JP2006343066A - 保冷装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 構造が単純な保冷装置によって過冷却を簡易かつ低コストで阻止する。
【解決手段】 第一の液体（１１）が充填されて密封された第一の容器（１０）と、第一の容器（１０）内に配置された第二の容器（２０）とを具備し、第二の容器（２０）には第一の液体（１１）よりも凝固温度の高い第二の液体（２１）が充填されて密封されており、第二の容器（２０）の少なくとも一部分は、第二の液体（２１）が少なくとも部分的に通過可能であると共に第一の液体（１１）が通過不能である膜（３１）から形成されている保冷装置が提供される。第二の容器（２０）の一部分の残りの部分のうちの少なくとも一部分は、第二の容器（２０）の体積変化を吸収できる弾性膜（３２）から形成されていてもよい。なお、好ましい実施形態においては、第一の液体（１１）は塩化ナトリウム水溶液であり、第二の液体（２１）は純水である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば食料品などの物質を保冷する保冷装置に関する。

従来、予め冷却された保冷装置を例えばクーラーボックス内に配置することにより、クーラーボックス内の物質、例えば食料品を保冷することが行われている。このような保冷装置においては、保冷装置を予め冷却するのに必要とされるエネルギを低減するために、保冷装置の過冷度を小さくすることが望まれている。

過冷度を小さくするために、保冷装置を構成する水の中に、水の結晶構造に近い物質、例えばヨウ化銀を混入することが知られている。また、特許文献１においては、例えば保冷装置の水の中に他の物質、例えば二リン酸四ナトリウム＋水化物やリン酸水素ナトリウムのような成核剤を更に加え、それにより、過冷度を小さくすることが開示されている。同様に、特許文献２においては例えばペンタデカン中に特定の界面活性剤、例えばセチルトリメチルアンモニウムクロライドを添加することが開示されている。

また、特許文献３〜特許文献６においては、過冷却を少なくすることのできる装置が開示されている。
特開２００４−１４９７９６号公報 特開２００３−２６１８６６号公報 特開２００２−３３３２９２号公報 特開２００２−３１６００１号公報 特開２００２−１４７９０８号公報 特開２００１−１９４０７９号公報

しかしながら、近年においては環境保護のための種々の規制が存在するので、ヨウ化銀もしくは特許文献１または特許文献２において使用される添加剤などの有害物質を含んだ従来技術の保冷装置を単に廃棄することはできず、また、これら保冷装置の有害物質を処理するためにはかなりのコストが必要とされる。

また、特許文献３〜特許文献６に開示されるような過冷却を少なくする装置はその構造が複雑であるために、コスト高の要因になりうる。

さらに、外部から超音波を当てることにより、同様な目的を果たす装置も存在するが、この場合には超音波発生装置を別途必要とするのでコスト高になる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、構造が単純であって過冷却を簡易かつ低コストで阻止することができる保冷装置を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために１番目に記載の発明によれば、第一の液体が充填されて密封された第一の容器と、該第一の容器内に配置された第二の容器とを具備し、該第二の容器には前記第一の液体よりも凝固温度の高い第二の液体が充填されて密封されており、前記第二の容器の少なくとも一部分は、前記第二の液体が少なくとも部分的に通過可能であると共に前記第一の液体が通過不能である膜から形成されている保冷装置が提供される。

すなわち１番目の発明においては、第一の液体が凝固可能な温度まで保冷装置が冷却されると、膜を通じて第一の液体内あるいは膜表面に進入して既に凝固した第二の液体が第一の液体中において氷核となり、第一の液体はこの氷核から凝固開始するようになる。その結果、過冷却を生じさせることなしに、第一の液体を凝固させられる。それゆえ、１番目の発明においては、過冷却を簡易に阻止すると共に、冷凍機などによって保冷装置を冷却するのに必要とされるエネルギを低減できる。また、１番目の発明においては、第一の容器内に第二の容器を配置した構成で足りるので、保冷装置の構造を単純にできる上に超音波発生装置などの外的装置が不要であるので、低コストで済む。また、第一および／または第二の容器は袋タイプ、マットタイプ、パッケージタイプなどのあらゆる形態をとりうるものとする。なお、第二の容器の膜は浸透膜またはイオン交換膜であるのが好ましい。

