JPH06281208A - 氷蓄熱装置，潜熱搬送装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】第１の液体の凝固した氷や第２の液体を含まな
い冷水のみを循環系に供給し、配管系が氷によって塞が
れることがなく、第２の液体を回収ラインから回収する
ことが容易な氷蓄熱装置を提供する。 【構成】氷蓄熱槽１の底部を傾斜状とし、低い側に冷媒
の貯留部１ａを設け、この貯留部１ａと反対側の側壁１
ｂに取水口１ｃを設ける。取水口１ｃには、外部側に分
離槽６を接続し、内部側に取水部８を接続する。分離槽
６には、内部に一対の仕切板６ａ，６ｂと分離膜６ｃを
設ける。貯留部１ａには、水−冷媒分離器２，冷媒循環
ポンプ３，冷凍機４を接続し、この冷凍機４の吐出側を
氷蓄熱槽１の側壁１ｄの中間高さ位置に設けた冷媒噴出
口５に接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、主に夜間の電力を使用
し蓄熱槽にシャーベット状の氷を生成することにより冷
熱を蓄熱し、これを昼間解氷し冷房空調に利用する氷蓄
熱装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の空調システムにおいては、夏期に
おける冷房負荷の急増に伴い負荷ピーク時の電力不足の
恐れがあり、また、夜間の割安な電力を利用して冷水を
生成して蓄熱し、これを昼間冷房に利用することにより
経済性が向上する点等から、蓄熱タイプの空調システム
が開発されている。

【０００３】このような蓄熱装置を有する空調システム
は、多数あるが、その中でも蓄熱装置の容量が冷水時よ
りも格段に小さくて済む氷蓄熱装置を有する空調システ
ムの研究が盛んに行われ、既にいくつかが実用化されて
いる。

【０００４】その中で、第１の液体として水を用い、第
２の液体として比重 1.7〜 1.8の弗素系不溶性液体を熱
媒体として用い、この熱媒体を冷凍機で０℃以下に冷却
して水中で水と直接接触させることにより効率よく熱交
換を行い氷を製造する技術がある。

【０００５】この方法によれば、水と不凍液との直接接
触熱交換により熱交換が効率良く行われ、生成された氷
は微細な氷板を形成し、浮力によって蓄熱槽上部へ移動
する。したがって、不凍液との接触には常に０℃の水が
関与し連続的に氷を製造することが可能となる。このた
め、製氷効率が高い特徴を有している。また、現在負荷
施設に冷熱を搬送する方法として、蓄熱槽内にある氷と
高温の還流水とを混合し冷水にした状態で搬送する方法
がとられている。

【０００６】この場合、搬送する冷熱量を大きくするた
めには循環させる流量を増大させなければならず、配管
の直径を大きく設計する必要がある。このため、配管コ
ストの負担が大きく、特に地域冷熱供給（ＤＨＣ）等の
大型な冷熱供給システムでは、この負担はさらに大きく
なる。

【０００７】一方、冷水と共に生成された氷を直接固液
２相流の状態で搬送する技術が研究されている。この方
法においては、冷水搬送に比べて搬送可能な冷熱量が格
段に大きくなり、それにしたがって配管の直径を小さく
でき、また循環させる流量を小さくできるため、搬送動
力も小さくて済む等の経済性も良い特徴を有している。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、実用と
して運用する際には以下に説明する問題が存在し、正常
で安定した機能を維持する点で改良されるべき部分があ
る。すなわち、上述したように水との直接接触によって
生成された微細な氷が蓄熱槽上部へ浮上しある厚さまで
堆積した後で、蓄熱槽内にある水を槽外の冷水循環系へ
導こうとする場合、水中への噴出口より出た第２の液体
の蓄熱槽底部にある回収口よりも更に下部、または回収
口の上部に貯留される第２の液体とその上部に存在する
水との界面よりも下部に第１の液体（水）の取水口を設
置すると、取水口より第２の液体を巻き込む危険性があ
る。

【０００９】また、噴出口より落下していく第２の液体
の液滴が広がる範囲内に第１の液体（水）の取水口を設
置した場合にも、第２の液体を巻き込む可能性があり、
水槽上部に貯留した氷の中にも第２の液体が存在するの
で、この第２の液体が時間の経過と共に自然に落下する
が、この落下する第２の液体を、第１の液体（水）を取
水する際にその取水口より巻き込む可能性がある。

