JPH0615942B2 - 蓄熱用製氷装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は，空調用氷蓄熱を行う場合の製氷装置に関す
る。

〔従来の技術並びに問題点〕

氷蓄熱空調システムにおける氷製造法は，大別すれば，
間接熱交換方式と直接熱交換方式が従来より知られてい
る。間接熱交換方式は，製氷用伝熱管（熱交換器）を用
いる方法であり，伝熱管内（外）に低温の冷媒（ブライ
ン，フレオン等）を流し，管外（内）に氷を生成する方
法である。他方の直接熱交換方式は，冷媒ガスを水中に
直接吹き込む方式である。

伝熱管による間接方式では，被冷却液が水の場合，生成
した氷は管壁に着氷して生長する。この場合，氷の熱伝
導率は悪いので着氷の厚みが増すほど氷の生長速度が遅
くなるという欠点がある。氷の生長を促進するためには
冷媒温度も着氷の厚みが増すほど下げる必要があり，こ
のために冷凍機の成績係数(COP)が下がる欠点をもつ。
また，水槽内での氷の充填率(IPF)を大きくするには伝
熱管のピッチを細かくすることが必要となり，ひいては
水中に浸漬する伝熱管の相対容積が増大することにな
り，氷蓄熱のための有効容積の減少を来すことになる。
したがって，蓄熱効率は普通の蓄熱水槽（冷水蓄熱）に
比べて格段によくなるというわけのものでもない。

このため，伝熱管方式ではあるが，管壁に着氷させない
方式として，被冷却液にエチレングリコール等の不凍液
を混ぜる方式が最近注目されている。この方式では伝熱
面に着氷することなくシヤーベット状の氷が被冷却液の
液中に生成する。このため，氷の充填率(IPF)を30〜60
％にまで高めることができる。しかし，氷の生成に伴っ
て被冷却液中のエチレングリコール濃度が高くなるので
冷媒温度はこれに伴って−10〜−20℃程度へと徐々に下
げなければならない。このため，冷凍機の成績係数(CO
P)が低下するという問題がある。さらに，伝熱管表面は
例えば鏡面仕上げを施したような滑らかなものを使用し
なければ管壁に着氷するので，熱交換器は自ずと高価な
ものになる。

一方，直接熱交換方式では，冷媒温度は０℃近くの温度
で使用できるので，冷凍機の成績係数は上がる。また，
金属の伝熱面を持たないので着氷による氷塊の発生はな
く，従って氷充填率は50〜60％程度となる。しかし冷媒
ガス中に水が入り，フロンと水とが反応して腐食性の塩
素ガスを発生するという問題が生ずる。

本発明は，かような問題点をもつ従来の製氷法に代わる
新規な蓄熱用製氷装置の開発を目的としてなされたもの
である。

〔発明の構成〕

前記の目的を達成せんとする本発明の要旨とするところ
は，蓄熱水槽と，この蓄熱水槽の水層の外に設置した冷
却器と，該蓄熱水槽の水の一部を該冷却器に給水する給
水管路と，該冷却器を出た水を該蓄熱水槽に流出させる
経路と，からなる蓄熱用製氷装置であって，該冷却器
が，冷媒がその中を通過する容器と，この容器内を上下
方向に貫通するように配置された冷却管とからなり，こ
の冷却管の上方の端部を水容器内に開口すると共にこの
水容器に前記の給水管路を接続したことを特徴とする蓄
熱用製氷装置を提供するものである。

すなわち本発明は，蓄熱水槽内の水の一部を槽外に設置
した冷却器で０℃以下にまで強制冷却するものである
が，この冷却器では氷が実質的に生成しない状態の過冷
却水を作り，冷却器を出てから氷を析出させることに特
徴がある。このために冷却器の冷却管内を定常状態の連
続流れが形成されるように水を流し，冷却器を出たあと
は過冷却水から氷が析出できる状態変化を起こさせるも
のである。

以下に図面を参照しながら本発明の内容を具体的に説明
する。

第１図は本発明を実施する装置の例を示した機器配置系
統図であり，１は蓄熱水槽，２は槽内の水，３は冷却
器，４は蓄熱水槽１から冷却器３への給水管路，５はそ
の管路に介装された給水ポンプである。冷却器３は図示
の例では冷凍サイクルにおける蒸発器を使用しており，
このために，圧縮機６，凝縮器７，膨張弁８およびこの
冷却器３との間を冷媒配管することによってヒートポン
プが形成されている。

