САМООХЛАЖДАЮЩИЙСЯ КОНТЕЙНЕР ДЛЯ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ ИЛИ НАПИТКОВ С ТЕПЛООБМЕННЫМ БЛОКОМ НА ОСНОВЕ ЖИДКОГО ДИОКСИДА УГЛЕРОДА И ДВУХФУНКЦИОНАЛЬНЫМ КЛАПАНОМ
SELF-COOLED CONTAINER FOR FOOD OR BEVERAGES WITH HEAT EXCHANGER UNIT BASED ON LIQUID CARBON DIOXIDE AND TWO-FUNCTION VALVE

РОДСТВЕННАЯ ЗАЯВКА
Настоящая заявка представляет собой заявку на изобретение, которая испрашивает приоритет согласно дате подачи предварительной заявки 62/136,176, SELF-COOLING FOOD OR BEVERAGE CONTAINER HAVING A HEAT EXCHANGE UNIT USING LIQUID CARBON DIOXIDE AND HAVING A DUAL FUNCTION VALVE, поданной 20 марта 2015 г.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ И УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится в целом к контейнерам для продуктов питания или напитков, в которых размещен теплообменный блок на основе жидкого диоксида углерода, имеющий наружную поверхность, контактирующую с продуктами питания или напитками, который, будучи приведенным в действие, изменяет температуру продуктов питания или напитков.
Уже давно существует необходимость в простом, эффективном и безопасном устройстве, которое может быть размещено внутри контейнера, такого как контейнер для продуктов питания или напитков, с целью изменения температуры продуктов питания или напитков при необходимости.
Во многих случаях, например, когда человек находится в местах, где нет льда или холодильника, к примеру в походе, на пляже, на лодочной прогулке, на рыбалке и т.д., бывает нужно охладить напитки перед употреблением. В прошлом необходимо было брать с собой переносной холодильник и т.п., содержащий лед, и контейнеры для напитков с тем, чтобы их можно было охладить и употребить желаемым образом. Использование таких контейнеров неудобно, требует значительного пространства и длится в течение очень ограниченного периода времени, после чего лед необходимо менять. Кроме того, при использовании такого холодильника необходимо время от времени сливать из него воду, образующуюся в результате таяния льда.
Вследствие вышеперечисленного предпринималось множество попыток создания контейнера, вмещающего продукты питания или напитки, в котором также может быть размещен теплообменный блок, который при приведении в действие охлаждал бы продукты питания или напитки, содержащиеся в контейнере. Теплообменные блоки в таких известных устройствах включают охлаждающее вещество, находящееся обычно под давлением, которое при высвобождении поглощает тепло из окружающих продуктов питания или напитков, тем самым охлаждая их перед употреблением. Охлаждающие вещества, используемые в известных теплообменных блоках, включают газы под давлением, такие как фторуглеводороды, аммиак, жидкий азот, диоксид углерода и жидкий диоксид углерода. Кроме того, разработана система, использующая прессованные частицы углерода, абсорбирующие газообразный диоксид углерода под давлением. Когда теплообменный блок подвергается воздействию атмосферных условий посредством открывания клапана, газообразный диоксид углерода выделяется и охлаждает продукты питания или напитки в контейнере. Примеры таких систем описаны в патентах US 7,185,511, US 6,125,649 и US 5,692,381. Примеры таких более ранних патентов, включающих диоксид углерода в газообразном или жидком состоянии, представлены патентами US 3,373,581, US 4,688,395 и US 4,669,273. Контейнеры, в которых использованы такие теплообменные блоки, как представлены в известном уровне техники, являются сложными и трудными для изготовления, что приводит к большим затратам, делая такие известные самоохлаждающиеся контейнеры для напитков непривлекательными с коммерческой точки зрения. Кроме того, в случае использования жидкого диоксида углерода его высвобождение приводило к переходу в твердое состояние (сухой лед), что обеспечивало лишь ограниченное снижение температуры продуктов питания или напитков. Исходя из вышеописанного, существует потребность в простой, легкой для монтажа и эффективной самоохлаждающейся системе для продуктов питания или напитков.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Узел, содержащий продукты питания или напитки, который включает наружный контейнер для размещения продуктов питания или напитков, имеющий верхнюю часть и дно, в котором выполнено проходящее через него отверстие, а также теплообменный блок, содержащий металлический внутренний контейнер, заполненный жидким диоксидом углерода (CO2) и выполненный с возможностью прикрепления к отверстию наружного контейнера. Клапанное устройство, прикрепленное к указанному теплообменному блоку для образования ограничительного отверстия при приведении в действие для создания неравновесного состояния, для обеспечения перехода жидкого CO2 непосредственно из жидкого состояния в газообразное состояние, и в то же время для одновременного сохранения остающегося в теплообменном блоке CO2 в жидком состоянии. Клапанный элемент содержит шток клапана, который обеспечивает двойную функцию заправки теплообменного блока жидким диоксидом углерода и образования ограничительного отверстия.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг. 1 изображена диаграмма фазового равновесия диоксида углерода, на которой показано давление и температура, при которых CO2 представляет собой твердое тело, жидкость, газ и сверхкритическую текучую среду;
