DE102015120238B4 - Milchaufschäumvorrichtung, Milchaufschäumsystem sowie Milchaufschäumverfahren - Google Patents

Abstract

Milchaufschäumvorrichtung (1) mit einer mechanischen Emulgiereinrichtung (2), umfassend einen Stator (6) und einen relativ zu dem Stator (6) um eine Rotationsachse (R) rotierbar antreibbaren Rotor (5), wobei der Emulgiereinrichtung (2) Milch und Luft einlassseitig zuführbar und durch Rotation des Rotors (5) mittels eines Antriebs (4) relativ zu dem Stator (6) Scherkräften aussetzbar und dadurch Milchschaum erzeugbar ist, wobei der Milchschaum auslassseitig ableitbar ist, und wobei zum Erzeugen der Scherkräfte sowohl Rotor (5) als auch Stator (6) mehrere, Scherelemente (16, 20) umfassende Scherelementreihen (15, 19) aufweist, wobei die Scherelementreihen (15) des Rotors (5) und die Scherelementreihen (19) des Stators (6) derart intermittierend ineinander greifen, dass die durch die intermittierenden Scherelementreihen (15, 19) strömende Milch und Luft bei Rotation des Rotors (5) jeweils zwischen einer der Scherelementreihen (15) des Rotors (5) und einer unmittelbar benachbarten Scherelementreihe (19) des Stators (6) scherbar sind, wobei die Milchaufschäumvorrichtung (1) mittels des Antriebs (4) zum Rotieren des Rotors (5) antreibbare, von den Scherelementen (16, 20) separate Fördermittel (27) zum Förden der Milch und der Luft durch die Emulgiereinrichtung (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördermittel (27) ein Fördermittelgehäuse (29) umfassen, welches einteilig mit dem Stator (6), bevorzugt einem die statorseitigen Scherelemente (20) tragenden Statorgehäuse (7) ausgebildet ist, und dass die Fördermittel (27) eine mehrere Zahnräder (31, 32) umfassende Zahnradpumpe (28) umfassen, aufweisend ein um die Rotationsachse (R) rotierbares Antriebs- und/oder Förderzahnrad (31) sowie mindestens ein weiteres hierzu radial benachbartes und rotierbares Zahnrad.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Milchaufschäumvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, mit einer mechanischen, dynamischen Emulgiereinrichtung, umfassend einen Stator und einen relativ zu dem Stator um eine Rotationsachse rotierbar antreibbaren Rotor, wobei der Emulgiereinrichtung Milch und Luft einlassseitig zuführbar und durch Rotation des Rotors, mittels eines bevorzugt elektromotischen Antriebs, relativ zu dem Stator Scherkräften aussetzbar und dadurch Milchschaum erzeugbar ist, wobei der Milchschaum auslassseitig ableitbar ist, und wobei zum Erzeugen der (auf die Milch und die Luft wirkenden) Scherkräfte sowohl Rotor als auch Stator mehrere, (bevorzugt jeweils kreisringförmig angeordnete) Scherelemente umfassende Scherelementreihen aufweisen, wobei die Scherelementreihen des Rotors und die Scherelementreihen des Stators derart intermittierend ineinandergreifen, dass die durch die intermitterenden Scherelementreihen strömende Milch und Luft bei Rotation des Rotors jeweils zwischen einer der Scherelementreihen des Rotors und einer unmittelbar benachbarten Scherelementreihe des Stators scherbar sind bzw. geschert werden.
• Ferner betrifft die Erfindung eine Getränkezubereitungsvorrichtung gemäß Anspruch 10, insbesondere eine Kaffeemaschine, umfassend eine Milchaufschäumvorrichtung.
• Auch betrifft die Erfindung ein Milchaufschäumverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11, wobei Milch und Luft durch eine mechanische Emulgiereinrichtung, umfassend einen Stator und einen relativ zu dem Stator um eine Rotationsachse rotierbar angetriebenen Rotor gefördert werden, wobei in der Emulgiereinrichtung Scherelementreihen des Rotors und Scherelementreihen des Stators derart intermitterend ineinandergreifen, dass die durch die intermitterenden Scherelemente strömende Milch und Luft bei der Rotation des Rotors jeweils zwischen einer der Scherelementreihen des Rotors und einer unmittelbar benachbarten Scherelementreihen des Stators geschert werden.
• Aus der WO 2015/082391 A1 ist eine Milchaufschäumvorrichtung bekannt, bei der Rotor und Stator axial ineinandergreifen und die Scherelementreihen des Rotors und die Scherelementreihen des Stators in radialer Richtung alternierend angeordnet sind, so dass die Milch je nach Zuführung radial innen oder radial außen die Scherelementreihen in radialer Richtung nach außen oder innen passiert. Die Milchaufschäumvorrichtung kann ein Förderelement als Teil des Rotors umfassen. Die bekannte Milchaufschäumvorrichtung weist Nachteile auf. So ist diese aufgrund der prinzipbedingten, im Wesentlichen zylinderscheibenförmigen Form, mit einer geringen Längenerstreckung und einer im Verhältnis dazu großen Durchmessererstreckung schwierig in Getränkezubereitungsvorrichtungen, wie Kaffeemaschinen zu integrieren. Als nachteilig wird zudem empfunden, dass die Scherwirkung aufgrund der in radialer Richtung unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeit von Scherspalt zu Scherspalt in radialer Richtung unterschiedlich ist. Darüber hinaus ist die bekannte Milchaufschäumvorrichtung hinsichtlich ihrer Reinigbarkeit verbesserungsbedürftig, da aufgrund der unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten resultieren und sich ein Freispülen insbesondere in einem großen bzw. äußeren Durchmesserbereich bei radialen Strömungsverhältnissen schwierig gestalten dürfte.
• Aus der EP 2 120 656 B1 ist es bekannt, ein Milchluftgemisch mittels einer Zahnradpumpe durch eine Drosselstelle zu fördern und dadurch Milchschaum zu erzeugen.
• Aus der fachfremden Druckschrift US 3 194 540 A ist eine industrielle Homogenisiervorrichtung für Milch unter Einsatz einer Zentrifugalpumpe bekannt.
• Die DE 39 18 268 C1 beschreibt ein Verfahren zum Kühlen von Essschäumen wie Eiscreme, Schlagsahne sowie Fruchtschäumen und dgl., wobei hier Rotor und Stator ineinander angeordnet sind und stator- sowie rotorseitige Scherelementreihen in axialer Richtung abwechseln.
• Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine alternative, mechanisch arbeitende Milchaufschäumvorrichtung für Milch anzugeben, die möglichst viele Funktionalitäten vereint. Bevorzugt soll die Milchaufschäumvorrichtung derart ausgestaltet sein, dass sie sich besonders gut im Gehäuse von Getränkezubereitungsvorrichtungen, insbesondere Kaffeemaschinen integrieren lässt. Weiter bevorzugt soll die Vorrichtung erleichternd reinigbar sein und ganz besonders bevorzugt durchgängig zumindest näherungsweise gleichmäßige Schereigenschaften (-wirkungen) zwischen Einlass und Auslass der Emulgiereinrichtung aufweisen.
• Ferner besteht die Aufgabe darin, eine Getränkezubereitungsvorrichtung mit einer solchen Milchaufschäumvorrichtung sowie ein entsprechend verbessertes Milchaufschäumverfahren anzugeben.
• Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Milchaufschäumvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
• Hinsichtlich der Getränkezubereitungsvorrichtung wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 10, und hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.
• Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
• In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
• Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen vorrichtungsgemäß offenbarte Merkmale auch als verfahrensgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein. Ebenso sollen verfahrensgemäß offenbarte Merkmale auch als vorrichtungsgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein.
• Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, den zu Milchschaumerzeugungszwecken vorgesehenen Antrieb zum Rotieren des Rotors relativ zum Stator in doppelter Hinsicht zu nutzen, derart, dass mit demselben Antrieb auch Fördermittel antreibbar sind, mit denen die Milch und die Luft, vorzugsweise in axialer Richtung entlang der Rotationsachse, durch die Emulgiereinrichtung förderbar sind. Anders ausgedrückt umfasst die erfindungsgemäße Milchaufschäumvorrichtung gleichzeitig Pump-, d.h. Fördermittel, ist also als kombinierte dynamische mechanische Aufschäum- und Fördereinrichtung ausgestaltet, so dass auf eine von der Milchaufschäumvorrichtung separate, zu dieser benachbarte Pumpe verzichtet werden kann. Erfindungsgemäß handelt es sich bei den Fördermitteln um von den Scherelementen oder Scherelementreihen zur Scherkraftbeaufschlagung der Milch und der Luft separate Fördermittel, deren primäre Aufgabe das, insbesondere axiale Fördern der Milch und der Luft durch die Emulgiereinrichtung ist. Wie später noch erläutert werden wird, können in Weiterbildung der Erfindung zusätzlich zu dem Vorsehen von mittels des Antriebs des Rotors antreibbaren Fördermitteln die Scherelemente von Rotor und/oder Stator, insbesondere wenn diese in der Art von Turbinenschaufeln ausgebildet sind, zur Förderleistung beitragen - dies ist jedoch nicht zwingend.
• Grundsätzlich ist es möglich und im Hinblick auf eine möglichst einfache Ausgestaltung der Milchaufschäumvorrichtung bevorzugt, wenn die Fördermittel, insbesondere ein Pumpdeckel, wie beispielsweise ein Zahnrad der Fördermittel mit der Rotationsgeschwindigkeit der Rotationsachse des Rotors rotieren, so dass eine Erhöhung der Scherkraftbeaufschlagung durch eine höhere Drehzahl des Rotors auch zu einem höheren Fördervolumenstrom führt.
• Alternativ ist es möglich, zwischen Antrieb, insbesondere einer den Rotor antreibenden Welle des Antriebs, und den Fördermitteln ein Getriebe, d.h. eine Übersetzung anzuordnen oder ein solches Getriebe in die Funktionalität der Fördermittel zu integrieren, beispielsweise bei einer Zahnradpumpe. Hierdurch ist es möglich, dass die Drehzahl der Fördermittel - je nach Ausbildung des Getriebes - größer oder kleiner ist als die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors. Alternativ ist es auch denkbar, den Rotor über ein Getriebe mittels des Antriebs anzutreiben.
• Insgesamt weist die erfindungsgemäße Milchaufschäumvorrichtung gegenüber bekannten Milchaufschäumvorrichtungen erhebliche Vorteile auf, insbesondere die Möglichkeit auf separate Fördermittel zum Fördern der Milch durch die Emulgierkammer zu verzichten. Bevorzugt ist es, wenn die Fördermittel, insbesondere axial, von den Scherelementen beabstandet sind, insbesondere über eine Strecke von mehr als 3 mm, noch weiter bevorzugt mehr als 5 mm.
• Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Fördermittel, insbesondere axial, benachbart zu den Scherelementen der Scherelementreihen angeordnet sind, insbesondere in einem Bereich zwischen dem Antrieb und dem Rotor und/oder in Strömungsrichtung der Milch vor dem Rotor. Besonders zweckmäßig dabei ist es, wenn ein rotierend angetriebenes Pumpenelement, insbesondere ein Zahnrad einer Zahnradpumpenfunktionalität der Fördermittel, bevorzugt axial von den Scherelementen der Scherelementreihen beabstandet angeordnet ist.
• Wie bereits angedeutet ist es bevorzugt, wenn die Fördermittel ein, insbesondere um die Rotationsachse des Rotors oder um eine zusätzliche, insbesondere parallel zur Rotationsachse des Rotors angeordnete Rotationsachse, rotierendes Pumpenelement umfassen zur Erzeugung eines Volumenstroms von Milch und Luft in axialer Richtung entlang der Rotationsachse.
• Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Fördermittel eine Zahnradpumpe umfassen, wobei es weiter erfindungsgemäß vorgesehen ist, wenn ein Antriebs- und/oder ein Förderzahnrad einer solchen Zahnradpumpe um die Rotationsachse des Rotors rotierbar ist und mindestens ein, bevorzugt ausschließlich ein, weiteres Zahnrad, insbesondere ein Förderzahnrad, in radialer Richtung benachbart hierzu angeordnet und rotierbar ist, um eine zur Rotationsachse des Rotors parallele Rotationsachse, wobei dieses weitere Zahnrad mit dem um die Rotorachse rotierbaren Zahnrad kämmt. Ganz besonders zweckmäßig ist es, wenn es sich bei dem um die Rotationsachse des Rotors rotierbaren Zahnrad um ein kombiniertes Antriebs- und Förderzahnrad handelt, also ein Zahnrad, was zum einen durch die Zahnradpumpe durch Rotation des Antriebs antreibt und zugleich eine Förderfunktion aufweist, durch das Zusammenwirken mit dem weiteren radial benachbarten Förderzahnrad. Grundsätzlich ist es auch denkbar, wenn es sich bei dem um die Rotorachse rotierbaren Zahnrad um ein reines Antriebszahnrad handelt und die Förderung von dann mindestens zwei weiteren zusätzlichen Zahnrädern (Förderzahnrädern) der Zahnradpumpe übernommen wird.
• Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Fördermittel ein Fördermittelgehäuse umfassen, welches einteilig mit dem Stator, insbesondere einem die statorseitigen Scherelemente tragenden Statorgehäuse, also als Gehäuseabschnitt des gemeinsamen Gehäuses, ausgebildet ist. Bevorzugt überragt dabei der Fördermittelgehäuseabschnitt des gemeinsamen Gehäuses einen die Scherelemente tragenden Statorgehäuseabschnitt in radialer Richtung nach außen.
• Grundsätzlich ist es möglich, dass analog zur WO 2015/082391 A1 die Scherelementreihen von Rotor und Stator in radialer Richtung alternierend, d.h. insbesondere konzentrisch zur Rotationsachse angeordnet sind, so dass Milch und Luft, je nach Zuführung radial innen oder radial außen nach radial außen bzw. innen strömen. Ganz besonders bevorzugt ist es dabei, die Milch und die Luft in einem radial inneren Bereich zuzuführen und in radialer Richtung nach außen zu transportieren. In einem solchen Fall können die Fördermittel beispielsweise ein Radialflügelrad umfassen, welches bevorzugt in einem Bereich radial innerhalb der Scherelemente angeordnet ist und durch Rotation des Rotors mittels des Antriebs Milch und Luft in radialer Richtung nach außen fördert. Auch ist es bei einer solchen Ausführungsform möglich, ein Axialflügelrad vorzusehen, insbesondere in einem Bereich axial vor der eigentlichen Emulgierkammer. Auch ist es möglich bei einer radialen Schachtelung bzw. radial alternierenden Anordnung der Scherelementreihen von Rotor und Stator eine Zahnradpumpe vorzusehen, insbesondere mit einem Antriebs- und/oder Förderrad, welches um die Rotationsachse des Rotors rotiert und bevorzugt mit dem Rotor auf einer gemeinsamen, von dem Antrieb angetriebenen Welle angetrieben ist.
• Besonders zweckmäßig ist jedoch eine Ausführungsform, bei der die Scherelementreihen von Rotor und Stator zur Realisierung der intermittierenden Anordnung bzw. Wechselwirkung nicht (oder zumindest nicht nur) wie im Stand der Technik in radialer Richtung alternierend angeordnet sind, sondern axial entlang der Rotationsachse, so dass also auf eine Scherelementreihe des Rotors axial benachbart eine Scherelementreihe des Stators folgt und dann wieder eine Scherelementreihe des Rotors usw. Dies führt dazu, dass die jeweils von einer Scherelementreihe des Rotors und einer Scherelementreihe des Stators gebildeten bzw. begrenzten Scherspalte in axialer Richtung über immer eine Scherelementreihe beabstandet sind und die Milch und die Luft in axialer Richtung durch die Scherelementreihen von Scherspalt zu Scherspalt, gefördert mittels der integralen Fördermittel strömen und dabei eine axiale Strecke entlang der Rotationsachse vom Einlass der, bevorzugt in Strömungsrichtung der Milch den Fördermitteln nachgeordneten, Emulgiereinrichtung zum Auslass der Emulgiereinrichtung zurücklegen. Bevorzugt weisen zumindest ein Großteil (>50%) der Scherspalte dabei die gleiche Spaltbreite auf, was jedoch nicht zwingend ist. Die weiterbildungsgemäße axiale Schachtelung bzw. Hintereinanderanordnung der Scherelementreihen von Rotor und Stator hat erhebliche Vorteile. So ist es im Hinblick auf die Bauform möglich und bevorzugt eine langgestreckte Milchaufschäumvorrichtung bereitzustellen, die eher stabförmig angeordnet ist und sich durch eine vergleichsweise große Längen- oder eine geringe Breiten- bzw. Durchmessererstreckung auszeichnet. Solche Bauformen lassen sich vergleichsweise einfach in Gehäusen von Getränkezubereitungsvorrichtungen wie Kaffeemaschinen integrieren. Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, dass (fakultative gleiche Scherspaltbeschaffenheit der Scherspalte vorausgesetzt) die Scherwirkung in den unterschiedlichen Scherspalten gleich ist, da nicht das Problem unterschiedlicher Winkelgeschwindigkeit in unterschiedlichen Scherspalten besteht. Jedenfalls nimmt die Scherwirkung in axialer Richtung, zumindest nicht ohne besondere Maßnahmen wie einer Scherspaltabmessungsveränderung in axialer Richtung von Scherspalt zu Scherspalt zu oder ab. Darüber hinaus ist die Reinigbarkeit einer erfindungsgemäßen Milchaufschäumvorrichtung deutlich verbessert, da diese axial durchspülbar ist. Besonders zweckmäßig ist es dabei, wenn ein Einlassbereich einen über seine Axialerstreckung sich verändernden Durchmesserbereich aufweist, wobei sich der Durchmesser bevorzugt im Einlassbereich in Richtung der Scherelementreihen vergrößert und/oder der Durchmesser im Auslassbereich in axialer Richtung von den Scherelementreihen weg verkleinert.
• Insgesamt bietet die weiterbildungsgemäße Milchaufschäumvorrichtung, bei der mindestens eine Scherelementreihe des Rotors in axialer Richtung sandwichartig aufgenommen ist zwischen zwei Scherelementreihen des Stators und/oder eine Scherelementreihe des Stators in axialer Richtung entlang der Rotationsachse sandwichartig aufgenommen ist zwischen zwei Scherelementreihen des Rotors die vorerwähnten Vorteile und ist darüber hinaus konstruktiv einfach realisierbar, insbesondere wenn die Scherelementreihen des Stators als nach radial innen ragende Fortsätze an einem Statorkörper (bevorzugt einteilig mit diesem ausgebildet) angeordnet sind, der gleichzeitig eine langgestreckte Gehäusefunktion für die Emulgiereinrichtung aufweist, also quasi die Emulgiereinrichtung bzw. eine Emulgierkammer der Emulgiereinrichtung umfänglich und in axialer Richtung entlang der Rotationsachse mit Radialabstand zu dieser begrenzt und bevorzugt der Rotor axial in diesem Statorkörper eingesetzt ist. Hierzu sind die rotorseitigen Scherelemente und die statorseitigen Scherelemente derart relativ zueinander angeordnet, dass in mindestens einer Relativdrehposition des Rotors relativ zu dem Stator die Scherelemente des Rotors in Bereichen in Umfangsrichtung zwischen Scherelementen des Stators in axialer Richtung vorbeibewegt werden können, um den Rotor zu montieren oder auszuwechseln. In anderen Relativdrehpositionen ist der Rotor axial entlang der Rotationsachse über jeweils axial benachbarte Scherelemente des Stators gesichert. Bei der erfindungsgemäßen Milchaufschäumvorrichtung strömt die Milch und die Luft, wie erwähnt in axialer Richtung von Scherspalt zu Scherspalt, wobei durch Rotation des Rotors und somit der Scherspaltreihen relativ zueinander die Milch und die Luft einem ständigen Richtungswechsel, insbesondere in Axialrichtung/Umfangsrichtung unterworfen sind.
• Bevorzugt sind mindestens zwei, vorzugsweise mehr als zwei rotorseitige Scherelementreihen und mindestens zwei, vorzugsweise mehr als zwei statorseitige Scherelementreihen vorgesehen. Ganz besonders zweckmäßig ist es, wenn am Stator und am Rotor jeweils mindestens vier axial beabstandete Scherelementreihen vorgesehen sind. Bevorzugt weisen zumindest die Mehrzahl der Scherspalte den gleichen Außendurchmesser auf.
• Bei der zuvor beschriebenen, bevorzugt in axialer Richtung alternierenden Anordnung der Scherelementreihen des Rotors und des Stators ist es möglich und bevorzugt, wenn die Fördermittel ein Axialflügelrad umfassen, welches bevorzugt in der Strömungsrichtung der Milch und der Luft vor der eigentlichen Emulgierkammer, d.h. vor den alternierenden Scherelementreihen von Stator und Rotor angeordnet ist, insbesondere auf einer gemeinsamen Welle mit dem Rotor. Um einen möglichst großen Fördervolumenstrom in axialer Richtung zu erzeugen, ist es möglich und bevorzugt, wenn das Flügelrad in radialer Richtung die Scherelemente der Scherelementreihen des Rotors überragt und in einer der Emulgierkammer vorgeordneten Förderkammer angeordnet ist.
• Zusätzlich oder alternativ ist es bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform mit axial alternierenden Scherelementreihen möglich und bevorzugt, wenn die Fördermittel eine Zahnradpumpe umfassen, insbesondere mit einem auf einer gemeinsamen Welle mit dem Rotor sitzenden Antriebs- und/oder Förderzahnrad, zu welchem in radialer Richtung benachbart, bevorzugt mindestens ein, weiter bevorzugt ausschließlich ein Förderzahnrad angeordnet ist. Bevorzugt ist eine die Zahnräder aufweisende Förderkammer in axialer Richtung vor der Emulgierkammer angeordnet, dabei ist es besonders zweckmäßig, wenn sich diese Förderkammer in radialer Richtung über die Radialerstreckung der Scherelemente des Rotors und/oder in radialer Richtung über die Emulgierkammer hinaus erstreckt.
• Besonders zweckmäßig ist eine Ausführungsform der Milchaufschäumvorrichtung, bei der die Scherelementreihen des Rotors, mehrere jeweils in Umfangsrichtung um die Rotationsachse beabstandete Scherelemente, insbesondere in Form von, bevorzugt einteilig mit einem Rotorkörper ausgebildeten, Radialfortsätzen umfassen, die sich von dem sich entlang der Rotationsachse erstreckenden Rotorkörper des Rotors in radialer Richtung, insbesondere von radial innen nach radial außen erstrecken derart, dass die Milch und die Luft entlang der Rotationsachse zwischen jeweils zwei der in Umfangsrichtung benachbarten Scherelemente einer Scherelementreihe zu der axial benachbarten Scherelementreihe des Stators strömen können. Zusätzlich oder alternativ ist in Weiterbildung der Erfindung mit Vorteil vorgesehen, dass die Scherelementreihen des Stators jeweils mehrere in Umfangsrichtung um die Rotationsachse beabstandete Scherelemente umfassen, die sich von einem sich entlang der Rotationsachse erstreckenden, bevorzugt hohlzylindrischen, Statorkörper (insbesondere Gehäuse der Emulgiereinrichtung, die eine Emulgierkammer radial außen begrenzt) des Stators in radialer Richtung, insbesondere von radial außen nach radial innen, erstrecken, derart, dass die Milch und die Luft axial entlang der Rotationsachse zwischen jeweils zwei der in Umfangsrichtung benachbarten Scherelemente zu der axial benachbarten Scherelementreihe des Stators strömen (können). Grundsätzlich ist es möglich, wenn nur einige der Scherelementreihen des Rotors und/oder einige der Scherelementreihen des Stators mehrere in Umfangsrichtung beabstandete Scherelemente aufweisen - bevorzugt ist jedoch eine Ausführungsform, bei der sämtliche Scherelementreihen des Rotors und/oder sämtliche Scherelementreihen des Stators solche, in Umfangsrichtung beabstandete Scherelemente aufweisen. Zuvor ist als besonders vorteilhaft eine Ausführungsform beschrieben worden, bei der der Rotor radial innerhalb des Stators sitzt und relativ zu diesem rotiert. Eine alternative Konstruktion sieht vor, einen radial inneren Stator vorzusehen, um den herum der dann als Hohlkörper ausgebildete Rotor rotierend angeordnet ist.
• Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn eine Einlassseite, auf welcher Milch und Luft zugeführt werden und eine Auslassseite, aus der der (fertige) Milchschaum abgeleitet wird, entlang der Rotationsachse über die Mehrzahl der Scherelementreihen, insbesondere über sämtliche Scherelementreihen axial voneinander beabstandet sind, d.h., dass an einem axialen Ende die Zufuhr von Milch und Luft erfolgt und an dem gegenüberliegenden axialen Ende der Milchschaum abgeleitet wird. Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn die Zuleitung oder die Zuleitungen für Milch und Luft sowie die Ableitung zumindest näherungsweise (axial beabstandet) auf derselben Radialposition, d.h. auf dem selben Durchmesser angeordnet sind, was jedoch nicht zwingend ist.
• Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Milchaufschäumvorrichtung, bei der deren Emulgiereinrichtung gleichzeitig als Fördereinrichtung ausgebildet ist, die selbsttätig für einen Vortrieb bzw. eine Förderung der Milch und der Luft in axialer Richtung entlang der Rotationsachse von Scherelementreihe zu Scherelementreihe bzw. von der Einlassseite zu der axial beabstandeten Auslassseite der Emulgiereinrichtung Sorge trägt und damit bevorzugt die Förderrichtung der bevorzugt, zusätzlich vorgesehenen Fördermittel unterstützt, indem nämlich die Scherelemente selbst aufgrund ihrer Konturierung in Kombination mit der Rotationsbewegung, insbesondere in der Art von Turbinenschaufeln das Fluid bzw. die Fluide in axialer Richtung durch die Emulgiereinrichtung antreiben. Eine kombinierte Milch- und Luftförderung kann dabei beispielsweise dadurch erreicht werden, dass zumindest ein Teil der rotorseitigen Scherelemente, bevorzugt über den größten Teil ihrer jeweiligen Axialerstreckung entlang der Rotationsachse eine entgegen der Umdrehungsrichtung geneigte und/oder gekrümmte in Umfangsrichtung weisende Seitenfläche aufweisen. Ganz besonders bevorzugt ist es dabei, wenn zur Erhöhung des Wirkungsgrades eines solchen turbinenartigen Antriebs die in Umfangsrichtung weisenden Seitenflächen der Statorscherelemente in der Umdrehungsrichtung des Rotors, also gegenläufig zu den zuvor beschriebenen Seitenflächen der Scherelemente des Rotors geneigt und/oder gekrümmt sind. Grundsätzlich reicht es aus, wenn an den Scherelementen des Rotors und/oder des Stators nur eine in Umfangsrichtung orientierte Seitenfläche, also die in der Umdrehungsrichtung vordere oder alternativ die in der Umdrehungsrichtung hintere Seitenfläche wie beschrieben geneigt ist. Ein optimaler Wirkungsgrad kann jedoch erreicht werden, wenn beide in Umfangsrichtung orientierten Seitenflächen der Rotorscherelemente und/oder der Statorscherelemente entsprechend geneigt und/oder gekrümmt sind.
• Dies bedeutet also, dass mit Blickrichtung entlang der Rotationsachse von der Einlassseite in Richtung Auslassseite bei einer ebenen Abwicklung der Rotationselemente des Stators und des Rotors die linken Seitenflächen der Scherelemente bei einer Umdrehung entgegen dem Uhrzeigersinn in der Rotationsrichtung orientiert sind und die rechten Seitenflächen der Rotationsrichtung entgegen orientiert sind. Bei einer solchen Konfiguration ist es bevorzugt, wenn zumindest eine der Seitenflächen der Scherelemente des Rotors nach rechts, d.h. im Uhrzeigersinn, gekrümmt oder geneigt ist (in axialer Richtung betrachtet) und/oder zumindest eine der Seitenflächen der Scherelemente des Stators nach links, (d.h. in Umdrehungsrichtung des Rotors) geneigt oder gekrümmt ist, um einen entsprechenden Vortrieb bzw. Förderung von Milch und Luft zu erreichen.
• Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn die Fördermittel alleine für sich oder alternativ ggf. in Kombination mit, vorzugsweise zumindest teilweise turbinenschaufelartig konturierten Milch und Luft fördernden Scherelementen des Rotors und/oder des Stators, so ausgebildet sind, dass mit diesen ein Milch/Luftvolumenstrom von 30 bis 300 ml/min, insbesondere zwischen 50 und 200 ml/min, ganz besonders bevorzugt ein Volumenstrom von größer als 100 ml/min realisierbar ist, insbesondere bei Umdrehungszahlen des Rotors und/oder mindestens eines Pumpenelementes der Fördermittel, wie einem Flügelrad oder einem Zahnrad, relativ zum Stator aus einem Wertebereich zwischen 2000 U/min und 10000 U/min, besonders bevorzugt zwischen 5000 U/ min und 7000 U/min.
• Die Scherelemente können auch derart ausgebildet werden, dass diese die Milch und die Luft im Wesentlichen nicht axial entlang der Rotationsachse fördern bzw. kraftbeaufschlagen - hier können die in Umfangsrichtung orientierten Seitenflächen der Scherelemente beispielsweise in einer Radialebene liegen. Auch ist es möglich, durch eine, bevorzugt spiegelsymmetrische Verjüngung (bezogen auf eine radiale Spiegelebene) in Umfangsrichtung beispielsweise durch eine konvexe oder dreieckige Konturgestaltung bzw. Verjüngung der Scherelemente, in axialer Richtung hin und her auf die Milch und die Luft wirkende Kräfte zu erzeugen, wodurch das Aufschäumergebnis verbessert und/oder zur Erzielung des gleichen Schäumergebnisses weniger Scherelemente eingesetzt werden können.
• Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn die Milchaufschäumvorrichtung als Durchlauferhitzer ausgebildet ist, also integrierte Heizmittel aufweist, wobei es besonders zweckmäßig ist, solche Heizmittel in den Stator zu integrieren, insbesondere in der Form einer elektrischen Heizung, beispielsweise einer Widerstandsheizung. Im Rahmen eines eine erfindungsgemäße Milchaufschäumvorrichtung umfassenden Milchaufschäumsystems kann dann bevorzugt auf separate Heizmittel zum Erhitzen der Milch verzichtet werden.
• Grundsätzlich ist es möglich, und im Rahmen der Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, Milch und Luft bereits als Milch/Luftgemisch, insbesondere durch eine einzige (gemeinsame) Zuführleitung der Emulgiereinrichtung zuzuführen. Bevorzugt ist jedoch eine alternative Ausführungsvariante, wonach separate Zuführleitungen für Milch und Luft vorgesehen sind, wobei es besonders zweckmäßig ist, wenn der Milchleitung Mittel zur Einstellung des Durchsatzes bzw. des Milchvolumenstroms und/oder der Luftzuführleitung Mittel zur Einstellung des Luftvolumenstroms zugeordnet sind.
• Die Erfindung führt auch auf eine Getränkezubereitungsvorrichtung, insbesondere eine Kaffeemaschine mit einer erfindungsgemäßen Milchaufschäumvorrichtung, wobei der erzeugte Milchschaum bevorzugt einer weiteren Getränkekomponente, beispielsweise Kaffee zuführbar bzw. zusetzbar ist. Dabei kann die Getränkezubereitungsvorrichtung beispielsweise als Kaffeemaschine ausgebildet sein. Grundsätzlich ist es möglich, die Getränkezubereitungsvorrichtung mit einer Injektionseinheit zum Auslaugen und/oder Auflösen von in Getränkesubstratkapseln vorgesehenem Getränkesubstrat auszugestalten oder mit einer Brüheinheit zu versehen, in der insbesondere von einer integralen Mühle aus Kaffeebohnen hergestelltes Kaffeemehl ausgelaugt bzw. Kaffee gebrüht wird.
• Die Erfindung führt auch auf ein Verfahren zum Aufschäumen von Milch, unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Milchaufschäumvorrichtung, und/oder einer erfindungsgemäßen Getränkezubereitungsvorrichtung und/oder eines erfindungsgemäßen Milchaufschäumsystems, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass die Milch und die Luft mittels mit dem Antrieb für den Rotor angetriebenen Fördermitteln, welche bevorzugt unterschiedlich sind, von den Scherelementen der Scherreihen, die bei Bedarf in der Art von Turbinenschaufeln ausgebildet sein können, durch die Emulgiereinrichtung, d.h. die Scherelementreihen gefördert wird. In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dabei vorgesehen, dass die Milch und die Luft dabei axial entlang der Rotationsachse die axial alternierend angeordneten Scherelemente des Rotors und des Stators passiert (und in den axial beabstandeten Scherspalten zur Erzeugung von Milchschaum geschert werden).
