最近気になる用語　48 　 過冷却水

　 水の融点（０℃）以下の温度に冷却されたとき、熱力学的に安定な結晶が現われずに、不安定な液体状態が保持されて いる状態のことを「過冷却水（supercooling water)」と言う。
　自然界で水が過冷却している現象が一般的にみられるのは、雲を構成している水滴粒子である。通常-20℃程度でも 過冷却していることが多く、それ以下になると凍結する割合が多くなる。非常に純粋な直径数μｍ程度の微少水滴は -40℃近くまで過冷却が可能であることが実験的に確かめられている。
　不安定相の中に安定相が生成される過程を核生成（nucleation)過程という。水だけでは核生成が起こる（凍結の 過程）には、水の分子の小群（クラスター）が偶然に氷状の構造に配列されたときに起こる。このような分子の凝集は 絶えず発生・消滅を繰り返している。温度が低いほどその分子凝集の大きさは増大し、また発生頻度も増加する。そして ある大きさ（臨界径）に達すると、核生成に至る。この水自身だけで起こる核生成を均一核生成（homogeneous nucleation) とか、自発核生成（spontaneous nucleation)という。水の自発凍結温度は－４０℃と言われている。この温度以下では水だけで 確実に凍結が起こる。
　 －４０℃よりも高い温度では、温度が高くなるほど少なくなる均一核生成に頼るか、水以外の物質粒子や容器の壁の 助けを借りて核生成が起こる。この水以外の助けを借りて核生成が起こることを不均一核生成（heterogeneous nucleation) という。核生成を起こす物質のことを氷晶核や凍結核という。大気中などの自然にある物質（自然核）の凍結核は 土壌粒子や鉱物粒子などである。その物質が核化を起こす温度（臨界温度）はその物質によって異なるが、-5℃以下 と言われている。上記に示した雲を構成している水滴に過冷却が多いのは、その大気中に氷晶核物質が不足していること を表している。人工的な核（人工核）では、沃化銀がもっとも高い核化温度（-4℃）を示す。そのほかの核化物質としては 、お茶の葉の霜害から見いだされた氷核活性細菌が－１℃程度で氷晶核として作用すると言われている。 そのほか公表されていないが－数℃で作用する人工核もあるようである。尚、氷晶核として最も有効なものは氷である。 氷があると水は過冷却することなく、必ず０℃にて凍結を開始する。
　 過冷却の工業的な利用は、空調の氷蓄熱・スキー場の造雪・溶液の凍結濃縮などがある。特に氷蓄熱では積極的な 研究・製品化が行われている。熱交換器で安定的に－２℃程度の過冷却水をつくり、その後衝撃エネルギーなどにより 過冷却を破り（解除）、スラリー状の微細な氷を作り貯氷する。熱交換器による過冷却水の安定取出のために 水に含まれる不純物質の構造・材質、水と接する面の壁面構造・性状（材質/粗さなど）、水の温度、温度勾配（温度揺らぎ）、 冷却速度、水の性質（クラスター／イオン／ｐH等）などを因子に安定化の研究が行われている。システム的には 水槽の水を循環して使用するため、貯氷中の小さな氷（氷晶）を熱交換器に導入しないことが最大の課題となる。 現状は、熱交換器前にフィルターをもうけ、この氷晶を完全に除去するか、除去できない場合を考えて、事前に 加熱する（+５℃程度）ことが行われている。加熱することがエネルギー的に不利なことであるため、熱交換器 流入水は補給水や冷却水、冷媒液などによる加熱が行われている。

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