JP2013500458A - 冷却における改良 - Google Patents

Abstract

本発明は、冷却における改良に関し、特に、缶またはボトルなどの容器に入った飲料を冷却することに関する。冷却装置は、冷却される製品を受け入れるためのキャビティと、キャビティに入れられた製品を回転させる回転手段と、キャビティに冷却液を供給する冷却液供給手段と、を備える。回転手段は、毎分９０回転以上の回転速度で製品を回転させ、予め決められた期間、間欠または間断的な回転をもたらす。

Description

本発明は、冷却における改良に関する。

ケータリング、小売り、および、娯楽産業の分野では、製品を冷蔵しておく様々な形式の販売装置が用いられている。冷却飲料用の販売装置を例にとると、それらは、業務用飲料冷蔵庫と、冷却飲料自動販売機との２つのグループに分けられる。第１のグループ（手で取り出す形式）の場合または第２のグループの自動販売機の場合においても、装置はいずれも基本的に、ちょうつがい式またはスライドドアを有する、前面がガラス張りの大型冷蔵庫である。これらの冷蔵庫は、購入される飲料を予め冷却して貯蔵しておく。多くの場合、飲料は、最終的に購入されるまで長期間低温に保たれている。したがって、ともすれば必要のない大量のエネルギーが消費される。さらに言えば、どちらのタイプの装置も動作が非効率である。使用中、第１のグループの冷蔵庫は、大きいドアが開けられるたびに冷たい空気がかなり失われる。自動販売機は、ユーザが飲み物を取り出す取り出しトレーへのアクセスが容易でなければならないので、密閉性が悪い。冷却システムは、一般的に、効率性を維持するために、バックグラウンドでの動作サイクルを通じて用いられるべき要件を有するが、これは、中身を冷却するのには直接関与しない付加的エネルギーを消費する。

また、多くの飲料小売業者に知られていることであるが、前が開放された冷蔵キャビネットに飲料を置くと、製品が良く見え、手を伸ばしやすい。これらのキャビネットがさらに大きなエネルギーを消費するのは言うまでもない。

結果として、購入される可能性に関わらず、いつ購入されてもよいように飲料を長期間冷却状態に保つことは、相当な量の電気エネルギーを無駄にするということになる。

エネルギー浪費の問題は、自動販売機を扱う企業に限ったことではない。多くのコーナーショップ、ガソリンスタンド、カフェも飲料冷却キャビネットを扱う。これらの経営者にとって、電気エネルギーのコストは、運営費中で高い比率を占めることになる。エネルギー浪費問題は、これだけにとどまらない。冷蔵システムは熱を発するので、冷蔵システムからの副産物である無駄な熱エネルギーによって、マシン周りの局所領域が不必要に暖めてられてしまうことがよくある。これによって、ユーザが飲む飲料は、温まってしまう領域に保管されているにもかかわらず、適切な温度に冷えている、という矛盾が生じる。

また、特に飲料の売り上げが高い施設、例えば、コンサート、スポーツなどの特別なイベント会場の店舗では、冷却速度も課題となる。多くの場合、イベントの開始時には、数時間冷蔵されていた飲料は、適切に冷えている。しかしながら、イベントが行われているうちに、売れる飲料の量は、さらなる飲料を冷却する冷蔵庫の容量を上回る。そして、あまり冷えていないか、または、まったく冷えていない飲料が売られてしまうことになる。

本発明は、これらの課題に取り組み、必要に応じて飲料を冷却できる装置を提供することを目的とする。装置は、スタンドアロン型の装置、または、自動販売機に組み込まれてよい。

本発明は、冷却される製品を受け入れるキャビティを備える冷却装置を提供する。装置は、キャビティに入れられた製品を回転させる回転手段と、キャビティに冷却液を供給する冷却液供給手段と、を備える。回転手段は、毎分９０回転以上の回転速度で製品を回転させ、予め決められた期間、間欠または間断的な回転をもたらす。

好ましくは、回転手段は、毎分１８０回転以上、より好ましくは、毎分少なくとも約３６０回転の回転速度で製品を回転させる。

好ましくは、冷却液供給手段は、キャビティに冷却液を流す。

冷却液は、マイナス１０度以下、より好ましくは、マイナス１４度以下、さらに好ましくはマイナス１６度以下でキャビティに供給される。

請求項１から４のいずれか１項に記載の冷却装置であって、回転手段は、製品が当該製品自身の軸の周りを回転するようにし、冷却装置は、製品が回転する間の軸の移動を防止するかまたは実質的に阻止する保持手段をさらに備える。

