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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine elektrische Kaffeemaschine zum Zubereiten von Kaffee des Typs
Espresso.
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Die Kaffeemaschinen dieses Typs umfassen einen
Heizkörper
mit einem elektrischen Heizelement, Mittel zum Versorgen des Heizkörpers mit Wasser,
Mittel zum Einspritzen des durch den Heizkörper erhitzen Wassers unter
Druck in das Kaffeepulver und Mittel zum Regeln der Temperatur des Heizkörpers.
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Ein guter Espresso erfordert eine
Temperatur zum Einspritzen des Wassers auf das Kaffeepulver, die
ausreicht, um die Aromen zu extrahieren, die jedoch geringer ist
als die Temperatur, die den Kaffee brühen würde.
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Andererseits muß diese Wassereinspritztemperatur
ermöglichen,
in der Tasse eine Temperatur des Kaffeegetränks zu erhalten, die für den Verbraucher
ausreicht.
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Die Mehrheit der bekannten Kaffeemaschinen
werden durch einen oder mehrere Thermostate thermisch reguliert,
die am Heizkörper
angeordnet sind. Diese Thermostate gestatten es, das Heizelement
zu versorgen, wenn sie einer Temperatur ausgesetzt sind, die geringer
ist als ihre Solltemperatur, und unterbrechen die Versorgung dieses
Heizelements, wenn ihre Temperatur höher ist als eben diese Solltemperatur.
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Der Thermostat ist an einem Träger in einem gewissen
Abstand vom Wasser befestigt und stellt folglich nicht die Temperatur
von diesem dar. Die Wahl des Werts des Thermostaten erfolgt folglich
unter Berücksichtigung
der Wärmeübertragungen,
die zwischen den verschiedenen Elementen der Kaffeemaschine existieren
(Heizelement, Metallmasse, Wasser, Schmelzsicherung...). Dieser
Wert des Thermostaten wird gewählt,
um eine ideale Temperatur zum Einspritzen des Wassers auf das Pulver
und eine ideale Temperatur des Kaffeegetränkes in der Tasse zu garantieren.
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Es erweist sich, daß diese
Konstruktion es nicht ermöglicht,
eine ideale Temperatur zum Einspritzen von Wasser auf das Pulver
und eine ideale Temperatur des Kaffeegetränkes in der Tasse in allen Verwendungsfällen der
Kaffeemaschine zu garantieren. Für
eine gegebene Solltemperatur des Thermostaten variieren die Temperatur
zum Einspritzen von Wasser auf das Pulver und die Temperatur des
Kaffeegetränks
in der Tasse beispielsweise stark je nachdem, ob die Kaffeemaschine
einen ersten Kaffee kocht oder wenig später einen Kaffee kocht, wenn sie
bereits mehrere gekocht hat. Der Unterschied zwischen diesen zwei
Verwendungsfällen
besteht darin, daß die
Anfangsbedingungen der Temperatur der Gesamtheit der Bestandteile
der Kaffeemaschine vor dem Beginn der Extraktion unterschiedlich
sind.
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Dieser Temperaturunterschied liegt
an der Tatsache, daß aufgrund
der Langsamkeit der Wärmeübertragungen
zwischen den verschiedenen Bestandteilen der Kaffeemaschine im Moment
der Unterbrechung des Thermostaten die Gesamtheit der Kaffeemaschine
bei der Zubereitung des ersten Kaffees weniger Energie gespeichert
hat als bei der Zubereitung eines Kaffees weniger später, nachdem
sie andere gekocht hat.
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Dieser Temperaturunterschied, der
in der Größenordnung
von 10°C
liegen kann, ist höher
als der Temperaturbereich, der für
die Zubereitung eines guten Espresso annehmbar ist. Es kommt auch
vor, daß der
erste gekochte Kaffee in der Tasse zu kalt ist und daß ein wenig
später
gekochter Kaffee, wenn bereits mehrere gekocht wurden, schlecht
ist, da die Temperatur zum Einspritzen von Wasser auf das Pulver
zu hoch war.
