(57)【要約】  この製氷機（１）は、製氷面および前記製氷面を冷却する寒剤を流すための寒剤流路（６）を備えた製氷ユニット（４）と、熱交換器（１８）により冷却された寒剤を加圧して吐出するポンプ（１４）と、前記ポンプ（１４）の吐出量を制御する制御部（１５）とを具備する。前記寒剤は二酸化炭素であり、前記制御部（１５）は、前期寒剤流路（６）の出口（６Ｂ）で前記寒剤が気液混合状態となるように前記ポンプ（１４）を制御する。
2020230879.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
製氷面および前記製氷面を冷却する寒剤を流すための寒剤流路を備えた製氷ユニットと、
前記製氷面に水を供給する給水機構と、
前記寒剤流路の出口から流出した前記寒剤を冷却するための熱交換器と、
前記熱交換器により冷却された前記寒剤を加圧して吐出するポンプと、
前記ポンプの吐出量を制御する制御部とを具備し、
前記寒剤は二酸化炭素であり、
前記制御部は、前期寒剤流路の出口で前記寒剤が気液混合状態となるように前記ポンプを制御することを特徴とする製氷機。
【請求項２】
前記制御部は、前期寒剤流路の入口では二酸化炭素の全量が液体であり、前期寒剤流路の出口では二酸化炭素の全量が気体となる前記ポンプの吐出量を全気化臨界吐出量とした場合に、前記ポンプの吐出量が前記全気化臨界吐出量の１．６倍以上となるように前記ポンプを制御することを特徴とする請求項１記載の製氷機。
【請求項３】
前記ポンプが吐出した前記寒剤を減圧する減圧弁を備えることを特徴とする請求項１または２記載の製氷機。
【請求項４】
前記熱交換器により冷却され液化した二酸化炭素を蓄えるレシーバタンクを備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の製氷機。
【請求項５】
前記熱交換器は、冷却された一次冷媒が通過する一次冷媒流路と、前記寒剤が通過する寒剤流路とを有し、前記一次冷媒流路を通過する一次冷媒と、前記寒剤流路を通過する前記寒剤とを熱交換させるものであり、
前記一次冷媒を前記一次冷媒流路へ供給するための一次冷媒冷却器をさらに具備することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の製氷機。
【請求項６】
前記寒剤流路の出口から流出した前記寒剤の物理量を測定し、前記寒剤の気液混合割合に対応した信号を出力するセンサを有し、
前期寒剤流路の入口では二酸化炭素の全量が液体であり、前期寒剤流路の出口では二酸化炭素の全量が気体となる前記ポンプの吐出量を全気化臨界吐出量とした場合に、
前記制御部は、前記センサからの前記信号に対応して、前記ポンプの吐出量が前記全気化臨界吐出量の１．６倍以上となるように前記ポンプをフィードバック制御することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の製氷機。
【請求項７】
前記製氷ユニットは、円筒状の冷却ドラムを有し、前記冷却ドラムの内部に前記寒剤流路が形成され、前記冷却ドラムの内面に前記製氷面が形成されており、
前記給水機構は前記冷却ドラムの中心線の回りを回転しつつ前記冷却ドラムの前記製氷面に散水するノズルを有し、
前記冷却ドラムの前記製氷面に固着した氷を破砕するための破砕機をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の製氷機。
【請求項８】
前記製氷ユニットは前記寒剤流路を内部に有する製氷板を有し、前記製氷板の一方の面は製氷面とされ、他方の面は熱媒供給面とされており、
前記熱媒供給面に加温された熱媒を供給する熱媒供給機がさらに設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の製氷機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水を凍らせて氷を製造するための製氷機に関する。
本願は、２０１９年５月１５日に、日本に出願された特願２０１９−０９２０７０号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、冷媒や寒剤によって冷却された製氷ユニットの製氷面に散水することにより、前記製氷面上に一定の厚さまで氷を成長させた後、前記製氷面から氷を脱落させて氷を製造する製氷機が知られている。
