JPH0721344B2 - 製氷ドラムユニット - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は，空調用熱源水の冷熱蓄熱用に供される製氷ド
ラムユニットに関する。

（発明の背景および従来技術） ビルの空調用熱源水を蓄えるのに設置される蓄熱水槽に
おいて，この蓄熱水槽内の水の一部を製氷化すると潜熱
蓄熱ができるので蓄熱水槽の単位容量当りの蓄熱量を増
大させることができる。またこの製氷を夜間電力を利用
して行い，この氷のもつ潜熱を昼間の冷房用冷熱源に利
用すればランニングコストの低減に役立つ。

従来，このような氷蓄熱を行なうには，製氷用冷凍機を
使用した製氷装置を別途設置し，この製氷装置で製造し
た氷塊，或いは氷微細粒（氷フレーク）と水との混合物
（シャーペット状）を蓄熱水槽に供給する方式，更に
は，蓄熱水槽内に製氷用のパイプを施設してこのパイプ
の周囲の水を凝結させる方式などが知られている。

（発明が解決しようとする問題点） 水槽内の水を製氷化する場合に，水槽内の水を槽外の製
氷装置に送ってこれを製氷化する方式では水および氷を
槽と製氷装置の間に搬送しなければならず，一般に大掛
かりな設備を必要とするという問題がある。

水槽内に製氷パイプを施設して水槽内の水をパイプ周囲
に凝結させる場合には，パイプの表面積を大きくするこ
とには限界があり，またいったんパイプ表面に形成した
氷がさらに成長するには限界があるので，水槽内におい
てパイプの延長距離を長くするか或いは多数本パイプを
施設しなければならず，槽内に収容する水の容積がその
分低減すると共に，設備費用が過大となり，また必ずし
も高い製氷効率を得られないという問題がある。

このような問題は，既存の蓄熱水槽自体には特に改造を
加えることなく，また，特別の製氷装置を設置すること
なく，蓄熱水槽内の水を適宜に且つ適量に製氷化できれ
ば解決し得る。本発明はこの解決を図ったものである。

（問題点を解決する手段） 本発明は，冷媒往管が接続される入口ヘッダー管路と，
冷媒還管が接続される出口ヘッダー管路と，それら入口
ヘッダー管路と出口ヘッダー管路との間に連絡される互
いに平行な多数本の独立した伝熱管路とからなり，各伝
熱管路はその入口ヘッダー管路への接続部において管径
を絞った細管部を有している冷媒管路をドラム壁内に設
けた，外径がマンホールの孔径より小さい両端開口の製
氷ドラムと，この製氷ドラムの内表面に生成した氷を掻
き剥ぐための掻き羽根とを，蓄熱水槽の天井板に設置さ
れたマンホールの孔径より大きな径を有するユニット支
持架台の下方に支持してなる製氷ドラムユニットを提供
するものであり，特に該製氷ドラムの冷媒管路に，既存
冷凍機の冷媒の一部が循環されることを特徴とする製氷
ドラムユニットを提供するものである。

本発明の製氷ドラムユニットを構成するための製氷ドラ
ムは，重ね合わせた二枚の金属プレートのプレート間に
冷媒を通す多数の管路を形成してなるクラッド板型の両
端開口の製氷ドラムを使用することができる。このクラ
ッド板型製氷ドラムを製造するには，二枚の金属プレー
トを重ね合わせたうえ，その面内を電縫溶接して隣合う
線状溶接部同士の間に所定の間隔をあけた多数本の線状
溶接部を形成する工程と，金属プレートの両端面を互い
に溶接して両端開口の円筒状のドラムに構成する工程
と，隣合う線状溶接部で挟まれる金属プレート間の非溶
接間隙に高圧ガスを供給して該非溶接間隙を膨脹させて
金属プレート間に多数本の管路を形成する工程と，によ
って簡単に製造することができる。

一方，本発明の製氷ドラムユニットを構成するための掻
き羽根は，槽中に浸漬した製氷ドラムの壁面に生成する
氷を掻き剥ぐためのもので，これはドラムの内表面およ
び／または外表面に沿って周回運動させるブレードから
なる。この掻き羽根はドラムの内表面だけを周回するよ
うに設けても本発明の目的は達成されるが，場合によっ
てはドラムの外表面を周回するように設けてもよい。い
ずれにしても，この掻き羽根はドラム中心に設けた回転
軸に支持させるのがよい。

