(57)【要約】【課題】縦型であることの利点を利用しつつ装置高さをより低くして、装置全体をコンパクトにできる製氷装置を提供する。【解決手段】外筒１３と内筒２とを備えて断面略二重円筒状に立設して構成されており、内筒２下部より内筒２内に送給される水溶液が、外筒１３下部より外筒１３と内筒２間に導入される冷媒により冷却されて、内筒２表面上に氷を生成可能になっていると共に、生成された氷を内筒２内の中心軸４の周りを回転して剥離することによりスラリー状の氷を生成する剥離手段５を有する。内筒２の外周面と外筒１３の内周面によって形成される冷媒流路断面積は、冷媒の導入される下部より上部が大きくなっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外筒と内筒とを備えて断面略二重円筒状に立設して構成されており、前記内筒下部より内筒内に送給される水溶液が、前記外筒下部より外筒と内筒間に導入される冷媒により冷却されて、前記内筒表面上に氷を生成可能になっていると共に、生成された氷を前記内筒内の中心軸の周りを回転して剥離することによりスラリー状の氷を生成する剥離手段を有する製氷装置において、前記内筒の外周面と外筒の内周面によって形成される冷媒流路断面積は、冷媒の導入される下部より上部が大きくなっていることを特徴とする製氷装置。
【請求項２】
前記外筒内周径が、前記内筒の外周径に対して相対的に下部から上部に向けて傾斜状に大きくなっており、その傾斜Ｔが下記関係にある請求項１記載の製氷装置
［式１］
Ｔ＝（Ｄｏ−Ｄｓ）／Ｌ＞０．０１
（ここに、Ｄｏは外筒の上部内周径、Ｄｓは外筒の下部内周径、Ｌは外筒の高さ）。
【請求項３】
前記外筒内周径が、その高さ途中から上部に向けて、前記内筒の外周径に対して相対的に大径になっており、前記外筒の上下部の内周径比Ｒと拡径部の高さ比率Ｈとが、下記関係にある請求項１記載の製氷装置
［式２］
Ｒ＝Ｄｏ／Ｄｓ＞１．１
Ｈ＝Ｌｓ／Ｌ＝０．１０
（ここに、Ｄｏは外筒の上部内周径、Ｄｓは外筒の下部内周径、Ｌは外筒の高さ、Ｌｓは拡径部の高さ）。
【請求項４】
前記外筒の大径上部が、冷媒蒸気取出口と液体抜き用のブリード取出口とを有する請求項１〜３のいずれか１項記載の製氷装置。
【請求項５】
前記外筒下部より外筒と内筒間に導入される冷媒を送給する冷凍機が、氷蓄熱槽を有する請求項１〜４記載のいずれか１項記載の製氷装置。
【請求項６】
前記外筒下部より外筒と内筒間に導入される冷媒を送給する冷凍機が、ダイナミック氷蓄熱槽を有する請求項１〜４記載のいずれか１項記載の製氷装置。
【請求項７】
前記ブリード取出口から取り出した冷媒を送給する冷凍機が、ブリード熱交換器を有する請求項４〜６のいずれか１項記載の製氷装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は製氷装置に関し、詳しくは、外筒と内筒とを備えて断面略二重円筒状に立設して構成されており、前記内筒下部より内筒内に送給される水溶液が、前記外筒下部より外筒と内筒間に導入される冷媒により冷却されて、前記内筒表面上に氷を生成可能になっていると共に、生成された氷を前記内筒内の中心軸の周りを回転して剥離することによりスラリー状の氷を生成する剥離手段を有する製氷装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
スラリー状の氷の製造方法としては、例えば、氷生成による閉塞障害（アイスブロック）が生じないように、水を蒸発器内で過冷却状態にまで冷却した後、蒸発器から流出させて衝撃を与え、過冷却状態を壊して製氷する方法がある。この方法は、生成した氷どうしが合体して閉塞し易いという問題がある。そのため、氷どうしの合体を防止するため、不凍液としてエチレングリコール、プロピレングリコール、エタノール等を数％添加した水溶液や海水を利用したりして、例えば図７に示す装置を用いて、その冷却伝熱面をスクレーパで氷を削り取る方法が用いられている。
