JP4897286B2 - オーガ式製氷機 - Google Patents

Description

本発明は、オーガを備えるオーガ式製氷機に関し、特に、オーガの螺旋刃の形状に関する。

従来から所要形状の氷塊を製造する製氷機の一つとして、チップアイスやフレークアイスのような小片状の氷塊（圧縮氷）を連続的に製造し得るオーガ式製氷機が知られている。このオーガ式製氷機を図５を用いて説明すると、オーガ式製氷機は、製氷筒１の内部に冷凍ケーシング２を備えており、この冷凍ケーシング２の外周には、冷凍機構（図示せず）から導出する蒸発管３が巻回されている。冷凍ケーシング２の内部には、外周に螺旋刃５を備えるオーガ４が配置されており、このオーガ４は、カップリング６を介してギヤモータ（図示せず）で回転するように構成されている。製氷筒１内部の冷凍ケーシング２の上部内側には、フレーク状の氷を圧縮する固定刃７が配設されている。また、製氷筒１の下方には、製氷水タンク８から冷凍ケーシング２の内部に製氷水を供給するための供給管９が配設されている。なお、蒸発管３の外周部には、断熱材１０が配設されている。

このように構成されたオーガ式製氷機の製氷運転が開始されると、製氷水タンクから冷凍ケーシング２に供給される製氷水が冷凍ケーシングの内壁面から徐々に氷結を始め、層状の薄氷が形成される。この氷層は、オーガ４の螺旋刃５の回転によりフレーク状に剥ぎ取られつつ上方へ搬送される。搬送されたフレーク状の氷は、固定刃７で圧縮されてチップアイスになり、適宜貯氷庫（図示せず）などに貯留されるようになっている。

オーガ４の螺旋刃５の形状は、上部（剥離した氷層の搬送方向側）にテーパ面を持つ形状が一般的である（例えば、特許文献１参照）。このテーパ面は、氷圧送作用を得るため設けられている。ここで、「氷圧送作用」とは、氷を半径方向外側に圧縮しながら（すなわち、冷凍ケーシング２へ押し付けながら）剥離を行なって上方へ搬送する作用をいう。この氷圧送作用のため、冷凍ケーシング２とオーガ４の螺旋刃５の刃先との間にクリアランスが存在しても、オーガ４の螺旋刃５で確実に冷凍ケーシング２に結氷した氷層を剥離することができる。

ここで、上述したテーパ面のとり方は、様々であり、例えば、図５（Ｂ）に示すように、螺旋刃５の螺旋方向に対して垂直な断面（Ａ−Ａ断面）における冷凍ケーシング２と螺旋刃５のテーパ面５ａとのなす角度を刃先角度θと定義する方法がある。また、テーパ面の角度の大きさも様々である。例えば、冷凍ケーシングに成長する氷の厚みによって大きさを決めるという方法もある（例えば、特許文献２参照）。

ここで、図５（Ｂ）に示すように、螺旋刃の螺旋方向に対して垂直な断面（Ａ−Ａ断面）における冷凍ケーシング２と螺旋刃５のテーパ面５ａとのなす角度を刃先角度θとして定義したとする。そうすると、上述した氷圧送作用において、テーパ面５ａの刃先角度θが変わると、氷を半径方向外側に圧縮する力の作用方向、大きさが変わることになる。例えば、刃先角度θが大きければ、氷の圧縮力は小さく、逆に、刃先角度θが小さければ、氷の圧縮力は大きい。また、刃先角度θが同じであっても、オーガ４のリード角β（図５（Ａ）参照）が変われば、これもまた、氷を半径方向外側に圧縮する力の作用方向、大きさが変わる。このように、これまでのオーガ４の螺旋刃５の形状は、刃先角度θと、オーガ４のリード角βという２つのパラメータを持っており、これらの組み合わせにより、様々な性質のオーガが存在するということになっていた。

