(57)【要約】【課題】  水と熱媒液体との間の熱交換効率を高めるとともに、水又は氷と熱媒液体との分離をより効率よく行うことができる製氷技術を提供すること。【解決手段】  水と、それと比重が異なる熱媒液体との直接接触により生ずる熱交換により、当該水から氷を製造する際、一つの製氷装置内で、水及び熱媒液体を回転部材によりその周囲に飛散させ、その回転部材の周りで回転する回転体により遠心分離することを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水と、水と比重が異なる熱媒液体との直接接触により生ずる熱交換により、当該水から氷を製造する製氷装置であって、
水及び熱媒液体を導入する導入機構と、
回転部材と、
該回転部材の周りで回転する回転体と、
を具備し、導入機構により導入された水及び熱媒液体を前記回転部材によりその周囲に飛散させ、前記回転部材の周囲に飛散した水及び熱媒液体を前記回転体により遠心分離することを特徴とする製氷装置。
【請求項２】
水と、水と比重が異なる熱媒液体との直接接触により生ずる熱交換により、当該水から氷を製造する製氷装置であって、
水及び熱媒液体を導入する導入機構と、
回転部材を備え、前記導入機構により導入された水及び熱媒液体の移動方向を変更する移動機構と、
該回転部材の周りで回転する回転体を備え、移動機構により移動方向が変更された水及び熱媒液体を前記回転体の作用により遠心分離する遠心分離機構と、
を具備することを特徴とする製氷装置。
【請求項３】
水と、水と比重が異なる熱媒液体との直接接触により生ずる熱交換により、当該水から氷を製造する製氷装置であって、
水及び熱媒液体を導入する導入機構と、
該導入機構により導入された前記水及び前記熱媒液体のそれぞれの少なくとも一部を互いに直接接触させて、前記水から氷を生成するために必要な熱交換を開始する接触領域と、
前記接触領域において直接接触した前記水及び前記熱媒液体の移動方向を変更する移動機構と、
前記接触領域のまわりで回転する回転体を備え、前記移動機構により移動方向が変更された前記水及び前記熱媒液体を、前記回転体の作用により回転させ、それにより生じる遠心力の作用により分離する遠心分離機構と、
を具備することを特徴とする製氷装置。
【請求項４】
前記移動機構は、回転部材を備え、前記接触領域において直接接触した前記水および前記熱媒液体を、前記回転部材の回転の作用により前記遠心分離機構に向けて移動する機構であることを特徴とする請求項３に記載の製氷装置。
【請求項５】
水と、水と比重が異なる熱媒液体との直接接触により生ずる熱交換により、当該水から氷を製造する製氷方法であって、
水及び熱媒液体を導入する導入工程と、
該導入工程により導入された水及び熱媒液体を回転部材に衝突させ、その周囲に飛散させる移動工程と、
該移動工程により前記回転部材の周囲に飛散した前記水及び熱媒液体を、前記回転部材の周りで回転する回転体により水及び熱媒液体を遠心分離する遠心分離工程と、
を具備することを特徴とする製氷方法。
【請求項６】
水と、水と比重が異なる熱媒液体との直接接触により生ずる熱交換により、当該水から氷を製造する製氷方法であって、
水及び熱媒液体を導入する導入工程と、
該導入工程において導入された前記水および前記熱媒液体のそれぞれの少なくとも一部を接触領域において互いに直接接触させ、それにより前記水から氷を生成するために必要な熱交換を開始する接触工程と、
該接触工程において直接接触した前記水および前記熱媒液体を、前記接触領域のまわりで回転する回転体に向けて移動する移動工程と、
該移動工程において前記接触領域から移動した前記水および前記熱媒液体を、前記回転体により回転させ、それにより生じる遠心力の作用により分離する遠心分離工程と、
を具備することを特徴とする製氷方法。
【請求項７】
前記移動工程は、前記接触工程において直接接触した前記水および前記熱媒液体を、回転部材の回転の作用により前記遠心分離機構に向けて移動する工程であることを特徴とする請求項６に記載の製氷方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水と、水と比重が異なる熱媒液体との直接接触により生ずる熱交換（以下「直接接触熱交換」という場合がある）により、当該水から氷を製造する技術に関し、より詳しくは水と熱媒液体との直接接触熱交換による製氷の際、水と熱媒液体との間の熱交換効率を高めるとともに、水又は氷と熱媒液体との分離をより効率よく行うことができる製氷装置及び製氷方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水と、水と比重が異なる熱媒液体との直接接触熱交換を通じて氷を製造する技術においては、水と熱媒液体との接触面積をより増加させることにより、両物質間の熱交換効率を高めることができる（特許文献１〜４参照）。
【０００３】
しかし、水と熱媒液体との接触面積をより増加させると、往々にして両物質の混合が進み、氷を製造した後の分離がより困難になる。
【０００４】
また、水と熱媒液体との直接接触熱交換の後、両物質を分離させず、より長時間共存させると、熱媒液体により冷却された水から生成し、成長した氷の塊や層の中に当該熱媒液体が取り込まれて分離が困難になる。水及び／又は氷と、熱媒液体との比重差を利用して重力沈降により両物質を分離させる場合であっても、両物質の分離に時間がかかりすぎて、成長した氷の塊や層の中に当該熱媒液体が取り込まれて、それ以上の分離が困難になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−１４１７２０号公報
【特許文献２】特開平７−１０３５１７号公報
【特許文献３】特開平９−２４３１１６号公報
【特許文献４】特開平１１−２８１２１４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、このような問題に鑑みてなされたものであり、水と熱媒液体との間の熱交換効率を高めるとともに、水又は氷と、熱媒液体との分離をより効率的に行うことができる製氷技術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】
【０００７】
上記目的を解決するための、本発明の第１の形態に係る製氷装置は、水と、水と比重が異なる熱媒液体との直接接触により生ずる熱交換により、当該水から氷を製造する製氷装置であって、水及び熱媒液体を導入する導入機構と、回転部材と、該回転部材の周りで回転する回転体とを備え、導入機構により導入された水及び熱媒液体を前記回転部材によりその周囲に飛散させ、前記回転部材の周囲に飛散した水及び熱媒液体を前記回転体により遠心分離することを特徴とする。
【０００８】
本発明の第２の形態に係る製氷装置は、水と、水と比重が異なる熱媒液体との直接接触により生ずる熱交換により、当該水から氷を製造する製氷装置であって、水及び熱媒液体を導入する導入機構と、回転部材を備え前記導入機構により導入された水及び熱媒液体の移動方向を変更する移動機構と、該回転部材の周りで回転する回転体とを備え移動機構により移動方向が変更した水及び熱媒液体を前記回転体の作用により遠心分離する遠心分離機構と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明の第３の形態に係る製氷装置は、水と、水と比重が異なる熱媒液体との直接接触により生ずる熱交換により、当該水から氷を製造する製氷装置であって、水及び熱媒液体を導入する導入機構と、該導入機構により導入された前記水及び前記熱媒液体のそれぞれの少なくとも一部を互いに直接接触させて、前記水から氷を生成するために必要な熱交換を開始する接触領域と、前記接触領域において直接接触した前記水及び前記熱媒液体の移動方向を変更する移動機構と、前記接触領域のまわりで回転する回転体を備え前記移動機構により移動方向が変更された前記水及び前記熱媒液体を、前記回転体の作用により回転させ、それにより生じる遠心力の作用により分離する遠心分離機構と、を具備することを特徴とする。
【００１０】
本発明の第４の形態に係る製氷装置は、第３の形態に係る製氷装置において、前記移動機構は、回転部材を備え、前記接触領域において直接接触した前記水および前記熱媒液体を、前記回転部材の回転の作用により前記遠心分離機構に向けて移動する機構であることを特徴とする。
【００１１】
本発明の第５の形態に係る製氷装置は、第３の形態に係る製氷装置において、前記移動機構は、前記回転体と同軸に回転する回転部材を備え、前記接触領域において直接接触した前記水および前記熱媒液体を、前記回転部材の回転の作用により前記遠心分離機構に向けて移動する機構であることを特徴とする。
【００１２】
本発明の第６形態に係る製氷装置は、第４又は第５の形態に係る製氷装置において、前記回転部材は、水平に配置され、前記回転体と同方向に回転する回転主面を有しており、前記導入機構は、前記水および前記熱媒液体を前記回転部材の回転主面に向けて放出する機構であることを特徴とする。
【００１３】
