KR20130004498A - 냉각 관련 또는 냉각의 개선 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉각 관련 또는 냉각의 개선에 관한 것이다. 냉각될 제품을 수용하는 캐비티를 포함하는 냉각 장치가 설명된다. 상기 장치는 캐비티 내에 수용된 제품을 회전시키는 회전 수단 및 캐비티에 냉각수를 제공하기 위한 냉각수 공급 수단을 포함한다. 상기 장치는 캐비티에 추가적인 움직임을 인가하는 수단을 더 포함한다.

Description

냉각 관련 또는 냉각의 개선{Improvements in or Relating to Cooling}

본 발명은 냉각 관련 또는 냉각의 개선에 관한 것이다.

음식물 공급업, 소매업, 및 엔터테인먼트업 분야에서, 여러 형태의 판매 장치들이 제품을 냉각 상태를 유지하기 위해 사용되어 왔다. 차가운 음료를 위한 이러한 장치들은 전형적으로 두 그룹- 상업용 음료 냉장고 및 차가운 음료 자동판매기- 을 형성한다. 두 종류의 장치들 모두는 기본적으로, 첫 번째 그룹의 경우에서 여닫이문(hinged door) 또는 미닫이문(sliding door)을 구비한(수동 분배를 위하여) 대형의 전면 유리를 가진 냉장고이거나, 두 번째 그룹의 경우에서 분배기(dispensing mechanism)이다. 이들은 구매를 위한 음료를 미리 냉각하고 저장한다. 많은 경우에, 음료들은 최종적으로 구매되기 전에 오랜 시간 동안 낮은 온도로 유지된다. 결론적으로 어쩌면 불필요할 수도 있는 상당한 에너지가 사용된다. 상기한 문제점과 복합되어, 양 종류의 장치 모두 비효율적으로 작동한다. 사용시에, 첫 번째 그룹의 음료 냉장고는 대형 도어가 열릴 때마다 상당한 냉기의 손실을 겪는다. 자동판매기(Vending machines)는 사용자에 의해 상품(item)이 선택되는 판매 트레이(vending tray)에 이동하기 쉬운 통로를 제공해야만 하고, 이것에 의해 실링(sealing)이 빈약하게 된다. 냉장 시스템은 일반적으로 효율을 유지하기 위해 백그라운드 동작 사이클(backgroud running cycle)이 작동될 필요가 있는 데, 이것은 추가의 에너지를 사용하지만 내용물들을 냉각하는 데 직접적으로 기여하지는 않는다.

많은 음료 소매자들에게 제품이 쉽게 보이도록 하고 접근을 쉽게 하기 위해 전면이 오픈된 냉장 보관대에 음료을 진열하는 것이 또한 알려져 있다. 그러나 이러한 보관대는 매우 큰 에너지를 낭비하는 것이 명백하다.

최종적인 결론은 언제 판매될지 모름에도 불구하고 음료를 오랜 기간 동안 차가운 상태의 구매 준비 상태로 유지하는 것에 사용되는 전기 에너지의 낭비가 매우 높은 수준이라는 것이다.

에너지 낭비는 자동 판매기를 운영하는 기업 지점들에만 국한되는 것은 아니다. 많은 소규모 구멍 가게(corner shop), 주유소, 카페 아웃렛들이 음료 냉각 보관대를 관리하고 있다. 운영주들에게, 전기 에너지 비용은 이들을 운영하기 위한 간접 비용 중 큰 비율에 해당될 것이다. 에너지 낭비만이 이슈가 아니다. 냉장 시스템은 열을 발생시키기 때문에, 종종 냉장 시스템으로부터 부산물로 발생하는 낭비성 열 에너지는 머신(machines)이 위치한 주변 영역을 데우는 원치 않는 결과를 초래한다. 이것은 사용자가 사용자에게 만족감을 주는 차가운 음료를 불만족스러운 데워진 영역에서 마셔야 한다는 모순을 일으킨다.

냉각 속도 또한 중요한 문제가 되는 데, 특히 콘서트, 스포츠 이벤트 등의 특별한 행사가 열리는 곳 같이 높은 음료 매출을 올리는 점포에서 이슈가 된다. 종종, 행사의 시작시에 음료들은 여러 시간 동안 냉장되어 온 것에 의해 충분히 냉각되어 있다. 그러나 행사가 일단 진행되고 나면, 팔리는 음료의 양이 추가의 음료들을 냉각하기 위한 냉장고의 용량을 넘어선다. 그리고나면 음료는 단지 부분적으로만 차게 냉각되거나 전혀 냉각되지 않은 상태로 팔릴 수밖에 없다.

