JP2006029609A - 製氷装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却伝熱面に接触することなく、その表面に晶出・生成した氷を剥ぎ取ることによりスラリー状の氷を効率良く得ることができる製氷装置を提供する。
【解決手段】外筒と内筒２とを備えて断面略二重円筒状に構成されており、内筒内に送給される水溶液が外筒と内筒間に通流される冷媒により冷却されて、内筒２表面に氷を晶出・生成すると共に、内筒２内の中心軸の回転に伴う旋回により、内筒２表面に晶出・生成された氷５を剥離してスラリー状の氷５を生成する剥離手段４を有する。剥離手段４が、中心軸から延設されたアーム３先端に設けられ、内筒２との間で所定間隔を保持しつつ、後端側で内筒２との間で渦流を生じさせるようになっている。
【選択図】図３

Description

本発明は製氷装置に関し、詳しくは、外筒と内筒とを備えて断面略二重円筒状に構成されており、前記内筒内に送給される水溶液が前記外筒と内筒間に通流される冷媒により冷却されて、前記内筒表面上ならびにその近傍における水溶液の過冷却状態の解消により氷を晶出・生成すると共に、前記内筒表面上ならびにその近傍における水溶液の過冷却状態の解消により晶出・生成されたスラリー状の氷を生成する剥離手段を有する製氷装置に関する。

電力需要の平準化を図る等の要請から、夜間の余剰電力を利用した氷蓄熱システムの導入が進んでいる。この氷蓄熱システムの蓄冷材として流動性を有するスラリー状の氷を使用することが提案されているが、スラリー状の氷は、高密度冷熱輸送用としたり、鮮魚保存用の海水氷に利用したりする等、利用範囲は広く、種々の製造方法が開発されている。

スラリー状の氷の製造方法としては、例えば、氷生成による閉塞障害（アイスブロック）が生じないように、水を蒸発器内で過冷却状態にまで冷却した後、蒸発器から流出させて衝撃を与え、過冷却状態を壊して製氷する方法がある。この方法は、生成した氷どうしが合体して閉塞し易いという問題がある。そのため、氷どうしの合体を防止するため、不凍液としてエチレングリコール、プロピレングリコール、エタノール等を数％添加した水溶液や海水を利用したりしている。

しかし、過冷却を利用する方法は、蒸発器内を流れる水溶液の途中で氷が生じないように、水溶液の流れの乱れや衝撃の発生を回避するため低流速を採用する必要があるため、蒸発器の伝熱係数は低くなり、装置自体も大型にならざるを得ず、しかも氷結晶の核になる夾雑物を除去するため水溶液の全量をろ過する必要があり、装置全体が大掛かりで複雑とならざるを得ず、多大な設備コストとスペースを必要とする。

又、冷媒が流通されている外筒と、冷却伝熱面を形成する内筒とからなり、内筒の表面に発生するスラリー状の氷を機械的に剥ぎ取る蒸発器において、冷却伝熱面に晶出・生成した氷を、旋回する回転体先端に設けられたブレード状のスクレーパで機械的に剥ぎ取る方法、あるいは内筒面に沿って回転する回転枠の先端に取り付けられた押圧ローラをスプリングで押圧しながら転動・接触させることにより、晶出・生成した氷を剥離する方法が提案されている（例えば、特許文献１）。
特開２００３−１４８８４１号公報

しかしながら、上記従来技術は、スクレーパ、押圧ローラ共に、冷却伝熱面に接触しながらその表面に晶出・生成した氷を機械的に剥ぎ取るものであるため、使用継続によりスクレーパあるいは押圧ローラと内筒表面の双方に磨耗による損傷が生じるのを避けることはできず、しかも係る接触による磨耗を少なくするため、内筒表面を平滑度の高い平滑面に仕上げ、この状態を維持する必要があり、保守回数の増加は避けられず、生産性は低くならざるを得ないという問題点がある。のみならず、スクレーパや押圧ローラが冷却伝熱面に生成した氷を噛み込むため、スクレーパや押圧ローラの駆動動力を大きくしなければならず、消費動力も少なくないという問題点がある。

