热式热水器)的供水装置用于在压力下将水供送至冲泡室。萃取设备还包括至少所述泵的控制装置，该控制装置可被整合到泵内或至少部分设置在泵外，以及包括用于测量进入冲泡室的流体流量的装置。根据本发明的这一方面，该控制装置被构造成至少在某些预置条件下泵的泵功率取决于流体流量，确切说与较高流体流量相比该泵功率在较小流体流量情况下被减小。

所提出的做法与泵的可控变量(调节变量)是泵功率本身还是例如速度或泵压无关地发挥作用。关键的仅是，有效流入泵中的功率在流体流量较小情况下被减小，这在控制并非泵功率本身的其它变量时同样如此。

这种过程是反直观的。人们会预计在流体流量太低时应提高功率，以便再次增大流体流量并使其至少接近额定值。

但事实证明，在利用分份胶囊的系统中会出现高压增强流动阻力的情形。在极端情况下，当达到最大泵压时，流通由此完全牺牲掉。这在传统泵控制中导致堵塞。在这种情形下，本发明的做法允许冲泡室内压力被降低，这能抵制所述堵塞。

图3a示出通常在常规起效的冲泡过程中所测量的胶囊内压(虚线)和进入胶囊的流量(实线)的时间曲线。胶囊在冲泡过程开始时被注水。此时流量很高。一旦注水的萃取物移向和/或膨胀向萃取侧，反压就会出现。在胶囊和萃取侧穿刺装置的一个实施例中，反压还可能增大，因为在流入过程中胶囊的流出开口还未打开，而是只有通过不断升高的压力才被完全打开。流量和压力达到一定水平并且在剩余的冲泡时间内保持大致恒定。在冲泡很短暂如在意式浓缩咖啡的情况下，冲泡也可能在达到这种恒定水平之前就结束。可在可达到的19巴泵压(通常是咖啡机的振动膜片泵)下所出现的压力根据胶囊特性的不同例如可以是在5巴和16巴之间的值。在一定时间之后出现的且随后保持大致恒定的流量以下也被称为“正常流量”。

图3b示出发生堵塞时的情况。在图3b中，实线也表示流量的时间曲线，虚线表示压力曲线。在初始阶段，参数看上去相同，胶囊被注水。然而，随着冲泡进行，胶囊内阻力大幅增加。冲泡压力实际上增大至泵所能达到的最高压力(泵压)且流量持续减小。根据现有技术，泵在一定流量限值下或在一定时间后被关停且冲泡提前结束，即便尚未冲泡出期望的萃取产品量，这是出于安全考虑且为了防止系统过热。所用胶囊由此浪费了并且令使用者不快。

所观察到的这些牵涉流量降幅过大的偶尔出现的问题可以通过分份胶囊的工作原理和泡胀的萃取物(特别是咖啡粉)之间的相互作用来解释。尤其出现以下情况，流体流出胶囊所经过的通道须设计成较小尺寸，以便可在胶囊内维持压力。因为总是会有胶囊性能如咖啡粉磨细度的小幅波动，故可能出现萃取产品在流出时须克服的阻力会稍微变高。于是，可能发生自我强化作用。

这种可能的第一种作用是，例如当萃取产品磨制得较细，则通过热水、压力和温度的相互配合在胶囊的萃取侧边界处形成咖啡积层。对于常规冲泡，这种咖啡积层不再是充分可渗透的。因为在胶囊内压增大时有其它咖啡粉被压入咖啡积层中，故流速不断下降且冲泡过程在极端情况下停止。

与第一种作用相互配合的另一种可能的作用涉及在分份胶囊中形成萃取开口，特别是当分份胶囊由比较坚韧的材料比如塑料(聚丙烯等)制成时，其将妨碍形成太大的开口。

图4图示示出萃取侧的穿刺装置12的一个例子，穿刺装置在冲泡室关闭时或在升高的胶囊内压作用下也在关闭后在萃取侧刺穿胶囊，由此，萃取产品被排出。在此所示的穿刺装置对应于欧洲专利申请13185359.0的穿刺装置，明确参照该文献。穿刺装置包括基板102和从基板突伸至冲泡室内的多个萃取尖103。每个萃取尖均包括主体，该主体在这里呈金字塔形且逐渐变细成尖端105。向外凸起的轴向肋部120沿周面111延伸。在该基板中，输送开口108分别形成在肋部两侧。

