КАРТРИДЖ ДЛЯ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ
CARTRIDGE FOR DISPERSE MATERIALS

Область техники
Изобретение относится к контейнеру для диспергируемых материалов и, более конкретно, к картриджу, используемому при смешивании чаев, какао, настоев и других диспергируемых материалов.
Уровень техники
Известны разливочные автоматы (диспенсеры) различных типов для розлива напитков. Обычно в таких диспенсерах используется какой-либо контейнер, содержащий некоторое количество диспергируемых материалов. Чтобы получить, путем смешивания, напиток, обычно к этим материалам добавляют горячую воду. Одним из недостатков подобных диспенсеров напитка является необходимость периодической чистки и/или санитарной обработки компонентов диспенсера, которые контактируют с диспергируемыми материалами. Кроме того, для правильного приготовления напитка с использованием диспергируемых материалов обычно необходимы значительные трудозатраты. Как следствие, временной интервал между рабочими циклами диспенсера напитка может быть довольно значительным.
В связи с этим, существует потребность в диспенсере напитка и в ассоциированных с ним компонентах, обеспечивающих приготовление напитка (посредством смешивания) при относительно короткой длительности рабочего цикла. При этом диспенсер напитка предпочтительно должен иметь довольно низкую стоимость и быть простым в использовании, но при этом стабильно обеспечивать высокое качество напитка. Кроме того, желательно, чтобы диспенсер напитка мог легко адаптироваться к различным типам и количествам диспергируемых материалов и других ингредиентов.
Раскрытие изобретения
Соответственно, изобретение обеспечивает создание картриджа для смешивания определенного количества диспергируемого материала с водой. Картридж может содержать корпус с нижним отверстием и находящийся в отверстии затвор. Размеры данного затвора могут быть выбраны таким образом, чтобы обеспечить герметичное перекрытие отверстия до достижения заданного давления внутри корпуса картриджа.
Корпус картриджа может иметь круглую боковую стенку и коническое основание, причем круглая боковая стенка может иметь гладкую внутреннюю поверхность. Корпус картриджа может быть снабжен отклоняющей юбкой, а картридж может дополнительно содержать крышку, вводимую в его корпус. В крышке могут быть выполнены сквозные отверстия.
Затвор может содержать нижнее основание, верхнее основание и стойку. Отверстие в корпусе картриджа может иметь заданный диаметр, при этом диаметр верхнего основания может слегка превышать этот заданный диаметр для обеспечения возможности ввода верхнего основания с усилием в указанное отверстие. Заданное давление может составлять около 40 кПа.
Корпус картриджа может быть снабжен кольцом, расположенным вокруг отверстия, причем корпус и затвор могут содержать запирающий механизм, формирующий извилистый канал течения жидкости через указанный механизм. Корпус картриджа может содержать пару фланцев, формирующих полость и имеющих выступ. При этом затвор может содержать блокирующий фланец с размерами, обеспечивающими возможность его ввода в указанную полость и фиксации внутри нее. У данного затвора могут иметься секция с ребрами и запирающая секция, а в корпусе картриджа могут иметься внутренние перегородки.
Изобретение охватывает также способ смешивания напитка внутри картриджа, снабженного крышкой и выпускным клапаном. Данный способ включает: подачу воды через крышку; смешивание напитка внутри картриджа; создание внутри картриджа повышенного давления; обеспечение открывания указанного клапана при достижении заданного давления и выведение напитка из картриджа.
Изобретение охватывает также картридж для помещения в него заданного количества диспергируемого материала, содержащий корпус, в который помещено устройство с крыльчаткой, и крышку.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 в перспективном изображении представлен клапанный картридж согласно изобретению.
На фиг.2 картридж по фиг.1 показан с пространственным разделением его компонентов.
На фиг.3 на виде сбоку, в разрезе показан картридж по фиг.1 с помещенным в него диспергируемым материалом.
На фиг.4 на виде сбоку, в разрезе показан картридж по фиг.1 с опускающимся затвором.
На фиг.5 на виде сбоку, в разрезе показан картридж по фиг.1 с опустившимся затвором и с выливанием перемешанной жидкости.
