在低温条件下充入二氧化碳气体的饮料制备机及方法.pdf

本文涉及在低温条件下充入二氧化碳气体所用的方法和设备；其中的二氧化碳充入器带有一个或多个部分，这些部分在一个相对水平的低温盘内。二氧化碳充入器内带有传感器，从饮料制备机的一侧可以接触到该传感器。

1.  一种制备机，该制备机包括：
第一二氧化碳充入器储槽部分；
第二二氧化碳充入器储槽部分；
第三二氧化碳充入器储槽部分；第一储槽部分和第三储槽部分与第二储槽部分相接，第三储槽部分从所述第二储槽部分向外延伸出来，第一、二、三二氧化碳充入器储槽共同形成了要充入二氧化碳气体的白水的空间。

2.  根据权利要求1的制备机，所述制备机还包括低温盘，低温盘基本上在二氧化碳充入器储槽部分的周围。

3.  根据权利要求1的制备机，所述制备机还包括传感器，该传感器测定第二储槽部分中的水位。

4.  根据权利要求1的制备机，所述制备机还包括预冷回路，该预冷回路与二氧化碳充入器储槽部分之一相连。

5.  根据权利要求1中的制备机，所述制备机还包括后冷回路，该后冷回路与二氧化碳充入器储槽部分之一相连。

6.  根据权利要求1的制备机，所述制备机还包括与二氧化碳充入器储槽部分之一相连的预冷回路和与二氧化碳充入器储槽部分之一相连的后冷回路。

7.  一种制备机，该制备机包括：
第一二氧化碳充入器储槽部分；
第二二氧化碳充入器储槽部分；
第三二氧化碳充入器储槽部分；第一储槽部分和第三储槽部分与第二储槽部分相接，第三储槽部分从所述第二储槽部分向外延伸出来；
测量第二二氧化碳充入器储槽部分中的水位的传感器。

8.  如权利要求7中的制备机，所述制备机还包括预冷回路，该预冷回路与二氧化碳回路相连。

9.  如权利要求7中的制备机，所述制备机还包括后冷回路，该后冷回路与二氧化碳回路相连。

10.  如权利要求7中的制备机，所述制备机还包括预冷回路和后冷回路，其中预冷回路和后冷回路均与二氧化碳充入器相连。

11.  如权利要求7中的制备机，其中储槽是非连续形式的。

12.  一种在水中充入二氧化碳气体的方法，该方法包括：
提供二氧化碳充入器储槽，该储槽位于低温盘内；
向储槽中注入二氧化碳；
对水进行冷却；
将冷却后的水注入到储槽中；
对来自储槽的充有二氧化碳的苏打水进行冷却。