【００１０】さらに、水中に存在し、自然落下によって
分離できない微量の第２の液体は、解氷時に蓄熱槽上部
より大量に温水を散布した場合、温水の流れと共に水槽
内を下降し、第１の液体（水）の取水口より流出するこ
とがあり、このとき対流している氷も第１の液体（水）
の取水口より流出することもある。

【００１１】一方、上述したような固液２相流の潜熱搬
送時において、製氷装置よりこの固液２相流を直接負荷
施設へ搬送するシステムでは、冷熱搬送量は搬送開始時
の氷充填率（以下、ＩＰＦという）によって決められ、
しかも搬送途中に氷が若干融解してしまうために、負荷
施設へ達する時にはＩＰＦが低下している可能性があ
る。また、ＩＰＦの高い氷を送ることによりこの問題を
解決しようとすると、氷は互いに付着し合い大きな塊と
なる可能性も大きくなる。したがって、複数の負荷施設
へＩＰＦを揃えて均等に分配したり、特定のＩＰＦを確
保しつつ搬送することは困難である。このため、各負荷
施設ごとに搬送管を設置しなければならない。

【００１２】そこで、本発明の目的は、第１の液体の凝
固した氷や第２の液体を含まない冷水のみを循環系に供
給し、配管系が氷によって塞がれることがなく、第２の
液体を回収ラインから回収することが容易な氷蓄熱装置
を提供することにある。また、本発明の他の目的は、冷
熱搬送の中間でＩＰＦを任意に調節でき、配管系をシン
プルとして経済性を向上した潜熱搬送装置を提供するこ
とにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記第１の目
的を達成するため、空調用蓄熱媒体として液体の凝固時
の潜熱を用いる蓄熱装置であって、蓄熱槽内の第１の液
体の中に、この第１の液体より凝固点が低く、かつ互い
に混合・化合することがなく不溶性である第２の液体を
冷凍手段を介して第１の液体の凝固点以下に冷却した後
に噴射させる手段を有し、第１の液体の一部を直接接触
熱交換により冷却凝固させ、その潜熱を吸収することに
より冷熱を蓄える氷蓄熱装置において、第１の液体を蓄
熱槽外へ導出するための取出部を、第２の液体の回収部
より高所で、かつ第２の液体の噴出部から離間した部位
に配設したことを特徴とするものである。

【００１４】また、本発明は、上記第２の目的を達成す
るため、空調用蓄熱媒体として液体の凝固時の潜熱を固
液２相流によって搬送する潜熱搬送装置であって、搬送
される固液２相流に渦状の流れを誘起させ、密度差によ
り２相を分離させる分離槽を備え、この分離槽の２箇所
以上に流出管を設けたことを特徴とするものである。

【００１５】

【作用】第１の目的を達成するための発明によれば、夜
間の製氷運転が終ってシャーベット状の氷が蓄熱槽上部
に堆積する状態で、中間の冷房を開始するための解氷時
に冷房負荷より戻る温水を上部から散布しながら第１の
液体を取出すと、第１の液体が取出部へ流入するが、こ
のとき鉛直下向きから上方へ向うように流れを変えるの
で、解氷と共に第１の液体中を落下する第２の液体は取
出部へ混入されることなく、蓄熱槽底部へ落下する。し
かしながら、落下しないで浮遊する微量の第２の液体や
微小の氷が取出部を通過する。この取出部を通過した微
量の第２の液体や微小の氷は、分離槽において第１の液
体から分離され、分離器より下流に流れることはない。

【００１６】また、第２の目的を達成するための発明に
よれば、製氷装置より搬送されてくる固液２相流は、分
離槽内における渦状の流れの中で、密度差により発生す
る遠心力差および重力差によって水中の氷が上昇する。
この上昇した氷は、回転可能とした撹拌体により大きな
塊とならずに溜まっていき、分離槽上部のＩＰＦは上昇
する。また、水は、分離槽下部から排出され、冷水とし
て利用される。

【００１７】分離槽上部の流出管からは、冷房負荷へＩ
ＰＦの上昇した固液２相流を搬送する。このＩＰＦより
低い値で冷房負荷へ搬送する必要が生じた場合には、分
離槽下部から排出・利用される冷水を、上部の流出管に
供給し、必要とするＩＰＦに調節する。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図１は、本発明の一実施例を示す構成図である。
同図において、１は氷蓄熱槽で、この氷蓄熱槽１は、底
部を傾斜状とし、この低い方の部分に冷媒（第２の液
体）の貯留部１ａを形成し、この貯留部１ａと反対側の
側壁１ｂの下部に取水口１ｃを設けている。

