JPH04240366A - 氷蓄熱装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、氷蓄熱装置に係り、特
に伝熱媒体としての非水溶性高比重の低温液体と水との
直接接触により水を凍結させ、この製氷された氷の融解
時の吸熱作用を利用する氷蓄熱装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、工業プラントやビル等における比
較的大規模な空調システムには蓄熱空調システムが利用
されるようになっており、昼間の冷房負荷のピーク時に
おける電力需要の軽減並びに夜間のオフピーク時におけ
る電力需要の拡大を図るようにしている。この種の蓄熱
空調システムの蓄熱方式のうち、安全面、経済面で優れ
た方式として氷蓄熱方式が知られている。この氷蓄熱方
式を採用した空調システムのこれまでの一般的なものに
は、スタティック方式と呼ばれる方式がある。この方式
は第３図に示すように、プライン等の水溶液が収容され
た収容タンク５１内に冷凍回路５２における冷媒蒸発用
の冷却管５３が導入配設されており、この冷凍回路５２
は上記冷却管５３から圧縮機５４、凝縮器５５、膨張弁
５６を順に介して再び冷却管５３に接続される閉回路で
構成されている。したがってこの冷凍回路５２中の冷媒
は上記圧縮機５４で圧縮された後、凝縮器５５で凝縮さ
れ、膨張弁５６を介して冷却管５３に供給されるように
なっている。このとき、冷媒は上記冷却管５３で収容タ
ンク５１内の水溶液と熱交換されて蒸発する一方、水溶
液を冷却して該冷却管５３の表面で上記水溶液中の水を
凝固点下まで冷却して氷を生成し、該氷を順次成長させ
、上記収容タンク５１内に蓄熱媒体として蓄熱できるよ
うにしたものである。

【０００３】一方、上記収容タンク５１には冷水ポンプ
５７を介して冷凍負荷５８が接続されており、この冷凍
負荷５８は上記収容タンク５１内の氷により冷却された
水溶液の循環させることで冷却されるようになっている
。また、図中符号５９は水溶液にエアを供給してバブリ
ングするためのエアポンプを示しており、このエアポン
プ５９は氷の融解速度を速くするためのものである。 ところで、この方式では冷却管５３に付着した氷が熱抵
抗となり、氷の厚さが厚くなるに従って伝熱性能が悪く
なり、システムの成績係数（ＣＯＰ）が低下するという
欠点があった。

【０００４】そこで、この問題を解決するための従来技
術の冷却管の周囲に氷を生成させないダイナミック方式
と呼ばれる製氷方式が提案されている（特開昭６１−２
７２５３９号および特開昭６２−２６８９７２号公報参
照）。これらの提案の方式は水中に冷媒液を直接吹き込
んで蒸発させ、その蒸発潜熱で水を冷却して氷を生成し
、この氷を密閉式の蓄熱槽内に貯留するものである。 また、他の提案として、冷媒の減圧沸騰を利用して水を
冷却して氷を生成し、外部動力を用いずに密閉容器内で
の冷媒の気液相変化自然循環サイクルを利用し、水ある
いは氷との直接接触伝熱を行う蓄放冷方式がある（特開
昭６３−４６３９２号公報参照）。さらに、最近では気
体温度を０℃以下に冷却した空気を、水と非水溶性液体
とを容器内に噴出し、水と非水溶性液体とを同時に冷却
したり非水溶性液体を別ループにて冷却し、この非水溶
性液体を満たした容器内で空気泡を発生させ水との直接
接触させ混合して水の冷却氷化をおこなうものなどがあ
る（特開平２−９７８４５号公報参照）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た方式の氷蓄熱装置においては、例えば、スタティック
方式では冷凍回路が閉回路から構成されているので、装
置効率が劣りＣＯＰが低下するという問題がある。また
、密閉タンク内製氷方式のものは、蓄熱槽に十分な密閉
性が必要な上、氷蓄熱槽からの冷熱取り出しのために中
間熱交換器を必要とする。このため設備が大規模となる
という問題がある。さらに、非水溶性液体と水とを界面
混合させる方式のものでは気泡による攪拌が行われるが
、低温の非水溶性液体の層が貯留槽の下部に形成される
ため最低温の非水溶性液体と水との接触が不十分で製氷
速度が遅く、攪拌に時間を要する場合が多い。また、急
激に気泡による混合をさせると形成された氷中に非水溶
性液体が多量に混入してしまい、長時間運転になると製
氷部の動作が不完全になるおそれがある。

