CN108236059A - 碳酸水合成装置及碳酸水制备系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳酸水合成装置及碳酸水制备系统。该碳酸水合成装置包括：装置外壳，所述装置外壳内形成一搅拌腔室；桨叶结构，所述桨叶结构收容在所述搅拌腔室内，绕旋转轴旋转；一个或者多个碰撞界面；输入接口，所述输入接口设置在所述装置外壳上，位于所述桨叶结构的下方，与所述搅拌腔室连通，用于输入水和二氧化碳以及，输出接口，所述输出接口设置在所述装置外壳上，位于所述桨叶结构的上方，与所述搅拌腔室连通，用于输出具有预定浓度的碳酸水。该装置在制备过程中不会产生滞留的碳酸水，维护工作量较低，而且具有较大的水气压力适用范围。

Description

碳酸水合成装置及碳酸水制备系统

【技术领域】

本发明涉及碳酸水制备技术领域，尤其涉及一种碳酸水合成装置及碳酸水制备系统。

【背景技术】

碳酸水是现有一种常见并且深受欢迎的饮料，其主要通过将大量的二氧化碳溶解在水中制得。碳酸水也可以作为基础，添加一种或者多种其它的原料以制成不同的碳酸型饮料，例如可口可乐、雪碧。

为了保证碳酸水或者碳酸饮料在饮用时的口感，需要二氧化碳的溶解度通常需要达到3.0-4.0V/V之间。但在常温常压下(25摄氏度、一个标准大气压)，二氧化碳在水中的饱和溶解度仅仅为0.759V/V。

因此，需要通过一系列的设备装置来获得二氧化碳溶解度较高的碳酸水。现有两种不同的碳酸水制造策略，一种是使用压力罐混合的方式，另一种是通过管道即时静态混合。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：现有使用压力罐混合制造碳酸水的方式需要复杂的气压和水压控制系统来保证系统的运行。而且，罐体内的水不流动，在水体变质时，清理维护工作较为繁琐。

而管道即时静态混合的方式中对于水压和气压的适用范围较窄，超出适用范围以后，两者之间会比例失衡，造成接触面积下降而使得二氧化碳溶解度降低。

【发明内容】

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种维护工作较少，水压气压适用范围较广的碳酸水合成装置及碳酸水制备系统。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供以下技术方案：一种碳酸水合成装置。

该碳酸水合成装置包括：装置外壳，所述装置外壳内形成一搅拌腔室；桨叶结构，所述桨叶结构收容在所述搅拌腔室内，绕旋转轴旋转；一个或者多个碰撞界面；输入接口，所述输入接口设置在所述装置外壳上，位于所述桨叶结构的下方，与所述搅拌腔室连通，用于输入水和二氧化碳以及，输出接口，所述输出接口设置在所述装置外壳上，位于所述桨叶结构的上方，与所述搅拌腔室连通，用于输出具有预定浓度的碳酸水。

为解决上述技术问题，本发明另一实施例提供以下技术方案：一种碳酸水合成装置。

所述碳酸水合成装置包括：装置外壳，所述装置外壳内形成一搅拌腔室；桨叶结构，所述桨叶结构收容在所述搅拌腔室内，绕旋转轴旋转；一个或者多个碰撞界面，所述碰撞界面分布在所述搅拌腔室内；水输入接口，所述水输入接口设置在所述装置外壳上，位于所述桨叶结构的下方，与所述搅拌腔室连通，用于输入水；二氧化碳输入接口，所述二氧化碳输入接口设置在所述水输入接口的对侧，与所述搅拌腔室连通，用于输入二氧化碳；输出接口，所述输出接口设置在所述装置外壳上，位于所述桨叶结构的上方，与所述搅拌腔室连通，用于输出具有预定浓度的碳酸水。

为解决上述技术问题，本发明又一实施例提供以下技术方案：一种碳酸水制备系统。

所述碳酸水制备系统包括：一个或多个如上所述的碳酸水合成装置、供水源、气源、三通连接器以及连接管道；所述三通连接器包括相互连通的第一管道接口、第二管道接口以及第三管道接口；所述供水源与所述气源分别与所述三通连接器的第一管道接口和第二管道接口连接；所述第三管道接口与所述碳酸水合成装置的输入口连接；所述碳酸水合成装置之间依次通过所述连接管道级联串接。

