Устройство для охлаждения напитка, находящегося в емкости

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ НАПИТКА, НАХОДЯЩЕГОСЯ В ЕМКОСТИ Изобретение относится к устройствам, предназначенным для охлаждения напитков, в частности,в таких емкостях, как банки или бутылки. Предложено охлаждающее устройство, содержащее камеру для размещения емкости с подлежащим охлаждению напитком. Охлаждающее устройство содержит вращающее средство для вращения емкости, размещенной в камере, и средство для подачи охлаждающей жидкости в камеру. Вращающее средство выполнено с возможностью вращения емкости с частотой не менее 90 об/мин, а также выполнено с возможностью обеспечения импульсного или прерывистого вращения в течение заданного периода времени. Настоящее изобретение относится к устройству для охлаждения напитка, находящегося в емкости. В отраслях питания, торговли и развлечений используют различные торговые аппараты для того,чтобы сохранять продукты охлажденными. Для получения холодных напитков данные средства разделяют на две обычные группы - коммерческие охладители напитков и торговые автоматы для хранения охлажденных напитков. Устройства обеих групп представляют собой, по существу, охладители с большой стеклянной лицевой панелью, снабженные подвешенными или раздвижными дверями для первой группы (для ручной раздачи) или раздаточным механизмом для второй группы. Они предварительно охлаждают и сохраняют напитки в готовом состоянии для продажи. Во многих случаях напитки хранят при низких температурах в течение длительного периода времени до момента, когда их приобретут. В результате, затрачивается значительное количество энергии, в которой потенциально нет необходимости. Таким образом, средства обеих групп работают неэффективно. В процессе эксплуатации коммерческие охладители напитков претерпевают значительные потери холодного воздуха каждый раз при открывании большой двери. Торговые автоматы должны обеспечивать удобное прохождение товара к раздаточному лотку, где пользователь забирает товар, а это приводит к плохой герметизации. Как правило, для сохранения эффективности требуется, чтобы в холодильных установках осуществлялись фоновые рабочие циклы, однако при этом потребляется дополнительная энергия, напрямую не способствующая охлаждению содержимого. Также известно, что многие предприятия розничной торговли напитками хранят напитки в охлаждаемых шкафах с открытой передней панелью, чтобы облегчить визуальный обзор продукта и доступ к его извлечению из шкафа. Однако, очевидно, что в этих шкафах потери энергии еще выше. В конечном счете вышеупомянутые проблемы приводят к высокому уровню затрачиваемой электрической энергии при хранении напитков в холодном готовом для покупки состоянии длительное время, независимо от того, когда их приобретут. Потери энергии не ограничены только централизованными площадками, на которых размещены торговые автоматы. Многие небольшие магазины, заправочные станции и торговые точки в кафе используют охлаждающие шкафы для напитков. Для владельцев торговых точек затраты электрической энергии составляют большую долю их расходов на эксплуатацию. Проблема потери энергии не является единственной. Поскольку холодильные установки генерируют тепло, часто затраченная тепловая энергия, вырабатываемая холодильной установкой, побочно вызывает нежелательный обогрев зон вокруг автоматов. Это приводит к противоречию, заключающемуся в том, что потребители должны употреблять комфортно охлажденные напитки в некомфортных теплых условиях. Скорость охлаждения также является важным вопросом, в частности, для организаций, характеризующихся высоким оборотом напитков, например концерты, спортивные соревнования и прочие мероприятия. Часто к началу мероприятия напитки уже охлаждены благодаря тому, что находились в охладителе в течение нескольких часов. Однако в ходе мероприятия объем продаваемых напитков превышает вместимость охладителей, что затрудняет охлаждение дополнительного объема напитков. В этом случае напитки продают только частично охлажденными или не охлажденными вовсе. Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы решить эти проблемы посредством создания охлаждающего устройства, позволяющего охлаждать напитки опционально. Данное охлаждающее устройство представляет собой отдельно стоящее устройство или встроенное в торговый автомат. Настоящее изобретение предлагает охлаждающее устройство, содержащее камеру для размещения емкости с подлежащим охлаждению напитком. Данное устройство содержит вращающее средство для вращения емкости, размещенной в камере, и средство для подачи охлаждающей жидкости в камеру. Вращающее средство выполнено с возможностью вращения емкости с частотой не менее 90 об/мин и дополнительно выполнено с возможностью обеспечения импульсного или прерывистого вращения в течение заданного периода времени. Предпочтительно вращающее средство выполнено с возможностью вращения емкости с частотой по меньшей мере 180 об/мин, предпочтительно по меньшей мере 360 об/мин. Предпочтительно средство подачи охлаждающей жидкости выполнено с возможностью обеспечения подачи охлаждающей жидкости в камеру. Предпочтительно охлаждающую жидкость подают в камеру при температуре -10 С и ниже, предпочтительно при -14 С и ниже и еще более предпочтительно при -16 С и ниже. Охлаждающее устройство по любому из пп.1-4 формулы настоящего изобретения, в котором вращающее средство выполнено с возможностью вращения емкости вокруг ее оси и содержит средство для предотвращения или, по существу, недопущения осевого перемещения емкости во время вращения. Охлаждающее устройство по любому из пп.1-5 формулы настоящего изобретения, в котором вращающее средство выполнено с возможностью вращения емкости в течение по меньшей мере одного цикла: вращения в течение заданного периода вращения и выстоя в течение заданного периода выстоя, за которыми следует еще один заданный период вращения. Охлаждающее устройство по п.6 формулы настоящего изобретения, в котором вращающее средство выполняет по меньшей мере два цикла, предпочтительно от трех до шести циклов, предпочтительнее три или четыре цикла. Охлаждающее устройство по п.6 или 7 формулы настоящего изобретения, в котором заданный период вращения составляет от 5 до 60 с, предпочтительно от 5 до 30 с, предпочтительно от 5 до 15 с, наиболее предпочтительно около 10 с. Охлаждающее устройство по п.8 формулы настоящего изобретения, в котором заданный период выстоя составляет от 10 до 60 с, предпочтительно от 10 до 30 с. В некоторых вариантах настоящего изобретения предлагаемое охлаждающее устройство содержит несколько упомянутых выше камер. В типовых вариантах осуществления настоящего изобретения торговый автомат содержит предлагаемое охлаждающее устройство, также содержит средство для подачи емкости с подлежащим охлаждению напитком в камеру и средство для извлечения емкости с охлажденным напитком из камеры. Предпочтительно торговый автомат также содержит средство хранения, предназначенное для хранения емкости или набора емкостей, и средство для отбора емкости из средства хранения для подачи ее в камеру. Упомянутые выше и прочие аспекты настоящего изобретения более подробно описаны ниже в виде примеров. На фиг. 1-4 графически показаны результаты испытаний на охлаждение согласно первому варианту реализации устройства в соответствии с настоящим изобретением. С целью лучшего понимания настоящего изобретения приведен краткий обзор существующих способов охлаждения напитков опционально по принципу емкость за емкостью. Обычную 330 миллилитровую алюминиевую банку с напитком можно охладить в охладителе при обычной рабочей температуре примерно 4-5 С с температуры окружающей среды 25 С до комфортной для питья температуры 6 С примерно за 4 ч или около того. В морозильной камере этот период времени сокращается до примерно 50 мин. Существуют охлаждающие устройства Пельтье, основанные на физических явлениях эффекта Пельтье, возникающего при прохождении тока через два разнородных металла, соединенных непосредственно друг с другом. Один из металлов нагревается, а другой охлаждается. Холодная сторона, находящаяся в контакте с охлаждающей камерой банки, снижает температуру банки. Охлаждающие устройства Пельтье сейчас чрезвычайно популярны в системах охлаждения современных компьютеров и в научных системах обработки изображений на ПЗС-матрице. Охлаждающие устройства Пельтье применяли в портативных холодильных боксах и автомобильных рефрижераторах, в которых компрессор очень шумный или большой по объему. Продолжительность процесса охлаждения для обычной банки составляет