JP6508707B2

JP6508707B2 - 低温液化ガスの噴射状態の調整方法および低温液化ガス噴射装置

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Publication number: JP6508707B2
Application number: JP2015012968A
Authority: JP
Inventors: 嘉之和田; 好史和田
Original assignee: 有限会社クールテクノス
Priority date: 2015-01-27
Filing date: 2015-01-27
Publication date: 2019-05-08
Anticipated expiration: 2035-01-27
Also published as: JP2016138685A

Description

本発明は、液化窒素等の低温液化ガスを被冷却物に対して噴射する装置において、低温液化ガスの噴射状態を調整する方法などに関する。

従来より、アイスクリームやかき氷などの冷凍食品の製造工程において、冷凍食品に液化窒素を噴射して冷凍または冷却することが行われている。このように液化窒素を被冷却物に対して噴射する装置は、例えば特許文献１に開示されている。同文献に開示されている液化窒素の噴射装置は、本件出願人によって開発されたものである。

特開２００８−１４５０２８号公報

被冷却物に対して液化窒素を噴射して、被冷却物を効率良く冷やすためには、被冷却物に対してミスト状の液化窒素を衝突させることが必要である。つまり、ミスト状の液化窒素を被冷却物に衝突させると、潜熱による冷却効果が大きくなる。

ところで、装置の噴射口から噴射される液化窒素の温度が低すぎたり、噴射流量が多すぎると、噴射された液化窒素が被冷却物に衝突するまでにミスト状態にならず、液体の状態（あるいは液体の割合が高い状態）で被冷却物に衝突する。この場合、被冷却物に衝突した液化窒素は、その被冷却物と殆ど熱交換することなく、球状になって転げ落ちてしまう。また、被冷却物がソフトクリームのように形状を崩しやすいものであれば、液体のまま被冷却物に衝突することで、その形状を崩してしまうおそれがある。一方、装置の噴射口から噴射される液化窒素の温度が高すぎたり、噴射流量が少ないと、噴射後早々に気化してしまい、被冷却物を冷却できなくなる。

したがって、装置の噴射口から噴射された液化窒素が被冷却物に衝突する直前にミスト状態になるように調整することが望ましいが、装置の噴射口から噴射される液化窒素の状態は、噴射流量、液化窒素を供給する配管等の温度、外気温などに左右され、そのようなミスト状態を確実に作り出すことは容易ではなかった。もちろん、噴射流量をバルブ操作により調整すれば、噴射口から噴射された液化窒素を被冷却物に衝突する直前にミスト状態にすることは可能であるが、予め要求される噴射流量が決まっている場合は、そのような調整により、ミスト状態を作り出すことは困難である。

本発明は、上記問題点に鑑みて創案されたものであり、予め必要とされる噴射流量が決められているような場合であっても、装置から噴射された低温液化ガスが被冷却物にミスト状態で衝突するように調整することが容易となる調整方法および装置を提供することを目的とする。

本発明の低温液化ガスの噴射状態の調整方法は、低温液化ガスを噴射する噴射パイプを着脱可能に備えた低温液化ガス噴射装置を使用することを前提とする。具体的には、前記低温液化ガス噴射装置の噴射パイプを被冷却物又は被冷却物の配置予定位置の方に向けて配置し、前記低温液化ガス噴射装置によって、噴射パイプから低温液化ガスを所定時間連続的に噴射させ、前記所定時間経過後に、噴射パイプから噴射されている低温液化ガスが被冷却物の位置又は被冷却物の配置予定位置で液体状態にあるときは、当該噴射パイプをこれより長いものに交換する。一方、前記所定時間経過後に、噴射パイプから噴射されている低温液化ガスが気化して被冷却物の位置又は被冷却物の配置予定位置まで到達しないときは、当該噴射パイプをこれより短いものに交換する。