为解决上述技术问题，本发明再一实施例提供以下技术方案：一种碳酸水制备系统。

所述碳酸水制备系统包括：至少一个如上所述的碳酸水合成装置、供水源、气源以及连接管道；所述供水源与所述气源分别与所述碳酸水合成装置的水输入接口和二氧化碳输入接口连接；所述碳酸水合成装置之间依次通过所述连接管道级联串接。

本发明实施例的碳酸水合成装置通过可旋转的桨叶结构将水与二氧化碳在搅拌腔室内进行分割搅拌，避免出现水气分层的现象。并且，与碰撞界面相配合，令水与二氧化碳在碰撞后获得较大的水气压力，使二氧化碳能够在水中溶解。

通过可旋转的桨叶结构进行搅拌的方式，具有较大的水气压力适用范围，不需要两者的之间压力精确匹配。同时，制备过程中不会产生滞留的碳酸水，也不需要复杂的气压和水压控制系统，维护工作量较低。

【附图说明】

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1为二氧化碳在不同温度下的溶解度；

图2为二氧化碳在不同温度和压强下的溶解度；

图3为本发明实施例提供的碳酸水合成装置的结构框图；

图4为本发明实施例提供的桨叶结构的结构示意图；

图5为本发明另一实施例提供的桨叶结构的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的碳酸水合成装置的结构示意图；

图7为本发明另一实施例提供的碳酸水合成装置的结构示意图；

图8为图7所示的碳酸水合成装置的俯视图；

图9为本发明又一实施例提供的碳酸水合成装置的结构示意图；

图10为本发明实施例提供的碳酸水制备系统的结构示意图；

图11为图10所示的碳酸水制备系统的制备方法的方法流程图。

【具体实施方式】

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“上”、“下”、“内”、“外”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

此外，下面所描述的本发明不同实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

二氧化碳能够溶解于水中，与水反应生成碳酸。但是碳酸是一种不稳定的物质，其生成过程是可逆的化学反应过程，反应平衡受多种物理化学因素的影响。其中，图1为在一个标准大气压下，二氧化碳在不同温度的水中的溶解度。图2为二氧化碳在不同压强下，在水中的溶解度。如图1和图2所示，随着水的温度的下降和压强的不断增大，二氧化碳的溶解度也相应的上升。另外，水与二氧化碳的接触面积也会影响二氧化碳在水中的溶解度，更多的接触面积有利于二氧化碳在水中的溶解。

总结而言，二氧化碳在水中的溶解度(即生成碳酸的量)主要取决于如下三个因素：1、水的温度；2、水气压力；3、水与二氧化碳的接触面积。

为了制备碳酸含量较高的碳酸水(相应的口感较好)，通常会使用特定的设备或者方法，针对上述三种因素来提高二氧化碳在水中的溶解度。

在高压罐混合方式中，是通过如下方式来提升二氧化碳的溶解度的：首先在压力罐内充入二氧化碳气体至气体压力为4.5kg/cm²，提供一个高压环境。然后，以高压通过雾化喷头喷入冷水，通过水雾的方式令水与二氧化碳充分接触，提高水与二氧化碳之间的接触面积。最后，喷入的是温度较低的冷水，使其具有更高的溶解度。

但是，采用上述方式需要使用耐高压的罐体、复杂的压力控制系统，设备维护成本较高。而且在压力罐持续出水过程中，碳酸水中的二氧化碳含量会不断下降，无法保持一致的质量。另外，为了具有较高的存水量，罐体的体积较大，需要存储较多的碳酸水。在长时间不用时，清理内部变质的碳酸水的工作比较繁琐。

若采用管道即时静态混合的方式，则可以通过连续流动的方式来制造碳酸水，避免了高压罐混合方式中维护工作繁琐等一系列问题。

管道即时静态混合的方法具体为：首先将冷水和二氧化碳分别加压到所需的高压(如4.5kg/cm²)。然后，同时注入一个装有静态混合管芯的管道内，冷水和二氧化碳在通过静态混合管芯的过程中被多次分割、融合和撞击后，通过撞击产生的较大的水气压力和打散水和二氧化碳(提高两者的接触面积)，使更多的二氧化碳溶解到水中。

但是这样的方式限制了冷水和二氧化碳之间的压力适用范围，对于气压和水压的要求较高。在超出压力适用范围时，会导致水气通过管道的比例不匹配而使接触面积迅速减小。

为克服管道即时静态混合方法的缺陷，本发明实施例提供的碳酸水合成装置，通过可旋转的桨叶结构来提高水气压力和接触面积。这样的方式在较宽的压力适用范围中均能保持稳定工作，从而低成本并且持续性的产出具有良好口感的碳酸水。

