碳酸盐化系统和方法 【技术领域】
本发明涉及一种比如与水冷却器相关联的碳酸盐化(或碳酸化或充二氧化碳)液体的系统和方法。具体而言，本发明涉及一种可以实现高效的碳酸盐化而达到所需程度的系统和方法。
背景技术
在现有技术中已知各种碳酸盐化水的方法。一种方法包括将二氧化碳注入水中。二氧化碳的这种注入形成经过水上浮的气泡。这样，气泡中的二氧化碳被吸收入水中。这种方法已经广泛用于较小的家用碳酸盐化设备中，且可以以足够形成一杯饮料的量切实可行的分配碳酸盐化水。这种方法的主要问题是只有在碳酸盐化腔室内使用较高压力时它才有效。
另一种方法包括将水喷射或雾化到二氧化碳气体形成的环境气氛中。在这种方法中，碳酸盐化腔室预先充填二氧化碳，然后通过喷射将水加入该腔室中。因此，二氧化碳溶解在水滴中，然后水滴带着二氧化碳进入水本体中。这种方法的问题是实现足够的碳酸盐化需要较长的时间，且它还需要在碳酸盐化腔室内有较高的压力。
在美国专利US4719056中描述的另一种方法，是用水部分填充一腔室，在水上方的空间中加入二氧化碳气体，然后用水平转动地桨件搅动水，该桨件具有伸出到水上方并进入二氧化碳气体空间中的桨叶。
因此，需要一种更快、更有效的碳酸盐化系统和方法。还需要一种包括碳酸盐化液体饮料的能力的液体冷却器，比如水冷却器。有利的是，还可以使液体的碳酸盐化达到所需的程度，且可以在碳酸盐化腔室内不需要高压的情况下使这种饮料碳酸盐化。
【发明内容】
本发明公开的系统和方法包括部分填充水的碳酸盐化腔室。然后在水面上方加入二氧化碳。然后，转动部件混合水和二氧化碳，形成溶液。这种方法使水和二氧化碳形成碳酸盐化水溶液。
本发明的碳酸盐化水冷却器还包括用于以所需的顺序和体积输送、混合液体的特定阀系统。在结合附图阅读了关于实施例的描述之后，本发明的其他方面和优点将变得更为明显。
【附图说明】
图1是本发明的碳酸盐化水冷却器的框图；
图2A和2B分别是本发明的碳酸盐化系统的一实施例的正视图和局部剖侧视图；
图3A和3B分别是本发明的碳酸盐化系统的第二实施例的正视图和侧视图；
图4是用于碳酸盐化系统的压力调节器的放大剖面图；
图5是用于碳酸盐化系统的压力开关的放大剖面图；
图6是用于碳酸盐化系统的碳酸盐化腔室的放大剖面图；
图6A是图6的一部分的放大图，示出了液体入口和碳酸盐化液体分配阀的细节；
图7是用于碳酸盐化系统的碳酸盐化腔室的放大的局部剖面图；
图8是用于液体入口和碳酸盐化液体分配阀的螺线管的放大剖面图；
图9是碳酸盐化腔室及其相关部件的侧视图；
图10是取出内部部件的碳酸盐化腔室的剖面图；
图11是示出了碳酸盐化系统的某些部件之间的流体连接的示意图；以及
图12是用于碳酸盐化系统的气体消声器的放大剖面图。
【具体实施方式】
现在参照图1，其中示出了本发明的一个实施例的碳酸盐化过程的框图。碳酸盐化系统和方法可以根据需要应用于现有或原来制造的水冷却器，或其他饮料分配器，或其他应用场合。该系统可以使现有水冷却器容易地翻新而实现选择性碳酸盐化。类似地，该系统可以应用于其他类似形式的液体分配器。在水冷却器的例子中，来自水箱的水在冷却器3中被冷却，直到需要分配。在使用者需要碳酸盐化饮料时，该系统通过使用者按压开关或其他控制机构启动。控制系统5运行该系统，使充水螺线管8打开。控制系统5可以包括电子控制电路板4和用于转换电力的变压器2，从而控制该碳酸盐化系统。螺线管8选择性地使水，或其他液体，进入混合组件单元或碳酸盐化腔室6，持续约6秒。碳酸盐化腔室6的通风口142可以在碳酸盐化腔室6填充水时，使该单元内的空气排到环境气氛中，而在碳酸盐化液体被从碳酸盐化腔室6分配时，使空气进入。一旦碳酸盐化腔室6被水填充到适当的液面17，那么充水螺线管8关闭，以防止额外的水进入碳酸盐化腔室6，或防止水重新进入冷却器3的导管。如果螺线管8不关闭，那么碳酸盐化腔室6内的压力可以迫使水从碳酸盐化腔室6中排出。