２番目の発明によれば、１番目の発明において、前記第二の容器の前記一部分の残りの部分のうちの少なくとも一部分は、前記第二の容器の体積変化を吸収できる弾性膜から形成されている。
すなわち２番目の発明においては、第二の液体の凝固に伴う第二の容器の体積変化を容易に吸収すると共に、第一の容器と第二の容器との間の圧力差によって第二の液体が第一の容器内に必要以上に流出するのを防止できる。弾性膜は例えばゴムなどから形成されるのが好ましい。

３番目の発明によれば、１番目または２番目の発明において、前記第一の容器には気泡が配置される。
すなわち３番目の発明においては、第一の液体の凝固に伴う第一の容器の体積変化を容易かつ安価に吸収することができる。

４番目の発明によれば、１番目から３番目のいずれかの発明において、前記第二の液体は、前記第一の液体の氷核となりうる結晶構造を有している。
すなわち４番目の発明においては、第一の液体と第二の液体とのそれぞれの結晶構造が互いに類似していれば十分であるので、比較的簡易な構成により保冷装置を形成することができる。

５番目の発明によれば、１番目から４番目のいずれかの発明において、前記第一の液体が金属塩水溶液、好ましくは塩化ナトリウム水溶液であり、前記第二の液体が水または純水であるようにした。
すなわち５番目の発明においては、保冷装置の廃棄時に、第一の液体および第二の液体をそのまま廃棄でき、液体の処理に伴うコストを排除できる。

各発明によれば、構造が単純であって過冷却を簡易かつ低コストで阻止することができるという共通の効果を奏しうる。

さらに、２番目の発明によれば、第二の液体の凝固に伴う第二の容器の体積変化を容易に吸収すると共に、第二の液体が第一の容器内に必要以上に流出するのを防止できるという効果を奏しうる。
さらに、３番目の発明によれば、第一の液体の凝固に伴う第一の容器の体積変化を容易かつ安価に吸収することができるという効果を奏しうる。
さらに、４番目の発明によれば、比較的簡易な構成により保冷装置を形成することができるという効果を奏しうる。
さらに、５番目の発明によれば、第一の液体および第二の液体をそのまま廃棄できるという効果を奏しうる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同一の部材には同一の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。
図１は本発明に基づく保冷装置の概念図である。図１に示される保冷装置１は略直方体のケーシング１０とこのケーシング１０内に配置されたカプセル２０とを含んでいる。ケーシング１０は比較的硬質の材料、例えばプラスチックから形成されている。このケーシング１０は第一液体１１によって充填されていて、周知の方法により密封されている。図１に示されるように、密封後のケーシング１０内には気泡３５が残るようにしてもよい。この場合には、ケーシング１０における第一液体１１の凝固に基づく第一液体１１の体積変化が気泡３５によって容易に吸収される。

図１においては、カプセル２０は二つの端面３１、３２を備えた略円筒形状の部材である。そして、カプセル２０には第二液体２１が充填されていて、周知な方法で同様に密封されている。カプセル２０を形成する材料は、第二液体２１を含むカプセル２０がケーシング１０の第一液体１１中を浮遊できるように選択されるのが好ましい。

カプセル２０に充填される第二液体２１およびケーシング１０に充填される第一液体１１については、第二液体２１の凝固温度は第一液体１１の凝固温度よりも高い。これら第一液体１１および第二液体２１の結晶構造は、第一液体１１がその凝固温度に到達したときに既に凝固している第二液体２１が第一液体１１の氷核となる程度に互いに類似している。或る実施形態においては、ケーシング１０内の第一液体１１は金属塩水溶液、好ましくは塩化ナトリウム水溶液（１５．８ｗｔ％）であり、カプセル２０内の第二液体２１は純水である。しかしながら、結晶構造が前述したように類似していて第二液体２１の凝固温度が第一液体１１の凝固温度よりも高くなるようなあらゆる二つの液体を第一液体１１および第二液体２１として採用できるものとする。

