Apparat zur Herstellung von Trockeneis zur Verwendung in Getränken

Die Erfindung bezieht sich auf einen Apparat und ein Verfahren zur Bereitstellung von festem Kohlendioxid zur Verwendung in Getränken.

Die Herstellung von Trockeneis mit flüssigem Kohlendioxid aus einer unter Druck stehenden Kohlendioxid-Flasche mit Tauchrohr ist bekannt.

Technischer Hintergrund und Stand der Technik

Anwendungen von Trockeneis

Trockeneis kommt zum Einsatz, wo temperaturempfindliche Substanzen wie z.B. Gewebe und Blut gelagert oder transportiert werden müssen. Trockeneis in Getränken kühlt diese und erzeugt gleichzeitig einen Nebeleffekt.

Eigenschaften von Trockeneis

Die Kühlleistung von Trockeneis beträgt bei Erwärmung von -79 ⁰ C auf O ⁰ C circa 640 kJ/kg. Dies entspricht der 3.3 fachen Kühlleistung von herkömmlichem Eis. Beim Schmelzen resp. Verdampfen von Trockeneis entsteht keine Flüssigkeit, die dem Produkt oder dessen Verpackung schaden könnte. Trockeneis ist geruchs- und geschmacksfrei sowie Bakterien hemmend.

Gefahren von Trockeneis

Trockeneis (-79 ⁰ C) ist sehr kalt. Direkter Kontakt mit ungeschützter Haut, z.B. Mund, kann Kalterfrierungen verursachen, d.h. Trockeneis darf nicht direkt in Berührung mit solcher kommen.

Gefahren von Kohlendioxid-Gas

Kohlendioxid-Gas kann in grosseren Konzentrationen narkotisierend wirken. Konzentrationen über 7 Vol.% in der Atemluft bewirken Bewusstlosigkeit und bei Konzentrationen von über 8 Vol.% in der Atemluft besteht Erstickungsgefahr.

Verfügbarkeit und Lagerung von Trockeneis

Trockeneis kann nicht über längere Zeit gelagert werden. Je nach Wohnort bzw. Zeitpunkt ist es für den Verbraucher mehr oder weniger schwierig, Trockeneis zu erhalten. Deshalb ist es vorteilhaft, kleinere Mengen Trockeneis direkt vor Ort herzustellen.

Verfügbarkeit und Lagerung von Kohlendioxid-Flaschen

Kohlendioxid-Flaschen mit Tauchrohr können ab Lager bei jeder Gasfirma bezogen werden und für unbeschränkte Zeit aufbewahrt werden.

Prinzip der Herstellung von Trockeneis

Für die Herstellung von Trockeneis wird flüssiges Kohlendioxid, nachfolgend CO ₂ genannt, z.B. aus einer unter Druck stehenden CO ₂ -Flasche mit Tauchrohr entnommen.

Beim Einströmen des unter Druck stehenden flüssigen CO ₂ in den drucklosen Apparat zur Herstellung von Trockeneis dehnt sich das flüssige CO ₂ sehr schnell aus. Diese Ausdehnung bewirkt, dass sich die Temperatur des flüssigen CO ₂ schlagartig erniedrigt - dieser Effekt wird auch als Joule-Thomson-Effekt bezeichnet. Dabei wird das flüssige CO ₂ in den festen Aggregatzustand, sog. CO ₂ -Schnee, überführt. Dieser wird dann unter Druck verdichtet und zu Trockeneis gepresst.

Herstellung von Trockeneis mit handelsüblichen Apparaten

Den heutigen Herstellungs-Verfahren für die Anwendung von Trockeneis in Getränken und der Anwendung zur Lagerung von temperaturempfindlichen Substanzen haften mehrere, zum Teil gefährliche Nachteile (z.B. Kalterfrierung) an.

