JP4803431B2 - 気体含有氷の製造方法及び製造装置並びに気体含有氷 - Google Patents
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(1)オゾンを溶解させたオゾン水を加圧状態で冷却、凍結し、凍結時に発生する微細化した気泡を氷に含ませるようにしたオゾン含有氷の製造方法及びその製造装置(例えば、特許文献1参照。)。
(2)オゾン等の有用気体が溶存した水を冷却して氷を生成するもので、氷を生成する容器や方法に特色がある製氷機及び製氷方法(例えば、特許文献2参照。)。
(3)樹脂製容器内に密閉したオゾン水からオゾン氷を作るオゾン氷の製造システムと樹脂製容器に収容されたオゾン氷(例えば、特許文献3参照。)。
(4)削氷片にオゾンを供給しつつ圧縮してオゾンを含む氷片を作るオゾン氷製造装置(例えば、特許文献4参照。)。
(5)酸素を溶解した水を冷却、凍結して酸素気泡含有氷を作る極微細酸素気泡含有氷及びその製造装置(例えば、特許文献5参照。)。
従来技術1では、氷が含有できる気体含有率は水への気体の溶解度によって限定されてしまうため、気体含有率を高くすることが困難であった。
水中で氷が成長する際の溶存気体の分配係数(氷中の気体溶存量/水中の気体溶存量)は一般的にきわめて低い(0.001〜0.1)。したがって氷の成長に伴って溶存気体が水中へと排斥されるため、水中の溶存気体濃度は氷との界面近傍で上昇する。溶存気体濃度が飽和溶解度を超えて高くなると、氷との界面近傍で核生成が起こって水中に微小な気泡が生成する。この気泡は氷の成長速度が遅い場合には氷に取り込まれることはない。特に浮力などの外力が働く場合には界面から排除されることもある。
しかしながら、氷の成長速度がある臨界値を超えると、気泡は氷の成長に伴って氷の内部に取り込まれるようになる。気泡が氷に取り込まれるための臨界の氷成長速度は、気泡の大きさや浮力などの外力の大きさ、気体の種類などによって決まる。
溶存気体から生成する気泡の量は、もともと水中に存在する溶存気体の量を超えることはできないので、気体の水への溶解度によって制限される。氷と水の界面近傍で生成した気泡がすべて氷の内部に取り込まれたとすると、氷の気体含有率は気体の水への溶解度に等しくなり、すなわちこれが理論上最大の気体含有率ということになる。したがって従来技術1で気体含有氷を製造する場合には、氷の気体含有率を気体の溶解度以上にすることは困難である。
また、マイクロバブルを含んだ水を凍結させて気泡をそのまま氷に閉じ込めることができれば、氷生成後に余分な操作は必要なく、短時間で気体含有率の高い氷を生成することができる。
本発明は、マイクロバブルを含んだ水に含まれる気体の総量は、溶解度によって決まる溶存気体に加えて、マイクロバブルとして水中に存在する気泡を加算した量となることから、マイクロバブルを導入することにより水に含まれる気体の総量を溶解度で決まる量よりも大きくすることが可能となるという知見に基づきなされたものであり、マイクロバブルを含んだ水を容器内で凍結させることにより、気体含有率の高い氷を提供することを目的とする。
マイクロバブルを含んだ水の中で氷が成長する際には、従来技術1の場合と同様に、水中の溶存気体濃度が氷との界面近傍で上昇する。溶存気体濃度が飽和溶解度に達すると、氷との界面近傍に存在するマイクロバブルは成長を開始する。マイクロバブルから成長した気泡は、氷の成長速度がある臨界値を超えるとき、氷の内部に取り込まれる。気泡が氷に取り込まれるための臨界の氷成長速度は、気泡の大きさや浮力などの外力の大きさ、気体の種類などによって決まる。マイクロバブルから成長した気泡の大きさは、従来技術1で氷と水の界面近傍に生成する気泡の大きさに比べて大きくなるため、氷の内部に気泡を取り込むために必要な氷成長速度も大きくなることが予測される。
