Устройство для приготовления молочной пены - RU2653678C2
Код документа: RU2653678C2
Чертежи
Описание
Изобретение относится к устройству для вспенивания среды, предпочтительно для приготовления молочной пены. В частности, устройство спроектировано таким образом, чтобы его можно было использовать для приготовления пены на линии подачи текучей среды. Устройство настоящего изобретения использует энергию сдвига, прикладываемую текучей средой в устройстве, в качестве энергии вспенивания для приготовления пены.
По существующему уровню техники известны устройства для приготовления молочной пены, в которых вспенивание молока обычно выполняется посредством периодических процессов. Например, известно устройство, имеющее резервуар, который может наполняться молоком. Поворотная часть, установленная в резервуаре, например, взбивалка, расположенная у нижней поверхности резервуара, обеспечивает вспенивание молока. Однако такое устройство для приготовления молочной пены может приготавливать за один раз только заданное количество молочной пены, т.е. за один периодический процесс. После этого устройство должно быть опорожнено, предпочтительно очищено и снова наполнено молоком перед началом нового периодического процесса. Кроме того, такое устройство не может быть внедрено для приготовления пены на линии подачи текучей среды и, таким образом, в устройство для приготовления или подачи молока или других продуктов.
Кроме того, по существующему уровню техники с целью вспенивания устройства нагнетают горячий пар в молоко, которое наливается в резервуар. Однако такие устройства не могут использоваться для приготовления пены на линии подачи текучей среды, например устройство для приготовления напитков.
По вышеуказанному уровню техники применительно к существующим устройствам факторы, влияющие на вспенивание молока, включают в себя, например, геометрию поворотной части, например, взбивалки, или температуру и/или давление пара, который нагнетается в молоко. Эти факторы сложно понять и нелегко точно контролировать без изготовления более сложных устройств. По этой причине приготовление молочной пены во многих существующих устройствах является нестабильным процессом, т.е. свойства пены, например, объем, уровень вспенивания, устойчивость пены и т.д. отличаются друг от друга применительно к последовательным периодическим процессам.
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы устранить вышеуказанные недостатки и усовершенствовать существующий уровень техники, в частности, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить устройство для вспенивания текучей среды, предпочтительно для приготовления молочной пены, которое может быть внедрено для приготовления пены на линии подачи текучей среды. Кроме того, настоящее изобретение предлагает устройство, с помощью которого пена может приготавливаться более надежным и надлежащим образом. Таким образом, факторы, влияющие на эффект вспенивания, должны быть более доступными для понимания и облегчения их точного контроля. Другая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить простое и надежное устройство, имеющее длительный срок службы.
Ниже приводится описание настоящего изобретения применительно к вспениванию молока. Однако изобретение не ограничивается до молока в качестве текучей среды и также может относиться к другим текучим средам, например, к шоколаду или кофе. Соответственно, с помощью настоящего изобретения можно приготавливать пену не только из молока, но из других продуктов.
Для вспенивания молока как молоко, так и воздух должны приготавливаться таким образом, как показано на фиг. 1. По усмотрению молоко и/или воздух могут подогреваться. Кроме того, для приготовления молочной пены необходимо подавать в молоко и воздух энергию для вспенивания. Настоящее изобретение основано на раздельном контроле подачи воздуха и молока и на том, что энергия для вспенивания представляет собой высокую энергию сдвига. Высокая энергия сдвига обеспечивается с помощью такого устройства, в котором молочно-воздушная смесь проходит через устройство, по меньшей мере, частично с использованием потока Куэтта.
Поток Куэтта относится к ламинарному потоку вязкой текучей среды в пространстве между двумя параллельными пластинами. Основной принцип потока Куэтта показан на фиг. 2а. На фиг. 2а подвижная плоская граничная пластина движется с определенной скоростью и относительно неподвижной плоской граничной пластины. Между двумя граничными пластинами находится текучая среда. Движение подвижной граничной пластины вызывает движение текучей среды. Движение текучей среды определяют два граничных условия. Непосредственно у неподвижной граничной пластины текучая среда вообще не перемещается из-за воздействия сил трения у неподвижной граничной пластины. Следовательно, скорость и равна нулю. Непосредственно у подвижной граничной пластины трение вынуждает текучую среду двигаться со скоростью и подвижной граничной пластины.
В упрощенной модели скорость u текучей среды линейно увеличивается в направлении у, измеряемом от неподвижной граничной пластины. Таким образом, в текучей среде возникает касательное напряжение τ, которое зависит от расстояния между двумя граничными пластинами, скорости текучей среды и абсолютной скорости подвижной граничной пластины. Касательное напряжение в текучей среде приводит к образованию энергии сдвига, которая может использоваться в качестве энергии для вспенивания. Подробное описание приводится ниже.
