JP4333202B2 - 製氷装置 - Google Patents
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Description
【発明が属する技術分野】
本発明は、家庭用冷蔵庫おいて比較的透明な氷をつくる製氷装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、家庭用冷蔵庫において、見た目が良く高品位な透明氷を作る製氷装置が望まれており、製氷容器に水を給水して製氷を行う際、製氷容器を振動させたり製氷容器上面側の開口部から水面に向けて温風を吹き付けたりすることにより、水の凍結に伴い氷から吐き出されて発生した気泡が氷の中に混入することを防ぐ製氷装置が考案されている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
以下、図面を参照しながら上記従来の製氷装置を説明する。
【0004】
図8は従来の冷蔵庫の断面図であり、図9は製氷装置の概略図である。
【0005】
図8および図9において、冷蔵庫14は、外箱15と内箱16とを有し、この間に断熱材が充填されてなる断熱構造体で、内箱16には複数の断熱中仕切板17が設けられて冷蔵室18、冷凍室19、野菜室20等が形成されている。
【0006】
冷蔵室18には、氷を作るための水が貯留される給水タンク21が設置されており、冷凍室19には製氷装置22および貯氷箱23が設けられている。なお、貯氷箱23は製氷装置22の下方に配置され、製氷装置22で作った氷を受けて蓄えるようになっている。
【0007】
また、冷蔵庫14には冷凍装置が収納されており、冷却器24を通って庫内空気をファン25により強制循環させながら庫内を冷却している。
【0008】
一方、製氷装置22は、給水タンク21からの水を貯留する製氷容器26、当該製氷容器26に貯留された水に空気を吹き付けるブロー機構27、製氷容器26を反転させて当該製氷容器26の氷を貯氷箱23に移す脱氷機構28等を有している。
【0009】
製氷容器26は、上面が開口して形成された合成樹脂製で、製氷容器26の裏側に冷却器24からファン25により冷凍室19に送られてきた冷気が送風されて、製氷容器26を底部側から冷却して製氷が行われる。
【0010】
ブロー機構27は、空気を送風するポンプ29、当該ポンプ29により送風される空気を製氷容器26の上方まで導く送風ダクト30、送風ダクト30により導かれた空気を加熱する空気加熱ヒータ31、空気加熱ヒータ31により加熱されて温風となった空気を製氷容器26に貯留された水に吹き当てるノズル32等から構成される。
【0011】
以上のように構成された従来の製氷装置について、その動作を説明する。
【0012】
給水タンク21から製氷容器26に供給され貯留された水は、冷却器24により冷却された冷気が、ファン25により製氷容器26の裏側に送風されることにより凍結していくが、その際、ブロー機構27から空気加熱ヒータ31により加熱された温風が、製氷容器26の上面に吹き付けられる。
【0013】
このため、氷は製氷容器26の底面側から成長していき、製氷容器26の上面側の温風が吹き付けられる上面側が最後に凍結するため、水が凍結して氷になる際に未凍結の水に吐き出された空気が逃げるための逃げ口が製氷完了まで確保される。
【0014】
更に、温風により製氷容器26に貯留された水が攪拌され、氷と水との界面上で水が移動するため、氷と水の界面にある気泡が氷から離脱して浮上し、未凍結の水面から冷凍室19中に脱気される。
【0015】
このために、製氷される氷に含まれる気泡の量が少ない、高品位な透明氷を得ることが出来る。
【0016】
従来の製氷装置では、図10に示すように、氷は製氷容器の底面側からとともに側面側からも成長するため、氷は凹状の成長となり、凹状の氷の内側に残った未凍結の水中のミネラル分や空気の濃度が徐々に高くなっていく。
【0017】
そのため、最後のほうに凍る氷の略中央部分から上側部分にかけて、ミネラル分やミネラル分を核とした気泡が可視できる大きさまで集まることにより白濁が集中してしまい、氷の透明度が劣化してしまう。
