JPH0611158A

JPH0611158A - ヒートポンプ用内融式氷蓄熱槽

Info

Publication number: JPH0611158A
Application number: JP4165874A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Ueno; 克彦上野; Masahiro Miyawaki; 正博宮脇; Natsuo Kanzaki; 奈津夫神崎; Hiroaki Sumimoto; 弘明住元
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Kobe Steel Ltd
Priority date: 1992-06-24
Filing date: 1992-06-24
Publication date: 1994-01-21

Abstract

(57)【要約】【目的】製氷時の製氷能力の向上、および解氷時の低
温出力、および解氷速度の改善を可能にする。【構成】水槽８内の蛇行形状の蓄熱氷形成用管路９を
支持する支持部１０を、多数の管路用貫通孔３２を複数
列に形成して、上下に間隔をあけて平行配置し、かつ上
下方向に各貫通孔３２の位置を一致させた上、下管板３
３，３４を設けて形成し、各貫通孔３２を上下方向に管
を貫通させて管路９を形成するとともに、管路９の下方
に多数の吸込み孔を有する吸込み管２２と、一端が水槽
８の上部に開口した吐出管２３と、吸込み管２２を介し
て水槽８内の水１５を吸込み、この吸込んだ水を吐出管
２３に吐出する水ポンプ２４とから形成してある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば深夜と昼間の消
費電力を平準化する空調装置に適用するヒートポンプ用
内融式氷蓄熱槽に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】空調装置において、ヒートポンプを利用
した蓄熱槽は、深夜電力の有効利用による省ランニング
コストと消費電力の平準化のために用いられることが多
い。そして、近年のビルの高層化、地価高騰のあおり
で、従来の水蓄熱から、高密度蓄熱が可能な氷蓄熱を利
用した氷蓄熱槽を備えた空調設備が普及拡大しつつあ
る。図９は、従来公知の空調装置の一つで、ヒートポン
プ１、および氷蓄熱槽２が設けてある。ヒートポンプ１
は、圧縮機３、凝縮器４、受液器５、膨張弁６、および
蒸発器７を含む冷媒の閉ループを形成している。また氷
蓄熱槽２は、水槽８と、この水槽８内の横方向の両端に
てＵ字形の湾曲を繰返し、蛇行形状をなす例えば銅管を
用いた蓄熱氷形成用管路９と、この管路を支持する支持
部１０とを備えている。管路９は、紙面垂直方向に多数
並設してあり、この並設した各管路９は紙面垂直方向に
延在する管路であるヘッダー１１、１２に接続して、合
流するとともに、各ヘッダー１１、１２には蒸発器７に
至る管路１３、１４を接続して氷蓄熱用熱伝達媒体の閉
ループを形成している。また、管路９は水槽８内の水面
よりも下方に配置してある。さらに、管路１３、１４に
設けた切換弁Ｘ、Ｙにより、管路９と蒸発器７との間の
循環に代えて、管路９から管路１３ａを経て、図示しな
い熱交換器を介して管路１３ａに接続した管路１４ａを
通り、管路９に戻る循環に切換え可能となっている。

【０００３】一方、凝縮器４には、冷却水を凝縮器４の
内外に循環させるための冷却水用管路１７が接続してあ
る。そして、冷媒を圧縮機３により圧縮して、高圧、高
温ガス状態で吐出し、これを凝縮器４にて管路１７内の
水との間の熱交換により冷却して凝縮（液化）させる一
方、管路１７内の水を昇温させている。さらに、この凝
縮した高圧の冷媒液を受液器５に溜めた後、膨張弁６で
の絞り膨張により降圧させ、低温ガス、液状態で蒸発器
７に至らせ、ここで管路１３、１４を循環する水との間
の熱交換により気化させ、低圧、低温ガス状態にして圧
縮機３に戻し、以後上記同様に冷媒を循環させるように
なっている。また、蒸発器７での冷媒との間の熱交換に
より冷却した熱伝達媒体を管路１４、ヘッダー１２を経
て管路９に至らせ、ここで水槽８内の水１５と間で熱交
換させ、即ちこの水１５から奪熱させた後、ヘッダー１
１、管路１３を経て蒸発器７に戻し、以後上記同様にし
て熱伝達媒体を蒸発器７と管路９との間で循環させて、
管路９の外周部に氷を形成させている。

