(57)【要約】【課題】従来の冷凍装置および冷凍方法では、凍結時に発生する気泡を氷の中に取り込んでしまうため、透明な氷を簡単な構成で生成することは困難であった。【解決手段】冷凍室１５にマイクロ波を吸収して発熱するマイクロ波発熱体１１で構成された製氷皿１２を設けることによって、精度良く水の冷却スピードを制御することが出来るので、透明度の高い氷を生成することが可能となる。さらに、マイクロ波を集中的に製氷皿１２あるいは製氷皿１２と氷の界面に集中することができるので、製氷皿１２に接触している部分の氷のみ溶かすことができるので、離氷性が向上し、大きな氷も容易に離評することが可能になる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被冷凍物を冷却する冷却手段と、前記被冷凍物を収納する冷凍室と、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生手段とを設け、前記冷凍室にマイクロ波を吸収して発熱するマイクロ波発熱体を備えた製氷皿を設け、前記マイクロ波発生手段によって発生したマイクロ波を前記製氷皿に照射することを特徴とした冷凍装置。
【請求項２】
製氷皿は耐熱性を有する支持体で構成し、その支持体の少なくとも一方の面にマイクロ波発熱体を備えたことを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
【請求項３】
製氷皿は樹脂とマイクロ波吸収発熱体あるいはマイクロ波吸収材料を複合化して形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍装置。
【請求項４】
マイクロ波発生手段は半導体素子あるいはマグネトロンで構成されたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の冷凍装置。
【請求項５】
印加したマイクロ波からの反射によって水が氷になったことを検知する反射波検知手段を設けることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の冷凍装置。
【請求項６】
反射波検知手段によって氷が形成されたことを検知した場合にマイクロ波発生手段の電力を上げることを特徴とする請求項５に記載の冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、透明度の高い氷を得ることが出来るとともに大きな氷を製造することが出来る冷凍装置とその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、家庭用冷蔵庫における透明氷の製氷は、製氷皿に給水後、製氷皿を振動させて、凍結に伴い発生した気泡が氷の中に混入するのを防ぐことや、製氷する前に空気などの溶存ガスを脱気した水を用いて製氷する（例えば、特許文献１、２、３参照）ものがある。
【０００３】
また、業務用製氷庫では、水を凍結させるための製氷皿を下に向けて噴水上に給水し、製氷皿の側面から徐々に凍らせていく方法が採られていた。更に天然の氷筍に倣って単結晶氷の育成方法などがあった。
【０００４】
さらに、家庭用冷蔵庫における製氷においては、生成された氷と製氷皿との離氷性が悪いため、製氷皿と氷との接触面積を低減させるために氷の大きさを小さくすることや、底面と側面部分を湾曲させるなどしていた。そのため、ロックアイスに代表されるような大きな氷の生成は家庭用では困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０９−０７９７１７号公報
【特許文献２】特開平０１−１８１０４７号公報
【特許文献３】特開平０６−３２３７０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
氷が白く見えるのは、氷に光を反射して白く見える部分が形成されるためであり、これは水中に溶存した物質、特にガス成分が微小な気泡として氷に閉じ込められていくことが、原因である。つまり、透明氷を製氷する場合には、凍結時に発生する気泡を氷の中に取り込まないことが重要であり、さらに、硬度の高い井戸水やミネラル水などに存在する硬度イオン成分の析出や硬度イオン成分などの不純物が核となって発生する気泡を防ぐことである。
【０００７】
一般の水道水には、硬度イオン成分が１５〜３０ｐｐｍ、溶存ガスが２０ｐｐｍ程度含まれている。水が結晶化して氷となる場合には、水が結晶化する速度と結晶化した氷から不純物を排出しようとする速度の兼ね合いによって、透明氷になったり、不透明氷になったりする。特に、溶存空気による不透明氷の生成には、水中における空気の拡散が大きく関わっており、氷と水の界面移動速度が速い場合に、溶存空気が氷内に閉じこめられる。
【０００８】
しかし、界面移動速度が遅い場合には、氷内に入り込めない空気分子が、界面近傍の水内に溜まり、空気分子濃度の過剰な領域が形成される。このような過剰空気分子量は、氷の成長とともに次第に多くなり、ある限界を越えると巨視的な空気の泡となり、最終的に進行してきた氷内に閉じこめられる。製氷皿に物理的に振動を与えて、水が結晶化する際に発生した気泡が氷内に閉じ込まれるのを防ぐことによってある程度の透明度は得られるが、発生した気泡が小さい場合には、氷と水の界面から気泡が離れず氷内に閉じ込まれるという課題があり、完全な透明にはならないという課題があった。
