JPH0781728B2 - 冷却・加熱装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は冷却・加熱装置に関し、特に主として冬に暖
房、夏に冷房のために加熱と冷却を行なう氷蓄熱システ
ムに関するものである。

〔従来技術〕

従来、夏期、昼間の冷房等による電力ピークをカットす
る目的及び冷凍容量を少なくする目的のため夜間に冷水
を製造し、該冷水を貯蔵しておき、昼間にこの冷水によ
る冷房を行なうシステムがある。

しかしながら、この場合は冷熱を水の顕熱によってのみ
蓄えるので、昼間の冷房負荷をまかなうためには、膨大
な蓄水量が必要であった。

このため、最近では冷水にかわり氷を蓄えるシステムを
注目されている。即ち、このシステムは氷の潜熱を利用
した冷熱を蓄えるので水に比べて約1/10の容積で蓄冷す
ることが可能であることから、近年の地価高騰もあり、
その普及が期待されている。そのため、数多くの氷蓄冷
システムが運転され始めている。また、特許出願等でも
数多くの提案がなされている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、数多くの氷蓄冷システムが提案されてい
るにもかかわらず、従来システムは種々の欠点があり、
その普及はまだ十分とは言い難い。この原因は氷蓄冷シ
ステムに必要な下記の10条件を全て満足するシステムが
ないためと思われる。

条件１、設備費低減のため、昼間運転できるシステムで
あること、 条件２、同じく設備費低減のため、氷蓄熱槽のIPE（氷
充填率）が大きいこと。そのためには、最大製氷時にお
ける水通路などのデッドスペースができるだけ少ないこ
とが望ましい。

条件３、同じく設備費低減のため、製氷用伝熱面積が小
さいこと。

条件４、運転費及び圧縮機容量低減のため、中小形機で
はブラインを介さない直膨方式であること。

条件５、運転費低減のため、冷房負荷があるときは氷を
介さずに、冷水で蒸発器を冷却するようになっているこ
と。

条件６、厚い着氷により蒸発器伝熱面と水との熱伝導が
阻害されないこと。

条件７、圧縮機の寿命を長くするため、夏期に逆サイク
ルを行うような、大きな圧力変動の伴う運転は避けられ
るようになっていること。

条件８、メンテナンス費用や工事費削減のため、中小形
機では負荷側にはブラインではなく、冷水が循環するよ
うにすること。

条件９、冬季、暖房又は給湯用の温水加熱もできるこ
と。そのとき蓄熱槽が大きくならないこと。

条件10、同様に、冬季温水加熱も行なうときは、冷房時
と温水加熱時とで必要冷媒量の違いなどにより不具合が
生じないこと。

勿論、従来システムにおいても、これら10の条件のうち
のいくつかの条件を満足するものはある。但し、これら
条件の中には１つの条件を満足しようとすると、他の条
件が満足し難くなるものがあり、これら10の条件を全て
満足することが技術的に難しく、且つ重要なことであ
る。

これら10条件と従来例とを対比させて説明する。

条件１は通常の冷暖房負荷条件の場合には必須の条件で
ある。即ち、冷凍容量を小さくしないで、運転費削減だ
けで蓄熱槽コスト増を償却できることは稀である。従っ
て、現在運転されているものはほとんど、この条件を満
足しているようである。

条件２、３は難しい条件である。その１つの解決方法
が、氷片又はシャーベット状の氷を流動させて、この氷
を蓄熱槽に蓄えるダイナミック方式といわれている方法
である。しかしながらこの方法は多くの場合、後述の条
件４、７、８等の条件を満足できなくなる場合が多い。

条件４は運転費、設備費削減のため重要な条件である
が、従来のものはほとんどブラインを介したものであ
る。この理由は直膨式では後述の条件９、10を満足させ
ることが難しいからである。

条件５は特願昭58-148760号に開示されたシステム等で
提案されているのであり、現在実施されているシステム
の殆どはこの条件を満足させるシステムが採用されてい
る。

しかしながら、上記特願昭58-148760号のシステムで
は、前述の条件を満足するものではないので、中小形機
では採用し難いシステムである。

条件６も難しい条件であり、種々の提案がなされてい
る。ブライン中水分の一部を氷結させ、ダイナミック方
式とする方法や、逆サイクルを行ない、解氷と製氷を繰
り返す方法などがある。しかしながら、ダイナミック方
式は、従来の条件８、10、逆サイクル方式は後述のよう
に条件７等の条件が満足できなくなる。

