DE4228773A1 - Vorrichtung zum Anreichern von Wasser mit CO¶2¶-Gas zur Erzeugung von karbonisiertem Wasser - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Anreichern von Wasser mit CO₂-Gas zur Erzeugung von kar­ bonisiertem Wasser in einem Vorratsbehälter, welcher zur Kühlung seines Inhalts und zur Bildung eines Eismantels im Wandungsbereich mit Kühlleitungen eines Kühlkreislaufs be­ aufschlagt ist, in dessen Inneren eine Umwälzpumpe angeord­ net ist, durch welche CO₂-Gas aus dem Kopfbereich des Vor­ ratsbehälters in das Wasser eingemischt und/oder das Wasser innerhalb des Vorratsbehälters in Rotation und/oder Zirkula­ tion versetzt wird, und in den sowohl Wasser als auch CO₂-Gas im Kopfbereich zuführbar und aus dem karbonisiertes Wasser im Bodenbereich entnehmbar ist.

Derartige Vorrichtungen zum Anreichern von Wasser mit CO₂-Gas zur Erzeugung von karbonisiertem Wasser werden bei­ spielsweise in Geräten zum Einsatz gebracht, durch welche CO₂-haltige Erfrischungsgetränke durch Mischung von karboni­ siertem Wasser mit einem entsprechenden Getränkekonzentrat bereitet und ausgegeben werden können. Das dem Getränkekon­ zentrat zuzumischende Sodawasser wird dabei in dem Vorrats­ behälter durch Anreicherung von Wasser mit zugeführtem CO₂-Gas erstellt und zur besseren Karbonisierung sowie als Voraussetzung für ein bereitetes kühles Erfrischungsgetränk gekühlt. Diesem Vorratsbehälter, dem sogenannten Karbonisa­ tor, wird normales Wasser in Trinkqualität entweder aus der Leitung eines Wasserversorgungssystems oder einem Vorratsbe­ hälter unter ausreichendem Druck zugeführt, wobei das zuge­ führte Wasser selbst unter Druck stehen kann oder aber durch eine Druckpumpe ausschließlich oder zusätzlich in den Karbo­ nisator gefördert wird. Außerdem wird dem Karbonisator CO₂-Gas zugeführt, und zwar aus einem CO₂-Gas-Vorratsbehäl­ ter über ein Druckminder-Regelventil, so daß im Karbonisator ein Druck von beispielsweise ca. 4 Bar aufgebaut ist. Durch verschiedene Maßnahmen wird die Karbonisierung des Wassers im Karbonisator mit dem zugeführten CO₂-Gas durchgeführt bzw. unterstützt, wobei sich der Einsatz von im Karbonisator angeordneten Umwälzpumpen bewährt hat. Diese saugen aus dem mit CO₂-Gas gefüllten Kopfbereich des Karbonisators dieses CO₂-Gas an und führen dieses in das in Bewegung, insbesonde­ re in Drehung versetzte Wasser ein. Wie bereits ausgeführt, dient eine Kühlung des Karbonisators zum einen der Verbesse­ rung der Karbonisierung und zum anderen als Voraussetzung, daß das endgültig bereitete und aus gegebene Getränk die ge­ wünschte niedrige und im wesentlichen konstante Temperatur aufweist. Die Kühlung des Karbonisators erfolgt zweckmäßig über ein Kühlsystem, das in der Lage ist, im Seitenbereich der Seitenwandungen des Karbonisators einen Eismantel aufzu­ bauen, welcher sich durch das umgewälzte Wasser einigermaßen gleich stark ausbildet. Dadurch wird "Kältekapazität" ge­ speichert und das Kühlsystem braucht nicht extrem leistungs­ stark ausgelegt werden, wie dies bei Durchflußkühlung not­ wendig wäre. Anordnungen mit einem entsprechenden Aufbau sind bekannt (DE-A-40 25 986.2).

Wird beispielsweise im beschriebenen Anwendungsfall die Aus­ gabe eines frisch bereiteten Erfrischungsgetränks gewünscht, so wird in einer an den Bodenbereich des Karbonisators an­ schließenden Leitung ein Absperrventil geöffnet und das ge­ kühlte, karbonisierte Wasser zu diesem Zweck entnommen. Da das Wasser von im Hinblick auf den sich ausbildenden Eisman­ tel im Bereich der Kühlschlangen in die Nähe des Gefrier­ punktes gekühlt ist, besteht eine gewisse Gefahr, daß Eis­ teilchen oder -teile in den Bereich der Ausflußöffnung ge­ langen und diese verstopfen.