例えば、特許文献１には、冷媒としてフロンを用い、製氷ユニットである製氷板の内部に液化フロンを循環させ、前記製氷板の表面に氷を成長させたうえで、氷を製氷板から脱落させる製氷機が開示されている。この種の製氷機では、冷媒流路の入口ではフロンのほぼ全量が液体であり、冷媒流路を流れるにつれ製氷ユニットの熱を奪ってフロンが気化していき、冷媒流路の出口ではちょうどフロンのほぼ全量が気体となるように流量が設定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第６２１５７４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の製氷機では、省エネルギー化を図りつつ、高品質の氷を作る上で改善の余地があった。すなわち、特許文献１のように、冷媒としてフロンを用いた直膨方式（以下「フロン直膨方式」という）では、冷媒が液の状態で圧縮機に吸入される液バックを防止するため、冷媒が冷媒流路出口付近で完全に気化するように過熱度（ある圧力のもとでの過熱蒸気温度と渇き飽和蒸気温度との間の温度差）をとる必要がある。このため、冷媒流路の入口と出口で冷媒の温度差が生じ、これが製氷ムラの原因となっていた。【０００５】
また、フロン直膨方式では、冷媒に冷凍機油が混入することが避けられず、この冷凍機油が冷媒流路の内面に付着して伝熱を阻害するため、その分の伝熱効率が低下する。【０００６】
フロン直膨方式の他に、従来から、プロピレングリコールやエチレングリコール等のブラインを用いた製氷システムも知られているが、ブラインは粘弾性が高いため製氷板内を流れる際の圧力損失が大きくなりやすい。製氷板内での圧力損失が大きくなると、製氷板内で偏流しやすくなるため、偏流を抑制する目的で流量を大きくする必要があり、搬送動力が増大する。さらに、ブラインは毒性があるため、食品に用いる氷の製造には適していない。【０００７】
本発明は、製氷面における製氷ムラが少なく、氷の生産効率を高めて省エネルギー化を図ることができ、さらに、高品質の氷を作ることが可能な製氷機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】
【０００８】
［１］  本発明の一態様に係る製氷機は、製氷面および前記製氷面を冷却する寒剤を流すための寒剤流路を備えた製氷ユニットと、前記製氷面に水を供給する給水機構と、前記寒剤流路の出口から流出した前記寒剤を冷却するための熱交換器と、前記熱交換器により冷却された前記寒剤を加圧して吐出するポンプと、前記ポンプの吐出量を制御する制御部とを具備し、前記寒剤は二酸化炭素であり、前記制御部は、前期寒剤流路の出口で前記寒剤が気液混合状態となるように前記ポンプを制御することを特徴とする。前記ポンプが吐出した前記寒剤を減圧して前記寒剤流路の入口から前記寒剤を注入する減圧弁を有していてもよい。【０００９】
前記態様の製氷機によれば、前記寒剤として二酸化炭素を用いるとともに、前記ポンプの吐出量が前記寒剤流路の出口で前記寒剤が気液混合状態となるように前記ポンプを制御することにより、冷却ユニットの寒剤流路へ供給する液体二酸化炭素が液体部分を残したまま寒剤流路を通過することになる。このように、液体二酸化炭素が寒剤流路の出口に到るまで残存することにより、液体二酸化炭素の潜熱を主に利用して、冷却ユニットが冷却されることになる。【００１０】
このため、フロン直膨式のように冷媒流路出口付近で過熱度をとり、冷媒が完全に気化する場合に比して、寒剤流路出口まで寒剤を気液混合状態で循環させることができるため、寒剤流路の全長に亘って冷却のムラが生じにくい。したがって、冷却ユニットで構成される製氷面の全域に亘って温度分布および冷却をほぼ均一にすることができ、水を製氷面のほぼ全域に亘ってばらつきの少ない厚さで凍らせることができるから、厚さおよび品質が均一な氷を製造することが可能である。【００１１】
また、従来のフロン直膨方式と異なり、製氷ユニットの寒剤流路に冷凍機油が侵入しないため、寒剤流路内面への冷凍機油の付着による伝熱性能の低下が生じず、省エネルギー化を図れるうえ、液体二酸化炭素の潜熱を主として冷却に利用するため、製氷面に氷が生成される際の凍結速度が比較的に遅く、氷の中に気泡や水中の不純物が取り込まれにくくなり、透明度の高い高品質の氷を作ることができるという優れた効果も奏する。【００１２】
［２］  前記態様［１］において、前記制御部は、前期寒剤流路の入口では二酸化炭素の全量が液体であり、前期寒剤流路の出口では二酸化炭素の全量が気体となる前記ポンプの吐出量を全気化臨界吐出量とした場合に、前記ポンプの吐出量が前記全気化臨界吐出量の１．６倍以上となるように前記ポンプを制御してもよい。前記全気化臨界吐出量の１．６倍以上となるように前記ポンプの吐出量を制御することにより、冷却ユニットの寒剤流路へ供給する液体二酸化炭素の０．６／１．６＝３７．５％以上が液体のまま寒剤流路を通過することになる。このように、３７．５％を超える比較的に大量の液体二酸化炭素が寒剤流路の出口に至るまで残存することで、寒剤流路の全長に亘って液体二酸化炭素の潜熱を利用することができ、製氷面の全域に亘り冷却をほぼ均一に行うことができる。【００１３】
