CN102686959B - 对冷却或与关于冷却的改进 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及对冷却或关于冷却的改进，具体是用于冷却诸如罐或瓶的容器内的饮料。我们描述一种冷却装置，该冷却装置具有：空腔，该空腔用于接纳所要冷却的产品；转动装置和冷却液体供给装置，该转动装置使接纳在空腔内的产品转动，且该冷却液体供给装置向空腔提供冷却液体。该转动装置适于以90转/分钟以上的转速使产品转动并还适于提供预定时期的脉冲或非连续转动。

Description

对冷却或与关于冷却的改进
本发明涉及对冷却或关于冷却的改进。
在餐饮、零售和娱乐部门，使用各种形式的自动售卖装置来保持产品冷却。对于冷饮料，这些装置形成典型的两组——商用饮料冰箱和冷饮料自动售卖机器。两种类型的装置实质上是前部有大玻璃的冰箱，在第一组的情况下(用于人工分配)带有铰接门或滑移门，在第二组情况下带有分配机构。它们预冷并存储饮料以备出售。在多种情况下，饮料在其最终售出之前长期保持在低温下。于是，使用相当多的能量，这可能是不必要的。总结该问题，两种类型的装置都低效运行。使用时，第一组饮料冰箱在每次打开大门时都经受大量的冷空气损失。自动售卖机器必须提供使用者到收集物件的自动售卖盘的方便通路，致使密封较差。制冷系统通常要求进行后台运行循环以保持效率，但这使用不直接用于冷却内容物的额外能量。
还已知多种饮料零售机将饮料存储在前部开口的冰箱隔室内以方便触及和观察产品。这些隔室显然会有甚至更大的能量浪费。
最终结果是不管何时可能售出而将饮料长期保持在冷态以备出售所使用电能的高度浪费。
能量浪费并不限于企业场所招待用自动售货机。多种小型街角商店、加油站和咖啡厅出口也提供饮料冷却隔室。对于这些运营商，电能成本将占他们运营开销的较高比例。能量浪费并不是唯一的问题。由于制冷系统产生的热量，通常来自制冷系统的废热能副产品会造成机器周围局部区域不想要的变暖。这造成用户必须在令人不满意的温暖区域饮用他们令人满意的冷饮料的尴尬。
冷却速度也是一个问题，特别是在饮料销售量高的场所、诸如在特殊活动-音乐会，运动会等。通常，在活动开始时，饮料由于已冷藏数小时而被充分冷却。但是，一旦活动进行，正在出售的饮料量会超出冰箱冷却更多饮料的能力。然后饮料在仅部分冷却或完全未冷却的状态下出售。
本发明试图通过提供一种允许根据要求冷却饮料的装置来解决这些问题。该装置可以是独立装置或者可包含在自动售卖机器中。
本发明提供一种冷却装置，包括用于接纳所要冷却产品的空腔。该装置包括转动装置和冷却液体供给装置，该转动装置使接纳在空腔内的产品转动，且该冷却液体供给装置向空腔提供冷却液体。该转动装置适于以90转/分钟以上的转速使产品转动并还适于提供预定时期的脉冲或非连续转动。
较佳地，该转动装置适于以至少约180转/分钟、更佳地以至少约360转/分钟的速度使产品转动。
较佳地，冷却液体供给装置适于向空腔提供冷却液体流动。
较佳地，将冷却液体在-10℃以下、更佳地在-14℃以下、甚至更佳地在-16℃以下的温度下供给至空腔。
如权利要求1至4中任一项所述的冷却装置，其中转动装置适于使产品围绕产品轴线转动，并还包括保持装置以在转动期间防止或基本上避免产品的轴向运动。
如权利要求1至5中任一项所述的冷却装置，其中该转动装置适于使产品转动以进行至少一次以下循环：预定转动时段的转动和预定暂停时段的不转动；接着另一预定时段的转动。
如权利要求6所述的冷却装置，其中转动装置执行至少两次循环，较佳地三至六次循环，更佳地三或四次循环。
如权利要求6或7所述的冷却装置，其中所述预定转动时段为5至60秒、较佳地5至30秒、更佳地5至15秒、最佳地约10秒。
如权利要求8所述的冷却装置，其中所述预定暂停时段为10至60秒，较佳地为10至30秒。
在某些实施例中，该装置包括如上限定的多个空腔。
在典型实施例中，该装置包含在自动售卖装置中，且该自动售卖装置还包括用于将所要冷却的产品插入空腔并从该空腔取出冷却好的产品的插入和取出装置。
