JPH08219501A

JPH08219501A - 氷蓄熱装置

Info

Publication number: JPH08219501A
Application number: JP7020650A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Watanabe; 裕渡邊
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-02-08
Filing date: 1995-02-08
Publication date: 1996-08-30

Abstract

(57)【要約】【目的】安定した製氷を継続して製造することにある。【構成】水槽と、この水槽１に連通し且つ低温の非水溶
性高比重不凍液と水とを混合して氷を生成する混合器２
と、この混合器及び水槽内に貯溜する不凍液を取出して
冷却した後、混合器に循環させる不凍液循環系と、水槽
より水を取出して混合器に循環させる水循環系とを備え
た氷蓄熱装置において、不凍液循環系及び水循環系の不
凍液及び水の流量と温度とをそれぞれ検出する不凍液及
び水の流量・温度計測装置７,10 と、不凍液循環系及び
水循環系にそれぞれ設けられ混合器に流入する不凍液及
び水を加熱する加熱装置11,21 と、不凍液循環系及び水
循環系にそれぞれ設けられた流量調節器と、計測された
不凍液及び水の流量・温度計測信号を基に不凍液及び水
を加熱する加熱装置を起動して温度制御すると共に、流
量調節器により不凍液及び水の流量を制御する制御装置
19とを設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、氷蓄熱装置において、
特に水と高比重低温不凍液との直接接触冷却によりシャ
ーベット状の氷を製造する氷蓄熱装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、アイスキャンデー状の固い氷を製
造・貯蔵するスタテック方式の氷蓄熱装置が実用に供さ
れている。一方、製氷効率や使い勝手に優れるシャーベ
ット状態の微細氷粒を製造するダイナミック方式の氷蓄
熱装置は、未だ一般化されるに至っていない。これは、
水が過冷却され氷となる過程において、ダイナミック方
式の氷蓄熱装置では低温伝熱面に氷が付着・成長するこ
とを防止する工夫がなされているものの、その制御・対
策において使い勝手が悪かったり、水に特殊添加物を使
用したりすることから、装置の一般性が損なわれている
ことが原因である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような観点から特
開昭６４−５７０６８号公報、特開平４−２３６０３２
号公報、特開平５−５５４１号公報等に見られる液体同
士の直接接触熱交換方式の氷蓄熱装置が提案されてい
る。

【０００４】これら公報に示されている氷蓄熱装置は、
伝熱面を持たずに低温の高比重非水溶性不凍液と水との
直接接触により水を過冷却の状態とならしめ、水中にフ
ラジルアイスと呼ばれる氷の結晶を形成させるものであ
る。そして、水中に発生したフラジルアイスは、浮力に
より上昇する。

【０００５】一方、水と熱交換して高温（約０℃）とな
った高比重不凍液は水槽下部に沈降し、分離回収される
構成となっている。しかし、かかる構成の氷蓄熱装置で
は、フラジルアイスが水中に多数発生することから、互
いに接触・結合して綿状（一種のシャーベット状）とな
り、その上から高比重不凍液が沈降し綿状の氷に取込ま
れる現象が発生する。このため、不凍液を含む見掛け比
重の大きな氷は上昇できず、水槽下部に溜まり、連続製
氷を阻害する問題があった。

