JP2022068385A - 急速液体凍結装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍設備の不凍液を、均一かつ迅速に冷却できる急速液体凍結装置を提供する。【解決手段】不凍液を貯留する凍結槽の内壁面に、上下に多段区分された複数段の冷媒蛇管を添設し、それぞれの段の冷媒蛇管の終端に分岐管、合流管を介設して冷媒導入管、冷媒排出管を設けて、凍結槽から外部に引き出した構造にしている。【選択図】図２

Description

本発明は、急速液体凍結装置の改良に関する。

次の特許文献１には、食材などの凍結対象物を不凍液中に浸漬させ、不凍液をジェットスクリューポンプによって噴流攪拌することによって、凍結対象物を効率的に凍結させる構成のものが提案されている。

特開2013-061090公報

ところで前記のように不凍液を用いる急速液体凍結装置にとって、凍結対象物を可能な限り短時間で凍結させることは普遍的な課題である。本発明はこの課題に対して有効である新規な構成の急速液体凍結装置を提供することを目的としている。

本発明による急速液体凍結装置は、不凍液を貯留する凍結槽と、前記凍結槽の内側を概ね水平に周回する複数の螺旋状冷媒管を縦方向に積層配置させてなる螺旋型冷媒蒸発器とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、前記のような凍結槽と螺旋型冷媒蒸発器とを備えているので、螺旋状冷媒管の内側に凍結対象物を配置させた状態で不凍液に効果的な対流を生じさせて、凍結対象物を短時間で凍結させることが可能である。

本発明を適用した急速液体凍結装置の基本構成図である。 螺旋型冷媒蒸発器の斜視図である。

図１は、本発明を適用した急速液体凍結装置の基本構成図である。急速凍結装置は、ヒートポンプＡと、これに接続された凍結槽Ｃとで構成されている。凍結槽Ｃは、ステンレス等の金属と発泡スチロール等の断熱材とから構成された水密な槽であり、これには、凍結対象物を漬けるために、エチルアルコール等を主成分とする不凍液５０が満たされている。

ヒートポンプＡは、冷媒の循環路として、蒸発器１と圧縮機２と凝集器３とが管路１４によって接続されている。すなわち管路１４によって、蒸発器１の出口と圧縮機２の入口とが接続され、圧縮機２の出口と凝集器３の入口とが接続され、凝集器３の出口と蒸発器１の入口とが接続されている。

また、蒸発器１と凝縮器２との間には、調圧・バイパス制御手段Ｂが設けられている。
この調圧・バイパス制御手段Ｂは、蒸発器１の出口と圧縮機２の入口との間に圧力調節弁１６を設け、更に、圧縮機２の出口と蒸発器１の入口との間にバイパス路１５を設けて、このバイパス路１５に、電磁弁２１と二方弁２２を設けている。

一方、凝集器３の出口近傍には乾燥フィルター１７が設けられ、乾燥フィルター１７と蒸発器１の入口との間には電磁弁１８、膨張弁１９、合流器２０が設けられている。

管路１４及びバイパス路１５は、銅、スチール或いはアルミ等の金属管又は樹脂管で構成されている。
螺旋型冷媒蒸発器１は、基本的には銅、スチール或いはアルミの金属管等で形成されており、金属管の壁面を介してその内側の冷媒と外側の気体又は液体とが熱交換できるようになっている。

この蒸発器１は、凍結槽Ｃの内側に配置されて、その場所で不凍液５０から吸熱する作用をなす。
圧縮機２は、気体状態の冷媒を圧縮するコンプレッサーで構成され、その駆動用に図示しないモーター等の動力源を備えている。圧縮機２の種別に特段の制限はなく、ターボ型、スクリュー型、レスプロ型等を用いることができる。なお冷媒の種別に応じた圧縮圧を得るため圧縮機２は多段構成にする等の構成も可能である。
凝集器３は、基本的には銅、スチール或いはアルミ等の金属管で形成されており、金属管の壁面を介してその内部の冷媒と外部の空気とが熱交換できるようになっている。更に凝集器３には複数のフィン３ａが固着されており、フィンに空気を送るためのブロアー３ｂが付設されている。凝集器３は、冷凍庫外の開放空間、あるいは凍結装置外の開放空間に配置されて、外気に対して放熱する作用をなす。

圧力調節弁１６は、一次側圧力調節弁であり、機械式のものを想定しているが、電磁弁を用いて、図示しないコンピュータによる制御によって所定時間毎に開動作させるようにしてもよい。
乾燥フィルター１７は、冷媒に混じっている異物、水分等を捕集するフィルターである。
電磁弁１８は、管路１４における冷媒の通過量を調節するための弁であって、図示しない制御手段によって開弁率等が制御される。
膨張弁１９は、開度調節可能な電磁弁又は機械弁であって、図示しない制御手段によって開度等が制御され、当該部分にオリフィスを形成する。
合流器２０は、管路１４を通じてきた冷媒とバイパス路１５を通じてきた冷媒とを合流させるものである。

