JP2019122905A - 凍結物製造装置及び凍結物製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】粒径が小さい凍結物又は細かい粉末状の凍結物を無駄なく回収できるとともに、設備維持の作業の負担を軽減できる凍結物製造装置及び凍結物製造方法を提供する。【解決手段】筒状の大径部１４と大径部の下方に接続される筒状の小径部１５とを有するとともに、液体冷媒を貯留する容器１０と、容器１０内の液体冷媒に旋回流を発生させる旋回流発生機構と、液体冷媒に液体原料の液滴を供給する原料供給機構２０と、液滴の凍結物を小径部１５の内部空間１６に捕集するとともに、内部空間１６から容器１０の外側へ凍結物を排出する排出機構３０と、を備え、排出機構３０が内部空間１６を閉塞する第２の栓部材３３を有する、凍結物製造装置１。【選択図】図１

Description

本発明は、凍結物製造装置及び凍結物製造方法に関する。

食品及び医薬品等の産業分野で、粒状又は粉末状の凍結物が製造されている。粒状又は粉末状の凍結物を製造する技術として、液体窒素等の液体冷媒を容器に貯留し、凍結対象である物質を水溶液としてあらかじめ調製し、調製した水溶液を容器に滴下又は噴霧して凍結物を製造する技術がある。

この技術によれば、水溶液の液滴の粒子径を調節することで、凍結物の粒子径を調節できる。粒状又は粉末状の凍結物は液体冷媒から回収され、主に水分等の溶媒が凍結乾燥等の方法により除去される。
特許文献１に記載の氷粒製造装置は、液体冷媒が貯留された貯留部に載置されているメッシュ状容器を用いて、氷粒を回収している。

特開２０１６−７０５８３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の氷粒製造装置が備えるメッシュ状容器では、メッシュの網目より粒径が小さい凍結物が網目を通り抜けてしまう。そのため、特許文献１に記載の氷粒製造装置は、粒径がメッシュ状容器の網目より小さい凍結物又は細かい粉末状の凍結物を回収できない。

さらに、特許文献１に記載の装置は、凍結物の製造に使用した液体冷媒を、貯留部で回収して再利用する構成を採用しているため、簡便な構成ではない。その結果、設備維持の作業の回数が増え、作業が煩雑となる。頻回に行われる設備維持の作業は、凍結物の製造効率が低下する原因の一つである。

一方で、液体冷媒を貯留部から排出して、粒径が小さい凍結物等を回収しようとすると、粒径が小さい凍結物等が排出弁の近傍で堆積し、排出弁が閉じなくなるという問題がある。また、凍結物等の堆積により、液体冷媒の流路が詰まるという問題もある。そのため、液体冷媒を貯留部から排出して凍結物を製造する装置にあっては、装置の内部及び排出弁の清掃並びに排出弁の取り換え等の設備維持の作業を頻繁に実施する必要がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、粒径が小さい凍結物又は細かい粉末状の凍結物を無駄なく回収できるとともに、設備維持の作業の負担を軽減できる凍結物製造装置及び凍結物製造方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を備える。
［１］ 筒状の大径部と前記大径部の下方に接続される筒状の小径部とを有するとともに、液体冷媒を貯留する容器と、前記容器内の液体冷媒に旋回流を発生させる旋回流発生機構と、前記液体冷媒に液体原料の液滴を供給する原料供給機構と、前記液滴の凍結物を前記小径部の内部空間に捕集するとともに、前記内部空間から前記容器の外側へ前記凍結物を排出する排出機構と、を備え、前記排出機構が前記内部空間を閉塞する部材を有する、凍結物製造装置。
［２］ 前記排出機構が前記凍結物を前記内部空間に捕集する際は、前記部材が前記内部空間を閉塞するとともに、前記排出機構が前記凍結物を前記内部空間から前記容器の外側へ排出する際は、前記部材が前記内部空間を開放する、［１］の凍結物製造装置。
［３］ 前記排出機構が、前記小径部の中心軸に沿って配置される主軸部材と、前記主軸部材に設けられた第１の栓部材と、前記主軸部材に設けられるとともに前記第１の栓部材の下方に配置される第２の栓部材とを有し、前記第２の栓部材が前記内部空間を閉塞する、［１］又は［２］の凍結物製造装置。
［４］ 前記第１の栓部材が前記大径部と前記小径部との境界面を閉塞する、［３］の凍結物製造装置。
［５］ 前記主軸部材が上下に往復運動するとともに、前記排出機構が前記凍結物を前記内部空間に捕集する状態と、前記排出機構が前記凍結物を前記内部空間から前記容器の外側へ排出する状態とを切り替える、［３］又は［４］の凍結物製造装置。
［６］ ［１］〜［５］のいずれかの凍結物製造装置が備える前記容器に、前記内部空間を閉塞した状態で液体冷媒を貯留し、前記液体冷媒に液体原料の液滴を供給して、前記液滴を凍結し、前記容器内の液体冷媒に旋回流を発生させて、前記液滴の凍結物を前記内部空間に捕集し、前記内部空間を開放して前記凍結物を前記内部空間から前記容器の外側へ排出する、凍結物製造方法。
［７］ 前記内部空間を閉塞した状態で、前記内部空間に凍結物を捕集する操作と、前記内部空間を開放して前記凍結物を前記内部空間から前記容器の外側へ排出する操作とを繰りかえす、［６］の凍結物製造方法。

本発明によれば、粒径が小さい凍結物又は細かい粉末状の凍結物を回収できるとともに、設備維持の作業の負担を軽減できる。

第１の実施形態に係る凍結物製造装置の構成の一例を示す模式図である。 図１の凍結物製造装置の動作の一例を説明するための模式図である。 第２の実施形態に係る凍結物製造装置の構成の一例を示す模式図である。 図３の凍結物製造装置の動作の一例を説明するための模式図である。 第３の実施形態に係る凍結物製造装置の構成の一例を示す模式図である。 図５の凍結物製造装置の動作の一例を説明するための模式図である。 第４の実施形態に係る凍結物製造装置の構成の一例を示す模式図である。 図７の凍結物製造装置の動作の一例を説明するための模式図である。 第５の実施形態に係る凍結物製造装置の構成の一例を示す模式図である。 図９の凍結物製造装置の動作の一例を説明するための模式図である。 第６の実施形態に係る凍結物製造装置の構成の一例を示す模式図である。 第７の実施形態に係る凍結物製造装置の構成の一例を示す模式図である。 第８の実施形態に係る凍結物製造装置の構成の一例を示す模式図である。

