JP6250069B2 - 製氷機の氷厚を検知する装置及び方法 - Google Patents

Description

本出願は、米国仮特許出願番号６１／７５８，０８０号に対して優先権を主張するものであり、その内容は、参考として本明細書に明示的に援用される。

本発明は、広く製氷機に関し、特に、回収サイクルを開始するタイミングをより正確に且つ制御可能に判断するシステム及び方法を備える製氷機に関する。

業務用の製氷機は、濁った角氷ではなく透明な角氷を製造する。家庭用の冷凍庫タイプの製氷機は、一般的に濁った角氷を製造する。これは、蒸発器又は製氷皿に取り付けられる型内に水を溜め、水を定住状態で凍らせることによって角氷を形成するためである。このようにして形成される角氷は、それが凍るとき、空気や不純物が水の中に閉じ込められるので濁る。業務用の製氷機は、凍結プレートと呼ばれる冷却された表面上に水を流すことによって氷を形成する。水が冷却された表面上を流れるとき、氷の層が、氷の層内に空気又は多くのミネラルを閉じ込めることなく形成される。

一般的な業務用製氷機において、水は、垂直配置された凍結プレートの表面上に滝のように流れる。凍結プレートは、角氷を形成する複数のポケット又はセルを備えている。凍結プレートに凍らずに滝のように流れる水は、凍結プレートの下方に配置された水溜め部（sump）に捕捉され、その後、水溜め部から凍結プレートの上部に戻るように汲み上げられ、水が凝固点まで冷却されるまで何度も凍結プレートに滝のように流れ、徐々に角氷になるように凍らされる。適当な時点で、凍結プレートが加熱され、形成された氷は、凍結プレートから離され、貯氷容器内に入れられる。

凍結プレートの各セルが凍結した水で満たされた後、前記セルが、凍結した氷のスラブを形成するように相互接続し始める。回収サイクルが開始され、凍結プレートからスラブが離されるとき、個々のセルに架橋する氷は、より小さな氷の塊及び個々の氷のキューブを形成するように壊れやすくなる。

いつ、氷が十分な厚さに形成され、氷を回収することが可能かを判断することが重要である。早すぎる回収は、小さなキューブをもたらすか、或いは、時として、小さなキューブは回収される前に解けるために全く氷をもたらさないこともある。遅すぎる回収は、より小さな塊又は個別のキューブに容易に分割しない大きな塊の氷をもたらす。氷厚センサは、凍結プレート上に形成される氷の厚さを検知する。所望の厚さに到達すると、前記センサは、凍結サイクルを終了し回収サイクルを開始するように製氷機に信号を送る。回収サイクルにおいては、冷凍サイクルが反転され、凍結プレートは、形成された角氷が解けて凍結プレートから離れるように加熱される。

別の装置が、氷厚及び適当な回収ポイントを判断するために長年にわたって使用されている。米国で販売されているほとんどの業務用製氷機は、角氷の回収を開始するために、氷の厚さがいつ所望のポイントに到達したかを判断するのに凍結プレート及び蒸発器の前方に配置されたヒンジ式センサを利用する。ヒンジ式センサのアプローチは、他の測定値から厚さを推測するのとは対照的に氷厚を直接的に測定する利点を有する。この種のシステムは、機械的調整が比較的容易で且つ比較的正確な氷厚測定を提供するので非常に一般的である。

しかしながら、このアプローチは、多くの欠点を有する。前記センサは、フードゾーンにあるので、飲料水のための国立衛生財団（ＮＳＦ）の規則を遵守しなければならない。従って、前記センサは、ＮＳＦによって規定されるように、適切な材料で作成されなければならず、製氷機のフードゾーンでの使用に適した形状を有さなければならない。また、前記センサは、水の流れの影響を受けるので、水又はセンサに残留し得る水垢によって悪影響を及ぼされることがないように注意を払わなければならない。

