JP3397290B2 - 水溶液の凍結濃縮装置並びに氷柱生成装置及び水溶液の凍結濃縮方法 - Google Patents

水溶液の凍結濃縮装置並びに氷柱生成装置及び水溶液の凍結濃縮方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、水溶液の凍結濃縮
装置並びに氷柱生成装置及び水溶液の凍結濃縮方法に関
し、特に、飲料、アルコール類又は医薬品等の濃縮及び
産業排水や海水の淡水化処理などに用いられるものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】一般に、凍結濃縮方法は、対象とする水
溶液を冷却し、該水溶液中の水を凍らせて氷とし、この
氷を固液分離によって取り除き、これによって水溶液を
濃縮する方法である。そのため、この凍結濃縮方法は、
高温度下では溶質が劣化しやすい水溶液、又は芳香を失
う飲料などの濃縮に適している。
【０００３】また、上記凍結濃縮方法は、取り出した氷
を蓄熱材に利用することができる他、海水を淡水化する
場合にも適用される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上述した凍結濃縮方法
において、工業的利用に供するには連続運転が必要であ
る。しかしながら、従来の凍結濃縮装置では、連続運転
を可能にすると、凍結動作などを行う必要から、装置自
体が大型化し、且つ多大な設備投資を要するという問題
があった。
【０００５】更に、従来の凍結濃縮装置では、対象液体
が溶質の種類や濃縮度で異なる場合、この対象液体に合
わせた調整が非常に難しいという問題があった。
【０００６】一方、上記凍結濃縮方法においては、氷結
晶粒子の表面に溶液が付着した状態でその氷結晶粒子を
取り除くと濃縮効率が低下するので、氷結晶粒子の表面
積（比表面積）が小さい程好ましい。この氷結晶粒子の
比表面積を下げるには、球形で大きな径の氷結晶粒子を
得ることが必要である。
【０００７】したがって、上記凍結濃縮方法において、
連続運転を行うには氷結晶粒子を流体とし、すなわち氷
結晶粒子をスラリーとして含む懸濁液で供給し、しか
も、この懸濁液中の氷結晶粒子をいかに大きく且つ球形
にするかが課題であった。
【０００８】その際、凍結濃縮に使用する氷を含む懸濁
液を生成するための製氷手段としては、冷却したドラム
表面又はシリンダー内面に水分を凝結させて氷を生成
し、この氷を掻き取る方式が一般的である。
【０００９】しかし、この製氷手段によって得られる氷
結晶はフレーク状であるため、別途に氷結晶の生成・成
長手段として熟成タンクを使用し、一定温度条件下にお
いて、氷結晶を攪拌し、氷結晶を球形に成長させて肥大
化させている。このため処理される水溶液の量は、製氷
に必要な量以外に熟成タンクの容量及び滞留時間に見合
った量が常に必要となり、装置全体の大型化が余儀なく
されるという問題があった。
【００１０】また、上記製氷手段としては、過冷却によ
り準臨界の氷結晶を作る方法があり、空調における冷熱
エネルギーの蓄熱などに使われている。この製氷手段に
よれば、ほぼ球形に近い氷結晶を含んだ懸濁液が得られ
る。しかし、この製氷手段で得られる氷結晶の粒径は非
常に微小であるため、固液分離を行うのが難しく、従
来、この氷結晶を効果的に成長させる方法がないことか
ら、この製氷手段は凍結濃縮方法に適用されていなかっ
た。
【００１１】本発明は、斯かる点に鑑みてなされたもの
で、フレーク状の氷結晶又は球形だが微小な氷結晶の何
れの氷結晶であっても、特別な養生タンクを使用するこ
となしに短時間に氷結晶を集積し、球形に成長させるこ
とができれば、製氷方式に拘りなく生成された氷結晶を
凍結濃縮に使用することができることから、懸濁液中の
氷結晶粒子を大きく且つ球形にし、これによって、凍結
濃縮システム全体の小型化を図ることを目的とするもの
である。
【００１２】
【課題を解決するための手段】−発明の概要− 本発明の発明者らは、水溶液を冷却して氷結晶粒子を含
む懸濁液を生成し、この懸濁液から液体成分を分離し排
出して氷結晶粒子の密度を高め、且つ氷結晶粒子を成長
させて氷柱を生成することにより、粒子径の大きな球形
の氷結晶粒子が得られることを見い出し、更に、例え
