IT202000027648A1 - Macchina ad uso domestico per la preparazione di bevande calde per infusione - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Macchina ad uso domestico per la preparazione di bevande calde per infusione"
La presente invenzione riguarda in generale le macchine ad uso domestico per la preparazione di bevande calde per infusione, quali ad esempio le macchine per il caff? o caffettiere domestiche del tipo avente le caratteristiche richiamate nel preambolo della rivendicazione 1.
Il caff? e la sua preparazione, in particolare la preparazione del cosiddetto caff? espresso italiano, sono stati oggetto di numerosi ed approfonditi studi scientifici, anche in ragione dell'ampia e crescente diffusione della bevanda su scala mondiale. Oggi ? ampiamente documentato come l'estrazione ottimale del caff? espresso sia il risultato di diversi fattori chimico-fisici, tra i quali risultano di primaria importanza la pressione e la temperatura del liquido di infusione (acqua), che devono essere di 9 ? 2 bar e 90 ? 5 ?C, rispettivamente.
Fin dalla loro invenzione, all'alba del XX secolo, le macchine necessarie per ottenere queste prestazioni erano costose e di grandi dimensioni, rimanendo appannaggio di professionisti, bar e coffee shops. I sistemi tradizionali di percolazione, che definiamo termomeccanici, hanno fornito un'alternativa accettabile per i consumatori nell'uso domestico, come nel caso della famosa ed internazionalmente riconosciuta caffettiera a pressione moka inventata da Alfonso Bialetti nel 1933, pur in presenza di limitazioni evidenti di processo.
Lo sviluppo dell'elettronica ha radicalmente cambiato lo scenario. Introdotte nella seconda met? del secolo scorso, le macchine elettroniche per la preparazione di bevande calde ad uso domestico si sono diffuse rapidamente nel corso degli ultimi decenni - anche grazie all'avanzamento della tecnica, che le ha rese via via pi? performanti e pi? economiche.
Il miglioramento delle prestazioni, e in particolare della qualit? dell?infuso erogato, ? una diretta conseguenza dell'ottimizzazione del processo estrattivo, a sua volta frutto dell'integrazione di componenti elettronici in grado di controllare la quantit?, la pressione e la temperatura dell'acqua in modo accurato. Inoltre, la maggior parte delle macchine elettroniche per estrazione di caff? oggi sul mercato offrono la possibilit? di preparare la bevanda a partire da capsule o cialde, che hanno la caratteristica di contenere quantit? predosate di caff? macinato e di semplificare significativamente la procedura di preparazione della bevanda.
Recentemente, tuttavia, i problemi legati all'impatto ambientale della modalit? di consumo "porzionato" (ossia a base di monodosi in capsule, cialde o bustine), ed alcuni limiti tecnici delle macchine stesse, stanno favorendo un riposizionamento dei consumatori. Ad oggi, circa 40 miliardi di capsule per caff? sono prodotte ogni anno nel mondo, e solo una frazione di esse ? compostabile. Le capsule, inoltre, in aggiunta al loro non trascurabile costo ambientale, hanno anche la caratteristica di essere estremamente pi? care del caff? macinato tradizionale - in media, di un fattore superiore a quattro.
Inoltre, da un punto di vista prettamente tecnico, le attuali macchine per la preparazione di bevande calde ad uso domestico, sia elettroniche che termomeccaniche (o termoelettriche), presentano i seguenti limiti.
La taglia complessiva delle macchine elettroniche ? maggiore rispetto ai sistemi di infusione tradizionali (come ad esempio la Moka). In particolare, i componenti elettronici per la pressurizzazione ed il controllo della temperatura dell'acqua, o pi? in generale del liquido di infusione, ed il loro sistema di controllo centrale, hanno reso necessario un aumento del volume di ingombro del prodotto finito. Questo pu? costituire sia un problema di occupazione di spazio, in particolar modo dove esso ? limitato, sia un problema pi? generale di portabilit? del dispositivo. Inoltre l'impatto di tali componenti aggiuntivi ? tangibile anche dal punto di vista dei costi, sia diretti che di assemblaggio.
In aggiunta, la pompa a vibrazione atta alla pressurizzazione del liquido di infusione, seppur economica ed efficace, crea forti vibrazioni che sollecitano il corpo della macchina, rendendo il processo estrattivo particolarmente rumoroso. Ancorch? tollerata, questa caratteristica ? generalmente penalizzante, e lo ? in modo particolare nel contesto di alcuni dei momenti chiave di consumo della bevanda.
Le macchine termomeccaniche e termoelettriche non elettroniche (per macchine termoelettriche intendendosi versioni alternative delle macchine termomeccaniche in cui il riscaldamento del liquido di infusione avviene attraverso una fonte elettrica, per effetto Joule o per induzione, e non assorbendo energia termica da un piano di cottura o sviluppando energia termica per induzione da un piano cottura), i sistemi di percolazione tradizionali, non avvalendosi della pompa a vibrazione sono pi? compatti e silenziosi delle macchine elettroniche. Tuttavia, l'assenza di una elettronica di controllo rende necessario un compromesso sul processo estrattivo, sia in termini di pressione massima raggiunta, generalmente bassa, sia di controllo della temperatura, generalmente troppo alta. Ad esempio, nella caffettiera moka tradizionale per piani cottura, come ben documentato da Navarini et Al. in ?Experimental investigation of steam pressure coffee extraction in a stove-top coffee maker? [Elsevier, Applied Thermal Engineering 29 (2009)] l'aumento della pressione (che arriva fino a circa 2 bar) causa un aumento eccessivo della temperatura di ebollizione dell?acqua, e quindi della temperatura di percolazione, che alla fine del processo supera i 120 ?C; questo causa l'estrazione di sostanze aromatiche indesiderate, organoletticamente percepite come note di ?amaro? e ?bruciato?, a scapito della qualit? dell'infuso.