Настоящее изобретение реализует вышеуказанный принцип с помощью устройства по независимым пунктам приложенной формулы изобретения. Независимые пункты формулы изобретения обеспечивают решение вышеуказанных проблем существующего уровня техники. Другие преимущества настоящего изобретения представлены в зависимых пунктах приложенной формулы изобретения.
Как указано выше, основным отличительным признаком настоящего изобретения является то, что молоко и воздух подаются по двум отдельным контурам подачи, т.е. контуру подачи молока и контуру подачи воздуха.
Таким образом, количества подаваемого воздуха и молока могут контролироваться по отдельности, что позволяет надлежащим образом контролировать характеристики пены.
По предпочтительному варианту выполнения изобретения контур подачи молока содержит контур регулирования с обратной связью с расходомером и регулятором. Предпочтительно, контур подачи воздуха равным образом содержит контур регулирования с обратной связью с расходомером и регулятором например, ПИД-регулятором.
В зависимости от требуемых свойств пены (стойкость, густота, плотность и т.д.) можно выбирать различные соотношения молока и пены, так чтобы устройство могло приготавливать широкий ассортимент различных составов пены. Типичное отношение молока и воздуха по объему может составлять от 3:1 до 1:7. Заданные значения для различных расходов молока и воздуха, соответствующих различным составам, могут храниться в блоке управления устройства и использоваться для регулирования расхода в зависимости от требуемого состава.
Кроме того, по предпочтительному варианту выполнения настоящего изобретения устройство для приготовления молочной пены содержит наружный цилиндр, внутренний цилиндр, установленный концентрично внутри наружного цилиндра, впуск текучей среды и выпуск текучей среды, при этом наружный цилиндр и внутренний цилиндр вращаются относительно друг друга, и между наружным цилиндром и внутренним цилиндром образован зазор, и этот зазор соединяет впуск текучей среды с выпуском текучей среды.
Например, наружный цилиндр имеет внутреннюю стенку, и внутренний цилиндр имеет наружную стенку, при этом внутренняя стенка и наружная стенка образуют две параллельные граничные пластины, и относительное движение внутреннего цилиндра у наружного цилиндра вызывает образование потока Куэтта применительно к текучей среде в пространстве между двумя параллельными пластинами.
Как вариант, устройство может содержать поворотную взбивалку или какой-либо другой поворотный элемент вместо внутреннего цилиндра.
Две граничные пластины, показанные на фиг. 2а, соответственно образованы наружной стенкой внутреннего цилиндра и внутренней стенкой наружного цилиндра. Движение подвижной граничной пластины относительно неподвижной граничной пластины, как показано на фиг. 2а, вызвано относительным движением внутреннего цилиндра возле наружного цилиндра. Цилиндры имеют общую ось вращения. Расстояние между граничными пластинами на фиг. 2а определяется шириной зазора, по которому текучая среда, предпочтительно молоко и воздух, протекает от впуска текучей среды к выпуску текучей среды. Это означает, что молоко и воздух предпочтительно поступают к впуску текучей среды устройства. Соответственно, согласно принципу, описанному со ссылкой на фиг. 2а, молочно-воздушная смесь подвергается в зазоре воздействию значительного касательного напряжения.
Значительное касательное напряжение приводит к образованию эмульсии, состоящей из воздуха и молока. После выхода эмульгированной молочно-воздушной смеси из зазора она сразу же расширяется. Благодаря расширению достигается эффект вспенивания, поскольку размер пузырьков воздуха, содержащихся в молоке, резко увеличивается. В общем, высокая энергия сдвига, содержащаяся в молочно-воздушной смеси, используется для обеспечения энергии вспенивания, которая необходима для приготовления молочной пены.
Устройство спроектировано таким образом, что его можно использовать для приготовления пены на линии подачи молока, поскольку молоко может протекать во впуск текучей среды по зазору и вытекать из выпуска текучей среды. Устройство, таким образом, пригодно для непрерывного получения молока из резервуара и его превращения в молочную пену.
К факторам, которые влияют на свойства молочной пены, относятся, например, ширина зазора, тангенциальная скорость цилиндров относительно друг друга, поверхность цилиндров и время, в течение которого молоко подвергается воздействию касательного напряжения, т.е. время, в течение которого молоко находится в устройстве. Такие параметры легко поддаются пониманию и могут точно контролироваться. Кроме того, устройство может быть достаточно простым по конструкции, но обеспечивать при этом надлежащие результаты.
