Loading article…
ポンプ式氷技術（PIT）は、氷の冷却能力を持つ薄い液体を使用します。ポンプ式氷は通常、 直径5マイクロメートルから1cmまでの氷の結晶または粒子のスラリーであり、塩水、海水、食品用液体、または空気、オゾン、二酸化炭素の気泡で輸送されます。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]
ポンプ式、ゼリー状、スラリー状の氷といった一般的な用語の他に、このような冷却剤には「Deepchill」、「Beluga」、「optim」、「flow」、「fluid」、「jel」、「binary」、「liquid」、「[ 4 ] 」、 「maxim」、「whipped」、「[ 5 ] 」、 「bubble thrill」[ 6 ]氷など、多くの商標名があります。これらの商標は、オーストラリア、[ 7 ]カナダ、[ 8 ] [ 9 ]中国、[ 10 ] ドイツ、[ 11 ]アイスランド、[12]イスラエル、[ 13 ]ロシア、 [ 14 ]スペイン、[ 15 ]イギリス、[ 16 ]および米国[ 17 ]の工業用製氷機製造会社によって認可されています。
ポンプで送液可能な氷は、砕いた氷を液体と混ぜるか、液体中の水を凍らせるかの2つの方法で製造できる。
冷却による結晶化は、直接法または間接法を用いて行うことができる。
直接法では、冷媒が液体中に直接注入されます。[ 20 ]この方法の利点は、冷媒と液体の間に中間装置がないことです。しかし、熱相互作用（熱伝達）の過程で冷媒と液体の間に熱損失がないため、問題が発生する可能性があります。実施しなければならない安全対策、冷媒分離の追加ステップの必要性、結晶の製造の難しさは、この方法のさらなる欠点です。
間接法では、蒸発器（熱交換器- 結晶化器）は水平または垂直に組み立てられます。シェルチューブと1本から100本のインナーチューブが組み立てられており、シェルとインナーチューブの間で蒸発する冷媒が含まれています。液体は小径のチューブ内を流れます。蒸発器の内部容積では、結晶化器で冷却された壁との熱交換により、液体の冷却、過冷却、および凍結が起こります。[ 21 ] [ 22 ]
この方式の目的は、十分に研磨された蒸発器表面（動的掻き取り式熱交換器）と適切な機構を用いて、チューブが氷の胚に付着するのを防ぎ、内部冷却面における氷の成長と厚みの増加を防ぐことである。除去機構としては、通常、金属製またはプラスチック製のワイパーを備えたホイップロッド、スクリュー、またはシャフトが用いられる。
間接ポンプ式製氷技術は、5～50マイクロメートルの結晶からなるポンプ式製氷を生成し、いくつかの利点があります。通常の水氷（板状、薄片状、殻状）を生成するのに必要な90～130 kWhではなく、 60～75 kWhという低いエネルギー消費 で1,000 kgの結晶氷を生成できます。さらなる改良により、1,000 kgの純粋な氷の生産に必要なエネルギー消費は40～55 kWhとなり、蒸発器冷却面における面積あたりの比製氷容量は最大450 kg/(m 2 ·h)まで高くなることが期待されます。[ 23 ]
食品および水産業で使用される二重管タイプの商用蒸発器は、内管の内径が50～125 mm、長さが60～300 cmの範囲です。脱ろう潤滑油には、内管の内径が150～300 mm、長さが600～1,200 cm の蒸発器が広く使用されています。 [ 24 ]
蒸発器を流れる液体にガスを添加することがある。ガスは、熱交換器兼結晶化装置の冷却面上の液層を破壊し、流れの乱流を増加させ、ポンプで送液可能な氷の平均粘度を低下させる。
このプロセスでは、海水、ジュース、塩水、または濃度が3～5％以上で凝固点が-2 ℃以下の添加剤を含むグリコール溶液など、さまざまな液体が使用されます。
一般的に、ポンプで送水可能な氷の製造、蓄積、供給のための設備には、製氷機、貯蔵タンク、熱交換器、配管、ポンプ、電気・電子機器などが含まれる。