выше 30-45 мин. Кроме того, поскольку элемент Пельтье обычно примыкает к вогнутому основанию банки,банка охлаждается очень неравномерно. Таким образом, охлаждающие устройства Пельтье в действительности пригодны только для поддержания температуры предварительно охлажденного напитка. Охлаждающие кожухи на основе геля (в зависимости от их размера) могут охладить банку или бутылку за 15 мин. Процесс охлаждения происходит посредством помещения высококонцентрированного материала с фазовым переходом на основе натрия в рукав, выполненный с возможностью плотного прилегания вокруг банки. Затем этот рукав охлаждают в морозильной камере и затем повторно охлаждают после каждого использования. Из уровня техники известна современная методика охлаждения бутылок и банок посредством охладителя Cooper Cooler. Данное устройство выполнено с возможностью медленного вращения емкости с напитком по горизонтали, при этом покрывая или погружая емкость в ледяную воду. Бутылку можно охладить с начальной температуры 25 до 11 С за 3,5 мин и до 6 С за 6 мин. В дополнение, указанное устройство требует значительного запаса кубиков льда для надлежащего охлаждения напитка. Данная технология охлаждения является недостаточно быстрой для применения в коммерческих целях, требует большого количества кубиков льда и приводит к повреждению ярлыков с товарным знаком производителя на бутылке. В случае газированных напитков диоксид углерода растворяется в жидкости под давлением (закон Генри). Когда давление понижается (после вскрытия емкости), способность удерживать диоксид углерода (СО 2) в жидкости снижается и поэтому СО 2 покидает раствор. Таким образом, все газированные напитки после вскрытия емкости вспениваются (шипят), поскольку внутреннее давление в емкости понижается. Будет ли жидкость стремительно выходить из емкости зависит от того насколько быстро СО 2 выйдет из раствора. Выделение пузырьков повышается при наличии центров газообразования в емкости,действующих как очаги образования пузырьков. Установлено, что газированный напиток не будет чрезмерно пузыриться при вращении на высоких частотах, поскольку центры газообразования не возникают. Для сравнения, когда газированный напиток встряхивают, воздушный карман над напитком разбивается на большое количество небольших карманов,распределенных по всему напитку, которые затем действуют в качестве центров газообразования при открывании банки. Затем СО 2 быстро расширяется, что приводит к выходу жидкости из банки. Однако когда напиток только вращают, воздушный карман остается, по существу, не затронутым. По всей жид-2 021184 кости распределены несколько центров газообразования, если вообще существуют, при этом происходит медленное улетучивание диоксида углерода. Согласно настоящему изобретению разработано охлаждающее устройство, содержащее камеру для размещения банки или другой емкости для напитка, подлежащего охлаждению. Камера содержит поворотную площадку с электроприводом для обеспечения возможности вращения банки и также содержит зажим для удержания банки в положении на поворотной площадке, обеспечивая при этом возможность вращения. Данное охлаждающее устройство также содержит средство подачи охлаждающей жидкости. В самом общем варианте охлаждающую жидкость просто заливают в камеру, а затем удаляют в конце процесса охлаждения. В предпочтительных вариантах настоящего изобретения обеспечивают прохождение охлаждающей жидкости через охлаждающее устройство. При испытаниях исследованы эффекты охлаждения распылением и охлаждения жидкостью по поверхности банки. Данные испытания показали, что охлаждение жидкостью обеспечивает лучшие результаты. Технология охлаждения распылением не обеспечила эффективное охлаждение внутри банки, производя при этом только внешнее впечатление охлаждения, а именно банка оставалась холодной, а напиток не был достаточно охлажден. Затем были проведены испытания на исследование оптимальной методики перемешивания напитка вращением банки с различной частотой с целью недопущения вспенивания. Указанные эксперименты показали, что банку можно вращать с частотой 360 об/мин в течение более 5 мин без обнаружения вспенивания. Перемешивание напитка вращением банки привело к неравномерному перемешиванию или стремительному вспениванию. В продолжение развития идеи