JP3117200B2 - 溶質である不純物を含有する水溶液の製氷方法及びその製氷装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は主として海水、塩化
ナトリウム水溶液等を凍結製氷するに際し、溶媒である
水に、溶質であるナトリウム等の不純物を均一に分散さ
せた状態で凍結でき、均一性ある凍結氷、氷塊が得られ
るようにした溶質である不純物を含有する水溶液の製氷
方法及びその製氷装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から着色氷、炭酸氷等を製造するに
は、凍結されるよう製氷容器内に注入した製氷原水中に
所定の着色剤、炭酸ガス等を溶解しておき、その製氷容
器を冷却することで着色された、あるいは炭酸ガス等が
封入された状態での凍結された製氷製品とするものであ
る。そこで本発明者は従来から例えば特公平７−６７２
０号公報（特許第１９８３０８１号）において着色氷塊
の製造方法を、特開平７−１２０１２３号公報（特許第
２７４４９７６号）において炭酸入り氷の製造方法及び
その製造装置を、また特開平６‐３４３３９８号公報に
おいて炭酸氷、炭酸入り定形氷菓の製造方法及びその製
造方法を提案しているものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ただこうした従来提案
した製造方法、製造装置等によるものは溶質である着色
剤等の粒子半径が１００ｎｍ（１０^-7ｍ）以上となると
沈降平衡が起こり、これを製氷したとき高さの上下部で
は溶質の濃度に差が生じていた。しかも水素結合による
押し退け現象や、その質量、分子量、粒子径その他が個
々に異なること等の故に、沈降、沈殿が起こり均一に分
散せず、その偏在が生じているものであり、そのために
溶媒は溶質の濃度が濃い部分で結晶の接合ができず、製
氷製品はシャーベット状になっていたものである。特に
粒子が拡散している水溶液内において溶媒である水分子
に比較して非常に大きい半径が１００ｎｍ（１０^-7ｍ）
以上の粒子は重力によって沈降して製氷容器の底部に沈
殿する傾向にある。すなわちブラウン運動によって拡散
が引き起こされ、濃度が濃い部位からその希薄なところ
へ移動して全体の濃度を一様にしようと作用するが、そ
れとは別に一般的には不純物が分散している水溶液中で
は凝析が生じ、それに伴ないその沈殿が起こるのであ
る。

【０００４】また粒子が分散されている溶液を凍結する
場合、圧力のダイナミクス（力）によって水素結合によ
る粒子の排除を抑制しつつ凍結することで粒子が分散し
た状態での氷塊を得ることはできるのである。しかしな
がら粒子の大きさが１μｍ以上になると重力による沈降
作用が大きく影響して凍結速度や圧力のダイナミクスで
は補えない重力の影響を受けることになるのである。そ
の結果、凍結が進行した場合、製氷容器の重力方向の底
部に濃度の高い粒子が沈殿したままで凍結を終了するこ
とになるから、上記の不純物が均一に分散した状態での
氷を得るのは極めて困難なものであった。

【０００５】更にまた海水、３．４％程度の濃度である
塩化ナトリウム水溶液を凍結しようとするとき、ナトリ
ウムイオン（Ｎａ⁺）と塩化物イオン（Ｃｌ^-）等の各イ
オンは、極性を有する水分子と結合し平衡していても、
凍結時では水分子は結合していたナトリウムや塩素を切
り離し解放して、その水分子同士で特長的な水素結合を
するのである。この水素結合の吐き出しを合理的に抑制
するために塩化ナトリウム水溶液を圧力のダイナミクス
を利用して水分子の密度を大きくし、水素結合による溶
質の吐き出しを阻害することによって液体的に分散した
塩化ナトリウム氷を得ることができる。しかしながら氷
の厚みが増すと共に伝熱抵抗が増大し凍結速度が小さく
なることから、製氷原水中の対流が小さくなり高温とな
る上部付近で水素結合が復原し溶質は凝集体となって析
出し、比重量で水よりも大きいナトリウムは沈降してし
まうのである。この結果、製氷原水の底部のナトリウム
濃度は高くなりそれ自体の融点を低下させてしまうこと
から、ナトリウムが液体的に分散されている氷塊として
の製氷製品を得ることは極めて困難であった。

