JPH0120334B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、冷却の方法および冷却用装置に関す
る。特に本発明は、氷スラリーまたは氷スラツシ
ユの形で冷却容量ないし熱エネルギーを貯蔵し、
空気調節および冷却や冷凍を必要とする工業設備
などのあらゆる冷却用目的に利用するための斬新
な装置と方法に関する。

［発明の背景］ 工業設備の冷却や冷凍、事務所用ビルおよび工
業プラントの中央空気調和は、これに必要な冷凍
プラントを運転するために多量の電気エネルギー
を必要とし、通常月曜から金曜までのほぼ午前９
時から午後10時に至るピーク期間中において電力
会社に対する需要を増大する。電力会社はこの需
要に見合う十分な発電容量を供給する必要があ
る。これには設備および機器に対する多額の資本
投資が必要だが、これら設備は、暑い気象時の日
中しか完全稼働されない。夜間および週末はピー
ク外需要期間であり総発電容量のわずかしか使用
されない。さらに年間の春期および秋期の涼しい
日も発電容量の使用はわずかである。

電力のより良い均一な需要を推進するために、
多くの電力会社はピーク外期間に使用される電力
について割引料金を徴収している。このため、商
工業界では割引料金を利用する目的で、また不必
要な発電プラントを追加建造することにより将来
電力料金が値上りするのを最小にするために、あ
るいは少なくとも発電プラントの増設を遅らせよ
うとして、できるだけ電力消費をピーク外期間に
ずらすような方法を求めてきた。

冷凍負荷または空調負荷をピーク期間からピー
ク外期間に移せれば、多大の電力節約が実現でき
ることが認められていた。これを行うために冷凍
プラントをピーク外期間に運転し冷却水または氷
を製造して貯蔵することが提案されてきた。ピー
ク期間中に前記冷却水ないし氷を冷却用に使用す
るのである。冷却水よりも氷の方が単位容積当り
の冷却能力が大きいので（比率約７：１）、本目
的用の製氷設備の商用化が注目されていた。

［従来の技術］ 従来、水を溜めるタンクと当該タンクを通過す
る様々の形状と配置の小さなパイプとから成る製
氷機が多くの設備で使用されてきた。液体冷媒が
前記小さなパイプを通つて供給される。当該冷媒
が水から熱を吸収すると、各パイプ上に約１−３
インチの氷の層が形成される。このようにして、
ピーク外期間中に氷が製造される。

氷に蓄積された冷却エネルギーを使用しようと
する時は、タンクを通して水流を供給し、氷との
熱交換により当該水を冷却する。冷却された水
は、タンクから取り出され熱交換器に送られて冷
却や建物の空調または他の冷却用に供される。こ
の結果できる温まつた水は、タンクに戻され氷と
接触して再度冷却される。このシステムは、すべ
ての氷が融解する冷却を続ける。

［発明が解決しようとする問題点］ 前記形式の製氷機は、組立および運転が高価で
ある。またパイプの修理点検が容易でない。さら
にパイプの氷層の厚さが増すので、水と冷媒との
熱交換が氷の断熱効果により減少する。また所望
量の氷の製造に必要な冷却を得るために、パイプ
の熱交換表面を非常に大きくしなければならな
い。

以上の如く、ピーク外負荷中や所望ならピーク
負荷中でもほぼ一定の効率で運転できるような代
替の冷却装置および方法の必要性があることが明
らかである。

［問題点を解決するための手段］ 本発明の第１の側面は、氷貯蔵タンクから水性
液体を取り出し凍結熱交換器に供給して冷媒との
間接的な熱交換によつて当該水性液体の少なくと
も一部を氷に変換し、前記凍結熱交換器から前記
氷貯蔵タンクに水性液体と氷の混合体を送り込ん
で氷スラリーと水性液体とを前記氷貯蔵タンクに
供給し、前記氷貯蔵タンクから冷えた水性液体を
取り出し熱交換器に供給して冷却用に使用される
流体と間接的に熱交換を行ない、その熱交換器か
ら流出する温まつた水性液体を前記氷貯蔵タンク
へ戻して氷との接触により当該水性液体を冷却す
るようになつている方法を提供するものである。

氷貯蔵タンクから取り出される水性液体は、所
望によりさらに氷を製造するめたに凍結熱交換器
に再循環することができる。

本発明に使用される凍結熱交換器は、水性液体
が下方に管内部を流れることにより冷却され氷が
製造されるような、垂直管付多管円筒形凍結熱交
換器とすることができる。このような凍結熱交換
器で得られる氷は、小さな結晶の形状となつてお
り、水性液体とともに容易に流れる。

特に、本発明に使用される凍結熱交換器は、水
性液体の膜が下方に管内を流れることにより冷却
され氷が製造されるような、垂直多管円筒形流下
液膜式凍結熱交換器とすることができる。適切な
凍結熱交換器の１つは、米国特許4335581に開示
されている。

