JPS61274785A

JPS61274785A - 含水液体から氷を生成する方法

Info

Publication number: JPS61274785A
Application number: JP9782686A
Authority: JP
Inventors: ブライアン・デール・ノデル; ジョセフ・アントニー・コステネロ
Original assignee: Chicago Bridge and Iron Co
Current assignee: Chicago Bridge and Iron Co
Priority date: 1985-04-26
Filing date: 1986-04-26
Publication date: 1986-12-04
Also published as: JPH0535035B2; ZA863069B

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は水分を含んだ液体、含水液体から氷を生成す
る装置及び方法に関する。さらに詳細には、本発明は含
水液体を冷却剤と直接接触させることにより氷を生成す
る装置と方法に関する。

〔従来の技術及びその問題点〕

含水液体中に氷を生成させることは、多くの有用な用途
を有する。このように冷却の目的で、氷は生成されて直
ちに使うことができるし、あるいは貯蔵さ扛て後に使う
こともできる。寸た飲用に適した水を作る場合、海水と
塩分を含んだ水は冷やされて氷を生成することができ、
その氷は分離されそして溶かされて所望の飲料水を供給
する。

果実そして野菜ジュースはやはり氷を生成するようにそ
れらを冷やし、それから濃縮されたジュースから氷を分
離することにより濃縮される。

他と同様に上に述べた目的のための氷の生成は、シェル
と管の冷凍交換機での間接熱伝達を含め、多くの方法で
達成することができる。冷却剤は冷凍交換機のシェル側
上の冷却媒体として用いることができる。この方法は米
国特許第４，２８６，４３６号に開示されている。

氷を生成するもう１つの方法は、含水液体を冷却剤と直
接接触させることである。直接接触熱伝達は、熱交換表
面の除去の結果、間接熱伝達システムが同じエネルギー
伝達を達成するのに要するよりも、気化する冷却剤と氷
結する溶液との間の割引かれた温度差を必要とする。し
かし、直接接触熱交換機で要求される正確な温度差は、
２つの液の特性、２つの液の割合と撹拌を含めて幾つか
の要因に依存する。この方法は有用な装置と同様に、米
国特許第３，０１７，７５１号、：３，０１７，７５２
号、３，２５９，１８１号、３，８３５，６５８号、３
．８８５，３９９号、４，（１４．６，５３４号に開示
されている。氷が作られｆ？：、後、そ扛は分離さ扛そ
扛から排出され、浴かされそして飲料水として用いられ
、あるいは貯えられた冷却剤を回収するために浴かされ
る。冷却と氷生成のために使わｎだ冷却剤は、可能な限
りで回収されそして処理工程で再使用さ扛る。

含水液体物体内へ冷却剤を送る冷却剤供給装置は、冷却
剤がそこを通って流れて拡散する供給装置とオリフィス
の上と周囲に、氷が生成さ扛ることにより、動きが悪く
なる傾向があることが経験によシ知られている。こｎら
の氷生成を防止するため、米国特許第３，６７２，１８
２号に示される如く、冷却剤供給装置に抵抗加熱を適用
することが提案された。抵抗加熱を用いることは、絶え
間のないエネルギー伝達を意味する。したがって、氷の
生成においては、もし冷却剤供給装置が追加のエネルギ
ーを使うことなく、氷に悩葦されず維持されるならば、
直接含水液体を冷却剤に接触させることによるのが望ま
しい。

壕だ、冷却剤の蒸気と液がカプセル状（こ包まれるすな
わち氷晶の中に捕えらｎるので、直接接触法では相当量
の冷却剤が失なわれることも経験により知られている。

氷が後で浴かさ扛あるいは処分されるとき、カプセルに
包−Ｉｌ、′！″ｌ−た冷却剤の幾分かあるいは太多分
は失なわれる。さらに、冷却剤を包み込むことは、さも
なけ汎ば追加の氷を生成させたであろうところの潜在的
冷却能力の経済的損失を構成する。したがって氷の生成
法においては、もし氷の中に冷却剤を包み込むことが減
少あるいはほとんど除去できるのであるならば、直接冷
却剤に含水液体を接触させることによるのが望ましい。

