過冷却水の凝固装置

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【発明の名称】	過冷却水の凝固装置
【発明者】	【氏名】宝積勉【氏名】斎藤彬夫【氏名】大河誠司【氏名】熊野寛之
【要約】	【課題】容易に凝固しない低い過冷度の過冷却水に対し小型の装置により任意の時点および任意の場所で能動的な過冷却解消を行って、その過冷却水を瞬時に凝固させ得るようにした凝固装置を提供することにある。【解決手段】過冷却水を充填されるシリンダ１と、前記シリンダ内に液密に摺動可能に嵌合されて、そのシリンダ内での摺動により、そのシリンダ内への過冷却水の充填と、そのシリンダ内に充填された過冷却水への衝撃の付加と、その衝撃により過冷却が解消した過冷却水の前記シリンダ内からの排出とを行う少なくとも一つのピストン２，３と、前記シリンダおよび前記ピストンの少なくとも一方に開閉可能に設けられた水充填口１ａおよび水排出口１ｂとを具えてなるものである。

【特許請求の範囲】
【請求項１】過冷却水を充填されるシリンダ（１）と、前記シリンダ内に液密に摺動可能に嵌合されて、そのシリンダ内での摺動により、そのシリンダ内への過冷却水の充填と、そのシリンダ内に充填された過冷却水への衝撃の付加と、その衝撃により過冷却が解消した過冷却水の前記シリンダ内からの排出とを行う少なくとも一つのピストン（２，３）と、前記シリンダおよび前記ピストンの少なくとも一方に開閉可能に設けられた水充填口（１ａ）および水排出口（１ｂ）と、を具えてなる、過冷却水の凝固装置。
【請求項２】前記シリンダには、前記水充填口および前記水排出口が形成されるとともに、二つの前記ピストンが嵌合されており、前記二つのピストンのうちの一方のピストンは、前記水充填口および前記水排出口を開閉し、他方のピストンは、前記シリンダ内への過冷却水の充填と、そのシリンダ内に充填された過冷却水への衝撃の付加と、その衝撃により過冷却が解消した水の前記シリンダ外への排出とを行うものであることを特徴とする、請求項１記載の過冷却水の凝固装置。
【請求項３】前記シリンダの周囲にはヒータ（４）が設けられていることを特徴とする、請求項１または２記載の過冷却水の凝固装置。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、冷凍機の氷蓄熱システム等に用いられ、過冷却水を凝固させてその過冷却を解消させる過冷却水の凝固装置に関し、特には、低い過冷度の過冷却水について、任意の時点、任意の場所で能動的に過冷却を解消させ得る凝固装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】従来の過冷却解消（凝固）技術としては、流動する過冷却水を自由落下させ、板に当てることによって凝固させる方法が知られている。
【０００３】しかしながらこの方法では、凝固に十分に長い距離を必要とすることから装置が大型となり、また、任意の時点、任意の場所で凝固させることができず、しかも過冷度が低いと凝固させることができないという問題がある。
【０００４】それゆえこの発明は、容易に凝固しない低い過冷度の過冷却水に対し小型の装置により任意の時点および任意の場所で能動的な過冷却解消を行って、その過冷却水を瞬時に凝固させ得るようにした凝固装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上記課題を有利に解決するこの発明の過冷却水の凝固装置は、過冷却水を充填されるシリンダと、前記シリンダ内に液密に摺動可能に嵌合されて、そのシリンダ内での摺動により、そのシリンダ内への過冷却水の充填と、そのシリンダ内に充填された過冷却水への衝撃の付加と、その衝撃により過冷却が解消した水の前記シリンダ内からの排出とを行う少なくとも一つのピストンと、前記シリンダおよび前記ピストンの少なくとも一方に開閉可能に設けられた水充填口および水排出口とを具えてなるものである。なお、前記水充填口と水排出口との二種類の口として、一つの開口を設けてそれを共用しても良い。
