JP2017201222A

JP2017201222A - 液体冷凍機

Info

Publication number: JP2017201222A
Application number: JP2016092942A
Authority: JP
Inventors: 茂広根津; Shigehiro Nezu
Original assignee: Albanex Co Ltd
Current assignee: Albanex Co Ltd
Priority date: 2016-05-06
Filing date: 2016-05-06
Publication date: 2017-11-09
Anticipated expiration: 2036-05-06
Also published as: JP6861959B2

Abstract

【課題】小型で簡易に設置でき、消費電力の少ない液体冷凍機を供給すること。
【解決手段】冷却槽４に収容した冷却液５に食品などの被処理物を接触させて素早く冷凍させる液体冷凍機１０であって、スターリング冷凍機１の低温部１９と冷却槽４とをヒートパイプ３で熱的に接続する。ヒートパイプ３は、熱伝達部２を介してスターリング冷凍機１の低温部１９と接続されており、その熱伝達部２は冷却液５の液面よりも高い位置に配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、低温に冷却した冷却液に被処理物を接触させて被処理物を急速に冷凍させる液体冷凍機に関する。

一般に、０℃から５℃の範囲に食品を曝すと、内部で氷の結晶が大きく成長して内部の細胞や組織を破壊してしまうとされている。

そこで、冷却した液体の中に食品などを投入する液体冷凍機が提案されている。

液体は、気体に比べて熱伝導率がはるかに高い。そのたため、−２０℃以下に冷却した冷却液を用いる液体冷凍機で食品を処理すれば、０℃から５℃の温度範囲を素早く通過させることができ、食品の品質を保ったまま冷凍を行えるという利点がある。

特開２００８−７００３５号公報特開平７−３２７５８７号公報

従来の液体冷凍機のように、コンプレッサー式の冷却機で−２０℃を下回る温度を小型の冷凍機で発生させることが困難なことから、大型のコンプレッサー式の冷却機が必要とされていた。

しかし、レストランの小規模な事業所や一般家庭などに設置する場合には、大型のコンプレッサーを駆動するための三相電源の設置工事などの大掛かりな準備が必要となり、気軽に導入できないという問題があった。

また、設置スペースが大きく、設置場所の確保が問題になるとともに、必要とされる能力よりも過剰な冷凍能力が備わっており、無駄な電力が必要になってしまう場合もある。

そこで、本発明は、小型で簡易に設置でき、消費電力の少ない液体冷凍機を供給することを目的とする。

下記開示の一観点によれば、冷却液を収容する冷却槽と、低温部において低温を発生させるスターリング冷凍機と、前記スターリング冷凍機の低温部に設けられた熱伝達部と、上端部が前記熱伝達部に接続されるとともに、前記冷却槽内に伸びて前記冷却槽の内壁に沿ってコイル状に巻かれるとともに、熱伝達部側から先端部にかけて徐々に低くなる傾斜が設けられたヒートパイプと、を備えた液体冷凍機が提供される。

上記観点の液体冷凍機によれば、小型で消費電力の小さなスターリング冷凍機と冷却槽とをヒートパイプでつなぐことで、冷却液を−４０℃以下に冷却できる。これにより、小型化され、机の上に設置することができ、さらに家庭用の電源でも動作可能な液体冷凍機を実現できる。

図１は、実施形態に係る液体冷凍機のブロック図である。図２は、図１のスターリング冷凍機の断面図である。図３は、図２のスターリング冷凍機の低温部とヒートパイプとの接続構造を示す断面図である。図４は、図１のヒートパイプの構造を示す透視図である。図５は、図１の冷却槽内の冷却液の流れを示す断面図である。図６は、図１の液体冷凍機の使用例を示す斜視図である。

以下、図面を参照しつつ実施形態について説明する。

図１は、実施形態に係る液体冷凍機１０のブロック図である。

実施形態に係る液体冷凍機１０は、図１に示すように、冷却液５を収容する冷媒槽４と、冷却液５を冷却するためのスターリング冷凍機１とを備えている。

冷媒槽４は、冷却液５を収容するものであり、その周囲は断熱材で覆われている。その断熱材としては、例えば発泡スチロールや発泡ウレタンフォームなどを用いることができる。また、断熱材の代わりに、真空引きした断熱空間を設けて保温性を確保するようにしてもよい。