以下本発明を適用した一実施形態の凍結物製造装置及び凍結物製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率等が実際と同じであるとは限らない。

＜第１の実施形態＞
［凍結物製造装置］
以下第１の実施形態について説明する。図１は第１の実施形態に係る凍結物製造装置１の構成の一例を示す模式図である。図１に示すように凍結物製造装置１は、液体冷媒を貯留する容器１０と、液体冷媒に液体原料の液滴を供給する原料供給機構２０と、容器１０の外側へ凍結物を排出する排出機構３０と、図示略の旋回流発生機構とを備える。
以下に凍結物製造装置１の各構成要素に関して、詳しく説明を行う。

液体冷媒としては、液体窒素、液体酸素、液体空気、液体ヘリウム、液体ネオン、液体アルゴン等の低温液化ガス及びこれらの混合ガスが例示される。液体冷媒は低温の液体又は溶媒でもよい。低温の液体又は溶媒としては、メタノール、エタノール、フッ素系冷媒、シリコーン系冷媒が例示される。人体に摂取又は投与される凍結物を製造する場合においては、液体冷媒は、人の健康を害する恐れがない液体冷媒であれば、特に限定されない。

容器１０は円筒状の大径部１４と円筒状の小径部１５とを有する。図１においては、容器１０が水平に配置されている。すなわち、図１中の左右方向は水平方向と一致し、図１中の上下方向は鉛直方向と一致する。

大径部１４は、円筒状部材１０Ａと、円形の底部材１０Ｂとを有する。円筒状部材１０Ａと底部材１０Ｂとは互いに直交して固定されるとともに、円筒状部材１０Ａの中心軸は、底部材１０Ｂの中心部分を通る。なお、底部材１０Ｂの中心部分とは、底部材１０Ｂの中心を含む底面領域をいう。

円筒状部材１０Ａの両端は開口端である。底部材１０Ｂは円筒状部材１０Ａの鉛直下方側の開口面を閉塞する。底部材１０Ｂの中心部分には貫通穴１１が形成されている。貫通穴１１は、後述する第１の栓部材３２によって閉塞可能である。

大径部１４の水平方向の径の長さ及び鉛直方向の高さは、製造する凍結物の粒径に応じて適宜選択できる。大径部１４の水平方向の径の長さは、例えば、０．３〜２ｍとすることができる。例えば、大径部１４の水平方向の径の長さが１ｍ以上であると、液体原料を十分に凍結するための時間をさらに十分に確保しやすくなる。例えば、大径部１４の水平方向の径の長さが０．５ｍ以下であると、液体冷媒の使用量を減らし、凍結物の製造コストをさらに低減しやすくなる。
大径部１４の鉛直方向の高さは、例えば、０．０５〜０．３ｍとすることができる。例えば、大径部１４の鉛直方向の高さが０．０５ｍ以上であると、液体原料を十分に凍結するための時間をさらに十分に確保しやすくなる。例えば、鉛直方向の高さが０．３ｍ以下であると、液体冷媒の使用量を減らし、凍結物の製造コストをさらに低減しやすくなる。

小径部１５は、大径部１４の鉛直下方に接続される。
小径部１５は、底部材１０Ｂの鉛直下方側に設けられる円筒状部材１０Ｃを有する。円筒状部材１０Ｃの中心軸は円筒状部材１０Ａの中心軸と一致するとともに、底部材１０Ｂの中心部分を通る。そのため、小径部１５の中心軸は大径部１４と一致し、大径部１４の底面部分（底部材１０Ｂ）と直交する。
円筒状部材１０Ｃの両端は開口端である。そのため、小径部１５は、鉛直上方に向かって開口する第１の端部１５ａと、鉛直下方に向かって開口する第２の端部１５ｂとを有する。

小径部１５の第１の端部１５ａの開口面は、貫通穴１１と一致している。これにより、小径部１５の内部空間１６が大径部１４の内部空間１７と連通する。すなわち、貫通穴１１は小径部１５の内部空間１６と大径部１４の内部空間１７との境界面である。また、小径部１５の内部空間１６は、後述する第１の栓部材３２又は第２の栓部材３３によって閉塞される。

内部空間１６は、貫通穴１１を介して大径部１４の内部空間１７と連通している。第１の栓部材３２又は第２の栓部材３３によって内部空間１６が閉塞されると、容器１０内に液体冷媒を貯めることができるとともに、内部空間１７の中心部分に集められる凍結物を液体冷媒とともに内部空間１６に導出して捕集できる。ここで、内部空間１７の中心部分とは、底部材１０Ｂの中心を含む底面領域の上方の空間領域をいう。

小径部１５の水平方向の径の長さは、例えば、０．０５〜０．３ｍとすることができる。例えば、小径部１５の水平方向の径の長さが０．２ｍ以上であると、凍結物をさらに捕集しやすくなる。例えば、小径部１５の水平方向の径の長さが０．１ｍ以下であると、後述する液体冷媒の流出量をさらに低減しやすくなる。
小径部１５の鉛直方向の高さは、例えば、０．１〜０．５ｍとすることができる。例えば、小径部１５の鉛直方向の高さが０．２ｍ以下であると、凍結物の製造コストをさらに低減しやすくなる。

小径部１５の径の長さは大径部１４の径の長さより短い。小径部１５の径の長さは大径部１４の径の長さの１／４０〜１／２が好ましく、１／１０〜１／５がより好ましく、１／７〜１／５がさらに好ましい。小径部１５の径の長さが前記下限値以上であると、後述する排出機構３０が凍結物を小径部１５の内部空間１６にさらに捕集しやすくなる。小径部１５の径の長さが前記上限値以下であると、排出機構３０が凍結物を内部空間１６から容器１０の外側へ排出する際に、小径部１５の第２の端部１５ｂから流出する液体冷媒の流量をさらに低減できる。

