用于熱交換單元的二氧化碳填充裝置及方法
【技術領域】
[0001]總體上說，本發明涉及用在自冷卻(急冷，chill)食品或飲料用容器中的熱交換單元，且更具體地說，本發明涉及二氧化碳在壓緊的活性炭上的吸附，所述壓緊的活性炭用在其中通過從置于熱交換單元內的壓緊的活性炭解吸附二氧化碳而導致溫度降低的這類熱交換單元中。
【背景技術】
[0002]很多可以便攜式容器提供的食品或飲料優選在它們被冷卻(急冷)的情況下食用(consume)。例如，碳酸軟飲料、果汁飲料、啤酒、布丁、松軟干酪等優選在33 °F (0.555 °C )至50°F (10°C)的溫度下食用。當不方便得到冰箱或者冰的時候，例如當釣魚、野營等時，在食用前對這些食品或飲料進行冷卻的任務變得較為困難，而且，在這樣的情況下，非常期望獲得在食用前對容器內容物進行快速冷卻的方法。因此，期望自冷卻容器，即，無需外部低溫條件的容器。
[0003]本領域充斥著結合有能夠在不暴露于外部低溫條件的情況下冷卻內容物的冷卻劑的容器設計。絕大多數的這些容器結合有或利用了制冷劑氣體，所述制冷劑氣體在釋放或活化時吸收熱量以便冷卻容器的內容物。已經認識到使用吸熱化學反應作為吸熱機理并由此冷卻容器內容物的其它技術。這樣的吸熱化學反應設備的實例為美國專利N0.1, 897，723、2，746，265、2，882，691 和 4，802，343 中所公開的那些。
[0004]利用氣態制冷劑的典型設備為美國專利N0.2，460，765、3，373，581、3，636，726、3，726，106、4，584，848、4，656，838、4，784，678、5，214，933、5，285，812、5，325，680、5，331，817,5, 606，866,5, 692，381和5，692，391中所公開的那些。在很多情況下，在結構體(例如前述美國專利中所示出的那些)中所利用的制冷劑氣體對適當地降低溫度不起作用，或者，在它們起作用時，它們包含可促成溫室效應且因此對環境不友好的氣態制冷劑材料。
[0005]為了解決問題(例如現有技術中所闡述的那些)，申請人利用包含起到二氧化碳吸附劑作用的活性炭的吸附-解吸體系作為本發明的一部分。這類體系公開在美國專利N0.5,692, 381中，其在此引入作為參考。
[0006]在這些設備中，將吸附劑材料置于器皿內，所述器皿的外表面與待冷卻的食品或飲料熱接觸。典型地，使所述器皿與容納了待冷卻的食品或飲料的外部容器以如下方式相連:所述外部容器與含有吸附劑材料的器皿的外表面熱接觸。將該器皿或熱交換單元固定至所述外部容器，典型地固定至所述外部容器的底部，而且，該器皿或熱交換單元包含閥或類似機構，所述閥或類似機構用于釋放已被該內部器皿中所含的吸附劑材料吸附的一些氣體(例如二氧化碳)。當閥打開時，所述氣體(例如二氧化碳)發生解吸附，而且，從活性炭吸附劑解吸附所述氣體的吸熱過程導致與所述內部器皿的外表面熱接觸的食品或飲料的溫度降低，從而降低其中所含的食品或飲料的溫度。
[0007]為了實現該冷卻，必須的是:在所述內部器皿中所含的碳顆粒上吸附盡可能多的二氧化碳，并且進一步地，使食品或飲料中所含的熱能由此通過所述內部器皿的壁和通過吸附劑材料進行傳輸，從而與解吸附的二氧化碳氣體一起被帶出所述熱交換單元。優選地，所述吸附劑材料為活性炭且待吸附的氣體為二氧化碳。在本公開內容的上下文中，“活性炭”涉及一系列含碳材料，特別是經活化以顯現出強吸附性的含碳材料，由此甚至痕量的液體或氣體也可被吸附到碳上。這樣的活性炭可由寬范圍的來源(例如，煤、木材、堅果(例如椰子)和骨頭)制得且可源自于合成來源(例如聚丙烯腈)。存在各種活化方法，例如，在升高的溫度下使用蒸汽、二氧化碳或其它氣體進行選擇性氧化，或者，使用例如氯化鋅或磷酸進行化學活化。所述吸附劑還包括粘結劑材料以及其量為全部組成的0.0l?80重量％的石墨材料。
