JP2010281488A

JP2010281488A - 定量給水装置および自動製氷装置

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Publication number: JP2010281488A
Application number: JP2009134224A
Authority: JP
Inventors: Takuto Osawa; 拓人大澤
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2009-06-03
Filing date: 2009-06-03
Publication date: 2010-12-16

Abstract

【課題】装置を大型化することなく、かつ、簡単な弁の制御で定量の給水が可能な定量給水装置および自動製氷装置を提供すること。
【解決手段】製氷皿１４に定量の水を供給するための定量給水装置１０は、製氷皿よりも高い位置に配置された給水タンク１１と、給水タンク１１の水位を測定するための水位センサ４１と、給水タンク１１内の水を製氷皿１４に供給するための給水管１２と、給水管１２に設けられ、開閉が可能な（電磁）弁１３とを備える。制御ユニット５０（内のＣＰＵ）は、水位センサ４１により測定された給水タンク１１の水位に基づいて、製氷皿１４に定量の水を供給するのに必要な、弁１３の開時間を算出する。そして、算出された開時間だけ弁１３を開状態とする制御を行なう。
【選択図】図１

Description

本発明は、定量給水装置および自動製氷装置に関し、特に、製氷皿に定量の水を供給するための定量給水装置、および、このような定量給水装置を備えた自動製氷装置に関する。

自動製氷装置は、冷凍室を備えた冷蔵庫に設置される。自動製氷装置は、冷蔵室内に設置された給水タンクに貯めた水を、冷凍室内に設けられた製氷皿に一定量供給することで、製氷を行なう。

このような自動製氷装置の分野において、ポンプを用い、ポンプの駆動時間を制御して一定量の給水を行なう給水装置が提案されている（特許文献１）。

また、給水ポンプを用いない定量給水装置も幾つか提案されている。特許文献２では、給水タンクとは別に、給水タンク下部に定量計量を目的としたタンクを別途備える構成が提案されている。特許文献３では、給水タンクから製氷皿への水の供給経路中に、水圧に応じて弁の開度が調節可能な弁を設けることで、流路を一定流量で流過する構成が提案されている。

特開平２−１９５１６７号公報特開平６−２７３０１９号公報特開２００６−２３０２０号公報

特許文献１のような給水装置では、製氷皿の位置と給水装置の位置との上下関係がどうであろうと給水可能である。しかし、給水ポンプのコスト面、あるいは、ポンプ内に残った水の腐敗といった衛生面で問題がある。

特許文献２の構成では、ポンプを用いずに弁の開閉で定量給水が可能となる。しかし、別途定量タンクを備えることにより給水装置が冷蔵庫内で占める体積が大きくなってしまう問題がある。

特許文献３の構成では、設置スペースを小さくすることが可能となる。しかし、弁の制御が複雑であり、かつ、複雑な機構の弁が必要になる。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであって、その目的は、装置を大型化することなく、かつ、簡単な弁の制御で定量の給水が可能な定量給水装置および自動製氷装置を提供することである。

この発明のある局面に従う定量給水装置は、製氷皿に定量の水を供給するための定量給水装置であって、製氷皿よりも高い位置に配置され、製氷皿へ供給する水を貯留するためのタンクと、タンクの水位を測定するための測定手段と、タンク内の水を製氷皿に供給するための給水管と、給水管に設けられ、開閉が可能な弁と、制御手段とを備える。制御手段は、測定手段により測定されたタンクの水位に基づいて、製氷皿に定量の水を供給するのに必要な、弁の開時間を算出するための算出手段と、算出された開時間だけ弁を開状態とする制御を行なう開閉制御手段とを含む。

好ましくは、算出手段は、製氷皿への給水開始時に測定された初期水位と、タンクの断面積と、給水管の断面積と、定量を表わす所定の水量とに基づいて、弁の開時間を算出する。

好ましくは、記憶手段をさらに備え、記憶手段は、タンクの断面積のデータと、給水管の断面積のデータと、所定の水量のデータとを予め記憶する。

好ましくは、給水管の一端は、タンクの底部と接続される。
好ましくは、弁は、電磁弁である。

好ましくは、算出手段は、所定の計算式を用いて、弁の開時間を算出する。
好ましくは、計算式は、弁の開時間をΔＴ、初期水位をｈ_０、所定の水量をＱ_ｆ、タンクの断面積をＳ_１、給水管の断面積をＳ_２とした場合、後述の式（１）〜（４）で表わされる。