• Im Rahmen der zuvor beschriebenen Weiterbildung des Verfahrens werden die Milch und die Luft axial in einer Förderrichtung entlang der Rotationsachse von Scherspalt zu Scherspalt bzw. von Einlass zu Auslass gefördert.
• Ganz besonders zweckmäßig ist es zur Verbesserung der Schäumwirkung bzw. der Schaumstruktur, wenn Milch und Luft in der Emulgierkammer axial entlang der Rotationsachse vor und zurück kraftbeaufschlagt werden, insbesondere durch eine entsprechende Ausgestaltung von zumindest einem Teil der Scherelemente, vorzugsweise von sämtlichen Scherelementen, wobei die Scherelemente des Rotors und/oder des Stators sich bevorzugt, insbesondere gerundet oder eckig in Umfangsrichtung verjüngen und ganz besonders bevorzugt diesbezüglich spiegelsymmetrisch ausgebildet sind zu einer senkrecht von der Rotationsachse durchsetzten jeweiligen Spiegelebene.
• Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
• Diese zeigen in:
• 1: eine nicht erfindungsgemäße Milchaufschäumvorrichtung von außen zu Erläuterungszwecken
• 2 und 3: Explosionsdarstellung der nicht erfindungsgemäßen Milchaufschäumvorrichtung gemäß 1 aus unterschiedlichen Perspektiven,
• 4 bis 19: unterschiedliche Gestaltungsvarianten von Scherelementkonturen zur Erzielung unterschiedlicher Schäum- und/oder Fördereffekte, und
• 20 eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Milchaufschäumvorrichtung, bei der die Fördermittel eine Zahnradpumpe umfassen.
• In den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
• In den 1 bis 3 ist eine Milchaufschäumvorrichtung 1 als Bestandteil eines ansonsten nicht näher dargestellten Milchaufschäumsystems und einer nicht näher dargestellten Getränkezubereitungsvorrichtung, insbesondere einer Kaffeemaschine gezeigt.
• Die Milchaufschäumvorrichtung 1 umfasst eine Emulgiereinrichtung 2, die eine Emulgierkammer 3 begrenzt bzw. beinhaltet. Die Emulgiereinrichtung 2 umfasst einen mittels eines elektromotorischen Antriebs 4 um eine langgestreckte Rotationsachse R rotierbaren Rotor 5 sowie einen den Rotor 5 mit Radialabstand umschließenden, als Hohlkörper ausgebildeten Stator 6, welcher in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein Gehäuse 7 der Emulgiereinrichtung 2, genauer der Emulgierkammer 3 bildet.
• Die Emulgiereinrichtung 2 wird axial durchströmt von Milch und Luft, und zwar ausgehend von einer Einlassseite 8 in axialer Richtung zu einer Auslassseite 9. Einlassseite und Auslassseite 8, 9 der Emulgiereinrichtung sind entlang der Axialerstreckung der Rotationsachse beabstandet. Die Auslassseite 9 umfasst einen Milchschaumauslasskanal 10, während die Einlassseite 8 separate Zuführleitungen 11, 25 (vgl. 1) für Milch und Luft aufweist, von denen in den 2 und 3 nur eine Milchzuführleitung (11) gezeigt ist. Die Zuführleitung 25 für Luft mündet in die Einlassseite 8 in Umfangsrichtung beabstandet zur Zuführleitung 11. Alternativ kann durch eine einzige Zuführleitung auch bereits ein Milch/Luftgemisch zugeführt werden.
• Der Rotor 5 ist axial in den Stator 6 eingesteckt, wobei das Gehäuse 7 auslassseitig von einem dem Milchschaumauslasskanal 10 beinhaltenden Deckel 12 verschlossen ist, welcher axial über eine Ringdichtung 13 relativ zu dem Stator 6 abgedichtet ist. Eine mit der Rotationsachse R zusammenfallende Antriebswelle 10 des Rotors 5 ist axial aus dem Stator 6 herausgeführt hin zu dem in 1 gezeigten, axial benachbart zu dem Gehäuse 7 angeordneten Antrieb 4.
• Zu erkennen ist nun, dass an dem Rotor 5 insgesamt sechs in axialer Richtung jeweils voneinander beabstandete Scherelementreihen 15 angeordnet sind, die sich jeweils in Umfangsrichtung um die Rotationsachse R erstrecken und jeweils, hier beispielhaft vier in Umfangsrichtung beabstandete Scherelemente 6 umfassen, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel im Wege eines Spritzgussverfahrens einteilig mit einem Rotorkörper 17 ausgebildet sind, welcher im Wesentlichen zylindrisch konturiert ist und von dem aus sich die rotorseitigen Scherelemente 16 in radialer Richtung nach außen erstrecken.
• In den umfänglichen Nuten bzw. Axiallücken 18 zwischen jeweils zwei benachbarten Scherelementreihen 15 des Rotors 5 ist jeweils eine von mehreren Scherelementreihen 19 des Stators 6 angeordnet. Lediglich beispielhaft umfassen die insgesamt beispielsweise sechs Scherelementreihen 19 des Stators 6 jeweils vier in Umfangsrichtung beabstandete (statorseitige) Scherelemente 20, die hier im Kunststoffspritzgussverfahren einteilig ausgebildet sind mit dem Gehäuse 7 bzw. einem das Gehäuse 7 bildenden Statorkörper 21.
• Im montierten Zustand, in dem sich der Rotor 5 innerhalb des Stators 6 befindet, wechseln somit in axialer Richtung die Scherelementreihen 15 des Rotors 5 und die Scherelementreihen 19 des Stators 6 ab, d.h. in axialer Richtung entlang der Rotationsachse R folgt immer auf eine rotorseitige Scherelementreihe 15 eine statorseitige Scherelementreihe 19, so dass zwischen jeder Scherelementreihe 15 des Rotors 5 und jeder Scherelementreihe 19 des Stators 6 ein axialer und sich in Umfangsrichtung erstreckender Scherspalt 22 begrenzt ist, in welchem durch die Rotation des Rotors 5 um die Rotationsachse R Milch und Luft geschert werden.
• Aus den 2 und 3 ist zu erkennen, dass auf der Welle 14 axial benachbart zu den Scherelementreihen 15, 19, konkret in der Strömungsrichtung der Milch und der Luft davor, ein Pumpenelement 26 von integralen Fördermitteln 27 der Milchaufschäumvorrichtung angeordnet ist, mit welchem die Milch und die Luft in der Förderrichtung, d.h. axial von der Einlassseite 8 zur Auslassseite 9 der Emulgiereinrichtung gefördert wird, so dass auf von diesen Fördermitteln 27 separate bzw. außerhalb der Milchaufschäumvorrichtung vorgesehene (zusätzliche) Fördermittel, beispielsweise in Form einer Förderpumpe verzichtet werden kann. Die Darstellung in den 2 und 3 ist rein exemplarisch. Selbstverständlich muss (was nicht dargestellt ist) die Gehäusekontur an die Fördermittel angepasst werden, so dass das Pumpenelement 26 umfänglich vom Gehäuse umschlossen ist. Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn zur Erzielung einer entsprechend hohen Förderleistung, das Pumpenelement 26 in radialer Richtung nach außen über die Scherelemente des Rotors vorsteht, bevorzugt wie auch dann ein dem Pumpenelement 26 zugeordneter Gehäuseabschnitt, der eine das Pumpenelement 26 aufnehmende Förderkammer 30 begrenzt. Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung dieses Gehäuseabschnittes ist es bevorzugt, wenn dieser gebildet wird von dem eingezeichneten Gehäuse 7 des Stators. Bei der gezeigten Ausführungsform ist es so, dass das Pumpenelement 26 aufgrund der drehfesten Anordnung auf der Welle 10 mit der Drehzahl des Rotors 5 rotiert.
• Die Scherelemente 16, 20 des Rotors und/oder des Stators können zur Unterstützung der Förderwirkung der Fördermittel 27 zumindest teilweise in der Art von Turbinenschaufeln ausgestaltet sein, wie später noch anhand der Darstellungen der 4 bis 19 erläutert ist. Auch ist es denkbar, dass die Scherelemente 16, 20 so ausgebildet sind, dass kein Vortrieb bzw. keine Förderung von Milch und Luft resultiert, sondern die gesamte Förderwirkung auf die Fördermittel 27 zurückzuführen ist.
