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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Padträger gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
1, auf eine Schaumeinheit und auf eine Getränkemaschine mit einem derartigen
Padträger,
und auf ein Verfahren zum Bereiten eines Getränkes unter Verwendung eines
derartigen Padträgers.
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Ein
Padträger
der oben genannten Art ist aus der europäischen Patentanmeldung 0 904
717 bekannt. Der in diesem Dokument beschriebene Padträger begrenzt
eine Brühkammer
und umfasst eine Vielzahl von Noppen. Distale Enden der Noppen tragen
eine Filterwandung des Filterpads oder -beutels, die verhindert,
dass Granulat oder Pulver – hier
gemahlener Kaffee – dem
Wasser folgt, das durch die Brühkammer
gepresst wird.
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Der
durch die Düse
strömende
Getränkeflüssigkeitsstrahl – hier Kaffeeextrakt – bewirkt
die Bildung von Blasen im Kaffeeextrakt, wenn der Strahl auf stromabwärts von
der Düse
gesammelte Getränkeflüssigkeit
trifft. Dies führt
zu einer Schicht aus Schaum auf dem Getränk.
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Kaffeemaschinen
(Geräte
zum Bereiten von Kaffeeextrakt aus Wasser und geröstetem und
gemahlenem Kaffee), die solche Padträger zum Bilden von Schaum auf
dem Kaffeeextrakt umfassen, sind im Allgemeinen dazu vorgesehen,
Schaum bei viel niedrigeren Drücken
(z.B. weniger als 3 bar und vorzugsweise etwa 0,8–1,6 bar)
zu bilden, als diejenigen, die typischerweise bei Espressogeräten verwendet
werden und können
daher viel preiswerter hergestellt werden.
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Ein
Problem bei einem derartigen Gerät
ist, dass nahe der Auslauföffnung
im Filterpad manchmal Risse auftreten. Dies führt dazu, dass die Auslauföffnung mit
gemahlenem Kaffee verstopft wird, sodass die Ausgabe von Kaffeeextrakt
blockiert wird. Das zerrissene Filterpad muss dann entfernt werden
und der Padträger
muss gesäubert
werden. Der Kaffeezubereitungsprozess wird dadurch beendet, ohne dass
die erwartete Menge an Kaffeeextrakt verschafft worden ist, und
das Entfernen von losem gemahlenem Kaffee und Kaffeeextrakt, der
am Verlassen der Brühkammer
gehindert worden ist, ist mühsam.
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Der
Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu verschaffen, die die
Gefahr verringert, dass – bei
gegebener Festigkeit der Filterwandung des Filterpads und einem
gegebenen Druckabfall an der Filterwandung – die Filterwandung zerreißt, und/oder
zulässt,
dass der Druckabfall erhöht wird
und/oder die Festigkeit der Filterwandung verringert wird, ohne
die Gefahr eines Risses der Filterwandung in einem Gebiet nahe der
Auslauföffnung zu
erhöhen,
und mit der dies erreicht wird, ohne dass die Feinheit und Dauerhaftigkeit
des Schaums auf dem Getränk
wesentlich abnehmen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird diese Aufgabe durch Verschaffen eines Padträgers nach Anspruch
1 gelöst.
Weiterhin kann diese Aufgabe erfindungsgemäß durch Verschaffen einer Schaumeinheit
nach Anspruch 12, die einen Padträger nach Anspruch 1 umfasst,
einer Getränkemaschine
nach Anspruch 13, die eine Schaumeinheit nach Anspruch 12 umfasst
und eines Verfahrens zum Zubereiten eines Getränkes nach Anspruch 14, bei
dem ein Padträger nach
Anspruch 1 verwendet wird, gelöst
werden.
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Da,
in Draufsicht zum Boden des Padträgers hin gesehen, zumindest
einige aus der innersten Vielzahl von Trägervorsprüngen einen Querschnitt haben,
der in einer radialen Richtung in Bezug auf die Auslauföffnung länglich ist,
kann die innerste Vielzahl von Trägervorsprüngen näher an der Auslauföffnung positioniert
werden und dadurch einen besseren Träger für das Filterpad verschaffen,
ohne dass Turbulenzen in dem Fluss des Extraktes direkt stromaufwärts vor
der Düse
verursacht oder verstärkt
werden, worunter die Feinheit und Dauerhaftigkeit des erhaltenen
Schaums leiden würden.
