JP6133891B2 - 粉末を液体に混合する装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、粉末を液体に混合する装置に関する。本発明はまた、粉末を液体に混合する方法に関する。

いくつかの用途では、粉状粒子を液体に混合することが必要になる。そのような用途として、粉ミルクを水に加えること、又は例えばコーヒーなどのホットドリンクにクリームを加えることがある。

粉末を液体に混合することは、一般に、激しくかき回すこと、振動させること、及び／又は液体及び粉末の両方を収容した容器を振ることなど、機械的な撹拌を使用することにより実現される。しかしながら、効果的に粉末を液体に混合することは難しく、そのようにすることに関するいくつかの知られた問題が存在する。第１の例として、粉末は、液体に均一に溶解する傾向はなく、したがって、その混合物において塊が形成する。第２に、粉末が液体の表面に浮かぶことが知られている。さらに、粉末は、撹拌要素などの機械的攪拌器に付着することが知られている。

ＵＳ２００８／１０２１７８は、ミルクなどの液体食物を提供するための、消費可能な粉末を液体でもどす方法及び装置を開示している。

したがって、上述した問題を実質的に軽減又は解消する、粉末を液体に混合する装置及び方法を提供することが、本発明の目的である。

本発明に従うと、粉末を液体に混合する装置が提供される。本装置は、粉末を保持するキャビティと、キャビティと連通する通路と、ガスが一方向に流れるときに粉末がキャビティから通路に引き込まれるように、且つガスが一方向とは反対の方向に流れるときに粉末がシンセティックジェッティングにより通路から液体に向けて放出されるように、通路において振動ガスフローを引き起こすフローアクチュエータと、を備える。

都合がよいことに、通路はさらに、出口ノズルを有し、粉末は、出口ノズルを介して通路からシンセティックジェッティングにより放出される。

有利なことに、キャビティは、通路に沿って設けられる。

一実施形態において、キャビティは、フローアクチュエータと出口ノズルとの間に通路に沿って設けられる。

キャビティは、出口ノズルに隣接して設けられてもよい。

本装置は、粉末が混合される液体の容器を保持するよう構成されてもよい。

都合がよいことに、通路は長手軸を定め、通路の長手軸は、ある角度で、本装置により保持された容器内に受け入れられた液体の表面に向かって延びるよう構成されている。

一実施形態において、キャビティは、通路から取り外し可能である。

キャビティは、使い捨てカプセルの一部分を形成してもよい。

有利なことに、フローアクチュエータは、振動表面を有する。

粉末がキャビティからガスフローに同伴されるように、且つ粉末がフローアクチュエータにより通路において形成されたガスのインパルスによって通路から液体に向けて放出されるように、通路はアスペクト比を有するよう構成されてもよい。

本発明の別の側面に従うと、粉末を液体に混合する装置を備えた、屋内電気器具（domestic appliance）が提供される。

本発明の別の側面に従うと、粉末を液体に混合する装置を備えた、粉ミルクを液体に混合する装置が提供される。

本発明の別の側面に従うと、粉末を液体に混合する装置を備えた、混合ドリンクディスペンサ（mixed drink dispenser）が提供される。

本発明の別の側面に従うと、粉末を液体に混合する方法が提供される。本方法は、通路と連通するキャビティ内に粉末を配置するステップと、ガスが一方向に流れるときに粉末がキャビティから通路に引き込まれるように、且つガスが一方向とは反対の方向に流れるときに粉末がシンセティックジェッティングにより通路から液体に向けて動くように、通路において振動ガスフローを引き起こすステップと、を含む。

本発明のこれらの態様及び他の態様が、以下で説明する実施形態から明らかになり、同実施形態を参照すると明瞭になるであろう。

粉末を液体に混合する装置の断面図。 粉末がガスフローに同伴されている、粉末を液体に混合する装置の断面図。 粉末がノズルから液体に向かって排出されている、粉末を液体に混合する装置の断面図。 ノズルから排出され容器内の液体に吹き込まれている粉末を示す、粉末を液体に混合する装置の断面図。

添付の図面を参照して、例示を目的として本発明の実施形態について説明する。

図１〜図４を参照すると、粉末を液体に混合する装置が示されている。この装置は、ハウジング（図示せず）内に設けられた本体１と、本体１内に設けられたカプセル（capsule）２とを備える。

本体１は、作動チャンバ（actuating chamber）４内で動作するフローアクチュエータ３、出口ノズル５、及び、作動チャンバ４と出口ノズル５とを連通するガス通路６を有する。カプセル２は、作動チャンバ４と出口ノズル５との間にガス通路６に沿って設けられた粉末キャビティ（powder cavity）７を形成する。粉末キャビティ７は、液体に混合される乾燥粉末を受け入れるよう構成されている。