本発明は冷却剤供給装置上での氷の生成を防止し、氷の
中に冷却剤が包み込寸れるのを防止あるいは減少させる
装置を提供する。

〔問題点を解決するだめの手段〕

本発明の１つの観点によれば、氷を生成する一方水の中
に冷却剤を包み込むことをほとんど減少させる方法が提
供され、その方法は液化冷却剤を非常に細かい簡の噴射
流の形式で含水液体物体へ送り、それによって、隣接す
る水から冷却剤への熱の伝達により、氷の中にかなりの
量の冷却剤を包み込むということなしに、液化冷却剤は
極めて急速に気化され、そして氷が生成されるものであ
る。水にさらされる冷却剤の表面積が非常に増大するこ
と、小滴の相当程度の速度は、供給される小滴１ケ当シ
の体積の減少とともに、非常（こ急速な熱伝達を生み出
すように結びつく。加速された（９〕熱伝達は各冷却剤の小滴が氷晶の中に捕われることなく
気化することを可能とする。

本発明の他の観点によれば、氷を生成させる一方冷却剤
供給装置上での氷の形成と、その排出オリフィスの詰り
物をほとんど無くする方法が提供され、その方法は、冷
却剤供給装置へ高圧の温かい液体の流れの型式の液化冷
却剤を送る工程であって、それによりその温かい液化冷
却剤は装置を温かに保ち、氷が装置に堆積するのを妨げ
、そして冷却剤がそれを通過するとき冷却剤が非常に細
かい小滴の形で拡げられることとなる工程と、小滴を含
水液体物体へ送シ込む工程とからなり、液化冷却剤小滴
は非常に急速に気化され、そして隣接する水から冷却剤
への熱伝達によシ氷が生成される。

温かい液化冷却剤は装置を通過すると、拡散され、その
温度は冷却剤が含水液体中へ導かれる前に低下するけれ
ども、その時には冷却剤は装置の外にあり、装置の温度
を低下させることはできず、従って装置表面上での氷の
形成を除去することとなる。「温かい液化冷却剤」とは
、それから氷が生成されるところの含水液体物体の凝固
点より少くとも僅か上にある液化冷却剤を意味する。一
般的には、冷却剤供給装置に送られるとき、液化冷却剤
は０℃（３２下）かそれ以上であるが、普通６５．６℃
（１５０下）以上とは々らないであろう。

氷が装置外側表面に堆積することと、その排出オリフィ
スを塞ぐことをほとんど防止するために、温かい液化冷
却剤を使用することにより、冷たい拡散された噴射流が
作シ出されて、含水液体物質を冷却し、氷の粒子中にほ
とんど冷却剤を包み込むことなく、氷の粒子を作り出す
こととなる。

液化冷却剤は、ノズル、穴を有する穴明き管あるいは他
の適当な手段のごとき供給装置を通って含水物体中へ送
ることができる。望１しくけ、約５００ミクロン″まで
の、そして滅多に１００ミクロン以上でない平均の滴の
寸法を有する如き冷却剤小滴を提供する手段が用いられ
る。

冷却剤小滴は、その水面下で水中へ導かれてもよい。あ
るいは、冷却剤小滴は、水面を貫通ずるに十分な速度で
物体の表面に導かれてもよい。

水の物体は垂直な室内に配置されてもよく、結果として
生ずる冷却剤蒸気、水、氷晶そして液化冷却剤小滴の４
つの相の散乱が、流れの渦巻き撹拌作用により自ら撹拌
されることとなるよう０こ、液化冷却剤を底の部分で水
中へ送り出すことができる。

本発明のもう１つの観点によれば、含水物体中に氷を生
成する装置が提供され、その装置は、含水物体を保有す
る密閉容器と、望ましくは約５００ミクロン゛までの平
均滴寸法を有する非常に細かい小滴の形の液化冷却剤を
、容器中の含水物体へ送り込む手段と、含水液体を容器
内へ送り込む手段と、含水氷晶の懸濁液と冷却剤蒸気と
を容器から取り出す手段とからなる。

