JP7025445B2 - 液体冷却用クーリングバス - Google Patents

Description

本発明は、アイスバスに関する。

冷水などの冷却された液体の分配に関して、水の分配前に外部供給源から受け取った水を冷却すべく、多種多様な方法が用いられている。これらは、供給源からの水を低温タンクに保存する低温タンクシステムを含み得るものであり、その周囲にはたくさんの冷却コイルが巻きつけられている。冷却コイルは機械的な圧縮機および凝縮器システムによって冷却され、これによりタンク内の分配用の水を冷やす。

他のタイプのシステムでは直接冷却すなわち内部コイルシステムが用いられ、冷却コイルが冷却タンク内に配置され、冷却される水と直接接触している。これはより効率的な冷却システムとなるが、製作費がかさむ。

さらなる変形例は、アイスバスシステム（別名、アイスバンクシステムとして知られる）を用いるものである。アイスバスシステムはコンテナを有し、冷却される液体を運ぶコンテナを通過する一連のパイプと、コンテナ内の液体を氷に変える手段を備える。分配される液体は、アイスバスの中にあるパイプ内を通るので、分配される液体はコンテナ内で氷または水と接触することがない。コンテナ内にできた氷は貯冷庫として機能し、液体冷却パイプから熱が伝わると氷が溶け、概ねアイスバスの温度を一定に保つ。

アイスバスシステムは一般的に、コンテナ、冷却コイル（概ねコンテナ内に配され、通常はコンテナ外壁の内側表面に向いている）、および概ねコンテナ内に配されるコイル状パイプ（通常はステンレス鋼または３グレード物質の保持に利用可能な他の材料からなる）を含む。このパイプが冷却される液体を運ぶ。これは一般的には、水または様々な用途の炭酸水のいずれかである。

またアジテータが設けられ、氷で冷やされた水を撹拌し、その温度を一定に保つっている。

作動時には、冷却システムが作動し、冷却コイルの周囲に氷を成長させ、分配される水を保持するパイプに向けて迫らせる。バス内に生じる氷の量は、監視または制御される必要がある。全体的なバスの温度は、固定値の間、例えば摂氏０度から１度の間で概ねコントロールされるものであり、バス内に生じた氷は往々にして、冷却され分配される液体を運ぶパイプに物理的に接触または取り巻くほどには広がらないことが重要であるが、なぜならこれがパイプの凍結、遮断、破裂をもたらし得るためである。よって氷の量を検知および監視する手段が必要とされる。

本発明は、改良型氷監視システム提供の試みにおいて誕生した。
本発明の第１の側面によれば、アイスバスは、コンテナと、コンテナ内の液体を氷に変える冷却コイルと、分配のためにアイスバスによって冷却される液体を運ぶパイプと、氷の厚さを測定するための少なくとも３つの導電性プローブとを含むものであって、導電性プローブが、冷却コイルと分配される液体を運ぶパイプとの間に配され、第１の導電性プローブが、少なくとも第２および第３の導電性プローブよりも冷却コイルの近くに配され、これにより前記第２および第３の導電性プローブが、第１の導電性プローブよりもパイプの近くに配される。

好ましくは、３つの導電性プローブが設けられ、うち１つが第２および第３のプローブよりも蒸発器すなわち冷却コイルの近くにある。

好ましくは、第２および第３のプローブは冷却コイルから等距離である。これらはまた、パイプからも等距離であってもよい。パイプは、プローブの領域で冷却コイルと“並行”とできる。

プローブは水のコンダクタンスを測定すべく協働する。周知のように水のコンダクタンスは水が液体または固定状態のいずれであるかに応じて変化し、よってプローブ間の水のコンダクタンスを測定することで氷が各プローブに到達したかどうかを判定できる。

装置はまた、各ペアのプローブ間、すなわち第１と第２のプローブ、第１と第３のプローブ、第２と第３のプローブの間のコンダクタンスを測定する手段を含む。

３つのプローブは順次（すなわち、１つのペアのプローブ間のコンダクタンスが測定され、ついで第２のペアのプローブ間、さらに第３のペアのプローブ間というやり方で、制御されたサイクルで）作動するものとできる。

