CN115212739A - 通过静电充电进行水的即时在线碳酸化的方法和装置 - Google Patents

通过静电充电进行水的即时在线碳酸化的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种用于将经过加压和冷却的二氧化碳和水的混合进料流碳酸化的碳酸化装置。在碳酸化腔室中设置有第一料筒，第一料筒限定了与进料流流体连通的多孔微孔网、以及与碳酸化腔室的出料口流体连通的中心空腔。微孔网构造为使穿过该网的水分子链断裂，从而增强料筒内的水分子与二氧化碳分子间的键合。该网还响应于撞击并穿过该网的水和二氧化碳分子的料流而产生对水分子具有极化影响的无源极化场，从而进一步增强键合。可在料筒中设置珠粒以捕获并稳定二氧化碳分子，从而进一步增强水分子和二氧化碳分子间的键合。

Description

通过静电充电进行水的即时在线碳酸化的方法和装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年9月12日提交的美国临时专利申请No.62/393,604的优先权，在此引用了该专利申请的内容。
声明：联邦赞助的研究/开发
不适用
技术领域
本申请涉及用于增强饮用水和饮用饮料的碳酸化，从而得到碳酸水和碳酸饮用饮料(通过使碳酸水与糖浆混合)的方法和装置。碳酸水和其他碳酸饮品通常是通过使加压的冷水(H2O)和二氧化碳(CO2)在金属腔室中混合而形成；或者在一些情况中，是通过使加压的冷水和二氧化碳在分配终端即时在线混合而形成。
当在饮料生产设备中生产碳酸饮品时，将所得到的碳酸饮料分配在瓶子、罐或其他容器中以进行运输。一些饮料的碳酸化水平高于其他饮料。饮料之间的碳酸化水平不同。碳酸化水平可与消费者的口味相关。碳酸化水平也会受到使碳酸化在一段时间内保持为特定水平这一需求的影响。考虑到饮料中CO2的寿命，已知的是一些PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)容器(例如，容纳碳酸饮料的塑料瓶)会随着时间的推移而由容器壁释放二氧化碳，从而使饮料中的碳酸化保持时间大幅缩短。发生这种情况的原因是：最初碳酸饮料被保持在压力下；而一旦打开瓶子或罐，则由于在大气压和室温下二氧化碳气泡迅速从饮料中消散，使得碳酸化开始降低。对于使用即用型饮用机(point-of-use dispenser)(例如，苏打水机)，也会发生同样的情况，即用型饮用机结合了：在高压下将二氧化碳与冷水混合以产生高度碳酸水，以及在分配喷嘴(例如，后混合饮用机(post-mix dispenser))内将高度碳酸水与糖浆混合。
众所周知，在25℃和大气压下，二氧化碳气体在水中的溶解度是固定的。在这些边界条件下，水中仅一小部分的CO2以碳酸形式存在，而水中大部分的CO2并未转化为酸，而是保持为CO2(aq)，即，CO2(aq)未与水键合，因而可迅速从水中释放出来。为了提高CO2在水中的溶解量(在必须产生气泡水时)，食品和饮料行业开发了一种使用在低温下冷却并在高压下与气体混合的水的工艺。事实上，当在接近使水结冰的温度(0℃/32℉)下将水与二氧化碳混合时，可大幅提高保留在(冷)水中的二氧化碳(CO2 aq)的量。通过在使二氧化碳与加压(冷)水混合时提高二氧化碳的气压，是食品和饮料行业为了提高饮料的碳酸化水平而通常所采用的额外步骤。因此，当生产碳酸水时，液体以及气体这二者的低温(接近水结冰温度，0℃)和高压(高于400磅每平方英寸(psi))是当前在饮料生产设备以及即用型后混合饮料饮用机中所使用的解决方案。
在典型的碳酸饮料中，在分装饮料时会迅速形成气泡。在大气压和室温下，气(CO2)泡在水溶液中生长直至其迅速从饮料表面释放出去，从而在相对较短的时间内形成“跑气的”饮料。为了生产出适合在敞口的玻璃杯中饮用的高度碳酸水，需要使更大量的二氧化碳气体溶解于水中，并且需要避免这些气体迅速消散在大气中。