本発明の製氷ドラムはそのドラム壁内に設けた冷媒管路
に冷媒を供給することによってこのドラム自身を冷凍サ
イクルの蒸発器として機能させるものであるが，本発明
では既存の冷凍機の余力を利用することによってその機
能を発揮させることができる。すなわち，蓄熱水槽が設
置される通常の建物では冷房用冷熱源を得るための冷凍
機が設置されるが，この冷房運転用或いは冷水蓄熱用に
設置された冷凍機内の冷媒の一部を冷凍機内から取り出
してこれを本発明の製氷ドラムユニットに利用すること
ができる。例えば，通常の単胴密閉型ターボ冷凍機では
その運転中に冷凍機コンデンサーから冷凍機クーラーに
送りこまれる冷媒の一部が冷媒ポンプによってモーター
部やパージコンデンサー等に送られる構造となっている
が，その液冷媒の循環路から液冷媒を冷凍機外に取り出
して本発明の製氷ドラムユニットのドラム冷媒管路に送
り出し，この製氷ドラムで蒸発させたあとそのガス冷媒
を冷媒ガスブロアによって再び冷凍機コンデンサー部に
戻すようにすればよい。これによって新設の冷凍機なし
で本発明の製氷ドラムユニットの運転ができる。

以下に実施例によって本発明を具体的に説明する。

（実施例） 第１図は，本発明の製氷ドラムユニットの実施例を示し
たものであり,1は蓄熱水槽,2は冷凍機,3は制御装置を示
す。

蓄熱水槽１は建物の空調用熱源水を蓄えるのに設置され
る通常の蓄熱水槽であり，仕切壁４によって多数の小水
槽５に区分され，各仕切壁４に設けられた連通孔６を経
て各小水槽５に熱源水が方向性をもって流れる。本発明
においては，かような通常の蓄熱水槽１の小水槽の一部
または全部に本発明に従う製氷ドラムユニット７が水中
に浸漬される。この製氷ドラムユニット７は，蓄熱水槽
１を構成している天井板８に通常設置されるマンホール
９を利用してその機能部が水中に浸漬するように設置さ
れている。

以下に、この製氷ドラムユニット７の詳細を第２図〜第
７図に従って説明する。

第２図は本発明の製氷ドラムユニット７の全体を示した
ものであり,10は製氷ドラム,11は掻き羽根,12はユニッ
ト支持架台,13は掻き羽根を回転させる回転軸,14は減速
機,15はモータ,16は冷媒往管,17は冷媒還管である。

ユニット支持架台12は，第１図で示したマンホール９の
孔径より大きな径を有した板であり，この支持架台12の
下方に製氷ドラム10と掻き羽根11とからなる機能部を複
数本の吊り部材18と回転軸13を介して支持すると共に，
この支持架台12の上に減速機14およびモータ15を支持す
る。またこの支持架台12には冷媒往管16および冷媒還管
17が貫通する孔が設けられている。製氷ドラム10の外径
はマンホール９の孔径より小さく，したがって，マンホ
ール９からこの製氷ドラム10を下げ降ろして水中に浸漬
させることができ，支持架台12がマンホール９を塞ぐ盤
となる。

第３図は製氷ドラム10と掻き羽根11の取付け関係を示す
製氷ドラム部の前半身切り欠き斜視図である。図示のよ
うに，本発明の製氷ドラム10は両端開口の円筒形状を有
しており，ドラム10を構成している周面材料自身に多数
の冷媒管路20が設けられている。この冷媒管路20は，重
ね合わせた二枚の金属プレート（後述の第４図に示す金
属プレートａと金属プレートｂ）の両プレートの間に形
成されたものであり，各冷媒管路20には第１図の冷凍機
２から冷媒が供給される。掻き羽根11はドラム10の内側
周面を周回するように設置されている。すなわち，ドラ
ム10の中心に設置された回転軸13に掻き羽根11が取付け
られ，この掻き羽根11の端縁がドラム10の内面（冷媒管
路20が存在する部位の内面）と僅かなクリアランスをも
って周回するようにしたものである。

ドラム10は吊り部材18によって軸を垂直にして吊り下げ
られるが，回転軸13に遊嵌されたカップリング21（図示
の例では上下二ケ所）とこのカップリング21から延びる
支持杆22とによって，ドラム10と回転軸13との相対距離
が一定に保たれている（回転軸13がドラム10の中心に位
置するように両者の位置が固定される）。使用状態にお
いてはカップリング21が回転軸13に対して遊嵌状態で取
付けられることにより，モータ15によって付与される回
転軸13の回転運動はドラム10には伝達されず，ドラム10
は吊り部材18によって停止位置に静止する。

