(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
器内に導入された過冷却水の過冷却状態を解除手段により解除して氷水スラリーを生成する氷水スラリー生成器であって、
前記解除手段として、過冷却水中での気体の断熱膨張によって過冷却水中に氷核を形成して過冷却水の過冷却状態を解除する断熱膨張解除手段を設け、
この断熱膨張解除手段は、前記器内の圧力よりも高い圧力の圧縮気体を生成する気体圧縮手段と、
この気体圧縮手段で生成された圧縮気体を過冷却水中で断熱膨張させる気体として前記器内に供給する圧縮気体供給路と、
前記器内の中心部に向く姿勢で前記圧縮気体供給路の先端部に設けたノズル又はオリフィス板と、
前記器内の過冷却水に対する前記ノズル又は前記オリフィス板を通じた前記圧縮気体の噴出を発停操作する操作弁とを備え、
前記器内における過冷却水の温度を検知する温度センサを設けるとともに、
この温度センサによる検出温度が所定温度になったときに前記操作弁を開弁して、前記圧縮気体を前記ノズル又は前記オリフィス板を通じ前記器内の過冷却水中に噴出させて圧力開放させる制御器を設け、
この制御器は、前記操作弁の開弁後、所定開放時間が経過すると前記操作弁を閉弁する構成にしてある氷水スラリー生成器。
【請求項２】
前記制御器は、所定開放時間として０．１秒間だけ前記操作弁を開弁する構成にしてある請求項１記載の氷水スラリー生成器。
【請求項３】
前記制御器は、一度目の圧縮空気の噴出で過冷却水中に氷核が形成されなかったとき、前記操作弁を所定開放時間だけ開放する圧縮空気噴出操作を再度実行する構成にしてある請求項１又は２記載の氷水スラリー生成器。
【請求項４】
前記制御器は、前記温度センサによる前記器内の過冷却水の検出温度に基づいて前記圧縮気体の圧力を自動的に変更する構成にしてある請求項１〜３のいずれか１項に記載の氷水スラリー生成器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、過冷却水の過冷却状態を解除して多数の氷粒と水の混合物である氷水スラリーを生成する氷水スラリー生成器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の氷水スラリー生成器としては、
（１）過冷却水の過冷却状態を解除する解除手段として、器内に設置した板部材に過冷却水を衝突させることで過冷却水に外力を付与して過冷却水中に氷核を形成する衝突解除手段を設けたもの、
（２）前記解除手段として、器内に設置したペルチェ素子に過冷却水を接触させることで過冷却水に外力を付与するとともに過冷却水を低温化して過冷却水中に氷核を形成するペルチェ素子解除手段を設けたもの、
（３）前記解除手段として、攪拌部材（例えば、スクリュー）で過冷却水中にキャビテーションを発生させることで過冷却水に外力を付与して過冷却水中に氷核を形成する攪拌解除手段を設けたもの、
（４）前記解除手段として、過冷却水に向けて超音波を発射することで過冷却水に外力（超音波による振動）を付与して過冷却水中に氷核を形成する超音波解除手段を設けたもの、
上記（１）〜（４）の技術が知れられている（例えば、下記特許文献１〜４参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−３３７１３３号公報
【特許文献２】特開平８−１１０１３３号公報
【特許文献３】特開２００１−２４１７０５号公報
