DE102011102734A1

DE102011102734A1 - Vorrichtung zum Aufschäumen von Milch, Getränkebereiter mit dieser Vorrichtung und Verfahren zum Aufschäumen von Milch

Info

Publication number: DE102011102734A1
Application number: DE102011102734A
Authority: DE
Inventors: Torsten Bönsch; Sander Dollner; Johannes Bais; Marcus Ludwig
Original assignee: WMF Group GmbH
Current assignee: WMF Group GmbH
Priority date: 2011-05-20
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2012-11-22
Also published as: US9381473B2; US20140197554A1; WO2012159729A1; EP2709502A1; JP2014516679A; WO2012159729A8

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Aufschäumen einer Flüssigkeit, insbesondere von kalter und/oder nicht erhitzter Milch, mit einer Flüssigkeitszuleitung zum Zuleiten der Flüssigkeit, einer in die Flüssigkeitszuleitung mündenden Luftzuleitung zum Zuleiten von Luft in die Flüssigkeit, einer stromabwärts der Mündung der Luftzuleitung in die Flüssigkeitszuleitung ausgebildeten Ableitung zum Abführen des Gemisches aus Flüssigkeit und Luft, einer zum Fördern der Flüssigkeit durch die Flüssigkeitszuleitung und/oder des Gemisches durch die Ableitung vorgesehenen, ersten Fördereinheit, insbesondere einer Pumpe, und einer stromabwärts der Mündung in der Ableitung vorgesehenen Mischeinheit, wobei die Mischeinheit mindestens eine Engstelle umfasst oder als Engstelle der Ableitung ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Aufschäumen einer Flüssigkeit, insbesondere von kalter und/oder nicht aktiv erhitzter Milch, auf einen Getränkezubereiter, der eine solche Vorrichtung enthält (insbesondere auf einen elektrisch betriebenen Kaffeevollautomaten) sowie auf ein Verfahren zum Aufschäumen einer Flüssigkeit.
Die Zubereitung kalter Kaffeegetränke erfährt eine wachsende Nachfrage. Insbesondere in asiatischen Ländern gibt es in den Sommermonaten ein reichhaltiges Angebot derartiger Getränke. Die Zubereitung derartiger Getränke erfolgt in der Regel dadurch, dass der heißgebrühte Kaffee in ein Gefäß mit Eiswürfeln abgegeben wird. Auch gibt es bereits die nachfolgend beschriebene Lösung aus dem Stand der Technik, um die Milchkomponente für Kaffeespezialitäten wie beispielsweise Cappuccino kalt zuzubereiten bzw. kalten Milchschaum zu erzeugen.
Aus dem Stand der Technik ( DE 20 2009 011 184 U1 ) ist somit bereits ein Gerät zum Aufschäumen einer Flüssigkeit wie Milch bekannt. Bei diesem Gerät werden die Flüssigkeit und Luft mit einer Pumpe angesaugt und in dieser Pumpe vermischt (zusätzlich kann dann der Pumpe auch noch Dampf zugeführt werden, um erhitzten Milchschaum zu erzeugen). Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung ist es jedoch nicht möglich, die Konsistenz des Milchschaums zu variieren bzw. wie gewünscht einzustellen. Aus dem Stand der Technik ( EP 2 042 063 A1 ) ist darüber hinaus eine Anordnung zum Erzeugen von Milchschaum bekannt, bei der der Milchschaum in einem Mischabschnitt erzeugt wird, der als Mischelement mit einer komplexen, zum mehrfachen Umlenken des Milch-Luft-Gemisches geeigneten Struktur ausgebildet ist.
Auch kennt der Stand der Technik ( WO 2008/083941 A1 ) eine Vorrichtung zum Erzeugen von Milchschaum, bei der eine einzige Pumpe sowohl zum Fördern von Milch, als auch zum Ansaugen der zum Erzeugen des Schaums notwendigen Luft vorgesehen ist.
Vorrichtungen zum Erzeugen von Milchschaum zeigen auch die US 2009/0092728 A1 , die EP 1 519 670 B1 sowie die EP 2 294 952 A1 .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher ausgehend vom Stand der Technik eine Vorrichtung zum Aufschäumen einer Flüssigkeit (insbesondere Milch) insbesondere auch in kalter, also nicht erhitzter Form, zur Verfügung zu stellen, mit der die Konsistenz des erzeugten Schaumes (insbesondere Milchschaum) auf einfache Art und Weise beeinflusst, also verändert werden kann. Aufgabe ist es darüber hinaus, eine solche Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die eine einfache und/oder kompakte Bauform aufweist und mit geringem Aufwand zu reinigen ist. Schließlich ist die Aufgabe der Erfindung das Bereitstellen eines Getränkezubereiters (insbesondere: Kaffeevollautomat), der mit einer erfindungsgemäßen Aufschäumvorrichtung versehen ist. Auch ein entsprechendes Aufschäumverfahren ist Ziel der vorliegenden Erfindung.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Aufschäumen einer Flüssigkeit (nachfolgend vereinfacht auch als „die Vorrichtung” bezeichnet) gemäß Anspruch 1, durch einen Getränkezubereiter gemäß Anspruch 12 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten lassen sich jeweils den abhängigen Ansprüchen entnehmen.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung zunächst allgemein, dann anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Die in den einzelnen Ausführungsbeispielen in Kombination miteinander verwirklichten Konstruktionsmerkmale müssen dabei im Rahmen des durch die Patentansprüche vorgegebenen Schutzumfangs nicht genau in den in den Beispielen gezeigten Konfigurationen verwirklicht sein, sondern können auch auf andere Art und Weise konstruktiv umgesetzt werden. Insbesondere können einzelne der gezeigten Merkmale auch weggelassen werden, an anderen Positionen der Vorrichtung realisiert sein oder auf andere Art und Weise mit weiteren Konstruktionsmerkmalen zusammenwirken. Dabei ist es insbesondere auch möglich, einzelne Baugruppen eines gezeigten Ausführungsbeispiels in einem anderen der gezeigten Ausführungsbeispiele zu verwirklichen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Flüssigkeitszuleitung auf, mit der, z. B. aus einem separaten Gefäß wie beispielsweise einem Tetrapak, die aufzuschäumende Flüssigkeit in die Vorrichtung geleitet werden kann. In diese Flüssigkeitszuleitung mündet eine Luftzuleitung, mit der der aufzuschäumenden Flüssigkeit Luft zugeführt werden kann. Stromabwärts der Mündung der Luftzuleitung in die Flüssigkeitszuleitung ist eine Ableitung ausgebildet, mit der das Gemisch aus Flüssigkeit und Luft abgeführt werden kann, beispielsweise in ein externes Gefäß wie z. B. eine Tasse. Darüber hinaus ist eine erste Fördereinheit vorgesehen (die insbesondere als Pumpe bzw. Milchpumpe ausgebildet sein kann) die dem Fördern der Flüssigkeit durch die Flüssigkeitszuleitung und/oder des Gemisches aus Flüssigkeit und Luft durch die Ableitung dient. Stromabwärts der Mündung der Luftzuleitung in die Flüssigkeitszuleitung ist eine Mischeinheit vorgesehen, die dem Vermischen der Flüssigkeit mit der Luft (also z. B. dem Dispergieren der Luft in Blasenform in der Flüssigkeit) dient. Diese Mischeinheit, die im einfachsten Fall als ein Rohrabschnitt der Ableitung, in dem eine Blende zur Verringerung des Rohrinnenquerschnitts eingesetzt ist, ausgebildet sein kann, umfasst mindestens eine Engstelle oder ist als Engstelle(n) der Ableitung ausgebildet. Die vorbeschriebene Mischeinheit kann somit aus lediglich einer Engstelle der Ableitung bestehen, jedoch auch mehrere Engstellen in der Ableitung umfassen.
Bei dieser/diesen Engstelle(n) kann es sich insbesondere um (eine) auf Basis einer/von Blende(n) realisierte Querschnittsverengung(en) handeln. Wie nachfolgend noch beispielhaft beschrieben, sind jedoch auch andere Bauformen denkbar, die zu mindestens einer Querschnittsverengung in der Ableitung führen (so kann z. B. ein zu umströmendes Objekt im Inneren der Ableitung angeordnet werden, um das das Gemisch aus Flüssigkeit und Luft – bei insgesamt vergrößertem Außendurchmesser der Ableitung – herumströmen muss, wobei dann trotz des vergrößerten Außendurchmessers der Ableitung am Ort der Engstelle der durch die Differenz aus Objektquerschnitt und Ableitungsquerschnitt gegebene freie Querschnitt in der Ableitung dennoch verringert ist).
