[0001] Die Erfindung betrifft das Gebiet der Systeme zum Zubereiten von Getränken mittels
in eine Getränkekapsel eingeführter Flüssigkeit. Sie betrifft insbesondere eine Portionenkapsel,
die eine lösliche Nahrungsmittelsubstanz enthält, aus welcher durch Einspritzen von
Wasser ein Getränk oder Getränkebestandteil zubereitet werden kann.
[0002] Unter den Systemen zum Zubereiten von Getränken sind die sogenannten Kaffeekapselsysteme
(es gibt sie auch in Varianten zur Zubereitung von Tee) bekannt, bei denen im Allgemeinen
heisses Wasser meist unter Druck in eine Kapsel eingeführt wird, um durch Extraktion
ein Kaffee- oder Teegetränk zuzubereiten. Für das Einführen des heissen Wassers wird
die Kapsel oft auf der einen Seite (Injektionsseite) angestochen. Für das Ausleiten
des gebrühten Getränks, im Allgemeinen auf der anderen Seite der Kapsel (der Extraktionsseite)
sind verschiedene Möglichkeiten bekannt. Einerseits gibt es Systeme, bei denen auch
extraktionsseitig ein Anstechen durch entsprechende Perforationsdorne vorgesehen ist.
Anderseits sind Systeme bekannt, bei denen eine extraktionsseitige Begrenzung der
Kapsel unter dem Innendruck während des Brühprozesses angestochen oder angerissen
wird, wofür ein kapselexternes (in der Brühkammer der entsprechenden Kaffeemaschine
vorhandenes) oder ein kapselinternes Mittel vorhanden sein kann. Schliesslich gibt
es auch Kapseln, die bereits geöffnet sind, bei denen also keine Kapselwandung/Membran
angestochen oder angerissen werden muss um das Getränk auszuleiten.
[0003] Unter anderem um zu verhindern, dass in unerwünschter Weise Kaffeepulver (beziehungsweise
Teeblätter) ins Brühgetränk gelangt/gelangen, sind Kapseln bekannt geworden, bei denen
ein Filterelement in im Innern der Kapsel angeordnet wird, welches einen Extraktionsgutbereich
von einem Sammelbereich trennt und welches auf geeignete Weise flüssigkeitsdurchlässig
ist, bspw. indem es eine Mehrzahl von Filteröffnungen aufweist.
[0004] Beispiele für Portionenkapseln mit solchen Filterelementen findet man beispielsweise
in
EP 1 344 722 sowie in
WO 2010/085824. Letztere Publikation zeigt das Filterelement mit Stützen, welche sich von einem
äusseren Rahmen radial zur Mitte hin erstrecken und dabei zur Mitte hin dünner werden.
Diese sollen das Filterelement verstärken. Eine solche Verstärkung kann angezeigt
sein insbesondere im Hinblick auf die Zubereitung von Brühgetränken unter Druck, wie
das bspw. bei Espresso oder anderem Kaffee mit sogenannter "Crema" der Fall ist. Bei
solchen Brühungen ruht der Kapselinnendruck zu einem grossen Teil auf dem Filterelement,
welches daher auch mechanischer Deformation ausgesetzt sein kann.
[0005] Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Filterelement für eine Portionenkapsel
sowie eine entsprechende Portionenkapsel zur Verfügung zu stellen. Das Filterelement
sollte mechanisch stabil sowie kostengünstig und einfach in der Herstellung sein.
[0006] Gemäss einem Aspekt der Erfindung wird ein Filterelement für eine Portionenkapsel
zur Verfügung gestellt. Diese ist in ein beispielsweise becherartig ausgebildetes
Basiselement einlegbar, welches zusammen mit einem nach dem Einlegen des Filterelements
am Basiselement befestigten Kapseldeckel eine äussere Kapselwand definiert. Das Filterelement
ist so ausgebildet, dass es den Kapselinnenraum zwischen einem Extraktionsgutbereich
und einem Sammelbereich aufteilt, der zwischen dem Filterelement und der äusseren
Kapselwand ausgebildet ist. Das Filterelement bildet eine Filterplatte und ein zweidimensionales
Gerüst von entlang der Filterplatte verlaufenden unter einem Winkel aufeinander treffenden
Streben.
