製冰方法和製冰裝置的製作方法
2023-07-20 12:48:36 1
專利名稱：製冰方法和製冰裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種長時間地將水從過冷狀態中連續地釋放出來以進行製冰且不與過冷態水的生產發生幹涉的方法，以及一種可以連續製冰的裝置。
然而為了長時間地連續製冰，就需要防止相變(過冷釋放)從存有用於製冰的冰晶的位置如過冷釋放裝置處傳播到冷卻器中，以避免冷卻器凍結。
具體地說，一旦在過冷卻器中已經生產出的過冷態水在過冷釋放裝置中開始發生相變，那麼冰核就連續地生長，並被在過冷釋放裝置中的壁面上流動的水所除去，而且此過程重複進行。這種從與過冷態水相接觸的固體物質的表面上生長和去除冰的現象沿著與過冷釋放裝置的入口相連的連接管的內壁傳播到上遊側，即過冷卻器中。發生這種傳播的原因涉及到冰與壁面的吸附。具體地說，吸附在壁面上的冰即使承受很高速度的液流衝刷，它也會仍存留在管的壁上，或者在吸附過程中以非常緩慢的速度向下遊運動，因此，在此狀態下相變通過冰的生長而向上遊進行。應注意到，即使冰被液流除去，在上述吸附有冰的一部分壁面上也會殘留有微晶體組，在這裡會產生新的冰核。
關於這種現象，例如在日本特許公報No.2806155中公開了一種通過對連接管進行加熱以防止相變傳播的方法，在日本公開特許公報No.2000-74532中提出了一種通過對連接管上製冰容器一側的端部進行特殊處理以使流動速度增加到2.7m/s從而防止冰進入到連接管中的方法。
另外，用於減弱在過冷釋放裝置中冰與壁面的吸附的方法還包括採用低導熱率的材料來作為壁面本身的材料的方法，如第35屆日本熱交換會議論文集(35th Japan Heat Transfer Symposium Transaction1998，P221)中所公開的。
然而在日本特許公報No.2806155中公開的技術需要用於加熱的額外能量，並具有過冷態水的溫度升高不可避免會使冰的產量降低的缺點。
在日本公開特許公報No.2000-74532中公開的技術需要用於傳送水和已生產出的冰水的能量，這個能量大於在流動速度未增加時所需的能量，這是因為連接管內的流動速度的提高會增加連接管的管阻力。而且，它還需要單獨地採取措施來防止在特殊處理中形成的雜質如微缺陷、水垢等吸附在連接管端部的壁面上，以便在長時間內保持防止相變向上遊傳播的效果。
採用低導熱率的材料來作為壁面本身的材料的方法無法使冰的吸附為0(零)，這是因為不存在導熱率為0(零)的物質，因此，這種方法不可能完全地防止相變向上遊傳播。
為了實現上述目的，本發明的製冰方法是這樣一種製冰的方法，其通過將過冷卻器中的已經進入過冷狀態的水通過連接管傳送到封閉型過冷釋放裝置中且不使水與空氣接觸，其中將0℃或更高溫度的水供應到連接管的內壁面上。由於水處於0℃或更高溫度，因此可以利用剛在被引入過冷卻器中之前的水或已經從貯熱槽中抽出並加熱的水。當然，也可以採用高於0℃的水。
在將0℃或更高溫度的水供應到連接管內壁面的整個圓周上時，在供應水的部分的下遊，連接管內壁面的整個圓周上形成了0℃或更高溫度的水的液膜。此液膜可以防止冰吸附在連接管的內壁面上，並防止相變向上遊傳播。即使存在冰核，它也不會生長，而是在連接管的內壁面上形成的0℃或更高溫度的液膜中及時融化或向下遊流動，這樣，相變不會向被供應了0℃或更高溫度的水的連接管部分的上遊方傳播。為了實現上述效果，需要將連接管出口的流速保持在流入過冷釋放裝置中的水的流速的約2％到約3％。連接管內的流速只需在1m/s或更高。
