CN105377408A - 用于碳酸化液体的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明认识到对用于生产具有可定制碳酸化水平的碳酸饮料的装置和方法的需要。本发明使用CPU控制进气阀，所述进气阀将加压二氧化碳罐与容纳将要碳酸化的饮料的容器相连。连接加压二氧化碳罐与容器的管道包含孔口，以降低二氧化碳的流速，从而增加对引入容器的二氧化碳的量的控制。马达搅动容器，使二氧化碳被饮料吸收。然后，排气阀使得多余的压力从容器中排出。排气孔使得压力逐渐释放，从而防止饮料起泡。

Description

用于碳酸化液体的方法和装置
发明领域
本发明涉及用于碳酸化液体的方法和装置，更具体地，涉及用于创建成品饮料产品的碳酸化批量的方法和装置。
背景技术
碳酸水通常通过引入加压液体及加压的二氧化碳气体进入碳酸化器罐而形成。所述罐的内容物的压力迫使二氧化碳进入液体，由此形成碳酸化的液体。典型地，这样的碳酸化器罐体积大、规模大，并增加饮料分配系统的制造成本。
当前的碳酸饮料可以通过使用碳酸化器使液体源碳酸化然后引入用于制造碳酸饮料的风味糖浆浓缩液形成。此外，现有技术的设备可以包括小型二氧化碳贮气瓶，其在压力下在水罐中引入碳酸化，然后添加糖浆或其它成分以生产成品饮料。
然而，现有技术的碳酸化装置在引入到饮料的碳酸化的量上有限，因为它们不搅动饮料或不具备改变压力以生产不同碳酸化水平的能力，例如低、中和高水平的碳酸化。另外，典型现有技术的装置仅仅可用于碳酸化水源并且不能碳酸化成品饮料。
因此，在本领域需要以下这样的方法和装置，所述方法和装置在单个小批量基础上对饮料提供可靠的碳酸化，使得碳酸化水平可以被调节至不同的水平。
发明内容
本发明提供了批量碳酸化过程，在所述过程中，用户在容器中引入液体，锁定容器到搅拌机构并选择碳酸化水平。基于由用户选择的碳酸化水平，CPU操作打开阀以在容器中引入加压的二氧化碳。搅拌机构操作成在容器内的液体上施加力，从而增加容器内液体(其可以被部分地雾化)和二氧化碳气体之间的接触表面积。此外，本发明通过利用孔口来降低加压的二氧化碳气体流入容器的速率。本发明使用传感器测量二氧化碳气体的压力，并将压力测量通信到CPU，其根据由用户选择的碳酸化水平通过打开和关闭进气阀来调节容器内的压力，直到达到所选的碳酸化水平。然后CPU在碳酸化周期完成时停止搅拌机构。本发明的附加特征包括在获得所需的碳酸化水平后释放容器内的压力，并通过利用孔口来控制气体排出所述容器的流动速率。
本发明的另一个特征是在碳酸化过程完成时通过CPU控制排气阀的打开和关闭。
附图说明
图1是在碳酸化过程的示意图。
图2是压力混合容器的横截面。
图3是用作本发明的一部分的孔口类型的透视图。
图4是碳酸化周期的示例性曲线图。
图5是低碳酸化饮料周期的例子。
图6是中等碳酸化饮料周期的例子。
图7是在批量碳酸化过程中的步骤的详细流程图。
具体实施方式
碳酸化是压力下在水溶液中溶解二氧化碳的过程。它通常用于生产软饮料、奎宁水和其它碳酸饮料。泡腾是气体从水溶液的逸出。在许多消费品中，诸如软饮料(例如，可口可乐，七喜和百事可乐)，碳酸化(更具体地，逸出气体的泡腾)增强了饮料的风味。碳酸饮料中含有溶解的二氧化碳。在水中溶解二氧化碳(CO2)的过程称为碳酸化。可从发酵或矿物质源自然发生碳酸化。然而，大多数的碳酸软饮料利用人工添加到饮料中的二氧化碳进行碳酸化。人工碳酸化通常通过在压力下在液体中溶解二氧化碳进行。
本发明可以用于容器内液体的碳酸化。当液体被放置在容器中时没有被碳酸化。碳酸化通过二氧化碳被引入到装有液体的容器的过程而发生。由液体吸收的二氧化碳的量通过在容器中引入所述二氧化碳的速率来控制。因此，用户可以选择生产具有不同的碳酸化水平的饮料，以满足消费者的味觉。本发明可以与各种液体一起使用，例如果汁、水、可乐饮料、或其它饮料。本发明集中在定制液体的碳酸化水平以满足客户的味觉。
