Сатуратор для приготовления газированной воды в контейнере без образования в нем газообразной фазы

 

Использование: для смешивания напитков, например при приготовлении холодных сатурированных напитков. Сущность изобретения: сатуратор 14 содержит наружный жесткий контейнер 15, внутри которого расположен гофрированный внутренний сосуд 16, который сжимается и расширяется, при этом в начальный период цикла насыщается углекислым газом; сосуд 16 сжат под действием пружины 22. Вода подается через трубку 18 в сосуд 16, который расширяется до тех пор, пока усилие пружины не уравновесит давление в трубке 18, и поток воды перекрывается клапаном 20. Затем по трубопроводу 25 через диффузор 24 подается под давлением двуокись углерода. 1 з.п. ф-лы. 7 ил.

Настоящее изобретение касается раздаточной системы для напитка после его смешивания, предназначенной для работы в открытом космосе в контролируемой среде космической станции. В частности, настоящее изобретение касается раздаточной системы для напитка после его смешивания, предназначенной для приготовления холодных сатурированных напитков, охлажденных несатурированных ароматизированных цитрусом напитков и горячих напитков, как то кофе, чай и какао.

Работа раздаточного устройства для напитка в открытом космосе представляет ряд необычных трудностей, которые не встречаются на земле. Наиболее важной из них является отсутствие силы тяжести, так как в условиях невесомости отсутствует естественное разделение газообразной и жидкой фаз в емкостях, как то сатураторах или питьевых чашках. Поэтому в этих емкостях нет воздушной прослойки, образованной воздухом или двуокисью углерода, как это имеет место на земле. Кроме того, эти емкости в контролируемой среде космической станции или аналогичной в космическом пространстве часто подвержены воздействию температуры, превышающей 37,8^oC, и они должны выдерживать нагрузки при взлете и посадке космического корабля. Более того, в условиях космической станции настоятельная необходимость существует в регулировании давления сатурированных напитков таким образом, чтобы оно не превышало 0,14-0,21 кг/см² с целью гарантирования комфорта в потреблении напитков астронавтами. Следовательно, существует потребность в раздаточной системе для напитков после их смешения, которая удовлетворительно работала бы в указанных выше необычных условиях и в любых других условиях, встречающихся в контролируемой среде космической станции.

Главной целью настоящего изобретения является создание раздаточной системы для напитка после его смешивания, которая может работать в условиях невесомости открытого космоса.

Другой целью настоящего изобретения является создание раздаточного устройства для напитка после его смешивания, включающего подсистему сатурированного напитка с сатуратором, предотвращающим образование газообразной фазы в емкости сатуратора.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание клапанного механизма для раздаточного устройства, для использования на космической станции, предназначенного для заполнения питьевой чашки напитками или для его раздачи без образования газообразной фазы в чашке.

Кроме того, целью настоящего изобретения является создание такого клапанного механизма, который может быстро соединяться с питьевой чашкой и отсоединяться от нее, и который снабжен средствами для регулирования скорости потока напитка в чашку или из нее.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание раздаточного устройства для напитка после его смешивания, пригодного для использования в открытом космосе, которое обладает высокой надежностью и требует минимального ухода.

Другой еще одной целью настоящего изобретения является создание раздаточного устройства для напитка после его смешивания для использования в открытом космосе, которое является самодезинфицирующим (т.е. само обеспечивает санобработку).

Целью настоящего изобретения является также создание раздаточного устройства для напитка после его смешивания для открытого космоса, которое могло бы функционировать 90 дней без замены каких-либо подаваемых составных частей.

Кроме того, целью настоящего изобретения является создание раздаточного устройства для напитка после его смешивания для открытого космоса, которое осуществляет раздачу из одного раздаточного устройства холодные сатурированные напитки, несатурированные холодные напитки и горячие напитки, как то кофе, чай и какао.

