(57)【要約】【課題】ノズルから吐出した固体のスラリー化を抑制できる高効率な固体生成システムを提供する。【解決手段】筒状部と、液体を吐出するように構成された液体吐出部とを含み、筒状部に流入した気体と液体吐出部から吐出された液体とを混合して液体を固体に相変化させるように構成されたノズルと、ノズルから吐出された固体及び気体が流入するように配置されたタービンと、を備える、固体生成システム。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状部と、液体を吐出するように構成された液体吐出部とを含み、前記筒状部に流入した気体と前記液体吐出部から吐出された前記液体とを混合して前記液体を固体に相変化させるように構成されたノズルと、
前記ノズルから吐出された前記固体及び前記気体が流入するように配置されたタービンと、
を備える、固体生成システム。
【請求項２】
前記筒状部は、下流側に向かうにつれて流路面積が縮小する先細部を含む、請求項１に記載の固体生成システム。
【請求項３】
前記筒状部は、前記先細部の下流側に、下流側に向かうにつれて流路面積が拡大する末広部を含む、請求項２に記載の固体生成システム。
【請求項４】
前記液体吐出部に前記液体を送るためのポンプを更に備える、請求項１乃至３の何れか１項に記載の固体生成システム。
【請求項５】
前記液体吐出部は、前記筒状部内の前記気体の流れによって前記液体が前記筒状部内に吸引されることにより前記液体を前記筒状部内に吐出するように構成された、請求項１乃至４の何れか１項に記載の固体生成システム。
【請求項６】
前記タービンに連結され、前記タービンの動力を回収可能な被駆動機を更に備える、請求項１乃至５の何れか１項に記載の固体生成システム。
【請求項７】
前記気体を圧縮するための圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された前記気体を冷却するための第１冷却器と、
前記第１冷却器で冷却された前記気体を前記ノズルに供給するための冷却気体供給ラインと、
を備える、請求項１乃至６の何れか１項に記載の固体生成システム。
【請求項８】
前記圧縮機は、前記ノズルの出口における前記気体の流速が遷音速以上となるように前記気体を圧縮するように構成された、請求項７に記載の固体生成システム。
【請求項９】
前記ノズルは、
下流側に向かうにつれて流路面積が縮小する先細部と、
下流側に向かうにつれて流路面積が拡大する末広部と、
を含む先細末広形状を有しており、
前記圧縮機は、前記ノズルの出口における前記気体の流速が超音速となるように前記気体を圧縮するように構成された、請求項８に記載の固体生成システム。
【請求項１０】
前記タービンを通過した前記固体と前記気体を分離するための分離装置を更に備える、請求項１乃至６の何れか１項に記載の固体生成システム。
【請求項１１】
前記分離装置は、
前記タービンの回転軸線の延長線上に配置され、前記タービンを通過した前記気体の少なくとも一部が流入するように構成された気体流入部と、
前記気体流入部の外周側に設けられ、前記タービンを通過した前記固体の少なくとも一部を回収するための固体回収部と、
を含む、請求項１０に記載の固体生成システム。
【請求項１２】
前記気体を圧縮するための圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された前記気体を冷却するための第１冷却器と、
前記第１冷却器で冷却された前記気体を前記ノズルに供給するための冷却気体供給ラインと、
を備える、請求項１０又は１１に記載の固体生成システム。
【請求項１３】
前記分離装置から回収された前記気体を前記第１冷却器に供給するための第１冷却器側回収ラインを更に備え、
前記第１冷却器は、前記第１冷却器側回収ラインから供給された前記気体と前記圧縮機で圧縮された前記気体との熱交換を行うように構成された、請求項１２に記載の固体生成システム。
【請求項１４】
前記分離装置から回収された前記気体を前記圧縮機の入口側に供給するための圧縮機側回収ラインを更に備える、請求項１２に記載の固体生成システム。
【請求項１５】
前記分離装置から回収された前記気体を前記圧縮機の入口側に供給するための圧縮機側回収ラインと、
前記分離装置から回収された前記気体の供給先を前記第１冷却器と前記圧縮機とで切り替え可能な切替装置と、
を更に備える、請求項１３に記載の固体生成システム。
【請求項１６】
前記冷却気体供給ラインにおける前記第１冷却器と前記ノズルとの間に設けられ、前記第１冷却器で冷却された前記気体を更に冷却するように構成された第２冷却器と、
前記分離装置から回収した前記気体を前記第２冷却器に供給するための第２冷却器側回収ラインを更に備え、
前記第２冷却器は、前記第２冷却器側回収ラインから供給された前記気体と前記第１冷却器で冷却された前記気体との熱交換を行うように構成された、請求項１２に記載の固体生成システム。
