JP7060787B2 - 製氷システムとこれに用いる蒸発温度の制御方法 - Google Patents

Description

本開示は、氷スラリーの製造に適した製氷システムとこれに用いる蒸発温度の制御方法に関する。

例えば、海水を原料とする製氷システムとして、冷媒回路で冷却されるアイスジェネレータの内管の内周面に付着した氷をブレード（スクレーパーともいう。）で掻き取り、海水と混ぜることで氷スラリーを製造するものがある。
特許文献１には、上記の製氷システムにおいて、製氷運転中にブレード機構の駆動源の電流値を検出し、所定の電流値を超えた場合に、蒸発圧縮式の冷媒回路の冷凍サイクルを逆サイクルに切り替えることにより、定常運転に復旧する方法が記載されている。

特開２０１１－８５３８８号公報

この種の製氷システムにおいて、氷層がアイスジェネレータの内管の内周面に付着し、ブレード機構の各部に過大な荷重がかかる現象のことを「アイスロック」という。
特許文献１のように、ブレード機構の駆動源の電流値に基づいて運転モードを切り替える方法では、電流値の上昇を検出した時点で既にアイスロックが発生している。従って、アイスロックが発生するごとに、ブレード機構の各部に過大な荷重が加わって疲労が蓄積し、ブレード機構の寿命が短くなるという欠点がある。

本開示は、氷が出来始めの時点でブレード機構に荷重がかかる現象を回避し、製氷システムの信頼性を向上することを目的とする。

（１） 本開示の一態様に係る製氷システムは、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路と、前記冷媒回路の冷却対象である溶液の循環回路と、前記冷媒回路の冷媒の蒸発温度制御を実行する制御装置とを備える。
前記循環回路は、アイスジェネレータの溶液流路と、溶液を貯める溶液タンクと、前記溶液流路に溶液を圧送するポンプとを含み、前記冷媒回路は、前記アイスジェネレータの蒸発器と、圧縮機と、凝縮器と、膨張弁とを含む。

また、前記制御装置は、前記アイスジェネレータにおける溶液の過冷却度が所定の閾値よりも大きい場合に、前記蒸発温度制御に用いる目標蒸発温度を定常運転の場合よりも高めに切り替える切替制御を実行する。

本開示の製氷システムによれば、制御装置が上記の切替制御を実行するので、溶液の過冷却度が所定の閾値よりも大きくなると、蒸発温度制御に用いる目標蒸発温度が定常運転の場合よりも高めに設定される。
このため、アイスロックの予兆と考えられる過冷却度の増加を契機として、事前に製氷能力を落とす運転が可能となり、アイスロックの発生を未然に回避できる。従って、ブレード機構に対する負荷を軽減でき、製氷システムの信頼性を向上することができる。

（２） 本開示の製氷システムにおいて、前記制御装置は、システム起動時から所定時間が経過するまでの第１期間に、前記切替制御を実行することが好ましい。
その理由は、システム起動時には未だ製氷が行われていないため、起動時から所定時間が経過するまでに、氷ができ始める時点（過冷却度の上昇時点）が存在する可能性が高いからである。

（３） 本開示の製氷システムにおいて、前記制御装置は、溶液の追加投入を通知する操作入力の検出時点から所定時間が経過するまでの第２期間に、前記切替制御を実行することが好ましい。
その理由は、溶液が追加投入された場合には、未だ製氷が行われていない溶液が循環回路を流れるため、追加投入時から所定時間が経過するまでに、氷ができ始める時点（過冷却度の上昇時点）が存在する可能性が高い

（４） 本開示の製氷システムにおいて、前記制御装置は、溶質濃度と理論氷結温度との関係式を記憶しており、記憶した前記関係式を用いて算出した理論氷結温度に基づいて、溶液の過冷却度を算出することが好ましい。
このようにすれば、溶液の過冷却度を正確に算出できるので、目標蒸発温度の切り替え時点を適切に判定できるようになる。

（５） 本開示の制御方法は、上述の（１）～（４）に記載の製氷システムにおいて実行される蒸発温度の制御方法に関する。
従って、本開示の制御方法は、上述の（１）～（４）に記載の製氷システムと同様の作用効果を奏する。

本開示によれば、溶液を冷却対象とする製氷システムにおいて、製氷システムの信頼性を向上することができる。

本開示の実施形態に係る製氷システムの概略構成図である。 アイスジェネレータの構成例を示す側面図である。 海水の塩分濃度と凝固点及び蒸発温度との関係を示すグラフである。 塩分濃度に基づく蒸発温度制御の一例を示すフローチャートである。 アイスロックの発生時点を含む所定時間内のブレード電流、海水入口温度、及び海水出口温度の時間的変化の一例を示すグラフである。 過冷却度に基づくモード切替制御の一例を示すフローチャートである。 氷結温度に基づくモード切替制御の一例を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しつつ、本開示の実施形態の詳細を説明する。
〔製氷システムの全体構成〕
図１は、本開示の実施形態に係る製氷システム５０の概略構成図である。
本実施形態の製氷システム５０は、海水タンク８に貯めた海水を原料として製氷機１Ｕ，１Ｌにより氷スラリーを連続的に生成し、生成した氷スラリーを海水タンク８に戻すシステムである。

本実施形態の製氷機（以下、「アイスジェネレータ」ともいう。）１Ｕ，１Ｌは、例えば二重管式製氷機よりなる。
本実施形態において、複数（図例では２つ）の製氷機（アイスジェネレータ）を総称する場合は参照符号「１」を用い、それらを区別する場合は参照符号「１Ｕ」及び「１Ｌ」を用いる。「第１膨張弁」の場合も同様である。

