JPH0498094A - 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】 （産業上の利用分野） この発明は、水や水溶液等からなる蓄冷材の過冷却状態
を解消してスラリー状の氷を生成し、この氷を蓄熱槽に
蓄えるようにした氷蓄熱装置に関する。

（従来の技術） 従来より、この種の氷蓄熱装置として、例えば特開昭６
３−２１７１７１号公報や米国特許４６７１０７７号等
に示されるように、過冷却生成用熱交換器で冷媒やブラ
インとの熱交換により蓄冷材としての水や水溶液等を過
冷却状態に冷却するとともに、この過冷却状態を解消し
てスラリー状の氷を生成し、この氷を蓄熱槽に蓄えてお
き、使用時にはこのスラリー状の氷を空気調和機等の熱
交換器に供給するようにしたものは知られている。

（発明が解決しようとする課題） ところで、上記従来のものにおいては、過冷却生成用熱
交換器で蓄冷材を目的の過冷却度まで正確に冷却する必
要かあるが、蓄冷材の温度調節を１つの熱交換器で行う
ので、特にその温度調節の幅が大きいときには、熱交換
器の設計や温度制御が複雑になるという問題がある。

しかも、熱交換器はシェル内に多数の伝熱管を並列に配
置したシェルアンドチューブ式のものであり、この伝熱
管内を蓄冷材通路とした場合、伝熱管の内壁面で氷が生
成されると、その氷の成長により伝熱管が閉塞ないし破
損し、この伝熱管の破損により装置全体が使用不能にな
る虞れがある。

本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたもので、その目的
は、蓄冷材の過冷却度への温度Ｈｕｎを容易化し、かつ
伝熱管内壁面で氷が発生しても、その氷の成長により伝
熱管が破損しないようにして、装置の信頼性を向上させ
ることにある。

（課題を解決するための手段） この目的の達成のため、請求項（１）の発明では、過冷
却生成用熱交換器を複数の熱交換器ユニットを直列に接
続した多段型にするとともに、この熱交換器ユニットを
蓄冷材の流れ方向について２つのグループに分け、上流
側グループで蓄冷材を凝固点温度レベルまでラフに冷却
し、その後は下流側グループで蓄冷材を目的の過冷却度
まで精度良く温度調節するようにした。

すなわち、この発明は、第１図に示すように、過冷却生
成用熱交換器（６）で水や水溶液等の蓄冷材を過冷却状
態に冷却するとともに、上記蓄冷材の過冷却状態を解消
して生成されるスラリー状の氷を蓄熱槽（１）に蓄える
ようにした氷蓄熱装置が前提である。

そして、上記熱交換器（６）を、少なくとも２つの熱交
換器ユニット（７ａ）、　　（７ａ）。

（７ｂ）を直列に接続してなるものとする。

また、上記各熱交換器ユニット（７ａ）、　　（７ａ）
、…・　（７ｂ）を、蓄冷材を凝固点温度レベルまで冷
却する第１グループの熱交換器ユニット（７ａ）、−（
７ａ）、…と、該第１グループの熱交換器ユニット（７
ａ）、　　（７ａ）、　　・の下流側に配設され、蓄冷
材を凝固点温度レベルから所定の過冷却度を有する温度
レベルまで冷却する第２グループの熱交換器ユニット（
７ｂ）とに分ける。

尚、第１グループの熱交換器ユニット（７ａ）（７ａ）
、…・ての凍結発生を確実に防止する目的で、上記蓄冷
材の「凝固点温度レベル」とは、正確に凝固点温度であ
る場合のほか、それよりも若干高い温度（例えば１℃）
である場合も含んでいる。

請求項（２）の発明では、上記第２グループの熱交換器
ユニットをバイパスするバイパス配管を設け、第２グル
ープの熱交換器ユニットで氷が発生したときには、上記
バイパス配管を開放するようにする。

すなわち、この発明は、第２グループの熱交換器ユニッ
ト（７ｂ）をバイパスするバイパス配管（１７）と、こ
のバイパス配管（１７）を開閉する開閉弁（１８）と、
第２グループの熱交換器ユニット（７ｂ）で氷か発生し
たことを検出する検出手段（１９）と、この検出手段（
１９）か第２グループの熱交換器ユニット（７ｂ）で氷
が発生したことを示す出力を発したときに上記開閉弁（
１８）を開くように制御する制御手段（２０）とを設け
たことを特徴としている。