胶囊壁在刺穿后将环绕包围萃取尖103的根部(下部，例如大致直到肋厚度开始向上逐渐变小的位置)，并通过胶囊内压被压到这些萃取尖103上。因为这些肋部具有角形横截面，此时沿肋部120根部保持一通道敞通，萃取产品可通过该通道流出胶囊，流入输送开口并经这些输送开口流走。

图5示出肋部120之一的横剖视图，胶囊壁21压靠于该肋部。附图标记22非常示意性地表示存在于胶囊内的咖啡粉，实际上，咖啡粉基本会沿整个胶囊壁21都有。如双箭头示意所示，胶囊内压将胶囊壁压到萃取尖上。这将减小通往输送开口的通道140的横截面积，特别是当胶囊壁21因由热水引起的温度升高而变得更软时。在压力过高的情况下，这种作用根据胶囊特性可能因通道140变窄而附加地或替代地导致堵塞。

也可能发生这两种作用的混合，特别是咖啡积层挤压胶囊壁21，而所述挤压本身就能缩小通道140，或者在本来因压力而缩小的通道的入口处形成咖啡积层。

这些作用与如图4所示的萃取尖的具体设计无关。相反，即便用于引出流体的通道例如在沿周面111的沟槽中延伸和/或穿过周面中的开口延伸入萃取尖内，这些作用还是会产生。这在图6和图7中被非常示意性地示出。

图6示出萃取侧穿刺装置12的另一例子，该穿刺装置在冲泡室关闭时或在升高的胶囊内压作用下也在关闭后在萃取侧刺穿胶囊，由此，萃取产品可被排出。该穿刺装置也包括基板102和从基板突伸到冲泡室内的多个萃取尖103。每个萃取尖包括主体，其在此呈金字塔形且逐渐变细成尖端105。多个突起130沿轴面111延伸。在突起的上侧，呈沟道状开口形式的贯通开口140在周面中在相应的萃取尖103中形成。

在这些实施例中也可能发生堵塞，堵塞在因咖啡积层作用而产生的较高压力下发生，或在由胶囊内压引起的开口140闭合下发生，或者由于这些作用综合而发生，这在图7中被示出。

另外，也在萃取尖的不同设计情况下，胶囊内压与摩擦力结合可阻止在胶囊壁中通过尖端105所形成的开口的入口朝向根部(在图4和图6中向下)滑动足够远以致放开通道入口(在图4中位于肋部120的上侧端，在图6中位于开口140的上侧端)。

如果现在根据本发明的做法响应于堵塞地减小泵功率且进而减小胶囊内压，则通道140可能因压力降低而扩大。随之而来的胶囊内的运动也可能松动可能有的咖啡积层。另外，胶囊壁因摩擦减小而可能更容易沿各自的穿刺尖向下滑动，因而更好地放开通道入口。堵塞得到消除。

关于如何选择调节变量(泵功率、转速、压力等)与测得流量之间的关联性，有各种不同的可能性。

第一简单选项是在低于流量阈值时减小功率：一旦流量已低于某个阈值，功率(或其它调节变量)便从第一值减小至第二值，例如以一个不等于零的系数K₀减小，其中0<K₀<1。可以规定，调节变量随后保持在第二值，直到萃取过程(冲泡过程)结束。也可以套用至多于一个的阈值和例如调节变量的阶梯式调整。

第二选项是规定连续的或不连续的修正函数(在此，若函数是非连续的，则或许在跃变点可以规定滞后行为)。于是，以修正系数K来修正功率(或其它调节变量)，其中，K至少在一个区间内是流量的函数。

对于第二选项有一系列可能性。简单的第一可能性是阶梯函数，其可能带有滞后，以便不会出现快速的来回切换。与第二选项相似，一旦流量已低于某个阈值，调节变量就会减小至第二值。但与第二选项不同，一旦流量高出该阈值或高出略高于该阈值的上阈值，则调节变量会跳回至第一值。在这种可能性中也可以套用至多个阶梯。

第二可能性例如是规定连续变化的值，其例如根据流量在1(如果流量高于上阈值)和最小修正系数mF之间线性变化，其中0<mF<1，其中如果流量低于下阈值，则修正系数可选地恒定在mF。

在上阈值之下，也可选择其它函数以代替线性函数，例如细分成多条具有不同斜率的直线、非线性函数等。

根据第三可能性，也可省去上阈值并且调节变量可以依循与流量相关的线性或非线性的特性曲线，在此甚至能可选地规定该泵功率从某个高流量起再次减小。这与本发明的理念并不冲突，因为对此仅重要的是在一定范围的流量下泵功率以其随流量降低也减小的方式被调节。