条件７は解氷のための条件であるが、考えつき易い逆サ
イクル方式は、採用が難しいものである。夏季、逆サイ
クルとすると蒸発温度が30℃以上にもなり、不具合なく
運転できるようにするためには、種々の研究開発が必要
である。

条件８も氷蓄熱システムを普及させるためには必須の条
件と思われる。

以上、上記条件１〜８を満足させる方法も難しいが、特
に条件９、10の暖房の条件も満足させることが難しい。
しかしながら、暖房ができなければ急速な普及は難しい
と思われる。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、上記条件１
〜10の条件を同時に満足する夏季氷蓄熱冷房、冬季温水
加熱を行なうシステムを提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するため本発明では、冷却・加熱装置を
下記のように構成した。

圧縮機、外気側熱交換器、負荷側凝縮器、水流下式熱交
換器、減圧装置及びこれらを連絡する冷媒通路により構
成される蒸気圧縮式ヒートポンプ経路と、 前記負荷側凝縮器、水流下式熱交換器、該水流下式熱交
換器の上部に送水するタンク水ポンプ、該水流下式熱交
換器の下部に配備されるタンク、負荷流体入口部、負荷
流体出口部及びこれらを連絡する流体通路より構成され
る負荷流体経路により構成され、 冷却蓄冷モードのときは、外気側熱交換器が凝縮器とし
て、水流下式熱交換器が蒸発器としてそれぞれ作動し、
且つタンク水ポンプが運転され、水流下式熱交換器に送
られる水を冷却し、氷結させ、 負荷冷却モードのときは、冷却蓄冷モードと同様外気側
熱交換器が凝縮器として、水流下式熱交換器が蒸発器と
してそれぞれ作動し、且つ負荷流体還水を水流下式熱交
換器の上部に流下させ、 加熱蓄熱モードのときは、外気側熱交換器を蒸発器とし
て、水流下式熱交換器を凝縮器としてそれぞれ作動さ
せ、且つタンク水ポンプが運転され、水流下式熱交換器
に送られる水を加熱し、タンク内の水を加熱して蓄え、 通常加熱モードの時は、負荷側凝縮器を凝縮器として、
水流下式熱交換器を蒸発器としてそれぞれ作動させ、且
つタンク水ポンプを作動させ、水流下式熱交換器内の冷
媒を加熱するようにする。

〔作用〕

冷却・加熱装置を上記の如く構成することにより、後に
詳述するように前述の氷蓄熱システムが普及するための
条件１乃至条件10の全ての条件を満足する冷却・加熱装
置となる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を第１〜第８図に基づいて説明す
る。

第１図は本発明にかかる冷却・加熱装置の冷房蓄冷時の
場合のフローシートである。同図において、冷媒、水の
流れを矢印で示す。冷却・加熱装置は、通常、蓄熱ユニ
ット１の上にヒートポンプユニット２を配備した冷温水
ユニット３としてまとめられている。

ヒートポンプユニット２は配管前の量産ヒートポンプ部
品を本ヒートポンプ用に配管したものが用いられる。

この製氷時には、冷温水ポンプ４は停止していて、四方
弁５は“冷房通常サイクル”側に、電磁弁６、６′は
“外気熱交換器”側にセットされ、電磁弁27は閉じられ
る。そして外気側熱交換器７が凝縮器として、水流下式
熱交換器８が蒸発器として作用する。即ち、冷房は水流
下式熱交換器８の外部に流下する“水”から吸熱して蒸
発し、配管９→四方弁５→電磁弁６′→外気側熱交換器
７→チャッキ弁11→膨張弁12→水流下式熱交換器８と循
環する。このときファン13が運転され、外気により外気
側熱交換器７が冷却される。また、タンク水ポンプ14が
運転され、タンク15の下部の水は配管16を通って、ヘッ
ダ17に送られる。このヘッダ17にはノズル18が取り付け
られていて、ヘッダ17内の水はこのノズル18により、水
流下式熱交換器８のフィン部19に流下する。そしてこの
フィン部19で水は冷却され一部はフィン部19のまわりに
氷結する。この氷が更に成長して、その厚みが厚くなっ
た時点でバイパス制御弁21を開ける。この開度は温度セ
ンサ20からの温度検出信号により蒸発温度が０℃以上と
なるように制御され、水流下式熱交換器８で蒸発した冷
媒の一部を該水流下式熱交換器８に戻す。または、予め
蒸発温度が０℃以上となるようなバイパス配管を用い、
このバイパス制御弁21を電磁弁としてもよい。