可以理解的是，水(H2O)分子和二氧化碳(CO2)分子之间的电学键是将一定量的二氧化碳(以碳酸形式)维持在水中的能力的重要因素。这种键有助于使气泡水在分装后的较长时期能够维持气泡水的碳酸化水平。遗憾的是，已知H2O和CO2分子之间的这种键合非常弱(即，水分子更倾向于彼此间键合，而非与二氧化碳分子键合)。总的来说，当化学反应(CO2/H2O键合)及其逆反应(CO2/H2O分离)以相同的速率发生时，则存在平衡条件。通常由水上的CO2(气体)分压来决定该平衡。
水分子和二氧化碳分子均为极化分子。如下所述，本发明涉及这样的方法和装置，该方法和装置除了使用常规(低)温度和(高)压力来进行碳酸化之外，还可使水分子的伸展链断裂，并且使水和二氧化碳的分子的自然极化也增加，从而增强了水(H2O)分子和二氧化碳(CO2)分子之间的键合。这制得了碳酸化水平更高的碳酸水，这种碳酸水能够在更长的时间内维持其碳酸化水平。
增强水和二氧化碳的分子的极化性质可使分子更易于取向从而进行更强的键合，尤其是与提供基底以在其上捕获分子(尤其是二氧化碳分子)从而促进键合活性加以组合时更是如此。由此可使水溶液碳酸化至更高水平，并在分装之后的较长时期维持上述提高的的碳酸化水平。
通过静电充电并使水分子的极化取向，并且在更小的程度上使二氧化碳分子的极化取向，可在这两种分子间产生更多的化学键，从而使存在于水中的碳酸的含量(H2CO3浓度)更高，这进而使所得的气泡水中的pH值水平更低。例如，在纯水中，比耶鲁姆曲线在大气条件下显示出5.7的pH值。通过增强极化分子的取向，在水分子和二氧化碳分子间形成更多的偶极键，从而得到在大气压(pCO2＝1atm)下pH值可达3.6以下的气泡水。这么低的pH值与通常在高得多的CO2压力水平(即，在耶鲁姆曲线中，pCO2水平超过5巴)下所得到的pH值水平相当。
如下文中进一步描述的，本发明提供了这样的方法和装置，该方法和装置尤其通过减弱水分子之间的键，使水分子极化并随后使水分子取向，以使二氧化碳分子与更多水分子键合的可能性更高，从而增强二氧化碳和水分子间的键合。
发明内容
本申请提供了碳酸化装置，其用于使经过加压和冷却的二氧化碳和水的混合进料流碳酸化。在碳酸化腔室内设置有第一料筒，第一料筒限定了与进料流流体连通的多孔微孔网以及与碳酸化腔室的出料口流体连通的中心空腔。微孔网构造为使穿过该网的水分子链断裂，从而增强料筒内的水分子与二氧化碳分子间的键合。该微孔网还响应于撞击并穿过该网的水分子和二氧化碳分子的料流而产生对水分子具有极化作用的无源极化场，从而进一步增强水分子的极化。料筒内可设置珠粒以用于捕获并稳定二氧化碳分子，从而进一步增强水分子和二氧化碳分子间的键合。
可使用多个碳酸化腔室，通常多个碳酸化腔室为串联布置。
在一个实施方案中，碳酸化装置被实现为一对碳酸化腔室，其中第一碳酸化腔室包括圆柱状微孔网，并且第二碳酸化腔室包括设置于其中的多个珠粒。
在另一实施方案中，两个碳酸化腔室均包括位于碳酸化腔室内的相应的微孔网，并且在由微孔网限定的区域内设置有多个珠粒。网和珠粒可具有类似尺寸或具有不同尺寸。
在一个实施方案中，碳酸化腔室所限定的内部容积为2cm3至400cm3。
微孔网可由不锈钢绞线形成，该不锈钢绞线的直径为2μ至100μ，并且所述微孔网所限定的开孔面积(open mesh area)为5μ至800μ。
在一个实施方案中，第一碳酸化腔室包括这样的料筒，该料筒限定了100μ的微孔网并容纳有5mm直径的珠粒，其中第二碳酸化腔室包括这样的料筒，该料筒限定了400μ的孔网以及直径为0.5mm至3mm的珠粒。
碳酸化装置的进料流的预期压力为约160psi，并且流量为1.5加仑每分钟(GPM)。第二碳酸化腔室的进料可具有65psi的较低压力以及1.1GPM的较低流量。