（作用） 上記の構成により、請求項（１）の発明では、過冷却生
成用熱交換器（６）に流入した蓄冷材は第１グループの
熱交換器ユニット（７ａ）、　　（７ａ）。

…・で凝固点温度レベルまで冷却され、その後、第２グ
ループの熱交換器ユニット（７ｂ）で凝固点温度レベル
から目的の過冷却度を有する温度レベルまで冷却される
。そのとき、蓄冷材は複数の熱交換器ユニット（７ａ）
、（７ａ）、−、（７ｂ）で徐々に目的の過冷却度の温
度レベルまで冷却されるので、１つの熱交換器ユニット
（７Ｂ）。

（７ｂ）については蓄冷材の温度調節幅か小さくて済み
、蓄冷材の過冷却状態への冷却がスムーズに行われる。

しかも、蓄冷材を第１グループの熱交換器ユニット（７
ａ）、　　（７ａ）、…・で凝固点温度レベルまで冷却
した後、第２グループの熱交換器ユニット（７ｂ）で目
的の過冷却度の温度レベルに冷却するので、第２グルー
プの熱交換器ユニット（７ｂ）による温度調節さえ正確
に行えば、第１グループの熱交換器ユニット（７ａ）、
　　（７ａ）、…・については蓄冷材が凍結しない温度
までラフに冷却すればよい。よって熱交換器（６）の設
計や蓄冷材に対する温度制御か容易になる。

請求項（２）の発明では、蓄冷材を凝固点温度レベルか
ら目的の過冷却度まで冷却する第２グループの熱交換器
ユニット（７ｂ）で、蓄冷材の過冷却状態が解消されて
氷が発生し易い。この第２グループの熱交換器ユニット
（７ｂ）で氷が発生したときには、そのことが検出手段
（１９）により検出され、この検出手段（１９）の出力
を受けた制御手段（２０）の作動により開閉弁（１８）
が開かれてバイパス配管（１７）か開放され、第１グル
ープの熱交換器ユニット（７ａ）、　　（７ａ）。

…・を通過した蓄冷材は第２グループの熱交換器ユニッ
ト（７ｂ）に向かわずにそれをバイパスする。

このため、第２グループの熱交換器ユニット（７ｂ）で
氷か生じても、その熱交換器ユニット（７ｂ）に蓄冷材
が流れなくなる。その状態で例えば第２グループの熱交
換器ユニット（７ｂ）の氷を溶かすデフロスト運転を行
えばよく、その間、第１グループの熱交換器ユニット（
７ａ）、　　（７ａ）…で蓄冷材に対する冷却を確保で
きる。よって氷蓄熱装置の信頼性を向上させることがで
きる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の一実施例に係る氷蓄熱装置の全体構成
を示し、（１）は蓄冷材としての水を蓄えるための上方
に開放された蓄熱槽で、二の蓄熱槽（１）の底壁には超
音波発振器（３）により振動する振動子（３ａ）か配設
されている。また、蓄熱槽（１）の側壁には排水口（２
）か開口され、該排水口（２）には配管（４）が接続さ
れ、この配管（４）は、蓄熱槽（１）の上方所定高さ位
賃に配置した過冷却解消用熱交換器（６）に接続されて
いる。上記配管（４）には循環ポンプ（５）が配設され
ており、このポンプ（５）の作動により蓄熱ｔ！　（１
）内の水を熱交換器（６）との間で循環させ、蓄熱ＩＩ
　（１）内の水を熱交換器（６）で冷却して過冷却状態
とするとともに、この過冷却水を熱交換器（６）から蓄
熱槽（１）に落下させ、その過冷却状態を解消してスラ
リー状の氷を生成するようにしている。

上記過冷却生成用熱交換器（６）は第１段〜第ｎ段（ｎ
：整数）の複数の熱交換器ユニット（７ａ）、　　（７
ａ）、　　…、　　（７ｂ）からなり、これらのユニッ
ト（７ａ）、　　（７ａ）、−、（７ｂ）は断熱配管（
１６）を介して直列に接続されている。

各熱交換器ユニット（７ａ）、（７ｂ）は、第２図に示
す如く、密閉円筒状のシェル（８）と、該シェル（８）
内に挿通され、各々の内部を水が通る多数の伝熱管（１
１）　、　　（１１）　、…・とからなる。上記シェル
（８）の側壁下端には冷媒入口（９）が、また同上端に
は冷媒出口（１０）がそれぞれ開口されており、冷媒入
口（９）から液冷媒をシェル（８）内に流入させ、この
液冷媒をシェル（８）内で伝熱管（１１）内の水との熱
交換により蒸発させた後、冷媒出口（１０）から排出す
るようにしている。