[0008]可在活性炭中結合石墨的任何可得形式(天然的或合成的)，例如，可使用粉末狀或片狀的石墨。優選地，所包含的石墨具有10重量％?50重量％、更優選20重量％?45重量％、尤其是40重量％的量。
[0009]包含粘結劑材料(例如聚四氟乙烯)，以實現配制物的生坯強度以用于進一步處理。粘結劑和具有石墨的活性炭的組合物公開在美國專利7，185，511中，其在此引入作為參考。
[0010]當將處于壓力下的二氧化碳加入(insert)到熱交換單元中以吸附到壓緊的吸附劑材料上的時候，發生物理放熱反應，從而放出熱量。由于該放熱反應，所述壓緊的吸附劑材料也變熱且在這種情況下限制了能夠吸附到吸附劑材料上的二氧化碳的量。為了緩解該問題，在過去，必須以加壓二氧化碳分階段地填充HEU，即，將處于壓力下的二氧化碳加入到HEU中直至所述壓緊的吸附劑材料不再能吸附二氧化碳。此時，移開處于壓力下的二氧化碳的源，并且，允許HEU冷卻或者將其置于保持在非常低的溫度下的冷卻通道中，從而散去已經產生的熱量。顯然，這造成了這樣的情形，在該情形中，妨礙了 HEU的大量生產，因而提高了生產成本。因此，需要以如下方式使用處于壓力下的二氧化碳來填充經裝配的HEU的裝置和方法:在使二氧化碳吸附到HEU中的壓緊的吸附劑材料上的時間期間，除去由放熱反應產生的熱量。
【發明內容】
[0011]提供適用于容納食品或飲料的容器的源、提供熱交換單元罐的源、以吸附劑材料填充所述HEU罐、將所述具有吸附劑材料的HEU罐裝配至所述容器、將多個具有裝配的HEU罐的容器插入到冷卻通道中、使處于壓力下的二氧化碳的源連接至所述多個HEU的每一個以向所述HEU中加入二氧化碳，從而用于吸附到壓緊的吸附劑材料上、使所述冷卻通道保持在預定的低溫下在預定的時間期間以除去所產生的熱量、將所述二氧化碳的源從各HEU組件移開。
[0012]用于以二氧化碳填充熱交換單元的裝置，包括:輸送床，其用于接收多個具有裝配于其中的熱交換單元的容器；多個充氣頭氣缸，每個充氣頭氣缸與處于壓力下的二氧化碳的源相連；用于使所述充氣頭氣缸連接至所述HEU組件的工具；低溫氣體的源；用于使所述低溫氣體循環以接觸所述輸送組件的工具。
【附圖說明】
[0013]圖1是示出了本發明方法的框圖；
[0014]圖2是說明了圖1中所示的方法的特定部分的框圖；
[0015]圖3是示出了經裝配的容器和HEU的示意圖；
[0016]圖4是用在本發明方法中的圓盤(puck)的橫截面圖；和
[0017]圖5是用于熱交換單元的二氧化碳填充并同時除去所產生的熱量的裝置的示意圖。
【具體實施方式】
