JPS6399473A

JPS6399473A - 凍結粒の製造方法

Info

Publication number: JPS6399473A
Application number: JP24487886A
Authority: JP
Inventors: 多計城秦; 多田　益太; 宏之大浦
Original assignee: Taiyo Sanso Co Ltd
Current assignee: Taiyo Sanso Co Ltd
Priority date: 1986-10-15
Filing date: 1986-10-15
Publication date: 1988-04-30
Anticipated expiration: 2011-08-14
Also published as: JP2524714B2

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）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する氷粒等の凍結粒を製造する
ための方法に関するものである。

（従来の技術）一般に、この種凍結粒の製造方法として、水等の被凍結
原料を液体窒素等の冷媒を収容した断熱容器たる凍結粒
製造容器内に噴霧して、この被凍結原料の噴霧粒子を、
それが冷媒中を沈降する間に、冷媒との熱交換により凍
結せしめるようにする方法が良く知られているが、この
方法では、多量の冷媒を必要とする問題がある。

そこで、本発明者は、先に、冷媒たる液体窒素中に窒素
ガスを注入して、これによって発生する冷媒蒸発ガスで
もって容器内部分を冷気相雰囲気に保持し、この冷気相
雰囲気中に被凍結原料を噴震することによって、その噴
霧粒子を冷媒蒸発ガスと熱交換して凍結せしめるように
する方法（以下「従来方法」という）を開発した。この
方法によれば、上記した一般的方法に比して、冷媒使用
量したがってエネルギ原単位をある程度低減することが
できる。

（発明が解決しようとする問題点）ところが、かかる従来方法においても、冷気相源として
冷媒の蒸発ガスを用いており、かなりの量の冷媒を必要
とすることから、必要とするエネルギ原単位は未だ高く
、省エネルギ化を有効に実現したものとは言い難く、製
造コストもさほど低減されない。

本発明は、かかる点に鑑み、冷媒を全く使用せず、或は
使用しても極く少量で済む凍結粒の製造方法を提供し、
もってエネルギ原単位及び製造コストの大幅な低減を実
現しようとするものである。

（問題点を解決するための手段）この課題を解決した本発明の凍結粒の製造方法は、特に
、被凍結原料の噴震粒子を凍結させるべくこれと熱交換
する冷気相を、機械式冷凍機で低温化した低温ガスを用
いて確保するようにしたものである。

すなわち、第１発明の方法は、空気、窒素ガス。

アルゴンガス等の被冷却ガスを機械式冷凍機を用いて冷
却し、その冷却された低温ガスを断熱容器たる凍結粒製
造容器内に供給して、該容器内を冷気相雰囲気に保持し
、この冷気相雰囲気中に被凍結原料を噴震して、その噴
霧粒子を低温ガスと熱交換させることによって凍結せし
めるようにしたものであり、また第２発明の方法は、空
気、窒素ガス、アルゴンガス等の被冷却ガスを機械式冷
凍機を用いて冷却し、その冷却された低温ガスを断熱容
器たる凍結粒製造容器内に供給すると共に液体窒素等の
冷媒を該容器内に霧状に噴出させて、低温ガスと冷媒と
の混合ガスでもって容器内を冷気相雰囲気に保持し、こ
の冷気相雰囲気中に被凍結原料を噴霧して、その噴震粒
子を前記混合ガスと熱交換させることによって凍結せし
めるようにしたものである。

第１発明の方法において、被凍結原料の噴霧粒子を凍結
させるに必要な冷気相温度つまり低温ガスの温度は１例
えば被凍結原料として水を用いた場合、理論的には０℃
以下であればよいが、実用上からすると、凍結時間した
がって容器の容量等との関係から一６０℃〜−１３０℃
にしておくことが望ましい。

また第２発明の方法は、冷凍機により冷却された低温ガ
スを供給するのみでは必要とする冷気相温度が確保でき
ない場合に好適し、低温ガスの供給に加えて冷媒を容器
内に噴出させ、低温ガスと冷媒蒸発ガスとの混合ガスに
よって、冷気相温度を第１発明の方法による場合に比し
てより低温に維持しておくことができる。この場合、噴
出器を使用して、冷媒を低温ガスと混合した上で該低温
ガスの噴出力により容器内に噴出させるようにするのが
よい。

