JPH0719545A

JPH0719545A - 潜熱蓄熱装置

Info

Publication number: JPH0719545A
Application number: JP5167588A
Authority: JP
Inventors: Katsuya Yamashita; 勝也山下
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-07-07
Filing date: 1993-07-07
Publication date: 1995-01-20

Abstract

(57)【要約】【目的】連続製氷能力を確保すると共に、蓄熱する冷熱
量を増大し、解氷性を向上し、長期間安定して用いるこ
とができ、地域熱供給プラント等の経済性の向上を図っ
た潜熱蓄熱槽を提供する。【構成】潜熱蓄熱槽１には、水や氷より比重の小さい微
小粉４を混入した水２を貯留し、底部の凹部１ａに不凍
液循環ポンプ５，不凍液−空気熱交換器６，冷凍機７を
接続し、冷凍機７の蒸発器７ａの出口を不凍液噴出ノズ
ル８に接続する。また、分離回収装置10は、上部で連通
する第１の室10ｂと第２の室10ｃに仕切られ、第１の室
10ｂは潜熱蓄熱槽１の底部に、第２の室10ｂは冷房負荷
14に、分離回収装置10の上部は潜熱蓄熱槽１の上部に接
続される。さらに、潜熱蓄熱槽１の下部には、空気噴出
ノズル18が設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば大規模な地域熱
供給プラントや高層建物の空調設備、特に冷房空調設備
のエネルギー源として主に夜間電力を用い、蓄熱槽にシ
ャーベット状の氷を成長させることにより冷熱を蓄熱
し、これを昼間、解氷して取出す冷熱を冷房空調設備に
利用するようにした潜熱蓄熱装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、工業プラントや高層建築等におけ
る空調システムには、夜間の割安な電力を用いてヒート
ポンプ（冷凍機と同一）により、冷水や温水を生成蓄熱
し、これを主に昼間の空調に用いることにより、経済性
を向上させた蓄熱型の空調システムが提案されている。
特に、最近では夏期において昼間の冷房負荷が急速に増
大し、電力の安定供給が阻害される恐れもあり、社会的
にも夜間電力の活用が望まれている。

【０００３】このような背景から、顕熱蓄熱（冷水や温
水で蓄熱するもの）に比べて蓄熱量の高い潜熱蓄熱装
置、特に氷蓄熱装置を有する空調設備が多数研究され、
実用化研究の段階にあるが、現在蓄熱容量が従来の水蓄
熱に比して飛躍的に増大する氷蓄熱装置は未だ実現して
ない。

【０００４】その中で、第１の液体として水を用い、シ
ャーベット状態の氷を高効率・連続的に製造する手法の
氷蓄熱装置が提案されている。この氷蓄熱装置は、冷凍
機を介して０℃以下に冷却された非水溶性の不凍液（第
２の液体：主として水より重い油性液体または弗素系不
活性液体等）を熱媒体とし、これを水中に噴出して水と
直接接触させ熱交換する製氷方式を採用している。

【０００５】この方式では、極めて熱伝達効率が高く、
蓄熱槽内に生成された氷が微細な氷粒状態となり、浮力
により上部へ移動するので常に０℃の低温の不凍液が水
と接触し、製氷を繰り返す。このため、製氷効率が高い
という特徴を有している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、シャーベッ
ト状の氷を製造する直接接触方式の氷蓄熱装置として
は、以下のようなものが知られている。例えば図２に示
す氷蓄熱装置（米国特許第 2996894号）や図３に示す氷
蓄熱装置（特開平2- 97845号）は、第１の液体として水
を用い、第２の液体として水より軽く不凍性である油性
液体を用い、この油性液体を冷凍機により冷却した後、
ポンプおよび配管を介して蓄熱水槽底部に貯留されてい
る水の中に噴出する構成となっている。

【０００７】しかしながら、このような構成において
は、不凍液である油性液体の密度が水と余り差がなく、
また水よりも軽いため、製造されたシャーベット状態の
氷の中に油性液体が混入してしまう。このため、蓄熱水
槽から直接冷水を取水し、冷房負荷へ送水することが困
難となり、また蓄熱水槽から冷熱を取り出すには冷熱取
出し用の熱交換器が必要となったり、用いる油性液体の
可燃性が安全上問題になる。

