用于冲泡和提取咖啡的改进的方法和装置与流程

本发明总体上目的在于在咖啡机中进行咖啡的提取。本发明具体地涉及用于冲泡和提取咖啡的改进的方法和装置，尤其是涉及在制作浓缩咖啡时用于冲泡和提取咖啡的改进的方法和装置。

背景技术：

1、咖啡是非常受欢迎的饮品，咖啡以不同的形式在世界各地被消费。全球的消费者每年享用数十亿杯咖啡。咖啡消费在所有年龄段的人中以及在一天中的任何时候都很普遍。可以在家里、在工作场所、在咖啡馆中、在酒吧中和在餐馆中消费咖啡。通过全自动机器制作咖啡饮料正变得越来越普遍，消费者只需按压按钮就可以获得自己选择的咖啡饮料。咖啡饮料的整个制作过程、从咖啡豆的研磨到饮料的分配、都是在机器自身内自动化完成的。

2、咖啡通常是指包括在咖啡豆中发现的、溶解在水中的各种物质的液体，该各种物质诸如为果酸、咖啡因、脂质、类黑色素、碳水化合物和植物纤维。然而，咖啡也可以指不同形式、处于不同物理状态的咖啡，诸如咖啡豆、咖啡粉、咖啡研磨物等。

3、咖啡这种饮品来源于咖啡豆。咖啡豆被研磨以形成咖啡研磨物。咖啡研磨物被冲泡，以便将咖啡制作成用于消费的饮品。冲泡是制作咖啡的方法，通常由烘焙后的咖啡研磨物，通过使水或蒸汽穿过咖啡研磨物来制作咖啡。然而，在冲泡咖啡的过程中也可能涉及其他材料和步骤。

4、尽管咖啡豆通常在冲泡之前被研磨以形成咖啡研磨物，但是咖啡豆也可以不经过研磨而被直接地冲泡。

5、用于冲泡咖啡或提取咖啡可溶物的水可以是任何温度，并且包括以一种或多种物理状态存在的水。咖啡可溶物是指咖啡豆或咖啡研磨物中能够被水溶解的物质。例如，虽然使用热水(带有蒸汽)来冲泡咖啡，但也存在使用冷水提取咖啡的方法，诸如在冷压浓缩咖啡中使用冷水提取咖啡。

6、咖啡豆、咖啡粉和咖啡研磨物是咖啡在固体状态下的不同形态。咖啡豆是指咖啡树的种子，咖啡树是咖啡的原始来源。咖啡粉和咖啡研磨物是指咖啡豆的用于制作咖啡饮料的细磨形态。

7、在制作咖啡饮料时，需要将咖啡可溶物从咖啡研磨物提取到用于冲泡咖啡的水中。将咖啡可溶物提取到水中的过程通常称为咖啡提取。

8、咖啡提取通常是指将诸如咖啡因、碳水化合物、脂质和油的化合物从咖啡研磨物溶解到水中的过程。咖啡提取是精确的过程，并且存在决定已冲泡的咖啡的味道、香味和浓度的一些参数。

9、咖啡包括多种物质，这些物质包括上面列出的那些物质。这些物质中的每一者在不同的时间提取到冲泡液体中并且将不同的风味赋予到最终的提取物。咖啡豆的大约25-35％是水溶性的，而从味道的角度来看，在冲泡中，这些可溶性物质的仅约20％是所期望的。其他物质可能为咖啡液体增加味苦的或像纸的异味。通过增加溶解度可以改善这些物质的提取。通过变化温度、压力和搅动可以增加溶解度。通过改变诸如研磨尺寸和提取时间的参数可以微调咖啡的提取。

10、咖啡制作是将咖啡豆变成饮料的过程。虽然制作咖啡的具体步骤因咖啡的种类和原材料而异，但制作咖啡的过程包括四个基本步骤：烘焙生咖啡豆，然后研磨烘焙后的咖啡豆，然后将研磨后的咖啡与水混合(取决于冲泡的方法)特定的时间(冲泡)，以及最后，将液体咖啡与用过的研磨物分离。咖啡研磨物的粒度和尺寸对使用所述咖啡研磨物制作的饮品的味道有影响。