第２図は，第１図の冷却器３を半身切り欠きの拡大図で
示したものである。第２図に見られるように，この冷却
器３は，冷媒がその中を通過する容器10と，この容器10
内を上下方向に貫通する複数本の冷却管11とからなって
いる。図示の例では容器10は軸を垂直にした円筒シエル
からなり，この円筒シエルの上板12と下板13を，垂直方
向の冷却管11が気密に貫通している。容器10は冷媒導入
口14と冷媒出口15を有した密閉容器である。各冷却管11
の上端と下端はいずれも開口しており，上端開口が冷却
管11への水取入れ口16，下端開口が冷却管11からの過冷
却水出口17となっている。

冷媒容器10の上板12の上方には，水容器18が接続されて
いる。図示の例ではこの水容器18は冷媒容器10と同じ径
の円筒容器であり，この水容器18の中に冷却管11が実質
的な長さをもって延び出している。冷却管11が水容器18
内に延び出した部分は本発明において水の流れを定常化
するための助走路として機能する。水容器18には水導入
口19が比較的下方に，そしてオーバーフロー孔20が上部
に設けられている。冷却管11の上端の水取入れ口16が，
水容器18の水導入口19よりも上方で且つオーバーフロー
孔20よりも下方の位置となる関係をもってこれらが設置
される。

このように構成した冷却器３を，第１図のように蓄熱水
槽１の水面より上方の位置にセットし，給水管路４を水
容器18の水導入口19に接続したうえオーバーフロー孔20
からのオーバーフロー水を再び蓄熱水槽１に戻すように
オーバーフロー管21を取付ける。これによってポンプン
５を稼働して蓄熱水槽１内の水を水容器18に給水する
と，水容器18内では一定の液面を保ちつつ冷却管11内を
水が流下し，蓄熱水槽１に流出落下する。一方，冷媒容
器10の冷媒出口15は圧縮機６に接続し，圧縮機６，凝縮
器７および膨張弁８を経たうえ，その冷媒管路を冷媒容
器10の冷媒導入口14に接続してヒートポンプを形成す
る。凝縮器７には冷却水を通水して圧縮機６から吐出す
る高圧冷媒から抜熱して高圧冷媒を凝縮し，膨張弁８で
絞ったうえ冷媒容器10内に吐出気化させることによって
冷却管11を冷却する。ここでの冷却温度を適正に調節す
ることによって，冷却管11内を落下する水を零度℃以下
の温度に冷却する。

本発明においては，この冷却管11内を流れ落ちる水流を
連続した定常流とすることによって，零度℃以下ではあ
るが，氷への相変化を起こさずに冷却管11の外に流出さ
せる。すなわち，冷却管11では過冷却水を作るのであ
り，管壁に着氷させないようにして冷却管11から流出さ
せる。このためには，管内を流れる水が脈動したり部分
的に温度差が生じたりすることを出来るだけ避けること
が必要である。しがって，冷却管11内を流れ落ちる水の
流れを定常的にすると共に冷媒温度を適正に制御するこ
とが肝要である。前者の定常流を得るには，各冷却管11
の水導入口19を，液面が常時一定に維持される水容器18
内の液面下に開口させ，その開口の状態を適正にするこ
とによって達成できる。このためには，各冷却管11の上
端開口部にオリフイスを取付けるのも有益である。後者
の温度制御に関しては，これをより正確に行うには，冷
却管11内を流れ落ちる流量は定まる（装置条件例えば冷
却管11の開口の大きさ，その開口の水面からの距離，管
壁の表面状態等によって一定値に定まる）から，冷却管
11に導入される前の水温を検出し，この検出水温に応じ
て圧縮機６の回転数制御を行うようにするのが実際上は
便宜である。このような制御は，装置を構成してからそ
の運転状態を観察しながら適正に調整すればよく，この
ようなことは当業者ならば正確に行い得る。

なお，冷却器３は前記のように冷凍サイクルの蒸発器と
して機能させる場合のほか，冷凍機ブラインをこれに通
液して冷却するものであってもよい。この場合にはブラ
インの通液量と温度の制御を行って適正な冷却を行えば
よい。

