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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Kaffeebrühvorrichtung mit einem Filterhalter,
einem im Filterhalter angeordneten Kaffeefilter, mindestens einer
stromabwärts
vom Kaffeefilter angeordneten Düsenöffnung zum
Erzeugen eines Flüssigkeitsstrahls und
einem Bläschenformer
zum Erzeugen eines feinporigen Flüssigkeitsschaums, auf den der
Flüssigkeitsstrahl
gerichtet ist.
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Eine
solche Vorrichtung ist z.B. aus der
EP 0878158 B1 bekannt. Bei dieser Kaffeebrühvorrichtung
wird heißes
Wasser über
ein Steigrohr in einen Filterhalter geleitet und durchdringt dort
einen napftörmig
ausgestalteten mit gemahlenem Kaffee gefüllten Kaffeefilter. Anschließend wird
der Kaffeeextrakt über
eine Zuführleitung
einem Einlass zugeführt
und dort mittels zweier Düsenöffnungen
zwei Flüssigkeitsstrahlen
erzeugt. Die Flüssigkeitsstrahlen
strömen
in einen Reservoirtopf ein, der so gestaltet ist, dass die Flüssigkeit
nur langsamer abfließen
kann als zulaufen. Hierdurch sammelt sich in dem Reservoirtopf eine
Flüssigkeitsmenge
an und die beiden Flüssigkeitsstrahlen
werden in die sich ansammelnde Flüssigkeit eingespritzt. Hierdurch
wird ein feinporiger Schaum erzeugt, der dann zusammen mit dem restlichen
Kaffeeextrakt über
die eigentlichen Ausflussöffnungen
abfließen
kann.
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Es
sind ein Reihe weiterer Kaffeebrühvorrichtungen
bekannt, die unterhalb des Filterhalters für eine Luftzuführung sorgen,
um so eine Aufschäumung
zu erreichen. Beispielhaft seien hier die
DE 10247573 A1 und die
EP 1125535 A2 genannt.
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Zum
Teil funktionieren bekannte Bläschenformer
nur bei Espressomaschinen, die mit einem Betriebsdruck von mindestens
6 bar arbeiten. Zwar weisen einige der Niederdruckgeräte, wie
die
EP 0878158 B1 ,
bereits gute Ergebnisse auf. Jedoch besteht auch hier das Bestreben,
noch feinporigeren Kaffeeschaum zu erzeugen und die Anzahl der Mikroschaumbläschen pro
Kaffeeextraktmenge zu erhöhen.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kaffeebrühvorrichtung
der eingangs genannten Art bereitzustellen, die eine verbesserte Schaumbildung
ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass der Bläschenformer
einen Strahlteiler mit mehreren Durchtrittsöffnungen umfasst, der quer
im Strömungsweg
des Flüssigkeitsstrahls
angeordnet ist. Die Ausbildung des Flüssigkeitsstrahls ist dabei
besonders wichtig. Dieser muss umgeben von Luft oder Dampf auf den
Strahlteiler auftreffen, so dass aufgrund der kinetischen Energie vermutete
Strukturänderungen
in der Kaffeeflüssigkeit
einsetzen, die ein Aufschäumen
begünstigen. Versuche
haben gezeigt, dass eine reichhaltige Schaumbildung möglich wird.
Der so erzeugte Bläschenformer
zeigt sowohl bei niedrigen als auch bei höheren Betriebsdrücken sehr
gute Ergebnisse. Hierbei können
auch mehrere Einzelflüssigkeitsstrahlen
verwendet werden, die bevorzugt im Abstand zueinander auf den Strahlteiler
auftreffen. Allerdings muss der Gesamtvolumenstrom so gewählt sein,
dass sich bei vorhandenem Betriebsdruck die gewünschte Strahlwirkung einstellt.