請求項１から５のいずれか１項に記載の冷却装置であって、回転手段は、製品を、予め決められた回転期間回転させ、予め決められた中断期間回転させず、その後さらなる予め決められた回転期間回転させる、という少なくとも１サイクルで製品を回転させる。

請求項６に記載の冷却装置であって、回転手段は、少なくとも２サイクル、より好ましくは３から６サイクル、さらに好ましくは、３または４サイクルで回転を実行する。

請求項６または７に記載の冷却装置であって、予め決められた回転期間は５秒から６０秒であり、好ましくは５秒から３０秒であり、より好ましくは５秒から１５秒であり、さらに好ましくは約１０秒である。

請求項８に記載の冷却装置であって、予め決められた中断期間は、１０秒から６０秒であり、好ましくは、１０秒から３０秒である。

特定の実施形態では、装置は、上記のようなキャビティを複数含む。

典型的な実施形態では、装置は、販売装置に組み込まれ、当該販売装置は、冷却される製品をキャビティに挿入し、キャビティから冷却された製品を抜き出すための挿抜手段をさらに備える。

好ましくは、販売装置は、１つの製品または製品の集まりを貯蔵する貯蔵手段と、キャビティに挿入するための製品を貯蔵手段から選択する選択手段と、をさらに備える。

図１は、本発明の第１の実施形態による装置を用いた冷却試験の結果をグラフで示す。 図２は、本発明の第１の実施形態による装置を用いた冷却試験の結果をグラフで示す。 図３は、本発明の第１の実施形態による装置を用いた冷却試験の結果をグラフで示す。 図４は、本発明の第１の実施形態による装置を用いた冷却試験の結果をグラフで示す。

以下に、例示目的のみで、本発明の上記および他の側面をさらに詳細に説明する。

飲料を容器毎に選択的に冷却する現行の手法を簡単におさらいすることは、本発明を説明する上で役立つであろう。飲料を収容する一般的な３３０ｍＬのアルミニウム缶は、４度から５度の一般的な動作温度に設定されている冷蔵庫の中で、２５度の周囲温度から、６度という快適な飲用に適した温度まで約４時間以上冷却され得る。この期間は、フリーザーだと５０分くらいに短縮される。

ペルチェクーラーが利用可能であり、このクーラーは、対向する異種の金属に電流を流したときに生じるペルチェ効果という物理現象に基づいている。一方の金属は、熱くなり、他方は冷たくなる。缶の冷却チャンバと接触する低温側は、缶の温度を下げる。ペルチェクーラーは、高性能コンピュータ冷却システム、および、科学ＣＣＤイメージングシステムにおいてすでに普及している。従来のクーラーは、携帯冷却ボックス、および、自動車の冷蔵庫に適用されているが、コンプレッサがかなりうるさく、かさばる。標準的な一缶の冷却サイクルタイムは、３０分から４５分を上回る。さらに、ペルチェ素子は、一般的に缶の凹んだ底部近傍に配置されるので、缶は非常に不均一に冷却される。したがって、これらの装置は、実際には、予め冷却された飲料の温度を維持する用途にしか適さない。

ゲル性の冷却ジャケットは、それらの大きさにもよるが、１５分足らずで缶やボトルを冷却する。これらのジャケットは、缶の周りに密着するよう設計されたスリーブに、高濃度のナトリウム系相転移材料を封入することによって機能する。その後、このスリーブは、フリーザー内で冷却され、各使用後にその都度冷却しなければならない。

ボトルおよび缶を冷却するための最先端の技法は、クーパークーラー（登録商標）であると考えられる。このユニットは、氷水に飲料容器を入れるかまたは浸しながら、水平にゆっくり回転させる。開始温度２５度から、３．５分以内に１１度まで冷却され、６分以内に６度まで冷却されることができる。このユニットは、十分に冷却するためにかなりの角氷を供給する必要がある。この技術の速度では商用には不十分であり、多数の角氷を必要とし、その氷によってボトルに貼られたブランドネームのラベルを損傷させることになる。

