JP2017516052A - 液体二酸化炭素を用いる熱交換ユニットを有する自己冷却飲料容器 - Google Patents

Abstract

食品又は飲料と接触するように内部に固定され、液体二酸化炭素が充填される、熱交換ユニットと、作動されたときにすべての液体二酸化炭素が熱交換ユニットから排出されるまで熱交換ユニットの中の残存する二酸化炭素を液体状態に維持するように機能する制限されたオリフィスを通じて液体二酸化炭素が液体状態から気体状態に直接移行することを可能にする弁とを有する、食品又は飲料のための容器。

Description

関連出願
本願は、２０１４年４月３０日に出願された米国特許仮出願整理番号第６１／９８６，４２２号及び２０１４年６月１９日に出願された米国特許仮出願整理番号第６２／０１４，５５６号に基づく非仮出願であり、出願人は、その最初に出願された出願日の利益を主張する。

本発明は、一般に、食品又は飲料に接触し、作動されたときに食品又は飲料の温度を変える外面を有する液体二酸化炭素を用いる熱交換ユニットも含む、食品又は飲料を保持するための容器に関する。

食品又は飲料の温度を要求に応じて変える目的で食品又は飲料容器などの容器に格納することができる、単純で、効果的で、かつ安全な装置を提供することが長い間望まれている。

キャンプ、ビーチ、ボート、漁業などの氷又は冷蔵が容易に利用可能ではない場所などでの多くの場合に、消費の前に冷やすことができる飲料を有することが望まれる。これまでは、それらを望む状態で消費できるように個人が氷及び飲料用の容器が入っているアイスボックスなどを所持する必要があった。こうしたアイスボックスの利用は厄介であり、多大なスペースを占め、ほんの限られた時間だけ保冷した後に、氷を交換しなければならない。使用中に、溶けた氷から生じる水をアイスボックスから時々排水することも必要である。

上記の結果として、食品又は飲料を格納し、かつ、作動されたときに中に入っている食品又は飲料を冷却することになる熱交換ユニットも格納する容器を提供する試みの事例が数多く存在している。このような従来技術の装置における熱交換ユニットは、普通は圧力下の冷媒材料を格納しており、それが放出されるときに周りの食品又は飲料の熱を吸収し、これにより消費の前にそれらを冷却するものであった。従来技術の熱交換ユニットで用いられる冷媒には、ハイドロフルオロカーボン、アンモニア、液体窒素、二酸化炭素、及び液体二酸化炭素などの圧力下のガスがあった。圧力下の二酸化炭素ガスを吸着する圧縮された炭素粒子を用いるシステムも開発されている。弁の開放によってＨＥＵが大気に曝されるときに、二酸化炭素ガスが脱着し、容器内の食品又は飲料を冷却する。こうしたシステムの例が、米国特許第７，１８５，５１１号、第６，１２５，６４９号、及び第５，６９２，３８１号に示される。気体又は液体の形態の二酸化炭素を含む、こうした従来技術の特許の例が、米国特許第３３７３５８１号、第４６８８３９５号、及び第４６６９２７３号によって示される。従来技術で例示されるこうした熱交換ユニットを用いる容器は、複雑で、製造が難しく、したがって大きな経済的負担を生じ、こうした従来技術の自己冷却式の飲料容器を商業的に魅力のないものにする。加えて、液体二酸化炭素が用いられた場合、液体二酸化炭素の放出によって液体二酸化炭素が固体状態に遷移し、これは食品又は飲料の温度のほんの限られた低下を提供した。上記の結果として、食品又は飲料のための単純な、組み立てが容易な、かつ効率的な自己冷却システムの必要性が存在する。