始動プロシージャ中の第１の制御方法では、冷却コイルが作動させられ、各ペアのプローブ間を流れる電流が測定される。コントローラは例えばマイクロコントローラであり、電流の測定値を用いて各ペアのプローブ（第１と第２、第１と第３、第２と第３）間のコンダクタンスを決定すべく配置されている。氷が生じ第１のプローブに到達すると、冷却コイルに最も近い第１のプローブにおける氷の存在が３つのプローブ間のコンダクタンスの監視によって検知される。そのまま冷却が継続すると、氷は最終的に第２と第３のプローブの位置によって規定される厚さに達し、監視されている第１と第２、第２と第３、第１と第３のプローブ間のコンダクタンスによって測定され、水が液体から固体へと状態変化したことを示し、少なくとも第２と第３のプローブの範囲まで氷が育ったことを確認する。

氷ができた後も、プローブは一体となって相互間のコンダクタンスの監視を続け、装置の作動中、氷の厚さを監視する。

実施の形態によっては、４つ以上の導電性プローブが用いられてもよい。冷却コイルから第１のプローブまでの厚さの値として最小氷値が定められ、第２および第３のプローブの両方までの氷の厚さとしての水準に最大氷値が定められるものとできる。好ましくは、冷却をオンオフし、氷の厚さが最小値と最大値の間に維持されるように制御する手段が設けられる。

水のコンダクタンスは水の純度によって、したがって水の全溶解性蒸発残留物（ＴＤＳ）の量によって変化するため、水のＴＤＳレベルを監視すべく、３つのプローブがテストに用いられてもよい。

第２と第３のプローブは概ね、水冷却パイプから等距離に設けられ、第２と第３のプローブ間のコンダクタンスの測定値は、氷が適切な厚さであることを判定するために使用可能である。

さらなる側面では、本発明は、上述したアイスバスでの氷の蓄積を測定する方法を提供するものであり、第１のプローブと第２のプローブ、第１のプローブと第３のプローブ、第２のプローブと第３のプローブの間のコンダクタンスを順に測定し、コンダクタンスの測定値を用いて、氷が第１のプローブに到達した時、氷が第２および第３のプローブに到達した時、氷が第２および第３のプローブから後退し始めた時、のいずれかを特定し、この測定を用いて装置を制御し氷を生じさせる。

本発明の実施の形態を、添付の図面を参照して以下に例示する。

図１は、典型的な水槽を示す。 図２は、典型的な水槽を示す。 図３は、氷厚プローブが配置されたウォーターバスの一部切り欠き図である。 図４は、図３の一部を拡大して示す。 図５は、図３の上部の一部を拡大して示す。 図６は、切り欠き部を示す。 図７は、切り欠き部の一部の詳細を示す。 図８は、導電性プローブの一部を示す。

図１および２を参照するに、典型的なアイスバスシステムは、コンテナまたは容器１を含み、これは典型的にはプラスチックまたは金属材料からなる。コンテナ内には、通常コンテナ内壁に比較的近い位置に、１つ以上の冷却コイルが設けられ、コンテナの高さをほぼカバーするように通常垂直方向に巻かれている。これらは入口２ａおよび出口（図示せず）を介して冷却液（図示せず）を受け取る。好適な冷却液が冷却コイルへと与えられる。冷却コイルはさもなくば、蒸発器コイルとして知られる。蒸発器および冷却コイルと好適な液体は、冷蔵庫などの多くの分野で公知である。

概ね冷却コイルで画定される領域内に存在するのが、飲料用液体のためのコイル状パイプである。これは冷却コイル同様、コンテナの高さ方向に立ち上がるようにぐるぐる巻きにされたもので、入口５から分配される流体（例えば水）を受け取る。液体はパイプを通過した後、出口６を通り、冷却された水または他の流体が分配される分配出口すなわち蛇口へと向かう。一般的に、入口はパイプ４の最上部に設けられ、冷却される水はコイルを周ってコイルの底部へと達し、そこから分配のため出口６まで上る。

水を部分的に氷に変えるべく、水またはエチレングリコールなどの他の液体が、冷却コイル内の冷却剤による作用を受けるようにコンテナ内に入れられており、また飲料液体用のパイプはバス内に収容されているので、これは冷却された水による作用を受け、内部の液体を冷却する。よって液体はパイプを通過した時に冷却されるが、それを冷却するために用いられる水または他の液体とは決して接触しない。

コンテナ内の水／氷の温度を測定すべく、温度センサ７を設けることができる。符号はまた、コンテナの自動充填のためのレベルセンサ８、９を示している。これらは、高（水なし）から低（水なし）への抵抗値の変化によって水圧を検知する。あるいはフロートスイッチのような他のレベルセンサを用いてもよい。要するに、コンテナ内に供給されてアイスバスを形成すべく用いられる水または他の流体を、コンテナが一杯の時に作動して充填機構のバルブをオフにするレベルセンサを監視することによって、一定のレベルに保つことができる。アイスバスは、電気モータドライバ１１によって駆動されるインペラ１０を含むものとできる。インペラは水をかき混ぜることで、水が満遍なく行きわたることを保証し、また不必要な着氷を防ぐ。これはアイスバス全体にわたって温度がほぼ一定となることを保証する。

