JP7430896B2 - 製氷方法および製氷装置 - Google Patents

Description

本発明は、製氷方法および製氷装置に関する。

氷中に不透明な部分ができる主な要因は、原料水中の溶存ガスやミネラル分等の不純物が製氷過程において氷中に封じ込められ白濁することと、目視で確認しうる結晶粒界が存在するためである。従来、この白濁を抑制し透明な氷を製造する方法として、製氷容器を振動させたり、空気を送り込んだりしながら製氷する方法や、製氷する前に溶存ガスを脱気した原料液を用いて製氷する方法がとられてきた。

このほか透明な氷を製造する技術としては、密閉型の製氷容器を用いて容器空間を減圧して製氷する技術（例えば、特許文献１参照）や、製氷容器に電位を印加して気泡を収集する技術（例えば、特許文献２参照）等も知られている。

原料液を脱気する方法としては、製氷前に原料液を脱気容器にて減圧し脱気した後に使用する方法（例えば、特許文献３参照）や、中空糸膜を用いる方法（例えば、特許文献４参照）等が知られている。

これらの方法による原料液の脱気と製氷容器空間を減圧して製氷する技術を組み合わせた製氷方法（例えば、特許文献５参照）も知られている。

しかしながら、従来技術で製造される透明な氷は、ほとんどが数ｍｍ以下の結晶で構成された多結晶であって、数十ｍｍを超える単結晶粒で構成された氷とはならない。尚、ここでは結晶粒の大きさは等価円直径で示し、等価円直径が３０ｍｍを超える結晶粒で構成され粒界が目視で判別できない氷を単結晶氷と呼ぶ。

単結晶氷は透明度が高く美しいことから特に飲料用としての商品価値が高い。また、結晶方位が揃った単結晶氷は硬度が高く、気泡が無く結晶粒が大きいと氷解し難いという特性をも有している。このような特性があることから、本出願人は単結晶氷を製造可能な製氷装置を発明し開示した（特許文献６参照）。本出願人はさらに技術を改良し当該技術の詳細を非特許文献１および非特許文献２により開示した。

特開２００９－２４３８２６号公報 特開２０１４－６６４６０号公報 特開２０１１－２０２９１２号公報 特開２０１６－２１７６５０号公報 特開平５－３３２６５２号公報 特許第５１３５５７６号公報

日本雪氷学会誌「雪氷」７０巻５号４７７（２００８） 日本雪氷学会雪氷研究大会（２０１１・長岡）講演要旨集

特許文献６に開示される製氷装置を用いれば単結晶氷を製造できるものの、より商品価値を高めるためには、より大きなサイズに製氷することが望まれている。例えば水割り、カクテル、オンザロックなどの飲料用では、その飲料用容器と同等の大きさであることが望まれている。

しかしながら、従来技術のように製氷容器を振動させたり、空気を送り込んだりするとコストが高くなりかつ形状にも自由度がなく、氷をカットして使用するカクテル氷等には使えないという問題がある。また、製氷容器を減圧下においたり、脱気装置を用いたりする製氷装置は大型化しコストが上昇する問題がある。更には、従来技術である原料液の減圧脱気やフィルターを使った脱気装置を用いると原料液中の含有成分が変化し、例えば、ミネラル豊富な天然水を原料として使う場合、天然水中のミネラル分も除去されることがあるため、透明な氷を作る観点では有用であっても、味覚の観点からは原料液中の成分を変化させないことも望まれている。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、原料液の含有成分を変えることなく、硬度および透明度が高く、飲料用容器と同様の大きさを有するという３つの特性を兼ね備える単結晶氷の製氷方法および製氷装置を提供することを目的とする。

