JP2000140824A - 寒冷外気を利用した凍結濃縮装置、凍結希薄化装置及び製氷機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低コストな凍結濃縮装置または製氷機を提供
すること、また各種廃液の処理、温暖化およびオゾン層
破壊等の環境問題への対応等。 【解決手段】 凍結濃縮装置または製氷機において被濃
縮液または被製氷水の冷却および凍結を自然エネルギで
ある寒冷外気を積極的に利用することによって行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】溶液中の溶質の濃縮、希薄化
を工程中に含む産業分野。例えば各種液体食品、医薬
品、液体燃料等の濃縮および各種廃液の処理（溶液中の
溶質の希薄化）等。または、農水産業等への製氷機さら
に夏期等の冷房、冷温貯蔵（農水産業等）のための冬期
等における造氷機（以下製氷、造氷を製氷とする）とし
ての利用等。

【０００２】

【従来の技術】従来の溶液の凍結濃縮、凍結希薄化（こ
こで希薄化とは溶液中の溶質濃度の低減化を意味させて
いる）（以下凍結濃縮、凍結希薄化を凍結濃縮とする）
装置または製氷機は、被濃縮液、被希薄化液（以下被濃
縮液）または水、海水等（以下被製氷水）の冷却および
凍結のためにランニングおよびイニシャルコストの高い
冷凍機（以下高コスト冷凍機）を用いていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の凍結濃縮装置お
よび製氷機（なお、海水氷は魚介類等の変色、変味等を
防ぐことができる）は、被濃縮液の冷却および凍結のた
めに高コスト冷凍機を用いており、この冷凍機の機器費
用および冷凍機稼働のための電気費用が高コストであっ
た。

【０００４】また、近年の環境問題において、各種民生
および生産技術において排出される廃液は、河川、海洋
等の汚染の元凶として大きな問題となっており低コスト
な処理技術が早急に求められている。さらに、地球温暖
化防止技術の一つであるバイオマスエタノール等（石油
代替液体燃料）の生産は濃縮工程に普通、蒸発（蒸留）
法が用いられており燃料費（蒸発潜熱約５６０ｋｃａｌ
／ｋｇ、凝固潜熱約８０ｋｃａｌ／ｋｇ）による高コス
ト生産が普及の問題点となっていた。さらに各種生産技
術および夏期等の冷房、冷温貯蔵（農水産業等）等にお
ける高コスト冷凍機の使用は、この温暖化問題において
ＣＯ_２排出の化石燃料（電気）高消費の問題点もある。
そして、さらに冷凍機の使用は冷媒フレオンによる成層
圏オゾン層破壊の問題もある。

【０００５】本発明は、低コストな凍結濃縮装置または
製氷機を提供すること、また廃液の処理、温暖化および
オゾン層破壊等の環境問題へ直接、間接的に対応する一
手段を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記のように従来の凍結
濃縮装置または製氷機は高コスト冷凍機を用いていたた
めイニシャル、ランニングコストの高い物になってい
た。本発明は、この被濃縮液または被製氷水の冷却およ
び凍結を自然エネルギである寒冷外気を積極的に利用す
ることによって行う。従ってイニシャル、ランニングコ
ストの安い凍結濃縮または製氷の方法および凍結濃縮装
置または製氷機となる。さらに本発明の凍結濃縮装置ま
たは製氷機は、装置の稼働に高度な冷凍機の専門知識を
必要としない構成とすることもできる。

【０００７】また、上記（発明が解決しょうとする課
題）の環境問題に対して本発明は、自然エネルギの積極
的利用であることにより低コストな各種廃液の処理、低
コストなバイオマスエタノール等の石油代替液体燃料の
生産、また各種生産技術および夏期等の冷房、冷温貯蔵
（農水産業等）等における化石燃料使用の低減、さらに
冷媒フレオン不使用によるオゾン層保護等の効果があ
る。

