JPH0781763B2 - 凍結粒製造装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ブラスト，クリーニング等の表面処理用の砥
粒，研磨材等として好適に用いうる氷粒等の凍結粒を製
造するための装置に関するものである。

（従来の技術） 従来の凍結粒製造装置として、例えば特公昭58-17392号
に開示されたものが知られている。

この装置は、第９図に示す如く、凍結粒製造容器１の上
部に原料噴霧ノズル３を設け、このノズル３の近傍下方
部位に環状の冷媒噴出管4,5を容器内壁面に沿わせて設
け、容器底部にスクレーパ６を配設したものである。し
たがって、噴出管4,5から容器内方に向けて液体窒素等
の冷媒を噴出すると共にノズル３から水等の液状原料を
下向きに噴霧すると、原料の噴霧粒子2aは、それが自然
落下する間に噴出冷媒及びその蒸発ガスと十字流接触、
向流接触又は併流接触して熱交換され、凍結する。この
凍結粒2bは容器底部に堆積し、スクレーパ６により容器
１外に回収される。

かかる装置では、噴出冷媒の蒸発ガスにより容器１内の
冷気相温度が一定温度以下（例えば、冷媒として液体窒
素を用いた場合においては−60℃以下）となると、噴出
管4,5からの噴出冷媒が蒸発せず、液体のまま容器底部
に落下してしまう虞れがある。このような事態を避ける
には、第９図に示す如く、噴出管4,5をノズル３に近づ
けて、冷媒の噴出領域における冷気相温度が一定温度以
下に下がらないようにしておく必要がある。つまり、噴
霧粒子2aが噴霧直後に冷媒の噴出領域を通過するように
して、噴出冷媒の蒸発を噴霧粒子2aとの熱交換によって
促進させるのである。

（発明が解決しようとする問題点） ところが、このように噴霧粒子2aが噴霧直後に噴出冷媒
と接触するようにしておくと、噴霧粒子2aがその表面張
力によって球形となる前に噴出冷媒に衝突することか
ら、どうしても均一な球形の凍結粒2bを得ることができ
ない。例えば卵形の如き歪な形状の凍結粒2bを得ること
ができるに過ぎない。しかも、噴出冷媒との衝突によっ
て噴霧粒子同志がくっつき、そのまま凍結される虞れが
あり、均一粒径の凍結粒2bを得ることができない。そし
て、このような凍結粒2bがブラスト，クリーニング等の
砥粒，研磨材等としては甚だ不適当なものであることは
云うまでもない。

本発明は、かかる点に鑑み、球形をなす均一粒径の凍結
粒を確実に製造しうる凍結粒製造装置を提供することを
目的とするものである。

（問題点を解決するための手段） 本発明の凍結粒製造装置は、凍結粒製造容器内を冷気相
領域とその下位の冷媒蒸発ガス発生領域とに区画する網
状体を備えた凍結粒回収手段と、冷媒蒸発ガス発生領域
において液体窒素等冷媒の蒸発ガスを発生させる冷媒蒸
発ガス発生手段と、冷気相領域の上部に設けた冷気排出
口の近傍位において水等の液状被凍結原料を冷気相領域
に噴霧する噴霧手段とを設けて、冷気相領域において、
網状体を通過して冷気排出口方向に上昇する冷媒蒸発ガ
スと被凍結原料の噴霧粒子とを接触させ熱交換させるこ
とによって、この噴霧粒子を網状体上に落下到達する前
に凍結せしめるように構成したものである。

（作用） 冷媒蒸発ガスは、冷媒蒸発ガス発生領域から網状体を通
過して冷気相領域に至り、該領域を冷気排出口方向に上
昇する。このとき、冷媒蒸発ガスは、被凍結原料の噴霧
粒子と逐次熱交換することによって密度差を生じながら
冷気排出口方向に徐々に上昇する。

