CN105121982B - 用于热交换单元的二氧化碳填充装置及方法 - Google Patents
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Abstract
用于使二氧化碳吸附到HEU中的压紧的活性炭上并同时除去由该吸附产生的热量的装置和方法。提供冷却通道，并且，通过使制冷剂在其中连续地流动通过而使所述冷却通道保持为约5℃。在内部设置多个具有HEU的密闭罐，并且，使充气头连接至各HEU且在约10‑15巴下保持20～30分钟的时间，其后，移除所述充气头并插入新一批罐。
Description
技术领域
总体上说，本发明涉及用在自冷却(急冷，chill)食品或饮料用容器中的热交换单元，且更具体地说，本发明涉及二氧化碳在压紧的活性炭上的吸附，所述压紧的活性炭用在其中通过从置于热交换单元内的压紧的活性炭解吸附二氧化碳而导致温度降低的这类热交换单元中。
背景技术
很多可以便携式容器提供的食品或饮料优选在它们被冷却(急冷)的情况下食用(consume)。例如，碳酸软饮料、果汁饮料、啤酒、布丁、松软干酪等优选在33℉(0.555℃)至50℉(10℃)的温度下食用。当不方便得到冰箱或者冰的时候，例如当钓鱼、野营等时，在食用前对这些食品或饮料进行冷却的任务变得较为困难，而且，在这样的情况下，非常期望获得在食用前对容器内容物进行快速冷却的方法。因此，期望自冷却容器，即，无需外部低温条件的容器。
本领域充斥着结合有能够在不暴露于外部低温条件的情况下冷却内容物的冷却剂的容器设计。绝大多数的这些容器结合有或利用了制冷剂气体，所述制冷剂气体在释放或活化时吸收热量以便冷却容器的内容物。已经认识到使用吸热化学反应作为吸热机理并由此冷却容器内容物的其它技术。这样的吸热化学反应设备的实例为美国专利No.1,897,723、2,746,265、2,882,691和4,802,343中所公开的那些。
利用气态制冷剂的典型设备为美国专利No.2,460,765、3,373,581、3,636,726、3,726,106、4,584,848、4,656,838、4,784,678、5,214,933、5,285,812、5,325,680、5,331,817、5,606,866、5,692,381和5,692,391中所公开的那些。在很多情况下，在结构体(例如前述美国专利中所示出的那些)中所利用的制冷剂气体对适当地降低温度不起作用，或者，在它们起作用时，它们包含可促成温室效应且因此对环境不友好的气态制冷剂材料。
为了解决问题(例如现有技术中所阐述的那些)，申请人利用包含起到二氧化碳吸附剂作用的活性炭的吸附-解吸体系作为本发明的一部分。这类体系公开在美国专利No.5,692,381中，其在此引入作为参考。
在这些设备中，将吸附剂材料置于器皿内，所述器皿的外表面与待冷却的食品或饮料热接触。典型地，使所述器皿与容纳了待冷却的食品或饮料的外部容器以如下方式相连：所述外部容器与含有吸附剂材料的器皿的外表面热接触。将该器皿或热交换单元固定至所述外部容器，典型地固定至所述外部容器的底部，而且，该器皿或热交换单元包含阀或类似机构，所述阀或类似机构用于释放已被该内部器皿中所含的吸附剂材料吸附的一些气体(例如二氧化碳)。当阀打开时，所述气体(例如二氧化碳)发生解吸附，而且，从活性炭吸附剂解吸附所述气体的吸热过程导致与所述内部器皿的外表面热接触的食品或饮料的温度降低，从而降低其中所含的食品或饮料的温度。
为了实现该冷却，必须的是：在所述内部器皿中所含的碳颗粒上吸附尽可能多的二氧化碳，并且进一步地，使食品或饮料中所含的热能由此通过所述内部器皿的壁和通过吸附剂材料进行传输，从而与解吸附的二氧化碳气体一起被带出所述热交换单元。优选地，所述吸附剂材料为活性炭且待吸附的气体为二氧化碳。在本公开内容的上下文中，“活性炭”涉及一系列含碳材料，特别是经活化以显现出强吸附性的含碳材料，由此甚至痕量的液体或气体也可被吸附到碳上。这样的活性炭可由宽范围的来源(例如，煤、木材、坚果(例如椰子)和骨头)制得且可源自于合成来源(例如聚丙烯腈)。存在各种活化方法，例如，在升高的温度下使用蒸汽、二氧化碳或其它气体进行选择性氧化，或者，使用例如氯化锌或磷酸进行化学活化。所述吸附剂还包括粘结剂材料以及其量为全部组成的0.01～80重量％的石墨材料。
