JP5385198B2 - 製氷安定方法及び氷製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、水の過冷却状態を利用してシャーベット状の氷を製造する方法及び氷製造装置に関するものである。

従来から、水を０℃以下の過冷却状態にした過冷却水を生成し、当該過冷却水に振動、衝撃を付与して過冷却状態を解除することで相変化させ、シャーベット状の氷を製造することが行なわれてきている（特許文献１）。

前記過冷却水を生成する場合、過冷却水を製造する熱交換器（過冷却器）としては、通常、冷凍ブラインと熱交換する熱交換器が使用されており、この種の熱交換器としては、シェルアンドチューブ式熱交換器、ガスケットタイプのプレート式熱交換器等が挙げられるが、スペース、効率の点から、プレート式熱交換器が用いられることがある。ガスケットタイプのプレート式熱交換器では、二流体（水とブライン）間の混合と外部への漏洩を防止するために、プレートの外周部と二流体間の仕切りにガスケットが使用されており、両端に位置するエンドプレートを締め付けることによってガスケットを潰し、所定のシール能を得ている。

特開２００９−２０４１６２号公報

しかしながら、発明者らが調べた結果、ガスケットタイプのプレート式熱交換器を用いた場合、プレート式熱交換器の外表面の仕上げ方法によってはプレート式熱交換器で凍結が頻発し、製氷運転が不安定になることがあることがわかった。従来、過冷却現象を利用した密閉型の製氷機で起こる凍結の原因は、全て配管や機器内部に存在すると考えられていたが、発明者らの研究によれば、配管の外表面からの影響で凍結が発生することが知見できた。

すなわち、プレート式熱交換器は一般の熱交換器と同様に、水漏れがなければ外部と内部とは全く遮断されていると考えられ、そのため外表面の相変化が内部に侵入することはなく、格別それを防止するための特別な対策は講じられていないのが実情である。

ところが、配管や過冷却器の外表面が濡れていたり結露したりすると、外表面は霜あるいは氷で覆われ、このとき、外表面が氷で覆われた区間で凍結が発生する。発明者らが調べたところ、プレート式熱交換器（過冷却器）の凍結を引き起こす原因の１つに、機器や配管の外部の相変化、例えば水から氷への変化が内部に伝播するという現象があることが分かった。

これは、機器や配管の内部が過冷却状態になる部位では、特に加熱等をしない限り外表面温度は０℃以下になるため、配管外表面が濡れていたり結露したりすると、外表面は霜あるいは氷で覆われることになる。このとき、外表面が氷で覆われた区間に機械的接合部があると、接合面に存在する水分が配管内部の過冷却水によって過冷却状態となり、さらに外表面で氷に接触することになるので、接合面に存在する過冷却水は過冷却状態が解除されるためである。このようにして配管外表面の相変化が内部に伝播し、内部に凍結が発生する。なお、接合面を介して相変化が伝播するかどうかは、水漏れの有無では判別できない。

本発明の目的は、このような配管外表面の相変化によって、配管や機器内部に凍結が発生するのを防止して、製氷の安定性を向上させることにある。

前記目的を達成するため、本発明の製氷安定方法は、熱交換器による冷媒との熱交換によって過冷却水を生成し、当該過冷却水の過冷却状態を、密閉配管系統で解除してシャーベット状の氷を製造する氷製造装置において、前記過冷却水が流れる区間にある機械的接合部から続く外表面を、当該機械的接合部に含まれる水分を除去した後、気密カバーで封止し、当該気密カバー内部に、乾燥空気または水分を含有せず揮発しない液体または前記冷媒の温度よりも凝固点が低い不凍液のいずれかを充填することで、配管表面の相変化が配管内部に伝播することを防止することを特徴としている。

また本発明にかかる氷製造装置は、熱交換器による冷媒との熱交換によって過冷却水を生成し、当該過冷却水の過冷却状態を、密閉配管系統で解除してシャーベット状の氷を製造する氷製造装置において、前記過冷却水が流れる区間にある機械的接合部から続く外表面が、当該機械的接合部に含まれる水分が除去された状態で気密カバーで封止され、当該気密カバー内部に、乾燥空気または水分を含有せず揮発しない液体または前記冷媒の温度よりも凝固点が低い不凍液のいずれかが充填されていることを特徴としている。

既述したように、配管外表面の相変化が内部に伝播して内部が凍結する原因は、接合面に存在する水分が配管内部の過冷却水によって過冷却状態となり、それが外表面で氷に接触することで、接合面に存在する過冷却状態となった水分の過冷却状態が解除されることであるから、本発明のように、機械的接合部から続く外表面を、当該機械的接合部に含まれる水分が除去された後、気密カバーで封止し、気密カバー内部に、乾燥空気、水分を含有せず揮発しない液体または前記冷媒の温度よりも凝固点が低い不凍液のいずれかを充填することで、配管表面の相変化が配管内部に伝播することを防止することが可能である。

