JP6416124B2 - 熱交換ユニットのための二酸化炭素装填装置及び方法 - Google Patents

熱交換ユニットのための二酸化炭素装填装置及び方法 Download PDF

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Description

本発明は、一般に、食品又は飲料を自己冷却するためのコンテナに用いられる熱交換ユニットに関し、より詳細には、熱交換ユニット内に配置された圧縮活性炭からの二酸化炭素の脱着によって温度低下が引き起こされるタイプの熱交換ユニットに用いられる圧縮活性炭上の二酸化炭素の吸着に関する。
持ち運びできるコンテナで入手可能な多くの食品又は飲料は、好ましくは、それらが冷却されるときに消費される。例えば、炭酸清涼飲料、果実飲料、ビール、プリン、カッテージチーズなどは、好ましくは、華氏33度(摂氏0.555度)から華氏50度(摂氏10度)の間の様々な温度で消費される。魚釣り、キャンプなどをするときに冷蔵庫又は氷の便利さを利用できなければ、これらの食品又は飲料を消費の前に冷却することはより難しくなり、こうした状況では、コンテナの内容物を消費の前に急速に冷却する方法を有することが非常に望ましい。したがって、自己冷却コンテナ、すなわち、外部の低温条件を必要としないものが望ましい。
当該技術分野は、外部の低温条件に曝さずに内容物を冷却することができる冷却液を組み入れるコンテナ設計であふれている。これらのコンテナの圧倒的大多数は、コンテナの内容物を冷却するために放出又は活性化されると熱を吸収する冷媒ガスを組み込んでいる或いは使用している。他の技術は、熱を吸収し、これによりコンテナの内容物を冷却する機構として吸熱化学反応を用いることを認識している。こうした吸熱化学反応装置の例は、米国特許第1,897,723号、第2,746,265号、第2,882,691号、及び第4,802,343号で開示される装置である。
ガス冷媒を使用する典型的な装置は、米国特許第2,460,765号、第3,373,581号、第3,636,726号、第3,726,106号、第4,584,848号、第4,656,838号、第4,784,678号、第5,214,933号、第5,285,812号、第5,325,680号、第5,331,817号、第5,606,866号、第5,692,381号、及び第5,692,391号で開示される装置である。多くの場合、上記の米国特許に示されるような構造体で用いられる冷媒ガスは、温度を適正に下げるように機能せず、又は機能する場合には、それらは温室効果に寄与する場合がある冷媒ガス物質を含み、したがって環境に優しくない。
従来技術で示されるような問題を解決するために、出願人は、本発明の一部として、二酸化炭素の吸着剤として機能する活性炭を含む吸着剤−脱着剤システムを使用している。このタイプのシステムは、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第5,692,381号で開示される。
これらの装置では、吸着剤材料が容器内に配置され、容器の外面が、冷却されるべき食品又は飲料と熱的に接触する。通常、容器は外側コンテナに接続され、外側コンテナは、冷却されるべき食品又は飲料を、吸着剤材料を収容する容器の外面と熱的に接触する状態で受け入れる。この容器又は熱交換ユニットは、外側コンテナに、通常は外側コンテナの底部に取り付けられ、内側容器内に入っている吸着剤材料によって吸着されている二酸化炭素などの或る量のガスを放出するように機能する弁又は類似の機構を含む。弁が開かれるときに、二酸化炭素などのガスが脱着され、活性炭吸着剤からのガスの脱着の吸熱過程が、内側容器の外面と熱的に接触する食品又は飲料の温度を低下させ、これにより、その中に入っている食品又は飲料の温度を低下させる。