На фиг.6 на виде сбоку, в разрезе показан альтернативный вариант клапанного картриджа согласно изобретению.
На фиг.7 корпус картриджа по фиг.6 показан на частичном виде, в сечении.
На фиг.8 в перспективном изображении, в разрезе показан альтернативный вариант картриджа согласно изобретению.
На фиг.9 в перспективном изображении представлен альтернативный вариант клапанного картриджа согласно изобретению.
На фиг.10 клапанный картридж по фиг.9 показан на виде сбоку, в разрезе.
На фиг.11 альтернативный вариант картриджа по изобретению представлен с пространственным разделением компонентов.
Сходные части и компоненты имеют на чертежах сходные обозначения.
Осуществление изобретения
На фиг.1 и 2 представлен вариант клапанного картриджа 100. Данный картридж, включая его компоненты, может быть изготовлен из обычного термопластичного материала, такого как полистирол, полипропилен, полиэтилен или иной подобный материал. Альтернативно, могут быть использованы нержавеющая сталь, стекло или иные коррозионностойкие материалы.
Клапанный картридж 100 содержит корпус 110. Этот корпус 110 может иметь, по существу, круглую боковую стенку 120, которая сопрягается с коническим основанием 130. Боковая стенка 120 и коническое основание 130 образуют внутреннюю поверхность 140. Внутренняя поверхность 140 может быть, по существу, гладкой и свободной от складок, что позволяет избежать удерживания материалов внутри корпуса и обеспечить полное выведение из него жидкости. Боковая стенка 120 может иметь внутренний диаметр около 38 мм при толщине около 1 мм. Коническое основание 130 может отходить от боковой стенки 120 вниз под углом около 45°. Вертикальный размер этого основания может составлять около 15,8 мм, а его толщина - от примерно 0,75 мм до примерно 1,5 мм. Альтернативно, боковая стенка 120 и коническое основание 130 могут иметь любые подходящие формы и размеры.
В коническом основании 130 может быть сформировано выпускное отверстие 150. Это отверстие предпочтительно расположено в центральной части конического основания 130. Диаметр выпускного отверстия 150 может составлять около 12,7 мм; однако оно может иметь любые подходящие форму и размеры.
Смежно с коническим основанием 130 может быть расположена отклоняющая юбка 160. Эта юбка может иметь, по существу, круглую форму, а ее вертикальный размер, считая от конического основания 130, может равняться примерно 8-9 мм. Однако она может иметь любые подходящие форму и размеры. Основание 130 и юбка 160 могут быть выполнены как единая деталь или как отдельные детали.
У боковой стенки 120 может иметься также губка 170. Губка 170 может иметь, по существу, плоскую верхнюю часть 180. Губка 170 может быть слегка смещена наружу относительно боковой стенки 120, чтобы сформировалась кромка 190 в виде внутреннего уступа. Как будет описано дальше, этот уступ может взаимодействовать с крышкой. Губка 170 может также заходить за наружный диаметр боковой стенки 120, образуя фланец 195 шириной примерно 1,2-1,3 мм. Фланец 195 может поддерживать картридж 100 в диспенсере напитка или в устройстве другого типа. Ему могут быть приданы любые подходящие форма и размеры.
Корпус 110 картриджа может быть сделан, по существу, жестким, т.е. способным выдерживать температуру и давление, типичные для цикла приготовления напитка, не ухудшая вкуса напитка. Термин "жесткий" в данном контексте означает, что корпус 110 картриджа, находясь под давлением, может слегка изгибаться или деформироваться. Корпус 110 способен выдерживать температуры около 95°С в течение около 30 с или более при гидравлическом давлении не менее 1,1 МПа. Хотя корпус 110 картриджа может слегка изгибаться или деформироваться, этот корпус как целое должен выдерживать ожидаемое давление протекающей через него воды.
Крышка 200 может входить внутрь зоны, сформированной внутренней кромкой 190 корпуса 110 картриджа. Толщина крышки 200 может составлять примерно 0,7-0,8 мм. В крышке 200 могут быть выполнены сквозные отверстия 210. Диаметр отверстий 210 может составлять около 0,38 мм, а их количество может примерно равняться 25. Однако количество и размеры отверстий 210 могут быть отличными от указанных. При этом размеры и положения отверстий 210 выбираются таким образом, чтобы они формировали высокоскоростные струи воды.