11、浓缩咖啡是最常见的冲泡提取式咖啡，尤其是在使用咖啡机/浓缩咖啡机的情况下。浓缩咖啡是在水在高压下穿过细磨的咖啡研磨物/咖啡豆时而制作的。其他常见消费的饮料，诸如卡布奇诺和拿铁，是由从咖啡研磨物提取的浓缩咖啡制作的。

12、咖啡可以用多种不同的方式冲泡，但根据水是如何引入到咖啡研磨物，这些方法分为四个主要组。这些主要组是煎煮(通过煮沸)、浸渍(通过浸泡)、重力供给(与渗滤器一起使用并且在滴滤式冲泡中使用)和加压渗滤(正如浓缩咖啡)。

13、人类的腭部和味道感觉系统通常偏好咖啡中的总溶解物(tds)百分比为18％至22％。tds低于18％的咖啡尝起来是不期望的酸，具有低的甜度、低的醇度、低的苦度和弱的余味。tds低于18％的咖啡被称为提取不足的咖啡。tds高于22％的咖啡，即提取过度的咖啡，具有令人不适的风味，带有高的苦度。然而，在全自动咖啡机中，味道特征(酸度、甜度、苦度等)可以被校准的程度存在限制，因为并非所有的变量和参数都可以在这样的咖啡机中被控制。

14、浓缩咖啡是在水在高压下穿过咖啡研磨物时产生。针对理想的浓缩咖啡，存在精确限定的参数。浓缩咖啡形成几乎所有咖啡配方和饮料的基础。所有这些必须彼此平衡以最佳地从咖啡研磨物进行提取。用于制备浓缩咖啡的传统方法包括以下步骤：研磨咖啡豆，压实研磨咖啡以形成平坦的且压缩的咖啡床，冲泡并且从咖啡床提取咖啡可溶物，该步骤包括对咖啡床进行预浸渍的选项。所有这些步骤都是在全自动咖啡机中自动完成的。

15、压实步骤在咖啡提取过程中起着重要作用。咖啡机中的传统压实方法是将咖啡研磨物填装入容器中，该容器通常存在于冲泡腔室中，该容器通常包括一个或多个过滤器。冲泡腔室是指咖啡机中进行咖啡冲泡和提取过程的容器。冲泡腔室是咖啡床和水第一次彼此接触的位置。

16、然后，将研磨咖啡堆放在冲泡腔室中，并且咖啡被弄平以形成平坦的且均匀的表面。然后使用压实装置，有时借助活塞(上部和/或下部)，来将咖啡向下压并且压紧咖啡。这种在过滤器中压紧的咖啡通常被称为咖啡床，该咖啡床存在于冲泡腔室中。压实咖啡研磨物有助于实现均匀地提取咖啡。

17、水被注入到咖啡研磨物中并且在压力下穿过咖啡研磨物。接下来是浓缩咖啡的提取，从而形成芳香的油脂和浓郁的味道。压实咖啡研磨物增加了对加压水的阻力，这增加了咖啡可溶物的提取时间。因此，咖啡可溶物在水中的溶解度被改善。

18、现有的咖啡冲泡器和冲泡/提取机不能以均匀的且有效的方式提取咖啡可溶物，因为该现有的咖啡冲泡器和冲泡/提取机将水在一个位置处注入到咖啡研磨物中，并且水在单个方向上流动穿过咖啡床，现有的咖啡冲泡器和冲泡/提取机通常带有预浸渍选项。现有的咖啡冲泡器在这样的实施方案中无法从咖啡床均匀地提取咖啡可溶物，这也是由于水对咖啡的饱和度限制。因此，由于在不同提取阶段中的所述水饱和度限制，咖啡床中的咖啡可溶物的5％至20％之间的咖啡可溶物未被提取。

19、单向冲泡器可以指重力或反重力(竖向)冲泡器，在单向冲泡器中，水从顶部向底部(重力)或从底部向顶部(反重力)流动穿过咖啡床或咖啡饼。

20、由于水的饱和度限制，当水流动穿过咖啡床时，水在一侧上比在另一侧上提取更多的咖啡可溶物。因此，咖啡床的一侧上的咖啡可溶物的提取率与咖啡床的另一侧处的咖啡可溶物的提取率相比会更高，其中水穿过该咖啡床的一侧进入咖啡床，水和咖啡可溶物从该咖啡床的另一侧离开朝向杯分配器。这意味着在竖向重力冲泡器中，由于水从顶部向底部流动，咖啡床的顶部处的咖啡提取率高于咖啡床的底部处的咖啡提取率。