可在活性炭中结合石墨的任何可得形式(天然的或合成的)，例如，可使用粉末状或片状的石墨。优选地，所包含的石墨具有10重量％～50重量％、更优选20重量％～45重量％、尤其是40重量％的量。
包含粘结剂材料(例如聚四氟乙烯)，以实现配制物的生坯强度以用于进一步处理。粘结剂和具有石墨的活性炭的组合物公开在美国专利7,185,511中，其在此引入作为参考。
当将处于压力下的二氧化碳加入(insert)到热交换单元中以吸附到压紧的吸附剂材料上的时候，发生物理放热反应，从而放出热量。由于该放热反应，所述压紧的吸附剂材料也变热且在这种情况下限制了能够吸附到吸附剂材料上的二氧化碳的量。为了缓解该问题，在过去，必须以加压二氧化碳分阶段地填充HEU，即，将处于压力下的二氧化碳加入到HEU中直至所述压紧的吸附剂材料不再能吸附二氧化碳。此时，移开处于压力下的二氧化碳的源，并且，允许HEU冷却或者将其置于保持在非常低的温度下的冷却通道中，从而散去已经产生的热量。显然，这造成了这样的情形，在该情形中，妨碍了HEU的大量生产，因而提高了生产成本。因此，需要以如下方式使用处于压力下的二氧化碳来填充经装配的HEU的装置和方法：在使二氧化碳吸附到HEU中的压紧的吸附剂材料上的时间期间，除去由放热反应产生的热量。
发明内容
提供适用于容纳食品或饮料的容器的源、提供热交换单元罐的源、以吸附剂材料填充所述HEU罐、将所述具有吸附剂材料的HEU罐装配至所述容器、将多个具有装配的HEU罐的容器插入到冷却通道中、使处于压力下的二氧化碳的源连接至所述多个HEU的每一个以向所述HEU中加入二氧化碳，从而用于吸附到压紧的吸附剂材料上、使所述冷却通道保持在预定的低温下在预定的时间期间以除去所产生的热量、将所述二氧化碳的源从各HEU组件移开。
用于以二氧化碳填充热交换单元的装置，包括：输送床，其用于接收多个具有装配于其中的热交换单元的容器；多个充气头气缸，每个充气头气缸与处于压力下的二氧化碳的源相连；用于使所述充气头气缸连接至所述HEU组件的工具；低温气体的源；用于使所述低温气体循环以接触所述输送组件的工具。
附图说明
图1是示出了本发明方法的框图；
图2是说明了图1中所示的方法的特定部分的框图；
图3是示出了经装配的容器和HEU的示意图；
图4是用在本发明方法中的圆盘(puck)的横截面图；和
图5是用于热交换单元的二氧化碳填充并同时除去所产生的热量的装置的示意图。
具体实施方式
现在更具体地，参考图1，提供了制造生产线的示意图，其中，所述设备是用于冷却容器内容物的吸热设备，且更具体地，其中所述容器是饮料罐，而且，在HEU已被充分填充后，向该罐中加入适宜的饮料。如图1中所说明的，提供了包含一批饮料罐的罐源24，所述饮料罐为具有顶端开口的传统饮料罐，这是因为，其中没有饮料且顶部必须保持敞开以用于当本发明的过程完成时以饮料填充所述罐。来自所述源24的罐沿着适当的输送带或类似物26行进至冲孔卷边站点(station)28。所述冲孔卷边站点用于在所述罐的底部中提供开口，并且在此后，围绕所述提供在罐底部中的开口产生凸缘(flange)，所述凸缘可在罐HEU装配过程期间使用。还提供了HEU罐的源30，其包含在自冷却(急冷，chill)饮料罐工业中用作HEU的容器的源。这些罐具有敞开的顶部和封闭的底部且小于所述来自源24的饮料罐以便可容纳于其中并留下足够的空间来接纳将要在以后加入的饮料。所述HEU罐将沿着适宜的输送机或类似物32行进至吸附剂填充站点34。根据本发明的一个优选实施方案，使用吸附剂填充站点，其中，通过利用置于HEU罐内的吸附剂材料(在下文中将对其进行更充分的描述)来提供吸热反应，所述吸附剂材料稍后被导致吸附所保有的并然后在释放和解吸附时提供所需的冷却作用的二氧化碳。根据本发明的优选实施方案，所用的吸附剂为组合有石墨和粘结剂的经压制的活性炭颗粒。所述HEU罐的开口端可向内颈缩，以便在使所述HEU罐填充有吸附剂材料之后与所述饮料罐的经冲孔卷边的开口端紧密配合。