• Während des Betriebs werden eingangsseitig Milch und Luft zugeführt und die Milch und die Luft strömen, bevorzugt angetrieben durch die Fördermittel 27, in axialer Richtung entlang der Rotationsachse R hin zur Auslassseite 9, wobei, wie zu erkennen ist, Einlassseite 8 und Auslassseite 9 in axialer Richtung entlang der Rotationsachse R sämtliche Scherelementreihen 15, 19 von Rotor 5 und Stator 6 axial zwischen sich aufnehmen. Dies führt dann dazu, dass Milch und Luft in axialer Richtung von Scherspalt 22 zur Scherspalt 22 strömen und dabei abwechselnd eine Scherelementreihe 15 des Rotors und danach eine Scherelementreihe 19 des Stators 6 in axialer Richtung passieren, und zwar durch jeweils einen Bereich in Umfangsrichtung zwischen zwei der jeweiligen Scherelemente 16 bzw. 20.
• Im Folgenden wird das alternative Ausführungsbeispiel einer Milchaufschäumvorrichtung gemäß 20 erläutert, wobei zur Vermeidung von Wiederholungen im Wesentlichen auf die Unterschiede zu dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1 bis 3 eingegangen wird.
• Der Antrieb der Milchaufschäumvorrichtung 1 gemäß 20 ist aus Übersichtlichkeitsgründen nicht gezeigt, ist in der Praxis jedoch derart angeschlossen bzw. integriert, dass dieser die Welle 14 rotatorisch antreibt und somit der Rotor 5 in Umfangsrichtung innerhalb des Stators 6 rotiert. Auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 20 sind Scherreihen 15 des Rotors und Scherreihen 19 des Stators in axialer Richtung entlang der von der Welle 14 definierten Rotationsachse R alternierend angeordnet. Zu erkennen ist, dass die Scherelementreihen 15, 19 jeweils mehr als vier in Umfangsrichtung beabstandete Scherelemente 16 bzw. 20 tragen. Auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 20 fließen Milch und Luft in axialer Richtung durch die Emulgierkammer 3 der Emulgiereinrichtung 2.
• Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1 bis 3 umfassen die integralen Fördermittel 27 kein Axialflügelrad, sondern eine axial vor der Emulgiereinrichtung 2 angeordnete Zahnradpumpe 28, der ein in radialer Richtung über das Statorgehäuse 7 bzw. den Statorgehäuseabschnitt, vorstehender Fördermittelgehäuseabschnitt 29 zugeordnet ist, der einteilig ausgebildet ist, hier in der Form eines Kunststoffspritzgussteils, wie das Gehäuse 7 des Stators.
• Der Fördermittelgehäuseabschnitt 29 begrenzt eine Förderkammer 30, in der zwei Zahnräder angeordnet sind, nämlich ein kombiniertes Antriebs- und Förderzahnrad 31, welches drehfest auf der Welle 14 sitzt und ein radial dazu benachbartes Förderzahnrad 32, welches mit dem Zahnrad 31 kämmt. In dem konkreten Ausführungsbeispiel rotiert die Welle 10 in der Pfeilrichtung 33 (entspricht den Pfeilen 24 in den 4 bis 19), wodurch das in der Zeichnungsebene rechte Förderzahnrad 32 in die entgegengesetzte Richtung rotiert und zwar um eine zur Rotationsachse R parallele Achse A.
• Milch und Luft werden in dem gezeigten Ausführungsbeispiel über eine gemeinsame Zuführleitung 34 zugeführt, und zwar in den Fördermittelgehäuseabschnitt 29, wobei alternativ selbstverständlich auch separate Zuführleitungen von Milch und Luft vorgesehen werden können. Milch und Luft gelangen jedenfalls auf eine Saugseite 35 der Förderkammer 30 und werden dann mittels der Zahnräder 31, 32 in den Pfeilrichtungen zwischen den Zahnrädern 31, 32 und der Innenumfangswand des Fördermittelgehäuseabschnitts 29 hin zu einer Druckseite 36 der Förderkammer 30 gefördert und gelangen von dort aus, hier beispielsweise axial in die Emulgierkammer 3, wo sie, wie im Zusammenhang mit den 1 bis 3 beschrieben, entsprechenden Scherkräften ausgesetzt werden.
• Anhand der 4 bis 19 werden im Folgenden unterschiedliche Konturvarianten von Scherelementen 16, 20 beschrieben, die zu unterschiedlichen Förder- und/oder Schäumeffekten führen. Die können beispielsweise bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1 bis 3 und 20 vorgesehen werden. In sämtlichen Figuren kennzeichnet ein Pfeil 23 eine axiale Strömungsrichtung von Milch und Luft von einer Eingangsseite zu einer Ausgangsseite der Emulgiereinrichtung, wobei diese vereinfacht jeweils in einer Abwicklung dargestellt ist, und zwar derart, dass innen in der Zeichnungsebene links betrachtet nach rechts in der axialen Strömungsrichtung (Pfeil 23) beispielhaft auf eine Scherelementreihe 19 des Stators 6 eine Scherelementreihe 15 der Rotors 5 folgt, daraufhin wieder eine Scherelementreihe 19 des Stators 6 und dann wieder abschließend eine Scherelementreihe 15 des Rotors 5, wobei selbstverständlich weitere Scherelementreihen 19, 15 in axialer Richtung anschließen können. Die rotorseitigen Scherelementreihen 15 sind mit einem Umdrehungsrichtungspfeil 24 gekennzeichnet, der verdeutlicht, dass sich der Rotor 5 vorliegend beispielhaft im Gegenuhrzeigersinn dreht.
• Zu erkennen ist auch, dass jede Scherelementreihe 15, 19 in Umfangsrichtung beabstandete Scherelemente 16 bzw. 20 aufweist, wobei die rotorseitigen Scherelemente 16 durch Rotation des Rotors 5 in der Pfeilrichtung 24 relativ zu den ortsfesten Scherelementen 20 rotieren. Vorstehende Erläuterungen beziehen sich auf sämtliche 4 bis 19, die insoweit analog aufgebaut sind. Ebenso allgemein gilt für sämtliche dargestellten Ausführungsbeispiele, dass die rotorseitigen Scherelemente 16 eine in der axialen Strömungsrichtung 23 vordere Axialseite V sowie eine entgegengesetzt axial orientierte Hinterseite H aufweisen. Die Vorderseite V und Hinterseite H sind miteinander verbunden über in Umfangsrichtung orientierte und sich axial erstreckende Seitenflächen S_V , S_H , wobei die mit dem Bezugszeichen S_V orientierten Seiten bzw. Seitenflächen in der Rotationsrichtung 24 orientiert sind, d.h. in der Rotationsrichtung 24 vorne angeordnet sind und die mit dem Bezugszeichen S_H gekennzeichneten Seitenflächen entgegen der Rotationsrichtung 24 weisen. Allen Ausführungsbeispielen ist zudem gemein, dass die vorderen und hinteren Seitenflächen V, H sowohl der Scherelemente 16 des Rotors 5 als auch der Scherelemente 20 des Stators 6 in Umfangsrichtung geradlinig sind, bzw. jeweils in Radialebenen liegen bzw. sich mit diesen decken.
• Im Folgenden werden nun die Unterschiede der verschiedenen Scherelementkonturen der Ausführungsbeispiele gemäß den 4 bis 19 erläutert. Aus 4 ist zu entnehmen, dass die Seitenflächen S_H der rotorseitigen Scherelemente 16 in der Pfeilrichtung 24 betrachtet über ihre gesamte Axialrichtung nach in der Zeichnungsebene oben, d.h. in der Rotationsebene 24 abgeschrägt sind, während die gegenüberliegenden Seiten S_V in einer Radialebene liegen bzw. in axialer Richtung gerade sind. Bei den statorseitigen Scherelementen 20 ist die Konfiguration genau umgekehrt, d.h. die in der Rotationsrichtung 24 des Rotors 5 gerichteten Seitenflächen S_V sind in der Rotationsrichtung 24 abgeschrägt, während die gegenüberliegenden Seitenflächen S_H in axialer Richtung geradlinig ausgestaltet sind.
• Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 5 bis 7 sind hydrodynamischere Konturen mit ähnlichem Effekt, wie das Ausführungsbeispiel gemäß 4, realisiert. Die in Rotationsrichtung 24 gelegenen Seitenflächen S_V der statorseitigen Scherelemente 20 sind konkav gewölbt bzw. gekrümmt in Richtung Rotationsrichtung 24. Die gegenüberliegenden Seitenflächen S_H sind in axialer Richtung gerade. Bei den rotorseitigen Scherelementen 16 ist ebenfalls über deren gesamte Axialerstreckung eine konkave Krümmung in Richtung der Rotationsrichtung 24 vorgesehen, und zwar bei den entgegen der Rotationsrichtung 24 orientierten Seitenflächen S_H , während die Seitenflächen S_V in axialer Richtung geradlinig sind. Dies führt dann, analog zu 4 dazu, dass die Umfangserstreckung der Scherelemente 16 des Rotors in der Pfeilrichtung 23 abnimmt, während die Umfangserstreckung der Scherelemente 20 des Stators in der Pfeilrichtung 23 zunimmt.