可在碳酸化腔室的出料口处设置液流补偿器，用于将来自碳酸化腔室的压力和流量降至适合于分装的压力，例如降至压力为15psi并且流量为0.5GPM至1GPM。
附图说明
下面将参照如下描述和附图更好地理解本发明所披露的各种实施方案的这些和其他特征以及优点，其中在整个描述和附图中，相同的数字表示相同的部件，其中：
图1为示出根据本发明的一个实施方案的示例性水碳酸化工艺和系统的框图；
图2重复了图1的框图，示出了整个系统和工艺中的示例性压力和流量水平；
图3示出了示例性的H2O和CO2混合装置；
图4a示出了碳酸化腔室的一个实施方案；
图4b示出了碳酸化腔室的第二实施方案；
图5为碳酸化腔室的分解视图；
图6a为碳酸化腔室的分解透视图；
图6b为碳酸化腔室的分解透视图，其中微孔网上设置有珠粒；
图7a和7b为碳酸化腔室中所使用的网式过滤器的视图；
图8示出了流量补偿器的第一实施方案；
图9为图8中示出的流量补偿器的截面视图；
图10为图8中示出的流量补偿器的侧视图；
图11a和11b为与当前的碳酸化系统和瓶装碳酸水相比，与本发明的一个实施方案相关的测量得到的碳酸化参数表格；
图12为流量补偿器的可供替代的第二实施方案的透视图；并且
图13为图12中示出的流量补偿器的俯视图。
具体实施方式
总的来说，本发明通过外加下述技术和装置从而更改了现有技术和装置，以增强水或其他饮料的碳酸化(即，利用低温和高压)。这种更改后的技术和装置涉及破坏水化合物的分子结构，同时使水和二氧化碳的极化分子取向，从而增强并增加二氧化碳分子和水分子间的键，下面将对此进行更详细的描述。在所描述的实施方案中，所述技术和装置主要是为了与即用型苏打水/气泡水饮用机联合使用而设计并优化的。
根据本发明，通过所述工艺并使用图1和图2中所一般性示出的系统从而将水碳酸化。从外部来源引入饮用水(水供给)，并且将饮用水纯化以使总溶解性固体降至最低水平。溶解性固体的减少还能够有效地使二氧化碳气泡联结(coalesce)并降低碳酸浓度。水源水的纯化还有助于减弱水分子和二氧化碳分子间的键。然后将经过纯化的水加压(用水泵)并冷却(在冷藏室内)至约冰冻温度。在本发明中，水泵以0.2GPM至5GPM的流量递送水。
根据图1至图3中所示出的碳酸化装置10，冷却的液态水和二氧化碳气体的料流在压力(40psi至100psi)下合并于混合装置40(示于图3中)中，优选的是，混合装置40在料流的交汇处产生界面，从而在邻近合并点处形成低压区域，由此产生文丘里效应。文丘里效应增强了二氧化碳分子向混合装置40中的流动。如图3中所示，可使用一个或多个(在线)限流器41以产生文丘里效应，以增强流动的水对二氧化碳气体的吸收。
在料流的交汇处设置有二氧化碳喷嘴43、47以及水喷嘴45、49，这些喷嘴基本上彼此垂直排列取向，以引起在二氧化碳和水的合并点的下游产生低压区域。如上所述，低压区域会产生文丘里效应，由此增强二氧化碳和水的流动并促进二氧化碳和水分子在进入碳酸化腔室之前混合至初始碳酸化水平。
水和二氧化碳的增强混合物通过使进入第一碳酸化腔室的料流稳定、避免可削弱第一碳酸化腔室内的水分子和二氧化碳分子间的键合的多重层流，从而提升了碳酸化腔室的功能性。
在另一个可替代的实施方案中，水供给喷嘴45、49和二氧化碳供给喷嘴43、47以这样的方式排列取向，使得这些喷嘴中的一个或多个喷嘴(例如，二氧化碳喷嘴43、47)排列取向为其前缘与相关水喷嘴45、49的流动轴基本重合。前缘可进一步为圆形的(rounded)并且倾斜远离加压水流，以增强经过倾斜的二氧化碳喷嘴面前的流动，从而得到更为明确的低压区域。这使得能够响应于对撞击在倾斜的二氧化碳喷嘴上的水压力的调节，从而更好地控制文丘里效应并由此控制料流。