Цели настоящего изобретения достигаются с помощью раздаточного устройства для напитка после его смешивания, содержащего: подсистему для приготовления и раздачи охлажденного сатурированного напитка из сиропного концентрата, подсистему для приготовления и раздачи охлажденного несатурированного напитка из ароматизированного концентрата и подсистему для приготовления и раздачи горячего напитка из любого концентрата или порошка. Каждый из концентратов для соответствующей подсистемы находится в питающих упаковках обычного типа в виде мешка в коробке.

Настоящее изобретение включает две необычные конструкции сатураторов для работы в условиях несовместимости без образования газообразной фазы в емкостях сатураторов. Первый из этих необычных сатураторов является порционным сатуратором, содержащим камеру насыщения углекислым газом, снабженную средствами для смещения камеры в полностью сжатое состояние, имеющее по существу нулевой внутренний объем; средства для подачи воды под давлением в камеру, достаточным для преодоления усилия смещающих средств, с целью расширения камеры до объема заполняемой воды; средства для подачи двуокиси углерода в камеру для ее насыщения углеродом и средства для раздачи насыщенной углекислым газом воды из камеры. Камера насыщения углекислым газом представляет собой гофрированный сосуд, имеющий эластичные боковые стенки и жесткие торцевые элементы, которые смещаются друг к другу под действием спиральной пружины. Поскольку эта камера расширяется и снижается при заполнении ее водой и после раздачи, то в ней не образуются и не собираются никакие газы.

Второй из необычных сатураторов, пригодный для работы в условиях невесомости, является непрерывным сатуратором, содержащим по существу цилиндрическую камеру насыщения углекислым газом, имеющую центральную секцию и наружную кольцевую секцию, которые сообщаются между собой; средства подачи воды в упомянутую центральную секцию для ее насыщения углекислым газом; вращающееся рабочее колесо в упомянутой центральной секции для создания центробежного усилия, под действием которого вода направляется в наружную кольцевую секцию; средства для подачи двуокиси углерода в наружную кольцевую секцию для насыщения в ней воды углекислым газом и средства для раздачи сатурированной воды из наружной кольцевой секции.

Вращающееся рабочее колесо содержит большое количество радиальных лопаток, закрепленных на центральном вращающемся валу. Последний вращается в плоских торцевых стенках центральной секции сатураторной камеры и приводится в действие электродвигателем.

Насыщение углекислым газом в этом устройстве производится непрерывно с помощью датчиков уровня жидкости в наружной кольцевой камере, которые определяют объем воды в ней и регулируют подачу воды в центральную секцию камеры, когда объем воды в наружной секции падает ниже установленного минимума.

Предусмотрена также необычная быстро отсоединяющаяся клапанная система для заполнения и раздачи напитков из сосуда, предназначенная для регулирования скорости потока напитка в сосуд и из него, пригодная для использования в условиях космической станции. Такая быстродействующая муфта и взаимодействующие с ней клапаны по существу аналогичны описанным в патенте США N 4445539 от 1 мая 1984 г. Однако способ использования быстродействующей муфты и клапана для регулирования скорости потока из сосуда с напитков является необычным для настоящего изобретения. То есть, быстродействующая муфта и клапан по вышеуказанному патенту являются только частью необычной системы и способа, созданных для заполнения и раздачи из сосудов с напитками в открытом космосе в соответствие с принципами настоящего изобретения.

Цели настоящего изобретения и его способности станут более понятны из последующего более подробного описания, которое сопровождается ссылками на прилагаемые чертежи, где на фиг.1 представлена схема подсистемы раздаточного устройства настоящего изобретения для приготовления холодного сатурированного напитка; на фиг.2 схема подсистемы раздаточного устройства настоящего изобретения для приготовления охлаждающего несатурированного сока; на фиг.3 - схема подсистемы раздаточного устройства настоящего изобретения для приготовления горячего напитка из концентрата; на фиг.4 схема подсистемы раздаточного устройства настоящего изобретения для приготовления горячего напитка из порошка; на фиг.5 порционный сатуратор с частичным сечением, пригодный для использования в качестве сатуратора в подсистеме, приведенной на фиг.1; на фиг.6 непрерывный сатуратор с частичным сечением, который может использоваться в подсистеме сатурированного напитка на рис.1, как альтернатива порционного сатуратора на рис.5; на фиг.7 схематично показана быстро отсоединяющаяся система для использования с питьевым сосудом.

