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本发明涉及一种用于冷却液体的热交换器，包括一个凹槽(2)，所述的凹槽(2)容纳一种能够在泵送装置维持的低压作用下被蒸发的冷却液体，其特征在于，该空腔包括与待冷却的液体接触的至少一个第一壁(21)和至少一个第二壁(22)，所述的第一壁(21)具有大致圆锥形状，也就是说，其横截面从底部向顶部逐渐变小，所述的第二壁(22)构成了所述的圆锥形状的底部并且集成了一些使得该交换器的空腔(2)与所述的泵送装置连通的装置(30)。

1.  用于冷却液体的热交换器，包括一个容纳了冷却液体的空腔(2)，所述的冷却液体能够在泵送装置(31)维持的低压作用下被蒸发，其特征在于，所述的空腔(2)包括与待冷却的液体接触的至少一个第一壁(21)和至少一个第二壁(22)，所述的第一壁(21)具有大致圆锥形状，其横截面从底部向顶部逐渐减小，所述的第二壁(22)构成了所述的圆锥形状的底部并且集成了一些将交换器的空腔(2)与泵送装置(31)连通的装置(30)。

2.  根据权利要求1所述的交换器，其特征在于，所述的空腔(2)的第一壁(1)具有带肋的结构。

3.  根据权利要求2所述的交换器，其特征在于，所述的第一壁的肋的至少一部分的宽度在所述的空腔内部为零。

4.  根据权利要求1-3中任一项所述的交换器，其特征在于，所述的空腔(2)的第一壁(21)包括了截面不变的部分。

5.  根据权利要求1-3中任一项所述的交换器，其特征在于，所述的圆锥空腔(2)的第一壁(21)的横截面从底部(22)向顶部(24)逐渐减小。

6.  根据上述权利要求中任一项所述的交换器，其特征在于，所述的圆锥空腔(2)具有倒圆或者平的顶部(24)。

7.  根据上述权利要求中任一项所述的交换器，其特征在于，所述的空腔(2)的体积小于包裹所述的空腔的旋转表面限定的体积的2/3。

8.  根据上述权利要求中任一项所述的交换器，其特征在于，空腔(2)容纳了冷却液体和在低于大气压力的压力下的所述液体的蒸汽。

9.  根据上述权利要求中任一项所述的交换器，其特征在于，所述的空腔(2)的内壁至少部分地覆盖有亲水的多孔材料。

10.  根据上述权利要求中任一项所述的交换器，其特征在于，所述的冷却液体是水和/或者含有添加剂的水，该添加剂具有的饱和蒸汽压力大于水的饱和蒸汽压力。

11.  根据上述权利要求中任一项所述的交换器，其特征在于，所述的空腔(2)包括一个液-气相分离装置(50)。

12.  根据上述权利要求中任一项所述的交换器，其特征在于，所述的空腔(2)的至少一个第一壁(21)由导热材料构成。

13.  根据上述权利要求中任一项所述的交换器，其特征在于，所述的相连的泵送装置(31)选自在被下包装的吸附材料组成的装置，机械真空泵，冷却真空泵。

14.  自动冷却饮料包装(10)，包括含有一种消费饮料的第一空腔(1)，与所述的第一空腔(1)相邻的第二空腔(2)，所述的第二空腔构成含有冷却液体和蒸汽的热交换器，第三空腔(3)容纳有吸附所述的蒸汽的泵送装置(31)和一些连通所述的第二和第三空腔(2，3)的装置(30)，其特征在于，所述的第二空腔(2)由根据权利要求1-12所述的热交换器构成。

15.  根据权利要求14所述的自动冷却饮料包装(10)，其特征在于，所述的第二空腔(2)的圆锥形的顶部朝向底部取向，从而建立了至少沿在第一空腔(1)中的圆锥轴的对流，此时吸附所述的冷却液体的蒸汽。