接着，二氧化碳填充电磁阀20打开，使二氧化碳从二氧化碳存储气瓶14进入二氧化碳连接管16，然后经压力调节器18到达碳酸盐化腔室6。压力调节器18可以选择性地调节，用于引入所需量的二氧化碳。压力控制开关22感知碳酸盐化腔室6内的气体压力，从而在达到预定液面或体积时，气体电磁阀20切断电源，以停止二氧化碳气流进入碳酸盐化腔室6。可以设置压力安全阀24，以便自动减小碳酸盐化腔室6内的过压(～10巴)。如果需要，还可以设置止回阀26，其起禁止由于碳酸盐化腔室6内的压力，造成二氧化碳或液体再次进入管16中或被迫从碳酸盐化腔室6流出。
这样，二氧化碳被引入到位于碳酸盐化腔室6内的液体，比如水的液面17上方的空间内。可以在碳酸盐化腔室6内设置与一混合马达12相关的以附图标记13示意性表示的混合器。混合马达12选择性地通电而使混合器13启动，该混合器将二氧化碳混合到水或其他液体中。混合器13的动作迫使水面上方的二氧化碳气体向下进入水中。如下文中更详细的描述，混合器13的构形和碳酸盐化腔室单元6的形状可以实现剧烈的搅拌，从而使液体均匀地被碳酸盐化。而且，碳酸盐化的程度可以通过改变混合器13的驱动时间而选择性地改变，和/或通过控制碳酸盐化腔室6内水面17上方的空间内的包含二氧化碳的环境气氛，改变进入的二氧化碳气体量而选择性地改变。
例如，二氧化碳充气电磁阀20打开，且大约0.5秒之后，混合马达12开始运转。混合和碳酸盐化过程可以进行约7秒，而产生约1.9dl的高度碳酸盐化的饮料(6gr/l)，或约4秒，而产生约1.9dl的低碳酸盐化的饮料(4gr/l)。随着碳酸盐化过程的进行，水从碳酸盐化腔室6内水面上方的空间吸收气体，从而使气体压力下降。这一压力下降由压力控制开关22感知，然后该开关动作，打开气体电磁阀20，使更多的二氧化碳进入碳酸盐化腔室6，从而保持碳酸盐化腔室6内的二氧化碳的适当压力。随后，控制系统5可以插入例如约2秒的缓冲期，使碳酸盐化液体在碳酸盐化腔室6内略作停留。在缓冲期之后，打开切断或排气电磁阀28，通过消声器30释放多余的二氧化碳，从而减小碳酸盐化腔室6内的压力。一旦压力减小，就使碳酸盐化液体分配螺线管10工作，以将碳酸盐化的液体混合物释放到杯子7中。
如图1所示的碳酸盐化系统实施例在图2A和2B中示出。碳酸盐化系统32可以与例如水冷却器一起使用，因此可以设计成能选择性地连接冷却器来使用。在这一实施例中，可以设置单独的壳体42，该壳体可以在美观上匹配任何类型的水冷却器，或可以以其他方式构成。作为选择，碳酸盐化单元32可以与水冷却器形成为一体，如图3A和3B的实施例所示，从而可以在原来制造的单元中得到碳酸盐化和未碳酸盐化的液体。在图2的实施例中，壳体42的尺寸可以明显大于装入其中的二氧化碳罐，从而根据使用情况，需要较长的间隔开才更换储罐。在以前的设备中，二氧化碳的存储在尺寸上受到限制，需要特定的容器和更多次的维护和更换，但壳体42的尺寸可以使用标准尺寸的二氧化碳储罐或容器。例如，壳体42可以在内部容纳5kg的二氧化碳气瓶14。壳体42可以由金属、塑料或其他适当的材料构成。壳体42可具有在其中形成的多个开口，从而可以使引线电缆和水连接管经过并连接于壳体42内的适当系统。此外，壳体42可以容易地安装各种部件，比如碳酸盐化腔室6、消声器30、控制电路板4，以及二氧化碳气瓶14。还有杯子放置区，该放置区包括滴盘38和滴盘盖36。控制面板41可以设置在壳体42的前面，其包括多个使用者控制按钮、开关等，用于选择性地操作该碳酸盐化系统。例如，在控制面板41上可以设有用于增加和减少碳酸盐化水内碳酸饱和量的装置，比如开关。