この発明の他の局面に従う自動製氷装置は、上記記載の定量給水装置を備える。

本発明によると、タンクの水位から算出された時間だけ弁を開状態とするだけで、一定量の水を製氷皿に給水することができる。したがって、定量給水装置を大型化することなく、かつ、簡単な弁の制御で、定量の給水が可能となる。

本実施の形態において、冷蔵庫に自動製氷装置が搭載された例を示す概略の側面断面図である。本発明の実施の形態における定量給水装置の概略構成例を示す図である。本発明の実施の形態における定量給水装置の機能構成を示す機能ブロック図である。本発明の実施の形態における定量給水処理を示すフローチャートである。本発明の実施の形態の変形例における定量給水装置の概略構成例を示す図である。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

＜構成例について＞
はじめに、本実施の形態における自動製氷装置の概略構成例について説明する。

図１は、本実施の形態において、冷蔵庫１に自動製氷装置２０が搭載された例を示す概略の側面断面図である。

図１を参照して、冷蔵庫１は、冷蔵室１ａと冷凍室１ｂと野菜室１ｃとを含んでいる。
自動製氷装置２０は、定量給水装置１０と、製氷皿１４とを含む。定量給水装置１０は、製氷皿１４に定量の水を供給する。製氷皿１４に供給された水は、冷凍室１ｂ内で冷却製氷される。製氷された氷は、製氷容器１５に落下し貯蔵される。なお、自動製氷装置２０は、製氷容器１５を含んでいてもよい。

次に、図１の他、図２および図３も参照して、本実施の形態における定量給水装置１０について詳細に説明する。

図２は、本発明の実施の形態における定量給水装置１０の概略構成例を示す図である。図３は、本発明の実施の形態における定量給水装置１０の機能構成を示す機能ブロック図である。

図１および図２を参照して、定量給水装置１０は、給水タンク１１と、給水管１２と、電磁弁１３と、開閉駆動部３０と、水位センサ４１と、制御ユニット５０とを含む。なお、図１では、開閉駆動部３０、および、各信号線の図示が省略されている。また、図２では、図１に示した定量給水装置１０と左右が反転しているものとする。

給水タンク１１は、冷蔵室１ａに設置され、製氷皿１４へ供給する水を貯留する。給水タンク１１は、製氷皿１４よりも高い位置に配置されている。なお、本実施の形態では、冷蔵室１ａに給水タンク１１が設置されることとしたが、製氷皿１４が設けられる冷凍室よりも高い位置にある空間であれば、野菜室に設置されてもよい。

給水管１２は、給水タンク１１内の水を製氷皿１４に供給する経路を構成する。給水管１２は、給水タンク１１の底部（底面）にその一端が接続される。給水管１２は、水の流路が垂直方向となるよう垂直に設けられる。また、給水管１２は単純な円筒状であり、どの位置の断面積も等しいものとする。

電磁弁１３は、給水管１２に設けられる。電磁弁１３は、全開および全閉の２状態のみが可能な簡単な構成（たとえばゲートバルブ）である。電磁弁１３は、本実施の形態における電磁弁１３は、通常閉（ノーマルクローズ）のタイプである（図１参照）。電磁弁１３が開状態となれば、給水タンク１１内の水は、重力により、給水管１２を通って製氷皿１４に流出される（図２参照）。なお、電磁弁１３は、給水管１２の上端側、つまり、給水タンク１１の底面の直下に設けられることが望ましい。

開閉駆動部３０は、電磁弁１３および制御ユニット５０と接続される。開閉駆動部３０は、制御ユニット５０から与えられる開信号または閉信号に応じて、電磁弁１３の駆動を制御する。

水位センサ４１は、給水タンク１１の底部に設置され、給水タンク１１内の水の水位すなわち、給水タンク１１の底面を基準とした水面の高さを検知する。水位センサ４１は制御ユニット５０と接続される。

制御ユニット５０は、たとえば冷蔵庫１の筐体の背面側に設置され、製氷皿１４への給水量を制御する。図３を参照して、制御ユニット５０は、各種の演算処理を行なうためのＣＰＵ（Central Processing Unit）５２と、計時動作を行なうためのタイマ５６と、各種のプログラムやデータを記憶するためのメモリ５４とを含む。メモリ５４は、不揮発性のメモリである。