본 발명은 요구가 있을 때 언제든지 음료를 냉각하는 것을 허용하는 장치를 제공함으로써 상기한 문제점을 해결하기 위한 것이다. 상기 장치는 독립형 장치 일 수 있으며 자동판매기에 일체화될 수 있다.

우리의 선출원인 국제공개번호 제WO2011/012902호는 냉각될 제품을 수용하기 위한 캐비티(cavity)를 포함하는 냉각 장치를 설명한다. 상기 장치는 상기 캐비티 내에 수용된 제품을 회전시키는 회전 수단 및 상기 캐비티에 냉각 유체(cooling fluid)를 제공하기 위한 냉각 유체 공급 수단을 포함한다. 추가의 배경지식을 원하는 독자는 그 공개를 참조하면 된다. 회전 수단은 미리 설정된 시간 동안 펄스식(pulsed) 또는 비-연속적인 회전을 제공하도록 된다.

우리는 캔 또는 음료를 위한 다른 용기가 냉각 되도록 수용할 수 있는 캐비티를 포함하는 장치를 개발하였다. 캐비티는 캔이 고속으로 회전될 수 있도록 하는 모터 구동 턴테이블을 포함하고, 또한 회전을 허용하는 동안 턴테이블 상의 원래 위치에 캔을 유지하기 위한 수단을 포함한다. 또한 장치는 냉각 액체를 위한 공급 수단을 포함한다. 캐비티 자체가 회전하거나 혹은 용기가 캐비티 안에서 회전할 수 있다.

봉인된 캔의 냉각 리그(rig)가, 소금 응결을 감소시키기 위한 회전 교반기를 갖는 냉각 탱크에, 대략 -16℃로 냉각된 소금물 용액을 사용하기 위하여 제조되었다. 다이어프램 펌프(diaphragm pump)가 냉각통(cooling vessel)을 약 5 liters/min 의 비율로 충진시키기 위해 사용되었다. 냉각통은 표준형의 캔을 받아들일 수 있도록 설계되었으며, 약 12Hz / 720rpm 으로 회전될 수 있다. 펌프의 유량(flow rate) 및 캔의 회전 속도는 제어될 수 있다. 음료의 실시간 냉각율은 기록되었다.

우리는, 캔의 회전 동안 소용돌이가 강제적으로 발생하고, 캔의 내부에서 소용돌이의 깊이는 회전 속도에 의존한다는 것을 확인하였다. 캔의 내부에 강제 대류가 발생하고 인공적으로 유도된 대류 흐름이 발생한다. 그리고 나서 회전이 정지될 때, 자유 소용돌이(free vortex) 또는 붕괴 소용돌이(collapsing vortex)가 형성되고 자연 대류가 발생하며, 캔의 내용물의 혼합이 증진되지만 핵형성(nucleation) 및 과도한 거품 현상을 유도하는 공기 버블들의 통합은 없었다.

그러나, 이러한 붕괴 소용돌이가 없는 정지 상태의 캔에서는, 더 차가운 음료는 밀도가 높아지므로 캔의 바닥으로 가라앉는다. 캔 내용물의 혼합이 매우 빈약하고 이로 인해 빈약한 열적 균형이 유도되며, 그리고 많은 경우에 얼음 형성(ice formation) 또는 "슬러싱(slushing)"을 초래한다. 우리의 이전 작업에서, 우리는 간헐적인 혹은 펄스식 회전이 이 문제를 극복하였음을 확인하였다. 그러나, 그것은 음료 용기가 속도가 느려져서 제 속도로 돌아오기 때문에 냉각에 지연을 초래한다.

본 발명은 더 향상된 냉각율을 제공하기 위한 것이다.

가장 넓은 의미에서, 본 발명은 제품을 냉각시키기 위한 냉각 장치를 제공하며, 장치는 적어도 2개의 자유축이 있는 제품에 움직임을 인가하도록 된 것이다.

따라서, 본 발명은 냉각될 제품을 수용하기 위한 캐비티를 포함하는 냉각 장치를 제공한다. 장치는 캐비티에서 수용된 제품을 회전시키기 위한 회전 수단 및 캐비티에서 냉각수를 제공하기 위한 냉각수 공급 수단을 포함한다. 장치는 캐비티에 추가적인 움직임을 인가하기 위한 수단들을 추가로 포함한다.

