JPH07113471B2 - 氷蓄熱装置 - Google Patents

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、冷凍装置により蓄冷材としての水や水溶液を
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氷蓄熱装置はよく知られ
ている。このような氷蓄熱装置として、従来、米国特許
4671077号や特開昭63−217171号公報には、蓄熱槽の上
方に過冷却生成用熱交換器の蓄冷材出口部をその下流端
開口と蓄熱槽内の液面との間に一定の間隙があくように
配置し、この下流端開口から過冷却状態の蓄冷材を蓄熱
槽内に流下させるようにしたものが開示されている。

（発明が解決しようとする課題） このように熱交換器出口部の下流端開口と蓄熱槽の液面
との間には間隙があると、過冷却状態の解消は蓄熱槽内
で起こり、出口部にスラリー状の氷が付着してそれが熱
交換器の伝熱管まで成長するのを防ぐことができ、伝熱
管の閉塞や破損を防止することができる。

ところが、反面では、熱交換器出口部と蓄熱槽との位置
関係が固定され、設計上の自由度が低いとともに、上記
熱交換器出口部の下流端開口と蓄熱槽の液面との間の間
隙の分だけ余分な空間が必要となり、装置が大型化する
のは避けられない。

本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたもので、その目的
とするところは、過冷却生成用熱交換器の蓄冷材出口部
の配置及び構造を改良することで、熱交換器受出口部へ
の氷の付着を抑えて熱交換器の閉塞や破損を防ぎつつ、
装置設計の自由度の増大及び装置のコンパクト化を図る
ことにある。

（課題を解決するための手段） この目的を達成するために、請求項（１）の発明では、
熱交換器の蓄冷材出口部を過冷却解消槽内の蓄冷材に下
流端開口が蓄冷材液面下に位置するように浸漬し、その
出口部に可撓性を有する部分を設ける。

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（11）で冷却材との熱交換により水や水溶
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、上記蓄冷材の過冷却状態を解消する過冷
却解消槽（４）を設け、上記熱交換器（11）の蓄冷材出
口部（12）の少なくとも下流端部分は可撓性を有する部
分とし、該出口部（12）の下流端部分を上記過冷却解消
槽（４）内の蓄冷材液面下に位置させる。

請求項（２）の発明では、熱交換器出口部を蓄熱槽自体
の蓄冷材に浸漬して、この蓄熱槽（１）で蓄冷材の過冷
却状態を解消するようにする。

すなわち、この発明は、第３図に示す如く、蓄熱槽
（１）で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、この氷の蓄熱槽（１）に蓄えるようにした氷
蓄熱装置において、熱交換器（11）の蓄冷材出口部（1
2）の少なくとも下流端部分を可撓性を有する部分と
し、該出口部（12）の下流端部分を上記過冷却解消槽
（４）内の蓄冷材液面下に位置させたことを特徴とす
る。

請求項（３）の発明では、請求項（１）又は（２）の発
明において、熱交換器（11）の蓄冷材出口部（12）の少
なくとも下流端部分を氷との付着力が小さい材料で形成
する。

請求項（４）の発明では、第２図に示す如く、熱交換器
（11）の蓄冷材出口部（12）の下流端部分に他の部分よ
りも通路断面積の小さい小径部（12a）を設ける。

請求項（５）の発明では、熱交換器の出口部を氷が付着
し難い温度に維持して、氷が熱交換器側に成長しないよ
うにする。すなわち、この発明は、第１図又は第３図に
示すように、熱交換器（11）の蓄冷材出口部（12）を蓄
冷材の凝固点温度よりも僅かに高い温度に保持する保温
手段（13）を配設する。

さらに、請求項（６）の発明では、過冷却生成用熱交換
器（11）は、冷却材が断続して流入するように構成され
るものとする。

（作用） 上記の構成により、請求項（１）又は（２）の発明で
は、熱交換器（11）の蓄冷材出口部（12）における下流
端部分が過冷却解消槽（４）又は蓄熱槽（１）内の蓄冷
材に浸漬されることとなり、熱交換器（11）と解消槽
（４）又は蓄熱槽（１）との位置関係が限定されず、設
計の自由度を増すことができる。また、従来のような解
消槽（４）又は蓄熱槽（１）の蓄冷材液面から出口部
（12）に至るまでの間隙が不要であり、この分、装置を
コンパクトにすることができる。

そして、蓄冷材出口部（12）の下流端開口が蓄冷材の液
面よりも下方に位置しているので、この蓄冷材出口部
（12）にスラリー状の氷が付着する虞れがあるが、これ
らの発明では、出口部（12）の少なくとも下流端部が可
撓性を有しているので、出口部（12）に氷が付着するの
は抑制され、しかも仮に付着したとしても出口部（12）
の変形により容易に剥がれ落ちることとなり、氷が上流
側に成長して熱交換器（11）の伝熱管に凍結したり破損
したりすることはない。

