JPH08152162A

JPH08152162A - 内融式氷蓄熱槽

Info

Publication number: JPH08152162A
Application number: JP6319178A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Ogawa; 彰彦小川; Senji Niwa; 宣治丹羽; Seiichi Nakanishi; 誠一中西
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 1994-11-28
Filing date: 1994-11-28
Publication date: 1996-06-11

Abstract

(57)【要約】【目的】氷蓄熱取り出し速度等の改善及び氷量の簡易
な計測を可能とした内融式氷蓄熱槽の提供を目的とす
る。【構成】水槽７と、水槽７内に浸漬した蓄熱氷形成用
の伝熱管８と、伝熱管８を水槽７内に支持する支持部材
９とを備え、熱伝達媒体を冷凍機又はヒートポンプの蒸
発機６と伝熱管８との間で循環させ、冷凍機又はヒート
ポンプの蒸発機６での熱交換により温度降下した熱伝達
媒体と、水槽７内の水１５との熱交換により、伝熱管８
の外周部に氷を形成する内融式氷蓄熱槽２において、支
持部材９を金属製とし、伝熱管８に対し所定の間隔で設
け、伝熱管８の下方に空気を吐出する散気管１８と、散
気管１８に空気を送るブロア１９を備えるものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、冷凍機及びヒートポン
プに付設される内融式氷蓄熱槽に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ビルの空調や地域冷房などの空調
装置において、深夜電力の有効利用による運転費用の低
減や、深夜と昼間の消費電力の平準化、さらに空調装置
に関する初期投資額の削減等を目的として氷蓄熱槽が付
設されることが多くなりつつある。

【０００３】氷蓄熱槽を備えた従来の空調装置につい
て、図９を参照しつつ説明する。図９は従来公知の空調
装置の一つを示す概略構成図であり、冷凍機１０１及び
氷蓄熱槽１０２からなる。冷凍機１０１は、圧縮機１０
３、凝縮機１０４、膨張弁１０５、及び蒸発機１０６に
より閉ループが形成され、冷媒がこの閉ループで冷凍サ
イクルを行いながら循環している。また、氷蓄熱槽１０
２は、水槽１０７と、蓄熱氷形成用の伝熱管１０８と、
この伝熱管１０８を前記水槽１０７内に支持する支持体
１０９とが備えられている。かかる伝熱管８は、図９に
示すように前記水槽１０７内でＵ字形の湾曲と直線部分
とを交互に繰り返すことにより、水槽７に浸漬できる伝
熱管８を長くし、伝熱面積を可能な限り大きくする構造
が取られている。また伝熱管１０８は、蒸発機１０６、
ポンプ１１２に連結される管路１１０、１１１に接続さ
れ閉ループが形成されている。かかる閉ループには、液
相状態を保つようにエチレングリコール等を主成分とす
るブラインが還流可能に充填されている。また、前記管
路１１１に設けられた切換弁１１３により、伝熱管１０
８と蒸発機１０６との間の管路１１１ａを通る循環に代
えて、管路１１１ｂを経て、熱交換器１１４を通り管路
１１１に戻る循環に切換え可能に構成されている。

【０００４】前記氷蓄熱槽１０２に冷熱を蓄積する場合
は、前記切換弁１１３により管路１１１ａを通る循環に
する。ここで前記冷凍機１０１の冷媒が循環し冷凍サイ
クルを行い、蒸発器１０６において冷媒が蒸発し蒸発熱
を奪うことから、冷媒と熱交換するブラインは奪熱され
る。この蒸発機１０６で冷却されたブラインは、ポンプ
１１２により管路１１０を経て伝熱管１０８に導かれ、
ここで水槽１０７内の水との間で熱交換させ、その後管
路１１１及び管路１１１ａを経て蒸発機１０６に戻され
る。かかる閉ループでブラインが循環することで、伝熱
管１０８の外周部に氷が形成される。

【０００５】一方、前記氷蓄熱槽１０２から冷熱を取り
出す場合、冷凍機１０１の運転を中止し、切換弁１１３
を切換え、管路１１１ｂを通る循環にする。これにより
伝熱管１０８の外周部の氷が融解する際に周囲から奪う
大きな融解熱を利用し、伝熱管１０８を流動するブライ
ンを冷却し、冷却されたブラインを管路１１１ｂを介し
熱交換器１１４に流動させる。この熱交換器１１４によ
り冷房が可能になる。つまり、深夜電力を使って氷の形
成を行い、冷熱を蓄積し、昼間はこの氷蓄熱を利用して
冷房を行うことにより、電力消費量の昼夜間での平準化
を図ることができる。