如图1至图3所进一步示出的，从混合腔室中流出的水和气体的混合物随后会通过一个或多个碳酸化腔室20。在图4至图7中所具体地示出的碳酸化腔室的各种实施方案中，碳酸化腔室的功能为：使水分子链断裂；增强与经过碳酸化的料流相关的分子的取向；以及当水分子更易于与其他分子键合时，将水分子捕获在更稳定的位置。如下文中将更详细地描述的，水分子可被极化从而更好地取向，例如，氢原子取向为流动方向并朝向被捕获的二氧化碳分子。这有助于增强水分子和二氧化碳分子间的键合，从而在水中产生高水平的碳酸化。
如图4至图7所示，一个或多个碳酸化室20设置有金属微孔网31、33，所述金属微孔网的构造和尺寸使得能够借由在微孔网上的物理冲击从而使分子(例如，水分子)的伸展链断裂。这种断裂产生了更多的在流动期间可与二氧化碳分子键合的水分子，从而进一步增强了水分子与二氧化碳分子分子间的键合。分子可进一步定向至玻璃珠粒的本体或阵列(图4b)，其中玻璃珠粒可设置在具有微孔网的碳酸化腔室31、33中(如图4b和6b所示)，或者设置在单独的腔室中(如图4a所示)。珠粒可包括微小的凹凸，分子(尤其是较大的二氧化碳分子)可被捕获至凹凸内。稳定在珠粒的凹凸表面上的二氧化碳分子由此成为较小的水分子的实质上更为静止的目标，这些水分子随后可与二氧化碳键合并形成碳酸，然后碳酸可释放至从碳酸化腔室中流出的料流中。已发现水和被稳定的碳酸化分子间产生的键合水平远高于当简单地通过泵送加压的二氧化碳和冷却的水而将水和二氧化碳分子合并时所通常获得的键合水平。此外，已发现这种仅进行泵送会形成更松散(looser)的碳酸化形式，其中较多的二氧化碳处于水性混合物形式，即，并未与水分子有效键合，使得碳酸化更易于随着时间推移而消散。
如上所述，根据本发明，通过分子的极化可进一步增强碳分子与水分子间的键合，从而使分子更好地取向以进行键合。可通过各种方式进行这种取向。在本发明的一个实施方案中，由于氢分子和二氧化碳分子撞击微孔网、破裂并穿过微孔网时的行为，使得在微孔网格上无源地产生极化磁场，由此实现了分子的取向。可以理解的是，这种微孔网的无源极化会使得从微孔网(例如，可由不锈钢形成)的上游表面剥离电子，在网的上游表面上形成小的暂时性正电荷，以及位于网的下游侧的更多的负电荷。据认为这种诱导极化的产生方式与用丝绸摩擦玻璃棒、使一些电子从玻璃棒的表面上剥离从而暂时使玻璃棒带正电的方式类似。
随着水分子穿过微孔网，据认为网上的电荷会影响待取向的水分子，其中带有较多正电荷的氧原子取向为朝着网的方向，而带有较少正电荷的氢原子取向为远离网的方向(即，朝着料流的方向)，从而与料流中的二氧化碳分子键合和/或被捕获并稳定在珠粒表面上。这种无源极化由于分子和网之间的相互作用而产生，从而增强了水分子和二氧化碳分子间的偶极键合。
或者，微孔网可被实现为与电压源相连的成对的同心网，从而为该网提供有源极化以增强穿过该网的水分子的取向。对于本领域技术人员而言显而易见的是，可根据水分子在穿过该网时所期望的极化作用来施加通过该网的电流的具体方向。
如上所示，第一碳酸化腔室可包括微孔网，进料水和气体混合物穿过该微孔网，微孔网优选由一个或多个独立的微孔金属(例如，不锈钢)环形成。碳酸水穿过微孔网，使水的长链分子化合物断裂，同时由于更为极化的分子(其为液体混合物(水和二氧化碳)的更为极化的分子)在短时间(短于一秒)内高速通过而产生弱的静电场，因而水分子的短(断裂的)分子链与二氧化碳分子间形成偶极-偶极静电连接的可能性更高。在本实施方案中，通过极化分子的穿过而自身诱导了静电场，从而产生了电感应。该装置的其他实施方案可采用这样的工艺，其中通过常见的DC电源或多个DC电源从外部人为产生电场，从而根据产生于网上的电场而得到立即取向的高度极化的水分子和气体分子。无论采用何种解决方案(诱导电场或者人为产生的电场)，其结果均为液体和气体分子的高度极化和取向。在无源诱导电场的情况中，不仅仅是诱导产生的静电场会促进穿过的分子的极化，而且极化本身也会改变所产生的电场。