第２図は冷却サイクル説明のための圧力／エンタルピー
線図である。製氷運転時はａ→ｂ（圧縮過程）、ｂ→ｃ
（凝縮過程）、ｃ→ｄ（減圧過程）、ｄ→ａ（蒸発過
程）からなるサイクルにより運転されている。

上記バイパス制御弁21が作動する冷凍サイクルはｅ→ｆ
→ｇ→ｅのように作動する。即ち、バイパス制御弁21に
より高圧冷媒ガスはｅ→ｆのように変化する。そしてこ
のｆ点の圧力は０℃に相当する飽和圧力より高くなって
いるので、フィン部19を介して、フィン面に氷結してい
る氷が解氷し、その熱により冷媒ガスは逆に冷却され、
ｇ点となる。そして、再び圧縮機10により圧縮され、ｅ
点となる。

また、解氷時は、フィン13を停止する。その理由は第３
図のように凝縮器で冷却するとｅ′→ｅ″に相当するエ
ンタルピー分だけ外気を加熱することになるので、解氷
のためのエンタルピー差ｆ→ｇが減少するからである。

また、解氷した氷片Ipはタンク15に落ち、貯氷される。

なお、水流下式熱交換器８が第１図のような直膨式蒸発
器の場合は、この解氷時に蒸発器内冷媒が液分離器８′
に移動するので、解氷運転完了後電磁弁21′が開き、液
を水流下式熱交換器８に戻してからバイパス制御弁21及
び電磁弁21′を閉じ、再び製氷運転となるようになって
いる。

このようにして、タンク15内に氷片Ipが増加してくる
と、最後にはタンク15の底部も氷片Ipの層となるので、
このとき自動的に製氷運転が停止される。この停止は、
例えばタンク15内の水と氷の混合体の体積膨張を検出す
る液面検出スイッチ22等により行なわれる。なお、タン
ク15の中央部に沢山の小孔のある円筒26があり、水の流
れを良くするようにしている。

第４図は上記構成の冷却・加熱装置の圧縮機停止冷房モ
ードの場合のフローシートである。冷温水ポンプ４が運
転され、電磁弁27が開けられ、タンク水ポンプ14、圧縮
機10、ファン13は運転されていない。負荷23からの還水
はノズル24から水熱交換器25を経由して電磁弁27、ヘッ
ダ17、ノズル18を通り、タンク15に還流する。そして配
管28、三方向調節弁29、冷温水ポンプ４を経由し、ノズ
ル30より負荷側に送られる。このとき三方向調節弁29に
より、一部バイパス管31より負荷還水をバイパスさせる
ことにより、ノズル30部での冷水温度は例えば７℃に制
御される。

第５図は上記構成の冷却・加熱装置の通常冷房運転モー
ドの場合のフローシートである。第４図の状態でしばら
く運転していると解氷が進みタンク15内の水位が下降し
てくる。これを例えば液面検出スイッチ22′が作動し、
通常の冷房運転モードに切り替わり、圧縮機10が運転さ
れる。このとき水流下式熱交換器８は負荷還水により加
熱されるので、蒸発温度は例えば５℃で運転される。但
し、通常冷凍機容量より負荷の方が大きいので、氷によ
る冷熱も用いられ、ノズル30から、例えば７℃となって
負荷23に送られる。

第６図は上記構成の冷却・加熱装置の暖房蓄熱運転の場
合のフローシートである。このときは、四方弁５が暖房
正常サイクル側に切替わり、電磁弁27は閉じられる。圧
縮機10で吐出されたガスは四方弁５を通って水流下式熱
交換器８に送られ、凝縮し、チェッキ弁32及び電磁弁６
を通り、膨張弁33で減圧される。減圧された冷媒は外気
側熱交換器７で、外気から吸熱して、蒸発し、四方弁５
を通り、再び圧縮機10に吸込まれる。タンク15内の水温
が上昇すると温度センサの温度検出信号により運転を停
止する。