また、図１に示されるカプセル２０の一方の端面３１は膜から形成されており、他方の端面３２は弾性膜から形成されている。以下、これら膜および弾性膜をそれぞれ膜３１および弾性膜３２と適宜呼ぶこととする。膜３１は例えば浸透膜またはイオン交換膜から形成されている。この膜３１は、カプセル２０内の第二液体２１を通過させられるものの、ケーシング１０内の第一液体１１を通過不能にする性質を有している。あるいは、膜３１の浸透性は、凝固した第二液体２１の分子の一部が膜３１からケーシング１０内に突出できる程度であってもよい。また、カプセル２０の他方の端面を構成する弾性膜３２は例えばゴムなどから形成される膜であり、カプセル２０内部と外部との間の圧力差により伸縮するようになっている。

なお、図１を参照して説明した実施形態においては、ケーシング１０は直方体であってカプセル２０が略円筒形状のカプセルになっている。しかしながら、ケーシング１０およびカプセル２０の形状は図示されるものに限定されず、ケーシング１０およびカプセル２０が袋タイプ、マットタイプ、パッケージタイプなどの液体を封止可能なあらゆる形状をとりうる。カプセル２０の形状が異なる場合には、膜３１および弾性膜３２はカプセル２０の端面を構成するとは限らないが、これら膜３１および弾性膜３２はカプセル２０の一部分を構成するものとする。なお、カプセル２０が膜３１および弾性膜３２のみによって形成されていてもよい。また、図示しない実施形態においては、ケーシング１０が膜３１および弾性膜３２からなる隔離壁により仕切られていて一方の空間に第一液体１１が充填されると共に、他方の空間に第二液体２１が充填されていてもよい。

本発明に基づく保冷装置１は、従来技術の保冷装置と同様に使用前に予め冷却しておく必要がある。以下、冷却時における従来技術の保冷装置および本発明に基づく保冷装置１の挙動について説明する。

はじめに、従来技術の保冷装置の冷却時の挙動について説明する。従来技術の保冷装置は図１に示される保冷装置１とほぼ同様の構成であるが、従来技術の保冷装置は第二液体２１を包含するカプセル２０を有していない。なお、従来技術の保冷装置のケーシング内には第一の液体、この場合には塩化ナトリウム水溶液（１５．８ｗｔ％）が充填されているものとする。図２は従来技術の保冷装置における塩化ナトリウム水溶液の温度と時間との関係を示す図である。図２においては、横軸は保冷装置を冷却開始してからの経過時間（秒）を示している。また、縦軸はケーシング内に配置された図示しない熱電対によって検出される第一液体の温度を示している。なお、図２は塩化ナトリウム水溶液の温度と時間との関係を一つの例としてのみ示すものであり、従来技術において図２に示される関係が常に得られるわけではないことに留意されたい。

図２における実線Ｘ１により示されるように、従来技術の保冷装置を冷却速度０．７２℃／ｍｉｎで冷却すると、塩化ナトリウム水溶液の温度は時間の経過と共に線形的に低下する。そして、塩化ナトリウム水溶液の温度は該塩化ナトリウム水溶液の凝固温度ＦＰ（−１２．１℃）を越え、さらに塩化ナトリウム水溶液の凍結温度（共晶温度）ＥＰ（−２１．２℃）を越えて低下する。次いで、塩化ナトリウム水溶液の温度は直線Ａ１（−３０．６℃）において急激に上昇してピークＰ１を形成して再び低下する。その後、塩化ナトリウム水溶液の温度は直線Ｂ１（−４０．０℃）において再び同様なピークＱ１を形成して再度低下する。