Auch wird eine Zunahme des Volumens zwischen dem Filterpad und der
Düse vermieden,
die beispielsweise auftreten würde,
wenn die Düse
in der Auslauföffnung
an einer Stelle auf Abstand vom und unter dem Boden positioniert
würde,
während
innerste der Trägervorsprünge aus
der Auslauföffnung
oder aus einer Schulter in der Auslauföffnung hervorragen.
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Das
zuzubereitende Getränk,
bei dem die vorliegende Erfindung verwendet wird, wird meistens Kaffee
sein. Jedoch ist eine Verwendung der Erfindung bei der Zubereitung
von anderen Getränken, wobei
ein Durchlaufen von Flüssigkeit
durch eine gehalterte Filterwandung beteiligt ist, wie z.B. von
Kakao und anderen Milchgetränken,
auch möglich.
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Besonders
vorteilhafte Ausführungsformen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen
aufgeführt.
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Weitere
Merkmale, Wirkungen und Details der Erfindung werden anhand der
in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform beschrieben.
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1 ist
eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels für eine Kaffeemaschine
gemäß der vorliegenden
Erfindung, die ein Ausführungsbeispiel
eines Padträgers
gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst;
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2 ist
eine vergrößerte Ansicht
einer Kaffeebrühkammer
der Kaffeemaschine von 1;
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3 ist
eine Draufsicht des Padträgers
der Kaffeemaschine von 1 und 2;
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4 ist
ein Querschnitt entlang der Linie IV-IV in 3;
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5 ist
ein Querschnitt eines alternativen Ausführungsbeispiels für einen
erfindungsgemäßen Padträger; und
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6 ist
eine vergrößerte Querschnittsansicht
des Düsengebietes
des Padträgers
von 1–4 entlang
der Linie IV-IV in 3.
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In 1 bezeichnet
das Bezugszeichen 1 eine erfindungsgemäße Kaffeemaschine zum Bereiten
von Kaffeeextrakt, der eine Schaumschicht mit kleinen Blasen aufweist.
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Die
Kaffeemaschine 1 hat ein Gehäuse 2 und einen Deckel 3,
der mittels eines Scharniers 4 mit dem Gehäuse 2 verbunden
ist und in einer geschlossenen Stellung mit einer Verriegelung 10 verschlossen
wird. Das Gehäuse 2 hat
einen nach vorn hervorstehenden Abschnitt, von dem eine obere Fläche 5 eine
Plattform bildet, um eine oder mehrere Tassen 6 zu tragen,
die mit Kaffee gefüllt
werden sollen. Innerhalb des Gehäuses
liegt ein Wasserreservoir 7, das an einem oberen Ende 8 offen
ist, wenn der Deckel 3 geöffnet ist, und geschlossen,
wenn der Deckel 3 sich in dem in 1 gezeigten,
geschlossenen Betriebszustand befindet. Ein Rohr 9 verläuft durch
eine Heizkammer 46, in der ein elektrisches Heizelement 47 angeordnet
ist. Um vom Reservoir 8 aus Wasser zuzuführen, ist
in dem Rohr 9 stromaufwärts
vor dem Heizelement 47 eine Pumpe 45 angeordnet.
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In
eine Deckenwand 12 einer Brühkammer 13 ist ein
Sprühkopf 11 integriert,
der das Ende des Rohrs 9 bildet. Das obere Ende eines Padträgers 15, das
auch gesondert in 3 und 4 gezeigt
wird, bildet einen Boden 14 der Kaffeebrühkammer 13 (siehe
auch 2). Aus dem Boden ragen Trägervorsprünge 16, 17 hervor,
und Räume
zwischen diesen Trägervorsprüngen 16, 17 ermöglichen,
dass aus einem Filterpad 18 (Pad oder Beutel), welches gemahlenes
Kaffeegranulat oder -pulver enthält
und oberhalb des Bodens 14 gehaltert ist, heraus gepresste
Getränkeflüssigkeit – im vorliegenden
Beispiel Kaffeeextrakt – zu
einer Auslauföffnung 19 zwischen
dem Filterpad 18 und dem Boden 14 fließt. Der Padträger 15 wird
von einem Brühkammergehäuseteil 20 getragen,
das seinerseits von Abschnitten des Hauptgehäuses 2 der Kaffeemaschine 1 getragen wird.