In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltungsform ist die Vorrichtung zum aktiven Einbringen von Luft über die Luftzuleitung in die Flüssigkeit ausgebildet. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass eine weitere (aktive), also zweite Fördereinheit (insbesondere: eine Luftpumpe) vorgesehen ist. Diese zweite Fördereinheit ist bevorzugt in der Luftzuleitung angeordnet (wobei die Vorrichtung in diesem Falle somit zwei Fördereinheiten, in einer bevorzugten Variante genau zwei Fördereinheiten aufweist). Sowohl die vorbeschriebene erste Fördereinheit, als auch die zweite Fördereinheit kann z. B. mit einer mikroprozessorbasierten Steuereinheit angesteuert werden, so dass die von der/den Fördereinheit(en) pro Zeiteinheit geförderte Fluidmenge (also bei der ersten Fördereinheit die pro Zeiteinheit geförderte Menge an Flüssigkeit oder auch, je nach Bauform der Vorrichtung, die pro Zeiteinheit geförderte Menge des Gemisches aus Flüssigkeit und Luft und bei der zweiten Fördereinheit die pro Zeiteinheit geförderte Luftmenge) in vorbestimmten Grenzen eingestellt werden kann. Durch eine solche aktive Ansteuerung der beiden Fördereinheiten kann somit die Konsistenz des Schaums, insbesondere des Milchschaums (also der Luftanteil im Schaum) wie gewünscht eingestellt werden. Hierzu kann beispielsweise auch eine Speichereinheit vorgesehen sein, in der entsprechende Mischverhältnisse für Luft/Flüssigkeit in Programmform abgelegt sind, die dann über Vorwahltasten am Gehäuse der Vorrichtung je nach Typ des zuzubereitenden Getränkes ausgewählt werden können.
Durch die erste und die zweite Fördereinheit kann somit bei entsprechender Steuerung oder Regelung des Verhältnisses der Förderleistung der beiden Fördereinheiten die Konsistenz des erzeugten Schaums verändert werden.
Anstelle einer zweiten Fördereinheit in Form einer Pumpe kann jedoch auch an dem der Mündung der Luftzuleitung in die Flüssigkeitszuleitung abgewandten Ende der Luftzuleitung ein Druckluftbehälter angeschlossen werden (es ist dann zusätzlich ein Ventil in der Luftzuleitung vorzusehen, mit dem die über dieser Druckluftbehälter pro Zeiteinheit durch die Luftzuleitung eingeleitete Luftmenge reguliert werden kann; auch dies kann auf Basis einer mikroprozessorbasierten Steuereinheit realisiert werden). In einer besonderen Ausführungsform weist eine einen solchen Druckluftbehälter umfassende erfindungsgemäße Vorrichtung genau eine Fördereinheit in Form einer Pumpe auf (die erste Fördereinheit).
In einer besonders bevorzugten Variante umfasst die erfindungsgemäße Mischeinheit mehrere beabstandet voneinander aufeinanderfolgend in die Ableitung integrierte Engstellen (z. B. mehrere Lochblenden, die jeweils den freien Innenquerschnitt in der Ableitung am Ort ihrer Positionierung im Vergleich zu den jeweils stromaufwärts und stromabwärts dazu liegenden Ableitungsabschnitten verringern). Benachbarte Engstellen sind dabei bevorzugt mit einem Abstand im Bereich zwischen 1 und 50 cm, bevorzugt zwischen 5 und 20 cm, in die Ableitung fest integriert (können jedoch bei Bedarf auch als variable Blenden z. B. in Form von Lamellenblenden realisiert sein, die, z. B. durch die vorbeschriebene Steuereinheit angesteuert, eine Veränderung des freien Innenquerschnitts der Querschnittsverengung erlauben).
Die vorbeschriebene Variante mit mindestens zwei (insbesondere zum Erreichen einer kompakten Bauform genau zwei) aufeinanderfolgenden Engstellen der Ableitung bewirkt eine besonders gute Mischung und anschließende Entspannung des Luft-Flüssigkeitsgemisches bzw. Luft-Milchgemisches. Dabei können die mehreren nacheinander durchströmten Engstellen in der Ableitung auch düsenförmig oder eben als scharfkantige Blenden ausgebildet sein. In jedem Fall erfolgt bei diesem mehrfachen Vorsehen aufeinanderfolgender Engstellen in definiertem Abstand der Druckabfall in der Ableitung nicht in einem Schritt, sondern mindestens zweistufig.
Besonders vorteilhaft ist es, zwei aufeinanderfolgende Engstellen vorzusehen, bei denen das Verhältnis F_a/F_b der freien Querschnittsfläche F_a der stromaufwärts liegenden Engstelle und der freien Querschnittsfläche F_b der stromabwärts liegenden Engstelle im Bereich zwischen 1/1.05 und 1/16, bevorzugt im Bereich zwischen 1/1.1 und 1/2.0 liegt.
Durch Vorsehen mehrerer aufeinanderfolgender Engstellen in definiertem/en Abstand/Abständen können, insbesondere wenn die freien Querschnittsflächen (also die Öffnungen) der einzelnen Engstellen wie vorstehend beschrieben auf unterschiedliche Werte eingestellt werden, die Schaummenge, die Porigkeit, die Stabilität und die Konsistenz des erzeugten Schaums (insbesondere Milchschaums) wie gewünscht beeinflusst werden. Eine wichtige Rolle spielt dabei die Wahl unterschiedlicher Blenden- oder Drosselquerschnitte, wenn die Engstellen in Form von Blenden oder Drosseln ausgebildet sind.
Wird der entsprechende Engstellenstreckenabschnitt der Ableitung als entfernbares und wieder einsetzbares Ableitungsstück der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgebildet, so lässt sich zudem eine einfache Reinigung der Mischeinheit sicherstellen (sofern gewünscht, kann auch ein Spülanschluss zum Zuführen von Reinigungsflüssigkeit in den entsprechenden Streckenabschnitt oder auch für andere Streckenabschnitte, in denen die Flüssigkeit oder das Gemisch aus Flüssigkeit und Luft geführt wird, integriert werden).
Für die konkrete konstruktive Ausbildung der Engstelle(n) ergeben sich erfindungsgemäß mehrere Möglichkeiten:
So kann/können die Engstelle(n) als Drosselventil, als Nadelventil oder als Düse ausgebildet werden. Ebenso ist eine Ausbildung als Klemme, insbesondere als Schlauchklemme möglich, mit der ein flexibler Teil der Ableitung (z. B. kann dieser Teil oder auch die gesamte Ableitung als flexibler Schlauch ausgebildet sein) zum Erzeugen einer Engstelle mit einem durch die Konstruktion der Schlauchklemme bestimmten, vorbestimmten Druck zusammengedrückt werden kann. In einer bevorzugten Variante ist die schlauchklemmenbasierte Engstelle so ausgeführt, dass einer progressiven Verengung eine degressive Erweiterung folgt, d. h. die Querschnittsverminderung auf der stromaufwärtigen Eingangsseite der Engstelle ist auf einer vergleichsweise kurzen Strecke von z. B. 0.5 cm realisiert, wohingegen die Erweiterung des Querschnitts auf der stromabwärtigen Seite der Engstelle mit geringerer Steigung, also auf einem längeren Abschnitt der Ableitung erfolgt (z. B. über eine Strecke von 3 bis 5 cm).
Die Engstelle(n) kann/können wie bereits angedeutet auch als Blende(n) realisiert werden. Dabei kann die Blende insbesondere als querschnittsverengende Lochblende in einen Abschnitt der Ableitung eingebracht werden. Der innere Lochdurchmesser kann hierbei bevorzugt zwischen 0.5 und 2 mm betragen. Z. B. durch die vorbeschriebene Steuereinheit angesteuerte Blenden mit variablem Lochdurchmesser im vorbeschriebenen Bereich (z. B. Lamellenblenden) sind ebenso möglich wie Blenden mit festgelegtem Innenlochdurchmesser im vorbeschriebenen Bereich.
Auch Ringspaltblenden mit variabler Spaltbreite wie auch mit festgelegter Spaltbreite sind möglich (hierbei kann die Spaltbreite z. B. im Bereich zwischen 0.25 und 1 mm variiert werden oder auf einen definierten Wert aus diesem Bereich fixiert sein).