【０００６】そこで、本発明の目的は上述した従来の技
術の有する問題点を解消し、蓄熱水槽内に連続的にシャ
ーベット状の氷を製氷するために非水溶性の低温高比重
液体と水とを効率良く混合させるための冷却製氷部ある
いは混合部を有し、長時間の運転においても製氷部の機
能を維持できる氷蓄熱装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に第１の発明は蓄熱水槽内の水中に循環水を噴出させ、
この水と比重が１より小さく液温０℃以下の非水溶性液
体とを接触させて水の一部を凍結製氷し、この氷を蓄熱
体として上記蓄熱水槽内に貯留してこの氷の融解による
吸熱作用を利用する氷蓄熱装置において、上記蓄熱水槽
の底面を傾斜面とし、この傾斜面の下端部に上記非水溶
性液体を貯留するピットを連設し、このピット底部に内
壁面から所定距離をあけて噴出口を有する循環水供給管
を上方に向けて接続したことを特徴とするものである。

【０００８】第２の発明は蓄熱水槽内の水中に非水溶性
液体と比重が１より小さく液温０℃以下の非水溶性液体
を噴出させ、この非水溶性液体と水槽内の水とを接触さ
せて水の一部を凍結製氷し、この氷を蓄熱体として上記
蓄熱水槽内に貯留してこの氷の融解による吸熱作用を利
用する氷蓄熱装置において、ことを特徴とするものであ
る。

【０００９】

【作用】第１の発明によれば上記蓄熱水槽の底面を傾斜
面とし、この傾斜面の下端部に上記非水溶性液体を貯留
するピットを連設し、このピット底部に内壁面から所定
距離をあけて噴出口を有する循環水供給管を上方に向け
て接続したので、冷却製氷ピット内に貯留されている非
水溶性液と水とが混合された噴流により微粒子状の氷粒
を連続的に形成することができ、さらにこの氷粒が浮上
して、解氷性の良いシャーベット状の氷塊となり、蓄熱
水槽内の冷却循環水を冷却できる。

【００１０】また、第２の発明によれば上記蓄熱水槽の
底面に所定間隔をあけて溝を形成し、この溝内に上記非
水溶性液体を送液する送液配管と回収する回収管とを敷
設し、上記送液配管の上面に配設された複数個のノズル
により上記送液管内の非水溶性液体を上方に噴出すると
ともに、溝底部から上記回収管を介して非水溶性液体を
回収し、冷却循環させるようにしたので、ノズルから噴
出した冷却された非水溶性液と貯蔵された循環水とが混
合された噴流により微粒子状の氷粒を連続的に形成する
ことができ、さらにこの氷粒が浮上して、解氷性の良い
シャーベット状の氷塊となり、蓄熱水槽内の冷却循環水
を冷却できる。

【００１１】

【実施例】次に本発明の第１の実施例を図１を用いて説
明する。図１は本願発明による氷蓄熱装置の全体を示し
ており、この氷蓄熱装置の構造は基本的には従来の地域
熱供給（ＤＨＣ）プラントに使用される蓄熱水槽の基本
構成を採用している。図１において、蓄熱水槽１の内部
には多量のシャーベット状の氷塊２が浮いた状態で貯留
されている低温の冷却循環水３が蓄えられており、この
冷却循環水３は底部に設けれた取水パイプ４から所定の
冷熱需要部分に送水されるようになっている。一方、上
記蓄熱水槽１内部の上方空間にはシャワリング装置５が
延設されている。このシャワリング装置５は冷熱需要部
分から環流してきた環流水を再度シャーベット状の氷塊
２に上方から散布（シャワリング）するための装置で、
冷熱需要部分からの還流水を上記氷塊２全体にわたり散
布できるよう複数本のノズル５ａ、５ａ…が列状に配置
されている。

