JP2018532590A - ガス及び飲料を混合するためのカーボネーションダクト及びカーボネーションプロセス - Google Patents

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Abstract

本発明は、ガスと飲料とを混合するカーボネーションダクト(carbonation duct)（1）に関する。該カーボネーションダクト(1)は、圧縮構造(13)を取り囲む管状構造(12)、管状構造（12）の内側に長軸方向に配置された該圧縮構造（13）及び該カーボネーションダクト（1）に沿って飲料を流すための経路（14）を設定することを含む。該圧縮構造（13）は、該カーボネーションダクト（1）に沿って収束パス（8）、混合パス（19）及び減速パス（20）を順次定義する外径(P、C、G)を含み、ここで、該収束パス（8）において、該カーボネーションダクト（1）は、該経路（14）におけるガス注入のためのガス入口部分（9）を含み、及び該管状構造(12)は、カーボネーションダクト(1)の混合直径(F)を確立する乱流形式突起(turbilionating projection)(10)を定義する。

Description

本発明は、カーボネーションダクト(carbonation duct)及びカーボネーションプロセス(carbonation process)に関する。具体的に、本発明は、飲料中のガスを増加させるカーボネーションダクト及びプロセスに関する。
カーボネーションプロセス及びダクトにおいて、飲料中のCO2の一定のボリューム(volume)を維持するために、カーボネータタンク(carbonator tank)内の圧力を安定に保つことが不可欠である。
これは、当該技術分野で知られているプロセス及びダクトにおいて、(i)飲料の温度、(ii)飲料の流量、(iii)カーボネーションダクトガス入口部におけるCO2流量、及び(iv)カーボネーションダクト構成構造が、飲料中のCO2ボリュームの均一な値を得るために互いに全て関連している、という事実が原因で生じる。
本発明で提案されたカーボネーションプロセスにおいて、飲料がカーボネータタンクに入り、タンク内の圧力が増加し始めると（タンク出力のバルブが閉鎖されていることを考慮して）、このような圧力の増加は、調節弁の開口率をコントロールすることによってカーボネーションダクト内のCO2流量を管理（コントロール的閉鎖(controlledly closing)）することによってコントロールされる。
一方、提案されたプロセスにおいて、タンク内の圧力が減少する場合、その圧力の減少は、カーボネータタンク内のCO2流量を増加させることによってコントロールされ得る。
言い換えれば、タンク内の圧力が増加する場合、調節弁が閉じる(ベンチュリにおけるCO2流量が減少する)。従来技術で知られている従来のプロセスにおいて、タンク内の圧力が上昇すると、CO2は大気に放出される（排気される）。
本プロセスにおいて、CO2は排出されず、タンク内のすべての圧力変化は、カーボネーションダクト内及びカーボネータタンク内のCO2ガス流量を管理することによって直ちに補充される。
加えて、本発明で提案されたカーボネーションダクトは、飲料とCO2の間で効率的な乱流を与えるガス入口部に隣接する領域において乱流形式突起(turbilionating projection)を利用する。
当該技術分野で公知のダクトは、高圧ポンプを利用して、CO2及び飲料混合物（混合物）のための高圧領域を作り出す。さらに、これらのダクトは、所望のCO2ボリュームを達成するためにいくつかの工程を必要とするカーボネーションプロセスを提供し、その結果、ベリーステア飲料(撹拌した)(very stir beverage(agitated))をもたらし、飲料充填プロセスを非効率的にする。
さらに、当該技術分野で公知のカーボネーションダクトは、ダクトの領域をボトルネックのように縮小する。本発明において、ダクトの領域は、ダクト内にステンレスの固体ボディを加えることによって縮小し、飲料とガスとの接触域が増加する。
飲料流量が一定に保たれ、カーボネーションダクトの領域が縮小する場合、飲料速度は縮小された領域を通過するにつれて増加する。その結果、運動エネルギーが増加する場合、圧力値によって決定されるエネルギーは、相当に減少する。
この圧力の減少は、本発明において提案されたカーボネーションダクトの縮小された領域に真空を発生させる。この原理は、提案されたカーボネーションダクトでダクト内にCO2を導入するために用いられる。
この圧力減少は、ガスと飲料の混合物に有利であるが、そのような混合物を改善し、プロセスの高い効率を保証するために、本明細書で提案されたカーボネーションダクトは、ダクトの縮小された領域において、乱流形式突起をさらに使用する。
提案されたカーボネーションダクトの主な利点の一つは、カーボネーションダクトの入口と出口との間の圧力差が、10%〜20%の範囲であるという事実にある。これは、ダクトの入口部の圧力が、2,0kg/cm2であれば、ダクトの出口部では、1,6kg/cm2(最大減少)〜1,8kg/cm2(最小減少)に減少することを意味する。従来技術で知られている従来のダクトにおいて、この圧力差は50%に達することが出来る。
さらに、提案されたカーボネーションダクトの効率は、従来技術で知られているいくつかのカーボネーションプロセス及びシステムで必要とされるように、カーボネーション後の均質化プロセスを必要としない。
カーボネーションダクトのもう一つの利点は、CO2の消費を最小限に抑えながら、水中にCO2溶解を可能にすることである。
加えて、提案されたカーボネーションダクトは、飲料中に可溶ガス運動エネルギーに対して非常に低い衝撃を生成する。結果的に、充填時に飲料の泡立ちが最小限に抑えられる。
本発明で提案されたカーボネーションダクトの別の利点は、カーボネーションプロセスにおいてガス流量をコントロールするために、カーボネーションプロセスの効率が達成されたとしても、流量計の使用の必要が無いことである。