Im Betriebszustand ist die Brühkammer 13 durch
Dichtungen 21, 37 wasserdicht verschlossen, sodass
kein wesentlicher Abfall des von der Pumpe 45 erzeugten
Druckes auftritt und der gesamte oder praktisch der gesamte von
der Pumpe 45 erzeugte Druck der Brühkammer 13 zugeführt wird,
wenn Kaffee extrahiert wird. Wenn andere Getränke als Kaffee zubereitet werden
sollen, kann das Filterpad beispielsweise auch andere Substanzen
enthalten, wie z.B. Kakaopulver und/oder Milchpulver, das mit Geschmackstoffen
versehen und/oder gesüßt sein kann.
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Eine
Düse 22,
von der eine nach oben gerichtete Fläche ein Teil des Bodens 14 ist,
schränkt den
für das
Durchlaufen von Kaffeeextrakt verfügbaren Querschnitt der Auslauföffnung 19 ein.
Die Düse 22 kann
auch ein integrales Teil des Padträgers 15 sein.
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Die
Auslauföffnung 19 mündet in
eine Verteilkammer (Pufferreservoir) 36, die mit zwei Ausgabekanälen in Verbindung
steht, die durch Ausgabetüllen 38 verlaufen, über die
in der Kammer verteilter Kaffeeextrakt zu den Tassen 6 auf
der Plattform 5 fließen kann.
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Um
auf einem Kaffeeextrakt Schaum zu bilden, wird der Kaffeeextrakt
aus der Düse 22 in
eine Puffermenge an Kaffeeextrakt in dem Pufferreservoir 36 gespritzt.
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Wie
am besten in 2–4 zu erkennen ist,
umfassen die Pfadträgervorsprünge 16, 17 eine innerste
Vielzahl von Trägervorsprüngen 17,
die aus dem Boden 14 an umlaufend um die Auslauföffnung 19 verteilten
Positionen hervorragen. In Draufsicht zum Boden hin gesehen, siehe 3,
haben die innersten, 17, der Trägervorsprünge 16, 17 einen Querschnitt,
der in einer radialen Richtung in Bezug auf die Auslauföffnung 19 länglich ist.
Daher können die
innersten, 17, der Trägervorsprünge 16, 17 näher an der
Auslauföffnung 19 positioniert
werden, sodass ein besserer Träger
für das
Filterpad 18 im Gebiet der Auslauföffnung verschafft wird, als
möglich
wäre, wenn
die innersten der Trägervorsprünge einen
herkömmlichen
runden Querschnitt hätten,
ohne dass Turbulenzen in dem Fluss des Kaffeeextraktes direkt stromaufwärts von
der Düse 22 bewirkt
werden, zumindest soweit, dass die Feinheit und Dauerhaftigkeit
des erhaltenen Schaums nicht leidet. Somit stellt der erfindungsgemäße Padträger einen
besseren Träger
für das
Filterpad 18 im Gebiet der Auslauföffnung dar, als möglich wäre, wenn
die innersten Trägervorsprünge 17 einen
runden Querschnitt hätten.
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Es
hat sich gezeigt, dass es zum Erhalten eines feinen, stabilen und
cremeartigen Schaums auf dem Kaffee vorteilhaft ist, wenn der Kaffeeextrakt
die Düse 22,
aus der er in das Pufferreservoir 36 gespritzt wird, in
einer laminaren Strömung
erreicht. Verschiedene weitere Merkmale können vorgesehen werden, um
diesen Effekt zu begünstigen,
ohne eine wesentliche Zunahme des freien Volumens zwischen dem Filterpad 18 und
dem Padträger 15 mit
sich zu bringen, die zu einer Zunahme der Menge an Kaffeeextrakt
führen
würde,
der in diesem Volumen nach dem Brühen zurückbleiben könnte, insbesondere, wenn relativ
geringe Mengen an Kaffeeextrakt bereitet werden.