特開平８−７５３３１号公報 特開平８−１７８４８５号公報

しかしながら、実際には、特許文献１あるいは特許文献２に開示されたように、オーガの螺旋刃のテーパ面は、刃先角度θでのみ定義されており、刃先角度θとリード角βとを考慮したものがなく、そのため、上述した氷圧送作用における半径方向外側への圧縮機能と剥ぎ取り搬送機能とのバランスが悪く、常に剥離性能が良い状態で製氷を行うことができないという問題があった。

従って、本発明は、上述した従来の技術の問題を解決するためになされたもので、冷凍ケーシングの内壁面に結氷した氷層をより確実に剥離して搬送することのできる、すなわち、より剥離性能がよい状態で製氷することのできる螺旋刃を有するオーガを備えるオーガ式製氷機を提供することを主な目的とするものである。

上述の目的を達成するため、請求項１に記載の本発明によれば、オーガ製氷機は、内壁に氷層が生成される冷凍ケーシングと、該冷凍ケーシングの内部に回転自在に配設され、前記氷層を削氷しつつ搬送する螺旋刃を外周に備えるオーガとを備え、前記螺旋刃の刃先には、前記冷凍ケーシングから剥離した前記氷層の搬送方向に面するテーパ面が形成されており、前記螺旋刃の前記刃先の前記テーパ面と前記冷凍ケーシングとのなす水平挟み角が所定角度に設定されていることを特徴としている。
ここで、「水平挟み角」とは、螺旋刃が存在する位置でオーガ及び冷凍ケーシングを水平断面で切断し、その断面図において、螺旋刃の刃先のテーパ面と冷凍ケーシングとのなす角度をいう。
なお、前記水平挟み角は、２〜９°に設定されていることが好ましい。

オーガの螺旋刃は、螺旋刃のどの位置でも、水平挟み角が所定角度となるようなテーパ面を持つため、氷圧送作用における半径方向外側への圧縮機能と剥ぎ取り搬送機能とのバランスが良く、冷凍ケーシングの内面に生成した氷の剥離を、従来よりも確実に行うことができる、すなわち、常に剥離性能が良い状態で製氷を行うことができる。

次に、本発明の好適な実施の形態を、添付図面を参照しながら説明するが、図中、同一符号は、同一又は対応部分を示すものとする。

従来技術でも述べたように、オーガ式製氷機は、製氷機構部の冷凍ケーシングの内壁面に氷結させた薄氷を、冷凍ケーシングの内部に回転可能に配設されたオーガの螺旋刃の回転によってフレーク状に剥ぎ取りつつ搬送するように構成されており、搬送されたフレーク状の氷は、製氷機構部の上部に配設された固定刃で圧縮されてチップアイスになり、適宜貯氷庫に貯留されるようになっている。以下では、本願発明に係るオーガの螺旋刃の形状について詳細に説明する。

上述したように、オーガ４の螺旋刃５の形状は、刃先角度θと、オーガ４のリード角βという２つのパラメータを持っており、これらの組み合わせにより、様々な性質のオーガが存在する（図５参照）。これまでは、オーガ４の螺旋刃５のテーパ面５ａは、刃先角度θでのみ定義されていたが、本願発明では、刃先角度θ及びリード角βの２つのパラメータを考慮した上で、「水平挟み角θｘ」という１つのパラメータで定義する。そして、水平挟み角θｘが所定角度、好ましくは、２〜９°となるようなテーパ面を持つ螺旋刃とする。

「水平挟み角θｘ」の詳細を、図１に示す。図１（Ａ）は、オーガ４及び冷凍ケーシング２を水平断面で切断する概念図であり、図１（Ｂ）は、その断面図である。また、図１（Ｃ）は、螺旋刃５の先端部の拡大図である。これらの図から分かるように、「水平挟み角θｘ」とは、螺旋刃５が存在する位置でオーガ４及び冷凍ケーシング２を水平断面で切断し、その断面図において、螺旋刃５の刃先のテーパ面５ａと冷凍ケーシング２とのなす角度をいう。正確には、円形断面であるオーガ４及び冷凍ケーシング２の曲率を考慮せずに、オーガ４の螺旋刃５と冷凍ケーシング２とを真っ直ぐに伸ばした状態での角度と定義する。すなわち、螺旋刃５の先端部の点における螺旋刃５のテーパ面５ａとケーシング２とによってできる角度をいう。

