(57)【要約】飲料チラーアセンブリは、底容器部分、およびアレイに配置された複数の押し出しチューブを含む上部分を有する。底部分および上部分は、アイスコーヒーを作るためのホットコーヒーの一人分、白ワインのボトル、または他の飲料の提供などの飲料を受け取り速やかに冷やすために、一緒に嵌め合わされる。チューブは、予め冷却され、飲料または流体ボリュームの中に下へ垂直に延び、効果的で迅速で実質的に均一な、意図された飲料ボリュームの特定の提供温度への冷却を提供するように配列および寸法決定される。実施形態は、ホットコーヒーを冷却されたコーヒーに素早く変えるか、または白ワインを提供に適切な温度まで冷やす。特定の実施形態は、安定した最終温度を達成し得、かつテーブルで提供容器としても機能し得る。
2018501887.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷やされるべき飲料を受け取るための受け取り容器を画定する周囲壁を含む底部分と、
アレイに配置された複数の冷却チューブを含む上部分と
を備える飲料チラーであって、該飲料チラーは、
該上部分が該底部分の上に位置づけられた場合、該底部分と該上部分とは、互いに嵌まり合い、その結果、該冷却チューブは、該飲料の中に下へ垂直に延び、該飲料との熱接触によって該飲料を所望の温度まで素早く冷やす、
飲料チラー。
【請求項２】
前記チューブは、押し出しチューブであり、該押し出しチューブは、冷凍可能な蓄熱媒体または相変化蓄熱媒体を含み、該チューブは、凍らせられた場合、前記アレイが一杯または一回分のホットコーヒーをアイスコーヒーに素早く冷やすようにサイズ決定され、間隔を空けられている、請求項１に記載の飲料チラー。
【請求項３】
前記チューブは、押し出しチューブであり、該押し出しチューブは、約半インチより小さい外部断面寸法を有し、該チューブは、氷結しないチャネル内に配置されたホットコーヒーが２分未満で４０°F未満まで冷却されるように、該氷結しないチャネルを画定するチューブ間間隔で配置されている、請求項１に記載の飲料チラー。
【請求項４】
前記チューブは、ワインのボトルを冷やすように寸法決定されかつ適合されたまばらなアレイに配置された押し出しチューブである、請求項１に記載の飲料チラー。
【請求項５】
前記チューブは、前記飲料の特定のボリュームを初期温度から特定の最終温度まで効果的に冷やすような寸法を有しかつ配列された押し出しチューブであり、該チューブは、前記容器から提供するために該容器内で該最終温度を維持し、該飲料は、ワイン、醸造酒およびカクテルまたはその構成要素から成る群から選択された飲料である、請求項１に記載の飲料チラー。
【請求項６】
前記上部分は、前記底部分のための蓋を形成し、前記装置は、ピッチャーを構成し、それによって、該ピッチャー内で冷却された前記飲料は、カップまたはグラスにデカントされ得る、請求項１に記載の飲料チラー。
【請求項７】
前記蓋は、該蓋の上に注がれたホットコーヒーを、該コーヒーを効率的に受け取り、凍らせることまたは逆流させることなく冷却するために、該蓋の下のチューブの上およびチューブ間に流すこと、分配すること、または滴らせることを行うように構成されている、請求項６に記載の飲料チラー。
【請求項８】
前記チューブは、コーヒー空間、または、一杯、一人分、もしくは家庭用コーヒー抽出機械の抽出ボリュームに等しい流体ボリュームを冷却するように間隔を空けられかつ位置づけられている、請求項１に記載の飲料チラー。
【請求項９】
前記チューブは、概して正方形または規則的な断面を有し、該チューブは、チューブの列が効果的な清掃を可能にするチューブ間間隔を有する平坦な表面を概して提供するように配置されている、請求項１または２に記載の飲料チラー。
【請求項１０】
前記チューブは、該チューブによって含まれた熱交換流体が該チューブがワインのボトルを特定の提供温度まで冷却するような安定した融解温度に実質的に到達するようにサイズ決定され、配列されている、請求項５に記載の飲料チラー。
【請求項１１】
前記チューブは、二杯以上のホットコーヒーを冷却されたコーヒーに連続して冷やすために効果的な熱容量を有するように寸法決定され、かつ配列された、請求項１に記載の飲料チラー。
【請求項１２】
増強された風味および強さの冷却されたコーヒーを調製する方法であって、該方法は、
所望の挽き具合、種類または風味の一杯またはポット一杯のホットコーヒーを新たに挽くステップと、
該新たに挽かれたホットコーヒーを請求項１に記載の前記飲料チラーの中に配置し、風味の希釈または劣化なしにそれを冷却されたコーヒーに変換するステップと
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本願は、２０１４年１２月３１日に出願された、発明者Ｄａｖｉｄ  Ｄｕｓｓａｕｌｔの米国仮特許出願第６２／０９８，８５１号に関連し、かつそれに対する利益を主張し、この出願は、参照することによってその全体が本明細書において援用される。
【０００２】
本発明は、飲料の調整および温度管理の分野に関係し、特に消費者冷却装置および卓上冷却装置に関係する。
【背景技術】
【０００３】
