KR20230038315A - 급속 냉각 식품 및 음료 - Google Patents

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존 헤이만스
니콜라스 폰테
로버트 데바니
이안 맥긴티
빈센트 위버
벤자민 피체라
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Abstract

본 발명의 시스템 및 방법은 식품 및 음료용 재료를 함유하는 포드의 내용물을 신속하게 냉각시키는 능력을 입증하였다.

Description

급속 냉각 식품 및 음료{Rapidly Cooling Food and Drinks}
본 출원은 2020년 1월 15일에 출원된 미국 가출원 제62/961,495호의 우선권을 주장한다. 이 출원의 전체 내용은 본원에 참조로 포함된다.
본 발명은 식품 및 음료를 급속 냉각하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
뜨거운 음료의 1회 제공량을 신속하게 준비하는 음료 추출 시스템이 개발되었다. 이러한 추출 시스템 중 일부는 추출이 시작되기 전에 물이 추가되는 일회용 포드에 의존한다. 포드는 뜨거운 커피, 차, 코코아 및 유제품 음료를 준비하는 데 사용할 수 있다.
가정용 아이스크림 제조기는 개인 소비를 위해 더 큰 배치(예를 들어, 1.5 쿼트 이상)의 아이스크림을 만드는 데 사용될 수 있다. 이러한 아이스크림 제조기는 일반적으로 핸드-크랭크 방법을 사용하거나, 기기 내에서 내용물을 교반하는 데 도움을 주게 사용되는 전기 모터를 사용하여 혼합물을 준비한다. 생성된 조제물은 종종 기계에 삽입된 사전 냉각된 용기를 사용하여 냉각된다. 일부 전기 아이스크림 기계는 아이스크림 배치를 만드는 데 20 내지 60분이 걸리고 청소하는 데 시간이 많이 걸린다.
본 발명은 상기 과제를 해결하는 것을 그 목적으로 한다.
본 명세서는 식품과 음료를 급속 냉각시키는 시스템과 방법을 설명한다. 이들 시스템 및 방법 중 일부는 카운터 탑(counter-top) 또는 설치된 기계에 삽입된 용기에 담긴 식품과 음료를 실온에서 영하로 2분 미만에 냉각할 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 설명된 접근 방식은 약 90초 만에 실온 포드에서 소프트 아이스크림을 만드는 능력을 성공적으로 입증했다. 이 접근법은 또한 차가운 음료를 만드는 것을 포함하여 칵테일 및 기타 음료를 냉각시키는 데 사용되었다. 이들 시스템과 방법은 시작 시간이 짧은 냉장 사이클과 사용하기 쉽고 매우 효율적인 열전달을 제공하는 포드 기계 인터페이스를 기반으로 한다.
설명된 포드 중 일부는 제조 라인에서 내용물들로 채워지고 살균 공정(예를 들어, 레토르트, 무균 포장, 초고온 처리(UHT), 초고열 처리, 초저온살균 또는 고압 처리(예를 들어, HPP))을 받는다. HPP는 이미 최종 포장으로 밀봉된 제품을 용기에 넣고 물이 전달한 고도의 등압(300-600메가파스칼(MPa)(43,500-87,000파운드/제곱 인치(psi))을 받는 저온살균 기술이다. 포드는 살균 후 장기간(예를 들어, 9-12개월) 동안 실온에서 유제품을 포함한 내용물을 저장하는 데 사용할 수 있다.
아이스크림은 pH 수준이 5.0에서 8.0 사이인 저산성 식품으로 간주된다. 아이스크림의 산도는 다른 식품과 비교하여 아래 표에 나와 있다. 표는 왼쪽의 고알칼리성 함유 식품에서 오른쪽의 고산성 함유 식품에 이르기까지 수평축을 따라 pH 수준의 범위를 보여준다. 아이스크림은 계란 및 유제품 범주에 속하는 저산성 식품이다. 보다 구체적으로, 저산성 식품은 최종 평형 pH가 4.6보다 크고 수분 활성도가 0.85보다 큰 식품이다.
식품 구분 고알칼리성 알칼리성 저알칼리성 저산성 산성 고산성
곡물,
시리얼		 아마란스,
렌즈콩,
스위트콘,
야생 쌀,
퀴노아,
기장,
메밀		 호밀 빵,
통곡물 빵,
귀리,
현미		 백미,
흰 빵,
패스트리,
비스킷,
파스타
고기 간,
굴,
내장살		 생선,
칠면조,
닭고기,
양고기		 쇠고기,
돼지고기,
송아지 고기,
조개류,
참치 & 정어리 통조림
계란 &
유제품		 모유 콩치즈,
두유,
산양유,
산양치즈,
버터밀크,
유청		 전유,
버터,
요거트,
코티지 치즈,
크림,
아이스크림		 계란,
까망베르,
단단한 치즈		 파마산,
가공 치즈
견과류* 씨앗 헤이즐넛,
아몬드		 밤,
브라질,
코코넛		 호박,
참깨,
해바라기씨		 피칸,
캐슈,
피스타치오		 땅콩,
호두
오일 아마씨유,
올리브유		 옥수수유,
해바라기유,
마가린
도 1은 아이스크림 제조에 대한 하나의 접근법에 대한 공정도이다. 이 접근 방식에서 원료는 균질화, 저온살균(pasteurization), 결정화, 급속 동결, 포장 및 보관을 거친다.
저온살균은 식품(예를 들어, 유제품 또는 우유)을 보통 100℃(212℉) 미만의 약한 열로 처리하여 병원체를 제거하고 저장 수명을 연장하는 과정이다. 이 과정은 식물성 박테리아를 포함하지만 박테리아 포자는 포함하지 않는 부패 또는 질병의 위험에 기여하는 유기체와 효소를 파괴하거나 비활성화하기 위한 것이다. 저온살균은 살균이 아니며 박테리아 포자를 죽이지 않을 수 있다. 저온살균은 식품의 유기체 수를 줄인다.
냉장 저온살균 유제품의 저장 수명은 일반적으로 우유의 저장 수명보다 길다. 예를 들어, 고온, 단시간(HTST) 저온살균 우유는 일반적으로 냉장 보관 수명이 2 내지 3주인 반면, 초-저온살균 우유는 훨씬 더 오래, 때로는 2 내지 3개월 지속될 수 있다. 초고열 처리(UHT)가 살균 처리 및 용기 기술(예를 들어, 이전에 설명한 레토르트 또는 무균 포장)과 결합되면 유제품을 훨씬 더 오랜 기간, 예를 들어, 9-12개월 동안 냉장하지 않고 보관할 수도 있다.
그러나, 레토르트 기반 살균 처리 및 용기 기술과 결합된 초고열 처리 동안, 저온살균된 유제품은 캐러멜화되고 바람직하지 않을 수 있는 갈색이 될 수 있다. 230℉의 온도에서 캐러멜화되기 시작하는 과당의 존재로 인해 가장 높은 갈변 속도 또는 보다 일반적으로 발색 현상이 발생할 수 있다. 캐러멜화는 환원당이 아미노산과 반응하는 마이야르 반응과 혼동되어서는 안 된다. 갈변 과정 또는 마이야르 반응은 풍미를 만들고 음식의 색을 변화시킨다. 마이야르 반응은 일반적으로 285℉보다 높은 온도에서 일어나기 시작한다. 예를 들어, 과당의 캐러멜화 온도는 230℉, 갈락토스는 320℉, 포도당은 320℉, 유당은 397℉, 자당은 320℉일 수 있다.
저온살균 공정은 저장 수명을 연장하지만, 균질화도 필요할 수 있다. 균질화는 일반적으로 저온살균 전이나 후에 이루어지지만 액체 아이스크림 믹스가 얼기 전에 이루어진다. 균질화는 일반적으로 지방이나 기름을 함유한 임의의 아이스크림 믹스에 대해 수행되며 전통적으로 우유, 요구르트, 아이스크림과 같은 유제품과 주스, 두유, 및 땅콩 우유와 같은 음료의 생산에 사용된다. 균질화는 균일한 혼합물을 생성할 뿐만 아니라 지방 방울의 크기를 줄여 안정화된 에멀젼을 생성한다. 그 결과 점도가 더 높아지고 더 균일한 색상이 생성된다. 이는 큰 지방 덩어리를 분해함으로써 아이스크림에 크림 같은 질감을 부여한다.
균질화 과정은 균질화기에서 일어나며, 이 균질화기는 공기를 빨아들인 다음 매우 높은 압력에서 밀어내는 피스톤 펌프처럼 작동한다. 이 압력은 액체 아이스크림을 매우 작은 튜브와 같은 개구부로 밀어 넣어, 크림의 분리를 방지하는 매우 미세한 지방 입자를 생성하는 데 사용된다. 압력은 액체 아이스크림 믹스의 지방과 고체에 따라 다르다. 액체 아이스크림 믹스에 고지방 및 총 고형분이 포함된 경우 더 낮은 압력을 사용할 수 있다. 2단계 균질화기를 사용하는 경우, 첫 번째 단계에서 2000-2500psi, 두 번째 단계에서 500-1000psi의 압력이 대부분의 조건에서 만족스럽지만, 저지방 아이스크림의 경우 압력이 더 높을 수 있다(예를 들어, 2,900psi). 아이스크림 믹스에는 2단계 균질화가 선호된다. 더 얇고, 빠르게 휘핑된 아이스크림 믹스를 만듦으로써 지방의 뭉침 또는 클러스터링이 줄어든다.
균질화 공정의 고압은 보다 안정한 에멀젼 및 더 작은 지방 입자를 생성한다. 지방 입자가 작을수록, 더 많은 표면적이 얻어진다. 이는 더 많은 공기를 안정화시키는 더 많은 지방 네트워크를 초래하며, 이는 차례로 얼음 재결정화를 느려지게 한다. 고지방 아이스크림의 경우, 균질화 압력이 더 낮다. 특히, 13% 초과의 지방을 함유한 아이스크림 믹스의 경우, 클러스터 형성의 위험을 최소화하기 위해 압력을 줄이는 것이 바람직하다. 또한, 이 공정은 모든 재료를 효과적으로 혼합하고, 임의의 부드러운 물질의 분해를 방지하며 유해 박테리아의 성장을 방지한다. 균질화는 아이스크림 믹스가 얼고, 굳어지고, 유통될 때의 반응을 결정하기 때문에, 아이스크림 생산 공정에서 중요하다. 아이스크림 믹스의 균질화는 아이스크림에 더 부드러운 질감을 주고, 아이스크림에 더 분명한 풍부함과 기호성을 부여하며, 아이스크림에 더 나은 공기 안정성을 제공하고 아이스크림의 녹는 것에 대한 저항을 증가시킨다.
밀폐된 용기에 포장된 저산성 식품은 저산성 통조림 식품("LACF")으로 정의되며 Title 21, Code of Federal Regulations(21 CFR) part 113에 의해 규제된다. 밀봉된 용기는 미생물의 침입에 대해 안전하게 설계되고 의도된 용기로 가공 후 내용물의 상업적인 무균 상태를 유지한다. 저산성 통조림 식품은 (i) 저장 안정성, (ii) 열처리, (iii) pH>4.6, 및 (iv) 0.85의 수분 활성도로 정의된다.
저산성 통조림 식품은 일단 포장되면 살균된다. 살균 방법은 열 기반 공정이거나 제품에 고열을 가하는 것이다. 살균 공정에 필요한 고온은 용기 및/또는 식품 내부/위에 존재할 수 있는 병원성 유기체를 파괴하며, 정상 대기압에서 물의 끓는점보다 훨씬 높다. 살균은 식품의 살아있는 유기체를 죽이거나 비활성화한다. 상온에서 안정적이고 산성이 낮은 식품의 열처리/살균은 일반적으로 약 250℉ 이상의 온도에서 수행된다. 온도가 높을수록, 제품이 열에 노출되어야 하는 시간이 짧아진다.
아이스크림과 같은 저산성 통조림 식품을 살균하는 방법에는 크게 두 가지가 있다. 첫 번째 방법은 오토클레이브 또는 살균기라고도 하는 레토르트 공정으로, 식품 제조 산업에서 식품을 용기에 넣고 밀봉한 후 식품을 살균하거나 "상업적으로 살균"하는 데 사용되는 압력 용기이다. 보고 공정 또는 "레토르트" 기계는 정적 또는 교반형 기계일 수 있다. 교반형 레토르트 기계는 일반적으로 공정 중 용기 내에서 일부 제품 움직임(예를 들어, "교반")의 이점을 얻는 액체 아이스크림과 같은 대류(예를 들어, "유동성 액체") 유형 제품에 사용된다. 이러한 이점은 공정 관점(예를 들어, 용기 안팎으로의 열 전달 속도 개선), 및/또는 제품 품질 관점(예를 들어, 열에 대한 노출 시간을 단축하기 위해)으로부터 일 수 있다. 교반형 레토르트는 제품 용기의 방향에 따라 다양한 교반 방법을 활용할 수 있다. 캔과 같은 수직 방향의 용기는 일반적으로 로터리 방식으로 축 방향 또는 빙글빙글 회전하여(end-over-end) 교반되지만, 수평 교반도 사용할 수 있다.
저산성 통조림 식품을 살균하는 두 번째 공정은 상업적으로 열 살균된 액체 제품(일반적으로 액체 아이스크림과 같은 식품)을 살균 조건에서 미리 살균된 용기에 포장하여 냉장이 필요 없는 상온에서 안정적인 제품을 생산하는 가공 기술인 무균 가공이다. 무균 가공은 미생물이 없는 대기에서 밀봉하는 무균 밀봉을 포함한다. 21 CFR 113 규정은 살균 과정에 대한 시간과 온도에 대한 지침을 포함하고 있다.
최고의 아이스크림은 부드럽고 크림 같은 질감을 가진다. 주로 높은 지방 함량과 관련된 이 크림 같은 질감은 또한 얼음 결정의 평균 크기에 의해 결정된다. 얼음 결정 크기는 혼합 제형과 동결 과정과 관련된 요인; 체류 시간; 냉매 유체의 증발 온도; 대셔 속도; 및 드로우 온도에 의해 결정된다. 이러한 각 요소는 아래에 자세히 설명되어 있다. 비록 아이스크림과 관련하여 논의되었지만, 얼음 결정과 부드러움 사이의 관계는 다른 냉동 식품 및 음료와도 관련이 있다.
도 2a는 부드러움과 얼음 결정 크기 사이의 전형적인 관계를 도시한다. 도 2a에서, 얼음 결정 크기는 수평 축을 따라 왼쪽에서 오른쪽으로 증가하는 반면 부드러움은 수직 축을 따라 아래에서 위로 증가한다. 일반적인 값은 데이터를 통해 대략적인 선형 추세선으로 표시된다. 데이터 및 추세는 감소하는 얼음 결정 크기(마이크로미터 크기까지 감소)가 아이스크림의 부드러움 증가와 직접적인 상관 관계가 있음을 나타낸다. 얼음 결정의 크기는 광학현미경 등 다양한 방법으로 측정할 수 있다. 일반적으로 아이스크림의 양을 분석하고 광학 현미경으로 평균 얼음 결정 크기를 측정한다. 얼음 결정 크기에 변화가 있을 수 있다. 부드럽고 크림 같은 아이스크림은 대부분의 얼음 결정이 작아야 하며, 크기가 50㎛ 미만, 바람직하게는 10-20㎛ 크기이어야 한다. 많은 결정이 이것보다 크면, 아이스크림이 거칠거나 얼음으로 인식된다.
아이스크림의 얼음 결정은 직경이 약 1 에서 150㎛ 초과까지의 크기 범위이며, 평균 크기는 약 25㎛이다. 크기가 대략 10 내지 20㎛인 작은 얼음 결정은 아이스크림에 부드럽고 크림 같은 질감을 부여하는 반면, 더 큰 얼음 결정, 예를 들어, 50㎛보다 큰 얼음 결정은 거친 질감을 부여한다.
얼음 결정의 성장은 안정화제를 사용하여 제어할 수 있다. 안정화제는 일반적으로 아이스크림의 용융 저항과 저장 수명을 늘리는 데 사용된다. 안정화제의 예로는 구아 검, 캐롭 빈 검 및 셀룰로오스 검이 있으며 얼지 않은 아이스크림 믹스에서 수분의 이동성을 제한하여 얼음 결정의 성장을 제한한다. 안정화제는 또한 아이스크림 믹스의 초기 경화 단계와 보관 및 유통(예를 들어, 아이스크림 믹스가 비교적 높은 온도(예를 들어, +10 내지 +18 F)에 노출될 때)) 중에 발생하는 숙성을 줄임으로써 얼음 결정 성장을 제한한다. 이러한 온도 범위에서, 동결 농도가 낮아 동결되지 않은 부분의 점도가 상대적으로 낮다. 점도가 낮으면 물이 작은 얼음 결정에서 큰 얼음 결정으로 이동하여, 아이스크림의 평균 얼음 결정 크기가 증가한다. 안정화제는 아이스크림 믹스의 점도를 높여 이러한 얼음 결정 성장을 제한하는 역할을 한다. 안정화제는 동결 농도에서 숙성 효과를 감소시켜 수분 이동성을 제한한다. 안정화제는 불균형의 과정을 통해 성장하는 기포의 크기를 제한한다.
안정화제의 유동학적 효과는 얼지 않은 시스템에서 수분의 이동성과 관련된 완성된 아이스크림의 안정화 특성에 중요하다. 예를 들어, 고점도 아이스크림은 아이스크림 냉동고의 배럴에서 아이스크림을 꺼내서 취급할 수 있는 온도를 제한한다. 이 경우, 냉동실에 얼린 수분의 양이 줄어든다. 이는 열 충격에 대한 아이스크림의 저항에 바람직하지 않은 영향을 미친다. 저점도 안정화제는 수분의 이동성에 영향을 미치지 않는다는 가정 때문에 전통적으로 아이스크림에 사용되지 않았다.
"중단점(break point)"이라고 하는 지점에서, 농도의 정도는 안정화제 및 가능하게는 다른 수용성 화합물이 서로 상호작용하여 때로는 비가역적으로 상호작용하여 수분 이동성에 대한 효과를 현저하게 증가시킬 수 있다. 이는 개별 수용성 화합물 사이의 다른 상호 작용을 생성하기 위해 낮은 동결 저장 온도에서 발생하는 극단적인 동결 농도와 결합될 수 있다.
안정화제에 더하여, 유화제는 전통적으로 아이스크림 믹스에 첨가된다. 유화제는 아이스크림 믹스의 지방과 물 사이의 계면으로 이동한다. 유화제는 지방 덩어리의 표면에 달라붙어 단백질 분자가 변위되도록 한다. 유화제는 운송 및 보관 중 용융 특성을 개선하는 데 사용된다. 유화제의 예로는 모노-디글리세리드(E471), 젖산 에스테르(E472b), 프로필렌 글리콜 에스테르(E477) 및 이들의 혼합물이 있다.
유화제는 지방 불안정화를 촉진하여 부드럽고 크림 같은 질감에 기여하기 때문에 아이스크림에 사용된다. 지방 불안정화는 기계에서 휘저어질 때 아이스크림 믹스의 지방의 클러스터링되고 뭉치는(부분 유착이라고 함) 과정을 말한다. 아이스크림 믹스에서 지방 에멀젼을 안정화시키는 것은 단백질이기 때문에, 유화제를 아이스크림에 첨가하여 이 에멀젼의 안정성을 줄이고 일부 지방 덩어리가 함께 어울리거나 부분적으로 유착되도록 한다. 믹스를 아이스크림 기계에서 휘저으면, 믹스에 부딪힌 기포가 이 부분적으로 응집된 지방에 의해 안정화되어 아이스크림에 부드러운 질감을 부여한다. 전통적으로 유화제를 첨가하지 않으면, 기포가 제대로 안정화되지 않고 아이스크림이 이와 같은 부드러운 질감을 가질 수 없다.
난황은 혼합물을 농후하게 하는 안정화제 및 부분적인 유착을 조장하는 유화제 모두로 사용된다. 난황의 유화성을 이용하려면, 혼합물의 대략 0.5 내지 1%가 난황이어야 한다. 안정화(농후화) 특성을 이용하기 위해 전통적으로 난황의 비율을 3-4%로 높인다. 그러나, 일부 냉동 커스터드 스타일 아이스크림에는 난황이 8% 이상 포함될 수 있다.
난황은 이를 우수한 유화제를 만드는 데 도움이 되는 레시틴을 포함한다. 실제로, 계란 레시틴은 유화 및 윤활 특성이 있으며, 계면 활성제이다. 그러나, 레시틴은 난황에서만 추출해야 하는 것은 아니다. 레시틴은 대두, 해바라기, 유채와 같은 식물성 원료에서 추출할 수 있다. 식물성 레시틴은 계란 맛과 여분의 지방 없이 난황만큼 유화할 수 있다.
많은 상점에서 구입한 아이스크림은 안정화제 및 유화제를 포함하여 운송 및 저장 중 용융 특성을 개선하고 아이스크림의 저장 수명을 증가시켜 얼음 결정이 성장하는 것을 방지하는 데 도움을 준다. 예는 Ben & Jerry's Cinnamon Buns 아이스크림이며 이는 다음을 포함한다: 크림, 탈지유, 물, 액상 설탕, 설탕, 건조 케인 시럽, 밀가루, 옥수수 시럽, 난황, 갈색 설탕, 대두유, 버터, 코코넛 오일, 당밀, 소금, 계피, 대두 레시틴, 중탄산나트륨, 향신료, 바닐라 추출물, 구아 검 및 카라기난. 이 예에서 안정화제는 구아검을 포함하고 유화제는 난황, 대두유, 대두 레시틴, 카라기난을 포함한다.
전술한 바와 같이, 얼음 결정의 크기는 부드럽고 크림 같은 아이스크림의 개선의 요소이다. 크림 같은 아이스크림은 대부분의 얼음 결정이 작아야 하며, 바람직하게는 50㎛ 미만이어야 한다. 만약 많은 결정이 이것보다 크면, 아이스크림은 거칠게 느껴질 것이다.
아이스크림은 동적 동결 및 정적 동결의 두 단계로 동결된다. 동적 동결은 공기를 통합하고, 지방을 불안정하게 하고 얼음 결정을 형성하기 위해 교반하면서 믹스를 아이스크림 기계에서 동결시키는 동적 공정이다. 아이스크림 믹스는 빙점보다 약간 높은 온도, 즉 믹스의 물이 얼기 시작하는 온도에서 아이스크림 기계에 들어간다. 아이스크림 기계는 믹스를 식히고 믹스의 빙점 이하로 만든다. 이 시점에서, 얼음 층이 아이스크림 기계의 벽에 얼어 작은 얼음 결정이 형성되기 시작하는 빠른 핵 생성을 일으킨다. 아이스크림 기계에서 나오면, 약 -5℃ 내지 -6℃(23 내지 21.2℉)의 아이스크림이 소프트 아이스크림과 비슷한 농도로 나온다.
그 다음 아이스크림은 아이스크림의 코어가 특정 온도, 일반적으로 -18℃(-0.4℉)에 도달할 때까지 교반 없이 냉동고에서 경화되는 정적 동결을 겪는다. 새로운 얼음 결정은 정적 동결 동안 형성되지만 기존의 작은 결정은 이러한 성장을 멈추기 위해 온도가 -18℃(0.4℉) 또는 이상적으로는 -25℃ 내지 -30℃(-9.4 내지 -20.2℉)로 감소할 때까지 크기가 커지기 시작한다. 이 과정 동안 얼음 결정의 성장을 제한하기 위해 아이스크림을 최대한 빨리 냉각하는 것이 유리한다.
정적 동결 동안, 얼음 결정은 일반적으로 약 30% 내지 40% 성장하여 약 25 내지 45㎛의 평균 크기로 성장한다. 약 50㎛의 평균 얼음 결정 크기는 소비자가 거친 질감을 느끼기 시작하는 평균 지점으로 간주된다. 정적 동결 동안 얼음 결정은 종종 100㎛ 이상까지 자랄 수 있다. 도 2b는 이 과정에서 전형적인 얼음 결정의 이미지를 보여준다. 도 2b의 이미지에서 얼음 결정은 다양한 모양과 크기를 가지고 있지만 일부 얼음 결정은 직경이 100㎛ 이상이다.
그러나, 본 명세서에 기재된 아이스크림은 아이스크림이 저장되지 않기 때문에 정적 동결이 필요하지 않다. 이 아이스크림은 바로 먹을 수 있도록 제공된다. 정적 동결 단계를 제거함으로써, 정적 동결 공정 동안 얼음 결정의 성장(예를 들어, 얼음 결정은 일반적으로 약 30%에서 40%까지 성장함)이 제거된다.
동적 동결 단계는 아이스크림의 결정화가 발생하는 단계이기 때문에 아이스크림 제조에 있어 중요한 단계이다. 동적 동결 동안, 아이스크림 믹스는 0℃ 내지 4℃(32℉ 내지 39.2℉)에서 아이스크림 기계에 첨가된다. 냉매가 혼합물의 열을 흡수함에 따라, 얼음 층이 차가운 배럴 벽의 벽에 얼어 빠른 핵 생성, 즉 작은 얼음 결정의 탄생을 유발한다.
동적 동결 과정 동안 작은 얼음 결정을 생성하기 위하여, 높은 핵 생성 속도, 최소 성장, 및 최소 재결정화가 필요한다. 냉매 온도가 낮고 대셔 속도가 느리면 핵 생성 속도가 빨라질 수 있다. 더 짧은 체류 시간, 더 낮은 대셔 속도, 및 더 낮은 드로우 온도는 성장 및 재결정화를 최소화할 수 있다.
도 2c는 믹서, 임펠러, 블레이드, 스크레이퍼 또는 패들로도 불리는 회전식 대셔의 과정을 도시하며, 여기서 회전식 대셔는 차가운 배럴 벽(22)에 형성된 얼음 결정을 긁는 데 사용된다. 회전식 대셔의 설계 및 회전은 차가운 배럴 벽(22)에서 형성된 얼음 결정을 온도가 더 따뜻하고 얼음 결정의 크기가 성장하는 배럴의 중심(벌크 영역)으로 향하게 한다. 이로 인해 일부 결정이 녹고 일부는 재결정화된다.
부드럽고 크림 같은 아이스크림을 위하여, 가능한 한 많은 작은 얼음 결정을 형성할 수 있도록 높은 핵 형성 속도를 가지는 것이 바람직하다. 동적 동결 중에 형성되는 얼음 결정이 많을수록, 정적 동결 중에 더 많은 얼음 결정이 보존되어 평균 결정 크기가 더 작아지고 질감이 더 부드러워진다. 동적 동결 동안 형성되는 결정의 수가 적거나 핵 생성 속도가 낮으면 이러한 결정이 결국 훨씬 더 큰 크기로 성장하므로 거친 질감을 초래할 수 있다.
동적 동결 동안의 결정화는 두 개의 영역으로 나눌 수 있다: 배럴 벽의 온도가 핵 생성이 일어날 만큼 충분히 차가운 벽 영역, 및 배럴 중앙의 더 따뜻한 온도가 숙성 또는 조대화라고도 하는 얼음 결정 성장 및 재결정화가 우세하다는 것을 의미하는 벌크 영역. 벌크 영역에서 성장 및 재결정화의 정도가 클수록, 얼음 결정이 더 커진다. 아이스크림 동결 중 결정화는 재결정화 및 성장에 의해 지배될 수 있으며 이러한 메커니즘은 최종 결정 집단을 결정하는 데 핵 생성보다 더 중요할 수 있다. 따라서, 성장과 재결정화를 최소화하는 것이 가장 중요하다.
체류 시간(아이스크림이 아이스크림 기계에서 보내는 시간의 길이)은 최종 얼음 결정 크기 분포에 상당한 영향을 미칠 수 있으며, 체류 시간이 더 짧으면 재결정화의 감소로 인해 더 작은 얼음 결정을 갖는 아이스크림이 생성된다. 체류 시간이 길수록 아이스크림이 약 -5℃ 내지 -6℃(23℉ 내지 21.2℉)의 드로우 온도(아이스크림 기계에서 아이스크림을 추출하는 온도)에 도달하는 속도가 느려지며, 이는 아이스크림이 따뜻한 온도가 빠른 재결정화를 유발하는 벌크 영역에서 더 많은 시간을 보낸다는 것을 의미한다. 가능한 한 빨리 드로우 온도에 도달함으로써 아이스크림 기계에서 아이스크림의 체류 시간을 최소화하는 것이 유리할 수 있다. 이는 가능한 한 빨리 혼합하고 냉각함으로써 달성할 수 있다.
도 2d는 28 D.E.(덱스트로스 등가물) 옥수수 시럽, 500RPM(분당 회전수)의 대셔 속도, 및 34l/h의 유속(시간당 리터)로 만든 아이스크림의 얼음 결정 분포에 대한 추출 온도의 의존성을 도시한다. 얼음 결정의 평균 직경은 가로축을 따라 왼쪽에서 오른쪽으로 증가하는 반면, 이러한 얼음 결정의 평균 직경을 포함하는 아이스크림의 백분율은 세로축에서 아래에서 위로 갈수록 증가하는 것으로 나타난다. 드로우 온도가 감소함에 따라, 아이스크림에 있는 얼음 결정의 평균 직경도 감소한다.
예를 들어, 당업자는 -5℃(23℉)에서 42㎛/day의 재결정화 속도를 측정할 수 있다. 이 속도로, 10분 동안 대략 8㎛의 얼음 결정 크기 증가가 예상된다. 이는 -4℃(24.8℉)의 약간 다른 온도에서 얼음 결정 크기의 증가와 일치할 수 있다. 재결정화가 매우 빠르게 발생하는 온도에서 아이스크림이 아이스크림 기계 내에 오래 머무를수록, 재결정화의 범위가 커지고 얼음 결정이 커진다.
드로우 온도, 대셔 속도 및 체류 시간이 얼음 결정 크기에 미치는 영향을 조사하면 이러한 측면이 최종 결정 크기 분포에 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다.
1차 냉매(즉, 액체 암모니아 또는 프레온)는 -23℃ 내지 -29℃(-9.4℉ 내지 -20.2℉) 범위의 온도를 제공하기 위해 아이스크림 기계에 사용되며, 배럴 벽의 온도는 몇 도 더 높다. 냉매 온도를 낮추면 배럴 벽에서 빠른 열 제거가 촉진된다. 신속한 열 제거는 더 빠른 얼음 핵 생성 속도를 허용하며, 이는 더 많은 수의 작은 얼음 결정으로 인해 더 작은 얼음 결정을 초래한다.
셔벗의 얼음 결정 크기의 경우, 낮은 냉매 온도(최대 -19.9℃(-3.82℉))는 더 낮은 드로우 온도 및 얼음 결정 현 길이의 상당한 감소를 초래할 수 있다. 이는 더 빠른 동결로 인해 더 많은 얼음 결정이 더 빨리 형성되기 때문이다. 감소하는 증발 온도의 함수로 얼음 결정 길이의 감소가 관찰될 수 있다.
배럴 벽 온도는 냉각 속도(아이스크림 믹스에서 열이 제거되는 속도), 따라서 체류 시간에 직접적인 영향을 미친다. 낮은 벽 온도는 아이스크림의 벌크 온도를 더 빠르게 낮추어, 체류 시간을 줄이고 얼음 결정 크기 분포를 개선할 수 있다.
동적 동결 동안, 배럴 벽에서의 마찰 및 점성 소산으로 인해 회전하는 스크레이퍼 블레이드로부터의 열 입력은 상당할 수 있으며, 이는 냉매에 의해 제거되는 총 열의 50%만큼을 차지한다. 대셔 속도를 높이면 아이스크림 온도가 상승하여, 평균 얼음 결정 크기가 크게 증가할 수 있다. 이는 블레이드에서 생성된 추가 마찰열이 많은 가장 작은 결정을 녹여 핵 생성 속도를 낮추고 재결정화를 향상시키기 때문에 발생한다. 이러한 이유로, 대셔 속도는 일반적으로 100-200RPM으로 제한된다. 더 높은 대셔 속도에 의해 입력되는 많은 양의 마찰열도 동결 과정을 느리게 하여 체류 시간이 길어진다.
