(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒軸線と平行な上下方向に延在する複数の中空部１２と、前記複数の中空部（１２）を囲繞する仕切り壁とを成型加工により形成される外筒（１１）であって、かつ該外筒（１１）の上下の端部の内側に上方周壁（１８ａ）と下方周壁（１８ｂ）で夫々囲繞される上部凹部（１４ａ）と下部凹部（１４ｂ）が形成された外筒（１１）と、
０．５ｍｍ〜２．０ｍｍの微少間隔を介して前記複数の中空部（１２）夫々に挿通され、かつ外周に凹凸面（１６）を有すると共に上下端部（１３ａ，１３ｂ）が前記夫々の凹部（１４ａ，１４ｂ）より突出させた複数の内筒（１５）とを備え、
前記複数の内筒（１５）の上下両端側に位置して前記上部凹部（１４ａ）と下部凹部（１４ｂ）を閉鎖するとともに、前記各内筒（１５）内部にそれぞれ連通する開口部（２１ａ，２１ｂ）を有する一対の板体（１９ａ，１９ｂ）とにより冷媒及び冷却用水の流路がそれぞれ区分されるとともに、
前記外筒（１１）に、前記上部凹部（１４ａ）に開口する冷媒導入口（２２）と、前記下部凹部（１４ｂ）に開口する冷媒排出口（２３）とを設けるとともに、前記外筒（１１）の上方に前記各内筒（１５）内部に通ずる冷却用水導入口（２６）を、又該外筒（１１）の下方には前記各内筒（１５）内部に通ずる氷結晶排出口（２７）とを設け、
前記冷媒導入口（２２）から前記上部凹部（１４ａ）に形成された分配溝４０を経て、冷媒を前記各内筒（１５）外周側に分配されて、該外周側の微小間隙Ｓに通過させながら前記冷媒排出口（２３）に導くとともに、
外筒（１１）上方から前記板材（１９ａ，１９ｂ）に設けた開口部（２１ａ，２１ｂ）より各内筒（１５）の内壁面に沿って冷却用水を降下させながら前記各内筒（１５）の内壁面に氷結晶を析出して、該析出した氷結晶を前記下部凹部（１４ｂ）を介して氷結晶排出口（２７）より排出可能にしたことを特徴とする製氷器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は製氷器に関し、更に詳細には食品加工業における食品や発酵食品、化学工業、製薬工業、あるいは金属加工業等における汚水の浄化、機械油やメッキ廃液等の廃水処理、その他海水の淡水化等、広範囲にわたって適用される凍結濃縮を行う際に好適な製氷器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
凍結濃縮方法は、水溶液を凍結させることにより、水と溶質との凝固点の差により氷結晶を析出させて水溶液の濃度を高め、濃縮された水溶液中から氷結晶を分離するようにしたものであり、特に気液間の物質移動が無く、香りの成分のように揮発しやすい成分を保持したまま脱水することができること、及び熱に対して不安定な水溶液や雑菌に汚染されやすい成分を含む水溶液から水分を除去する方法に好適であること、しかも水の凝固潜熱が蒸発潜熱の１／７であり、蒸発による方法よりも省エネルギーとなること等の利点がある。そこで、このような凍結濃縮方法は上記のように広く利用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述した従来のこの種の方法では、以下のような問題があった。
すなわち、冷却用水溶液を凍結させて氷結晶を析出した際、この氷結晶の表面には溶質が付着するため、氷結晶を濃縮された溶液から分離する際に溶質が氷結晶に同伴されることになり、溶質の回収率及び氷融液の清澄度が低減するという問題があった。特に溶質の付着が氷結晶の比表面積の大きさに比例して多くなるため、比表面積の小さい大粒径の氷結晶を生成させることが必要となった。
【０００４】
かかる問題を解決する手段として、凍結濃縮装置内に大きな面積をもった冷却板を配置し、濃縮用の水溶液を前記冷却板の上部から自然落下させたり、あるいはポンプ駆動により冷却板上を強制的に流動せしめ、冷却板の上に氷結晶を生成させる方法が提案されている。そして、かかる方法では氷結晶の成長に伴って、水溶液の占める容積が急減するために、原理的には１段での高い濃縮が可能である。また、固形物を含む水溶液については、固形物を氷間に封入することなく、溶液を凍結濃縮することも可能である。
【０００５】
そして、上記の装置では、高速度で氷結晶を冷却板上に生成せしめるには、冷却温度を規定する冷媒の温度を水溶液の凝固点よりも大きく低下させて、過冷却度を大にする必要がある。