• In 6 sind die konvexen Krümmungen der 5 durch konkave Krümmungen ersetzt worden, ansonsten gilt das zu 5 Gesagte analog.
• Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 7 verjüngen sich die statorseitigen Scherelemente 20 mit ihrer in der Rotationsrichtung 24 gelegenen Seite S_V in der Rotationsrichtung 24, d.h. in Umfangsrichtung, und zwar mit konvexen Krümmungsradien. Dabei sind die Scherelemente 20 spiegelsymmetrisch zu einer jeweiligen, in einer Radialebene liegende Spiegelebene S ausgebildet.
• Die Scherelemente 16 des Rotors 5 sind entgegengesetzt konturiert, d.h. hier ist die in der Rotationsrichtung 24 gelegene Seite S_V in axialer Richtung gerade und die gegenüberliegende Seite S_H verjüngt sich entgegen der Rotationsrichtung 24, und zwar ebenfalls mit konvexen Krümmungsradien, wobei auch hier eine spiegelsymmetrische Ausbildung zu einer radialen Spiegelebene gegeben ist.
• Diese Ausbildung führt dazu, dass, analog zu 10, im Strömungsschatten der rotorseitigen Scherelemente 16 die Milch und die Luft in einander entgegensetzten Axialrichtungen kraftbeaufschlagt werden, so dass es in axialer Richtung entlang der Rotationsachse R, die mit der Pfeilrichtung 23 zusammenfällt, zu einer axialen Hin- und Herbewegung kommt, was in 20 durch die kleinen Pfeile angedeutet ist. Ansonsten entspricht das Ausführungsbeispiel gemäß 10 dem Ausführungsbeispiel gemäß 7, mit dem einzigen Unterschied, dass die konvex gekrümmten Verjüngungen durch geradlinige, pfeilförmige Verjüngungen ersetzt wurden. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 11 verjüngen sich die Scherelemente 16, 20 in beide Umfangsrichtungen, und zwar beispielhaft mit der Pfeilkontur gemäß 10, so dass zusätzlich zur Strömungsschattenseite in einem vorderen Strömungsbereich eine axiale Hin- und Herkraftbeaufschlagung von Milch und Luft resultiert.
• 8 zeigt eine Ausführungsvariante, bei der sowohl die rotorseitigen Scherelemente 16 als auch die statorseitigen Scherelemente 20 rechteckig konturiert sind, also in axialer Richtung durchgehend geradlinige Seiten S_V und S_H aufweisen. Es resultiert somit keine Fluidförderung in axialer Richtung entlang der Rotationsachse R.
• Das Ausführungsbeispiel gemäß 9 entspricht dem Ausführungsbeispiel gemäß 8 mit dem einzigen Unterschied, dass die Axialerstreckung der Scherelemente 16, 20 zur Raumersparnis reduziert wurde - hier ist die Umfangserstreckung der Scherelemente 16, 20 deutlich größer als deren Axialerstreckung entlang der Rotationsachse R.
• Das Ausführungsbeispiel gemäß 12 entspricht exakt dem Ausführungsbeispiel gemäß 4, wobei hier lediglich ergänzend kleine Pfeile eingezeichnet sind, die erkennen lassen, dass Milch und Luft in unterschiedliche Axialrichtungen, d.h. vor und zurück kraftbeaufschlagt werden in der Art einer Schüttelpumpe, wobei diese Axialkraftbeaufschlagung im Wesentlichen im Strömungsschatten der rotierenden Scherelemente 16 auftritt.
• Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 13 sind die Seiten S_V entgegen der Rotationsrichtung 24 geneigt und die Seiten S_H in axialer Richtung geradlinig - bei den rotorseitigen Scherelementen 16 ist dies umgekehrt, d.h., die Seiten S_V sind in axialer Richtung geradlinig und die Seiten S_H sind axial durchgehend entgegen der Rotationsrichtung 24 geneigt, was ebenfalls zu Axialkraftbeaufschlagung und damit zu einer axialen Hin- und Herbewegung des Milchluftgemisches führt.
• Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 14 entspricht die Ausbildung bzw. Konfiguration der statorseitigen Scherelemente 20 der im Zusammenhang mit 13 beschriebenen Konstruktion der Scherelemente 20 des Stators 6, so dass die Umfangserstreckung der Scherelemente 20 in axialer Richtung bzw. in der Strömungsrichtung abnimmt. Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 13 sind die Seitenflächen S_H der rotorseitigen Scherelemente 16 in der Rotationsrichtung 24 geneigt, so dass die Umfangserstreckung der Scherelemente 16 in axialer Richtung abnimmt. Dies führt dann zu einer der Strömungsrichtung 23 entgegengesetzten Kraftbeaufschlagung der Milch/Luft, so dass hier die Fördermittel 27 der Förderwirkung der Scherelemente entgegenwirken, derart, dass die die Milch trotzdem in der Richtung 23, d.h. hin zum Auslass der Emulgiereinrichtung, gefördert wird.
• Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 15 entspricht die Konfiguration der statorseitigen Scherelemente 20 denjenigen gemäß 4, wobei die Konfiguration bzw. Geometrie der rotorseitigen Scherelemente 16 derjenigen gemäß 13 entspricht, d.h. deren Umfangserstreckung nimmt in axialer Förderrichtung 23 zu, da die Seiten S_H entgegen der Strömungsrichtung 24 abgewinkelt sind (während die Seiten S_V gerade sind und die Seiten S_V der statorseitigen Scherelemente 20 in der Rotationsrichtung 24 geneigt sind und deren Seiten S_H in axialer Richtung geradlinig ausgestaltet sind).
• In 19 ist ebenfalls eine Konfiguration als Turbine bzw. Pumpe gezeigt, d.h. die Anordnungen der 15, 19 sorgen dafür, dass die Förderwirkung der Fördermittel 27 unterstützt wird und die Milch und die Luft in der Förderrichtung 23 gefördert werden. Während die entsprechende Axialkraftbeaufschlagung des Fluids bei der Konfiguration gemäß 15 im Wesentlichen im Strömungsschatten der Scherelemente 16 resultiert, ist bei der Konfiguration gemäß 19 auch auf der in Umfangsrichtung gegenüberliegenden Seite der Scherelemente 16, 20 eine entsprechende Kraftbeauschlagung gegeben, was darauf zurückzuführen ist, dass im Unterschied zu 15 auch die Seiten S_H der statorseitigen Scherelemente 20 in der Rotationsrichtung 24 geneigt sind, hier parallel zu den zugehörigen Seiten S_V . Auch sind die Seiten S_V der rotorseitigen Scherelemente 16 entgegen der Rotationsrichtung 24 geneigt, genauso wie deren Seiten S_H .
• Das Ausführungsbeispiel gemäß 18 entspricht dem Ausführungsbeispiel gemäß 19 mit dem Unterschied, dass die Neigungsrichtung sämtlicher Scherelemente 16, 20 gerade entgegengesetzt realisiert ist, wodurch eine relativ starke Strömungswirkung entgegen der Strömungsrichtung 23 resultiert, was durch das Vorsehen entsprechend ausgelegter Fördermittel 27 ausgeglichen bzw. überspielt werden muss.
• Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 17 entspricht die Konfiguration bzw. Geometrie der rotorseitigen Scherelemente 16 derjenigen des Ausführungsbeispiels gemäß 19, während die Geometrie der statorseitigen Scherelemente 20 derjenigen der statorseitigen Scherelemente 20 gemäß 18 entspricht, d.h. beide Seiten S_V , S_H sind entgegen der Rotationsrichtung 24 geneigt, sowohl bei den Scherelementen 16 des Rotors 5 als auch bei den Scherelementen 20 des Stators 6, was wieder zu einem Schüttelpumpeneffekt führt und Milch und Luft axial hin und her kraftbeauschlagt werden.
• Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 16 ist die Neigungsrichtung der Scherelemente 16, 20 gerade umgekehrt wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 17, d.h. die Konfiguration bzw. Kontur der rotorseitigen Scherelemente 16 entspricht derjenigen gemäß dem Ausführungsbeispiel gemäß 18, während die statorseitigen Scherelemente 20, wie im Ausführungsbeispiel gemäß 19 gezeigt, konturiert sind, d.h. die Seiten S_V , S_H der statorseitigen Scherelemente 20 sind in Rotationsrichtung 24 geneigt, ebenso wie die Seitenflächen S_V , S_H der rotorseitigen Scherelemente 16, was ebenfalls zu einer Kraftbeaufschlagung von Milch und Luft in einander entgegengesetzte Axialrichtungen resultiert.
• Bezugszeichenliste