多くの家庭または消費者用品および装置が、食品および飲料の温度制御に取り組むために開発されてきた。台所の技術は冷蔵箱から電気またはガスで稼働する冷蔵庫へと進化し、家庭用冷蔵庫が広く普及したので、人々はどこでも冷たい飲料への嗜好を開発した。ガスまたは電気で稼働するユニット、すなわち元来産業用または商業用を目的とされた能動的冷蔵庫は、家庭に適応され、そして乗り物内での使用のために適応された。断熱冷却箱または容器は、食品および飲料の携帯可能または移動可能な保管のために一般的になり、それによって、家庭での嗜好および快適さがキャンプ旅行、午後のスポーツイベント、および家族での外出へと広がることを可能にした。この後者のタイプの温度管理のための一般的な構造の中に、コンテナを画定する二重の壁を伴うものがあり、保温ボトルまたは冷却箱を構成する壁の間に真空空間または断熱材に満たされた空間が保温ボトルまたは冷却箱を構成していた。市場は本当の「冷蔵箱」の時代に冷蔵庫を有していたので氷を販売し続けたが、他方でこの目的のために販売されていた氷は、今やスーパーマーケット、酒屋およびコンビニエンスストアによって販売され、昔の大きく硬く融解するのが遅い塊とは異なる、ピクニック用の箱を目的とされた、砕氷の袋の形態で販売される。つまり、砕氷は、ソーダもしくはビールの缶またはボトルなどの食品を素早く冷却するために、冷却箱内で使用される。多くの使用者にとって、冷却箱は他のより小さなコンテナに取って代わられ、氷の要素は、より長持ちする相変化物質で満たされた再使用可能な閉鎖されたポリマー袋またはボトルに取って代わられてきたのであり、それらは家庭の冷凍庫で「冷凍」され得、冷却箱または冷却容器の内部空間を、長時間、融解水を伴うことなく冷却する。
【０００４】
従って、複数の一般的な技術は、食品または飲料品のために、冷却状態を実現または維持する課題に一般的に対処するために開発されてきた。これらは主に、断熱および耐水の箱または容器を提供すること、かつ氷または氷の同等物を箱またはコンテナの中に提供して食品および／または飲料を冷却することなど、一般的なアプローチを伴う。（簡易な発砲断熱カップに加えて）カップサイズの複数の消費者装置が、人が通勤するかもしくは高速道路を運転しているときに、熱いコーヒーの温度または冷却されたコーヒーの温度を維持するために開発されてきた。
【０００５】
最も一般的には、熱いまたは冷たい飲料がまず調製され、飲料が消費されるまたは出勤のため運ばれているときの比較的短い期間中の、温度の所望しない変化を防ぐために断熱カップの中に単に配置される。長い間、ホットコーヒーなどの飲料は、ポットによって抽出され、それが分配されるまでは典型的に比較的高温で維持されてきた。ホットコーヒーは、ファーストフードチェーンまたはコンビニエンスストアで購入される場合、伝導熱の損失を防ぐスタイロフォームのカップで販売され得、かつ蒸発冷却を防ぐための蓋を有し得る。アイスコーヒーは、対照的に、典型的には、ホットコーヒーをとり、提供する前に場合によっては何時間も冷やすことによって調製される。水出しコーヒーなどの変種は、冷却時間を抽出時間と重ね、かつ多少より甘いまたは濃いコーヒーの抽出物をもたらすために採用され得、それから、抽出物は、最終の使用のために冷たい水で希釈され得る。あるいは抽出物は氷の上に注がれ得、氷が融解するにつれ僅かな量の希釈を経て、標準的な濃度の冷却されたコーヒーになる。
【０００６】
近年、コーヒーは一般的な飲料として認識されることから離れてきており、様々な市場体は、利便性、スピード、および個人の選択を強調するとともに、個人の品質や風味を選び、かつ個々の一杯を抽出すること、典型的には、一人分の、自動抽出マシーンで個々の一杯を抽出するという考えを奨励してきた。もし、自分の好きなブレンドまたは風味を保つアイスコーヒーを所望する場合、調製は、選択される種類の一杯分を一杯の氷の上へ直接ドリップすることを伴い得る。そのような調製は、氷が融解して飲料を冷却するので必然的にある一定量の希釈を伴い、従って、許容できる程度に冷たくかつ濃縮された、所望の風味の飲料を達成するために一杯分の冷却されたコーヒーを調製するために、コーヒーマシーンを売る会社は、特別な、より濃い、より細かく挽かれた、またはより濃縮された、粉砕コーヒーの一包を提供し得る。
【０００７】
しかし、冷却されたコーヒーにおける嗜好および調製の方法に関する好みは個人の嗜好の問題であり得る。コストに加え、これらの考えは、多くの人々が一杯分のコーヒー抽出器械のメーカーによって提供される規格化されたアイスコーヒーの「一人分の」融解・希釈提供ユニットを採用し、楽しむことを妨げる。
【０００８】
従って、操作することが簡易な消費者装置、または、個人のサイズもしくは一人分の温度調整器を構成する調整容器、または、四から六オンスのホットコーヒー一杯を、希釈または風味の損失なしに、冷却されたコーヒーの温度にまで冷やすなど、抽出したてのホットコーヒー一杯分を素早くかつ確実に冷やすように作動する冷却器を提供することが望ましい。しかし、個人のコーヒーチラーの開発は複雑なエンジニアリング作業を提供する。そのような冷却器の一つの構成は、２０１２年４月１１日に出願され、２０１５年１２月２９日に米国特許第９，２２２，７１４号として発行された、発明者ＤｕｓｓａｕｌｔおよびＺｅｂｕｈｒによる米国特許出願第１３／４４４，４３８号において提案され、かつ説明されている。簡潔に言えば、その装置は、予め冷やされ、一緒に嵌め合わされて、ホットコーヒーのカップを受け取りかつ熱伝導によってそれを冷却する閉鎖された容器を形成する上部分および下部分を含む。アセンブリの下部分は、受け取りカップを構成する周囲壁を有し、上部分は上方に嵌められ、下部分の中に延びる。各部分は冷凍庫で予め冷やされ、各部分は、同心円状の筒もしくは筒状の区分に沿って配置される多数の壁要素またはフィン要素を含み、それによって、二つの部分が一緒に嵌め合わせられるとき、上部分および下部分のフィンは、注がれるまたは容器内に入れられるコーヒーを流しかつ抑制する複数の狭い流体経路を画定する。流体とフィンとの間の熱接触は、熱を素早く取り除いて熱伝導によって飲料を冷やすことを目的とされている。この装置のフィンから流体への大きな接触域とフィンからコーヒーへの短い熱伝達距離とは、抽出されたてのホットコーヒー一杯を数分のうちにおよそ３５から４０°Ｆまで迅速かつ効果的に冷却すること、冷やすことを一緒にもたらすことができる。