本装置は、他の場所で成分を分離するために、含水液体
、液化冷却剤及び冷却剤蒸気そして氷を単一の流れとし
て容器から取り出す手段を備えることができる。しかし
、容器は主として冷却剤蒸気だけを取り出す手段を備え
ることができる。

容器内の含水物体へ液化冷却剤を供給する装置は、ノズ
ル、穴の明いた管あるいは他の適当な手段を備えること
ができ、そｎを通って小滴が含水液体の表面の上側か下
側かのどちらかから、含水液体中へ噴霧さ扛あるいは流
れ込むこととなる。

容器は垂直柱として含水物体を含むような寸法に合わせ
て作ることができ、液化冷却剤を含水物体へ供給する手
段は、液化冷却剤を含水物体柱の底部へ供給するよう位
置付けることができる。

容器はまた、水平方向の含水物体を保有するような寸法
に合せて作ることができ、含水物体に液化冷却剤を供給
する装置は、液化冷却剤を含水物体の表面上と表面下へ
供給するよう位置付けることが可能である。

装置は、含水物体を撹拌するために、容器内に配置され
た撹拌器を備えることができる。

本発明において特に有用な冷却剤は、水和物を生成しな
いすなわち含水物体と反応しないものである。使用でき
る冷却剤の具体的なものとしては、プロパン、ブタン、
インブタン、オクタフルオロチクロブタン、ジクロロテ
トラフルオロエタン（Ｒ−１１４，）、それとＲ−１１
４とジクロロジフルオロメタン（Ｒ−１２）の混合でＲ
−１２が混合重量の４０％以下のものなどがある。温か
い温度と高い圧力下で液体であるＲ−１１４の如き冷却
剤は特に有用である。何故ならば、それはすでに説明し
た如く、冷却剤供給装置上での氷の生成を防止するから
である。

〔実施例〕

それが妥当であり実際的である限りにおいて、種々の図
面に現われる同じ要素すなわち部品は、同じ番号で示さ
れる。

第１図において、含水物体１２を保持する密閉容器１０
は垂直な管状のシェル１４８と、排出導管３０に連通ず
る上部移行部分１−６ヲ有する。垂直に置力１れた吸入
導管１８が移行部分２０を介してシェル１４の下端と連
通している。含水物体１２を構成する含水液体が下側導
管部分１８を通ってシェル１４に供給される。一対のノ
ズル２２．２４が移行部分２０に装置されている。本装
置での使用に適したノズルはイリノイ州つイートンのＳ
７ｙａｙｉｎｇ　５ｙｓｔｅｔｎｓ　Ｃｏ、、Ｌｔｄか
ら入手できる。

導管２６は液化冷却ガスをノズル２２へ、そして導管ｚ
８はノズル２Φへ液化冷却ガスを供給する。

直径が平均約５００ミクロンまでの平均寸法を有する小
滴の形で、冷却剤がノズル２２．２４から流れ出る。そ
の結果、急速な効率の良い熱伝達が、含水液中での氷晶
の生成を伴なって起こる。

その結果、冷却剤の蒸気や液体の捕捉がほとんど避けら
れる。

含水液体、氷晶そして冷却剤の混合物が内側シェル１手
から排出管３０を通って送られる。その後、この混合物
はタンクその他適当な装置へ送られ、そこで氷、冷却剤
そして含水液体の分離が行なうことができる。そのよう
な分離に続いて、その含水液体の幾分かあるいは全てが
、容器１０の中へ再度戻され、説明された方法でそれの
より多くを氷に変えることができる。

第２図に示された密閉容器１０２は、第１図に示された
容器１０に非常に良く似ている。しかし、容器１０２は
ノズル２２．２４を備えていない。

その代り、容器１０２は下側部分１８に、軸方向に配置
された穴の明い丸管３６を有している。管３６へ供給さ
れた冷却剤は、直径が約５００ミクロンまでの平均寸法
を有する小滴の形で管３６の穴を通って、下側部分１８
の中を上に向って流れる含水液体中へ流れ込む。管３６
の穴を通って流れ出る小滴は、とても小さいので、効率
の良い熱伝達と、はとんどまったくあるいはほんの僅か
の冷却剤の蒸気あるいは液体しか捕えない氷晶の生成を
伴なって、急速に含水液中に分散する。結果として生ず
る含水液体、氷晶そして冷却＝＋蒸気の混合物は、導管
３０を通って容器１０２から取り出され、成分の分離の
ためにある目的地へ移送される。