제 1 실시예에서, 추가적인 움직임은 선형 움직임이다. 바람직하게는, 선형 움직임은 왕복 움직임이다.

바람직하게는, 왕복 움직임은 적어도 분당 50 진동률이며, 더 바람직하게는 적어도 분당 80 진동률, 심지어 더 바람직하게는 적어도 분당 100 진동률이다. 유리하게는, 그 왕복 움직임은 분당 약 120 진동률이다.

다른 실시예에서, 회전 수단은 두 개의 평행으로 일치하지 않는 축에 대하여 제품을 회전시키도록 된다. 바람직하게는, 축 중 하나는 제품의 축이다.

바람직하게는, 회전 수단은 분당 90 회전 혹은 그 이상, 더 바람직하게는 적어도 분당 대략 180 회전, 심지어 더 바람직하게는 적어도 분당 대략 360 회전의 회전 속도로 제품을 회전시키도록 된다.

선택적으로, 회전 수단은 캐비티 안에서 제품을 회전시키도록 형성된다. 대안적으로, 회전 수단은 캐비티를 회전시키도록 된다.

바람직하게는, 냉각수는 냉각 유체이며, 냉각 유체 공급 수단은 캐비티에 냉각 유체의 흐름을 제공하도록 된다.

바람직하게는, 냉각 유체는 -10°C 혹은 그 이하, 더 바람직하게는 -14°C 혹은 그 이하, 심지어 더 바람직하게는 -16°C 혹은 그 이하의 온도로 캐비티에 공급된다.

어떤 실시예들에서, 장치는 위에서 설명된 캐비티를 복수개 포함한다.

통상의 실시예들에서 장치는 판매 장치에 일체화되고, 판매 장치는 냉각될 제품을 캐비티 내로 도입하고 냉각된 제품을 캐비티로부터 배출할 수 있도록 하는 도입 및 배출 수단을 더 포함한다.

바람직하게는, 판매 장치는 제품 또는 일정 양의 제품을 저장하기 위한 저장 수단 및 저장 수단으로부터 캐비티 내로 도입되기 위한 제품을 선택하는 선택 수단을 더 포함한다.

본 발명에 의하면 요구가 있을 때 언제든지 음료를 냉각하는 것을 허용하는 장치를 제공한다.

본 발명에 관한 상술한 측면 및 다른 측면들이 첨부된 도면을 참조로 예시에 의하여 더욱 상세하게 설명될 것이다. 그 첨부된 도면의 도 1은 본 발명에 따른 장치의 제 1실시예의 사시도이며; 도 2는 도 1의 상기 장치의 여러 시험들에서 얻어진 냉각률을 나타내는 그래프이며; 및 도 3은 본 발명에 따른 장치의 제 2실시예의 도식적인 평면도이다.

장치의 가장 기본적인 형태에서, 냉각 액체는 간단히 캐비티 내로 부어지고 그리고 나서 냉각 공정의 끝에서 제거된다. 바람직한 실시예에서, 장치를 통한 냉각 액체의 흐름이 제공된다.

도 1은 테이블(12)에 장착된 음료 용기를 수용하기 위한 캐비티(11)을 포함하는 리그(rig)(10)를 나타낸다. 캐비티(11)는 테이블(12)의 밑에 장착된 전기 모터(13)에 의해서 회전할 수 있다. 테이블(12)은 한 쌍의 평행 트랙(14)에 미끄러도록 장착되는 것에 의해 왕복 운동을 할 수 있으며, 추가 모터(16)에 의해서 구동되고 중심을 달리해서 장착된 링크 로드(link rod)(15)를 포함하는 캠 장치(cam arrangement)에 의해서 왕복운동을 하게 된다. 링크 로드(15)는 5㎜ ~ 25㎜의 다양한 스트로크(stroke) 범위를 제공하도록 조절가능 하다. 대안적 장치들은 단일 모터의 사용을 허용하는 기어 장치(gearing arrangement)를 포함해서 당업자에게는 명백할 것이다. 따라서, 장치는 두 개의 자유도에 대하여 캐비티(11)에 배치된 음료 용기에 움직임- 캐비티(11)의 회전 축에 관한 회전 움직임 및 테이블(12)의 상호 동작 방향에 관한 선형 움직임-을 제공할 수 있다.

