IT201800010697A1 - Macchina da caffè con sistema di preinfusione proporzionale. - Google Patents

Macchina da caffè con sistema di preinfusione proporzionale. Download PDF

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time
dispensing
brewing
coffee
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Claudio Cingolani
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Simonelli Group Spa
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Description

DESCRIZIONE
a corredo di una domanda di brevetto per invenzione industriale avente per titolo:
“MACCHINA DA CAFFÈ CON SISTEMA DI PREINFUSIONE PROPORZIONALE”.
TESTO DELLA DESCRIZIONE
La presente domanda di brevetto per invenzione industriale ha per oggetto una macchina da caffè con sistema di preinfusione proporzionale.
Come è noto, una macchina da caffè comprende un portafiltro in cui viene disposto caffè macinato in polvere compattato. Il portafiltro con la dose di caffè viene disposto sotto un gruppo erogatore della macchina. Il gruppo erogatore ha ugelli erogatori collegati ad un impianto idraulico che alimenta acqua calda ad elevata pressione (circa 9-11 bar). Tuttavia è stato appurato che, con una pressione dell’acqua calda così alta (9-11 bar), il flusso di acqua nella dose di caffè si riduce invece di aumentare, a causa dell’eccessivo compattamento della dose di caffè per un’eccessiva migrazione dei fines (particelle più sottili di caffè). Quindi non si riesce ad ottenere un’efficienza di estrazione della bevanda.
EP2959808 descrive tale problema tecnico e fornisce una soluzione che prevede di bagnare la dose di caffè (preinfusione), prima di erogare l’acqua calda in pressione. In questo modo il caffè bagnato subisce una minore compattazione dalla pressione dell’acqua calda e si ottiene un aumento di flusso di acqua calda con una maggiore efficienza di estrazione, rispetto al caso in cui non c’è preinfusione.
EP2959808 descrive una macchina da caffè comprendente:
- una sorgente di acqua in pressione;
- un riscaldatore collegato alla sorgente di acqua in pressione e agli ugelli di erogazione;
- una valvola di erogazione disposta tra il riscaldatore e gli ugelli di erogazione; e
- una valvola addizionale disposta tra la sorgente di acqua in pressione e il riscaldatore.
Per effettuare la preinfusione, viene chiusa la valvola addizionale, viene chiusa la valvola di erogazione e viene riscaldata l’acqua nel riscaldatore in modo da ottenere un leggero aumento di pressione, sufficiente affinché una minima quantità di acqua possa uscire dal riscaldatore dirigendosi verso gli ugelli di erogazione. Quindi viene aperta solo la valvola di erogazione e una piccola quantità di acqua a bassa pressione esce dal riscaldatore e attraverso gli ugelli erogatori, raggiunge la dose di caffè bagnandola. Durante tutto il processo di preinfusione, la valvola addizionale rimane chiusa. Terminato il processo di preinfusione, la valvola addizionale si apre e l’acqua in pressione arriva alla dose di caffè ottenendo l’estrazione della bevanda.
Tale sistema di preinfusione noto ha degli inconvenienti, poiché risulta essere lento per consentire il completo riscaldamento dell’acqua nel riscaldatore. Inoltre bagnando completamente ed in modo continuo la dose di caffè durante la preinfusione, non si riesce ad avere una preinfusione ottimale e si riscontrano comunque problemi di efficienza nell’estrazione della bevanda.
Scopo della presente invenzione è di eliminare gli inconvenienti della tecnica nota fornendo una macchina da caffè con sistema di preinfusione rapido, efficiente, versatile, affidabile economico e di semplice realizzazione.
Questi scopi sono raggiunti in accordo all’invenzione con le caratteristiche della rivendicazione indipendente 1.
Realizzazioni vantaggiose dell’invenzione appaiono dalle rivendicazioni dipendenti.