21、同样地，在反重力竖向冲泡器中，与在咖啡床的顶部侧处进行的提取相比，水在底部侧处提取了更多的咖啡可溶物。这是因为水在压力下从咖啡床的底部流动到咖啡床的顶部。因此，在现有的冲泡和提取技术中，如果提取持续超过20秒，所提取的咖啡味道随着时间的推移变得越来越令人不适。

22、专利号ca2608312c公开了“咖啡制备装置”，在该咖啡制备装置中，研磨咖啡在压力下用热水浸渍。借助活塞头的伸展，热水被允许进入冲泡腔室来生产咖啡，并且活塞头的缩回允许浸渍腔室组件被移除以便进行清洁。因此在此，咖啡的冲泡仅在一个方向上进行。因此，由于研磨咖啡的不均匀提取，冲泡的咖啡的味道可能产生令人不适的风味。

23、kr101970614b1公开了“用于冲泡和浓缩咖啡饮品产生的装置和方法”。该kr101970614b1公开了用于浓缩咖啡制备的装置和方法的多个实施例，其包括两个腔室-上部和底部、烧结过滤器、浓缩咖啡饼、用于水和空气流的阀、传感器、压实器和致动器。该kr101970614b1也通过一个方向的水流来制作浓缩咖啡，这可能由于咖啡饼中咖啡的不均匀提取而产生浓缩咖啡的令人不适的风味。

24、w02008100597a1公开了“浓缩咖啡制备机和方法”，在该浓缩咖啡制备机和方法中，热水被允许在腔室中接触咖啡过滤囊，并且在腔室内部维持最小压力以释放阀，使得液体(浓缩咖啡)流动穿过过滤囊进入到容器中。该w02008100597a1也使用一个方向的水流来制作浓缩咖啡。

25、cn108175279b公开了“咖啡冲泡方法”，在该咖啡冲泡方法中，以不同的压力提取咖啡研磨物的一部分。该cn108175279b特别注重在提取过程的不同阶段中的压力差异，使得避免了由过度提取而导致的咖啡的苦味，但该咖啡冲泡方法也以单向的水流来运行。

26、在咖啡机中用来冲泡和提取咖啡/浓缩咖啡的现有技术不能均匀地且有效地将咖啡可溶物提取到所提取的咖啡中。这些现有技术主要利用水在一个方向上流动穿过咖啡床来运行，由于上面提到的限制(包括水的饱和度限制)，这通常导致咖啡的不均匀的且低效的提取、带有不期望的味道特征。当水流动穿过咖啡床时，因为水达到了水的饱和度限制，这个过程还留下了相当一部分的咖啡未被提取。

27、此外，由于硬件和软件在控制诸如咖啡的粒度、水压、水温的变量方面的限制，很难稳定地且准确地调节和校准自动咖啡机中的咖啡的味道特征。改变咖啡的粒度或咖啡研磨物的研磨尺寸是需要高水平的技能和专业知识的任务。这通常由熟练的专业人员在咖啡机所在的现场完成，这需要定期到咖啡现场视察。需要多次反复试验尝试，以便达到咖啡研磨物的所期望的研磨尺寸，从而提取出具有期望的味道特征的浓缩咖啡。因此，校准和更改咖啡研磨物的研磨尺寸的现有的方法是昂贵的、复杂的，并且导致不必要的自然资源和人力资源的浪费。

28、考虑到上面描述的限制，通过使用现有的咖啡冲泡和提取技术很难均匀地冲泡咖啡和提取具有所期望的且可口的烘焙特征或剂量的均衡的浓缩咖啡。使用现有技术，在不增加咖啡豆/研磨物的剂量的情况下获得所提取的咖啡的醇度和甜度的改善也是困难的。在不减少咖啡的体积的情况下改善所提取的咖啡的多汁度(juiciness)和期望的酸度是极其难的。

29、因此，需要用于冲泡和提取咖啡的改进的方法和装置，该用于冲泡和提取咖啡的改进的方法和装置能够均匀地且有效地提取咖啡床内存在的咖啡可溶物，以改善所提取的咖啡的味道特征。这种用于咖啡的冲泡和提取技术可以减少浪费并且在提取咖啡时改善咖啡可溶物在水中的溶解度。该用于冲泡和提取咖啡的改进的方法和装置还可以根据消费者的要求提供用于咖啡的味道特征的校准的另一种方法。还需要装置和方法，使用该装置和方法，进入咖啡床中的水方向和所提取的咖啡/浓缩咖啡的流动方向可以被控制。还需要用于冲泡和提取咖啡的装置和方法，该装置和方法减少了以下需要：校准或改变咖啡研磨物的研磨尺寸以便更改所提取的咖啡的味道特征，从而使得所利用的资源和所产生的费用的减少。

