具有集成蒸汽和热水产生的咖啡机的制作方法

本发明涉及咖啡机，并且特别地涉及产生用于咖啡冲泡的热水以及用于加热牛奶和/或使得牛奶起泡的蒸汽的咖啡机。

背景技术：

通常，全自动浓缩咖啡器具提供自动卡布奇诺咖啡冲泡。在大多数情况下，以类似于咖啡师的方式，蒸汽被用于加热牛奶和使得牛奶起泡。

在第一类型的设备中，牛奶起泡单元在器具外部被连接至接口，该接口将来自器具的蒸汽供应到牛奶起泡单元。牛奶起泡单元然后被定位在主器具的外部，并且因此可以从主器具移除，以改进清洁的便利性。特别地，与牛奶接触的所有部件需要被清洁。

牛奶起泡单元的输入端接收蒸汽，并且将蒸汽输送到在牛奶起泡单元中存储的牛奶。这避免了蒸汽界面被牛奶污染，使得在每次使用之后仅需要清洁牛奶起泡单元，而无需清洁器具本身的任何部分。蒸汽出口然后通常被集成在设备外壳中的插座状接口中，并且牛奶起泡单元被插入该接口中。

在第二类型的设备中，牛奶起泡利用所谓的卡布奇诺托(cappuccinatore)来实现，卡布奇诺托是由消费者插入牛奶的容器中的起泡管。

在所有这些咖啡机中，可以存在单个水加热器，该单个水加热器能够加热到足够的温度，以产生用于牛奶加热和起泡功能的蒸汽和用于咖啡冲泡功能的水。需要各种阀和流动路径来组合不同的功能，诸如控制流向冲泡室的流量的阀、控制排出流量的阀以及控制蒸汽流量的阀。这些流动路径耦接和控制阀带来了巨大的成本。传统上，供水和蒸汽供应系统使用标准的现有组件而形成，诸如电子阀、被动式过压阀、接头、软管和软管连接。功能集成的水平因此受到限制，并且液压回路相当广泛。

该方法导致液压回路的复杂度相对较高。

常规的阀使用弹簧来打开或闭合、使用凸轮来驱动阀或者将两者组合使用。这些组件中的一些或全部位于热水或蒸汽流中。它们因此可能被暴露在水垢中，从而潜在地导致阀的功能故障或增加流体的湍流。

ep2062512公开了一种咖啡机，在该咖啡机中三个主阀功能由阀块来实现，该阀块基本上包括三个独立阀的并联组合。这减少了所需的管道数量，并且提供了更紧凑的系统，但是它仍然具有重复的部件和许多不同的组件来构成阀系统。

ep0232460公开了具有多路阀、特别是碟型陶瓷阀的咖啡机，碟型陶瓷阀基于阀的旋转位置来将热水/蒸汽流引导至选定出口。

有需要提供低成本且紧凑的阀布置来控制咖啡机内的各种热水和蒸汽流动路径的咖啡机设计。

技术实现要素：

本发明由权利要求书来限定。

根据本发明的一个方面的示例，提供了咖啡机，咖啡机包括：

水供应；

水加热器，用于对水进行加热来产生蒸汽和热水，并且具有水加热器出口；

泵，用于泵送经加热的水和蒸汽；

蒸汽输送管嘴；

冲泡室，用于使用热水来冲泡咖啡；以及

阀布置，用于控制水加热器出口到蒸汽输送管嘴和冲泡室的选择性地耦接，

其中阀布置包括：

入口通道，被耦接到水加热器出口；

两个或更多个出口；

主动阀，在入口通道和出口中的第一出口之间；

被动阀，在入口通道和出口中的第二出口之间；以及

凸轮表面，用于控制主动阀的打开或闭合设置，使得凸轮表面的角位置控制入口通道到出口中的第一出口的耦接，并且其中被动阀被永久性地连接在入口通道和出口中的第二出口之间。

该咖啡机设计利用单个阀布置来提供来自水加热器的流量控制。单个入口通道(用于蒸汽和热水)使用可旋转凸轮而连接到期望出口。这提供了具有低组件数量的紧凑布置。阀的设置只需通过旋转凸轮来实现，并且在入口通道处的水或蒸汽然后被引导至所期望的出口。