ば、この氷柱をカラムに挿入し、カラムの一端から冷水
を加えて、氷柱の氷結晶粒子の間に存在する濃縮溶液を
カラムの他端から押し出すことにより濃縮溶液を得られ
ることを見い出し、本発明を成すに至ったものである。
【００１３】−解決手段− 具体的に、請求項１に係る発明が講じた手段は、先ず、
冷却用熱交換器を備え、該冷却用熱交換器によって水溶
液を冷却し、氷結晶粒子を含む懸濁液を連続的に生成す
る製氷手段を備えている。そして、該製氷手段が生成し
た懸濁液が供給される生成筒及び、該生成筒の側面に形
成されて懸濁液から液体成分を分離し排出するフィルタ
を備え、上記生成筒の内部が、懸濁液を集積し、加圧若
しくは自重又は加圧及び自重によって側面のフィルタか
ら液体成分を排出させ、懸濁液の氷結晶粒子を融合させ
て高密度状態にすると共に、該氷結晶粒子を成長させて
柱状の氷粒子集合体を生成する集積室に構成されている
氷柱生成手段を備えている。加えて、該氷柱生成手段が
生成した氷粒子集合体を所定長さの氷柱に切断して該氷
柱を移送する氷柱切断移送手段を備えている。更に、該
氷柱切断移送手段が移送した氷柱から濃縮溶液を抜き取
る分離手段を備えている。
【００１４】請求項２に係る発明が講じた手段は、請求
項１記載の発明において、分離手段は、氷柱が挿入され
るカラムと、該カラムに密着嵌合するヘッド部を有し、
該ヘッド部からカラムに冷水を圧入して氷柱の内部に存
在する濃縮溶液を冷水に置換し、該濃縮溶液を抜き取る
冷水圧入機構とを備えた構成としている。
【００１５】請求項３に係る発明が講じた手段は、請求
項１記載の発明において、分離手段は、氷柱が挿入され
るカラムと、該カラムの下部に接続されると共に、該カ
ラムを負圧にして氷柱の内部に存在する濃縮溶液を抜き
取る真空ポンプとを備えた構成としている。
【００１６】請求項４に係る発明が講じた手段は、請求
項１記載の発明において、分離手段は、氷柱生成手段が
生成した氷粒子集合体を適宜粉砕して収納する回転筒を
有し、該回転筒を回転して氷粒子集合体に存在する濃縮
溶液を遠心分離して抜き取る遠心分離機を備えた構成と
している。
【００１７】請求項５に係る発明が講じた手段は、請求
項１乃至４の何れか１に記載の発明において、製氷手段
は、冷却用熱交換器を構成する冷却筒に流入した水溶液
を攪拌する攪拌機構、又は冷却用熱交換器を構成する冷
却筒の表面に生成した氷を掻き取る掻き取り刃機構を備
えた構成としている。
【００１８】請求項６に係る発明が講じた手段は、請求
項１記載の発明において、生成筒は、複数の小孔が形成
されて懸濁液を整流する整流板が設けられ、該整流板に
よって集積室が上部室と下部室とに区画される一方、生
成筒の外側には、該生成筒より排出された液体成分を受
ける外筒が設けられている。
【００１９】請求項７に係る発明が講じた手段は、氷柱
生成装置であって、氷結晶粒子を含む懸濁液が供給され
る生成筒と、該生成筒の側面に形成されて懸濁液から液
体成分を分離し排出するためのフィルタとを備えた構成
としている。更に、上記生成筒の内部は、懸濁液を集積
し、加圧若しくは自重又は加圧及び自重により懸濁液の
氷結晶粒子を融合させると共に、該氷結晶粒子を成長さ
せて柱状の氷粒子集合体を生成する集積室に構成されて
いる。
【００２０】請求項８に係る発明が講じた手段は、上記
請求項７記載の発明において、生成筒は、複数の小孔が
形成されて懸濁液を整流する整流板が設けられ、該整流
板によって集積室が上部室と下部室とに区画された構成
としている。加えて、上記生成筒の外側には、該生成筒
より排出された液体成分を受ける外筒が設けられてい
る。
【００２１】請求項９に係る発明が講じた手段は、水溶
液の凍結濃縮方法であって、製氷手段の冷却用熱交換器
によって水溶液を冷却し、氷結晶粒子を含む懸濁液を連
続的に生成する。その後、生成筒と該生成筒の側面に形
成されたフィルタとを備えた氷柱生成手段の上記生成筒
に上記製氷手段が生成した懸濁液を供給し、生成筒の内
部で懸濁液を集積し、加圧若しくは自重又は加圧及び自
重によって側面のフィルタから懸濁液の液体成分を分離
し排出し、懸濁液の氷結晶粒子を融合させて高密度状態
にすると共に、該氷結晶粒子を成長させて柱状の氷粒子
集合体を生成する。続いて、該氷柱生成手段が生成した