30、发明的公开内容

31、本发明的主要目的是提供用于冲泡和提取咖啡的改进的方法和装置。

32、本发明的另一个目的是提供用于以均匀的和有效的方式提取咖啡可溶物的方法和装置，其中，所提取的咖啡、咖啡饮料、液体或浓缩咖啡具有所期望的味道特征。

33、本发明的另一个目的是提供多方向的咖啡冲泡和提取的方法和装置，该方法和装置用于均匀地且有效地将咖啡可溶物提取到所提取的咖啡、咖啡饮料、液体或浓缩咖啡中，从而使所提取的咖啡具有所期望的味道特征。

34、本发明的另一个目的是提供用于在咖啡机中冲泡和提取咖啡的方法和装置，该方法和装置可以用于校准所提取的咖啡、咖啡饮料、液体或浓缩咖啡的味道特征。

35、本发明的另一个目的是提供用于冲泡和提取咖啡的这种方法和装置，该方法和装置可以容易地在咖啡冲泡器、咖啡机和浓缩咖啡机中实施。

36、本发明的另一个目的是提供方法和装置，该方法和装置有助于方便地更改和校准所提取的咖啡的味道特征，从而减少改变咖啡研磨物的研磨尺寸的需要。

37、在结合所附附图阅读以下描述的情况下，本发明的其他目的和优点将是显而易见的，所附附图被引入仅用于说明本发明的优选的实施例，并不旨在限制本发明的范围。

技术实现思路

1、以下信息呈现了本公开内容的简化总结，以便为读者提供基本的了解。本总结不以任何方式限制本发明的范围。本总结的唯一目的是总结本文中公开的一些发明构思，这些发明构思作为稍后呈现的更详细的描述的前奏。

2、为了克服将咖啡可溶物提取到所提取的咖啡/浓缩咖啡中的不均匀的且低效的问题，尤其是在咖啡机中克服该问题，本发明公开了使用用于冲泡和提取咖啡的装置，其中，水和/或蒸汽在多个方向上穿过咖啡床。水也可以用于预浸渍目的。所提取的咖啡通常是浓缩咖啡，但也可以包括其他咖啡液体和饮料，所提取的咖啡使用不同的提取方法来提取，包括使用阀和管道或管。本发明的实施例还使得减少了改变咖啡研磨物的研磨尺寸以更改或校准所提取的咖啡的味道特征的需要。关于管道，其包括传输液体的其他部件，诸如管和导管。咖啡机中的阀的开启和关闭有助于控制机器内部液体的流动。这些阀可以被手动地控制，或者使用计算机、处理单元、微控制器或微处理器被自动地控制。

3、本发明可以作为咖啡机、咖啡冲泡器、咖啡提取器、浓缩咖啡机的一部分来实施，在本发明的目的下，所有这些装置都将被称为咖啡机。这种机器通常用于通过、通常在压力下、使水或蒸汽穿过咖啡研磨物来冲泡咖啡研磨物而提取咖啡或浓缩咖啡。随着技术的改进，咖啡机的自动化水平不断提高，这意味着在咖啡饮料的制作中涉及的大多数步骤是通过电子的和自动的方式实施。常见消费的饮料，诸如卡布奇诺和拿铁，无论是手工制备还是机器制备的，都是由所提取的浓缩咖啡通过将浓缩咖啡与诸如水、牛奶、和糖的其他成分混合而制作的。