【特許文献４】特開２００７−６４５７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、上記（１）〜（３）の技術では、過冷却水中に氷核を形成する氷核形成要素としての各部材（板部材、ペルチェ素子、攪拌部材）が器内に設置されているため、氷核の形成過程において前記各部材に氷付着が生じ易く、そのことで、氷水スラリー生成効率が低下したり、さらには、氷水スラリー生成機能が喪失したりする問題がある。また、それら各部材のメンテナンス（修理、交換、調整）も行い難い問題がある。
【０００５】
また、上記（１）、（２）、（４）の技術では、過冷却水に外力を付与するだけで過冷却水中に氷核を形成することから、過冷却水の過冷却度が僅かに不足する場合でも過冷却水中での氷核形成が不安定になり易く、そのため、過冷却水の過冷却度を理論値よりも充分に高く設定したり、或いは、過冷却水に付与する外力を理論値よりも充分に大きく設定したりする必要が生じ、氷水スラリー生成コストの増大を招く問題がある。
【０００６】
さらに、過冷却水の過冷却度を理論値よりも充分に高く設定する場合では、過冷却水の不安定度が高まる分、過冷却水の輸送系において過冷却水中に不測に氷核が形成され易くなって、その氷核形成により輸送系に詰まりが生じてしまう虞もある。
【０００７】
本発明は、上述の実情に鑑みて為されたものであって、その主たる課題は、過冷却水の過冷却解除方式の合理的な改良により上記問題を効果的に解消する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
ちなみに、器内に導入された過冷却水の過冷却状態を解除手段により解除して氷水スラリーを生成する氷水スラリー生成器を構成するのに、
前記解除手段として、過冷却水中での気体の断熱膨張によって過冷却水中に氷核を形成して過冷却水の過冷却状態を解除する断熱膨張解除手段を設けてもよい。
【０００９】
つまり、過冷却水中で気体を断熱膨張させれば、断熱膨張による気体の低温化に伴う過冷却水における気体との接触界面の低温化と、断熱膨張よる気体の体積増大に伴う過冷却水の前記接触界面への外力付与とによって、過冷却水中に氷核を形成して過冷却水の過冷却状態を解除することを知見した。
【００１０】
そして、過冷却水中での気体の断熱膨張によって過冷却水中に氷核を形成して過冷却水の過冷却状態を解除する断熱膨張解除手段を設けてある上記構成であれば、氷核を形成する氷核形成要素を氷付着の虞がなく且つメンテナンスが不要な気体で構成することができるから、氷核形成要素への氷付着により氷水スラリー生成効率が低下するのを確実に防止することができて、氷水スラリー生成効率を安定的に維持することができるとともに、メンテナンス性も効果的に向上させることができる。
【００１１】
しかも、断熱膨張による低温化作用により過冷却水の過冷却度を高めることができるから、過冷却水の過冷却度が不足する場合でも過冷却水の過冷却度を補うことができて、過冷却水中での氷核形成が不安定になるのを効果的に抑止することができる。
【００１２】
上記構成の実施において、
前記断熱膨張解除手段は、ノズル又はオリフィス板を通じて圧縮気体を過冷却水中に噴出して、その圧縮気体を過冷却水中で断熱膨張させる構成にしてもよい。
【００１３】
この構成によれば、ノズル又はオリフィス板を通じて圧縮気体を過冷却水中に噴出するから、過冷却水中への噴出前において圧縮気体の圧力低下が生じるのを抑止することができて、圧縮気体を所期の圧力で過冷却水中に噴出することができ、これにより、過冷却水中において圧縮気体を効果的に断熱膨張させることができる。
【００１４】
また、例えば、圧縮気体を供給する気体供給路に弁部材を設けることで過冷却水中への気体噴出を発停操作する場合でも、気体供給路における過冷却水中への気体噴出部から離れた位置に操作弁を設けることが可能となり、気体噴出部又はその近傍に前記弁部材を設けるのに比べて過冷却水中への気体噴出の発停操作を行い易くすることができる。