Auch eine Konstruktion einer Engstelle als sich in stromabwärtige Richtung um einen zentralen Konus stetig erweiternder, langgestreckter Ringspalt ist möglich. Die Spaltlänge kann dabei in Strömungsrichtung im Bereich zwischen 1 cm und 15 cm betragen. Die Spaltbreite am stromaufwärtigen Ende des langgestreckten Ringspaltes kann zwischen 0.25 und 1 mm liegen, der Ringspalt erweitert sich dann zum stromabwärtigen Ende hin bis zu einer Endspaltbreite im Bereich von z. B. zwischen 1 und 5 mm. Die vorbeschriebene Variante eines langgestreckten Ringspaltes als Engstelle hat insbesondere den Vorteil, dass sich das Gemisch aus Flüssigkeit und Luft vergleichsweise langsam und stetig entspannen kann, ohne dass sich unerwünschte grobe Luftblasen ausbilden: Es kommt hierdurch zu einer sehr guten Durchmischung und einer optimierten Konsistenz des erzeugten Schaumes.
Bei allen vorbeschriebenen Ausführungsformen können die Engstellen entweder mit veränderlicher freier Querschnittsfläche oder mit einer fest eingestellten freien Querschnittsfläche ausgebildet sein.
Zusätzlich zu der mindestens einen Engstelle der Mischeinheit kann stromabwärts derselben ein Streckenabschnitt der Ableitung als Beruhigungsstrecke ausgebildet sein, mit der der turbulente Anteil des strömenden Gemisches aus Flüssigkeit und Luft verringert werden kann, also der laminare Anteil dieses Gemisches vergrößert werden kann. Dieser Streckenabschnitt kann im einfachsten Fall durch einen Leitungsabschnitt mit konstantem freien Innenquerschnitt realisiert sein, der vorzugsweise eine Länge zwischen 5 und 50 cm, bevorzugt zwischen 30 und 50 cm aufweist (der Abschnitt muss dabei nicht als gerader Abschnitt ausgebildet sein, sondern kann z. B. auch mäanderförmig verlaufen). Für ein optimales Beruhigen des Gemisches aus Flüssigkeit und Luft und einen möglichst hohen Grad an Laminarität in der Strömung dieses Gemisches sind dabei insbesondere die längeren Beruhigungsstrecken von 30 bis 50 cm vorteilhaft, die zu einem graduellen Druckabfall mit geringer Druckdifferenz pro Längeneinheit führen.
Erfindungsgemäß ist eine unterschiedliche Positionierung der ersten Fördereinheit (Milchpumpe bzw. Gemischpumpe) möglich: Die erste Fördereinheit kann stromaufwärts der Mündung der Luftzuleitung in die Flüssigkeitszuleitung angeordnet werden. In diesem Falle wird die Luft nach der ersten Fördereinheit und somit zwangsweise aktiv (über die zweite Fördereinheit oder den Druckbehälter) eingebracht. Ebenso ist es jedoch möglich, die erste Fördereinheit im Bereich der vorbeschriebenen Mündung anzuordnen (z. B. gar diese Mündung als Teil der ersten Fördereinheit auszubilden, indem z. B. sowohl ein Einlass für die Flüssigkeit als auch ein Einlass für die Luft sowie ein Auslass für das Gemisch in der ersten Fördereinheit vorhanden sind). Schließlich ist es auch möglich, die erste Fördereinheit stromabwärts der vorbeschriebenen Mündung anzuordnen, so dass in diesem Falle die Luft vor der ersten Fördereinheit eingebracht wird. (In diesem Fall kann die Vorrichtung zum Aufschäumen entweder zum aktiven Einbringen der Luft z. B. über eine zusätzliche, zweite Fördereinheit ausgebildet sein oder auch zum passiven Einbringen von Luft, indem die erste Fördereinheit sowohl die Flüssigkeit als auch die Luft ansaugt.)
In der Regel ist bei der vorliegenden Erfindung die mindestens eine Engstelle umfassende Mischeinheit stromabwärts der ersten Fördereinheit in die Ableitung integriert. Es ist jedoch auch denkbar, die Mischeinheit in einen stromabwärtigen Auslass der ersten Fördereinheit zu integrieren, also die Mischeinheit als Teil der ersten Fördereinheit auszubilden.
In einer weiteren vorteilhaften Variante umfasst die Ableitung einen bevorzugt stromabwärts der Mischeinheit ausgebildeten zusätzlichen Mischbereich, in den eine Dampfzuleitung einmündet. Mit der Dampfzuleitung kann dem durch den Mischbereich strömenden Gemisch aus Flüssigkeit und Luft zusätzlich Dampf aus einem Dampferzeuger oder auch eine vorbestimmte Mischung aus Luft und Dampf zugesetzt werden. Im einfachsten Fall ist dieser Mischbereich als einfaches, T-förmiges Leitungsstück ausgebildet. Jedoch ist es auch möglich, am Ort der Zusammenführung des Gemisches aus Flüssigkeit und Luft und des Dampfes bzw. des Dampf-Luft-Gemisches einen komplexer geformten separaten Mischbereich zum Emulgieren des über die Dampfzufuhr erhitzten Milchschaums vorzusehen, bevor schließlich die Mischung aus Flüssigkeit, Luft und teilweise oder vollständig kondensiertem Dampf aus diesem Mischbereich abgeführt wird.
Eine besondere Ausführungsform der mit einer Dampfzuleitung versehenen erfindungsgemäßen Vorrichtung kann zum aktiven Einbringen von Luft in die Dampfzuleitung ausgebildet sein (zum Erzeugen des Gemisches aus Luft und Dampf, das schließlich in das Gemisch aus Flüssigkeit und Luft eingebracht wird). Dies geschieht beispielsweise durch eine dritte Fördereinheit (insbesondere: Pumpe) zum Fördern von Luft, die z. B. in einer in die Dampfzuleitung einmündenden weiteren Luftzuführleitung integriert sein kann. Auch ist es möglich, einen weiteren Druckluftbehälter vorzusehen, der an dem der Mündung einer solchen weiteren Luftzuführleitung in die Dampfzuleitung abgewandten Ende der weiteren Luftzuführleitung an letztere angeschlossen ist.
In einer weiteren Ausgestaltungsvariante ist der vorbeschriebene Mischbereich der Aufschäumvorrichtung als Venturidüse ausgebildet. Die in den Mischbereich führende Dampfzuleitung bildet dabei den Einlass der Venturidüse und der in der stromabwärtigen Richtung aus dem Mischbereich führende Abschnitt der Ableitung den Auslass der Venturidüse (diese beiden Abschnitte können als zwei gegeneinander gerichtete Konen ausgebildet sein, die an der Stelle ihres geringsten Durchmessers vereint sind). Der aus der stromaufwärtigen Richtung in den Mischbereich führende Abschnitt der Ableitung bildet dann das Abnahmerohr der Venturidüse (dieses Abnahmerohr ist dann z. B. an der vorbeschriebenen Stelle des geringsten Durchmessers platziert).
Die vorbeschriebene Ausgestaltungsvariante kann vorzugsweise (z. B. durch eine Vorwahltaste am Gerät) zwischen einem Betriebsmodus zum Erzeugen von heißem Schaum und einem Betriebsmodus zum Erzeugen von kaltem Schaum umgeschaltet werden: Beim Erzeugen von kaltem Schaum erfolgt kein Zuführen von Dampf (der Dampfpfad wird z. B. durch ein Ventil verschlossen, in diesem Falle werden Flüssigkeit und Luft mittels der ersten oder der ersten und der zweiten Fördereinheit der Mischeinheit zugeleitet, vermischt und abgeleitet. Im Betriebsmodus zum Erzeugen von heißem Schaum kann (Öffnen des Dampfpfades) dem Gemisch aus Flüssigkeit und Luft zusätzlich heißer Dampf aus dem Dampferzeuger zugesetzt werden. Hierbei kann, zum optimierten Betrieb des Mischbereiches als Venturidüse, eine Bypassleitung vorgesehen sein, die stromaufwärts der ersten Fördereinheit aus der Flüssigkeitszuleitung abzweigt und entweder stromabwärts der Mischeinheit in die Ableitung einmündet oder stromaufwärts der Mischeinheit, aber stromabwärts der ersten Fördereinheit in die Flüssigkeitszuleitung und/oder die Ableitung einmündet. Die Abzweigung der Bypassleitung aus der Flüssigkeitszuleitung kann in Form einer Mehrwege-Umschalteinheit (insbesondere: z. B. Dreiwegeventil, es kann aber auch ein Schlauchklemmventil in der Bypassleitung anstelle eines solchen Ventils vorhanden sein) ausgebildet sein, mit der/dem die zuzuleitende Flüssigkeit wahlweise entweder über die Bypassleitung oder über die erste Fördereinheit hin zur Ableitung geführt werden kann. Im Betriebsmodus zum Erzeugen von heißem Schaum kann somit der über die erste Fördereinheit führende Pfad mit Hilfe der vorbeschriebenen Bypassleitung umgangen werden (ebenso ggf. der Wegabschnitt über die Mischeinheit), so dass gemäß des bekannten Venturiprinzips über den durch den Mischbereich strömenden Dampf Flüssigkeit über die Bypassleitung mitgerissen wird (diese mitgerissene Flüssigkeit wird dann über den zugeführten Dampf bzw. das zugeführte Dampf-Luft-Gemisch in heißer Form aufgeschäumt).
