JPH04320738A - 氷蓄熱槽 - 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、ヒートポンプシステム
における冷房用熱源として稼働可能な氷蓄熱槽に関し、
槽内部に熱交換器が配設され、この熱交換器への熱媒体
の可逆的な循環により製氷を行ない、槽内部に冷熱熱源
としての氷片が蓄えられるものに関する。

【０００２】

【従来の技術】ヒートポンプを利用した空調システムは
、暖房、冷房、除湿等の種々の機能が備えられたものと
して広く普及されてきており、現在の住宅設備において
は必須の設備になりつつある。

【０００３】一般的な空調システムの具体的構成として
は、屋外に設置された熱交換器と、室内に設置された熱
交換器との間にて熱媒体を圧縮機によって可逆的に循環
させ、室内の熱交換器を放熱器若しくは吸熱器として作
動させることにより室内の空気を加温若しくは冷却する
ものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記ヒ
ートポンプを利用した空調システムにも、改善すべき点
がある。

【０００５】すなわち、夏期の昼間等においては、外気
温度の上昇に伴い屋外に設置された熱交換器の熱交換能
力が低下し、それにより室内の快適さを維持するために
、多大な電力を消費して空調システムを作動させなけれ
ばならないのが現状であった。

【０００６】したがって、従来のヒートポンプを利用し
た空調システムにおいては、省エネルギーの面、即ち電
力消費の面で問題があった。

【０００７】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、深夜電力により槽内部に効率良く氷片を製造して蓄
えることにより、日中、低電力消費の冷房を行なうため
の冷熱源として使用可能な蓄熱槽を提供することを目的
とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る請求項１に
記載の氷蓄熱槽は、槽内部に熱交換器を配設し、該熱交
換器への熱媒体の可逆的な循環により前記熱交換器を放
熱作動若しくは吸熱作動させて製氷を行ない、槽内部に
氷を蓄える氷蓄熱槽であって、氷蓄熱槽に配設された熱
交換器が、内部を熱媒体が可逆的に循環する金属又は非
金属（以下同様）配管と、この金属配管の外周に設けら
れて金属配管外周面を長さ方向及び円周方向に分割し、
かつ金属配管より熱伝導率の低い材質からなるフィン状
分割材とで構成されていることを特徴とするものである
。

【０００９】また、請求項２に記載の氷蓄熱槽は、槽内
部に熱交換器を配設し、該熱交換器への熱媒体の可逆的
な循環により熱交換器を放熱作動若しくは吸熱作動させ
て製氷を行ない、槽内部に氷を蓄える氷蓄熱槽であって
、氷蓄熱槽に配設された熱交換器が、内部を熱媒体が可
逆的に循環する配管と、この配管の外周に設けられて配
管外周面を長さ方向及び円周方向に分割して延在する線
状発熱体とから構成されていることを特徴とするもので
ある。

【００１０】

【作用】本発明の請求項１記載の氷蓄熱槽によれば、製
氷を行なう際には、熱交換器を吸熱器として作動させる
ことにより、外周面を長さ方向及び円周方向に分割する
フィン状分割材によって囲まれた配管表面のみに、氷が
短時間で所定の厚さに形成される。また、配管に形成さ
れた氷を分離させるには、熱交換器を放熱器として作動
させることにより、配管が加温されていき、それにより
配管の外周に形成されている氷が氷片として剥離してい
く。そして、フィン状分割材から剥離した氷片は、氷蓄
熱槽の上部に浮上していき槽内部に蓄えられる。

【００１１】また、本発明の請求項２記載の氷蓄熱槽に
よれば、製氷を行なう際には、熱交換器を吸熱器として
作動させ、かつ外周面を長さ方向及び円周方向に延びる
線状発熱体を通電発熱させ、氷結しない状態に保持する
ことによって配管表面のみに、氷が短時間で所定の厚さ
に形成される。また、氷を分離させるには、熱交換器を
放熱器として作動させ、また線状発熱体を発熱させるこ
とにより、配管が加温されていき、それにより配管の外
周に形成されている氷が氷片として剥離していく。そし
て、フィン状分割材から剥離した氷片は、氷蓄熱槽の上
部に浮上していき槽内部に蓄えられる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の氷蓄熱槽の第１の実施例につ
いて、図１、図２及び図４を参照して説明する。