때때로 회전하는 블레이드의 움직임은 아이스크림 믹스의 지방 구체가 함께 덩어리져 부분적으로 합체되도록 하기에 충분하지 않으며, 이는 아이스크림에 작은 기포를 발생시키고 유지하는 데 중요하다. 아이스크림 믹스의 유화제는 지방 덩어리가 뭉칠 수 있도록 불안정하게 만드는 과정을 도와준다.
그러나, 본 명세서에 기재된 아이스크림은 본 명세서에 기재된 기계의 고속 회전 대셔 및 급속 냉동 공정 능력이 부드럽고 크림 같은 아이스크림을 신속하게 성장시키기에 충분하기 때문에 유화제가 필요하지 않다.
추가적으로, 본 명세서에 기재된 아이스크림은 아이스크림을 냉동 상태로 보관할 필요가 없기 때문에 안정화제가 필요하지 않으므로, 안정화제를 사용하여 아이스크림의 내융해성 및 저장 수명을 증가시킬 필요가 없다.
유화제 및 안정화제가 없는 아이스크림을 개발하는 것은, 비록 경우에 따라 소량의 유화제 및 안정화제를 첨가할 수는 있겠지만, 본 명세서에 기재된 아이스크림의 장점이다. 유화제와 안정화제가 없고 우유, 크림, 설탕만 포함된 아이스크림은 "클린 라벨" 아이스크림으로 간주되며 본 명세서에서 설명하는 아이스크림 믹스의 장점이다. 클린 라벨은 천연 공급원으로부터 유래된 더 적은 수의 단순한 재료를 가진 제품을 의미한다.
도 2d는 드로우 온도가 평균 얼음 결정 크기에 상당한 영향을 미칠 수 있고, 더 낮은 드로우 온도는 일반적으로 더 작은 얼음 결정을 초래한다는 것을 도시한다. 드로우 온도에 영향을 미치는 요인에는 냉매 온도, 열 전달, 체류 시간 및 오버런이 포함된다. 얼음 결정은 -3 내지 -6℃(26.6℉ 내지 21.2℉)의 드로우 온도에서 더 커질 수 있다. 드로우 온도가 -6℃(21.2℉)보다 더 차가우면, 평균 얼음 결정 크기가 감소한다. 더 작은 얼음 결정 크기는 더 낮은 드로우 온도를 얻기 위해 필요한 더 낮은 냉매 온도 때문일 수 있다.
대셔 속도의 증가는 드로우 온도의 증가로 이어질 수 있다. 예를 들어, 대셔 속도가 600에서 900rpm으로 증가하면, 아이스크림에 전달되는 마찰 에너지로 인해 드로우 온도가 1℃(1.8℉) 증가하는 것을 관찰할 수 있다. 반대로, 대셔 속도가 증가하면 배럴 벽에서 열 전달이 증가하여 드로우 온도가 낮아질 수 있다. 이전에 언급했듯이, 대셔 속도는 일반적으로 100-200RPM으로 제한된다.
그러나, 본 명세서에 기술된 아이스크림 기계 및 공정은 동결 시간을 줄이고 얼음 결정 크기를 작게, 때로는 평균 결정 크기가 20μm(19.1μm) 미만이고 40μm 초과 얼음 결정이 없는 30μm 미만으로 줄이기 위해 동결 동안 100에서 1200RPM으로 변화되는 대셔 속도를 사용한다. 이러한 특성은 정적 동결 과정(즉, 하드 팩 과정)을 거친 상점에서 구입한 아이스크림과 유사할 수 있다.
더 긴 체류 시간을 통해 또한 더 낮은 드로우 온도가 달성될 수 있다. 하지만, 이전에 언급했듯이, 체류 시간이 길다는 것은 아이스크림이 급속한 성장과 재결정이 발생하는 온도에서 더 많은 시간을 소비하여 더 큰 얼음 결정을 초래한다는 것을 의미한다. 동적 동결 단계는 작은 얼음 결정을 생성하기 위해 더 짧은 체류 시간이 필요하기 때문에 경쟁 현상을 설명할 수 있지만, 체류 시간이 길면 더 낮은 드로우 온도가 제공된다.
드로우 온도는 평균 얼음 결정 직경, 이어서 혼합 유속(이는 평균 체류 시간을 결정함), 오버런 및 대셔 속도에 영향을 미치는 것으로 관찰되었다. 드로우 온도가 -5℃(23℉)보다 높을 때, 평균 얼음 결정 직경은 드로우 온도에 크게 의존하며, 따뜻한 드로우 온도에서 더 큰 평균 얼음 결정이 보고된다. 그러나, 드로우 온도가 -5℃(23℉)보다 차가울 때 드로우 온도뿐만 아니라 오버런(아이스크림에 휘핑된 공기의 양)도 평균 얼음 결정 직경에 영향을 미쳤다.
평균 얼음 결정 직경의 차이는 드로우 온도가 -5℃ 내지 -6.5℃(23℉ 내지 20.3℉) 사이이고 오버런이 70% 미만인 경우 중요하지 않을 수 있다. 더 높은 오버런에서, 평균 얼음 결정 직경은 종종 더 작다. 오버런과 대셔 속도가 모두 상승하면 작은 얼음 결정이 형성될 수 있다. 그러나, 이전에 언급했듯이, 대셔 속도를 높이면 제품 온도가 상승하여, 작은 결정이 녹고 재결정화가 향상될 수 있다.
일부 아이스크림 기계는 냉동 및 분배 사이클 동안 일정한 RPM으로 혼합 패들을 회전시킨다. 추가적으로, 혼합 패들의 회전 속도는 일반적으로 낮게 유지되는데, 이전에 설명된 바와 같이, 회전하는 스크레이퍼 블레이드로부터의 열 입력이 상당할 수 있기 때문이다. 이러한 이유로, 대셔 속도는 일반적으로 100-200RPM으로 제한된다. 더불어, 더 높은 대셔 속도에 의해 입력되는 많은 양의 마찰열은 동결 과정을 늦추고 결과적으로 더 긴 체류 시간을 초래하는 것으로 알려져 있다.
냉각은 예를 들어, 포드에 포함된 재료의 온도를 낮추기 위한 열 에너지의 전달을 나타내는 데 사용된다. 경우에 따라, 냉각은 예를 들어, 포드에 포함된 재료의 온도를 영하로 낮추기 위한 열 에너지의 전달을 나타낸다.
본 명세서에 기술된 시스템 및 방법은 아이스크림 믹스가 액체일 때 아이스크림 제조 공정의 초기에 더 느리게 회전하는 혼합 패들을 갖는 기계를 설명한다. 이 상태에서, 액체가 포드 벽의 내경에 닿는 시간을 늘리면 아이스크림 믹스를 액체에서 얼음으로 바꾸는 데 도움이 된다. 포드의 벽이 차가워짐에 따라, 아이스크림 기계의 증발기를 사용하여, 혼합 패들의 회전 속도를 증가시켜 얼음 결정이 작은 크기, 바람직하게는 30㎛ 아래로 유지되는지 확인한다.
아이스크림 믹스가 점점 더 점성화됨에 따라 혼합 패들의 속도를 높이는 작용은 반직관적일 수 있다. 이는 혼합 패들의 회전 속도가 모터의 구동 토크에 의해 제한되고 아이스크림 믹스가 더 점성이 될 때 혼합 패들의 회전 속도를 증가시키면 모터에 필요한 토크가 증가하기 때문에 직관적이지 않다. 이는 모터에 의한 더 많은 전력을 필요로 한다. 더불어, 혼합 패들을 더 빠르게 회전시키면 이러한 속도로 설계되지 않은 아이스크림 기계가 손상될 수 있다.
그러나, 우리의 기계에서 혼합 패들의 회전 속도를 증가시킴으로써, 기계는 포드 내로 공기를 흡입할 수 있다. 혼합 패들의 회전과 결합하여 포드로 공기를 흡입하는 과정은 공기를 빙과 내로 휘저어 빙과에 기포를 생성하는 데 도움이 된다. 이 공정은 바람직하게는 적어도 30% 오버런을 생성한다.
본 명세서에 기재된 살균된 용기 또는 포드에 포장된 클린 라벨 아이스크림 믹스는 유리하게는 (i) 천연 재료, (ii) 냉장 또는 냉동이 필요하지 않은 실온에서의 저장, 및 (iii) 실온에서 일반적으로 6-9개월의 긴 보관 수명을 제공한다.
본 명세서에 기재된 클린 라벨 아이스크림 믹스의 포드용 아이스크림 기계는 유리하게는 (i) 아이스크림에 더 부드러운 질감을 주는, 주로 평균 직경 40μm 미만(때로는 평균 직경 30μm 미만)인, 매우 작은 얼음 결정을 갖는 아이스크림, 및 (ii) 상온에서 3분 미만의 토출까지의 아이스크림의 전달을 제공한다.
본 명세서에 기술된 기계를 사용하여 생산된 아이스크림은 평균적으로 훨씬 더 작은 얼음 결정 크기를 갖고 상점에서 구입한 것보다 훨씬 더 좁은 얼음 결정 크기의 표준 편차를 갖는다. 이는 본 명세서에 설명된 아이스크림 기계가 소비를 위한 생산 전에 냉장 또는 냉동을 필요로 하지 않는 보다 부드러운 아이스크림을 생산하기 때문에 중요하다. 이러한 기계에 사용되는 아이스크림은 아이스크림에 유화제나 안정화제와 같은 비천연 재료를 포함할 필요가 없다. 이 기계에 사용되는 아이스크림 재료는 "클린 라벨"이 될 수 있으며 단순히 우유, 크림, 설탕 및 분유를 포함하며 살균된 포드에서 최대 9개월 동안 실온에서 보관할 수 있다. 포드는 본 명세서에 설명된 기계에 간단히 삽입할 수 있으며 냉동 아이스크림은 소비자가 즐길 수 있도록 몇 분 이내에 분배된다. 이들 아이스크림 기계는 혼합 패들의 증가하는 회전 속도, 포드의 설계, 및 증발기 및 냉장 시스템의 급속 냉각 특성 사이의 유용한 상호 작용을 제공하여 이를 가능하게 하도록 설계된다.
냉동 1회 제공량을 제공하기 위한 일부 장치 및 방법은 다음을 포함한다: pH 수준이 4.0 이상인 저산성 액체 재료를 포드에 채우는 단계; 빙과의 1회 제공량을 제공하기 위해 기계의 리세스에 포드를 삽입하는 단계; 리세스의 측벽에 대해 포드의 측벽을 접촉시키는 단계; 기계의 냉장 시스템으로 리세스를 냉각시키고, 기계의 모터를 포드 내부의 혼합 패들에 연결하면서 포드에서 열을 빼내는 단계; 및 냉동 사이클 동안 RPM을 증가시키면서 포드 내부의 혼합 패들을 이동시켜 포드의 내경으로부터 얼음의 축적물을 제거하고, 얼음을 포드의 중심으로 분산시키면서 유체의 균형을 맞춰 얼음을 기계적으로 휘젓고, 동시에 더 빠른 열 전달을 용이하게 하기 위해 포드의 중심으로부터 기계의 리세스와 접촉하는 포드의 더 차가운 외경으로 더 따뜻한 재료를 이동시키는 단계.
화씨 17도 내지 26도 사이의 온도를 가지며 대부분의 얼음 결정이 50㎛ 미만인 빙과 1회 제공량을 5분 미만에 제공하기 위한 일부 장치 및 방법은 다음을 포함한다: pH 수준이 4.0 이상인 저산성 액체 재료를 포드에 채우는 단계; 빙과의 1회 제공량을 제공하기 위해 기계의 리세스에 포드를 삽입하는 단계; 리세스의 측벽에 대해 포드의 측벽을 접촉시키는 단계; 기계의 냉장 시스템으로 리세스를 냉각시키고, 기계의 모터를 포드 내부의 혼합 패들에 연결하면서 포드에서 열을 빼내는 단계; 및 포드 내부의 혼합 패들을 이동시켜 포드의 내경으로부터 얼음의 축적물을 제거하고, 얼음을 포드의 중심으로 분산시키면서 유체의 균형을 맞춰 얼음을 기계적으로 휘젓고, 동시에 더 빠른 열 전달을 용이하게 하기 위해 포드의 중심으로부터 기계의 리세스와 접촉하는 포드의 더 차가운 외경으로 더 따뜻한 재료를 이동시키는 단계.
이러한 기계의 실시태양은 다음 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다:
일부 실시태양에서, 혼합 패들은 냉장 사이클의 시작에서 적어도 50RPM으로 회전하고 냉동 사이클의 과정 동안의 적어도 2배로 증가한다.
일부 실시태양에서, 빙과의 분배는 이의 온도가 화씨 17-26도이고 혼합 패들이 100RPM 이상으로 회전할 때 수행된다.
일부 실시태양에서, 4.0 이상의 pH 수준을 갖는 저산성 액체 재료의 충전은 포드가 빙과 1회 제공량을 제공하기 위한 기계의 리세스에 삽입되기 전에 수행된다.
일부 실시태양에서, 빙과는 대략 0.5%까지의 유화제 및/또는 대략 0.5%까지의 안정화제를 포함하는 저산성 식품이다. 일부 경우에, 안정화제는 나트륨 카르복시메틸 셀룰로오스(셀룰로오스 검), 구아 검, 로커스트 빈 검, 알기네이트 나트륨, 프로필렌 글리콜 알기네이트, 잔탄, 카라기난, 변성 전분, 미세결정질 셀룰로오스(셀룰로오스 겔), 젤라틴, 황산칼슘, 프로필렌 글리콜 모노스테아레이트 또는 기타 모노에스테르 등과 같은 증점제일 수 있다. 일부 경우에, 유화제는 모노- 및 디글리세리드, 증류된 모노글리세리드(포화 또는 불포화), 폴리옥시에틸렌 소르비탄 모노스테아레이트(60) 또는 모노올레에이트(80) 등일 수 있다. 일부 경우에, 아이스크림 믹스 제형이 안정화제를 최소로 또는 전혀 포함하지 않을 수 있다.
일부 실시태양에서, 포드는 다용도, 재사용 가능한 포드일 수 있다.
일부 실시태양에서, 포드는 이의 저산성 재료를 실온에서 안정적으로 보관되도록 레토르트 살균 공정을 완료한다.
일부 실시태양에서, 포드는 무균적으로 채워지고 밀봉되어 이의 저산성 재료가 실온에서 안정적으로 보관되도록 한다.
일부 실시태양에서, 혼합 패들은 기계의 일부이다.
일부 실시태양에서, 포드는 알루미늄 음료 캔이다.
일부 실시태양에서, 포드는 절두원추형(frustoconical)이다.
일부 실시태양에서, 빙과는 30㎛ 미만의 평균 얼음 결정 크기를 갖는다.
일부 실시태양에서, 아이스크림 제제는 안정화 검의 사용 없이 "클린 라벨"로 간주된다.
일부 실시태양에서, 혼합 패들은 나선형이고 패들의 회전은 포드의 내부 직경으로부터 얼음의 축적물을 제거하고 빙과를 아래쪽으로 이동시킨다.
일부 실시태양에서, 혼합 패들은 나선형이고 패들의 회전은 포드의 내경에서 얼음의 축적물을 제거하고 포드의 중심으로부터 포드의 더 차가운 내경으로 더 따뜻한 유체를 밀면서 얼음을 포드의 중심으로 이동시킨다.
일부 실시태양에서, 혼합 패들은 회전되고 패들의 회전 속도는 포드 내의 빙과의 점도 변화에 응답하여 변경된다.
일부 실시태양에서, 빙과가 다른 물체와 접촉하지 않고 포드가 기계의 리세스에 있는 동안 포드로부터의 빙과를 식용 콘 또는 수집 용기 내로 분배한다.
일부 실시태양에서, 혼합 패들은 빙과를 포드 밖으로 밀어낸다.
일부 실시태양에서, 기계의 리세스는 개방 및 폐쇄 위치를 가질 수 있고 포드의 냉각은 리세스가 폐쇄 위치에 있을 때 발생한다.
일부 실시태양에서, 냉장 시스템은 압축기로 포드를 냉각하고 2상 냉매 유체, 예를 들어 R22, R134A, R-600a 또는 R290을 사용한다. 일부 경우에, 압축기는 왕복 압축기(reciprocating compressor)이다. 일부 경우에, 압축기는 로터리 압축기이다. 일부 경우에, 압축기는 직류(DC) 압축기이다. 일부 경우에, DC 압축기는 냉장 냉각 사이클의 시작, 예를 들어 포드 냉각의 처음 45초에 대해 변위를 증가시키고 대부분의 냉각된 유체가 증발되었을 때 포드의 냉각 주기가 끝날 무렵에 대해 모터 속도를 늦출 수 있도록 가변 모터 속도를 가진다. 일부 경우에, DC 압축기는 기계의 냉장 사이클 부하에 따라 조정되는 가변 모터 속도를 가진다.
본 명세서에 기술된 시스템 및 방법은 다양한 이점을 제공할 수 있다.
이들 시스템 및 방법의 이러한 특징 중 일부는 1회 제공량 포드에서 아이스크림을 동결하는 동안 대셔 속도를 변경하거나 증가시킬 수 있다. 혼합 패들 회전 속도는 동결 시간을 줄이고 얼음 결정 크기를 약 50㎛ 이하로 작게 줄이기 위해 50에서 1200RPM까지 다양할 수 있다.
이들 시스템 중 일부는 대부분의 1회 제공량 배치에 대해 50㎛ 미만의 얼음 결정을 얻기 위해 드로우 온도를 효과적으로 달성하기 위해 온도(-7℃ 내지 -19.9℃)에서 사용되어야 하는 R290 또는 R-600A와 같은 저온 냉매를 사용한다.
이들 시스템 중 일부는 9-12개월 동안 안정적으로 보관되는 액체 아이스크림 믹스를 사용한다. 이는 액체 아이스크림 믹스의 밀봉된 포드를 적어도 5분 동안 250℉로 가열하는 레토르트 공정을 수행함으로써 달성된다. 우리의 포드에서 저온살균되지 않은 유제품을 사용하고 사용하기 전에 포드에 레토르트 공정을 수행함으로써, 포드 안의 유제품은 한 번만 저온살균된다. 이는 유제품이 일반적으로 낙농 공장을 떠나기 전에 저온살균되며 이는 예를 들어 낙농 공장에서 한 번, 레토르트 공정에서 한 번과 같이 두 번 저온살균됨을 의미하는 도 1에 예시된 일반적인 저온살균 공정과 대조된다.
이들 시스템 및 공정 중 일부는 저온살균 공정이 더 짧은 시간 내에 완료될 수 있기 때문에 더 높은 온도에서의 레토르트가 일반적으로 바람직하더라도 250℉에서 레토르트하는 레토르트 공정을 사용한다. 250℉에서 레토르트를 완료하면 아이스크림 믹스 제제에서 과당을 제거할 때 갈변 효과를 제한할 수 있다.
이들 시스템 및 방법의 이러한 특징 중 일부는 소형 기계로 이어진다. 예를 들어, 슬라이딩 리드 어셈블리가 있는 기계는 팝업 리드 어셈블리가 있는 시스템보다 더 컴팩트하다. 이 접근 방식을 사용하면 조리대에서 종종 18인치 거리에 있는 주방 찬장 아래 주방 조리대에 가정용 기계를 쉽게 배치할 수 있다. 100 내지 1,500RPM 이상으로 회전하는 빠른 혼합 패들이 있는 기계는 공기를 용기로 끌어들여 흡입 효과를 일으킬 수 있다. 이러한 공정은 별도의 공기 공급을 사용할 필요가 없으며 형성되는 아이스크림에 공기를 주입하는 시스템보다 전체 시스템을 더 컴팩트하게 만든다.
이들 시스템 및 방법 중 일부는 개선된 혼합을 제공한다. 예를 들어, 중앙에서 벗어난(off center) 홀을 갖는 혼합 패들이 있는 시스템은 대칭 혼합 패들보다 용기의 내용물을 더 잘 저어주는 혼합 효과를 생성할 수 있다.
이들 시스템 중 일부는 사용하기 쉽다. 예를 들어, 일부 기계는 사용자가 기계에 삽입하는 포드(예를 들어, 캔)를 정렬할 필요가 없다. 다른 예에서, 용기에 플런저를 삽입하기 위해 힘을 가하기 위해 사용자가 수동으로 리드를 낮출 필요가 없는 기계는 제한된 힘 없이 사용자가 더 쉽게 접근할 수 있다. 추가 모터 없이 이 기능을 제공하는 기계는 이 기능을 제공하기 위해 특정 모터를 포함하는 기계보다 더 작고 단순한 경향이 있다.
이들 시스템 및 방법 중 일부는 작동상의 이점을 제공한다. 예를 들어, 히터 및/또는 고온 가스 바이패스를 가진 냉장 시스템이 있는 기계는 빠르게 정상 상태(steady state)에 도달할 수 있다. 이 접근 방식은 성능을 향상시키고 대기 시간을 줄일 수 있다. 일부 시스템에는 방향을 바꾸지 않고 혼합, 전단 및 분배 주기를 통해 구동축을 계속 회전하는 혼합 모터가 포함된다. 이 접근 방식은 냉각과 함께 포드의 내용물의 점도가 증가함에 따라 혼합 모터가 멈출 가능성을 줄이는 것으로 보인다.
일부 시스템은 용기의 돌출부를 전단하도록 설계된 전단 캡을 포함한다. 이러한 전단 캡이 있는 기계는 사용 중에 포드를 더 단단히 잡을 수 있으므로 포드가 미끄러질 가능성이 줄어든다. 이는 기계의 성능을 향상시킬 수 있다.
일부 기계는 아이스크림에 대한 지불을 허용하고, 다양한 아이스크림 맛/옵션을 제공하고, 상업적 환경에서 쉽게 사용할 수 있도록 자동 판매기형 분배 기능을 제공한다.
설명의 편의를 위해, "위쪽", "아래쪽", "왼쪽" 및 "오른쪽"과 같은 용어는 절대 방향을 의미하기 보다는 도면에서 시스템 구성요소의 방향에 상대적이다. 예를 들어, 예시된 시스템의 방향에 대해 수직으로 위쪽 또는 아래쪽으로 설명된 구동축의 움직임. 그러나, 이러한 구동축의 병진 운동은 시스템의 방향에 따라 달라지며 반드시 수직일 필요는 없다.
이러한 시스템 및 방법의 하나 이상의 실시예의 세부 사항은 첨부 도면 및 아래의 설명에 나타나 있다. 이러한 시스템 및 방법의 다른 특징, 목적 및 장점은 명세서와 도면, 및 청구 범위로부터 명백해질 것이다.
본 발명의 내용 중에 포함되어 있다.
도 1은 아이스크림 제조 방법에 대한 공정도이다.
도 2a-2d는 부드러움, 휘젓기 및 드로우 온도와 관련된 아이스크림의 얼음 결정을 도시한다.
도 3a는 식품 및 음료를 급속 냉각하기 위한 기계의 사시도이다. 도 3b는 하우징이 없는 기계를 나타낸다. 도 3c는 도 3a의 기계의 일부의 사시도이다.
도 4a는 증발기의 보다 상세한 도면을 볼 수 있도록 투명하게 도시된 포드-기계 인터페이스의 커버를 갖는 도 3a의 기계의 사시도이다. 도 4b는 하우징이 없는 기계 부분과 리드가 없는 포드-기계 인터페이스의 평면도이다. 도 4c 및 4d는 각각 증발기의 사시도 및 측면도이다.
도 5a-5f는 생산되는 음식 또는 음료를 분배하기 위해 증발기의 포드를 개폐하도록 작동가능한 포드-기계 인터페이스의 구성요소를 도시한다.
도 6은 냉장 시스템의 개략도이다.
도 7a 및 도 7b는 응축기의 프로토타입을 나타내는 도면이다.
도 8a는 포드의 측면도이다. 도 8b는 포드 및 포드에 배치된 혼합 패들의 개략적인 측면도이다.
도 9a 및 도 9b는 포드 및 관련 구동축의 사시도이다. 도 9c는 포드 내의 혼합 패들과 결합된 구동축(126)을 갖는 포드의 일부의 단면도이다.
도 10a-10d는 보기 쉽도록 베이스로부터 이격된 캡을 갖는 포드의 제 1 단부를 도시한다.
도 11a-11g는 베이스를 통해 연장되는 개구를 개방하기 위해 포드의 제 1 단부 주위에서 캡의 회전을 도시한다.
도 12는 포드의 개략적인 확대 측면도이다.
도 13a-13d는 솔기 단부가 있는 포드용 캔의 도면이다.
도 14a는 레토르트 기계의 사진이다. 도 14b는 레토르트 기계 내부의 레토르트 살균 챔버 사진이다.
도 15는 냉각된 식품 또는 음료를 생산하기 위한 기계를 작동시키기 위한 방법의 흐름도이다.
도 16a-16c는 냉각된 식품 또는 음료를 생산하기 위한 기계를 작동시키기 위한 방법의 상세한 흐름도이다.
도 17a-17d는 냉각된 식품 또는 음료를 생산하기 위한 기계의 사시도이다.
도 18a 및 18b는 도 17a-17d의 기계의 부분 단면도이다.
도 19는 구동축의 부분 절개 사시도이다.
도 20은 분배기의 사시도이다.
도 21a-21c는 포드-기계 인터페이스와 관련된 웨지 시스템을 예시하는 개략도이다.
도 22a-22c는 미늘형 헤드 및 혼합 패들 상의 매칭 리세스를 갖는 구동축의 개략도이다.
도 23은 피니언에 연결된 핸들이 있는 기계의 투시도를 도시한다.
도 24a-24e는 기계의 리드와 동일한 축에서 회전하는 핸들을 갖는 기계의 사시도 및 단면도를 도시한다.
도 25a-25c는 기계의 리드와 동일한 축에서 회전하는 스프링 장착 핸들이 있는 기계의 일부를 도시한다.
도 26a-26c는 식품 및 음료를 급속 냉각하기 위한 기계의 사시도이다. 도 26b는 상단 리드가 제거된 기계이다.
도 27a-27b는 도시된 내부 세부사항을 갖는 도 26a-26c의 기계의 사시도이다.
도 28a-28d는 후퇴 위치(도 28a 및 28b) 및 맞물림 위치(도 28c 및 28d)에 있는 자동 플런저를 갖는 기계의 사시도 및 단면도이다.
도 29a-29d는 후퇴 위치(도 29a 및 29b) 및 맞물림 위치(도 29c 및 29d)에 있는 자체 구동 플런저를 갖는 기계의 부분 사시도 및 평면도이다.
도 30은 맞물림 위치에서 후퇴 위치로 이동할 때 자체 구동 플런저를 갖는 기계의 부분 단면도이다.
도 31은 모터가 부착된 증발기를 갖는 기계의 내부 구성요소의 도면이다.
도 32a 및 32b는 모터가 부착된 증발기의 사시도이다.
도 33a-33b는 냉장 시스템의 개략도이다.
도 34a-34d는 혼합 패들의 사시도 및 평면도이다.
도 35a-35c는 포드와 혼합 패들의 결합을 도시한다.
도 36a-36b는 포드의 폴리머 라이너를 도시한다.
도 37a-37b는 구동축 상의 그로밋을 도시한다. 도 37c-37d는 그로밋의 도면이다.
도 38a-38d는 포드 내부에 배치된(도 38a), 단독인(도 38b), 커넥터가 부착된(도 38c 및 38d) 도그-이어를 갖는 혼합 패들의 사시도이다.
도 39a는 포드에 대한 밀봉된 연결을 사용하는 혼합 패들의 사시도이다. 도 39b는 도 39a에 도시된 포드의 외부의 사시도이다.
도 40a는 포드에 대한 대안적인 밀봉 연결을 사용하는 혼합 패들의 평면도이다. 도 40b는 도 40a에 도시된 밀봉된 연결부의 일부를 보여주는 혼합 패들의 사시도이다. 도 40c는 도 40b에 도시된 혼합 패들 및 밀봉부의 부분의 사시도이다.
도 41a는 포드에 대한 대안적인 밀봉 연결을 사용하는 혼합 패들의 사시도이다. 도 41b는 도 41a에 도시된 밀봉이다. 도 40c는 도 41a에 도시된 커플링이다. 도 41d는 도 41a에 도시된 혼합 패들 및 대안적인 밀봉된 연결부의 평면도이다. 도 41e 포드가 숨겨진 상태로 도 41a에 도시된 혼합 패들 및 대안적인 밀봉된 연결부의 사시도이다. 도 41f는 포드가 숨겨진 상태로 도 41a에 도시된 혼합 패들 및 대안적인 밀봉된 연결부의 평면도이다.
도 42a-42d는 포드에 대한 대안적인 밀봉 연결을 사용하는 혼합 패들의 사시도 및 평면도이다.
도 43a-43c는 편심 창(eccentric windows)을 갖는 혼합 패들의 사시도이다.
도 44a-44b는 포드와 결합하기 위한 캠 시스템의 사시도이다.
도 45a-45e는 포드와 맞물리는 캠 시스템의 사시도이다.
도 46은 포드와 맞물리는 캠 시스템이 있는 기계를 도시한다.
도 47a-47b는 포드용 캡을 도시한다.
도 48a-48c는 냉각된 식품 또는 음료를 생산하기 위한 기계를 포함하는 자동 판매기의 개략도이다.
도 49는 아이스크림에 대한 얼음 결정 크기 분석 결과이다.
도 50a-50e는 다양한 아이스크림에 대한 얼음 결정 크기 분석을 나타내는 이미지이다.
도 51a-51e는 도 50a-50e에 도시된 다양한 아이스크림에 대한 얼음 결정 크기 분석을 나타내는 히스토그램이다.
다양한 도면에서 유사한 참조 부호는 유사한 요소를 나타낸다.
본 명세서는 식품 및 음료를 급속 냉각하기 위한 시스템 및 방법을 설명한다. 이러한 시스템 및 방법 중 일부는 카운터 탑 또는 설치된 기계를 사용하여 용기 내 식품과 음료를 실온에서 영하로 3분 미만에 냉각시킨다. 예를 들어, 본 명세서에 설명된 접근 방식은 대략 90초만에 실온 포드에서 소프트 아이스크림, 냉커피, 차가운 스무디 및 차가운 칵테일을 만드는 능력을 성공적으로 입증했다. 이 접근법은 또한 칵테일을 차게 하고, 질소 유무에 관계없이 냉동 스무디, 냉동 단백질 쉐이크 및 기타 기능성 음료 쉐이크(예를 들어, 콜라겐 기반, 에너지, 식물성, 비유제품 및 CBD 쉐이크), 냉커피 음료 및 시원한 커피 음료를 만들며, 단단한 아이스크림을 만들고, 밀크 쉐이크를 만들며, 냉(冷) 요거트와 냉(冷) 프로바이오틱 음료를 만드는 데 사용할 수 있다. 이러한 시스템과 방법은 시작 시간이 짧은 냉동 사이클과 사용하기 쉽고 매우 효율적인 열전달을 제공하는 포드-기계 인터페이스를 기반으로 한다. 설명된 포드 중 일부는 (예를 들어, 레토르트 멸균 또는 무균 충전을 사용해) 멸균될 수 있으며, 예를 들어 유제품을 포함한 내용물을 실온에서 최대 18개월 동안 보관하는 데 사용할 수 있다. 이들 기계는 2019년 7월 1일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 16/459,176(대리인 문서 번호 47354-0009001)에 더 자세히 설명되어 있으며, 그 전체가 본원에 참조로 포함된다.