图3为本发明实施例提供的碳酸水合成装置的功能框图。如图3所示，该碳酸水合成装置包括：用于输入二氧化碳的二氧化碳输入接口10、用于输入水的水输入接口20以及装置主体30。

二氧化碳输入接口10与装置主体30连接，作为气体入口，向装置主体30输入二氧化碳。该二氧化碳输入接口10是一个连接接口，其可以根据实际情况，采用与二氧化碳气源相适配的连接结构。

在一些实施例中，二氧化碳输入接口10还可以设置有一个或者多个控制阀门(例如开关阀门、流速阀门)，用于控制输入至装置主体30内的二氧化碳流量或者气体压力。

水输入接口20也与装置主体30连接，作为液体入口，向装置主体30输入水。与二氧化碳输入接口10相类似的，水输入接口20也是一个连接接口，与供水设备的出水端密封连接。

在一些实施例中，水输入接口20也可以设置有一个或者多个用于控制流速、流量和/或压力的控制阀门。通过控制阀门调节水的流量或者压力，使其能够与二氧化碳的流量或者气体压力相匹配。

装置主体30内包括桨叶结构32、碰撞界面34以及输出接口36。桨叶结构32通过旋转搅拌的方式混合输入的二氧化碳和水，破坏水气分层的状态从而提升二氧化碳与水之间的接触面积和接触时间。碰撞界面34提供坚硬的撞击面，将动量转换为巨大的水气压力。而经过搅拌混合后，最终生成的碳酸水从装置主体30的输出接口36输出。

其中，桨叶结构32是一个绕旋转轴旋转的活动式转动机构，用于实现流动工质的动能与机械能之间相互转换的换能单元。旋转的桨叶结构32可以带动、分割输入到装置主体30的水和二氧化碳，从而破坏因密度差异形成的水气分层(即起到搅拌的作用)。

桨叶结构可以是主动式的转动机构，也可以是被动式的转动机构。在采用主动式的转动机构时，桨叶被相应的动力机构带动旋转，可以增加水和二氧化碳的动能。在采用被动式的转动机构时，桨叶由水和二氧化碳的混合物带动旋转。这样的，需要输入的水或二氧化碳具有较大的动能(例如较大的压力或者流速)，但可以减省用于驱动桨叶的动力机构。

图4为本发明实施例提供的一种桨叶结构的实施例示意图。如图4所示，该桨叶结构32为涡轮。涡轮绕旋转轴3201转动，涡轮上设置有若干个沿轴向方向伸展的叶片3202。该叶片3202在旋转轴3201所在的平面上的投影为直线。

水和/或二氧化碳从叶片3202的侧面射入，作为流动的工质冲击叶片带动涡轮绕旋转轴3201旋转。通过涡轮的旋转将水与二氧化碳混合并依照涡轮的叶片角度等分。

具体的，水输入接口20和二氧化碳输入接口10可以分别设置在装置主体30的两侧，与水泵和气体阀连接，将水和二氧化碳分别注入到搅拌腔室内。

在另一些实施例中，水输入接口20和二氧化碳输入接口10也可以简化为一个输入接口。水和二氧化碳首先在三通管或者类似的混合容器中混合，然后以水气混合物的方式，通过输入接口注入到搅拌腔室内。

更具体的，涡轮采用的叶片3202也可以具有多种不同的类型。图5为本发明实施例提供的另一种涡轮的实施例示意图。如图5所示，涡轮的叶片323可以采用螺旋形的结构，在旋转轴3201所在的平面上的投影为S型曲线。这样的，水和二氧化碳可以从叶片3202的底端输入，冲击叶片3202以带动涡轮绕旋转轴3201旋转。

在另一些实施例中，该桨叶结构还可以包括多个不同的涡轮。例如，可以将图4和图5所示的两种叶片形状不同的涡轮同轴串联使用。当采用两个涡轮时，由于涡轮的位置和曲面的形状不同。因此，在水气混合物的驱动下，会产生不同的转速差从而在涡轮之间产生紊流，加剧水与二氧化碳之间的高速搅拌，令更多的二氧化碳溶解到水中。

在本实施例中公开的涡轮为被动式涡轮，在高压的二氧化碳和水的冲击而带动旋转。被动式涡轮的设计可以节省相应的传动机构以及动力机构。在另一些实施例中，涡轮也可以为主动式涡轮，在动力机构(如电机)的带动下旋转。在这样的情况下，可以为二氧化碳和水提供动能以降低二氧化碳和水在注入搅拌腔室时所需要的压力。

