ES2966161T3 - Suministro de dosis individuales de alimentos y bebidas enfriados - Google Patents

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Abstract

Los sistemas y métodos han demostrado la capacidad de enfriar rápidamente el contenido de las vainas que contienen los ingredientes de alimentos y bebidas. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Suministro de dosis individuales de alimentos y bebidas enfriados
CAMPO TÉCNICO
La presente invención se refiere a sistemas para enfriar rápidamente alimentos y bebidas a partir de ingredientes en una cápsula que contiene los ingredientes. La invención se expone en el conjunto de reivindicaciones adjuntas.ANTECEDENTES
Se han desarrollado sistemas de preparación de bebidas que preparan rápidamente dosis individuales de bebidas calientes. Algunos de estos sistemas de preparación se basan en cápsulas de un solo uso a las que se agrega agua antes de que se produzca la preparación. Las cápsulas se pueden utilizar para preparar cafés calientes, tés, cacaos y bebidas a base de lácteos.
Las máquinas para hacer helados de uso doméstico se pueden utilizar para hacer lotes más grandes (por ejemplo, 1,4 l (1,5 cuartos de galón) o más) de helado para consumo personal. Estos aparatos para fabricar helados típicamente preparan la mezcla empleando un método de manivela a mano o empleando un motor eléctrico que se usa, a su vez, para ayudar a batir los ingredientes dentro del aparato. La preparación resultante a menudo se enfría utilizando un vaso preenfriado que se inserta en la máquina.
El documento EP 2266418 A1 describe un envase diseñado para ser insertado en un dispositivo para preparar un dulce helado, comprendiendo dicho envase al menos un raspador móvil dentro del envase y conteniendo dicho envase ingredientes para producir un dulce helado cuando se enfría y se mueve. También se describe un portaenvases adaptado para recibir un envase. El portaenvases tiene una superficie de intercambio de calor que está en estrecho contacto con el envase e incluye unos canales que permiten que un agente refrigerante corra a lo largo de la superficie de intercambio de calor.
El documento US 2004/211201 A1 describe que un sistema de refrigeración enfría y calienta la mezcla de postre congelado en al menos dos tolvas y al menos dos cilindros congeladores. Una válvula solenoide en la tubería de líquido a la entrada de cada una de las tolvas y de cada cilindro de congelación controla el flujo de refrigerante procedente del condensador. Una válvula solenoide de gas caliente a la entrada de cada una de las tolvas y de cada cilindro de congelación controla el flujo de refrigerante caliente procedente del compresor.
SUMARIO
La invención está definida por las reivindicaciones.
En lo sucesivo, las unidades de longitud a veces se expresan en pulgadas. Una pulgada es igual a 2,54 cm. El flujo másico a veces se expresa en términos de libras/(hora - pie cuadrado) (lb/hr ft2). Una libra/(hora pie2) es igual a aproximadamente 4,88 kg/(hm2). La velocidad a veces se expresa en términos de pie/s. Un pie/s es igual a aproximadamente 0,30 m/s. El área a veces se expresa en términos de pulgadas cuadradas. Una pulgada cuadrada es igual a aproximadamente 6,45 cm2. La presión a veces se expresa en términos de libras por pulgada cuadrada (psi). Una psi es igual a aproximadamente 6,89 kPa. La masa a veces se expresa en términos de libras. Una libra equivale aproximadamente a 0,45 kg.
Se describen sistemas y métodos para enfriar rápidamente alimentos y bebidas. Algunos de estos sistemas y métodos pueden enfriar alimentos y bebidas, en un envase insertado en una máquina de sobremesa o fija, desde la temperatura ambiente hasta la congelación en menos de dos minutos. Por ejemplo, el enfoque descrito en esta memoria descriptiva ha demostrado con éxito la capacidad de hacer helado suave a partir de cápsulas a temperatura ambiente en aproximadamente 90 segundos. Este enfoque también se ha utilizado para enfriar cócteles y otras bebidas, incluso para producir bebidas heladas. Estos sistemas y métodos se basan en un ciclo de refrigeración con tiempos de arranque reducidos y una interfaz cápsula-máquina que es fácil de usar y proporciona una transferencia de calor extremadamente eficiente. Algunas de las cápsulas descritas se cargan con ingredientes en una tubería de fabricación y se someten a un proceso de esterilización (por ejemplo, retorta, envasado aséptico, procesamiento a temperatura ultra alta (UHT), tratamiento a temperatura ultra-alta, ultrapasteurización o procesamiento a alta presión (HPP)). HPP es una técnica de pasteurización en frío mediante la cual los productos, ya sellados en su paquete final, se introducen en un vaso y se someten a un alto nivel de presión isostática (300-600 megapascales (MPa) (43.500 87.000 libras por pulgada cuadrada (psi)) transmitida por el agua. Las cápsulas se pueden usar para almacenar ingredientes que incluyen, por ejemplo, productos lácteos a temperatura ambiente durante largos períodos de tiempo (por ejemplo, 9-12 meses) después de la esterilización.
Se utiliza el término enfriamiento para indicar la transferencia de energía térmica para reducir la temperatura de los ingredientes contenidos en una cápsula. En algunos casos, enfriamiento indica la transferencia de energía térmica para reducir la temperatura de los ingredientes contenidos en una cápsula por debajo del punto de congelación.
Algunas máquinas para producir alimentos o bebidas enfriados a partir de ingredientes en una cápsula que contiene los ingredientes, que no están de acuerdo con la invención reivindicada, incluyen: un evaporador de un sistema de refrigeración, definiendo el evaporador un receptáculo dimensionado para recibir la cápsula; y en donde el sistema de refrigeración tiene un circuito de fluido de trabajo que va desde el evaporador hasta un compresor, un condensador, una válvula de expansión o tubo capilar y de vuelta al evaporador, y también incluye una primera tubería de derivación que se extiende desde el circuito de fluido de trabajo entre el compresor y el condensador hasta el circuito de fluido de trabajo entre la válvula de expansión y el evaporador.
Algunas máquinas para reducir la temperatura de los ingredientes en una cápsula que contiene los ingredientes y al menos una paleta mezcladora, que no están de acuerdo con la invención reivindicada, incluyen: un evaporador de un sistema de refrigeración, definiendo el evaporador un receptáculo dimensionado para recibir la cápsula; un motor operable para mover la al menos una paleta mezcladora interna de una cápsula situada en el receptáculo; en donde el sistema de refrigeración tiene un circuito de fluido de trabajo que va desde el evaporador a un compresor, a un condensador, a una válvula de expansión y de vuelta al evaporador, y también incluye una primera tubería de derivación, que se extiende desde el circuito de fluido de trabajo entre el compresor y el condensador hasta el circuito de fluido de trabajo entre la válvula de expansión y el evaporador, y una válvula de derivación en la primera tubería de derivación.
Algunas máquinas para producir ingredientes refrescantes en una cápsula que contiene los ingredientes y al menos una paleta mezcladora interna, que no están de acuerdo con la invención reivindicada, incluyen: un evaporador de un sistema de refrigeración, definiendo el evaporador un receptáculo dimensionado para recibir la cápsula de un solo uso; y un motor operable para mover la al menos una paleta mezcladora interna de una cápsula situada en el receptáculo; en donde el sistema de refrigeración tiene un circuito de fluido de trabajo que va desde el evaporador a un compresor, a un condensador, a una válvula de expansión y de vuelta al evaporador, y también incluye una primera tubería de derivación, que se extiende desde el circuito de fluido de trabajo entre el compresor y el condensador hasta el circuito de fluido de trabajo entre la válvula de expansión y el evaporador, y una válvula de derivación en la primera tubería de derivación.
Algunas máquinas para producir ingredientes refrescantes en una cápsula que contiene los ingredientes y al menos una paleta mezcladora interna, que no están de acuerdo con la invención reivindicada, incluyen: un evaporador de un sistema de refrigeración, definiendo el evaporador un receptáculo dimensionado para recibir la cápsula; y un motor operable para mover la paleta mezcladora interna de una cápsula situada en el receptáculo; en donde el sistema de refrigeración tiene un circuito de fluido de trabajo que va desde el evaporador a un compresor, a un condensador, a una válvula de expansión y de vuelta al evaporador, y también incluye una primera tubería de derivación que se extiende desde el circuito de fluido de trabajo entre el compresor y el condensador hasta el circuito de fluido de trabajo entre el evaporador y el compresor.
Algunas máquinas para producir ingredientes refrescantes en una cápsula que contiene los ingredientes y al menos una paleta mezcladora interna, que no están de acuerdo con la invención reivindicada, incluyen: un evaporador de un sistema de refrigeración, definiendo el evaporador un receptáculo dimensionado para recibir la cápsula; y un motor operable para mover la paleta mezcladora interna de una cápsula situada en el receptáculo; en donde el sistema de refrigeración tiene un circuito de fluido de trabajo que va desde el evaporador a un compresor, a un condensador, a un recipiente a presión, a una válvula de expansión y de vuelta al evaporador, y el circuito de fluido de trabajo incluye una primera válvula de aislamiento entre el recipiente a presión y la válvula de expansión y una segunda válvula de aislamiento entre el compresor y el condensador.
Algunas máquinas para producir ingredientes refrescantes en una cápsula que contiene los ingredientes y al menos una paleta mezcladora interna, que no están de acuerdo con la invención reivindicada, incluyen: un evaporador de un sistema de refrigeración, definiendo el evaporador un receptáculo dimensionado para recibir la cápsula; y un motor operable para mover la paleta mezcladora interna de una cápsula situada en el receptáculo; en donde el sistema de refrigeración tiene un circuito de fluido de trabajo que va desde el evaporador a un compresor, a un condensador, a una válvula de expansión y de vuelta al evaporador, y el circuito de fluido de trabajo pasa a través de un enfriador termoeléctrico entre el condensador y la válvula de expansión.
Algunas máquinas para producir alimentos o bebidas enfriados a partir de ingredientes en una cápsula que contiene los ingredientes, que no están de acuerdo con la invención reivindicada, incluyen: un evaporador de un sistema de refrigeración, definiendo el evaporador un receptáculo dimensionado para recibir la cápsula; y en donde el sistema de refrigeración tiene un circuito de fluido de trabajo que va desde el evaporador a un compresor, a un condensador, a una válvula de expansión o tubo capilar y de vuelta al evaporador; y en donde el evaporador está hecho de un material que tiene una conductividad térmica de al menos 160 W/mk.
Algunas máquinas para producir alimentos o bebidas enfriados a partir de ingredientes en una cápsula que contiene los ingredientes, que no están de acuerdo con la invención reivindicada, incluyen: un evaporador de un sistema de refrigeración, definiendo el evaporador un receptáculo dimensionado para recibir la cápsula; en donde el sistema de refrigeración tiene un circuito de fluido de trabajo que va desde el evaporador a un compresor, a un condensador, a una válvula de expansión o tubo capilar y de vuelta al evaporador; y en donde un refrigerante se selecciona del grupo que consiste en R143A, R134a, R410a, R32 y R404a, dióxido de carbono, amoniaco, propano e isobutano. Algunas máquinas para producir alimentos o bebidas enfriados a partir de ingredientes en una cápsula que contiene los ingredientes, que no están de acuerdo con la invención reivindicada, incluyen: un evaporador de un sistema de refrigeración, definiendo el evaporador un receptáculo dimensionado para recibir la cápsula; en donde el sistema de refrigeración tiene un circuito de fluido de trabajo que va desde el evaporador a un compresor, a un condensador, a un subsistema de expansión que comprende múltiples orificios o dispositivos de expansión en paralelo, y de vuelta al evaporador.
Algunas máquinas para producir alimentos o bebidas enfriados a partir de ingredientes en una cápsula que contiene los ingredientes, que no están de acuerdo con la invención reivindicada, incluyen: un evaporador de un sistema de refrigeración, definiendo el evaporador un receptáculo dimensionado para recibir la cápsula; en donde el sistema de refrigeración tiene un circuito de fluido de trabajo que va desde el evaporador a un compresor, a un condensador, a una válvula de expansión o tubo capilar, a una tubería de refrigerante que enfría previamente un tanque de agua, y de vuelta al evaporador.
Algunas máquinas para producir alimentos o bebidas enfriados a partir de ingredientes en una cápsula que contiene los ingredientes, que no están de acuerdo con la invención reivindicada, incluyen: un evaporador de un sistema de refrigeración, definiendo el evaporador un receptáculo dimensionado para recibir la cápsula; en donde el sistema de refrigeración tiene un circuito de fluido de trabajo que va desde el evaporador a un lado de una batería térmica, a un compresor, a un condensador, al otro lado de la batería térmica, a una válvula de expansión o tubo capilar, y de vuelta al evaporador.
Las realizaciones de las máquinas pueden incluir una o más de las siguientes características.
En algunas realizaciones, las máquinas también incluyen una válvula de derivación en la primera tubería de derivación.
En algunas realizaciones, las máquinas también incluyen una segunda tubería de derivación que se extiende desde el circuito de fluido de trabajo entre el compresor y el condensador hasta el circuito de fluido de trabajo entre el evaporador y el compresor. En algunos casos, las máquinas también incluyen una válvula de derivación en la segunda tubería de derivación. En algunos casos, las máquinas también incluyen un intercambiador de calor en la línea de succión.
En algunas realizaciones que no están de acuerdo con la invención reivindicada, el circuito de fluido de trabajo pasa a través de un depósito de material de cambio de fase dispuesto entre el compresor y el condensador. En algunos casos, el material de cambio de fase comprende una mezcla de etilenglicol y agua, agua salada, cera de parafina, alcanos, o agua pura o una combinación de los mismos. En algunos casos, el circuito de fluido de trabajo incluye un recipiente a presión entre el condensador y el evaporador, una primera válvula de aislamiento entre el recipiente a presión y la válvula de expansión, y una segunda válvula de aislamiento entre el compresor y el condensador. En algunos casos, el circuito de fluido de trabajo pasa a través de un enfriador termoeléctrico entre el condensador y la válvula de expansión.
En algunas realizaciones, las máquinas también incluyen un evaporador de aluminio con una masa no superior a 0,7 kg (1,50 libras).
En algunas realizaciones, las máquinas también incluyen una caída de presión a través del sistema de refrigeración inferior a 13,8 kP (2 psi).
En algunas realizaciones, Las máquinas también incluyen una superficie de transferencia de calor de cápsula a evaporador de hasta 322,5 cm2 (50 pulgadas cuadradas).