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Um
weiterhin Turbulenzen entgegenzuwirken, ist es beispielsweise vorteilhaft,
dass die größte Breite
jedes innersten Vorsprungs 17 radial außerhalb der Mitte von dessen
Länge in
einer Richtung radial zur Auslauföffnung 19 liegt. Vorzugsweise
liegt die größte Breite
zwischen 60 und 75% der Länge des
Querschnitts, wenn radial nach außen gemessen wird.
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Um
Turbulenzen in dem stromaufwärts
von der Düse 22 gelegenen
Gebiet entgegenzuwirken, ist ein anderes Merkmal, dass die länglichen
Querschnitte je ein innerstes Ende 23 haben, das schärfer ist
als das entgegengesetzte äußerste Ende 24.
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Um
die Stabilität
des Schaums zu verbessern, ist es weiterhin vorteilhaft, wenn aus
der innersten Vielzahl von Trägervorsprüngen 17 benachbarte Vorsprünge geradlinige
einander zugewandte Wandabschnitte 25, 26 haben
und so einen Durchgang 27 zwischen den benachbarten Vorsprüngen 17 begrenzen,
der eine Breite "a" hat, die konstant
ist oder in radialer Richtung zu der Auslauföffnung 19 hin abnimmt.
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Genauer
gesagt ist es, um Turbulenz in dem stromaufwärts von der Düse 22 gelegenen
Gebiet entgegenzuwirken, besonders vorteilhaft, wenn die länglichen
Querschnitte der innersten Trägervorsprünge 17 flügel- oder
tröpfchenförmig sind.
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Die
distalen Enden der Trägervorsprünge 16, 17 definieren
ein Trägerbett 30,
entlang dem das Filterpad, oder zumindest die untere Wandung eines Filterpads 18 verläuft, wenn
es von den Trägervorsprüngen 16, 17 getragen
wird. Im vorliegenden Beispiel ist dieses Trägerbett 30 eben. Andere
Formen, wie z.B. leicht gekrümmt
oder konisch, sind jedoch auch denkbar.
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Um
Turbulenz in dem stromaufwärts
von der Düse 22 gelegenen
Gebiet entgegenzuwirken, ist es vorteilhaft, wenn der Abstand zwischen
dem Boden 14 und dem Trägerbett 30 radial
zur Auslauföffnung 19 hin
zunimmt, zumindest über
einen ringförmigen Abschnitt 28 des
Bodens 14, der die Auslauföffnung 19 umgibt und
radial auf Abstand vom äußersten
Umfang 29 des Bodens 14 liegt, insbesondere in
Kombination mit innersten Trägervorsprüngen 17,
die einen Querschnitt haben, der in radialer Richtung hin zur Auslauföffnung 19 länglich ist,
aber auch in Kombination mit innersten Trägervorsprüngen einer beliebigen anderen
Form. Dies bewirkt, dass die Fließgeschwindigkeiten des Kaffeeextrakts
in dem Mittengebiet des Padträgers,
wo die Fließgeschwindigkeiten hoch
genug sein können,
um Turbulenz zu bewirken, wegen des vergrößerten Querschnitts, durch
den der Kaffeeextrakt zu dem stromaufwärts von der Düse 22 gelegenen
Gebiet fließt,
geringer werden.
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Um
die Fließgeschwindigkeiten
dort, wo wahrscheinlich Turbulenz auftritt und die Schaumbildung
beeinflussen kann, selektiv zu verringern, fällt der die Auslauföffnung 19 umgebende
Boden in dessen ringförmigem
Abschnitt 27 steiler ab als in Abschnitten des Bodens 14,
die radial außerhalb
des ringförmigen
Abschnitts 27 liegen.
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Da
die innersten 17 der Trägervorsprünge 16, 17 aus
dem ringförmigen
Bodenabschnitt 27 hervorragen, werden die Fließgeschwindigkeiten
besonders in den Durchgängen
zwischen dem Kreis aus innersten Trägervorsprüngen 17 verringert,
in welchen Durchgängen
die Fließgeschwindigkeiten
am höchsten
sind, und zwar bevor Turbulenz durch einen zu schnellen Auslauf
in das zentrale Gebiet innerhalb des Kreises aus Trägervorsprüngen 17 bewirkt
werden kann.