Фиг. 2 представляет собой частичный разрез, показывающий соединение теплообменного блока и контейнера, в котором он расположен;
Фиг. 3 представляет собой вид в разрезе, иллюстрирующий более подробно часть фиг. 2, обозначенную 3-3;
Фиг. 4 представляет собой схематическое изображение клапана настоящего теплообменного блока;
Фиг. 4А представляет собой частичный разрез, иллюстрирующий герметизирующую функцию клапана;
Фиг. 5 представляет собой увеличенное изображение клапана, представленного на фиг. 4, в дренирующем положении;
На Фиг. 6 представлен аксонометрический вид, показывающий конструкцию штока клапана;
Фиг. 6А представляет собой подробный разрез, иллюстрирующий способ прикрепления тарелки клапана к штоку клапана;
Фиг. 7 представляет собой разрез, изображающий клапан в закрытом положении;
Фиг. 8 представляет собой разрез, изображающий клапан в положении, обеспечивающем подачу жидкой диоксида углерода в теплообменный блок;
Фиг. 9 представляет собой разрез, изображающий клапан в дренирующем положении;
Фиг. 10 представляет собой разрез, иллюстрирующий функцию клапана по отклонению газообразной диоксида углерода при ее выходе из теплообменного блока; и
Фиг. 11 изображает аксонометрический вид крышки компонента основания, как показано на фиг. 3.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг. 1 изображена диаграмма фазового равновесия для диоксида углерода. Как показано на чертеже, диоксид углерода может иметь твердую фазу, жидкую фазу и парообразную или газообразную фазу. В соответствии с принципами настоящего изобретения крайне важно поддерживать диоксид углерода в жидкой фазе и не допускать переход в твердую фазу, в которой образуется сухой лед, во время использования теплообменного блока для понижения температуры продуктов питания или напитков внутри контейнера. Как показано на чертеже, тройная точка на диаграмме фазового равновесия представляет собой точку, в которой сосуществуют три состояния вещества (твердое, жидкое и газообразное). Критическая точка представляет собой точку на диаграмме фазового равновесия, в которой жидкое и газообразное состояния вещества, в данном случае диоксида углерода, являются неразличимыми между собой. Кривая 10 на диаграмме фазового равновесия является кривой испарения (или конденсации), представляющей переход между жидким и парообразным или газообразным состоянием. Как показано на чертеже, диаграмма фазового равновесия изображает зависимость давления, обычно в атмосферах, по оси ординат от температуры, в данном случае в градусах Цельсия, по оси абсцисс. Линии представляют комбинации значений давления и температуры, при которых две фазы, жидкость и пар, могут находиться в равновесии. Другими словами, эти линии задают точки изменения фазы. В соответствии с принципами настоящего изобретения теплообменный блок заправляют диоксидом углерода при значениях температуры и давления, при которых диоксид углерода находится в жидком состоянии. После чего теплообменный блок герметизируют так, чтобы жидкое состояние сохранялось в равновесии внутри теплообменного блока до тех пор, пока потребуется охладить продукты питания или напитки внутри контейнера, который окружает теплообменный блок. На этом этапе создается неравновесное состояние, так что жидкий диоксид углерода может переходить в парообразное или газообразное состояние, но при этом крайне важно, что давление внутри теплообменного блока поддерживается на таком уровне, чтобы диоксид углерода, находящийся внутри теплообменного блока, оставался в жидком состоянии. Это осуществлено, как описано ниже более подробно, за счет создания пути перехода жидкого диоксида углерода из жидкого в газообразное состояние и отвода в атмосферу посредством прохождения через ограничительное отверстие, обеспечивающее падение давления таким образом, чтобы поддерживать давление внутри теплообменного блока с тем, чтобы оставшийся диоксид углерода, содержащийся внутри теплообменного блока, оставался в жидком состоянии до тех пор, пока весь диоксид углерода не перейдет из жидкого состояния в газообразное и не пройдет через ограничительное отверстие в атмосферу, вследствие чего диоксид углерода полностью будет выведен из теплообменного блока.
