JP2019082298A - 凍結物製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液体冷媒の使用量を低減するとともに、装置の小型化が可能な凍結物製造装置を提供する。【解決手段】被凍結対象物を凍結する液体冷媒の流路２５Ａが、平坦面２６に渦巻き状に形成されている、凍結物製造装置。【選択図】図２

Description

本発明は、凍結物製造装置に関する。

食品及び医薬品等の産業分野で、原料液体を凍結して凍結物が製造されている。原料液体を急速に凍結して凍結物を製造する技術として、液体冷媒が流れる低温液化ガス流路に液状物を滴下して氷粒を製造する技術が知られている（特許文献１）。

特開平７−２３７５７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の凍結装置は凍結物が低温液化ガス流路を流下する際に、低温液化ガス流路の途中で固着して堆積すること又は凍結物どうしが衝突して凍結物のサイズが大きくなることを防止するために、低温液化ガス流路がある程度の傾斜を必要とする。そのため、液状物の凍結時間を確保しながら良質の凍結物を製造するには、下方に傾斜した低温液化ガス流路の流路長を長くする必要がある。

さらに、特許文献１に記載の凍結装置は、低温液化ガス流路を流れる液体冷媒で液状物を凍結するため、液状物と液体冷媒とが十分に接触できる低温液化ガス流路の液位を必要とする。ところが特許文献１に記載の凍結装置において、傾斜した低温液化ガス流路の液位を確保するには、大量の液体冷媒を低温液化ガス流路に供給する必要がある。よって、特許文献１に記載の凍結装置にあっては、大量の液体冷媒を使用しなければならないため、凍結物の製造コストの低減が困難である。

また、特許文献１に記載の凍結装置は、凍結物と液体冷媒とを分離した後に、下方に傾斜した低温液化ガス流路の上流に液体冷媒を再供給して液体冷媒を循環させている。そのため、下方に傾斜した低温液化ガス流路の上流側の高さまで液体冷媒を汲みあげることが必要であり、鉛直方向にある程度の高さを必要とする。また、装置の運転費が増大する。
また、凍結時間の確保の点から低温液化ガス流路がある程度の流路長を必要とすると、装置がさらに水平方向の幅を必要とし、大型化する。
以上より、特許文献１に記載の凍結装置は装置の小型化が困難である。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、液体冷媒の使用量を低減するとともに、装置の小型化が可能な凍結物製造装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を備える。
［１］ 被凍結対象物を凍結する液体冷媒の流路が、平坦面に渦巻き状に形成されている、凍結物製造装置。
［２］ 液体冷媒で原料液体を凍結する有底筒状の凍結槽と、前記凍結槽に液体冷媒を供給する液体冷媒供給機構と、前記凍結槽に原料液体を供給する原料液体供給機構と、を備え、前記凍結槽の底面が前記平坦面である、［１］の凍結物製造装置。
［３］ 前記底面は、前記凍結槽内の凍結物を液体冷媒とともに前記凍結槽外へ排出する貫通穴と、前記貫通穴を中心とする渦巻き状の流路を形成する仕切部材と、を有する、［２］の凍結物製造装置。
［４］ 前記貫通穴の鉛直下方に、凍結物と液体冷媒とを分離する分離機構を備える、［３］の凍結物製造装置。
［５］ 前記液体冷媒供給機構が、前記凍結槽の外周側から前記流路に液体冷媒を供給する、［２］〜［４］のいずれかの凍結物製造装置。
［６］ 前記原料液体供給機構が、前記凍結槽の外周側の前記流路に原料液体を供給する、［２］〜［５］のいずれかの凍結物製造装置。
［７］ 前記凍結槽を収容するとともに、液体冷媒を貯留する貯留室を備える、［２］〜［６］のいずれかの凍結物製造装置。
［８］ 前記貯留室内の気相の圧力を大気圧以上に調節する圧力調節機構を備える、［７］の凍結物製造装置。
［９］ 前記液体冷媒供給機構が、前記貯留室に貯留される液体冷媒を前記凍結槽に供給する、［７］又は［８］の凍結物製造装置。

本発明によれば、液体冷媒の使用量を低減できるとともに装置を小型化できる。

本発明を適用した一実施形態に係る凍結物製造装置の構成の一例を示す断面図である。 図１の凍結物製造装置が備える凍結槽の上面図である。

以下本発明を適用した一実施形態の凍結物製造装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率等が実際と同じであるとは限らない。

