JP2009115422A

JP2009115422A - 空中解除法による球状氷粒子の製造方法及び製造装置

Info

Publication number: JP2009115422A
Application number: JP2007291630A
Authority: JP
Inventors: Eizo Taira; 栄蔵平
Original assignee: Miyazaki Prefecture
Current assignee: Miyazaki Prefecture
Priority date: 2007-11-09
Filing date: 2007-11-09
Publication date: 2009-05-28

Abstract

【課題】精度良く、球状氷粒子を大量生産することができる、空中解除法による球状氷粒子の製造方法を提供する。
【解決手段】熱伝導率の低い細管チューブに液体を、層流域以下の流速で、流れが乱れないように供給し、同液体を０．２℃／分以下の冷却速度で除冷して、液体の氷結点より５℃〜１０℃程度低い温度の過冷却状態とする。その過冷却状態の液体の液滴を、同液体の氷結点以下の雰囲気中に連続的に放出して、液滴に発生する表面張力により略球状とする。前記液滴に、極低温ガス若しくは氷核、又は極低温ガスと氷核との混合体を接触させて、液滴の過冷却状態を解除することにより、球状氷粒子を製造することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばアイスブラスト洗浄装置の研磨材や冷媒等に用いられる球状氷粒子の製造方法及び製造装置に関する。

従来から小径（数ｍｍ程度）の球状氷粒子を精度良く、製造することを試みた技術が開発され、特許出願されている。

特許文献１の球状氷粒子の製造方法は、樋状の冷却流路に液体冷媒を流し、この液体冷媒内に、被凍結液（例えばコーヒーなど）の液滴を落下させて、球状氷粒子を製造している。

特許文献２の球状氷粒子の製造方法は、水に不溶性乃至難溶性で且つ水よりも凝固点の低い分散媒を、同分散媒の凝固点以上で且つ水の凝固点以下の温度に冷却しておき、前記分散媒中に、水を微細滴状で分散させて、球状氷粒子を製造している。

特許文献３の球状氷粒子の製造方法は、疎水性液体が入った液槽中に、水滴を放出させて、球状氷粒子を製造している。

しかし、上記特許文献１〜３の球状氷粒子の製造方法は、落下、分散、放出させた液滴が氷結するまでの時間が長く、その間に、隣接する液滴（即ち先に落下、分散、放出させた液滴）と一体化し、小径の氷粒子を精度良く製造できない問題がある。勿論、落下、分散、放出させる液滴を少量にして、隣接する液滴との一体化を防ぐ方法も考えられるが、その場合は氷粒子の製造効率が著しく低下し、大量生産できない問題がある。