ここで、本実施の形態における定量給水装置１０が実行する機能について説明する。
定量給水装置１０は、水位測定部４０と、算出部６２と、開閉制御部６４と、上述の開閉駆動部３０および電磁弁１３とを含んでいる。

水位測定部４０は、給水タンク１１の水位を測定する。本実施の形態では、水位センサ４１に対応する。

算出部６２は、水位測定部４０により測定された給水タンク１１の水位に基づいて、製氷皿１４に定量の水を供給するのに必要な、電磁弁１３の開時間（電磁弁１３を開状態とする時間）を算出する。より具体的には、算出部６２は、給水タンク１１の水位に加え、給水タンク１１の断面積と、給水管１２の断面積と、製氷皿１４に給水すべき所定の水量とをさらに用いて、電磁弁１３の開時間を算出する。算出された開時間のデータは、開閉制御部６４に出力される。

なお、給水タンク１１の断面積と、給水管１２の断面積と、製氷皿１４に給水すべき所定の水量のデータは、メモリ５４に予め記憶されている。これらのデータは、定量給水装置１０の製造時または出荷時に記憶されているものとする。

開閉制御部６４は、算出部６２により算出された開時間だけ電磁弁１３を開状態にする制御を行なう。より具体的には、開時間のデータが入力されると、開閉駆動部３０に開信号を送信する。そして、算出された開時間分の時間が経過すると、開閉駆動部３０に閉信号を送信する。開閉制御部６４は、タイマ５６によって電磁弁１３を開状態にしてからの経過時間を計測する。

開閉駆動部３０は、開信号を受信してから閉信号を受信するまでの間、電磁弁１３に電気を流す。これにより、電磁弁１３は、算出部６２により算出された開時間だけ開状態とされる。その結果、当該開時間の間、給水タンク１１の水が製氷皿１４に供給される。

上記算出部６２および開閉制御部６４の機能は、メモリ５４中に格納されたソフトウェアを実行することで実現される。なお、これらのうち少なくとも一方は、ハードウェアで実現されてもよい。

本実施の形態では、給水管１２の流路の開閉を実現するための弁として、高速応答可能な電磁弁１３を設けている。しかしながら、限定的ではなく、全開および全閉の２状態が（高速で）切替え可能なものであれば、たとえば電動弁を設けてもよい。

＜動作について＞
次に、本実施の形態における定量給水装置１０の動作の具体例を説明する。

図４は、本発明の実施の形態における定量給水処理を示すフローチャートである。なお、図４のフローチャートは、予めプログラムとしてメモリ５４に格納されており、ＣＰＵ５２がこのプログラムを読み出して実行することにより、定量給水処理の機能が実現される。

図４を参照して、はじめに、ＣＰＵ５２の算出部６２は、製氷皿１４への給水タイミングかどうかを判断する（ステップＳ２）。この時点では、電磁弁１３は閉じられている。本実施の形態において「給水タイミング」は、たとえば、給水タンク１１内に水が供給されたとき（給水が終わったとき）である。あるいは、ユーザからの、製氷皿１４への給水指示を検知したときであってもよいし、製氷皿１４内の氷が製氷容器１５に落下したことを検知したときであってもよい。

算出部６２は、給水タイミングとなるまで待機する（ステップＳ２にてＮＯ）。給水タイミングと判断されると（ステップＳ２にてＹＥＳ）、給水タンク１１内の水の水位が測定される（ステップＳ４）。つまり、算出部６２は、給水タイミングとなった時点で水位センサ４１にて検出された水位を取得する。この時点で測定された水位は、製氷皿１４への給水開始時の水位であるため、当該水位を以下「初期水位ｈ_０」と表わす。

水位データが取得されると、算出部６２は、電磁弁１３の開時間ΔＴを算出する（ステップＳ６）。具体的には、メモリ５４より、給水タンク１１の断面積（「断面積Ｓ_１」と表わす）、給水管１２の断面積（「断面積Ｓ_２」と表わす）および所定の水量（「水量Ｑ_ｆ」と表わす）のデータを読出す。そして、読出されたこれらのデータと、初期水位ｈ_０とに基づいて、開時間“ΔＴ”を算出する。