Handelsübliche Apparaturen zur Herstellung von Trockeneis mit flüssigem CO ₂ aus Gasflaschen funktionieren wie folgt:

> Zum Starten des Herstellprozesses muss das Flaschenventil von Hand geöffnet werden. Auf diese Weise strömt flüssiges CO ₂ aus der Flasche in den Apparat. Je nach Funktionsweise des Apparats muss nach Ablauf einer bestimmten Zeit, oder wenn Trockeneis-Partikel aus dem Apparat strömen, der Herstellprozess durch Schliessen des Flaschenventils von Hand beendet werden.

Beendigung des Herstellprozesses - nach Zeit

Die Herstellerangaben zur Einströmzeit des flüssigen CO ₂ sind nur bedingt richtig. Denn die Einströmzeit des CO ₂ ist abhängig vom Füllstand der CO2-Flasche und der Temperatur des flüssigen CO ₂ . Bei wärmeren Temperaturen dauert die Herstellung von Trockeneis länger als bei kühleren Temperaturen. Eine gleich bleibende Konsistenz (z.B. Dichte) des Trockeneis' ist deshalb nicht immer gewährleistet.

Beendigung des Herstellprozesses - nach Sichtbarkeit von aus dem Apparat strömenden Trockeneis-Partikeln

Bei Apparaten mit einer überdrucksicherung z.B. wenn der Anpressdruck zwischen Deckel und Apparat definiert ist, kann anhand des ausströmenden CO ₂ -GaS und den Trockeneis-Partikeln erkannt werden, wann die Produktionskammer [P] mit Trockeneis gefüllt ist. Siehe hierzu auch U. S Patent No. 4 374 658.

Beim Entweichen des CO ₂ -Gases und der Trockeneis-Partikel entsteht eine Schneewolke und ein lautes Zischen. Diese plötzlich auftretenden Geräusche bzw. Effekte können jemandem z.B. dem Anwender, einen Schrecken einjagen.

Entnahme des Trockeneises aus der Produktionskammer

Das Trockeneis wird manuell aus der Produktionskammer [P] entnommen. Damit ist der direkte Kontakt mit Trockeneis möglich. Es besteht Kaltverbrennungsgefahr.

Beschreibung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine sichere sowie einfache Anwendung von Trockeneis in Getränken und zur Lagerung von temperaturempfindlichen Substanzen zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird gemäss Anspruch 1 durch einen Apparat zur Herstellung bzw. Bereitstellung von festem Kohlendioxid gelöst, welcher aufweist: eine Produktionskammer zur Aufnahme von gasförmigem und festem Kohlendioxid, die zumindest in einem Teilbereich ihrer Wand für gasförmiges Kohlendioxid durchlässig und für festes Kohlendioxid undurchlässig ist; eine Düse, die in die Produktionskammer mündet und an einen Kohlendioxid-Druckbehälter anschliessbar ist, um mit diesem in Fluidverbindung gebracht zu werden; und eine Kammeröffnung, die durch ein Verschlussmittel geöffnet und geschlossen werden kann, wobei an die Kammeröffnung der Produktionskammer ein Behälter heranführbar ist, der mit in der Produktionskammer gebildetem festem Kohlendioxid befüllbar ist. Dadurch kann das feste Kohlendioxid bzw. Trockeneis in einer nach aussen gesicherten Kammer hergestellt und dann unmittelbar in den Behälter gefüllt werden, ohne dass man es in die Hand nehmen muss.

Vorzugsweise besitzt der Apparat ein Transportmittel, mittels dem der Behälter an die . Kammeröffnung der Produktionskammer heranführbar ist. Dies erhöht die Sicherheit beim Befüllen des Behälters mit Trockeneis.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemässen Apparats sind das Verschlussmittel und das Transportmittel in einem Verschluss/Transport-Mittel angeordnet, das sowohl eine Verschluss-Funktion als auch eine Transport-Funktion hat. Dies trägt zur Kompaktheit des Apparats bei.