上部及び底部を有し、底部に開口部が貫通して画定される、食品又は飲料を受け入れるための外側容器と、液体二酸化炭素（ＣＯ_２）が充填され、開口部において外側容器に固定されるように適合される金属の内側容器を含む熱交換ユニット（ＨＥＵ）と、作動されたときに液体ＣＯ_２が液体状態から気体状態に直接移行することを可能にする不平衡を生み出すが同時にＨＥＵ内のＣＯ_２を液体状態に維持する制限されたオリフィスを提供するために前記ＨＥＵに固定される弁手段とを備える、食品又は飲料を収容する組立体である。

ＣＯ_２が固体、液体、気体、及び超臨界流体である圧力及び温度を例示する二酸化炭素の状態図である。 閉位置にある制限されたオリフィスを提供するための弁の一実施形態を例示する部分断面図である。 開位置にある図２の弁の部分断面図である。 図３Ａの弁の部分拡大図である。 制限されたオリフィスを提供するための弁システムの代替的な実施形態を示す図である。 弁システムの別の実施形態を示す図である。 弁システムのさらに別の実施形態を示す図である。 本発明の原理に従って構築される自己冷却式の飲料容器の一実施形態を示す部分断面図である。 円８−８で例示される図７の部分をさらに詳細に示す断面図である。 図８に例示される構造体において用いられるアタッチメントアダプタの斜視図である。 本発明の成形されたプラスチック弁要素の斜視図である。

ここで図１をより詳細に参照すると、二酸化炭素の状態図が例示されている。そこに例示されるように、二酸化炭素は、固相、液相、又は蒸気相若しくは気相を有する場合がある。本発明の原理によれば、二酸化炭素は、液相に維持され、熱交換ユニットが容器内の食品又は飲料の温度を下げるのに用いられている間は、ドライアイスが形成される場合の固相に移行しないようにされることが重要である。図示されるように、状態図上の三重点は、物質の３つの状態（気体、液体、及び固体）が共存する点である。臨界点は、物質、この場合は二酸化炭素を液体状態と気体状態とで区別することができない状態図上の点である。蒸発（又は凝縮）曲線は、液体状態と蒸気又は気体状態との間の遷移を表す状態図上の曲線１０である。図示されるように、状態図は、通常単位は気圧である、圧力に対して、この場合単位は摂氏度である、温度をプロットする。線は、２つの相が平衡状態で存在することができる圧力と温度の組み合わせを表す。言い換えれば、これらの線は相変化点を画定する。本発明の原理によれば、熱交換ユニットは、二酸化炭素が液体状態にあるような温度及び圧力で二酸化炭素を装填される。熱交換ユニットは、次いで、熱交換ユニットを取り囲む容器内の食品又は飲料を冷却することが望まれるときまで熱交換ユニット内で液体状態が平衡に保たれるように封止される。冷却が望まれるときに、液体二酸化炭素が蒸気又は気体状態に移行するように不平衡が生み出されるが、同時に、熱交換ユニット内にまだ存在している二酸化炭素は液体状態に維持されるように熱交換ユニット内の圧力が維持されることが重要である。これは、さらに詳細に後述するように、制限されたオリフィスを通じてすべての液体二酸化炭素が液体状態から気体状態に移行し、大気に排出され、熱交換ユニットの中の液体二酸化炭素が完全に排出されるときまで、熱交換ユニットの中に入っている残存する二酸化炭素が液体状態のままであるように熱交換ユニット内の圧力を維持するべく、圧力低下を有する制限されたオリフィスを通過させることで液体二酸化炭素を液体状態から気体状態に移行させ、大気に排出させるための経路を提供することによって達成される。