Ne risulta inoltre che con le macchine termomeccaniche tradizionali (caffettiera moka) non ? possibile produrre lo strato di crema tipico del caff? espresso che numerosi consumatori di caff? apprezzano. Il processo di formazione della crema ? complesso e dipende da diversi fattori, alcuni a valle del processo estrattivo (ad esempio, la tostatura, lo stoccaggio, la macinatura e la variet? stessa del caff?), altri legati al processo di infusione: ? noto che la formazione della crema durante la percolazione del liquido di infusione riscaldato attraverso il serbatoio del caff? avviene solo oltre determinati valori di pressione. Una macchina tradizionale come la moka non pu? offrire una pressurizzazione di 9 bar come sarebbe desiderabile per la preparazione di un caff? espresso; nel caso in cui la pressione fosse aumentata significativamente, ad esempio attraverso l'impiego di una valvola, il conseguente aumento della temperatura di ebollizione dell?acqua non consentirebbe una estrazione entro valori medi ottimali.
CH 177917 A gi? nel 1935 prevedeva un serbatoio aggiuntivo atto al raffreddamento del liquido di infusione riscaldato e pressurizzato, che tuttavia, oltre a costituire componente aggiuntivo, prevedeva l'impiego di acqua fredda per il raggiungimento della temperatura desiderata. Soluzione simile ? stata inoltre ripresa da FR 2186209 A1 e FR 2347014, sempre avvalendosi di un liquido di raffreddamento disposto all'interno in un componente aggiuntivo.
WO 94/07400 A1 ha adattato un sistema di raffreddamento spiroidale, esterno alla macchina, ad un sistema percolatore tradizionale. Come nei casi precedenti, tuttavia, la soluzione proposta non consente uno scambio di calore ad alta efficienza e l'abbassamento della temperatura non ? tale da consentire un funzionamento del sistema ad alta pressione. Inoltre, il sistema di raffreddamento spiroidale ? un componente aggiuntivo che aumenta l'ingombro della macchina.
Negli ultimi anni, l?utilizzo di scambiatori di calore ? stato invece impiegato in macchine multifunzione, capaci di erogare bevande sia calde che fredde. Ad esempio, sia in WO 2012/036635 A1 che in CN 104586257 A il sistema di raffreddamento o scambiatore di calore ? affiancato ai tradizionali componenti (pompa, sensore temperatura, controller, ecc.) e fornisce un sistema per il raffreddamento della bevanda a valle della percolazione.
Canalizzazioni di risalita del liquido di infusione ricavate nell'impugnatura della macchina sono descritte in US 2,550,902 ove assolvono alla funzione di risalita del liquido di infusione, per cui l'impugnatura ? opportunamente rivestita da materiale isolante onde evitare dispersione termica e conseguente scottature alla persona che serve la bevanda.
In EP 0162305 una canalizzazione di risalita del liquido di infusione permette il controllo della temperatura del liquido di infusione, seppur limitando la dissipazione di calore a pochi gradi centigradi e non prevedendo, conseguentemente, alcuna valvola per l?ulteriore pressurizzazione del liquido di infusione.
WO 2019/232109 A1 propone un dispositivo per l'infusione e l'erogazione di caff? comprendente un gruppo di erogazione a pi? camere accoppiato meccanicamente con un recipiente di caldaia ed un recipiente di raccolta. Il liquido di infusione riscaldato ? diretto in una camera di pressurizzazione e da qui ad una camera di preparazione superiore, che contiene un cestello perforato atto a ricevere una predeterminata quantit? di caff?, ed il liquido di infusione riscaldato e pressurizzato si mescola con il caff? per creare la bevanda, che viene diretta sotto pressione attraverso un filtro per rimuovere la polvere di caff? prima di raggiungere il recipiente di raccolta, dove viene fornita ad una determinata temperatura e pressione di erogazione. Il documento suggerisce la miscelazione con una quantit? di acqua fredda nella camera di pressurizzazione per ridurre la temperatura di infusione e consentire il raggiungimento di una maggiore pressione.
La presente invenzione si prefigge lo scopo di fornire una soluzione soddisfacente ai problemi in precedenza esposti, tanto delle macchine elettroniche quanto di quelle termoelettriche e termomeccaniche, evitando gli inconvenienti della tecnica nota.
In particolare, l'invenzione si prefigge lo scopo di garantire un controllo accurato degli equilibri termodinamici di temperatura e pressione in una macchina o apparecchio ad uso domestico per la preparazione di bevande calde per infusione o percolazione, anche in presenza di valori di temperatura e pressione elevati, senza l'impiego di una pompa a vibrazione e di apparati ausiliari di controllo della temperatura.
Secondo la presente invenzione tale scopo viene raggiunto grazie ad una macchina o apparecchio ad uso domestico per la preparazione di bevande calde per infusione o percolazione avente le caratteristiche richiamate nella rivendicazione 1.
Modi particolari di realizzazione formano oggetto delle rivendicazioni dipendenti, il cui contenuto ? da intendersi come parte integrante della presente descrizione.
In sintesi, la presente invenzione si fonda sul principio di dotare una macchina o apparecchio (questi termini saranno utilizzati come sinonimi nel prosieguo della descrizione) ad uso domestico per la preparazione di bevande calde per infusione o percolazione di un sistema di controllo della temperatura, in particolare un sistema di raffreddamento del liquido di infusione, realizzato mediante un circuito scambiatore di calore o un organo dissipatore di calore a geometria complessa, ricavato di pezzo nella struttura della macchina ovvero costituente esso stesso detta struttura o una sua parte.