そこで、本出願人は、過冷却液滴を滴下して過冷却状態を解除し、球状氷粒子を精度良く、大量生産する技術を開発し、特許出願している（特許文献４、５を参照）。

特開平６−１４７７０５号公報特開２００１−７９７６７号公報特開平１１−５１５１８号公報特開２００６−７１２４７号公報特開２００７−２４７９３７号公報

上記特許文献４、５の球状氷粒子の製造方法は、より精度良く、球状氷粒子を大量生産することができる余地が残されている。

本発明の目的は、精度良く、球状氷粒子を大量生産することができる空中解除法による球状氷粒子の製造方法及び製造装置を提供することである。

上記課題を解決するための手段として、請求項１に記載した発明に係る空中解除法による球状氷粒子の製造方法は、
熱伝導率の低い細管チューブに液体を、層流域以下の流速で、流れが乱れないように供給し、同液体を０．２℃／分以下の冷却速度で除冷して、液体の氷結点より５℃〜１０℃程度低い温度の過冷却状態とし、
その過冷却状態の液体の液滴を、同液体の氷結点以下の雰囲気中に連続的に放出して、液滴に発生する表面張力により略球状とし、
前記液滴に、極低温ガス若しくは氷核、又は極低温ガスと氷核との混合体を接触させて、液滴の過冷却状態を解除することにより、球状氷粒子を製造することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載した空中解除法による球状氷粒子の製造方法において、
細管チューブは、直径１ｍｍ〜５ｍｍ程度の氷粒子となる液滴を放出することができるように、内径０．５ｍｍ〜３ｍｍ程度のフッ素樹脂チューブ、シリコンチューブ、塩化ビニルチューブ等のチューブであり、
細管チューブ内の液体を０．２℃／分以下の冷却速度で除冷した際に、前記液体が細管チューブの出口側の端部近傍で前記液体の氷結点より５℃〜１０℃程度低い温度の過冷却状態となるに十分な長さを有することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１に記載した空中解除法による球状氷粒子の製造方法において、
氷核は直径が０．０１ｍｍ〜１ｍｍ程度の微細氷粒から成り、前記氷核を液滴に接触させて一体化することを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１に記載した空中解除法による球状氷粒子の製造方法において、
極低温ガスは、液体窒素やドライアイス等の寒剤に乾燥空気を供給して得ることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１に記載した空中解除法による球状氷粒子の製造方法において、
極低温ガスと氷核との混合体は、液体窒素やドライアイス等の寒剤に湿り空気を供給して得た極低温ガスと、前記湿り空気に含有する水分が凍結した直径０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍ程度の氷核とから成り、前記混合体を液滴に接触させて前記氷核を前記液滴と一体化させることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項１に記載した空中解除法による球状氷粒子の製造方法において、
極低温ガスと氷核との混合体は、圧縮空気をボルテックスチューブ等の熱力学的冷熱発生器に供給して得た極低温空気に、湿り空気を供給して得た極低温ガスと、前記湿り空気に含有する水分が凍結した直径０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍ程度の氷核とから成り、前記混合体を液滴に接触させて前記氷核を前記液滴と一体化させることを特徴とする。

請求項７に記載した発明に係る空中解除法による球状氷粒子の製造装置は、
液体の氷結点以下の雰囲気室内において、
熱伝導率の低い細管チューブに液体を、層流域以下の流速で、流れが乱れないように供給し、同液体を０．２℃／分以下の冷却速度で除冷して、液体の氷結点より５℃〜１０℃程度低い温度の過冷却状態とし、その過冷却状態の液体の液滴を、同液体の氷結点以下の雰囲気中に連続的に放出する過冷却液滴製造ユニットと、
前記液滴に、極低温ガス若しくは氷核、又は極低温ガスと氷核との混合体を接触させて、液滴の過冷却状態を解除する過冷却解除ユニットと、
を備えていることを特徴とする。

請求項８記載の発明は、請求項７に記載した空中解除法による球状氷粒子の製造装置において、
細管チューブは、直径１ｍｍ〜５ｍｍ程度の氷粒子となる液滴を放出することができるように、内径０．５ｍｍ〜３ｍｍ程度のフッ素樹脂チューブ、シリコンチューブ、塩化ビニルチューブ等のチューブであり、
細管チューブ内の液体を０．２℃／分以下の冷却速度で除冷した際に、前記液体が細管チューブの出口側の端部近傍で前記液体の氷結点より５℃〜１０℃程度低い温度の過冷却状態となるに十分な長さを有することを特徴とする。

請求項９記載の発明は、請求項７又は請求項８に記載の空中解除法による球状氷粒子の製造装置において、
過冷却液滴製造ユニットは、保温容器内に細管チューブが上下に接触しないスパイラル状に配置されており、液体の入口側の端部は雰囲気室外の液体供給用のポンプに連結され、出口側の端部は前記保温容器の底面から下方に向かって貫通していること、
前記保温容器は温度制御装置を備えており、前記温度制御装置により前記細管チューブ内に供給された液体が、０．２℃／分以下の冷却速度で除冷されて、液体の氷結点より５℃〜１０℃程度低い温度の過冷却状態とされることを特徴とする。

請求項１０記載の発明は、請求項７又は請求項８に記載の空中解除法による球状氷粒子の製造装置において、
過冷却液滴製造ユニットは、筒状のケーシング内に細管チューブが上下に接触しないスパイラル状に配置されており、液体の入口側の端部は雰囲気室外の液体供給用のポンプに連結され、出口側の端部は前記ケーシングの下側の開放口から液滴を放出できるように、下方に向かって配置されていること、
前記ケーシングの上側の開放口近傍に排風機を備えており、前記排風機により雰囲気室内の冷気が前記ケーシング内に供給され、前記細管チューブ内に供給された液体が、０．２℃／分以下の冷却速度で除冷されて、液体の氷結点より５℃〜１０℃程度低い温度の過冷却状態とされることを特徴とする。