En algunas realizaciones, las máquinas también incluyen un evaporador que contiene unos canales de enfriamiento que con la velocidad de masa del fluido de hasta 878.837 kg/h/m2 (180.000 lb/(hora pie cuadrado) tienen un área de superficie humedecida por el refrigerante de hasta 1290 cm2 (200 pulgadas cuadradas).
En algunas realizaciones, las máquinas también incluyen un área de superficie del evaporador humedecida por el refrigerante de hasta 1290 cm2 (200 pulgadas cuadradas).
En algunas realizaciones, las máquinas también incluyen un evaporador que sujeta la cápsula.
En algunas realizaciones, las máquinas también incluyen un evaporador que tiene una pared interna de cobre adyacente a la cápsula.
En algunas realizaciones, las máquinas también incluyen un evaporador construido con microcanales.
Los sistemas y métodos descritos en esta memoria descriptiva pueden proporcionar diversas ventajas. Algunas realizaciones de estos sistemas y métodos pueden proporcionar dosis individuales de comida o bebida frías, estando los métodos fuera del objeto de las reivindicaciones. Este enfoque puede ayudar a los consumidores a controlar las porciones. Algunas realizaciones de estos sistemas y métodos pueden proporcionar a los consumidores la capacidad de elegir el sabor de su porción individual, por ejemplo, de helado blando). Algunas realizaciones de estos sistemas y métodos incorporan cápsulas no perecederas que no requieren preenfriamiento, precongelación u otra preparación. Algunas realizaciones de estos sistemas y métodos pueden generar alimentos o bebidas congelados a partir de cápsulas a temperatura ambiente en menos de dos minutos (en algunos casos, menos de un minuto). Algunas realizaciones de estos sistemas y métodos no requieren una limpieza posterior al procesamiento una vez que se genera el alimento o la bebida enfriados o congelados. Algunas realizaciones de estos sistemas y métodos utilizan cápsulas de aluminio que son reciclables.
Los detalles de una o más realizaciones de estos sistemas y métodos se exponen en los dibujos adjuntos y la siguiente descripción, estando los métodos fuera del objeto de las reivindicaciones. Otras características, objetos y ventajas de estos sistemas y métodos serán evidentes a partir de la descripción y los dibujos, y a partir de las reivindicaciones, que definen la presente invención.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La figura 1A es una vista en perspectiva de una máquina para enfriar rápidamente alimentos y bebidas. La figura 1B muestra la máquina sin su carcasa.
La figura 1C es una vista en perspectiva de una parte de la máquina de la figura 1 A.
La figura 2A es una vista en perspectiva de la máquina de la figura 1A con la tapadera de la interfaz cápsulamáquina ilustrada como transparente para permitir ver una vista más detallada del evaporador.
La figura 2B es una vista superior de una parte de la máquina sin la carcasa y la interfaz cápsula-máquina sin la tapa. Las figuras 2C y 2D son, respectivamente, una vista en perspectiva y una vista lateral del evaporador.
Las figuras 3A - 3F muestran los componentes de una interfaz cápsula-máquina que son accionables para abrir y cerrar cápsulas en el evaporador para distribuir el alimento o la bebida que se produce.
La figura 4 es un esquema de un sistema de refrigeración.
Las figuras 5A y 5B son vistas de un prototipo de condensador.
La figura 6A es una vista lateral de una cápsula.
La figura 6B es una vista lateral esquemática de la cápsula y una paleta mezcladora dispuesta en la cápsula.
Las figuras 7A y 7B son vistas en perspectiva de una cápsula y un vástago impulsor asociado.
La figura 7C es una vista en sección transversal de una parte de la cápsula con el vástago impulsor acoplado con una paleta mezcladora en la cápsula.
La figura 8 muestra un primer extremo de una cápsula con su cubierta separada de su base para facilitar la visualización.
Las figuras 9A-9G ilustran la rotación de una cubierta alrededor del primer extremo de la cápsula para abrir una abertura que se extiende a través de la base.
La figura 10 es una vista lateral esquemática ampliada de una cápsula.
La figura 11 es un diagrama de flujo de un método para hacer funcionar una máquina para producir alimentos o bebidas enfriados.
La figura 12 es un esquema de un sistema de refrigeración que incluye un evaporador y un subsistema de expansión. La figura 13 es un esquema de un sistema de refrigeración que incluye una tubería de derivación que preenfría un tanque de agua antes y corriente arriba de un evaporador.
La figura 14 es un esquema de un sistema de refrigeración que incluye una masa térmica dispuesta entre un compresor y un condensador.
La figura 15 es un esquema de un sistema de refrigeración que incluye un recipiente a presión, una primera válvula de control y una segunda válvula de control.
La figura 16 es un esquema de un sistema de refrigeración que incluye un módulo termoeléctrico.
La figura 17 es un esquema de un sistema de refrigeración que incluye una batería térmica, una primera válvula de derivación de batería y una segunda válvula de derivación de batería.
La figura 18A es una vista desde arriba de una tapadera 127 de evaporador y la Figura 18B es una vista desde arriba del cuerpo del evaporador.
Las figuras 19A y 19B son vistas en perspectiva de un evaporador con y sin una tapa asociada.
Las figuras 20A-20D son esquemas de trayectorias de flujo formadas por los canales del evaporador y una tapa asociada.
Las figuras 21A-21C son vistas de la cápsula y el evaporador con un mecanismo de cierre.
Las figuras 22A y 22B son vistas laterales de un mecanismo de cierre que incluye un primer pestillo y un segundo pestillo.
Las figuras 23A - 23H ilustran un evaporador con un cuerpo extruido.
La figura 24 ilustra un evaporador que incorpora una placa de orificio.
La figura 25 es una vista en perspectiva de un evaporador, mostrado en las figuras 19A y 19B, con una superficie interna hecha de un material diferente al del evaporador.
Las figuras 26A-26C son vistas esquemáticas de chapados.
La figura 27 es una vista de ejemplo de un material que incluye microcanales.
Las figuras 28A-28C son vistas desde arriba de un compresor rotativo.
Símbolos de referencia semejantes en los diversos dibujos indican elementos semejantes.
DESCRIPCIÓN DETALLADA
Esta memoria descriptiva describe sistemas y métodos para enfriar rápidamente alimentos y bebidas, estando los métodos fuera del objeto de las reivindicaciones. Algunos de estos sistemas y métodos utilizan una máquina de sobremesa o fija para enfriar alimentos y bebidas en un envase desde la temperatura ambiente hasta la congelación en menos de tres minutos. Por ejemplo, el enfoque descrito en esta memoria descriptiva ha demostrado con éxito la capacidad de preparar helado suave, cafés helados, licuados helados y cócteles helados, a partir de cápsulas a temperatura ambiente en aproximadamente 90 segundos. Este enfoque también se puede utilizar para refrigerar cócteles, crear licuados helados, batidos congelados de proteínas y otras bebidas funcionales (p. ej., a base de colágeno, energéticas, a base de plantas, no lácteos, batidos de cannabidiol (CBD)), bebidas de café heladas y bebidas de café frías con y sin nitrógeno, crear helado duro, crear batidos de leche, crear yogur helado y bebidas probióticas frías. Estos sistemas y métodos se basan en un ciclo de refrigeración con tiempos de arranque reducidos y una interfaz cápsula-máquina que es fácil de usar y proporciona una transferencia de calor extremadamente eficiente. Algunas de las cápsulas descritas se pueden esterilizar (por ejemplo, mediante esterilización en retorta) y se utiliza para almacenar ingredientes, incluidos, por ejemplo, productos lácteos a temperatura ambiente hasta 18 meses. La invención está dirigida a una máquina para producir alimentos o bebidas enfriados a partir de ingredientes en una cápsula que contiene los ingredientes, comprendiendo la máquina un sistema de refrigeración que comprende: un evaporador que define un receptáculo dimensionado para recibir la cápsula y que tiene un cuerpo que define unos canales a través de los cuales fluye el refrigerante para enfriar el evaporador; un compresor; un condensador; un circuito de fluido de trabajo; y un subsistema de expansión que comprende una primera válvula de orificio fijo, una segunda válvula de orificio fijo y una válvula de control aguas arriba de la segunda válvula de orificio fijo, estando la válvula de control y la segunda válvula de orificio fijo dispuestas en paralelo con la primera válvula de orificio fijo, en donde el circuito de trabajo va desde el evaporador al compresor, al condensador, al subsistema de expansión y de vuelta al evaporador.
La figura 1A es una vista en perspectiva de una máquina 100 para enfriar alimentos o bebidas. La figura 1B muestra la máquina sin su carcasa. La máquina 100 reduce la temperatura de los ingredientes en una cápsula que contiene los ingredientes. La mayoría de las cápsulas incluyen una paleta mezcladora que se usa para mezclar los ingredientes antes de distribuir los productos enfriados o congelados. La máquina 100 incluye un cuerpo 102 que incluye un compresor, un condensador, un ventilador, un evaporador, tubos capilares, un sistema de control, un sistema de tapa y un sistema de distribución con una carcasa 104 y una interfaz cápsula-máquina 106. La interfaz cápsula-máquina 106 incluye un evaporador 108 de un sistema 109 de refrigeración cuyos otros componentes están dispuestos dentro de la carcasa 104. La máquina con el sistema 109 de refrigeración no está de acuerdo con la invención reivindicada. Como se muestra en la figura 1B, el evaporador 108 define un receptáculo 110 dimensionado para recibir una cápsula.
Una tapa 112 está unida a la carcasa 104 mediante una bisagra 114. La tapa 112 puede girar entre una posición cerrada que cubre el receptáculo 110 (figura 1A) y una posición abierta que expone el receptáculo 110 (figura 1B). En la posición cerrada, la tapa 112 cubre el receptáculo 110 y está bloqueada en su lugar. En la máquina 100, un pestillo 116 en la tapa 112 se acopla con un rebaje 118 para pestillo en la interfaz cápsula-máquina 106. Un sensor 120 para pestillo está dispuesto en el rebaje 118 para pestillo para determinar si el pestillo 116 está acoplado con el rebaje 118 para pestillo. Un procesador 122 está conectado electrónicamente al sensor 120 para pestillo y reconoce que la tapa 112 está cerrada cuando el sensor 120 para pestillo determina que el pestillo 116 y el rebaje 118 para pestillo están acoplados.
Una tapadera 115 auxiliar gira hacia arriba cuando la tapa 112 se mueve desde su posición cerrada a su posición abierta. Algunas tapaderas auxiliares se deslizan dentro de la carcasa cuando la tapa se mueve a la posición abierta. En la máquina 100, el evaporador 108 está fijo en su posición con respecto al cuerpo 102 de la máquina 100 y el acceso al receptáculo 110 se proporciona mediante el movimiento de la tapa 112. En algunas máquinas, el evaporador 108 es desplazable con respecto al cuerpo 102 y el movimiento del evaporador 108 proporciona acceso al receptáculo 110.
Un motor 124 dispuesto en la carcasa 104 está conectado mecánicamente a un vástago impulsor 126 que se extiende desde la tapa 112. Cuando la tapa 112 está en la posición cerrada, el vástago impulsor 126 se extiende dentro del receptáculo 110 y, si hay una cápsula presente, se acopla con la cápsula para mover una paleta o paletas dentro de la cápsula. El procesador 122 está en comunicación electrónica con el motor 124 y controla el funcionamiento del motor 124. En algunas máquinas, el eje asociado con la(s) paleta(s) de la cápsula se extiende hacia afuera desde la cápsula y la tapa 112 tiene un receptáculo giratorio (en lugar del vástago impulsor 126) conectado mecánicamente al motor 124.
La figura 1C es una vista en perspectiva de la tapa 112 mostrada por separado de modo que la correa 125 que se extiende desde el motor 124 hasta el vástago impulsor 126 sea visible. Refiriéndose nuevamente a la Figura 1B, el motor 124 está montado sobre una placa que corre a lo largo de carriles 127. La placa se puede mover aproximadamente 6,35 mm (0,25 pulgadas) para ajustar la tensión en la correa. Durante el montaje, la placa se desliza a lo largo de los carriles. Unos resortes dispuestos entre la placa y la tapa 112 influyen sobre la tapa 112 alejándola de la placa para mantener la tensión en la correa.
La figura 2A es una vista en perspectiva de la máquina 100 con la tapadera de la interfaz cápsula-máquina 106 ilustrada como transparente para permitir ver una vista más detallada del evaporador 108. La figura 2B es una vista superior de una parte de la máquina 100 sin la carcasa 104 y de la interfaz cápsula-máquina 106 sin la tapa 112. Las figuras 2C y 2D son, respectivamente, una vista en perspectiva y una vista lateral del evaporador 108. Otras interfaces máquina-cápsula se describen con más detalle en la solicitud de patente de EE.UU. n.° Ser._____ (número de expediente del abogado 47354-0009001) presentada al mismo tiempo que esta solicitud.
El evaporador 108 tiene una configuración de concha con una primera parte 128 unida a una segunda parte 130 por una bisagra viva 132 en un lado y separada por un hueco 134 en el otro lado. El refrigerante fluye al evaporador 108 desde otros componentes del sistema de refrigeración a través de unos canales 136 de fluido (se ve mejor en la figura 2B). El refrigerante fluye a través del evaporador 108 por unos canales internos a través de la primera parte 128, la bisagra viva 132 y la segunda parte 130.
El espacio 137 (que se ve mejor en la figura 2B) entre la pared exterior del evaporador 108 y la pared interior de la funda de la interfaz cápsula-máquina 106 se carga con un material aislante para reducir el intercambio de calor entre el entorno y el evaporador 108. En la máquina 100, el espacio 137 se carga con un aerogel (no mostrado). Algunas máquinas utilizan otro material aislante, por ejemplo, un anillo (como un espacio de aire), espumas aislantes de varios polímeros o lana de fibra de vidrio.
El evaporador 108 tiene una posición abierta y una posición cerrada. En la posición abierta, el hueco 134 se abre para proporcionar un espacio de aire entre la primera parte 128 y la segunda parte 130. En la máquina 100, la primera parte 128 y la segunda parte 130 se presionan juntas en la posición cerrada. En algunas máquinas, la primera y la segunda partes se presionan una hacia la otra y se reduce el hueco, pero este aún queda definido por un espacio entre la primera y la segunda partes en la posición cerrada.
El diámetro interior ID del evaporador 108 es ligeramente mayor en la posición abierta que en la posición cerrada. Las cápsulas pueden insertarse y retirarse del evaporador 108 mientras el evaporador está en su posición abierta.
