一次性发泡设备的制作方法

本发明涉及一种用于使流体发泡、优选地用于使食物流体产品发泡并且更优选地用于产生奶泡的设备。具体地讲，本发明涉及一种在不需要清洁操作的情况下以受控且可靠的方式产生极高质量流体泡沫的一次性发泡设备。

背景技术：

泡沫包含两个相：水相和气(空气)相。流体泡沫因此是通过将许多气泡截留在流体结构中所形成的物质：产生流体泡沫不仅涉及这些气泡的生成，而且涉及这些气泡在整体流体结构中的堆积和保留以提供稳定泡沫。

由食物流体产品产生的流体泡沫在烹煮中以许多不同种类使用，因为它们具有由微小气泡带来的独特轻盈质地，这些微小气泡可提供不同的口感。在大多数这些发泡的产品中，蛋白质是主要的表面活性剂，有助于分散气相的形成和稳定，从而产生蛋白质稳定的泡沫。蛋白质将始终具有某些要克服的应力，诸如机械应力和重力应力：蛋白质使抗这些应力而形成的发泡结构稳定的能力将决定泡沫稳定性，通常表示为50％的流体从泡沫流失所需的时间，即达到泡沫体积50％减小量所需的时间。

使流体发泡时，面临的主要困难是要以受控且可重复的方式产生所需的泡沫，并且还要使泡沫稳定并保持其稳定给定时间段。

最常用的食物流体泡沫之一是奶泡。用于产生奶泡的设备在现有技术中是众所周知的：通常，这些设备包括在其中填充奶的贮存器，所述贮存器还设置有旋转部件，通常为布置在其下表面中的搅拌器，所述搅拌器搅拌奶，从而将空气截留在液体膜中，由此使得奶发泡。然而，在这些已知设备中产生奶泡需要时间、相当多的操作并且每次产生泡沫后还需要清洁。另外，为了调节所获得的泡沫的特征，需要控制搅拌器的几何形状，这是很难以精确方式理解和控制的。

现有技术中的文档EP 2478804 A1例如公开了由气体加压的奶贮存器，加压奶被引导至混合区域以与另一种气体进一步混合。随后的起泡以及气泡尺寸的减小在起泡装置中发生，所述起泡装置通常包括静态混合器或旋转搅拌器。然而，此类系统中对发泡的调节和控制是复杂且不精确的，而且需要复杂的构型。此外，这些系统在产生泡沫后需要清洁，这既繁琐且耗时。

现有技术中已知的其他文档诸如US 2013/0043274 A1描述了包装解决方案，其提供了特别适于食物流体产品(通常为饮料)的储存、定量给料和分配功能，包括容器、定量给料装置和阀门。定量给料装置包括具有至少一个截短部件的转子，所述转子以旋转方式驱动并作为定量给料设备工作，从定量给料入口取出液体并将液体驱动到定量给料出口，使得来自容器的液体被输送到混合室中与稀释剂进行混合：当该稀释剂为气体(N₂或CO₂)时，在饮料的上层上提供一层泡沫头。然而，该系统中的发泡过程并非以受控且精确的方式生产，极难对其进行监测和调节。

因此，已提供其他解决方案以允许以受控且受调节的方式产生发泡流体。在属于相同申请人的EP 12199185.5中提供了一个实施例，其中公开了用于产生奶泡的设备：在两个相对于彼此旋转的圆筒之间的间隙中对奶-空气混合物施加高剪切应力，所述剪切应力导致形成奶与空气的乳液，随后一旦发生膨胀就出现发泡效应。利用该解决方案，可以受控方式产生奶泡。然而，该设备相对较复杂，并且在产生奶泡之后需要频繁清洁，这是耗时的，对用户没有吸引力。