【請求項１７】
前記第２冷却器側回収ライン及び前記第２冷却器を順に通った前記気体を前記圧縮機の入口側に供給するための圧縮機側回収ラインを更に備える、請求項１６に記載の固体生成システム。
【請求項１８】
前記圧縮機は、大気を吸気するように構成された、請求項１２、１３、又は１６の何れか１項に記載の固体生成システム。
【請求項１９】
前記液体を前記ノズルに供給する前に冷却するための液体冷却器と、
前記分離装置から回収された前記気体を前記液体冷却器に供給するための液体冷却器側回収ラインと、
を備え、
前記液体冷却器は、前記液体と前記液体冷却器側回収ラインから供給された前記気体とで熱交換を行うように構成された、請求項１２乃至１８の何れか１項に記載の固体生成システム。
【請求項２０】
前記液体は水であり、前記固体は氷粒子である、請求項１乃至１９の何れか１項に記載の固体生成システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、固体生成システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
液体を固体に相変化させる技術として、冷凍サイクルを用いた冷凍システムが知られている。特許文献１には、空気の循環路に、空気圧縮機、この圧縮機で得られた圧縮空気を系外の熱媒を用いて冷却する圧縮空気冷却器、この冷却器を通過した空気を膨張させて低温空気を得るための空気膨張装置、およびこの膨張装置を通過した低温空気を用いて製氷するための製氷用熱交換器が空気流れの順に配置された、空気式製氷装置が開示されている。この装置は、熱媒やブラインを用いないで氷利用施設の製氷をより効率よく行うために、空気膨張装置に入る前の空気と製氷用熱交換器を通過した空気とを熱交換するための熱回収用熱交換器をさらに備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第２６８１４３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、高速に製氷又は製雪を行うニーズに対して、ノズルでの気体の膨張及び気体の流れの高速化に伴う静温低下を利用した手法が有効である。
【０００５】
しかしながら、この手法は、ノズルから吐出された後で気体が拡散して減速するため、全温回復に向かって温度が上昇して氷粒子が溶けやすく、氷粒子がスラリー化しやすい。また、ノズル入口の温度を下げることにより氷粒子のスラリー化を抑制することも考えられるが、冷却のための動力が増加してサイクル効率が低下してしまう。
【０００６】
この点、特許文献１には、ノズルから吐出した固体のスラリー化の抑制とサイクル効率の低下の抑制とを両立するための知見については何ら開示されていない。
【０００７】
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、ノズルから吐出した固体のスラリー化を抑制できる高効率な固体生成システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る固体生成システムは、
筒状部と、液体を吐出するように構成された液体吐出部とを含み、前記筒状部に流入した気体と前記液体吐出部から吐出された前記液体とを混合して前記液体を固体に相変化させるように構成されたノズルと、
前記ノズルから吐出された前記固体及び前記気体が流入するように配置されたタービンと、
を備える。
【０００９】
上記（１）に記載の固体生成システムによれば、筒状部に流入した気体と液体吐出部から吐出された液体とで熱交換を行うことで液体を固体に相変化させることができる。そして、ノズルから吐出された気体の流れの運動エネルギー及び固体の運動エネルギーをタービンの回転エネルギーに変換してエネルギーを回収することにより、高効率な固体生成システムを実現することができる。
【００１０】
また、ノズルから吐出された気体の流れの運動エネルギーをタービンで回収することによって、全温回復を抑制して気体の流れの低温状態を維持できるため、ノズルから吐出された固体のスラリー化を抑制することができる。なお、タービンには、ノズルから吐出された固体及び気体に加えて、液体吐出部から吐出されて固体に相変化しなかった液体が流入してもよく、この場合、タービンは、ノズルから吐出された固体、液体及び気体の運動エネルギーを回収することができる。
【００１１】
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載の固体生成システムにおいて、
前記筒状部は、下流側に向かうにつれて流路面積が縮小する先細部を含む。
【００１２】
上記（２）に記載の固体生成システムによれば、先細部で気体の流れを加速して気液混合により液滴を微細化することで、液体吐出部から吐出された液体の固体への相変化を促進することができる。