参考图1，示出了用于制备各种液体的批量碳酸化的装置10。所述过程由中央处理单元(“CPU”)20控制，其控制进气阀50和排气阀70。CPU20接收来自传感器60的输入数据，所述传感器60监控进气流管线(inletflowline)54中的压力。预编程CPU20以识别从传感器60获得的各种压力读数并且所述CPU20相应地起作用成打开和/或关闭进气阀50(所述进气阀50可以是螺线管型阀或其它阀)，以控制引入到容器40中的二氧化碳气体的水平。启动系统后CPU20进一步操作以启动搅拌机构80。此外，碳酸化过程完成时，CPU20操作为打开排气阀70。
如图2中所示，本发明使用容器40，在该容器40中操作员可以引入液体46。优选的是容器40由不锈钢制成。然而，所述容器可以由其它材料制成，只要该材料足以在碳酸化过程中承受高达100磅每平方英寸(“PSI”)的的压力即可。用户可以输入所需的液体46的体积进入容器40中，条件是在所述容器40中至少存在一些空的空间，所述空的空间允许液体与二氧化碳混合。在容器40内的空的空间(即空气)和液体46之间的最佳比例是三分之一体积的空的空间和三分之二体积的液体。然而，该比例可以从低至在液体上的5％的空气空间到高达在液体体积上的95％的空气空间变化。不管容器40中液体46与空的空间的比例是多少，在容器40中的液体46将碳酸化到某种水平。空的空气空间与液体体积的更高比例导致液体46的更高速率的碳酸化。在容器40中空气与液体46的较低比例则恰好相反。此外，优选在低于40℉的温度下引入液体46以帮助实现所述碳酸化过程，或者选择性地在容器40内连同液体46一起引入冰，以降低液体的温度。
容器40也可包含密封件48。用户可以在用户输入界面(未示出)上选择碳酸化的水平，所述用户输入界面将所选的水平通信到CPU20。对于用户放置在容器40内的液体体积，同样可以这样进行。
批量碳酸化机构的外壳(未示出)内有接收容器40的腔室。所述腔室包括锁定机构49，所述锁定机构49在壳体内密封和锁定所述容器40到位。所述壳体包含搅拌机构80。所述搅拌机构80包括马达82，马达82转动轴83。所述轴83操作成旋转具有联动装置(linkage)85的凸轮84。凸轮84的旋转操作成上下移动联动装置85。所述联动装置85与固定有锁定机构49的平台86连接。所述平台86响应于马达82的旋转而沿着导轨87上下移动。在这种配置中，所述平台86沿着导轨87上下移动。由于平台86持有容器40，所述容器40也沿着导轨87上下移动。所述容器40以相反的方式沿导轨87移动到最高向上位置和最低向下位置。虽然优选实施方案说明了容器40的在上部和下部最大位置的运动，也可利用其它搅动配置，诸如，举例来说，旋转、摆动和/或水平往复运动。
本发明的一个方面认识到当容器40达到其向上最高和向下最低位置时，显著的颠簸力应施加在容器40中容纳的液体46上。由容器40的运动方向的突然变化(例如在容器40的最高向上位置从向上运动到向下运动)所产生的强作用力，使得颠簸力施加到容器40内液体46。作用在液体46的颠簸力的效果是，容器40内的部分液体46将雾化。在雾化期间，液体46悬浮在二氧化碳气体中以增加二氧化碳气体和悬浮液之间的接触表面积。二氧化碳和液体46之间的较大表面积产生更高的碳酸化水平。这是因为雾化的液体相比于二氧化碳具有不同的压力，这使得二氧化碳被吸收到液体46中，从而形成具有特定碳酸化量的碳酸液体。为了在容器40内充分雾化液体46，3个重力单位(g)或更大的力应施加于容器40内的液体46上。已经发现雾化液体46的最佳力是在搅拌机构80的两个运动极端所施加的大约6G的力单位。