最大氷濃度40%のポンプ式氷は、製氷機から消費者に直接ポンプで送ることができます。貯水タンク内のポンプ式氷の最終的な氷濃度は50%です。貯水タンクに均一な状態で蓄積されるポンプ式氷の冷却エネルギーの最大値は約700kWhで 、これは10 ～ 15m³ の貯水タンク容量に相当します。高せん断ミキサーを使用することで、氷と冷却液の分離を防ぎ、氷濃度を時間経過とともに変化させず、タンクの高さにも影響されないようにします。ポンプ式氷は、貯水タンクから数百メートル離れた消費地まで輸送されます。水中ミキサーモーターに必要な電力（kW）と「練り上げられた」ポンプ式氷の体積（m³ ）の実際の比率は1:1です。
容量が15 m³を超えるタンクでは、ポンプで送液可能な氷は混合されず、貯蔵された氷の冷熱は、貯蔵タンクと冷熱の消費機器の間を循環する液体の熱伝達によってのみ利用されます。既存の氷貯蔵タンクの欠点は以下のとおりです。
温かい液体の散布が不均一なために、氷の隆起が制御不能なほどに急激に発生する。この液体は、熱交換器から貯蔵タンクに供給され、氷の表面と直接接触することでさらに冷却される。溶液は空間的に不均一に噴霧される。さらに、供給速度も一定ではない。そのため、氷は不均一に溶ける。結果として、氷の隆起が氷の表面から突き出し、噴霧装置の破損につながる。この場合、噴霧装置の破損を防ぐために、貯蔵タンク内の溶液レベルを下げる必要がある。
タンク内に蓄積された氷は大きな塊になります。エアコンシステムから送られてくる温かい液体が、冷却されずにシステムに戻る経路を作り出す可能性があります。その結果、蓄積された氷が十分に利用されないことになります。
貯水タンクの容積を効果的に利用しないと、達成可能な氷濃度の最大値が低下し、貯水タンクの有効容積全体を満たすことができなくなります。
これらの欠点を克服するための研究開発が進められており、安価で信頼性が高く効率的な蓄熱タンクの量産化につながると期待されている。これらのタンクは、より高い氷濃度を確保し、蓄えられた冷気を最大限に活用することを可能にするはずだ。
多くの製氷機メーカー、研究センター、発明家がポンプ式製氷技術に取り組んでいます。[ 25 ] [ 26 ]エネルギー効率が高く、サイズが小さく、冷媒充填量が少ないため、この技術には多くの用途があります。
ポンプ式製氷機にはさまざまな設計があり[ 27 ]、多くの特殊な用途分野があります[ 27 ] 。メーカーが開発したコンピュータプログラムによって選択が容易になります。
ポンプ式製氷技術[ 28 ]の使用を検討している顧客は、以下の点を知っておく必要があります。
貯蔵タンクを設計する際には、いくつかの点を考慮する必要があります。
蒸発器の壁の厚さは、通常、以下の点を確保するために決定されます。
蒸発器は、シェル径が小さく配管長が長いほど一般的に安価になります。そのため、ポンプ式製氷機の蒸発器は、生産能力を超えない範囲で物理的に可能な限り長く設計されます。しかし、ポンプ式製氷機が設置される顧客サイトの設置スペースなど、多くの制約が存在します。
ポンプ式製氷機には、予知保全と清掃が必要です。サービス間隔とサービスの種類は、機器の稼働状況によって決まります。
ポンプ式製氷機の適切な冷凍メンテナンスを行うことで、その寿命を延ばすことができます。また、定期的なメンテナンスを行うことで、コイルの汚れや冷媒漏れによる冷凍コンプレッサーや空気凝縮器のファンモーターなどの主要部品の故障による緊急修理の可能性を低減できます。
空冷式ポンプ式製氷機のメンテナンスを怠った場合に発生する可能性のある問題は以下のとおりです。
ポンプ式製氷機では、液体処理によって1μm以下の微粒子を除去し、蒸発器の伝熱面の汚れを最小限に抑えます。プレート式熱交換器も定期的に分解して洗浄する必要があります。ポンプ式製氷機やプレート式熱交換器に入る前に液体を適切に処理することで、スケールの蓄積量を抑え、洗浄時間と予防保全コストを削減できます。液体フィルターシステムのサイズが不適切だと、高額な早期交換費用や性能低下につながります。
廃水中の沈殿物を洗浄（軽量化）するには、ポンプで送水できる氷技術が推奨されます。この場合、凍結とその後の融解、それに続く液相と固相の分離を含む方法が用いられます。[ 29 ]この方法は、沈殿物の物理化学的構造の変化をもたらし、沈殿物の固体粒子と水分のあらゆる形態の結合の再分配によって実現されます。化学試薬は必要ありません。沈殿物の凍結は、沈殿物の自由水量の増加を促進し、沈殿物の沈殿効率を向上させます。ほとんどの水分は、あらゆる条件下で拡散可能です。したがって、結晶成長速度が0.02 m/hを超えない場合、水分がコロイドセルから結晶表面に移動し、そこで凍結する時間があります。融解後、軽量化された水は、工業および農業用途に使用できます。濃縮された沈殿物は、水分含有量をさらに低下させるために、プレスフィルターに供給されます。