아이스크림 기계의 설계에서 중요한 도전은 포드를 가능한 한 빨리, 바람직하게는 2분 이내에 실온에서 드로우 온도로 냉각시키는 능력이다. 일부 기계는 가능한 빨리 드로우 온도에 도달하여 아이스크림 기계에 아이스크림이 남아 있는 체류 시간을 줄인다. 이는 가능한 한 빨리 혼합하고 냉각함으로써 달성할 수 있다.
본 명세서에 기술된 기계 및 공정은 1회 제공량 포드에서 대부분의 얼음 결정이 50㎛ 미만이고 종종 대다수가 30㎛ 미만인 아이스크림을 생성한다. 아이스크림이 기계에 닿지 않고 포드에서 아이스크림을 그릇이나 접시에 분배할 수 있으려면, 아이스크림의 드로우 온도 또는 분배 온도가 -3°내지 -8℃C(26.6℉ 내지 17.6℉), 바람직하게는 -3°내지 -6℃(26.6℉ 내지 21.2℉) 사이에 있어야 한다.
본 명세서에 기술된 기계 및 공정은 반직관적인 동결 및 분배 동안 회전 속도를 증가시키는 새로운 특징을 사용한다. 본 명세서에서 설명하는 기계는 천천히 회전하기 시작하는 혼합 패들을 사용할 수 있지만, 아이스크림이 액체에서 고체로 얼기 시작하면 회전 속도가 증가하여 혼합 패들 토크의 증가를 극복하기 위해 훨씬 더 많은 전력이 필요한다. 일반적으로 토크가 증가하면 당업자는 전력 요구 사항을 일정하게 유지하기 위해 혼합 패들의 회전 속도를 느리게 할 것이다. 일부 기계에서, 혼합 패들의 회전 속도를 동결 과정에서 100RPM에서 1200RPM으로 증가시켜 동결 시간을 줄이고 얼음 결정 크기를 대략 50㎛ 정도로 줄인다.
더불어, 혼합 패들의 회전 속도를 높이면 포드 내경의 얼음이 녹게 되는데, 이는 포드 벽의 의도된 기능과 반대로 아이스크림을 빠르게 얼린다. 혼합 패들의 높은 회전 속도로 인해 발생하는 추가 마찰로 포드 벽의 얼음 결정이 녹으면서 아이스크림의 동결 시간이 늘어난다. 이는 아이스크림이 얼고 분배될 때까지 소비자의 대기 시간을 줄이는 일반적인 목표와는 반대이다. 적어도 이러한 이유 때문에, 약 200RPM의 임계값보다 높게 혼합 패들의 회전 속도를 높이는 것은 직관적이지 않다.
임펠러 혼합 패들의 회전 속도는 개선된 오버런(바람직하게는 적어도 30% 오버런)을 달성하기 위해 빙과로 공기를 끌어들이도록 증가된다. 혼합 패들의 나선형 프로파일의 회전(예를 들어, 혼합 패들(950)의 나선형 프로파일이 도 34a에 도시됨)은 또한 포드의 출구 포트 밖으로 아이스크림을 압출하기 위한 하향 압력을 생성한다.
더불어, 앞서 설명한 바와 같이, 혼합 패들을 빠르게 회전시키고 포드의 벽에서 빠르게 냉각하는 조합은 냉각된 아이스크림이 포드 내에서 적절하게 혼합되도록 하고 아이스크림의 부드러움과 직접적으로 관련되는 작은 얼음 결정 크기를 유지하도록 한다. 이는 부분적으로 포드의 벽으로부터 차가워진 아이스크림을 긁어내어 온도가 더 따뜻한 포드의 중심으로 강제로 옮기기 때문이다. 아이스크림 기계의 최적의 성능은 포드 벽에서의 효율적인 냉각과 포드 내용물의 빠른 긁어내기/혼합 모두에 달려 있다. 냉각이 효율적이지만 빠른 스크래핑/혼합이 없는 기계 및 그 반대는 보다 덜 최적일 것이다.
본 명세서에 기재된 아이스크림 믹스는 안정화제 및 유화제를 최소화하거나 포함하지 않는 신규한 특징을 사용한다. 안정화제, 유화제 및 비천연 제품이 없거나 거의 없는 경우 "클린 라벨"로 간주된다. 본 명세서에 기술된 아이스크림 믹스는 우유, 크림, 설탕 및 분유를 포함한다. 아이스크림 믹스에 이러한 특징들을 포함함으로써, 최종 아이스크림은 직경이 25㎛ 미만인 대부분의 얼음 결정을 가진다.
예를 들어, 아이스크림 150g 제공량에 대한 클린 라벨 제제는 다음 비율을 포함할 수 있다: 전유 48g, 헤비 크림 67g(검 없음), 백설탕 24g, 및 무지방 분유 11g.
도 3a는 식품 또는 음료를 냉각하기 위한 기계(100)의 사시도이다. 도 3b는 하우징이 없는 기계를 도시한다. 기계(100)는 재료를 담은 포드 내의 재료의 온도를 낮춘다. 대부분의 포드에는 냉각 또는 냉동된 제품을 분배하기 전에 재료를 혼합하는 데 사용되는 혼합 패들이 포함되어 있다. 일부 예들에서, 혼합 패들은 기계의 일부가 될 수 있고 포드에 삽입될 수 있다. 일부 예들에서, 혼합 패들은 한 번을 초과하여 사용할 수 있다. 일부 예들에서, 기계는 빙과를 분배하지 않으며 이 경우 빙과를 스푼으로 포드에서 퍼낼 수 있다.
기계(100)는 압축기, 응축기, 팬, 증발기, 모세관, 제어 시스템, 리드 시스템 및 하우징(104)과 포드-기계 인터페이스(106)가 있는 분배 시스템을 포함하는 본체(102)를 포함한다. 포드-기계 인터페이스(106)는 다른 구성 요소가 하우징(104) 내부에 배치된 냉장 시스템(109)의 증발기(108)를 포함한다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 증발기(108)는 포드를 수용할 수 있는 크기의 리셉터클(110)을 정의한다.
리드(112)는 힌지(114)를 통해 하우징(104)에 부착된다. 리드(112)는 리셉터클(110)을 덮는 폐쇄 위치(도 3a)와 리셉터클(110)을 노출하는 개방 위치(도 3b) 사이에서 회전할 수 있다. 폐쇄 위치에서, 리드(112)는 리셉터클(110)을 덮고 제자리에 고정된다. 기계(100)에서, 리드(112)상의 래치(116)가 포드-기계 인터페이스(106)상의 래치 리세스(118)와 맞물린다. 래치 센서(120)는 래치 리세스(118)에 배치되어 래치(116)가 래치 리세스(118)와 맞물리는지를 결정한다. 프로세서(122)는 래치 센서(120)에 전자적으로 연결되고, 래치 센서(120)가 래치(116) 및 래치 리세스(118)가 맞물리는 것으로 결정하면 리드(112)가 닫힌 것을 인식한다. 모든 기계에 래치 센서가 있는 것은 아니다.
리드(112)가 폐쇄 위치에서 개방 위치로 이동함에 따라 보조 커버(115)가 위쪽으로 회전한다. 보조 커버(115)의 슬롯은 이 이동 중에 리드(112)의 핸들을 수용한다. 리드가 개방 위치로 이동하면 일부 보조 커버가 하우징으로 미끄러진다.
기계(100)에서, 증발기(108)는 기계(100)의 본체(102)에 대해 제 위치에 고정되고 리셉터클(110)에 대한 접근은 리드(112)의 이동에 의해 제공된다. 일부 기계에서, 증발기(108)는 본체(102)에 대해 상대적으로 변위 가능하고 증발기(108)의 이동으로 리셉터클(110)에 대한 접근이 제공된다.
하우징(104)에 배치된 모터(124)는 리드(112)로부터 연장되는 구동축(126)에 기계적으로 연결된다. 리드(112)가 폐쇄 위치에 있을 때, 구동축(126)은 리셉터클(110) 내로 연장되고, 포드가 있는 경우, 포드와 맞물려 포드 내에서 패들 또는 패들들을 이동시킨다. 때때로 패들은 임펠러, 블레이드, 대셔 또는 혼합 패들로 불린다. 프로세서(122)는 모터(124)와 전자적으로 통신하고 모터(124)의 작동을 제어한다.
일부 기계에서, 포드의 패들(들)과 관련된 샤프트는 포드로부터 바깥쪽으로 연장되고 리드(112)가 (구동축(126) 대신에) 모터(124)에 기계적으로 연결된 회전 리셉터클을 갖는다. 일부 기계에서 모터는 혼합 패들에서 적어도 100RPM(분당 회전 수)의 회전 속도에서 적어도 50ozf-in(온스-포스 인치)의 토크를 제공한다. 예를 들어, 100ozf-in의 토크와 750RPM의 회전 속도가 사용될 수 있다. 일부 기계에서, 혼합 패들의 모터가 최대 400ozf-in의 토크와 최대 1,500RPM의 회전 속도를 제공한다.
도 3c는 모터(124)로부터 구동축(126)으로 연장되는 벨트(125)가 보이도록 별도로 도시된 리드(112)의 사시도이다. 다시 도 3b를 참조하면, 모터(124)는 레일(127)을 따라 이어지는 플레이트에 장착된다. 플레이트는 벨트(125)상의 장력을 조정하기 위해 대략 0.25인치 이동할 수 있다. 조립 동안, 플레이트는 레일을 따라 미끄러진다. 플레이트와 리드(112) 사이에 배치된 스프링이 벨트의 장력을 유지하기 위해 리드(112)를 플레이트로부터 멀리 편향시킨다.
도 4a는 증발기(108)의 보다 상세한 도면을 볼 수 있도록 투명한 것으로 도시된 포드-기계 인터페이스(106)의 커버를 갖는 기계(100)의 사시도이다. 도 4b는 하우징(104)이 없는 기계(100) 및 리드(112)가 없는 포드-기계 인터페이스(106)의 일부의 평면도이다. 도 4c 및 4d는 각각 증발기(108)의 사시도 및 측면도이다. 증발기(108)는 2019년 7월 1일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 16/459,388(대리인 문서 번호 47354-0006001)에 보다 상세히 기술되며, 그 전체가 본원에 참조로 포함된다.
증발기(108)는 일측에 리빙 힌지(132)에 의해 제 2 부분(130)에 부착되고 다른 측에 갭(134)에 의해 분리된 제 1 부분(128)을 갖는 클램쉘 구성부를 갖는다. 냉매가 유체 채널(136)을 통해 냉장 시스템의 다른 구성 요소로부터 증발기(108)로 흐른다(도 4b에서 가장 잘 보임). 냉매는 내부 채널에서 증발기(108)를 통해 제 1 부분(128), 리빙 힌지(132) 및 제 2 부분(130)을 통해 흐른다.
증발기(108)의 외벽과 포드-기계 인터페이스(106) 케이싱의 내벽 사이의 공간(137)(도 4b에서 가장 잘 볼 수 있음)은 환경과 증발기(108) 사이의 열 교환을 줄이기 위해 절연 재료로 채워져 있다. 기계(100)에서, 공간(137)은 에어로겔(미도시)로 채워진다. 일부 기계는 환형공간(예를 들어, 공기층), 다양한 폴리머로 만든 단열 폼 또는 유리 섬유 울과 같은 다른 단열 재료를 사용한다.
증발기(108)는 개방 위치 및 폐쇄 위치를 갖는다. 개방 위치에서, 갭(134)은 제 1 부분(128)과 제 2 부분(130) 사이에 에어 갭을 제공하도록 개방된다. 기계(100)에서, 제 1 부분(128) 및 제 2 부분(130)은 폐쇄 위치에서 함께 가압된다.
증발기(108)의 내경(ID)은 폐쇄 위치에서보다 개방 위치에서 약간 더 크다. 포드는 증발기가 개방 위치에 있는 동안 증발기(108)에 삽입 및 제거될 수 있다. 포드가 삽입된 후에 증발기(108)를 개방 위치에서 폐쇄 위치로 전환함으로써 포드의 외경 주위로 증발기(108)를 조인다. 예를 들어, 기계(100)는 2.085인치의 외경을 갖는 포드를 사용하도록 구성된다. 증발기(108)는 개방 위치에서 2.115인치의 내경 및 폐쇄 위치에서 2.085인치의 내경을 갖는다. 증발기(108)는 개방 위치에서 2.115인치의 내경을 갖고 폐쇄 위치에서 2.085인치의 내경을 갖는다. 일부 기계는 다른 포드를 냉각하기 위한 크기 및 구성의 증발기를 가진다.
증발기는 개방 위치에서 포드를 쉽게 수용하고 폐쇄 위치에서 포드와 맞물릴 수 있는 크기로 되어 있다. 클램쉘 구조 대신, 일부 증발기는 경첩이 생기지 않지만 서로 밀접하게 근접할 수 있는 개폐 위치가 있는 여러 조각을 가질 수 있다. 일부 증발기는 증발기의 다양한 부분 사이에 냉각 채널을 연결하는 튜브를 가질 수 있다. 일부 증발기는 절두체일 수 있다. 일부 증발기는 서로를 향해 가압되는 제 1 및 제 2 부분을 가지며 이들 사이의 간격이 감소되지만, 폐쇄 위치에서 제 1 및 제 2 부분 사이의 공간이 존재한다.
일부 기계는 다른 포드를 냉각하기 위한 크기 및 구성의 증발기를 가진다. 포드는 상업적으로 이용 가능한 캔 크기, 예를 들어 직경이 2.080인치-2.090인치이고 부피가 180밀리리터(ml)-300ml인 "슬림" 캔, 직경이 2.250인치-2.400인치이고 부피가 180ml-400ml인 "슬릭" 캔 및 직경이 2.500인치-2.600인치이고 부피는 200ml-500ml인 "표준" 크기의 캔으로 형성될 수 있다. 기계(100)는 2.085±0.10인치 외경을 갖는 포드를 사용하도록 구성된다. 일부 포드는 내경이 2.065인치에서 2.075인치로 각각 직경이 2.045인치 내지 2.055인치인 혼합 패들이 100에서 1,500RPM의 RPM으로 회전할 수 있도록 하여, 분당 6,000 내지 93,000제곱인치를 긁어낸다.
약 2.085인치의 내부 직경으로, 포드는 약 2.065인치의 직경을 갖는 혼합 패들을 수용할 수 있다. 혼합 패들은 100RPM 내지 1,500RPM 사이의 회전 속도로 포드에서 회전할 수 있다. 이 시간 동안 혼합 패들의 단일 블레이드 에지가 분당 3,100에서 46,500제곱인치 범위의 속도로 포드의 내부 벽을 긁는다. 분당 긁힌 면적은 혼합 패들의 각 긁는 에지와 곱해진다(즉, 두 개의 에지가 있는 혼합 패들은 분당 대략 6,200 내지 93,000제곱인치를 긁는다). 앞서 설명한 바와 같이, 이러한 긁어내고 혼합하는 과정은 포드 벽에서 형성된 얼음 결정을 포드 내부로 분배하는 데 도움이 된다.
일부 포드는 대략 5-100psi 게이지 압력의 내부 압력을 갖도록 가압된다. 일부 포드는 두께가 10-50마이크론 이하(예를 들어, 50마이크론 미만)인 장식용 외부 코팅이 있다. 더 두꺼운 외부 코팅은 포드를 단열하고 포드의 냉각 동안 열 전달을 방해할 수 있다. 일부 포드는 단부들에 내부 또는 외부 코팅이 없다.
원통형 포드에 더하여, 일부 포드는 절두원추형(예를 들어, 개방 단부가 있는 절두원추형)이다. 일부 포드는 포드의 개방 단부에서 빙과를 스푼으로 떠낼 수 있기 때문에 분배 포트가 필요하지 않다.
일회용 포드 외에, 일부 포드는 재사용할 수 있다. 일부 포드는 사용, 세척 및 재사용된다. 일부 포드는 비어 있는 상태로 구입하여 사용하기 전에 채워진다. 일부 포드는 사용자 또는 기계에 의해 전체 구매 또는 획득, 사용 및 리필된다. 일부 포드는 사용 후 살균 처리하고 리필 사용 후 살균하여 상온 보관이 가능하다. 일부 포드에는 포드를 다시 채우고 다시 밀봉할 수 있는 재밀봉 기능이 포함되어 있다. 일부 포드에는 기계로부터 포드의 빙과를 분배하기 위한 재사용 가능한 돌출부가 있다. 일부 포드는 빈 상태로 구입하여 클린 라벨 재료가 포함된 가정용 아이스크림 제조 키트와 함께 사용할 수 있다.
증발기(108)의 폐쇄 위치는 포드(150)와 증발기(108) 사이의 접촉 면적을 증가시키고 포드(150) 벽과 증발기(108) 사이의 에어 갭을 줄이거나 제거함으로써 삽입된 포드(150)와 증발기(108) 사이에 열 전달을 향상시킨다. 일부 포드에서, 증발기(108)에 의해 포드에 가해진 압력은 포드의 케이싱 형상을 유지하기 위해 혼합 패들, 포드 내의 가압 가스 또는 둘 모두에 의해 반대된다. 증발기(108)는 대략 10-50lbf(파운드-포스)의 포드(150)에 대한 폐쇄력 및 1,000 내지 1,500ozf-in의 대략적인 토크 클램핑력을 제공할 수 있다.
증발기(108)에서, 제 1 부분(128)과 제 2 부분(130)의 상대적인 위치와 이들 사이의 갭(134)의 크기는 볼트(140)와 두 개의 스프링(142)으로 연결된 두 개의 바(138)에 의해 제어된다. 바(138)는 볼트(140)가 연장되는 스레드형 중앙 홀과 핀(144)과 맞물리는 두 개의 단부 홀을 가지고 있다. 두 개의 스프링(142) 각각이 바(138) 사이에서 연장되는 핀(144) 주위에 배치된다. 일부 기계는 갭(134)의 크기를 제어하기 위해 다른 시스템, 예를 들어, 증발기(108)를 폐쇄하기 위해 조여지고 증발기(108)를 개방하기 위해 느슨해지는 케이블로 증발기(108)의 외경 주위로 연장되는 케이블을 갖는 원주형 케이블 시스템을 사용한다. 다른 증발기에는, 복수의 볼트와 단부 홀, 하나 또는 둘 이상의 스프링, 및 하나 이상의 결합 핀이 있다.
하나의 바(138)는 증발기(108)의 제 1 부분(128)에 장착되고 다른 바(138)는 증발기(108)의 제 2 부분(130)에 장착된다. 일부 증발기에서, 바(138)는 증발기 본체에 장착하는 것이 아니라 증발기(108)의 본체와 일체형이다. 스프링(142)은 바(138)를 서로 멀어지게 가압한다. 스프링 힘이 증발기(108)의 제 1 부분(128) 및 제 2 부분(130)을 갭(134)에서 각각 멀어지게 편향시킨다. 볼트(140)를 한 방향으로 회전시키면 각각을 향해 바(138)를 미는 힘을 증가시키고 반대 방향으로 볼트를 회전시키면 이 힘이 감소한다. 볼트(140)에 의해 가해지는 힘이 스프링 힘보다 클 때, 바(138)는 증발기의 제 1 부분(128)과 제 2 부분(130)을 함께 가져온다.
기계(100)는 갭(134)의 크기를 제어하기 위해 볼트(140)를 회전시키도록 작동할 수 있는 전기 모터(146)(도 4b에 도시됨)를 포함한다. 일부 기계는 볼트(140)를 회전시키기 위해 다른 메커니즘을 사용한다. 예를 들어, 일부 기계는 리드(112)가 개폐될 때 볼트(140)를 회전시키기 위해 리드(112)와 볼트(140) 사이에 기계적 연결을 사용한다. 일부 기계에는 수동으로 볼트를 조이거나 풀기 위해 볼트에 부착될 수 있는 핸들이 있다. 일부 기계에는 기계 리드가 닫힐 때 바를 폐쇄 위치로 미는 웨지 시스템이 있다. 이 접근 방법은 전기 모터(146) 대신에 사용될 수 있거나 모터가 고장난 경우 백업으로서 제공될 수 있다.
전기 모터(146)는 기계(100)의 프로세서(122)와 통신하고 이에 의해 제어된다. 일부 전기 드라이브는 토크 측정을 프로세서(122)로 보내는 토크 센서를 포함한다. 프로세서(122)는, 예를 들어, 포드가 리셉터클(110)에 배치되었음을 포드 센서가 나타내거나 리드(112) 및 포드-기계 인터페이스(106)가 결합되었음을 래치 센서(120)가 나타낼 때 바(138)를 함께 누르도록 제 1 방향으로 볼트(140)를 회전시키도록 모터에 신호를 보낸다. 클램쉘 증발기가 닫히고 포드를 단단히 고정된 위치에 유지한 후에 리드가 닫히고 구동축이 포드를 관통해 혼합 패들과 맞물리는 것이 바람직하다. 이 위치는 구동축-혼합 패들 결합에 중요할 수 있다. 프로세서(122)는, 예를 들어, 만들어진 식품 또는 음료가 냉각/냉동되어 기계(100)로부터 분배된 후, 볼트(140)를 제 2 방향으로 회전시키도록 전기 구동부에 신호를 보내어 이로써 증발기 갭(134)을 개방하고 쉽게 증발기(108)로부터 포드(150)를 제거할 수 있다.
증발기(108)의 베이스에는 증발기(108)를 포드-기계 인터페이스(106)의 바닥에 장착하는 데 사용되는 3개의 보어(148)(도 4c 참조)가 있다. 3개의 보어(148) 모두가 증발기(108)의 제 2 부분의 베이스를 통해 뻗어 있다. 증발기(108)의 제 1 부분(128)은 포드-기계 인터페이스(106)의 바닥에 직접 부착되지 않는다. 이러한 구성은 상술한 개폐 이동을 가능하게 한다. 증발기(108)의 개폐 이동을 가능하게 하는 다른 구성도 또한 사용될 수 있다. 일부 기계에는 3개보다 많거나 적은 보어(148)가 있다. 일부 증발기는 포드-기계 인터페이스의 바닥이 아닌 다른 구성 요소, 예를 들어, 분배 장치에 장착된다.
많은 요인이 냉장 시스템의 성능에 영향을 미친다. 중요한 요소에는 시스템을 통해 흐르는 냉매의 질량 속도, 냉매에 의해 축축해진 표면적, 냉장 공정, 포드/증발기 열전달 표면의 면적, 증발기의 질량 및 열전달면 재료의 열전도도가 포함된다. 본 명세서에 설명된 프로토타입 시스템 개발에 대한 광범위한 모델링 및 경험적 연구로 시스템을 통해 흐르는 냉매의 질량 속도와 냉매에 의해 축축해진 표면적에 대한 적절한 선택이 2분 미만에 최대 10-12 온스의 과자를 얼릴 수 있는 시스템을 제공하는 데 균형잡는 가장 중요한 파라미터라고 판단하였다.
본 명세서에 기술된 증발기는 다음과 같은 특징을 갖는다:
질량 속도 60,000에서 180,000lb/(hr ft2)
냉매에 의해 축축해진 표면적 35 내지 110 제곱인치
냉장 공정을 통한 압력 강하 증발기 양단에 2psi 미만의 압력 강하
포드/증발기 열전달 표면 15 내지 50 제곱인치
증발기의 질량 0.100 내지 1.50 파운드
재료의 열전도도 160W/mK
다음 단락에서는 이러한 파라미터의 중요성에 대해 자세히 설명한다.질량 속도는 증발기를 통해 흐르는 다상 특성 또는 냉매를 설명한다. 2상 공정은 냉매 유체(예를 들어, R-290 프로판)가 각각 액체에서 기체로, 기체에서 액체로 상태가 각각 변할 때 흡수 및 소비되는 다량의 열을 이용한다. 열전달 속도는 부분적으로 증발기 내부면을 새로운 액체 냉매로 노출시켜 액체 아이스크림 혼합물을 기화 및 냉각시키는 데 달려 있다. 이를 위해, 냉매 유체의 속도는 증기가 증발기 벽 내의 유동 경로의 중심을 따라 흐르거나 아래로 흐르고 액체 냉매가 벽 내의 이러한 채널 통로를 통해 밀릴 수 있을만큼 충분히 높아야 한다. 냉장 시스템에서 유체 속도의 대략적인 측정값 중 하나는 파운드/(시간-평방 피트)(lb/hr ft2)) 단위로 유량 통로의 단위 단면적당 시스템의 냉매 질량 흐름인 질량 속도이다. ("속도"를 측정하는 보다 친숙한 방법인) 피트/초(ft/s)로 측정되는 속도는 유체 흐름이 액체에서 기체로 상태가 변함에 따라 속도(ft/s)도 지속적으로 변하기 때문에 2상 시스템에서는 적용하기가 어렵다. 액체 냉매가 증발기 벽을 지속적으로 휩쓸고 있는 경우, 기화될 수 있으며 통로 중간 아래로 흐르는 증기의 "코어"에 의해 새로운 액체가 냉각 채널 벽으로 밀려날 수 있다. 저속에서, 흐름은 중력에 따라 분리되고 액체는 증발기 내의 냉각 통로 하단에 남아 있으며 기체는 냉각 통로 채널의 상단으로 올라간다. 예를 들어, 액체에 노출되는 면적이 절반으로 줄어들면, 열전달량이 거의 절반으로 줄어들 수 있다.
미국공조냉동공학회(ASHRAE)에 따르면, 150,000 lb/hr ft2의 질량 속도는 대부분의 증발기 유동 경로에 대해 성능을 최대화한다. 질량 속도는 냉매 시스템을 최적화하기 위해 균형을 맞춰야하는 파라미터 중 하나이다. 증발기의 성능에 영향을 미치는 파라미터는 질량 유량, 대류 열전달 계수 및 압력 강하이다. 증발기의 공칭 작동 압력은 필요한 증발기 온도와 시스템에서 사용되는 냉매의 특성에 따라 결정된다. 증발기를 통과하는 냉매의 질량 유속은 주어진 시간 동안 과자에서 나오는 열 에너지 양을 흡수하여 냉동시킬 수 있을만큼 충분히 높아야 한다. 질량 유량은 주로 압축기의 크기에 의해 결정된다. 비용, 무게 및 크기를 줄이기 위해 가능한 가장 작은 압축기를 사용하는 것이 바람직하다. 대류 열전달 계수는 증발기의 질량 속도와 축축한 표면적의 영향을 받는다. 대류 열전달 계수는 질량 속도가 증가함에 따라 증가한다. 그러나, 압력 강하도 질량 속도에 따라 증가한다. 이는 차례로 압축기 작동에 필요한 전력을 증가시키고 압축기가 전달할 수 있는 질량 유량을 감소시킨다. 성능 목표를 충족하도록 증발기를 설계하는 동시에 가능한 가장 저렴한 압축기를 사용하는 것이 바람직하다. 질량 속도가 75,000-125,000lb/hr ft2인 증발기는 2분 미만에 최대 12온스의 조제물을 얼릴 수 있는 시스템을 제공하는 데 효과적이라는 것을 확인했다. 최신 프로토타입은 대략 100,000lb/hr ft2의 질량 속도를 가지며 높은 질량 속도, 시스템의 관리 가능한 압력 강하(2psi 미만) 및 12cc 변위 미만의 합리적인 크기의 압축기 사이에서 좋은 균형을 제공한다.
일부 시스템에서, 냉장 시스템은 R134A, R22, R600a 또는 R290과 같은 2상 냉매 유체를 사용하는 압축기로 포드를 냉각한다. 일부 시스템에서 압축기는 왕복 압축기 또는 로터리 압축기이다. 모터 속도가 가변적인 직류(DC) 압축기는 포드의 냉장 냉각 주기의 시작(예를 들어, 포드 냉각의 처음 45초)에 대해 증가된 변위를 허용하고 압력 강하를 유지하면서 동결 과정의 효율성을 높이기 위해 포드의 냉각 주기가 끝날 무렵에 대해 모터 속도를 늦춘다. 일부 시스템에서, DC 압축기는 기계의 냉장 사이클 부하에 따라 조정되는 가변 모터 속도를 가질 수 있다.
일부 시스템에서, R290과 같은 천연 냉매의 사용은 몬트리올 및 교토와 같은 국제 프로토콜의 목표를 충족할 뿐만 아니라 오존 고갈 및 지구 온난화와 같은 환경 문제를 줄이는 데 도움이 될 수 있다. 이러한 프로토콜 및 환경 문제는 일반적으로 R22 및 R134A 냉매의 단계적 폐지를 제안한다.
냉매의 열-물리적 특성은 냉장 시스템의 에너지 성능을 결정한다. 다음 표는 증발 온도 10℃ 및 응축 온도 45℃에서 냉매 R22 및 R290의 열-물리적 특성을 보여준다.
특성 온도(℃) 상태 냉매 R22 냉매 R290
포화 압력(MPa) 10
45		 액체
증기		 0.640
1.729		 0.601
1.534
밀도(kg/m^3) 10
45		 액체
증기		 1253.8
75.45		 517.56
34.14
점도(microPa-s) 10
45		 액체
증기		 197.97
13.69		 115.69
9.13
열전도율(W/m deg. C) 10
45		 액체
증기		 0.0911
0.0135		 0.101
0.0224
비열(kJ/kg deg C) 10
45		 액체
증기		 1.1836
1.0487		 2.5318
2.3714
R290 냉매의 더 낮은 액체 밀도는 증발기 및 응축기에서 더 낮은 마찰 및 더 나은 열전달 계수를 초래하는 냉매 질량의 더 낮은 요구량을 나타낸다. 냉매 점도는 비가역성의 주요 원인이며 응축 및 비등 열 전달 계수에 영향을 미친다. R290 냉매는 점도가 낮고 열전도율이 높아 응축기와 증발기의 성능을 향상시킨다. R290의 비열이 높을수록 배출 온도가 낮아진다.증발기의 성능에 영향을 미치는 또 다른 중요한 요소는 냉매에 의해 축축해진 표면적이며, 이 표면적은 적어도 일부 액체 냉매가 이들 채널 전체에 있는 한 증발기 내의 모든 냉각 채널의 면적이다. 축축한 표면적을 늘리면 증발기의 열전달 특성을 향상시킬 수 있다. 그러나, 축축한 표면적을 늘리면 증발기의 질량이 증가하여 열 관성이 증가하고 증발기의 열전달 특성이 저하된다.
포드 내의 액체로부터 전달될 수 있는 열량은 아이스크림 믹스 대 포드/증발기 열전달 표면의 표면적에 비례한다. 더 큰 표면적이 바람직하지만 표면적의 증가는 증발기의 질량을 증가시켜야 할 수 있어 증발기의 열전달 특성을 저하시킬 수 있다. 포드/증발기 열전달 표면의 면적이 20 내지 40제곱인치인 증발기는 다른 특성과 효과적으로 결합되어 2분 미만에 최대 12온스의 과자를 얼릴 수 있는 시스템을 제공하는 데 도움이 된다고 결정하였다.
열전도율은 열 전도 능력과 관련된 재료의 고유 특성이다. 전도에 의한 열전달은 재료 전체의 움직임없이 재료 내의 에너지 전달을 포함한다. 전도성이 높은 재료(예를 들어, 알루미늄)로 만들어진 벽이 있는 증발기는 증발기 벽 전체의 온도 차를 줄인다. 이 온도 차를 줄이면 냉장 시스템에서 증발기를 적절한 온도로 냉각하는 데 필요한 작업이 줄어든다.