一方、被凍結原料の噴霧粒子は、冷気相領域を自然落下
し、この間において上昇してくる冷媒蒸発ガスと向流接
触して徐々に熱交換が進み、凍結する。このように、噴
霧粒子は冷媒蒸発ガスのみの存在下で凍結することか
ら、その表面張力による球形形成を妨げられず、球形状
の凍結粒となる。また噴霧粒子は徐々に上昇する冷媒蒸
発ガスと接触するのみであるから、噴霧粒子同志がくっ
ついたりすることがなく、各噴霧粒子が分散した状態で
凍結し、均一粒径の凍結粒が与えられる。

そして、凍結粒は網状体上に落下到達し、凍結粒回収手
段により回収される。網状体にはその下方から冷媒蒸発
ガスが通過していることから、網状体上に到達した凍結
粒は冷媒蒸発ガスによって保冷されると共にその流動作
用を受け、回収時に凍結粒の硬度低下又は凍結粒同志の
融着等の不都合が生じることはない。

（実施例） 以下、本発明の構成を第１図〜第７図に示す実施例に基
づいて具体的に説明する。

第１図に示す凍結粒製造装置において、11は凍結粒製造
容器、12は凍結粒回収手段、13は噴霧手段、14は冷媒蒸
発ガス発生手段である。

凍結粒製造容器11は、周壁の上端部に冷気排出口11aを
有する横断面形状正方形（一辺長さ400mm）の断熱密閉
容器に構成してある。

凍結粒回収手段12は、下窄まり角錐状の網状体15とその
最下端部たる中心部に垂設した凍結粒取出管16とを備え
てなる。網状体15は容器11の内周壁に取付けてあり、容
器11内を上位の冷気相領域17aと下位の冷媒蒸発ガス発
生領域17bとに区画している。この網状体15の構成材と
しては、耐低温性を有し且つ冷媒蒸発ガスのみを通過さ
せ得る程度のメッシュ度の金網（例えば、150メッシュ
のSUS304製網）等を使用する。取出管16の下端部は容器
底壁を貫通して容器11外に導いてあり、ロータリーバル
ブ等の凍結粒取出弁16aを設けてある。なお、網状体15
の水平面に対する傾斜角θは、冷媒蒸発ガスの蒸発量，
凍結粒径等の条件やスクレーパの採否に応じて設定すれ
ばよいが、その角度はスクレーパを使用しない場合、標
準的には45°程度に選定すればよい。

噴霧手段13は、容器11の上壁中央部位に噴霧器18を設け
ると共に、この噴霧器18に液状被凍結原料例えば水を供
給する原料供給管19及び適宜に加圧且つ冷却した窒素ガ
ス等の噴霧ガスを導入する噴霧ガス導入管20を接続して
なり、被凍結原料たる水を噴霧ガスの圧力によって噴霧
器18先端のノズル18aから下方向に霧状に噴出するもの
である。この噴霧粒子たる水滴24aの大きさは、ノズル
口径及び噴霧圧力によって適宜に調製できる。なお、被
凍結原料としては、水の他、冷媒蒸発ガスとの熱交換に
よって凍結するものであることを条件として種々の液体
を使用することが可能である。

冷媒蒸発ガス発生手段14は、冷媒蒸発ガス発生領域17b
に冷媒供給管21から所定量の冷媒例えば液体窒素22を供
給収容し、この冷媒22中にバブリング管23から窒素ガ
ス、アルゴンガス又は乾燥空気等のバブリング用ガスを
注入することによって、冷媒蒸発ガス22aを発生させる
ようにする。

このように構成した凍結粒製造装置にあっては、冷媒蒸
発ガス22aは、冷媒蒸発ガス発生領域17bから網状体15を
通過して冷気相領域17aに至り、該領域17aを冷気排出口
11a方向に上昇する。すなわち、冷媒蒸発ガス22aは、被
凍結原料の噴霧粒子つまり霧状の水滴24aと逐次熱交換
することによって密度差を生じながら冷気排出口11a方
向に徐々に上昇する。一方、水滴24aは、冷気相領域17a
を自然落下し、この間において上昇してくる冷媒蒸発ガ
ス22aと向流接触して徐々に熱交換が進んで凍結し、そ
の凍結粒たる氷粒24bは、スクレーパを使用する代りに
傾斜した網状体15を使用する場合、網状体15上に落下す
るが、網状体15上に溜積するすることなく回収される。