本文中，尽管预期由极化分子的穿过而产生的静电场较弱，但是使得水分子的极化增加，从而提高了在水分子和二氧化碳分子间形成键的可能性。这是因为由于各水分子的极化度增加，因此具有高极化度的水分子的总数增加。通过使水分子的长链断裂并响应于静电场而逐渐使其取向，水中碳酸的(暂时性)形成量提高，并且发现所得的水的碳酸化程度更高。此外，已发现水分子保持了与二氧化碳分子间的键，其减少了二氧化碳分子的分散(即，分配过程中碳酸水暴露于空气时的气泡)。随着键的增加，当碳酸水处于敞口玻璃杯或瓶中时，水中的碳酸化更高且随着时间的延长更为持久。
由于水分子具有偶极特征，因此金属网所产生的静电场趋向于使水分子相对于静电场进行排列。这种排列可导致纵向的电致伸缩，从而使水分子更为致密，并且包括截面扩张。这种纵向电致伸缩和截面扩张提高了部分带负电的水分子与二氧化碳分子(其具有部分带正电的碳部分，并且可存在于体系中)间发生相互作用的可能性，从而形成稳定的碳酸分子。
在所示实施方案中，微孔网由直径为约2μ至100μ的不锈钢绞线形成，微孔网的开孔面积为约5μ至800μ。然而，可以预期的是，微孔网可由其他材料形成，并且可改变绞线/开孔面积的尺寸，以适应特定的压力水平、流量、所需碳酸化水平等其他因素。
当从第一碳酸化腔室中排出碳酸水时，排出料与第二碳酸化腔室相连，在第二碳酸化腔室中进一步提高碳酸化水平。如上所示，虽然第一碳酸化腔室可包括或不包括珠粒，但如图3所示，第二碳酸化腔室可进一步包括玻璃珠粒，该玻璃珠粒具有能够捕获水分子和二氧化碳分子(仍为CO2aq形式)的微观表面凹凸。这种捕获削弱了碳酸水中的分子(尤其是较大的二氧化碳分子)的活性，使得其他分子易于与被捕获的分子结合。被捕获于玻璃珠粒的凹凸表面上的高活性水分子也更易于与游离的二氧化碳分子键合，如果水分子在碳酸水中自由流动时，则也会是同样的情况。根据该工艺，具有特定直径(0.5mm至5mm)的玻璃珠粒起到表面催化剂的作用，其通过提高具有正确取向的分子碰撞的比例以促进键合而起作用。
预期如果最初有10％的碰撞具有有利的分子取向，则通过向料流中加入表面催化剂可将其提升至30％。这意味着水分子和二氧化碳分子之间的键的形成速度会是三倍(如果其他所有条件保持不变)。这意味着当水分子和二氧化碳分子中的一者相比另一者更为静止(而不是水分子和二氧化碳分子均自由移动)时，水分子和二氧化碳分子发生键合的几率远远更高。
与水和二氧化碳分子相比，表面催化剂的表面积相比于水分子和二氧化碳分子的尺寸而言非常大。看似平滑的玻璃珠粒表面在原子尺度上是极为起伏不平的。这种起伏不平或者表面凹凸有助于捕获并因此稳定水分子。这增强了水相容性分子与被捕获的水分子键合的能力。
玻璃珠粒的表面凹凸可与二氧化碳分子和/或水分子的形状或间隔(spacing)相匹配或相容。因此，例如二氧化碳分子可能会撞上玻璃珠粒的表面并附着于其上。一旦二氧化碳不再自由移动，则与水分子发生良好取向的撞击(即，分子可键合)的可能性会显著增加。通过这种方式，表面催化剂有助于制造更多的碳酸以及更少的游离二氧化碳分子，从而得到能够持续更长时间的碳酸化。
在键合之后，其他碰撞分子的撞击会将被捕获的碳酸分子从玻璃珠粒表面上敲离。类似地，被捕获但未键合的水分子或二氧化碳分子会被释放或敲离。然而，预期碳酸化分子的释放影响很小，因为其他可能的分子将会被迅速捕获。当水分子和二氧化碳分子发生氢键合以形成碳酸时，其更易于保持在碳酸水中。这样便得到了能够更长时间地维持碳酸化并保持优选的口感的碳酸饮料。
在本发明的优选实施方案中，如图1和图2所示，碳酸化装置10包括两个碳酸化腔室20。然而，其他实施方案可包括不同数目的碳酸化腔室，例如三个或更多个。碳酸化腔室可具有各种尺寸。在本发明的一个优选实施方案中，各碳酸化腔室的内部容积为2cm3至400cm3。
