專利名稱：制冰方法和制冰裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種長(zhǎng)時(shí)間地將水從過冷狀態(tài)中連續(xù)地釋放出來以進(jìn)行制冰且不與過冷態(tài)水的生產(chǎn)發(fā)生干涉的方法，以及一種可以連續(xù)制冰的裝置。
然而為了長(zhǎng)時(shí)間地連續(xù)制冰，就需要防止相變(過冷釋放)從存有用于制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(jié)。
具體地說，一旦在過冷卻器中已經(jīng)生產(chǎn)出的過冷態(tài)水在過冷釋放裝置中開始發(fā)生相變，那么冰核就連續(xù)地生長(zhǎng)，并被在過冷釋放裝置中的壁面上流動(dòng)的水所除去，而且此過程重復(fù)進(jìn)行。這種從與過冷態(tài)水相接觸的固體物質(zhì)的表面上生長(zhǎng)和去除冰的現(xiàn)象沿著與過冷釋放裝置的入口相連的連接管的內(nèi)壁傳播到上游側(cè)，即過冷卻器中。發(fā)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沖刷，它也會(huì)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游運(yùn)動(dòng)，因此，在此狀態(tài)下相變通過冰的生長(zhǎng)而向上游進(jìn)行。應(yīng)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(huì)殘留有微晶體組，在這里會(huì)產(chǎn)生新的冰核。
關(guān)于這種現(xiàn)象，例如在日本特許公報(bào)No.2806155中公開了一種通過對(duì)連接管進(jìn)行加熱以防止相變傳播的方法，在日本公開特許公報(bào)No.2000-74532中提出了一種通過對(duì)連接管上制冰容器一側(cè)的端部進(jìn)行特殊處理以使流動(dòng)速度增加到2.7m/s從而防止冰進(jìn)入到連接管中的方法。
另外，用于減弱在過冷釋放裝置中冰與壁面的吸附的方法還包括采用低導(dǎo)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(huì)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(bào)No.2806155中公開的技術(shù)需要用于加熱的額外能量，并具有過冷態(tài)水的溫度升高不可避免會(huì)使冰的產(chǎn)量降低的缺點(diǎn)。
在日本公開特許公報(bào)No.2000-74532中公開的技術(shù)需要用于傳送水和已生產(chǎn)出的冰水的能量，這個(gè)能量大于在流動(dòng)速度未增加時(shí)所需的能量，這是因?yàn)檫B接管內(nèi)的流動(dòng)速度的提高會(huì)增加連接管的管阻力。而且，它還需要單獨(dú)地采取措施來防止在特殊處理中形成的雜質(zhì)如微缺陷、水垢等吸附在連接管端部的壁面上，以便在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持防止相變向上游傳播的效果。
采用低導(dǎo)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?yàn)椴淮嬖趯?dǎo)熱率為0(零)的物質(zhì)，因此，這種方法不可能完全地防止相變向上游傳播。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的制冰方法是這樣一種制冰的方法，其通過將過冷卻器中的已經(jīng)進(jìn)入過冷狀態(tài)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(yīng)到連接管的內(nèi)壁面上。由于水處于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(jīng)從貯熱槽中抽出并加熱的水。當(dāng)然，也可以采用高于0℃的水。
在將0℃或更高溫度的水供應(yīng)到連接管內(nèi)壁面的整個(gè)圓周上時(shí)，在供應(yīng)水的部分的下游，連接管內(nèi)壁面的整個(gè)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(nèi)壁面上，并防止相變向上游傳播。即使存在冰核，它也不會(huì)生長(zhǎng)，而是在連接管的內(nèi)壁面上形成的0℃或更高溫度的液膜中及時(shí)融化或向下游流動(dòng)，這樣，相變不會(huì)向被供應(yīng)了0℃或更高溫度的水的連接管部分的上游方傳播。為了實(shí)現(xiàn)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(nèi)的流速只需在1m/s或更高。