小径部１５の内部空間１６の容積は、大径部１４の内部空間１７の容積１００体積％に対して２〜５０体積％が好ましく、５〜４０体積％がより好ましく、８〜３０体積％がさらに好ましい。小径部１５の内部空間１６の容積が前記下限値以上であると、後述する排出機構３０が凍結物を小径部１５の内部空間１６に捕集しやすくなる。小径部１５の内部空間１６の容積が前記上限値以下であると、排出機構３０が凍結物を内部空間１６から容器１０の外側へ排出する際に、小径部１５の第２の端部１５ｂから流出する液体冷媒の流量をさらに低減できる。

容器１０の材質としては、金属、セラミック、樹脂、ガラス、木材等が例示され、これらを組み合わせてもよく、例えば、Ｇ−ＦＲＰ、Ｃ−ＦＲＰ等の繊維強化樹脂でもよい。液体冷媒の温度を低く維持して液体冷媒の損失を防ぐ点から、容器１０としては、断熱材による断熱構造の容器が好ましく、真空二重管の断熱構造の容器が特に好ましい。

原料供給機構２０は、容器１０内の液体冷媒に液体原料の液滴を容器１０内の液体冷媒に供給できる形態であれば特に限定されない。本実施形態では、凍結物製造装置１が原料供給機構２０を容器１０の上方に備える。これにより、原料供給機構２０は液体原料の液滴を液体冷媒に滴下して供給できる。原料供給機構２０が液体原料の液滴を容器１０内の液体冷媒に供給することにより、凍結物製造装置１は液体原料の液滴を液体冷媒によって凍結して、液体原料の液滴の凍結物を容器１０内で製造できる。

原料供給機構２０としては、液体原料の液滴を液体冷媒に滴下する装置、液体原料の液滴を液体冷媒に噴霧する装置等が例示される。
液体原料としては特に制限されない。液体原料としては食品及び医薬品の分野で凍結対象となる物質の液体及び水溶液等が例示される。

図示略の旋回流発生機構は、容器１０内に旋回流を発生させる。旋回流発生機構は、大径部１４及び小径部１５の少なくとも一方の中心軸を中心とする旋回流を発生させることができる形態であれば特に限定されない。
旋回流発生機構は、容器１０内の液体冷媒に旋回流を発生させることにより、旋回流の中心、すなわち内部空間１７の中心部分に凍結物を集めることができる。凍結物製造装置１は、重力の作用を利用して、内部空間１７の中心部分に集められた凍結物を内部空間１６に捕集できる。

旋回流発生機構は、容器１０内の液体冷媒に旋回流を発生させることにより、原料供給機構２０から供給される液滴及び液滴の凍結物を容器１０内で旋回させることができる。これにより、液滴の凍結物が重力の作用を受けて即座に容器１０内を沈降することを防止でき、液滴及び凍結物を充分に凍結するための時間を確保できる。

旋回流発生機構としては、容器１０内の液体冷媒を撹拌する攪拌機、容器１０の上方から液体冷媒の液面に向かって送液又は送風する送液機又は送風機、容器１０を一定の中心軸で回転させる回転機等が例示される。

排出機構３０は、液滴の凍結物を小径部１５の内部空間１６に捕集するとともに、内部空間１６から容器１０の外側へ凍結物を排出する。図１に示すように、第１の実施形態においては排出機構３０が、主軸部材３１と、第１の栓部材３２と、第２の栓部材３３とを有する。
主軸部材３１は内部空間１６に配置されている。主軸部材３１の中心軸は大径部１４及び小径部１５の中心軸と一致する。主軸部材３１は鉛直方向上側の第１の端部（図示略）と鉛直方向下側の第２の端部３１ａとを有する。
主軸部材３１の第１の端部（図示略）は、モーター、ピストン等の主軸部材３１の往復運動を実現する運動装置と接続されている。これにより、主軸部材３１は図１中の両矢印で示す方向、すなわち鉛直上下方向に前記中心軸に沿って内部空間１６で上下に往復運動できる。
主軸部材３１の第２の端部３１ａは、第２の栓部材３３と接続されている。

第１の栓部材３２は、貫通穴１１を閉塞する部材である。
図１に示すように、第１の栓部材３２は、主軸部材３１の第２の端部３１ａの鉛直上方の部分に設けられている。また、第１の栓部材３２の閉塞面は主軸部材３１の軸方向と直交する。
本実施形態では、第１の栓部材３２の形状は、貫通穴１１の形状と一致している。なお、第１の栓部材３２の形状は、貫通穴１１の形状に合わせて適宜選択できる。

第２の栓部材３３は、小径部１５の内部空間１６を閉塞する部材である。
図１に示すように、第２の栓部材３３は主軸部材３１の第２の端部３１ａに設けられている。すなわち、第２の栓部材３３は主軸部材３１に設けられるとともに、第１の栓部材３２の鉛直下方に配置される。また、第２の栓部材３３の閉塞面は主軸部材３１の軸方向と直交する。
本実施形態では、第２の栓部材３３の形状は、内部空間１６の形状と一致している。なお、第２の栓部材３３の形状は、内部空間１６の形状に合わせて適宜選択できる。

第２の栓部材３３は、内部空間１６に捕集される凍結物を上側の面に乗せることができる。内部空間１６に捕集される凍結物は重力の影響を受けるため、凍結物製造装置１は第２の栓部材３３の上側に凍結物を溜めることができる。
図１に示すように第２の栓部材３３の上側の面には、閉塞面の外縁から中心かつ上方に向かう傾斜が設けられている。これにより、凍結物が小径部１５の第２の端部１５ｂから容器１０の外側へ排出されやすくなる。