优选地，路由元件的旋转借助在冲泡室的不同位置之间驱动冲泡室的同一电动机来完成。因此，不需要附加的驱动装置。这再次提供了具有低组件数量的紧凑布置，紧凑布置可以容易地装配到咖啡机的密闭空间中。

出口中的第一出口可以是蒸汽出口，并且出口中的第二出口可以是冲泡室出口。当蒸汽出口通过主动阀而被打开时，由于打开蒸汽出口而引起的压降意味着被动阀自动闭合，防止流体流动到冲泡室。因此，仅需要一个主动地控制的阀。特别地，主动阀控制仅需要打开或闭合主动阀，而不需要提供通道通路的重新配置。注意蒸汽出口可以根据用户的要求而用于输送蒸汽或热水。

咖啡机可以还包括水收集出口。然而，这不必是阀布置本身的输出端。例如，冲泡室出口可以根据冲泡室的位置而选择性地耦接至冲泡室或水收集出口。因此，阀布置仅需要一个输入和两个输出。

主动阀可以包括阀销，阀销用于将入口通道与出口中的第一出口之间的开口打开或闭合，其中阀销被耦接至凸轮表面。阀销例如在阀销的端部处具有阀座，该阀座将开口简单地打开或闭合。

阀销例如穿过(阀壳体的)外部开口，其中阀控制机构全部在外部开口的外部。因此，所有阀控制部件在流的外部，并且只有滑动阀销在(蒸汽)流中。

被动阀例如包括隔膜阀，其中隔膜具有流体侧和干燥侧，其中阀机构在干燥侧上。因此，所有阀控制部件再次位于流的外部。

电动机例如具有输出轴，该输出轴(直接地或间接地)耦接至主轮齿，主轮齿控制冲泡室例如在原位置(咖啡研磨颗粒在原位置中被接收，并且因此在下文中也被称为研磨咖啡接纳位置)、中间位置和冲泡位置之间的移动。阀的设置也可以通过与该主轮齿的耦接来控制，但是其他耦接也是可能的。

冲泡室电动机的输出轴或者构成电动机传动系统的一部分的任何齿轮可以被用于控制阀的设置。

当处于原位置或研磨咖啡接纳位置中时，阀经由被动阀而将入口通道耦接到冲泡室出口。附加地，冲泡室的位置使得冲泡室出口被耦接至水收集出口。因此，如果存在任何水流过被动阀，则它被路由到水收集出口。

当处于冲泡位置中时，阀经由被动阀而将入口通道再次耦接到冲泡室出口。附加地，冲泡室的位置使得冲泡室出口随后被耦接到冲泡室。因此，当借助泵而存在足够的压力时，热水被路由至冲泡室。

当在原位置和冲泡位置之间时，阀例如被控制为将入口通道耦接至蒸汽出口，以用于实现牛奶的加热和/或起泡。

水收集出口例如被耦接至滴水盘。

阀布置可以被安装到水加热器上或紧邻水加热器，其中在无需中间软管的情况下，其入口通道被直接耦接到水加热器出口。

咖啡机可以包括“豆到杯”浓缩机和研磨豆压缩机，然后该“豆到杯”浓缩机还包括豆研磨机。

附图说明

现在将参考附图来详细描述本发明的示例，其中：

图1示出了已知的全功能意式浓缩咖啡机的组件，并且特别地示出了系统中的流体路径；

图2示出了根据本发明的一个示例的咖啡机布置；

图3是阀布置的一个示例的透视图；

图4示意性地示出了冲泡室的位置；

图5以侧视图示出了电动机布置的一个示例；

图6以侧视图示出了图5的电动机布置；以及

图7示出了阀控制与冲泡室驱动齿轮的组合。

具体实施方式

应当理解，详细说明和特定示例虽然指示了设备、系统和方法的示例性实施例，但是仅意图用于例示的目的，而不意图限制本发明的范围。从以下描述、所附权利要求书和附图，将更好地理解本发明的设备、系统和方法的这些和其他特征、方面和优点。应当理解，附图仅是示意性的，并且未按比例绘制。还应当理解，在所有附图中使用相同的附图标记来指示相同或相似的部分。