【００１５】
上記構成の実施において、
前記断熱膨張解除手段は、過冷却水中において前記圧縮気体に気泡分裂が生じる圧力状態で過冷却水中に圧縮気体を噴出する構成にしてもよい。
【００１６】
この構成によれば、過冷却水に対して圧縮気体の気泡分裂による外力も付与することができるから、その分、過冷却水中において氷核を安定的に形成することができる。
【００１７】
また、氷水スラリー生成方法については、
過冷却水中での気体の断熱膨張によって過冷却水中に氷核を形成することにより、過冷却水の過冷却状態を解除して氷水スラリーを生成するようにしてもよい。
【００１８】
この方法によれば、過冷却水中での気体の断熱膨張によって過冷却水中に氷核を形成して過冷却水の過冷却状態を解除するから、氷核を形成する氷核形成要素を氷付着の虞
がなく且つメンテナンスが不要な気体で構成することができる。
【００１９】
したがって、氷核形成要素への氷付着により氷水スラリー生成効率が低下するのを確実に防止することができて、氷水スラリー生成効率を安定的に維持することができるとともに、メンテナンス性に優れた氷水スラリー生成器を構成することができる。
【００２０】
しかも、断熱膨張による低温化作用により過冷却水の過冷却度を高めることができるから、過冷却水の過冷却度が不足する場合でも過冷却水の過冷却度を補うことができて、過冷却水中での氷核形成が不安定になるのを効果的に抑止することができる。
〔１〕ここで、氷水スラリー生成器に係る本発明の第１特徴構成は、
器内に導入された過冷却水の過冷却状態を解除手段により解除して氷水スラリーを生成する氷水スラリー生成器であって、
前記解除手段として、過冷却水中での気体の断熱膨張によって過冷却水中に氷核を形成して過冷却水の過冷却状態を解除する断熱膨張解除手段を設け、
この断熱膨張解除手段は、前記器内の圧力よりも高い圧力の圧縮気体を生成する気体圧縮手段と、
この気体圧縮手段で生成された圧縮気体を過冷却水中で断熱膨張させる気体として前記器内に供給する圧縮気体供給路と、
前記器内の中心部に向く姿勢で前記圧縮気体供給路の先端部に設けたノズル又はオリフィス板と、
前記器内の過冷却水に対する前記ノズル又は前記オリフィス板を通じた前記圧縮気体の噴出を発停操作する操作弁とを備え、
前記器内における過冷却水の温度を検知する温度センサを設けるとともに、
この温度センサによる検出温度が所定温度になったときに前記操作弁を開弁して、前記圧縮気体を前記ノズル又は前記オリフィス板を通じ前記器内の過冷却水中に噴出させて圧力開放させる制御器を設け、
この制御器は、前記操作弁の開弁後、所定開放時間が経過すると前記操作弁を閉弁する構成にしてある点にある。
つまり、この構成において制御器は、温度センサの検出温度が所定温度になったときに操作弁を開き操作する。そして基本的には、一旦過冷却解除の連鎖が始まった後は断熱膨張解除手段による誘発がなくても過冷却解除の連鎖が維持されるため、制御器は、前述の開き操作した後、所定開放時間（例えば、約０．１秒（ｓ）などの短い時間）後に操作弁を閉じ操作する。
〔２〕本発明の第２特徴構成は、
前記制御器は、所定開放時間として０．１秒間だけ前記操作弁を開弁する構成にしてある点にある。
つまり、操作弁の開放時間が０．１ｓで充分に氷核が形成されて過冷却水の過冷却状態が解除できる。このことから、この構成において制御器は、所定開放時間として０．１秒間だけ前記操作弁を開弁する。
〔３〕本発明の第３特徴構成は、
前記制御器は、一度目の圧縮空気の噴出で過冷却水中に氷核が形成されなかったとき、前記操作弁を所定開放時間だけ開放する圧縮空気噴出操作を再度実行する構成にしてある点にある。