【０００３】
図７に示す製氷装置Ａｏは内筒２と外筒３との二重壁を有して横型になっており、図７（イ）に示すように、一端側に原動機Ｍが設置されていると共に、内筒２内には、原動機Ｍに接続された回転軸４周りに、略等間隔で横方向に互いに９０°ずらして設けられた３段の掻取羽（スクレーパ）５が内蔵されている。この掻取羽５は、図７（ロ）に示すように、回転軸４から内筒２の内周面に向けて２方向に延設されたアーム５ａと、このアーム５ａの先端に取り付けられ、内筒２の内周面に生成される氷を剥離するフラッパ５ｂからなる。そして、一方側の端部下方に設けられている不凍液入口２ａから不凍液が導入されると共に、上端部の不凍液出口２ｂから掻取羽５によって掻き取られた氷スラリーが取り出される。
【０００４】
内筒２の伝熱面２ｃの全面を液冷媒で均一に冷却するため、冷媒を外筒３内に循環させるようにしているが、その際、外筒３内を冷媒で満液状態に維持するため、アキュムレーター６を製氷装置Ａｏより上部位置に設けている。アキュムレーター６により外筒３内を冷媒で満液状態にしないと、伝熱面全体のヒートフラックス（１時間当たりに単位面積当たりの熱通過量。Ｗ／ｍ2 ・ｈ）を一定以上に維持できないことになり、伝熱面全体に均一な製氷速度（製氷厚み）を確保できなくなって好ましくない。
【０００５】
そして、冷媒は、外筒３内を通過する間に熱交換され、一部は冷媒蒸気となり、これらはアキュムレーター６に送られる。液冷媒はアキュムレーター６の下部に溜まり、上部には冷媒蒸気が充満することになるが、一旦貯留された後、大部分の液冷媒は再度外筒３内に送給され、残りはブリードとして冷媒蒸気と共に冷凍機（例えば、図２）に送給される。冷凍機としては、一般にガス圧縮式冷凍機が使用され、過度の液体がガス圧縮機（コンプレッサー）に流入すると液圧縮により圧縮機の損傷を招くため（液バック現象）と、常に蒸発器内が満液状態に維持するために、アキュムレーター６が必要になる。
【０００６】
この方式は、スラリー状の氷を製造する際、他より大きく固い氷塊が伝熱面にできるなど、不均一な形状をした氷が生成することがあり、そのような場合、スクレーパが氷を噛み込み、停止してしまう（ロック現象）。ロック現象が生じると、原動機に過負荷がかかったり、スクレーパ自体の機械的損傷を被ることになったりして、操業を続けることができなくなる。
【０００７】
横型式の製氷装置の場合は、スクレーパによって伝熱面での氷の掻き取り以外に、比重の軽い氷が上部に偏ることを防止するため、スクレーパの回転力により氷スラリーに旋回力を与える必要があり、消費電力が多くなる。しかも、大型化を図ると回転軸が太くかつ長くならざるを得ないが、そのようにすると軸の自重による撓みが生じ、設計上の困難性を伴うため、大型化することは難しく、生産性を高くすることはできない。
【０００８】
そこで、上記ロック現象を起こり難くするため、縦型にした製氷装置が提案されている（例えば、特許文献１）。この製氷装置は、冷媒が流通されている外筒と、冷却伝熱面を形成する内筒とからなり、内筒の表面に発生するスラリー状の氷を機械的に剥ぎ取る蒸発器において、冷却伝熱面に晶出・生成した氷を、旋回する回転体先端に設けられたブレード状のスクレーパで機械的に剥ぎ取る方法、あるいは内筒面に沿って回転する回転枠の先端に取り付けられた押圧ローラをスプリングで押圧しながら転動・接触させることにより、晶出・生成した氷を剥離する（例えば、特許文献１）。
【０００９】
この方式の製氷装置は、氷の浮力を十分に利用でき、伝熱面に生成した氷を掻き取って上昇させ、上部出口より容易に取り出すことができ、氷スラリーに大きな旋回力を与える必要もないため、消費電力は横型製氷装置に比べて少なくて済む。また、横型製氷装置に比べて大型化も容易であり、生産性の高い装置を実現できる。