フローアクチュエータ３は、電磁駆動器、圧電駆動器、又は機械的駆動器などの例えばピストンといった駆動要素（driving element）８と、膜又はダイヤフラム（diaphragm）などの作動要素（actuating element）９とを備える。

駆動要素８は、作動チャンバ４内に設けられ、駆動要素８は、作動チャンバ４内で振動して作動チャンバ４内の例えば空気などのガスに作用するように、作動要素９に作用して作動要素９に圧力を加える（urge）。

作動チャンバ４とガス通路６とを流体連通させるために、作動チャンバ４の壁１２に、開口１０が形成されている。ガス通路６は、作動チャンバ４から、ガス通路６の排気口を形成する出口ノズル５に延びる導管である。出口ノズル５は、ガス通路６の遠位端から作動チャンバ４までに位置する周囲空気に対するオリフィス１４を定める。

粉末キャビティ７は、作動チャンバ４と出口ノズル５との間にガス通路６に沿って設けられる。粉末キャビティ７は、出口ノズル５に隣接して設けられ、ガス通路６を第１のセクション１５と第２のセクション１６とに分離する。第１のセクション１５は、作動チャンバ４の開口１０と粉末キャビティ７の後部１８における粉末キャビティ７内の第１の開口１７との間を延び、第２のセクション１６は、粉末キャビティ７の前部２０における第２の開口１９と出口ノズル５との間を延びる。ガス通路６の第１のセクション１５及び第２のセクション１６は、同じ長手軸に沿って一直線になっており、粉末キャビティ７内の第１の開口１７と第２の開口１９とは、互いに対向する。

粉末キャビティ７は、第１の開口１７及び第２の開口１９の下方まで延び、粉末受け入れスペースを形成する。粉末受け入れスペース内には、装置が動作する前の使用されていない乾燥粉末が配置される。代替の構成では、粉末キャビティ７は、第１の開口１７及び第２の開口１９の一方に配置される。

この実施形態では、粉末キャビティ７は、取り外し可能なカプセル２の一部分を形成する。カプセル２は、この装置の本体１から取り外し可能であり、したがって、粉末キャビティ７は、ガス通路６の第１のセクション１５と第２のセクション１６との間から取り外し可能である。粉末キャビティ７が本体１内に配置される場合、粉末キャビティ７はガス通路６に沿って形成されるので、粉末キャビティ７は、ガス通路６の第１のセクション１５及び第２のセクション１６とともに、ガスフローパスの一部分を形成することが理解されよう。この実施形態では、粉末キャビティ７は交換可能であるが、代替実施形態では、粉末キャビティ７はガス通路６と一体的に形成され、この装置は取り外し可能なカプセルを含まないことが理解されよう。この実施形態の粉末キャビティ７は、密閉されており、ガス通路６の第１のセクション１５及び第２のセクション１６だけと連通する。しかしながら、代替実施形態では、粉末キャビティ７は、上端に開口を有し、この開口は、粉末キャビティ７と、この装置の外部とを連通する。

図４を参照すると、オリフィス１４から排出される粉末２７が混合される液体２６を受け入れる容器２５が示されている。ガス通路６の長手軸は、ある角度で、粉末が混合される容器内に受け入れられた液体の表面２８に延びる。したがって、オリフィス１４から排出される粉末２７は、以下で明らかになるように、容器内の液体に向かう。容器２５は、出口ノズル５に対して容器２５の開口端が位置するように、容器サポート（図示せず）上に配置される。

ガス通路６の長手軸の、粉末が混合される容器内に受け入れられた液体の表面２８に対する角度は、１０度〜４５度の範囲内であるので、角度が険しすぎる場合でも粉末は通路から落下せず、角度が浅すぎる場合でもガスのジェット（jet）は水面に反射しない。オリフィス１４と水面との距離は、好ましくは２５ｍｍよりも短い。

この実施形態において、ガス通路は、断面が円形であるが、代替の断面構成も想定されている。交互フロー（alternating flow）に起因するガスのジェットの形成は、オリフィス１４の形状（geometry）によって決まる。Y. Utturkar, R. Mittal, B.L. Smith, and L. Cattafesta; Formation criterion for synthetic jets; AIAA Journal, vol. 43(10), pp. 2110-2116, 2005を参照すると、シンセティックジェット形成の基準は、ストローハル数Ｓｒに制限を課しており、この制限は、オリフィスの形状によって決まる：