氷粒子集合体を氷柱切断移送手段によって切断して所定
長さの氷柱を形成し、該氷柱を分離手段のカラムに移送
して挿入した後、該分離手段に冷水を圧入又は注入して
氷柱の氷結晶粒子の間に存在する濃縮溶液を抜き取る構
成としている。
【００２２】−作用− 上記の発明特定事項により、本発明では、製氷手段を駆
動して冷却用熱交換器である冷却筒を冷却すると同時
に、水溶液を製氷手段に供給し、この冷却筒において、
水溶液は、例えば、攪拌部材によって攪拌され、氷結晶
粒子を含む懸濁液と成って氷柱生成手段に流れる。
【００２３】上記懸濁液は、氷柱生成手段の生成筒に流
入し、流速によって攪拌し、例えば、整流板の小孔を通
ってより氷結晶粒子が均一に分散すると共に、懸濁液の
上部に浮上する。
【００２４】上記生成筒の懸濁液は、液体部分が排出さ
れるので、氷結晶粒子が堆積し、懸濁液や氷粒子集合体
の重量を受けて圧密され、氷結晶粒子同士が融合して成
長する。その結果、固体化した氷粒子集合体となり、該
氷粒子集合体は、製氷手段からの懸濁液の流入によって
上方に向かって押し上げられる。
【００２５】その後、上記氷粒子集合体は、例えば、氷
柱切断移送手段によって所定長さの氷柱に切り取られ、
分離手段のカラムに氷柱を移送する。分離手段では、例
えば、冷水をカラムに圧入し、氷柱内に存在している濃
縮溶液が冷水に置換し、カラムの外部に排出される。
【００２６】この濃縮溶液は、そのまま利用されるか、
又は再度濃縮される一方、置換が終了した氷柱は冷熱源
等として再利用される。
【００２７】
【発明の効果】したがって、本発明によれば、製氷手段
が生成した懸濁液を氷結晶粒子の高密度状態にすると共
に、氷結晶粒子を成長させて柱状の氷粒子集合体を生成
し、該氷粒子集合体を所定長さに切断した氷柱から濃縮
溶液を抜き取るようにしたために、連続運転を可能にす
ると同時に、装置自体の小型化を図ることができ、設備
投資の低減を図ることができる。
【００２８】また、対象液体が溶質の種類や濃縮度で異
なる場合であっても、この対象液体に合わせた調整を容
易に行うことができる。
【００２９】また、製氷手段が生成した懸濁液の氷結晶
粒子を氷柱生成手段で大きく且つ球形にすることができ
るので、製氷方式に拘りなく生成された氷結晶粒子を凍
結濃縮に使用することができることから、濃縮効率の大
幅な向上が可能となる。
【００３０】この結果、本発明は、果汁やぶどう酒など
の濃縮、医薬品原料の濃縮、船舶・離島用の海水の淡水
化及び、産業排水処理などに極めて有用である。
【００３１】また、請求項７及び８に係る発明によれ
ば、生成された氷柱が、例えば、葡萄果汁を用いるとシ
ャーベット状の食品として利用することができる。特
に、従来のシャーベット状の食品のようにシャキシャキ
したものではなく、饅頭のあんこのような新たな食感の
ものを得ることができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて詳細に説明する。
【００３３】図１は、本発明における凍結濃縮装置１の
概略を示し、図２は、凍結濃縮装置１の正面図、図３
は、凍結濃縮装置１の平面図である。
【００３４】上記凍結濃縮装置１は、氷結晶粒子Ｃｐを
含む懸濁液Ｌｓを生成する製氷手段２と、氷柱Ｉｐを生
成する氷柱生成手段３と、該氷柱Ｉｐを移送する氷柱切
断移送手段４と、上記氷柱Ｉｐから濃縮溶液Ｌｔを抜き
取る分離手段５とを備えている。
【００３５】上記製氷手段２は、空気調和装置における
夜間蓄熱用のもので、蒸気圧縮式冷凍システムで構成さ
れ、圧縮機と凝縮機と膨張機構を備えた熱源ユニット２
１に冷却筒２２が接続されて構成されている。そして、
上記熱源ユニット２１から冷媒が冷却筒２２の側壁内を
循環し、該冷却筒２２は、冷却用熱交換器を構成して側
壁内で冷媒が蒸発する。
【００３６】上記冷却筒２２は、原料タンク１１が搬送
配管１２を介して接続されると共に、搬送配管１４を介
して氷柱生成手段３が接続される一方、冷却筒２２には
攪拌機構２３が設けられている。上記原料タンク１１に
は、水溶液Ｌｕが貯溜され、該水溶液Ｌｕが循環ポンプ
１３を介して上記冷却筒２２に供給されている。尚、上
記搬送配管１２には、閉鎖弁１ａと逆止弁１ｂとが設け
られている。
【００３７】上記攪拌機構２３は、モータ２４に攪拌部