【０００６】本発明は上記のような事情に鑑みてなされ
たもので、不凍液を多量に含む綿状氷の形成を低減し、
安定した製氷を継続して製造することができる氷蓄熱装
置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するため、次のような手段により氷蓄熱装置を構成す
る。請求項１に対応する発明は、水槽と、この水槽に連
通し且つ低温の非水溶性高比重不凍液と水とを混合して
氷を生成する混合器と、この混合器及び水槽内に貯溜す
る不凍液を取出して冷却した後、前記混合器に循環させ
る不凍液循環系と、前記水槽より水を取出して前記混合
器に循環させる水循環系とを備えた氷蓄熱装置におい
て、前記不凍液循環系に設けられ該循環系に流れる不凍
液の流量と温度とをそれぞれ検出する不凍液の流量・温
度計測手段と、前記水循環系に設けられ該循環系に流れ
る水の流量と温度を検出する水の流量・温度計測手段
と、前記不凍液循環系及び水循環系にそれぞれ設けられ
前記混合器に流入する不凍液及び水を加熱する加熱手段
と、前記不凍液循環系及び水循環系にそれぞれ設けられ
た流量調整手段と、前記不凍液の流量・温度計測手段及
び水の流量・温度計測手段により計測された不凍液及び
水の流量・温度計測信号を基に前記不凍液及び水を加熱
する加熱手段を起動して温度制御すると共に、前記流量
調整手段により前記不凍液及び水の流量を制御する制御
手段とを設ける。

【０００８】請求項２に対応する発明は、前記水槽内に
混合器から流出した低温の水が流入しないように仕切板
を設けて比較的温度の高い領域を形成し、この領域から
取出した温度の高い水を前記水循環系に混入して水の温
度を制御し、前記温度の高い領域の水の温度が所定の値
より低下すると前記領域から水循環系への水の混入を停
止して前記水の加熱手段により循環水を加熱制御する。

【０００９】請求項３に対応する発明は、水槽と、この
水槽に連通し且つ低温の非水溶性高比重不凍液と水とを
混合して氷を生成する混合器と、この混合器及び水槽内
の最下部に形成された不凍液貯溜部と、この不凍液貯溜
部に貯溜する不凍液を取出して冷却した後、前記混合器
に循環させる不凍液循環系と、前記水槽より水を取出し
て前記混合器に循環させる水循環系とを備えた氷蓄熱装
置において、前記不凍液貯溜部に貯溜する不凍液と水と
の界面位置を検出する界面位置検出手段と、前記不凍液
貯溜部に貯溜する不凍液を外部から供給又は回収する手
段と、前記界面位置検出手段により検出された界面位置
検出信号を基に前記不凍液供給又は回収手段を起動して
前記界面位置が所定値になるように制御する制御手段を
設ける。請求項４に対応する発明は、不凍液循環系より
混合器内に流入する不凍液の流出端部に加熱手段を設け
る。

【００１０】

【作用】請求項１に対応する発明の氷蓄熱装置にあって
は、不凍液循環系を通して混合器に流入する低温不凍液
の有する冷熱量（製氷能力）と、水循環系を通して流入
する水の温度と流量とから混合器内に発生する氷の量が
ほぼ決定されることから、不凍液の流量・温度計測手段
及び水の流量・温度計測手段により計測された不凍液及
び水の流量・温度計測信号を基に不凍液及び水を加熱す
る加熱手段で温度制御すると共に、流量調整手段で不凍
液及び水の流量を制御することにより、混合器内部で発
生するフラジルアイスの量（水の量に対する相対比）が
所定値内に納まり、見掛け比重の重い綿状氷の発生を抑
制することが可能となる。

【００１１】請求項２に対応する発明の氷蓄熱装置にあ
っては、水槽内に形成された領域の比較的温度の高い水
を取出して循環水に混合することで水の温度を制御する
ことにより、水槽内部に氷が貯溜される段階になっても
比較的温度の高い水を水槽から取水可能となるので、冷
却効率の低下を防止することができ、安定した製氷効果
を得ることができる。この場合、最終的には高温の水が
無くなった時点で安定製氷作用は消滅するが、それまで
に十分な量の製氷を進行させるような仕切を確保するこ
とでより効率良く安定した製氷を行うことができる。

【００１２】請求項３に対応する発明の氷蓄熱装置にあ
っては、混合器及び水槽の底部の不凍液貯溜部の不凍液
界面を観察し、常に所定の界面位置を維持することによ
り安定した製氷を継続して行うことができる。