仍然需要用于以受控且受调节的方式生成高质量流体泡沫并且无需清洁操作的简单设备。本发明旨在提供满足这些需求的解决方案。

技术实现要素：

根据第一方面，本发明涉及用于使流体1发泡的一次性发泡设备100，包括容器隔室20和发泡隔室10，所述容器隔室20由主要进入空气14'加压，以使得流体1被驱动到发泡隔室20中。发泡隔室20被提供以次要进入空气15'，以与来自容器隔室20的流体1混合，所述发泡隔室10包括可相对于彼此移动的两个部件，使得空气与流体1的混合物在特定水平的剪切应力下在两者之间被驱动，从而允许空气与流体1的混合物在发泡隔室10中被乳化。

优选地，发泡隔室20包括内圆筒11和外圆筒12，所述内圆筒11和所述外圆筒12同心地布置，以使得在它们之间形成间隙13，所述内圆筒11可相对于所述外圆筒12旋转，使得流体1与空气的混合物在被驱动穿过间隙13时被乳化。另外优选地，间隙13的宽度根据待发泡的流体1来选择，使得间隙13中的剪切应力最佳地乳化空气与流体1的混合物。

根据第二方面，本发明涉及包括发泡设备100和机器30的发泡系统，所述发泡设备100可连接至机器30。机器30包括使发泡隔室10移动的驱动装置31、提供主要进入空气14'的主要空气泵34以及提供次要进入空气15'的次要空气泵35。

优选地，机器30监测以下发泡工艺参数中的至少一者或组合：从容器隔室20流入发泡隔室10的流体流率、发泡隔室10的移动速度、提供到发泡隔室10中的次要进入空气15'的流量、发泡隔室10中的空气与流体1的混合物的温度。

优选地，机器30包括控制装置36，并且发泡设备100包括具有关于发泡工艺参数中的至少一者或组合的信息的代码40，使得控制装置36根据代码40中的信息来自动地调节这些发泡工艺参数。另一种可能性是用户直接在机器30上手动调节和操控这些参数。

在本说明书中，术语“流体”意指液体或液体与气体的混合物。

附图说明

结合附图，在阅读本发明的非限制性实施方案的以下详细描述时，本发明的其他特征、优点和目的对于技术人员而言将变得显而易见，其中：

图1示出了根据水平实施方案的本发明的一次性发泡设备的主要部件的示意图。

图2示出了根据水平实施方案的本发明的一次性发泡设备的主要部件的示意性前视图。

图3示出了根据水平实施方案的本发明的一次性发泡设备的发泡隔室和容器隔室的剖视图。

图4和图5示出了根据水平实施方案的本发明的一次性发泡设备的发泡隔室的详细剖视图。

图6示出了根据竖直实施方案的本发明的一次性发泡设备的发泡隔室的剖视图。

图7示出了根据竖直实施方案的本发明的一次性发泡设备的发泡隔室的详细剖视图。

图8示出了根据竖直实施方案的本发明的一次性发泡设备的发泡隔室的详细视图。

图9示出了在根据本发明的一次性发泡设备的水平实施方案中附接到发泡隔室的添加剂隔室的示意图。

图10示出了在根据本发明的一次性发泡设备的水平实施方案中附接到发泡隔室的添加剂隔室的剖视图。

图11示出了在根据本发明的一次性发泡设备的水平实施方案中附接到彼此之前的添加剂隔室和发泡隔室的前视图。

图12示出了在根据本发明的一次性发泡设备的水平实施方案中附接到彼此之前的添加剂隔室和发泡隔室的后视图。

图13示出了在根据本发明的一次性发泡设备的水平实施方案中附接到彼此的添加剂隔室和发泡隔室的详细剖视图。

图14示出了示意性功能图，示出了根据本发明的发泡系统，包括连接到机器的一次性发泡设备，所述一次性发泡设备包括发泡隔室、容器隔室和添加剂隔室。

图15示出了根据竖直实施方案的本发明的一次性发泡设备的另一个可能实施方案的剖视图。

具体实施方式

根据本发明的一次性发泡设备100包括发泡隔室10和容器隔室20。发泡隔室10被设计用于使储存在容器隔室20中的流体1发泡。通常，在本发明的设备中处理的流体1是奶，但可使用任何种类的可发泡的流体，诸如奶油、酸奶、冰淇淋混合物等。