포드의 온도는 열전대와 같은 온도 센서를 사용하여 측정될 수 있다. 일부 기계에서, 포드의 외부 표면에 물리적으로 접촉하는 열전대가 포드의 온도를 측정하는 데 사용되거나 열전대가 포드 외부에 직접 제공될 수 있다. 일부 기계에서, 센서(들)는 증발기를 통해 방사상으로 관통하고, 일부 경우에, 센서 팁에 일관된 힘을 보장하기 위해 스프링이 장착된다. 센서는 증발기로부터 단열될 수 있으므로 포드 외부의 온도만 감지한다. 포드는 포드 온도가 내용물의 온도와 실질적으로 동일하도록 대략 0.004 내지 0.008인치 두께의 알루미늄으로 만들 수 있다. 이들 온도를 사용하면 여러 가지 방법으로: (i) 제품이 어는 속도에 따라 믹서 속도를 변경함으로서, (ii) 목표 온도에 도달하면 동결 과정을 중지함으로서, 및 (iii) 분배 과정 동안, 시끄러울 수 있는 빈 포드에서 혼합 패들을 회전시키는 대신 포드가 비어 있을 때를 감지하고 그 시간에 분배 프로세스를 종료함으로서, 공정을 제어할 수 있다.
원하는 열전달이 발생하기 위해서는 증발기가 냉각되어야 한다. 증발기의 질량이 클수록 냉각 시간이 더 오래 걸린다. 증발기 질량을 줄이면 냉동 사이클 동안 냉각해야 하는 재료의 양이 줄어든다. 질량이 큰 증발기는 최대 12온스의 과자를 얼리는 데 걸리는 시간이 늘어날 것이다.
열전도도 및 질량의 효과가 적절한 재료 선택에 의해 균형을 이룰 수 있다. 구리와 같이 알루미늄보다 열전도율이 높은 재료가 있다. 그러나, 구리의 밀도는 알루미늄의 밀도보다 크다. 이러한 이유로, 증발기의 열교환 표면에만 열전도성이 높은 구리를 사용하고 다른 곳에서는 알루미늄을 사용하는 몇몇 증발기를 구성하였다.
도 5a-5f는 기계(100)가 만든 식품 또는 음료를 분배하기 위해 증발기(108)에서 포드를 개방하도록 작동할 수 있는 포드-기계 인터페이스(106)의 구성 요소를 도시한 것이다. 이는 포드를 개방하는 하나의 접근법의 한 예이나, 일부 기계 및 관련 포드는 다른 접근 방식을 사용한다.
도 5a는 포드(150)가 증발기(108) 내에 배치된 포드-기계 인터페이스(106)의 부분 절개 개략도이다. 도 5b는 포드(150)의 단부와 포드-기계 인터페이스(106)의 바닥(152) 사이의 관계를 보여주는 위로 본 개략적인 평면도이다. 포드-기계 인터페이스(106)의 바닥(152)은 분배기(153)에 의해 형성된다. 도 5c 및 5d는 분배기(153)의 사시도이다. 도 5e 및 5f는 분배기(153)에 배치된 삽입물(154)의 사시도이다. 삽입물(154)은 포드-기계 인터페이스(106)의 웜 기어(157) 바닥(152)을 구동하도록 작동할 수 있는 전기 모터(146)를 포함한다. 웜 기어(157)는 환형 구성을 갖는 기어(159)와 맞물린다. 기어(159)에 장착된 환형 부재(161)가 기어(159)로부터 포드-기계 인터페이스(106)의 내부 영역으로 연장된다. 환형 부재(161)는 포드-기계 인터페이스(106)에 삽입된 포드와 맞물려 포드를 개방하도록 구성된 돌출부(163)를 갖는다. 환형 부재(161)의 돌출부(163)는 4개의 다웰 형상(dowel-shaped)의 돌출부이다. 일부 환형 기어는 더 많은 돌출부 또는 더 적은 돌출부를 가지며 돌출부는 "치아"와 같은 다른 모양을 가질 수 있다.
포드(150)는 혼합 패들(160)을 포함하는 본체(158)를 포함한다(도 5a 참조). 포드(150)는 또한 개구(164)를 형성하는 베이스(162) 및 상기 베이스(162)를 가로 질러 연장되는 캡(166)을 갖는다(도 5b 참조). 베이스(162)는 포드(150)의 본체(158)에 봉합/고정된다. 베이스(162)는 돌출부(165)를 포함한다. 베이스(162) 위에 장착된 캡(166)은 포드(150)의 원주/축 주위로 회전 가능하다. 포드(150)로부터 제품이 분배될 준비가 된 상태에서, 기계의 분배기(153)가 포드(150)의 제 1 단부 주위에서 캡(166)과 맞물려 회전한다. 캡(166)은 결합할 위치로 회전한 다음 돌출부(165)를 베이스(162)의 나머지 부분으로부터 분리한다. 포드(150) 및 그 구성 요소는 도 8a-8b와 관련하여 더 상세하게 설명된다.
베이스(162)의 개구(164)는 캡(166)의 회전에 의해 개방된다. 포드-기계 인터페이스(106)는 기어(168)의 외주와 결합하는 나사산이 있는 전기 모터(146)를 포함한다. 전기 모터(146)의 작동으로 인해 기어(168)가 회전한다. 기어(168)는 환형 부재(161)에 부착되고 기어(168)의 회전으로 환형 부재(161)가 회전된다. 기어(168) 및 환형 부재(161)는 모두 환형이고 함께 기어(168) 또는 환형 부재(161)와 접촉하지 않고 개구(164)를 통해 포드(150)로부터 식품 또는 음료가 분배될 수 있는 중앙 보어를 정의한다. 포드(150)가 증발기(108)에 배치될 때, 환형 부재(161)는 캡(166)과 맞물리고 환형 부재(161)의 회전으로 캡(166)이 회전한다.
도 6은 증발기(108)를 포함하는 냉장 시스템(109)의 개략도이다. 냉장 시스템은 또한 응축기(180), 흡입 라인 열교환기(182), 팽창 장치(184) 및 압축기(186)를 포함한다. 팽창 장치(184)는 냉장 시스템(109)에 사용될 수 있는 밸브 또는 모세관을 포함할 수 있다. 고압 액체 냉매가 응축기(180)에서 흡입 라인 열교환기(182) 및 팽창 장치(184)를 통해 증발기(108)로 흐른다. 팽창 장치(184)는 액체 냉매 유체의 흐름을 제한하고 팽창 장치(184)를 떠날 때 액체 냉매의 압력을 낮춘다. 그 후 저압의 액체가 증발기(108)로 이동하고, 증발기에서 포드(150)로부터 흡수된 열과 증발기(108) 내의 내용물이 냉매를 액체에서 기체로 변화시킨다. 기체 냉매는 흡입 라인 열교환기(182)를 통해 증발기(108)로부터 압축기(186)로 흐른다. 흡입 라인 열교환기(182)에서, 증발기(108)를 떠나는 차가운 증기가 응축기(180)를 떠나는 액체를 예냉한다. 냉매가 저압 가스로서 압축기(186)에 유입되고, 고압 가스로서 압축기(186)를 떠난다. 그 후 가스는 응축기(180)로 흘러 열교환이 냉매를 냉각시키고 액체로 응축시킨다.
냉장 시스템(109)은 제 1 바이패스 라인(188) 또는 밸브 및 제 2 바이패스 라인(190) 또는 밸브를 포함한다. 제 1 바이패스 라인(188)은 압축기(186)의 배출구를 압축기(186)의 유입구에 적접 연결한다. 제 1 바이패스 라인 및 제 2 바이패스 라인 모두에 배치되어 냉매 바이패스 흐름을 허용하기 위해 통로를 개폐하는 바이패스 밸브가 있다. 냉매를 압축기 배출구에서 유입구로 직접 전환하면 증발기에 고온 가스를 주입하지 않고도 증발기 성에 제거 및 온도 제어를 제공할 수 있다. 제 1 바이패스 라인(188)은 또한 압축기(186) 양단에 신속한 압력 균등화를 위한 수단을 제공하며, 이는 신속한 재시작(즉, 하나의 포드를 다른 포드로 빠르게 동결)을 허용한다. 제 2 바이패스 라인(190)은 증발기(108)에 따뜻한 가스를 적용하여 증발기(108)의 성에를 제거할 수 있게 한다. 바이패스 밸브는 예를 들어 솔레노이드 밸브 또는 스로틀 밸브 일 수 있다. 혼합 패들(160)에 달라붙는 생성물을 제거하는 것을 돕기 위해 혼합 패들(160)의 길이를 따라 따뜻한 공기를 안내하기 위해 추가 바이패스 밸브(도시되지 않음)가 사용될 수 있다.
도 7a 및 7b는 응축기(180)의 프로토타입의 도면이다. 응축기는 내부 채널(192)을 갖는다. 내부 채널(192)은 냉매를 신속하게 냉각시키는 냉매와 상호 작용하는 표면적을 증가시킨다. 이 이미지는 냉각제 속도를 높이는 작은 채널이 있고 우수한 열전달을 위한 얇은 벽이며 응축기가 방열판이 되는 것을 방지하기 위해 질량이 적기 때문에 사용되는 마이크로 채널 튜브를 도시한다.
도 10a 및 도 10b는 도 3a 내지 5f와 관련하여 설명된 기계(100)와 함께 사용하기 위한 포드(150)의 예를 도시한다. 도 8a는 포드(150)의 측면도이다. 도 8b는 포드(150) 및 포드(150)의 본체(158)에 배치된 혼합 패들(160)의 개략적인 측면도이다.
포드(150)는 기계(100)의 리셉터클(110)에 맞도록 크기가 조정된다. 포드는 만들어진 식품 또는 음료의 1회 제공량을 제공하도록 크기가 조정될 수 있다. 일반적으로 포드의 부피는 6 내지 18액량 온스이다. 포드(150)는 대략 8.5액량 온스의 부피를 갖는다.
포드(150)의 본체(158)는 혼합 패들(160)을 포함하는 알루미늄 음료 캔이다. 본체(158)는 베이스의 제 1 단부(210)로부터 제 2 단부(212)까지 뻗어 있고 원형 단면을 갖는다. 제 1 단부(210)는 제 2 단부(212)의 직경(DLE)보다 약간 더 큰 직경(DUE)를 갖는다. 이 구성은 하나의 포드의 제 1 단부(210)가 다른 포드의 제 2 단부(212)를 수용하면서 서로의 상부에 다수의 포드(150)를 적층하는 것을 용이하게 한다.
측벽(214)은 제 1 단부(210)를 제 2 단부(212)에 연결한다. 벽(214)은 제 1 넥(216), 제 2 넥(218) 및 상기 제 1 넥(216)과 상기 제 2 넥(218) 사이에 배럴(220)을 갖는다. 배럴(220)은 직경(DB)을 갖는 원형 단면이다. 직경(DB)은 제 1 단부(210)의 직경(DUE) 및 제 2 단부(212)의 직경(DLE) 둘 다보다 크다. 제 1 넥(216)은 배럴(220)을 제 1 단부(210)에 연결하고 제 1 넥(216)이 더 작은 직경(DUE)으로부터 배럴(220)의 더 큰 직경(DB)으로 연장됨에 따라 경사진다. 제 2 넥(218)은 배럴(220)을 제 2 단부(212)에 연결하고 제 2 넥(218)이 배럴(220)의 더 큰 직경(DB)으로부터 제 2 단부(212)의 더 작은 직경(DLE)으로 연장됨에 따라 경사진다. 제 2 넥(218)은 제 2 단부(212)가 제 1 단부(210)보다 작은 직경을 갖기 때문에 제 1 넥(216)보다 더 가파르게 경사진다.
포드(150)의 이러한 구성은 증가된 재료 사용을 제공한다; 즉, 포드 당 더 많은 기본 재료(예를 들어, 알루미늄)를 사용할 수 있다. 이 구성은 포드의 원주상 강도를 더욱 지원한다.
포드(150)는 증발기로부터 포드의 내용물로의 우수한 열전달을 위해 설계된다. 포드(150)의 본체(158)는 알루미늄으로 제조되고 두께는 5 내지 50 마이크론이다. 일부 포드의 본체는 주석, 스테인리스 스틸 및 폴리에틸렌테레프탈레이트(PTE)와 같은 다양한 폴리머와 같은 다른 재료로 만들어진다.
포드(150)는 포드의 제조 가능성 및 성능을 지원하기 위해 상이한 재료의 조합으로 제조될 수 있다. 일 실시예에서, 포드 벽 및 제 2 단부(212)는 알루미늄(3104)으로 제조될 수 있는 반면 베이스는 알루미늄(5182)으로 제조될 수 있다.
일부 포드에서, 포드의 내부 구성요소는 포드 내에 포함된 내용물과 접촉할 때 포드의 부식을 방지하기 위해 래커로 코팅된다. 이 래커는 또한 포드에 담긴 식품 및 음료 내용물에서 금속의 "오프 노트(off notes)" 가능성을 줄인다. 예를 들어, 알루미늄으로 만들어진 포드는 내부적으로 다음 코팅: Sherwin Williams/Valspar V70Q11, V70Q05, 32S02AD, 40Q60AJ; PPG Innovel 2012-823, 2012-820C; 및/또는 Akzo Nobel Aqualure G1 50 중 하나 또는 조합으로 코팅될 수 있다. 동일하거나 다른 코팅 제조업체에서 제조한 다른 코팅도 사용할 수 있다.
일부 혼합 패들은 유사한 알루미늄 합금으로 만들어지고 유사한 래커/코팅으로 코팅된다. 예를 들어, Whitford/PPG 코팅 8870은 패들을 혼합하기 위한 코팅으로 사용될 수 있다. 혼합 패들 래커는 혼합 패들에 대한 추가적인 비점착 및 경화 이점을 가질 수 있다. 일부 혼합 패들은 AL 5182-H48 또는 다른 알루미늄 합금으로 만들어진다. 일부 혼합 패들은 최소 250-310MPa의 인장 강도, 최소 180-260MPa의 항복 강도, 및 4%-12%의 파단 신율을 나타낸다.
일부 기계에서, 혼합 패들은 포드에서 꺼내어, 세척하고, 동일한 또는 다른 포드에서 재사용함으로써 재사용될 수 있다.
이전에 논의된 혼합 패들의 기능에 더하여, 일부 기계는 혼합 패들에 달라붙는 제품을 제거하는 것을 돕기 위해 혼합 패들을 오가거나 및/또는 진동시킨다. 이러한 접근은 혼합 패들을 오가거나 및/또는 진동시키는 솔레노이드를 포함하는 (기계(100)와 같은) 기계에 의해 가능해질 수 있다.
이 기계 및 유사한 기계와 함께 사용될 수 있는 다른 포드-기계 인터페이스는 2019년 7월 1일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 16/459,322(대리인 문서번호 47354-0010001)에 더 자세히 설명되어 있으며, 그 전체가 본원에 참조로 포함된다.
일부 포드는 혼합 모터에 의해 인가된 토크에 의해 파손되도록 구성된 밀봉을 포함한다. 이러한 포드 디자인은 기계와의 호환성을 위해 제조하기가 더 쉽고 저렴할 수 있다.
도 9a 내지 9c는 기계(100)의 구동축(126)과 기계(100)에 삽입된 포드(150)의 혼합 패들(160) 사이의 결합을 도시한다. 도 9a 및 9b는 포드(150) 및 구동축(126)의 사시도이다. 사용시, 포드(150)는 포드(150)의 제 1 단부(210)가 아래를 향하도록 증발기(108)의 리셉터클(110)에 삽입된다. 이러한 배향은 포드(150)의 제 2 단부(212)를 도 9a에 도시된 바와 같이 구동축(126)에 노출시킨다. 리드(112)(도 3a 참조)를 닫음으로써 구동축(126)이 포드(150)의 제 2 단부(212)를 관통하는 충분한 힘으로 포드(150)의 제 2 단부(212)에 대해 구동축(126)이 가압된다. 일부 기계에서, 포드(150)의 제 2 단부(212)로의 구동축(126)의 관통 작용의 하향력은 대략 50lbf이다. 15-65lbf 사이의 하향력은 포드의 다른 부분을 손상시키지 않고 포드의 제 2 단부를 관통하는 데 효과적이다.
도 9b는 생성된 홀 및 홀을 통해 보이는 혼합 패들(160)을 도시한다. 구동축(126)은 보기 쉽도록 오프셋되어 도시되어 있다. 도 9c는 리드가 닫힌 후 구동축(126)이 혼합 패들(160)과 맞물린 포드(150)의 일부의 단면도이다. 전형적으로, 빙과가 포드(150)의 다른 단부에서 배출/분배될 때 공기가 유입될 수 있도록 구동축(126)과 포드(150) 사이에 단단한 밀봉이 없다. 대안적인 실시예에서, 포드(150)와 증발기(108) 사이에 접촉을 강화시키기 위해 포드(150)가 압력을 유지하도록 꽉 밀봉 되어 있다.
일부 혼합 패들은 제 2 단부가 구동축에 의해 천공될 때 포드의 제 2 단부의 천공된 단부를 수용하는 깔때기 또는 리셉터클 구성을 포함한다.
도 10a는 보기 쉽도록 베이스(162)로부터 이격된 캡(166)을 갖는 포드(150)의 제 1 단부(210)를 도시한다. 도 11a 내지 11g는 베이스(162)의 돌출부(165)를 절단 및 운반하고 베이스(162)를 통해 연장되는 개구(164)를 노출시키기 위해 포드(150)의 제 1 단부(210) 주위로 캡(166)의 회전을 도시한다.
베이스(162)는 포드(150)의 본체(158)와 별도로 제조된 다음 본체(158)의 개방 단부를 덮는 포드(150)의 본체(158)에 (예를 들어, 클림핑 또는 시밍에 의해) 부착된다. 베이스(162)의 돌출부(165)는 예를 들어 베이스를 형성하는 데 사용되는 알루미늄 시트를 스탬핑, 딥 드로잉 또는 헤딩함으로써 형성될 수 있다. 돌출부(165)는 예를 들어 약화된 스코어 라인(173)에 의해 베이스(162)의 나머지 부분에 부착된다. 스코어링은 알루미늄 시트의 베이스로의 수직 스코어 또는 돌출부(165)의 벽으로의 수평 스코어일 수 있다. 예를 들어, 재료는 0.008인치 내지 0.010인치의 초기 두께(예를 들어, 초기 두께는 0.008인치일 수 있음)에서 0.001인치 내지 0.008인치의 스코어링 후 두께(예를 들어, 스코어 두께는 0.002인치일 수 있음)까지 점수를 매길 수 있다.
도 10b는 베이스(162), 돌출부(165), 및 약화된 스코어 라인(173)을 도시하는 포드(150)의 제 1 단부(210)의 단면을 도시한다. 약화된 스코어 라인(173)은 0.008인치 두께의 알루미늄 베이스 리드 재료 내로 깊이 0.006인치이다.
일부 실시태양에서, 스탬핑 후 스코어링이 없고 오히려 벽이 파열을 용이하게 하기 위해 의도적으로 얇다. 다른 버전에서, 벽 두께가 가변적이지 않고 오히려 기계 분배 장치 결합력과 결합된 캡(166)이 돌출부(165)상의 벽 두께를 0.008인치 내지 0.010인치로 충분히 절단한다. 스코어링으로, 돌출부(165)는 5 내지 75파운드의 힘, 예를 들어 15 내지 40파운드의 힘으로 베이스(162)에서 들어 올려져 잘릴 수 있다. 일부 경우에, 원형 돌출부의 직경은 0.375-0.850인치(예를 들어, 도 10b에 도시된 바와 같이 0.575인치 직경)이다. 일부 경우에, 돌출부(165)의 면적은 0.1-0.5in2(예를 들어, 도 10b-10d에 도시된 바와 같이 0.26in2)이다. 일부 경우에, 베이스(162)의 면적은 2.0-5.0in2(예를 들어, 도 10b-10d에 도시된 바와 같이 3.95in2)이다. 원형 돌출부의 면적은 베이스(162)의 전체 표면적의 일부이다. 일부 경우에, 베이스(162)의 직경은 1.5-3.0인치(예를 들어, 도 10b-10d에 도시된 바와 같이 2.244인치)이다. 일부 경우에, 베이스(162)에 대한 원형 돌출부(165)의 면적 비는 0.01-0.50(예를 들어, 도 10b-10d에 도시된 바와 같이 0.065)이다.
일부 경우에, 돌출부 및 돌출부가 전단되어 제거될 때 대응하는 개구는 전체 포드 단부 표면적의 5% 내지 30% 사이의 표면적을 갖는다. 일부 경우에, 돌출부는 모양이 원형이거나, 눈물 방울을 가지거나, 신장 모양을 가지거나, 또는 임의의 모양일 수 있다. 일부 경우에, 돌출부는 둥글 수 있지만 스코어링된 모양은 모양이 원형이거나, 눈물 방울을 가지거나, 신장 모양을 가지거나, 또는 임의의 모양일 수 있다.
도 10a는 제 1 개구(222) 및 제 2 개구(224)를 갖는 캡(166)을 도시한다. 제 1 개구는 개구(164)의 형상과 대략 일치한다. 개구(164)는 돌출부(165)가 제거될 때 노출되고 베이스(162)를 통해 뻗어 있다. 제 2 개구(224)는 두 개의 중첩되는 원에 대응하는 형상을 갖는다. 겹치는 원 중 하나는 돌출부(165)의 형상에 대응하는 형상을 가지며, 겹치는 원 중 다른 하나는 약간 더 작다. 램프(226)는 2개의 겹치는 원의 외부 에지 사이에서 뻗어 있다. 램프 전환 상단에 추가 0.010 내지 0.100인치의 재료 두께가 있다(예를 들어, 0.070인치). 이 추가 높이는 도 11a-11g를 참조하여 더 자세히 설명된 바와 같이 돌출부의 헤드를 들어 올려 파열시키고 캡이 회전하는 동안 개구를 여는 데 도움이 된다.
도 11a 및 도 11b는 캡(166)이 베이스(162)에 초기에 부착되고 돌출부(165)가 제 2 개구(224)의 중첩되는 원 중 더 큰 것과 정렬되고 이를 통해 연장되는 것을 도시한다. 기계의 프로세서(122)가 전기 모터(146)를 활성화하여 기어(168) 및 환형 부재(161)를 회전시키고, 캡(166)의 회전으로 도 11c 및 11d에 도시된 바와 같이 돌출부(165)의 립 아래로 램프(226)가 슬라이딩된다. 캡(166)의 계속된 회전으로 돌출부(165)를 베이스(162)의 나머지 부분으로부터 분리하는 양력이 가해지고(도 11e-11g 참조) 돌출부(165)의 제거로 인해 캡(166)의 제 1 개구(222)가 베이스(162)의 개구(164)와 정렬된다. 전기 모터(146)는 돌출부(165)를 들어 올리고 잘라내기 위해 최대 1,000ozf-인치의 토크를 가할 수 있다. 일부 기계에서, 돌출부를 제거하는 과정은 돌출부 단부의 리세스에 쌓일 수 있는 생성물(동결 또는 그렇지 않음)도 제거한다.
일부 기계에서, 모터(124)는 돌출부 전단 공정 동안 감속되고, 그 다음 분배 공정 동안 가속된다. 이 경우, 모터(124)가 실속할(stalling) 가능성을 줄이기 위해 혼합, 전단 및 분배 사이클을 통해 구동축이 정지하거나 역전되지 않고 회전하는 것이 유리한다.
일부 포드는 돌출부(165)가 베이스(162)로부터 분리된 후 돌출부(165)를 유지하기 위한 구조를 포함한다. 포드(150)에서, 돌출부(165)는 헤드(167), 스템(169) 및 풋(171)을 갖는다(도 11g에서 가장 잘 볼 수 있음). 스템(169)은 헤드(167)와 풋(171) 사이에서 뻗어 있고 헤드(167)와 풋(167)보다 더 작은 단면을 갖는다. 캡(166)의 회전으로 돌출부(165)를 베이스(162)의 나머지 부분으로부터 분리됨에 따라, 헤드(167)와 풋(167)이 제 2 개구(224)의 중첩되는 원 중 하나의 에지를 따라 캡(166)을 브래킷하는 스템(169)에 대해 측방향으로 캡(166)이 압력을 가한다. 이 구성은 돌출부(165)가 베이스(162)로부터 분리될 때 돌출부(165)를 유지한다. 이러한 구성은 돌출부(165)가 베이스로부터 제거될 때 돌출부가 대기 리셉터클로 떨어질 가능성을 감소시킨다. 기계의 혼합 패들(160)이 회전하여 개구(224)을 통해 빙과를 분배한 후, 모터(124)는 캡(166)을 회전시키고 개구(224)을 닫아 용융시 임의의 잔류 생성물(예를 들어, 아이스크림)이 포드 외부로 누출되지 않도록 한다.
일부 포드는 베이스(162)의 나머지 부분으로부터 돌출부(165)를 분리하는 다른 접근법을 포함한다. 예를 들어, 일부 포드에서, 베이스는 상기 베이스에 리벳으로 고정된 회전 가능한 절단 장치를 갖는다. 회전 가능한 절단 장치는 캡(166)에 대해 설명된 형상과 유사한 형상을 갖지만, 이 보조 부품은 베이스(162) 위와 주위에 장착되는 것이 아니라 베이스(162)의 주변에 리벳으로 고정되어 위치된다. 냉동 사이클이 완료되면, 프로세서(122)가 기계의 암을 활성화하여 리벳을 중심으로 리벳 절단 장치를 회전시킨다. 회전하는 동안, 절단 장치는 돌출부(165)와 맞물려, 절단하고, 운반하여 베이스(162)의 개구(164)를 그 자리에 남겨둔다.
다른 예에서, 일부 포드는 돌출부를 제거하기 위해 베이스를 가로질러 이동하는 슬라이딩 나이프가 있는 캡을 가지고 있다. 슬라이딩 나이프는 기계에 의해 활성화되며, 컨트롤러에 의해 트리거되면, 베이스를 가로질러 돌출부(165)를 분리, 제거 및 수집한다. 캡(166)에는 기계에 의해 활성화될 때 베이스(612) 위를 가로질러 직선으로 미끄러질 수 있는 단두대 특징부가 있다. 캡(166)은 돌출부(165)와 맞물려, 절단되고, 운반된다. 다른 실시예에서, 이 단두대 특징부는 포드(150)의 캡(166)이 아니라 기계의 중심에 있을 수 있다. 다른 실시예에서, 이 단두대 특징부는 캡(166)이 있는 경우와 같이 보조 장착 부품이 아닌 베이스(162) 내에 보조 부품으로 장착될 수 있다.
일부 포드는 기계에 의해 결합 및 해제될 수 있는 팝 탑(pop top)을 포함하는 분배 장치를 갖는다. 냉동 사이클이 완료되면, 기계의 암이 포드의 탭과 맞물려 들어 올려, 이로써 가압해 베이스에 홀을 뚫고 베이스에 개구를 만든다. 냉장 또는 냉동 제품이 개구를 통해 분배된다. 천공된 베이스의 표면은 베이스에 힌지 연결되어 있으며 분배 중에 포드 내부에 유지된다. 혼합 패들은 천공된 표면을 피하거나 위로 회전시키거나, 다른 실시예에서, 혼합 패들이 방해없이 계속 회전하도록 한다. 일부 팝 탑에서는, 기계의 암이 천공된 표면을 베이스에서 분리한다.
도 12는 포드(150)의 확대된 개략적인 측면도이다. 혼합 패들(160)은 중앙 스템(228) 및 중앙 스템(228)으로부터 연장되는 2개의 블레이드(230)를 포함한다. 블레이드(230)는 포드의 내용물을 교반하고 포드(150)의 본체(158)의 내부면에 달라붙은 내용물을 제거하도록 형상화된 나선형 블레이드이다. 일부 혼합 패들은 하나의 블레이드를 갖고 일부 혼합 패들은 2개 이상의 혼합 패들을 갖는다.
혼합 패들(160)이 회전할 때 유체(예를 들어, 액체 성분, 공기 또는 빙과)가 블레이드(230)의 개구(232)를 통해 흐른다. 이러한 개구는 혼합 패들(160)을 회전시키는 데 필요한 힘을 감소시킨다. 이러한 감소는 내용물의 점도가 증가함에 따라(예를 들어, 아이스크림이 형성됨에 따라) 상당할 수 있다. 개구(232)는 또한 포드 내의 내용물을 혼합하고 통기하는 것을 돕는다. 일부 기계에서, 개구(232)는 혼합 패들(160)의 전체 표면적의 약 36.5%를 나타낸다.
블레이드(230)의 측면 에지는 슬롯(234)을 정의한다. 슬롯(234)은 혼합 패들(160)이 회전함에 따라 본체(158)의 내부면의 대부분이 블레이드(230) 중 하나에 의해 본체의 내부면에 부착된 재료들이 제거되도록 오프셋된다. 혼합 패들이 포드(150)의 본체(158)의 제 1 단부(210)보다 160이 더 넓지만, 슬롯(234)은 삽입 동안 혼합 패들(160)을 회전시켜 혼합 패들(160)을 포드(150)의 본체(158)에 삽입하는 것을 용이하게 하여 슬롯(234)이 제 1 단부(210)와 정렬되도록 하는 교대 슬롯이다. 다른 실시예에서, 혼합 패들의 외경은 포드(150) 개구의 직경보다 작기 때문에, (회전없이) 포드(150) 내로 곧장 삽입이 가능하다. 다른 실시예에서, 혼합 패들상의 하나의 블레이드는 제 2 블레이드 직경보다 더 넓은 외경을 가지며, 따라서 (회전없이) 포드(150)로 곧장 삽입이 가능하다. 이 혼합 패들 구성에서, 하나의 블레이드는 측벽에서 내용물을 제거하기(예를 들어, 긁어내기) 위한 것인 반면, 직경이 더 짧은 제 2 블레이드는 더 많은 교반 작업을 수행하기 위한 것이다.
일부 혼합 패들은 중앙 스템에 힌지 연결된 하나 이상의 블레이드를 가지고 있다. 삽입하는 동안, 블레이드는 응축된 형태로 힌지 연결되고 삽입된 후에 확장된 형태로 해제될 수 있다. 일부 힌지 블레이드는 제 1 방향으로 회전하는 동안 개방 고정되고 제 1 방향과 반대인 제 2 방향으로 회전할 때 접힐 수 있다. 일부 힌지 블레이드는 회전 방향에 관계없이 포드 내부에 한 번 고정된 외부 위치에 고정된다. 일부 힌지 블레이드는 수동으로 압축, 확장 및 고정된다.
혼합 패들(160)은 (기계 위로부터 관찰되는 바와 같이) 시계 방향으로 회전하고 포드(214) 벽으로부터 축적된 빙과를 제거한다. 중력은 포드 벽에서 제거된 과자가 제 1 단부(210)를 향해 떨어지게 한다. 반시계 방향으로, 혼합 패들(160)은 내용물을 제 2 단부(212)쪽으로 회전하고, 들어 올리고, 교반한다. 패들이 방향을 바꾸어 시계 방향으로 회전하면, 내용물이 제 1 단부(210)를 향해 밀린다. 베이스(162)의 돌출부(165)가 도 11d와 관련하여 도시되고 설명된 바와 같이 제거되면, 혼합 패들의 시계 방향 회전으로 개구(164)를 통해 포드(150)로부터 만들어진 식품 또는 음료가 분배된다. 일부 패들은 제 1 방향으로 회전함으로써 포드의 내용물을 혼합하고 분배한다. 일부 패들은 제 1 방향으로 이동함으로써 혼합하고 포드가 개방되면 제 2 방향으로 이동함으로써 분배한다. 일부 혼합 패들은 방향을 바꾸지 않다.
중앙 스템(228)은 기계(100)의 구동축(126)를 수용할 수 있는 크기의 리세스(236)를 형성한다. 리세스 및 구동축(126)은 구동축(126) 및 혼합 패들(160)이 회전 가능하게 구속되도록 정사각형 또는 패싯 단면을 갖는다. 모터가 구동축(126)을 회전시킬 때, 구동축은 혼합 패들(160)을 회전시킨다. 일부 실시예에서, 구동축의 단면은 상이한 형상이고 리세스의 단면은 호환 가능한 형상이다. 일부 경우에서, 구동축과 리세스는 나사산 연결되어 있다. 일부 포드에서, 리세스는 구동축을 파지하여 상기 구동축을 패들에 회전식으로 연결하는 결합 구조를 포함한다.