[0007] Diesem erfindungsgemässen Ansatz liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass ein zweidimensionales
Gerüst generell mehr Stabilität bringt als ein System von lediglich radial von aussen
nach innen verlaufenden Stützen. Das kann dadurch begründet sein, dass unter realen
Bedingungen der Kapselinnendruck nicht zeitlich und örtlich streng konstant ist, und
dass daher auch Biegeschwingungen der Filterplatte entstehen können. Ein zweidimensionales
Gerüst kann solche vergleichsweise besser aufnehmen. Die Erfindung hängt aber nicht
von einer bestimmten Erklärung für diese Erkenntnis abhängt.
[0008] Die Streben können einen nach radial-aussen abnehmenden Querschnitt (d.h. eine abnehmende
Querschnittsfläche) haben.
[0009] Eine solche Abnahme des Querschnitts der Streben kann eine Abnahme der Ausdehnung
senkrecht zur Filterplattenebene sein. Die Abnahme des Querschnitts kann nach aussen
hin kontinuierlich sein. Es ist aber nicht ausgeschlossen, dass der Querschnitt in
Funktion der radialen Position auch beispielsweise bereichsweise konstant ist; im
Durchschnitt wird der Querschnitt aber weiter aussen in Bezug auf ein Zentrum der
Filterplatte kleiner sein als weiter innen. Es ist auch möglich, dass das Gerüst der
Streben nach aussen hin ganz ausläuft, d.h. dass die Streben nicht bis ganz zum äusseren
Rand des Filterelements reichen.
[0010] Diese bevorzugte Ausrührungsform mit nach aussen abnehmendem Querschnitt beruht auf
der Erkenntnis, dass bei Anliegen eines Drucks im Kapselinnern die Deformation in
einem zentralen Bereich des Filterelements am stärksten ist. Ausserdem wird aus geometrischen
Gründen generell weniger Material benötigt, wenn die Streben innen einen grösseren
Querschnitt haben als aussen, im Vergleich zum umgekehrten Ansatz.
[0011] In einer Gruppe von Ausführungsformen weist das Filterelement ein Zentralelement
auf. Dieses kann beispielsweise einen Vorsprung zum Kapselinneren (zum Extraktionsgutbereich
hin) bilden; ein solcher Vorsprung kann im Wesentlichen kegelförmig sein. Das Gerüst
der Streben verläuft dann bevorzugt bis zum Zentralelement hin, d.h. die innersten
Streben sind mit dem Zentralelement verbunden um dieses zu stabilisieren. Das Zentralelement
kann bspw. einen Freiraum für einen extraktionsseitigen Anstechdorn definieren.
[0012] Das Gerüst der Streben kann insbesondere auf einem durch die Streben gebildeten Pfad
von innen nach aussen mehrere Verzweigungen bilden, so dass mindestens in einem zentralen
Bereich angeordnete Streben jeweils an beiden Enden zu den Seiten hin stabilisiert
sind.
[0013] Das Gerüst der Streben kann insbesondere eine Wabenstruktur bilden. Bei einer solchen
ist das Verhältnis zwischen einzusetzendem Material und bewirkter Stabilität besonders
günstig.
[0014] Die Filterplatte kann in an sich bekannter Art mit Filteröffnungen versehen sein,
die regelmässig oder unregelmässig über die Filterplatte verteilt sind und ein Durchleiten
der Flüssigkeit erlauben. Die Grösse der Filteröffnungen kann so sein, dass ein Durchleiten
von Extraktionsgut verhindert wird. Es ist auch nicht ausgeschlossen, dass die Filteröffnungen
von einem bspw. gewebeartigen Filtermaterial überspannt sind um das Durchtreten von
Extraktionsgut durch die Filteröffnungen zu verhindern.
[0015] Die Streben können insbesondere auf der Seite des Filterelements zum Kapselinnern
angeordnet sein, d.h. zum Extraktionsgutbereich hin. Rückseitig kann das Filterelement
eine Mehrzahl von Abstandhaltern aufweisen, die mithelfen zu verhindern, dass unter
grossem Kapselinnendruck die Filterplatte gegen die äussere Kapselwand gedrückt wird.