Recenti studi e pubblicazioni hanno dimostrato come l?impiego della stampa 3D, o produzione additiva, consenta la creazione di scambiatori di calore dotati di geometrie complesse, e che presentano caratteristiche termo-meccaniche superiori. In particolare, in ?Engineering Calculations for complex geometric domains? (MATEC Web Conference 157, 02009, pubblicato nel 2018) ? dimostrato come strutture geometriche ricavate da funzioni implicite, ad esempio le cosiddette TPMS (Triply Periodic Minimal Surface) o superfici minime periodiche triple, come le strutture a giroide, offrano alte prestazioni in termini di capacit? dissipativa per unit? di volume. Data la loro complessit?, di fatto, molte di queste strutture possono essere realizzate unicamente grazie all?impiego di tecnologie di manifattura additiva.
La presente invenzione, avvantaggiandosi tanto della stampa 3D quanto della sua capacit? di realizzare geometrie complesse, si avvale di un sistema di raffreddamento del liquido di infusione includente un condotto scambiatore o dissipatore di calore ad alta efficienza conformato secondo una superficie minima periodica tripla, integrato, ossia ricavato di pezzo nella struttura della macchina, e quindi conforme ad essa. Siffatto scambiatore di calore a geometria complessa ? atto a intercettare il liquido di infusione riscaldato nel suo percorso verso il serbatoio di infusione determinandone un raffreddamento controllato prima che esso raggiunga detto serbatoio. L?alta dissipazione termica provocata dal condotto scambiatore di calore a geometria complessa, garantisce un abbassamento sostanziale della temperatura del liquido di infusione, aprendo la strada ad una estrazione ad alta pressione anche nel caso in cui la pressurizzazione avvenga termomeccanicamente, senza l?ausilio di elettronica di controllo, come nei sistemi di percolazione qui definiti tradizionali. E? infatti noto come il punto di ebollizione dell?acqua aumenti all?aumentare della pressione. Ad esempio, a una pressione di 9 bar corrisponde una temperatura di ebollizione dell?acqua di circa 175?C, un valore quasi doppio rispetto alla temperatura di infusione ottimale di 90?C ? 5?C.
Convenientemente, il condotto scambiatore di calore a geometria complessa, ottimizzato e ricavato di pezzo nella struttura della macchina, offre una capacit? dissipativa totale in grado di garantire una riduzione della temperatura del liquido di infusione congrua con i valori sopra riportati.
Vantaggiosamente, sia la pressurizzazione sia il controllo della temperatura possono cos? essere ottenuti per azione termomeccanica e non attraverso l'azione di una pompa a vibrazione elettrica (ed eventuali circuiti accessori di controllo della temperatura per via elettronica) che risultano ingombranti, costosi e rumorosi.
Come anticipato, il condotto scambiatore di calore a geometria complessa (ad alta efficienza) ? vantaggiosamente ricavato di pezzo nella struttura della macchina sfruttando le tecnologie di stampa 3D o produzione additiva sia in modo diretto, cio? attraverso la produzione diretta del prodotto o del componente, sia in modo indiretto, cio? attraverso la produzione di attrezzature per processi di manifattura ?tradizionale? come stampi a iniezione o per fusione. Specificamente, esso pu? essere agevolmente ricavato in una parete del corpo della macchina la quale ? in relazione di scambio termico con l'ambiente esterno, o analogamente in una struttura portante della macchina in relazione di scambio termico con l'ambiente esterno e quindi adattato per essere "conforme" alle geometrie stesse della macchina, oltre che funzionalmente ottimizzato (quindi con capacit? dissipativa totale, per unit? di volume, massimizzata) grazie alla complessit? delle geometrie realizzabili.
Ancora pi? vantaggiosamente, il condotto scambiatore di calore cos? realizzato non occupa spazi aggiuntivi della macchina.
Un vantaggio ulteriore si ottiene realizzando la parete del corpo della macchina o la struttura portante della macchina in relazione di scambio termico con l'ambiente esterno con una superficie minima periodica tripla aperta verso l'ambiente esterno, ampliando dunque la sua superficie di dissipazione.
In conclusione, la soluzione oggetto dell'invenzione consente, da una parte, la realizzazione di una macchina per la produzione di bevande calde ad uso domestico elettronica, che tuttavia non necessita di apparati ausiliari di pressurizzazione e controllo della temperatura (risultando cos? pi? compatta e silenziosa) pur a parit? di prestazioni, e dall?altra consente la realizzazione di una macchina termomeccanica (o termoelettrica, ma non elettronica) che sia in grado di controllare accuratamente gli equilibri termodinamici anche in presenza di valori elevati di pressione e temperatura, come quelli necessari per la preparazione di un caff? espresso.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione verranno pi? dettagliatamente esposti nella descrizione particolareggiata seguente di sue forme di attuazione, data a titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
la figura 1 ? una rappresentazione schematica di una macchina o apparecchio ad uso domestico per la preparazione di bevande calde per infusione o percolazione secondo l'invenzione;
le figure 2a-2c sono viste rispettivamente in elevazione laterale, prospettica e in elevazione frontale di una prima forma di realizzazione di una macchina o apparecchio secondo l'invenzione;
la figura 3 ? una vista prospettica di una variante della forma di realizzazione delle figure 2a-2c;
le figure 4a e 4b sono viste rispettivamente in elevazione laterale e prospettica di una seconda forma di realizzazione di una macchina o apparecchio secondo l'invenzione;
le figure 5a e 5b sono viste rispettivamente in elevazione laterale e prospettica di un recipiente bollitore della macchina o apparecchio della forma di realizzazione dell'invenzione riprodotta nelle figure 4a e 4b;
le figure 6a-6c sono viste rispettivamente in elevazione laterale, prospettica ed in vista dall'alto di un serbatoio di infusione della macchina o apparecchio della forma di realizzazione dell'invenzione riprodotta nelle figure 4a e 4b;
le figure 7a-7c sono viste rispettivamente in elevazione laterale, prospettica ed in vista dall'alto di un recipiente raccoglitore della macchina o apparecchio della forma di realizzazione dell'invenzione riprodotta nelle figure 4a e 4b; e la figura 8 ? uno schema a blocchi di un metodo per la produzione di una macchina o apparecchio secondo l'invenzione.