Die Eisbildung innerhalb des Vorratsbehälters soll in Berei­ chen erfolgen, die für die sonstige Betriebsweise des Vor­ ratsbehälters als Karbonisator unproblematisch sind. Diese Bereiche sind die seitlichen Wandungen des Vorratsbehälters, welche von den Kühlschlangen des Kühlsystems thermisch gut leitend umgeben sind. In diesem Bereich wird sich auch tat­ sächlich die Eisbildung entwickeln und ein bereits vorhande­ ner Eismantels wird bei weiterer Kühlung sich auch dort ver­ größern. Probleme bei der Betriebsweise von derartigen kar­ bonisierenden Vorratsbehältern haben zu Beobachtungen ge­ führt, die ergaben, daß zumindest bei karbonisiertem Wasser sich dieses bei üblich angewandten, stetigen Wärmeentzug sich unter die typische Gefriertemperatur abkühlen läßt, oh­ ne daß eine Eisbildung einsetzt. Durch Wärmefluß und Konvek­ tion kann sich dann im Vorratsbehälter im wesentlichen über den gesamten Bereich ein Temperaturwert einstellen, der un­ ter dem eigentlichen Gefrierpunkt liegt, mit der Folge, daß nunmehr der Gefriervorgang in unkontrollierter Weise an be­ liebigen Stellen oder in Form von Sulzbildung über weite Be­ reiche gleichzeitig eintreten kann. Damit tritt die ge­ wünschte und gezielte Eisbildung an den Wandungen im Nahbe­ reich der Kühlschlangen des Kühlsystems nicht ein, oder kann erst mit störender Verzögerung sich realisieren.

Es ist nunmehr Aufgabe der vorliegenden Erfindung, dieser unkontrollierten Eisbildung im Vorratsbehälter wirksam zu begegnen, und zwar mit möglichst geringem Aufwand.

Eine Vorrichtung zum Anreichern von Wasser mit CO₂-Gas zur Erzeugung von karbonisiertem Wasser in einem gekühlten Vor­ ratsbehälter, die dieser Aufgabe gerecht wird, ist erfin­ dungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der durch die Kühlleitungen des Kühlkreislaufs beaufschlagten Wandung des Vorratsbehälters Maßnahmen zur gezielten örtlichen, ge­ genüber den übrigen Bereichen vorgezogenen Eisbildung ge­ troffen sind.

Als Maßnahme zur bevorzugten lokalen Eisbildung im Vorrats­ behälter im Nahbereich, in dessen Kühlleitung ist nach einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Raum für den Vorratsbehälterinhalt abgetrennt, welcher strömungsarm oder strömungslos zum Vorratsbehälterinneren offen ist. Bevorzugt ist dieser abgetrennte Raum kleiner als 100 mm³ und es ist zweckmäßig in kleiner als 10 mm³ auszu­ bilden.

Diese bevorzugte Ausgestaltung in Form eines vom Vorratsbe­ hälterinneren strömungstechnisch abgetrennten Raum ist bei­ spielsweise durch ein auf die Vorratsbehälterwandung im Be­ reich der Kühlleitung aufgesetztes Rohr realisierbar. Eine äußerst zweckmäßige Realisierung ist auch derart gegeben, daß der strömungstechnisch beruhigte Raum gebildet ist durch eine nach außen zwischen zwei Kühlleitungswendel gerichtete Ausprägung der Wandung des Vorratsbehälters und eine diese Ausprägung weitestgehend gegenüber dem Vorratsbehälterinne­ ren abdeckenden Platine. Eine weitere bevorzugte Maßnahme zur partiellen, vorgezogenen Eisbildung lädt sich dadurch realisieren, daß die Wandung des Vorratsbehälters zumindest partiell im bevorzugt durch die Kühlleitung beaufschlagten oberen Bereich gegenüber dem Vorratsbehälterinneren aufge­ rauht und ansonsten im unteren Bereich des Vorratsbehälters glatt ausgestaltet ist.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen führen dazu, daß partiell in einem begrenzten Bereich Kristallisationspunkte für die Eis­ bildung geschaffen werden, von denen aus die Bildung des ge­ wünschten Eismantels bei entsprechend kühlem Wasser sich wunschgemäß ausbildet. Partielle Unterkühlungen der Wandung sind ansonsten schwer zu realisieren, da durch die Wärmelei­ tung in der Wandung und durch die Wärmeleitung und insbeson­ dere die Konvektion in der Flüssigkeit derartige Unterschie­ de kaum relevant wirksam gemacht werden können, es sei denn mit erheblichem Aufwand. Das Abtrennen einer kleinen Flüs­ sigkeitsmenge von der Gesamtflüssigkeit jedoch bewirkt in diesem relativ kleinen und strömungstechnisch abgeschotteten Raum eine gezielte vorgezogene Eisbildung, die sich durch kleine, offene Stellen von diesem abgetrennten Raum in den Vorratsbehälter fortpflanzt. Die gemäß den bevorzugten Aus­ gestaltungen abgetrennten kleinen Räume sind in diesem Zu­ sammenhang besonders hilfreich und wirksam, jedoch hat sich auch gezeigt, daß partielle Aufrauhungen der Vorratsbehäl­ terwandungen im Bereich der Kühlleitungen gegenüber anson­ sten glatten Wandungen einen brauchbaren Beitrag in der ge­ wünschten Richtung bringen, und zwar wohl deshalb, weil in diesem Bereich die Konvektion des Wassers gehemmt ist.