上記の構成を備える低温液化ガスの噴射状態の調整方法によれば、長さの異なる取替用の噴射パイプを多数種用意しておき、所定時間噴射パイプから液化窒素を連続噴射させる作業と、噴射パイプを交換する作業とを交互に繰り返すことにより、容易に、噴射状態を最適な状態とすることができ、被冷却物の冷却効率を良好にすることができる。

本発明の低温液化ガスの噴射状態の調整方法は、低温液化ガスを噴射する複数の同一長さの噴射パイプを含む噴射パイプユニットを着脱可能に備えた低温液化ガス噴射装置を使用することを前提とする。具体的には、前記低温液化ガス噴射装置の複数の噴射パイプを被冷却物又は被冷却物の配置予定位置の方に向けて配置し、前記低温液化ガス噴射装置によって、複数の噴射パイプから低温液化ガスを所定時間連続的に噴射させ、前記所定時間経過後に、噴射パイプから噴射されている低温液化ガスが被冷却物の位置又は被冷却物の配置予定位置で液体状態にあるときは、当該噴射パイプユニットをこれより長い噴射パイプを備えたものに交換する。一方、前記所定時間経過後に、噴射パイプから噴射されている低温液化ガスが気化して被冷却物の位置又は被冷却物の配置予定位置まで到達しないときは、当該噴射パイプユニットをこれより短い噴射パイプを備えたものに交換する。

上記の構成を備える低温液化ガスの噴射状態の調整方法によれば、長さの異なる噴射パイプを備えた取替用の噴射パイプユニットを多数種用意しておき、所定時間噴射パイプから液化窒素を連続噴射させる作業と、噴射パイプユニットを交換する作業とを交互に繰り返すことにより、容易に、噴射状態を最適な状態とすることができ、被冷却物の冷却効率を良好にすることができる。

上記の構成を備える低温液化ガスの噴射状態の調整方法において、前記噴射パイプユニットは、例えば、基端部に低温液化ガス供給部に接続される接続部を有する基幹パイプと、前記基幹パイプに基端部が接続された複数の同一長さの噴射パイプと、を含むものとすることができる。

本発明の低温液化ガス噴射装置は、低温液化ガスを噴射する複数の同一長さの噴射パイプを含む噴射パイプユニットを着脱可能に備えたものであって、前記噴射パイプユニットは、基端部に低温液化ガスの供給部に接続される接続部を有する基幹パイプと、前記基幹パイプに基端部が接続された複数の同一長さの噴射パイプと、を含み、前記複数の同一長さの噴射パイプは、噴射方向が同じ方向に向けられており、前記複数の同一長さの噴射パイプのうち、何れかの噴射パイプは、前記基幹パイプに対して接続される噴射方向の接続位置が相違しており、前記複数の同一長さの噴射パイプのうち、何れかの噴射パイプの途中部に輪状の迂回路が形成されていることによって、前記複数の同一長さの噴射パイプの噴射方向の先端位置がほぼ揃っている、ものとすることができる。

本発明によれば、予め必要とされる噴射流量が決められているような場合であっても、装置から噴射された低温液化ガスが被冷却物にミスト状態で衝突するように調整することが容易となる。

（ａ）は、液化窒素の噴射装置の噴射パイプユニット等の正面図である。（ｂ）は、液化窒素の噴射装置の噴射パイプユニット等の側面図である。液化窒素供給装置の配管フロー図である。噴射パイプユニットの取替作業を説明するための手順図である。噴射パイプの変形実施形態を示す図である。但し、一部の噴射パイプの図示を省略している。

以下、本発明の実施の形態に係る低温液化ガスの噴射装置および低温液化ガスの噴射状態の調整方法ついて、図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、液化窒素を低温液化ガスの一例として説明する。

