Portionskapsel, Verfahren zur Herstellung einer Portionskapsel,

System und Verfahren zur Herstellung eines Getränks

Stand der Technik

Es ist aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt, Getränke mittels sogenannter Portions- kapseln in entsprechenden Getränkeherstellungsmaschinen zuzubereiten. Derartige Getränkeherstellungsmaschinen, auch als Portionskaffeemaschinen bezeichnet, sind beispielsweise aus den Druckschriften WO 201 1 / 147 553 A1 oder WO 2011 / 147 491 A1 bekannt, während typische Portionskapseln beispielsweise aus den Druckschriften WO 2012 / 038 063 A1 und WO 2010 / 085 824 A1 bekannt sind.

Der Benutzer führt stets eine mit einem Getränkerohmaterial gefüllte Portionskapsel in die Getränkeherstellungsmaschine ein, schließt anschließend die Getränkeherstellungsmaschine und startet den Zubereitungsmechanismus. Beim Schließen der Getränkeherstellungsmaschine wird die Portionskapsel an wenigstens zwei Stellen perforiert, wobei durch eine der beiden Perforati- onsöffnungen heißes Wasser unter Druck in das Innere der Portionskapsel eingeleitet wird und durch Wechselwirkung des heißen Wassers mit dem Getränkerohmaterial das Getränk erzeugt wird, welches durch die andere der beiden Perforationsöffnungen aus der Portionskapsel abfließt und in ein entsprechendes Trinkgefäß geleitet wird. Ein Nachteil dieser Portionskapseln ist, dass der Kapselboden üblicherweise relativ dick und stabil ausgebildet ist, so dass das Perfora- tionsmittel zur Perforation des Kapselbodens einem hohen Verschließ ausgesetzt ist.

Offenbarung der Erfindung

Es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine einfach herstellbare und kostengünstige Portionskapsel für eine Getränkeherstellungsmaschine zur Verfügung zu stellen, mit welcher der erhöhte Verschleiß am Perforationsmittel ausgeräumt werden kann und ein sicheres Aufstechen der Portionskapsel gewährleistet wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch eine Portionskapsel zur Herstellung eines Getränks in einer Getränkeherstellungsmaschine aufweisend einen im Wesentlichen kegelstumpfförmigen oder zylindrischen Kapselgrundkörper, welcher einen Hohlraum zur Aufnahme eines Getränkerohmaterials aufweist, und eine den Hohlraum verschließende Membran, wobei der Kapselgrundkörper einen Kapselboden aufweist und wobei im

Kapselboden ein zentraler Schwächungsbereich mit verminderter Materialstärke ausgebildet ist, welcher mit Hilfe eines Perforationsmittels der Getränkeherstellungsmaschine perforierbar ist.