本実施形態では、第１の栓部材３２の上側の閉塞面と第２の栓部材３３の上側の面との間の距離Ｌが、内部空間１６の軸方向の長さｌより短い。なお、前記距離Ｌと前記長さｌとの差が０に近いと、後述する液体冷媒の流出量をさらに低減でき、凍結物の製造コストをさらに低減できる。
図１に示すように、第１の栓部材３２が貫通穴１１から鉛直上方に距離Ｌ未満の位置にあると、第２の栓部材３３が、小径部１５の第１の端部１５ａと小径部１５の第２の端部１５ｂとの間に位置し、小径部１５の内部空間１６を閉塞する。

図２は凍結物製造装置１の動作の一例を説明するための模式図である。図２に示すように、第１の栓部材３２の上側の閉塞面の位置が貫通穴１１の位置と一致すると、第１の栓部材３２は貫通穴１１を閉塞する。このとき、第２の栓部材３３は小径部１５の第２の端部１５ｂの鉛直下方に位置し、第２の栓部材３３が内部空間１６を開放する。図２に示す状態では、排出機構３０は小径部１５の第２の端部１５ｂから、容器１０の外側へ内部空間１６に捕集された凍結物を排出している。
なお、凍結物製造装置１は、凍結物の回収容器（図示略）を備えている。凍結物製造装置１は、図示略の回収容器に排出機構３０から排出される凍結物を回収できる。

第１の栓部材３２が図１に示す状態から鉛直下方の貫通穴１１に向かって移動するとき、第１の栓部材３２は液体冷媒を鉛直下方に押し込むことにより、内部空間１６に捕集される凍結物を鉛直下方に押し出すことができる。その結果、第１の栓部材３２は内部空間１６に捕集される凍結物の排出を促進することができる。

第１の栓部材３２が貫通穴１１を閉塞するとき、第１の栓部材３２は円筒状部材１０Ｃと接する第１の栓部材３２のエッジ部分で、貫通穴１１の周辺の底部材１０Ｂにある凍結物を削ることができる。これにより、第１の栓部材３２と貫通穴１１との間における凍結物の詰まりを低減でき、凍結物の粒径をさらに小さくできる。

図１及び図２を用いて説明したように、凍結物製造装置１が容器１０内の凍結物を内部空間１６に捕集するとき、排出機構３０は下記の第１の状態にある（図１参照）。
第１の状態：排出機構３０が第２の栓部材３３によって内部空間１６を閉塞する状態。
また、凍結物製造装置１が凍結物を内部空間１６から容器１０の外側へ排出するとき、排出機構３０は下記の第２の状態にある（図２参照）。
第２の状態：排出機構３０が第１の栓部材３２によって貫通穴１１を閉塞し、第２の栓部材３３によって内部空間１６を開放する状態。
このように第１の実施形態では、排出機構３０が凍結物を内部空間１６に捕集する際は、第２の栓部材３３が内部空間１６を閉塞するとともに、排出機構３０が凍結物を内部空間１６から容器１０の外側へ排出する際は、第１の栓部材３２が貫通穴１１を閉塞し、第２の栓部材３３が内部空間１６を開放する。

また、図１及び図２を用いて説明したように、第２の栓部材３３は容器１０内の凍結物を内部空間１６に捕集するとともに、凍結物を内部空間１６から容器１０の外側へ排出するための部材である。よって、第２の栓部材３３を有する排出機構３０は、第２の栓部材３３の鉛直方向の位置を制御することで、容器１０内の凍結物を内部空間１６に捕集する第１の状態と、凍結物を内部空間１６から容器１０の外側へ排出する第２の状態とを切り替えることができる。

本実施形態においては、第１の栓部材３２及び第２の栓部材３３は、主軸部材３１の鉛直方向における往復運動に追従して、内部空間１６で鉛直方向に往復運動する。そのため凍結物製造装置１は、主軸部材３１が上下に往復運動することにより、前記第１の状態と、前記第２の状態とを切り替えることができる。

このように、凍結物製造装置１は主軸部材３１の上下の往復運動を利用して、凍結物を製造及び捕集する状態と、凍結物を排出及び回収する状態とを簡便に切り替えることができる。したがって、凍結物製造装置１は、原料供給機構２０から供給される液滴の凍結物を容器１０内で連続的に製造しながら、凍結物を容器１０の外側へ連続的に排出して回収できる。

（作用効果）
以上説明した構成を備える第１の実施形態の凍結物製造装置によれば、メッシュ状容器を用いなくとも、凍結物を小径部の内部空間に捕集でき、液体冷媒の流出を抑えながら捕集した凍結物を容器の外側へ排出できる。よって、第１の実施形態の凍結物製造装置によれば、粒径が小さい凍結物又は細かい粉末状の凍結物を無駄なく回収できる。

また、第１の実施形態の凍結物製造装置は、大径部と小径部との境界面上に貫通穴が形成されているため、液体冷媒を排出するための排出弁を備えなくとも、液体冷媒を容器から排出できる。よって、第１の実施形態の凍結物製造装置によれば、排出弁の清掃等の設備維持の作業の負担を軽減できる。その結果、設備維持のために装置の運転を停止する期間が削減され、凍結物の製造効率が低下しにくくなる。

第１の実施形態の凍結物製造装置は、凍結物を製造及び捕集する状態と、凍結物を排出及び回収する状態とを排出機構によって簡便に切り替えることができる。そのため、第１の実施形態の凍結物製造装置は、供給機構から供給される液滴を容器内で連続的に凍結しながら、凍結物を容器の外側へ連続的に排出して回収できる。その結果、凍結物の製造効率が飛躍的に向上する。

ところで、旋回流発生機構を備えない従来型の装置は、液滴等の凍結時間を確保するために、直線状の傾斜を液体冷媒の流路として採用していた。そのため従来型の装置では、直線状の流路に液体冷媒を流し続ける必要があり、大量の液体冷媒が必要であった。また、従来型の装置は液体冷媒の流路を必要とするため、大型の装置であった。
しかし、第１の実施形態の凍結物製造装置は旋回流発生機構を備えるため、周方向に発生する環状の旋回流によって、液滴等を十分に凍結するための時間を確保できる。そのため、第１の実施形態の凍結物製造装置は直線状の流路を必要としない。また、液体冷媒を流し続ける必要もない。よって、第１の実施形態の凍結物製造装置によれば、凍結物の製造コストを低減でき、装置の小型化を図ることができる。