図１および図２に示すように、液化窒素の噴射装置１は、噴射パイプ２、基幹パイプ３、接続部４、液化窒素供給パイプ６、液化窒素供給装置７等を備えている。

噴射パイプ２は、液化窒素を噴射するパイプであり、本実施形態では同一長さ、同一内外径（例えば内径０．４ｍｍ、外径１．６ｍｍ）かつ同一材料（例えばステンレス等）からなるものが複数本（８本）１セットになっている。複数本の噴射パイプ２は、互いに所定間隔をおいて配設される。噴射パイプ２は、その基端部が基幹パイプ３にろう付け等により接続され、基幹パイプ３を介して内部に液化窒素が供給される。なお、図１に示す例では、複数の噴射パイプ２の基端部が基幹パイプ３の側面に、周方向等間隔で接続されている。

基幹パイプ３は、その基端部に液化窒素供給パイプ６と接続するための接続部４を有しており、液化窒素供給パイプ６を介して基幹パイプ３内に液化窒素が供給される。上記接続部４としては例えば管継手が採用される。基幹パイプ３は噴射パイプ２とともに、液化窒素供給パイプ６に対して着脱可能となった噴射パイプユニット８を構成する。なお、基幹パイプ３の先端部は閉塞している。

液化窒素供給パイプ６は、液化窒素供給装置７から液化窒素の供給を受け、噴射パイプユニット８に液化窒素を供給する。

液化窒素供給装置７は、図２に示すように、液化窒素を充填したＬＧＣ（超低温容器）１１、気液分離器１２、噴射パイプ２へ供給する液化窒素の流量・圧力を制御するためのバルブ１３，１４、サブクーラ１５、制御部２１などで構成されている。

ＬＧＣ１１には、液化窒素が約６００ｋＰａの圧力にて充填されており、内部の液化窒素は、配管１６を介してサブクーラ１５に供給される。なお、配管１６は断熱材１７に覆われている。

サブクーラ１５においては、前記配管１６から二手に分岐した一方の配管１８が更に配管１８ａと配管１８ｂに分岐し、何れかの配管１８ａ，１８ｂから気液分離器１２を介して液化窒素貯留器１９へ液化窒素が供給される。各配管１８ａ，１８ｂの途中には、制御部２１の指令に従って開閉する電磁弁２３が設けられている。また、液化窒素貯留器１９内には、貯留した液化窒素の液面レベルを検出する液面センサ２４が設けられており、制御部２１は、この液面センサ２４から得られる液面高さ情報に基づいて電磁弁２３を開閉制御して、液化窒素貯留器１９内の液面レベルを一定範囲に維持する。なお、液化窒素貯留器１９内で気化した窒素は排ガス管２６から外へ排気される。

前記配管１６から二手に分岐した他方の配管２７は、液化窒素貯留器１９内に貯留された−１９６℃の液化窒素内を通過して、サブクーラ１５から導出され、バルブ１４、フレキシブルホース２７を介して、他の液化窒素貯留部２８に接続されている。液化窒素はこの液化窒素貯留部２８内に一旦溜められた上で、バルブ１３（ニードル弁等の流量制御弁）を介して各噴射パイプユニット８へと供給される。なお、図２に示す例では、噴射パイプユニット８が５か所に設けられており、各噴射パイプユニット８へ供給される液化窒素の流量は、各別に設けられたバルブ１３によって調整可能となっている。

なお、基幹パイプ３に対する噴射パイプ２の接続部の近傍の温度を検出するために温度検出器Ｔ１が設けられ、また、液化窒素供給パイプ６の温度を検出するために温度検出器Ｔ２が設けられている。これらの温度検出器Ｔ１，Ｔ２が温度検出する位置は直線方向に約１００ｍｍ離れている。

液化窒素供給装置７において、上記のようにサブクーラ１５を設けたことにより、配管内の液化窒素を過冷却状態にして気化の防止を図り、以て、噴射パイプ２から噴射される液化窒素の噴射流量の安定化を図っている。