碰撞界面34是由装置主体30内部的凸起或者侧壁等形成的撞击表面。该撞击表面可以具有任何合适的表面形状，例如圆弧表面、直线表面、尖锐的锐角等。

在装置主体30内的二氧化碳和水均具有一定的速度。当二氧化碳和水冲击到碰撞界面34以后，由于速度的瞬时变化(降低到0)，二氧化碳和水的动量使其将获得较大的水气压力，从而令二氧化碳溶解到水中。

具体的，该碰撞界面34具体可以是由设置在装置主体30内侧壁上的若干个侧壁筋条，这些凸起的筋条能够提供坚硬而且尖锐的表面，产生较大的水气压力并且将水气混合物打散为微小颗粒反弹。

碰撞界面34还可以是设置在叶片顶边上的叶片筋条。串联涡轮之间的转速差或者侧壁的反弹将驱动气水混合物撞击所述设置在涡轮叶片上的叶片筋条，产生与侧壁筋条相同的作用效果。

通过本实施例设置的桨叶结构和碰撞界面，可以使二氧化碳和水具有足够的接触面积，并且能够形成较大的水气压力，使得二氧化碳在水中的溶解度较高。

在一些实施例中，为了在搅拌腔室内保持一个较高的压力，保证水与二氧化碳具有足够的动量，该输出接口36可以设置为具有节流作用的节流口。该节流口具体可以是具有任何合适形状，口径稍窄的出口。

本领域技术人员可以根据实际需要，将上述实施例揭露的结构进行组合、调整或者合理变换以后，获得用于搅拌混合二氧化碳和水的碳酸水合成装置。以下结合附图详细陈述该碳酸水合成装置可行的具体结构。

应当说明的是，这些具体结构仅用于示例性的说明二氧化碳与水在碳酸水合成装置内的混合过程，而不用于限制本发明碳酸水合成装置的具体结构。为陈述简便，本领域技术人员根据实际情况的需要和本发明实施例揭露的水气混合原理，对碳酸水合成装置的具体结构进行合理的变换或者调整获得碳酸水合成装置的技术方案并未穷举。

图6为本发明实施例提供的碳酸水合成装置的结构示意图。如图6所示，该碳酸水合成装置包括：装置外壳31以及容置在外壳内的桨叶结构32。

其中，装置外壳由上盖311和下盖312组成。下盖312具有用于容纳桨叶结构32的第一容纳腔3121、输入接口3122以及侧壁筋条3124。

输入接口3122设置在下盖312的一侧，连通第一容纳腔3121与外界，作为输入接口。侧壁筋条3124设置有若干个(例如6个或者更多)，均布布置在第一容纳腔的内侧壁上。桨叶结构32的旋转轴3201则设置在第一容纳腔的中心轴线上。

上盖311也具有用于容纳桨叶结构32的第二容纳腔3111。该第二容纳腔为逐渐变窄的锥形结构。锥形结构的顶端形成用于输出混合后的碳酸水的节流口36。

上盖311与下盖312相对的接合面上设置有相配合凹槽3113与台阶面3123，用于装配限位。上盖311与下盖312之间为密封连接，具有良好的气密性，配合形成搅拌腔室33。

桨叶结构32由同轴设置的上涡轮321和下涡轮322组成。上涡轮321和下涡轮322具有相同的旋转轴3201，两者之间不存在物理连接，可独立转动。

其中，下涡轮322收容在下盖312的第一容纳腔内，通过旋转轴3201固定在第一容纳腔中心。下涡轮322包括若干个均匀设置的直叶片3222以及叶片筋条3224。

直叶片3222在旋转轴方向上的投影为直线，由流动工质以径向推动涡轮旋转。例如，直叶片3222可以为垂直设置的板状叶片。叶片筋条3224由叶片3222的顶部向上延伸形成，可以与叶片3222一体成型设置。

上涡轮321收容在上盖311的第二容纳腔内，设置在下涡轮322的上方。上涡轮321上均匀设置有多个叶片螺旋叶片3212。该螺旋叶片3212成螺旋形，在旋转轴方向上的投影为曲线，流动工质以轴向推动涡轮旋转。