【０００９】
先の特許文献の容器を消費者商品として実装することは、利便的なサイズ、流体の容量、流体冷却特徴および美的要素を、所望の蓄熱および熱伝達性能と釣り合わせる設計を必要とする。また、実際に、装置のフットプリント、寸法および容量；製造のプロセスおよび材料；接触面の洗浄性、ならびに構造物、材料および熱循環下における容器の性能安定性も含めて、設計の柔軟性の点における潜在的な欠点および障害も考え、かつそれらに取り組むべきである。この目的に向けて、出願人は本明細書において、個人の飲料チラーのためのチラーの配置の、広範囲な研究およびモデル化に取り組み、本発明である異なる構築および改善された構造の個人の飲料チラー装置に想到した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第９，２２２，７１４号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、ホットコーヒーの一人分または複数の連続的な一人分などの飲料を受け取り速やかに冷やす個人サイズの飲料チラーである。チラーは、飲料を受け取るためのハウジングまたは容器、および、意図された飲料ボリュームの効果的で迅速で実質的に均一な冷却を提供するために、飲料または流体ボリュームの中に垂直に延びる複数の熱交換チューブを有する。チューブは、水または他の熱交換物質を含む内部を有し、予め冷やされるか冷凍され、熱交換チューブの数、寸法および間隔は、飲料または飲料の連続した複数杯を素早く効果的に冷やすように選択および構成される。一つの実施形態において、容器および冷却チューブアレイは、ホットコーヒー一杯を冷却されたコーヒーのように所望の提供温度、例えば３５から４０°Fまで冷却するような大きさおよび構成にされる。他の実施形態において、容器は、ポット全体の抽出したてのホットコーヒーを受け取り、その温度まで冷却するような大きさにされ得る。さらなる他の実施形態において、容器は、白ワインの７５０ｍＬボトルを室温からその飲料に適切な提供温度（例えば４０と５０°Fとの間）まで冷却するためのワイン冷却器として構成され得るか、または、カクテルもしくは他のアルコール飲料をそれらの特徴的な一人分または対応するボリュームで冷やすように構成され得る。
【００１２】
飲料チラーは、一般的に容器、ピッチャーまたはカップを形成する底部分、および上で蓋またはカバー板によって閉じられるアレイに配置されたチューブから成る上部分とともに実装されるので、飲料がピッチャーもしくはカップの中に滞留するか、または容器に注がれる場合、チューブが飲料を冷やすためにピッチャーまたはカップの中に垂直に延びる。アセンブリの操作ならびに関連する温度および寸法特徴は、本明細書の図面、特許請求の範囲、および下で定められる熱的モデル化の議論から理解されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明のチラー装置の水平断面図を概略的に示す。
【図２】図２は、対応する垂直断面図または代表的な垂直断面図を示す。
【図３】図３は、図１の対称線の間でとられた解領域を示す。
【図４】図４は、温度Ｔi,jおよび近傍温度に対する一般的な制御ボリュームを示す。
【図５】図５は、実験計画（ＤＯＥ）方法を使用する、温度結果を示す。
【図６】図６は、一つの壁の厚さに対する結果を飽和温度と一緒に示す。
【図７】図７は、ＤＯＥ方法を使用する、構造物の結果を示す。
【図８】図８は、弾性率感度を含む、壁の厚さの構造物の結果を示す。
【図９Ａ】図９Ａは、コーヒーチラーの実施形態を例示する。
【図９Ｂ】図９Ｂは、図９Ａの実施形態のためのプロトタイプ構成要素、つまりピッチャー、チューブアレイ、分散器およびカバーを例示する。
【図１０Ａ】図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃおよび図１０Ｄは、ワイン冷却器として適したまばらな実施形態の、アレイならびに温度および寸法の特性を例示する。
【図１０Ｂ】図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃおよび図１０Ｄは、ワイン冷却器として適したまばらな実施形態の、アレイならびに温度および寸法の特性を例示する。
【図１０Ｃ】図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃおよび図１０Ｄは、ワイン冷却器として適したまばらな実施形態の、アレイならびに温度および寸法の特性を例示する。
【図１０Ｄ】図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃおよび図１０Ｄは、ワイン冷却器として適したまばらな実施形態の、アレイならびに温度および寸法の特性を例示する。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（詳細な説明）