すなわち、従来技術の保冷装置においては直線Ａ１および直線Ｂ１がピークの形成開始位置になる。このようなピークの形成開始位置はそれぞれ過冷却によって低下した凝固温度および凍結温度を意味することが分かっている。従って、最初のピークＰ１によって、従来技術の保冷装置における凝固過冷度ＦＰ−Ａ１は｛−１２．１−（−３０．６）｝＝１８．５Ｋであることが分かる。同様に、後のピークＱ１によって、凍結過冷度ＥＰ−Ｂ１は｛−２１．２−（−４０．０）｝＝１８．８Ｋであることが分かる。

次いで、本発明に基づく保冷装置１における塩化ナトリウム水溶液および純水の温度と時間との関係を示す図である図３を参照しつつ、本発明に基づく保冷装置１の冷却時の挙動について説明する。図３においては、横軸は保冷装置１を冷却開始してからの経過時間（秒）を示している。また、縦軸はケーシング１０およびカプセル２０内にそれぞれ配置された図示しない熱電対によって検出される第一液体１１すなわち塩化ナトリウム水溶液の温度と、第二液体２１すなわち純水の温度とを示している。なお、図３は塩化ナトリウム水溶液および純水の温度と時間との関係を一つの例としてのみ示すものであり、図３に示される関係が常に得られるわけではないことに留意されたい。例えば装置の形状等が異なる場合には異なる関係が得られうる。また、初期には、保冷装置１は平衡状態にあり、カプセル２０内の第二液体２１は膜３１を通じてケーシング１０内に流出しないものとする。

図３に示されるように、本発明に基づく保冷装置１を同様に冷却速度０．７２℃／ｍｉｎで冷却すると、カプセル２０内の第二液体２１すなわち純水の温度は破線Ｙ２により示されるように時間の経過と共に低下する。図３においては、純水の温度は塩化ナトリウム水溶液の凝固温度ＦＰ付近でピークを形成した後、時間の経過と共に概ね線形的に低下する。

一方、ケーシング１０内の第一液体１１、この場合には塩化ナトリウム水溶液の温度は実線Ｘ２により示されるように、時間の経過と共に線形的に低下する。そして、塩化ナトリウム水溶液の温度は凝固温度ＦＰ（−１２．１℃）を越えてさらに低下し、直線Ａ２（−１７．０℃）において急激に上昇してピークＰ２を形成した後で再び低下する。次いで、塩化ナトリウム水溶液の温度は塩化ナトリウム水溶液の共晶温度ＥＰ（−２１．２℃）を越えて低下した後、直線Ｂ２（−３２．０℃）において再びピークＱ２を形成して再度低下する。

従って、本発明に基づく保冷装置１における凝固過冷度ＦＰ−Ａ２は、最初のピークＰ２によって、｛−１２．１−（−１７．０）｝＝４．９Ｋであることが分かる。同様に、後のピークＱ２によって、凍結過冷度ＥＰ−Ｂ２は｛−２１．２−（−３２．０）｝＝１０．８Ｋであることが分かる。このため、従来技術の保冷装置と比較すると、本発明に基づく保冷装置１を使用することによって、凝固過冷度は１８．５Ｋから４．９Ｋまで低下すると共に、凍結過冷度は１８．８Ｋから１０．８Ｋまで低下したことが分かる。

本発明に基づく保冷装置１を用いることによって凝固過冷度および凍結過冷度が低下するのは、以下のようにして説明される。

前述したように第二液体２１の凝固温度は第一液体１１の凝固温度よりも高いので、ケーシング１０内の第一液体１１、この場合には塩化ナトリウム水溶液がその凝固温度（ＦＰ）まで低下したときには、カプセル２０内の第二液体２１、この場合には純水は既に凝固している。そして、カプセル２０において凝固した純水は膜３１を通じてケーシング１０に進入する。あるいは、凝固した純水の分子の少なくとも一部分は膜３１からケーシング１０内に突出するようになる。膜３１を通じてケーシング１０に進入した凝固純水または膜３１からケーシング１０内に突出した凝固純水の分子の一部分は、ケーシング１０において第一液体１１のための氷核となる。従って、第一液体１１はこの氷核から凝固開始し、それにより、第一液体１１の凝固が促進されるようになる。このため、本発明においては、過冷却の発生が抑制され、従って、凝固過冷度および凍結過冷度が低下するようになる。

