JPH0579902B2

JPH0579902B2 -

Info

Publication number: JPH0579902B2
Application number: JP61110571A
Authority: JP
Inventors: Toshuki Hino
Original assignee: Kajima Corp
Current assignee: Kajima Corp
Priority date: 1986-05-16
Filing date: 1986-05-16
Publication date: 1993-11-05
Also published as: JPS62268972A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は一般に冷房および生産プロセス用の冷
水発生装置に利用される。

従来の技術昼夜間の電力負荷を平準化するために、冷凍機
を夜間運転する蓄熱式冷房装置が実用化されてい
る。

蓄熱媒体としては、冷水が一般的であるが、最
近は氷が注目されて来た。これは氷の融解潜熱
（80kcal／Kg）を利用するために、蓄熱装置が大
幅（普通1/5以下）に小型化できるためである。

しかしながら、従来の製氷ヒートポンプでは、
冷却媒体（冷媒、不凍液など）と水の間に熱交換
壁（製氷コイルなど）が必要なため、１冷凍機の冷媒蒸発温度が低く（−６〜−18
℃）、運転効率（成績係数）が悪い。

２製氷用熱交換器が大きいため、コストが高
い。

などの欠点があつた。

こうした問題点を解決するために、水に不溶性
冷媒（ほとんどのフロンや炭化水素など）の液を
水中に吹き込み、これを蒸発させて、周囲の水を
凍らせる直接接触式製氷方式があり（たとえば米
国特許第3838577号明細書）、海水淡水化（凍結
式）では、実際にテストされたことがある（4th
International Symposium on Fresh Water
From the Sea，Vol.3，371−382，1973）。

冷房への応用についても提案されており
（Residential 182−187，Ａ NEW CONCEPT
FOR THE ICE MAKER HEAT PUMP）、実
用化開発も試みられている。

また、氷の代わりに、クラスレート（水の包接
化合物、ガスハイドレートとも呼ばれる）による
蓄熱も、同様の直接接触熱交換プロセスを使つて
いる（ケミカル−エンジニヤリング1982年８月号
31−36頁）。

しかしながら、冷房への適用で、実用化に達し
たもの皆無である。

その原因として、 (i) 直接接触熱交換方式による氷蓄熱にあつて
は、従来、提案または試みられた方式は、製氷
部（クリスタライザ）と、貯氷部が分離されて
いるため、未蒸発の細かい冷媒液滴が、氷と一
緒に貯氷部へ移動してしまうために、冷凍サイ
クルを構成する冷媒（R114，C318など）が不
足して運転を継続できなくなる。

(ii) クラスレート蓄熱にあつては、クラスレート
の生成によつて、冷媒が水分子の結晶格子中に
取り込まれるので、封入冷媒量（R12など）が
莫大（水の約1/3）であり、小規模のビルでも、
トンのオーダーになる。

このため、コスト、安全性の上で問題が多い。

また、クラスレートを生成する冷媒は、一般に
分子量が小さく、蒸気圧も高いため（R12の場
合、25℃で6.6Kg／cm²、絶対圧力）容器の耐圧も
大きなものが必要となり、装置コストが高い。

クラスレートの実験と以上の考察から、新しい
製氷ヒートポンプを、DOE（米国エネルギー省）
主催の「第２回、国際氷蓄熱ワークシヨツプ
（1983年11月）（於：アルゴンヌ国立研究所）」に
て提案した。この提案では、クラスレート生成ヒ
ートポンプと類似の構造ながら、冷媒を分子長の
大きいもの７（Å以上、ここではR114）を選び、
クラスレートを生成しないように考慮している。

この装置の狙いは、 (イ) 冷媒は、冷凍サイクル用動作流体としてのみ
働くため、封入量が僅かでよい（普通の冷凍機
並み）。

(ロ) 直接接触熱交換で製氷するため熱伝達性能が
良い。そのため、冷媒蒸発温度が、氷温よりも
少し低い温度（−２〜−１℃）にでき、成績係
数を高くできる。

(ハ) 空調器への冷水（５〜７℃が望ましい）は、
タンク内に設けた熱交換器（外部に設けてもよ
い）で冷却されるが（タンク内の氷水を空調器
へ循環させても良いが、漏洩の危険性が増すの
で実用的でない。）氷が０℃なので、熱交換温
度差が十分に取れる。