穴の明いた管３６は、ポリプロピレン、高密度ポリエチ
レン、ポリふツ化ビニリデン、エチレンビニルアセテー
ト、アクリロニトリロスチレン、ポリテトラフルオロエ
チレン、剛ポリ塩化ビニルあるいは塩素化ポリ塩化ビニ
ルなどの如き適当な重合物質で作られた管でよい。

本発明のもう一つの実施例が第３図及び第４図で示され
ている。水平密閉容器２００は円筒状の丸い水平シェル
４０を有し、その各端部には側面リング状７ランジ４２
．４４を備えている。取外し可能な円形平板４６が、フ
ランジ４２に図示されていない手段で取付けられている
。同様に取外可能な円形平板４８が図示されない手段で
フランジ４４に取り付けられている。

電動モータ５０が、板４６の外側に装着された多段変速
機５２と係合している。軸５４が、変速機５２から容器
２００の下側部分の中へ、水平に伸びている。軸５４の
内側端部は、ブラケット５６により支持されている。撹
拌羽根５８が、容器中の含水物体を撹拌するように軸５
４に装着されている。

導管６２が容器２００の下側部分に連通し、容器内に含
水液体を送る手段を提供している。導管６４がやはり容
器２００の下側部分に連通しているが、それは含水液体
と氷晶の混合物を取り出す手段を提供する。

水平パイプ６６が、端板４６を通って容器２００の上側
部分の中へ伸びており、容器内へ液化冷却ガスを供給す
る手段を提供する。容器２００の中の液状物体の上と中
へ、冷却小滴のしぶきを浴びせるように、パイプ６６の
底に複数のノズル６８が装置されている。その小滴は直
径で、約５００ミクロンまでの平均寸法を有し、１００
ミク、ロン以上のことはめったにない。しぶきを成す小
滴の速度は、それらを容器の水の中へ丑だ水面下へ進捷
せる。その結果生じる急速な熱交換は、水を冷却し、氷
晶がその中に冷却剤の蒸気あるいは液をほとんど、ある
いは捷ったく捕えていない状態で生成されるようにする
。

熱交換の結果、冷却液は蒸気に変り、それ゛らは容器２
００の上側内部空間に集捷る。冷却蒸気それと多少の水
蒸気は、導管７０を通って容器から取り出され、冷却剤
が元に戻され再使用され得るように処理される。

第５図は、本発明のもう１つの実施例を示すが、そこで
は第３図及び４図で示されている装置を採用している。

この実施例では、冷却剤供給パイプ６６２は、管状部材
の形式の穴の明いた管６６４に連通している。管６６Φ
の穴を通って流れる冷却剤は、直径が約５００ミクロン
までの平均寸法を有する非常に小さな滴のしぶきとして
、高速度で飛び出す。小滴は容器２００内の含水物体６
０の表面へ、そして表面下へと推進させられる。急速な
ト５１９交庚が起こり、氷晶が、もしあったとしてもほ
んの僅かな捕捉された冷却剤蒸気あるいは液を含んで生
成される。氷晶と含水液体の混合物は、第３図に示され
る如く導管６４を通って取り出され、冷却剤蒸気は導管
７０によって取り除くことができる。

図面により説明された全ての装置には、高圧の暖かい液
化冷却剤を送ることが重重しい。したがって、ノズルあ
るいは穴の明いた管へ送られる冷却剤は少くとも０℃（
３２下）、そして氷が冷却剤供給装置に堆積しオリフィ
スを塞ぐのを防止するように、含水液体物質の凝固点以
上の温度でなければならない。含水液体物質を冷却し、
氷の粒を生成させる冷たい冷却剤の噴射流を作り出す供
給装置から、液化冷却剤が飛び出すとそれは拡散される
。