【０００８】寒冷地においては、冬期、または年間を通
して０℃以下等の寒冷外気が多量に存在している。

【０００９】凍結濃縮への寒冷外気のポテンシャルは、
外気温度が濃縮限界濃度、冷却速度（単位容積当たり）
に関係し、風速および冷却面積が冷却速度に関係する。

【００１０】

【発明の実施の形態】図２に代表的な凍結濃縮装置のフ
ローを示す。図２においては、凍結部７は被濃縮液の凍
結を行い、分離部８は遠心分離機等により濃縮液と氷層
の分離を行う構成となっている。

【００１１】本発明の一例として、寒冷外気を冷熱源と
した、図１の構成を凍結部とする図２のフローの凍結濃
縮装置、または寒冷外気を冷熱源とした図１の構成の製
氷機が考えられる。なお、本発明の凍結濃縮装置は図２
のフローの凍結部だけによって構成されていてもよい。

【００１２】図１は、外気の寒冷エネルギを液体冷媒に
吸収蓄積させる寒冷エネルギ吸収蓄積熱交換器３、被濃
縮液または被製氷水から氷層または氷を生成する氷層生
成機２、左記の熱交換器と氷層生成機の間を循環する寒
冷エネルギ吸収蓄積液体冷媒（以下液体冷媒）から基本
的に構成されている。

【００１３】ここで液体冷媒への寒冷エネルギの吸収蓄
積は、冷媒が気体ではなく液体であることによる寒冷エ
ネルギの格段の高密度化および熱移動抵抗の格段の低減
により被濃縮液または被製氷水単位表面積当たりの氷層
生成量を格段に増加させることになる。液体冷媒は、液
体冷媒の凍結点、沸点、有害性、粘性、腐食性、価格等
を検討しなければならないが、対照液体冷媒としては例
えばメチレンクロライド、トリクロロエチレン、塩化カ
ルシュウム溶液、酢酸カリウム溶液、プロピレングリコ
ール溶液、エチレングリコール溶液等が考えられる。

【００１４】寒冷エネルギ吸収蓄積熱交換器は、寒冷外
気をフアン等による強制風とすることにより、または自
然風とすることのどちらの風速による熱交換であつても
よい。

【００１５】氷層生成機としては、流下型、静止型およ
びドラム型、スクリュウ型等が考えられる。

【００１６】上記の流下型とは、冷却面を傾斜平面、傾
斜曲面、または垂直平面、垂直曲面とし、冷却面裏側に
液体冷媒を流し、冷却面表側に被濃縮液または被製氷水
を流下させる構造のものである。

【００１７】また、静止型とは、冷却面を水平平面、ま
たは水平曲面とし、冷却面裏側に液体冷媒を流し、冷却
面表側に被濃縮液または被製氷水を静止貯留させ凍結さ
せる構造のものである。

【００１８】また、ドラム型は、図３（ａ）（ｂ）に示
すように回転円柱の円柱内部に液体冷媒が流れ回転円柱
冷却外表面に氷層を生成させ、回転円柱冷却外表面に接
近して設けられた掻き取り刃により氷層を掻き取る方
式、または図４にその一例を示すように固定円柱、回転
円柱を中空円柱としてその中空円柱の冷却内側表面２３
に氷層を生成させその内側表面に接近した掻き取り刃２
４により氷層を掻き取る方式等がある。

【００１９】さらにこの中で回転円柱冷却外表面１９に
氷層を生成させる方式においては、回転円柱下方にもう
けられた被濃縮液または被製氷水の入った溶液槽または
水槽１４に回転円柱１２を浸漬することにより、または
回転円柱上、下、左、右方のいずれかまたはこれらが併
設された散液管１７（ここで散液とは水のときの散水の
意味において、被濃縮液または被製氷水の液体の場合に
おいて散液と表示する）により回転円柱へ散液すること
により、またはこの溶液槽または水槽に回転円柱を浸漬
することおよびこの散液管により散液することこれらを
併用すること等により氷層を生成させることができる。