本発明の実施に当つて、凍結熱交換器、氷貯蔵
タンクおよび熱交換器に供給される水性液体は、
共通の水性液体として当該水性液体間で直接接触
しまたは相互連絡することが望ましい。

場合によつては、本発明の実施に当つて、凍結
熱交換器から収容タンクに水性液体と氷の混合体
を供給し、次に収容タンクから凍結熱交換器に水
性液体と氷の混合体を循環してさらに氷を製造す
る。また収容タンクから氷スラリーを取り出し
て、氷貯蔵タンクに供給することができる。氷貯
蔵タンクの上部に凍結熱交換器を設置することに
よつて、当該タンクは氷貯蔵タンクおよび収容タ
ンクとして機能することができる。

氷貯蔵タンクに液体と氷の混合体を供給してか
ら、水性液体の低層の上に氷スラリーが層として
形成される。当該水性液体は、氷貯蔵タンクから
凍結熱交換器に再循環され、さらに氷を作ること
ができる。

本発明の実施に当り、主として、電動コンプレ
ツサーを有し電力使用のピーク外期間中に運転さ
れる冷凍手段によつて冷媒液体が冷却される場合
に、氷貯蔵タンクから水性液体を取り出し凍結熱
交換器に送つて少なくとも水性液体の一部を氷に
変換するのが望ましい。

また本発明は、凍結熱交換器に熱交換器から流
出する温つた水性液体の一部を送つて冷えた水性
液体を作り、氷貯蔵タンクに当該冷えた水性液体
を直接送つてさらに冷却するか又は熱交換器に送
るようにしてピーク負荷冷却期間中に装置を使用
する方法も可能となるものである。この方法によ
り当該装置は、冷却装置としても使用できる。

本発明の第２の側面は、水性液体供給流入口と
水性液体流出口とを有する凍結熱交換器、前記凍
結熱交換器に冷媒を供給して当該凍結熱交換器に
送られる水性液体を間接的に冷却するための閉じ
たループの冷凍手段、氷貯蔵タンク、前記凍結熱
交換器から氷と水性液体と混合体を取り出して前
記氷貯蔵タンクに送る手段、前記氷貯蔵タンクか
ら冷えた水性液体を取り出し熱交換器に供給して
冷却用に使用された流体を冷却する手段、および
前記熱交換器から温まつた水性液体を取り出し前
記氷貯蔵タンクまたは前記凍結熱交換器ないし部
分的に当該氷貯蔵タンクおよび凍結熱交換器の両
方に供給する手段から成つている装置を提供する
ものである。

前記装置は氷貯蔵タンクから水性液体を取り出
して凍結熱交換器に送るための手段も有すること
が望ましい。

特に本発明は、水性液体供給流入口と水性液体
流出口とを有する多管円筒形凍結熱交換器、前記
凍結熱交換器に冷媒を供給して当該凍結熱交換器
に送られる水性液体を間接的に冷却するための閉
じたループの冷凍手段、凍結熱交換器出口からの
氷と水性液体との混合体を収容するための収容タ
ンク、前記収容タンクから水性液体を取りだして
凍結熱交換器入口に送る手段、氷貯蔵タンク、前
記収容タンクから氷スラリーを取り出して前記氷
貯蔵タンクに送る手段、前記氷貯蔵タンクから冷
えた水性液体を取り出し熱交換器に送つて冷却用
に使用される流体を冷却する手段、および前記熱
交換器から温まつた水性液体を取り出して前記氷
貯蔵タンクまたは前記凍結熱交換器ないし部分的
に当該氷貯蔵タンクおよび凍結熱交換器の両方に
供給するたための手段から成つている装置を提供
するものである。

さらに本発明は、水性液体供給流入口と水性液
体流出口とを有する多管円筒形凍結熱交換器、前
記凍結熱交換器の胴側に冷媒を供給するための閉
じたループの冷凍手段、前記凍結熱交換器出口か
らの氷と水性液体との混合体を収容すための収容
タンク、前記収容タンクから水性液体を取り出し
て前記凍結熱交換器入口に供給するための手段、
氷貯蔵タンクであつて当該タンクの底部の冷たい
水性液体層の上に氷スラリー層を浮かせるように
なつている氷貯蔵タンク、前記収容タンクから氷
スラリーを取り出して前記氷貯蔵タンクに供給す
るための手段、前記氷貯蔵タンクから水性液体を
取り出して前記凍結熱交換器入口に供給するため
の手段、前記氷貯蔵タンクの底部から冷えた水性
液体を取り出し熱交換器に送つて冷却用に使用さ
れる流体を冷却するための手段、および前記熱交
換器から温まつた水性液体を取り出して前記氷貯
蔵タンクまたは前記凍結熱交換器ないし部分的に
当該氷貯蔵タンクおよび凍結熱交換器の両方に供
給するための手段から成つている装置を提供する
ものである。

