CN104995466A - 用于感测制冰装置中的冰厚度的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种控制制冰装置的方法，具有以下步骤：用水充填制冰装置的集槽；将水倾泻到冷冻板上以制成冰块；在水的推定的可感测冷却时间段期间，感测集槽中的水位是否已下降；以及如果在可感测冷却时间段期间感测到集槽内的水位已改变预定量以上，则指示制冰装置中存在故障。

Description

用于感测制冰装置中的冰厚度的装置和方法

1.本申请要求美国临时专利申请No.61/758,080的优先权，该申请的内容通过引用清楚地并入本文。

技术领域

2.本发明总的涉及制冰装置，具体涉及一种包括用于更精确和可控地确定何时启动收获循环的系统和方法的制冰装置。

背景技术

3.商用制冰机产生透明的冰块而不是白浊的冰块。家用、冰箱内置型制冰装置通常产生白浊的冰块。这是因为家用制冰装置通过将水沉积在附着于蒸发器的模或冰盘中并允许水在静止状态冻结来形成冰块。以此方式形成的冰块是白浊的，因为空气和杂质在水冻结时被截留在水中。商用制冰机通过使水流过称为冷冻板的冷冻表面来形成冰。随着水流过冷冻表面，形成了冰层，这些冰层内不会截留空气或许多矿物。

4.在典型的商用制冰机中，水倾泻在竖直地布置的冷冻板的表面上。冷冻板包括多个凹窝或孔格，冰块在这些凹窝或孔格中形成。倾泻在冷冻板上但不冻结的水被捕集在位于冷冻板下方的集槽中且最终从集槽被泵送回到冷冻板的顶部并被允许一次又一次倾泻在冷冻板上，直至水冷却至其冰点并然后逐渐冻结成冰块。在适当的时候，冷冻板被加热并且所形成的冰从冷冻板释放并掉落到储冰盒内。

5.在冷冻板的每个孔格都充满冻结的水时，各孔格开始变成互相连接而形成一大块冻结冰。当收获循环启动以从冷冻板释放该大块时，搭接各个孔格的冰趋于断裂而形成较小块的冰和单独的冰块。

6.重要的是确定冰何时已形成为具有充分的厚度以使得可以收获它。过早收获产生小的冰块，或在一些情况下根本不产生冰，因为小块在它们可以被收获之前已熔化。过迟收获产生大而厚的冰块，其不容易分离成较小的片或单独的块。冰厚度传感器检测在冷冻板上形成的冰的厚度。当达到期望厚度时，传感器用信号告知制冰装置结束冷冻循环并开始收获循环。在收获循环中，致冷循环被颠倒且冷冻板被加热以使所形成的冰块熔化离开冷冻板。

7.多年来已使用不同装置来确定冰厚度，进而确定合适的收获时点。美国在售的大部分商用制冰机利用位于冷冻板和蒸发器前方的铰接传感器来确定冰的厚度何时已达到期望点以便启动冰块的收获。铰接传感器方案的优点是直接测量冰厚度，而不是由其它测量结果来推断厚度。该类型的系统非常普遍，因为它相对容易机械地调节并提供相对准确的冰厚度测量结果。

8.但是，该方案具有许多缺点。由于传感器处于食品区中，所以它必须符合国家卫生基金会(NSF)针对饮用水的规定。因此，传感器必须由合适的材料制成且具有如NSF规定的适合在制冰机的食品区中使用的几何形状。此外，传感器暴露于流动的水，因为必须谨慎确保它不会被水或水可能留在传感器上的水垢不利地影响。

9.由于传感器被安置在蒸发器和冷冻板的前方，所以在收获冰时必须将传感器移开以使得传感器不会受到掉落的冰的撞击。因此，传感器是可能由于未正确地移动而失效的运动部件。所感测到的冰的厚度取决于传感器离冰有多远。因此，该传感器必须刚好处于正确位置，或者它不会按需工作。该距离必须由手动进行调节且因此可能被不正确地调节或久而久之改变的定位螺钉控制，并且由于冰厚度受定位螺钉或其它机械装置的位置控制，所以冰厚度仅可机械地调节，而不能电子地调节。