La transición del evaporador 108 desde su posición abierta a su posición cerrada después de que se inserta una cápsula aprieta el evaporador 108 alrededor del diámetro exterior de la cápsula. Por ejemplo, la máquina 100 está configurada para usar cápsulas con un diámetro exterior de 52 mm (2,085 pulgadas). El evaporador 108 tiene un diámetro interior de 53,7 mm (2,115 pulgadas) en la posición abierta y un diámetro interior de 52 mm (2,085 pulgadas) en la posición cerrada. Algunas máquinas tienen evaporadores dimensionados y configurados para enfriar otras cápsulas. Las cápsulas se pueden formar a partir de latas de tamaños disponibles comercialmente, por ejemplo, latas "delgadas" con diámetros de 52,8 mm (2,080 pulgadas) - 53 mm (2,090 pulgadas) y volúmenes de 180 mililitros (ml) - 300 ml, latas "estilizadas" con diámetros de 57 mm (2,250 pulgadas) - 6 mm (2,400 pulgadas) y volúmenes de 180 ml - 400 ml y latas de tamaño "estándar" con diámetros de 63,5 mm (2,500 pulgadas) - 66 mm (2,600 pulgadas) y volúmenes de 200 ml - 500 ml. La máquina 100 está configurada para usar cápsulas con un diámetro exterior de 52 mm (2,085 pulgadas). El evaporador 108 tiene un diámetro interior de 53,7 mm (2,115 pulgadas) en su posición abierta y un diámetro interior de 52 mm (2,085 pulgadas) en su posición cerrada. Algunas máquinas tienen evaporadores dimensionados y configurados para enfriar otras cápsulas.
La posición cerrada del evaporador 108 mejora la transferencia de calor entre la cápsula 150 insertada y el evaporador 108 aumentando el área de contacto entre la cápsula 150 y el evaporador 108 y reduciendo o eliminando un espacio de aire entre la pared de la cápsula 150 y el evaporador 108. En algunas cápsulas, la presión aplicada a la cápsula por el evaporador 108 se opone a las paletas mezcladoras, los gases presurizados dentro de la cápsula, o ambos para mantener la forma de la funda de la cápsula.
En el evaporador 108, la posición relativa de la primera parte 128 y la segunda parte 130 y el tamaño del hueco 134 entre ellas están controlados por dos barras 138 conectadas por un perno 140 y dos resortes 142. Cada una de las barras 138 tiene un orificio central roscado a través del cual se extiende el perno 140 y dos orificios de extremo que se acoplan a los pasadores 144. Cada uno de los dos resortes 142 está dispuesto alrededor de un pasador 144 que se extiende entre las barras 138. Algunas máquinas utilizan otros sistemas para controlar el tamaño del hueco 134, por ejemplo, sistemas de cables circunferenciales con cables que se extienden alrededor del diámetro exterior del evaporador 108 apretando el cable para cerrar el evaporador 108 y aflojándolo para abrir el evaporador 108. En otros evaporadores, hay una pluralidad de pernos y orificios de extremo, uno o más de dos resortes, y uno o más pasadores de acoplamiento.
Una barra 138 está montada en la primera parte 128 del evaporador 108 y la otra barra 138 está montada en la segunda parte 130 del evaporador 108. En algunos evaporadores, las barras 138 son integrales con el cuerpo del evaporador 108 en lugar de montarse en el cuerpo del evaporador. Los resortes 142 presionan las barras 138 separándolas entre sí. La fuerza del resorte influye sobre la primera parte 128 y la segunda parte 130 del evaporador 108 alejándolas una de otra en el hueco 134. La rotación del perno 140 en una dirección aumenta la fuerza que empuja las barras 138 una hacia otra y la rotación del perno en la dirección opuesta disminuye esta fuerza. Cuando la fuerza aplicada por el perno 140 es mayor que la fuerza del resorte, las barras 138 unen la primera parte 128 y la segunda parte 130 del evaporador.
La máquina 100 incluye un motor eléctrico 146 (mostrado en la figura 2B) que se puede hacer funcionar para girar el perno 140 para controlar el tamaño del hueco 134. Algunas máquinas utilizan otros mecanismos para girar el perno 140. Por ejemplo, algunas máquinas usan un enlace mecánico, por ejemplo, entre la tapa 112 y el perno 140 para hacer girar el perno 140 cuando la tapa 112 se abre y se cierra. Algunas máquinas incluyen un mango que se puede unir al perno para apretar o aflojar manualmente el perno. Algunas máquinas tienen un sistema de cuña que fuerza las barras hasta una posición cerrada cuando la tapa de la máquina está cerrada. Este enfoque se puede utilizar en lugar del motor eléctrico 146 o se puede proporcionar como respaldo en caso de que falle el motor.
El motor eléctrico 146 está en comunicación con, y es controlado por, el procesador 122 de la máquina 100. Algunos accionamientos eléctricos incluyen un sensor de par que envía mediciones de par al procesador 122. El procesador 122 envía una señal al motor para que gire el perno 140 en una primera dirección para presionar y juntar las barras 138, por ejemplo, cuando un sensor de cápsula indica que hay una cápsula dispuesta en el receptáculo 110 o cuando el sensor 120 para pestillo indica que la tapa 112 y la interfaz cápsula-máquina 106 están acopladas. Es deseable que el evaporador tipo almeja esté cerrado y sostenga la cápsula en una posición firmemente fija antes de que la tapa se cierre y el árbol perfore la cápsula y se acople con la paleta mezcladora. Este posicionamiento puede ser importante para el acoplamiento del vástago de impulsión y la paleta mezcladora. El procesador 122 envía señales al accionamiento eléctrico para que gire el perno 140 en la segunda dirección, por ejemplo, después de que el alimento o bebida que se está produciendo se haya enfriado/congelado y distribuido desde la máquina 100, abriendo así el hueco 134 del evaporador y permitiendo una fácil extracción de la cápsula 150 del evaporador 108.
La base del evaporador 108 tiene tres orificios 148 (véase la figura 2C) que se utilizan para montar el evaporador 108 en el suelo de la interfaz cápsula-máquina 106. Los tres orificios 148 se extienden a través de la base de la segunda parte 130 del evaporador 108. La primera parte 128 del evaporador 108 no está unida directamente al suelo de la interfaz cápsula-máquina 106. Esta configuración permite el movimiento de apertura y cierre descrito anteriormente. También se pueden utilizar otras configuraciones que permitan el movimiento de apertura y cierre del evaporador 108. Algunas máquinas tienen más o menos de tres orificios 148. Algunos evaporadores están montados en componentes distintos al suelo de la interfaz cápsula-máquina, por ejemplo, el mecanismo de distribución.
Muchos factores afectan al rendimiento de un sistema de refrigeración. Los factores importantes incluyen la velocidad de masa del refrigerante que fluye a través del sistema, el área de superficie humedecida por el refrigerante, el proceso de refrigeración, el área de la superficie de transferencia de calor de la cápsula/evaporador, la masa del evaporador y la conductividad térmica del material de la superficie de transferencia de calor. El modelado exhaustivo y los estudios empíricos en el desarrollo de los sistemas prototipo descritos en esta memoria descriptiva han determinado que las opciones adecuadas para la velocidad de masa del refrigerante que fluye a través del sistema y el área de superficie humedecida por el refrigerante son los parámetros más importantes a equilibrar para proporcionar un sistema capaz de congelar hasta 0,34 kg (12 onzas) de dulce en menos de 2 minutos.
Los evaporadores descritos en esta memoria descriptiva tienen las siguientes características:
Los siguientes párrafos describen la importancia de estos parámetros con más detalle.
La velocidad de masa da cuenta de la naturaleza multifase o el refrigerante que fluye a través de un evaporador. El proceso de dos fases aprovecha las altas cantidades de calor absorbido y gastado cuando un fluido refrigerante (por ejemplo, propano R-290) cambia de estado de líquido a gas y de gas a líquido, respectivamente. La velocidad de transferencia de calor depende en parte de exponer las superficies interiores del evaporador con un nuevo refrigerante líquido para vaporizar y enfriar la mezcla de helado líquido. Para hacer esto, la velocidad del fluido refrigerante debe ser lo suficientemente alta para que el vapor se canalice o fluya por el centro de la trayectoria de flujo dentro de las paredes del evaporador y para que el refrigerante líquido sea empujado a través de estos pasos de canal dentro de las paredes. Una medición aproximada de la velocidad del fluido en un sistema de refrigeración es la velocidad de masa: el flujo de masa de refrigerante en un sistema por unidad de área de sección transversal del paso de flujo en unidades kg/h/m2 (lb/h pie2). La velocidad medida en m/s (pies/s) (una forma más familiar de medir la "velocidad") es difícil de aplicar en un sistema de dos fases, ya que la velocidad (m/s (pies/s)) cambia constantemente a medida que el flujo del fluido cambia de estado de líquido a gas. Si el refrigerante líquido pasa constantemente por las paredes del evaporador, se puede vaporizar y se puede empujar líquido nuevo contra la pared de los canales de enfriamiento por el "núcleo" de vapor que fluye por el medio del paso. A bajas velocidades, el flujo se separa en función de la gravedad y el líquido permanece en la parte inferior del paso de enfriamiento dentro del evaporador y el vapor sube al lado superior de los canales del paso de enfriamiento. Si la cantidad de área expuesta al líquido se reduce a la mitad, por ejemplo, esto podría reducir la cantidad de transferencia de calor casi a la mitad. De acuerdo con la Sociedad Americana de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado (ASHRAE), una velocidad de masa de 732.360 kg/h/m2 (150.000 lb/h pie2 maximiza el rendimiento para la mayor parte de la trayectoria del flujo del evaporador. La velocidad de masa es uno de los parámetros que deben equilibrarse para optimizar un sistema de refrigerante. Los parámetros que afectan al rendimiento del evaporador son el caudal másico, el coeficiente de transferencia de calor por convección y la caída de presión. La presión de funcionamiento nominal del evaporador está determinada por la temperatura requerida del evaporador y las propiedades del refrigerante utilizado en el sistema. El caudal másico de refrigerante a través del evaporador debe ser lo suficientemente alto para que absorba la cantidad de energía térmica del dulce para congelarlo en un período de tiempo determinado. El caudal másico está determinado principalmente por el tamaño del compresor. Es deseable utilizar el compresor más pequeño posible para reducir, coste, peso y tamaño. El coeficiente de transferencia de calor por convección está influenciado por la velocidad de masa y el área de superficie humedecida del evaporador. El coeficiente de transferencia de calor por convección aumentará con el aumento de la velocidad de masa. Sin embargo, la caída de presión también aumentará con la velocidad de masa. Esto, a su vez, aumenta la potencia necesaria para hacer funcionar el compresor y reduce el caudal másico que puede suministrar el compresor. Es deseable diseñar el evaporador para cumplir con los objetivos de rendimiento mientras se usa el compresor más pequeño y menos costoso posible. Se ha determinado que los evaporadores con una velocidad de masa de 366.180 - 610.300 kg/h/m2 (75.000 - 125.000 lb/h pie2) son efectivos para ayudar a proporcionar un sistema capaz de congelar hasta 0,34 kg (12 onzas) de dulce en menos de 2 minutos. El último prototipo tiene una velocidad de masa de aproximadamente 488.240 kg/h/m2 (100.000 lb/h pie2) y proporciona un buen equilibrio de alta velocidad de masa, caída de presión manejable en el sistema y un compresor de tamaño razonable.
Otro factor importante que afecta al rendimiento de un evaporador es el área de superficie humedecida por el refrigerante, que es el área de todos los canales de enfriamiento dentro del evaporador expuestos al refrigerante. El aumento de la superficie húmeda puede mejorar las características de transferencia de calor de un evaporador. Sin embargo, el aumento del área de superficie humedecida puede aumentar la masa del evaporador, lo que aumentaría la inercia térmica y degradaría las características de transferencia de calor del evaporador.
La cantidad de calor que se puede transferir desde el líquido en una cápsula es proporcional al área de la superficie de transferencia de calor cápsula/evaporador. Es deseable un área de superficie más grande, pero los aumentos en el área de superficie pueden requerir aumentar la masa del evaporador, lo que degradaría las características de transferencia de calor del evaporador. Se ha determinado que los evaporadores en los que el área de la superficie de transferencia de calor cápsula/evaporador es de entre 129 y 258 cm2 (20 y 40 pulgadas cuadradas) se combinan en la práctica con las otras características para ayudar a proporcionar un sistema capaz de congelar hasta 0,34 kg (12 onzas) de dulce en menos de 2 minutos.
La conductividad térmica es la propiedad intrínseca de un material que relaciona su capacidad para conducir calor. La transferencia de calor por conducción implica la transferencia de energía dentro de un material sin ningún movimiento del material en su conjunto. Un evaporador con paredes hechas de un material de alta conductividad (por ejemplo, aluminio) reduce la diferencia de temperatura a través de las paredes del evaporador. La reducción de esta diferencia de temperatura reduce el trabajo necesario para que el sistema de refrigeración enfríe el evaporador a la temperatura adecuada.
Para que ocurra la transferencia de calor deseada, el evaporador debe enfriarse. Cuanto mayor sea la masa del evaporador, más tardará este enfriamiento. La reducción de la masa del evaporador reduce la cantidad de material que debe enfriarse durante un ciclo de congelación. Un evaporador con una gran masa aumentará el tiempo necesario para congelar hasta 0,34 kg (12 onzas) de dulce.
Los efectos de la conductividad térmica y la masa se pueden equilibrar mediante una elección adecuada de materiales. Hay materiales con mayor conductividad térmica que el aluminio como el cobre. Sin embargo, la densidad del cobre es mayor que la densidad del aluminio. Por este motivo, se han construido algunos evaporadores que usan cobre de alta conductividad térmica solo en las superficies de intercambio de calor del evaporador y usan aluminio en todas las demás partes.
Las figuras 3A - 3F muestran los componentes de la interfaz cápsula-máquina 106 que son accionables para abrir cápsulas en el evaporador 108 para distribuir los alimentos o la bebida producidos por la máquina 100. Este es un ejemplo de un enfoque para abrir cápsulas, pero algunas máquinas y las cápsulas asociadas utilizan otros enfoques. La figura 3 A es una vista esquemática parcialmente recortada de la interfaz cápsula-máquina 106 con una cápsula 150 colocada en el evaporador 108. La figura 3B es una vista en planta esquemática que mira hacia arriba que muestra la relación entre el extremo de la cápsula 150 y el suelo 152 de la interfaz cápsula-máquina 106. El suelo 152 de la interfaz cápsula-máquina 106 está formado por un distribuidor 153. Las figuras 3C y 3D son vistas en perspectiva de un distribuidor 153. Las figuras 3E y 3F son vistas en perspectiva de un inserto 154 que está dispuesto en el distribuidor 153. El inserto 154 incluye un motor eléctrico 146 accionable para accionar un engranaje sinfín 157 en el suelo 152 de la interfaz cápsula-máquina 106. El engranaje sinfín 157 está acoplado con un engranaje 159 con una configuración anular. Un miembro anular 161 montado en el engranaje 159 se extiende desde el engranaje 159 hacia una región interior de la interfaz cápsula-máquina 106. El miembro anular 161 tiene protuberancias 163 que están configuradas para acoplarse con una cápsula insertada en la interfaz cápsula-máquina 106 para abrir la cápsula. Las protuberancias 163 del miembro anular 161 son cuatro protuberancias en forma de espiga. Algunos engranajes anulares tienen más protuberancias o menos protuberancias y las protuberancias pueden tener otras formas, por ejemplo, "dientes".
