海洋深層水シャーベット状氷の製造、貯蔵の研究

高知工科大学

大学院

工学研究科 基盤工学専攻
1055056 服部 浩章

目次
第1章

緒論

1.1 本研究の目的

1

1.2 従来の研究

1

1.3 本論文の構成

2

第2章

海水シャーベット状氷の調査

2.1 緒言3

2.2 海水氷の特性

32.2.1 海水の冷却特性

32.3 海水氷の製造方法

42.4 結言4第3章

海水氷製氷装置の研究

3.1 緒言10

3.2 実験装置及び方法

10

3.2.1 実験装置

10(1)縦円筒型液膜流下式製氷機

10(2)横円筒型内部液攪拌式製氷機

10

3.2.2 実験方法

11

3.3 実験結果及び考察

11

3.4 結言11第4章

海水氷の物理的特性

4.1 緒言19

4.2 実験装置及び実験方法

194.2.1 シャーベット状氷の IPF 及び塩分濃度の測定法

194.2.2 固体状氷(粉粒体状)海水氷の融解特性19(1)実験装置及び測定方法

194.2.3 海水氷の時間的温度変化

20(1)実験装置

20(2)実験方法

20①状態の異なる海水氷の時間的温度変化

20②塩分濃度の異なったシャーベット状氷の時間的温度変化

204.2.4 貯蔵海水氷の上下部の塩分濃度変化

21

(1)実験装置及び実験方法
4.3 実験結果及び考察

21
21

4.3.1

固体状氷(粉津舞体状)海水氷の融解特性

21

4.3.2

海水氷の時間的温度変化

22(1)状態の異なる海水氷の時間的温度変化

22(2)塩分濃度の異なったシャーベット状氷の時間的温度変化

224.3.3 貯蔵海水氷の上下部の塩分濃度変化
4.4 結言第5章

2221

海水氷の貯蔵・排出実験

5.1 緒言32

5.2 実験装置及び方法

32

5.2.1 実験装置

32(1) 実験に用いた貯蔵タンク

32(2) パドル型、傾斜パドル型羽根32(3) 旋回棒式粉砕機

33

5.2.2 実験方法

33(1) パドル型、傾斜パドル型攪拌羽根を用いた場合の攪拌・排出実験

33(2) 旋回棒を用いた場合の排出実験

33

5.3 実験結果及び考察

34

5.3.1 パドル型、傾斜パドル型攪拌羽根を用いた場合の攪拌・排出実験

345.3.2 旋回棒を用いた場合の排出実験

35

5.4 結言

36

結論

39

参考文献

41

謝辞

42

第6章

第1章

諸論

1.1 本研究の目的
海洋深層水は低温、清浄、富栄養などの多くの特徴を持っており、いろいろな産業分野で活用されてきている。特に、低温であるということは、火力発電、冷房、冷蔵、冷凍などに利用するにあたり、省エネルギー化が期待される。また、海洋深層水が海水であることを最大限に活用する方法として、海洋深層水で氷を製造し、これを長時間にわたり安定した状態で貯蔵し、使用する技術が確立されれば、海産物、特に魚の鮮度保持のために極めて有益であると考えられる。さらに、海水氷をシャーベット状にすると、魚体に傷が付きにくく、塊氷に比べ魚と氷との接触面積が大きくなり、魚を急速に冷やすことができる。
このような観点から、本研究では、次の二つの研究テーマをとりあげる。
(1) 海洋深層水で魚の鮮度保持のために最適なシャーベット状氷を製造する製氷機の研究。
(2) 製造したシャーベット状氷を貯蔵し、製氷時の状態を長時間保持させ、円滑に排出させる方法と、その装置についての研究。
1.2 従来の研究
魚の獲得時から市場までの鮮度保持は、その後の魚の鮮度を左右する非常に重要な部分である。しかし、現在一般に用いられている漁獲時点(船上)の鮮度保持は、船倉内の海水に真水氷を大量に入れ、その中に魚を投入して魚を冷却する方法であるが、さまざまな問
題を抱えている。この方法では船倉内の海水を冷却するために大量の氷を必要とするうえ、
真水氷が溶けることによって海水の塩分濃度が低下し、魚の表面が変色・色落ちしてしまう。また、魚の目が白く濁ってしまうという問題点がある。そこで、魚の捕獲時点からの鮮度保持向上効果を狙いとして、船上において真水氷の代わりに海水氷を用いれば、真水
氷を船倉へ投入して海水を冷却する場合に比べて塩分濃度の変化はほとんど無い。また、
海水の氷点が真水の氷点よりも低いので、より一層低温状態を保持することができ、魚を捕獲直後に絞めて失心状態または急死させることができ、長時間鮮度を保持することができる。このように魚の鮮度保持のためには、海水氷が非常に適していると思われる。特に、海洋深層水を用いれば、表層海水に比べて低温なので製氷にあたり省エネルギー化ができ、また、清浄なので、細菌が少なく、衛生的にも良好な氷が製造できる。さらに、氷をシャーベット状にすると魚体に傷が付きにくく、塊の氷に比べて魚の表面に対する接触面積が大きくなり、鮮度保持効果が増加すると言われている。次に魚を陸揚げした後、氷と一緒に発泡スチロールなどの箱に入れて保存または、車で消費地まで輸送する場合の鮮度保持についても現在は、発泡スチロールの箱に入れた魚の上にかち割り氷をスコップでばら撒
き、海水をホースで振り掛ける。箱の底の四隅には穴が開いており、海水はそこから流れ出てしまう。きびなごなどの小さい魚になると、箱に詰め、運搬時までそのまま積み重ねられている。船内で鮮度が保たれていても、水揚げ後の魚を均一に冷やすことができず、鮮度が著しく落ちてしまう。使用する氷が、流動性の高いシャーベット状氷であれば、ホ1

ースでそのままシャーベット状氷を発泡スチロールの箱に撒く事が出来る。さらに、魚の大小を問わず、魚を均一に冷却でき鮮度を長時間保つことが出来る。
しかし、このような海洋深層水シャーベット状氷についての研究はまだ緒についたばかりであり、ほとんど文献がないのが現状である(1)(2)。しかし、シャーベット状氷の研究のうち製造技術の研究開発については最近かなり盛んに行われるようになってきた。魚の鮮度保持についてもわずかに研究成果が報告されている(1)(3)。一方、シャーベット状氷の基本的な物理的特性については、研究がほとんど見られない。ので、シャーベット状氷の貯蔵技
術についての知見は皆無に近い状況である。
1.3 本論文の構成
本論文では、前半部分で海水氷の特性、製氷装置に関する調査結果を述べる。また、本研究に使用する製氷装置の概要を示す。後半部分では、製氷実験機で製造したシャーベッ
ト状氷の特性を調べ、シャーベット状氷貯槽内でのシャーベット状氷の状態変化及び貯層からのシャーベット状氷の排出状態の実験結果及び考察結果を示す。
本論文は第 6 章から成る。まず第 1 章で本研究の背景や目的を述べ、第 2 章では、海水
氷の物理的特性や、製氷技術に関する調査結果を示す。第 3 章では、本研究に使用した縦型及び横型製氷装置や、製氷方法を説明し、それぞれの製氷機で製造された海水氷を示す。
次いで第 4 章では、縦型製氷機で製造したチップ状氷と横型製氷機で製造した粉雪状氷、
シャーベット状氷の物理的特性及びこれらを静置した場合に置ける温度、塩分濃度、性状の時間的変化状態を調べた結果について述べる。第 5 章ではシャーベット状氷を透明アクリル樹脂製の貯槽に充填し、排出状況について調べた結果について述べる。第 6 章ではこれらの結果を総括すると共に、今後の研究課題についても示す。