本发明提供了咖啡机，该咖啡机利用阀布置以用于控制水加热器出口到两个或更多个出口(诸如蒸汽输送管嘴和冲泡室)中的一个的选择性地耦接。阀布置包括在入口通道和出口中的第一出口之间的主动阀以及从水加热器出口开始而处于主动阀下游、与出口中的第二出口耦接的被动阀。凸轮表面对主动阀进行控制，其中凸轮表面的角位置控制入口通道到出口中的第一出口的耦接。旋转可以通过电动机来驱动。优选地，旋转通过耦接到冲泡室电动机的旋转耦接来驱动。该咖啡机设计利用单个阀布置来提供来自水加热器的流量控制。

这提供了具有低组件数量和简单控制机构的紧凑布置。它还使得所有阀机构能够在水流或蒸汽流外部。

图1示出了已知的全功能意式浓缩咖啡机的组件，并且特别地示出了系统中的流体路径。

咖啡机10包括水容器12、水加热器14和水泵18，水加热器14用于对水进行加热来产生蒸汽和热水并且具有水加热器出口，水泵18用于泵送经加热的水和蒸汽。附加地存在水剂量流量计17。

泵将水输送到加热器14。附加地，从加热器到水收集单元22还存在过压阀20，用于以滴水盘的形式收集或排放废水。

经加热的蒸汽通过第一电子阀26而被提供到蒸汽输送管嘴24。咖啡输送管嘴25具有直列式克丽玛(crema)阀。经加热的水借助第二阀30并且还借助控制单元32而被提供到冲泡室28。控制单元32允许例如在加热器冷却期间将水排放到水收集单元22。其功能在下文中进一步描述。

冲泡室28由电动机34来驱动，用于将冲泡室在不同位置之间驱动。这些位置包括至少研磨咖啡接纳位置和咖啡冲泡位置。

咖啡机利用单个加热器14来选择性地供应用于冲泡咖啡的约100℃的热水以及用于加热牛奶和/或使牛奶起泡的约140℃(或更高)的蒸汽。

机器可以具有针对冲泡室的加压系统。机器可以进一步具有用于接纳咖啡豆的储槽和研磨机，使得提供完整的“豆到杯”功能。备选地，研磨咖啡可以以胶囊、囊或类似的预先分配的方式供应。这些元件未被示出，因为它们与液压组件无关。

浓缩咖啡通常通过迫使加压水流经一定量的咖啡研磨颗粒而制成。为了便于排空和清洁冲泡室，冲泡室例如被可移除地布置。

在浓缩咖啡制作过程中，咖啡研磨颗粒可以被压缩到一定程度。为此，机器可以例如包括活塞，该活塞被可移动地布置在圆柱形的冲泡室中，并且该活塞能够密封冲泡室的开放式顶侧。

活塞的移动控制咖啡研磨颗粒的压缩程度。当咖啡研磨颗粒被越来越多地压缩时，咖啡研磨颗粒的流过阻力增加。在浓缩咖啡制作过程中，执行该过程的冲泡压力，即，水通过咖啡研磨颗粒的压力，由咖啡研磨颗粒的流过阻力来确定。

冲泡压力是浓缩咖啡饮料的重要特性(包括味道和泡沫层质地)的决定因素。因此，冲泡压力例如通过改变活塞的位置和/或水流来控制。

产生浓缩咖啡饮料的机器的操作完全是常规的，而将不详细描述咖啡机的整体操作。相反，将仅解释与通过机器的流量控制有关的细节。此外，该全功能浓缩咖啡机仅是可以应用本发明的咖啡机类型的一个示例。

当机器制备牛奶咖啡时，加热器14首先被加热到大约140℃(或更高)，以供应蒸汽来加热牛奶和/或使牛奶起泡。加热器然后被冷却至约100℃，以提供用于冲泡咖啡的热水。在从140℃到100℃的冷却阶段期间，来自加热器的水可以仍然太热而无法冲泡咖啡。该水由控制单元32排放到水收集单元22。对于不需要泡沫牛奶的咖啡饮料，加热器可以仅被加热到100℃，并且冲泡然后在没有延迟的情况下开始。

