(57)【要約】【課題】シャーベットアイスの氷濃度を正確に直接計測することができなかったり、リアルタイムに氷濃度を計測することができなかった。【解決手段】シャーベットアイス２を加熱容器５に導入し、加熱容器内の電気ヒータ７により加熱して氷分を融かし、加熱容器に導入する前のシャーベットアイスのシャーベットアイス温度と、加熱容器から導出されたシャーベットアイス溶解後の水の温度およびその流量と、電源から電気ヒータに流れる電流値とを入力し、それらを演算することによりシャーベットアイスの氷濃度を連続的に測定することが出来るようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャーベットアイスが導入される加熱容器、この加熱容器内に設けられ、前記シャーベットアイスを加熱して融かす電気ヒータ、この電気ヒータに電力を供給する電源、及び前記加熱容器に導入する前の前記シャーベットアイスの温度と、前記加熱容器から導出された前記シャーベットアイス溶解後の水の温度と流量と、前記電源から電気ヒータに流れる電流値とを入力とし、それらを演算することにより前記シャーベットアイスの氷濃度を計測する演算器を備えた氷濃度計。
【請求項２】
請求項１の氷濃度計において、前記電源は前記加熱容器から導出される水の温度を所定値に保つ制御機能を備えた氷濃度計。
【請求項３】
請求項１または請求項２の氷濃度計において、前記加熱容器内の電気ヒータをコイル形状にした氷濃度計。
【請求項４】
請求項１または請求項２の氷濃度計において、前記加熱容器を縦置きとして、その上部から前記シャーベットアイスを導入し、その下部から前記シャーベットアイス溶解後の水を導出するようにした氷濃度計。
【請求項５】
請求項３の氷濃度計において、前記加熱容器は円柱容器とし、前記電気ヒータのコイルの直径を前記加熱容器の内径の６０％程度としたことを特徴とする氷濃度計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はシャーベットアイスの氷濃度を直接、リアルタイムに計測することが出来る氷濃度計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
魚介類の鮮度保持用のシャーベットアイス或いは地域冷暖房システムにおける冷房用の熱源として用いられるシャーベットアイス（氷スラリー）においては、シャーベットアイス中の氷濃度が高くなると粘度が大となり、シャーベットアイスを搬送パイプを通じて搬送する時の搬送ポンプでの搬送効率が悪くなったり、又は搬送が出来なくなる。従って、シャーベットアイス中の氷濃度を所定値に保つため、氷濃度を測定する必要がある。
また、冷却用シャーベットアイスの特性は氷濃度に依存するために、氷濃度を正確に把握する必要がある。現状では、シャーベットアイスの温度で氷濃度を換算して求めているが、正確でない。
【０００３】
従来の氷濃度を測定する方法として、所定量のシャーベットアイス（氷スラリー）と、所定量の凝固点降下液とを混合して混合液とし、この凝固点降下した混合液の温度を検出して演算装置に入力し、演算装置によりシャーベットアイスの氷濃度を演算するようにしたものがある。（特許文献１参照）
【０００４】
また、氷濃度を直接計測するものではないが、潜熱蓄熱物質を芯物質として微小なカプセル内に封入して構成した微小カプセルを、水と混合してスラリー状態とした微小カプセルスラリーと、既知の物性を持つ媒体（温水）とを、所定の温度で所定の流量割合で混合器に入れ、混合後のスラリー温度を計測することによって芯物質の熱量計測を行うこと、さらに微小カプセルスラリーラインに体積流量計を設けて質量流量と同時計測することにより、芯物質の比重計測も行うようにしたものがある。（特許文献２参照）
【特許文献１】特開平５−３４０９０３号公報
【特許文献２】特許第３３２７８６６号公報（［００６４］〜［００６５］、図６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に示す従来の方法（シャーベットアイスと凝固点降下液との混合液の温度よりシャーベットアイスの氷濃度を演算する方法）は、凝固点降下液を検査液として用いる必要があり、また混合液の凝固点の低下する際の温度を測定して氷濃度を測定するようにし、氷濃度を測定した後は混合タンク内の混合液を排出して、再度同様な測定を繰り返して氷濃度を測定するため、リアルタイムに氷濃度を測定することはできなかった。さらに貯氷タンクにシャーベットアイスを入れたまま、長時間製氷と停止を繰り返したとき、シャーベットアイス温度と氷濃度の関係が崩れ、氷濃度が異常に高くなるケースがあり、直接氷濃度を計測したい要求があった。
【０００６】