Предпочтительно, ширина зазора, например, в радиальном направлении внутреннего цилиндра и наружного цилиндра составляет 0,2-1,0 мм, еще более предпочтительно 0,3-0,6 мм.
Как указано выше, касательное напряжение, воздействующее на молочно-воздушную смесь в устройстве, в значительной степени зависит от ширины зазора, который образован между стенками двух цилиндров. Диаметр зазора выбирается таким образом, чтобы достигалось касательное напряжение, которое обеспечивает оптимальный эффект вспенивания молока. Это означает, к примеру, что эффект вспенивания ведет к получению молочной пены, имеющей оптимальные свойства. При ссылке на свойства пены в настоящем изобретении подразумеваются такие свойства, как требуемый объем, надлежащая устойчивость пены и/или достаточный уровень вспенивания. Устойчивость определяется временем, в течение которого молочная пена остается устойчивой, т.е., по существу, сохраняет свой объем. Уровень вспенивания определяется отношением объема молока, подаваемого во впуск текучей среды, к объему молока, дозируемого из выпуска текучей среды.
Предпочтительно, выпуск текучей среды имеет диаметр, который превышает ширину зазора и предпочтительно составляет 2-10 мм.
Увеличение размера выпуска текучей среды по сравнению с шириной зазора ведет к расширению молочно-воздушной эмульсии, приготавливаемой за счет высокого касательного напряжения, которое образуется в результате относительного вращения двух цилиндров. Это расширение увеличивает в размере пузырьки воздуха в молочно-воздушной смеси и взывает эффект вспенивания. Предпочтительный диаметр выпуска текучей среды взывает расширение, которое позволяет приготавливать молочную пену с оптимальными свойствами.
Что касается варианта выполнения, использующего поворотный цилиндр, внутренний цилиндр может содержать первую часть, имеющую больший диаметр, и вторую часть, имеющую меньший диаметр, при этом между первой частью внутреннего цилиндра и наружным цилиндром образован зазор, и между второй частью и внутреннего цилиндра и наружным цилиндром образована камера.
Смещение между двумя цилиндрами образует первую зону (в этом случае зазор) между двумя цилиндрами, где молочно-воздушная смесь воспринимает действие более высокого касательного напряжения, и вторую зону (в этом случае камеру) между двумя цилиндрами, где молочно-воздушная смесь воспринимает действие более низкого касательного напряжения. Зона высокого касательного напряжения используется для эмульгирования молочно-воздушной смеси, в то время как дона низкого касательного напряжения используется для расширения при эмульгировании. Таким образом, эффект вспенивания может создаваться между двумя концентричными цилиндрами. Если выпуск текучей среды имеет диаметр, превышающий размер камеры между двумя цилиндрами, могут иметь место расширение и эффект вспенивания. Устройство может быть спроектировано таким образом или в нем могут быть предусмотрены такие средства, чтобы диаметр камеры был регулируемым. Таким образом, эффект вспенивания и свойства молочной пены могут контролироваться и регулироваться.
Предпочтительно, в варианте выполнения, где используется поворотный цилиндр, а не взбивалка или другой поворотный элемент, камера имеет ширину в направлении радиуса внутреннего цилиндра и наружного цилиндра, составляющую 2-10 мм.
За счет использования предпочтительных значений для ширины камеры в устройстве могут быть получены оптимальные свойства пены.
Предпочтительно, устройство также содержит двигатель для вращения поворотного элемента относительно наружного цилиндра.
Предпочтительно, двигатель предназначен для вращения внутреннего цилиндра с частотой вращения 4000-8000 об/мин относительно наружного цилиндра.
Касательное напряжение между поворотным элементом и окружающими стенками зависит от скорости перемещения, т.е. от относительной частоты вращения. Было установлено, что предпочтительные значения частоты вращения позволяют получить наилучший эффект вспенивания. Это означает, что приготавливаемая молочная пена имеет оптимальные свойства.
Предпочтительно, двигатель содержит вал, снабженный передней частью, которая содержит по меньшей мере один первый магнит, при этом поворотный элемент содержит по меньшей мере один второй магнит, и по меньшей мере один первый магнит и по меньшей мере один второй магнит выполнены с возможностью бесконтактной передачи вращения вала двигателя на поворотный элемент, т.е., к примеру, внутренний цилиндр или взбивалку.