【０００４】さらに、切換弁Ｘ、Ｙを切換えることによ
って、この氷が融解する際に周囲から奪う大きな融解熱
を利用して管路９を流動するする熱伝達媒体を冷却し、
冷却された熱伝達媒体を管路１３ａから管路１４ａに流
動させることにより、上記熱交換器を介して装置外の所
望の空間の冷房が可能となっている。そして、電力消費
量の多い夏場において上記氷の形成を深夜に行い、即ち
深夜電力を使って氷の形成を行って、冷熱を蓄えてお
き、昼間はこの氷蓄熱を利用して冷房を行うことによ
り、従来夏場の昼間に集中していた電力消費量の昼夜間
での平準化が図れるようになっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の氷蓄熱槽
２、即ち氷蓄熱利用時に管路９の内側に熱伝達媒体を流
動させて、管路９の内側から間接的に管路９の周囲の氷
を融解させる内融式氷蓄熱槽２の場合、次のような問題
が生じる。図１０に示すように、この氷蓄熱槽２では、
管路９内から氷１５ａを融解させるため、氷１５ａは管
路９の周囲から融解して、管９ａの周囲に水１５ｂは滞
留するため、解氷速度や氷蓄熱の取り出し温度に制約が
生じる。また、水槽８内の水１５は静止しているため、
氷の周囲の水１５は自然対流でしか熱伝達しないことか
ら、この点からも解氷速度や氷蓄熱の取り出し温度に大
きな制約が生じる。

【０００６】ところで、上記内融式のもの以外に、図９
において、切換弁Ｘ、Ｙおよび管路１３ａ、１４ａに代
えて、氷蓄熱槽２の図中左方に２点鎖線にて示す管路１
８を設けた氷蓄熱槽、即ち管路９の周囲の氷を管路９の
外部の水槽８内の水１５を循環させることにより、氷を
融解させ、氷蓄熱を取り出す外融式の氷蓄熱槽もある
が、この場合には以下の問題が生じる。図１１に示すよ
うに、外融式の氷蓄熱槽では、管路９の周囲の氷１５ａ
を直接水槽８内の水１５で融解させるため、低温水を大
量に使用することができるが、管路を構成する各管間の
氷１５ａ同志がつながる、いわゆるブリッジング現象が
生じて、水が流れなくなるゾーンができる。このため、
このゾーンでは氷の融解は起こらず、製氷時、水槽８内
の水１５を氷にする割合である氷生成率（ＩＰＦ）は４
０〜５０％に制限される。またこのため、管路９の周囲
の氷をすべて融解させてしまうための運転を定期的に行
なう等の運転上の配慮が必要となる。

【０００７】さらに、内融式、外融式のいずれの氷蓄熱
槽においても、製氷時、水槽８内の水１５の温度低下に
ともない、密度が最大の４°Ｃの水が水槽８の下部に溜
まり、この結果、水槽８の上下部で氷生成速度が異な
り、製氷性能の低下をもたらす。本発明は、斯る従来の
問題点を課題としてなされたもので、製氷時の製氷性
能、低温出力の向上、および解氷時の解氷速度の改善を
可能としたヒートポンプ用内融式氷蓄熱槽を提供しよう
とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、第１発明は、水槽と、この水槽内にてＵ字形の湾曲
を繰返し、蛇行形状をなす蓄熱氷形成用管路と、この管
路を支持する支持部とを備え、ヒートポンプの蒸発器で
の熱交換により奪熱され、温度降下した熱伝達媒体を上
記蒸発器と上記管路との間で循環させ、上記水槽内の水
との熱交換により、この管路の外周部に氷を形成するヒ
ートポンプ用内融式氷蓄熱槽において、上記管路の下方
に多数の吸込み孔を有する吸込み管と、一端が上記水槽
の上部に開口した吐出管と、上記吸込み管を介して水槽
内の水を吸込み、この吸込んだ水を上記吐出管に吐出す
る水ポンプとからなる水循環装置を設けた構成とした。