さらに、提案されたカーボネーションプロセスは、その内部にリング、プレートの何れか、又は他の何れかの装置も含まないカーボネーションタンクを使用する。請求のプロセスは、カーボネータタンクのみを使用してガス可溶化を達成する。
さらに、飲料に溶解しないガスが回収されてプロセスにおいて再び使用されるので、請求されたプロセスにおいて、ガスの排出はない。
カーボネーションダクトは、飲料のカーボネーティング(carbonating)に必要な真空を発生させるためにダクトに入る際に、飲料の速度をさらに消費し、従って、ガス入口部分のガス圧力は、比較的低い。
請求の方法は、飲料を再循環させガスボリュームを増加又は減少させる可能性をさらに提供する。
さらに、本明細書にて提案された方法において、飲料温度が上昇すると、補充された(compensated)圧力(飲料中の所望のボリュームのガスを確立するために必要な圧力)が増加され、及び、飲料中に可溶化されたCO2のボリュームを一定に保つために、タンク内にCO2が加えられ得る(タンク内の圧力が上昇する)。
あるいは、飲料温度が低下すると、補充された圧力の値もまた、減少され、及び、飲料において所望のボリュームのガスを保つために、カーボネーションダクト内のCO2流量が減少され得る。
上記の補充によって、プロセスは、補充された圧力の値をカーボネータタンクの内部圧力と等しくなる(等しくすること)。
従来技術で知られている従来のプロセスにおいて、飲料温度の変化による補充は、大気中にCO2を放出することによって行われ、これは、提案されたプロセスでは起こらず、CO2が排出されない。
本発明の第1の目的は、カーボネーションダクトを提供することであり、これにより、飲料中のガス溶解度が増加する。
第2の目的は、カーボネーションプロセスを提供することであり、これにより、プロセスの工程中のガス損失が減少する。
第3の目的は、ガス入口部分及び飲料入口部分のために構造配置(structural configuration)を提供することであり、これにより、飲料とガス間の混合物を増加させる。
さらなる目的は、カーボネーションダクト内に乱流形式突起を提供することであり、乱流形式突起は、従来技術の溶液と比較して、飲料中のガス溶解性を高めることを達成するために旋回壁を含む。
本発明のさらなる目的は、3つの明確に定義された部分を有するカーボネーションダクトを提供することである。
さらなる目的は、カーボネーションダクトに流入するCO2の流速とカーボネータタンクに流入するCO2の流速をコントロール的に管理することにより、カーボネータタンクにおいて圧力の変化を補充する、カーボネーションプロセスを提供することである。
さらなる目的は、カーボネーションダクトに流入するCO2の流速及びカーボネータタンクに流入するCO2の流速をコントロール的に管理することにより、飲料温度の変化を補充する、カーボネーションプロセスを提供することである。
さらに、別の目的は、カーボネータタンク内の圧力の変化及び飲料温度のさらなる変化を補充するために、大気にCO2を放出しないカーボネーションプロセスを提供することである。
さらなる目的は、カーボネータタンク及びカーボネーションダクトに加えられるCO2流量を管理することにより、飲料中の可溶化されたCO2ボリュームを一定に保つカーボネーションプロセス及びカーボネーションダクトを提供することである。
さらなる目的は、飲料中のCO2ボリュームを増減させるために、カーボネータタンク中にカーボネーション飲料を再導入するカーボネーションプロセスを提供することである。
本発明の目的は、ガスと飲料を混合するためのカーボネーションダクトで達成される、ここで、カーボネーションダクトは、圧縮構造を取り囲む管状構造を含み、圧縮構造は、管状構造の内側に長軸方向に配置され及びカーボネーションダクトに沿って飲料を流すための経路を設けることを含む。
圧縮構造は、カーボネーションダクトに沿って収束パス、混合パス及び減速パスを順次定義する外径を含み、ここで、収束パスにおいて、カーボネーションダクトは、経路内にガス注入のためのガス入口部分を含む。管状構造は、カーボネーションダクト混合直径を確立する乱流形式突起を定義する。
本発明は、その好ましい実施形態に従って説明されており、以下にそれを示す。
図1は、本発明で提案されたカーボネーションダクトを表すブロックダイアグラムである。 図2は、本発明で提案されたカーボネーションダクトの横断面図である。 図3は、カーボネーションダクトの外部構造の横断面図である。 図4は、カーボネーションダクトの内部構造の横断面図である。 図5は、カーボネーションダクトの収束パスの横断面図である。 図6は、カーボネーションダクトの収束パスの追加の横断面図である。 図7は、カーボネーションダクトに入る際のガスの流れを示す提案されたカーボネーションダクトの横断面図である。 図8は、本発明で提案されたカーボネーションダクトのガス入口部分の透視横断面図である。 図9は、カーボネーションシステムの説明であり、ここで提案されたカーボネーションダクトが使用される。
図1は、本発明で提案されたカーボネーションダクト1を表すブロックダイアグラムである。
提案されたカーボネーションダクト1は、飲料にガス溶解性を与えるために使用される。飲料によって、カーボネーションダクトは、飲用可能な液体の何れかの種類で判断され得、カーボネーションダクトで使用されるガスは、好ましくは二酸化炭素(CO2)である。さらに図1を参照すると、カーボネーションダクトは、カーボネータタンク21に接続されていることを言及することが出来る。
カーボネーションダクト1の長さは、その直径に応じて決定されるべきであり、それは、カーボネーションする必要がある飲料の量(流速)に依存する。言い換えれば、飲料の流速は、カーボネーションダクト1の直径を決定し、それは、カーボネーションダクトの長さを決定する。以下、カーボネーションダクト1の直径を流動性直径Kと記す。