［３］  前記態様［１］または［２］において、前記ポンプの吐出量は前記全気化臨界吐出量の１．６倍以上かつ５倍以下であってもよい。この場合、製氷ユニットや加圧ポンプなど循環系設備の耐圧強度をあまり高めなくて済むから、設備コストを含むコストパフォーマンスが良い。前記ポンプの吐出量は、前記全気化臨界吐出量の１．６倍以上かつ３．０倍以下であってもよい。【００１４】
［４］  前記態様［１］〜［３］において、前記構成の製氷機は、前記熱交換器により冷却され液化した二酸化炭素を蓄えるレシーバタンクを備えていてもよい。【００１５】
前記レシーバタンクを備えることで、寒剤が気液混合状態となっても寒剤を重力によりレシーバタンク内の上下で気液分離し、液体寒剤のみポンプを用いて寒剤流路へ循環させることができる。【００１６】
［５］  前記態様［１］〜［４］において、前記熱交換器は、冷却された一次冷媒が通過する一次冷媒流路と、前記寒剤が通過する寒剤流路とを有し、前記一次冷媒流路を通過する一次冷媒と、前記寒剤流路を通過する前記寒剤とを熱交換させるものであってもよく、前記一次冷媒を前記一次冷媒流路へ供給するための一次冷媒冷却器をさらに具備していてもよい。一次冷媒としては、例えば、液体アンモニアなどを使用することで効率よく寒剤を冷却することができる。【００１７】
［６］  前記態様［１］〜［５］において、前記製氷機は、前記寒剤流路の出口から流出した前記寒剤の物理量を測定し、前記寒剤の気液混合割合に対応した信号を出力するセンサを有していてもよく、前記制御部は、前記センサからの前記信号に対応して、前記ポンプの吐出量が前記全気化臨界吐出量の１．６倍以上となるように前記ポンプをフィードバック制御するものであってもよい。この場合、水の温度や外気温が変化したとしても、ポンプの吐出量を自律的に全気化臨界吐出量の１．６倍以上の一定範囲に保つことが容易となり、氷の成長条件を一定化して、氷の品質ばらつきを防ぐことが可能である。【００１８】
［７］  前記態様［１］〜［６］において、前記製氷ユニットは、円筒状の冷却ドラムを有し、前記冷却ドラムの内部に前記寒剤流路が形成され、前記冷却ドラムの内面に前記製氷面が形成されており、前記給水機構は前記冷却ドラムの中心線の回りを回転しつつ前記冷却ドラムの前記製氷面に散水するノズルを有していてもよく、前記冷却ドラムの前記製氷面に固着した氷を破砕するための破砕機をさらに備えていてもよい。この場合、前記冷却ドラムの内面である製氷面に給水機構から散水し、製氷面に氷を成長させ、次に破砕機により製氷面に付着した氷を破砕する工程を連続的に行うことが可能であり、高品質な氷を高い生産効率を以て、連続的に製造することが可能である。【００１９】
［８］  前記態様［１］〜［７］において、前記製氷ユニットは前記寒剤流路を内部に有する製氷板を有し、前記製氷板の一方の面は製氷面とされ、他方の面は熱媒供給面とされており、前記熱媒供給面に加温された熱媒を供給する熱媒供給機がさらに設けられていてもよい。この場合、製氷板の製氷面に水を供給して氷を成長させ、一定の厚さに成長した時点で製氷板の他面の熱媒供給面に加温した熱媒を供給することより、製氷面に付着した氷を脱落させ、高い生産性を以て高品質な氷を間欠的に製造することが可能である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の製氷機によれば、製氷面における製氷ムラが少なく、氷の生産効率を高めて省エネルギー化を図ることができ、さらに、高品質の氷を作ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態に係る製氷機のブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係る製氷機の変形例のブロック図である。
【図３】本発明の実施形態に係る製氷機の変形例のブロック図である。
【図４】同実施形態の冷却ドラムの周辺を示す縦断面図である。
【図５】図４中のIII−III線視図である。
【図６】本発明の実施例の効果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は本発明の一実施形態である製氷機１を示すブロック図である。この製氷機１は、軸線を垂直にして配置された円筒形の保護カバー２と、その中に同心状に配置された円筒形の冷却ドラム４（製氷ユニット）を有し、冷却ドラム４の内面のほぼ全域を製氷面４Ａとして氷を生成し、その氷を砕いて薄片状のフレーク氷を生産するものである。