16.  根据权利要求14或者15所述的自动冷却饮料包装，其特征在于，所述的第二空腔(2)具有的体积与表面的比值至少比第一空腔(1)的体积与表面的比值小2倍。

17.  根据权利要求14-16中任一项所述的自动冷却饮料包装，其特征在于，所述的热交换器的空腔(2)的第一壁(21)与容纳在第一空腔(1)中的饮料接触。

18.  根据权利要求14-16中任一项所述的自动冷却饮料包装，其特征在于，所述的热交换器的空腔(2)的第一壁(21)与所述的第一空腔(1)的壁相邻。

19.  根据权利要求14-18中任一项所述的自动冷却饮料包装，其特征在于，所述的交换器的空腔(2)的第二壁(22)构成了第三壁(3)并且集成了将所述的第二和第三空腔(2，3)连通的装置(31)。

20.  容纳在容器中的饮料的冷却装置，包括浸入到所述的待冷却的饮料中的浸入装置，其特征在于，所述的浸入装置由根据权利要求1-13中任一项所述的热交换器构成。

21.  根据权利要求20所述的冷却饮料的装置，其特征在于，所述的交换器由管连接到泵送装置上。

22.  根据权利要求20所述的冷却饮料装置，其特征在于，所述的交换器与泵送装置连成一体，所述的交换器的空腔的第二壁集成到所述的泵送装置中。

热交换器
本发明涉及一种用于通过蒸发和吸附来实现液体的冷却的热交换器。这样的冷却方法的原理在于：通过泵送一种液体的蒸汽维持低压从而蒸发所述的液体。
本发明的热交换器用于浸入装置形式冷却的容器或者用在自动冷却的饮料包装中。本发明的目标因此是可以在任何时间任何地方以理想的温度消费饮料。
通过蒸发和吸附实现冷却的方法也是已知的并且已经在现有技术中进行了许多研究。已经提出了许多装置，将一种容纳了待蒸发的液体的热交换器与一种容纳了吸附剂的容器接合，特别是用于自动冷却的饮料包装应用中。
因此在附图1中示出的专利文献US4928495描述了一种自动冷却的包装10(以饮料罐表示)的结构，其包括进入到待冷却的饮料中的平的矩形形状的热交换器16，所述的热交换器16连接到一个吸附装置22上。所述专利文献描述了原理示意图，而没有精确指出考虑与一次性使用的包装相关的经济问题而实施这样装置的方式。
另外，示出在图2中的同样发明者的国际专利申请WO01/10738和WO01/11297，还描述了一种自动冷却的饮料包装10，其包括一个U型圆柱形状的交换器30。这些专利申请精确给出了交换器30的几何形状以及折中了束缚大批量工业生产饮料罐的装置的生产和组装的方法。
然而，所描述的交换器30具有多个缺点。事实上，蒸发器和待冷却的饮料之间的热交换效率主要取决于该交换器的几何形状，该热交换率调节了饮料的冷却速度。另外，为了获得令人满意的冷却效率，这些专利申请提出增加交换器30的尺寸，其最大尺寸是可以插入到饮料罐中，对于高度100毫米来说直径为50毫米。对于300毫升可以消费的饮料来说，所获得的交换器的体积是80毫升，相当于冷却效率大于25％。
在上述的国际申请中描述的装置的另外的缺点在于，用于实现所述的交换器30所必须的金属数量，因此其生产成本较高。特别是容纳在交换器中的待蒸发的水必须在真空下保存在交换器中，所述的待蒸发的水用于实施通过蒸发吸附冷却的方法，和交换器30的内外之间的压力差，要求构成交换器的壁的金属的厚度较大。
另外，与在国际申请中描述的交换器30的特别的几何形状相关的另一个缺点在于，必须使用一种凝胶，以便将冷却液体固定在该交换器中，以便避免在该装置工作时液体的蒸汽不会驱动所述液体。
本发明的目标是解决现有技术的缺点。