請求項１１記載の発明は、請求項７乃至請求項１０のいずれか１項に記載の空中解除法による球状氷粒子の製造装置において、
過冷却液滴製造ユニットと過冷却解除ユニットとの間に、表面が撥液処理された曲面スロープを備えており、前記曲面スロープの過冷却液滴製造ユニット側の端部は、液滴が落下した際の衝撃で過冷却状態が解除されないように、所定の高さ位置に配置され、且つ急な傾斜とされ、過冷却解除ユニット側の端部は、液滴の滞空時間を稼ぐことができるように、曲面スロープの最下部から斜め上方に向かう傾斜とされていることを特徴とする。

請求項１２記載の発明は、請求項７乃至請求項１１のいずれか１項に記載の空中解除法による球状氷粒子の製造装置において、
過冷却解除ユニットにより過冷却状態が解除されて表面固化した液滴は、ベルトの表面に前記液滴の付着を防止する微細繊維又は極細ブラシが植設されたベルトコンベア上に落下させ、前記ベルトコンベアの終点近傍に設けられた回転ブラシにより掻き取り、揺動させた貯蔵容器に収容することを特徴とする。

本発明に係る空中解除法による球状氷粒子の製造方法及び製造装置は、過冷却液滴製造ユニットが過冷却状態の液体の液滴を容易に連続的に製造することができる構成とされており、さらに過冷却解除ユニットは前記過冷却液滴製造ユニットから連続的に放出された液滴の過冷却状態を良好に解除することができる構成とされているので、容易に連続して精度の良い、球状氷粒子を大量生産することができる。

本発明に係る空中解除法による球状氷粒子の製造方法及び製造装置の実施形態を説明する。

＜実施形態１＞
便宜上、先に球状氷粒子の製造装置を説明する。

図１に示す球状氷粒子の製造装置（以下、単に製造装置と云う。）１は、液体の氷結点以下の雰囲気室２内において、熱伝導率の低い細管チューブ３に液体を、層流域以下の流速で、流れが乱れないように供給し、同液体を０．２℃／分以下の冷却速度で除冷して、液体の氷結点より５℃〜１０℃程度低い温度の過冷却状態とし、その過冷却状態の液体の液滴４（例えば、体積が５〜１００μｌ（マイクロリットル）程度）を、前記液体の氷結点以下の雰囲気中に連続的に放出する過冷却液滴製造ユニット５と、前記液滴４に氷核６を接触させて、液滴４の過冷却状態を解除する過冷却解除ユニット７とを備えている。

氷結させる液体としては、水、水溶液、水系分散液（水を分散媒とした分散液）を用いることができる。例えば、得られた氷粒子を食品用途に用いる場合、飲料水の他、砂糖、甘味料、着色剤、香料などを溶かした水溶液、または牛乳、豆乳などの分散液を用いることができる。

本発明で云う過冷却とは、液体状態を維持したまま同液体を氷結点より５℃〜１０℃程度低い温度とすることをいい、過冷却した状態を過冷却状態と云う。液体を氷結点より５℃〜１０℃程度低い温度の過冷却状態とした理由は、−５℃程度より高い温度であると、過冷却状態が解除されても液滴の内部まで凍結しにくく、−１０℃程度より低い温度であると、軽微な衝撃で過冷却状態が解除されて瞬時に液滴の内部まで凍結してしまい、取り扱いが困難である。

過冷却液滴製造ユニット５は、保温容器８内に細管チューブ３が通されている。細管チューブ３は、直径１ｍｍ〜５ｍｍ程度の氷粒子となる液滴を放出することができるように、内径０．５ｍｍ〜３ｍｍ程度のフッ素樹脂チューブ、シリコンチューブ、塩化ビニルチューブ等の非金属製のチューブから成る。但し、細管チューブ３は、金属製のチューブでも良く、その場合、金属製のチューブは熱伝導率が高く、前記細管チューブ３内の液体を０．２℃／分以下の冷却速度で除冷する際の保温容器８内の微小な温度変化を敏感に前記液体に伝えるので高精度の制御が必要である。一方、細管チューブ３の周囲を過度に保温して熱伝導率を過度に低下させると、前記細管チューブ３内の液体を氷結点より５℃〜１０℃程度低い温度まで除冷するための時間を要する、又は長い細管チューブ３が必要となるなど困難である。そのため、熱伝導率が比較的低く、疎水性で、かつ柔軟で低価格のブラスチックチューブが好適である。

