JPH0461267B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、建物の冷房、産業用冷却などに利用
される間接冷却型直接接触式氷蓄熱装置に関す
る。

従来の技術 蓄熱冷房等に用いる氷蓄熱装置の一つとして、
冷媒が水中で直接的に蒸発することによつてシヤ
ーベツト状の氷を作る、所謂、直接接触方式があ
る。

この方式では、密閉した水タンク中に、水に実
質的に不溶性で、クラストレートを作らない冷媒
（R114やペンタンなど）の液を放出し、水を冷却
および凍結することによつて気化した冷媒ガスは
オイルフリー圧縮機で圧力と温度が上がつた後に
凝縮器により液化し、膨張装置（ガストラツプ
等）で減圧して、再び水中に放出される。

生成した氷スラリーは水面に溜まり、それに続
く氷の生成に支障をきたす。そこで、タンク底部
と水面近くを結ぶ立てパイプを設け、このパイプ
中に冷媒（減圧のため一部、約20重量パーセン
ト、がフラツシユし、気液混合になつている）を
吹き込み、気泡ポンプ的な作用でタンク底部の水
を汲み上げることにより、連続的な製氷を可能に
したものが提案されている。

オイルフリー圧縮機は一般に高価であり、性能
的にも発達途上にある。

そこで、R22などを用いる通常のフロン冷凍機
（またはヒートポンプ）を使用する方式も考えら
れる。この冷凍機はフロンに限定されず、たとえ
ばアンモニアでも良いわけであるが、市販の大部
分の製品はフロンなので、ここでは分かり易く、
この名称を用いる。

この方式では、タンク内封入冷媒ガス中にフロ
ン冷凍機の蒸発器を設け、フロン冷凍機を働かせ
ることによつて、フロン蒸発管の外表面で、タン
ク内封入冷媒を凝縮させ、これを水中に戻すもの
である。

オイルフリー圧縮機を使用する方式と比較し
て、熱交換過程が入るものの、この熱交換プロセ
スはフロン冷媒の蒸発、タンク内冷媒の凝縮とい
う、内外面共に相変化を伴う熱伝達のために、熱
貫流抵抗が小さく、高性能、小型化が可能であ
る。

又、製氷プロセスは、タンク内冷媒と水の直接
接触熱交換なので、熱伝達が良く、製氷コイルは
不要などの利点は保たれている。さらに、 () フロン冷凍機やヒートポンプは量産されて
いるので、安価で信頼性も高い。

() オイルフリー圧縮機は一般にシヤフトでシ
ールをしており、この軸シールからの空気の漏
れ込み（冷媒圧力が大気圧以下）また、冷媒の
漏出（大気圧以上の場合）があるが、フロン冷
凍機を使う方式では、フロン配管の貫通なの
で、完全に気密化できる。

() フロン蒸発器／タンク内冷媒凝縮器を製氷
タンク上部の気相中に設置すれば、このための
容器（凝縮器）や配管がなくなるため、コスト
ダウンでき封入冷媒量も少なくできる。

上記（）の構造では、タンク内封入冷媒ガス
がフロン蒸発管の外表面で凝縮し、そのまま水面
上に滴下するか、ドレンパン等で受けてから水中
に流下することになる。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら、この機構の問題点として、 (イ) 凝縮液が滴下する構造では、水面近くの水が
凍結すると、その下の水を凍らせることができ
ない。

(ロ) 前述の気泡ポンプ的な機構を使おうとして
も、冷媒液がノズルから吹き出すための十分な
静圧ヘツドが取りにくい（凝縮器が同一タンク
内にあるため）。特に、水よりも比重量の小さ
な炭化水素冷媒では水中に送り込むことが難し
くなる。

(ハ) 水と冷媒の良好な熱交換のためには、冷媒液
滴を微細化する必要がある。圧縮機を使う方式
では、凝縮液が圧力を持つているのでノズル等
から吹き出させることが可能であるが、冷凍機
で凝縮させる方式ではこれが困難である。

水面下で冷媒を蒸発させる方式で避けられない
静圧損失は、特に低圧（沸点が高い）冷媒では大
きな問題となる。

冷えばｎペンタンの場合、０℃における飽和
（蒸発）圧力は188Torr（25kPa）である。これを
水深１ｍの所で沸騰させるには、水の静圧（１ｍ
で約10kPa）に相当する分だけ圧力を下げなけれ
ばならないから水面上の冷媒ガス圧力は25−10＝
15（単位はkPa）に下げなければならない。この
圧力におけるｎペンタンの飽和温度（沸点）は約
−10℃である。

このように、水の深い所で冷媒を沸騰させる機
構では、圧縮機方式では吸入圧力が下がり、冷凍
機方式では蒸発温度が下がるので、いずれも同様
に成績係数が低下する。これに対して、水面での
蒸発ではこの静圧損失がないので、運転性能の低
下がない。なお、以上の議論は、簡単化のため、
過冷却現象や水蒸気の分圧（０℃で0.7kPa程度）
を無視した。