【００１２】また、上記蓄熱水槽１の底面６は片側に傾
斜した傾斜面となっており、この傾斜面の低い側には冷
却製氷ピット７が設けられている。この冷却製氷ピット
７は上記蓄熱水槽１の底部の周囲部あるいは低い側に形
成されており、本実施例ではその深さは７０ｃｍ以上に
設定されている。水槽底面６の周囲に設置する場合には
冷却製氷ピット７の上部は、ピット内を上昇する氷の流
れのさまたげないように肩部が若干広くなるような形状
とすることが好ましい。

【００１３】この冷却製氷ピット７の内部には比重が１
より大きく、凝固点が少くとも−１０℃以下に保持され
た非水溶性液８がピット深さのほぼ一杯に貯留されてい
る。

【００１４】また、上記ピット７の側面には熱交換器９
が設置されており、この熱交換器９には外部の冷凍機１
０より冷媒が供給され、ピット内の非水溶性液８を冷却
することができるようになっている。このようにして、
冷却製氷ピット７内の非水溶性液８は水の凝固点以下に
常時冷却された状態におかれている。

【００１５】一方、上記蓄熱水槽１内のほぼ中央位置に
は細径のパイプ１１が延設されており、このパイプ１１
により非水溶性液８と混合するための冷却循環水３を取
水するようになっている。この冷却循環水３はパイプ１
１から取水した水を送るための水供給ライン内に介在さ
せた加圧ポンプ１２により上記冷却製氷ピット７の底部
に設けられたパイプ噴出孔１３に圧送し、冷却製氷ピッ
ト７内の非水溶性液８に水３を噴出させることにより行
うことができる。

【００１６】また、氷蓄熱装置の冷却装置としては上記
冷却製氷ピット７内に接続された冷凍機１０の他に蓄熱
水槽１の近傍には冷凍機１４が設置されており、この冷
凍機１４により水槽内の水３を３℃程度まで冷却するこ
とができる。冷凍機１０と冷凍機１４とを併用すること
によりさらに効果的な冷却を行うことができる。

【００１７】さらに、上記噴出孔１３及び水供給ライン
内にはライン内の水が氷結するのを防止する電気的加熱
手段１５が設置されている。これにより万一、ライン内
で氷結がしてもすぐに解凍することができ、冷却製氷ピ
ット７内への水３の噴出を再開することができる。この
電気加熱による熱が非水溶性液８を加熱する程度を最小
にするために電気的加熱手段１５の外周側には断熱構造
１６が設置される。

【００１８】ここで上記冷却製氷ピットの構造、形状に
ついて説明する。上記噴出孔１３は図１に示したように
冷却製氷ピット７の底部に設置されるが、噴出水１７が
周囲壁面に凝固したり付着したりしないように上記噴出
孔の位置は周囲壁及び熱交換器等から３０ｃｍ以上離し
て設置されている。また冷却製氷ピット７の肩部位置（
ピットの底部から約７０ｃｍ程度）にても、噴出水１７
の流れの仮想中心線が周囲壁等から６０ｃｍ以上離れる
ようにピット寸法を設定することが好ましい。

【００１９】このような構成からなる冷却製氷ピット７
内の噴出孔１３から上方に向けて噴出された噴出水１７
は、噴出後、直ちに周囲の低温非水溶性液８と激しく混
合し、非水溶性液８の中を冷却されつつ上昇する。これ
により上記噴出された水の大部分は０℃近くまで冷却さ
れ、一部は氷結を開始し、氷粒となる。

【００２０】なお、副次的な水の冷却効果として非水溶
性液８と上層部の貯留される水との界面は氷粒を含む噴
流により激しく攪拌され冷却が進行することが判明して
いる。この界面を通過後、氷粒は作用する浮力により上
昇し、蓄熱水槽１の貯留水２の上部に到達する。順次形
成され上昇する氷粒により、氷粒は層状をなしシャーベ
ット状の氷塊２を形成し、さらに蓄熱水槽１内の全体を
占める程度に大きくなり、内部に貯留される。