Поскольку поворотный элемент приводится в движение магнитным образом, вал не должен соединяться механически с внутренним цилиндром или вставляться в него. Таким образом, в устройстве создается меньшее усилие трения, поскольку при вращении устройства не возникает никакого трения между валом и направлением к поворотному элементу или в этом элементе. Меньшее усилие трения ведет к меньшему расходу энергии и более длительному сроку службы устройства.
Предпочтительно, устройство также содержит водонепроницаемый разделительный элемент, расположенный между двигателем и поворотным элементом.
Водонепроницаемая перегородка поворотного элемента и двигателя за счет магнитного соединения может передавать вращение вала на поворотный элемент. Практически исключается риск попадания молока из зазора в ту часть устройства, в которой установлен двигатель. Таким образом, двигатель требует меньшей очистки, поскольку он не загрязняется молоком, и также имеет увеличенный расчетный срок службы. Предпочтительно, разделительный элемент выполнен из металла или пластика. Разделительный элемент может быть частью корпуса устройства.
Предпочтительно, диаметр наружного цилиндра или корпус составляет 25-35 мм, предпочтительно, примерно 30 мм.
В варианте выполнения, в котором используется внутренний поворотный цилиндр, общий объем зазора, образующегося между двумя цилиндрами, который зависит не только от ширины зазора, но и от абсолютных диаметров двух цилиндров, обеспечивает получение требуемого количество молочной пены в единицу времени, когда устройство находится в рабочем состоянии. Аналогично, когда в качестве поворотного элемента используется взбивалка, объем зазора, образованного выше, ниже и вокруг взбивалки, является критичным.
Предпочтительно, устройство также содержит нагреватель для нагрева текучей среды, протекающей от впуска текучей среды к выпуску текучей среды.
Нагрев молока и/или воздуха, обеспечиваемый через впуск текучей среды в зазор, может повысить эффект вспенивания за счет дополнительной доступной энергии и/или денатурации белков. Кроме того, горячая молочная пена обычно требуется для приготовления таких напитков, как капучино и т.п. Нагреватель предпочтительно встроен в корпус, т.е. в наружный цилиндр.
Изобретение также относится к способу приготовления молочной пены в вышеописанном устройстве. Способ включает в себя подачу молока к впуску текучей среды из контура подачи молока и подачу воздуха к впуску текучей среды из контура подачи воздуха, расположенного отдельно от контура подачи молока.
Другой аспект изобретения относится к использованию молока в качестве молока, вспениваемого с помощью вышеописанного устройства.
Ниже приводится подробное описание настоящего изобретения со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:
на фиг. 1 схематично изображен основной принцип приготовления молочной пены;
на фиг. 2а и 2b схематично изображен основной принцип потока Куэтта для образования касательного напряжения;
на фиг. 3 схематично показано устройство для приготовления молочной пены по первому варианту выполнения настоящего изобретения;
на фиг. 4 показано устройство для приготовления молочной пены по первому варианту выполнения настоящего изобретения, вид в разрезе;
на фиг. 5 - то же, вид в перспективе;
на фиг. 6 схематично показано устройство для приготовления молочной пены по второму варианту выполнения настоящего изобретения;
на фиг. 7 показано устройство для приготовления молочной пены по третьему варианту выполнения настоящего изобретения, вид в разрезе;
на фиг. 8 показана схема устройства для приготовления молочной пены по настоящему изобретению, включающего в себя контуры подачи молока и воздуха.
Несмотря на то, что контуры подачи молока и воздуха для приготовления молочной пены являются частью устройства по изобретению, они не показаны на фиг. 3-7 для простоты.
На фиг. 3 схематично показано устройство 1 для приготовления молочной пены по первому варианту выполнения настоящего изобретения. Устройство 1 содержит наружный цилиндр 2, который, по меньшей мере, частично является полым и в котором полость образует внутренний диаметр о наружного цилиндра 2. Внутри наружного цилиндра 2, т.е. внутри полости установлен внутренний цилиндр 3, концентричный с наружным цилиндром 2. Внутренний цилиндр 3 имеет наружный диаметр i. Наружный цилиндр 2 и внутренний цилиндр 3 вращаются относительно друг друга вокруг общей оси вращения. С этой целью предпочтительно внутренний цилиндр 3 вращается вокруг оси вращения, которая обозначена на фиг. 3 пунктирной линией, т.е. внутренний цилиндр является ротором. Наружный цилиндр 2 предпочтительно является неподвижным, т.е. наружный цилиндр 2 предпочтительно является статором. Наружный цилиндр может, например, крепиться в устройстве для приготовления напитков, которое включает в себя устройство для приготовления молочной пены настоящего изобретения. Как вариант, наружный цилиндр 2 может быть корпусом устройства 1 настоящего изобретения, который может крепиться за счет собственного веса или веса устройства 1, например, при установке на поверхность. Однако возможны другие решения, например, наружный цилиндр 2 может вращаться относительно неподвижного внутреннего цилиндра 3 или оба цилиндра 2 и 3 могут вращаться относительно друг друга.