На фиг. 2 изображен частичный разрез контейнера 12 для напитков, содержащего верхнюю часть 14 и дно 16. В дне 16 выполнено отверстие, к которому прикреплен теплообменный блок 18. Продукты питания или напитки, содержащиеся внутри контейнера 12, окружают наружную часть теплообменного блока, заправленного жидким диоксидом углерода, который при высвобождении из блока при помощи клапанного механизма, обозначенного цифрой 20 и более подробно описанного далее, понижает температуру продуктов питания или напитков до необходимого уровня перед их употреблением. Верхняя часть 14 открыта во время процесса изготовления для обеспечения возможности установки теплообменного блока в положение, показанное на фиг. 2.
На фиг. 3 более подробно изображена область, обведенная на фиг. 2 пунктирной линией и обозначенная цифрой 3. На фиг. 3 представлен фитинг или соединительный переходник 22, выполненный из металла, более предпочтительно из алюминия, на котором выполнена резьба для осуществления резьбового соединения с верхней открытой частью теплообменного блока 18, в которой выполнена ответная резьба. В соединительном переходнике 22 расположен пластиковый клапанный элемент 24, первый 17 и второй 19 концы которого находятся в отверстии или первом сквозном отверстии 25, выполненном в соединительном переходнике, а также узел 26 разрывной мембраны, которая выполнена с возможностью резьбового соединения с отверстием или вторым сквозным отверстием 27, выполненным в соединительном переходнике 22. Соединительный переходник 22 содержит пластиковое опорное кольцо 29 основания, прикрепленное к переходнику при помощи многокомпонентного формования, при котором пластиковый элемент формуют посредством заливки полипропилена под давлением в форму, в которой размещен соединительный переходник 22. Опорное кольцо 29 содержит выступающий наружу фланец, имеющий верхнюю поверхность, прижатую к нижнему участку 16 банки 12 с напитком, а весь узел соединительного переходника 22, клапана 24 и узла 26 разрывной мембраны удерживается на месте компонентом 28 основания, более подробное описание которого приведено ниже. Компонент 28 основания содержит пружинное упорное кольцо 30, образованное множеством лапок, которые защелкиваются над кольцевым выступом 32 в верхней части соединительного переходника 22, и, таким образом, прикрепляет теплообменный блок с клапанным механизмом 20 и разрывной мембраной 26 в сборе к нижней части банки 12 с напитком. Кроме того, между нижней частью банки и верхней поверхностью опорного кольца основания может быть расположена пластиковая шайба (не показана). Кнопочный компонент 34 удерживается на месте в компоненте 28 основания, и при перемещении вниз выступ 36 входит во взаимодействие с верхним или вторым концом 19 пластикового клапанного элемента 24 и толкает его вниз, противодействуя силе пружины 37 клапана для обеспечения ограничительного отверстия, через которое жидкий диоксид углерода, содержащийся внутри теплообменного блока, может переходить в газообразное состояние и покидать теплообменный блок. Пружина 37 клапана упирается в заплечик 39, образованный проходным отверстием 41 первого сквозного отверстия 25 в верхней части или верхней поверхности 43 соединительного переходника 22 и нижней поверхности тарелки 45 пластикового клапана, которая прикреплена посредством защелкивания к вершине штока 21 клапана. CO2 в газообразном состоянии проходит по ограничительному каналу между наружной частью пластикового клапана и отверстием, выполненным в соединительном переходнике 22, такими образом, что жидкий CO2, переходящий теперь из жидкого состояния в газообразное, может проходить вверх вокруг наружной поверхности штока 21 пластикового клапана для выхода из соединительного переходника 22. Однако, имеется газовый отражатель 38, расположенный поперек верхней части соединительного переходника 22 и работающий таким образом, что при прохождении газообразного диоксида углерода в вверх через отверстие вокруг штока 21 пластикового клапана 24 он отклоняется компонентом основания в радиальном направлении наружу вдоль наружной поверхности 40 банки 12 с напитком, как описано более полно ниже.