Die erfindungsgemäße Aufschäumvorrichtung kann insbesondere in einem Getränkezubereiter (Kaffeemaschine oder elektrisch betriebener Kaffeevollautomat) integriert sein. Dabei ist dann vorzugsweise das stromabwärtige Ende der Ableitung der Aufschäumvorrichtung als separate Ausgabeleitung eines Ausgabekopfes des Getränkezubereiters ausgebildet.
Mit der vorbeschriebenen Vorrichtung, einem entsprechenden Getränkezubereiter oder auch mit einem entsprechenden Aufschäumverfahren kann sowohl kalter, als auch heißer Milchschaum hergestellt werden (bei Verzicht auf den Mischbereich mit Dampfzuleitung ist kein aktives Heizelement notwendig, es kann dann lediglich kalter Milchschaum hergestellt werden).
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben. Dabei zeigen:
1 ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel zum Herstellen von kaltem und heißem Milchschaum mit integrierter Venturidüse.
2 ein zweites Ausführungsbeispiel zum Herstellen von kaltem wie heißem Milchschaum ohne Venturidüse.
2a ein drittes Ausführungsbeispiel zum Herstellen von kaltem wie heißem Milchschaum ohne Venturidüse.
3 ein viertes Ausführungsbeispiel zum Herstellen von kaltem wie heißem Milchschaum mit Beruhigungsstrecke.
4 ein Beispiel zum Herstellen von lediglich kaltem Milchschaum.
Bei den nachfolgend gezeigten vier Ausführungsbeispielen der 1 bis 3 ist die erfindungsgemäße Aufschäumvorrichtung in einen Kaffeevollautomaten an sich bekannter Bauart integriert. Vom Kaffeevollautomaten ist dabei lediglich der Ausgabekopf 19 gezeigt, in den das stromabwärtige Ende der Ableitung des jeweiligen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Aufschäumvorrichtung als separate Ausgabeleitung integriert ist (über die andere Ausgabeleitung kann dann Kaffee in kalter oder heißer Form abgegeben werden). Das Beispiel der 4 zeigt eine als eigenständiges Gerät ausgebildete erfindungsgemäße Vorrichtung. Auch die Geräte der 1 bis 3 können aber eigenständig ausgebildet sein.
1 zeigt eine erste erfindungsgemäße Aufschäumvorrichtung, die in einen Kaffeevollautomaten integriert ist. Die Vorrichtung umfasst eine Milchzuleitung 1, in die eine Milchpumpe (erste Fördereinheit 5) integriert ist. Das milchpumpenstromaufwärtige Ende der Milchleitung 1 ist in ein externes Behältnis B mit Milch M in Form eines Tetrapacks eingetaucht. Zwischen diesem Ende der Milchleitung 1 und der Milchpumpe 5 ist ein Dreiwegeventil 16 in die Milchleitung 1 integriert.
Eine Luftzuleitung 2 mündet mittels einer als einfaches T-förmiges Leitungsstück ausgebildeten Mündung 3 stromabwärts (in Richtung der Milchförderung gesehen) der Pumpe 5 in die Milchleitung 1. An ihrem der Mündung 3 abgewandten, luftstromaufwärtigen Ende ist eine zweite Fördereinheit (Förderpumpe 8) in die Luftzuleitung 2 integriert. Zudem mündet eine weitere Luftzuführleitung 30 zwischen der Luftpumpe 8 und der Mündung 3 in die Luftzuleitung 2. An dieser weiteren Luftzuführleitung 30 ist ein Sperrventil 20 sowie stromaufwärts des Sperrventils 20 (an dem der Mündung in die Luftzuleitung 2 abwandten Ende) ein Druckluftbehälter 9 ausgebildet. Über die Mündung 3 kann der stromabwärts der Milchpumpe 5 in der Milchleitung 1 fliessenden (über die Milchpumpe 5 aus dem Behälter B angesaugten) Milch M somit auf zwei unterschiedliche Arten Luft L in vorbestimmter Menge zugesetzt werden: entweder (bei Schließen des Ventils 20) durch Ansaugen von Luft L aus der Umgebung mittels der Luftpumpe 8, oder (bei Einstellen des Betriebes der Pumpe 8 und bei geöffnetem Ventil 20) aus dem Druckluftbehälter 9. Die Fördermenge an Milch M pro Zeiteinheit durch die Milchpumpe 5, die Fördermenge an Luft L pro Zeiteinheit durch die Luftpumpe 8 sowie der Öffnungsgrad des Ventils 20 können durch eine hier nicht gezeigte mikroprozessorbasierte Steuereinheit jeweils auf einen gewünschten Wert (der beispielsweise indirekt mittels einer Getränkewahltaste am hier nicht gezeigten Gehäuse des Kaffeevollautomaten bestimmt werden kann) eingestellt werden.
Das Verhältnis der pro Zeiteinheit z. B. durch die Pumpe 8 durch die Leitung 2 geförderten Luftmenge und der durch die Pumpe 5 durch die Milchleitung 1 angesaugten Menge an Milch M bestimmt somit das stromabwärts der Mündung 3 abgeführte (über die Ableitung 4) Gemisch M/L aus Milch M und Luft L: je höher der Luftanteil im Vergleich zum Milchanteil M desto stärker wird die angesaugte Milch aufgeschäumt.
Die stromabwärtige Seite der Mündung 3 ist als Ableitung 4 ausgebildet, die letztendlich zum Abführen des Gemisches M/L aus Milch M und Luft L in ein externes Behältnis in Form einer Tasse T dient (über den nachfolgend noch beschriebenen Ausgabekopf 19 des Kaffeevollautomaten).
In Strömungsrichtung des Gemisches M/L gesehen ist nach der Mündung 3 in der Ableitung 4 zunächst eine Mischeinheit 6 ausgebildet. Diese Mischeinheit 6 umfasst hier zwei getrennte Engstellen 7a und 7b in der Ableitung 4. Der mit der Mischeinheit 6 versehene Abschnitt der Ableitung ist dazu als starrer Rohrabschnitt ausgebildet, in dem beabstandet voneinander die beiden Engstellen 7a, 7b in Form von den freien in Querschnitt des Ableitungsrohres verringernden Lochblenden ausgebildet sind. Die beiden Engstellen bzw. Lochblenden 7a, 7b sind hier im Abstand von z. B. 10 cm (in Strömungsrichtung des Gemisches M/L gesehen) in die Abteilung 4 integriert. Dieser Abstand kann ganz allgemein zwischen 1 und 50 cm, bevorzugt zwischen 5 und 20 cm liegen. Die stromaufwärtige, der Pumpe 5 zugewandte erste Lochblende 7a weist einen Lochdurchmesser von z. B. 1 mm auf. Die stromabwärtige, der Pumpe 5 abgewandten zweite Lochblende 7b weist einen Lochdurchmesser von z. B. 1.5 mm, also einen größeren Lochdurchmesser als die erste Lochblende 7a auf. Ganz allgemein kann der Lochdurchmesser der Blenden zwischen 0.5 und 2 mm variieren. Der freie Innenquerschnitt des Ableitungsabschnittes der Ableitung 4, in den die beiden Lochblenden 7a, 7b integriert sind, weist in den Bereichen außerhalb der Lochblenden einen Innendurchmesser von z. B. 3 mm auf. Somit sind in diesem Ableitungsabschnitt zwei Engstellen, eine stromaufwärtige, stärkere Verengung 7a und eine stromabwärtige, wenige starke Verengung 7b realisiert, die zu einem zweistufigen Druckabfall für das in der Ableitung 4 strömende Gemisch M/L führen. Dieser zweistufige Druckabfall ermöglicht ein optimiertes Vermischen von Milch M und Luft L im Gemisch M/L, eine optimierte Dispersion kleiner Luftblasen in der Milch M und somit eine optimierte Schaumkonsistenz des Milchschaums (die Konsistenz kann hier insbesondere durch ein Veränderung des über die Luftzuleitung 2 zugeführten Luftanteils L eingestellt werden).