このようにして，冷却管11からは０℃以下の過冷却水が
流出することになるが，本発明においては，この過冷却
水を蓄熱水槽１に流出させるさいに，または蓄熱水槽１
に戻した後で，この過冷却水から氷を析出させる相変化
を起こさせる。この相変化は過冷却状態にある水に物理
的な変化を与えるのが好ましい。この物理的変化として
は，各冷却管11から蓄熱水槽１の液面に過冷却水を落下
させるさいに生じる衝撃エネルギーを利用するのが最も
簡単であるが，これだけでは不十分である場合には，第
１図に示したように，蓄熱水槽１の水層２内に冷却器23
を挿入しておき，この冷却器23によって蓄熱水槽１内に
落下した過冷却水をさらに冷却するようにすればよい。
すなわち，冷却器23の管壁に予め間接方式により氷を生
成させておき，その氷に過冷却水を当てることによって
過冷却水を相変化させて氷を生成させる。

槽内の冷却器23は，該冷却器３と共通の冷凍サイクルを
利用して冷却機能を付与することができる。すなわち，
凝縮器７から冷却器３の膨張弁８に至る冷媒液管路24か
ら分岐管25を採り，膨張弁26をこの分岐管25に介装した
うえ冷却器23に接続し，冷却器23から圧縮機６への吸込
管に接続すればよい。そのさい，管路24と分岐管25には
開閉弁27と28を取付けておき，冷媒液の通液量を制御で
きるようにしておく。

また，過冷却水から氷の核を発生させるために超音波を
利用することもできる。第３図はその具体例を示したも
のである。すなわち，超音波振動素子30を水層２の液面
近くに浸漬し，過冷却水が流下してくる方向に超音波を
発振させるようにしたものである。31は発振器を示す。
これによって各冷却管11から水層２に落下する過程の過
冷却水および水層２に落下した過冷却水に氷の核が無数
発生し，この無数の核を起点として過冷却水が相変化し
て氷が析出し，全体としては微細な氷の集合となる。な
お，第３図において第１図と同じ符号を付した要素は第
１図で説明したものと同じものである。

以上のようにして，本発明によると，伝熱管を利用した
製氷でありながら伝熱管に着氷を起こすことなく製氷で
き，しかもその氷は微細なシヤーベッド状となる。そし
て，水の連続的な流れを冷却するのであるから大量の氷
を作るのにも小型の冷却器でよく，且つその冷却温度は
−５℃付近でよいから冷凍機の成績係数が高くなり冷凍
機動力も少なくてすむ。したがって，非常に小型の装置
構成のもとで空調用蓄熱製氷が簡単に行えると共に既設
の蓄熱水槽に対してものそ蓄熱水槽の構造を改変するこ
となく簡単に製氷蓄熱水槽に変えることができ，その設
備費用や運転費用は非常に経済的であるという優れた効
果を発揮する。また空調機器などが稼働している間でも
製氷ができるし不凍液などを使用しない点でも有利な面
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の製氷蓄熱を行う装置の例を示す機器配
置系統図，第２図は第１図の冷却器の一部切り欠き拡大
図，第３図は本発明の製氷蓄熱を行う装置の他の例を示
す機器配置系統図である。 １……蓄熱水槽，２……水層，３……冷却器，４……冷
却器への給水管路，５……給水ポンプ，６……圧縮機，
７……凝縮器，８……膨張弁，10……冷媒容器，11……
冷却管，16……冷却管への水導入口，17……冷却管から
の水出口，18……水容器，20……オーバーフロー孔，23
……槽内の冷却器，30……超音波振動素子。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】蓄熱水槽と，この蓄熱水槽の水層の外に設
   置した冷却器と，該蓄熱水槽の水の一部を該冷却器に給
   水する給水管路と，該冷却器を出た水を該蓄熱水槽に流
   出させる経路と，からなる蓄熱用製氷装置において，前
   記の冷却器が，冷媒がその中を通過する容器と，該容器
   内を上下方向に貫通するように配置された冷却管とから
   なり，この冷却管の上方の端部を水容器内に開口すると
   共にこの水容器に前記の給水管路を接続したことを特徴
   とする蓄熱用製氷装置。
2. 【請求項２】給水管路は水容器の下方に接続され，水容
   器の上方にはオーバーフロー孔が設けられている特許請
   求の範囲第１項記載の蓄熱用製氷装置。