図２も同様のアイスバスを示すが、こちらには炭酸化タンク１２が設けられている。同様に入口と出口を備えた炭酸化タンク内の水は、注入二酸化炭素または別の方法によって炭酸化されるもので、これはアイスバスによって冷却されるべくアイスバス内に設置されており、使用者が非発泡性水か炭酸化（発泡性）冷却水または他の液体かを選択可能である。本発明は、非発泡性あるいは発泡性システムに、あるいは両方を選択的に分配可能なものに、等しく適用可能である。

上述したとおり、こうしたアイスバスでは、コンテナは、レベルセンサとバルブを含むシステムで手動によって、または自動的に、水あるいは恐らく他の熱伝導液体で満たされている。このレベルセンサは電子的なものでも機械的なものでもよい。かくして冷却システムが作動し、水の場合には冷却コイルの周りに着氷を生じさせ、または望ましい温度まで熱伝導液体を全体的に冷やす。バス内に生じた氷の量は、機械的サーモスタットあるいは電子的サーモスタットまたはセンサのいずれかによって概ね制御され、最小値と最大値、典型的には摂氏０度と１度の間で制御される。作られた氷は、冷却され分配される液体を運ぶパイプを取り囲まないことが重要であるが、なぜならこれがパイプを凍らせたり、他のダメージまたは低クオリティの分配の原因になるためである。

実施の形態では、これは氷厚プローブによって成し遂げられており、その一例が図３～７に示されている。各図には３つのプローブ２０、２１、２２が示されている。図示のとおり各プローブは、それがコンテナの蓋２４によって支持された場所からほぼ垂直に延び、垂直方向下向きに垂れ下がっている。各プローブは、図８に示すように、同軸シース２６内に配置された中央導体２５を有する。導体の最底端２８は、シースの最底部２７を越えて延びている。プローブへの電流供給およびその結果測定のために用いられるコントローラ（図示せず）への接続のため、導体は上端でもシースから突出している。

図示のとおり、プローブはパイプ４と冷却コイル２の間に設置されている。これらはまた、プローブ２０が他のプローブよりもコイル２の近くに配置されるように配置されている。すなわち、冷却コイル２の最も近い部分までのプローブ２０の最短距離は、プローブ２１および２２のいずれかの冷却コイル２までの最短距離よりも近い。したがってプローブ２１および２２はプローブ２０よりも、冷却される流体を運ぶパイプ４に近い位置に設置されている。実施の形態によっては、プローブ２１および２２はいずれも、パイプ４から同一距離だけ離れている。一般的には図示のとおり、コイルは概ね四角形の形状であって、四角形のコンテナの辺に沿って直線部分が延びており、コンテナのコイルに湾曲部分を有している。プローブは概して言えば、長辺の１つに沿って配置されており、プローブ２０がプローブ２１および２２よりも冷却コイル２に近く、プローブ２１および２２はパイプ４から、かつ同様にパイプ２から、等距離となっている。

図４は図３を拡大したものであり、プローブの配置をより明確に示している。プローブは、露出した底縁２５ａがハウジングから上方に距離を空けて配置され、その地点での水／氷のコンダクタンスが測定可能とされている。
よって各プローブは電極として機能する。

図５は、プローブ集合体の上部の詳細を拡大して示すもので、どのような状態でプローブ２０が他の２つのプローブよりもコンテナの外側に近い位置にあるかを明瞭に示している。

図６は、炭酸化タンク３０を例示するさらなる切り欠きバージョンを示す。これはパイプコイル４内に置かれている。
本発明の実施の形態には、アジテータが存在してもよいししなくてもよい。

図７は、プローブが冷却コイル２と分配される液体用のパイプ４の間に配置されていることを明示する別の視点を示すものであって、プローブ２０は他の２つのプローブよりも冷却コイルに近い。

次に使用時の装置について説明すると、まずコンテナが水または他の凍結可能な液体で満たされる。冷却剤が冷却剤／蒸発コイル２に供給される。冷却サイクルの開始時点で氷を作ることが望まれる場合には、連携する３つのプローブによって水のコンダクタンスが測定される。コンダクタンスは、プローブ２０とプローブ２１、プローブ２０とプローブ２２、プローブ２１とプローブ２２の間で測定される。これは水の基準コンダクタンスを定めるもので、氷が形成される前、あるいは少なくとも実質的な氷が形成される前に行われる。