在低温条件下充入二氧化碳气体的 饮料制备机及方法
本申请是2002年9月23日递交的申请号为02818736.9，发明名称为“在低温条件下充入二氧化碳气体的饮料制备机”的分案申请。
本发明的技术领域
总体而言，本发明与饮料的制备有关；具体就是与在低温条件下充入二氧化碳气体而制备饮料的方法和设备有关。
本发明的背景
在“后混合”饮料制备过程中，饮料浆料与白水或碳酸水混合，从而形成饮料制成品。对充有二氧化碳气的饮料而言，充入二氧化碳过程的因素对饮料制成品的质量有很大的影响。
举例而言，对于高质量的饮料来说，无论生产系统发生什么样的变化，比如温度发生改变；充入的二氧化碳浓度都应该是一致的，这一点十分重要。再就是在将制成的饮料灌入杯子中时，产生的泡沫应尽可能的少，这一点也十分重要。
因此，人们希望有一种高效且成本低廉的生产过程来制备高质量的饮料。人们已经发现，降低要充入二氧化碳气体的水温可以提高二氧化碳充入效率，并可降低二氧化碳的压力。因此，以往的技术是通过使用温度较低的水来提高二氧化碳充入过程的效率。举例而言，美国4,754,609号专利说明的情况是在二氧化碳充入前对水进行预冷。在另外一个例子中，美国5,319,947、5,419,461和5,524,452号专利对冷冻条件下进行二氧化碳充入的过程进行了说明。然而对以往技术的效率、成本以及空间应用可以进行显著的改进。
因此，需要一种性能更好的饮料制备机和方法，这种制备机和方法使用低温二氧化碳充入过程。
发明概述
根据本发明的内容，本文提供利用低温二氧化碳充入过程进行饮料制备的方法和设备，这种饮料制备方法和设备基本上消除了以往技术系统所具有的问题，或者大大地减少了以往技术系统所具有的问题。
本发明提供的饮料制备机包括低温源(例如低温盘或冰/水槽)以及二氧化碳充入器；二氧化碳充入器由一个部分或几个相连在一起的部分组成，这些部分基本上都位于低温源内。相连在一起的部分可形成连续的或不连续的中空结构。
在某一具体实施方案中，二氧化碳充入器包括环形槽、水入口、二氧化碳入口以及测量槽内水位的传感器。环形槽可以是连续的结构，也可以是不连续的结构。
此外，本发明提供的饮料制备机带有第一侧面，并带有低温盘；二氧化碳充入器至少有一部分浸在低温盘中。传感器与二氧化碳充入器相连，通过饮料制备机的第一侧面可以触及到传感器。在某一具体实施方案中，第一侧面是饮料制备机的正面，饮料从这一正面输送出来。
本发明提供的饮料制备机带有一个水平面，该制备机带有低温盘；二氧化碳充入器至少有一部分浸入在低温盘中，且二氧化碳充入器与水平面成斜置。
本发明还提供某种二氧化碳充入器，该二氧化碳充入器包括第一储槽、第二储槽和第三储槽。第一储槽和第三储槽均与第二储槽相连。第三储槽从所述的第二储槽向外延伸出来。
在某一具体实施方案中，饮料制备机带有基本上扁平的二氧化碳充入储槽以及基本上是水平的低温盘，二氧化碳充入器的储槽基本上位于低温盘之内。饮料制备机还可以带有多个水流入口，这些入口接入到二氧化碳充入器的储槽中。饮料制备机还可以带有探头元件，该探头元件基本上与二氧化碳充入器的储槽平行。
本发明还提供向水中充入二氧化碳的方法，这种向水中充入二氧化碳的方法包括以下方面：提供二氧化碳充入器储槽，且该储槽位于低温盘之内，向储槽中注入二氧化碳；对水进行低温处理；向储槽中注入低温冷却的水；对来自储槽的且充入二氧化碳的苏打汽水进行低温冷却处理。
在每一实施方案中，可以将一个低温二氧化碳充入预冷却回路与二氧化碳充入器相连。与之相似，也可以将一个低温二氧化碳充入后冷却回路与二氧化碳充入器相连。
本发明的一个主要技术优势是，本发明通过引入一个与低温盘形成一体的二氧化碳充入器，从而大大地改善了二氧化碳充入效率。
本发明的另一主要技术优势是使用分段的二氧化碳充入器储槽或环形部件，从而形成了在较小空间内实现高效充入二氧化碳的结构。
本发明的另一主要技术优势是使用了一体化的二氧化碳充入预冷回路和/或二氧化碳充入后冷回路。