图4示出了碳酸化装置20，其包括碳酸化腔室21和23。碳酸化腔室21限定了具有圆柱状微孔网的内部。碳酸化腔室23限定了具有位于网内的多个玻璃珠粒的内部。进料流由进料口22进入并通过碳酸化腔室21，从出料口24流出。料流由进料口26通过二号碳酸化腔室并从出料口28流出。
图4b中示出的碳酸化装置20包括碳酸化腔室31和33。碳酸化腔室31限定了具有100μm的微孔网35以及位于碳酸化腔室31内的多个5mm玻璃珠粒的内部。碳酸化腔室33限定了400μm的微孔网，在该微孔网内有多个1mm至3mm的玻璃珠粒。
图5和图6示出了示例性碳酸化腔室23的分解视图，其具有盖部25、底部29和设置在由盖部25和底部29限定的腔室内的料筒27。
料筒27限定了环绕内部腔室33的微孔网34，在该腔室33中可设置玻璃珠粒。料筒27以这样的方式设置：借助于密封件35与盖部25的侧壁57间的接合，使得料筒27与盖部25间处于液密接合。如图6b所示，料筒27的一端可设置有开口格栅39，以有助于料筒27的内部和碳酸化腔室进料口间的液体流动，并且有助于液体流过珠粒并在珠粒周围流动。
如图6a和6b中流动路径的比较所示，进入碳酸化腔室并从其中排出的液体料流可在经由上部端口或侧部端口进入或离开料筒方面有所不同。
在本发明的优选实施方案中，如图4至图7所示，各碳酸化腔室大体上呈圆柱状。各碳酸化腔室限定了中空的圆柱状区域，其中设置有由金属材料制成的圆柱状微孔网。进入第一碳酸化腔室的水穿过微孔网，然后流通至下一个(第二)碳酸化腔室。如图4a、图4b和图6b所示，第一碳酸化腔室可包括或不包括玻璃珠粒，而第二碳酸化腔室预期包括玻璃珠粒。在碳酸化腔室内，玻璃珠粒优选在微孔网中自由漂浮。第二碳酸化腔室可包括与第一碳酸化腔室类似的网，但是优选的是，如图4b所示，第二碳酸化腔室的网为更细的微孔网且珠粒直径更小。下面将更详细地描述碳酸化腔室和流量补偿器的构成和功能。
从第二碳酸化腔室中流出的碳酸水可流通至流量补偿器，下文中将对流量补偿器进行进一步的描述。在图8至图10和图12至图13中列出了适当的流量补偿器的不同实施方案。或者，可通过市售可得的装置如Everpure EV312493流量补偿器或CM Becker In LineFlow Control Compensator(型号D1235)来实现。
尽管分子的流动保持为基本上无差别，但是从第二酸化腔室中流出的碳酸水的碳酸化水平通常高于从第一酸化腔室中流出的碳酸水的碳酸化水平。流量补偿器的功能是减少高度碳酸水的湍流并提高半层流，从而立即使混合物的压力降至大气压。流量补偿器的另一个功能是将碳酸水的压力和流量调节至适合流入即用型饮用机中的水平，例如，将压力调节至15psi，并将流量调节为0.5GPM至1.6GPM。图8至图10和图12至图13中列出了可与本发明联合使用的流量补偿器的不同实施方案。
在图8至图10中示出的实施方案中，流量补偿器80由具有三个不同元件的细长主体85构成：(i)首先为限流器区域81，紧接着为(ii)展开区域83，其在大多数情况中具有(iii)充气器元件85。流量补偿器还包括插入有细长主体(调节器)的外壳87。碳酸水进入流量补偿器外壳87，并通过在细长主体82和外壳87之间延伸的通道沿圆周方向围绕细长主体82流动，并流向补偿器80的出口86。细长主体82向外壳87中的旋转起到可变限流器(variable flow restrictor)的作用。
其他实施方案可包括通过利用相同的物理原理(降低压力并稳定料流)而起作用但具有不同几何形状的补偿器。图12至图13所示的实施方案包括流量补偿器90，其中置于碳酸化腔室下游的限流器91之后为扩张腔室93和充气器95。为了分配气泡水92、糖浆94和/或热水96的稳定料流并在大气压下进行分配，可在分配装置中使用流量补偿器90。