材２５が連結されて成り、冷却筒２２に流入した水溶液
Ｌｕを攪拌するように構成されている。そして、上記冷
却筒２２に流入した水溶液Ｌｕは、冷媒の蒸発によって
冷却されると共に、攪拌部材２５によって攪拌されて過
冷却状態まで冷却される。この過冷却状態の水溶液Ｌｕ
は、冷却筒２２から搬送配管１４を介して氷柱生成手段
３に流れることになるが、上部出口２６から搬送配管１
４に流出すると、衝撃エネルギー等によって過冷却の平
衡状態が崩れ、水溶液Ｌｕ内に氷結晶粒子Ｃｐの氷核を
発生して氷結晶粒子Ｃｐを含む懸濁液Ｌｓとなる。この
懸濁液Ｌｓが、搬送配管１４を通って氷柱生成手段３に
搬送される。
【００３８】上記氷柱生成手段３は、図４にも示すよう
に、外筒３１に生成筒である内筒３２が挿入された二重
管構造に形成され、該外筒３１及び内筒３２は、下部が
漏斗状に形成されると共に、上部が開口されている。
【００３９】上記内筒３２は、下端部に搬送配管１４が
接続されて製氷手段２の冷却筒２２と連通し、内部が集
積室３Ｒに構成されている。上記内筒３２の内部には、
整流板３３が下部に設けられて集積室３Ｒが上部集積室
３Ｕと下部集積室３Ｌとに区画されている。該整流板３
３は、図５に示すように、例えば、直径５〜１０ｍｍの
複数の小孔３ｈが形成されたパンチングプレートで構成
され、懸濁液Ｌｓの流れを整流して下部集積室３Ｌから
上部集積室３Ｕに流入する懸濁液Ｌｓの氷結晶粒子Ｃｐ
が均等に分散するようにしている。
【００４０】上記内筒３２には、整流板３３のやや上方
に位置してフィルタ３５が形成され、該フィルタ３５
は、懸濁液Ｌｓから液体成分を分離し排出するように構
成されている。
【００４１】上記内筒３２は、懸濁液Ｌｓを集積し、自
重により懸濁液Ｌｓの液体成分を分離し排出して氷結晶
粒子Ｃｐを融合させると共に、該氷結晶粒子Ｃｐを成長
させて柱状の氷粒子集合体Ｃｍを生成している。つま
り、上記氷結晶粒子Ｃｐを含む懸濁液Ｌｓは、下部集積
室３Ｌに流入し、該下部集積室３Ｌにおいて、その流速
により攪拌されて氷結晶粒子Ｃｐがほぼ均等に分散し、
更に、整流板３３の小孔３ｈを通って氷結晶粒子Ｃｐが
より分散し、上部集積室３Ｕに流入して浮上する。
【００４２】上記懸濁液Ｌｓが上部集積室３Ｕに流入す
ると、氷結晶粒子Ｃｐは上部集積室３Ｕに堆積し、懸濁
液Ｌｓの圧力と上部の氷粒子集合体Ｃｍの重量を受け、
更に、フィルタ３５から液体成分である余剰溶液が散逸
し、氷結晶粒子Ｃｐが圧密され、氷結晶粒子Ｃｐ同士が
融合して成長する。その結果、固体化した氷粒子集合体
Ｃｍと成り、該氷粒子集合体Ｃｍは、製氷手段２からの
懸濁液Ｌｓの流入によって上方に向かって押し上げられ
る。尚、上記氷粒子集合体Ｃｍの成長高さの上限は、上
記懸濁液Ｌｓを循環させる循環ポンプ１３の吐出圧力で
定まる。
【００４３】上記外筒３１は、内筒３２よりやや大径に
形成され、氷結晶粒子Ｃｐを分離するフィルタ３６を下
部に備えると共に、戻し配管１５及び排出管３ａが接続
されている。該外筒３１は、内筒３２の懸濁液Ｌｓより
分離し排出された液体成分を受けるように構成され、上
記戻し配管１５は、原液タンク１１と冷却筒２２の間の
搬送配管１２に接続されている。そして、上記外筒３１
に流出した懸濁液Ｌｓ中の液体成分は、水溶液Ｌｕとし
て循環ポンプ１３により熱源ユニット２１に戻り、この
水溶液Ｌｕ中に残った水分は原料タンク１１からの水溶
液Ｌｕと共に再度冷却されて氷結晶粒子Ｃｐに変換され
る。
【００４４】尚、上記排出管３ａは、閉鎖弁３ｂを備
え、外筒３１に流出した懸濁液Ｌｓ中の液体成分を装置
外に排出して所定濃度の濃縮溶液Ｌｔとして利用に供さ
れるか、又は原料タンク１１に戻して再度濃縮してもよ
い。
【００４５】また、上記原料タンク１１に水溶液Ｌｕ
（原料溶液）の補充は、原料タンク１１への追加で行う
ので連続運転で凍結濃縮が行われる。
【００４６】上記氷柱切断移送手段４は、氷柱生成手段
３が生成した氷粒子集合体Ｃｍを所定長さの氷柱Ｉｐに
切断して分離手段５に移送するものであって、図２及び
図３に示すように、基台６に設けられたスライド台６１
上に設置されて、搬送筒４１及びカッタ４２を備えてい
る。該搬送筒４１は、氷柱生成手段３及び分離手段５の
上方を往復移動可能に構成され、内径が氷柱生成手段３