In seguito a prove sperimentali, la richiedente ha sorprendentemente scoperto che si riusciva ad ottenere una preinfusione ottimale della dose di caffè nel portafiltro, alimentato la dose di caffè con un flusso proporzionale di acqua calda in pressione che prevede un aumento graduale del flusso fino ad un valore massimo ed una diminuzione graduale del flusso fino ad interrompere l’erogazione. Infatti durante la diminuzione graduale del flusso di acqua si verificava un rilassamento e assestamento della dose di caffè. Tale rilassamento della dose di caffè è risultato ottimale per creare una contro-pressione che successivamente ha influito ad aumentare il flusso di acqua attraverso il caffè durante l’estrazione della bevanda, con una maggiore efficienza estrattiva.
Tale risultato è stato ottenuto inserendo una valvola di preinfusione, di tipo proporzionale e programmabile, nell’impianto idraulico che alimenta gli ugelli di erogazione del gruppo erogatore. Tale valvola di preinfusione è un’elettrovalvola proporzionale, provvista di un otturatore atto ad aprire e chiudere in modo parziale e graduale la comunicazione nell’impianto idraulico.
Vantaggiosamente, tale elettrovalvola proporzionale è programmata in modo da effettuare almeno due erogazioni di acqua separate da intervalli in cui non si eroga acqua.
Ulteriori caratteristiche dell’invenzione appariranno più chiare dalla descrizione dettagliata che segue, riferita a sue forme di realizzazione puramente esemplificative e quindi non limitative, illustrate nei disegni annessi, in cui:
la Fig. 1 è uno schema a blocchi illustrante schematicamente una prima forma di realizzazione di una macchina da caffè secondo l’invenzione;
la Fig. 2 è uno schema a blocchi illustrante schematicamente una seconda forma di realizzazione di una macchina da caffè secondo l’invenzione;
la Fig. 3 è un grafico avente il tempo in secondi in ascisse e la percentuale di flusso in ordinate, riportante l’andamento del flusso in funzione del tempo durante un tempo di erogazione della valvola di preinfusione;
la Fig. 4 è un grafico come Fig. 3, riportante l’andamento del flusso in funzione del tempo durante un ciclo di preinfusione della valvola di preinfusione;
Con l’ausilio delle figure viene descritta una macchina da caffè secondo l’invenzione, indicata complessivamente con il numero di riferimento 1.
Con riferimento alle Figg. 1 e 2, la macchina da caffè (1) comprende un portafiltro (2) avente una sede (20) atta ad accogliere una o più dosi di caffè (3). Il caffè è macinato o in polvere viene compattato nella sede (20) del portafiltro. Il portafiltro (2) ha un ugello di estrazione (21) comunicante con la sede (20) dal quale viene estratta la bevanda.
Il portafiltro (2) è disposto in un gruppo erogatore (4) avente ugelli di erogazione (40) per erogare acqua calda nella dose di caffè (3).
Gli ugelli erogatori (40) del gruppo erogatore sono collegati ad un impianto idraulico (5). L’impianto idraulico (5) comprende una pompa (50) atta ad alimentare acqua in pressione, ad una pressione di circa 9 – 11 bar, proveniente generalmente da un serbatoio (non mostrato nelle figure).
Un riscaldatore (6) è disposto nell’impianto idraulico (5) tra la pompa (50) e gli ugelli di erogazione (40) del gruppo erogatore. Il riscaldatore (6) è atto a riscaldare l’acqua ad una temperatura di circa 88-96°C, vale a dire ad una temperatura adatta all’estrazione della bevanda.
Quindi nell’impianto idraulico (5), l’acqua a monte del riscaldatore (6) è fredda; invece l’acqua a valle del riscaldatore (6) è calda ad una temperatura di circa 88-96°C.
Una valvola di erogazione (7) è disposta nel gruppo erogatore (4) per abilitare o disabilitare l’erogazione di acqua dall’impianto idraulico (5) verso gli ugelli di erogazione (40) del gruppo erogatore.
La valvola di erogazione (7) è un’elettrovalvola a tre vie ed è collegata a tre condotti:
- un condotto di ingresso (51) comunicate con l’impianto idraulico (5),
- un condotto di uscita (52) comunicante con gli ugelli di erogazione (40), e
- un condotto di scarico (53) comunicante con uno scarico (8).