因此，本发明提出了一种热交换器，其几何形状和结构允许了在具有降低的压力下蒸发冷却液体的原理基础上有利于饮料的冷却速度。因此，交换器的几何形状强调了在饮料中的大的对流，以便确保其快的冷却速度。该几何形状还允许确保对于最小的交换器地体积来说与饮料的最大的热交换。
本发明的另外的目标是通过使用本发明的、例如在容纳了待冷却的饮料的容器中用作浸入装置的热交换器，将在低压作用下蒸发冷却的原理推广到液体冷却的任何装置上。
更具体地说，本发明涉及一种用于冷却液体的热交换器，其包括一个空腔，该空腔容纳了一种冷却液体，所述的冷却液体能够在被泵送装置维持的低压作用下被蒸发，其特征在于，所述的空腔包括与所述待冷却液体接触的至少一个第一壁和至少一个第二壁，所述的第一壁大致为圆锥形状，也就是说其横截面从底部向顶部逐渐减小，所述的第二壁构成了所述的圆锥形状的底部并且集成了使得交换器空腔与泵送装置连通的装置。
根据一个特征，所述的空腔的第一壁具有一个肋结构。
根据一个实施例，所述的第一壁的肋中的至少一个部分的宽度在所述空腔内部为零。
根据一个实施例，所述空腔的第一壁包括一个部分，其横截面是不变的或者第一壁的横截面从底部向顶部逐渐减小。
根据另一个实施例，所述的圆锥空腔具有倒圆或者平的顶部。
根据一个特征，所述的空腔的体积小于包围所述的空腔的旋转表面限定的体积的2/3。
根据一个特征，所述的空腔容纳了冷却液体和具有小于大气压力的所述的液体的蒸汽。
根据一个有利的特征，所述的空腔的内壁至少部分覆盖了亲水的多孔材料。
根据本发明的一个特征，冷却液体是水和/或者含有添加剂的水，其具有比水的压力高的饱和蒸汽压力。
根据一个实施例，所述的空腔容纳了将液态和气态分离的装置。
根据一个特征，所述空腔的至少第一壁包括导热材料。
根据这些实施例，相关的泵送装置选择如下所述的装置，真空包装的吸附材料，机械真空泵，致冷真空泵。
本发明还涉及一种自动冷却饮料包装，其包括第一空腔，第二空腔和第三空腔，所述的第一空腔容纳了消费的饮料，第二空腔与第一空腔相邻并且构成了容纳冷却液体及其蒸汽的热交换器，第三空腔容纳了通过所述蒸汽吸附的泵送装置，和一些使得所述的第二和第三空腔连通的装置，其特征在于，所述的第二空腔由本发明的热交换器构成。
根据一个特征，第二空腔的圆锥形顶部朝向底部取向，以便建立至少一个沿第一空腔的圆锥轴的对流，同时吸附冷却液体蒸汽。
根据一个特征，所述的第二空腔的体积与面积的比值至少比第一空腔的体积与面积的比值小两倍。
根据一个实施例，所述的热交换器的空腔的第一壁与第一空腔中容纳的饮料接触。
根据本发明的一个实施例，热交换器的所述空腔的第一壁与所述的第一空腔的一个壁相邻。
根据一个特征，交换器的空腔的第二壁构成了第三空腔的壁并且集成了使得所述的第二空腔和第三空腔连通的装置。
本发明还涉及一个冷却饮料的装置，该饮料容纳在一个容器中，所述容器包括一个浸没在所述的待冷却饮料中的浸入装置，其特征在于，所述的浸入装置由本发明的一个热交换器构成。
根据本发明的一个实施例，所述的交换器与泵送装置通过一个管子相连，或者所述交换器与泵送装置连成一体，所述的交换器的空腔的第二壁集成在所述的泵送装置中。
在参照非限定实施例的描述过程中，参照附图，将可以看到本发明的特征和优点，附图包括：
图1，已经描述过，是现有技术的一个变形的自动冷却饮料罐；
图2，已经描述过，是现有技术的另一个变形的自动冷却的饮料罐；
图3a-3c是根据本发明的多个实施例的热交换器的横截面简示图；
图4a-4c是根据本发明的交换器的实施例的变形的俯视截面简示图；
图5是本发明的热交换器的实施例的截面简示图；
图6是包括本发明的热交换器的饮料包装的截面简示图；和
图7是包括本发明的热交换器的冷却浸入装置的截面简示图。