本発明の第７形態に係る製氷装置は、第４又は第５の形態に係る製氷装置において、前記回転部材は、水平に配置され、前記回転体と同方向に回転する回転主面を有しており、前記導入機構は、前記水および前記熱媒液体を前記回転部材の回転軸に沿って前記回転部材の回転主面の回転中心又はその近傍に向けて放出する機構であることを特徴とする。
【００１４】
本発明の第８形態に係る製氷方法は、水と、水と比重が異なる熱媒液体との直接接触により生ずる熱交換により、当該水から氷を製造する製氷方法であって、水及び熱媒液体を導入する導入工程と、導入工程により導入された水及び熱媒液体を回転部材に衝突させ、その周囲に飛散させる移動工程と、移動工程により前記回転部材の周囲に飛散した前記水及び熱媒液体を、前記回転部材の周りで回転する回転体により水及び熱媒液体を遠心分離する遠心分離工程とを有することを特徴とする。
【００１５】
本発明の第９形態に係る製氷方法は、水と、水と比重が異なる熱媒液体との直接接触により生ずる熱交換により、当該水から氷を製造する製氷方法であって、水及び熱媒液体を導入する導入工程と、該導入工程において導入された前記水および前記熱媒液体のそれぞれの少なくとも一部を接触領域において互いに直接接触させ、それにより前記水から氷を生成するために必要な熱交換を開始する接触工程と、該接触工程において直接接触した前記水および前記熱媒液体を、前記接触領域のまわりで回転する回転体に向けて移動する移動工程と、該移動工程において前記接触領域から移動した前記水および前記熱媒液体を、前記回転体により回転させ、それにより生じる遠心力の作用により分離する遠心分離工程と、を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、水及び熱媒液体を回転部材によりその周囲に飛散させるので、その飛散の過程で水と熱媒液体との接触頻度を高めることができ、両物質間の直接接触熱交換を促進することができ、故に熱交換効率をより高めることができる。そして、回転部材によりその周囲に飛散させた水及び熱媒液体を、当該回転部材の周りで回転する回転体により遠心分離するので、水又は氷と熱媒液体とを短時間で分離することができ、故に水又は氷と熱媒液体との分離をより効率的に行うことができる。
【００１７】
また、本発明によれば、互いに比重が異なる水および熱媒液体（両液体という）の移動方向を回転部材の回転の作用により変更し、遠心分離機構に向けて移動させる。この場合、両液体は、回転部材により回転し、その際生じる遠心力の作用を受けて、又は回転する回転部材の表面との接触の際に剪断力を受けて、当該回転部材の周囲に向けて放射方向に飛散する。そのような移動方向の変更は、両液体間の接触の機会を増やすか又は両液体の混合を促進する。それ故、回転部材という比較的簡素な手段により、直接接触熱交換の程度を増やすことができる。
【００１８】
また、両液体は、回転部材の回転の作用により比較的均一に分散して当該回転部材の周囲に向けて放射方向に飛散するので、氷の回転部材への付着と成長が起こりにくくなる。さらに、遠心分離機構の特定箇所に過度に偏ることなく当該遠心分離機構に到達し、遠心分離機構全体にわたって比較的均一に行き渡る。そのため、両液体の分離をより効果的に行うことができる。また、このことは、遠心分離機構の動作に無理が生じにくく、従って不具合が生じにくくなることを意味している。それ故、本形態によれば、回転部材という比較的簡素な手段により、製造装置内における局所的な氷の付着と成長に起因する不具合を発生しにくくすることができ、装置の故障の頻度を減らすことができる。
【００１９】
本発明においては、遠心分離機構が具備する回転体が、接触領域のまわりを回転しているので、接触領域において直接接触した水および熱媒液体が移動機構により遠心分離機構に向けて移動する距離は短く、従ってその移動時間も短い。それ故、熱媒液体との直接接触による熱交換を通じて水から生成する氷が周辺の部材の表面に付着する前に又はその付着が顕著になる前に、より強力な遠心力の作用により両液体を分離することができる。
【００２０】
なお、本発明の製氷装置においては、更に、以下の付随的効果が得られる。
【００２１】
（１）両液体は、回転部材の回転の作用により比較的均一に分散して当該回転部材の周囲に向けて放射方向に飛散するので、氷の回転部材への付着と成長が起こりにくくなり、氷の塊状化を防止することができる。両液体は、遠心分離機構の特定箇所に過度に偏ることなく当該遠心分離機構に到達し、遠心分離機構全体にわたって比較的均一に行き渡る。それ故、遠心分離機構の動作に無理が生じにくく、従って不具合が生じにくくなるので、製氷装置内における局所的な氷の付着と成長、塊状化に起因する不具合を発生しにくくすることができ、装置の故障の頻度を減らすことができる。
【００２２】
（２）接触領域において直接接触した水および熱媒液体を回転させ、遠心力を生じさせる回転体が、当該接触領域のまわりを回転しているので、両液体が直接接触してから遠心力の作用により分離されるまでの時間が短い。それ故、熱媒液体との直接接触による熱交換を通じて水から生成する氷が周辺の部材の表面に付着する前に又はその付着が顕著になる前に、より強力な遠心力の作用により両液体を分離することができる。
【００２３】
（３）直接接触した水および熱媒液体を回転体により回転させ、遠心力を生じさせることにより、両液体が遠心力の作用により短時間で分離するため、熱媒液体との直接接触による熱交換を通じて水から生成する氷が周辺の部材の表面に付着し、塊状化することを防止できる。また、塊状化した氷を遠心力の作用により粉砕することができる。
【００２４】
（４）熱媒液体が、水より比重が大きい液体である場合には、回転体の回転軸から半径方向の外側に向かって水と熱媒液体に遠心力が作用するとき、水と接触する可能性がある回転体を構成する、水が接触し得る部材（水と接触し得るものである限り、回転体を構成する部材を含み得る）の内壁面にまず熱媒液体の層を形成することができ、それにより水が当該部材の内壁面に直接触れにくくなる。その結果、当該水から生成する氷が当該部材の内壁面に付着しにくくなり、成長もしにくくなる。それ故、本形態によれば、製造装置内における局所的な氷の付着と成長に起因する不具合の発生を抑えることができるので、製造工程を実行しても機械的なトラブルが発生する頻度を減らすことができる。
【００２５】
（５）回転部材は、移動機構を構成するものとして、接触領域において直接接触した水および熱媒液体を移動機構により遠心分離機構に向けて移動させるに足るだけの速度で回転すれば十分であるので、その回転速度は、両液体を回転させて遠心力の作用を発生させる回転体のそれを超えるほどに設定する必要はない。回転部材の回転速度をより小さく設定すれば、その回転に要するエネルギー消費を抑えることができ、低速回転が可能になる分、製氷装置の故障の発生頻度も抑えることができる。それ故、製氷装置の態様は、回転部材の回転速度が回転体のそれよりも小さい場合に、より好ましいものとなる。
【００２６】
（６）回転部材の回転速度を調整すれば、水および熱媒液体が回転部材から受ける剪断力を適度な大きさに設定することができるので、両液体の直接接触を促進することができる。このことにより、接触領域を通過せずに互いに未接触のままで回転部材に到達した両液体や、接触領域を通過したものの、熱交換が不十分なままで回転部材に到達した両液体を、回転部材において直接接触させることができる。それ故、回転部材を両液体の直接接触による熱交換を促進する手段として利用することは、それにより、全体として、両液体の直接接触による熱交換を促進し、氷を効率的に生成又は製造することができるので、非常に有益である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る製氷装置を示す側断面図であり、（ｂ）は、該製氷装置における水、氷及び熱媒液体の存在位置を示す側断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る製氷装置を示す側断面図である。
【図３】本発明に係る製氷装置において採用可能な導入機構の他の構造例を説明する図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る製氷装置を示す側断面図である。
【図５】本発明の第１〜第３の実施形態に係る製氷装置における回転体を示す斜視図である。
【図６】本発明の第１〜第３の実施形態に係る製氷装置におけるスクレーパを示す斜視図である。
【図７】（ａ）は、本発明の第４の実施形態に係る製氷装置を示す側断面図であり、（ｂ）は、該製氷装置における水、氷及び熱媒液体の存在位置を示す側断面図である。
【図８】（ａ）は、本発明の第５の実施形態に係る製氷装置を示す側断面図であり、（ｂ）は、該製氷装置における水、氷及び熱媒液体の存在位置を示す側断面図である。
【図９】本発明に係る製氷装置を用いて氷スラリーを製造することで蓄熱を行う蓄熱式空調設備を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００２９】
なお、本明細書において使用される用語の意味又は解釈は、以下の通りである。
【００３０】