【０００９】また、第２発明は、水槽と、この水槽内に
てＵ字形の湾曲を繰返し、蛇行形状をなす蓄熱氷形成用
管路と、この管路を支持する支持部とを備え、ヒートポ
ンプの蒸発器での熱交換により奪熱され、温度降下した
熱伝達媒体を上記蒸発器と上記管路との間で循環させ、
上記水槽内の水との熱交換により、この管路の外周部に
氷を形成するヒートポンプ用内融式氷蓄熱槽において、
上記支持部を、多数の管路用貫通孔を複数列に形成し
て、上下に間隔をあけて平行配置し、かつ上下方向に上
記各貫通孔の位置を一致させた上、下管板を設けて形成
し、上記各貫通孔を上下方向に管を貫通させて上記管路
を形成するとともに、上記管路の下方に多数の吸込み孔
を有する吸込み管と、一端が上記水槽の上部に開口した
吐出管と、上記吸込み管を介して水槽内の水を吸込み、
この吸込んだ水を上記吐出管に吐出する水ポンプとから
なる水循環装置を設けた構成とした。

【００１０】

【作用】第１発明のように構成することにより、製氷
時、水槽内の水温が上下均一となり、上下均一に製氷が
行われるようになる。また、第２発明のように構成する
ことにより、第１発明における作用に加えて、解氷時、
管路の周囲の水の上下方向の循環により、水と氷との間
の熱交換が良好となる結果、水は解氷温度である０°Ｃ
近くになる。

【００１１】

【実施例】次に、本発明の一実施例を図面にしたがって
説明する。図１は、第１発明に係る内融式氷蓄熱槽２１
を備えた空調装置を示し、図９に示す空調装置とは氷蓄
熱槽２に代えて氷蓄熱槽２１を採用した点を除き、他は
実質的に同一であり、互いに共通する箇所については同
一番号を付して説明を省略する。本実施例では、管路９
の下方に多数の吸込み孔を有する吸込み管２２と、一端
が上記水槽８の上部に開口した吐出管２３と、上記吸込
み管２２を介して水槽８内の水１５を吸込み、この吸込
んだ水を上記吐出管２３に吐出する水ポンプ２４とから
なる水循環装置２５を設けて氷蓄熱槽２１が形成してあ
る。そして、このように水循環装置２５を設けることに
より、水槽８内の水１５の上下方向の対流を促進して、
上下の水温を均一にして、上下均一な製氷を可能とし、
製氷性能を向上させるようにしてある。

【００１２】なお、第１発明は、図１に示すように管路
９の直線部が横方向になるようにしたものに限定するも
のでなく、下記するように上記直線部が縦方向になるよ
うに配置した管路を備えた氷蓄熱槽も含むものである。
図２〜図４は、第２発明に係る内融式氷蓄熱槽３１を備
えた空調装置を示し、図１に示す空調装置とは氷蓄熱槽
２１に代えて氷蓄熱槽３１を採用した点を除き、他は実
質的に同一であり、互いに共通する箇所については同一
番号を付して説明を省略する。本実施例では、多数の管
路用貫通孔３２を複数列に形成した、例えばステンレス
材からなる上、下管板３３、３４を枠体３５の上下部に
取付け、この上、下管板３３、３４をそれらの各貫通孔
３２の上下方向の位置が一致するように、上下に間隔を
あけて平行配置して蓄熱氷形成用管路９を支持する支持
部３６が形成してある。