在图3A和3B中表示一种集成的碳酸盐化系统的替代实施例，该系统总体上以附图标记110表示。碳酸盐化系统110包括壳体112、碳酸盐化液体分配器114、冷液体分配器116和热液体分配器118。例如，其具有分配冷、热和碳酸盐化水的能力，增加了碳酸盐化系统110的实用性，且可以满足各种消费者的需要。可取的是，碳酸盐化系统110还包括类似于图2实施例的控制面板，其带有用于增加和减小碳酸盐化水内的碳酸饱和量的装置，比如开关120和122，用于增加或减小碳酸盐化程度。虽然不是必须的，但依然是优选的，包括水温显示器128。而且，在该实施例中，设有指示面板130，该面板设有用于指示该系统运行、水被加热或冷却，或存在有碳酸盐化错误，比如如果没有水或液体进入该腔室，该系统没有二氧化碳或如果混合室内没有压力的情况的装置。
如图3B所示，可取的是，该实施例还包括用于指示碳酸盐化腔室6内的压力的压力计124。如同实施例32一样，实施例110包括进入板126，从而可以接近壳体112内的碳酸盐化腔室110的部件。在操作过程中，碳酸盐化系统110可以类似于系统32操作，其中增加了用于冷却和加热非碳酸盐化和/或碳酸盐化水或其他液体的元件。
参照图4，其中更详细地示出了图1中示意地示出的压力调节器18。压力调节器18可以快速、容易地安装和可靠地运行。在优选形式中，压力调节器18将执行预定的功能，包括贯穿整个混合周期以预定的速度供应预定量的二氧化碳气体，比如约2gr./sec。而且，压力调节器18在输出侧或次级侧49保持稳定且基本上均匀的压力(5至5.5巴)，而不管输入侧或初级侧47的压力变化，这例如可以在二氧化碳气瓶14压力低的情况中出现。在一个实施例中，压力调节器包括可移动的锥形阀46，可取的是，该阀由比如聚丙烯之类的材料制成，且关闭调节器18内的圆形开口。经过调节器18的气流从气体源通过连接于初级侧47的导管经阀46前进到次级侧49。次级侧经集管140连接于碳酸盐化腔室6。
压力调节器18具有两件式壳体43，该壳体具有高压入口47和低压出口49。限定在壳体43的两部分之间的挠性隔膜44将壳体43的内部分成气体部分57和弹簧部分37。壳体43的弹簧部分37内的弹簧55在隔膜44上施加第一作用力或弹性作用力，而壳体43的气体部分57内的气体压力在隔膜44上施加与该弹性作用力相反的第二作用力或气体作用力。两件式致动组件53放在隔膜44的两侧。配装在高压入口47内的阀座33滑动地接合从致动组件53延伸出的凸起部分53a。阀座33具有至少一个孔34，以使气体从高压入口47流入壳体43的气体部分57中。可移动的锥形阀46配装在阀座33内，且被弹簧51偏压到关闭位置。可拆卸的青铜烧结的过滤器50配装在可拆卸的入口配装件47a和阀座33之间。可移动阀46的尺寸和形状确定成可以使其在入口配装件47a已经取下时，穿过高压入口47装配。可移动阀46具有针形部分46a，该部分从可移动阀46延伸，且接触致动组件53。当壳体43的气体部分57内的低压气体的压力下降时，隔膜44上的气体压力将下降到隔膜44上的弹性作用力之下，使弹簧55朝高压入口47移动致动组件53。然后，致动组件53克服弹簧51的作用力，顶推针形部分46a，并将可移动阀46移动到打开位置。然后二氧化碳气体通过可移动阀33上的通孔34流动。气体流经的受限开口将气体压力减小到所需的5至5.5巴。在壳体43的顶部设有调节器35，用于调节隔膜44上的弹性作用力。压力调节器18的输出端49连接于二氧化碳气体电磁阀20。
