製氷機

製氷機、製氷装置、または製氷機は、家庭用冷凍庫内にある氷を作るための消費者向け装置、氷を作るための独立型機器、または大規模に氷を作るための産業用機械のいずれかを指します。「製氷機」という用語は通常、独立型機器を指します。

製氷機は、実際に氷を作る部分です。これには、蒸発器と、氷を作って貯蔵庫に排出することに直接関係する関連ドライブ/コントロール/サブフレームが含まれます。ほとんどの人が製氷機と言うときは、冷却を除いたこの製氷サブシステムだけを意味します。

ただし、特に「パッケージ」と説明されている製氷機は、通常、冷却、制御装置、ディスペンサーを含む完全な機械であり、電源と給水への接続のみが必要です。

「製氷機」という用語はより曖昧で、パッケージ製氷機を「製氷機」と表現するメーカーもあれば、発電機を「製氷機」と表現するメーカーもあります。

1748年、グラスゴー大学のウィリアム・カレンが初めて人工冷却を実証しました。^[1]カレン氏はこの発見を実用化することはありませんでした。そのため、製氷機の歴史は、1805年に最初の冷却機を設計したアメリカ人発明家オリバー・エバンスから始まるのかもしれません。1834年、ジェイコブ・パーキンスは、蒸気圧縮サイクルでエーテルを使用する最初の実用的な冷却機を製作しました。アメリカ人発明家、機械技術者、物理学者であるパー​​キンスは、アメリカで21件、イギリスで19件の特許を取得し（蒸気機関、印刷産業、銃製造などの技術革新により）、今日では冷蔵庫の父とみなされています。^[2]

1844年、アメリカの医師ジョン・ゴリーは、黄熱病の患者のために空気を冷やす氷を作るため、オリバー・エバンスの設計を基に冷蔵庫を作った。^[3]彼の計画は1842年にまで遡り、冷蔵庫創始者の一人となった。 ジョン・ゴリーにとって残念なことに、この発明品を製造・販売する彼の計画は、ボストンの「氷の王」フレデリック・チューダーの激しい反対に遭った。 当時、チューダーは米国からキューバに氷を輸送しており、インドへの事業拡大を計画していた。 ゴリーの発明品が自分の事業を台無しにすることを恐れたチューダーは、発明者に対する中傷キャンペーンを開始した。 1851年、ジョン・ゴリーは製氷機で米国特許8080を取得した。^[4]チューダーのキャンペーンとパートナーの死に苦しんだ後、ジョン・ゴリーも破産し、屈辱を受けて亡くなった。彼のオリジナルの製氷機の設計図と試作機は現在、ワシントンDCのスミソニアン協会の国立アメリカ歴史博物館に保管されている^[5]。

1853 年、アレクサンダー トワイニングは製氷機で米国特許 10221 を取得しました。トワイニングの実験は、1856 年に構築された最初の商用冷蔵システムの開発につながりました。彼はまた、氷を製造する最初の人工的な方法を確立しました。パーキンスがそうであったように、ジェームズ ハリソンもエーテル蒸気圧縮の実験を始めました。1854 年、ジェームズ ハリソンは1日あたり 3,000 キログラムの氷を製造できる冷蔵機械の構築に成功し、1855 年にはオーストラリアでアレクサンダー トワイニングと同様の製氷機の特許を取得しました。ハリソンは冷蔵の実験を続けました。今日、彼は現代の冷却システムの設計と機能戦略の開発に大きく貢献したと評価されています。これらのシステムは後に冷蔵肉を世界中に輸送するために使用されました。

1867年、アンドリュー・ミュールはテキサス州サンアントニオで製氷機を建設し、拡大する牛肉産業への貢献を図った後、1871年にウェーコに移転した。 ^[6] 1873年、この機械の特許はコロンバス鉄工所^[7]と契約され、同社は世界初の商用製氷機を製造した。ウィリアム・ライリー・ブラウンが社長、ジョージ・ジャスパー・ゴールデンが監督を務めた。

