本发明涉及用于制备冷却或冷冻糖食的设备，该糖食也可充气，例如冰淇淋、搅打酸奶等，该设备包括制备机器和流体容器。该设备代表一种紧凑且快速的系统，其能够提供由储存在环境温度下的流体容器中的原料流体制备的高品质产品。本发明还涉及用于制备此类冷却或冷冻产品的方法。
背景技术：
目前，大多数冷却糖食或冷冻糖食(诸如冰淇淋)消费涉及已经制备冷却或冷冻的产品，并保持在该状态下用于随后消费。当这些产品用于家庭消费时，会出现一些缺点，诸如需要在家中快速运输产品以使其保持冷却或冷冻状态，需要将它们储存在冰箱中，并且鉴于标准冰箱容积，可提供的口味数量有限。另外，这种产品的质地相当硬并且与现制糖食相差很远。
无论其旨在用于家庭消费还是用于商业、商店等，目前提供的解决方案是使用冷却的糖食或冰淇淋机器来生产新鲜的糖食产品。由此，虽然所得产品的质地更令人满意，但利用已知机器的制备程序具有若干缺点。
具体地讲，所有配料必须预先混合，此类机器的容积通常对应于相同口味的五份或更多份的份量，并且所需的时间为约半小时(当例如谈论冰淇淋时)。此外，该制备所需的配料与制备机的许多部件(例如搅拌器，储罐或分配器)相接触，所有这些部件都必须清洁。其他替代方案暗示在标准冰箱中进行冷却或冷冻阶段之前，先在环境温度下进行制备。因此，这些方案同样耗时而且需要清洁任务。
此外，这些已知的机器容积很大，需要长的制备时间。除此之外，必须一次制备一份以上的份量(称为批量制备)。因此，分批制备冷却或冷冻糖食的已知机器具有若干限制，如所讨论的，例如需要预先制备的待处理容积，并且还将最终产品限制为均匀的产品，其中不存在分层分布(例如，风味上的分层)。因此，需要增加制备冷却或冷冻糖食的便利性，特别是使用更紧凑的机器和系统，能够产生高品质和高度充气的混合物，所述混合物具有稳定的发泡，提供单份份量，并且尤其避免了对之后清洁的需要。
因此，本发明旨在提供能够解决这些需求并克服现有领域的缺点的设备，从而提供递送由储存在环境温度下的流体原料产品制备的冰淇淋或冷却或发泡产品的在线和按需系统。
技术实现要素：
根据第一方面，本发明涉及用于制备冷却或冷冻和/或发泡产品的设备，该设备包括：容器，处于环境温度下的一定量的流体储存在该容器中；排出装置，其被构造成以一定流速将一定量的流体递送到处理室中；至少一个处理元件，其在处理室内可旋转并被构造成在处理室中混合和/或刮擦和/或发泡流体；提供一定的冷却功率的冷却元件，其被构造成至少部分地冷却处理室(108)，该处理室至少部分地与流体接触。
优选地，计算本发明设备中的排出装置的速度，使得流体通过处理室的流速允许由冷却元件提供的冷却功率在流体离开处理室之前将流体冷却到所需温度。
另外优选地，设备中处理元件的旋转速度取决于待制备的冷却或冷冻和/或发泡产品的类型。处理元件的旋转速度通常包括在1rpm至10rpm的范围内，以制备冷却或冷藏产品，并且包括在rpm1000至3000rpm的范围内，以制备冰淇淋产品或发泡产品或充气产品。
通常，根据本发明的设备还包括连接到处理室的空气入口，以便为该室提供一定的空气比率。该空气比率的值取决于待制备的产品类型，当制备冷却或冷藏产品时该比率为零，当制备发泡产品或冰淇淋时，该比率不为零。
优选地，在根据本发明的设备中，处理室将来自容器的排出产品的流体入口和产品出口连接，使得连续递送冷却或冷冻和/或发泡产品。
通常，处理室的由流体穿过的长度与冷却元件相匹配。
根据本发明的设备的一个优选实施方案，处理室在径向方向上构造有小间隙，以允许通过处理元件在流体中引起高剪切应力。
通常，处理室由外圆柱体和同心布置的内圆柱体构成，在外圆柱体和内圆柱体之间形成有间隙。在圆柱体之间构造的间隙优选地在0.1mm与10mm之间。
在本发明的设备的一个优选实施方案中，处理元件通常包括至少一个刮擦边缘以及一个或多个扰动元件，该刮擦边缘被设计成刮擦粘附于处理室的内壁的产品，该扰动元件利用库埃特流动效应通过在处理室中旋转处理元件而引起流体的发泡。
通常，设备的容器被构造为料盒、胶囊等，其包括允许排出装置在内部移位的内部路径。
优选地，本发明的设备还设置有识别装置，该识别装置具有允许在所述装置中制备冷却或冷冻和/或发泡产品的工艺参数。工艺参数通常为以下中的一种或它们的组合：待生产的产品类型、所递送产品的温度、处理室中流体的流速、处理元件的旋转速度、掺入处理室中的空气比率。