首先，在水气混合过程中，二氧化碳和水分别从各自入口进入。在混合容器混合后，以水气混合物的方式从输入接口3122射入到搅拌腔室内。

从输入接口3122射入的水气混合物具有预定的高压(或流速)，沿切线方向冲击下涡轮的叶片侧面。在高速的水气混合物的冲击下，下涡轮322开始高速旋转，使得水气混合物按照下涡轮的叶片分布角度等分，破坏水气分层，以增大接触表面积和接触时间。

另外，被等分搅拌后的水气混合物在离心力作用下沿径向方向从下涡轮322甩出，以较高的速度撞击位于下盖内侧壁的侧壁筋条3124。由于撞击时，速度在瞬间发生了巨大变化，会在局部产生较大的水气压力令二氧化碳溶解到水中。

在水气混合物撞击侧壁筋条3124以后，水气混合物还会被打散为许多微小的颗粒并反弹至下涡轮的旋转中心。这些微小水颗粒和二氧化碳能够实现充分的接触，进一步的提高二氧化碳在水中的溶解度。当然，反弹的微小颗粒还可能进一步的被甩出并与侧壁筋条3124发生多次碰撞，加强水气之间的相互撞击混合。

然后，由于水气混合物的持续输入，经过下涡轮322搅拌融合以后的水气混合物将朝节流口36的方向移动。在这一过程中，这些水气混合物将冲击上涡轮321的叶片底部，带动上涡轮321旋转，从而再次将水气混合物按照上涡轮的叶片形状等分，均衡水气混合比例。

另外，由于上涡轮和下涡轮的叶片形状(分别以径向和轴向推动旋转)和位置不同。因此，上涡轮与下涡轮之间将产生一定的转速差。这个转速差会令水气混合物撞击设置在下涡轮叶片上的叶片筋条3224，产生与上述侧壁筋条3124相类似的效果，加强撞击混合的力度，令二氧化碳能够更多的溶解到水中，提高二氧化碳的溶解度。

最后，混合形成的水气混合物从节流口36输出，作为碳酸水提供给用户。

图7为本发明另一实施例提供的碳酸水合成装置的结构示意图。如图7所示，该碳酸水合成装置包括：装置外壳31以及容置在外壳内的桨叶结构32。

其中，装置外壳31由一体成型的上盖311和下盖312组成。下盖312具有用于容纳桨叶结构32的第一容纳腔3121、二氧化碳输入接口3122、水输入接口3123以及侧壁筋条3124。

二氧化碳输入接口3121和水输入接口3122分别设置在下盖312的两侧，与第一容纳腔连通。为保证能够顺利的带动桨叶结构32旋转，二氧化碳入口3121和水入口3122错开设置，不设置于同一直线上，例如，如图8所示，垂直于下盖312的直径方向设置在下盖312的两端。

该侧壁筋条3124设置为若干个，在第一容纳腔3121的内侧壁均匀布置。桨叶结构32的旋转轴3201则设置在容纳腔的中心轴线上。

上盖311包括用于容纳桨叶结构32的第二容纳腔以及节流口36。该第二容纳腔为逐渐变窄的锥形结构。节流口36设置在锥形结构的顶部，用于输出混合后的碳酸水。

桨叶结构32由同轴设置的上涡轮321和下涡轮322组成。上涡轮321和下涡轮322之间具有相同的旋转轴3201，两者之间可独立转动。

其中，下涡轮322收容在下盖312的第一容纳腔内，通过旋转轴3201固定在容纳腔的中心轴线位置。下涡轮322包括若干个均匀设置的直叶片3222以及叶片筋条3221。

直叶片3222在旋转轴3201方向上的投影为直线，令流动工质以径向推动涡轮旋转。例如，叶片3222可以为垂直设置的板状叶片。叶片筋条3221由叶片3222的顶部向上延伸形成，可以与叶片3222一体成型设置。

上涡轮321被收容于上盖311的第二容纳腔内，设置在下涡轮322的上方。上涡轮321上均匀设置有多个叶片螺旋叶片3212。该螺旋叶片3212成螺旋形，在旋转轴方向上的投影为曲线，令流动工质以轴向推动涡轮旋转。

在水气混合过程中，首先，由具有预定的高压(或流速)的二氧化碳和水分别从两侧输入，沿切线方向冲击下涡轮322的叶片侧面。在高速的二氧化碳和水的冲击下，下涡轮322开始高速旋转，将水和二氧化碳按照下涡轮的叶片分布角度等分并混合。

另外，被等分混合搅拌后的水气混合物在离心力作用下沿径向方向从涡轮甩出，以较高的速度撞击位于下盖内侧壁的侧壁筋条3124。由于撞击时，速度在瞬间发生了巨大变化，会在局部产生较大的水气压力令二氧化碳溶解到水中。