[0016] Das Filterelement kann in an sich bekannter Art becherartig ausgeführt sein, indem
es eine aussenseitig an die Filterplatte anschliessende umlaufende Seitenwand aufweist,
und zwar insbesondere extraktionsgutseitig, so dass ein FilterbecherVolumen Teil des
Extraktionsgutbereichs bildet. Eine umlaufende Seitenwand kann einen nach radial-aussen
ragenden umlaufenden Flansch bilden, welcher der Befestigung des Filterelements in
einem Kapsel-Basiselement (bspw. Kapselbecher) dienen kann.
[0017] In einer alternativen Ausgestaltung ist das Filterelement als Ganzes ungefähr scheibenförmig,
ohne umlaufende Seitenwand. Ein solches Filterelement ist beispielsweise dafür geeignet,
an einer Schulter des Kapsel-Basiselements (bspw. Kapselbechers) befestigt zu werden,
bspw. durch Schweissen oder eine andere Stoffschlussverbindung. Alternativ kann auch
ein solches scheibenförmiges Filterelement auch formschlüssig - bspw. durch einklicken
in eine umlaufende Nut des Kapsel-Basiselements - und/der kraftschlüssig in der Kapsel
aufgenommen sein.
[0018] Die Erfindung betrifft auch eine Portionenkapsel mit einem solchen Filterelement.
Das Filterelement ist innerhalb einer äusseren Kapselwand der Portionenkapsel angeordnet.
Eine solche kann durch ein beispielsweise becherartiges Basiselement und einen daran
befestigten Deckel gebildet sein. gebildet sein. Das Basiselement definiert im Allgemeinen
einen Kapselboden und eine Kapselseitenwand. Das Filterelement befindet sich zwischen
dem mit einem Extraktionsgut, insbesondere Kaffeepulver, gefüllten Extraktionsgutbereich
und dem Kapselboden oder zwischen dem Extraktionsgutbereich und dem Kapseldeckel.
Das Filterelement kann am Basiselement oder eventuell am Deckel befestigt sein, oder
es kann auch bloss in das Basiselement eingelegt sein und bspw. durch das Extraktionsgut
relativ zum Basiselement stabilisiert sein. Eine eventuelle Befestigung des Filterelements
am Basiselement oder Deckel kann formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig
sein. Befestigungen von Filterelementen in einem Kapselbecher sind an sich bekannt,
und die vorliegende Erfindung ist unabhängig von der Art, wie das Filterelement befestigt
ist.
[0019] Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren beschrieben.
Es zeigen:
- Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Portionenkapsel mit dem Filterelement;
- Fig. 2 eine Ansicht eines Filterelements von der Extraktionsgutseite her;
- Fig. 3 eine Ansicht des verkleinert dargestellten Filterelements von der gegenüberliegenden
Seite (Sammelbereichseite) her;
- Fig. 4 eine Ansicht des Filterelements von Fig. 2 und 3 von oben;
- Fig. 5 eine Darstellung des Filterelements entlang der Ebene V-V in Fig. 4 geschnitten;
- Fig. 6 eine Darstellung des Filterelements entlang der Ebene VI-VI in Fig. 4 geschnitten;
und
- Fig. 7 eine Ansicht eines alternativen Filterelements von der Extraktionsgutseite
her.
[0020] In den Figuren 2, 3, 7 sowie 4-6 wurden jeweils unterschiedliche Massstäbe angewandt.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder analoge Elemente.
[0021] Die Kapsel 1 gemäss
Figur 1 weist ein Basiselement in Form eines Bechers 11 (mit Achse 20) und einen daran entlang
eines umlaufenden Flansches 13 befestigten Deckel 12 auf, die zusammen eine äussere
Kapselwand bilden und einen Kapselinnenraum definieren. Der Becher 11 bildet wie an
sich bekannt einen hier leicht gewölbten Kapselboden 14 und eine umlaufende Seitenwand
15.
