(57)【要約】【課題】塩化ナトリウム等塩類の濃度が十分に低い氷を得ることのできる凍結装置を提供すること。【解決手段】塩化ナトリウム等塩類水溶液を保持し、底部から上部に向けて冷凍機に挿入されるシリンダを備える。水溶液が下方から凍結し、固液界面付近の塩化ナトリウム等塩類が水溶液中に拡散する。攪拌機を備えてこの拡散を促進する。シリンダの移動速度及び攪拌機の回転速度を制御し、目標とする塩化ナトリウム等塩類の濃度を得る。ここで、冷凍機をアンモニア吸収式冷凍機とすることで、低レベル熱源を効率的に利用することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
塩化ナトリウム等塩類水溶液を凍結し、凍結した固体を溶解して低濃度の塩化ナトリウム等塩類水溶液を得る脱塩装置に用いられる凍結装置であって、
塩化ナトリウム等塩類水溶液を保持し、底部から上部に向けて冷凍機に挿入されるシリンダを備えることを特徴とする、凍結装置。
【請求項２】
前記挿入の速度を制御する挿入制御手段を備えることを特徴とする、請求項１に記載の凍結装置。
【請求項３】
塩化ナトリウム等塩類水溶液を攪拌する攪拌機と備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載の凍結装置。
【請求項４】
前記冷凍機がアンモニア吸収式冷凍機であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の凍結装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、塩化ナトリウム等塩類水溶液を凍結し、凍結した固体を溶解して低濃度の塩化ナトリウム等塩類水溶液を得る脱塩装置に用いられる凍結装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球上に存在する水の大半は海水である。一方、真水の需要は時と共に増加している。このため、海水等の塩水（塩化ナトリウム等塩類水溶液）を淡水化する脱塩技術が重要になってきている。
【０００３】
脱塩技術によって淡水（低濃度の塩化ナトリウム等塩類水溶液）を得る方法として、特許文献１には、ＲＯ膜を用いる方法が開示されている。しかし、膜処理を行う前に様々な前処理が必要であり、実用が困難である。
【０００４】
脱塩方法としては、水が凍結する過程で塩化ナトリウム等塩類を結晶構造から押出すことを生かした冷凍法が有望視されている。塩化ナトリウム等塩類水溶液を凍結させ、凍結した氷を溶解して淡水を得るものである。冷凍法の中でも、熱交換を利用して氷を生成する間接法は、固液分離が容易であり、有望である。しかし、従来の間接法の技術では、凍結させた氷の塩化ナトリウム等塩類の濃度が十分には低くならず、溶解の際に融解条件を詳細に設定する等の工夫を必要としていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−２４２０３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、塩化ナトリウム等塩類の濃度が十分に低い氷を得ることのできる凍結装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の凍結装置は、
塩化ナトリウム等塩類水溶液を凍結し、凍結した固体を溶解して低濃度の塩化ナトリウム等塩類水溶液を得る脱塩装置に用いられる凍結装置であって、
塩化ナトリウム等塩類水溶液を保持し、底部から上部に向けて冷凍機に挿入されるシリンダを備えることを特徴とする。
【０００８】
シリンダが底部から挿入されるので、氷層を下側、液層を上側に形成させることができる。氷層によって２つの液層が分離することがなく、固液界面の塩化ナトリウム等塩類が上側の液層に拡散する。また、凍結後の固液分離も容易である。
【０００９】
本発明の凍結装置は、
前記挿入の速度を制御する挿入制御手段を備えることを特徴とする。
【００１０】