〔例〕

第３図により示されるタイプの装置は、１０トンの冷凍
（１２０，０００ＢＴＵ／ｈｒ、　ＥＴＵ：Ｂｒｉｔｉ
ｓｈｔｈｅｒｍａｌ　ｕｎｉｔ　）　ｆ提供するように
合わせて作られている。容器は水を含み、冷却剤（ンク
ロロテトラフルオロエタンＲ７１１４）は、０．１７℃
（３２３下）の水の中へ直径約５００ミクロン捷での寸
法を有する小滴として吹き込１れている。

液体冷却剤は４１２．２３　ｐｓｉａ（ｐｏｕｎｄ−ｆ
ｏｒｃｅ　ｐｅｒｓｑｕａ、ｒｅ　ｉｎ、ｃｈ　ａｂｓ
、ｏｌｕｔｅ　）で３５℃（９５°Ｆ）でありしたがっ
て温かい。

冷却剤がノズル力＼ら飛び込むと、それは重量で２７．
１％が気化された状態で瞬間的に、１．１．３６ｐｓｉ
α、−２，７，８℃（２７下）に変る。

霧に吹かれた冷却剤の比較的高い速度の流れが水中へ注
がれ、水の一部はほとんど冷却剤を包みこむことなく氷
晶になり、冷却剤は気化する。気化された冷却剤は、１
１．３６　ｐｓｉａ、−０，５６℃（３１下）で、２２
２℃（４下）加熱されて、容器から取り除かれる。冷却
剤はノズル吸入孔へ送られた時には温かいので、氷がノ
ズルに堆積し、塞ぐことはない。

氷と水の混合物（氷１０％）が連続的に容器から取り除
かれる。良いポンプ特性を維持しつつ所要圧送馬力を最
小にするために、容器を通っての１通過の間に比較的高
い水の量を氷晶に変えることが望ましい（５〜１５％）
。