次に、図２を参照すると、この図は、オーガ４の螺旋刃５のテーパ面５ａにおける力の作用方向を示す図であるが、冷凍ケーシング２の内壁面に生成した氷が螺旋刃５と接触すると、オーガ４は、螺旋刃５のテーパ面５ａに垂直な方向に力を作用する（図５（Ａ）参照）。上述したように、刃先角度θ、リード角β（図５参照）のとり方の組み合わせによって、冷凍ケーシング２に対する螺旋刃５のテーパ面５ａの傾きは、あらゆる方向に変化する。つまり、図２で示したテーパ面５ａと垂直方向に作用する力の方向も、あらゆる方向に変化する。この力を水平断面、真横、垂直断面から見ると、それぞれ図２（Ｂ）、図２（Ｃ）及び図２（Ｄ）のようになる。最初に、図２（Ｂ）に示した水平断面を参照すると、オーガ４の螺旋刃５のテーパ面５ａは、氷を冷凍ケーシング２に押し付け（紙面において下向きの成分）ながら、回転方向に押している（紙面において右方向の成分）ことが分かる。次に、図２（Ｃ）に示した側面を参照すると、オーガ４の螺旋刃５のテーパ面５ａは、氷を回転方向に押し（紙面において右方向の成分）ながら、上方に押している（紙面において上方向の成分）ことが分かる。最後に、図２（Ｄ）の垂直断面を参照すると、オーガ４の螺旋刃５のテーパ面５ａは、氷を冷凍ケーシング２に押し付け（紙面において左方向の成分）ながら、上方に押している（紙面において上方向の成分）ことが分かる。

ここで、冷凍ケーシング２に生成した氷の剥離の良し悪しは、氷をどれだけ冷凍ケーシング２に押し付けながら回転方向に押すかである。すなわち、冷凍ケーシング２に押し付ける力（半径方向外側への圧縮機能）と、回転方向に押す力（剥ぎ取り搬送機能）との割合が氷の剥離に最も影響する。本願発明において定義した「水平挟み角θｘ」というパラメータは、これ１つで上記の割合を表すことができるパラメータである。

図３に示すように、水平挟み角θｘと、オーガ４の螺旋刃５のテーパ面５ａが氷を回転方向に押す力、および氷を冷凍ケーシング２に押し付ける力は、以下のような関係がある。
ｔａｎθx ＝ 回転方向に押す力 ／ 冷凍ケーシングに押し付ける力
よって、水平挟み角θｘの値は、氷を冷凍ケーシングに押し付ける力と回転方向に押す力との割合を表している。水平挟み角θｘの値が小さいということは、氷を冷凍ケーシングに強く押し付けながら回転方向に押しているということを表し、水平挟み角θｘの値が大きいということは、氷を冷凍ケーシングに弱く押し付けながら回転方向に押しているということを表す。例えば、リード角β（図５参照）が異なる２本のオーガがあったとする。しかしながら、この２本のオーガ４の螺旋刃５の水平挟み角θｘが同じになるように、螺旋刃５のテーパ面５ａが製作されているならば、オーガ４の氷を冷凍ケーシング２に押し付ける力と、回転方向に押す力との割合は、同じであるということができる。