【００１３】本実施例の氷蓄熱槽は、例えば深夜電力を
利用して、氷蓄熱槽内部に配設された熱交換器の吸放熱
作動を繰り返すことにより製氷を行ない、かつ形成され
た氷片を槽内部に蓄える作動（以下、蓄氷作動と略称す
る。）を行ない、昼間等においては、室内側の熱交換器
から送られてきた気体状熱媒体を、蓄氷された槽内部に
送り込むことにより凝縮液化させて再度他の熱交換器に
送り込むことにより行なう冷房用冷熱源としての作動（
以下、冷房作動と略称する。）を行なえるものである。

【００１４】第４図は、本発明の氷蓄熱槽が組み込まれ
たヒートポンプ式の空調システムの実施例を示すもので
ある。

【００１５】先ず、本空調システムの全体的な基本構成
から説明する。

【００１６】本構成は、圧縮機１と、熱交換器２、３、
４、５と、膨張弁６と、分流器７と、複数の第１及び第
２の制御弁８、９とを備え、前記圧縮機１の吐出配管１
ａに、それぞれ第１の制御弁８と熱交換器２、３、４、
５と膨張弁６とが直列に接続された複数の連結配管Ａ、
Ｂ、Ｃ、Ｄを接続するとともに、これら連結配管Ａ、Ｂ
、Ｃ、Ｄの膨張弁６側を分流器７に接続し、さらに前記
各連結配管Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの第１の制御弁８と熱交換器
２、３、４、５との間から第２の制御弁９を備えた分流
配管Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈを分岐させて圧縮機１の吸入配管１
ｂに接続してなる基本構成となっている。

【００１７】そして、本実施例では、熱交換器２、３、
４、５のうち、熱交換器２が室外機に設置され、熱交換
器３が室内の空調機に納まり、熱交換器４が水（貯湯水
）を貯湯した貯湯槽１０の内部に設置され、さらに熱交
換器５が水を貯蓄した氷蓄熱槽２０の内部に設置されて
いる。ここで、氷蓄熱槽２０内の水には、防錆剤や不凍
液などを溶かしてもよい。

【００１８】次に、本実施例の構成要素について具体的
に説明する。

【００１９】先ず、圧縮機１は、インバータ１５の制御
により所定の周波数で回転し、アキュムレータ１１から
送られてきた熱媒体を圧縮して、第４図上方から下方へ
矢印方向に圧送するものである。この圧縮機１から吐出
した熱媒体は、第１及び第２の制御弁８、９の関連的な
切り替え制御によって、熱交換器２、３、４、５を選択
的に通過するようになっている。

【００２０】次に、室外に設置された熱交換器２は、内
部を通る熱媒体と外気との間で熱交換が行われて吸熱器
又は放熱器として使用されるものである。

【００２１】また、室内に設置された熱交換器３は、フ
ィン付きの配管等により室内空気と接触面積が大きくな
るように形成されて放熱器又は吸熱器として使用される
ものであり、膨張弁６によりその放熱量及び吸熱量が調
整されるようになっている。

【００２２】また、貯湯槽１０の内部に配設された熱交
換器４は、上記熱交換器２、３と同様にフィン付きの蛇
管等により蓄熱媒体と接触面積が大きくなるように形成
されていてもよく放熱器及び吸熱器として使用されるも
のであり、第１及び第２の制御弁８，９の切り替え及び
膨張弁６により、その放熱量及び吸熱量が調整されるよ
うになっている。

【００２３】また、膨張弁６は、電子式のものが用いら
れており、熱交換器２，３，４，５を通過してきた熱媒
体を狭い通路を通して圧力を下降させる作用をもつもの
で、漸次自動的に弁の開度を調整する。