本发明的热交换器包括一个空腔2，所述的空腔2容纳有一种冷却液体，所述冷却液体能够在泵送装置维持的低压作用下被蒸发。所述的热交换器用于浸在待冷却的饮料中。因此，本发明的热交换器主要具有与所述的待冷却饮料接触的至少一个第一壁21和至少一个第二壁22，所述的第二壁22集成了一些与泵送装置31连通的装置30。
如图3所示，根据本发明的主要特征，与所述待冷却液体接触的空腔2的壁21具有大致圆锥形状，也就是说，其横截面从底部向顶部逐渐减小。所述的交换器的空腔2的特别的几何形状使得优先在饮料中建立大的对流，以便确保饮料的快速冷却。所述的空腔的整体形状为圆锥形是非常重要的，特别是其横截面从底部向顶部逐渐减小。然而，没有改变所述交换器的横截面的竖直部分可能在该交换器的高度的一部分上实施，这并不会破坏交换器的良好的功能。由所述的定义覆盖的所述的圆锥形状可以采用多种可能的结构并且还涉及与带有圆顶的圆柱3d一样好的尖顶圆锥3b。
附图4a-4d是本发明的交换器的所述空腔2的俯视截面图，在这些附图中示出的实施例可以毫无区别地与图3a-3d中示出的实施例相组合。
如图4的系列图所示的，并且根据本发明的优选的特征，所述热交换器的空腔2的与所述待冷却的饮料接触的壁21可以具有一种带肋的结构，以便增加所述交换器和饮料之间的热交换面积。附图4c示出了一个实施例，其中所述的第一壁没有任何肋。
根据一个特别的实施例，如图4b所示，至少一部分所述的第一壁21的肋的宽度在空腔2的内部为零，以便在空腔2上建立一些叶片23。
因此所述的交换器的第一壁21可以定义为夹在内部和外部的两个旋转表面(图3a-3d中的附图标记i和e)之间，这两个旋转表面在圆锥的底部混为一体，也就是说，具有所述交换器的第二壁22的连接线将与泵送装置连通的装置30连在一起。所述的表面i和e最好可以由圆锥、圆柱、圆环、球形或者其它的更加复杂的表面的组合构成，这样的表面例如通过冲压实施。还将圆锥顶部24定义为距离所述的底部22最远的壁21的顶点，所述的顶点大致位于上述的表面的旋转轴上。
本发明的交换器的圆锥21的顶部24可以倒有圆角，同时不会损坏所述热交换器的效率。所述的圆倒角的动机是要避免在撕开容纳由这个交换器的真空包装时发生任何事故。
本发明的热交换器的这样的几何形状所具有的优点是很多的。工作时，本发明的热交换器取向为圆锥的顶部朝向下。比已知的交换器小的热交换器的表面通过加速对流而被大大地补偿，对流的加速是在圆锥的旋转轴中根据称为“倒置的烟囱”效应而产生的，通过这种效应接触所述的交换器的壁的被冷却的水流全都朝向圆锥的轴流动。所产生的冷的液体柱加强了压力梯度，并且通过“倒置的烟囱”效应建立了冷却对流，而不会被交换器的表面所约束。因此，100平方厘米数量级的交换器的表面积可以达到与已知的平面形状的表面积为300平方厘米数量级的交换器等效的性能。通过交换器的几何形状，本发明的交换器可以建立强的轴向对流，而不会形成非轴向的第二对流室。
所述的带肋的圆锥结构特别可以获得在限定的体积中的较大的热交换器的表面积，特别是在限定高度的情况中，从而可以有利地用于封闭的饮料包装。例如所述的带肋的圆锥交换器的高度可以限定为至少是容纳待冷却的饮料的包装的高度的一半。
本发明的交换器的几何形状的一些类型值可以是如下所述，其并不是限定特征仅仅是示例：
交换面积＝100平方厘米
内部容积＝40立方厘米
空间体积＝60立方厘米(其由包裹交换器的旋转面积限定)
高度＝5厘米
所述交换器的空腔包括导热材料，如钢或者铝。本发明的交换器的表面积被减小，生产所需的金属量被减少，从而也降低了成本。