図１は本実施形態に係る凍結物製造装置１の構成の一例を示す断面図である。図１に示すように、凍結物製造装置１は貯留室１０と、圧力調節機構１５と、凍結槽２０と、液体冷媒供給機構３０と、原料液体供給機構４０と、分離機構５０と、液面制御機構６０とを備える。凍結物製造装置１は、被凍結対象物である原料液体を凍結するための装置である。
以下に、凍結物製造装置１の各構成要素に関して、詳しく説明を行う。

貯留室１０は、筒状の容器であり、内側の空間に凍結槽２０を収容するとともに液体冷媒を貯留する。本実施形態では貯留室１０の底面に設けられる支持体１３が凍結槽２０を支持している。
貯留室１０内の底部には後述する分離機構５０によって分離される液体冷媒が貯留される。図１においては、貯留室１０内の液体冷媒の液面が水平である。すなわち、図１中の左右方向は水平方向と一致し、図１中の上下方向は鉛直方向と一致する。
液体冷媒としては、液体窒素、液体酸素、液体アルゴン、液体ヘリウム、液体空気等の液体冷媒が例示される。

本実施形態では、貯留室１０が真空断熱構造を有することが好ましい。これにより、貯留室１０内の液体冷媒と外気との接触を低減できるため、液体冷媒の蒸発による損失量を低減できる。本実施形態では貯留室１０は円筒状である。貯留室１０が円筒状であると、強度を確保しやすいため、真空断熱構造の作製が容易である。

圧力調節機構１５は、貯留室１０内の気相の圧力を大気圧以上に調節する。圧力調節機構１５は、排気口１１と、開閉板１２とを備える。具体的には、貯留室１０の上部には排気口１１が形成されているとともに、排気口１１の開度を調整可能な開閉板１２が設けられている。

開閉板１２は貯留室１０内の圧力が予め設定された圧力以上のとき、排気口１１の開度を大きくし、貯留室１０内の圧力が予め設定された圧力未満のとき、排気口１１の開度を小さくする。ここで、予め設定された圧力は大気圧以上の圧力である。このように開閉板１２が排気口１１の開度を調節することで貯留室１０内の気相の圧力を大気圧以上に調節できる。

貯留室１０の側面には、搬送口１６が形成されている。これにより、搬送口１６から貯留室１０内に挿入された、後述するコンベア５１を介して凍結物が貯留室１０内から貯留室１０外に搬送される。
貯留室１０の外側の底部の両端には車輪１７が設けられている。これにより、凍結物製造装置１の搬送が容易となる。
貯留室１０の底部にはドレイン配管１８が接続される。ドレイン配管１８にはドレイン弁１９が設けられている。ドレイン弁１９を開とすることにより、ドレイン配管１８は貯留室１０内の液体冷媒及び貯留室１０内に溜まる被凍結物の残滓等を排出できる。

凍結槽２０は、液体冷媒で原料液体を凍結する有底筒状の槽である。図１に示すように、凍結槽２０には原料液体を凍結するための液体冷媒が一時的に貯留される。
凍結槽２０の底面２６は平坦面である。凍結槽２０の底面２６が平坦面であると、凍結槽２０内の液体冷媒の液位を確保しやすい。その結果、凍結槽２０内の液位を確保しつつ、原料液体を凍結するために必要な液体冷媒の量を低減できる。

凍結槽２０の底面２６の中央部分には、貫通穴２１が形成されている。凍結槽２０内の凍結物は液体冷媒とともに、貫通穴２１から凍結槽２０外へ排出される。本実施形態では、貫通穴２１が排出管２２と接続されている。これにより、凍結槽２０は液体冷媒で原料液体を凍結して凍結物とし、貫通穴２１から排出管２２を介して凍結物を液体冷媒とともに凍結槽２０外へ排出できる。なお、凍結槽２０の底面２６の中央部分とは、凍結槽２０の円形の底面２６の中心を含む底面領域をいう。

図２は、凍結物製造装置１が備える凍結槽２０の上面図である。図２に示すように、凍結槽２０は、円筒状であり、底面２６は円形である。凍結槽２０内の底面２６には、仕切部材２５が設けられている。仕切部材２５は、貫通穴２１を中心とする渦巻き状に設けられている。仕切部材２５の第１の端部は凍結槽２０の底面２６の外周側に設けられており、仕切部材２５の第２の端部は貫通穴２１の近傍の底面２６の中央に設けられている。仕切部材２５と底面２６とにより、液体冷媒の流路２５Ａが区画されるとともに、流路２５Ａが渦巻き状に形成される。
仕切部材２５の大きさ、材質及び形状としては、渦巻き状の流路を形成できる形態であれば特に限定されない。仕切部材２５の高さは、凍結槽２０の高さ、凍結槽２０内への液体冷媒の供給量及び凍結槽２０内の液体冷媒の貯留量を勘案して適宜設定できる。