【０００８】この欠点を改良した氷蓄熱装置として、図
４に示すような氷蓄熱装置（特開平3-140767号）があ
る。この氷蓄熱装置は、蓄熱水槽の下部より油性液体を
回収し、これを冷凍機により水の凝固点以下に冷却し、
これを蓄熱水槽上部の空中より水中に噴出するものであ
る。この場合、水より重い油性液体は、落下沈澱する際
に十分水と熱交換し、蓄熱水槽下部より回収されるまで
にほぼ水温まで温度上昇する。したがって、冷凍機での
冷凍効率を高く維持することが可能となる。

【０００９】しかしながら、このような構成において
は、低温である油性液体をシャーベット状の氷（液との
共存状態で水であれば０℃）の上部から流下させるの
で、０℃の氷をさらに低下させ、かつ油性液体が内部に
含有されて解氷性が悪く、固く、重い氷の塊を形成して
しまう。通常、このような氷は油性液体と水との界面に
沈澱してしまい浮上できない。したがって、解氷性に優
れたシャーベット状の氷を製造することができない。

【００１０】また、図５に示す氷蓄熱装置（特開平3-17
47号）では、第２の液体として比重１以上の弗素系不活
性液体を用い、これを冷却した後水中に噴出するが、こ
の場合にも噴出された弗素系不活性液体の比重が水に近
い場合には前述の例と同様に、弗素系不活性液体の微細
粒子が水中やシャーベット状態の氷内部に長時間停滞す
るので、弗素系不活性液体の充分な分離ができない欠点
がある。

【００１１】さらに、油性液体を使用する場合の可燃
性、塩素を含む弗素化合物によるオゾン層破壊の危険性
を有しており、一般に広く用いるシステムとしては問題
がある。このように、水より重い液体を第２液体として
用いると蓄熱水槽から直接取水するに際して有利である
が、冷房負荷へ冷水を供給する際に、第１の液体である
水中に微小な粒子として浮遊する第２の液体が混入し、
送水配管系へ流出する。しかして、その多くは、送水配
管系の底部に長時間に亘り滞留してしまい、製氷のため
に用いる第２の液体の使用量を増加させ、システムの経
済性を損なう原因となっている。

【００１２】上記した解氷性に優れたシャーベット状態
の氷とは、前述したように０℃以下の第２の液体と第１
の液体（水）とが直接接触熱交換により析出した氷片お
よび熱交換により０〜−１℃に過冷却した第１の液体か
ら対流等の衝撃によって生成した微細氷粒が凝集し、第
１の液体（水）中に浮遊したもので、伝熱管の表面に付
着した固い氷塊とは、氷の含有率が少なく、冷熱量も固
い氷塊より少い。この氷の含有率を５％としても、第１
の液体（水）の顕熱蓄熱装置に比べて３倍の冷熱量が貯
えられるが、より高い氷の占有率を得ることが、地域熱
供給プラント等においては望ましい。

【００１３】前述した氷片および微細氷粒は微小なた
め、第１の液体（水）の対流に追従し易く、蓄熱水槽内
を動きまわりなかなか上部に集積しにくい。また、氷片
および微細氷粒の浮力による上昇速度は小さいので、上
部に凝集・集積しても、上部における氷の充填率は小さ
い。