問題点を解決するための手段 本発明は、以上の問題を同時に解決し、更に、
冷媒の静圧損失の面では最も理想的な水面での冷
媒蒸発を可能にすることを目的とする。

すなわち本発明は、内部に水と水に実質的に不
溶性で沸点が水の沸点よりも低い冷媒とを封入し
た気密の水タンクと、外部の冷凍機により冷却さ
れる前記冷媒用の凝縮器を前記水タンクの上部空
間に配設し、さらに前記上部空間に前記水タンク
の底部から汲み上げた水を散布する散水器を配設
して、前記凝縮器から滴下する冷媒液と前記水タ
ンク底部から汲み上げた水とを前記水タンク水面
で混合し粒子状の氷を形成せしめるようにした間
接冷却型直接接触式氷蓄熱装置にある。

実施例 第１図に示す第１の実施例においては、気密で
断熱を施した水タンク１内には、水とこの水に対
し実質的に不溶で沸点が水の沸点よりも低いタン
ク封入冷媒とを封入してある。この水の水面を符
号１２で示してある。この水面１２の上方が封入
冷媒ガスと水蒸気とが充満する上部空間７であ
る。この上部空間７にはタンク封入冷媒を凝縮す
る凝縮器２が配設してある。この凝縮器２の配管
は水タンク１の外部に密封的に突き抜け、フロン
管路６となりフロン圧縮機（またはヒートポン
プ）４を介しフロン凝縮器３から膨張弁５を通り
タンク封入冷媒凝縮器２に戻つている。このタン
ク封入冷媒凝縮器２はフロン蒸発器でもある。

他方、水タンク１の底部からは水配管９が引き
出され、水循環ポンプ１１を経て、冷熱取出し用
の熱交換器１０を介し、水タンク１の上部空間に
おいて水面１２上に延在する散水器８に連通せし
めてある。

第２図に示した第２の実施例においても、第１
の実施例と共通するところは同一の符号で示した
ので、その詳細説明は省略する。さて、この第２
の実施例で第１の実施例と異なることは、まず散
水器８を水面１２下に配置し、水面１２とタンク
封入冷媒凝縮器２との間に孔あきバツフル１７を
配設したこと、および水配管９に冷熱取出用の熱
交換器を設けず冷水熱交換器１３を別途に水タン
ク１内に配設し、これを水タンク１外の冷水管路
１４、空気冷却器１５、冷水ポンプ１６よりなる
冷熱取出し系統に接続してあることである。

これら第１および第２の実施例の作動は次のよ
うである。

本発明装置は、第１図に示すごとく、気密の水
タンク１内の上部空間７に、外部の冷凍器３，
４，５，６により冷却されるタンク内封入冷媒の
凝縮器２を設け、ここから滴下する冷媒液と、水
タンク１底部から汲み上げた水を水面１２上で混
合し、粒子（シヤーベツト）状の氷を作る機構を
基本とする。

冷えば、凝縮器２を−３℃で冷却すれば、凝縮
器２の熱抵抗を考慮しても水面上の冷媒ガス圧力
は飽和温度で−１℃位にできる。そして、冷媒液
は水から熱を奪うことによつて盛んに蒸発し（０
℃）、氷を作る。

このようにして出来たシヤーベツト状の氷は水
よりも軽いため、水面１２下に層を成すが、製氷
運転を継続することによつて、新たにできた氷に
よつて上から押し下げられる。凍結しなかつた水
は氷粒の間を浸透して流下し再びタンク底部から
汲み上げられるのである。

上述の作用は第２図に示す第２の実施例でも実
質的に変わるものではないが、第２の実施例では
タンク封入冷媒凝縮器２から滴下するタンク封入
冷媒液は孔あきバツフル１７で一旦受け止めら
れ、次いでこの孔あきバツフル１７の孔から再び
下方へと滴下する。一方、散水器８は水面１２下
に配設されており、上方に水を吹き出し水面を乱
しタンク封入冷媒液との熱交換の機会を高めるよ
うにしてある。

以下、技術上の要点を箇条書にて説明する。

(a) 外部冷凍機はフロン冷媒に限定しない。冷え
ば、アンモニアを冷媒とする電動冷凍機や吸収
冷凍機などでも良い。

(b) 従つて、タンク内封入冷媒凝縮器の冷却流体
はフロンに限定されない。例えば、ブライン
（エチレングリコール水溶液等）でも良い。

(c) タンク封入冷媒凝縮器の構造は種々あり得
る。例えば、裸管、フイン付管、クロスフイン
チユーブ熱交換器、特殊な表面突起を持つ高性
能伝熱管、プレート式など。