【００２３】
この実施形態では、複数（図では３台であるがこれに限定されない）の同一径の冷却ドラム４が垂直方向に軸線を向けて上下に隙間無く重ねて配置され、これら冷却ドラム４の全体が保護カバー２で覆われている。保護カバー２と冷却ドラム４との間には、図示しない断熱材が充填され、冷却ドラム４の冷温が保たれる。冷却ドラム４は、限定はされないがステンレス等の耐食性に優れた金属で形成され、その周壁の内部には、冷却ドラム４の中心軸と同軸の螺旋状に延びる寒剤流路６が全周および軸方向のほぼ全長に亘って形成されている。
【００２４】
各寒剤流路６は、冷却ドラム４の上側にある入口６Ａと、下側の出口６Ｂを有し、入口６Ａから寒剤としての液体二酸化炭素が注入されると、寒剤は寒剤流路６を螺旋状に走って、出口６Ｂから排出される。その間に寒剤の一部は気化し、その潜熱を主として利用し冷却ドラム４の内周面である製氷面４Ａが冷却される。各寒剤流路６の入口６Ａは、それぞれ減圧弁７を経て共通の配管１２に接続され、配管１２はポンプ１４を介して寒剤導出部１８Ｂに接続されている。
【００２５】
ポンプ１４は、寒剤である液体二酸化炭素を加圧して配管１２および減圧弁７を通じて寒剤流路６へ供給するものであり、コンピューター等を具備する制御部１５に接続され、制御部１５からの電気信号によって吐出量が制御される。この実施形態の制御部１５には製氷機各部の温度流量などの情報も伝達され、コンピューターで実行される制御プログラムに基づき、ポンプ１４の吐出量を制御する。なお、本発明では制御部１５の動作はコンピュータープログラムによるものだけでなく、場合によっては手動操作であっても構わないし、さらに事前に機械学習を行わせた人工知能プログラムにより制御するものであってもよい。
【００２６】
この実施形態の制御部１５は、ポンプ１４の吐出量が「全気化臨界吐出量」の１．６倍以上となるようにポンプ１４を制御することを特徴とする。全気化臨界吐出量は、製氷機の性能および運転状況に応じて値が決まるパラメータであり、本明細書では、下記の３つの条件をちょうど満たす吐出量と定義する。
（１）寒剤流路６の入口６Ａでは、供給される二酸化炭素の全量が液体である。
（２）寒剤流路６の内部では、二酸化炭素の一部が気体で残部が液体である。すなわち、気液混合状態である。
（３）寒剤流路６の出口６Ｂでは、二酸化炭素の全量が気体となる。
ポンプ１４の吐出量は、前記全気化臨界吐出量の１．６倍以上３．０倍未満に制御されてもよい。この場合、冷却ドラム４やポンプ１４、配管系など循環系設備の耐圧強度をあまり高めなくて済むから、設備コストを含むコストパフォーマンスが良い。また、本実施形態では、ポンプ１４の吐出量が、全気化臨界吐出量の１．６倍以上かつ５倍以下に制御されてもよい。
【００２７】
全気化臨界吐出量は、可能であれば、ポンプ１４の吐出量をコントロールしつつ、寒剤流路６の入口６Ａ、寒剤流路６内、出口６Ｂを流れる寒剤の状態を観察して、上記条件（１）〜（３）を満たす吐出量を決定しても良いが、後述する実施例に示すように熱量計算からも求めることが可能である。すなわち、冷却ドラム４が生産すべき氷の量と、その氷を製造するために必要な潜熱から、上記条件（１）〜（３）を満たす全気化臨界吐出量が求められる。
【００２８】
制御部１５が、ポンプ１４の吐出量が「全気化臨界吐出量」の１．６倍以上となるようにポンプ１４を制御することにより、冷却ドラム４の入口６Ａを通過した液体二酸化炭素の０．６／１．６＝３７．５％以上が液体のまま出口６Ｂを通過することになる。このように、３７．５％を越える比較的に大量の液体二酸化炭素が寒剤流路６の出口６Ｂに到るまで残存することにより、液体二酸化炭素の潜熱を主に利用して、冷却ドラム４が冷却されることになる。
【００２９】
従来、このように冷却ユニットの出口に到るまで冷媒を液体状態のまま多量に流すことは行われていなかった。それは、運転コスト的に無駄があり、かつ、循環系の強度を高めるなどの設備コストも余計にかかると考えられていたためである。しかし、本発明者らの実験によれば、特に寒剤で製氷を行う場合、製氷ユニットの温度を均一化し、しかも氷の生産性を高めることができるという従来公知でなかった効果が見いだされた。本発明はこの観点に基づいてなされたものである。例えば、従来のフロン直膨方式では、全気化臨界吐出量の０．９５倍〜１倍程度に設定されることが多かった。
【００３０】