前記センサは、蒸発器及び凍結プレートの前方に配置されているので、落下する氷にセンサが当たらないように、氷が回収される際の経路外に移動する必要がある。従って、前記センサは、正しく移動しないことによって故障し得る可動部品である。検知された氷の厚さは、前記センサが氷からどの程度離れているかを示す関数である。従って、前記センサは、正確に正しい位置に位置しなければならないか、或いは、要望通りには機能しない。この距離は、手動で調整が必要な位置決めネジによって制御されるので、不正確に調整され或いは時間と共に変化し、氷厚は、位置決めネジ又は他の機械的手段の位置によって制御されるので、電気的ではなく機械的にのみ調整可能である。

他のアプローチは、電気伝導性を利用することにあり、電気プローブが蒸発器及び凍結プレートの表面の近くに隣接するように配置される。氷が所望の厚さに形成されると、前記プレートは、回収サイクルをもたらし得る電気回路を完成させる水の流れと接触する。この方法は、ミネラルを含むセンサの付着物又はセンサに付着した他の汚染物質の影響を受け、氷厚を知らせるために必要な電気伝導性が抑制される。加えて、前記センサは、代替的な導電性パスを提供する汚染物質から保護されなければならない。また、このセンサは、水が脱イオン水又は「ＤＩ」水である場合のように、水が極端に低い導電性を有する場合であっても、水を検知することができるように設計されなければならない。

ローゼンルンド等による米国特許出願公開第２０１２／０１９８８６４号には、形成された氷の厚さを検知する音響センサが開示されている。この出願は、特定の周波数で音波を送信する音響送信機、及び、前記送信される波の反射を検知する音響センサを提案する。前記検知され反射された波が特定の予想振幅に到達すると、前記システムは、氷が所望の厚さに達したと判断する。このセンサは、依然として、ＮＳＦフードゾーンの要求を受け、回収サイクル中に経路外に移動しなければならず、機械的手段によって製氷機内に配置されるので、氷厚は、電気的ではなく手動でのみ調整可能である。音響センサと同様に、容量センサが使用されてもよいが、同様の欠点に苦しむことになる。

ビルマン等による米国特許６，４０５，５４６号及び６，７０５，０９０号には、さらに別のシステムが開示されている。これらの特許の内容は、本明細書に参照によって組み込まれている。ビルマンによって開示された工程は、製氷機の水溜め部の水の高さを判断するために圧力変換器を利用し、いつ、所望の量の水が水溜め部内から無くなり、凍結プレート上で角氷に凍結され、氷の回収が開始できるかを判断することができる。ビルマンの問題は、直接的に氷厚を測定しないので、システム内での水漏れを凍結プレート上での氷の形成又は非形成と間違える可能性があることにある。例えば、製氷機の水回路から周囲へ水が漏れている場合、ビルマンは、そのような漏れが凍結プレート上での氷の形成をもたらすと推定する。小型の角氷はその結果である。

給水部から製氷機の水回路へ水が漏れている場合、不十分な水が凍結プレート上で氷として形成されたとビルマンの制御装置が誤って検知するので、（小さな氷の塊又は個々のキューブに分割することが難しい）小型の氷のスラブが生じる。給水部から製氷機の水回路への水漏れが深刻な場合、ビルマンのセンサは、所望の氷厚に達した後も長い間、氷を作り続け、製氷機の周囲への制御不能な水漏れを含む製氷機の主要な故障が生じる。

ローゼンルンドは、ビルマンに開示されたシステムに対して、１）氷厚が環境条件（温度、湿度）などの要因により変化する、２）氷厚が水内の全固形分の濃度により変化する（水だけが凍り、ミネラルは凍らない）、３）水溜め部内での水損失が誤った読み取りを引き起こす、という３つの欠点を挙げる。ビルマンの最初の２つの批判は間違っている。１番目の批判については、水溜め部から損なわれる水の量は、凍結プレート上の氷の量と全く同じである。温度及び湿度のいずれも、このことに影響を与えない。２番目の批判については、水だけが垂直な凍結プレートを有する製氷機内で凍り、ミネラルはほぼ完全に水溜め部に戻ることは事実であるが、水溜め部から損なわれる水の量は、（体積はわずかな差異があるかもしれないが）凍結プレート及び蒸発器上の氷の量と全く同じであることも事実である。このことは、水が全くミネラルを含まない場合と何ら変わりはない。従って、２番目の批判も正しくない。前述したように、最後の批判は、ビルマンのシステムに深刻な懸念を残す。