2

第2章

海水シャーベット状氷の調査

2.1 緒言魚の鮮度保持時に従来最も簡単に行われている方法は、魚を塊状の真水氷で冷却する方法である。通常、漁船が漁にでる際、大量の塊状の真水氷を船に積み､捕獲した魚を真水氷で冷却した海水に保存しながら漁港や魚市場まで輸送する。また、漁港、魚市場で水揚げされた魚は箱詰めされる。この場合には、箱詰した魚にかち割り氷をまぶし、その上から海水をかけるか、かち割氷をまぶさずに箱詰する。しかしながら、真水氷は溶けると真水であるため、時間の経過と共に海水の塩分が低下し、魚の鮮度が落ちる。そこで､もし氷に塩分が含まれていれば、海水氷であるため塩分の低下を防止することができる。また、海水氷の氷点は真水氷の氷点より低いため､より低温状態で保持することができる。さらに、
海洋深層水の温度は、年間を通じて 8〜10℃、表層海水は 16〜25℃あり、温度差が大きい。
したがって、少ない電力量で製氷することが可能である。そのうえ、海洋深層水は腐敗菌が少なく、衛生的にも良好な氷を製造する事ができる。そこで、海水氷の特性及び魚の鮮度保持に最適な海洋深層水シャーベット状氷の製造法について調査した。
2.2 海水氷の物理的特性
2.2.1 海水の冷却特性
水は氷点が 0℃であるため、0℃より低い状態では､完全な氷になっている。海水の場合
は､塩分の効果によって凝固点降下が起こり、-2℃から凍り始めるが、実際にできる氷は真水の氷である。氷の結晶には塩分は入り込めない。そのため、真水氷が出来るほど海水の塩分濃度は濃くなり、真水氷と濃縮海水の混合状態になる。真水氷の割合が少ない状態での、この混合物はシャーベット状氷であり、流動性を持っている。温度がさらに低くなり、真水氷の割合が多くなってくると、形状は保っているものの、弱い力で簡単に崩壊する、
半固体状の混合物になる。濃縮海水は塩分が高いため、凝固点降下が大きくなり、さらに温度を低くしないと凍らない。そこで、さらに温度が下がると、下がった分だけ真水氷が増え、濃縮海水の塩分濃度が高くなる。この繰り返しにより、-23℃で海水に含まれる塩分が水に溶けきれず NaCl･2H2O となり、析出しここで初めて、海水が完全に凍結し固体状態になる。実際に海洋深層水を冷却したときの､冷却温度を横軸に取り、氷の生成割合を縦軸に取って、海洋深層水の状態を表で表せば図 1 の通りになる。
シャーベット状氷は微細な真水氷が濃縮海水の中に浮いているような構造で、真水の氷が自由に動ける状態である。半固体状海水氷は、真水氷の結晶がある程度固結しあい、その結晶の隙間に濃縮海水が取り込まれたような構造になる。また、-23℃以下になれば真水
氷と NaCl･2H2O の混合物であるため、完全に固体となる。これを、固体状海水氷と呼ぶ。
図 2 にそれぞれの構造状態を示す(1)。

32.3 海水氷の製造法
シャーベット状海水氷の製造装置として実用化されているものはほとんど見られない。
しかし、考案または、実験開発中のものは多い。この製造方法をまとめれば表 1 のとお

(2)

りになる。
(1) スタティック氷製造方式
海水を容器に入れて、それを間接的に冷却し、塊状の氷をつくる方式である。この塊状の氷をシャーベット状にする方法として次のものが考えられる。
①

掻き氷法

②

粉砕法

(2) ダイナミック氷製造方式① 間接熱交換法(ⅰ)掻き取り法
円筒型の製氷板の外面に冷媒管を設置し、平滑な内面へ上部から海水を膜状に流し、この海水液膜が流下する間に凍結する。ここで生成した氷を回転羽根板によって掻き取る方法及び冷媒によって外部から冷却される円筒管の内壁面に出来る氷の層を羽根を持つオーガーと呼ばれるスクリュウーによって掻き取り、その氷を上方へ取り出す方法などがある。一例を図 3 に示す。
(ⅱ)熱媒剥離法(ハーベスト法)
冷媒によって冷却された平面状の製氷板を垂直、または傾斜させて設置し、製氷板の上部から海水を流し、製氷板上に氷を生成させる。生成した氷を製氷板上から剥離させるために、冷媒と熱媒を交互に流す方法である。一例を図 4 に示す。
(ⅲ)過冷却法
海水を氷点以下の温度領域(-2℃以下)まで過冷却し、この過冷却状態のある海水を機械的、または氷結晶を投入することによって、人工的に過冷却状態を破壊する方法である。一例を図 5 に示す。
② 直接熱交換法
海水と冷媒を直接混合し、氷を生成させて、氷と冷媒とを分離させる方法である。
2.4 結言シャーベット状海水氷の製造方法を比較すれば下記の通りである。
(1) スタティック氷製造方式：バッチ方式であり、最も単純な方法であるが、経済的でない。
(2) ①(ⅰ)掻き取り法、(2)①(ⅰ) 熱媒剥離法(ハーベスト法)：装置の運転操作が比較的容易であり、経済性もある。特に重力の作用を活用する縦円筒型液膜流下式掻き取り法が海水氷の製造に適していると考えられる。
(2)①ⅲ過冷却法：製氷操作のコントロールが複雑になる。