の内筒３２にほぼ一致し、該内筒３２に連続する位置に
おいて、氷粒子集合体Ｃｍが氷柱生成手段３での生成に
伴って搬送筒４１に侵入するように構成されている。
【００４７】上記カッタ４２は、搬送筒４１の下部に設
けられ、例えば、搬送筒４１に侵入した氷柱Ｉｐが約４
０ｃｍの長さに成長すると切断すると共に、上記カッタ
４２が搬送筒４１の下端開口を閉鎖した状態で氷柱切断
移送手段４は、該氷柱Ｉｐを分離手段５に移送する。
【００４８】上記分離手段５は、氷柱生成手段３に隣接
されたカラム５１を備え、該カラム５１は、内径が氷柱
切断移送手段４の搬送筒４１とほぼ同径に形成され、つ
まり、氷柱生成手段３の内筒３２とほぼ同径に形成さ
れ、下部が漏斗状に形成されて排出管５ａが接続されて
いる。
【００４９】上記分離手段５は、冷水圧入機構５２を備
え、該冷水圧入機構５２は、基台６に設けられた支柱６
２に取り付けられて上下移動自在に構成され、ヘッド部
５３と冷水の注入管５４とを備えている。該ヘッド部５
３は、カラム５１の上部開口に密着嵌合するように構成
される一方、上記注入管５４は、図示しないが、冷水タ
ンク等に接続され、氷柱Ｉｐの内部に存在する濃縮溶液
Ｌｔを冷水に置換して濃縮溶液Ｌｔを抜き取るために、
ヘッド部５３からカラム５１に冷水Ｉｗを圧入するよう
に構成されている。つまり、上記分離手段５は、氷柱Ｉ
ｐがカラム５１に押し込まれた後、ヘッド部５３でカラ
ム５１の上部を密閉し、１〜２℃の冷水Ｉｗを圧入す
る。この冷水Ｉｗの圧入によって、氷柱Ｉｐ内に存在し
ている濃縮溶液Ｌｔは冷水Ｉｗに置換され、カラム５１
の外部に排出される。
【００５０】上記カラム５１から排出される濃縮溶液Ｌ
ｔは、そのまま利用されるか、又は原料タンク１１に戻
され、再度濃縮してもよい。一方、上記置換が終了した
氷柱Ｉｐは、カラム５１に下部から加圧等により氷柱切
断移送手段４の搬送筒４１に戻し、カッタ４２で搬送筒
４１の下端開口を閉鎖してカラム５１に隣接する貯溜タ
ンク１６に搬送し、置換用冷水Ｉｗの原料やその他の冷
熱源として再利用される。
【００５１】−濃縮動作− 次に、上述した凍結濃縮装置１の濃縮動作について、濃
縮方法と共に説明する。
【００５２】先ず、製氷手段２を駆動して熱源ユニット
２１と冷却筒２２との間で冷媒を循環して該冷却筒２２
を冷却する一方、循環ポンプ１３を駆動して原料タンク
１１の水溶液Ｌｕを製氷手段２に供給する。この冷却筒
２２の内部において、水溶液Ｌｕは、冷媒によって冷却
されると共に、攪拌部材２５によって攪拌され、過冷却
状態になる。
【００５３】該過冷却状態の水溶液Ｌｕは、冷却筒２２
の出口２６から搬送配管１４に流出することになるが、
その際、衝撃エネルギ等によって氷核が発生し、氷結晶
粒子Ｃｐを含む懸濁液Ｌｓと成って氷柱生成手段３に流
れる。
【００５４】上記懸濁液Ｌｓは、氷柱生成手段３の内筒
３２の下部集積室３Ｌに流入し、流速によって攪拌し、
氷結晶粒子Ｃｐが均一に分散した後、整流板３３の小孔
３ｈを通って上部集積室３Ｕに流入し、より氷結晶粒子
Ｃｐが均一に分散すると共に、懸濁液Ｌｓの上部に浮上
する。
【００５５】上記上部集積室３Ｕの懸濁液Ｌｓは、液体
部分がフィルタ３５を通って内筒３２の内部から外筒３
１に分離し排出されるので、氷結晶粒子Ｃｐは上部集積
室３Ｕに堆積し、懸濁液Ｌｓの圧力と上部の氷粒子集合
体Ｃｍの重量を受けて圧密され、氷結晶粒子Ｃｐ同士が
融合して成長する。その結果、固体化した氷粒子集合体
Ｃｍとなって上方に向かって成長する。
【００５６】一方、上記外筒３１に排出された懸濁液Ｌ
ｓ中の液体成分は、フィルタ３６を通過した後、水溶液
Ｌｕになり、循環ポンプ１３により熱源ユニット２１に
戻り、原料タンク１１の水溶液Ｌｕと共に再度冷却され
る。
【００５７】また、上記上部集積室３Ｕの氷粒子集合体
Ｃｍは、上方に成長し、氷柱切断移送手段４の搬送筒４
１に侵入し、例えば、カッタ４２で約４０ｃｍの長さの
氷柱Ｉｐに切り取られる。該氷柱切断移送手段４の搬送
筒４１は、カッタ４２で下端開口が閉鎖されたままスラ
イド台６１に沿って移動し、分離手段５のカラム５１の
上方に氷柱Ｉｐを移送し、カッタ４２を移動して搬送筒
４１の下端開口が開放し、カラム５１に氷柱Ｉｐを落下
挿入する。