この冷却を達成するために、内側容器内に入っている炭素粒子上にできるだけ多くの二酸化炭素が吸着されることと、さらに、食品又は飲料内に含まれる熱エネルギーが、それらから内側容器の壁を通して伝達され、吸着剤材料を通して、脱着された二酸化炭素ガスと共に熱交換ユニットの外に運び出されることが必須である。好ましくは、吸着剤材料は活性炭であり、吸着されるガスは二酸化炭素である。本開示との関連において、「活性炭」は、微量の液体又はガスでさえも炭素上に吸着され得る強い吸着特性を呈するように特異的に活性化される炭素系材料の類に関係する。こうした活性炭は、多様な源、例えば石炭、木材、木の実(ココナッツなど)及び骨から生産されてもよく、ポリアクリロニトリルなどの合成の源から誘導されてもよい。高温での蒸気、二酸化炭素、又は他のガスとの選択的酸化、若しくは例えば塩化亜鉛又はリン酸を用いる化学活性化などの種々の活性化方法が存在する。吸着剤はまた、全組成の0.01〜80重量%の量のグラファイト材料、及びバインダ材料を含む。
天然又は合成の任意の入手可能な形態のグラファイトが活性炭に組み込まれてもよく、例えば、粉末化された又はフレークのグラファイトが用いられてもよい。好ましくは、グラファイトは、10重量%〜50重量%の範囲、より好ましくは20重量%〜45重量%、特に40重量%の量で含まれる。
さらなる処理のために調製物の圧粉体強さを達成するべくポリテトラフルオロエチレンなどのバインダ材料が含まれる。活性炭とグラファイト及びバインダとの組成物は、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第7,185,511号で開示される。
圧縮吸着剤材料上に吸着されるべき圧力下の二酸化炭素が熱交換ユニットに入れられるときに、物理的発熱反応が起こり、熱を放出する。この発熱反応の結果として圧縮吸着剤材料も加熱され、そうなることで、吸着剤材料上に吸着可能な二酸化炭素の量が制限される。この問題を緩和するために、加圧された二酸化炭素をHEUに段階的に装填すること、すなわち、圧縮吸着剤材料が二酸化炭素をもはや吸着することができなくなるまで圧力下の二酸化炭素がHEUに入れられることがこれまでは必要であった。この時点で、圧力下の二酸化炭素の源が取り外され、HEUが、冷却され、又は代替的に、発生している熱を消散させるために非常に低い温度に維持される冷却トンネルの中に入れられる。明らかに、これはHEUの大量生産が妨げられる状況を生み出し、したがって生産コストを増大させる。したがって、二酸化炭素がHEU内の圧縮吸着剤材料上に吸着されている間、発熱反応によって生じる熱が除去される状態で、圧力下の二酸化炭素を組み立てられたHEUに装填する装置及び方法が必要とされている。
食品又は飲料を受け入れるように適合されたコンテナの源を提供することと、熱交換ユニット缶の源を提供することと、HEU缶に吸着剤材料を充填することと、吸着剤材料を有するHEU缶をコンテナに組み立てることと、組み立てられたHEU缶を有する複数のコンテナを冷却トンネルの中に入れることと、圧縮吸着剤材料上に吸着させるための二酸化炭素をHEUの中に入れるべく圧力下の二酸化炭素の源を複数のHEUのそれぞれに取り付けることと、発生した熱を除去するために冷却トンネルを所定の時間にわたって所定の低温に維持することと、HEU組立体のそれぞれから二酸化炭素の源を取り外すことである。
熱交換ユニットに二酸化炭素を装填するための装置は、熱交換ユニットを組み込んだ複数のコンテナを受け取るためのコンベヤ床と、圧力下の二酸化炭素の源にそれぞれ接続される複数のガス装填ヘッドシリンダと、ガス装填ヘッドシリンダをHEU組立体に取り付けるための手段と、低温ガスの源と、前記低温ガスをコンベヤ組立体と接触するように循環させるための手段とを備える。
本発明の方法を示すブロック図である。 図1に示される方法の特定の部分を例示するブロック図である。 組み立てられたコンテナ及びHEUを示す概略図である。 本発明の方法に用いられるパックの断面図である。 発生した熱を同時に除去しながら熱交換ユニットに二酸化炭素を装填するための装置の概略図である。