但し、例えば、軸対称のオリフィスでは、

であり、
矩形２Ｄオリフィスでは、

である。ここで、ｆは周波数であり、ｄはジェットノズル直径又は高さであり、ｖは一周期中の最大速度である。

次に、図面を参照しながら、粉末を液体に混合する装置の動作について説明する。

カプセル２は本体１内に受け入れられるので、粉末キャビティ７は、ガス通路６の第１のセクション１５及び第２のセクション１６とともに、ガスフローパスの一部分を形成する。カプセル２は、粉末キャビティ７内に乾燥粉末２７を保管するので、粉末の供給は、カプセル２を交換することにより、又は、ユーザがカプセル２を補充して本体１内に再挿入することにより、交換され得ることが理解されよう。カプセルは消費財であり、したがってカプセルは使用後に新たなカプセルにより交換されることが想定されているが、カプセルは再利用可能且つ／又は詰め替え可能であってもよいことが理解されよう。取り外し可能なカプセルの利点は、この装置が、この装置の各動作後に、乾燥粉末の補充により容易に詰め替えられることである。さらに、異なる粉末による最小限の混成で異なる種類の粉末を使用してもよく、正しい量の粉末が粉末キャビティ７内に配置される。さらに、例えば粉ミルクといった滅菌商品を提供することが可能であり、乾燥粉末により清潔な容器を有することは、粉末を液体に混合する助けとなる。というのは、ほとんどの粉末は湿りやすいので、空気から水を引き付ける傾向があり、パッケージが短時間空気にさらされると塊を形成し始めるからである。

粉末２７が混合される液体２６を保持する容器２５は、出口ノズル５に隣接するが、出口ノズル５と空間があけられて配置される。ガス通路６の長手軸は、図４に示されるように、鋭い角度で、容器２５内の液体２６の表面２８に延びるので、ノズル５は、傾いて液体２６に向けられる。

この装置を動作させるために、電力が、電力供給ユニット（図示せず）からフローアクチュエータ３の駆動要素８に供給され、駆動要素８が振動する。駆動要素８は、作動要素９に作用し、作動要素を作動チャンバ４内で振動させる。したがって、作動要素９は、作動チャンバ４内の例えば空気などのガスに作用し、作動チャンバ４内の圧力を、体積の変化に起因して振動させる。フローアクチュエータ３は、開口１０において、ガス通路に対する振動圧力差を生成し、したがって、高速往復ガスフローが、ガスフローパスに沿って生成される。この実施形態では、往復ガスフローは、５０Ｈｚ〜３５０Ｈｚの範囲であり、好ましくは約１００Ｈｚの周波数を有する。

フローアクチュエータ３が動作するとき、ガス通路６におけるガスフローは、図２に示される吸引フェーズ（suction phase）と、図３に示される吹き込みフェーズ（blowing phase）との間で往復する。吸引フェーズ中、フローアクチュエータ３により、低減された圧力が作動チャンバ４内に形成される場合、空気などのガスが、ガス通路６に沿って、出口ノズル５から作動チャンバ４に向かう第１の方向に引き込まれる。空気などのガスが、環境ガス又は周囲ガスから、出口ノズル５を介して、ガスフローパスに引き込まれる。吸引フェーズ中、ガスがガス通路６に沿って引き込まれるので、乾燥粉末粒子２７は、粉末キャビティ７からガスフローに同伴される（entrained）。

吹き込みフェーズ中、ガスフローパスにおけるガスは、第１の方向とは反対の第２の方向、すなわち、ガス通路６に沿って作動チャンバ４から出口ノズル５に向かって流れるよう、圧力が加えられる。ガス通路６を流れるガスとともに、ガスに同伴される粉末粒子が、出口ノズル５から放出される。

往復ガスフローは、シンセティックジェットを生成する。ガス通路６におけるガスのストリームが出口ノズル５から流れるとき、シンセティックジェットが形成される。シンセティックジェットフローは、流体の外部ソースにより生成されるジェットフローではなく、環境ガス又は周囲ガスからジェットフローを合成するゼロネットマスフラックスジェット（zero net mass flux jet）である。

シンセティックジェットは、出口ノズル５により形成されたオリフィスを超えた空気などのガスの交互に起きる瞬間的な排出及び吸引により形成される渦のトレーン（train）のインタラクションにより生成される。シンセティックジェットは、出口ノズル５におけるフロー分離（flow separation）を誘導するのに十分大きな、ガス通路６におけるガスフローの振動の振幅により生成され、これは、ファンの必要なく、ロスを最小限にし、効率性を増大させる。

粉末キャビティ７は出口ノズル５に隣接して設けられるので、粉末キャビティ７内に位置する粉末は、吸引フェーズ中にピックアップされ、吹き込みフェーズ中に出口ノズル５から効果的に供給される。

粉末粒子を同伴するガスのジェットは、図４に示されるように、出口ノズル５から液体２６の表面２８に対して向けられる。ガスのジェットの隔離フロー（detached flow）は、十分小さなストローハル数を有するので、ガスの有向ジェット（directed jet）が形成され、吸引フェーズと吹き込みフェーズとの間で非対称が存在する。吸引フェーズ中は、ガスが、全ての方向からオリフィス１４を介して引き込まれ、吹き込みフェーズ中は、ガスが、有向ジェットとしてオリフィス１４を介して放出される。