以下の表は、図2を参照し、カーボネーションダクト1の長さと、流動性直径Kと、カーボネーションされる必要がある最大飲料流量との間の関係を表す。
カーボネーションダクト1の構造配置に関して、図2は、ダクト1の好ましい実施形態の横断面図である。より理解するために、提案されたダクト1は、収束パス8、混合パス19及び減速パス17の3つの異なる明確に定義された主要部分にセグメント化され得る。
図2から分かるように、本発明で提案されたカーボネーションダクト1は、圧縮構造13に付随する管状構造12(中空シリンダ又は何れか他の適切な横断面)を含み、このような関連は、溶液、すなわち飲料とガス(混合パス19及び減速パス17)又はガス無し(収束パス8)を流すための経路14を備える。図3及び図4はそれぞれ、管状構造12及び圧縮構造13を示す。
特に図2から分かるように、圧縮構造13は、管状構造12によって取り囲まれ、構造12の内部に長軸方向配置される。さらに、収束パス8の長さL1は、図2からより理解され得るように、管状構造内径K(流動性直径K)に等しい。
カーボネーションダクト1は、収束パス8に配置された飲料入口部分5をさらに含む。このような飲料入口部分5は、図2から最も良く理解され得る。混合パス19の近くでは、入口部分5の経路14の領域が縮小し、飲料の流れのための漏斗状の経路を構成する。
その構成を達成するために、カーボネーションダクト1は、圧縮構造13の方向に菅状構造12からの乱流形式突起10を含み、そのような突起物は、管状構造12から内側に突出する平面ランプ(ramp)として構成されている。
乱流形式突起10は、ガス及び飲料混合物を増強するように構成された旋回壁27をさらに含む。このカーボネーションダクト1の好ましい実施形態において、旋回壁は、凹面として構成され、好ましい旋回壁深さHは、1.3mmである。さらに、旋回壁半径R1は、好ましくは4.5mmである。旋回壁27は、図5及び図6から、より観察することが出来る。
旋回壁27は、混合パス19において、特にガス入口部分9に隣接する領域にじょう乱効果を発生させるように構成される。このような乱流は、飲料中のガス溶解性(溶解能力)の増加(7%超)を可能にし、特に、そのような増加は、飲料の加速及び噴霧がガスと接触するときに起こる。
さらに、経路の最も狭い領域における飲料と圧縮構造13との接触面積が最小であることから、提案された旋回壁半径R1は、混合パス19(特に、ガス入口部分9に隣接する領域内)において圧力降下を減少させる。
加えて、旋回壁半径R1は、図7に示すように、ガス流を飲料フラックス(flux)に向かって流すことが可能であり、そのため、垂直ガス流入を回避し、従って上記の所望の効率レベルを達成する。
図5を戻って参照すると、上記要素を示す収束パス8の横断面図が示されている。飲料入口部分5は、管状構造12と飲料の流れを可能にする圧縮構造13との間の領域であることが理解され得る。
カーボネーションダクト1内に飲料を適切に入れるために、図5に確認され得るように、圧縮構造13に偏差角Aを設定する。
偏差角は、図5に確認され得るように、内部軸(X)から経路(14)を確立する圧縮構造の表面に至るまで測定される。
偏差角Aは、飲料の流量に依存せず、及び、カーボネーションダクト1の好ましい実施形態において、偏差角Aは、約8°の好ましい値をとる。明白に、そのような値は、好ましい値を表し、偏差角の他の大きさを使用することができ、例えば5°〜10°の範囲が許容される。
さらに収束パス8に関して、流動可動直径K(P=K*0.85)の値の0.85である好ましい最大直径Pを含む。
図5及び上述のように、収束パス8は、管状12からカーボネーションダクト1の圧縮構造13までの乱流形式突起10を含むことを確認することが出来る。
乱流形式突起10は、飲料の流れのために収束角Bを定義し、特に、収束角Bは、圧縮構造13の内部軸Xから乱流形式突起10の表面に至るまでの収束角Bを測定し、それは、図5に確認され得るように、経路14を定義する。
角度Bは、飲料の流速と飲料圧力の降下との間のバランスが収束角Bによって定義された領域を流れる際に確立する。
このカーボネーションダクト1の好ましい実施形態において、収束角Bは、13°の値をとる。偏差角Aと同様に、これは、収束角Bの適切な好ましい値であり、及び、8°〜15°までの範囲が許容される。
乱流形式突起10は、図2からより分かるように、カーボネーションダクト混合直径Fを確立する。突起10の適切な構成のために、混合直径Fは、管状構造の流動性直径Kよりも16ミリメートル(mm)小さくなければならず、0.1mmの許容誤差が許され得る。
管状構造の直径Kとの16mmの差は、通路14の領域を増加させることによって飲料乱流が達成されるので、収束角Bのための正しい構成を可能にする。
この乱流は、飲料が乱流形式突起10によって定められた領域を出て、混合パス19に入る際に生じる。このような乱流は、飲料中で発生した膨張による飲料とガスとの間の高速混合を可能にする。
混合パス19において、混合パス19の目的が、ベンチュリのコンセプトに従った飲料圧力の決定された下降を設定することであるから、圧縮構造13の直径は、混合物の直径Fから直接的に決まるべきである。図2において、内部構造の直径は、混合パス直径Cによって表される。
好ましくは、直径CとFの比(C/F)は0.65と0.75の間であるべきである(許容誤差0.1mm)。この好ましい範囲において、0.75を超える値について、カーボネーションプロセスは、高い効率を示し、圧力降下は相当に高くなる。
0.65より小さい値の場合、収束パス8において、及び特に乱流形式突起10における飲料流量は、十分なレベルの真空(又は負圧)を生成するには不十分である。
直径Cと直径Fとの比は、それが乱流形式突起10(カーボネーションダクトのネック)を通る際の飲料流量速度を増加させる目的を有し、さらに、提案された比は、それが乱流形式突起10の領域を流れる時の飲料のドロップ(drop)と生成される真空(又は負圧)のレベルとの間の最適な関係を設定する。