【０００６】そこで本発明は例えば着色氷、炭酸入り氷
等を製氷するに際し、その溶媒である水以外の不純物を
含有した状態で凍結させるときの溶質である不純物等の
偏在を防止し、製氷原水中に均一に分散させた状態で製
氷できるようにした溶質である不純物を含有する水溶液
の製氷方法及びその製氷装置を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
ため、本発明に係る溶質である不純物を含有する水溶液
の製氷方法にあっては、製氷原水Ｗが注入された製氷容
器１０を重力方向で反転しながら冷却して、製氷原水Ｗ
を凍結するものであり、注入された製氷原水Ｗ面を製氷
容器１０内で加圧膨張される中空弾性加圧嚢４１によっ
て加圧固定し、その加圧固定状態で製氷容器１０を重力
方向で反転するものとできる。一方、本発明に係る溶質
である不純物を含有する水溶液の製氷装置にあっては、
重力方向で反転自在にして支承されていて、製氷原水Ｗ
が注入、密閉される製氷容器１０と、この製氷容器１０
を重力方向に反転させる反転機構３０とを備えたもので
あり、製氷容器１０内には、注入された製氷原水Ｗ面を
加圧固定するよう膨張する中空弾性加圧嚢４１を有する
加圧シール機構４０を配装して構成することができる。
また製氷容器１０は、この製氷容器１０の両側で相対峙
して配置した支持柱２に形成した軸支手段２０によって
支承してあり、軸支手段２０は、支持柱２に配置形成し
た軸受部２１内に、製氷容器１０に形成した冷媒路１３
に連通するよう製氷容器１０と一体に設けた中空状の管
軸２２を貫挿すると共に、この管軸２２端を冷媒供給源
に接続されている供給管２４に密閉状のロータリージョ
イント機構２３を介して接続して成るものとして構成す
ることができる。反転機構３０は、支持柱２に固定した
駆動源３１と、この駆動源３１の駆動軸に取り付けたウ
ォーム状の駆動歯車３２によって従動回転されるよう駆
動歯車３２に噛み合っていて、軸支手段２０における管
軸２２に固着されているスプロケット歯車３３とから成
るとすることができる。加圧シール機構４０は、製氷容
器１０に注入された製氷原水Ｗ面に到達膨張するよう製
氷容器１０内に配装された中空弾性加圧嚢４１と、この
中空弾性加圧嚢４１に連通して製氷容器１０外に設けた
加圧媒体源から接続してある供給管４２とを備えて成る
ものとできる。

【０００８】以上のように構成された本発明に係る溶質
である不純物を含有する水溶液の製氷方法及び製氷装置
において、例えば着色剤、炭酸ガス等の不純物が溶解さ
れた製氷原水Ｗを製氷容器１０内に注入した後の冷却し
ながらの製氷容器１０の重力方向の反転は、製氷容器１
０内において、圧力のダイナミクス（力）との相乗作用
により、重力による不純物である溶媒の沈降を実質的に
相殺し、同時に強制的な対流を発生させて温度分布を均
一化させる。そのため遷移層付近に発生する結晶核に対
し、製氷容器１０自体の反転操作で温度差による強制的
な内部対流を起こすことにより結晶の接合方向の偏差を
発生させ、格子結晶中に不純物を内包した状態で溶質が
液体的に分散した均一な製氷製品を得させる。すなわち
製氷容器１０の重力方向の反転は、製氷原水Ｗ中での大
きな粒子の一方向への沈降を阻止させ、強制的な対流を
発生させることで温度分布を均一化し、製氷原水Ｗ中で
前記の不純物を均一に分散させ、その偏在を生じさせな
い。製氷容器１０の重力方向反転時における加圧シール
機構４０の中空弾性加圧嚢４１の膨張による製氷原水Ｗ
面への加圧は、重力方向での反転中において製氷容器１
０内での製氷原水Ｗを固定化し、その漏出を阻止させて
製氷原水Ｗに圧力を加え、圧縮状態での凍結を可能にす
る。製氷容器１０の冷媒路１３に連通した管軸２２を支
持柱２によって支承する軸支手段２０は、反転機構３０
による製氷容器１０の重力方向反転を円滑にさせ、また
管軸２２を経て外部の冷媒供給源からの冷媒がロータリ
ージョイント機構２３を経て製氷容器１０側に供給する
ことで、製氷容器１０の重力方向の反転作動にかかわら
ず、冷媒を常時供給し、製氷容器１０を迅速に冷却させ
る。反転機構３０においてのウォーム状の駆動歯車３２
とスプロケット歯車３３との噛み合い駆動は、従動され
るスプロケット歯車３３が固着されている管軸２２によ
って重量的に嵩張る製氷容器１０の重力方向の反転を円
滑にさせる。加圧シール機構４０の中空弾性加圧嚢４１
は、それが膨張して製氷原水Ｗ面に到達して加圧すると
き、製氷容器１０内で充満していない製氷原水Ｗを製氷
容器１０の底部側に押圧固定化させ、また凍結時におけ
る製氷原水Ｗの配位数の低下による膨張を吸収させるこ
とで、製氷容器１０の破損をも防止させる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明するに、図１において示される符号１は
適宜な箇所に据え付け設置するためのベースであり、こ
のベース１上には例えば左右で対峙状に立設配置した支
持柱２夫々に回転自在に支承されることで、支持柱２相
互間で重力方向、例えば上下に反転されるようにした製
氷容器１０を配装してある。