本發(fā)明的制冰裝置包括用于使水進(jìn)入過冷狀態(tài)的過冷卻器；用于釋放過冷狀態(tài)水的封閉型過冷釋放裝置；用于連接過冷卻器的出口和過冷釋放裝置的入口的連接管；用于水密性地覆蓋連接管的外周的外部容器；以及用于將水注入到外部容器中的進(jìn)水管，其中，連接管在其整個(gè)圓周上斷開，并帶有位于外部容器中的斷開部分之間的間隙。
在本發(fā)明的制冰裝置中，由于連接管在其整個(gè)圓周上斷開，并帶有位于外部容器中的斷開部分之間的間隙，因此當(dāng)水從進(jìn)水管注入到外部容器中時(shí)，水可以通過間隙供應(yīng)到連接管的內(nèi)壁上，從而在間隙下游的連接管內(nèi)壁上形成注入水的液膜。因此，可以最佳地實(shí)施本發(fā)明的制冰方法。應(yīng)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，但由于存在搭接彌合操作(bridge operation)而無法完全地干擾相變向上游的傳播。
進(jìn)水管設(shè)計(jì)成從與連接過冷卻器的入口側(cè)相連的導(dǎo)管中岔出，并繞過了連接在導(dǎo)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(dāng)?shù)臏囟?，或者即使在需要加熱時(shí)也只需要很少的熱量。
在過冷卻器2的出口側(cè)即其噴嘴口2a處連接了連接管3的一個(gè)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(tài)水從其過冷狀態(tài)下釋放出以進(jìn)行相變而生產(chǎn)出漿狀的冰，并允許冰流出到外部。例如可以采用由超聲波振動(dòng)器所產(chǎn)生的超聲波來作為釋放過冷的觸發(fā)器，眾所周知的超聲波振動(dòng)器可合適地用于這種封閉型過冷釋放裝置4。
在過冷卻器2的入口側(cè)連接了導(dǎo)管11，使得通過泵12從包括有貯熱槽的多個(gè)水箱13中抽出的水可以送到過冷卻器2中。例如，在泵12的上游沿著導(dǎo)管11設(shè)置了預(yù)熱器14，其可以將在導(dǎo)管11內(nèi)流動(dòng)的水加熱到如0.5℃。
在泵12的下游沿著導(dǎo)管11連接了進(jìn)水管21的一個(gè)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(dǎo)管11中的一部分水繞過過冷卻器2而通過此進(jìn)水管21送到外部容器22中。因此，通過一個(gè)泵12就可將水送到進(jìn)水管21和過冷卻器2中。
連接管3沿正交于其軸向的方向斷開，在外部容器22中形成了間隙d，如圖2所示，使得連接管3分成上游側(cè)連接管3a和下游側(cè)連接管3b。因此，當(dāng)水從進(jìn)水管21注入到外部容器22中時(shí)，通過間隙d進(jìn)入到連接管3中的水在連接管3內(nèi)沿下游側(cè)連接管3b的壁面向下游流動(dòng)，從而在下游側(cè)連接管3b的內(nèi)壁面上形成了所注入水的液膜。
應(yīng)注意到，由于通過泵12施加給在進(jìn)水管21內(nèi)流動(dòng)的水的壓力一直保持到水到達(dá)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(jìn)入到連接管3中不存在困難。
根據(jù)此實(shí)施例的制冰裝置1具有上述結(jié)構(gòu)，其操作的示例將在下文中介紹。例如，當(dāng)0℃的水從水箱13中抽出時(shí)，水的溫度通過預(yù)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(tài)，例如-2℃，然后將其送到過冷釋放裝置4中，在那里水從過冷狀態(tài)下釋放出來，從而形成漿狀的例如在0℃下連續(xù)地流出到外部的冰。
同時(shí)，從導(dǎo)管11中岔出并流入到進(jìn)水管21中的0.5℃的水注入到外部容器22中，并通過連接管3的斷開部分即間隙d進(jìn)入到連接管3中，并保持現(xiàn)狀在過冷態(tài)水流的上方向下游流動(dòng)。在這種情況下，由于在連接管3的整個(gè)圓周上設(shè)有間隙d，0.5℃的上述水沿下游連接管3b的內(nèi)壁面流動(dòng)，使得在壁面即內(nèi)表面的整個(gè)圓周上形成了0.5℃的水的液膜。
應(yīng)注意到，進(jìn)水管21和外部容器22之間的連接點(diǎn)(進(jìn)水噴射/接受開口)設(shè)置成使其軸線偏離間隙d并與之相距預(yù)定的距離。這種結(jié)構(gòu)是出于使水均勻地噴射到壁面的整個(gè)圓周上的目的而設(shè)置的。