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Es
hat sich weiter gezeigt, dass es für das Erzeugen eines stabilen,
feinen Schaums vorteilhaft ist, wenn ein Verdichtungsprozess bewirkt
wird, wodurch der Kaffeefluss in die Düse 22 gelangt. Auch hierzu
fällt vorzugsweise
der Boden 14 in dem die Auslauföffnung 19 umgebenden
ringförmigen
Abschnitt 27 des Bodens 14 steiler ab als in Bodenabschnitten 31 (einschließlich der
nach oben gerichteten Fläche
der Düse 22)
zwischen dem genannten ringförmigen
Abschnitt 27 und der Auslauföffnung 19. Diese Wirkung
ist besonders stark in dem vorliegenden Beispiel, weil der Boden 14 zwischen
dem abfallenden, ringförmigen
Abschnitt 27 und der Auslauföffnung 19 einen ebenen
Abschnitt 31 hat.
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Die
Verdichtung und ihre Wirkung werden in 6 detaillierter
veranschaulicht. In einem die Auslauföffnung 19 umgebenden
und radial auf Abstand davon liegenden Gebiet fließt ein Fluss 32 aus
Kaffeeextrakt radial zur Auslauföffnung 19,
wie durch breite Pfeile 33 angedeutet. Weiter nach innen,
in dem Gebiet einer stromaufwärts
verlaufenden Kante 34 der Auslauföffnung 19 biegt der
Kaffeefluss 32 um die genannte stromaufwärts verlaufende
Kante der Auslauföffnung 19,
wie mit Gruppen von Pfeilen 35 angedeutet wird. Wegen der
nach innen gerichteten radialen Geschwindigkeit des Kaffeeflusses 32 im Gebiet
der stromaufwärts
verlaufenden Kante 34 der Auslauföffnung 19 folgt der
Kaffeefluss 32 nicht der Düsenfläche in die Auslauföffnung 19,
sondern trennt sich von der Düsenfläche an der
stromaufwärts
verlaufenden Kante 34 der Auslauföffnung 19. Somit bildet
die stromaufwärts
verlaufende Kante 34 der Auslauföffnung 19 dort, wo
der Kaffeefluss 32 von der Düsenfläche her kommt, effektiv eine
Trennkante.
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Dies
bringt mit sich, dass der einen Strahl 39 bildende Kaffeefluss 32 in
der Auslauföffnung 19 nicht
mit der Innenfläche
der Auslauföffnung 19 in Berührung steht.
Daher wird er nicht durch hydrostatischen und hydrodynamischen Strömungswiderstand
entlang dieser Oberfläche
gestört,
so dass ein glatter Strahl 39 erhalten wird, der sich als
sehr wirksam erwies, um ein Aufschäumen des Kaffeeextraktes zu
bewirken, wenn dieser auf die Oberfläche einer Lache aus Kaffeeextrakt
trifft, die sich unter der Düse 22 gesammelt
hat. Es wird deutlich sein, dass eine glatte laminare Strömung in
dem die Auslauföffnung
erreichenden Kaffeeextrakt für
eine kontinuierliche, wirksame Trennung an der stromaufwärts verlaufenden
Kante 34 der Auslauföffnung 19 wichtig
ist, die dazu führt,
dass ein glatter Strahl 39 von konstanter Kraft und Feinheit
auf die Lache aus Kaffeeextrakt, die sich stromabwärts von
der Düse
gesammelt hat, trifft und dadurch die Bildung eines gleichmäßigen, feinen
Schaums auf dem Kaffeeextrakt bewirkt.
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Fertigungstechnisch
gesehen ist es vorteilhaft, dass zum Erhalten eines glatten Strahls
nur die Trennkante 34 scharf und glatt zu sein braucht
und mit relativ engen Toleranzen hergestellt werden muss. Die Innenfläche der
Auslauföffnung 19 und das
stromabwärts
verlaufende Ende der Auslauföffnung
können
mit relativ weiten Toleranzen hergestellt werden und brauchen nicht
besonders glatt zu sein. Solche Anforderungen passen besonders gut
zu den Eigenschaften des Metallstanzens, das die Herstellung von
Düsen zu
sehr geringen Kosten und mit hoher Fertigungsrate zulässt. Wenn
die Auslaufdüse von
einem Stanzwerkzeug ausgestanzt wird, das in den Metallzuschnitt
von der Seite eintritt, die die stromaufwärts verlaufende Seite der Düse bilden soll,
dann kann relativ einfach eine glatte Trennkante 34 mit
exakter, vorzugsweise ebener, kreisförmiger Form erhalten werden.