10.另一方案是使用导电性，其中电探针紧邻蒸发器和冷冻板的表面定位。当冰积累到期望厚度时，板与水流相接触，从而闭合电路，这会触发收获循环。该方法容易发生传感器由于将粘附于传感器并妨碍用信号通知冰厚度所需的导电性的矿物或其它污染物而积垢。此外，传感器必须与会提供替代的导电路径的污染物隔离。该传感器还必须设计成使得传感器将检测到水，即使水具有极低的导电性，比如去离子或“DI”水。

11.Rosenlund等人的美国专利申请公报No.2012/0198864A1公开了一种用于感测所形成的冰的厚度的声传感器。该申请提出了一种以特定频率发射声波的声发射器和感测发射的声波的反射的声传感器。当感测到的反射波达到一定预期振幅时，该系统判定为冰已达到期望厚度。该传感器仍满足NSF食品区要求，仍必须在收获循环期间被移开，仍通过机械装置安置在制冰装置中，且因此只能手动而不能电子地调节冰厚度。类似于声传感器，也可使用电容传感器，但存在同样的缺点。

12.授予Billman等人的美国专利号6,405,546和6,705,090中记载了又一种用于测量冰厚度的系统。这些专利的内容通过引用并入本文。Billman公开的方法利用压力传感器来确定制冰装置的集槽中的水的高度且因此可确定何时集槽中不再有期望的水量而是已在冷冻板上冻结成冰块以使得可以开始冰收获。不过，Billman的一个问题在于，由于Billman不直接测量冰厚度，所以Billman会将系统的水泄漏误认为在冷冻板上形成或未形成冰。例如，如果水从制冰装置的水回路泄漏到环境，则Billman将推测这种泄漏起因于冷冻板上形成了冰。结果将是冰块的尺寸过小。

13.如果水从水供给源泄漏到制冰机的水回路中，则会导致尺寸过大的大冰块(其可能难以分离成小的冰片或单独的块)，因为Billman的控制器会不正确地检测出已作为冰形成在冷冻板上的水不足。在水从水供给源严重泄漏到制冰装置水回路的情况下，Billman的传感器将在已达到期望的冰厚度很久以后还继续制冰并且将导致制冰机的严重故障，该故障可包括水不受控地向制冰机的环境中泄漏。

14.Rosenlund鉴别了Billman公开的系统的三个缺点：1)冰厚度会由于诸如环境条件(温度，湿度)的因素而变化，2)冰厚度会由于水中的总溶解固体的水平而变化(仅水冻结，矿物不冻结)，3)以及集槽中的水损失会导致不正确的读数。对Billman的前两个评价不正确。关于第一评价，从集槽损失的水的重量刚好等于冷冻板上的冰的重量。温度或湿度对此不会有任何影响。关于第二评价，尽管真实的是仅水在带有竖直冷冻板的制冰装置中冻结且矿物几乎完全返回集槽，但同样真实的是从集槽损失的水的重量恰好等于冷冻板和蒸发器上的冰的重量(认为体积可能稍微不同)。这与水完全不存在矿物并无不同。因此，评价2也不正确。如上所述，最后一个评价仍为Billman的系统的一个严重问题。

15.因此，本领域需要这样一种制冰装置，其包括并加入了用于精确地检测制冰机中的冰厚度的装置和方法，其中：冰厚度传感器未位于食品区中，冰厚度传感器不会遭受水供给源的杂质，冰厚度传感器在冰收获循环期间不必移动以避开掉落的冰，冰厚度传感器无需精确地进行机械定位和调节，冰厚度传感器可电子地调节，并且冰厚度传感器包括用于防止水泄漏到制冰机水回路内外的防护装置，以防止畸形的冰而且还防止会导致损坏制冰机和制冰机的环境的重大制冰机故障。