【０００６】かかる凝固装置にあっては、そのシリンダを過冷却水中に浸漬させ、水充填口を開くとともにピストンを所定方向へ摺動させて、そのシリンダ内に過冷却水を充填した後、水充填口を閉じてから、ピストンをそのシリンダ内に充填された過冷却水へ向けて瞬間的に摺動させることでそのシリンダ内の過冷却水に衝撃を付加すると、その過冷却水の過冷却が解消し、その水の一部が凝固して氷核が発生する。その後は、水排出口を開くとともにピストンを上記所定方向と逆方向へ摺動させれば、その過冷却が解消した水がシリンダ外の過冷却水中に排出されて、周囲の過冷却水を連鎖的に凝固させる。
【０００７】従って、この発明の凝固装置によれば、容易に凝固しない低い過冷度の過冷却水に対し、従来より小型の装置で、任意の時点にて能動的な過冷却解消を行ってその過冷却水を瞬時に凝固させることができ、しかもその小型化により、多数の当該装置を過冷却水中に設置したり当該装置を移動させたりすることが容易にできるので、任意の場所の過冷却水を凝固させる事ができる。
【０００８】それゆえ、この発明の凝固装置を、例えば氷蓄熱システムの過冷却解消装置として使用すれば、冷凍機の冷凍負荷を大幅に低減することができることから、蓄エネルギー、冷凍空調分野および環境分野に大きく貢献することができる。
【０００９】なお、この発明の凝固装置においては、前記シリンダに、前記水充填口および前記水排出口が形成されるとともに、二つの前記ピストンが嵌合され、また前記二つのピストンのうちの一方のピストンが、前記水充填口および前記水排出口を開閉し、他方のピストンが、前記シリンダ内への過冷却水の充填と、そのシリンダ内に充填された過冷却水への衝撃の付加と、その衝撃により過冷却が解消した水の前記シリンダ外への排出とを行うものであっても良い。
【００１０】かかる凝固装置にあっては、過冷却水の給排水および衝撃付加用と水充填口および水排出口の開閉用とにそれぞれ別個のピストンを具えるので、シリンダ内への過冷却水の充填後、一方のピストンで水充填口および水排出口を閉止してシリンダ内を密閉した状態で、他方のピストンをシリンダ内の過冷却水に対し後退方向へ引っ張り力を加えると、ピストンがシリンダ内の過冷却水の空気を減圧膨張させてシリンダ内に負圧空気溜まりを形成し、その負圧により弾性的な引っ張り反力を受けながら後退移動し、その状態でピストンへの上記引っ張り力を瞬間的に解放すると、ピストンが上記引っ張り反力によりシリンダ内の過冷却水に対し前進（圧縮）方向へ附勢されて高速で前進移動して、シリンダ内の過冷却水の界面に衝突し、その過冷却水に衝撃力を付加する。
【００１１】従って上記の凝固装置によれば、簡易な構成で、シリンダ内の過冷却水にピストンから衝撃力を付加することができる。
【００１２】また、この発明の凝固装置においては、前記シリンダの周囲にヒータが設けられていても良く、かかる凝固装置によれば、衝撃により過冷却が解消した水のシリンダ外への排出時にヒータでシリンダを加熱することで、シリンダの周囲の過冷却水を過度に加熱することなしにシリンダ内壁への氷核の付着を防止し得て、当該装置の連続的な使用を容易ならしめることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下に、この発明の実施の形態を実施例によって、図面に基づき詳細に説明する。ここに、図１（ａ）は、この発明の過冷却水の凝固装置の一実施例を示す側面図、図１（ｂ）は、その実施例の装置の内部構造を示す断面図であり、図中１はシリンダ、２，３はピストン、４はコイル型電気式ヒータをそれぞれ示す。