(d) タンク底部からの水の汲み上げ、および加圧
用のポンプには、軸シールを持つものの他、密
閉型のキヤンドポンプ、マグネツト駆動ポンプ
などが使える。

(e) 散水器は、水を細かな粒子とし、冷媒液との
混合を良くするのが目的である。ノズル等をつ
けても良い。

(f) 散水器の位置は、凝縮器の下で、かつ水面上
を基本とする（第１図）が、水面下にあつても
（第２図）効果はある。

(g) 凝縮器の下には、冷媒の沸騰や、散水による
飛沫を押さえるためにバツフル（有孔板など）
を設ける場合がある（第２図）。

(h) このバツフルはトレイ（受け皿）として、散
水器の上部に設置して、冷媒液を水面上に均一
散布したり（第２図）、散水器の下部に設置し
て、水と冷媒の接触時間を長くするために用い
ることができる。

(i) タンクからの冷熱の取り出しは、外付熱交換
器へ、タンク内の冷水又は氷スラリーを循環さ
せることによつて行える。第１図では、これを
散水ポンプと共用した例を示した。

また、第２図のように、タンク内部に熱交換
器を設けてもよい。

(j) 本装置の制御（冷凍機の発停など）は、水位
の検知（氷が増えれば、水位が上昇する）など
で行うことができる。

なお以上の説明は、製氷に限定し、クラスレー
ト（水の包接化合物）は除外して来た。

しかしながら本発明は、そのまま、クラスレー
ト蓄熱にも転用できるものである。例えば、封入
冷媒をR11とし、封入量も全水量の約30重量パー
セントとする。R11液は水よりも比重量が大きい
（０℃で1.5Kg／）のでタンク底部に溜まる。そ
のため、循環ポンプは水と共に液体フロンを汲み
上げ、これらをタンク上部空間に散布することと
なる。この冷媒が水面に達するまでに蒸発すれば
目的を達することができる。

原理的には、R11凝縮器を8.3℃以下に冷却す
れば、クラスレートが生成するはずである。

できたクラスレートは、比重量が約1.15Kg／
と水よりも重く、R11液よりも軽いため、水と
R11液の境界面上に沈殿することになる。

発明の効果 本発明の効果をまとめて述べると次のようであ
る。

(1) 冷媒の蒸発が常に水面上で行なわれるため
に、水深の大きいタンクでも性能の低下（静圧
損失）がない。すなわちタンクを大型化するこ
とが可能になつた。また、設置面積を小さくす
るために、タンクを竪（縦）長にすることも可
能になつた。

(2) タンク底部より取水することにより、タンク
の底部まで氷スラリーを充填できるようになつ
た。すなわち、タンク容積の有効利用率が向上
した。

(3) 散水器の使用により水と冷媒液の接触、すな
わち熱伝達を極めて良好にできる。

(4) 水より密度（比重）の大きい冷媒（R114な
ど）の液は、気化できなかつた場合、水底に沈
殿して循環利用できなくなる場合があるが、本
発明ではこれを容易に汲み上げることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の第１の実施例の系統図、
第２図は第２の実施例の系統図である。 １……水タンク、２……タンク封入冷媒凝縮
器、３……フロン凝縮器、４……フロン圧縮機、
５……膨張弁、６……フロン管路、７……上部空
間、８……散水器、９……水配管、１０……熱交
換器、１１……水循環ポンプ、１２……水面、１
３……冷水熱交換器、１４……冷水管路、１５…
…空気冷却器、１６……冷水ポンプ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内部に水と水に実質的に不溶性で沸点が水の
   沸点よりも低い冷媒とを封入した気密の水タンク
   と、外部の冷凍機により冷却される前記冷媒用の
   凝縮器を前記水タンクの上部空間に配設し、さら
   に前記上部空間に前記水タンクの底部から汲み上
   げた液体を散布する散水器を配設して、前記凝縮
   器から滴下する冷媒液と前記水タンク底部から汲
   み上げた液体とを前記水タンク水面で混合し粒子
   状の氷を形成せしめるようにした間接冷却型直接
   接触式氷蓄熱装置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の装置において、
   前記水タンクの底部より同水タンクの前記上部空
   間に液体を汲み上げる配管の途中に、冷熱を取り
   出す熱交換器を配設したことを特徴とする間接冷
   却型直接接触式氷蓄熱装置。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の装置において、
   前記散水器を前記凝縮器の下で、かつ水面上に配
   設したことを特徴とする間接冷却型直接接触式氷
   蓄熱装置。 ４ 特許請求の範囲第１項記載の装置において、
   前記散水器を水面下に配設したことを特徴とする
   間接冷却型直接接触式氷蓄熱装置。 ５ 特許請求の範囲第４項記載の装置において、
   前記凝縮器と水面との間にバツフルを配設したこ
   とを特徴とする間接冷却型直接接触式氷蓄熱装
   置。 ６ 特許請求の範囲第５項記載の装置において、
   冷熱取出し用の冷水熱交換器を別途に前記水タン
   ク内に配設したことを特徴とする間接冷却型直接
   接触式氷蓄熱装置。