容器40的锁定机构49包括进气流管线54和出气流管线72。所述进气流管线将二氧化碳引入容器40。在碳酸化过程完成时所述出气流管线72允许过量的压力或二氧化碳排出容器40。所述进气流管线54与高压二氧化碳供给30连接。所述高压二氧化碳供给30具有调节器32，其降低排出调节器32的二氧化碳的压力到约100PSI。所述高压二氧化碳供给30和调节器32可通过可打开或关闭的进气阀50控制。根据CPU20的输入打开和关闭进气阀50。CPU20从传感器60接收输入，所述传感器60提供进气流管线54中的压力读数。所述进气流管线54中的压力与容器40内的压力相同。所述CPU20被编程以读出进气流管线54内的压力，并确定需要引入容器40中的二氧化碳的量。CPU20将打开进气阀50直到达到容器40中的预定压力。所述压力通过传感器60测定。当进气阀50打开时，容器40内的压力上升至存储在CPU20中的预定压力。装置起到闭合环路控制作用，其中传感器60给CPU20提供关于进气流管线54内当前压力水平的反馈，进气流管线54内当前压力与容器40内的压力大约相同。基于所需的碳酸化水平，使容器40处于预定的压力设置。然后，当容器40内的液体46经搅拌机构80搅拌时，闭合环路保持容器40内的预定压力。
由于搅拌容器40内的液体46，该液体46变得雾化，或部分变成液滴形式，并吸收二氧化碳到液体46中。当二氧化碳被吸收到液体46中时，容器40中的压力降低。当容器中的压力下降到低于一定的水平时，CPU20检测并打开进气阀50，以在容器40内重新引入二氧化碳。以这种方式，所述CPU20可以保持容器40内的恒定压力。这个过程一直持续直到液体46被二氧化碳饱和。
本发明的发展所面临的问题是以下事实，加压的二氧化碳穿过管道并进入容器40如此迅速，以至于调节器32、进气阀50和CPU20不能提供二氧化碳流的有用调节。换句话说，所述二氧化碳流动如此之快，以致即使当调节器32、进气阀50和CPU20被配置为仅引入少量二氧化碳时，容器40也接收大量的二氧化碳。这个问题的例子示于图3中，其显示了在搅拌机构80的操作期间，打开进气阀50向容器40内引入加压二氧化碳气体之后由传感器60所测量的压力。图4的曲线图示出了在示例性方案中作为时间的函数的容器40中的压力，在该示例性方案中，搅拌机构80被启动，并且加压的二氧化碳通过进气阀50被引入。如可以看到的，进入容器40的二氧化碳的增长率的斜率是极高的，这意味着在本质上，液体46以比CPU20可以响应为关闭进气阀50的更快的速率吸收二氧化碳。该图描述了容器内压力在大约1/5秒内从0PSI增加到90PSI。在这样短的时间增量内压力的迅速增加不能通过传感器60向CPU20传达。CPU20也不可以在这样短的时间增量内发信号为关闭进气阀50。所发生的是二氧化碳如图4中所示被迅速吸收到液体中。CPU20不能发信号关闭阀50直到液体46已经完全被二氧化碳饱和后。从本质上说，所述液体46非常迅速达到二氧化碳的饱和点，即在几分之一秒内。除最大饱和度以外，不能操作该设备使液体46碳酸化至更低饱和度水平。本发明通过降低二氧化碳的流速，从而使调节器32、进气阀50和CPU20有足够的时间来控制二氧化碳而解决了这个问题。
为了解决这个问题，可将进气孔52设置在进气流管线54或进气阀50内，以降低二氧化碳气体的缓慢速率。所述进气孔52降低了高压二氧化碳供给30进入容器40的流速。流量系数(Cv)最佳范围为0.004至0.022之间。其它可使用的流速取决于所需的碳酸化水平以及CPU40对二氧化碳压力变化的快速改变所作出的反应有多快。
进气孔52减慢了二氧化碳气体进入容器40的流速。所述进气孔52的例子在图3中可以看出。可以使用任何尺寸的孔口，但是，优选的是0.03英寸至0.05英寸的孔口且其位于直径为3/8英寸的管道内。返回参考图1，所述进气孔52可以位于调节器32和传感器60之间沿着进气流管线54的任何位置。其还可以合并到进气阀50中。所述进气孔52在进气流管线54中产生了压降，其降低了二氧化碳气体通过进气流管线54的流速。二氧化碳气体进入容器40的流速的降低允许传感器60有足够的时间来发送适当的信号给CPU20，从而在液体46完全被二氧化碳饱和之前，CPU20有足够的时间关闭进气阀50。改变向容器40中引入二氧化碳的速率的过程提供了控制容器40中液体46碳酸化水平的能力。通过降低二氧化碳流经进气流管线54的速率，而为CPU20提供了足够的时间来从传感器60读出不同的压力测量值并且通过打开或关闭进气阀50对读数作出反应。这能够形成具有不同碳酸化水平的饮料。