氷スラリーとは、水または水溶液に微細な氷が混濁したシャーベット状の氷のことをいう。氷スラリーは、アイススラリー、スラリーアイス、スラッシュアイス、リキッドアイスとも呼ばれる。
本実施形態の製氷システム５０は、海水をベースとした氷スラリーを連続的に生成可能である。このため、本実施形態の製氷システム５０は、例えば漁船や漁港などに設置され、海水タンク８に戻された氷スラリーは鮮魚の保冷などに利用される。

図１に示すように、製氷システム５０は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路６０と、海水タンク８とアイスジェネレータ１Ｕ，１Ｌとの間で冷媒回路６０の冷却対象である海水を循環させる循環回路７０と、を備える。
製氷システム５０は、更に、当該製氷システム５０に含まれる各機器の動作を制御する制御装置（コントローラ）８０と、制御装置８０と通信可能に接続された入出力装置９０と、を備える。

冷媒回路６０は、アイスジェネレータ１の熱交換部２０（図２参照）、圧縮機２、熱源側熱交換器３、四路切換弁４、第１膨張弁５、過熱器６、第２膨張弁１１、及びレシーバ７などを備える。冷媒回路６０は、これらの各機器を図示の経路で配管することにより構成されている。

アイスジェネレータ１の熱交換部２０は、冷媒回路６０の利用側熱交換器として機能する。圧縮機２は、インバータ制御により容量が可変のインバータ圧縮機よりなる。
第１膨張弁５は、利用側の膨張弁であり、制御信号に応じて開度の調整が可能な電子膨張弁よりなる。第２膨張弁１１は、熱源側の膨張弁であり、制御信号に応じて開度の調整が可能な電子膨張弁よりなる。

循環回路７０は、アイスジェネレータ１の海水流路１２Ａ（図２参照）、海水タンク８、及びポンプ９などを備える。循環回路７０は、これらの各機器を図示の経路で配管することにより構成されている。

アイスジェネレータ１の海水流路１２Ａは、循環回路７０においてシャーベット状の氷スラリーの生成区間として機能する。
ポンプ９は、海水タンク８から海水を吸い込んでアイスジェネレータ１の海水流路１２Ａに海水を圧送する。海水流路１２Ａで生成された氷スラリーは、ポンプ圧によって海水とともに海水タンク８に戻される。

本実施形態の循環回路７０は、複数のアイスジェネレータ１Ｕ，１Ｌを備える。アイスジェネレータ１Ｕ，１Ｌの海水流路１２Ａは直列に接続されている。
従って、ポンプ９から圧送された海水は、下段側のアイスジェネレータ１Ｌでの製氷が行われたあと、上段側のアイスジェネレータ１Ｕに供給され、更に上段側のアイスジェネレータ１Ｕでの製氷が行われてから、海水タンク８に戻される。

冷媒回路６０の第１膨張弁５Ｕ，５Ｌ及び過熱器６は、アイスジェネレータ１Ｕ，１Ｌごとに設けられている。図１の冷媒回路６０では、アイスジェネレータ１Ｕに第１膨張弁５Ｕが対応し、アイスジェネレータ１Ｌに第１膨張弁５Ｌが対応している。
過熱器６は、例えば二重管式熱交換器よりなり、各アイスジェネレータ１Ｕ，１Ｌに対して複数（図例では２つ）設けられている。アイスジェネレータ１Ｕ，１Ｌに対応する複数の過熱器６は、それぞれ外管と内管とを備える。

製氷運転においてレシーバ７から冷媒が供給される吐出側の配管には、アイスジェネレータ１Ｕ，１Ｌの台数分だけ分岐する吐出側分岐管が含まれる。
過熱器６の外管は、吐出側分岐管に対して直列に接続されている。吐出側分岐管に対して直列に並ぶ複数の過熱器６のうち、製氷運転において冷媒進行方向の下流側となる過熱器６の外管は、第１膨張弁５Ｕ，５Ｌに通じている。

製氷運転において圧縮機２に冷媒を戻す戻り側の配管には、アイスジェネレータ１Ｕ，１Ｌの台数分だけ分岐する戻り側分岐管が含まれる。
過熱器６の内管は、戻り側分岐管に対して直列に接続されている。戻り側分岐管に対して直列に並ぶ複数の過熱器６のうち、製氷運転において冷媒進行方向の上流側となる過熱器６の内管は、アイスジェネレータ１の冷媒の流出口１９（図２参照）に通じている。

〔アイスジェネレータの構成〕
図２は、アイスジェネレータ１の構成例を示す側面図である。
図２に示すように、本実施形態のアイスジェネレータ１は、内管１２及び外管１３を含む横置き型の二重管式製氷機よりなる。

内管１２は、軸方向（図２では左右方向）の両端が封止された金属製の円筒部材よりなる。内管１２の内部スペースは、海水及び氷スラリーが通過する海水流路１２Ａを構成する。内管１２の海水流路１２Ａには、ブレード機構１５が設けられている。
ブレード機構１５は、内管１２の内周面に生成された氷粒子を内側に掻き取って内管１２の内部に分散させる。内管１２の軸方向一端側（図２の右端側）には、海水の流入口１６が設けられている。内管１２の軸方向他端側（図２の左端側）には、海水の流出口１７が設けられている。

外管１３は、内管１２よりも直径が大きくかつ長さが短い金属製の円筒部材よりなる。外管１３は、内管１２と同軸心の状態で内管１２の外周面を覆っている。外管１３の軸方向両端は、ドーナツ状の封止壁（図示せず）により、内管１２の外周面に対して封止されている。

内管１２の外周面と外管１３の内周面とで区画される、横断面形状がドーナツ状の環状スペースは、冷媒が通過する冷媒流路１３Ａを構成する。アイスジェネレータ１の熱交換部２０は、冷媒流路１３Ａを構成する内管１２及び外管１３の周壁部分よりなる。
外管１３の下部には、複数（図例では３つ）の冷媒の流入口１８が設けられている。外管１３の上部には、複数（図例では２つ）の冷媒の流出口１９が設けられている。