La cápsula 150 incluye un cuerpo 158 que contiene una paleta mezcladora 160 (véase la figura 3A). La cápsula 150 per se no forma parte de la invención reivindicada. La cápsula 150 también tiene una base 162 que define una rendija 164 y una cubierta 166 que se extiende a través de la base 162 (véase la figura 3B). La base 162 está soldada/fijada al cuerpo 158 de la cápsula 150. La base 162 incluye una protuberancia 165. La cubierta 166 montada sobre la base 162 puede girar alrededor de la circunferencia/eje de la cápsula 150. En uso, cuando el producto esté listo para distribuirse desde la cápsula 150, el distribuidor 153 de la máquina se acopla a la cubierta 166 y la gira alrededor del primer extremo de la cápsula 150. La cubierta 166 se gira a una posición para acoplarse a la protuberancia 165 y luego separarla del resto de la base 162. La cápsula 150 y sus componentes se describen con más detalle con respecto a las figuras 6A-10.
La rendija 164 en la base 162 se abre mediante la rotación de la cubierta 166. La interfaz cápsula-máquina 106 incluye un motor eléctrico 146 con un roscado que se acopla a la circunferencia exterior de un engranaje 168. El funcionamiento del motor eléctrico 146 hace que el engranaje 168 gire. El engranaje 168 está unido a un miembro anular 161 y la rotación del engranaje 168 gira el miembro anular 161. El engranaje 168 y el miembro anular 161 son ambos anulares y juntos definen un orificio central a través del cual se pueden distribuir alimentos o bebidas desde la cápsula 150 a través de la rendija 164 sin entrar en contacto con el engranaje 168 o el miembro anular 161. Cuando la cápsula 150 se coloca en el evaporador 108, el miembro anular 161 se acopla con la cubierta 166 y la rotación del miembro anular 161 gira la cubierta 166.
La figura 4 es un esquema de un sistema 109 de refrigeración que no está de acuerdo con la invención reivindicada y que incluye el evaporador 108. El sistema de refrigeración también incluye un condensador 180, un intercambiador 182 de calor de tubería de succión, una válvula 184 de expansión y un compresor 186. Un refrigerante líquido a alta presión fluye desde el condensador 180, a través del intercambiador 182 de calor de tubería de succión y de la válvula 184 de expansión, hasta el evaporador 108. La válvula 184 de expansión restringe el flujo del fluido de refrigerante líquido y reduce la presión del refrigerante líquido cuando sale de la válvula 184 de expansión. El líquido a baja presión se mueve luego al evaporador 108 donde el calor absorbido de una cápsula 150 y su contenido en el evaporador 108 cambia el refrigerante de líquido a gas. El refrigerante en fase gaseosa fluye desde el evaporador 108 al compresor 186 a través del intercambiador 182 de calor de tubería de succión. En el intercambiador 182 de calor de tubería de succión, el vapor frío que sale del evaporador 108 preenfría el líquido que sale del condensador 180. El refrigerante entra en el compresor 186 como gas a baja presión y sale del compresor 186 como gas a alta presión. El gas fluye luego al condensador 180 donde el intercambio de calor enfría y condensa el refrigerante a líquido.
El sistema 109 de refrigeración incluye una primera tubería 188 de derivación y una segunda tubería 190 de derivación. La primera tubería 188 de derivación conecta directamente la descarga del compresor 186 a la entrada del compresor 186. Dispuestas tanto en la primera tubería de derivación como en la segunda tubería de derivación hay unas válvulas de derivación que abren y cierran el paso para permitir el flujo de derivación de refrigerante. Desviar el refrigerante directamente de la descarga del compresor a la entrada puede proporcionar descongelación del evaporador y control de temperatura sin inyectar gas caliente al evaporador. La primera tubería 188 de derivación también proporciona un medio para una rápida compensación de presión, a través del compresor 186, que permite un reinicio rápido (es decir, congelar una cápsula tras otra rápidamente). La segunda tubería 190 de derivación permite la aplicación de gas caliente al evaporador 108 para descongelar el evaporador 108. Las válvulas de derivación pueden ser, por ejemplo, válvulas de solenoide o válvulas de regulación.
Las figuras 5A y 5B son vistas de un prototipo del condensador 180. El condensador tiene canales internos 192. Los canales internos 192 aumentan el área de superficie que interactúa con el refrigerante, enfriando el refrigerante rápidamente. Estas imágenes muestran tubos de microcanales que se utilizan porque tienen canales pequeños que mantienen alta la velocidad del refrigerante y son de pared delgada para una buena transferencia de calor y tienen poca masa para evitar que el condensador sea un disipador de calor.
Las figuras 6A y 6B muestran un ejemplo de una cápsula 150 para su uso con la máquina 100 descrita con respecto a las figuras 1A - 3F. La figura 6A es una vista lateral de la cápsula 150. La figura 6B es una vista lateral esquemática de la cápsula 150 y la paleta mezcladora 160 dispuesta en el cuerpo 158 de la cápsula 150. Otras interfaces cápsula-máquina que se pueden usar con esta y otras máquinas similares se describen con más detalle en la solicitud de patente de E<e>.UU. n.° Ser._____(número de expediente del abogado 47354-0010001), presentada al mismo tiempo que esta solicitud.
La cápsula 150 está dimensionada para encajar en el receptáculo 110 de la máquina 100. Las cápsulas se pueden dimensionar para proporcionar una dosis individual del alimento o bebida que se produce. Normalmente, las cápsulas tienen un volumen entre 0,177 y 0,53 l de fluido (6 y 18 onzas líquidas). La cápsula 150 tiene un volumen de aproximadamente 0,25 l (8,5 onzas líquidas).
El cuerpo 158 de la cápsula 150 es una lata que contiene la paleta mezcladora 160. El cuerpo 158 se extiende desde un primer extremo 210 en la base hasta un segundo extremo 212 y tiene una sección transversal circular. El primer extremo 210 tiene un diámetro D<ue>que es ligeramente mayor que el diámetro D<le>del segundo extremo 212. Esta configuración facilita el apilamiento de múltiples cápsulas 200 una encima de la otra recibiendo el primer extremo 210 de una cápsula el segundo extremo 212 de otra cápsula.
Una pared 214 conecta el primer extremo 210 al segundo extremo 212. La pared 214 tiene un primer cuello 216, un segundo cuello 218 y un cilindro 220 entre el primer cuello 216 y el segundo cuello 218. El cilindro 220 tiene una sección transversal circular con un diámetro D<b>. El diámetro D<b>es mayor que el diámetro D<ue>del primer extremo 210 y el diámetro D<le>del segundo extremo 212. El primer cuello 216 conecta el cilindro 220 con el primer extremo 210 y se inclina cuando el primer cuello 216 se extiende desde el diámetro menor D<ue>al diámetro mayor D<b>del cilindro 220. El segundo cuello 218 conecta el cilindro 220 con el segundo extremo 212 y se inclina cuando el segundo cuello 218 se extiende desde el diámetro mayor D<b>del cilindro 220 al diámetro menor D<le>del segundo extremo 212. El segundo cuello 218 tiene una pendiente más pronunciada que el primer cuello 216 ya que el segundo extremo 212 tiene un diámetro menor que el primer extremo 210.
Esta configuración de la cápsula 150 proporciona un mayor uso de material; es decir, la capacidad de utilizar más material base (por ejemplo, aluminio) por cápsula. Esta configuración ayuda además con la resistencia columnar de la cápsula.
La cápsula 150 está diseñada para una buena transferencia de calor desde el evaporador al contenido de la cápsula.
El cuerpo 158 de la cápsula 150 está hecho de aluminio y tiene un espesor de entre 5 y 50 mieras. Los cuerpos de algunas cápsulas están hechos de otros materiales, por ejemplo, estaño, acero inoxidable y varios polímeros como el tereftalato de polietileno (PTE).
La cápsula 150 puede estar hecha de una combinación de diferentes materiales para ayudar con la capacidad de fabricación y el rendimiento de la cápsula. En una realización, las paredes de la cápsula y el segundo extremo 212 pueden estar hechos de Aluminio 3104 mientras que la base puede estar hecha de Aluminio 5182.
En algunas cápsulas, los componentes interiores de la cápsula están recubiertos con una laca para evitar la corrosión de la cápsula cuando entra en contacto con los ingredientes que contiene la cápsula. Esta laca también reduce la probabilidad de "toques desagradables" del metal en los ingredientes de alimentos y bebidas contenidos en la cápsula. Por ejemplo, una cápsula de aluminio puede recubrirse internamente con uno, o una combinación de, los siguientes recubrimientos: Sherwin Williams/Valspar V70Q11, V70Q05, 32SO2AD, 40Q60AJ; PPG Innovel 2012 823, 2012-820C; y/o Akzo Nobel Aqualure G1 50. También se pueden usar otros recubrimientos hechos por el mismo u otros fabricantes de recubrimientos.
Algunas paletas mezcladoras están hechas de aleaciones de aluminio similares y están recubiertas con lacas/recubrimientos similares. Por ejemplo, el recubrimiento Whitford/PPG 8870 se puede utilizar como recubrimiento para paletas mezcladoras. La laca de la paleta mezcladora puede tener beneficios adicionales antiadherentes y de endurecimiento para la paleta mezcladora.
Las figuras 7A - 7C ilustran el acoplamiento entre el vástago impulsor 126 de la máquina 100 y la paleta mezcladora 160 de una cápsula 150 insertada en la máquina 100. Las figuras 7A y 7B son vistas en perspectiva de la cápsula 150 y el vástago impulsor 126. En uso, la cápsula 150 se inserta en el receptáculo 110 del evaporador 108 con el primer extremo 210 de la cápsula 150 hacia abajo. Esta orientación expone el segundo extremo 212 de la cápsula 150 al vástago impulsor 126 como se muestra en la figura 7A. Al cerrar la tapa 112 (véase la figura 1 A) se presiona el vástago impulsor 126 contra el segundo extremo 212 de la cápsula 150 con fuerza suficiente para que el vástago impulsor 126 atraviese el segundo extremo 212 de la cápsula 150. La figura 7B muestra el orificio resultante que expone la paleta mezcladora 160 con el vástago impulsor 126 desplazado para facilitar la visualización. La figura 9C es una sección transversal de una parte de la cápsula 150 con el vástago impulsor 126 acoplado con la paleta mezcladora 160 después de cerrar la tapa. Normalmente, no hay un sello hermético entre el vástago impulsor 126 y la cápsula 150 de modo que puede fluir aire al interior mientras el dulce congelado se está evacuando/distribuyendo por el otro extremo de la cápsula 150. En una realización alternativa, hay un sello hermético de modo que la cápsula 150 retiene la presión para potenciar el contacto entre la cápsula 150 y el evaporador 108.
Algunas paletas mezcladoras contienen una configuración de embudo o receptáculo que recibe el extremo perforado del segundo extremo de la cápsula cuando el segundo extremo es perforado por el vástago impulsor.
La figura 8 muestra el primer extremo 210 de la cápsula 150 con la cubierta 166 separada de la base 162 para facilitar la visualización. Las figuras 9A - 9D ilustran la rotación de la cubierta 166 alrededor del primer extremo 210 de la cápsula 150 para cortar y sacar la protuberancia 165 de la base 162 y exponer la rendija 164 que se extiende a través de la base 162.
La base 162 se fabrica por separado del cuerpo 158 de la cápsula 150 y luego se fija (por ejemplo, por engarzado o soldadura) al cuerpo 158 de la cápsula 150 que cubre un extremo abierto del cuerpo 158. La protuberancia 165 de la base 162 se puede formar, por ejemplo, por estampación, embutición profunda, o recalcando una lámina de aluminio que se utiliza para formar la base. La protuberancia 165 está unida al resto de la base 162, por ejemplo, por una línea 173 ranurada y debilitada. El ranurado puede ser una ranura vertical en la base de la lámina de aluminio o una ranura horizontal en la pared de la protuberancia 165. Por ejemplo, el material se puede ranurar desde un grosor inicial de 0, 20 mm a 0, 25 mm (0,008 pulgadas a 0,010 pulgadas) hasta un grosor posterior al ranurado de 0,025 mm a 0,20 mm (0,001 pulgadas a 0,008 pulgadas). En una realización alternativa, no hay ranurado posterior al estampado, sino que las paredes se adelgazan deliberadamente para facilitar la rotura. En otra versión, no hay espesor de pared variable, sino que la cubierta 166 combinada con la fuerza del acoplamiento del mecanismo de distribución de la máquina son suficientes para cortar el espesor de pared de 0,20 mm (0,008 pulgadas) a 0,25 mm (0,010 pulgadas) en la protuberancia 165. Con el ranurado, la protuberancia 165 se puede levantar y cortar de la base 162 con 22,2-333 N (5-75 libras) de fuerza, por ejemplo, 66,7-177 N (15-40 libras) de fuerza.
La cubierta 166 tiene una primera rendija 222 y una segunda rendija 224. La primera rendija coincide aproximadamente con la forma de la rendija 164. La rendija 164 queda expuesta y se extiende a través de la base 162 cuando se retira la protuberancia 165. La segunda rendija 224 tiene una forma que corresponde a dos círculos superpuestos. Uno de los círculos superpuestos tiene una forma que corresponde a la forma de la protuberancia 165 y el otro de los círculos superpuestos es ligeramente más pequeño. Una rampa 226 se extiende entre los bordes exteriores de los dos círculos superpuestos. Hay un espesor adicional de 0,50 mm (0,020 pulgadas) de material en la parte superior de la transición de la rampa. Esta altura adicional ayuda a levantar y romper la cabeza de la protuberancia y abrir la rendija durante la rotación de la cubierta como se describe con más detalle con referencia a las figuras<9 A - 9 g .>
Como se muestra en las figuras 9A y 9B, la cubierta 166 está unida inicialmente a la base 162 con la protuberancia 165 alineada con, y extendiéndose a través de, el mayor de los círculos superpuestos de la segunda rendija 224. Cuando el procesador 122 de la máquina activa el motor eléctrico 146 para hacer girar el engranaje 168 y el miembro anular 161, la rotación de la cubierta 166 desliza la rampa 226 debajo de un labio de la protuberancia 165 como se muestra en las figuras 9C y 9D. La rotación continuada de la cubierta 166 aplica una fuerza de elevación que separa la protuberancia 165 del resto de la base 162 (véanse las figuras 9E - 9G) y luego alinea la primera rendija 222 de la cubierta 166 con la rendija 164 en la base 162 resultante de la retirada de la protuberancia 165.