それゆえ、本発明においては、保冷装置１を冷却する際に必要とされるエネルギを低減でき、保冷装置１を冷却する冷却装置、例えば冷凍機の負荷を軽減させられる。また、本発明に基づく保冷装置１はケーシング１０およびカプセル２０のみを備える構成であるために、特許文献３〜特許文献６に開示されるような装置と比較して構造が極めて単純となる。さらに、本発明の保冷装置１においては、超音波発生装置などの外的装置が不要である。これらのことから本発明の保冷装置１を、従来技術の場合よりも低コストで冷却することができる。

なお、カプセル２０内の第二液体２１の凝固時には、カプセル２０の弾性膜３２は第二液体２１の凝固に伴うカプセル２０の体積変化を容易に吸収する役目を果たしうる。その結果、弾性膜３２はカプセル２０内外の圧力差によってカプセル２０内の第二液体２１が必要以上に流出するのを抑制する。

さらに、本発明の前述した実施形態においては、保冷装置１には第一液体１１としての塩化ナトリウム水溶液と第二液体２１としての純水のみしか充填されておらず、従来技術の保冷装置のように有害物質を使用していない。従って、本発明においては保冷装置１に使用される第一液体１１および第二液体２１をそのまま廃棄することが可能である。しかしながら、凝固を促進するために、ケーシング１０の第一液体１１内に氷核生成物質としての添加剤を混入するようにしてもよい。また、純水を使用する代わりに、カプセル２０内の第二液体２１として、水道水を使用するようにしてもよい。この場合には、凝固過冷度および凍結過冷度をさらに低減することが可能となる。

また、図示しない実施形態においては、複数の保冷装置１からなる四つの壁部を形成し、これら壁部を直方体状に配置してもよい。この場合には、四つの壁部により形成される空間に食料品などの物質を配置することが可能である。

本発明に基づく保冷装置の概念図である。 従来技術の保冷装置における塩化ナトリウム水溶液の温度と時間との関係を示す図である。 本発明に基づく保冷装置における塩化ナトリウム水溶液および純水の温度と時間との関係を示す図である。

符号の説明

１ 保冷装置
１０ ケーシング
１１ 第一液体
２０ カプセル
２１ 第二液体
３１ 膜
３２ 弾性膜
３５ 気泡
ＦＰ−Ａ１ 従来技術の凝固過冷度
ＦＰ−Ａ２ 本発明の凝固過冷度
ＥＰ−Ｂ１ 従来技術の凍結過冷度
ＥＰ−Ｂ２ 本発明の凍結過冷度

Claims (5)

1. 第一の液体（１１）が充填されて密封された第一の容器（１０）と、
   該第一の容器（１０）内に配置された第二の容器（２０）とを具備し、該第二の容器（２０）には前記第一の液体（１１）よりも凝固温度の高い第二の液体（２１）が充填されて密封されており、
   前記第二の容器（２０）の少なくとも一部分は、前記第二の液体（２１）が少なくとも部分的に通過可能であると共に前記第一の液体（１１）が通過不能である膜（３１）から形成されている保冷装置。
2. 前記第二の容器（２０）の前記一部分の残りの部分のうちの少なくとも一部分は、前記第二の容器（２０）の体積変化を吸収できる弾性膜（３２）から形成されている請求項１に記載の保冷装置。
3. 前記第一の容器（１０）には気泡（３５）が配置される請求項１または２に記載の保冷装置。
4. 前記第二の液体（２１）は、前記第一の液体（１１）の氷核となりうる結晶構造を有している請求項１から３のいずれか一項に記載の保冷装置。
5. 前記第一の液体（１１）が金属塩水溶液であり、前記第二の液体（２１）が水または純水であるようにした請求項１から４のいずれか一項に記載の保冷装置。

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