4

(2)②直接熱交換法：冷媒が水産物へ混入することによる人体への影響が懸念される。

5

1

氷の生成割合

0.8
0.6
0.4
0.2
0
0

-10

-20

-30

-40

温度/℃
図 1 海洋深層水を冷却したときの状態

真水氷
NaCl・2H2O

真水氷

濃縮深層水

シャーベット海水氷

半固体海水氷図 2 海水氷の構造

6

固体海水氷

表 1 製氷方の一例
分類

氷形状

型式名

製氷位置

製氷器材質

その他の特徴槽 内 管 外 表 鋼製コイル ・コイルタンクユ
面
槽内管表面

ニット
銅製コイル

スタティック型

アイスオンコイル型
透明固着水・直膨/ブライン
冷却槽 内 カ プ セ ポリエチレ ・ブライン冷却
ルン製チュー ・ヒートパイプ冷
却

ブ
槽内管表面

管内製氷型

鋼製パイプ

・ブライン冷却槽 内 カ プ セ ポリエチレ ・ブライン冷却
透明/不透明氷

カプセル型

ル

ン製チュー
ブ

製 氷 機 プ レ ステンレス ・脱塩モード
小片氷

ハーベスト型

ート表面

製プレート

・通常水
・砕氷機

円柱/キューブ氷

キューブアイス型

製氷機管内

鋼製コイル

・脱塩モード
・通常水

製氷機

鋼製

・回転掻き取り機

掻き取り型

構

ダイナミック型

・通常水
過冷却解除

過冷却型

−

板

・氷核除去装置
・通常水製 氷 機 プ レ ステンレス ・特殊溶液
スラリー状氷

ート表面

膜液流下型

製プレート

製 氷 コ イ ル ステンレス ・特殊溶液
内壁

製氷コイル内製 氷 コ イ ル 鋼製

蓄熱タンク

蓄熱タンク

7

・特殊溶液

内
製氷タンク

製氷タンク

製チューブ

鋼製

・密閉タンク−・特殊不凍液

深層水
製氷機
ポンプ

海水氷
原水槽

オーガー

冷媒

モータ−

図 3 掻き取り法

ポンプ

製氷板

海水氷

原水槽
ポンプ
排水
図 4 熱媒剥離法(ハーベスト法)
8

冷媒

過冷却器

ポンプ

製氷槽
深層水
ポンプ

原水槽
図 5 過冷却方式

9第3章

海水氷製造装置の研究

3.1 緒言第 2 章で述べたとおり、海水シャーベット状氷製造には多数の方法があり、しかも製造法によってそれぞれ性状の異なったシャーベット状氷ができると考えられる。本研究では、
真水氷の場合に従来から良く使われている縦円筒型液膜流下式製氷法と、著者らが考案した海洋深層水氷に適すると思われる横円筒型内部液攪拌式製氷法を用いて製造される氷の性状を比較した。
3.2 実験装置及び実験方法
3.2.1 実験装置
(１)縦円筒型液膜流下式製氷機
写真 1、写真 2 に実験用氷の製造に用いた縦円筒型液膜流下式製氷機及び実験用水槽を示す。図 6 に縦型円筒型液膜流下式製氷機の概略図を示す。
縦円筒型液膜流下式製氷機(以下縦型製氷機という)は、水槽内の海水をポンプで吸い上げ、散水皿(直径 230 ㎜)へと流し込む。流れ込んだ海水は、散水皿の周りにある散水管(長さ 100 ㎜)を通り、円筒内壁へ流れる。散水皿と掻き取り刃(横 95 ㎜、幅 20 ㎜、高さ 225㎜)(写真 3 に示す)は、シャフトで繋がっているため、シャフトを回すと同一軸上で回転する。これによって、海水を円筒内壁に液膜を形成させるように流す事が出来る。海水が円筒内壁を流下する間に、円筒外壁部を流れる冷媒によって冷却され、水分が凝固し氷が出来る。出来た氷は、掻取り刃で掻き落とされ、シュートによって集められ貯倉庫に溜まる。
(２) 横円筒型内部液攪拌式製氷機
写真 4、写真 5 に横円筒型内部液攪拌式製氷機(以下横型製氷機という)とその給水口を示す。図 7 に横型製氷機の概略図を示す。
横円筒型内部液攪拌式製氷機では、円筒内(直径 240 ㎜、奥行き 440 ㎜)に海水を円筒内
空間の約 70％まで充填し、円筒外壁部を流れる冷媒によって円筒内壁面を冷却する。円筒内の海水は、円筒内に設置されたリボンスクリュー羽根(ピッチ 324 ㎜、リボン有効長さ
405 ㎜、

直径 230 ㎜、リボンの幅 25 ㎜)(写真 6 に示す)式の攪拌機で攪拌される。円筒

内壁に凝固し始めた氷の結晶をリボンスクリュー羽根に取り付けた掻き取り刃(横 32 ㎜、
幅 10 ㎜、高さ 210 ㎜)(写真 7 に示す)によって随時掻き取るようにし、氷の成長を防ぐよ
うにしてある。掻き取り刃は、スプリングの力によって常に円筒内壁に接触するようになっている。装置運転開始から円筒内の海水の温度が下がっていき、氷の粒子が増え、シャーベット状の氷が出来る。
図 8 には、上記二つの製氷機に用いた冷凍装置のフローの概要を示す(4)(5)。

10

3.2.2 実験方法
海洋深層水(原水の塩分濃度 3.3%)を海洋深層水の脱塩水で薄めた塩分濃度 2.2%、1.1%の液を用いて、縦型製氷機で製造したチップ状氷と、横型製氷機で製造した粉雪状氷を、
プラスチック製容器(横 300mm、幅 150mm、深さ 100mm)に入れ、海水氷の状態と、時間的状態変化を観察した。
3.3 実験結果及び考察
縦型製氷機で製造したチップ状氷を積んでおくと、時間が経過し氷が溶けていくにつれて、塩分を含む液体が下方へ移動し、上部は次第に淡水氷に、下部は塩分濃度の高い海水氷になっていく。また、塩分濃度の高い場合ほど、上部の氷が時間が経過するとともに硬くなった。氷が溶けて水がたまり始めた下部は、チップ状が崩れ、粒の粗いシャーベット
状氷となった。
横型製氷機で製造した粉雪状氷は粒径が非常に小さく、水っ気を感じない。粉雪状氷は時間の経過と共にシャーベット状氷の状態となった。さらに、時間が経過し氷が溶けてい
くにつれて、塩分を含む液体が下方へ移動するが、その移動速度は比較的に小さく、氷の軟らかさはいつまでも保持された。塩分濃度が高い氷ほど軟らかく、低温保持時間が長かった。また、水道水でシャーベット状氷を製造することを試みたが、氷が固まりやすく、製造が困難であった。このように製氷機の違いにより、また、塩分濃度の違いによって、製造せれる氷の性状が著しく異なることが明らかになった。
縦型製氷機と横型製氷機で製造した塩分濃度別の海水氷の状態を時間の経過と共に、写真
8~10 に示す。
3.4 結言塩分が含まれた水を用い、縦型製氷機と横型製氷機で海水氷を製造した結果、製氷機や塩分濃度が異なることによって異なったシャーベット状氷が製造されることが分かった。
本実験によって、シャーベット状氷の基本的に重要な幾つかの知見を得ることができた。
今後は、これらを基により一層定量的で、精度の高い実験研究を行いたい。

11

写真 1 縦円筒型液膜流下式製氷機

写真 2 水槽(縦型製氷機)モーター
散水管 散水皿
刃

散水皿

給水管

モーター

冷媒管

1690

640

670

水槽

水槽

ポンプ
ポンプ

給水管

刃

散水管

640

側面図

正面図
図 6 縦円筒型液膜流下式製氷機(縦型製氷機)12

単位：㎜

写真 3 掻き取り刃

写真 4 横円筒型内部液攪拌式製氷機

写真 5 給水口(横型製氷機)

13

440

給水口
冷媒

冷媒

240

円筒内壁

排出口
掻き取り刃

冷媒
リボンスクリュー羽根

側面図

正面図

単位：㎜

図 7 横円筒内部液攪拌式製氷機(横型製氷機)

写真 6 リボンスクリュー羽根

写真 7 掻き取り刃

14

レシーバ･タンク(ガスR−20 フロン)1.

乾燥剤(ドライヤー)：おもに、水分の除去、オイルの除去作業。

2.

電磁弁：ガスの ON・OFF を決める。

3.