[0022] Becher und Deckel können in an sich bekannter Art aus Kunststoff gefertigt sein;
auch auf Kapseln aus anderen Materialien, bspw. Aluminium, ist die Erfindung jedoch
anwendbar. Die Befestigung des Deckels am Becher ist ebenfalls auf bekannte Art vorgenommen
worden, bspw. durch Ultraschallschweissen oder eventuell durch Kleben.
[0023] Im Kapselinnenraum ist ein in den Becher eingelegtes Filterelement 2 vorhanden, dessen
Eigenschaften nachstehend noch eingehender beschrieben werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der Becher an einer von der umlaufenden Seitenwand 15 gebildeten Schulter 16 befestigt,
bspw. durch Schweissen, d.h. durch eine stoffschlüssige Verbindung. Andere Befestigungsmethoden,
darunter Formschluss- und Kraftschlussverbindungen wären ebenfalls möglich.
[0024] Das Filterelement trennt einen Extraktionsgutbereich 5, der mit Extraktionsgut gefüllt
sein wird, von einem Sammelbereich 6. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das
Filterelement 2 in der Nähe des Kapselbodens 14 angeordnet, und der Sammelbereich
6 befindet sich auf der Seite des Kapselbodens. Die Injektion des Wassers in die Kapsel
für den Brühprozess erfolgt dann im Allgemeinen von der Deckelseite her. Auch die
umgekehrte Anordnung wäre denkbar, bei welcher das Wasser vom Boden her injiziert
wird und das Filterelement deckelseitig angeordnet ist.
[0025] Figur 1 stellt schematisch und gestrichelt auch ein optionales Verteilelement 3 dar,
welches ebenfalls in die Kapsel eingelegt ist und welches den Extraktionsgutbereich
5 zur Injektionsseite hin begrenzt und zwischen sich und dem Kapseldeckel 12 (oder
in der umgekehrten Anordnung zwischen sich und dem Kapselboden) einen Verteilbereich
7 definiert.
[0026] Sowohl das Filterelement 2 als auch gegebenenfalls das Verteilelement 3 ist/sind
auf geeignete Weise flüssigkeitsdurchlässig, und zwar so, dass das Extraktionsgut
nicht durchtreten kann.
[0027] Die Funktionsweise von solchen Filterelementen wie auch von Verteilelementen ist
beispielsweise in
EP 1 792 850 beschrieben, auf welche Publikation hier diesbezüglich Bezug genommen wird.
[0028] In
Figuren 2-6 ist eine Ausführungsform des Filterelements dargestellt. Das Filterelement 2 bildet
eine Filterplatte 21 mit einer Mehrzahl von durch sie hindurch verlaufenden Filteröffnungen
22, die im dargestellten Ausführungsbeispiel sich in Richtung vom Extraktionsgutbereich
weg (zur Sammelbereichseite hin) leicht aufweitend ausgebildet sein, um Verstopfungen
durch kleine Kaffeekörnern vorzubeugen. Sammelbereichseitig ist eine Mehrzahl von
Abstandhaltern 29 vorhanden, die ergänzend zum nachstehend beschriebenen verstärkenden
Gerüst verhindern, dass unter grossem Kapselinnendruck die Filterplatte 21 gegen den
Kapselboden 14 gedrückt wird und so einen Fluss in radiale Richtungen im Sammelbereich
verhindern kann.
[0029] Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Filterelement als Ganzes becherartig
ausgeführt, mit einer aussenseitig an die Filterplatte 21 anschliessenden umlaufenden
Seitenwand 23, der zusammen mit der Filterplatte ein Filterbechervolumen definiert,
welches Teil des Extraktionsgutbereichs ist. Aussenseitig an der umlaufenden Seitenwand
23 ist ein flanschartig nach aussen ragender umlaufender Rand 24 ausgebildet, welcher
im dargestellten Ausführungsbeispiel der Befestigung des Filterelements 2 im Kapselbecher
11 dient.
[0030] In im Zentrum der Filterplatte 21 ist ein Zentralelement 25 ausgebildet, welches
die Form eines nach innen, d.h. zum Extraktionsgutbereich hin ragenden Vorsprungs
hat. Dieser das Zentralelement 25 bildende Vorsprung ist im Wesentlichen kegelförmig
mit einer Mehrzahl von Vorsprüngen.