控制单元32是在阀30和冲泡室28之间的耦接，但是与冲泡室的位置相关。因此，该单元不在流动路径之间进行选择，反而是充当物理中断单元，物理中断单元允许或中断阀30与冲泡室28之间的连接。

当冲泡室处于其原位置(其在被定位用于从例如研磨机接收咖啡时的静止位置)中时，阀30未被连接至冲泡室28，因此冲泡室未被连接到水供应系统。

当冲泡室从原位置移动到冲泡位置时，汽锅(boiler)的控制销与控制单元32对接，并且这使得阀30移动并且将阀30配置为允许流体耦接。当冲泡室处于其原位置中时，水被引导至滴水盘，并且当冲泡室处于冲泡位置中时，水被引导至冲泡室。

系统中使用的各种阀既昂贵又复杂。

本发明进而提供了多阀设计来至少替换上述两个阀26和阀30。

图2示出了根据本发明的一个示例的布置。对于相同的组件，使用与图1中相同的附图标记。可以看出，上述提及的两个阀已由阀布置40替换，用于控制水加热器出口与蒸汽输送管嘴24和冲泡室28的选择性地耦接。

如图1所示，过压阀被示出为单独组件，但是该功能可以被集成到阀布置中，作为以下所述的被动阀功能的一部分。

阀布置包括与水加热器出口耦接的入口通道42、蒸汽出口44(也可以被用于提供热水)和冲泡室出口46。

在阀布置内，存在可旋转凸轮，其中凸轮的角位置控制入口通道与蒸汽出口和冲泡室出口中的一个(或两者)的耦接。在凸轮和电动机之间、更特别地在凸轮和冲泡室电动机之间提供旋转耦接55。

除了更便宜和不复杂之外，该布置的特别的优点在于，该布置可以由被用于在冲泡室的各个位置(即，当冲泡室被定位为接收咖啡时的原位置以及其闭合冲泡位置)之间驱动冲泡室的相同电动机和/或齿轮系统来操作。

三个不同的冲泡室位置可以被限定：

原位置，在该原位置中阀布置40和控制单元32被设置为将水排放到水收集单元22；

冲泡位置，在该冲泡位置中阀布置被设置为将水引导至冲泡室的；以及

中间位置，在该中间位置中阀布置被设置为将蒸汽或热水引导至蒸汽输送管嘴24。

图3示出了阀布置40的一个示例。

阀布置包括主动驱动阀50(“主动阀”)和被动阀60。

入口通道42通过入口管52而连接到主动阀50。主动阀50控制入口通道42到蒸汽(和热水)出口44的耦接。特别地，在入口管52的端部处是通向蒸汽出口的开口53。该开口根据主动阀50的设置而打开或闭合。

主动阀50具有阀销54，阀销的内端部形成阀座。当阀销向外地移动时，开口53打开，并且当阀销被推入时，开口53由阀销端部处的阀座闭合。

主动阀50包括驱动头56，驱动头56在阀销的外端部处。凸轮表面70被成形为通过与驱动头56接合来控制阀销54的移动。凸轮表面70是可旋转碟72的外周。凸轮表面径向地延伸到阀布置的外部。凸轮表面在阀布置的主体外部，并且因此通过与驱动头接合来提供对阀布置的外部控制。碟72例如具有垂直于碟的平面延伸的凸缘，并且当凸轮碟旋转时，驱动头沿该凸缘行进。碟通过与冲泡室电动机耦接而旋转。可旋转碟的旋转由销74和狭槽76布置来引导。

阀销穿过阀壳体的外部开口。阀控制机构(即，凸轮)在外部开口的外部。因此，在流中没有弹簧或其他组件。

通过在驱动头56和凸轮表面之间具有固定的耦接，凸轮表面被用于推入和拉出阀销54两者。例如，驱动头可以位于凸轮表面的通道中，使得其可以被推动和拉出到位置中。备选方案是阀销被弹簧向外地偏压，使得凸轮表面仅需要向内推动阀销。在这样的情况下，它们之间不需要固定的耦接。在该情况下，弹簧将位于流动路径的外部。