【００５８】その後、上記氷柱切断移送手段４の搬送筒
４１を移動させた後、分離手段５のヘッド部５３によっ
てカラム５１の上部を密閉し、例えば、１〜２℃の冷水
Ｉｗをカラム５１に約１kg／cm2圧入する。この冷水Ｉ
ｗの圧入により、氷柱Ｉｐ内に存在している濃縮溶液Ｌ
ｔが冷水Ｉｗに置換し、カラム５１の外部に排出され
る。
【００５９】この濃縮溶液Ｌｔは、そのまま利用される
か、又は原料タンク１１に戻り、再度濃縮される一方、
上記置換が終了した氷柱Ｉｐは、カラム５１から氷柱切
断移送手段４の搬送筒４１に戻し、貯溜タンク１６に搬
送し、置換用冷水Ｉｗの原料やその他の冷熱源として再
利用される。また、上記氷柱生成手段３の内筒３２から
外筒３１に排出された水溶液Ｌｕは、所定濃度の濃縮溶
液Ｌｔとして利用されるか、又は原料タンク１１へ戻し
て再度濃縮される。そして、上述した操作を繰り返して
濃縮を行う。尚、上記氷柱切断移送手段４は、１系統の
み設けたが、２系統など複数系統とし、分離手段５への
氷柱Ｉｐの移送などを複数系統の間で交互に連続して行
うようにしてもよい。
【００６０】図６は、氷結晶粒子Ｃｐの挙動を示し、図
６（ａ）は、製氷手段２より氷柱生成手段３に供給され
る懸濁液Ｌｓを示し、氷結晶粒子Ｃｐの径は２０〜５０
μｍであり粒子密度は３０〜５０％である。
【００６１】図６（ｂ）は、上記氷柱生成手段３におけ
る下部集積室３Ｌの氷結晶粒子Ｃｐを示し、粒子密度は
大きくなっているものの氷結晶粒子Ｃｐの径には変化が
ない。
【００６２】図６（ｃ）は、上記氷柱生成手段３におけ
る上部集積室３Ｕの氷結晶粒子Ｃｐを示し、圧力による
融合が始まっている状況を示している。
【００６３】図６（ｄ）は、氷柱Ｉｐ（氷粒子集合体Ｃ
ｍ）を示し、氷結晶粒子Ｃｐの径は１００〜１５０μｍ
に成長している。
【００６４】図７及び図８は、分離手段５のカラム５１
における水溶液Ｌｕと冷水Ｉｗの挙動を示している。冷
水Ｉｗが氷柱Ｉｐの内部に侵入すると、上記冷水Ｉｗと
水溶液Ｌｕとが置換し、該水溶液Ｌｕが希釈されること
なしにカラム５１に押し出される。
【００６５】−実施例１− 上述した凍結濃縮装置１において、分離手段５が置換に
要した冷水Ｉｗの量は氷柱Ｉｐの体積の約４０％であっ
た。
【００６６】水溶液Ｌｕとして糖分１５．７％のぶどう
果汁を１００リットル使用し、約１時間の運転で糖分２
３．９％の濃縮果汁６４リットルを得た。置換が終了し
た氷の重量は３４．５ｋｇで、これに含まれる糖分濃度
は０．００１〜０．００２％であった。
【００６７】−実施例２− また、他の実施例として、上述した凍結濃縮装置１によ
って、塩化ナトリウム濃度４．０％の海水を淡水化した
ところ、置換が終了した塩化ナトリウム濃度０．００６
％（６０ｐｐｍ）の氷を得ることができ、淡水として利
用することができた。
【００６８】−効果− 以上のように、本実施形態によれば、製氷手段２が生成
した懸濁液Ｌｓを氷結晶粒子Ｃｐの高密度状態にすると
共に、氷結晶粒子Ｃｐを成長させて柱状の氷粒子集合体
Ｃｍを生成し、該氷粒子集合体Ｃｍを所定長さに切断し
た氷柱Ｉｐから濃縮溶液Ｌｔを抜き取るようにしたため
に、連続運転を可能にすると同時に、装置自体の小型化
を図ることができ、設備投資の低減を図ることができ
る。
【００６９】また、対象液体が溶質の種類や濃縮度で異
なる場合であっても、この対象液体に合わせた調整を容
易に行うことができる。
【００７０】また、製氷手段２が生成した懸濁液Ｌｓの
氷結晶粒子Ｃｐを氷柱生成手段３で大きく且つ球形にす
ることができるので、製氷方式に拘りなく生成された氷
結晶粒子Ｃｐを凍結濃縮に使用することができることか
ら、濃縮効率の大幅な向上が可能となる。
【００７１】この結果、本実施形態は、果汁やぶどう酒
などの濃縮、医薬品原料の濃縮、船舶・離島用の海水の
淡水化及び、産業排水処理などに極めて有用である。
【００７２】
【発明の他の実施の形態】本実施形態における製氷手段
２は、攪拌機構２３を設けて水溶液Ｌｕの過冷却状態を
解消して懸濁液Ｌｓを生成するようにしたが、本発明に
おける製氷手段は、冷却筒２２の表面に生成した氷を掻
き取る掻き取り刃機構を備えたものであってもよい。
【００７３】また、上記分離手段５は、冷水Ｉｗを圧入
するようにしたが、氷柱Ｉｐが挿入されるカラム５１の