【００１３】
（３）幾つかの実施形態では、上記（２）に記載の固体生成システムにおいて、
前記筒状部は、前記先細部の下流側に、下流側に向かうにつれて流路面積が拡大する末広部を含む。
【００１４】
上記（３）に記載の固体生成システムによれば、末広部で空気を膨張させて空気の温度を低下させるとともに、ノズルの出口における空気流れの速度を効率よく遷音速又は超音速とすることができる。したがって、気液混合によって液滴を効果的に微細化して、液体吐出部から吐出された液体の固体への相変化を促進することができる。
【００１５】
（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れかに記載の固体生成システムにおいて、
前記液体吐出部に前記液体を送るためのポンプを更に備える。
【００１６】
上記（４）に記載の固体生成システムによれば、液体を加圧することによって、液体吐出部から吐出される液滴の微細化を促進し、液滴の表面積の総和を増加させて液体の固体への相変化を促進して良好な性状の固体を生成することができる。
【００１７】
（５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の何れか１項に記載の固体生成システムにおいて、
前記液体吐出部は、前記筒状部内の前記気体の流れによって前記液体が前記筒状部内に吸引されることにより前記液体を前記筒状部内に吐出するように構成される。
【００１８】
上記（５）に記載の固体生成システムによれば、気体の膨張時の動圧を利用して液体を負圧吸引することが可能となり、位置エネルギーやポンプ等の動力がなくとも液体をエジェクタ部から吐出することができる。
【００１９】
（６）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（５）の何れかに記載の固体生成システムにおいて、
前記タービンに連結され、前記タービンの動力を回収可能な被駆動機を更に備える。
【００２０】
上記（６）に記載の固体生成システムによれば、タービンの動力を被駆動機の動力として利用することにより、高効率な固体生成システムを実現することができる。
【００２１】
（７）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（６）の何れかに記載の固体生成システムにおいて、
前記気体を圧縮するための圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された前記気体を冷却するための第１冷却器と、
前記第１冷却器で冷却された前記気体を前記ノズルに供給するための冷却気体供給ラインと、
を備える。
【００２２】
上記（７）に記載の固体生成システムによれば、圧縮機で圧縮された空気は、第１冷却器で冷却された後に、冷却気体供給ラインを通ってノズルに供給される。これにより、高圧で低温の冷却空気をノズルに供給することができるため、液体を効率的に固体に相変化させることができる。
【００２３】
（８）幾つかの実施形態では、上記（７）に記載の固体生成システムにおいて、
前記圧縮機は、前記ノズルの出口における前記気体の流速が遷音速以上となるように前記気体を圧縮するように構成される。
【００２４】
上記（８）に記載の固体生成システムによれば、液体吐出部から吐出された液滴と遷音速以上の流速を有する気体との気液混合によって液滴を微細化し、効率的に固体に相変化させることができる。
【００２５】
（９）幾つかの実施形態では、上記（８）に記載の固体生成システムにおいて、
前記ノズルは、
下流側に向かうにつれて流路面積が縮小する先細部と、
下流側に向かうにつれて流路面積が拡大する末広部と、
を含む先細末広形状を有しており、
前記圧縮機は、前記ノズルの出口における前記気体の流速が超音速となるように前記気体を圧縮するように構成される。
【００２６】
上記（９）に記載の固体生成システムによれば、液体吐出部から吐出された液滴と超音速の流速を有する気体との気液混合によって液滴を微細化し、効率的に固体に相変化させることができる。
【００２７】
（１０）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（６）の何れかに記載の固体生成システムにおいて、
前記タービンを通過した前記固体と前記気体を分離するための分離装置を更に備える。
【００２８】
上記（１０）に記載の固体生成システムによれば、タービンを通過した固体子と気体とを別々に回収することが可能となり、固体と気体とを適切に活用することができる。
【００２９】
（１１）幾つかの実施形態では、上記（１０）に記載の固体生成システムにおいて、
前記分離装置は、
前記タービンの回転軸線の延長線上に配置され、前記タービンを通過した前記気体の少なくとも一部が流入するように構成された気体流入部と、