Die erfindungsgemäße Portionskapsel hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass an der Stelle im Kapselboden, an welcher die Portionskapsel vom Perforationsmittel der Geträn- keherstellungsmaschine perforiert wird, ein Schwächungsbereich mit verminderter Materialstärke ausgebildet ist. Das Durchstechen des Kapselbodens benötigt somit einen wesentlichen geringeren Kraftaufwand, so dass die Beanspruchung des Perforationsmittels gesenkt und die Lebensdauer desselben gesteigert wird. Zudem kann der Schwächungsbereich derart groß ausgebildet werden, dass sich beim Perforieren des Kapselbodens eine größere Öffnung im Kap- selboden bildet als bei der Perforation eines ungeschwächten Kapselbodens. Die Portionskapsel lässt sich zudem kostengünstig herstellen, indem der mittels des Perforationsmittels der Getränkeherstellungsmaschine zu perforierende Schwächungsbereich im Kapselboden einstückig und aus dem gleichen Material wie der übrige Kapselgrundkörper hergestellt ist. Vorteilhafterweise wird der Kapselgrundkörper insbesondere in einem Tiefziehprozess hergestellt. Der Kap- selgrundkörper wird dabei durch Tiefziehen derart hergestellt, dass beim Tiefziehen im Kapselboden ein Bereich verminderter Materialstärke zur Bildung des Schwächungsbereichs ausgebildet wird. Dies kann beispielsweise durch ein entsprechendes Formelement in einem Tiefziehwerkzeug erfolgen. Die Portionskapsel ist somit vergleichsweise einfach, schnell und kostengünstig herstellbar. Der Begriff„Tiefziehen" im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst dabei vorzugsweise jedweden Formvorgang des Kapselgrundkörpers, bei welchem eine plastische Verformung des Kapselausgangsmaterials zur Herstellung des Kapselgrundkörpers stattfindet. Das Formen kann beispielsweise durch Unterdruck, durch Überdruck, durch einen Stempel bzw. eine Sonotrode, unter Zuführung von Wärme und/oder dergleichen erfolgen. Das Getränkerohmaterial umfasst insbesondere Kaffeepulver bzw. Kaffeegranulat (vorzugsweise gemahlenen Röstkaffee), Schokoladenpulver, Milchpulver, Tee, Suppenpulver oder dergleichen. Alternativ ist denkbar, dass das Getränkerohmaterial ein Getränkeextrakt, wie beispielsweise Instant-Kaffee umfasst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar. Optional weist die Portionskapsel ein Filterelement auf, welches zwischen dem Kapselboden und dem Getränkerohmaterial angeordnet ist. Das Filterelement umfasst vorzugsweise ein Textil aus Natur- und/oder Kunstfasern, beispielsweise ein Papier, ein Vlies oder ein Filz. Für den Fall, dass ein Filz und ein Vlies vorgesehen sind, sind diese vorzugsweise miteinander verbunden. Der Filz und/oder das Vlies können einlagig oder mehrlagig ausgebildet sein. Vorzugsweise umfasst das Filterelement ein punktkalandriertes aus Fasern hergestelltes Material.

Des Weiteren können in dem Hohlraum ferner ein oder mehrere Einbauelemente, wie beispielsweise ein weiteres Filterelement, ein Flüssigkeitsverteiler eine Absperrfolie und/oder dergleichen vorgesehen werden.

Der Kapselgrundkörper weist vorzugsweise an einer dem Kapselboden abgewandten Seite, auch als Einfüllseite bezeichnet, einen umlaufenden Kapselflansch auf, an welchem die Memb- ran befestigt ist. Der Kapseldeckel ist im Bereich eines Kapselflansches mit dem Kegelstumpf verklebt oder verschweißt.

Denkbar ist, dass die Portionskapsel filterlos ausgebildet ist, wobei das Getränkerohmaterial insbesondere unmittelbar auf dem Kapselboden aufliegt. Die Portionskapsel ist insbesondere dann filterlos ausgebildet, wenn das Getränkerohmaterial Instant-Pulver umfasst.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Portionskapsel filterlos ausgebildet ist, wobei er Schwächungsbereich im Wesentlichen kreisrund ausgebildet ist und wobei der Durchmesser des Schwächungsbereichs zwischen 10 und 25 Prozent, bevorzugt zwischen 15 und 20 Prozent und besonders bevorzugt im

Wesentlichen 17 Prozent des Durchmessers des Kapselbodens beträgt. Insbesondere beträgt der Durchmesser des Schwächungsbereichs zwischen 4 und 7 Millimeter, bevorzugt zwischen 4,5 und 6 Millimeter und besonders bevorzugt im Wesentlichen 5 Millimeter. Der Durchmesser des Kapselbodens umfasst insbesondere 25 bis 35 Millimeter, bevorzugt 28 bis 32 Millimeter und besonders bevorzugt im Wesentlichen 30 Millimeter. In vorteilhafter Weise weist der Durchmesser des Schwächungsbereiches somit eine ausreichende Größe auf, sodass sich beim Perforieren des Kapselbodens ein entsprechend großer Getränkeauslauf bildet. Die Ausbildung dieses vergleichsweise großen Getränkeauslauf hat den Vorteil, dass das Getränk nicht unter hohem Druck und mit einer entsprechend hohen Geschwindigkeit aus der