膨張弁(エクスパンションバルブ)：ここで冷媒の温度を下げる。

4.

装置（蒸発機）5.

実験対象の水を入れる水槽。

6.

アキュムレータ：熱交換が悪く、液体の状態でかえってきた場合に再度ここで気体
にする。

7.

圧縮機

8.

高温高圧ガスを高温低圧ガスに変えて装置内の温度を上げる。
(＊装置内の温度を上げる時のみに使用)

9.

凝縮器
①

高温高圧ガス②

低温高圧の液体③

低温高圧の液体④

低温高圧ガス（装置の中で⑤になる）⑤

低温低圧ガス
図 8 冷媒流れ、冷凍機の概要

15

(a) 海洋深層水氷塩分濃度 1％(b) 海洋深層水氷塩分濃度 2％(c) 海洋深層水氷塩分濃度 3％
縦型製氷機で製造したチップ状氷

横型製氷機で製造した粉雪状氷

写真 8 装置別及び濃度別氷の製造後の状態

16

(a) 海洋深層水氷塩分濃度 1％(b) 海洋深層水氷塩分濃度 2％(c) 海洋深層水氷塩分濃度 3％
縦型製氷機で製造したチップ状氷

横型製氷機で製造した粉雪状氷

写真 9 装置別及び濃度別氷の 3 時間後の状態

17

(a) 海洋深層水氷塩分濃度１％(b) 海洋深層水氷塩分濃度 2％(c) 海洋深層水氷塩分濃度 3％
縦型製氷機で製造したチップ状氷

横型製氷機で製造した粉雪状氷

写真 10 装置別及び濃度別氷の 6 時間後の状態

18

第4章

海水氷の物理的特性

4.1 緒言海水氷を長時間貯蔵し、円滑に排出することができ、しかも魚の鮮度保持に適している
ような海水氷研究するために海水氷の物理的特性に関する実験研究を行った。実験は、横型製氷機で粉雪状、シャーベット状氷、縦型製氷機で製造したチップ状氷を用いて、海水氷を貯蔵した場合の温度変化、状態変化を経過時間と共に記録し比較する方法で行った。
また、使用する深層水の塩分濃度を 1.1、2.2、3.3%に変え、塩分濃度の違いによる状態変化も比較した。
4.2 実験装置及び実験方法
4.2.1 シャーベット状氷の IPF 及び塩分濃度の測定法
この実験には、縦型製氷機で製造したチップ状氷、横型製氷機で製造した粉雪状、IPF(IcePacking Factor)40%のシャーベット状氷(以下シャーベット状氷と示す)を使用する。海洋
深層水(原水)の塩分濃度は 3.3%であり、この原水に海洋深層水の脱塩水を加えることによって、塩分濃度を 2.2、1.1%と調節し、実験に使用する。塩分濃度は、水温によって大きく変化するので、測定する液体を容器に入れ蓋をし、20℃までもどして測定する。塩分濃度の測定には、株式会社アタゴ製のデジタル塩分計(写真 11 参照)、温度の測定には、佐藤計量製防水型デジタル温度計(写真 12 参照)を用いた。
IPF とは、シャーベット状氷中にある、氷の体積割合である。IPF の測定は熱量計算によって求めることができ、下記に簡単な手順を示す。
１．定をするシャーベット状氷を 500g ほど用意し、シャーベット状氷の温度と、全体の重さを量る。
２．別の容器にシャーベット状氷より少し多めのお湯(60℃ぐらい)を用意し、お湯の温度を測る。
３．１に、2 を加え軽くかき混ぜながらシャーベット状氷をすべて溶かす。氷が溶けきった時の水の温度と、加えたお湯の量を量る。
４．シャーベット状氷の氷だけの量をＸとおき、熱量計算で求めることができる。
4.2.2 固体状氷(粉粒体状)海水氷の融解特性(1)実験装置及び測定方法
海水氷を容量 500ml のガラス製ビーカーに入れ、製氷方法、塩分濃度の違いによって海
水氷の溶け方に変化が見られるかどうかを観察して調べた。
実験に用いた海水氷を表 2 に示す。実験①と②では、ビーカー内氷充填量と塩分濃度を同一にし、海水氷の違いによる時間的状態変化の比較を行い、実験①と②の比較で、塩分濃度の異なる海水氷の時間的状態変化の比較を行う。実験③では、塩分濃度 1.1、2.2、3.3%と変えたシャーベット状氷を用いて、塩分濃度の異なったシャーベット状氷の時間的状態19変化の比較を行う。
測定時間については、1 時間毎にビーカー側面の写真を撮り、氷の状態観察を行う。実験開始から 3 時間で実験終了とする。外気温が実験に影響する恐れがあるので、実験室内の温度を 20℃一定とした。
表 2 実験に使用した氷の種類
実験

ビーカー充填量

①
②

320g

塩分濃度

海水氷

1.1

チップ状氷

粉雪状氷

シャーベット状氷

3.3

チップ状氷

粉雪状氷

シャーベット状氷

1.1
③

500g

シャーベット状氷

2.2
3.3

4.2.3 海水氷の時間的温度変化(1)実験装置
写真 13 に実験に使用した装置を示し、図 9 に装置の概略を示す。容量 10L の発泡クー
ラー(横 380 ㎜、幅 220 ㎜、高さ 195 ㎜、厚さ 22 ㎜)の側面に測温抵抗体を取り付けた。
また、発泡スチロール製クーラー内部の観察ができるように、側面の一部を幅 20 ㎜高さ
140 ㎜切り取り、アクリル板を貼り付けた。内部の観察を行わない時は、切り取った大きさと同じ大きさの発泡スチロールで蓋をした。
塩分濃度 3.3%のチップ状氷、粉雪状氷、シャーベット状氷の時間的温度変化の測定では、
測温抵抗体を発泡スチロール製クーラーの底から 30 ㎜の部分に取り付けた。塩分濃度を3.3%、2.2%、1.1%と異なるシャーベット状氷の時間的温度変化の測定では、測温抵抗体の位置を、発泡クーラーの底から 20 ㎜、100 ㎜の部分に取り付けた発泡スチロール製クーラーを使用した。
(2)実験方法①状態の異なる海水氷の時間的温度変化
チップ状氷と、粉雪状氷、シャーベット状氷を使用した。それぞれの海水氷を発泡スチ
ロール製クーラーの中に 3kg 入れ、蓋をし、測定を開始する。測定時間は、実験開始から
30 時間までとし、6 時間毎に発泡クーラー内の状態を観察する。外気温による影響を避けるため、実験を行った室内の温度を 20℃一定とした。
②塩分濃度の異なったシャーベット状氷の時間的温度変化
塩分濃度 1.1、2.2、3.3%のシャーベット状氷を使用する。それぞれのシャーベット状氷を発泡スチロール製クーラー内に 7kg 入れる。測定時間は 60 時間とし、20 時間毎に発泡
スチロール製クーラー内の状態を観察する。