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Zu
unterscheiden ist die vorliegende Erfindung von Maßnahmen,
die zwar Lochplatten im Strömungsweg
des Kaffeeextrakts verwenden, z.B. WO 97/39668 und
US 5824218 . Jedoch nicht die Ausbildung
eines feinen, bevorzugt durch eine Düse erzeugten Flüssigkeitsstrahls
aufweisen, der für
das gewünschte
Resultat unerlässlich
ist. Während
bei der WO 97/39668 der Kaffeeextrakt aus dem Filter einfach abtropft,
füllt sich
der enge Zwischenraum zwischen den beiden Filterplatten bei der
US 5824218 so mit Kaffeeextrakt,
dass kein freier Flüssigkeitsstrahl
ausgebildet werden kann. Hier werden andere Mechanismen des Aufschäumens, mit
zum Teil mäßigem Erfolg,
eingesetzt.
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Obwohl
auch ein sehr feinporiges Metallblech verwendet werden kann, ist
gemäß einer
Ausführungsform
vorgesehen, den Strahlteiler durch ein Kunststoff- oder Edelstahlgewebe
auszubilden. Kunststoff- oder Edelstahlgewebe können in beliebigen Feinheitsgraden
hergestellt werden, so dass dem Flüssigkeitsstrahl im Bereich
des Auftrefforts eine große
Aufschäumoberfläche bereitgestellt
werden kann. Darüber
hinaus sind solche Kunststoff- oder Edelstahlgewebe preiswert in
der Herstellung und können
bei der Herstellung in einfacher Weise mit einem Halter verbunden,
insbesondere verschweißt,
werden.
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Des
Weiteren kann der Strahlteiler von einer ätz- oder galvanotechnisch hergestellten
Gitterstruktur gebildet sein. Hier bieten sich z.B. geätzte Metallbleche-
bzw. -folien zur Verwirklichung des Strahlteilers an. Durch diese
Herstellverfahren können
feine und feinste Durchtrittsöffnungen
auch in verschiedenen Querschnittsformen erzeugt werden.
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Versuche
haben gezeigt, dass günstigerweise
ein Kunststoff- oder Edelstahlgewebe mit einer Fadenstärke von
30 bis 100 μm,
bevorzugt 45 bis 60 μm,
eingesetzt werden kann. Durch derartig dünne Kunststoff- oder Edelstahlfäden entstehen
geeignete Strömungshindernisse,
die den Flüssigkeitsstrahl
regelrecht zerschneiden können
und so voraussichtlich eine Wirkung auf die innere Struktur der
Kaffeeflüssigkeit
haben und eine gute Vermischung mit Luft ermöglichen. Darüber hinaus
verbleibt bei diesen dünnen
Fäden auch
mehr Raum für
die Öffnungen
des Strahlteilers.
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In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass der Strahlteiler einen Lochdurchmesser und/oder
eine Maschenweite von 60-150 μm,
bevorzugt 75-90 μm,
aufweist. Durch die vielen Öffnungsränder derartig
kleiner Öffnungen,
entstehen entsprechend viele Verwirbelungskanten, die für die gewünschte Aufschäumwirkung
des Bläschenformers verantwortlich
sind.
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Des
Weiteren kann eine stromaufwärts
vom Kaffeefilter zuführende
Flüssigkeitszuführeinrichtung vorgesehen
sein, wobei die Förderleistung
der Flüssigkeitszuführeinrichtung
und der Strömungsquerschnitt
der Düsenöffnung derart
aufeinander abgestimmt sind, dass ein Brühdruck von 1,0 bis 2,0 bar, bevorzugt
1,5 bis 1.8 bar, eingestellt ist. Der Bläschenformer eignet sich insbesondere
für Niederdruckkaffeebrühvorrichtungen,
bei denen naturgemäß bei einem
herkömmlichen
Brühvorgang
nur mit einer geringen Schaumbildung gerechnet werden kann. Die
vorliegende Erfindung stellt aber auch bei diesen Niederdruckbrühvorrichtungen
eine Schaumintensität
und -feinheit bereit, wie sie üblicherweise nur
von Hochdruckgeräten
bekannt sind.
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Wichtig
ist bei der vorliegenden Vorrichtung, dass der Flüssigkeitsstrahl
mit ausreichender kinetischer Energie auf den Strahlteiler auftreffen
kann, wobei dieser bevorzugt von Luft und Dampf umgeben ist, also
günstigerweise
eine freie Strömungsstrecke aufweist.