【００２０】上記のスクリュウ型とは、図５に示すよう
に被濃縮液または被製氷水が入った中空円筒と中空円筒
内部に設けられたスクリュウ掻き取り刃２９によって基
本的に構成されており、回転するスクリュウ掻き取り刃
が中空円筒冷却内表面３１に生成される氷層を削り取り
ながら氷層を排出方向へ移動させる構造となっている。

【００２１】図３、４、５に示すドラム型、スクリュウ
型等の冷却表面に形成される氷層を常時削り取る方式の
氷層生成機は、被濃縮液または被製氷水単位容積、単位
時間当たりの冷却面積を各段に増加させ、氷層生成量を
格段に増加させることになる。

【００２２】さらに、流下型、静止型およびドラム型、
スクリュウ型等の氷層生成機冷却面においては、冷却表
面裏側に通路断面が矩形状（曲面冷却面の場合は、冷却
面裏面が曲面となり、その場合通路断面の一辺は曲辺と
なる）（以下、裏面とは左記表面の材料の厚みを介した
裏側面である）等の回路状の通路を形成し、その回路状
通路内に液体冷媒を流す構造とすることができる。

【００２３】この回路状通路構造は、上記回転円柱内滞
留冷媒の容量低減化のためのドラム総重量の低重量化に
よる回転円柱稼働動力の低減、また氷層生成機内液体冷
媒単位体積当たりの氷層生成機冷却表面面積の増加によ
る熱効率の向上が可能となり、特に、通路断面が矩形状
の回路（図３（ｂ）参照）においては、氷層生成機内冷
媒単位体積当たりの氷層生成機冷却表面の裏面における
冷媒接触面積が大きく熱効率向上の効果が大きい。

【００２４】次に、本発明においては、ヒートポンプを
用い寒冷外気環境側（冷熱源）を熱放出のための高温度
熱源とし、氷層生成機側を熱吸収のための低温度熱源と
して被濃縮液または被製氷水に接する氷層生成機冷却面
を寒冷外気温度以下とすることができる。さらにヒート
ポンプは高温度熱源と低温度熱源との温度差が小さいほ
ど、低温度熱源からの吸収熱量エネルギに比べ少ない割
合比の動力エネルギで作動させることができることが知
られている（本発明では、動力エネルギを用い低温度熱
源からの熱吸収を行うことを目的とするものもヒートポ
ンプとする）。このことから本発明を被濃縮液または被
製氷水の凝固潜熱エネルギ以下の動力エネルギまたは稼
働エネルギ（本発明の凍結濃縮装置または製氷機の通常
運転に必要となる、左記の動力エネルギを含むエネル
ギ）で稼働させることのできる凍結濃縮装置凍結部の凍
結濃縮装置、または製氷機とすることができる。

【００２５】本発明は上記のヒートポンプの特性によ
り、被濃縮液または被製氷水の寒冷外気温度以下への低
下による０℃以上の寒冷外気の利用、利用冷却温度の寒
冷外気温度以下への拡大等、また凝固潜熱エネルギ以下
の動力エネルギまたは稼働エネルギによる凍結濃縮装置
凍結部の凍結濃縮装置、または製氷機の稼働により本発
明の利用範囲（利用期間、利用地域、利用分野等）を飛
躍的に拡大した方法、技術、装置、機器となる。

【００２６】なお、上記のヒートポンプを用いた凍結濃
縮装置または製氷機の氷層生成機は上記の液体冷媒を流
した氷層生成機と同じ形の氷層生成機を用いることがで
きる。またその氷層生成機に流れる冷媒は液体冷媒、ま
たは通常冷凍機に使用される気液相変化を伴う冷媒のど
ちらであってもよい。

【００２７】さらに、本発明においては、冷熱源として
上記寒冷外気を利用した凍結濃縮装置または製氷機と上
記寒冷外気の利用を目的としない高コスト冷凍機を用い
た凍結濃縮装置または製氷機を併用した凍結濃縮装置ま
たは製氷機とすることもできる。この場合氷層生成機以
外の分離部等の部分を併用とする凍結濃縮装置または製
氷機となってもよい。