Anhand eines in der Zeichnung mit Varianten dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung im folgenden erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 einen von außen durch Kühlschlangen gekühlten Vorratsbehälter und

Fig. 2a bis Fig. 2d Varianten zur lokal bevorzugten Eiskristallisa­ tion.

Ein Vorratsbehälter 1, wie er in der Fig. 1 dargestellt ist, ist für den Einsatz in Geräten zur Bereitung von Erfri­ schungsgetränken durch Zumischung eines entsprechenden Kon­ zentrats zu karbonisiertem Wasser oder ggf. auch zu normalem Wasser geeignet und bestimmt. Über eine Zuleitung 2 wird dem Vorratsbehälter 1 bei Bedarf Frischwasser und über eine Zu­ leitung 3 CO₂-Gas zugeführt. Über eine nicht dargestellte Ausgangsleitung wird zum Bereiten eines Erfrischungsgetränks ausreichend im Vorratsbehälter 1 karbonisiertes und gekühl­ tes Wasser portionsweise entnommen. Die ausreichende Karbo­ nisierung erfolgt zumindest unterstützt durch eine durch ei­ nen Elektromotor 4 angetriebene Umwälzpumpe 5, welche aus dem Kopfbereich 6 des Vorratsbehälters 1 das sich dort be­ findliche CO₂-Gas über ein Ansaugrohr 7 ansaugt und in Höhe der Umwälzpumpe 5 in das bevorratete Wasser einmischen. Da­ bei wird dieses CO₂-Gas weitestgehend im Wasser 8 gelöst.

Die Kühlung des Wasservorrats erfolgt über Verdampferschlan­ gen 9 eines nicht dargestellten Kühlsystems, und zwar der­ art, daß im Inneren des Vorratsbehälters 1 im Bereich der Verdampferschlangen 9, die gut thermisch leitend an der Wan­ dung des Vorratsbehälters anliegen, sich ein Eismantel 10 aufbaut. Die Stärke dieses Eismantels 10 wird durch einen Eissensor 11 überwacht, von dem aus der Kältekreislauf und damit die Kälteleistung gesteuert wird. Der Eismantel 10 be­ wirkt eine sehr konstante Wassertemperatur in der Nähe des Gefrierpunkts und bietet Kältepotential bei Ausgabe von kal­ tem Wasser aus dem Vorratsbehälter und Nachfüllen von dem gegenüber wärmerem Wasser in den Vorratsbehälter.

Um die ursprüngliche Bildung des Eismantels 10 gezielt ein­ zuleiten, ist im Bereich der untersten Windung der an der Wandung des Vorratsbehälters 1 thermisch gut leitend anlie­ genden Verdampferleitung 9 ein Raum zum Inneren des Vorrats­ behälters zwar offen, aber strömungstechnisch in das dort befindliche Wasser beruhigend angeordnet.

Fig. 2a zeigt diesen Raum etwas vergrößert als Innenbereich eines kleinen Rohres 13, welches senkrecht auf die Wandung des Vorratsbehälters 1 gegenüber einer Windung der Verdamp­ ferleitung 9 aufgesetzt ist. Es zeigt sich, daß sich in die­ sem Raum 12 bei Abkühlung des Wassers zum und unter den Ge­ frierpunkt dort bevorzugt Eis bildet und bei in diesem Fall unterkühltem Wasser sich von dieser Kristallisationsstelle der Eismantel relativ rasch und schlagartig an der Wandung, die von der restlichen Verdampferleitung 9 umgeben ist, aus­ breitet. Die sonstigen Bereiche innerhalb des Vorratsbehäl­ ters 1 bleiben demgegenüber eisfrei. Oberhalb dieser Kri­ stallisationsstelle durch den Raum 12 ist aufgrund des Dich­ teverhaltens von Wasser eher eine stärkere Unterkühlung an­ zutreffen, so daß sich die Eisbildung nach oben zügig ent­ wickelt.