1876 年、ドイツの技術者カール・フォン・リンデは、後に基本的な冷凍技術の重要な部分となるガスの液化プロセスの特許を取得しました (米国特許 1027862)。1879 年と 1891 年には、2 人のアフリカ系アメリカ人発明家が米国で改良された冷蔵庫の設計の特許を取得しました (それぞれトーマス・エルキンス– 米国特許番号 221222、ジョン・スタンダード – 米国特許番号 455891)。

1902年、モンゴメリーのティーグ家が会社の経営権を買収した。彼らの最後の広告は1904年3月に『氷と冷蔵』誌に掲載された^。[8] 1925年、コロンバス鉄工所の経営権はティーグ家からWCブラッドリー社のWCブレイドリーに移った。^[8]

ユルゲン・ハンスは1929年に食用氷を製造する最初の製氷機を発明したとされている。1932年に彼はクリンダという会社を設立し、食用氷の製造を開始したが、1949年までに同社は主力を氷から中央空調に切り替えた。^[9]

1800 年代後半から 1930 年代にかけての製氷機は、冷媒としてアンモニア(NH ₃ )、塩化メチル(CH ₃ Cl)、二酸化硫黄(SO ₂ ) などの有毒ガスを使用していました。1920 年代には、冷蔵庫から塩化メチルが漏れたことが原因で、死亡事故が数件発生しました。危険な冷媒、特に塩化メチルを代替する冷媒を求めて、アメリカの企業で共同研究が行われました。この研究の結果、フレオンが発見されました。1930 年、ゼネラル モーターズとデュポンはキネティック ケミカルズを設立し、フレオンを製造しました。これは、後にほぼすべての消費者向けおよび産業用冷蔵庫の標準となりました。このとき製造された最初の「フレオン」は、オゾン層破壊を引き起こす中程度の毒性を持つクロロフルオロカーボンでした。 ^[10]

すべての冷凍装置は、蒸発器、凝縮器、コンプレッサー、スロットルバルブの 4 つの主要コンポーネントで構成されています。製氷機はすべて同じように動作します。コンプレッサーの機能は、低圧の冷媒蒸気を高圧蒸気に圧縮し、それを凝縮器に送り込むことです。ここで、高圧蒸気は高圧液体に凝縮され、スロットルバルブから排出されて低圧液体になります。この時点で、液体は蒸発器に導かれ、そこで熱交換が行われ、氷が生成されます。これが 1 つの完全な冷凍サイクルです。

家庭用の自動製氷機は、1953年頃にServel社によって初めて提供されました。^{[11] [12]これらは通常、}冷蔵庫の冷凍室の中にあります。金属製の型から三日月形の氷を作ります。電気機械式または電子式のタイマーが最初にソレノイドバルブを数秒間開き、家庭用の冷水供給から型に水が満たされるようにします。次にタイマーがバルブを閉じ、氷を約30分間凍らせます。次に、タイマーが型内の低電力電気加熱要素を数秒間オンにして、氷を少し溶かして型にくっつかないようにします。最後に、タイマーが回転アームを動かして氷を型からすくい上げて容器に入れ、このサイクルが繰り返されます。容器が氷でいっぱいになると、氷がワイヤーアームを押し上げ、容器内の氷のレベルが再び下がるまで製氷機が停止します。ユーザーはいつでもワイヤーアームを持ち上げて氷の製造を停止することもできます。

サムスン冷蔵庫の最近の自動製氷機は、柔軟なプラスチック製の型を使用しています。氷が凍ると、サーミスタによって感知され、タイマーによってモーターが型を反転させてねじり、氷が外れて容器に落ちます。

初期の製氷機は、氷を冷凍室の容器に落としていたため、ユーザーは氷を取り出すために冷凍室のドアを開ける必要がありました。1965年、フリジデールは冷凍室のドアの前面から氷を取り出す製氷機を発表しました。^[13] これらのモデルでは、ドアの外側にある受け台にグラスを押し付けるとモーターが作動し、容器内のオーガーを回転させて氷をグラスに供給します。ほとんどのディスペンサーは、オプションで氷を粉砕機構に通して砕いた氷を取り出すことができます。一部のディスペンサーは冷水も供給できます。