Das Stanzwerkzeug schneidet entlang etwa Zweidrittel der Höhe des Loches durch
das Metall, um die Auslauföffnung 19 zu
formen, wobei somit eine relativ glatte Oberfläche gebildet wird, sodass eine
Berührung
mit dem nahe dem stromaufwärts
verlaufenden Gebiet der Innenfläche der
Auslauföffnung 9 laufenden
Kaffeestrahl 3 gewährleistet
ist. Entlang etwa dem letzten Drittel der Höhe des Loches zum Formen der
Auslauföffnung wird
das Metall weniger genau abgeschnitten, was zu einer relativ rauen
Oberfläche
und der Bildung eines Grats führt.
Innerhalb relativ leicht einzuhaltender Toleranzgrenzen stören derartige
Unvollkommenheiten den Kaffeefluss 32, der entlang den
stromabwärts verlaufenden
Abschnitten der Innenwandung der Auslauföffnung 19 in einem
verhältnismäßig großen Abstand
läuft,
jedoch nicht.
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Um
eine wirksame Trennung des Flusses an der ansteigenden Kante 34 der
Auslauföffnung
zu verschaffen, ist die genannte Kante vorzugsweise scharf. Die
durch Stanzen aus der stromaufwärts
verlaufenden Seite ohne Nachbearbeitung der Kante, um sie mehr oder
weniger scharf zu machen, erreichbare Schärfe ist gewöhnlich ausreichend. Eine geeignete
Schärfe
kann auch auf andere Weise erhalten werden, beispielsweise durch
Bohren, Schleifen oder durch Druckguss oder Spritzguss der Düse. Die
Düse kann
auch aus Keramikmaterial hergestellt sein, sofern dieses fein genug
ist, um die gewünschte
Glätte der
stromaufwärts
verlaufende Trennkante 34 zu verschaffen.
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Um
zu vermeiden, dass der Strahl 39 die Innenfläche der
Auslauföffnung
in einem Gebiet stromabwärts
auf Abstand von der Trennkante 34 berührt, ist die Höhe der Auslauföffnung 19 vorzugsweise kleiner
als ihre kleinste Querschnittsbreite, und noch bevorzugter kleiner
als die Hälfte
der kleinsten Querschnittsbreite. Gemäß dem vorliegenden, am meisten
bevorzugten Ausführungsbeispiel
hat die Auslauföffnung 19 einen
Durchmesser von 0,6 bis 1,0 mm und eine Höhe von 0,2 bis 0,4 mm, und
der Radius der Trennkante 34 ist vorzugsweise kleiner als 0,1
mm. Wenn sich die Auslauföffnung 19 zu
ihrem stromabwärts
verlaufenden Ende nach außen
erweitert und nicht einen konstanten Querschnitt hat, wie in dem
vorliegenden Beispiel, kann sie länger sein, ohne eine Berührung zwischen
dem Strahl 39 und ihrer Innenfläche zu bewirken.
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5 zeigt
ein alternatives Ausführungsbeispiel
für einen
erfindungsgemäßen Padträger 65. Gemäß diesem
Beispiel fällt
der Boden 64 allmählich nach
innen und weg von den distalen Enden der Trägervorsprünge zu einem ringförmigen Abschnitt 77 hin
ab, wo der Boden 64 steiler abfällt, um die Fließgeschwindigkeiten,
mit denen der Kaffeeextrakt zum Gebiet stromaufwärts von der Düse 72 herausfließt, zu verringern.
Die Düse 88 hat
eine ebene stromaufwärts
verlaufende Fläche 81,
die einen ebenen innersten Abschnitt des Bodens 64 bildet,
sodass eine effektive, schaumverbessernde Verdichtung von Kaffeeextrakt
unmittelbar stromaufwärts
von der Düse 22 erhalten
wird.