次に、図４に、冷媒流量一定、蒸発温度一定の条件下で、様々なオーガを用いて製氷し、水平挟み角θｘ（ｄｅｇ）と、冷凍ケーシングの熱交換特性（％）とにてまとめた実測データのグラフを示す。ここで、熱交換特性は、冷凍ケーシングに生成した氷の剥離特性と同等であると見ることができる。この理由は、以下の通りである。「剥離」という行為は、冷凍ケーシングから生成して付着している氷を、この冷凍ケーシングから離す動作であると考えられる。そうすると、冷凍ケーシングの内壁面に生成した氷を「剥離」すれば、次に氷になるための水（熱交換される水）が冷凍ケーシングの内壁面に供給される。今仮に、２つの冷凍ケーシングがあるとして、一方は、「剥離」が良くできて、他方は、「剥離」が上手くいかないとすると、熱交換器としての熱交換特性が良いのは、当然「剥離」が良くできる方である。このように、剥離特性と熱交換特性には相関関係があり、両者は同様な傾向を示すため、上述したように、熱交換特性は、冷凍ケーシングに生成した氷の剥離特性と同等であると見ることができる。なお、熱交換特性（％）は、冷凍能力一定の条件下では、エバポレータ出口過熱度の大きさにて示すことができる。

図４の冷凍ケーシングの熱交換特性を表すグラフにおいては、実測した中で最も熱交換特性が良かったデータを１００％とし、その他のデータを、それに対する割合で示すという表し方をしている。この熱交換特性のグラフから分かるように、水平挟み角が２〜９°で熱交換特性が良いことを示している。その理由としては、剥離特性が８０％を切る、すなわち、螺旋刃によって剥離されずに冷凍ケーシングの内壁面に付着したままの取り残した氷が２０％以上になると、オーガを回転させているギヤモータの負荷が大きくなってしまう。換言すれば、オーガの螺旋刃が冷凍ケーシングの内壁面に生成された氷に力を及ぼして剥離作用が行われるが、剥ぎ取り力を及ぼした氷が確実に剥離できず、残留してしまうと、内壁面に付着した氷とオーガ螺旋刃が接触する箇所が徐々に増し、このオーガに過大な負荷が掛かり、その結果、氷を剥離するためのギヤモータの負荷が、さらに大きくなってしまうということである。従って、８０％以上の氷を冷凍ケーシングの内壁面から剥離できるということは、剥離効率が良いことを意味する。

以上のように、本願発明によれば、冷凍ケーシングで生成した氷の剥離特性は、オーガの螺旋刃の水平挟み角θｘというパラメータで表すことができ、この水平挟み角θｘが２〜９°となるような形状の螺旋刃を有するオーガを使用することによって、確実に氷の剥離を行なうことができ、常に剥離性能がよい状態で製氷することができる。

本発明の好適な実施形態に係るオーガの螺旋刃と冷凍ケーシングとの関係を示す部分水平断面図である。 オーガの螺旋刃のテーパ面における力の作用方向を示す図である。 水平断面における螺旋刃のテーパ面における力の作用関係を示す図である。 水平挟み角と冷凍ケーシングの熱交換特性を示すグラフである。 従来のオーガ式製氷機の全体構成を示す縦断面図である。

符号の説明

１ 製氷筒
２ 冷凍ケーシング
３ 蒸発器
４ オーガ
５ 螺旋刃
５ａ テーパ面
６ カップリング
７ 固定刃
８ 製氷タンク
９ 供給管
１０ 断熱材
θｘ 水平挟み角
θ 刃先角度
β リード角

Claims (2)

1. 内壁に氷層が生成される冷凍ケーシングと、
   該冷凍ケーシングの内部に回転自在に配設され、前記氷層を削氷しつつ搬送する螺旋刃を外周に備えるオーガとを備え、
   前記螺旋刃の刃先には、前記冷凍ケーシングから剥離した前記氷層の搬送方向に面するテーパ面が形成されており、
   前記螺旋刃の前記刃先の前記テーパ面と前記冷凍ケーシングとのなす水平挟み角が所定角度に設定されているオーガ式製氷機。
2. 前記水平挟み角は、２〜９°に設定されている請求項１に記載のオーガ式製氷機。

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