Der für gasförmiges Kohlendioxid durchlässige und für festes Kohlendioxid undurchlässige Teilbereich der Kammerwand kann durch eine Membran gebildet sein. Hierfür kann z.B. eine poröse Wand oder ein feinmaschiges Textilgewebe verwendet werden. Die Durchlässigkeit für gasförmiges Kohlendioxid verhindert, dass sich in der Produktionskammer ein zu hoher Gasdruck aufbaut. Lediglich festes Kohlendioxid soll die Kammer füllen.

Die Produktionskammer kann ein Ausstossmittel besitzen, mittels dem in der Produktionskammer gebildetes festes Kohlendioxid aus der Produktionskammer ausstossbar

ist. Dadurch wird das Entfernen von kompaktiertem festem Kohlendioxid aus der Kammer zum Befüllen des Behälters erleichtert.

Vorzugsweise ist das Verschlussmittel eine Vorrichtung mit einer öffnung (11), wobei die Vorrichtung bewegbar ist zwischen einer Schliess-Stellung, in der ein für Gas undurchlässiger Bereich an der Kammeröffnung anliegt und diese verschliesst, und einer öffnungs-Stellung, in der die Verschlussmittel-öffnung mit der Kammeröffnung überlappend oder deckungsgleich angeordnet ist und diese freigibt.

Vorzugsweise ist das Transportmittel eine in einer Vorrichtung angeordnete öffnung zur Aufnahme des Behälters, wobei die Vorrichtung bewegbar ist zwischen einer Aufnahme-Stellung, in welcher der Behälter in die öffnung gesetzt werden kann, und einer Be- füll-Stellung, in welcher der Behälter mit festem Kohlendioxid aus der Produktionskammer befüllt werden kann.

Der unter Verwendung des erfindungsgemässen Apparats mit Trockeneis zu befüllende Behälter kann ein durch einen Verschluss verschliessbarer Behälter sein. Vorzugsweise ist ein solcher Behälter durch die Bewegung der Vorrichtung verschliessbar ist. In diesem Fall besitzt der Apparat vorzugsweise einen Eingriffsbereich, gegenüber dem die Vorrichtung relativ bewegbar ist und der mit dem Verschluss des Behälters in Eingriff bringbar ist, um den Behälter-Verschluss gegen den Behälter zu drücken und diesen zu verschliessen. Dies ermöglicht eine besonders einfache und sichere Handhabung des erfindungsgemässen Apparats. Zweckmässigerweise ist das Verschlussmittel oder das Verschluss/Transportmittel durch einen Schieber oder eine Drehscheibe gebildet.

Das Ausstossmittel ist vorzugsweise ein Stössel, der auf den Innenraum der Produktionskammer einen Druck ausüben kann. Ein solcher Stössel kann daher einerseits durch direkten Kontakt mit dem in der Produktionskammer gebildeten Trockeneis dieses aus der Kammer ausstossen und kann andererseits mit dem Gasraum (vorwiegend gasförmiges Kohlendioxid) in der Produktionskammer wechselwirken.

Durch den Gasdruck im Innern der Kammer wirkt aber auch eine nach aussen gerichtete Kraft auf den Stössel. Dieser kann daher als (einfacher) Sensor oder als Aktor ver-

wendet werden. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn der Apparat ein Schaltmittel aufweist, mittels dem die Fluidverbindung zwischen der Düse und dem Kohlendioxid- Druckbehälter freigegeben oder blockiert werden kann.

Vorzugsweise wird das Schaltmittel durch den Druck in der Produktionskammer angesteuert, wobei die Ansteuerung insbesondere durch den Stössel erfolgt, auf den der Druck des Innenraums der Produktionskammer einwirkt.