図２に示すように、氷粒子を掻き取るためのブレード機構１５は、回転軸２１、支持バー２２、及びブレード２３を備える。
回転軸２１は、内管１２と同軸心の状態で海水流路１２Ａに収容されている。回転軸２１の軸方向両端部は、内管１２の軸方向両端を封止する封止壁２４の中心部に回転自在に取り付けられている。

回転軸２１の軸方向一端部（図２の左端部）には、モータ２５が接続されている。モータ２５は、ブレード機構１５を所定方向に回転させる駆動部として機能する。
支持バー２２は、回転軸２１の外周面から径方向外側に突出する棒状部材よりなる。支持バー２２は、回転軸２１の軸方向に所定間隔おきに配置されている。ブレード２３は、各支持バー２２の先端に固定されている。ブレード２３は、例えば樹脂製の帯板部材よりなる。ブレード２３の回転方向の前側の端縁は鋭利な先細り形状となっている。

アイスジェネレータ１は、一対のブレード２３，２３よりなるスクレーパーアセンブリ（以下、「アセンブリ」と略記する。）を有する。
１つのアセンブリを構成する一対のブレード２３，２３は、軸方向位置が同じでかつ回転方向位置が１８０度ずれている。アセンブリは、回転軸２１の軸方向に沿って複数組（図例では６組）設けられている。

〔製氷システムの運転モード〕
本実施形態の製氷システム５０の運転モードには、通常時の製氷運転と、異常発生時に行われるデフロスト運転とが含まれる。
製氷運転では、四路切換弁４が図１の実線の状態に保持される。この場合、圧縮機２が吐出する高温高圧のガス冷媒は、製氷運転において凝縮器として機能する熱源側熱交換器３に流入する。

熱源側熱交換器３に流入したガス冷媒は、送風ファン１０が送風する空気と熱交換して凝縮・液化する。熱源側熱交換器３において液化した冷媒は、第２膨張弁１１（製氷運転では全開）、レシーバ７及び過熱器６の外管を経由して、第１膨張弁５Ｕ，５Ｌにそれぞれ流入する。
液化した冷媒は、第１膨張弁５Ｕ，５Ｌにより所定の低圧に減圧され、アイスジェネレータ１の流入口１８（図２参照）から、製氷運転において蒸発器として機能するアイスジェネレータ１Ｕ，１Ｌの熱交換部２０に流入する。

アイスジェネレータ１の熱交換部２０に流入した冷媒は、ポンプ９により内管１２の海水流路１２Ａに圧送された海水と熱交換して蒸発する。冷媒の蒸発により海水が冷却されると、内管１２の内面及びその近傍に氷粒子が生成される。
生成された氷粒子は、ブレード機構１５により掻き取られ、海水流路１２Ａの内部で海水と混合して氷スラリーとなる。氷スラリーは、内管１２の流出口１７から流出して海水タンク８に戻る。アイスジェネレータ１Ｕ，１Ｌの熱交換部２０で蒸発して気化した冷媒は、過熱器６の内管及び四路切換弁４を経由して、圧縮機２に戻される。

上述の通り、循環回路７０は、内管１２が直列接続された２台のアイスジェネレータ１Ｕ，１Ｌを有する。従って、循環回路７０における処理は、以下の順序となる。
１）ポンプ９から下段側のアイスジェネレータ１Ｌへの原料供給
２）下段側のアイスジェネレータ１Ｌにおける氷スラリーの生成
３）下段側のアイスジェネレータ１Ｌから上段側のアイスジェネレータ１Ｕへの氷スラリー及び海水の移送
４）上段側のアイスジェネレータ１Ｕにおける氷スラリーの生成
５）上段側のアイスジェネレータ１Ｕから海水タンク８への氷スラリー及び海水の返送

アイスジェネレータ１の内管１２内で氷が蓄積して海水の流れが悪化する現象（アイスアキュムレーション）が発生すると、製氷運転を継続できなくなる。そこで、海水流路１２Ａに滞留した氷を溶かすためのデフロスト運転が行われる。
デフロスト運転では、四路切換弁４が図１の破線の状態に保持される。この場合、圧縮機２が吐出する高温高圧のガス冷媒は、四路切換弁４及び過熱器６の内管を経由して、デフロスト運転において凝縮器として機能するアイスジェネレータ１Ｕ，１Ｌの熱交換部２０に流入する。

熱交換部２０に流入したガス冷媒は、内管１２内の氷を含む海水と熱交換して凝縮・液化する。これにより、海水流路１２Ａに蓄積した氷が溶かされる。熱交換部２０において液化した冷媒は、第１膨張弁５Ｕ，５Ｌ（デフロスト運転では全開）及びレシーバ７を経由して第２膨張弁１１に流入する。

液化した冷媒は、第２膨張弁１１により所定の低圧に減圧され、減圧された冷媒は、デフロスト運転において蒸発器として機能する熱源側熱交換器３に流入する。熱源側熱交換器３に流入した冷媒は、送風ファン１０の作動により空気と熱交換して気化し、圧縮機２に吸入される。

〔制御装置の構成〕
図１に示すように、制御装置８０は、ＣＰＵなどを含む制御部８１と、揮発性メモリなどを含む記憶部８２とを有する。記憶部８２には、コンピュータプログラムを格納するＨＤＤ又はＳＳＤなどのストレージも含まれる。
制御部８１は、記憶部８２から読み出したコンピュータプログラムを実行することにより、製氷システム５０の運転に関する各種の制御を実現する。

例えば、制御装置８０の制御部８１は、冷媒回路６０の随所に設けられた圧力センサ、温度センサ、及び電流センサなどの計測値に基づいて、四路切換弁４の切換操作、第１及び第２膨張弁５，１１の開度調整制御、及び圧縮機２の容量制御などを実行可能である。
制御装置８０の制御部８１は、製氷運転中に実施する制御として、以下の制御を実行可能である。なお、以下の説明では、製氷運転の場合を想定して、アイスジェネレータ１の「熱交換部２０」を「蒸発器２０」という。