炭酸飲料には、圧力によって液体内に二酸化炭素が溶け込んでいる（ヘンリーの法則）。（開けたと同時に）圧力が低下すると、液体の二酸化炭素保持力が弱まり、よって二酸化炭素が液体から脱け出す。容器内の圧力が低下すると、すべての炭酸飲料は、容器を開けると同時に泡立つ。泡立ちすぎる（液体が容器から噴き出る）かどうかは、二酸化炭素がどれくらい速く溶液から脱けるかに依存する。泡立ちは、形成される泡のそれぞれの中心となる、容器内における核形成部位の利用によって高められる。

高速で回転させた場合には核形成が起きないので、炭酸飲料は過度に泡立たないだろうと特定した。それに対し、炭酸飲料が振られた場合、飲料の上にある空気溜りが小さく分かれて飲料全体に分散し、缶を開けたときに核形成部位として機能する。そして二酸化炭素は急速に膨張し、液体を缶の外へ追い出す。しかしながら、飲料が回転するだけであれば、空気溜りは実質的に損なわれない。液体全体を通じて、分散された核形成部位がわずかであれば、炭酸ガスはゆっくり抜けていく。

冷却される飲料用の缶または他の容器を受け入れるキャビティを備える装置を開発した。キャビティは、缶を急速に回転させることが可能な、モータで駆動されるターンテーブルと、缶をターンテーブル上で回転させながら適切な位置に保持するクランプとを含む。装置は、冷却液の供給手段も含む。

冷却液を単にキャビティ内へ注入し、冷却プロセスの終わりに取り除く。好適な実施形態では、冷却液は、装置内を流れる。

いくつかの試験において、噴霧冷却および液体流冷却が缶表面に及ぼす作用を調べた。これらの実験は、液体流冷却のほうがより良い結果を得られることを示した。噴霧冷却技術は、缶の中心部分を効率よく冷却することができず、外側は冷たく感じても、飲料を十分冷やしていなかった。

さらに、泡立たせないように缶を異なる速度で回転させる最適な方法を調べる一連の実験を行った。これらの実験は、５分間に３６０ｒｐｍで缶を回転させれば泡立たないことを示した。軸回転運動は、均一に混ざらないか、あるいは、猛烈に泡立つかの結果を生じた。

さらにコンセプトを展開すべく、密閉式缶冷却器具を製造し、食塩の凝固を抑制するための攪拌器を備えた冷却タンクで約−１６度まで冷やされた食塩水を用いた。冷却容器を毎分５リットルの速度で満たすためにダイヤフラムポンプを用いた。この冷却容器は、標準的な缶を受け入れ、その缶を１２Ｈｚ／７２０ｒｐｍまで回転させられるように設計されている。ポンプの流量および缶の回転速度は、調整可能である。飲料のリアルタイムの冷却速度を記録した。

缶を回転する間に、強制渦が発生し、缶内での強制渦の深さは、回転速度に依存すると特定した。缶の内部では強制対流がおき、人工的に誘発された対流を生じる。そして回転が止まると、自由または崩壊渦が形成され、自然対流が起き、核形成や泡立ち過ぎを引き起こしかねない気泡を含まずに缶の中身がよく混ざるようになる。

しかしながら、このように渦が崩壊しない、変化のない缶の内部では、冷たくなった一部が濃くなって缶の底へと沈む。缶の中身がよく混ざらないと熱均一性が悪くなり、多くの場合、凍るか、“軟氷”状態を招く。

均一に冷やされた飲料を作る際のさまざまな回転速度を評価するためのさまざまな実験を行った。以下の実験は、本発明を説明するのに役立つ。

［比較試験］
始めに、缶を回転させずに実験を行った。この結果を表１に示す。

上述のように、周囲温度は２０度から２２度である。飲料のうち缶の底にある部分は、所望の温度に十分冷やされたが、缶の上部は、最も冷えておらず、缶全体を通じて温度差が大きく、平均して冷やすことができない。

［実験的試験］
試験の第１グループでは、回転速度が冷却結果に及ぼす作用を調べようとした。結果は図１に示されており、温度スケールは、缶の中身の平均温度を示している。回転速度が速いほどよい結果が得られることがわかるだろう。そして、１８０ｒｐｍ（試験２）または９０ｒｐｍ（試験１）と比較して３６０ｒｐｍ（検査３）のほうが冷却速度は速い。これらの試験では、期待どおり、冷却キャビティが予め冷却されていることは、缶の中身が十分冷やされることにかなりの影響を及ぼした。さらに、これらの試験では、１８０ｒｐｍでは、缶の上部と底部との温度差がまだ６度あることに注目されたい。