在任何情况下，在已经以吸附剂材料适当地填充所述HEU罐之后，然后通过输送机36将所述HEU罐输送至罐/HEU装配站点38。此外，将用于所述装配过程的适宜的阀和垫圈输送至所述装配站点38。所述阀和垫圈从它们的源40提供。通过适宜的输送机或类似物42，将所述阀和垫圈输送至所述罐/HEU装配站点38。在装配HEU并将其固定至所述饮料罐的过程中，将由弹性体材料形成的适宜的垫圈置于其中包含吸附剂材料的HEU的开口端上。进行检查以确保垫圈事实上适当地安置在HEU的开口端上。在此之后，使其上具有垫圈的HEU开口端与围绕在所述冲孔卷边站点28处在所述罐的封闭端中冲孔出的开口的凸缘紧密配合。然后，将所述阀和阀座插入到设置于罐底部中的开口内并同时插入到所述HEU罐中的开口内，而且，经由压接工艺(crimping process)，将所述阀HEU和饮料罐以如下方式永久地固定在一起：该方式使得在HEU、阀座以及罐之间形成适当的密封，从而防止此后置于所述饮料罐中的饮料发生任何泄漏。(图3中说明了经装配的罐和HEU，将在下文中对图3进行更详细的描述。)
在所述饮料罐与HEU的装配之后，将该组件通过输送带或类似物44输送至冷却通道46以及充气站点50。随着使二氧化碳在压力下强制进入HEU罐的内部以进行吸附，发生放热反应，产生显著量的热量，所述热量将从HEU辐射出去。随着由二氧化碳吸附过程产生热量，所述碳当然地将变热，而且，随着其变热，其所能吸附的二氧化碳的量降低。在作为冷却通道的构成部分的充气站点50处，压下(depress)所述阀并且向HEU中加入二氧化碳直至达到约25巴的预定压力。所述冷却通道/充气站点充满低温气体例如液氮等，以保持所述冷却通道/充气站点处于相对低的温度下，例如，大约5℃。使所述处于压力下的二氧化碳的源仍然固定到所述HEU，同时使所述冷却通道/充气站点处于所述低温一段时间以允许在所述HEU中达到并保持25巴的压力。用于允许由压紧的吸附剂吸附所需量的二氧化碳的预定时间量为约20～30分钟的时间。一旦已经在所述压紧的吸附剂上吸附所需量的二氧化碳，则将该经填充的组件62通过输送机或其它装置60输送至所需的位置以用于填充期望的食品或饮料。
参考图2，更详细地说明了吸附剂填充操作，其中，将碳粉施用至所述HEU罐。如图2中所示的，提供了碳粉源68、金属粉末源70和粘结剂源72。将碳粉通过适当的输送装置(例如送料槽、送料槽带、螺杆、柱塞或其它机构)74输送至混合器站点76。此外，将金属粉末通过输送装置78(例如带、送料槽、螺杆或柱塞)输送至所述混合器站点76，并且同样地，将粘结剂通过类似的适当输送机构80输送至所述混合器站点76。在所述混合器站点76处，使碳粉和金属粉末与适当的粘结剂混杂以提供具有可用以填充HEU罐的形式的所需混合物。使用金属粉末以提供金属颗粒与活性炭颗粒的适当混合，从而提供更好的经由碳颗粒的热传递，以便使用二氧化碳气体在更短的时间期间内通过所述阀移出并排出饮料罐的热量。尽管各种金属粉末均可良好地工作，但是，已经发现，石墨粉末是优选的。在碳颗粒内不存在一些类型的传热机理，已经发现，热量不易于通过碳(其传统上为相对良好的绝缘体)传递。已经使用了各种类型的散热器，但是发现，金属粉末与碳的适当的混合物提供了用于将来自饮料的热量传递通过碳并到达大气的优异媒介物。已经发现，金属粉末和碳能够在不存在粘结剂的情况下组合并加入到HEU罐中并适当地压紧，从而具有在冷却饮料方面的优异结果。然而，在优选实施方案中，在碳和石墨中包含粘结剂例如聚四氟乙烯。适宜组合物的一个实施方案公开在美国专利7,185,511中，其在此引入作为参考。
