(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を過冷却状態にする過冷却器と、過冷却状態の水を解除する密閉系の解除器と、前記過冷却器の出口と前記解除器との入口を結ぶ連結管とを有する氷の製造装置において、
連結管の外周を水密に覆う外部容器と、この外部容器内に水を注水する注水管とを有し、
前記外部容器内で、前記連結管は空隙を介して全周に渡って分断され、
前記注水管は、前記過冷却器の入口側に接続される導入管から分岐して過冷却器をバイパスして、前記外部容器との間に接続され、
前記導入管における注水管の接続部の上流側で、導入管内を流れる水を加熱する加熱器を有し、
前記連結管の分断端面は、上流側連結管の端面の内壁側が下流側に向けて突出しているテーパ形状であり、下流側連結管の端面の外壁側が上流側に向けて突出し、かつ下流側連結管の端面自体は上流側に向けて凸に湾曲していることを特徴とする、氷製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，連続的に水の過冷却状態を解消して製氷し，かつ長時間に渡って過冷却水の製造を妨ずに連続して製氷できる装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から過冷却状態の水を密閉配管内で連続的に解除して氷を製造する方法が提案されているが，長時間の連続製氷を行うためには，氷の結晶が存在する製氷容器から冷却器に向かって相変化（過冷却解除）が伝播しないようにし，冷却器の凍結を回避する必要がある。
【０００３】
すなわち，過冷却器で製造された過冷却水が解除器内で相変化を始めると，解除器内の壁面では氷の核が次々に成長と剥離を繰り返す状態となる。この過冷却水と接する固体表面での氷の成長と剥離という現象は，解除器の入口に連結されている連結管内壁を伝わって上流側，すなわち過冷却器側に伝播する。このような伝播が起こる理由は，壁面への氷の付着と関係がある。つまり壁面に付着した氷は高速な流れの中にさらされていても，付着している間は管壁に対して静止しているか，極めてゆっくりとした速度で下流側に向かって移動している状態なので，その間の氷の成長分だけ相変化が上流側に前進する。なお流れによって剥離が起こっても，元の接着面にはミクロな結晶群が残留し，そこからまた新たな氷核が成長する。
【０００４】
この点に関し，例えば特許第２８０６１５５号においては，連結管を加熱することによって相変化の伝播を防止する方法が開示されており，また特開２０００−７４５３２においては，連結管の製氷容器側の端部を特殊加工し，流速を２．７ｍ／ｓ以上に上げて，連結管内に氷が侵入しないようにする方法が提案されている。
【０００５】
さらにまた解除器内における氷の壁面への接着を弱める方法には，第３５回伝熱シンポジウム講演論文集（１９９８，P．２２１）にて開示されているように，壁面材料自体に熱伝導率の小さな材料を使用するという方法もある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，特許第２８０６１５５号に開示の技術では，加熱のためのエネルギーが別途必要になり，また過冷却水の温度上昇によって，製氷量が低下することが避けられないという問題がある。
【０００７】
一方特開２０００−７４５３２に開示の技術では，連結管の流速を上げることによって連結管の配管抵抗が大きくなるため，水及び製造した氷水を搬送するためのエネルギーが，流速を上げない場合に比べて余分に必要になる。また相変化が上流側へ伝播しない効果を長期間にわたって持続させるためには，連結管端部の特殊加工が施された面に，微細な傷やスケール等の異物が着かないように別途対策を講じる必要がある。
【０００８】
また壁面材料自体に熱伝導率の小さな材料を使用する方法も，熱伝導率が０の物質が存在しない以上，氷の付着力を０にすることはできず，このため，相変化が上流側に伝播するのを完全に防ぐことはできない。
【０００９】
本発明は，かかる点に鑑みてなされたものであり，いわゆる密閉系での過冷却却解除による氷製造において，前記したような伝播防止のための格別の加熱エネルギーや連結管端部表面への特殊な加工も必要とせず，長期間に渡って安定して解除器から連結管への相変化の伝播を防止する氷製造装置を提供して，前記問題の解決を図ることをその目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明の氷製造装置は、水を過冷却状態にする過冷却器と、過冷却状態の水を解除する密閉系の解除器と、前記過冷却器の出口と前記解除器との入口を結ぶ連結管とを有する氷の製造装置において、連結管の外周を水密に覆う外部容器と、この外部容器内に水を注水する注水管とを有し、前記外部容器内で、前記連結管は空隙を介して全周に渡って分断され、前記注水管は、前記過冷却器の入口側に接続される導入管から分岐して過冷却器をバイパスして、前記外部容器との間に接続され、前記導入管における注水管の接続部の上流側で、導入管内を流れる水を加熱する加熱器を有し、前記連結管の分断端面は、上流側連結管の端面の内壁側が下流側に向けて突出しているテーパ形状であり、下流側連結管の端面の外壁側が上流側に向けて突出し、かつ下流側連結管の端面自体は上流側に向けて凸に湾曲していることを特徴としている。