また、特許文献２に示す従来の方法（それぞれ質量と温度の分かったスラリーと温水を混合器に入れ、混合後の温度を計測し、熱量バランスからスラリーの熱量および比重を計算する方法）は、スラリーとは別に質量と温度の分かった既知の物性を持つ媒体（温水）を別途準備する必要があり、またスラリーの熱量および比重を計測した後は混合器内の混合液を排出して、再度同様な測定を繰り返す必要があり、リアルタイムに計測することは困難であった。
【０００７】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、シャーベットアイスの氷濃度を直接計測することが出来ると共に、リアルタイムに計測することが出来る氷濃度計を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の氷濃度計は、シャーベットアイスが導入される加熱容器、この加熱容器内に設けられ、シャーベットアイスを加熱して融かす電気ヒータ、この電気ヒータに電力を供給する電源、及び加熱容器に導入する前のシャーベットアイスの温度と、加熱容器から導出されたシャーベットアイス溶解後の水の温度と流量と、電源から電気ヒータに流れる電流値とを入力とし、それらを演算することによりシャーベットアイスの氷濃度を計測する演算器を備えたものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明は、シャーベットアイスを加熱容器に導入し、また溶けたシャーベットアイスを加熱容器から連続的に排出するだけで、リアルタイムで氷濃度を計測することができ、しかもシャーベットアイスには何も混合しないので、氷濃度を直接計測でき、精度の良い氷濃度計が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１によるシャーベットアイスのリアルタイム氷濃度計について図１に基づいて説明する。
図１において、貯氷タンク１は海水シャーベットアイス製造装置などで製造されたシャーベットアイス２を蓄えており、貯氷タンク１には手動バルブ３を介してシャーベットアイス配管４の一端が接続され、シャーベットアイス配管４の他端は加熱容器５の流入口に接続される。加熱容器５内には、撹拌羽根６と電気ヒータ７が設置されている。加熱容器５の流出口には排出管８が接続され、この排出管８には定量ポンプ９と流量計１０が設けられ、加熱容器５によって溶けて水となったシャーベットアイス２はこの排出管８から排出される。シャーベットアイス配管４には第１の温度計１１が取り付けられ、加熱容器５の後段の排出管８には第２の温度計１２が取り付けられている。加熱容器５内の電気ヒータ７には電源１３から電力が供給され、この電源１３と電気ヒータ７との間には電流計１４が取り付けられている。演算器１５は流量計１０、第１の温度計１１、第２の温度計１２および電流計１４でそれぞれ計測された各検出値を入力し、氷濃度を計算して氷濃度出力値１６を出力する。
【００１１】
実施の形態１における動作について説明する。
図１において、貯氷タンク１に蓄えられたシャーベットアイス２は定量ポンプ９の駆動により、手動バルブ３を介してシャーベットアイス配管４から加熱容器５に導かれる。加熱容器５内の電気ヒータ７は電源１３から電力が供給されることにより、加熱容器５内のシャーベットアイス２を加熱し、シャーベットアイス２の氷分を融かす。また加熱容器５内の撹拌羽根６にて加熱容器５内のシャーベットアイスの対流をよくし、確実に氷が融けるようにする。融けたシャーベットアイス２は定量ポンプ９を通り、更に流量計１０を通って排出管８から連続的に排出される。加熱量が適正で氷が完全に融けたとき、第１の温度計１１で観測されるシャーベットアイス温度、第２の温度計１２で観測される塩水温度、流量計１０で観測される流量、電流計１４で観測される電流値により、シャーベットアイスの氷濃度を演算器１５で計算する。
【００１２】
ここで、第１の温度計１１で観測されるシャーベットアイス温度をＴ１、第２の温度計１２で観測される塩水温度をＴ２、流量計１０で観測される流量をＶ、電流計１４で観測される電流値をＩとすれば、氷濃度は以下のように計算できる。
ここに以下のとおり定義する。
Ｍｗｏ：シャーベットアイス（水＋氷）の質量流量  kg/sec
（流量計１０で観測する流量Ｖから求める。  Ｍｗｏ＝ρw＊Ｖ）
Ｃｗ：水の比熱  kJ/kg・Ｋ
Ｃｉ：氷の比熱  kJ/kg・Ｋ
ρw：融解後の水の密度  kg/m3
Ｔｗｏ：融解後の温度  ℃またはＫ      （温度計１２で観測する量Ｔ２である。）
Ｔｓ：シャーベットアイスの温度  ℃またはＫ（温度計１１で観測する量Ｔ１である。）
Ｌ：氷の潜熱  kJ/kg
ｒ：氷濃度（シャーベットアイス質量中の氷の質量の割合）  水の濃度は１−ｒとなる。
【００１３】