ここで図1をより詳細に参照すると、製造プロセスラインの概略図が提供されており、装置は、コンテナの内容物を冷却するのに用いられる吸熱装置であり、より詳細には、この場合のコンテナは飲料用缶であり、HEUが十分に装填された後で缶の中に適切な飲料が入れられることになる。図1で例示されるように、飲料用缶の供給を収容することになる缶源24が提供され、飲料用缶は、中に飲料が入っておらず、上部は本発明のプロセスが完了するときに缶に飲料を充填するために開いたままでなければならないので上端が開いている状態の伝統的な飲料用缶であろう。缶源24からの缶は、適切なコンベヤベルトなど26に沿ってパンチ及びフランジ加工ステーション28に移動する。パンチ及びフランジ加工ステーションは、缶の底に開口部を設け、その後、缶の底に設けられた開口部の周りに缶HEU組立プロセス中に用いられる場合があるフランジを作製するために用いられる。自己冷却飲料用缶産業でHEUとして用いられるコンテナの源を含むHEU缶源30も提供される。これらの缶は、開いている上部と閉じている底部を有し、後で入れられる飲料を収容するのに十分なスペースが残っている状態で缶源24からの飲料用缶の中に受け入れられるように缶源24からの飲料用缶よりも小さい。HEU缶は、適切なコンベヤなど32に沿って吸着剤充填ステーション34に移動することになる。吸着剤充填ステーションは、本発明の好ましい一実施形態に従って用いられ、この場合、HEU缶内に入れられる吸着剤材料の使用によって吸熱反応が提供され、吸着剤材料は、以下でより十分に説明されるように、後で二酸化炭素を吸着し、保持し、その後、放出及び脱着時に所望の冷却機能を提供する。本発明の好ましい実施形態によれば、使用される吸着剤は、圧縮されているグラファイト及びバインダと組み合わされる活性炭粒子であろう。HEU缶の開放端は、HEU缶に吸着剤材料が充填された後で飲料用缶のパンチ及びフランジ加工された開放端と嵌合するように内向きにネック加工されてもよい。
いずれにしても、HEU缶に吸着剤材料が適切に充填された後で、HEU缶は次に、コンベヤ36によって缶/HEU組立ステーション38に輸送される。同じく組立ステーション38に輸送されるのは、組立プロセスで用いられる適切な弁及びガスケットであろう。弁及びガスケットは、それらの源40から提供される。弁及びガスケットは、適切なコンベヤなど42によって缶/HEU組立ステーション38に輸送される。HEUを組み立てる及びこれを飲料用缶に取り付けるにあたり、エラストマー材料で形成された適切なガスケットが、中に吸着剤材料が入っているHEUの開放端の上に配置される。ガスケットがHEUの開放端上に事実上適正に着座されることを保証するべく検査が行われる。その後、その上にガスケットを有するHEU開放端が、パンチ及びフランジ加工ステーション28で缶の閉鎖端にパンチされた開口部を取り囲むフランジと嵌合される。弁及び弁カップが、次いで、缶の底に設けられた開口部に挿入され、同時にHEU缶の開口部に挿入され、クリンピングプロセスによって、後で飲料用缶の中に入れられる飲料のどのような漏れも防ぐためにHEUと弁カップと缶との間に適切なシールが形成されるように弁とHEUと飲料用缶が一緒に恒久的に固定される。(組み立てられた缶及びHEUは、以下でより詳細に説明される図3に例示される。)
飲料用缶とHEUの組み立て後に、この組立体は、コンベヤベルトなど44によって冷却トンネル46+ガス装填ステーション50に輸送される。吸着用の二酸化炭素が圧力下でHEU缶の内部に強制的に入れられる際に、多大な量の熱が発生する発熱反応が起こり、この熱はHEUから放射されることになる。二酸化炭素吸着過程から熱が発生する際に、炭素が自然に加熱されることになり、炭素が加熱されるので、炭素が吸着できる二酸化炭素の量が減少する。冷却トンネルの一体部分であるガス装填ステーション50で、弁が押し下げられ、二酸化炭素が、およそ25バールの所定の圧力に達するまでHEUの中に入れられる。冷却トンネル/ガス装填ステーションは、冷却トンネル/ガス装填ステーションを比較的低い温度、例えば5℃のオーダーに維持するために液体窒素などの低温のガスが充填されることになる。圧力下の二酸化炭素の源は、HEU内が25バールの圧力に達し、かつその圧力に維持されることを可能にする時間にわたって冷却トンネル/ガス装填ステーションが低温に保たれる間、HEUに取り付けられたままとなる。圧縮吸着剤によって所望の量の二酸化炭素が吸着されることを可能にする所定の時間量は、およそ20〜30分の時間となる。所望の量の二酸化炭素が圧縮吸着剤上に吸着されると、装填済みの組立体62が、コンベヤ又は他の装置60によって所望の食品又は飲料を充填するための所望の位置に輸送される。