降低的流速对碳酸化水平的影响从图5可以看出。图5描绘了打开进气阀50且在容器40中引入二氧化碳和搅拌机构80以中度碳酸化开始操作之后，压力测量值相对时间的曲线图。进气孔52允许以较慢的速率向容器40中引入二氧化碳气体。如在图5中可以看出，当使用进气孔52时，需要两秒使容器40中的压力达到75PSI。这比图4中所示的没有进气孔52，在几分之一秒容器40内的压力达到90PSI要慢得多。如图1和图5中可以看出，CPU20接收来自传感器60的信号，所述信号为容器40内的压力已达到75PSI。在接收到传感器60所获得的读数为75PSI的信号时，所述CPU20被编程为关闭进气阀50。这允许二氧化碳气体被液体46吸收，因为它在容器40内被搅拌。由于二氧化碳气体被液体46吸收，容器40内的压力下降。当容器40内的压力达到预先设定值时，诸如图5中的60PSI，传感器60发送已经获得60PSI压力测量值的信号给CPU20。然后所述CPU20操作为打开进气阀50，以允许加压的二氧化碳进入容器40。与最初的过程一样，一旦通过传感器60读出压力为75PSI并发送到CPU20，则进气阀50关闭。再一次，由于在容器40内的液体46被搅拌，二氧化碳被液体46吸收且容器40内的压力下降。这个过程一直持续到达到稳定状态，其中液体46已经达到了中等碳酸化。此时，所述CPU20启动排气阀70以释放多余压力。
低水平碳酸饮料的压力测量的例子在图6中进行描述。进气孔52允许以较慢速率向容器40中引入二氧化碳气体。可以看出，需要四秒使容器40内的压力达到35PSI。这比图4中所示的没有进气孔52，在几分之一秒容器40内的压力达到90PSI要慢得多。如图1和图6中可以看出，CPU20接收来自传感器60的信号，所述信号为容器40内的压力已达到35PSI。在接收到传感器60所获得的读数为35PSI的信号时，所述CPU20被编程为关闭进气阀50。这允许二氧化碳气体被液体46吸收，因为它在容器40内被搅拌。由于二氧化碳气体被液体46吸收，容器40内的压力下降。当容器40内的压力达到预先设定值时，诸如图6中的10PSI，传感器60发送已经获得10PSI压力测量值的信号给CPU20。然后所述CPU20操作成打开进气阀50，以允许加压的二氧化碳进入容器40。与最初的过程一样，一旦通过传感器60读出压力为35PSI并发送到CPU20，则进气阀50关闭。再一次，由于在容器40内的液体46被搅拌，二氧化碳被液体46吸收且容器40内的压力下降。这个过程一直持续到达到稳定状态，其中液体46已经达到了低等碳酸化。所述进气孔52减少进入容器40的二氧化碳的流速，以便能够读取压力的实际测量值。
向容器40内引入二氧化碳的步骤可包括启动具有不同压力的进气阀50，关闭排气阀70，其中启动所述压力阀切换在所述外壳上的显示，该显示指示压力正被引入压力容器18。
CPU20也控制排气阀70是否开启或关闭。在碳酸化循环完成后排气阀70被打开。一旦碳酸化循环完成，通过由CPU20通过关闭进气阀50切断高压二氧化碳供给30。然后二氧化碳气体通过开启的压力排出口(openpressurevent)从出气流管线(outletflowline)72排出。当碳酸化循环完成，打开排气阀70释放容器40内的压力。打开排气阀70所面临的一个问题是当在容器40中立即释放压力时，碳酸液体46将起泡。利用沿着出气流管线72的排气孔76防止打开排气阀70时，容器40内的压力急剧下降，从而防止起泡和从液体46损失大部分二氧化碳。没有排气孔76，压力将以高速释放，从而降低了液体46中所含有的二氧化碳水平。所述排气孔76减慢了气体离开容器40的流速。在图3中可以看到孔口76的例子。可以使用任何尺寸的孔口，但是，优选的是直径为3/8英寸的管道内的0.03英寸至0.05英寸的孔口。参考回到图1，所述出气流管线72可以包括开启的压力排出口74。所述排气孔76产生管线内的压降，从而减缓气体通过管线的流速。