本発明者らは鋭意検討を重ねた結果，以下の構成を具備することで前記の課題を解決することを見いだし，本発明の完成に至った。

すなわち、本発明の一の観点に係る製氷方法は、原料液を大気に触れながら静置状態で温める工程と、静置状態で温めたときの平衡状態となる溶存ガス濃度を維持した原料液を密閉状態で予冷する工程と、予冷され溶存ガス濃度を維持した原料液を容器に充填する工程を有して、該原料液を製氷装置で凍らせる製氷方法であって、製氷装置は、上部に開口部を有する容器と、開口部を覆う冷却槽と冷却槽の上面又は内部に設けられた放射冷却装置と、容器の内部と連通する緩衝容器とを備え、容器の上縁に載置された冷却槽の下板に接するまで充填された容器内の前記原料液を単結晶氷に氷結することを特徴とするものである。

また、本発明の他の一観点に係る製氷装置は、上部に開口部を有し原料液が充填された容器と、開口部を覆い、容器の上縁に載置された冷却槽と、冷却槽の上面又は内部に設けられた冷却装置と、容器の内部と連通する緩衝容器とを備え、冷却層は容器に充填された原料液に当接する下板を有し、容器に充填された原料液は大気に触れながら静置状態で温めたときの平衡状態となる溶存ガス濃度を維持する液であることを特徴とするものである。

以上、本発明によれば、硬くて透明度が高く、飲料用容器と同様の大きさを有する商品価値の高い単結晶氷を製造できる。また、原料液の含有成分を変えることがないため、微量のミネラル含有量が味覚に影響するような天然水をもそのままの成分で利用できる。

本発明の実施例を示す製氷装置の断面図である。 本発明の実施例である図１のＡ－Ａ矢視図である。 本発明の実施例を示す冷却槽及び冷却装置の断面図である。 本発明の実施例と理論算出による初気泡析出位置の関係図である。 本発明により製造した単結晶氷と従来法による多結晶氷の外観写真と偏向観察写真である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。ただし、本発明は多くの異なる形態による実施が可能であり、以下に示す実施形態、実施例に記載された具体的な例示にのみ限定されるわけではない。

図１は、本発明の一の実施形態に係る製氷装置１０を示す縦断面図である。図２は、図１中のＡ－Ａ矢視断面図である。図３は、冷却槽１８及び冷却装置２１’の縦断面図である。これらの図で示すように、本実施形態に係る製氷装置１０は、上部に開口部１３を有し原料液１１が充填された容器１２と、開口部１３を覆い、容器１２の上縁に載置された冷却槽１８と、冷却槽１８の上面又は内部に設けられた冷却装置２１、２１’と、容器１２の内部と連通する緩衝容器とを備え、冷却層は容器に充填された原料液に当接する下板を有し、原料液は大気に触れながら静置状態で温めたときの平衡状態となる溶存ガス濃度を維持する液である。

（製氷装置：容器）
図１において、氷結させる原料液１１を収容する容器１２は有底筒状をしており、上部に開口部１３を有している。容器１２の水平断面形状は矩形としているが、矩形以外の多角形とすることもできるし、単純な円形とすることもできる。容器１２の底部近くの側面には孔１５が設けられ、該孔１５には流路１６の一端１６ａが液密に接続されている。そして、上記流路１６の他端１６ｂには緩衝容器１７が液密に接続されている。緩衝容器１７には、製氷中に原料液１１の溶存ガス量を保つために逆止弁を設けてもよい。容器１２はステンレス鋼等の金属材料を用いても、ポリエチレン、ポリプロピレンや透明なアクリル樹脂等の非金属材料を用いても製作することが可能であるが、熱伝導率が低い方が好ましく、非金属材料を用いるのが好適である。また、容器１２と緩衝容器１７及び流路１６の材料も同様である。