本発明の方法において用いる機械式冷凍機としては、特
に三元冷凍機が好適である。第２発明の方法では冷媒を
使用するため、第１発明の方法に比して、一般に冷凍機
の能力を低くできる。

また本発明の方法において、被冷却ガスとして空気を用
いる場合には、冷凍機による低温化処理前に、圧縮機で
昇圧しておくと共に空気中の水分及び炭酸ガスを除去し
ておくことが望ましい。空気の低温化に伴い、水分は氷
となり、炭酸ガスはドライアイスとなって、低温ガスの
供給管を閉塞する等の不都合を生じる虞れがあるからで
ある。

水分の除去装置としては１例えば合成ゼオライト等の吸
着剤を使用した除湿装置又はリパーシング熱交換器を用
いればよく、また炭酸ガスの除去装置としては１例えば
合成ゼオライト等の吸着剤を使用した除去装置を用いれ
ばよい。ただし、炭酸ガスは、水と異なって、炭酸ガス
の分圧より一１４０℃〜−１５０℃で凍結してドライア
イスとなるため、低温ガス温度が当該ドライアイス生成
温度以上である場合には、敢えて除去しておく必要はな
い。また低温ガスと冷媒とを噴出器から混合噴出させる
場合には、低温ガス温度が上記ドライアイス生成温度以
上であるときにも、低温ガス中の炭酸ガスが冷媒によっ
て凍結されることになるが、低温ガスと冷媒との混合が
噴出器から噴出される直前に行われるように、つまりこ
の混合を噴出器の噴出口近傍部位で行うようにしておけ
ば、仮置ドライアイスが生成したとしても、極く小径の
ものであり、上記不都合を生じる虞れはない。

また、清浄であることが特に要求される凍結粒、例えば
半導体等の表面処理用等として用いる凍結粒を製造する
場合には、メンブレンフィルタ等の高性能フィルタによ
り清浄化した上で、低温ガスとして容器内に供給するよ
うにすることが望ましい。この場合、被凍結原料噴霧用
の噴震ガスも同様に清浄化しておくことが望ましい。

ところで、第１発明の方法によれば一５０℃〜−１００
℃の凍結粒を製造することが可能であるが、今、例えば
−８０℃の氷粒を１Ｋｇ製造するに必要な冷気相エネル
ギが約１２５Ｋｃａｌであるとして、この条件下で、第
１発明の方法を実施するに必要なエネルギ原単位を試算
してみると。

被冷却ガスとして空気（２０℃）を用いる場合において
、低温ガスの温度を一８５℃としたときは１　、１３　
ＫＷ／　Ｋ　ｇ　、ｉｃｅとなる。

すなわち、氷粒ＩＫｇｔＩ−得るに必要な低温ガス量は
７．５８Ｎｍ３であるから、この低温ガスを得るに要す
る圧縮機の昇圧エネルギは、７．５８　ｘｌ、１５（収
率）Ｘｏ、１＝０．８７ＫＷである。

また２０℃の空気（７，５８Ｎｍ３）を冷凍機（２段冷
凍機）で−８５℃に冷却するに要する電力エネルギは、
Ｑ＝７．５８Ｘ１．２５Ｘ０．２４Ｘ１００＝２２７．
４Ｋｃａｌであるから、２２７．４÷８６０＝０．２６
ＫＷである。したがって、必要な全エネルギ原単位は０
．８７＋０．２６＝１゜１３　Ｋ　Ｗ　／　Ｋ　ｇ　、
ｉｃｅとなる。

また、低温ガス温度を一１３０℃としたときは０　、６
９　ＫＷ／　Ｋ　ｇ　、ｉｃｅとなる。

すなわち、氷粒ＩＫｇを得るに必要な低温ガス量は４．
１７Ｎｍ３であるから、この低温ガスを得るに要する圧
縮機の昇圧エネルギは、４．１７Ｘ１．１５（収率）ｘ
ｏ、１＝ｏ、４８ＫＷである。

