JP2009162392A - シャーベット氷生成装置およびシャーベット氷生成方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】所望の生成濃度のシャーベット氷を正確に生成することが可能なシャーベット氷生成装置を提供する。
【解決手段】このシャーベット氷生成装置は、貯氷タンク3内の塩水1を冷却する製氷装置10および冷凍機30と、塩水1の温度を検出する温度計6と、塩水1の温度の低下速度に基づいて塩水1の結氷開始温度を検出し、結氷開始温度検出値Tsa0と塩水1の温度検出値Tsとの差が予め定められた温度差ΔTに到達したことに応じて冷凍機30を停止させる制御装置36とを備える。したがって、温度計6の検出値Tsに誤差がある場合でも、所望の生成濃度(IPF)のシャーベット氷2を正確に生成できる。
【選択図】図7
【解決手段】このシャーベット氷生成装置は、貯氷タンク3内の塩水1を冷却する製氷装置10および冷凍機30と、塩水1の温度を検出する温度計6と、塩水1の温度の低下速度に基づいて塩水1の結氷開始温度を検出し、結氷開始温度検出値Tsa0と塩水1の温度検出値Tsとの差が予め定められた温度差ΔTに到達したことに応じて冷凍機30を停止させる制御装置36とを備える。したがって、温度計6の検出値Tsに誤差がある場合でも、所望の生成濃度(IPF)のシャーベット氷2を正確に生成できる。
【選択図】図7
Description
この発明はシャーベット氷生成装置およびシャーベット氷生成方法に関し、特に、タンク内の塩水を冷却してシャーベット氷を生成するシャーベット氷生成装置およびシャーベット氷生成方法に関する。
近年、冷却用の塊状氷によって海水魚に傷が付いたり、塊状氷が溶けて発生した真水によって海水魚の鮮度が落ちるのを防止するため、塩水から生成されたシャーベット氷を用いて海水魚を冷やす方法が実用化されつつある。
シャーベット氷は、貯氷タンク内の塩水を冷却することにより生成される。すなわち、貯氷タンク内の塩水を冷却して行くと、その塩分濃度に応じた結氷開始温度で氷ができ始める。水が塩分を含んでいるので、氷の結晶は粗大化せず、塩水はシャーベット状となる。シャーベット氷の生成濃度、すなわちシャーベット氷における氷の全体に対する重量割合(IPF:Ice Packing Factor)が増大すると、残余の塩水の塩分濃度が増大するとともに、その塩水の結氷開始温度も低下する。したがって、塩水が所定温度に到達したときに、塩水の冷却を停止すれば、所望のIPF(%)のシャーベット氷を生成することができる。(たとえば、特許文献1参照)。
特開2007−3064号公報
しかし、従来のシャーベット氷生成方法では、塩水の温度を検出する温度計に誤差がある場合、所望のIPFを得ることができなかった。たとえば、塩分濃度が2.5%の塩水を冷却して行くと、−1.5℃で凍り始め、−2.0℃でIPFが25%になる。したがって、温度計に誤差が無い場合は、塩水の温度が−2.0℃になったときに冷却を停止すれば、IPFが25%のシャーベット氷を得ることができる。
しかし、温度計に−0.25℃の誤差がある場合、塩水の温度の検出値が−2.0℃であっても実際の温度は−1.75℃である。塩水の実温度が−1.75℃になったときに冷却を停止すると、IPFは14.5%になってしまう。
逆に、温度計に+0.25℃の誤差がある場合、塩水の温度の検出値が−2.0℃であっても実際の温度は−2.25℃である。塩水の実温度が−2.25℃になったときに冷却を停止すると、IPFは35%程度になってしまう。IPFが高くなると、シャーベット氷の粘性が高くなり、シャーベット氷を循環または排出するためのポンプが過負荷になる。
それゆえに、この発明の主たる目的は、所望の生成濃度のシャーベット氷を正確に生成することが可能なシャーベット氷生成装置およびシャーベット氷生成方法を提供することである。