【００２４】また、分流器７は、各連結配管Ａ、Ｂ、Ｃ
、Ｄの一端が接続されており、放熱器として作動する熱
交換器を通過してきた熱媒体を、吸熱器として作動する
熱交換器に向けて流す構成となっている。

【００２５】また、第１及び第２の制御弁８，９として
は、弁開度を連続的に変更し得る流量制御弁などを用い
ることもできる。

【００２６】一方、氷蓄熱槽２０の内部に配設された熱
交換器５は、図１ないし図２に示すような構造とされて
いる。

【００２７】熱交換器５は、図１に示すように、断熱材
２１により周囲が囲まれた氷蓄熱槽２０内部の上部から
下方へ延びる蛇行した熱交換配管２２と、この熱交換配
管２２から分流器２３により分岐して互いに平行に延び
、かつ氷蓄熱槽２０の底部に略水平配置された複数の直
線状の熱交換配管２４と、これら複数の熱交換配管２４
を収束する分流器２３とから概略構成されている。そし
て、この熱交換器５は、氷蓄熱槽２０の外部へ延在する
外部配管と連結されている。なお、前記熱交換配管２２
、２４は外部配管との連結順序を逆にしてもよく、熱交
換配管２４を立てて配置してもよい。

【００２８】そして、これら熱交換配管２４は、図２に
示すように、熱媒体を循環させる銅管２５と、幅方向の
一端が銅管２５の外周に銅管２５の軸方向に沿って延び
、かつ互いに銅管２５の径方向に略１２０°の間隔をあ
けて配設された板状のフィン状分割材２６と、銅管２５
の軸方向に所定間隔をあけてその外周に設けられたリン
グ状のフィン状分割材２７とから構成されている。なお
、熱交換配管２４を立てて配置する場合、リング状フィ
ン２７の下側の面を円錐状に形成する。

【００２９】ここで、板状フィン及びリング状フィン状
分割材２６、２７は、胴管２５より熱伝導率の低いゴム
材により形成されている。また、銅管２５の上部外表面
は、形成された氷の分離が容易となるように、例えばフ
ッソ樹脂コーティング等の表面処理が施されており、下
面の外表面は断熱材を密着させてもよい。さらに、板状
及びリング状のフィン状分割材２６、２７の表面にも、
形成された氷の分離が容易となるように、例えばシリコ
ン処理等の表面処理が施されている。

【００３０】また、氷蓄熱槽２０の上部壁には空気孔２
９が設けられている。また、図中符号３０はポンプであ
り、このポンプ３０を作動させることにより、氷蓄熱槽
２０の上部から底部へ水ないし空気を送り、槽内温度の
均一化及び熱交換器２４からの氷の分離を促すようにな
っている。

【００３１】熱交換器５は、第１及び第２の制御弁８，
９の切り替え及び膨張弁６により、熱媒体の放熱量及び
吸熱量が調整されるようになっている。

【００３２】次に、上記図１に示す装置構成を使用して
、本発明の氷蓄熱槽２０が行なう蓄氷作動、及び氷２８
が蓄えられた氷蓄熱槽２０を使用する冷房作動について
以下に説明する。

【００３３】なお、図４に示す装置構成は、熱交換器２
、３、４、５が吸熱作動若しくは放熱作動を行なうこと
により、冷房、冷房＋暖房、冷房（除湿）＋暖房などの
機能が備えられている。すなわち、圧縮機１により高温
高圧状態に圧縮されて吐出配管１ａから吐出した熱媒体
を、連結配管Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄのそれぞれに接続する第１
の制御弁８と、分岐配管Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈのそれぞれに接
続する第２の制御弁９の開閉制御を関連的に行うことに
より、上記機能を行なうことができるが、それらの機能
の説明は省略する。

【００３４】先ず、氷蓄熱槽２０の蓄氷作動は、前述し
たように、通常、深夜電力を利用して氷蓄熱槽２０内部
の熱交換器５を作動させて行なわれる。そして、この蓄
氷作動は、熱交換器５を吸熱作動することにより銅管２
５の外周に氷を形成する製氷工程と、熱交換器５を放熱
作動することにより銅管２５から氷２８を分離させる氷
分離工程とを行ない、これら製氷工程と氷分離工程とを
繰り返すことにより氷蓄熱槽２０内部に氷片２８を蓄え
るものである。