Durante l’estrazione della bevanda, la valvola di erogazione (7) apre la comunicazione tra condotto d’ingresso (51) e condotto di uscita (52) e chiude la comunicazione al condotto di scarico (53). A fine erogazione, la valvola di erogazione (7) apre la comunicazione tra condotto di uscita (52) e condotto di scarico (53) e chiude la comunicazione al condotto d’ingresso (51). In questo modo alla fine dell’estrazione, si consente lo scarico dell’acqua che rimane tra la dose di caffè (3) e il gruppo di erogazione (4), in modo da eliminare la pressione in questa zona del gruppo di erogazione e poter permettere la rimozione del portafiltro (2), senza fuoriuscite di acqua a pressione elevata proveniente dall’impianto idraulico (5).
Secondo l’invenzione, una valvola di preinfusione (9) viene disposta nell’impianto idraulico (5), a monte della valvola di erogazione (7).
Nella prima forma di realizzazione di Fig. 1, la valvola di preinfusione (9) è disposta a valle del riscaldatore (6), cioè nel condotto d’ingresso (51) in cui c’è acqua calda a temperatura 88-96°C.
Nella seconda forma di realizzazione di Fig. 2, la valvola di preinfusione (9) è disposta a monte del riscaldatore (6), cioè in un condotto (54) in cui c’è acqua fredda. Il condotto (54) è disposto tra la pompa (50) e il riscaldatore (6).
La valvola di preinfusione (9) è un’elettrovalvola a due vie di tipo proporzionale programmabile. Vale a dire tale valvola di preinfusione (9) ha un otturatore atto ad aprire e chiudere, in modo parziale e graduale, la comunicazione tra le due vie della valvola.
La valvola di preinfusione (9) è collegata ad un’unità di controllo (10) della macchina in cui sono previsti mezzi di azionamento (11) atti ad inviare un segnale di comando (S) alla valvola di preinfusione (9) in modo da muovere gradualmente l’otturatore della valvola in modo proporzionale al segnale di comando (S) per ottenere un’apertura graduale della valvola fino ad un’apertura totale ed una chiusura graduale della valvola, fino ad una chiusura completa.
A titolo esemplificativo la valvola di preinfusione (9) può essere un’elettrovalvola proporzionale comandata in tensione. In questo caso i mezzi di azionamento (11) sono un generatore di tensione variabile e il segnale di controllo (S) è un segnale di tensione variabile atto ad alimentare la valvola di preinfusione con una tensione variabile proporzionale all’apertura della valvola che si vuole ottenere.
La valvola di preinfusione (9) può essere un’elettrovalvola proporzionale comandata in frequenza. In questo caso i mezzi di azionamento (11) sono un generatore di corrente alternata a frequenza variabile e il segnale di controllo (S) è un segnale e di corrente alternata con frequenza variabile atto ad alimentare la valvola di preinfusione con una corrente alternata avente una frequenza variabile proporzionale all’apertura della valvola che si vuole ottenere.
La valvola di preinfusione può essere un’elettrovalvola provvista di un motore passo-passo che aziona l’otturatore. In questo caso i mezzi di azionamento (11) sono un driver del motore passo-passo e il segnale di controllo (S) può essere un segnale di corrente o tensione che regola la rotazione del motore passo-passo in modo proporzionale all’apertura della valvola che si vuole ottenere. In questo caso il motore è provvisto di encoder per controllare la velocità di spostamento e la posizione dell’otturatore della valvola.
Con riferimento a Fig. 3, è illustrato un esempio in cui la valvola di preinfusione (9) è programmata in modo da avere un tempo di erogazione (Te) di 5 secondi, in cui la valvola si apre e si chiude gradualmente.