この発明に係るシャーベット氷生成装置は、タンク内の塩水を冷却してシャーベット氷を生成するシャーベット氷生成装置であって、タンク内の塩水を冷却する冷却手段と、タンク内の塩水の温度を検出する温度計と、温度計によって検出された塩水の温度の時刻変化に基づいて結氷開始温度を検出し、検出した結氷開始温度と塩水の温度との差が予め定められた温度差に到達したことに応じて、冷却手段による塩水の冷却を停止させる制御手段とを備えたものである。
また、この発明に係るシャーベット氷生成方法は、タンク内の塩水を冷却してシャーベット氷を生成するシャーベット氷生成方法であって、タンク内の塩水を冷却するとともにタンク内の塩水の温度を検出し、塩水の温度の時刻変化に基づいて塩水の結氷開始温度を検出し、検出した結氷開始温度と塩水の温度との温度差が予め定められた温度差に到達したことに応じて塩水の冷却を停止するものである。
この発明に係るシャーベット氷生成装置およびシャーベット氷生成方法では、タンク内の塩水を冷却するとともにタンク内の塩水の温度を検出し、塩水の温度の時刻変化に基づいて塩水の結氷開始温度を検出し、検出した結氷開始温度と塩水の温度との温度差が予め定められた温度差に到達したことに応じて塩水の冷却を停止する。したがって、塩水の温度を検出する温度計の検出値に誤差がある場合でも、所望の生成濃度のシャーベット氷を正確に生成することができる。
本発明の実施の形態を説明する前に、まず本発明の原理について説明する。図1は、塩水の塩分濃度C(%)と塩水に氷ができ始める結氷開始温度Ta(℃)との関係を示す図である。図1において、塩分濃度Cが0%の真水は0℃で凍り始め、塩分濃度Cに比例して結氷温度は低下する。
たとえば、図2に示すように、塩分濃度Cが約3%の塩水を冷却して行くと、約−2℃で氷ができ始める。氷は真水のみで形成されるので、氷ができると、その分の真水が抜けて残りの塩水の塩分濃度Cが上昇する。塩分濃度Cが上昇すると、結氷開始温度Taが低下し、塩水の温度が比例直線に沿って低下する。
図3は、塩水の濃度Cとシャーベット氷のIPFとを変化させた場合における、塩水のエンタルピの減少量(kcal/kg)と塩水の実温度T(℃)との関係を示す図である。一定条件で冷却する場合、横軸のエンタルピの減少量は塩水の冷却時間に相当する。縦軸には、実温度Tに加えて、温度計による温度検出値Ts(℃)を示している。図3は、本願の比較例において、温度検出値Tsが実温度Tに等しい場合を示している(Ts=T)。
たとえば、塩分濃度Cが2.5%の塩水を冷却して行くと、氷ができ始めるまでは、塩水の温度Tは塩分濃度Cに関係なく比例直線に沿って低下する。氷ができ始める結氷温度Taは、塩分濃度Cが大きいほど低くなる。塩分濃度が2.5%の場合は、−1.5℃で凍り始める。氷ができ始めると、エンタルピの減少量は凝固熱に変化し、塩水の温度Tの低下速度は急に遅くなる。また、図2で示したように、氷ができ始めると、塩分濃度Cが上昇して結氷開始温度Taが低下するとともに、IPFが上昇する。塩水の温度Tが−2℃になったとき、IPFは25%となる。図3では、Ts=Tであるので、温度検出値Tsが−2℃になったときに塩水の冷却を停止すれば、IPFが25%のシャーベット氷を得ることができる。
しかし、図4に示すように、温度計の検出値Tsが実温度Tよりも0.25℃だけ正側にシフトしている場合(Ts=T−0.25)、温度検出値Tsが−2℃になったときに塩水の冷却を停止すると、実温度Tが−1.75℃であるのに冷却が停止され、IPFは14.5%になってしまう。
また図5は、本願発明のシャーベット氷生成方法を示す図であって、図1と対比される図である。図5は、本願発明において、温度計の検出値Tsが実温度Tに等しい場合を示している(Ts=T)。