【特許文献１】特開２００３−１４８８４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記従来技術の製氷装置は縦型であることに加えて、上部より生成された氷を取り出すため、装置上部側にアキュムレーターを設けている関係上、高さがかなり高くなり、装置全体が嵩高となるという問題がある。
【００１１】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、上記従来技術の有する問題点に鑑みて、縦型であることの利点を利用しつつ装置高さを低くして、装置全体をコンパクトにできる製氷装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題は、請求項記載の発明により達成される。すなわち、本発明に係る製氷装置の特徴構成は、外筒と内筒とを備えて断面略二重円筒状に立設して構成されており、前記内筒下部より内筒内に送給される水溶液が、前記外筒下部より外筒と内筒間に導入される冷媒により冷却されて、前記内筒表面上に氷を生成可能になっていると共に、生成された氷を前記内筒内の中心軸の周りを回転して剥離することによりスラリー状の氷を生成する剥離手段を有する製氷装置において、前記内筒の外周面と外筒の内周面によって形成される冷媒流路断面積は、冷媒の導入される下部より上部が大きくなっていることにある。
【００１３】
この構成によれば、縦型の利点を利用しながら、アキュムレーターを設ける必要がなくなり、装置全体の高さを従来技術の製氷装置より低くできる。すなわち、内筒を通流する水溶液によって熱交換された冷媒中に発生する気泡は、下部より上部に向けて上昇してくるが、気泡の上昇に伴い気泡は大径の上部で広がり拡散するため、内筒の内周面に接触する機会が相対的に少なくなり、液冷媒が内筒の内周面に確実に接触することができて、伝熱面での有効な冷却を維持できる。そして、伝熱面全体のヒートフラックスを一定以上に維持できることになり、伝熱面全面に均一な製氷速度を確保することができ、アキュムレーターを設ける必要がない。
【００１４】
本発明において、水溶液は、水および水にエチレングリコール、プロピレングリコール、エタノール等を数％添加した水溶液や海水を含む概念として用いる。
【００１５】
その結果、縦型であることの利点を利用しつつ装置高さを低くして、装置全体をコンパクトにできる製氷装置を提供することができた。
【００１６】
前記外筒内周径が、前記内筒の外周径に対して相対的に下部から上部に向けて傾斜状に大きくなっており、その傾斜Ｔが下記関係にあることが好ましい。
【００１７】
［式３］
Ｔ＝（Ｄｏ−Ｄｓ）／Ｌ＞０．０１
（ここに、Ｄｏは外筒の上部内周径、Ｄｓは外筒の下部内周径、Ｌは外筒の高さ）。
【００１８】
この構成によれば、冷媒中に発生する気泡が内筒の内周面に接触する機会を確実に少なくでき、液冷媒が内筒の内周面に確実に接触することができて、伝熱面での有効な冷却を維持できる。
【００１９】
前記外筒内周径が、その高さ途中から上部に向けて、前記内筒の外周径に対して相対的に大径になっており、前記外筒の上下部の内周径比Ｒと拡径部の高さ比率Ｈとが、下記関係にある請求項１記載の製氷装置
［式４］
Ｒ＝Ｄｏ／Ｄｓ＞１．１
Ｈ＝Ｌｓ／Ｌ＝０．１０
（ここに、Ｄｏは外筒の上部内周径、Ｄｓは外筒の下部内周径、Ｌは外筒の高さ、Ｌｓは拡径部の高さ）。
【００２０】
この構成によっても、同様に液冷媒が内筒の内周面に確実に接触することができて、伝熱面での有効な冷却を維持できる。なお、Ｒが１．１未満であり、かつＨも０．１０未満であると、伝熱面に対する気泡の接触機会が大きくなってヒートフラックが小さくなり、また、液冷媒の冷媒蒸気流れによるキャリーオーバー（飛沫同伴）が著しく、蒸発器内での気液分離効果が損なわれる。
Ｒは、１．３を超えることがより好ましく、Ｈも０．２０であることがより好ましい