また２０℃の空気（４，１７Ｎｍ３）を冷凍機（三元冷
凍機）で−１３０℃に冷却するに要する電力エネルギは
、Ｑ＝１８７．５Ｋｃａｌであるから、１８７．５−４
−８６０＝０．２１ＫＷである。したがって、必要な全
エネルギ原単位は０．４８＋０．２１＝ｏ、６９ＫＷ／
Ｋｇ、ｉｃｅとなる。

一方、同一条件下で、従来方法を実施する場合に必要な
エネルギ原単位は５．２５ＫＷ／Ｋｇ、ｉｃｅとなる。

すなわち、冷媒蒸発ガスの温度を一１５０℃としたとき
、冷媒たる液体窒素（及びこれに注入する窒素ガス）は
約３．５Ｎｍ３／Ｋｇ、ｉｃｅ必要となり、また液体窒
素生産時の原単位は約１゜５ＫＷ／Ｎｍ３であるから、
必要な電力エネルギつまりエネルギ原単位は３．５Ｘ１
．５＝５．２５ＫＷ／Ｋｇ、ｉｃｅとなる。

このように、第１発明の方法においては、液化窒素等の
冷媒を全く必要としないから、必要とするエネルギ原単
位は従来方法の略１／７で済み。

エネルギ原単位を大幅に低減することができる。

また、第２発明の方法によれば上記したように一５０℃
〜−１００℃の凍結粒を製造することが可能であるが、
今、例えば−１３０℃の氷粒を１Ｋｇ製造するに必要な
冷気相エネルギが約１４０Ｋｃａｌであるとして、この
条件下で、第２発明の方法を実施するに必要なエネルギ
原単位を試算してみると、被冷却ガスとして空気（２０
℃）及び冷媒として液体窒素を用いる場合において、−
８０℃に冷却した低温ガス（２，９５Ｎｍ３）と液体窒
素（０，９５Ｎｍ３）とを混合させることによってその
混合ガスの温度を一１５０℃としたとき、１　、９　Ｋ
Ｗ／　Ｋ　ｇ　、ｉｃｅとなる。

すなわち、２．９５Ｎｍ３の空気を得るに要する圧縮機
の昇圧エネルギは、２．９５Ｘ１．１５Ｘ０゜１　＝０
．３３９　ＫＷである。２０℃の空気（２，９５Ｎｍ’
）を冷凍機で一８０℃に冷却するに要する電力エネルギ
は、Ｑ＝２．９５Ｘ１．２５ＸＯ。

２４Ｘ１００”８８．５Ｋｃａ　ｌであるから、８８．
５÷８６０＝０．１０３ＫＷである。また、０゜９５Ｎ
ｍ３の液体窒素については、上記した如く生産時の原単
位が１．５ＫＷ／Ｎｍ３であるから、０．９５ｘＬ、５
＝１．４３ＫＷ必要である。したがって、必要な全エネ
ルギ原単位は０．３３９　＋０．１０３＋１．４３＝１
．８７２ＫＷ／Ｋｇ、ｉｃｅとなる。

一方、従来方法を同一条件下で実施する場合に必要なエ
ネルギ原単位は、冷媒蒸発ガスの温度を一１５０℃とし
たとき、冷媒たる液体窒素（及びこれに注入する窒素ガ
ス）は３．９Ｎｍ３／Ｋｇ、ｉｃｅ必要となることから
、３．９Ｘ１．５＝５．８５Ｋ　Ｗ　／　Ｋ　ｇ　、ｉ
ｃｅとなる。