【００３５】すなわち、製氷工程は、連結配管Ｂ、Ｃ、
Ｄの第１の制御弁８を閉状態とし、連結配管Ａの第１の
制御弁８を開状態とし、分岐配管Ｇの第２の制御弁９の
みを開状態として他の第２の制御弁９を閉状態とする。 そして、熱媒体の流れを第４図の矢印方向として、室外
に設置された熱交換器２を放熱器として作動させ、氷蓄
熱槽２０に設置された熱交換器５を吸熱器として作動さ
せる。

【００３６】これにより、先ず、銅管２５の外周に氷２
８が徐々に形成されていく。ここで、銅管２５の外周と
接している板状及びリング状のフィン状分割材２６、２
７は、熱伝導率が低いゴム材等から形成されているので
、その表面には、ほとんど氷が形成されない。そして、
短時間で銅管２５の表面にのみ厚さの１ｃｍ程の氷が形
成される。

【００３７】また、氷分離工程は、連結配管Ａ、Ｂ、Ｄ
の第１の制御弁８を閉状態とし、連結配管Ａの第１の制
御弁８を開状態とし、分岐配管Ｅの第２の制御弁９のみ
を開状態として他の第２の制御弁９を閉状態とする。そ
して、熱媒体の流れを第４図の矢印方向として、室外に
設置された熱交換器２を吸熱器として作動させ、氷蓄熱
槽２０に設置された熱交換器５を放熱器として作動させ
る。

【００３８】これにより、銅管２５が加温されていく。 これにより、銅管２５の外周に形成されている氷２８は
容易に剥離していく。この際、、熱媒体は分流器２３か
ら直線状の各銅管２５に略所定流量で流れ込むので、銅
管２５に形成された氷２８は、速やかに剥離される。そ
して、銅管２５から剥離した氷２８は、氷片として氷蓄
熱槽２０の上部に浮上していき蓄えられる。

【００３９】このように、蓄氷作動は、製氷工程と、氷
分離工程とを繰り返し行うことにより、製氷速度及び放
冷熱性（融解性）が高められた状態で短時間で所定容積
の氷を蓄えることができる。

【００４０】次に、氷２８を蓄えた氷蓄熱槽２０を使用
した冷房作動について説明する。先ず、連結配管Ａ、Ｃ
、Ｄの第１の制御弁８を閉状態とし、連結配管Ｂの第１
の制御弁８を開状態とし、分岐配管Ｇの第２の制御弁９
のみを開状態として他の第２の制御弁９を閉状態とする
。そして、熱媒体の流れを第４図の矢印方向として、室
内に設置された熱交換器３を放熱器として作動させる。

【００４１】これにより、熱交換器３で蒸発した熱媒体
は、氷蓄熱槽２０の熱交換器５に送り込まれ、氷蓄熱槽
２０の内部で高効率に凝縮、液化された後、分岐配管Ｇ
に送り込まれる。この際には、圧縮機１は、ポンプの機
能を果たすだけでよく、消費電力は少ない。

【００４２】以上、述べたことから容易に理解できるよ
うに、本実施例の氷蓄熱槽は、水を供給した氷蓄熱槽２
０内部に配設された熱交換配管２４が、内部を前記熱媒
体が可逆的に循環する銅管２５と、この銅管２５の外周
に設けられたゴム材からなる板状及びリング状フィン２
６、２７とから構成され、蓄氷作動と、蓄氷作動により
冷熱熱源とされた氷蓄熱槽２０を使用して冷房作動を効
果的に行なうことができる。

【００４３】次に、図３に示すものは、氷蓄熱槽２０の
底部に水平配置された複数の直線状の熱交換配管２４の
第２の実施例を示すものである。なお、図１及び図４に
示したものと同一構成部分には同一符号を付してその説
明を省略する。