Algunas cápsulas incluyen una estructura para retener la protuberancia 165 después de que la protuberancia 165 se separa de la base 162. En la cápsula 150, la protuberancia 165 tiene una cabeza 167, un vástago 169 y un pie 171 (se ve mejor en la figura 9G). El vástago 169 se extiende entre la cabeza 167 y el pie 171 y tiene una sección transversal más pequeña que la cabeza 167 y el pie 171. A medida que la rotación de la cubierta 166 separa la protuberancia 165 del resto de la base 162, la cubierta 166 presiona lateralmente contra el vástago 169 con la cabeza 167 y el pie 171 sujetando la cubierta 166 a lo largo de los bordes de uno de los círculos superpuestos de la segunda rendija 224. Esta configuración retiene la protuberancia 165 cuando la protuberancia 165 se separa de la base 166. Tal configuración reduce la probabilidad de que la protuberancia caiga dentro del receptáculo que espera cuando la protuberancia 165 se retira de la base.
Algunas cápsulas incluyen otros enfoques para separar la protuberancia 165 del resto de la base 162. Por ejemplo, en algunas cápsulas, la base tiene un mecanismo de corte giratorio que está remachado a la base. El mecanismo de corte giratorio tiene una forma similar a la descrita con respecto a la cubierta 166, pero esta pieza secundaria está remachada y ubicada dentro del perímetro de la base 162 en lugar de montarse sobre y alrededor de la base 162. Cuando se completa el ciclo de refrigeración, el procesador 122 de la máquina activa un brazo de la máquina para hacer girar el mecanismo de corte remachado alrededor de un remache. Durante la rotación, el mecanismo de corte se acopla con, corta y retira la protuberancia 165, dejando la rendija 164 de la base 162 en su lugar.
En otro ejemplo, algunas cápsulas tienen cubiertas con una cuchilla deslizante que se mueve a través de la base para retirar la protuberancia. La cuchilla deslizante es activada por la máquina y, al ser accionada por el controlador, se desliza por la base para separar, retirar y recoger la protuberancia 165. La cubierta 166 tiene una característica de guillotina que, al ser activada por la máquina, puede deslizarse directamente a través de y sobre la base 162. La cubierta 166 se acopla con, corta y retira la protuberancia 165. En otra realización, esta característica de guillotina puede ser fundamental para la máquina y no la cubierta 166 de la cápsula 150. En otra realización, esta característica de guillotina puede montarse como una pieza secundaria dentro de la base 162 y no ser una pieza montada secundaria como es el caso con la cubierta 166.
Algunas cápsulas tienen un mecanismo de distribución que incluye un tapón emergente que la máquina puede contactar y liberar. Cuando se completa el ciclo de refrigeración, un brazo de la máquina contacta y levanta una lengüeta de la cápsula, presionando así la perforación de la base y creando una rendija en la base. El producto frío o congelado se distribuye a través de la rendija. La superficie perforada de la base permanece articulada a la base y se retiene dentro de la cápsula durante la distribución. La mezcla evita o gira sobre la superficie perforada o, en otra realización, para que la paleta mezcladora continúe girando sin obstrucciones. En algunos tapones emergentes, el brazo de la máquina separa la superficie perforada de la base.
La figura 10 es una vista lateral esquemática ampliada de la cápsula 150. La paleta mezcladora 160 incluye un vástago central 228 y dos palas 230 que se extienden desde el vástago central 228. Las palas 230 son palas helicoidales conformadas para batir el contenido de la cápsula 150 y para retirar los ingredientes que se adhieren a la superficie interior del cuerpo 158 de la cápsula 150. Algunas paletas mezcladoras tienen una sola pala y algunas paletas mezcladoras tienen más de dos paletas mezcladoras.
Los fluidos (por ejemplo, ingredientes líquidos, aire, o dulce congelado) fluyen a través de las aberturas 232 en las palas 230 cuando la paleta mezcladora 160 gira. Estas aberturas reducen la fuerza requerida para girar la paleta mezcladora 160. Esta reducción puede ser significativa a medida que aumenta la viscosidad de los ingredientes (por ejemplo, cuando se forma el helado). Las aberturas 232 también ayudan a mezclar y airear los ingredientes dentro de la cápsula.
Los bordes laterales de las palas 230 definen ranuras 234. Las ranuras 234 están desplazadas de modo que la mayor parte de la superficie interior del cuerpo 158 es liberada de ingredientes que se adhieran a la superficie interior del cuerpo por una de las palas 230 cuando la paleta mezcladora 160 gira. Aunque la paleta mezcladora 160 es más ancha que el primer extremo 210 del cuerpo 158 de la cápsula 150, las ranuras 234 son ranuras alternas que facilitan la inserción de la paleta mezcladora 160 en el cuerpo 158 de la cápsula 150 girando la paleta mezcladora 160 durante la inserción de modo que las ranuras 234 estén alineadas con el primer extremo 210. En otra realización, el diámetro exterior de la paleta mezcladora es menor que el diámetro de la abertura de la cápsula 150, permitiendo una inserción recta (sin rotación) en la cápsula 150. En otra realización, una pala de la paleta mezcladora tiene un diámetro exterior que es más ancho que el diámetro de la segunda pala, permitiendo así la inserción recta (sin rotación) en la cápsula 150. En esta configuración de paleta mezcladora, una pala está destinada a retirar (por ejemplo, raspar) los ingredientes de la pared lateral mientras que la segunda pala, de diámetro más corto, está destinada a realizar una operación más de batido.
Algunas paletas mezcladoras tienen una o más palas que están articuladas al vástago central. Durante su inserción, las palas se pueden articular en una formación condensada y liberarse en una formación expandida una vez insertadas. Algunas palas articuladas se fijan abiertas mientras giran en una primera dirección y son plegables cuando giran en una segunda dirección, opuesta a la primera dirección. Algunas palas articuladas se bloquean en una posición fija y hacia fuera, una vez dentro de la cápsula, independientemente de las direcciones de rotación. Algunas palas articuladas se condensan, expanden y bloquean manualmente.
La paleta mezcladora 160 gira en el sentido de las agujas del reloj y elimina la acumulación de dulce congelado en la pared 214 de la cápsula. La gravedad obliga a que el dulce retirado de la pared de la cápsula caiga hacia el primer extremo 210. En el sentido contrario al de las agujas del reloj, la paleta mezcladora 160 gira, levanta y bate los ingredientes hacia el segundo extremo 212. Cuando la paleta cambia de dirección y gira en el sentido de las agujas del reloj, los ingredientes se empujan hacia el primer extremo 210. Cuando la protuberancia 165 de la base 162 se retira como se muestra y describe con respecto a la figura 9D, la rotación en el sentido de las agujas del reloj de la paleta mezcladora distribuye el alimento o bebida producidos desde la cápsula 150 a través de la rendija 164. Algunas paletas mezclan y distribuyen el contenido de la cápsula girando en una primera dirección. Algunas paletas mezclan moviéndose en una primera dirección y distribuyen moviéndose en la segunda dirección cuando se abre la cápsula.
El vástago central 228 define un rebaje 236 que está dimensionado para recibir el vástago impulsor 126 de la máquina 100. El rebaje y el vástago impulsor 126 tienen una sección transversal cuadrada o facetada de modo que el vástago impulsor 126 y la paleta mezcladora 160 están restringidos rotacionalmente. Cuando el motor gira el vástago impulsor 126, el vástago impulsor gira la paleta mezcladora 160. En algunas realizaciones, la sección transversal del vástago impulsor tiene una forma diferente y la sección transversal del rebaje tiene una forma compatible. En algunos casos, el vástago impulsor y el rebaje están conectados a rosca. En algunas cápsulas, el rebaje contiene una estructura coincidente que sujeta el vástago impulsor para acoplar rotacionalmente el vástago impulsor a la paleta.
La figura 11 es un diagrama de flujo de un método 250 implementado en el procesador 122 para hacer funcionar la máquina 100. El método 250 se describe con referencias al sistema 109 de refrigeración y la máquina 100. El método 250 también se puede utilizar con otros sistemas de refrigeración y otras máquinas. El método 250 se describe como la producción de helado suave pero también se puede usar para producir otras bebidas y alimentos enfriados o congelados.
La primera etapa del método 250 es encender la máquina 100 (etapa 260) y encender el compresor 186 y los ventiladores asociados con el condensador 180 (etapa 262). A continuación, el sistema 109 de refrigeración permanece inactivo a temperatura regulada (etapa 264). En el método 250, la temperatura del evaporador 108 se controla para que permanezca alrededor de 0,75 °C, pero puede fluctuar en ± 0,25 °C. Algunas máquinas funcionan a otras temperaturas de inactividad, por ejemplo, de 0,75 °C a temperatura ambiente (22,0 °C). Si la temperatura del evaporador es inferior a 0,5 °C, el procesador 122 abre la válvula 190 de derivación para aumentar el calor del sistema (etapa 266). Cuando la temperatura del evaporador supera 1 °C, la válvula 190 de derivación se cierra para enfriar el evaporador (etapa 268). Desde el estado inactivo, la máquina 100 se puede hacer funcionar para producir helado (etapa 270) o se puede apagar (etapa 272).
Después de insertar una cápsula, el usuario presiona el botón de inicio. Cuando el usuario presiona el botón de inicio, la válvula 190 de derivación se cierra, el evaporador 108 se mueve a su posición cerrada y el motor 124 se enciende (etapa 274). En algunas máquinas, el evaporador se cierra electrónicamente mediante un motor. En algunas máquinas, el evaporador se cierra mecánicamente, por ejemplo, moviendo la tapa desde la posición abierta a la posición cerrada. En algunos sistemas, un sensor confirma que una cápsula 150 está presente en el evaporador 108 antes de que se tomen estas acciones.
Algunos sistemas incluyen etiquetas de identificación por radiofrecuencia (RFID) u otros códigos de barras inteligentes, como códigos de barras UPC o QR. La información de identificación en las cápsulas se puede utilizar para activar algoritmos específicos de enfriamiento y mezcla para cápsulas específicas. Estos sistemas pueden leer opcionalmente la RFID, el código QR o el código de barras e identificar el perfil de velocidad del motor de mezcla y el umbral de par del motor de mezcla (etapa 273).
La información de identificación también se puede utilizar para facilitar la publicidad directa al consumidor (por ejemplo, a través de Internet o mediante un modelo de suscripción). Este enfoque y los sistemas descritos en esta memoria descriptiva permiten vender helados a través del comercio electrónico porque las cápsulas son de larga duración. En el modo de suscripción, los clientes pagan una tarifa mensual por un número predeterminado de cápsulas que se les envían cada mes. Estos pueden seleccionar sus cápsulas personalizadas a partir de varias categorías (por ejemplo, helado, licuados saludables, cafés helados o cócteles helados), así como sus sabores personalizados (por ejemplo, chocolate o vainilla).
La identificación también se puede utilizar para realizar un seguimiento de cada cápsula utilizada. En algunos sistemas, la máquina está vinculada a una red y se puede configurar para informar a un proveedor acerca de qué cápsulas se están utilizando y es necesario que se reemplacen (por ejemplo, a través de un envío semanal). Este método es más eficiente que hacer que los consumidores vayan al supermercado y compren cápsulas.
Estas acciones enfrían la cápsula 150 en el evaporador 108 mientras se gira la paleta mezcladora 160. A medida que se forma el helado, aumenta la viscosidad del contenido de la cápsula 150. Un sensor de par de la máquina mide el par del motor 124 requerido para girar la paleta mezcladora 160 dentro de la cápsula 150. Una vez que el par del motor 124 medido por un sensor de par satisface un umbral predeterminado, la máquina 100 pasa a un modo de distribución (etapa 276). El acceso de distribución se abre y el motor 124 invierte la dirección (la etapa 278) para presionar el dulce congelado fuera de la cápsula 150. Esto continúa durante aproximadamente 1 a 10 segundos para distribuir el contenido de la cápsula 150 (etapa 280). La máquina 100 cambia entonces al modo de descongelación (etapa 282). La escarcha que se acumula en el evaporador 108 puede reducir la eficacia de transferencia de calor del evaporador 108. De forma adicional, el evaporador 108 puede congelarse en la cápsula 150, la primera parte 128 y la segunda parte 130 del evaporador pueden congelarse juntas, y/o la cápsula puede congelarse en el evaporador. El evaporador se puede descongelar entre ciclos para evitar estos problemas abriendo la válvula de derivación 170, abriendo el evaporador 108 y apagando el motor 124 (etapa 282). Luego, la máquina desvía el gas a través de la válvula de derivación durante aproximadamente 1 a 10 segundos para descongelar el evaporador (etapa 284). La máquina está programada para descongelar después de cada ciclo, a menos que un termopar informe que el evaporador 108 ya está por encima del punto de congelación. Luego, se puede retirar la cápsula. La máquina 100 vuelve entonces al modo inactivo (etapa 264). En algunas máquinas, un termómetro mide la temperatura del contenido de la cápsula 150 e identifica cuándo es el momento de distribuir el contenido de la cápsula. En algunas máquinas, el modo de distribución comienza cuando se alcanza un tiempo predeterminado. En algunas máquinas, una combinación de par requerido para girar la paleta mezcladora, consumo de corriente del motor de mezcla, temperatura de la cápsula y/o tiempo determina cuándo es el momento de distribuir el contenido de la cápsula.
Si el tiempo de inactividad expira, la máquina 100 se apaga automáticamente (etapa 272). Un usuario también puede apagar la máquina 100 manteniendo presionado el botón de encendido (etapa 286). Tras el apagado, el procesador abre la válvula 190 de derivación para igualar la presión a través de la válvula (etapa 288). La máquina 100 espera diez segundos (etapa 290) y luego apaga el compresor 186 y los ventiladores (etapa 292). Entonces la máquina se apaga.
