JPH035683A - 冷却装置及び冷却方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、油などの被冷却液体を液化ガスを用いて連
続的に冷却する冷却装置及び冷却方法、特に被冷却液体
と液化ガスの直接混合を効率的に行うものに関する。

［従来の技術］ 従来より、熱的操作の１つとして冷却操作があり、種々
の分野において利用されている。すなわち、食品加工工
程における原材料の冷却や、冷房、冷凍装置における冷
媒の冷却などにおいて冷却操作が必要とされている。

その冷却操作としては一般には冷蔵庫や冷凍庫のように
、機械式冷凍機を用いる方法や、液化ガスを流通せしめ
た熱交換器を用いる方法が採用されている。この方法は
、冷媒と間接的に接触して冷却するものであって、冷却
に時間がかかり冷却速度が遅Ｘ、また両者の接触面積を
広くしなげれば十分な冷却が行えないため装置が大きく
なるという問題点があった。

そこで、急速に原材料等の冷却を行いたい場合、低い沸
点を有する液化ガス（例えば、液体窒素常圧下で沸点・
−１９６℃）を冷却すべき被冷却体に向けて噴射して、
その低温の液化ガスの気化に起因する蒸発潜熱等によっ
たり、また更に、液化ガス中に被冷却物が浸漬したり、
混合して原材料を急速に冷却することも行われている。

そして、例えば液体の原材料である場合にはこれを適当
な貯留槽に貯留し、この状態において液化ガスを原材料
中に導入する。この液化ガスには、空気を原材料とする
ために比較的安価に得られしかも不活性である液体窒素
、液体アルゴンなどが利用されるが、これらの液化ガス
は断熱容器に充填されて液体の状態を保っている。

そして、このような液化ガスが常温常圧の原材料に噴出
導入されれば、液化ガスは瞬時に気化し、このときに原
材料から大量の熱が奪われ、原材料の急速な冷却を行う
ことができる。

更に、液体窒素や液体アルゴン等の液化ガスは、その製
造工程において非常に純度の高いものが得られ、またこ
れを原材料中に混合した場合においても混合後に気化し
て気体として原材料から分離されてしまうため、製品の
品質に対する悪影響がない場合が多い。その上、窒素ガ
スやアルゴン等は、化学的に不活性で安定であり、原材
料に化学変化を起こすことなく冷却することができる。

［発明が解決しようとする課題］ 上述のように、液化ガスを直接原材料中に混合する方法
によって、急速な冷却処理を行うことができる。しかし
ながら、液化ガスは上述のように、原材料中において瞬
間的に気化する。そして、液化ガスが気化した場合には
、通常その体積が千倍程度に膨張する。このため、原材
料中で発生する気泡はその径が非常に大きくなりやすく
、上昇速度が大きく、すぐに原材料中から逃げてしまう
場合が多い。

このように気泡が原材料中にほとんど滞留しないような
条件下においては、低温のガスと原材料の接触がほとん
ど行われないこととなり、冷却効率が非常に悪くなって
しまうという問題点があった。

一方、原材料が非常に粘度の高い物質であった場合には
、気泡が十分原材料中に分散せず、また気泡に近い部分
のみが部分的に冷却され、全体としての冷却が効果的に
行えないという問題点があった。

さらに、液化ガスの導入経路に被冷却液体が侵入した状
態で、液化ガスの導入を開始すると、この導入経路内で
被冷却液体が凍結し導入経路に詰りを発生してしまうと
いう問題点もあった。

この発明は、上述のような問題点を解決することを課題
としてなされたものであり、液化ガスと原材料である被
冷却液体を効果的に混合し、急速冷却を効率的に行える
冷却装置及び冷却方法を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 請求項（１）記載の発明は、液化ガスを貯留する液化ガ
ス貯留部と、液化ガスと被冷却液体とを受け入れ混合す
る混合部と、この混合部からの混合物を受け入れ、これ
を滞留させることによって、気液分離を行う気液分離部
とを含み、 上記混合部は、両端部に流入部と流出部とがそれぞれ形
成されたケーシングと、このケーシングの内部に配置さ
れ、ケーシングの軸方向に振動する撹拌羽根とを有し、 混合部内において、液化ガスより気化生成されたガス泡
を振動する撹拌羽根によって細分、分散させ、上記被冷
却液体を冷却することを特徴とする 請求項（２）記載の発明は、請求項（１）記載の冷却装
置において、上記混合部には、逆流防止手段を有する液
化ガス噴出ノズルを設け、この液化ガス噴出ノズル部に
被冷却液体が侵入するのを防止することを特徴とする 請求項（３）記載の発明は、液化ガスを混合部に導入す
る工程と、この液化ガス導入状態において、被冷却液体
を混合部に導入する工程と、液化ガス及び被冷却液体を
導入しながら、混合部内において撹拌羽根を振動させ、
液化ガスから気化生成されたガス泡を被冷却液体中に細
分化された状態で分散混合する工程と、ガス泡が分散混
合された被冷却液体を受け入れ、気液分離する工程とを
有することを特徴とする。