而且，压力调节器18还易于安装，且价格低廉。压力调节器18的元件可以仅由比如黄铜之类的材料制成，且各部件易于使用简单的配装件组装。通过调节致动组件53或所需的其他部件，比如锥形阀46，可以容易地校准压力的调节。通过螺旋配装件47a可以容易地进行可移动阀46的安装，且通过O形环48和阀座33，用手旋上可移动阀46，可以确保初级侧的密封。
如图5所示的压力控制开关22，感知超过预定压力比如约3巴左右的碳酸盐化腔室6内的压力。压力开关22具有两件式壳体63，该壳体在一端具有压力入口61，经集管140(参见图11)连接于碳酸盐化腔室6，而在另一端具有密封壳体63内的气体压力的挠性隔膜54。壳体63内的压力作用在隔膜54上，导致隔膜54变形。隔膜54的变形接着顶推保持在壳体63的两部分之间的柱塞65，顶靠弹簧偏压臂56。臂56是微型开关58的一部分。臂56压靠在开关58的另一柱塞57上，并引起开关58内的电触点以改变位置。可取的是，开关58安装在PCB板60上。压力开关22的结构使得开关作用力独立于气体压力的大小。
在本发明的一实施例中，安全阀24和止回阀26制成一个单元。安全阀24设定为在预定的压力下起作用，比如10巴。在碳酸盐化腔室6保持在压力下而初级侧压力由于某种原因中断，比如二氧化碳气瓶14脱开连接的情况下，止回阀26防止液体和/或二氧化碳回流进入压力控制器中。
而且，还设有消声器30，这意味着在通过排气阀28释放气体时使高速气体减速，并分离二氧化碳和液体。这样，该单元的运行比较安静，且美观上令人愉悦。二氧化碳进入过滤器，膨胀，然后经消声器30的上部的孔排出。之后0
碳酸盐化腔室6的实施例在图6、6A和7中示出，且为便于制造采用对称设计。在这种结构中，水的填充和碳酸盐化水的排放是利用具有相同部件和公共阀弹簧72的水入口阀74和水分配阀75实现的。如图6、6A和7所示，水入口阀74将水引入到碳酸盐化腔室6的上部。有相同的挠性密封件78、阀臂80、挠性密封件82，以及充水和排水螺线管8、10。这种对称设计可以更容易实现部件的制造和组装。而且，通过将充水和排水阀74、75粘附于碳酸盐化腔室6可以形成紧密的内部阀区。粘结剂可以专门为聚碳酸酯材料进行设计。这种粘结剂确保与聚碳酸酯材料形成坚固的连接，所以粘结强度几乎与原料的相同。碳酸盐化腔室6具有两个用于保持螺线管8、10的托架9。
每个水或液体阀74、75都具有挠性密封件78，该密封件抵靠穿过碳酸盐化腔室6的壁形成的孔81周围的碳酸盐化腔室6的内表面密封。孔81可以从碳酸盐化腔室6的壁向内和向外延伸，形成管状延伸部分。阀壳体76连接于孔81的向外延伸部分上。阀壳体76可以形成为碳酸盐化腔室6的一部分。可移动阀套筒79配装在孔81的管状延伸部分内。且具有多个穿过内端形成的沿圆周间隔开的孔84。当阀套筒79将挠性密封件79提升离开碳酸盐化腔室6的相邻表面时，孔84可以使液体流经水阀74、75。