［凍結物製造方法］
次に、本実施形態に係る凍結物製造方法の一例について説明する。
本実施形態の凍結物製造方法は、上述した構成を有する凍結物製造装置１を用いた凍結物製造方法である。以下図１及び図２を参照して、本実施形態の凍結物製造方法について、具体的に説明する。

まず、本実施形態の凍結物製造方法では図１に示すように、小径部１５の内部空間１６を第２の栓部材３３で閉塞した状態で容器１０に液体冷媒を貯留する。液体冷媒の貯留量及び容器１０内の深さは、液滴の凍結時間、凍結物の生産量、生産効率及び生産コストを勘案して適宜設定できる。なお、本実施形態では、内部空間１６を第２の栓部材３３で閉塞しているが、液体冷媒を貯留する際に内部空間１６を閉塞する部材は、第２の栓部材３３に限定されない。

次に、原料供給機構２０から容器１０内の液体冷媒に液体原料の液滴を滴下して供給し、液滴を容器１０内の液体冷媒によって凍結する。液滴の供給量は凍結物の生産量、生産効率及び生産コストを勘案して、適宜設定できる。また、供給する液滴の粒径は所望する凍結物の粒径を勘案して適宜設定できる。なお、液体原料の液滴を液体冷媒に供給する際には、スプレー構造の原料供給機構を利用して噴霧してもよい。

次に、図示略の旋回流発生機構によって容器１０内の液体冷媒に旋回流を発生させて、液滴の凍結物を小径部１５の内部空間１６に捕集する。
大径部１４の内部空間１７にある凍結物の大部分は、発生した旋回流によって、内部空間１７の中心部分に集められる。その後、旋回流の作用と重力の作用とを受け、凍結物は内部空間１６に捕集される。また、内部空間１７の凍結物の残りの一部は、旋回流の作用を受ける前に重力の作用を受け、大径部１４の外縁部分で沈降する。大径部１４の外縁部分で沈降する凍結物は大径部１４の底部材１０Ｂの上に一時的に捕集された後、旋回流の作用を受けて内部空間１６に捕集される。

容器１０内の液体冷媒に発生させる旋回流の強さ及び回転速度等は、液滴の凍結に要する時間を勘案して適宜設定できる。
なお、凍結物を内部空間１６に捕集する際は、内部空間１６を第２の栓部材３３で閉塞できる。なお、容器１０内に旋回流を発生させる際には、撹拌棒を使用して人為的に旋回流を発生させてもよい。

次に、内部空間１６を開放して凍結物を内部空間１６から容器１０の外側へ排出する。具体的には内部空間１６に凍結物が捕集され、第２の栓部材３３の上側に凍結物が溜まったとき、主軸部材３１を鉛直下方に運動させる。これにより、内部空間１６に捕集された凍結物は第１の栓部材３２によって、鉛直下方に押し込まれる。

主軸部材３１をさらに鉛直下方に運動させると、第２の栓部材３３が小径部１５の第２の端部１５ｂより鉛直下方に位置する。これにより、内部空間１６に捕集された凍結物が内部空間１６の液体冷媒とともに、容器１０の外側に小径部１５の第２の端部１５ｂから排出される。
最後に、小径部１５の第２の端部１５ｂから排出される凍結物を、凍結物製造装置１が備える図示略の回収容器に回収して凍結物が製造される。

本実施形態の凍結物製造方法では、内部空間１６を閉塞した状態で、内部空間１６に凍結物を捕集する第１の操作と、内部空間１６を開放して凍結物を内部空間１６から容器の外側へ排出する第２の操作とを、主軸部材３１を上下に往復運動させて繰りかえすことができる。

図１に示す状態、すなわち上述の第１の状態では、第１の操作が行われている。また、図２に示す状態、すなわち上述の第２の状態では、第２の操作が行われている。
第１の操作から第２の操作に移行する際は、主軸部材３１を鉛直下方に運動させることで、第１の栓部材３２の上側の閉塞面の位置を貫通穴１１の位置と一致させて、第２の栓部材３３の位置を小径部１５の第２の端部１５ｂより鉛直下方にすればよい。
第２の操作から第１の操作に移行する際は、主軸部材３１を鉛直上方に運動させることで、第１の栓部材３２が貫通穴１１から鉛直上方に距離Ｌ未満の位置に配置すればよい。このとき、第２の栓部材３３は貫通穴１１の鉛直下方かつ小径部１５の第２の端部１５ｂの鉛直上方に位置し、第２の栓部材３３は内部空間１６を閉塞する。

このように本実施形態の凍結物製造方法では、第２の栓部材３３の上下の往復運動を利用して、凍結物を製造及び捕集する操作と、凍結物を排出及び回収する操作とを簡便に切り替えることができる。したがって、本実施形態の凍結物製造方法によれば、液体原料の液滴を容器１０内に連続的に供給しながら、液滴の凍結物を容器１０の外側へ連続的に排出して回収できる。

第１の操作と第２の操作をそれぞれ行う時間は、凍結物の生産量、生産効率及び生産コストを勘案して適宜設定できる。例えば、凍結物を排出する際に凍結物とともに流出する液体冷媒の量を低減したい場合、第２の操作を行う時間は第１の操作を行う時間の１／１０〜１／１程度に設定することができる。例えば、第２の操作を行う時間が、第１の操作を行う時間の１／３以上であると、凍結物を内部空間１６にさらに捕集しやすくなる。例えば、第２の操作を行う時間が、第１の操作を行う時間の１／５以下であると、排出機構３０が凍結物を内部空間１６から容器１０の外側へ排出する際に、小径部１５の第２の端部１５ｂから流出する液体冷媒の量をさらに低減できる。