また、水中でマイクロバブルのボイド率(体積率)を高くするためには、水への界面活性剤添加による気泡の安定化や、マイクロバブルを外部へ逃がさないための流体力学的な抵抗の設置など、いくつかの工夫が必要となる場合もある。
(2)また、本発明の気体含有氷の製造方法は、容器の内部に水を注入してから直径1μmから500μmのマイクロバブルを混入し、周囲から冷却して、マイクロバブルを含んだ状態で水を凍結してなることを特徴としている。
(3)また、本発明の気体含有氷の製造方法は、上記(1)及び(2)の気体含有氷製造方法において、前記マイクロバブルが空気、窒素、酸素、二酸化炭素、オゾン、着色された空気、またはそれらの混合気体からなることを特徴としている。
(4)また、本発明のバッチ式の気体含有氷の製造装置は、上面が開放された水容器にマイクロバブル発生器を接続し、前記水容器内に、上面及び下面が開放された筒状の氷製造容器を配置し、該氷製造容器の周囲に冷却手段を設けたことを特徴としている。
(5)また、本発明の連続式の気体含有氷の製造装置は、上面が開放され、かつ、周囲に加熱手段及び冷却手段が設けられた筒状の氷製造容器にマイクロバブル発生器及び水供給器とを接続し、該マイクロバブル発生器及び水供給器にはそれぞれ制御手段を設けたことを特徴としている。
(6)また、本発明の気体含有氷の製造装置は、上記(4)及び(5)の気体含有氷製造装置において、前記筒状の氷製造容器の上面に流体力学的な抵抗を設置し、氷製造容器内のマイクロバブル量の調整を可能としたことを特徴としている。
(7)また、本発明の気体含有氷の製造装置は、上記(4)〜(6)の気体含有氷製造装置において、前記筒状の氷製造容器の断面が円形または多角形であることを特徴としている。
(8)また、本発明の気体含有氷は、マイクロバブルを含んだ状態で水を凍結することにより、0℃における気体の水への溶解度によって定まる量よりも多く気体を含有してなることを特徴としている。
(1)マイクロバブルを含んだ水に含まれる気体の総量は、溶解度で決まる気体量よりも大きくすることが可能となるため、気体の水への溶解度に制限を受けない。
気体が空気の場合の実験データ例(気体含有率は0.1MPa、0℃における体積換算)。
・空気を溶存させた水から生成した氷の気体含有率(従来技術1)
実験値3%、理論値2.6%(飽和溶解度で溶存した気体がすべて氷に閉じ込められた場合)
・空気のマイクロバブルを含んだ水から生成した氷の気体含有率(本発明)
実験値6%(従来技術の2倍)
(2)水中でのマイクロバブルのボイド率を高くすれば、その分だけ水に含まれる気体の総量を増やすことができ、氷の気体含有率を高めることができる。
(3)氷を製造する際に氷成長速度を上げれば、氷に取り込まれる気泡の量を増やすことができ、氷の気体含有率を高めることができる。
水の種類としては、純水、市水、水溶液など特にその種類を問わない。特にマイクロバブルを安定化するために、界面活性剤を添加することも可能である。
氷製造容器の形状としては、断面の形状は一般的には円形だが、長方形、正方形など種々のものが可能である。
なお、氷製造容器3の形状としては、上面に気泡抜き孔11がなく、上面が開放されていてもよい。
(1)マイクロバブル発生器7により、水容器1に蓄えられた水2にマイクロバブル8を混入する。マイクロバブル発生器7が水容器1と分離している場合には、別途マイクロバブルを含んだ水を製造し、これを水容器1に供給する。