【００１４】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
ので、連続製氷能力を確保すると共に、蓄熱する冷熱量
を増大し、地域熱供給プラントの経済性の向上を図るよ
うにした潜熱蓄熱装置を提供することを目的としてい
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
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、かつ相互に混合，
化合することのない不溶性の第２の液体を、第１の液体
の凝固点以下に冷却する冷凍手段と、この冷凍手段によ
り冷却された第２の液体を蓄熱槽内の第１の液体中に噴
出させる噴出手段と、この噴出手段により蓄熱槽に噴出
した第２の液体を分離回収する手段とを備え、第１の液
体として水を用い、第２の液体として比重が 1.5以上の
非水溶性不凍液を用い、蓄熱槽内に噴出した第２の液体
と熱交換により第１の液体を冷却凝固させ、その凝固時
の潜熱を蓄熱するようにした潜熱蓄熱装置において、第
１の液体の凝固物である氷よりもよりも比重の小さい微
小固定物を蓄熱槽内に混入させ、第２の液体により冷却
凝固された微小氷片と比重の小さい微小固形物とを合体
・凝集させ、蓄熱槽内の上部へ浮上・集積させるように
構成したものである。

【００１６】

【作用】第１の液体の凝固物である氷より比重の小さい
微小固形物を蓄熱槽内に混入させており、この微小固形
物に０℃以下に冷却された第２の液体と直接熱交換によ
って析出する第１の液体の微小凝固物である氷片を付着
・凝集させ、この氷片の相対的比重をさらに小さくする
ので、この氷片を速に特定箇所、すなわち、第１の液体
である水の上部に速に集積させることができ、製氷効率
を向上し、連続製氷・解氷が蓄熱槽内で可能となり、蓄
熱する冷熱量を増大し、経済性を向上させることができ
る。

【００１７】

【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は潜熱蓄熱槽で、この潜熱蓄熱槽１の
内部には、第１の液体として用いる水２が貯留され、底
部の一方の側（同図の右側）に設けた凹部１ａに第２の
液体として用いる高比重の非水溶性不凍液（以下、不凍
液という）３が貯留される。ここで、潜熱蓄熱槽１内の
水２には、水および氷より比重の小さい物質の微小粉
（例えばポリプロピレン）４を混入させ、不凍液３に
は、比重 1.7〜 1.8の例えばフロリナート（３Ｍ社の商
品名）を用いる。

【００１８】また、潜熱蓄熱槽１の凹部１ａには、不凍
液循環ポンプ５を接続する。この不凍液循環ポンプ５に
は、不凍液−空気熱交換器６，冷凍機７が順次接続さ
れ、冷凍機７の蒸発器７ａには、冷却された不凍液３を
潜熱蓄熱槽１内に噴出する不凍液噴出ノズル８が接続さ
れる。なお、冷凍機７の凝縮器７ｂは、図示しない冷却
筒に接続される。

【００１９】さらに、潜熱蓄熱槽１の下部には、配管９
を介して分離回収装置10が接続される。この分離回収装
置10は、内部を上下方向に沿った中仕切り10ａを介して
上部が連通する第１の室10ｂと第２の室10ｃに仕切られ
る。第１の室10ｂは、底部が不凍液回収配管11を介して
潜熱蓄熱槽１の底部に接続される。不凍液回収配管11に
は、不凍液回収ポンプ12が接続される。第２の室10ｃ
は、下部が冷水循環配管13を介して冷房負荷14に接続さ
れる。冷水循環配管13には、冷水循環ポンプ15が接続さ
れる。

【００２０】分離回収装置10の上部には、微小粉混入水
配管16が接続され、この端部は潜熱蓄熱槽１の上部に開
口する。微小粉混入水配管16には、微小粉混入水循環ポ
ンプ17が接続される。

【００２１】一方、潜熱蓄熱槽１の内部の下部には、空
気噴出ノズル18を設置する。この空気噴出ノズル18は、
不凍液噴出ノズル８から噴出された不凍液３が降下して
底部に貯留される位置より高く、かつ噴出される不凍液
３の下降流と離れた位置（同図で左側に偏った位置）に
配置され、空気供給配管19を介して不凍液−空気熱交換
器６に接続されている。なお、空気供給配管19には、エ
アコンプレッサ20を介して外部から空気が供給される。
また、潜熱蓄熱槽１の水面上部には、空気噴出ノズル18
から噴出された気泡と共に不凍液３が上昇し、蒸発して
外部に拡散するのを防止するため、樹脂製カバーより成
る保護膜21を張っておく。