【０００６】以上で説明した氷蓄熱槽１０２、つまり氷
蓄熱利用時に伝熱管１０８にブラインを流動させて、伝
熱管１０８の内側から間接的に伝熱管１０８の外周部の
氷を融解させる氷蓄熱槽１０２は、一般的に内融式と定
義されるものである。上述の内融式氷蓄熱槽１０２に水
を循環させる装置を設けた従来技術として特開平６−１
１１５８号がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上で紹介した、冷凍
機１０１等に付設された従来の内融式氷蓄熱槽１０２に
は、次に示すような不都合がある。

【０００８】図１０に示すように、内融式氷蓄熱槽１０
２では、伝熱管１０８内にブラインを流動させて氷１１
５ａを融解させるため、氷１１５ａは伝熱管８の周囲か
ら融解し円筒状になる。この円筒状の氷１１５ａと伝熱
管１０８の間に水１１５ｂが略密閉状態で滞留するた
め、伝熱管１０８と氷１１５ａとは、周囲の水１１５ｂ
の自然対流でしか熱伝達されないこととなる。このため
毎時間当たりの熱伝達量が比較的小さく、氷蓄熱の取り
出し速度及び温度に制約が生じる。これは自然対流では
強制対流に比較し温度境界層が厚くなり熱伝達率が小さ
くなることからである。さらに、氷１１５ａの外周部の
水１１５はほとんど静止し、伝熱管１０８と氷１１５ａ
との間に存する水１１５ｂと対流し混合することがほと
んどないことも、氷蓄熱の取り出し速度及び温度に制約
を与える要因になっている。なお従来技術の特開平６−
１１１５８号のごとく、氷蓄熱槽１０２内の水１１５を
循環させても、伝熱管１０８と氷１１５ａとの間に略密
閉状態で存する水１１５ｂをほとんど循環させることが
できないので、伝熱管１０８と氷１１５ａとの熱伝達率
を増大させる効果は小さい。

【０００９】また、水１１５と氷１１５ａとの比体積の
違いから、氷蓄熱槽１０２内の水位の変化を計測すれば
氷１１５ａの量がわかるが、上述の従来技術の場合、伝
熱管１０８と氷１１５ａとの間に存する水１１５ｂが略
密閉状態で、氷１１５ａの外部の水１１５と自由に流動
していないことから、氷１１５ａが伝熱管１０８の周囲
から融解しても、氷１１５ａの内部に気泡が発生し、氷
１１５ａの量の変化が水位の変化に直接現れない。この
ため簡易に測定できる水位の変化により、氷量を計算す
ることが困難となる。

【００１０】ところで、上述の内融式の氷蓄熱槽１０２
以外に外融式のものがある。これは図９において、切換
弁１１３及び管路１１１ｂの代わりに、氷蓄熱槽１０２
の水槽１０７に２本の管路Ｘ、Ｙ（図９において仮想線
で示す）を開口し、伝熱管１０８の周囲に形成された氷
１１５ａの外部の水１１５を循環させることにより、氷
１１５ａを融解させ氷蓄熱を取り出すものである。かか
る外融式氷蓄熱槽によれば、伝熱管１０８の外周部の氷
１１５ａを直接水槽１０７内の水１１５で融解させるこ
とから、上述の不都合、つまり融解した水１１５ｂ（図
１０参照）が密閉されていることから生じる氷蓄熱取り
出し速度の制約等の不都合は発生しないが、図１１に示
すように、製氷時伝熱管１０８の外周部に形成される氷
１１５ａ同志がつながる、いわゆるブリッジング現象が
生じて、水１１５が流動しないゾーン１１５ｃが発生す
る。このためこのゾーン１１５ｃでは、水槽１０７内の
水１１５を熱交換させつつ循環させても、水１１５の融
解が起こらず、氷蓄熱取り出し速度に著しい制約を受け
る。また、かかるブリッジング現象を発生させないため
には、氷蓄熱槽１０２内の水１１５を氷１１５ａに相転
移させる割合である氷充填率（ＩＰＦ）が制限され、氷
蓄熱容量が小さくなる。かかる観点から、内融式氷蓄熱
槽１０２において、上述の不都合を解決したい。

【００１１】本発明は上述の従来の不都合を解決するた
めになされたもので、氷蓄熱取り出し速度等の改善及び
氷量の簡易な計測を可能とした内融式氷蓄熱槽の提供を
目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明の内融式氷蓄熱槽は、（１）水槽と、前記水槽内に浸漬した蓄熱氷形成用の伝
熱管と、前記伝熱管を前記水槽内に支持する支持部材と
を備え、熱伝達媒体を冷凍機又はヒートポンプの蒸発機
と伝熱管との間で循環させ、冷凍機又はヒートポンプの
蒸発機での熱交換により温度降下した熱伝達媒体と、水
槽内の水との熱交換により、伝熱管の外周部に氷を形成
する内融式氷蓄熱槽において、前記支持部材を金属製と
し、前記伝熱管に対し所定の間隔で設けるものである。