Многоцелевая раздаточная система настоящего изобретения может работать на космической станции в условиях невесомости и осуществлять раздачу холодного сатурированного напитка, холодного цитрусового напитка и горячих напитков. На фиг.1-4 представлены подсистемы для получения холодного газированного, холодного негазированного и горячих напитков, которые объединены в общую раздаточную системы, способную производить раздачу всех видов напитков. В качестве холодных напитков могут использоваться газированные напитки, как то "Кока-Кола" и "Diet Coke", или негазированные напитки, как то "Фанта," Апельсин или Фруктовый сок (все это торговые марки фирмы Кока-Кола). В качестве горячих напитков могут быть кофе, какао или чай. В предпочтительном варианте раздаточное устройство может иметь от четырех до шести раздаточных клапанов, способных производить раздачу холодных или горячих напитков.

На фиг.1 показана подсистема для раздачи холодных газированных напитков. Вода подается от источника WS в сатуратор 14 через холодильник и резервуар CR, где она смешивается с CO₂, поступающим из цилиндра 10, который проходит через испаритель 12. В зависимости от давления источника подачи воды может использоваться насос Р2 для подачи воды от источника WS в сатуратор 14. Для этих целей может использоваться любой подходящий насос, как то двойного действия с газовым приводом насос, описанный в патенте США N 4436493 от 13 марта 1984 г. Или же может использоваться одинарного или двойного действия электрический насос. Ароматизированный концентрат или сироп, как то сироп "Coke" или "Diet Coke" подается из упаковки мешок-в-коробке S1 такого типа, как описана в патенте США N 4286636 от 1 сентября 1981 г. Сироп из упаковки S1 подается с помощью насоса Р1 двойного действия, который может быть аналогичен водяному насосу Р2, а в предпочтительной конструкции аналогичен насосу по патенту США N 4436493. Газированная вода из сатуратора 14 смешивается с сиропом из упаковки S1 в дозирующем клапане РУ в соответствующей порции для образования холодного газированного напитка. В качестве дозирующего клапана может использоваться любой подходящий клапан, как, например, тот, что описан в патенте США N 4266726 от 12 мая 1981 г. Смешанный напиток, образованный в дозирующем клапане РУ, затем подается через быстро отсоединяющего типа соединительный клапан СУ в соответствующую питьевую чашку С, которая будет описана ниже со ссылками на рис.7. Быстро отсоединяющийся соединительный клапан СУ может быть такого типа, как описан в патенте США N 4445539 от 1 мая 1984 г.

Питьевая чашка С предпочтительно представляет собой съемный мешок, расположенный внутри повторно использующегося жесткого наружного сосуда или контейнера. Этот сосуд может быстро соединяться с дозирующим клапаном РУ с помощью быстро отсоединяющегося соединительного клапана СУ, в результате чего съемный мешок может заполняться газированным напитком без образования газообразной фазы. Сосуд или питьевая чашка тоже должна быть снабжена соответствующим нагнетательным клапаном для облегчения достижения необходимых скоростей потока в сосуд во время заполнения и когда пользователь пьет. Питье или раздача из чашки производится через соломинку (трубочку), которая будет описана ниже со ссылками на рис.7.

