| 【発明の名称】 |
製氷方法及び製氷装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】平田 哲夫
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| 【要約】 |
【課題】高い効率で簡易に製氷することのできる、製氷方法及び製氷装置を提供する。
【解決手段】管状部材の外壁に沿って所定の冷媒を流すことによって、前記管状部材の第１の物質から構成される内壁を冷却し、この内壁に沿って第２の物質から構成される水溶液を流す。そして、前記管状部材の前記内壁上において氷結晶を生成させるとともに、生成した氷結晶を剥離し、貯氷する。前記第１の物質の熱伝導率をλ１（Ｗ／ｍＫ）、熱拡散率をα１（ｍ２／ｓｅｃ）とし、前記第２の物質の熱伝導率をλ２（Ｗ／ｍＫ）、熱拡散率をα２（ｍ２／ｓｅｃ）とした場合において、（λ２／λ１）・（α１／α２）１／２＞１なる関係式を満たす。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 管状部材の内壁を冷却するとともに、前記内壁に沿って水溶液を流し、前記管状部材の前記内壁上に氷結晶を生成させる工程と、前記氷結晶を前記水溶液の流動によって剥離させる工程とを含み、前記管状部材の前記内壁を構成する第１の物質の熱伝導率をλ１（Ｗ／ｍＫ）、熱拡散率をα１（ｍ２／ｓｅｃ）とし、前記水溶液を構成する第２の物質の熱伝導率をλ２（Ｗ／ｍＫ）、熱拡散率をα２（ｍ２／ｓｅｃ）とした場合において、（λ２／λ１）・（α１／α２）１／２＞１なる関係式を満たすことを特徴とする、製氷方法。
【請求項２】 前記第１の物質は、シリコーン系樹脂、フッ素系樹脂、及び塩化ビニル系樹脂から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする、請求項１に記載の製氷方法。
【請求項３】 前記第１の物質はシリコーン樹脂であることを特徴とする、請求項２に記載の製氷方法。
【請求項４】 前記第１の物質はテフロン（登録商標）であることを特徴とする、請求項２に記載の製氷方法。
【請求項５】 前記第１の物質は塩化ビニル樹脂であることを特徴とする、請求項２に記載の製氷方法。
【請求項６】 前記第２の物質は、２価アルコールの水溶液であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載の製氷方法。
【請求項７】 前記第２の物質は、エチレングリコール水溶液及びプロピレングリコール水溶液の少なくとも一方であることを特徴とする、請求項６に記載の製氷方法。
【請求項８】 前記エチレングリコール水溶液及び前記プロピレングリコール水溶液中におけるエチレングリコール及びプロピレングリコールの濃度が、２〜１０重量％であることを特徴とする、請求項７に記載の製氷方法。
【請求項９】 前記第２の物質は、アルキルアルコール水溶液であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載の製氷方法。
【請求項１０】 前記アルキルアルコール水溶液は、エチルアルコール水溶液及びメチルアルコール水溶液の少なくとも一方であることを特徴とする、請求項９に記載の製氷方法。
【請求項１１】 前記エチルアルコール水溶液及び前記メチルアルコール水溶液中におけるエチルアルコール及びメチルアルコールの濃度が、２〜１０重量％であることを特徴とする、請求項１０に記載の製氷方法。
【請求項１２】 前記水溶液の流速が、０．０４〜０．１ｍ／ｓｅｃであることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一に記載の製氷方法。
【請求項１３】 前記管状部材の前記内壁は、前記水溶液の凝固温度より０．５〜３℃低い温度にまで冷却することを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一に記載の製氷方法。