すなわち、当該機械的接合部に含まれる水分を除去した後、気密カバー内部に、乾燥空気、水分を含有せず揮発しない液体または前記冷媒の温度よりも凝固点が低い不凍液などを充填しておくことで、相変化が内部に伝播しようとしても、元々当該機械的接合部に含まれる水分は除去されており、しかも気密カバー内部には、これら乾燥空気、水分を含有せず揮発しない液体または前記冷媒の温度よりも凝固点が低い不凍液のいずれかが充填されているから、外部から水分の侵入は防止され、またこれら乾燥空気等がいわばバリアとなって機能し、その結果、当該伝播は防止され、接合面に存在する水分の過冷却状態が解除されることはない。したがって、機械的接合部から配管内や機器内部に凍結が頻発することを防止できる。

なおここで乾燥空気の露点温度は、配管または機器を流れる流体の中で最も温度が低いものの温度によって決定される。すなわち、たとえば−３℃のブラインが流入し、−２℃の過冷却水が生成されるプレート式過冷却器では、プレート圧着部等では、−３℃で結露しない露点温度の乾燥空気が必要である。また過冷却水の配管において、−２℃の過冷却水が流れるフランジ部においては、−２℃で結露しない露点温度の乾燥空気が必要となる。この乾燥空気は、例えばガスボンベから供給してもよく、工場などで乾燥空気の供給管があれば、当該供給管から分岐させたりして、そこから供給してもよい。また水分を含有せず揮発しない液体としては、たとえば油やシリコンシーラントなどを例示できる。また密閉配管系統で解除するとは、たとえば衝突板に過冷却水を衝突させて過冷却水を解除する、いわゆる開放型の解除方式と対置される、大気に開放していない空間内で解除することをいう。また過冷却水が流れる区間にある機械的接合部とは、溶接、接着剤を使用することなく、機械的要素などで配管同士や、フランジ、プレート、ガスケットが接合されている部分をいう。

本発明によれば、配管外表面の相変化があっても、配管や機器内部に凍結が発生するのを防止して、製氷の安定性を向上させることができる。

実施の形態にかかる製氷安定方法が実施される氷蓄熱システムの概要を模式的に示した説明図である。 図１の氷蓄熱システムに使用した過冷却器の構成を模式的に示した説明図であり、左側の図は正面、右側の図は右側面を各々示している。 接続フランジ部の外表面を気密カバーで覆い、内部に乾燥空気を充填した例を模式的に示した説明図である。 接続フランジ部の外表面を気密カバーで覆い、内部に水分を含まず揮発しない液体を封入した例を模式的に示した説明図である。 凸部を有する気密カバーの要部を拡大した様子を模式的に示した説明図である。 図５の凸部を模式的に示した説明図である。 凸部に器具の先端を差し込んでカバー内を抽気したり、ドライエアなどを注入している様子を示す説明図である。 溶着装置で凸部の基部を溶着している様子を示す説明図である。 溶着後の凸部の様子を示す説明図である。 凍結の有無を調べた実験の結果を示すグラフである。

以下、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は、実施の形態にかかる製氷安定方法が実施される氷蓄熱システムの全体の概要を示しており、氷蓄熱槽１から取水した水は、取水配管２を通じ、予熱装置３によって氷核を完全に無くされた後に、ポンプ４によって、過冷却器入口側接続部５を経由して、プレート式熱交換器で構成された過冷却器６に送られる。過冷却器６に送られた水は、冷凍機７からポンプ８によって送られた低温のブラインと熱交換されることで、氷蓄熱槽１から取水された前記水は、０℃以下の過冷却水となる。

過冷却器６によって生成された過冷却水は、過冷却器出口側接続部９から、配管１０を通じて伝播防止装置１１を経て、例えば密閉系の過冷却解除装置１２によってスラリー状の氷水に変換され、再び氷蓄熱槽１に戻される。シャーベット状の氷は、氷蓄熱槽１内で水の比重差から分離、浮上し、氷蓄熱槽１内に蓄えられる。このようなサイクルを繰り返すことで、氷蓄熱槽１内の水が氷に変換されて、冷熱が蓄熱される。なおブライン流路１３に、配管１４を介して設けられているタンクは、ブライン膨張タンク１５である。

過冷却器６は、図２に示すようなプレート式熱交換器が用いられている。この過冷却器６は、多数のプレート２１を、ガスケット２２を挟んで両端のエンドプレート２３、２４間に積層した構造を有し、プレート２１、ガスケット２２を貫通したシャフト２５の端部をエンドプレート２４の外側からナット２６で締め付けることによって一体化されている。そして各プレート２１の上端近傍を貫通する水流路２７からの水と、各プレート２１の下端近傍を貫通するブライン流路２８からのブラインは、各プレート２１とガスケット２２とによって形成された空間内に交互に流れており、プレート２１を介して両者が熱交換されるようになっている。なお図示の都合上、各プレート２１とガスケット２２との間の空隙は、誇張して描図している。