したがって、吸引フェーズ中にガスフローに同伴された粉末粒子は、吹き込みフェーズ中に、液体の表面に向かって、高速で放出される。したがって、高速で動く粉末粒子は、液体の表面張力を打破し、これが粉末粒子の液体への効果的な混合をもたらすので、混濁液が素早く実現される。

粉末が混合される液体に粉末を向けるガスのジェットを生成することの利点は、ガスのジェットが明確に定められておりコリメートされていることである。したがって、ガスのジェットはそれないので、ガスのジェットを液体２６に正確に向けることが可能である。さらに、ガスのジェットは高速で動くので、粉末の大部分が液体メニスカスを壊すことが可能となり、激しい混合をもたらす。ジェットのパルス状の性質は、液体上部の界面ガス層の連続的な破壊をもたらし、散布と、その後に続く粉末の流体への混合とを支援する。

用語「備える」は、他の要素又はステップを除外せず、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は、複数を除外しないことが理解されよう。単一のプロセッサが、請求項中に記載された複数のアイテムの機能を満たしてもよい。所定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されるという単なる事実は、これらの手段の組合せが有利に使用され得ないことを示すものではない。請求項におけるいかなる参照符号も、請求項の範囲を限定するものとして解釈すべきではない。

本願の特許請求の範囲では、複数の特徴の特定の組合せを定めるが、本発明の開示範囲は、いずれかの請求項に現に記載されている発明と同じ発明に関するか否か、及び、親出願が緩和したものと同じ技術的問題の一部又は全てを緩和するか否かにかかわらず、本明細書で明示的にあるいは黙示的に開示されるいかなる新規な特徴若しくはいかなる新規な特徴の組合せ又はそれらのいかなる一般化をも含む。ここで、出願人は、本願又は本願から派生する任意の別の出願の審査の過程で、そのような特徴及び／又は特徴の組合せに対する新たな請求項が作成され得ることを予告する。

Claims (12)

1. 粉末を液体に混合する装置であって、
   前記粉末を保持するキャビティと、
   前記キャビティと連通する通路であって、前記キャビティによって第１のセクションと第２のセクションとに分離されている通路と、
   ガスが一方向に流れるときに前記粉末が前記キャビティから前記通路の前記第１のセクションに引き込まれるように、且つ前記ガスが前記一方向とは反対の方向に流れるときに前記粉末がシンセティックジェッティングにより前記通路の前記第２のセクションから前記液体に向けて放出されるように、前記通路において振動ガスフローを引き起こすフローアクチュエータと、
   を備え、
   前記通路は、出口ノズルを有し、前記粉末は、前記出口ノズルを介して前記通路からシンセティックジェッティングにより放出される、装置。
2. 前記キャビティは、前記出口ノズルに隣接して設けられる、請求項１記載の装置。
3. 前記粉末が混合される前記液体の容器を保持するよう構成された、請求項１又は２記載の装置。
4. 前記通路は長手軸を定め、前記通路の前記長手軸は、ある角度で、前記装置により保持された前記容器内に受け入れられた液体の表面に向かって延びるよう構成されている、請求項３記載の装置。
5. 前記キャビティは、前記通路から取り外し可能である、請求項１乃至４いずれか一項記載の装置。
6. 前記キャビティは、使い捨てカプセルの一部分を形成する、請求項５記載の装置。
7. 前記フローアクチュエータは、振動表面を有する、請求項１乃至６いずれか一項記載の装置。
8. 前記粉末が前記キャビティからガスフローに同伴されるように、且つ前記粉末が前記フローアクチュエータにより前記通路において形成されたガスのインパルスによって前記通路から前記液体に向けて放出されるように、前記通路は、前記通路の長さと前記通路の断面直径との比であるアスペクト比を有するよう構成されている、請求項１乃至７いずれか一項記載の装置。
9. 請求項１乃至８いずれか一項記載の粉末を液体に混合する装置を備えた、屋内電気器具。
10. 請求項１乃至８いずれか一項記載の粉末を液体に混合する装置を備えた、粉ミルクを液体に混合する装置。
11. 請求項１乃至８いずれか一項記載の粉末を液体に混合する装置を備えた、混合ドリンクディスペンサ。
12. 粉末を液体に混合する方法であって、
    通路と連通するキャビティであって、前記通路を第１のセクションと第２のセクションとに分離しているキャビティ内に前記粉末を配置するステップと、
    ガスが一方向に流れるときに前記粉末が前記キャビティから前記通路の前記第１のセクションに引き込まれるように、且つ前記ガスが前記一方向とは反対の方向に流れるときに前記粉末がシンセティックジェッティングにより前記通路の前記第２のセクションから前記液体に向けて動くように、前記通路において振動ガスフローを引き起こすステップと、
    を含む、方法。

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