本実施の形態では、以下に示す数式（１）〜（４）により、開時間ΔＴが算出される。

なお、この数式により開時間ΔＴが導き出される原理については後述する。
開時間ΔＴが算出されると、開閉制御部６４は、開閉駆動部３０に開信号を送信する。これにより、電磁弁１３が開状態となる（ステップＳ８）。同時に、開閉制御部６４は、電磁弁１３を実際に開状態としている時間の計測を開始する。具体的には、タイマ５６に計時動作を開始させる。そして、タイマ５６が計時する時間（すなわち、電磁弁１３を開状態にしてからの経過時間）が、開時間ΔＴとなったか否かが判断される（ステップＳ１０）。

タイマ５６が計時する時間が、時間ΔＴと等しくなったと判断されると（ステップＳ１０にてＹＥＳ）、開閉制御部６４は、開閉駆動部３０に閉信号を送信する。これにより、電磁弁１３が閉状態となる（ステップＳ８）。同時に、開閉制御部６４は、タイマ５６をリセットする。

以上で、定量給水処理は終了される。
＜数式（１）〜（４）について＞
ここで、上記した数式（１）〜（４）によって開時間ΔＴが導き出される原理について図２を参照しながら説明する。

上述のように、給水タンク１１の断面積Ｓ_１［ｍ^２］、給水管１２の断面積Ｓ_２［ｍ^２］とする。また、ある時刻ｔにおいて、給水タンク１１の水位がｈ（ｔ）［ｍ］であり、この時に給水管１２からは流速ｖ_２（ｔ）［ｍ／ｓ］で水が流れ出しているとする。

この状態から微小時間Δｔ［ｓ］が経過したとすると、時間Δｔの間に給水管１２から流出した水量Ｑ_１［ｍ^３］は、
Ｑ_１＝Ｓ_２×ｖ_２（ｔ）×Δｔ
で表わされる。

一方、給水タンク１１の水位はｈ（ｔ）→ｈ（ｔ＋Δｔ）に変化しており、給水タンク１１内の水量の減少分Ｑ_２［ｍ^３］は、
Ｑ_２＝Ｓ_１×［ｈ（ｔ）−ｈ（ｔ＋Δｔ）］
となる。

給水管１２からの流出量Ｑ_１と給水タンク１１内の水量の減少分Ｑ_２とは等しいので、次の式（５）の関係が得られる。

式（１）の両辺をΔｔで除して、Δｔ→０の極限をとると、以下の微分方程式（６）が得られる。

次に、力学的エネルギーの収支を考える。給水タンク１１底部の給水管１２入口を高さの基準点として、給水タンク１１の水面と給水管１２に対してベルヌーイの式を適用すると、次の式（７）が得られる。

ここで“ｖ_１（ｔ）［ｍ／ｓ］”は、給水タンク１１の水面の降下速度であり、“−ｄｈ／ｄｔ”に等しい。“ｐ_１”および“ｐ_２”は共に、大気圧に等しいとして、式（７）を整理する。そうすると、給水管１２からの流出速度と給水タンク１１の水位との関係を示す式（８）が得られる。

ここで、式変形に“−ｄｈ／ｄｔ＝ｖ_１（ｔ）＝（Ｓ_１／Ｓ_２）ｖ_２（ｔ）”の関係を用いた。式（８）を式（６）に代入して整理し、“ｖ_２（ｔ）”を消去する。そうすると、給水タンク１１の水位ｈ［ｍ］に関する微分方程式（９）が得られる。

式（９）を解くことで、式（１０）に示すような給水タンク１１の水位の時間変化が得られる。

ここでｈ_０は時刻ｔ＝０、即ち給水前の給水タンク１１の水位である。

式（１１）とおいて、式（１０）を展開すると、次の式（１２）が得られる。

給水開始時（ｔ＝０）の水位（初期水位）をｈ_０とし、電磁弁１３が時間Δｔ［ｓ］間開状態で、水量Ｑ［ｍ３］が流出したとする。この場合、水量Ｑは、式（１３）で表わされる。また、この式（１３）より、Δｔについての二次方程式（１４）が得られる。

この式（１４）の解が、式（１５）〜（１８）で表わされる。

式（１５）の“Δｔ”を“ΔＴ”に置き換えたものが、上述の式（１）であり、式（１７）の“Ｑ”を“Ｑ_ｆ”に置き換えたものが、上述の式（３）である。他の式（１６）および（１８）は、それぞれ、上述の式（２）および（４）と同じである。

本実施の形態では、上述のような演算に基づいて得られた計算式（１）〜（４）を用いて、電磁弁１３の開時間ΔＴが算出される。したがって、給水開始時の給水タンク１１の水位ｈ_０を測定するだけで、一定量Ｑ_ｆの水を製氷皿１４に供給することができる。したがって、給水ポンプや、定量を測定する別途の機構を備えなくてもよい。その結果、装置を大型化しなくてすむ。