1

Milchaufschäumvorrichtung

2

Emulgiereinrichtung

3

Emulgierkammer

4

Antrieb

5

Rotor

6

Stator

7

Gehäuse

8

Einlassseite

9

Auslassseite

10

Milchschaumauslasskanal

11

Zuführleitung für Milch

12

Deckel

13

Ringdichtung

14

Welle

15

Scherelementreihen des Rotors

16

Scherelemente des Rotors

17

Rotorkörper

18

Axiallücken

19

Scherelementreihen des Stators

20

Scherelemente des Stators

21

Statorkörper

22

Scherspalte

23

Pfeil (axiale Förderrichtung entlang der Rotationsachse)

24

Pfeil (Rotationsrichtung in Umfangsrichtung um die Rotationsachse)

25

Zuführleitung für Luft

26

Pumpenelement

27

Fördermittel

28

Zahnradpumpen

29

Fördermittel Gehäuseabschnitt (Fördermittelgehäuse)

30

Förderkammer

31

Antriebs- und Förderzahnrad

32

Förderzahnrad

33

Pfeilrichtung

34

(gemeinsame) Zuführleitung für Milch und Luft

35

Saugseite der Förderkammer

36

Druckseite der Förderkammer

R

Rotationsachse

V

Vorderseite

H

Hinterseite

A

Achse

S_V

in Rotationsrichtung weisende (Umfangs-) Seiten

S_H

entgegen der Rotationsrichtung weisende (Umfangs-) Seiten

S

Spiegelebene

Claims (12)

1. Milchaufschäumvorrichtung (1) mit einer mechanischen Emulgiereinrichtung (2), umfassend einen Stator (6) und einen relativ zu dem Stator (6) um eine Rotationsachse (R) rotierbar antreibbaren Rotor (5), wobei der Emulgiereinrichtung (2) Milch und Luft einlassseitig zuführbar und durch Rotation des Rotors (5) mittels eines Antriebs (4) relativ zu dem Stator (6) Scherkräften aussetzbar und dadurch Milchschaum erzeugbar ist, wobei der Milchschaum auslassseitig ableitbar ist, und wobei zum Erzeugen der Scherkräfte sowohl Rotor (5) als auch Stator (6) mehrere, Scherelemente (16, 20) umfassende Scherelementreihen (15, 19) aufweist, wobei die Scherelementreihen (15) des Rotors (5) und die Scherelementreihen (19) des Stators (6) derart intermittierend ineinander greifen, dass die durch die intermittierenden Scherelementreihen (15, 19) strömende Milch und Luft bei Rotation des Rotors (5) jeweils zwischen einer der Scherelementreihen (15) des Rotors (5) und einer unmittelbar benachbarten Scherelementreihe (19) des Stators (6) scherbar sind, wobei die Milchaufschäumvorrichtung (1) mittels des Antriebs (4) zum Rotieren des Rotors (5) antreibbare, von den Scherelementen (16, 20) separate Fördermittel (27) zum Förden der Milch und der Luft durch die Emulgiereinrichtung (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördermittel (27) ein Fördermittelgehäuse (29) umfassen, welches einteilig mit dem Stator (6), bevorzugt einem die statorseitigen Scherelemente (20) tragenden Statorgehäuse (7) ausgebildet ist, und dass die Fördermittel (27) eine mehrere Zahnräder (31, 32) umfassende Zahnradpumpe (28) umfassen, aufweisend ein um die Rotationsachse (R) rotierbares Antriebs- und/oder Förderzahnrad (31) sowie mindestens ein weiteres hierzu radial benachbartes und rotierbares Zahnrad.
2. Milchaufschäumvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördermittel (27), bevorzugt axial, benachbart, insbesondere beabstandet, zu den Scherelementen (16, 20) angeordnet sind.
3. Milchaufschäumvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördermittel (27) ein, insbesondere um die Rotationsachse (R) rotierbares Pumpenelement (26), insbesondere ein Flügelrad, bevorzugt ein Axialflügelrad, oder ein Zahnrad umfassen.
4. Milchaufschäumvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Scherelementreihen (15) des Rotors (5) und die Scherelementreihen (19) des Stators (6) entlang der Rotationsachse (R) alternierend angeordnet und die Fördermittel (27) die Milch und Luft axial entlang der Rotationsachse (R) von Scherelementreihe zu Scherelementreihe durch die Emulgiereinrichtung (2) fördernd ausgebildet sind.
5. Milchaufschäumvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Scherelementreihen (15) des Rotors (5), jeweils mehrere in Umfangsrichtung um die Rotationsachse (R) beabstandete Scherelemente (16) umfassen, die sich von einem sich entlang der Rotationsachse (R) erstreckenden Rotationskörper des Rotors (5) in radialer Richtung, insbesondere von radial innen nach radial außen, erstrecken derart, dass die Milch und die Luft axial entlang der Rotationsachse (R) zwischen jeweils zwei der in Umfangsrichtung benachbarten Scherelemente (16) zu der axial benachbarten Scherelementreihe (19) des Stators (6) strömen und/oder dass die Scherelementreihen (19) des Stators (6) jeweils mehrere in Umfangsrichtung um die Rotationsachse (R) beabstandete Scherelemente (20) umfassen, die sich von einem sich entlang der Rotationsachse (R) erstreckenden, bevorzugt hohlzylindrischen, Statorkörper des Stators (6) in radialer Richtung, insbesondere von radial außen nach radial innen, erstrecken derart, dass die Milch und die Luft axial entlang der Rotationsachse (R) zwischen jeweils zwei der in Umfangsrichtung benachbarten Scherelemente (20) zu der axial benachbarten Scherelementreihe (15) des Rotors (5) strömen.
6. Milchaufschäumvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einlassseite (8) für Milch und Luft und eine Auslassseite (9) für Milchschaum entlang der Rotationsachse (R) über die Mehrzahl der Scherelementreihen (15, 19), insbesondere über sämtliche Scherelementreihen (15, 19), axial voneinander beabstandet sind.
7. Milchaufschäumvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Scherelemente (16), bevorzugt sämtliche, von zumindest einem Teil, bevorzugt sämtlichen, der Scherelementreihen (15) des Rotors (5) und/oder zumindest ein Teil, bevorzugt sämtliche, der Scherelemente (20) von zumindest einem Teil, bevorzugt sämtlichen, der Scherelementreihen (19) des Stators (6) derart konturiert sind, dass die Milch und die Luft durch Rotation des Rotors (5), bevorzugt in axialer Richtung entlang der Rotationsachse (R), durch die Emulgiereinrichtung (2) förderbar sind.
8. Milchaufschäumvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Scherelemente (16), bevorzugt sämtliche, von zumindest einem Teil, bevorzugt sämtlichen, der Scherelementreihen (15) des Rotors (5) und/oder zumindest ein Teil, bevorzugt sämtliche, der Scherelemente (20) von zumindest einem Teil, bevorzugt sämtlichen, der Scherelementreihen (19) des Stators (6) derart konturiert sind, dass die Milch und die Luft in axialer Richtung entlang der Rotationsachse (R) vor und zurück kraftbeaufschlagbar, insbesondere förderbar, oder nicht in axialer Richtung entlang der Rotationsachse (R) förderbar sind.
9. Milchaufschäumvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Milchaufschäumvorrichtung (1), insbesondere im Stator (6), integrierte Heizmittel aufweist.
10. Getränkezubereitungsvorrichtung, insbesondere Kaffeemaschine, umfassend eine Milchaufschäumvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Milchschaum einer weiteren Getränkekomponente, insbesondere Kaffee, zusetzbar ist.
11. Verfahren zum Aufschäumen von Milch unter Verwendung einer Milchaufschäumvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und/oder einer Getränkezubereitungsvorrichtung gemäß Anspruch 10 und/oder eines eine Milchaufschäumvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 umfassenden Milchaufschäumsystems, wobei Milch und Luft durch eine mechanische Emulgiereinrichtung (2), umfassend einen Stator (6) und einen relativ zu dem Stator (6) um eine Rotationsachse (R) rotierbar angetriebenen Rotor (5) gefördert werden, in der Scherelementreihen (15) des Rotors (5) und Scherelementreihen (19) des Stators (6) derart intermittierend ineinander greifen, dass die durch die intermittierenden Scherelementreihen (15, 19) strömende Milch und Luft bei der Rotation des Rotors (5) jeweils zwischen einer der Scherelementreihen (15) des Rotors (5) und einer unmittelbar benachbarten Scherelementreihe (19) des Stators (6) geschert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Milch und die Luft mittels von dem Antrieb des Rotors (5) angetriebenen Fördermitteln (27) durch die Emulgiereinrichtung (2) gefördert werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Scherelementreihen (15) des Rotors (5) und die Scherelementreihen (19) des Stators (6) entlang der Rotationsachse (R) alternierend angeordnet sind und daher die Milch und die Luft mittels der Fördermittel (27) in axialer Richtung entlang der Rotationsachse (R) der alternierend angeordneten Scherelementreihen (15, 19) des Rotors (5) und des Stators (6) gefördert werden.

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