請求項（３）の発明では、蓄冷材出口部（12）の少なく
とも下流端部が氷との付着力の小さい材料で形成されて
いるので、その下流端部へ氷が付着し難くなり、氷の付
着が有効に抑制できる。

請求項（４）の発明では、熱交換器（11）の蓄冷材出口
部（12）の下流端部に他の部分よりも通路断面積の小さ
い小径部（12a）が設けられているので、その小径部（1
2a）を通る蓄冷材の流速が速くなり、氷の付着がさらに
有効に防止される。

請求項（５）の発明では、保温手段（13）により、出口
部（12）の内壁面は蓄冷材の凝固点温度よりも僅かに高
い温度に保持される。このため、出口部（12）に氷が付
着し難くなり、氷が熱交換器（11）側に成長することも
ない。

請求項（６）の発明では、過冷却生成用熱交換器（11）
に冷却材が断続して流入するので、一時的に昇温した蓄
冷材が出口部（12）を通ることとなり、出口部（12）の
氷の付着を防止できる。

（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、この
蓄熱槽（１）の底壁には排水口（２）が開口され、該排
水口（２）には第１配管（16）が接続され、この第１配
管（16）は、水を過冷却状態に冷却する冷凍装置（７）
に接続されている。（３）は蓄熱槽（１）の内底部に配
設されたフィルタである。

また、（４）は上記蓄熱槽（１）とは別個に設置され上
方に開放された過冷却解消槽で、ここで上記冷凍装置
（７）からの過冷却水の過冷却状態を解消してスラリー
状の氷を生成する。過冷却解消槽（４）の内底面には超
音波発振器（５）の出力により振動する振動子（５）が
取り付けられており、運転の初期に、発振器（５）から
の超音波により過冷却水に衝撃を与え、その衝撃により
過冷却水の過冷却状態を解消してスラリー状の氷を生成
するとともに、この後は生成された氷を核としてスラリ
ー状の氷を連続して生成するようにしている。

過冷却解消槽（４）の底壁には排出口（６）が開口さ
れ、該排出口（６）には第２配管（17）が接続され、こ
の第２配管（17）の下流端は上記蓄熱槽（１）内の水面
下に開口している。上記第１配管（16）には循環用の第
１ポンプ（20）が、また第２配管（17）には同第２ポン
プ（21）がそれぞれ配設されており、両ポンプ（20），
（21）の作動により蓄熱槽（１）内の水を冷凍装置
（７）との間で循環させるようにしている。

上記冷凍装置（７）は、ガス冷媒（冷却材）を圧縮する
圧縮機（８）と、該圧縮機（８）で圧縮されたガス冷媒
を凝縮液化する凝縮器（９）と、この液冷媒を減圧する
減圧機構（10）と、この減圧された液冷媒を蒸発させる
蒸発器（11）とを閉じサイクルに接続してなり、上記蒸
発器（11）が過冷却生成用熱交換器を構成している。こ
の蒸発器（11）の水入口に上記第１配管（16）の下流端
が接続されており、蒸発器（11）での冷媒の蒸発熱によ
り水を冷却して過冷却状態にする。

上記蒸発器（11）の水出口には蓄冷材出口部としての出
口配管（12）の上端が取り付けられている。この出口配
管（12）は、全体が可撓性を有する薄肉のシリコンチュ
ーブで構成されている。このシリコンチューブは、金属
等のように表面に酸化被膜がないので、氷との付着力が
小さい。そして、出口配管（12）の下端つまり下流端開
口は上記過冷却解消槽（４）内に溜まる水の水面下に位
置している。

また、上記出口配管（12）には、出口配管（12）の内壁
面を水の凝固点温度よりも僅かに高い温度に保持する保
温手段（13）が配設されている。この保温手段（13）
は、出口配管（12）において空気に晒されている部分の
周りに同心状に取り付けられたチューブ（14）を有し、
このチューブ（14）と出口配管（12）との間には環状通
路（15）が密閉形成されている。この環状通路（15）の
上部には第３配管（18）の一端が接続され、この第３配
管（18）の他端は上記蒸発器（11）と第１ポンプ（20）
との間の第１配管（16）に接続されている。一方、環状
通路（15）の下部には第４配管（19）の一端が接続さ
れ、この第４配管（19）の他端は上記蓄熱槽（１）内の
水面下に開口している。また、上記第３配管（18）の途
中には開閉バルブ（22）と、その下流側にヒータ（23
a）を内蔵した加熱装置（23）とが配設されており、開
閉バルブ（22）の開弁時、蓄熱槽（１）内の水を加熱装
置（23）で加熱するとともに、その水を環状通路（15）
に流すことにより、出口配管（12）の内壁面を水の凝固
点温度よりも僅かに高い温度に保持するようにしてい
る。