【0018】
【特許文献1】
特開2001−355946号公報
【0019】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の構成では、製氷容器の裏側に冷気が送風されて冷却を行うことにより、製氷容器底面からの凍結と同時に製氷容器側面からの凍結が生じてしまい、更に、水面の中央部近傍に温風を吹き付けているために、氷は製氷容器を垂直断面で見ると、中心部近傍での氷の高さが製氷容器側面近傍での氷の高さに比べ低い凹状に氷が成長していく。
【0020】
ここで、水にもともと溶け込んでいたカルシウムやマグネシウムといったミネラル分や空気は、水が凍結する際に氷から未凍結の水中に追い出されるため、凹状に成長した氷の中にある未凍結の水の中の空気やミネラル分の濃度は徐々に高くなっていく。
【0021】
空気は未凍結の水面から周辺の空間に、ある程度拡散されるが、ミネラル分は製氷容器外部へ逃げることが出来ないため、最後のほうに凍る氷の略中央部分から上側部分にかけて、ミネラル分やミネラル分を核とした気泡が可視できる大きさまで集まることにより白濁が集中してしまい、氷の透明度が劣化してしまう。
【0022】
更に、集中したミネラル分は、氷を水等の飲料液に入れたときに氷から排出され、すぐに溶けることなく飲用液中を浮遊するが、製氷過程で容易に可視できる大きさにまで集まってしまうこともあるため、飲料液中で浮遊するのが観察され官能的に好ましい氷とならないことがある。
【0023】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、氷の白濁が固まって目立つことがない透明度の高い氷で、飲料液に氷を入れてもミネラル分が浮遊するのが目立つことのない見た目に好ましい高品位な氷を提供すること目的としている。
【0024】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項1に記載の製氷装置の発明は、冷却板の上部に製氷容器を備え、下面からの凍結進行に対応して前記製氷容器に製氷用の水を所定間隔で間欠給水する製氷装置において、前記間欠給水した際の未凍結の水が毎回略一定の厚さとなるように給水するものであり、前記製氷容器中の未凍結水の厚みが略一定の薄さとなることで氷の白濁要因である空気を拡散させ、ミネラル分を製氷容器側面に拡散させながら凍結が進行して透明度の高い氷を得ることができる、という作用を有する。
【0025】
また、本発明は、給水の前記所定間隔が、給水開始付近では短く、給水終了付近では長くすることを特徴とするもので、前記製氷容器中の未凍結の水の厚みが略一定の薄さとなるように給水することができるという作用を有する。
【0026】
さらに、製氷容器内に給水されておらず製氷容器が過冷状態の製氷初期は連続的な給水を行うことにより急速な結氷を抑制することができ、さらに初期給水時の表面張力による水膜の偏り(水滴)を回避し均一な水膜にするという作用を有する。
【0027】
本発明の請求項2に記載の製氷装置の発明は、請求項1に記載の製氷装置の発明において、給水の前記所定量が、給水開始付近では多く、給水終了付近では少なくするもので、前記製氷容器中の未凍結の水の厚みが略一定の薄さとなるように給水することができるという作用を有する。
【0028】
さらに、製氷容器内に給水されておらず製氷容器が過冷状態の製氷初期は多量の給水を行うことにより急速な結氷を抑制することができ、さらに初期給水時の表面張力による水膜の偏り(水滴)を回避し均一な水膜にするという作用を有する。
【0029】
本発明の請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の製氷装置の発明において、前記冷却板の温度を制御する冷却板温度制御手段を備え、製氷初期は前記冷却板の温度が高く、製氷後期は低くなるように制御するもので、前記製氷容器中の未凍結の水の厚みが略一定の薄さとなるという作用を有する。
【0030】