上端部に単に冷水Ｉｗを注入し、カラム５１の下端部に
接続した真空ポンプを駆動し、該カラム５１を負圧にし
て氷柱Ｉｐの内部に存在する濃縮溶液Ｌｔを抜き取るよ
うにしてもよい。
【００７４】また、上記分離手段５の他に実施形態とし
ては、回転筒を有する遠心分離機を備えたものであって
もよい。つまり、分離手段５は、氷柱生成手段３が生成
した氷粒子集合体Ｃｍを手作業などで適宜粉砕し、この
氷粒子集合体Ｃｍ又は粉砕した粉砕片を回転筒に収納し
た後、該回転筒を回転して氷粒子集合体Ｃｍ又は粉砕片
に存在する濃縮溶液Ｌｔを遠心分離して抜き取るように
してもよい。
【００７５】また、上記氷柱生成手段３に整流板３３を
設けたが、集積室３Ｒの寸法、つまり、集積室３Ｒの長
さ方向が大きい場合には整流板３３は必ずしも設ける必
要はない。
【００７６】また、上記氷柱生成手段３の懸濁液Ｌｓ
は、別個の加圧手段によって加圧するようにしてもよ
く、加圧と自重とにより懸濁液Ｌｓの氷結晶粒子Ｃｐを
融合させるようにしてもよい。
【００７７】また、請求項７及び８に係る発明では、氷
柱生成手段３は、独立した氷柱生成装置として用いるこ
とができる。この場合、生成された氷柱は、例えば、葡
萄果汁を用いるとシャーベット状の食品として利用する
ことができる。特に、従来のシャーベット状の食品のよ
うにシャキシャキしたものではなく、饅頭のあんこのよ
うな新たな食感のものを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】凍結濃縮装置の構成を示す概略図である。
【図２】凍結濃縮装置を示す正面図である。
【図３】凍結濃縮装置を示す平面図である。
【図４】氷柱生成手段を示す拡大構成図である。
【図５】整流板を示す拡大平面図である。
【図６】氷結晶粒子の挙動を示す氷結晶粒子の拡大図で
ある。
【図７】カラムにおける水溶液と冷水の挙動を示す拡大
図である。
【図８】カラムにおける水溶液と冷水の挙動を示す拡大
図である。
【符号の説明】
1 凍結濃縮装置 11 原料タンク 2 製氷手段 21 熱源ユニット 22 冷却筒（冷却用熱交換器） 23 攪拌機構 3 氷柱生成手段 31 外筒 32 内筒（生成筒） 33 整流板 35 フィルタ 4 氷柱切断移送手段 41 搬送筒 5 分離手段 51 カラム 52 冷水圧入機構 53 ヘッド部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 天丸 清 大阪市旭区千林２丁目９−７ (72)発明者 杉田 良雄 山梨県甲府市国母５丁目19−18 (72)発明者 長谷川 均 山梨県甲府市上今井1470−７ (72)発明者 関谷 英治 山梨県中巨摩郡甲西町落合1668−18 (72)発明者 中込 章公 山梨県中巨摩郡甲西町東南湖828 (72)発明者 松永 平八 山梨県甲府市朝気３丁目２−18 (72)発明者 勝山 吉彦 東京都稲城市東長沼183番地 (56)参考文献 特開 平２−95401（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−153953（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−160975（ＪＰ，Ａ) 実開 平５−51402（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B01D 9/00 - 9/04

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 冷却用熱交換器を備え、該冷却用熱交換
    器によって水溶液を冷却し、氷結晶粒子を含む懸濁液を
    連続的に生成する製氷手段と、 該製氷手段が生成した懸濁液が供給される生成筒及び、
    該生成筒の側面に形成されて懸濁液から液体成分を分離
    し排出するフィルタを備え、上記生成筒の内部が、懸濁
    液を集積し、加圧若しくは自重又は加圧及び自重によっ
    て側面のフィルタから液体成分を排出させ、懸濁液の氷
    結晶粒子を融合させて高密度状態にすると共に、該氷結
    晶粒子を成長させて柱状の氷粒子集合体を生成する集積
    室に構成されている氷柱生成手段と、 該 氷柱生成手段が生成した氷粒子集合体を所定長さの氷