挿入の速度は、速すぎると十分に凍結しない。一方、遅すぎると凍結のための時間が長くなってしまう。これらのバランスを保つための挿入制御手段を備えることが好ましい。
【００１１】
本発明の凍結装置は、
塩化ナトリウム等塩類水溶液を攪拌する攪拌機と備えることを特徴とする。
【００１２】
固液界面の塩化ナトリウム等塩類を拡散させ、液層部の濃度を均一化して、固液界面の塩化ナトリウム等塩類の濃度の上昇を抑制することができる。
【００１３】
本発明の凍結装置は、
前記冷凍機がアンモニア吸収式冷凍機であることを特徴とする。
【００１４】
アンモニア吸収式冷凍機は、低レベル熱源を効率的に利用することができ、実装に適したものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の凍結装置は、塩化ナトリウム等塩類濃度が十分に低い氷を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、凍結装置を示す図である。
【図２】図２は、界面進行速度と氷層の塩化ナトリウム濃度の変遷を示す図である。
【図３】図３は、攪拌機の有無による脱塩能力の変化を示す図である。
【図４】図４は、界面進行速度の分配係数に対する影響を示す図である。
【図５】図５は、攪拌機の周速度の分配係数に対する影響を示す図である。
【図６】図６は、アンモニア吸収式冷凍機を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は、凍結装置を示す図である。凍結装置１は、冷凍機２、シリンダ３及び攪拌機４を備えている。シリンダ３は、モータ３１によって毎時数センチ単位で図の下方に移動する。コンピュータである挿入制御手段３２によってモータ３１が制御され、シリンダ３の移動速度が制御されている。
【００１８】
シリンダ３には塩化ナトリウム等塩類水溶液が保持され、シリンダ３のうち冷凍機２に挿入された部分の塩化ナトリウム等塩類水溶液は、凍結されて氷５となる。
【００１９】
氷５と塩化ナトリウム等塩類水溶液６との固液界面において、水が凍結する過程で結晶構造から押出された塩化ナトリウム等塩類が残存し、塩化ナトリウム等塩類水溶液６の塩化ナトリウム等塩類の濃度が高くなる。かかる高濃度の塩化ナトリウム等塩類水溶液６を凍結させると氷５の塩化ナトリウム等塩類の濃度も高くなってしまう。そこで、攪拌機４によって固液界面の塩化ナトリウム等塩類を拡散させ、液層部（塩化ナトリウム等塩類水溶液６）の濃度を均一化して、固液界面の塩化ナトリウム等塩類の濃度の上昇を抑制する。
【００２０】
以上は、「課題を解決するための手段」において述べたとおりの原理である。以下、氷５の塩化ナトリウム等塩類の濃度が低くなる理論的背景及び実験結果を示す。
【００２１】
（理論的背景）
氷層の塩化ナトリウム等塩類の濃度をＣＳ、液層の塩化ナトリウム等塩類の濃度をＣＬとするとき、Ｋ＝（ＣＳ／ＣＬ）と置く、常に一定割合Ｋで液層の塩化ナトリウム等塩類が氷層に取り込まれるとの前提を置くものである。Ｋを分配係数と呼ぶ。分配係数Ｋの値は、ｌｎ（Ｃ０／ＣＬ）＝（１−Ｋ）ｌｎ（ＶＬ／Ｖ０）の関係を満たすので、実験的に測定可能である。ここでｌｎは自然対数、Ｃ０は初期（凍結前）の塩化ナトリウム等塩類の濃度、Ｖ０は初期（凍結前）の塩化ナトリウム等塩類水溶液の体積、ＶＬはＣＬを測定した時の塩化ナトリウム等塩類水溶液の体積である。
【００２２】
分配係数Ｋは、０と１の間の値をとり、Ｋの値が小さいほど脱塩効果が高い。固液界面の塩化ナトリウム等塩類の濃度、シリンダ３の移動速度その他の要因によって変動するＫの値を測定して脱塩効果を推定することができる。
【００２３】
（実験結果）
塩化ナトリウム水溶液を用いて実験を行った。
【００２４】
図２は、界面進行速度（Ｕ）と氷層の塩化ナトリウム濃度（ＣＳ）の変遷を示す図である。「界面進行速度」は、シリンダ３の下降速度である。図は、横軸に氷層と液層全体に対する氷層の体積比、縦軸に氷層の塩化ナトリウム濃度（ＣＳ）を示し、Ｃ０＝３．５％（重量％）、Ｖ０＝３００ｍＬ、ＵＲ＝０．９６ｍ／ｓでの実験結果である。なお、ＵＲは、攪拌機の周速度である。実験は、Ｕ＝０．５ｃｍ／ｈｒ、１．０ｃｍ／ｈｒ、１．５ｃｍ／ｈｒ、２．０ｃｍ／ｈｒの４通りを行った。