较佳地，自动售卖装置还包括存储装置和选择装置，该存储装置用于存储产品或各种产品，该选择装置用于从存储装置选择产品以插入空腔。
现将仅示例地更详细描述本发明的上述和其它方面。
图1至4图形示出根据本发明装置的第一实施例的冷却试验的结果。
在讨论本发明时，简要回顾选择性地基于一个容器接一个容器冷却饮料的当前方法会有帮助。容纳饮料的典型330ml铝罐可在设定为约4至5℃的典型运行温度的冰箱内在约4小时左右内从25℃的环境温度冷却到6℃的舒适饮用温度。在冷冻机内，该时间缩短至约50分钟。
可利用帕尔帖冷却器，帕尔帖冷却器基于帕尔帖效应的物理学，当电流穿过面对面布置联接的两个异种金属时发生帕尔帖效应。金属中的一个将变热，而另一个将冷却。与罐的冷却室接触的冷侧会降低罐温度。帕尔帖冷却器在高端计算机冷却系统和科学CCD成像系统中已经非常普遍。它们已经应用于便携式冷盒和车载冰箱，在这种环境下压缩机会太吵或体积太大。用于标准罐的冷却循环时间超过30至45分钟。此外，由于帕尔帖元件通常与罐的凹陷基部相邻定位，所以该罐非常不均匀地被冷却。于是，这些装置仅实际适合保持预冷饮料的温度。
基于凝胶的冷却套可根据其尺寸在15分钟以内冷却罐或瓶子。这通过将高浓度基于纳的相变材料封装在设计成围绕罐紧密贴合的套子内来实现。该套子然后必须在冷冻机内冷却并然后在每次使用之后再冷却。
考虑的用于冷却瓶子和罐的当前现有技术方法是库伯冷却器。该单元使饮料容器水平地缓缓转动，同时将容器覆盖或浸在冰冷的水中。从25℃的起始温度，瓶子可在3.5分钟内冷却至11℃，而在6分钟内冷却至6℃。此外，该单元需要大量的冰块供应以进行充分冷却。对于商业应用来说，该技术不够快速，它需要大量的冰块且因此造成对瓶子上品牌标签的损坏。
在碳酸饮料中，二氧化碳在压力下溶解在液体中(亨利定律)。当压力减小(打开时)，液体容纳二氧化碳(CO2)的能力变差，且所以CO2会跑出溶液。因此所有的碳酸饮料在打开时由于其容器的内部压力减小而冒泡(斯斯起泡)。它们是否冒出(液体喷出容器)取决于CO2从溶液跑出有多快。通过容器内成核点的可用性增强冒泡，成核点用作形成起泡的集中点。
我们已经确定当高速转动时碳酸饮料不会过多冒出，因为不会发生成核点。相比而言，当摇动碳酸饮料时，饮料上方的空气囊袋打碎成分散在整个饮料中的大量小囊袋，当将罐打开时这些小囊袋用作成核点。然后CO2快速膨胀，将液体从罐带出。但是，当饮料仅转动时，空气囊袋基本上保持原状。在整个液体中分散有很少(如果有的话)成核点，且会发生缓慢的二氧化碳去除。
我们已经开发了一种装置，该装置包括用于接纳所要冷却的饮料罐或其它饮料容器的空腔。该空腔包括马达驱动的转台以允许罐以一定速度转动，并还包括夹持件以在允许转动的同时将罐在转台上保持在位。该装置还包括冷却液体的供给装置。
在其最原始形式中，仅将冷却液体倒入空腔内并然后在冷却过程结束时取出。在较佳实施例中，提供穿过该装置的冷却液体流动。
在试验中，我们研究罐表面上喷洒冷却和液体流动冷却的效果。这些试验显示液体流动冷却提供更好的结果。喷洒冷却技术并未有效地冷却罐的中心位置，仅提供冷罐的外在印象而不提供足够冷的饮料。
我们然后进行一系列试验研究在不同速度下搅动罐的最佳方法，寻求如何避免冒泡。这些试验显示罐可以360转/分钟的转速转动超过5分钟而不会起泡。轴向搅动运动产生不均匀的混合或强烈的起泡效果。
为了进一步开发该概念，制造密封罐冷却设备，以在带有转动搅动器的冷却箱内使用冷却至约-16℃的盐水溶液来减少盐结晶。使用隔膜泵以高达5升/分钟的速率来填充冷却容器。该冷却容器已经设计成接纳标准罐，可将标准罐以高到12赫兹/720转/分钟的速度转动。泵的流率和罐的转速是可控制的。记录饮料的实时冷却速率。
我们已确定，在罐转动期间，产生强制涡流，罐内涡流的深度取决于转速。在罐内发生强制对流并形成人工引起的对流流动。当转动然后停止时，形成自由或塌瘪的涡流并发生自然对流，促进罐的内容物的混合，但没有包含可能导致成核和过多冒泡的气泡。
但是，在静态罐中，没有这种塌瘪涡流，较冷的饮料密度较大，沉至罐底部。罐内容物的混合非常差，致使较差的热均匀性，并在很多情况下还致使结冰或“软冰”。