因此，即使在過冷釋放裝置4中進(jìn)行的過冷釋放會(huì)沿壁面向上游傳播，由于在下游側(cè)連接管3b的內(nèi)壁面上形成了0℃或更高溫度的液膜，向上游的傳播也可避免。另外，即使存在冰核，它也不會(huì)生長(zhǎng)，而是在壁面上形成的0℃或更高溫度的液膜中及時(shí)融化或通過過冷態(tài)水流而向下游流動(dòng)，這樣，相變不會(huì)向連接管3的出口的上游方傳播。這就防止了在連接管3中和過冷卻器2的出口處發(fā)生凍結(jié)，因此可以穩(wěn)定地制出漿狀的冰。
與現(xiàn)有技術(shù)形成對(duì)比的是，本發(fā)明無須進(jìn)行特殊的處理如將樹脂等涂敷到壁面上，并且可以達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間地防止相變傳播的穩(wěn)定效果。在此實(shí)施例中用于形成液膜的水由預(yù)熱器14加熱到0.5℃，但此加熱所需的能量非常少，與現(xiàn)有技術(shù)中通過對(duì)連接管直接加熱以防止凍結(jié)的方法相比，其所需的能量少得多。
另外，由于在此實(shí)施例中流入導(dǎo)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于將水注入外部容器22中的單獨(dú)水源。
應(yīng)注意到，雖然在此實(shí)施例中安裝了預(yù)熱器14來對(duì)流入導(dǎo)管11中的水進(jìn)行加熱，但也可以設(shè)置適當(dāng)?shù)臏囟日{(diào)節(jié)器如加熱器，其由傳感器和控制器結(jié)合而成，從而單獨(dú)地對(duì)流入進(jìn)水管21中的水進(jìn)行加熱。因此，可將注入的水可單獨(dú)地設(shè)定為適當(dāng)?shù)臏囟取＿M(jìn)水管21不必從導(dǎo)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(diào)節(jié)器而相連。
連接管3的斷開端面即上游側(cè)連接管3a的端面和下游側(cè)連接管3b的端面最好采用如圖3和后面的圖所示的各個(gè)示例中介紹的形狀。
圖3所示示例具有這樣的形狀，其中上游側(cè)連接管3a的端面在內(nèi)壁31側(cè)上向下游方向以錐形形狀突出，而下游側(cè)連接管3b的端面在外壁32側(cè)上向上游方向以錐形形狀突出。
圖4所示示例具有這樣的形狀，其中上游側(cè)連接管3a的端面如圖3所示示例一樣在內(nèi)壁31側(cè)上向下游方向以錐形形狀突出，而下游側(cè)連接管3b的端面在外壁32側(cè)上向上游方向突出，下游側(cè)連接管3b的端面33本身為朝向上游凸起的曲面形狀。
圖5所示示例具有這樣的形狀，其中上游側(cè)連接管3a的端面在內(nèi)壁31側(cè)上向下游方向突出得比在外壁34側(cè)上更遠(yuǎn)，下游側(cè)連接管3b的端面在內(nèi)壁35側(cè)上向上游方向突出得比在外壁32側(cè)上更遠(yuǎn)，而且上游側(cè)連接管3a的端面末端36和下游側(cè)連接管3b的端面末端37具有正交于其各自軸線而切開的表面。
圖6所示示例具有這樣的形狀，其中上游側(cè)連接管3a的端面在內(nèi)壁31側(cè)上向下游方向突出得比在外壁34側(cè)上更遠(yuǎn)，下游側(cè)連接管3b的端面在內(nèi)壁35側(cè)上向上游方向突出得比在外壁32側(cè)上更遠(yuǎn)，而且上游側(cè)連接管3a的端面38和下游側(cè)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。
采用如圖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(jìn)入到連接管3中的水沿下游側(cè)連接管3b的內(nèi)壁35更好地流動(dòng)，從而更好地在下游側(cè)連接管3b的內(nèi)壁35的表面上形成水的液膜。應(yīng)該注意的是，在本發(fā)明人采用如圖3到圖6所示的斷開端面的形狀而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，如圖4所示的情況具有最佳的效果。
除上述實(shí)施例之外，例如還可以采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，還可以采用帶有直徑大于連接管3的直徑的環(huán)形外部容器來作為外部容器22。
根據(jù)本發(fā)明，在所謂的封閉系統(tǒng)中通過釋放過冷來制冰中，可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)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?qū)B接管的端部表面進(jìn)行特殊處理。這就可以連續(xù)地將水從其過冷狀態(tài)中釋放出來以進(jìn)行制冰，并可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地進(jìn)行此操作。