ここで図２をより詳細に参照すると、ＨＥＵ内のＣＯ_２を液体状態に維持し、同時に、液体ＣＯ_２が液体状態から気体状態に移行し、ＨＥＵから排出されることを可能にするべく不平衡を生み出すのに必要な制限されたオリフィスを提供するのに用いることができる弁機構の一実施形態が固定された熱交換ユニット１１が概略的な形態で例示されている。弁に開口部１５が画定され、それを通して圧力下の液体ＣＯ_２がＨＥＵ１１の中に平衡状態に装填されてもよい。図２に例示されるように、弁機構は第１の端１２及び第２の端１４を有する。第１の端１２は、１６で示されるようにテーパした様態で終端し、弁座２０上に完全に着座されるときにＨＥＵの内部を封止し、液体ＣＯ_２が逃げるのを防ぎ、したがってこれを液体状態に維持する、表面１８を有する。これは、弁機構の第２の端１４に固定される作動ホイール２４が回転されるときに表面１８が下方に移動されるように２２で示されるねじを設けることによって達成され、表面１８は弁座２０と封止係合することになるが、作動ホイール２４が反対方向に回転されるときに、表面１８は、弁座２０から離れる方に移動され、液体ＣＯ_２が液体状態から気体状態に移行するための経路を提供する。

気体ＣＯ_２がＨＥＵから出て大気中に移行することを可能にする制限されたオリフィスを提供するための弁機構の開口部が図３Ａに示され、それへの言及がここでなされる。例示されるように、ここでは、テーパ部分１６は、作動ホイール２４の回転によって弁座２０から離れて上方に移動されており、これにより、矢印２８で例示されるように気体二酸化炭素が通過することができる経路２６を提供する。制限されたオリフィス３０が、表面３２と弁３６の縁３４との間に提供される。気体ＣＯ_２は、矢印３８で示すように制限されたオリフィス３０を通過し、矢印４０で示すように弁３６の中央部を通り、次いで、作動ホイール２４に隣接して設けられた開口部４２を外方へ通過し、したがって二酸化炭素が気体状態で矢印４４によって例示されるように大気に出ることを可能にする。前述のように制限されたオリフィス３０を提供することによって圧力低下が生み出され、これはＨＥＵの内部に残っている二酸化炭素が液体状態に維持される程度にＨＥＵの本体において反映されることになることが当業者には分かるであろう。

図３Ｂをここでより詳細に参照すると、図２及び図３Ａに例示される弁が部分拡大断面図で示されており、制限されたオリフィス３０をよりはっきりと見ることができる。図３Ｂに示されるように、プラグをこの場合は１ねじ分だけ上方に移動させることによって生み出される制限されたオリフィス３０、すなわち、１２ミクロンの隙間が、弁の縁３４と表面３２との間に提供される。制限されたオリフィス３０の長さは０．４ミリメートルであり、したがって、０．０３７７立法ミリメートルの円環体積を提供する。１９９立法センチメートルの内容積及び２５０立法センチメートルの押しのけ量を有するＨＥＵを用いる試作品として製造されている構造体が、２５０立法センチメートルの飲料を有する外側容器内に配置され、ＨＥＵに１００から１２０グラムまでの間の液体二酸化炭素が装填された状態で、液体二酸化炭素が固体ＣＯ_２を形成せずに完全に使い切られるまで１〜２分間で２０℃の冷却を提供した。すなわち、制限されたオリフィス３０にわたる圧力低下は、制限されたオリフィス３０が生み出され、冷却効果が生み出された結果として温度及び圧力が変化した場合であっても、ＨＥＵ内のＣＯ_２を液体状態に維持し、かつ、制限されたオリフィス３０の開口部によって生み出される不平衡が液体ＣＯ_２の気体状態への遷移を図１に示されるライン１０に沿って移行させることを可能にした。