本发明的另一主要技术优势是在低温二氧化碳充入器上使用了多个水流入口。
本发明的另一主要技术优势是可以方便地接触到二氧化碳充入器中测量水位的传感器。
图示简介
在以下简要图示说明中带有参考文字，其中相同的数字代表相应的元件。
图1是本发明中使用低温二氧化碳充入过程的饮料制备机。
图2是图1所示饮料制备机的侧视图。
图3是本发明某一实施方案地示意图，在该实施方案中，低温盘带有一体化的二氧化碳充入口。
图4表明的是本发明中二氧化碳充入器的某一实施方案。
图5是本发明中二氧化碳充入器以及二氧化碳充入预冷和后冷回路的俯视图。
图6是本发明中二氧化碳充入器及二氧化碳充入器探头某一
实施方案的侧视图。
图7是图6所示实施方案的详细示图。
图8表明的是本发明中二氧化碳充入器的另一实施方案。
图9表明的是本发明中二氧化碳充入器的另一实施方案。
图10表明的是本发明中二氧化碳充入器的另一实施方案。
图11表明的是根据本发明技术，在物理制冷的饮料制备机中低温充入二氧化碳的某一实施方案。
本发明的详细说明
图1所示的是基于本发明技术的饮料制备机10。图1所示的这一饮料制备机器适于放置在柜台的台面上，该饮料制备机可制备饮料和冰块。然而，应该理解的是，本发明并不局限于这一具体实施方案，本发明可应用于所有类型的饮料制备机，其中包括那些有一部分处于柜台下面的制备机以及制冰和不制冰的饮料制备机。
饮料制备机10中包括低温盘12、二氧化碳充入器储槽13以及二氧化碳充入器探头元件14；其中二氧化碳充入器储槽13位于低温盘12之内。二氧化碳充入器探头元件14被用来测量二氧化碳充入器储槽13中的水位，通过饮料制备机10的正面可以很容易地接触到探头元件14。低温盘12和探头元件14的位置可以调整，调整后可以从饮料制备机10的后面或侧面接触到探头元件14。与以往的技术方案相比，本发明的重大改进在于可以在水平方向上接触到探头元件14，这样方便了探头元件的维护和修理。
重要的一点是，在本发明的某一实施方案中，二氧化碳充入器储槽置于低温盘12之内，且该储槽的方向基本上处于水平。这种结构具有很大的优点。正如前面所述的，这样可以很容易地接触到二氧化碳充入器的探头元件。与此同时，二氧化碳充入过程在低温下进行，这样就提高了二氧化碳充入效率，并可使二氧化碳的压力更低(更易在较低压力下进行充气过程)。由于二氧化碳充入过程是在低温盘中进行，并且是在冷却条件下进行；因此，即使当环境温度发生变化时，二氧化碳的充入浓度基本上为一常数，这样就不必在不同的季节改变二氧化碳的充入压力。同样，由于二氧化碳充入过程是在饮料制备机中进行，所以安装和制备过程更加简便了，因为不存在独立的二氧化碳充入器。相似的是，资产统计更方便了，且资产流失的可能性降低了，因为二氧化碳充入器在饮料制备机之内，没有单独的二氧化碳充入器需要加以留意。
此外，在本发明的某一实施方案中，二氧化碳充入器是处于相对水平的方向，并且基本上位于低温盘之内，这样就使本发明比以往某些技术方案具有了很大优势，这种优势就是本发明具有很高的空间利用率。在以往的某些技术方案中，二氧化碳充入器与相对水平的低温盘相邻或者从低温盘外伸出来。
为了达到相应的二氧化碳充入能力以及容纳低温盘的其他元件(浆料和白水的冷却回路)，本发明中二氧化碳充入器的结构被设计成一个或多个连续或不连续储槽单元。这些单元为其他的冷却回路留出了空间。由于使用这些单元会得到相对较高的表面积/体积比(因此可得到高效传热)，所以可实现高效的二氧化碳充入过程。
饮料制备机10还带有喷嘴16，制成的饮料通过喷嘴16输送出去。这些喷嘴将未充入二氧化碳的水(白水)或充入二氧化碳的水(苏打水)与来自阀门18的饮料浆料和/或浆料调味剂进行混合，从而制备出最终的饮料。在本文中的具体实施方案中，表明了多个调味剂喷嘴16，其中每个喷嘴都与一个阀门18相连。但在本实施方案中，调味剂只有一种。在饮料制备机中还带有冰道20，冰块通过该冰道进行输送。漏液盘22位于喷嘴的下方。在操作过程中，制成的饮料被灌入杯子中，杯子位于喷嘴16和漏液盘22之间。