[0018]現在更具體地，參考圖1，提供了制造生產線的示意圖，其中，所述設備是用于冷卻容器內容物的吸熱設備，且更具體地，其中所述容器是飲料罐，而且，在HEU已被充分填充后，向該罐中加入適宜的飲料。如圖1中所說明的，提供了包含一批飲料罐的罐源24，所述飲料罐為具有頂端開口的傳統飲料罐，這是因為，其中沒有飲料且頂部必須保持敞開以用于當本發明的過程完成時以飲料填充所述罐。來自所述源24的罐沿著適當的輸送帶或類似物26行進至沖孔卷邊站點(stat1n)28。所述沖孔卷邊站點用于在所述罐的底部中提供開口，并且在此后，圍繞所述提供在罐底部中的開口產生凸緣(flange)，所述凸緣可在罐HEU裝配過程期間使用。還提供了 HEU罐的源30，其包含在自冷卻(急冷，chill)飲料罐工業中用作HEU的容器的源。這些罐具有敞開的頂部和封閉的底部且小于所述來自源24的飲料罐以便可容納于其中并留下足夠的空間來接納將要在以后加入的飲料。所述HEU罐將沿著適宜的輸送機或類似物32行進至吸附劑填充站點34。根據本發明的一個優選實施方案，使用吸附劑填充站點，其中，通過利用置于HEU罐內的吸附劑材料(在下文中將對其進行更充分的描述)來提供吸熱反應，所述吸附劑材料稍后被導致吸附所保有的并然后在釋放和解吸附時提供所需的冷卻作用的二氧化碳。根據本發明的優選實施方案，所用的吸附劑為組合有石墨和粘結劑的經壓制的活性炭顆粒。所述HEU罐的開口端可向內頸縮，以便在使所述HEU罐填充有吸附劑材料之后與所述飲料罐的經沖孔卷邊的開口端緊密配合。
[0019]在任何情況下，在已經以吸附劑材料適當地填充所述HEU罐之后，然后通過輸送機36將所述HEU罐輸送至罐/HEU裝配站點38。此外，將用于所述裝配過程的適宜的閥和墊圈輸送至所述裝配站點38。所述閥和墊圈從它們的源40提供。通過適宜的輸送機或類似物42，將所述閥和墊圈輸送至所述罐/HEU裝配站點38。在裝配HEU并將其固定至所述飲料罐的過程中，將由彈性體材料形成的適宜的墊圈置于其中包含吸附劑材料的HEU的開口端上。進行檢查以確保墊圈事實上適當地安置在HEU的開口端上。在此之后，使其上具有墊圈的HEU開口端與圍繞在所述沖孔卷邊站點28處在所述罐的封閉端中沖孔出的開口的凸緣緊密配合。然后，將所述閥和閥座插入到設置于罐底部中的開口內并同時插入到所述HEU罐中的開口內，而且，經由壓接工藝(crimping process)，將所述閥HEU和飲料罐以如下方式永久地固定在一起:該方式使得在HEU、閥座以及罐之間形成適當的密封，從而防止此后置于所述飲料罐中的飲料發生任何泄漏。(圖3中說明了經裝配的罐和HEU，將在下文中對圖3進行更詳細的描述。)
[0020]在所述飲料罐與HEU的裝配之后，將該組件通過輸送帶或類似物44輸送至冷卻通道46以及充氣站點50。隨著使二氧化碳在壓力下強制進入HEU罐的內部以進行吸附，發生放熱反應，產生顯著量的熱量，所述熱量將從HEU輻射出去。隨著由二氧化碳吸附過程產生熱量，所述碳當然地將變熱，而且，隨著其變熱，其所能吸附的二氧化碳的量降低。在作為冷卻通道的構成部分的充氣站點50處，壓下(depress)所述閥并且向HEU中加入二氧化碳直至達到約25巴的預定壓力。所述冷卻通道/充氣站點充滿低溫氣體例如液氮等，以保持所述冷卻通道/充氣站點處于相對低的溫度下，例如，大約5°C。使所述處于壓力下的二氧化碳的源仍然固定到所述HEU，同時使所述冷卻通道/充氣站點處于所述低溫一段時間以允許在所述HEU中達到并保持25巴的壓力。用于允許由壓緊的吸附劑吸附所需量的二氧化碳的預定時間量為約20?30分鐘的時間。一旦已經在所述壓緊的吸附劑上吸附所需量的二氧化碳，則將該經填充的組件62通過輸送機或其它裝置60輸送至所需的位置以用于填充期望的食品或飲料。
[0021]參考圖2，更詳細地說明了吸附劑填充操作，其中，將碳粉施用至所述HEU罐。如圖2中所示的，提供了碳粉