また、細管チューブ３の内径が０．５ｍｍ程度より小さいと、圧損が増大すること、また汎用のチューブを用いることができず、３ｍｍ程度より大きいと、チューブ内で乱流が生じやすくなり、液体を良好に過冷却状態にすることができない。

この細管チューブ３は、保温容器８内において液体を０．２℃／分以下の冷却速度で除冷した際に、前記液体が前記細管チューブ３の出口側の端部近傍で前記液体の氷結点より５℃〜１０℃程度低い温度の過冷却状態となるに十分な長さ（１０ｍ程度）で、上下に配置された細管チューブ３、３相互が接触しないスパイラル状に形成されている。細管チューブ３の液体の入口側の端部は雰囲気室２外の液体供給用のポンプ９に連結されており、出口側の端部は保温容器８の底面から下方に向かって貫通している。

保温容器８は、細管チューブ３と雰囲気室２内の空気との熱伝達を略遮断することができる部材から成る密閉容器であり、上面にペンチェ冷却素子と加熱ヒーターとから成る（但し、この限りでない。）温度制御装置１０を備えている。

したがって、上記構成の過冷却液滴製造ユニット５は過冷却状態の液体の液滴４を容易に連続的に製造することができる構成とされている。

過冷却解除ユニット７は、貯蔵容器１１内に貯蔵された氷核６を速度可変モータ１２に連結された撹拌翼１３によって、固着しないように撹拌し、前記貯蔵容器１１を加振装置１４により揺動させることで氷核６の散布を容易とし、過冷却液滴製造ユニット５から放出された液滴４に、氷核６を接触させて一体化する構成とされている。ちなみに、氷核６は直径が０．０１ｍｍ〜１ｍｍ程度の微細氷粒であることが好ましい。氷核６の直径が０．０１ｍｍ程度より小さいと、雰囲気室２内に浮遊してしまい、１ｍｍ程度より大きいと、液滴４と衝突して前記液滴４が分散するなどの不都合が生じ易くなり、良好に一体化させることが難しいからである。

本実施形態では、過冷却液滴製造ユニット５から放出された液滴４は、過冷却状態を維持させたまま、曲面スロープ１５に落下させ、前記曲面スロープ１５の表面を転動・滑走させて放出し、過冷却解除ユニット７から放出された氷核６と接触させて前記液滴４の過冷却状態を解除する構成とされている。

つまり、前記過冷却液滴製造ユニット５と過冷却解除ユニット７との間に、表面が撥液処理された曲面スロープ１５を備えている。曲面スロープ１５の過冷却液滴製造ユニット５側の端部は、液滴４が落下した際の衝撃で過冷却状態が解除されないように、所定の高さ位置（細管チューブ３の出口端から曲面スロープへの落下位置までの高さｈが５０ｍｍ程度）に配置され、且つ急な傾斜とされている。一方、過冷却解除ユニット７側の端部は、液滴４の滞空時間を稼ぐことができるように、曲面スロープ１５の最下部から斜め上方に向かう傾斜とされている。

さらに、過冷却解除ユニット７により過冷却状態が解除されて表面固化した液滴４は、ベルトコンベア１６上に落下させ、前記ベルトコンベア１６の終点近傍に設けられた回転ブラシ１７により掻き取り、揺動させた貯蔵容器１８に収容する構成とされている。

ベルトコンベア１６は、着地して運搬される間に液滴４が完全に内部まで凍結して氷粒子４’に成るに十分な間隔を開けて平行に並べられた２本の回転軸１９、１９間を周回するように、ベルト２０が巻き付けられており、前記ベルト２０の表面に液滴４の付着を防止する微細繊維又は極細ブラシ等の毛材が植設されている。このベルトコンベア１６は、連続して次々と落下してくる液滴４…が接触しない程度の速度で前記液滴４…を運搬できるように、ベルト２０が周回している。

回転ブラシ１７は、前記ベルトコンベア１６の幅寸法と略等しい長さを有する回転軸２１に微細繊維等（氷粒子を傷つけない部材であれば特に限定されない。）の毛材２２が植設されており、前記毛材２２の先端が前記ベルトコンベア１６のベルト２０に接触するように配置されている。この回転軸２１にモータ（図示は省略）が連結されており、前記モータはベルトコンベア１６のベルト２０の周回速度と略同調するように制御される。

貯蔵容器１８は、連続して次々と前記ベルトコンベア１６から落下してくる氷粒子４’を収容するに十分な大きさ、形状とされており、加振装置（図示は省略）により氷粒子４’が固着しないように、揺動する構成とされている。