従って、当技術分野においては、製氷機の氷厚を正確に検知する装置を備える製氷機及び製氷機の氷厚を正確に検知する方法を組み込んだ製氷機が要求される。ここで、氷厚センサは、フードゾーンに配置されず、給水部の不純物に影響されず、氷の回収サイクル中に落下する氷を避けるように移動する必要がなく、正確に機械的に配置され且つ調整される必要がなく、電気的に調整可能であり、製氷機及び製氷機の周囲にダメージをもたらす主要な製氷機の故障及び奇形の氷を抑えるために、製氷機の水回路に出入りする水漏れに対する安全装置を備える。

製氷機を制御する方法は、製氷機の水溜め部を水で充填するステップと、角氷を作るために凍結プレートを横切るように水を滝のように流すステップと、推定される水の顕熱冷却期間中に前記水溜め部の水位が減少したか否かを検知するステップと、前記顕熱冷却期間中に水溜め部の水位が予め決められた量を超えて変化したことを検知した場合、製氷機に異常が存在することを通知するステップとを含む。

図１は、本発明の実施形態に係る製氷機の正面斜視図である。 図２は、本発明の実施形態に係る製氷機の制御図である。 図３は、本発明の実施形態に係る圧力センサを組み込んだ回路基板を示す図である。 図４は、本発明の実施形態に係る水溜め部の断面図である。 図５Ａは、本発明の実施形態に係る製氷機の制御装置の動作を説明するフローチャートである。 図５Ｂは、本発明の実施形態に係る製氷機の制御装置の動作を説明するフローチャートである。 図５Ｃは、本発明の実施形態に係る製氷機の制御装置の動作を説明するフローチャートである。

本発明は、多くの異なる形態の実施形態を受け入れる余地があり、本開示は本発明の原理の例示として考慮されるべきであり、本発明の広範な態様を、図示された実施形態に限定することを意図しないことの理解を持って、本発明の好適な実施形態を図面に示すとともに、本明細書に記載する。

本発明の好適な実施形態は、凍結プレート上の氷の形成厚さを検知する独自のシステムを製氷機内に含む。本好適な実施形態は、モノリシックシリコン圧力センサで形成されるピエゾ抵抗変換器を含む。より好適には、前記変換器は、Ａ／Ｄ入力部を備えるマイクロコントローラ又はマイクロプロセッサにアナログ信号を提供する。本好適な実施形態において、前記センサは、製氷機の水溜め部の水の加圧力に比例するアナログ出力信号を提供するために歪みゲージを使用する。これにより、前記マイクロコントローラ又はマイクロプロセッサは、氷に変換された水の量を判断するとともに、氷の回収サイクルを開始するのに適切な時間を判断することができる。

前記センサは、フードゾーンに配置されないことが好ましい。前記センサは、水の流れの影響を受けないので、供給される水が残すミネラルや水垢によって影響を受けない。前記センサは、水の電気的特性に影響されない。すなわち、重イオンミネラル含有物を有する水と同様に、脱イオン化された供給される水に対して氷厚を均一に検知することができる。また、前記センサは、製氷機内における配置の不一致の影響を受けないように可動部を有するか、或いは、製氷機が古くなるにつれて徐々に変化する。前記センサの位置は、固定され、調整可能ではなく、氷厚は、電子的に制御され調整されることができる。

この種の水位測定システムは、付加的な利点を有する。まず、前記システムは、テキサス州オースチンのフリースケール・セミコンダクタ社の品番ＭＰＸＶ５００４などの、低コストで高信頼性の圧力変換器を使用することができる。また、この部品は、洗濯機で洗濯水の水位を検知するために家電業界で使用されており、低コストで大量に入手可能である。前記センサは、製氷機の水溜め部の水位を検知するので、回収シーケンスを開始すること、並びに、充填及び排出機能を制御することの両方に使用することができる。すなわち、製氷機が充填されるとき、前記センサは、水溜め部が所望の水位に達したときに水供給弁を閉鎖するタイミングを制御することができる。回収サイクルを開始する際に水溜め部に残っている残留ミネラル濃縮水を排出するとき、前記センサは、全ての残留水が水溜め部から配水管に排出されたときの通知を提供することができる。従って、このシステムは、一般的に製氷機に見られる水溜め部の水位センサと氷厚センサの両方と置き換えることができる。