一般的に、水溶液の凝固点とは、水溶液と氷結晶が熱力学的に共存できる温度であり、多くの場合、凝固点では氷結晶の生成は開始されず、水溶液の凝固点以下の過冷却状態において生成が開始される。氷結晶の形状は、氷結晶の成長速度と核発生速度により決定され、これらは水溶液の過冷却度に比例するので、氷結晶の生成開始時に大きな過冷却度がつけられると冷却体の表面には微細な氷結晶が生成され、これらが最終的な氷の清澄度を低下させる。
【０００６】
本発明の目的は、かかる従来の問題点を解決するためになされたものであって、冷媒の流速を早め、かつ冷媒の蒸発を迅速に行わせることによってを効率的に製氷を可能にし、ひいては凍結濃縮工程の迅速かつ効率的な実施を可能とした製氷器を提供することにあり、更には１段（１回）で高濃縮可能な製氷器で、特に冷媒と水溶液との熱交換を高めることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は製氷器であり、前述した技術的課題を解決するために以下のように構成されている。すなわち、本発明の製氷器１０は、筒軸線と平行な上下方向に延在する複数の中空部１２と、前記複数の中空部（１２）を囲繞する仕切り壁とを成型加工により形成される外筒（１１）であって、かつ該外筒（１１）の上下の端部の内側に上方周壁（１８ａ）と下方周壁（１８ｂ）で夫々囲繞される上部凹部（１４ａ）と下部凹部（１４ｂ）が形成された外筒（１１）と、
０．５ｍｍ〜２．０ｍｍの微少間隔を介して前記複数の中空部（１２）夫々に挿通され、かつ外周に凹凸面（１６）を有すると共に上下端部（１３ａ，１３ｂ）が前記夫々の凹部（１４ａ，１４ｂ）より突出させた複数の内筒（１５）とを備え、
前記複数の内筒（１５）の上下両端側に位置して前記上部凹部（１４ａ）と下部凹部（１４ｂ）を閉鎖するとともに、前記各内筒（１５）内部にそれぞれ連通する開口部（２１ａ，２１ｂ）を有する一対の板体（１９ａ，１９ｂ）とにより冷媒及び冷却用水の流路がそれぞれ区分されるとともに、
前記外筒（１１）に、前記上部凹部（１４ａ）に開口する冷媒導入口（２２）と、前記下部凹部（１４ｂ）に開口する冷媒排出口（２３）とを設けるとともに、前記外筒（１１）の上方に前記各内筒（１５）内部に通ずる冷却用水導入口（２６）を、又該外筒（１１）の下方には前記各内筒（１５）内部に通ずる氷結晶排出口（２７）とを設け、
前記冷媒導入口（２２）から前記上部凹部（１４ａ）に形成された分配溝４０を経て、冷媒を前記各内筒（１５）外周側に分配されて、該外周側の微小間隙Ｓに通過させながら前記冷媒排出口（２３）に導くとともに、
外筒（１１）上方から前記板材（１９ａ，１９ｂ）に設けた開口部（２１ａ，２１ｂ）より各内筒（１５）の内壁面に沿って冷却用水を降下させながら前記各内筒（１５）の内壁面に氷結晶を析出して、該析出した氷結晶を前記下部凹部（１４ｂ）を介して氷結晶排出口（２７）より排出可能にしたことを特徴とする。
【０００８】
なお、前記凹凸面は長手方向に断面が三角形の複数の鋸歯状の突条を設けることが好ましい。しかし、伝熱効率を高める作用をするものであればその形状はこれに限定されないことはいうまでもない。
また、前記外筒及び内筒は断面が四角筒、円筒、その他の多角筒形とすることができる。外筒を四角形とし内筒を円筒形とするなど、外筒と内筒を任意の断面形状の組み合わせにより構成することもできる。
【００１０】
〔作用〕
本発明の製氷器によると、外筒の中空部と内筒との微小間隙を介して冷媒が流れる。また、微小間隙では冷媒の蒸発が迅速に行われる。同時に内筒の外周の凹凸面で冷媒が迅速に蒸発することにより伝熱効率を高める。外筒の冷媒導入用の凹部を通じて微小間隙に冷媒を導くことによって、冷媒はこの凹部により適正に分配される。そして、効率的な冷凍濃縮が実現する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の製氷器を図に示される実施形態について更に詳細に説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置などは特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
図１は本発明の一実施形態に係る製氷器の正面が示されており、図２は同側面が示されている。さらに、図３は図２のIII−III線における拡大断面であって、一部の中空部に内筒が挿通された状態を示し、図４は図３のIV-IV線における切断側面であり、図５は本発明の製氷器を用いた凍結濃縮装置のシステムの説明図を示す。そして、本発明にかかる製氷器は符号１０で示されている。
