家用義式咖啡機的構造與原理

        話說Expresso咖啡機的起源(Espresso 的義大利文意思就是「快速」)，可追朔到1901年，由義大利製造業老闆(Luigi Bezzera)為了要減少員工烹煮和等待咖啡的時間而發明了咖啡機，以增加工作效率，當時就是以高壓烹煮來快速萃取咖啡這來製造咖啡的機器也申請了專利，當時機器的名稱叫做叫Tipo Gigante，這台機器因為高壓萃取加快了製作煮咖啡的時間，但喝起來卻是苦的......四年後，Desiderio Pavoni 買下 Luigi Bezzera 的咖啡機專利，且在不斷的測試與實驗下，得到最終的結論，他發現這台機器做出來的苦咖啡，是因為溫度過高所致。而在經過無數次的實驗與驗證下，最終找到烹煮咖啡的最佳參數：攝氏90.56度的熱水搭配8-9 Bar的壓力。
        而真正讓Espresso發揚光大的是美國，因為美國的咖啡連鎖業者在1990年開始使用Espresso機器製造濃縮咖啡來調製各種不同的咖啡飲料。台灣也因為連鎖咖啡的興起，讓國人漸漸的習慣生活中有咖啡的存在。而咖啡這個產業，在各大經濟體系來說，可說是佔了很重要的角色呢！話回主題，高頡今天來介紹義式咖啡機的構造，讓我們可以了解義式咖啡機產生。實際上，商用的義式咖啡機構造比較複雜，可以設定很多參數，但後來義式咖啡漸漸走入家庭，所以現在很多廠商都有生產家用機型，甚至這幾年，已經盛行家用的烘豆機器，讓你從生豆的烘焙到烹煮咖啡都可以一手包辦，享受親手製作一杯咖啡的"樂趣"。

        義式咖啡機還有分手動、全自動、半自動。其實我對他的分類有點物煞煞，因為我買的時候商家說我買的機型是半自動的，但是我發現他都需要手動來控制...........(實際上，全手動的機器，是連水壓、溫度都是手動的.......)。除了要另購磨豆機之外，還需要自行填粉填壓，鎖上濾器握把後，萃取咖啡的量自行設定且手動停止。如果你是懶人一族，且不想去學習煮咖啡的箇中道理，奉勸你買台全自動的機器就好，全自動的機器，就是只要把咖啡豆丟進去，咖啡就出來了..........甚至還有所謂的膠囊機，只要購買所屬專用的咖啡膠囊，就可以方便喝到咖啡。不過好壞呢........請自行研究，高頡不予置評。為了了解如何煮好一杯咖啡，學習一台咖啡機的原理與構造，會比較容易讓你熟悉你的工具而煮出你要的咖啡味道。在此，就以一般玩家級入門的"熱門"機種來介紹。我想，大部分半自動咖啡機的原理構造相差不遠。這邊所舉均是以Rancilio Silvia為例，畢竟這台機器是普遍評價最高(C/P值)的家用機種............其實我也只有這一台.......

        上面的簡圖，可以簡單描述一台家用的義式咖啡機的構造。不過個品牌與機器的級距差異會有所不同，例如泵浦、鍋爐的種類，溫度、壓力控制系統等等。早期義式咖啡機剛發明時，咖啡煮起來不好喝的原因就是水溫過高。原因是因為他的壓力來源是來自於蒸汽，所以水溫必須達到攝氏100度，讓烹煮得咖啡變成有所謂的焦味。念過機械系的，大概都知道泵浦種類上的差異，泵浦的用途，就是加壓，將水送進鍋爐加熱。一般家用的泵浦常用往復式的，因為電磁式往復泵浦可以做得很小，相對在家用機種上可以縮小體積，缺點喔.............聲音就比較恐怖........所以知道他是用往復式馬達........你就可以想像古早的冰箱在製冷時，往復式馬達的聲音..........如果你就在旁煮咖啡.........就覺得好吵。
         而鍋爐，最主要的作用就是加熱熱水，一般家用機大部分都是單鍋爐。高階版本有雙鍋爐(一個鍋爐專門製作蒸汽)。因為煮咖啡的熱水溫度，與蒸汽溫度有一定的差異，所以使得家用義式咖啡機在使用上，必須等待熱水鍋爐煮蒸汽的時間或者蒸汽降溫成煮咖啡的熱水溫度。因為商業機的目的，是要符合一定時間內的製造數量，家用機在此對時間的折衷也是時間成本考量吧！下圖為拆開機器背部的結構，那個接著管子的紅色物體，就是抽水的泵浦，右邊的軟管就是接到水箱，左邊則是接到鍋爐。