本装置および本方法の実施に当つては、あらゆ
る種類の適当な冷媒が使用できる。冷媒は、低温
エタノールまたは水性グリコール溶液等のように
周囲温度において液体であるものとすることがで
きる。また冷媒は、アンモニアまたフレオン商標
冷媒のように周囲温度において気体であるものと
することもできる。

本装置および本方法においては、ブライン（水
に塩化ナトリウムを加え他の無機物を添加したも
の或いは他の無機物は無添加のもの）、水と液体
グリコール、特にエチレングリコールまたは他の
水性溶液との混合体等の数多くの水性液体が使用
できる。ブラインは、形成される氷が好ましい結
晶寸法を有し、良好に流れ、氷を通過するブライ
ンの排出が迅速なので、水性液体として現在最適
の選択である。

［実施例］ 合理的で実際的な範囲において、図面の各図中
に示される同一ないし類似要素または部品は同一
番号が付される。

第１図において、凍結熱交換器１０は米国特許
423436に開示されているような垂直多管円筒形流
下液膜式のものである。凍結熱交換器１０の胴側
は、閉じたループの冷凍系統１２により冷却され
る。アンモニア等の気体冷媒は、導管１４により
凍結熱交換器１０の胴側から取り出され、モータ
ー１８により駆動されるコンプレツサー１６に供
給される。圧縮された冷媒は、コンプレツサー１
６から導管２０を通つて凝縮器２２に送られる。
液体冷媒は導管２３により凝縮器２２から取り出
され、冷媒収容器２４に送られ、導管２５により
膨脹弁２６に送られ、導管２８に膨脹して凍結熱
交換器１０の胴側に送られる。

ブラインは導管５０により凍結熱交換器１０の
上部に供給され、下降薄膜として管内部表面を流
下する。ブラインは管内を流下するに従つて冷却
され、ブラインと氷との混合スラリーは、凍結熱
交換器１０から収容タンク３２に出口３０を通つ
て流れる。収容タンク３２に集められたスラリー
は、導管３４によつて取り出され、ポンプ３６に
供給され、導管３８に送られ、氷貯蔵タンク４０
の上部に供給される。収容タンク３２の下部にあ
るブラインは、導管４６により取り出され、ポン
プ４８に供給され、導管５０に送られて凍結熱交
換器１０の上部に供給される。

製氷中、ブラインは導管５２により氷貯蔵タン
ク４０から取り出され、収容タンク３２に供給さ
れて凍結熱交換器１０を通つて再循環される。ま
たは、導管５２から導管５４にブラインを送り、
導管４６に送つてポンプ４８に供給し、導管５０
によつて凍結熱交換器１０に再循環することもで
きる。

前記製氷方法は、所望に応じて連続することが
できるが、通常は氷が氷貯蔵タンクの約1/2から
３／４を満たし残りが液体となるまで運転する。経
済的な製氷のために、電気料金が最低の時、すな
わち一般的に日曜から木曜の午後10から翌朝９時
まで、および週末の金曜午後10時から日曜夜まで
のピーク外期間に製氷運転する。当然のことなが
ら、ピーク外期間は、場所および周囲条件に左右
される。

氷の形で蓄えられている冷却容量を冷却用に使
用する場合は、氷貯蔵タンク４０から導管５８に
よつて冷えたブラインを取り出してポンプ６０に
供給する。冷えたブラインは、ポンプ６０により
導管６２に送られ、熱交換器６４に供給され、当
該熱交換器に導管６６を通つて供給される温かい
液体を間接的に冷却し、当該液体は冷えた流体と
して導管６８から取り出される。この結果ブライ
ンは温かくなる。温まつたブラインは氷の間を流
れながら氷に熱を移行して冷え、その結果氷を解
かす。このシステムは、氷が氷貯蔵タンクにある
限り運転を継続することができる。タンク中の冷
却用氷量は、所望冷却期間に見合うことが望まし
い。

第２図は、本発明に基づく装置の第２実施例を
示す。この実施例において、冷えた流体は熱交換
器６４から導管６８により取り出され、設備８０
内のコイル７８に供給され必要な冷却を提供す
る。温まつた液体は、コイル７８から導管６６に
より取り出され、熱交換器６４に送られて前記通
り再度冷却される。