【００１２】
本発明の製氷器１０には図１及び図２に示すように断面長方形をなし、射出成形、あるいは押し出し成形によって加工されたアルミニウム製の外筒１１を備える。外筒１１には正方形の中空部１２が複数（実施の形態では８個）形成されており、上下の端部１３ａ、１３ｂの内側に上方の周壁１８ａと下方の周壁１８ｂで囲繞される上部凹部１４ａと下部１４ｂが形成される。
【００１３】
中空部１２には１．５〜２．０ｍｍ程度の微小間隙Ｓを介して内筒１５が挿通されている。この内筒１５は外周に長手方向に延びる断面三角形の複数の鋸歯状の凹凸を設けた凹凸面１６を設けていて、内筒１５の上下の端部１７ａ、１７ｂは前記凹部１４ａ、１４ｂより突出させている。外筒１１の上部凹部１４ａには内筒１５の間に分配溝４０が形成される。また、内筒１５は前記凹部１４ａ、１４ｂより突出して前記周壁１８ａ、１８ｂと同一高さをもっている。前記周壁１８ａ、１８ｂと内筒１５の端部１７ａ、１７ｂにはそれぞれ板体１９ａ、１９ｂが取り付けられて凹部１４ａ、１４ｂを閉鎖する。また、前記板体１９ａ、１９ｂには内筒１５の内部２０に通ずる開口部２１ａ、２１ｂが形成されている。
【００１４】
外筒１１の上部周壁１８ａには上方の凹部１４ａに開口する冷媒導入口２２が設けられ、外筒１１の下部周壁１８ｂには下方の凹部１４ｂに開口する冷媒排出口２３が設けられている。さらに、冷媒導入口２２は外部から冷媒Ｒを導く冷媒導入管２４に接続するとともに、冷媒排出口２３は外部に冷媒Ｒを排出する冷媒排出管２５に接続している。外筒１１の上方には内筒１５の内部２０に通ずる冷却用水導入口２６と、同じく外筒１１の下方には氷結晶排出口２７とが設けられている。
【００１５】
本発明にかかる製氷器１０は、図５に例示する凍結濃縮装置１では、右側に縦方向に配置されている。また、同図の左側には粒氷形成器２が長手方向に立設されている。粒氷形成器２と本発明の製氷器１０の冷却用水導入口２６との間には供給路４が設けられていて、回転羽根ポンプ８の作用により粒氷形成器２から製氷器１０へ氷スラリー５を供給可能となっている。
【００１６】
前記粒氷形成器２は円筒形をなし、ジャケット６に囲まれた冷却部７を備えている。この冷却部７には図示しないブラインクーラーで所定の温度に冷却された冷媒（例えばＮＨ3 等）が循環することにより、冷却部７を水溶液の凝固温度よりもかなり低い過冷却温度で保持されている。冷却部７にはモータ９により回転自在なスクリュー３が挿入されていて、このスクリュー３は冷却部７に析出する氷結晶を掻き取って微小粒氷結晶３０を形成するための氷掻き取り手段を有する。さらに、粒氷形成器２の上方には濃縮を要する原液である水溶液Ｈを内部に導く原液入口２８を設けると同時に、下方に濃縮液Ｈ2 を排出するための濃縮液排出口２９を備えている。
【００１７】
また、粒氷形成器２の上部には開口部３１が設けられ、製氷器１０の下方に設けられた開口部３２から希液３３を供給する希液帰還路３４に連通している。希液帰還路３４には回転羽根ポンプ３５が介装されていて希液３３を強制的に粒氷形成器２の上部に帰還させるようになっている。
【００１８】
次に本発明の製氷器１０の作用を説明する。粒氷形成器２の上方の冷却用水（原液）入口２８から濃縮を要する冷却用水溶液（例えば溶質の濃度が８％程度のワイン原液）Ｈを導入すると、水溶液Ｈはこの水溶液の凝固温度よりも低い過冷却温度に保持されている下方の冷却部７において、モータ９により回転するスクリュー３で攪拌されながら冷却され、ミクロンオーダーの直径をもつ微小粒氷結晶３０が迅速かつ高能率に析出される。
【００１９】
また、前記スクリュー３はその外周面において冷却部７の表面に付着した氷結晶を掻き取って微小粒氷結晶３０を生じさせる。そのため、残りの水溶液は溶質を含んで濃度の高い濃縮液Ｈ2 となり、上方から導入された原液Ｈとの間に濃度勾配が形成され、濃縮液Ｈ2 は下方の濃縮液排出口２９から容器３６に排出される。
【００２０】
一方、前記の微小粒氷結晶３０は前記スクリュー３によって巻き上げられると共に、原液Ｈに浮上する。さらに、供給路４に設けられた回転羽根ポンプ８を駆動して、微小粒氷結晶３０と該微小粒氷結晶３０に付着した水溶液Ｈを含む氷スラリー５を本発明にかかる製氷器１０の上方へ供給する。
【００２１】