[0031] Extraktionsgutseitig der Filterplatte 21 weist das Filterelement ein Gerüst von Streben
26 auf, welche eine hexagonale Struktur, d.h. eine Wabenstruktur bilden. Einer solchen
Struktur ist eigen, dass die einzelnen Streben 26 jeweils gleich lang sind in Verzweigungen
27 treffen, so dass an jede Verzweigung 27 drei Streben 26 angrenzen. Eine solche
Wabenstruktur bildet ein speziell stabiles zweidimensionales Gerüst.
[0032] Eine weitere Eigenschaft von Wabenstrukturen und anderen stabilen zweidimensionalen
Gerüstrukturen ist, dass auf einem beliebigen Pfad entlang der Streben von radial
ganz aussen bis radial ganz nach innen immer eine Mehrzahl von Verzweigungen vorhanden
ist, d.h. es gibt im Gerüst keine Streben, die von ganz aussen nach ganz innen reichen
ohne dass sie durch eine Mehrzahl von Verzweigungen 27 auch nach seitlichen Richtungen
hin abgestützt wäre. Dasselbe gilt für einen beliebigen Pfad in Umfangsrichtung, d.h.
es lässt sich im Gerüst kein Pfad von Streben um den ganzen Umfang herum finden, auf
dem sich die Streben nicht an mehreren Orten verzweigen.
[0033] Radial-innenseitig (Richtungsangaben wie "radial" oder "in Umfangsrichtung" oder
auch "zentral" beziehen sich in diesem Text, sofern nicht explizit anders bezeichnet,
immer auf die Achse 20 der Kapsel) schliesst das Gerüst ans Zentralelement an.
[0034] Die Stärke der Streben (d.h. die Querschnittsfläche senkrecht zur jeweiligen Streben-Verlaufrichtung)
nimmt radial nach aussen ab. Dies ist dadurch realisiert, dass die Ausdehnung der
Streben in der Dimension senkrecht zur Filterplatte gegen radial-aussen graduell reduziert
wird, während die Breite, d.h. die Ausdehnung senkrecht zur Verlaufrichtung der jeweiligen
Strebe und parallel zur Filterplatte, konstant ist. Die Stärke der Streben geht in
der dargestellten Ausführungsform radial ganz aussenseitig gegen null, was man in
Figuren 5 und 6 besonders gut sieht. Es wäre aber auch möglich, dass die Stärke radial
zuäusserst nicht ganz null ist, und dass die Streben bis an die umlaufende Seitenwand
23 reichen.
[0035] Figur 7 zeigt eine alternative Ausführungsform des Filterelements 2, die sich von derjenigen
der Figuren 2-6 insbesondere dadurch unterscheidet, dass es keine umlaufende Seitenwand
aufweist und daher nicht becherartig ausgebildet ist, sondern insgesamt scheibenförmig
ist. Der Randbereich 28 des Filterelements schliesst radial-aussenseitig an die Filterplatte
21 mit dem Gerüst an. Er kann auf der Aussenseite (d.h. der Seite zum Sammelbereich
hin, in Fig. 7 der Unterseite und daher nicht sichtbar) eine umlaufende Rippe aufweisen,
die in einem Ultraschallschweissverfahren als Energierichtungsgeber dient. Das Filterelement
kann so an eine vom Kapsel-Basiselement gebildete Schulter angeschweisst werden, welche
bspw. etwas markanter ausgebildet ist als die in Fig. 1 schematisch dargestellte Schulter
16.
[0036] Das Zentralelement, das Gerüst der Streben 26 sowie die Filterplatte 21 insgesamt
sind in der Ausführungsform von Fig. 7 funktionsgleich mit der vorstehend beschriebenen
Ausführungsform.
[0037] Weitere Ausführungsformen sind möglich, unter anderem auch mit anderen Kapselformen.
[0038] Es wäre auch möglich, das Gerüst der Streben aussenseitig, d.h. auf der Seite der
Filterplatte 21 zum Sammelbereich hin, vorzusehen.
[0039] Beispiel: Es wurden mit einem Filterelement gemäss Figuren 2-6 nummerische Simulationen durchgeführt.