        如果你單就從使用說明書上製作咖啡，會有一種霧裡看花的感覺，對於高頡而言，就是一種極度不安全感.......畢竟單純製作一杯咖啡，幹嘛搞一台半自動的機器，卻用得很傻瓜呢？當我們去了解一台機器的使用原理和架構，就比較能夠得心應手地去改變你的操作手法，製作流程，也比較不會遇到害怕猶豫的窘境.......例如高頡開箱開機手續完成後，第一次按下烹煮鍵......那聒噪的聲音真得讓人著實地不安全感呀～來！我們先來看看他的電路控制的部份............不要轉台啦！我會講得很簡單～這一切都得歸功於前輩們的改機文章，才會有這麼詳細的簡圖可以了解.........



       上面的電路，是整個Rancilio Silvia 的架構，簡單來說，開關按鍵都是在控制熱水、蒸汽的開關時機：調溫器會自動控制水溫或者是蒸氣溫度，比較複雜的是三向洩壓電磁閥的動作.......我可能傾向下一個單元來介紹.............

       如下圖所示，打開電源開關(我們可以看到所有的電路架構都是基於電源開關上，如果電源開關沒有開啟，其他的開關都不會有動作)，會供給電源給沖煮恆溫器和蒸汽恆溫器，此時鍋爐會加熱到沖煮溫度且面板上的指示燈會亮起(加熱)。當達到沖煮溫度之後，沖煮恆溫器會觸發不再使鍋爐加熱，且面板指示燈會自動關閉。這個時候，只有電源開關的燈是亮著的！如果鍋爐內的水溫低於沖煮溫度，此時又會持續加熱鍋爐，面板燈又會亮起，這個動作會持續到電源關閉為止，使鍋爐內的水一直維持在沖煮溫度。




         當按下咖啡沖煮開關時，泵浦開始加壓，水會流經三向洩壓電磁閥進入鍋爐，使得鍋爐裡的熱水因壓力流向沖煮頭。此時鍋爐的(恆溫)加熱動作亦在獨立進行，讓水恆定在沖煮溫度。


        如下左圖，當打開蒸汽開關，沖煮開關和熱水開關均會斷路，此時會控制鍋爐加熱(面板指示燈亮起)產生沸騰的水蒸氣。當達到蒸汽溫度時，加熱元件即停止加熱。這時候只有蒸汽開關的燈和電源開關的燈亮著，面板指示燈會關閉。



        當打開熱水開關時，加壓泵浦會開始動作，但三向電磁閥閒置狀態。泵浦加壓至鍋爐，當熱水蒸汽旋鈕打開時，熱水將從鍋爐透過蒸汽棒宣洩熱水降壓。當旋扭左旋關閉使得鍋爐壓力過高時，減壓閥會將冷水由水箱抽到鍋爐內降溫。此時的加熱電路是獨立的，所以加熱元件在此過程會自動開關。