Die eingangs genannte Aufgabe wird gemäss Anspruch 15 durch ein Verfahren zur Bereitstellung von festem Kohlendioxid unter Verwendung des erfindungsgemässen Apparats gelöst; wobei die folgenden Schritte erfolgen:

a) Schliessen einer Kammeröffnung in einer Produktionskammer, die über eine in die Produktionskammer mündende Düse mit einem Kohlendioxid-Druckbehälter in Fluidverbindung steht; b) Befüllen der Produktionskammer über die Düse mit expandierendem gasförmigen Kohlendioxid und sich niederschlagendem festem Kohlendioxid aus dem Kohlendioxid-Druckbehälter, wobei ein Teil des gasförmigen Kohlendioxids über einen für gasförmiges Kohlendioxid durchlässigen und für festes Kohlendioxid undurchlässigen Teilbereich der Kammerwand aus der Produktionskammer entweicht, während zumindest ein Grossteil des gebildeten festen Kohlendioxids in der Produktionskammer zurückgehalten wird; c) Heranführen eines Behälters an die verschlossene Kammeröffnung der Produktionskammer; d) öffnen der Kammeröffnung der Produktionskammer; und e) Befüllen des Behälters mit in der Produktionskammer gebildetem festen Kohlendioxid.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung, wobei:

Fig. A eine Schnittansicht des erfindungsgemässen Apparats zur Herstellung von Trockeneis und zur Befüllung des Trockeneis-Behälters zeigt;

Fig. B eine Seitenansicht des erfindungsgemässen Apparats von Fig. A zeigt;

Fig. C-I, C-Il und C-III verschiedene Phasen während des Verschliessens des Trockeneis-Behälters mittels des erfindungsgemässen Apparats von Fig. A und Fig. B zeigen;

Fig. D-I, D-Il, D-III und D-IV verschiedene Phasen während des Befüllens und Verschliessens des Trockeneis-Behälters mittels des erfindungsgemässen Apparats von Fig. A und Fig. B zeigen; und

Fig. E-I, E-Il und E-III verschiedene Phasen während des Ausstossens von Trockeneis aus dem erfindungsgemässen Apparat von Fig. A und Fig. B zeigen.

Wesentliche Eigenschaften des Apparats zur Herstellung, Bereitstellung und Abfüllung von Trockeneis in einen Behälter

Der Apparat enthält einen Schalter [1], einen Stössel [2], eine Düsen-Halterung [3], eine Düse [4], eine Membran [5], eine Membran-Halterung [6], eine Drehscheibe [9] und ein Abdeckblech [10].

Der bewegliche Stössel [2] ist auf der feststehenden Düsen-Halterung [3] geführt.

Der Stössel [2] drückt auf den Schalter [1], wenn der Druck in der Produktionskammer [P] über einen bestimmten Wert ansteigt.

Der Stössel [2] kann das Trockeneis aus der Produktionskammer [P] schieben.

Die Membran [5] wird in der Membran-Halterung [6] durch den Ring [8] gehalten.

Der an der Membran-Halterung [6] angebrachte Ring [8] wird mit einer Kraft [F] gegen die Drehscheibe [9] gedrückt.

Mit der Drehscheibe [9] kann die Produktionskammer [P] geöffnet und geschlossen werden.

Die Drehscheibe [9] hat öffnungen [11], z.B. Löcher.

Das Abdeckblech [10] hält den Behälter [14] immer in der richtigen, vordefinierten Position.

Das Einführen sowie die Entnahme des Behälters [14] ist ausschliesslich an den dafür vordefinierten Positionen möglich.

Die Form des Abdeckblechs [10] gewährleistet ein ausschliesslich korrektes Einführen des Behälters [14] in die dafür vordefinierte Position in der Drehscheibe [9].

Die Kante [13] der öffnung [12] kann den Deckel des Behälters [14] umbiegen, an den Behälter [14] drücken und diesen verschliessen.

Apparat zur Herstellung von Trockeneis

Bei den vorgesehenen Anwendungen wird das Trockeneis mit flüssigem CO ₂ aus einer unter Druck stehenden CO ₂ -Flasche mit Tauchrohr hergestellt. Der Apparat bereitet das Trockeneis je nach Anwendung zur Verwendung verschieden auf.

