JP6215742B2 - 製氷システム - Google Patents

Description

本発明は、冷媒によって冷却された製氷板の表面に散水することにより氷を生成し、一定の厚さまで氷を成長させた後、製氷板を加温することにより脱氷を行う製氷システムに関し、特に、製氷板内を液冷媒が循環する液循環方式の製氷システムに関する。

冷媒が内部を流れる金属製平板（製氷板）の表面に冷水を散水してこれを氷結させ、一定の厚みに成長した時点で、低温冷媒に換えてホットガス状の冷媒を製氷板内に送給し、製氷板上に形成された氷を剥離させ自重により落下させる製氷装置が従来より実用化されている。

特許文献１や特許文献２に記載された製氷装置では、液冷媒が製氷板内を循環する液循環方式の製氷装置が開示されている。前記製氷装置では、内部に複数の冷媒流路が形成されたアルミ合金製押出成形体からなる製氷板を使用することにより液循環方式を実現している（図７参照）。特許文献１によれば、液循環方式は、製氷板内で液冷媒が蒸発する直膨方式に比べて伝熱効率が高く、コンパクトな製氷装置を提供することができるとされている。

特開平０８−２６１６１４号公報 特開平１１−３２５６７８号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載された製氷装置は、製氷板がアルミ合金製であるため、製氷板本体と上・下ヘッダーとの溶接が面倒で製造コストが掛かるだけでなく、ピンホールが発生して冷媒が漏れやすいという問題がある。また、製氷板が押出成形によって製造されるため、断面形状の変更が難しいという問題もある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、従来に比べて製造コストを大幅に縮減でき、しかも従来より製氷能力が高い製氷システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、第１の発明は、冷媒が循環する冷媒通路が内部に形成された製氷板と、前記製氷板の表面に散水する散水手段と、前記冷媒を循環させる冷媒循環機構とを備える製氷システムにおいて、
前記製氷板が、対向する一対のステンレス平板からなり、前記一対のステンレス平板の対向する面同士が、当該面に千鳥状に配置された複数の円形接合部で接合されることにより当該円形接合部を底部とする凹部が形成され、且つ前記冷媒が漏洩しないように前記一対のステンレス平板の周縁部が接合されていることを特徴としている。

本製氷板は、一対のステンレス平板の対向する面同士が、当該面に千鳥状に配置された複数の円形接合部で接合され、円形接合部と円形接合部の間の領域が冷媒通路となっている。本製氷板では、円形接合部を除く領域（冷媒通路）が外方に膨出し、製氷板の表面（製氷面）が波打った形状を呈している。製氷面が真っ平らであると、溶けた水が水膜となって製氷板と氷の間で吸盤のような作用をするため、製氷板から板状の氷（以下、「プレートアイス」と呼ぶ。）がなかなか落下しない。一方、本製氷板は、製氷面が波打っているため、脱氷時に製氷板が面方向に伸びた際、製氷板と氷の間にズレが発生して氷と水膜の間に空気が入り込み、製氷板からプレートアイスが弾き出される。その結果、製氷板からプレートアイスが容易に落下し、製氷から脱氷までの１サイクルの時間を従来に比べて短縮することができる。

また、第１の発明に係る製氷システムでは、前記散水手段が、鉛直面内に設置された前記製氷板の上方に設置された散水タンクからなり、
前記散水タンクの底面に、断面が山形状とされた突条部が形成され、前記突条部の稜線が前記製氷板に沿って該製氷板の直上に配置され、前記突条部を構成する各傾斜面に、前記製氷板の表面に向けて散水する散水孔が設けられていてもよい。

当該構成では、散水タンクの底部に形成した突条部の散水孔から製氷板に直接散水するので、従来のように、散水用の配管やノズルを設ける必要がなく、製造コストを大幅に縮減することができるだけでなく、散水タンクの底部を清掃するだけで良いのでメンテナンスも容易である。