La figura 12 es un esquema de una realización preferida del sistema 310 de refrigeración de la máquina de la presente invención, incluyendo dicho sistema 310, de acuerdo con la invención, el evaporador 108 y un subsistema 312 de expansión. El sistema 310 de refrigeración es sustancialmente similar al sistema 109 de refrigeración. Sin embargo, el sistema 310 de refrigeración incluye el subsistema 312 de expansión en lugar de la válvula 184 de expansión que se muestra en el sistema 109 de refrigeración. El sistema 310 de refrigeración no incluye la primera tubería 188 de derivación ni la segunda tubería 190 de derivación que forman parte del sistema 109 de refrigeración. Sin embargo, algunos sistemas incluyen, con el subsistema 312 de expansión, la primera tubería de derivación y la segunda tubería de derivación.
El subsistema 312 de expansión incluye múltiples válvulas para controlar la expansión del fluido de refrigeración. De acuerdo con la invención, estas válvulas incluyen una primera válvula 314 de orificio fijo, una segunda válvula 316 de orificio fijo y una válvula 318 de control. La válvula 318 de control está corriente arriba de la segunda válvula 316 de orificio fijo. La válvula 318 de control y la segunda válvula 316 de orificio fijo están en paralelo con la primera válvula 314 de orificio fijo. El dispositivo de expansión tiene dos modos para controlar la temperatura del refrigerante que entra en el evaporador 108. En el primer modo, la válvula 318 de control está abierta permitiendo que el refrigerante fluya hacia la segunda válvula 316 de orificio fijo. En el primer modo, el refrigerante fluye a través de la primera válvula 314 de orificio fijo y la segunda válvula 316 de orificio fijo. En el segundo modo, la válvula 318 de control está cerrada y el refrigerante no fluye a través de la segunda válvula 316 de orificio fijo. Todo el refrigerante fluye a través de la primera válvula 314 de orificio fijo.
Como se ha expuesto anteriormente con referencia a la figura 4, la válvula 184 de expansión o el subsistema 312 de expansión reciben un refrigerante a alta presión y liberan refrigerante a baja presión. Esta caída de presión enfría el refrigerante. Cambios más grandes en la presión (AP) provocan cambios más grandes en la temperatura (AT). En el segundo modo (es decir, con la válvula 318 de control cerrada), la caída de presión a través del subsistema 312 de expansión será mayor que en el primer modo, proporcionando una presión de evaporador más baja y una correspondiente temperatura de evaporador más baja. El efecto sobre la transferencia de calor del aumento del diferencial de temperatura entre el refrigerante y el contenido de una cápsula en el evaporador 108 se compensa hasta cierto punto por el hecho de que este refrigerante de menor presión es menos denso. Dado que el compresor mueve un volumen fijo de refrigerante en cada ciclo de compresión, el caudal másico por ciclo se reduce, lo que reduce la transferencia de calor. En el segundo modo de operación, hay una gran diferencia de temperatura entre la cápsula y el evaporador, lo que requiere una gran transferencia de calor, lo que aumenta la cantidad de flujo másico necesario.
Durante la operación inicial, el sistema 310 de refrigeración está en el primer modo. La válvula 318 de control está abierta y el refrigerante fluye a través de la primera válvula 314 de orificio fijo y la segunda válvula 316 de orificio fijo. Esto hace que el evaporador funcione a una temperatura de entre -20 °C y -10 °C. A esta temperatura, el sistema de refrigeración proporciona más capacidad de refrigeración que a temperaturas más bajas, al aprovechar la mayor densidad del refrigerante que pasa a través del evaporador.
La cápsula 150 se inserta en el evaporador 108 alrededor de la temperatura ambiente (por ejemplo, 22 °C). La diferencia inicial de temperatura entre el evaporador 108 y la cápsula 150 es alta. Como resultado, el calor se transfiere rápidamente desde la cápsula 150 al evaporador 108. La diferencia entre la temperatura de la cápsula 150 y el evaporador 108 disminuye a medida que la cápsula 150 se enfría y la transferencia de calor desde la cápsula 150 al evaporador 108 también se ralentiza. En este punto, el sistema 310 entra en el segundo modo y la válvula 318 de control se cierra. El refrigerante fluye solo a través de la primera válvula 314 de orificio fijo y la AP entre el refrigerante que entra en la primera válvula 314 de orificio fijo y el que sale de la primera válvula 314 de orificio fijo aumenta. La AT también aumenta dando como resultado un evaporador 108 más frío con temperaturas de aproximadamente -15 °C a -30 °C. Esto reduce la capacidad de enfriamiento del sistema, pero aumenta la diferencia de temperatura entre la cápsula y el nido, lo que permite una rápida congelación final del helado. En el segundo modo, que se activa cuando la diferencia de temperatura entre la cápsula y el evaporador se reduce hasta el punto de afectar a la transferencia de calor, la menor temperatura del refrigerante aumenta la transferencia de calor general, incluso aunque fluya menos masa por el sistema.
En algunas realizaciones, la temperatura del evaporador en el primer modo está por encima de la congelación. Esta configuración puede preenfriar el evaporador antes de usarlo y descongelarlo después de usarlo.
La configuración del sistema 310 de refrigeración aumenta el control de la temperatura, lo que puede reducir el tiempo de congelación y reducir la potencia requerida del compresor. La reducción de la potencia requerida del compresor permite una reducción del tamaño del compresor.
En algunos sistemas de refrigeración, el subsistema de expansión incluye más de dos válvulas. Los subsistemas de válvulas múltiples pueden tener más de dos modos, aumentando adicionalmente el control de la temperatura.
Algunos sistemas de refrigeración, que no están de acuerdo con la invención reivindicada, utilizan otros tipos de válvulas tales como, por ejemplo, válvulas de expansión termostáticas y válvulas de expansión electrónicas. Tanto las válvulas de expansión termostáticas como las válvulas de expansión electrónicas pueden adaptar el tamaño del orificio en función de diversas cargas y condiciones de funcionamiento. Por ejemplo, las válvulas de expansión termostáticas detectan la temperatura del refrigerante a la salida del evaporador y ajustan el flujo a través de la válvula de expansión termostática para mantener las condiciones de operación predeterminadas o deseadas. Las válvulas de expansión electrónicas se accionan eléctricamente para adaptar el tamaño del orificio en función de la temperatura de salida del evaporador y de las señales electrónicas procedentes de una unidad 371 de control. La figura 13 es un esquema de un sistema 320 de refrigeración, que no está de acuerdo con la invención reivindicada, que incluye una tubería 322 de refrigerante que preenfría un tanque 324 de agua antes de entrar en el evaporador 108. El sistema 320 de refrigeración es sustancialmente similar al sistema 109 de refrigeración. Sin embargo, el sistema 320 de refrigeración incluye la tubería 322 de preenfriamiento y omite la primera tubería 188 de derivación y la segunda tubería 190 de derivación que forman parte del sistema 109 de refrigeración. Algunos sistemas incluyen la primera tubería de derivación, la segunda tubería de derivación y la tubería de preenfriamiento. El sistema 320 de refrigeración se usa en máquinas que incluyen el tanque 324 de agua. Las máquinas con tanques de agua inyectan fluido en la cápsula durante la mezcla, por ejemplo, para disolver los ingredientes secos o diluir el contenido de la cápsula. El agua fría se congela más rápido que el agua caliente o a temperatura ambiente.
En uso, una válvula 326 sirve para dirigir el refrigerante a través del preenfriamiento para dirigir el refrigerante que sale de la válvula 184 de expansión a través de la tubería 322 de preenfriamiento. El refrigerante frío a baja presión fluye a través de la tubería 322 de preenfriamiento que está dispuesta parcial o totalmente en el tanque 324 de agua. Si el tanque 324 de agua está lleno de agua, la tubería 322 de preenfriamiento está parcial o totalmente sumergida en el agua. El refrigerante enfría el agua en el tanque 324 de agua y sale de la tubería 322 de preenfriamiento. Luego, el refrigerante entra en el evaporador 108 para enfriar el evaporador 108.
La figura 14 es un esquema de un sistema 328 de refrigeración, que no está de acuerdo con la invención reivindicada, que incluye una masa térmica 330 dispuesta entre el compresor 186 y el condensador 180. El sistema 328 de refrigeración es sustancialmente similar al sistema 109 de refrigeración. Sin embargo, el sistema 328 de refrigeración incluye la masa térmica 330. El sistema 328 de refrigeración no incluye la primera tubería 188 de derivación ni la segunda tubería 190 de derivación que forman parte del sistema 109 de refrigeración. Algunos sistemas incluyen la primera tubería de derivación, la segunda tubería de derivación y la masa térmica 330.
La masa térmica puede ser, por ejemplo, una mezcla de etilenglicol y agua, agua salada, cera de parafina (alcanos) o agua pura. En algunas máquinas, la masa térmica 330 está dispuesta entre el condensador 180 y el intercambiador 182 de calor.
La masa térmica 330 almacena energía térmica y libera energía térmica en un momento posterior. Cuando está dispuesta entre el compresor 186 y el condensador 180, la masa térmica 330 almacena el calor emitido por el refrigerante. En este punto del ciclo, el refrigerante es un vapor a alta presión. El condensador 180 libera isotérmicamente calor del vapor a alta presión para producir un líquido a alta presión. El preenfriamiento del vapor refrigerante con la masa térmica 330 reduce la carga del compresor 186. Cuando la máquina 100 se apaga, la masa térmica 330 cede calor al ambiente y alcanza un equilibrio con la temperatura ambiente.
Algunos sistemas, que no están de acuerdo con la invención reivindicada, incluyen tanto la segunda tubería de derivación como la masa térmica. La segunda tubería de derivación redirige el refrigerante procedente de la masa térmica, dejando inactivo el sistema de refrigeración. Durante este período de inactividad, la masa térmica libera calor de ciclos anteriores al ambiente.
La figura 15 es un esquema de un sistema de refrigeración, que no está de acuerdo con la invención reivindicada, que incluye un recipiente 334 a presión, una primera válvula 338 de aislamiento y una segunda válvula 336 de aislamiento. El recipiente 334 a presión puede actuar como depósito de presión que permite un arranque rápido del sistema y disminuye el tiempo requerido para enfriar (por ejemplo, hasta la congelación) el contenido de una cápsula en el evaporador 108. El sistema 332 de refrigeración es sustancialmente similar al sistema 109 de refrigeración. Sin embargo, el sistema de refrigeración 332 incluye el recipiente 334 a presión, la primera válvula 338 de aislamiento y la segunda válvula 336 de aislamiento. El sistema 332 de refrigeración además no incluye la primera tubería 188 de derivación ni la segunda tubería 190 de derivación que son parte del sistema 109 de refrigeración. Algunos sistemas incluyen la primera tubería de derivación, la segunda tubería de derivación, el recipiente 334 a presión, la primera válvula 338 de aislamiento y la segunda válvula 336 de aislamiento.
La segunda válvula 336 de aislamiento está dispuesta entre el compresor 186 y el condensador 180. La primera válvula 338 de aislamiento está dispuesta entre el intercambiador 182 de calor y la válvula 184 de expansión. El recipiente 334 a presión está dispuesto entre el condensador 180 y el intercambiador 182 de calor. El refrigerante sale del compresor 186 a alta presión y mantiene esa alta presión hasta que la válvula 184 de expansión libera el refrigerante líquido. El sistema 332 controla la posición de las válvulas 336, 338 (por ejemplo, abiertas o cerradas) en función del resultado deseado.
Durante el funcionamiento normal del sistema 332 (por ejemplo, al enfriar las cápsulas), tanto la primera válvula 338 de aislamiento como la segunda válvula 336 de aislamiento están abiertas. Antes de la puesta en inactividad, la primera válvula 338 de aislamiento se cierra y la segunda válvula 336 de aislamiento permanece abierta. El compresor 186 continúa funcionando por un corto tiempo, por ejemplo, 1-5 segundos, antes de que se cierre la segunda válvula 336 de aislamiento. Después de que se cierre la segunda válvula 336 de aislamiento, el compresor se apaga.
Cuando el sistema 332 se reactiva (por ejemplo, para producir una dosis de una comida o bebida fría), el compresor 186 se reinicia, la segunda válvula 336 de aislamiento se abre y la primera válvula 338 de aislamiento se abre. Debido a que el fluido a alta presión ya está presente en el recipiente 334 a presión, el refrigerante a alta presión fluye a través de la válvula 184 de expansión, con la caída de presión enfriando el refrigerante. Este enfoque reduce el tiempo necesario para enfriar el contenido de una cápsula en relación con los sistemas de refrigeración que permiten que las presiones del sistema vuelvan a las condiciones ambientales tras el apagado. Si el sistema está en condiciones ambientales, inicialmente no se produce una caída de presión en la válvula de expansión cuando se reinicia el sistema. Se ha demostrado que este enfoque reduce el tiempo requerido para enfriar el contenido de una cápsula de 0,23 kg (8 onzas) desde la temperatura ambiente hasta la congelación a menos de 90 segundos. El sistema 332 de refrigeración puede enfriar el refrigerante de forma rápida o instantánea cuando el sistema 332 se inicia o arranca, por ejemplo antes de la inserción de una cápsula 150.
La figura 16 es un esquema de un sistema 340 de refrigeración, que no está de acuerdo con la invención reivindicada, que incluye un módulo termoeléctrico 342. El sistema 340 de refrigeración es sustancialmente similar al sistema 109 de refrigeración. Sin embargo, no incluye la primera tubería 188 de derivación ni la segunda tubería 190 de derivación que son parte del sistema 109 de refrigeración. Algunos sistemas incluyen la primera tubería de derivación, la segunda tubería de derivación y el módulo termoeléctrico 342.
El módulo termoeléctrico 342 es un elemento de refrigeración dispuesto entre el condensador 180 y el intercambiador 182 de calor. El módulo termoeléctrico 342 enfría el refrigerante que sale del condensador 180, antes de transferir calor al vapor refrigerante que sale del evaporador 108, en el intercambiador 182 de calor. Enfriar el refrigerante líquido antes de la expansión aumenta la capacidad de enfriamiento del sistema 340 y reduce la potencia requerida del compresor. La reducción de la potencia requerida del compresor reduce el tamaño del compresor necesario.