【００１３】（２）請求項２記載のように、前記支持部
材の前記伝熱管に対する間隔を、伝熱管の外径の１０倍
から５０倍とするとよい。

【００１４】（３）請求項３記載のように、前記伝熱管
の外周部に金属製のスタッドを突設するとよい。

【００１５】（４）請求項４記載のように、前記伝熱管
の外周部に金属製のフィンを突設するとよい。

【００１６】（５）請求項５記載のように、前記伝熱管
の下方に空気を吐出する散気管と、散気管に空気を送る
ブロアを備えるとよい。

【００１７】（６）請求項６記載のように、一端が前記
水槽の上方に開口した吸込管と、一端が前記水槽の下方
に開口した吐出管と、前記吸込管を介して水槽内上部の
水を吸込み、この吸込んだ水を前記吐出管を介して水槽
内下部に吐出する水ポンプとからなる水循環装置を備え
るとよい。

【００１８】

【作用】上記の構成を有する本発明の内融式氷蓄熱槽に
よれば、下記の作用がある。

【００１９】（１）支持部材が金属製であり熱伝導が良
好であることに起因し、解氷時、伝熱管の外周部の氷が
融解していくと同時に、前記伝熱管に対し所定の間隔で
設けられた金属製の支持部材周辺の氷も融解し、従来技
術では円筒状になる氷に前記支持部材周辺で穴があき、
円筒状の氷の内部に存する水の略密閉状態が解除され
る。この支持部材の間隔を調整することで、伝熱管と円
筒状の氷との間に存する水と、円筒状の氷の外周部に存
する水との、自然対流による流動を促進することができ
る。このため、伝熱管周辺の温度境界層を薄くすること
が促進でき、氷蓄熱取り出し速度の向上及び氷蓄熱取り
出し温度の降下を図ることができる。

【００２０】また上述のように、伝熱管と円筒状の氷と
の間に存する水と、円筒状の氷の外周部に存する水との
流路ができ、円筒状の氷の内部に存する水の略密閉状態
が解除されているため、円筒状の氷の内部に気泡が封入
されることもなく、氷量と水槽内の水位との関係が線形
となる。このため水位の変化を測定することにより正確
に氷量が計測できる。

【００２１】（２）請求項２記載の内融式氷蓄熱槽によ
れば、上記（１）記載の作用が有効に発揮される。伝熱
管に対する支持部材の間隔が短ければ短いほど、円筒状
の氷にあける穴が増加し、円筒状の氷の内部に存する水
と外部に存する水との流動が促進され、氷蓄熱取り出し
速度等の向上を図ることができるが、材料費、加工費等
が増加し経済的に好ましくないことから、上記（１）記
載の作用が有効に発揮される支持部材の間隔として、伝
熱管の外径の５０倍を上限としている。また、支持部材
があまり接近しすぎると、製氷時、支持部材を包むよう
に氷が形成されるため、解氷時、逆に氷の内部に水が密
閉され、上記（１）記載の作用が発揮できないこととな
る。かかる観点から、伝熱管に対する支持部材の間隔と
して、伝熱管の外径の１０倍を下限としている。

【００２２】（３）請求項３記載の内融式氷蓄熱槽によ
れば、前記伝熱管の外周部に金属製のスタッドを突設す
ることから、請求項１又は２記載の内融式氷蓄熱槽のご
とく伝熱管に対し金属製の前記支持部材を設ける構造よ
りも、簡易かつ積極的に円筒状の氷に穴をあけることが
できる。このため、伝熱管と円筒状の氷との間に存する
水と、円筒状の氷の外周部に存する水との、自然対流に
よる流動をより一層促進することができ、氷蓄熱取り出
し速度の向上及び氷蓄熱取り出し温度の降下をさらに促
進できる。また、円筒状の氷の内部に存する水の略密閉
状態の解除がより完全になるため、水位の変化から氷量
を計測することの正確性が増す。

【００２３】（４）請求項４記載の内融式氷蓄熱槽によ
れば、前記伝熱管の外周部に金属製のフィンを突設する
ことから、伝熱管の外周部の形成される円筒状の氷の側
面に前記フィンに沿った裂け目を作ることができる。こ
の金属製のフィンを伝熱管の側面にスパイラル状又はリ
ング状等に設けることで、円筒状の氷の側面に線状の裂
け目を作ることができ、伝熱管と円筒状の氷との間に存
する水と、円筒状の氷の外周部に存する水との、自然対
流による流動をさらに一層促進することができる。この
ため、上述の氷蓄熱取り出し速度の向上、及び氷蓄熱取
り出し温度の降下、又は水位の変化から氷量を計測する
ことの正確性をさらに促進できる。