Versuche haben gezeigt, dass günstigerweise
der Abstand zwischen einem unteren Ende der Düsenöffnung und dem Strahlteiler
10-30 mm, bevorzugt 15-25
mm, betragen kann. Dieser freie Strömungsweg des Flüssigkeitsstrahls
stellt sicher, dass beim Auftreffen des Strahls auf den Strahlteiler
genügend
Luft (insbeson dere warme Luft) oder Dampf aus der Umgebung bei der
Schaumausbildung beteiligt ist.
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Hierbei
kann der Querschnitt der Düsenöffnung 0,3
bis 0,7 mm2, bevorzugt 0,38 bis 0,50 mm2, betragen. Es soll demnach ein sehr feiner
dünner Flüssigkeitsstrahl
erzeugt werden, der auch bei Niederdruckbrühvorrichtungen mit der gewünschten
kinetischen Energie auf den Strahlteiler auftrifft.
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Als
weiterer Vorteil hat sich gemäß einer
Variante herausgestellt, wenn unterhalb des Strahlteilers ein sich
in Strömungsrichtung
erweiternder Verteilerkegel angeordnet ist. Günstigerweise befindet sich
dieser mit seiner Spitze direkt unter dem Strahlzentrum. Hierdurch
trifft der durch den Strahlteiler aufgeschäumte Flüssigkeitsstrom auf die Spitze
des Kegels auf und verteilt sich nach allen Richtungen und fließt an der
Mantelfläche
des Kegels nach allen Richtungen ab. Auch hierdurch wird die Schaumbildung
stabilisiert. Des Weiteren wird die Flüssigkeit gleichmäßig auch
mehreren Auslauföffnungen
zugeführt.
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Günstigerweise
kann eine konzentrisch um den Strahlteiler umlaufende Spritzschutzwand
angeordnet sein. Ein Teil der auftreffenden Flüssigkeit spritzt zurück oder
seitlich weg, so dass hierdurch eine Maßnahme ergriffen ist, die Flüssigkeit
möglichst
dem Strömungsweg
wieder zuzuführen.
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Damit
die Möglichkeit
besteht, den Strahlteiler auszutauschen oder zu reinigen, kann der Strahlteiler
in einem lösbar
angebrachten Träger
angeordnet sein.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ist der Strahlteiler und der Träger
von einer Auslaufkappe mit mindestens einer Auslauföffnung umgeben, wobei
die Auslaufkappe und der Träger über eine Steckverbindereinrichtung
lösbar
miteinander verbunden sind. Die Auslaufkappe ist in aller Regel leicht
zugänglich
und somit kann auch der Träger
und der Strahlteiler aus dieser leicht entfernt und gereinigt oder
ausgetauscht bzw. wieder eingesetzt werden.
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Günstigerweise
kann die Steckverbindereinrichtung Durchflusskanäle zum Abfließen der
Flüssigkeit
unterhalb des Strahlteilers aufweisen. Die Steckverbindereinrichtung kann
sich daher im unmittelbaren Strömungsweg
befinden; behindert aber das Abfließen der Kaffeeflüssigkeit
nicht.
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Der
Bläschenformer
kann insbesondere in Verbindung mit Kaffeefiltern eingesetzt werden,
die durch ein aus Filterpapier geformtes, mit gemahlenem Kaffee
gefülltes
Filterpad gebildet sind. Diese portionierten Kaffeepulvereinheiten
sorgen dafür, dass
die gesamte Kaffeebrühvorrichtung
nicht in direkter Berührung
mit dem Kaffeepulver kommt und es so nicht zum Zusetzen von Öffnungen,
z.B. der Düsenöffnung oder
der Öffnungen
des Strahlteilers, kommt. Der Bläschenformer
ist daher in Verbindung mit solchen Portionskaffeefiltern betriebssicher.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf eine Kaffeebrüheinheit mit einer Düsenöffnung zum
Erzeugen eines Flüssigkeitsstrahls
und einem Bläschenformer
zum Erzeugen eines feinporigen Flüssigkeitsschaums, auf die der
Flüssigkeitsstrahl
gerichtet ist. Des Weiteren umfasst der Bläschenformer einen Strahlteiler
mit mehreren Durchtrittsöffnungen,
der quer im Strömungsweg
des Flüssigkeitsstrahls
angeordnet ist. Günstigerweise
sind dabei die Lochdurchmesser und/oder Maschenweiten des Strahlteilers
so gewählt,
dass sie kleiner sind als der Durchmesser des Flüssigkeitsstrahls. Das Verhältnis vom
Durchmesser der Düsenöffnung zum
Lochdurchmesser und/oder der Maschenweite des Strahlteilers beträgt mindestens
5, bevorzugt mindestens 9.