Portionskapsel spritzt. Auf diese Weise wird die Gefahr einer Verunreinigung der unmittelbaren Umgebung der Getränkeherstellungsmaschine oder einer Verbrühung des Benutzers bei der Herstellung des Getränks ausgeräumt werden. Zudem kann bei Bedarf die Bildung einer Schaum- bzw. Cremaschicht auf dem hergestellten Getränk verhindert werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Materialstärke im Schwächungsbereich zwischen 20 und 70 Prozent, bevorzugt zwischen 30 und 60 Prozent und besonders bevorzugt von im Wesentlichen 50 Prozent der Materialstärke im Bereich des übrigen Kapselbodens beträgt. Es hat sich gezeigt, dass die vorgeschlagene Dimensionierung einerseits ein leichtes und für die Perforationsmittel schonendes Perforieren des Kapselbodens ermöglicht, während andererseits ein aromadichter und

erschütterungsresistenter Verschluss der Portionskapsel gewährleistet wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Kapselboden an seinem Umfang ein umlaufender Versteifungswulst ausgebildet ist, welcher in eine zur Membran entgegengesetzte Richtung nach außen vorsteht. In vorteilhafter Weise kann durch den umlaufenden Versteifungswulst die durch den Schwächungsbereich

beeinträchtige Stabilität des Kapselbodens kompensiert werden.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Portionskapsel, wobei in einem ersten Herstellungsschritt ein

Ausgangsmaterial im Bereich einer Matrize eines Tiefziehwerkzeugs angeordnet wird, wobei in einem zweiten Herstellungsschritt das Ausgangsmaterial mittels Unterdruck und/oder mittels eines bewegbaren Stempels in die Matrize gezogen und/oder gedrückt wird, wodurch aus dem Ausgangsmaterial der kegelstumpfförmige oder zylindrische Kapselgrundkörper gebildet wird, wobei im zweiten Herstellungsschritt mittels eines Formelements Material im Bereich des Kapselbodens zur Bildung des Schwächungsbereichs verdrängt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine besonders kostengünstige Herstellung der Portionskapsel, da die Schwächung im Kapselboden bereits beim Tiefziehen des

Kapselgrundkörpers ausgebildet wird. Nach dem Tiefziehen wird der Kapselgrundkörper mit dem Getränkerohmaterial befüllt und anschließend durch die Membran verschlossen. Denkbar ist, dass der Tiefziehvorgang unter Zuführung von Wärme ausgeführt wird. Optional wird der Kapselgrundkörper während oder nach dem Tiefziehen gekühlt. Das Formelement umfasst insbesondere eine Ausbuchtung zur Verdrängung von tiefgezogenem Material im

Schwächungsbereich. Das Formelement ist hierfür zentral am Stempel oder an einem Stempelgegenstück, bis zu welchem der Stempel im zweiten Herstellungsschritt bewegt wird, ausgebildet. Bevorzugt ist sowohl ein Formelement am Stempel als auch ein

korrespondierendes Formelement an der Matrize bzw. einem Stempelgegenstück ausgebildet, so dass im Tiefziehwerkzeug auf beiden Seiten des Kapselbodens eine Materialverdrängung im Schwächungsbereich erzielt wird. Der Stempel ist insbesondere zylinder- oder

kegelstumpfförmig ausgebildet. Alternativ ist auch denkbar, dass eine der beiden

gegenüberliegenden Formelemente in Form einer Ausnehmung ausgebildet ist, in welche das als Ausbuchtung ausgebildete gegenüberliegende Formelement beim Schließen des