【００４４】これら熱交換配管２４は、熱媒体を循環さ
せる銅管２５と、銅管２５の外周面を長さ方向及び円周
方向に分割するように銅管２５の軸線方向に延びる発熱
コード３０（線状発熱体）と、銅管２５の円周方向に延
びる発熱コード３１（線状発熱体）とから構成されてい
る。これら発熱コード３０、３１は、ニクロム線３２の
外周を塩化ビニール等の被覆材３３で被覆したものであ
り、通電されることにより、コード自体が発熱するよう
になっている。なお、これら発熱コードは３０、３１、
本実施例のように一本のコードにより構成されていても
よく、または複数本のコードにより構成されていてもよ
い。

【００４５】上記構成の熱交換器を使用した製氷工程及
び氷分離工程は、以下のように行なわれる。

【００４６】すなわち、製氷工程は、連結配管Ｂ、Ｃ、
Ｄの第１の制御弁８を閉状態とし、連結配管Ａの第１の
制御弁８を開状態とし、分岐配管Ｇの第２の制御弁９の
みを開状態として他の第２の制御弁９を閉状態とする。 そして、熱媒体の流れを第４図の矢印方向として、室外
に設置された熱交換器２を放熱器として作動させ、氷蓄
熱槽２０に設置された熱交換器５を吸熱器として作動さ
せる。同時に、発熱コード３０、３１に通電して、その
表面を０℃以上又は氷結しない状態に保持する。

【００４７】これにより、先ず、銅管２５の外周に氷２
８が徐々に形成されていく。ここで、発熱のため発熱コ
ード３０、３１の周りには、氷が形成されない。そして
、銅管の外周にのみ、短時間で厚さの１ｃｍ程の氷が形
成される。

【００４８】また、氷分離工程は、連結配管Ａ、Ｂ、Ｄ
の第１の制御弁８を閉状態とし、連結配管Ａの第１の制
御弁８を開状態とし、分岐配管Ｅの第２の制御弁９のみ
を開状態として他の第２の制御弁９を閉状態とする。そ
して、熱媒体の流れを第４図の矢印方向として、室外に
設置された熱交換器２を吸熱器として作動させ、氷蓄熱
槽２０に設置された熱交換器５を放熱器として作動させ
る。

【００４９】これにより、熱媒体によって銅管２５が加
温される。これにより、発熱コード３０、３１の表面に
は、氷が形成されていないので、管２５の外周に形成さ
れている氷２８は速やかに剥離する。なお、下面側の氷
はその場に溜まることになる。

【００５０】また、蓄氷作動は、製氷工程と、氷分離工
程とを繰り返し行うことにより、製氷速度及び放冷性（
融解性）が高められた状態で短時間で所定容積の氷を蓄
えることができる。

【００５１】したがって、本実施例の氷蓄熱槽は、熱交
換器５を吸熱作動させることにより銅管２５の外周に氷
２８を形成し、熱交換器５を放熱作動し、かつ発熱コー
ド３０、３１を通電させることにより銅管２５から氷２
８を短時間で分離させることができるので、製氷速度及
び放冷性（融解性）が高められた状態で短時間で所定容
積の氷２８を蓄えることができ、さらには、深夜電力を
利用して作動させることにより効率よく冷熱熱源として
の氷蓄熱槽２０を得ることができる。

【００５２】なお、本発明は前述した実施例に限定され
るものではなく、制御弁や熱交換器の種類、数、形状、
配置などは、その設計要求に基づいて適宜変更すること
ができる。

【００５３】また、第１の実施例で示したゴム製のフィ
ン状分割材は、これに限るものではなく、銅管２５より
熱伝導率の低いものであれば、他の材質を使用しても同
様の作用効果を得ることができる。

【００５４】さらに、本発明の氷蓄熱槽２０は、夏期に
おける製氷作動、冷房作動のみに使用されのではなく、
冬季、春期において氷蓄熱槽２０の内部の熱交換器を常
時放熱器として作動させて蓄熱し、これを熱交換器２２
で吸熱することで暖房熱源槽として使用してもよい。そ
して、給水管、給湯管を付設すれば給湯（貯湯）装置と
しても使える。