たとえば、塩分濃度Cが2.5%の塩水を冷却して行くと、氷ができ始めるまでは、塩水の温度Tは塩分濃度Cに関係なく比例直線に沿って低下する。塩分濃度Cが2.5%の場合は、−1.5℃で凍り始める。氷ができ始めると、エンタルピの減少量は凝固熱に変化し、塩水の実温度Tの低下速度は急に遅くなる。本願発明では、氷ができ始めると、塩水の実温度Tの低下速度が急に遅くなることを利用し、温度計によって結氷開始温度Tsa0を検出する。
氷ができ始めると、塩分濃度Cが上昇して結氷開始温度Tsa0が低下するとともに、IPFが上昇する。元の塩水の塩分濃度Cが2.5%の場合、結氷開始温度Tsa0から0.5℃低下したとき、IPFは25%となる。図5では、Ts=Tであるので、結氷開始温度Tsa0=−1.5℃から0.5℃低下して温度検出値Tsが−2℃になったときに塩水の冷却を停止すれば、IPFが25%のシャーベット氷を得ることができる。
また図6に示すように、温度検出値Tsが実温度Tよりも0.25℃だけ正側にシフトしている場合(Ts=T−0.25)、温度計によって測定した結氷開始温度Tsa0は−1.75℃となるが、それよりも0.5℃低下したとき(温度検出値Tsが−2.25℃になったとき)に塩水の冷却を停止することにより、IPFが25%のシャーベット氷を得ることができる。
したがって、本願発明によれば、温度計の検出値Tsが実際の温度Tから誤差分だけシフトしている場合でも、所望のIPFのシャーベット氷を正確に生成することができる。以下、本願発明のシャーベット氷生成装置について図面を用いて詳細に説明する。
図7は、この発明の一実施の形態によるシャーベット氷生成装置の構成を示すブロック図である。図7において、このシャーベット氷生成装置は、所定量の塩水1(または海水)が注入されるとともに、その塩水1から生成されるシャーベット氷2を貯える貯氷タンク3を備える。塩水1の塩分濃度Cは、たとえば2.5%に設定される。
貯氷タンク3内には、塩水1(あるいはシャーベット氷2)を撹拌するための撹拌機4が回転可能に設けられ、貯水タンク3の上には、撹拌機4を駆動するための駆動装置5が設けられている。シャーベット氷2を撹拌するのは、シャーベット氷2内の微細氷が浮いて、微細氷と塩水1が上下に分離するのを防止するためである。
また、貯氷タンク3の下部には、タンク3内の塩水1の温度を検出する温度計6が設けられている。温度計6としては、たとえば測温抵抗体を用いたものが使用される。また、貯氷タンク3の底には、生成されたシャーベット氷2をタンク3から排出するための排出用配管7および排出用ポンプ8が接続されている。
また、このシャーベット氷生成装置は、貯氷タンク3内の塩水1の一部を凍らせて微細氷を生成する製氷装置10を備える。製氷装置10は、外筒11と、外筒11の内側に設けられた内筒12と、内筒12の内側に設けられた回転円筒13とを含む。回転円筒13と内筒12の間には塩水1を流すための塩水側通路14が形成され、内筒12と外筒11の間には冷媒を流すための冷媒側通路15が形成されている。回転円筒13の外周面には、内筒12の内周面に付着した微細氷を塩水側通路14に掻き落とすための複数のスクレーパ16が設けられている。また、製氷装置10の上部には、回転円筒13を回転させるための駆動モータ17が設けられている。
塩水側通路14の上端部と貯氷タンク3の上端部は往流塩水配管20で接続され、貯氷タンク3の下端部と塩水側通路14の下端部は還流塩水配管21で接続されている。還流塩水配管21には、貯氷タンク3側から順に塩水配管バルブ22、循環ポンプ23、および圧力センサ24が設けられている。バルブ22を開けてポンプ23を駆動させると、塩水1(あるいはシャーベット氷)は、貯氷タンク3、還流塩水配管21、塩水側通路14、往流塩水配管20、貯氷タンク3の経路で循環される。ポンプ23の出口の圧力を圧力センサ24で検出し、検出した圧力が所定値を越えた場合は、配管20,21および通路14に氷が詰まった恐れがあるので、ポンプ23を停止させる。