도 13a-13d는 포드(150)의 본체 또는 캔(158)과 실질적으로 유사한 본체(1300)를 도시한다. 그러나, 본체(1300)는 포드(150)의 본체(158)의 돔형 단부 대신 2개의 솔기 단부(1302, 1304)를 갖는다. 돔형 단부를 제거함으로써, 본체(1300)는 스탬핑, 압출 또는 롤링과 같은 방법을 사용하여 제조하기가 더 쉽다. 도 13d의 등각투영도에 도시된 바와 같이, 본체(1300)는 중공 튜브와 유사하고 얇은 벽으로 된 돌출부(1306)를 포함한다. 알루미늄과 같은 가단성 재료는 본체(1300)를 형성하는 데 사용될 수 있다. 각각의 솔기 단부(1302, 1304)는 리드(1308)의 대응하는 립과 맞물리도록 구성되고 봉합 기계를 사용하여 함께 봉합된다. 도 13b는 제 2 솔기 단부(1304)의 단면을 도시한다. 도 13c는 본체(1300)와 리드(1308) 사이의 솔기 공정을 도시한다. 일부 경우에, 리드(1308)에 대한 본체(1300) 솔기 연결은 도 35c에 도시된 솔기와 유사하다. 이러한 방식으로, 리드(1308)는 알루미늄 포드(1300)의 각 단부에 부착된다.
리드(1308) 중 하나는 본체(1300)(도시되지 않음) 내의 혼합 패들에 혼합 모터를 회전식으로 결합하고 초기 구성에서 포드를 밀봉하기 위해 중앙에 그로밋(도시되지 않음)을 포함한다. 그로밋은 리드(1308)에 오버몰딩되거나, 접착되거나, 고정된다. 본체(1300)는 2개의 리드(1308)와 함께 포드를 형성한다.
이들 시스템 및 방법에서, 살균은 일반적으로 액체 아이스크림 믹스의 동결 전에 수행된다.
도 14a는 레토르트 기계의 사진이고 도 14b는 레토르트 기계 내부의 레토르트 살균 챔버의 사진이다. 이전에 설명한 바와 같이, 레토르트 기계는 포드를 살균하고 안정적으로 보관되도록 만드는 데 사용된다. 본 명세서에 기술된 공정으로 공장에서의 작업을 줄이기 위해, 저온살균 또는 균질화되지 않은 액체 아이스크림 믹스로 1회 제공량 포드(캔)를 채우는 것이 가능하다. 그런 다음 레토르트 살균 과정 동안, 예를 들어 도 14a 및 14b의 이미지에 도시된 레토르트 기계를 사용하여, 포드를 다양한 속도, 예를 들어, 3Hz에서 분당 180사이클로 앞뒤로 흔들 수 있다. 레토르트 과정 동안, 액체 아이스크림은 포드 내부에서 출렁거림(즉, 균질화)되는 동시에 살균을 위해 고온 및 고압에 노출된다.
우리의 포드에서 저온살균되지 않은 유제품을 사용하고 사용 전에 포드에서 레토르트 공정을 수행함으로써, 포드 내부의 유제품은 오직 한 번만 저온살균된다. 이는 유제품이 일반적으로 낙농 공장을 떠나기 전에 저온살균되며 이는 예를 들어 낙농 공장에서 한 번, 우리의 레토르트 공정에서 한 번과 같이 두 번 저온살균됨을 의미하는 도 1에 예시된 전형적인 저온살균 공정과 대조된다.
포드 내 액체 아이스크림의 출렁거림(sloshing)은 액체가 레토르트 용기 내부의 캔 내에서 출렁이기 때문에 2-15분 동안 250℉의 열 전달을 상당히 증가시킬 수 있다. 캔과 레토르트 용기 모두 압력을 받고 있다. 예를 들어, 이 압력은 100psi일 수 있다. 균질화하는 동안 레토르트를 통한 저온살균을 통해, 이 접근 방식은 아이스크림을 만드는 전통적인 작업(예를 들어, 도 1의 공정)의 단계를 제거하여, 효율성을 개선하고 비용을 절감한다. 이 과정은 더 나은 색상, 질감 및 입안 느낌으로 더 정통하고 더 신선한 맛과 더 보기 좋은 음식을 제공할 수 있다. 프리미엄 카테고리의 최근 성장은 향상된 식품 품질에 대한 강한 소비자 수요를 나타낸다.
레토르트 살균 공정에서의 및 살균 공정 동안의 이러한 포드의 레토르트 진탕은 상온 저장을 위해 보존되는 훨씬 더 우수한 품질의 저산성 식품을 생성한다. 또한 기존의 배치, 정적 레토르트 공정에 비해 사이클 시간을 약 90%, 에너지 소비를 최대 50%까지 줄일 수 있다. 이러한 더 빠른 레토르트 공정은 더 빨리 Fo 치사율 값에 도달하여 아이스크림의 지나치게 익힌 노트와 풍미 손실을 줄이고 정적 또는 천천히 교반하는 레토르트에서 레토르트 공정과 종종 관련된 변색을 줄인다. 이 공정은 또한 액체 혼합물을 균질화할 수 있다. 빠르게 흔들어 혼합액을 균질화하는 것은 액체 아이스크림 믹스의 살균과 균질화라는 두 가지 작업이 동시에 이루어지기 때문에 유리하다. 도 14a-14b는 수십 또는 수백 개의 포드를 포함할 수 있으며 이들을 3Hz 또는 분당 최대 180사이클의 속도로 앞뒤로 움직여 액체 아이스크림 믹스를 균질화하는 동시에 유제품을 조리할 때 발생하는 캐러멜화를 최소화하기 위해 열 전달을 빠르게 하는 레토르트 살균 챔버의 사진이다.
레토르트 공정을 사용하여 수행될 수 있는 이 저온살균 과정 동안, 저온살균된 유제품은 캐러멜화되어 갈색이 될 수 있으며, 이는 바람직하지 않을 수 있다. 230℉의 온도에서 캐러멜화되기 시작하는 과당의 존재로 인해 가장 높은 갈변 속도 또는 보다 일반적으로 발색 현상이 발생할 수 있다.
이들 시스템 및 공정 중 일부는 저온살균 공정이 더 짧은 시간에 완료될 수 있기 때문에 더 높은 온도에서의 레토르트가 일반적으로 바람직하더라도 250℉에서 레토르트하는 레토르트 공정을 사용한다. 250℉에서 레토르트를 완료하면 아이스크림 믹스 제제에서 과당이 제거될 때 갈변 현상이 제한될 수 있다.
과당의 캐러멜화 과정이 230℉에서 시작되기 때문에 가장 높은 발색 속도는 과당에 의해 야기될 수 있다. 캐러멜화는 환원당이 아미노산과 반응하는 마이야르 반응과 혼동되어서는 안 된다. 갈변 또는 마이야르 반응은 풍미를 만들고 음식의 색을 변화시킨다. 마이야르 반응은 일반적으로 285℉보다 높은 온도에서만 일어나기 시작한다. 적어도 이러한 이유들로 인해, 우리의 레토르트 온도는 250℉를 초과하지 않으며, 이는 그렇지 않으면 멸균 과정에서 더 빠르기 때문에 선호될 것이다.
예를 들어, 과당의 캐러멜화 온도는 230℉, 갈락토스는 320℉, 포도당은 320℉, 유당은 397℉, 자당은 320℉일 수 있다. 일부 예에서, 옥수수 시럽 또는 고-과당 옥수수 시럽(HFCS)는 약 113℉로 가열될 때 과당의 분해로부터 하이드록시메틸푸르푸랄을 형성한다.
이들 시스템 중 일부는 클린 라벨, 우유 또는 설탕 크림이 있는 포드를 사용한다. 때때로 검 안정화제가 사용되며 바람직하게는 레토르트에 안정한 검 아카시아, 젤란 검, 펙틴 및 셀룰로오스 검 안정화제가 사용될 수 있다. 유당은 이당류이기 때문에 레토르트에서 바람직하지 않을 수 있다. 유당은 갈락토스와 포도당 소단위체로 구성된 당으로 우유의 약 2 내지 8%를 구성할 수 있다.
도 15는 기계(100)를 작동시키기 위해 프로세서(122)에서 구현된 방법(250)의 흐름도이다. 방법(250)은 냉장 시스템(109) 및 기계(100)를 참조하여 설명된다. 방법(250)은 또한 다른 냉장 시스템 및 기계와 함께 사용될 수 있다. 방법(250)은 소프트 아이스크림을 생산하는 것으로 설명되지만 다른 냉각 또는 냉동 음료 및 식품을 생산하는 데에도 사용될 수 있다.
방법(250)의 제 1 단계는 기계(100)를 켜고(단계 260) 압축기(186) 및 응축기(180)와 관련된 팬을 켜는 것이다(단계 262). 그 다음, 냉장 시스템(109)은 조절된 온도에서 공전된다(단계 264). 방법(250)에서, 증발기(108) 온도는 약 0.75℃를 유지하도록 제어되지만 ±0.25℃만큼 변동할 수 있다. 일부 기계는 예를 들어 0.75℃에서 실내 온도(22.0℃)까지 다른 공전 온도에서 작동한다. 증발기 온도가 0.5℃ 미만이면, 프로세서(122)는 바이패스 밸브(190)를 열어 시스템의 열을 증가시킨다(단계 266). 증발기 온도가 1℃를 초과하면, 바이패스 밸브(190)가 닫혀 증발기를 냉각시킨다(단계 268). 공전 상태에서, 기계(100)는 아이스크림을 생성하도록 작동될 수 있거나(단계 270) 종료될 수 있다(단계 272).
포드를 삽입한 후, 사용자는 시작 버튼을 누른다. 사용자가 시작 버튼을 누르면, 바이패스 밸브(190)가 닫히고, 증발기(108)가 폐쇄 위치로 이동하며, 모터(124)가 켜진다(단계 274). 일부 기계에서, 증발기는 모터를 사용하여 전자적으로 닫힌다. 일부 기계에서, 증발기는 기계적으로 닫힌다. 예를 들어, 리드가 개방 위치에서 폐쇄 위치로 이동한다. 일부 시스템에서, 센서는 이러한 동작이 취해지기 전에 포드(150)가 증발기(108)에 있는지 확인한다.
일부 시스템은 무선 주파수 식별(RFID) 태그 또는 UPC 바 또는 QR 코드와 같은 다른 지능형 바코드를 포함한다. 포드의 식별 정보를 사용하여 특정 포드에 대한 특정 냉각 및 혼합 알고리즘을 트리거할 수 있다. 이러한 시스템은 선택적으로 RFID, QR 코드 또는 바코드를 읽고 혼합 모터 속도 프로파일과 혼합 모터 토크 임계 값을 식별할 수 있다(단계 273).
식별 정보는 또한 소비자에게 (예를 들어, 인터넷을 통해 또는 가입 모델을 사용하여) 직접 마케팅하는 것을 용이하게 하기 위해 사용될 수 있다. 이 방법과 본 명세서에 설명된 시스템은 포드가 선반에 안정적이기 때문에 전자 상거래를 통해 아이스크림을 판매할 수 있다. 구독 모드에서, 고객은 매월 그들에게 배송되는 미리 지정된 수의 포드에 대해 월별 요금을 지불한다. 다양한 카테고리(예를 들어, 아이스크림, 건강 스무디, 냉동 커피 또는 냉동 칵테일)와 개인화된 맛(예를 들어, 초콜릿 또는 바닐라)에서 개인화된 포드를 선택할 수 있다. 일부 경우에, 구독 모델을 사용하여 기계 자체를 임대할 수 있다. 일부 경우에, 재사용 가능한 포드와 혼합 패들도 임대할 수 있다.
식별은 또한 사용된 각 포드를 추적하는 데 사용될 수 있다. 일부 시스템에서는, 기계가 네트워크에 연결되어 있으며, (예를 들어, 주간 배송을 통해) 어떤 포드가 사용되고 있고 교체해야 하는지 공급 업체에 알리도록 구성될 수 있다. 이 방법은 소비자가 식료품 점에 가서 포드를 구매하도록 하는 것보다 더 효율적이다.
이러한 작동은 혼합 패들(160)을 회전시키면서 증발기(108) 내의 포드(150)를 냉각시킨다. 아이스크림이 형성됨에 따라, 포드(150) 내용물의 점도가 증가한다. 기계(100)의 토크 센서가 포드(150) 내에서 혼합 패들(160)을 회전시키는 데 필요한 모터(124)의 토크를 측정한다. 토크 센서에 의해 측정된 모터(124)의 토크가 미리 정해진 임계 값을 충족하면, 기계(100)는 분배 모드로 이동한다(단계 276). 분배 포트가 열리고 모터(124)가 방향을 역전시켜(단계 278) 빙과를 포드(150) 밖으로 가압한다. 하지만, 일부 기계에서, 모터(124)는 방향을 바꾸지 않다. 혼합 패들(160)은 증발기(108)가 냉각되는 동안 동결된 재료가 포드(150)의 벽에 형성되도록 천천히 회전된다. 혼합 패들(160)의 RPM은 감소하는 온도가 포드 벽에 동결된 재료가 형성되는 속도를 증가시킴에 따라 증가한다.
이전에 설명된 바와 같이, 일부 기계에서 혼합 패들(160)의 회전 속도는 공기가 빙과에 들어가 개선된 오버런(바람직하게는 적어도 30% 오버런)을 달성하고 포드에서 나오는 아이스크림의 일정한 흐름(스트림)을 달성하면서 포드(150)의 출구 포트 밖으로 아이스크림을 압출하기에 충분한 속도를 제공하는 것을 돕기 위해 증가한다.
혼합 패들(160)의 회전 속도를 증가시키면 요구되는 전류가 증가한다. 아래 표는 (아이스크림의 점도에 영향을 미치는) 냉동 과정으로 들어가는 RPM 및 시간의 함수로서 혼합 패들(160)을 구동하는 데 사용되는 현재 프로토타입 기계의 전류를 예시한다.
동결 사이클 시작 후 초 3 15 30 45 60 75 90 105
혼합 패들의 RPM 275 275 275 315 435 558 800 1000
혼합 패들을 구동하는 모터의 전류(밀리암페어) 372 658 1202 1833 2738 4491 9192 13719
혼합 패들(160)의 회전은 포드(150)의 내용물을 분배하기 위해 대략 1 내지 10초 동안 계속된다(단계 280). 그 다음, 기계(100)는 해동(defrost) 모드로 전환한다(단계 282). 증발기(108)에 쌓이는 성에는 증발기(108)의 열 전달 효율을 감소시킬 수 있다. 또한, 증발기(108)는 포드(150)에 동결될 수 있고, 증발기의 제 1 부분(128) 및 제 2 부분(130)은 함께 동결될 수 있고/있거나 포드가 증발기에 동결될 수 있다. 증발기는 바이패스 밸브(190)를 열고, 증발기(108)를 열고, 모터(124)를 끔으로써 이러한 문제를 피하기 위해 사이클 사이에 해동될 수 있다(단계 282). 그 다음 기계는 증발기를 해동하기 위해 약 1 내지 10초 동안 바이패스 밸브를 통해 기체를 우회시킨다(단계 284). 열전대(thermocouple)가 증발기(108)는 이미 어는점 이상이다라고 보고하지 않는 한, 기계는 매 주기 후 해동하도록 프로그래밍된다. 그 다음 포드는 제거될 수 있다. 그 다음, 기계(100)는 공전(idle) 모드로 복귀한다(단계 264). 일부 기계에서, 온도계는 포드(150)의 내용물의 온도를 측정하고 포드의 내용물을 분배할 시간을 식별한다. 일부 기계에서, 미리 결정된 시간이 되면 분배 모드가 시작된다. 일부 기계에서, 혼합 패들을 돌리는데 필요한 토크, 포드의 온도 및/또는 시간의 조합이 포드의 내용물을 분배할 시점을 결정한다. 공전 시간이 만료되면, 기계(100)는 자동으로 전원을 끈다(단계 272). 사용자는 전원 버튼을 누르고 있음으로써 기계(100)의 전원을 끌 수도 있다(286). 전원을 끌 때, 프로세서는 바이패스 밸브(190)를 열어 밸브를 가로지르는 압력을 균등화한다(단계 288). 기계(100)는 10초 동안 기다린 다음(단계 290), 압축기(186) 및 팬을 끈다(단계 292). 그 다음 기계가 꺼진다.
도 16a-16c는 기계(100)를 작동시키기 위해 프로세서(122) 상에서 구현되는 대안적인 방법(1250)의 상세한 흐름도이다. 방법(1250)은 방법(250)과 유사하다. 방법(1250)은 이 명세서에 설명된 냉장 시스템 및 기계와 함께 사용될 수 있다. 방법(1250)은 소프트 서브 아이스크림을 생산하는 것으로 설명되지만 다른 냉각 또는 냉동 음료 및 식품을 생산하기 위해 사용될 수 있다.
방법(1250)의 첫 번째 단계는 기계(100)를 전기 콘센트(electrical outlet)에 연결하는 것이다(단계 1252). 전기 연결이 탐지되면, 프로세서(122)는 모든 변수를 초기화할 수 있다. 프로세서(122) 및 네트워크 하드웨어는 와이파이(WiFi)를 통해 또는 유선 이더넷 연결을 사용하여 소프트웨어 업데이트를 검색할 수 있다(단계 1254). 일부 경우에, 셀룰러 서비스(예를 들어 4G/5G LTE)는 기계(100)에 포함되고, 연결은 소프트웨어 업데이트 및 사용자 장치로 푸시 알림 및 경고에 사용될 수 있다. 단계(1252)는 전기 연결이 탐지되면 발생하며 반드시 기계(100)가 켜질 것을 필요로 하지 않는다.
사용 전에 기계(100)의 적절한 기능을 확인하기 위해, 일단 이 전기 연결이 탐지되면, 시동 루틴이 수행된다(단계 1256). 이 프로세스는 기계 내의 문제 또는 오작동을 식별하고, 기계(1OO)가 사용할 준비가 되었는지 확인할 수 있다. 프로세서(122)는 진행하여 리드 잠금 장치가 제대로 작동하는지 확인하기 위해 리드를 잠근다. 이는 이에 제한되는 것은 아니지만 리미트 스위치, 홀 센서, 전위차계를 포함하는 센서, 또는 리드의 위치와 잠금 메커니즘의 기능을 모니터링할 수 있는 임의의 센서를 사용하여 확인될 수 있다. 이 시간 동안, 기계(100)에서 센서는 혼합 모터가 적절하게 회전하고 있는지 확인한다. 기계에서 센서는 또한 리벳 전단 메커니즘이 홈 위치에 있는지 확인하고, 그렇지 않은 경우 포드가 기계에 제대로 삽입될 수 있도록 홈 위치로 이동된다. 기계(100)에서 센서는 또한 피어싱 모터가 홈 위치에 있는지 확인하고, 그렇지 않은 경우 포드의 조기 피어싱이 방지되도록 홈 위치(즉, 후퇴 위치)로 이동된다.
기계(100)에서 증발기는 폐쇄 위치에 있도록 보장되며, 이는 증발기를 폐쇄하는 모터에 보내진 전류를 사용하여 모니터링될 수 있다. 증발기가 개방될 때 모터에 인가되는 전류는 낮고, 증발기가 폐쇄될 때 모터에 인가되는 전류는 크다. 이 전류에서 차이는 증발기의 폐쇄를 모니터링하는데 사용된다. 미리 결정된 전류는 증발기가 개방되었는지 폐쇄되었는지 모니터링하기 위한 임계값으로 사용된다. 기계(100)는 계속하기 전에 증발기가 폐쇄될 때까지 대기하도록 구성된다. 기계에서 센서는 또한 기계가 켜져 있을 때 증발기가 개방 위치에 있는지 확인한다(단계 1258).
그 다음, 기계(100)는 증발기가 열리고, 피어싱 모터가 후퇴하고(아직 완료되지 않은 경우), 리벳 모터가 홈으로 돌아갈 때까지 대기한다(아직 완료되지 않은 경우). 리드도 잠금 해제된다(단계 1260). 그 다음, 기계(100)는 기계가 켜질 때까지 꺼지거나 저전력 대기 상태로 진입한다(단계 1262).
기계(100) 전원 버튼이 눌려지면, 전원 버튼 조명이 켜진다(단계 1264). 기계 사용자 인터페이스는 LED 링이 있는 단일 버튼을 포함한다. 단일 버튼은 전원 켜기, 시작 및 전원 끄기 버튼 역할을 한다. 일부 기계에서, 하나 이상의 버튼이 사용될 수 있다. 예를 들어, 전원과 아이스크림 제조 프로세스를 위해 별도의 버튼이 사용된다. 이 시점에서, 프로세서(122)는 압축기와 팬이 켜질 것을 지시한다. 증발기의 입구 포트의 온도는 또한 바이패스 밸브를 통해 약 33-40℉이도록 프로세서(122)에 의해 조절된다.
포드(예를 들어, 포드(150))가 기계에 삽입되고 리드가 닫히면(단계 1265), 기계(100)의 프로세서(122)는 포드 상의 식별을 판독한다(단계 1266). 식별은 바코드, RFID 태그, UPC 바, QR 코드와 같이 다양한 방법으로, 또는 앞서 설명한 식별 방법을 사용하여 판독된다. 코드가 탐지되지 않으면, 기계(100)는 단계(1264)로 돌아가서, 리드가 다시 열리고 닫힐 수 있게 한다. 기계는 포드가 제대로 식별되지 않았음을 알리는 경고를 디스플레이 또는 사용자 장치에 보낼 수도 있다. 가청 경고가 사용될 수도 있다. 리드가 다시 닫히면, 포드의 식별이 다시 시도된다. 포드가 프로세서(122)에 의해 적절하게 식별되고 바코드가 탐지되면, 기계(100)는 프로세서(122)가 사용자에게 포드가 식별되었고 기계(100)가 사용할 준비가 되었다는 통지로서 깜박이도록 버튼 조명을 제어하는 단계(1268)로 진행한다. 프로세서(122)는 또한 디스플레이 또는 사용자 장치에 이런 통지의 경고를 보낼 수 있다. 가청 경고가 사용될 수도 있다.
리드가 열리면, 기계(100)는 기계(100)를 재설정하고 포드 식별 프로세스를 반복하기 위해 단계(1264)로 되돌아간다(단계 1266).
전원 버튼이 눌려져 있거나 사용자 상호작용 없이 미리 결정된 시간이 경과된 경우, 예를 들어, 프로세스가 시간을 초과한 경우, 기계(100)의 프로세서(122)는 차단 프로세스를 시작하기 위해 바이패스 밸브를 개방하도록 진행한다(단계 1270). 냉장 시스템의 높은 쪽과 낮은 쪽 사이를 빠르게 압력을 균등화하기 위해 바이패스 밸브가 차단 직전에 열린다. 이는 압축기가 꺼진 직후에 다시 시작되는 경우 압축기 상에 시동 부하를 줄인다. 약 5초 동안 기다린 후, 프로세서(122)는 압축기 및 팬을 끄도록 진행하고(단계 1272), 기계(100)는 기계(100)가 저전력 대기 상태에 들어가는 경우 꺼진다(단계 1262).
도 16b는 방법(1250)의 연속이다. 일단 시작 버튼이 눌려지면, 프로세서(122)는 포드에 포함된 정보에 기초하여 동결 파라미터를 업데이트하도록 진행한다(단계 1274). 일부 경우에, 정보는 온도, 시간, 브랜드, 맛, 포드의 내용물 뿐만 아니라 포드의 기계적 측면, 예를 들어, 포드의 압력, 사용된 포드의 유형, 포드의 치수, 혼합 패들 설계 측면, 또는 리벳 전단 디자인 측면을 식별할 수 있다. 포드 데이터 사용 또는 포드 및/또는 기계와 관련된 데이터는 프로세서(122)를 사용하여 와이파이(WiFi)를 통해 또는 이전에 설명된 셀룰러 네트워크 연결을 사용하여 서버로 전송될 수 있다. 이 데이터는 포드 구독 서비스의 고객 또는 주문 배치의 빈도를 식별하는데 사용될 수 있다. 기계(100)의 리드는 또한 이 시점에서 폐쇄 위치에서 잠기므로 사용자가 기계의 작동 중에 리드를 부주의하게 열 수 없다. 바이패스 밸브 기계도 꺼진다.
증발기는 포드를 붙잡기 위해 폐쇄된다(단계 1276). 이전에 설명된 바와 같이, 미리 결정된 목표 전류는 증발기의 적절한 폐쇄 위치를 식별하기 위해 프로세서(122)에 의해 사용될 수 있다. 증발기는 또한 포드가 증발기에서 중앙에 위치하도록 보장하기 위해 포드의 길이방향 축을 증발기의 길이방향 축과 정렬하도록 사용될 수 있다. 증발기는 피어싱 모터가 캔에 구멍을 내기 전에 폐쇄되어야 하므로, 이는 구멍이 뚫리기 전에 캔이 중앙에 위치하도록 보장해야 한다.
피어싱 모터는 이제 단검을 포드 내로 낮추기 위해 프로세서(122)에 의해 제어된다(단계 1278). 이 명세서에 설명된 바와 같이, 일부 포드에서, 단검은 포드를 뚫은 다음, 단검은 혼합 패들과 회전식으로 맞물린다. 일부 포드에서, 단검은 포드를 뚫을 필요가 없다.
혼합 모터가 포드와 회전식으로 맞물리면, 혼합 모터는 이어서 프로세서(122)에 의해 켜지도록 제어된다(단계 1280). 기계(100) 상의 센서와 프로세서(122)에 연결된 센서는 혼합 모터가 제대로 작동하고 오작동이 탐지되지 않았는지 보장할 수 있다. 프로세서(122)는 혼합 모터의 회전 속도가 점진적으로 증가(램프 업)하도록 명령한다(단계 1282). 이 시점에서, 프로세서(122)는 포드 내부에서 혼합 패들을 회전시키는 혼합 모터를 제어한다. 기계(100)는 이제 아이스크림을 얼리는 과정에 있고 프로세서(122)는 계속하기 전에 이 과정이 완료되기를 기다린다. 앞서 설명한 바와 같이, 정보는 바코드를 통해 포드에서 정보로부터 결정될 수 있다. 정보는 아이스크림의 점도 및 동결 시간을 측정하기 위한 프록시(proxy)가 될 수 있는 모터 토크와 같은 동결 프로세스와 관련될 수 있다. 기계(100)는 프로세서(122)가 아이스크림이 분배를 위한 적절한 조건에 있다는 것을 탐지할 때까지 대기한다.
아이스크림이 분배될 준비가 되면, 사용자는 기계(100) 상의 디스플레이, 사용자 장치로 통지를 사용하여, 또는 가청 경고를 사용하여, 프로세서(122)에 의해 통지된다. 일부 경우에, 프로세서(122)는 전원 버튼 조명이 3회 깜박이도록 제어하지만(단계 1284), 아이스크림 제조 과정의 이러한 상태를 전원이 꺼진 상태 또는 전원이 켜진 상태와 구별하기 위해 임의의 수의 깜박임 또는 조명 패턴이 사용될 수 있다. 리벳 전단 메커니즘의 리벳 모터는 그 후 프로세서(122)에 의해 회전 중이라는 신호를 받는다.
도 16c는 방법(1250)의 연속이다. 리벳 메커니즘이 포드의 리벳과 맞물림에 따라, 모터의 전류가 급격히 증가한다. 전류의 이러한 증가는 리벳 전단 메커니즘이 전단 프로세스 동안 포드의 리벳과 실제로 맞물리는 때를 모니터링하고 탐지하기 위해 프로세서(122)에 의해 사용될 수 있다. 리벳 모터가 계속 회전할 때 리벳 전단 메커니즘으로 인해 포드의 리벳이 포드에서 제거되게 한다(예를 들어, 리벳이 기계적으로 전단될 수 있음). 일부 기계에서, 리벳 또는 돌출부가 전단되거나 제거되는 대신 방해가 되지 않도록 이동된다(예를 들어, 재사용가능한 포드에서는 재사용가능한 리벳을 갖는 것이 유리함). 기계(100)의 프로세서(122)는 계속하기 전에 리벳 모터로 전류에서 스파이크를 보장한다. 전류의 스파이크의 결핍은 기계(100) 오작동의 지표일 수 있다.
리벳이 전단된 후, 프로세서(122)는 포드에 부착된 절단 캡의 구멍을 포드내의 포트와 정렬하기 위해 고정된 거리를 돌리도록 리벳 전단 메커니즘을 제어한다. 이 정렬은 포드의 내용물을 분배하는데 요구된다. 아이스크림은, 나사송곳(auger)이 포드에 얼어 붙는 것을 예방하기 위해 리벳이 전단됨에 따라 혼합한다. 리벳은, 리벳이 전단되는 동안, 아이스크림이 포드로부터 배출되는 것을 예방하기 위해 반드시 전단하고, 빠르게, 예를 들어 2초 미만으로, 250°로 회전하여야 한다(단계 1286). 기계(100)의 프로세서(122)가 리벳이 제거되었음을 탐지하면, 리벳 모터는 꺼질 수 있다(단계 1288).
이제 아이스크림이 기계로부터 분배된다. 포드로부터 거의 모든 아이스크림이 분배된 후, 혼합 모터가 증가된 토크/부하/전류 요구를 경험하는 것이 일반적이다. 이러한 증가된 토크/부하/전류는 증발기가 여전히 공격적으로 냉각되기 때문에 발생하지만, 대부분의 덩어리가 포드로부터 배출되었다. 결과적으로 포드에 남아 있는 아이스크림은 매우 차가워져 혼합 패들을 포드에 얼릴 수 있다. 이 효과를 줄이기 위해, 바이패스 밸브는 거의 모든 아이스크림이 분배된 후(단계 1290) 포드를 약간 데우도록 시간이 설정되고 이는 전형적으로 바이패스 밸브를 열기 전 초 단위의 대기 시간(500ms)을 나타내지만, 이 대기 시간은 포드 및 기계(100) 구성의 정보에 기초하여 조정될 수 있다. 바이패스 밸브가 열릴 때, 증발기가 예열을 시작하는데 몇 초가 걸릴 수 있다는 것을 주의한다. 이 프로세스가 완료되면, 전형적으로 10ms의 대기 시간 후, 바이패스 밸브가 닫힌다(단계 1292). 그 다음, 기계(100)는 계속하기 전에 모든 아이스크림이 분배될 때까지 대기한다(단계 1294).
분배 프로세스 동안, 혼합 모터의 속도도 증가된다(단계 1295). 혼합 모터는 약 4~12초일 수 있는 분배 프로세스 동안 회전을 계속한다.
이 시점에서, 기계(100)은 리셋 프로세스를 시작할 준비가 된다(단계 1296). 먼저, 프로세서(122)는 혼합 모터를 회전시키고 끄도록 명령한다. 냉각 주기가 완료된 후, 및 포드가 제거되기 전에, 포드는 증발기에서 영하 바로 아래로 냉각된다. 표면적으로, 증발기 입구 온도는 바이패스 밸브를 통해 약 25-30℉로 프로세서(122)에 의해 조절된다. 이 온도는 바이패스 밸브가 포드로부터 증발기를 해동할 때 포드로부터 액체가 누출되는 것을 예방하고, 증발기가 열리고 포드가 제거되기 전에 필요한 단계이다.
프로세서(122)는 추가로 리벳 모터를 홈 위치로 명령하고 피어싱 모터가 후퇴하도록 명령한다. 프로세스는 하나 이상의 센서가 리벳 모터가 홈 위치에 있고 피어싱 모터가 후퇴된 위치에 있음을 탐지할 때까지 대기한다.