図2を参照すると、炭素粉末がHEU缶に適用される吸着剤充填動作がより詳細に例示されている。図2に示されるように、炭素粉末源68、金属粉末源70、及びバインダ源72が提供されている。炭素粉末は、シュート、シュートベルト、ねじ、プランジャ、又は他の機構などの適切な輸送手段74によってミキサステーション76に輸送される。金属粉末も、ベルト、シュート、ねじ、又はプランジャなどの輸送手段78によってミキサステーション76に輸送され、バインダも、同様の適切な輸送機構80によってミキサステーション76に同様に輸送される。ミキサステーション76で、炭素粉末及び金属粉末が、HEU缶に充填するのに用いることができる形態の所望の混合物を提供するために、適切なバインダと混合される。金属粉末の利用は、弁を通じて二酸化炭素ガスで飲料用缶の熱をより短い時間内で除去し、排出することができるように、炭素粒子を通じたより良好な熱伝達を提供するべく金属粒子と活性炭粒子との適切な混合を提供するためである。種々の金属粉末が良好に作用する場合があるが、グラファイト粉末が好ましいことが分かっている。炭素粒子内に配置される一種の伝熱機構がないと、熱は、伝統的に比較的良好な絶縁体である炭素を通じて容易に伝達されないことが分かっている。種々のタイプのヒートシンクが用いられているが、金属粉末と炭素の適切な混合物が、飲料からの熱を炭素を通じて大気中に伝達する優れた手段を提供することが分かっている。金属粉末と炭素は、バインダなしに組み合わせてHEU缶の中に入れ、飲料の冷却における優れた結果を伴って適切に圧縮することができることが分かっている。しかしながら、好ましい実施形態では、ポリテトラフルオロエチレンなどのバインダが、炭素及びグラファイトと共に含まれる。適切な組成物の一実施形態は、この参照により本明細書に組み込まれる米国特許第7,185,511号で開示される。
ここで図3をより詳細に参照すると、圧縮吸着剤を収容するHEUと共に組み立てられた缶が例示されている。そこに例示されるように、缶112は、所望の食品又は飲料がその中に配置されることになる内部開き空間114を有する。缶112は、図1及び図2に関連して上述したように処理のために116で示されるように開口している。HEU缶120は、圧縮吸着剤138を収容する。HEU缶120は、当該技術分野では周知のように適切なクリンピングの使用を通じて缶112の底に取り付けられる。弁124は、図1に関連して上述したようにHEU缶120の頂部に固定される弁カップ122上に支持される。弁124は、128で示されるように圧縮吸着剤138の中に内向きに延びる。吸着剤に圧力下の二酸化炭素が装填されるときに、ガス装填ヘッドが弁124に取り付けられ、弁は、圧力下の二酸化炭素がHEU缶120に入り、吸着剤138によって吸着されることを可能にするために、プランジャ130を押し下げることで開かれる。
図4は、以下で図5に関連してより十分に説明されるように冷却トンネル46/ガス装填ステーション50で用いられるパックを示す。パック140は、好ましくは、プラスチック材料で構築されるが、所望の場合に金属又は他の材料で構築されてもよい。パック140は、缶112の開放端116を受け入れる溝144を画定する基部142を含む。パックの基部142は、次いで、種々の処理ステップ中に、具体的には缶HEU組立体が図1で示されるように冷却トンネル/ガス装填ステーションの中に移動されるときに、1つのステーションから別のステーションへの移動のためにコンベヤ床又はベルトの上に置かれてもよい。