냉각률은 도 2에 나타낸 상온(room temperature)에서 330ml 알루미늄 캔을 이용하여 얻었다. 세가지 케이스 모두 회전 속도는 분당 350 회전이었다. 상호 동작은 (74mm/s의 움직임에 상당한) 18.5㎜의 단일 스트로크 길이로 분당 120 진동률에서였다. 냉각수 온도는 4.25 l/min의 비율로 캐비티(11)를 통해 흘러서 - 14.5°C 였다. 캐비티의 유효 용적(effective volume)은 표준형 지름 캔의 둘레 약 20mm의 냉각 액체의 재킷과 동일한 650ml였다.

제어로서, 국제공개번호 제WO2011/012902호 (선형 움직임 없이 단속적인 회전만으로)의 장치에 의해서 얻을 수 있는 냉각률은 70초를 조금 지난 시간 동안 22°C ~ 4°C의 예시적인 상온으로부터의 냉각을 보여주는 라인 (i)로 나타낸다. 비교해 보면, 도 1의 리그(rig)는 54초(라인 iii) 및 58초(라인 ii) 내에서 4°C의 냉각을 얻어냈는데, 18 ~ 23%의 개선이다.

장치는 음료 용기 안에서 랭킨 소용돌이(Rankine vortex)의 발생을 (적어도 이상적인 설정에서) 유도한다고 제시되고 있다. 투명한 캐비티(11) 및 투명한 용기에서의 목측 관찰(visual observation)은 이것이 실제임을 확인해 준다.

랭킨 소용돌이 혹은 랭킨 같은(Rankine-like) 소용돌이를 일으키는 것에 대하여 다른 기술이 가능한데, 예를 들면, 주전원 회전(epicyclic rotation), 단일 평면(single plane) 요동 및 다중 창(multi-pane) 요동을 포함하여, 예를 들면 국부적인 만입(localised indentation), 축에서 벗어난 회전, 혹은 축에 수직으로 용기의 회전에 의해 용기에 불균형을 도입하는 것; 회전하는 동안 용기에 쇼크웨이브 (shockwave)를 도입하는 것; 혹은 예를 들어 구심력을 도입하는 것에 의해서이다.

본질적으로는, 랭킨 같은 소용돌이와 같은 소용돌이는 전체 반경을 가로지르는 반경에 의해서 증가된 각속도(angular velocity)와는 다른 접선 속도 (tangential velocity)를 야기한다. 결과적으로, 음료는 솔드 매스(sold mass)로서 반응하지 않는다 - 전단변형(shear)이 존재하므로, 혼합이 일어난다.

통상의 실시예들에서 장치는 판매 장치에 일체화되고, 냉각될 제품을 캐비티 내로 도입하고 냉각된 제품을 캐비티로부터 배출할 수 있도록 하는 도입 및 배출 수단을 더 포함한다.

바람직하게는, 판매 장치는 제품 또는 일정 양의 제품을 저장하기 위한 저장 수단 및 저장 수단으로부터 캐비티 내로 도입되기 위한 제품을 선택하는 선택 수단을 더 포함한다.

판매 장치는 또한 전형적으로 코인-작동 기구(coin-operated mechanism) 또는 카드로부터 요금을 결제하기 위한 카드 판독 장치와 같은 요금 납부 장치(payment collection apparatus)를 포함할 것이다.

도 3의 음료 용기는 용기가 주전원(epicyclic) 방식으로 회전되는 하나의 장치를 나타낸다. 다시 말해서, 장치는 그 축(21)에 대하여 캔(20)과 같은 용기를 회전시키기 위한 주요 회전 수단 및 불일치 평행 2차 축(22)에 대하여 캔 축을 회전시키기 위한 이차적인 회전 수단을 포함한다. 이와 같은 회전 장치는 음료 자체의 더 큰 요동을 제공하여, 용기의 온도 경도(temperature gradient)를 낮춘다.

대류 열 전달은 경계층(boundary layer) 내에서의 유체 유동 영역(fluid flow regime)에 의하여 크게 지배된다. 경계층 내에서의 속도 구배(velocity gradient)의 증가는 대류 열 전달을 증가시킬 것이다. 레이놀즈 수(Reynolds number)는 경계층이 층류(laminar)인지 난류(turbulent)인지를 좌우하는 핵심 파라미터(parameter)이기는 하지만, 표면의 텍스처(texture) 또는 거칠기 및 국부적인 압력 구배(local pressure gradient)로 인해 천이(transition)될 수 있다. 이 장치에 의해 제공되는 용기 및 냉각수의 움직임이 더 복잡해질수록 경계층 내에서의 속도 구배 및 두께를 제어하는 데 더 큰 자유도를 준다. 이것은 신속한 냉각을 달성하기 위한 이전의 시도들을 방해한 슬러싱 또는 얼음 형성을 제거하면서, 장치가 대류 열전달을 최대화하는 것을 가능하게 한다.