20

4.2.4 貯蔵海水氷の上下部の塩分濃度変化(1)実験装置及び実験方法
海水氷を長時間保存する場合、塩分濃度が均一に保たれていることが望ましい。そこで、塩分濃度 2.2%の海洋深層水を使用し、チップ状氷、粉雪状氷、シャーベット状氷 3 種類
を 1000ml のガラス製ビーカーに入れ上部と下部の塩分濃度を計測した。それぞれの海水
氷を 5 個のガラス製のビーカーに 500g ずつ入れ、低温保持庫内で保存する。1 時間毎に低温保持庫内で保存した海水氷を入れたビーカーを取り出し、上部、下部を薬さじを用いて、別のガラス製ビーカーに取り出す。取り出す部分は、表層から 10 ㎜、底部から 10㎜の海水氷である。図 10 に海水氷サンプリング位置を示す。ガラス製ビーカーに移した
海水氷は、完全に溶け、水温が常温になるまで蓋をし、放置しておく。その後、ガラス製
ビーカー内の液体をよく混ぜ、スポイドで取り、塩分濃度を測定した。塩分濃度 2.2%の凝固点降下の影響を考え、低温保持庫内の温度は-2.5℃とした。
4.3 実験結果及び考察
4.3.1 固体状氷(粉粒体状)とシャーベット状氷の融解特性
写真 14 に実験①の結果を、写真 15 に実験②の結果を示す。塩分濃度が 1.1、3.3%と異なっても融解速度はシャーベット状、粉雪状、チップ状氷の順であった。また、粉雪状、チップ状氷は空気に直接接触している面積が大きいため、融解し易く、時間の経過とともに氷表面が硬い透明な氷となった。これは、氷の表面の塩分が流れ落ち、残った氷の粒と水分による再凝固現象であると考えられる。しかし、シャーベット状氷は時間が経過すると共に一つの塊になるが、触ると崩れてしまい硬い塊にはならなかった。シャーベット状
氷が硬い塊にならなかったのは、水分が氷の粒子と粒子の入っていたためだと考えられる。
水分が含まれていれば、融解時でも、粒子間に距離が保たれるために硬い塊にならない。
上記のことから、海水氷の再凝固は、氷が空気に直接接触しているため起こるので、氷粒子の周りに水分があることで防止できる。シャーベット状氷を長時間保存には、氷上面と水位の高さを同じにし、氷全体が水に浸っている状態が良いと考えられる。実験①と②を比較すると、塩分濃度 3.3%の海水氷の方が融解時間が早い。写真 16 に塩分濃度 1.1、2.2、3.3%と異なったシャーベット状氷の時間的状態変化を示す。融解時間は実験①、②の比較
同様 3.3→2.2→1.1%の順に長くなった。氷の溶け方には変化が見られず、実験開始から
180 分後ビーカーに残った氷を触ると、直ぐに崩れてしまった。塩分濃度が低くなるほど氷の粒に粗さを感じた。この氷の粗さは、同じ量の海水氷をビーカーに充填しても、塩分濃度が低い海水氷の方が体積が大きくなることから、氷融解時に氷の粒が大きくなったのではなく、氷製氷時に塩分濃度の違いによって氷粒子の大きさが異なっているのではないかと考えられる。

21

4.3.2 海水氷の時間的温度変化(1)状態の異なる海水氷の時間的温度変化
3kg ずつ発泡スチロール製クーラーに入れた、塩分濃度 3.3%の粉雪状氷、チップ状氷、
シャーベット状氷の時間的温度変化を図 11 に示す。この図は、縦軸に温度(℃)、横軸に経過時間(min)をとり、それぞれの海水氷の温度をパラメータとしている。図 11 より、塩分濃度が同じ海水氷であれば、氷の状態が異なっても一定の温度を保持することが分かる。
シャーベット状氷は、チップ状、粉雪状氷より約 12 時間早く氷の温度が 0℃を超えている。
シャーベット状氷の融解時間がチップ状、粉雪状氷より短いのは、シャーベット状氷中の氷粒子は、水分で覆われているために、熱が奪われ早く溶けたと考えられる。さらに、融解特性の実験結果で述べたように、シャーベット状氷は氷粒子同士の再凝固が起こらない
が、チップ状、粉雪状氷の粒子同士の再凝固が融解時間に影響を及ぼしているのではないか、そして、チップ状氷の方が粉雪状氷に比べ、融解時間が長いのは、チップ状氷の方が氷の粒が大きく粒子の比表面積が小さいためだと考えられる。保存する 3 種類の海水氷の量をさらに増やすと、チップ状、粉雪状氷とシャーベット状氷の融解時間は、再凝固の影響を受け、差が広がると考えられる。
(2)塩分濃度の異なったシャーベット状氷の時間的温度変化
7kg ずつ発泡クーラーに入れた塩分濃度 1.1、2.2、3.3%のシャーベット状氷の時間的温度変化を図 12 に示す。この図は、縦軸に温度(℃)、横軸に経過時間(min)をとり、それぞれの海水氷の塩分濃度をパラメータとしている。凝固点降下が起こり、塩分濃度が高くなるほど低温を保持しているが、融解時間が早くなった。真水氷はゆっくり溶ける性質を持っているため、氷が溶け始めてから全部溶けてしまうまでの間、ずっと 0 度を保った状態になる。そこに、塩分を加えると融解時間が短くなる。写真 11〜15 の実験結果から、塩分には氷が溶けるスピードを速くするという性質があり、氷は周りの温度をどんどん下げ、
海水氷の温度は 0 度よりも低くなってしまうと考えられる。
4.3.3 貯槽海水氷の上下部の塩分濃度変化
粉雪状、チップ状、シャーベット状氷の時間的塩分濃度の変化の関係を図 13、14、15に示す。これらの図では、縦軸に塩分濃度(%)、横軸に経過時間(min)をとり、それぞれの塩分濃度をパラメータとしている。時間に対する塩分濃度の差を個別に見ると変化は大きく見られないが、シャーベット状→チップ状→粉雪状氷の順に比較すれば、塩分濃度の時間的変化は小→大となる。これは、チップ状氷が粉雪状氷に比べ、粒径が大きく比表面積が小さいので、氷が溶け難く氷中に塩分が保存されるため、塩分濃度の変化が少なくなると考えられる。そして、塩分濃度の時間的変化が一番小さいシャーベット状氷については、
氷粒子の粒径が小さく比表面積が大きく、氷が溶けやすいにも関わらず塩分濃度が保持されている。これは、氷の粒子が非常に小さく、毛細管現象が生じて濃縮海水が氷の層から

22

分離しにくいためである。
ビーカーの上部と下部を比べると、下部の塩分濃度が高いことが分かる。これは、低温保持庫の設定温度が-2.5℃では、塩分(NaCl)は凍らずに液体として下部に沈降するために、下部の塩分濃度が高くなることによると考えられる。
また、各時間でのそれぞれの氷の上部と下部の塩分濃度差をとった関係を図 16 に示す。
この図は縦軸に塩分濃度(%)、横軸に経過時間(min)をとっている。この図からシャーベッ
ト状氷の塩分濃度差が一番小さいことが分かる。このことから、長時間の塩分濃度保持のためには海水氷をシャーベット状にすることが望ましいと考えられる。
4.4 結言海水氷を製造する装置、使用する海水の塩分濃度などを変え実験を行った結果次のことが分かった。
(1)シャーベット状氷は、チップ状、粉雪状氷に比べ融解時間が短いが、塩分を氷粒子間に保持することに優れている。
(2)塩分濃度を高くすると氷の温度が低くなるが、融解時間が短くなる。
(3)水分が氷の粒子間に入っていると氷融解時でも粒子間に距離が保たれ、硬い氷の塊にならない。
(4)塩分濃度が高くなると製造される氷粒子は細かくなる。
(5)シャーベット状氷が硬い塊にならないことから、流動性を保持できる。
以上のことから、海水氷の長時間貯蔵には、氷粒子の細かいシャーベット状氷が適していると考えられる。シャーベット状氷を用いて、実際に貯蔵タンクを製作し、の貯蔵・排出の実験を次の章で述べる。