次に、外部表面の相変化によって内部凍結が発生しやすい部位の一つである、過冷却器出口側接続部９と伝播防止装置１１との間の配管１０における接続フランジ部１６についての、本発明の適用例について説明する。

図３は、接続フランジ部１６の断面を拡大して模式的に示しており、配管１０を構成する管１０ａ、１０ｂの接続端部には、各々に対応してフランジ１０ｃ、１０ｄが形成されている。これらフランジ１０ｃ、１０ｄは、リング状のガスケット３１を挟んで、固定部材、たとえばボルト、ナット等（図示せず）によって接続固定（機械的接合）されている。機械的接合は、そのようなボルト、ナットによる固定に限られない。すなわち本発明でいう機械的接合は、何らかの機械的手段で接合されたものをいい、接着剤で接合したり、溶接したりする固定方法を除くという意味である。なおガスケット３１とフランジ１０ｃ、１０ｄとの間は、実際には密着しているが、構造をわかりやすく説明する都合上、空隙を描図している。

そして図３の例では、フランジ１０ｃ、１０ｄの周面外周全周にわたって気密に覆う気密カバー３２が設けられ、気密カバー３２とフランジ１０ｃ、１０ｄの周面外周との間の空間には、予め、機械的接合部に含まれる水分を除去した後、気密カバー３２とフランジ１０ｃ、１０ｄの周面外周との間の空間に、ドライエアを充填して封入したものである。

かかる構成によれば、機械的接合部に含まれる水分が霜３４と接触するといった事態は発生せず、配管１０外部の相変化が配管１０内部に伝播することを防止することができる。なお、予め機械的接合部に含まれる水分を除湿するには、たとえば、接合前に乾燥雰囲気下で十分乾燥させておけばよい。

図４に示した例は、気密カバー３２とフランジ１０ｃ、１０ｄの周面外周との間の空間に、水分を含まず揮発しない液体３５を封入したものである。水分を含まず揮発しない液体３５としては、たとえば油やシリコンシーラントなどを例示できる。かかる構成によっても、機械的接合部内の水分は、水分を含まない液体３５によって、霜３４と接触することはなく、したがって配管１０外部の相変化が配管１０内部に伝播することを防止することができる。この場合、水分を含まず揮発しない液体３５に代えて、過冷却器６に流入するブラインの温度よりも凝固点が低い不凍液を用いてもよい。

前記した図３、図４に示したように、機械的接合部に含まれる水分を除去した後、気密カバー３２とフランジ１０ｃ、１０ｄの周面外周との間の空間に、ドライエアや水分を含まず揮発しない液体を充填するには、例えば次のような方法が提案できる。

すなわち、氷製造装置が既設の場合には、一旦過冷却水の流通を停止するか、０℃以上となった水を配管内に循環させる。そして接合面等を、たとえば薄板状の吸水材などで拭く。新設の場合には、接合前にフランジ１０ｃ、１０ｄやガスケット３１をファン等によって十分乾燥させて、表面の水分を除去しておく。そして接合後、既設の場合には、表面や接合面を乾燥後、図５、図６に示したように、例えば気密カバー３２に凸部３２ａを有する形状のものを使用して、接合部外周を封止する。次いでこの凸部３２ａ内に、図７に示したような、吸引や注入が可能な器具４１の先端を差し込み、気密カバー３２内を抽気したり、その後にドライエアや水分を含まず揮発しない液体を注入する。

その後、図８に示したように、器具４１の先端を差し込んだ状態で、適宜の溶着装置４２によって、器具４１の先端よりも凸部３２ａの基部側を溶着する。これによって、図９に示したように、気密カバー３２での封止状態を維持したまま、気密カバー３２内に、ドライエアや水分を含まず揮発しない液体が充填される。なお図９中、４３は溶着部を示している。

なおそのような器具４１や溶着装置４２を用いずとも、気密カバー３２の外周に開口を形成し、この開口を通じて抽気、その後にドライエアや水分を含まず揮発しない液体を注入し、その後に開口を封止するようにしてもよい。特に水分を含まず揮発しない液体を充填する場合には、このような手順でも容易に実施できる。ドライエアを充填する場合には、開口を２箇所に形成し、一方は抽気、他方はエアの注入に供するとよい。