기계(100)의 프로세서(122)는 사용자가 리드를 들어올려 포드의 상부를 노출시킬 수 있도록 리드의 잠금을 해제하도록 명령한다(단계 1297). 이 시점에서, 프로세서(122)는 바이패스 밸브를 통해 증발기 입구 온도를 약 33-40℉로 조절한다(단계 1298). 프로세서(122)는 계속하기 전에 증발기 출구 온도가 적어도 32℉에 도달할 때까지 대기할 수 있다.
이 시점에서, 프로세서(122)는 기계(100)의 리셉터클(receptacle)로부터 포드(150)의 제거를 예상하여 포드가 증발기의 그립으로부터 해제되도록 증발기가 열리도록 명령한다. 프로세서(122)는 또한 이 과정 동안 미리 결정된 시간 동안 증발기가 열린 상태를 유지하도록 허용할 수 있다(단계 1299). 그 다음, 포드(150)는 기계(100)로부터 제거된다(단계 1293).
그 다음, 기계는 기계(100)의 프로세서(122)가 다음 포드가 삽입될 준비가 되도록 기계(100)를 구성하는 단계(364)(도 16a에 도시됨)로 되돌아간다.
도 17a-17d는 기계(300)의 사시도이다. 기계(300)는 기계(100)와 실질적으로 유사하지만 포드(150)를 삽입하고 기계(300)의 구동축을 포드(150)로 연결하기 위한 리드(112)를 열기 위한 상이한 메커니즘을 가진다.
도 17a는 리드(112)가 닫힌 위치에 있는 기계(300)를 도시한다. 이 위치에서, 핸들(302)은 리드(112)와 같은 높이에 있다. 도 17b는 중간 위치로 올려진 핸들(302)을 도시한다. 이 위치에서, 리드(112)는 여전히 증발기(108)를 덮지만, 도 18a 및 18b와 관련하여 더 상세히 설명되는 바와 같이, 구동축(126)은 약간 상승된다.
기계(300)의 보조 커버(115)는 기계(100)의 보조 커버(115)처럼 회전하기보다는 하우징(104)으로 다시 미끄러진다. 도 17c는 핸들(302)이 더 들어올려짐에 따라, 핸들(302)이 보조 커버(115)가 하우징(104) 아래에서 뒤로 미끄러지기 시작하면서 리드(112)를 열린 위치로 들어올리는 것을 보여준다. 도 17d는 포드(150)가 증발기(108) 내로 삽입될 수 있을 만큼 충분히 후방으로 관절로 이어지는 핸들(302) 및 리드(112)를 위한 공간을 남기고 하우징(104) 내로 완전히 후퇴된 보조 커버(115)를 도시한다.
도 18a 및 18b는 증발기(108)의 내부 영역으로 구동축(304)의 삽입을 예시하는 기계(300)의 부분 단면도이다. 구동축(304)은 핸들(302)에 부착된다. 도 18a에 도시된 바와 같이, 구동축(304)은 핸들(302)이 중간 위치에 있을 때 포드(150)에 가깝지만 이격되어 있다. 핸들(302)을 폐쇄 위치로 이동시키면 구동축(304)이 포드(150)의 제 2 단부를 통해 내부 혼합 패들과 맞물리게 된다.
도 19는 구동축(304)의 부분 절단 사시도이다. 구동축(304)은 톱니(306), 잠금 섹션(308), 및 플랜지(310)를 포함한다. 핸들(302)의 폐쇄 위치로의 이동이 구동축(304)을 포드(150)의 제 2 단부(212)를 통해 힘을 가할 때, 톱니(306)는 포드(150)의 제 2 단부(212)를 지나간다(도 9c 참조). 일부 시스템에서, 톱니가 없는 날카로운 모서리가 사용된다.
잠금 섹션(308)은 혼합 패들(160)에서 보어(bore)에 수용된다. 혼합 패들(160)에서 보어 및 구동축(304)의 잠금 섹션(308)은 일치하는 형상을 가지므로 구동축(304)의 회전은 혼합 패들(160)의 회전을 야기한다. 구동축(304)은 정사각형 단면을 갖는 잠금 섹션(308)을 갖는다. 일부 구동축은 다른 모양(예를 들어, 육각형 또는 팔각형 단면)의 잠금 섹션을 갖는다. 구동축(304)의 플랜지(310)는 핸들(302)에 부착된다. 중앙 보어(312)는 구동축(304)을 통해 연장된다. 구동축(304)이 포드(150) 내로 삽입될 때, 냉각된 음식 또는 음료가 혼합되고 포드(150)의 다른 쪽 끝으로부터 배출/분배될 때, 구동축(304)의 중앙 보어(312)는 공기가 포드 내로 흐르도록 허용한다. 일부 구동축은 고체 재료로 만들어진다.
일부 기계에서, 구동축(304)은 구동축(304)의 천공/원위 단부가 구동축(304)의 중앙 부분보다 직경이 더 넓도록 구성되어 알루미늄 포드에 생성된 구멍이 구동축(304)의 중앙 부분의 직경보다 더 넓다. 이러한 구성은 구동축의 중앙 부분이 회전하는 동안 포드와 접촉할 가능성을 줄인다. 또한, 구동축(304)은 구동축(304)에 부착되는 포드 성분의 양을 감소시키는 자가 세척 및/또는 소수성 코팅으로 코팅될 수 있다. 일부 기계에서, 구동축(304)은 천공 프로세스 동안 포드(150)의 제 2 단부(212)를 치지 않도록 풀린다.
도 20은 기계(300)의 분배기(153)의 사시도이다. 환형 부재(161)의 돌출부(163)는 도웰(dowel) 형상이 아니라 직사각형 형상이다. 분배기(153)는 그외에는 기계(100)의 분배기(153)와 실질적으로 동일하다.
일부 기계는 기계(100) 이외의 포드-기계 인터페이스에 대한 다른 접근 방식을 구현한다. 예를 들어, 일부 기계는 증발기에 의해 한정된 리셉터클을 노출시키기 위해 기계의 본체에 대해 이동가능한 포드-기계 인터페이스를 갖는다. 적재 시스템은 기계의 본체에 대해 포드-기계 인터페이스의 위치를 제어할 수 있다. 이러한 기계 중 일부에서, 리드는 기계의 본체에 대해 위치에 고정된다.
도 21a-21c는 포드(354) 주위에 증발기(352)를 클램핑하기 위해 리드(402)를 사용하는 포드-기계 인터페이스(350)와 관련된 웨지 시스템(400)을 예시한다. 도 21a 및 21b는 각각 증발기로부터 이격된 리드(402)를 갖는 포드-기계 인터페이스(350)의 개략적인 사시도 및 개략적인 측면도이다. 도 21c는 폐쇄 위치에서 리드(402)와 맞물리는 포드-기계 인터페이스(350)의 개략적인 측면도이다.
증발기(352)의 각 측면은, 입구 포트(368) 및 출구 포트(369)와 증발기(352)의 벽 내부에서 채널을 연결하는 매니폴드(404)를 갖는다. 매니폴드(404)는 입구 포트(368) 및 출구 포트 근처에 경사진 부분(406)을 갖는다. 리드(402)는 증발기(352)를 마주하는 면 상에 웨지(408)를 갖는다. 웨지(408)는 평평한 표면(410) 및 경사진 표면(412)을 갖는다. 포드-기계 인터페이스(350)가 리드(402)와 맞물릴 때(예를 들어, 고정 위치 증발기를 향한 리드의 이동에 의해 또는 고정 위치 리드를 향한 증발기의 이동에 의해), 리드(402) 상의 웨지(408)는 매니폴드(404)의 경사진 부분(406)과 접촉한다. 이동은 증발기 상에 매니폴드(404)의 경사진 부분(406)에 힘을 가하고 단단한 끼움을 위해 포드(354) 주위에서 폐쇄된 증발기(352)의 제 1 부분 및 제 2 부분을 클램핑한다. 폐쇄된 리드(402)를 걸쇠로 잠그는 것(latching)은 이러한 단단한 끼움을 유지한다.
이전에 설명된 적재(load) 메커니즘은 포드-기계 인터페이스의 상부로부터 리셉터클 내로 포드를 삽입함으로써 포드를 수용한다. 일부 기계는 포드-기계 인터페이스의 하부로부터 포드를 적재한다.
도 22a-22c는 혼합 패들(546)의 상보적 리세스(544)와 맞물리기 위한 미늘 단부(542)를 갖는 구동축(540)을 도시한다. 구동축의 미늘 단부는 구동축을 혼합 패들에 회전식으로 커플링한다. 미늘 단부(542)를 갖는 구동축은 정사각형 단부를 갖는 구동축보다 포드를 더 쉽게 뚫을 수 있다.
도 23은 도 17a-17d에 도시된 기계(300)와 실질적으로 유사한 기계(550)의 사시도를 도시한다. 그러나, 기계(550)는 구동축을 상하로 이동시키기 위해 피니언(pinion)(554)에 연결된 핸들(552)을 갖는다. 핸들(552)은 삼각형 형상이고, 제 1 단부(556)에서 제 2 단부(558)로 넓어진다. 핸들(552)의 제 1 단부(556) 상의 딤플(dimple)(560)은 그립핑(gripping) 표면을 제공한다. 딤플(560)은 핸들(552)을 잡을 위치를 사용자에게 지시한다. 일부 핸들은 다른 형상(예를 들어, 직사각형, 정사각형 또는 원형)을 갖는다. 일부 핸들은 도 17a에 도시된 핸들(예를 들어, 핸들(302))과 같은 모양이다. 리세스(562)는 핸들의 제 2 단부(558)로부터 핸들(552) 내로 연장된다. 피니언(554) 및 엘리베이터 샤프트(564)는 리세스(562)에 배치된다. 사용자는 리드(112)를 개방하기 위해 제 2 단부(558)에 대해 핸들(552)을 회전하기 위해 핸들(552)의 제 1 단부(556)를 들어올린다. 사용자는 핸들(552)을 제2 단부(558)에 대해 회전하고 리드(112)를 닫기 위해 핸들(552)의 제1 단부(556)를 하향으로 누른다.
도 24a-24e는 도 17a-17d의 기계(300) 상의 핸들(302)과 유사하게 작동하는 핸들(555)을 갖는 기계(600)를 도시한다. 그러나, 도 24a-24e에서 핸들(555) 및 리드(112)는 동일한 힌지에 대해 회전한다. 핸들(555)도 더 크고 사용자가 핸들을 통해 구동축에 힘을 가하기 위해 손 전체를 사용할 수 있다. 핸들(555)의 길이는 핸들(555)에 의해 제공되는 기계적 이점을 증가시키고 포드에 구멍을 뚫고 구동축(304)과 맞물리기 위해 사용자에 의해 가해지는 힘의 필요 양을 감소시킨다. 도 24b에 도시된 바와 같은 포드(150)는 또한 혼합 패들(160)과 맞물리는 센터링 헤드(580)를 포함한다. 센터링 헤드(580)는 회전축을 따라 중앙 스템(228)과 함께 제 위치에 혼합 패들(160)을 유지한다. 도 24a 및 24b는 폐쇄 위치에 있는 핸들(555) 및 리드(112)를 도시한다. 구동축(304)은 포드(150)를 뚫고 혼합 패들(160)과 맞물리기 위해 증발기 내로 연장된다. 도 24c 및 24d는 개방 위치에 있는 핸들(555) 및 폐쇄 위치에 있는 리드(112)를 도시한다. 구동축(304)은 후퇴되고, 리드(112) 내에 유지된다. 도 24e는 개방 위치에 있는 리드(112) 및 핸들(555)을 도시한다. 증발기(108)가 노출되고 포드(150)가 증발기(108)에 삽입될 수 있다.
도 25a-25c는 핸들(555)과 실질적으로 유사한 스프링-부하된 핸들(575)을 갖는 기계(650)를 도시한다. 스프링-부하된 핸들은 도 25a의 평면도에서 폐쇄 위치에서 기계(650)에 탑재된 것으로 도시된다. 스프링(576)은 구동축(304)이 포드(150)를 뚫고 혼합 패들(160)과 맞물리기 위해 증발기로 연장되기 때문에 핸들(575)의 부드러운 전환을 제공한다. 스프링(576)은 베어링 하우징(577)(도 25c에서 가장 잘 보임) 및 핸들(575)에 연결된다. 커버(585)는 제 2 스프링(579)(도 25c에서 가장 잘 보임) 위로 연장되고, 제 2 스프링(579)의 힘은 기계(650) 상에서 핸들(575)의 상승/하강을 용이하게 할 수 있다. 보조 커버(115)와 실질적으로 유사한 보조 커버(583)는, 후퇴된 위치에 도시된다.
도 25b는 폐쇄 위치에서 기계(650) 상에 탑재된 핸들(575)의 사시도이다. 보조 커버(583)는 폐쇄 위치로 도시된다. 한 쌍의 편향기(581, 582)는 핸들(575)의 커버(585)와 맞물린다. 한 쌍의 편향기(581, 582)는 보조 커버(583) 상에 탑재된다.
도 25c는 핸들(575)의 단면을 보여주는 부분 절단도이다. 위치 핀(578)은 스프링(276)의 위치를 설정한다. 위치 핀은 베어링 하우징(577)에 연결된다. 핸들(575)이 들어올려지면, 들어올리고 닫는 동안 바인딩 없이 베어링이 앞뒤로 미끄러지도록 돕기 위해 베어링의 각도가 변한다. 스프링(276)은 베어링이 궤도에 머무르는 것을 돕는다. 제 2 스프링(579)은 베어링 하우징(577)의 후방에 위치되고, 핸들(575)의 부드러운 전환을 추가로 제공한다. 핸들(575)은 볼트(미도시)와 같은 기계적 조임쇠(fastener)에 의해 커버(585)에 연결된다.
도 26a-27b는 슬라이딩 리드 어셈블리(701)를 갖는 기계(700)를 도시한다. 이러한 슬라이딩 리드 어셈블리(701)는 상향으로 개방하는 리드 어셈블리를 갖는 기계에 비해 기계(700)의 전체 높이를 감소시킬 수 있다. 이 접근 방식은 기계(700)를 더 컴팩트하게 만들고 찬장 아래의 주방 조리대에 맞출 수 있다.
기계(700)는 이전에 논의된 기계(예를 들어, 기계(650))와 실질적으로 유사하다. 그러나, 슬라이딩 리드 어셈블리(701)는 폐쇄 구성(705)(도 26a 및 26b에 도시됨)에서 개방 구성(706)(도 26c에 도시됨)으로 이동하기 위해 트랙 또는 레일(707, 708)을 따라 미끄러진다. 개방 구성(706)에서, 포드(150)에 접근하기 위한 기계(700)의 개구(710)를 드러내기 위해 커버(702)를 슬라이딩하기 위해, 슬라이딩 리드 어셈블리(701)는 선형 레일(707, 708)을 따라 후향으로 병진한다. 슬라이딩 리드 어셈블리(701)를 폐쇄 구성(705)에서 개방 구성(706)으로 병진하기 위해 사용자는 전형적으로 핸들(715)을 밀고/당긴다.
도 27a 및 27b는 패들을 구동하기 위해 모터(모터는 미도시되지만 풀리(712) 및 벨트(711)를 구동하기 위해 플레이트(716) 아래에 배치됨) 및 포드(150) 내로 하향으로 구동축/플런지(구동축/플런지는 미도시)를 구동하기 위해 솔레노이드(713)를 함유하는 기계(700)의 플랫폼(714)을 도시한다. 풀리(712)는 모터의 구동축에 탑재되고, 모터는 플레이트(716)에 탑재된다. 모터가 슬라이딩 리드 어셈블리(701)에 기계적으로 연결되기 때문에, 모터는 슬라이딩 리드 어셈블리(701)가 폐쇄 구성(705)에서 개방 구성(706)으로 병진함에 따라 병진한다. 모터는 풀리(712) 및 벨트(711)를 통해 패들에 회전식으로 커플링된다. 벨트(711)는 리드가 개방 위치에 있을 때와 리드가 폐쇄 위치에 있을 때 모두 장력 하에 있다. 하지만, 기어 시스템과 같은 다른 구동 메커니즘도 사용될 수 있다. 벨트(711)는 또한 슬라이딩 리드 어셈블리(701)와 함께 병진하고 벨트 텐셔닝 시스템이 또한 사용될 수 있다(미도시). 슬라이딩 리드 어셈블리(701)가 폐쇄 구성(705)에 있고 사용할 준비가 되면, 솔레노이드(713)는 구동축과 맞물리고 구동축이 포드(150) 내로 하향으로 낙하하게(미도시) 사용된다. 구동축/플런저/단검이 포드(150)의 돔형 단부를 통과하여 찌르고, 포드(150)의 (혼합 패들(160)과 같은) 혼합 패들의 육각형 공동과 맞물린다(이러한 세부 사항은 이전에 논의되었으며, 도 27a 및 27b에 미도시됨). 구동축은 벨트(711)에 회전식으로 커플링되어, 구동축이 포드(150) 내에 패들(미도시)에 결합되면 모터가 구동축을 회전식으로 구동할 수 있다.
도 28a-28d는 이전에 논의된 기계(예를 들어, 기계(600))와 실질적으로 유사한 기계(650)를 도시한다. 그러나, 기계(650)에서 솔레노이드(713)는 구동축/플런저/단검을 활성화하고 포드(150) 내로 맞물리는데 사용되지 않는다. 대신, 모터(750)는 풀린(disengaged) 구성(760) 및 맞물린 구성(761) 사이에 구동축을 축방향으로 병진시키기 위해 랙(752) 및 피니언(751) 시스템을 사용하여 구동축(755)에 연결된다. 모터(750)는 구동축(755)에 수직으로 배향된다. 구동축(755)은 다음 차이점을 제외하고는 앞서 설명된 구동축과 실질적으로 유사하다. 한 세트의 베어링(753, 754)은 구동축(755)이 중심축(756) 주위를 회전하게 한다. 구동축(755)은 벨트(757)를 사용하여 혼합 모터(미도시)에 회전식으로 커플링된다. 벨트(757)는 중개 부재(766)를 갖는 간섭 끼움(interference fit)(전형적으로, 압력-끼움)인 풀리(767)를 회전시킨다. 중개 부재(766)의 육각형 보어(770)는 구동축(755)의 육각형 섹션(769)을 갖는 쐐기로 죈 연결(keyed connection)을 허용한다. 이 쐐기로 죈 연결은 풀리(767)의 회전을 구동축(755)에 기계적으로 커플링시켜, 구동축(755)은 풀리(767)에 대한 회전이 제한된다. 중개 부재(766)는 베어링(768)에 회전식으로 연결되어, 프레임(758) 및 프레임(771)에 대하여 자유롭게 회전하는 것을 허용한다.
구동축(755)은 베어링(754)에 대향하여 결합하는 숄더(762)와 베어링(753)에 대향하여 결합하는 스냅 링(759)을 사용하여 축방향으로 고정된다. 베어링(753, 754)은 하우징(763)에 고정된다. 하우징(763)은 모터(750)를 하우징(763)에 축방향으로 커플링하는 랙(752) 및 피니언(751) 시스템을 사용하여 풀린(disengaged) 구성(760) 및 맞물린 구성(761) 사이에 축방향으로 병진한다. 하우징(763)은 프레임(758)의 보어(765) 내에서 축방향으로 병진한다. 혼합 모터(미도시)는, 전형적으로 더 작고 덜 강력한, 벨트(757) 및 모터(750)를 통해 구동축(755)을 회전시키고, 랙(752) 및 피니언(751) 시스템을 통해 구동축(755)을 축방향으로 병진시킨다. 모터(750)는 모터 마운트(764)를 통해 하우징(763)에 부착된다.
이전 기계와 대조적으로, 기계(650)는 구동축(단검)을 포드를 통과하여 펀칭하기 위해 사용자가 핸들을 수동으로 조작할 것을 요구하지 않는다. 기계(650)에서, 이 동작은 모터(750)에 의해 제어되고 기계(650)에 의해 자동으로 제어된다. 이것은 사용자가 필요한 관통력을 적용하기 위해 핸들을 수동으로 조작하는데 어려움을 갖는 경우 이점을 제공한다. 일부 기계에서, 온보드 컨트롤러는 모터(750) 상의 인코더(미도시) 및 리미트 스위치(미도시)를 사용하여 구동축(755)의 축방향 위치를 모니터링한다. 예를 들어, 사용자가 포드(예를 들어, 포드(150))를 삽입하고 시작 버튼을 누를 때, 증발기가 닫히고 구동축(755)이 포드(150) 속으로 낙하하면서, 패들의 나사송곳 헤드(auger head)와의 적절한 정렬을 보장하기 위해 잠재적으로 뒤흔들거리거나 회전하고, 혼합과 냉동이 시작된다.
도 29a는 대안적인 구동축(단검/플런저) 어셈블리(800)의 측면도의 단면도를 도시한다. 구동축 어셈블리(800)는 구동축(806)은 풀리(801)를 통해 혼합 모터(미도시)의 작동만으로 포드를 뚫기 위해 하강되도록 설계된다. 혼합 모터의 회전의 역전, 및 따라서 풀리(801)는 구동축(806)을 완전히 후퇴시킨다.
구동축 어셈블리(800)는 풀리(801)를 구동하기 위해 혼합 모터(미도시)를 사용한다. 풀리(801)는 회전하고 제 1 스프래그(sprag) 베어링(802)과 맞물린다. 제 1 스프래그 베어링(802)은 일방향 회전 베어링 또는 랫칫(ratchet) 시스템이고, 이는 (i) 베어링의 내경이 베어링의 외경에 대해 제 1 회전 방향으로 회전하도록 하고, (ii) 베어링의 내경이 베어링의 외경에 대해 반대 회전 방향으로 회전 잠금하도록 한다. 제 1 스프래그 베어링(802)은 중재 피스(803)에 연결되어, 제 1 스프래그 베어링(802)이 제 1 회전 방향으로 회전할 때, 중재 피스(803)는 풀리(801)에 회전식으로 잠기고 다른 방향으로 미끄러진다. 중재 피스(803)는 제 2 스프래그 베어링(804)에 연결된다. 제 2 스프래그 베어링(804)은, 제 1 스프래그 베어링(802)이 미끄러질 때 제 2 스프래그 베어링(804)이 회전식으로 잠기고 그 반대도 성립되도록, 제 1 스프래그 베어링(802)과 반대 방향으로 배향된다. 제 2 스프래그 베어링(804)은 하우징(805)에 연결된다. 따라서, 혼합 모터를 한 방향으로(즉, 시계 방향(821)으로, 또한 방향(820)을 바라보는 관찰자에 대해) 회전할 때, 중재 피스(803)는 풀리(801)와 함께 회전하고; 그렇지 않으면(즉, 반시계 방향, 또는 시계 방향(821)의 반대 방향), 중재 피스(803)는 하우징(805)에 고정된다.
구동축(806)은 거의 전체 길이가 왼손방향 나사산이 있다. 나사산은 나사산 인터페이스(812)에서 풀리(801)의 보어 내부에서 내부 나사산과 맞물린다. 멈춤쇠(detent) 핀, 스프링 멈춤쇠 핀 또는 스프링 멈춤쇠(807)는 전형적으로 압력-끼움을 통해 구동축(806)의 상부에 위치된다. 혼합 모터가 시계 방향(821)으로 회전하기 시작할 때, 풀리(801)가 회전하며, 구동축(806)도 회전하기 시작한다. 구동축(806)의 스프링 멈춤쇠(807)는 스프링 멈춤쇠(807)가 인터페이스(810)에서 하우징(805)의 돌출부(808 또는 809) 중 하나와 맞물릴 때까지 하우징(805)의 홈(811)(도 29b에서 가장 잘 보임)에서 회전한다. 인터페이스(810)는 구동축(806)의 추가적인 회전을 예방한다. 풀리(801)의 추가적인 시계 방향(821) 회전은 구동축(806)의 병진을 유발하고, 나사산 인터페이스(812)에서 풀리(801)의 보어로 스레딩(threading)을 시작한다. 스레딩은 스프링 멈춤쇠(807)가 중재 피스(803)의 리세스(813)와 맞물리고(도 29d에서 가장 잘 보임) 숄더(815)와 더 맞물릴 때까지 계속된다. 이 시점에서 스프링 멈춤쇠(807), 및 따라서 구동축(806)은 제 1 및 제 2 스프래그 베어링(802, 804)이 작동 단계 동안 풀리(801)와 함께 회전하도록 구성되기 때문에 풀리와 함께 시계 방향(821)으로 회전하기 시작한다. 구동축(806)의 단검(814)은 이제 포드를 뚫기 위해 완전히 낮아진다.
혼합 모터의 회전이 역전되면, 즉, 반시계 방향(822)으로, 구동축(806)은 자동으로 후퇴한다(즉, 다른 모터 또는 작동 방법이 필요하지 않음). 후퇴 단계 동안, 중재 피스(803)는 제 1 및 제 2 스프래그 베어링(802, 804)에 의해 풀리(801)에 대해 고정된다. 일단 회전이 역전되면, 스프링 멈춤쇠(807)는 중재 피스(803)의 리세스(813)의 숄더(815)로부터 멀어지는 방향으로 반시계 방향(822)으로 회전한다. 리세스(813)는 작은 숄더(816)에서 스프링 멈춤쇠(807)를 후퇴시킨다.
도 30은 작은 숄더(816)와 맞물리는 스프링 멈춤쇠(807)를 도시한다. 이 시점에서, 풀리(801)의 추가적인 반시계 방향(822) 회전은 구동축(806)이 풀리(801)의 보어 밖으로 그리고 하우징(805)의 홈(811) 안으로 스레딩을 시작하게 한다. 추가적인 반시계 방향 회전(822)은 계속해서 구동축 어셈블리(800)가 리셋되게 풀리(801)로부터 구동축을 나사를 푼다. 구동축 어셈블리(800)는 이제 리셋되고(완전히 후퇴됨) 다시 사용될 수 있다.
풀리(801)의 시계 방향(821) 회전이 구동축(806)과 맞물리고 반시계 방향(822) 회전이 이 기계에서 풀리(801)를 푸는 동안, 일부 기계는 반시계 방향 회전은 구동축과 맞물리고 시계 방향 회전은 구동축을 푸는 구동축 어셈블리(800)의 미러 버전을 갖는다.
도 31은 증발기 어셈블리를 제외하고는 이전의 기계와 실질적으로 유사한 기계(900)의 사시도의 단면도이다. 기계(900)에서, 증발기(902)는 프레임(903)에 탑재되고 증발기(902)의 개폐를 제어하는 모터(901)에 연결된다. 모터(901)는 모터(901) 및 증발기(902)의 개폐 작용 사이의 인-라인 연결을 허용하는 프레임(903)에 직접 탑재된다. 모터 시스템은 기계적 복잡성이 감소된 컴팩트 시스템을 제공할 수 있다.
도 32a 및 32b는 각각 도 31에 도시된 증발기 어셈블리의 사시도 및 부분 절개 사시도를 도시한다. 증발기(902)는 스프링(905)에 의해 개방 위치에서 편향된다. 모터(901)가 동력을 공급받을 때, 모터(901)는 나사산 연결을 통해 볼트(910) 상으로 너트(911)를 구동한다. 이러한 스레딩 작용은 왼쪽 브래킷(908)과 오른쪽 브래킷(909)(도 32a 및 32b에 대해 관찰된 왼쪽 및 오른쪽) 사이의 공간을 감소시킨다. 모터(901)의 토크는 커플러(907)를 사용하여 너트(911)에 연결된다. 커플러(907)는 육각형 보어를 통해 너트(911)와 결합되는 크기이다. 모터(901)의 토크는 스프링(905)을 압축하고 폐쇄된 증발기(902)를 압착한다. 볼트(904, 906)는 폐쇄 작용에 대한 엄격한 제한을 제공하여 증발기에 존재하는 포드가 찌그러지지 않도록 한다(포드는 증발기(902)에 미도시됨). 각각의 개별적인 볼트(904, 906)의 단부는 최종 폐쇄 위치에 도달할 때 오른쪽 브래킷(909)과 맞물려 이 엄격한 제한을 제공한다. 모터의 역전 시에, 스프링(905)은 포드를 해제하기 위해 증발기(902)의 개방을 도우며 팽창한다.
도 33a는 냉장 시스템(109)과 실질적으로 유사한 냉장 시스템(930)의 개략도이다. 냉장 시스템은 응축기(180), 흡입 라인 열교환기(182), 팽창 장치(184), 및 압축기(186)를 포함한다. 고압의 액체 냉매는 응축기(180)로부터 흡입 라인 열교환기(182) 및 팽창 장치(184)를 통해 증발기(108)로 흐른다. 팽창 장치(184)는 액체 냉매 유체의 흐름을 제한하고 액체 냉매가 팽창 장치(184)를 떠날 때 액체 냉매의 압력을 낮춘다. 그러면 저압 액체는 포드(포드(150)와 같음)로부터 열이 흡수되는 증발기(108)로 이동하고, 증발기(108)에서 내용물은 냉매를 액체에서 기체로 변화시킨다. 기체-상 냉매는 증발기(108)로부터 흡입 라인 열교환기(182)를 통해 압축기(186)로 흐른다. 흡입 라인 열교환기(182)에서, 증발기(108)를 떠나는 차가운 증기는 응축기(180)를 떠나는 액체를 미리-냉각시킨다. 냉매는 저압 기체로서 압축기(186)에 들어와서 고압 기체로서 압축기(186)를 떠난다. 그 다음 기체는 열교환기가 냉각하고 냉매를 액체로 응축시키는 응축기(180)로 흐른다.
제 2 바이패스 라인(190)은 증발기(108)에 따뜻한 기체를 적용하여 증발기(108)를 해동(defrost)할 수 있게 한다. 압축기(186)의 배출구를 압축기(186)의 입구에 직접 연결하는 제 1 바이패스 라인(188)도 사용될 수 있지만, 미도시된다. 제 1 및 제 2 바이패스 라인(188, 190)은 밸브(솔레노이드 밸브 또는 스로틀 밸브와 같음 - 미도시)를 사용하여 활성화 및 비활성화될 수 있다.
소비자는 기계가 예열될 때까지 몇 분을 기다리지 않고 첫 번째 사이클에서 고품질의 빙과를 기대한다. 모세관 열교환기(182)를 갖는 냉장 시스템(예를 들어, 냉장 시스템(109))은 능동적으로 제어되지 않으며 안정된 상태에 도달하는데 능동적으로 제어되는 시스템(예를 들어, 열 팽창 장치 또는 밸브를 사용하는 시스템)보다 더 오래 걸릴 수 있다. 기계가 처음 켜질 때, 워밍업 프로세스는 "고온 기체 바이패스 모드"로 들어가며, 이는 증발기(108) 온도를 주변 조건 미만으로 제어하기 위해 솔레노이드를 순환시킨다.
표준 냉각 모드 대비 고온 기체 바이패스 모드에서 기계를 시동할 때의 위험은 증발기에 포드 또는 열 부하가 없으면 냉매가 압축기(186)로 복귀하기 전에 완전히 기화되지 않아 비압축성 액체를 압축하기 위해 시도함으로써 압축기 손상을 일으킬 위험이 있다는 것이다. 고온 기체 바이패스 접근 방식의 또 다른 한계는 시스템이 몇 분 후에 다소 "예열"되지만 냉각 조건에서 경험할 실제 온도가 아니라는 것이다. 또한, 바이패스 모드 동안, 모세관 오리피스(182)는 냉각 모드 동안의 흐름과 다른 일정하게 변화하는 유량을 수용한다.
포드(예를 들어, 포드(150))가 증발기(108)에 삽입되고 냉각 프로세스가 시작될 때, 온도 및 냉매 유량은 고온 기체 바이패스 모드 조건에서 냉각 조건으로 조정하는데 시간이 필요할 것이다. 이 지연은 포드가 냉각 모드의 증발기에 있는 경우에 비해 제품을 냉각하는 시간을 증가시킨다. 그러나 열 부하 없이 냉각 모드에서 냉동 프로세스를 시작하면 압축기가 손상될 위험이 있다.