在撞击筋条以后，水气混合物还会被打散为许多微小的颗粒并反弹至下涡轮的旋转中心。这些微小水颗粒和二氧化碳能够实现充分的接触，进一步的提高二氧化碳在水中的溶解度。当然，反弹的微小颗粒还可能进一步的被甩出并与筋条发生多次碰撞，加强水气之间的相互撞击混合。

然后，由于水气混合物的持续输入，经过下涡轮搅拌融合以后的水气混合物将朝节流口36的方向移动。在这一过程中，这些水气混合物将冲击上涡轮的叶片底部，带动上涡轮旋转，从而再次将水气混合物按照上涡轮的叶片形状等分，均衡水气混合比例。

另外，由于上涡轮321和下涡轮322的叶片形状和位置存在区别。因此，上涡轮321与下涡轮322之间将产生一定的转速差。这个转速差会令水气混合物撞击设置在下涡轮叶片上的叶片筋条3124，产生与上述筋条相类似的效果，加强撞击混合的力度，令二氧化碳能够更多的溶解到水中，提高二氧化碳的溶解度。

最后，经过混合后的二氧化碳和水从节流口36输出，作为碳酸水提供给用户使用。

图9为本发明又一实施例提供的碳酸水合成装置的结构示意图。如图9所示，该碳酸水合成装置包括：装置外壳31以及容置在外壳内的桨叶结构32。

其中，装置外壳31由上盖311和下盖312组成。下盖312包括第一容纳腔3121以及输入接口3122。输入接口3122设置在下盖312的一侧，连通第一容纳腔3121与外界。第一容纳腔3121的内侧壁均匀的布置有若干侧壁筋条3124。桨叶结构32的旋转轴3201则设置在容纳腔的中心。

上盖311包括第二容纳腔3111以及节流口36。该容纳腔3111为逐渐变窄的锥形结构。节流口36设置在锥形结构的顶端，用于输出混合后的碳酸水。

上盖311与下盖312的第一容纳腔与第二容纳腔形成用于容纳桨叶结构的容纳空间。上盖311与下盖312之间为密封连接，具有良好的气密性，配合形成一搅拌腔室。

桨叶结构为涡轮322。涡轮322的旋转轴3201设置在容纳腔中心，沿该旋转轴3201高速旋转。

涡轮322包括若干个均匀设置的直叶片3222以及叶片筋条3224。其中，直叶片3222在旋转轴方向上的投影为直线，令流动工质以径向推动涡轮旋转。例如，叶片3222可以为垂直设置的板状叶片。

叶片筋条3224由叶片3222的顶部向上延伸形成，可以与叶片3222一体成型设置。

在水气混合过程中，二氧化碳和水分别从各自入口进入。在混合容器混合后，以水气混合物的方式从输入接口3122射入到搅拌装置30内。

首先，输入的水气混合物具有预定的高压(或流速)，沿切线方向冲击下涡轮的叶片侧面。在高速的水气混合物的冲击下，涡轮开始高速旋转，使得水气混合物按照涡轮的叶片分布角度等分，破坏水气分层，增大接触表面积和接触时间。

另外，被等分搅拌后的水气混合物在离心力作用下沿径向方向从涡轮甩出，以较高的速度撞击位于下盖内侧壁的筋条。由于撞击时，速度在瞬间发生了巨大变化，会在局部产生较大的压强从而令二氧化碳更多的溶解到水中。

在撞击筋条以后，水气混合物还会被打散为许多微小的颗粒并反弹至下涡轮的旋转中心。这些微小水颗粒和二氧化碳能够实现充分的接触，进一步的提高二氧化碳在水中的溶解度。当然，反弹的微小颗粒还可能进一步的被甩出并与筋条发生多次碰撞，加强水气之间的相互撞击混合。

然后，由于水气混合物的持续输入，经过下涡轮搅拌融合以后的水气混合物将朝节流口36的方向移动。由于节流口36的作用，水气混合物将会有部分紊流回流撞击设置在下涡轮叶片上的叶片筋条，产生与上述侧壁筋条相类似的效果，加强撞击混合的力度，令二氧化碳能够更多的溶解到水中，提高二氧化碳的溶解度。最后，经过混合以后的碳酸水从节流口36输出。