図２及び図３に示される弁が本発明の試作品において構築及び使用されているにもかかわらず、所望の制限されたオリフィスを生み出し、ＨＥＵ内に保持される二酸化炭素を液相に維持するのに必要な圧力低下を生み出すために、他の機構が用いられてもよいことが当業者には理解されるであろう。制限されたオリフィスを生み出すのに用いることができ、かつ、前述のようにＨＥＵの作動を可能にする機構の一例が、図４に概略的な形態で示される。図示されるように、前述のように圧力低下を生み出すために所望のサイズのオリフィス４４を有する部材４２が存在する。オリフィス４４の上にプランジャ４６が配置され、プランジャ４６が完全に下方位置にあり、かつ、部材４２に接して着座されるときに、オリフィス４４が閉鎖及び封止される。プランジャ４６が矢印４８で示すように上方に十分な量だけ移動されるときに、前述のように圧力低下を生み出すのに必要な距離にわたって制限されたオリフィスが画定されるように所望の量の流路５０が生み出される。プランジャ４６を矢印４８で示すように上方又は下方に移動させてオリフィス４４を封止及び封止解除する、したがって二酸化炭素が液体状態から気体状態に移行し、矢印５２で示すように大気に出るための流路を提供するべく制限されたオリフィスを生み出すことを可能にするのに用いられてもよい、ねじ、ラチェットなどの多くの機構を当業者は認識するであろう。

ここで図５を参照すると、図５は、制限されたオリフィスを提供するための異なる機構を示し、これは十分な長さのオリフィス５６が形成されている材料塊５４を含み、オリフィス５６の長さと直径との組み合わせが、二酸化炭素が液体状態から気体状態に移行して大気に排出されるときの二酸化炭素の流路５８を提供することによって、装置の作動の全体を通して二酸化炭素を液体形態に維持するべく上述のように圧力低下を提供することになる。系が平衡状態に維持されている間、適切なプランジャ又はプラグ（図示せず）がオリフィス５６を封止するのに用いられることになる。

所望の制限されたオリフィスを提供するための構造体のさらなる実施形態が図６に示され、それへの言及がここでなされる。図示されるように、ピンホール６２が形成された膜６０が提供されており、これは、容器の中に入っている食品又は飲料の冷却が望まれるときにユーザによって作動される適切なプランジャ又は他の機構によって達成することができる。オリフィス６２が形成されるときに、二酸化炭素が液体状態から気体状態に移り、上述のように大気に排出され得るように、流路６４が提供される。

ここで図７をより詳細に参照すると、ＨＥＵが内部に固定されている飲料缶の一実施形態の全体構造が断面で例示される。図示されるように、ＨＥＵ７２の上部７６にねじ込み式に固定されるアタッチメントアダプタ７４によってＨＥＵ７２が飲料缶７０の内部に固定される。アタッチメントアダプタ７４は、図示されるねじ７８によってＨＥＵの上部７６に固定される。アタッチメントアダプタ７４の上部に弁８０がねじ込まれ、弁の上部に作動ホイール８２が固定される。作動ホイール８２は、ＨＥＵ７２の中に入っている液体ＣＯ_２が前述のように液体状態から気体状態に移行することを可能にするために弁を封止する又は弁を開放するべく弁８０を移動させるのに用いられる。安全破裂板組立体８４も、ねじ８６によってアタッチメントアダプタ７４にねじ込み式に固定される。放出弁及び安全破裂板組立体を備えるアタッチメントアダプタは、アタッチメントアダプタ７４のフランジ９２上の表面９０（図９）と飲料缶７０上の表面９４によって形成される境界面８８で飲料缶７０に固定される。固定機構は接着剤又はファスナであってもよい。

ここで図８をより詳細に参照すると、図７に示される構造体がより詳細に例示される。図示されるように、弁８０は、弁８０の下部との間に封止を生み出すのに用いられ、アタッチメントアダプタ７４によって画定される弁座９８に接して封止体として作用する、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のインサート９６を含む。作動ホイール８２が反時計回り方向に回転されるときに、インサート９６が、制限されたオリフィスを提供するのに十分な量だけ弁座９８から移動されることになり、制限されたオリフィスは前述のように、液体ＣＯ_２が液体状態から気体状態に移行し、アタッチメントアダプタ７４の開口部１００を通って進み、弁８０の壁に設けられたそのうちの１つが１０２で示される開口部を通過し、次いで、弁の上部にある開口部１０４を通過し、大気中に移行することを可能にする。破裂板組立体８４は、導管１０６によってＨＥＵ内の圧力に継続的に曝される板８５を含み、導管１０６は、圧力が望ましくないほどに高まる場合に破裂板が破裂して望ましくない圧力を解放することになるように、圧力が破裂板組立体内のチャネル１０８に入って破裂板自体と接触することを可能にする。液体ＣＯ_２が逃げるのを防ぎ、かつ、その圧力が破裂板と確実に係合するようにするために、１１０で示されるようにプラグが導管１０６の端に溶接される。完成した組立体が販売などのために陳列位置に置かれたときに安定するように、成形されたプラスチックキャップ９５が容器７０の底の上に嵌められる。