Наружный диаметр i внутреннего цилиндра 3 меньше внутреннего диаметра о наружного цилиндра 2, поэтому между цилиндрами образован зазор 6, имеющий ширину w, которая определяется различием соответствующих диаметров цилиндров (т.е. w=о-i/2). Зазор 6 соединен с впуском 4 текучей среды устройства 1 с выпуском 5 текучей среды из устройства 1 таким образом, чтобы текучая среда, например, молоко вместе с воздухом, могла проходить через устройство 1. Это означает, что при использовании устройства 1 предпочтительно молоко и воздух поступают во впуск 3 текучей среды, далее смесь протекает по зазору 6 в направлении продолжения двух цилиндров 2 и 3 (т.е. в направлении высоты цилиндров), и в конечном итоге выходит из устройства 1 через выпуск 5 текучей среды.
Поскольку внутренний цилиндр 3 вращается относительно наружного цилиндра 2, когда молочно-воздушная смесь протекает по зазору 6, смесь воспринимает высокое касательное напряжение согласно принципам потока Куэтта, описанным выше. Высокое касательное напряжение ведет к образованию эмульсии, состоящей из молока и воздуха. После вытекания эмульсии из зазора 6 и устройства 1 через выпуск 5 текучей среды эмульсия расширяется и вспенивается, поскольку пузырьки воздуха, содержащиеся в молоке, резко расширяются. Предпочтительно, ширина w зазора 6, измеренная в направлении радиуса внутреннего цилиндра 3 и наружного цилиндра 2, соответственно, составляет 0,1-1 мм, более предпочтительно 0,2-0,6 мм, наиболее предпочтительно 0,3-0.5 мм. При таком зазоре обеспечиваются наилучшие свойства молочной пены.
Внутренний цилиндр 3 может быть сплошным или полым. Внутренний цилиндр 3 может включать в себя нагреватель 15, предназначенный для нагрева молока и воздуха, которые проходят через зазор 6. Как вариант, нагреватель может быть расположен в наружном цилиндре и нагревать молоко и воздух, которые протекают через зазор 6 снаружи. Нагреватель 15 может быть электрическим или он может включать в себя части, которые перемещаются за счет вращения поворотного цилиндра и предназначены для превращения перемещения в тепло.
На фиг. 4 показано в разрезе устройство 1 из фиг. 3. Внутренний цилиндр 3 расположен внутри наружного цилиндра 2, и между цилиндрами 2 и 3 образован зазор 6, через который может протекать и выходить из выпуска 5 текучей среды молочно-воздушная смесь. Выпуск 5 текучей среды предпочтительно имеет внутренний диаметр d, который, по существу, больше ширины w зазора 6. Предпочтительно, диаметр d составляет 1-20 мм, более предпочтительно 2-10 мм, наиболее предпочтительно 5-10 мм. Отношение ширины зазора 6 к диаметру d выпуска текучей среды предпочтительно составляет от 1:1 до 1:200, более предпочтительно от 1:3 до 1:50, наиболее предпочтительно от 1:5 до 1:30. Благодаря расширению молочно-воздушной смеси, вытекающей из зазора 6 в выпуск 5 текучей среды, пузырьки воздуха, содержащиеся в молоке, увеличиваются в размере, тем самым, вызывая вспенивание молока. Таким образом, устройство 1 может обеспечивать подачу молока у выпуска 5 текучей среды.
На фиг. 4 также показано, что устройство 1 содержит двигатель 8, который обеспечивает вращение внутреннего цилиндра 3 относительно наружного цилиндра 2. Двигатель 8 предпочтительно расположен отдельно от двух цилиндров 2 и 3, например, в отдельной камере устройства 1 или, по меньшей мере, на перегородке 13, например, на плите, между двигателем 8 и цилиндрами 2 и 3. Перегородка 13 предпочтительно является водонепроницаемой, чтобы молоко не могло поступать в ту часть устройства 1, в которой установлен двигатель 8. Двигатель 8 предпочтительно имеет поворотный вал 9. Вал 9 предпочтительно снабжен передней частью 10, размер которой больше размера вала 9, при этом передняя часть включает в себя по меньшей мере один первый магнит 11. Перегородка 13 между двигателем 8 и внутренним цилиндром 3 предпочтительно содержит выступающий участок 13а, в котором образовано углубление 13b для размещения передней части 10 двигателя 8. Выступающий участок 13а перегородки 13 предпочтительно размещается в углублении на верхней поверхности внутреннего цилиндра 3. Внутренний цилиндр 3 предпочтительно снабжен по меньшей мере одним вторым магнитом 12, расположенным рядом с его верхней поверхностью, который имеет такую форму и расположен таким образом, чтобы он взаимодействовал магнитным способом по меньшей мере с первым магнитом 11, расположенным в передней части 10 двигателя 8.