図１は、本発明のチラー設計の水平断面図を概略的に示し、容器部分を表す周囲壁の内部において規則的なアレイに配置される多数の正方形のプラスチックチューブによって形成される熱交換器を示す。チューブは、好ましくは押し出しチューブであり、それは、例えばおよそ０．０２０−０．０４０インチであり得る壁の厚さδｗを有する。ポリマーではなくステンレス鋼の配管で作られている場合、金属のより大きな強度および熱伝導により、壁の厚さはかなり小さくあり得るか、または金属のチューブは中実のロッドでさえあり得る。使用中、中空のチューブは、水などの媒体で満たされ、冷凍応力を防ぐために上方に空気空間が残され、チューブのアレイは、下の容器のカバーとしてもはたらき得る共通の板によって上方で閉じられる。チューブは垂直に配置されるので、熱い（または温かい）飲料によって占められるチューブ間空間δｎが均一なままである。ホットコーヒーを冷やすために効果的な間隙のサイズδｎは、０．０６０−０．１００インチであり、それは、自由な流体循環の凍り付きまたは閉塞を避けるのに効果的であると判明した間隙の寸法である。最後に、氷または冷たい保存媒体を含むためのチューブの内部空間の断面寸法は、「冷たい間隙距離」δｃと呼ばれる。代表的な実装において、このチューブ内部断面寸法は、都合よくは０．２２０−０．３４０インチであり得、所望のカップまたはピッチャー容器に適合するために、高さおよびチューブの数において任意のスケールであり得る丈夫なチューブアレイ構造をもたらす。例えば、チューブの９Ｘ１０のアレイは、対応する５インチの高さの容器に嵌められ得るか、または、より長いチューブが、満杯のコーヒーのポットを受け取るための８−１０インチの高さの容器に適合され得る。
【００１５】
図１において、チューブの関連寸法、チューブの壁の厚さ、氷を保持するためのチューブの内部空間の寸法、および飲料を冷やすための流体空間を画定するチューブ間間隔を識別するための分析の簡易さのために６つの正方形のみが示される。カップサイズまたはピッチャーサイズの実践的な実施形態において、アレイはより多くの数のチューブ、例えばチューブの９×１０アレイを含む。チューブは規則的に間隔を空けられ、正方形のチューブの形は、均一なコーヒーの間隔を可能にし、δcell×δcellの幅のセルの繰り返しのパターンを形成し、比較的容易に磨かれ得るまたは別様に清掃され得る平行な面を提供する。
【００１６】
図２は、代表的な垂直断面図を示す。チューブは、氷とともに、氷の膨張を緩衝する上空の間隙を含む。チューブは、上方および下方において密封され、上板および底板によって構造的に含まれる。ハウジング、またはアセンブリの容器を画定する下部分は適したガラスまたはポリマーから形成され得、好ましくは注ぎ口とともに形成され、かつ／またはハンドルを取り付けられる。
【００１７】
装置を使用する方法は、一般的に、熱交換器または上部分がハウジングまたは容器部分とは別に冷凍庫に保管されるであろうことを想定している。使用中、使用者は、フレンチプレスを使用することと類似したステップで、ホットコーヒーをハウジングの中に注ぐことができ、そして、熱交換器を容器の上に配置することができるであろう。コーヒーポットおよびフレンチプレスのコンテナは、典型的にはガラスであり、ガラスは製品寿命および消費者の親しみを与え、かつ伴われる熱応力によく適しているので、ガラスはハウジングに適する一つの材料である。熱交換器は、冷やされた飲料を注ぎだすために容器が傾けられたとき、熱交換器が容器の上方に保たれるかまたは確実に位置づけられたままであるように寸法決定されるかまたは別様に構成される。これは、コーヒーピッチャーまたはブリタの水容器で従来なされるように、下部容器部分の中への上方アセンブリまたは蓋の軽いプレス嵌めのための寸法公差によって確実にされ得る。
【００１８】
チューブベースの冷却アレイの使用によって、丈夫で無欠陥の構造を実現するために、簡易な工具を使用する押し出しによってチューブを製造することが可能であり、製造プロセスは、任意の容器の高さのチューブ、および楕円形、正方形または長方形のフットプリントに配置された任意の数のチューブのアレイを生産するために容易に変更される。流体（熱い）間隙に対して異なる断面寸法のチューブを採用する能力は、同じ構築および丈夫な構造が、ワインを冷やすことまたはホットコーヒーを凍らせることという大きく異なる温度タスクのために使用されることを可能にし、それは、チラー装置の（容器／ピッチャーの）共通の下部分が、これらの二つのタスクの異なる熱冷却速度および温度到達点に適した二つの異なるチューブアレイ上部分と使用されることさえ可能にする。さらに、チューブ端を閉じる簡易なプロセスまたはチューブを上板および底板に貼り付けてアレイを形成する簡易なプロセスは、プラスチック溶接のための熱および振動のみを伴い、従って機械的に信頼でき、食品にとって安全であり、かつ、製造の予期せぬ遅延または欠損をうみだすことなくチラー装置および異なるサイズのアレイに迅速に適合される。実際に、熱交換器チューブの構造は、プラスチックの氷のパックもしくはプラスチックの氷のキューブ、食品にとって安全で食洗器と相性が良いとよく認識されている個別の冷却付属アイテム（どちらも氷の膨張循環を経験した）のために長い間採用されてきた製造プロセスまたは機械的な構造に本質的に類似して見られ得る。プラスチックの氷のキューブは熱い飲料とも使用され得、従って、長い製品寿命における欠陥なしに極端な熱循環に耐えられることが実証された。
【００１９】
熱的モデル化は、最初のモデル化を二次元にまで拡張するために実行される。
【００２０】
図３は、図１の対称線の間で取り込まれた解領域を示す。解領域は、間隔（Δｘ×Δｙ）で（ｎｘ×ｎｙ）個の制御ボリュームに離散化される。外側の境界は、Ｌｘ×Ｌｙである。ボリュームは、（対称性によって全チューブの長さの４倍である）深さＬｚを紙の中に抑える。比較的粗い格子が、壁に及ぶ単一のセルとともに簡易のために示される。
【００２１】
図４は、近傍温度とともに温度Ｔi,jに対する一般的な制御ボリュームを示す。熱ベクトルは、ｘ方向における
【数１】
2018501887.tif 000003
として定義され、ｙ方向における
【数２】