ところで、上記装置を用いて本発明者が実験したとこ
ろ、ノズル18aからの水噴霧量を0.2l/min（12l/h）とし
た場合、冷気相領域17aの下部側部分つまり網状体15の
上方近傍領域における平均冷気相温度が水噴霧状態で−
80℃以下となっており、更に噴霧された水滴24a径が300
μｍ以下で且つ水噴霧圧力が4Kg/cm²以下であれば、冷
気相領域17aの有効高さつまりノズル18aから網状体15ま
での高さＨを僅か1m程度にまで小さくしても、充分良質
の氷粒24bを得ることができることを見出した。冷気相
温度は冷媒蒸発ガス22aの発生量と密接な関係があり、
0.2l/minの水噴霧状態（冷気相領域17aの横断面積が０
・16m²であることから、面積負荷は75Kg/m²・ｈであ
り、冷気負荷は250Nm³／m²・ｈである）において、液体
窒素22の蒸発ガス発生量を20Nm³/h,40Nm³/h,60Nm³/hと
したときの冷気相領域17aの横断面における温度分布は
第８図に示す通りである。したがって、気液横断面積が
0.16m²、水噴霧量が0.2l/min（12l/h）、水噴霧粒径が3
00μｍ以下の場合、平均冷気相温度を−80℃以下にする
ためには冷媒ガス発生量を40Nm³/h以上にしておく必要
がある。この場合、水噴霧粒を微凍結粒とするための冷
却時間をとるのに必要な水噴霧粒の落下距離は約1mであ
った。

このように冷気相領域17aの有効高さＨを1m程度にまで
低くすることが可能となることから、凍結粒製造容器11
延いては凍結粒製造装置を思い切って小形化することが
できる。なお、噴霧圧力が低い場合或は噴霧粒子径した
がって凍結粒径が小さい場合には、被凍結原料の噴霧方
向を上記実施例の如く下向きにして差支えないが、噴霧
圧力が高い場合或は凍結粒径が大きい場合には、噴霧粒
子24aと冷媒蒸発ガス22aとの接触時間を充分に確保する
必要があるため、第１図に示す如くノズル18aによる噴
霧方向を下向きにすると、容器11を大形化せざるを得な
い。したがって、このような場合には、第４図に示す如
く、噴霧方向を水平方向にすれば、容器11を大形化する
ことなく、噴霧粒子23aと冷媒蒸発ガス22aとの接触時間
を充分に確保し得るので都合がよい。

網状体15上に到達した氷粒24bは、網状体15が下り傾斜
していることと冷媒蒸発ガス22aが網状体15を上方に通
過することとから、網状体15上をその傾斜に沿って流動
し、取出管16内に回収される。回収された氷粒24bは、
取出弁16aの操作により容器11外に取出すことができ、
プラスト等の用に供せられる。噴霧した水滴を凍結粒に
する条件としては、水噴霧量，凍結粒を形成するための
冷却用気相温度，気相温度を一定に保つに必要な冷媒ガ
ス発生量，粒径，凍結粒落下速度，凍結粒の冷気との接
触時間を考慮する必要があるが、これ等は当業者であれ
ば実験によって適宜定め得るところである。

ところで、氷粒24bの取出管16への回収の良否は、網状
体15の傾斜角θ，網状体15上の温度，冷媒蒸発ガス22a
の網状体通過速度，氷粒24bの粒径に関係するが、この
ような条件に拘らず、網状体15にバイブレータ等の振
動，揺動又は振盪付与装置（図示せず）によって連続的
若しくは間欠的に適度の振動，揺動又は振盪を付与する
ようにしておけば、氷粒24bの取出管16への回収を良好
に行うことができる。