本発明の製氷ドラム10は二枚の金属プレートの間に多数
本の冷媒管路20を形成した点に一つの特徴があるので，
その詳細を第４図〜第７図に従って説明する。

第４図は製氷ドラム10を展開して示したドラム内側の斜
視図である。図示のように，本発明の製氷ドラム10は，
重ね合わせた二枚の金属プレートａとｂのプレート間に
多数本の冷媒管路を形成してある。この冷媒管路は，プ
レートの一方の端に縦方向に形成した入口ヘッダー管路
25,プレートの他方の端に縦方向に形成した出口ヘッダ
ー管路26,そして，入口ヘッダー管路25と出口ヘッダー
管路26との間に連絡される互いに平行な多数本の独立し
た伝熱管路20′とからなり，各伝熱管路20′はその入口
ヘッダー管路25への接続部において管径を絞った細管部
27を有している。この細管部27は絞り弁の役割をはた
す。入口ヘッダー管路25は冷媒往管16に，また出口ヘッ
ダー管路26は冷媒還管17に接続される。円筒形のドラム
に構成するには金属プレートの両端縁を互いに溶接する
ことによって行われる。第４図の28はこの溶接部を示し
ている。

第５図は，両金属プレートａとｂの間に冷媒管路を形成
するための線状溶接部パターンを示す図である。すなわ
ち，金属プレートａとｂを重ね合わせたうえ，両金属プ
レートａとｂの平板面に電子ビーム溶接などの電縫溶接
によって図示のようなパターンの連続した線状の溶接部
を形成する。より具体的には，隣合う線状溶接部の間
に，入口ヘッダー管路25,出口ヘッダー管路26,各伝熱管
路20′，細管部27などの各管路を形成するための間隙を
あけた線状溶接部パターンを形成する。

このように，本発明に従う製氷ドラムの製造にあたって
は，先ず，二枚の金属プレートを重ね合わせたうえ，該
金属プレート同士を電縫溶接することにより，隣合う線
状溶接部同士の間に所定の間隔をあけた多数本の線状溶
接部を形成する。

ついで，金属プレートの両端縁を互いに溶接することに
よって上下端開口の円筒形のドラムに構成したうえ，隣
合う線状溶接部で挟まれる金属プレート間の非溶接間隙
（入口ヘッダー管路25,出口ヘッダー管路26,各伝熱管路
20′，細管部27などの各管路となる間隙）に高圧ガスを
供給してこの非溶接間隙を膨脹させる。図示の線状溶接
部パターンでは，入口ヘッダー管路25,出口ヘッダー管
路26,各伝熱管路20′，細管部27に対応する非溶接間隙
は互いに連通した一つの閉鎖回路を形成しているので，
この閉鎖回路の１箇所に高圧ガス導入口を設け，これか
ら閉鎖回路内に高圧ガスを供給することによって，各管
路形状に膨脹させることができる。この膨脹工程は，前
記のパターンを形成し両端を溶接したドラムを型内にセ
ットして行うのがよい。これによって正確に冷媒管路を
形成することができる。

第６図は，第５図のVI−VI線矢視断面部の細管部27の膨
脹後の一部断面を，第７図は第５図のVII−VII線矢視断
面の伝熱管路20′の膨脹後の一部断面を示したものであ
る。第６〜７図において，イは当該管路を形成する線状
溶接部の一方の溶接部断面，ロは当該管路を形成する線
状溶接部の他方の溶接部断面であり，これらの溶接部で
は金属プレートａとｂが溶着している。

本発明によるドラム10は，金属プレートａとｂの間に冷
媒管路が形成されるから，その冷媒管路を構成している
両側の金属プレートが伝熱面となり，且つ各冷媒管路の
間に管路部と連続して存在する金属プレート部分が伝熱
フインの役割を果たすので非常に熱交換効率の高い熱交
換器となる。しかも，前述のようにその製造は簡単に行
なうことができるものである。

本発明においては，以上の構成になる製氷ドラム10に掻
き羽根11を第２図のように取付けて製氷ドラムユニット
７を構成し，これを蓄熱水槽１の小水槽の一部または全
部に第１図のように設置して小水槽内の熱源水の一部を
製氷化するのであるが，そのさい，各製氷ドラム10を製
氷機として機能させるために，これを冷媒の蒸発器とし
て作用させる。このための冷媒として，既存の冷凍機内
を循環する冷媒を利用して行なうことができる。