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Um diesen Mangel zu mildern, existieren
einige Lösungen:
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In der im Europäischen Patent Nr. EP 0 771 542
beschriebenen Kaffeemaschine erfolgt die Wärmeregelung des Wassers durch
Modulieren der Förderleistung
der Pumpe in Abhängigkeit
von der Temperatur des Wassers am Ausgang des Heizkörpers. Für eine gegebene
elektrische Leistung des Heizelements impliziert eine geringe Wassermenge
eine hohe Ausgangstemperatur von diesem und eine große Menge
impliziert eine geringe Temperatur des Wassers am Ausgang. Eine
elektronische Vorrichtung in Abhängigkeit
der Daten, die von einem Temperatursensor geliefert werden, steuert
den Betrieb der Pumpe.
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Der Nachteil dieses Systems besteht
darin, daß es
schwierig ist, die Temperatur des Wassers zu messen, da die elektrische
Isolation heikel und sehr kostenaufwendig ist,.
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In der im Patent US Nr. 5 183 998
schriebenen Kaffeemaschine erfolgt die Wärmeregelung der Kaffeemaschine
durch eine elektronische Vorrichtung, die in Abhängigkeit von dem Wert eines
Temperatursensors die Leistung des Heizelements steuert.
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Der Nachteil dieser Lösung für die Wärmeregelung
einer Kaffeemaschine ist ihr hoher Preis.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung
besteht darin, eine Kaffeemaschine des Typs Espresso zu erschaffen,
die mit Mitteln zur Wärmeregelung
ausgestattet ist, die es ermöglichen,
die Temperaturen zum Einspritzen von Wasser auf das Pulver und des
Kaffeegetränks
in der Tasse zu erhalten, die jenen entsprechen, die für einen
guten Espresso erforderlich sind, und dies, egal wie die Anfangstemperaturbedingungen
der Kaffeemaschine sind.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht
darin, ein einfaches und kostengünstiges
Verfahren zur Regelung der Temperatur für eine Kaffeemaschine des Typs
Espresso vorzuschlagen.
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Gemäß der Erfindung ist diese Kaffeemaschine
dadurch gekennzeichnet, daß die
Mittel zum Regeln der Heiztemperatur einen Temperatursensor in Wärmekontakt
mit dem Heizkörper
umfassen, welcher mit einer elektronischen Schaltung verbunden ist,
die dazu ausgelegt ist, die Unterbrechung des Heizens und seine
Wiederaufnahme für
ein und dieselbe Betriebsphase bei Solltemperaturen zu steuern,
die sich gemäß den Anfangstemperaturbedingungen
des Heizkörpers ändern.
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Die Solltemperaturen variieren auch
gemäß den verschiedenen
Betriebsphasen der Kaffeemaschine, beispielsweise:
- – Heizphase
vor dem Starten der Pumpe,
- – Phase
der Extraktion des Kaffees,
- – Phase
des Haltens der Temperatur zwischen mehreren Kaffeeextraktionen.
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Innerhalb einer Betriebsphase selbst
der Kaffeemaschine, beispielsweise beim Heizen vor dem Starten der
Pumpe, variiert der Sollwert in Abhängigkeit von den Anfangsbedingungen
der Temperatur des Heizkörpers
am Anfang dieser Phase.
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Die Wärmeregelung der erfindungsgemäßen Kaffeemaschine
erfolgt gemäß mehrerer
Solltemperaturen. Die Solltemperaturen sind nicht nur im Rahmen
ein und derselben Betriebsphase, beispielsweise dem Heizen vor dem
Starten der Pumpe, unterschiedlich, sondern sie variieren auch gemäß den verschiedenen
Phasen, gemäß denen
die Maschine in Betrieb gesetzt wird.
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Somit gibt es vordefinierte Solltemperaturen für jede der
Phasen der Extraktion des Kaffees, beispielsweise je nachdem, ob
man vor der Extraktion des Kaffees, während der Extraktion des Kaffees oder
nach der Extraktion des Kaffees heizt.
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Für
die Herstellung des Dampfs erfolgt die Regelung in ähnlicher
Weise bei Solltemperaturen für das
Heizen vor der Herstellung des Dampfs, während der Extraktion des Dampfs
oder nach der Herstellung des Dampfs, wobei jede Betriebsphase somit
ihre eigenen Solltemperaturen aufweist.