本發明的製冰裝置包括用於使水進入過冷狀態的過冷卻器；用於釋放過冷狀態水的封閉型過冷釋放裝置；用於連接過冷卻器的出口和過冷釋放裝置的入口的連接管；用於水密性地覆蓋連接管的外周的外部容器；以及用於將水注入到外部容器中的進水管，其中，連接管在其整個圓周上斷開，並帶有位於外部容器中的斷開部分之間的間隙。
在本發明的製冰裝置中，由於連接管在其整個圓周上斷開，並帶有位於外部容器中的斷開部分之間的間隙，因此當水從進水管注入到外部容器中時，水可以通過間隙供應到連接管的內壁上，從而在間隙下遊的連接管內壁上形成注入水的液膜。因此，可以最佳地實施本發明的製冰方法。應該理解的是，連接管的斷開可通過間隙在形成從過冷釋放裝置到連接管的冰塊的初期稍微減輕了相變的傳播，但由於存在搭接彌合操作(bridge operation)而無法完全地幹擾相變向上遊的傳播。
進水管設計成從與連接過冷卻器的入口側相連的導管中岔出，並繞過了連接在導管和外部容器之間的過冷卻器，因此就消除了需保證有外部水源，允許所注入的水保持適當的溫度，或者即使在需要加熱時也只需要很少的熱量。
在過冷卻器2的出口側即其噴嘴口2a處連接了連接管3的一個端部，而連接管3的另一端部連接在封閉型過冷釋放裝置4中。過冷釋放裝置4具有這樣的功能，其可將已通過連接管3流入的過冷態水從其過冷狀態下釋放出以進行相變而生產出漿狀的冰，並允許冰流出到外部。例如可以採用由超聲波振動器所產生的超聲波來作為釋放過冷的觸發器，眾所周知的超聲波振動器可合適地用於這種封閉型過冷釋放裝置4。
在過冷卻器2的入口側連接了導管11，使得通過泵12從包括有貯熱槽的多個水箱13中抽出的水可以送到過冷卻器2中。例如，在泵12的上遊沿著導管11設置了預熱器14，其可以將在導管11內流動的水加熱到如0.5℃。
在泵12的下遊沿著導管11連接了進水管21的一個端部，而其另一端部與水密性地覆蓋了連接管3的外周的外部容器22相連。這樣，導管11中的一部分水繞過過冷卻器2而通過此進水管21送到外部容器22中。因此，通過一個泵12就可將水送到進水管21和過冷卻器2中。
連接管3沿正交於其軸向的方向斷開，在外部容器22中形成了間隙d，如圖2所示，使得連接管3分成上遊側連接管3a和下遊側連接管3b。因此，當水從進水管21注入到外部容器22中時，通過間隙d進入到連接管3中的水在連接管3內沿下遊側連接管3b的壁面向下遊流動，從而在下遊側連接管3b的內壁面上形成了所注入水的液膜。
應注意到，由於通過泵12施加給在進水管21內流動的水的壓力一直保持到水到達外部容器22中為止，因此在迫使水通過下面將介紹的間隙d進入到連接管3中不存在困難。
根據此實施例的製冰裝置1具有上述結構，其操作的示例將在下文中介紹。例如，當0℃的水從水箱13中抽出時，水的溫度通過預熱器14升高到0.5℃。0.5℃的水在過冷卻器2中冷卻到過冷狀態，例如-2℃，然後將其送到過冷釋放裝置4中，在那裡水從過冷狀態下釋放出來，從而形成漿狀的例如在0℃下連續地流出到外部的冰。
同時，從導管11中岔出並流入到進水管21中的0.5℃的水注入到外部容器22中，並通過連接管3的斷開部分即間隙d進入到連接管3中，並保持現狀在過冷態水流的上方向下遊流動。在這種情況下，由於在連接管3的整個圓周上設有間隙d，0.5℃的上述水沿下遊連接管3b的內壁面流動，使得在壁面即內表面的整個圓周上形成了0.5℃的水的液膜。