混合パス19の長さL2は、例えば、飲料中に適切なガスボリュームを確立する所定の時間(保持時間)に起因する飲料の加速を保持する必要がある。好ましい実施形態において、保持時間は、約40ミリ秒(ms)である。
40msの保持時間及び飲料流量を明確にすることにより、混合パス19の長さL2を、次のように経路14の領域に関連して決定することが出来る。
図2を参照すると、混合パス19において、経路14の領域は一定に保たれ、及び以下によって決定される:
流動性直径Kは、飲料の流速及びカーボネーションダクト1の長さに依存することを覚えておくことは有効である。
さらに図2に関連して、カーボネーションダクト1は、混合パス19に隣接する減速パス17をさらに含むことが分かる。減速パス17と混合パス19との間の境界部分は、接合軸18によって定義される。
接合軸18から減速パス17に沿って開始して、経路14の領域が徐々に増加する。この増加の目的は、カーボネーションダクト1を流れる飲料の漸進的な減速を達成することである。
瞬間的な減速は、飲料に可溶なガス中の運動エネルギーを増加させ、急激なガス放出をもたらす。圧縮構造13及び管状構造12の構造構成は、発散角Dを確立し、これは最大値が9°をとる。4.5°の最小値が受け入れられ得るため、その範囲内の角度の何れかを使用することが出来る。
図8は、本発明において提案されたカーボネーションダクト1のガス入口部分9の透視横断面図を示す。ガス入口部分9は通路14、具体的に、経路14の最小領域を含むカーボネーションダクト1の領域内に隣接して配置されていることが分かる。
ガス入口部分9に関して、部分9におけるガス流速は、システムによって要求されるガス流速を許容すると考えられる。特に、カーボネーションダクト1に関しては、ダクト1における圧力降下がガス流量に影響を及ぼすべきではない。
一例として、ガス入口部分9で0.7MPa(7バール)のガス圧を考慮すると、最大許容圧力降下は、「プロジェクトの圧力」の約1.5%であるべきであり、そのため、最大許容圧力降下は、0.01MPa(0.1バール)である。
最大許容圧力降下を明確にすることで、以下の要素を参照して、最小ガス入口部分領域を決定することが出来る:
カーボネーションダクト1及びカーボネーションシステムの最大飲料流量： QMAX
飲料中のガスの最大ボリューム: VCO2MAX
これは、飲料中に希釈されるべきガスのボリューム、及び炭酸飲料ボリュームと大気圧で溶解されるガスボリュームとの間の関係を表す。3ボリュームのCO2に100cm3のボトルを入れる場合は、300cm3のCO2を大気圧で溶解する必要がある。
最大ガス流量: QGMAX
これは、最大飲料流量QMAXに応じて飲料に溶解されるべき最大ガスボリューム、言い換えれば、QGMAX = VCO2MAX * QMAXに依存して最大ガス消費率を表す。
カーボネーションダクト1の最大圧力: PMAX。
飲料中に溶解したガスの量を増加させるために、ガス入口部分9のガス圧を高くする必要があり、それは、圧力が増加すると、入口部分9を流れるガスボリュームも増加するためである。
ガス入口部分9の内径を、ダルシー-ワイスバッハの式を用いて導くことが出来る:
(式中、
l: ダクト長(m);
d: ダクト内径;
v: 風速;
Δp: 圧力降下;
μ: 摩擦係数; 及び
ρ: 密度 (kg/m3))。
「プロジェクトの圧力」が、0.7MPa(7バール)のため、Δpの値は、0.11MPa(0.1バール)(7バールの1.5%)である。VCO2MAXは、6（炭酸飲料ボリュームと大気圧で溶解したガスボリュームとの間の関係）として確立することが出来る。
カーボネーションダクト1の最大飲料流量(QMAX)は、101.6mm(4インチ)のダクトを考慮して決定され、実施された実験により、0.75m3/分のQMAXに達した。従って、4.5 m3/分の最大ガス流量（QGMAX）が達成される。さらに、0.3メートルの長さが使用される（タンク21をダクト1に接続するチューブ、図1に参照番号39で示される）。
ダルシー-ワイスバッハの式によって、最小直径が導かれ、その結果、158.28mm2の領域が決定される。この領域を明確にすることにより、ガス入口部分9の高さを、以下のように決定することが出来る:
高さ＝領域/周囲の長さ
(式中、領域＝158.28mm2、及び周囲の長さ＝直径K * π)。従って、ガス入口部分9の高さは0.57に等しい。
ガス入口部分9の高さは、圧縮構造13と圧縮構造に対する乱流形式突起10の最も近い点との間の寸法である(ダクト1内のCO2の流入は、環状方向で生じる)。
カーボネーションダクト1の好ましい実施形態について説明したが、飲料中のガス溶解度を増加させ、ガス損失を減少させるカーボネーションプロセスの工程を説明する。
本発明で提案されたカーボネーションプロセスをより理解するために、図9を参照として使用する。このような図において、主要な構成要素は、前述のカーボネーションダクト1、カーボネータタンク21、蒸発器30及び複数の弁31、32、33、34、35及び37であり、それらの動作を順番に分かりやすく説明される。
さらに、提案されたカーボネーションプロセスは、補充された圧力PC及びカーボネータタンク圧力PRの2つの主な用語を指す。
補充された圧力PCは、飲料中の所望のガスボリュームを達成するための所望の圧力である。そのような補充された圧力PCは、カーボネーションプロセスを行う責任を負うユーザーによって決定される。
カーボネータタンク圧力PRはカーボネータタンク21で測定された実際の圧力である。
基本的に、本明細書で提案されるカーボネーションプロセスは、調節弁31の動作(開口率)をコントロールすることだけによって（従って、カーボネーションダクト1に入るCO2流量をコントロールする）及びカーボネータタンク21に流入するCO2の流量をコントロールすることによって、カーボネータタンク圧力PR変化及び補充された圧力PC変化を補充する。