在图11a和图11b的表格中描述了来自流量补偿器的碳酸水出料的碳酸化水平和其他特征。这些表格比较了本发明的碳酸水出料和由其他市售可得的分配系统测得的出料、以及来自所选择的瓶装碳酸水产品的碳酸水。
如图11a和图11b所示，根据本发明所制造的碳酸水在大气压下表现出pH值为3.6，并且与所测试的其他市售可得的产品的特征相比，根据本发明所制造的碳酸水可在较长的时间内保持高度碳酸化。因此，经发现本发明中的碳酸化水平能够制造在更长时间内具有高水平的碳酸化稳定性的高度碳酸水。
本文示出的特定内容是示例性的，并且仅用于说明性的讨论。其用于提供据信为用于提供稳定的高度碳酸化饮料的方法和装置的各种实施方案的原理和概念方面的最有用和容易理解的说明。在这方面，除了对深入理解各种实施方案的不同特征来说必要的说明之外，没有试着给出更多的细节，对于本领域技术人员来说，通过说明书结合附图，显然会知道如何在实践中实施本发明。
同样地，以上描述是通过举例方式来完成的，但是不限于这些例子。在上述公开内容的基础上，本领域技术人员在此处公开的本发明的范围与精神之内能够设计出不同的变化。这包括增强并稳定水的二氧化碳水平的不同方式。此外，本文所公开的实施方案各种特征也可以单独使用，或彼此之间进行各种结合，并且不旨在限于此处描述的特定的结合。因此，权利要求的范围不限于阐述的实施方案。

Claims (18)

1.一种碳酸化装置，其用于将经过加压和冷却的二氧化碳分子和水分子的混合进料流碳酸化，所述装置包括：
a)第一碳酸化腔室，其限定了进料口、出料口和中心腔室，所述第一碳酸化腔室的进料口与所述进料流流体连通；
b)设置于所述中心腔室内的第一料筒，所述第一料筒限定了与所述第一碳酸化腔室的进料口流体连通的第一微孔网的多孔外表面、以及与所述第一碳酸化腔室的出料口流体连通的第一料筒中心空腔；
c)其中所述第一微孔网的材料具有这样的尺寸和构造，使得穿过所述第一微孔网的水分子链断裂，从而增强所述第一料筒中心腔室内的水分子与二氧化碳分子间的键合；并且
d)其中所述第一微孔网进一步形成并构造为限定了这样的外表面，该外表面响应于撞击并穿过所述第一微孔网的水分子和二氧化碳分子的料流而产生无源极化场，该无源极化场对穿过所述第一微孔网的水分子具有极化影响，从而进一步增强位于所述中心腔室内的水分子和二氧化碳分子间的键合。
2.根据权利要求1所述的装置，还包括：
e)设置于所述第一料筒中心腔室内的多个第一珠粒，所述第一珠粒的第一极性限定了这样的外表面，该外表面的特征为其上形成有分子捕获凹凸，该分子捕获凹凸用于捕获并稳定位于所述第一珠粒的外表面上的二氧化碳分子，以进一步增强位于所述中心腔室内的水分子和二氧化碳分子间的键合。
3.根据权利要求1所述的装置，还包括：
f)第二碳酸化腔室，其限定了进料口、出料口和中心腔室，所述第二碳酸化腔室的进料口与所述第一碳酸化腔室的出料口流体连通；
g)设置于所述中心腔室内的第二料筒，所述第二料筒限定了与所述第二碳酸化腔室的进料口流体连通的第二微孔网的多孔外表面、以及与所述第二碳酸化腔室的出料口流体连通的第二料筒中心空腔；
h)其中所述第二微孔网的材料具有这样的尺寸和构造，使得穿过所述第二微孔网的水分子链断裂，从而增强所述第二料筒中心腔室内的水分子与二氧化碳分子间的键合；并且
i)其中所述第二微孔网进一步形成并构造为限定了这样的外表面，该外表面响应于撞击并穿过所述第二微孔网的水分子和二氧化碳分子的料流而产生无源极化场，该无源极化场对穿过所述第二微孔网的水分子具有极化影响，从而进一步增强位于所述中心腔室内的水分子和二氧化碳分子间的键合；以及
j)设置于所述料筒中心腔室内的多个第二珠粒，所述第二珠粒限定了这样的外表面，该外表面的特征为其上形成有分子捕获凹凸，该分子捕获凹凸用于捕获并稳定位于珠粒的外表面上的二氧化碳分子，以进一步增强与所述中心腔室内的水分子间的键合。
4.根据权利要求2所述的装置，还包括：