また、このシャーベット氷生成装置は、製氷装置10の冷媒側通路15に冷媒を供給する冷凍機30を備え、冷凍機30は圧縮機31および凝縮器32を含む。冷媒側通路15の上端部は冷媒配管33を介して圧縮機31の入口に接続され、圧縮機31の出口は凝縮器32の入口に接続され、凝縮器32の出口は冷媒配管34および膨張弁35を介して冷媒側通路15の下端部に接続されている。冷媒は、圧縮機31で圧縮され、凝縮器32で液化され、膨張弁35を介して冷媒側通路15内に噴出され、内筒12から気化熱を奪って内筒12をたとえば−12℃に冷却する。冷却された内筒12の内周面には、塩水1中の真水が凍って微細氷が発生する。
さらに、このシャーベット氷生成装置は、装置全体を制御するための制御装置36と、制御装置36を介して装置を操作するための操作部37とを備える。オペレータは、操作部37を使用して塩水1の塩分濃度Cと、所望のシャーベット氷2のIPFを設定する。制御装置36は、たとえば図5に示した塩水の状態図を記憶しており、その状態図と、設定された塩分濃度CおよびIPFと温度計5の検出値Tsとに基づいて、設定されたIPFのシャーベット氷2が生成されるように、シャーベット氷生成装置全体を制御する。
図8は、シャーベット氷生成装置の動作を示すフローチャートである。オペレータは、まず、貯氷タンク3内に所定量の真水と所定量の塩を入れて撹拌機3で混合し、所定の塩分濃度C(たとえば2.5%)の塩水1を生成する。次にステップS1において、オペレータは、操作部37を使用して塩水1の塩分濃度Cとシャーベット氷2のIPF(たとえば25%)を設定する。
ステップS2において制御装置36は、記憶している塩水の状態図(図5参照)と設定された塩分濃度CとIPFに基づいて、結氷開始温度Ta0(たとえば−1.5℃)と製氷完了温度Te(たとえば−2℃)を計算し、それらの温度差ΔT=Ta0−Te(たとえば0.5℃)を計算および設定する。
なお、図9に示すように、種々のIPFについて塩分濃度Cと温度差ΔTの関係を示す図を記憶しておけば、塩分濃度CとIPFが分かれば、温度差ΔT(℃)が直ぐに分かるので、温度差ΔT(℃)を容易かつ迅速に設定することができる。
図8に戻って、ステップS3において制御装置36は、製氷を開始させる。すなわち、制御装置36は、塩水配管バルブ22を開けるとともに循環ポンプ23を駆動させ、貯氷タンク3と製氷装置10に塩水1を循環させる。また、制御装置36は、冷凍機30を駆動させて製氷装置10に低温の冷媒を供給させるとともに、回転円筒13を回転させる。
これにより、冷媒によって内筒12が冷却され、内筒12の内周面に沿って流れる塩水1が冷却されるとともに、塩水1のうちの真水の一部が微細氷となって内筒12の内周面全体に付着する。内筒12の内周面に付着した微細氷は、回転円筒13の外周面に設けられた複数のスクレーパ16によって掻き落とされる。掻き落とされた微細氷は、塩水側通路14を流れる塩水1に混合され、往流塩水配管20を介して貯氷タンク3内に流される。このようにして、貯氷タンク3内の塩水1の温度が徐々に低下するとともに、シャーベット氷2のIPFが徐々に上昇する。
ステップS4において制御装置36は、温度計6の検出値Tsに基づいて、結氷が開始したか否かを判別する。制御装置36は、温度検出値Tsの低下速度がステップ状に遅くなったときに、結氷が開始したと判別する。この判別方法については後に詳説する。結氷が開始したと判別した場合は、ステップS5に進む。
ステップS5において制御装置36は、結氷が開始したときの温度検出値Tsa0(℃)を決定し、その結氷開始温度検出値Tsa0から温度差ΔTを減算して製氷完了温度検出値Tseを求め、設定する。ステップS6において制御装置36は、温度計6の検出値Tsが製氷完了温度検出値Tseに到達したか否かを判別し、到達した場合はステップS7において冷凍機30の駆動を停止させ、製氷を完了する。製氷を完了したら、排出用ポンプ8を駆動させてシャーベット氷を排出する。