（製氷装置：冷却槽）
容器１２の上部の開口部１３には箱状の冷却槽１８が配設される。図２に示す冷却槽１８は容器１２の形状に対応して平面視矩形としているが、円形など他の形状であっても構わない。ここで肝心なことは容器１２の上部開口部１３全体を冷却槽１８で覆うことである。そのため、図１および図２で示す製氷装置は、冷却槽１８の平面視寸法を容器１２の上部開口部１３より大きな寸法としている。また、冷却槽１８の一部であり冷却装置２１に接触する上板１９と、冷却槽１８の一部であり容器１２の上部開口部１３に接触する下板２０と以外を構成する材料は、容器１２と同様の材料を用いることがよい。このことにより周囲から冷却槽１８内へ熱が流入するのを極力抑制できる。

冷却槽１８を構成する上板１９および下板２０の厚さは、熱移動の効率を高めるという観点からすると極力薄い方が好ましく、冷却槽１８の内部を真空にする場合、例えば厚さを１～３ｍｍとすれば、効率的な熱移動と機械的強度を両立できる。また、冷却槽１８の内部には水蒸気を含まない気体を封入してもよい。水蒸気は赤外線を吸収し放射伝熱を阻害するため、冷却槽１８内の水蒸気濃度を極力抑えることで真空にせずとも大気圧程度の圧力で水蒸気を含まない気体を封入することで冷却槽１８内での伝熱は対流伝熱よりも放射伝熱が卓越し、製造コストを抑えながら商品価値の高い単結晶氷を得ることができるといった優れた効果を発揮できる。水蒸気を含まない気体としてはどのようなものでも良く、コストの観点からは乾燥窒素が望ましい。

冷却槽１８の内部は、真空とすることで冷却効率を高めることができ、低エネルギーで商品価値の高い単結晶氷を製造でき、コストを抑えることができる。なおここで「真空」とは、大気圧よりも低い圧力状態を意味し、赤外線を吸収する気体・水蒸気が限りなく少ない分子流領域の圧力が好ましく、例えば、１０^２Ｐａ以下であればよい。

（製氷装置：冷却装置）
冷却槽１８の上板１９の上には低温熱源としての冷却装置２１が載置される。冷却装置２１は、冷却槽の上板１９に当接され、原料液１１に当接する下板２０から冷却槽１８を介して放射される原料液１１の熱を吸収することで、原料液１１を冷却・冷凍する。冷却装置２１としては、原料液１１の凝固点よりも低い温度に到達可能な装置であればどのようなものでも使用できる。また、図３のように冷却装置２１’を冷却槽１８内に設置してもよい。この場合、上板１９を省くことができるとともに、下板２０との距離を短くでき放射による冷却能力を高めることができる。

（製氷方法）
ここで、次に、上述した製氷装置１０を用いて原料液１１から単結晶氷を製造する方法について説明する。ここでは簡便上、原料液１１を水１１１として説明する。具体的に本製氷方法は、原料液を大気に触れながら静置状態で温める工程と、温められた原料液を密閉状態で予冷する工程と、予冷された原料液を製氷装置で凍らせる製氷方法であって、製氷装置は、上部に開口部を有する容器と、開口部を覆う冷却槽と冷却槽の上面又は内部に設けられた放射冷却装置と、容器の内部と連通する緩衝容器とを備え、容器の上縁に載置された冷却槽の下板に接するまで充填された容器内の前記原料液を単結晶氷に氷結することを特徴とするものである。以下具体的に説明する。

（製氷手順：脱気）
始めに水１１１を大気に触れる状態で自然環境下と同じような条件において、静置状態で温める。自然環境下と同じような条件とは、温度はおおよそ１０℃以上４０℃以下を示し、好ましくは２０℃以上３０℃以下であり、より好ましくは２０℃以上２５℃以下のことをいう。合わせて、水と水に触れている大気との温度で、水の蒸発が急激に進行するような大きな差が生じない状態のことをいう。このような操作をする理由は、例えば水１１１に天然水を用いた場合、天然水は含有するミネラル等の成分含有割合によってヒトの味覚による感じ方が異なることが知られていて、おいしい天然水をおいしいままの状態で氷にするためにはミネラル等の成分含有割合を維持する必要があるからである。すなわち原料液の蒸発を抑制し含有成分を変えることがないため、微量のミネラル含有量が味覚に影響するような天然水をもそのままで氷結できる。