従って、提案されたプロセスにおいて、先行技術の教示とは異なり、CO2を大気に排出しない。
さらに、提案されたプロセスにおいて、及びカーボネーションダクト1及びカーボネータタンク21に入るCO2流速のコントロールすることにより、プロセスは、補充された圧力PCの値を常にカーボネータタンク圧力PRの値と等しくする(均等にする)ことを目的とする。
補充された圧力PCに関して、プロセス中の影響を与え得る唯一の要因は、飲料温度である:
補充による温度変化
飲料温度は、カーボネーションシステムに入る前にコントロールされる必要がある。図9からわかるように、飲料温度を管理するために蒸発器30が用いられる。
カーボネーションダクト1の入口における好ましい飲料温度は、4℃である。この値は、カーボネーションプロセスにおいてより良い効率を提供する。
しかしながら、飲料温度が、何らかの理由でカーボネーションダクトに入る前に変化する(増加又は減少する)場合、提案されたプロセスは、以下に説明するように、そのような変化を自動的に補充する。
飲料温度が4℃であり、カーボネーションプロセスが通常通り行われているシナリオを考慮し、補充された圧力PCの値を、カーボネータタンク圧力PRの値に等しくする。
カーボネーションプロセス中に飲料温度が増加する場合、そのような増加分も補充された圧力PCの値を増加させるが、カーボネータタンク圧力PRの値は影響を受けない。その結果、このシナリオにおいて、PCは、PRよりも大きくなる。
従って、このような変化を補充するために、提案されたプロセスは、両方の圧力が均等になるまで、カーボネータタンク21にCO2を自動的に加える。言い換えれば、CO2調節弁32が開かれ、カーボネータタンク圧力PRが補充された圧力PCと等しくなる。CO2調節弁は、飲料温度の上昇に比例して開かれる。
最適なシナリオは、すなわち、補充された圧力PCと等しくされたカーボネータタンク圧力PRであることに言及することは重要であり(PR=PC=4 kg/cm2)、CO2調節弁は、閉じられる必要がある。タンク21にCO2を加えることによって、カーボネータタンク圧力PRの値が増加し、結果として補充された圧力PCの値と等しくなる(等しくする)。
何らかの理由で飲料温度が減少する場合、そのような減少は、補充された圧力PCの値も減少させるが、カーボネータタンク圧力PRは影響を受けない。
このような変化を補充するために、カーボネーションダクト1に加えるCO2流量を減少させる必要があり、その結果、調節弁31を閉じる(開口率を低くする)必要がある。
以下の表は、飲料温度の低下、及びその結果として補充された圧力PCの値の減少を考慮した開口の調節弁パーセンテージの好ましい値を示す。
調節弁31の開口率の減少に従って、タンクPRにおける圧力は、補充された圧力PCと等しくなり、所望のシナリオにおいてプロセスを設定する。
カーボネーションダクト1の構成構造は、所望の飲料ボトリングに従って寸法決めされ、及び、カーボネーションダクト1の直径は、一定に維持されるため(直径C)、カーボネーションダクト1入口部分(飲料入口部分5)における一定(安定)である必要がある。
飲料流入部分5に飲料流量の小さい変化が生じた場合、カーボネーションダクト1内の真空は、比例して減少又は増加し得る。CO2流速は、カーボネーションダクト1内で増加又は減少することから、このような真空の変化は、飲料とガスの混合における小さい補充を可能にする。
飲料流量が大幅に減少した場合、カーボネーションダクト1における飲料は、乱流形式突起10によって流れる際に乱流を得ることが難しい。さらに、望ましくない飲料流量で、ガス入口部分9において真空にならず、結果として起こるべきカーボネーションプロセスが起こらないと考える。
プロセスを開始するために、補充された圧力PCの値が設定された後、カーボネータタンク21に所望の量のCO2を加える必要があり、このため、CO2コントロール弁32を開放し、その後飲料をタンク21に加える必要がある。
前述のように、提案されたプロセスにおいて、補充された圧力PCは、常にタンク21で測定された圧力(カーボネータタンク圧力PR)に等しい必要がある。
タンク21の圧力(カーボネータタンク圧力PR)は、好ましくは、図9の参照番号33で示されるタンク21の上部で測定されることが重要である。圧力PRは、図9に開示されたシステムの近くに配置されたコントロールパネル38に示され得る。コンパートメントの圧力を測定する技術分野で知られている何れかの方法を用いることが出来る。
タンク21内に飲料を加えるために、飲料コントロール弁34を開放する必要がある。飲料が蒸発器30を通過する際、その温度は低下し、4℃(好ましい温度)に達する。
飲料コントロール弁34が開かれると、ベンチュリ弁35及び調節弁31は、カーボネーションダクト1内のガス流速をコントロールするために80%開かれた状態に維持される必要がある。さらに、飲料がカーボネータタンク21に入ると、カーボネーションダクト1によってCO2を可溶化する。
カーボネータタンク21にCO2のみが確実に加えられるようにするために、ベンチュリ弁35は、タンク21の90%の高さに配置される。そのような弁35が、このレベルより上に(又はタンク21の外側)設置された場合、カーボネータタンク1に空気が入る可能性があるが、空気はCO2よりも軽いのでカーボネータタンク21の上部に配置される。
カーボネータタンク圧力PRの変化による補充
タンク21内の飲料の流量はその結果、カーボネータタンク圧力PRを増加させ、補充された圧力PCよりも大きくする。
このような増加が、ダクト1内のCO2流量に影響を与えることを回避するため、及びさらにタンクPR内の圧力を補充圧力PCと等しくするために、調節弁31は、異なる圧力でのCO2振動(oscillation)に関連する式で徐々に閉じられる。
以下の表は、4kg/cm2の補充された圧力を考慮して、カーボネータタンク圧力PR及び調節弁31の開口の対応する好ましいパーセンテージの値を表す(例示値)。