【００１０】製氷容器１０自体は、耐熱、耐圧性ある素
材によって形成された所定容量を有する上部開口の容器
本体１１と、この容器本体１１の上部開口を閉塞するよ
う容器本体１１上部に着脱自在に例えばボルト、ナット
等によるネジ止め等によって取り付けられる蓋体１２と
から成っている。そして容器本体１１の壁自体を例えば
中空にすることで壁自体内に形成した冷媒路１３、更に
はその底部、周囲壁等から容器本体１１内に突出するよ
うにして配管した冷媒管等によって容器本体１１内部は
冷却されるように構成されている。

【００１１】また製氷容器１０自体は、この製氷容器１
０に形成してある前記の冷媒路１３等と外部に配置され
ている熱交換器等の冷媒供給源（図示せず）とを連通さ
せているようにすると共に製氷容器１０の上下すなわち
重力方向の反転を可能にさせる軸支手段２０によって支
持柱２に対して、例えばその容器本体１１の側壁部位で
支承されている。そのための軸支手段２０は図２に示す
ように、支持柱２の上部に配置形成した軸受部２１内
に、冷媒路１３に連通するよう容器本体１１と一体に設
けた中空状の管軸２２を貫挿すると共に、この管軸２２
端は冷媒供給源に接続されている供給管２４に密閉状の
ロータリージョイント機構２３を介して接続して成るも
のである。この軸支手段２０は製氷容器１０に対して左
右で対称的に配置構成されており、一方においては供給
管２４を経て供給される冷媒を冷媒路１３内に導入する
導入側となっており、他方においては冷媒路１３からの
冷媒を冷媒供給源に戻す導出側となっているのであり、
冷媒供給源、製氷容器１０との間で冷媒を循環させるも
のである。

【００１２】こうした製氷容器１０を重力方向で反転さ
せる反転機構３０は、図示例によれば、例えばいずれか
一方の支持柱２に付設されたものとしてあり、支持柱２
に固定したモータの如き駆動源３１と、この駆動源３１
の駆動軸に取り付けたウォーム状の駆動歯車３２によっ
て従動回転されるよう駆動歯車３２に噛み合っていて、
軸支手段２０における管軸２２に固着されているスプロ
ケット歯車３３とから成るものである。この反転機構３
０においては、駆動源３１自体は一定時間毎に正逆に反
転駆動するものとしてあって、例えば図１に示すように
作動前においては蓋体１２を上部に位置させた正立状態
にある製氷容器１０自体が重力方向に反転して倒立状態
よりも僅かに大きい位置にまで反転するものとして、例
えば一方で２００度の反転角度の範囲内のものとして前
後に反転を繰り返すようにしてある。このとき、駆動源
３１を常時一定方向に回転させることで、製氷容器１０
自体を同方向に回転させるものとしてもよいものであ
る。

【００１３】また図２に示すように、製氷容器１０内で
は、溶媒である水中に溶解される溶質である着色剤、炭
酸ガス等の不純物等を含有した製氷原水Ｗが注入された
正立状態の作動前において、容器本体１１の底部側に貯
留されたものとなっており、この状態で蓋体１２によっ
て容器本体１１が閉塞されたとき、製氷容器１０内を加
圧すると共に製氷容器１０内の上部空間を密閉し、製氷
容器１０が反転したときの製氷原水Ｗの重力方向に沿う
移動を阻止するようにした加圧シール機構４０が設けら
れている。この加圧シール機構４０は、製氷容器１０に
おける蓋体１２と注入された製氷原水Ｗ等との間で膨張
するよう配装された中空弾性加圧嚢４１と、例えば前記
支持柱２のいずれか一方の内部に配管した加圧空気管に
接続してあって、例えば蓋体１２に貫挿形成した供給口
４３を介して中空弾性加圧嚢４１に連通してある供給管
４２とを備えて成るものである。なお供給管４２は可撓
性あるものとすることで固定的に配置される支持柱２側
の導出口に対して位置が変動する供給口４３が一層円滑
に追随するものとなり、加圧媒体の供給を安定化させる
ことができる。なお図中符号４５は供給管４２に設けた
開閉バルブである。