предложена охлаждающая установка для охлаждения герметично закупоренных банок при использовании солевого водного раствора, охлажденного примерно до -16 С, в охладительном резервуаре с вращающимся перемешивающим средством для снижения кристаллизации соли. Использован диафрагменный насос для заполнения охлаждающего резервуара со скоростью до 5 л/мин. Охлаждающий резервуар выполнен с возможностью приема обычной банки, которую вращают с частотой 12 Гц/720 об/мин. Скорость потока насоса и частоту вращения банки можно контролировать. Скорости охлаждения напитка зарегистрированы в реальном времени. Определено, что во время вращения банки образуется вынужденное завихрение, глубина которого внутри банки зависит от частоты вращения. Имеет место вынужденная конвекция, создающая искусственно индуцированные конвективные потоки внутри банки. Затем, когда вращение останавливают, образуется свободное или затухающее завихрение и имеет место естественная конвекция, способствующая смешиванию содержимого банки, но без внедрения воздушных пузырьков, которые приводят к возникновению центров газообразования и избыточному вспениванию. Однако в статической банке без указанного затухающего завихрения более холодные напитки, будучи более плотными, опускаются на дно банки. Смешивание содержимого банки происходит очень плохо и это приводит к плохой термической однородности, а также во многих случаях к образованию льда или сгущению. Проведены испытания для оценки влияния различных частот вращения на образование однородно охлажденного напитка. Следующие эксперименты дают некоторые пояснения к настоящему изобретению. Сравнительный тест. Первоначально проведено испытание без какого-либо вращательного перемешивания напитка вращением банки. Результаты представлены в табл. 1. Таблица 1 Как можно видеть по температуре окружающей среды 20-22 С, содержимое основания банки удовлетворительным образом охладили до необходимой температуры, но имеет место минимальное охлаждение верха банки, приводящее к широкому разбросу температур по всей банке и неудовлетворительному среднему значению температуры охлаждения. Экспериментальные тесты. Задачей первой группы тестов являлась проверка влияния частоты вращения банки на результаты охлаждения напитка. Результаты представлены на фиг. 1, на которой на шкале температуры отображена средняя температура содержимого банки. Видно, что более высоких результатов достигают при более высоких частотах вращения, при этом более быстрого охлаждения достигают при частоте вращения 360 об/мин (серия тестов 3) по сравнению с 180 об/мин (серия тестов 2) или 90 об/мин (серия тестов 1). Результаты этих испытаний показывают, что, как и следовало ожидать, предварительное охлаждение камеры существенным образом влияет на успешное охлаждение содержимого банки. Также отмечено, что при частоте вращения 180 об/мин сохраняется разница температур между температурой верха и температурой основания банки в 6 С. Затем проведена проверка с целью установления насколько прерывистое вращение банки лучше влияет на охлаждение напитка по сравнению с непрерывным вращением банки. В силу того что прерывистое вращение позволяет завихрениям затухать несколько раз во время процесса охлаждения, этим обеспечивают более равномерное распределение температуры напитка. Результаты, представленные на фиг. 2, показывают, что при охлаждении прерывистым вращением банки достигают более быстрого охлаждения напитка. Затем проведены последующие испытания, при которых варьировали количество вращений на цикл охлаждения. Результаты представлены на фиг. 3. Можно видеть, что вращение на более высоких частотах и с большим количеством выстоев при вращении приводит к более крутому перепаду температур. На основе приведенных выше результатов последующие испытания проведены при частоте вращения 360 об/мин с вращением в течение 10 с, за которым следовал 20-секундный выстой с целью определения влияния на температуру банки с течением времени. Результаты представлены в табл. 2. Таблица 2 Указанные результаты показывают, что оптимальное охлаждение при условии достижения однородного охлаждения напитка до необходимой температуры в пределах 6 С достигается за три цикла, за время свыше 90 с. Отмечено, что температура охлаждающей жидкости (4 л) повышалась на 1,5 С при каждом