Das stromaufwärts der Milchpumpe 5 in der Michleitung 1 ausgebildete Dreiwegeventil 16 ermöglicht in einem ersten Schaltzustand ein Durchleiten der Milch M vom Behälter B über die Pumpe 5 und die Mündung 3 in die Ableitung 4. In einem zweiten Schaltzustand verbindet das Dreiwegeventil 16 den stromaufwärts der Pumpe 5 liegenden Teil der Milchleitung 1 über eine Bypassleitung 15 mit dem stromabwärts der beiden Blenden 7a, 7b liegenden Teil der Ableitung 4, indem der stromabwärtige Teil der Bypassleitung 15 über eine als einfaches T-förmiges Leitungsstück ausgebildete Einmündung 17 inden stromabwärtes der Blende 7b liegenden Teil der Ableitung 4 einmündet. Im zweiten Schaltzustand des Dreiwegeventils 16 erfolgt somit eine Umgehung der Milchpumpe 5, der Mündung 3 und der Mischeinheit 6.
In der bisher beschriebenen Ausführungsform mündet die Luftzuleitung 2 mit ihrem stromabwärtigen Ende zwischen der Milchpumpe 5 und der stromaufwärtigen Blende 7a in die Flüssigkeitszuleitung 1. Alternativ dazu ist jedoch hier (wie auch in den folgenden Ausführungsbeispielen) auch eine konstruktive Realisierung denkbar, bei der das stromabwärtige Ende der Luftzuleitung 2 (die in diesem Falle mit dem Bezugszeichen 2' versehen ist) über eine stromaufwärts der Pumpe 5 sowie des Dreiwegeventils 16 angeordnete Mündung (Bezugszeichen 3') in die Milchleitung 1 führt. Im letzteren Fall ist das erforderliche Druckniveau für die Luft geringer und es ist einfacher das unerwünschte Eindringen von Milch in die Luftleitung zu unterbinden. Wird Luft 2 stromabwärts der Pumpe 5 eingeleitet, so muss der Luftdruck höher sein, als wenn Luft 2' stromaufwärts der Pumpe eingeleitet wird. Das Eindringen von Milch in die Luftzuleitung ist im Fall des stromaufwärtigen Einleitens 3' einfacher zu verhindern, da sich vor der Pumpe 5 kein Überdruck aufbaut.
Alternativ ist es (hier wie bei den folgenden Ausführungsbeispielen) auch möglich das stromabwärtige Ende der Zuleitung 2 in der Milchpumpe 5 enden zu lassen (hier nicht gezeigt).
Im stromabwärts der Mischeinheit 6 sowie der Mündung 17 liegenden Abschnitt der Ableitung 4 ist in diese Ableitung 4 ein Mischbereich 11, die hier als Venturidüse V ausgebildet ist, integriert. Die Venturidüse ist dabei in den Abgabekopf 19 des Kaffeevollautomaten integriert (der Auslass 4b der Venturidüse V bildet eine separate Ausleitung diese Ausgabekopfes 19; eine weitere Ausgabeleitung des Ausgabekopfes 19, über die der mit dem Kaffeevollautomaten in kalter oder heißer Form hergestellte Kaffee in die externe Tasse T ausgegeben werden kann, ist hier nur angedeutet).
Den Einlass der Venturidüse V bildet das stromabwärtige Ende (siehe nachfolgend) einer Dampfzuleitung 12. Den Auslass der Venturidüse bildet das stromabwärtige Ende 4b der Ableitung 4 zur Ableitung des Gemisches M/L aus Milch und Luft oder M/L/D (siehe nachfolgend) aus Milch, Luft und Dampf in die Tasse T. Das Ende 4b der Ableitung 4 und das stromabwärtige Ende der Dampfzuleitung 12 sind hierzu durch zwei gegeneinander gerichtete Konen ausgebildet, die an der Stelle ihres geringsten Durchmessers vereint sind und dort den Mischbereich 11 ausbilden. An dieser Stelle des geringsten Durchmessers ist das Abnahmerohr 4a der Venturidüse V, das hier durch einen stromabwärts der Mündung 17 liegenden Abschnitt der Ableitung 4 ausgebildet wird, platziert. (In Fluss- bzw. Strömungsrichtung gesehen umfasst die Ableitung 4 zunächst die Mischeinheit 6, dann das T-förmige Mündungsstück 17, schließlich das Abnahmerohr 4a der Venturidüse V und am Ende den Auslass 4b der Venturidüse V zum Ableiten des Gemisches in die Tasse T.)
Stromaufwärts des Einlasses in die Venturidüse V ist die Dampfzuleitung 12 wie folgt ausgebildet: am stromaufwärtigen, der Venturidüse V abgewandten Ende ist ein an sich bekannten Dampferzeuger 18 an die Dampfzuleitung 12 angeschlossen. Zwischen dem Dampferzeuger 18 und dem venturidüsenzugewandten Ende der Dampfzuleitung 12 ist in letztere ein Absperrventil 21, mit dem die Dampfzufuhr eröffnet und wieder gestoppt werden kann, integriert.
Eine weitere Luftzuführleitung 14 mündet an ihrem stromabwärtigen Ende über ein einfaches T-förmiges Leitungsstück zwischen dem Ventil 21 und dem stromabwärtigen Ende der Dampfzuleitung 12 in letztere. In der weiteren Luftzuführleitung 14 ist an deren stromaufwärtigen Ende eine dritte Fördereinheit (Luftpumpe 13) integriert, mit der Luft L aus der Umgebung angesaugt bzw. gefördert werden und dem über das Ventil 21 zugeleiteten Dampf D zugesetzt werden kann. Die Förderleistung dieser Pumpe ist ebenfalls durch die nicht gezeigte, mikroprozessorbasierte Steuereinheit regelbar, so dass das Verhältnis der pro Zeiteinheit über die Leitung 12 in die Venturidüse V geförderten Mengen an Luft L und Dampf D, also das Mischungsverhältnis des in die Venturidüse V eingeleiteten Luft-Dampf-Gemisches L/D auf einen gewünschten Wert eingestellt werden kann. Über diese Förderung von Dampf D bzw. des Luft-Dampf-Gemisches L/D in die Venturidüse V wird aufgrund deren Engstelle 11 (Mischbereich) durch das an sich bekannte Venturiprinzip Milch M über die Bypassleitung 15 und den Abschnitt 4a angesaugt und mitgerissen (siehe nachfolgend). Somit wird durch Steuerung der drei Fördereinheiten 5, 8 und 13 (oder der beiden Fördereinheiten 5 und 13 sowie des Ventils 20) sowie des Ventils 21 ein gewünschtes Gemisch aus Milch, Luft und Dampf M/L/D über den Auslass 4b der Venturidüse 11 aus dem Ausgabekopf in die Tasse T abgeben.
Das Verhältnis an angesaugter Milch M (ggf. über die Einstellung des Ventils 16 regelbar) und an durchströmender Dampfmenge D bestimmt die Temperatur des in die Tasse T abgeleiteten Milchschaums.
Mit der gezeigten erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem gezeigten Kaffeevollautomaten kann somit in zwei unterschiedlichen Betriebsmoden sowohl kalter Milchschaum als auch heißer Milchschaum mit variabler Zusammensetzung hergestellt werden:
In einem ersten Betriebsmodus (kalter Milchschaum) wird das Ventil 21 verschlossen und das Fördern von Luft L über die Pumpe 13 eingestellt, so dass lediglich der Leistungsweg 4a, 4b der Venturidüse bzw. des Ausgabekopfs 19 zur Abgabe genutzt wird. Gemäß eines vorgewählten Mischungsverhältnisses (Pumpe 5 und Pumpe 8 bzw. Ventil 20) wird im ersten Schaltzustand des Drei-Wegeventils 16 (Bypassleitung 15 verschlossen) Milch über die Pumpe 5 gefördert, dieser Milch M über die Mündung 3 eine vorbestimmte Menge an Luft L zugesetzt, das entstehende Gemisch M/L über die Mischeinheit 6 der Ableitung 4 zweistufig entspannt und über den Leitungsweg 4a, 4b der Tasse T zugesetzt. Es befindet sich dann nicht erhitzter, also in der Regel kalter Milchschaum (entsprechend der Temperatur der Milch M im Behältnis B) in der Tasse T, dem durch geeignete Ausbildung des Kaffeevollautomaten (nicht gezeigt) z. B. kalt extrahierten Kaffee zugesetzt werden kann.