【００１４】この実施例の装置は、横断面（図では紙面と直交して左右方向へ延在する面）の断面形状および断面積が一様な内部空間を持つシリンダ（直管および円管には限定されない）１を具えるとともに、そのシリンダ１内に適当なシール材（図示せず）を介して液密に摺動可能に嵌合されて互いの間に過冷却水充填空間Ｓを画成する二個のピストン２，３を具え、さらに、シリンダ１の両端部にそれぞれ設けられてそれら二個のピストン２，３を別個に進退移動させる二つの、例えば電磁ソレノイド等で構成されたピストン駆動手段（図示せず）を具えている。
【００１５】そしてシリンダ１には、水充填口１ａおよび水排出口１ｂが形成されており、ピストン３は、それら水充填口１ａおよび水排出口１ｂを開閉するとともにシリンダ１内のそれら水充填口１ａおよび水排出口１ｂ付近の過冷却水を上方へ移動させる役割を果たす。またシリンダ１の周囲には、上記コイル型電気式ヒータ４が巻き付けられている。
【００１６】かかる実施例の装置の作用を以下に図２～図５を参照して説明する。ここで、図中符号Ｗは過冷却水、Ｄは装置の外部の過冷却水Ｗの流れ方向を示している。なお、以下の説明は、凝固させることがより困難な過冷却水の流れの場を対象としているが、本発明の装置は過冷却水が流れていることを条件とせず、静止している過冷却水中でも使用し得ることはいうまでもない。
【００１７】この実施例の装置を、一定方向へ流れている過冷却水に対して使用する場合には、先ず、図２（ａ）に示すように、ピストン３用の上記ピストン駆動手段でピストン３をシリンダ１の水充填口１ａおよび水排出口１ｂの下側へ後退移動させてそれら水充填口１ａおよび水排出口１ｂを開放した状態で、シリンダ１の水充填口１ａおよび水排出口１ｂを、符号Ｄで示す如き流れの過冷却水Ｗの上流側および下流側へそれぞれ向けて、当該装置を過冷却水Ｗ中に浸漬し、次いでピストン２用の上記ピストン駆動手段でピストン２を図中矢印Ａで示す如く上方へ後退移動させると、当該装置の上流側から外部の過冷却水Ｗがシリンダ１の内部に流入する。この流入後、図２（ｂ）に示すように、ピストン３用の上記ピストン駆動手段でピストン３をシリンダ１の水充填口１ａおよび水排出口１ｂを閉止するように図中矢印Ｂで示す如く上方へ前進移動させると、ピストン２とピストン３との間に画成された過冷却水充填空間Ｓ内が、過冷却水Ｗで満たされ、ピストン２およびピストン３の互いに向き合う面は過冷却水充填空間Ｓ内の過冷却水Ｗの界面に接する。なお、この間、コイル型電気式ヒータ４はＯＦＦとしておく。
【００１８】次いでここでは、図３に示すように、ピストン２用の上記ピストン駆動手段でピストン２に引っ張り力を加えて、ピストン２を図中矢印Ｃで示す如く上方へさらに後退移動させる。この時、シリンダ１内の過冷却水充填空間Ｓが拡張されることから、ピストン２はその過冷却水充填空間Ｓ内の過冷却水Ｗ中に含まれている空気（気泡）を減圧膨張させて水上に引き出し、あるいはそれとともにその過冷却水充填空間Ｓ内の過冷却水Ｗを低圧沸騰させ水面から水蒸気を発生させて、過冷却水Ｗの上方に負圧空気溜まりＶを生成させ、その負圧により弾性的な引っ張り反力を受けながら後退移動する。なお、この間も、コイル型電気式ヒータ４はＯＦＦとしておく。
【００１９】次いでここでは、ピストン２用の上記ピストン駆動手段の作動を停止させてピストン２への上記引っ張り力を瞬間的に解放する。この時、さらに押圧力を上記ピストン駆動手段からピストン２に加えても良い。これによりピストン２は、図４（ａ）に示すように、上記引っ張り反力あるいはそれに加えて上記押圧力によってシリンダ１内の過冷却水充填空間Ｓ内の過冷却水Ｗに対し前進（圧縮）方向へ附勢されて、図中矢印Ｅで示す如く高速で下方へ前進移動し、図４（ｂ）に示すように、その過冷却水充填空間Ｓ内の過冷却水Ｗの界面に激しく衝突してその過冷却水Ｗに衝撃力を付加する。この衝撃力は過冷却水充填空間Ｓ内の過冷却水Ｗ中に伝搬し、これによりその過冷却水Ｗの過冷却が解消して、過冷却水充填空間Ｓ内の水には氷核が生成する。なお、この間も、コイル型電気式ヒータ４はＯＦＦとしておく。