【００１２】
本発明によれば、外部容器内で連結管が空隙を介して全周に渡って分断しているので，注水管から外部容器内に注水すると，前記空隙から連結管の内壁に水を供給して，空隙から下流側の連結管内壁に注水した水の液膜を形成することができる。したがって連結管の内壁面全周に対して０℃以上の水を供給すると，供給された部分よりも下流側の連結器内壁面全周に，０℃以上の水の液膜が形成される。この液膜によって，連結管内壁への氷の付着・相変化の上流側への伝播を防止することができる。また壁面に形成された０℃以上の液膜内部では，たとえ氷核が存在していても成長することはなく，やがて融解するか，下流に流されてゆくため，相変化が連結管に０℃以上の水和供給している部分を越えて上流側に伝播することはない。以上のような効果を得るためには，連結管の出口からの流量を，解除器に流入する水の流量の２％〜３％程度に保持することが必要である。また連結管内の流速は１ｍ／ｓ以上であればよい。
【００１４】
なお連結管の分断は，解除器から連結管に氷片が形成され始めた際に，隙間により若干伝播が緩和される。しかしブリッジ作用が働くため，上流側への伝播を完全には防げない。
【００１５】
前記注水管は，前記過冷却器の入口側に接続される導入管から分岐して過冷却器をバイパスして，前記外部容器との間に接続されているので、別途水源を確保する必要がなく，また注水する水の温度も適したものか，あるいは加熱するにしても僅かな熱量で済む。また本発明においては、前記導入管における注水管の接続部の上流側で，導入管内を流れる水を加熱する加熱器を有しているので、外部容器内に注水する水をより適切なものとすることが可能になる。
【００１７】
連結管の分断端面を前記したような形状としているので、注水管から注水した水によって好適に連結管の内壁に液膜を形成することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に，本発明の好ましい実施の形態を図面に基いて説明する。図１は本実施の形態にかかる氷製造装置１の全体の構成を示しており，過冷却器２は，例えばいわゆるシェル・アンド・チューブの構成を有するもので，過冷却器２内に導入した水を，冷凍機（図示せず）からのブラインによって冷却して，この水を例えば０℃以下の過冷却状態にする機能を有している。
【００２０】
過冷却器２の出口側，すなわち吹出口２ａには，連結管３の一端部が接続され，連結管３の他端部は，密閉型の解除器４に接続されている。解除器４は，連結管３を通じて流入した過冷却水の過冷却状態を解除して，相変化させてスラリー状の氷を生成し，外部に流出させる機能を有している。過冷却解除のトリガとしては，例えば超音波振動子からの超音波が用いられるが，この種の密閉型の解除器４としては公知のものを適宜使用することができる。
【００２１】
過冷却器２の入口側には，導入管１１が接続されており，ポンプ１２によって蓄熱槽をはじめとする各種の水槽１３から取水した水が，過冷却器２内に送られるようになっている。また導入管１１におけるポンプ１２の上流側には，加熱器として，例えば予熱器１４が設けられており，導入管１１内を流れる水を，例えば０．５℃に加熱することが可能である。
【００２２】
導入管１１におけるポンプ１２の下流側には，注水管２１の一端部が接続されており，他端部は，連結管３の外周を水密に覆っている外部容器２２に接続されている。したがって，導入管１１の水の一部はこの注水管２１を通じて過冷却器２をバイパスして外部容器２２内に送水される。したがって注水管２１への送水と過冷却器２への送水は１つのポンプ１２によって行われている。
【００２３】
連結管３は，図２に示したように，外部容器２２内において空隙ｄを創出するように，軸方向に対して直角に分断され，上流側連結管３ａと下流側連結管３ｂとに分けられている。したがって注水管２１から外部容器２２内に注水されると，前記空隙ｄから連結管３内に侵入した水は，連結管３内の流れに沿って下流側連結管３ｂの壁面に沿って下流側に流れていき，下流側連結管３ｂの壁面に注入された水の液膜が形成されるようになっている。
なおポンプ１２によって注水管２１を流れる水に付与される圧力は，外部容器２２に至るまで維持されるため，後述の隙間ｄから連結管３内に水を押し込むのに支障はない。
【００２４】
本実施の形態にかかる氷製造装置１は，以上のような構成を有しており，次にその運転例について説明すると，例えば水槽１３から０℃の水が取水されると，予熱器１４によって０．５℃まで昇温される。この０．５℃の水は，過冷却器２内で例えば−２℃の過冷却状態にまで冷却され，そのまま連結管３を通じて解除器４に送られ，解除器４において過冷却状態が解除されて，例えば０℃のスラリー状の氷が製造され，外部へと連続的に流出される。
【００２５】
一方，導入管３から分岐して注水管２１に流れた０．５℃の水は，外部容器２２内に注水され，連結管３の分断部分，すなわち空隙ｄから連結管３内に進入し，そのまま過冷却状態の水の流れに沿って，下流側に流れていく。このとき空隙ｄは全周に渡っているから，前記０．５℃の水は，下流側連結管３ｂの内壁の壁面に沿って流れ，その結果当該壁面全周に渡って，０．５℃の水の液膜が形成される。