次に、結氷が開始したか否かを判別する方法について説明する。図10(a)は、シャーベット氷の生成期間における温度計6の検出値Tsの時間変化を示すタイムチャートである。図10(a)において、塩水1を一定条件で冷却して行くと、塩水1の温度検出値Tsは一定速度で低下し、温度検出値Tsが結氷開始温度検出値Tsa0に到達すると、温度検出値Tsの低下速度が急に遅くなる。制御装置36は、温度検出値Tsをモニタし、温度検出値Tsの低下速度が急に遅くなった時刻taの温度検出値Tsを結氷開始温度検出値Tsa0とする。
具体的には、制御装置36は、温度検出値Tsを所定の周期でサンプリングし、連続する2つのサンプリング値Ts(i−1),Ts(i)(ただし、iは自然数である)の1次差分値ΔTs(i)=Ts(i)−Ts(i−1)を演算し、図10(b)に示すように、1次差分値ΔTs(i)が図10(b)中の範囲Aから範囲Bに移動した時刻taの温度検出値Tsを結氷開始温度検出値Tsa0とする。
あるいは図10(c)に示すように、2次差分値ΔΔTs(i)=[Ts(i)−Ts(i−1)]−[Ts(i−1)−Ts(i−2)]を演算し、2次差分値ΔΔTs(i)が予め定められたしきい値THを越えた時刻taの温度検出値Tsを結氷開始温度検出値Tsa0としてもよい。
図11は、1次差分値ΔTs(i)を用いて結氷開始を検出する方法を示すフローチャートである。ステップS11においてオペレータは、操作部37を使用して塩水1の塩分濃度Cおよび原水量を入力する。
ステップS12において制御装置36は、設定された塩分濃度Cおよび原水量に基づいて、結氷開始前の1次差分値ΔTs(i)の範囲Aと結氷開始後の1次差分値ΔTs(i)の範囲Bとを設定する。また、制御装置36は、内蔵カウンタのカウント値CTを0にリセットするとともに、カウント値の上限値Nを設定する。ステップS13において制御装置36は、計測を開始する。
制御装置36は、ステップS14において温度検出値Ts(i)をサンプリングし、ステップS15において前回のサンプリング値Ts(i−1)との1次差分値ΔTs(i)=Ts(i)−Ts(i−1)を計算する。
ステップS16において制御装置36は、1次差分値ΔTs(i)が連続して範囲Aに入っているか否かを判別し、範囲A内に入っていると判別した場合は、ステップS17で結氷開始前と判断してステップS14に戻り、範囲A内に入っていないと判別した場合は、ステップS18に進む。
ステップS18において制御装置36は、1次差分値ΔTs(i)が連続して範囲Bに入っているか否かを判別し、範囲B内に入っていないと判別した場合はステップSステップS14に戻り、範囲B内に入っていると判別した場合はステップS19に進む。このとき制御装置36は、1次差分値ΔTs(i)が範囲Bに入った回数を内蔵カウンタでカウントし、そのカウント値が上限値Nを越えていない場合は、1次差分値ΔTs(i)が連続して範囲B内に入っていないと判別し、そのカウント値が上限値Nを越えた場合は、1次差分値ΔTs(i)が連続して範囲B内に入っていると判別する。
ステップS19において制御装置36は、結氷が開始されたと判断し、i−N+1回前にサンプリングした温度検出値Ts(i−N+1)を結氷開始温度検出値Tsa0とする。
また図12は、2次差分値ΔΔTs(i)を用いて結氷開始を検出する方法を示すフローチャートである。ステップS21においてオペレータは、操作部37を使用して塩水1の塩分濃度Cおよび原水量を入力する。
ステップS22において制御装置36は、設定された塩分濃度Cおよび原水量に基づいて、結氷開始を判断する2次差分値ΔΔTs(i)のしきい値THを設定する。ステップS23において制御装置36は、計測を開始する。制御装置36は、ステップS24において温度検出値Ts(i)をサンプリングし、ステップS25において前回および前々回のサンプリング値Ts(i−1),Ts(i−2)との2次差分値ΔΔTs(i)=[Ts(i)−Ts(i−1)]−[Ts(i−1)−Ts(i−2)]=Ts(i)−2Ts(i−1)−Ts(i−2)を計算する。