冷凍室用製氷機の代替品として、ワールプール、LG、サムスンなどのメーカーが開発した製品があります。生鮮食品室に設置されたこの新型製氷機は、製氷機付きの新しい冷蔵庫を購入する顧客の間で人気が高まっています。製氷機が適切に機能するには、製氷室の温度を約0℃（32℉）に保ち、外部から適切に密閉する必要があります。これは、製氷室の温度が通常2℃（36℉）を超える生鮮食品室に設置されているためです。残念ながら、このタイプの製氷機にはいくつかの欠点があり、サムスン冷蔵庫の製氷室の設計上の欠陥により、暖かい空気がシールから内部に入り込み、結露が発生します。この結露は氷の塊に変わり、製氷機のメカニズムを詰まらせます。^[14]米国では何千人もの人々がこの問題を経験しており、2017年にはサムスンがこの問題を適切に解決することを拒否したとして訴訟が起こされました。^[15]

ポータブル製氷機は、カウンタートップに置けるユニットです。^[16]市場で最も高速で小型の製氷機です。ポータブル製氷機で作られる氷は弾丸型で、曇った不透明な外観をしています。機器の電源を入れて水を入れてから 10 分以内に最初の一バッチの氷を作ることができます。水は、水に浸した金属製のペグが付いた小さなチューブにポンプで送られます。機器はポータブルであるため、水は手動で入れる必要があります。水は、リザーバーの底から凍結トレイにポンプで送られます。ペグは内部の加熱および冷却システムを使用して周囲の水を凍結し、その後加熱されて氷がペグから滑り落ち、保管容器に入ります。^[17]氷は数分で形成され始めますが、氷の大きさは凍結サイクルによって異なります。サイクルが長いほど、厚いキューブになります。ポータブル製氷機は氷が溶けるのを防ぐことはできませんが、機器は水をリサイクルしてより多くの氷を作ります。保管トレイがいっぱいになると、システムは自動的にオフになります。

ビルトイン製氷機は、キッチンやバーカウンターの下に収まるように設計されていますが、独立型ユニットとしても使用できます。冷凍庫製氷機の氷のような三日月形の氷を作るものもあります。氷は透明ではなく、曇って不透明です。これは、透明なキューブ製氷機よりも水が速く凍るためです。その過程で、小さな気泡が閉じ込められ、氷が曇った外観になります。ただし、カウンター下製氷機のほとんどは透明な製氷機で、氷に気泡がないため、氷は透明で溶けるのがはるかに遅くなります。

業務用製氷機は、流水を使用して氷の品質を向上させます。水は、ニッケル含有量の高いステンレス製蒸発器に流されます。表面は氷点下である必要があります。塩水は、より低い温度で凍結する必要があり、より長持ちします。通常、シーフード製品の包装に使用されます。空気と溶解していない固形物は洗い流されるため、水平蒸発機では、水の固形物の 98% が除去され、非常に硬く、ほぼ純粋で透明な氷になります。垂直蒸発機では、氷はより柔らかく、実際の個々のキューブセルがある場合はさらに柔らかくなります。業務用製氷機は、フレーク、クラッシュ、キューブ、八角形、チューブなど、さまざまなサイズの氷を作ることができます。

冷たい表面の氷のシートが希望の厚さに達すると、シートはワイヤーのグリッド上に滑り落ち、シートの重さによって希望の形状に砕かれ、その後、保管容器に落下します。

フレーク氷は塩水と水の混合物（水1トンあたり最大500g [18オンス]の塩）から作られ、場合によっては塩水から直接作られることもあります。厚さは1〜15mm（1⁄16〜9⁄16インチ）、直径 は12〜45mm （1⁄2〜1+3 ⁄ 4 インチ）。

フレーク製氷機の蒸発器は、ドラム型のステンレス製容器で、垂直に設置されています。回転ブレードが回転して、ドラムの内壁から氷を削り取ります。作動中、主軸とブレードは減速機に押されて反時計回りに回転します。スプリンクラーから水が噴霧され、内壁の水の塩水から氷が形成されます。底部の水トレイは、氷をそらしながら冷水を受け取り、サンプに再循環させます。サンプは通常、フロート弁を使用して、製造中に必要に応じて充填します。フレーク製氷機は、ドラムの底部に氷の輪を形成する傾向があります。粉砕機が届かない場所に氷が蓄積するのを防ぐため、一番下の井戸に電気ヒーターが付いています。一部の機械では、これを補助するためにスクレーパーを使用しています。このシステムは、すべての製氷機と同様に、低温凝縮ユニットを使用します。ほとんどの製造業者は、蒸発器圧力調整弁 (EPRV) も使用しています。