液体中の溶存ガス濃度は液体が高温になるほど減少する。従ってより高温環境下に置いた方が水１１１の溶存ガス濃度を低下させることができるが、この場合、空気の飽和水蒸気量が指数的に増加するため水１１１の蒸発量も急激に増え、微量成分であるミネラル等の含有割合に変化を与えてしてしまう。そのため自然環境下と同じような条件を保ちながら、できる限り水１１１中の溶存ガス濃度を低下させるよう温め脱気することが、おいしく感じる単結晶氷を製造するために重要である。

（製氷手順：予冷）
水１１１を大気に触れる状態で自然環境下と同じような条件で温め水１１１中の溶存ガス濃度を低下させたら、水１１１を冷やす工程に移る。この段階では、大気中ガスが水１１１に再溶解しないよう密閉状態で冷却する。ここでの冷却は製氷装置で水１１１を凍らせる前の予冷であり、この段階では水１１１が凍らない程度に冷やす。具体的には２℃程度の雰囲気温度下で冷やすことが望ましいが、１０℃未満であれば製氷段階に移った直後に気泡が発生するような不具合は生じない。すなわち、この範囲とすることで、氷結時の無駄なエネルギー消費を避け、硬くて透明度が高く、飲料用容器と同様の大きさを有する商品価値の高い単結晶氷を製造できるといった利点がある。

（製氷手順：製氷）
製氷装置１０の設置される雰囲気温度は、２℃程度にコントロールされることが好ましい。雰囲気温度がこれより多少高くても製氷できなくなることはないが、容器１２内の温度と雰囲気温度との温度差が大きくなると、無駄な熱移動が生じてしまい製氷に要する時間が長くなるとともに、余分な電力を消費してしまうというデメリットが生じるからである。一方、氷点下になると多結晶になりやすいため、２℃よりも高い雰囲気温度を維持する必要がある。

製氷装置１０の運転開始に先立って、容器１２内に予冷された水１１１を充填する。水１１１は容器１２の上部開口部１３まで完全に充填することができるよう、容器１２の上端部には空気抜きとしての細孔（図示せず）を設けてもよい。このようにして冷却装置２１の下板２０に水１１１を完全に接触させ、水１１１と下板２０との間に一切の気泡を入れないことが望ましい。

冷却槽の上板１９の温度が冷却装置２１により、予冷された水１１１に当接し、水１１１とほぼ同じ温度となる冷却槽の下板２０の温度との間に、例えば－１０℃程度よりも低く大きな温度差が生じると、熱移動が起こる。この時、冷却槽１８内には乾燥窒素が封入されているときは対流による熱移動が生じるが、冷却槽の上板１９もしくは冷却装置２１’下面と下板２０との間の熱移動は、高温の下板２０側から低温の上板１９もしくは冷却装置２１’下面側への放射による熱移動が卓越する。

本実施形態の製氷装置１０による製氷は、容器１２の上部開口部１３からの熱放射により冷却されるものであることから、水１１１の氷結は容器１２の上部開口部１３から始まる。あたかも、厳冬期に水を入れた洗面器等を晴れた夜間に屋外に放置しておくと、朝になり洗面器に入れた水の表面が氷結する現象に似ている。

なお、製氷装置１０に緩衝容器１７を設置する目的は、容器１２内の水１１１が氷結する際の体積変化を吸収するためであるが、大気中ガスが水１１１に再溶解することを抑えるため、緩衝容器１７の上部緩衝部３１はできる限り小さい面積とし、逆止弁を備えることが望ましい。これにより確実に後述する理論的な気泡析出位置まで透明な氷を製造することができる。