【００１３】管路９は、下管板３４から上管板３３に向
けて、両管板の貫通孔３２に貫通させた多数の、例えば
銅製のＵ字形下部湾曲管３７と、隣接するこの下部湾曲
管３７の上方に開口した二つ端部に嵌合させ、嵌合部
を、例えば銀ろう付けにより接合して隣接するこの下部
湾曲管３７同志を接続する多数の、例えば銅製のＵ字形
上部湾曲管３８とからなっている。そして、上部湾曲管
３８が水槽８内の水面よりも下方に位置するように形成
してある。さらに、本実施例では、第１発明にて設けた
ものと実質的に同一構成の水循環装置２５を設けて、水
槽８内の水１５の対流を促進して、第１発明の場合と同
様の作用を生じさせている。

【００１４】即ち、管路１３ａ、１４ａを使用している
解氷時、水循環装置２５により水を循環させているた
め、管路９の回りの水の流動により水と氷との間の熱交
換が良好となり、水は解氷温度である０°Ｃ近くにな
り、低温出力および解氷速度が改善される。水槽８内
は、水を循環させない場合でも、自然対流により水温分
布は０°Ｃ〜４°Ｃという非常に小さい範囲にあり、水
ポンプ２４は非常に小容量のものでも、それによる強制
対流によって水槽８内の水温の上下均一化ができ、上記
改善が可能となる。例えば、水槽８が１５ｍ³の場合、
０．４ＫＷの水ポンプ２４で十分な温度均一作用を生じ
ることが確認された。さらに、水槽８内の氷は、上、下
管板３３、３４、および管路９との接触部から先に融解
して、この接触部に流路が形成され、水の強制流動によ
ってこの流路内に水流が起こされ、管路９の周囲に水が
滞留することがなくなる。そして、この結果管路９の周
囲への冷却された水の供給が保たれ、良好な低温出力お
よび解氷速度を得ることが可能となる。

【００１５】さらに、内融式の氷蓄熱槽においては、水
循環装置２５を設けない場合、管路１３ａ、１４ａによ
る冷房能力には限界があり、例えば急速冷房したい場合
でもできないが、本実施例では、水ポンプ２４に、例え
ば可変容量式のモータを用いることにより、ポンプ容量
を大きくして、水槽８内の水流を大きくすることによ
り、上記冷房能力を向上させることが出来るようにな
る。なお、水循環装置２５の吸込み管２２は、管路９の
各列、或は各行の両側下方に、一様に設けるのが好まし
い。図５〜図８は、氷蓄熱槽３１の水温に関するデータ
を示し（横軸：経過時間、縦軸：水温（°Ｃ）、曲線I
が水槽上部平均温度、曲線IIが水槽下部平均温度を示
す）、このうち、図５が水循環装置２５を使用した解氷
時の場合、図６が水循環装置２５を使用しない解氷時の
場合、図７が水循環装置２５を使用した製氷時の場合、
図８が水循環装置２５を使用しない製氷時の場合であ
る。

【００１６】図から明らかなように、製氷時は、水循環
装置２５を使用しない場合、４°Ｃを境にして上下部の
水温が逆転して、水槽８の下部が氷のできる０°Ｃに到
るまでに長時間を要している。また、解氷時、水槽８の
下部に温かい水が溜まり、低温出力が得にくい状態にな
っている。これに対して、水循環装置２５を使用した場
合、水槽８の上下部の水温差が数度縮まっており、製氷
時には上下分布ともに均一に０°Ｃに近付き、解氷時、
水槽８の下部水温も低く保たれている。なお、製氷時、
水槽８内の上下部の水温が１°Ｃ以下になると、温度均
一化の必要がなくなるため、水ポンプ２４を停止させて
もよい。