以上の細かい説明は理解を明瞭にするためになされたも
のであり、何ら無用な制限をするものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、容器中の水分を含んだ物体中に液化冷却剤ガ
スの小滴を供給する１対のノズルを有する、垂直密閉容
器の一部切り欠いた側面図。第２図は、第１図と同様の図であるが、含水物体中に冷
却剤小滴を供給する、穴の明いた管の使用を示している
。第３図は、水平な含水物体と、含水物体中に冷却小滴を
供給するノズルを内に含んだ、水平密閉容器の一部切り
欠いた側室面図。第４図は第３図４−４線に沿ってとられた断面図。第５図は第３図に示された装置の部分図であるが、水平
含水物体に冷却小滴を供給するノズルに代えて穴の明い
た管を備えている。１０．１０２．２００・・・密閉容器、１２・・・含水
物体、１４．４０・・・ンエル、１８．６２・・・吸入
導管、２２．２４．６８・・・ノズル、２６．２８．６
６．６６２・・・冷却剤供給導管、３０．６手・・・排
出導管、・、　パ３６．６６壬・・・穴明管、５０・・
・モータ、５２・・・変速機、５８・・・撹拌羽根、７
０・・・ガス導管。、　　　・　　（外５名）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）非常に細かい小滴の型式の液化冷却剤を含水物体
に供給する工程であつて、それにより、隣接する水から
冷却剤への熱伝達により、相当量の冷却剤を氷の中に包
み込むことなしに、液化冷却剤が非常に急速に気化され
、そして氷が生成される工程からなることを特徴とする
、氷を生成し一方水の中に冷却剤を包み込むことを減少
させる方法。
（２）液化冷却剤が、排出オリフィスを有する冷却剤供
給装置を通して含水物体へ供給される特許請求の範囲第
１項に記載の方法。
（３）液化冷却剤がノズルまたは穴の明いた管を通して
含水物体へ供給される特許請求の範囲第２項に記載の方
法。
（４）冷却剤が供給装置へ送られるとき、冷却剤が含水
物体の凝固点以上の温度である特許請求の範囲第２項に
記載の方法。
（５）含水物体は垂直な室内にあり、液化冷却剤が底部
で水中へ供給され、結果として生ずる冷却剤蒸気、水、
氷晶そして液化冷却剤の小滴の４つの相の散乱が、流れ
の渦巻き、撹拌作用により自ら撹拌される特許請求の範
囲第１項に記載の方法。
（６）冷却剤の小滴が、含水物体中へその表面下で取り
入れられる特許請求の範囲第１項に記載の方法。
（７）冷却剤の小滴が、含水物体の表面へその水面を貫
通するに十分な速度で注がれる特許請求の範囲第１項に
記載の方法。
（８）含水物体を保有する密閉容器と、容器内の含水物
体へ非常に細かい小滴の形の液化冷却剤を供給する手段
と、含水液体を容器内へ供給する手段と、含水氷懸濁液
と冷却剤蒸気を容器から取り出す手段からなることを特
徴とする、含水物体中に氷を生成させる装置。
（９）容器が、冷却剤蒸気を容器から取り出す手段を有
する特許請求の範囲第８項に記載の装置。
（１０）液化冷却剤を含水物体へ供給する手段がメスル
を有し、該ノズルから小滴が含水物体内へ、該含水物体
の上もしくは下のいずれかから噴霧される特許請求の範
囲第８項に記載の装置。
（１１）含水物体へ液化冷却剤を供給する手段が穴の明
いた管を有し、該管から小滴が含水物体内へ、該含水物
体の上もしくは下のいずれかから噴霧される特許請求の
範囲第８項に記載の装置。
（１２）容器が含水物体を垂直柱として保有するような
寸法に合わせて作られ、含水物体へ液化冷却剤を供給す
る手段が、液化冷却剤を含水柱の底部分へ供給するよう
に配置されている特許請求の範囲第８項に記載の装置。
（１３）液化冷却剤を含水物体へ供給する手段が、含水
物体内に配置されるようにされたノズルを有する特許請
求の範囲第１２項に記載の装置。
（１４）液化冷却剤を含水物体へ供給する手段が、含水
物体内に配置された穴の明いた管を有する特許請求の範
囲第１２項に記載の装置。
（１５）容器が水平の含水物体を保有するような寸法に
合わせて作られ、液化冷却剤を含水物体へ供給する手段
が、液化冷却剤を含水物体の表面上へそして表面下へ供
給するように位置付けられている特許請求の範囲第８項
に記載の装置。
（１６）含水物体中へ液化冷却剤を供給する手段が、容
器内にノズルを備え、該ノズルから小滴が含水物体内へ
流れる特許請求の範囲第１５項に記載の装置。
（１７）含水物体中へ液化冷却剤を供給する手段が、容
器内に穴の明いた管を備え、該管から小滴が含水物体内
へ流れる特許請求の範囲第１５項に記載の装置。
（１８）含水物体を撹拌するために、容器内に撹拌器が
配置されている特許請求の範囲第１５項に記載の装置。
（１９）高圧の温かい液化冷却剤の流れを冷却剤供給装
置へ送り込む工程と、そこから非常に細かい冷たい小滴
の噴射の型式で小滴を拡散し、小滴を含水液体物体へ供
給する工程から成り、それにより温かい液化冷却剤は供
給装置を温かく保ち、氷が供給装置に堆積するのを防止
し、そして隣接する水から冷却剤への熱伝達により、液
化冷却剤小滴は非常に急速に気化され氷が生成されるこ
とを特徴とする、氷を生成する一方冷却剤供給装置上で
の氷の形成を除去する方法。
（２０）供給装置内にある液化冷却剤が、含水液体物体
の凝固点より少くとも僅かに高い温度である特許請求の
範囲第１９項に記載の方法。
（２１）液化冷却剤が供給装置へ供給されるとき、液化
冷却剤は少くとも０℃（３２°Ｆ）の温度である特許請
求の範囲第２０項に記載の方法。
（２２）冷却剤はジクロロテトラフルオロエタン（ｄｉ
ｃｈｌｏｒｏｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈａｎｅ）で
あり、それは供給装置へ供給されるとき、約３５℃（９
５°Ｆ）である特許請求の範囲第１９項に記載の方法。