本発明にかかる製氷器１０の冷媒導入管２４から冷媒入口２２を経て冷媒（例えばアンモニア）Ｒを上方の凹部１４ａに供給する。すると、冷媒Ｒは上部凹部１４ａに形成された前記分配溝４０を経て適正に分配され、前記微小間隙Ｓを通って下方に流れる。冷媒Ｒは微小間隙Ｓを通るとともに、内筒１５の外周の鋸歯状の凹凸面１６によって伝熱面が広くなることによって冷媒Ｒの流速が早くなり、伝熱効率が高まる。しかも、冷媒の流速の向上に伴って圧力が低下して冷媒ガスの蒸発が一層促進され、迅速に過冷却度を高める。そして、微小間隙Ｓを降下した冷媒Ｒは下方の冷媒排出口２３から冷媒排出管２５を経て回収される。
【００２２】
一方、氷スラリー５を製氷器１０に供給し、被濃縮水溶液Ｈの凝固点よりも低い過冷却温度に保持された内筒１５の内部２０の内面２０ａを降下させる。すると、前記内筒１５の内面２０ａには氷スラリー５に含まれる水溶液が氷結晶３０として析出し、次第に板状に積層していき最後的には柱状の氷が形成される。そして、内筒１５の内面２０ａに析出した板状の氷３７は、内筒１５の内部２０に過冷却温度を伝えない。その結果、冷媒Ｒと水溶液Ｈとの温度差が小さくなり、板状に析出した氷結晶は多量に溶質を含むようなことはなく、氷の清澄度が損なわれるようなことはない。
【００２３】
さらに、微小粒氷結晶３０は板上の氷３７に比して凝固点が低いから内筒１５の内部２０で潜熱を吐き出して融解し、板状の氷３７の表面に付着する。そして、融解したときの潜熱は新たな製氷に向けられるので板状の氷３７の生産性が向上する。また、板状の氷３７が成長して次第に厚みを増してきたら、凍結濃縮装置１の運転を停止して板状の氷３７を溶かし、製氷器１０の下方の冷却用水の排出口２７から排出することにより清澄な液を得る。この場合、板状の氷３７の融解潜熱を他の冷却システムに用いてもよい。
また、氷スラリー５の一部が融解して内筒１５の内面２０ａに付着することなく降下した希液３３は回転羽根ポンプ３５によって希液帰還路３４を経て開口部３２から粒氷形成器２の上方の開口部３１へ流入させ、再び冷却部７において微小粒氷３０を析出させる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の製氷器によれば外筒の中空部と内筒との微小間隙を介して冷媒が流れるので、冷媒の流速が早くなり、冷媒の蒸発が迅速に行われることにより効率的な製氷が可能となる。しかも、内筒は外周に凹凸面を有するので伝熱効率がなお一層向上し、迅速な製氷が可能となる。また、冷媒が外筒の凹部を通じて前記微小間隙に導かれるために、冷媒の適正な分配が行われて均等な氷結晶の生成が形成される。従って、効率的な冷凍濃縮が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる製氷器の正面図である。
【図２】図１の側面図である。
【図３】図２のIII−III線における拡大断面である。
【図４】図３のIV−IV線における切断側面である。
【図５】本発明の製氷器を用いた凍結濃縮装置のシステムの説明図である。
【符号の説明】
１              凍結濃縮装置
２              粒氷形成器
４              供給路
５              氷スラリー
６              ジャケット
７              冷却部（ジャケット）
８              回転羽根ポンプ
９              モ−タ（スクリュー）
１０            製氷器
１１            外筒
１２            中空部
１３ａ、１３ｂ  端部（内筒）
１４ａ、１４ｂ  凹部
１５            内筒
１６            凹凸面
１７ａ、１７ｂ  端部（内筒）
２０            内筒の内部
２０ａ          内壁面
２２            冷媒導入口
２３            冷媒排出口
２４            冷媒導入管
２５            冷媒排出管
２６            冷却用水導入口
２７            冷却用水排出口
Ｈ              冷却用水（原液）
Ｒ              冷媒
Ｓ              微小間隙
【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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