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Durch Modifizieren der Solltemperatur
erhält man,
egal welche die Betriebsphase ist und welche die Anfangstemperaturbedingungen
sind, die idealen Sollwerte, um die guten Temperaturen zum Einspritzen
von Wasser auf das Pulver und des Kaffeegetränks in der Tasse zu erreichen.
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Vorzugsweise ist die Solltemperatur
für die Heizphase
vor der Extraktion des Kaffees höher
als 100°C,
wenn die Temperatur des Heizkörpers
vor dem Beginn im wesentlichen gleich der Umgebungstemperatur der
Heizphase ist, und diese Temperatur ist im wesentlichen gleich 100°C, wenn die
Temperatur des Heizkörpers
vor dem Beginn wesentlich höher ist
als die Umgebungstemperatur.
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Gemäß einer bevorzugten Version
der Erfindung ist der Temperatursensor ein Widerstand, dessen ohmscher
Wert sich in Abhängigkeit
von der Temperatur ändert,
wobei die elektronische Schaltung in der Lage ist, diesen ohmschen
Wert zu messen und ihn mit vorbestimmten Werten zu vergleichen,
die den verschiedenen Solltemperaturen entsprechen.
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Ebenfalls vorzugsweise ist die elektronische Schaltung
dazu ausgelegt, die Funktion eines Relais auszulösen, welches den Leistungskreis
zur elektrischen Versorgung des Heizelements steuert.
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Gemäß einer vorteilhaften Version
der Erfindung ist die elektronische Schaltung dazu ausgelegt, das
Aussenden eines Signals zu steuern, wenn die vorbestimmte Solltemperatur
für die
Startphase des Zyklus der Extraktion des Kaffees erreicht ist.
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In einer einfachen Version der Erfindung
ist das Signal dazu ausgelegt, den Benutzer zu informieren, daß er die
Inbetriebnahme der Pumpe zur Versorgung des Heizkörpers mit
Wasser manuell steuern kann.
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In einer weiteren Version der Erfindung
ist die elektronische Schaltung dazu ausgelegt, den Betrieb der
Pumpe zur Versorgung des Heizkörpers
mit Wasser automatisch zu steuern, wenn die vorbestimmte Solltemperatur
für die
Startphase des Zyklus der Extraktion des Kaffees erreicht ist.
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In einer weiteren Version der Erfindung
ist die elektronische Schaltung dazu ausgelegt, den Betrieb der
Pumpe zur Versorgung des Heizkörpers
mit Wasser automatisch zu steuern, wenn die vorbestimmte Solltemperatur,
die zur Zubereitung des Dampfs geeignet ist, erreicht ist. Eine
angemessene Solltemperatur, die höher ist als die Solltemperatur für die Zubereitung
des Kaffees, wird verwendet.
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Weitere Besonderheiten und Vorteile
der Erfindung zeigen sich noch in der nachstehenden Beschreibung.
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In den beigefügten Zeichnungen, die als nicht-begrenzende
Beispiele gegeben werden, gilt:
- – 1 ist ein Diagramm, das
den Hydraulikkreis einer elektrischen Kaffeemaschine des Typs Espresso
zeigt,
- – 2 ist ein Diagramm der Vorrichtung
zur Wärmeregelung
der Espressomaschine,
- – 3 zeigt Temperaturkurven in Abhängigkeit von
der Zeit von dem Temperatursensor, dem Kaffeepulver und dem Kaffee
für vier
aufeinanderfolgende Betriebszyklen der Kaffeemaschine.
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Mit Bezug auf 1 umfaßt die elektrische Kaffeemaschine
des Typs Espresso einen Wasserbehälter 1, der mit einer elektrischen
Pumpe 2 in Verbindung steht, die das Wasser in einen Heizkörper 3 (Thermoblock)
einleitet, der ein elektrisches Heizelement aufweist.
