JP3855068B2 - 過冷却解除方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，水の過冷却状態を解除する過冷却解除方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば空調システムなどに用いられている氷蓄熱方式では，過冷却器によって水を０℃以下の過冷却状態にし，水槽内などでこの過冷却状態を解除することによって，水とのスラリー状態にある氷を製造することが行われている。この過冷却状態の解除にあたっては，過冷却状態の水を大気中に放出して容器の内壁や適宜の衝突板に衝突させる方法の他に，自由落下距離を節約するため，特開平８−１１０１３３号公報に開示されているように，過冷却水を大気に接触させないように水平方向に延出した小口径と大口径の管からなる密閉系の配管中に放出して，管の外周から相を変化させる回転体や超音波振動子などの相変化誘発装置によって過冷却状態の水を氷へと相変化させる装置が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，前記装置は自由落下距離を節約するあまり，今度は水平方向に長い距離を必要としている。そのため，今度は，水平方向に距離を長くとれない場所での使用が困難となるおそれが生じていた。またさらに密閉系の配管中に放出していると，そのままでは小口径と大口径の管の接続部に氷が付着して閉塞するおそれがあるため，前記装置では，別途加熱装置によって前記接続部を加熱する必要があった。
【０００４】
本発明は，かかる点に鑑みてなされたものであり，垂直方向のみならず水平方向にもコンパクト化が図れる過冷却解除方法を提供することをその目的としている。また本発明は，さらに密閉系の中に過冷却水を放出しても，加熱装置による加熱を施すことなく氷による閉塞を防止することも目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため，請求項１によれば，過冷却器から吐出される水の過冷却状態を解除する方法として，吐出された過冷却状態の水を大気に接触させることなく容器内に流入させる工程と、流入した水の流れを前記容器内で螺旋状の回転運動に変えて，容器の出口に導く工程と，前記容器内の水に対して超音波振動子によって超音波を付与する工程とを有し、前記超音波振動子の超音波出力密度が３１．４［ｋＷ／ｍ ^２ ］以上であり、かつ容器内に流入した水は、少なくとも４．１秒以上前記超音波が照射されることを特徴とする，過冷却状態の解除方法が提供される。なお螺旋状の回転運動に変える工程と，超音波付与の工程は，必ずしも前記記載順に行わなければならない性質のものではなく，流入した水の流れを螺旋状の回転運動に変えることと，流入した水に対して超音波を付与することとを備えていればよい。
【０００６】
請求項１の解除方法によれば，容器内に流入させた過冷却状態の水を容器内で螺旋状の回転運動に変えて容器の出口に導くようにしたので，容器内のスペースを有効に使用しつつ，超音波によって過冷却状態の解除を誘発することができる。したがって，容器については水平方向，垂直方向とも従来よりもコンパクト化することが可能である。
【０００７】
しかも本発明においては、超音波振動子によって前記超音波を付与することとし，さらにこの超音波振動子の超音波出力密度（出力を超音波振動子の断面積で除した値）を調整すると共に，さらにまた容器内に流入した過冷却状態の水が，少なくとも４．１秒以上前記超音波が照射されるようにしているので、発明者らの知見によると，容器に対して付与される超音波と，水流の面速度に比べて大きな周速度に起因する動圧によって，容器内に付着した氷は連続的に除去される。したがって，氷の付着による閉塞を防止して，連続運転時間を伸ばすことが可能である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下，本発明の好ましい実施の形態について説明すると，図１は，本実施の形態を実施するための氷製造装置１を用いた実験的な氷蓄熱システムの系統の概略を示しており，この氷製造装置１は，過冷却水を製造する過冷却器２と過冷却器２から供給された過冷却水を解除して氷・水スラリーを製造する過冷却解除容器３とを有している。