既存の商業化された海水淡水化方法は、多段フラッシュ蒸発法、蒸気圧縮法、多重効果蒸発法、逆浸透法、電気透析法である。理論的には、凍結法は上記の方法に比べていくつかの利点がある。例えば、理論上のエネルギー要件が低いこと、腐食の可能性が最小限であること、スケールや沈殿物の発生が少ないことなどが挙げられる。欠点は、凍結法では氷と水の混合物の取り扱いが、移動と処理の両面で機械的に複雑になることである。過去50年間で少数の海水淡水化施設が建設されてきたが、この方法は都市用水の淡水生産において商業的に成功していない。ポンプ式製氷機は、結晶化プロセスが非常に効率的であるため、手頃な価格の代替手段となる。しかし、現在のモデルは工業用海水淡水化プラントに必要な容量を備えていないが、小型モデルは小規模な海水淡水化のニーズには十分である。
現在、ジュースやその他の食品液体の濃縮には、逆浸透法と真空蒸発法が用いられています。商業的な製造工程では、通常、ジュースは蒸発によって濃縮されます。1962年以来、熱加速短時間蒸発器（TASTE）が広く使用されています。TASTE蒸発器は、効率的で衛生的、洗浄が容易、処理能力が高く、操作が簡単で、比較的低コストです。一方で、高温蒸気処理によって製品に熱による損傷が生じます。この処理により、製品の品質と香りが失われます。蒸気と処理済みジュース間の膜係数が低いため、両者間の熱伝達効率が非常に悪く、TASTEプラントの建設が複雑になります。代替手段として、冷却と凍結処理によってジュースや食品液体を濃縮する方法があります。この場合、ジュース、ワイン、ビールから結晶化によって純水の結晶が除去されます。香り、色、風味は濃縮された媒体中に残ります。凍結濃縮製品の品質は、他のどの技術でも達成できません。他の冷凍技術と比較した主な利点は、エネルギー消費量が少ないことと、液体から固体氷への相変化速度を調整できることであり、これにより純水氷結晶の生成量が増加し、濃縮ジュースや食品液体と氷結晶の分離が容易になる。
1990年代には、凍らせた炭酸飲料と凍らせた非炭酸飲料が大きな人気を博し始めた。
ほぼすべての冷凍炭酸飲料および冷凍非炭酸飲料[ 30 ]の製造（プロセスおよび冷凍設備）は、ポンプで送れる氷の製造と同様に組織化されています。
冷凍炭酸飲料製造機は、1950年代後半にオマール・クネドリックによって発明された。
冷凍炭酸飲料の製造には、フレーバーシロップ、二酸化炭素ガス（CO₂ ）、ろ過水の混合物が使用されます。通常、混合物の初期温度は12～18 ℃です。炭酸混合物は装置の蒸発器に供給され、円筒形の蒸発器の内面で凍結し、60～200rpmで回転するブレードミキサーによって掻き取られます 。結晶化装置の内部容積では、ガスの液体への溶解を促進するために、わずかな正圧（最大3バール）が維持されます。最新の冷凍炭酸飲料装置には、毛細管またはサーモスタット膨張弁と、通常は空気凝縮器を備えた従来の冷凍回路があります。冷媒は、二重壁蒸発器の空洞に直接供給されるか、結晶化装置の外面に巻かれたらせん状の蒸発器に供給されます。蒸発器の壁は、米国食品医薬品局の要件に従って食品との接触が承認されているステンレス鋼グレードSS316Lで作られています。蒸発器の温度は-32～-20 ℃です。メーカーは冷凍炭酸飲料製造機の1時間あたりの生産能力を公表していませんが、10.0kg の冷凍炭酸飲料を製造するのに必要なエネルギー消費量は1.5～2.0kWhです 。
結晶化ミキサーで混合・凍結した後、凍結した炭酸飲料はノズルからカップに噴射されます。最終製品は、比較的少量の液体を含む、氷の結晶が懸濁した濃厚な混合物です。凍結炭酸飲料の品質は、氷の結晶の濃度、サイズ、構造など、多くの要因に依存します。氷水混合物の濃度は、溶液の相図 に従って正確に決定され、最大50%に達することがあります。結晶の最大サイズは0.5mmから1.0mmです 。混合物の結晶化の初期温度は、水中の成分の初期濃度に依存し、-2.0 ℃から-0.5 ℃の間です。製品の最終温度は、製造元によって-6.0 ℃から-2.0 ℃の間で変動します。