【００２８】

【実施例】上記、図１を実施例にもとづき説明する。上
記したように図１は、製氷を目的とする場合にあっては
製氷機であるが、凍結濃縮を目的とする場合にあっては
図２の凍結濃縮装置フローの凍結部である。

【００２９】図１において、実施例では屋外（北海道冬
期）に置かれた寒冷エネルギ吸収蓄積熱交換器（以下熱
交換器）と室内に置かれた氷層生成機へ液体冷媒を（保
温された銅管を用いて）循環させることにより行った。

【００３０】氷層生成機は、上記実施の形態におけるド
ラム型回転円柱（円柱外径；４２０φｍｍ、幅；３７３
ｍｍ）外表面に氷層を生成させる方式において、回転円
柱上方に設けられた散液管により回転円柱へ散液するこ
とにより氷層を生成させるもので、ドラム外表面裏側回
路状通路に液体冷媒が流れドラム外表面が被濃縮液また
は被製氷水（以下被処理液）の冷却面となりドラムの回
転（回転速度：４４．６ｓ／回転）により連続的に氷層
の生成を行うものである。本実施例では、被処理液は水
道水とした。

【００３１】熱交換器は、フアン付きアルミフィン熱交
換器（奥行き；４２０ｍｍ、高さ；５８０ｍｍ、幅；１
１００ｍｍ）でファン稼働時の熱交換器入り口平均風速
は約２．５ｍ／ｓである。

【００３２】液体冷媒は、２５％塩化カルシュウム水溶
液で循環流量を１〜６リットル／ｍｉｎとした。

【００３３】実施の結果、外気温度−２．６℃でドラム
冷却面に氷層が生成するのが確認され、また液体冷媒ド
ラム入り口温度−３℃〜−１５℃において氷層生成量
は、２〜１５．５ｋｇ／ｈであった。そして液体冷媒流
量が大きいほど、また外気温度が低いほど氷層生成量が
多くなる傾向を示した。

【００３４】上記熱交換器のフアン稼働時の寒冷エネル
ギ吸収蓄積能力は、外気温度−３〜−１０℃において４
５０〜７６０ＫＣａｌ／ｈであった。さらに、熱交換器
のファンを停止させた外気（自然）風速による熱交換器
の寒冷吸収においては、外気の風速の変化により熱交換
器液体冷媒出口温度およびドラム液体冷媒入り口温度を
不安定なものにすることが観測された。

【００３５】

【発明の効果】本発明は、凍結濃縮装置または製氷機に
おいて被濃縮液または被製氷水の冷却および凍結を自然
エネルギである寒冷外気を積極的に利用することによっ
て行い、さらには高性能な凍結部をもつ凍結濃縮装置、
または製氷機を提供する。従って、高コスト冷凍機だけ
を用いた凍結濃縮装置、または製氷機に比べイニシャ
ル、ランニングコストの安い凍結濃縮装置、または製氷
機を提供することになる。さらに本発明は、ヒートポン
プを用いる、または冷凍機との併用を行わない場合、凍
結濃縮装置、または製氷機の稼働に高度なヒートポン
プ、冷凍機の専門知識を必要としない利点がある。

【００３６】また本発明は、バイオマスエタノール、メ
タノール等の石油代替液体燃料生産の濃縮工程への利用
により低コストな石油代替液体燃料の普及、高コスト冷
凍機使用各種生産技術および夏期等の冷房、冷温貯蔵
（農水産業等）等における化石燃料使用の低減による地
球温暖化問題への対応、さらに左記高コスト冷凍機にお
ける冷媒フレオンの不使用、低減によるオゾン層保護問
題等への対応により環境問題解決の一手段を提供するこ
とになる。さらに、本発明は高品質な農作物等の保存、
加工等へ低コストな手段を提供することになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の凍結濃縮、希薄化装置の一部を構成す
る凍結部、または製氷機の一例を示す図である。