（初気泡析出位置）
容器１２内の水１１１の液体体積は、水１１１が氷結し固体となった分だけ減少する。氷結前後において水１１１の液体中に溶解しているガスの量が同じであるならば、液体体積の減少に伴い、水１１１の液体中溶存ガス濃度が上昇する。さらに氷結が進み、水１１１中の液体中溶存ガス濃度が、氷結温度０℃における飽和溶存ガス濃度よりも高くなると、氷を白濁させる一因である気泡が析出する。

ここで理論的な気泡析出位置の算出を試みる。溶存ガスを酸素だけとし、製氷過程において水１１１中の溶存酸素量に変化がないとして考えた場合、深さｄ［ｍｍ］の容器１２内に入っている水１１１の初期溶存酸素濃度をａ［ｍｇ／Ｌ］とすると、気泡が析出するまで製氷可能な氷の厚さｘ［ｍｍ］は、ｘ＝ｄ（１－ａ／ａ_０）で算出することができる。ここでａ_０は０℃における飽和溶存酸素量である。

この理論計算に基づけば、２０℃の水に酸素が飽和状態で溶存している場合でも、２００ｍｍ深さの容器で約７５ｍｍ厚の透明な氷を製造でき、容器深さを５００ｍｍにすると約１９０ｍｍの透明な氷を製造することができることになる。

本製造方法では、原料液１１の成分を維持したまま初期溶存ガス濃度を低下させるため、自然環境下と同じような条件で温め脱気をする。透明な氷を製造する上で、従来技術ではこの程度の脱気では不十分であったが、本実施形態の製氷装置１０によれば容器１２の深さを十分に確保することで、原料液１１中の溶存ガスを必要以上に低下させなくとも、また、原料液１１中ミネラル分等を除去しなくとも、所望する厚みを有する透明な氷を製造することができる。

ここで、上記実施形態の製氷装置及び製氷方法の効果について実際に確認を行った。以下具体的に説明する。

（比較例１）
原料液に水道水を用い、原料水を室温２℃の環境下で１日間静置したのち、製氷装置１０で製氷した。製氷装置１０には、深さｄ＝２４０ｍｍで一辺が１８５ｍｍの直方体の容器１２を用いた。ここで製氷装置１０の容器１２に設置した温度計と溶存酸素計（ＷＡ－２０１７ＤＪ）（図示せず）により、水温および溶存酸素濃度が、２．８℃および１１．８ｍｇ／Ｌであることを確認した。この初期溶存酸素濃度から算出される初気泡析出位置は４５ｍｍである。冷却装置２１の設定温度を－１７℃とし製氷を行った結果、４２ｍｍで気泡が析出した。

（実施例１）
原料液に水道水を用い、室温約１０℃の環境下で静置脱気したのち、室温２℃の環境下に設置してある製氷装置１０に注入した。この時の水温および溶存酸素濃度は、１１．７℃および１０．１ｍｇ／Ｌであることを確認した。緩衝容器１７の上部緩衝部３１で原料水が大気に触れないようにしたまま、おおよそ２℃になるまで放置したのち、冷却装置２１の設定温度を－１７℃とし製氷を行った。結果、算出される初気泡析出位置が７３ｍｍのところ、実際には６７ｍｍで気泡が析出した。尚、原料水、温度計、溶存酸素計等の条件は比較例１と同じである。

（実施例２）
原料水温を室温約２０℃の環境下で静置脱気し、室温２℃の環境下に設置してある製氷装置１０に注入した。この時の水温および溶存酸素濃度は、１９．２℃および８．８ｍｇ／Ｌであり、実施例１と同様に製氷した結果、算出初気泡析出位置が９４ｍｍのところ８４ｍｍで気泡が析出した。

（実施例３）
室温２℃の環境下に設置してある製氷装置１０に脱気した原料水を注入し、水温および溶存酸素濃度が、２２．４℃および８．０ｍｇ／Ｌであることを確認した。実施例１と同様に製氷した結果、算出初気泡析出位置が１０７ｍｍのところ１０６ｍｍで気泡が析出した。