前記気体流入部の外周側に設けられ、前記タービンを通過した前記固体の少なくとも一部を回収するための固体回収部と、
を含む。
【００３０】
上記（１１）に記載の固体生成システムによれば、タービンの回転に伴う遠心力を利用して、タービンを通過した固体を外周側に移動させることができる。このため、タービンの回転軸線の延長線上に配置された気体流入部を介して気体を回収するとともに、気体流入部の外周側に設けられた固体回収部を介して固体を効率的に回収することが可能となる。したがって、タービンの遠心力を利用しない専用の分離装置を設ける場合と比較して、圧力損失が小さく、低コスト且つコンパクトな分離装置を実現することができる。
【００３１】
（１２）幾つかの実施形態では、上記（１０）又は（１１）に記載の固体生成システムにおいて、
前記気体を圧縮するための圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された前記気体を冷却するための第１冷却器と、
前記第１冷却器で冷却された前記気体を前記ノズルに供給するための冷却気体供給ラインと、
を備える。
【００３２】
上記（１２）に記載の固体生成システムによれば、圧縮機で圧縮された空気は、第１冷却器で冷却された後に、冷却気体供給ラインを通ってノズルに供給される。これにより、高圧で低温の冷却空気をノズルに供給することができるため、液体を効率的に固体に相変化させることができる。
【００３３】
（１３）幾つかの実施形態では、上記（１２）に記載の固体生成システムにおいて、
前記分離装置から回収された前記気体を前記第１冷却器に供給するための第１冷却器側回収ラインを更に備え、
前記第１冷却器は、前記第１冷却器側回収ラインから供給された前記気体と前記圧縮機で圧縮された前記気体との熱交換を行うように構成される。
【００３４】
上記（１３）に記載の固体生成システムによれば、タービンから排出された低温の気体を利用して圧縮機から吐出された高温の気体を冷却することができるため、第１冷却器の冷却性能を向上することができる。
【００３５】
（１４）幾つかの実施形態では、上記（１２）に記載の固体生成システムにおいて、
前記分離装置から回収された前記気体を前記圧縮機の入口側に供給するための圧縮機側回収ラインを更に備える。
【００３６】
上記（１４）に記載の固体生成システムによれば、タービンの排気をそのまま圧縮機の吸気に使用することが可能なため、周囲環境の大気温度がタービンの排気温度より高い場合にシステム効率を効果的に高めることができる。
【００３７】
（１５）幾つかの実施形態では、上記（１３）に記載の固体生成システムにおいて、
前記分離装置から回収された前記気体を前記圧縮機の入口側に供給するための圧縮機側回収ラインと、
前記分離装置から回収された前記気体の供給先を前記第１冷却器と前記圧縮機とで切り替え可能な切替装置と、
を更に備える。
【００３８】
上記（１５）に記載の固体生成システムによれば、分離装置から回収された空気の供給先を、周囲環境の温度に応じて第１冷却器と圧縮機とで切り替えることにより、高効率な固体生成システムを実現することができる。
【００３９】
（１６）幾つかの実施形態では、上記（１２）に記載の固体生成システムにおいて、
前記冷却気体供給ラインにおける前記第１冷却器と前記ノズルとの間に設けられ、前記第１冷却器で冷却された前記気体を更に冷却するように構成された第２冷却器と、
前記分離装置から回収された前記気体を前記第２冷却器に供給するための第２冷却器側回収ラインを更に備え、
前記第２冷却器は、前記第２冷却器側回収ラインから供給された前記気体と前記第１冷却器で冷却された前記気体との熱交換を行うように構成される。
【００４０】
上記（１６）に記載の固体生成システムによれば、第１冷却器と第２冷却器でノズルの入口温度を下げて冷却能力を向上することができるため、大気温度が高い場合において、効率よく液体を固体に相変化させることができる。このため、例えば温暖地域で好適に利用することができる。
【００４１】
（１７）幾つかの実施形態では、上記（１６）に記載の固体生成システムにおいて、
前記第２冷却器側回収ライン及び前記第２冷却器を順に通った前記気体を前記圧縮機の入口側に供給するための圧縮機側回収ラインを更に備える。
【００４２】
上記（１７）に記載の固体生成システムによれば、周囲環境の温度が高く、第２冷却器側気回収ライン及び第２冷却器を順に通った後の気体の温度が周囲環境の温度より低い場合、圧縮機側回収ラインから圧縮機の入口側に気体を供給することにより、ノズルへ供給する気体の温度を低くして効率よく製氷することができる。
【００４３】
（１８）幾つかの実施形態では、上記（１２）、（１３）又は（１６）に記載の固体生成システムにおいて、
前記圧縮機は、大気を吸気するように構成される。
【００４４】