【００２２】次に、以上のように構成された実施例の作
用を説明する。潜熱蓄熱槽１の凹部１ａを含む底部に貯
留された不凍液３は、不凍液循環ポンプ５を介して吸入
され、冷凍機７へ導入される。この間に不凍液−空気熱
交換器６を通過し、エアコンプレッサ20から空気供給配
管19を介して空気噴出ノズル18へ供給される空気を冷却
すると共に、不凍液３自身は温められて温度が上昇す
る。

【００２３】この温度上昇した不凍液３は、冷凍機７内
の蒸発器７ａにて冷却され、製氷時には０℃以下まで温
度が降下した後不凍液噴出ノズル８から潜熱蓄熱槽１の
水２内に噴出される。噴出された不凍液３は、水２と直
接熱交換し、水２を冷却し、０℃付近で水２を凝固させ
て微小の氷片22を析出させる。

【００２４】潜熱蓄熱槽１内では、混入された微小粉４
が、不凍液３の噴出と空気噴出ノズル18から気泡23によ
り生ずる対流に随伴し、潜熱蓄熱槽１内を対流してい
る。この比重の小さい微小粉４に氷片22が付着し、氷片
22のみで存在するよりも相対的に比重が小さくなるた
め、潜熱蓄熱槽１の上部に浮き易く、集積し易くなる。

【００２５】また、この潜熱蓄熱槽１の下部で、不凍液
３の貯留する部分よりも高く、かつ噴出した不凍液３が
降下してくる付近から離れた位置に設けられた空気噴出
ノズル18からは、エアコンプレッサ20により外部から吸
入され、不凍液−空気熱交換器６で外気よりも冷たく冷
却された空気を水２内に気泡23として噴出し、上昇流を
生起し、潜熱蓄熱槽１内を対流している微小粉４に付着
した氷片22を、潜熱蓄熱槽１の上部へ押し上げる。この
潜熱蓄熱槽１内に生起した上昇流は、水面に達した後下
降流となるが、上昇流に随伴した微小粉４に付着した氷
片22は、比重が小さいことと水面における界面張力およ
び既に存在する凝集した氷片22に取り込まれ、下降流に
随伴する氷片22の割合は、上昇流に随伴する氷片22の割
合に対し相当少なくすることが可能となり、潜熱蓄熱槽
１の上部に集積し易くなる。

【００２６】したがって、微小粉４に付着した氷片22を
効率よく潜熱蓄熱槽１の上部に凝集・集積することがで
き、氷片22の蓄えられる箇所を潜熱蓄熱槽１の上部に特
定することができるので、水の状態で冷熱を冷房負荷14
へ供給し、戻ってきた昇温された水により、速に解氷す
ることが可能となる。また、潜熱蓄熱槽１の上部へ達す
るときの微小粉４に付着した氷片22の上昇速度が、単な
る氷片22よりも速いので、氷片22の凝集率を高くするこ
とが可能となる。

【００２７】また、潜熱蓄熱槽１から水の状態で冷熱を
冷房負荷14へ搬送する場合、不凍液３の循環による製氷
運転の有無に関係なく、低い温度の水２が下部に存在す
ることになるので、潜熱蓄熱槽１の比較的低い位置から
冷水として取水することになる。このとき、取水される
冷水の中には浮遊する比重の小さい微小粉４や比重の大
きい不凍液３が滞留する可能性がある。そこで、冷水循
環ポンプ15を介して取水する手前に設置されている分離
回収装置10により、これらを回収して再び潜熱蓄熱槽１
へ回収する。

【００２８】すなわち、潜熱蓄熱槽１からと取水された
冷水は、分離回収装置10の第１の室10ｂに流入し、中仕
切り10ａを越えて第２の室10ｃへ流入するが、この際比
重の小さい微小粉４（微小粉４に付着した氷片22も含
む）は分離して上部に集められ、比重の大きい不凍液３
は分離して第１の室10ｂの底部に集められる。分離回収
装置10の上部には、微小粉混入水配管16が接続されてい
るので、微小粉混入水循環ポンプ17を駆動することによ
り、微小粉４（微小粉４に付着した氷片22も含む）を混
入した水を回収し、これを潜熱蓄熱槽１に戻す。また、
分離回収装置10の第１の室10ｂの底部には、不凍液回収
配管11が接続されているので、不凍液回収ポンプ12を駆
動することにより、底部に集められた不凍液３を回収
し、これを潜熱蓄熱槽１の底部に戻す。