【００１９】貯留部１ａには、水−冷媒分離器２，冷媒
循環ポンプ３，冷凍機４より成る冷媒循環ラインが接続
され、冷凍機４の出口側は氷蓄熱槽１の側壁１ｄの中間
高さ位置に設けられた冷媒噴出口５に接続される。

【００２０】また、取水口１ｃには、外部側に分離槽６
が接続され、この分離槽６には冷水循環ポンプ７が接続
され、内部側に取水部８が接続されている。分離槽６
は、内部に適宜間隔をもって上下方向に沿い、かつ氷蓄
熱槽１からの冷水が通過できるようにした一対の仕切板
６ａ，６ｂを設け、この一対の仕切板６ａ，６ｂの間に
分離膜６ｃを設けた構成としている。取水部８は、氷蓄
熱槽１の側壁１ｂを一面とする箱状に形成され、上面に
は空気抜き８ａを設け、下面は開口すると共に金網８ｂ
を設けた構成としている。

【００２１】次に、以上のように構成された実施例の作
用を説明する。冷凍機４によって０℃以下に冷却された
冷媒（第２の液体）10は、冷媒噴出口５から氷蓄熱槽１
内へ噴出され、槽内に氷片11を生成し槽内下部へ落下し
て貯留部１ａに貯留される。この貯留された冷媒10は、
水−冷媒分離器２で水が分離され、冷水循環ポンプ３を
介して再び冷凍機４に供給される。

【００２２】生成された氷片11は、浮力によって槽内上
部へ上昇しシャーベット状として堆積していくが、いく
つかは氷片同士が集まり氷塊（ふさ）12を形成し、槽内
を上昇する。この氷塊12は、槽内を浮遊する間に冷媒噴
出口５から噴出された冷媒10を取り込むものもあり、上
昇する際に取り込んだ冷媒10が落下するものと冷媒10を
取り込んだ状態で上部へ運ばれるものがある。

【００２３】氷塊12は槽上部に堆積した後、解氷ノズル
13を介して解氷することにより冷水が生成される。この
冷水を氷蓄熱槽１の外部、つまり冷房負荷へ供給する場
合、取水部８から取り入れられた冷水は、分離槽６へ流
入し、仕切板６ａ，６ｂ内の分離膜６ｃを流れた後冷水
循環ポンプ７を介して冷房負荷へ供給される。

【００２４】一方、冷水循環ポンプ７の駆動によって取
水部８へ引き寄せられるものには、冷水以外に、槽内の
氷片14、解氷によって上部から落下してくる冷媒10、落
下しないで槽内を浮遊する微小の冷媒10等がある。落下
する冷媒10は取水部８を形成する側壁により取水中に混
入することはなく、また、大形の氷塊12は取水部８に設
けた金網８ｂによって流入を阻止されるが、微小な氷片
14や微小な冷媒10等は取水部８を通過する。

【００２５】ところが、分離槽６内にある上下方向の仕
切板６ａ，６ｂを通過するには、一旦分離槽６の底部に
下降しなければならず、氷片14は浮力によって上昇する
から下降することが不可能で分離槽上部に残り、また、
混入された冷媒10は分離膜６ｃによって通過を阻止され
分離槽６内に残り、取水口１ｃより入った空気は取水部
上面の空気抜き８ａによって分離槽６に流れ込むことに
よって氷蓄熱槽１内に放出され上部へ移動する。したが
って、冷水のみが冷水循環ポンプ７によって冷房負荷に
供給される。

【００２６】次に、本発明の他の実施例を説明する。な
お、以下の説明においては、上述した実施例を第１実施
例という。図２は、本発明の第２実施例を示す構成図で
あり、図３は図２のＡ−Ａ断面図である。この第２実施
例は、取水部から分離槽へ接続する配管、分離槽および
冷水循環ポンプを、冷媒噴出ノズルを設ける側と同方向
側に設置しなければならない場合に適用するものであ
り、取水部15およびこの取水部15を取付ける配管16が上
述した第１実施例と異なる以外は同じ構成である。

【００２７】すなわち、取水部15は、氷蓄熱槽１内で貯
留部１ａと反対側の下部側に独立した状態で配置され、
冷媒噴出ノズル５から最も遠ざかるように分離槽６に接
続された配管16の端部に取付けられており、箱状に形成
されて上面に空気抜き15ａを設け、下面を開口して金網
15ｂを設けている。