根据第二方面，本发明涉及包括处于环境温度下的一定量的特定流体的容器，其被构造成与装置(如先前所述)一起使用。
优选地，容器包括在设备中面向冷却装置并且构造在其中制备冷却或冷冻和/或发泡产品的处理室的一个部件。
通常，容器包括内部容积，该内部容积被构造成与在其内部移位的排出装置配合以将其流体内容物的至少一部分排到设备的处理室中。
根据第三方面，本发明涉及用于制备冷却或冷冻和/或发泡产品的方法，该方法包括：
-将包括处于环境温度下的流体的容器插入设备中；
-根据待递送的最终产品的类型，使排出装置移位以便以一定流速将容器的流体内容物的至少一部分递送到处理室中；
-根据最终将递送到处理室中的产品类型以一定速度旋转处理装置，并且同时冷却至少部分地与产品接触的处理室的至少一部分。
优选地，在本发明的方法中，处理元件的旋转速度根据待制备的产品从低速到高速变化，低速在1rpm至10rpm的范围内以制备冷却或冷藏产品，高速在1000rpm至3000rpm的范围内以制备冰淇淋产品或发泡产品或充气产品。
通常，在本发明的方法中，当需要充气产品时，空气还被引入处理室中。
根据又一方面，本发明涉及如前所述的设备用于制备冷却或冷冻和/或发泡产品的用途。
然而，根据又一个不同方面，本发明涉及所述的容器在如先前所公开的用于制备冷却或冷冻和/或发泡产品的设备中的用途。
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示出了根据本发明的用于制备冷却或冷冻或充气糖食的设备的剖视图，该设备包括制备机器和流体容器。
图2示出了根据本发明的用于制备冷却或冷冻或充气糖食的设备中的不同元件的分解图，如图1所示。
图3示出了根据本发明的用于制备冷却或冷冻或充气糖食的设备的示意图，如图1所示。
图4示出了使用根据本发明的设备制备冷却糖食所涉及的理论能量路径方案。
图5示出了使用根据本发明的设备制备冷冻糖食所涉及的理论能量路径方案。
图6a至图6b示意性地示出了用于产生剪切应力的库埃特流动的基本原理。
具体实施方式
根据第一方面，本发明涉及用于制备冷却或冷冻产品的设备10，该产品也可被充气。本发明的设备10包括制备机器100和容器20，该容器20包括处于环境温度下的通常为液体的原料流体产品，由此通过设备10生产最终充气或冷却或冷冻产品。例如，由设备10制备的典型产品为冰淇淋或搅打酸奶。设备10在线工作，在需要时提供所需的一部分充气或冷却或冷冻产品，所需产品根据需要由容器20中处于环境温度下的原料流体新鲜制备。
机器100包括围绕轴102旋转的处理元件101，其由马达(未示出)夹带旋转：处理元件101通常用作发泡器和刮擦器，具体取决于其旋转速度并且进一步取决于与流体混合或不与流体混合的空气，这将更详细地进一步解释。该处理元件101通常包括被设计成刮擦在冷却壁内冷冻的产品的刮擦边缘130，以及通过元件101的旋转引起流体发泡的一个或多个扰动元件131。
如图2所示，例如，机器100还包括上盖103，该上盖闭合处理元件101的上部并且将轴102与马达连接以便使元件101夹带旋转。上盖103还包括至少一个空气入口106。
图2还示出了，机器100包括处理盖元件107，其布置方式使得当容器20被引入机器中时，在容器20与处理盖元件107之间形成处理室108，其厚度很小，处理元件101旋转进入其中。机器100还包括被布置在处理盖元件107外部的冷却元件105，从而冷却与处理室108中的流体接触的内部冷却壁104。
通常，容器20是圆柱形的，处理盖元件107也是如此，因此盖元件107的内部冷却壁104与容器20的外表面形状互补。
机器100还设置有能够在容器20的容积内移位并将其内容物从其排出的排出装置109(通常为活塞)。活塞由机器100中的马达(未示出)线性致动，不同于夹带旋转处理元件101的马达。
本发明的容器20包括内部容积，流体被设置在其中并且排出装置109在其中移动：流体通过一个或多个优选地被布置在容器20的上表面上的流体出口110被排出到处理室108中。排出装置109被设计成非常靠近容器20的内壁，它们移动时，使得内部流体的大部分内容物被排出到处理室108。容器20还包括产品出口111，所述产品出口优选地垂直布置，连接到处理室108，使得产品内容物一旦制备就被递送到杯子或适当的接收器中。容器20优选地设置有止动器112，其通常径向布置在容器上方，限定处理盖元件107的定位以便构造适当的处理室108。