2018501887.tif 000004
として定義され、両方とも正が制御ボリュームから出ている。
【００２２】
エネルギーの保存を、顕熱および潜熱の一般的な場合に適用することは、
【数３】
2018501887.tif 000005
を与え、ここで、
【数４】
2018501887.tif 000006
は、制御ボリューム（ｉ，ｊ）への正味熱伝達であり、以下で表され、
【数５】
2018501887.tif 000007
【数６】
2018501887.tif 000008
は、相液体比であり、以下で表され、
【数７】
2018501887.tif 000009
【００２３】
時間は、クランク・ニコルソンの差分を使用して離散化される。
【数８】
2018501887.tif 000010
【００２４】
熱伝達が顕在的であるとき、
【数９】
2018501887.tif 000011
であり、かつ熱伝達が潜在的であるとき、
【数１０】
2018501887.tif 000012
である。従って、一度に一つの独立変数が存在し、それは、数的閉鎖を提供する。方程式のシステムは、形式
【数１１】
2018501887.tif 000013
の（ニュートン‐クリロフ）非線形ソルバーを使用して解かれ、ここで、
【数１２】
2018501887.tif 000014
が位相に応じて
【数１３】
2018501887.tif 000015
または
【数１４】
2018501887.tif 000016
を含んだ。初期状態が与えられ、非線形ソルバーは、各進行時間ステップごとに一度実行された。
【００２５】
熱伝達は、局所区分線形近似を使用して可能熱伝導率を考慮した。ｘ方向に対して、以下で表される。
【数１５】
2018501887.tif 000017
ｙ方向に対して、以下で表される。
【数１６】
2018501887.tif 000018
【００２６】
空間の平均化が、混在した温度時間反応を示すために使用された。例えば、コーヒーの温度に対して、
【数１７】
2018501887.tif 000019
であり、ここで、合計は高温のセクションにわたってとられる。
【００２７】
（構造的な分析）
単一のチューブを考える。水が凍る場合、水は壁のほうに膨張し、壁は、撓み、かつ、水は、空気のほうに膨張し、空気は収縮する。（断面図における）正方形のチューブの縁は、剛としてモデル化される。平坦な側面は、氷の膨張の圧力下で撓む。縁をピン境界状態として保守的に働かせる；すなわち、縁は、位置において固定されるが、傾きにおいて固定されない。
【００２８】
空気長さＬａ１、液体長さＬｆ１、圧力Ｐ１、および温度Ｔ１を含む完全に与えられた初期の凍っていない状態を状況１とする。最終の凍った状態を状況２とする。その既知のものは、温度Ｔ２、一定のチューブの長さＬｔｕｂｅ、および氷の膨張を介した「液体」ボリュームＶｆ２を含む。（氷の密度は本質的に圧力から独立していることに留意されたい。）状況２は、圧力Ｐ２、壁の撓みｙａｖｇ，２、および空気長さＬａ２の三つの自由度を有し、従って、状況２は、三つの拘束を必要とする。
【００２９】
第一の拘束は、［２］によって与えられる壁の撓みであり、ビーム表記を使用し、以下で表される。
【数１８】
2018501887.tif 000020
熱交換表記に切り替えると、以下で表される。
【数１９】
2018501887.tif 000021
【００３０】
ゲージ圧力が使用されることに留意されたい。平均変位は、変位を積分することによって与えられ、以下で表される。
【数２０】
2018501887.tif 000022
【００３１】
第二の拘束は、ボリュームの保存であり、以下で表される。
【数２１】
2018501887.tif 000023
【００３２】
第三の拘束は、理想気体の式であり、以下で表される。
【数２２】
2018501887.tif 000024
【００３３】
上記の三つの方程式は、Ｐ２のために分析的に解かれた。
【００３４】
ビーム方程式に戻ると、最大の応力の点は、ｘ方向における中間点の表面である。まず、ビーム表記を使用して、以下で表される。
【数２３】
2018501887.tif 000025
熱交換表記に切り替えると、以下で表される。
【数２４】
2018501887.tif 000026
【００３５】
（温度結果：）
温度モデルは、最適化が見つけられるであろうセル間隔を確立するために予備的に実行され、δcell＝０．５インチの値が構築された。これは、標準または所望のハウジングのサイズ内に適合するためにチューブの整数を拘束する。
【００３６】
図５は、実験計画（ＤＯＥ）方法を使用した温度結果を示す。ＤＯＥ入力は、壁の厚さ、コーヒー間隙、および飽和温度である。出力は、全体のチューブの長さ、内側および外側の壁の表面域、および二分後の最終（空間平均化された）コーヒー温度である。コーヒーチラーの実施形態のための定数モデル入力は、１９０°Fのコーヒーの温度、０°Fの冷凍庫の温度、および１６ｏｚのコーヒーボリュームを含む。最終温度は、壁の厚さが増加するにつれて増加し、コーヒー間隙が増加するにつれても増加する。この適用に対する最終温度は、４０°Fより小さくあるべきである。より大きい壁の厚さは、密封する目的および応力（下記）のために所望される。反対に、より小さい壁の厚さは、熱伝達のために所望される。０．０４０インチの壁の厚さおよび０．０９０インチのコーヒー間隙において、最終温度は３６°Fである。これは、さらに応力／密封のために壁の厚さを増加させることか、またはさらなる熱伝達のためにコーヒー間隙を減少させることに対する設計の余地を与える。
【００３７】
