Brevet FR2251786A1 — publié le 19750613

La présente invention concerne la réfrigération de boissons, tels que des jus de fruit, des boissons lactées et d'autres liquidas comestibles qui sont notamment transportés et stockés en bottes et consommés, notamment à partir des bottes, après réfrigération. Les brevets des Etats-Unis d'Amérique n 3.269.141 et 3.520.148 décrivent des récipients à dispositif de réfrigération autonome incorporé pour boissons, aliments liquides ou autres substances buvables, qui sont utilisés en combinaison avec des cartouches de gaz carbonique et qui comprennent un dispositif échangeur de chaleur, tel qu'une spirale ou une double paroi, dans lequel s'écoule le gaz réfrigérant. Dans le brevet mentionné en premier, un gaz comprimé est permis de s'écouler sans restriction à travers une spirale immergée dans la boisson, la réfrigératin étant produite par l'expansion du gaz. Dans le deuxième brevet cité ci-dessus, le gaz comprimé s'échappant d'une cartouche est dirigé par un écran en carton de manière qu'il balaye la surface extérieure de la botte, la réfrigération étant dans ce cas produite par l'expansion du gaz s'écoulant autour du récipient. Le brevet des Etats-Unis dlAmérique n 3.636.726 décrit un dispositif de réfrigération pour boissons utilisant des fluides réfrigérants à base d'hydrocarbure chlorofluoré. Bien que ce dispositif de réfrigération incorporé dans un récipient réduise la température de a boisson à environ @ 4,50C, il ne donne pas entièrement satisfaction. Dans ce dispositif, un gaz s'échappe d'un réservoir, passe par un étranglement, et s'ecoule ensuite - travers une spirale réfrigérante. La boisson est réfrigérée par cet écoulement de gaz en expansion à travers la spirale et par son contact avec la face supérieure du réservoir, qui est faite d'un métal à haute conductibilité thermique.L'un des inconvénients est que seulement l'une des surfaces du réservoir ausiliaire, c'est-à-dire moins que la moitié de la surface totale du réservoir, est en contact avec la boisson. Il s'ensuit que ce dispositif de réfrigération de boissons n'est pas suffisamment efficace pour certaines applications. L'objet de l'invention est un appareil pour la réfrigération de liquides consnmmables dont l'efficacité et la facilité d'utilisation sont plus grandes que celles des appareils connus. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que le rendement de réfrigération réalisable par un appareil du type décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3. 636.726 est porté au maximum gracie à ltutilisation plus grande de la chaleur latente d'évaporation du fluide réfrigérant employé. Selon l'invention, le fluide réfrigérant s'écoulant dans la spirale n'est pas un gaz mais un liquide Appareil de réfrigération selon l'invention est donc du type comprenant un élément de réfrigération destin a Btre plongé dans un liquide consommable.La spirale réfrigérante présente une sortie formée par un orifice d'échappement situé au-dessus du niveau du liquide consommable, et une entrée qui communique avec une ouverture dans un récipient de fluide réfrigérant et à travers laquelle le fluide réfrigérant s'écoule de ce récipient dans la spirale, le fluide réfrigérant sortant par l'orifice d'échappement après avoir parcouru la spirale. L'invention permet d'obtenir une réfrigération de liquides moyennant une pi us faible quantité de fluide réfrigèrent. Salon un mode de réalisation de l'invention, l'appareil comprend un récipient de fluide réfrigérant qui eat conçu pour contenir ce fluide A l'état liquide.Une valve de sortie maintient le réfrigérant liquide dans ce récipient lorsqu'elle est fermée. Un dispositif d'écoulement permet au fluide réfrigèrent de s'ec3uler dans la spirale à l'état liquide lorsque la valve de sortie est ouverte, de sorte que l'évapora- tion se produit dans la spirale réfrigérante et non pas à l'intérieur du récipient de fluide réfrigérant. Un dispositif limiteur de débit est utilisé pour réguler le débit du liquide réfrigérant à travers la spirale. L'invention est basée sur l'utilisation d1une valve dgexpansion dont la section d'écoulement est en corrélation avec la section intérieure