この冷媒槽４に収容する冷却液５としては、少なくとも−４０℃でも凍らない溶液を用いることができる。例えば、エタノール分が６０％以上の水−エタノール溶液を用いることができる。

冷媒槽４の内側には、コイル状に巻かれたヒートパイプ３が配置されており、そのヒートパイプ３の一端は、熱伝達部２を介してスターリング冷凍機１の低温部に接続されている。

熱伝達部２は、冷却液５の液面よりも高い位置に配置されている。そして、ヒートパイプ３は、その上端部３ｂが熱伝達部２に接続され、その先端部３ａにかけて徐々に低くなるように傾斜している。

このようにして、スターリング冷凍機１の冷熱をヒートパイプ３を介して冷媒槽４に伝えることで、冷却液５を冷却する。

以下、各部の構成について更に詳しく説明する。

（スターリング冷凍機１の構成）
図２は、図１のスターリング冷凍機の断面図である。また、図３は、図２のスターリング冷凍機の低温部とヒートパイプとの接続部の構造を示す断面図である。

図２に示すように、スターリング冷凍機１は、内部にヘリウムガスなどの気体が封入されてなり、圧縮部１１と膨張部１２とを有する。

圧縮部１１は、圧縮ピストン１３と膨張ピストン１４とに挟まれた部分であり、内部の気体を圧縮が行われて気体を発熱させる部分である。また、膨張部１２は、膨張ピストン１４の先端側に設けられた部分であり、内部の気体を膨張させて気体の吸熱が行われる部分である。

圧縮ピストン１３は、駆動部１５とシャフト１３ａを介して接続されており、一定の周期で上下運動を行う。一方、膨張ピストン１４は、シャフト１４ａを介してばね（不図示）と接続されており、圧縮ピストン１３とは独立して運動する。ただし、膨張ピストン１４は、圧縮部１１の圧力によって運動するため、圧縮ピストン１３に対して一定の位相差を保って上下運動する。

圧縮部１１では、圧縮ピストン１３の上昇によって、内部の気体が圧縮され温度が上昇する。このとき発生する熱は、放熱部１６から放出される。

圧縮部１１で圧縮された高温の気体は、高温側再生器１７を及び低温側再生器１８を経て膨張部１２に移動する。このとき、気体の熱は高温側再生器１７に奪われて気体の温度が低下する。

そして、気体が低温側再生器１８を通過しつ膨張する際に、吸熱を行い、低温部１９が冷却される。

その後、膨張ピストン１４が上昇して膨張部１２の気体が圧縮部１１に移動する。このとき、高温側再生器１７に蓄えられた熱が気体に与えられて圧縮部１１に流入する気体の温度が上昇する。

スターリング冷凍機１は、上記の動作を繰り返すことで、低温部１９に低温を発生させ、放熱部１６に高温を発生させる。

スターリング冷凍機１は、比較的小型であり、２００Ｗ程度の消費電力であっても−４０℃以下の温度において８０Ｗ程度の冷却能力が得られる。

そのため、一般家庭などの単相の交流電源（例えば、１００Ｖ）で使用することができる。

（熱伝達部２の構成）
本実施形態の液体冷凍機１０では、冷却液５に効率よく伝達するべく、熱伝達部２を介してヒートパイプ３とスターリング冷凍機１の低温部１９とを接続している。以下、熱伝達部２及びヒートパイプ３の構成について説明する。

図３は、図２のスターリング冷凍機１の低温部１９とヒートパイプ３と熱伝達部２の構造を示す断面図である。

図３に示すように、熱伝達部２は、アダプタ２３とヒートパイプ３の固定金具２１とを備えている。

アダプタ２３は、スターリング冷凍機１の低温部１９の外周に取り付ける管状の部材であり、低温部１９を周方向から締め付けるようにして固定されている。

そのアダプタ２３の上に、固定金具２１がねじ止めなどの方法で取り付けられる。

固定金具２１は、ヒートパイプ３を支える支持部２１ａと蓋部２１ｂとの２つの部品よりなる。支持部２１ａは、アダプタ２３の上に取り付けられる。その支持部２１ａの上部には、ヒートパイプ３を支持して固定するための断面がＵ字型の溝２１ｃが形成されており、その溝２１ｃ内にヒートパイプ３を収容する。