Im zweiten Betriebsmodus (heißer Milchschaum) wird die Förderung durch die Pumpe 8 eingestellt (es kann auch ein hier zusätzlich vorgesehenes stromabwärts der Pumpe 8 im Leitungsweg 2 vor der Einmündung der Leitung 30 in die Leitung 2 positioniertes Absperrventil 22 verschlossen werden) und das Ventil 20 wird verschlossen, so dass keine Luftzufuhr L über die Mündung 3 erfolgt. Sodann wird die zweite Schaltstellung des Dreiwegeventils 16 aktiviert (Umgehen der Elemente 5, 6), also der Bypassweg 15 eingestellt. Das Ventil 21 wird geöffnet (ggf. wird zusätzlich Luft über die Pumpe 13 gefördert). Der über den Leitungsweg 12, 4b strömende heiße Dampf D (bzw. das Gemisch aus Luft L und heißem Dampf D) reißt beim Strömen in die Tasse T über den Leitungsweg 1, 16, 15, 17 und 4a Milch M mittels des Venturiprinzips mit, wobei diese Milch in den Mischbereich 11 (bzw. der entsprechenden Engstelle der Venturidüse V) mit dem heißen Dampf D bzw. dem heißen Dampfanteil des Gemisches L/D aufgeschäumt wird. Der warme oder heiße Milchschaum wird dann über den Auslass 4b der Venturidüse V in die Tasse T gefördert, bevor ihm z. B. heißer Kaffee über die hier nicht gezeigte separate weitere Ausgabeleitung des Ausgabekopfes 19 zugesetzt werden kann.
In einer alternativen Ausgestaltungsform (hier nicht gezeigt) kann die Einmündung 17 der Bypassleitung 15 auch stromaufwärts der Mischeinheit 6 bzw. der beiden Blenden 7a und 7b ausgebildet sein, so dass mit diesem Bypassweg lediglich die Pumpe 5 umgangen wird. In diesem Falle können die beiden Blenden 7a, 7b nicht als starre Lochblenden, sondern als variable Blenden (z. B. Lamellenblenden) ausgeführt sein. Werden die Blenden dann durch die ebenfalls nicht gezeigte Steuereinheit angesteuert, so ist es möglich, diese Blenden im ersten Betriebsmodus (kalter Milchschaum) weniger stark zu öffnen und im zweiten Betriebsmodus (Herstellen heißen Milchschaums über eine passive Milchansaugung mittels des Venturiprinzips) stärker zu öffnen. Dies hat folgenden Vorteil: Der Volumenstrom an Milch ist regelbar und bei z. B konstantem Dampfstrom somit die Ausgabetemperatur des heißen Milchschaums bzw. der heißen Milch.
1 zeigt somit insbesondere eine Vorrichtung zum Aufschäumen mit einer Milchfördereinrichtung 5 zur Förderung und Druckerzeugung für die Milch M, einer Zuführung 2 für die Luft, einer Einbringstelle 3, in der Luft L und Milch M zusammengebracht werden und zeichnet sich vorrangig dadurch aus, dass sowohl die Milch M (Pumpe 5) als auch die Luft L (Pumpe 8) aktiv gefördert werden kann und dass das Milch-Luft-Gemisch M/L mehrstufig über die beiden Stufen 7a, 7b der Mischeinheit 6 entspannt wird. Durch das Einbringen von Dampf über die Leitung 12 ist das gezeigte System auch zur Erzeugung von heißem Milchschaum oder heißer Milch einsetzbar. Das gezeigte System muss jedoch nicht in einen Kaffeevollautomaten integriert sein, sondern kann auch (hier nicht gezeigt) als stand-alone-Lösung, also als eigenständiges Gerät zum Erzeugen lediglich kalten Milchschaums (Weglassen der Elemente 11, 12, 13, 14, 18 und 21) oder wahlweise kalten wie warmen Milchschaums (siehe 1) ausgebildet werden.
Insbesondere die Verwendung der beiden Blenden 7a, 7b ermöglicht eine einfache Lösung, die dennoch ein optimales Einstellen der Konsistenz des Milchschaums erlaubt, bei gleichzeitig einfacher Reinigung der entsprechenden Bauteile und geringem Aufwand hinsichtlich der konstruktiven Umsetzung.
Im ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 muss keine zweistufige Vermischung bzw. Entspannung des Gemisches M/L in der Mischeinheit 6 realisiert werden. Grundsätzlich ist es auch möglich, eine der beiden Blenden 7a, 7b wegzulassen und somit lediglich eine einzige Engstelle vorzusehen. Selbstverständlich kann/können die Engstelle(n) auch mit anderen konstruktiven Mitteln als mit Lochblenden realisiert sein.
2 zeigt ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Kaffeeautomaten, der durch Ausrüstung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Herstellen von kaltem Milchschaum oder wahlweise auch heißem Milchschaum geeignet ist. Dieser Kaffeevollautomat ist grundsätzlich wie der in 1 gezeigte ausgebildet, so dass nachfolgend lediglich die Unterschiede im Aufbau und in der Funktionsweise beschrieben werden (identische Bezugszeichen bezeichnen in 2, im Vergleich zur 1, identische Bauteile; dies gilt auch für alle anderen Figuren).
Im Gegensatz zu 1 entfällt bei der in 2 gezeigten Vorrichtung der Druckluftbehälter 9, die Druckluftleitung 30 sowie das Ventil 20, so dass die Luft L hier lediglich durch Betrieb der Pumpe 8 über die Leitung 2 und die hier stromabwärts der ersten Fördereinheit 5 und stromaufwärts der Blende 7a in die Milchleitung 1 integrierte Mündung 3 zugeführt werden kann.
In der Luftzuleitung 2 ist stromabwärts der zweiten Fördereinheit 8 und stromaufwärts der Mündung 3 das Absperrventil 22 zum Verschließen und Öffnen der Luftzuleitung 2 integriert (sofern keine Luft mit der Pumpe 8 gefördert wird, wird dieses Ventil in der Regel verschlossen).
In der in 2 gezeigten Vorrichtung entfällt zudem die Bypassleitung 15, so dass auch kein Dreiwegeventil 16 stromaufwärts der ersten Pumpe 5 notwendig ist.
Zudem ist in 2 der Mischbereich 11 stromabwärts der zweiten Blende 7b nicht als Venturidüse ausgebildet, sondern als einfaches T-förmiges Leitungsstück, in das einerseits, über die Dampfzuleitung 12, der Dampf D und andererseits, über den stromabwärts der Blende 7b liegenden Leitungsabschnitt der Ableitung 4 das Gemisch M/L geleitet werden kann. Im T-förmigen Leitungsstück bzw. im Mischbereich 11 vermischt sich dann im Falle des Herstellens von heißem Milchschaum das Gemisch M/L mit dem Dampf D. (Die Elemente 13 und 14 entfallen hier.)
Zum Zuführen des Dampfes D zum Mischbereich 11 ist in der Dampfzuleitung 12 an deren stromaufwärtigen Ende der Dampferzeuger 18 angeordnet. Stromabwärts des Dampferzeugers 18, also zwischen diesem und dem Mischbereich 11 ist in der Leitung 12 das Absperrventil 21 zum Absperren des Dampfpfades 12 integriert. Das Gemisch M/L/D, also die Zusammensetzung des heißen Milchschaums, kann durch die Pumpleistung der Pumpen 5, 8 und ggf. 13 gesteuert werden.
Soll nicht warmer bzw. heißer Milchschaum erzeugt werden, sondern kalter Milchschaum, so wird das Dampfabsperrventil 21 vollständig geschlossen. Die Konsistenz der durch die beiden Blenden 7a, 7b erzeugten Milch-Luft-Mischung bzw. des Milchschaums wird in diesem Falle durch die Förderleistungen der beiden Pumpen 5 und 8 wie gewünscht eingestellt.
2 zeigt somit ein erfindungsgemäßes System zur Herstellung von kaltem und heißem Milchschaum in vereinfachter Konfiguration. Kalter Milchschaum wird mittels des Ansaugens von Milch durch die Fördereinrichtung 5, durch aktives Einbringen der Luft mittels der zweiten Fördereinrichtung 8 in die Milchleitung 1 und durch nachfolgendes Entspannen an den beiden aufeinanderfolgend in die Ableitung 4 integrierten Blenden 7a, 7b hergestellt. Auch hier können statt der Blenden selbstverständlich Drosseln oder andere Elemente, die eine Engstelle ausbilden, eingesetzt werden. Selbstverständlich reicht es prinzipiell auch aus, lediglich eine Blende bzw. Engstelle zu integrieren. Für heißen Milchschaum wird dem über die Mischeinheit 6 zugeführten kalten Milchschaum über die Dampfleitung 12 aus dem Dampferzeuger 18 heißer Dampf zugesetzt (der Dampferzeuger 18 kann dabei als Dampfstrahlkondensationspumpe ausgebildet sein).