控制装置可设立成使泵功率取决于流量，该流量作为表征冲泡过程的唯一被测变量(即作为在冲泡期间所确定的仅有的被测变量，泵功率据此还可以在相关胶囊的冲泡过程中自适应调整)。这并不排除例如可以有各种不同的冲泡程序并且采取行动可以与所选的冲泡程序相关。例如可以规定，使用者能在不同冲泡程序之间手动选择，并且当流体流通量较小(过小)时泵功率只在选择一定冲泡程序如“意式浓缩咖啡”或“芮斯崔朵咖啡”的前提条件下才被减小，而这在其它冲泡程序中未被采用。

作为在不同冲泡程序之间手动选择的替代或补充也可以规定胶囊自动识别，且根据所识别的胶囊的特性进行冲泡程序选择。这种胶囊识别例如可以包括，每个胶囊均配设有合适的例如光学的或磁性的编码供萃取设备识别。特别是可以规定，当所识别的胶囊例如包含特别精磨的咖啡或较粗的咖啡时，或当其它咖啡性能如烘烤程度、烘烤时间、脂肪含量、湿度或混合导致流动阻力增大时，选择包括在流体流通量较小(过小)时泵功率减小的程序。

供水装置可包括水箱，供水管路从水箱起经过泵和热水器通至冲泡模块。也不排除直接连接至冷水接口而非水箱。

流量测量装置可包括流量传感器(流量计)，该流量传感器在供水管路中例如布置在泵的上游，或者布置在泵的下游且在热水器的上游。也不排除直接布置在冲泡室入口处，尽管这牵扯到可能存在的、流量传感器会接触热水的缺点。

替代地，流量测量装置也可被直接整合到泵内。功耗与另一参数如转速或振动频率之间的关系也可以是流量的尺度。

最好不应在流量测量装置和冲泡室之间设置借以分流出一开始并不知道的一部分流体的支路，如果该装置并未直接安置在冲泡室入口处，即，例如在传感器或泵的下游不应有绕过冲泡室的用于一部分流体的旁路。可能还是有的旁路应被调整成使进入冲泡室的流量还是能被至少近似确定。

泵功率的控制存在多种可能性。在饮料制备设备中广泛采用的交流振动膜片泵的情况下，例如可以规定呈相角控制形式的功率控制。也可通过可变的频率或转速来控制。其它类型的功率控制也未被排除，其中就有在泵的上游或下游设置可控的节流阀。

萃取设备可以可选地还配备有主动温度调节装置。这种调节可能是有意义的，因为流量并非恒定的并且在采用例如直通快热式热水器作为热水器时其功率在某些情况下也不应是简单恒定的。主动温度调节装置例如可包括设置在热水器和冲泡室之间或在热水器自身上的温度测量机构。

如本身已知地，冲泡模块能以水平冲泡模块形式构成，其中胶囊在为此规定的位置(投入开口等)被投入，然后冲泡室如通过操作杆被关闭，在此，胶囊被自动从冲泡室移除并被顶抛到胶囊容器中，冲泡室在冲泡过程后重新打开。在此，胶囊从上方投入，冲泡室关闭是两个冲泡模块部的水平相对运动，水基本水平流动，且胶囊容器形成在冲泡室下方。

也知道了其它的冲泡模块设计，例如其具有相对倾斜的冲泡模块部，具有呈活塞状的冲泡模块部(尤其竖直布置)等，它们适用于本发明的萃取设备。

胶囊尤其可以包括塑料胶囊壁。可以考虑的一种塑料是聚丙烯。胶囊壁的厚度可在0.1mm和0.6mm之间，特别是在0.2mm与0.5mm或0.4mm之间。在一些实施例中可以根据WO2010/118543、欧洲专利申请13199514.4或13199517.7来设计胶囊。

本发明的主题还是具有萃取设备的制备系统及萃取设备的运行方法。

附图说明

以下，结合附图来描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记表示相同的或相似的零部件。附图有时在不同的图之间以不同的比例示出相互对应的零部件，其中：