前記外筒の大径上部が、冷媒蒸気取出口とブリード取出口とを有することが好ましい。
【００２１】
この構成によれば、外筒の上部が、冷媒の導入される下部より大径になっていることから、冷媒の上下方向での対流が生じにくくなり、上部での濃縮効果を常時高く維持できて、冷媒蒸気と冷媒中の水分や油分を効果的にブリードして循環させることができ、冷媒の冷熱源を有効に利用できる。
【００２２】
前記外筒の大径上部が、冷媒蒸気取出口と液体抜き用のブリード取出口とを有することが好ましい。
【００２３】
この構成によれば、冷凍機能を所定以上に発揮させながら、夜間の余剰電力を利用して、電力需要の平準化を図ることができ、ランニングコストを低くできて都合がよい
前記外筒下部より外筒と内筒間に導入される冷媒を送給する冷凍機が、ダイナミック氷蓄熱槽を有することが好ましい。
【００２４】
この構成によれば、高い氷充填率を達成できると共に、冷凍システムとして高効率な冷凍を達成できる他、ダイナミックアイスは、高密度冷熱輸送用としたり、鮮魚保存用の海水氷に利用したりする等、利用範囲が広くて都合がよい。
【００２５】
前記ブリード取出口から取り出した冷媒を送給する冷凍機が、ブリード熱交換器を有することが好ましい。
【００２６】
この構成によれば、ブリードされた水分や油分は、冷凍サイクル内を円滑に循環し、冷却に寄与しない無効冷媒量を確実に小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る製氷装置の概略全体断面構成を示す。従来技術と同様の構成については、同一図番を付してある。
【００２８】
この製氷装置Ａは、内筒２と外筒１３の二重壁を有する二重円筒型構造を有しており、上部に原動機Ｍが設置されていると共に、内筒２内には、原動機Ｍに接続された回転軸４周りに、略等間隔で上下方向に互いに９０°ずらして設けられた３段の掻取羽（剥離手段に相当）５が内蔵されて縦型になっている。掻取羽５は、アーム５ａの先端に氷を掻き取り剥離させるフラッパ５ｂが取り付けられた構造をしており、従来技術と同様のものを採用できる。そして、下端部に設けられている不凍液入口２ａから不凍液が導入されると共に、上端部の不凍液出口２ｂから、内筒２の内周面に生成された氷スラリーを掻取羽５によって掻き取られ取り出される。外筒１３と内筒２との間には、図２に示す冷凍機（冷凍システム）Ｃの凝縮器９から送給されてきた液冷媒が外筒１３の下部より導入され、上部から排出されて冷凍機Ｃに再度送給されて、不凍液と平行流を形成するようになっている。外筒１３と内筒２との間は、冷凍機の概念構成を示す図２の蒸発器７に相当する。なお、掻取羽の数は３段に限られるものではなく、目的、用途などに応じて適宜変更可能である。
【００２９】
冷凍機Ｃは、図２に示すように、蒸発器７（製氷装置Ａの外筒内である外筒と内筒間の冷媒通流路に相当）、圧縮機８、凝縮器９、膨張弁１０などを有して冷凍サイクルを構成しており、製氷装置Ａから送給されてきた冷媒蒸気を、圧縮機８、凝縮器９、膨張弁１０のサイクルで冷却してスラリー状の氷を生成し、これを循環ポンプＰによって製氷装置Ａに送給するようになっている。
【００３０】
本実施形態の製氷装置Ａの特徴は、外筒１３の上部外形が下部より大径になっており、外筒上部より冷媒蒸気取出口１３ａから冷媒蒸気を、ブリード取出口１３ｂから液冷媒をブリード（引き抜き）して、それぞれ冷凍機Ｃに送給するようになっていて、従来技術に必要なアキュムレーターを装置上部に設けていない点にある。従って、装置構成を低くでき、製氷装置全体がコンパクトなものになっている。そして、内筒２内を通流する不凍液と熱交換され生成された外筒内の冷媒蒸気は、低比重のため気泡となって冷媒液中を上昇するが、その際、冷媒蒸気の上昇速度がある程度大きくなると、筒内の流動状況が環状流となり、気液同伴の状態が顕著になるのに対して、本製氷装置のように外筒１３の上部が下部より大径になっていると、上昇してきた気泡は上昇に伴い拡散するため、内筒２の内周面２ｃに接触する機会が少なくなり、液冷媒が内筒２の内周面に確実に接触することができ、伝熱面での有効な冷却を維持できる。つまり、伝熱面全体のヒートフラックスを一定以上に維持できることになり、その結果、伝熱面全面に均一な製氷速度を確保することができ、冷媒蒸気の流れによる液冷媒の同伴も抑制可能となり、アキュムレーターを設ける必要がない。