つまり、開放時間が０．１ｓで氷核が形成できなければそれ以上操作弁を開放して圧縮空気を連続投入しても氷核を形成できない。このことから、この構成において制御器は、一度目の圧縮空気の噴出で過冷却水中に氷核が形成されなかったとき、前記操作弁を所定開放時間だけ開放する圧縮空気噴出操作を再度実行する。
〔４〕本発明の第４特徴構成は、
前記制御器は、前記温度センサによる前記器内の過冷却水の検出温度に基づいて前記圧縮気体の圧力を自動的に変更する構成にしてある点にある。
つまり、圧縮空気の圧力が高いほど確実に氷核が形成される。このことから、この構成において制御器は、前記温度センサによる前記器内の過冷却水の検出温度に基づいて前記圧縮気体の圧力を自動的に変更する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は製氷装置を示し、１は氷粒Ｉと水Ｗとの混合物である氷水スラリーＳを貯留する貯氷槽、２はポンプＰにより貯氷槽１の下部から取水路３を通じて取り出した水Ｗを過冷却水生成用の原水として相変化させずに凝固点未満まで冷却することにより過冷却水Ｗｓ（例えば、−１．５℃の水）を生成する過冷却水生成器である。
【００２２】
また、４は、過冷却水生成器２から導入管５を通じて導入される過冷却水Ｗｓの過冷却状態を解除手段Ｆにより器内で解除して氷水スラリーＳを生成する氷水スラリー生成器である。
【００２３】
つまり、この製氷装置では、過冷却水生成器２から導入管５を通じ氷水スラリー生成器４に過冷却水Ｗｓを連続的に導入して、その過冷却水Ｗｓの過冷却状態を氷水スラリー生成器４の器内において解除し、この過冷却解除により生成される氷粒Ｉと水Ｗとの混合物である氷水スラリーＳを氷水スラリー生成器４から送氷路６へ連続的に送出して、その送出される氷水スラリーＳを貯氷槽１に貯留する。
【００２４】
そして、貯氷槽１における氷水スラリーＳは、例えば、空調設備における冷房用の冷熱源などとして使用され、その冷熱源としての使用で氷水スラリーＳ中の氷粒Ｉは融解し、その融解水が再び過冷却水生成用の原水として取水路３から取り出される。
【００２５】
前記氷水スラリー生成器４は、過冷却水Ｗｓを導入する導入路５と氷水スラリーＳを送出する送氷路６とが接続された略円筒状の器体４Ａに、前記解除手段Ｆとして過冷却水Ｗｓ中での気体の断熱膨張によって過冷却水Ｗｓ中に氷核を形成して過冷却水Ｗｓの過冷却状態を解除する断熱膨張解除手段７を設けて構成してある。
【００２６】
前記断熱膨張解除手段７は、器内（器体４Ａの内部）の圧力よりも高い圧力の圧縮気体Ａを生成する気体圧縮手段８（例えば、コンプレッサーや空気ボンベ）と、気体圧縮手段８で生成された圧縮気体Ａを器内に供給する圧縮気体供給路９を主要構成として備える。
【００２７】
前記圧縮気体Ａの圧力は、過冷却水Ｗｓ中において圧縮気体Ａに気泡分裂が生じ得る圧力に設定してあり、本例では、器体４Ａの内部の圧力よりも約０．３ＭＰａ（絶対圧）高い圧力に設定してある。
【００２８】
前記圧縮気体供給路９の先端部には、ノズル又はオリフィス板１０を器内中心部に向く姿勢で設けてあり、過冷却水Ｗｓ中への噴出前において圧縮気体Ａに圧力低下が生じるのを抑止して急激に圧力開放する構成にしてある。また、圧縮気体供給路９には、器内への圧縮気体Ａの噴出を発停操作する操作弁１１（例えば、電磁弁）を設けてある。
【００２９】
つまり、この断熱膨張解除手段７は、操作弁１１の開き操作により気体圧縮手段８で生成した圧縮気体Ａを、圧縮気体供給路９を通じてノズル又はオリフィス板１０から器内の過冷却水Ｗｓ中に噴出させて、過冷却水Ｗｓ中で圧縮気体Ａを断熱膨張させる。
【００３０】