つぎに、上記構成を備える液化窒素の噴射装置１を使用して被冷却物を冷却する場合における液化窒素の噴射状態を調整する方法について説明する。この調整方法は、以下の「連続噴射」と「噴射パイプユニット８の交換」とを繰り返すことにより実施される。なお、予め噴射パイプ２の長さが異なる多数の取替え用の噴射パイプユニット８が準備されているものとする。液化窒素の噴射装置１に当初より取り付けられている噴射パイプ２の長さが例えば２００ｍｍであれば、取替え用の噴射パイプユニット８として、噴射パイプ２の長さが２００ｍｍより長いもの（例えば２５０ｍｍ、３００ｍｍ、３５０ｍｍ）と、噴射パイプ２の長さが２００ｍｍより短いもの（例えば１５０ｍｍ、１００ｍｍ、５０ｍｍ）とが準備される。

先ず最初に、図３（ａ）に示すように、噴射パイプ２を被冷却物２９（又は被冷却物２９の配置予定位置）の方に向けて配置し、所定時間以上、液化窒素を連続的に噴射させる。なお、この段階では、被冷却物は実際に配置していなくてもよい。ここで、所定時間は、噴射パイプユニット８等の温度が安定し、噴射される液化窒素の状態も安定するために必要な時間（例えば２０分程度）である。噴射パイプユニット８等の温度が安定したか否かは上記温度検出器Ｔ１，Ｔ２から得られる温度を監視することにより判断することができる。例えば、温度検出器Ｔ１により検出される温度の変化が１分間当たり所定範囲以内（例えば０．５℃以内、０．１℃以内など）となった場合に安定したと判断することができる。

次に、噴射パイプ２（２Ａ）から液化窒素の連続噴射を開始して上記所定時間が経過し、噴射される液化窒素の状態が安定した後、噴射パイプ２から噴射される液化窒素が被冷却物２９の位置で液体状態（液化窒素が噴射パイプ２の先端から被冷却物２９の位置まで線状に連なっている状態）にあるときは、接続部４の接続を解除して、噴射パイプユニット８（８Ａ）をこれより長い噴射パイプ２（２Ｂ）を備えた別の噴射パイプユニット８（８Ｂ）に交換する（図３（ｂ）参照）。噴射パイプ２が長くなることにより、噴射パイプ２への入熱量が増加して、噴射パイプ２内を通る液化窒素の温度が比較的高くなり（気化し易い状態となり）、噴射された液化窒素は、より噴射パイプ２に近い位置で液体状態からミスト状態へと変化し、あるいは、噴射パイプ２から出るや否やミスト状態に変化するようになる。

一方、噴射パイプ２から液化窒素の連続噴射を開始して上記所定時間が経過し、噴射される液化窒素の状態が安定した後、噴射パイプ２から噴射される液化窒素が気化して被冷却物２９の位置まで到達しないとき（つまり、ミスト状の液化窒素も到達しないとき）は、接続部４の接続を解除して、噴射パイプユニット８（８Ａ）をこれより短い噴射パイプ２（２Ｃ）を備えた噴射パイプユニット８（８Ｃ）に交換する（図３（ｃ）参照）。噴射パイプ２が短くなることにより、噴射パイプ２への入熱量が減少して、噴射パイプ２内を通る液化窒素の温度が比較的低くなり（気化し難い状態となり）、噴射された液化窒素は、より噴射パイプ２から離れた位置で液体状態からミスト状態に変化するようになる。

次に、交換後の噴射パイプユニット８により、再び、所定時間以上（この所定時間は、噴射パイプユニット以外は既に冷えているので当初の所定時間より短くなる。）、液化窒素を連続的に噴射させる。

次に、噴射パイプ２から液化窒素の連続噴射を開始して上記所定時間が経過し、噴射される液化窒素の状態が安定した後、噴射パイプ２から噴射された液化窒素が被冷却物２９の位置で丁度ミスト状態になっているときは、調整作業を完了する。