发明内容

16.一种控制制冰装置的方法，具有以下步骤：用水充填制冰装置的集槽；将水倾泻到冷冻板上以制成冰块；在水的推定的可感测冷却时间段期间，感测集槽中的水位是否已下降；以及如果在可感测冷却时间段期间感测到集槽内的水位已改变预定量以上，则指示制冰装置中存在故障。

附图说明

17.图1是根据本发明的一个实施例的制冰装置的正面透视图；

18.图2是根据本发明的一个实施例的制冰装置的控制图；

19.图3是根据本发明的一个实施例的结合了压力传感器的电路板的图；

20.图4是根据本发明的一个实施例的集槽的截面图；以及

21.图5A-C是描述了根据本发明的一个实施例的用于制冰机的控制器的操作的流程图。

具体实施方式

22.尽管本发明容易以许多不同形式来实施，但在附图中示出了并且文中将在理解本公开内容应被视为本发明的原理的范例且并非旨在将本发明的宽泛范围限制于所说明的实施例的前提下详细描述本发明的一个优选实施例。

23.本发明的优选实施例包括用于检测在制冰机中的冷冻板上形成的冰的厚度的独特系统。优选实施例包括由单片硅压力传感器形成的压阻式传感器。最优选地，该传感器向具有A/D输入的微控制器或微处理器提供模拟信号。在该优选实施例中，传感器使用应变仪来提供与制冰装置集槽内的水的作用压力成正比的模拟输出信号。这样一来，微控制器或微处理器可以确定已变换成冰的水量并确定启动冰收获循环的合适时间。

24.有利地，该传感器未位于食品区内。该传感器不受给水会留下来的矿物或水垢影响，因为传感器未遭遇流动的水。该传感器不受水的电气性能影响。亦即，针对去离子的给水，它同样可以感测冰厚度，因为它可以用于电离矿物含量高的水。此外，该传感器不具有运动部件，因此它不会随着制冰装置老化而发生在制冰装置内的安置的不一致或随时间推移的变化。传感器的位置是固定的，不可调节，并且可以电子地控制和调节冰厚度。

25.该类型的水位测量系统具有另外的优点。首先，该系统可以使用低成本、高可靠性的压力传感器，例如来自德克萨斯州Austin的FreescaleSemiconductor的零件号MPXV5004。该构件还在家电行业中用于感测洗衣机中的冲洗水位并且能以低成本大量购得。由于传感器检测制冰机的集槽中的水位，所以它既可用来启动收获循环，又可用来控制充填和清洗功能。亦即，当制冰机正在充填时，传感器可以控制水供给阀在集槽达到期望水位时的关闭时点。当收获循环开始时清洗残留在集槽中的残留矿物浓缩水时，传感器可以提供所有残留的水何时已从集槽被清洗到排水管的指示。因此，该系统可以取代制冰装置中通常设置的冰厚度传感器以及集槽水位传感器两者。

26.为了检测并防范水泄漏到制冰装置水回路内外，本发明的优选实施例在集槽的水位未被预期上升或下降的时间段监控集槽的液位。具体地，每个冷冻循环都包括第一时间段，在该第一时间段水刚好被冷却到水的冰点(可感测冷却时间段)。换句话说，在可感测冷却时间段，从水除去的能量促进水的温度变化且不使水的状态从液体变成固体。

27.在第一时间段之后(当水开始达到冰点时)的第二时间段，从水除去的能量开始促进从液体到固体的状态变化而不是温度降低(潜冷时间段)。

28.在第一可感测冷却时间段集槽的水位应当不变，除非水泄漏到水回路内外。在典型的制冰装置中，该第一时间段在集槽被充填且致冷过程开始之后持续最少3分钟。第一时间段的时长在很大程度上取决于供给到制冰装置的水的温度。显然，在更暖的气候下供给的更温热的水冷却至其冰点所用的时间更长。