【００２９】以上のように、冷水取水系に微小粉４と不
凍液３を分離回収する構成としたことにより、冷房負荷
に応じて複雑、かつ長尺な配管系となる冷水循環系に、
微小粉４と不凍液３が漏洩するのを防止するため、長期
間に亘って安定して冷熱を蓄熱することができる。

【００３０】

【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、かつ相互に混合，化合することの
ない不溶性の第２の液体を、第１の液体の凝固点以下に
冷却する冷凍手段と、この冷凍手段により冷却された第
２の液体を蓄熱槽内の第１の液体中に噴出させる噴出手
段と、この噴出手段により蓄熱槽に噴出した第２の液体
を分離回収する手段とを備え、蓄熱槽内に噴出した第２
の液体と熱交換により第１の液体を冷却凝固させ、その
凝固時の潜熱を蓄熱するようにした潜熱蓄熱装置におい
て、第１の液体の冷却凝固した凝固物よりも比重の小さ
い微小固定物を蓄熱槽内に混入させ、第２の液体により
冷却凝固された凝固物と比重の小さい微小固形物とを合
体・凝集させ、蓄熱槽内の上部へ浮上・集積させるよう
にしているので、連続製氷能力を確保し、集積させた凝
固物を解氷し易い蓄熱槽上部の特定箇所に効率よく集積
することができ、高解氷能力，冷熱量の増大を確保する
と共に、長期間の稼動に対して安定した運転を可能にし
た潜熱蓄熱装置を提供することができる。

【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】従来の非水溶性不凍液を用いた直接接触方式の
氷蓄熱装置の構成図。

【図３】図２と異なる従来の非水溶性不凍液を用いた直
接接触方式の氷蓄熱装置の構成図。

【図４】図２および図３と異なる従来の非水溶性不凍液
を用いた直接接触方式の氷蓄熱装置の構成図。

【図５】図２，図３および図４と異なる従来の非水溶性
不凍液を用いた氷蓄熱装置の構成図。

【符号の説明】１…潜熱蓄熱槽、２…第１の液体、３…第２の液体、４
…微小粉、５…不凍液循環ポンプ、６…不凍液−空気熱
交換器、７…冷凍機、８…不凍液噴出ノズル、９…配
管、10…分離回収装置、10ａ…中仕切り、11…不凍液回
収配管、12…不凍液回収ポンプ、13…冷水循環配管、14
…冷房負荷、15…冷水循環ポンプ、16…微小粉混入水配
管、17…微小粉混入水循環ポンプ、18…空気噴出ノズ
ル、19…空気供給配管、20…エアコンプレッサ、21…保
護膜、22…氷片、23…気泡。

Claims

【特許請求の範囲】

【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、かつ相互に混
合，化合することのない不溶性の第２の液体を、前記第
１の液体の凝固点以下に冷却する冷凍手段と、この冷凍
手段により冷却された前記第２の液体を前記蓄熱槽内の
前記第１の液体中に噴出させる噴出手段と、この噴出手
段により前記蓄熱槽に噴出した前記第２の液体を分離回
収する手段とを備え、前記蓄熱槽内に噴出した前記第２
の液体と熱交換により前記第１の液体を冷却凝固させ、
その凝固時の潜熱を蓄熱するようにした潜熱蓄熱装置に
おいて、前記第１の液体が冷却凝固した凝固物よりも比
重の小さい微小固定物を前記蓄熱槽内に混入させ、前記
第２の液体により冷却されて凝固した微小凝固物と前記
微小固形物とを合体・凝集させ、前記蓄熱槽内の上部へ
浮上・集積させるようにしたことを特徴とする潜熱蓄熱
装置。