（１）「熱媒液体」とは、水と化学反応を生じず、水に実質的に溶解せず、水と熱交換が可能な液体のうち当該熱交換の前後で液体であるものをいう。熱媒液体の典型例は、水に対する親和性が低い、即ち水に溶解し難いか又は水に混ざりにくい、いわゆる疎水性物質である（この場合の疎水性物質を油性液体という場合もある）。
【００３１】
疎水性物質の一例は、石油精製品であり、パラフィン油、ガソリン、ナフサ、灯油、ジェット燃料油、軽油、潤滑油ベースオイル、重油などが含まれる。疎水性物質の他の例はシリコン系オイルであり、ジメチルポリシロキサンにより構成されるシリコーンオイルが含まれる。疎水物質の更に他の例はフッ素系液体であり、炭化水素のフッ素化物、例えば炭化水素の全ての水素をフッ素に置換した化合物があり、フッ素数５〜２０（特に６〜１２）の化合物が主成分であるものが含まれる。
【００３２】
（２）「領域」は、特定の局所的な点ではなく、ある程度の空間的な広がりを有する範囲をいう。「接触領域」における「領域」も同様であり、ある程度の空間的な広がりを有する範囲である。
【００３３】
（３）回転部材の「回転主面」とは、回転部材を構成する面のうち当該回転部材の回転軸に垂直な面をいう。
【００３４】
（４）「回転部材の回転主面の回転中心」とは、回転部材の回転主面における当該回転部材の回転軸との交点をいい、当該回転部材の回転軸が旋回する場合には、回転部材の回転主面においてその旋回の軌跡が描く範囲およびその内側をいう。
【００３５】
（５）「回転部材の回転主面の回転中心の近傍」とは、平面視したとき回転部材の回転主面をはみ出さず、且つ、当該回転主面の回転中心から、発明の効果の発現が阻害されない範囲で、ある程度離隔した位置にある場所をいう。それ故、当該回転主面の法線方向に離隔した位置にある場所であっても、平面視したとき回転部材の水平な回転主面をはみ出さず、且つ、当該回転主面の回転中心から、発明の効果の発現が阻害されない範囲で、ある程度離隔した位置にある限り、その場所は、その「近傍」に該当する。
【００３６】
（６）「接触領域」は、水および熱媒液体のそれぞれの少なくとも一部が互いに直接接触し、それにより当該水から氷を生成させるために必要な熱交換が開始する領域である。「接触領域」は、水および熱媒液体のそれぞれの全部が互いに直接接触する領域ではなく、また水から氷を生成させるために必要な熱交換が完了する領域でもない。
【００３７】
導入機構により又は導入工程において水および熱媒液体を製氷装置内に導入する場合、その導入前に両液体のそれぞれ一部が互いに接触していたとしても残部が未接触であるときは、それぞれの当該残部が互いに直接接触し、それにより当該水から氷を生成させるために必要な熱交換が開始する領域が存在し得るので、当該領域は、その存在が認められる限り「接触領域」に該当する。
【００３８】
（７）「導入機構」は、水および熱媒液体を製氷装置内に導入する機構であれば足りる。それ故、「導入機構」は、本発明のいずれかの形態において構成上の特段の限定がある場合を除き、各液体の導入手法に制限はなく、両液体を別々に又は同時に導入する機構であってもよく、各液体を鉛直上方から下方に向けて導入する機構であってもよく、鉛直下方から上方に向けて導入する機構であってもよく、あるいは水平又は非垂直方向に導入する機構であってもよい。
【００３９】
「導入工程」についても、「導入機構」と概ね同様のことがいえる。つまり、「導入工程」は、水および熱媒液体を製氷装置内に導入する工程であれば足りる。それ故、「導入工程」は、本発明のいずれかの形態において構成上の特段の限定がある場合を除き、各液体の導入手法に制限はなく、両液体を別々に又は同時に導入する工程であってもよく、各液体の導入方向は問わない。
【００４０】
水および熱媒液体を製氷装置内に「別々に導入する」こととは、両液体が初めて接触するのが製氷装置内になるように導入することをいい、水および熱媒液体を「同時に導入する」こととは、両液体を製氷装置内に導入することのうち「別々に導入する」ことに該当しないものをいう。
【００４１】
水および熱媒液体を製氷装置内に「同時に導入する」ことは、その導入前に両液体のすべての部分が互いに接触していることまで意味しておらず、また、その導入前に両液体が完全に混合していることまで意味しない。それ故、両液体を「別々に導入する」場合は言うまでもなく、「同時に導入する」場合であっても、「接触領域」は形成され得る。
【００４２】
（８）「移動機構」は、水および熱媒液体の移動方向を変更して遠心分離機構に向けて移動させる機構であれば足りる。それ故、「移動機構」は、そのような機構である限り、両液体が互いに直接接触する前であるか互いに直接接触した後のものであるかは問わないし、接触領域は必須ではなく、遠心分離機構における回転体も必須ではない。また、そのような機構である限り、「回転主面」を有すると否とに拘らず「回転部材」を備える機構も、「回転部材」を備えない機構も、「移動機構」に該当する。
【００４３】
回転体による回転により両液体に遠心力が作用するとき、その遠心力に起因して回転体に向かって両液体の移動が起こるのであれば、その遠心力の発生源（回転体）も「移動機構」の役割の少なくとも一部を担い、「移動機構」を構成しうる。更に、「移動機構」による両液体の移動は、回転部材の回転により発生する遠心力による移動であっても、重力その他の外力による移動であってもよい。
【００４４】
「移動工程」についても、「移動機構」と概ね同様のことがいえる。つまり、「移動工程」は、水および熱媒液体の移動方向を変更して遠心分離機構に向けて移動させる工程である限り、両液体が互いに直接接触する前であるか互いに直接接触した後のものであるかは問わないし、接触工程は必須ではなく、遠心分離工程における回転体も必須ではない。また、そのような工程である限り、「回転主面」を有すると否とに拘らず「回転部材」を備える工程も、「回転部材」を備えない工程も、「移動工程」に該当する。回転体による回転により両液体に遠心力が作用するとき、その遠心力に起因して回転体に向かって両液体の移動が起こるのであれば、その遠心力の発生源（回転体）も「移動工程」における両液体の移動の役割の少なくとも一部を担うので、「移動工程」を実行しうる。更に、「移動工程」における両液体の移動は、回転部材の回転により発生する遠心力による移動であっても、重力その他の外力による移動であってもよい。
【００４５】
次に、本発明に使用する熱媒液体について説明する。
【００４６】
本発明に用いる熱媒液体は、水と比重が異なるとともに、水に溶解せず又は溶解度が低く、且つ、水と化学反応を生じないか又は生じにくい物質である。この熱媒液体は、水よりも比重が大きいものである必要はなく、水よりも比重が小さいものであってもよいが、水との比重差が大きいものほど好ましい。また、熱媒液体は水との熱交換の前後で液体であるものであり、熱媒液体を冷凍機で冷却する場合には、熱媒液体の凝固点（または融点）は０℃以下であるものが好ましい。
【００４７】
水と比重が異なる熱媒液体の一例は、当該水よりも比重が大きいフッ素系不活性液体であるフロリナート（３Ｍ製、FLORINERT（登録商標））である。当該水（比重１．０）との比重差が大きい熱媒液体として入手可能な物質の一例が、フロリナート（比重約１.８）である。
【００４８】
フロリナートとしては、主に「FC-3283」と「FC-43」の二種類がある。これら二つは、主として蒸気圧と粘度が異なるが、それらの属性の違いが技術的効果の相違に大きく反映するということは認められていない。それ故、本実施形態における熱媒液体の例示としては、「FC-3283を用いても、「FC-43」であってもよい。
【００４９】
本発明のより具体的な実施形態では、フロリナート（３Ｍ製、FLORINERT（登録商標））FC-3283を熱媒液体とすることができる。
【００５０】
水および熱媒液体であるフロリナートの各流量は、両液体の直接接触による熱交換の効率やその熱交換により生成する氷スラリーが有すべき熱密度の目標値によっても変わる。本実施形態では、両液体の流量比を、水１に対して、例えばフロリナートを５〜６に設定することができる。
【００５１】
水より比重が小さい熱媒液体の一例は、ドデカン、ウンデカン、トリデカンなどの炭化水素化合物である。
【００５２】
以下、本発明の実施形態に係る製氷装置及び製氷方法について、添付図面を参照して説明する。なお、各図において同じ部分又は相当若しくは共通する部分にはこれと同じ符号を付し、その説明を省略する。また、各図において、水をＷ、熱媒液体をＭ、氷をＩと、符号を付す。なお、本発明は、図面に記載された実施形態には限定されない。
【００５３】
[Ａ] 熱媒液体の比重が、水及び氷の比重よりも大きい場合
図１（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る製氷装置を示す側断面図である。（ｂ）は該製氷装置における水、氷及び熱媒液体の存在位置を示す側断面図である。
【００５４】
本実施形態に係る製氷装置は、水および熱媒液体の導入機構、水および熱媒液体の接触領域、当該接触触領域において直接接触した水および熱媒液体を分離する遠心分離機構、水および熱媒液体を遠心分離機構に向けて移動させる移動機構、排出液機構及び付着物除去機構を具備する。