本実施形態では仕切部材２５の第１の端部の近傍に、液体冷媒供給機構３０の上端部分が位置する。そのため、液体冷媒供給機構３０が流路２５Ａの始端に液体冷媒を供給できる。その結果、図２中の矢印で示すように、液体冷媒が流路２５Ａを渦巻き状に流れる。これにより、凍結槽２０は、原料液体を凍結槽２０の外周側から中心に向かって渦巻き状に旋回させながら原料液体を凍結できる。原料液体を凍結槽２０内で旋回させることで、原料液体の凍結物が重力の作用を受けて即座に凍結槽２０内で沈降することを防止でき、原料液体を充分に凍結するための時間を確保できる。

仕切部材２５の第１の端部は、凍結槽２０の外周の近傍に設けられていることが好ましい。これにより、凍結槽２０の底面２６の面積に対する流路２５Ａの流路長の比を大きくすることができ、原料液体の凍結時間を確保しやすくなる。

仕切部材２５によって形成される渦巻き状の流路の巻き数は、凍結対象である原料液体の種類及び原料液体の凍結時間を勘案して適宜設定できる。例えば、原料液体が凍結しにくい物質である場合又は凍結時間を長く設定したい場合等は、上記巻き数を多くし、流路長を大きくすればよい。

液体冷媒供給機構３０（図１参照）は、貯留室１０の底部に貯留される液体冷媒を凍結槽２０に供給する。液体冷媒供給機構３０は、外筒３１と、モーター３２と、供給口３３と、スクリューポンプ３４とを備える。液体冷媒供給機構３０は、モーター３２でスクリューポンプ３４を回転させ、外筒３１とスクリューポンプ３４との隙間に渦を生じさせて貯留室１０の底部に貯留される液体冷媒を揚液し、供給口３３から凍結槽２０に液体冷媒を送液して供給できる。

原料液体供給機構４０は、凍結槽２０内に被凍結物である原料液体を供給できる形態であれば特に限定されない。本実施形態では原料液体供給機構４０が凍結槽２０内に原料液体の液滴を滴下して供給する。
原料液体供給機構４０としては、原料液体が貯留される原料タンク（図示略）と、第１の端部が原料タンクに接続されるとともに第２の端部が凍結槽２０の鉛直上方で開口する原料供給配管４１と、原料供給配管に設けられる液滴形成手段（図示略）とを有する装置が例示される。かかる装置においては、原料タンクに貯留される原料液体は、液滴形成手段を介して原料供給配管の第２の端部から凍結槽２０内の液体冷媒に滴下される。

図２に示すように原料液体供給機構４０は、凍結槽２０の外周側の流路２５Ａに原料液体を滴下して供給できる位置に配置されている。より具体的には、原料液体供給機構４０は、流路２５Ａの始端の近傍に配置されている。これにより、原料液体の液滴が流路２５Ａに沿って流れる流路長を長く設定することができる。なお、原料液体としては食品及び医薬品の分野で凍結対象となる物質の液体及び水溶液等が例示される。

分離機構５０は液滴の凍結物と液体冷媒とを分離する（図１参照）。凍結物製造装置１は貫通穴２１の鉛直下方に分離機構５０を備える。
本実施形態では分離機構５０は網目状又はメッシュ状のコンベア５１と、コンベア５１の第１の端部に設けられる第１のローラー５２と、コンベア５１の第２の端部に設けられる第２のローラー５３とを備える。
コンベア５１は、搬送口１６を介して貯留室１０内と貯留室１０外とにわたって配置されている。コンベア５１の第１の端部の近傍は、貯留室１０内に配置されるとともに、排出管２２の鉛直下方に配置されている。これにより、排出管２２の鉛直下方から落下する凍結物と液体冷媒とをメッシュ状のコンベア５１が分離できる。なお、コンベア５１の第２の端部は、貯留室１０外に配置される。

