(57)【要約】【課題】高温液体を本来の品質を保持したまま低温液体に速やかに大電力を使わず省エネルギーで簡便に繰り返しコンパクトな装置で安価に実現すること。 【解決手段】高温の液体のその温度から環境温度付近までの冷却を物質の熱容量の特性を活用して外部からのエネルギー投入なしで実現させ、さらに、その温度から目的とする低温までの冷却には時間応答性に優れた熱電冷却を採用し、容器自体の蓄冷効果と熱電冷却の冷熱を容器と一体化したヒートパイプに移すことで液全体に一様な冷却と装置の高効率化を実現して、省エネルギーと装置のコンパクト化を図る。熱電冷却の動作を温度域と処理熱量を限定することにより、高品質の大電流が得られる市販の二次電池を系統電力の交流１００Ｖ電源とのハイブリッド電源として装置全体の低コスト化を図る。  【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温の液体を冷却トレイに落下させて、冷却トレイ部材自身の熱容量による冷却効果と冷却用ファンによる空気流による強制対流熱伝達及び液体の水分蒸発による蒸発潜熱熱伝達による冷却効果により中間温度まで速やかに冷却させる前段熱交換部と、ペルチェ効果を用いた熱電冷却原理に基づく熱電冷却と予冷により低温に保持されている容器部材自身の熱容量による冷却効果により、前記前段熱交換部で冷却された液体を必要とする温度まで冷却する後段熱交換部とを有することを特徴とする低温液体作製装置。
【請求項２】
後段熱交換部は、直流電源により駆動される熱電冷却モジュールによる熱電冷却面と直結されたヒートパイプ自体を側壁面とするヒートパイプ一体化容器を持ち、前段熱交換部から落下してくる液体を熱電冷却部により熱無負荷状態で冷却されているヒートパイプ一体化容器に接触させることで熱容量冷却効果により冷却し、順次液が容器に満たされると全浸漬型冷却を行う請求項１記載の低温液体作製装置。
【請求項３】
前段熱交換部は、放熱フィンおよび熱電発電モジュール付き冷却トレイを複数段積層させた構造を持ち、各冷却トレイの熱容量による熱吸収効果および、高温液体温度と環境温度の間の熱落差を冷却トレイ底面に装着した熱電発電モジュールによる電力で駆動される冷却用ファンにより放熱フィンおよび液体を空冷することで高温液体を強制対流熱伝達と液体内の水分蒸発を促進させ蒸発潜熱熱伝達による冷却効果とを併用する請求項１または２記載の低温液体作製装置。
【請求項４】
後段熱交換部からの低温の液体を、底部に小型熱電冷却部を持つ断熱構造の容器に導く保冷部を備えた請求項１乃至３のいずれかに記載の低温液体作製装置。
【請求項５】
後段熱交換部を構成する熱電冷却器の動作条件を環境温度付近の温度から目的とする冷却温度までの温度領域において液体３００ミリリットル以下に対する熱処理量と限定し、リップルのない良質な直流大電流を供給できる市販二次電池を系統電力の交流１００Ｖ電源とハイブリッド電源とした請求項１または２のいずれか記載の低温液体作製装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温の液体に対し熱容量冷却効果と熱電冷却効果を、二段階に分けた温度域に適用し、液体本来の質を保持させて速やかに目的とする低い温度まで冷却する低温液体作製装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高温状態の飲料のコーヒーから低温コーヒーを作製する理想的な方法は、本来のコーヒーの質を維持し、希望する冷たいコーヒーを必要とする時に速やかに必要な量を簡便に得られることである。
家庭における従来の手順としては、焙煎されたコーヒー豆を挽いて粉末化したのち、熱湯を注いでそれをフィルタなどでろ過して作られる高温のコーヒーを何らかの方法で冷却して、低温のコーヒーを作製する。
高温のコーヒーを通常の冷蔵庫に入れて冷やす方法を採用すると、冷却までに時間がかかるため、香りや味の劣化のみならずクリームダウン現象により白濁し、見た目の清涼感を損なうという質の低下した低温コーヒーが作られてしまう欠点がある。