de la spirale réfrigérante, afin de permettre l'utilisation maximale du pouvoir réfrigérant du fluide.Le récipient ou réservoir de fluide réfrigérant faisant parle de appareil de l'invention ou utilisé en combinaison avec celui-ci est agencé de manière que le fluide réfrigérant passe à l'état liquide à travers la valve d'expansion dans la spirale réfrigérante, où son état liquide change rapidement en un état gazeux, en extrayant de la boisson la chaleur nécessaire à cet effet, et l'expansion du gaz qui se produit ensuite pendant son écoulenient a travers la spirale produit une réfrigération suppl6- mentaire de la boisson. D'autres caractéristiques et avantages de 11 invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue en élévation, partiellement arrachée, diune botte de conserve contenant une boisson et incorporant un appareil de réfrigération selon un exemple de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue analogue d'une botte de conserve contenant une boisson et incorporant un appareil de réfrigération selon l'invention du type à cartouche, la cartouche elle-même, contenant le fluide réfrigérant, n'étant pas représenté ;; - la figure 3 est une vue analogue de la parte supérieure de la boîte représentée sur la figure 2, raontrant la mise en place de la cartouche - la figure 4 est une vue analogue de la partie supérieure d'une botte selon un exemple de réalisation qui est analogue à celui de la figure 1 mais dont la valve et le réservoir de fluide réfrigérant sont réalisés différemment ; - les figures 5, 6 et 7 représentent trois autres appareils de réfrigération selon l'invention, destines à être utilisé; pour des liquides comestibles autres que les boissons gazeuses. Dans l'exemple de la figure 1, le récipient 2 est une botte de conserve pour boisson de type courant qui ne fait pas partie de l'invention. L'appareil de réfrigération rapporté sur cette botte comprend un réservoir 4 de fluide réfrigérant dont la capacité est suffisante pour contenir, à l'état liquide, donc sous pression, une quantité de fluide réfrigérant assez grande pour réfrigérer la boisson contenue dans la botte 2. Le fluide réfrigérant dans le réservoir 4 est maintenu à l'état liquide sous l'effet de sa propre tension de vapeur. Le réservoir 4, fixé sur la botte 2 par un joint de soudure 3 ou par un autre joint, cosprend une face supérieure concave et une face intérieure convexe qui sont destinées à conférer au réservoir la solidité requise pour qu'il puisse résister à la pression du fluide réfrigérant. Au centre dufond du réservoir, c'est-à-dire dans la partie la plus basse de ce fond, est montée une valve d'expansion 6, à travers laquelle peut s'écouler le fluide réfrigérant, non pas sous forme d'un gaz mais sous forme d'un liquide. La valve d'expansion de cet exemple est une valve à disque. La face inférieure du disque 9 porte une couche d'adhésif 7 qui, en combinaison avec la pression exercée par le réfrigérant liquide, maintient la valve normalement fermée. la disque 9 est solidaire d'une tige 8 portant à son extrémité supérieure un bouton 13 ; lorsqu'une traction est exercée sur ce bouton 13, la @a valve d'expan- sion s' ouvre,- livrant passage au liquide réfrigérant La tige 8 traverse un joint d'étanchéité 10 monté dans une ouverture centrale de la face supérieure du réservoir 4. Lorsque la valve est ouverte, le liquide contenu dans le réservoir s'écoule dans une spirale réfrigérante 11, où il s'évapore rapidement. La chaleur nécessaire pour l'évaporation du liquide a l'intérieur de la spirale est extraite de la boisson entourant la spirale La spirale Il est un élément tubulaire à paroi mince, fait d'un métal à haute conductibilité calorifique, par exemple d'aluminium. La spirale se termine par un orifice d'échappement 12 à travers lequel le gaz expansé s'échappe à l'extérieur Une languette 14 pour l'ouverture de la boite est incorporée dans le fond de celle-ci. La figure 2 représente un appareil de réfrigération conçu pour la réception d'une cartouche. Appareil comprend un perforateur 20, une valve d'expansion 22, une sp ira t5 réfrigérante tubulure 24, et un orifice d'échappement 26. Cet appareil est également incorporé