另外，这个结构允许了抵抗由待冷却的饮料施加在交换器的空腔上的外部压力的良好的强度。构成所述空腔的金属的厚度因此可以减少。特别地，0.2-0.4毫米数量级的厚度就足够了。
在交换器的空腔中的已知的冷却液体可以是水，最好是含有添加剂的水，例如含有甲醇，其具有的高的饱和蒸汽压力可以更快地启动冷却液体的沸点，并且可以降低在泵送工艺开始时强烈的液滴喷射。
根据一个优选的实施例，液体仅仅部分地例如一半填充所述空腔。
根据本发明的另一个实施例，所述的交换器的空腔仅仅含有冷却液体和所述的液体的蒸汽，也就是说，所述液体预先被除气，然后被引入到所述空腔中。可以通过特别是在大气压力下的沸腾然后通过将压力降低到几毫巴的沸腾来保证所述的除气。冷却液体然后设置在没有空气的交换器的空腔中。在其它情况中，在交换器中除了冷却液体的蒸汽以外的气体的在与泵送装置连通之前的部分压力，小于或者等于1mb。这个特性可以通过避免限定蒸发物与容纳在空腔中的非吸附气体发生反应来确保良好的蒸发速度。
根据另外的优选实施例，所述交换器的空腔2的内壁至少部分地覆盖有亲水的多孔材料，例如纤维素，薄网或者聚合物。所述的多孔层可以被粘结。热交换器的壁21因此在内部表面被浸湿，从而有利于良好的蒸发，并且因此有利于在交换表面上的良好的冷却。最好使用具有间隔的网眼的薄网，以便完全通过让所述液体蒸汽穿过多孔层而有利于与交换器的金属接触的冷却液体的蒸发。
根据一个实施例，如图5所示，所述的交换器的空腔2可以容纳一个液体-气体分离的装置50。这个实施例可以通过所述的空腔2的特别的几何形状构成本发明的交换器。事实上，可以在圆锥底部使用大的容积，精确地说在靠近集成有与泵送装置31相连的连接装置30的第二壁22附近。因此可以在交换器的相同的内部设置一个液体-气体分离装置50，该液体-气体分离装置50靠近所述的连接装置30的开口附近。这样的装置在后面描述并且不能容易地在现有技术中已知的几何形状的交换器中实施。设置在本发明的交换器中的该相分离装置50占据了小于20立方厘米的体积。
液体-气体相的分离装置50可以将被泵送的冷却液体的蒸汽分子从被所述液体的蒸汽驱动的所述液体滴中分离出来。事实上，根据蒸发实施的冷却的物理原理，在由真空中断启动、并且由所述液体的蒸汽的泵送维持的低压效应下蒸发冷却液体。另外，泵送力可以使得液体滴被驱向泵31并且因此不损害其良好的工作。因此必须设置一个液体-气体相分离装置50，所述的液体-气体相分离装置50允许冷却液体的蒸汽进入到泵中，并且将液滴输送到热交换器的空腔2中。
这样的相分离装置包括蒸汽导向器，蒸汽导向器包括至少一个挡板51构成的壁，所述的壁使得蒸汽流急剧转变方向。蒸汽分子的平均自由行程非常小，约为微米数量级，因此意味着蒸汽分子可以快速的改变方向。另一方面，液滴的质量使得液滴受其惯量控制，并且因此从气体流中分离。这种机制可以最好地分离液体-气体，而不显著减慢蒸汽流，并且因此不必占用大的体积。
作为补充，相分离装置还包括一个液滴收集器60，所述的收集器60可以将从气体的气流中分离的液滴再次引向蒸发装置2的空腔底部。所述收集器60包括一个漏斗和至少一个液滴流出管。该漏斗最好可以导致形成蒸汽导向器的挡板51。
根据一个优选的实施例，所述的蒸汽导向器51最好设置在与泵送装置31连通的装置30的周围，并且液滴的收集装置60的漏斗限定了一个立体角，该立体角包括连通装置30和蒸汽导向器51。
最好，收集器60的液滴的流出管具有的长度大于或者等于在挡板51中的蒸汽头损失，以便避免通过所述的流出管喷射液滴。所述的蒸汽头损失最好通过测量高度来衡量液体体积。如果考虑1mb的蒸汽头损失(对应于1厘米高度的水柱)，则所述管具有至少1厘米的长度。