【００２０】しかる後ここでは、コイル型電気式ヒータ４をＯＮとしてシリンダ１を加熱するとともに、図５（ａ）中矢印Ｆで示すように、ピストン３用の上記ピストン駆動手段でピストン３を下方へ後退移動させてシリンダ１の水充填口１ａおよび水排出口１ｂを開放し、水充填口１ａからシリンダ１の上流側の過冷却水Ｗをシリンダ１内に流入させることで、過冷却水充填空間Ｓ内の、上記衝撃力で過冷却が解消した水ＷＡを水排出口１ｂからシリンダ１外へ押し出して、シリンダ１の下流側へ排出する。
【００２１】そしてピストン３を水充填口１ａおよび水排出口１ｂの下側へ後退移動させてそこに停止させた後、図５（ｂ）中矢印Ｇで示すように、さらにピストン２用の上記ピストン駆動手段でピストン２をピストン３に接触するまで下方へ前進移動させて、過冷却水充填空間Ｓ内の、氷核を含む水ＷＡを全てシリンダ１外へ排出する。これによって排出された、氷核を含む水ＷＡは、上記装置のシリンダ１の下流側の過冷却水Ｗを連鎖的に凝固させ、その過冷却を解消させる。そしてその氷核を含む水ＷＡの排出時には、上記コイル型電気式ヒータ４でシリンダ１を加熱することで、過冷却水充填空間Ｓ内の水ＷＡ中の氷核がシリンダ１の内壁に付着して当該装置の連続的な作動を阻害するのを防止する。
【００２２】以上の工程を１サイクルとし、一連のサイクルを繰り返すことによって、この実施例の装置によれば、凝固させることがより困難な過冷却水の流れの場においても、そして比較的過冷度の低い過冷却水に対しても、連続して氷核生成ならびに凝固を行わせることができる。なお、その際、図３に示す負圧空気溜まりＶの生成を阻害しない（充分低い負圧が生ずる）限度にて、シリンダ１内の過冷却水Ｗに気泡が多く含まれるほど、衝撃の効果はより大きくなり、より過冷度の低い（０℃との差の少ない）過冷却水Ｗを凝固させることができる。
【００２３】従って、この実施例の凝固装置によれば、過冷度の低い過冷却水に対して、従来より小型の装置で、任意の時点にて能動的な過冷却解消を行うことができ、しかもその小型化により、多数の当該装置を過冷却水中に設置したり当該装置を移動させたりすることが容易にできるので、任意の場所の過冷却水を凝固させる事ができる。それゆえ、この実施例の凝固装置を、例えば氷蓄熱システムの過冷却解消装置として使用すれば、冷凍機の冷凍負荷を大幅に低減することができることから、蓄エネルギー、冷凍空調分野および環境分野に大きく貢献することができる。
【００２４】そしてこの実施例の凝固装置によれば、過冷却水の給排水および衝撃付加用のピストン２と、水充填口１ａおよび水排出口１ｂの開閉用のピストン３との二個のピストンを具えるので、上記のようにピストン２を使用した簡易な構成で、シリンダ１内の過冷却水に衝撃力を付加することができる。
【００２５】さらにこの実施例の凝固装置によれば、シリンダ１の周囲にヒータ４が設けられているので、衝撃により過冷却が解消した水ＷＡのシリンダ１外への排出時にヒータ４でシリンダ１を加熱することで、シリンダ１の周囲の過冷却水Ｗを過度に加熱することなしにシリンダ内壁への氷核の付着を防止し得て、当該装置の連続的な使用を容易ならしめることができる。
【００２６】図６は、この発明の凝固装置の作動を確認するための予備実験装置を示す説明図であり、本願発明者は、この予備実験装置を用いて、上述した衝撃付加による過冷却水の凝固に関する予備実験を行い、有効であるとの確証を得ている。