インドでは、凍らせた炭酸飲料への関心が高まっていることが指摘されている。インド政府は、細菌汚染の恐れがあるため、水道水から作られた氷を飲料に加えることを禁止している。そこで、炭酸飲料を凍らせたコーラを使うことで、インドで冷たい飲み物を作る方法が考案された。
当初、冷凍炭酸飲料は、果物や野菜のジュース、あるいはコーヒー、紅茶、ヨーグルトをベースにした飲料を用いて製造されていた。現在では、冷凍ワインや冷凍ビールの製造に関する研究も行われている。
冷凍非炭酸飲料マシンは、冷凍炭酸飲料マシンとは異なり、蒸発器の作動容積内にわずかな正圧を維持する必要がなく、二酸化炭素ガス源も、特別な訓練を受けたスタッフも必要としません。それ以外は、現代の冷凍非炭酸飲料マシンの設計は、冷凍炭酸飲料マシンと似ています。冷凍非炭酸飲料は、冷凍炭酸飲料よりも氷の濃度が低く、液体の水の濃度が高い場合が多いです。冷凍非炭酸飲料マシンは、冷凍炭酸飲料マシンよりも構造がシンプルで安価なため、より普及しています。
アイスクリーム製造市場は1990年代を通じて着実に成長し、その価値は数十億米ドルに達している。[ 31 ]
世界のアイスクリーム主要市場は、米国、中国、日本、ドイツ、イタリア、ロシア、フランス、英国である。[ 32 ]アイスクリーム消費量上位5カ国は、米国、ニュージーランド、デンマーク、オーストラリア、ベルギーである。[ 33 ]
工業用アイスクリーム冷凍機の最新設計は、機械とオペレーター間のインターフェースのレベルが高く、製造されるアイスクリームの品質が最高レベルであることを保証します。アイスクリーム製造工程には、アイスクリーム混合物の低温殺菌、均質化、熟成が含まれます。準備された混合物は、工業用二重管式掻き取り結晶化装置兼熱交換器に入り、そこでアイスクリームの予備凍結と攪拌の工程が行われます。冷媒液は蒸発し、容器ジャケット内を循環し続けます。通常、アイスクリーム混合物の初期温度は 12～18 °C です。冷凍機のスイッチを入れると、冷媒の蒸発温度は -25～-32 °C の範囲まで低下します。掻き取り表面冷凍機内の処理済み混合物の最終温度は約 -5 °C で、配合に応じて氷の濃度は約 30～50% です。凍結工程中、氷の結晶は結晶化装置壁の内側の冷たい表面に形成されます。それらは刃によって除去され、バルクに混合され、製品の温度を下げ続け、製品内部の熱伝達を改善する。
また、回転式の攪拌機が備えられており、混合物を泡立てて空気を混ぜ込むのに役立ちます。冷凍された製品はその後、販売業者に送られます。
アイスクリームの品質と滑らかな食感は、氷結晶の構造と大きさ、そしてアイスクリームの粘度によって決まります。水は純粋な状態では液体から凍って氷になります。水分が除去されることで、残った液体の糖混合物の濃度が高まり、凝固点がさらに低下します。したがって、アイスクリームの構造は、氷結晶と気泡が空間の大部分を占める部分的に凍結した泡と表現できます。小さな脂肪球が凝集して分散相として気泡を取り囲みます。タンパク質と乳化剤は、脂肪球を取り囲みます。連続相は、濃縮された未凍結の糖液で構成されています。
氷結晶の最終的な平均直径は、凍結速度に依存します。凍結速度が速いほど核生成が促進され、小さな氷結晶の数が増えます。通常、冷却処理後、冷凍庫内の氷結晶の大きさは約35～80μmです 。
ポンプ式氷技術に基づく機器は、漁業および食品産業の冷却プロセスで使用できます。 [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]淡水固体氷と比較すると、主な利点は次のとおりです。均質性、食品および魚の冷却速度の向上。ポンプ式氷は水のように流れ、凍傷や冷却対象物の物理的損傷をなくします。食品の品質が向上し、保存期間が長くなります。ポンプ式氷技術は、食品安全および公衆衛生規制（HACCPおよびISO）を満たしています。ポンプ式氷は、従来の淡水固体氷を使用する既存の技術と比較して、比エネルギー消費量が低くなっています。
ポンプ式製氷技術を用いた冷凍システムは、スーパーマーケットのカウンター（ショーケース）の空冷に魅力的です。[ 38 ] [ 39 ]この用途では、ポンプ式製氷が既存の配管を通して冷却剤として循環され、R-22（フロン）やその他のハイドロクロロフルオロカーボン（HCFC）などの環境に優しくない冷媒に取って代わります。この用途にポンプ式製氷技術を使用する理由は以下のとおりです。