Когда вал 9 вращается двигателем 8, по меньшей мере один первый магнит 11 также вращается и передает свое вращение посредством магнитной связи по меньшей мере на один второй магнит 12 внутреннего цилиндра 3. Таким образом, обеспечивается вращение внутреннего цилиндра 3 относительно наружного цилиндра 2.
Предпочтительно, относительная частота вращения двух цилиндров 2, 3 относительно друг друга составляет 1000-15000 обмин, более предпочтительно 2000-10000 об/мин, наиболее предпочтительно 4000-8000 об/мин. Благодаря предпочтительной частоте вращения обеспечивается наилучшее эмульгирование молочно-воздушной смеси в зазоре 6 с получением наилучших вспенивающих свойств молочной пены после расширения. Благодаря бесконтактной передаче вращения вала 9 двигателя для вращения предпочтительно внутреннего цилиндра 3, часть устройства 1, которая включает в себя двигатель 8, может быть отделена от части устройства 1, которая включает в себя два цилиндра 2, 3. Это отделение исключает попадание молока в часть устройства 1, которая включает в себя двигатель 8. Молоко может повредить электрические или механические детали двигателя 8. Таким образом, благодаря разъединению двух частей устройства 1 обеспечивается более длительный срок службы изделия. Кроме того, части двигателя 8 не загрязняются молоком, что исключает необходимость выполнения частой очистки.
На фиг. 5 показано в перспективе устройство 1 из фиг. 3 и 4. Устройство 1 содержит две части, верхнюю часть 1а, которая включает в себя двигатель 8, и нижнюю часть 1b, которая включает в себя два цилиндра 2 и 3. Две части 1а и 1b устройства 1 предпочтительно соединены друг с другом двумя фланцами 14а и 14b и скреплены болтами 15, как показано на фиг. 5. Верхний фланец 14а может быть предназначен для удерживания двигателя 8 устройства 1, и нижний фланец 14b может быть предназначен для удерживания цилиндров 2 и 3 устройства 1. Верхний фланец 14а также может быть выполнен за одно целое с корпусом двигателя 8, и нижний фланец 14b может быть выполнен за одно целое с наружным цилиндром 2. По меньшей мере, нижний фланец 14b действует в качестве перегородки 13 между двигателем 8 и цилиндрами, как можно понять из фиг. 4. Впуск 4 текучей среды предпочтительно расположен на наружной боковой поверхности наружного цилиндра 2 и может быть выполнен за одно целое с наружным цилиндром 2. То же самое относится к выпуску 5 текучей среды, который предпочтительно расположен на наружной нижней поверхности наружного цилиндра 2 и предпочтительно выполнен за одно целое с наружным цилиндром 2.
Впуск 4 текучей среды и выпуск 5 текучей среды предпочтительно выполнены с возможностью крепления двух жидкостных линий, например, труб, идущих от контура подачи молока и контура подачи воздуха. Устройство 1 может быть внедрено, например, в устройство для приготовления напитков, имеющее, например, насосы для подачи молока и воздуха во впуск 4 текучей среды. Как вариант, само устройство 1 может быть снабжено механизмом, который обеспечивает, чтобы относительное вращение цилиндров 2 и 3 вызывало всасывание молока и воздуха во впуск 4 текучей среды, например, через трубу, ведущую в наружный резервуар для молока. Молочная пена может поступать через выпуск 5 текучей среды в дозатор непосредственно или по трубе. Устройство 1 настоящего изобретения может обеспечивать приготовление молочной пены на линии подачи молока и может, к примеру, быть частью устройства для приготовления напитков, например кофейной машины.