Охлаждение системы, показанной на рис.1, в предпочтительном варианте осуществляется с помощью паровой компрессионной холодильной установки или любой подходящего типа термоэлектрической холодильной установкой. Термоэлектрической холодильной установкой снабжается каждая упаковка S1 с сиропом, холодильник-резервуаp CR и сатуратор 14. Сироп из упаковки S1 должен охлаждаться постоянно, а температура сатуратора должна поддерживаться в диапазоне от 1,1 до 2,2^oC.

На рис.2 показана подсистема для раздаточного устройства, предназначенного для приготовления холодного негазированного напитка, как, например, апельсинового сока. Система по существу аналогична системе холодного газированного напитка, показанной на рис.1, за исключением того, что отсутствует сатуратор 14 и имеется питающая упаковка S2 с концентратором апельсинового сока, аналогичного типа. Кроме того, можно заметить, что подсистема на рис.2 работает так же, как подсистема на рис.1. А именно, охлажденная негазированная вода и сиропный концентрат смешиваются в соответствующих пропорциях в дозирующем клапане РУ и подаются в питьевую чашку С, как описано выше применительно к газированной воде и сиропу.

На рис. 8 показана подсистема раздаточного устройства для приготовления горячего напитка из концентрата. Будет очевидно, что система на рис.3 в основном идентична системе на рис.2, за исключением того, что вместо холодильника и резервуара CR используется нагреватель и резервуар HR. Нагревание может производиться погружаемым нагревателем. Концентрат подается из упаковки S3 типа мешок-в-ящике, содержащей кофейный концентрат, как показано на рис. 3. Будет очевидно, что могут использоваться другие типы концентратов, как то какао, чай и т.п. для получения других типов горячих напитков.

Раздаточное устройство настоящего изобретения предназначено также для приготовления горячих напитков из порошков с помощью подсистемы, показанной на рис. 4. В этой подсистеме сухой порошок кофе, чая или какао содержится в чашке С и подсистеме остается только подать горячую воду в чашку для растворения порошка.

Будет очевидно, что подсистемы на рис.1-4 объединены в общее раздаточное устройство для напитка, включающее от 4 до 6 раздаточных клапанов, с целью создания одного раздаточного устройства, способного производить раздачу холодных газированных напитков, охлажденных негазированных напитков и горячих напитков.

На рис. 6 показан порционный сатуратор, который может использоваться с подсистемой раздачи холодного газированного напитка, представленной на рис. 1. Этот сатуратор 14 имеет специальную конструкцию для обеспечения насыщения углекислым газом воды в условиях невесомости, которые имеют место в космосе. Это создает особые трудности, так как обычно сатураторы, использующиеся на земле, используют силу тяжести для образования поверхности раздела между газом и жидкостью, необходимой для получения газированной воды. Поскольку в космосе нет силы тяжести, то там не может быть контролируемой поверхности раздела между фазой газ/жидкость, в результате чего сатуратор на рис.5 выполнен так, чтобы устранить или предотвратить образование газообразной фазы в емкости сатуратора. Такой сатуратор содержит наружный жесткий контейнер 15, внутри которого расположен гофрированный внутренний сосуд 16, который сжимается или расширяется, когда жидкость выходит из него или поступает в него. В начальный период цикла насыщения углекислым газом сатуратор 14, включающий гофрированный сосуд 16, будет полностью сжат под действием пружины 22, так что никакой воздушной прослойки из воздуха или CO₂ не может образоваться в гофрированном сосуде 16. То есть, под действием пружины 22 гофрированный сосуд 16 полностью сжимается, в результате чего в нем не может скапливаться никакой газ. Вода подается через впускную трубу 18 и гофрированный сосуд 16 расширяется до тех пор, пока усилие пружины Р1 не уравновешивает давление в трубке 18. В этот момент подача воды прекращается с помощью клапана 20. Затем по трубопроводу 25 через диффузор 24 медленно подается двуокись углерода под давлением. Поскольку отсутствует воздушная прослойка или сила тяжести в гофрированном сосуде 16, то газ CO₂ движется в воде до полного растворения. После подачи достаточного количества двуокиси углерода в раствор, подача его прекращается с помощью клапана 26. Следует отметить, что предпочтительным является, чтобы трубопровод 25 подачи CO₂ проходил через основание сатуратора 14 рядом с трубопроводом 18 подачи воды, а не как показано на рис.5. Это позволит устранить уплотнения между подвижным верхним концом гофрированного сосуда 16 и трубопроводом 25. Тогда подача газированной воды может осуществляться открыванием клапана 28 в выпускном трубопроводе 29 газированной воды. Затем гофрированный сосуд 16 начинает сжиматься, а пружина 22 растягивается. Когда вся газированная вода выйдет из сосуда 16 и он полностью сжат, то он снова заполняется водой и CO₂, как описано выше. Подача CO₂ в гофрированный (аккордеонного типа) сосуд 16 может предшествовать подаче воды, если нужно.