弹簧72将挠性密封件78和阀套筒79偏压至关闭位置。可取的是，水入口阀74垂直地定位于水分配阀75上方，使得单个弹簧72可用于将两个阀74、75偏压到关闭位置。
阀壳体76具有在其侧面上形成的孔83。阀臂80枢转地连接于阀壳体76，且穿过孔83延伸。挠性套筒82配装在阀臂80周围，以使阀臂80相对于孔83密封。当螺线管8、10通电时，螺线管8、10上的推杆94顶推阀臂80，致使阀臂80枢转，提升阀套筒79和挠性密封件78，以使液体流经水阀74、75。
而且，图6和7的碳酸盐化腔室6可以由透明的聚碳酸酯制成，使其具有令人愉悦的美学外观。这种透明材料也可以使使用者看到碳酸盐化腔室6的内容物，所以如果碳酸盐化过程存在故障或问题，可以更快地指示出来。然而，碳酸盐化腔室6需要承受预设的最大压力，例如约5.5bar的工作压力，因此它可以设置有加强肋板或加强支撑件90来增加单元结构的整体性。这些肋板90对碳酸盐化腔室6的外部结构增加支撑，使其可以承受最大的工作压力。加强肋板90的耐压性可以提供远远超过最大工作压力的整体性，以保证安全。
图7所示的局部剖面图示出了碳酸盐化腔室6和排出/止回阀68。排出/止回阀68在碳酸盐化腔室6充水时，通过排气口142将空气从碳酸盐化腔室6中排出；当二氧化碳气体加压时，防止水和/或二氧化碳气体从碳酸盐化腔室6中排出；并且当分配碳酸盐化水时，可以使空气流入碳酸盐化腔室6。排出/止回阀68包括可以形成为碳酸盐化腔室6的一部分的壳体69。壳体69从在碳酸盐化腔室6的壁上形成的孔向内延伸。球座62配装在壳体69中。其中，带有浮球64的球护圈66连接于壳体69的下端。当水被引入碳酸盐化腔室6中时，空气通过排出/止回阀68排出，直到浮球64上升，并且座在球座62上，封闭排出/止回阀68。这样可以在碳酸盐化腔室6受到二氧化碳气体加压时，防止二氧化碳气体排出。碳酸盐化腔室6中水的液面通过排气/止回阀68控制。
碳酸盐化腔室6由水填充到预定的液面17，该液面设定为水的体积与水的体积上方的二氧化碳气体的体积之比为4∶1。该比值确保水的经济使用，且在混合后气体压力释放的过程中排出最少量的废水。
碳酸盐化腔室6具有矩形设计，可取的是方形设计，如图6、7、10所示。因此，当使用可水平转动的带叶片的搅拌器70进行混合时，碳酸盐化腔室6的方形设计产生更多的搅动，因此可以更快、更彻底地混合溶液。碳酸盐化腔室6一般包括上部6a和下部6b(参见图10)，使用成型的硅密封件6c将两部分密封。碳酸盐化腔室6的上部6a和下部6b通过螺杆连接并用螺母固定。相同的螺杆还用于将整个碳酸盐化腔室6弹性地连接于碳酸盐化水冷却器32的壳体42上。
可取的是，带叶片的搅拌器70具有多个从水平轴延伸的间隔开的叶片71。带叶片的搅拌器70通过由皮带73驱动的齿轮72连接于马达12，皮带73由连接于马达12上的较小齿轮驱动(参见图9)。
在图8示出了处于断电位置的充水和排水螺线管8、10。每个螺线管8、10都具有可移动的圆柱形柱塞106，该柱塞在一端具有锥形形状106a。可移动柱塞106定位于封装电线圈102的壳体98内。电线圈通过电连接器104连接于控制系统。端板96连接于壳体98的一端。端板96具有锥形孔96a，其具有与柱塞106的锥形端106a互补的尺寸和形状。推杆94连接于柱塞106的锥形端106a，并延伸穿过锥形孔96a。挡圈92连接于推杆94的自由端，以防止推杆94穿过锥形孔96a。弹簧100(参见图6、6A)将柱塞106偏压到断电位置(参见图8)。激励线圈102使柱塞106沿箭头107的方向移动，并使推杆94进一步延伸远离端板96。进水和排水螺线管8、10专为碳酸盐化系统32内可用空间大小而开发。它们可以由钢制成，进行张力释放热处理和锌钝化表面防护。所以，螺线管可承受24V DC的正常工作程序，而不会在反复的循环中过热。磁性元件和箱体的锥形密封设计确保了螺线管8、10的适当行程。