そして、過冷却水Ｗｓ中での断熱膨張により低温化（例えば、−１０℃以下まで低温化）した圧縮気体Ａと過冷却水Ｗｓとの接触界面において、過冷却水Ｗｓを低温化して過冷却水Ｗｓの過冷却度を局部的に高くし、接触界面近傍における過冷却水Ｗｓの不安定度を増大させるとともに、圧縮気体Ａの断熱膨張過程及び気泡分裂過程（さらには、浮力による移動過程）で接触界面近傍の過冷却水Ｗｓに対し効果的に外力を作用させ、これにより、過冷却水Ｗｓ中に安定的に氷核を形成して過冷却水Ｗｓの過冷却状態を解除する。
【００３１】
１２は器内における過冷却水Ｗｓの温度を検知する温度センサ、１３は主として温度センサ１２の検出温度に基づいて操作弁１１を開閉操作する制御器である。
【００３２】
前記制御器１３は、本例では、ポンプＰの運転開始後、温度センサ１２の検出温度が所定温度になったときに操作弁１１を開き操作する制御を実行する設定にしてある。また、基本的には、一旦過冷却解除の連鎖が始まった後は断熱膨張解除手段７による誘発がなくても過冷却解除の連鎖が維持されるため、制御器１３は、前述の開き操作した後、短い時間（例えば、約０．１秒（ｓ））後に操作弁１１を閉じ操作する制御を実行する設定にしてある。
【００３３】
なお、１４は気体圧縮手段８や操作弁１１などのメンテナンス用として圧縮気体供給路９に装備した逆止弁、１５は氷水スラリー生成器４で生成された氷水スラリーＳ中の気体を放出するために送出路６に装備したエア抜き弁である。
【００３４】
次に、前記断熱膨張解除手段７による過冷却水Ｗｓの過冷却状態の解除効果の検証実験及びその実験結果について説明する。後述する各実験は、図１に示す氷水スラリー生成器４と同様のモデル器を用いて実施した。このモデル器では、前記逆止弁１４として内径２．０ｍｍの圧縮空気用逆止弁を使用し、前記圧縮空気供給路９として内径２．０ｍｍの圧空用チューブを使用した。また、圧空用チューブの先端部（つまり、圧縮空気Ａの噴出部）と逆止弁１４の間の距離は約３０ｍｍとした。
【００３５】
（実験例１）
本実験では、圧縮空気Ａの圧力が０．９ＭＰａ（絶対圧）、氷水スラリー生成器４の器内圧力が０．２ＭＰａ（絶対圧）の条件下で、圧空用チューブの先端部にノズル又はオリフィス板１０を設けた状態における逆止弁１４から操作弁１１までの距離Ｌが１１０ｍｍの場合と１３５０ｍｍの場合（例２）の各々、及び、圧空用チューブの先端部にノズル又はオリフィス板１０を設けない状態における逆止弁１４から操作弁１１までの距離Ｌが１１０ｍｍの場合と１３５０ｍｍの場合の各々について、操作弁１１の開放時間毎の氷核の発生の有無を確認した。
【００３６】
図２に示す実験結果から、過冷却水Ｗｓ中で圧縮気体Ａを断熱膨張させれば、過冷却水Ｗｓ中に氷核を形成して過冷却水Ｗｓの過冷却状態を解除し得ることが確認できた。これは、断熱膨張による圧縮気体Ａの低温化に伴う過冷却水Ｗｓにおける圧縮気体Ａとの接触界面の低温化と、断熱膨張よる圧縮気体Ａの体積増大に伴う過冷却水Ｗｓの前記接触界面への外力付与とによるものと考えられる。
【００３７】
さらに、ノズル又はオリフィス板１０を設けない状態における距離Ｌが１３５０ｍｍの場合を除き、操作弁１１の開放時間が０．１ｓで充分に氷核が形成されて過冷却水Ｗｓの過冷却状態が解除できることが確認でき、このことから、ノズル板又はオリフィス板１０を設けた場合には、圧縮気体Ａを効率的に断熱膨張させることができること、及び、電磁弁開放時間が０．１ｓで氷核が形成できなければそれ以上操作弁１１を開放して圧縮空気Ａを連続投入しても氷核を形成できないことが確認できた。
【００３８】
（実験例２）
本実験では、圧空用チューブの先端部にノズル又はオリフィス板１０を設けた状態において、氷水スラリー生成器４の器内圧力が０．２ＭＰａ（絶対圧）、操作弁１１開放時間が０．１ｓの条件下で、前記逆止弁１４から前記操作弁１１までの距離Ｌが１１０ｍｍの場合と１３５０ｍｍの場合の各々について、圧縮空気Ａの圧力毎の氷核の発生の有無を確認した。