dans une botte de conserve 28 pour boissons de type standard , cette incorporation de l'appareil de réfrigération dans la botte ou un récipient analogue est nécessaire s'il s'agit de boissons gazeuses car la botte ou un autre récipient dot dans ce cas rester fermé pendant la réfrigération.L'appareil de réfrigération de la figure 2 entre en action lorsque le col d'une cartouche 30 - contenant le fluide réfrigérant à l'état liquide-est enfoncé dans la bague élastique ou joint flexible 323 colrnne représenté sur la figure 3.Dans cet exemple de réalisation de l'invention, l'entrée accidentelle de fluide réfrigérant dans la spirale ou échangeur de chaleur 24 est exclue, après le transperce- ment de la cartouche par le perforateur 20, le liquide réfrigérant s'écoule à travers la valve d'expansion 22 dans la spirale réfrigérante 74i, où il s'évapore en extrayant la chaleur d'évaporation nécessaire à cet effet de la boisson qui l'entoure. L'expansion du gaz pendant son écoulement à travers la spirale produit une réfrigération supplémentaire de la boisson. Avant la consommation de la boisson, la botte est disposée verticalement de manière que l'appareil de réfrigération selon l'invention se trouve en haut. Dans l'exemple de la figure 1, le consommateur saisit la boîte 2 d'une main et tire par l'autre main sur le bouton 13 relié à la valve, de sorte que le réfrigérant liquide commence à s'écouler à travers la valve d'expansion dans la spirale. Lorsque le bruit de l'échappement de gaz s'arrête, le consommateur inverse la botte et la secoue doucement pendant quelques secondes. Ensuite, il n'a plus qu'à tirer sur la languette 14 pwr déguster la boisson.Dans 'exemple de la figure 2, la botte 28 est également disposée verticalement, avec le perforateur 20 en haut. L'enfoncement d'une cartouche contenant un réfrigérant liquide sur le perforateur comme représenté sur la figure 3 provoque la réfrigération de la boisson contenue dans la boîte comme déjà décrit. Il ressort de ce qui précède que appareil selon l'invention utilise à la fois l'effet de réfrigération produit lorsqu'un réfrigérant liquide traverse une valve d'expansion miniature et extrait la chaleur nécessaire pour son évaporation dans la spirale du liquide qui entoure celle-ci, et l'effet de réfrigération produit lorsque le fluide réfrigérant en phase gazeuse continue à stexpanser à I' intérieur de la spirale pendant son écoulement vers l'orifice d'échappement L'invention crée par consequent un dispositif très efficace pour la réfrigération de boissons ou d'aliments liquides en boites.Les appareils employas jusqu 'à présent ne comprennent pas les dispositifs qui assurent que le fluide réfrigérant pénètre à l'état liquide dans l'élément réfrigérant Comme le fluide réfrigérant est permis de s'écouler dans l'élément réfrigérant à l'état liquide lorsque la valve de sortie est ouverte, il est aisément compréhensible qu'il faut prévoir un dispositif limitant le débit. Sans un tel dispositif, le fluide réfrigérant en phase liquide et en phase vapeur s'écoulerait à travers l'élément réfrigérant sans produire la réfrigération maximale du contenu de la boite ou alors il faudrait une quantité très importante de fluide réfrigérant pour produire la réfrigération nécessaire.Bien entendu, le débit du fluide réfrigérant est fonction de la longueur du passage à travers l'élément réfrigérant, et il est surtout fonction de la dimension de l'ajutage de la valve d'expansion. I1 est donc impossible d'indiquer des débits précis pour un appareil réalisé conformément à l'invention. En règle générale,plus le passage d'écoulement du fluide réfrigérant est court, plus le débit doit autre faible. Le débit peut entre limité ou régulé par une valve à liquide de type connu, mais il est le plus souvent avantageux d'employer une valve d'expansion ou de détente à ajutage calibré.A titre d'exemple pour abaisser de 22aC la température d'une boite de 280 g contenant une boisson non alcoolisée, on peut utiliser une spirale réfrigérante en aluminium d'un diametre intérieur de 4,5 et d'une longueur comprise entre 70 et 80 cm, dans un appareil du type representé sur la figure I (les dimensions et les poids