また、第１の発明に係る製氷システムでは、前記製氷板から落下するプレートアイスを破砕して搬送するスクリューコンベアが該製氷板の下方に設置され、前記スクリューコンベアの回転軸の方向が平面視して該製氷板の壁面と直交する方向とされていることを好適とする。

当該構成では、製氷板の下方に設置したスクリューコンベアの回転軸の方向を平面視して製氷板の壁面と直交する方向とすることにより、製氷板から落下する板状のプレートアイスをスクリューで効率良く破砕して搬送することができる。

また、第２の発明は、第１の発明に記載の製氷システムに用いられる製氷板の製造方法であって、
前記一対のステンレス平板を密着させ、前記円形接合部となる領域の円周に沿ってレーザー溶接して該円形接合部を形成すると共に、前記一対のステンレス平板の周縁部に沿ってレーザー溶接する工程と、
溶接された前記一対のステンレス平板の上下端部にそれぞれパイプを取り付けて、一方の前記パイプから高圧水を該一対のステンレス平板間に送給し、該一対のステンレス平板を膨出させる工程とを備えることを特徴としている。

本発明では、対向する一対のステンレス平板をレーザー溶接することにより、冷媒が循環する冷媒通路が内部に形成された製氷板を製造するので、溶接作業が容易で、アルミ合金製押出成形体からなる製氷板に比べて製造コストが約１／４となる。

本発明では、一対のステンレス平板の対向する面同士が、当該面に千鳥状に配置された複数の円形接合部で接合され、製氷面が波打っているので、製氷板からプレートアイスが容易に落下する。その結果、製氷から脱氷までの１サイクルの時間が従来より短縮され、従来に比べて高い製氷能力を発揮することができる。
また、対向する一対のステンレス平板をレーザー溶接することにより、冷媒通路が内部に形成された製氷板を製造するので、従来に比べて製造コストを大幅に縮減することができる。

本発明の一実施の形態に係る製氷システムの冷媒循環機構を説明するための冷媒配管系統図である。 同製氷システムによる製氷プロセスを説明するための模式図である。 同製氷システムを構成する製氷板の立面図である。 （Ａ）は製氷板表面の部分拡大図、（Ｂ）はＸ−Ｘ矢視断面図である。 製氷板の部分斜視図である。 （Ａ）は同製氷システムを構成する散水タンクの立断面図、（Ｂ）はＹ部の拡大図である。 従来の製氷板の斜視図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。

本発明の一実施の形態に係る製氷システムは、冷媒が循環する冷媒通路が内部に形成された複数の製氷板と、製氷板の表面に散水する散水手段と、冷媒を循環させる冷媒循環機構と、各製氷板から落下するプレートアイスを破砕して搬送するスクリューコンベアとを備えている。
本実施の形態に係る製氷システムの冷媒配管系統図を図１に、同製氷システムによる製氷プロセスを説明するための模式図を図２にそれぞれ示す。

冷媒を循環させる冷媒循環機構は、気体冷媒を圧縮する圧縮機３０、圧縮された気体冷媒を凝縮して液化させる凝縮器３１、液冷媒を断熱膨張させる膨張弁３２、冷媒を溜めておく冷媒気化タンク３３、冷媒気化タンク３３内の液冷媒を各製氷板１０に送給する冷媒ポンプ３４、並びに、これら機器を繋ぐ冷媒配管２０〜２７とを備えている。なお、冷媒にはフロンＲ４０４Ａ等が使用される。

また、高温の気体冷媒（以下、「ホットガス」と呼ぶ。）を送給する冷媒配管２０から各製氷板１０に向けて分岐する冷媒配管２３上には電磁弁３７が、液冷媒を送給する冷媒配管２１から各製氷板１０に向けて分岐する冷媒配管２４上には止め弁３５及び逆止弁３９がそれぞれ設置され、各製氷板１０から排出される冷媒を冷媒気化タンク３３に送給する冷媒配管２５、２６上には止め弁３６、電磁弁３８がそれぞれ設置されている。