被动阀包括隔膜62，该隔膜62被弹簧64偏压到闭合状态中。在闭合状态中，被动阀60阻止与入口通道42连接的入口66以及与冲泡室出口46连接的出口68之间的连接。当压力足够高时，阀将打开。

被动阀具有控制旋钮69。控制旋钮69允许通过径向向外拉动旋钮来迫使阀打开。当碟72处于正确位置中，特别是与图3所示的位置相比逆时针旋转约90度时，这就会发生。在图3所示位置中将驱动头56接合的径向扩大部分然后与控制旋钮69的下侧接合。即使在没有高压的情况下，这也允许水流到出口48。

该特征可以被用于在蒸汽被生成之前使得能够移除阀中残留的(冷)水。这防止了冷的初始水从蒸汽出口44飞溅。

隔膜62具有流体侧和干燥侧，并且阀机构全部在干燥侧上。

因此，两个阀的重要功能组件，即，整个阀布置在水或蒸汽流的外部，从而增加了阀构造和功能的寿命鲁棒性。

入口通道42在蒸汽(和热水)出口44附近被耦接到被动阀60，使得入口66可以被认为是主动阀的下游，因为流向入口66的流通常通过第一出口44。被动阀因此通常在主动阀的下游，因为流能够从第一出口逸出，而不是进一步前进到被动阀。因此，当主动阀50打开时，最小流动阻力的路径是通向蒸汽(和热水)出口44的路径。入口通道42可以被流体地耦接至两个阀，但是被动阀将在蒸汽输送期间闭合，使得阀布置作为一个整体而在上方，以控制到蒸汽出口或冲泡室出口46的流。

当入口通道处存在足够的压力(例如，通过泵18的操作创建)时，被动阀将打开。当泵被操作时，冲泡室被加压，并且阀保持打开，直到冲泡结束并且泵被停止。

当阀销54被推入时，与蒸汽(和热水)出口44的耦接被关闭。

在用于咖啡冲泡的初始加热阶段期间，所产生的压力不足以打开被动阀60。水体积被包含，使得正确的计量体积可以被控制。

在冲泡期间，泵被完全地导通，以产生足够的压力来打开被动阀60，并且在冲泡室连接的情况下，水被引导到冲泡室。

在用于蒸汽产生的加热阶段期间，蒸汽压力可以在主动阀仍闭合时(即，在蒸汽输送之前)打开被动阀60。在此时未连接冲泡室28的情况下，在汽蒸之前，任何水经由水收集出口48而被滴入水收集单元22(滴水盘)中。

在汽蒸期间，在阀销未拧紧的情况下，泵被间歇性地驱动来创建较低的水流和较低的压力。加热器的蒸汽创建温度要高于冲泡期间的温度。压力保持在被动阀60的打开压力以下，使得蒸汽被输送到蒸汽(和热水)出口44。

在汽蒸之后的冷却期间(其中主动阀闭合)，如果泵导通，压力将打开被动阀60，并且再次在未连接冲泡室28的情况下，水被滴入滴水盘中。这可能在水温从先前的140℃温度冷却到所需的约100℃(例如，96℃)的过程中发生。这花费一些时间，因为加热块很热并且仅容纳有限量的水。借助加热块泵送冷水提供了有效的冷却，因此会更快地进行冷却，使得最终的蒸汽体积和一些热水通过阀而被路由到滴水盘。

冲泡室28是移动组件，其在至少包括研磨咖啡接纳位置和咖啡冲泡位置的不同位置之间移动。

在咖啡冲泡位置中，冲泡室出口46被耦接到冲泡室28。在冲泡室出口46与水收集出口(通向滴水盘)之间的耦接被关闭。在研磨咖啡接纳位置(或其他位置)中，冲泡室出口46被耦接到冲泡室28。冲泡室出口46和水收集出口(通向滴水盘)之间的耦接被打开。因此，冲泡室28的移动控制冲泡室出口到滴水盘或到冲泡室的耦接。该移动由控制单元32来实现。

图3示出了各种流动路径，包括来自加热器14的经加热的水或蒸汽的流动路径80、用于牛奶起泡的蒸汽路径82、到滴水盘的流动路径84以及到冲泡室28的流动路径86和咖啡流88。