Die Fig. 2b zeigt einen noch stärker gegenüber dem Inneren des Vorratsbehälters 1 abgeschlossenen Raums 12′, der ledig­ lich über den ihn umgebenden Käfig mit dem Vorratsbehälter­ inneren über zwei kleine Bohrungen 13 in Verbindung steht. Dadurch wird dieser Raum gesichert mit Wasser gefüllt und die Eiskristalle können sich im wesentlichen ungehindert nach außen entwickeln.

Die Fig. 2c zeigt insoweit eine Modifikation der Ausbildung eines abgetrennten, der Eiskristallisationsbildung dienenden Raumes 12′′ als dieser Raum durch eine Einbuchtung in der Wandung des Vorratsbehälters 1 zwischen zwei Windungen der Verdampferleitung realisiert ist, die durch ein Abdeckplätt­ chen 17 mit zwei kleinen Durchbrüchen 18 abgedeckt ist.

Die Fig. 2d zeigt ebenfalls eine mögliche Maßnahme zur Rea­ lisierung eines zwar gegenüber dem Vorratsbehälterinneren offenen, jedoch strömungstechnisch beruhigten Raumes 12′′′ mit einer auf die Wandung des Vorratsbehälters 1 entspre­ chend aufgesetzten Kalotte 19, gegenüber einer Windung der Verdampferleitung 9. In jedem Fall muß sichergestellt sein, daß in den abgeschlossenen Raum 12 Flüssigkeit des Vorrats­ behälters eindringen kann und dort bis zur Eisbildung auch verbleibt.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Anreichern von Wasser mit CO₂-Gas zur Erzeugung von karbonisiertem Wasser in einem Vorratsbe­ hälter, welcher zur Kühlung seines Inhalts und zur Bil­ dung eines Eismantels im Wandungsbereich mit Kühlleitun­ gen eines Kühlkreislaufes beaufschlagt ist, in dessen Inneren eine Umwälzpumpe angeordnet ist, durch welche CO₂-Gas aus dem Kopfbereich des Vorratsbehälters in das Wasser eingemischt und/oder das Wasser innerhalb des Vorratsbehälters in Rotation versetzt wird und in den sowohl Wasser als auch CO₂-Gas im Kopfbereich zuführbar und aus dem karbonisiertes Wasser im Bodenbereich ent­ nehmbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der durch die Kühlleitungen des Kühl­ kreislaufs beaufschlagten Wandung des Vorratsbehälters Maßnahmen zur gezielt örtlichen gegenüber den übrigen Bereichen vorgezogenen Eisbildung getroffen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Maßnahme zur bevorzugten lokalen Eisbildung im Vor­ ratsbehälter im Nahbereich dessen Kühlleitung ein Raum für den Vorratsbehälterinhalt abgetrennt ist, welcher strömungsarm oder strömungslos zum Vorratsbehälterinne­ ren offen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der im Vorratsbehälterinneren abgetrennte Raum kleiner als 100 mm³ ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der im Vorratsbehälterinneren abgetrennte Raum kleiner als 10 mm³ ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der im Vorratsbehälterinneren strö­ mungstechnisch beruhigte Raum durch ein von der Wandung des Vorratsbehälters im Bereich der Kühlleitung aufge­ setztes Rohr gebildet wird.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der strömungstechnisch beruhigte Raum gebildet ist durch eine nach außen zwischen zwei Kühlleitungswendel gerichtete Ausprägung der Wandung des Vorratsbehälters und eine diese Ausprägung weitestgehend gegenüber dem Vorratsbehälterinneren abdeckende Platine.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung des Vorratsbehälters zumindest partiell im bevorzugt durch die Kühlleitung beaufschlagten oberen Bereich gegenüber dem Vorratsbehälterinneren aufgerauht und ansonsten insbesondere im unteren Bereich des Vor­ ratsbehälters glatt ausgestaltet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Maßnahmen zur gezielt örtlichen, gegenüber den übrigen Bereichen vorgezogenen Eisbildung im unteren Bereich der Kühlleitungen an der Wandung des Vorratsbehälters getroffen ist.