ヒートパイプ３を収容した支持部２１ａの上には蓋部２１ｂが取り付けられる。この支持部２１ａ及び蓋部２１ｂは、ねじ止めなどの方法で固定される。

本実施形態の固定金具２１には、支持部２１ａ及び蓋部２１ｂに、側方に伸び出た延長部２１ｄが設けられている。これにより、固定金具２１とヒートパイプ３との接触面積を広くとってヒートパイプ３への熱伝導性を高めている。

支持部２１ａの溝２１ｃは、ヒートパイプ３の上端部３ｂから先端に向けて下るように傾斜が設けられている。この傾斜により、ヒートパイプ３の中で冷やされて凝縮した液相の作動流体が、固定金具２１付近で滞留するのを防ぎ、先端側に向かって自重により流れ落ちるようにしている。

なお、固定金具２１及びアダプタ２３は、熱伝導性の良い金属として、例えば、銅、アルミニウム又は真鍮などの金属を用いるとよい。

このように、本実施形態の熱伝達部２によれば、作動流体を介してヒートパイプ３へ効率よく冷熱を伝えることができる。

なお、熱伝達部２は冷却槽４の冷却液５の液面よりも高い位置に配置することが好ましい。

このように、熱伝達部２を冷却液５よりも高い位置に配置しておくことで、ヒートパイプ３の内部で冷却されて液化した作動流体が自重でヒートパイプ３の先端側に流れ下り、循環ポンプなどを設けなくても効率よく冷熱を伝えることができる。

（ヒートパイプ３及び冷却槽４の構成）
図３の断面図に示すように、本実施形態のヒートパイプ３は内部が中空の管であり、例えば直径８〜１０ｍｍ程度の銅パイプよりなり、その内部にはハイドロフルオロカーボンガスなどの作動流体が封入されている。

図４は、図１のヒートパイプ３の全体と冷却槽４の構造を示す透視図である。

図４に示すように、冷却槽４は箱状に成形されている。ヒートパイプ３は、冷却槽４の内壁に沿って略矩形のコイル状に巻きまわされている。

そして、そのヒートパイプ３の先端部３ａは、冷却槽４の底部付近で溶接又はロウ付けなどの方法で封じられている。ヒートパイプ３の上端部３ｂにはバルブが設けられておりそのバルブから作動流体を注入することができる。

このヒートパイプ３には、熱伝達部２と接触する部分だけでなく、冷却槽４内で巻かれた部分にも先端部３ａにかけて緩やかに下るように傾斜が設けられている。この傾斜は、例えば４°〜８°、より好ましくは６°程度とすると好適である。

この傾斜を設けることにより、冷たい液相の作動流体がヒートパイプ３の内部を適度な速度で流れ下り、ヒートパイプ３の全体に効率よく冷熱を伝達することができる。

なお、傾斜角を上記の範囲よりも小さくすると、液相の作動流体がヒートパイプ３の先端部３ａに到達する前に気化してしまい、ヒートパイプ３の全体を使って冷却液５に効率よく冷熱を伝えることができない。

また、傾斜角を大きくとりすぎると、液相の作動流体がヒートパイプ３の先端部３ａ付近に滞留してしまい、冷却槽４の底部付近のみが過剰に冷やされてしまい、効率の良い冷却が行えなくなってしまう。

図５は、図１の冷却槽４の冷却動作を示す図である。

ヒートパイプ３内の液相の作動流体は、ヒートパイプ３の内部を流れ下りつつ蒸発して冷却液５を冷却する。ヒートパイプ３内では冷却液５から熱を奪うことで差動流体の蒸気が発生し、その蒸気が熱伝達部２に移動する。ヒートパイプ３は熱伝達部２からの冷熱により、作動流体の蒸気が冷却されて差動流体が液相に戻る。差動流体が蒸気から液相に戻る際に放出する蒸発潜熱は、熱伝達部２を介してスターリング冷凍機１の低温部で冷却される。

その後、液相の差動流体がヒートパイプ３の傾きにしたがって、先端部３ａにむかって流れ下る。

以上のようにしてヒートパイプ３を介して冷却液５にスターリング冷凍機１の冷熱が伝えられる。

ヒートパイプ３で冷却された冷却液５は、図中の矢印に示すように、冷却槽４の内壁に沿って下方に向かって流れる。

そして、冷却槽４の中央付近では冷却液５の上昇する流れが生じる。このような冷却液５の対流を発生する。これにより、冷却液５をポンプなどを用いて能動的に攪拌しなくても、冷却液５の全体に冷熱が伝わり、その全体を均一に冷却することができる。