【００３９】
図３に示す実験結果から、過冷却水Ｗｓ中で圧縮気体Ａを断熱膨張させれば、過冷却水Ｗｓ中に氷核を形成して過冷却水Ｗｓの過冷却状態を解除し得ることが確認できた。
【００４０】
さらに、距離Ｌが１１０ｍｍの場合では、圧縮気体Ａの圧力が０．４ＭＰａ（絶対圧）以上で氷核が形成されること、及び、距離Ｌが１３５０ｍｍの場合では、圧縮気体Ａの圧力が０．５ＭＰａ（絶対圧）以上で氷核が形成されることが確認でき、このことから、圧縮空気Ａの圧力が高いほど確実に氷核が形成されること、及び、氷核を形成するには、器内の圧力よりも約０．３ＭＰａ（絶対圧）高い圧力の圧縮空気Ａを過冷却水Ｗｓ中に噴出すれば充分であることが確認できた。ちなみに、器内の圧力よりも約０．３ＭＰａ（絶対圧）高い圧力の圧縮空気Ａを過冷却水Ｗｓ中に噴出する場合、断熱膨張の式より、３０℃の圧縮空気Ａを器内に導入しても、断熱膨張直後の空気温度は−５０℃以下となる。
【００４１】
〔別実施形態〕
次に別の実施形態を列記する。
前述の実施形態で説明した氷水スラリー生成器４の改良として、例えば、制御器１３を、一度目の圧縮空気Ａの噴出で氷核が形成されなかった場合には、再度、圧縮空気Ａの噴出操作を行う制御を実行する構成にしてもよい。
【００４２】
また、例えば、制御器１３を、温度センサ１２による器内の過冷却水Ｗｓの検出温度に基づいて圧縮空気Ａの圧力を自動的に変更する制御を実行する構成にしてもよい。
【００４３】
前述の実施形態では、氷水スラリー生成器４として、導入路５と送出路６とは別体の器体４Ａを備えるものを例に示したが、例えば、導入路５又は送出路６を器体とする構成であってもよい。
【００４４】
過冷却水Ｗｓ中での気体の断熱膨張によって過冷却水Ｗｓ中に氷核を形成して過冷却水Ｗｓの過冷却状態を解除する断熱膨張解除手段７の具体的構成は、前述の実施形態で示した如き構成に限らず種々の構成変更が可能であり、例えば、器体４Ａの内壁部から圧縮気体Ａを発生させるのに代え、器体４Ａの中心部などの適所で圧縮気体Ａを発生させる構成や圧縮気体Ａを器体４Ａの複数部位から発生させる構成などであってもよい。
【００４５】
本発明の実施において過冷却解除対象の原水は、純水や浄化水に限られるものではなく、場合によってはブラインなどの水溶液であってもよい。
【００４６】
圧縮気体Ａは、空気、窒素、二酸化炭素など種々のものを採用することができ、また、温度や湿度なども種々の値を採用することができる。
【００４７】
圧縮空気Ａは、乾き空気でもよいが湿り空気で構成するのが好ましい。このようにすれば、圧縮空気Ａの断熱膨張時の低温化に伴う液化水分が即座に氷結するため、過冷却水Ｗｓ中での氷核形成を一層安定的に行うことができる。
【００４８】
本発明による氷水スラリー生成器は、空調設備における冷熱源装置に限らず、氷を要する種々の用途に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】製氷装置の構成図
【図２】実験例１の結果を示す図
【図３】実験例２の結果を示す図
【符号の説明】
【００５０】
Ｗｓ          過冷却水
Ｓ            氷水スラリー
Ａ            圧縮気体
Ｆ            解除手段
４            氷水スラリー生成器
７            断熱膨張解除手段
１０          ノズル又はオリフィス板
８ 気体圧縮手段
９ 圧縮気体供給路
１１ 操作弁
１２ 温度センサ
１３ 制御器
【図１】
0004950791.tif 000002
【図２】
0004950791.tif 000003
【図３】
0004950791.tif 000004