そこで、本発明の目的は、上記従来技術の有する問題点に鑑みて、冷却伝熱面に接触することなく、その表面近傍での水溶液の過冷却状態の解消により溶液中に浮遊状態で微細な氷の晶出・生成を促進させ、またその表面上で晶出・生成した氷の付着力を低減させることにより、容易に剥ぎ取ることによってスラリー状の氷を効率良く得ることができ、伝熱面である内筒表面を高い平滑度の平滑面に仕上げる必要もなく、駆動動力を殊更大きくする必要のない製氷装置を提供することにある。

上記課題は、請求項記載の各発明により達成される。すなわち、本発明に係る製氷装置の特徴構成は、外筒と内筒とを備えて断面略二重円筒状に構成されており、前記内筒内に送給される水溶液が前記外筒と内筒間に通流される冷媒により冷却されて、前記内筒表面上ならびにその近傍における水溶液の過冷却状態の解消により氷を晶出・生成すると共に、前記内筒内の中心軸の回転に伴う旋回により、前記内筒表面上ならびにその近傍における水溶液の過冷却状態の解消により氷を晶出・生成されたスラリー状の氷を生成する剥離手段を有する製氷装置において、前記剥離手段が、前記中心軸から延設されたアーム先端に設けられ、前記内筒との間で所定間隔を保持しつつ、後端側で前記内筒との間で渦流を生じさせるようになっていることにある。

この構成によれば、内筒の表面上ならびにその近傍に晶出・生成される氷が、内筒とは非接触の剥離手段によりスラリー状の氷を生成され、中心軸の回転に伴う剥離手段の旋回によって生起される渦流によって水溶液の過冷却状態の解消により溶液中に浮遊状態で微細なスラリー状の氷を生成されるため、剥離手段に機械的な損耗が生じ難くなり、耐久性は従来技術に比べて著しく高くなると共に、接触による磨耗を少なくするために、内筒表面を平滑度の高い平滑面に仕上げる必要がなく、従って保守回数を確実に低減できる。のみならず、剥離手段が冷却伝熱面である内筒に生成した氷を噛み込み難いため、駆動のための動力を低出力のもので済み、省エネルギーを達成できる。

その結果、冷却伝熱面に接触することなく、その表面上ならびにその近傍に晶出・生成したスラリー状の氷を効率良く得ることができ、伝熱面である内筒表面を高い平滑度の平滑面に仕上げる必要もなく、駆動動力を殊更大きくする必要のない製氷装置を提供することができた。

前記剥離手段が、その先端側が略先細り半球状に形成されていると共に、後端側ほど前記内筒の表面から離間する形状に形成されていることが好ましい。

この構成によれば、剥離手段の旋回に伴い後端側に強力な渦流を生起させ、内筒内に晶出・生成した氷に撹拌現象を生じさせて、振動を付与することになり、内筒内から効果的にスラリー状の氷を生成することができる。

前記内筒に対向する前記剥離手段の表面に、ディンプル又は縦溝が形成されていることが好ましい。

この構成によれば、ディンプル又は縦溝の存在により、剥離手段と内筒との間に、周期の短い微細な渦流を多数形成して振動を誘発し、水溶液に衝撃を与えることによって、過冷却度が大きく進行しない間に氷結を完了させることができるため、極めて微細な氷片を多数生成することができる。

前記剥離手段に対向する前記内筒の表面に、微細な凹凸が形成されていることが好ましい。

この構成によれば、内筒表面に凹凸部を形成すると、形成された凹凸部から氷核が生成し易くなり、氷結を誘発して一層効率的に氷片を生成できる。

前記剥離手段に対向する前記内筒の表面が、疎水性処理を施されていることが好ましい。

この構成によれば、氷片の剥離が一層促進されて都合がよい。

本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る製氷装置Ａの概略断面構造を示す。

この製氷装置Ａは、そのハウジングが外筒１と内筒２からなる断面略二重円筒状に構成されていると共に、上部に中心軸Ｓを回転させる駆動源であるモータＭが取り付けられている。