优选地，处理室108具有在容器20的径向方向上的宽度(构造内圆柱)和外圆柱(由处理盖元件107构造，在0.1mm至10mm的范围内)。对于处理室宽度的这些优选值，可实现最佳泡沫特性。为了在处理室108中进行发泡，本发明的设备基于由高剪切能量提供的发泡能量，所述高剪切能量通过使来自容器20的流体与通过空气入口106引入的空气的混合物至少部分地通过库埃特流动穿过处理室108而实现。重要的是，处理室108中的宽度或间隙保持非常小，以便在混合物中产生高剪切应力，从而允许充分发泡。
库埃特流动是指在两个平行板之间的空间中粘性流体的层流。库埃特流动的基本原理如图6a和图6b所示。在图6a中，可移动的二维边界板相对于静止的二维边界板以一定的速度u移动。两个边界板之间存在流体。可移动边界板的移动致使流体移动。两个边界条件限定流体的移动。直接在静止的边界板上，流体由于静止边界板处的摩擦力而根本不移动。因此，速度u为零。直接在可移动的边界板上，摩擦致使流体随着可移动边界板的速度u而移动。
在简单模型中，从静止边界板开始测量，流体的速度u在方向y上线性增大。由此，流体中引发剪切应力τ，这取决于两个边界板之间的距离、流体的粘度、以及移动的边界板的绝对速度。流体中的剪切应力产生剪切能量，其可用作发泡能量，如在本发明的设备中所用。
如图1所示的布置在处理盖元件107外部的冷却元件105通常被构造为螺线型外部冷却回路，制冷剂流体流过该冷却回路，以便冷却与处理室108中的流体接触的内部冷却壁104。这仅仅是示例性执行，并且其他可能的执行也将包括在本发明的范围内。
如前所述，本发明的设备能够提供不同类型的冷冻或冷却的最终产品，其可进一步充气或不充气。通常，待递送的产品为冰淇淋、冷却或冷藏的液体和发泡液体。对于待获得的不同产品，存在两个需管理的变量：是否通过空气入口106将空气引入处理室108，以及处理元件101的旋转速度。
就冷却或冷藏液体而言，不引入空气(因此闭合空气入口106)并且处理元件101以低速(通常在1rpm至10rpm的范围内)旋转，允许将流体均匀混合并冷却(当其被内部冷却壁104冷却时)。冷却元件105在流体被递送通过产品出口111之前将流体冷却至包括在5℃与0℃之间的最终温度。处理元件101中的刮擦边缘130有助于将内部冷却壁104上的产品并入到整个流体混合物中，以便在其内部均匀分布冷却。
在制备发泡产品(其可为冷藏或未冷藏的)的情况下，空气通过打开的空气入口106引入，并且处理元件101以高速(通常包括在1000rpm与3000rpm之间)旋转。当需要冷却或冷藏的产品时，冷却元件105在流体被递送通过产品出口111之前将发泡流体冷却至通常包括在5℃与0℃之间的温度。处理元件101的高速旨在适当地混合并发泡流体混合物：具体地，处理元件101中的扰动元件131有助于破坏流体气泡并使空气进入混合物中，使其充气。
当利用本发明的设备制备冰淇淋时，空气入口106需要打开(因此空气掺入流体混合物中)，并且处理元件101通常以高速(包括在1000rpm与3000rpm之间)旋转。冷却元件105在流体混合物被递送通过产品出口111之前将流体混合物冷却至通常-0℃(参见图5)至-5℃至-10℃的温度。刮擦边缘130需要刮擦粘附在内部冷却壁104上的冷冻混合物，以便将其掺入混合物中，从而产生冰淇淋。此外，由于处理元件101中的扰动元件131并且由于处理元件101的高旋转速度，混合物被充气。
现在参见图4，示意性地示出了根据本发明的用于冷却的充气产品的设备中所遵循的理论能量路径，从处理室103的顶部到与产品出口111连接的处理室140的底部。流体在环境温度(通常包括在20℃与25℃之间)下进入处理室，接着通过接触内部冷却壁104进行冷却，然后由于处理元件101的旋转而分配到混合物中。流体和空气(来自空气入口106的空气)的混合物的有效发泡在包括在5℃与0℃之间的温度下进行，如图4的图形所示。
能量平衡(即，与处理室内的流体的温差相关的热能)由下式给出：
∑(CP m dT)
其中：
Cp是取决于材料的比热容
m是产品或配料的质量
以及
dT是温差(dT＝T最终–T初始)
上式给出了与处理室内产品的温度从环境温度变化到产品出口饮料出口处的较低温度T1(通常包括在0℃与5℃之间)相关的热能传递。