（作用効果）
以上説明した構成を備える第１の実施形態の凍結物製造方法によれば、メッシュ状容器を用いなくとも、凍結物を回収できる。よって、本実施形態の凍結物製造方法によれば、粒径が小さい凍結物又は細かい粉末状の凍結物を無駄なく回収できる。

＜第２の実施形態＞
以下第２の実施形態について説明する。第２の実施形態の説明において、第１の実施形態で説明した構成と同一の構成については、同一の語及び同一の符号を用いてその説明を省略する。

図３は第２の実施形態に係る凍結物製造装置２の構成の一例を示す模式図である。図３に示すように、凍結物製造装置２においては、小径部１５の第２の端部１５ｂに閉塞板３８が設けられている。閉塞板３８は小径部１５の第２の端部１５ｂの開口面を閉塞して小径部１５の内部空間１６を閉塞する部材である。

図４は凍結物製造装置２の動作の一例を説明するための模式図である。図４に示すように、第１の栓部材３２が貫通穴１１を閉塞すると、第２の栓部材３３が閉塞板３８を押し出すとともに、内部空間１６を開放して凍結物が排出される。ここで閉塞板３８はバネ３９を介して小径部１５の第２の端部１５ｂと接続されている。これにより、閉塞板３８が押し出された後に、第２の栓部材３３が鉛直上方に移動し始めると、閉塞板３８の両端に設けられたバネ３９の作用により、閉塞板３８が元の位置に素早く戻り、小径部１５の第２の端部１５ｂの開口面を閉塞する。

以上説明した第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の作用効果が得られる他、凍結物が排出された後に、閉塞板３８が小径部１５の第２の端部１５ｂの開口面を素早く閉塞するため、小径部１５の第２の端部１５ｂから流出する液体冷媒の量を低減できる。

＜第３の実施形態＞
以下第３の実施形態について説明する。第３の実施形態の説明において、第１及び第２の実施形態で説明した構成と同一の構成については、同一の語及び同一の符号を用いてその説明を省略する。

図５は第３の実施形態に係る凍結物製造装置３の構成の一例を示す模式図である。図５に示すように、凍結物製造装置３においては、主軸部材３１の内部に液体冷媒の流路３５が設けられている。流路３５は第２の栓部材３３に形成された流入口３６から流入する液体冷媒を、主軸部材３１の第１の栓部材３２の上側に形成された流出口３７から流出させるための流路である。

さらに、凍結物製造装置３においては、閉塞板３８が小径部１５の第２の端部１５ｂに設けられている。また、閉塞板３８で閉塞される小径部１５の内部空間は、第２の栓部材３３によって二つに分割される。さらに、第２の栓部材３３の鉛直下方側の内部空間１６ｂには液体冷媒が貯留されている。なお、図５において第２の栓部材３３の鉛直上方側の内部空間を内部空間１６ａとする。

図６は凍結物製造装置３の動作の一例を説明するための模式図である。図６に示すように、第１の栓部材３２が貫通穴１１を閉塞すると、第２の栓部材３３が閉塞板３８を押し出すとともに、小径部１５の内部空間を開放して凍結物が排出される。このとき、図１に示す状態で内部空間１６ｂに貯留されていた液体冷媒は、流入口３６から流路３５に流入し、鉛直上方に向かって流路３５内を流れる。その後、流路３５内の液体冷媒は流出口３７から流出し、容器１０内に再び貯留される。このように、主軸部材３１の内部に流路３５を設けることにより、主軸部材３１が小径部１５の内部空間から液体冷媒を吸引して回収し、再利用できる。

以上説明した第３の実施形態によれば、第１及び第２の実施形態と同様の作用効果が得られる他、第１及び第２の実施形態においては小径部１５の第２の端部１５ｂから排出されてしまう内部空間１６ｂ内の液体冷媒を吸引して回収できるため、流出する液体冷媒の量をさらに低減できる。さらに、第３の実施形態によれば、回収した液体冷媒を容器１０内に再び貯留して再利用できるため凍結物の製造コストをさらに低減できる。

＜第４の実施形態＞
以下第４の実施形態について説明する。第４の実施形態の説明において、第１の実施形態で説明した構成と同一の構成については、同一の語及び同一の符号を用いてその説明を省略する。

図７は第４の実施形態に係る凍結物製造装置４の構成の一例を示す模式図である。図７に示すように、凍結物製造装置４においては、小径部１５の第１の端部１５ａの近傍にヒーター４１が設けられており、第２の栓部材３３の外縁部にヒーター４２が設けられている。ヒーター４１，４２は液体冷媒を加温して気化させることができる形態であれば特に限定されない。

図８は凍結物製造装置４の動作の一例を説明するための模式図である。図８に示すように、第１の栓部材３２が貫通穴１１を閉塞すると、第２の栓部材３３が小径部１５の第２の端部１５ｂの下方に位置し、内部空間１６が開放されて凍結物が排出される。
このとき、ヒーター４１が底部材１０Ｂと円筒状部材１０Ｃとの接続部分の付近の液体冷媒の一部を気化させると、底部材１０Ｂと第１の栓部材３２との間の隙間に液体冷媒が気化したガスを充填できる。これにより、前記隙間が前記ガスによって閉塞されるため、液体冷媒が前記隙間に流入しにくくなる。
また、ヒーター４２は、第２の栓部材３３及び小径部１５の第２の端部１５ｂの周辺の液体冷媒を気化させることができる。そのため、排出される凍結物が乾燥されやすい。

以上説明した第４の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の作用効果が得られる他、凍結物を排出する際に底部材１０Ｂと第１の栓部材３２との間の隙間から内部空間１６に流入する液体冷媒の量を低減できるため、小径部１５の第２の端部１５ｂから流出する液体冷媒の量をさらに低減できる。また、凍結物製造装置４で製造される凍結物は、凍結物製造装置１等で製造される凍結物に比して乾燥されているため、その後の製造工程における乾燥作業の負担を軽減でき、製造効率をさらに向上させるとともに、製造コストをさらに低減できる。

＜第５の実施形態＞
以下第５の実施形態について説明する。第５の実施形態の説明において、第１の実施形態で説明した構成と同一の構成については、同一の語及び同一の符号を用いてその説明を省略する。