现在更具体地，参考图3，说明了装配有包含压紧的吸附剂的HEU的罐。如在此所说明的，罐112具有内部空间114，在所述内部空间114中，将存放所需的食品或饮料。罐112如所示的那样在116处是敞口的，以用于如前文结合图1和2所描述的加工。HEU罐120包含压紧的吸附剂138。通过利用本领域公知的适当的压接(crimping)，将HEU罐120连接至罐112的底部。使阀124承载在阀座122上，使所述阀座122如前文结合图1所描述地固定在HEU罐120的顶部。阀124如所示的那样在128处向内延伸进入压紧的吸附剂138。当所述吸附剂充有处于压力下的二氧化碳时，使充气头连接至阀124，并且，通过压下(depress)柱塞130来打开所述阀，从而允许处于压力下的二氧化碳进入HEU罐120并且被所述吸附剂138吸附。
图4说明了用于冷却通道/充气站点46/50中的圆盘，所述冷却通道/充气站点46/50将在下文中结合图5更充分地描述。所述圆盘140优选由塑料材料构成，但是，根据可能的需要，所述圆盘140可由金属或其它材料构成。所述圆盘140包括定义了凹槽144的基座142，在所述凹槽144中，容纳罐112的开口端116。然后，可在各加工步骤的过程中且特别是当罐HEU组件如图1所说明地移动进入冷却通道/充气站点时，将所述圆盘的基座142放置在输送床或输送带上以用于从一个站点移动至另一个站点。
现在更具体地，参考图5，示意性地说明了(部分地以横截面的方式)用作如前文结合图1所描述的冷却通道/充气站点的装置。如图5中所示的，该装置包括封闭区域例如通道150(其为约3米×2米)，而且，该装置包括定义了内部部分154的外壳152，在所述内部部分154中，放置HEU/罐以容纳处于压力下的二氧化碳气体。通过如所示地经由管道158向所述通道的内部154中注入气体例如来自液态二氧化碳(CO2)源156的液态二氧化碳，使所述通道150的内部保持为约5℃。进入所述通道150的内部154中的液态CO2流将允许图3中所示的HEU/罐开始冷却。
如图5中所示的，该装置包括输送床160，在所述输送床160上，可以放置如在162处所示的HEU/罐组件。如所示的，将各HEU/罐组件放置在如图4中所示的那类圆盘164中。如前文所述的且现在在图5中所示出的，通过翻转图3中所述的组件以便将罐112的开口端116放置在所述圆盘的凹槽144内来将所述组件放置在所述圆盘上。在该情况下，设置HEU/罐组件，以使得阀124朝上伸出，如图5中所看到的。使如在166处所示的多个充气头气缸承载在定位输送框(index conveyor frame)168上。使如在170处所示的处于压力下的二氧化碳气体的源如所示地经由管道172与各充气头气缸166相连。
如图5中所示的，该装置可以两种不同的方式操作。在第一种方式中，放置如在162处所示的所述具有装配于其中的HEU且置于圆盘164内的罐，以使得存在横跨输送床160分布的10个这样的HEU/罐组件且存在沿着输送床160纵向分布的20个这些组件。从而，将200个HEU/罐组件的完整定位(full index)装载在所述输送床上并且置于所述通道150的内部。如在图5中所看出的，所述输送床将推进至所述内部154中并且在那里停下。当所述罐由此位于所述通道150的内部154内的时候，使各充气头166向下移动到各组件上、独立地压下柱塞130并因而允许来自源170的处于压力下的二氧化碳气体进入HEU以开始二氧化碳在位于其内的压紧吸附剂上的吸附。所述处于压力下的二氧化碳气体的该施用将允许持续约20～30分钟的时间段，对于所述全部时间段，均处于10～15巴的气体压力下。在该时间期间，由于由进入HEU120的处于压力下的二氧化碳气体产生的放热活动，所述罐的温度升高。在超出20～30分钟的全部时间(在此时间期间，通过从液态CO2的源156送出的液态CO2的连续流减轻了所产生的热量)之后，从而允许由所述HEU中的吸附剂138以所需的量吸附所述CO2。在这些已经发生之后，使所有充气头气缸166与HEU/罐组件162分离，然后，所述输送床将全部200个罐移出所述通道，然后传输至所需位置以用于如前所述的进一步加工。在这些已经发生之后，则通过在所述输送床上定位另外200个罐并重复刚刚所述的过程来重复该过程。如本领域技术人员所理解的，对于每组200个罐，因而仅需要一次充气循环，而且，在每20～30分钟的时间期间能够加工约200个罐。