在本发明的优选实施方案中，例如，发泡隔室10被配置为封盖或顶盖，容器隔室20被配置为瓶、胶囊或袋。然而，显而易见的是，本发明的任何其他可能实施方案也将包括在本专利申请的范围内以及所附权利要求书的范围内。

本发明的发泡设备100是完全一次性的，因此不需要清洁操作。发泡设备100允许多次发泡操作，通常直到容器隔室20已清空流体1为止。在所执行的不同发泡应用之间，发泡设备100被保存在合适的保存区域中，通常在冰箱中。在这些应用之间，容器隔室20可保持加压状态，也可在每次使用之后减压。在这些情况中的任一种下，必须避免流体从容器隔室20的任何泄漏。

本发明的发泡设备100以这样的方式设计，即使得流体与空气的混合物至少部分地通过库埃特流穿过发泡隔室10。库埃特流是指粘性流体在两个平行板之间的空间中的层流，使得一个板相对于另一个板移动。该流由剪切力驱动，该剪切力作用于包括在两个板之间的流体，从而通过高剪切能量向该流体提供发泡能量，该流体被乳化。

发泡隔室10通常包括内圆筒11，该内圆筒被同心地布置在外圆筒12内，且两者可相对于彼此移动，使得间隙13被布置在外圆筒12与内圆筒11之间的空间中。优选地，内圆筒11为转子，而外圆筒12为定子，该转子优选地相对于固定的定子旋转。内圆筒11可通过连接装置19连接到驱动装置31(优选地马达)，该连接装置使内圆筒11以给定的旋转速度相对于外圆筒12旋转。

发泡隔室10还包括主要空气入口14和次要空气入口15，它们各自分别连接至主要通道14”和次要通道15”。主要空气入口14使主要进入空气14'穿过主要通道14”朝向容器隔室20输送，使得容器隔室20被加压，通常被加压到最多至1巴的压力：借助于阀门21在容器隔室20内产生正压，使得加压的流体1通过阀门21的作用快速朝向发泡隔室10输送。当将流体1从容器隔室20输送到发泡隔室10中时，容器隔室20被加压，原因有如下两个：1)因为压力是允许流体1流入发泡隔室的驱动器，以及2)因为能更好且更有效地执行发泡。次要空气入口15通过次要通道15”提供次要进入空气15'，该次要进入空气会被添加到来自容器隔室20的流体1以形成流体与空气的混合物，该混合物进而在可旋转的内圆筒11与外圆筒12之间的间隙13内按照库埃特流原理进行乳化。经乳化的流体与空气的混合物一离开间隙13就膨胀，从而在流体内的气泡的尺寸突然增大时实现发泡效应，然后可通过流体出口17提供泡沫。采用库埃特流原理的两个板在实践中通过可相对于彼此旋转的内圆筒11的外壁以及外圆筒12的内壁而布置在发泡设备100中，所述内圆筒11和所述外圆筒12具有公共旋转轴线16。

根据本发明的另一个实施方案，容器隔室20可包括包含待发泡、成型的流体1的内部柔性部件，以及配置容器隔室20的外框架的外部刚性部件。在该构型中，主要空气入口14将使主要进入空气14'穿过主要通道14”朝向容器隔室20的内部柔性部件与外部刚性部件之间形成的间隙输送。该间隙中提供的空气随后将对内部柔性部件施加压力，从而允许流体流入发泡隔室10。通常，内部柔性部件将为柔性袋(优选地用塑性材料制成)，外部刚性部件将被制成为瓶。该构型提供以下优点：