В выпускном отверстии 150 корпуса 110 картриджа может находиться затвор 220, совместно с взаимодействующей с ним частью картриджа образующий выпускной клапан. У данного затвора 220 могут иметься нижнее основание 230, верхнее основание 240, центральная стойка 250 и ребра 260. Верхнее основание 240 довольно плотно (с усилием) входит в выпускное отверстие 150 корпуса 110 картриджа. При этом его диаметр слегка превышает диаметр отверстия 150. Нижнее основание 230 имеет еще больший наружный диаметр, что позволяет ему направлять поток жидкости, движущейся вдоль выпускного отверстия 150 и верхнего основания 240. Центральная стойка 250 выступает из верхнего основания 240. Она может иметь высоту, превышающую толщину слоя ожидаемого количества материала, помещаемого внутрь корпуса 110, чтобы гарантировать, что на верхней поверхности стойки 250 не будет оставаться никакого диспергируемого материала. Ширина ребер 260 может превышать диаметр выпускного отверстия 150 настолько, чтобы сделать возможным ввод затвора 220 в выпускное отверстие 150, но предотвратить возможность его удаления. Можно использовать любое количество ребер 260. Затвор 220 должен оставаться в заданном положении внутри выпускного отверстия 150 до достижения заданного значения давления, составляющего в данном примере около 40 кПа. Давление, необходимое для освобождения (отвода) затвора 220, может варьироваться в зависимости от соотношения между диаметрами отверстия 150 и верхнего основания 240 и от других факторов.
Как показано на фиг.3, затвор 220 установлен в выпускном отверстии 150 корпуса 110 картриджа. В объем корпуса 110, ограниченный его внутренней поверхностью 140, помещают заданное количество диспергируемого материала 270. Затем в зону, ограниченную внутренней кромкой 190 боковой стенки 120, устанавливают крышку 200. После этого корпус 110 картриджа может, по желанию, транспортироваться и храниться.
При смешивании в процессе приготовления напитка в корпус 110 картриджа может быть подан поток воды под давлением от примерно 1 МПа до примерно 1,4 МПа. Вода под давлением проходит через отверстия 210 в крышке 200, причем она может двигаться со скоростью около 55 м/с. Отверстия 210, следовательно, формируют группу высокоскоростных водяных струй, чтобы обеспечить хорошее смешивание диспергируемого материала 270 при протекании через него воды. Пример диспенсера напитка для использования с картриджем 100 представлен в патенте США №6786134, принадлежащем заявителю настоящего изобретения и озаглавленном "Диспенсер чая и кофе".
Как показано на фиг.4 и 5, при протекании воды через диспергируемый материал 270 происходит приготовление напитка 280 посредством смешивания. Когда давление внутри картриджа 100 достигает давления срабатывания затвора 220, его верхнее основание 240 отходит от выпускного отверстия 150 и затвор 220 опускается вниз до тех пор, пока ребра 260 не придут в контакт с внутренней поверхностью 140 конического основания 130. В результате напиток 280 может вытекать из выпускного отверстия 150 на нижнее основание 230 и далее в объем юбки 160. Выбор соответствующих размеров затвора 220 как целого относительно размеров выпускного отверстия 150 обеспечивает создание усилия сдвига, действующего на напиток 280, когда он проходит через отверстие, и способствует смешиванию. Одновременно нижнее основание 230 и юбка 160 создают турбулентное течение жидкости, чтобы дополнительно улучшить смешивание. После этого, по желанию, картридж 100 может быть выброшен или использован повторно.
Характер течения жидкости через картридж 100 как целое зависит от геометрии и размеров картриджа, природы, количества и плотности диспергируемого материала 270, давления воды, ее температуры, длительности смешивания и других параметров. Изменение любых из этих параметров может изменить характеристики напитка 280. Диспергируемый материал 270 может иметь форму зеленых чайных листьев, какао-порошка, материалов для настоев или материалов других типов, которые являются растворимыми в воде или в других жидкостях. Кроме того, сам диспергируемый материал 270 может являться жидкостью. Могут быть использованы и иные материалы любого подходящего типа.