【００５５】
本実施形態に係る製氷装置において、導入機構から供給される水と水よりも比重の大きい熱媒液体は、接触領域に入り、移動機構としての回転部材に衝突し、その周囲に飛散し、遠心分離機構により水および生成した氷と、熱媒液体とに分離され、排液口から水および生成した氷との混合物と、熱媒液体が排出される。なお、水から生成した氷が当該水に分散又は懸濁すると、当該水はスラリー状を呈する。この状態の水が氷スラリーに該当する。
【００５６】
以下、それぞれの機構および領域について説明する。
【００５７】
＜導入機構＞
図１に示すように、導入機構は、水供給管１と熱媒液体供給管２とを備える二重管構造を有する。この導入機構は、回転部材１８の回転軸に沿って設置されている。導入機構としては、ステンレス管、ポリテトラフルオロエチレン（テフロン（登録商標））に代表されるフッ素系樹脂等の樹脂管などを用いることができる。内管および外管のうちいずれか一方をステンレス管とし、他方を樹脂管とした二重管構造にしてもよい。なお、水供給管１と熱媒液体供給管２とは熱交換させないように、熱伝導率の小さい樹脂製であるのが好ましい。
【００５８】
＜他の導入機構＞
図２は、本発明の第２の実施形態に係る製氷装置を示す側断面図である。本実施形態に係る製氷装置では、水供給管１と熱媒液体供給管２とが並列構造である導入機構を用いている。この場合、ステンレス製の外郭管（鞘管）を設け、その内側に樹脂管を並列に二本配置してもよい。
【００５９】
図３は、本発明に係る製氷装置において採用可能な導入機構の他の構造例を説明する図である。導入機構が水供給管１と熱媒液体供給管２とを備える二重管構造を有する場合、水供給管１の管先端と熱媒液体供給管２の管先端とは面一である必要はなく、図３（ａ）に示すように、熱媒液体供給管２の管先端面が、水供給管１の管先端面よりもある程度突出するように配置していてもよく、図３（ｂ）乃至（ｄ）に示すように、水供給管１の管先端面よりも相当程度に突出するように配置していてもよい。
【００６０】
後者のような導入機構によれば、水供給管１から放出された水と熱媒液体供給管２内を通過する熱媒液体とを、熱媒液体供給管２から放出させる前に、ある程度混合させることができる。この場合、熱媒液体供給管２内に配置する水供給管１の管先端に、複数個の放出孔１０１を備える放出ノズル１００を取り付け、熱媒液体の流れの方向に対して非平行の方向に水を放出させたり（図３（ｃ）参照）、熱媒液体供給管２の管先端側に管径がより小さく絞り込まれた部分２００を設ければ（図３（ｄ）参照）、熱媒液体と水とを、熱媒液体供給管２から放出させる前に、より効果的に混合させることができる。
【００６１】
なお、図３に示す導入機構の二重管構造においては、水供給管１および熱媒液体供給管２がそれぞれ内管および外管であるが、その逆であってもよい。
【００６２】
図４は、本発明の第３の実施形態に係る製氷装置を示す側断面図である。本実施形態に係る製氷装置では、予め混合されている水と熱媒液体とを同時に導入する導入機構を用いている。この場合、水供給管と熱媒液体供給管の区別のない単一の水および熱媒液体供給管２３を備える単管構造である導入機構を用いている。
【００６３】
本実施形態に係る製氷装置において、水および熱媒液体は、その少なくとも一部が互いに接触した後に導入機構に供給され、引き続き製氷装置内に同時に導入される。水および熱媒液体を予め接触させるには、例えば、導入機構の上流において、両液体を一つの配管や容器の中を通過させることにより又はミキサーのような混合専用機器を用いて、互いに混合させればよい。
【００６４】
＜接触領域＞
接触領域は、導入機構により導入された水および熱媒液体のそれぞれ少なくとも一部が互いに直接接触して、当該水から氷が生成するために必要な熱交換が開始する領域であり、両液体間の熱交換が起こっている領域すべてを意味するものではない。例えば、水と熱媒液体とをそれぞれ別々の導入管の先端口から製氷装置内に放出させ、放出直後に両液体を初めて接触させる場合には、導入管の先端口近傍の場所が接触領域に該当する。製氷装置内で両液体が初めて接触した後、いずれかの一方の液体の少なくとも一部が、引き続き他方の液体と接触して熱交換を行う場合もあり得るが、そのような引き続く両液体の接触により熱交換が行われる領域は、「熱交換が開始する領域」ではないので、接触領域には該当しない。
【００６５】
なお、図４に示す構造の導入機構を採用しても、両液体を製氷装置内に導入する前に両液体のすべての部分を互いに接触させることができるとは限らないので、接触領域は形成され得る。
【００６６】
＜移動機構＞
移動機構とは、接触領域において直接接触した水および熱媒液体を遠心分離機構に向けて移動させる機構である。典型例が下記の回転部材であるが、接触領域から両液体を遠心分離機構に向けて移動させる機構であれば、本発明の奏功性／効果の程度には大小が生じるとはいえ、如何なる機構であってもよい。
【００６７】
＜移動機構としての回転部材＞
図１、図２及び図４に示すように、回転部材１８を移動機構として採用する場合について説明する。回転部材１８を移動機構として採用する場合、水と熱媒液体（両液体という）が回転部材の表面と接触する際に受ける力（剪断力）により、両液体の混合が促進する。これにより、直接接触に伴う熱交換効率が向上する、ひいては氷の生成効率が向上するという特段の効果が生じる。また、両液体が回転部材の表面と接触する際に受ける力（剪断力）により、両液体は、回転部材１８の回転中心の側から外側に向けて放射状に飛び散り、遠心分離機構に均一に移動する。
【００６８】
両液体を、接触領域を取り囲む遠心分離機構の回転軸まわりに、より均一に飛び散るようにするには、両液体を導入機構から回転部材の回転中心に向けて放出するとよい。そのため、導入機構を図１に示すように二重管構造とする場合や、図４に示すように単管構造とする場合には、その管軸が回転部材の回転軸と同軸になるように配置する。両液体を遠心分離機構に向けて、遠心分離機構の回転軸まわりに、より均一に分布するように飛び散らせば、遠心分離機構に負荷の偏りが生じないので、装置の故障を減らすことができ、保守の頻度を減らすことができる。それ故、長時間運転に耐えうる装置となり、装置寿命も延びる。
【００６９】
この場合、移動機構は、回転部材１８とこれを回転させる回転駆動機構とを備えるものである。回転部材１８は、主軸管５の内部に配置する中空の回転内管４に取り付けられる。回転内管４は、主軸管５に対して相対的に回転可能になるようにベアリングなどの回転支承部材により支持されている。回転部材１８の回転軸が回転内管４のそれと同軸になるように、回転部材１８が回転内管４の下方先端に取り付けられる。これにより、回転部材１８は、回転内管４の回転に伴い回転する。
【００７０】
図１、図２及び図４に示す回転部材１８は、平らな円盤である。しかし、回転部材は平らな円盤に限定されない。例えば、コーン部材を、主軸管と同軸に回転するように構成した場合には、当該コーン部材はまさに回転部材である。そして当該コーン状の回転部材も、平らな円盤状の回転部材と同様の特段の効果を奏する。
【００７１】
図１、図２及び図４に示す装置では、回転部材１８を回転させる回転駆動機構は、回転モータ（図示せず）、当該回転モータの回転軸に取り付けられたモータ軸プーリ（図示せず）、回転内管４に固定された回転内管プーリ３、およびモータ軸プーリの回転を回転内管プーリ３に伝達して回転内管４を回転させる無限軌道のベルト（図示せず）を備えている。回転駆動機構により回転内管４を回転させると、その回転に伴い、回転部材１８が回転する。
【００７２】
＜遠心分離機構＞
図１（ａ）、図２及び図４に示す装置において、移動機構により回転体１９に向かって移動する水と熱媒液体とは、接触領域を通過しているため、混合して混合液体となっている。遠心分離機構は、その混合液体を回転させ、当該混合液体に遠心力を作用させることにより、水と熱媒液体と間の比重差に応じて当該混合液体を水と熱媒液体とに分離させる機構である。
【００７３】
水は熱媒液体との直接接触を通じてその熱媒液体と熱交換を行うので、当該水の中には氷が生成しており、遠心分離機構において当該混合液体を水と熱媒液体とに分離させると、氷を含む水と熱媒液体とに分離させることができる。
【００７４】
図１（ａ）に示す装置において、遠心分離機構により比重差に応じて分離される水と氷と熱媒液体は図１（ｂ）に示すような配置で遠心分離機構内に存在する。一番比重の大きい熱媒液体Ｍは遠心分離機構内の最も外側に移動し、上部排液口１６から上部液体収容部２０へと移動する。また、水Ｗおよび氷Ｉは熱媒液体Ｗよりも内側に位置し、下部排液口２２から下部液体収容部１５へと移動する。なお、水と氷の存在位置を模式的に別々に表したが、厳密には水中で水の一部が氷に相変化するため、水中で生成した氷が、遠心力の作用により最も内側の層に移動する場合もある。
【００７５】
遠心分離機構は、回転体１９とこれを回転させる回転駆動機構とを備える。
【００７６】