製氷機の水回路の内外への水漏れを検知して防ぐために、本発明の好適な実施形態は、水溜め部の水位が増加又は減少することが予期されない期間中に水溜め部の水位を監視する。具体的には、各凍結サイクルは、水が凍結するポイントまで冷却される第１期間（顕熱冷却期間）で構成されている。他に記載がなければ、顕熱冷却期間中、水から除去されたエネルギーは、液体から固体へ水の状態が変化するためではなく、水の温度変化のみに寄与する。

第１期間後の第２期間中（水が凝固点に達し始めるとき）、水から除去されたエネルギーは、温度の減少に代えて液体から固体への状態の変化に寄与し始める（潜在的な冷却期間）。

水溜め部の水位は、水回路の内外への水漏れがない限り、第１の顕熱冷却期間中、変化すべきではない。一般的な製氷機において、第１期間は、水溜め部が充填されて冷凍プロセスが開始した後、少なくとも３分間続く。第１期間の長さは、製氷機に供給される水の温度に大きく依存する。明らかに、より暖かい気候下で提供された温水は、その凝固点に冷却されるまで時間がかかる。

従って、各凍結サイクルのほぼ顕熱冷却期間中に生じる（水の乱流による許容可能な水位変動を超える）水位の増減は、漏れに起因する。本発明の好適な実施形態によれば、水位測定システム内の許容できない変動は、マイクロコントローラ又はマイクロプロセッサが製氷機を遮断することにつながる。代替的又は付加的に、制御装置は、漏れが検知されたことを示す通知のために信号を提供してもよい。さらに別の代替的な実施形態において、（漏れの検知時に）マイクロコントローラ又はマイクロプロセッサは、漏れが許容可能な限度内にある場合、漏れが存在することを示す通知のために信号を提供するが、氷を作るための動作は継続するように判断してもよい。

好適な実施形態において、前記システムは、漏れの検知を受けて製氷機が動作を停止した後、予め決められた期間中、水位を監視し続ける。この期間中において、水位が一定のままである場合、前記システムは、製氷機の凍結サイクルを再開する。このように、遮断につながる検知水位の変動が一時的な事象（例えば、人によって引き起こされる水溜め部内のしぶき）である場合、製氷機は再駆動する。

より具体的には図１を参照すると、本発明の好適な実施形態に係る製氷機１０は、キャビネット１２内に収容され、キャビネット１２は、ハウジング１４を備える氷容器１５の上部に配置され、ハウジング１４は、扉１６及び上部セクション２０を通じてアクセス可能な氷受入格納コンパートメントを形成し、上部セクション２０は、閉冷凍回路の圧縮機及び凝縮器ユニットを収容する冷凍コンパートメントを備えている。製氷機１０の上部セクション２０は、更に、製氷グリッド２１に取り付けられた蒸発器の配管（図示せず）を備え、製氷グリッドは、水ポンプ１９及び水溜め部２４上に配置されている。製氷機のキャビネット１２の各種のコンパートメントは、当業者に理解されるように、温度の一貫性及びコンパートメントのアクセスを提供するように適当に固定され移動可能なパネルによって閉塞されている。

コンパートメント２０内に収容される閉冷凍システムは、冷凍圧縮機と空冷凝縮器とを備える。圧縮機の高圧吐出側は、吐出ラインによって凝縮器に接続されている。飽和液冷媒は、内部にフィルタ／乾燥機ユニットを有する液体ラインを介して凝縮器から流れ、凍結コンパートメントの蒸発器ユニット２１の流入口への冷媒を計測する一般的なサーモスタット型膨張弁に接続されている。蒸発器の排出口は、吸引ラインによって圧縮機の吸引側に接続されている。冷凍サイクルは、圧縮機が高圧高温の冷媒ガスを飽和温度に冷却する凝縮器に供給し、液化冷媒が膨張弁を介して蒸発器２１に流れることが一般的である。蒸発器内の液冷媒の拡大気化が、蒸発器及び凍結プレート２１上の水から熱を除去し、それにより、格子状の型に角氷を形成し、ガス状の冷媒が冷凍及び凍結サイクルを完了するために圧縮機の吸引側に戻る。