На фиг.6 и 7 показан альтернативный вариант клапанного картриджа 300 согласно изобретению. Аналогично описанному клапанному картриджу 100, клапанный картридж 300 содержит корпус 310 с, по существу, круглой боковой стенкой 320 и с коническим основанием 330. Боковая стенка 320 и коническое основание 330 образуют внутреннюю поверхность 340. В коническом основании 330 сформировано выпускное отверстие 350. Смежно с коническим основанием 330 может быть расположена отклоняющая юбка 360. Корпус 310 картриджа может закрываться крышкой 370.
В данном варианте коническое основание 330 корпуса 310 картриджа может стыковаться с выпускным кольцом 380. Выпускное кольцо 380 может быть, по существу, плоским и расположенным, по существу, горизонтально. Это кольцо может окружать отверстие 350.
Под круглым основанием 330 и выпускным кольцом 380 может находиться запирающий механизм 400. В данном варианте этот механизм может содержать пару фланцев. Верхний фланец 410 и нижний фланец 420 будут подробно описаны далее (на фиг.7 фланцы 410, 420 показаны в разрезе, но должно быть понятно, что они имеют, по существу, круглую форму и, полностью или частично, охватывают по диаметру отверстие 350). Верхний фланец 410 задает первую полость 430, расположенную между верхним фланцем 410 и нижним фланцем 420. Нижний фланец 420 задает вторую полость 440, расположенную между нижним фланцем 420 и юбкой 360. На одном конце нижнего фланца 420 может иметься выступ 450.
Запирающий механизм 400 предпочтительно выполнен, как единый компонент, сформированный литьем или иным аналогичным методом. Альтернативно, некоторые части механизма могут быть выполнены в виде отдельных, прикрепленных к нему деталей. Например, выступ 450 может быть изготовлен из материала, отличного от материала остальной части запирающего механизма 400. Так, в данном примере выступ 450 может быть изготовлен из сополимера дифенилового эфира, тогда как остальная часть запирающего механизма 400 может быть изготовлена из полипропилена. У запирающего механизма 400 могут иметься также ребра (не изображены), расположенные внутри отверстия 350.
Клапанный картридж 300 дополнительно содержит затвор 460. В данном варианте этот затвор 460 выполнен состоящим из двух секций: верхней секции 470 с ребрами и нижней запирающей секции 480. Запирающая секция 480 имеет основание 490 и центральную стойку 500. Основание 490 имеет, по существу, круглую форму и плотно входит в отверстие 350 корпуса 310 картриджа. Основание 490 дополнительно содержит блокирующий фланец 510. У этого фланца имеется выступающий горизонтальный элемент 520, который стыкуется с вертикальным элементом 530. Размеры вертикального элемента выбраны такими, чтобы он плотно входил в первую полость 430 корпуса 310 картриджа и располагался над выступом 450. Блокирующий фланец 510 может иметь форму непрерывного кольца или иметь разрывы, чтобы сформировать ловушки, которые будут описаны далее. Стойка 500 выступает вверх, в корпус 310 картриджа. При этом секция 470 с ребрами накладывается на стойку 500. Данная секция 470 снабжена несколькими ребрами 540. Ребра 540 имеют диаметр, превышающий диаметр отверстия 350. Количество ребер 540 может быть любым. Когда картридж находится в положении розлива, ребра 540 опираются на плоское выпускное кольцо 380 корпуса 310 картриджа.
В процессе использования картриджа запирающая секция 480 находится внутри отверстия 350 и удерживается в этом положении посредством запирающего механизма 400. Более конкретно, вертикальный элемент 530 заблокирован в первой полости 430 выступом 450. Основание 490 запирающей секции 480 находится внутри отверстия 350, чтобы герметично перекрыть его. При этом секция 470 с ребрами может быть наложена на стойку 500 запирающей секции 480. В таком состоянии картриджа в его корпус 310 может быть помещено заданное количество диспергируемого материала 270. Затем в корпус 310 клапанного картриджа может быть введена крышка 370. После этого клапанный картридж 300 может, по желанию, транспортироваться и храниться.