如上所述，液体饮料可包括含有水和附加调味成分(诸如咖啡)的成品饮料产品。在批量形成碳酸饮料的批量碳酸化方法允许用户选择所需的碳酸化水平并从成品饮料生产碳酸饮料，所述成品饮料包括水和调味成分。可加入各种液体饮料并且所述各种液体饮料仅通过具有足够高百分比水和足够低粘度的饮料来限制，以使得碳酸化过程发生。
对碳酸化在批量碳酸化机构中的液体过程的简短描述可证明是有用的。参考图7，用户选择了他或她所希望完成的饮料产品的碳酸化水平。用户输入选定的碳酸化水平，其被发送到CPU20。用户输入要被碳酸化的液体46至容器40中。然后用户密封容器40和锁定容器40到搅拌机构80的平台86。一旦容器40锁定到位，所述CPU20启动搅拌机构80开始容器40的运动，此时在容器40内的液体46开始雾化。在操作设备时，CPU20打开进气阀50，以便二氧化碳气体从高压二氧化碳供给30前进通过调节器32，通过进气流管线54并通过传感器60进入容器40中。进气孔52被设置在进气流管线54内以通过0.004至0.022的系数减慢二氧化碳气体的流速。传感器60测量进气流管线54内的二氧化碳气体的压力，其接近容器40内的压力。CPU20连同传感器60和进气阀50一起工作以创建闭环系统，其中所述传感器60与CPU20通信以提供在进气流管线54中的压力测量。基于所选择的碳酸化水平，CPU20继续保持进气阀50打开，直到传感器60显示所选的碳酸化水平的预定压力。一旦传感器60显示选定的碳酸化水平的预先设定的压力水平，CPU20发送信号关闭进气阀50。由于容器40内的液体46被搅拌，二氧化碳气体被液体46吸收。因为碳酸化气体被液体吸收，容器40内的压力下降。当压力达到一定的下限时，传感器60向CPU20记录该测量，CPU20反过来开启进气阀50以提高容器40内的压力，直到为所选的碳酸化水平获得预定压力为止。该过程继续直到在容器40中的液体46稳定在所需的碳酸化水平。在那个时候，CPU20操作成关闭进气阀50并且停止运行搅拌机构80。打开排气阀70，使得容器内的压力达到环境压力。出气流管线72内有排气孔76，其降低了离开容器40的气体流速，从而防止液体46起泡进入出气流管线72。
虽然已经详细描述了本发明的实施方案，但是本领域技术人员可对其各种修改和其它实施方案进行设计而不脱离如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。

Claims (25)

1.用于形成碳酸饮料的方法，其步骤包括：
接收用户所选的碳酸化水平；
接收容纳有将被碳酸化的液体的容器；
使用CPU、阀和传感器，将预定水平的加压二氧化碳引入到所述容器中，其中，所述预定水平的加压二氧化碳流经孔口以控制加压二氧化碳的流速，
搅动所述容器；和
在搅动所述容器时，使用所述CPU、阀和传感器来保持所述预定水平的加压二氧化碳在所述容器中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，搅动所述容器的步骤以对应于用户所选的碳酸化水平的预定时间来完成。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括接收用户所选的饮料的规模的步骤。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，搅动所述容器的步骤以对应于用户所选的饮料规模的预定时间量来完成。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，使用由所述CPU控制的马达来完成搅动所述容器的步骤。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，搅动所述容器的步骤还包括以下步骤：使用马达驱动所述容器到达最高向上位置并然后驱动所述容器到达最低向下位置。