図６は、０．０４０インチの壁の厚さに対する結果を示し、かつ、飽和温度感度を含む。飽和温度は、塩を用いて制御される。２８°Fは、海水の濃度である３５，０００ｐｐｍに対応する。塩は、冷却仕様を満たすために厳密に必要とされるわけではないが、性能のための安全要素である。それはまた、構造的な利益も提供する。設計点において、全体のチューブの長さ（４インチのチューブ９０個）は、およそ３０フィートか、または３０フィートをわずかに下回る。壁／氷および壁／コーヒーの表面域は、それぞれ、およそ３．２５および４平方フィートである。
【００３８】
図７は、ＤＯＥ方法を使用する構造的な結果を示す。ＤＯＥ入力は、弾性率、壁の厚さ、および初期の空気長さである。ＤＯＥ出力は、最終ゲージ圧力、最終空気長さ、壁の最大応力、壁の平均撓み、および壁の最大撓みを含む。定数モデル入力は、０．０９０インチのコーヒー間隙、６インチのチューブ長さ、７０°Fの初期空気温度、１４．７ｐｓｉの初期圧力、および３２°Fの最終空気温度を含む。壁が厚くされる場合、撓みおよび応力は減少する。平均撓みは、全てコーヒー間隙に対して小さいが、０．０３０インチの壁の場合に対する最大の撓みは、有意である。各チューブ内の充填の上方の初期の空気長さまたは自由空間が増加するにつれて、圧力および応力は減少する。
【００３９】
図８は、０．０４０インチの壁の厚さに対する構造的な結果を示し、弾性率感度を含む。壁における応力は、剛性とともに増加するが、感度は、示された範囲に対して比較的小さい。初期の１の空気長さは、（およその値）１０ｐｓｉのゲージ圧力、０．６インチの最終長さ、５００ｐｓｉの応力、４ｍｉｌの最大撓み、および１ｍｉｌの平均撓みとともに、設計点に選択される。
付加的な考慮：
【００４０】
正方形のチューブは、実践的な考慮および熱交換器の最適化のために、円形または六角形（ハニカム）のチューブ周囲形状などの他の形状に優先して選択された。熱交換器の最適化に関して、正方形は、チューブ間およびチューブとハウジングとの間で均一なコーヒー間隙を提供する。実践的な考慮に関して、正方形は、熱交換器を通るまっすぐな経路も提供し、まっすぐな経路は、アセンブリの取り付けのために使用され得、正方形は、清掃性を改善し、かつ、全ての表面を見ることができるという点でおそらく消費者の快適さのレベルも提供する。
【００４１】
塩は、温度仕様を満たすために必要とされないこともあるが、構造的な理由のために望ましく、熱容量を増加させるためにいくつかの実施形態で使用され得る。テストは、海水が凍る場合、溶液は泥状かつ均一であることを示した。これは、重なり合った空気空間のほうに氷は、膨張することを防ぐ可能性があり、水／空気境界面に沿って形成する氷橋の機会を排除し、それは、液体／氷圧力を介して壁の中の応力を増加させるであろう。
【００４２】
０．５インチのセル選択を考慮すると、複数のオプションが、ハウジング寸法に対する有力な選択肢を提供する。６インチの高さのチューブを使用すること（端板の積み重ねに応じてハウジングを６から７インチの高さにする）は、一般の他の卓上消費者製品および特にフレンチプレスに関して合理的な選択である。長方形の形状は、ピッチャーに類似するだろうが、円形のカップまたはピッチャーの開口部へドリップするように適応されがちであり、従って、長方形の形状ではなく対称的な（正方形の）形状を必要とする人気の高いキューリグの機械など一人分のコーヒー抽出器の下において（少なくとも快適に）適合しない可能性が高いマイナス面を有する。一つの実施形態に対するハウジング寸法は、５．５インチ×３．５インチである。正方形の断面図のハウジングが使用された場合、ピッチャーは、従来とは異なるが、キューリグタイプの抽出器具の下でより適合するだろう。
【００４３】
チラー装置の上部分は、好ましくは、冷却チューブのアレイのレイアウトを規定するかまたはアレイのレイアウトに従う上板および底板を含む。清掃性を考慮するために、コーヒーが隙間に入り込むことを防ぎ、かつ／またはコーヒーが自由に流れることを可能にする形状を組み入れることが望ましい。上板および底板の構造上の詳細も、冷却チューブの密封詳細に影響を与える。チューブは、個々に密封され得るか、またはチューブの接続（（一つまたは複数の）板へのプラスチック溶接など）によって密封され得る。いくつかの実施形態において、チューブは、（一つまたは複数の）板に嵌め込まれ得るが、上板と底板との間に（構造バーを介する「鳥籠」において）挟まれ得る。しかし、チューブのアレイを位置づけ同時に密封するプラスチック溶接が、現在想定されている設計である。
【００４４】
モデル化において、構造上のＤＯＥは、降伏強度より下の点を考慮するために、０．５インチの最小空気長さを使用した。参考として、仮に空気が全くない場合、壁の中の応力はおよそ４０００（降伏に等しい）で、圧力は８０ｐｓｉで、平均撓みは８ｍｉｌで、かつ、最大撓みは１５．５ｍｉｌである。空気が使用されない場合、安全率を維持するために一インチ短いチューブが、使用されるだろう。テストは、テストの間全く空気空間を使用しない強引なオプションを探究せず、本明細書における議論は、保守的であることを目的とする。
【００４５】
実際の製品寿命は、将来において、材料、寸法または製造過程さえの修正の必要性を示し得るか、または、例えば性能に関して、冷却は、まず塩濃度を増加させることによって、いずれの形状も変化させることなく増加させられ得る。あるいは、コーヒー空間、壁の厚さまたは氷空間のうちのいずれかは、例えばチューブ押し出し工具における簡易で安価な変化によって、変化させられ得る。ハウジング部は、低い応力のみを経験し、上で論じられたボリューム、高さおよびアレイの考慮以外に、ハウジングの形状および寸法、ならびに構造の材料は、単純であり、かつ、一般的に使用される任意のコーヒーポット、冷凍庫ピッチャーまたは他の消費者容器の、適した温度特性および外見特性の材料から作られ得る。平坦な表面は、より自由に屈曲するので、フープ応力における円形の表面を避け、一般的に平坦な壁が好まれる。空気間隙は、壁の応力を緩衝し、使用中、熱いコーヒーをまずピッチャーに注ぐことによって、プラスチックの壁は、対流を介する初期の熱伝導促進に晒されない（このことは、熱的に有利である）。