Partendo da un tempo 0, la valvola inizia ad aprirsi gradualmente;
- dopo 0,8 secondi, la valvola si è aperta parzialmente in modo da ottenere un flusso del 40% rispetto al flusso massimo ottenuto a valvola completamente aperta;
- dopo 2 secondi, la valvola si è aperta completamente in modo da consentire il flusso massimo;
- la valvola viene mantenuta completamente aperta per 1 secondo;
- dopo 3 secondi, la valvola inizia a chiudersi gradualmente;
- dopo 4.3 secondi la valvola si è chiusa parzialmente consentendo un flusso del 60% rispetto al flusso massimo ottenuto a valvola completamente aperta; e
- dopo 5 secondi, la valvola è completamente chiusa interrompendo il flusso;
La valvola di preinfusione (9) è impostata in modo da avere:
- un tempo di erogazione (Te) da quando la valvola si apre a quando si chiude,
- un tempo di apertura (T1) da quando la valvola inizia ad aprirsi a quando è completamente aperta,
- un tempo di flusso massimo (T2) in cui la valvola è completamente aperta,
- un tempo di chiusura (T3) da quando la valvola inizia a chiudersi a quando è completamente chiusa.
Vantaggiosamente i mezzi di azionamento (11) controllano la valvola di preinfusione (9) in modo che il tempo di apertura (T1) sia maggiore di 1/3 del tempo di erogazione (Te), il tempo di flusso massimo (T2) sia minore di 1/3 del tempo di erogazione (Te), e il tempo di chiusura (T2) sia maggiore di 1/3 del tempo di erogazione (Te). Ad esempio, il tempo di apertura (T1) è circa 2/5 del tempo di erogazione, il tempo di flusso massimo (T2) è circa 1/5 del tempo di erogazione e il tempo di chiusura è circa 2/5 del tempo di erogazione.
Il tempo di erogazione (Te), il tempo apertura (T1), il tempo di flusso massimo (T2) e il tempo di chiusura (T3) della valvola di preinfusione sono impostabili mediante l’unità di controllo (10).
Bisogna notare che l’acqua che alimenta la valvola di preinfusione (9) arriva ad elevata pressione (9-11 bar); tuttavia grazie alla graduale apertura della valvola, l’acqua che arriva alla dose di caffè (3) non è sufficiente a creare un compattamento della polvere di caffè e grazie alla graduale chiusura della valvola il tempo in cui il caffè è bagnato dall’acqua risulta essere sufficiente a provocare un rilassamento della polvere di caffè.
Nell’esempio di Fig. 3 durante un ciclo di preinfusione la valvola di preinfusione esegue una sola erogazione della durata complessiva di 5 secondi.
Vantaggiosamente la valvola di preinfusione (9) può essere programmata in modo che, durante un ciclo di preinfusione, la valvola esegua almeno due erogazioni separate tra loro da un intervallo di tempo di riposo in cui la valvola è completamente chiusa.
Con riferimento a Fig. 4, viene mostrato un esempio in cui la valvola di preinfusione (9) è stata programmata per un ciclo di preinfusione avente una durata (Tp) di 5 secondi che comprende tre tempi di erogazione (Te) separati da tempi di riposo (To). Ciascun tempo di erogazione (Te) ha la durata di 1 secondo e ciascun tempo di riposo (To) ha la durata di 1 secondo. Il numero e la frequenza dei tempi di erogazione durante un periodo di preinfusione (Te) sono impostati tramite l’unità di controllo (10).
Nei tempi di riposo (To) in cui non arriva acqua nella dose di caffè (3), il caffè si assesta e si rilassa; dopo arriva
un’erogazione di acqua calda con flusso gradualmente crescente e gradualmente decrescente che bagna il caffè. Questo sistema evita un eccessivo compattamento del caffè che ostruirebbe un flusso ad elevata pressione.
Terminato il tempo di preinfusione, la valvola di preinfusione (9) può essere mantenuta aperta totalmente o parzialmente, in modo che un flusso continuo di acqua calda arrivi alla dose di caffè (3) ormai preinfusa per l’estrazione della bevanda.
In alternativa, la valvola di preinfusione (9) può funzionare in modo alternato, anche durante l’estrazione della bevanda; infatti è stato appurato che facendo lavorare la valvola di preinfusione (9) in modo alternato, con tempi di erogazione (Te) della durata di un secondo alternati a tempi di riposo (To) della durata di 1 secondo, dopo circa 5 secondi la bevanda viene estratta in modo ottimale, senza creare ostruzioni all’estrazione della bevanda.