本发明实施例提供的碳酸水合成装置利用涡轮的旋转，将水气混合物按照涡轮的叶片布置角度平分，可以避免了水气分层的现象，增加接触面积和接触时间。并且，涡轮的离心力可以驱动水气混合物一次或者多次的撞击筋条，提高了二氧化碳在水中的溶解度。

基于本发明实施例提供的碳酸水合成装置，可以添加一个或者多个设备单元组成完整的碳酸水制备系统，例如可以在所述碳酸水生成装置的输出接口后与内部设置有X型分割块的静态混合管连接，提高二氧化碳的溶解度，或者分别为水输入接口和二氧化碳输入接口连接水泵和单向阀，控制输入的水和二氧化碳的压力，用以高效的制备口感良好的碳酸水。

图10为本发明实施例提供的碳酸水制备系统的结构示意图。如图10所示，该碳酸水制备系统包括：供水源101、气源102、三通连接器103、混合系统104、节流阀105以及连通管道106。

供水源101是用于为系统提供预定流速和压力的水的设备。其具体可以是水泵或者自来水管道等，能够以一定的压力和流速持续的供水即可。

气源102是用于为系统提供预定压力的二氧化碳的设备。其具体可以是设置有减压阀的二氧化碳气瓶或者气罐，通过降压阀调节到预定压力以后，持续的向系统供给二氧化碳。

三通连接器103是一个提供有三个相互连通的管道接口的连接部件。其中的两个管道接口作为输入端，分别与气源和供水源连接，输入二氧化碳以及水。另一个管道接口作为输出口，输出水气混合物。

混合系统104由如上实施例的一个或者多个碳酸水合成装置级联串接组成。混合系统具有一个原料输入端和碳酸水输出端。其中，原料输入端与三通连接器的输出口连接，碳酸水输出端输出经过搅拌融合后获得的碳酸水。

具体的，级联串接的碳酸水合成装置的数量可以根据实际情况所设定，例如两个，或者更多。增加更多数量的碳酸水合成装置有利于提高二氧化碳在水中的溶解度。

节流阀105与混合系统104的碳酸水输出端连接，用于调整和控制碳酸水的输出流量。节流阀具体可以采用任何类型的调整式阀门以控制碳酸水的输出流量。

连通管道106是用于连接不上述同设备单元的密封管道，连通管道可以采用任何类型连接结构与各个设备单元的接口连接，例如快速接头、法兰盘连接或者卡箍连接。连通管道具体可以是任何类型，满足承压和使用要求的材质，例如PU塑料或者不锈钢。

本领域技术人员也可以根据实际需要，减省或者添加上述碳酸水制备系统中的一个或者多个设备单元。例如，使用具有两个输入接口(即二氧化碳输入接口和水输入接口)的碳酸水合成装置作为混合系统的第一级碳酸水合成装置，使得混合系统具有两个不同的原料输入端，从而减省三通连接器，可以直接将气源和水源分别从不同的原料输入端连接。

以下详细描述应用本发明实施例提供的碳酸水制备系统制备碳酸水的过程。如图11所示，该制备方法包括：

S111、调整供水源，使其输出压力为3.5-5kg/cm²，温度为3摄氏度的冷水。

S112、通过减压阀，从二氧化碳气瓶内输出二氧化碳。二氧化碳的输出压力为3.5-5kg/cm²。

S113、水和二氧化碳在流过混合系统的过程中被充分的混合，使二氧化碳溶解在水中，生成碳酸水。

在本实施例中，混合系统内包括两级碳酸水合成装置。在另一些实施例中，还可以根据实际需要，调整混合系统内级联串接的碳酸水合成装置的数量。

S114、持续从混合系统的输出接口输出碳酸水。

S115、通过节流阀控制调整碳酸水的输出流量。在本实施例中，最终生成的碳酸水浓度可以达到3.5-3.6V/V。

本发明实施例提供的碳酸水制备系统不需要采用复杂的水位、气压控制电路和高耐压的存储罐，也不需要消耗额外能源(涡轮转动水泵压力和二氧化碳气压来驱动)，可以低成本的产生高浓度的碳酸水。

另外，在混合系统中采用的是涡轮动态搅拌冲击的方式，能有更宽的气压和水压适应范围，减少日常维护，使用的场景更广泛。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (15)