以下にその詳細を第１図に従って説明する。

第１図において，冷凍機２は当該蓄熱水槽１が設置され
る建物の空調用に設置された単胴密閉ターボ冷凍機であ
り，一点破線で示す範囲が既設の冷凍機構成を示してい
る。この冷凍機２において30はクーラー（蒸発器）,31
はコンデンサー（凝縮器）、32は圧縮機,33は駆動モー
ター,34はベーンモーター,35はオイルポンプ伝導装置
（増速機）,36は羽根車,37はパージコンデンサーを示し
ている。このような構成になる通常のターボ冷凍機で
は，液冷媒の一部が冷媒ポンプ38によって機内から取り
出され，補助冷却管39で再度冷却されたあと冷却剤とし
てモーター33に送られるか，冷媒ポンプ38から直接パー
ジコンデンサー37に循環される構成となっている。

本発明では，機内からいったん取り出されて機内に戻さ
れる液冷媒管路，より具体的には冷媒ポンプ38の吐出側
管路40に対して，新たな冷媒主往管41を接続する。この
冷媒主往管41には電動弁42を取付ける。この冷媒主往管
41を蓄熱水槽１の小水槽に設置される各製氷ドラムユニ
ット７の近傍にまで施設したうえ，冷媒主還管43を各製
氷ドラムユニット７から冷凍機のコンデンサー31に電動
弁44を介して接続する。そして，各製氷ドラムユニット
７の冷媒往管16を制御弁45を介して冷媒主往管41に接続
し，また各製氷ドラムユニット７の冷媒還管17を冷媒主
還管43に接続する。冷媒主還管43の下流側（冷媒の流れ
に対して最下流側の製氷ドラムの冷媒還管17が接続され
る位置よりもさらに下流側）に冷媒ガスブロア47が設置
される。必要に応じて，冷媒ガスブロア47と冷凍機のコ
ンデンサー31との間の冷媒主還管43に熱交換器48を接続
し，ブロア47の吐出ガスが有する熱の回収を図ると共に
冷凍機の負荷の低減を行なう。

このようにして，既存の冷凍機２の循環冷媒管路40と各
製氷ドラムユニット７の製氷ドラム10とをつなぐ冷媒配
管を施設したうえ，制御盤３を設置する。この制御盤３
は，冷凍機２の循環冷媒管路40の電動弁50,冷媒主往管4
1の送り出し側の電動弁42および冷媒主還管43の戻り側
の電動弁44の開閉動作を行なうと共に，冷媒ガスブロア
47の発停制御および各製氷ドラムユニット７の冷媒往管
16に介装される制御弁45の開度制御を行なう。

以上の構成になる氷蓄熱装置によると冷凍機２の冷媒ポ
ンプ38を稼動し，電動弁50を閉動作，電動弁42および44
を開動作させ，且つ冷媒ガスブロア47を稼動させれば，
冷凍機２内の液冷媒が各製氷ドラムユニット７のドラム
10に供給され，第４図で説明した各ドラム10における細
管部27で液冷媒が絞られたうえ，冷媒管路20においてガ
ス化蒸発して水槽内の水を強制冷却して製氷化すること
ができる。そのさい各製氷ドラムユニット７の掻き羽根
11を回転させることにより，ドラム10の内面に生成する
氷はドラム10から掻き剥がされて水中に移行し，ドラム
10の上端開口から水面に向かって浮遊する。一方，ドラ
ム10の外面にも氷が生成するが，これは水中において一
定の厚みまで成長したあと，この氷層が断熱層の役割を
果たしてその成長が停止し，内面での氷結を促進するこ
とになる。第１図において52で示す層はドラム外側に生
成する氷層を示している。製氷ドラムユニット７で生成
した氷が水流によって押し流されないようにメッシュや
帆布等によって氷溜まりを形成してもよい。各製氷ドラ
ムユニット７のドラム10でガス化した冷媒は冷媒ガスブ
ロア47によって再び冷凍機２に戻されること（冷凍機２
のコンデンサー部31に戻される）は既述のとおりであ
る。