На фиг. 6 показан в разрезе альтернативный вариант выполнения устройства 1 настоящего изобретения. Внутренний цилиндр 3 содержит первую часть 3а и вторую часть 3b. Первая часть 3а имеет диаметр I, который превышает диаметр s второй части 3b. В частности, диаметр I первой части 3а предпочтительно выбирается таким образом, чтобы зазор 6 шириной w между первой частью 3а и наружным цилиндром 2 составлял 0,1-1 мм, более предпочтительно 0,2-0,6 мм, наиболее предпочтительно 0,3-0,5 мм. Диаметр s второй части 3b внутреннего цилиндра 3 предпочтительно выбран таким образом, чтобы между второй частью 3b и наружным цилиндром 2 была образована камера 7, при этом камера 7 предпочтительно имеет ширину, измеряемую в радиальном направлении внутреннего цилиндра 3, которая превышает ширину w зазора 6 и предпочтительно составляет 1-20 мм, более предпочтительно 2-10 мм. Диаметр о наружного цилиндра 2 предпочтительно составляет 20-40 мм, более предпочтительно 30 мм, как в первом варианте выполнения настоящего изобретения. Диаметр s второй части 3b наиболее предпочтительно составляет 20-28 мм, и диаметр i наиболее предпочтительно составляет 27,5-27,7 мм, как в первом варианте выполнения.
Молоко и воздух, поступающие во впуск 4 текучей среды для протекания по зазору 6, превращаются в эмульсию за счет высоких касательных усилий, действующих в узком зазоре 6 между внутренним цилиндром 3 и наружным цилиндром 2, когда внутренний цилиндр 3 вращается относительно наружного цилиндра 2. Когда эмульгированная молочно-воздушная смесь вытекает из зазора 6 в камеру 7, она расширяется и соответственно вспенивается. За счет расширения пена выдавливается из выпуска 5 текучей среды. Если диаметр выпуска 5 текучей среды больше диаметра камеры 7, молоко вспенивается в еще большей степени.
На фиг. 7 показан в разрезе еще один варианта выполнения устройства 1' по настоящему изобретению.
Устройство 1' содержит наружный цилиндр 2', образующий корпус, который, по меньшей мере, частично является полым. В верхней части 1а' наружного цилиндра 2' образовано полое отделение, и концентрично с наружным цилиндром 2' установлена поворотная взбивалка 3'. Взбивалка 3' имеет дискообразную форму, наружный диаметр которой меньше внутреннего диаметра наружного цилиндра 2', чтобы выше, ниже и вокруг взбивалки 3' был образован зазор 6'. Как описано выше для предыдущих вариантов выполнения изобретения, зазор 6' соединяет впуск 4' текучей среды устройства 1' с выпуском 5' текучей среды устройства 1' таким образом, что текучая среда, например молоко, поступающая вместе с воздухом, может проходить через устройство 1'. Впуск 4 текучей среды соединен с контурами подачи воздуха и молока, которые на фиг. 7 не показаны. Разделитель 40 текучей среды установлен внутри впуска 4' таким образом, что молоко и воздух, поступающие в устройство 1', равномерно распределяются вокруг взбивалки 3'.
Поскольку внутренняя взбивалка 3' вращается относительно наружного цилиндра 2' с узким зазором 6' вокруг взбивалки 3', в то время как молочно-воздушная смесь протекает через зазор 6', смесь воспринимает высокое касательное напряжение согласно принципам потока Куэтта, описанным выше. Высокое касательное напряжение ведет к образованию эмульсии, состоящей из молока и воздуха. После вытекания эмульсии из зазора 6' и устройства 1' через выпуск 5' текучей среды эмульсия расширяется в выпуске 5' текучей среды. Выпуск 5' текучей среды расположен радиально наружу от взбивалки 3' и имеет внутренний диаметр, превышающий ширину зазора 6', так чтобы пузырьки воздуха в молочной пене могли расширяться. Предпочтительно, ширина w зазора 6' составляет 0,1-1 мм, более предпочтительно 0,2-0,6 мм, наиболее предпочтительно 0,3-0,5 мм. При таком зазоре обеспечиваются наилучшие свойства молочной пены.
Аналогичным образом, как и в предыдущих вариантах выполнения, устройство может включать в себя нагреватель, который не показан на фиг.7.