ここで図９を参照すると、アタッチメントアダプタ７４が斜視図で示される。図示されるように、アダプタ７４は、飲料缶７０へのアタッチメントアダプタ７４の取り付けを提供するために飲料缶の下面９４と係合する上面９０を有するフランジ９２を含む。アタッチメントアダプタ７４の下側延長部１１２は、前述のようにアタッチメントアダプタがＨＥＵ７２の上面７６にねじ込み式に固定され得るように、図９に例示されるようにねじ切りされる。アタッチメントアダプタ７４に第１の開口部１１４が画定され、これもまた、放出弁８０がねじ込まれるねじ切りされた内面を含む。第２の開口部１１６もアタッチメントアダプタ７４の本体に設けられ、開口部１１６の内部に設けられたねじによって安全破裂板組立体８４を受け入れる。図９に例示されるように、放出弁と安全破裂板の組立体が、アタッチメントアダプタを熱交換ユニット７２の上端に取り付ける前に構築されてもよい。これは、上記に例示されるように装置のより容易な構築を可能にするであろう。

ここで図１０を参照すると、弁８０のＰＴＦＥバージョンが斜視図で例示される。図１０に示される構造体は、好ましくは、ＰＴＦＥプラスチック材料から成形され、図示されるように、弁８０の下端１２０に提供されるさらなるＰＴＦＥインサート９６を受け入れるために直径減少区域１１８が設けられる。同じく図示されるように、ねじ１２２が、弁をアタッチメントアダプタ７４と係合するのに用いられ、一方、ねじ１２４は、作動ホイール８２が弁８０の上部に固定されることを可能にするのに用いられる。

したがって、外側容器と、当業者によく知られている手段によって外側容器の内部に固定される内側容器を含み、液体状態の二酸化炭素が装填される、熱交換ユニットとを有し、ＨＥＵ内に残っている二酸化炭素が十分に排出されるまでこれを液体状態に維持するために圧力低下を提供する制限されたオリフィスを通じて液体状態の二酸化炭素を液体状態から気体状態に移行させ、これにより、外側容器の中に入っている内容物である食品又は飲料を冷却する、自己冷却式の食品又は飲料容器の構造体が説明されている。

Claims (12)