【００２８】また、取水部15が取付けられる配管16が、
冷媒噴出ノズル５から落下する冷媒10に直接接触する位
置に配置されていると、配管16内の冷水が氷結し管内を
詰まらせる可能性があるため、配管16は氷蓄熱槽１の上
面より見た位置を図３に示すように側壁１ｄに沿って伸
びるように配置される。

【００２９】図４は、本発明の第３実施例を示す構成図
である。この第３実施例も、上述した第２実施例のよう
に取水部から分離槽へ接続する配管、分離槽および冷水
循環ポンプを、冷媒噴出ノズルを設ける側と同方向側に
設置しなければならない場合に適用するものであり、氷
蓄熱槽内で取水部より下方に水平方向に伸びる仕切壁を
設け、この仕切壁の下部に冷水循環ポンプの吐出側にバ
ルブを介して接続される配管を開口して構成している以
外は、上述した第１の実施例と同様の構成である。

【００３０】すなわち、氷蓄熱槽１の側壁１ｄに取水口
１ｃを設け、この取水口１ｃに取水部８を接続する。ま
た、側壁１ｄには取水部８より下方に、水平方向に伸び
る仕切壁17を設ける。さらに、冷水循環ポンプ７の吐出
側にバルブ18ａ，18ｂを接続し、バルブ18ａは冷房負荷
の接続し、バルブ18ｂは仕切壁17より下方の氷蓄熱槽１
内に開口する冷水噴出口19ａ，19ｂに接続する。

【００３１】以上のように構成されているから、氷蓄熱
槽１内に仕切壁17を設けることにより、冷水噴出口19
ａ，19ｂから噴出される冷水によって対流を生成し仕切
壁17下部に氷片11が溜まらないようにし、また、冷媒10
が仕切壁17上部に設けられた取水部８に達することがで
きないようにすることができる。

【００３２】冷水を供給する必要がない場合には、バル
ブ18ａを閉じ18ｂを開くことにより循環ラインを形成す
ることができ、製氷を中断し解氷によって冷水を供給す
る場合には、バルブ18ａを開き18ｂを閉じることにより
供給が可能になる。

【００３３】図５は、本発明の第４実施例を示す構成図
である。この第４実施例は、上述した各実施例が主とし
て氷蓄熱槽内における冷水の生成を改良する点に特徴と
有するものであるのに対し、製氷装置等から供給される
水と氷を効率よく冷房負荷に搬送する点に特徴を有する
ものである。

【００３４】すなわち、同図において、21は分離槽で、
この分離槽21は、円筒状で底部が円錐状に突出するよう
に形成されたタンク22と、このタンク22内の上部にモー
タ23を介して回転自在に取付けられた撹拌体24とから構
成されている。撹拌体24は、図６に示すように円板状の
基部24ａに円周方向に沿って複数の撹拌棒24ｂを設けた
構成としている。

【００３５】分離槽21のタンク22には、図７に示すよう
に一方側に図示しない製氷装置から給水管25が接線方向
に沿って接続され、他方側に図示しない冷房負荷へ接続
される下部送水管26と上部送水管27が接線方向に沿って
接続されている。しかして、下部送水管26には下部電磁
弁28、上部送水管27には上部電磁弁29とＩＰＦ計測器3
0、下部送水管26と上部送水管27を接続するバイパス管3
1にはバイパス電磁弁32がそれぞれ設けられている。ま
た、ＩＰＦ計測器30からの信号に基づいて下部電磁弁2
8，上部電磁弁29，バイパス電磁弁32を制御する監視・
制御装置33が設けられている。

【００３６】以上のように構成された第４実施例では、
製氷装置から供給されてきた水と氷片の固液２相流は、
供給管25から分離槽21内に流入する。この流入した固液
２相流の水34と氷片35は、タンク22内における渦状の流
れの中で分離され、比重の小さい氷片35が上昇する。一
方、水34は、下部送水管26から送水され冷房に利用され
る。また、氷片35は、分離槽21内で次第にその量を増加
させ、モータ23によって回転する撹拌体24によって互い
に付着することなく分離槽21内を上昇する。