確認出来るように、及び前述のように、タンク(PR)の実際の圧力が増加すると、調節弁31の開口率は減少する(弁は閉じられる)。
調節弁31を閉じることによって、カーボネータタンク圧力PRは、補充された圧力PCと等しくなり得る。
このプロセスが飲料中のCO2を可溶化すると、カーボネータタンク圧力PRは、減少し始めることができ、補充された圧力PCは、影響を受けない。
このような圧力降下を補充するために、CO2コントロール弁32を開放することができ、タンク21が最小許容圧力に達することを避け、ダクト1内のCO2流量を管理することが出来る。言い換えれば、タンク21に加えられるCO2流量を増加させる必要がある。
前述のように、カーボネータタンク圧力PRと等しくされた補充された圧力PCであるため、CO2コントロール弁は閉じられる必要がある。結果的に、タンク内の圧力が減少する場合、CO2コントロール弁32は、タンクPR圧力の減少に比例して開かれ得る。
タンク21においてCO2の添加は、カーボネータタンク圧力PRを増加させることができ、結果として圧力PRを補充された圧力PCと等しくする。両方の圧力が等しくされると、CO2コントロール弁32は再び閉じられる。
カーボネータタンク圧力PRの値に急激な圧力減少が生じ、圧力PRが、補充された圧力PCの値より10%低い値(この場合3,6 Kg/cm2)に達する場合、このプロセスはまた、補充された圧力PCとより素早く等しくさせるために、調節弁31の開口率を拡大させることが出来る。
3.6Kg/cm2より小さな値(10%を超える圧力降下)では、カーボネーションプロセスを直ちに中断する必要がある。この意味は、カーボネータタンクPRにおける圧力が相当又は急激に降下する場合、調節弁31は、CO2コントロール弁のための支持体として働く。
従って、最適条件において、すなわち、補充された圧力PCがカーボネータタンクPRの内部の圧力と等しくなることであり、調節弁31は、80%の開度に保たれ、CO2コントロール弁は、閉じたままにされる。前述のように、カーボネータタンク圧力PRが補充された圧力PCの値よりも低い値に達する場合、CO2コントロール弁が単に開かれる。
カーボネータタンク21内の飲料レベルは、タンク21の高さ（タンク21ボリューム）の50％〜90％の間に常にあるべきである。飲料レベルが50%未満になる場合、飲料コントロール弁34を開くことが必要であり、そして、カーボネーションプロセスが開始される。カーボネータタンク21のレベルが90％（ベンチュリ弁（35）が配置されているポイント）に達する場合、飲料コントロール弁34が閉じられ、飲料の流入が中断される。
飲料をボトリングに送る前に、CO2とブリックス(brix)(飲み物に溶解した砂糖)レベルを確認する必要がある。それが予測された基準内にある場合、排出弁36が開かれる。
ブリックスレベルが確認される方法は、本発明の主な態様ではなく、例えば屈折によって行うことが出来る。
加えて、溶液中のCO2ボリュームが標準パラメータに従わない場合、飲料を再循環させる必要がある。再循環により、飲料は、排出弁36を開くことによってタンク21から排出され、次いで再循環弁37及びスプレーボール40を開くことによってタンク21に再導入される必要があることを意味する。
飲料が、スプレーボール40によってタンク21に再導入されると、飲料の再カーボネーションが可能であり、又は、飲料からCO2を除去することも可能である。
言い換えれば、スプレーボール40の開口率を管理することにより、混合飲料(溶液)中のCO2レベル(ボリューム)を、増加又は減少させることが可能である。
飲料中のCO2ボリュームを減少させることが望まれる場合、補充された圧力PCの値を減少させる必要がある。一方、飲料中にCO2をより加えることが望まれる場合、補充された圧力PCの値を増加させる必要がある。
スプレーボール40は、その表面の周りに小さいオリフィス(orifice)を有し、タンク21内の飲料を噴射するステンレス球である。そのような要素（スプレーボール40）は、飲料を再循環させることによってCO2ガスレベルを増加又は減少させることが出来るので、カーボネーションプロセスが意図したとおりに行われなかった場合、炭酸飲料を無駄にすることを回避する。
スプレーボール40のコントロールは、再循環弁37及びボトリングプロセスの入口に配置されたボトリング弁(図示せず)を管理することによって行われる。
例えば、CO2ボリュームが所定のレベルを上回っている場合、上述のように、補充された圧力PCを減少させ、炭酸飲料をタンク21に再導入する必要がある。
さらに、CO2レベルが所定のレベル未満である場合、所望のCO2レベルを達成するまで、補充された圧力PCを増加させ、及び炭酸飲料をスプレーボール40によってタンクに再導入させる必要がある。
飲料中のCO2レベルは、飲料がボトル詰めされた後に測定される。ボトル飲料のサンプルを振ることにより、ボトル内の圧力が上昇し、このような圧力上昇と飲料温度及び飲料中に溶解されたガスボリュームの間の関係は、飲料中のCO2レベルを決定し得る。
再循環時間は、飲料中のCO2レベルと到達すべきCO2ボリュームに依存する。再循環の間、CO2ボリュームを設定する必要があり、それに従って、再循環時間が推定される。再循環時間に従い、飲料中の再循環時間とCO2増加ボリュームの間の比が決定され得る。
既に上述したように、飲料再循環の間に、ボトル化されたCO2ボリュームに従って補充された圧力PCを増加又は減少させることが可能であり得る。ボリュームが低い場合、補充された圧力PCが増加され、そうでなければ、補充された圧力PCが減少される。
補充された圧力PCの変化は、コントロールパネル38を使用して作り出すことが出来る。そのようなパネル38の好ましい表示は、図9に示される。パネル38とタンク21との間の接続は、本発明の主要な態様ではなく、すでに知られている多くの技術の何れかによって行うことが出来る。