本実施形態では、ヒートパイプ３は、冷却槽４の内壁よりも内側に離間して配置されている。このように、ヒートパイプ３を冷却槽４の内壁と離間させておくことで、冷却槽４の壁からの熱伝導を抑制し、冷却液５に効率よく冷熱を伝えることができる。

（実施例）
図６は、実施例に係る液体冷凍機３０の斜視図である。

図６に示すように、本実施例の液体冷凍機３０は、図１〜図５を参照しつつ説明した液体冷凍機１０の各構成を箱型の筐体３１に収めたものである。なお、図１〜図５で説明したものと同じ構成については同一符号を付してその説明を省略する。

筐体３１の内部には、冷却槽４が収容されており、その冷却槽４の上には保温蓋３６が設けられている。この保温蓋３６は、断熱材によって形成されてなり外気から冷却液５への熱の流入を抑える。被処理物９１の出し入れを行なわないときに、この保温蓋３６を閉じておくことにより、外気からの熱の流入が少なくなり、液体冷凍機３０の消費電力を抑制できる。

保温蓋３６を含めた筐体３１のサイズは、例えば、幅７０ｃｍ、奥行き及び高さが４０ｃｍとすることができる。また、この液体冷凍機３０が内部するスターリング冷凍機１は、−４０℃において８０Ｗ程度の冷却能力を有しており、そのときの消費電力は２００Ｗであるため、単相の交流電源（例えば、１００Ｖ）で動作させることができる。

筐体３１の上面には、冷却液５の温度を表示する表示部３２と、温度設定などの運転条件を入力する入力部３３とが設けられており、冷却液５の温度を適宜設定することができる。

また筐体３１の側面には、スターリング冷凍機１の放熱部１６を冷却するための吸気部３４ａ及び排気部３４ｂが設けられている。吸気部３４ａ又は排気部３４ｂには冷却封を送るための送風ファンが設けられている。

本実施例の液体冷凍機３０は、食品などの被処理物９１の処理の数時間前に電源を投入して冷却液５の冷却を開始する。例えば、冷却液５の温度を−４０℃以下に冷却する。

被処理物９１は、冷却対象となる肉、魚、果物、惣菜などの食品をあらかじめプラスチックバッグに入れ、その内部の空気を抜いた、いわゆる真空パックとする。

真空パック化した被処理物９１は、所定のサイズのバスケット９２に入れ、そのバスケット９２を冷却槽４の内にいれることで、被処理物９１を冷却液５に接触させて冷凍を行う。被処理物９１の厚さにもよるが、約５分程度で被処理物９１の冷凍が完了する。

本実施例の液体冷凍機３０は、−４０℃以下の低温を発生させることができる能力を有しつつも、テーブルなどの上に設置できる程に小型化されており、レストランなどの小規模な事業所や一般家庭に液体冷凍機を設置することができる。

１…スターリング冷凍機、２…熱伝達部、３…ヒートパイプ、４…冷却槽、５…冷却液、１０、３０…液体冷凍機、１１…圧縮部、１２…膨張部、１３…圧縮ピストン、１４…膨張ピストン、１５…駆動部、１６…放熱部、１７…高温側再生器、１８…低温側再生器、１９…低温部、２１…固定金具、２１ａ…支持部、２１ｂ…蓋部、２１ｃ…溝、２３…アダプタ。

Claims

冷却液を収容する冷却槽と、
低温部において低温を発生させるスターリング冷凍機と、
前記スターリング冷凍機の低温部に設けられた熱伝達部と、
上端部が前記熱伝達部に接続されるとともに、前記冷却槽内に伸びて前記冷却槽の内壁に沿ってコイル状に巻かれるとともに、熱伝達部側から先端部にかけて徐々に低くなる傾斜が設けられたヒートパイプと、
を備えることを特徴とする液体冷凍機。
前記熱伝達部は、前記冷却液の液面よりも高い位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の液体冷凍機。
前記ヒートパイプは、前記熱伝達部において先端側に向けて下るように傾斜して取り付けられていることを特徴とする請求項２に記載の液体冷凍機。
前記ヒートパイプは、両端が封じられた銅パイプよりなり、内部に前記スターリング冷凍機の低温部で液化する作動流体が封入されていることを特徴とする請求項３に記載の液体冷凍機。
前記ヒートパイプは、前記冷却槽の内壁の内側に離間して配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の液体冷凍機。