外筒１と内筒２との間には、冷媒であるブラインが製氷装置Ａ下部の冷媒ブライン導入口１ａから導入され、通流するようになっていると共に、この冷媒ブラインは、上部に設けられている冷媒ブライン排出口１ｂから排出されるようになっている。

内筒２内部には、製氷装置Ａ下部に設けられている水溶液導入口２ａから導入され、内筒２内部で生成したスラリー状の氷は、上部に設けられているスラリー状氷排出口２ｂから取り出される。水溶液としては、エチレングリコール、プロピレングリコール等を３〜１０％程度含む不凍液を用いることが好ましく、海水を用いてもよい。このような水溶液中の一部の水が凍結して氷になると、氷の成分自体は純粋な水であるため、氷の結晶表面の周辺に不凍液が排出され、不凍液の濃度が局所的に高くなり、濃度分極を生じるようになって、濃度上昇した領域の水溶液の凍結温度が低下し、先に凍結した一部の氷の再融解や、氷どうしの合体を確実に抑制することができる。

中心軸Ｓには、上から４段にわたり互いに９０°の角度をもって、内筒２に向けて延設されるアーム３が取り付けられていて、各アーム３の先端には、図２にも示すように、剥離手段であるフラッパ４が取り付けられている。

このフラッパ４は、図３に拡大して示すように、その断面は先端側がやや先細り状をした球状面をなすと共に、後端側が内側寄りに先細る、略流滴形をしており、矢印Ｒの方向に旋回すると、内筒２とは非接触の状態で内筒２の表面から晶出・生成する氷片５を剥ぎ取るようになっている。

すなわち、フラッパ４の形状は、後端側ほど内筒２の表面から離間しており、末広がり状のノズルを形成するようになっていて、フラッパ４の旋回に伴い、内筒２の表面近くの水溶液に多数の渦巻きを生じるようになる。フラッパ後端側の末広がり角度θ（内筒の表面に沿う曲面から内側よりに傾斜する角度）は、５〜１２°程度でよく、好ましくは８〜１０°である。この範囲の角度であると、アームの旋回に伴う圧力損失を最小限に抑えると共に、効果的な渦流を生じさせることができる。

かかる渦巻きの発生が、内筒２表面近傍で水溶液の過冷却状態の解消により、溶液中に浮遊状態で微細な氷の生成ならび表面に晶出・生成する氷片５に激しい撹拌現象を生じさせ、振動を与えることになって、多数の細かい氷片５を内筒２の表面から剥離させる。フラッパ４と内筒２との間隔は、２〜１２ｍｍ程度が好ましい。この間隔が２ｍｍ未満では生成した氷とフラッパ４とが接触し易くなり、フラッパ４の表面が磨耗するおそれが生じ、逆に、間隔が１２ｍｍを越えると効果的で激しい渦が生成し難くなり、細かい氷片を多数生じさせ難くなる。

もとより、本実施形態に係る製氷装置Ａのアーム３は４段に限定されるものではなく、製氷能力に応じて他の段数としてもよい。また、１段のアーム３は中心軸Ｓから１８０°隔てて２本設けられている例を示したが、互いに等間隔に３本あるいは４本またはこれ以上の本数が取り付けられていてもよい。

長さ約３ｍの中心軸に、上から４段にわたり互いに９０°の角度をもって、内筒に向けて延設される半径約２００ｍｍ長さのアーム３を取り付けて、図１、２に示す製氷装置に、図３に示す形状をしたフラッパを取り付けて、製氷を試みた。フラッパと内筒との間隔を約５ｍｍとし、アームの旋回速度は３６０ｒｐｍとして、周速度７．５ｍ／ｓで旋回させた。フラッパ後端側と内筒との間には、激しい渦流と共に、水柱約２．９ｍの負圧を生じて多数の微細な氷を剥離することができ、１時間の操業により、微細な氷含むスラリー状氷８３０ｋｇが得られた。その間、フラッパ表面には擦過痕や損傷は認められなかった。