【００１７】次に、上記構成からなる氷蓄熱槽２１の製
造方法について説明する。まず上記形状の上、下管板３
３、３４を、それらの貫通孔３２同志の上下方向の位置
を一致させるようにして取付け、両者を間隔をあけて平
行配置して支持部３６を形成する。ここで、上、下管板
３３、３４については、例えばＮＣ加工機で孔明け加工
することにより自動加工が可能である。また上、下管板
３３、３４と続いて配設される管路９とによって大きな
強度を有する構造体が形成されるので、枠体３５自身
は、例えばアングル材を６面体の各稜をなすように組み
合わせたも単純な構造で足りる。したがって、支持部３
６が容易に、かつ短時間に形成できるようになる。

【００１８】ついで、上下の貫通孔３２に下部湾曲管３
７を貫通させて、その開口端部に上部湾曲管３８を嵌合
させ、嵌合部を接合することにより管路９を形成する。
このように、貫通孔３２に下部湾曲管３７を通して、こ
れに上部湾曲管３８嵌合させ、接合するだけで管路９が
形成でき、同時にその固定も行えるので、氷蓄熱槽３１
の製造に要する手間が大幅に低減され、かつ管路９の固
定時の傷付けや、ゆるみ等の不具合の発生率の減少も可
能となっている。また、管路９の漏れの有無も氷蓄熱槽
３１の上部から目視確認できるとともに、漏れ部の修復
も氷蓄熱槽３１を分解することなくできるようになる。
管路９の形成、固定後、水循環装置２５を設けた水槽８
内に、枠体３５とともに管路９を配置し、これらをヘッ
ダー１１、１２等に配管接続することにより装置が形成
される。

【００１９】なお、図４中下管板３４の下方に２点鎖線
にて示すように、下部湾曲管３７と下管板３４との間の
相対的な位置関係を、下管板３４の下面が下部湾曲管３
７湾曲部と直線部との境界部と一致するようにするのが
好ましい。そして、このようにすることにより、下管板
３４の貫通孔３２に下部湾曲管３７を通せる所まで通す
だけで、自動的に位置決めが行われる。また、第２発明
は、管路９を構成する各管の直線部を縦方向に配置した
蛇行形状のものであればよく、管路９自体の構造上、管
路９の取付け構造については、なんら限定するものでは
ない。

【００２０】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
によれば、水槽と、この水槽内にてＵ字形の湾曲を繰返
し、蛇行形状をなす蓄熱氷形成用管路と、この管路を支
持する支持部とを備え、ヒートポンプの蒸発器での熱交
換により奪熱され、温度降下した熱伝達媒体を上記蒸発
器と上記管路との間で循環させ、上記水槽内の水との熱
交換により、この管路の外周部に氷を形成するヒートポ
ンプ用内融式氷蓄熱槽において、上記管路の下方に多数
の吸込み孔を有する吸込み管と、一端が上記水槽の上部
に開口した吐出管と、上記吸込み管を介して水槽内の水
を吸込み、この吸込んだ水を上記吐出管に吐出する水ポ
ンプとからなる水循環装置を設けて形成してある。この
ため、製氷時、水槽内の水温が上下均一となり、上下均
一に製氷が行われるようになり、製氷性能を向上させる
ことが可能になるという効果を奏する。また、第２発明
によれば、水槽と、この水槽内にてＵ字形の湾曲を繰返
し、蛇行形状をなす蓄熱氷形成用管路と、この管路を支
持する支持部とを備え、ヒートポンプの蒸発器での熱交
換により奪熱され、温度降下した熱伝達媒体を上記蒸発
器と上記管路との間で循環させ、上記水槽内の水との熱
交換により、この管路の外周部に氷を形成するヒートポ
ンプ用内融式氷蓄熱槽において、上記支持部を、多数の
管路用貫通孔を複数列に形成して、上下に間隔をあけて
平行配置し、かつ上下方向に上記各貫通孔の位置を一致
させた上、下管板を設けて形成し、上記各貫通孔を上下
方向に管を貫通させて上記管路を形成するとともに、上
記管路の下方に多数の吸込み孔を有する吸込み管と、一
端が上記水槽の上部に開口した吐出管と、上記吸込み管
を介して水槽内の水を吸込み、この吸込んだ水を上記吐
出管に吐出する水ポンプとから形成してある。このた
め、第１発明による効果に加えて、解氷時、管路の周囲
の水の循環により、水と氷との間の熱交換が良好となる
結果、水は解氷温度である０°Ｃ近くになり、低温出
力、および解氷速度の改善が可能となる他、従来内融式
の氷蓄熱槽では、急速冷房したい場合の低温出力の増大
ができないのに対して、第２発明によれば、水ポンプの
容量を大きくすることにより低温出力の増大が可能にな
るという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１発明に係る氷蓄熱槽を適用した空調装置
の概略全体構成図である。