【００２５】
Ｕ＝０．５ｃｍ／ｈｒにおいて、ＣＳの値が最小になること、Ｕ≧０．５ｃｍ／ｈｒの範囲ではＵの値が小さいほどＣＳの値が小さくなることがわかった。
【００２６】
図３は、攪拌機の有無による脱塩能力の変化を示す図である。図は、横軸に（Ｖ０／３）だけの溶液が凍結するまでの時間、縦軸に氷層の塩化ナトリウム濃度（ＣＳ）を示す。実験は、攪拌を行った場合と行わない場合との２通りを行った。
【００２７】
攪拌を行った場合が、攪拌を行わない場合に対して、短時間でＣＳの値が小さい氷を得られることがわかった。攪拌によって凍結させる箇所の溶液中の塩化ナトリウム濃度ＣＬが低下したためと考えられる。（ＣＬが小さいと、Ｋが一定値であればＣＳが小さくなる。また塩化ナトリウムによる凝固点降下が小さく凍結が速い。）
【００２８】
図４は、界面進行速度の分配係数に対する影響を示す図である。図は、横軸にｌｎ（ＶＬ／Ｖ０）、縦軸にｌｎ（Ｃ０／ＣＬ）を示す。図における直線の傾きが（１−Ｋ）である。Ｃ０＝３．５％（重量％）、Ｖ０＝３００ｍＬ、ＵＲ＝０．９６ｍ／ｓで、Ｕを変動させての実験結果である。実験は、Ｕ＝０．５ｃｍ／ｈｒ、１．０ｃｍ／ｈｒ、１．５ｃｍ／ｈｒ、２．０ｃｍ／ｈｒの４通りを行った。
【００２９】
図において、それぞれのＵに対する測定点がほぼ直線上にあるので、常に一定割合Ｋで液層の塩化ナトリウム等塩類が氷層に取り込まれるとの前提が正しいことが推認される。Ｋの値は、Ｕ＝０．５ｃｍ／ｈｒにおいて最小となり、０．０８５６である。
【００３０】
図５は、攪拌機の周速度の分配係数に対する影響を示す図である。図は、横軸にｌｎ（ＶＬ／Ｖ０）、縦軸にｌｎ（Ｃ０／ＣＬ）を示す。図における直線の傾きが（１−Ｋ）である。Ｃ０＝３．５％（重量％）、Ｖ０＝３００ｍＬ、Ｕ＝０．５ｃｍ／ｈｒで、ＵＲを変動させての実験結果である。実験は、ＵＲ＝０．０ｍ／ｓ（攪拌しない）、ＵＲ＝０．１２ｍ／ｓ、ＵＲ＝０．２４ｍ／ｓ、ＵＲ＝０．４８ｍ／ｓ、ＵＲ＝０．９６ｍ／ｓ、ＵＲ＝１．４５ｍ／ｓの４通りを行った。
【００３１】
ＵＲ＝０．０ｍ／ｓ（攪拌しない）の場合については、上方に水平に近い直線が描かれている。他の攪拌した場合と比較して明らかにＫの値が大きい。
他の場合については、Ｋの値は、ＵＲ＝１．４５ｍ／ｓにおいて最小となり、０．０７２２である。
【００３２】
以上の実験より、Ｃ０＝３．５％（重量％）、Ｖ０＝３００ｍＬ、Ｕ＝０．５ｃｍ／ｈｒ、ＵＲ＝１．４５ｍ／ｓの場合に、Ｋ＝０．０７２２が実現できること、すなわち、海水に近い塩分濃度Ｃ０＝３．５％の塩化ナトリウム水溶液から、およそＣＳ＝０．２５％（＝ＫＣ０）の氷が生成できることがわかった。これは、農業用水として問題なく利用できる塩類濃度のものである。
【００３３】
図６は、アンモニア吸収式冷凍機を示す図である。かかる冷凍機を用いることにより、低レベル熱源を効率的に利用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明の凍結装置は、塩化ナトリウム等塩類の濃度が十分に低い氷を得ることのできるものであり、淡水を必要とする者、特に淡水の少ない地域における農業従事者による利用が考えられる。
【符号の説明】
【００３５】
１      凍結装置
２      冷凍機
３      シリンダ
４      攪拌機
５      氷
６      塩化ナトリウム等塩類水溶液
【図１】
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【図２】
2015066475.tif 000004
【図３】
2015066475.tif 000005
【図４】
2015066475.tif 000006
【図５】
2015066475.tif 000007
【図６】
2015066475.tif 000008