Auch in 2 ist es alternativ möglich, die Einmündung 3 nicht stromabwärts der ersten Pumpe 5, sondern stromaufwärts derselben in der Milchleitung 1 zu realisieren.
2a zeigt einen weiteren erfindungsgemäßen Kaffeevollautomaten samt Aufschäumvorrichtung, der grundsätzlich wie in 2 gezeigt ausgebildet ist, so dass nachfolgend lediglich die Unterschiede zu 2 beschrieben werden.
Wie 2a zeigt kann das stromabwärtige Ende der Dampfzuleitung 12 an unterschiedlichen Stellen zwischen der Milchpumpe 5 und dem Auslauf 19 einmünden. Die Einmündung der Dampfzuleitung 12 kann somit (stromabwärts der Pumpe 5) sowohl in die Flüssigkeitszuleitung 1 als auch in die Ableitung 4 erfolgen. Auch ein Münden der Dampfzuleitung 12 in die Luftzuleitung 2 ist möglich. Die Einmündung (also der entsprechende Mischbereich, der hier als einfaches T-förmiges Leitungsstück ausgebildet ist) kann somit zwischen Pumpe 5 und Mündung 3 der Luftzuleitung 2 erfolgen, vergleiche 11', in die Luftzuleitung 2 zwischen Ventil 22 und Mündung 3, vgl. 11''''', zwischen der Mündung 3 und der ersten Blende 7a (vgl. 11), zwischen der ersten Blende 7a und der zweiten Blende 7b (vgl. Mischbereich 11''') oder auch unmittelbar innerhalb des Auslaufs 19 in die Ableitung 4 (hier nicht gezeigt, lediglich entsprechende Leitungsführung 12'''' der Dampfzuleitung sichtbar). Die zu den einzelnen Mischbereichen 11, 11', ... zugehörenden Dampfzuleitungen 12, 12', ... sind dabei in der Regel Alternativen, d. h. es ist lediglich ein Mischbereich 11, 11', ... an einer definierten Stellen realisiert. Grundsätzlich wäre es jedoch auch denkbar mehrere oder alle der gezeigten Mischbereiche 11, 11', ... und Leitungen 12, 12', ... durch geeignete Verzweigungsleitungen zu realisieren.
Dampf D (bzw. ein Gemisch aus Luft L und Dampf D im Falle des Vorhandensein einer dritten Fördereinheit 13 samt einer weiteren Luftzuführleitung 14, hier optional eingezeichnet) kann also an beliebiger Stelle zwischen der Milchpump 5 und dem Auslauf 19 in die Milch- bzw. Milch-Luft-Gemisch-Leitung 1, 4 oder auch direkt in den Auslauf 19 oder auch in die Luftzuleitung 2 zwischen dem Ventil 22 und der Mündung bzw. dem Mischbereich 3 eingebracht werden. Die stromaufwärts zumindest der zweiten Blende 7b angeordneten Mischbereiche 11', 11'', 11''' und 11''''' haben dabei den Vorteil der gemeinsamen Entspannung von Dampf D, Milch M und Luft L (letzteres sofern Ventil 22 geöffnet) an mindestens einer der Blenden 7a, 7b. Hierdurch lässt sich die Schaumkonsistenz gezielt variieren bzw. auf einen gewünschten Zustand einstellen. Das Gemisch M/L/D oder M/D kann somit einer Entspannung 7b oder zwei Entspannungsstufen 7a, 7b unterworfen werden.
Es ist somit ein Eindringen von Dampf D oder eines Dampf-Luft-Gemischs D/L in die/das unter Überdruck stehende Milch oder Milch-Luft-Gemisch mit einer einzigen Entspannung 7b oder einer ersten Entspannung 7a und einer nachfolgenden zweiten Entspannung 7b (zweistufiger Entspannungsmechanismus) möglich.
3 zeigt einen weiteren erfindungsgemäßen Kaffeevollautomaten samt Aufschäumvorrichtung, der grundsätzlich wie in 2 gezeigt ausgebildet ist, so dass nachfolgend erneut lediglich die Unterschiede beschrieben werden.
Im gezeigten Fall mündet die Luftzuleitung 2 über die stromaufwärts der ersten Pumpe 5 in der Milchleitung 1 gelegene Mündung 3 in die Milchleitung 1. Auch im gezeigten Fall wird der Milch M Luft L somit aktiv dadurch hinzugesetzt, dass das in der Luftzuleitung 2 integrierte Absperrventil 22 geöffnet wird und über die in Betrieb gesetzte Pumpe 8 Luft L gefördert wird.
Ein weiterer Unterschied zum in 2 gezeigten Fall ist, dass die Mischeinheit 6 hier lediglich genau eine Engstelle 7 umfasst, die auch hier beispielsweise als Lochblende ausgebildet sein kann. Auch andere Ausbildungen zum Beispiel als Drosselventil, als Nadelventil, als Düse, Schlauchklemme oder langgestreckter Ringspalt sind möglich.
Stromabwärts der Mischeinheit 5 und stromaufwärts des hier ebenfalls als einfaches T-förmiges Leitungsstück ausgebildeten Mischbereichs 11 ist zudem in die Ableitung 4 eine Beruhigungsstrecke 10 integriert, die hier (im Detail nicht gezeigt) z. B. als ein 50 cm langes, z. B. mäanderförmig verlaufendes, z. B. starres, im Querschnitt kreisförmiges Rohr mit konstantem Innendurchmesser ausgebildet ist. Die Beruhigungsstrecke führt zu einem graduellen, langsamen Entspannen des durch die Engstelle 7 aufgewirbelten Gemisches M/L. Sie führt aufgrund ihrer Länge dazu, dass das zunächst in turbulenter Form vorliegende Gemisch M/L in laminare Form überführt wird, bevor es schließlich (bei kaltem Milchschaum) über den Ausgabekopf 19 in die Tasse T abgleitet wird. (Bei Herstellen von heißem Milchschaum wird zusätzlich, wie im Ausführungsbeispiel von 2 beschrieben, Dampf D zugesetzt.)
Die Beruhigungsstrecke 10 kann aber auch nicht unmittelbar nach dem Element 6, sondern nach der T-Kreuzung 11 integriert sein.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, mit der lediglich kalter Milchschaum (das heißt Milchschaum auf Basis von nicht erhitzter Milch M) hergestellt werden kann. Diese Vorrichtung ist als eigenständiges, nicht in einen Kaffeevollautomaten integriertes Gerät ausgebildet aber ansonsten grundsätzlich wie die integrierte, in der 2 gezeigte Vorrichtung ausgebildet, so dass nachfolgend wiederum lediglich die Unterschiede beschrieben werden.