La figura 17 es un esquema de un sistema 344 de refrigeración, que no está de acuerdo con la invención reivindicada, que incluye una batería térmica 346, una primera válvula 348 de derivación de batería y una segunda válvula 350 de derivación de batería. El sistema 344 de refrigeración es sustancialmente similar al sistema 109 de refrigeración pero no incluye la primera tubería 188 de derivación que es parte del sistema 109 de refrigeración. Algunos sistemas con batería térmica 346 y válvulas asociadas también incluyen la primera tubería de derivación. La batería térmica 346 tiene una primera parte 352 que está dispuesta entre el intercambiador 182 de calor y la válvula 184 de expansión. La primera válvula 348 de derivación de batería está dispuesta en un primer ramal 354 que deriva la primera parte 352 de la batería térmica 346. Cuando la primera válvula 348 de derivación de batería está abierta, la mayor parte o todo el refrigerante fluye a través del primer ramal 354. La batería térmica 346 tiene una caída de presión alta. El refrigerante fluye principalmente a través del ramal 354 porque el ramal 354 tiene una caída de presión comparativamente baja con relación a la batería térmica 346. Cuando la primera válvula 348 de derivación de batería está cerrada, el refrigerante fluye a través de la primera parte 352 de la batería térmica 346. La batería térmica 346 tiene una segunda parte 356, conectada térmicamente a la primera parte 352, que está dispuesta entre el evaporador 108 y el intercambiador 182 de calor. La segunda válvula 350 de derivación de batería está dispuesta en un segundo ramal 358 que deriva la segunda parte 356 de la batería térmica 346. Cuando la segunda válvula 350 de derivación de batería está abierta, la mayoría o todo el refrigerante fluye a través del segundo ramal 358. La batería térmica 346 tiene una caída de presión alta. El refrigerante fluye principalmente a través del ramal 358 porque el ramal 358 tiene una caída de presión comparativamente baja en relación con la batería térmica 346. Cuando la segunda válvula 350 de derivación de batería está cerrada, el refrigerante fluye a través de la segunda parte 356 de la batería térmica 346.
La batería térmica 346 incluye un material térmico que retiene el calor. La batería térmica 346 incluye un depósito 360 con un material de cambio de fase (por ejemplo, parafina) que recibe calor o emite calor, dependiendo de la posición de la primera válvula 348 de derivación de batería y la segunda válvula 350 de derivación de batería. Se describe que la batería térmica 346 usa parafina como un ejemplo de un material de cambio de fase. Algunas baterías térmicas incluyen otros materiales que retienen calor o gastan calor, por ejemplo, una mezcla de etilenglicol y agua, agua salada o agua pura.
La batería térmica 346 emite calor al refrigerante desde su segunda parte 356 cuando la primera válvula 348 de derivación de batería está abierta y la segunda válvula 350 de derivación de batería está cerrada. Si la parafina está caliente o derretida, el refrigerante frío enfriará y solidificará la parafina en el depósito 360. Al calentar el refrigerante a baja presión, la batería térmica reduce la probabilidad de que el refrigerante líquido fluya hacia el compresor. La batería térmica 346 recibe calor en la primera parte 352 del refrigerante cuando la primera válvula 348 de derivación de batería está cerrada y la segunda válvula 350 de derivación de batería está abierta. Si la cera se solidifica, el refrigerante líquido caliente calentará y derretirá la cera en el depósito 360 de cera. Si la cera está líquida, el refrigerante caliente continuará calentando la cera líquida en el depósito 360 de cera.
Al activarse el sistema 344 y durante el ciclo de enfriamiento, tanto la primera válvula 348 de derivación de batería como la segunda válvula 350 de derivación de batería están abiertas y poco o ningún flujo de refrigerante interactúa con la batería térmica 346. Al final del ciclo de enfriamiento, la segunda válvula 350 de derivación de batería se cierra y el depósito 360 se enfría debido al refrigerante frío a baja presión. Cuando comienza el siguiente ciclo con una batería enfriada, la segunda válvula 350 de derivación de batería se abre y la primera válvula 348 de derivación de batería se cierra. La primera parte 352 de la batería térmica 346 preenfría el refrigerante líquido caliente que sale del condensador 180 a través del intercambiador 182 de calor.
Esta configuración puede evitar la inundación del compresor al final del ciclo y puede reducir la potencia del compresor al reducir la carga de calor en el compresor. Algunas ceras pueden tener un punto de fusión comprendido entre 5 °C y 10 °C, por ejemplo, la cera de dodecano o la cera de tridecano.
La figura 18A es una vista desde arriba de una tapadera 127 de evaporador y la figura 18B es una vista desde arriba del cuerpo del evaporador 108 de acuerdo con una realización preferida de la invención. De acuerdo con la invención, el cuerpo del evaporador 108 define los canales 366 a través de los cuales fluye el refrigerante para enfriar el evaporador 108. Los canales 366 se abren a un labio 367, como se muestra en la Figura 18B, del evaporador 108. Los canales 366 también se abren en el extremo opuesto del evaporador 108 a un labio de configuración similar.
La tapadera 127 incluye múltiples rebajes 174 que se alinean con cuatro canales adyacentes 366 del evaporador 108 cuando la tapadera 127 está unida al cuerpo del evaporador 108. Algunas tapaderas incluyen huecos que se alinean con otras cantidades de canales adyacentes. Los rebajes 174 actúan como colectores que conectan de modo fluido los canales adyacentes 366. Las tapaderas 127 en los extremos opuestos del cuerpo del evaporador están desplazadas de manera que las dos tapaderas 127 y el cuerpo del evaporador 108 juntos definen una trayectoria de flujo serpenteante a través del evaporador 108.
La tapadera 127 tiene una entrada 370 y una salida 372 que conecta de forma fluida el evaporador 108 al sistema 109 de refrigeración. El refrigerante fluye a través de la entrada 370, a través de los canales definidos por rebajes en el cuerpo del evaporador 108 y la tapadera 127, y sale del evaporador 108 a través de la salida 372. El refrigerante entra por la entrada 370 como un fluido frío a una primera temperatura. A medida que el refrigerante fluye a través de la trayectoria 368 de flujo, el refrigerante se calienta y se evapora debido al calor que recibe el evaporador 108 de la cápsula 150. La cápsula 150 se congela debido a esta transferencia de calor. Para mantener una velocidad de flujo constante, la entrada 370 tiene aproximadamente 6,35 mm (0,25 pulgadas) de diámetro y la salida 372 tiene aproximadamente 7,87 mm (0,31 pulgadas) de diámetro.
La bisagra viva 132 define un canal 373 de conexión que conecta de modo fluido los canales de la primera parte 128 del evaporador 108 a los canales 366 de la segunda parte 130 del evaporador 108. El canal 373 de conexión está definido dentro del evaporador 108 cerca del labio 367 del evaporador 108. En algunos evaporadores, el labio del evaporador define un surco y la tapa define un surco correspondiente de manera que el canal de conexión se forma entre el surco de la tapa y el surco del evaporador, cuando la tapa y el evaporador se acoplan. Algunos canales de conexión están definidos dentro de la tapadera 127. Esta configuración define la trayectoria continua 368 de flujo desde la entrada 370 hasta la salida 372 en la que los canales 366 se extienden paralelos al eje 369 y el flujo de fluido es paralelo al eje 369.
En algunos evaporadores, los canales 366 se conectan dentro del evaporador en el extremo opuesto al labio 367, para adoptar una forma de "U". Cuando está montada, la tapadera 127 queda dispuesta sobre el labio 367 del evaporador 108. Los canales 366 son una serie de unidades en forma de "U" no conectadas. En cada unidad, un primer canal hace fluir el refrigerante en una primera dirección y un segundo canal hace fluir el fluido en una segunda dirección, opuesta a la primera dirección.
Los canales 366 se extienden paralelos a un eje 369 del evaporador. En algunos evaporadores, los canales no se extienden paralelos al eje pero sí se extienden paralelos entre sí. En algunos evaporadores, los canales no se extienden paralelos entre sí o paralelos al eje.
Las figuras 19A y 19B son vistas en perspectiva de un evaporador 380 sin y con, respectivamente, su tapadera 127. El evaporador 380 de las figuras 19A y 19B funciona de manera similar al evaporador 108 descrito en las figuras 18A-18E. Sin embargo, el evaporador 380 incluye rebajes 382 que conectan de modo fluido el segundo canal 366b de una unidad 371 a un primer canal 366a de una unidad 371 diferente. La tapadera 384 es sustancialmente similar a la tapadera 127. Sin embargo, la tapadera 384 es plana en lugar de empotrada en la superficie que se apoya en el labio 367 e incluye múltiples entradas y salidas, en lugar de una sola entrada y una sola salida. La cubierta 384 incluye una primera entrada 388 en la primera parte 128, una primera salida 390 en la primera parte 128, una segunda entrada 392 en la segunda parte 130 y una segunda salida 394 en la segunda parte. La primera entrada 388 y la primera salida 390 están conectadas de forma fluida para formar una primera trayectoria 396 de flujo en la primera parte 128. La segunda entrada 392 y la segunda salida 394 se conectan de forma fluida para formar una segunda trayectoria 398 de flujo en la segunda parte 130. Esta configuración forma dos trayectorias 396, 398 de flujo recorridas por el refrigerante en paralelo y no usa un conector de bisagra. Para mantener la velocidad del flujo, los diámetros de las trayectorias 396, 398 de flujo se reducen de manera que las trayectorias de flujo divididas tengan un área de flujo similar a la trayectoria de flujo de origen.
Cuando la tapadera 384 se acopla al evaporador 380, los rebajes 382 están cerrados y el evaporador 380 y la tapadera 384 forman las trayectorias 396, 398 de flujo.
En los evaporadores descritos anteriormente, las unidades 371 tienen configuraciones de "Una arriba/Una abajo". En algunos evaporadores, las unidades definen configuraciones de "Dos arriba/Dos abajo" o "Tres arriba/Tres abajo". Esto puede mantener velocidades de flujo adecuadas mientras minimiza la caída de presión dentro del evaporador. Se necesitan diferentes disposiciones de trayectorias de flujo para diferentes compresores y diferentes tareas de enfriamiento. El número de trayectorias de flujo paralelas se puede aumentar para compresores y cargas de enfriamiento más grandes y se puede reducir para requisitos más pequeños.
Las figuras 20A-20D son vistas esquemáticas de las trayectorias de flujo formadas por los canales del evaporador y los rebajes de su tapadera 127. Las figuras 20A y 20B son vistas de los canales definidos dentro de un evaporador. Las figuras 20C y 20D son vistas en perspectiva de un evaporador y su tapadera 127.
La figura 20A es una trayectoria 402 de flujo que aumenta el número de canales 400 a medida que se evapora el refrigerante. El refrigerante penetra por la entrada y fluye a través de uno o más canales individuales 400a. Cuando el refrigerante se evapora, se expande en volumen y comienza a moverse más rápido. El vapor puede expandirse entre 50 y 70 veces en volumen específico. Para reducir la velocidad del refrigerante de fase mixta dentro del evaporador 108, la trayectoria 402 de flujo se ramifica en dos canales paralelos 400b que se conectan en los rebajes 374 y dentro del evaporador 108 en un punto de giro 306. A medida que el refrigerante se evapora más, la trayectoria 402 de flujo se ramifica nuevamente en tres canales paralelos 400c que se conectan en los rebajes 374 y dentro del evaporador 108 en el punto 306 de giro. En algunos evaporadores, la configuración "Dos arriba/Dos abajo" se mantiene para múltiples unidades. En algunos evaporadores, la configuración "Tres arriba/Tres abajo" se mantiene para múltiples unidades. En algunos evaporadores, la trayectoria del flujo aumenta a una configuración "Cuatro arriba/Cuatro abajo" o "Cinco arriba/Cinco abajo". El aumento de la cantidad de canales en todo el evaporador aumenta el rendimiento en las primeras etapas del proceso de evaporación y limita la alta velocidad y la caída de presión hacia la salida del evaporador.
La Figura 20B es un esquema de la trayectoria 402 de flujo con un rebaje 408 en rampa en la tapadera 127 que actúa como un colector. El rebaje 408 en rampa tiene un área de sección transversal que aumenta y disminuye suavemente y ayuda a mantener la velocidad de flujo del refrigerante que fluye a través del colector. Un rebaje de sección transversal en rampa en la tapadera ayudará a mantener las velocidades de flujo y también reducirá la caída de presión y la separación del flujo de refrigerante líquido y gaseoso debido a las áreas de baja velocidad de flujo. La figura 20C muestra una trayectoria 420 de flujo que incluye un primer colector en la parte inferior del evaporador 108 y múltiples ramas 424 que se extienden hacia la tapadera 127 desde el primer colector 422. El primer colector 422 se conecta a la entrada 370. Las ramas 424 se conectan de manera fluida a un segundo colector 426 en la parte superior del evaporador 108. El segundo colector 426 se conecta de forma fluida a la salida 372.
El refrigerante fluye desde la entrada a través del primer colector 422, sube por las ramas 424, y atraviesa el segundo colector 426 hasta la salida 372. El vapor es menos denso que el líquido y tiende a subir hacia la parte superior. Esta dirección de flujo preferencial puede crear un flujo y un rendimiento impredecibles cuando la dirección del flujo es hacia abajo. Esta configuración puede aumentar el rendimiento térmico del evaporador 108 haciendo fluir el refrigerante en la misma dirección que la fuerza de flotación presente cuando el refrigerante está en forma de vapor.
La figura 20D muestra una trayectoria 430 de flujo que se enrolla alrededor del evaporador 108. La trayectoria 430 de flujo es una espiral que sigue el diámetro exterior del evaporador 108. Esta configuración aumenta el área de superficie y reduce la caída de presión al reducir o eliminar los giros cerrados en la trayectoria de flujo 430. En algunos evaporadores, se utilizan múltiples conectores de bisagra para conectar la primera parte del evaporador y la segunda parte del evaporador cuando la trayectoria de flujo se extiende a través de la primera y la segunda partes. Algunas trayectorias de flujo definen un pasaje serpenteante en la primera parte y un pasaje serpenteante en la segunda parte que están conectados por un "pasaje de tránsito" que se extiende por la bisagra.
Las figuras 21A-21C son vistas de la cápsula 150 y un evaporador 438 con un mecanismo 440 de cierre. La figura 21A es una vista en perspectiva del evaporador 438 y la cápsula 150. La figura 21B es una vista en sección transversal de la cápsula 150 y el evaporador 438. La figura 21C es una vista desde arriba de la cápsula 150 y el evaporador 438.
El mecanismo 440 de cierre incluye elementos precargados (por ejemplo, resortes) que conectan la primera parte 128 del evaporador 438 a la segunda parte 130 del evaporador 438. El mecanismo 440 de cierre también incluye un cable circunferencial 441 que se extiende alrededor del diámetro exterior del evaporador. El cable se tensa para cerrar la cápsula y se afloja para abrir el evaporador.