[FIG. D] Zum Schutz der Anwender wird bei der Anwendung von Trockeneis in Getränken das Trockeneis am Ende des Herstellprozesses von der Produktionskammer [P] in einen Behälter [14] mit öffnungen geschoben. Anschliessend wird der Behälter [14] verschlossen. Der Behälter [14] ist an einem Stab angebracht.

[FIG. E] Bei der Anwendung zur Lagerung von temperaturempfindlichen Substanzen wird das Trockeneis am Ende des Herstellprozesses direkt aus der Produktionskammer [P] geschoben.

Der Apparat funktioniert vollautomatisch per Tastendruck und zeichnet sich durch eine einfache und sichere Handhabung aus.

Stössel

[FIG. A] Der bewegliche Stössel [2] ist auf der feststehenden Düsen-Halterung [3] geführt.

[FIG. A] Wenn beim Einströmen des flüssigen CO ₂ [LIC] in die geschlossene Produktionskammer [P] der Druck in der Produktionskammer [P] über einen bestimmten Wert ansteigt, drückt der Stössel [2] auf den Schalter [1]. Die Cü ₂ -Zufuhr wird unterbrochen.

[FIG. D] und [FIG. E] Wenn das Trockeneis fertig gestellt und die Produktionskammer [P] offen ist, schiebt der Stössel [2] das Trockeneis aus der Produktionskammer [P]. Bei diesem Vorgang wird das Trockeneis zusätzlich verdichtet.

Membran-Halterung und Membran

[FIG. A] Der an der Membran-Halterung [6] angebrachte Ring [8] wird mit einer Kraft [F] gegen die Drehscheibe [9] gedrückt und dichtet somit die Produktionskammer [P] gegen ausströmende Trockeneis-Partikel ab. Nach der Entfernung des Abdeckblechs [10], der Drehscheibe [9] und des Rings [8] kann die Membran [5] ausgewechselt werden.

[FIG. A] Die Membran-Halterung [6] hält die Membran [5] und verstärkt die Membran [5] zudem gegen überdruck im Innern der Produktionskammer [P]. Im Bereich der Membran [5] hat die Membran-Halterung [6] öffnungen, z.B. Schlitze. Diese öffnungen gewährleisten, dass das CO ₂ -Gas ausströmen kann.

[FIG. A] Die Membran [5] ist ein gaspermeables, kurzes Rohr. Sie hat den Zweck, die Trockeneis- Partikel in der Produktionskammer [P] zurückzuhalten und das CO ₂ - Gas entweichen zu lassen.

Düsen-Halterunq und Düse

[FIG. A] Die Einspritzung des flüssigen CO ₂ [LIC] in die Produktionskammer [P] erfolgt über die feststehende Düsen-Halterung [3] durch die Düse [4]. Es ist dafür gesorgt, dass das flüssige CO ₂ nicht in den Bohrungen zu Trockeneis wird.

Drehscheibe und Abdeckblech

[FIG. A, B] Mit der Drehscheibe [9] wird die Produktionskammer [P] geöffnet und geschlossen. Die Drehscheibe [9] und das Abdeckblech [10] können vom Apparat genommen werden, z.B. zur Reinigung.

[FIG. B] Die Drehscheibe [9] hat öffnungen [11] z.B. Löcher zur Aufnahme von Behältern [14].

[FIG. B] Das Einlegen sowie die Entnahme eines Behälters [14] sind ausschUesslich an den dafür vordefinierten Positionen möglich.

[FIG. B] Der Behälter [14] kann aufgrund der Form des Abdeckblechs [10] ausschliess- lich in die richtige, dafür vordefinierte Position in der Drehscheibe [9] platziert werden. Ein unsachgemässes, d.h. verdrehtes bzw. falsches Einführen des Behälters [14] ist somit ausgeschlossen.

[FIG. D-Il bis D-IV] Beim Verschlussvorgang stellt das Abdeckblech [10] sicher, dass der Behälter [14] in der vordefinierten Position fixiert bleibt und der Deckel ordnungs- gemäss verschlossen wird.