本发明还包括一体化的泵24，该泵将水输送到二氧化碳充入器储槽13中。在本发明中还包括马达26，该马达被用来将饮料制备机10内的冰移动到冰道20上，下面将结合图2对此进行说明。
应该理解的是，在最终的饮料制备机上，还有一块或多块盖板将阀门18、泵24和马达26封盖住。然而，这些盖板很容易拆卸下来(例如用螺丝刀)，这样可方便维修。正如本文所说明的，饮料制备机10的大多数元件位于饮料制备机的前端，这样便于接触到这些元件，也便于对这些元件进行维护。
卸到漏液板22可露出低温盘12的前端，从这里可容易地接触到二氧化碳充入器的探头元件14。图中所示的还包括二氧化碳输出阀28、低温盘入口30和出口32。入口30接收在低温盘12中将要被冷却的水和浆料，水在二氧化碳充入器储槽13中被充入二氧化碳。出口32将冷却后的浆料和水(白水或苏打水)输送给阀门18。低温盘12用冰进行冷却；其中冰块可手工放入到饮料制备机的冰室33中，或者在饮料制备机的上面或侧面放置一台制冰机，制冰机制冰，并将冰输送到冰室33中。另一种方案是使用远端制冰机进行制冰，然后将冰自动输送到冰室33中，例如可通过气动管线将冰输送到冰室33中。
图2表明的是图1所示饮料制备机10的侧面剖视图。如图2所示，低温盘12中含有一体化的二氧化碳充入器13。二氧化碳充入器的探头元件14穿过低温盘12而进入到二氧化碳充入器13中。
如图2所示，饮料制备机10在中心冰室33的周围带有隔热层31。马达26驱动桨轮35将冰从冰室33传送到冰道20上。图中所示的桨轮只是示意性的，也可使用其他方式的机械装置输送冰。正如上面所述，应该理解的是，本发明中的低温盘并不一定要与制冰机连在一起使用。
在操作过程中，冰对低温盘12进行冷却，低温盘是由导热材料制成的，例如是由铝材制成的。当水和浆料流过各自在低温盘中的回路时，水和浆料得到冷却。重要的是二氧化碳充入器13和二氧化碳充入器中的水以同样的方式得到冷却，这样可使二氧化碳充入的效率更高。由于二氧化碳充气效率提高了，所以可以降低所用二氧化碳的压力，这样可使饮料制备机更加可靠、操作费用更低。
如图2所示，低温盘12相对于饮料制备10的水平面而言是斜置的。这种斜置结构可使探头元件14的传感器更容易地测量到水位的变化；因为对某些结构形式而言，二氧化碳充入器储槽13和低温盘12越接近于水平状态，则水充入二氧化碳后被排出二氧化碳充入器储槽13时，水位的变化越小。但这种斜置结构并不是必须的。在本文中，虽然本发明中二氧化碳充入器被称为处于基本水平和位置或相对水平的位置，但也包括斜置的方向。这种斜置结构可通过斜放低温盘来实现，也可通过斜放二氧化碳充入器而使低温盘处于水平状态来实现，虽然斜置的角度可以是任意的，但优选的斜置角度是与水平面间的夹角小于20°。
图3表明的是基于本发明技术的低温盘12的俯视示意图；图中的低温盘12带有一体化的二氧化碳充入器13。如图3所示，二氧化碳充入器储槽13包括4个相连的部分34、36、38和40。在优选情况下，这些部分的横截面是圆形的，但也可以是任何其他形状的。与此相似，本文在这里所用的二氧化碳充入器储槽是四边形的，这一四边形结构只是示范性的。只要能够达到具体应用所需的二氧化碳充入能力，任何形状的储槽都可以使用。二氧化碳充入器储槽的具体几何形状可以根据所要求的水与二氧化碳顶部空间之比进行改变；并可根据低温盘容纳白水和浆料冷却回路所需的空间量来改变二氧化碳充入器储槽的几何形状。
虽然图3所示的二氧化碳充入器带有相互连接在一起的部分，但这种连续的形式并不是必须的；正如本文下面结合其他实施方案所要说明的，一个或多个连续的或不连续的部分也可以被使用。