本実施形態では、フロン直膨式のように冷媒の過熱度をとる必要があり冷媒流路出口付近で冷媒が完全に気化する場合に比して、寒剤の過熱度をゼロに抑えることができ、寒剤流路６の全長に亘って冷却のムラが生じにくい。したがって、３つの冷却ドラム４で構成される広い製氷面４Ａの全域に亘って温度分布および冷却をほぼ均一にすることができ、ノズル５０から供給される水を製氷面４Ａのほぼ全域に亘って均一の厚さで凍らせることができるから、氷の厚さが均一で、かつ、凍結速度が均一であるため氷の品質も均一なフレーク氷Ｐ２を製造することが可能である。
【００３１】
本実施形態では、冷却効率の観点から、寒剤流路６の入口６Ａにおける寒剤の温度は−３０℃〜−２０℃であることが好ましく、寒剤流路６の入口６Ａにおける寒剤の圧力は１．３ＭＰａ〜１．９ＭＰａであることが好ましい。より好ましくは寒剤流路６の入口６Ａにおける寒剤の温度は−２６℃〜−２３℃であり、寒剤流路６の入口６Ａにおける寒剤の圧力は１．５ＭＰａ〜１．７ＭＰａである。ただし、本発明はこの範囲に限定されない。
【００３２】
寒剤流路６の出口６Ｂは、それぞれ温度センサー９を経て共通の配管１０へ接続され、配管１０は蒸発器１８（熱交換器）の寒剤導入部１８Ａへ接続されている。温度センサー９は出口６Ｂから排出される寒剤の気液混合物の温度（物理量）を測定して、温度に対応した電気信号を発生させ、この電気信号を制御部１５へ伝達する。温度センサー９は、寒剤流路６内における過熱度の測定にも役立つ。制御部１５は温度センサー９からの信号に応じて、各寒剤流路６内における気体二酸化炭素の過熱度を測定し、過熱度が上がってきたらポンプ１４による液体二酸化炭素の吐出量を増してフィードバック制御し、過熱度を許容範囲に抑えることもできる。
【００３３】
温度センサー９は寒剤の流速（物理量）を感知する流速センサーや圧力センサーを具備していてもよく、その場合には、流速センサーおよび／または圧力センサーの電気出力も制御部１５へ伝達してもよい。流速センサーおよび／または圧力センサーによって計測された流速および／または圧力（物理量）が増加した場合には、寒剤の気化割合が増えたと判断し、ポンプ１４による液体二酸化炭素の吐出量を増してフィードバック制御し、過熱度を許容範囲に抑えることもできる。
【００３４】
蒸発器１８は、寒剤導入部１８Ａから寒剤導出部１８Ｂへ流れる寒剤と、冷媒導入部１８Ｄから導出部１８Ｃへ流れる一次冷媒とを熱交換させる。本実施形態では、一次冷媒として液体アンモニアを用いることが好ましい。一次冷媒としては、アンモニアの他にもＲ４０４Ａ、ＣＯ２なども用いることができるが、アンモニアが使用温度・圧力域の点で最も好ましい。一次冷媒として有毒で臭気のあるアンモニアを用いたとしても、寒剤として二酸化炭素を使用し、一次冷却側と二次冷却側とを完全分離することにより、アンモニアが氷に影響を及ぼす虞がない。このため本実施形態では、安全に冷却効率のよいアンモニアを使用することが可能である。
【００３５】
蒸発器１８の導出部１８Ｃからは、寒剤を潜熱により冷却した後の一部または全部が気化した一次冷媒が排出され、一次冷媒は配管２０を介して圧縮機２２へ導入され、圧縮機２２で所定圧力に圧縮された後、冷媒導入部２４Ａから凝縮器２４（一次冷媒冷却器）へ導入される。凝縮器２４では、加圧され昇温した一次冷媒を水または空気により冷却し、冷却されて液化した一次冷媒を導出部２４Ｂから流出させ、配管２３および減圧弁２５を経て冷媒導入部１８Ｄから蒸発器１８へ導入する。
【００３６】
本実施形態では、冷却効率の観点から、蒸発器１８の冷媒導入部１８Ｄにおける一次冷媒の温度は−３２℃〜−２２℃であることが好ましく、冷媒導入部１８Ｄにおける一次冷媒の圧力は０．００６ＭＰａ〜０．０７ＭＰａであることが好ましい。より好ましくは蒸発器１８の冷媒導入部１８Ｄにおける一次冷媒の温度は−２８℃〜−２５℃であり、冷媒導入部１８Ｄにおける一次冷媒の圧力は０．０３ＭＰａ〜０．０５ＭＰａである。ただし、本発明はこの範囲に限定されない。
【００３７】
次に、図２および図３を用いて本発明の他の実施形態を説明する。これらの実施形態では図１の構成に加えて、ポンプ１４よりも上流側において配管１９に液体二酸化炭素を一時的に貯留するレシーバタンク１６を設けたことを新たな特徴とする。
【００３８】
図２の実施形態では、レシーバタンク１６に、蒸発器１８で冷却され液化された寒剤が配管１９を経て導入される。この構成によれば、蒸発器１８により液化された寒剤をレシーバタンク１６に貯留することにより、レシーバタンク１６内で気液分離させて、液体寒剤のみをポンプ１４を用いて寒剤流路６へ送ることができる。
【００３９】