１）蒸発温度制御（図４）
この制御は、製氷運転中に蒸発器２０の冷媒の蒸発温度を調整する制御である。本実施形態では、塩分濃度が変化しても、安定した製氷運転と所望の製氷能力とが両立する関係式を用いて、冷媒の蒸発温度を調整する制御が行われる。

２）過冷却度に基づくモード切替制御（図６）
この制御は、アイスジェネレータ１Ｕ，１Ｌにおける海水の過冷却度が所定値を超える場合に、製氷運転の制御モードを信頼性優先運転モードに設定する制御である。
３）海水温度に基づくモード切替制御（図７）
この制御は、アイスジェネレータ１Ｕ，１Ｌにおける海水の温度がほぼ氷結温度相当になった場合に、製氷運転の制御モードを定常運転モードに戻す制御である。

上記の３種類の制御に必要なセンサは、製氷システム５０に設けられる以下のセンサ３１～３５である。
吸入圧力センサ３１：圧縮機２の吸入配管に取り付けられ、吸入配管を流れる冷媒の圧力を計測する圧力センサである。吸入圧力センサ３１の計測値は、冷媒回路６０で行われる冷凍サイクルの低圧と実質的に等しい。

第１濃度センサ３２：下段側のアイスジェネレータ１Ｌの海水の入口配管に取り付けられ、当該入口配管を流れる海水の塩分濃度を計測するセンサである。
第１濃度センサ３２の計測値は、下段側のアイスジェネレータ１Ｌに流入する海水の塩分濃度と実質的に等しい。

第１温度センサ３３：下段側のアイスジェネレータ１Ｌの海水の出口配管に取り付けられ、当該出口配管を流れる海水の温度を計測するセンサである。
第１温度センサ３３の計測値は、下段側のアイスジェネレータ１Ｌによる製氷直後の氷スラリーを含有する海水の温度と実質的に等しい。

第２濃度センサ３４：上段側のアイスジェネレータ１Ｕの海水の入口配管に取り付けられ、当該入口配管を流れる海水の塩分濃度を計測するセンサである。
第２濃度センサ３４の計測値は、上段側のアイスジェネレータ１Ｕに流入する海水の塩分濃度と実質的に等しい。

第２温度センサ３５：上段側のアイスジェネレータ１Ｕの海水の出口配管に取り付けられ、当該出口配管を流れる海水の温度を計測するセンサである。
第２温度センサ３５の計測値は、上段側のアイスジェネレータ１Ｕによる製氷直後の氷スラリーを含有する海水の温度と実質的に等しい。

制御装置８０の記憶部８２は、上記の各制御に用いる制御情報を記憶している。制御情報には、塩分濃度Ｃと海水の理論氷結温度Ｔｉとの関係式（Ｔｉ＝Ａｉ×Ｃ）と、塩分濃度Ｃと蒸発温度Ｔ１．Ｔ２との複数種類の関係式（Ｔ１＝Ａ１×Ｃ，Ｔ２＝Ａ２×Ｃ）と、過冷却度の判定に用いる閾値Ｔｈｓとが含まれる。
上記の関係式及び閾値は、入出力装置９０又はこれに通信可能に接続されたユーザ端末にユーザが所定の操作入力を行うことにより、記憶部８２に記録される。

入出力装置９０は、制御装置８０と通信可能なユーザインタフェースよりなる。制御装置８０と入出力装置９０の通信は、有線通信及び無線通信のいずれであってもよい。
入出力装置９０は、制御装置８０と別体の通信装置（例えば、リモコン、ノートＰＣ、タブレット型ＰＣ或いは携帯端末など）であってもよいし、制御装置８０とともに単一の筐体に収納された操作用インタフェースであってもよい。

入出力装置９０は、操作入力を受け付けるタッチパネル又は各種の入力ボタンなどを含む入力部、制御装置８０から受信した情報をユーザに表示するディスプレイなどの表示部、及びその所定の情報を音声で出力するスピーカなどを備える。
入出力装置９０は、ノートＰＣなどのユーザ端末と通信するための通信ポート（例えば、ＵＳＢポート又はＲＳ－２３２ポートなど）を備える。この場合、ユーザ端末を入出力装置９０に接続すれば、ユーザ端末と制御装置８０との通信が可能となる。

〔制御情報の具体例〕
図３は、海水の塩分濃度と凝固点及び蒸発温度との関係を示すグラフである。
図３において、横軸は海水の塩分濃度（重量％）を示し、縦軸は温度（℃）を示す。
図３の直線Ｌ０は、海水の理論凝固点（℃）を表すグラフである。

海水の塩分濃度をＣとし、海水の理論上の氷結温度をＴｉとすると、両者の相関関係を表す直線Ｌｉは、Ｔｉ＝Ａｉ×Ｃの一次関数となる。Ａｉは、塩分濃度Ｃに対する海水の凝固点降下の度合いを表す係数（傾き）である。
直線Ｌｉより上側の温度範囲Ｒ０は、海水からの氷結が不能な温度範囲Ｒ１を示す。直線Ｌ０より下側は、海水からの氷結が可能な温度範囲を示す。

図３の直線Ｌｍは、安定した製氷が可能な温度範囲Ｒ１とアイスロックが発生する可能性がある温度範囲Ｒ２との境界を定めるグラフである。
海水の塩分濃度をＣとし、冷媒の蒸発温度をＴｍとすると、直線Ｌｍは、Ｔｍ＝Ａｍ×Ｃの一次関数で定義される。直線Ｌｍは、製氷量を最大にした場合の塩分濃度Ｃごとの蒸発温度Ｔｍを表す直線である。係数Ａｍの値は、試験運転又はシミュレーション試験などによりアイスジェネレータ１Ｕ，１Ｌごとに予め決定される。