気体冷媒は圧縮機３０で圧縮されて高温・高圧の気体冷媒となり、凝縮器３１で凝縮されて３５℃程度の高圧の液冷媒となる。高圧の液冷媒は膨張弁３２で断熱膨張して−８℃程度の低圧の液冷媒となり、冷媒気化タンク３３に送られる。冷媒気化タンク３３内の液冷媒は、冷媒ポンプ３４により、冷媒配管２１、２４を介して各製氷板１０に送給される。

本実施の形態では、製氷板１０は４つのユニットから構成されており、並設された１０枚の製氷板１０で１ユニットを構成している。隣接する製氷板１０の中心間距離は５０ｍｍ〜７０ｍｍ程度とされている。
各製氷板１０に送給された液冷媒は、鉛直面内に配置された製氷板１０内を下方に流れ、冷媒配管２６、２２を介して冷媒気化タンク３３に送られる。冷媒気化タンク３３内の気体冷媒は冷媒配管２７を介して圧縮機３０に送られ、再び圧縮される。

図２に示すように、各製氷板１０の上方には、散水手段としての散水タンク１３が設置されており、液冷媒によって冷却された各製氷板１０の上部表面に向けて散水タンク１３から冷水が散布される。これにより、製氷板１０の表面（製氷面）が氷結し、一定の厚みに成長する。

製氷面上の氷が一定の厚みに成長すると（１５分程度）、６０〜７０℃のホットガスが製氷板１０に送給される。これにより、製氷板１０が加温され、製氷板１０からプレートアイスが剥離し自重により落下する。

圧縮機３０から排出される高温・高圧の気体冷媒の一部が、製氷板１０を加温するホットガスとして使用される。圧縮機３０から排出された高温・高圧の気体冷媒の一部は、冷媒配管２０、２３を介して製氷板１０に送給される。製氷板１０に送給されたホットガスは製氷板１０内を下方に流れ、冷媒配管２５、２２を介して冷媒気化タンク３３に送られる。

脱氷はユニットごとに順次行われる。製氷時には、冷媒配管２３上の電磁弁３７及び冷媒配管２５上の止め弁３６が閉鎖される。一方、脱氷時には、冷媒配管２６上の電磁弁３８が閉鎖される。なお、冷媒配管２４に逆止弁３９が設置されているので、ホットガスが冷媒配管２４に流れ込むことはない。

アルミ合金製押出成形体からなる従来の製氷板の場合、製氷板にホットガスが流入してから氷が剥離するまで概ね２分程度かかっていたが、本製氷板１０では２０秒程度で良い。製氷に要する時間を１５分とすると、従来の製氷板の場合、製氷から脱氷までの１サイクルは１０２０秒となる。従って、２４時間当たりの製氷回数は８５回となり、仮に１回当たりの製氷能力を１００ｋｇとすると、２４時間当たりの製氷量は８．５ｔｏｎとなる。一方、本製氷板１０の場合、製氷から脱氷までの１サイクルは９２０秒となり、２４時間当たりの製氷回数は９４回、２４時間当たりの製氷量は９．４ｔｏｎとなる。従って、従来の製氷板に対して１０％の製氷効率アップとなる。

製氷板１０から落下した板状のプレートアイスは、製氷板１０の下方に設置されたスクリューコンベア１５により破砕されて搬送される。スクリューコンベア１５の回転軸１５ｂの方向は平面視して製氷板１０の壁面と直交する方向とされており、スクリュー１５ａとスクリュー１５ａの間に板状のプレートアイスが落下することで、スクリュー１５ａで板状のプレートアイスを効率良く破砕して搬送することができる。

スクリューコンベア１５を収納するケーシング１６の底面はパンチングメタルになっており、製氷板１０から落下する水滴や破砕時に発生する微少な氷はパンチングメタルを通過し、スクリューコンベア１５の下方に設置された水槽１７に落下する。水槽１７に落下した氷は、水槽１７に供給される水道水と熱交換して融解する。水槽１７内の冷水は、冷水ポンプ１８により、給水管１９を介して散水タンク１３に供給される。