【００１３】請求項４に対応する発明の氷蓄熱装置にあ
っては、不凍液が水と混合される混合器の不凍液出口端
部に加熱手段を設けているので、請求項３に対応する発
明の作用に加えて、低温不凍液にて冷却された不凍液流
出端部の温度が氷点（０℃）以下になることはない。従
って、混合器へ低温の不凍液を供給する際に問題となる
不凍液流出端部での凍結を防止することができる。

【００１４】

【実施例】以下本発明の一実施例を図面を参照して説明
する。図１は本発明による氷蓄熱装置の構成例を示すも
のである。図１において、１は水槽、２は垂直円筒形状
の混合器で、これら水槽１及び混合器２は互いに底部を
連通させて取付られている。

【００１５】これら水槽１及び混合器２の互いの連通底
部には、高比重非水溶性不凍液３の貯溜部４が形成さ
れ、この貯溜部４には不凍液３と水１４の界面位置検出
器１５が設けられている。

【００１６】また、貯溜部４に不凍液ポンプ５が不凍液
排出管５ａを通して接続され、この不凍液ポンプ５によ
り貯溜部４に溜まった不凍液を冷凍機６に送込み、この
冷凍機６により冷却された不凍液は不凍液排出管５ａを
通して流量・温度計測装置７を経由して混合器２の上面
に取付けられた不凍液流出端部２１より混合器２内の水
中に流入させる不凍液循環系が構成されている。

【００１７】ここで、混合器２内への不凍液流出端部２
１には、図２に示すように電気加熱を行う円管状ヒータ
２１ａが設置され、この円管状ヒータ２１ａは常時通電
され、低温不凍液を加熱する構成となっている。

【００１８】一方、水槽１の上部には水ポンプ９が水取
出管９ａを通して接続されると共に、この水取出管９ａ
に水の流量調節器９ｂが設けられ、さらにこの水ポンプ
９と流量調節器９ｂとの接続間に水槽１の別の部位より
水取出管１３ａを介して取出した水が流量調節器１３ｂ
を介して合流するようになっている。この場合、水槽１
の別の部位より水取出管１３ａを介して取出される水１
２は水槽１内を仕切板２０により仕切られて比較的温度
の高い水となっている。

【００１９】そして、水槽１の内部の水を水取出管９ａ
を通して流量・温度検出器１０を経由して混合器２の上
面に設けられた加熱器１１に送込み、この加熱器１１に
より加熱された水は混合器２内に再流入させる構成とな
っている。

【００２０】また、不凍液ポンプ５の後流側には不凍液
３を回収するリザーバタンク１７が不凍液回収管１６ａ
を介して接続されると共に、この不凍液回収管１６ａに
開閉弁１６ｂが設けられている。

【００２１】さらに、リザーバタンク１７と不凍液貯溜
部４との間を不凍液供給管１８ａにより接続すると共
に、この不凍液供給管１８ａの中途に不凍液ポンプ１８
が設けられると共に、開閉弁１８ｂが設けられる。

【００２２】他方、計測・制御装置１９は、不凍液の流
量・温度測定装置７により測定された不凍液の混合器２
への流入温度・流量信号と、水の流量・温度測定装置１
０により測定された水の混合器２への流入温度・流量信
号及び不凍液と水の界面位置検出装置１５からの計測信
号が入力され、水の流量調節器９ｂ，１３ｂの制御、水
の加熱装置１１の軌道・制御及び不凍液界面検出装置１
５の検出信号をもとに界面位置が所定範囲より上昇した
場合には不凍液回収管１６ａに設けられた開閉弁１６ｂ
を開いて不凍液３をリザーバタンク１７に回収し、逆に
界面位置が低下した場合には、不凍液供給管１８ａに設
けられた加圧ポンプ１８を起動すると共に、開閉弁１８
ｂを開いて不凍液３を貯溜部４へ圧送する制御を実施す
るものである。