コンダクタンス値は、各ペアのプローブ間に順に電圧信号を印加し、信号減衰を測定することで測定される。よってこれによりプローブの露出部分間で、水が氷に変わる際に変わる水のコンダクタンスを測定できる。典型的には、プローブはＤＣ信号によって作動されるものであって、交替で作動させられ、相対的なコンダクタンスが一対一で、かつ異なるペア間で、例えば、最初にプローブ２０と２１の間のコンダクタンス、次にプローブ２０と２１の間のコンダクタンス、さらにプローブ２１と２２の間のコンダクタンスが特定される。このサイクルは繰り返し可能である。

電気信号強度が測定され、アルゴリズムを用いてコンダクタンスが決定される。信号強度からコンダクタンスを決定するアルゴリズムは公知であり、例えばＤＣ信号強度の減衰を予想されるコンダクタンスと関連付ける。これには一般的にマイクロコントローラが用いられるが、ＤＣであるなしにかかわらず、他のタイプのコントローラであってもよい。

氷の発生は、蒸発器または冷却器コイル２０の表面から始まる。育っていくとやがて第１のプローブ２０に達し、プローブ２０における氷の存在が、プローブ２０と２１の間およびプローブ２０と２２の間のコンダクタンスの監視により検知される。コンダクタンスは氷がプローブ２０上で育つにつれて変化し始める。

その後冷却は、氷が第２および第３位置のプローブの位置によって規定された厚さに達するまで、すなわちこれらのプローブに達するまで続く。よって第２および第３のプローブは、最も好ましくは冷却コイルと分配パイプの間の位置に配置されており、そこまで氷が達することが許されている。氷がプローブ２１と２２（これらは冷却コイルからほぼ等距離であり得ることを想起されたし）に到達した時、３組のプローブ間のコンダクタンスが変化する。このコンダクタンスの変化が、水が液体から固体すなわち氷に状態変化したことを示す。これが検知され、冷却をオフにするのに用いられる。

この最初の冷却サイクルが終了した後も、プローブは相互間のコンダクタンスを監視し続ける。これは氷の厚さを作動中ずっと監視し続ける。氷が溶けて分配パイプから後退し始めると、氷がプローブ２１と２２の周囲に存在しなくなった時にポイントに達し、コンダクタンスの変化によってこれが検知される。すると冷却機構が再びオンとなり氷の量が増え、これが繰り返されて氷の量を安定的に制御可能な範囲に保つ。

他の実施の形態では、圧縮機（冷却器機構）が再びオンにされるまでに、氷がプローブ２０を越えて後退することが許される。これは圧縮機のオンオフ信号の数を減らし、圧縮機の短期サイクルの数を減らすためである。

氷の厚さは装置の作動中継続的に監視されてもよいし、装置が電源オンだが例えばスタンバイモードである時に監視されてもよい。

分配装置の作動中に、もしも第２と第３のプローブ２１、２２が液体の水に暴露されたら、すなわち氷が溶けて厚さが減少し始めたら、コンダクタンスの変化を監視しているマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラによってこれが検知される。これは冷却システムをオンにし失われた氷の厚さを補うための信号として用いられる。氷は周囲環境への熱伝達によって失われるので、冷水送出を最大化するために、氷の厚さは本発明の実施の形態によって継続的に監視されるものとできる。

氷が分配パイプに向けて許容された距離まで広がったことを正しく監視するためには、３つのプローブを用いることが望ましい。仮に第２のプローブが１つだけだと、望みの方向での全体的な氷の生成ではなく、氷の厚さにおける局所的変化のスパイクを監視することになりかねない。よって本発明の実施の形態は、好ましくは少なくとも３つのプローブを用いる。環境によっては４つ以上のプローブも用いられる。例えば、冷却コイルに最も近い第１のプローブに加えて、氷の分布の均一さをさらに徹底的に測定すべく、冷却コイルからさらに遠くに３つ以上のプローブが用いられていてもよい。

さらに、水のＴＤＳ（全溶解性蒸発残留物）レベルを測定するのに３つのプローブ構造体が利用可能であり、全３つのプローブの間（すなわちプローブ２０からプローブ２１、プローブ２０からプローブ２２、プローブ２１とプローブ２２の間）の測定値は、信頼度の高いＴＤＳレベルの測定値を得て、これを単一氷厚測定値から区別するのにとても役立つ。