図９は第５の実施形態に係る凍結物製造装置５の構成の一例を示す模式図である。図９に示すように、凍結物製造装置５においては、凍結物製造装置１等が備える排出機構３０が排出機構５０と置換されている。排出機構５０は、複数の主軸部材５１と、複数の栓部材５２とを備える。本実施形態においては、栓部材５２が内部空間１６を閉塞する部材である。

複数の主軸部材５１は互いに連結されているとともに、一つの環状構造を形成している。複数の主軸部材５１同士の連結部分は可動部分とされている。これにより、互いに連結された主軸部材５１同士の結合体は直線状の形状と、前記環状構造に応じて連結角度が変化する折れ線状の形状とをとることができる。

複数の主軸部材５１にはそれぞれ栓部材５２が一つずつ設けられている。それぞれの主軸部材５１の形状及び寸法は同一である。さらに、それぞれの主軸部材５１に栓部材５２が設けられる位置は、各主軸部材５１間で一定である。そのため、複数の主軸部材５１を備えて構成される環状構造の排出機構５０は、栓部材５２を一定間隔で連続的に備えている。なお、栓部材５２の形状は第２の栓部材３３と同様の形状である。
環状構造を形成する複数の主軸部材５１は、図９に示す矢印の向きに従って図中上方から下方に向かって一定方向（図９中時計回り）に運動する。これにより複数の栓部材５２が連続的に内部空間１６を循環しながら閉塞する。

図１０は凍結物製造装置５の動作の一例を説明するための模式図である。
図１０に示すように、ある栓部材５２−１が貫通穴１１を閉塞すると、環状構造において栓部材５２−１と隣り合うとともに栓部材５２−１の下方に位置する栓部材５２−２が、小径部１５の第２の端部１５ｂの下方に位置し、内部空間１６が開放されて凍結物が排出される。

以上説明した第５の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の作用効果が得られる他、一定方向に排出機構５０が有する環状構造を循環させる操作で凍結物を排出できるため、操作が簡便である。

＜第６の実施形態＞
以下第６の実施形態について説明する。第６の実施形態の説明において、第１の実施形態で説明した構成と同一の構成については、同一の語及び同一の符号を用いてその説明を省略する。

図１１は第６の実施形態に係る凍結物製造装置６の構成の一例を示す模式図である。図１１に示すように、凍結物製造装置６においては、凍結物製造装置１等が備える排出機構３０が排出機構６０と置換されている。排出機構６０は、筒状部材６５と、主軸部材３１と、第１の栓部材６２と、第２の栓部材３３とを有する。

筒状部材６５は筒状の部材である。筒状部材６５は、水平方向に配置されるとともに、小径部１５の鉛直下方に接続されている。また、筒状部材６５の内部空間６６は小径部１５の内部空間１６と連通している。これにより内部空間１６に捕集される凍結物が内部空間６６に導出されて捕集される。なお、第６の実施形態においては、筒状部材６５の内部空間６６を小径部１５の内部空間１６の一部として考える。
筒状部材６５には排出口６７が形成されている。排出口６７は鉛直下方に開口している。これにより内部空間６６に捕集される凍結物が排出口６７から排出される。

第１の栓部材６２は、内部空間６６に捕集される凍結物を水平方向に排出口６７に向けて押し出すとともに、小径部１５の内部空間１６を閉塞する部材である。
図１１に示すように、第１の栓部材６２は、主軸部材３１の第２の端部３１ａの水平右側の部分に設けられている。また、第１の栓部材６２は主軸部材３１の軸方向と直交する。なお、第１の栓部材６２の形状は、内部空間６６の形状に合わせて適宜選択できる。

図１１中に両矢印で示すように、第６の実施形態においては、主軸部材３１が筒状部材６５の内部空間で水平方向に往復運動する。これにより内部空間１６を経由して内部空間６６に凍結物を捕集する状態と、内部空間６６に捕集される凍結物を排出口６７から排出する状態とを切り替えることができる。

図１１に示す状態では、内部空間１６を経由して凍結物が内部空間６６に捕集されている。その後、内部空間６６に凍結物が溜まったとき、主軸部材３１を図１中の水平左方向に運動させる。これにより、内部空間６６に捕集された凍結物が第１の栓部材６２によって、水平左方向に押し込まれ、第１の栓部材６２が小径部１５の内部空間１６を閉塞する。

以上説明した第６の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の作用効果が得られる他、排出口６７から凍結物を液体冷媒とともに排出するため、凍結物を排出する際に流出する液体冷媒の量を低減できる。

＜第７の実施形態＞
以下第７の実施形態について説明する。第７の実施形態の説明において、第１の実施形態で説明した構成と同一の構成については、同一の語及び同一の符号を用いてその説明を省略する。

図１２は第７の実施形態に係る凍結物製造装置７の構成の一例を示す模式図である。図１２に示すように、凍結物製造装置７においては、排出機構３０が主軸部材３１と、第１の栓部材３２と、第２の栓部材３３とに加えて、さらに羽根部材３４とを有する。

羽根部材３４は主軸部材３１を中心軸とするらせん状の部材である。
羽根部材３４の羽根部分の水平方向の幅は貫通穴１１及び内部空間１６の径の長さと一致する。羽根部材３４の具体例としては、スクリュー羽根が例示される。

羽根部材３４は第１の栓部材３２と第２の栓部材３３との間の部分の主軸部材３１に設けられている。羽根部材３４は第１の栓部材３２を開始点として、主軸部材３１を中心とするらせん状に前記部分に設けられている。第１の栓部材３２をらせんの開始点とすると、第１の栓部材３２が貫通穴１１を閉塞する際に、羽根部材３４のエッジが貫通穴１１の周囲にある凍結物を削り取り、凍結物を内部空間１６に押し出すことができる。これにより、削られた凍結物の粒径をさらに細かくできる。

以上説明した第７の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の作用効果が得られる他、さらに粒径が小さい凍結物又はさらに細かい粉末状の凍結物を製造できる。また、凍結物製造装置７によれば、凍結物が貫通穴１１の周囲に詰まりにくいため、設備維持の作業の負担がさらに軽減される。