［作用］ 請求項（１）記載の発明によれば、液化ガスと被冷却液
体とは、混合部において混合され、ここで被冷却液体が
冷却されると共に、気液分離部において液化ガスから生
成された気体が除去され、被冷却液体の冷却が行われる
。そして、この発明における混合部は、ケーシング内の
軸方向に振動する撹拌羽根を有している。従って、混合
部内において、液化ガスより気化生成されたガス泡が、
振動する撹拌羽根によって細分化、分散され、被冷却液
体と低温のガスの非常に効果的な混合が行われる。

従って、ガス泡が被冷却液体中からすぐに抜けることが
なく、効率的な冷却が行えると共に、ガス泡が被冷却液
体中に広く分散されるため、被冷却液体の全体が効果的
に冷却される。

請求項（２）記載の冷却装置によれば、液化ガスは液化
ガス噴出ノズルから噴出されると共に、この液化ガス噴
出ノズル部に設けられた逆流防止手段によって、被冷却
液体が液化ガス噴出ノズル中に侵入してくることを防止
することができる。

従って、噴出ノズル内部において被冷却液体が固化し、
詰まりが発生することを防止することができる。

請求項（３）記載の発明においては、まず液化ガスを混
合部に導入する。そしてこの液化ガス導入状態において
被冷却液体を混合部に導入する。

従って、被冷却液体が液化ガスの導入路等に侵入し、こ
こで冷却固化されることがなく、液化ガス導入部におけ
る詰まりを防止することができる。

［実施例］ 以下、この発明に係る冷却装置及び冷却方法について、
図面に基づいて説明する。

第１図は、この発明に係る冷却装置の概略構成を示す構
成図であり、被冷却体である被冷却液体（例えば、不凍
液、油、冷媒等の冷却したい原材料）が、貯留槽１０に
貯留されている。また、液化ガス（例えば液体窒素）は
、低温液化ガス断熱容器１２内に加圧状態で貯留されて
いる。そして、これら貯留槽１０に貯留された被冷却液
及び断熱容器１２内の液体窒素は、共に混合部２０に導
入される。

なお、貯留槽１０及び断熱容器１２から混合部２０に至
る経路に設けられているバルブ１６゜１８は流量調整用
のものである。

この混合部２０は、その底部に被冷却液を受け入れる原
材料導入部２２と液化ガスを受け入れる液化ガス導入部
２４を有している。また、混合部２０の本体は円筒状の
ケーシング２６から成っており、その上部には被冷却液
と液化ガスが混合された混合物の流出する流出口２８が
設けられている。更に、このケーシング２６内には螺旋
状の撹拌羽根等を有する撹拌体３０が配置されており、
この撹拌体３０は振動装置３２によってケーシング２６
の軸方向に往復振動されるようになっている。

混合装置２０の流出口２８から排出される混合物は気液
分離槽４０に導入されるが、この気液分離槽４０は導入
された混合物から分離除去される気泡を流出液中から排
除するためのバッフル４２を有している。

このような装置において、混合装置２０の底部には、貯
留槽１０からの被冷却液と、断熱容器１２からの液化ガ
スの両方が導入される。そして、この混合部２０内にお
いて、両者が混合され、流出口２８から排出されるが、
この実施例において混合部２０はその内部に撹拌体３０
を有している。

そして、この撹拌体３０は振動装置３２によって往復振
動されている。すなわち、この撹拌体３０は振動装置３
２によって数Ｈｚ〜数十Ｈｚで、数−■から数十ｍ−の
ストロークで往復振動されている。

このような撹拌体３０が存在すると、混合部２０内にお
いて気化生成されたガス泡は、混合部２０内を上昇する
過程で、撹拌体３０における撹拌羽根の下表面に接触し
、ここで分散、細分化される。これは、撹拌体３０が上
述のような振動をしているため、ここに触れた気泡が撹
拌羽根の動きによって破壊、細分化されるからである。