したがって、第２発明の方法においては、低温ガスに加
えて冷媒を使用するため、第１発明に比べれば必要エネ
ルギ原単位が若干増加するものの。

従来方法に対してはその略１／３にエネルギ原単位を低
減することができる。

（実施例）以下、本発明の方法を第１図及び第２図に示す各実施例
に基づいてより具体的に説明する。

まず、第１発明の実施例を第１図に示す凍結粒製造装置
を用いて説明する。

第１図において、１は内径４００　ｍ　ｍ　、高さ約１
５００ｍｍとした横断面形状円形の断熱密閉容器たる凍
結粒製造容器で、上部に冷気排出口１ａを有すると共に
噴霧器２を設けである。この噴霧器２は、被凍結原料供
給管３及び噴霧ガス導入管４を接続して、供給管３から
供給した水等の被凍結原料を導入管４から導入した窒素
ガス、空気等の噴霧ガスによって容器１内に下方向に霧
状に噴出させるように構成しである。なお、導入管４に
は噴震ガス清浄用のフィルタ４ａを介設しである。

また容器１の下部には、凍結粒回収口６を連設した網状
体５が傾斜状に張設されていて、容器１内を上下二室ｌ
ｂ、ｌｃに区画している。なお、網状体５として１５０
メツシユの５ＵＳ３０４＄１金網を使用した。

また８は被冷却ガス源９から容器１の下室ＩＣに導いた
低温ガス供給管である。この供給管８には、被冷却ガス
源９側から順次直列配置して、圧縮機１０．水分除去袋
Ｍ１１．熱交換器１２．フィルタ１３を介設しである。

圧縮機１０としては、被冷却ガスを５　Ｋ　ｇ　／　ｃ
　ｍに昇圧しうる能力９２Ｎｍ３／ｈのものを使用した
。水分除去装置１１としては、吸着材として合成ゼオラ
イトを用いる圧力変動式の除湿器を使用した。熱交換器
１２は。

これと冷凍機１４との間を循環する冷媒（Ｒ−１２）に
よって、被冷却ガスを熱交換冷却するもので、フィン式
（冷媒蒸発温度−８０℃、熱交換能力２５００Ｋｃａｌ
／ｈ）のものを使用した。また冷凍機１４としては、冷
凍能力２５００Ｋｃａ１／ｈ、軸動力５．０ＫＷｈの三
菱電機株式会社製冷凍機を使用した。フィルタ１３とし
ては、メンブレンフィルタ　（除塵能力０．１μｍ）を
使用した。なお、前記フィルタ４ａもこれと同様のもの
を使用した。

この実施例では、被凍結原料として水を又被冷却ガスと
して空気を用いており、まず被冷却ガスたる空気（２０
℃）を圧縮機１０．水分除去装置１１、熱交換器１２．
フィルタ１３を経過させて供給管８から容器１の下室１
ｃに供給する。すなわち、空気を圧縮機１０で５Ｋｇ／
ａｍ２に昇圧した上、熱交換器１２内において冷凍機１
４からの冷媒と熱交換させて一８０’Ｃに冷却し、その
低温空気をフィルタ１３により清浄化した上で、容器１
の下室１ｃに供給する。このとき、低温空気の供給流量
は８ＯＮｍ３／ｈである。なお、被冷却ガスとして空気
以外の窒素ガス、アルゴンガス等を用いる場合には、圧
縮機１０及び水分除去装置１１は必要としない。また、
当該凍結粒製造装置の設置工場に乾燥空気ラインがある
場合には、このラインの乾燥空気を被冷却ガスとして或
はその一部として利用することができる０例えば、第１
図に鎖線で示す如く、乾燥ライン１６を低温ガス供給管
８に接続する。

そして、容器１の下室１ｃに供給した低温空気が網状体
５を通過して上室１ｂ内に充満して、該上室１ｂ内を冷
気相雰囲気に維持するようになった時点で、被凍結原料
たる水を噴霧器２から噴霧する。すなわち、噴霧器２に
水をＩＯＱ／ｈで供給すると共に噴霧ガスたる窒素ガス
をＩＮＱ／ｈで導入して、水を噴霧圧力２．６Ｋｇ／ｃ
ｍ”で前記冷気相雰囲気中に下向きに噴霧する。

なお、噴霧ガスとして被冷却ガスと同一のガスを用いる
場合（例えば被冷却ガス及び噴霧ガスとして空気を用い
る場合）には、第１図に鎖線で示す如く導入管４を供給
管８に分岐接続して、被冷却ガスの一部（例えば除湿処
理した乾燥空気）を噴霧ガスとして利用するようにして
もよい。