Чтобы приготовить напиток 280, в клапанный картридж 300 через сквозные отверстия в крышке 370 добавляют горячую воду. Как и в предыдущем варианте, эти отверстия формируют высокоскоростные струи воды, содействуя тем самым хорошему смешиванию воды и диспергируемого материала 270. Рост давления внутри картриджа 300 также способствует смешиванию воды и диспергируемого материала. При достижении точки срабатывания запирающего механизма 400 его нижний фланец 420 выгибается наружу, позволяя затвору 460 равномерно опуститься в отверстие 350. Дальнейшее смешивание воды и диспергируемого материала 270 происходит, когда напиток 280 под действием давления течет через отверстие 350 и по основанию 490 запирающей секции 480 затвора 460. Такая конструкция формирует извилистый канал течения. Смешивание имеет место также, когда напиток 280 стекает с основания 490 затвора 460 и подается под давлением на поверхность юбки 360.
В качестве альтернативы, в корпус 310 картриджа можно одновременно помещать различные диспергируемые материалы 270. При этом различные материалы 270 могут вводиться в корпус 310 картриджа слоями или разделяться вертикальными плоскостями. По желанию, с целью сохранения пространственного разделения между различными материалами 270 в корпусе 310 картриджа могут иметься соответствующие перегородки.
На фиг.8-10 показан альтернативный вариант затвора клапанного картриджа 600 согласно изобретению. Аналогично описанному клапанному картриджу 100, клапанный картридж 600 содержит корпус 310 с, по существу, круглой боковой стенкой 320 и с коническим основанием 330. Боковая стенка 320 и коническое основание 330 образуют внутреннюю поверхность 340. В коническом основании 330 сформировано выпускное отверстие 350. Смежно с коническим основанием 330 может быть расположена отклоняющая юбка 360. Корпус 310 картриджа может закрываться крышкой 370. Коническое основание 330 корпуса 310 картриджа может стыковаться с выпускным кольцом 380. Выпускное кольцо 380 может быть, по существу, плоским и расположенным, по существу, горизонтально. Это кольцо может окружать выпускное отверстие 350.
Под круглым основанием 330 и выпускным кольцом 380 может находиться запирающий механизм 610. Данный механизм может содержать первый фланец 620, который (как и другие элементы, описываемые далее) окружает отверстие 350. В данном варианте запирающий механизм 610 содержит пару ловушек 630. Ловушки 630 могут находиться на противоположных краях клапанного картриджа 600. Они содержат удлиненный фланец 640, аналогичный описанному выше второму фланцу 420. Удлиненный фланец 640 на одном своем конце может иметь выступ 650. Первый фланец 620 и удлиненный фланец 640 образуют полость 660 ловушки.
Клапанный картридж 600 содержит также затвор 670. Как и в предыдущем варианте, затвор 670 выполнен состоящим из двух секций: верхней секции 470 и нижней, запирающей секции 480. Запирающая секция 480 имеет основание 490 и центральную стойку 500. Основание 490 имеет, по существу, круглую форму и плотно (с усилием) входит в отверстие 350 корпуса 310 картриджа. Основание 490 дополнительно содержит блокирующий фланец 680. Аналогично блокирующему фланцу 510, описанному выше, блокирующий фланец 680 имеет выступающий горизонтальный элемент 690, который стыкуется с вертикальным элементом 700. Вертикальный элемент 700 может заканчиваться выступом 710. Внутрь блокирующего фланца 680 может быть помещена лента 720. Она может быть выполнена из эластомерного материала, чтобы облегчить введение с усилием и легкое выведение из полости 660, образующей ловушку.
Как и в предыдущем варианте, центральная стойка 500 выступает вверх, в корпус 310 картриджа. При этом секция 470 с ребрами накладывается на стойку 500. Данная секция 470 снабжена несколькими ребрами 540. В рассматриваемом примере имеются два ребра 540. Однако количество ребер 540 может быть любым. Ребра 540 имеют диаметр, превышающий диаметр отверстия 350. Когда картридж находится в положении розлива, ребра 540 опираются на плоское выпускное кольцо 380 корпуса 310 картриджа.