これに対してクラスレートでは、融点が高い
（４〜12℃、温度は冷媒に依る）ので、熱交換
温度差が取れない。

(ニ) タンクは気密であり、内部には酸素ガスが実
質的に存在しないので、安価な鋼製でも錆が発
生しない。

発明が解決しようとする問題点しかしながら、それ以降の研究によつて、フロ
ン類（ハロゲン化炭化水素）は加水分解すること
があり、致命的な欠陥となり得ることが分かつ
た。すなわちハロゲン化炭化水素の加水分解によ
る反応生成物は、塩化炭素（塩酸）、フツ化水素
（フツ酸）などであり、わずかの量でも、タンク、
圧縮機、熱交換機等を腐食する危険性がある。ま
た加水分解速度が極めて遅くても、密閉して長期
間（10年以上）使われれば、その累積による影響
は無視できないのである。

問題点を解決するための手段本発明は以上の知見に基づきなされたもので、
水を収容した密閉式の真空製氷タンクをそなえ、
この製氷タンク内の水の中に、ノルマルペンタン
またはそれを主成分とする冷媒を凝縮器にて液化
させ、直接に吹き出してシヤーベツト状の氷を形
成せしめ、冷媒ガスを前記製氷タンクの頂部から
回収循環せしめる冷媒系をそなえて成る直接接触
式氷蓄熱冷凍装置に存する。

実施例第１図は本発明の第１の実施例を示す。製氷タ
ンク１は鋼製の密閉式のもので、外側を断熱材で
断熱してある。この製氷タンク内には図示のよう
にその上部には空間が残るようにして水が収容し
てある。この空間には後述する冷媒ガスが満たさ
れている。

製氷タンク１の頂部すなわちこの実施例の場合
にはドーム状をした突出部分には冷媒ガスを導出
する冷媒配管１３が接続されている。この冷媒配
管１３には電動機４で作動するオイルフリー型の
圧縮機２が接続され、この圧縮機２の出口側には
凝縮器６が接続されている。この凝縮器６は冷却
塔５、冷却水ポンプ１０、冷却水配管１５より成
る冷却系統に接続された熱交換器１７で冷却さ
れ、ここで凝縮した冷媒は、膨張装置として作用
するガストラツプ１４を介して、製氷タンク１内
の冷媒ノズル１１に送られる。なお、符号７は抽
気装置を示す。製氷タンク内部は通常負圧になる
ので、シール等から漏れ込んだ空気を排出するた
めの抽気装置を設けるのである。

冷媒ノズル１１は製氷タンク１の水中に開口し
ており、ここから冷媒を吹き出し、周囲の水をア
イスシヤーベツト状の氷に変えるのである。

製氷タンク１内にはまた熱交換器１２が配設さ
れており、タンク外の水配管１６に接続してあ
る。水配管１６には冷水ポンプ９が設けてあり、
製氷タンク１内の冷熱を交換した冷水を空調器８
にもたらす。

さて、この実施例で用いる冷媒としては、ノル
マルペンタン（C₅H₁₂）またはこれを主成分とす
る冷媒である。ノルマルペンタンは水に不溶であ
り、水と反応せず、毒性がなく、化学的に安定
（分解しない）であり、しかも安価である。これ
はクラスレートを生成しない。同じ炭化水素でも
メタン、エタン、プロパンなどは水和物を作るの
で好ましくない。またイソブタンも水和物を作る
が、イソブタンより大きな分子長のノルマルペン
タンとの混和により水和化しなくなる。

またこの炭化水素は０℃における飽和圧力が極
端に低くないことが必要である。たとえば
100Torr（13kPa）以下では圧縮機が大きくなり
すぎ圧縮機効率が低下するなどの技術上の問題が
生ずる。炭素数６またはそれ以上の炭化水素は不
具合である。

炭化水素類の冷媒としての最大の欠点は可燃性
である。この危険性を減らすためには、容器にク
ラツク等を生じても冷媒ガスが噴出しないよう
に、低圧の冷媒を選べばよい。

例えば、大気圧における沸点は、ノルマルペン
タンで36.1℃である。

特にノルマルペンタンでは、通常の運転条件下
で冷凍サイクル中の高圧部（凝縮器）において
も、大気圧以下に保たれるため、安全性が高い。
また低圧部（蒸発部）は０℃〜0.24気圧
（188Torr（25kPa））あり、既存の圧縮機でも対
応可能である。

なお、圧縮機２としては、シリンダの潤滑にオ
イルを使用しないオイルフリー（シリンダ無給
油）型を用いる。レシプロ、スクリユー、ロータ
リー、遠心式などが利用できる。