次に、上記実施例の使用について説明する。

第１ポンプ（20）の作動により、蓄熱槽（１）内の水は
第１配管（16）を経て蒸発器（11）に流れ、この蒸発器
（11）により冷却されて過冷却水となる。この過冷却水
は出口配管（12）を通って過冷却解消槽（４）に流下
し、該解消槽（４）で超音波発振器（５）による衝撃に
より過冷却状態が解消されスラリー状の氷が生成され
る。このスラリー状の氷は第２ポンプ（21）により第２
配管（17）を通って蓄熱槽（１）に戻されて該蓄熱槽
（１）に蓄えられる。また、上記過冷却解消槽（４）で
超音波発振器（５）により一旦スラリー状の氷が生成さ
れると、その後は、該氷を核として水の過冷却状態が解
消され、スラリー状の氷が連続的に生成される。

この実施例では、上記出口配管（12）の下端（下流端開
口）が過冷却解消槽（４）内の水面下に位置しているの
で、同出口配管（12）の下端を水面上方に所定距離あけ
て配置する場合のように蒸発器（11）と解消槽（４）と
の位置関係は限定されず、設計の自由度を増すことがで
きる。しかも、解消槽（４）の水面と出口配管（12）の
下端との間の間隙が不要であり、氷蓄熱装置の大きさを
コンパクトにすることができる。

また、上記出口配管（12）が氷との付着力の小さい薄肉
シリコンチューブで構成されているので、出口配管（1
2）の下流端開口が解消槽（４）内の水面よりも下方に
位置しているにも拘らず、出口配管（12）に氷が付着す
るのは抑制される。また、出口配管（12）は可撓性を有
するので、仮にその下流端部に氷が付着したとしても、
それに伴い下流端部の通路断面積が小さくなって水圧が
上昇すると、出口配管（12）の下流端部が図で仮想線に
示すように彎曲変形し、その変形により氷が容易に出口
配管（12）から剥がれ落ちることとなる。よって、氷が
出口配管（12）の下流端部から上流側に成長して蒸発器
（11）内の伝熱管が凍結したり破損したりすることはな
い。

また、必要なときには、保温手段（13）のバルブ（22）
を開き、加熱装置（23）により加熱された水を出口配管
（12）周りの環状通路（15）に流すことにより、出口配
管（12）をその内部の水の凝固点温度よりも僅かに高い
温度に保持する。この状態では、凝固点温度以上に保持
された出口配管（12）に氷が付着し難くなり、上記の効
果をより確実に得ることができる。

尚、蓄熱槽（１）内の水を加熱装置（23）で加熱するこ
となる直接環状通路（15）に流すようにすることもでき
る。

また、保温手段としては、出口配管（12）の周りをニク
ロム線等のヒータ線で螺旋状に覆い、このヒータ線に通
電して加熱することで、出口配管（12）内の水を保温す
るようにした構造も採用できる。

また、上記実施例の構成において、第２図に示すよう
に、出口配管（12）の下端部（下流端部）に通路断面積
が他の部分よりも小さい小径部（12a）を設けてもよ
い。こうすることで、その小径部（12a）を通る水の流
速が速くなり、出口配管（12）に対する氷の付着をさら
に効果的に防止することができる。

（他の実施例） 第３図は他の実施例を示し（尚、第１図と同じ部分につ
いては同じ符号を付してその詳細な説明は省略する）、
過冷却解消槽（４）を省いたものである。

すなわち、この実施例では、上記実施例における過冷却
解消槽（４）でなく、蒸発器（11）に接続された出口配
管（12）の下流端部は直接蓄熱槽（１）内の水に浸漬さ
れていて、その出口配管（12）の下流端開口は蓄熱槽
（１）の水面下に位置している。従って、この実施例で
も、上記実施例と同様の作用効果を奏することができ
る。

尚、以上の各実施例において、冷凍装置（７）の圧縮機
（８）を間欠運転して、蒸発器（11）に対し冷媒が断続
して流入するようにしてもよい。このように蒸発器（1
1）に冷媒が断続して流入すると、蒸発器（11）を通る
水が一時的に昇温し、この昇温した水が出口配管（12）
を通るので、出口配管（12）への氷の付着を有効に防止
できる。

また、以上の各実施例では、蒸発器（11）の出口配管
（12）の全体を、可撓性を有しかつ氷との付着力が小さ
い薄肉シリコンチューブで構成したが、出口配管（12）
のうち、過冷却解消槽（４）又は蓄熱槽（１）内の水に
浸漬される下流端部のみを同材料で構成してもよい。

また、各実施例では、冷凍装置（４）の蒸発器（11）で
の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器での熱交換に
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。