第１のローラー５２はコンベア５１の第１の端部を固定する回転体であり、第２のローラー５３はコンベア５１の第２の端部を固定する回転体である。第１のローラー５２と第２のローラー５３とが図１中の時計回りに回転することにより、コンベア５１は貯留室１０内から凍結物を貯留室１０外に搬送できる。
コンベア５１によって分離される液体冷媒は、貯留室１０内の底部に貯留される。

液面制御機構６０は、貯留室１０内の液体冷媒の液面高さを制御できる形態であれば特に限定されない。
本実施形態では、液面制御機構６０は補充用の液体冷媒を貯留する液体冷媒タンク（図示略）と、液体冷媒タンクから貯留室１０に液体冷媒を供給する液体冷媒供給配管（図示略）と、液体冷媒供給配管に設けられる開閉弁（図示略）と、貯留室１０に貯留される液体冷媒の液面高さを測定する液面計（図示略）と、液面計が測定する液面高さに基づいて開閉弁を開閉制御する制御部６１とを備える。

液面制御機構６０は、貯留室１０内で液体冷媒が気化して液面高さが低下した場合、制御部６１が開閉弁を開にする。これにより、貯留室１０内の液体冷媒の貯留量が気化して減少した際に、液体冷媒タンクから液体冷媒を供給して貯留室１０に液体冷媒を補充できる。

貯留室１０、支持体１３、凍結槽２０、仕切部材２５、外筒３１及びコンベア５１並びにこれら以外の構成であって液体冷媒と接触し得る構成部分の材質は、液体冷媒との接触により脆性破壊しにくく、腐食しにくいものであれば特に限定されない。これらの材料として、オーステナイト鋼、アルミニウム合金、ポリテトラフルオロエチレン等が例示される。

以上説明した凍結物製造装置の使用方法の一例について、図１及び図２を参照して説明する。

まず、液体冷媒供給機構３０が備える供給口３３から流路２５Ａの接線方向に液体冷媒を流して供給する。ここで、凍結槽２０における液体冷媒の供給量は、流路２５Ａにおける液位の確保に必要な最低限の量に設定することが好ましい。これにより装置全体における液体冷媒の使用量をさらに低減できる。なお、液体冷媒の供給量はモーター３２による液体冷媒の汲み上げ量を調節することで微調節できる。
流路２５Ａを流れる液体冷媒の流速は、液滴の凍結に要する時間を勘案して適宜設定できる。液体冷媒の流速を調節するには、供給口３３から供給される液体冷媒の供給量及び供給口３３の鉛直方向の位置を調節すればよい。

次に、凍結槽２０内の流路２５Ａの始端の近傍に原料液体の液滴を原料液体供給機構４０から滴下して供給する。図２に示すように、凍結槽２０内には矢印の向きに液体冷媒が渦巻き状に流れているため、供給される液滴も流路２５Ａを渦巻き状に流れる。なお、液滴の供給量は凍結物の生産量、生産効率及び生産コストを勘案して、適宜設定できる。また、供給する液滴の粒径は所望する凍結物の粒径を勘案して適宜設定できる。

原料液体の液滴が流路２５Ａを形状が渦巻き状に流れると、まず液滴の表面から凍結が始まる。液体冷媒より密度が高い凍結物は、凍結槽２０内の中央部に集められる傾向が強いため、流路２５Ａ内を流れる際の軌跡が、凍結前に比べて短くなる。その結果、凍結物の過剰な凍結を低減できる。

一方で、未凍結の液滴は、気化する液体冷媒の気泡による浮力で液体冷媒中と液体冷媒の表面との間を浮遊し、渦巻き状に流れる液体冷媒の遠心力の作用を受けて、流路２５Ａの外周側、すなわち凍結槽２０の内壁側に寄せられる。その結果、未凍結の液滴は流路２５Ａ内を流れる際の軌跡が、凍結後に比べて長くなり、未凍結の液滴を十分に凍結する時間が確保される。

凍結物は凍結槽２０から貫通穴２１及び排出管２２をこの順に経由して液体冷媒とともに鉛直下方に落下する。その後、分離機構５０によって液体冷媒と分離された凍結物が貯留室１０外に搬送される。

分離機構５０によって分離される液体冷媒は、貯留室１０内の底部に貯留される。なお、貯留室１０内の液体冷媒の貯留量は、凍結物の生産量、生産効率及び生産コスト等を勘案して適宜設定できる。