また電磁弁２１は、バイパス路１５における冷媒の通過量を調節するための弁であって、コンピュータなどの図示しない制御手段によって開弁率等が制御される。
二方弁２２、２３はバイパス路１５の接続先を選択するための開閉弁である。
圧力センサー２４ａ、２４ｂはそれぞれ蒸発器１１の入口側の圧力、圧縮機１２の入口側の吸引圧を検知するように設けられている。

ここでヒートポンプＡの基本動作を説明する。冷媒としてはＲ－４０４Ａ又はＲ－４１０Ａを想定している。
圧縮機２及びブロアー３ｂを作用させると、次のような動作が連続的になされる。なお蒸発器１によって冷却されるべき気体又は液体は特に制限されない。
螺旋型冷媒蒸発器１から圧縮機２に送られて来た気体状態の冷媒は、圧縮機２で圧縮されると、高温高圧な状態になって凝集器３に送られる。凝集器３では内側の冷媒と外側の空気との熱交換が行われ、冷やされた冷媒は凝集して高圧な液体状態になる。そして、この高圧な液体状態の冷媒は、膨張弁１９を通過したときに圧力損失を受け、蒸発器１の中で断熱膨張して低温低圧な気体状態になる。このとき蒸発器１の内側の冷媒と外側の気体又は液体との熱交換によって不凍液５０は冷却され、蒸発器１から排出された低温低圧な気体状態の冷媒は圧縮機２に戻って吸引される。ヒートポンプＡの基本能力は、圧縮機２の回転数、制御弁１８の開弁率等によって調節できる。

ところで圧縮機２は、圧縮のために容積変化する作動室（図示なし）を備えており、その作動室はオイルによって潤滑され気密維持されているが、このオイルは圧縮された冷媒に混じって圧縮機２から徐々に排出されていく。通常、その排出されたオイル分は、冷媒が圧縮機２によって再吸引されたときに戻ってくるので、圧縮機２のオイルは一定量に保たれて不具合を生じない。

しかしながら、圧縮機２を高速で連続運転して、蒸発器１の周囲の気体又は液体を非常な低温まで（摂氏マイナス４０度以下）冷やそうとすると、蒸発器１から排出される冷媒の圧力が低くなり、過剰に希薄化してしまう。その結果、オイルが圧縮機２に戻ってこず、最終的にはオイル切れが起きるという問題があった。
例えば冷媒としてＲ－４０４Ａを用いた場合、蒸発器１における冷媒の温度を摂氏マイナス４５～４６度にすることは原理的に可能であるが、そのとき冷媒の圧力は９９．３１ｋＰａになり、圧縮機２はオイル切れのため作動不能になってしまう。

ところがこのヒートポンプＡによれば、調圧・バイパス制御手段Ｂを設けているので、そのような不具合が生じない。すなわち、圧力・バイパス制御手段Ｂを構成する圧力調節弁１６は、蒸発器１から排出されてくる冷媒の圧力が低下すると閉じので、冷媒を一旦堰き止め、その冷媒の圧力が所定以上になった時点で放出するという動作をなすので、オイル切れが防止できる。この場合、蒸発器１における冷媒の圧力は圧力調節弁１６の開閉弁に合わせて上下動を繰り返すことになるが、この冷媒の圧力が低くなっているときは、冷媒の温度が極めて低くなるときであり、強い吸熱が行われ、これによって冷媒のＲ－４０４Ａが摂氏マイナス４５～４６度になる。

また例えば冷媒としてＲ－４１０Ａを用いた場合、蒸発器１における冷媒の温度を摂氏マイナス５５～５６度にすると、冷媒の圧力は８０．４６ｋＰａになるので、前記のような圧力調節弁１６の作用だけでは圧縮機２のオイル切れを防止することは難しい。
しかしながら、この問題は、調圧・バイパス制御手段Ｂが圧縮機２から蒸発器１に冷媒を直接送るためのバイパス路１５を備えることで解決される。すなわち、前記した圧力調節弁１６を閉じても、急激な圧力低下が解消しないときには、二方弁２２を閉じ、二方弁２３を開き、電磁弁２１を開けば、圧縮機２から排出した高温高圧な気体状態の冷媒を、直接圧縮機２にそのまま戻すことができるので、蒸発器１から排出される冷媒の圧力低下が補完されることになる。また、二方弁２２を開き、二方弁２３を閉じ、電磁弁２１を開けば、圧縮機２から排出した高温高圧な気体状態の冷媒を、蒸発器１に送り込んで、蒸発器１による急速冷却を緩やかに制御できる。
これらの圧力調節弁１６、バイパス路１５に設けた二方弁２２、２３、電磁弁２１は、圧力センサー２４ａ、２４ｂの検知信号に基づいて、コンピュータに実装したプログラムに従って行われ、オイル切れを生じることなく、蒸発器１は冷却される。また、コンピュータで制御を実行せずに、圧力センサー２４ａの検知信号に基づいて、電磁弁２１の開弁率を制御してもよい。