海水フレーク氷製造機は、海水から直接氷を作ることができます。この氷は、魚やその他の海産物を急速冷却するのに使用できます。漁業はフレーク氷製造機の最大のユーザーです。フレーク氷は洗浄水や海産物の温度を下げることができるため、細菌の増殖を防ぎ、魚介類を新鮮に保ちます。

接触面積が大きく冷蔵品へのダメージが少ないため、野菜、果物、肉類の保管・輸送にも応用されています。

パンを焼くとき、小麦粉と牛乳を混ぜるときに、小麦粉が膨らむのを防ぐためにフレークアイスを加えることができます。

生合成や化学合成のほとんどのケースでは、反応速度を制御し、活性を維持するためにフレーク氷が使用されます。フレーク氷は衛生的で清潔であり、急速な温度低下効果があります。

フレークアイスは、重量の 80% 以上を占め、コンクリートの冷却プロセスにおける直接的な水源として使用されます。一定の低温で混合および注入された場合、コンクリートはひび割れません。

フレークアイスは人工雪にも使われるため、スキー場や遊園地などで広く利用されています。

キューブアイスマシンは、チューブアイスマシン、フレークアイスマシン、その他の製氷機とは対照的に、小型製氷機に分類されます。一般的な容量は 30 kg (66 ポンド) から 1,755 kg (3,869 ポンド) の範囲です。1970 年代にキューブアイスマシンが登場して以来、キューブアイスマシンは多様な製氷機ファミリーに進化してきました。

キューブアイスマシンは、一般的に垂直のモジュール式デバイスとして見られます。上部は蒸発器で、下部は製氷容器です。冷媒は、自己完結型蒸発器^{[詳細な説明が必要]}のパイプ内を循環し、水と熱交換を行い、水を凍らせて氷にします。凍ると、排出機構により氷が収集容器に放出されます。カウンター下、カウンタートップ、業務用などさまざまなタイプで導入されているフリジデアの製氷機は、食品・飲料業界、医療、住宅での使用など、さまざまな環境に対応しています。水が完全に凍って氷になると、自動的に放出され、製氷容器に落ちます。

製氷機には、コンプレッサーがユニットに組み込まれた自己完結型冷蔵システム、または冷蔵コンポーネントが他の場所（多くの場合は事業所の屋上）に設置されているリモート冷蔵システムのいずれかが装備されています。

ほとんどのコンプレッサーは、容積式コンプレッサーかラジアルコンプレッサーのいずれかです。容積式コンプレッサーは現在最も効率的なタイプのコンプレッサーで、ユニットあたりの冷却効果が最大です ( 400～2500 RT ) ^{[詳細な説明が必要]}。電源供給の範囲が広く、380 V、1000 V、またはそれ以上の電圧にすることができます。容積式コンプレッサーの原理は、タービンを利用して冷媒を高圧蒸気に圧縮することです。容積式コンプレッサーには、スクリューコンプレッサー、ローリングピストンコンプレッサー、往復コンプレッサー、ロータリーコンプレッサーの 4 つの主なタイプがあります。

スクリュー圧縮機^[18]は容積式圧縮機の中で最も大きな冷凍効果が得られ、その冷凍能力は通常50RTから400RTの範囲です^{[詳細な説明が必要]}。スクリュー圧縮機はシングルスクリュータイプとデュアルスクリュータイプに分けられます。デュアルスクリュータイプは効率が良いため、より多く使用されています。

ローリングピストンコンプレッサーとレシプロコンプレッサーは同様の冷却効果があり、最大冷却効果は600kWに達します。^{[詳細な説明が必要]}

往復動型コンプレッサーは、技術が成熟しており信頼性が高いため、最も一般的なタイプのコンプレッサーです。その冷却効果は2.2 kWから200 kWの範囲です。^{[詳細な説明が必要]}往復動型コンプレッサーは、クランクシャフトによって押されるピストンを利用してガスを圧縮します。