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Das im Heizkörper 3 erhitzte Wasser wird
unter Druck in die Nase 4 eingespritzt, die durch ein Ventilelement
5 in den Behälter
mündet,
der das Kaffeepulver enthält.
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Das Wasser und der Dampf, die im
Heizköper
3 erzeugt werden, stehen auch mit einem Mehrwege-Ventil 6 in Verbindung,
das das Wasser zum Behälter
1 und den Dampf zum Dampfkreis 7 verteilt.
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Die elektrische Kaffeemaschine umfaßt auch Mittel
zum Regeln der Heiztemperatur des Heizkörpers 3.
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Gemäß der Erfindung umfassen die
Mittel zum Regeln der Heiztemperatur (siehe 2) einen Temperatursensor 8 in Wärmekontakt
mit dem Heizkörper
3, der mit einer elektronischen Schaltung 9 verbunden ist, die dazu
ausgelegt ist, die Unterbrechung des Heizens und seine Wiederaufnahme
bei Solltemperaturen zu steuern, die sich gemäß den Anfangstemperaturbedingungen
des Heizkörpers
und gemäß den verschiedenen
Betriebsphasen der Kaffeemaschine ändern.
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Die elektronische Schaltung ist derart
ausgelegt, daß sie
zusätzlich
zu den Solltemperaturen eine Hysterese definiert, die dem Unterschied
zwischen der Temperatur zum Auslösen
des Heizens und der Temperatur zum Sperren des Heizens entspricht. Das
Ziel besteht darin, einen besseren Kompromiß zwischen der Lebensdauer
der elektromechanischen Bestandteile, in diesem Fall des Relais,
und der guten Präzision
der Temperaturregelung zu gewährleisten.
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Mit Bezug auf 2 umfaßt die elektronische
Schaltung 9 einen Leistungskreis, der in durchgezogenen Linien dargestellt
ist, und einen Meßkreis,
der in gestrichelten Linien dargestellt ist.
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Der Leistungskreis versorgt mittels
einer Steuerung 10 die Pumpe 2 und die thermische Sicherung CCT.
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Er versorgt auch mittels eines Relais
11 das Heizelement EC und die Wärmeschmelzsicherung FT
des Heizköpers
3 (Thermoblock).
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Der Meßkreis verbindet die Steuereinrichtung
12 mit der Steuerung 10, mit dem Relais 11, mit dem Temperatursensor
8 in Wärmekontakt
mit dem Heizkörper
3 und mit einem Anzeigemittel 13 wie einer Lampe.
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Die Steuereinrichtung 12 wählt die
Solltemperatur aus. Somit ist die Solltemperatur höher als 100°C, wenn die
Temperatur des Heizkörpers
im wesentlichen gleich der Umgebungstemperatur vor dem Beginn der
Heizphase ist, und diese Temperatur ist im wesentlichen gleich 100°C, wenn die
Temperatur des Heizkörpers
wesentlich höher
ist als die Umgebungstemperatur vor dem Beginn der Heizphase. Die Differenz
zwischen den Werten der zwei Solltemperaturen ist ungefähr zehn
Grad.
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Vorzugsweise ist der Temperatursensor
8 ein Widerstand, dessen ohmscher Wert sich in Abhängigkeit
von der Temperatur ändert.
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Die elektronische Schaltung 9 ist
in der Lage, diesen ohmschen Wert zu messen und ihn mit vorbestimmten
Werten entsprechend den verschiedenen Solltemperaturen zu vergleichen.
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Die elektronische Schaltung 9 kann
so viele Bereiche von ohmschen Werten definieren wie Sollwerte für eine gute
Regelung der Temperatur notwendig sind, wobei diese Bereiche minimal
in einer Zahl von zwei vorhanden sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung erfolgt die Regelung der Temperatur unter Verwendung von
zwei Bereichen von ohmschen Werten für die Zubereitung des Kaffees.
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Gemäß derselben Ausführungsform
der Erfindung existiert ein komplementärer Bereich für die Erzeugung
des Dampfs. Eine angemessene Solltemperatur, die höher ist
als die Solltemperatur des Kaffees, wird verwendet.