【００１４】この加圧シール機構４０における中空弾性
加圧嚢４１は、図示を省略した加圧ポンプによって加圧
されて供給された圧縮空気、不凍液体等の加圧媒体によ
って膨張されるとき、容器本体１１の底部側に向かって
膨張するように蓋体１２に設けられている。そして膨張
時における中空弾性加圧嚢４１の底面は容器本体１１内
における内容物である製氷原水Ｗ等の臨界表面に到達す
るものとなって製氷原水Ｗを加圧するのであり、また容
器本体１１の上部開口縁と、これを閉塞する蓋体１２の
開口外周面との間に生じた間隙開口面を閉塞するシール
機能も発揮するようにしてある。

【００１５】なおこの加圧シール機構４０における中空
弾性加圧嚢４１による製氷原水Ｗに対する加圧は、例え
ば０．５ＭＰａと１０ＭＰａとの間で任意の圧力差が設
定されて５〜６時間の間で２３秒間隔で増減が繰り返さ
れるようになっており、その圧力及びインターバル等は
分散される粒子あるいは溶質等によって適当に制御可能
なものとされている。

【００１６】また中空弾性加圧嚢４１が重力方向の下部
すなわち下方位置にある場合、製氷容器１０内の製氷原
水Ｗが液状であっても、その水溶液が原料となる液に完
全に接していれば製氷原水Ｗが製氷容器１０外に漏洩す
ることはないのである。これは中空弾性加圧嚢４１自体
が所定の膨張率まで膨張するのに必要な０．０５〜０．
３Ｍｐａ程度の圧力のために中空弾性加圧嚢４１内部の
圧力と伝達する圧力に差が生じるためであり、この原理
を利用すれば、製氷容器１０の高さによる水頭圧によっ
て中空弾性加圧嚢４１の液体への圧力を中空弾性加圧嚢
４１の強性または膨張力を考慮して製作すれば原理的に
は１０ｍ程度でも漏洩することはないのである。

【００１７】次にこれの使用の一例を説明するに、例え
ば蓋体１２の取り外しによって開放した容器本体１１内
に製氷すべき着色氷、炭酸入り氷等に対応した着色剤、
炭酸ガス等を溶解した製氷原水Ｗを注入し、蓋体１２に
よってしっかりと閉塞した後に加圧シール機構４０にお
ける中空弾性加圧嚢４１内に加圧媒体を供給して、製氷
原水Ｗ面を加圧固定する。その後、反転機構３０を駆動
させて製氷容器１０を例えば正立位から１／３ｒｐｍ〜
５ｒｐｍの速度で重力方向に反転しながら冷媒路１３等
内に−１０℃〜−３５℃に温度管理された冷媒を供給し
て製氷容器１０内を冷却するのである。なおこの冷媒は
氷の厚みによって温度制御が可能で伝熱抵抗が増加して
も温度差を大きくすることで熱伝導率をほぼ一定とする
ことができるのである。そして製氷開始から終了までこ
のようにして凍結させた後は、加圧シール機構４０によ
る加圧を解除すると共に正立状態にした製氷容器１０の
蓋体１２を取り外し、内部の製氷製品を取り出すのであ
る。

【００１８】

【発明の効果】本発明は以上のように構成されているた
め、製氷原水Ｗの凍結作動中にその製氷原水Ｗを注入し
た製氷容器１０を重力方向に反転させることで製氷原水
Ｗ中に溶解されている各種の不純物を一定部位、例えば
製氷容器１０の底部に沈殿固定させることがないのであ
り、均一に分散した製氷製品を形成することができる。

【００１９】すなわちこれは本発明において、製氷原水
Ｗが注入された密閉される製氷容器１０を反転機構３０
によって重力方向で反転しながら冷却して、製氷原水Ｗ
を凍結するものとしたからであり、これによって、製氷
原水Ｗ中に溶解されている例えば着色剤、炭酸ガス等の
不純物を溶媒である水分子中に均一に分散させることが
できるのである。

【００２０】また製氷容器１０内に注入された製氷原水
Ｗは、その臨界面が加圧シール機構４０における製氷容
器１０内で加圧膨張される中空弾性加圧嚢４１によって
加圧固定されるから、製氷容器１０が重力方向で反転さ
れるときに製氷原水Ｗが製氷容器１０内部から漏洩する
ことがなく、その反転作動中では一定の製氷容器１０内
形状のままで維持されるのである。