上記（１８）に記載の固体生成システムによれば、大気を用いた、シンプルな固体生成サイクルを実現することができる。
【００４５】
（１９）幾つかの実施形態では、上記（１２）乃至（１８）の何れかに記載の固体生成システムにおいて、
前記液体を前記ノズルに供給する前に冷却するための液体冷却器と、
前記分離装置から回収された前記気体を前記液体冷却器に供給するための液体冷却器側回収ラインと、
を備え、
前記液体冷却器は、前記液体と前記液体冷却器側回収ラインから供給された前記気体とで熱交換を行うように構成される。
【００４６】
上記（１９）に記載の固体生成システムによれば、タービンの排気を用いて液体を予め冷却してからノズルから吐出することにより、液体から固体への相変化を促進することができる。
【００４７】
（２０）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（１９）の何れかに記載の固体生成システムにおいて、
前記液体は水であり、前記固体は氷粒子である。
【００４８】
上記（２０）に記載の固体生成システムによれば、筒状部に流入した気体と液体吐出部から吐出された水とで熱交換を行うことで水を氷粒子に相変化させることができる。そして、ノズルから吐出された気体の流れの運動エネルギー及び氷粒子の運動エネルギーをタービンの回転エネルギーに変換してエネルギーを回収することにより、高効率な固体生成システム（製氷システム）を実現することができる。
【００４９】
また、ノズルから吐出された気体の流れの運動エネルギーをタービンで回収することによって、全温回復を抑制して気体の流れの低温状態を維持できるため、ノズルから吐出された氷粒子のスラリー化を抑制することができる。なお、タービンには、ノズルから吐出された氷粒子及び気体に加えて、液体吐出部から吐出されて氷粒子に相変化しなかった水が流入してもよく、この場合、タービンは、ノズルから吐出された氷粒子、水及び気体の運動エネルギーを回収することができる。
【発明の効果】
【００５０】
本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、ノズルから吐出した固体のスラリー化を抑制できる高効率な固体生成システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の一実施形態に係る製氷システム２（固体生成システム）の概略構成を示す模式図である。
【図２】他の実施形態に係る製氷システム２の概略構成を示す模式図である。
【図３】他の実施形態に係る製氷システム２の概略構成を示す模式図である。
【図４】他の実施形態に係る製氷システム２の概略構成を示す模式図である。
【図５】他の実施形態に係る製氷システム２の概略構成を示す模式図である。
【図６】他の実施形態に係る製氷システム２の概略構成を示す模式図である。
【図７】他の実施形態に係る製氷システム２の概略構成を示す模式図である。
【図８】他の実施形態に係る製氷システム２の概略構成を示す模式図である。
【図９】被駆動機５６の具体的な構成の一例を示す図である。
【図１０】被駆動機５６の具体的な構成の一例を示す図である。
【図１１】被駆動機５６の具体的な構成の一例を示す図である。
【図１２】被駆動機５６の具体的な構成の一例を示す図である。
【図１３】被駆動機５６の具体的な構成の一例を示す図である。
【図１４】他の実施形態に係る製氷システム２の概略構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
【００５３】
図１は、一実施形態に係る製氷システム２（固体生成システム）の概略構成を示す模式図である。
図１に示す製氷システム２は、空気（気体）を圧縮するための圧縮機４と、圧縮機４で圧縮された空気を冷却するための第１冷却器６と、水（液体）を氷粒子（固体）に相変化させて吐出するように構成されたノズル８と、ノズル８から吐出された氷粒子及び空気が流入するように配置されたタービン１０と、を備える。圧縮機４で圧縮された空気は、圧縮空気供給ライン１２（圧縮気体供給ライン）を通って第１冷却器６に導かれ、熱交換器として構成された第１冷却器６で空気、水又はその他の冷媒との熱交換により冷却された後、冷却空気供給ライン１３（冷却気体供給ライン）を通ってノズル８の空気入口１６に導かれる。
【００５４】
図示する形態では、ノズル８は、筒状部１４と、水（液体）を筒状部１４内に吐出するように構成された水吐出部１５（液体吐出部）とを含み、冷却空気供給ライン１３から筒状部１４に流入した空気と水吐出部１５から吐出された水とを混合して、水吐出部１５から吐出された水を氷粒子に相変化させるように構成される。水吐出部１５は、筒状部１４内で水を噴霧するように構成されており、水吐出部１５から吐出された水滴（液滴）は、筒状部１４内の高速の空気流れで気流せん断による気液混合が促進されて微細化し、水滴の表面積の総和が増加する。これにより、水吐出部１５から吐出された水と空気入口１６から供給された空気とがノズル８内で直接熱交換を行い、水吐出部１５から吐出された水滴の氷化が促進される。なお、ノズル８は、氷粒子及び空気のみを吐出してもよいし、氷粒子及び空気に加えて、氷化されなかった水滴を吐出してもよい。