(2)下側が開放された筒状の氷製造容器3の内部で、水2に対するマイクロバブル8のボイド率を十分に上昇させる。マイクロバブル8は氷製造容器3の下側開放部から水2に混入し、氷製造容器3の上部の気泡抜き孔11より排出される。気泡抜き孔11の大きさや配置によって、マイクロバブル8のボイド率を最適化する。仮に、気泡抜き孔11がないと、氷製造容器3の内部にマイクロバブル8が溜まって合体し、氷製造容器3内の水が排出されてしまう現象が発生する。なお、氷製造容器3内のマイクロバブル8のボイド率を十分に上昇させる必要がない場合には、気泡抜き孔11を省略して氷製造容器3の上面を開放にしてもよい。
(3)氷製造容器3内のマイクロバブル8が所定のボイド率に達した後、マイクロバブル発生器7を停止する。
(4)冷凍機6より配管4、5を通して氷製造容器3の壁面内の循環流路16に冷媒12を供給し、氷製造容器3内の水2を冷却する。冷凍機6が蒸気圧縮式冷凍機の場合には、冷媒12を供給する代わりに、冷凍機6の蒸発器を氷製造容器3の壁面内に設置することにより、氷製造容器3内の水2を直接的に冷却してもよい。冷却された水2は氷製造容器3の側壁面と上壁面から凍結し、氷9となって成長する。所定の成長速度以上においては、マイクロバブル8が氷9に取り込まれる。
(5)氷9は氷製造容器3の上壁面から凍結するために、いったん氷の成長が始まるとマイクロバブル8はもはや気泡抜き孔11から抜けることはない。
(6)最終的には氷製造容器3の内部全体がマイクロバブル8を含んだ氷9となる。
冷凍機6としては蒸気圧縮式冷凍機などの公知の冷凍機を、また加熱器15としては電気加熱式などの公知の加熱器を用いることができる。冷凍機6が蒸気圧縮式冷凍機の場合には、冷媒12を循環させる代わりに、冷凍機6の蒸発器を氷製造容器3の壁面内に設置することにより、氷製造容器3内を直接的に冷却してもよい。また冷凍機6が蒸気圧縮式冷凍機の場合には、高温媒体の加熱には、冷凍機6の凝縮器の凝縮熱を利用してもよい。
氷製造容器3の下部にはマイクロバブル発生器7及び水供給器13とが接続されており、氷製造容器3内に水2を供給するととともに、水2にマイクロバブル8を供給する。マイクロバブル発生器7及び水供給器13にはそれぞれ図示しない制御手段が設けられている。
なお、マイクロバブル発生器7は、氷製造容器3と分離して、水供給器13に直接接続してもよい。その場合には、水供給器13においてマイクロバブルを含んだ水を製造し、これを氷製造容器3に供給することになる。
なお、氷製造容器3の形状としては、上面に気泡抜き孔11を備えた可動式の蓋14がなく、上面が常に開放されていてもよい。
また、水供給器13は、図示しないが、水2を供給するためのポンプ手段、供給量を調整するためのバルブ手段等を備えている。
水の種類としては、純水、市水、水溶液など特にその種類を問わない。特にマイクロバブルを安定化するために、界面活性剤を添加することも可能である。
氷製造容器の形状としては、断面の形状は一般的には円形だが、長方形、正方形など種々のものが可能である。
(1)可動式の蓋14が氷製造容器3の上面に設置された状態で、氷製造容器3内でマイクロバブル8を含んだ氷9を生成する。
(2)加熱器15によって加熱した高温媒体12を配管4、5を通して循環流路16に流し、氷9を氷製造容器3及び蓋14の内壁面からわずかに融解する。冷凍機6が蒸気圧縮式冷凍機の場合には、加熱器15を省略して、高温媒体の加熱に冷凍機6の凝縮器の凝縮熱を利用してもよい。
(3)氷9が所定の量だけ融解したら、高温媒体12の供給を停止し、蓋14をスライドして氷製造容器3の外部へ移動させる。