f)第二碳酸化腔室，其限定了进料口、出料口和中心腔室，所述第二碳酸化腔室的进料口与所述第一碳酸化腔室的出料口流体连通；
g)设置于所述中心腔室内的第二料筒，所述第二料筒限定了与所述第二碳酸化腔室的进料口流体连通的第二微孔网的多孔外表面、以及与所述第二碳酸化腔室的出料口流体连通的第二料筒中心空腔；
h)其中所述第二微孔网的材料具有这样的尺寸和构造，使得穿过所述第二微孔网的水分子链断裂，从而增强所述第二料筒中心腔室内的水分子与二氧化碳分子间的键合；并且
i)其中所述第二微孔网进一步形成并构造为限定了这样的外表面，该外表面响应于撞击并穿过所述第二微孔网的水分子和二氧化碳分子的料流而产生无源极化场，该无源极化场对穿过所述第二微孔网的水分子具有极化影响，从而进一步增强位于所述中心腔室内的水分子和二氧化碳分子间的键合；以及
j)设置于所述料筒中心腔室内的多个第二珠粒，所述第二珠粒限定了这样的外表面，该外表面的特征为其上形成有分子捕获凹凸，该分子捕获凹凸用于捕获并稳定位于珠粒的外表面上的二氧化碳分子，以进一步增强与所述中心腔室内的水分子间的键合。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述第一碳酸化腔室和所述第二碳酸化腔室所限定的内部容积为2cm3至400cm3。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述第一微孔网和所述第二微孔网由直径为2μ至100μ的不锈钢绞线形成。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述第一微孔网所限定的开孔面积为5μ至500μ。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述第二微孔网所限定的开孔面积为100μ至800μ。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述第一珠粒和所述第二珠粒的直径为0.5mm至5mm。
10.根据权利要求8所述的装置，其中所述第一珠粒的直径为5mm。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述第二珠粒的直径为0.5mm至3mm。
12.根据权利要求4所述的装置，其中所述第一料筒限定了100μ的微孔网并且所述第一珠粒限定了5mm的直径；并且其中所述第二料筒限定了400μ的孔网并且所述第二珠粒限定了0.5mm至3mm的直径。
13.根据权利要求4所述的装置，其中所述进料流的压力为160磅每平方英寸(psi)并且流量为1.5加仑每分钟(GPM)。
14.根据权利要求13所述的装置，其中位于所述第二碳酸化腔室的出料口处的碳酸水的压力为65psi并且流量为1.1GPM。
15.根据权利要求14所述的装置，还包括与所述第二碳酸化腔室的出料口流体连通流量补偿器，所述流量补偿器构造为使来自所述第二碳酸化腔室的压力降至15psi并使流量降为0.5GPM至1GPM。
16.根据权利要求4所述的装置，还包括与所述第一碳酸化腔室的进料口流体连通的混合装置，所述混合装置具有与经过加压和冷却的水的来源连通的第一进料口、以及与二氧化碳的来源连通的第二进料口，所述混合装置构造为将水和二氧化碳混合以形成所述进料流，所述进料流具有处于水溶液中的游离水分子和二氧化碳分子。
17.根据权利要求16所述的装置，其中所述经过加压和冷却的水以90psi的压力和1.8GPM的流量供至所述第一混合装置的第一进料口。
18.根据权利要求17所述的装置，其中二氧化碳以75psi的压力供至所述混合装置的第二进料口。
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