[FIG. B] Die öffnung der Produktionskammer [P] liegt zum Zeitpunkt der Trockeneis- Herstellung zwischen zwei öffnungen [11], d.h. die Produktionskammer [P] ist ge-- schlossen.

Einlegen und Entnahme des Behälters aus der öffnung

[FIG. C-I] Wenn kein Trockeneis produziert wird, steht die Drehscheibe [9] still. Jetzt kann der z.B an einem Stab angebrachte, offene Behälter [14] in die öffnungen [11] der Drehscheibe [9] eingeführt werden.

[FIG. B] Dabei ist durch die Form des Abdeckblechs [10] sicher gestellt, dass der offene Behälter [14] ausschliesslich in die richtige, dafür vordefinierte Position platziert wird.

[FIG. C-Il] Der offene Behälter [14] rastet in der vordefinierten Position in der öffnung [11] der Drehscheibe [9] ein.

[FIG. C-III] Die Drehscheibe [9] steht still. Der verschlossene Behälter [14] kann aus der öffnung [11] entnommen werden.

Befüllen und Verschliessen des Behälters

[FIG. D-I] Nach der Herstellung des Trockeneises [Dl] dreht die Drehscheibe [9] so, dass die öffnungen [11] der Drehscheibe [9] bei der Produktionskammer [P] anhalten.

Die Produktionskammer [P] ist jetzt offen. Das Trockeneis [Dl] wird mit dem Stössel [2] von der Produktionskammer [P] in den Behälter [14] geschoben.

[FIG. D-Il] Die Drehscheibe [9] dreht sich. Der Deckel des Behälters [14] fällt in die öffnung [12] der Platte [7].

[FlG. D-III] Die Drehscheibe [9] dreht sich. Der Deckel des Behälters [14] wird durch die Kante [13] der öffnung [12] in der Platte [7] umgebogen. Hierbei stellt das Abdeckblech [10] sicher, dass der noch nicht gänzlich verschlossene Behälter [14] in der vordefinierten Position fixiert bleibt und der Deckel ordnungsgemäss verschlossen werden kann.

[FIG. D-IV] Die Drehscheibe [9] dreht sich. Der Deckel des Behälters [14] wird durch die Kante [13] der öffnung [12] an den Behälter [14] gedrückt. Der Behälter [14] ist jetzt verschlossen.

Entnahme des Trockeneises aus der Produktionskammer

[FIG. E-I] Nach der Herstellung des Trockeneises [Dl] dreht die Drehscheibe [9] so, dass die öffnung [11] der Drehscheibe [9] bei der Produktionskammer [P] anhält. Die Produktionskammer [P] ist jetzt offen. Das Trockeneis [Dl] wird mit dem Stössel [2] von der Produktionskammer [P] in die öffnung [11] geschoben.

[FIG. E-Il] Das Trockeneis [Dl] fällt aus der öffnung [11].

[FIG. E-III] Die Drehscheibe [9] dreht sich. Die Produktionskammer [P] wird geschlossen. Der Produktionsvorgang ist hiermit abgeschlossen und kann von Neuem beginnen.

Messung des Füllgrads der Produktionskammer

[FIG. A] Je mehr Trockeneis sich bei der Herstellung in der Produktionskammer [P] ansammelt, umso weniger kann der Druck des einströmenden Cθ ₂ -Gases über die Membran [5] abgebaut werden. Der Druck in der Produktionskammer [P] steigt. Der bewegliche Stössel [2] wird nach hinten gedrückt und betätigt dabei den Schalter [1]. Die CO ₂ -Zufuhr wird unterbrochen.

[FIG. A] Wenn der Stössel [2] nach einer bestimmten Zeit den Schalter [1] nicht betätigt, strömt kein oder zu wenig flüssiges CO ₂ in die Produktionskammer [P]. Die CO ₂ -Zufuhr wird unterbrochen.