一方、スクリューコンベア１５により破砕された氷は、ケーシング１６に設けた排出口１６ａからロータリーバルブ４２内に投下される。ロータリーバルブ４２にはエアーの吸入口（図示省略）と排出口（図示省略）が設けられており、吸入口にはエアーホース４４を介してブロワ４０と冷却器４１が、排出口には搬送管４５を介して砕氷機４３が接続されている。
ブロワ４０に吸引され冷却器４１によって冷却されたエアーは、エアーホース４４を介して吸入口からロータリーバルブ４２内に送給され、ロータリーバルブ４２内の氷を伴って排出口から排出される。排出口から排出された氷粒は搬送管４５を介して砕氷機４３に搬送され、砕氷機４３で粉砕された後、ゲレンデに噴射されて人工雪となる。

図３〜図５に製氷板１０の形状を示す。製氷板１０は、対向する一対のステンレス平板１１からなり、一対のステンレス平板１１の対向する面同士が、当該面に千鳥状に配置された複数の円形接合部１１ａで接合されている。また、一対のステンレス平板１１の周縁部１１ｂから冷媒が漏れ出ないように、周縁部１１ｂに沿って水密に接合されている。
製氷板１０の上端部の一方の側面には、冷媒を送り込むためのパイプ１２ａが、製氷板１０の下端部の一方の側面には、冷媒を排出するためのパイプ１２ｂがそれぞれ取り付けられている。

円形接合部１１ａの直径は５ｍｍ〜１５ｍｍ程度、円形接合部１１ａの中心間の間隔は３５ｍｍ〜４５ｍｍ程度とされている。図４（Ａ）及び図５に示すように、円形接合部１１ａの周囲は外方に隆起し、円形接合部１１ａを底部とする多角形状の凹部を形成している。隣接する多角形状の凹部によって、製氷板１０の製氷面は波打った形状を呈している。
図４（Ｂ）及び図５に示すように、円形接合部１１ａの周囲に形成された空間が冷媒通路２８となる。

製氷板１０の製造方法は以下の通りである。
（１）一対のステンレス平板１１を密着させ、円形接合部１１ａとなる領域の円周に沿ってレーザー溶接して円形接合部１１ａを形成すると共に、一対のステンレス平板１１の周縁部１１ｂに沿ってレーザー溶接する。ステンレス平板１１にはＳＵＳ３０４等を使用し、板厚は１．０ｍｍ〜１．５ｍｍ程度とする。レーザー溶接する際の溶接幅は０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ程度、溶込み深さは最大３ｍｍ程度、溶接速度は１ｍ／ｓｅｃ程度とする。
（２）溶接された一対のステンレス平板１１の上下端部にそれぞれパイプ１２ａ、１２ｂを溶接し、高圧ポンプを用いて高圧水をパイプ１２ａから一対のステンレス平板１１間に送給し、一対のステンレス平板１１間の膨らみが３ｍｍ〜７ｍｍ程度になるまで一対のステンレス平板１１を膨出させる。なお、高圧水の水圧は５ＭＰａ程度とする。

レーザー溶接装置は、レーザー発振器、導波路、集光部などから構成されている。レーザー溶接では、レーザー発振器として大出力化が進んでいるＣＯ_２レーザーとＹＡＧレーザーが用いられることが多い。レーザー発振器によって生成された単一波長かつ位相差の無い（コヒーレントな）光は、導波路を介して集光部へ導波され、放物面鏡や集光レンズ等で構成された集光部によって適切なサイズに集光された後、被溶接材に照射される。照射された光は被溶接材に吸収され、加熱された被溶接材が溶融することにより接合が行われる。なお、溶接金属の酸化等を防ぐため、ＡｒやＨｅなどのシールドガスを溶接金属へ吹き付けることが行われる。