なお，図示の実施例では製氷ドラム10は絞り弁として作
用する細管部27を設けた例を示したが，この細管部27に
代えてまたはこれに加えて冷媒往管16に設けた制御弁45
を膨脹弁として機能させてもよい。また，掻き羽根はド
ラムの内側を周回させる例だけを示したが，ドラムの外
側を周回させる構成或いはドラムの内側と外側を周回さ
せる構成とすることもできる。また掻き羽根は必ずしも
一枚で構成する必要はなく，回転軸13に対して複数枚設
置してもよい。

（作用効果） 本発明の製氷ドラムユニット７は既存の蓄熱水槽の天井
部のマンホールを利用して設置が簡単にできる。従っ
て，既存の蓄熱水槽自体に特に改造を加えることなく，
また，特別の製氷装置を設置することなく，簡単に製氷
効率の高い製氷装置を構成できる。

そして，各製氷ドラムユニット７を蓄熱水槽１内に浸漬
することによって，各製氷ドラム10の表面で生成した氷
は掻き羽根11によって掻き剥がされつつ水中に浮遊し，
微細粒の氷が水面近くに浮いた状態での氷蓄熱ができ
る。この微細粒が浮遊した状態では水の流れを完全に遮
断することはないから，各小水槽間の水の流れを止める
ことはない。したがって，氷蓄熱運転時或いはその冷熱
を利用した冷房運転時において蓄熱水槽内に水が流れる
から蓄熱水槽本来の機能を停止することはない。

また本発明の製氷ドラムの表面には，互いに平行な多数
本の冷媒管路が形成してあるので，金属プレート自身が
フインの役割をすることと相まって，ドラムの表面全体
で極めて効率の高い製氷を行うことができる。しかも，
各々の冷媒管路の入口付近を細管としてドラム全体が一
体的な直膨型蒸発器となるように構成しているので，冷
媒往管の途中に膨張弁などを設ける必要がなくて配管が
容易で，製氷ドラムユニット全体の構成が簡単であり，
特に既存の冷凍機がその機内に有する冷媒を利用して簡
単に製氷ができるものである。

したがって，ビル空調用に氷蓄熱設備を付加する場合
に，設置作業が容易で新設部分の設備費用は非常に低廉
に行なうことができ，且つそのランニングコストも低廉
であるという有益な効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の氷蓄熱装置の一実施例を示す機器配置
系統図，第２図は本発明に従う製氷ドラムユニットの全
体斜視図，第３図は第２図の製氷ドラムユニットのドラ
ムおよび掻き羽根部分を説明するための前半身切り欠き
斜視図，第４図は製氷ドラムユニットのドラムの展開斜
視図，第５図は該ドラムを製作するための線状溶接部パ
ターン図，第６図は第５図のVI−VI線矢視断面部分を膨
脹後に示した拡大略断面図，第７図は第５図のVII−VII
線矢視断面部分を膨脹後に示した拡大略断面図である。 １……蓄熱水槽,2……既設冷凍機,3……制御盤,4……仕
切壁,5……小水槽,6……連通孔,7……製氷ドラムユニッ
ト,8……蓄熱水槽の天井板,9……マンホール,10……製
氷ユニットのドラム,11……掻き羽根,12……支持架台,1
3……回転軸,15……モーター,16……冷媒往管,17……冷
媒還管,18……吊り部材,30……冷凍機のクーラー部,31
……冷凍機のコンデンサー部,33……冷凍機のモーター
部,37……冷凍機のパージコンデンサー部,38……冷媒ポ
ンプ,40……冷凍機の冷媒循環路,41……冷媒主往管,43
……冷媒主還管,45……制御弁,47……冷媒ガスブロア,5
2……ドラム表面に成長した氷塊。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】冷媒往管が接続される入口ヘッダー管路
   と，冷媒還管が接続される出口ヘッダー管路と，それら
   入口ヘッダー管路と出口ヘッダー管路との間に連絡され
   る互いに平行な多数本の独立した伝熱管路とからなり，
   各伝熱管路はその入口ヘッダー管路への接続部において
   管径を絞った細管部を有している冷媒管路をドラム壁内
   に設けた，外径がマンホールの孔径より小さい両端開口
   の製氷ドラムと， この製氷ドラムの内表面に生成した氷を掻き剥ぐための
   掻き羽根とを， 蓄熱水槽の天井板に設置されたマンホールの孔径より大
   きな径を有するユニット支持架台の下方に支持してなる
   製氷ドラムユニット。
2. 【請求項２】前記製氷ドラムの冷媒管路に，既存冷凍機
   の冷媒の一部が循環されることを特徴とする特許請求の
   範囲（１）に記載の製氷ドラムユニット。