23

写真 11 デジタル塩分計

写真 12 防水型デジタル温度計

正面上面
写真 13 発泡スチロール製クーラー

380
蓋

観察窓

195

測温抵抗体

220
アクリル板

アクリル板

測温抵抗体

発泡スチロールの箱

断面図

上面図

図 9 発泡スチロール製クーラー

24

単位：㎜

表層部
10㎜

採取、測定

10㎜

底部
図 10

1000ml ビーカーに 500g ずつ入れた海水氷の採取、塩分濃度測定位置

25

測定開始

30分後

60分後

90分後

シャーベット状氷

チップ状氷

粉雪状氷

写真 14 320g 入れた塩分濃度 1.1%のシャーベット状氷、チップ状氷、粉雪状氷の時間的状態変化

26

測定開始

60分後

120分後

180分後

シャーベット状氷

チップ状氷

粉雪状氷

写真 15 320g 入れた塩分濃度 3.3%のシャーベット状、チップ状、粉雪状氷の時間的状態変化

27

測定開始

60分後

120分後

180分後

塩分濃度

1.1%

2.2%

写真 16 500g 入れた塩分濃度の異なる
シャーベット状氷の時間的状態変化

28

3.3%

図 11

発泡スチロール製クーラーに塩分濃度 3.3%で製造したシャーベット状、粉雪状、チップ状氷をそれぞれ 3kg 入れた場合の時間的温度変化

図 12 発泡スチロール製クーラーに塩分濃度 1.1、2.2、3.3%のシャーベット状氷をそれぞれ 7kg 入れた場合の時間的温度変化

29

3.5
3

塩分濃度(%)

2.5
2
1.5
1

上部
下部

0.5
0
0

60

120
時間(min)180240

図 13 粉雪状氷の塩分濃度変化
3

塩分濃度(%)

2.5
2
1.5
1

上部
下部

0.5
0
0

60

120
時間(min)180

240

図 14 チップ状氷の塩分濃度変化

3.5

塩分濃度(%)

3
2.5
2
1.5
1

上部
下部

0.5
0
0

60

120
時間(min)180

図 15 シャーベット状氷の塩分濃度変化

30

240

1.4
粉雪状氷

塩分濃度(%)

1.2

チップ状氷
シャーベット状氷

1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0

60

120
時間(min)180

図 16 粉雪状、チップ状、シャーベット状氷上下部の塩分濃度差

31

240

第5章

海水氷の貯蔵・排出実験

5.1 緒言先に行ったビーカー実験でシャーベット状氷は時間が経過すると共にいくつかの塊になってしまうことが分かった。この塊は、軽く圧縮すれば崩れ、再びシャーベット状態に戻るが、この塊を崩さずに排出すれば排出管、またはポンプ入口で詰まる恐れがある。これを防止するためには、貯槽内のシャーベット状氷中の塊を破砕する必要がある。そこで、多数の棒を付けた回転式破砕機及びポンプを用いて貯槽内のシャーベット状氷の循環させる循環装置を付設した貯槽の模型を製作してシャーベット状氷の排出実験を行った。4 種類の攪拌羽根を製作して攪拌実験を行い(6)(7)、シャーベット状氷の攪拌に適した攪拌方法を調べた。
5.2 実験装置及び方法
5.2.1 実験装置
(1) 実験に用いた貯槽写真 17 実験に用いたシャーベット状氷貯槽模型の写真、図 17 に、この貯槽の概要を示す。
貯槽としては、透明アクリル樹脂製で(直径 600 ㎜、高さ 800 ㎜、厚さ 8 ㎜、最大容量 170ℓ)のものを用いた。破砕機または攪拌機の軸を回転させるためのモーター(60Hz:90rpm)を貯槽頂部中央に設置した。モーターはインバータで回転数を調節できようにした。破砕機または攪拌機の軸は、貯槽中心にくるよう設置した。モーターと軸は、フランジで繋ぐようにして、攪拌羽根の取り替えが、フランジを外し、軸ごと取り外すことによって、容易にできるようにした。貯槽内壁には、邪魔板(横 20 ㎜、幅 10 ㎜、高さ 700 ㎜)を 4 枚取り付けた。貯槽の底には、中心から 200 ㎜離れた位置に直径 50 ㎜の穴を同一線上に二つ設けた。ボールバルブを取り付けた管を片方の穴に取り付け、そのボールバルブを開閉させると、貯槽内のシャーベット状氷が自然排出できる。もう一方の穴は、管により貯槽頂部へ繋いでいる。管の途中には、自吸タービンポンプ(以後ポンプと示す)とボールバルブを取り付けた。ポンプによって吸い上げたシャーベット状氷は、ボールバルブを切り替えることによって、再び貯槽内へと循環させる場合と、シャーベット状氷を貯槽外部に排出させる場合に切り替えることができる。ポンプには排出量を調整できるように、インバータを取り付けた。
(2) パドル型、傾斜パドル型攪拌羽根実験に用いた、攪拌羽根を表３に示す。写真 18 にパドル型攪拌羽根、写真 19 に傾
斜パドル型攪拌羽根を示す。パドル型、傾斜パドル型攪拌羽根は、軸(径 35 ㎜、長さ700 ㎜)に 350 ㎜離し、同軸上で垂直に交わるように設置した。攪拌羽根取り付け例を
写真 20 に示す。

32

表 3 実験に使用した攪拌羽の種類
攪拌羽根の種類
パドル型
傾斜パドル型

水平面に対する

翼長(㎜)

長さ(㎜)

幅(㎜)

72.5

50

8

90

2

172.5

50

8

90

2

172.5

50

8

45

2

羽根の角度(°)

個数(3) 旋回棒式粉砕機
実験に用いた、旋回棒式粉砕機(以後旋回棒と示す)を写真 21 に示す。粉砕棒(径20 ㎜、長さ 220 ㎜)は、軸(径 35 ㎜、長さ 710 ㎜)に 80 ㎜間隔で上部から見て時計回りの方向に 45 度ずつずらし、8 本設置した。軸に取り付けた旋回棒を写真 22 に示す。
5.2.2 実験方法
(1) パドル型、傾斜パドル型攪拌羽根を用いた場合の攪拌・排出実験
塩分濃度 3.3%IPF 約 40%のシャーベット状氷を貯槽内に 170L 充填する。シャーベット
状氷充填後、貯槽内のシャーベット状氷攪拌方法を変え 5 分後、ボールバルブを排出に切り替え、ポンプでシャーベット状氷を排出させる。攪拌羽根を使用する実験ではシャーベ
ット状氷排出時も攪拌羽根を稼動させる。実験開始からシャーベット状氷排出終了までの間、貯槽内のシャーベット状氷の状態、排出状況を観察する。実験条件を表４に示す。攪
拌モーターは 90rpm で回す。
表4

実験条件

実験 No.