第２実施例における氷貯蔵タンク４０の寸法
は、設備８０の全冷却負荷を供給するのに不十分
なものでもよい。それでも当該装置は次のような
方法により、必要な冷却を提供するように使用す
ることができる。導管７０内の温まつたブライン
の全部または一部は、導管９０に供給され、凍結
熱交換器１０の頂部に送られる。ブラインは、運
転中の前記凍結熱交換器を流れながら、氷を形成
せずに冷却されることができる。冷えたブライン
は、前記凍結熱交換器から導管３０により取り出
され、収容タンク３２に供給される。冷えたブラ
インは、収容タンク３２から導管１００により取
り出され、氷貯蔵タンク４０の底部に供給され
る。冷えたブラインは、導管５８により、タンク
４０から取り出されポンプ６０により導管６２に
送られて熱交換器６４に供給され、前記通り冷却
用に使用される。前記冷えたブラインの製造およ
びその冷却への使用は、電力負荷のピーク期間中
あるいは必要ならばピーク外期間中でもよい。

前記詳細説明は、理解を明確にするためにのみ
行われたものであり、本発明に何等限界をも設定
するものではなく、当業者には明らかなように
種々変更がありうるものである。

［発明の効果］ 前記製氷および冷却システムは、建物空調用の
主冷却システムとして、電力使用ピーク時または
ピーク外の時、ないしその組合せにおいて、それ
らの期間を通してまたは第一次的に使用できる。
本システムは、現存の従来型空調システムの補助
として使用することにより現在の冷却負荷の一部
をピーク外期間に移行するように使用することも
できる。本システムはさらに、小型の従来の冷凍
システムと組み合せて使用することよにより空調
負荷を平均化するように使用することができる。
また、本システムは、冷却または冷凍を必要とす
るあらゆる工業設備で使用できる。

本発明の製氷装置の１つの利点は、水タンク内
に延びるパイプを使用し氷が当該パイプ上に約１
−３インチの厚さで出来る従来のものに比べて、
より少ない冷媒蒸発表面積とより良い熱伝達で製
氷ができることである。本発明の装置の別の重要
な特徴は、凍結熱交換器、氷貯蔵タンク、および
熱交換器において同一液体を共通に使用できるこ
とである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に基づく装置の第１実施例を示
す概略図。第２図は本発明に基づく装置の第２実
施例を示す概略図。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 氷貯蔵タンクから水性液体を取り出し凍結熱
   交換器に供給して冷媒との間接的な熱交換により
   当該水性液体の少なくとも一部を氷に変換し、前
   記凍結熱交換器から前記氷貯蔵タンクに水性液体
   と氷の混合体を送り込んで当該氷貯蔵タンクに氷
   スラリーと水性液体を供給し、前記氷貯蔵タンク
   から冷えた水性液体を取り出し熱交換器に供給し
   て間接的な熱交換により冷却用に使用される液体
   を冷却し、前記熱交換器から氷貯蔵タンクに温ま
   つた水性液体を戻し氷との接触によつて当該温ま
   つた水性液体を冷却することから成つている製氷
   による熱エネルギー貯蔵方法。 ２ 水性液体が氷貯蔵タンクから取り出され凍結
   熱交換器に再循環してさらに氷を製造するように
   なつている特許請求の範囲第１項に記載の方法。 ３ 凍結熱交換器が垂直管付多管円筒形凍結熱交
   換器であり、水性液体が管内を流下することによ
   つて冷却されて氷となり、当該氷が小さな結晶と
   して形成されるような特許請求の範囲第１項また
   は第２項に記載の方法。 ４ 凍結熱交換器が多管円筒流下液膜式凍結熱交
   換器であり、水性液体の薄膜が管内を流下するこ
   とによつて冷却されて氷となり、当該氷が小さな
   結晶として形成されるような特許請求の範囲第１
   項または第２項に記載の方法。 ５ 凍結熱交換器、氷貯蔵タンクおよび熱交換器
   に供給される水性液体が共通の水性液体として直
   接接触しあるいは連絡するような特許請求の範囲
   第１項に記載の方法。 ６ 水性液体供給流入口および水性液体流出口を
   有する凍結熱交換器、凍結熱交換器に冷媒を供給
   して当該凍結熱交換器に送られる水性液体を間接
   的に冷却する閉じたループの冷凍手段、氷貯蔵タ
   ンク、凍結熱交換器出口から水性液体または氷と
   水性液体との混合体を取り出して氷貯蔵タンクに
   送る手段、氷貯蔵タンクから冷えた水性液体を取
   り出して熱交換器に送り冷却用に使用される流体
   を冷却する手段、および熱交換器から温まつた水
   性液体を取り出し氷貯蔵タンクまたは凍結熱交換
   器ないし部分的に前記氷貯蔵タンクおよび凍結熱
   交換器の両方に送る手段から成つている装置。 ７ 当該装置の凍結熱交換器が胴側にある冷媒に
   よつて冷却される垂直管を有する多管円筒形凍結
   熱交換器であるような特許請求の範囲第６項に記
   載の装置。 ８ 氷が小さな結晶として製造され、氷貯蔵タン
   クの中の氷がスラツシユまたはスラリーであるよ
   うな特許請求の範囲第６項に記載の装置。