図６（Ａ）、（Ｂ）に散水タンク１３の形状を示す。散水タンク１３の底面には、断面が山形状（逆Ｖ字状）とされた複数の突条部１４が形成されている。各突条部１４は、その稜線１４ａが製氷板１０に沿って製氷板１０の直上に位置するように配置されている。そして、突条部１４を構成する各傾斜面１４ｂには、製氷板１０の表面に向けて散水する散水孔１４ｃが製氷板１０に沿って複数設けられている。
隣接する稜線１４ａの間隔、即ち製氷板１０の中心間距離は５０ｍｍ〜７０ｍｍ程度とされている。また、水平面に対する傾斜面１４ｂの傾斜角度は２５°〜３５°程度、散水孔１４ｃの径は３．５ｍｍ程度、散水孔１４ｃのピッチは２５ｍｍ〜３５ｍｍ程度とされている。

突条部１４の各傾斜面１４ｂが製氷板１０の方向を向いているため、傾斜面１４ｂに設けられた散水孔１４ｃから排出する冷水は製氷板１０の表面に向けて噴射される。

以上、本発明の一実施の形態について説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、上記実施の形態では、製氷板は４ユニットとされ、各ユニットは１０枚の製氷板から構成されているが、３ユニット以下あるいは５ユニット以上でも良いし、各ユニットの製氷板枚数にも制限はない。また、上記実施の形態では、本製氷システムを人工降雪システムの一部として使用したが、食品などの冷蔵プロセスや化学反応プロセスなどに本製氷システムが適用できることはいうまでもない。

１０：製氷板、１１：ステンレス平板、１１ａ：円形接合部、１１ｂ：周縁部、１２ａ、１２ｂ：パイプ、１３：散水タンク、１４：突条部、１４ａ：稜線、１４ｂ：傾斜面、１４ｃ：散水孔、１５：スクリューコンベア、１５ａ：スクリュー、１５ｂ：回転軸、１６：ケーシング、１６ａ：排出口、１７：水槽、１８：冷水ポンプ、１９：給水管、２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７：冷媒配管、２８：冷媒通路、３０：圧縮機、３１：凝縮器、３２：膨張弁、３３：冷媒気化タンク、３４：冷媒ポンプ、３５、３６：止め弁、３７、３８：電磁弁、３９：逆止弁、４０：ブロワ、４１：冷却器、４２：ロータリーバルブ、４３：砕氷機、４４：エアーホース、４５：搬送管

Claims (4)

1. 冷媒が循環する冷媒通路が内部に形成された製氷板と、前記製氷板の表面に散水する散水手段と、前記冷媒を循環させる冷媒循環機構とを備える製氷システムにおいて、
   前記製氷板が、対向する一対のステンレス平板からなり、前記一対のステンレス平板の対向する面同士が、当該面に千鳥状に配置された複数の円形接合部で接合されることにより当該円形接合部を底部とする凹部が形成され、且つ前記冷媒が漏洩しないように前記一対のステンレス平板の周縁部が接合されていることを特徴とする製氷システム。
2. 請求項１記載の製氷システムにおいて、前記散水手段が、鉛直面内に設置された前記製氷板の上方に設置された散水タンクからなり、
   前記散水タンクの底面に、断面が山形状とされた突条部が形成され、前記突条部の稜線が前記製氷板に沿って該製氷板の直上に配置され、前記突条部を構成する各傾斜面に、前記製氷板の表面に向けて散水する散水孔が設けられていることを特徴とする製氷システム。
3. 請求項１又は２記載の製氷システムにおいて、前記製氷板から落下するプレートアイスを破砕して搬送するスクリューコンベアが該製氷板の下方に設置され、前記スクリューコンベアの回転軸の方向が平面視して該製氷板の壁面と直交する方向とされていることを特徴とする製氷システム。
4. 請求項１記載の製氷システムに用いられる製氷板の製造方法であって、
   前記一対のステンレス平板を密着させ、前記円形接合部となる領域の円周に沿ってレーザー溶接して該円形接合部を形成すると共に、前記一対のステンレス平板の周縁部に沿ってレーザー溶接する工程と、
   溶接された前記一対のステンレス平板の上下端部にそれぞれパイプを取り付けて、一方の前記パイプから高圧水を該一対のステンレス平板間に送給し、該一対のステンレス平板を膨出させる工程とを備えることを特徴とする製氷板の製造方法。

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