表１は比較例１および実施例１～３における原料液の初期温度Ｔ_０、初期酸素濃度ａおよび初気泡析出位置の理論算出値ｘと実際に製氷した時の値ｘ_ｒである。

図３は、比較例１及び実施例１～３の理論算出値ｘと実測値ｘ_ｒの関係をプロットした図である。理論算出値は溶存ガスを酸素だけと仮定しているため完全には一致していないが高い相関があることを確認できる。

図５は、本実施例により水を氷結させた氷の偏向観察写真であり、３０ｍｍ以上の単結晶氷が製造できていることが確認できる。

以上、本実施例により、本製氷装置及び製氷方法の効果を確認することができた。

カクテルグラスやロックグラスは飲み口の口径が６５～１２０ｍｍ程度のものが多いことから、本発明で製氷できる５０ｍｍ以上の透明な氷は商品価値が向上する。また、結晶粒界がほとんど無い単結晶氷は氷解しにくく、長時間にわたって飲料の冷たさを維持するとともに、アルコール飲料等にはその濃度を薄めることなく、清涼飲料等には原料液の美味しさを維持でき、さらに一段と商品価値が向上する。これは、例えば冷やした日本酒を飲むとき、従来は冷たさを維持するため間接的に氷等で冷やしていたが、日本酒に直接氷を入れて飲むような、新しい飲料スタイルへの展開が可能となることを示す。さらには結晶粒界が少ないために、炭酸飲料の炭酸の抜けが遅くなることも観察されており、ハイボール等のカクテルにも適用が可能である。

このように本発明の製氷方法によれば、硬くて透明度が高く、原料液の含有成分を変えることなく、飲料用容器と同様の大きさを有する商品価値の高い単結晶氷を製造することができる。

１０ 製氷装置
１１ 原料水
１１１ 水
１２ 容器（水槽）
１３ 開口部（上部開口部）
１６ 流路
１７ 緩衝容器
１９ 上板
２０ 下板
２１，２１’ 冷却装置
３１ 上部緩衝部（逆止弁）

Claims (8)

1. 原料液を大気に触れながら静置状態で温める工程と、
   前記静置状態で温めたときの平衡状態となる溶存ガス濃度を維持した前記原料液を密閉状態で予冷する工程と、
   前記予冷されて前記溶存ガス濃度を維持した前記原料液を容器に充填する工程を有して
   前記原料液を製氷装置で凍らせる製氷方法であって、
   前記製氷装置は、
   上部に開口部を有する前記容器と、前記開口部を覆う冷却槽と、前記冷却槽の上面又は内部に設けられた冷却装置と、前記容器の内部と連通する緩衝容器とを備え、
   前記容器の上縁に載置された前記冷却槽の下板に接するまで充填された前記容器内の前記原料液を単結晶氷に氷結する
   ことを特徴とする製氷方法。
2. 前記静置状態で温める工程は、１０℃以上４０℃以下で行われることを特徴とする請求項１に記載の製氷方法。
3. 前記予冷する工程は、２℃以上１０℃未満で行われることを特徴とする請求項１または２に記載の製氷方法。
4. 前記冷却槽の内部を真空とすることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の製氷方法。
5. 前記冷却槽の内部に水蒸気を含まない気体を封入することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の製氷方法。
6. 上部に開口部を有し原料液が充填された容器と、
   前記開口部を覆い、前記容器の上縁に載置された冷却槽と、
   前記冷却槽の上面又は内部に設けられた冷却装置と、
   前記容器の内部と連通する緩衝容器とを備え、
   前記冷却槽は前記容器に充填された前記原料液に当接する下板を有し、
   前記容器に充填された前記原料液は大気に触れながら静置状態で温めた時の平衡状態となる溶存ガス濃度を維持する液であることを特徴とする製氷装置。
7. 前記冷却槽の内部が真空であることを特徴とする請求項６に記載の製氷装置。
8. 前記冷却槽の内部に水蒸気を含まない気体が封入されていることを特徴とする請求項６に記載の製氷装置。