なお注水管２１と外部容器２２の接合点（注水の吐水／受入開口）は，隙間ｄとは軸線をずらし，所定の距離をとって設定されている。これは壁面全周から均一に水が注水されるようにするための構成である。
【００２６】
したがって，解除器４においてなされている過冷却解除が壁面に沿って上流側に伝播しようとしても，下流側連結管３ｂの内壁の壁面には０℃以上の液膜が形成されているので，当該上流側への伝搬は防止される。また壁面に形成された０℃以上の液膜内部では，たとえ氷核が存在していても成長することはなく，やがて融解するか，過冷却状態の水の流れによって下流に流されてゆくため，相変化が連結管３の出口を越えて上流側に伝播することはない。それゆえ，連結管３，過冷却器２の出口での凍結が防止され，安定してスラリー状の氷を連続して製造することができる。
【００２７】
また従来技術と異なり，壁面の表面に樹脂等の特別な加工を施す必要はなく，長期間に渡って安定した伝播防止効果が得られる。また本実施の形態では，予熱器１４によって液膜形成用の水を０．５℃にまで加熱しているが，それに要するエネルギは極めて少ないものであり，従来のような直接連結管等を加熱して凍結を防止する方法と比較すれば，はるかに少ないエネルギで足りる。
【００２８】
そして本実施の形態では，導入管１１を流れる水の一部を分岐して外部容器２２内に注水するようにしたので，外部容器２内に注水する水の水源を別途確保する必要はない。
【００３０】
連結管３の分断端面、すなわち上流側連結管３ａの端面と、下流側連結管３ｂの端面の形状は、図３以下の各例のようなものを採用することができる。
【００３１】
図３に示した例は，上流側連結管３ａの端面の内壁３１側を下流側に向けて突出させたテーパ形状とし，下流側連結管３ｂの端面の外壁３２側を上流側に向けて突出させたテーパ形状としたものである。
【００３２】
図４に示した例は，上流側連結管３ａの端面の内壁３１側は図３の例と同様下流側に向けて突出させたテーパ形状であるが，下流側連結管３ｂの端面の外壁３２側を上流側に向けて突出させると共に，下流側連結管３ｂの端面３３自体は上流側に向けて凸に湾曲させた形状としたものである。
【００３３】
図５に示した例は，上流側連結管３ａの端面の内壁３１側は外壁３４側よりも下流側に突出し，下流側連結管３ｂの端面の内壁３５側は外壁３２側よりも上流側に突出し，上流側連結管３ａの端面の先端３６，上流側連結管３ｂの端面の先端３７は，各々軸方向に対して垂直に切断された構成の面を有している構成を有している。
【００３４】
図６に示した例は，上流側連結管３ａの端面の内壁３１側は外壁３４側よりも下流側に突出させ，下流側連結管３ｂの端面の内壁３５側は外壁３２側よりも上流側に突出させ，上流側連結管３ａの端面３８，下流側連結管３ｂの端面３９自体は，連結管３の外方に向けて凸に湾曲させた形状としたものである。
【００３５】
以上に示した図３〜図６のような連結管３の分断端面形状を採用すれば，空隙ｄから進入した水が，より一層好適に下流側連結管３ｂの内壁３５に沿って流れ，下流側連結管３ｂの内壁３５の表面に，当該水による液膜をより好適に形成することが可能である。なお発明者が図３〜６に示す分断端面形状により実験した結果では，図４の態様が最も良好な効果を示した。
以上の実施の形態以外でも，例えばシェル・アンド・チューブ型熱交換器（過冷却器）に代えて，プレート式熱交換器を用いることができる。
また外部容器２２についても，箱形の他に，連結管３より大径の環状のものも用いることができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば，いわゆる密閉系による過冷却解除による氷の製造において，格別の加熱エネルギーや連結管端部表面への特殊な加工を必要とせず，長期間に渡って安定して解除器から連結管への相変化の伝播を防止することができる。したがって，連続的に水の過冷却状態を解消して製氷し，かつ長時間に渡ってこれを安定して実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施の形態にかかる氷製造装置の構成の概略を示す説明図である。
【図２】  実施の形態にかかる氷製造装置における連結管の内部の様子を示す一部断面側面図である。
【図３】  連結管の分断端面の他の例を示す側面断面図である。
【図４】  連結管の分断端面の別の例を示す側面断面図である。
【図５】  連結管の分断端面のさらに別の例を示す側面断面図である。
【図６】  連結管の分断端面の他の例を示す側面断面図である。
【符号の説明】
１    氷製造装置
２    過冷却器
３    連結管
３ａ  上流側連結管
３ｂ  下流側連結管
４    解除器
１１    導入管
１４    予熱器
２１    注水管
２２    外部容器
ｄ    空隙
【図１】
0004330830.tif 000002
【図２】
0004330830.tif 000003
【図３】
0004330830.tif 000004
【図４】
0004330830.tif 000005
【図５】
0004330830.tif 000006
【図６】
0004330830.tif 000007