図３の実施形態では、レシーバタンク１６の導出部１６Ｃに、配管１７を通じて蒸発器１８（熱交換器）の寒剤導入部１８Ａに接続される一方、レシーバタンク１６の導入部１６Ｄは、配管１９を通じて蒸発器１８の寒剤導出部１８Ｂへ接続されている。これにより、レシーバタンク１６内の寒剤の一部は、導出部１６Ｃから配管１７を経て寒剤導入部１８Ａから蒸発器１８を通過し、後述する一次冷媒で冷却される。蒸発器１８で冷却された寒剤は、導出部１８Ｂから配管１９を経て導入部１６Ｄからレシーバタンク１６へ入る。
【００４０】
レシーバタンク１６へは、蒸発器１８で冷却された寒剤と、冷却ドラム４の寒剤流路６から戻ってきた寒剤とが導入される。レシーバタンク１６の内部では、気液が混じった寒剤を重力によりレシーバタンク１６内の上下に気液分離し、液体寒剤のみを液吐出口１６Ｂから導出し、ポンプ１４を経て寒剤流路６へ戻す。また、レシーバタンク１６内の気体または気液混合した寒剤の一部を導出部１６Ｃから導出させ、寒剤導入部１８Ａから蒸発器１８へ寒剤を供給して冷却および液化する。
【００４１】
次に、図４および図５を用いて、製氷機１の冷却ユニットである冷却ドラム４と、その周辺を説明する。これらは先の図１〜図３いずれの実施形態にも適用できる。この例の冷却ドラム４は、薄片状のフレーク氷Ｐ２を連続的に製造するためのものであるが、本発明はフレーク氷の製造に限定されることなく、後述するようにブロック氷やプレート氷、その他の形状の氷の製造に用いることもできる。
【００４２】
円筒形の保護カバー２の内側には、先に述べたように３つの冷却ドラム４が上下に重ねて隙間無く配置されている。各冷却ドラム４の周壁部内には、ステンレス等からなる金属製の仕切が螺旋状に配列されることにより、断面矩形状をなす寒剤流路６が螺旋状に形成され、寒剤流路６の始まりと終わりには、入口６Ａと出口６Ｂが形成されている。この実施形態では、入口６Ａと出口６Ｂは同じ側に配置されているが、互いに異なる方向に向けられていても良い。
【００４３】
一番下の冷却ドラム４の下端には、冷却ドラム４と同径かつ同軸の円筒状の排水部３０が取り付けられ、排水部３０の内壁面は、径方向において、その上端が冷却ドラム４の製氷面４Ａに揃った位置にあり、下方へいくにしたがって外側へ広がる傾斜面３０Ａにされている。冷却ドラム４の製氷面４Ａに供給され、凍らずに製氷面４Ａを伝わって落ちた過剰の水は、排水部３０の傾斜面３０Ａを伝わって冷却ドラム４の製氷面４Ａよりも外側の位置に落ちる。
【００４４】
冷却ドラム４の下方には、円環状の受水部３２が水平に配置されており、受水部３２の内周側には上端に行くにつれ径が窄まる受水壁３２Ａが形成され、傾斜面３０Ａから落ちる水は受水壁３２Ａに当たって、受水部３２内に溜まる。受水部３２の内底面は一方に向かってわずかに傾斜しており、最も低い位置に排水口３６が形成され、下面には排水管３４が接続されている。これにより、受水部３２に溜まった水は排水口３６を経て排水管３４を流れ、さらに受水部６２に貯められ、循環ポンプ６０で加圧されて、冷却ドラム４の内面へ水を供給するための給水管５６へ供給される。給水管５６にはまた、給水ポンプ５８を介して図示しない原水供給源から水が供給される。
【００４５】
３連の冷却ドラム４の中心軸に沿って、回転軸４０が配置されており、回転軸４０の上端はモータ４２に連結され、回転軸４０の下端は軸受４４で回転可能に支持されている。回転軸４０の上部には、円盤形のノズル支持部４６が水平かつ相対回転不能に固定されており、このノズル支持部４６の外周面の片側から、複数（この実施形態では３本であるがこれに限定されない）のノズル５０が外方へ向けて放射状に取り付けられている。ノズル支持部４６の内部には、各ノズル５０に連通する水流路４８が形成され、水流路４８の上端は図５に示すように、受水口４８Ａとしてノズル支持部４６の上面に開口している。
【００４６】
ノズル支持部４６の上には、リング状の給水部５２が回転軸４０を通して液密に配置されている。給水部５２は不動であるが、回転軸４０およびノズル支持部４６は、給水部５２に対して相対回転可能とされている。給水部５２の内部には、給水部５２の下面に開口する給水路５４が形成され、ノズル支持部４６がいずれの回転位置にあっても給水路５４は水流路４８と気密的に連通している。給水部５２には給水管５６が連結され、給水管５６から供給される水は、給水路５４および水流路４８を経て、各ノズル５０の先端から外方へ散布され、冷却ドラム４の製氷面４Ａに当たって流れ落ちる。その過程で、水は冷却ドラム４によって冷却され、冷却ドラム４の製氷面４Ａに一定厚さの氷Ｐ１が成長する。
【００４７】
ノズル支持部４６のノズル５０と反対側の端部には、支持部６４および軸受部６６が取り付けられ、軸受部６６により、ロータリーカッタ７０（破砕機）の回転軸６８の上端が回転自在に支持されている。回転軸６８の下端は、支持アーム７４によって回転自在に支持され、支持アーム７４は回転軸４０の下部に相対回転不能に固定されている。