そして、この撹拌体３０は図示のようにケーシング２０
の軸方向に沿って上方に向かって伸長形成されているた
め気泡が混合部２０内を上方に向けて移動する過程にお
いて確実に撹拌羽根と接触し、細分化される。そして、
この撹拌体３０の往復振動によってケーシング２６内を
通過する被冷却液体の撹拌も行われるため被冷却液体中
の気泡はほぼ均一に分散されることとなる。従って、断
熱容器１２から供給された液化ガスは、この混合部２０
内において被冷却液体中に微細な気泡として均一に分散
混合されることとなる。

このように気泡が液体中に微細な気泡として分散される
と、両者の接触面積が大きくなり、また気泡の上昇速度
が小さくなるので、気泡と被冷却液体の接触が時間が長
くなる。更に、撹拌体３０の振動によって被冷却液体が
撹拌されるため被冷却液体内における伝熱も促進される
。そこで、気泡と被冷却液体の熱伝達が効果的に行われ
ることとなり、気泡と被冷却液体の温度はほぼ同一とな
る。従って、液化ガスの冷却能力をほぼ１００％利用し
、被冷却液体の冷却を効果的に行うことができる。

そして、このようにして、混合部２０において得られた
被冷却液体と気泡の混合物は気液分離槽４０内に滞留さ
れる。気液混合液が貯留されれば、液体中に含まれてい
る気泡は比重が軽いことに起因して混合物中から上方に
抜ける。そこで、気液分離槽４０内において、気液混合
液中の気体を除去することができる。そして、気液分離
槽においては、その流出部を囲むバッフル４２を有して
いるため、気液分離槽４０内において上方へ向かって移
動する気泡は流出液中に混入することなく、効果的な気
液分離を行うことができる。

このようにして、気液分離槽４０の流出液として断熱容
器１２から供給される液化ガスによって冷却された被冷
却液体を得ることができる。

なお、このような冷却を行う被冷却液体としては、例え
ば薬剤を製造するための１１１１〜２厘層程度の粒子を
含む油や、種々の冷却装置における冷媒である不凍液や
アイスクリームの凍結前の原料等がある。

次に、この装置において、運転開始時における特徴的な
事項について説明する。

すなわち、混合部２０には、被冷却液体及び液化ガスの
両方が導入されるわけであるが、液化ガス導入部２４は
、液化ガスが常圧状態においては非常に低温であること
に起因して、非常に低温となる。そこで、被冷却液体が
液化ガスの導入２４およびその上流側経路に侵入した場
合には、バルブ１６を開き、液化ガスの導入を始めた時
点において、この経路内において冷却媒体が固化し、こ
こに詰まりを生じる場合がある。このように詰まりが生
じた場合にはその経路（パイプ）が破裂したり、液化ガ
スの導入ができなくなったりするという問題点がある。

そこで、この発明においては、運転開始当初において、
まず断熱容器１２からの液化ガスを混合部２０内に導入
する。そして、このような液化ガス導入状態において被
冷却液体の混合部２０内への導入を開始する。従って、
被冷却液体が導入され始めた状態においては、既に液化
ガスの導入が始まっており、液化ガス導入部２４および
その上流側経路に被冷却液体が侵入することはない。そ
こで、上述のような詰まりを防止することができる。

次に、第２図に示したのは、この発明に好適な混合部２
０の構成の一例を示す一部断面図である。

このように、撹拌体３０は、振動装置３２に接続された
軸３００と、この軸３００に固定された螺旋状の羽根３
０２とから形成されている。そして、この羽根３０２に
は複数の切欠３０４が形成されている。この切欠３０４
には、羽根３０２の外縁部に形成された開口３０４ａと
内縁部に形成された開口３０４ｂがある。そして、これ
ら開口３０４は軸３００の軸方向において次段の開口３
０４と位相が異なるように配置されている。

このため、混合部２０内において流通される被冷却液体
は、螺旋状の羽根３０２の表面に沿って流動する流れと
、この開口部３０４を通って流れる２種類の流れの複合
されたものとなる。更に、開口部３０４はそれぞれ位相
が異なると共に、半径方向の位置も２種類ある。従って
、混合部２０内における被冷却液体の流れは乱流状態と
なり、被冷却液体とこれに含まれる気泡の混合が促進さ
れる。

また、この撹拌体３０は振動装置３２によって上下方向
に所定の振動をする。そこで、この螺旋状の羽根３０２
の表面近傍において振動に起因する乱流が生起され、被
冷却液体とこれに含まれる気泡の混合が更に促進される
。