испытании. На фиг. 4 показаны усредненные результаты большого количества серий подобных испытаний с банками при первоначальной температуре 24 С. Подсчитано, что суммарная энергия, требуемая для охлаждения банки с температуры окружающей среды около 24 С до температуры около 6 С, составляет около 6 Дж; согласно следующим вычислениям: масса банки с напитком = 355 г воды + 39 г (обычно) сахара; тепловая энергия, Q = массаудельная теплоемкостьизменение температуры. Теоретические вычисления для напитка: Теоретические вычисления для банки: Далее изложены принципиальные преимущества охлаждающего устройства согласно настоящему изобретению по сравнению с устройствами, известными из уровня техники: 1) вращение банки при оптимальной частоте для улучшения вынужденной конвекции; 2) генерация свободного (затухающего) завихрения внутри банки для поддержания естественной конвекции охлаждения и 3) сочетание периодов вынужденного и свободного (затухающего) завихрений с целью быстрого охлаждения напитков с однородным распределением температуры. В предпочтительных вариантах настоящего изобретения охлаждающее устройство дополнительно содержит рукав, в который помещают емкость с подлежащим охлаждению напитком, например резиновую мембрану, предпочтительно содержащую металлические частицы для улучшения тепловой проводимости. Присоединение плотно прилегающей мембраны способствует снижению или предотвращению повреждения ярлыков на емкости, особенно если используют бумажные ярлыки. Полные данные результатов тестов 1-7 приведены в табл. 3. Для коммерческих целей охлаждающее устройство предпочтительно содержит несколько камер описанного выше типа с целью одновременного охлаждения нескольких емкостей с подлежащим охлаж-4 021184 дению напитком. В обычных вариантах реализации настоящего изобретения охлаждающее устройство встроено в торговый автомат и дополнительно содержит средство для подачи емкости с подлежащим охлаждению напитком в камеру и средство для извлечения емкости с подлежащим охлаждению напитком из камеры. Предпочтительно согласно настоящему изобретению торговый автомат дополнительно содержит средство хранения, предназначенное для хранения емкостей или набора емкостей, и средство для отбора емкости из средства хранения для подачи ее в камеру. Согласно настоящему изобретению торговый автомат также обычно содержит устройство приема оплаты, например механизм, действующий на основе монет, или считывающее устройство для взимания платежа с карты. Таблица 3 Конвективная передача тепла в значительной степени регулируется режимом тока жидкости в пограничном слое. При увеличении перепада скоростей в пограничном слое конвективная передача тепла увеличивается. В то время как число Рейнольдса является ключевым показателем того, будет ли пограничный слой ламинарным или турбулентным, число Рейнольдса можно изменять в зависимости от структуры или неровности поверхности и локального перепада давления. Более сложное движение емкости и хладагента, предусмотренное данной системой, дает большее число степеней свободы для обеспечения контроля толщины и перепада скоростей в пограничном слое. Таким образом, обеспечивается воз-8 021184 можность максимальной конвективной передачи тепла в охлаждающем устройстве, исключая, при этом,явления сгущения или образования льда, которые сдерживали предыдущие попытки достичь быстрого охлаждения. Задачей настоящего изобретения также является предложить торговый автомат, содержащий описанное выше охлаждающее устройство. В обычном торговом автомате вся камера хранения должна быть изолирована, но изоляцию камеры для хранения, например, 400 банок обычно возможно обеспечить только при использовании изолирующей пены или матов или других материалов, задерживающих воздух с целью предотвращения передачи тепла. Данные материалы являются относительно неэффективными теплоизоляторами. Дополнительно к предложенному торговому автомату, который охлаждает напитки исключительно опционально, в настоящем изобретении предложен торговый автомат, в котором большинство банок или других емкостей с напитками хранятся при температуре окружающей среды и только небольшое количество (например, 16 или около того) - при пониженной или комфортной для питья температуре. В результате камеру, в которой хранятся емкости с