図３の関数Ｌ１は、「定常運転モード」において使用する塩分濃度Ｃと蒸発温度Ｔ１の関係性を表している。関数Ｌ１は、Ｔ１＝Ａ１×Ｃの相関式で定義される。
直線Ｌ１では、製氷運転中のアイスロックをなるべく回避するため、係数Ａ１は係数Ａｍより大きい値（絶対値が小さい値）に設定されている。係数Ａ１の値は、試験運転又はシミュレーション試験などによりアイスジェネレータ１Ｕ，１Ｌごとに予め決定される。

図３の関数Ｌ２は、「信性優先運転モード」において使用する塩分濃度Ｃと蒸発温度Ｔ２の関係性を表している。関数Ｌ２は、例えばＴ２＝Ａ２×Ｃの相関式で定義される。
直線Ｌ２では、定常運転モードよりもアイスロックを確実かつ未然に回避するため、係数Ａ２は係数Ａ１より大きい値（絶対値が小さい値）に設定されている。係数Ａ２の値は、試験運転又はシミュレーション試験などによりアイスジェネレータ１Ｕ，１Ｌごとに予め決定される。

〔塩分濃度に基づく蒸発温度制御〕
図４は、塩分濃度に基づく蒸発温度制御の一例を示すフローチャートである。
制御装置８０の制御部８１は、製氷運転中において、図４のフローチャートに示す蒸発温度制御を、所定の制御周期Ｄ１（例えば２０～６０秒）ごとに実行する。
また、制御装置８０の制御部８１は、図４のフローチャートに示す蒸発温度制御を、循環回路７０に含まれるアイスジェネレータ１Ｕ，１Ｌごとに実行する。

図４に示すように、制御部８１は、まず、現時点における海水の塩分濃度Ｃを計測する処理を実行する（ステップＳ１０）。
海水の塩分濃度Ｃの計測値Ｃｄは、アイスジェネレータ１Ｕ，１Ｌの入口配管の第１及び第２濃度センサ３２，３４による計測値である。

次に、制御部８１は、塩分濃度Ｃの計測値Ｃｄから目標蒸発温度Ｔｇを算出する（ステップＳ１１）。具体的には、制御部８１は、現時点の制御モードが「定常運転モード」である場合は、次の式（１）により算出される蒸発温度Ｔ１を目標蒸発温度Ｔｇとする。また、制御部８１は、現時点の制御モードが「信頼性優先運転モード」である場合は、次の式（２）により算出される蒸発器温度Ｔ２を目標蒸発温度Ｔｇとする。
Ｔｇ：Ｔ１＝Ａ１×Ｃｄ ……（１） 定常運転モードの場合
Ｔｇ：Ｔ２＝Ａ２×Ｃｄ ……（２） 信頼性優先運転モードの場合

次に、制御部８１は、冷媒の物性に応じて定まる、目標蒸発温度Ｔｇに相当する飽和圧力（以下、「目標飽和圧力」という。）Ｐｓｇを算出する（ステップＳ１２）。
次に、制御部８１は、吸入圧力センサ３１の計測値Ｐｄを読み込み（ステップＳ１３）、計測値Ｐｄが目標飽和圧力Ｐｓｇに等しいか否かを判定する（ステップＳ１４）。

ステップＳ１４の判定結果が肯定的（Ｐｄ＝Ｐｓｇ）である場合は、制御部８１は、第１膨張弁５Ｕ，５Ｌの開度を維持する（ステップＳ１５）。
ステップＳ１４の判定結果が否定的（Ｐｄ≠Ｐｓｇ）である場合は、制御部８１は、吸入圧力センサ３１の計測値Ｐｄが目標飽和圧力Ｐｓｇよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１６）。

ステップＳ１６の判定結果が肯定的（Ｐｄ＞Ｐｓｇ）である場合は、制御部８１は、第１膨張弁５Ｕ，５Ｌの開度を所定量だけ拡大する（ステップＳ１７）。
ステップＳ１５の判定結果が否定的（Ｐｄ＜Ｐｓｇ）である場合は、制御部８１は、第１膨張弁５Ｕ，５Ｌの開度を所定量だけ縮小する（ステップＳ１８）。

このように、本実施形態の製氷システム５０では、制御部８１が、現時点の制御モードに応じた関係式（Ｔ１＝Ａ１×Ｃ，Ｔ２＝Ａ２×Ｃ）に塩分濃度Ｃの計測値Ｃｄを適用して目標蒸発温度Ｔｇを算出し、算出した目標蒸発温度Ｔｇとなるように第１膨張弁５Ｕ，５Ｌの開度を調整する。
従って、制御モードの種別ごとに異なる目標蒸発温度Ｔｇにより、アイスジェネレータ１Ｕ，１Ｌの蒸発器２０の蒸発温度を調整することができる。

〔アイスロックに伴う問題点とその解決策〕
図５は、アイスロックの発生時点を含む所定時間内のブレード電流、海水入口温度、及び海水出口温度の時間的変化の一例を示すグラフである。図５において、横軸は時間を表し、縦軸は電流値又は温度を表す。

図５において、「ブレード電流」は、ブレード機構１５のモータ２５の駆動電流である。「海水入口温度」は、アイスジェネレータ１Ｕ，１Ｌの入口配管の海水温度である。「海水出口温度」は、アイスジェネレータ１Ｕ，１Ｌの出口配管の海水温度である。
「過冷却度」は、アイスジェネレータ１Ｕ，１Ｌに供給される海水の塩分濃度に対する理論氷結温度（図５の破線）から、アイスジェネレータ１Ｕ，１Ｌの海水出口温度を減算した温度である。