ロータリーコンプレッサーは主に空調設備に使用され、冷却効果は非常に低く、通常は5kWを超えません。隔離された区画内で回転するローターによって押されるピストンを使用してガスを圧縮することによって動作します。^[19]

すべてのコンデンサーは、空冷式、水冷式、蒸発冷却式の 3 つのタイプのいずれかに分類できます。

• 空冷コンデンサーは、コンデンサーの表面に空気を吹き込むことで、高圧高温の冷媒蒸気から熱を奪い、空気を熱伝導媒体として使用します。
• 水冷コンデンサーは、冷媒蒸気を冷却して液体にするための熱伝導媒体として水を使用します。
• 蒸発式コンデンサーは、蒸発パイプとパイプの表面に噴霧された蒸発水との間の熱交換を利用して冷媒蒸気を冷却します。このタイプのコンデンサーは暖かい環境でも動作でき、非常に効率的で信頼性があります。

チューブ式製氷機は、水を垂直に伸びたチューブ内で凍らせる製氷機で、チューブは周囲のケーシング（凍結室）内に収められています。凍結室の底には、チューブを囲む開口部を持つ分配プレートがあり、別のチャンバーに接続されています。このチャンバーに暖かいガスが通され、チューブが加熱されて氷棒が滑り落ちます。^[20]

チューブアイスは、温度管理、鮮魚の冷凍、飲料ボトルの冷凍などの冷却プロセスに使用できます。単独でも、食べ物や飲み物と一緒にでも摂取できます。

2019年現在、世界中で約20億台の家庭用冷蔵庫と4000万平方メートル以上の冷蔵施設が稼働しています。^[21] 米国では2018年に約1200万台の冷蔵庫が販売されました。^[22] このデータは、冷蔵が経済、技術、社会のダイナミクス、健康、環境にプラスの影響を与える世界的な用途があるという主張を裏付けています。

冷凍は、多くの現在または将来のエネルギー源（自動車産業における代替燃料用の水素液化や代替エネルギー産業における 熱核融合生産）の実装に必要です。

• 石油化学産業や製薬産業でも、さまざまな種類の反応を制御および緩和するために冷蔵が必要です。
• 冷却プロセスに基づいて動作するヒートポンプは、エネルギー効率の高い熱生成方法として頻繁に使用されます。
• 極低温燃料（液体水素と酸素）の製造と輸送、およびこれらの流体の長期保管は、宇宙産業にとって不可欠です。
• 輸送業界では、海上コンテナ、冷蔵船、冷蔵鉄道車両、道路輸送、液化ガスタンカーで冷凍が使用されています。

食品業界では、冷蔵は消費者に食品を供給する際に収穫後の損失を削減することに貢献し、生産から消費までのすべての段階で生鮮食品を保存できるようにします。

医療分野では、冷蔵技術はワクチン、臓器、幹細胞の輸送に使用され、低温技術は手術やその他の医療研究の過程で使用されます。

冷蔵は、遺伝資源（植物、動物、微生物の細胞、組織、器官）の 凍結保存に基づく生物多様性の維持に使用されます。

_{冷凍によりCO2}を液化して地下に貯蔵することが可能となり、極低温技術によって発電所の化石燃料から _{CO2 を}分離することが可能になります。

環境レベルでは、冷凍の影響は、冷凍設備で使用される冷媒ガスの大気放出と、これらの冷凍設備のエネルギー消費によって引き起こされ、CO2 排出、ひいては地球温暖化に寄与し_、世界のエネルギー資源を減少させます。冷媒ガスの大気放出は、漏れ防止が不十分な冷凍設備で発生する漏れ、またはメンテナンス関連の冷媒処理プロセス中に発生します。

使用される冷媒によっては、これらの設備とその後の漏洩により、オゾン層の破壊（CFCやHCFCなどの塩素系冷媒）や、追加の温室効果（フッ素系冷媒：CFC、HCFC、HFC）を引き起こして気候変動を引き起こす可能性があります。