图1是萃取设备特别是咖啡机的示意图；

图2a-2f示出调节变量的修正系数与被测流量之间关系的可能形式；

图3a示出正常运行的冲泡过程中根据时间测得的流量和压力的关系；

图3b示出依照现有技术在冲泡过程中发生堵塞的情况下根据时间测得的流量和压力的关系；

图4示出萃取侧的穿刺装置；

图5示出图4的穿刺装置的细节的横剖视图；

图6示出不同的穿刺装置；以及

图7示出图6的穿刺装置的细节的与图5相似的横剖视图。

具体实施方式

图1示出萃取设备特别是咖啡机的示意图。供水装置包括水箱1和从水箱引至冲泡模块10的供水管路2。水由泵5输送且在其流入冲泡模块之前流经热水器，在这里被画成直通快热式热水器。流量传感器3布置在泵的上游，该流量传感器测量经过供水管路的水流量，并且由于供水管路2没有支路，故它还测量进入冲泡模块10的流量。

流量传感器布置在泵上游所具有的优点是，流量传感器未布置在承压区域中且也未布置在热区中。然而在流量传感器适当设计的情况下，并不能推理排除在流通方向上布置在泵下游，甚或布置在热水器下游，或者布置在热水器中。将流量传感器整合在泵内也是一种选择。在所有情况下，流量传感器都应布置成由它测得的流量允许确定流入在冲泡模块关闭时形成的且包含胶囊20的冲泡室中的流体流量。单位时间流过的流体量被称为流体流量，例如以单位时间的体积或质量来表示。

如本身已知地，冲泡模块包括用于将水引入分份胶囊20的注入器11及用于将流体从胶囊排出至倾倒部13的排出装置12(或萃取装置)。

控制装置9控制泵5且还可能控制热水器。由流量传感器3测得的流量值和或许由可选的温度传感器8测定的温度值作为输入变量用于控制。

如图所示，温度传感器8可以与供水管路2接触地连接至热水器、安置在热水器自身中或安置在热水器上。该控制装置可设立成它通过控制热水器而使温度传感器8所测的温度总在一定范围内变动而形成温度控制回路。还可以加入其它测量值即测得的流量用于温度调控。

可以将其它输入变量传给控制装置9并影响该控制装置。

萃取设备例如可具备输入模块和/或编程模块6，可借此影响额定流体量及可能还有温度和或许额定泵功率。

另一种可能性是设置胶囊识别模块15，借此，例如结合所投入的分份胶囊的适当编码，可以调选表征胶囊的参数，例如关于胶囊是否含有精磨咖啡或相反含有更粗磨的咖啡的信息。

也还可能的是设置泵过热传感器(图中未示出)或其它传感器或输入可能性。

在一些实施例中，压力计并不是为了影响泵功率而必需的，一般甚至根本没有压力计。根据本发明的做法的优点之一是，这种相对昂贵且维护费力的零部件可以省掉。

泵的控制可直接或间接取决于所有这些测得参数。但优选规定，测得的流体流量被用作唯一的被测变量，控制装置在冲泡期间根据该被测变量调节泵功率。所有其它参数，只要其对泵控制有影响，都造成冲泡过程预设定(例如额定流体量或自适应泵控制装置的“开/关”)或在必要时造成冲泡过程中断(例如由使用者通过输入模块和/或编程模块6启动，或通过泵过热保护装置等启动)，但优选不造成泵功率的自适应控制。

图2a至图2f还示出以下可能，调节变量可如何与测得流量相关联。在这些图中分别画出与流量F相关的修正系数K。假定，对泵功率P而言下式是适用的：P＝P₀K，其中P₀对应于正常功率或最大功率。与功率相似地，也可以设定能影响功率的另一变量(转速、频率等)。

根据图2a，一旦流量低于阈值F_s(也见图3b)，则系数K从1减小至值K₀。完成所述减小后，不论流量的后续进展如何，该系数保持于值K₀。

与图2a不同，也可以规定多个阶梯，例如在低于上阈值时减小至K₁，并且在低于下阈值时减小至K₂<K₁。

图2b示出一个变型，据此，当流量在K减小后再次增大超过阈值时，系数K再次回调到1。如图2b所示，可以规定滞后以避免快速来回切换，即回调到1只在高出上阈值F'_S时进行。此实施例也可套用到多个阶梯。

在图2a和图2b的实施例中，值K₀小于1且大于0，例如在0.3和0.8之间，特别是在0.4和0.7之间，尤其在0.5和0.6之间。

图2c示出F与K作为连续函数的关系的例子。值K是高于上阈值F_U的1，其线性减小至下阈值F_L处的最小修正系数K_m。值K_m例如可以在0.3和0.8之间，特别是在0.4和0.7之间，尤其在0.5和0.6之间。