図５に示すように、ブレード電流は、氷のでき始め時点で僅かに増加し、図示の例では概ね３分後に急激に上昇する。この上昇時点でアイスロックの発生を検知できる。
特許文献１（以下、「従来例」という。）では、電流値の上記の異常な上昇をアイスロックの発生とみなし、冷媒回路の冷凍サイクルを逆サイクルに切り替える。

しかし、従来例のように、実際にアイスロックが発生してから何らかの対応策を講じる方法では、アイスロックが発生するごとに、ブレード機構１５の各部に過大な荷重が加わって疲労が蓄積し、ブレード機構１５の寿命が短くなる。
一方、図４の海水出口温度のグラフに示すように、アイスロックの発生から概ね３分前の氷ができ始める時点では、過冷却度が０．５℃以上高くなる。また、過冷却度が高いほど、一気に生成される氷量が多くなるため、ブレード２３に対する負荷が急激に高まる。

そこで、本実施形態では、過冷却度の上昇をアイスロックの予兆と推定し、過冷却度が所定の閾値を超えた時点で、冷媒の蒸発温度を上げて製氷能力を落とす制御モード（信頼性優先運転モード）に切り替えることにより、アイスロックの発生を未然に回避する。
このように、アイスロックを未然に回避する制御モードを実行すれば、ブレード機構１５に対する負荷を軽減でき、ブレード機構１５の耐久性を向上することができる。

ところで、ブレード機構１５を保護する構造面の対策として、ブレード２３を壁面に押圧するバネ部材（図示せず）の弾性力を弱める（対策１）、ブレード２３に所定数の穴を空けて前後圧力差を小さくする（対策２）、などを採用することがある。
しかし、対策１では、ブレード２３が壁面から浮いた状態になり、氷が即座に厚くなり易い。このため、ブレード２３の支持バー２２が直接氷と接触して曲げ応力が加わり、破損の要因となる場合がある。

また、対策２では、穴から氷が逃げるために氷の掻き取り量が減少し、製氷能力が低下する原因になり得る。
この点、本実施形態のように、アイスロックそのものを回避する製氷運転を行えば、上記の対策１又は２を講じなくても、ブレード機構１５にかかる負荷を軽減できるので、対策１又は２を採用する場合の欠点を回避できる。

〔過冷却度に基づくモード切替制御〕
図６は、過冷却度に基づくモード切替制御の一例を示すフローチャートである。
制御装置８０の制御部８１は、製氷運転中において、図６のフローチャートに示すモード切替制御を、蒸発温度制御（図４）の制御周期Ｄ１よりも短い所定の制御周期Ｄ２（例えば１０～３０秒）ごとに実行する。
また、制御装置８０の制御部８１は、図５のフローチャートに示すモード切替制御を、循環回路７０に含まれるアイスジェネレータ１Ｕ，１Ｌごとに実行する。

図６に示すように、制御部８１は、現時点が所定の判定期間内であること（ステップＳ２０でＹｅｓ）を条件として、ステップＳ２１以降の処理を実行する。所定の判定期間には、例えば次の第１及び第２期間が含まれる。
第１期間：システム起動時点から所定時間（例えば３０分）が経過するまでの期間
第２期間：海水（例えば常温の海水）の追加投入を通知する操作入力の検出時点から所定時間（例えば３０分）が経過するまでの期間

第１期間のシステム起動時点は、例えば、製氷システム５０を構成するすべての機器の電源オンが完了した時刻とすればよい。
第１期間を条件とする理由は、システム起動時には未だ製氷が行われていないため、起動時から所定時間が経過するまでに、氷ができ始める時点（過冷却度の上昇時点）が存在する可能性が高いからである。

第２期間の操作入力の検出時点は、例えば、入出力装置９０に対してユーザが行った海水の追加投入の操作入力を、制御装置８０が受信した時点とすればよい。
第２期間を条件とする理由は、海水が追加投入された場合には、未だ製氷が行われていない海水が循環回路７０を流れるため、追加投入時から所定時間が経過するまでに、氷ができ始める時点（過冷却度の上昇時点）が存在する可能性が高いからである。

現時点が所定の判定期間内である場合、制御部８１は、現時点の制御モードを読み出す（ステップＳ２１）。本実施形態では、制御部８１が実行するデフォルトの制御モードは「定常運転モード」であるとする。従って、ステップＳ２１における現時点の制御モードは「定常運転モード」である。
前述の通り、定常運転モードでは、蒸発温度制御（図４）で用いる目標蒸発温度Ｔｇは、Ｔｇ＝Ｔ１＝Ａ１×Ｃｄの関係式により算出される。

次に、制御部８１は、アイスジェネレータ１Ｕ，１Ｌの出口側の海水温度Ｔｗと、アイスジェネレータ１Ｕ，１Ｌの入口側の塩分濃度Ｃを計測する（ステップＳ２２）。
海水温度Ｔｗの計測値Ｔｗｄは、第１又は第２温度センサ３３，３５による計測値である。海水の塩分濃度Ｃの計測値Ｃｄは、第１又は第２濃度センサ３２，３４による計測値である。

次に、制御部８１は、濃度別の理論氷結温度Ｔｉを算出する（ステップＳ２３）。
具体的には、制御部８１は、Ｔｉ＝Ａｉ×Ｃｄの算出式により求まる理論氷結温度Ｔｉを、アイスジェネレータ１Ｕ，１Ｌにおける氷結温度とする。
次に、制御部８１は、過冷却度ＳＣを算出する（ステップＳＴ２４）。
具体的には、制御部８１は、ＳＣ＝Ｔｉ－Ｔｗｄの算出式により求まる温度を、アイスジェネレータ１Ｕ，１Ｌにおける過冷却度とする。