4、在本发明的一个实施例中，(在咖啡冲泡器/咖啡机中)水在两个方向上穿过咖啡床，即从顶部到底部和从底部到顶部(包括预浸渍选项)穿过咖啡床。水从顶部到底部、从底部到顶部流动穿过咖啡床是由阀自动地控制的(可以通过使用计算机、处理单元、微控制器或微处理器进行控制)，阀可以计算和测量参数，诸如万有引力、水压、水温、水流率和其他所需参数。这些参数可以取决于期望的提取率和所提取的咖啡/浓缩咖啡的味道特征，诸如酸度、多汁度、甜度、苦度、醇度和余味。传感器可以放置在冲泡腔室中，以便向计算机、处理单元、微控制器或微处理器提供信息，该计算机、处理单元、微控制器或微处理器可以根据诸如咖啡研磨物的当前湿度和溶解度的因素来使用阀调节进入到咖啡床中的水/蒸汽的流动。研磨尺寸是咖啡研磨物的特征，它影响咖啡的溶解度和味道特征。改变咖啡机中的研磨尺寸是艰巨的任务，这需要熟练的人员到现场并且校准研磨尺寸以获得所期望的味道特征。本发明的实施例中提供的装置和方法减少了改变研磨尺寸以便更改或校准咖啡的味道特征的需要，从而显著节省了时间和资源。

5、在本发明的另一个实施例中，(在咖啡冲泡器/咖啡机中)水在两个方向上穿过咖啡床，即从左部到右部和从右部到左部(包括预浸渍选项)穿过咖啡床。水在两个方向上流动穿过咖啡床是由阀自动地控制的(可以通过使用计算机、处理单元、微控制器或微处理器进行控制)，阀计算并且测量参数，诸如万有引力、水压、水流率和其他所需参数。这些参数可以取决于期望的提取率和所提取的咖啡/浓缩咖啡的味道特征，诸如酸度、多汁度、甜度、苦度、醇度和余味。传感器可以放置在冲泡腔室中，以便向计算机、处理单元、微控制器或微处理器提供信息，该计算机、处理单元、微控制器或微处理器可以根据诸如咖啡研磨物的当前湿度和溶解度的因素来使用阀调节进入到咖啡床中的水/蒸汽的流动。研磨尺寸是咖啡研磨物的特征，它影响咖啡的溶解度和味道特征。改变咖啡机中的研磨尺寸是艰巨的任务，这需要熟练的人员到现场并且校准研磨尺寸以获得所期望的味道特征。本发明的实施例中提供的装置和方法减少了改变研磨尺寸以便更改或校准咖啡的味道特征的需要，从而显著节省了时间和资源。

6、咖啡/浓缩咖啡可以在上面描述的实施例中的任何一者中来提取，上面描述的实施例使用了单个提取管道或多个提取管道，使用不同组的电子控制阀。可以使用计算机、处理单元、微控制器或微处理器来控制阀。这样的计算机、处理单元、微控制器或微处理器可以以为信号的方式接收来自传感器的输入，并且调整阀设置，以便基于接收到的信号调节所提取的咖啡/浓缩咖啡的流动。也可以使用预先设定的参数来操作阀。

7、通过使水/蒸汽在多个方向上穿过咖啡床，咖啡可溶物将被更有效地且更均匀地提取在所提取的咖啡/浓缩咖啡中。咖啡可溶物是指咖啡豆或咖啡研磨物中能够被水溶解的物质。这些可溶物可以包括酸(诸如苹果酸、柠檬酸、乙酸、乳酸或绿原酸)、脂质、脂肪、类黑色素、咖啡因、碳水化合物和咖啡豆纤维。考虑到(在溶解咖啡可溶物时)水的饱和度限制，水在两个或更多个方向上穿过咖啡床将有助于根据期望的味道特征改善咖啡可溶物在水中的溶解。

8、该方法和装置还将提供校准所提取的咖啡的味道特征的另一种方法。可以借助于计算机、处理单元、微控制器或微处理器通过控制以多个方向中的任一者穿过咖啡床的水/蒸汽的体积、压力和温度来控制校准。

9、上面描述的实施例仅是示例性的并且相当宽泛地概述了本发明的特征和技术优点，以便能够更好地理解以下对本发明的详细描述。本发明的附加的特征和优点将在下文中描述，其构成本发明的权利要求的主题。本领域技术人员应当理解，所公开的发明构思和具体实施例可以很容易地用作用于更改或设计用于实现与本发明相同的目的的其他结构或工艺的基础。

10、在结合以下详细描述和所附附图考虑时，将更好地认识和理解本文中描述的本发明的实施例的其他方面。然而，应当理解，下面的描述虽然指出了优选的实施例及该优选的实施例的许多具体细节，但仅作为说明而非限制。在不脱离本文的精神的情况下，可以在本文中实施例的范围内进行许多改变和更改。