Bisogna notare che l’elettrovalvola di erogazione (7) rimane aperta per tutta la durata della preinfusione del caffè ed estrazione della bevanda. Invece l’elettrovalvola di preinfusione (9) funziona almeno per il periodo di preinfusione che deve essere almeno di 4 secondi. Finito il periodo di preinfusione, l’elettrovalvola di preinfusione (9) può rimanere aperta per consentire un’estrazione con flusso continuo oppure può lavorare in modo alternato per consentire un’estrazione con flusso intermittente.
Bisogna considerare che la funzione della valvola di preinfusione (9) non può essere svolta dalla valvola di erogazione (7), poiché la valvola di erogazione (7) non può funzionare né in modo proporzionale né tanto meno in modo alternato. Infatti la valvola di erogazione (7) è una valvola di tipo ON/OFF a tre vie in cui si può avere solo una chiusura totale o apertura totale di una o più vie. La terza via della valvola di erogazione (7) è collegata al condotto di scarico (53) che conduce allo scarico (8). Quindi facendo aprire e chiudere in modo alternato la valvola di erogazione (7) durante la fase di preinfusione o erogazione, l’acqua a contatto con la dose di caffè (3), nelle prime fasi di estrazione, verrebbe convogliata verso lo scarico (8). In questo modo si eliminerebbero dalla dose di caffè (3) anche le sostanze e gli aromi che l’acqua ha parzialmente disciolto ed estratto, senza permettere che tali sostanze ed aromi attraversando la dose di caffè vengano estratte dall’ugello di estrazione (21) del portafiltro.
L’utilizzo della valvola di preinfusione (9) a due vie, permette di mantenere sempre pieno l’impianto idraulico (5) e la zona del gruppo erogatore (4) in cui si trova la dose di caffè (3), aumentando e diminuendo la pressione dell’acqua sulla dose di caffè, senza perdere acqua verso lo scarico (8) durante la fase di estrazione della bevanda.
Alle presenti forme di realizzazione dell'invenzione, possono essere apportate variazioni e modifiche equivalenti, alla portata di un tecnico del ramo, che rientrano comunque entro l'ambito dell'invenzione.

Claims (10)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Macchina da caffè (1) comprendente: - un portafiltro (2) atto a contenere almeno una dose di caffè (3), - un gruppo erogatore (4) atto ad accogliere il portafiltro (2); detto gruppo erogatore avendo ugelli erogatori (40) atti ad inviare un flusso di acqua calda sulla dose di caffè (3) contenuta nel portafiltro, - un impianto idraulico (5) provvisto di una pompa (50) per alimentare acqua in pressione, verso detti ugelli erogatori (40) del gruppo erogatore, - un riscaldatore (6) disposto in detto impianto idraulico (5), per riscaldare l’acqua da alimentare agli ugelli erogatori (40), - una valvola di erogazione (7) disposta in detto impianto idraulico (5) tra il riscaldatore (6) e gli ugelli di erogazione (40) per abilitare/disabilitare l’alimentazione di acqua calda verso detti ugelli di erogazione, - una valvola di preinfusione (9) disposta in detto impianto idraulico (5) a monte di detta valvola di erogazione (7), e - un’unità di controllo (10) comprendente mezzi di azionamento (11) che azionano detta valvola di preinfusione (9), caratterizzata dal fatto che detta valvola di preinfusione (9) è un’elettrovalvola a due vie di tipo proporzionale programmabile, comprendente un otturatore atto ad aprire e chiudere gradualmente la comunicazione tra le due vie della valvola, in modo proporzionale ad un segnale di comando (S) inviato da detti mezzi di azionamento (11).