Formwerkzeugs eingreift. Denkbar ist auch, dass das Formelement bewegbar am Stempel bzw. am Stempelgegenstück ausgebildet ist und lediglich während des zweiten Herstellungsschrittes ausgefahren wird. Alternativ wäre auch möglich, dass das Formelement eine Düse,

beispielsweise am Stempel oder am Stempelgegenstück, umfasst, welche zur Bildung des Schwächungsbereichs Material mittels Überdruck oder Unterdruck verdrängt. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein System aufweisend eine

Getränkeherstellungsmaschine und die erfindungsgemäße Portionskapsel, wobei die

Getränkeherstellungsmaschine ein erstes und ein zweites Brühkammerelement aufweist, wobei das erste und/oder das zweite Brühkammerelement zwischen einer Ladestellung, in welcher das erste und das zweite Brühkammerelement zum Einbringen der Portionskapsel in die

Getränkeherstellungsmaschine voneinander beabstandet sind, und einer Arbeitsstellung, in welcher das erste und das zweite Brühkammerelement zur Bildung einer im Wesentlichen geschlossenen Brühkammer einander angenähert sind, bewegbar ist, wobei das zweite

Brühkammerelement das in Richtung des ersten Brühkammerelements abstehende

Perforationsmittel aufweist, welches beim Überführen der Getränkeherstellungsmaschine von der Ladestellung in die Arbeitsstellung den Kapselboden im Schwächungsbereich zur

Erzeugung eines Getränkeauslaufs durchsticht.

In vorteilhafter Weise wird bei dem System eine übermäßige Abnutzung des Perforationsmittels unterbunden, indem die Portionskapsel den Schwächungsbereich im Kapselboden aufweist. Das Perforationsmittel erzeugt im Kapselboden insbesondere den Getränkeauslauf, durch welchen das hergestellte Getränk die Portionskapsel verlassen kann.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Brühkammerelement eine Mehrzahl von in Richtung des zweiten

Brühkammerelements abstehende weitere Perforationsmittel aufweist, welche beim Überführen der Getränkeherstellungsmaschine von der Ladestellung in die Arbeitsstellung die Membran zur Bildung von Einlassöffnungen durchstechen. In vorteilhafter Weise werden durch die weiteren Perforationsmittel Öffnungen in der Membran erzeugt, durch welche Brühwasser unter Druck in die Portionskapsel eingeleitet werden kann.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Getränks mit dem erfindungsgemäßen System, wobei in einem ersten Verfahrensschritt die Getränkeherstellungsmaschine in der Ladestellung bereitgestellt wird, wobei in einem zweiten Verfahrensschritt die Portionskapsel der Getränkeherstellungsmaschine zugeführt wird, wobei in einem dritten Verfahrensschritt die Getränkeherstellungsmaschine von der Ladestellung in die Arbeitsstellung überführt wird, wodurch das Perforationsmittel den Schwächungsbereich durchsticht und der Kapselboden perforiert wird, und wobei in einem vierten Verfahrensschritt der Portionskapsel Brühwasser zwangszugeführt wird. Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den wesentlichen Erfindungsgedanken nicht einschränken. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt eine schematische Schnittbildansicht einer Portionskapsel gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Figuren 2a, 2b zeigen schematische Ansichten eines Systems und eines Verfahrens zur

Herstellung eines Getränks gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Figuren 3a, 3b zeigen schematische Ansichten eines Verfahrens zur Herstellung einer

Portionskapsel gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung

In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt. In Figur 1 ist eine schematische Schnittbildansicht einer Portionskapsel 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Portionskapsel 1 weist dabei einen im Wesentlichen starren oder halbstarren

kegelstumpfförmigen Kapselgrundkörper 2 mit einem Kapselboden 5 und einer Einfüllöffnung 7 auf. Im Bereich der Einfüllöffnung 7 schließt die umlaufende Seitenwandung des