图4示意性地示出了不同的冲泡室位置。冲泡室28被示出在处于冲泡室28可以接纳例如研磨咖啡90(在囊或胶囊中，或者如图所示从研磨机接收)的原位置中。因此，这是供应咖啡研磨颗粒发生的位置。冲泡室28的该位置由开关106(图5)来检测。

冲泡室被驱动到中间位置92，并且最后被驱动到冲泡位置94。在该冲泡位置94中，作为冲泡过程的一部分，咖啡研磨颗粒的压缩可以发生，并且所提取的咖啡被输送到咖啡输送管嘴25。

图5示出了具有以蜗轮为形式的输出轴100的电动机34。这与第一轮齿102接合，该第一轮齿102随后驱动主轮齿104，该主轮齿104控制冲泡室28在两个端部位置(原位置和冲泡位置)之间的移动。主轮齿与检测开关106相关联，检测开关106检测主轮齿的特定角度取向。这些对应于特定的冲泡室位置。

图6以端部视图示出了图5的布置。主轮齿104驱动主控制轴110，该主控制轴110沿旋转的轴线延伸并且控制冲泡室移动。

开关106还被用于检测冲泡室何时处于冲泡位置中。因此，存在反馈来确保冲泡室遵循已知的移动范围。还检测到中间位置，中间位置如上所述被用于将阀布置设置为将蒸汽引导至蒸汽输送管嘴。

该中间位置的检测例如可以通过定时来实现。可选地，该定时可以在每次机器被导通时，通过测量在两个极限位置之间行进所花费的时间并且在最近3次测量中对该值取平均值来校准。备选地，可以使用第二位置检测开关。在另一选择中，可以使用充当现有的单个开关的中间位置标记。

阀布置40可以基于主轮齿104的旋转来被控制。实际上，如图7中示意性所示，阀布置40可以被安装在主轮齿104之上。因此，在阀和冲泡室驱动系统之间存在耦接，冲泡室驱动系统直接来自主(旋转)冲泡室控制轴110及其相关联的主轮齿。相反，冲泡室控制轴110和阀控制器之间可以存在齿轮。阀可以替代地通过与电动机蜗轮100的单独旋转耦接来控制。

如上所述，蒸汽输出通常被用于对牛奶进行加热和/或使牛奶起泡。牛奶起泡单元可以是整个机器的一部分。这样的单元可以包括用于接纳牛奶的容器、用于接纳蒸汽的蒸汽输入以及发泡牛奶输出。牛奶起泡单元可以进一步包括蒸汽通道和牛奶通道，蒸汽通道接纳蒸汽流牛奶通道，牛奶通道可以基于由蒸汽通道产生的文丘里效应，通过压力差而从容器中吸取牛奶。此外，可以提供混合室，以用于将蒸汽和牛奶以及可选地通过相似的文丘里效应被吸取到混合室中的空气进行混合。牛奶起泡单元的设计和操作是常规的。因此，没有提供牛奶起泡单元的更多细节。

咖啡机可以包括用于对水进行加热的任何合适类型的水加热器，例如，热块或通流加热器。

本发明特别地涉及全自动咖啡机，该全自动咖啡机通过自动地研磨咖啡豆、压缩咖啡以及将热的加压水泵送通过咖啡来创建咖啡饮料。此外，这样的咖啡机具有如下可能性：通过利用蒸汽使牛奶起泡来产生基于牛奶的饮料。这些机器被称为全功能“豆到杯”浓缩机。然而，本发明通常可以被应用于使用共享的加热器、并且例如具有用于牛奶起泡的蒸汽、具有热水产生和蒸汽输出两者的任何饮料机。

例如，本发明可以被应用于接纳预压缩咖啡胶囊或囊的基于胶囊或囊的系统，或者被应用于接纳预研磨咖啡的机器。

机器可以具有内部或外部储水槽，或者也可以插入其中。

在上述示例中，阀的中间位置(即，在狭槽76中间的销74)被用于起泡。然而，出口位置的顺序可以是不同的。

通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在互不相同的从属权利要求中记载某些措施的事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记都不应该被解释为限制范围。