記述したように、本発明で提案されたカーボネーションダクト及びカーボネーションプロセスでは、カーボネータタンク21の圧力変化を補充し、さらに飲料温度変化を補充するために、大気にCO2を捨てる(排気)必要がない。
提案されたプロセス及びダクトにおいて、CO2は、定期的に大気に放出されるだけであり、例えば、タンク21の上部に閉じ込められた空気を除去するために3分毎に実行される。これは、セキュリティ弁41(図9)を管理することによって行われる。
実際に、別の実施形態において、飲料から空気を除去するための装置を、蒸発器30の前に配置することができ、この場合、CO2を大気に放出する必要はないだろう。
提案されたプロセス及び上述の弁のコントロールは、好ましくは、ヒューマンマシンインターフェース(Human Machine Interface)(HMI)によって自動的にコントロールされ、その結果、カーボネータタンクPR内の圧力と補充された圧力PCとの間の均等化がほぼ即時に行われ、従って、提案されたプロセスは、長時間の圧力の変化の何れかを感知しないだろう。
このようなHMIの詳細は、本発明の主要な態様ではないので、説明する必要はない。先行技術の教示で知られている弁を管理することが出来る何れかのHMIを使用することが出来る。別の実施形態において、この方法は、手動で操作することが出来る。
最後に、本発明において言及される飲料は、0.08Pa.s(80cPs)と等しいか又はそれより劣る粘度を有する任意の材料として理解されるべきである。
好ましい実施形態を説明してきたが、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲の内容によってのみ限定される他の可能な変形を含むことを理解すべきであり、これは、可能性のある同等物を含む。

Claims (30)

  1. ガスと飲料を混合するためのカーボネーションダクト(carbonation duct)(1)であって、
    管状構造（12）の内側に長軸方向に配置された圧縮構造（13）を取り囲み且つ、カーボネーションダクト(1)に沿って該飲料を流すための経路(14)を設定する該管状構造(12)、
    ここで、該圧縮構造（13）が、該カーボネーションダクト(1)に沿った収束パス（8）、混合パス(19)及び減速パス(17)を順次定義する外径（P、C、G）を含み、
    ここで、該収束パス（8）において、該カーボネーションダクト(1)が、該経路(14)におけるガス注入のためのガス入口部分(9)を含み、及び
    該管状構造(12)が、カーボネーションダクト(1)混合直径(F)を確立する乱流形式突起(turbilionating projection)(10)を定義する、
    を含むカーボネーションダクト(1)。
  2. 該管状構造(12)が、その長さの大部分において、該カーボネーションダクト(1)の該混合直径(F)より大きい流動性直径(K)、
    を含む、請求項1に記載のカーボネーションダクト(1)。
  3. 該収束パス(8)において、該飲料の流れのための偏差角(A)を有する飲料入口部分(5)を含み、ここで該偏差角(A)は、該圧縮構造(13)において形成され且つ、該圧縮構造（13）の内部軸（X）から該経路（14）を確立する該圧縮構造（13）の表面に至るまで測定された偏差角である、請求項1又は2に記載のカーボネーションダクト(1)。
  4. 該乱流形式突起(10)が、該飲料の流れのための収束角(B)を定義し、ここで該収束角(B)は、該圧縮構造(13)の該内部軸(X)から該経路(14)を確立する該乱流形式突起(10)の表面に至るまで測定された収束角である、
    請求項1〜3の何れか1項に記載のカーボネーションダクト(1)。
  5. 該乱流形式突起(10)が、旋回壁(27)を含み、該旋回壁(27)が、凹面として構成される、
    請求項1〜4の何れか1項に記載のカーボネーションダクト(1)。
  6. 該減速パス(17)が、該管状構造(12)と該圧縮構造(13)との間の開度(D)を定義する、
    請求項1〜5の何れか1項に記載のカーボネーションダクト(1)。
  7. 該減速パス(17)に沿って、及び接合軸(18)から始まり、該経路の領域(14)が徐々に拡大する、
    請求項1〜6の何れか1項に記載のカーボネーションダクト(1)。
  8. 該混合パス(19)において、該経路(14)の領域が一定に保たれる、
    請求項1〜7の何れか1項に記載のカーボネーションダクト(1)。
  9. 該偏差角(A)が、5°〜10°の範囲である、
    請求項1〜8の何れか1項に記載のカーボネーションダクト(1)。
  10. 該収束角(B)が、8°〜15°の範囲である、
    請求項1〜9の何れか1項に記載のカーボネーションダクト(1)。
  11. 該混合パス直径(C)と該混合直径(F)との間の比が、0.65〜0.75の範囲である、
    請求項1〜10の何れか1項に記載のカーボネーションダクト(1)。
  12. 該開度が、4.5°〜9°の範囲である、
    請求項1〜11の何れか1項に記載のカーボネーションダクト(1)。
  13. 該収束パス(8)の長さ(L1)が、該管状構造流動性直径(K)に等しい、
    請求項1〜12の何れか1項に記載のカーボネーションダクト(1)。
  14. 該ガス入口部分(9)が、該経路(14)の最も小さい領域を含むカーボネーションダクト(1)の領域において、該経路(14)に隣接して設置される、
    請求項1〜13の何れか1項に記載のカーボネーションダクト(1)。
  15. 該旋回壁(27)が、該ガスと該飲料の間である該混合パス(19)において、乱流を生成するように構成される、
    請求項1〜14の何れか1項に記載のカーボネーションダクト(1)。
  16. 該旋回壁の深さ（H）が、0.5mm〜2.0mmであり、該旋回壁半径（R1）が、2.0mm〜7.0mmの間である、
    請求項1〜15の何れか1項に記載のカーボネーションダクト(1)。