そして、連続的に回転させるより間欠的に回転させるほうがよい効果をもたらすかどうかも調べた。間欠的な回転により、冷却プロセスにおいて渦を数回壊すことができるので、より均一な温度分布になることを期待してよいことが理解できよう。この結果を図２に示す。ここでは、間欠的な冷却によって、より高速な冷却が実現することが示されている。

さらに、冷却サイクルごとに回転数を変化させる試験を行った。この結果を図３に示す。より高速で回転させ、しかも中断数が多いほど、冷却勾配は急になることがわかるだろう。

上記結果に基づき、１０秒間３６０ｒｐｍで回転させた後に２０秒中断する試験をさらに行ったところ、時間が経つにつれ缶の温度に効果が現れた。この結果を表２に示す。

この結果は、約６度の所望の温度で飲料を均一に冷却する、ということに関しては、９０秒間に３サイクルで最適の冷却が達成できることを示している。冷却液（４リットル）の温度は、各試験で１．５度上昇したことに注目されたい。図４は、初期温度が２４度の缶に対する多数の試験の平均結果を示す。

約２４度の周囲温度から約６度まで缶を冷却するのに必要な全エネルギーは、以下の計算により約６ジュールであると特定した。

飲料缶の質量＝３５５ｇの水＋（一般的に）３９ｇの砂糖
熱エネルギーＱ＝質量×特定の熱容量×温度変化
理論上の飲料計算
Ｑ_{ｄｒｉｎｋ}＝Ｍ×Ｃ×ΔＴ
Ｑ_{ｄｒｉｎｋ}＝０．３９４×０．５８×−１８
Ｑ_{ｄｒｉｎｋ}＝４．１１ジュール
理論上の缶の計算
Ｑ_ｃａｎ＝Ｍ×Ｃ×ΔＴ
Ｑ_ｃａｎ＝（表面領域×厚さ×アルミニウムの質量）×２３７×−１８
Ｑ_ｃａｎ＝（０．０３２０１２×０．０００２５×５６．５）×２３７×−１８
Ｑ_ｃａｎ＝１．９３ジュール
１つの缶＋飲料を冷却するのに必要な全エネルギー＝Ｑ_ｃａｎ＋Ｑ_{ｄｒｉｎｋ}＝６．０４ジュール

以下は、現状の冷却方法に勝る本発明の装置の主な利点である。
１．強制対流を促進するための最適速度で缶を回転させる。
２．自由（崩壊）渦を生成して自然冷却対流を促進する。
３．強制渦と自由（崩壊）渦とを組み合わせることにより、均一に分布した温度で飲料を急速冷却する。

好適な実施形態では、装置は、冷却されるべき容器が挿入されるスリーブをさらに備え、当該スリーブは、例えば、ゴム膜、好ましくは、熱伝導率を高める金属粒子を含んだ膜などであってよい。密着する膜を介在させることによって、容器に貼られたラベル、特にラベルが紙の場合の損傷を防ぐことができる。

試験１から７までのすべての結果のデータを表３に示す。

商業用途としては、装置は、いくつかの容器を同時に冷やすための上記のようなタイプのキャビティを複数備えている方が有利である。

代表的な実施形態では、装置は、販売装置に組み込まれる。装置はさらに、冷却される製品をキャビティに挿入し、かつ、冷却された製品をキャビティから抜き出すための挿抜手段を備える。

好ましくは、販売装置は、１つの製品または製品の集まりを貯蔵する貯蔵手段と、キャビティに挿入するために製品を貯蔵手段から選択する選択手段とをさらに備える。

販売装置は、通常、例えば、硬貨投入式のマシン、または、カードから請求金額を控除するためのカード読み取り装置などの支払い徴収装置も含む。

熱伝導率は、境界層内の流体流れの状態によって主に支配される。境界層内の速度勾配を大きくすると、対流伝熱は大きくなる。レイノルズ数は、境界層を層流とするか乱流とするかを判断する主要パラメータであるが、面のきめまたは粗さ、および、局所的な圧力勾配によって遷移する。このような構成によりもたらされる容器および冷却液の動きがさらに複雑になるほど、境界層の厚さおよび境界層内における速度勾配を制御する自由度が増す。これによって装置は、急速冷却を達成するための過去の試みを妨げた軟氷または氷が形成されないようにしつつ、対流伝熱を最大化できるようになる。