根据一个优选实施例，所述的相分离装置还包括对液滴直接喷射的保护装置55，所述的保护装置55由所述的蒸汽导向器51完成。所述的保护装置55设置在连通装置30的对面，从而避免了直接污染泵送装置31，特别是在启动吸附反应时。
根据所述的应用，与本发明的热交换器2相连的泵送装置31可以包括机械真空泵，或者冷却泵送装置如冷凝水蒸气的冷却器，或者容纳有能够启动并且维持液体吸附的反应剂(干燥剂)的没有空气的盒。冷却的实现因此是通过使本发明的热交换器2与泵送装置31连通实现的。根据本发明的一个优选的实施例，构成圆锥底部的空腔壁22包括集成到所述的壁22中的连通装置30。
如图6所示，本发明还涉及一种容纳了如上所述的本发明的热交换器的饮料包装10。
这个自动冷却的饮料包装10包括第一空腔1，所述的第一空腔容纳了消费饮料。所述的第一空腔1可以具有标准的罐的形状和尺寸。第二空腔2与第一空腔相邻并且构成了按照上述的形状和特征的热交换器。
根据一个优选实施例，所述的第二空腔2的第一圆锥壁21与容纳在所述的第一空腔1中的饮料接触。
根据另一个实施例，所述的第二空腔2的第一圆锥壁21与所述的第一空腔1的壁相邻。这些壁因此紧密接触，从而确保良好的热交换。然而这些壁可以由不同的材料构成，例如所述热交换器2的空腔的壁21是金属制成的，然而容纳了饮料的空腔1的壁是由PET塑料(聚对苯甲酸乙二醇酯)制成的。尽管这个实施例不太有利，因为其在交换器2和饮料之间具有热交换效率，但是例如可以很好地控制所述的含有饮料的空腔1的消毒环境，例如用于奶制品的应用。
最好，构成了热交换器的所述的第二空腔2具有的体积与表面积的比值至少是比含有待冷却饮料的第一空腔1的体积与表面积之比小2倍。在第一空腔1(罐)中容纳的饮料的冷却是通过容纳在第二空腔2(热交换器)中的冷却液体的蒸发而获得的。通过致动构成热交换器的空腔与泵送装置连通的装置30，在所述交换器的空腔2中产生的低压，启动了所述的蒸发，然后这个低压由所述的液体的蒸汽泵维持。
因此，本发明的自动冷却饮料包装包括第三空腔3，在这种情况下，所述的第三空腔3包括泵送装置31，即根据上述的已知物理原理能够吸附冷却液体的蒸汽的干燥剂的容器。
根据一个优选实施例，构成了交换器的第二空腔2的圆锥壁21还构成了容纳待冷却液体的第一空腔1的壁。同样，构成了形成热交换器的第二空腔2的圆锥底部22的壁还构成了容纳干燥剂的第三空腔3的壁，这个公共壁22将所述的第二和第三空腔22的连通装置30连成一体。最好，所述的第三空腔3可以包括一些致动连通装置30的致动装置32，例如打开所述的连通装置30的启动杆。
根据另外的实施例，本发明的热交换器可以作为冷却浸入装置用在冷却装置中，该装置中的饮料容纳在一个开口容器中。
在第一实施例变形中，其中的示图可以由图5给出，所述冷却浸入装置包括一个本发明的热交换器，该热交换器具有大致圆锥型的空腔2，该空腔2与泵送装置31通过集成在构成空腔2的底部的壁中的连通装置相连。还用所集成的连通装置30单独提供所述的热交换器，并且通过可以是柔韧的或者刚性的，固定的或者可拆卸的管子将所述热交换器与合适的泵送装置31相连，例如机械真空泵或者冷却真空泵，或者含有干燥剂的没有空气的盒。
在第二个实施例变形中，如图7所示，所述的冷却浸入装置包括本发明的热交换器，所述的热交换器的空腔2大致是圆锥形，并且与泵送装置通过构成空腔2的底部的壁22连成一体。然后通过集成的连通装置30与合适的泵送装置31，例如含有干燥剂的没有空气的盒，提供所述热交换器。所述的浸入装置因此构成了一次性的自动冷却装置，或者可以在再生后被重复使用的自动冷却装置。