また、幾つかの小さい氷塊に高温のコーヒーを注ぎ冷却する方法があるが、氷の融解熱を利用して冷やすため氷が融け、コーヒー濃度が１．５〜２倍ほどに希釈されてしまう。さらに、コーヒーと水が十分なじんでおらず、香りの減少と共に、濃淡の偏在したコーヒーとなり、その味覚を極めて悪くする欠点がある。
別の方法として、特定の保冷素材が装備された特別な容器をあらかじめ冷凍庫で冷却しておき、それに高温のコーヒーを注ぐことで低温コーヒーを得る方法がある。この場合は、液の希釈は免れるものの事前に冷凍庫での機能準備に6時間から半日程度も時間がかかるという不便さがあり、短時間で繰り返して低温コーヒーを作製することが困難という欠点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２０６４９５号公報
【特許文献２】特開２００８−２１８５１３号公報
【特許文献３】特開２０１１−１８９９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術では上記のような問題点があった。
本発明は、高温のコーヒーをコーヒー本来の香りと味とを保持したまま必要とする低温コーヒーに、速やかに大電力を使わず省エネルギーで簡便に繰り返し作製できるコンパクトで安価な保冷付きの低温液体作製装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明では、省エネルギー動作を安価に達成するため、高温液体を高温から環境温度に近い温度までは物質の熱容量冷却効果を活用し、それに続く温度から必要な低温までをペルチェ効果による熱電冷却と熱容量冷却効果を併用する二段階の熱交換部を用いて低温にする。
その低温液体を底部に小型熱電冷却部を取り付けた断熱容器に導くことで低温液体を保冷する。
【０００６】
本発明においては、熱電冷却部の熱電冷却モジュールを用途限定による動作点固定とすることで、変動のない良質な大電流を容易に得られる二次電池との直結を可能とさせ、系統電力の交流１００Ｖ単相とのハイブリッド電源を構成して、一般家庭向けの安価な保冷付き低温液体作製装置とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、一般家庭で十分許容されるコンパクトなサイズの装置で、コーヒー本来の香りと味とを保持した状態で、３００ミリリットル以下の量で１０℃程度の低温コーヒーを１０分以内の時間で繰り返し作製し保冷できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明による低温液体作製装置の全体構成図である。
【図２】前段熱交換部の構造図である。
【図３】後段熱交換部の構造図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１に示すように、本発明の低温液体作製装置の中核をなす機能部は二段階の熱交換部で、前段熱交換部１と後段熱交換部２である。
高温液体は液注入部６に注がれ、前段熱交換部１の注液分配部１ａに導かれ、冷却トレイ１ｂに等分に分配される。環境温度にある冷却トレイは高温の液体を注入されて冷却トレイの熱容量により液体温度を下げ、傾斜をつけられた冷却トレイの端部から排出される。
この冷却トレイの裏側には、放熱フィンと小型熱電発電モジュール１ｃが取り付けられている。高温液体と環境温度の熱落差を利用して熱電発電モジュールで発電させ冷却用ファンを駆動する。その冷却用ファンによる空気流は放熱フィンを通じて冷却トレイを冷却すると同時に冷却トレイ内の液体を蒸発潜熱による冷却効果により温度を下げる働きをする。
熱容量冷却効果と強制対流熱伝達および蒸発潜熱熱伝達冷却効果により温度の下げられた液体は集液トレイ１ｄに集められ、後段熱交換部２に注液される。
【００１０】
後段熱交換部２はヒートパイプと一体化した容器すなわちヒートパイプ一体化容器２ａと熱電冷却部２ｂから構成される。熱電冷却部の熱電モジュールは電源部４の二次電池４ａにより駆動される。