【００２７】図６に示す予備実験装置は、２５ｃｍ³ のポリプロピレン製注射器を用いて構成したものであり、この予備実験では、上記注射器のシリンダ１内に、目視可能な直径約１００μｍ以上の気泡を除去した超純水ＷＳの水滴１ｃｍ³ を入れて、その上部をシリコーンオイルＳＯで塞ぎ、超純水ＷＳの水滴の下部を注射器のシリンダ１の先端部（図では底部）に接触させている。ここで、注射器のピストン２と超純水ＷＳとの間をシリコーンオイルＳＯで遮断したのは、衝撃のみを超純水ＷＳに伝播させるためである。上記注射器の先端部（図では下端部）は閉じてあり、シリンダ１の内部は密閉されている。
【００２８】以上の条件下の予備実験装置としての上記注射器を、図６に示すように冷却槽５内で冷却して、その内部の超純水ＷＳを０℃以下の過冷却状態に保持する。そしてその状態で、注射器のピストン２をある任意の張力に達するまで手で持ち上げ、その後に手を離す。これによりピストン２は内部の負圧で引かれて落下し、その衝撃はシリコーンオイルＳＯを通じて超純水ＷＳに伝わる。なお、図中符号６は、シリンダ１の先端部の温度を計測するための熱電対である。
【００２９】図７は、上記の予備実験の結果の、凝固温度と０℃との差の絶対値である△Ｔおよび試行回数Ｎの関係を示す図であり、図７（ａ）は、比較データとしての衝撃を付加しない場合のデータ、図７（ｂ）は上記のようにピストン２を落下させて衝撃を付加した場合のデータを示す。
【００３０】上記の予備実験の結果では、ピストン２を落下させた場合には、△Ｔの平均値△Ｔ_ave は、５．８Ｋであった。一方、衝撃を付加しない場合には、△Ｔの平均値△Ｔ_ave は１３．９Ｋであった。そして凝固のタイミングは、衝撃を付加した直後であった。この実験では凝固の瞬間を明確に撮影するため、過冷度を比較的高めに設定して衝撃を付加したが、衝撃を付加することによって過冷却水は－３℃でも凝固する。そして過冷却水に気泡が多く含まれる場合は、衝撃の付加によって－１℃で凝固する場合があることを本願発明者は確認している。以上のことから、この発明の装置により衝撃を付加すれば、低い過冷度の過冷却水でも凝固させ得ることが確認された。
【００３１】以上、図示例に基づき説明したが、この発明は上述の例に限定されるものでなく、例えば上記実施例では二個のピストンを使用したが、ピストンを一個とするとともに、シリンダやピストンに水充填口および水排出口の少なくとも一方と、それらを開閉する弁とを設けるようにしても良く、また二個のピストンのうちの一方で、水充填口および水排出口の開閉と、シリンダ内への過冷却水の充填と、衝撃により過冷却が解消した過冷却水のシリンダ内からの排出とを行い、他方のピストンで、シリンダ内に充填された過冷却水への衝撃の付加のみを行うようにしても良い。そして、上記実施例ではコイル型電気式ヒータ４を用いたが、他の種類のヒータを用いても良く、また場合によってはヒータを省略しても良い。
【００３２】さらに、上記実施例ではピストン駆動するために電磁ソレノイド等のピストン駆動手段を具えたが、この発明の凝固装置は、それ自身として特にピストン駆動手段を具えず、ピストンに手で操作し得る部材を具えて、手動操作でピストンを動かすようにしても良く、また、水充填口と水排出口との二種類の口として、シリンダやピストンに一つの開口を設けてそれを共用するようにしても良い。

【出願人】	【識別番号】３９１０１２３１６【氏名又は名称】東京工業大学長
【出願日】	平成１１年１２月２８日（１９９９．１２．２８）
【代理人】	【識別番号】１０００５９２５８【弁理士】【氏名又は名称】杉村暁秀（外２名）
【公開番号】	特開２００１－１９４０７９（Ｐ２００１－１９４０７９Ａ）
【公開日】	平成１３年７月１７日（２００１．７．１７）
【出願番号】	特願平１１－３７４３７５