【００５５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項１
記載の氷蓄熱槽は、槽内部に配設された熱交換器が、内
部を熱媒体が可逆的に循環する配管と、この配管の外周
に設けられて配管外周面を長さ方向及び円周方向に分割
し、かつ配管より熱伝導率の低い材質からなるフィン状
分割材とで構成されており、熱交換器を吸熱作動させて
前記フィン状分割材で囲まれた配管の外周のみに氷を形
成し、熱交換器を放熱作動させて配管の外周から氷を分
離させ、これを繰り返し行なうことにより、短時間で配
管の外周に所定の大きさの氷を形成して形成された氷を
速やかに剥離して、氷片として槽の上部に浮上していき
、短時間で槽内部に氷を蓄えて冷熱熱源を得ることがで
きる。なお、下面側の氷はその場に溜まる。

【００５６】また、内部に氷を蓄えた冷熱熱源としての
氷蓄熱槽を、他の熱交換器と関連的に作動させることに
より、他の熱交換器で蒸発した熱媒体を、氷蓄熱槽の放
熱作動を行なう熱交換器に送り込み、氷蓄熱槽の内部で
高効率に凝縮、液化することができるため、日中の消費
電力量を大幅に削減して省エネルギー的な冷房を行なう
ことができる。

【００５７】また、請求項２記載の氷蓄熱槽は、水を供
給した槽内部に配設された熱交換器が、内部を熱媒体が
可逆的に循環する配管と、この配管の外周面を長さ方向
及び円周方向に分割して延在する線状発熱体とで構成さ
れており、熱交換器を吸熱作動させ、かつ線状発熱体へ
の通電により氷結しない状態で保持することにより、配
管の外周にのみに氷を形成し、熱交換器を放熱作動させ
て配管の外周から氷を分離させ、これを繰り返し行なう
ことにより、短時間で配管の外周に所定の大きさの氷を
形成して形成された氷を速やかに剥離して、氷片として
槽の上部に浮上していき、短時間で槽内部に氷を蓄えて
冷熱熱源を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の氷蓄熱槽を示す斜視図である。

【図２】本発明の氷蓄熱槽における熱交換器の第１の実
施例を示す斜視図である。

【図３】本発明の氷蓄熱槽における熱交換器の第２の実
施例を示す斜視図である。

【図４】本発明の氷蓄熱槽が設置された空調システムを
示す概略構成図である。

【符号の説明】 ５　　　　熱交換器 ２０　　槽（氷蓄熱槽） ２４　　槽の底部に配設された熱交換配管２５　　銅管
（金属配管） ２６　　金属配管より熱伝導率の低いフィン２７　　金
属配管より熱伝導率の低いフィン２８　　氷 ３０　　発熱コード（線状発熱体） ３１　　発熱コード（線状発熱体）。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　槽内部に熱交換器を配設し、該熱交換
   器への熱媒体の可逆的な循環により前記熱交換器を放熱
   作動若しくは吸熱作動させて製氷を行ない、前記槽内部
   に氷を蓄える氷蓄熱槽であって、前記氷蓄熱槽に配設さ
   れた熱交換器が、内部を前記熱媒体が可逆的に循環する
   配管と、この配管の外周に設けられて配管外周面を長さ
   方向及び円周方向に分割し、かつ配管より熱伝導率の低
   い材質からなるフィン状分割材とで構成されていること
   を特徴とする氷蓄熱槽。
2. 【請求項２】　　槽内部に熱交換器を配設し、該熱交換
   器への熱媒体の可逆的な循環により前記熱交換器を放熱
   作動若しくは吸熱作動させて製氷を行ない、前記槽内部
   に氷を蓄える氷蓄熱槽であって、前記氷蓄熱槽に配設さ
   れた熱交換器が、内部を前記熱媒体が可逆的に循環する
   配管と、この配管の外周に設けられて配管外周面を長さ
   方向及び円周方向に分割して延在する線状発熱体とから
   構成されていることを特徴とする氷蓄熱槽。