【００１１】
低温の液体はヒートパイプ一体化容器の底部の感温開閉弁２ｃから保冷部３に導かれる。保冷部３は断熱容器３ａと小型熱電冷却部３ｂから構成される。断熱容器３ａは底部から小型熱電冷却部３ｂにより装置起動時から常時冷却している。
【００１２】
本発明を構成する液注入部６、前段熱交換部１、後段熱交換部２、および保冷部３は、支持構造部５により上から下に適切に配列され、電源部４と基板上に一体的に配置されて保冷付きの低温液体作製装置となる。
【００１３】
図２は前段熱交換部１の構成図である。前段熱交換部１は、液分配部１ａ、冷却トレイ１ｂと集液トレイ１ｃから構成されている。冷却トレイ１ｂは、冷却トレイ本体とその底部裏面に熱電発電モジュール１ｄと放熱フィン１ｅおよび端部に排出部１ｆが設けられ、冷却用ファン１ｇは冷却トレイ列に向けて配置される。冷却用ファン１ｇは熱電発電モジュール１ｄで作られる電気により駆動される。集液トレイ１ｃは全冷却トレイからの液を集め底部に持つ集液トレイ排出部１ｈにより後段熱交換部２に液を供給する。
【００１４】
本発明の前段熱交換部の例示として、フィルタろ過方式によって作られた温度８０℃の２５０ミリリットルの高温コーヒーを初期条件として想定する。前段熱交換部には３個の冷却トレイを用い、冷却トレイは、幅１３０ｍｍ、長さ１８０ｍｍ、高さ１５ｍｍ、厚さ２ｍｍで、容積３５０ミリリットルを例示とする。材質はステンレス、銅、アルミニウムを選定する。また、環境温度を２５℃とし冷却トレイは初期条件として環境温度に等しい温度になっているとする。
【００１５】
２５０ミリリットルの８０℃のコーヒーが液分配部１ａに導かれて、そこで各々の冷却トレイには約８３ミリリットルが分配される。
環境温度２５℃に保たれていた冷却トレイが有する熱容量効果により、当初８０℃のコーヒーは、ステンレス製では３５．３℃、銅製では３８．９℃、アルミ製では４７．５℃まで温度が降下する。アルミニウムの場合、その厚さを１．５倍の３ｍｍに増やせばステンレスと同等の効果が得られ、温度は３７．７℃となる。
【００１６】
表1は、２５０ミリリットルで温度８０℃の高温コーヒーが冷却トレイの持つ熱容量効果によって得られる到達温度について、冷却トレイの材質と寸法を変え場合の冷却結果を示している。
冷却トレイ材質にステンレス、銅、アルミニウムを選定し、冷却トレイ寸法として１３０ｍｍｘ１８０ｍｍｘ１５ｍｍで容積３５０ミリリットルと１２０ｍｍｘ１５０ｍｍｘ１５ｍｍで容積２７０ミリリットルの２種類の冷却トレイ熱容量冷却効果による到達温度を示している。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
さらに前段熱交換部では、冷却トレイの持つ熱電容量冷却効果に加えて、強制対流熱伝達と水分の蒸発に伴う潜熱を利用した相変化熱伝達により冷却する。
冷却トレイ底部に取り付けられた熱電発電モジュールは高温コーヒーと環境温度との熱落差で発電され、この電気は直流モーターを駆動し冷却用ファンを回転させて環境温度の空気流を作り出す。この空気流は放熱フィンにぶつかり強制対流熱伝達により冷却トレイから熱を奪うと共に高温コーヒー液表面を流れることで、その水分の蒸発を促進させる。空気流の強制対流熱伝達と開放液面からの水の蒸発潜熱の冷却効果により約１０℃〜１５℃の温度降下が期待できる。
この前段冷却部では、８０℃のコーヒーを１０℃まで冷やすために必要な総熱量の６０〜７０％を放熱できる。
【００１９】
前段熱交換部の３個の冷却トレイの液は各々の排出部１ｇから集液トレイ１ｄに導かれ、集液トレイ排出部１ｈで次段の後段熱交換部に注液される。
熱電発電の電力は熱源の温度差に依存し、液体の温度の低下と液の喪失により熱電発電は停止し、制御機能の付加なしで自動的にファン動力としての役割を終える。
【００２０】
図３は、後段熱交換部２の構造図である。後段熱交換部２は、ヒートパイプ一体化容器２ａと熱電冷却部２ｂから構成されている。