【００４８】
ロータリーカッタ７０は、冷却ドラム４の製氷面４Ａに沿って垂直に向けて配置され、ロータリーカッタ７０の外周面には緩い螺旋状のスクリュウ刃７２が複数本形成されている。ロータリーカッタ７０はノズル支持部４６の回転に伴って、冷却ドラム４の製氷面４Ａに沿って転がり、スクリュウ刃７２は、製氷面４Ａに堆積した氷Ｐ１を１辺が数ｃｍ程度の大きさのフレーク状に破砕する。破砕されたフレーク氷Ｐ２は、冷却ドラム４の製氷面４Ａから垂直に落下し、氷貯留タンク８に溜まるようになっている。
【００４９】
前記構成からなる製氷機によれば、図１に示すように、液体二酸化炭素はポンプ１４により加圧されて配管１２を通り、３つの減圧弁７に分配されて減圧されたうえ、入口６Ａから各冷却ドラム４の寒剤流路６に入る。入口６Ａでは寒剤である二酸化炭素のほぼ全量が液体である。液体二酸化炭素は寒剤流路６を螺旋状に流れながら、冷却ドラム４を冷却し、潜熱を発生させながら、液体二酸化炭素の一部が徐々に気化していく。
【００５０】
この時、制御部１５は、ポンプ１４の吐出量が「全気化臨界吐出量」の１．６倍以上となるようにポンプ１４を制御してもよい。この場合、冷却ドラム４の入口６Ａを通過した液体二酸化炭素の０．６／１．６＝３７．５％以上が液体のまま出口６Ｂを通過することになる。このように、３７．５％を越える比較的に大量の液体二酸化炭素が寒剤流路６の出口６Ｂに到るまで残存することにより、液体二酸化炭素の潜熱を主に利用して、冷却ドラム４が冷却されることになる。
【００５１】
蒸発器１８は気体または気液混合の二酸化炭素を冷却し、それによって温度が上昇した気体または気液混合の一次冷媒は、導出部１８Ｃから配管２０を通じて圧縮機２２で圧縮され、さらに凝縮器２４へ送られる。圧縮および昇温された気体または気液混合の一次冷媒は、凝縮器２４内で、図示しない冷水または空気と熱交換し、液体一次冷媒にされたあと、配管２３および減圧弁２５を経て再び蒸発器１８へ導入される。
【００５２】
本発明は前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲において、いかなる構成変更も可能である。
【実施例】
【００５３】
次に、本発明の実施例を、熱力計算の例も挙げてより具体的に説明する。
図１〜図５の冷却ドラムを用いたフレーク製氷機において、必要な冷却能力が下記のとおりであったとする。
（１）製氷能力：７０００ｋｇ／日
（２）冷媒温度  一次冷媒（アンモニア）飽和温度：−２８℃、
寒剤（二酸化炭素）飽和温度：−２５℃
（３）冷凍能力：５３ｋＷ（液体二酸化炭素供給温度：−２５℃）
（４）原水温度：２５℃
（５）氷の潜熱：８０ｋｃａｌ／ｋｇ
（６）過冷温度：０℃【００５４】
上記の条件で、製氷１ｋｇ当たりの冷却熱量は、
ｑ＝（（２５−０）＋８０）×１（ｋｇ）＝１０５（ｋｃａｌ／ｋｇ）
製氷能力を７０００ｋｇ／日にするために必要な冷凍能力は、
冷凍能力（ｋＷ）＝（７０００（ｋｇ）×１０５（ｋｃａｌ／ｋｇ））
／（８６０×２４Ｈ／日）
＝３５．６（ｋＷ）【００５５】
一時間当たりに必要な冷熱量Ｒ（ｋｃａｌ／Ｈ）は、
Ｒ＝７０００（ｋｇ／日）×１０５（ｋｃａｌ／Ｈ）／２４（Ｈ／日）
＝３０６２５ｋｃａｌ／Ｈ
一時間当たりに必要な液体二酸化炭素の供給量は、
Ｗ（ＬＣＯ２）＝Ｒ／（ｉ１−ｉ２）＝３０６２５／（１５６．５−８６．５）
＝４３７．５ｋｇ／Ｈ【００５６】
一時間当たりに必要な液体二酸化炭素の供給量４３７．５ｋｇ／Ｈは、−２５℃における液体二酸化炭素の体積流量に換算すると
Ｖ（ＬＣＯ２）＝０．４１６ｍ３／Ｈ  
になる。これが、前記運転条件における全気化臨界吐出量Ｖ（ｍ３／Ｈ）である。
したがって、この実施形態で必要なポンプ１４による液体二酸化炭素の吐出量は、
０．４１６（ｍ３／Ｈ）×１．６以上
＝０．６６５６（ｍ３／Ｈ）以上である。このように、ポンプ１４による液体二酸化炭素の吐出量が計算できる。【００５７】
なお、ポンプ１４による液体二酸化炭素の吐出量が変化した場合に、冷却ドラム４の出口６Ｂにおける気液混合二酸化炭素の流速がどのように変わるかを計算し、出口６Ｂでの流速が過度に高くなっていないか検証すると、下記のとおりである。【００５８】
［全気化臨界吐出量Ｖ×１倍での出口６Ｂの流速（従来例）］
各冷却ドラム４の入口６Ａでの流量は、冷却ドラム４が３つあるから、
０．４１６（ｍ３／Ｈ）／３＝０．１３９（ｍ３／Ｈ）である。
この場合、各冷却ドラム４の出口６Ｂでは全量が気体になる。−２５℃における気体二酸化炭素のガス比容積＝０．０２２８ｍ３／ｋｇであるから、−２５℃における気体二酸化炭素の流量は、
