平成17年度〔2005〕No.50
宮崎県工業技術センター・宮崎県食品開発センター研究報告

球状氷粒子の製造方法に関する研究(疎水性液中の場合)＊
平 栄蔵＊1・村上収＊1

Study on Production Method of Ice Particle (in the Hydrophobe Coolant)
Eizo HIRA and Osamu MURAKAMI
本研究はトンネルの内壁に付着したすすなどの洗浄，ビル外壁や大型鉄骨構造物等の塗装面の剥離・除去などを人や環境にできるだけ負荷を与えずに行う「人及び環境を考慮した洗浄システムの開発」を目標としている。本研究では，エアブラスト用研磨材として通常用いられている砂やセラミックス材の代わりに，飛散しても比較的衛生的な氷の粒子を高速で被洗浄物に衝突させ，表面の汚染物などを剥離除去・洗浄するエアブラストの開発を想定している。今回は，(1)氷粒子を用いたエアブラストに関する実験，(2)エアブラス
ト用氷粒子の製造に関する基礎実験，の二つについて報告する。
キーワード：エアブラスト，過冷却水，疎水性液中，球状氷粒子
１はじめに

平成12年度〜14年度に，氷粒子を用いたエア機械部品などの付着物除去や塗装前工程での表ブラストの実験を行った。この実験で用いた氷粒面清浄に限らず，多くの加工工程では生産品の表子はナイロン製の回転ブラシにより製造したもの面洗浄が必須とされている。この表面剥離洗浄ので，直径は１〜２mmであった。

ひとつの方法として，サンドブラスト法がある。

図１に氷粒子を用いたエアブラスト実験を示

これは高圧空気に研磨材を混合させ加速し，対象す。実験では，エアガンの空気圧を約3.0気圧で物に衝突させて表面付着物を剥離除去するものである。
本研究では，この工程で用いられている研磨材の代替品として，氷粒子を用いる方法を提案している。氷粒子はもともと水であるため，研磨材に氷粒子を用いた洗浄時に研磨材が飛散しても，人および周囲の環境に与える影響が小さいこと，また屋外などのオープンな空間での作業が容易に行えるなどのメリットが考えられる。

図１ 氷粒子を用いたエアブラストの実験

本報では，(1)氷粒子を用いたエアブラストに関する実験について簡単に紹介するとともに，(2)過冷却水を用いたエアブラスト用氷粒子の製造に関する基礎実験について報告する。
２

氷粒子を用いたエアブラストの実験＊

環境を考慮した洗浄システムに関する研究（第2報）＊1 機械電子・デザイン部

図２

氷粒子噴射後のターゲット67

球状氷粒子の製造方法に関する研究(疎水性液中の場合)一定とし，ガンの前方約50mmにターゲットを本研究では，過冷却水が有する特性，すなわち，固定して，氷粒子を約１分間噴射した。このター０℃以下に冷却しても液体状態である水(過冷却ゲットは５mm厚のSUS板にマジックインクを塗水)を製造する。これに，物理的刺激を付与して布したものである。

過冷却状態を解除することにより発生する瞬間的

図２に氷粒子噴射後のターゲットの写真を示

表面凍結現象を利用して，球状氷粒子を製造するす。ターゲットのマジックインクは氷粒子が衝突方法について検討する。

した瞬間に剥離・除去された。

３−１ 実験装置

図３に水を用いたエアブラストの比較実験を示

図５に液中氷粒子製造実験装置を示す。アクリす。実験は図１の氷粒子の実験と同様である。エ

ル角パイプに疎水性低温液体(この実験では軽油)アガンの空気圧を約3.0気圧で一定とし，ガンのを満たす。これに常温または冷却した水滴を滴下前方約50mmにターゲットを固定して，水を約し，疎水性液体と水滴とを直接接触させて氷粒子１分間噴射した。

を作る実験である。実験は，縦2700×横2700×

図４に水噴射後のターゲットの写真を示す。タ

高さ2200mmの内寸法で，プログラム制御方式

ーゲットのマジックインクは水が衝突してもほとの温度制御を備えた冷凍庫内に，アクリル製の角んど剥離・除去されていないことが分かる。

パイプ(内寸縦10×横10×高さ1000mm)を垂直に立て，これに疎水性液体(軽油)を満たした。
図６に実験装置の写真を示す。

①⑧

図３ 水を用いたエアブラストの実験⑨⑤④③②⑦⑥④T①冷凍庫， ②アクリル角パイプ， ③疎水性液体(軽油)，④水滴，⑤小型注射器(1)， ⑥小型注射器(2)，⑦デジタルカメラ， ⑧データ記録装置，⑨ノートパソコン， T 温度センサー
図５ 液中氷粒子製造実験装置

図４ 水噴射後のターゲット３

球状氷粒子の製造実験
氷粒子を研磨材に用いたエアブラストの実験より，氷粒子の表面付着物剥離除去効果が確認された。そこで，氷粒子を研磨材としたエアブラストの実用化のための，氷粒子の連続製造に関する実験に着手した。
68

図６ 液中氷粒子製造実験装置の写真

球状氷粒子の製造方法に関する研究(疎水性液中の場合)