【００３７】監視・制御装置33によって下部送水管26か
ら送水される水34の量を下部電磁弁28で減少させ、同時
に上部電磁弁29を開き上部送水管27から氷片35量の多い
固液２相流を送水すると、上部送水管27に設けたＩＰＦ
計測器30がＩＰＦを計測し、必要以上の値を計測したと
きには、監視・制御装置33がバイパス電磁弁32を開き、
下部送水管26を流れる水34を上部送水管27へ流し、必要
なＩＰＦにして冷房負荷へ送水する。また、必要以下の
ＩＰＦ値になったときには、上部電磁弁29を閉じ、再び
氷片35を分離槽21内に蓄積させて槽内上部のＩＰＦを増
大させる。

【００３８】したがって、以上のように構成された第４
実施例によれば、製氷装置から供給されてくる水・氷片
の固液２相流のＩＰＦを、冷房負荷へ供給するに先立っ
て任意に調節することができるので、複数の冷房負荷へ
の各々の必要とする冷熱量を任意に調節して送水するこ
とができ、製氷装置からは１本の供給管を設ければよ
く、また、冷房負荷への送水管の直径を小さくできる等
経済的にきわめて有利となる。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば空調
用蓄熱媒体として液体の凝固時の潜熱を用いる蓄熱装置
であって、蓄熱槽内の第１の液体の中に、この第１の液
体より凝固点が低く、かつ互いに混合・化合することが
なく不溶性である第２の液体を冷凍手段を介して第１の
液体の凝固点以下に冷却した後に噴射させる手段を有
し、第１の液体の一部を直接接触熱交換により冷却凝固
させ、その潜熱を吸収することにより冷熱を蓄える氷蓄
熱装置において、第１の液体を蓄熱槽外へ導出するため
の取出部を、第２の液体の回収部より高所で、かつ第２
の液体の噴出部から離間した部位に配設しているので、
第１の液体の凝固した氷や第２の液体を含まない冷水の
みを冷媒負荷の循環系に供給し、配管系が氷によって塞
がれることがなく、第２の液体を回収ラインから回収す
ることが容易な氷蓄熱装置を提供できる。

【００４０】また、空調用蓄熱媒体として液体の凝固時
の潜熱を固液２相流によって搬送する潜熱搬送装置であ
って、搬送される固液２相流に渦状の流れを誘起させ、
密度差により２相を分離させる分離槽を備え、この分離
槽の２箇所以上に流出管を設けているので、冷熱搬送の
中間でＩＰＦを任意に調節でき、配管系をシンプルとし
て経済性を向上した潜熱搬送装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す構成図。

【図２】本発明の他の実施例（第２実施例）を示す構成
図。

【図３】図２のＡ−Ａ断面図。

【図４】本発明のさらに異なる他の実施例（第３実施
例）を示す構成図。

【図５】本発明のさらに異なる他の実施例（第４実施
例）を示す構成図。

【図６】図５に示す実施例に用いる撹拌体の斜視図。

【図７】図５のＢ−Ｂ断面図。

【符号の説明】

１…氷蓄熱槽、２…水−冷媒分離器、４…冷凍機、５…
冷媒噴出口、６，21…分離槽、８，15…取水部、10…冷
媒、11…氷片、12…氷塊、13…解氷ノズル、17…仕切
壁、18ａ，18ｂ…バルブ、19ａ…上部冷水噴出口、19ｂ
…下部冷水噴出口、22…タンク、24…撹拌体、26…下部
送水管、27…上部送水管、28…下部電磁弁、29…上部電
磁弁、32…バイパス電磁弁、33…監視・制御装置。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空調用蓄熱媒体として液体の凝固時の潜
   熱を用いる蓄熱装置であって、蓄熱槽内の第１の液体の
   中に、この第１の液体より凝固点が低く、かつ互いに混
   合・化合することがなく不溶性である第２の液体を冷凍
   手段を介して前記第１の液体の凝固点以下に冷却した後
   に噴射させる手段を有し、前記第１の液体の一部を直接
   接触熱交換により冷却凝固させ、その潜熱を吸収するこ
   とにより冷熱を蓄える氷蓄熱装置において、前記第１の
   液体を前記蓄熱槽外へ導出するための取出部を、前記第
   ２の液体の回収部より高所で、かつ前記第２の液体の噴
   出部から離間した部位に配設したことを特徴とする氷蓄
   熱装置。
2. 【請求項２】 空調用蓄熱媒体として液体の凝固時の潜
   熱を固液２相流によって搬送する潜熱搬送装置であっ
   て、搬送される前記固液２相流に渦状の流れを誘起さ
   せ、密度差により２相を分離させる分離槽を備え、この
   分離槽の２箇所以上に流出管を設けたことを特徴とする
   潜熱搬送装置。