このような凍結粒回収手段12は、第２図，第３図若しく
は第５図〜第７図に夫々示す如く、製造された氷粒24b
を容器11外の凍結粒噴射器25に直接供給するように構成
してもよい。

すなわち、第２図に示す凍結粒回収手段12にあっては、
凍結粒製造容器11の上部に冷気排出口11aを介して連通
する排熱回収室26を設け、この排熱回収室26の下壁部に
凍結粒噴射器25を取付け、この凍結粒噴射器25に凍結粒
取出管16及びドライブガス導入管27を接続して、適宜圧
に加圧した空気，窒素ガス等のドライブガスを導入管27
から噴射器25に導入すると、このドライブガスの作用に
よるエゼクタ効果によって、凍結粒24bが取出管16を経
て噴射器25に吸引されて、被処理物体28にその表面処理
を行うべく噴射されるように構成してある。そして、前
記導入管27の排熱回収室26内における部分29は、ドライ
ブガスを冷気排出口11aから排熱回収室26にもたらされ
た冷媒蒸発ガス22aと熱交換して冷却させる一種の熱交
換器に構成してある。すなわち、この熱交換器たる導入
管部分29は、冷媒蒸発ガス22aとの接触面積を大きくす
べく蛇行状に配管すると共に、第３図に示す如く、外周
部に多数のフイン29aを突設した厚肉管に構成して、伝
熱面積の増大と蓄熱効果の向上を図っている。導入管部
分29の構成材としては熱伝導率の高い銅合金等が適当で
ある。

このようにしておくと、ドライブガス専用の冷却手段を
設けずとも、ドライブガスを充分冷却し得て、噴射され
る凍結粒24bの硬度低下又は凍結粒24b同志の融着等を防
止し、ブラスト，クリーニング等の処理を良好に行いう
る。しかも、導入管部分29をフィン29a付の厚肉管に構
成したことによって、凍結粒製造装置を間欠運転する場
合において冷媒蒸発ガス22aの発生が行われていないと
きにも、蓄熱効果によりドライブガスの冷却を確保する
ことができる。なお、上記構成としておくことで、ドラ
イブガスを冷気排出口11aから排出される冷媒蒸発ガス2
2aの温度近くまで冷却することが可能であるが、それ以
下に冷却する必要がある場合には、例えば液体窒素等の
冷媒を排熱回収室26の上部に設けた冷媒噴霧ノズル30か
ら導入管部分29に噴霧させるようにすればよい。

また、網状体15を、第１図，第２図，第４図に示す如く
傾斜状に張設せず、第５図に示す如く水平に張設して、
網状体15上に溜積した凍結粒24aを、シリンダー31等に
より網状体15上を進退せしめられるスクレーパ32によっ
て、容器11に連設した凍結粒回収室33のホッパー部33a
に回収するようにしてもよい。ホッパー部33aに回収し
た凍結粒24bは、導入管27によるドライブガスの導入に
よって、凍結粒供給管34を介して噴射器25に吸込まれて
被処理物体28に噴射されるようになっている。

さらに凍結粒回収手段12は、網状体の容器内部分を容器
11外に移動できるように構成したものでもよい。例え
ば、第６に示す如く、矢印方向に回行駆動する網状体た
る無端メッシュベルト15′を備えてなるコンベア35をも
って容器11内を上下二領域17a,17bに区画すると共に、
コンベア35の搬送終端部を凍結粒回収室33に導いて、メ
ッシュベルト15′の容器内部分上に溜積した凍結粒24b
をコンベア35の搬送終端部から凍結粒回収室33のホッパ
ー部33aに回収するようにする。また第７図に示す如
く、網状体たる回転盤15″を適宜の駆動機構36により水
平回転させることによって、回転盤15″の容器内部分上
に溜積した凍結粒24bを凍結粒回収室33内にもたらした
上、適宜のスクレーパ装置37でホッパー部33aに回収す
るようにする。