【００５５】
タービン１０は、ノズル８から吐出された氷粒子の運動量及び空気の運動量を回収するための複数のタービン動翼１８を含む。ノズル８が氷粒子及び空気に加えて氷化されなかった水滴を吐出する場合には、タービン１０は、ノズル８から吐出された氷粒子の運動量、空気の運動量及び水滴の運動量をタービン動翼１８を介して回収する。図示する形態では、タービン動翼１８の圧力面１８ａがノズル８の出口１０ａを向いており、タービン動翼１８の圧力面１８ａが氷粒子から受け取る運動量の総量が、タービン動翼１８の負圧面１８ｂが氷粒子から受け取る運動量の総量よりも大きくなるように、タービン動翼１８が配置されている。
【００５６】
かかる構成によれば、ノズル８で生成される高速の空気流れの運動エネルギー及び氷粒子の運動エネルギー（ノズル８が氷粒子及び空気に加えて氷化されなかった水滴を吐出する場合には、ノズル８から吐出された氷粒子の運動エネルギー、空気の運動エネルギー及び水滴の運動エネルギー）をタービン動翼１８を介してタービン１０の回転エネルギーに変換してエネルギーを回収することにより、製氷システム２のシステム効率を向上させることができる。
【００５７】
また、ノズル８から吐出された高速の空気流れの運動エネルギーをタービン動翼１８で回収することによって、全温回復を抑制して空気流れの低温状態を維持できるため、ノズル８から吐出された氷粒子のスラリー化を抑制することができる。
【００５８】
幾つかの実施形態では、例えば図１に示すように、筒状部１４は、下流側に向かうにつれて流路面積が縮小する先細部２０を含む。これにより、空気流れを加速して上述の気液混合による水滴の微細化の効果を高めて、水滴の氷化を促進することができる。
【００５９】
幾つかの実施形態では、例えば図１に示すように、ノズル８は、先細部２０の下流側に、下流側に向かうにつれて流路面積が拡大する末広部２２を含む。図示する形態では、ノズル８は、先細末広形状を有するラバールノズルとして構成されている。これにより、末広部２２で空気を膨張させて空気の温度を低下させるとともに、ノズル８の出口における空気流れの速度を効率よく遷音速又は超音速とすることができる。したがって、気液混合による水滴の微細化の効果を高めて、水吐出部１５から吐出された水滴の氷化を促進することができる。
【００６０】
幾つかの実施形態では、圧縮機４は、ノズル８の出口２６における空気の流速が遷音速以上、好ましくは超音速となるように、空気を圧縮するように構成される。これにより、上述の気液混合による水滴の微細化の効果を高めて、水吐出部１５から吐出された水滴の氷化を促進することができる。
【００６１】
幾つかの実施形態では、圧縮機４は、大気を吸気するように構成される。この場合、圧縮機４で昇圧されて昇温した大気（空気）を第１冷却器６で他の大気と熱交換して冷却することにより、シンプルな製氷サイクルを実現することができる。
【００６２】
この場合、圧縮機４は、例えば０．１ＭＰａの大気を昇圧し、第１冷却器６は、昇圧された高温の空気を他の０．１ＭＰａの昇温されていない大気と熱交換して冷却してもよい。本願発明者の試算によれば、例えば０．１ＭＰａ，１０℃の大気を圧縮機４によって０．２５ＭＰａ，１０８℃まで昇温し、昇温した空気を第１冷却器６で０．１ＭＰａ，１０℃の大気と熱交換して冷却することによって０．２５ＭＰａ，１５℃とした場合において、水吐出部１５から１０℃，数μｍ〜数十μｍ程度の水滴を噴霧してノズル８内で−４５℃の超音速の空気流れと混合した場合、タービン動翼１８を通過して０．１ＭＰａまで圧力が低下した空気は、−１℃の低温状態を維持することが期待できる。なお、他の実施形態では、第１冷却器６は、低温熱源（例えば、液化天然ガス、液化窒素又は液化水素など）を利用して圧縮機４の吐出空気を冷却してもよいし、冷凍機が付加されてもよい。
【００６３】
次に、図２〜図８を用いて他の幾つかの実施形態について説明する。
図２〜図８に示す幾つかの実施形態に係る製氷システム２において、図１に示した製氷システム２の各構成と共通の符号は、特記しない限り図１に示した製氷システム２の各構成と同様の構成を示すものとし、説明を省略する。
【００６４】
幾つかの実施形態では、例えば図２〜図７に示すように、製氷システム２は、タービン１０を通過した氷粒子と空気を分離するための分離装置２８を備える。これにより、タービン１０を通過した氷粒子と空気とを別々に回収することが可能となり、氷粒子と空気とを適切に活用することができる。
【００６５】