        基於某種原因，Rancilio Silvia 如果產生過熱問題時，過熱保護裝置會觸發以保持機器本身的安全性。所以即使面板燈亮起，也不會有電源至加熱元件。這通常會發生在水箱裡的水位不足或者管路阻塞等問題......當產生問題使得過熱保護機制啟動之後........你怎麼開關電源鍵都不能使用機器來製作咖啡了。這時候需要重置的動作，首先需要等待一段時間使機器本身冷卻下來，然後從插座上拔下Rancilio Silvia電源插頭，將Rancilio Silvia頂部幾顆小螺絲鬆開以打開頂蓋，並且找出鍋爐附近，按下面對控制面板的紅色小按鈕。

 

        高頡還沒拆下頂蓋(太懶了)，所以找到網路上有關的照片，如下圖所示：



        以上，我們以圖示來做個總整理～

1. 電源開關：此咖啡機的電源總開關，按鍵上有閃電的標誌。
2. 面板指示燈：就在電源開關的右邊，只要機器在加熱狀態就會亮。
3. 咖啡沖煮鍵：有個咖啡杯的符號，打開會有熱水流向沖煮頭。
4. 熱水鍵(補水)：提供熱水，當打開旋扭會從蒸汽管流出熱水。主要功能就是讓冷水打進鍋爐，亦即當蒸汽旋紐關閉時，打開熱水鍵是幫鍋爐補水的動作！此時，切記不要讓熱水鍵長時間打水，以免泵浦過熱(實際上壓力大到額定的時候，冷水會被洩壓閥打回水箱)。
5. 蒸汽鍵：提供蒸汽，當打開旋扭會從蒸汽管噴出蒸汽。旋鈕：打開沖煮鍵或熱水鍵或蒸氣鍵時，放開旋鈕，會在蒸氣管流出熱水或噴蒸氣。主要功能就是洩壓。 在使用上，有兩點要特別注意：其一，左邊的三個按鍵開關不要同時開啟(其實也不合邏輯)。其二，關閉咖啡機前(左邊三個按鍵已經關閉)，要先把右邊旋紐打開將鍋爐洩壓～另外在使用技巧上，因為這是家用機，所以在蒸汽/熱水溫度上的等待時間會比較長，尤其是在使用蒸汽鍵之後，如果還要重新沖泡咖啡，必須先將鍋爐的水溫降低，最快的方法就是補水！！！關閉蒸汽旋紐與蒸汽鍵並且打開熱水鍵進行補水，冷水會由水箱打進鍋爐，郭爐內的溫度即會降低。


PS. 說明書上附註的： 藍色部分是我自己的心得補充

一、新機暖機

(1) 貯水槽加水：使用機器前及水槽空時, 加水至水箱

◎ 打開水槽上蓋, 加入約2 公升可以飲用的軟水
◎ 關閉上蓋, 並將進水管浸到水槽底部

(2) 鬆開沖煮把手, 打開熱水/蒸氣旋鈕 ; 然後按下電源開關, 同時按下咖啡沖煮按鍵

(3) 當熱水開始從蒸氣管流出時, 關閉熱水/蒸氣旋鈕, 以使熱水從咖啡出口流出幾秒, 然後關閉咖啡沖煮按鍵

如果30 秒後仍無熱水流出, 請再重覆上述動作 ;

(參考本文章第二張簡圖，高頡認為上面的動作是要確保鍋爐裡的水為滿水位，因為打開咖啡沖煮鍵後，泵浦即會開始將冷水由水箱送進鍋爐，直到滿水位讓水由蒸汽管溢出。當關閉旋紐之後，水壓就會從沖煮頭宣洩。)

(4) 裝上沖煮把手, 將粉杯裝入, 等待機器到達設定之溫度(5) 第一次使用機器前, 請在機器暖機時讓0.5 公升的水流出以清洗沖煮頭。


二、操作步驟：

     暖機：

(1) 請確認水箱巳加水
(2) 按下電源開關 (面板指示燈亮起)
(3) 等待機器到達沖煮溫度 (面板指示燈熄滅)
(4) 裝上沖煮把手、放咖啡杯，按下咖啡沖煮鍵幾秒(溫把手)，讓1 oz 的熱水流過並順便溫杯。(高頡額外的習慣動作，可以讓沖煮頭與杯子先升溫預熱，也可以順便用熱水沖洗一下沖煮頭)