【００２３】ここで、不凍液界面検出装置１５の具体例
について図３により説明する。図３（ａ）に示すよう
に、水槽１の底部近傍と不凍液貯溜部４にそれぞれ連通
する絶縁物からなるパイプ３１を接続し、このパイプ３
１内に棒状の鉄心の一端部に取付けられた浮き子３２を
挿入する。この場合、浮き子３２は水よりも比重が大き
く、不凍液より比重が小さいものが選定される。

【００２４】また、水と不凍液の基準界面位置となるパ
イプ３１の外周部に一次コイル３３ａと二次コイル３３
ｂを巻回し、一次コイル３３ａには交流電源３４が接続
される。

【００２５】このような構成の不凍液界面検出装置１５
にあっては、水と不凍液の界面位置が変位すると、その
変位に応じて浮き子３２が上下動し、二次コイル３３ａ
に誘起する電圧が変化する。従って、この二次コイル３
３ｂに誘起する電圧の変化から浮き子３２の位置を検出
することができる。

【００２６】また、上記とは異なる構成の不凍液界面検
出装置１５としては、図３（ｂ）に示すように水槽１の
底部近傍に先端に浮き子３２を取付けたアーム３５を回
動可能に取付けると共に、このアーム３５の回動により
抵抗値が可変される抵抗器３６を設ける。

【００２７】このような構成の不凍液界面検出装置１５
にあっては、水と不凍液の界面位置が変位すると、その
変位に応じて浮き子３２の上下動によりアーム３５が回
動して抵抗器３６の抵抗値が変化する。従って、この抵
抗値の変化に応じた電気信号から浮き子３２の位置を検
出することができる。

【００２８】この他、不凍液界面検出装置１５としては
上記の構成に限定されるものではなく、界面位置を検出
できるものであれば、他の構成のものであっても良い。
次に上記のように構成された氷蓄熱装置の作用について
説明する。

【００２９】今、約０℃の水中に低温の高比重非水溶性
不凍液が混入されると周囲の水は過冷却となり、フラジ
ルアイスを析出する。このフラジルアイスの析出量（速
度）は水量に対する不凍液の有する冷熱量（温度と流量
から算出される）にて決まる。

【００３０】この現象は混合器２内にて主に発生する
が、注入する水量に対する発生フラジルアイスの量が多
過ぎると混合器２内部で綿状氷が発生し、成長して上方
から落下する不凍液を内部に取込み、見掛上重い氷とな
ってしまう。

【００３１】本来、冷凍機６にて冷凍能力を調整するこ
とが望ましいが、混合器２に供給される水温は配管の途
中の断熱やポンプ動力により異なるので、予め設定する
ことが困難である。

【００３２】このような場合には，混合器２へ流入する
直前の水及び不凍液の冷却能力（温度、流量）から判断
することが的確である。そこで、本実施例では混合器２
へ流入する直前の水及び不凍液の温度・流量をそれぞれ
の測定装置７，１０にて計測し、その測定信号を計測・
制御装置１９に入力して温度の高い水の取出管１３ａに
設けられた水の流量調節器１３ｂを制御あるいは水の加
熱装置１１を通電制御することで、混合器２内部で発生
するフラジルアイスの量（水の流量に対する相対比）が
所定値内に納まり、見掛比重の重い綿状氷の発生を抑制
する作用が得られる。

【００３３】ここで、計測・制御装置１９の制御対象と
制御内容について述べる。いま、不凍液ポンプ５により
不凍液が冷凍機６に送られ、この冷凍機６の運転により
冷却された不凍液が混合器２内に供給されている。この
とき、計測・制御装置１９には水の流入温度Ｔ₁ 、水の
質量流量Ｇ_W 、不凍液の流入温度Ｔ₂ 、不凍液の質量流
量Ｇ_F が計測量として取込まれ、水と不凍液の質量流量
Ｔ₁ ，Ｇ_Wは所定流量になるように基本制御が行われ
る。