【請求項１４】 前記管状部材の前記内壁の冷却は、前記管状部材の外壁に沿って冷媒を流すことによって行うことを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一に記載の製氷方法。
【請求項１５】 前記氷結晶の大きさが、ミリメートルのオーダであることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか一に記載の製氷方法。
【請求項１６】 前記氷結晶の大きさが、センチメートルのオーダであることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか一に記載の製氷方法。
【請求項１７】 第１の物質から構成される内壁を有し、この内壁に沿って第２の物質から構成される水溶液を流すことにより、前記内壁上に氷結晶を生成するための管状部材を具え、前記第１の物質の熱伝導率をλ１（Ｗ／ｍＫ）、熱拡散率をα１（ｍ２／ｓｅｃ）とし、前記第２の物質の熱伝導率をλ２（Ｗ／ｍＫ）、熱拡散率をα２（ｍ２／ｓｅｃ）とした場合において、（λ２／λ１）・（α１／α２）１／２＞１なる関係式を満たすことを特徴とする、製氷装置。
【請求項１８】 前記第１の物質は、シリコーン系樹脂、フッ素系樹脂、及び塩化ビニル系樹脂から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする、請求項１７に記載の製氷装置。
【請求項１９】 前記第１の物質はシリコーン樹脂であることを特徴とする、請求項１８に記載の製氷装置。
【請求項２０】 前記第１の物質はテフロンであることを特徴とする、請求項１８に記載の製氷装置。
【請求項２１】 前記第１の物質は塩化ビニル樹脂であることを特徴とする、請求項１８に記載の製氷装置。
【請求項２２】 前記管状部材は外管状部材と内管状部材とからなる２重構造を呈し、前記外管状部材と前記内管状部材との間に冷媒を流すようにしたことを特徴とする、請求項１７〜２１に記載の製氷装置。
【請求項２３】 前記管状部材の上方において、前記管状部材と接続させて貯氷層を具えることを特徴とする、請求項１７〜２２のいずれか一に記載の製氷装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、製氷方法及び製氷装置に関し、詳しくは、氷蓄熱空調システム、食品冷却用の冷蔵庫、食品陳列棚の冷却装置、及び機械加工機の冷却装置などに好適に用いることのできる、製氷方法及び製氷装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】需要が少ないために安価である深夜電力を用いて蓄熱槽内に製氷し，昼間の冷房ピーク時に氷が融解する際の潜熱を利用して電力負荷の平準化を回り、エネルギーの有効利用や環境負荷低減を図る氷蓄熱システムが用いられている。
【０００３】従来の製氷方法は、伝熱管内に不凍夜（ブライン）やフロンなどの低温の冷媒を流し、前記伝熱管（熱交換器）の外壁上に氷を生成させるものである。このような方式は、生成された氷が外壁上に着氷して成長するので、氷の熱伝導率が小さいために、着氷の厚みが増すにつれて氷の成長速度が低下してしまう。
【０００４】また、近年、搬送性のあるシャーベット状の氷を使用するリキッドアイス方式が着目されている。この方式においては、生成されたリキッドアイスは直径０．２ｍｍ程度の微細な氷粒子となっており、この氷粒子がエチレングリコール水溶液などの液体中に浮遊・混合した状態になっている。したがって、リキッドアイスは流動性を有するようになるため、配管による輸送が可能となる。
【０００５】また、リキッドアイスの流動性に起因して、融解時の伝熱が促進されるとともに、伝熱制御が可能となる。このため、高負荷追従が可能となり、多種多様な氷蓄熱システムへの応用が考えられている。
【０００６】このようなリキッドアイスを製造する方法として、例えば，冷却管内に生成した氷を機械的に削り取る方法、冷却管内外で水溶液を凍結させ定期的に加熱して管壁上に生成した氷を剥がして浮上させる方法などが提案されているが、機械的メンテナンスの必要性や冷却管を一時的に加熱することによる製氷効率の低下などの問題点がある。