以上のように、ヒートポンプＡは汎用の圧縮機２を用いることが可能であり、かつバイパス路１５や圧力調節弁１６のために要する費用も僅かなので安価に製造できる。

図２は、螺旋型冷媒蒸発器の斜視図である。ここで凍結槽Ｃはその内側を示すために輪郭線のみ示している。
凍結槽Ｃは、スレンレス等の金属と発泡スチロール等の断熱材とから構成された槽本体４０と、ステンレス等の金属から形成された基台４１と、槽本体４０と基台４１との間隙に配置された複数の超音波振動装置４２とで構成されている。蒸発器１は不凍液５０の水面よりも下方になるように配置されている。
螺旋型冷媒蒸発器１は、凍結槽Ｃの内周面から所定距離となるように概ね水平に周回する複数の螺旋状冷媒管１ａ、１ｂ、１ｃを縦方向に積層配置させた構造となっている。ここに、螺旋状冷媒管１ａ、１ｂ、１ｃはいずれも凍結槽Ｃの内側を２周以上周回するように形成されており、なお、この例の蒸発器は、上、中、下段、すなわち３段の螺旋状冷媒管で構成されているが、その段数に特段の制限はない。
上、中、下段の螺旋状冷媒管１ａ、１ｂ、１ｃは、管路１４の末端に連結される分岐部１ｄ、合流部１ｅに対して並列に接続されている。
管路１４を通じて蒸発器１側に流れてきた液体状の冷媒は、膨張弁１９を通過した時点で減圧され、分岐部１ｄで分流されて、上、中、下段の螺旋状冷媒管１ａ、１ｂ、１ｃのそれぞれに流入し、その管体を通じて不凍液５０と熱交換して蒸発、膨張しながら合流部１ｅに向かって進行していく。不凍液５０は冷媒との熱交換によって冷却されて、冷媒よりも３～５度高い程度の温度に到達する。

このように本発明によれば、螺旋型冷媒蒸発器１は、凍結槽Ｃの内周面から所定距離となるように概ね水平に周回する複数の螺旋状冷媒管１ａ、１ｂ、１ｃを縦方向に積層配置させて構成しているので、不凍液５０の効果的な対流を生じさせることができ、かつ螺旋状冷媒管１ａ、１ｂ、１ｃの内側に凍結対象物を配置させることができるので、その凍結対象物を短時間でさせることが可能である。

超音波振動装置４２は、凍結対象物を凍結槽Ｃに漬けて凍結させる際に作動させればよく、これによって凍結対象物の凍結中の組織破壊が抑えられる。これを簡単に説明すると、一般的に凍結対象物が不凍液５０との熱交換等によって冷却されていくとき、凍結対象物の表面部分は迅速な温度低下によってすぐに凍結されるが、内側部分はゆっくりと温度低下するためすぐには凍結されない。つまり表面部分と内側部分とに凍結の時間差があるため凍結対象物の組織破壊が生じ易くなる。
ところが、このとき超音波振動装置４２させていると、不凍液５０を媒体として、凍結対象物の表面部分に微小振動が生じて凍結し難くなる。つまり内側部分が十分に冷却されるまでの期間だけ表面部分の凍結を遅らせることができ、その結果として凍結対象物全体を略同時に凍結させることが可能になり、凍結対象物の組織破壊が抑えられる。なお、特に凍結対象物が一定の物品である場合、凍結対象物を凍結槽Ｃに投入した時点から超音波振動装置４２の作動時間を最適化することも可能なり、凍結対象物の組織破壊が最小限に抑えられる。

Ａ ヒートポンプ
Ｂ 調圧・バイパス制御手段
Ｃ 凍結槽
１ 螺旋型冷媒蒸発器
１ａ～１ｃ 螺旋状冷媒管
４０ 凍結槽本体
４２ 超音波振動装置
５０ 不凍液

Claims (4)

1. 不凍液を貯留する凍結槽と、
   前記凍結槽の内側を概ね水平に周回する複数の螺旋状冷媒管を縦方向に積層配置させてなる螺旋型冷媒蒸発器とを備えていることを特徴とする、急速液体凍結装置。
2. 請求項１において、
   前記複数の螺旋状冷媒管のそれぞれは、前記凍結槽の内側を２周以上周回するように形成されていることを特徴とする、急速液体凍結装置。
3. 請求項１又は２において、
   前記螺旋型冷媒蒸発器は、上、中、下段の螺旋状冷媒管で構成され、これらの冷媒管が並列に接続されていることを特徴とする、急速液体凍結装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項において、
   前記凍結槽の適所に超音波振動装置が付設されていることを特徴とする、急速液体凍結装置。
   

Images