1. 液体二酸化炭素を用いる熱交換ユニットを有する自己冷却式の食品又は飲料容器であって、
   食品又は飲料を受け入れるための外側容器と、
   前記外側容器に固定される内側容器を含み、前記外側容器内に受け入れられた前記食品又は飲料と外面が接触するように前記外側容器の中に延びる、熱交換ユニットと、
   前記内側容器に固定され、前記内側容器の中に液体二酸化炭素を入れることを可能にするように適合され、前記内側容器の中の前記液体二酸化炭素が液体状態で平衡のままの圧力及び温度に保たれるように第１の位置を有する、弁と、
   前記弁は、制限されたオリフィスを通じて前記液体二酸化炭素を気体状態に移行させ、大気に排出させるべく不平衡を生み出し、これにより、前記内側容器の中の残存する二酸化炭素を前記液体状態に保ちつつ前記食品又は飲料を冷却するために、前記制限されたオリフィスを画定する第２の位置を有し、
   前記弁を前記第１の位置と前記第２の位置との間で移動させるための手段と、
   を備える自己冷却式の食品又は飲料容器。
2. 前記内側容器に固定され、前記液体二酸化炭素と常に連通し、前記液体二酸化炭素の圧力が所定量を超える場合に破裂するように適合される、破裂板をさらに含む、請求項１に記載の自己冷却式の食品又は飲料容器。
3. 前記内側容器に固定されるアタッチメントアダプタをさらに含み、前記弁及び前記破裂板が前記アタッチメントアダプタによって支持される、請求項２に記載の自己冷却式の食品又は飲料容器。
4. 前記弁が、前記第１の位置を提供するために前記アタッチメントアダプタの第１の表面に接して着座し、前記制限されたオリフィスを提供するために前記アタッチメントアダプタの第２の表面と協働する、成形されたプラスチック部材を含む、請求項３に記載の自己冷却式の食品又は飲料容器。
5. 前記外側容器が、開口部が画定される底面を有し、前記アタッチメントアダプタが、前記開口部に隣接して配置される、請求項４に記載の自己冷却式の食品又は飲料容器。
6. 前記アタッチメントアダプタが、上面を有する外方に延びるフランジを含み、前記上面が、前記開口部の周りの前記外側容器の前記底面に接して着座される、請求項５に記載の自己冷却式の食品又は飲料容器。
7. 第１の開口部が画定され、弁座を提供し、前記内側容器に固定される、アタッチメントアダプタと、
   前記弁は、第１の端及び第２の端並びに前記第２の端の外ねじを有する成形されたプラスチック部材であり、前記第１の端はテーパ部分において終端し、前記弁は、前記アタッチメントアダプタの前記第１の開口部内にねじ込み式に受け入れられ、前記弁の前記テーパ部分は前記弁座上に完全に着座されるときに前記弁の前記第１の位置を提供し、
   前記外ねじ上で前記弁を回転させるために前記弁の前記第２の端に取り付けられる作動ホイールと、
   をさらに含み、前記テーパ部分を前記弁座から離れる方に移動させるべく前記作動ホイールが回転されるときに、前記テーパ部分と前記弁座が前記制限されたオリフィスを形成する、請求項１に記載の自己冷却式の食品又は飲料容器。
8. 成形されたプラスチックインサート部材をさらに含み、前記弁の前記テーパ部分が直径減少区域を含み、前記プラスチックインサート部材が、前記直径減少区域内に受け入れられ、前記弁が前記第１の位置にあるときに前記弁座に接して封止を提供するように機能する、請求項７に記載の自己冷却式の食品又は飲料容器。
9. 破裂板をさらに含み、前記アタッチメントアダプタに第２の開口部が画定され、前記破裂板が前記第２の開口部内に受け入れられ、前記破裂板が、前記液体二酸化炭素と常に連通し、前記液体二酸化炭素の圧力が所定量を超える場合に破裂するように適合される、請求項８に記載の自己冷却式の食品又は飲料容器。
10. 前記内側容器が内ねじ切りされた開口部を含み、前記アタッチメントアダプタが、前記弁及び前記破裂板を前記内側容器に固定するために前記内側容器の前記内ねじ切りされた開口部内にねじ込み式に受け入れられる外ねじ切りされた延長部を有する、請求項９に記載の自己冷却式の食品又は飲料容器。
11. 開口部が画定されるアタッチメントアダプタをさらに含み、前記弁が前記開口部内に受け入れられ、前記弁が、前記第２の位置にあるときに前記制限されたオリフィスを提供するために前記開口部の少なくとも一部と協働する表面を有する、請求項１に記載の自己冷却式の食品又は飲料容器。
12. 前記弁表面と前記開口部の一部との距離が、１２ミクロンであり、前記制限されたオリフィスを提供するべく０．４ｍｍにわたって延びる、請求項１１に記載の自己冷却式の食品又は飲料容器。

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