ノルマルペンタンを冷媒とする場合の各部作動
温度をの一例を第１ａ図に括弧書きで例示した。

製氷タンク内で蒸発した炭化水素ガスを、凝縮
させるのに必ずしも圧縮する必要はない。

オイルフリー圧縮機は一般に高価であり、技術
的にも発達途上にあるので、これを使わなくても
良ければ好都合である。

第１ｂ図は、冷凍サイクルとして、普通のフロ
ン（例えばR22）冷凍機を使つたものである。

ペンタン等の炭化水素ガスはフロン蒸発コイル
の外表面で凝縮し、液化した炭化水素冷媒液を水
中に放出して蒸発させ、氷スラリーを作る。

炭化水素冷媒とフロン冷媒の間には熱交換器１
７′が介在するので、性能的には不利になるが、
冷媒の凝縮・蒸発に伴う熱伝達は極めて良好であ
るので前記熱交換器は高性能で小型にできる。

そして、製氷タンク内には製氷コイルが不要な
ので、本発明の優位性（低コスト、高性能）は依
然として保たれている。

また、フロン冷凍機は量産されているので安価
である。第１ｂ図では、炭化水素液を自重によ
り、水中に放出しているが、吹き出し圧力が不足
の場合は、ポンプ等により強制的に放出させて良
い。また、製氷タンク１内にアジテータ等を設置
してかく拌し、炭化水素と水との熱伝達を向上さ
せることも考えられる。

第１ｂ図では、フロンガスを圧縮後、空冷凝縮
器で放熱しているが、この排熱を給湯や暖房に利
用することもできる。

第２図に示す本発明の第２の実施例では、製氷
タンク１′内には熱交換器が収容されておらず水
配管１６′を介して外部の熱交換器１２′と製氷タ
ンク１′の内部が連通しており、冷水ポンプ９に
より、製氷タンク１′内の冷水がこの外部の熱交
換器１２′へ送られ、空調器コイルへの水と熱交
換するようにしてある。なお、符号４′は一般の
膨張装置を示す。

第３図に示した第３の実施例では、第２の実施
例の熱交換器１２′をも省略し、製氷タンク１′内
の冷水を直接に空調器コイルへ水配管１６″を介
して循環せしめている。

発明の効果上述の本発明装置の効果を従来の氷蓄熱装置と
比較すれば以下に列記するとおりである。

(a) 高い運転効率（電力消費量が少ない）。

(b) 低い製造コスト（製氷コイルが無い）。

(c) 小型（氷充填率が高い）。

(d) 工場生産向き（量産に適する）。

(e) 安全性が高い（タンク内部が低圧）。

(f) 耐久性がある（冷媒が加水分解や劣化しな
い）。

(g) 構造が簡単。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図は本発明の第１の実施例の系統図、第
１ｂ図はその変形例の系統図、第２図は本発明の
第２の実施例の系統図、第３図は本発明の第３の
実施例の系統図である。１，１′……製氷タンク、２……圧縮機、４…
…電動機、５……冷却塔、６……凝縮器、７……
抽気装置、８……空調器、９……冷水ポンプ、１
０……冷却水ポンプ、１１……冷媒ノズル、１
２，１２′……熱交換器、１３……冷媒配管、１
４……ガストラツプ、１４′……膨張装置、１５
……冷却水配管、１６，１６′，１６″……水配
管。

Claims

【特許請求の範囲】１水を収容した密閉式の真空製氷タンクをそな
え、この製氷タンク内の水の中に、ノルマルペン
タンまたはそれを主成分とする冷媒を凝縮させて
直接に吹き出してシヤーベツト状の氷を形成せし
め、冷媒ガスを前記製氷タンクの頂部から回収循
環せしめる冷媒系をそなえて成る直接接触式氷蓄
熱冷凍装置。２特許請求の範囲第１項記載の装置において、
前記製氷タンクから冷熱を取り出す熱交換器を前
記製氷タンク内に設けた直接接触式氷蓄熱冷凍装
置。３特許請求の範囲第１項記載の装置において、
前記製氷タンクから冷熱を取り出す熱交換器を前
記製氷タンクの外部に配設した直接接触式氷蓄熱
冷凍装置。４特許請求の範囲第１項記載の装置において、
前記製氷タンク内の冷水を利用機器コイルに直接
に導くようにした直接接触式氷蓄熱冷凍装置。