  2. 2. Macchina da caffè (1) secondo la rivendicazione 1, in cui i mezzi di azionamento (11) e la valvola di preinfusione (9) sono configurati in modo da avere: - un tempo di erogazione (Te) da quando la valvola di preinfusione si apre a quando si chiude, - un tempo di apertura (T1) da quando la valvola di preinfusione inizia ad aprirsi a quando è completamente aperta, - un tempo di flusso massimo (T2) in cui la valvola di preinfusione è completamente aperta, e - un tempo di chiusura (T3) da quando la valvola di preinfusione inizia ad chiudersi a quando è completamente chiusa; in cui il tempo di apertura (T1) è maggiore di 1/3 del tempo di erogazione (Te), il tempo di flusso massimo (T2) è minore di 1/3 del tempo di erogazione (Te), e il tempo di chiusura (T2) è maggiore di 1/3 del tempo di erogazione (Te).
  3. 3. Macchina da caffè (1) secondo la rivendicazione 2, in cui il tempo di apertura (T1) è circa 2/5 del tempo di erogazione, il tempo di flusso massimo (T2) è circa 1/5 del tempo di erogazione e il tempo di chiusura è circa 2/5 del tempo di erogazione.
  4. 4. Macchina da caffè (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui i mezzi di azionamento (11) e la valvola di preinfusione (9) sono configurati in modo che durante un ciclo di preinfusione la valvola di preinfusione (9) esegue una sola erogazione.
  5. 5. Macchina da caffè (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui i mezzi di azionamento (11) e la valvola di preinfusione (9) sono configurati in modo che durante un ciclo di preinfusione, la valvola di preinfusione esegue almeno due erogazioni separate tra loro da un intervallo di tempo di riposo in cui la valvola è completamente chiusa.
  6. 6. Macchina da caffè (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la valvola di preinfusione (9) è un’elettrovalvola proporzionale comandata in tensione o in frequenza e i mezzi di azionamento (11) sono un generatore di tensione variabile o di corrente alternata e il segnale di controllo (S) è un segnale di tensione variabile o di corrente alternata con frequenza variabile atto ad alimentare la valvola di preinfusione con una tensione variabile o corrente alternata a frequenza variabile proporzionale all’apertura della valvola di preinfusione che si vuole ottenere.
  7. 7. Macchina da caffè (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5, in cui la valvola di preinfusione (9) è un’elettrovalvola provvista di un motore passo-passo che aziona l’otturatore; i mezzi di azionamento (11) sono un driver del motore passo-passo e il segnale di controllo (S) è un segnale di corrente o tensione che controlla la rotazione del motore passo-passo in modo proporzionale all’apertura della valvola di preinfusione che si vuole ottenere.
  8. 8. Macchina da caffè (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la valvola di preinfusione (9) è disposta a valle o a monte di detto riscaldatore (6).
  9. 9. Metodo per l’estrazione di un caffè con una macchina da caffè (1) comprendente i seguenti passi: - preinfusione di una dose di caffè (3) contenuta in un portafiltro (2) mediante alimentazione di un flusso di acqua calda in pressione sulla dose di caffè (3), - estrazione della bevanda mediante alimentazione di un flusso di acqua calda in pressione; in cui detto passo di preinfusione viene eseguito mediante una valvola di preinfusione (9) comprendente un’elettrovalvola a due vie di tipo proporzionale programmabile, comprendente un otturatore atto ad aprire e chiudere gradualmente la comunicazione tra le due vie della valvola, in modo proporzionale ad un segnale di comando (S) inviato da mezzi di azionamento (11)
  10. 10. Metodo per l’estrazione di un caffè secondo la rivendicazione 9, in cui detto metodo comprende: - un tempo di erogazione (Te) da quando la valvola di preinfusione si apre a quando si chiude, - un tempo di apertura (T1) da quando la valvola di preinfusione inizia ad aprirsi a quando è completamente aperta, - un tempo di flusso massimo (T2) in cui la valvola di preinfusione è completamente aperta, e - un tempo di chiusura (T3) da quando la valvola di preinfusione inizia a chiudersi a quando è completamente chiusa; in cui il tempo di apertura (T1) è maggiore di 1/3 del tempo di erogazione (Te), il tempo di flusso massimo (T2) è minore di 1/3 del tempo di erogazione (Te), e il tempo di chiusura (T2) è maggiore di 1/3 del tempo di erogazione (Te).
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