【００２１】このとき、上記噴出孔１３からの噴流や上
昇する氷粒の流れの中には微量の非水溶性液８が混合し
ている。したがって、この非水溶性液８が含まれたシャ
ーベット状の氷塊２が高温の還流水のシャワリングによ
り解氷すると、非水溶性液８が氷粒から分離し重力の作
用により沈降して蓄熱水槽１の底部６に沈殿する。蓄熱
水槽１の底部６は、冷却製氷ピット７に向けて所定勾配
で傾斜しており、沈殿した非水溶性液８が斜面を流下す
るようになっている。この貯留されたシャーベット状の
氷塊２は上記蓄熱水槽１内の水中に広く分布して浮いて
おり、主として夜間電力を使用して製氷され、これに対
し昼間にこの蓄熱水槽１から冷却循環水を取水し、冷房
用の冷熱需要に対応させるようになっている。そして暖
められた還流水は再度蓄熱水槽１に還流され、シャワリ
ング装置５により水槽内に貯留されているシャーベット
状の氷塊２に上方からシャワリングされて再度冷却され
るようになっている。

【００２２】ここで上記冷却製氷ピット７に貯留されて
いる非水溶性液８について説明する。　　本発明による
実施例では非水溶性液として米国３Ｍ社製の製品で商品
名が「フロリナート」と呼ばれているフッ素系不活性液
体を使用したが、このフッ素系不活性液体の特性として
は、例えば ■　　すぐれた熱伝導性を有する。 ■　　高温、低温を問わず各種溶剤に溶解しない。 ■　　完全に不活性で金属、プラスチック、ゴム等を侵
さない。 ■　　不燃性、無毒、無臭である。 ■　　比重は約１．７〜２．１である。 ■　　水分溶解度は１０〜２０ｐｐｍ　未満である。 ■　　流動点は−２０℃〜−１００℃程度である。 が挙げられる。すなわち、使用される液体は比重が水よ
りも大きく、−２０℃程度以下の流動点を有し、かつ非
水溶性であれば良く、上記フッ素系不活性液体の他、フ
ッ素系オイルあるいはシリコンオイル等も利用可能であ
る。次に、本発明における第２の実施例について説明す
る。なお、第１の実施例と同様の構造部分についてはそ
の説明を省略あるいは簡略化する。本実施例は、比較的
大容量の蓄熱水槽１を対象としたものである。大容量の
蓄熱水槽１に第１の実施例による冷却製氷ピット７を複
数個の設置した場合、シャーベット状の氷塊２の内部に
混入した非水溶性液８が水中を沈降し、蓄熱水槽１の底
面６に堆積する。これを底面６の単一勾配の傾斜面で、
冷却製氷ピット７へ流下させると水槽の底部の深度差が
大きくなり施工も複雑となる。そこで、本実施例は図２
に示したように蓄積水槽の底面６を比較的大きい勾配を
有する複数の山形底面で構成し、各谷部の最深部位置１
９、１９…に連通管２０を配設し、この連通管２０を冷
却製氷ピット７に接続し、非水溶性液８の回収を容易に
行えるようにしたものである。

【００２３】また、この第２の実施例では冷却製氷ピッ
ト７内に貯留された非水溶性液８を図示しないポンプに
より冷凍機２１に送り、この冷凍機２１により非水溶性
液８を冷却して再度冷却製氷ピット７に戻す方式を採用
している。これにより冷却された非水溶性液８を確実に
所定位置に戻すことができる。

【００２４】また、第２の実施例では、冷却循環冷水３
中に非水溶性液８が混入するのを防止するために冷却循
環水の供給用取水パイプ４の取付位置を冷却製氷ピット
７の反対側の側壁面としている。

【００２５】次に、第２の発明について図３乃至図５を
参照して説明する。図３は第２の発明による氷蓄熱装置
を示しており、蓄熱水槽１の底面６には図４に示したよ
うに所定の間隔をあけて複数本の溝２２が形成されてい
る。図３はこの溝２２の部分での蓄熱水槽１の断面を示
したもので、溝２２はその底面６が複数の山形底面から
構成されており、各谷部の最深部位置２３に非水溶性液
８の回収孔２５がそれぞれ形成されており、この回収孔
２５には回収配管２６が接続されている。