В этом варианте выполнения устройство 1' также содержит двигатель 8', который предназначен для приведения во вращение взбивалки 3' относительно наружного цилиндра 2'. Взбивалка 3' поворачивается вокруг направляющего шарика 42, который образует ее ось вращения. Двигатель 8' установлен в отдельной камере устройства 1' с перегородкой 13', например плитой, между двигателем 8' и компонентами, содержащими взбивалку 3' и зазор 6', через который протекают молоко и воздух. Перегородка 13' предпочтительно является водонепроницаемой, чтобы молоко не могло поступать в ту часть устройства 1', в которой установлен двигатель 8'. Двигатель 8' имеет поворотный вал 9'. Вал 9' снабжен передней частью 10', размер которой больше размера вала 9', при этом передняя часть включает в себя по меньшей мере один первый магнит 11'. Взбивалка 3' равным образом снабжена по меньшей мере одним вторым магнитом 12', расположенным рядом с ее нижней поверхностью, который имеет такую форму и расположен таким образом, чтобы он взаимодействовал магнитным способом по меньшей мере с первым магнитом 11', расположенным в передней части 10' двигателя 8'.
Когда вал 9' вращается двигателем 8', по меньшей мере один первый магнит 11' также вращается и передает свое вращение посредством магнитной связи по меньшей мере на один второй магнит 12' взбивалки 3', и, таким образом, обеспечивается вращение взбивалки 3'.
Предпочтительно, все варианты выполнения настоящего изобретения спроектированы таким образом, чтобы обеспечить в зазоре 6 значение касательного напряжения для молока 20-80 Па, более предпочтительно 30-60 Па, наиболее предпочтительно 40-50 Па, исходя из закона вязкости Ньютона. Результаты в отношения качества молочной пены зависят не только от текущего касательного напряжения, но и от времени, в течение которого прикладывается это касательное напряжение. Типичное значение составляет 0,2 с при касательном напряжении 40-50 Па, но удовлетворительные результаты также могут быть получены для более длительных значений времени. Предпочтительные значения касательного напряжения могут быть получены с использованием зазора, имеющего ширину w предпочтительно 0,1-1 мм, более предпочтительно 0,2-0,6 мм, наиболее предпочтительно 0,3-0,5 мм, частоты вращения предпочтительно 1000-15000 об/мин, более предпочтительно 2000-10000 об/мин, наиболее предпочтительно 4000-8000 об/мин, внутреннего диаметра о наружного цилиндра 2 предпочтительно 20-40 мм, более предпочтительно 30 мм, и с использованием молока, которое имеет комнатную температуру (20°C). Предполагается, что при комнатной температуре молоко имеет вязкость μ=2 мПа⋅с, и предполагается, что оно является ньютоновской текучей средой.
На фиг. 8 схематично показано устройство 1 или 1' по любому из вышеописанных вариантов выполнения с контуром 88 подачи молока и контуром 89 подачи воздуха. Эти контуры 88, 89 являются частью общего устройства, но были опущены на Фиг. 3-7 для простоты.
Контур 88 подачи молока содержит бак 80 для молока, из которого молоко перекачивается к впуску 4, 4' устройства 1 воздушным насосом 83. Воздушный насос 83 подает воздух в бак 80 для молока, и молоко поступает из бака к впуску 4 устройства 1. Расходомер 81 и регулятор 82, например ПИД-регулятор, образуют контур обратной связи. Расход молока сравнивается с заданным значением, после чего выполняется регулирование насоса, обычно посредством регулирования напряжения, прикладываемого к насосу, если измеренное значение не соответствует заданному значению. Таким же образом с помощью другого регулятора 85 контролируется подача воздуха, используя значения, измеряемые расходомером 84, и регулируя другой воздушный насос 86.
Контролируя количество подаваемого воздуха и молока и подавая их через две разные и независимые трубы, которые присоединяются только на входе смесительной камеры, можно надлежащим образом контролировать свойства пены.
В зависимости от требуемых свойств пены (стойкость, густота, плотность и т.д.) можно выбирать различные соотношения молока и пены, так чтобы устройство могло приготавливать широкий ассортимент различных составов пены. Типичное отношение молока и воздуха по объему может составлять от 3:1 до 1:7. Заданные значения для различных расходов молока и воздуха, соответствующих различным составам, могут храниться в блоке управления устройства и использоваться для регулирования расхода в зависимости от требуемого состава.
Реферат
Изобретение относится к устройству для приготовления молочной пены, в котором используется поток Куэтта и высокое касательное напряжение, которое соответственно прикладывается к молочно-воздушной смеси в зазоре между корпусом, в частности наружным цилиндром, и поворотным элементом, установленным и вращающимся внутри наружного цилиндра. Устройство также содержит контур подачи молока, подающий молоко к впуску текучей среды, и контур подачи воздуха, подающий воздух к впуску текучей среды, при этом оба контура независимы друг от друга. Контур подачи молока содержит контур регулирования с обратной связью с расходомером и регулятором. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 9 ил.