一方、噴射パイプ２から液化窒素の連続噴射を開始して上記所定時間が経過し、噴射される液化窒素の状態が安定した後、噴射パイプ２から噴射された液化窒素が被冷却物２９の位置で液体状態（液化窒素が噴射パイプ２の先端から被冷却物２９の位置まで線状に連なっている状態）にあるときは、噴射パイプユニット８をこれより長い噴射パイプ２を備えた別の噴射パイプユニット８に交換する。逆に、噴射パイプ２から噴射される液化窒素が気化して被冷却物２９の位置まで到達しないとき（つまり、ミスト状の液化窒素も到達しないとき）は、噴射パイプユニット８をこれより短い噴射パイプ２を備えた噴射パイプユニット８に交換する。

その後、噴射パイプ２から噴射された液化窒素が被冷却物２９の位置でミスト状態になるまで（又はミスト状態に近い状態になるまで）、上記した噴射パイプ２から液化窒素を連続噴射させる作業と、噴射パイプユニット８を交換する作業とを交互に繰り返す。

なお、噴射パイプ２が長くなることにより、噴射パイプ２への入熱量が増加し、噴射パイプ２が短くなることにより、噴射パイプ２への入熱量が減少することは本件発明者において実験により確認済である。すなわち、本件発明者は、噴出パイプユニット８として噴出パイプ２の長さが１００ｍｍのもの、噴出パイプ２の長さが２００ｍｍのもの、噴出パイプ２の長さが３００ｍｍのものの３種類（ただし、何れも内径が０．４ｍｍ、外径が１．６ｍｍの８本１セットの噴出パイプ２である。）を用意し、それぞれ、噴出された液化窒素が噴出パイプ２の先端から２０〜３０ｃｍの距離でミスト状態になっているようにバルブ１３を操作して噴出量を調整し、噴出状態が安定した後、温度検出器Ｔ１により検出された温度（ＴＣ１）と温度検出器Ｔ２により検出された温度（ＴＣ２）を読み取った。そして、温度検出器Ｔ１により検出された温度（ＴＣ１）から温度検出器Ｔ２により検出された温度（ＴＣ２）を差し引いた値（ＴＣ）を確認したところ、噴出パイプ２の長さが１００ｍｍのものについてはＴＣ＝２０℃、噴出パイプ２の長さが２００ｍｍのものについてはＴＣ＝３５℃、噴出パイプ２の長さが３００ｍｍのものについてはＴＣ＝５３℃であった。つまり、噴射パイプ２が長くなるほど、噴射パイプ２への入熱量が大きくなることが確認できた。このことにより、噴射パイプ２が長くなるほど、噴出パイプ２から噴出される液化窒素が比較的気化し易い状態になることがわかる。

以上の説明から明らかなように、本発明の実施の形態に係る低温液化ガスの噴射装置および低温液化ガスの噴射状態の調整方法によれば、長さの異なる噴射パイプ２を備えた取替用の噴射パイプユニット８を多数種用意しておき、噴射パイプ２から液化窒素を連続噴射させる作業と、噴射パイプユニット８を交換する作業とを交互に繰り返すことにより、容易に、噴射状態を最適な状態し、被冷却物２９の冷却効率を良好にすることができる。

また、本発明の実施の形態に係る低温液化ガスの噴射装置および低温液化ガスの噴射状態の調整方法によれば、２０時間程度の連続運転であっても、上記した良好な噴射状態を維持することができる。

＜他の実施形態＞
図１に示すように、噴射パイプ２の基幹パイプ３に対する接続位置が全て同じであるものではなく、図４（ａ）に示すように、噴射パイプ２の基幹パイプ３に対する接続位置が噴射パイプ２Ａと噴射パイプ２Ｂとで相違しているものは、噴射パイプ２Ａ，２Ｂの長さを同一にすれば、噴射パイプ２Ａ，２Ｂ間で先端の位置がずれてしまい、被冷却物２９に衝突させる液化窒素の状態にばらつきが生じてしまう。このようなばらつきを防止すべく、図４（ｂ）や図４（ｃ）に示すように、一部の噴射パイプ２Ａの途中部に輪３１等の迂回路を形成して全ての噴射パイプ２Ａ，２Ｂの先端位置をほぼ揃えるようにしてもよい。