我们进行了一系列试验来评估在形成均匀冷却饮料时各种转速的成果。以下试验有助于说明本发明。
比较测试
首先，我们进行罐没有任何转动搅动的试验。在表1中示出结果。
表1
可以看出，从20-22℃的环境温度，罐底部的内容物可令人满意地被冷却到理想温度，但罐顶部被最少程度冷却，呈现整个罐的宽温度范围和较差的平均冷却。
试验测试
在第一组测试中，我们试图调查转速对冷却效果的影响。这些结果在图1中示出，其中温度刻度表示罐内容物的平均温度。将会看出在较高的转速下获得改进的结果，与在180转/分钟(测试2)或在90转/分钟(测试1)下相比在360转/分钟(测试3)下实现更快速的冷却。在这些试验中，注意到，如所预期的，冷却空腔的预冷对于罐内容物的成功冷却有显著影响。还注意到，在180转/分钟速度下，在罐顶部与底部的温度之间有6℃的温差。
我们然后开始研究间歇转动是否比连续转动有更好的冷却效果。应当理解，间歇转动允许涡流在冷却过程中塌瘪几次，且所以可能预期促进更均匀的温度分布。图2中示出这些结果并说明用间歇冷却实现更快速的冷却。
我们然后进行进一步试验，改变每个冷却循环的旋转次数。在表3中示出结果。可以看出，在较高速度下转动以及转动中较多的暂停次数产生更深的冷却梯度。
基于以上结果，以360转/分钟转动10秒接着暂停20秒进行进一步试验，示出随时间对罐温度的影响。在表2中示出结果。
表2
这些结果显示考虑到实现饮料均匀地冷却至6℃范围的理想温度，在90秒内旋转三次可实现最佳冷却。注意到对每次试验冷却液体(4升)温度升高1.5℃。图4示出对于初始温度为24℃的罐进行大量一系列这种试验的平均结果。
根据以下计算，我们计算出，将罐从约24℃的环境温度冷却到约6℃所需的总能量为6焦耳：
饮料罐的质量＝355g水+39g(典型)糖
热能，Q＝质量×比热容×温度变化
理论饮料计算
Q饮料＝M×C×ΔT
Q饮料＝.394×0.58×-18
Q饮料＝4.11焦耳
理论罐计算
Q罐＝M×C×ΔT
Q罐＝(表面面积×厚度×铝的质量)×237×-18
Q罐＝(0.032012×0.00025×56.5)×237×-18
Q罐＝1.93焦耳
冷却单个罐+饮料所需的总能量＝Q罐+Q饮料＝6.04焦耳
以下阐述本发明装置优于现有技术冷却技术的主要优点：
1.以最佳速度转动罐以改进强制对流；
2.在罐内产生自由(衰减)涡流以改进自然冷却对流；以及
3.将一系列强制和自由(衰减)涡流组合以快速冷却饮料，具有均匀分布的温度。
在较佳实施例中，该装置还包括所要冷却的容器装入其中的诸如橡胶隔膜的套子，较佳地是包括金属颗粒的隔膜以改进导热性。包括紧密配合的隔膜用于减少或防止对容器上标签的损坏，尤其是使用纸质标签的情况下。
表3中给出从测试1至7的完整结果数据。
对于商业使用，有利的是装置包括多个上述类型的空腔以进行几个容器的同时冷却。
在典型实施例中，该装置被包含在自动售卖装置中，并还包括用于将所要冷却的产品插入空腔并从其取出冷却好产品的插入和取出装置。
较佳地，自动售卖装置还包括用于存储产品或各种产品的存储装置以及用于从存储装置选择产品插入空腔的选择装置。
自动售卖装置通常还会包括诸如硬币操作机构的支付收集装置或用于从卡扣减收费的卡读取装置。
表3
对流传热很大程度上受到边界层内流体流动状态的控制。增加边界层内的速度梯度将增加对流传热。尽管雷诺数是管理边界层是层流还是湍流的关键参数，但其可由于表面纹理或粗糙度以及局部压力梯度而变化。该布置提供的更复杂的容器运动和冷却剂给予更多的自由度来控制边界层内的厚度和速度梯度。这使得装置使对流传热最大，同时消除过去阻碍实现快速冷却的软冰或结冰。
本发明还寻求提供包含上述装置的自动售卖机器。在常规自动售卖机器中，整个存储空腔必须隔热，但用于存储大约400罐的空腔的隔热通常仅可通过使用隔热泡沫或隔热垫或者捕集空气以防止热传递的其它材料来实现。这些材料是相对低效的热隔热件。
除了提供专门根据需求冷却饮料的自动售卖机器之外，本发明还提供大多数罐或其它饮料容器可存储在环境温度下，仅少数，约16个左右可存储在低温或饮用温度下的自动售卖机器。