【００１６】
過冷却器２は，いわゆるシェル・アンド・チューブ構造を有しており，冷凍機４からブラインポンプ５によって供給されるブラインによって，過冷却器２に供給された水を，過冷度２．０Ｋ以下の過冷却状態にして，吐出口２ａから吐出する構造を有している。なお吐出口２ａは，過冷却解除容器３に向けて絞った形状としているが，その理由は円筒（角筒）状の容器に沿って過冷却水（または氷・水スラリー）が流れるための流速を確保するためである。そして過冷却解除容器３によって過冷却状態が解除され，製造された氷・水スラリーは，管路６を通じて。氷蓄熱槽７へと移送される。
【００１７】
氷蓄熱槽７内の下部には，取水管８の取水口８ａが位置しており，ポンプ９によって取水された氷蓄熱槽７内の水は，一旦予熱用熱交換器１１へと移送され，そこで予熱用水蓄熱槽１２からの水と熱交換され，例えば０．５℃まで加熱された後，管路１３を通じて過冷却器２へと送られるようになっている。この予熱用熱交換器１１及び予熱用水蓄熱槽１２の設置は，任意である。
【００１８】
次に過冷却解除容器３の詳細について説明する。この過冷却解除容器３は，図２，図３にも示したように，全体として略八角形の筒状の形態を有し，上面３ａ，底面３ｂとも閉口している密閉容器である。
【００１９】
過冷却解除容器３の上部，例えば側面における上面３ａ近傍には，入口部２１が設けられている。この入口部２１は，管体２２によって形成され，管体２２の先端には，過冷却器２と接続するためのフランジ２３が設けられている。このフランジ２３を介して，過冷却器２の吐出口２ａと入口部２１は水密に接続されている。
【００２０】
入口部２１の位置の設定は次のようになっている。すなわち図４にも示したように，吐出口２ａの軸心Ａと入口部２１の軸心Ｂとが一致し（吐出口２ａの軸心Ａに対して入口部２１の面が直角に対面し），かつ入口部２１が過冷却解除容器３の周面の接線Ｃの方向に位置する（入口部２１の軸心Ｂと接線Ｃとが平行になる）ように設定されている。
【００２１】
他方，過冷却解除容器３の下部，例えば側面における底面３ｂ近傍には，出口部３１が設けられている。この出口部３１は，管体３２によって形成され，管体３２の先端には，他の管体と接続するためのフランジ３３が設けられている。そしてこの出口部３１の位置の設定は次のようになっている。すなわち図５に示したように，出口部３１が過冷却解除容器３の接線Ｅの方向に位置する（出口部２１の軸心Ｄと接線Ｅとが平行になる）ように設定されている。
【００２２】
以上の構成により，例えば４ｍ／ｓの流速で過冷却解除容器３内に流入した過冷却水の流れを回転運動に変えることができ，また過冷却解除器３の長手方向の面速を０．１１ｍ／ｓで一様にすることができる。
【００２３】
過冷却解除容器３の側面を構成する側板のうち，隣り合う２枚の側板３ｃ，３ｄと，３ｅ，３ｆの各表面には，超音波振動子４１が複数設けられている。この超音波振動子４１は，４５ｋＨｚの超音波を過冷却解除容器３内に付与することが可能に構成されており，また個別にその出力を変化させることが可能である。すなわち定格は１００Ｗで０〜１２５％までその出力を変化させることが可能である。
【００２４】
氷製造装置１は，以上のように構成されており，超音波振動子４１を作動させて，過冷却器２から過冷却水を過冷却解除容器３の入口部２１に流入させると，流入した過冷却水は，螺旋状に旋回しながら過冷却解除容器３の内部で前記超音波によって過冷却状態が解除され，水とのスラリー状態の氷が生成される。すなわち，氷・水スラリーが生成される。そしてこの氷・水スラリーが出口部３１から外部に排出される。
【００２５】