В процессе использования картриджа запирающая секция 480 находится внутри отверстия 350 и удерживается в этом положении посредством запирающего механизма 610. Более конкретно, выступ 710 вертикального элемента 700 блокирующего фланца 680 захвачен ловушкой 630. Тем самым основание 490 запирающей секции 480 заблокировано запирающим механизмом 610, чтобы герметично перекрыть отверстие 350. При этом секция 470 с ребрами может быть наложена на стойку 500. В таком состоянии картриджа в его корпус 310 может быть помещено заданное количество диспергируемого материала 270. Затем в корпус 310 клапанного картриджа может быть введена крышка 370. После этого клапанный картридж 600 может, по желанию, транспортироваться и храниться.
Чтобы приготовить напиток 280, в клапанный картридж 600 через отверстия в крышке 370 добавляют горячую воду. Как и в предыдущем варианте, эти отверстия формируют высокоскоростные струи воды, содействуя тем самым хорошему смешиванию воды и диспергируемого материала 270. Рост давления внутри картриджа 600 также способствует смешиванию воды и диспергируемого материала. При достижении точки срабатывания запирающего механизма 610 ловушки 630 выгибаются наружу, позволяя затвору 670 равномерно опуститься в отверстие 350. Дальнейшее смешивание воды и выводимого из картриджа диспергируемого материала 270 происходит, когда напиток 280 под действием давления течет через отверстие 350 и по основанию 490 запирающей секции 480 затвора 670.
На фиг.11 показан еще один вариант картриджа 800 согласно изобретению. Картридж 800 содержит корпус 810. В данном варианте корпус 810 картриджа, в основном, аналогичен корпусу, представленному в принадлежащих заявителю настоящего изобретения патенте США №6948420 и американской патентной заявке №10/908350, озаглавленных "Картридж для кофе и чая". Более конкретно, у корпуса 810 картриджа имеется круглая боковая стенка 820 с отходящим от нее фланцем 830. Корпус 810 картриджа имеет также относительно плоское основание 840. Основание 840 может быть снабжено центральным углублением 850. На основании 840 могут быть выполнены одна или более линий 860 разрыва. Линия 860 разрыва соответствует ослабленной зоне основания 840, по которой происходит разрыв в результате контакта с горячей водой и/или под действием заданного давления воды.
Внутри корпуса 810 картриджа может находиться блок 870 крыльчаток. Данный блок 870 содержит центральный вал 880, вставленный, с возможностью вращения, в углубление 850. На валу 880 установлена верхняя крыльчатка 890. У этой крыльчатки имеются лопасти 900, прикрепленные к валу 880. Аналогичным образом, с валом 880 может быть связана нижняя крыльчатка 910. У этой крыльчатки 910 имеются смесительные лопасти 920, прикрепленные к валу 880. Смесительные лопасти 920 могут быть относительно узкими по сравнению с лопастями 900.
Корпус 810 картриджа может быть перекрыт крышкой 930. В крышке 930 могут быть выполнены отверстия (не изображены). В данном варианте можно использовать три таких отверстия. Эти отверстия могут быть рассогласованы по угловому положению с лопастями 900 верхней крыльчатки 890 таким образом, чтобы в правильном положении, по меньшей мере, одна струя воды контактировала с лопастями 900, чтобы инициировать их вращение.
В процессе использования картриджа вода подается под давлением через отверстия крышки 930, которые обеспечивают создание давления, составляющего примерно 800 кПа, однако, значение давления можно варьировать. Данные отверстия направляют струи воды на блок 870 крыльчатки. Струя воды приводит блок 870 крыльчаток во вращение. При соударении струй воды с лопастями 900 верхней крыльчатки 890 она начинает работать, по существу, как турбина. Аналогичным образом, нижняя крыльчатка 910 также осуществляет посредством своих смесительных лопастей 920 смешивание воды и диспергируемого материала 270. При соответствующем увеличении давления в корпусе 810 картриджа линия 860 разрыва вскрывается, что позволяет напитку 280 вытекать из картриджа. Использование струй воды и блока 870 крыльчаток способствует хорошему смешиванию воды с диспергируемым материалом 270.