さらに、氷が薄く氷の熱抵抗が小さい場合は凍結速度を上昇させて製氷時間が短縮するという作用を有する。
【0031】
本発明の請求項4に記載の発明は、請求項1から3のいずれか一項に記載の製氷装置の発明において、冷却板と製氷容器と給水装置が、零度以上の空間に保持されるもので、製氷容器側面や上部より凍結せず有向温度差を氷の成長方向に必然的にとれるという作用を有する。
【0032】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による冷蔵庫の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、同一構成の部分については重複を避けるため同一符号をつけて説明を省略する。
【0033】
(実施の形態1)
図1は本発明による実施の形態1における製氷装置の側断面図であり、図2は同実施の形態の製氷装置の要部上面図、図3は同実施の形態の製氷装置の要部側断面図である。
【0034】
図1から図3において、製氷装置1は、給水装置2と、冷却板3と、冷却板3上に設置されポリプロピレンで成形された製氷容器4により構成されており、給水装置2が配置された空間と、冷却板3と製氷容器4が配置された空間とは、区画壁5で区画され、それぞれの空間は約3度に保持されている。
【0035】
給水装置2は、氷を作るための水を一時的に貯めておく給水タンク6と、給水タンク6内の水を所定量送り出すための給水ポンプ7と、給水ポンプ7から送り出された水を所定位置に導くための給水経路8から構成される。
【0036】
冷却板3はアルミニウムで形成され、冷却板3の製氷容器4と接する面の反対面には、ペルチェ9の一方の面が密接するように固定されており、ペルチェ9の他方の面には、ヒートシンク10が密接するように固定され、ファン11から送風された風がヒートシンク10に吹き付けられるようになっている。また、冷却板3の温度は、ペルチェ9への通電を制御することにより所定の温度に制御出来るようになっている。
【0037】
また冷却板3上に固定された製氷容器4は、給水経路8の下方に位置するように配置されており、製氷容器4の底面略中央部には、冷却板3と密接している。
【0038】
また、製氷容器4,冷却板3,ペルチェ9,ヒートシンク10は、駆動軸12により離氷メカ13と結合され、離氷メカ13により駆動軸12を回転駆動させることにより反転される。
【0039】
以上のように構成された製氷装置について、次にその動作を説明する。
【0040】
冷却板3は、ペルチェ9に冷却板3と接する面が冷却される所定の方向に直流電流を通電し、さらにペルチェ9への通電を制御することにより、零度以下の所定の温度に保持される。その際、ペルチェ9のヒートシンク10側の面は、ヒートシンク10にファン11からの風を吹き付けることにより放熱されている。
【0041】
このとき、給水ポンプ7を所定時間駆動することにより、給水タンク6内の水が所定量だけ給水経路8から製氷容器4内に給水され、冷却板3からの冷却により製氷される。
【0042】
製氷容器4の外面に設置された温度センサー(図示せず)が給水後一定時間経過した後、所定の温度以下に下がったのを検知すると製氷が完了したと判断し、離氷メカ13により駆動軸12を回転させて、冷却板3,ペルチェ9,ヒートシンク10とともに製氷容器4を反転させ、同時にペルチェ9に製氷中と逆方向に通電することにより冷却板3を過熱して、製氷容器4内の氷と製氷容器4との接触面の氷を融かし、氷を自重により落下させることにより、製氷装置1の下方に設置された貯氷箱(図示せず)に貯氷する。
【0043】
以下に、本実施例における製氷時の氷の成長の仕方について、図4を用いて説明する。
【0044】
図4は、給水から所定時間経過後の、垂直断面で見た製氷容器4内の様子を示し、図5は、図4から所定時間経過した後の製氷容器4内の様子を示す。
【0045】
一方、本実施の形態の製氷装置では、図4、図5に示すように、製氷容器4内に貯留された水4aは、製氷容器4底面が冷却板3により冷却され、かつ上面が零度以上の空気と接しているために、下から上に向かって氷4bの成長が進む。