29.因此，每个冷冻循环的大致可感测冷却时间段发生的水位的任何上升或下降(超出由于水紊流而引起的可接受的水位变化)起因于泄漏。根据本发明的优选实施例，水位测量系统的无法接受的变化将引起微控制器或微处理器切断制冰机。替代地或附加地，控制器可向指示已检测到泄漏的指示器提供信号。在又一替换实施例中，微控制器或微处理器(在检测到泄漏时)可判断泄漏是否处于可接受的极限内，向指示器提供存在泄漏的信号，但继续工作以制冰。

30.在优选实施例中，该系统在制冰机已由于检测到的泄漏而停止之后在预定时间段继续监视水位。如果在此时间段水位保持不变，则系统将重新开始制冰机的冷冻循环。这样，机器在感测到的导致关机的水位变化归因于瞬时事件(例如，人或其它外部因素导致的集槽中的溅泼)的情况下将重新起动。

31.更具体地且参照附图的图1，根据本发明的一个优选实施例的制冰机10容纳在位于冰柜15的顶部上的箱柜12中，该冰柜具有壳体14和上部区段20，壳体14形成可经门16到达的冰接纳和储存隔室的，上部区段20包括容纳闭合的致冷回路的压缩机和冷凝器单元的致冷隔室。制冰机10的上部区段20还包括附接在位于水泵19和集槽24上方的制冰格栅21上的蒸发器管子(未示出)。如本领域技术人员将理解的，制冰装置箱柜12的各种隔室由合适的固定和可移除面板封闭以提供温度完整性和隔室通路。

32.容纳在隔室20中的封闭致冷系统包括致冷压缩机和空气冷却式冷凝器。压缩机的高压排出侧通过排出管路与冷凝器连接。饱和的液体致冷剂从冷凝器流经其中具有过滤/干燥单元的液体管路并与典型恒温膨胀阀连接，典型恒温膨胀阀向冷冻隔室中的蒸发器单元21的入口中计量供给致冷剂。蒸发器的出口通过抽吸管路与压缩机的抽吸侧连接。致冷循环是典型的——压缩机向冷凝器供给高压热致冷剂气体，在此它被冷却到其饱和温度，且液化的致冷剂经膨胀阀流到蒸发器21。液态致冷剂在蒸发器中的膨胀气化从蒸发器和冷冻板21上的水吸热，由此在其上的格状模中形成冰块，并且气态致冷剂返回压缩机抽吸侧以完成致冷和冷冻循环。

33.该系统还包括连接在排出管路与膨胀阀下游的蒸发器入口侧之间且由电子阀控制以启动冰收获循环的热气体旁通管路。当该电磁阀通电时，热气体旁通管路将冷冻板21加温以解冻已形成在其上的冰块。结果是冰块熔化离开冷冻板21并经冰孔22落入冰柜15中，可以从此处取出和使用冰块。

34.参照图2，在该优选实施例中，制冰装置10包括控制系统30。在控制系统30中，制冰装置控制器32与提供输入信号和/或响应于来自控制器32的输出信号的多个元件电连接。水供给阀34与控制器32连接，使得控制器32可以启动和结束供给水向集槽24的流动。致冷压缩机36和水循环泵38与控制器32电连接，使得控制器32可以通过起动或停止致冷压缩机36和将水从集槽24泵送到冷冻板的水循环泵38来启动和结束冷冻循环。控制器32还与用于启动收获循环的收获电磁阀42和用于在冷冻循环结束时排空集槽24的清洗电磁阀43电连接。

35.如图3所示，电子控板44包括用于控制制冰装置10的工作的控制器32。板44包括压力传感器40(还参见图2)，例如上述MPXV5004G。如通过还观察图4可以理解的，气压管48与压力传感器40连接并且其相对端淹没在集槽24中的水下。

36.在用水充填集槽24期间，捕集在管48中的空气的压力随着管48淹没在其中的水所形成的压力而上升。.