また、前記システムは、吐出ラインと膨張弁の下流の蒸発器の流入口側との間に接続された熱ガスバイパスラインを備え、ソレノイド弁によって制御され、氷の回収サイクルを開始する。このソレノイド弁が通電されると、熱ガスバイパスラインが、凍結プレート２１上に形成されている角氷を解かすように凍結プレート２１を暖める。その結果、角氷が、凍結プレート２１から離れるように解け、氷穴２２を通じて氷容器１５内に落ち、回収及び使用可能になる。

図２に示されるように、好適な実施形態において、製氷機１０は、制御システム３０を備えている。制御システム３０において、製氷機の制御装置３２は、入力信号を提供する及び／又は制御装置３２の出力信号に応答する複数の構成要素に電気的に接続されている。水供給弁３４は、制御装置３２に接続され、制御装置３２は、水溜め部２４への供給する水の流れを開始及び終了することができる。冷凍圧縮機３６及び水循環ポンプ３８は、制御装置３２に電気的に接続され、制御装置３２は、圧縮機３６及び水溜め部２４から凍結プレートに水を汲み上げる水循環ポンプ３８を駆動又は停止することによって凍結サイクルを開始又は終了することができる。制御装置３２は、更に、回収サイクルを開始する回収ソレノイド４２、及び、凍結サイクルの終了時に水溜め部２４を排水する排出ソレノイド４３に電気的に接続されている。

図３に示すように、製氷機１０の動作を制御する制御装置３２は、電子制御基板４４に備えられる。基板４４は、前述したＭＰＸＶ５００４Ｇなどの圧力センサ４０（図２にも示す）を備えている。図４も参照することで分かるように、圧力センサ４０には、空気配管４８が接続され、空気配管４８の反対側の端部は、水溜め部２４内の水の中に沈んでいる。

水溜め部２４を水で充填する間、配管４８に閉じ込められる空気の圧力が、配管４８が沈められる水によって生じる圧力によって増加する。

本発明の好適な実施形態は、図５Ａ−５Ｃの図に応じて動作する。具体的には、ステップ６２において、制御装置３２が水供給弁３４を開放し水溜め部２４を充填するように信号を送ると、動作が開始する。ステップ６４において、制御装置３２は、圧力センサ４０からの信号が水溜め部２４が十分に充填されたことを示すか否か判断する。水溜め部２４が十分に充填されていない場合、水供給弁３４は、水溜め部２４が十分に充填されたことの通知を圧力センサ４０が提供するまで開放されたままである。水溜め部２４が十分に充填されたと圧力センサ４０が判断したとき、制御装置３２は、ステップ６６に進み、水供給弁３４を閉じるように信号が提供される。

次に、ステップ７０において、制御装置３２は、水溜め部２４の水位が許容可能な範囲を超えて増減したことを圧力センサ４０が示すか否かを判断する。そうでない場合、制御装置３２は、ステップ７２に進み、水冷却期間の期限が満了したか否かを判断する。水冷却期間の期限が満了していない場合、制御装置は、ステップ７０に戻る。

ステップ７０において、制御装置３２は、水位が許容できない量まで増減したと判断した場合、ステップ７４に進み、冷凍圧縮機３６及びポンプ３８を停止し、水回路の内外への漏れを示すエラー通知を提供する。

図５Ｃを参照すると、ステップ７６において、制御装置は、予め決められた待機期間、例えば１分が満了したか否かを判断する。満了した場合、ステップＳ７８において、制御装置３２は、水溜め部２４内に定在する水が未だ許容範囲外の水位を示すか否かを判断することを再確認する。水位が許容範囲内にある場合、制御装置３２は、ステップ６３に戻り、凍結サイクルを再開する。この例において、許容範囲外の水位の以前の検知は、漏れではなく異常の結果である。