【００３４】一方、混合器２内で形成される氷の量を制
御するには、次式に基いて行われる。形成される氷の量
をＧ_ICE 、単位質量当りの氷の潜熱をＱ_I 、水比熱をＣ
_PW、不凍液の比熱をＣ_PFとすると、Ｇ_ICE ＝｛（０−Ｔ₂ ）×Ｇ_W ×Ｃ_PF−（Ｔ₁ −０）×
Ｇ_W ×Ｃ_PW｝／Ｑ_I そして、上記式により求められる氷の量が、Ｇ_ICE ＜規
定値となるように次のような制御が行われる。

【００３５】まず、第１段階として水槽１内を仕切板２
０により仕切って比較的高温状態にある水１２を水ポン
プ９により取水し、低温の水に混合して混合器２内に供
給する。

【００３６】この場合、特に水槽内部に仕切板２０を設
置し、混合器２から流出した低温の水が流入しないよう
にしてあるので、水槽内部に氷が貯溜される段階になっ
ても、比較的温度の高い水を水槽１から取水可能であ
る。

【００３７】次に水槽１内に製氷されたシャーベット状
の氷が充満し、仕切板２０により仕切られた領域の高温
水の温度が所定の値より低下した場合には、第２段階と
して高温水の取水を中止して低温の水を取水して冷凍機
冷却水との熱交換器へ導いた上で、混合器２内に流入さ
せる。

【００３８】この際、冷凍機冷却水との熱交換器を持た
ない場合には、電気的加熱、あるいは大気による加熱を
実施する。また、不凍液と水の界面位置の制御は次のよ
うに行われる。

【００３９】例えば図３（ａ）に示すように一次コイル
３３ａが交流電源３４により通電された状態で絶縁物か
らなるパイプ３１内に挿入された先端に浮き子３２を有
する鉄心棒が界面位置の変化に応じて上下動し、二次コ
イル３３ｂに誘起する電圧が変化する。この誘起電圧が
変化することを応用して浮き子３２の位置、つまり界面
位置を検出して計測・制御装置１９に取込むことによ
り、例えば液位低下時には開閉弁１８ｂを開制御すると
同時に不凍液ポンプ１８ｂを起動して別置きの不凍液タ
ンク１７より不凍液を圧送し、また液位上昇時には開閉
弁１６ｂを制御して別置きの不凍液タンク１７へ不凍液
を圧縮する。

【００４０】この場合、開閉弁１８ｂ、不凍液ポンプ１
８及び開閉弁１６ｂは液位回復信号を待って元の状態に
復帰する。従って、混合器２及び水槽１の底部の不凍液
貯溜部４の不凍液界面を観察し、不凍液を供給あるいは
回収する構成としたので、常に所定の界面位置が維持さ
れる作用を与えている。

【００４１】また、不凍液３が水１４と混合される混合
器２の不凍液出口端部に電気加熱ヒータ２１を設置した
ので、低温不凍液にて冷却された不凍液流出端部の温度
が氷点（０℃）以下にならない作用がある。

【００４２】このように本実施例では、混合器２内部で
形成されるフラジルアイスの量（水の循環量に対する相
対量）を所定値以下に抑える作用が与えられるので、混
合器２内部での綿状氷の発生する確率を低く、結果とし
て不凍液３を内部に含み見掛上重い綿状氷が形成しにく
く、安定した製氷が継続して得られる効果がある。

【００４３】また、混合器２あるいは水槽１下部に設置
されている不凍液貯溜部４の水１４と不凍液３の界面位
置を計測し、不凍液３の供給、回収系統を設置し、界面
が常に所定範囲となるような構成としているので、混合
器２から流出する水１４あるいは不凍液３の流れが安定
し、予期しない渦や淀みができず、これらの流れにより
綿状氷が水槽１あるいは混合器２の下部に閉込められる
ことがなく、安定した製氷が継続して得ることができ
る。

【００４４】さらに、不凍液３が混合器２に流入する不
凍液３の流出端部に電気加熱ヒータ２１ａを設置したの
で、フラジルアイスの形成が阻害されることなく、安定
した製氷を継続して得ることができる。