應注意到，進水管21和外部容器22之間的連接點(進水噴射/接受開口)設置成使其軸線偏離間隙d並與之相距預定的距離。這種結構是出於使水均勻地噴射到壁面的整個圓周上的目的而設置的。
因此，即使在過冷釋放裝置4中進行的過冷釋放會沿壁面向上遊傳播，由於在下遊側連接管3b的內壁面上形成了0℃或更高溫度的液膜，向上遊的傳播也可避免。另外，即使存在冰核，它也不會生長，而是在壁面上形成的0℃或更高溫度的液膜中及時融化或通過過冷態水流而向下遊流動，這樣，相變不會向連接管3的出口的上遊方傳播。這就防止了在連接管3中和過冷卻器2的出口處發生凍結，因此可以穩定地制出漿狀的冰。
與現有技術形成對比的是，本發明無須進行特殊的處理如將樹脂等塗敷到壁面上，並且可以達到長時間地防止相變傳播的穩定效果。在此實施例中用於形成液膜的水由預熱器14加熱到0.5℃，但此加熱所需的能量非常少，與現有技術中通過對連接管直接加熱以防止凍結的方法相比，其所需的能量少得多。
另外，由於在此實施例中流入導管11中的一部分水岔出而注入到外部容器22中，因此就不必保證有用於將水注入外部容器22中的單獨水源。
應注意到，雖然在此實施例中安裝了預熱器14來對流入導管11中的水進行加熱，但也可以設置適當的溫度調節器如加熱器，其由傳感器和控制器結合而成，從而單獨地對流入進水管21中的水進行加熱。因此，可將注入的水可單獨地設定為適當的溫度。進水管21不必從導管11的岔開部分中引出，而是可以直接從水源如水箱等中抽取水，或者將公用水源和外部容器22通過閥和溫度調節器而相連。
連接管3的斷開端面即上遊側連接管3a的端面和下遊側連接管3b的端面最好採用如圖3和後面的圖所示的各個示例中介紹的形狀。
圖3所示示例具有這樣的形狀，其中上遊側連接管3a的端面在內壁31側上向下遊方向以錐形形狀突出，而下遊側連接管3b的端面在外壁32側上向上遊方向以錐形形狀突出。
圖4所示示例具有這樣的形狀，其中上遊側連接管3a的端面如圖3所示示例一樣在內壁31側上向下遊方向以錐形形狀突出，而下遊側連接管3b的端面在外壁32側上向上遊方向突出，下遊側連接管3b的端面33本身為朝向上遊凸起的曲面形狀。
圖5所示示例具有這樣的形狀，其中上遊側連接管3a的端面在內壁31側上向下遊方向突出得比在外壁34側上更遠，下遊側連接管3b的端面在內壁35側上向上遊方向突出得比在外壁32側上更遠，而且上遊側連接管3a的端面末端36和下遊側連接管3b的端面末端37具有正交於其各自軸線而切開的表面。
圖6所示示例具有這樣的形狀，其中上遊側連接管3a的端面在內壁31側上向下遊方向突出得比在外壁34側上更遠，下遊側連接管3b的端面在內壁35側上向上遊方向突出得比在外壁32側上更遠，而且上遊側連接管3a的端面38和下遊側連接管3b的端面39自身為朝向連接管3的外部凸起的曲面形狀。
採用如圖3到圖6所示的連接管3的斷開面的上述形狀可使通過間隙d進入到連接管3中的水沿下遊側連接管3b的內壁35更好地流動，從而更好地在下遊側連接管3b的內壁35的表面上形成水的液膜。應該注意的是，在本發明人採用如圖3到圖6所示的斷開端面的形狀而進行的實驗的結果表明，如圖4所示的情況具有最佳的效果。
除上述實施例之外，例如還可以採用板式熱交換器來代替殼-管型熱交換器(過冷卻器)。
另外，除盒形的外部容器外，還可以採用帶有直徑大於連接管3的直徑的環形外部容器來作為外部容器22。