このようにすると、低温空気は、被凍結原料の噴霧粒子
たる水滴と逐次熱交換することによって密度差を生じ、
これによって冷気排出口１ａ方向に徐々に上昇する。一
方、被凍結原料の噴霧粒子たろ水滴は、上室ｌｂ内の冷
気相雰囲気中を自然落下し、この間において上昇してく
る低温空気と熱交換して凍結し、その凍結粒たる氷粒は
網状体５上に落下到達して、凍結粒回収口６に回収され
る。

この結果、−７０℃の氷粒（粒径１００〜２００μｍ）
を１０　Ｋ　ｇ　／　ｈ製造することができた。

次に、第２発明の実施例を第２図に示す凍結粒製造装置
を用いて説明する。この凍結粒製造装置は、圧縮機１０
．熱交換器１２．冷凍機１４として上記実施例のものよ
り低能力のものを使用した点、及び低温ガスと冷媒たる
液体窒素とを混合噴出する噴出器１７を設けた点以外、
前記した凍結粒製造装置と同一構造のものであるから、
同一構成部分については、第２図に第１図における符号
と同一の符号を付すことによって、その説明は省略する
。噴出器１７はその噴出口を容器１の下室１ｃ内に臨ま
せて設けたもので、低温ガス供給管８及び冷媒供給管１
８を接続して、低温ガスと冷媒とを噴出口近傍部位で混
合した上で、冷媒を低温ガスと共に該ガスの噴出力でも
って、下室１ｃ内に霧状に噴出させるように構成しであ
る。また圧縮機１０としては、圧力５Ｋｇ／ｃｍ”、能
力３５Ｎｍ３／ｈの株式会社日立製作所製圧縮機を使用
し、熱交換器１２としては、冷媒蒸発温度−８５℃、能
力８００　Ｋ　ｃ　ａ　ｌ　／　ｈのフィン式のものを
使用し、冷凍機１４としては、能力８００Ｋｃ　ａ　ｌ
　／　ｈ　、軸動力１．６ＫＷｈの三菱電機株式会社製
冷凍機を使用している。

この実施例では、被凍結原料として水を、被冷却ガスと
して空気を又冷媒として液体窒素を用いており、まず被
冷却ガスたる空気（２０℃）を圧縮機１０で５Ｋｇ／ａ
ｍ”に昇圧した上、熱交換器１２．冷凍機１４により一
８０℃に冷却し、その低温空気をフィルタ１３により清
浄化した上で、噴霧器１７に供給すると共に、冷媒供給
管１８から液体窒素（−１９６℃）を噴霧器１７にＩＯ
Ｎｍ’／ｈ供給し、液体窒素を低温空気と共に容器１の
下室１ｃ内に霧状に噴出させる。このとき、低温空気の
供給量は３ＯＮｍ３／ｈであり、液体窒素の供給量は１
ＯＮｍ１／ｈである。なお、被冷却ガスとして空気以外
の窒素ガス、アルゴンガス等を用いる場合には、圧縮機
１０及び水分除去装置１１は必要とせず、当該凍結粒製
造装置の設置工場に乾燥空気ラインがある場合には、こ
のラインの乾燥空気を被冷却ガニＡ−（及び噴霧ガス）
として或はその一部として利用することができることは
勿論である。

そして、この低温ガスと冷媒との混合ガス（−１６０℃
）が網状体５を通過して上室１ｂ内に充満して、該上室
１ｂ内を冷気相雰囲気に維持するようになった時点で、
被凍結原料たる水を噴霧器２から噴霧する。すなわち、
噴霧器２に水を１０Ｑ／ｈで供給すると共に噴震ガスを
ＩＮＱ／ｈで導入して、水を噴霧圧力２．５Ｋｇ／ｃｍ
”で前記冷気相雰囲気中に下向きに噴霧する。なお、噴
霧ガスとしては、第２図に示す如く導入管４を供給管８
に分岐接続することによって、被冷却ガスの一部つまり
除湿処理した乾燥空気を用いるようにしている。