-流体绝不会与主要进入空气14'接触，因为柔性内部部件会根据其中所含的流体的减少而收缩，这最大程度降低了流体氧化的任何可能性；

-容器隔室20可在每次使用之后减压，因为由于不存在流体泄漏而没有必要在内部柔性部件与外部刚性部件之间的间隙中保持压力：这将允许阀门21的简化。

任选地，本发明的发泡设备100还包括加热器(未示出)，其用于对发泡隔室10中的流体与空气的混合物进行加热，由于提供了附加可用能量，这增强了发泡效应。此外，热奶泡例如通常是制备饮料所需的。加热器优选地设置在机器30中并且连接到流体出口17，从而在形成泡沫之后对泡沫进行加热：此外，泡沫与机器30之间不存在接触，从而增强了根据本发明的系统的清洁度。

加热器还可一体形成在两个圆筒中的一者11或12内。例如，加热器可容纳在内圆筒11内：当内圆筒11还由导热材料(优选地金属)制成时，热量被有效地传输到限定间隙13的内圆筒11的外表面，从而使流过所提到的间隙13的流体与空气的混合物有效地升温。优选地，加热器沿着内圆筒11的整个长度(即，高度)对圆筒表面进行加热。

根据本发明的另一个实施方案，发泡设备100还可包括添加剂隔室50，该添加剂隔室通常也是一次性的，优选地以可拆卸方式附接到发泡隔室10。发泡隔室10包括连接自机器30的添加剂空气入口51，从而允许加压的空气注入到连接自添加剂空气出口56的添加剂隔室50中，以使得添加剂隔室50中包含的添加剂与穿过流体出口17提供的泡沫一起同时驱动穿过添加剂出口52。添加剂入口阀门53设置在添加剂隔室50中，从而调节空气进入添加剂隔室50中的流量。添加剂隔室50包括附接装置55，从而允许添加剂隔室50以可拆卸方式插在发泡隔室10上。通常，附接装置55包括滑动装置，从而允许添加剂隔室50插在发泡隔室10上并在其上受到引导，即使当发泡设备100连接到机器30时也如此。

应当指出的是，添加剂量相对于所提供的泡沫的比率以及进行添加剂输送的时机两者都受到控制装置36或操作机器30的用户控制，从这个意义上讲，本发明的添加剂隔室50是发泡设备100和机器30的被动或从动元件。此外，驱动添加剂的添加剂空气18'由机器30中的第三空气泵37推动，被驱动穿过发泡隔室10中的添加剂通道18”(这将进一步阐述)：因此，给定的添加剂隔室50仅能够与专用的发泡隔室10一起工作，即与专用的发泡设备100一起工作。

本发明的发泡设备100可连接到机器30，该机器30包括连接到发泡设备100的以下元件：

-驱动装置31，其通常为马达，包括适于连接到连接装置19并以旋转方式驱动发泡隔室10的内圆筒11的机械连接；

-主要空气泵34，其可连接到提供主要进入空气14'的主要空气入口14；

-次要空气泵35，其可连接到提供次要进入空气15'的次要空气入口15；以及

-任选地，第三空气泵37，其可连接到发泡隔室10中的添加剂空气入口51，从而穿过添加剂通道18”向添加剂隔室50中提供添加剂空气18'。

任选地，机器30还可包括将管理和控制发泡设备100中的发泡工艺参数的控制装置36，这将进一步详细阐述。作为一种替代方案，还可能的是，机器30不包括控制装置36，这意味着用户随后将手动地调节发泡设备100中的发泡工艺的部分或所有参数。

得自流体的泡沫的类型主要取决于经发泡的流体的类型。例如，当使奶发泡时，所获得的泡沫的类型根据所使用的奶的类型而变化，诸如生全乳、巴氏杀菌均质化全脂奶、巴氏杀菌脱脂奶、UHT均质化全脂奶、UHT脱脂奶等。对于给定类型的奶而言，除了在其制备期间使用的处理条件外，发泡特性在很大程度上由使奶发泡的温度及奶的脂肪含量决定。一般来讲，低脂奶在低温下发泡更佳：这也适用于全乳和奶油，但程度较低。在约37℃至约71℃的温度下，该趋势被逆转，具有较高脂肪含量的乳制品表现为在任何给定点处都会产生高体积泡沫。