【０００７】従来のリキッドアイス製造方法のうち、例えば、特開昭６３−２１７１７１号に過冷却状態の水に衝撃を与えて凍らせるシステムが提案されている。この方法は、図１に示すように、２重管の外管に冷凍装置からの冷却液を循環し、内管に水を流して管内で−３℃程度まで過冷却し、この過冷却水を板に衝突させる。すると、その衝撃で過冷却が解除され、氷が生成されるものである。
【０００８】また、例えば、特開平１０−１７０１１１号には、冷却面で生成した氷が浮力により自然に剥離し、リキッドアイスを製造する方法が提案されている。この方法においては、製氷する冷却板としてシリコンやテフロンなどの熱伝導率の小さい高分子材料を用い、エチレングリコール水溶液などを凍らせた場合に、冷却面に生成した氷が人為的な処理を必要とすることなく自然かつ容易に剥離する現象を用いたものである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開昭６３−２１７１７１号に記載した方法では、管内で何らかの外乱が発生した場合、一般に水は０℃で凍るために管壁上に着氷してまい、放っておくと管が氷で閉塞してしまう問題点がある。したがって、冷却管に着氷検出器を設置し、氷が発生したら直ちに冷却を停止し氷を取り除く作業が必要となっている。
【００１０】また、過冷却水を安定的に保持するために、０．１℃程度の精密な温度コントロールが必要となっている。さらに、衝突により過冷却水の一部は氷となるが、残りの過冷却水は瞬時には過冷却解消されない。したがって、配管輸送中にその残存過冷却水が氷結し、配管内壁に氷が生成されるため、それを融解解除するための付属設備が必要であるなどの問題点がある。
【００１１】さらに、特開平１０−１７０１１１号に記載した方法は、静止水溶液を用いているため製氷効率が低いという問題点がある。
【００１２】本発明は、高い効率で簡易に製氷することのできる、製氷方法及び製氷装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく、本発明は、管状部材の内壁を冷却するとともに、前記内壁に沿って水溶液を流し、前記管状部材の前記内壁上に氷結晶を生成させる工程と、前記氷結晶を前記水溶液の流動によって剥離させる工程とを含み、前記管状部材の前記内壁を構成する第１の物質の熱伝導率をλ１（Ｗ／ｍＫ）、熱拡散率をα１（ｍ２／ｓｅｃ）とし、前記水溶液を構成する第２の物質の熱伝導率をλ２（Ｗ／ｍＫ）、熱拡散率をα２（ｍ２／ｓｅｃ）とした場合において、（λ２／λ１）・（α１／α２）１／２＞１なる関係式を満たすことを特徴とする、製氷方法に関する。
【００１４】また、本発明は、第１の物質から構成される内壁を有し、この内壁に沿って第２の物質から構成される水溶液を流すことにより、前記内壁上に氷結晶を生成するための管状部材を具え、前記第１の物質の熱伝導率をλ１（Ｗ／ｍＫ）、熱拡散率をα１（ｍ２／ｓｅｃ）とし、前記第２の物質の熱伝導率をλ２（Ｗ／ｍＫ）、熱拡散率をα２（ｍ２／ｓｅｃ）とした場合において、（λ２／λ１）・（α１／α２）１／２＞１なる関係式を満たすことを特徴とする、製氷装置に関する。
【００１５】図２は、本発明の製氷方法及び製氷装置を用いた場合の製氷プロセスを示すモデル図である。図２においては、上記第１の物質、例えば塩化ビニル樹脂からなる内壁１Ｂを有する内管１と、外管２とからなる２重構造の管状部材が示されている。
【００１６】内管１の内部１Ａに、上記第２の物質、例えばエチレングリコール水溶液を矢印の方向に流し、内管１及び外管２の間２Ａに所定の冷媒を矢印の方向に流すと、図２（ａ）に示すように、内管１の内壁１Ｂ上に氷結晶Ｘが生成される。上記第１の物質及び第２の物質が上記関係式を満たした状態においては、内管１は氷結晶が成長する際の凝固潜熱の総てを短時間に吸収することができない。
【００１７】また、流れているエチレングリコール水溶液は、内管１と外管２との間２Ａを流れる冷媒によって冷却されるので、わずかに過冷却の状態になっている。したがって、氷結晶が成長するためには凝固潜熱の一部を過冷却状態で流れているエチレングリコール水溶液中に放出せざるを得なくなってくる。このため、氷結晶Ｘは水溶液側にも成長し、内管１の内壁１Ｂとの間にわずかな挟間が形成され、内壁１Ｂと氷結晶Ｘの接触面積が減少する。