攪拌羽根による攪拌

ポンプによる循環

使用する羽根

①

有り

無し

小パドル

②

有り

無し

大パドル

③

有り

無し

傾斜パドル

④

無し

有り

−

⑤

有り

有り

大パドル

⑥

有り

有り

傾斜パドル

(2) 旋回棒を用いた場合の排出実験
塩分濃度 1.1、3.3%IPF 約 30、40％のシャーベット状氷を貯槽内に 170L 充填する。
シャーベット状氷充填後、旋回棒による攪拌と、ポンプによる循環を同時に 5 分間稼動させる。5 分後、両方を稼動させた状態でボールバルブを排出に切り替え、ポンプによってシャーベット状氷を排出させる。実験開始からシャーベット状氷排出終了までの間、

33

貯槽内のシャーベット状氷の状態、排出状況を観察する。また、塩分濃度 3.3%IPF 約
30、40％のシャーベット状氷を用い、ポンプの入口口径/出口口径(㎜)が 25/20 を 50/50に変えて同上の実験を行った。実験条件を表 5 に示す。
表 5 旋回棒を用いた場合の排出条件
実験 No使用したポンプ(㎜)IPF(%)

塩分濃度(%)

①

25/20

約 40

3.3

②

25/20

約 40

1.1

③

25/20

約 30

3.3

④

25/20

約 30

1.1

⑤

50/50

約 40

3.3

⑥

50/50

約 30

3.3

5.3 実験結果及び考察
5.3.1 パドル型、傾斜パドル型攪拌羽根を用いた場合の攪拌・排出実験
下記に実験結果を示す。
①

攪拌羽根は回転するが、羽根の部分だけ空洞ができてしまい空回りしてしまう。これは、氷粒子が非常に細かく、氷粒子の周りに液体があるため、隣り合う粒子同士を液が結び付け(液架橋)それが全域に渡り、その拘束力で流動化が停止したためであると考えられる(8)。攪拌状況は見られず、ポンプ排出を行っても多少氷の混ざった液体が排出され、貯槽内のシャーベット状氷は、粉雪状になってしまった。

②

攪拌羽根が回転せず、止まってしまった。ポンプ排出も、実験①の結果と変わらなかった。

③

攪拌羽根は回転したが、速度はゆっくりで一定の速度で回らない。これは、貯槽内にシャーベット状氷を充填する際、同じ場所から充填するので、貯槽内の氷の密度が部分的に片寄っていることと、パドルにかかる抵抗が大きいことが原因だと考えられる。

④

ポンプ運転開始直後、時間の経過と共に貯槽内は氷の層と、水の層に分離してしまい、水の中に氷の粒が舞っているような状態で循環することが分かった。排出すると、水(濃縮海水)が勢いよく出て、その中に氷の粒が確認できたが、非常に少ない。水の層が流れでてしまうとすぐに氷が詰まってしまった。

⑤

上記の実験とは違い、貯槽内にゆっくりだが、流れを見ることができ、氷の上面が平らになった。しかし、直ぐに邪魔板の厚さぶん、内壁に氷の層ができ、貯槽内が均一になっていることが、確認できなかった。シャーベット状氷の粘土が大きいため、内壁部分の流動状態が悪く、壁面に対して氷が貼りついたと考えられる。この状態で排出させると、80L ほど排出できたが、排出後の IPF は 26%となった。

34

⑥

貯槽内の状態、排出量、IPF 共に条件⑤の場合とほぼ変わらなかった。

6 条件の実験結果より、貯槽内に充填したシャーベット状氷の氷と水の分離を抑え、貯槽内に貯蔵した際の IPF を保ったまま排出するには、攪拌モーターによるタンク内の攪拌と、ポンプによる循環が必要であることが分かった。しかし、実験に用いた 2 種類のパドル型
では、パドルが設置されていない部分は攪拌されていないと思われる。特に、排出時に貯槽内のシャーベット状氷上面がパドル間まで下がると、パドル間のシャーベット状氷は攪拌されない。それを防ぐためにパドルの数を増やすと、抵抗が大きくなり、攪拌モーターが止まってしまうと考えられる。実際に今回の実験でも攪拌モーターが一定の速度で回らず、場合によっては止まってしまうことがあった。排出したシャーベット状氷の IPF が、貯槽充填時の IPF に比べ著しく下がっていることから、パドル型で貯槽内のシャーベット
状氷を均一にすることは難しい。
5.3.2 旋回棒を用いた場合の排出実験
下記に実験結果を示す。
① ポンプと旋回棒の同時稼動により、貯槽内のシャーベット状氷が約 3kg しか貯槽内に残らなかった。排出後の IPF は 30.3％となった。
② 塩分濃度 1.1%シャーベット状氷は、旋回棒での攪拌はできたが、ポンプで循環することができなかった。貯槽内壁に氷の付着は見られず、氷の粒子が流れていることが確認できたにもかかわらず、ポンプ循環ができないことから、塩分濃度 1.1%のシャーベ
ット状氷の粗い粒子が、ポンプ内で詰まったと考えられる。さらに、貯槽内のシャー
ベット状氷は、上層部に近づくほど氷の密度が高くなっていることが観察できた。このことから、旋回棒のみで攪拌は、貯槽内に流れを作ることはできるが、シャーベッ
ト状氷を均一にすることができない。
③ ①の実験に比べ、貯槽内のシャーベット状氷はほとんど排出された。排出時間も短かったが、IPF は 23.3%と、10％下がった。
④ IPF40%の状態に比べ IPF30％は、流動性が高いはずだがポンプ循環ができなかった。
⑤ 氷と水とが良く混合された状態で排出できた。
⑥ 貯槽内のシャーベット状氷は完全に排出された。排出後のシャーベット状氷の IPF は、
2.77％と貯槽内充填時の IPF と変わらない値となった。
パドル型、傾斜パドル型を用いた場合の排出実験の結果と比較すると、攪拌羽根を用いる
方式は、羽根の抵抗が大きすぎるため、シャーベット状氷の攪拌には、適していないと考えられる。攪拌羽根が棒状であると、シャーベット状氷中でも受ける抵抗が少なくなる。
そのため、抵抗によってモーターが止まることが無くなり、攪拌の不十分な場所に粉砕棒を増設することができる。これにより、貯槽内のシャーベット状氷の高さが変化しても、