次に、制御部８１は、算出した過冷却度ＳＣが所定の閾値Ｔｈｓ（例えば０．５℃）を超えるか否かを判定する（ステップＳ２５）。
ステップ２５の判定結果が肯定的（ＳＣ＞Ｔｈｓ）である場合は、制御部８１は、制御モードを信頼性優先運転モードに設定して（ステップＳ２６）、処理を終了する。これにより、蒸発温度制御（図４）における目標蒸発温度Ｔｇが、Ｔｇ＝Ｔ２＝Ａ２×Ｃｄの関係式により算出されるようになる。

ステップ２５の判定結果が否定的（ＳＣ≦Ｔｈｓ）である場合は、制御部８１は、ステップＳ２６の制御モードの切り替えを実行せずに、処理を終了する。すなわち、現状の制御モード（定常運転モード）が維持される。

以上の通り、本実施形態の製氷システム５０によれば、制御部８１が、アイスジェネレータ１Ｕ，１Ｌの出口側の海水の過冷却度が所定の閾値Ｔｈｓよりも大きい場合に、製氷運転の制御モードをアイスロックの発生を未然に回避する信頼性優先運転モードに切り替える。
従って、ブレード機構１５に対する負荷を軽減でき、製氷システム５０の信頼性を向上することができる。

〔氷結温度に基づくモード切替制御〕
図７は、氷結温度に基づくモード切替制御の一例を示すフローチャートである。
制御装置８０の制御部８１は、製氷運転中において、図７のフローチャートに示すモード切替制御を、蒸発温度制御（図４）の制御周期Ｄ１よりも短い所定の制御周期Ｄ２（例えば１０～３０秒）ごとに実行する。
また、制御装置８０の制御部８１は、図７のフローチャートに示すモード切替制御を、循環回路７０に含まれるアイスジェネレータ１Ｕ，１Ｌごとに実行する。

図７に示すように、制御部８１は、現時点の制御モードが「信頼性優先運転モード」であること（ステップＳ３０でＹｅｓ）を条件として、ステップＳ３１以降の処理を実行する。

現時点の制御モードが信頼性優先運転モードである場合、制御部８１は、アイスジェネレータ１Ｕ，１Ｌの出口側の海水温度Ｔｗと、アイスジェネレータ１Ｕ，１Ｌの入口側の塩分濃度Ｃを計測する（ステップＳ３１）。
海水温度Ｔｗの計測値Ｔｗｄは、第１又は第２温度センサ３３，３５による計測値である。海水の塩分濃度Ｃの計測値Ｃｄは、第１又は第２濃度センサ３２，３４による計測値である。

次に、制御部８１は、濃度別の理論氷結温度Ｔｉを算出する（ステップＳ３２）。
具体的には、制御部８１は、Ｔｉ＝Ａｉ×Ｃｄの算出式により求まる理論氷結温度Ｔｉを、アイスジェネレータ１Ｕ，１Ｌにおける氷結温度とする。
次に、制御部８１は、海水温度Ｔｗの計測値Ｔｗｄが算出した氷結温度Ｔｉと同等であるか否かを判定する（ステップＳ３３）。なお、「同等」とは、両温度の差分が所定の誤差範囲（例えば±０．０２℃）に収まる場合も含む意味である。

ステップ３３の判定結果が肯定的（Ｔｗｄ≒Ｔｉ）である場合は、制御部８１は、制御モードを定常運転モードに設定して（ステップＳ３４）、処理を終了する。これにより、蒸発温度制御（図４）における目標蒸発温度Ｔｇが、Ｔｇ＝Ｔ１＝Ａ１×Ｃｄの関係式により算出されるようになる。

ステップ３３の判定結果が否定的（Ｔｗｄ≠Ｔｉ）である場合は、制御部８１は、ステップＳ３４の制御モードの切り替えを実行せずに、処理を終了する。すなわち、現状の制御モード（信頼性優先運転転モード）が維持される。

以上の通り、本実施形態の製氷システム５０によれば、制御部８１が、アイスジェネレータ１Ｕ，１Ｌの出口側の海水温度が氷結温度Ｔｉと同等になった場合に、製氷運転の制御モードを通常の定常運転モードに切り替える。
従って、信頼性優先運転モードの実行によっていったん製氷能力が落ちても、その後に切り替わる定常運転モードによって製氷能力を回復することができる。

〔第１の変形例〕
上述の実施形態では、海水の塩分濃度Ｃと冷媒の蒸発温度Ｔ１，Ｔ２との相関関係を、所定の関係式（Ｔ１＝Ａ１×Ｃ，Ｔ２＝Ａ２×Ｃ）で定義しているが、両者の関係式は一次関数に限定されるものではなく、二次関数や三次関数でもよい。また、両者の相関関係は参照テーブルで定義してもよいし、図３のようなグラフ形式で定義してもよい。
すなわち、記憶部８２は、塩分濃度Ｃと蒸発温度Ｔ１，Ｔ２との相関関係を、関係式、テーブル形式、及びグラフ形式のうちのいずれかで記憶すればよい。理論氷結温度の算出式（Ｔｉ＝Ａｉ×Ｃ）についても同様である。

〔その他の変形例〕
今回開示した実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではない。本開示の権利範囲は、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及び範囲内でのすべての変更が含まれる。

上述の実施形態では、「横型」の二重管式製氷機よりなるアイスジェネレータ１を例示しているが、アイスジェネレータ１は「縦型」或いは「傾斜型」の二重管式製氷機であってもよい。
上述の実施形態では、アイスジェネレータ１を２台備えた製氷システム５０を例示したが、アイスジェネレータ１は１台であってもよいし、３台以上であってもよい。

上述の実施形態では、冷媒回路６０の冷却対象が「海水」である製氷システム５０を例示したが、冷媒回路６０の冷却対象は、海水に限定されるものではなく、海水を含む「溶液」に一般化することができる。
冷却対象を溶液に一般化する場合には、上述の実施形態に記載の「海水」を「溶液」と読み替えればよい。また、上述の実施形態に記載の海水の「塩分濃度」を溶液の「溶質濃度」と読み替えればよい。