【０００９】
また、製氷皿の下部にヒータなどの加熱手段を設けて凍結速度を低下させることで透明な氷を生成する手段は有効であるが、ヒータを加熱するための電源が必要となり、電源部に結露等によって水分が付着すると漏電などの危険があった。さらに、電源部を冷凍庫内に設けない場合は、リード線などが必要となるが、製氷皿は衛生面から洗浄する可能性があるため、取り外し可能な構成にするためには、製氷皿とヒータとを分離する必要があった。製氷皿とヒータを分離すると、加熱効率が低下してしまうとともに着霜などを引き起こしてしまうという課題があった。
【００１０】
さらに、結晶化する前に予め脱気してガス成分を除去する方法は、透明氷を作成する上で有効であるが、装置が大がかりになり大幅なコストアップに繋がるだけでなく、製氷に時間がかかると脱気水に再び空気が溶け込み、結晶化するときに気泡が発生して、透明度の高い氷は得られない課題があった。更に、容器のない平坦な部分に水滴を落下させて透明度の高い単結晶氷を製氷する方法があるが、家庭用冷蔵庫や業務用冷凍庫では容器内に製氷する必要があり、氷筍のようにならない課題があった。
【００１１】
また、家庭用冷蔵庫における製氷においては、生成された氷と製氷皿との離氷性を考慮し、製氷皿と氷との接触面積を低減させるために氷の大きさを小さくすることや、底面と側面部分を湾曲させるなどしていた。そのため、ロックアイスに代表されるような大きな氷の生成は家庭用では困難であった。
【００１２】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、透明度の高い氷を得ることが出来るとともに離氷性を向上することで大きな氷を製造することの出来る冷凍装置とその製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
従来の課題を解決するために、本発明の冷凍装置は、被冷凍物を冷却する冷却手段と、前記被冷凍物を収納する冷凍室と、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生手段とを設け、前記冷凍室にマイクロ波を吸収して発熱するマイクロ波発熱体を備えた製氷皿を設け、前記マイクロ波発生手段によって発生したマイクロ波を前記製氷皿に照射することを特徴としたものである。
【００１４】
これによって、精度良く水の冷却スピードを制御することで、水に含まれる空気や氷結晶内の空気を結晶生成時の内圧によって外部に放出することができるので、透明度の高い氷を生成することが可能となる。
【００１５】
さらに、マイクロ波を集中的に製氷皿あるいは製氷皿と氷の界面に集中することができるので、製氷皿に接触している部分の氷のみ溶かすことができるので、離氷性が向上し、大きな氷も容易に離評することが可能になる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の冷凍方法及び冷凍装置は、マイクロ波を用いて精度良く透明度の高い氷を生成することが可能となるので、冷蔵庫の製氷品質をより向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態１における冷凍装置の概略構造を表す概略図
【図２】本発明の実施の形態１における製氷皿の構成を表す概略図
【図３】本発明の実施の形態１における他の製氷皿の構成を表す概略図
【図４】本発明の実施の形態１における他の製氷皿の構成を表す概略図
【図５】本発明の実施の形態２における冷凍装置の概略構造を表す概略図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明に係る第１の冷凍装置は、被冷凍物を冷却する冷却手段と、前記被冷凍物を収納する冷凍室と、マイクロ波を発生させて被冷凍物にマイクロ波を印加するマイクロ波発生手段とを設け、前記冷凍室にマイクロ波を吸収して発熱するマイクロ波発熱体で構成された製氷皿を設けるものである。
【００１９】
これによって、精度良く水の冷却スピードを制御することが出来るので、透明度の高い氷を生成することが可能となる。さらに、マイクロ波を集中的に製氷皿あるいは製氷皿と氷の界面に集中することができるので、製氷皿に接触している部分の氷のみ溶かすことができるので、離氷性が向上し、大きな氷も容易に離評することが可能になる。
【００２０】
本発明に係る第２の冷凍装置は、製氷皿は耐熱性を有する支持体で構成し、この支持体の少なくとも一方の面にマイクロ波発熱体を形成することによって、氷と製氷皿の界面を効率よく溶かすことが可能となる。また、マイクロ波発熱体を塗装印刷などで製氷皿表面に容易に形成することが可能となる。
【００２１】
本発明に係る第３の冷凍装置は、製氷皿は樹脂材料とマイクロ波発熱体あるいはマイクロは吸収材料を複合化して形成することによって、氷と製氷皿の界面を効率よく溶かすことが可能であり、さらに電波吸収態を塗装印刷などで製氷皿表面に容易に形成することも可能である。