【００２１】製氷容器１０を重力方向反転させるときの
支承部位である軸支手段２０は、製氷容器１０の両側に
配置の支持柱２の軸受部２１内に、製氷容器１０の冷媒
路１３に連通する管軸２２を貫挿すると共に、この管軸
２２端を冷媒供給源に接続されている供給管２４に密閉
状のロータリージョイント機構２３を介して接続して成
るものとしてあるから、製氷容器１０の重力方向の反転
作動にかかわらず、冷媒を常時安定的に製氷容器１０に
供給でき、製氷容器１０を迅速に冷却することが可能で
ある。

【００２２】反転機構３０において、支持柱２に固定し
た駆動源３１の駆動軸に固着したウォーム状の駆動歯車
３２を、軸支手段２０における管軸２２に取り付けたス
プロケット歯車３３に噛み合せてあるから、製氷原水Ｗ
等が注入されることで、また耐熱、耐圧性等のため重量
的に嵩張ることがある製氷容器１０であってもその重力
方向の反転を円滑にさせることができる。

【００２３】更に加圧シール機構４０は、製氷容器１０
に注入後の製氷原水Ｗ面に到達膨張する中空弾性加圧嚢
４１を、外部からの加圧媒体源からの加圧媒体等によっ
て膨張させるものとしてあるから、製氷容器１０内で製
氷原水Ｗが十分に充満していない場合でも製氷原水を製
氷容器１０の底部側に押圧固定化させることができ、そ
の凍結形状を保持できるのである。また凍結時にあって
は製氷原水Ｗが氷結時に水分子の配位数が低下し体積膨
張しても、中空弾性加圧嚢４１自体が弾発ある素材によ
って形成してあることと相俟ち、その膨張作用を吸収
し、安全なものとしている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態における製氷装置の側面
図である。

【図２】同じく正断面図である。

【符号の説明】

Ｗ…製氷原水 １…固定ベース ２…支持柱 １０…製氷容器 １１…容器本体 １２…蓋体 １３…冷媒路 ２０…軸支手段 ２１…軸受部 ２２…管軸 ２３…ロータリ
ージョイント機構 ２４…供給管 ３０…反転機構 ３１…駆動源 ３２…駆動歯車 ３３…スプロケ
ット歯車 ４０…加圧シール機構 ４１…中空弾性
加圧嚢 ４２…供給管 ４３…供給口 ４５…開閉バルブ

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F25C 1/00

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 製氷原水が注入された製氷容器内で、こ
   の製氷容器内で加圧膨張される中空弾性加圧嚢によって
   製氷原水面を加圧固定し、その加圧固定状態で製氷容器
   を重力方向で反転しながら冷却して、製氷原水を凍結す
   ることを特徴とする溶質である不純物を含有する水溶液
   の製氷方法。
2. 【請求項２】 重力方向に反転自在にして支承されてい
   て、製氷原水が注入、密閉される製氷容器と、この製氷
   容器を重力方向に反転させる反転機構と、注入された製
   氷原水面を加圧固定するよう膨張する中空弾性加圧嚢を
   有して製氷容器内に配装してある加圧シール機構とを備
   え、製氷容器は、この製氷容器の両側で相対峙して配置
   した支持柱に形成した軸支手段によって支承してあり、
   軸支手段は、支持柱に配置形成した軸受部内に、製氷容
   器に形成した冷媒路に連通するよう製氷容器と一体に設
   けた中空状の管軸を貫挿すると共に、この管軸端を冷媒
   供給源に接続されている供給管に密閉状のロータリージ
   ョイント機構を介して接続して成ることを特徴とする溶
   質である不純物を含有する水溶液の製氷装置。
3. 【請求項３】 反転機構は、支持柱に固定した駆動源
   と、この駆動源の駆動軸に取り付けたウォーム状の駆動
   歯車によって従動回転されるよう駆動歯車に噛み合って
   いて、軸支手段における管軸に固着されているスプロケ
   ット歯車とから成る請求項２記載の溶質である不純物を
   含有する水溶液の製氷装置。
4. 【請求項４】 加圧シール機構は、製氷容器に注入され
   た製氷原水面に到達膨張するよう製氷容器内に配装され
   た中空弾性加圧嚢と、この中空弾性加圧嚢に連通して製
   氷容器外に設けた加圧媒体源から接続してある供給管と
   を備えて成る請求項２または３記載の溶質である不純物
   を含有する水溶液の製氷容器。