【0046】
水が凍結する際、もともと水に溶け込んでいた空気や、カルシウムやマグネシウムなどのミネラル分は、凍結速度が十分ゆっくりであれば氷から未凍結の水の中に追い出され、水中の溶存空気は水の厚みが薄いため製氷容器4上側の開口部から周辺の空間に容易に拡散され、ミネラル分は図5に示す様に製氷容器4の側面温度が、底面温度より高いと、ミネラル分は製氷容器4の側面方向に広く拡散するので、ミネラル分が含まれていても可視できない大きさに拡散された状態で氷の中に閉じ込められるため、見た目上、透明な氷ができる。
【0047】
一方、氷が成長していくにつれて、冷却板3と氷と水の界面との距離が離れていくために、凍結に対する冷却板3の影響は徐々に小さくなり、氷の成長速度は遅くなり、水・氷界面位置はノイマン解により時間の平方根に比例するようになる。
【0048】
そこで、氷上の水膜厚さを略一定に保つためには、図6に示す様に水・空気界面位置4cと氷・水界面位置4dを時間により制御する。
【0049】
給水開始付近すなわち製氷初期の氷の成長速度が速い時は給水時間間隔を短くし、時間当たりの給水量を多くし、給水終了付近すなわち製氷後期の氷の成長速度が遅い時は給水時間間隔を長くし、時間当たりの給水量を少なくすることによって、氷上の水膜厚さを略一定に保つことができる。
【0050】
以上のように、本実施の形態の製氷装置は、製氷容器に貯留された水を下から上に成長させ、氷上の水膜厚さを略一定に保つように給水させることにより、氷の白濁の要因である空気を拡散させ、さらには、ミネラル分を製氷容器側面に拡散させながら凍結させることにより、見た目に高品位な透明度の高い氷で、飲用液体に溶かしても、ミネラル分が浮遊する所が目に付くことのない官能的に適した氷を提供することが出来る。
【0051】
なお、本実施の形態においては、氷の成長速度が速い時は給水時間間隔を短くし時間当たりの給水量を多くしたが、直接給水量を増加させ、氷の成長速度が遅い時は時間当たりの給水量を少なくしたが、直接給水量を少なくすることによって、氷上の水膜厚さを略一定に保つことができる。
【0052】
また、製氷初期では冷却板の温度を高くして氷の成長速度を遅くし、製氷後期では冷却板の温度を低くして氷の成長速度を早くなるように冷却板の温度を制御することによって、図7に示す様に氷の成長速度を略一定にし、給水量・給水間隔が一定であっても、氷上の水膜厚さを略一定に保つことができる。
【0053】
また、なお、本実施の形態においては、冷却板の温度を制御するのにペルチェを用い、製氷容器内の氷を離氷するためにペルチェに冷却時と逆方向の電流を負荷することにより、氷と製氷容器内面の接触面の氷を溶かして離氷を行ったが、冷却板の温度制御はペルチェに限定されるものではなく、また、離氷の方法も、ペルチェを利用した融解に限定されるものではない。
【0054】
例えば、冷却板にヒータを貼り付けておき、凍結完了後、ヒータに通電して離氷を行ってもよく、また、製氷容器を反転させる際に変形させることにより離氷を行っても良い。
【0055】
【発明の効果】
以上説明したように請求項1に記載の発明は、冷却板の上部に製氷容器を備え、下面からの凍結進行に対応して前記製氷容器に製氷用の水を所定間隔で間欠給水する製氷装置において、前記間欠給水した際の未凍結の水が毎回略一定の厚さとなるように給水することにより、水中の溶存空気は製氷容器上側の開口部から周辺の空間に容易に拡散させ、また製氷容器側面側にミネラル分を分散させ、比較的透明度が高く、水に溶かしてもミネラル分が浮遊することの無い官能的に好ましい氷を提供することができる。
【0056】
また、本発明は、給水の所定間隔が、給水開始付近では短く、給水終了付近では長くすることを特徴とするもので、前記製氷容器中の未凍結の水の厚みが略一定の薄さとなるように給水することができ、さらに、製氷容器内に給水されておらず製氷容器が過冷状態の製氷初期は連続的な給水を行うことにより急速な結氷を抑制することができる。
【0057】