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Außerdem ist die elektronische
Schaltung 9 dazu ausgelegt, die Funktion eines Relais 11 auszulösen, das
den Leistungskreis zur elektrischen Versorgung des Heizelements
EC steuert.
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Außerdem ist die elektronische
Schaltung 9 dazu ausgelegt, das Aussenden eines Signals 13 zu steuern,
wenn die vorbestimmte Solltemperatur für die Startphase des Zyklus
der Extraktion des Kaffees erreicht ist.
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In einer vereinfachten Version ist
das Signal 13 dazu ausgelegt, den Benutzer zu informieren, daß er die
Inbetriebnahme der Pumpe 2 zur Versorgung des Heizkörpers 3
mit Wasser manuell steuern kann.
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In einer bevorzugten Version ist
die elektronische Schaltung 9 dazu ausgelegt, den Betrieb der Pumpe
2 zur Versorgung des Heizkörpers
3 mit Wasser automatisch zu steuern, wenn die vorbestimmte Solltemperatur
für die
Startphase des Zyklus der Extraktion des Kaffees erreicht ist.
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Wir werden nun mit Bezug auf die 3 den Betrieb der elektrischen Kaffeemaschine
des Typs Espresso, die wir gerade beschrieben haben, beschreiben.
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In dieser 3 zeigt
die Kurve C1 die Entwicklung der Temperatur
T(°C), die
vom Temperatursensor 8 gemessen wird, in Abhängigkeit von der Zeit t in
Sekunden.
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Die Kurve C2 zeigt
die Entwicklung der Temperatur des Kaffeepulvers und die Kurve C3 die Entwicklung der Temperatur des Kaffeegetränks.
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Bei der ersten Inbetriebnahme der
Kaffeemaschine sind die Temperaturen des Sensors 8, des Pulvers
und des Kaffeegetränks
im wesentlichen gleich der Umgebungstemperatur.
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Beim Heizen des Heizkörpers steigt
die Kurve C1 der Temperatur des Sensors
8 gleichmäßig an.
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Die Steuereinrichtung 12 der elektronischen Schaltung
wählt,
das Heizen bei einer Solltemperatur Tc1 zu
unterbrechen. In diesem Moment löst
die Steuerung 10 die Pumpe 2 aus, die das heiße Wasser in das Pulver einleitet,
dessen Temperatur (siehe Kurve C2) plötzlich bis
auf Tm ansteigt. Dann wird das Kaffeegetränk gebildet
und seine Temperatur erreicht den Wert Tb1.
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Trotz der relativ hohen Temperatur
(höher
als 100°C),
bei der die Unterbrechung des Heizens erfolgt, wird somit das Pulver
nicht auf eine übermäßige Temperatur
gebracht, die dem Aroma des Kaffees schaden kann, und das Kaffeegetränk fließt in die Tasse
mit einer Temperatur Tb, die für den Verbraucher
ausreicht.
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Wenn die Temperatur zum Unterbrechen
des Heizens dagegen geringer als Tc1 gewesen
wäre, hätte das
Kaffeegetränk
nicht eine ausreichende Temperatur erreichen können.
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Bei den folgenden Zyklen zur Zubereitung von
Kaffee ist die Solltemperatur zum Unterbrechen des Heizens durch
den Sensor nur gleich Tc2, um etwa zehn
Grad geringer als Tc1.
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Tatsächlich befindet sich das Pulver
sowie die Gesamtheit der Bestandteile der Kaffeemaschine in diesen
folgenden Zyklen bereits am Anfang auf einer Temperatur, die höher ist
als die Umgebungstemperatur, so daß das in diese eingespritzte
Wasser weniger heiß sein
kann, um dieses Pulver auf Tm zu bringen.
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In diesen folgenden Zyklen befindet
sich das Kaffeegetränk
auf einer Temperatur Tb2, die geringfügig höher ist
als Tb1.
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Wenn in diesen folgenden Zyklen die
Solltemperatur gleich Tc1 wie im ersten
Zyklus gewesen wäre,
wäre das
in das Kaffeepulver eingespritzte heiße Wasser auf einer zu hohen
Temperatur gelegen, was das Aroma des Kaffees zerstört hätte.