본 발명은 또한 상술한 장치들과 일체화된 자동판매기를 제공하기 위한 것이다. 종래의 자동판매기에서, 전체 저장 공간은 절연되어야만 하지만, 대략 400 캔을 저장하기 위한 캐비티의 절연은, 열 전달을 막기 위하여, 공기를 가두는 절연폼(insulating form) 또는 매트(mat) 또는 다른 재료들을 사용해야만 달성될 수 있었다. 이들 재료들은 상대적으로 열 절연에 비효율적이다.

게다가 오직 요구가 있을 때마다 언제든지 음료들을 냉각시킬 수 있는 자동판매기를 제공하기 위해, 본 발명은 많은 캔 또는 다른 음료 용기들을 상온에서 저장할 수 있고 오직 작은 수, 대략 16개 정도가 낮은 온도 또는 음용 온도에서 저장되는 자동 판매기를 제공한다.

결론적으로, 낮은 온도의 용기가 저장되는 캐비티는 더욱 효율적인 수단, 예컨대 진공 절연 패널(vacuum insulation panel)들에 의해 절연될 수 있다. 냉각 장치는 상온의 저장 캐비티와 냉각 저장 캐비티 사이에 제공된다.

두 개의 저장 영역의 사용은 전체적인 에너지 소비를 상당히 감소시키며, 또한 급속 냉각 장치에 요구되는 전력 소비율을 감소시킬 것이다.

정확한 온도를 유지하기 위하여 냉각 저장 장치에 추가의 저 레벨 냉각이 제공될 수 있지만, 소용량의 진공 절연 캐비티에서 온도를 유지하기 위한 소비되는 에너지는 종래의 기기에서보다는 실질적으로 더 낮다.

Claims (13)

1. 냉각될 제품을 수용하는 캐비티;
   상기 캐비티 내에 수용된 제품을 회전시키는 회전 수단 및;
   상기 캐비티에 냉각수를 제공하기 위한 냉각수 공급 수단을 포함하며,
   상기 캐비티에 추가적인 움직임을 인가하는 수단을 더 포함하는 냉각 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 추가적인 움직임은 선형 움직임인 냉각 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 선형 움직임은 왕복 움직임인 냉각 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 왕복 움직임은 적어도 분당 50 진동률이며, 더 바람직하게는 적어도 분당 80 진동률, 심지어 더 바람직하게는 적어도 분당 100 진동률인 냉각 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 왕복 움직임은 분당 약 120 진동률인 냉각 장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 회전 수단은 두 개의 평행으로 일치하지 않는 축에 대하여 제품을 회전시키도록 된 냉각 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 축 중 하나는 제품의 축인 냉각 장치
8. 선행하는 항들 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 회전 수단은 분당 90 회전 또는 그 이상, 더 바람직하게는 적어도 분당 대략 180 회전, 심지어 더 바람직하게는 적어도 분당 대략 360 회전의 회전 속도로 제품을 회전시키도록 된 냉각 장치.
9. 선행하는 항들 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 냉각수는 냉각 유체이며, 냉각 유체 공급 수단은 상기 캐비티에 냉각 유체의 흐름을 제공하도록 된 냉각 장치.
10. 선행하는 항들 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 냉각 유체는 -10°C 혹은 그 이하, 더 바람직하게는 -14°C 혹은 그 이하, 심지어 더 바람직하게는 -16°C 혹은 그 이하의 온도로 상기 캐비티에 공급되는 냉각 장치.
11. 선행하는 항들 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 회전 수단은 미리 설정된 시간 동안 펄스식(pulsed) 또는 비연속적인 회전을 제공하도록 된 냉각 장치.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 하나의 항에 따른 냉각 장치를 포함하는 판매 장치로서,
    냉각될 제품을 상기 캐비티 내로 도입하고 상기 캐비티로부터 냉각된 상기 제품을 내보내기 위한 도입 및 배출 수단을 포함하는 판매 장치.
13. 제12항에 있어서,
    제품 또는 일정 양의 제품을 저장하기 위한 저장 수단 및,
    상기 저장 수단으로부터 상기 캐비티 내로 도입되는 제품을 선택하는 선택 수단을 더 포함하는 판매장치.

Images