【図２】第２発明に係る氷蓄熱槽を適用した空調装置
の概略全体構成図である。

【図３】図２に示す装置の氷蓄熱槽の平面図である。

【図４】図３のIV−IV線断面図である。

【図５】水槽内の水温と経過時間との関係を示す図で
ある。

【図６】水槽内の水温と経過時間との関係を示す図で
ある。

【図７】水槽内の水温と経過時間との関係を示す図で
ある。

【図８】水槽内の水温と経過時間との関係を示す図で
ある。

【図９】従来の内融式氷蓄熱槽を使用した空調装置の
概略全体構成図である。

【図１０】図９に示す内融式氷蓄熱槽の管路を構成す
る各管の周囲の解氷状態を示す図である。

【図１１】外融式氷蓄熱槽の管路を構成する各管の周
囲の氷の状態を示す図である。

【符号の説明】

１ヒートポンプ３圧縮機７蒸発器９管路１０支持部１３，１４管路２１氷蓄熱槽２２吸込み管２３吐出管２４水ポンプ２５水循環装置３１氷蓄熱槽３２貫通孔３３上管板３４下管板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者神崎奈津夫兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目３番１号株式会社神戸製鋼所高砂製作所内 (72)発明者住元弘明兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目３番１号株式会社神戸製鋼所高砂製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水槽と、この水槽内にてＵ字形の湾曲を
繰返し、蛇行形状をなす蓄熱氷形成用管路と、この管路
を支持する支持部とを備え、ヒートポンプの蒸発器での
熱交換により奪熱され、温度降下した熱伝達媒体を上記
蒸発器と上記管路との間で循環させ、上記水槽内の水と
の熱交換により、この管路の外周部に氷を形成するヒー
トポンプ用内融式氷蓄熱槽において、上記管路の下方に
多数の吸込み孔を有する吸込み管と、一端が上記水槽の
上部に開口した吐出管と、上記吸込み管を介して水槽内
の水を吸込み、この吸込んだ水を上記吐出管に吐出する
水ポンプとからなる水循環装置を設けたことを特徴とす
るヒートポンプ用内融式氷蓄熱槽。
【請求項２】水槽と、この水槽内にてＵ字形の湾曲を
繰返し、蛇行形状をなす蓄熱氷形成用管路と、この管路
を支持する支持部とを備え、ヒートポンプの蒸発器での
熱交換により奪熱され、温度降下した熱伝達媒体を上記
蒸発器と上記管路との間で循環させ、上記水槽内の水と
の熱交換により、この管路の外周部に氷を形成するヒー
トポンプ用内融式氷蓄熱槽において、上記支持部を、多
数の管路用貫通孔を複数列に形成して、上下に間隔をあ
けて平行配置し、かつ上下方向に上記各貫通孔の位置を
一致させた上、下管板を設けて形成し、上記各貫通孔を
上下方向に管を貫通させて上記管路を形成するととも
に、上記管路の下方に多数の吸込み孔を有する吸込み管
と、一端が上記水槽の上部に開口した吐出管と、上記吸
込み管を介して水槽内の水を吸込み、この吸込んだ水を
上記吐出管に吐出する水ポンプとからなる水循環装置を
設けたことを特徴とするヒートポンプ用内融式氷蓄熱
槽。