オゾン層破壊冷媒と温室効果冷媒（それぞれCFC、HCFC、HFC）を置き換える方法を継続的に研究する中で、科学界は冷媒業界と協力して、環境に優しい代替の完全天然冷媒を考案しました。国連環境計画が発行した報告書によると、「HFC排出量の増加は、オゾン層破壊物質の排出量の以前の削減によって達成された気候上の利点の多くを相殺すると予測されています」。^[23]従来の冷媒に代わることが判明した非HFC冷媒には、アンモニア、炭化水素、二酸化炭素があります。

冷凍の歴史はアンモニアの使用から始まりました。120年以上経った今でも、この物質は家庭用、商業用、工業用の冷凍システムで使用されている主要な冷媒です。アンモニアの主な問題は、比較的低濃度でも毒性があることです。一方、アンモニアはオゾン層にまったく影響を与えず、地球温暖化への影響も非常に低いです。アンモニアへの曝露による死亡は極めてまれですが、科学界は現代の冷凍装置におけるアンモニア漏れを防ぐ、より安全で技術的に確実なメカニズムを考案しました。この問題が解決されれば、アンモニアはさまざまな用途に使用できる環境に優しい冷媒と見なされます。

二酸化炭素は長年冷媒として使用されてきました。アンモニアと同様に、臨界点が低く動作圧力が高いため、ほとんど使用されなくなりました。二酸化炭素はオゾン層にまったく影響を与えず、冷媒として使用するために必要な量による地球温暖化への影響もごくわずかです。現代の技術はそのような問題を解決しており、CO ₂は今日、従来の冷凍の代替品として、産業用冷凍^（ CO _{2は通常、}カスケードシステムまたは揮発性塩水としてアンモニアと組み合わせられます）、食品産業（食品および小売店の冷凍）、暖房（ヒートポンプ）、輸送産業（輸送用冷凍）など、いくつかの分野で広く使用されています [24]。

炭化水素は、高い熱力学的特性を持ち、オゾン層への影響がなく、地球温暖化への影響が無視できる天然物質です。炭化水素の問題の 1 つは、非常に可燃性が高いため、冷凍業界の特定の用途にしか使用できないことです。

2011年にEPAは、重要新代替政策（SNAP）プログラムを通じて、業務用および家庭用冷凍庫のハイドロフルオロカーボン（HFC）の代替として3種類の代替冷媒を承認しました。^{[25] EPAが合法化した3種類の代替冷媒は、炭化水素のプロパン、イソブタン、およびHCR188C [26]}と呼ばれる物質（炭化水素混合物（エタン、プロパン、イソブタン、n-ブタン））でした。HCR188Cは現在、業務用冷蔵アプリケーション（スーパーマーケットの冷蔵庫、独立型冷蔵庫、冷蔵陳列ケース）、冷蔵輸送、自動車用空調システム、改造安全弁（自動車用）、住宅用窓用エアコンに使用されています。

2016年10月、197カ国の交渉担当者は、地球温暖化の原因となる化学冷媒の排出を削減することで合意に達し、モントリオール議定書の歴史的重要性を再強調し、クロロフルオロカーボンによるオゾン層の破壊を削減するための取り組みに加えて、温室効果ガスの使用に対する議定書の影響を高めることを目指しました。ルワンダのキガリで開催された国連会議で締結されたこの合意は、ハイドロフルオロカーボン（HFC）^[27]の急速な段階的削減の条件を設定し、HFCの製造を完全に停止し、徐々に使用を削減します。

国連の議題とルワンダ協定は、オゾン層と温室効果の両方の観点から安全な新世代の冷媒を見つけることを目指しています。法的拘束力のあるこの協定により、予測される排出量を最大88%削減し、2100年までに地球温暖化をほぼ0.5℃（華氏約1℃）下げることができます。^[28]

• ポンプ式氷技術
• ヤクチャル

ウィキメディア・コモンズには、製氷機に関連するメディアがあります。

• エネルギー効率に優れた業務用製氷機の購入方法。連邦エネルギー管理プログラム。2009 年 4 月 2 日にアクセス。
• 「人工氷」 。コリアーの新百科事典。1921年。