＜第８の実施形態＞
以下第８の実施形態について説明する。第８の実施形態の説明において、第１の実施形態で説明した構成と同一の構成については、同一の語及び同一の符号を用いてその説明を省略する。

図１３は第８の実施形態に係る凍結物製造装置８の構成の一例を示す模式図である。図１３に示すように、凍結物製造装置８においては、凍結物製造装置１等が備える小径部１５及び排出機構３０が、小径部８５及び排出機構８０とそれぞれ置換されている。

小径部８５は円筒状部材８５Ｃを有する。円筒状部材８５Ｃは鉛直下方側の端部に排出口８７が形成されている点以外は円筒状部材１０Ｃと同一の構成を備えている。
排出機構８０は、主軸部材３１と、遮蔽部材８２と、羽根部材８４と、閉塞部材８８とを有する。
遮蔽部材８２は貫通穴１１を遮蔽する部材である。これにより貫通穴１１を介して小径部８５の内部空間８６に液体冷媒が流入しにくくなる。
羽根部材８４は遮蔽部材８２と閉塞部材８８との間の部分の主軸部材３１に設けられている点以外は、上述した羽根部材３４と同一の構成を備えている。
閉塞部材８８は小径部８５の鉛直下方の端部を閉塞して小径部８５の内部空間８６を閉塞する部材である。これにより、内部空間８６から小径部８５の鉛直下方の端部を介して液体冷媒が流出しにくくなる。

第８の実施形態においては、主軸部材３１が小径部８５の中心軸を中心として回転する。これにより、羽根部材８４が内部空間８６内で回転し、凍結物が羽根部材８４の羽根部分の上で搬送され、内部空間８６内を下方に移動して、排出口８７から排出される。
羽根部材８４が内部空間８６内で回転すると、羽根部材８４と小径部８５との間の隙間にある凍結物は、羽根部材８４のエッジによって削られ、粒径がさらに小さくなる。

以上説明した第８の実施形態によれば、第７の実施形態と同様の作用効果が得られる。

＜変形例＞
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、本発明はこれらの特定の実施の形態に限定されない。また、本発明は特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が加えられてよい。
例えば、以上説明した実施形態においては、大径部１４の底面の形状は平坦であるが、大径部１４の底面の形状は、鉛直下方に向かって漸次縮径する形状であってもよい。大径部１４の底面の形状が、鉛直下方に向かって漸次縮径する形状であると、大径部１４の底面上の凍結物が重力の影響を受けて小径部１５の内部空間にさらに捕集されやすくなる。
容器１０はホッパー又はサイクロン等のテーパー付の容器でもよい。
主軸部材３１に主軸部材３１の動きを規制するガイド部材を設けてもよい。これにより、主軸部材３１が斜めに傾きにくく、偏心せず、かつ、スムーズに上下運動できる。

本発明の凍結物製造装置及び凍結物製造方法は、食品及び医薬品等の産業分野に適用できる。

１，２，３，４，５，６，７，８…凍結物製造装置、１０…容器、１１…貫通穴、１４…大径部、１５，８５…小径部、１６，６６，８６…小径部の内部空間、１７…大径部の内部空間、２０…原料供給機構、３０，５０，６０，８０…排出機構、３１，５１…主軸部材、３２，６２…第１の栓部材、３３…第２の栓部材、３４，８４…羽根部材、３５…流路、３６…流入口、３７…流出口、３８…閉塞板、３９…バネ、４１，４２…ヒーター、５２…栓部材、６５…筒状部材、６７，８７…排出口、８２…遮蔽部材、８８…閉塞部材

Claims (7)

1. 筒状の大径部と前記大径部の下方に接続される筒状の小径部とを有するとともに、液体冷媒を貯留する容器と、
   前記容器内の液体冷媒に旋回流を発生させる旋回流発生機構と、
   前記液体冷媒に液体原料の液滴を供給する原料供給機構と、
   前記液滴の凍結物を前記小径部の内部空間に捕集するとともに、前記内部空間から前記容器の外側へ前記凍結物を排出する排出機構と、
   を備え、
   前記排出機構が前記内部空間を閉塞する部材を有する、凍結物製造装置。
2. 前記排出機構が前記凍結物を前記内部空間に捕集する際は、前記部材が前記内部空間を閉塞するとともに、前記排出機構が前記凍結物を前記内部空間から前記容器の外側へ排出する際は、前記部材が前記内部空間を開放する、請求項１に記載の凍結物製造装置。
3. 前記排出機構が、前記小径部の中心軸に沿って配置される主軸部材と、前記主軸部材に設けられた第１の栓部材と、前記主軸部材に設けられるとともに前記第１の栓部材の下方に配置される第２の栓部材とを有し、
   前記第２の栓部材が前記内部空間を閉塞する、請求項１又は２に記載の凍結物製造装置。
4. 前記第１の栓部材が前記大径部と前記小径部との境界面を閉塞する、請求項３に記載の凍結物製造装置。
5. 前記主軸部材が上下に往復運動するとともに、前記排出機構が前記凍結物を前記内部空間に捕集する状態と、前記排出機構が前記凍結物を前記内部空間から前記容器の外側へ排出する状態とを切り替える、請求項３又は４に記載の凍結物製造装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の凍結物製造装置が備える前記容器に、前記内部空間を閉塞した状態で液体冷媒を貯留し、
   前記液体冷媒に液体原料の液滴を供給して、前記液滴を凍結し、
   前記容器内の液体冷媒に旋回流を発生させて、前記液滴の凍結物を前記内部空間に捕集し、
   前記内部空間を開放して前記凍結物を前記内部空間から前記容器の外側へ排出する、凍結物製造方法。
7. 前記内部空間を閉塞した状態で、前記内部空間に凍結物を捕集する操作と、前記内部空間を開放して前記凍結物を前記内部空間から前記容器の外側へ排出する操作とを繰りかえす、請求項６に記載の凍結物製造方法。

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