【００４５】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、不凍
液を多量に含む綿状氷の形成を低減し、安定した製氷を
継続して製造することができる氷蓄熱装置を提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による氷蓄熱装置の一実施例を示す構成
説明図。

【図２】同実施例における不凍液の混合器への供給端部
を示す構成図。

【図３】同実施例における界面位置検出装置の具体例を
示す構成説明図。

【符号の説明】

１……水槽、２……混合器、３……不凍液、４……不凍
液貯溜部、５……不凍液ポンプ、５ａ……不凍液排出
管、６……冷凍機、７……流量・温度計測装置、８……
シャーベット状の氷、９……水ポンプ、９ａ……水取出
管、９ｂ……流量調節器、１０……流量・温度検出器、
１１……水の加熱装置、１２……比較的温度の高い水、
１３ａ……水取出管、１３ｂ……流量調節器、１４……
水、１５……不凍液界面検出装置、１６ａ……不凍液回
収管、１６ｂ………開閉弁、１７……リザーバタンク、
１８……不凍液ポンプ、１８ａ……不凍液供給管、１８
ｂ……開閉弁、１９……計測・制御装置、２０……水槽
内の仕切、２１……不凍液流出端部、２１ａ……電気加
熱ヒータ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水槽と、この水槽に連通し且つ低温の非
水溶性高比重不凍液と水とを混合して氷を生成する混合
器と、この混合器及び水槽内に貯溜する不凍液を取出し
て冷却した後、前記混合器に循環させる不凍液循環系
と、前記水槽より水を取出して前記混合器に循環させる
水循環系とを備えた氷蓄熱装置において、前記不凍液循
環系に設けられ該循環系に流れる不凍液の流量と温度と
をそれぞれ検出する不凍液の流量・温度計測手段と、前
記水循環系に設けられ該循環系に流れる水の流量と温度
を検出する水の流量・温度計測手段と、前記不凍液循環
系及び水循環系にそれぞれ設けられ前記混合器に流入す
る不凍液及び水を加熱する加熱手段と、前記不凍液循環
系及び水循環系にそれぞれ設けられた流量調整手段と、
前記不凍液の流量・温度計測手段及び水の流量・温度計
測手段により計測された不凍液及び水の流量・温度計測
信号を基に前記不凍液及び水を加熱する加熱手段を起動
して温度制御すると共に、前記流量調整手段により前記
不凍液及び水の流量を制御する制御手段とを設けたこと
を特徴とする氷蓄熱装置。
【請求項２】前記水槽内に混合器から流出した低温の
水が流入しないように仕切板を設けて比較的温度の高い
領域を形成し、この領域から取出した温度の高い水を前
記水循環系に混入して水の温度を制御し、前記温度の高
い領域の水の温度が所定の値より低下すると前記領域か
ら水循環系への水の混入を停止して前記水の加熱手段に
より循環水を加熱制御することを特徴とする請求項１記
載の氷蓄熱装置。
【請求項３】水槽と、この水槽に連通し且つ低温の非
水溶性高比重不凍液と水とを混合して氷を生成する混合
器と、この混合器及び水槽内の最下部に形成された不凍
液貯溜部と、この不凍液貯溜部に貯溜する不凍液を取出
して冷却した後、前記混合器に循環させる不凍液循環系
と、前記水槽より水を取出して前記混合器に循環させる
水循環系とを備えた氷蓄熱装置において、前記不凍液貯
溜部に貯溜する不凍液と水との界面位置を検出する界面
位置検出手段と、前記不凍液貯溜部に貯溜する不凍液を
外部から供給又は回収する手段と、前記界面位置検出手
段により検出された界面位置検出信号を基に前記不凍液
供給又は回収手段を起動して前記界面位置が所定値にな
るように制御する制御手段を設けたことを特徴とする氷
蓄熱装置。
【請求項４】不凍液循環系より混合器内に流入する不
凍液の流出端部に加熱手段を設けたことを特徴とする請
求項３記載の氷蓄熱装置。