作为可选择的配置，图5中所示的装置将运行以使得所述输送床160连续地移动通过所述通道150并同时使来自所述源156的液态CO2气体推移(process)通过所述通道的内部154，以使其保持为5℃。随着如所示的在所述圆盘内的HEU/罐组件如此移动通过所述输送机，充气头将移动成与一行HEU/罐组件接合，压下柱塞130并允许来自所述源170的二氧化碳气体进入所述罐。所述罐连续地与充气头接触并允许通过吸附剂138吸附所述处于压力下的二氧化碳气体，所述罐以约20～30分钟的时间段移动通过所述通道，此后，使充气头气缸从该行HEU/罐组件移开。由于这是连续发生的，所产生的热量远小于当同时对全部200个罐进行充气时所涉及的热量。结果，刚刚所述的过程将有效得多地运行且其可实现约10个罐/分钟的充气。
尽管已经在图1中作为所述在线制造方法的一部分对所述冷却通道和充气站点进行了说明，但是，应当理解，这不是必需的。如图5中所示的，所述冷却通道和充气站点可为独立的单元。在该情况下，所述其中具有压紧吸附剂的罐/HEU组件将在任何期望的地方单独地制造并然后输送至所述冷却通道和充气站点以具有加入到HEU中的处于压力下的CO2。这样的一个优点是能够航运经装配的不具有CO2的罐/HEU，从而使得所述单元在输送期间没有危险。
因此，已经公开了用于实现罐与含吸附剂的HEU的装配以及使用二氧化碳气体填充HEU并同时减轻作为其结果而产生的放热反应的方法和装置。
Claims (9)
1.用于以处于压力下的气体经单次充气来填充热交换单元的装置，所述热交换单元固定在用于容纳待冷却的食品或饮料的罐内，所述热交换单元内具有压紧的吸附剂材料，所述装置包括：
冷却通道；
制冷剂源，其与所述冷却通道相连以保持所述冷却通道内部的温度为约5℃；
输送床，其用于接收多个可移动地置于所述冷却通道内的其中具有所述热交换单元的罐；
多个充气头气缸，其设置成同时地接合所述热交换单元的至少一部分以将处于压力下的气体注入到所述热交换单元的所述至少一部分内，从而通过所述压紧的吸附剂材料进行吸附；
处于压力下的气体的源，其与所述多个充气头气缸相连；和
使所述充气头气缸与所述热交换单元的所述至少一部分相连并且在足以使所述热交换单元的所述至少一部分完全填充有经吸附的处于压力下的气体的预定的时间期间向其中注入处于压力下的气体，使具有与所述热交换单元相连的所述充气头气缸的所述输送床在所述冷却通道内静止保持所述预定的时间。
2.权利要求1的装置，其中，所述制冷剂源为液态二氧化碳。
3.权利要求2的装置，其中，所述处于压力下的气体为二氧化碳。
4.权利要求3的装置，其中，存在用于置于所述输送床上的其中具有热交换单元的各罐的充气头气缸。
5.权利要求3的装置，其中，使所述输送床移动通过所述冷却通道，而且，使所述充气头气缸仅与所述热交换单元的所述至少一部分相连并且在移动的同时以所述预定的时间期间注入所述二氧化碳气体。
6.经单次充气来对热交换单元中所含的吸附剂材料进行填充的方法，所述方法包括：
提供用于容纳待冷却的食品或饮料的多个容器；
提供其中包含压紧的吸附剂材料的多个热交换单元(HEU)罐；
将HEU罐与各容器装配；
将多个经装配的容器插入到封闭区域中；
将处于压力下的二氧化碳(CO2)气体的源连接至各HEU并且以预定的时间期间向所述HEU中连续注入CO2气体以用于由所述吸附剂材料对其进行吸附；
使制冷剂在预定的时间期间连续地流动通过所述封闭区域以除去由所述CO2气体的吸附放热反应产生的热量，从而允许由所述吸附剂材料完全地吸附所述CO2气体；和
将所述CO2气体的源从各HEU移开。
7.权利要求6的方法，其中，所述CO2气体的压力为约15巴。
8.权利要求7的方法，其中，所述预定时间为20～30分钟。
9.权利要求8的方法，其中，所述制冷剂为液态CO2且所述封闭区域保持为约5℃。
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