【図２】代表的な凍結濃縮および希薄化装置のフローを
示す図である。

【図３】回転円柱冷却外表面に氷層を生成させるドラム
型氷層生成機を示す図である。

【図４】中空円柱の冷却内側表面に氷層を生成させるド
ラム型氷層生成機を示す図である。

【図５】スクリュウ型氷層生成機を示す図である。

【符号の説明】

１ 寒冷外気 ２ 氷層生成機 ３ 寒冷エネルギ吸収蓄積熱交換器 ４ 液体冷媒循環回路 ５ 液体冷媒循環用ポンプ ６ 寒冷エネルギ吸収蓄積熱交換器用フアン ７ 凍結濃縮および希薄化における溶液の凍結部 ８ 凍結濃縮および希薄化における氷層と濃縮液の分離
部 ９ 原液 １０ 氷層 １１ 濃縮液 １２ 回転ドラム（円柱） １３ 円柱冷却外表面に生成する氷層または氷の掻き取
り刃 １４ 溶液槽または水槽 １５ ドラム回転軸 １６ 液体冷媒導入管 １７ 散液管 １８ 散液穴 １９ 冷却外表面 ２０ 冷却外表面の裏面 ２１ 液体冷媒入り口 ２２ 液体冷媒出口 ２３ 中空円柱冷却内側表面 ２４ 中空円柱冷却内側表面に生成する氷層または氷の
掻き取り刃 ２５ 散液槽 ２６ 中空円柱冷却内側表面へ散液のための散液管 ２７ 軸 ２８ 氷層または氷の排出管 ２９ 氷層または氷のスクリュウ掻き取り刃 ３０ 液体冷媒通路 ３１ 中空円筒冷却内表面 ３２ 溶液または水の供給管

【手続補正書】

【提出日】平成１１年１１月８日（１９９９．１１．
８）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松田 宏 北海道根室市桂木108番地 有限会社松田 アイスマシン内 Ｆターム(参考） 4D037 AA01 AA05 AA06 AA11 AB18 BA21 BB01