回転体１９は、遠心分離機におけるロータに相当するものである。回転体１９は、中空筒状の主軸管５と、主軸管５に連結部材を介して取り付けられた上蓋部１７と、上端および下端が開口した上部筒体９と、下部排液口２２を備える下部筒体１４とを備えている。上蓋部１７は上部筒体９の上端開口部に取り付けられ、下部筒体１４は上部筒体９の下端開口部に取り付けられて、全体として一体的に構成されている。
【００７７】
回転体１９は、少なくとも、主軸管５、上蓋部１７、上部筒体９および下部筒体１４のそれぞれに分解できるように構成されている。回転体１９は、主軸管５の回転に伴い回転する。
【００７８】
図５は、上部筒体９および下部筒体１４を省略した回転体１９の斜視図である。上蓋部１７（図５では図示せず）は、調整板７を備えており、調整板７は上部排液口１６を備えている。上部排液口１６は、複数個の開孔部からなる。回転体１９の内側の液体は、上部排液口１６の各開孔部を通じて外側に向けて流通可能となる。開孔部は、回転体１９の軸まわりに対称に配置している。このため、回転体１９に重量の偏りが生じにくく、遠心力が働いても、回転体１９の回転軸受部に偏った負荷がかからない。
【００７９】
調整板７の種類は複数あり、各種の調整板は上部排液口１６の形態（開孔部の数、形状、位置など）、材質、表面処理の仕方などが異なる。それ故、水、氷、熱媒液体の性質やその他の事情に応じて、適切な種類の調整板を選択し、使用することができる。
【００８０】
下部筒体１４が備える下部排液口２２は、上部筒体９の内径よりも小さく、上部筒体９とは反対側に配置している。このため、下部筒体１４は、上部筒体９側から下部排液口２２に向かって先細り又は断面積が減少する構造を有している。回転体１９の内部の液体は下部排液口２２を通じて外部に向けて流通可能となる。
【００８１】
主軸管５には、連結部材を介して上蓋部１７が取り付けられているほか、上蓋部１７から距離をおいた位置に当該連結部材を介して羽根固定板１０が取り付けられている。羽根固定板１０には更に複数の案内羽根１１が、主軸管５の回転軸まわりに対称に配置するように取り付けられている。このため、主軸管５の回転に伴い、回転体１９とともに、案内羽根１１も回転する。すると、回転体１９の回転に伴い、案内羽根１１により回転体１９内部の混合液体に回転力が付与されるので、その混合液体に遠心力が作用する。
【００８２】
なお、案内羽根１１は、羽根固定板１０にではなく、回転体１９の内壁面に取り付けてもよい。しかし、回転体１９の内壁面に案内羽根１１が取り付けられていると、保守・点検が面倒になるという難点がある。これに対して、案内羽根１１が羽根固定板１０に取り付けられていると、例えば保守の必要から、主軸管５や上蓋部１７などを装置から取り外す際、主軸管５とともに羽根固定板１０を取り外すことができ、それと同時に案内羽根１１も一緒に取り外すことができるという長所がある。
【００８３】
案内羽根１１は、遠心分離機構には必ずしも不可欠なものではないが、これを備えることにより、混合液体を効率的に回転させ、従って効率的に遠心分離することができる。
【００８４】
上部筒体９には、更に障害板８が設置されていている。障害板８は、羽根固定板１０と調整板７との間の位置に配置され、回転体１９の内側から上部排液口１６に直接向かって流れ出ようとする液体の障害物となる障害部と、その液体の逃げ道を構成する通流口とを備えている。その結果、回転体１９の内側から上部排液口１６に流れ出ようとする液体は、障害板８の障害部を迂回して通流口に向かって流れるので、その液体の流路長が長くなる。それ故、障害板８は、両液体の分離の促進に役立つ。なお、障害板８の設置は不可欠ではなく、必要に応じてこれを設置すれば足りる。また、障害板８は上部筒体９ではなく、主軸管５に設置してもよい。
【００８５】
回転体１９を回転させる回転駆動機構は、回転モータ（図示せず）と、当該回転モータの回転軸に取り付けられたモータ軸プーリ（図示せず）と、主軸管５に固定された主軸管プーリ６と、モータ軸プーリの回転を主軸管プーリ６に伝達して主軸管５を回転させる無限軌道のベルト（図示せず）とを備えている。
【００８６】
回転駆動機構により回転体１９を回転させると、回転体１９の回転に伴い、案内羽根１１により、回転体１９内部の水と熱媒液体との混合液体に回転力が付与される。すると、その混合液体に遠心力が作用し、水と熱媒液体との間の比重差により当該混合液体は水と熱媒液体とに分離する。そして、水の中には氷が含まれているので、当該混合液体から、氷を含む水と熱媒液体とが分離する。
【００８７】
水と熱媒液体とは比重差があるため、遠心力の作用による分離効果は高い。それ故、回転体１９の回転速度は比較的低速で足りる。なお、本実施形態では、回転体１９の回転速度を１０００〜３０００ｒｐｍとした。
【００８８】
遠心分離機構は、水と熱媒液体との混合液体から各液体を完全に分離する機構である必要はなく、氷の製造を長時間にわたり又は連続的に行うことの妨げにならない限りにおいて、不完全に分離するものであれば足りる。
【００８９】
＜排液機構＞
図１、図２及び図４に示す装置では、排液機構は、回転体１９の上部と下部のそれぞれの位置にある。回転体１９の上部の位置にある上部排液機構は、遠心分離機構により分離された水と熱媒液体のうち比重が大きいものを当該回転体の内側から外側に向けて移動させ、回転体１９の下部の位置にある下部排液機構は、そのうち比重の小さなものを回転体１９の内側から外側に向けて移動させる。
【００９０】
上部排液機構は、回転体１９の上部において、その内側から上部排液口１６（の開孔部）に至るまでの液体の流路を構成する機構をいい、当該流路を構成する部品および部材（例えば、回転体１９の上部筒体９の上方の内壁面、羽根固定板１０、上蓋部１７、調整板７など）がこれに該当する。これらの部材および部品には、連結部材を備える場合は連結部材が含まれ、障害板８を備える場合は障害板８が含まれる。
【００９１】
下部排液機構は、回転体１９の下部において、その内側から下部排液口２２に至るまでの液体の流路を構成する機構をいい、下部筒体１４の下方の内壁面および下部開口部がこれに該当する。
【００９２】
上部排液機構により回転体１９の外側に移動する液体は、水および熱媒液体のうちより比重が大きな液体、又はその比重が大きな液体が大部分を占める両液体の混合液体（氷を含む）である。上部排液機構により回転体１９の外側に移動する液体は、熱媒液体がフロリナートである場合、フロリナート又はフロリナートを大部分とし、一部に水を含み、氷を更に含む液体である。
【００９３】
下部排液機構により回転体１９の外部に移動する液体は、水および熱媒液体のうち、より比重が小さな液体、又はその比重が小さな液体が大部分を占める両液体の混合液体であり、生成した氷を含むスラリーである。下部排液機構により回転体１９の外側に移動する液体は、熱媒液体がフロリナートである場合、氷スラリー又は氷スラリーを大部分とし、一部にフロリナートを含む液体である。
【００９４】
上部排液機構により回転体１９の外側に移動した液体は、回転体１９の周囲を取り囲むケーシング２１の周りを囲むように環状に設置された環状の上部液体収容部２０に一時的に収容され、上部液体収容部２０の下部から製氷装置外へと引き出される。引き出された液体は、必要に応じて更に他方の液体からの分離処理やその他の処理が施され、導入機構により当該製氷装置内へ導入され、以後循環的に氷スラリーの製造に供される。
【００９５】
下部排液機構により回転体１９の外側に移動した液体は、回転体１９の下部開口部の下方に配置された下部液体収容部１５に一時的に収容され、そこで比重差に従って重力により他方の液体から分離され、引き続き下部液体収容部１５外へと引き出される。引き出された液体は、必要に応じて更に他方の液体からの分離処理やその他の処理が施され、導入機構により当該製氷装置内へ導入され、以後循環的に氷スラリーの製造に供される。
【００９６】
本実施形態では、水よりも比重の大きな液体は、熱媒液体であるフロリナートであるので、上部排液機構により回転体１９の外側に移動するのはフロリナート又はそれを大部分とする液体であり、上部液体収容部２０に一時的に収容され、上部液体収容部２０の下部から製氷装置外へと引き出される。下部排液機構により回転体１９の外側に移動するのは、水およびフロリナートとの熱交換により当該水の中に生成した氷（要するに氷が水に分散又は懸濁した氷スラリー）又は氷スラリーを大部分とし一部にフロリナートを含む液体であり、下部液体収容部１５に一時的に収容される。氷スラリーは、下部液体収容部１５において比重の大きなフロリナートから重力により分離され、フロリナートの混入の程度が低い状態で引き続き下部液体収容部１５外へ引き出される。
【００９７】
＜固液分離機構＞
下部液体収容部１５において、氷スラリー又は氷スラリーを大部分とし一部に熱媒液体を含む液体を一時的に収容する際に、下部液体収容部１５に固液分離機構を備えることにより、固形物である氷と液体とを固液分離することとしてもよい。固液分離機構の典型例は、ざる、ふるい、スクリーン、フィルター、ろ過器などである。この固液分離機構により氷スラリーを固液分離して、熱媒液体を分離した、又は熱媒液体の混入の程度の小さい氷又は氷スラリーを得ることができる。さらに、水を適度に分離することにより固相率の高い氷スラリーを得ることができる。また、固液分離機構により、氷を分離した水を導入機構により当該製氷装置内へ導入し、循環的に氷スラリーの製造に供することができる。