【００４６】
高密度ポリエチレン（ＨＰＤＥ）が、チューブの材料のために選択され、ポリプロピレン（ＰＰ）など他の材料は、適切であると考えられるが、ＰＰの低い熱伝導は、総合的な冷却を増強するために、チューブのサイズまたはアレイにおける変更、すなわち上記のような寸法およびパラメータの適切な修正による変更を必要とし得る。
【００４７】
さらに、上記の議論は、液体および凍ったもので（部分的に）満たされたチューブについて言及しているが、他方で、本発明は、熱伝導性充填剤とともにプラスチックを使用することも想定しており、その使用は、熱伝導性を０．３から１．０Ｗ／ｍ／Ｋへ増加させ、かつ、または、チューブもしくはロッド自体においてより大きな蓄熱を可能にするだろう。
【００４８】
上記のチューブ設計は、任意のボリュームおよび縦横比に合わせて大きさが変わるので、本明細書において、１６液量オンスの能動的飲料冷却ボリュームで比較的高さの高い縦横比の飲料チラーのプロトタイプのピッチャーの実施形態が説明される。この高さの高い設計は、より小さいフットプリントを可能にし、その冷凍庫および卓上空間の必要条件に有利に影響する。構造は、炭酸飲料への適用の見込みも提供する。以前の多くの装置は、液体から完全に出、飲料全体が入ることを防ぐ気体の急速な放出によって、炭酸飲料を冷やすために使用されることができないが、他方で、本設計は、通気性が良く、飲料をまず室温で底部分に注ぎ、それから熱交換器上部分を徐々に飲料のほうに下げることによって、炭酸化を処理する可能性が増加させられる。市場における多数のソーダおよび炭酸飲料を考慮すると、この能力は、テストによって確認される必要があり得る。しかし、冷凍庫に熱交換器を個々に保管することによって、熱交換器全体は、冷たい空気に晒され、冷却時間は、射出成型熱交換器が冷凍庫に非入れ子式に入れられたかのように、基本的に四分の一に減少させられる。従って、装置構造は、迅速で極度の冷却および他の飲料冷却タスクに良く適応される。
【００４９】
図９Ａは、ピッチャー様の下部分と、ピッチャーの中に下へ延びる熱冷却チューブの適合されたアレイとともに形成された上冷却部分とを有するコーヒーチラーの斜視図である。アレイおよびピッチャーは、各々、一つの段差付き縁を有し、アセンブリは、（様々な実施形態において、下部分または上部分のいずれかに形成され得る）注ぎ口および（好ましくは下部分の構造の一部である）ハンドルを含む。段差付き縁は、使用者が、上容器を底容器に適合させるときにアセンブリの二つの部分を適切に方向づけることを助け、ハンドルを握るための隙間を提供する。
【００５０】
図９Ｂは、図９Ａの実施形態において組み立てられる複数の構成要素を例示する。これらは、ピッチャーおよびチューブアレイに加えて、一つまたは複数の上板を含み、チューブがそれらに取り付けられ、一つまたは複数の上板は、さらにコーヒーが注ぎ入れられることを可能にし、気体が、充填操作を中断することなく流体経路に沿って下で移動することを可能にするように構成される。図９Ｂの下部分に示された上板は、それぞれ、暗い色の板および明るい色の板で示された二つの異なる構成を例示し、そのうちの一つが使用されるであろう。（正方形として例示されるが、チューブアレイの上を覆い、閉じるためにより一般的なサイズにされる）暗い色の板は、僅かにドーム状の表面を有し、流体を下へ縁に流す盛り上がった縁を有し、その縁に細長スロットが延び、細長スロットの上に注がれたまたはドリップされた飲料を流し、飲料は、スロットを通りピッチャーの中に流れる。飲料分散板のように働くことによって、その板は、液体が素早くかつ効果的にチラーアセンブリに入ることができることを確実にし、入る流体によって排出された任意の空気、またはアセンブリ内の一時的な氷橋によってそらされた任意の空気が、コーヒーまたは他の飲料の流入を妨げることなく、組み立てられた容器から効果的に抜け出ることを確実にする。二つ目の上板は、白色で示され、他のドリップ板構成を例示し、その構成において、小さな十字型の開口が、飲料が均一に分散され、１０×１０のチューブアレイのチューブ間のチューブ間流体空間へドリップすることを可能にする開口の９×９アレイを形成する。この充填分散板は、上記のチューブ間隔分析と共に、組み立てられたチラーへの清潔で、迅速で、液こぼれのない充填、および組み立てられたチラーからの注ぎ出しを可能にするということが認識されるだろう。これは、上記のようなチューブ設計において、コーヒーが全てのチューブ間に流れることを可能にされ、通気のための別個の設備が必要とされないからである。
【００５１】
従って、簡潔に言うと、チューブ設計は、射出成型または異なる構造もしくは成型された内部形状要素を有する他の構成に対して以下の有利な点を有する。
・より高くより薄い縦横比
・増加させられたコーヒーボリューム
・乾いた／清潔な手の境界面
・減少させられた再冷凍時間
・増加させられた、食洗器にとって安全である可能性
・コアまたは寸法シフト問題がないこと
・工具の低コスト
・部分の低コスト
・漏れの低い危険性
・プラスチックにおける低応力
・通気が必要でないこと
・氷橋がないこと
【００５２】