在根据图2d的实施方式中得到系数与流量的函数关系，该函数由多条有不同斜率的直线构成并且在局部是线性的且整体是连续的。图2e示出套用至连续非线性函数。

在图2f中画出关联性K(F)，其中在一个区段中的斜率是负的(最右侧实线)。因此，根据此变型，泵功率可以在很大的测得流量下再次下降。

根据一个次级变型，也能可选地规定，在冲泡过程最开始，直到胶囊根据经验已灌满流体，修正系数使在高流量下也保持为1(虚线；(1))，而在冲泡过程的随后阶段中该修正系数在测得流量较高时被减小(实线；(2))。

类似地，也并未完全排除泵功率在测得流量非常小时再次增大(图中的最左侧)。

在所有实施例中，各阈值特别是F_S均匹配于在没有发生堵塞的冲泡中在正常运行下的相应流量值。在例如图2a和图2b所示的具有多个阶梯的实施方式中，阈值或最大阈值例如可以在正常流量的50％和85％之间(正常流量是指在胶囊注水后的一段时间之后得到的平均流量)。在具有连续曲线的实施方式中，最大阈值F_U例如可以在正常流量的70％和110％之间的值，而可能的下阈值(图2c和图2d)在0和上阈值的最大70％之间。

根据图2a-2f所示的做法的组合也是可想到的，例如在低于阈值时的分级减小与线性或非线性函数相结合，等等。

Claims (13)

1.一种用于从装在胶囊(20)中的萃取物制备萃取产品的萃取设备，具有用于形成用于所述胶囊的冲泡室的冲泡模块(10)、包括泵(5)的用于在压力下将水供送至所述冲泡室的供水装置以及控制装置(9)和用于测量进入所述冲泡室的流体流量的装置，其特征在于，所述控制装置(9)被如此设立和连接至所述泵，所述控制装置至少在预定前提条件下根据测得的流体流量控制所述泵(5)的泵功率，确切说是在流体流量较小时与流体流量较大时相比减小该泵功率。

2.根据权利要求1所述的萃取设备，包括热水器(7)和温度传感器(8)，其中所述控制装置(9)设立用于根据所述温度传感器所测得的温度启动所述热水器(7)。

3.根据权利要求1或2所述的萃取设备，其中，所述控制装置设立用于它根据作为唯一表征冲泡方法且在冲泡过程中被确定的被测变量的流量控制泵功率。

4.根据权利要求1所述的萃取设备，它不具有压力计。

5.根据权利要求1所述的萃取设备，其中，用于测量进入所述冲泡室中的流体流量的装置是布置在所述供水装置的供水管路上的流量传感器(3)。

6.根据权利要求1所述的萃取设备，具有用于识别所述胶囊(20)的模块(15)，其中所述控制装置(9)设立用于根据取决于所识别的胶囊特性的程序依据测得的流体流量来控制所述泵(5)的泵功率。

7.根据权利要求1所述的萃取设备，其中，一旦流体流量已低于阈值，该泵功率就以不等于0的系数K₀被减小。

8.根据权利要求1所述的萃取设备，其中，泵功率在已低于上阈值时以修正系数K被调整，所述修正系数至少在一个区间内是流体流量的连续线性函数。

9.根据权利要求8所述的萃取设备，其中，泵功率在已低于所述上阈值时根据流体流量在1和下阈值处的最小修正系数K_m之间变动，其中K_m的值在0.3和0.8之间。

10.根据权利要求1所述的萃取设备，其中，泵功率在已低于上阈值时以修正系数K被调整，该修正系数是流体流量的连续非线性函数。

11.一种用于制备萃取产品的制备系统，包括根据权利要求1至10中任一项所述的萃取设备以及具有萃取物的分份胶囊，其中所述分份胶囊就几何形状而言匹配于所述冲泡室且包括能被刺穿的胶囊壁。

12.根据权利要求11所述的制备系统，其中，所述胶囊壁由塑料构成。

13.一种根据权利要求1至10中任一项所述的用于从装在胶囊(20)中的萃取物制备萃取产品的萃取设备的运行方法，其特征在于，在冲泡过程期间，测量进入所述冲泡室的流体流量并且根据测得的流体流量来控制所述泵的泵功率，确切说是在流体流量较小时与流体流量较高时相比减小泵功率。

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