Kapselgrundkörpers 2 mit einem umlaufenden Flansch 8 ab. Die Einfüllöffnung 7 dient zum Befüllen eines Hohlraumes 3 im Inneren der Portionskapsel 1 mit einem Getränkerohmaterial. Der Hohlraum 3 wird sodann mit einer Membran 4 luftdicht verschlossen, wobei der Rand der Membran 4 auf den Flansch 8 gesiegelt ist. Das Getränkerohmaterial umfasst insbesondere Kaffeepulver bzw. Kaffeegranulat (vorzugsweise gemahlenen Röstkaffee), Schokoladenpulver, Milchpulver, Tee, Suppenpulver, Instant-Pulver oder dergleichen. Der Kapselboden 5 weist einen zentralen Schwächungsbereich 6 auf, welcher dadurch gebildet ist, dass der Kapselboden 5 im Schwächungsbereich 6 eine geringere Materialstärke im

Vergleich zur Materialstärke des übrigen Kapselbodens 5 aufweist. Der Schwächungsbereich 6 ist dort ausgebildet, wo die Portionskapsel 1 bei ihrem Gebrauch durch ein Perforationsmittel 1 1 der Getränkeherstellungsmaschine 10 (siehe Figuren 2a und 2b) zur Erzeugung eines

Getränkeauslasses perforiert wird. Durch die geringere Materialstärke im Schwächungsbereich 6 wird der Perforationsvorgang bzw. die Erzeugung des Getränkeauslasses begünstigt.

Vorzugsweise weist die Portionskapsel 1 ein (nicht dargestelltes) Filterelement auf, welches sich innerhalb des Hohlraums 3 zwischen dem Getränkerohmaterial und dem Kapselboden 5 befindet. Das Filterelement umfasst insbesondere ein Filtervlies oder ein Filterfilz, wobei das Filtervlies oder Filterfilz optional kalandriert ist.

An der Unterseite des Kapselbodens 5 weist der Kapselgrundkörper 2 optional am Umfang des Kapselbodens 5 einen umlaufenden Versteifungswulst 9 auf, welcher in eine zur Membran 5 entgegengesetzte Richtung nach außen vorsteht.

In Figuren 2a, 2b sind schematische Ansichten eines Systems und eines Verfahrens zur Herstellung eines Getränks gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das System weist die anhand von Figur 1 bereits beschriebene Portionskapsel 1 , sowie eine Getränkeherstellungsmaschine 10. Die Getränkeherstellungsmaschine 10 umfasst im vorliegenden Beispiel ein ersten Brühkammerelement 12 und ein zweites Brühkammerelement 13. Das erste Brühkammerelement 12 ist relativ zum zweiten Brühkammerelement 13 zwischen einer in Figur 2a illustrierten Ladestellung und einer in Figur 2b illustrierten Arbeitsstellung verschiebbar. In der Ladestellung ist das erste Brühkammerelement 12 vom zweiten Brühkammerelement 13 beanstandet, so dass die Portionskapsel 1 in die Getränkeherstellungsmaschine 10 und zwischen das erste und zweite Brühkammerelement 12, 13 einführbar ist, beispielsweise von oben unter Ausnutzung der Gravitationskraft. Anschließend wird das erste Brühkammerelement 12 in Richtung des zweiten Brüh- kammerelements 13 verschoben, bis das erste und zweite Brühkammerelement 12, 13 gemeinsam eine geschlossene Brühkammer bilden, in welcher die Portionskapsel 1 angeordnet ist.