【００３１】
さらに、外筒上部のブリード取出口１３ｂからブリードしているため、冷却に寄与しない無効冷媒量を最小限に抑えることができ、製氷効率を常時、高く維持できる。すなわち、冷媒中に含まれる水分や油分（アンモニア吸収冷凍機の場合は水、圧縮機の場合は油分など）は、図２に示す冷凍機Ｃのような閉鎖システムにおいては蒸発することがないため、蒸発器７内に残留し、冷凍サイクル内では冷媒蒸気と同様に循環させることが必要となる。蒸発外筒２３器７内での液冷媒の冷熱源を有効に利用するためには、できるだけ水分や油分濃度の高い部分から液冷媒をブリードすることが効果的である。そのため、蒸発器７の下部より流入する液冷媒は、上昇しながら順次蒸発・気化する途中において、水分や油分濃度が高まり、最終的には蒸発器上部で濃縮される。水分や油分が濃縮された液冷媒をブリードすることにより、水分や油分に起因する無効冷媒量を最小限に抑えることができる。その場合、液冷媒の上下方向の攪拌・混合をできるだけ少なくすることが効果的となるが、本実施形態のように、気泡の発生量の少ない下部では冷媒通路断面積を小さくし、気泡の発生量が多い上部ほど冷媒通流断面積を大きくすると、液冷媒の対流が起こり難くなり、上下方向での攪拌・混合を少なくできる。
【００３２】
具体的には、外筒１３が下部より上部に向けて傾斜状に大径化しており、その傾斜Ｔは、上部内周径Ｄｏ、下部内周径Ｄｓ、高さをＬとすると下記式５の関係になっていることが好ましい。
［式５］
Ｔ＝（Ｄｏ−Ｄｓ）／Ｌ＞０．０１〜０．０４
この傾斜が０．０１未満であると、伝熱面に対する気泡の接触機会が大きくなってヒートフラックスが小さくなる。傾斜は、０．０４を超えることがより好ましい。
【実施例】
【００３３】
下部径３５０mm、上部径４００ｍｍ、高さ３０００ｍｍの外筒を有すると共に、３．７５ｋＷのモータを使用して、掻取羽の回転数１５０〜３５０ｒｐｍの条件で、図１に示す構成の製氷装置を用いて製氷した。そして、冷凍能力３００ＭＪ／時の冷凍機を用いて、冷媒として−２．０℃の冷ブライン、約２７０Ｌ／分で冷却したところ、８２０ｋｇ／時のスラリー状氷が得られた。この値は、図７で示した従来の横型の製氷装置で生産する場合に比べて、約３０〜４０％程度の省電力を達成することができた。なお、このときのＩＰＦ（氷充填率）は５％であった。
【００３４】
〔別実施の形態〕
（１）上記実施形態では、外筒の形状は下部より上部に向けて連続傾斜状に拡径した例を示したが、本発明は、これに限定されるものではなく、外筒の形状を図３に示すようにしてもよい。すなわち、この外筒２３は、高さの途中（上部よりＬｓ）から拡径されており、上部内周径Ｄｏ、下部内周径Ｄｓ、高さをＬ、拡径部の高さをＬｓとすると、上下の外径比Ｒと高さ比率Ｈとが下記式６の関係になっていることが好ましい。
［式６］
Ｒ＝Ｄｏ／Ｄｓ＞１．１〜１．３
Ｈ＝Ｌｓ／Ｌ＝０．１０〜０．２０
このような構成であっても、図１に示したと同様な効果を発揮し得る。このＲが１．１未満であり、かつＨも０．１０未満であると、伝熱面に対する気泡の接触機会が大きくなってヒートフラックスが小さくなる。Ｒは、１．３を超えることがより好ましく、Ｈも０．２０であることがより好ましい。この外筒２３にも、その上部に冷媒蒸気取出口２３ａとブリード取出口２３ｂとが設けられていて、それぞれ冷凍機Ｃに送給されるようになっている。