【００９８】
また、下部液体収容部１５外へと引き出された液体を別に設ける固液分離機構に導くようにしてもよい。この固液分離機構により氷スラリーを固液分離して、熱媒液体を分離した、又は熱媒液体の混入の程度の小さい氷又は氷スラリーを得ることができる。さらに、水を適度に分離することにより固相率の高い氷スラリーを得ることができる。また、固液分離機構により、氷を分離した水を導入機構により当該製氷装置内へ導入し、循環的に氷スラリーの製造に供することができる。
【００９９】
＜付着物除去機構＞
熱媒液体の方が水よりも比重が大きい場合、下部排液機構により製氷装置外へ取り出されるのは主として氷スラリーである。この場合、下部排液機構を構成する部材や部品のうち水と接触するものの表面に、スラリー中の氷や、水から遅れて生成した氷が局所的に付着し、成長して、スラリー全体の流れを阻害するおそれがある。スラリー全体の流れが阻害されると、製氷装置が安定に稼働しなくなるので、氷スラリーの長時間にわたるか又は連続的な製造が困難になる。
【０１００】
そこで、付着物除去機構を設けて、下部排液機構を構成する部材や部品のうち水と接触するものの表面に付着した氷を除去する。この付着物除去機構によれば、製氷装置内における局所的な氷の付着と成長に起因する不具合が発生しにくくなるので、製氷装置の故障の頻度を減らすことができるか又はその故障の原因やその影響を減らすことができる。また、この機構によれば、氷を製氷装置内に堆積することなく連続的に外部に排出することができるので、両液体の直接接触による熱交換が滞りなく、繰り返し、円滑に進行する。この結果、氷スラリーの長時間にわたるか又は連続的な製造を実現することができる。
【０１０１】
付着物除去機構の典型例は、遠心分離機構により熱媒液体から分離された水と接触する部材の表面に付着した氷の少なくとも一部を除去するスクレーパである。
【０１０２】
図１、図２及び図４では、当該熱媒液体から分離された水と接触する部材の表面は、下部筒体１４の内壁面の少なくとも一部（少なくとも下方側の一部）であり、スクレーパ１２は、当該表面に倣って移動する過程で、可能な限り多くの付着物を掻き取って除去する。
【０１０３】
スクレーパ１２を上部筒体９の内壁にも倣って移動するようにすると、回転体１９内面に形成される熱媒液体と水の分離層を乱し、遠心分離性能を低下させるので、好ましくない。
【０１０４】
図６に示すように、スクレーパ１２は、略台形枠形状をなし、回転部材１８を固定する枠体１２１に一体的に取り付けられ、且つ、その掻取面が下部筒体１４の内壁面に対面して倣うように配置されている。
【０１０５】
より具体的には、回転内管４がその先端に備える管端連結部（Ｃ１）と、回転部材１８を固定する枠体１２１が回転部材１８と対面する位置に備える環状連結部（Ｃ２）とを接続することにより、回転部材１８の回転軸が回転内管４のそれと同軸になるように、回転部材１８が回転内管４の先端に取り付けられる。これにより、回転部材１８は、回転内管４の回転に伴い回転する。
【０１０６】
スクレーパ１２は、回転部材１８を固定する枠体１２１に一体的に取り付けられているので、回転内管４の回転に伴い、回転部材１８と同方向、同速度で回転する。スクレーパ１２により掻き取られた氷は、下部排液機構により下部排液口２２（回転体１９の下部開口部）から氷スラリーとともに製氷装置外に取り出され、下部液体収容部１５に収容される。
【０１０７】
スクレーパ１２の回転数は、遠心分離機構の回転体１９の回転数に比べて、５〜２０ｒｐｍ程度小さいことが好ましい。スクレーパ１２の回転数と回転体１９の回転数との差が５ｒｐｍより小さいと、スクレーパにより付着物を掻き取る作用がなく、２０ｒｐｍより大きいと、回転体内面に形成される熱媒液体と水の分離層を乱し、遠心分離性能を低下させるので、好ましくない。
【０１０８】
スクレーパ１２により、回転体１９の下部筒体１４の内面に付着した付着物を除去することにより、生成したスラリーの流れを阻害することを防止でき、製氷装置を安定に稼働することができ、氷スラリーの長時間にわたるか又は連続的な製造が可能になる。
【０１０９】
スクレーパ１２は、回転部材１８を固定する枠体１２１に一体的に取り付けられているので、例えば保守の必要から、回転部材１８を枠体１２１とともに取り外す際には、スクレーパ１２も一緒に取り出すことができる。スクレーパ１２の形状は、略台形枠形状に限らず、掻取面が回転体の内壁面に対面して倣うように配置される形状であればよいことはいうまでもない。
【０１１０】
＜選択分離機構＞
スクレーパに代表される付着物除去機構により部材の表面に付着した氷を除去する場合には、付着物の成長の程度に違いがあることから、除去される付着物の大きさは変わってくる。このため、付着物除去機構により除去された氷は比較的大きな粒子であったり、粒子が集合して塊状を呈していることが多い。氷スラリーは、氷の比較的大きな粒子や塊の存在により、流動性が阻害される。例えば、水の中に分散又は懸濁する氷粒子の大きさが均一でないと、配管の閉塞、圧力損失やポンプ動力の変動などの問題が生じ、氷スラリーを連続的又は長時間に製造することが難しくなる。選択分離機構を設けて、このような大型の粒子やその塊を、その水又は氷スラリーから選択的に分離する。
【０１１１】
選択分離機構の典型例は、ざる、ふるい、スクリーン、フィルター、濾過器などである。  図１、図２及び図４に示す装置において、下部液体収容部１５の上部にスクリーンを設置してもよい。このスクリーンにより、スラリーを濾過して、粒子が比較的揃って均一な流動性の高い氷スラリーのみを利用することができる。
【０１１２】
ここで、図１に示す第１の実施形態に係る製氷装置およびこれを用いる製氷方法について、より詳細に説明する。
【０１１３】
第１の実施形態に係る製氷装置において、水供給管１から供給される水と、熱媒液体供給管２から供給される水よりも比重の大きい熱媒液体は、接触領域１３に入り、回転部材１８に衝突し、その周囲に飛散し、遠心分離機構により水と生成した氷と、熱媒液体に分離され、排液口から水と氷の混合物、および熱媒液体が排出される。
【０１１４】
水供給管１と熱媒液体供給管２は二重管構造となっている。水供給管１から供給される水と、熱媒液体供給管２から供給される水よりも比重の大きい熱媒液体は、接触領域１３において、水と熱媒液体の直接接触による熱交換が開始され、水が冷却されて氷が生成する。水と熱媒液体は回転部材１８に衝突し、水と熱媒液体（両液体という）が回転部材１８の表面と接触する際に受ける力（剪断力）により、両液体の混合が促進する。これにより、直接接触に伴う熱交換効率が向上する、ひいては氷の生成効率が向上するという特段の効果が生じる。また、両液体が回転部材１８の表面と接触する際に受ける力（剪断力）により、両液体は、回転部材１８の回転中心の側から外側に向けて放射状に飛び散り、遠心分離機構に均一に移動する。
【０１１５】
図１に示す回転部材１８は平らな円盤であるが、これに限定されない。形状がコーン型のような回転部材であっても、平らな円盤状の回転部材と同様の効果を奏する。回転部材には遠心分離機構を構成する回転体の下部表面に付着した氷の少なくとも一部を掻き取るための台形枠形状のスクレーパを固定しておいてもよい。この場合、回転体の下部表面に倣うように相対的に移動するスクレーパが付着物除去機構として機能する。
【０１１６】
移動機構としての回転部材により回転体に向かって移動する水と熱媒液体とは、接触領域を通過しているため、混合されて水と氷と熱媒液体の混合液体となっている。遠心分離機構は、その混合液体を回転させ、当該混合液体に遠心力を作用させることにより、水と氷と熱媒液体の間の比重差に応じて当該混合液体を水と氷と熱媒液体とに分離させる。比重差により分離される水と氷と熱媒液体は、図１（ｂ）に示すような配置で遠心分離機内に存在する。一番比重の大きい熱媒液体は遠心分離機内の最も外側に移動し、上部排液口１６から上部液体収容部２０へと移動する。また、水および氷は熱媒液体よりも内側に位置し、下部排液口２２から下部液体収容部１５へと移動する。なお、水と氷の存在位置を模式的に別々に表したが、厳密には水中で水の一部が氷に相変化するため、水中で生成した氷が、遠心力の作用により最も内側の層に移動する場合もある。
【０１１７】
排液機構が回転体の上部と下部のそれぞれの位置にある。回転体の上部の位置にある上部排液機構は、遠心分離機構により分離された比重が大きい熱媒液体を当該回転体の内側から外側に向けて移動させ、回転体の下部の位置にある下部排液機構は、水と氷の混合物を回転体の内側から外側に向けて移動させる。
【０１１８】
下部排液機構により製氷装置外へ取り出されるのは主として、水と氷の混合物である。この場合、下部排液機構を構成する部材や部品のうち氷と接触するものの表面に、氷が局所的に付着し、成長して、全体の流れを阻害する恐れがある。全体の流れが阻害されると、製氷装置が安定に稼働しなくなるので、氷の長時間にわたる又は連続的な製造が困難になる。そこで、付着物除去機構を設けて、下部排液機構を構成する部材や部品の表面に付着した氷を除去する。