【００２２】
本発明に係る第４の冷凍装置は、マイクロ波発生手段は半導体素子あるいはマグネトロンで構成することによって、簡単な構成でマイクロ波を印加することが出来る。
とくに半導体素子を使用することによって、小型化設計が可能になるため、冷蔵庫などに搭載しても冷蔵庫の容量を損なわない構成にすることができる。さらに半導体素子は周波数を可変することができるので、対象物の状態に応じた周波数を印加することが可能になり、効率良い加熱が可能となる。
【００２３】
本発明に係る第５の冷凍装置は、印加したマイクロ波からの反射によって水が氷になったことを検知する反射波検知手段を設けることによって、新たに温度検出手段を設ける必要もなくなり、小型化及び低コスト化を実現することも可能となる。
【００２４】
本発明に係る第６の冷凍装置は、反射波検知手段によって氷が形成されたことを検知した場合にマイクロ波発生手段の電力を上げることによって、生成した氷と製氷皿の界面を溶かし、氷と製氷皿の離氷性を向上することで大きな氷を製造することが出来る。
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２６】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
【００２７】
図１は、本発明の第１の実施の形態における冷凍装置の断面図を示すものである。
【００２８】
本冷凍装置は、マイクロ波を吸収して発熱するマイクロ波発熱体１１で構成された製氷皿１２と、製氷皿１２内に設けられた被冷凍物１３を冷却する冷却手段１４と、冷却手段１４からの冷気により被冷凍物１３を収納する冷凍室１５と、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生手段１６と被冷凍物１３にマイクロ波を印加するマイクロ波印加手段１７とを設け、冷却手段１４は被冷凍物がマイクロ波発生手段１６から吸収するエネルギーよりも大きなエネルギーで冷却する構成としている。
【００２９】
また、冷却手段１４は、コンプレッサを備え冷媒の気体と液体を強制的に相変化させることにより、気体（空気）などを冷却する冷却サイクルを利用した装置である。本実施の形態の場合、冷却された空気である冷気を吐出するための送風機を備えているが、冷却手段１４に要するエネルギーとは、主としてコンプレッサを稼働させるための電力である。
【００３０】
また、製氷皿１２には給水タンク１８によって自動的に水などの被冷凍物１３を導入する構成としている。
【００３１】
製氷皿１２の構成を図２に示す。マイクロ波発熱体１１は、マイクロ波を吸収して発熱する機能を有するマイクロ波吸収材料１９と、フリット（ガラスを溶融して粉砕したガラス粉）２０とからなり、両者はともに１００℃以上の耐熱性を有するものである。フリット２０は、マイクロ波発熱体１１の形成時に高温で焼成されるために溶融してガラス状となり、この溶融したガラスの中にマイクロ波吸収材料１９の粒子が分散した状態の構造となっている。
【００３２】
マイクロ波吸収材料１９としては、マイクロ波の吸収・発熱の性能に優れたフェライト（磁性材料）が最適である。
【００３３】
また、図３に示すように、耐熱性を有する樹脂２１にマイクロ波吸収材料１９を分散させて、樹脂２１とマイクロ波吸収材料１９を複合化させることで製氷皿１２を形成してもよい。
【００３４】
さらに、図４に示すように製氷皿１２は１００℃以上の耐熱性を有する支持体２２と、支持体２２の少なくともいずれか一方の表面にマイクロ波発熱体１１を設けた構成としている。マイクロ波発熱体１１と支持体２２とはプレスや熱融着による一体成型あるいは、マイクロ波発熱体１１あるいはマイクロ波吸収材料１９自身を支持体２２表面に塗装などで形成して構成してもよい。
【００３５】
図１に示したように、マイクロ波発熱体１１を形成した製氷皿１２内の被冷凍物１３である水は、冷却手段１４からの冷気によって冷却され製氷される。冷却時にはマイクロ波発生手段１６によって発生したマイクロ波はマイクロ波印加手段１７を介して被冷凍物１３に印加されることとなる。本実施の形態において、マイクロ波印加手段１７はアンテナを用いた。また、マイクロ波印加手段１７は製氷皿１２の下部に設けることが望ましい。
【００３６】
これは製氷の際に、マイクロ波の印加によって冷却速度を低下させるとともに、下部から温めることによって水に含まれる空気や氷結晶内の空気を結晶生成時の内圧によって外部に放出することができるので、効率よく透明度の高い氷を生成することが可能となるためである。
【００３７】
また、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生手段１６として、一般的な手段としてはマグネトロンが挙げられる。マグネトロンは安価でかつ１００Ｗ以上の高出力の電力を印加するのに優れている。しかし本実施の形態のマイクロ波発生手段１６としては、上記のマグネトロンではなく半導体素子を用いた。半導体素子としてはＳｉやＧａＡｓ、ＳｉＣやＧａＮが挙げられるが、本実施の形態においてはＧａＮを使用した。半導体素子はマグネトロンに比べ１００Ｗ以下の低い電力を細やかに調整することが可能であるとともに、装置自身も小型化することが可能であるという利点がある。