ヒートパイプ一体化容器２ａは容器の側壁を形成するヒートパイプと容器外側に断熱部２ｃと底部に感温開閉弁２ｄから構成されている。
また、熱電冷却部２ｂは熱電冷却モジュール２ｅ、放熱フィン２ｆ、冷却用ファン２ｇから構成されている。熱電冷却モジュール２ｅの冷却面はヒートパイプ一体化容器２ａのヒートパイプ受熱面と全面密着している。
上記のような構造によって、後段熱交換部２では、前段熱交換部である程度冷やされた高温の液体をヒートパイプ一体化容器の熱容量冷却効果と熱電冷却部と直結したヒートパイプによる全浸漬型の冷却によって１０℃まで低下させる。
ヒートパイプは、単位面積当たりの熱流を可変できるため、熱電冷却部を高い効率で動作させることができ、熱電冷却部の設備容量を小さく抑え、省エネルギーと低コスト化を実現する。
【００２１】
本発明の後段熱交換部の例示的として、２５０ミリリットルの初期温度８０℃の高温コーヒーが前段熱交換部を経て後段熱交換部に注液されるとする。
ヒートパイプ一体化容器の材質は銅製で、寸法は６０ｍｍｘ１００ｍｍｘ高さ６０ｍｍで容積３６０ミリリットルを想定する。
低温コーヒーの作製時間を１０分程度と設定すると最大冷却能力８０Wクラスの熱電冷却モジュール１個を用いる必要があり、熱電モジュールの伝熱面寸法は約６０ｍｍｘ１００ｍｍとなる。上記のヒートパイプ設定形状では、単位面積当たりの熱交換熱量すなわち熱流束を１／３に低減できる。この結果、熱交換のための温度差を１／３に減らし、熱電モジュールは高い効率での動作を実現できる。
【００２２】
高温コーヒー注液前での熱電冷却部は熱負荷ゼロ状態での動作となるため、ヒートパイプ一体化容器は０から３℃付近まで冷却され、効果的な熱容量冷却効果を実現できる。注液前のヒートパイプ一体化容器の温度を５℃と高めに見積もっても、２５０ミリリットルのコーヒーの温度を７℃低下させることができる。
後段熱交換部での２つの冷却手段によって２５０ミリリットルのコーヒーは、約６分間で１０℃まで冷却される。
【００２３】
それをヒートパイプ一体化容器の底部に取り付けられた感温開閉弁２ｄにより、底部に小型熱電冷却部３ｂを備えた断熱容器３ａに導き、１０℃に保たせる。その結果、品質の変わらぬ低温コーヒーを適宜供することができる。
【００２４】
本発明に用いられる熱電冷却では、高い効率で熱電性能を動作させるため、出力直流電圧の波形変動の状態を示すリップル率の小さい良質な直流大電流の電源が必要であり、本発明に適するリップル率がゼロで良質な大電流容量電源の供給を安価で得るため、熱電冷却部の仕様を本目的のみに限定する設計とすることで市販の二次電池４ａとの直結を可能とさせ、系統電力の家庭用交流１００Ｖ電源４ｂとのハイブリッド電源とする。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明は、高温液体を本来の質を保持しつつ必要とされる低い温度まで冷却する低温液体の作製に好適である。緑茶、紅茶、烏龍茶、ジュースなどの一般家庭利用や食品工業における製造工程や食品保存および殺菌工程への組み込み、調理準備工程への活用などの可能性を有する。また、産業製造プロセス工程において、物質の熱容量による冷却効果の活用による省エネルギー化および各種液体の冷却温度の精密管理工程への導入が可能である。
【符号の説明】
【００２６】
１：前段熱交換部
１ａ：注液分配部
１ｂ：冷却トレイ
１ｃ：集液トレイ
１ｄ：熱電発電モジュール
１ｅ：放熱フィン
１ｆ：排出部
１ｇ：冷却用ファン
１ｈ：集液トレイ排出部
２：後段熱交換部
２ａ：ヒートパイプ一体化容器
２ｂ：熱電冷却部
２ｃ：断熱部
２ｄ：感温開閉弁
２ｅ：熱電冷却モジュール
２ｆ：放熱フィン
２ｇ：冷却用ファン
３：保冷部
３ａ：断熱容器
３ｂ：小型熱電冷却部
４：電源部
４ａ：二次電池
４ｂ：ＡＣ１００Ｖ電源
５：支持構造部
６：液注入部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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