于是，其中存储低温容器的空腔可通过更有效的装置，诸如真空隔热板隔热。冷却装置设置在环境存储空腔与冷却存储空腔之间。
使用两个存储区域显著减少总体能耗并还将减少快速冷却装置所需的额定功率。
可对冷却存储空腔提供其它低程度冷却以保持正确温度，但保持小的真空隔离容量空间内温度的能耗显著低于常规机器。表4将这种自动售卖机器的能耗与所有的罐都保持在冷却温度下的常规机器相比较。
表4
可以看出，本发明的机器需要50kJ来将罐从环境温度冷却到饮用温度(4-6℃)。在通常的情况下，每天售卖约30罐。假设在24小时内随机分配，则估计补偿冷却存储空腔内热损失的附加冷却为每天最大0.5kWh。因此，总能耗(在该情况下用于冷却30罐的能耗是1kWh)与常规机器相比仍节约80％。

Claims (19)

1.一种冷却装置，包括：空腔，所述空腔用于接纳所要冷却的产品；转动装置，所述转动装置使接纳在所述空腔内的产品转动；以及冷却液体供给装置，所述冷却液体供给装置向所述空腔提供冷却液体，其中所述转动装置适于以90转/分钟以上的转速使所述产品转动并还适于在一次产品冷却过程中使所述产品转动至少一次以下循环：预定转动时段的转动和预定暂停时段的不转动；接着另一预定时段的转动。
2.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述转动装置执行至少两次循环。
3.如权利要求2所述的冷却装置，其特征在于，所述转动装置执行三至六次循环。
4.如权利要求2所述的冷却装置，其特征在于，所述转动装置执行三或四次循环。
5.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述预定转动时段为5至60秒。
6.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述预定转动时段为5至30秒。
7.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述预定转动时段为5至15秒。
8.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述预定转动时段为10秒。
9.如权利要求5所述的冷却装置，其特征在于，所述预定暂停时段为10至60秒。
10.如权利要求5所述的冷却装置，其特征在于，所述预定暂停时段为10至30秒。
11.如任一前述权利要求所述的冷却装置，其特征在于，所述转动装置适于以180转/分钟以上的转速。
12.如权利要求11所述的冷却装置，其特征在于，所述转动装置适于以至少360转/分钟的转速使所述产品转动。
13.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述冷却液体供给装置适于向所述空腔提供冷却液体流动。
14.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，将所述冷却液体在-10℃以下的温度下供给至所述空腔。
15.如前述权利要求14所述的冷却装置，其特征在于，将所述冷却液体在-14℃以下的温度下供给至所述空腔。
16.如前述权利要求14所述的冷却装置，其特征在于，将所述冷却液体在-16℃以下的温度下供给至所述空腔。
17.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述转动装置适于使所述产品围绕产品轴线转动，并还包括保持装置以在转动期间防止或基本上避免所述产品的轴向运动。
18.一种自动售卖装置，包括如权利要求1至17中任一项所述的冷却装置并还包括插入和取出装置，所述插入和取出装置用于将所要冷却的产品插入所述空腔并从所述空腔取出冷却好的产品。
19.如权利要求18所述的自动售卖装置，其特征在于，还包括用于存储一种产品或多种产品的存储装置以及用于从所述存储装置选择产品以插入所述空腔的选择装置。
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