图3还表明了预冷回路42。预冷回路42可使白水在进入二氧化碳充入器储槽13前得到冷却。在优选的实施方案中，预冷水通过多个缝隙进入到二氧化碳充入器储糟13中。但也可以使用一个注入口。经过充入二氧化碳的水通过一个或多个出口从二氧化碳充入器储槽13进入后冷回路44，与预冷回路42相似，在优选情况下，二氧化碳充气后冷回路44整体位于低温盘12之内。经过后冷的充气水被输送到总管46，然后再从总管46输送到阀门18。
在优选的实施方案中，预冷回路42将白水冷却到华氏40度左右。后冷回路44将充气后的水冷却到华氏34～40度，在优选情况下。除了对充气水起到冷却作用外，后冷回路44还可以对来自二氧化碳充入器储槽13的流体起到稳定作用，使流体形成更少的湍动。这样，由于流体更多的是处于层流状态，所以流体中会含有更多的二氧化碳；这样可使流体在输送过程中形成更少的泡沫，从而达到更佳的二氧化碳充入效果(并且会使最终饮料产物的质量更高)。然而，应该理解的是，本发明可包括冷却回路42和44中的一个，也可两个回路都包括。
图4表明的是图3所示具体实施方案中二氧化碳充入器储槽13的细节。如图4所示，二氧化碳通过接头50进入二氧化碳充入器。安全阀28与接头50相连。二氧化碳在连接部位52被注入到二氧化碳充入器储槽13中。虽然图4只表明了一处连接部位52，但也可以使用多个注入点。充入二氧化碳的水通过接头54从二氧化碳充入器储槽13输送到图3所示的后冷回路44中。
图5表明的是图3和图4所示的实施方案，在该实施方案中带有预冷回路42和后冷回路44。如图5所示，在某一实施方案中，在出口连接点54有两套后冷回路44，这两套后冷回路将充入二氧化碳气体的苏打水输送到充气水总管46。在所示的具体实施方案中，有两套独立的回路44，每套回路都是从连接点54开始的。然而，应该理解的是，在不超出本发明范围的情况下，可以使用一套或两套以上的回路。图5还表明了两套二氧化碳充气预冷回路42。这两套二氧化碳充气预冷回路起始于T形接头56，该T形接头将单独一股白水水流分成两股水流，这两股水流分别进入不同的预冷回路42。然而，应该理解的是，在不超出本发明范围的情况下，也可以只使用一套预冷回路，或者使用两套以上的预冷回路。正如前面所示的，二氧化碳充气预冷回路42在水流进入二氧化碳充入器储槽13之前对其进行冷却。经过预冷后的白水经缝隙58被注入二氧化碳充气器储槽13。在所示的具体实施方案中，水流经过两个缝隙58进入到二氧化碳充气储槽13中。两股水流比一股水流的充气效率高，因为两股水流可在二氧化碳充气储槽中造成更强的湍动效应。然而，应该理解的是，也可以采取单股水流或两股以上的水流来进行二氧化碳充气，这一点并不超出本发明的范围。
图6和图7表明的是图3～5所示二氧化碳充入器储槽13的侧视图。如图6和图7所示，未充入二氧化碳的白水水流通过缝隙58进入二氧化碳充入器储槽13，缝隙58与二氧化碳充入器储槽13的部分38相平行。然而，应该理解的是，可以采用其他的进入角度，这一点并不超出本发明的范围。如图6和图7所示，二氧化碳充入器探头元件14是由探头60和探头62这两个探头组成的。这些探头被用来测定二氧化碳充入器内的水位，并同时被用来控制泵24；泵24将未充入二氧化碳气体的白水输送到预冷回路42及二氧化碳充入器储槽13中。具体而言，当探头60和探头62这两个探头位于水面之下时(图6和图7中高水位标记之下)，这两个探头输送的信号用于关闭泵24。与之相似，如果探头均未被水面覆盖住，则泵24将启动并将未充入二氧化碳的白水注入到二氧化碳充入器储槽13中。虽然图中所示的是带有探头60和探头62的探头元件14，但测量水位的传感器种类没有限制，任何类型的水位测量传感器均可使用，这其中包括那些置于二氧化碳充入器储槽之外的传感器以及间接测量水位的传感器(例如超声传感器)。
以下对图8、图9及图10的描述说明了本发明并不局限于任何特定的几何形状或结构。具体而言，连续的几何形状元件，比如环形形状元件或那些由相连部分构成的元件可应用于本发明中。与此相似，单个的或连在一起却不是连续的元件也可应用于本发明中。同样，在实施方案也可以有垂直放置的部件或部分。