参考までに、図１に示した氷蓄熱システムにおいて使用した配管系のうち、接続フランジ部１６において、凍結の発生有無を調べた実験について説明する。

本実験は、図１０に示したように、まず２時間以上の連続運転を行い、安定運転を確認（装置の健全性を確認）した後、過冷却器〜伝播防止器の接続フランジ部１６外周部に氷を接触させたまま保持し、凍結の有無を確認する。ついで接続フランジ部１６外周部の水分を拭き取り、フランジ外表面を乾燥剤と共に気密にした状態で凍結の有無を確認した。

図のグラフ中、水入口温度は、過冷却器６に導入される水の温度、過冷却水温度は、過冷却器６を出て配管１０内を流れる過冷却水の温度、Ｂｒ入口温度は、過冷却器６に導入される冷凍ブラインの温度、Ｂｒ入口温度は、熱交換後に過冷却器６を出る冷凍ブラインの温度を意味し、各々グラフの左側の目盛で温度を表示している。またＢｒ流量は、過冷却器６を流れる冷凍ブラインの流量、水流量は、過冷却器６に導入される水の流量である。

この結果によれば、図１０のグラフに示したように、接続フランジ部１６外周部に氷を接触させたまま運転を続けると、接続フランジ部１６外周部に氷を接触させた直後から連続凍結（数十分間隔の周期的凍結）が起こった。しかしながら、接続フランジ部１６外周部の水分を拭取り、フランジ外表面を乾燥剤と共に気密すると連続凍結が止まり、正常な製氷状態に復帰した。なおこのとき、気密にした接続フランジ部１６外表面以外の配管１０の表面では着霜が起こっていた。

以上の結果から、過冷却水が流れる配管に機械的接続部があると、その種類（フランジ接続、ねじ込み、プレート圧着部）に関係なく、配管外部に氷を接触させることで凍結を再現できることを確認するとともに、機械的接続部が無い直管部で氷を接触させてもこのような凍結は起こらないことを確認した。以上のことから、本実験での凍結原因は、配管外表面に与える熱的なショックが熱伝導によって配管内部に伝わることではなく、機械的接合面に沿って相変化が内部に伝播することが凍結原因であると結論付けることができる。

そして前記実験では、フランジ外表面を乾燥剤と共に気密に封止したものであったが、本発明のように、機械的接合部から続く外表面を、当該機械的接合部に含まれる水分を除湿した後、気密カバーで封止し、気密カバー内部に、乾燥空気、水分を含有せず揮発しない液体または前記冷媒の温度よりも凝固点が低い不凍液を収納しても、そのような配管表面の相変化が配管内部に伝播することを防止することができることが十分に推認できる。

なお以上は、接続フランジ部１６の外表面に本発明を実施した例について説明したが、過冷却器６として用いた、プレート式熱交換器におけるプレートとガスケットの接合部分、すなわち機械的接合部分の外表面についても適用できるものである。また配管系についても、もちろんシェルアンドチューブ型過冷却器を用いた場合の配管系にも適用がある。

本発明は、熱交換器による冷媒との熱交換によって過冷却水を生成し、当該過冷却水の過冷却状態を、密閉配管系統で解除してシャーベット状の氷を製造する氷製造装置において有用である。

１ 氷蓄熱槽
２ 取水配管
３ 予熱装置
４、８ ポンプ
５ 過冷却器入口側接続部
６ 過冷却器
７ 冷凍機
９ 過冷却器出口側接続部
１０ 配管
１０ａ、１０ｂ 管
１０ｃ、１０ｄ フランジ
１１ 伝播防止装置
１２ 過冷却解除装置
１３ ブライン流路
１６ 接続フランジ部
３１ ガスケット
３２ 気密カバー
３４ 霜
３５ 水分を含まず揮発しない液体

Claims (2)

1. 熱交換器による冷媒との熱交換によって過冷却水を生成し、当該過冷却水の過冷却状態を、密閉配管系統で解除してシャーベット状の氷を製造する氷製造装置において、
   前記過冷却水が流れる区間にある機械的接合部から続く外表面を、当該機械的接合部に含まれる水分を除去した後、気密カバーで封止し、当該気密カバー内部に、乾燥空気または水分を含有せず揮発しない液体または前記冷媒の温度よりも凝固点が低い不凍液のいずれかを充填することで、
   配管表面の相変化が配管内部に伝播することを防止することを特徴とする、製氷安定方法。
2. 熱交換器による冷媒との熱交換によって過冷却水を生成し、当該過冷却水の過冷却状態を、密閉配管系統で解除してシャーベット状の氷を製造する氷製造装置において、
   前記過冷却水が流れる区間にある機械的接合部から続く外表面が、当該機械的接合部に含まれる水分が除去された状態で気密カバーで封止され、当該気密カバー内部に、乾燥空気または水分を含有せず揮発しない液体または前記冷媒の温度よりも凝固点が低い不凍液のいずれかが充填されていることを特徴とする、氷製造装置。

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