幾つかの実施形態では、例えば図３〜図７に示すように、分離装置２８は、タービン１０の回転軸線の延長線Ｌ１上に配置されてタービン１０を通過した空気の少なくとも一部が流入するように構成された空気流入部３０（気体流入部）と、空気流入部３０の外周側に設けられ、タービン１０を通過した氷粒子の少なくとも一部を回収するための氷粒子回収部３２（固体回収部）と、を含む。なお、図３〜７に示す幾つかの実施形態では、ノズル８は、タービン１０の周方向に間隔を空けて複数配置されており、タービン動翼１８に向けて氷粒子及び空気を吐出する。
【００６６】
かかる構成によれば、タービン１０の回転に伴う遠心力を利用して、タービン１０を通過した氷粒子を外周側に移動させることができる。このため、タービン１０の回転軸線の延長線Ｌ１上に配置された空気流入部３０を介して空気を回収するとともに、空気流入部３０の外周側に設けられた氷粒子回収部３２を介して氷粒子を効率的に回収することが可能となる。したがって、タービン１０の遠心力を利用しない専用の分離装置を設ける場合と比較して、圧力損失が小さく、低コスト且つコンパクトな分離装置２８を実現することができる。
【００６７】
幾つかの実施形態では、例えば図３〜図７に示す構成において、水吐出部１５は、筒状部１４内の空気の流れによって水が筒状部１４内に吸引されることにより、水を筒状部１４内に吐出するように構成されてもよい。この場合、ノズル８は、末広部２２における空気の膨張時の動圧を利用して水を筒状部１４に負圧吸引するエジェクタ機能を有し、位置エネルギーやポンプ等の動力がなくとも水を吐出することができる。
【００６８】
幾つかの実施形態では、例えば図２及び図５に示すように、製氷システム２は、分離装置２８から回収された空気を第１冷却器６に供給するための第１冷却器側回収ライン３４を備える。この場合、第１冷却器６は、第１冷却器側回収ライン３４から供給された空気と圧縮機４で圧縮された空気との熱交換を行うように構成される。
かかる構成によれば、タービン１０から排出された低温の空気を利用して圧縮機４から吐出された高温の空気を冷却することができるため、第１冷却器６の冷却性能を向上することができる。
【００６９】
幾つかの実施形態では、例えば図４及び図５に示すように、製氷システム２は、分離装置２８から回収された空気を圧縮機４の入口側に供給するための圧縮機側回収ライン３６を備える。
かかる構成によれば、タービン１０の排気をそのまま圧縮機４の吸気に使用することが可能なため、周囲環境の大気温度がタービン１０の排気温度より高い場合にシステム効率を効果的に高めることができる。このため、例えば夏場は図４に示す構成を採用し、冬場は図２に示す構成を採用すれば、効率的なサイクルを実現してロバスト性を向上させることができる。
【００７０】
幾つかの実施形態では、例えば図５に示すように、分離装置２８から回収された空気の供給先を第１冷却器６と圧縮機４とで切り替え可能な切替装置３８を更に備える。図５に示す例示的形態では、切替装置３８は、第１冷却器側回収ライン３４に設けられたバルブ４０と、圧縮機側回収ライン３６に設けられたバルブ４２とを含む。
かかる構成によれば、分離装置２８から回収された空気の供給先を、周囲環境の温度に応じて第１冷却器６と圧縮機４とで切り替えることにより、高効率な製氷システム２を実現することができる。
【００７１】
幾つかの実施形態では、例えば図３及び図６に示すように、冷却空気供給ライン１３における第１冷却器６とノズル８との間に設けられ、第１冷却器６で冷却された空気を更に冷却するように構成された第２冷却器４４と、分離装置２８から回収された空気を第２冷却器４４に供給するための第２冷却器側回収ライン４６とを備える。この場合、第２冷却器４４は、第２冷却器側回収ライン４６から供給された空気と第１冷却器６で冷却された空気との熱交換を行うように構成される。
【００７２】
かかる構成によれば、第１冷却器６と第２冷却器４４でノズル８の入口温度を下げて冷却能力を向上することができるため、大気温度が高い場合（例えば大気温度が４０℃の場合）において、効率よく製氷することができる。このため、例えば温暖地域で好適に利用することができる。
【００７３】
幾つかの実施形態では、例えば図３に示すように、第２冷却器側回収ライン４６及び第２冷却器４４を順に通った空気は大気に放出される。
【００７４】
幾つかの実施形態では、例えば図６に示すように、製氷システム２は、第２冷却器側回収ライン４６及び第２冷却器４４を順に通った空気を圧縮機４の入口側に供給するための圧縮機側回収ライン４８を備える。
【００７５】
かかる構成によれば、周囲環境の温度が高く（例えば５０℃）、第２冷却器側回収ライン４６及び第２冷却器４４を順に通った後の空気の温度が周囲環境の温度より低い場合、圧縮機側回収ライン４８から圧縮機４の入口側に空気を供給することにより、ノズル８へ供給する空気の温度を低くして効率よく製氷することができる。