Es wurde simuliert, dass das Filterelement bei einer Temperatur von 100°C einem Druck
von 12 bar auf der Innenseite ausgesetzt ist. Zum Vergleich wurde dieselbe Simulation
bei einem Filterelement durchgeführt, welches das Gerüst von Streben nicht aufweist,
welches ansonsten aber identisch ausgebildet ist. Es wurde gefunden, dass bei beiden
verglichenen Filterplatten die Verformung in einem zentralen Bereich, insbesondere
am Ort des Zentralelements und in dessen unmittelbarer Umgebung, am stärksten ist.
Die maximale Verformung beim erfindungsgemässen Filterelement ist jedoch um ca. einen
Faktor 3 reduziert in Vergleich zum nicht erfindungsgemäss ausgestalteten Filterelement.
1. Filterelement (2) für eine Portionenkapsel (1) mit Basiselement (11) und Kapseldeckel
(12), die zusammen eine äussere Kapselwand definieren, welches Filterelement (12)
zwecks Abtrennung eines Sammelbereichs (6) von einem Extraktionsgutbereich (5) in
einem Kapselinnenraum ins Basiselement (11) einlegbar ist, wobei das Filterelement
(2) eine flüssigkeitsdurchlässige Filterplatte (21) und eine Mehrzahl von entlang
der Filterplatte (21) verlaufenden Streben (26) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Streben (26) ein zweidimensionales Gerüst von unter einem Winkel aufeinander
treffenden Streben (26) bilden.
2. Filterelement nach Anspruch 1, wobei die Streben einen nach in Bezug auf die Filterplatte
(21) radial-aussen abnehmenden Querschnitt haben.
3. Filterelement nach Anspruch 2, wobei der Querschnitt der Streben (26) nach radial-aussenseitig
abnimmt, indem die Ausdehnung senkrecht zur Filterplatte (21) abnimmt, während die
Breite der Streben (26) konstant ist.
4. Filterelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend ein Zentralelement
(25), wobei das Gerüst der Streben bis zum Zentralelement verläuft und mit diesem
verbunden ist.
5. Filterelement nach Anspruch 4, wobei das Zentralelement (25) durch einen Vorsprung
des Filterelements zum Extraktionsgutbereich hin gebildet wird.
6. Filterelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Gerüst eine Wabenstruktur
bildet.
7. Filterelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Gerüst auf einer Extraktionsgutbereichseite
der Filterplatte (21) vorhanden ist.
8. Filterelement nach Anspruch 7, wobei auf einer der Extraktionsgutbereichseite gegenüberliegenden
Sammelbereichseite der Filterplatte (21) eine Mehrzahl von Abstandhaltern (29) angeordnet
ist.
9. Filterelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, das insgesamt becherartig ausgeführt
ist und eine aussenseitig an die Filterplatte (21) anschliessende Seitenwand (23)
aufweist.
10. Portionenkapsel (1), aufweisend ein becherartiges Basiselement (11) und einen entlang
eines umlaufenden Rands mit diesem verbundenen Deckel (12), wobei ein Filterelement
nach einem der vorangehenden Ansprüche in das Basiselement (1) eingelegt ist und einen
mit einem Extraktionsgut gefüllten Extraktionsgutbereich (5) von einem Sammelbereich
(6) trennt.
11. Portionenkapsel nach Anspruch 10, wobei das Filterelement (2) formschlüssig, stoffschlüssig
und/oder kraftschlüssig am Basiselement (11) befestigt ist.
12. Portionenkapsel nach Anspruch 10 oder 11, aufweisend ein im Basiselement (11) eingelegtes
Verteilelement (3), welches den Extraktionsgutbereich (5) zu einer Injektionsseite
hin begrenzt und so einen Verteilbereich (7) im Kapselinnern definiert.
13. Portionenkapsel nach einem der Ansprüche 10-12, wobei das Basiselement (11) einen
Kapselboden (14) und eine Seitenwand (15) definiert, und wobei das Filterelement (2)
zwischen dem Kapselboden (14) und dem Extraktionsgutbereich (5) angeordnet ist.