另一方面，流体泡沫的质量由泡沫特性决定，诸如：发泡之后在流体结构中形成的气泡的数量和尺寸；泡沫稳定性，其被定义为稳定的(即基本上保持其体积的)泡沫的量，通常表示为50％的流体从泡沫流失所需的时间(达到泡沫体积的50％减小量所需的时间)；以及发泡水平，其被定义为进入发泡隔室10的流体的体积相对于由流体出口17提供的泡沫的体积的比率(也称为泡沫膨胀度，其被定义为在发泡作用下流体的特定初始体积的体积增大)。

因此，对于给定类型的流体1(即，在流体制备期间的脂肪含量和处理条件为固定值)，对该流体1所获得的泡沫的特性(气泡的数量/尺寸、稳定性和膨胀度)将由在本发明的发泡设备100中执行的发泡工艺决定，具体地由下面详述的工艺参数决定。

-从容器隔室20穿过阀门21进入发泡隔室10的流体流率：该流率由主要空气泵34控制，因此由注入容器隔室20中的主要进入空气14'的速率决定。

-由驱动装置31控制的内圆筒11(转子)的旋转速度。

-由次要空气泵35控制的、提供到发泡隔室10中的次要进入空气15'的量。

-任选地，由加热器控制的、离开流体出口17的泡沫的温度或发泡隔室10内的间隙13中的流体与空气的混合物的温度。

-任选地，当使用添加剂隔室时，添加剂量相对于所提供的泡沫的比率由第三空气泵37控制，该第三空气泵使添加剂空气18'穿过添加剂通道18”被提供到添加剂隔室50中。

在本发明的发泡设备100中实现的库埃特流效应中，流体与空气的混合物在发泡隔室10中经受的剪切应力在很大程度上取决于在内圆筒11的外壁与外圆筒12的内壁之间形成的间隙13的宽度。根据本发明，一次性发泡设备100具有给定宽度的间隙13，该宽度根据容器隔室20中待发泡的流体1的类型来选择，以获得由剪切(库埃特流)引起的最佳发泡效应的方式来选择。通常，待发泡的流体1粘性越大，间隙13的宽度越大：例如，奶需要的间隙13将比液体酸奶需要的小得多。优选地，当流体为奶时，间隙13的宽度将为大约0.3mm，而当流体为液体酸奶时，该值将为大约0.4mm。

优选地，驱动装置31(通常为马达)适于使内圆筒11以4000至8000rpm范围内的旋转速度相对于外圆筒12旋转。已发现旋转速度的这些优选值能得出最佳发泡效应，这意味着所提供的泡沫具有最佳发泡特性。对于库埃特流效应而言重要的是，内圆筒11与外圆筒12之间存在相对旋转速度，从而引起间隙13中剪切驱动的流体运动。通常，这通过如下方式实现：使外圆筒12固定并且使内圆筒11以所提到的速度值旋转，或反之。相对旋转速度还可通过如下方式实现：使这两个圆筒以相对于彼此的相反方向旋转。

优选地，根据本发明，发泡设备100还包括代码40，其通常为条形码，可布置在容器隔室20上或发泡隔室10上。代码40包括下面详述的以下工艺参数中的至少一者的信息，该信息被提供给机器30中的控制装置36以便以最佳方式执行发泡工艺。