一方、上記各伝熱管（１］）は樹脂製の極細管で構成さ
れ、これらの伝熱管（１１）　、　　（１１）　。

…・はスペーサ（１５）　　　（１５）　　…・により
一定間隔をあけた状態で略一定の本数毎に束ねられて複
数の伝熱管束（１２）、　　（１２）、…か形成され、
この伝熱管束（１２）、　　（１２）、…・は長さ方向
に向かって周方向に変位するように捩じられている。

そして、伝熱管（１１）、（１１）、…・の上端は集合
されて水入口（１３）に、また下端は同様にして水出口
（１４）にそれぞれ連通されており、水入口（１３）か
ら伝熱管（１１）（１１）　、…・内に流入した水を上
記液冷媒の蒸発熱により冷却して水田口（１４）から流
出させるようになっている。

さらに、図示しないが、上記熱交換器ユニット（７ａ）
、　　（７ａ）、−、（７ｂ）の冷媒入口（９）、（９
）、…・同士は集合されて図外の減圧機構を介して凝縮
器に接続され、一方、冷媒出口（１０）、（１０）、…
同士は集合されて図外の圧縮機の吸込口に接続されてい
る。そして、上記複数の熱交換器ユニット（７ａ）、　
　（７ａ）、…・（７ｂ）に流入する冷媒温度（Ｔ１）
〜（Ｔゎ）は、最上流位置にある第１段熱交換器ユニッ
ト（７ａ）に対する冷媒温度（Ｔ１）が最も高く、下流
側になるに従って次第に低くなり、最下流位置の第ｎ段
熱交換器ユニット（７ｂ）では最も低くなるように設定
されている（Ｔ、＞７２＞…・〉Ｔ、−、＞Ｔ、）。

さらに、上記複数の熱交換器ユニット（７ａ）。

（７ａ）、　・＝、（７ｂ）は、第１段〜第ｎ−１段の
熱交換器ユニット（７ａ）、　　（７ａ）、…がまとめ
られて第１グループとされ、該第１グループの熱交換器
ユニット（７ａ）、　　（７ａ）、…・の下流側に配設
された残りの第ｎ段の熱交換器ユニツ）（７ｂ）は第２
グループとされており、第１グループの熱交換器ユニッ
ト（７ａ）、　　（７ａ）。

…・により水を凝固点温度レベルまで冷却し、第２グル
ープの熱交換器ユニット（７ｂ）では水を凝固点温度レ
ベルから所定の過冷却度を有する温度レベルまで冷却す
るようになっている。

上記第ｎ−１段熱交換器ユニット（７ａ）と第２グルー
プの第ｎ段熱交換器ユニット（７ｂ）との間の断熱配管
（１６）には第ｎ段熱交換器ユニット（７ｂ）をバイパ
スさせるバイパス配管（ニア）の上流端か分岐接続され
、このバイパス配管（１７）の下流端は第ｎ熱交換器ユ
ニット（７ｂ）の水出口（１４）と同様に蓄熱槽（１）
の上方所定高さ位置に配置されている。上記バイパス配
管（１７）には非通電時閉の電磁開閉弁（１８）か配設
されており、この開閉弁（１８）を通電により開いたと
きには第ｎ−１段熱交換器ユニット（７ａ）を出た水は
第ｎ段熱交換器ユニット（７ｂ）に向かわずにバイパス
配管（１７）を経由して直接蓄熱槽（１）に流下する。

また、上記第ｎ−１段熱交換器ユニット（７ａ）と第ｎ
段熱交換器ユニット（７ｂ）とを連通ずる断熱配管（〕
６）においてバイパス配管（１７）の接続部よりも下流
側には第ｎ段熱交換器ユニット（７ｂ）に流入する水の
圧力を検出する圧力検出手段としての圧力スイッチ（１
９）が配設されている。この圧力スイッチ（１９）は上
記開閉弁（１８）を制御する制御回路（２０）に接続さ
れており、制御回路（２０）において、第ｎ段熱交換器
ユニット（７ｂ）での氷の発生により同ユニト（７ｂ）
に流入する水の圧力が設定値以上に上昇し、熱交換器ユ
ニット（７ｂ）での氷の発生を示すＯＮ信号出力か圧力
スイッチ（１９）から発せられたときに、開閉弁（１８
）を開くように制御する。

次に、上記実施例の作用について説明する。

ポンプ（５）の作動により、蓄熱槽０）内の水は配管（
４）を経て過冷却生成用熱交換器（６）に流れ、この熱
交換器（６）で液冷媒の蒸発熱により冷却されて過冷却
水となる。この過冷却水は蓄熱槽（１）に流下し、超音
波発振器（３）により過冷却状態が解消されてスラリー
状の氷が生成され、この氷は該蓄熱槽（１）に蓄えられ
る。このようにして蓄熱槽（１）に−旦氷ができると、
以後は、熱交換器（６）から流下する過冷却水は蓄熱槽
（１）内部の水面への衝突の衝撃により過冷却状態が解
消され、既にある氷を核としてスラリー状の氷が連続的
に生成される。