權(quán)利要求
1.一種制冰方法，其通過將已經(jīng)在過冷卻器中進(jìn)入過冷狀態(tài)的水經(jīng)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(jìn)行，其特征在于，將0℃或更高溫度的水供應(yīng)到所述連接管的內(nèi)壁面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，由于所述水處于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(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述處于0℃或更高溫度的水是已從貯熱槽中抽出并被加熱的水。
4.一種用于制冰的裝置，包括用于使水進(jìn)入過冷狀態(tài)的過冷卻器；用于釋放過冷態(tài)水的封閉型過冷釋放裝置；用于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；用于水密性地覆蓋所述連接管的外周的外部容器；和用于將水注入到所述外部容器中的進(jìn)水管，其特征在于，所述連接管在其整個(gè)圓周上斷開，并帶有位于所述外部容器中的斷開部分之間的間隙。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述進(jìn)水管從與所述過冷卻器的入口側(cè)相連的導(dǎo)管中岔出，并繞過連接在所述導(dǎo)管和所述外部容器之間的所述過冷卻器。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述連接管具有斷開的端面，上游側(cè)連接管的端面在內(nèi)壁側(cè)上向下游方向以錐形形狀突出，下游側(cè)連接管的端面在外壁側(cè)上向上游方向以錐形形狀突出。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述連接管具有斷開的端面，上游側(cè)連接管的端面在內(nèi)壁側(cè)上向下游方向以錐形形狀突出，下游側(cè)連接管的端面在外壁側(cè)上向上游方向突出，所述下游側(cè)連接管的端面自身為朝向上游凸起的曲面形狀。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述連接管具有斷開的端面，上游側(cè)連接管的端面在內(nèi)壁側(cè)上向下游方向突出得比在外壁側(cè)上更遠(yuǎn)，下游側(cè)連接管的端面在內(nèi)壁側(cè)上向上游方向突出得比在外壁側(cè)上更遠(yuǎn)，而且各所述端面在內(nèi)壁側(cè)的末端處具有正交于軸向的表面。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述連接管具有斷開的端面，上游側(cè)連接管的端面在內(nèi)壁側(cè)上向下游方向突出得比在外壁側(cè)上更遠(yuǎn)，下游側(cè)連接管的端面在內(nèi)壁側(cè)上向上游方向突出得比在外壁側(cè)上更遠(yuǎn)，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(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括用于調(diào)節(jié)在所述進(jìn)水管中流動(dòng)的水的溫度的溫度調(diào)節(jié)器。
11.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括用于對(duì)在所述導(dǎo)管中流動(dòng)的水進(jìn)行加熱的加熱器，其沿所述導(dǎo)管位于所述進(jìn)水管的連接部分的上游。
全文摘要
在通過將已經(jīng)在過冷卻器中進(jìn)入過冷狀態(tài)的水經(jīng)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(jìn)行制冰時(shí)，本發(fā)明將0℃或更高溫度的水供應(yīng)到連接管的內(nèi)壁面上。因此，在連接管上位于供應(yīng)水的部分的下游的內(nèi)壁面的整個(gè)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(nèi)壁面上，并防止相變向上游傳播。
文檔編號(hào)F24F5/00GK1409078SQ0214425
公開日2003年4月9日 申請(qǐng)日期2002年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月28日
發(fā)明者三戶大介, 谷野正幸, 三上貴彥 申請(qǐng)人:高砂熱學(xué)工業(yè)株式會(huì)社