(4)水供給器13から氷製造容器3へ水2を供給し、氷9を氷製造容器3の上部開放部分から押し出す。
(5)氷9を取り出したら、蓋14をスライドして氷製造容器3の上面へ移動させ、マイクロバブル発生器7により、水2にマイクロバブル8を混入する。マイクロバブル発生器7が氷製造容器3と分離して水供給気13に直接接続している場合には、水供給器13で別途マイクロバブルを含んだ水を製造し、これを氷製造容器3に供給する。マイクロバブル8は蓋14の気泡抜き穴11から排出される。気泡抜き孔11の大きさや配置によって、水2に占めるマイクロバブル8のボイド率を最適化する。仮に、気泡抜き孔11がないと、氷製造容器3の内部にマイクロバブルが溜まって合体し、氷製造容器3内に水が溜まらない。なお、氷製造容器3内のマイクロバブル8のボイド率を十分に上昇させる必要がない場合には、気泡抜き孔11を備えた蓋14を省略して氷製造容器3の上面が常に開放されていてもよい。
(6)上記(4)、(5)で氷製造容器3の内部に氷9をわずかに残し、残りの氷をカッターで切断して気体含有氷として取り出してもよい。その場合には、氷製造容器3の内部に残った氷9と氷製造容器3の内壁面との隙間からマイクロバブル8が排出され、この隙間がマイクロバブル8の流体力学的抵抗となるため、気泡抜き孔11を備えた蓋14は不要となる。すなわち、氷9と氷製造容器3の隙間の間隔によって、水2に占めるマイクロバブル8のボイド率を最適化することが可能となる。
(7)氷製造容器3内のマイクロバブル8が所定のボイド率に達した後、マイクロバブル発生器7を停止する。
(8)冷凍機6によって冷却された冷媒12を配管4、5を通して氷製造容器3の壁面内の循環流路16に供給し、氷製造容器3内の水2を冷却する。冷凍機6が蒸気圧縮式冷凍機の場合には、冷媒12を循環させる代わりに、冷凍機6の蒸発器を氷製造容器3の壁面内に設置することにより、氷製造容器3内を直接的に冷却してもよい。
(9)冷却された水2は氷製造容器3の内壁面から凍結し、氷9として成長する。所定の成長速度以上においては、マイクロバブル8が氷9に取り込まれる。
(10)氷9が蓋14の内壁面で凍結すると、その後はマイクロバブル8が気泡抜き孔11から抜けることはない。
(11)最終的には氷製造容器3の内部全体がマイクロバブル8を含んだ氷9となり、(1)の過程へ戻る。
気体の種類や分圧に対応して気体含有率の値は大幅に変化するため、一概に上記実施例1及び実施例2の製造手段で製造された氷の気体含有率の範囲を限定することは困難であるが、具体例を示すと以下のとおりである。
・窒素(分圧0.1MPaの場合):窒素含有率27mg/L(体積換算2.1%)以上
・酸素(分圧0.1MPaの場合):酸素含有率63mg/L(体積換算4.4%)以上
・空気(分圧0.1MPaの場合):空気含有率33mg/L(体積換算2.6%)以上
・オゾン(分圧0.003MPaの場合):オゾン含有率30mg/L(体積換算1.4%)以上
他の気体と異なり、オゾンの場合は純粋な気体として製造することは一般に困難である。もっとも一般的な無声放電方式のオゾン発生装置を使用した場合、製造されるオゾンの分圧は0.003MPa程度であり、このオゾンガスからオゾン水を生成した場合、オゾン水の溶解度は33mg/Lとなる(0℃、0.1MPaでのオゾンの溶解度1110mg/Lから算出)。この数値を用いると、従来技術1でオゾン含有氷を生成する場合に、すべての溶存オゾンが氷に取り込まれるとすると、氷中の最大のオゾン含有率は30mg/L(体積換算で1.4%)となる。
2 水または水溶液
3 氷製造容器
4、5 冷媒または高温媒体の配管
6 冷凍機