【０１１９】
この付着物除去機構によれば、製氷装置内における局所的な氷の付着と成長に起因する不具合が発生しにくくなるので、製氷装置の故障の頻度を減らすことができるか又はその故障の原因やその影響を減らすことができる。また、この機構によれば、氷を製氷装置内に堆積することなく連続的に外部に排出することができるので、混合液体の直接接触による熱交換が滞りなく、繰り返し、円滑に進行する。この結果、氷の長時間にわたる又は連続的な製造を実現することができる。
【０１２０】
付着物除去機構の典型例は、遠心分離機構により水と熱媒液体から分離された氷と接触する部材の表面に付着した氷の少なくとも一部を除去するスクレーパである。水と熱媒液体から分離された氷が接触する部材の表面は、下部筒板の少なくとも一部（少なくとも下方側の一部）であり、スクレーパ１２は、当該表面に倣って移動する過程で、可能な限り多くの付着物を掻き取って除去する。
【０１２１】
スクレーパを上部筒板の内壁にも倣って移動するようにすると、回転体内面に形成される水と熱媒液体との分離層を乱し、遠心分離性能を低下させるので、好ましくない。スクレーパは、略台形枠形状をなし、回転部材１８を固定する枠体に一体的に取り付けられ、且つ、その掻取面が下部筒板の内壁面に対面して倣うように配置されている。
【０１２２】
[Ｂ] 熱媒液体の比重が、水及び氷の比重よりも小さい場合
以上説明した本発明の第１〜第３の実施形態は、熱媒液体の比重が水及び氷の比重より大きい場合であるが、以下に示す本発明の第４の実施形態は、熱媒液体の比重が水及び氷の比重より小さい場合である。
【０１２３】
本発明の第４の実施形態においては、水とそれよりも比重の小さい熱媒液体を接触させて熱交換を開始し、氷を製造するとともに、遠心分離機構により、生成した氷を含む水と熱媒液体を分離する。水よりも比重の小さい熱媒液体として、例えばドデカン、ウンデカン、トリデカンなどの炭化水素化合物を用いることができる。
【０１２４】
水と氷は熱媒液体よりも比重が大きいので、遠心分離機構の回転体の内壁面近傍に位置する。そのため、回転体の内壁面の近傍で水と氷が存在するところに、回転体と異なる回転数で回転するスクレーパを設けることにより、氷の付着・堆積を防止し、氷スラリーを安定して連続して製造することができる。
【０１２５】
図７（ａ）は、本発明の第４の実施形態に係る製氷装置を示す側断面図である。（ｂ）は、該製氷装置における水、氷及び熱媒液体の存在位置を示す側断面図である。
【０１２６】
図７（ａ）に示す製氷装置において、回転体１９は、その上部において主軸管５に接続されている。回転体１９の上蓋部１７は、回転体１９に固定されており、中央に開口を有する。上蓋部１７には、その下面に案内羽根１１が複数枚固定されていて、案内羽根１１は、氷スラリーと熱媒液体に遠心力を伝達させるために設けるものである。
【０１２７】
複数本のスクレーパ１２が、回転体１９の内壁面の近傍に位置するように、スクレーパアーム２５を介して回転内管４に固定されている。スクレーパアーム２５には、熱媒液体が下部に流出しないように、円板状の棚板２４が固定されている。また、円板状の回転部材１８が、スクレーパアーム２５に固定されている。図示しない補助スクレーパが、回転体１９の下部排液口２２周辺の外壁面の近傍に位置するように回転内管４に固定されている。
【０１２８】
水供給管１と熱媒液体供給管２は二重管構造であるが、並列構造でもよく、また水と熱媒液体を予め接触させた両液体を導入する単管構造でもよい。
【０１２９】
スクレーパ１２と回転体１９の内壁面、スクレーパ１２と案内羽根１１、スクレーパアーム２５と回転体１９の底面および補助スクレーパ（図示せず）と回転体１９の下部排液口２２周辺の外壁面とは、わずかな隙間を持つように構成されている。
【０１３０】
回転体１９とスクレーパ１２が異なる回転速度で回転するように、主軸管５の回転軸と回転内管４の回転軸が構成されている。
【０１３１】
以上のように構成される図７に示す製氷装置は、以下のように動作する。
【０１３２】
まず、回転体１９とスクレーパ１２とを、１０〜５０ｒｐｍの回転速度差で回転させる。遠心分離機構である回転体１９の回転速度は、１０００〜２０００ｒｐｍ程度であるのが好ましい。次いで、水供給管１から水を供給し、熱媒液体供給管２から熱媒液体を供給する。その結果、水供給管１と熱媒液体供給管２の出口で水と熱媒液体が接触し、熱交換が開始されるとともに、回転している回転部材１８に衝突して混合され、両液体間の熱交換が促進されるので、水から氷が生成され、氷が水に分散した氷スラリーが生成される。
【０１３３】
氷スラリーと熱媒液体は、回転部材１８の周囲に飛散し、案内羽根１１による遠心力の作用により、回転体１９の内周に移動し、図７（ｂ）に示すように、比重の大きい氷スラリー（Ｉ＋Ｗ）は外側に、比重の小さい熱媒液体Ｍは内側に分離される。
【０１３４】
氷スラリー（Ｉ＋Ｗ）は、回転体１９の内周面と棚板２４との間隙を通って下方へ移動し、下部排液口２２から排出される。熱媒液体Ｍは、棚板２４の外周より内側に位置し、回転体１９の上蓋部１７に設けられた複数個の開口部から排出される。排出された氷スラリー（Ｉ＋Ｗ）および熱媒液体Ｍは、一旦、容器（それぞれ下部液体収容部１５および上部液体収容部２０又は、製氷装置外に設置された容器（図示せず））に貯留された後、再度、それぞれの供給管に供給され、氷スラリーの製造が連続的に行われる。
【０１３５】
図７（ｂ）において、水Ｗは回転体１９の内周の最も外側に位置し、氷Ｉは水Ｗよりも内側に位置し、熱媒液体Ｍは最も内側に位置するように、水Ｗと氷Ｉの存在位置を模式的に別々に表している。これは、水中で生成した氷Ｉが、遠心力の作用により水Ｗよりも内側の位置に移動することによるが、氷Ｉの生成は水中で生じるものであり、一時的にでも回転体１９内壁の近傍に氷Ｉが存在し、回転体１９内壁に氷Ｉが付着することがある。そこで、スクレーパ１２を回転体１９と異なる回転数で回転させることにより、回転体１９の内壁面に氷Ｉが付着・堆積することが防止される。また、スクレーパアーム２５によっても、回転体１９の底部に氷Ｉが付着・堆積することが防止され、図示しない補助スクレーパによっても、回転体１９の下部排液口２２周辺の外壁面に氷Ｉが付着・堆積することが防止される。
【０１３６】
[Ｃ] 熱媒液体の比重が、氷の比重より大きく水の比重より小さい場合
以上説明した本発明の第４の実施形態は、熱媒液体の比重が水及び氷の比重より小さい場合であるが、以下に示す本発明の第５の実施形態は、熱媒液体の比重が氷の比重より大きく水の比重より小さい場合である。
【０１３７】
本発明の第５の実施形態においては、水と、比重が氷より大きく水より小さい熱媒液体を接触させて熱交換を開始し、氷を製造するとともに、遠心分離機構により、生成した氷を含む水と熱媒液体を分離する。
【０１３８】
水は熱媒液体よりも比重が大きいので、遠心分離機構の回転体の内壁面近傍に位置する。そのため、回転体の内壁面の近傍で水と水から生成した氷が存在するところに、回転体と異なる回転数で回転するスクレーパを設けることにより、氷の付着・堆積を防止し、氷スラリーを安定して連続して製造することができる。
【０１３９】
図８（ａ）は、本発明の第５の実施形態に係る製氷装置を示す側断面図である。（ｂ）は、該製氷装置における水、氷及び熱媒液体の存在位置を示す側断面図である。
【０１４０】
図８に示す製氷装置は、図７に示す製氷装置とほぼ同じ構成であり、棚板２４の内周側に氷排出口２６が設けられている点が相違する。同じ構成の部分については説明を省略する。また、図８に示す製氷装置の動作は、図７に示す製氷装置における氷スラリーが生成されるまでの動作と同じであり、説明を省略する。
【０１４１】
氷スラリーと熱媒液体は、回転部材１８の周囲に飛散し、案内羽根１１による遠心力の作用により、回転体１９の内周に移動し、図８（ｂ）に示すように、比重の最も大きい水Ｗが外側に、比重の最も小さい氷Ｉが内側に、熱媒液体Ｍが水Ｗと氷Ｉの間に分離される。
【０１４２】
水Ｗは、回転体１９の内周面と棚板２４との間隙を通って下方へ移動し、下部排液口２２から排出され、下部液体収容部１５に収容される。氷Ｉは、棚板２４の内周側の氷排出口２６を通って下方へ移動し、下部液体収容部１５に収容される。
【０１４３】
熱媒液体Ｍは、棚板２４の外周より内側に位置し、回転体１９の上蓋部１７に設けられた複数個の開口部から排出され、上部液体収容部２０に収容される。
【０１４４】
収容された氷Ｉ、水Ｗおよび熱媒液体Ｍは、再度、それぞれの供給管に供給され、氷スラリー（Ｉ＋Ｗ）の製造が連続的に行われる。
【０１４５】