以下、エネルギー関係を１秒間に流路断面を通過するシャーベットアイスの質量に関して表す。まずシャーベットアイス融解前のエネルギーを整理する。
（１）シャーベットアイス中、氷のエネルギー（顕熱）（即ち氷の温度上昇に寄与し
た分で融解前に保有しているエネルギー）は
氷のエネルギー（顕熱）＝氷の質量＊氷の比熱＊シャーベットアイスの温度（即
ち氷の温度）
氷の質量はｒ＊Ｍｗｏ、氷の比熱はＣｉ、シャーベットアイスの温度はＴｓ
但し、Ｍｗｏ＝ρw＊Ｖ
よって氷のエネルギー（顕熱）＝ｒＭｗｏＣｉＴｓ        （１）
（２）シャーベットアイス中、水のエネルギー（温度上昇から見た融解前に保有してい        るエネルギー）は
水のエネルギー＝水の質量＊水の比熱＊シャーベットアイスの温度（即ち水の温
度）
水の質量は（１−ｒ）＊Ｍｗｏ、水の比熱はＣｗ、シャーベットアイスの温度は        Ｔｓよって水のエネルギー＝（１−ｒ）ＭｗｏＣｗＴｓ        （２）
（３）ヒータによる外部からの投入エネルギー（加熱量）Ｐは
加熱量  Ｐ＝Ｉ２Ｒ                （３）
但し、Ｒは電気ヒータ７の抵抗値    Ｉは電流値
【００１４】
次にシャーベットアイス融解後のエネルギーを整理する。
（４）融解後の水のエネルギー（温度上昇から見た融解後に保有しているエネルギー）        は融解後の水のエネルギー＝水の質量＊水の比熱＊融解後の温度
溶解後の水の質量はＭｗｏ、水の比熱はＣｗ、溶解後の水の温度はＴｗｏ
よって融解後の水のエネルギー＝ＭｗｏＣｗＴｗｏ        （４）
（５）潜熱即ち温度上昇に寄与せず氷が水になるための消費したエネルギーは
潜熱＝氷の質量＊氷の潜熱（単位質量当たり）
氷の質量はｒ＊Ｍｗｏ、氷の潜熱（単位質量当たり）はＬ
よって潜熱＝ｒＭｗｏＬ                （５）
【００１５】
エネルギーバランスを、融解前のエネルギーと融解後のエネルギーが等しいことで表すと
（１）＋（２）＋（３）＝（４）＋（５）となる。
よって
ｒＭｗｏＣｉＴｓ＋(１−ｒ)ＭｗｏＣｗＴｓ＋Ｐ＝ＭｗｏＣｗＴｗｏ＋ｒＭｗｏＬ（６）
但し、Ｍｗｏ＝ρw＊Ｖ
式（６）より
ｒ(ＭｗｏＣｉＴｓ-ＭｗｏＣｗＴｓ-ＭｗｏＬ)＝ＭｗｏＣｗＴｗｏ−ＭｗｏＣｗＴｓ−Ｐ
よってｒＭｗｏ（ＣｉＴｓ−ＣｗＴｓ−Ｌ）＝ＣｗＭｗｏ（Ｔｗｏ−Ｔｓ）−Ｐ
以上から、式（７）となる。
【数１】
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式（７）の分母、分子に−１を掛け、分数の表現を／で書き直すと
氷濃度ｒは、
ｒ＝｛Ｐ＋（Ｔｓ−Ｔｗｏ）ＣｗＭｗｏ｝／Ｍｗｏ（Ｌ＋（Ｃｗ−Ｃｉ）Ｔｓ）（８）
となる。
但し、Ｐ＝Ｉ２Ｒ      Ｍｗｏ＝ρw＊Ｖ
【００１６】
以上から、演算器１５は、第１の温度計１１で観測されるシャーベットアイス温度Ｔｓ（Ｔ１）、第２の温度計１２で観測される塩水温度Ｔｗｏ（Ｔ２）、流量計１０で観測される流量Ｖ、電流計１４で観測される電流値Ｉを入力し、既に演算器１５の中のメモリーなどに記憶している、水の比熱Ｃｗ、氷の比熱Ｃｉ、融解後の水の密度氷濃度ρw、氷の潜熱Ｌから、式８に基づいて演算することにより氷濃度ｒを測定でき、氷濃度出力値１６として出力する。
【００１７】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２について図２を用いて説明する。実施の形態１においては、電源１３の出力値は固定のため、氷濃度が薄いとき第２の温度計１２で計測される温度Ｔ２は高く、氷濃度が高いとき第２の温度計１２で計測される温度Ｔ２は低くなり、氷が融けきらないことがある。この実施の形態２は氷濃度の大小にかかわらず、氷が融けた後の水温を一定値に保つことが出来る制御機能を付加することにより、精度良く氷濃度を算出することが出来るようにしたものである。
【００１８】
図２において、出力制御器１７は、電源１３の出力値を第２の温度計１２で計測される温度Ｔ２に基づいて可変できるようにしたものである。その他の構成は実施の形態１で説明したものと同じにつき、その説明を省略する。図３は出力制御器１７の詳細な回路を示し、図３に示すように、所定の温度に設定したメモリー１７ａと、このメモリー１７ａに設定された温度と第２の温度計１２で計測された計測温度Ｔ２を比較し、その温度差に基づいて電源１３の電圧を制御する比較器１７ｂとからなる。
第２の温度計１２で計測される温度Ｔ２は、氷が完全に融けていることが前提で、出来るだけ低い温度が望ましい。したがってメモリー１７ａに設定される温度設定値は１０〜２０℃の範囲である。
【００１９】