  17. 該最大直径（P）が、該流動性直径（K）の値の0.85倍である、
    請求項1〜16の何れか1項に記載のカーボネーションダクト(1)。
  18. 請求項1〜17の何れか1項に記載のカーボネーションダクト(1)を用いて、ガスと飲料を混合するためのカーボネーションプロセスであって、該カーボネーションダクト(1)が、カーボネータタンク(21)に付随し、該カーボネータタンク(21)が、CO2コントロール弁(32)を用いてガス供給源からガスの流量を受け取り且つ、該カーボネーションダクト(1)が、調節弁(31)を用いて該カーボネータタンク(21)からガスの流量を受け取り、該カーボネーションダクト(1)において、該ガスは該飲料と混合され、溶液を確立し及び乱流形式突起(10)の旋回壁(7)を用いて、溶液をその後、該カーボネータタンク(21)に加える、
    プロセスであって、該プロセスは、以下の工程、
    カーボネーションプロセスの補充された圧力（PC)、該飲料中に混合されるべきガスの量を示す補充された圧力(PC)を該プロセスのユーザーによって定義する工程、
    該カーボネータタンク(21)内部で測定された該圧力を示す該カーボネータタンク圧力(PR)である、カーボネータタンク圧力(PR)を測定する工程、
    を含むカーボネーションプロセス。
  19. 該カーボネータタンク(21)に加えられる該ガスの流量を管理することにより、及び該カーボネーションダクト(1)に加えられる該ガスの流量を管理することにより、該補充された圧力（PC）の値をカーボネータタンク圧力（PR）の値と等しくする工程、
    をさらに含む、請求項18に記載のカーボネーションプロセス。
  20. 該測定されたカーボネータタンク圧力(PR)の値が、該補充された圧力(PC)の値より大きい場合、該補充された圧力(PC)の値を該カーボネータタンク圧力(PR)の値と等しくする該工程が、該調整弁（31）の開度を縮小することによって該カーボネーションダクト(1)に加えられる該ガスの流量を縮小する工程によって行われる、
    請求項18又は19に記載のカーボネーションプロセス。
  21. 該測定されたカーボネータタンク圧力(PR)の値が、該補充された圧力(PR)の値よりも小さい場合、該カーボネータタンク圧力(PR)の値と該補充された圧力(PC)の値とを等しくする該工程が、該カーボネータタンク(21)においてガスを該CO2コントロール弁の開口率を拡大することによって加える工程によって行われる、
    請求項18〜20の何れか1項に記載のカーボネーションプロセス。
  22. 該補充された圧力(PC)の値が、該カーボネータタンク圧力(PR)の値と等しくなる場合、該調節弁をその開口率の80％のままにし、該CO2コントロール弁（32）を閉じたままにする工程をさらに含み、そのような開口率が、該CO2コントロール弁（32）及び該調節弁（32）の最適作動条件を設定する、工程をさらに含む、
    請求項18〜21の何れか1項に記載のカーボネーションプロセス。
  23. 該測定されたカーボネータタンク圧力（PR）の値が、該補充された圧力PCの値よりも小さくなるとき、該CO2コントロール弁（32）の開口率をその最適な作動状態から徐々に拡大させる、工程をさらに含む、
    請求項18〜22の何れか1項に記載のカーボネーションプロセス。
  24. 該測定されたカーボネータタンク圧力（PR）の値が、該補充された圧力（PC）の値よりも大きくなるとき、該調節弁（31）の開口率を徐々に縮小させる、工程をさらに含む、
    請求項18〜23の何れか1項に記載のカーボネーションプロセス。
  25. 該カーボネータータンク（21）に該溶液を加える前に、カーボネーションダクト（1）経路（14）を通って該溶液を流し、該経路（14）が、混合パス（19）及び減速パス（17）を確立し、ここで、該混合パス（19）において、該経路（14）の領域が一定に保たれ且つ、該減速パス（17）において、該経路（14）の領域を、接合軸（18）から始まり徐々に拡大させる、
    工程をさらに含む、請求項18〜24の何れか1項に記載のカーボネーションプロセス。
  26. 該通路（14）の最小領域を含む該カーボネーションダクト（1）の領域において、ガス入口部分（9）における該カーボネーションダクト（1）に該ガスの流量を加えることで、該ガス入口部分が、該経路（14）に隣接して配置される、
    工程をさらに含む、請求項18〜25の何れか1項に記載のカーボネーションプロセス。
  27. スプレーボール（40）を用いて、該炭酸飲料タンク（21）に該溶液を再導入することで、該飲料中の該ガスボリュームを増加又は減少させる、
    工程をさらに含む、請求項18〜26の何れか1項に記載のカーボネーションプロセス。
  28. 該カーボネータタンク（21）の高さの90％に位置する点にベンチュリ弁（35）を配置し、該ベンチュリ弁(35)を、該調節弁(31)と該カーボネータタンク(21)との間に配置する、
    工程をさらに含む、請求項18〜27の何れか1項に記載のカーボネーションプロセス。
  29. 該溶液が、コントロール弁(34)を用いてカーボネータタンク(21)に加えられ、該カーボネータータンク（21）のレベルが、該ベンチュリ弁（35）が配置される該ポイントに達する場合、該プロセスが、該コントロール弁(34)を閉じることによって、該カーボネータタンク(21)に該溶液の添加を中断する、
    工程をさらに含む、請求項18〜28の何れか1項に記載のカーボネーションプロセス。
  30. 該カーボネーションダクトダクト（1）の該混合パス（19）において、該ガスと該飲料との間の乱流を、該旋回壁（27）の凹面を用いて生成する、
    工程をさらに含む、請求項18〜29の何れか1項に記載のカーボネーションプロセス。
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