過冷却生成用熱交換器は、上記各実施例の如き二重管式
のものに限定されず、安定的に過冷却の生成が可能であ
れば、どのような形態のものでも使用できる。例えば、
蓄冷材流通用の伝熱管の周りに冷却材流通用の配管を螺
旋状に巻回配置した構造の熱交換器でもよい。

また、出口配管（12）を氷との付着力が小さいシリコン
チューブで構成するほか、比較的伝熱性能が高く、かつ
可撓性を有する合成樹脂製の管材で構成するとともに、
その内部にヒータ線を埋設することにより、出口配管
（12）を積極的に温度保持するようにしてもよい。ま
た、上記特性を有する樹脂製の短い管材をその上下両側
から金属製の管材で挟んで１連に接合し、下側（下流出
口側）の金属製管材にヒータ線を絶縁状態で埋設してな
る出口配管を形成することもできる。この場合、装置の
停止時にもヒータ線に通電することで、凍結の防止を簡
易に図ることができる。

（発明の効果） 以上説明したように、請求項（１）又は（２）の発明に
よると、冷凍手段における過冷却生成用熱交換器の蓄冷
材出口部の少なくとも下流端に可撓性を有する部分を設
けた上で、その下流端部を過冷却解消槽又は蓄熱槽内の
蓄冷材液面に浸漬するように配置したので、その浸漬に
伴う出口部下流端への氷の付着を有効に抑制して熱交換
器の凍結や破損等を防止しながら、熱交換器と解消槽又
は蓄熱槽との位置関係の限定を解除し、装置設計の自由
度を増大させるとともに、装置をコンパクトにすること
ができる。

請求項（３）の発明では、上記過冷却生成用熱交換器の
出口部下流端部をシリコンチューブ等、氷との付着力の
小さい材料で形成した。また、請求項（４）の発明で
は、同熱交換器の出口部下流端部を限定して小径にし
て、出口部を通る蓄冷材の流速を速めるようにした。さ
らに、請求項（５）の発明では、出口部の内壁面温度を
蓄冷材の凝固点温度よりも僅かに高い温度に保持するよ
うにした。また、請求項（６）の発明では、過冷却生成
用熱交換器に冷却材を断続して流入させ、一時的に昇温
した蓄冷材が出口部を通るようにした。従って、これら
の発明によれば、熱交換器の蓄冷材出口部への氷の付着
をさらに効果的に防止することができる。

【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
図は出口配管の変形例を示す拡大断面図である。第３図
は他の実施例を示す第１図相当図である。 （１）……蓄熱槽 （４）……過冷却解消槽 （７）……冷凍装置 （11）……蒸発器（過冷却生成用熱交換器） （12）……出口配管（蓄冷材出口部） （13）……保温手段

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】過冷却生成用熱交換器（11）で冷却材との
   熱交換により水や水溶液等からなる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、 上記蓄冷材の過冷却状態を解消する過冷却解消槽（４）
   が設けられ、 上記熱交換器（11）の蓄冷材出口部（12）の少なくとも
   下流端部分は可撓性を有し、該出口部（12）の下流端部
   分は上記過冷却解消槽（４）内の蓄冷材液面下に位置し
   ていることを特徴とする氷蓄熱装置。
2. 【請求項２】過冷却生成用熱交換器（11）で冷却材との
   熱交換により水や水溶液等からなる蓄冷材を過冷却状態
   に冷却するとともに、蓄熱槽（１）で上記蓄冷材の過冷
   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（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（11）の蓄冷材出口部（12）の少なくとも
   下流端部分は可撓性を有し、該出口部（12）の下流端部
   分は上記蓄熱槽（１）内の蓄冷材液面下に位置している
   ことを特徴とする氷蓄熱装置。
3. 【請求項３】熱交換器（11）の蓄冷材出口部（12）の少
   なくとも下流端部分は、氷との付着力の小さい材料で形
   成されていることを特徴とする請求項（１）又は（２）
   記載の氷蓄熱装置。
4. 【請求項４】熱交換器（11）の蓄冷材出口部（12）の下
   流端部には他の部分よりも通路断面積の小さい小径部
   （12a）が設けられていることを特徴とする請求項
   （１），（２）又は（３）記載の氷蓄熱装置。
5. 【請求項５】熱交換器（11）の蓄冷材出口部（12）を蓄
   冷材の凝固点温度よりも僅かに高い温度に保持する保温
   手段（13）が設けられていることを特徴とする請求項
   （１），（２），（３）又は（４）記載の氷蓄熱装置。
6. 【請求項６】過冷却生成用熱交換器（11）は、冷却材が
   断続して流入するように構成されていることを特徴とす
   る請求項（１），（２），（３），（４）又は（５）記
   載の氷蓄熱装置。