1.一种碳酸水合成装置，其特征在于，包括：

装置外壳，所述装置外壳内形成一搅拌腔室；

桨叶结构，所述桨叶结构收容在所述搅拌腔室内，绕旋转轴旋转；

一个或者多个碰撞界面，所述碰撞界面分布在所述搅拌腔室内；

输入接口，所述输入接口设置在所述装置外壳上，位于所述桨叶结构的下方，与所述搅拌腔室连通，用于输入水和二氧化碳；

输出接口，所述输出接口设置在所述装置外壳上，位于所述桨叶结构的上方，与所述搅拌腔室连通，用于输出具有预定浓度的碳酸水。

2.一种碳酸水合成装置，其特征在于，包括：

装置外壳，所述装置外壳内形成一搅拌腔室；

桨叶结构，所述桨叶结构收容在所述搅拌腔室内，绕旋转轴旋转；

一个或者多个碰撞界面，所述碰撞界面分布在所述搅拌腔室内；

水输入接口，所述水输入接口设置在所述装置外壳上，位于所述桨叶结构的下方，与所述搅拌腔室连通，用于输入水；

二氧化碳输入接口，所述二氧化碳输入接口设置在所述水输入接口的对侧，与所述搅拌腔室连通，用于输入二氧化碳；

输出接口，所述输出接口设置在所述装置外壳上，位于所述桨叶结构的上方，与所述搅拌腔室连通，用于输出具有预定浓度的碳酸水。

3.根据权利要求1或2所述的碳酸水合成装置，其特征在于，所述桨叶结构包括下涡轮；所述下涡轮上均匀分布有若干叶片；所述涡轮绕所述旋转轴旋转以搅拌流经所述叶片的水和二氧化碳。

4.根据权利要求3所述的碳酸水合成装置，其特征在于，所述下涡轮还包括叶片筋条；所述叶片筋条设置在所述叶片与所述输出接口相对的顶边上。

5.根据权利要求3所述的碳酸水合成装置，其特征在于，所述桨叶结构还包括设置在所述下涡轮上方的上涡轮；所述上涡轮与所述下涡轮的叶片形状不相同，所述上涡轮与所述下涡轮之间相互独立转动。

6.根据权利要求5所述的碳酸水合成装置，其特征在于，所述下涡轮的叶片为在旋转轴方向上的投影为直线的直叶片；所述上涡轮的叶片为在旋转轴方向上的投影为曲线的螺旋叶片；所述输出接口位于所述上涡轮的上方。

7.根据权利要求1或2所述的碳酸水合成装置，其特征在于，所述装置外壳由密封连接的上盖和下盖组成；

所述下盖内部形成第一容纳腔，所述上盖内部形成第二容纳腔；所述第一容纳腔与所述第二容纳腔配合形成所述搅拌腔室；

所述下盖的侧壁上设置有若干个侧壁筋条，形成所述碰撞界面。

8.根据权利要求7所述的碳酸水合成装置，其特征在于，所述第一容纳腔圆柱形空腔，所述第二容纳腔为锥形空腔；所述第二容纳腔的锥形顶端为所述输出接口。

9.根据权利要求8所述的碳酸水合成装置，其特征在于，所述旋转轴与所述第一容纳腔的轴线重合，所述输出接口设置在所述轴线上。

10.根据权利要求1或2所述的碳酸水合成装置，其特征在于，所述输出接口为节流口。

11.根据权利要求1或2所述的碳酸水合成装置，其特征在于，还包括驱动装置；所述驱动装置与所述桨叶结构连接，用于驱动所述桨叶结构绕所述旋转轴旋转。

12.一种碳酸水制备系统，其特征在于，包括：一个或多个如权利要求1所述的碳酸水合成装置、供水源、气源、三通连接器以及连接管道；

所述三通连接器包括相互连通的第一管道接口、第二管道接口以及第三管道接口；

所述供水源与所述气源分别与所述三通连接器的第一管道接口和第二管道接口连接；所述第三管道接口与所述碳酸水合成装置的输入口连接；

所述多个碳酸水合成装置之间依次通过所述连接管道级联串接。

13.一种碳酸水制备系统，其特征在于，包括：至少一个如权利要求2所述的碳酸水合成装置、供水源、气源以及连接管道；

所述供水源与所述气源分别与所述碳酸水合成装置的水输入接口和二氧化碳输入接口连接；所述碳酸水合成装置之间依次通过所述连接管道级联串接。

14.根据权利要求12或13所述的碳酸水制备系统，其特征在于，还包括节流阀；所述节流阀与所述碳酸水合成装置的输出接口连接，用于调节碳酸水的输出流量。

15.根据权利要求12或13所述的碳酸水制备系统，其特征在于，所述碳酸水合成装置设置为两个。