３−２ 実験結果および検討

は，その沈降中は液体の状態であり，氷面に接触

３−２−１

13℃の軽油に13℃の水滴を滴下したした時点で凍結が開始されると考えられる。実験場合

後，軽油を除去して管底の氷を剥離したが，氷面この実験は冷凍庫を開放した状態で行った。水とその後に滴下した水滴とは接点結合でゆるく結滴は水道水で，これに筆記用の赤インクを溶かし合しており，一体化はしていないようであった。

たものを用いた。これをツベルクリン用の注射器

３−２−４-9℃の軽油に-9℃の過冷却水滴を滴下した場合に0.04ml(水滴直径で約4.2mm相当)充填した後，図10は-9℃の軽油に-9℃の過冷却水滴を滴下滴下した。
実験はアクリル製角パイプの上部より所定量のした場合を示す。水滴が管底まで到達するまでに水滴を滴下して，水滴が管底に達するまでの沈降要する時間は21秒程度であった。過冷却水滴は時間をストップウオッチで計測した。また同時に先発の氷粒に接触した後，はね返ってわずかに浮管底部に沈降した水滴の挙動をデジタルカメラのき，そして沈み，再接触し静止状態となった。こ動画機能(640×480ピクセル，30フレーム/秒)をのことから，過冷却水滴は軽油中を沈降する間に用いて撮影記録した。管底部にはあらかじめ過冷却解除され，水滴表面が凍結固化していたも0.5ml程度の着色水滴を貯留した。のと考えられる。なお，実験後，軽油を除去して図７に結果を示す。軽油及び水滴の温度は13℃，水滴は0.04mlで，水滴が管底に達するま管底の氷を剥離したが，氷面とその後に滴下した水滴とは容易に剥離した。

でに13秒を要した。画像の上に経過時間を示す。
管底の液面に到達した後，その液面上に浮いた状

４

まとめ態で静止した水滴は, 0.4秒後，突然，管底の液面冷却した疎水性液中(軽油)に水滴を滴下して球と一体化した。その後はその状態を保持した。

状の氷粒子を製造する実験を行った。本実験の範

３−２−２-9℃の軽油に17℃の水滴を滴下した

囲から，以下の知見が得られた。

場合

1)

過冷却した水滴を疎水性液中に滴下した場

図８は軽油の温度を-9℃とし，これに17℃の合，過冷却水滴は疎水性液中を沈降する間に過水滴を滴下した場合の写真データである。滴下し冷却解除され，その表面が凍結すると考えられた水滴が管底まで到達するまでに要する時間はる。

18秒であった。本画像より，水滴は管底の氷面

2)

一方，過冷却していない水滴を滴下した場合，に接触した後，右方向へ滑り落ちるように移動し水滴は液体のままで管底に達し，そこで凍結着た。このような滑落現象はこの画像のほかにも多氷すると考えられる。

く見受けられた。目視による観察では，管底に到

なお，本研究の内容については平成18年３月達した時点での水滴は凍結しておらず，液体の状15日に特許出願した１）。また，研究結果の一部に態であった。実験後，軽油を除去して管底の氷をついては平成18年３月17日に日本機械学会九州

剥離したが，氷面とその後に滴下した水滴とは強支部59期総会・講演会で発表した２）。

固に付着し一体化していた。
３−２−３-9℃の軽油に１℃の水滴を滴下した

５場合

１）宮崎県, 疎水性液中における球状氷粒子の製

図９は-9℃の軽油に１℃の氷水を滴下した場合

参考文献
造方法及び製造装置, 特願 2006-70150の写真データである。滴下した水滴が管底まで到

２）平，球状氷粒子の製造に関する研究(疎水性達するに要する時間は19秒程度であった。滴下液中の場合), 日本機械学会九州支部第59期総会

した水滴は管底の氷面上に次々と氷柱のように堆・講演会 No.0658-1, p.127〜p.128 (2006)

積した。目視観察によると，水滴は氷面上に接触した瞬間に凍結するようである。すなわち，水滴
69球状氷粒子の製造方法に関する研究(疎水性液中の場合)

0秒

0.4 秒

0.8 秒

0.83 秒0.86 秒

底面接触前

底面接触

静止状態

突然一体化

静止状態

軽油 13 ℃
水滴 13 ℃
水滴量0.04ml時間 13 秒
<0095h1>

図７ 実験結果（軽油温度13℃，水滴温度13℃の場合）
0秒

0.2 秒

0.4 秒

0.6 秒

0.8 秒

底面接触前

底面接触

右方向滑落開始

右方向へ滑落中

着氷・静止状態

軽油 -9 ℃
水滴 17 ℃
水滴量0.04ml
時間 18 秒
<0097c1>

図８ 実験結果（軽油温度-9℃，水滴温度17℃の場合）
0秒

0.2 秒

0.4 秒

0.6 秒

0.8 秒

氷面接触前

氷面接触前

氷面接触

着氷・静止状態

着氷・静止状態

軽油 -9 ℃
水滴 +1 ℃
水滴量0.04ml
時間 19 秒
<0098g1>

図９ 実験結果（軽油温度-9℃，水滴温度+1℃の場合）
0秒

0.1 秒

0.2 秒

0.3 秒

0.4 秒

氷面接触前

氷面接触

跳ね返り・浮上

沈降・再接触着氷・静止状態

軽油 -9 ℃
水滴 -9 ℃
水滴量0.04ml
時間 21 秒
<0096b1>

図10 実験結果（軽油温度-9℃，過冷却水滴温度-9℃の場合）
70