〔別実施の形態〕
（１）上記実施形態では、フラッパの表面が平滑な例を示したが、図４に示すように、内筒２に対向するフラッパの表面にディンプル４ａを多数設けた構成としてもよい。多数のディンプル４ａの存在により、フラッパと内筒との間に、周期の短い微細な渦流を多数形成して振動を誘発し、水溶液に衝撃を与えることによって、過冷却度が大きく進行しない間に氷結を完了させることができるため、極めて微細な氷片を多数生成することができる。
図５に示すように、最も接近している場合のフラッパ４と内筒２との間隔Ｈは、２〜１２ｍｍ程度であり、ディンプル４ａは、径Ｄ＝５〜２０ｍｍ、深さｈ＝５〜２０ｍｍ程度であることが、効果的な渦流を生じさせる上で好ましく、ディンプル４ａ自体も、等間隔に密に形成されることが好ましい、

（２）フラッパの表面のディンプル４ａに代えて、図６に示すように、縦溝４ｂを形成してもよい。縦溝４ｂについても、図５に示すように、幅Ｄ＝５〜２０ｍｍ、深さｈ＝５〜２０ｍｍ程度であることが効果的な渦流を生じさせる上で好ましく、このようにしても、図４に示したフラッパ表面のディンプル４ａと同様な作用を生じさせることができる。

（３）上記実施形態では、伝熱面である内筒２の表面を平滑面としたが、内筒の表面に細かい凹凸を形成してもよい。例えば、多数の小径鋼球を内筒表面に吹き付けてショットブラスト処理を行い、内筒表面に凹凸部を形成すると、微細な凹凸部から氷核が生成し易くなり、氷結を誘発して一層効率的に氷片を生成できる。
また、ショットブラスト処理に代えて、サンドペーパー等を用いて細かい凹凸を形成するヘアーライン加工を内筒２の表面に施してもよい。更に、伝熱面である内筒２の表面に比較的低融点の金属、例えば、アルミニウム等を溶射して、表面に凹凸を形成してもよい。特に、凹凸を形成する方法は限定されない。

（４）内筒の表面に晶出・生成した氷片を剥離し易くするため、内筒表面に疎水性処理であるテフロン（登録商標）加工を施してもよい。表面が疎水性に形成されると、氷片の剥離が促進されて都合がよい。もとより、凹凸形状に加えてテフロン（登録商標）加工を施してもよい。

本発明の一実施形態に係る製氷装置の概略断面図 図１の製氷装置のＡ−Ａ断面図 図１の製氷装置に設けられている剥離手段の作用を説明する拡大断面図 剥離手段の変形例を示す斜視図 図４、６の剥離手段の作用を説明する断面図 剥離手段の別の変形例を示す斜視図

符号の説明

１ 外筒
２ 内筒
３ アーム
４ 剥離手段
４ａ ディンプル
４ｂ 縦溝
Ｓ 中心軸

Claims (5)

1. 外筒と内筒とを備えて断面略二重円筒状に構成されており、前記内筒内に送給される水溶液が前記外筒と内筒間に通流される冷媒により冷却されて、前記内筒表面上ならびにその近傍における水溶液の過冷却状態の解消により氷を晶出・生成すると共に、前記内筒内の中心軸の回転に伴う旋回により、前記内筒表面上ならびにその近傍における水溶液の過冷却状態の解消により氷を晶出・生成されたスラリー状の氷を生成する剥離手段を有する製氷装置において、前記剥離手段が、前記中心軸から延設されたアーム先端に設けられ、前記内筒との間で所定間隔を保持しつつ、後端側で前記内筒との間で渦流を生じさせるようになっていることを特徴とする製氷装置。
2. 前記剥離手段が、その先端側が略先細り半球状に形成されていると共に、後端側ほど前記内筒の表面から離間する形状に形成されている請求項１に記載の製氷装置。
3. 前記内筒に対向する前記剥離手段の表面に、ディンプル又は縦溝が形成されている請求項１又は２に記載の製氷装置。
4. 前記剥離手段に対向する前記内筒の表面に、微細な凹凸が形成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の製氷装置。
5. 前記剥離手段に対向する前記内筒の表面が、疎水性処理を施されている請求項１〜４のいずれか１項に記載の製氷装置。

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