在这一点上，所述的二氧化碳充入器实施方案基本上都是水平形式的结构。然而，本发明也可使用具有垂直放置(相对于饮料制备机)部分的二氧化碳充入器形式。因此，如图8所示，二氧化碳充入器70包括部件72、74和76。部件72和76通过垂直部件74而连在一起。部件74中的水位使用二氧化碳充入器探头加以测量；其中探头或与部件74或平行、或垂直或与部件74成一定角度。在优选情况下，未充入二氧化碳气体的白水被注入到二氧化碳充入器70的部件72或74中，但也可以注入到部件76中。充入二氧化碳气体的苏达水从部件76出来，然后进入一套或多套结合前面图示所讨论过的后冷回路中。与之相似，注入到二氧化碳充入器70中的水可以被送入一套或多套预冷回路，这些预冷回路已在前面的实施方案中进行过说明。在优选情况下，图8所示的二氧化碳充入器浸没在低温盘中。
图9表明了环形形状的二氧化碳充入器80，该充入器浸没在低温盘82中。正如前面结合其他实施方案所说明的，未充入二氧化碳的白水在经过预冷回路84被预冷却后，通过一个或多个入口被注入到二氧化碳充入器储槽中80中。与此相似，充入二氧化碳的苏打水经后冷回路86离开二氧化碳充入器储槽80。虽然图9所示的是环形结构，但也可使用其他形状的结构，本发明在所用的结构形状上没有限制，例如可使用不规则形状的单一部件(例如蛇形部件)；或者使用不同半径的单一部件(例如螺线形或椭圆形部件)。部件没必要形成连续的中空结构(例如“C”形结构或螺旋式结构)。为方便起见，所有这些单一部件形状在本文中均被称为环形结构。
图10表明的是基于本发明技术的非连续式二氧化碳充入器储槽90。正如图10所示，二氧化碳充入器储槽90由多个部分组成，其中有些部分相连在一起，但不与其他部分形成连续的连接。举例而言，部分92和部分94的端点并不相连，但主体部分相连。未充入二氧化碳的白水在预冷回路96经过预冷后经入口被注入到二氧化碳充入器储槽90中。充入二氧化碳的苏达水经后冷回路98离开二氧化碳充入器储槽90。在优选情况下，二氧化碳充入器储槽90、预冷回路96和后冷回路98形成一体，并浸没在低温盘100中。
图11表明的是本发明另一实施方案中的饮料制备机110。一般而言，饮料制备机110使用到了上面所提到的技术，不同之处在于饮料制备机110不是使用冰和低温盘进行冷却的，饮料制备机110是使用机械制冷单元进行冷却的；例如使用气体压缩制冷单元112进行冷却。制冷单元112产生冰/水浴来冷却二氧化碳充入器储槽元件120。在图11所示的特定实施方案中，二氧化碳充入器储槽元件120与前面图5所示的相类似，该储槽元件包括二氧化碳充入器储槽130。图11还表明了回路132、134和136。这些回路对饮料浆料或未充入二氧化碳的白水进行冷却。这些回路浸没在制冷单元112所产生的冷冻水浴之内。虽然在前面的实施方案中未加说明，但在有低温盘的实施方案中，可以使用这些浆料及水的冷却回路，这些回路可浸没在低温盘中。
虽然未加说明，但本发明还提供电子控制系统来控制本文所述各实施方案中的饮料制备机操作。控制系统包括微处理器或微控制器以及实施控制的各种输入/输出端口。该控制系统与二氧化碳充入器的探头元件配合使用，根据二氧化碳充入器中的水位来确定开启或关闭输水泵的时间；输水泵向二氧化碳充入器提供水流。该控制系统还与用户操作界面相配合来调节各种阀门，从而生产出所需的饮料，如果有制冰功能，还可产生出冰。
本文对某些几何形状进行了详细的说明。然而，应该理解的是，这些几何形状只是示范性的实例，其他的形状也可以使用。同样，本文所述某一实施方案中的特点也可以与其他实例中的特点互换。
虽然本文对本发明进行了详细的说明，但应该理解的是，在不超出本发明范围的前提下可对本发明进行修改、变动、替换、增添和修正；本发明的范围由下述权利要求书给予定义。