第２の温度計１２で計測される計測温度Ｔ２が、メモリー１７ａに設定された設定温度よりも低い場合は、比較器１７ｂは電源１３の出力値を上げ、加熱容器５内の氷を完全に融かすようにする。一方、第２の温度計１２で計測される計測温度Ｔ２が、メモリー１７ａに設定された設定温度よりも高い場合は、比較器１７ｂは電源１３の出力値を下げる。こうして第２の温度計１２で計測される温度Ｔ２を適正な一定値に保つことにより、加熱容器５に導入される氷濃度の大小にかかわらず、精度良く氷濃度を算出することが出来る。
要するに実施の形態２の電源１３は、加熱容器５から導出される水温を所定値に保つことが出来る制御機能を備えたものになる。
【００２０】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３について図４、図５を用いて説明する。実施の形態１、２においては、加熱容器５にて氷を完全に融かすために撹拌羽根６を設けたが、撹拌羽根６を取り付けることにより、機構が複雑となり信頼性が低下することや、撹拌による動力の熱への変化による温度上昇で測定精度の悪化の課題があった。
実施の形態３では、これらの課題をなくしたもので、図４はこの発明の実施の形態３に使用される加熱容器５の正面図、図５（ａ）は加熱容器５の断面図、図５（ｂ）は加熱容器５内のシャーベットアイス２の状態を示す拡大図である。
【００２１】
図４、図５において、加熱容器５は細長い円柱容器とし、その中に電気ヒータ７を入れ、電気ヒータ７の形状を、その周りに乱流が生成して氷分を融けやすくするようコイル状とする。またこの時、コイル状の電気ヒータ７のコイル直径を加熱容器５の内径の６０％程度とする。即ち、電気ヒータ７のコイルは、加熱容器５の中心部と外縁部からはずして配置されるようにする。
このように電気ヒータ７のコイル直径を加熱容器５の内径の６０％程度にすると、電気ヒータ７のコイルの内側（面積４０％程度）と、外側(面積６０％程度)の間でシャーベットアイス２の流れの行き来が促進し、激しい乱流となることにより、伝熱を促進する。またシャーベットアイス２は電気ヒータ７のヒータ線に流れを遮られて激しい乱流状態となり、微細氷１８はヒータ線より熱を受け、伝熱を促進することで速やかに融ける。従って撹拌羽根を使わなくても、速やかな融解が可能となる。
更に細長い円柱容器の加熱容器５の中心部と外縁には電気ヒータ７のコイルが存在しないから、加熱容器５の流入口側（図４の左側）から流出口側（図４の右側）へのシャーベットアイス２の流れがスムースに行われる。
【００２２】
実施の形態４．
この発明の実施の形態４について図６を用いて説明する。実施の形態３においては、加熱容器５内にコイル状の電気ヒータ７を入れて撹拌羽根を不要としたが、重力の影響により、加熱容器５の上部に氷が溜まり、そのまま、外部へ流出する可能性があった。
実施の形態４では、加熱容器５を縦置きとして、その上部からシャーベットアイス２を流入させ、下部から排出することで、軽い微細氷１８は上方へ浮き、シャーベットアイス２がそのまま融けずに流出することを防止することが出来る。従って、氷濃度の測定精度を増すことが出来る。
【００２３】
なお以上の各実施の形態では、海水からシャーベットアイスを製造して、その氷濃度を計測するものについて説明したが、この発明は、海水に限らず真水あるいは他の成分を含んだものから製造したシャーベットアイスの氷濃度を計測する場合にも適用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】この発明の実施の形態１を示す構成図である。
【図２】この発明の実施の形態２を示す構成図である。
【図３】この発明の実施の形態２に使用される出力制御器のブロック図である。
【図４】この発明の実施の形態３に使用される加熱容器の正面図である。
【図５】この発明の実施の形態３に使用される加熱容器の断面図である。
【図６】この発明の実施の形態４に使用される加熱容器の正面図である。
【符号の説明】
【００２５】
１：貯氷タンク                      ２：シャーベットアイス
３：手動バルブ                      ４：シャーベットアイス配管
５：加熱容器                        ６：撹拌羽根
７：電気ヒータ                      ８：排出管
９：定量ポンプ                    １０：流量計
１１：第１の温度計                  １２：第２の温度計
１３：電源                          １４：電流計
１５：演算器                        １６：氷濃度出力値
１７：出力制御器                    １８：微細氷
【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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