根據本發明，在所謂的封閉系統中通過釋放過冷來製冰中，可以長時間穩定地防止相變從過冷釋放裝置傳播到連接管中，無須額外的加熱能量或對連接管的端部表面進行特殊處理。這就可以連續地將水從其過冷狀態中釋放出來以進行製冰，並可長時間穩定地進行此操作。
權利要求
1.一種製冰方法，其通過將已經在過冷卻器中進入過冷狀態的水經連接管送到封閉型過冷釋放裝置中且不使所述水與空氣接觸來進行，其特徵在於，將0℃或更高溫度的水供應到所述連接管的內壁面上。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，由於所述水處於0℃或更高溫度，因此可以利用正好在被引入所述過冷卻器中之前的水。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述處於0℃或更高溫度的水是已從貯熱槽中抽出並被加熱的水。
4.一種用於製冰的裝置，包括用於使水進入過冷狀態的過冷卻器；用於釋放過冷態水的封閉型過冷釋放裝置；用於連接所述過冷卻器的出口和所述過冷釋放裝置的入口的連接管；用於水密性地覆蓋所述連接管的外周的外部容器；和用於將水注入到所述外部容器中的進水管，其特徵在於，所述連接管在其整個圓周上斷開，並帶有位於所述外部容器中的斷開部分之間的間隙。
5.根據權利要求4所述的裝置，其特徵在於，所述進水管從與所述過冷卻器的入口側相連的導管中岔出，並繞過連接在所述導管和所述外部容器之間的所述過冷卻器。
6.根據權利要求4所述的裝置，其特徵在於，所述連接管具有斷開的端面，上遊側連接管的端面在內壁側上向下遊方向以錐形形狀突出，下遊側連接管的端面在外壁側上向上遊方向以錐形形狀突出。
7.根據權利要求4所述的裝置，其特徵在於，所述連接管具有斷開的端面，上遊側連接管的端面在內壁側上向下遊方向以錐形形狀突出，下遊側連接管的端面在外壁側上向上遊方向突出，所述下遊側連接管的端面自身為朝向上遊凸起的曲面形狀。
8.根據權利要求4所述的裝置，其特徵在於，所述連接管具有斷開的端面，上遊側連接管的端面在內壁側上向下遊方向突出得比在外壁側上更遠，下遊側連接管的端面在內壁側上向上遊方向突出得比在外壁側上更遠，而且各所述端面在內壁側的末端處具有正交於軸向的表面。
9.根據權利要求4所述的裝置，其特徵在於，所述連接管具有斷開的端面，上遊側連接管的端面在內壁側上向下遊方向突出得比在外壁側上更遠，下遊側連接管的端面在內壁側上向上遊方向突出得比在外壁側上更遠，而且各端面自身為朝向所述連接管的外部凸起的曲面形狀。
10.根據權利要求4所述的裝置，其特徵在於，所述裝置還包括用於調節在所述進水管中流動的水的溫度的溫度調節器。
11.根據權利要求5所述的裝置，其特徵在於，所述裝置還包括用於對在所述導管中流動的水進行加熱的加熱器，其沿所述導管位於所述進水管的連接部分的上遊。
全文摘要
在通過將已經在過冷卻器中進入過冷狀態的水經連接管傳送到封閉型過冷釋放裝置中且不使水與空氣接觸而進行製冰時，本發明將0℃或更高溫度的水供應到連接管的內壁面上。因此，在連接管上位於供應水的部分的下遊的內壁面的整個圓周上形成了0℃或更高溫度的水的液膜。此液膜可以防止冰吸附在連接管的內壁面上，並防止相變向上遊傳播。
文檔編號F24F5/00GK1409078SQ0214425
公開日2003年4月9日 申請日期2002年9月28日 優先權日2001年9月28日
發明者三戶大介, 谷野正幸, 三上貴彥 申請人:高砂熱學工業株式會社