ここで図5をより詳細に参照すると、図1に関連して上述したように冷却トンネル/ガス装填ステーションとして機能することになる装置が、部分的に断面で概略的に例示されている。図5に示される装置は、およそ3メートル×2メートルのトンネル150などの囲われた領域を含み、かつ、圧力下の二酸化炭素ガスを受け入れるためにHEU/缶が配置される内側部分154を画定するハウジング152を含む。トンネル150の内部は、液体二酸化炭素(CO)などのガスをそのガス源156から導管158によって例示されるトンネルの内部154に注入することによっておよそ5℃に維持される。トンネル150の内部154への液体COの流れが、図3に示されるHEU/缶が最初に冷却されることを可能にするであろう。
図5に示される装置は、162で例示されるHEU/缶組立体を置くことができるコンベヤ床160を含む。図示されるように、HEU/缶組立体のそれぞれは、図4に示されるタイプのパック164内に位置決めされる。上述したように、かつ、ここで図5で例示されるように、図3で例示される組立体は、缶112の開放端116がパックの溝144内に位置決めされるように組立体を方向転換することによってパックに位置決めされる。この位置で、HEU/缶組立体は、図5で見られるように弁124が上向きに延びるように配置される。166で示される複数のガス装填ヘッドシリンダが、インデックスコンベヤフレーム168上に支持される。170で示される圧力下の二酸化炭素ガス源が、導管172によって示されるようにガス装填ヘッドシリンダ166のそれぞれに接続される。
図5に示される装置は、2つの異なる様態で作動されてもよい。第1の様態では、162で示される内部に組み立てられたHEUを有し、かつ、パック164内に位置決めされる缶が、10個のこうしたHEU/缶組立体がコンベヤ床160の横方向に分布して存在し、かつ、20個のこれらの組立体がコンベヤ床160に沿って長手方向に分布して存在するように位置決めされる。したがって、全部で200個のHEU/缶組立体が、コンベヤ床の上に積載され、トンネル150の内部に位置決めされる。図5で見られるように、コンベヤ床は、内部154に押し込まれ、そこに静止されることになる。缶がトンネル150の内部154にこのように位置決めされるときに、各ガス装填ヘッド166が、各組立体の上に下向きに移動され、プランジャ130を個別に押し下げ、したがって、その中に入っている圧縮吸着剤上への二酸化炭素の吸着を開始するべく圧力下の二酸化炭素ガスがガス源170からHEUに入ることを可能にするであろう。圧力下の二酸化炭素ガスのこの適用は、およそ20〜30分の時間にわたって、その全時間にわたって10〜15バールのガス圧で続けられるであろう。この時間中、缶の温度は、HEU120に入る圧力下の二酸化炭素ガスによって生じる発熱作用の結果として上昇するであろう。20〜30分のすべての時間が経過した後で、その時間中に発生する熱が、液体COブラストのその源156からの連続流れによって緩和されることになり、したがって、HEU内の吸着剤138によって所望の量のCOが吸着されることを可能にする。それが行われた後で、ガス装填ヘッドシリンダ166のすべてがHEU/缶組立体162から係合解除されることになり、次いで、コンベヤ床が200個の缶のすべてをトンネルの外に移動させ、次いで、上述のようにさらなる処理のために所望の位置に輸送することになる。それが行われた後で、ここで説明したプロセスは、別の200個の缶をコンベヤ床上に送り出し、プロセスを繰り返すことによって繰り返されることになる。したがって、当業者には理解されるように、200個の缶の各グループにつき1つのみのガス装填サイクルが必要とされ、各20〜30分の時間でおよそ200個の缶を処理できる可能性がある。