この場合、上記過冷却生成用熱交換器（６）に流入した
水は第１グループの熱交換器ユニット（７ａ）、　　（
７ａ）、…・で凝固点温度レベルまで冷却され、その後
、第２グループの第ｎ段熱交換器ユニット（７ｂ）で凝
固点温度レベルから目的の過冷却度の温度レベルまで冷
却される。こうして水が複数の熱交換器ユニット（７ａ
）　　　（７ａ）…・、　　＜７ｂ）で徐々に目的の過
冷却度の温度レベルまで冷却される結果、１つの熱交換
器ユニッ）　（７ａ）、　　（７ｂ）については水の温
度調節幅が小さくて済み、水を所定の過冷却状態まで確
実に冷却することができる。しかも、水を第１グループ
の熱交換器ユニット（７ａ）、　　（７ａ）、…・で凝
固点温度レベルまで冷却した後、第２グループの熱交換
器ユニット（７ｂ）で目的の過冷却度の温度レベルに冷
却するので、第２グループの熱交換器ユニッ）　（７ｂ
）による温度調節さえ正確こ行えばよく、第１グループ
の熱交換器ユニット（７ａ）、　　（７ａ）、…・につ
いては水が凍結しない温度までラフに冷却すれば済む。

よって熱交換器（６）の設計や水に対する温度制御か容
易になる。

る。

また、第２グループの第ｎ段熱交換器ユニット（７ｂ）
では水を凝固点温度レベルから目的の過冷却度の温度レ
ベルまで冷却するので、この熱交換器ユニット（７ｂ）
で水の過冷却状態が解消されて氷が生成され易くなる。

この実施例では、上記第ｎ段熱交換器ユニツ）　（７ｂ
）で氷が生成されたときには、その内部の流路抵抗が大
きくなり、同熱交換器ユニット（７ｂ）に流入する水の
圧力が大きくなる。この圧力が設定値以上になると、圧
力スイッチ（１９）がＯＮ作動し、制御回路（２０）の
作動により開閉弁（１８）が開かれてバイパス配管（１
７）が開放され、第１グループの熱交換器ユニット（７
ｇ）、　　（７ａ）、…・を通過した水は第２グループ
の第ｎ段熱交換器ユニツ）（７ｂ）に向かわずにそれを
バイパスする。このため、第ｎ段熱交換器ユニット（７
ｂ）で氷が生じても、その熱交換器ユニット（７ｂ）に
水が流れなくなり、その状態で第ｎ段熱交換器ユニツ）
（７ｂ）かデフロスト状態に移行して氷が溶かされる。

このデフロストにより氷が全部溶けると、開閉弁（１８
）が元のとおり閉弁して第ｎ段熱交換器ユニット（７ｂ
）に再び水が供給される。こうすることで、デフロスト
時でも第１グループの熱交換器ユニット（７ａ）、　　
（７ａ）、…・で水の冷却を確保でき、よって氷蓄熱装
置の信頼性を向上させることができる。尚、万一、第２
グループの熱交換器ユニット（７ｂ）が氷により破損し
ても、その熱交換器ユニット（７ｂ）のみを交換すれば
熱交換器（６）全体を交換する必要はない。

さらに、各熱交換器ユニット（７ａ）、　　（７ｂ）に
おいては、伝熱管（１１）は極細管で構成され、その各
々が一定間隔をあけて束ねられているので、同一断面積
を有する単管に比べ伝熱管（１１）内の水の流速か速く
なって熱伝達か促進され、伝熱管（１１）の壁面温度を
高い温度に維持することかできる。しかも、多数の伝熱
管（１１）　、　　（１１）、…・か束ねられてできた
伝熱管束（１２）。

（１２）、…・は捩じられているので、一部の伝熱管（
１１）、　　（１，１）、…・のみが局所的に冷却され
ることはなく、不均一な冷却を抑えることができる。よ
って伝熱管（１１）内での凍結や破損を有効に抑制する
ことかできる。

尚、上記実施例では、過冷却生成用熱交換器（６）の複
数の熱交換器ユニット（７ａ）、（７ａ）、…・、　　
（７ｂ）のうち、最下流位置にある第ｎ段熱交換器ユニ
ット（７ｂ）のみを第２グループとしているか、それよ
りも上流側に存在する熱交換器ユニットを加えて第２グ
ループを構成してもよい。