Nelle figure elementi o componenti identici o funzionalmente equivalenti sono indicati con i medesimi riferimenti.
In figura 1 ? schematicamente raffigurata una macchina o apparecchio ad uso domestico per la preparazione di bevande calde per infusione o percolazione secondo l'invenzione.
La macchina ? indicata nel suo complesso con 10. Essa include un recipiente bollitore 12 che presenta almeno una camera 12a atta a contenere un liquido di infusione da riscaldare, almeno un serbatoio di infusione 14 atto a ricevere una predeterminata quantit? di sostanza in polvere, e almeno un condotto 16 di erogazione della bevanda ottenuta dall'infusione di detta sostanza in polvere, atto a versare la bevanda in un contenitore o recipiente raccoglitore 18, che pu? essere esterno o integrato alla macchina.
Con 20 ? indicata in figura una fonte di calore esterna o integrata alla macchina, alla quale il recipiente bollitore 12 ? associato per ricevere calore da trasferire alla camera 12a contenente il liquido di infusione da riscaldare.
Il serbatoio di infusione 14 comunica da una parte con il recipiente bollitore attraverso almeno un condotto 20 di trasporto del liquido di infusione riscaldato e dall?altra parte con il condotto 16 di erogazione della bevanda attraverso mezzi filtranti 22 atti a trattenere la polvere della sostanza soggetta ad infusione, successivamente alla percolazione del liquido di infusione attraverso di essa.
Il condotto 20 di trasporto del liquido di infusione riscaldato comprende una porzione 20a collettore del liquido di infusione almeno parzialmente immersa nella camera 12a del recipiente bollitore ed una porzione 20b di controllo della temperatura, pi? propriamente di raffreddamento, del liquido di infusione, ricavata di pezzo in una parete W o una struttura portante del corpo della macchina la quale ? in relazione di scambio termico con l'ambiente esterno. Per parete del corpo della macchina si intende una struttura portante della macchina o un elemento non portante di separazione di una camera o spazio della macchina dall'ambiente esterno o da altro ambiente della macchina in relazione di scambio termico con l'ambiente esterno.
La porzione 20b di raffreddamento presenta una massa ed una estensione superficiale, per unit? di volume, che ne determinano la capacit? di dissipazione termica. Tale porzione realizza un condotto scambiatore o dissipatore di calore. La topologia del condotto scambiatore o dissipatore di calore ? progettata in modo da fornire una superficie di scambio termico atta alla cessione di una predeterminata quantit? di calore dal liquido di infusione, in funzione della temperatura attesa del liquido di infusione che percorre il condotto. Ad esempio, la porzione 20b di raffreddamento ? conformata secondo geometrie giroscopiche quali una superficie minima periodica tripla, e comprende ad esempio una o pi? strutture a giroide, separate o comunicanti, in cui la superficie totale di scambio termico comprende la superficie interna del giroide lambita dal liquido di infusione ed eventualmente la superficie di una configurazione di giroide, o in generale di geometria minima periodica tripla, ricavata su una faccia della parete o della struttura portante in relazione di scambio termico con l'ambiente esterno. In una variante realizzativa la porzione 20b di raffreddamento ? un canale o una cavit? non direzionale, di forma qualsiasi. Pertanto, la rappresentazione di figura 1 a forma di giroide ? puramente indicativa e non limitativa dell'invenzione.
Il condotto 20 di trasporto del liquido di infusione include inoltre mezzi valvolari di rilascio in pressione 30, disposti a monte della porzione 20a di raffreddamento, atti a controllare la pressione del liquido di infusione che accede al condotto di trasporto dal recipiente bollitore. I mezzi valvolari 30 agiscono in modo tale da contrastare la crescente forza esercitata dal liquido di infusione presente nel recipiente bollitore all'aumentare della temperatura nel processo di riscaldamento, aprendosi al passaggio del liquido di infusione nel condotto 20a di trasporto verso il serbatoio di infusione quando la pressione cresce oltre una soglia predeterminata (equivalente al valore di tara della valvola).
Una prima forma di realizzazione della macchina oggetto dell'invenzione ? mostrata esemplificativamente nelle figure 2a-2c e 3.
La macchina presenta complessivamente un ingombro cilindrico e nella configurazione esemplificativa qui descritta il corpo della macchina include un involucro C che presenta una porzione semicilindrica C' ed alla sommit? di questa una porzione semisferica C''. Nella porzione semicilindrica C' trovano principalmente alloggiamento il recipiente bollitore 12, parte del condotto 20 di trasporto del liquido di infusione riscaldato ed i mezzi valvolari di rilascio in pressione 30, mentre nella porzione semisferica C'' trovano principalmente alloggiamento il serbatoio di infusione 14, i relativi mezzi filtranti 22 ed il condotto di erogazione della bevanda 16.
Il recipiente bollitore ? preferibilmente dotato di un sistema di riscaldamento, ad esempio comprendente mezzi riscaldatori ad induzione o a effetto Joule disposti entro la camera che contiene il liquido di infusione da riscaldare, o in alternativa comprendente mezzi riscaldatori ad induzione o a effetto Joule disposti in relazione di scambio termico con la camera atta a contenere il liquido di infusione da riscaldare, per conduzione termica attraverso le pareti di detta camera.
La porzione 20b del condotto di trasporto per il raffreddamento del liquido di infusione ? ricavata di pezzo nel corpo di una parete W della porzione semicilindrica C' di detto involucro.
Il corpo della macchina include inoltre un condotto 32 di alimentazione del liquido di infusione dall'esterno, in comunicazione con il recipiente bollitore 12 per il caricamento del liquido di infusione nel recipiente bollitore. Il condotto di alimentazione attraversa entrambe le porzioni di involucro C' e C'' ed ? provvisto di un coperchio o tappo a chiusura ermetica 32a nella sua parte terminale superiore di acceso per il caricamento. Nella parte terminale inferiore, invece, il condotto di alimentazione ? in comunicazione diretta con il recipiente bollitore e lo compenetra preferibilmente per una sua porzione minima.