水位の変化が水溜め部２４の許容範囲の上又は下のままである場合、制御装置３２は、ステップ８０に進み、エラー通知を提供し続けるとともに、凍結サイクルを中止する。

図５Ａにおいてステップ７２に戻って参照すると、冷却期間が満了した場合、制御装置３２は、ステップ８４に進み、水位が予め決められた回収レベルまで低下したと判断するまで、水溜め部２４の水位を監視する。水溜め部２４の水位が予め決められた回収レベルまで低下すると、制御装置は、ステップ８６に進み、回収ソレノイド４２及び排出ソレノイド４３を駆動する。ステップ８８において、制御装置は、回収が発生したか否かを判断し、その後、ステップ９０に進み、回収ソレノイド４２の動作を停止するとともに排出ソレノイド４３の動作を停止する。

前記の例は、特許請求の範囲によって定義されているように、本発明が本明細書から離れた範囲を含むことを示し、詳細に示されるとともに述べられた実施形態に単に限定されるべきでない。むしろ、本発明は、特許請求の範囲の文言でのみ限定されるべきである。クレーム化されていない好適な実施形態の態様は、クレーム化された発明の一部であることを意図しない。出願人は、保護の範囲が特許請求の範囲によってのみ限定されることを意図する。

Claims (11)

1. 水溜め部と、
   凍結プレートと、
   前記製氷機の動作を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、入力信号の提供及び前記制御装置の出力信号に対する応答の少なくとも一方を行う複数の構成要素に接続され、
   前記構成要素は、水供給弁と、冷凍圧縮機と、水循環ポンプと、圧力センサとを含むリストから選択され、
   前記圧力センサには、空気配管の一端部が接続され、使用時に、前記空気配管の他端部は、前記水溜め部内の水の中に沈められて、前記圧力センサが前記水溜め部の水位を検知し、
   前記制御装置は、顕熱冷却期間中に前記水溜め部の水位が許容可能な範囲を超えて変化したとき、漏れを検知し、潜熱冷却期間中に前記水溜め部の水位が減少するとき、漏れを検知しないように構成されている、製氷機。
2. 回収サイクルを開始する回収ソレノイドと、
   凍結サイクルの終了時に前記水溜め部を排水する排出ソレノイドと、
   を更に備え、
   前記回収ソレノイドと前記排出ソレノイドとは、前記制御装置に接続されている、請求項１に記載の製氷機。
3. 前記圧力センサは、モノリシックシリコン圧力センサで形成されるピエゾ抵抗変換器である、請求項１又は２に記載の製氷機。
4. 前記圧力センサは、前記水溜め部の水の加圧力に比例するアナログ出力信号を提供するために歪みゲージを使用する、請求項３に記載の製氷機。
5. 前記空気配管に閉じ込められた空気の圧力が、前記空気配管が沈められる水によって生じる圧力によって増加する、請求項１〜４のいずれか１つに記載の製氷機。
6. 前記制御装置は、前記冷凍圧縮機及び前記水溜め部から前記凍結プレートに水を汲み上げる前記水循環ポンプを駆動又は停止させることによって凍結サイクルを開始又は終了させる、請求項１〜５のいずれか１つに記載の製氷機。
7. 前記圧力センサは、前記水溜め部が所望の水位に達したときに前記水供給弁を閉塞するタイミングを制御する、請求項１〜６のいずれか１つに記載の製氷機。
8. 前記圧力センサは、全ての残留水が前記水溜め部から排出されたときを特定する、請求項１〜７のいずれか１つに記載の製氷機。
9. 前記圧力センサは、前記水溜め部の水位が許容可能な範囲を超えて増加又は減少したことを示す、請求項１〜８のいずれか１つに記載の製氷機。
10. 前記制御装置は、前記水位が許容できない量まで増加又は減少したとき、前記冷凍圧縮機及び前記水循環ポンプを停止し、漏れを示すエラー通知を提供する、請求項１〜９のいずれか１つに記載の製氷機。
11. 請求項１〜１０のいずれか１つに記載の製氷機を用いて回収サイクルを開始するタイミングを制御可能に判断する方法。

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