    柱に切断して該氷柱を移送する氷柱切断移送手段と、 該氷柱切断移送手段が移送した氷柱から濃縮溶液を抜き
    取る分離手段とを備えていることを特徴とする水溶液の
    凍結濃縮装置。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の水溶液の凍結濃縮装置に
    おいて、 分離手段は、氷柱が挿入されるカラムと、該カラムに密
    着嵌合するヘッド部を有し、該ヘッド部からカラムに冷
    水を圧入して氷柱の内部に存在する濃縮溶液を冷水に置
    換し、該濃縮溶液を抜き取る冷水圧入機構とを備えてい
    ることを特徴とする水溶液の凍結濃縮装置。
  3. 【請求項３】 請求項１記載の水溶液の凍結濃縮装置に
    おいて、 分離手段は、氷柱が挿入されるカラムと、該カラムの下
    部に接続されると共に、該カラムを負圧にして氷柱の内
    部に存在する濃縮溶液を抜き取る真空ポンプとを備えて
    いることを特徴とする水溶液の凍結濃縮装置。
  4. 【請求項４】 請求項１記載の水溶液の凍結濃縮装置に
    おいて、 分離手段は、氷柱生成手段が生成した氷粒子集合体を適
    宜粉砕して収納する回転筒を有し、該回転筒を回転して
    氷粒子集合体に存在する濃縮溶液を遠心分離して抜き取
    る遠心分離機を備えていることを特徴とする水溶液の凍
    結濃縮装置。
  5. 【請求項５】 請求項１乃至４の何れか１に記載の水溶
    液の凍結濃縮装置において、 製氷手段は、冷却用熱交換器を構成する冷却筒に流入し
    た水溶液を攪拌する攪拌機構、又は冷却用熱交換器を構
    成する冷却筒の表面に生成した氷を掻き取る掻き取り刃
    機構を備えていることを特徴とする水溶液の凍結濃縮装
    置。
  6. 【請求項６】 請求項１記載の水溶液の凍結濃縮装置に
    おいて、 生成筒は、複数の小孔が形成されて懸濁液を整流する整
    流板が設けられ、該整流板によって集積室が上部室と下
    部室とに区画される一方、 生成筒の外側には、該生成筒より排出された液体成分を
    受ける外筒が設けられていることを特徴とする水溶液の
    凍結濃縮装置。
  7. 【請求項７】 氷結晶粒子を含む懸濁液が供給される生
    成筒と、 該生成筒の側面に形成されて懸濁液から液体成分を分離
    し排出するためのフィルタとを備え、 上記生成筒の内部は、懸濁液を集積し、加圧若しくは自
    重又は加圧及び自重により懸濁液の氷結晶粒子を融合さ
    せると共に、該氷結晶粒子を成長させて柱状の氷粒子集
    合体を生成する集積室に構成されていることを特徴とす
    る氷柱生成装置。
  8. 【請求項８】 請求項７記載の氷柱生成装置において、 生成筒は、複数の小孔が形成されて懸濁液を整流する整
    流板が設けられ、該整流板によって集積室が上部室と下
    部室とに区画される一方、 生成筒の外側には、該生成筒より排出された液体成分を
    受ける外筒が設けられていることを特徴とする氷柱生成
    装置。
  9. 【請求項９】 製氷手段の冷却用熱交換器によって水溶
    液を冷却し、氷結晶粒子を含む懸濁液を連続的に生成
    し、 その後、生成筒と該生成筒の側面に形成されたフィルタ
    とを備えた氷柱生成手段の上記生成筒に上記製氷手段が
    生成した懸濁液を供給し、生成筒の内部で懸濁液を集積
    し、加圧若しくは自重又は加圧及び自重によって側面の
    フィルタから懸濁液の液体成分を分離し排出し、懸濁液
    の氷結晶粒子を融合させて高密度状態にすると共に、該
    氷結晶粒子を成長させて柱状の氷粒子集合体を生成し、 続いて、該氷柱生成手段が生成した氷粒子集合体を氷柱
    切断移送手段によって切断して所定長さの氷柱を形成
    し、該氷柱を分離手段のカラムに移送して挿入した後、 該分離手段に冷水を圧入又は注入して氷柱の氷結晶粒子
    の間に存在する濃縮溶液を抜き取ることを特徴とする水
    溶液の凍結濃縮方法。
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