Il condotto 20 di trasporto del liquido di infusione riscaldato, che emerge dal recipiente bollitore 12, presenta la porzione collettore 20a del liquido di infusione immersa nella camera 12a del recipiente bollitore per la quasi totalit? della sua lunghezza, cosicch? essa termina in prossimit? del fondo del recipiente, ed una canalizzazione di risalita del liquido di infusione verso il serbatoio di infusione, esterna al recipiente bollitore, che definisce la porzione 20b di raffreddamento del liquido di infusione.
Il recipiente bollitore 12 ? inoltre preferibilmente dotato di una valvola di sicurezza (non illustrata).
La canalizzazione di risalita del liquido di infusione ? accoppiata ad una valvola di rilascio in pressione 30 atta ad impedire la risalita del liquido di infusione fintanto che esso non raggiunge una predeterminata pressione di taratura nel recipiente bollitore, in seguito alla quale il liquido di infusione ? rilasciato nella porzione 20b di raffreddamento avente funzione di scambiatore di calore, dove cede la parte di calore in eccesso. Vantaggiosamente, tale porzione ? ricavata di pezzo nel corpo di una parete W della porzione semicilindrica C' di detto involucro affacciata all'esterno della macchina, o costituisce esso stesso la suddetta parete, che nella forma di realizzazione esemplificativa mostrata nelle figure ? affacciata ad un vano semicilindrico S complementare alla porzione semicilindrica C' dell'involucro, destinato ad accogliere un recipiente raccoglitore della bevanda.
Forma e dimensioni della porzione 20b di raffreddamento avente funzione di scambiatore di calore sono progettate in funzione della temperatura attesa del liquido di infusione riscaldato dal recipiente bollitore, dipendente dalla pressione di taratura della valvola di rilascio in pressione 30, e dalla temperatura di infusione desiderata, tipicamente compresa tra 85?C e 95?C. Pi? in generale, esse sono configurabili e realizzabili in modo personalizzato in una fase produttiva della macchina in funzione delle preferenze espresse dal singolo consumatore acquirente, ossia degli equilibri termodinamici (temperatura, pressione) desiderati dipendentemente dalla quantit? di liquido di infusione - ossia dal volume della camera del recipiente bollitore - e dalla quantit? di sostanza in polvere - ossia dal volume del serbatoio di infusione - caratteristiche della macchina.
A valle della porzione 20b di raffreddamento il condotto di trasporto comprende una porzione di raccordo 20c atta a convogliare il liquido di infusione (cos? raffreddato) verso mezzi frazionatori di flusso 34 predisposti per frazionare il flusso del liquido di infusione in accesso al serbatoio di infusione 14.
I mezzi filtranti 22 sono disposti a valle del serbatoio di infusione ed atti a trattenere i residui della sostanza in polvere ricevuta nel serbatoio di infusione dove ? sottoposta ad infusione, ed in uscita ad essi ? accoppiato il condotto di erogazione della bevanda 16.
Nella forma di realizzazione mostrata nelle figure 2a-2c e 3 il condotto di erogazione della bevanda 16 ? parzialmente alloggiato nella porzione semisferica C'' dell'involucro e presenta un ugello di erogazione N esposto all'esterno dell'involucro della macchina, affacciato al vano semicilindrico S destinato ad accogliere un recipiente raccoglitore della bevanda.
Il serbatoio di infusione 14 ? vantaggiosamente accessibile attraverso un'apertura a sportello, dotata di apposita guarnizione per garantire una tenuta ermetica, o altra soluzione funzionalmente equivalente.
In figura 3 ? mostrata una variante della forma di realizzazione descritta, in cui la porzione 20b di controllo della temperatura include una pluralit? di alette T atte ad aumentare ulteriormente la superficie di scambio termico a contatto con l?ambiente esterno. In una forma di realizzazione attualmente preferita, dette geometrie atte ad aumentare la superficie di scambio termico presentano caratteristiche topologiche pi? complesse di quelle qui esemplificativamente introdotte; ad esempio, tali geometrie possono essere derivate dalle funzioni TPMS (Triply Periodical Minimal Surface) gi? citate, ed avere quindi conformazione giroscopica (o altra TPMS). Una griglia di protezione G ? convenientemente apposta avanti alla parete W, atta ad evitare un contatto diretto di un utilizzatore con la parete di scambio termico.
La procedura di preparazione di una bevanda calda (ad esempio, caff? espresso) con la macchina descritta ? la seguente.
La macchina ? caricata rimuovendo il tappo o coperchio a chiusura ermetica del condotto di alimentazione per permettere il caricamento del liquido di infusione (acqua) nel recipiente bollitore, quindi il tappo o coperchio ? riposto in sede per garantire una chiusura ermetica.
Una operazione analoga ? necessaria per il caricamento del caff?, che avviene aprendo lo sportello di accesso al serbatoio di infusione, depositando il caff? macinato e infine chiudendo il medesimo sportello. Un recipiente di raccolta quale una tazza o tazzina ? disposto in corrispondenza dell'ugello di erogazione, ed il processo di preparazione della bevanda ? avviato attraverso un interruttore per l'attivazione di un circuito elettrico di alimentazione del sistema di riscaldamento del recipiente bollitore.