図８（ｂ）において、水Ｗは回転体１９の内周の最も外側に位置し、氷Ｉは最も内側に位置し、熱媒液体Ｍは水Ｗと氷Ｉの間に位置するように、水Ｗと氷Ｉの存在位置を模式的に別々に表している。これは、水Ｗ中で生成した氷Ｉが、遠心力の作用により水Ｗよりも内側の位置に移動することによるが、氷Ｉの生成は水Ｗ中で生じるものであり、一時的にでも回転体１９内壁の近傍に氷Ｉが存在し、回転体１９内壁に氷Ｉが付着することがある。そこで、スクレーパ１２を回転体１９と異なる回転数で回転させることにより、回転体１９の内壁面に氷Ｉが付着・堆積することが防止される。また、スクレーパアーム２５によっても、回転体１９の底部に氷Ｉが付着・堆積することが防止され、図示しない補助スクレーパによっても、回転体１９の下部排液口２２周辺の外壁面に氷Ｉが付着・堆積することが防止される。
【０１４６】
［Ｄ］製氷装置を用いる製氷方法
以上説明した種々の実施形態に係る製氷装置を用いて行う製氷方法の典型的な工程は、当該製氷装置が移動機構として回転部材を備える場合において、以下のとおりである。
【０１４７】
１）水と、当該水と比重が異なる熱媒液体とを、例えば二重管構造、並列構造又は単管構造の導入機構により、別々に又は同時に導入する。
【０１４８】
２）導入された水及び熱媒液体の移動方向を変更させる。より具体的には、（ａ）水と熱媒液体とを導入機構により製氷装置内に別々に導入する場合、熱媒液体と水とを製氷装置内で初めて接触させ、熱交換を開始させ、両液体の移動方向を変更させる。または、（ｂ）水と熱媒液体とを導入機構により製氷装置内に同時に導入する場合（例えば、（ｂ-１）導入機構に供給する前に予め両液体を接触又は混合させたうえで又は（ｂ-２）導入機構に供給した後に導入機構を通過する過程で両液体を接触又は混合させたうえで、導入機構より製氷装置内に導入する場合）、水と熱媒液体のうちそれぞれ少なくとも一部は既に互いに接触又は混合しているが、それらの残部は未接触又は未混合のまま或いは熱交換が未完であるケースがあるので、それらの残部を製氷装置内で初めて接触させ、熱交換を開始させ、両液体の移動方向を変更させる。
【０１４９】
これにより、まず、熱媒液体と水との直接接触による熱交換により、当該水中に氷を生成させ、氷が水中に分散又は懸濁するので氷スラリーを製造することができる。このとき、両液体間の熱交換を促進させることができるので、より多く又はより効率的に、氷スラリーを製造することができる。
【０１５０】
なお、上記（ａ）及び（ｂ）のいずれの場合においても、接触領域として定義される領域が生じる。ただし、上記（ｂ）の場合、水と熱媒液体との混合の程度が高い場合には、製氷装置内で両液体が接触を開始する機会が減るので接触領域の存在の確認は難しくなる。しかし、両液体の移動方向を回転部材により変更させることにより両液体間の熱交換を促進させるという効果は、その他の場合と同様に生じる。
【０１５１】
３）水と熱媒液体とを回転部材により遠心分離機構の回転体に向かって放射状に放散させる。このため、両液体は下方に落下せず、しかも回転体に向かって均一に到達する。これにより、両液体を短時間内に遠心分離にかけることができ、遠心分離機構への負担を均一化することができる。
【０１５２】
なお、好ましい態様においては、接触領域が遠心分離機構の回転体の回転範囲内に配置し、より好ましい態様においては、接触領域と回転部材とが遠心分離機構の回転体の回転範囲内に配置する。これらの態様によれば、上記効果がより顕著になる。
【０１５３】
４）水と熱媒液体とを遠心分離機構により分離させる。より具体的には、熱媒液体が水より比重が大きい場合には、遠心分離により比重が大きい熱媒液体を外側に移動させ、水又は氷スラリーと分離させる。熱媒液体が水より比重が小さい場合には、遠心分離により比重が大きい氷スラリーを外側に移動させ、熱媒液体と分離させる。
【０１５４】
５）遠心分離された熱媒液体と水又は氷スラリーとを、別々に排出させる。
【０１５５】
６）スクレーパにより製氷装置の内壁面に付着又は堆積した氷を掻き取り、又は氷の付着又は堆積を抑制し、閉塞や流れの阻害の発生を防止する。これにより、安定的に氷スラリーを製造することができる。
【０１５６】
［Ｅ］蓄熱式空調設備
図９は、本発明に係る製氷装置を用いて、氷スラリーを製造することで蓄熱を行う蓄熱式空調設備を示す図である。熱媒液体は水より比重が大きく、且つ、熱媒液体及び水を導入機構により製氷装置内に別々に導入する場合について示す。
【０１５７】
図９に示す蓄熱式空調設備における液体の流れは、次の通りである。
【０１５８】
即ち、水は、水ポンプ５７→水供給管１→製氷装置Ｇ内→接触領域１３→回転部材１８→回転体１９→下部排液機構→下部液体収容部（スラリータンク）１５→スラリポンプ５０→固液分離槽５１→スラリポンプ５２→蓄熱槽５４→スラリ送りポンプ５５→負荷側熱交換器５６→蓄熱槽５４（→再び水ポンプ５７）の経路に沿って循環する。
【０１５９】
熱媒液体は、熱媒液体ポンプ５９→冷凍機６１→熱媒液体供給管２→製氷装置Ｇ内→接触領域１３→回転部材１８→回転体１９→上部排液機構→上部液体収容部２０→熱媒液体タンク６０（→再び熱媒液体ポンプ５９）の経路に沿って循環する。
【０１６０】
製氷装置Ｇ外へ引き出された熱媒液体は、熱媒液体タンク６０に貯蔵され、そこで、熱媒液体に少量混入している水が分離され、熱媒液体の純度が高められる。熱媒液体ポンプ５９により熱媒液体タンク６０から引き出された熱媒液体は冷凍機６１において冷却され、製氷装置Ｇに再導入される。
【０１６１】
一方、製氷装置Ｇ外へ引き出された氷スラリーは、下部液体収容部に相当するスラリタンク１５に収容され、そこで、混入している熱媒液体が分離され、熱媒液体の混入の程度が低められた状態で当該スラリタンク１５からスラリポンプ５０により引き出され、固液分離槽５１に送られる。固液分離槽５１において水が適当量分離され、固相率を高めた氷スラリーがスラリポンプ５２により蓄熱槽５４に送られ貯蔵される。固液分離槽５１で分離された水は、水ポンプ５３により、蓄熱槽５４から水供給管１に水を供給する経路に送られる。蓄熱槽５４において貯蔵されている氷スラリーは、スラリ送りポンプ５５により負荷側熱交換器５６に送られ、熱利用に供される。即ち、氷スラリーが負荷側熱交換器５６において別の熱媒体と熱交換を行うことにより、当該氷が蓄積していた潜熱エネルギーが当該別の熱媒体に移動し、空調に用いられる。この熱エネルギーの移動を通じて氷は水に戻るので、氷スラリーは負荷側熱交換器５６を通過した後、水の状態で蓄熱槽５４に戻される。蓄熱槽５４中の水は、水ポンプ５７により引き出され、製氷装置Ｇ内に再導入される。
【０１６２】
なお、スラリタンク１５において氷スラリーから分離された熱媒液体は、スラリタンク１５から熱媒液体戻しポンプ５８により引き出され、熱媒液体タンク６０に送られる。また、熱媒液体タンク６０において熱媒液体から分離された水は、水戻し配管（図示せず）を通じて、当該熱媒液体タンク６０からスラリポンプ５０により引き出され、スラリタンク１５の下流に送られる（図示せず）。
【０１６３】
スラリタンク１５にはスクリーンが設けられ、遠心分離機構により熱媒液体から分離された水に含まれる氷のうち比較的大きな粒子が除去され、図示しない大粒子排出手段により排出される。
【０１６４】
氷スラリーを製造して蓄熱を行う蓄熱式空調設備において、本発明の各製氷装置を用いることにより、下記の効果を奏することができる。
【０１６５】
１）熱媒液体と水とを直接接触させ、熱交換させるため、熱交換性能が良い。
【０１６６】
２）熱媒液体と水の移動方向を変更する移動機構を備えているので、両液体間の熱交換効率を高めることができる。
【０１６７】
３） 遠心分離により熱媒液体と水とを分離するため、分離機構をコンパクトにすることができ、分離のための動力を小さくできる。
【０１６８】
４）直接接触熱交換を行った後の水と熱媒液体との分離をより効果的に行うことができ、氷の製造を長時間にわたり又は連続的に安定して行うことができるため、製造した氷を用いる蓄熱式空調設備を安定して運転することができる。また、外部に熱交換器が不要であり、機器構成がシンプルである、等の効果がある。
【符号の説明】
【０１６９】
１・・・水供給管、２・・・熱媒液体供給管、３・・・回転内管プーリ、４・・・回転内管、５・・・主軸管、６・・・主軸管プーリ、７・・・調整版、８・・・障害板、９・・・上部筒体、１０・・・羽根固定板、１１・・・案内羽根、１２・・・スクレーパ、１３・・・接触領域、１４・・・下部筒体、１５・・・下部液体収容部、１６・・・上部排液口、１７・・・上蓋部、１８・・・回転部材、１９・・・回転体、２０・・・上部液体収容部、２１・・・ケーシング、２２・・・下部排液口、２３・・・水および熱媒液体供給管、２４・・・棚板、２５・・・スクレーパアーム、２６・・・氷排出口、５０…スラリポンプ、５１…固液分離槽、５２…スラリポンプ、５３…水ポンプ、５４…蓄熱槽、５５…スラリ送りポンプ、５６…負荷側熱交換器、５７…水ポンプ、５８…熱媒液体戻しポンプ、５９…熱媒液体ポンプ、６０…熱媒液体タンク、６１…冷凍機、Ｗ…水、Ｉ…氷、Ｍ…熱媒液体、Ｇ…製氷装置。
【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】
2013044478.tif 000007
【図６】
2013044478.tif 000008
【図７】
2013044478.tif 000009
【図８】
2013044478.tif 000010
【図９】
2013044478.tif 000011