пониженной температурой, можно изолировать более эффективным образом, например, с помощью вакуумных изолирующих панелей. Охлаждающее устройство располагают между камерой хранения с температурой хранения окружающей среды и камерой хранения с пониженной температурой хранения. Использование двух зон хранения значительно сокращает суммарное потребление энергии, а также снижает номинальную мощность, требуемую для быстрого охлаждения в охлаждающем устройстве. В камере хранения с пониженной температурой хранения предусмотрено дополнительное охлаждение на более низком уровне для поддержания соответствующей температуры, но потребление энергии для поддержания температуры в небольшой вакуумно-изолированной камере значительно ниже, чем в обычных торговых автоматах. В табл. 4 приведены сравнительные данные по потреблению энергии для подобного торгового автомата и обычного автомата для продажи охлажденных напитков, в котором все банки хранятся при охлажденной температуре. Таблица 4 Как можно видеть, торговый автомат согласно настоящему изобретению потребляет 50 кДж на охлаждение одной банки с температуры окружающей среды до комфортной для питья температуры (46 С). В обычной ситуации каждый день продают примерно по 30 банок. Предполагая, что продажи распределены в течение 24 ч случайным образом, дополнительное охлаждение для компенсации тепловых потерь в камере хранения с пониженной температурой хранения составляет максимум 0,5 кВт/ч в 1 день. Следовательно, суммарное потребление энергии (в указанной ситуации) составляет 1 кВт/ч для охлаждения 30 банок, что соответствует экономии в 80% по сравнению с обычными торговыми автоматами. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Охлаждающее устройство для охлаждения напитка, находящегося в емкости, содержащее камеру для размещения указанной емкости, вращающее средство для вращения емкости, размещенной в камере,и средство для подачи охлаждающей жидкости в камеру, причем вращающее средство выполнено с возможностью прерывистого вращения емкости с частотой не менее 90 об/мин и с возможностью вращения указанной емкости в течение по меньшей мере одного цикла, включающего вращение емкости с указанной частотой в течение заданного периода вращения и ее выстой в течение заданного периода выстоя, за которыми следует еще один заданный период вращения емкости с указанной частотой. 2. Охлаждающее устройство по п.1, в котором вращающее средство выполнено с возможностью выполнять по меньшей мере два цикла, включающих вращение и выстой емкости. 3. Охлаждающее устройство по п.1, в котором вращающее средство выполнено с возможностью выполнять от трех до шести циклов, включающих вращение и выстой емкости. 4. Охлаждающее устройство по любому из пп.1-3, в котором заданный период вращения емкости составляет от 5 до 60 с. 5. Охлаждающее устройство по любому из пп.1-4, в котором заданный период вращения емкости составляет от 5 до 30 с. 6. Охлаждающее устройство по любому из пп.1-5, в котором заданный период выстоя емкости составляет от 10 до 60 с. 7. Охлаждающее устройство по любому из пп.1-6, в котором заданный период выстоя емкости составляет от 10 до 30 с. 8. Охлаждающее устройство по любому из пп.1-7, в котором вращающее средство выполнено с возможностью вращения емкости с частотой по меньшей мере 180 об/мин. 9. Охлаждающее устройство по любому из пп.1-8, в котором вращающее средство выполнено с возможностью вращения емкости с частотой по меньшей мере 360 об/мин. 10. Охлаждающее устройство по любому из пп.1-9, в котором средство для подачи охлаждающей жидкости выполнено с возможностью ее подачи в камеру с температурой этой жидкости -10 С или ниже. 11. Охлаждающее устройство по любому из пп.1-10, в котором вращающее средство выполнено с возможностью вращения емкости вокруг ее оси и содержит средство для предотвращения осевого перемещения емкости во время ее вращения. 12. Торговый автомат, содержащий охлаждающее устройство по любому из пп.1-11, средство для подачи емкости с подлежащим охлаждению напитком в камеру и средство для извлечения емкости с охлажденным напитком из камеры. 13. Торговый автомат по п.12, содержащий средство хранения, предназначенное для хранения множества емкостей с напитками, и средство для отбора емкости из средства хранения для подачи ее в камеру.