【００１８】時間の経過とともに、図２（ｂ）に示すように氷結晶Ｘは増大するので、内管１と外管２との間２Ａを流れるエチレングリコール水溶液の流れに伴う抗力が増大する。そして、この抗力がある程度の大きさになると、図２（ｃ）に示すように、氷結晶Ｘは内壁１Ｂから剥離する。
【００１９】このようにして剥離した氷結晶は、内壁１Ｂ上に着氷することなく、エチレングリコール水溶液の流れにしたがって搬送され、所定の貯氷層に蓄えられる。したがって、極めて高い効率で製氷することができる。すなわち、本発明の製氷方法及び製氷装置によれば、高い効率で簡易に製氷を行うことができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下、本発明を発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。本発明においては、管状部材の内壁を構成する第１の物質の熱伝導率をλ１（Ｗ／ｍＫ）、熱拡散率をα１（ｍ２／ｓｅｃ）とし、水溶液を構成する第２の物質の熱伝導率をλ２（Ｗ／ｍＫ）、熱拡散率をα２（ｍ２／ｓｅｃ）とした場合において、（λ２／λ１）・（α１／α２）１／２＞１なる関係式を満たすことが必要である。
【００２１】前記第１の物質は、熱伝導率の低いことが好ましく、高分子材料全般を用いることができる。特に、表面が平滑であるとともに撥水性が高く、生成した氷結晶の剥離が容易になるとの理由から、シリコーン系樹脂、フッ素系樹脂、及び塩化ビニル系樹脂から選ばれる少なくとも一種であることが好ましい。同様の理由から、シリコーン系樹脂の中ではシリコーン樹脂が好ましく、フッ素系樹脂の中ではテフロンが好ましく、塩化ビニル系樹脂の中では塩化ビニル樹脂が好ましい。
【００２２】前記管状部材の前記内壁は、例えば、これらの樹脂を所定の管状部材内部にコーティングすることによって形成する。
【００２３】また、前記第２の物質は、適度な冷却によって前記管状部材の内壁面上に氷結晶を生成できるため、２価アルコールの水溶液又はアルキルアルコールの水溶液であることが好ましい。そして、上記同様の理由及び入手が容易であるとの理由から、２価アルコール水溶液の中でも、エチレングリコール水溶液及びプロピレングリコール水溶液が好ましく用いられる。また、アルキルアルコール水溶液の中でも、エチルアルコール水溶液及びメチルアルコール水溶液を好ましく用いることができる。
【００２４】エチレングリコール水溶液及びプロピレングリコール水溶液を用いる場合は、これら水溶液中におけるエチレングリコール及びプロピレングリコールの濃度が２〜１０重量％であることが好ましい。これによって、水溶液の流動性を良好な状態に保持することができるとともに、適度な冷却によって氷結晶を生成することができる。
【００２５】また、エチルアルコール水溶液及びメチルアルコール水溶液を用いる場合は、上記同様の理由から、これら水溶液中におけるエチルアルコール及びメチルアルコールの濃度が２〜１０重量％であることが好ましい。
【００２６】また、上述したような水溶液の流速は、０．０４〜０．１ｍ／ｓｅｃであることが好ましい。これによって、前記管状部材の前記内壁上における氷結晶の生成と、生成した氷結晶の剥離及び搬送とを効率良く行うことができる。
【００２７】本発明の方法においては、前記管状部材の前記内壁上に氷結晶を生成させるべく、前記内壁を冷却することが必要であるが、この冷却は例えば、前記第２の物質より構成される水溶液の凝固温度より０．５〜３℃低い温度に冷却する。これによって、前記内壁上に氷結晶を効率良く生成することができる。
【００２８】そして、前記管状部材の前記内壁を冷却するに際しては、前記管状部材の外壁に沿って冷媒を流すことが好ましい。これによって、前記管状部材の前記内壁を効率良く、均一に冷却することができる。これは、例えば、図２に示すように、前記管状部材を２重構造とし、内管と外管との間に冷媒を流すことによって行うことができる。