また、電磁弁１３の単純な開閉制御のみで定量給水が可能である。したがって、複雑な構成の弁も必要とせず、極めて簡単な構成で、定量の水を製氷皿１４に供給することができる。

＜変形例＞
なお、本実施の形態では、水位測定部４０の機能を実現するために、水位センサ４１を設けることとしたが、給水タンク１１内の水の水位が測定できれば、これに限定されない。

図５は、本発明の実施の形態の変形例における定量給水装置１０＃の概略構成例を示す図である。

図５を参照して、定量給水装置１０＃は、実施の形態の水位センサ４１に代えて、重量センサ４２を備える。給水タンク１１は、重量センサ４２に載せられた状態で設置される。重量センサ４２は、給水タンク１１の重量を測定することで、給水タンク１１内の水位データを得る。なお、重量センサ４２を備える場合、水位測定部４０の機能は、重量センサ４２およびＣＰＵ５２により実現されてよい。つまり、ＣＰＵ５２（の算出部６２）が、給水タンク１１の重量に基づいて水位データを算出してもよい。

本変形例では、メモリ５４内には、たとえば、重量と水位とを対応付けた重量−水位データテーブルが予め記憶されており、この重量−水位データテーブルを利用して水位を算出してよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１冷蔵庫、１ａ冷蔵室、１ｂ冷凍室、１ｃ野菜室、１０定量給水装置、１１給水タンク、１２給水管、１３電磁弁、１４製氷皿、１５製氷容器、２０自動製氷装置、３０開閉駆動部、４０水位測定部、４１水位センサ、４２重量センサ、５０制御ユニット、５２ＣＰＵ、５４メモリ、５６タイマ、６２算出部、６４開閉制御部。

Claims

製氷皿に定量の水を供給するための定量給水装置であって、
前記製氷皿よりも高い位置に配置され、前記製氷皿へ供給する水を貯留するためのタンクと、
前記タンクの水位を測定するための測定手段と、
前記タンク内の水を前記製氷皿に供給するための給水管と、
前記給水管に設けられ、開閉が可能な弁と、
制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記測定手段により測定された前記タンクの水位に基づいて、前記製氷皿に前記定量の水を供給するのに必要な、前記弁の開時間を算出するための算出手段と、
算出された開時間だけ前記弁を開状態とする制御を行なう開閉制御手段とを含む、定量給水装置。
前記算出手段は、前記製氷皿への給水開始時に測定された初期水位と、前記タンクの断面積と、前記給水管の断面積と、前記定量を表わす所定の水量とに基づいて、前記弁の開時間を算出する、請求項１に記載の定量給水装置。
記憶手段をさらに備え、
前記記憶手段は、前記タンクの断面積のデータと、前記給水管の断面積のデータと、前記所定の水量のデータとを予め記憶する、請求項２に記載の定量給水装置。
前記給水管の一端は、前記タンクの底部と接続される、請求項２または３に記載の定量給水装置。
前記弁は、電磁弁である、請求項２〜４のいずれかに記載の定量給水装置。
前記算出手段は、所定の計算式を用いて、前記弁の開時間を算出する、請求項２〜５のいずれかに記載の定量給水装置。
前記計算式は、前記弁の開時間をΔＴ、前記初期水位をｈ_０、前記所定の水量をＱ_ｆ、前記タンクの断面積をＳ_１、前記給水管の断面積をＳ_２とした場合、

で表わされる、請求項６に記載の定量給水装置。
製氷皿と、
前記製氷皿に定量の水を供給するための定量給水装置とを備え、
前記定量給水装置は、
前記製氷皿よりも高い位置に配置され、前記製氷皿へ供給する水を貯留するためのタンクと、
前記タンクの水位を測定するための測定手段と、
前記タンク内の水を前記製氷皿に供給するための給水管と、
前記給水管に設けられ、開閉が可能な弁と、
制御手段とを含み、
前記制御手段は、
前記測定手段により測定された前記タンクの水位に基づいて、前記製氷皿に前記定量の水を供給するのに必要な、前記弁の開時間を算出するための算出手段と、
算出された開時間だけ前記弁を開状態とする制御を行なう開閉制御手段とを含む、自動製氷装置。