indiqués ci-dessus et dans la suite de la description sont approximatifs). Si le diametre de l'ajutage de la valve d'expansion est supérieur à 0,35 ma, le rendement de réfrigération n'est pas très élavé, de sorte qu'il faut augmenter la quantité de fluide réfrigérant pour obtenir le meme abaissement de température. De plus, si l'ajutage est trop petit, le débit du fluide réfrigérant s'écoulant à travers la spirale est trop faible pour -produire un abaissement efficace de la température. Par exemple, si si lajutage est plus petit que Q,?3 am, le débit de fluide réfrigérant est ai faible que la réfrigération effective ne peut pas entre obtenue dans un temps raisonnable. Lorsque l'appareil comprend une valve d'expansion dont l'ajutage est de 0,29 mm, il est possible d'abaisseur de 22 C la température d'une botte de 280 g contenant une boisson non alcoolisée en deux minutes en utilisant 170 g de CCl2F2. La dimension de l?ajutage de la valve d'expansion et sa corrélation avec l'élément réfrigérant dépendent également de facteurs tels que la chaleur d'évaporation spécifique du fluide réfrigérant sa viscosité, les caracté- ristiques d'écoulement du fluide réfrigérant dans l'élément refrigerant, la quantité de boisson à réfrigérer, et les caractéristiques de cette boisson.Il est donc impossible d'indiquer avec précision les différents rapports pour toutes les applications possibles Cependant, la dimension de l'ajutage de la valve d'expansion, les caractéristiques du fluide réfrigérant et la longueur de la spirale réfrigérante doivent normalement etre telles que la différence entre la température de la boisson et la température du fluide réfrigèrent à l'orifice d'échappement soit maintenue minimale pendant toute la durée du cycle de réfrigération. Cette différence de tei;érature ne devrait pas entre supérieure à 80C et est de préférence inférieure a 4,5 C.A titre d'information de guidage, cette condition peut généralement Entre satisfaite si la corrélation entre la longueur de la spirale, la dimension de l'ajutage de la valve de sortie et les caractd- ristiques du fluide réfrigérant sont telles que la durée de réfrigération soit inférieure a deux minutes et demie, le plus s ouvrent a deux minutes. Il a déjà été mentionne dans ce qui précède que la mise en oeuvre de l'invention perniet de réduire la quantité de fluide réfrigérant nécessaire. Des calculs thermodynamiques utilisant la formule (dans laquelle Mr représente la masse du fluide réfrigérant, Mb la masse de la boisson à réfrigérer, # T l'abaissement de température désiré, et Hîat la chaleur latente d1évaporation) démontrent que la quantité de CCl2F2 théoriquement nécessaire pour abaisser de 22 C la tempJrature de 340 g d'une boisson telleque le "coca-cola" est de 190 g.Un appareil selon l'invention permet d'abaisser effectivement de 220G la température d'une botte de 340 g d'une telle boisson au moyen de 200 g de CCl2F2. En raison de cette très faible différence avec la quantité de fluide réfrigérant théorique, l'appareil est appelé "appareil de réfrigération thermodynamique". la réfrigération produite par un appareil selon l'invention commence à l'intérieur de a spirale réfrigérante à la sortie de a valve d'expansion. Comme l'évaporation du liquide réfrigérant est inhibée dans cette partie refroidie de la spirale, le point d'évaporation se déplace progresse vement a travers la spirale vers l'orifice d'échappement Le point de réfri- gération par évaporation se dépla@e donc de façon progressive et uniforme sur pratiquement t@@@e la longueurde la spirale réfrigérante. Ce phénomène est rendu visible par la formation progressive de glace sur la paroi extérieure du tubé formant la spirale.En raison de la nature de ce processus de réfrigération @a durée du cycle de réfrigération, c'est-à-dire le temps nécessaire pour cette évaporation pregressive à travers toute la longueur de la spirale, est directement fonction de la longueur du tube formant la spirale. Il faut tenir compte de @ facteur dans l'application da l'invention à des bottes ou récipients ayant différentes contenances. En ce qui concerne le fluide réfrigérant, il est bien entendu souhaitable que su chaleur