代替的な構成として、図5に示される装置は、ガス源156からの液体COガスがトンネルの内部154を5℃に維持するべくトンネルの内部154を通して処理される間、コンベヤ床160がトンネル150を通して連続的に移動されるように機能することになる。したがって、例示されるパック内のHEU/缶組立体がコンベヤを通じて移動される際に、ガス装填ヘッドが、HEU/缶組立体の列と係合する状態に移動され、プランジャ130を押し下げ、二酸化炭素ガスがガス源170から缶に入ることを可能にするであろう。ガス装填ヘッドと継続的に接触し、かつ、圧力下の二酸化炭素ガスが吸着剤138によって吸着されることを可能にする缶が、およそ20〜30分の時間にわたってトンネルを通して移動することになり、その後、ガス装填ヘッドシリンダがHEU/缶組立体の列から取り外されることになる。これは連続的に行われるので、発生する熱は、すべての200個の缶が同時にガス装填されるときに関係する熱よりもかなり少ないであろう。結果として、ここで説明したプロセスは、遥かにより効率よく働き、1分につきおよそ10缶のガス装填を達成することができる。
冷却トンネル+ガス装填ステーションはインライン製造プロセスの一部として図1で例示されているが、そうである必要はないことを理解されたい。図5で例示される冷却トンネル+ガス装填ステーションは、独立したユニットであってもよい。この場合、中に圧縮吸着剤が入っている缶/HEU組立体は、所望のどのような場所ででも別々に製造され、次いで、圧力下のCOをHEUに入れるために冷却トンネル+ガス装填ステーションに輸送されることになる。そうすることの1つの利点は、COなしの組み立てられた缶/HEUを発送できるようになり、したがってユニットを輸送中に危険なものではなくすることである。
したがって、吸着剤を収容するHEUと缶の組み立てを達成し、その結果として生じる発熱反応を緩和しながらHEUに二酸化炭素ガスを装填するための方法及び装置が開示される。

Claims (5)

  1. 冷却されるべき食品又は飲料を受け入れるための缶内にそれぞれ固定される複数の熱交換ユニットに圧力下のガスを同時に装填するための装置であって、前記熱交換ユニットが内部に圧縮吸着剤材料を有し、前記装置が、
    冷却トンネルと、
    前記冷却トンネルを通して冷媒を連続的に流し、前記冷却トンネル内部の温度を摂氏5度に維持するために前記冷却トンネルに接続される冷媒源と、
    その上に位置決めされる複数のパックを有するコンベヤ床と、
    前記パックのそれぞれの上に個々に装着される、前記熱交換ユニットを内部にそれぞれ有する複数の缶であって、前記コンベヤ床が前記冷却トンネル内に移動可能に位置決めされる、缶と、
    前記圧縮吸着剤材料によって吸着されるように、圧力下のガスを前記熱交換ユニットの少なくとも一部に注入するために前記熱交換ユニットの少なくとも一部と同時に係合するように位置決めされる、前記冷却トンネル内の複数のガス装填ヘッドシリンダと、
    前記複数のガス装填ヘッドシリンダに接続される圧力下のガス源と、
    を備え、
    前記ガス装填ヘッドシリンダが、前記熱交換ユニットの少なくとも一部に同時に接続され、前記熱交換ユニットの少なくとも一部に圧力下の吸着されるガスを十分に装填するのに充分な所定の時間にわたって前記熱交換ユニットの内部に圧力下のガスを注入する、装置。
  2. 前記冷媒源が液体二酸化炭素である、請求項1に記載の装置。
  3. 前記圧力下のガスが二酸化炭素である、請求項2に記載の装置。
  4. 前記コンベヤ床上のパック内に位置決めされる熱交換ユニットを内部に有する各缶のためのガス装填ヘッドシリンダがあり、前記コンベヤ床が、前記ガス装填ヘッドシリンダが前記熱交換ユニットに接続されている状態で、前記所定の時間にわたって前記冷却トンネル内に静止した状態に維持される、請求項3に記載の装置。
  5. 前記コンベヤ床が前記冷却トンネルを通して移動され、前記ガス装填ヘッドシリンダが前記熱交換ユニットの少なくとも一部にのみ接続され、前記所定の時間にわたって移動されている間に前記二酸化炭素を注入する、請求項3に記載の装置。
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