气体集管140(参见图6和11)设置成将压力传感器22、二氧化碳入口电磁阀20、压力安全阀24、止回阀26和排气电磁阀28连接于碳酸盐化腔室6。可取的是，压力安全阀24和止回阀26都装在连接于气体集管140的顶部的配装件144内。图11还示出水入口阀74的入口141，排出/止回阀68的排出接头142，以及从气体集管140到碳酸盐化腔室6的气体入口143。压力调节器18的低压出口49连接于二氧化碳气体入口电磁阀20，其然后连接于气体集管140的入口。气体集管140的第一出口连接于碳酸盐化腔室入口143。气体集管140的第二出口连接于压力传感器22。气体集管140的第三出口连接于排气电磁阀28。
图12示出了气体消声器30的截面。消声器30由两件式壳体形成，上壳体30a和下壳体30b。上壳体30a具有两个入口，经排出接头142接纳来自碳酸盐化腔室6的多余水的水入口132，接纳从排气电磁阀28排出的二氧化碳气体的气体入口131。上壳体包括至少一个填充有扭转的聚酯过滤器135的内腔136。可取的是，上壳体被分成通过气体入口131接纳排出的气体的中心内腔136，和围绕中心内腔136并通过水入口132接纳多余水的外部内腔137。扭转的聚酯过滤器135可以填充内腔136、137，或仅仅填充中心内腔，如图12所示。定位在出口133周围的下壳体30a设有多个径向延伸的沿圆周间隔开的翼片134。出口133向滴盘38排水。翼片134支撑过滤器135。在工作过程中，多余的水和排出的多余气体分别通过入口132和131进入消声器30，然后在放有扭转的聚酯过滤器135的内腔136、137中混合减压(膨胀)。然后，水在重力作用下通过出口133从消声器30排出到滴盘38。
碳酸盐化水的生产按下述顺序进行：
在运行其中一个碳酸盐化程度开关，高度碳酸盐化或低度碳酸盐化开关开始循环后，给水入口螺线管8通电约6秒，打开水入口阀74，将碳酸盐化腔室6填充到预定液面17。(碳酸盐化腔室6通常在4秒左右填充到预定液面17)。
●打开二氧化碳气体填充电磁阀20，使二氧化碳气体流入碳酸盐化腔室6，将碳酸盐化腔室6加压到约5巴。
●二氧化碳气体填充电磁阀20打开后约0.5秒，混合马达12工作，以转动带叶片的搅拌器70，设置的压力传感器22检测碳酸盐化腔室6中的压力。
●对于高度碳酸盐化，混合马达12工作约7秒，对于低度碳酸盐化，混合马达12工作约4秒。
●在混合马达12工作时，当压力传感器22检测到气压降低时，加入额外的二氧化碳气体。
●在混合时间结束后(7秒或4秒)，马达12停止，使碳酸盐化腔室6稳定约2秒。
●在2秒延时后，排气电磁阀28通电，通过消音器30从碳酸盐化腔室6中释放气压。
●在从碳酸盐化腔室6中释放气压后，打开水分配阀75，在约6秒内将碳酸水排入到2dl的容器中。
高度碳酸盐化的整个循环时间为约24秒，低度碳酸盐化的整个循环时间为21秒。
尽管本发明的原理、优选实施例和优选操作已经在本文中详细描述，但不应当认为限于公开的特定示例形式。对于本领域的技术人员来说，显然可以作出优选实施例的各种改进，而不脱离入所附权利要求限定的本发明的主旨或范围。