На фиг. 4 более подробно изображен пластиковый клапан 24. Как показано на чертеже, пластиковый клапан 24 сформован с выступающей наружу нижней частью 49, содержащей непрерывную острую кромку 42, взаимодействующую с нижней поверхностью 44 соединительного переходника 22 для создания эффективного уплотнения. Клапан 24 выполнен из полимерного материала, обладающего некоторой гибкостью. Как показано на фиг. 4А, острая кромка 42 клапана 24 слегка изгибается наружу, упираясь в поверхность 44, что обозначено цифрой 47, для более эффективного образования уплотнения. Это изгибание вызвано силами, приложенными к клапану 24 пружиной 37 клапана и давлением жидкой CO2 в теплообменном блоке. Как показано на фиг. 5, при нажатии клапана 24 первая поверхность участка 46 все еще находится внутри сквозного отверстия 25, выполненного в соединительном переходнике 22, и обеспечивает снижение давления и необходимую дроссельную заслонку для поддержания жидкого диоксида углерода в теплообменном блоке в кипящем состоянии с тем, чтобы обеспечить его переход непосредственно из жидкого состояния в газообразное. Это предотвращает образование сухого льда и, таким образом, обеспечивает максимальное охлаждение в соответствии с энтальпией испарения. Участок 46 клапана 24 и диаметр сквозного отверстия 25 в области расположения участка 46 выполнены такого размера, чтобы обеспечить зазор в диапазоне от 2 до 14 микрометров при расположении абсолютно концентрического участка 46 в сквозном отверстии 25. Если участок 46 не является абсолютно концентрическим, то размеры выполнены таким образом, чтобы обеспечить максимальный зазор в диапазоне от 4 до 28 микрометров. Зазор проходит по всей длине участка 46, которая в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения составляет 0,5 мм. Этот зазор образует критическое ограничительное отверстие, которое при активации обеспечивает прямой переход жидкого диоксида углерода из жидкого состояния в газообразное и в то же время поддерживает давление в теплообменном блоке таким образом, что весь остальной диоксид углерода остается в жидком состоянии.
2
Как показано на фиг. 6, клапан 24 содержит участок 46, который взаимодействует со сквозным отверстием 25, выполненным в соединительном переходнике 22, как описано выше. Кроме того, шток 21 клапана 24 содержит вторую поверхность 56, имеющую меньший диаметр по сравнению с диаметром первой поверхности и образованную множеством пазов или канавок, некоторые из которых обозначены на чертеже цифрами 50, 52, 54. Эти пазы обеспечивают большее проходное сечение, чем обеспечивает ограничительное отверстие между участком 46 и сквозным отверстием 25, выполненным в соединительном переходнике 22, и используются для заправки теплообменного блока жидким диоксидом углерода. Заправку осуществляют посредством нажатия клапана 24 вниз таким образом, что участок 46 выступает ниже сквозного отверстия 25, и внутри отверстия 25 располагается только вторая поверхность 56, и одновременной подачи диоксида углерода в жидком состоянии под давлением из источника (не показан) через клапан 24 вдоль пазовой области 56 во внутреннюю часть теплообменного блока по существу по беспрепятственному пути прохождения потока. Данную операцию выполняют в течение некоторого периода времени, измеряемого секундами, достаточного для попадания требуемого количества жидкого диоксида углерода в теплообменный блок. В настоящее время определено, что в теплообменный блок попадет 85-95 грамм диоксида углерода в жидком состоянии. Следует также отметить, что источник жидкого диоксида углерода находится под давлением примерно 150 фунтов на квадратный дюйм (фунт/дюйм) (10,34 бар), и что приложение этого находящегося под давлением источника к верхней части клапана 24 также заставляет клапан смещаться вниз, задействуя пазовую область 56 для обеспечения прохождения потока диоксида углерода в теплообменный блок.