Un temporizzatore del sistema di riscaldamento attiva il sistema per il tempo necessario al completamento di un ciclo di preparazione della bevanda. Il liquido di infusione ? riscaldato fino a raggiungere il suo punto di ebollizione, e per effetto dell'aumento di temperatura, l'aria contenuta all'interno del recipiente bollitore si espande, coadiuvata dal vapore acqueo rilasciato dal liquido in ebollizione. Il liquido di infusione ? cos? spinto, dalla crescente pressione, attraverso la porzione collettore 20a del condotto di trasporto, ma intercettato dalla valvola di rilascio in pressione 30 fino al raggiungimento della pressione di taratura preimpostata o propria della valvola. Al rilascio della valvola, il liquido di infusione fluisce lungo la porzione di raffreddamento del condotto di trasporto, dove si raffredda, e confluisce nel serbatoio di infusione 14 alla temperatura desiderata. L'infuso ? quindi raccolto nel condotto di erogazione ed erogato attraverso l?ugello direttamente nella tazza del consumatore.
Una seconda forma di realizzazione della macchina oggetto dell'invenzione ? mostrata esemplificativamente nelle figure da 4a a 7c. Si tratta di una configurazione alternativa, adattata ad apparecchi domestici tradizionali di estrazione di tipo termomeccanico, come ad esempio la caffettiera moka, i quali possono cos? raggiungere valori operativi di temperatura e pressione maggiori di quelli attualmente previsti.
Le figure 4a e 4b sono viste della macchina o apparecchio in una condizione assemblata, mentre le figure 5a e 5b, 6a-6c e 7a-7c sono viste dei componenti principali della macchina, ossia del recipiente bollitore, del serbatoio di infusione e del recipiente raccoglitore.
Analogamente ad una tradizionale caffettiera moka, la macchina oggetto dell'invenzione comprende un recipiente bollitore 12 entro il quale ? parzialmente alloggiato il serbatoio di infusione 14, ed un recipiente raccoglitore 18 ? accoppiabile a mezzo filettatura al recipiente bollitore tramite interposizione di guarnizioni per una chiusura ermetica.
Il recipiente bollitore 12 ha forma complessivamente tronco-conica o tronco-piramidale sormontata da un collare 12b atto a formare una sede di appoggio per il serbatoio di infusione 14. Una valvola di sicurezza ? prevista, sebbene non raffigurata.
Il serbatoio di infusione 14 presenta una tradizionale forma a imbuto dalla cui base emerge una formazione tubolare 20a destinata ad essere immersa nella camera 12a del recipiente bollitore per operare come porzione collettore del liquido di infusione riscaldato. La formazione tubolare 20a alloggia una valvola di rilascio in pressione 30. Diversamente dal serbatoio di infusione di una caffettiera moka tradizionale, tuttavia, la porzione collettore 20a del liquido di infusione non ? posta in comunicazione diretta di fluido con il serbatoio di infusione, bens? con una prima cavit? interstiziale 40' ricavata nel corpo del serbatoio di infusione 14, pi? in particolare nello spessore della parete circonferenziale o perimetrale del serbatoio di infusione. Detta prima cavit? interstiziale 40' ha forma di uno o pi? canali radiali, di una intercapedine circonferenziale o di un giroide. Una corrispondente prima cavit? interstiziale 42', anch'essa avente forma di uno o pi? canali radiali, di una intercapedine circonferenziale o di un giroide, ? ricavata di pezzo nel corpo della parete del recipiente raccoglitore, posta in comunicazione con la cavit? 40' quando il recipiente raccoglitore ? assemblato al recipiente bollitore, trattenendo in sede il serbatoio di infusione. Questa prima cavit? interstiziale 42' si estende ad esempio preferibilmente per l'intera altezza della parete del recipiente raccoglitore, ed alla sua sommit? si congiunge ad una seconda cavit? interstiziale 42'', ad esempio ad essa coassiale, a sua volta posta in comunicazione con una corrispondente seconda cavit? interstiziale 40'' del serbatoio di infusione, che infine sfocia nella camera del serbatoio dove ? contenuta la sostanza in polvere, attraverso mezzi frazionatori di flusso 34. L'insieme delle prime e seconde cavit? interstiziali del serbatoio di infusione e del recipiente raccoglitore costituisce la porzione 20b di scambio termico, e quindi di raffreddamento, del condotto di trasporto del liquido di infusione. Il serbatoio di infusione ? posto in comunicazione con un condotto 16 di erogazione della bevanda, disposto assialmente al recipiente raccoglitore ed avente forma di camino, attraverso mezzi filtranti 22, ed alla sommit? il condotto di erogazione della bevanda presenta almeno un foro di erogazione 16a che si apre nella camera 18a del recipiente raccoglitore.
Le prime cavit? interstiziali 40', 42' e le seconde cavit? interstiziali 40'' e 42'' formano rispettive porzioni ascendente e discendente del condotto di trasporto del liquido di infusione riscaldato che costituiscono la porzione di raffreddamento.
In questo caso sia la procedura di preparazione che il processo operativo della macchina sono identici a quelli di una caffettiera moka tradizionale. Secondo il funzionamento della caffettiera moka tradizionale, quando una fonte di energia scalda una parete (ad esempio, la parete inferiore nel caso di un piano cottura) del recipiente bollitore, questa a sua volta trasmette il calore al liquido di infusione caricato nella camera del recipiente bollitore ed all'aria anch'essa presente nella camera.
Ci? pu? avvenire grazie al fatto che detto recipiente bollitore ? atto ad assorbire energia termica da un piano di cottura o da una associata base riscaldante, o a sviluppare energia termica per induzione da un piano cottura o da una associata base riscaldante, con il quale viene a contatto attraverso una parete della camera atta a contenere il liquido di infusione da riscaldare.
L'espansione dell'aria e l'ebollizione del liquido di infusione aumentano la pressione ed il liquido di infusione ? forzato a risalire dalla porzione collettore del condotto di trasporto. Al raggiungimento della pressione di taratura della valvola di rilascio in pressione, il liquido ? rilasciato nella prima cavit? interstiziale 40' del serbatoio di infusione, e da questa alla prima cavit? interstiziale 42' ricavata nella parete del recipiente raccoglitore - che quindi assolve, al tempo stesso, allo scopo di scambiatore di calore.