また、上記実施例では、熱交換器（６）において冷媒の
蒸発熱により水を過冷却状態に冷却するようにしている
が、低温のブラインとの熱交換により水を過冷却状態に
冷却するようにしてもよい。

また、蓄冷材として水に代えて水溶液を使用することも
できる。

さらに、上記実施例では、検出手段を圧力スイッチ（１
９）で構成したが、この他、例えば水（蓄冷材）は過冷
却状態か解消すれば凝固点温度に戻ることに着目して、
温度が上昇して凝固点温度になったことを検出する温度
検出器を採用してもよい。さらには、氷の発生に伴う水
のａ全低下を流量センサにより検出することもできる。

勿論、上記した水の圧力、温度及び流量の各状態の少な
くとも２つを組み合わせることも可能である。

（発明の効果） 以上説明したように、請求項（１）の発明によると、氷
蓄熱装置の過冷却生成用熱交換器を直列に接続してなる
複数の熱交換器ユニットで構成し、これらのユニットを
蓄冷材を凝固点温度レベルまで冷却する第１グループと
、凝固点温度レベルから目的の過冷却度を有する温度レ
ベルまで冷却する第２グループとに分けるようにしたこ
とにより、各熱交換器ユニットにおける蓄冷材の温度調
節幅を小さくして、蓄冷材の過冷却状態への冷却をスム
ーズに行うとともに、第１グループの熱交換器ユニット
については蓄冷材が凍結しない温度までラフに冷却すれ
ば済み、よって熱交換器の設計や蓄冷材に対する温度制
御を容易化することができる。

また、請求項（２）の発明によると、上記第２グループ
の熱交換器ユニットをバイパスするバイパス配管を設け
、第２グループの熱交換器ユニットで氷が生じる条件に
なったときには、上記バイパス配管を開放するようにし
たことにより、第２グループの熱交換器ユニットで氷が
生じても、そのグループの熱交換器ユニットをデフロス
トしながら残りの第１グループの熱交換器ユニットで蓄
冷材に対する冷却を確保でき、よって氷蓄熱装置の信頼
性の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】 第１図及び第２図は本発明の一実施例を示し、第１図は
氷蓄熱装置の全体構成を概略的に示す配管系統図、第２
図は熱交換器ユニットの拡大断面図である。 （１）…・蓄熱槽 （６）…−過冷却生成用熱交換器 （７ａ）、　　（７ｂ）…・熱交換器ユニット（１７）
…・バイパス配管 （１８）…・電磁開閉弁 （１９）…・圧力スイッチ（検出手段）（２０）…制御
回路（制御手段） 特許出願人　ダイキン工業株式会社　　ｒ、’、（”、
：：−ｒ５−、、：） 代理人弁理士前１）弘（は９！！鎚黍 （１）…・蓄熱槽 （１７）…・バイパス配管 （２０）…・制御回路（制御手段）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）過冷却生成用熱交換器（６）で水や水溶液等の蓄
   冷材を過冷却状態に冷却するとともに、上記蓄冷材の過
   冷却状態を解消して生成されるスラリー状の氷を蓄熱槽
   （１）に蓄えるようにした氷蓄熱装置において、 上記熱交換器（６）は、少なくとも２つの熱交換器ユニ
   ット（７ａ）、（７ａ）、…、（７ｂ）を直列に接続し
   てなり、 上記各熱交換器ユニット（７ａ）、（７ａ）、、（７ｂ
   ）は、蓄冷材を凝固点温度レベルまで冷却する第１グル
   ープの熱交換器ユニット（７ａ）、（７ａ）、…と、該
   第１グループの熱交換器ユニット（７ａ）、（７ａ）、
   …の下流側に配設され、蓄冷材を凝固点温度レベルから
   所定の過冷却度を有する温度レベルまで冷却する第２グ
   ループの熱交換器ユニット（７ｂ）とに分けられている
   ことを特徴とする氷蓄熱装置。
2. （２）第２グループの熱交換器ユニット（７ｂ）をバイ
   パスするバイパス配管（１７）と、 上記バイパス配管（１７）を開閉する開閉弁（１８）と
   、 第２グループの熱交換器ユニット（７ｂ）で氷が発生し
   たことを検出する検出手段（１９）と、 上記検出手段（１９）が第２グループの熱交換器ユニッ
   ト（７ｂ）で氷が発生したことを示す出力を発したとき
   に上記開閉弁（１８）を開くように制御する制御手段（
   ２０）とを設けたことを特徴とする請求項（１）記載の
   氷蓄熱装置。