35

十分に攪拌させることができる。しかし、塩分濃度 1.1%のシャーベット状氷は、IPF を変えて実験を行ってもポンプ循環ができなかったため、低い塩分濃度のシャーベット状氷排出方法を調べる必要がある。
5.4 結言シャーベット状氷の性質の一つである、長時間の静止状態によって起こる、氷粒子同士の集合を防ぎ、長時間の貯蔵及び排出方法を見出すための実験を行い、次のことが分かった。
(1) 旋回棒による攪拌が最も効果が高かく、パドル型による攪拌は効果が低かった。
(2) 均一なシャーベット状氷の排出には、攪拌羽根による攪拌方法と、ポンプによる循環方法の両方が必要。
(3) シャーベット状氷の排出は、塩分濃度が高いシャーベット状氷が容易に排出できる。
(4) シャーベット状氷の循環・排出に適したポンプの選定が必要である。
(5) 現状態での攪拌羽根、循環ポンプの回転数では、IPF の維持が難しい。
これらの結果から、貯蔵し、氷と水が良く混合したシャーベット状氷の排出には、攪拌
羽根による攪拌と、ポンプ循環が必要である。その攪拌に適した羽根は、攪拌羽根にかかる抵抗が小さく、貯槽内のシャーベット状氷を斑無くかき回すことができる羽根が理想的だと考えられる。さらに、貯槽、邪魔板の形状及び攪拌羽根・ポンプの回転数の実験調査が必要である。

36

写真 17 シャーベット状氷貯槽

モーター

ボールバルブ

邪魔板

600

ボールバルブ邪魔板

ポンプ排出口

800

ポンプ

ポンプ
旋回棒

側面図

ポンプ循環排出口上面図
図 17 シャーベット状氷貯槽

翼長 72.5 ㎜のパドル型攪拌羽根

翼長 172.5 ㎜のパドル型攪拌羽根

写真 18 パドル型攪拌羽根

37

単位：㎜

写真 19 傾斜パドル型攪拌羽根

写真 20 攪拌羽根の取り付け例

写真 21 旋回棒式粉砕機

写真 22 旋回棒

38

第6章

結論

魚の鮮度保持のために最適なシャーベット状氷を製造する製氷機の研究開発及び製造したシャーベット状氷を貯蔵し、製氷時の状態を長時間保持させ、円滑に排出させる方法とその装置について研究開発の二つのテーマについて、調査、基礎実験及び模型実験を行い、下記の結果を得た。
まず、第 2 章では、海水シャーベット状氷の基本的な物理的特性と、考案または、研究開発段階のシャーベット状氷製造装置に関する文献資料を調べた。その結果次のことが分かった。
(1) 海水中には塩分が含まれているため、凝固点降下が起こり-2℃から凍り始める。
(2) 水温が下がり海水氷が完全固体になるまでの間、氷の状態が液体→シャーベット
状→半固体状→固体と変化する。
(3) 重力の作用を活用する縦円筒型液膜硫化式掻き取り法がシャーベット状海水氷の製造に適している。
第 3 章では、従来からある縦円筒型液膜流下式製氷機と、著者らが考案した横円筒型内部液攪拌式製氷機を用いて製造される氷の性状比較した結果、次のことが分かった。
(1) 縦円筒型液膜流下式製氷機では、チップ状の氷が製造でき、横円筒型内部液攪拌式製氷機では、粉雪状氷が製造できる。
(2) 塩分濃度の違いによって製造される氷の性状が著しく異なることが明らかになった。
(3) 塩分濃度が高くなると共に氷粒子径が小さく均質なシャーベット状氷ができる。
第 4 章では、シャーベット状、粉雪状、チップ状氷を用い海水氷の物理的特性を調べた。
また、氷の融解特性及び氷の温度、塩分濃度の時間的変化状態につき実験を行なって調べた結果を述べた。変化実験を行い、以下の結果を得た。
(1) 同一量充填した海水氷は、シャーベット状、粉雪状、チップ状氷の順に融解時間が短い。
(2) 氷粒子径の細かいシャーベット状氷の場合毛細管現象が生じるため、濃縮海水を最も長時間粒子間に保持することができる。
(3) シャーベット状氷の場合には、氷粒子間に水分があるため、氷同士による再凝固を防ぐことができる。
(4) 海水氷の長時間貯槽の模型には、塩分濃度 3.3%のシャーベット状氷が一番適している。
第 5 章では、長時間貯蔵したシャーベット状氷を円滑に排出する方法を見出すため、シャーベット状氷の貯層を製作し実験を行い、以下の結果を得た。
(1) 貯槽内のシャーベット状氷の塊の破砕と、ポンプ循環を行いながらシャーベット
状氷を排出することによって、IPF 約 40％以下のシャーベット状氷を排出する

39

ことができる。
(2) 貯槽内のシャーベット状氷の塊を小さい動力破砕するには、破砕棒を複数個取付
けた旋回棒粉砕機を用いるのが良い。
(3) ポンプ循環のための配管の直径はシャーベット状氷の塊によって閉そくしない
ようにできるだけ大きくするのが良く、配管の途中で直径を小さくすることは閉
そくの原因になるので避けなければならない。
(4) 塩分濃度が高い場合ほどシャーベット状氷の排出が容易にできる。実際の実験では、塩分濃度 3.3%、IPF30％のシャーベット状氷の排出が最も円滑にできた(5) 横型製氷機を用いる場合には、塩分濃度 1.1%以下、IPF30％以上になると、ポンプ循環ができない

今後の課題として、海洋深層水シャーベット状氷の製造装置については(１)

塩分濃度が低い(約 1%)の場合でも微小粒径(0.1〜0.4 ㎜)で均質なシャーベッ
ト状氷が得られるように製氷機を改良すること(２)

シャーベット状氷製氷機のスケールアップ手法を確立することをあげることができる。
また、比較的 IPF が小さいシャーベット状氷の貯蔵、排出については。
(１) 低い塩分濃度(海水塩分濃度約 1%)のシャーベット状氷を円滑に循環・排出することが可能な、ポンプの選定、設置位置の検討(２) シャーベット状氷の貯蔵中は攪拌、ポンプ循環が不要で、排出時のみの攪拌、ポンプ循環により、低電力量でシャーベット状氷が排出できるような運転条件の把握があげられる。さらに、IPF が高いシャーベット状氷の場合の貯蔵、排出技術の確立が必要である。

40

参考文献

(1) 九曜英雄：海洋深層水、海洋 Vol.22(2000)，pp.101-105(2) 稲葉

英雄：氷蓄熱システムの現状とその新展開(3) 荻田淑彦：平成 13 年度エネルギー使用合理化海洋資源活用システム開発―モデル
実証研究及び基盤研究―，社団法人日本海洋開発産業協会(2002)．

(4) 大隈和男：オーム社、わかりやすい冷凍の理論、(2001)，pp.67-91(5) 高橋徹(6) 小川浩平・斎藤文良・佐藤一省・平田雄志：株式会社アイピーシー、攪拌・混合技：パワー社、冷凍の基礎技術(1985)，pp.25-94
術(1988)，p.16(7) 粉体工学会編：粉体工学便覧-第 2 版-，日刊工業(1998)，pp304〜305(8) 山田篤志：液添加・軽量大径粒粒子流動層中に置かれた物体が受ける力，高知工科大学修士論文(2002)．

41謝辞
終わりに、本研究を進めるにあたって終始懇切なご指導、適切なご助言を頂きました高
知工科大学、横川明教授、実験指導及び研究室を提供してくださった、㈱ナンカイ冷熱設
備

代表取締役

大前信男氏に対しまして、深く感謝の意を表します。また実験において協力していただいた流体力学研究室の皆様に対して心からお礼を申し上げます。

服部

42

浩章