latente d'évaporation soit élevée, et que la pression nécessaire pour le maintenir à l'état liquide ne devienne pas trop élevée au cas où la b@isson est exposée à une température élevée avant la consommation, par exemple à uile température pouvant atteindre 55 C, ce qui est possible dans les conditions normales de transport.Les fluides réfrigérants qui sont avan@ageux pour la mise en oeuvre de 11 invention sont les "fréons", par exemple le CCl2F2, le CHCl2F et le CCl3F, bien que d'autres fluides réfrigérants non toxiques ayant une tension de vapeur avantageuse pour le maintien en etat liquide à l'intérieur du réservoir ou de la cartouche, ainsi qu'une chaleur d'évaporation élevée puissent également être employés. Les éléments essentiels de l'invention ayant ainsi été décrits, l'homme de l'art concevra aisément différentes modifications et variantes de réalisation. Il est notamment possible d'utiliser des valves séparées, comme celles représentées sur la figure 4, à la place de la valve à disque qui est représentée sur la figure 1 et qui agit à la fois comme valve de sortie et comme valve d'expansion. Dans l'exemple de la figure 4, le fluide réfri- gérant est maintenu à l'intérieur du réservoir 4 par une valve à pointeau 40 qui s'appuie contre un siège en plastique 41 fermant l'entrée de la spirale réfrigérante 42. Sous cette valve de sortie 40 est disposée une valve d'expsn- sitn on orifice d'étranglement 44 dont l'ajutage, choisi en fonction des caractéristiques de la spirale réfrigérante, est plus petit que la section d'éconleeent de le valve de sortie, cette section d'écoulement étant par exemple supérieure à 2,5 rom, de sorte que l'écoulement du liqui@@ réfrigérent jusqu'à l'orifice d'étranglement 44 ns soit pas limité. La partie supérieure de la tige 46 de la valve à pointeau porte un filetage 47, et te joint 48 est également fileté. Dans cet exemple, la valve de sortie 40 e"t ouverte par la rotation d'un bouton 49 à l'extrémité supérieure de la tige 46.Selon d'autres modes de réalisation de l'invention, l'appareil de réfrigération est conçu pour entre fixé sur un récipient contenant un liquide à réfrigérer, ou pour être inséré dans un tel récipient. Comme le montre la figure 5, un tel appareil selon l'invention peut être composé essentiellement d'une spirale réfrigérante dont l'orifice d'échappement forme en même temps un perforateur, et d'un couvercle à filetage intérieur qui peut être vissé sur un pot ou un bocal en verra par exemple. Appareil peut également être fixé sur un récipient au moyen d'un couvercle à embottement, comme représenté sur la figure 6.Dans l'exemple de la figure 7, un appareil de réfrigération selon l'invention est adapté sur un pot dont le côté opposé au renfoncement d'insertion de la cartouche porte un couvervel à vis 50. Selon encore un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, la capacité de réfrigération peut être accrue par la simple augmentation de la quantité du fluide réfrigérant, par exemple slil. agit de réfrigérer une quantité relativément importante de liquide, ou s'il s'agit de produire un abaissement de de la température qui est supérieure aux valeurs mentionnées dans ce quiprécède, Il va également de soi que l'invention est non seulement applicable sux boissons mais également à une grande variété d'autres liquides ou substances consommables, ainsi qu'à la préparation de telles substances, par exemple à la préparation de glaces ou d'autres aliments congelés les appareils représentés à titre d'exemple sur les figures 5, é et 7 conviennent partieu- librement à une telle application Pour cette raison, cas différentes variantes et d'autres encore sont comprises dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Appareil de réfrigération pour liquides consommables, du type comprenant un élément réfrigérant destiné à etre disposé dans le liquide consommable, cet élément réfrigérant présentant une sortie formée par un orifice d'échappement qui est situé au-dessus du niveau du liquide consommable, et une entrée-solidaire d'un récipient de fluide réfrigérant et communiquant avec ce récipient, de sorte que le fluide réfrigérant peut s découler du récipient dans l'élément