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，当所述容器改变方向时，至少3G的力作用在所述容器中的液体上。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：在完成搅动所述容器的步骤后，释放二氧化碳通过出口管内的孔口。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括以下步骤：释放二氧化碳通过逸出出口。
10.用于批量形成碳酸饮料的方法，包括如下步骤：
提供搅拌机构；
提供容器和盖，其中，所述容器和/或盖中的一个具有进气流管线和出气流管线；
将液体饮料引入容器中；
将所述容器锁定到所述搅拌机构；
选择碳酸化水平；
打开阀以使二氧化碳开始流入所述容器中，并利用所述搅拌机构搅拌所述容器中的液体饮料；
利用孔口来减缓二氧化碳的流速，监测所述容器内的压力；
根据所述容器中的压力调节进气阀到打开或关闭位置，以获得液体饮料的所选择的碳酸化水平；和
在获得所需的碳酸化水平后，停止二氧化碳流入到容器并停止搅拌机构。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述孔口具有小于或等于0.05英寸的开孔直径。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述孔口具有小于或等于0.03英寸的开孔直径。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述孔口具有的流量系数为0.004至0.022。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述CPU具有来自传感器的预定测量值，所述预定测量值对应所述容器内的液体的不同碳酸化水平，由此根据所述预定测量值，所述CPU发出信号来关闭所述阀。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，选择的碳酸化水平为低、中等或高。
16.根据权利要求15所述的方法，其中选择的水平为低碳酸化水平，所述CPU、传感器和阀操作为保持所述容器内的压力为10至40PSI之间。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，选择的水平为低碳酸化水平，所述CPU、传感器和阀操作为保持所述容器内的压力至大约35PSI。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，选择的水平为中等碳酸化水平，所述CPU、传感器和阀操作为保持所述容器内的压力为55至80PSI之间。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，选择的水平为中等碳酸化水平，所述CPU、传感器和阀操作为保持所述容器内的压力至大约75PSI。
20.根据权利要求15所述的方法，其中，选择的水平为高碳酸化水平，所述CPU、传感器和阀操作为保持所述容器内的压力为50至90PSI之间。
21.根据权利要求18所述的方法，其中，选择的水平为高碳酸化水平，所述CPU、传感器和阀操作为保持所述容器内的压力至大约90PSI。
22.根据权利要求1所述的方法，还包括从所述容器中泄放压力的步骤。
23.根据权利要求22所述的方法，包括以下进一步的步骤：利用孔口来减缓排出所述容器的二氧化碳的速率至防止所述容器内的液体起泡的水平。
24.根据权利要求1所述的方法，其中，所述搅拌机构对所述容器提供3G至6G的力。
25.根据权利要求1所述的方法，其中，所述搅拌机构对所述容器提供大约6G的力。
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