さらに初期給水時の表面張力による水膜の偏り(水滴)を回避し均一な水膜にすることにより水中の溶存空気は製氷容器上側の開口部から周辺の空間に容易に拡散させ、また製氷容器側面側にミネラル分を分散させ、比較的透明度が高く、水に溶かしてもミネラル分が浮遊することの無い官能的に好ましい氷を提供することができる。
【0058】
また、請求項2に記載の発明は、請求項1の発明において、給水の前記所定量が、給水開始付近では多く、給水終了付近では少なくするもので、製氷容器中の未凍結の水の厚みが略一定の薄さとなるように給水することができ、さらに、製氷容器内に給水されておらず製氷容器が過冷状態の製氷初期は多量の給水を行うことにより急速な結氷を抑制することができ、さらに初期給水時の表面張力による水膜の偏り(水滴)を回避し均一な水膜にすることにより、水中の溶存空気は製氷容器上側の開口部から周辺の空間に容易に拡散させ、また製氷容器側面側にミネラル分を分散させ、比較的透明度が高く、水に溶かしてもミネラル分が浮遊することの無い官能的に好ましい氷を提供することができる。
【0059】
また、請求項3記載の発明は、請求項1または2の発明において、製氷初期は前記冷却板の温度が高く、製氷後期は低くなるように制御するもので、前記製氷容器中の未凍結の水の厚みが略一定の薄さとなり、氷が薄く氷の熱抵抗が小さい場合は凍結速度を上昇させて製氷時間が短縮することができることにより、水中の溶存空気は製氷容器上側の開口部から周辺の空間に容易に拡散できる。
【0060】
また製氷容器側面側にミネラル分を分散させ、比較的透明度が高く、水に溶かしてもミネラル分が浮遊することの無い官能的に好ましい氷を提供することができる。
【0061】
また、請求項4に記載の発明は、請求項1から3のいずれかの発明において、冷却板と製氷容器と給水装置が、零度以上の空間に保持されるもので、製氷容器側面や上部より凍結せず有向温度差を氷の成長方向に必然的にとることができることにより、水中の溶存空気は製氷容器上側の開口部から周辺の空間に容易に拡散させ、また製氷容器側面側にミネラル分を分散させ、比較的透明度が高く、水に溶かしてもミネラル分が浮遊することの無い官能的に好ましい氷を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1の製氷装置の側断面図
【図2】同実施の形態の製氷装置の要部上面図
【図3】図2におけるA−A断面図
【図4】本発明の実施の形態1における所定時間経過後の製氷容器の断面図
【図5】同実施の形態における所定時間経過後の製氷容器の断面図
【図6】本発明の実施の形態1の水・氷界面位置の時間変化図
【図7】本発明の実施の形態1の冷却板温度変化時の水・氷界面位置の時間変化図
【図8】従来の製氷装置を搭載した冷蔵庫の側断面図
【図9】従来の製氷装置の側断面図
【図10】従来の製氷装置の製氷容器内での製氷の様子を示す断面図
【符号の説明】
1 製氷装置
2 給水装置
3 冷却板
4 製氷容器
4a 水
4b 氷
4c 水・空気界面
4d 氷・水界面
5 区画壁
6 給水タンク
7 給水ポンプ
8 給水経路
9 ペルチェ
10 ヒートシンク
11 ファン
12 駆動軸
13 離氷メカ
Claims (4)
- 冷却板の上部に製氷容器を備え、下面からの凍結進行に対応して前記製氷容器に製氷用の水を所定間隔で間欠給水する製氷装置において、前記間欠給水した際の未凍結の水が毎回略一定の厚さとなるように給水し、間欠給水はその給水間隔が、給水開始時では短く、給水終了時では長くすることを特徴とする製氷装置。
- 給水量は、給水開始時では多く、給水終了時では少なくすることを特徴とする請求項1に記載の製氷装置。
- 冷却板の温度を制御する冷却板温度制御手段を備え、製氷初期では前記冷却板の温度が高く、製氷後期では低くなるように制御することを特徴とする請求項1または2に記載の製氷装置。
- 冷却板と製氷容器と給水装置が、0度以上の空間に保持されることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の製氷装置。
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