ステップS26において制御装置36は、2次差分値ΔΔTs(i)がしきい値THを越えたか否かを判別し、しきい値THを越えていないと判別した場合は、ステップS27において氷結開始前と判断してステップS24に戻り、しきい値THを越えていると判別した場合はステップS28に進む。ステップS28において制御装置36は、結氷が開始されたと判断し、温度検出値Ts(i)を結氷開始温度検出値Tsa0とする。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 塩水、2 シャーベット氷、3 貯氷タンク、4 撹拌機、5 駆動装置、6 温度計、7 排出用配管、8 排出用ポンプ、10 製氷装置、11 外筒、12 内筒、13 回転円筒、14 塩水側通路、15 冷媒側通路、16 スクレーパ、17 駆動モータ、20 往流塩水配管、21 還流塩水配管、22 塩水配管バルブ、23 循環ポンプ、24 圧力センサ、30 冷凍機、31 圧縮機、32 凝縮器、33,34 冷媒配管、35 膨張弁、36 制御装置、37 操作部。
Claims (7)
- タンク内の塩水を冷却してシャーベット氷を生成するシャーベット氷生成装置であって、
前記タンク内の塩水を冷却する冷却手段と、
前記タンク内の塩水の温度を検出する温度計と、
前記温度計によって検出された前記塩水の温度の時刻変化に基づいて結氷開始温度を検出し、検出した結氷開始温度と前記塩水の温度との差が予め定められた温度差に到達したことに応じて、前記冷却手段による前記塩水の冷却を停止させる制御手段とを備える、シャーベット氷生成装置。 - 前記制御手段は、前記塩水の塩分濃度と前記シャーベット氷の生成濃度と前記予め定められた温度差との関係を示す情報を記憶しており、記憶した前記情報と設定された前記塩水の塩分濃度および前記シャーベット氷の生成濃度とに基づいて前記予め定められた温度差を求める、請求項1に記載のシャーベット氷生成装置。
- 前記制御手段は、前記塩水の温度の低下速度がステップ状に低下したときの前記塩水の温度を前記結氷開始温度とする、請求項1または請求項2に記載のシャーベット氷生成装置。
- 前記制御手段は、前記塩水の温度を所定の周期でサンプリングし、サンプリングした複数の温度の1次差分値を求め、求めた1次差分値がステップ状に変化したときの前記塩水の温度を前記結氷開始温度とする、請求項3に記載のシャーベット氷生成装置。
- 前記制御手段は、前記塩水の温度を所定の周期でサンプリングし、サンプリングした複数の温度の2次差分値を求め、求めた2次差分値が予め定められたしきい値を越えたときの前記塩水の温度を前記結氷開始温度とする、請求項3に記載のシャーベット氷生成装置。
- さらに、前記タンク内の塩水を撹拌する撹拌手段を備え、
前記冷却手段は、
前記タンク外に設けられ、前記塩水を流す水路と、
前記タンク内の塩水を前記水路を介して循環させるポンプと、
前記水路を流れる塩水の一部を凍らせて微細氷を生成し、生成した微細氷を前記水路に流す製氷機とを含む、請求項1から請求項5までのいずれかに記載のシャーベット氷生成装置。 - タンク内の塩水を冷却してシャーベット氷を生成するシャーベット氷生成方法であって、
前記タンク内の塩水を冷却するとともに前記タンク内の塩水の温度を検出し、前記塩水の温度の時刻変化に基づいて前記塩水の結氷開始温度を検出し、検出した結氷開始温度と前記塩水の温度との温度差が予め定められた温度差に到達したことに応じて前記塩水の冷却を停止する、シャーベット氷生成方法。
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