本発明は、また、上記装置を組み込んだ自動販売機を提供することを目的とする。従来の自動販売機は、貯蔵キャビティ全体が断熱されていなければならないが、おそらく４００個はあろう缶を貯蔵するキャビティの断熱は、通常は、熱伝達を防ぐ目的で、空気を閉じ込める断熱材、マット、または、他の材料を用いることによってしか達成できない。これらの材料は、どちらかと言えば非効率な熱絶縁物である。

本発明は、必要な場合のみ飲料を冷やす自動販売機を提供することに加え、缶または他の飲料容器のほとんどを周囲温度で貯蔵可能であり、少数の、おそらく１６個くらいだけを低いまたは飲用に適した温度で貯蔵可能な自動販売機を提供する。その結果、低温の容器が貯蔵されているキャビティは、真空断熱パネルなどのより効果的な手段によって断熱されることができる。

冷却装置は、周囲温度の貯蔵キャビティと、冷却された貯蔵キャビティとの間に設けられる。

２つの貯蔵区域を用いることによって、全体のエネルギー消費が著しく減少し、急速冷却装置に要求される電力定格も減少するだろう。

冷却された貯蔵キャビティをさらによく冷やさなくても適切な温度を維持でき、容量が小さい真空断熱キャビティ内の温度を保つためのエネルギー消費は、従来のマシンに比べて大幅に小さい。表４は、このような自動販売機と、すべての缶が冷却温度に維持されている従来の自動販売機との比較を示す。

上述のように、本発明のマシンは、１つの缶を周囲温度から飲用に適した温度（４度から６度）まで冷やすのに５０ｋＪを要する。一般的な自動販売機では、毎日３０個の缶が売れる。これらが２４時間でランダムに販売されるとすると、冷却された貯蔵キャビティにおける熱損失を補償するための追加の冷却には、一日で最大０．５ｋＷｈかかると予想される。したがって、３０缶を冷やすための総エネルギー消費（この状況での）は、１ｋＷｈとなり、これは、従来のマシンと比べてエネルギーを８０％節約することになる。

Claims (11)

1. 冷却される製品を受け入れるキャビティと、
   前記キャビティに入れられた製品を回転させる回転手段と、
   前記キャビティに冷却液を供給する冷却液供給手段と、を備え、
   前記回転手段は、毎分９０回転以上の回転速度で前記製品を回転させ、予め決められた期間、間欠または間断的な回転をもたらす、
   冷却装置。
2. 前記回転手段は、毎分１８０回転以上、より好ましくは、毎分少なくとも約３６０回転の回転速度で前記製品を回転させる、請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記冷却液供給手段は、前記キャビティに冷却液を流す、請求項１または２に記載の冷却装置。
4. 前記冷却液は、マイナス１０度以下、より好ましくは、マイナス１４度以下、さらに好ましくはマイナス１６度以下で前記キャビティに供給される、請求項１から３のいずれか１項に記載の冷却装置。
5. 前記回転手段は、前記製品が前記製品自身の軸の周りを回転するようにし、前記冷却装置は、前記製品が回転する間の軸の移動を防止するかまたは実質的に阻止する保持手段をさらに備える、請求項１から４のいずれか１項に記載の冷却装置。
6. 前記回転手段は、前記製品を、予め決められた回転期間回転させ、予め決められた中断期間回転させず、その後さらなる予め決められた回転期間回転させる、という少なくとも１サイクルで回転させる、請求項１から５のいずれか１項に記載の冷却装置。
7. 前記回転手段は、少なくとも２サイクル、より好ましくは３から６サイクル、さらに好ましくは、３または４サイクルで回転を実行する、請求項６に記載の冷却装置。
8. 前記予め決められた回転期間は５秒から６０秒であり、好ましくは５秒から３０秒であり、より好ましくは５秒から１５秒であり、さらに好ましくは約１０秒である、請求項６または７に記載の冷却装置。
9. 前記予め決められた中断期間は、１０秒から６０秒であり、好ましくは、１０秒から３０秒である、請求項８に記載の冷却装置。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載された冷却装置を備え、
    冷却される製品をキャビティに挿入し、前記キャビティから冷却された製品を抜き出すための挿抜手段をさらに備える販売装置。
11. １つの製品または製品の集まりを貯蔵する貯蔵手段と、前記キャビティに挿入するための製品を前記貯蔵手段から選択する選択手段と、をさらに備える請求項１０に記載の販売装置。

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