１ 二重管式製氷機（アイスジェネレータ）
１Ｕ 上段側の二重管製氷機（アイスジェネレータ）
１Ｌ 下段側の二重管製氷機（アイスジェネレータ）
２ 圧縮機
３ 熱源側熱交換器（凝縮器）
４ 四路切換弁
５ 第１膨張弁
５Ｕ 上段側の第１膨張弁
５Ｌ 下段側の第１膨張弁
７ レシーバ
８ 海水タンク（溶液タンク）
９ ポンプ
１０ 送風ファン
１１ 第２膨張弁
１２Ａ 海水流路（溶液流路）
１２ 内管
１３ 外管
１３Ａ 冷媒流路
１５ ブレード機構
１６ 流入口（海水用）
１７ 流出口（海水用）
１８ 流入口（冷媒用）
１９ 流出口（冷媒用）
２０ 熱交換部（蒸発器）
２０Ａ 満液式蒸発器
２１ 回転軸
２２ 支持バー
２３ ブレード
２４ 封止壁
２５ モータ
３１ 吸入圧力センサ
３２ 第１濃度センサ
３３ 第１温度センサ
３４ 第２濃度センサ
３５ 第２温度センサ
５０ 製氷システム
６０ 冷媒回路
７０ 循環回路
８０ 制御装置
８１ 制御部
８２ 記憶部
９０ 入出力装置
Ｔｈｓ 過冷却度の閾値

Claims (6)

1. 蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路（６０）と、前記冷媒回路（６０）の冷却対象である溶液の循環回路（７０）と、前記冷媒回路（６０）の冷媒の蒸発温度制御を実行する制御装置（８０）とを備える製氷システム（５０）であって、
   前記循環回路（７０）は、
   アイスジェネレータ（１）の溶液流路（１２Ａ）と、溶液を貯める溶液タンク（８）と、前記溶液流路（１２Ａ）に溶液を圧送するポンプ（９）とを含み、
   前記冷媒回路（６０）は、
   前記アイスジェネレータ（１）の蒸発器（２０）と、圧縮機（２）と、凝縮器（３）と、膨張弁（５）とを含み、
   前記溶液流路（１２Ａ）には、前記溶液流路（１２Ａ）の内周面に生成された氷粒子を掻き取るブレード機構（１５）が設けられ、
   前記制御装置（８０）は、
   溶質濃度と理論氷結温度との関係式を記憶しており、
   記憶した前記関係式を用いて算出した理論氷結温度に基づいて、溶液の過冷却度を算出し、
   算出した溶液の過冷却度が所定の閾値（Ｔｈｓ）よりも大きい場合に、前記蒸発温度制御に用いる目標蒸発温度を定常運転の場合よりも高めに切り替える切替制御を実行する製氷システム（５０）。
2. 前記制御装置（８０）は、
   システム起動時から所定時間が経過するまでの第１期間に、前記切替制御を実行する請求項１に記載の製氷システム（５０）。
3. 前記制御装置（８０）は、
   溶液の追加投入を通知する操作入力の検出時点から所定時間が経過するまでの第２期間に、前記切替制御を実行する請求項１又は請求項２に記載の製氷システム（５０）。
4. 蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路（６０）と、前記冷媒回路（６０）の冷却対象である溶液の循環回路（７０）と、前記冷媒回路（６０）の冷媒の蒸発温度制御を実行する制御装置（８０）とを備える製氷システム（５０）であって、
   前記循環回路（７０）は、
   アイスジェネレータ（１）の溶液流路（１２Ａ）と、溶液を貯める溶液タンク（８）と、前記溶液流路（１２Ａ）に溶液を圧送するポンプ（９）とを含み、
   前記冷媒回路（６０）は、
   前記アイスジェネレータ（１）の蒸発器（２０）と、圧縮機（２）と、凝縮器（３）と、膨張弁（５）とを含み、
   前記制御装置（８０）は、
   溶質濃度と理論氷結温度との関係式を記憶しており、
   記憶した前記関係式を用いて算出した理論氷結温度に基づいて、前記アイスジェネレータ（１）における溶液の過冷却度を算出し、
   算出した溶液の過冷却度が所定の閾値（Ｔｈｓ）よりも大きい場合に、前記蒸発温度制御に用いる目標蒸発温度を定常運転の場合よりも高めに切り替える切替制御を実行する製氷システム（５０）。
5. 溶液を冷却対象とする蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路（６０）に含まれる、アイスジェネレータ（１）の蒸発器（２０）の蒸発温度を制御する方法であって、
   前記アイスジェネレータ（１）の溶液流路（１２Ａ）の内周面に生成された氷粒子を、前記溶液流路（１２Ａ）に設けられているブレード機構（１５）によって掻き取るステップと、
   溶質濃度と理論氷結温度との関係式を用いて算出した理論氷結温度に基づいて、前記アイスジェネレータ（１）における溶液の過冷却度を算出するステップと、
   算出した過冷却度が所定の閾値（Ｔｈｓ）よりも大きい場合に、目標蒸発温度を定常運転の場合よりも高めに切り替えるステップと、を含む蒸発温度の制御方法。
6. 溶液を冷却対象とする蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路（６０）に含まれる、アイスジェネレータ（１）の蒸発器（２０）の蒸発温度を制御する方法であって、
   溶質濃度と理論氷結温度との関係式を用いて算出した理論氷結温度に基づいて、前記アイスジェネレータ（１）における溶液の過冷却度を算出するステップと、
   算出した過冷却度が所定の閾値（Ｔｈｓ）よりも大きい場合に、目標蒸発温度を定常運転の場合よりも高めに切り替えるステップと、を含む蒸発温度の制御方法。

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