Следует иметь в виду, что, хотя порционный сатуратор на рис.5 был описан применительно к процессу порционного насыщения углекислым газом, два или более порционных сатуратора на рис.5 могут устанавливаться параллельно и работать последовательно для достижения непрерывной сатурации.

Однако предпочтительный вариант конструкции непрерывного сатуратора, пригодного для использования с подсистемой холодного газированного напитка, показанного на рис. 1, представлен на рис.6. В непрерывном сатураторе, показанном на рис. 6, сатурационная камера 32 содержит наружную тороидальной формы камеру 32А и внутреннюю цилиндрическую камеру 32В. Вода поступает в центральную камеру 32В из подающего трубопровода 18. Газ CO₂ подается в тороидальную камеру 32А через подающий трубопровод 25. Сатурированная вода, образовавшаяся в камере 32А, удаляется через выпускной трубопровод 29. Сатуратор на рис.6 содержит мешалку 30, включающую большое количество радиальных лопаток и приводящую в действие электродвигателем М, соединенным с ее центральным валом. Центральный вал вращательно закреплен в концах камеры 32В и может иметь магнитные уплотнения. Двигатель М вращает мешалку 30 медленно, создавая завихрение в воде, находящейся в тороидальной камере 32А. Двуокись углерода, поступающая в камеру 32А из впускного трубопровода 25, будет направляться к центру сатурационной камеры 32 в зоне центральной цилиндрической камеры 32В, поскольку центробежная сила, создаваемая мешалкой 30, отбрасывает воду наружу в кольцевую камеру 32А. Это создает противоточное смешивание двуокиси углерода и воды, которая растворяет двуокись углерода. Давление в сатурационной камере 32 может поддерживаться на любом желаемом уровне путем регулирования давления двуокиси углерода, подаваемой через трубопровод 25. Работа сатуратора на рис. 6 может быть непрерывной при добавлении системы управления, включающий датчик уровня жидкости L. Когда уровень воды в сатурационной камере 32 падает ниже установленной точки, как, например, положение индикатора уровня L, то клапан 34 в падающей магистрали воды 18 открывается до тех пор, пока в камере 32 не будет достигнут требуемый уровень. В этот момент дополнительная порция двуокиси углерода подается через впускной трубопровод 25. Уровень сатурации может регулироваться путем изменения температуры и давления в сатурационной камере 32.

Предпочтительный вариант конструкции чашки С для использования с любой из подсистем, представленных на рис.1-4 и взаимодействующих с быстроотсоединяющимся клапаном СУ, показан на рис.7. Другие подходящие контейнеры описаны в сопряженной заявке этих же авторов, поданной одновременно с данной заявкой и озаглавленной "Сосуды для напитков, пригодные для использования в открытом космосе". Чашка С содержит наружный жесткий сосуд 42 и эластичный внутренний мешок 44, который может заменяться. Как показано на рис.7, чашка С и внутренний мешок 44 является пустым. Однако, когда мешок заполнен, то он расширяется до внутренних стенок наружного жесткого сосуда 42. Благодаря использованию эластичного мешка чашка С может заполняться без образования какой-либо воздушной прослойки при ее подсоединении к раздаточному клапану 40 любой из подсистем на рис.1-4 через быстродействующую муфту, содержащую резьбовую головку 38В, которая навинчивается на резьбу 36 сосуда 42. Подходящий быстроотсоединяющийся соединительный клапан для использования в качестве клапанов СУ на рис.1-4 и 7 описан в патенте СШП N 4445539 от 1 мая 1984 г. Эта муфта и взаимодействующие фитинги хорошо показаны на рис.10 этого патента.