Im in 4 gezeigten Fall entfallen die in 2 gezeigten Elemente 12, 18 und 21; es entfällt somit die Zufuhr von Dampf D. Aus diesem Grund ist im Ausleitungsbereich der Ableitung 4 auch kein T-förmiges Leitungsstück als Mischbereich notwendig, so dass der stromabwärts der zweiten Blende 7b realisierte Abschnitt der Ableitung 4 als einfacher, in einen Ausgabekopf 19 führender Rohrabschnitt ausgebildet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202009011184 U1 [0003]
EP 2042063 A1 [0003]
WO 2008/083941 A1 [0004]
US 2009/0092728 A1 [0005]
EP 1519670 B1 [0005]
EP 2294952 A1 [0005]

Claims

Vorrichtung zum Aufschäumen einer Flüssigkeit (M), insbesondere von kalter und/oder nicht erhitzter Milch, die zum aktiven Einbringen von Luft (L) über eine Luftzuleitung (2) in die Flüssigkeit (M) ausgebildet ist, mit einer Flüssigkeitszuleitung (1) zum Zuleiten der Flüssigkeit (M), der in die Flüssigkeitszuleitung (1) mündenden (3) Luftzuleitung (2) zum Zuleiten der Luft (L) in die Flüssigkeit (M), einer stromabwärts der Mündung (3) der Luftzuleitung (2) in die Flüssigkeitszuleitung (1) ausgebildeten Ableitung (4) zum Abführen des Gemisches (M/L) aus Flüssigkeit (M) und Luft (L), einer zum Fördern der Flüssigkeit (M) durch die Flüssigkeitszuleitung (1) und/oder des Gemisches (M/L) durch die Ableitung (4) vorgesehenen, ersten Fördereinheit (5), insbesondere einer Pumpe, und einer stromabwärts der Mündung (3) in der Ableitung (4) vorgesehenen Mischeinheit (6), wobei die Mischeinheit (6) mindestens eine Engstelle (7, 7a, 7b) umfasst oder als Engstelle(n) (7, 7a, 7b) der Ableitung (4) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass, zum aktiven Einbringen der Luft, eine weitere, zweite Fördereinheit (8) zum Fördern der Luft (L), die bevorzugt in der Luftzuleitung (2) angeordnet ist und/oder die bevorzugt eine Pumpe ist, vorgesehen ist, wobei die Vorrichtung zum Aufschäumen der Flüssigkeit in diesem Fall bevorzugt genau zwei Fördereinheiten (5, 8) umfasst, und/oder dass, zum aktiven Einbringen der Luft, ein bevorzugt am stromaufwärtigen, also der Mündung (3) abgewandten Ende der Luftzuleitung (2) an letzterer angeschlossener Druckluftbehälter (9) vorgesehen ist, mit dem der Luftzuleitung (2) Druckluft zuführbar ist, wobei die Vorrichtung zum Aufschäumen der Flüssigkeit in diesem Fall bevorzugt genau eine Fördereinheit (5) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzuleitung (2) mit ihrem stromabwärtigen Ende stromaufwärts der ersten Fördereinheit (5) in die Flüssigkeitszuleitung (1) mündet (3), oder dass die Luftzuleitung (2) mit ihrem stromabwärtigen Ende stromabwärts der ersten Fördereinheit (5) in die Flüssigkeitszuleitung (1) mündet (3), oder dass die Luftzuleitung (2) mit ihrem stromabwärtigen Ende in die erste Fördereinheit (5) mündet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischeinheit (6) mindestens zwei, bevorzugt genau zwei aufeinanderfolgend in die Ableitung (4) integrierte Engstellen (7a, 7b) umfasst, wobei bevorzugt bei zwei der Engstellen (7a, 7b) das Verhältnis F_a/F_b der freien Querschnittsfläche F_a der stromaufwärts liegenden Engstelle (7a) und der freien Querschnittsfläche F_b der stromabwärts liegenden Engstelle (7b) im Bereich zwischen 1/1.05 und 1/16, bevorzugt im Bereich zwischen 1/1.1 und 1/2 liegt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der, bevorzugt mehrere der, bevorzugt alle der Engstellen (7, 7a, 7b) wie folgt ausgebildet oder vorgesehen ist/sind: • als Drossel- oder Nadelventil, • als Düse, • als Klemme, insbesondere als Schlauchklemme, für einen flexiblen Ableitungsabschnitt, insbesondere für eine als flexibler Schlauch ausgebildete Ableitung (4), • in Form einer als variable Klemme oder variable Schlauchklemme ausgebildeten Ableitung (4), • als Blende, insbesondere als querschittsverengende Lochblende mit einem Lochdurchmesser, der variierbar ist oder auf einen fesgelegten Wert eingestellt ist, oder als Ringspaltblende mit einer Spaltbreite, die variierbar ist oder auf einen fesgelegten Wert eingestellt ist, oder • als sich in stromabwärtige Richtung um einen Konus stetig erweiternder, langgestreckter Ringspalt, und/oder dass mindestens eine der, bevorzugt mehrere der, bevorzugt alle der Engstellen (7, 7a, 7b) entweder mit veränderlicher freier Querschnittsfläche F, F_a oder F_b ausgebildet ist/sind oder mit vorbestimmter, fest eingestellter freier Querschnittsfläche F, F_a oder F_b ausgebildet ist/sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Mischeinheit (6) ein Abschnitt (10) der Ableitung (4) als eine Beruhigungsstrecke ausgebildet ist, mit der der turbulente Anteil des strömenden Gemisches (M/L) aus Flüssigkeit (M) und Luft (L) verringerbar, also der laminare Anteil dieses strömenden Gemisches (M/L) vergrößerbar ist, wobei der Abschnitt (10) bevorzugt auf einer vordefinierten Länge (l) in Strömungsrichtung einen konstanten Leitungsquerschnitt aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die erste Fördereinheit (5) eines der drei nachfolgend aufgezählten Merkmale verwirklicht ist: • sie (5) ist stromaufwärts der Mündung (3) angeordnet, insbesondere in die Flüssigkeitszuleitung (1) integriert, • sie (5) ist im Bereich der Mündung (3) angeordnet, insbesondere in die Flüssigkeitszuleitung (1) und/oder in die Ableitung (4) integriert, • sie (5) ist stromabwärts der Mündung (3) angeordnet, insbesondere in die Ableitung (4) integriert; und dass die Mischeinheit (6), beispielsweise mindestens eine Blende (7a, 7b), entweder als Teil der ersten Fördereinheit (5) ausgebildet und/oder in letztere integriert ist oder stromabwärts der ersten Fördereinheit (5) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzuleitung (2), die Flüssigkeitszuleitung (1) oder die Ableitung (4) einen Mischbereich (11, 11', 11'', ...) aufweist, in den eine Dampfzuleitung (12, 12', 12'', ...) zum Zuführen von Dampf (D) oder eines Gemisches (L/D) aus Luft (L) und Dampf (D) zur Flüssigkeit (M) oder zum Gemisch (M/L) aus Flüssigkeit (M) und Luft (L) einmündet.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischbereich (11, 11', 11'', ...) stromaufwärts oder stromabwärts der Mischeinheit (6) oder in der Mischeinheit (6) und/oder stromabwärts der ersten Fördereinheit (5) angeordnet ist, und/oder dass aktiv Luft (L) in die Dampfzuleitung (12, 12', 12'', ...) einbringbar ist zum Erzeugen des Gemisches (L/D) aus Luft (L) und Dampf (D), wobei dies bevorzugt durch eine weitere, dritte Fördereinheit (13), insbesondere eine Pumpe, zum Fördern von Luft, die bevorzugt in einer in die Dampfzuleitung (12, 12', 12'', ...) einmündenden weiteren Luftzuführleitung (14) angeordnet ist, und/oder durch einen weiteren Druckluftbehälter, der an dem der Mündung einer solchen weiteren Luftzuführleitung (14) in die Dampfzuleitung (12, 12', 12'', ...) abgewandten Ende der weiteren Luftzuführleitung (14) an letztere angeschlossen ist, realisiert ist.
Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischbereich (11, 11', 11'', ...) als Einmündung eines Leitungsabschnitts in einen anderen Leitungsabschnitt, insbesondere als T-förmiges Leitungsstück, ausgebildet ist, oder dass der Mischbereich (11, 11', 11'', ...) als Venturidüse (V) ausgebildet ist, wobei die in den Mischbereich (11, 11', 11'', ...) führende Dampfzuleitung (12, 12', 12'', ...) den Einlass der Venturidüse bildet, der in der stromabwärtigen Richtung aus dem Mischbereich (11, 11', 11'', ...) führende Abschnitt (4b) der Ableitung (4) den Auslass der Venturidüse bildet und der aus der stromaufwärtigen Richtung in den Mischbereich (11, 11', 11'', ...) führende Abschnitt (4a) der Ableitung (4) das Abnahmerohr der Venturidüse (V) bildet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Bypassleitung (15), die stromaufwärts der ersten Fördereinheit (5) aus der Flüssigkeitszuleitung (1) abzweigt (16) und entweder stromabwärts der Mischeinheit (6) in die Ableitung (4) einmündet (17) oder stromaufwärts der Mischeinheit (6) aber stromabwärts der ersten Fördereinheit (5) in die Flüssigkeitszuleitung (1) und/oder die Ableitung (4) einmündet, wobei die Abzweigung (16) bevorzugt als Mehrwege-Umschalteinheit ausgebildet ist, mit der/dem die zuzuleitende Flüssigkeit (M) wahlweise entweder über die Bypassleitung (15) oder über die erste Fördereinheit (5) zur Ableitung (4) hin führbar ist.
Getränkebereiter, insbesondere elektrisch betriebene Kaffeemaschine, insbesondere Kaffeevollautomat, umfassend eine Vorrichtung zum Aufschäumen einer Flüssigkeit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bevorzugt das stromabwärtige Ende der Ableitung (4) der Vorrichtung als separate Ausgabeleitung eines Ausgabekopfes (19) des Getränkezubereiters ausgebildet ist.
Verfahren zum Aufschäumen einer Flüssigkeit, insbesondere von kalter und/oder nicht erhitzter Milch (M), dadurch gekennzeichnet, dass das Aufschäumen mit einer Vorrichtung oder einem Getränkezubereiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchgeführt wird.