既述の実施形態においては、噴射パイプユニット８に設けられた噴射パイプ２は複数（８本）であったが、噴射パイプ２を１本とすることも当然可能である。

１液化窒素の噴射装置（低温液化ガス噴射装置）
２噴射パイプ
３基幹パイプ
４接続部
６液化窒素供給パイプ（低温液化ガス供給部）
８噴射パイプユニット
２９被冷却物

Claims

低温液化ガスを噴射する噴射パイプを着脱可能に備えた低温液化ガス噴射装置における、低温液化ガスの噴射状態の調整方法であって、
前記低温液化ガス噴射装置の噴射パイプを被冷却物又は被冷却物の配置予定位置の方に向けて配置し、
前記低温液化ガス噴射装置によって、噴射パイプから低温液化ガスを所定時間連続的に噴射させ、
前記所定時間経過後に、噴射パイプから噴射されている低温液化ガスが被冷却物の位置又は被冷却物の配置予定位置で液体状態にあるときは、当該噴射パイプをこれより長いものに交換し、
前記所定時間経過後に、噴射パイプから噴射されている低温液化ガスが気化して被冷却物の位置又は被冷却物の配置予定位置まで到達しないときは、当該噴射パイプをこれより短いものに交換する、
ことを特徴とする低温液化ガスの噴射状態の調整方法。
低温液化ガスを噴射する複数の同一長さの噴射パイプを含む噴射パイプユニットを着脱可能に備えた低温液化ガス噴射装置における、低温液化ガスの噴射状態の調整方法であって、
前記低温液化ガス噴射装置の複数の噴射パイプを被冷却物又は被冷却物の配置予定位置の方に向けて配置し、
前記低温液化ガス噴射装置によって、複数の噴射パイプから低温液化ガスを所定時間連続的に噴射させ、
前記所定時間経過後に、噴射パイプから噴射されている低温液化ガスが被冷却物の位置又は被冷却物の配置予定位置で液体状態にあるときは、当該噴射パイプユニットをこれより長い噴射パイプを備えたものに交換し、
前記所定時間経過後に、噴射パイプから噴射されている低温液化ガスが気化して被冷却物の位置又は被冷却物の配置予定位置まで到達しないときは、当該噴射パイプユニットをこれより短い噴射パイプを備えたものに交換する、
ことを特徴とする低温液化ガスの噴射状態の調整方法。
請求項２に記載の低温液化ガスの噴射状態の調整方法において、
前記噴射パイプユニットは、
基端部に低温液化ガス供給部に接続される接続部を有する基幹パイプと、
前記基幹パイプに基端部が接続された複数の同一長さの噴射パイプと、
を含むものである、
ことを特徴とする低温液化ガスの噴射状態の調整方法。
低温液化ガスを噴射する複数の同一長さの噴射パイプを含む噴射パイプユニットを着脱可能に備えた低温液化ガス噴射装置であって、
前記噴射パイプユニットは、
基端部に低温液化ガスの供給部に接続される接続部を有する基幹パイプと、
前記基幹パイプに基端部が接続された複数の同一長さの噴射パイプと、
を含み、
前記複数の同一長さの噴射パイプは、噴射方向が同じ方向に向けられており、
前記複数の同一長さの噴射パイプのうち、何れかの噴射パイプは、前記基幹パイプに対して接続される噴射方向の接続位置が相違しており、
前記複数の同一長さの噴射パイプのうち、何れかの噴射パイプの途中部に輪状の迂回路が形成されていることによって、前記複数の同一長さの噴射パイプの噴射方向の先端位置がほぼ揃っている、
ことを特徴とする低温液化ガス噴射装置。