37.本发明的优选实施例根据图5A-5C的图表操作。具体地，当控制器32通知水供给阀34打开并充填集槽24时，操作在步骤62开始。在步骤64中，控制器32判断来自压力传感器40的信号是否指示集槽24足够满。如果集槽24不够满，则水供给阀34保持打开，直至压力传感器40提供集槽24足够满的指示。当压力传感器40确定集槽24足够满时，控制器32转至步骤66，在此向水供给阀34提供关闭信号。

38.接下来，在步骤70中，控制器32判断压力传感器40是否指示集槽24中的水位已上升或下降超出可接受的限度。如果尚未超出，则控制器32转至步骤72，在此控制器32判断水冷却时间段极限是否已期满。如果水冷却时间段极限尚未期满，则控制器返回步骤70。

39.如果在步骤70中控制器32判断为水位已上升或下降无法接受的量，则控制器32转至步骤74，在此它停止致冷压缩机36和泵48并提供指示泄漏至水回路内外的错误指示。

40.参照图5C，在步骤76中，控制器判断预定的等待时间——例如1分钟——是否已期满。如果已期满，则控制器32在步骤78中进行复核以判断稳定在集槽24内的水是否仍指示水位处于限度以外，指示水位上升或下降。如果水位处于限度以内，则控制器32返回步骤63并且重新启动冷冻循环。在此情况下，以前对超出限度的水位的感测是异常的结果，而不是泄漏。

41.如果水位变化保持高于或低于可接受的集槽24水位的限度，则控制器32转至步骤80，在此控制器继续提供错误指示并停止冷冻循环。

42.返回参照图5A中的步骤72，如果冷却时间已期满，则控制器32转至步骤84，在此控制器32接着监控集槽24中的水位，直至控制器32确定水位已下降至预定收获水位。当集槽24中的水位已下降至预定收获水位时，控制器转至步骤86，在此收获螺线管42和清洗螺线管43启动。在步骤88中，控制器判断收获是否已发生，然后转至步骤90，在此收获电磁阀42停闭并且清洗电磁阀43停闭。此时，控制器继续到步骤63(图5A)并且重新开始新的冷冻循环。

43.以上示例表明，如将通过权利要求定义的，本发明具有很宽的应用范围并且不应当仅仅局限于所示和详细描述的实施例。相反，本发明应当仅通过权利要求的用词来限制。未主张权利要求的优选实施例的方面并非旨在成为主张权利的发明的一部分。申请人旨在仅通过专利权利要求的范围来限制保护范围。

Claims (8)

1.一种控制制冰装置的方法，包括以下步骤：

用水填充制冰装置的集槽；

将水倾泻在冷冻板上以制成冰块；

在水的预计的可感测冷却时间段期间，感测所述集槽中的水位是否已下降；

如果在所述可感测冷却时间段期间感测到所述集槽内的水位已改变预定量以上，则指示所述制冰装置中存在故障。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，充填所述集槽的步骤包括以下步骤：

打开进水阀；

感测所述集槽内的水的水位；

当所述集槽内的水位达到期望水位时关闭所述进水阀。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，指示故障存在包括以下步骤：

如果在所述可感测冷却时间段期间感测到所述集槽内的水位已下降预定量以上，则指示所述制冰装置中存在泄漏。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，指示故障存在包括以下步骤：

如果在所述可感测冷却时间段期间感测到所述集槽内的水位已上升预定量以上，则指示所述制冰装置中存在故障。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

如果指示故障，则等待预定时间段并且重新判断所述集槽内的水位是否仍被感测到已改变预定量以上。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括以下步骤：

如果在等待预定时间段并且重新判断所述集槽内的水位是否仍被感测到已改变预定量以上之后、现在感测到的水位小于预定量，则执行从包括以下步骤的群组中选择的步骤：

a.不执行指示故障存在的步骤；和

b.消除之前提供的故障指示。

7.根据权利要求5所述的方法，还包括以下步骤：

如果在等待预定时间段并且重新判断所述集槽内的水位是否仍被感测到已改变预定量以上之后、仍感测到水位小于预定量，则执行从包括以下步骤的群组中选择的步骤：

a.继续提供故障指示；

b.开始指示存在故障。

8.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

如果可感测冷却时间已期满，则监控所述集槽中的水位以判断所述水位是否已下降至预定的收获水位；和

当所述水位已下降至预定的收获水位时，启动收获循环。