냉장 시스템(930)은 온도 및 냉매 유량이 고온 기체 바이패스 모드 조건으로부터 냉각 조건으로 조정하는 시간을 필요로 하는 지연에 대한 해결책으로서 냉각 모드로 직접 들어간다. 증발기(108) 전후에 위치된 전기 히터(931)는 냉각 아이스크림을 시뮬레이션하기 위해 시동 시 열 부하를 제공한다. 히터는 포드 내의 액체 아이스크림 믹스가 냉매 시스템(930)에 영향을 미치는 방법과 유사하게 냉매를 기화시켜, 냉매 시스템(930)이 기계 내에 아이스크림 포드를 배치할 필요 없이 냉매 온도, 압력 및 유량에 대한 안정된 상태 냉각 조건을 달성할 수 있게 한다. 주변(실온) 시작부터, 기계는 냉장 시스템(109)보다 빠르게 안정된 상태에 도달할 것이고 압축기를 손상시킬 위험이 없다. 도 33a에 예시되지는 않았지만, 제 1 바이패스 라인(188) 또는 밸브(도 6에 도시된 바와 같음)는 냉장 시스템(930)에서 사용될 수도 있다.
도 33b는 열 배터리(941)를 사용하는 냉장 시스템(940)을 도시한다. 열 배터리(941)는 증기 압축 시스템으로부터 일부 냉각 부하를 제거하여 동결 시간을 감소시키기 위해 열 "커패시턴스" 또는 "저장소"를 제공한다. 기계가 실온에서 시동될 때, 밸브(942 및 943)(예를 들어, 솔레노이드 밸브 또는 스로틀 밸브)는 개방되고 열 배터리(941)는 냉매를 수용하지 않는다. 1차 냉각 사이클의 끝을 향하거나 또는 끝에서, 밸브(943)가 닫히고 차가운 냉매가 열 배터리(941)로 흐른다. 차가운 냉매가 열 배터리(941)로 흐를 때, 열 배터리(941) 내부의 파라핀이 고화된다. 한 사이클의 끝에서 열 배터리를 사전 냉각하면 열 배터리(941)가 다음 냉각 사이클 동안 압축기(186) 상에 냉각 부하를 줄이기 위해 사용되게 허용할 것이다. 재료를 고화시키는데 필요한 에너지는 온도를 낮추는데 필요한 에너지에 비해 크다.
왁스가 열 배터리(941)에 사용된다. 많은 왁스는 열 배터리(941)에 사용하기에 편리한 온도에서 고화된다. 일부 왁스(예를 들어, 알케인)는 5℃-10℃ 범위에서 융점을 갖는다. 예를 들어, 도데케인(Dodecane) 왁스 또는 트라이데케인(Tridecane) 왁스는 이 범위의 융점을 갖는다. 냉장 시스템(940)의 고온 측과 저온 측 온도 사이의 온도에서 고화되고, 열 "커패시턴스"를 저장하고 후속 냉각 사이클 상에 해당 커패시턴스를 전달하거나 사용할 수 있기 때문에, 이들 왁스는 열 배터리(941)에 사용된다. 기계가 냉각 모드에 있지 않거나 최소한 사용자가 기계가 냉각될 것으로 예상하지 않을 때 에너지가 왁스로부터 제거된다. 열 배터리(941)를 냉각하면 압축기(186)에 손상을 줄 수 있는 액체 냉매로부터 압축기(186)를 보호하는 냉매를 가열하는 추가 이점을 갖는다. 두 번째 냉각 사이클 동안, 밸브(942)는 폐쇄되어 고온 액체 냉매를 열 배터리(941)로 보내고, 이는 냉매가 팽창 장치(184)에 도달하기 전에 열 배터리(941)를 사전 냉각시킨다. 이 동일한 사이클 동안, 밸브(943)가 개방되어 차가운 냉매가 배터리를 우회하게 한다. 두 번째 사이클의 끝에서, 밸브(943)는 폐쇄되고 밸브(942)는 개방되어 다음 사이클을 위해 열 배터리(941)를 냉각시킨다. 이 프로세스가 반복되어 한 사이클의 끝에서 냉각이 사용되거나 다음 사이클에 사용하기 위해 "저장"되어, 필요한 동결 시간을 줄일 수 있다.
도 34a-34d는 포드(예를 들어, 포드(150))의 내부로부터 냉동 아이스크림을 짜내기 위해 폴리머로 부분적으로 오버 몰딩된다는 점을 제외하고 혼합 패들(160)과 실질적으로 유사한 혼합 패들을 도시한다. 도 34a에서, 알루미늄 패들(951)이 형성된다(전형적으로 스탬핑되고 구부러지거나/꼬이지만, 주조, 단조 또는 기계가공과 같은 다른 방식으로 형성될 수 있음). 알루미늄 패들(951)의 상부 영역(952)에 있는 립(960)은 알루미늄 패들(951)의 얇은 영역에 추가 강성을 부여한다. 이 추가 강성은, 알루미늄 패들(951)의 얇은 영역이 혼합 과정 동안 구동 헤드로부터 큰 토크에 종속되고, 인가된 토크 하에서 알루미늄 패들(951)의 변형을 줄이기 때문에, 중요하다. 에지 몰드(958, 959)는 각각의 에지(954, 955) 위에 각각 몰딩(즉, 붓고 주조)된다. 이 과정은 종종 "오버 몰딩"으로 지칭되고, 다중 재료를 갖는 부품을 생성할 수 있다.
에지 몰드(958 및 959)를 별도로 성형하고, 이어서 알루미늄 패들(951)을 에지 몰드(958 및 959)에 삽입하거나 결합하는 것과 같이, 다른 몰딩 기술이 사용될 수 있다. 이러한 오버 몰딩(956-959)은 포드 벽(예를 들어, 포드 벽(214)) 및 포드의 바닥(예를 들어, 제 1 단부(210))의 내경으로부터 언 아이스크림 빌드업(buildup)을 짜내는데 도움이 될 수 있다. 실리콘의 상부 캡(956)은 알루미늄 패들(951)의 상부 영역(952) 위로 제자리에서 성형될 수 있고, 실리콘의 하부 캡(957)은 알루미늄 패들(951)의 하부 영역(953) 위로 제자리에서 성형될 수 있다. 일단 오버 몰드가 완성되면 혼합 패들(950)이 형성된다. 상부 캡(956)은 혼합 패들(950)의 구동 헤드(961)도 포함하도록 오버 몰딩될 수 있다. 도 34c 및 34d는 각각 혼합 패들(950)의 평면도 및 저면도이다.
일부 경우에, 금속 혼합 패들(951)이 금속 리드(예를 들어, 제 1 단부(210)) 및 포드 벽(예를 들어, 포드 벽(214)) 상에서 회전하는 것을 방지하기 위해 알루미늄 패들(951)을 코팅하기 위해 플라스틱의 딥 코팅이 사용된다. 일부 경우에, 폴리올레핀 코팅이 사용된다. 폴리올레핀 코팅의 전형적인 특성은 다음 표에 나와 있다.
특성 시험 방법 값
색상 N/A 요청대로
마찰(H18, 500 g 부하, 1000 사이클) ASTM D 4060/84 69 mg 중량 손실
경도 쇼어(Shore) A 98
경도 쇼어(Shoer) D 58
인장 강도 ISO 527 (4 in/mm) 2320 lbs/in2
파단시 신장 ISO 527 160%
유전체 강도 ASTM D-149 > 700 volts/mil
염 스트레이(500시간) ASTM B-117 < 15 mm 스크라이브(scribe)로부터
스트레스 분열 ASTM D 1693 > 1000 시간
비카트(Vicat) 유화점 ISO 306 화씨 266도
융점 N/A 화씨 311도
도 35a-35d는 또한 한 쌍의 노치(962)를 도시한다. 노치(962)는 포드의 제 2 단부(포드(150)의 제 1 단부(210)와 같음)의 내부에 있는 립(971) 위에 맞춰지도록 크기가 정해진다. 혼합 패들(951) 상에 도시되어 있지만, 다른 혼합 패들(예를 들어, 혼합 패들(950) 또는 혼합 패들(160))도 이러한 노치를 포함할 수 있다. 일단 설치되면, 접촉부(972)는 혼합 패들(951)을 안내하고 혼합 패들(951)에 구조적 지지를 제공하여 혼합 패들(951)이 포드(150) 내부의 립 또는 트랙(971)을 따라 회전하게 한다.
도 36a 및 36b는, 혼합 패들(1550)의 노치(1551)가 포드(150)의 립(971)과의 직접적인 접촉을 피하는 것을 제외하고, 혼합 패들(951)과 실질적으로 유사한 혼합 패들(1550)을 도시한다. 포드(150)는 캡(166)을 포함한다. 노치(1551)는 포드(150)의 립(971)과 혼합 패들(1550)의 노치(1551) 사이에 폴리머 라이너(1552) 또는 부싱이 사용되도록 크기가 정해진다. 폴리머 라이너(1552)는 노치(1551)와 립(971) 사이의 마찰을 낮추기 위해 사용된다.
폴리머 라이너(1552)는 링 형태이며 회전하는 혼합 패들(951)과 포드(150)의 금속 립(971) 사이의 마찰을 줄이기 위해 부싱으로 기능한다. 마찰을 줄임으로써, 혼합 패들(951) 및 립(971)의 재료의 마손(galling) 및 마모가 줄어든다. 폴리머 라이너(1552)는 또한 기계에서 빙과를 만들 때 회전 혼합 패들이 회전할 때 포드 내에 열을 감소시킨다. 폴리머 라이너(1552)는 립(971)과 맞물리는 리셉터클을 포함한다. 폴리머 라이너(1552)는 립(971)에 방사상으로 제한된다. 폴리머 라이너(1550)는 혼합 패들(1550)의 노치(1551)의 하부 표면과 접촉하는 평평한 상부 표면(1553)을 포함한다. 폴리머 라이너(1550)는 혼합 패들(1550)의 노치(1551)의 방사상 외부 표면과 접촉하는 방사상 내부 표면(1554)을 포함한다.
도 37a는 포드(150)의 제 1 단부(210)와 실질적으로 유사하지만 구동축을 수용하기 위한 오버 몰딩된 연결부를 포함하는 포드의 제 1 단부(981)의 사시도의 단면도를 도시한다. 실리콘 밀봉 그로밋(980)은 제 1 단부(981)와 플라스틱 플러그 또는 패들 드라이버(982) 사이에 오버 몰딩된다. 오버 몰딩은 그로밋(980)과 패들 드라이버(982) 사이에 기밀 밀봉을 생성하는 공유 결합을 야기한다. 헤드(983)가 혼합 모터(미도시)의 구동축과 맞물림을 위한 제 1 단부(981)의 밖으로 돌출된다. 헤드는 구동축과의 회전 잠금 연결을 제공하기 위해 쐐기를 죈다. 밀봉된 연결을 제공함으로써, 이 접근 방식은 구동축이 포드를 뚫을 필요를 피하므로, 포드 내에 저장된 기체(전형적으로 질소)를 사용하여 오버런 또는 로프트를 개발하는데 도움이 된다. 일부 경우에, 구동축이 패들 드라이버(982)를 회전시킬 때, 혼합 패들(950)과 그로밋(980) 사이의 공유 결합이 끊어져 샤프트가 회전하고 공기가 오버런을 생성하기 위해 포드로 흐르게 허용한다. 다른 접근 방식에서, 그로밋(985)은 플라스틱 플러그 또는 패들 드라이버(986)에 대해 부착될 수 있다. 도 37b는 샤프트(987) 위로 슬라이딩(988)하고 패들 드라이브(986) 상에 제자리에 부착되는 그로밋(985)을 예시한다. 도 37c 및 37d에 각각 도시된 바와 같이, 그로밋(991) 또는 립 밀봉(992)(또는 회전 밀봉)과 같은 그로밋 또는 밀봉 시편의 다양한 다른 예시가 사용될 수 있다.
도 38a-38d는 결합 구동 어셈블리(1355)를 형성하는 결합 구동 헤드(1352) 및 일체형 도그 이어(dog ear)(1354)를 갖는 포드(150)의 혼합 패들(1350)의 사시도이다. 어셈블리(1355)는 아이스크림 기계의 단검/구동축을 회전식으로 커플링하고, 기계의 토크가 클 때 바람직하지 않은 변형, 좌굴(bucking) 또는 굽힘을 피하는 것을 돕는다. 어셈블리(1355)에서, 혼합 패들(1350)은 판금을 사용하여 스탬핑되거나 형성되고 하나 이상의 도그 이어(1354)는 혼합 패들(1350)의 단부 상으로 판금을 구부림으로써 형성된다. 혼합 패들(135)은 약 0.032인치 두께의 알루미늄으로 제조될 수 있고, 이어서 만든 다음 혼합 패들(1350)에 도그 이어(1354)를 형성하기 위해 판금 프레스/염료/기계에서 구부린다. 도그 이어(1354)는 리브(rib)와 같은 기계적 보강재와 비교하여 혼합 패들(1350)에 증가된 강성 및 비틀림 강성을 제공할 수 있다. 일부 혼합 패들은 리브 외에 도그 이어(1354)를 포함한다.
토크를 전달하기 위해, 도그 이어(1354)의 내부 표면(1360)은 도 38a의 반투명 사시도에서 볼 수 있고 도 38c 및 38d에서 더 자세히 볼 수 있는 결합 구동 헤드(1352)의 대응 표면과 결합한다.
결합 구동 헤드(1352)는 아이스크림 기계로부터 단검/구동축(도 38a-38d에 미도시)을 수용하고 단검/구동축을 혼합 패들에 회전식으로 커플링한다. 결합 구동 헤드(1352)는 전형적으로 알루미늄, 금속 또는 경질 플라스틱으로 구성된다.
이전에 설명된 바와 같이, 포드(150)는 원래 완전히 밀봉되어 있다. 단검/구동축이 포드(150)의 돔형 영역(1362)으로 낮아짐에 따라, 포드(150)를 뚫고 결합 구동 헤드(1352)의 리셉터클(1358)에 의해 수용된다.
도 38c를 참조하면, 결합 구동 헤드(1352)는 마찰 끼움에 의해 혼합 패들(1350)과 활주 가능하게 연결될 수 있다. 도그 이어(1354)의 내부 표면(1360, 1364) 사이에 약간 더 큰 간격을 갖도록 결합 구동 헤드(1352)의 직경 또는 폭을 제조함으로써, 혼합 패들(1350)에 결합 구동 헤드(1352)를 조립할 때, 약간의 간섭 또는 마찰 끼움이 달성될 수 있다. 멈춤쇠(detent) 또는 다른 래치(latch)는 혼합 패들(1350)을 결합 구동 헤드(1352)에 유지하고 적절한 회전 결합을 보장하기 위해 혼합 패들(1350) 또는 결합 구동 헤드(1352)에 통합될 수 있다. 결합 구동 헤드(1352)는 제자리에 스냅될 수 있다. 결합 구동 헤드(1352)는 또한 혼합 패들(1350)에 해제 가능하게 연결될 수 있다.
혼합 패들(1350)의 도그 이어(1354)는 일방향 회전 커플링만을 허용하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 도 38a-38d에서, 구동축의 시계 방향 회전은 혼합 패들(1350)에 회전식으로 결합되지만, 반시계 방향 회전은 도그 이어(1354)의 비대칭 설계에 의해 해제될 수 있다.
작동 시, 포드(150)의 돔형 영역(1362)이 뚫리고, 단검/구동축이 결합 구동 헤드(1352)의 리셉터클(1358)과 맞물리며, 구동축은 아이스크림을 혼합하고, 오버런을 생성하고, 아이스크림을 분배하기 위해 빠르게 회전할 수 있다.
포드(150)는 전형적으로 채워진 다음 레토르트되거나 무균적으로 채워질 수 있다. 두 경우 모두 공기가 포드(150)에 조기에 들어가지 않도록 질소로 다시 채워진다. 이를 전형적으로 '헤드스페이스'라고 지칭한다. 그러나 아이스크림 혼합 과정에서, 오버런을 생성시키기 위해 혼합 과정에 공기를 유입시키는 것이 바람직하다. 일부 기계에서, 포드는 공기를 주입할 필요가 없으며 포드 내에 질소에 의존할 수 있다. 이러한 경우 포드는 혼합 과정의 적어도 일부 동안 밀봉된 상태로 유지될 수 있다. 일부 경우에, 공기가 혼합 과정에서 유입될 수 있다.
도 39a-39b는 결합 구동 어셈블리(1365)를 형성하기 위해 결합 구동 헤드(1370)와 맞물리는 포드(150)의 혼합 패들(1350)의 사시도이다. 결합 구동 헤드(1370)의 기능은 혼합 패들(1350)에 기계의 구동축을 회전식으로 커플링함으로써 결합 구동 헤드(1352)와 유사하지만, 결합 구동 어셈블리(1365)가 사용될 때 포드(150)가 구동축에 의해 뚫리지 않기 때문에 다르다.
결합 구동 헤드(1370)는 구동축(1374)을 혼합 패들(1350)에 회전식으로 커플링하기 위해 그로밋(1380)의 샤프트(1382)를 수용하는 리셉터클(1378)을 포함한다. 결합 구동 헤드(1370)와 혼합 패들 사이의 회전 연결 및 맞물림은 결합 구동 헤드(1352)의 연결(즉, 회전 키 연결)과 유사하다. 결합 구동 헤드(1370)는 또한 간섭 끼움(압력 끼움)을 사용하여 연결되거나, 결합 구동 헤드(1352)와 유사하게 스냅, 래치 또는 다르게는 기계적으로 고정될 수 있다.
그로밋(1380)은, 구동축(1374)이 포드(150)를 뚫을 필요가 없기 때문에 구동축(1374)이 무딘 단부(1376)로 형성될 수 있다는 점을 제외하고는, 본 명세서에 기재된 구동축 중 임의의 것과 유사할 수 있는 구동축(1374)을 수용하는 리셉터클(1372)을 포함한다. 대신에, 포드(150)의 돔형 부분에 구멍이 포드의 충전 및 조립 동안에 만들어지고, 포드는 보관 동안 기밀하게 밀봉된 상태로 유지된다. 그로밋(1380)은 포드(150) 내용물의 밀봉된 연결을 제공하는데 사용되는 o-링(1384)을 포함한다. 하나의 o-링(1384)만 도시되어 있지만, 다수의 o-링이 사용될 수 있다.
그로밋(1380)의 원통형 외부 표면의 외부 나사산(1386)은 밀봉 부재(1390)의 대응하는 내부 나사산(1388)과 나사식으로 맞물리도록 구성된다. 설치 동안, 그로밋(1380)은 리셉터클(1372)과 함께 포드(150)의 내부 및 포드(15) 밖으로 돌출된 외부 나사산(1386)으로부터 설치된다. 밀봉 부재(1390)는 그로밋(1380)의 외부 나사산(1386)에 단단히 나사결합되고 포드(150)의 돔형 부분의 표면에도 부착된다. 이는 포드(150)의 사이에 기밀 밀봉을 형성하고, 또한 그로밋(1380)이 밀봉 부재(1390)에 대해 회전하도록 허용한다.
밀봉 부재(1390)는 포드가 움직일 수 없도록 포드에 부착된다. 밀봉 부재(1390)를 부착하는 것은 접착제, 리벳, 또는 밀봉 부재(1390)를 제자리에 유지하는 임의의 프로세스로 수행될 수 있다. 작동 동안, 구동축(1374)은 그로밋(1380)의 리셉터클(1372) 내로 내려가고 회전하기 시작한다. 구동축(1374)이 회전하기 시작함에 따라, 외부 나사산(1386)이 밀봉 부재(1390)의 내부 나사산으로부터 나사를 풀기 시작한다. 이는 그로밋(1380)이 포드(150) 내로 스스로 내려가게 한다. 이러한 하강 운동으로 인해 그로밋(1380)의 샤프트(1382)가 결합 구동 헤드(1370)의 리셉터클(1378) 내로 내려간다. 샤프트(1382) 및 리셉터클(1378)의 치수는 일단 그로밋(1380)이 구동축(1374)에 의해 포드(150) 내로 낮춰지면 구동축(1374)과 혼합 패들(1350) 사이에 회전 커플링이 일어나도록 크기가 정해질 수 있거나, 또는 항상 회전식으로 커플링되도록 크기가 정해질 수 있다.
일단 그로밋(1380)이 밀봉 부재(1390)의 결합 나사산을 제거하면 추가적인 수직 병진없이 자유롭게 회전할 수 있다. 예를 들어, 그로밋(1380)의 원통형 표면(1392)은 밀봉 부재(1390)의 나사산 내에서 자유롭게 회전할 수 있다. 이는 그로밋(1380)이 하향으로 이동하고 그로밋이 밀봉 부재(1390)로부터 그 자체가 나사가 완전히 풀린 후 오래 구동축(1374)이 혼합 패들(1350)과 회전식으로 맞물리도록 계속 회전할 수 있음을 의미한다. 그로밋의 샤프트(1382)는 리셉터클(1378) 내로 더 미끄러질 것이고 샤프트(1382)는 그로밋(1380)과 결합 구동 헤드(1370) 사이에 회전식 연결의 강도를 최대화하기 위해 리셉터클(1378) 내에서 바닥을 치도록 구성될 수 있다.
그로밋(1380)은 또한 회전에 의해 야기된 포드(150) 내로 낮춰질 때 포드(150)의 밀봉을 파괴하도록 구성될 수 있다. 밀봉이 파괴되면 공기가 포드(150)로 들어가 아이스크림의 혼합과 오버런의 생성을 도울 수 있다. 샤프트(1374, 1382) 및 리셉터클(1372, 1378)의 나사식 맞물림(1386) 및 치수는 혼합 과정 동안 공기 흡입을 최소화하거나 최대화하도록 크기가 정해질 수 있다. 예를 들어, 공기가 전혀 필요하지 않은 경우, 포드(150)는 그로밋(1380)의 매우 작은 나사산 피치를 사용하여 밀봉된 상태로 유지되거나, 또는 나사산 피치를 함께 제거하기 위해 회전 밀봉이 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 구동축(1374)은 무한히 회전할 수 있고 밀봉이 파괴되지 않을 것이다. 최대 공기 흡입량이 가능한 한 빨리 요구되는 다른 경우에서, 그로밋(1380)은 구동축(1374)의 1회전 미만으로 밀봉이 파괴되도록 매우 큰 나사산 피치를 가질 수 있다.
결합 구동 어셈블리(1365)의 또 다른 이점은 구동축(1374)이 포드(150)로 절대 들어가지 않는다는 점이다. 이는 유제품에 의해 오염되지 않아 세척이 필요하지 않음을 의미한다. 또한, 포드(150)를 뚫을 필요가 없기 때문에 알루미늄 조각이 캔에 들어갈 가능성이 상당히 감소되거나 제거된다.
그로밋(1380)은 아이스크림 제조 공정 동안 요구되는 토크를 견딜 수 있도록 전형적으로 알루미늄, 금속 또는 경질 플라스틱으로 구성된다. 포드(150)를 밀봉하는데 도움이 되는 경질 경도계 엘라스토머가 또한 사용될 수 있다. 밀봉 부재(1390)도 이러한 재료로 제조될 수 있고 o-링(1384)은 전형적으로 엘라스토머이다.
도 40a-40c는 결합 구동 어셈블리(1600)를 형성하기 위한 포드(150)의 혼합 패들(1350)의 평면도 및 사시도이다. 결합 구동 어셈블리(1600)는, 그로밋(1380) 및 결합 구동 어셈블리(1370)의 기능이 단일 구성요소로 결합된다는 점을 제외하고는, 도 39a-39b에 도시된 결합 구동 어셈블리(1365)와 실질적으로 유사하다. 이 단일 구성요소는 결합 구동 헤드(1602)이다.
혼합 패들(1350)은 연결부(1614)(도 40c에서 가장 잘 보임)를 통해 결합 구동 헤드(1602)에 회전식으로 커플링된다. 연결부(1614)는 용접 연결부가 바람직하지만 다른 연결부가 사용될 수 있다. 일부 경우에, 연결부(1614)는 결합 구동 헤드(1602)의 하나 이상의 홈(1616)을 혼합 패들(1350)의 상보적인 하나 이상의 가장자리에 맞물림으로써 형성되는 마찰 연결부이다. 일부 경우에, 연결부(1614)는 혼합 패들(1350)에 대해 결합 구동 헤드(1602)를 90도로 회전함에 의해 맞물린다. 일부 경우에, 연결부(1614)는 도 40a-40c에 도시된 바와 같이 결합 구동 헤드(1602)가 혼합 패들(1350) 상의 조립된 위치에서 몰딩될 때 제조 공정 동안 형성된다. 일부 경우에, 연결부(1614)는 부착(예를 들어, 접착)된다. 일부 경우에, 기계적 커플링이 조임쇠(fastener)에 의해 이루어진다(예를 들어, 세트 나사).
밀봉 부재(1390)와 실질적으로 유사한 밀봉 부재(1604)는 포드가 이동할 수 없도록 포드에 부착된다. 밀봉 부재(1604)를 부착하는 것은 접착제, 리벳, 또는 밀봉 부재(1604)를 제자리에 유지하는 임의의 공정으로 수행될 수 있다. 밀봉 부재(1604)는 포드(150)의 외부 표면에 도시되어 있지만, 일부 포드에서는 포드의 내부에 있다. 일부 포드에서, 밀봉 부재(1604)는 포드(150)의 내부에서 포드(150)의 외부까지 걸쳐 있다.
결합 구동 헤드(1602)의 원통형 외부 표면의 외부 나사산(1606)은 밀봉 부재(1604)의 대응하는 내부 나사산(1608)과 나사식으로 맞물리도록 구성된다. 작동 동안, 기계의 구동축(도 40a-40c에 미도시됨)은 결합 구동 헤드(1602) 사이에서 리셉터클(1610)로 낮아진다. 리셉터클(1610)은 회전이 구동축 및 결합 구동 헤드(1602) 사이에 있도록 쐐기로 죈다(도 40b에서 가장 잘 보임). 구동축이 회전하기 시작함에 따라, 외부 나사산(1606)이 밀봉 부재(1604)의 내부 나사산에서 나사를 풀기 시작한다. 이는 결합 구동 헤드(1602)가 자체적으로 포드(150) 내로 내려가게 한다. 이러한 하강 운동은 혼합 패들(1350)이 포드(150)로 낮춰지게도 하지만, 하강량은 바람직하게는 결합 구동 헤드(1602)와 밀봉 부재(1604) 사이의 나사산 연결부의 작은 나사산 피치를 사용함으로써 작다. 일단 결합 구동 헤드(1602)의 외부 나사산(1606)이 밀봉 부재(1604)의 내부 나사산(1608)의 낮은 가장자리를 지나 낮춰지면, 나사산 연결이 풀리고, 결합 구동 헤드(1602)(및 혼합 패들(1350))가 포드(150) 내에서 자유롭게 회전할 수 있고, 혼합 패들(1350)의 바닥이 포드(150)의 립(971) 위로 낮아진다(도 40a-40c에는 미도시). 작동 중 이 시점에서, 혼합 패들(1350)은 기계의 혼합 모터의 제어 하에서 회전할 수 있다.
혼합 모터의 회전이 역전되면 외부 나사산(1606)와 내부 나사산(1608) 사이에 나사 연결은 역전될 수 있다. 이는 기계가 포드(105)를 재밀봉할 수 있게 한다.
결합 구동 헤드(1602)는 외부 나사산(1606)과 내부 나사산(1608) 사이의 나사 연결이 풀린 후 포드(150) 내의 혼합 패들(1350)과 결합 구동 헤드(1602)의 중심을 맞추도록 구성된 원통형 섹션(1620)도 포함한다. 원통형 섹션(1620)의 외경은 내부 나사산(1608)의 내경보다 약간 작아서 회전 청소가 허용되지만 포드(150)에서 포드(150) 내의 혼합 패들(1350)의 센터링도 가능하다.
결합 구동 헤드(1602)는 또한 포드(150)를 밀봉하는 기능을 한다. 결합 구동 헤드(102)가 도 40a에 도시된 위치로 낮춰지기 전에, 홈(1612)에 위치된 o-링(도 40a-40c에 미도시)은 밀봉을 형성하는 포드(150)의 내부 돔에 대해 가압된다. 이 밀봉은 외부 나사산(1606)과 내부 나사산(1608) 사이의 나사 연결에 의해 보완된다. 이러한 밀봉은 외부 공기가 포드(150)로 들어가는 것을 밀봉하는데 도움이 되어 포드(150)는 기계에서 사용을 위한 준비가 될 때까지 기밀하게 밀봉된 상태를 유지할 수 있다.
도 41a-41f는 결합 구동 헤드(1402)와 맞물려서 결합 구동 어셈블리(1400)를 형성하는 혼합 패들(1350)의 사시도이다. 결합 구동 어셈블리(1400)에서, 포드(150)는 단검/구동축(1406)에 의해 뚫리지만, 단검/구동축(1406)은 포드(150)의 내용물과 접촉하지 않고 뚫기 작용으로 인한 임의의 알루미늄 조각은 포드(150)의 내용물로부터 밀봉된 공간(1408)에 포착된다. 일단 단검 헤드(1410)가 결합 구동 헤드(1402)의 리셉터클(1412)로 미끄러지면, 단검/구동축(1406)은 혼합 패들(1350)에 회전식으로 커플링된다. 결합 구동 헤드(1402)와 혼합 패들(1350) 사이의 회전 맞물림은 결합 구동 헤드(1352, 1370)와 유사하다.
가이드 부싱(1404)은 포드(150)의 돔형 영역의 내부에 부착되거나 접착된다. 결합 구동 헤드(1402)는 o-링(1414)을 위한 리세스를 포함하는 원통형 돌출부(1416)를 포함한다. o-링(1414)은 가이드 부싱(1404)에 결합 구동 헤드(1402)를 기밀하게 밀봉한다. 단검/구동축(1406)은 포드(150)의 돔형 영역에 구멍을 뚫고 결합 구동 헤드(1402)와 혼합 패들(1350)을 회전시킨다. 결합 구동 헤드(1402)가 가이드 부싱(1404)에 대해 회전할 것이기 때문에, o-링(1414)은 동적 o-링일 수 있다. 결합 구동 헤드(1402)의 돌출부(1416)는 가이드 부싱(1404)의 보어 내로 결합 구동 헤드(1402)를 쉽게 조립하기 위해 도입(lead-in) 각도를 제공하기 위해 모따기될 수 있다. 결합 구동 헤드(1402) 또는 가이드 부싱(1404)은 알루미늄, 금속, 경질 플라스틱, 또는 아이스크림의 혼합, 긁어내기 및 분배 중에 필요한 토크를 지원하는 고경도계 엘라스토머일 수 있다.
결합하는 구동 어셈블리(1400)는 포장 동안 포드(150)가 기밀하게 밀봉되도록 한다. 이 밀봉은 단검/구동축(1406)에 의해 구멍뚫린 후에도 그대로 유지된다. 이것은 공기가 전형적으로 오버런의 생성을 돕기 위해 사용되는 혼합 프로세스 동안 포드(150)에 들어가지 않는다는 것을 의미한다. 그러나, 이 경우에, 포드의 질소는 오버런의 발달을 도울 수 있고/있거나, 원통형 돌출부(1416)의 미세 기공은 공기가 이러한 목적을 위해 포드(150)에 들어갈 수 있도록 허용하기 위해 사용될 수 있다.
도 42a-42d는 결합 구동 헤드(1420)와 맞물려서 결합 구동 어셈블리(1425)를 형성하는 혼합 패들(1350)의 사시도이다. 결합 구동 어셈블리(1425)는 단 한 부분, 즉 결합 구동 헤드(1420)가 회전 커플링 및 밀봉된 연결을 형성하기 위해 필요하다는 점에서 결합 구동 어셈블리(1355, 1365, 1400)와 다르다.