上記の発明は、コーヒーおよびお茶など熱い飲料を冷やすために設計され、ソーダ、ビール、ワインなど「冷たい」飲料を冷却するために必要とされる任意の修正を受け取る。そのような範囲の飲料の名目上提供サイズを収容するために、ボリューム容量は、１６液量オンスなどの固定された設計ボリュームを含み得る。しかし、両極端であるものを冷却するために、アイスコーヒー実施形態の密接に間隔を空けられたチューブの密なアレイに晒される室温の飲料は、３０秒で氷の冷たさまで非常に急速に冷却されるので、ある一定の飲料に対するチューブ熱交換器アレイは、より数の少ない、より小さく、またはより幅広く間隔を空けられたチューブを伴い、異なる最終温度へ冷却する異なる速度を必要とする異なる構成であり得る。従って、ほとんどの飲料に対して、冷たければ冷たいほど良いが、ワインは例外である。
【００５３】
赤ワインに対する適切な提供温度は、およそ６０°Fであり、白ワインに対する適切な提供温度は、およそ４５°Fであり、タイプによって２から３°Fの変化を伴う。ワインが貯蔵室に置かれておらず、名目上およそ６８°Fの室温で始まる場合、これは、（ホットコーヒーよりも）小さい冷却低下、および場合によっては（ホットコーヒーよりも）大きい飲料のボリュームを伴う。
【００５４】
これらの異なる飲料に対して、出願人は、いくらか異なる熱交換チューブアレイを想定し、それらは、飲料の温度をよりゆっくり下げる（使用者が、例えばデカントする前の３０秒間、ワイン冷却サイクルの「タイミングを合わせる」ことを可能にする）か、またはワインに適した特定の温度到達点まで温度を下げる（ワインが、テーブルに提供するためにより長い時間、受け取り容器で適切な温度を維持することを可能にする）ように構成された、より数の少ない、かつ／またはより幅広く間隔を空けられたチューブによって特徴づけられる。他の実践的な実装は、連続の流入に対するコーヒーまたはワインのチューブアレイの余分に凍った挿入を有することも含み得る。より数の少ないチューブのアレイを使用すると、上部分は、同じ底部分に適合するようにサイズ決定され得るが、より大きな流体ボリュームを冷却し得る。
【００５５】
効果的なワイン冷却器アセンブリを実現するために、そのようなチューブ熱交換アレイの実現可能性を確かめ、かつそれらの性能を定量化するためのアレイ挙動をモデル化する複数の計算がなされた。図１０Ａは、上で広く論じられたような正方形の押し出しチューブ設計に基づく熱交換器断面図のスプレッドシート表示を示す。各「ｘ」は、押し出しチューブを表し、代表的なアイスコーヒーチラー構成が分析のための全１０×１０の正方形に近似され、左に示される。一つの提案されたまばらな冷却器構成が右に示され、そのまばらな冷却器構成において、一つおきのチューブが取り除かれ、同じ空間においてチューブの総数を５×５または２５のチューブアレイに減少させる。提案された熱交換器の温度反応を計算するために、シミュレーションが使用された。基準の完全な熱交換器形状は、０．２８０’’の冷たい（氷コア）間隙、０．０３０’’の壁の厚さ、および０．０８０’’の熱い（流体空間）間隙である。一つおきのチューブを取り除くことによって得られる修正された形状は、０．２８０’’の冷たい間隙、０．０３０’’の壁、および０．５００’’の熱い（流体空間）間隙となった。
【００５６】
図１０Ｂは、チューブ内のワインおよび氷／融解物における空間平均された温度反応を示す。冷却は、比較的遅く、ワイン温度は、５分の時点で５０°Fのラインを通過し、およそ１０分後に約４５°Fで平らになる。氷／融解物は、冷凍庫温度から、融解し、完全に融解するまで推移する。飲料および氷／融解物の温度が各々、接近すると、システムは、定常状態に達する。
【００５７】
図１０Ｃは、氷融解比反応を示す。氷は、８分を僅かに過ぎたのち、完全に融解する。冷却容量は、完全に使い果たされているので、実際に、ワインはピッチャーに残されることができる。
【００５８】
図１０Ｄは、上記の実施形態の形状の詳細を要約した一覧表を示し、コーヒー構成の寸法特徴は、データの上のブロックに、ワイン構成の寸法特徴は、下にある。チューブの総数を１００から２５に減少させることによって、飲料ボリュームは、１６ｏｚから３８．８ｏｚまたは１，１７５ｍＬ．まで増加させられる。ここで、軸長さは、チューブの空気セクションを含まない。
【００５９】
従って、先の記述は、チューブチラー構築の柔軟性、およびワインを提供温度まで冷却しその温度を提供容器において維持するために作動する受動的ピッチャーアセンブリとして構成された飲料チラーにおける便利な性能を実証する。
【００６０】
そして、上記のように、本発明は、チューブベースの熱冷却部分、および飲料を受け取り特定の提供温度まで飲料を冷やすように相互に適合する容器のようなカップまたはピッチャー部分から形成された容器アセンブリを提供する。チューブ熱交換器は、ホットコーヒーを素早くアイスコーヒーに変えるか、またはワインを適切なワイン提供温度まで冷やすように適応される。
【００６１】
従って、本発明は、これらの例に対して詳細に説明されたが、熱冷却チューブ、チューブアレイおよび容器部分の寸法は、提供サイズおよびソーダ、ビールまたはカクテル調製など特定の飲料の特性に基づいて、炭酸飲料または他の飲み物の所望の冷却を実現するために設定されることが、これまでの記述から明らかであるだろう。当業者は、そのような飲料特定変種およびさらなる実施形態に想到し、全てのそのような変種および修正は、本明細書に添付された請求項の範囲に係る発明内に含まれる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【国際調査報告】
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