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Des
Weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen
einer warmen Kaffeeflüssigkeit
mit einem feinporigen Schaum mit folgenden Schritten:
Bereitstellen
von warmem bzw. heißem
Wasser,
Hindurchleiten von warmem bzw. heißem Wasser durch einen mit
gemahlenem Kaffee gefüllten
Kaffeefilter,
Erzeugen eines Flüssigkeitsstrahls aus Kaffeeflüssigkeit
und Aufspritzen des Flüssigkeitsstrahls
auf einen Strahlteiler mit mehreren Durchtrittsöffnungen zum zumindest teilweise
Erzeugen eines feinporigen Schaums.
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Das
Verfahren weist die bereits oben im Zusammenhang mit der Vorrichtung
beschriebenen Vorteile auf.
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Günstigerweise
kann das Verfahren so durchgeführt
werden, dass das Hindurchleiten des warmen bzw. heißen Wassers
durch den mit gemahlenem Kaffee gefüllten Kaffeefilter und das
Erzeugen des Flüssigkeitsstrahls
bei einem Brühdruck
von 1,0 bis 2,0 bar, bevorzugt 1,5 bis 1,8 bar, erfolgen. Das erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich insbesondere bei Kaffeebrüheinheiten, die im Niederdruckbereich
arbeiten und dennoch ein gutes Schäumergebnis liefern sollen.
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Im
Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen vergrößerten Ausschnitt
einer erfindungsgemäßen Kaffeebrühvorrichtung
im Vollschnitt und
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2 die Auslaufkappe mit Bläschenformer aus 1 in einer perspektivischen
Schnittdarstellung.
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In 1 ist der untere Teil des
Brühkopfes 1 einer
Kaffeemaschine dargestellt. Die Kaffeemaschine verfügt über ansonsten
im Stand der Technik bestens bekannte Merkmale, wie Wasserbehälter, Durchlauferhitzer
oder Boiler, Heißwasserzuführung etc.
Der dargestellte Brühkopf 1 dient
zur Verwendung von sogenannten Filterpads. Filterpads sind kissenförmige, am
Rand miteinander verschweißte oder
verklebte Filtervliese bzw. Filterpapiere, in die eine Portionsmenge
gemahlener Kaffee eingefüllt
ist. Zur Aufnahme eines solchen Filterpads weist der Brühkopf 1 einen
Filterhalter 2 mit einer Aufnahmevertiefung 3 auf.
In die Aufnahmevertiefung 3 wird das Filterpad eingelegt.
Im Zentrum weist der Filterhalter 2 eine Auslassöffnung 4 auf,
in der eine Düsenplatte 5 angeordnet
ist. Die Düsenplatte
besteht bevorzugt aus Metall (insbesondere Edelstahl) und ist mit
einer Düsenöffnung 6 versehen,
die im vorliegenden Beispiel einen Durchmesser von 0,8 mm und somit
eine Querschnittsfläche
von ungefähr
0,5 mm2 aufweist.
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Der
Filterhalter 2 weist an seinem Außenumfang einen nach unten
vorstehenden, umlaufenden Dichtring 7 auf, der sich auf
einer elastischen Ringdichtung 8 abstützt.