결합 구동 헤드(1420)는 엘라스토머 또는 경질 플라스틱으로 몰딩되고 토크가 육각 표면(1424)에 가해질 때 약화 영역(1422)에서 회전가능하게 변형되고 파손되도록 구성된다. 육각 표면(1424)은 기계의 구동축(미도시)과 활주가능하게 맞물리도록 구성된다. 큰 원통형 베어링 표면(1426)은 접착에 의해 또는 다른 영구 고정에 의해 포드(150)의 돔형 영역에 부착되도록 구성된다.
약화 영역(1422)은 원통형일 수 있다. 약화 영역(1422)은 또한 결합 구동 헤드(1420)의 전체 중앙 영역이 하향으로 이동하도록 하기 위해 육각 표면(1424) 상으로의 구동축의 수직 변위에 의해 파손될 수 있다. 때로는 수직 변위와 회전 모두가 약화 영역(1422)이 파손되게 할 수 있다.
토크는 결합 구동 헤드(1352, 1370, 1402)와 유사하게 결합 구동 헤드(1420)에서 혼합 패들(1350)로 전달된다. 예를 들어, 결합 구동 헤드(1420)의 시계 방향 회전은, 토크를 전달하고 기계의 구동축을 혼합 패들(1350)에 회전식으로 커플링하기 위해, 혼합 패들(1350)의 도그 이어(1354) 표면 상에 위치(1428)에서 압축을 통해 기계적 연결을 야기한다.
결합 구동 헤드(1420)는 포장 동안 기밀하게 밀봉되고 밀봉은 공기가 포드(150)에 들어가 오버런을 발생시키도록 허용하도록 아이스크림 혼합 공정 동안 파괴되도록 구성된다.
도 43a-43c는 구동축(1006)에 대해 중심에서 벗어난(또는 편심) 윈도우(1001-1004)를 갖는 혼합 패들(1000)을 도시한다. 윈도우(1001 및 1002)는 중앙 섹션(1007 및 1008)이 혼합 패들(1000)의 다른 면에 방사상으로 치우치도록 절단된다. 윈도우(1001 및 1002)는 교대로 사용할 필요는 없지만 이 구성은 회전 균형에 도움이 된다. 윈도우(1001 및 1002)가 있는 혼합 패들(1000)은 윈도우(1001 및 1002)가 혼합 스틱 또는 비터와 같이 작동하는 구동축(1006) 주위로 스윙할 수 있고, 빙과를 혼합하는 것을 돕기 때문에 포드의 중심에서 단순히 회전하는 중앙 섹션을 갖는 균형잡힌 윈도우를 갖는 혼합 패들보다 빙과를 더 잘 혼합할 것이다. 혼합 패들(1000)은, 앞서 언급한 혼합 패들과 유사하게, 위에서 아래로 혼합을 용이하게 하고 빙과를 포드 밖으로 구동하기 위해 빙과를 하향으로 구동하기 위해 또한 나선형으로 형성된다. 이 구동 동작은 스크류 컨베이어와 유사하다. 혼합 패들(1000)은 제품을 측면으로 혼합하고 공기를 끌어당겨 로프트를 생성한다. 혼합 패들(1000)은 또한 냉동 제품을 파괴하고 포드의 벽에서 더 작은 조각 또는 스트림으로 제품을 긁어내는 것을 돕는 하나 이상의 치형부(1004)를 특징으로 한다. 이 패들은 4개의 이를 가지고 있지만 이의 수에는 상한선이 없다.
일부 혼합 패들은 비틀림 저항을 증가시키기 위해 립 또는 기타 특징을 포함한다. 일부 혼합 패들은 높은 비틀림 강성(예를 들어, 15ozf-in보다 큼)과 실패 한계에 대한 높은 토크(예를 들어, 150ozf-in보다 큼)를 나타낸다. 일부 혼합 패들은 제품이 혼합 패들에 달라붙는 것을 방지하고 혼합 패들에 달라붙는 제품을 제거하는데 도움이 되도록 낮은 표면 거칠기(예를 들어, 8-16 Ra 미만)를 갖는다. 8-16 Ra 사이의 표면 거칠기를 갖는 혼합 패들을 사용하여, 이 기계는 포드에 있는 빙과의 적어도 85%, 통상적으로 95%를 비운다. 일부 혼합 패들은 혼합 패들의 두 번째 끝에 리세스를 가져, 혼합 패들이 혼합 패들의 중심축으로 회전하게 허용한다. 제조 과정에서, 바닥에서 혼합 패들의 비틀림은 100° 내지 150°로 매우 클 수 있으며 이는 혼합 패들의 재료를 찢을 수 있는 스탬핑 공정에 문제가 될 수 있다. 혼합 패들 블레이드의 바닥의 중앙에 있는 절단된 노치(미도시)는 재료를 찢지 않고 혼합 패들을 형성할 수 있다.
이전에 설명된 바와 같이, 포드(150)의 캡(166)은 포드로부터 제품의 분배를 허용하도록 전단되는 돌출부(165)를 포함한다(예를 들어, 도 10a 및 11a-11g 참조). 캡(166)은 베이스(162) 위에 탑재되고 포드(150)의 원주/축을 주변으로 회전가능하다. 사용 시, 제품이 포드(150)로부터 분배될 준비가 되면, 기계의 분배기(153)가 캡(166)과 맞물려 포드(150)의 제 1 단부 주변으로 캡(166)을 회전시킨다. 캡(166)은 베이스(162)의 나머지 부분에서 돌출부(165)와 맞물린 다음 분리하는 위치로 회전된다. 그러나, 일부 시스템은 포드의 일부로서 보다 차라리 기계의 일부로서 절단 기계에 참여한다.
도 44a-44b는 베이스(162)로부터 돌출부(165)와 맞물리고 절단하는 돌출부 전단 메커니즘(1050)을 갖는 기계(1100)의 사시도의 단면도를 보여준다. 돌출부 전단 메커니즘(1050)은 캡이 회전식으로 정렬되거나 증발기(108)(미도시)에 대해 임의의 특정 방향으로 배향되도록 요구하지 않는다. 예를 들어, 포드(150)는 사용자가 포드를 돌출부 전단 메커니즘(1050)과 회전식으로 정렬할 필요 없이 증발기에 삽입될 수 있다. 기계는 임의의 각도 배향으로 포드(150)를 수용할 것이다.
도 45a-45e는 전단 모터(1054)에 의해 회전되는 기어(1052)에 피벗식으로 연결된 캠(1051)을 보여준다. 작동에서, 캠(1051)은 홈 도그(1057)(즉, "홈 위치")를 따라 라이딩하는 캠(1051)의 후면에 의해 밖으로 회전된다. 일단 캡(166)을 갖는 포드(150)가 프레임(1053)의 개구(1058)에 삽입되면, 스프링(1055)은 포드(150)의 캡(166) 위로 캠(1051)을 누르는 힘을 제공한다. 프레임(1053)은 기계(1100)의 일부로서 하우징(1059)에 탑재되고, 위치에 고정된다.
일단 기어(1052)가 회전되면, 캠(1051)은 캡(166)과 추가적으로 접촉하게 되며, 캠(1051)이 회전 기어(1052)와 캡(166) 사이에 끼워짐으로써 단단한 그립이 생성된다. 캠(1051)의 울퉁불퉁한 표면(1056)은 이러한 단단한 그립을 제공하고 캡(166)이 기어(1052)에 대해 회전하는 것을 억제하는데 도움이 된다. 기어(1052)가 회전됨에 따라, 캠(1051)은 홈 도그(1057)(즉, "맞물림 위치")를 벗어나 이동한다. 기어(1052)의 회전은 궁극적으로 돌출부(165)를 전단하고 포드 구멍을 개방하는 전단 캡을 회전시킨다.
도 46은 기어(1052)와 캡(166)의 맞물림(1063)을 예시하는 기계(1100)의 사시도의 단면도이다. 베어링(1062)은 기어(1052)가 기계(1100)에 대해 회전하게 하고, 스냅 링 또는 리테이닝 링(1061)은 기어(1052)를 제자리에 축방향으로 고정한다.
일부 기계에서, 혼합 패들은 돌출부의 전단 동안 회전을 멈추지 않다. 일부 기계에서, 돌출부 전단 공정 동안, 포드(150)의 캡(166)의 회전은 혼합 패들(160)의 회전 방향과 반대이다. 반대 방향으로 회전함으로써, 포드(150)가 증발기(108)에서 미끄러질 가능성은 감소된다. 이것은 도 47a 및 47b에 도시된다.
도 47a는 기계의 서브어셈블리인 캡 전단 시스템(1120)을 도시한다. 캡 전단 시스템(1120)은 시계 방향(1110)(즉, 포드(150)을 내려다보는 방향(1105)에 대해 시계 방향)으로 수행되는 돌출부 전단 프로세스 및 시계 방향으로도 회전되는 혼합 패들(160)을 특징으로 한다. 대조적으로, 도 47b는 캡(166)이 돌출부(165)가 반시계 방향(1111)(포드(150)을 내려다보는 방향(1105)에 대해 반시계 방향)으로 전단될 수 있게 하는 캡 전단 시스템(1125)을 도시한다. 캡(1101)은 캡(166)의 제 1 구멍(222) 및 제 2 구멍(224)을 미러링하는 제 1 구멍(1102) 및 제 2 구멍(1103)을 갖는다.
전단 캡(166)을 혼합 패들(160)의 반대 방향으로 회전시킴으로써, 회전력 또는 비틀림력이 상쇄되어 클램쉘 증발기(108)가 클램핑된 증발기(108)에서 포드(150)가 미끄러지거나/회전하는 것을 예방하기에 충분한 힘으로 닫히게 한다. 이는 캡(166 및 1101) 상의 제 1 구멍(222 및 1102)이 돌출 개구부(165)와 적절하게 정렬되는데 중요하다. 포드(150)가 캡(166 및 1101)에 대해 미끄러지면, 제 1 구멍이 정렬되지 않을 수 있고, 기계의 기능이 영향을 받을 것이다.
일부 포드는 제거가능한 제 1 단부를 포함할 수 있고, 재사용가능한 혼합 패들은 제 1 단부에 삽입될 수 있다. 혼합 패들은 제거되고 세척된 후, 차후 사용을 위해 재사용될 수 있다.
도 48a-48c는 다양한 포드(예를 들어, 포드(150))를 판매하고 이를 내장형 기계(예를 들어, 기계(600))에 넣어 아이스크림을 만들어 보울(bowl) 또는 콘(cone)에 대접하게 하는 자판기(1200)를 도시한다. 이와 같이, 자판기(1200)는 다양한 유형의 포드, 예를 들어 다양한 유형의 아이스크림, 또는 앞서 논의된 임의의 포드를 함유할 수 있다. 한 가지 장점은 자판기(1200)가 상업적 위치에서 사용될 수 있고 한 명 이상의 사용자에 의해 쉽게 사용될 수 있다는 것이다. 추가적으로, 포드(150)는 사용하기 전에 냉장보관할 필요가 없기 때문에, 자판기(1200)를 냉장보관할 필요가 없어 운영 및 제조 비용이 절감된다.
도 48a에 도시된 바와 같이, 자판기(1200)는 보기 윈도우(1204) 뒤에 직사각형 또는 정사각형 격자로 배열되는 9개의 포드(그 중 하나는 포드(150)로 표시됨)를 함유한다. 9개의 포드가 도시되지만 임의의 수의 포드 또는 배열이 사용될 수 있다. 9개의 포드 각각은 첫 번째 포드 뒤에 포드 스택을 함유할 수 있으므로 하나의 포드가 선택되어 자판기(1200)에서 제거될 때 그 뒤에 있는 포드가 앞으로 이동한다. 이것은 전형적으로 중력 및/또는 스프링과 같은 구동 요소로 인해 발생된다. 예를 들어, 포드(150)는 그 뒤에 10개의 포드를 가질 수 있어 기계가 덜 빈번한 리필을 필요로 하도록 보관될 수 있다.
자판기(1200)는 사용자가 포드 선택을 할 수 있게 하는 영숫자 키패드(1206)를 포함한다. 예를 들어, 포드(1222)를 선택하기 위해 사용자는 키패드(1206)에 "B" 다음에 "2"를 입력할 것이다. 자판기(1200)는 또한 현금 리셉터클 및 코인 리셉터클을 각각 사용하여 현금 및 코인을 수령함으로써 돈을 수락하는 조항(1208)을 포함한다. 자판기(1200)는 또한 신용 카드 판독기(1212)를 사용하여 신용 카드 지불, 또는 애플페이(ApplePay)를 사용하는 것과 같이 사용자로부터 기계로 돈을 이체하는 임의의 방법, 또는 앱 또는 인터넷을 통한 지불을 수락할 수 있다. 기계(100)에서 사용되는 유사한 서버 또는 네트워크가 또한 자판기(1200)에서 구현될 수 있다. 예를 들어, 구독 서비스를 사용하여 사용자가 매월 특정 수의 포드에 액세스할 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 자판기(1200)는 이전에 설명된 냉각 기계(예를 들어, 기계(600))의 기능을 포함한다. 기계(600)는 자판기(1200) 내부에 있다는 사실을 나타내기 위해 점선으로 표시되어 있다. 기계(600)는 증발기(1224) 및 분배 리셉터클 또는 개구(1216)를 포함한다. 기계(600)의 다른 특징은 도 48a-48c에 도시되어 있지 않지만, 기계(600)의 기능은 독립형 패키지의 자판기(1200)에 내장되어 있음이 이해되어야 한다.
자판기(1200)는 사용자의 선택에 따라 포드를 가져와 증발기(1224)에 둘 수 있는 로봇 팔(1214)(도 48b에서 가장 잘 보임)을 포함한다. 이를 달성하기 위해, 로봇 팔(1214)은 선반에서 포드를 받아 증발기(1224)로 안전하게 운반하기 위한 바구니 또는 플랫폼(1218)을 포함한다. 로봇 팔(1214)은 선택된 포드의 열로 이동하도록 수평으로 이동하도록 구성된다. 바구니(1218)는 로봇 팔(1214)을 따라 수직으로 이동하여 선택된 포드의 열로 이동하도록 구성된다. 이들 모두는 전형적으로 회전 모터에 연결된 벨트 구동 시스템에 의해 구동되지만, 다양한 작동 방법이 사용될 수 있다. 로봇 팔은 도 48a 및 48c에서 후퇴된 위치에서 도시된다.
예를 들어, 포드(1222)를 선택하면, 바스켓(1218)은 도 48b에 도시된 바와 같이 위치 "B2"로 이동하고, 포드(1222)는 바스켓(1218) 내로 방출된다. 일단 포드가 바스켓(1218) 내에 있으면, 제 1 포드 뒤에 포드는 이전에 언급된 바와 같이 포드(1202)를 대체하기 위해 이동할 수 있다. 그러나 위치 "B2"는 이제 도 48c에서 비어 있다.
도 48c를 참조하면, 바스켓(1218)은 포드(1222)를 증발기(1224)로 이동시키고 아이스크림을 제조하는 프로세스가 시작할 수 있다. 이 시점에서, 자판기(1200)의 냉장 시스템은 포드(1222)의 액체 성분을 원하는 온도, 전형적으로 화씨 17-26도까지 냉각시킨다. 자판기(1200)는 포드(1222) 내로 구동축을 삽입하여 포드(1222)의 혼합 패들을 회전시켜 아이스크림을 준비하고 아이스크림을 하향으로 구동시킨다. 자판기(1200)는 돌출부의 전단에 의해 포드(1222)를 열 수 있다. 혼합 패들은 그 다음 아이스크림을 포드(1222) 밖으로 및 보울, 접시, 또는 콘(1220)으로 구동할 수 있다. 일단 프로세스가 완료되면, 포드(1222)는 제거되고 재활용될 수 있다. 자판기(1200) 내의 리셉터클은 사용된 포드가 재활용될 때까지 보관하는데 사용될 수 있다.
대안적으로, 로봇 팔(1214)을 사용하는 대신에, 자판기(1200)는 윈도우(힌지를 제외하고 윈도우(1204)와 실질적으로 유사하지만 스윙 또는 슬라이드 개방을 허용하는 슬라이딩 메커니즘)을 열어 수동 선택을 허용할 수도 있고, 사용자가 손을 뻗어 선택을 잡고 포드를 증발기에 수동으로 놓을 수 있다.
도 49는 전형적인 매장 구매 아이스크림(예를 들어, 하겐다즈(Haagan-Dazs) 아이스크림) 대 이 명세서에서 설명된 기계를 사용하여 녹이고 포드로 포장되어 이 명세서에 설명된 기계를 사용하여 제공되는 동일한 아이스크림의 얼음 결정 크기의 비교를 예시한다. 녹이고, 포드로 포장되어 이 명세서에서 설명된 기계를 사용하여 제공되는 매장 구매 아이스크림은 "콜드스냅(ColdSnap)" 아이스크림으로 간주한다. 도 49는 콜드스냅 하겐다즈(Haagen-Dazs) 아이스크림(1502)이 매장 구매 하겐다즈 아이스크림(1504)에 비해 평균 얼음 결정 크기가 40% 감소한 것을 보여준다. 구체적으로, 평균 얼음 결정 크기가 31.9㎛인 매장 구매 하겐다즈 아이스크림(1504)와 비교하여, 콜드스냅 하겐다즈 아이스크림(1502)은 19.2㎛의 평균 얼음 결정을 갖는다. 추가적으로, 콜드스냅 하겐다즈 아이스크림(1502)에서 측정된 얼음 결정의 표준 편차는 매장 구매 하겐다즈 아이스크림(1508)의 표준 편차보다 훨씬 더 엄격하다.
이 명세서에 설명된 기계는 얼음 결정이 커질 시간이 없도록 임펠러 RPM을 가속화하는데, 이는 냉동 아이스크림의 얼음 결정 크기가 훨씬 작아서 아이스크림의 질감과 부드러움을 상당히 개선한다는 것을 의미한다.
도 49에 도시된 얼음 결정 측정은 대략 -10℃의 온도에서 절연 글로브박스 시스템에 수용된 40X 배율의 광학 현미경을 사용하여 분석되었다. 샘플은 이 명세서에 설명된 아이스크림 기계에 의해 냉동된 직후 글러브박스로 옮겨졌다. 아이스크림 샘플은 현미경 슬라이드 위에 위치되고 50% 펜탄올과 50% 등유 분산액 한 방울이 추가되어 얼음 결정의 분산을 돕고 화질을 개선하였다. 40X 배율에서 광학 광현미경을 사용하여 얼음 결정의 이미지가 수득되었다.
후처리 과정에서 이미지에 도시된 얼음 결정의 경계를 추적함으로써, 이미지에 보인 각 얼음 결정의 직경이 측정되었다. 얼음 결정의 경계의 측정은 이미지 프로 플러스 소프트웨어 프로그램의 얼음 결정 측정 매크로의 도움으로 맥(Mac)용 마이크로소프트 소프토닉 페인트블러쉬(Softonic Paintbrush)를 사용하여 수행되었다. 분석된 각 아이스크림 샘플에 대해, 분석당 최소 300개의 얼음 결정이 측정되어 얼음 결정 크기의 적절한 통계적 평균이 얻어졌는지 확인하였다.
도 50a-50e는 다양한 아이스크림에 대해 40X(40배) 배율에서 광학 광현미경을 사용하여 기록된 얼음 결정의 이미지이다. 도 50a는 콜드스냅 스위트 크림 1 아이스크림의 얼음 결정 크기를 측정하기 위해 기록된 얼음 결정 이미지의 세 가지 예를 포함한다. 이미지의 스케일은 100㎛ 길이를 나타내는 스케일 바(1510)로 표현된다. 스케일 바는 도 50a의 세 이미지 각각에 도시된다. 얼음 결정은 이미지에서 일반적으로 원형 모양의 물체(예를 들어, 물체(1512))로 표현된다. 이미지에 보이는 많은 얼음 결정이 있다. 얼음 결정의 평균 직경은 21.7㎛로 이 아이스크림의 경우 매장에서 구매한 대응 제품보다 작다.
도 50b는 콜드스냅 스위트 크림 2 아이스크림에 대한 얼음 결정 크기를 측정하기 위해 기록된 얼음 결정 이미지의 세 가지 예를 포함한다. 얼음 결정의 평균 직경은 19.5㎛으로 도 50a에서 볼 수 있는 얼음 결정보다 훨씬 작으며 이 아이스크림의 경우 매장 구매한 대응 제품보다 여전히 더 작다.
도 50c는 콜드스냅 블루베리 초바니 아이스크림에 대한 얼음 결정 크기를 측정하기 위해 기록된 얼음 결정 이미지의 세 가지 예를 포함한다. 얼음 결정의 평균 직경은 21.2㎛이지만 일부 얼음 결정은 직경 76.9㎛으로 더 크다. 그러나 평균적으로 얼음 결정 크기는 이 아이스크림에 대해 매장 구매한 대응 제품보다 여전히 더 작다.
도 50d는 콜드스냅 하겐다즈 아이스크림에 대한 얼음 결정 크기를 측정하기 위해 기록된 얼음 결정 이미지의 세 가지 예를 포함하며, 이는 또한 도 49를 참조하여 논의되었다. 얼음 결정의 평균 직경은 19.1㎛이고, 측정된 최대 얼음 결정은 38.2㎛이었고, 이는 도 50a-50e에 표시된 얼음 결정 측정 중 가장 낮은 최대 얼음 결정 크기이다. 이 평균 얼음 결정 크기는 도 50e에 도시된 이 아이스크림에 대해 매장 구매한 대응 제품보다 더 작다.
도 50e는 매장 구매 하겐다즈 아이스크림에 대한 얼음 결정 크기를 측정하기 위해 기록된 얼음 결정 이미지의 세 가지 예를 포함하며, 이는 또한 도 49를 참조하여 논의되었다. 특히, 평균 직경은 31.9㎛이며, 이는 19.1㎛의 콜드스냅 하겐다즈 결과보다 훨씬 더 크다. 모든 정량적 값(즉, 평균 얼음 결정 직경, 표준 편차, 최소 얼음 결정 직경 및 최대 얼음 결정 직경)은 콜드스냅 대응 제품에 비해 매장에서 구매한 아이스크림이 더 크다.
이러한 결과는 이 명세서에 설명된 기계로 생산된 아이스크림이 매장 구매 아이스크림보다 훨씬 더 부드러운 아이스크림을 생산한다는 강력한 표시이다. 이 명세서에 설명된 기계로 생산된 아이스크림도 25㎛의 평균 아이스크림 결정 크기에 비해 얼음 결정 크기가 27% 작다.
아래는 도 49 및 50a-50e에 도시된 얼음 결정 크기 측정의 표이다.
샘플/데이터 평균(㎛) 표준편차(㎛) 최소(㎛) 최대(㎛)
콜드스냅 스위트 크림 1 21.7 7.7 6.0 51.9
콜드스냅 스위트 크림 2 19.5 7.1 5.3 43.1
콜드스냅 블루베리 초바니 21.2 13.2 6.5 76.9
콜드스냅 하겐다즈 19.1 6.24 6.7 38.3
매장-구매 하겐다즈 31.9 13.8 6.9 84.9
도 51a-51e는 얼음 결정 크기 측정의 히스토그램이다. 도 51a는 21.7㎛의 평균 얼음 결정 직경에 대한 측정의 엄격한 표준 편차(또는 확산)를 예시하는 콜드스냅 스위트 크림 1 얼음 결정 크기 분포의 히스토그램이다.도 51b는 19.5㎛의 평균 얼음 결정 직경에 대한 측정의 엄격한 표준 편차를 예시하는 콜드스냅 스위트 크림 2 얼음 결정 크기 분포의 히스토그램이다.
도 51c는 19.5㎛의 평균 얼음 결정 직경에 대한 측정의 엄격한 표준 편차를 예시하는 콜드스냅 블루베리 초바니 얼음 결정 크기 분포의 히스토그램이다.
도 51d는 19.1㎛의 평균 얼음 결정 직경에 대한 측정의 엄격한 표준 편차를 예시하는 콜드스냅 하겐다즈 얼음 결정 크기 분포의 히스토그램이다.
도 51e는 31.9㎛의 평균 얼음 결정 직경에 대한 측정의 더 넓은 표준 편차를 예시하는 매장 구매 하겐다즈 얼음 결정 크기 분포의 히스토그램이다. 매장 구매한 아이스크림의 평균 얼음 결정 직경은 콜드스냅 아이스크림보다 클 뿐만 아니라 표준 편차도 훨씬 크다.
앞서 언급한 바와 같이, 이 명세서에 설명된 기계를 사용하여 생산된 아이스크림은 매장 구매 제품에 비해 평균적으로 훨씬 더 작은 얼음 결정 크기 및 훨씬 더 좁은 얼음 결정 크기 표준 편차를 갖는다. 이것은 이 명세서에 설명된 아이스크림 기계는 사용 전에 냉장 또는 냉동이 필요하지 않은 더 부드러운 아이스크림을 생산하기 때문에 중요한다. 이는 이러한 기계에 사용된 아이스크림은 아이스크림에 유화제나 안정제와 같은 비천연 성분을 포함할 필요가 없다는 것을 의미한다. 이 기계에 사용되는 아이스크림은 "클린 라벨(clean-label)"이 될 수 있으며 단순히 우유, 크림, 설탕 및 분유를 함유하며 멸균된 포드에서 최대 9개월 동안 실온에서 보관될 수 있다.
다수의 시스템 및 방법이 설명되었다. 그럼에도 불구하고, 본 개시의 정신 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경이 이루어질 수 있음이 이해될 것이다. 예를 들어, 증발기는 전형적으로 사용 중에 수직 방향으로 있는 것으로 예시되었지만, 일부 기계는 사용 중 수평 방향 또는 중력에 대한 각도로 배향되는 증발기를 갖는다. 따라서, 다른 실시양태들은 다음 청구범위의 범위 내에 있다.

Claims (30)

  1. 식품 또는 음료를 함유하는 포드로부터 동결된 음료 또는 빙과를 제조하는 방법으로서, 이 방법은:
    액체 형태의 식품 또는 음료로 제 1 단부를 통해 포드를 채우고 포드의 헤드스페이스를 질소로 가압하는 단계;
    포드의 제 1 단부를 밀봉하는 단계;
    가압된 포드를 살균 시스템에 배치하는 단계;
    액체 형태의 식품 또는 음료가 포드에서 출렁거리도록 포드를 수평으로 흔들어 식품 또는 음료를 동시에 가열 및 혼합하는 단계;
    식품 또는 음료를 동결시키기 위해 포드를 기계에 삽입하는 단계; 및
    기계를 다음과 같이 작동시키는 단계:
    식품 또는 음료를 동결시키고; 및
    적어도 일부의 질소를 동결된 식품 또는 음료에 휘저어 동결된 음료 또는 빙과를 제조한다
    를 포함하는 것인 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    식품 또는 음료는 4.6 내지 8.5의 pH 수준을 가지는 것인 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    식품 또는 음료는 우유, 크림 및 설탕을 포함하는 것인 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    설탕은 갈락토스, 포도당, 덱스트로스, 유당 및 자당 중 적어도 하나를 포함하는 것인 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    설탕은 과당 또는 옥수수 시럽을 포함하지 않는 것인 방법.
  6. 제 3 항에 있어서,
    포드를 채우기 전에 우유, 크림 및 설탕을 500-2900psi로 가압함으로써 우유, 크림 및 설탕에 균질화 단계를 적용하는 것을 추가로 포함하는 것인 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    포드는 6 내지 18액량 온스의 부피를 가지는 것인 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    1회 제공량 포드는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조되는 것인 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    포드를 수평으로 흔드는 것은 포드를 분당 180사이클로 앞뒤로 흔드는 것을 포함하는 것인 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    포드의 헤드스페이스를 질소로 가압하는 단계는 포드의 헤드스페이스를 질소로 5 내지 100psi로 가압하는 것을 포함하는 것인 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    포드를 수평으로 흔드는 것은 포드를 적어도 121℃(250℉)로 가열함과 동시에 포드를 2-15분 동안 앞뒤로 흔드는 것을 포함하는 것인 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    식품 또는 음료를 동결시키기 위해 기계를 작동시키는 단계는 식품 또는 음료를 -3°내지 -8℃(26.6℉ 내지 17.6℉)로 냉각시키는 단계를 포함하는 것인 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    포드를 수평으로 흔드는 것은 포드를 축 방향으로 앞뒤로 흔드는 것을 포함하는 것인 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    포드를 밀봉하기 전에 나선형 혼합 패들을 포드에 삽입하는 단계를 추가로 포함하는 것인 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    포드를 축 방향으로 앞뒤로 흔드는 것은 나선형 혼합 패들을 가로질러 액체 형태의 식품 또는 음료를 출렁이는 단계를 포함하는 것인 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    살균 시스템은 레토르트 살균 압력 용기를 포함하는 것인 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    레토르트 살균 압력 용기를 밀봉하는 단계 및 레토르트 살균 압력 용기를 가압하는 단계를 추가로 포함하는 것인 방법.
  18. 포드로부터 동결된 음료 또는 빙과를 제조하는 방법으로서, 이 방법은:
    액체 형태의 식품 또는 음료로 제 1 단부를 통해 포드를 채우고 포드의 헤드스페이스를 기체로 가압하는 단계;
    포드의 제 1 단부를 밀봉하는 단계;
    가압된 포드를 살균 시스템에 배치하는 단계;
    액체 형태의 식품 또는 음료가 포드에서 출렁거리도록 포드를 수평으로 흔들어 식품 또는 음료를 동시에 가열 및 혼합하는 단계;
    식품 또는 음료를 동결시키기 위해 포드를 기계에 삽입하는 단계; 및
    기계를 작동시켜 식품 또는 음료를 동결시키는 단계
    를 포함하는 것인 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    기계를 작동시키는 것은 적어도 일부의 기체를 동결된 식품 또는 음료에 휘저어 동결된 음료 또는 빙과를 제조하는 것을 포함하는 것인 방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    식품 또는 음료는 우유, 크림 및 설탕을 포함하는 것인 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    설탕은 갈락토스, 포도당, 덱스트로스, 유당 및 자당 중 적어도 하나를 포함하는 것인 방법.
  22. 제 20 항에 있어서,
    설탕은 과당 또는 옥수수 시럽을 포함하지 않는 것인 방법.
  23. 제 18 항에 있어서,
    포드는 6 내지 18액량 온스의 부피를 가지며 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조되는 것인 방법.
  24. 제 18 항에 있어서,
    포드를 수평으로 흔드는 것은 포드를 분당 최대 180사이클로 앞뒤로 흔드는 것을 포함하는 것인 방법.
  25. 제 18 항에 있어서,
    포드의 헤드스페이스를 기체로 가압하는 단계는 포드의 헤드스페이스를 기체로 5 내지 100psi로 가압하는 것을 포함하는 것인 방법.
  26. 제 18 항에 있어서,
    포드를 수평으로 흔드는 것은 포드를 적어도 121℃(250℉)로 가열함과 동시에 포드를 2-15분 동안 축 방향으로 앞뒤로 흔드는 것을 포함하는 것인 방법.
  27. 제 18 항에 있어서,
    기계를 작동시켜 식품 또는 음료를 동결시키는 단계는 식품 또는 음료를 -3°내지 -8℃(26.6℉ 내지 17.6℉)로 냉각시키는 단계를 포함하는 것인 방법.
  28. 제 18 항에 있어서,
    포드를 수평으로 흔드는 것은 포드를 축 방향으로 앞뒤로 흔드는 것을 포함하는 것인 방법.
  29. 제 28 항에 있어서,
    포드를 밀봉하기 전에 나선형 혼합 패들을 포드에 삽입하는 단계를 추가로 포함하는 것인 방법.
  30. 제 29 항에 있어서,
    포드를 축 방향으로 앞뒤로 흔드는 것은 나선형 혼합 패들을 가로질러 액체 형태의 식품 또는 음료를 출렁이는 단계를 포함하는 것인 방법.
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