この製造装置１を用いて、本発明の氷粒子の製造方法は、以下のように実施される。

先ず、熱伝導率の低い細管チューブ３に液体を、層流域以下の流速で、流れが乱れないように供給し、同液体を０．２℃／分以下の冷却速度で除冷して、液体の氷結点より５℃〜１０℃程度低い温度の過冷却状態とする。

次に、その過冷却状態の液体の液滴４を、同液体の氷結点以下の雰囲気中に連続的に放出して、液滴４に発生する表面張力により略球状とし、前記液滴４に、氷核６を接触させて液滴４の過冷却状態を解除し、相互を一体化することにより、氷粒子４’を製造する。

上述した空中解除法による球状氷粒子の製造方法及び製造装置は、過冷却液滴製造ユニット５が過冷却状態の液体の液滴４を容易に連続的に製造することができる構成とされており、さらに過冷却解除ユニット７は前記過冷却液滴製造ユニット５から連続的に放出された液滴４の過冷却状態を良好に解除することができる構成とされているので、容易に連続して精度の良い、球状氷粒子を大量生産することができる。

また、ベルトコンベア１６に着地する以前に液滴４の表面が凍結するので、液滴４がベルトコンベア１６に着地したショックにより凍結した液滴４の表面が裂けて、内部の液体が漏れ出して氷結し、ベルトコンベア１６に付着することがない。そのため、簡単に回転ブラシ１７により掻き取ることができる。

＜実施形態２＞
上記実施形態１の球状氷粒子の製造方法は、液滴４に氷核６を接触させて前記液滴４の過冷却状態を解除する構成の製造装置１を用いたが、液滴４に極低温ガスと氷核との混合体を接触させて前記液滴４の過冷却状態を解除する構成の製造装置１０１（図２を参照）を用いて実施することもできる。

図２に示す製造装置１０１は、図１に示す製造装置１と略同様の構成とされているが、過冷却解除ユニット１０７が液体窒素やドライアイス等の寒剤２３に湿り空気を供給して得た極低温ガスと、前記湿り空気に含有する水分が凍結して直径０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍ程度の氷核とから成る混合体を接触させて、前記氷核を前記液滴４と一体化させる構成とされている。

具体的に云うと、過冷却解除ユニット１０７は、湿り空気製造部２４と、氷核・極低温ガス製造部２５とを備えている。なお、極低温ガスのみを製造する際は、湿り空気製造部を省く、又は湿り空気製造部に水を充填しないことで対応できる。

湿り空気製造部２４は、貯蔵容器２６内の水２７にエアーポンプ２８により乾燥空気が供給されて湿り空気が製造される構成とされている。

氷核・極低温ガス製造部２５は、前記湿り空気製造部２４と保温チューブ２９により連結されており、前記湿り空気製造部２４で製造された湿り空気は、貯蔵容器３０内の寒剤２３に供給され、極低温ガスと前記湿り空気に含有する水分が凍結した直径０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍ程度の氷核とが製造されて内部圧力によりノズル３１から噴射される構成とされている。

本実施形態の空中解除法による球状氷粒子の製造方法及び製造装置も、過冷却液滴製造ユニット５が過冷却状態の液体の液滴４を容易に連続的に製造することができる構成とされており、さらに過冷却解除ユニット１０７は前記過冷却液滴製造ユニット５から連続的に放出された液滴４の過冷却状態を良好に解除することができる構成とされているので、容易に連続して精度の良い球状氷粒子を大量生産することができる。

＜実施形態３＞
また、図３に示す製造装置２０１を用いても、上記実施形態２と同様に実施することができる。

図３に示す製造装置２０１は、図２の示す製造装置１０１と略同様の構成とされているが、過冷却解除ユニット２０７の構成が異なる。

具体的に云うと、過冷却解除ユニット２０７は、湿り空気製造部３２と、熱力学的冷熱発生器３３と、氷核製造部３４とを備えている。なお、極低温ガスのみを製造する際は、湿り空気製造部と氷核製造部を省く、又は湿り空気製造部に水を充填しないことで対応できる。