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Die
Ringdichtung 8 sitzt auf einem Druckring 9 auf,
der bevorzugt aus Aluminiumdruckguss hergestellt ist und zum Auffangen
der im Betrieb im Brühkopf 1 wirkenden
Druckkräfte
dient. Der Druckring 9 ist in nicht näher gezeigter Weise fest am
Gehäuse der
Kaffeemaschine verankert. Auf einem außen vorstehenden Flansch 10 des
Druckrings 9 sitzt ein umlaufender Wandbestandteil 11 des
Gehäuses
vom Brühkopf 1 auf.
Die Oberseite des Druckrings 9 ist leicht trichterförmig ausgestaltet
und weist in der Mitte eine Durchgangsöffnung 12 auf, deren
Durchmesser größer ist
als der Durchmesser der Auslassöffnung 4 des
Filterhalters 2. Die Durchgangsöffnung 12 weist einen
nach unten vorstehenden Kragen 13 auf.
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Des
Weiteren ist am Druckring 9 ein nach unten vorstehender
Schutzring 14 vorgesehen, der eine Aufnahme 15 umgibt,
in der eine höhenverstellbare Auslaufkappe 16 angeordnet
ist. Obwohl nicht näher dargestellt,
lässt sich
die Auslaufkappe 16 bevorzugt durch Drehen um ihre Achse
A in der Höhe
verstellen.
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Zwischen
der Unterseite des Druckrings 9 und der Innenseite der
Auslaufkappe 16 ist ein Bläschenformer in Form eines Trägers 17 mit
einem quer zur Strömungsrichtung
eines durch die Düsenplatte 5 erzeugten
Flüssigkeitsstrahles
angeordneten feinmaschigen Strahlteilers 18 eingesetzt.
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Der
feinmaschige Strahlteiler 18 wird von einem Kunststoff-
oder Edelstahlgewebe gebildet, das bevorzugt eine Fadenstärke von
50 μm und
eine Maschenweite von 80 μm
aufweist. Aufgrund der Tatsache, dass der Träger 17 aus Kunststoff
besteht, kann der feinmaschige Strahlteiler 18 mit diesem
verschweißt
sein. Allerdings kann auch eine lösbare Trennverbindung vorgesehen
sein. Der wirksame Durchmesser des feinmaschigen Strahlteilers 18 entspricht
im Wesentlichen dem Durchmesser der Durchgangsöffnung 12.
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Der
Träger 17 umfasst
einen Steckring 19, mit dem dieser mit der Auslaufkappe 16 verbunden ist.
Hierzu sind auf der Innenseite der Auslaufkappe 16 mehrere
nach oben vorstehende Steckrippen 20 vorgesehen. Die Steckrippen 20 sind
auf einem sich nach oben hin verjüngenden Verteilerkegel 21 angeordnet
und überragen
dessen Spitze. Die Steckrippen 20 repräsentieren gemeinsam einen Steckzapfen,
auf den der Steckring 90 mit Klemmwirkung aufsteckbar ist.
Der an der oberen Kante des Steckrings 19 umlaufende Anschlagflansch 22 dient
als Aufsteckbegrenzung und kommt den Oberkanten der Steckrippen 20 zur
Anlage. Zwischen den Steckrippen 20 sind Durchflusskanäle 23 vorhanden,
so dass ein Abfließen über die
Oberfläche
des Verteilerkegels 21 ermöglicht ist. Im vorliegenden
Ausführungsbeispiel
sind sechs Steckrippen 20 vorgesehen. Der Steckring 19 ist
an seinem unteren Ende über
radial abstehende Speichenstege 24 (hier: 8 Stück) mit
einem nach oben vorstehenden und koaxial zum Steckring 19 angeordneten
Spritzschutzring 25 verbunden. In diesen Spritzschutzring 25 greift
ein sich von der Unterseite des Druckrings 9 nach unten
erstreckender Spritzschutzring 26 koaxial ein. Der Spritzschutzring 26 ist
einteilig mit dem Druckring 9 ausgestaltet. Die teleskopartig
ineinander greifenden Spritzschutzringe 25 und 26 gewährleisten,
dass auch bei Höhenverstellung
der Auslaufkappe 16 immer ein ausreichender Spritzschutz
gewährt
ist.
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Am
Außenumfang
des Spritzschutzrings 25 ist ein konisch ausgebildeter
Abtropfring 27 angeordnet, an dessen kegelförmiger Unterseite
Kondenswasser zur Mitte zurückgeführt wird.