El elemento precargado en el evaporador 438 incluye un primer y un segundo resortes 442, 444 que influyen sobre la primera parte 128 y la segunda parte 130 alejándolas una de la otra. La bisagra viva 132 facilita el movimiento de la primera y la segunda partes 128, 130 de tal manera que la primera y la segunda partes 128, 130 giran alrededor de la bisagra 132 debido a la fuerza de precarga de los resortes 442, 444. En esta configuración, el evaporador 438 está en la posición abierta y se forma un pequeño espacio 446 entre la primera y la segunda partes 128, 130. El evaporador 438 está en la posición abierta cuando la tapadera 127 está en la posición abierta. En algunas máquinas, la posición del evaporador es independiente de la posición de la tapa. En la posición abierta, existe un pequeño espacio de aire entre el evaporador 438 y la cápsula 150.
El evaporador 438 tiene una posición cerrada en la que se elimina el espacio de aire entre el evaporador 438 y la cápsula 150 para promover la transferencia de calor. En algunos evaporadores, el espacio de aire simplemente se reduce. En la posición cerrada, el espacio 446 también se elimina. En algunos evaporadores, el espacio se reduce en lugar de eliminarse. Para moverse desde la posición abierta hasta la posición cerrada, el mecanismo 440 de cierre aplica una fuerza en la dirección de las flechas 448 para vencer la fuerza de precarga del primer y segundo resortes 442, 444.
El mecanismo de cierre produce una fuerza comprendida entre 44,5 y 6672 N (10 y 1500 lbs). Para evitar el aplastamiento de la cápsula 150, la presión interna de la cápsula 150 es preferentemente igual o mayor que la fuerza producida por el mecanismo 440 de cierre.
El mecanismo 440 de cierre puede ser, por ejemplo, un accionador electromecánico, un sistema de poleas, una palanca, proyecciones en la tapa, un tornillo de bola, un solenoide o un pestillo mecánico.
Las figuras 22A y 22B son, respectivamente, unas vistas lateral y frontal de un evaporador 108 con un mecanismo 440 de cierre que incluye dos pernos 450 dentro de unos resortes 456. Los pernos 450 influyen sobre la barra 466 alejándola de las bridas 464. Opcionalmente, un cable 468 se aloja en un orificio definido en la barra 466 y se extiende alrededor del evaporador 108.
La figura 23A muestra un evaporador 500 que se puede producir principalmente por extrusión. El evaporador 500 tiene un cuerpo 510 con dos cubiertas 512 de extremo. El cuerpo 510 y las cubiertas de extremo se fabrican por separado y luego se ensamblan.
Las figuras 23B y 23C ilustran la producción del cuerpo 510. El cuerpo 510 del evaporador se produce mediante extrusión de bajo costo. El cuerpo se extruye con los canales 514 definidos en el cuerpo 510 (ver Figura 23B). Cada extremo del cuerpo 510 está mecanizado para proporcionar un reborde 516 que coincide con una cubierta de extremo (ver Figura 23C). Una pared 518 se extiende más allá del reborde 516.
Las figuras 23D y 23E son vistas en perspectiva de una cubierta 512 de extremo. Las cubiertas 512 de extremo se pueden forjar o mecanizar. Las cubiertas 512 de extremo proporcionan las características de montaje, entrada/salida y cierre del evaporador 500. La cubierta 512 de extremo tiene una pared lateral 520 y una pared 522 de extremo. La cubierta 512 de extremo tiene múltiples protuberancias 524 que se extienden hacia afuera desde la pared lateral 520. Las protuberancias 524 se pueden utilizar para montar y manipular la cubierta 512 de extremo y, después de ensamblada con el cuerpo 510, el evaporador 500. Una boca 526 se extiende a través de la pared lateral 520. La boca 526 de la cubierta 512 de extremo situada en un extremo del evaporador 500 se usa como entrada y la boca 526 de la cubierta 512 de extremo situada en el otro extremo del evaporador 500 se usa como salida.
La figura 23F ilustra el montaje del evaporador 500. La cubierta 512 de extremo se monta sobre el reborde 516 en un extremo del cuerpo 510. Después del montaje, las uniones entre el cuerpo 510 de evaporador y las cubiertas 512 de extremo son fácilmente accesibles. Esta configuración facilita el uso de soldadura láser, soldadura fuerte al vacío, soldadura por fricción-agitación o soldadura TIG para unir las cubiertas 512 de extremo al cuerpo 510 de evaporador. Las figuras 23G y 23H ilustran la relación entre el cuerpo 510 y la cubierta 512 de extremo después del ensamblaje. Cuando se ensambla con el cuerpo 510, la pared lateral 520 y la pared 522 de extremo de la cubierta de extremo y la pared 518 del cuerpo 510 definen una cámara que actúa como un colector que conecta los canales definidos en el cuerpo 510 del evaporador 500. La cubierta 512 de extremo se muestra con una configuración "hueca" para evaporar con todos los pasajes en paralelo, pero podría adaptarse para un diseño de trayectorias múltiples con múltiples giros de 180 grados.
La figura 24 muestra una configuración del evaporador 500 que incorpora una placa 530 de orificios. La placa 530 de orificios está dispuesta entre el cuerpo 510 y la cubierta 512 de extremo. La placa 530 de orificios define múltiples orificios 532 que, después del montaje, están alineados con los canales 514 del cuerpo 510. La placa de orificios se puede usar para distribuir el flujo uniformemente a los canales 514 al acumular refrigerante antes de la placa 530 de orificios e inyectar la mezcla de líquido y gas por igual en los canales 524. En algunos casos, los orificios son idénticos en tamaño. En algunos casos, donde sea probable que haya una mala distribución del flujo entre los pasajes 514, los orificios pueden ser de diferentes tamaños.
La figura 25 es una vista en perspectiva de una realización del evaporador 380 descrito con referencia a las figuras 19A y 19B con una superficie interna 470 hecha de un material diferente al resto del evaporador 380. La superficie interior 470 está formada principal o completamente de cobre. El cobre tiene una conductividad térmica más alta (aproximadamente 391 W/mK) que el aluminio que tiene una conductividad térmica de 180 W/mK. Una alta conductividad térmica mueve el calor rápida y eficientemente desde la cápsula hasta el refrigerante. Un material con baja conductividad térmica deja pasar el calor más lentamente y con menor eficiencia. La tendencia de un componente a actuar como disipador de calor es función tanto de su conductividad térmica como de su masa. La Tabla 2 enumera la conductividad térmica y la densidad de una variedad de materiales.
Las figuras 26A-26C son vistas esquemáticas de chapados. Estos chapados se pueden usar en un evaporador que incluya tanto aluminio como cobre. La figura 26A muestra un chapado superpuesto 490. La figura 26B muestra un chapado incrustado 492. La figura 26C muestra un chapado 495 de borde. Las técnicas de chapado, como se muestra en las figuras 26A-26C, se aplican a la superficie interna del evaporador. Diferentes técnicas de chapado pueden aumentar la transferencia de calor y dispersar el calor, debido a la alta conductividad térmica del cobre.
La figura 27 es una vista ilustrativa de un material 480 que incluye microcanales 482. Cuando el material 480 se utiliza para hacer, por ejemplo, evaporadores, el refrigerante fluye a través de los microcanales 482. El material 480 se puede doblar para formar un evaporador que enfría la cápsula 150. El material 480 se deforma permanentemente en forma cilíndrica para crear un evaporador redondo. Tal evaporador tiene un área de superficie alta que aumenta el rendimiento del evaporador mientras mantiene bajos los costos.
Las figuras 28A-28C muestran un compresor rotativo 550 que se usa en algunos sistemas de refrigeración en lugar del compresor alternativo 186 descrito anteriormente. El compresor 550 incluye una carcasa 552 con una pared interior 553 que define una cavidad interior 554. Una entrada 556 y una salida 558 conectan de modo fluido la cavidad interior 554 del compresor 550 a otros componentes del sistema de refrigeración. Una válvula 559 de presión libera fluido cuando el fluido alcanza una presión predeterminada. Un rodillo 560, con una sección transversal circular, está restringido rotacional y axialmente sobre una varilla 562 que se extiende a través de una sección inferior de la carcasa 552. Algunos rodillos tienen sección transversal en forma de elipse o de engranaje. La varilla 562 está descentrada con respecto a la sección transversal circular del rodillo 560. La varilla 562 y el rodillo 560 giran con respecto a la carcasa 557 usando un motor (no mostrado). El rodillo 560 está dispuesto en la cavidad 554 de manera que un borde 564 del rodillo 560 se extiende hasta la pared interior 553 de la carcasa. En esta configuración, el rodillo 560 forma un sello con la carcasa 557. El borde 564 del rodillo 560 mantiene el contacto con la pared 553 mientras la varilla 562 y el rodillo 560 giran dentro de la cavidad interior 554. La carcasa 557 incluye un área perforada 566 para contener un resorte comprimido 568. El resorte 568 hace tope con el rodillo 560. Un elemento de caucho 570 rodea una parte del resorte 568 para formar un sello que se extiende desde la pared 553 hasta el rodillo 560. El resorte 568 se expande y contrae cuando el rodillo 560 gira dentro de la cavidad interior 554, para mantener el sello.
En la figura 28A, el compresor 550 está en un primer estado. En la figura 28B, el compresor rotativo 550 está en un segundo estado y en la Figura 28C el compresor rotativo 550 está en un tercer estado. El compresor rotativo 550 se mueve del primer estado al segundo estado, del segundo estado al tercer estado, y del tercer estado al primer estado. En el primer estado, el rodillo 560 recibe vapor frío a baja presión del evaporador 108 a través de la entrada 556. El sello entre el borde 564 de contacto y la pared 553 y el sello entre el miembro 570 y el rodillo 560 definen una cámara 572 de admisión y una cámara 574 de presurización. En algunos compresores rotativos, se forman sellos adicionales que aumentan el número de cámaras. El rodillo 560 gira para comprimir y presurizar vapor en la cámara 574 de presurización y para aspirar vapor a la cámara 572 de admisión desde la entrada 556. En el segundo estado, que se muestra en la figura 28B, el rodillo 560 continúa girando en sentido contrario a las agujas del reloj y la presión del vapor en la cámara 574 de presurización aumenta hasta que la válvula 559 de presión libera el vapor a alta presión del compresor 550. La cámara de admisión continúa recibiendo vapor a baja presión desde la entrada 556. El resorte comprimido 568 se extiende hacia la cavidad interior 554 a medida que gira el rodillo 560, para mantener la conexión entre el miembro 570 y el rodillo 560. En el tercer estado, que se muestra en la figura 28C, el vapor a alta presión ha sido expulsado de la cámara 574 de presurización y el resorte 568 está comprimido en el área perforada 566. En este estado, solo se forma un sello entre el borde 564 de contacto y el miembro 570. Durante un breve período del ciclo, el número de cámaras se reduce en una. En este estado del compresor 550, la cámara 572 de admisión se convierte en la cámara 574 de presurización. La cámara 572 de admisión se vuelve a formar cuando el borde 564 de contacto sobrepasa al miembro 570 y se forman dos sellos, uno entre el miembro 570 y el rodillo 560 y el otro entre el borde 564 de contacto y la pared 553.
El compresor rotativo realiza el mismo trabajo térmico que el compresor alternativo con un peso mucho menor y un tamaño más pequeño. El compresor rotativo tiene un peso de aproximadamente 4,5 kg (10 libras) a aproximadamente 8 kg (18 libras). El compresor rotativo tiene un desplazamiento de refrigerante de aproximadamente 4 cm3 a aproximadamente 8 cm3. El compresor rotativo tiene una relación de rendimiento frente a peso de aproximadamente 0,55 cm3/kg (0,3 cc/lb) a aproximadamente 1,1 cm3/kg (0,5 cc/lb).
Se han descrito una serie de realizaciones de la invención. No obstante, se entenderá que se pueden realizar diversas modificaciones dentro del alcance de protección definido por las siguientes reivindicaciones.

Claims (11)

REIVINDICACIONES
1. Una máquina (100) para producir alimentos o bebidas enfriados a partir de ingredientes en una cápsula que contiene los ingredientes, comprendiendo la máquina un sistema (310) de refrigeración que comprende:
un evaporador (108; 380) que define un receptáculo (110) dimensionado para recibir la cápsula y que tiene un cuerpo que define canales (366; 400) a través de los cuales fluye refrigerante para enfriar el evaporador;
un compresor (186);
un condensador (180);
un circuito de fluido de trabajo; y
un subsistema (312) de expansión que comprende una primera válvula (314) de orificio fijo, una segunda válvula (316) de orificio fijo y una válvula (318) de control corriente arriba de la segunda válvula (316) de orificio fijo, estando la válvula de control y la segunda válvula (316) de orificio fijo dispuestas en paralelo con la primera válvula (314) de orificio fijo, en donde el circuito de trabajo va desde el evaporador al compresor, al condensador, al subsistema (312) de expansión y de vuelta al evaporador.
2. La máquina de la reivindicación 1, que comprende además una primera tubería de derivación que conecta directamente una descarga del compresor (186) a una entrada del compresor (186).
3. La máquina de la reivindicación 1, en donde el subsistema de expansión incluye más de dos válvulas (314; 316) de orificio fijo y tiene más de dos modos.
4. La máquina de la reivindicación 1, en donde una bisagra viva (132) conecta una primera parte (128) del evaporador a una segunda parte (130) del evaporador y la bisagra viva define un canal (373) de conexión que conecta de manera fluida los canales de la primera parte del evaporador a los canales de la segunda parte del evaporador.
5. La máquina de la reivindicación 2, que comprende además una válvula de derivación en la primera tubería de derivación.
6. La máquina de la reivindicación 2, que comprende además una segunda tubería de derivación que se extiende desde el circuito de fluido de trabajo entre el compresor (186) y el condensador (180) hasta el circuito de fluido de trabajo entre el evaporador (108) y el compresor.
7. La máquina de la reivindicación 6, que comprende además una válvula de derivación en la segunda tubería de derivación.
8. La máquina de la reivindicación 6 o 7, que comprende además un intercambiador (182) de calor de tubería de succión.
9. La máquina de la reivindicación 1, en donde el evaporador está fabricado de un material que tiene una conductividad térmica de al menos 160 W/mk.
10. La máquina de la reivindicación 1, en donde el evaporador está fabricado de aluminio y tiene una masa inferior a 0,68 kg (1,50 libras).
11. La máquina de la reivindicación 1, que comprende además una superficie de transferencia de calor de la cápsula al evaporador de menos de 322,58 cm2 (50 pulgadas cuadradas) o un área de superficie humedecida por refrigerante del evaporador de menos de 1290,32 cm2 (200 pulgadas cuadradas).
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