Vantaggiosamente, la geometria dello scambiatore di calore ? adattabile in funzione dei valori di dissipazione che si desidera raggiungere.
Il liquido di infusione attraversa le prime cavit? interstiziali 40' e 42' in risalita lungo il corpo della macchina, e poi ridiscende attraverso le seconde cavit? interstiziali 42'' e 40'' e, attraversando i mezzi frazionatori 34, arriva a confluire nella camera 14a del serbatoio di infusione contenente la sostanza in polvere, ad esempio caff?. Attraverso i mezzi filtranti 22 l'infuso risale per il camino del condotto di erogazione 16 e raggiunge i fori di erogazione 16a confluendo nel recipiente raccoglitore 18.
Vantaggiosamente, in una forma di realizzazione attualmente preferita, il recipiente raccoglitore ? dotato di gole e risalti circonferenziali sulla faccia esterna della parete atti ad aumentare la superficie di dissipazione totale.
Analogamente, la porzione del condotto di trasporto per il raffreddamento del liquido di infusione, ossia le cavit? interstiziali, presentano una pluralit? di formazioni sporgenti nel volume della rispettiva cavit? attraversato dal liquido di infusione, atte ad aumentare la superficie di scambio termico.
In una forma di realizzazione attualmente preferita le cavit? interstiziali e la faccia esterna della parete del recipiente raccoglitore presentano caratteristiche topologiche, atte ad aumentare la superficie di dissipazione, aventi forme pi? complesse di quelle qui esemplificativamente introdotte; ad esempio, tali topologie possono essere derivate dalle funzioni TPMS (Triply Periodical Minimal Surface) gi? citate, ed avere quindi conformazione giroscopica (o altra TPMS). Le strutture raffigurate sono semplificazioni rappresentative e non esaustive delle possibili configurazioni geometriche.
In entrambe le forme di realizzazione, l'invenzione raggiunge i propri scopi grazie alle possibilit? di design offerte dalla tecnologia di manifattura additiva o stampa 3D. La crescente disponibilit? di materiali, cos? come l'abbassamento dei costi di produzione, rendono oggi possibile non soltanto un impiego indiretto della tecnologia, come ad esempio la possibilit? di avere prototipi funzionali complessi in tempi e costi molto competitivi o ancora la possibilit? di produrre stampi complessi (e pi? performanti) per processi di produzione tradizionali, ma rendono economicamente possibile anche un impiego diretto della tecnologia, per la "stampa" diretta del prodotto o una parte di esso. In questo scenario, sar? possibile realizzare una personalizzazione del prodotto che risponda a specifiche esigenze, finanche dei singoli consumatori. In dettaglio, variando la geometria dello scambiatore di calore in funzione dei parametri volumetrici principali (quantit? di acqua - ossia volume della camera del recipiente bollitore - e quantit? di caff? - ossia volume del serbatoio di infusione) e dei valori di pressione di tara della valvola, sar? possibile offrire una personalizzazione del processo estrattivo che rispecchi le preferenze del consumatore (ad esempio ottenendo un caff? di tipo ?americano?, o di tipo ?moka? o di tipo ?espresso? o altre combinazioni). In aggiunta, un simile modello di produzione su ordinazione offre la possibilit? di una personalizzazione estetica significativa, finanche di un singolo prodotto. Definendo le caratteristiche estrattive della macchina in base alle preferenze del singolo consumatore, compresa la quantit? di caff?, la quantit? di acqua, cos? come la pressione di estrazione desiderata, sar? possibile produrre, partendo da una forma di contorno qualsiasi, geometrie che (in funzione del materiale utilizzato) forniscano una capacit? dissipativa totale in grado di garantire che la temperatura del liquido di infusione, all?atto della percolazione, sia sempre entro valori ottimali. Lo schema a blocchi di figura 8 illustra in dettaglio un metodo per la produzione di una macchina o apparecchio secondo l'invenzione attraverso l'utilizzo di una tecnologia di produzione additiva, in particolare per la progettazione e produzione della porzione di raffreddamento del liquido di infusione.
In una prima fase 100 la forma di contorno (o vincolo volumetrico) del circuito scambiatore o dissipatore di calore e le propriet? termiche desiderate di detta forma di contorno, ossia la sua capacit? di dissipazione del calore, sono immesse in un processore. In una seconda fase 110, sono fornite, in una banca dati accessibile dal processore, una pluralit? di strutture geometriche tridimensionali (reticolati) predeterminate, comprese superfici minime periodiche triple, ed una pluralit? di materiali, dove ad ogni coppia struttura reticolare - materiale della banca dati ? associata una geometria e le propriet? termiche di detta geometria realizzata in detto materiale.
In una terza fase 120 il processore suddivide detta forma di contorno in una pluralit? di celle di lavoro adiacenti, ed in una quarta fase 130 popola dette celle di lavoro con almeno un reticolo disponibile nella base dati, detto reticolo essendo selezionato:
(i) in base alla corrispondenza delle sue propriet? termiche con le propriet? termiche desiderate di detta forma di contorno; e
(ii) in base alla compatibilit? di detto reticolo con eventuali altri reticoli selezionati per popolare una o pi? dette celle di lavoro elementari adiacenti.
Infine, al passo 140 viene prodotta detta forma di contorno recante detti reticoli, mediante una tecnologia di fabbricazione additiva (ad esempio: Selective Laser Sintering, SLS, o Binder Jetting, BJ)
Si noti che la realizzazione proposta per la presente invenzione nella discussione che precede ha carattere puramente esemplificativo e non limitativo della presente invenzione. Un tecnico esperto del settore potr? facilmente attuare la presente invenzione in realizzazioni diverse che non si discostano per? dai principi qui esposti, e sono dunque ricomprese nel presente brevetto.