第７図は上記構成の冷却・加熱装置の圧縮機停止暖房モ
ードの場合のフローシートである。圧縮機10、ファン1
3、タンク水ポンプ14は運転されず、冷温水ポンプ４の
み運転される。電磁弁27は開となる。タンク15内の温度
は45℃以上であるので、三方向調節弁29の調節により、
例えば45℃以上の温水が負荷23側に送られる。

第８図は上記構成の冷却・加熱装置の通常加熱運転の場
合のフローシートである。通常、温度センサ34の検出温
度が45℃まで下がる状態となると、四方弁５が“冷房通
常サイクル”と同じ状態に切替わる。また、電磁弁6,
6′は“氷熱交換器”側に切り替えられる。また、電磁
弁27も閉じられる。冷温水ポンプ４、タンク水ポンプ1
4、圧縮機10、ファン13の全てが運転される。圧縮機10
で圧縮された冷媒は、四方弁５→電磁弁６′→水熱交換
器25→電磁弁６→膨張弁12→水流下式熱交換器８→四方
弁５→圧縮機10と循環し、タンク15内の水を熱源として
水熱交換器25で温水を加熱する。なお、タンク15内の水
温が下がり、０℃以下になると、この水を氷らせること
により、その潜熱を熱源として暖房を続行させることも
可能である。

負荷23からの戻り温水は水熱交換器25で加熱され、バイ
パス管31→三方向調節弁35→三方向調節弁29→冷温水ポ
ンプ４とながれ再び負荷23に供給される。

なお、負荷23の小さいときは、三方向調節弁29により、
蓄熱槽内の低温水が混合され常に45℃の温水が加熱され
るようになっている。このときこのバイパス量と同一量
が三方向調節弁35によりタンク15に戻るようになってい
る。

〔発明の効果〕

以上、説明したように本発明に依れば、冷却蓄冷モード
のときは、外気側熱交換器が凝縮器として、水流下式熱
交換器が蒸発器としてそれぞれ作動し、且つタンク水ポ
ンプが運転され、水流下式熱交換器に送られる水を冷却
し、結氷させ、該氷をタンクに蓄え、負荷冷却モードの
ときは、冷却蓄冷モードと同様外気側熱交換器が凝縮器
として、水流下式熱交換器が蒸発器としてそれぞれ作動
し、且つ負荷流体還水を水流下式熱交換器の上部に流下
させ、加熱蓄熱モードのときは、外気側熱交換器を蒸発
器として、水流下式熱交換器を凝縮器としてそれぞれ作
動させ、且つタンク水ポンプが運転され、水流下式熱交
換器に送られる水を加熱し、タンク内の水を加熱して蓄
え、通常加熱モードの時は、負荷側凝縮器を凝縮器とし
て、水流下式熱交換器を蒸発器としてそれぞれ作動さ
せ、且つタンク水ポンプを作動させ、水流下式熱交換器
内の冷媒を加熱するので、前述の氷蓄熱システムが普及
するための前記条件１乃至条件10の全ての条件を満足す
るから下記のような優れた効果が得られる。