湿り空気製造部３２は、貯蔵容器３５内の水３６にエアーコンプレッサー３７から圧縮した乾燥空気が供給されて湿り空気が製造される構成とされている。

熱力学的冷熱発生器３３は、通例のボルテックスチューブ等から成り、エアーコンプレッサー３７から圧縮した乾燥空気が供給されて極低温空気が製造される構成とされている。熱力学冷熱発生器３３と氷核製造部３４とは連結されており、前記熱力学冷熱発生器３３で製造された極低温空気が前記氷核製造部３４に供給され、前記氷核製造部３４内の湿り空気と接触して、極低温ガスと、前記湿り空気に含有する水分が凍結した直径０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍ程度の氷核とが製造されて内部圧力によりノズル３８から噴射される構成とされている。

本実施形態の空中解除法による球状氷粒子の製造方法及び製造装置も、過冷却液滴製造ユニット５が過冷却状態の液体の液滴４を容易に連続的に製造することができる構成とされており、さらに過冷却解除ユニット２０７は前記過冷却液滴製造ユニット５から連続的に放出された液滴４の過冷却状態を良好に解除することができる構成とされているので、容易に連続して精度の良い球状氷粒子を大量生産することができる。

＜実施形態４＞
上記実施形態１〜３の球状氷粒子の製造方法は、温度制御装置１０により細管チューブ３内の液体を除冷する構成の過冷却液滴製造ユニット５を用いたが、可変速排風機３９により細管チューブ３内の液体を除冷する構成の過冷却液滴製造ユニット３０５（図４を参照）を用いて実施することもできる。

図４に示す過冷却液滴製造ユニット３０５は、筒状のケーシング４０内に細管チューブ３が上下に接触しないスパイラル状に配置されており、液体の入口側の端部は雰囲気室２外の液体供給用のポンプ９に連結され、出口側の端部は前記ケーシング４０の下側の開放口から液滴４を放出できるように、下方に向かって配置されている。

前記ケーシング４０の上側の開放口近傍に可変速排風機３９を備えており、前記可変速排風機３９により雰囲気室２内の冷気が前記ケーシング４０内に供給され、前記細管チューブ３内に供給された液体が、０．２℃／分以下の冷却速度で除冷されて、液体の氷結点より５℃〜１０℃程度低い温度の過冷却状態とされる。

本実施形態の過冷却液滴製造ユニット３０５は簡単な構成であるので、製造装置の簡略化、コストの削減に寄与できる。

本発明の過冷却液滴製造ユニットは、上述した構成の過冷却液滴製造ユニットに限らず、細管チューブに液体を、層流域以下の流速で、流れが乱れないように供給し、同液体を０．２℃／分以下の冷却速度で除冷して、液体の氷結点より５℃〜１０℃程度低い温度の過冷却状態とし、その過冷却状態の液体の液滴を、同液体の氷結点以下の雰囲気中に連続的に放出する構成であれば良い。

本発明の過冷却解除ユニットは、上述した構成の過冷却解除ユニットに限らず、液滴に、氷核若しくは極低温ガス、又は氷核と極低温ガスとの混合体を接触させて、液滴の過冷却状態を解除する構成であれば良い。

なお、上記実施形態では、過冷却液滴製造ユニットと過冷却解除ユニットとの間に曲面スロープを配置したり、前記過冷却解除ユニットの後にベルトコンベアや貯蔵容器を配置したが、適宜、選択して配置することができる。

＜実施例１＞
室温が−７℃に制御された冷凍庫内において、可変速排風機が設けられた内径約７５ｍｍの塩化ビニール管内に、内径が２．０ｍｍで、長さが約１０ｍのシリコンチューブを、上下のチューブが接触しないスパイラル状に配置し、前記可変速排風機により冷凍庫内の冷気を前記塩化ビニール管内に送風し、前記シリコンチューブ内に層流域以下の流速で供給した水を除冷した。

図５に示すように、−７℃程度の過冷却水滴を連続的に製造することが可能であることが確認できた。なお、内径が１．５ｍｍで、長さが約１０ｍのフッ素樹脂チューブを用いた実験でも同様の結果を得ている。

＜実施例２＞
室温が−９℃に制御された冷凍庫内において、表面が撥水処理された曲面スロープに液温−９℃の過冷却水滴（０．０４ｍｌ＝４０マイクロリットル）を滴下し、前記曲面スロープから過冷却水滴を放出した。この過冷却水滴に、氷塊をジューサーミキサーで１．５ｍｍ以下の大きさに粉砕した微細氷粒を散布した後に、前記過冷却水滴を吸水タオル上に着地させた。