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 寒冷地における０℃以下の寒冷外気を被
   濃縮液または被希薄化液凍結の冷熱源として利用した凍
   結濃縮装置または凍結希薄化装置。
2. 【請求項２】 寒冷地における０℃以下の寒冷外気を被
   製氷水凍結の冷熱源として利用した製氷機。
3. 【請求項３】 請求項１において、溶液の凍結部が、外
   気の寒冷エネルギを液体冷媒に吸収蓄積させる寒冷エネ
   ルギ吸収蓄積熱交換器（３）、被濃縮液または被希薄化
   液から氷層を生成する氷層生成機（２）、左記の熱交換
   器と氷層生成機の間を循環する寒冷エネルギ吸収蓄積液
   体冷媒から構成されている凍結濃縮装置または凍結希薄
   化装置。
4. 【請求項４】 請求項２において、外気の寒冷エネルギ
   を液体冷媒に吸収蓄積させる寒冷エネルギ吸収蓄積熱交
   換器（３）、被製氷水から氷を生成する氷層生成機
   （２）、左記の熱交換器と氷層生成機の間を循環する寒
   冷エネルギ吸収蓄積液体冷媒から構成されている製氷
   機。
5. 【請求項５】 請求項３、４の被濃縮液、被希薄化液ま
   たは被製氷水の凍結を行う氷層生成機において、冷却面
   を傾斜平面、傾斜曲面、または垂直平面、垂直曲面と
   し、冷却面裏側に液体冷媒を流し、冷却面表側に被濃縮
   液または被製氷水を流下させる構造とした凍結濃縮およ
   び凍結希薄化装置、または製氷機。
6. 【請求項６】 請求項３、４の被濃縮液、被希薄化液ま
   たは被製氷水の凍結を行う氷層生成機において、冷却面
   を水平平面、または水平曲面とし、冷却面裏側に液体冷
   媒を流し、冷却面表側に被濃縮液または被製氷水を静止
   貯留させ凍結させる構造とした凍結濃縮および凍結希薄
   化装置、または製氷機。
7. 【請求項７】 請求項３、４において被濃縮液、被希薄
   化液または被製氷水の凍結を行う氷層生成機を回転円柱
   の冷却外表面（１９）、または固定円柱、回転円柱を中
   空円柱としてその中空円柱の冷却内側表面（２３）に氷
   層を生成させる構造とした凍結濃縮および凍結希薄化装
   置、または製氷機。
8. 【請求項８】 請求項７の回転円柱の冷却外表面に氷層
   を生成させる氷層生成機において回転円柱下方に設けら
   れ被濃縮液、被希薄化液または被製氷水の入った溶液
   槽、または水槽（１４）に回転円柱（１２）を浸漬する
   ことにより回転円柱冷却外表面（１９）に氷層を生成さ
   せる構造とした凍結濃縮および凍結希薄化装置、または
   製氷機。
9. 【請求項９】 請求項７の回転円柱の冷却外表面に氷層
   を生成させる氷層生成機において回転円柱上、下、左、
   右方のいずれかまたはこれらが併設された散液管（１
   ７）により回転円柱へ散液することにより回転円柱冷却
   外表面に氷層を生成させる構造とした凍結濃縮および凍
   結希薄化装置、または製氷機。
10. 【請求項１０】 請求項７の回転円柱の冷却外表面に氷
    層を生成させる氷層生成機において請求項８の回転円柱
    下方に設けられ被濃縮液、被希薄化液または被製氷水の
    入った溶液槽、または水槽（１４）に回転円柱を浸漬す
    ることにより氷層を生成させることと、請求項９の散液
    管（１７）により回転円柱へ散液することにより氷層を
    生成させることを併用した構造とした凍結濃縮および凍
    結希薄化装置、または製氷機。
11. 【請求項１１】 請求項３、４において被濃縮液、被希
    薄化液または被製氷水の凍結を行う氷層生成機を以下の
    スクリュウ型とした凍結濃縮および凍結希薄化装置、ま
    たは製氷機。 スクリュウ型氷層生成機：被濃縮液、被
    希薄化液または被製氷水が入った中空円筒と中空円筒内
    部に設けられたスクリュウ掻き取り刃（２９）によって
    基本的に構成されており、回転するスクリュウ掻き取り
    刃が中空円筒冷却内表面（３１）に生成される氷層を削
    り取りながら氷層を排出方向へ移動させる構造となって
    いる氷層生成機。
12. 【請求項１２】 請求項５、６、７、８、９、１０、１
    １の氷層生成機において冷却表面裏側に回路状の通路を
    形成し、その回路状通路内に被濃縮液、被希薄化液また
    は被製氷水の冷却および凍結を行う液体冷媒を流す構造
    とした凍結濃縮および凍結希薄化装置、または製氷機。
13. 【請求項１３】 請求項１２の氷層生成機において回路
    状の通路断面を矩形状とした凍結濃縮および凍結希薄化
    装置、または製氷機。
14. 【請求項１４】 ヒートポンプを用い被濃縮液、被希薄
    化液または被製氷水に接する氷層生成機冷却面を寒冷外
    気温度以下とし、被濃縮液、被希薄化液または被製氷水
    の凝固潜熱エネルギ以下の動力エネルギまたは稼働エネ
    ルギで稼働させることのできる凍結濃縮装置凍結部の凍
    結濃縮装置および凍結希薄化装置凍結部の凍結希薄化装
    置、または製氷機。
15. 【請求項１５】 請求項１４において請求項３、４、
    ５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３に記した
    氷層生成機と同じ形の氷層生成機を用い、その氷層生成
    機に流れる冷媒を液体冷媒、または通常冷凍機に使用さ
    れる気液相変化を伴う冷媒とした凍結濃縮および凍結希
    薄化装置、または製氷機。
16. 【請求項１６】 請求項１、２、３、４、５、６、７、
    ８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５の寒冷外
    気を冷熱源として利用した凍結濃縮および凍結希薄化装
    置、または製氷機と寒冷外気の利用を目的としない請求
    項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、
    １２、１３、１４、１５以外の冷凍機を用いた凍結濃縮
    および凍結希薄化装置、または製氷機とを併用した凍結
    濃縮および凍結希薄化装置、または製氷機。