Ci? vale in particolare per quanto riguarda la possibilit? di realizzare la macchina o apparecchio con un recipiente bollitore che presenta una pluralit? di camere separate non comunicanti atte a contenere un rispettivo liquido di infusione da riscaldare, e con un serbatoio di infusione che comprende una pluralit? di compartimenti separati atti a ricevere una predeterminata quantit? di una rispettiva sostanza in polvere, ciascun compartimento del serbatoio di infusione comunicando con una corrispondente camera del recipiente bollitore attraverso un rispettivo condotto di trasporto del liquido di infusione riscaldato comprendente propri mezzi valvolari ed una porzione di raffreddamento del liquido di infusione avente una rispettiva estensione geometrica predeterminata che ne determina la capacit? di dissipazione termica, il quale include mezzi valvolari di rilascio in pressione disposti a monte della porzione di raffreddamento del liquido di infusione, aventi un rispettivo valore di pressione di apertura.
Vantaggiosamente, tale macchina o apparecchio comprende anche una pluralit? di condotti di erogazione della bevanda con i quali comunica indipendentemente un rispettivo compartimento del serbatoio di infusione. Alternativamente, i differenti infusi sono miscelati ed erogati in un unico condotto di erogazione dove confluiscono a pressione e temperatura differenti.
Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto ? stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo allontanarsi dall'ambito di protezione dell'invenzione definito dalle rivendicazioni allegate.
Claims (9)
1. Macchina o apparecchio ad uso domestico per la preparazione di bevande calde per infusione o percolazione, comprendente un corpo che include: - un recipiente bollitore che presenta almeno una camera atta a contenere un liquido di infusione da riscaldare;
- almeno un serbatoio di infusione atto a ricevere una predeterminata quantit? di sostanza in polvere; e
- almeno un condotto di erogazione della bevanda ottenuta dall'infusione di detta sostanza in polvere;
in cui il serbatoio di infusione comunica da una parte con il recipiente bollitore attraverso almeno un condotto di trasporto del liquido di infusione riscaldato e dall?altra parte con il condotto di erogazione della bevanda attraverso mezzi filtranti atti a trattenere la polvere della sostanza soggetta ad infusione,
in cui detto condotto di trasporto del liquido di infusione riscaldato comprende una porzione collettore del liquido di infusione immersa nella camera del recipiente bollitore ed una porzione di raffreddamento del liquido di infusione, caratterizzata dal fatto che detta porzione di raffreddamento del liquido di infusione ? ricavata di pezzo in almeno una parete del corpo della macchina o in una struttura portante della macchina, ovvero costituisce almeno parte di una parete del corpo della macchina o di una struttura portante della macchina, la quale parete o struttura portante ? in relazione di scambio termico con l'ambiente esterno,
e dal fatto che mezzi valvolari di rilascio in pressione sono disposti lungo il condotto di trasporto del liquido di infusione, a monte della porzione di raffreddamento del liquido di infusione.
2. Macchina o apparecchio secondo la rivendicazione 1, in cui detta porzione di raffreddamento del liquido di infusione include un condotto conformato secondo una superficie minima periodica tripla.
3. Macchina o apparecchio secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detta parete o struttura portante in relazione di scambio termico con l'ambiente esterno presenta verso l'ambiente esterno una superficie minima periodica tripla aperta.
4. Macchina o apparecchio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto recipiente bollitore presenta una pluralit? di camere separate non comunicanti atte a contenere un rispettivo liquido di infusione da riscaldare, e detto serbatoio di infusione comprende una pluralit? di compartimenti separati atti a ricevere una predeterminata quantit? di una rispettiva sostanza in polvere;
ciascun compartimento del serbatoio di infusione comunicando con una corrispondente camera del recipiente bollitore attraverso un rispettivo condotto di trasporto del liquido di infusione riscaldato comprendente una porzione di raffreddamento del liquido di infusione avente una massa ed una rispettiva estensione superficiale per unit? di volume predeterminata che ne determinano la capacit? di dissipazione termica, il quale include mezzi valvolari di rilascio in pressione disposti a monte della porzione di raffreddamento del liquido di infusione, aventi un rispettivo valore di pressione di apertura.
5. Macchina o apparecchio secondo la rivendicazione 4, comprendente una pluralit? di condotti di erogazione della bevanda, in cui ciascun compartimento del serbatoio di infusione comunica con un rispettivo condotto di erogazione di detta pluralit? di condotti di erogazione della bevanda.
6. Macchina o apparecchio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il corpo della macchina include un involucro che definisce un volume di alloggiamento di detto recipiente bollitore e detto serbatoio di infusione, e detta porzione del condotto di trasporto per il raffreddamento del liquido di infusione ? ricavata di pezzo nel corpo di una parete di detto involucro.
7. Macchina o apparecchio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il corpo della macchina include un condotto di alimentazione del liquido di infusione, in comunicazione con detto recipiente bollitore, e detta porzione del condotto di trasporto per il raffreddamento del liquido di infusione ? ricavata di pezzo nel corpo di una parete di detto condotto di alimentazione del liquido di infusione.
8. Macchina o apparecchio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 4, in cui il corpo della macchina include inoltre un recipiente raccoglitore che presenta almeno una camera atta a ricevere la bevanda prodotta mediante passaggio del liquido di infusione caldo attraverso la sostanza in polvere, e detta porzione del condotto di trasporto per il raffreddamento del liquido di infusione ? ricavata di pezzo nel corpo di una parete della camera del recipiente raccoglitore.
9. Macchina o apparecchio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la forma e le dimensioni di detta porzione di raffreddamento del liquido di infusione sono configurate e realizzate in modo personalizzato in una fase produttiva della macchina o apparecchio in funzione di equilibri termodinamici predeterminati di temperatura attesa del liquido di infusione e pressione di taratura di detti mezzi valvolari di rilascio in pressione, dipendentemente dal volume della camera del recipiente bollitore e dal volume del serbatoio di infusione.
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