吸水タオル上に着地した時点で、球状の氷粒子に成っており容易に剥離することができた。過冷却水滴が空中で微細氷粒に接触して過冷却状態が解除され、相互が一体化して球状のままで凍結固化したものと考えられる。

＜比較例１＞
上記実施例２と略同様に実施したが、曲面スロープから過冷却水滴を放出した後に、微細氷粒を散布しなかった。

その結果、過冷却水滴は吸水タオルに着地した瞬間、着地のショックにより凍結した水滴の表面が裂けて、内部の水が漏れ出して楕円形の氷粒子に成った。氷粒子と吸水タオルとの剥離が困難であった。

以上より、球状の氷粒子を精度良く製造するには、空中で過冷却水滴と微細氷粒とを接触させて一体化し過冷却解除して、表面が凍結固化した球状氷粒子を製造すること、さらには着地する前の時点で表面凍結した球状氷粒子は相手、すなわち、この場合は吸水タオルに付着しないので剥離が容易であり、連続製造する上でより好ましいことがわかる。

本発明の空中解除法による球状氷粒子の製造方法及び製造装置は、ビルやトンネル等の壁面、橋等、特に屋外の構造物の表面に付着した付着物の除去のためのアイスブラスト洗浄装置の研磨材を製造する際に好適に用いることができる。

また、畜舎や体育館等の大規模大容量冷房の冷媒を製造する際に好適に用いることができる。

さらに、コンクリートの混練時に水の代わりに氷粒子を用いて低温生コンクリートを製造する際に好適に用いることができる。

実施形態１の球状氷粒子の製造装置を示す模式図である。実施形態２の球状氷粒子の製造装置を示す模式図である。実施形態３の球状氷粒子の製造装置を示す模式図である。実施形態４の過冷却液滴製造ユニットを示す模式図である。実施例１の実験結果を示す図である。

符号の説明

１球状氷粒子の製造装置
２液体の氷結点以下の雰囲気室
３細管チューブ
４過冷却状態の液滴
５過冷却液滴製造ユニット
６氷核
７過冷却解除ユニット
８保温容器
９液体供給用のポンプ
１０温度制御装置
１５曲面スロープ
１６ベルトコンベア
１７回転ブラシ
１８貯蔵容器
２０ベルト
２３寒剤
１０１球状氷粒子の製造装置
１０７過冷却解除ユニット
２０１球状氷粒子の製造装置
２０７過冷却解除ユニット
３０５過冷却液滴製造ユニット
３９可変速排風機
４０ケーシング