（作用効果）
以上説明した構成を備える本実施形態の凍結物製造装置によれば、被凍結対象物である原料液体を凍結する液体冷媒の流路が、平坦面に渦巻き状に形成されているため、大量の液体冷媒を供給しなくても凍結槽の液体冷媒の液位を確保しつつ、原料液体を流路に沿って凍結する時間を確保できる。よって、本実施形態によれば、液体冷媒の使用量を低減できる。

また、本実施形態の凍結物製造装置で凍結時間をさらに長く設定するためには、仕切部材によって形成される渦巻き状の流路の巻き数を増やして渦巻き状の流路の流路長を長くすればよい。このように本実施形態の凍結物製造装置は、凍結槽の内部空間のスペースを無駄なく使用できるため、装置そのものを小型化できる。

本実施形態では、貯留室が真空断熱構造を有するため、外気と液体冷媒との間で熱交換が起きる場所が排気口及び搬送口に限定される。そのため、液体冷媒が気化して外気に流出する量を低減できる。よって本実施形態によれば、液体冷媒の気化による損失量を低減できるため、液体冷媒を無駄なく利用でき、液体冷媒の使用量をさらに低減できる。

凍結物製造装置１は、液体冷媒供給機構と分離機構とを備えるため、貯留室の底部と、凍結槽との間で液体冷媒を循環させることができる。よって原料液体の凍結に必要な最低限の量の液体冷媒を貯留室内に貯留して、凍結物の製造を実行できる。よって本実施形態によれば、液体冷媒の使用量をさらに低減できる。

さらに、本実施形態の凍結物製造装置は圧力調節機構を備え、貯留室内で液体冷媒が気化するため、貯留室内を大気圧以上に維持できる。その結果、貯留室１０内から空気中の水分が追い出されるとともに、搬送口から空気が侵入しにくくなり、貯留室内の着氷を低減できる。よって本実施形態によれば、着氷した貯留室内の洗浄等の設備維持の作業の負担が低減できる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、本発明はこれらの特定の実施の形態に限定されない。また、本発明は特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が加えられてよい。
例えば、原料液体供給機構４０は、原料液体を噴霧する形態であってもよい。

１…凍結物製造装置、１０…貯留室、１１…排気口、１２…開閉板、１３…支持体、１５…圧力調節機構、１６…搬送口、１７…車輪、１８…ドレイン配管、１９…ドレイン弁、２０…凍結槽、２１…貫通穴、２２…排出管、２５…仕切部材、２５Ａ…流路、２６…底面、３０…液体冷媒供給機構、３１…外筒、３２…モーター、３３…供給口、４０…原料液体供給機構、５０…分離機構、５１…コンベア、５２，５３…ローラー、６０…液面制御機構、６１…制御部

Claims (9)

1. 被凍結対象物を凍結する液体冷媒の流路が、平坦面に渦巻き状に形成されている、凍結物製造装置。
2. 液体冷媒で原料液体を凍結する有底筒状の凍結槽と、
   前記凍結槽に液体冷媒を供給する液体冷媒供給機構と、
   前記凍結槽に原料液体を供給する原料液体供給機構と、
   を備え、
   前記凍結槽の底面が前記平坦面である、請求項１に記載の凍結物製造装置。
3. 前記底面は、
   前記凍結槽内の凍結物を液体冷媒とともに前記凍結槽外へ排出する貫通穴と、
   前記貫通穴を中心とする渦巻き状の流路を形成する仕切部材と、
   を有する、請求項２に記載の凍結物製造装置。
4. 前記貫通穴の鉛直下方に、凍結物と液体冷媒とを分離する分離機構を備える、請求項３に記載の凍結物製造装置。
5. 前記液体冷媒供給機構が、前記凍結槽の外周側から前記流路に液体冷媒を供給する、請求項２〜４のいずれか一項に記載の凍結物製造装置。
6. 前記原料液体供給機構が、前記凍結槽の外周側の前記流路に原料液体を供給する、請求項２〜５のいずれか一項に記載の凍結物製造装置。
7. 前記凍結槽を収容するとともに、液体冷媒を貯留する貯留室を備える、請求項２〜６のいずれか一項に記載の凍結物製造装置。
8. 前記貯留室内の気相の圧力を大気圧以上に調節する圧力調節機構を備える、請求項７に記載の凍結物製造装置。
9. 前記液体冷媒供給機構が、前記貯留室に貯留される液体冷媒を前記凍結槽に供給する、請求項７又は８に記載の凍結物製造装置。

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