【００３８】
さらに氷が生成されると、マイクロ波発生手段１６の出力を高めることで、マイクロ波発熱体１１の発熱量を増加させ、生成された氷と製氷皿１２の界面を溶かすことで、氷と
製氷皿１２との離氷性を向上させることが可能となる。そのため、ロックアイスに代表されるような大きな氷の生成も可能となる。
【００３９】
また、マイクロ波発熱体１１で形成した製氷皿１２を用いず、マイクロ波を印加した場合では、生成した氷の内部も溶けてしまうこととなる。さらに被冷凍物１３である氷と製氷皿１２の界面を溶かすためには、氷自身を溶かす必要があるため、より電力が必要となる。一方、マイクロ波発熱体１１を形成した製氷皿１２を用いた場合は、マイクロ波が製氷皿１２に集中的に印加されるため、氷と製氷皿１２との界面を即座に温めるので、短時間で界面を融解し、低い電力で離氷性を向上することが可能となる。
【００４０】
さらに、氷を生成する場合においても、被冷凍物１３の下部から上部へゆっくり冷却することによって、温度差が生じ、被冷凍物１３内の空気を効率よく外部へ押し出すことが可能となる。さらに、マイクロ波発熱体１１を設けているので、マイクロ波発生手段１６からの印加電力が反射されにくく、効率よく製氷皿１２に印加されるので、省エネにも繋がることとなる。
【００４１】
本実施の形態のように、製氷時にマイクロ波を印加することによって、冷却速度を低下させるとともに、下部から温めることによって水や氷結晶内の空気を放出させることが可能となり透明な氷を生成することが出来る。さらにヒータ等のように電源が必要ないので安全性を向上できるとともに、製氷皿１２を取り外すことも可能なので衛生面も問題ない。
【００４２】
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２における冷凍装置を示した構成図である。
実施の形態１と異なる点は、マイクロ波発生手段１６からの反射によって水が氷になったことを検知する反射電力検出手段２３を設けている点である。
【００４３】
反射電力検出手段２３は、被冷凍物１３に印加されずに冷凍室１５内で反射されるマイクロ波検出する装置である。本実施の形態の場合、反射電力検出手段２３は、被冷凍物１３が液体であるか氷であるかの状態を検出する手段として機能している。
【００４４】
具体的には、被冷凍物１３に印加するマイクロ波の周波数を一定とした場合、被冷凍物１３によって反射電力のエネルギーは異なる。反射電力検出手段２３は、この特性を利用して、被冷凍物１３の温度を検出するものである。
【００４５】
マイクロ波が被冷凍物１３に吸収されやすいかは、被冷凍物１３の誘電損失で比較することが出来る。つまり、水と氷の誘電損失を比較すると、水は２２であるのに対し、氷は０．０００２８であり、氷は水に比べてマイクロ波を吸収しにくいことが解る。
【００４６】
そのため、氷の場合は反射電力も大きくなるので、反射電力の変化を検知すると、被冷凍物１３が凍りになったかを検出することが可能となる。特に温度センサとして赤外線センサを使用しても水の０℃と氷の０℃を検出するのは非常に困難であるため、反射電力検出手段２３を用いることによって、氷の生成を検出することが可能となる。
【００４７】
さらに氷の生成を検出後、マイクロ波発生手段１６の出力を高めることで、マイクロ波発熱体１１の発熱量を増加させ、生成された氷と製氷皿１２の界面を溶かすことで、氷と製氷皿１２との離氷性を向上させることが可能となる。そのため、ロックアイスに代表されるような大きな氷の生成も可能となる。
【００４８】
また、離氷後は給水タンク１８によって自動的に水などの被冷凍物１３を製氷皿１２に
導入し、再度製氷を行うこととする。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
以上のように、本発明にかかる冷凍装置及びその製造方法は、マイクロ波を用いて精良良く水の冷却スピードを制御することが出来るので、透明度の高い氷を生成することが可能となる。さらに、マイクロ波を集中的に製氷皿あるいは製氷皿と氷の界面に集中させことができ、製氷皿に接触している部分の氷のみ溶かすことで、離氷性が向上し、大きな氷も容易に離評することが可能になる。このため、家庭用の冷蔵庫に適用できるほかに、業務用の冷蔵庫などにも適用できる。
さらにマイクロ波発生手段で解凍も実現できるという点から、冷凍と解凍を実現できる新たな調理機器など幅広い調理器にも適用することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１１  マイクロ波発熱体
１２  製氷皿
１３  被冷凍物
１４  冷却手段
１５  冷凍室
１６  マイクロ波発生手段
１７  マイクロ波印加手段
１８  給水タンク
１９  マイクロ波吸収材料
２０  フリット
２１  樹脂
２２  支持体
２３  反射電力検出手段
【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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