7 マイクロバブル発生器
8 マイクロバブル
9 氷
10 断熱材
11 気泡抜き孔
12 冷媒又は高温媒体
13 水供給器
14 可動式の蓋
15 加熱器
16 循環流路
17、18 制御弁
Claims (2)
- 上面にマイクロバブルのボイド率最適化用の流体力学的抵抗となる気泡抜き孔を単数又は複数有する可動式の蓋が設けられ、側面が筒状の氷製造容器と、氷製造容器の周囲に設けられた加熱手段及び冷却手段と、氷製造容器の下部に接続された酸素又はオゾンのマイクロバブル発生器と、氷製造容器の下部に接続され氷製造容器内に界面活性剤を含有する水を供給する水供給器とを備えた装置を用いて気体含有氷を製造する方法であって、
前記水供給器から氷製造容器内に界面活性剤を含有する水を供給するステップと、
前記可動式の蓋を氷製造容器上面に移動させ、前記マイクロバブル発生器により界面活性剤を含有する水に直径1μmから500μmの酸素又はオゾンのマイクロバブルを混入するステップと、
氷製造容器内の酸素又はオゾンのマイクロバブルが気泡抜き孔の配置及び大きさにより所定のボイド率に達したのちマイクロバブル発生器を停止し、前記冷却手段により氷製造容器内の水を冷却し、氷製造容器内で酸素又はオゾンのマイクロバブルを含んだ氷を生成するステップと、
前記加熱手段により加熱し、氷を氷製造容器及び可動式の蓋の内壁面からわずかに融解するステップと、
可動式の蓋を氷製造容器の上面から移動させ、氷製造容器の上部を開放し、前記水供給器から氷製造容器内に界面活性剤を含有する水を供給し、氷を氷製造容器の上部開放部分から押し出して氷製造容器から氷を取り出すステップと、
以下、前記可動式の蓋を氷製造容器上面に移動させ、前記マイクロバブル発生器により界面活性剤を含有する水に直径1μmから500μmの酸素又はオゾンのマイクロバブルを混入するステップ以降を順次繰り返すことを特徴とする連続式の気体含有氷の製造方法。 - 上面にマイクロバブルのボイド率最適化用の流体力学的抵抗となる気泡抜き孔を単数又は複数有する可動式の蓋が設けられ、側面が筒状の氷製造容器と、氷製造容器の周囲に設けられた加熱手段及び冷却手段と、氷製造容器の下部に接続された酸素又はオゾンのマイクロバブル発生器と、氷製造容器の下部に接続された水供給器とを備えた連続式の気体含有氷の製造装置において、
前記水供給器は、氷製造容器内に界面活性剤を含有する水を供給するものであり、前記マイクロバブル発生器は、氷製造容器内の界面活性剤を含有する水に直径1μmから500μmの酸素又はオゾンのマイクロバブルを混入するものであり、前記可動式の蓋の気泡抜き孔は孔の大きさ及び配置によりマイクロバブルのボイド率を最適化するものであって、
前記水供給器から氷製造容器内に界面活性剤を含有する水を供給し、前記可動式の蓋を氷製造容器上面に移動させ、前記マイクロバブル発生器により氷製造容器内の界面活性剤を含有する水に酸素又はオゾンのマイクロバブルを所定のボイド率に達するまで供給したのち停止し、前記冷却手段により氷製造容器内の水を冷却し、氷製造容器内で酸素又はオゾンのマイクロバブルを含んだ氷を生成させたのち、前記加熱手段により加熱し、氷を氷製造容器及び可動式の蓋の内壁面からわずかに融解させ、前記可動式の蓋を氷製造容器の上面から移動させ、前記水供給器から氷製造容器内に界面活性剤を含有する水を供給することにより氷を氷製造容器の上部開放部分から押し出して氷製造容器から氷を取り出すように制御し、以下上記制御を繰り返すことを特徴とする連続式の気体含有氷の製造装置。
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