（２）冷凍機Ｃに、氷蓄熱槽１１を接続して取り入れ、図４に示すように、氷蓄熱システムとしてもよい。このように構成すると、夜間の余剰電力を利用して、電力需要の平準化を図ることができ、ランニングコストを低くできて都合がよい。また、図２に示す冷凍システムの場合、冷房空調システムとしての熱輸送温度差は５℃程度であるが、この実施形態のように氷蓄熱槽１１を用いると、熱輸送温度差を１０℃程度にすることができる。
（３）冷凍機Ｃに、ダイナミック氷蓄熱槽１２を接続して、図５に示すように、ダイナミック氷蓄熱システムとしてもよい。このダイナミック氷蓄熱システムは、予めダイナミック氷蓄熱槽１２以外の場所で、スラリー状の氷を約５％程度混在させたシャーベット状の氷（ダイナミックアイス）を製造しておき、このダイナミックアイスを蓄熱槽１２に投入し蓄熱する。特に、このシステムは、ＩＰＦ（氷充填率）を約４０％程度と高くすることができる他、冷房空調システムとしてスラリー状の氷５％含有させることにより、熱輸送温度差を１６℃（顕熱ベース）程度にすることができる。そのため、ダイナミックアイスは、高密度冷熱輸送用としたり、鮮魚保存用の海水氷に利用したりする等、利用範囲が広い。
（４）上記実施形態では、外筒上部のブリード取出口１３ａから液冷媒をブリードして冷凍機Ｃに送給する例を示したが、これに代えて、図６に示すように、流量調節弁１４を介してブリード熱交換器１５にブリードするようにしてもよい。このようにすると、ブリードされた液冷媒は、ブリード熱交換器１５によって蒸発され、蒸発器７から送られてきた低圧の冷媒蒸気と合流して圧縮機８に送給され、高圧冷媒蒸気となって凝縮器９に送られる。さらに、凝縮器９により高圧液冷媒とされ、ブリード熱交換器１５を介して熱交換に寄与し、膨張弁１０を経由して蒸発器７に送られ循環するので、ブリードされた水分や油分は、冷凍サイクル内を円滑に循環し、冷却に寄与しない無効冷媒量を確実に少なくすることができる。
（５）上記実施形態では、回転軸４を１本の棒状体としたが、装置の大型化をはかるため、回転軸の途中に軸分割ジョイント４ａを用いて上下の回転軸を接続し、より長い回転軸となるような方式を採用して、装置全体の大型化をはかるようにしてもよい。
（６）冷凍機Ｃとして、熱効率の高いアンモニア吸収冷凍機を用いてもよい。この場合、油分は冷媒中に溶解されるので、水分のみがブリードされることになる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態に係る製氷装置の概略全体断面構成図
【図２】製氷装置と冷凍機の関係を説明する図
【図３】別実施形態に係る製氷装置の概略全体断面構成図
【図４】別実施形態の冷凍システムを説明する図
【図５】更に別実施形態の冷凍システムを説明する図
【図６】更に別実施形態の冷凍システムを説明する図
【図７】（イ）従来技術の製氷装置の概略全体横断面構成図、（ロ）（イ）の製氷装置の内外筒部の縦断面図
【符号の説明】
【００３６】
２              内筒
４              回転軸
５              剥離手段
１１            氷蓄熱槽
１２            ダイナミック氷蓄熱槽
１３，２３      外筒
１３ａ，２３ａ  冷媒蒸気取出口
１３ｂ，２３ｂ  ブリード取出口
１５            ブリード熱交換器
Ｃ              冷凍機
【図１】
2006226605.tif 000003
【図２】
2006226605.tif 000004
【図３】
2006226605.tif 000005
【図４】
2006226605.tif 000006
【図５】
2006226605.tif 000007
【図６】
2006226605.tif 000008
【図７】
2006226605.tif 000009