この結果、−１３０℃の氷粒（粒径１００〜２００μｍ
）を１０Ｋｇ／ｈ製造することができた。

（発明の効果）以上の説明からも容易に理解されるように１本発明によ
れば、被凍結原料を凍結させるための冷気相源として機
械式冷凍機で冷却した空気等の低温ガス若しくはこれと
冷媒との混合ガスを用いるようにしたから、従来方法の
ように多量の冷媒を使用する必要がなく、凍結粒を得る
に必要なエネルギ原単位を大幅に低減することができ、
省エネルギ化を有効に実現することができ、製造コスト
も大幅に低減できるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１発明の方法を実施するための凍結粒製造装
置の一例を示す系統図、第２図は第２発明の方法を実施
するための凍結粒製造装置の一例を示す系統図である。１・・・・凍結粒製造容器、１ａ・・・・冷気排出口、
１ｂ・・・・容器の上室、ＩＣ・・・・容器の下室、２
・・・・被凍結原料の噴霧器、５・・・・網状体、６・
・・・凍結粒回収口、８・・・・低温ガス供給管、９・
・・・被冷却ガス源、１０・・・・圧縮機、１１・・・
・水分除去装置、１２・・・・熱交換器、１３・・・・
フィルタ、１４・・・・冷凍機、１７・・・・噴出器、
１８・・・・冷媒供給管。第１図ｍ−・」４６第２図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）空気、窒素ガス、アルゴンガス等の被冷却ガスを
機械式冷凍機を用いて冷却し、その冷却された低温ガス
を断熱容器たる凍結粒製造容器内に供給して、該容器内
を冷気相雰囲気に保持し、この冷気相雰囲気中に被凍結
原料を噴霧して、その噴霧粒子を低温ガスと熱交換させ
ることによって凍結せしめるようにしたことを特徴とす
る凍結粒の製造方法。
（２）前記被冷却ガスとして、水分を除去した乾燥空気
を用いるようにしたことを特徴とする、特許請求の範囲
第１項に記載する凍結粒の製造方法。
（３）前記被冷却ガスとして、水分及び炭酸ガスを除去
した乾燥空気を用いるようにしたことを特徴とする、特
許請求の範囲第１項に記載する凍結粒の製造方法。
（４）前記低温ガスを、フィルターを経過させた上で凍
結粒製造容器内に供給するようにしたことを特徴とする
、特許請求の範囲第１項、第２項又は第３項に記載する
凍結粒の製造方法。
（５）空気、窒素ガス、アルゴンガス等の被冷却ガスを
機械式冷凍機を用いて冷却し、その冷却された低温ガス
を断熱容器たる凍結粒製造容器内に供給すると共に液体
窒素等の冷媒を該容器内に霧状に噴出させて、低温ガス
と冷媒との混合ガスでもって容器内を冷気相雰囲気に保
持し、この冷気相雰囲気中に被凍結原料を噴霧して、そ
の噴霧粒子を前記混合ガスと熱交換させることによって
凍結せしめるようにしたことを特徴とする凍結粒の製造
方法。
（６）前記被冷却ガスとして、水分を除去した乾燥空気
を用いるようにしたことを特徴とする、特許請求の範囲
第５項に記載する凍結粒の製造方法。
（７）前記被冷却ガスとして、水分及び炭酸ガスを除去
した乾燥空気を用いるようにしたことを特徴とする、特
許請求の範囲第５項に記載する凍結粒の製造方法。
（８）前記低温ガスを、フィルターを経過させた上で凍
結粒製造容器内に供給するようにしたことを特徴とする
、特許請求の範囲第５項、第６項又は第７項に記載する
凍結粒の製造方法。
（９）前記冷媒を、噴出器を使用して、前記低温ガスと
混合した上で該低温ガスの噴出力により容器内に噴出さ
せるようにしたことを特徴とする、特許請求の範囲第５
項、第６項、第７項又は第８項に記載する凍結粒の製造
方法。
（１０）前記冷媒と低温ガスとを前記噴出器から噴出さ
せる直前に混合するようにしたことを特徴とする、特許
請求の範囲第９項に記載する凍結粒の製造方法。