Das zweite Brühkammerelement 13 ist mit einem zentralen Perforationsmittel 1 1 versehen, während das erste Brühkammerelement 12 eine Mehrzahl von weiteren Perforationsmitteln 14 auf- weist. Bei Schließen der Brühkammer durchstechen die weiteren Perforationsmittel 14 die Membran 4 der Portionskapsel 1 , um Eintrittsöffnung zum Einleiten von Brühwasser in die Portionskapsel 1 zu erzeugen. Gleichzeitig perforiert das zentrale Perforationsmittel 1 1 am zweiten Brühkammerelement 13 den Kapselboden 5 und zwar genau im Schwächungsbereich 6. Hierdurch wird im Kapselboden 5 ein Getränkeauslass gebildet, durch welchen das in der Portions- kapsei 1 durch Wechselwirkung zwischen dem Brühwasser und dem Getränkerohmaterial erzeugte Getränk aus der Portionskapsel 1 fließen kann.

In Figuren 3a, 3b sind schematische Ansichten eines Verfahrens zur Herstellung einer Portionskapsel 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die her- zustellende Portionskapsel 1 gleicht im Wesentlichen der in Figur 1 illustrierten Portionskapsel 1. In einem ersten Herstellungsschritt (vgl. Figur 3a) wird ein Kunststoff umfassendes Ausgangsmaterial 20 in ein Tiefziehwerkzeug 21 eingelegt. Das Tiefziehwerkzeug 21 umfasst eine Matrize 22 und einen relativ zur Matrize 22 bewegbaren Stempel 23. Am unteren Ende des Stempels 23 ist zentral ein Formelement 24 angeordnet. Die Unterseite der Matrize 22 bildet ein Stempelge- genstück 26, welches im vorliegenden Beispiel einstückig mit der Matrize 22 ausgebildet ist. Das Stempelgegenstück 26 weist hier ebenfalls ein zentrales weiteres Formelement 25 auf.

Im zweiten Herstellungsschritt (Vgl. Figur 3b) wird der Stempel 23 nun in die Matrize 22 eingefahren, so dass das Ausgangsmaterial 20 durch plastische Umformung in den zylinderförmigen Kapselgrundkörper 2 umgeformt bzw. tiefgezogen wird. Optional wird das Tiefziehwerkzeug 21 vor oder während des zweiten Herstellungsschrittes erwärmt, um die plastische Umformung des Ausgangsmaterials 20 zu begünstigen. In diesem dritten Herstellungsschritt wird der Stempel 23 soweit bis zum inneren Ende der Matrize 22 bewegt, bis das Formelement 24 und das weitere Formelement 25 einander beinahe berühren. Im Bereich der beiden Formelemente 24, 25 wird durch die beiden Formelemente 24, 25 Material während des Tiefziehens verdrängt, so dass sich im Kapselboden 5 der Schwächungsbereich mit verminderter Materialstärke ausbildet.

Alternativ kann das Formelement 24 oder das weitere Formelement 25 auch in Form einer Ausnehmung ausgebildet sein, in welche das gegenüberliegende Formelement 24, 25 eingreift.

Ferner kann alternativ zum Stempel 23 das Ausgangsmaterial 20 auch durch Unterdruck in die Matrize 22 gezogen oder durch Überdruck in die Matrize 22 gedrückt werden.

Denkbar wäre auch, dass Formelement 24 bewegbar relativ zum Stempel 23 ausgebildet ist und im zweiten Herstellungsschritt aus dem Stempel 23 zur Bildung des Schwächungsbereichs ausgefahren wird. Analog könnte auch das weitere Formelement 25 aus dem Matrizenboden bzw. dem Stempelgegenstück 26 ausfahrbar gestaltet sein.

In einer weiteren Alternative umfasst das Formelement 24 eine Düse, welche im zweiten Her- stellungsverfahren zur Bildung des Schwächungsbereichs 6 Material mittels Überdruck oder Unterdruck verdrängt.

In nicht dargestellten weiteren Herstellungsschritten wird der Kapselgrundkörper 2 aus dem Tiefziehwerkzeug 21 entnommen, mit Getränkerohmaterial befüllt und anschließend durch Auf- siegeln der der Membran 4 auf den Flansch 8 verschlossen.