Для использования быстроотсоединяющейся муфты по вышеупомянутому патенту с раздаточным устройством данного изобретения, каждая резьбовая головка 38А и 38В, взаимодействующая с трубкой S, и раздаточная клапанная головка 40, соответственно, должны иметь подпружиненный нормально закрытый клапан, аналогичный клапану 72 на рис.10 вышеупомянутого патента США. Чашка С на рис. 7, жесткий наружный сосуд 42 снабжены другими подпружиненным клапаном, установленным в горлышке сосуда, который обычно под действием пружины находится в закрытом состоянии. Этот клапан аналогичен клапану 60 по вышеупомянутому патенту. Таким образом, когда любая из головок 38А и 38Б навинчивается на резьбу 36 жесткого сосуда 42, то соответствующие подпружиненные клапаны в головках 38 и сосуде 42 открываются, когда головка завинчена на сосуде. Скорость потока или расход жидкости, подаваемой в чашку или из нее, может регулироваться степенью завинчивания головок 38 на сосуд 42. То есть, тарелка 62 клапана 60 по вышеупомянутому патенту в отверстие горлышка сосуда 42 может отрываться на разную величину в зависимости от того, насколько головка 38 завинчена на сосуд 42.

Таким образом, чашка С на рис.7, включающая жесткий наружный сосуд 42 и внутренний эластичный мешок 44, может заполняться через раздаточную клапанную головку 40, которая соединена с дозирующим клапаном РУ любой из подсистем на рис. 1-4, описанных выше, с помощью быстроотсоединяющихся клапанных муфт СУ, расположенных в резьбовой головке 38В и горлышке сосуда 42. Или же, когда захочется выпить напиток из чашки С, то пользователь или астронавт, навинчивает головку 38А, снабженную трубкой S, на горлышко 42 настолько, чтобы получить желаемый поток из мешка 44. Таким образом, на рис.7 представлен предпочтительный вариант настоящего изобретения как для заполнения чашки С, так и для раздачи из нее жидкости пользователю.

Гофрированный сосуд 16, наружная оболочка емкости сатуратора 15, камера 32 непрерывного сатуратора и лопатки рабочего колеса 30 все изготавливаются из нержавеющей стали толщиной 4,76 мм. Жесткий наружный сосуд 42 может изготавливаться из поликарбоната, а внутренний эластичный мешок 44 из каучука или силиконового каучука.

Будет очевидно, что описанная здесь система не ограничивается рассмотренными примерами и что могут иметь место различные модификации и изменения, не выходящие за область данного изобретения, которая ограничена его формулой.

Формула изобретения

1. Сатуратор для приготовления газированной воды в контейнере без образования в нем газообразной фазы, содержащий наружную кольцевую камеру, сообщающуюся с ней центральную камеру, средство для подачи воды в центральную камеру, средство для подачи двуокиси углерода и раздачи сатурированной воды из наружной камеры, отличающийся тем, что он снабжен средством для подачи воды под действием центробежной силы в наружную кольцевую камеру, представляющим собой смонтированное с возможностью вращения в центральной камере колесо с расположенными по окружности лопатками, а средство для подачи двуокиси углерода расположено в наружной кольцевой камере, при этом последняя имеет тороидальную форму.

2. Сатуратор по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен средством контроля уровня жидкости, расположенным в наружном резервуаре.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7