Claims

熱伝導率の低い細管チューブに液体を、層流域以下の流速で、流れが乱れないように供給し、同液体を０．２℃／分以下の冷却速度で除冷して、液体の氷結点より５℃〜１０℃程度低い温度の過冷却状態とし、
その過冷却状態の液体の液滴を、同液体の氷結点以下の雰囲気中に連続的に放出して、液滴に発生する表面張力により略球状とし、
前記液滴に、極低温ガス若しくは氷核、又は極低温ガスと氷核との混合体を接触させて、液滴の過冷却状態を解除することにより、球状氷粒子を製造することを特徴とする、空中解除法による球状氷粒子の製造方法。
細管チューブは、直径１ｍｍ〜５ｍｍ程度の氷粒子となる液滴を放出することができるように、内径０．５ｍｍ〜３ｍｍ程度のフッ素樹脂チューブ、シリコンチューブ、塩化ビニルチューブ等のチューブであり、
細管チューブ内の液体を０．２℃／分以下の冷却速度で除冷した際に、前記液体が細管チューブの出口側の端部近傍で前記液体の氷結点より５℃〜１０℃程度低い温度の過冷却状態となるに十分な長さを有することを特徴とする、請求項１に記載した空中解除法による球状氷粒子の製造方法。
氷核は直径が０．０１ｍｍ〜１ｍｍ程度の微細氷粒から成り、前記氷核を液滴に接触させて一体化することを特徴とする、請求項１に記載した空中解除法による球状氷粒子の製造方法。
極低温ガスは、液体窒素やドライアイス等の寒剤に乾燥空気を供給して得ることを特徴とする、請求項１に記載した空中解除法による球状氷粒子の製造方法。
極低温ガスと氷核との混合体は、液体窒素やドライアイス等の寒剤に湿り空気を供給して得た極低温ガスと、前記湿り空気に含有する水分が凍結した直径０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍ程度の氷核とから成り、前記混合体を液滴に接触させて前記氷核を前記液滴と一体化させることを特徴とする、請求項１に記載した空中解除法による球状氷粒子の製造方法。
極低温ガスと氷核との混合体は、圧縮空気をボルテックスチューブ等の熱力学的冷熱発生器に供給して得た極低温空気に、湿り空気を供給して得た極低温ガスと、前記湿り空気に含有する水分が凍結した直径０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍ程度の氷核とから成り、前記混合体を液滴に接触させて前記氷核を前記液滴と一体化させることを特徴とする、請求項１に記載した空中解除法による球状氷粒子の製造方法。
液体の氷結点以下の雰囲気室内において、
熱伝導率の低い細管チューブに液体を、層流域以下の流速で、流れが乱れないように供給し、同液体を０．２℃／分以下の冷却速度で除冷して、液体の氷結点より５℃〜１０℃程度低い温度の過冷却状態とし、その過冷却状態の液体の液滴を、同液体の氷結点以下の雰囲気中に連続的に放出する過冷却液滴製造ユニットと、
前記液滴に、極低温ガス若しくは氷核、又は極低温ガスと氷核との混合体を接触させて、液滴の過冷却状態を解除する過冷却解除ユニットと、
を備えていることを特徴とする、空中解除法による球状氷粒子の製造装置。
細管チューブは、直径１ｍｍ〜５ｍｍ程度の氷粒子となる液滴を放出することができるように、内径０．５ｍｍ〜３ｍｍ程度のフッ素樹脂チューブ、シリコンチューブ、塩化ビニルチューブ等のチューブであり、
細管チューブ内の液体を０．２℃／分以下の冷却速度で除冷した際に、前記液体が細管チューブの出口側の端部近傍で前記液体の氷結点より５℃〜１０℃程度低い温度の過冷却状態となるに十分な長さを有することを特徴とする、請求項７に記載した空中解除法による球状氷粒子の製造装置。
過冷却液滴製造ユニットは、保温容器内に細管チューブが上下に接触しないスパイラル状に配置されており、液体の入口側の端部は雰囲気室外の液体供給用のポンプに連結され、出口側の端部は前記保温容器の底面から下方に向かって貫通していること、
前記保温容器は温度制御装置を備えており、前記温度制御装置により前記細管チューブ内に供給された液体が、０．２℃／分以下の冷却速度で除冷されて、液体の氷結点より５℃〜１０℃程度低い温度の過冷却状態とされることを特徴とする、請求項７又は請求項８に記載の空中解除法による球状氷粒子の製造装置。
過冷却液滴製造ユニットは、筒状のケーシング内に細管チューブが上下に接触しないスパイラル状に配置されており、液体の入口側の端部は雰囲気室外の液体供給用のポンプに連結され、出口側の端部は前記ケーシングの下側の開放口から液滴を放出できるように、下方に向かって配置されていること、
前記ケーシングの上側の開放口近傍に排風機を備えており、前記排風機により雰囲気室内の冷気が前記ケーシング内に供給され、前記細管チューブ内に供給された液体が、０．２℃／分以下の冷却速度で除冷されて、液体の氷結点より５℃〜１０℃程度低い温度の過冷却状態とされることを特徴とする、請求項７又は請求項８に記載の空中解除法による球状氷粒子の製造装置。
過冷却液滴製造ユニットと過冷却解除ユニットとの間に、表面が撥液処理された曲面スロープを備えており、前記曲面スロープの過冷却液滴製造ユニット側の端部は、液滴が落下した際の衝撃で過冷却状態が解除されないように、所定の高さ位置に配置され、且つ急な傾斜とされ、過冷却解除ユニット側の端部は、液滴の滞空時間を稼ぐことができるように、曲面スロープの最下部から斜め上方に向かう傾斜とされていることを特徴とする、請求項７乃至請求項１０のいずれか１項に記載の空中解除法による球状氷粒子の製造装置。
過冷却解除ユニットにより過冷却状態が解除されて表面固化した液滴は、ベルトの表面に前記液滴の付着を防止する微細繊維又は極細ブラシが植設されたベルトコンベア上に落下させ、前記ベルトコンベアの終点近傍に設けられた回転ブラシにより掻き取り、揺動させた貯蔵容器に収容することを特徴とする、請求項７乃至請求項１１のいずれか１項に記載の空中解除法による球状氷粒子の製造装置。