水冷却コイルに最も近い２つのプローブが該コイルに対して概ね並行に配置されるものとすることで、望みの厚さまで氷が育ったことをこれらがチェックすることが可能となる。

それによって氷のレベルを測定および制御可能な、様々な制御方法が利用可能である。圧縮機は、冷却剤の流れを制御し、よって温度を制御するために用いられる。制御ユニットは、必要に応じて圧縮機にオンオフの指示を与え、氷のレベルを一定に保ち、よって冷却パイプでアイスバスの温度を一定に保つ。これはまた、そこで用いられるアジテータまたはインペラを制御するために用いられてもよい。

４つ以上のプローブを含むことも有益たり得る。３つ以上のプローブが４つ目のプローブよりも分配される液体を運ぶパイプの近くに配置されていれば、これらを互いに離間させることで、使用者は氷厚が均一であるかをチェックできる。

冷却コイルおよび分配される液体を運ぶパイプは、図示のものとは違う配置であってもよい。いかなる配置であろうと、プローブは両者の間にあって、少なくとも１つのプローブが他のものより冷却コイルに近いものでなくてはならない。

Claims (11)

1. コンテナと、前記コンテナ内の液体を氷に変える冷却コイルと、分配のためにアイスバスによって冷却される液体を運ぶパイプと、氷の厚さを測定するための少なくとも３つの導電性プローブとを含むアイスバスであって、前記導電性プローブが、前記冷却コイルと分配される液体を運ぶ前記パイプとの間に配され、第１の導電性プローブが、少なくとも第２および第３の導電性プローブよりも前記冷却コイルの近くに配され、これにより前記第２および第３の導電性プローブが、前記第１の導電性プローブよりも前記パイプの近くに配され、ここで前記第２および第３の導電性プローブは前記冷却コイルから等距離であって、
   前記第１の導電性プローブと前記第２の導電性プローブ、前記第１の導電性プローブと前記第３の導電性プローブ、前記第２の導電性プローブと前記第３の導電性プローブの間のコンダクタンスを測定する手段をさらに含むアイスバス。
2. ３つの導電性プローブが設けられ、うち１つが前記第２および第３の導電性プローブよりも前記冷却コイルの近くにある請求項１記載のアイスバス。
3. 前記コンテナは側壁を有し、前記冷却コイルは、分配される液体を運ぶ前記パイプよりも前記側壁の近くにあり、前記導電性プローブは、前記冷却コイルと前記パイプの間に設置されている請求項１または２に記載のアイスバス。
4. 前記パイプはコイル状に設けられている請求項１ないし３のいずれかに記載のアイスバス。
5. 前記第２および第３の導電性プローブは、分配される液体を運ぶ前記パイプからも等距離である請求項１ないし４のいずれかに記載のアイスバス。
6. ４つ以上の導電性プローブを有し、前記導電性プローブのうち少なくとも１つが、他の導電性プローブの少なくともいくつかより前記冷却コイルに近い請求項１ないし５のいずれかに記載のアイスバス。
7. コンダクタンスを測定する前記手段が、各ペアの導電性プローブ間のコンダクタンスを順に測定すべく配置されている請求項１ないし６のいずれかに記載のアイスバス。
8. 各ペアの導電性プローブ間のコンダクタンスを測定すべく、ＤＣ電流がコントローラによって、前記導電性プローブに順に印加される請求項１ないし７のいずれかに記載のアイスバス。
9. 請求項１ないし８のいずれかに記載のアイスバスでの氷の蓄積を測定する方法であって、前記第１の導電性プローブと前記第２の導電性プローブ、前記第１の導電性プローブと前記第３の導電性プローブ、前記第２の導電性プローブと前記第３の導電性プローブの間のコンダクタンスを順に測定し、コンダクタンスの測定値を用いて、氷が前記第１の導電性プローブに到達した時、氷が前記第２および第３の導電性プローブに到達した時、氷が前記第２および第３の導電性プローブから後退し始めた時、のいずれかを特定し、この測定を用いて装置を制御し氷を生じさせる方法。
10. 前記冷却コイルから前記第１の導電性プローブまでの厚さの値として最小氷値が定められ、前記第２および第３の導電性プローブの両方までの氷厚さの程度として最大氷値が定められ、前記コンテナ内の前記液体内の氷の量を、前記最小氷値と前記最大氷値の間に維持するように着氷を制御する請求項９記載の方法。
11. 前記コンテナ内の液体の全溶解性蒸発残留物を測定するための請求項１ないし８のいずれかに記載のアイスバス装置の使用。

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