ポンプ式製氷機の使用には、「アイスワイン」（ドイツ語でEiswein）を彷彿とさせる特別なワインの製造に幅広い展望が開けています。[ 40 ]既存のアイスワイン製造技術と比較すると、[ 41 ]ポンプ式製氷技術では、ブドウを凍らせるために数ヶ月待つ必要がありません。搾りたてのブドウは、ポンプ式製氷機に接続された専用容器に収穫されます。果汁はこの機械を通してポンプで送られ、そこから氷（微細で純粋な氷の結晶の形）とやや濃縮された果汁の混合物が出てきます。液体の氷は蓄積タンクに戻り、そこで氷と果汁は自然に（アルキメデスの法則に従って）分離されます。このサイクルは、糖濃度が50～52° Brixに達するまで何度も繰り返されます。その後、発酵プロセスが行われ、このアルコール飲料ができます。
ポンプ式氷蓄熱システム (TESS) [ 42 ]は、集中型水冷式空調システムで使用して、重要な時間帯のピーク需要負荷を排除することができます。これにより、建物の運用コスト、新しい発電所や最新の送電線の必要性、発電所のエネルギー消費と汚染、温室効果ガスの排出量が削減されます。アイデアは、kWh 料金が最も低いオフピーク電力時間帯にポンプ式氷を製造して蓄積することです。貯蔵されたポンプ式氷は、中料金または高料金の時間帯に、建物に供給される機器や空気を冷却するために使用されます。投資回収 (ROI) には 2 ～ 4 年かかります。静的および動的氷蓄熱システム[ 43 ]と比較すると、ポンプ式氷の製造中の総括熱伝達係数(OHTC) は、上記の TESS タイプの同じ係数よりも数十倍または数百倍以上高く (より効率的) なります。これは、蒸発器での沸騰冷媒と静的および動的氷貯蔵システムの貯蔵タンク内の水/氷との間に、さまざまな種類の熱抵抗が存在することによって説明されます。ポンプ式氷技術に基づくTESSの高いOHTC値は、コンポーネントの体積の減少、貯蔵タンクの体積内で達成可能な氷の最大濃度の増加、そして最終的には機器の価格の低下を意味します。ポンプ式氷技術に基づくTESSは、日本、韓国、米国、英国[ 44 ]、サウジアラビア[ 45 ]に設置されています。
医療用途向けに開発された特殊な氷スラリーを用いた保護冷却プロセスが開発されました。[ 46 ]この場合、ポンプで送液可能な氷は、動脈内、静脈内、腹腔鏡を用いて臓器の外面に沿って、あるいは気管内チューブを介して注入することができます。ポンプで送液可能な氷は、脳卒中や心臓発作後の虚血性損傷を予防または軽減するために臓器を選択的に冷却できることが確認されています。動物を用いた完了した臨床試験では、入院中の腎臓腹腔鏡手術を必要とする状況をシミュレートしました。フランスと米国の研究結果は、米国食品医薬品局による承認をまだ受けていません。[ 47 ] 医療用途におけるポンプで送液可能な氷技術の利点は次のとおりです。
スキーリゾートは、気温が20℃にも達するような場合でも、人工降雪に強い関心を持っている 。既知の人工降雪装置のサイズと消費電力は、湿度と風の状況によって異なる。この人工降雪装置は、地上に到達する前に空中に噴霧された水滴を凍結させる原理に基づいており、-4 ℃以下の外気温を必要とする。
真空製氷機（VIM）技術[ 48 ]によって製造されるポンプ式製氷機は、プロのスキーヤーがトレーニング期間を冬季シーズンの前後（晩秋から早春まで）に延長することを可能にする。ポンプ式製氷プロセスは次のように構成されている。塩溶液はVIM内部で非常に低い圧力にさらされる。その一部は真空の力によって水として蒸発し、残りの液体は凍結して混合物を形成する。水蒸気はVIMから連続的に排出され、圧縮され、遠心圧縮機の特殊な構造により凝縮器に送られる。標準的な水チラーは、水蒸気を凝縮するために5℃の冷却水を供給する 。液体と氷の混合物は凍結容積から氷濃縮器にポンプで送られ、そこで氷の結晶が液体から分離される。高濃度の氷は濃縮器から取り出される。VIMはオーストリアとスイスのスキーリゾートに設置されている。
{{cite conference}}: CS1メンテナンス: アーカイブサービスは非推奨になりました (リンク)