【００２６】一方、蓄熱水槽１の内部には第１の発明と
同様に冷却循環水３が貯蔵されており、さらに水槽底部
６には非水溶性液８が沈殿して貯留されている。この貯
留されている非水溶性液８内に没するように溝２２の内
部にほぼ水平に噴出用配管２７が延設されている。この
噴出用配管２７は水槽１の外部に備えられた冷凍機２８
にて冷却された非水溶性液８を蓄熱水槽１内部に送液す
る役目を果たし、所定の間隔で穿設された複数本の上向
き噴出用ノズル２７ａ、２７ａ…から非水溶性液８を蓄
熱水槽１内に噴出できるようになっている。

【００２７】このとき、上記噴出用ノズル２７ａは溝２
２内に堆積した非水溶性液８に没した状態にあり、そこ
から噴出した低温非水溶性液８は上方の水３を巻き込み
、噴流１７を形成する。この噴流１７内では非水溶性液
８と水とが直接接触し、非水溶性液８により冷却された
水３の一部は氷粒となり、噴流１７に混合された状態で
水中を上昇し、噴流離脱後も氷粒自体の浮力により上昇
し、水の上層部に貯留され、シャーベット状の氷塊２を
形成する。

【００２８】また、本発明においても環流水のシャワリ
ングにより上記氷塊２が溶けるが、この氷塊２内に含ま
れていた非水溶性液８が重力の作用により落下し、再び
蓄熱水槽１の底部に堆積する。水槽の底部１の溝２２は
上述のように内部が山形の傾斜構造をなしており、この
中に流入した非水溶性液８は最深部２３に設置された非
水溶性液８の回収孔２５及びこれに連結される回収配管
２６等を経由した後、フィルタ２９、ポンプ３０を介し
て冷凍機２８に送られ、この冷凍機２８で冷却された後
、再び噴出用配管２７を経由して蓄熱水槽１内に送液さ
れる。

【００２９】このように構成された製氷サイクルでは、
まず蓄熱水槽１内の循環水３が冷却されるが、この冷却
が進行する際にあらかじめ図示しない冷凍機により蓄熱
水槽１から循環水３を汲みあげ冷却しておき、その後非
水溶性液８を還流させる冷却サイクルを併用しても良い
。

【００３０】冷却が進行し、蓄熱水槽１内の水３が十分
低温になると、非水溶性液８の噴流１７に巻き込まれた
水８の一部は氷結を開始し、噴流１７内で非水溶性液８
と水３とが激しく混合し、どちらも微粒子状態に細分さ
れる。このためきわめて良好な直接接触を行うことがで
き、高熱伝達量、大伝熱面積の条件を満足することがで
きる。水が氷結し始めると、氷粒となり浮力により水中
を上昇し、水槽１の上層部に貯留され、シャーベット状
の氷塊２を形成するようになっている。

【００３１】このシャーベット状の氷塊２は、第１の発
明と同様に冷熱を取り出すために蓄熱水槽１の上部空間
に設けられたシャワリング装置５からの暖い還流水と混
合され、すばやく解氷されるようになっている。

【００３２】この製氷運転は主に夜間になされるが、こ
の運転が終了するとポンプ３０及び冷凍機２８が停止し
、噴流１７が弱くなり、非水溶性液８は静かに沈降して
底部に貯留される。一方、昼間に冷熱の取出し運転が行
われている間はポンプ３０は駆動しないようになってい
る。

【００３３】このように第２の発明では連続的に微粒の
氷を製氷することができ、この氷の生成により冷凍機３
のＣＯＰが低下したり、冷却循環水の送水に際し、熱交
換器を必要とせず、蓄熱水槽１からの直接取水と蓄熱水
槽１への直接還流とを容易に行え、従来の氷蓄熱方式と
同様の蓄熱水槽１の使用性を維持できるとともに効率良
く冷熱の蓄熱容量の増大を達成することができる。

【００３４】図５及び図６は第２の発明による他の実施
例を示しており、図５に示した実施例は所定間隔で底面
６に配設された溝２２の間にこの溝２２を底部とするよ
うに傾斜する斜面を形成したものである。このように隣
接する溝間の底面６を山形面として谷部に溝を配置する
ことで非水溶性液８を溝に効率よく堆積させることがで
きる。