На фиг.6 показано, что пружина 37 клапана установлена в отверстии 41 соединительного переходника 22, противодействует тарелке 45, которая прикреплена посредством защелкивания к верхней части клапана 24, и выполняет функцию поддержания уплотнения между острым участком 42 клапана 24 и нижней поверхностью 44 соединительного переходника 22 при нахождении блока в герметичном положении. Тарелка 45 пластикового клапана представляет собой деталь, отлитую из полипропилена, которая запрессована поверх конца штока клапана и удерживает пружину 37 на месте внутри, и указанную деталь устанавливают после того, как клапан вставлен в сквозное отверстие 25, выполненное в соединительном переходнике 22. Вставляют пружину 37 и затем защелкивают тарелку 45 на верхнем конце штока 21. На фиг. 6А показан конец 53 штока 21 клапана и канавка 55, образующая заплечик 57, проходящий по всему периметру. Кроме того, тарелка 45 содержит заплечик 59, который при нажатии на него фактически расширяется, проходя над концом 53, и затем снова защелкивается, вставая на место, и удерживает тарелку 45 на конце штока 21 клапана. На фиг. 6А изображен способ удержания тарелки на месте на штоке 21 клапана.
На фиг. 7 изображен клапан 24 в закрытом герметичном положении. Верхняя часть 60 клапана немного выступает над верхней частью 62 соединительного переходника 22 таким образом, что доступен кнопочный выступ для работы, как описано выше со ссылкой на фиг. 3.
На фиг. 8 изображен клапан 24 в положении заправки. Как показано на чертеже, заправочная головка источника жидкой CO2 (не показана) нажимает на клапан таким образом, что он оказывается значительно ниже верхней поверхности 62 соединительного переходника 22, в предпочтительном варианте осуществления изобретения на один миллиметр ниже верхней поверхности 62. Это заставляет участок 46 клапана 24 выйти из сквозного отверстия 25, выполненного в соединительном переходнике 22, тем самым задействуя пазовую область 56, как описано выше со ссылкой на фиг. 6. Это создает по существу беспрепятственный путь прохождения потока для очень быстрой заправки теплообменного блока жидкой CO2 без выработки тепла.
На фиг. 9 изображен клапан 24 в дренирующем положении, которое осуществляют нажатием кнопки таким образом, чтобы выступ взаимодействовал с верхней частью клапана. Это положение открывает клапан, но удерживает участок 46 внутри сквозного отверстия 25, образуя тем самым ограничительное отверстие или дроссельную заслонку, необходимую для поддержания диоксида углерода в кипящем жидком состоянии с тем, чтобы обеспечить его переход из жидкого состояния в газообразное без образования твердой CO2.
На фиг. 10 более подробно изображен принцип действия газового отражателя. Как видно из чертежа, когда жидкий диоксид углерода переходит в газообразное состояние и проходит вверх через зазор между штоком 21 клапана и сквозным отверстием 25, в котором он установлен как описано выше, она отклоняется газовым отражателем 38 и затем выходит наружу между нижней поверхностью компонента 28 основания и наружной поверхностью центрального контейнера 12, после чего отклоняется вниз вдоль наружной поверхности наружного контейнера 12, как показано стрелкой 64.
На фиг. 11 более подробно изображен компонент 28 основания. На фиг. 11 изображен аксонометрический вид внутренней поверхности компонента 28 основания, образующей путь прохождения потока для жидкой CO2 в газообразном состоянии, подлежащей отклонению и проходящей таким образом, что перемещается наружу и вниз вокруг наружной поверхности контейнера 12 с напитком. Как показано на чертеже, имеется множество канавок 66-76, проходящих радиально наружу, по которым CO2 в газообразном состоянии может проходить в направлении наружной поверхности 78 компонента 28 основания. Газ в этих условиях проходит в область, обозначенную в целом цифрой 80, и затем внутренняя поверхность 82 направленного вниз наружного периферического фланца 83 компонента 28 основания отклоняет его вниз, заставляя перемещаться вниз вдоль наружной поверхности банки 12 с напитком, как описано выше, для усиления охлаждающего эффекта высвобождаемой газообразной CO2. Более подробно показано множество лапок, используемых для прикрепления теплообменного блока к банке 12 с напитком. Специалистам в данной области техники понятно, что при установке компонента 28 основания на место посредством защелкивания лапки смещаются наружу над выступом 32 и затем обратно в канавку, обеспечивая прикрепление.