第３図及び第４図に示したのは、撹拌体３０の他の実施
例であり、第３図に示した例においては、軸３００に半
月形の羽根３０６を多段状に設けている。そして、１つ
の段の羽根３０６は軸方向に対する傾斜が角度がちょう
ど反対になるように固定されており、また次の段の羽根
３０６はその位相が前段のものと９０度異なるようにな
っている。

この羽根３０６を有する撹拌体３０を採用しても上述の
場合と同様の効果が得られる。

更に、第４図に示した例においては、軸３０２に棒状の
羽根３０８をリボンスクリュウ状に設けている。この例
においても同様の効果が得られる。

次に、第５図に示したのは、混合部２０における液化ガ
ス導入部２４の他の実施例である。この例においては、
液化ガス道入用の噴出ノズル２４０の先端開口部２４２
には、先細り状のニードル２４４が進退自在に設けられ
ている。すなわち、ニードル２４４は、その一端がモー
タ２４６に固定され、このモータ２４６によって回転可
能とされている。そして、このニードル２４４の中間部
にはネジ部２４４ａが設けられており、これがノズル２
４０の内面に設けられたネジ部２４０ａと螺合するよう
になっている。従って、モータ２４６の回転に応じて、
このニードル２４４がノズル２４０の開口部２４２に対
し移動する。従って、ニードル２４４と開口部２４２の
間隙をニードル２４４の移動によって調整することがで
きる。

そこで、開口部２４２をニードル２４４によって閉じれ
ば〈混合部２０内の被冷却液体が液化ガスの噴出ノズル
２４０およびその上流側経路中に逆流することがない。

従って、運転終了時において、ニードル２４４によって
開口部２４２を閉じれば、被冷却液体は液化ガス導入経
路内へ侵入しない。そして、液化ガス導入は、バルブ４
２を開き、その導入経路内に所定圧力を印加した後ニー
ドル２４４を図における下方に移動し混合部２０内に液
化ガスを導入する。このようにして液化ガスの導入開始
を行えば、混合部２０内に被冷却液体が存在しても、こ
の被冷却液体が液化ガス導入経路内に侵入することがな
い。そこで、被冷却液体が噴出ノズル２４０内等で詰ま
ることを有効に防止することができる。

［発明の効果コ 以上説明したように、この発明に係る冷却装置及び冷却
方法によれば、被冷却液体と液化ガスの直接混合を非常
に効率よく行うことができ、効果的な被冷却液体の冷却
を行うことができる。更に、運転開始当初において、被
冷却液体の液化ガス導入経路への侵入を防げるため、こ
こにおいて詰まりが発生することがない。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る冷却装置の全体構成を示す概略
構成図、 第２図は同実施例における混合部２０の構成を示す一部
断面図、 第３図及び第４図は撹拌体３０の他の実施例を示す構成
図、 第５図は噴出ノズル２４の他の実施例を示す断面図であ
る。 １０　・・・　貯留槽 １２　・・・　断熱容器 ２０　・・・　混合部 ３０　・・・　撹拌体 ３２　・・・　振動装置 ４０　・・・　気液分離槽 ２４０　・・・　噴出ノズル ２４２　・・・　ニードル

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）液化ガスを貯留する液化ガス貯留部と、液化ガス
   と被冷却液体とを受け入れ混合する混合部と、 この混合部からの混合物を受け入れ、これを滞留させる
   ことによって、気液分離を行う気液分離部と、 を含み、 上記混合部は、 両端部に流入部と流出部とがそれぞれ形成されたケーシ
   ングと、 このケーシングの内部に配置され、ケーシングの軸方向
   に振動する撹拌羽根と、 を有し、 混合部内において、液化ガスより気化生成されたガス泡
   を振動する撹拌羽根によって細分、分散させ、上記被冷
   却液体を連続的に冷却することを特徴とする冷却装置。
2. （２）請求項（１）記載の冷却装置において、上記混合
   部には、逆流防止手段を有する液化ガス噴出ノズルを設
   け、この液化ガス噴出ノズル部に被冷却液体が侵入する
   のを防止することを特徴とする冷却装置。
3. （３）液化ガスを混合部に導入する工程と、この液化ガ
   ス導入状態において、被冷却液体を混合部に導入する工
   程と、 液化ガス及び被冷却液体を導入しながら、混合部内にお
   いて撹拌羽根を振動させ、液化ガスから気化生成された
   ガス泡を被冷却液体中に細分化された状態で分散混合す
   る工程と、ガス泡が分散混合された被冷却液体を受け入
   れ、気液分離する工程と、 を有することを特徴とする冷却方法。