现在参见图5，示意性地示出了根据本发明的用于制得的冷冻的充气产品的设备中所遵循的理论能量路径，从处理室130的顶部到与产品出口111连接的处理室140的底部。流体在环境温度(通常包括在20℃与25℃之间)下进入处理室，然后在处理室路径的约30％至35％中冷却到+0℃的温度(事实上，高效发泡在路径的约5％至10％中在5℃至+0℃范围内发生，如图5所示)。能量平衡(即，与处理室内产品的温度从环境温度变化到行进处理室的整个路径的30％至35％后的较低温度T1(+0℃)相关的热能)由下式给出：
∑(CP m dT)
其中：
Cp是取决于材料的比热容
m是产品或配料的质量
以及
dT是温差(dT＝T最终–T初始)
然后，产品从液体变为固体，其温度维持在0℃左右(事实上，从+0℃变为-0℃)：如图5所示，估计产品总质量的约50％相转变成固体，并且已行进处理室的总路径的约50％至60％。
与此相变相关的热能由下式给出：
∑(Lfm)
其中：
Lf是取决于材料的潜热
以及
m是产品或配料的质量
最后，产品行进的处理室路径的剩余5％至10％使产品进一步降低温度，从-0℃降至约-5℃，直至通过产品出口111以冰淇淋产品形式递送。能量平衡(即，与处理室的该路径内的流体的温差相关的热能)由下式给出：
∑(CP m dT)
其中：
Cp是取决于材料的比热容
m是产品或配料的质量
以及
dT是温差(dT＝T最终–T初始)
上式给出了与处理室内的产品从-0℃到-5℃(这是冷冻产品的最终递送温度)的温度变化相关的热能传递。流体和空气(来自空气入口106的空气)的混合物的有效发泡在包括在5℃与+0℃之间的温度下进行，如图5的图形所示。
根据本发明的设备所遵循的主要原理是，从容器20内的一定量的特定产品(流体)离开，因此已知改变形成另一种产品(仅冷却或冷冻，有可能进一步发泡)的处于环境温度下的该流体产品所需的总热能平衡。此外，冷却元件105的功率是已知的，并且在流体将遵循的路径中冷却的总容积也是已知的：从流体出口110位于其中的靠近上盖103的处理室108的上部(因此，从产品进入处理室的位置)离开直到处理室108的下部140，其与产品出口111连接。因此，在该容积中，产品需要通过一定的能量传递，以实现所需的冷却和可能的相变。能量移除由冷却元件105提供。
因此，对于要实现的某种产品(冷冻或冷藏液体)，在脱离已知信息(容器20中的产品类型和冷却元件105可提供的功率)下，本发明的设备调整的是产品通过处理室108的流速，即产品进入处理室108的停留时间必须提供所需的最终产品。显然，这将在如本发明的实施方案中针对调节排出装置109进入容器的位移速度优选描述的设备中进行调节，因此提供流体在处理室108中的流速。最终产品的其他特征将由处理元件101的转速(用于冰淇淋和发泡产品的较高速度和用于冷却或冷藏液体的较低速度)以及与流体一起引入处理室(通过空气入口106)的空气比率给出。
通常，本发明的设备在线工作并将容器20中的全部量的流体提供为作为通过出口111递送的冷冻、冷藏和可能发泡的产品形式的最终产品。容器20提供一定量的预定产品，并且被构造为胶囊、料盒等。
容器20还可包括识别装置(未示出)，其具有关于用于制备冷却或冷冻并可能进一步充气的产品的参数的信息，诸如要在设备中生产的产品类型、要递送的产品的温度、在设备中的处理时间、设备的处理元件的旋转速度等。通常，制备机器100将包括处理器，该处理器被构造成读取关于容器20的识别装置的信息并在产品制备过程期间执行所需的参数。
根据第二方面，本发明还涉及用于制备冷却或冷冻产品的方法，该产品也可在如上所述的设备中充气。本发明的方法包括：
-将包括食品或饮料产品的容器20插入制备机器100中；
-以一定速度将排出装置109在容器20内部移位，提供流体通过处理室108所需的流速，以便通过流体出口110以所述一定流速将容器内的内容物递送到处理室108中；
-根据待制备的产品类型(充气或不充气)，可通过空气入口106添加空气；
-根据待制备的产品类型，以一定的速度旋转处理室内的处理元件101；
-在处理元件旋转的同时，致动冷却元件105，并对接触并冷却处理室内的产品的内部冷却壁104致冷；
-如前所述，因为流速是限定的特定流速，以便在处理室108中为流体提供一定的停留时间，所以最终制备的产品通过产品出口111递送。
虽然已参考本发明的优选实施方案描述了本发明，但本领域的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变化。