Direkt im Anschluss an den Verteilerkegel 21 sind die Auslauföffnungen 28 angeordnet,
damit die Kaffeeflüssigkeit mit
dem feinporigen Schaum staufrei von dem Verteilerkegel 21 direkt
ablaufen kann.
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Im
Folgenden wird die Wirkungs- und Funktionsweise des oben beschriebenen
Brühkopfs 1 näher erläutert.
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Vor
der Inbetriebnahme wird Wasser in einen nicht dargestellten Wasserbehälter eingefüllt und über eine
Boilereinrichtung erhitzt. Vor dem Brühen wird ein Filterpad in den
Filterhalter 2 eingelegt, so dass sich oberhalb der Auslassöffnung 4 und
im Abstand zur Düsenplatte 5,
die bevorzugt eine Dicke von 0,3 bis 0,5 mm aufweist, das Filterpad
befindet. Anschließend
wird der Brühkopf 1 geschlossen
und eine Portion heißes
Wasser auf das Filterpad geleitet. Das heiße Wasser durchdringt das Filterpad
und strömt
an dessen Unterseite ab und in die Auslassöffnung 4 ein. Aufgrund
der Größe der Düsenöffnung 6 und
der Förderleistung
einer Wasserzuführeinrichtung,
insbesondere Pumpe, stellt sich ein Brühdruck von ca. 1,5 bis 1,8
bar ein. Je nachdem in welcher Stellung sich die Auslasskappe 16 befindet,
ist zwischen der Düsenplatte 5 und
dem feinmaschigen Strahlteiler 18 ein freier Strömungsweg
von mindestens 10 mm vorhanden. In diesem Zusammenhang könnte man
auch von der freien Strahlstrecke des Flüssigkeitsstrahls reden. Durch
den sich einstellenden Brühdruck
wird mit Hilfe der Düsenplatte 5 ein feiner
dünner
Kaffeeflüssigkeitsstrahl
erzeugt.
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Dieser
Strahl trifft mit seiner kinetischen Energie auf dem feinmaschigen
Strahlteiler 18 auf und lässt hier einen relativ feinporigen
Schaum entstehen. Durch den feinmaschigen Strahlteiler 18 wird vermutlich
einerseits die Struktur der Kaffeebestandteile verändert und
andererseits erwärmte
Luft aus dem Auslaufbereich zugemischt, so dass der relativ feinporige
Schaum erzeugt werden kann. Die Spritzschutzringe 25 und 26 sorgen
dafür,
dass seitlich wegspritzende Kaffeeflüssigkeit ablaufen und den Auslauföffnungen 28 zugeführt wird.
Durch den feinmaschigen Strahlteiler 18 hindurchtretende
Kaffeeflüssigkeit
einschließlich
des feinporigen Schaums trifft auf den Verteilerkegel 21 auf
und durch diesen nach allen Seiten durch die Durchflusskanäle 23 zwischen
den Steckrippen 20 hindurch zu den Auslauföffnungen 28 geleitet.
Auch die Speichenstege 24 sorgen dafür, dass der Ausfluss durch
die Auslauföffnungen 28 möglichst
nicht beeinträchtigt
wird.
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Bei
diesem Vorgang steigt seitlich Kondensat auf, das sich auf der Unterseite
des Abtropfrings 27 niederschlägt und durch dessen Kegelform
wieder zum Innern hin zurückläuft und
entlang des Spritzschutzrings 25 dann nach unten in die
Auslassöffnung 28 abtropft.
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Dieser
Bläschenformer
sorgt für
eine Kaffeeerzeugung mit feinporigem Schaum selbst bei Kaffeemaschinen
mit niedrigem Betriebsdruck. Der Vollständigkeit halber sei angemerkt,
dass die Verwendung eines Flüssigkeitsstrahls
in Verbindung mit der hier beschriebenen Strahlteilervorrichtung
auch für das
Aufschäumen
anderer, insbesondere erwärmter, Trinkflüssigkeiten
(z.B. Milch) geeignet ist.