【００３５】図６は溝２２の内部に配置された低温非水
溶性液８の噴出用配管２７に加えて、その下部に回収用
配管２６を設置したものである。この場合には溝２２内
に谷部を形成することなく非水溶性液８を回収できるの
で、さらに非水溶性液８の総量を少なくすることができ
る。上述のように蓄熱水槽１の底面６を構成することに
より同様の製氷メカニズムによっても非水溶性液８の総
量を数分の１に低減させることが可能となる。

【００３６】

【発明の効果】以上に述べたように第１の発明によれば
、非水溶性液を貯留した冷却製氷ピット内を噴出水が勢
いよく上昇し、これによりに噴出水と非水溶性液とが激
しく直接接触するので、製氷サイクルを連続運転できる
うえ、氷の生長に従って冷凍機のＣＯＰが低下させずに
解氷性に優れたシャーベット状の氷を連続的に製氷でき
、従来の氷蓄熱方式に比して数倍以上の高熱容量を確保
することができるという効果を奏する。

【００３７】また、第２の発明によれば、蓄熱水槽の底
部の溝内からあらかじめ冷却された高比重非水溶性液を
水中に噴出して非水溶性液と水とが激しく直接接触する
ので、極めて高い熱伝達場が形成され、発生した氷粒は
微粒子状であり、氷の生長に従って冷凍機のＣＯＰが低
下させずに解氷性に優れたシャーベット状の氷を連続的
に製氷でき、従来の氷蓄熱方式に比して数倍以上の高熱
容量を確保することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の発明による氷蓄熱装置の一実施例を示し
た縦断面図。

【図２】第１の発明による氷蓄熱装置の他の実施例を示
した縦断面図。

【図３】第２の発明による氷蓄熱装置の一実施例を示し
た縦断面図。

【図４】図３のＩＶ−ＩＶ断面線における溝部分の拡大
横断面図。

【図５】図４に示した溝部分の他の実施例を示した拡大
横断面図。

【図６】図４に示した溝部分の他の実施例を示した拡大
横断面図。

【図７】従来の氷蓄熱装置の概略構成図。

【符号の説明】

１　　蓄熱水槽 ２　　氷塊 ３　　冷却循環水 ５　　シャワリング装置 ６　　水槽底部 ７　　冷却製氷ピット １０　　冷凍機 １１　　パイプ １３　　噴出孔 １７　　噴出水 ２０　　連通管 ２１　　冷凍機 ２２　　溝 ２５　　回収孔 ２６　　回収配管 ２７　　噴出用配管

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】蓄熱水槽内の水中に循環水を噴出させ、こ
   の水と比重が１より小さく液温０℃以下の非水溶性液体
   とを接触させて水の一部を凍結製氷し、この氷を蓄熱体
   として上記蓄熱水槽内に貯留してこの氷の融解による吸
   熱作用を利用する氷蓄熱装置において、上記蓄熱水槽の
   底面を傾斜面とし、この傾斜面の下端部に上記非水溶性
   液体を貯留するピットを連設し、このピット底部に内壁
   面から所定距離をあけて噴出口を有する循環水供給管を
   上方に向けて接続したことを特徴とする氷蓄熱装置。
2. 【請求項２】蓄熱水槽内の水中に非水溶性液体と比重が
   １より小さく液温０℃以下の非水溶性液体を噴出させ、
   この非水溶性液体と水槽内の水とを接触させて水の一部
   を凍結製氷し、この氷を蓄熱体として上記蓄熱水槽内に
   貯留してこの氷の融解による吸熱作用を利用する氷蓄熱
   装置において、上記蓄熱水槽の底面に所定間隔をあけて
   溝を形成し、この溝内に上記非水溶性液体を送液する送
   液配管と回収する回収管とを敷設し、上記送液配管の上
   面に配設された複数個のノズルにより上記送液管内の非
   水溶性液体を上方に噴出するとともに、溝底部から上記
   回収管を介して非水溶性液体を回収し、冷却循環させる
   ようにしたことを特徴とする氷蓄熱装置。