【００７６】
幾つかの実施形態では、例えば図７に示すように、水をノズル８に供給する前に冷却するための水冷却器５０（液体冷却器）と、分離装置２８から回収された空気を水冷却器５０に供給するための水冷却器側回収ライン５２（液体冷却器側回収ライン）とを備える。この場合、水冷却器５０は、水と水冷却器側回収ライン５２から供給された空気との熱交換を行う熱交換器として構成される。
【００７７】
かかる構成によれば、タービン１０の排気を用いて水を予め冷却してからノズル８から吐出することにより、水の氷化を促進することができる。
【００７８】
幾つかの実施形態では、例えば図８に示すように、水吐出部１５は、加圧された水を吐出するように構成される。図８に示す例示的形態では、製氷システム２は、水吐出部１５に水を送るためのポンプ５４を備える。他の実施形態では、水吐出部１５は、加圧された水道水等を吐出するように構成されていてもよい。
【００７９】
かかる構成によれば、水を加圧することによって、ノズル８から吐出される水滴の微細化を促進し、水滴の表面積の総和を増加させて水滴の氷化を促進するとともに良好な性状の氷粒子を生成することができる。
【００８０】
幾つかの実施形態では、例えば図３〜図７に示すように、製氷システム２は、タービン１０に回転軸５５を介して連結された、タービン１０の動力を回収可能な被駆動機５６を備える。被駆動機５６は、例えば、図９に示すようにタービン１０に連結された発電機５８であってもよいし、図１０に示すようにタービン１０に連結された空気冷却ファン６０であってもよいし、図１１に示すようにタービン１０に連結された水ポンプ６２であってもよい。また、被駆動機５６は、図１２に示すように、圧縮機４を駆動するためのモータ６４であってもよい。図１２に示す形態では、タービン１０はモータ６４に連結されてモータ６４をアシストするように構成される。また、被駆動機５６は、図１３に示すように、変速機６６を介してタービン１０に連結された、空気冷却ファン６０及び水ポンプ６２であってもよい。
【００８１】
図１０〜図１３に示すようにタービン１０の動力を発電機を介さずに被駆動機５６の動力として利用することにより、高効率でタービン１０の動力を回収することができる。また、発電機が不要なため、低コスト化が可能である。また、本願発明者の試算によれば、空気容量を２ｋｇ／ｓとして空気に対して１０％の水を混合した場合を想定すると、およそ２０％〜７０％程度の動力回収が期待できる。例えば、吸気や給水の温度が高い場合には約２０％の動力回収が期待でき、気温が０℃以下で過冷却で顕熱が必要ない場合には約６５％の動力回収が期待できる。
【００８２】
本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
【００８３】
例えば上述した実施形態では、固体生成システムの一例として、水（液体）を低温空気（気体）との熱交換により氷粒子（固体）に相変化させる製氷システム２を例示したが、液体は水に限定されず、気体は空気に限定されず、固体は氷粒子に限定されない。
【００８４】
また、氷粒子を生成するシステムを便宜的に製氷システムと称しているが、氷粒子は雪と実質的に同義であり、製氷システムは製雪システムとして機能し得る。
【００８５】
また、例えば、上述した幾つかの実施形態では、ノズル８の構成は、先細末広形状のラバールノズルを例に説明したが、ノズル８は、例えば図１４に示すように、下流側に向かうにつれて流路面積が縮小する先細部２０のみによって構成されていてもよい。
【符号の説明】
【００８６】
２  製氷システム（固体生成システム）
４  圧縮機
６  第１冷却器
８  ノズル
１０  タービン
１２  圧縮空気供給ライン（圧縮気体供給ライン）
１３  冷却空気供給ライン（冷却気体供給ライン）
１４  相変化部
１５  水吐出部（液体吐出部）
１６  空気入口（気体入口）
１８  タービン動翼
１８ａ  圧力面
１８ｂ  負圧面
２０  先細部
２２  末広部
２４  エジェクタ部
２６  出口
２８  分離装置
３０  空気流入部（気体流入部）
３２  氷粒子回収部（固体回収部）
３４  第１冷却器側回収ライン
３６  圧縮機側回収ライン
３８  切替装置
４０，４２  バルブ
４４  第２冷却器
４６  第２冷却器側回収ライン
４８  圧縮機側回収ライン
５０  水冷却器（液体冷却器）
５２  水冷却器側回収ライン（液体冷却器側回収ライン）
５４  ポンプ
５５  回転軸
５６  被駆動機
５８  発電機
６０  空気冷却ファン（気体冷却ファン）
６２  水ポンプ（液体ポンプ）
６４  モータ
６６  変速機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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