（１） 当然、冷房暖房とも昼夜間運転することができ
る。

（２） 氷蓄熱槽の中に伝熱面がないので、IPFを大き
くすることができる。しかも暖房時のIPFが制限される
ようなことはない。

（３） 氷蓄熱槽内に均等に製氷用コイルを配する構造
でないので、製氷用熱交換器を小さくすることができ
る。

（４） ブラインを介する方式でないので蒸発温度を高
くすることができる。

（５） 冷房負荷があるときは、蒸発器は負荷還水で加
熱されるので、蒸発温度を高くすることができる。

（６） 着氷が厚くならないので、伝熱性能が良好であ
る。

（７） 解氷サイクルを行なう場合でも、蒸発温度は０
℃より多少高い程度の運転条件で解氷するので、圧縮機
の吸込部の圧力変動が少ない。

（８） 負荷側にもブラインを使用しないので、メンテ
ナンス費や工事費が小さくて済む。

（９） 暖房時蓄熱槽を２段階で使用するので、蓄熱槽
を大きくする必要がない。

（10） 製氷用蒸発器も小さく、冷房時と暖房時で必要
冷媒量が殆ど同じであり、安定した運転が可能である。

（11） ヒートポンプ部分は、配管を一部変更するだけ
で、量産機の主要部をそのまま使用でき低価格となる。

（12） 冷房、暖房等の加熱負荷のあるときはタンク水
ポンプは運転されないので運転費用を低減できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の冷却・加熱装置の冷房蓄冷時の場合の
フローシートを示す図、第２図、第３図はそれぞれ冷却
サイクル説明のための圧力／エンタルピー線図、第４図
は本発明の冷却・加熱装置の圧縮機停止冷房モードの場
合のフローシートを示す図、第５図は本発明の冷却・加
熱装置の通常冷房運転モードの場合のフローシートを示
す図、第６図は本発明の冷却・加熱装置の暖房蓄熱運転
の場合のフローシートを示す図、第７図は本発明の冷却
・加熱装置の圧縮機停止暖房モードの場合のフローシー
トを示す図、第８図は本発明の冷却・加熱装置の通常暖
房運転の場合のフローシートを示す図である。 図中、１……蓄熱ユニット、２……ヒートポンプユニッ
ト、３……冷温水ユニット、４……冷温水ポンプ、５…
…四方弁、6,6′……電磁弁、７……外気側熱交換器、
８……水流下式熱交換器、10……圧縮機、11……チェッ
キ弁、12……膨張弁、13……ファン、14……タンク水ポ
ンプ、15……タンク、18……ノズル、19……フィン部、
21……バイパス制御弁、21′……電磁弁、22,22′……
液面検出スイッチ、23……負荷、24……ノズル、25……
水熱交換機、26……円筒、27……電磁弁、29……三方向
調節弁、30……ノズル、31……バイパス管、32……チェ
ッキ弁、33……膨張弁、34……温度センサ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧縮機、外気側熱交換器、負荷側凝縮器、
   水流下式熱交換器、減圧装置及びこれらを連絡する冷媒
   通路により構成される蒸気圧縮式ヒートポンプ経路と、 前記負荷側凝縮器、前記水流下式熱交換器、該水流下式
   熱交換器の上部に送水するタンク水ポンプ、該水流下式
   熱交換器の下部に配備されるタンク、負荷流体入口部、
   負荷流体出口部及びこれらを連絡する流体通路より構成
   される負荷流体経路により構成され、 冷却蓄冷モードのときは、外気側熱交換器が凝縮器とし
   て、水流下式熱交換器としてそれぞれ作動し、且つ前記
   タンク水ポンプが運転され、前記水流下式熱交換器に送
   られる水を冷却し、氷結させ、 負荷冷却モードのときは、冷却蓄冷モードと同様外気側
   熱交換器が凝縮器として、水流下式熱交換器が蒸発器と
   してそれぞれ作動し、且つ負荷流体還水を水流下式熱交
   換器の上部に流下させ、 加熱蓄熱モードのときは、前記外気側熱交換器を蒸発器
   として、前記水流下式熱交換器を凝縮器としてそれぞれ
   作動させ、且つ前記タンク水ポンプが運転され、前記水
   流下式熱交換器に送られる水を加熱し、前記タンク内の
   水を加熱して蓄えるように構成されたことを特徴とする
   冷却・加熱装置。
2. 【請求項２】圧縮機、外気側熱交換器、負荷側凝縮器、
   水流下式熱交換器、減圧装置及びこれらを連絡する冷媒
   通路により構成される蒸気圧縮式ヒートポンプ経路と、 前記負荷側凝縮器、前記水流下式熱交換器、該水流下式
   熱交換器の上部に送水するタンク水ポンプ、該水流下式
   熱交換器の下部に配備されるタンク、負荷流体入口部、
   負荷流体出口部及びこれらを連絡する流体通路より構成
   される負荷流体経路により構成され、 冷却蓄冷モードのときは、外気側熱交換器が凝縮器とし
   て、水流下式熱交換器としてそれぞれ作動し、且つ前記
   タンク水ポンプが運転され、前記水流下式熱交換器に送
   られる水を冷却し、氷結させ、 負荷冷却モードのときは、冷却蓄冷モードと同様外気側
   熱交換器が凝縮器として、水流下式熱交換器が蒸発器と
   してそれぞれ作動し、且つ負荷流体還水を水流下式熱交
   換器の上部に流下させ、 通常加熱モードの時は、前記負荷側凝縮器を凝縮器とし
   て、前記水流下式熱交換器を蒸発器としてそれぞれ作動
   させ、且つ前記タンク水ポンプを作動させ、前記水流下
   式熱交換器内の冷媒を加熱するよう構成されたことを特
   徴とする冷却・加熱装置。