このように過冷却状態が解除される過冷却水は，螺旋状に流れる過程で過冷却状態が解除されるので，過冷却解除容器３の大きさを，垂直方向，水平方向とも従来よりコンパクトに構成することが可能である。しかも，後述のように，超音波振動時の出力と，過冷却解除容器３内に滞留する時間を適宜調整することにより，過冷却解除容器３の内壁に付着する氷を，超音波により砕いてこれを剥離することができるので，氷によって過冷却解除容器３が閉塞することはなく，従来のように別途氷剥離用の加熱装置を設ける必要がない。
【００２６】
次に基本構成が前記過冷却解除容器３と同一で，サイズを次のように設定した過冷却解除容器を用いて氷・水スラリーの生成実験を行った結果について説明する。
すなわち，本実験で使用した過冷却解除容器は，内径３００ｍｍ，垂直方向の長さが１０００ｍｍであり，入口部２１の内径は５０ｍｍである。そして過冷却解除容器の側板のうち，超音波振動子４１が設けられる側板３ｃ〜３ｆ以外の側板を観測に便利な透明なアクリル樹脂板を使用した。
【００２７】
また過冷却水の過冷度は１．４Ｋ，過冷却解除容器に流入する過冷却水の流入速度を４ｍ／ｓ，過冷却解除容器長手方向の面速を０．１１ｍ／ｓとして，超音波出力密度（出力を超音波振動子の断面積で除した値［ｋＷ／ｍ^２］）と過冷却解除容器内での超音波照射時間［ｓｅｃ］（すなわち，過冷却解除容器内での滞留時間）とを適宜変更して，両者の関係を調べた結果を図６に示した。同図中，○は３６０［ｍｉｎ］以上連続運転ができたときの条件を示し，△は過冷却解除容器の内壁表面に付着した氷が間欠的に剥離して閉塞に至ったものの，１８０［ｍｉｎ］以上連続運転ができたときの条件を示し，×は過冷却解除容器が氷によって閉塞したために装置が停止した条件を示している。
【００２８】
この結果からわかるように，超音波振動子４１の超音波出力密度が３１．４［ｋＷ／ｍ^２］以上，照射時間が４．１［ｓｅｃ］の条件を境に，連続運転時間が大幅に伸び，過冷却解除容器が氷によって閉塞することなく，６時間以上の連続運転が可能になっている。
【００２９】
以上説明したように，本発明によれば，過冷却解除容器の大きさを垂直方向，水平方向とも従来よりコンパクトにすることが可能である。しかも超音波振動子の出力密度と過冷却解除容器内での滞留時間を適宜調整して設定することにより，氷による解除容器の閉塞を防止して，氷・水スラリーの連続製造時間を伸ばすことが可能である。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば，密閉系内で過冷却状態を解除するにあたり，過冷却解除用の容器を水平方向，垂直方向とも従来よりコンパクトにすることが可能である。また格別加熱装置を設けなくとも，氷による容器の閉塞を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかる氷製造装置を使用した氷蓄熱システムの構成の概略を示す説明図である。
【図２】図１の氷製造装置に使用した過冷却解除容器の側面図である。
【図３】図２の過冷却解除容器の平面の一部断面説明図である。
【図４】図２の過冷却解除容器の入口部の設定状況を示す説明図である。
【図５】図２の過冷却解除容器の出口部の設定状況を示す説明図である。
【図６】基本構成が図２に示した過冷却解除容器と同一の過冷却解除容器を用いて実験した超音波照射条件と連続運転時間との関係を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 氷製造装置
２ 過冷却器
２ａ 吐出口
３ 過冷却解除容器
２１ 入口部
３１ 出口部
４１ 超音波振動子

Claims (1)

1. 過冷却器から吐出される水の過冷却状態を解除する方法であって，吐出された過冷却状態の水を大気に接触させることなく容器内に流入させる工程と、流入した水の流れを前記容器内で螺旋状の回転運動に変えて，容器の出口に導く工程と，前記容器内の水に対して超音波振動子によって超音波を付与する工程とを有し、前記超音波振動子の超音波出力密度が３１．４［ｋＷ／ｍ ^２ ］以上であり、かつ前記容器内に流入した水は、少なくとも４．１秒以上前記超音波が照射されることを特徴とする，過冷却状態の解除方法。

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