-从容器隔室20进入发泡隔室的流体流率，其为容器隔室20中的压力的函数。

-内圆筒11的旋转速度。

-向发泡隔室10中提供的次要进入空气15'的量。

-将由加热器提供的、离开流体出口17的泡沫的温度或间隙13中的流体与空气的混合物的温度。

-任选地，当使用添加剂隔室50时，添加剂量相对于所提供的泡沫的比率。

当机器30不包括控制装置36时，则用户可根据需要来调节上述参数中的至少一者。

根据图1至图5中所示的本发明的一个实施方案，在所谓的水平布置中，发泡隔室10(即，内圆筒11和外圆筒12)以与容器隔室20垂直的方式布置(发泡隔室10的旋转轴线16垂直于容器隔室20的主轴线)。在该水平布置中，小间隙13将高剪切应力提供给在内圆筒11相对于外圆筒12旋转时流过发泡隔室10的流体与空气的混合物。因此，混合物在该间隙13中被乳化。当这种经乳化的混合物流入竖直路径8中时，该混合物膨胀，从而在间隙区域之外发泡。

根据图6-8中所示的本发明的另一个实施方案，在所谓的竖直布置中，发泡隔室10(即，内圆筒11和外圆筒12)以平行于容器隔室20的方式布置(发泡隔室10的旋转轴线16平行于容器隔室20的主轴线)。在该竖直布置中，小间隙13将高剪切应力提供给在内圆筒11相对于外圆筒12旋转时流过发泡隔室10的流体与空气的混合物。因此，混合物在该间隙13中被乳化。当这种经乳化的混合物流入次要竖直路径9中时，该混合物膨胀，从而在间隙区域之外发泡。

如图15中示意性地示出，内圆筒11可包括第一部件11a和第二部件11b，所述第一部件11a的直径大于所述第二部件11b的直径。第一部件11a的直径的值被选择成使得在第一部件11a与外圆筒12之间形成给定宽度的特定间隙13，这将决定提供给所述间隙13中空气与流体的混合物的剪切应力，从而决定该混合物的乳化。内圆筒11的第二部件11b的直径被设计成使得在第二部件11b与外圆筒12之间形成室7，其中室7具有一定宽度，使得流体与空气的混合物以最佳方式发生适当膨胀并因此发泡。发泡隔室10中提供的流过间隙13的流体与空气的混合物被乳化，因为当内圆筒11相对于外圆筒12旋转时其在内圆筒11与外圆筒12之间的窄间隙13中经受了高剪切应力。当经乳化的流体与空气的混合物流出间隙13进入室7中时，该混合物膨胀并因此发泡。由于膨胀，泡沫被挤压出流体出口17。当流体出口17的直径被制成为大于室7的直径时，流体与空气的混合物以更高的程度发泡。与刚才所述的该布置相似的布置也可在上述水平布置中实现。

应当注意的是，即使当附图9-13示出了添加剂隔室50附接到具有水平布置的发泡隔室10的一种可能实施方案时，也将可能的是，当发泡隔室10处于竖直布置时，以与图9-13中所示的相似方式将添加剂隔室50附接到发泡隔室10。

通常，配置完整发泡系统，包括发泡设备100和机器30。通常，发泡设备100将包括发泡隔室10、容器隔室20、任选地代码40以及也任选地添加剂隔室50。

虽然已结合本发明的优选实施方案描述了本发明，但本领域的普通技术人员可在不脱离所附权利要求所限定的本发明范围的情况下作出许多修改和更改。

标记列表

100 一次性发泡设备

10 发泡隔室

11 内圆筒

11a 第一部件

11b 第二部件

7 室

8 竖直路径

9 次要竖直路径

12 外圆筒

13 内圆筒与外圆筒之间的间隙

14 主要空气入口

14' 主要进入空气

14” 主要通道

15 次要空气入口

15' 次要进入空气

15” 次要通道

16 旋转轴线

17 流体出口

18' 添加剂空气

18” 添加剂通道

19 连接装置

51 添加剂空气入口

56 添加剂空气出口

20 容器隔室

1 流体

21 阀门

40 代码

50 添加剂隔室

52 添加剂出口

53 添加剂入口阀门

55 附接装置

30 机器

31 驱动装置

34 主要空气泵

35 次要空气泵

36 控制装置

37 第三空气泵