ガス流量＝４３７．５（ｋｇ／Ｈ）×０．０２２８（ｍ３／ｋｇ）
＝９．９７５（ｍ３／Ｈ）となる。
したがって、出口６Ｂでのガス流速は、
９．９７５（ｍ３／Ｈ）／（３×３６００）
／（０．０２７５ｍ×０．０１７ｍ）（寒剤流路６の断面積）
＝１．９７５（ｍ／ｓ）となる。【００５９】
［全気化臨界吐出量Ｖ×２倍での出口６Ｂの流速（実施例１）］
この場合、各冷却ドラム４の出口６Ｂでは１／２量が気体になる。よって、出口６Ｂでの気液混合体の流速は、
（０．４１６（ｍ３／Ｈ）＋９．９７５（ｍ３／Ｈ））／（３×３６００）
＝２．０６（ｍ／ｓ）となる。【００６０】
［全気化臨界吐出量Ｖ×３倍での出口６Ｂの流速（実施例２）］
この場合、各冷却ドラム４の出口６Ｂでは１／３量が気体になる。よって、出口６Ｂでの気液混合体の流速は、
（０．４１６（ｍ３／Ｈ）×２＋９．９７５（ｍ３／Ｈ））／（３×３６００）
＝２．１４（ｍ／ｓ）となる。【００６１】
［全気化臨界吐出量Ｖ×４倍での出口６Ｂの流速（実施例３）］
この場合、各冷却ドラム４の出口６Ｂでは１／４量が気体になる。よって、出口６Ｂでの気液混合体の流速は、
（０．４１６（ｍ３／Ｈ）×３＋９．９７５（ｍ３／Ｈ））／（３×３６００）
＝２．２２（ｍ／ｓ）となる。【００６２】
以上の計算からわかるように、ポンプ１４による吐出量を、全気化臨界吐出量Ｖの１倍から４倍に増大させても、出口６Ｂでの気液混合体の流速は１．１２４倍に増えるに過ぎない。よって、製氷機の各部に過大な負荷をかけることはない。【００６３】
次に、表１に全気化臨界吐出量（ＣＯ２ポンプ流量）を９．３Ｌ／ｍｉｎとした場合の流量の適正を示す。本発明の実施形態で述べたように全気化臨界吐出量の１．６倍以上の９．３（Ｌ／ｍｉｎ）×１．６＝１４．８（Ｌ／ｍｉｎ）を境に製氷量に差が出ることがわかる。実施例では、ポンプ吐出量を全気化臨界吐出量の１．６倍以上である１５．２Ｌ／ｍｉｎ流した場合製氷量は９８８８ｋｇ／日であり、１．６倍に満たない１４．５Ｌ／ｍｉｎ流した場合製氷量は８２５６ｋｇ／日であった。【００６４】
【表１】
2020230879.tif 000003
【００６５】
次に、図６は、寒剤としての二酸化炭素流量と、製氷量の関係を示すグラフであり、下記の条件で測定した。使用した装置は、図１および図４に示す実施形態と同じである。
（１）製氷能力：１００００ｋｇ／日
（２）冷媒温度  一次冷媒（アンモニア）飽和温度：−２８℃、
寒剤（二酸化炭素）飽和温度：−２５℃
（３）冷凍能力：５３ｋＷ（液体二酸化炭素供給温度：−２５℃）
（４）原水温度：２５℃
（５）氷の潜熱：８０ｋｃａｌ／ｋｇ
（６）過冷温度：０℃
（７）フレーク氷の厚さ：１．５ｍｍ
図６に示すように、「全気化臨界吐出量」の１．６倍である流量域で製氷量が不連続的に上昇し、その後、緩やかに下降する傾向が得られた。このような傾向は従来知られておらず、本発明の顕著な効果が確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明の製氷機によれば、製氷面における製氷ムラが少なく、氷の生産効率を高めて省エネルギー化を図ることができ、さらに、高品質の氷を作ることが可能であるから、本発明は産業上の利用が可能である。
【符号の説明】
【００６７】
１：製氷機、２：保護カバー、４：冷却ドラム（製氷ユニット）、６：寒剤流路、
８：氷貯留タンク、６Ａ：入口、６Ｂ：出口、７：減圧弁、８：氷貯留タンク、
９：温度センサー、１０:配管、１４：ポンプ、１５：制御部、１６：レシーバタンク
１８：蒸発器（熱交換器）、２０：配管、２２：圧縮機、
２４：凝縮器（一次冷媒冷却機）、
３０：排水部、３２：受水部、３２Ａ：受水壁、３４：排水管
３６：排水口、４０：回転軸、４２：モータ、４４：軸受、４６：ノズル支持部
４８：水流路、４８Ａ：受水口、５０：ノズル、５２：給水部、５４：給水路
５６：給水管、５８：給水ポンプ、６０：循環ポンプ、６２：受水部
６４：支持部、６６：軸受部、６８：回転軸、７０：ロータリーカッタ（破砕機）
７２：スクリュウ刃、７４：支持アーム、Ｐ１：氷、Ｐ２：フレーク氷。
【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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【図６】
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【国際調査報告】
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