réfrigérant et à travers celui-ci, et s'échapper par ledit orifice, caractérisé en ce qu'il comprend un récipient de fluide réfrigérant qui est conçu pour maintenir ce fluide à l'état liquide, une valve de sortie maintenant le liquide réfrigérant à l'intérieur du récipient lorsqu'elle est fermée, un dispositif d'écoulement pour l'admission du fluide réfrigérant dans l'élément réfrigérant à l'état liquide lorsque la valve de sortie est ouverte, de sorte que l'évaporation du liquide réfrigérant s'effectue dans l'élément réfrigérant et non pas à l'intérieur dudit récipient, un dispositif qui limite ou qui régule le débit du liquide s'écoulant dans ledit élément réfrigérant à une valeur telle que l'évaporation se produit de manière progressive tout au long de l'élément réfrigérant, de manière que la différence entre la température du liquide consommable et la température du fluide réfrigérant à l'orifice d'échappement reste minimale pendant toute la durée du cycle de réfrigération, durée qui est notamment inférieure à deux minutes et demie. Appareil de réfrigération selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valve de sortie et le dispositif de limitation ou de régulation de débit sont combinés en une seule valve à disque qui est normalement fermée et qui est susceptible d'entre ouverte de l'extérieur du récipient. 3. Appareil de réfrigération selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valve de sortie et le dispositif de limitation ou de régulation de débit sont séparés. 4. Appareil de réfrigération selon la revendication I, caractérisé en ce que la valve de sortie est une valve à pointeau normalement fermée qui est susceptible d'entre ouverte de l'extérieur du récipient. 5. Appareil de réfrigération selon la revendication l, utilisé en combinaison avec un récipient pour boisson, caractérisé en ce qu'il fait corps avec ce récipient pour boisson ou est solidaire de celui-ci et est monte au sommet de ce récipient pour boisson. 6. Appareil de réfrigération selon la revendication 1, earacaérisé en ce qu'il est conçu pour entre disposé au sommet deux récipient pour boisson et pour être flxé sur celui-ci. 7. Appareil de réfrigération selon la revendication 5, caractérisé en ce que le récipient du fluide réfrigérant est constitué par une cartouche séparée, et an ce que l'appareil de réfrigération est conçu pour recevoir cette cartouche. 8. Appareil de réfrigération selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dierositif d'écoulement comprend un tube de sortie de fluide réfrigérant qui est disposé dsns le fond du récipient de fluide réfrigérant et dont la section d'écoulement présente un diamètre supérieur a 2,5 mm, en ce que la valve de sortie ferme normalement l'ouverture de ce tube, et en ce que le dispositif de limitation ou de régulation du débit est une valve d'expansion ou de détente qui eet disposée dans ce tute et qui présente une section d'écoulement dont le diamètre est compris entre 0,23 et 0,35 nin, la grandeur de ce diamètre étant en corrélation avec les dimensions de l'élément réfrigérant, de manière que la différence de température entre le liquide consommalbe et le fluide réfrigérant è l'orifice d'échappement soit maintenue à une valeur minimale qui est inférieure 8.30C. 9. Dispositif pour la réfrigération de liquides consommables, dans lequel un élément réfrigérant est disposé dans le liquide consommable, et dans lequel un fluide réfrigérant s'écoule d'un récipient dans cet élément @@frigérant et à travers celui-ci avant de s'échapper par un orifice d'échappement, caractérisé en ce que ledit fluide réfrigérant est admis dans l'élément réfrigérant à l'état liquide, de sorte que l'évaporation s'effectue dans cet élément plutôt que dans le récipient, et en ce que le débit du liquide réfrigérant s'écoulant dans ledit élément réfrigérant est limité ou régulé à une valeur telle que le différence entre la température du liquide consommable et la température du fluide réfrigérant à l'orifice d'échappement soit inférieure à 8,3 C pendant toute la durée du cycle de réfrigération, de manière que l'évaporation s'effectue de façon progressive tout au long de l'élément réfrigérant.