    沖泡咖啡：

(1) 取下沖煮把手
(2) 裝入單份或雙份粉杯(磨好的咖啡粉，用手指刮平至粉杯)
(3) 裝入適量咖啡粉, 使用填壓器將咖啡粉壓平。(根據某些作法，第一次填壓力道約30磅，然後旋轉填壓器後，再施行第二次填壓力道約15磅。)
(4) 擦掉在把手唇口的咖啡粉，將沖煮把手裝上。
(5) 取一溫好的杯子放在沖泡把手下方
(6) 按下咖啡沖煮鍵, 等待幾秒後, 咖啡開始流出, 當你巳獲得所需的粹取量(此後再探討)後, 關閉咖啡沖煮按鍵。

請隨時檢查水箱水位以避免泵浦在咖啡沖煮時空轉產生噪音,若有此情況發生,請立即關閉咖啡按鈕, 進行補水動作, 以重新啟動機器運作。
機器運作時請勿將手放在沖泡座及蒸氣管出口下方。

    蒸氣使用

(1) 按下蒸氣開關按鍵, 等待幾秒後, 打開熱水/蒸氣旋鈕, 讓冷凝水從蒸氣管排出, 然後關閉旋鈕。
(2) 等待約30 秒後, 可將蒸氣管浸泡在你想加熱的液體中 (如:牛奶), 轉動蒸氣棒旋鈕,蒸氣會將液體加熱至所需溫度。

如果是要利用蒸汽打奶泡製作Cappuccino或者latte：高頡在使用上會先蒸汽管的噴嘴頭部埋入約1/3到牛奶液面下，且蒸汽管有一傾角。打開蒸汽旋紐會聽到蒸汽噴出與牛奶液面擾動的"斯斯聲"且牛奶會在容器裡旋轉，液面因為這個動作產生細小的奶泡會慢慢上升，蒸汽頭要隨時調整與液面的高度。上述過程不要讓牛奶溫度超過攝氏60度。將整支蒸汽管埋入液體中，等同加熱液體！！

(3) 在牛奶加熱後, 請釋放一些蒸氣出來以便清洗噴嘴頭。
(4) 關閉蒸氣開關按鍵, 用濕布清洗蒸氣管(動作迅速確實，做好個人衛生，小心燙手喔～)。
(5) 執行”鍋爐補水”動作。


     機器保養

維修保養動作需在機器巳關閉、冷卸且插頭巳拔除情況下進行。勿使用金屬、砂紙或清潔劑清洗機器 (如綱線、鋼刷或針狀物等), 請用濕布或海綿清洗即可。在說明書上有關保養的部份沒有很詳細，高頡大概有空就會蒐集一些小技巧另闢章節來說明.......


    日常保養:

(1) 清潔外部零件、蒸氣棒及蒸氣噴嘴頭, 沖煮投墊圈。
(2) 檢查及清潔集水盤。
(3) 使用溫水及濕布或海綿清洗粉杯及沖煮把手。


    逆洗沖煮單元：此單元後續會有詳文說明。

利用圓形橡膠擋版放入濾器中或無孔濾器放入把手中，並放入約1 茶匙的清潔劑，鎖緊把手。按下咖啡沖泡按鈕, 操作3~5 次空煮行程(每次持續5~15 秒鐘後停止約30 秒, 再作另一次行程)，以清潔內部洩壓管路部份。卸下把手清洗乾淨，再啟動機器讓水流出直到沒有泡沫為止。


    定期保養:

(1) 將濾杯及沖煮把手浸泡在沸水中幾分鐘並用布或海綿清洗以去除咖啡汙漬。
(2) 定期在機器運作時加入家用咖啡機專用的除水垢劑清洗。