（発明の効果） 本発明の凍結粒製造装置は、液状被凍結原料の噴霧粒子
を冷媒蒸発ガスのみからなる冷気相中でその冷気との熱
交換により凍結させるように構成したものであるから、
従来装置における如く冷媒の噴出液粒子による衝突作用
によって噴霧粒子の表面張力による球形変化及び分散化
が妨げられるようなことが全くなく、ブラスト，クリー
ニング等の砥粒，研磨材等として最適するところの球形
をなし且つ均一粒径の凍結粒を確実に製造することがで
きるものである。しかも、網状体上に溜積した凍結粒が
網状体を上方に通過する冷媒蒸発ガスによって保冷，流
動せしめられるから、凍結粒の製造を、凍結粒の硬度が
低下したり又は凍結粒同志が融着したりする等の不都合
を生じることなく、良好に行うことができるものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る凍結粒製造装置の一実施例を示す
概略の縦断側面図、第２図は同装置の変形例を示す概略
の縦断側面図、第３図はその要部の拡大断面図、第４図
〜第７図は夫々同装置の他の変形例を示す概略の縦断側
面図、第８図は冷気層領域における冷気相の温度分布と
冷媒蒸発ガス発生領域における冷媒蒸発ガスの発生量と
の関係を示すグラフであり、第９図は従来装置を示す概
略の縦断側面図である。 11……凍結粒製造容器、11a……冷気排出口、12……凍
結粒回収手段、13……噴霧手段、14……冷媒蒸発ガス発
生手段、15,15′,15″……網状体,16……凍結粒取出
管、17a……冷気相領域、17b……冷媒蒸発ガス発生領
域、18……噴霧器、21……冷媒供給管、22……冷媒、22
a……冷媒蒸発ガス、23……バブリング管、24a……被凍
結原料の噴霧粒子、24b……凍結粒、25……凍結粒噴射
器、26……排熱回収室、27……ドライブガス導入管、28
……被処理物体、29……導入管部分（熱交換器）、30…
…冷媒噴射ノズル、32……スクレーパ、33……凍結粒回
収室、33a……ホッパー部、34……凍結粒供給管、35…
…コンベア、37……スクレーパ装置。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】凍結粒製造容器内を冷気相領域とその下位
   の冷媒蒸発ガス発生領域とに区画する網状体を備えた凍
   結粒回収手段と、冷媒蒸発ガス発生領域において液体窒
   素等冷媒の蒸発ガスを発生させる冷媒蒸発ガス発生手段
   と、冷気相領域の上部に設けた冷気排出口の近傍位にお
   いて水等の液状被凍結原料を冷気相領域に噴霧する噴霧
   手段とを設けて、冷気相領域において、網状体を通過し
   て冷気排出口方向に上昇する冷媒蒸発ガスと被凍結原料
   の噴霧粒子とを接触させ熱交換させることによって、こ
   の噴霧粒子を網状体上に落下到達する前に凍結せしめる
   ように構成したことを特徴とする凍結粒製造装置。
2. 【請求項２】前記凍結粒回収手段が、下方向に傾斜する
   金網等からなる前記網状体とこの網状体の最下部に接続
   した凍結粒取出管とを備えてなることを特徴とする、特
   許請求の範囲第１項に記載する凍結粒製造装置。
3. 【請求項３】前記凍結粒回収手段が、前記網状体に振
   動，揺動若しくは振盪を付与する装置を備えてなること
   を特徴とする、特許請求の範囲第２項に記載する凍結粒
   製造装置。
4. 【請求項４】前記凍結粒回収手段が、前記網状体の容器
   内部分を凍結粒製造容器外に移動可能に構成してなるこ
   とを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載する凍結
   粒製造装置。
5. 【請求項５】前記冷媒蒸発ガス発生手段が、前記冷媒蒸
   発ガス発生領域に収容した液体窒素に窒素ガス、アルゴ
   ンガス又は乾燥空気を注入することによって、冷媒蒸発
   ガスを発生させるように構成することを特徴とする、特
   許請求の範囲第１項、第２項、第３項又は第４項に記載
   する凍結粒製造装置。