【００２９】本発明の方法によれば、ミリメートルオーダの氷結晶、あるいはセンチメートルオーダの氷結晶を連続的に効率良く生成することができる。
【００３０】図３は、本発明の製氷装置の一例を示す構成図である。図３に示す製氷装置は、内管１と外管２とから構成される２重構造の管状部材と、この管状部材の上方において、この管状部材と接続するように貯氷槽３とを具えている。内管１の内壁１Ｂは、上述したような第１の物質から構成されている。
【００３１】貯氷槽３内には氷結晶Ｘを生成する原料であり、生成した氷結晶Ｘを流動によって剥離するための、上述したような第２の物質から構成される水溶液Ｙが満たされている。また、貯氷槽３内の水溶液Ｙ中には生成された氷結晶Ｘが浮遊しており、氷結晶Ｘによって冷却された水溶液Ｙは、ポンプ１０を介して直接的に所定の被冷却物に供されるようになっている。
【００３２】また、水溶液Ｙは、水溶液タンク４に送られた後、冷却装置５によって所定の温度に制御され、ポンプ６によって内管１の内部１Ａに送られる。また、内管１と外管２との間２Ａには、例えば、ブラインなどの冷媒が、冷媒タンク７において冷却装置８によって所定の温度に冷却されながら、ポンプ９によって循環される。
【００３３】このような構成の製氷装置を用い、好ましくは、上述した諸条件にしたがって製氷を行うと、図１に示したように、内管１の内壁１Ｂ上に氷結晶Ｘが生成された後、水溶液Ｙによって生成した氷結晶Ｘが剥離される。そして、剥離された氷結晶Ｘは、水溶液Ｙによって運搬され、貯氷槽３内に浮遊して貯えられる。したがって、製氷工程を連続させて効率良く実施することができる。
【００３４】
【実施例】図４は、図３に示すような装置を用い、内管１の内側に塩化ビニル樹脂を塗布することにより、内壁１Ｂを塩化ビニル樹脂で構成し、第２の物質から構成される水溶液として、エチレングリコール水溶液を用い、この水溶液の濃度を２〜１０重量％で変化させるとともに、冷媒温度を−８．２℃〜−１４．５℃で変化させた場合の、前記エチレングリコール水溶液の流速と凍結量との関係を示すグラフである。
【００３５】図４から明らかなように、本発明の製氷方法及び製氷装置に従うことによって、単位面積・単位時間当たり、０．０２３×１０６ｍ／ｓｅｃ〜０．０６３×１０６ｍ／ｓｅｃという高い凍結量が得られる。
【００３６】以上、本発明を具体例を挙げながら発明の実施の形態に即して詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変更や変形が可能である。例えば、図３に示す製氷装置においては、貯氷槽３内における水溶液Ｙを直接的に被冷却物に供給しているが、熱交換器１０を介して熱のみを伝達することもできる。
【００３７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の製氷方法及び製氷装置によれば、高い効率で簡易に製氷することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】３９１０１２３１６
【氏名又は名称】東京工業大学長
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| 【出願日】 |
平成１２年１１月２４日（２０００．１１．２４） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７２０５１
【弁理士】
【氏名又は名称】杉村 興作 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開２００２−１６２１３６（Ｐ２００２−１６２１３６Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１４年６月７日（２００２．６．７） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−３５７５２１（Ｐ２０００−３５７５２１） |
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