【００２４】（５）請求項５記載の内融式氷蓄熱槽によ
れば、ブロアから空気が送られる散気管を伝熱管の下方
に設け、空気を吐出することから、氷蓄熱槽内の水を強
制的に対流させ撹拌することができる。この氷蓄熱槽内
の強制対流は、上述のような円筒状の氷にあけられた穴
を流路とし、伝熱管と円筒状の氷との間に存する水にも
強制的に対流を生じさせる。このため、伝熱管の周囲の
温度境界層が薄くなり熱伝達率が著しく向上すると共
に、円筒状の氷の外面に存する冷水が流入、混合するた
め、氷蓄熱取り出し速度の向上を著しく図ることができ
る。また氷蓄熱取り出し温度も解氷温度である０℃近く
まで降下させることができる。

【００２５】（６）請求項６記載の内融式氷蓄熱槽によ
れば、一端が前記水槽の上方に開口した吸込管と、一端
が前記水槽の下方に開口した吐出管と、前記吸込管を介
して水槽内上部の水を吸込み、この吸込んだ水を前記吐
出管を介して水槽内下部に吐出する水ポンプとからなる
水循環装置を備えることから、請求項４記載の内融式氷
蓄熱槽に装備する散気管及びブロアと同様に、氷蓄熱槽
内はもとより伝熱管と円筒状の氷との間に存する水まで
強制的に対流させることができる。従って、上記（５）
記載の作用と同様の作用が発揮できる。

【００２６】

【実施例】以下、本発明の内融式氷蓄熱槽を装備した空
調装置を具体化した実施例を図を参照して説明する。

【００２７】（１）本発明の内融式氷蓄熱槽を装備した
空調装置本発明に係る内融式氷蓄熱槽を装備した空調装置の概略
構成図を図１に示す。図１に示す空調装置は、図９に示
す従来の空調装置とは氷蓄熱槽１０２に代えて氷蓄熱槽
２を採用した点を除き、他の点例えば冷凍機１０１は、
冷媒が圧縮機１０３等を含む閉ループにおいて冷凍サイ
クルを行いつつ循環している点、及び氷蓄熱槽１０２の
冷凍機１０１に対する関係やその役割等は実質的に同一
であり、互いに共通する箇所については同一の番号（下
２桁を同一とする）を付して説明を省略する。

【００２８】氷蓄熱槽２は、水槽７と、蓄熱氷形成用の
伝熱管８と、支持部材９とを備えている。前記支持部材
９は、前記水槽７の底面から上向きに立設された金属製
の柱状体であり、柱状体の側面に設けられた凹部に伝熱
管８を付着させることにより伝熱管８を支持している。
また前記伝熱管８は、略同一平面内で直線部分とＵ字形
の湾曲部分とを横方向に交互に繰り返し、水槽７内の水
１５に対する伝熱面積を多くしている。このように略同
一平面内で、横方向に引き伸ばされた蛇行形状をなす伝
熱管８は、紙面垂直方向に多数並設してあり、ヘッダー
１６、１７に接合し合流している。このヘッダー１６、
１７は、それぞれ紙面垂直方向に伸びている一本の管路
である。また、このヘッダー１６、１７は、管路１０、
１１と接合し、蒸発器６との間で閉ループを形成し、ポ
ンプ１２によりブラインを循環させている。ここまでの
説明は、図９に示す従来の技術と同様であるが、上述の
従来の技術では、理解を容易にすること等のため伝熱管
８を簡略化して説明したので、ここで説明を加えた。

【００２９】本実施例では、金属製の支持部材９を伝熱
管８に対し所定の間隔で設けた。氷蓄熱取り出し時、図
２に示すように、伝熱管８の周囲の氷は伝熱管８の周囲
から解氷し水１５ｂとなり、伝熱管８の外周部に円筒状
の氷１５ａが残る。これと同時に、前記支持部材９は金
属製であり熱伝導が良好であるため、支持部材９の周囲
でも解氷し、円筒状の氷１５ａに穴２０があく。このた
め、円筒状の氷１５ａの内部の水１５ｂと外部の水１５
とに流路ができ、従来技術のような円筒状の氷１５ａ内
部に存する水１５ｂの略密閉性が解除される。従って水
１５ｂが密閉状態にある場合のように、氷と水との比体
積の違いから融解時円筒状の氷１５ａの内部に気泡が発
生し、水位と氷量とがリンクしなくなることもなく、円
筒状の氷１５ａの量が水位の変化に直接現れ、水位の変
化を測定することで、簡易に氷量を知ることができる。
また、上述のように支持部材９を所定の間隔に設け、円
筒状の氷１５ａの内部の水１５ｂと外部の水１５とに流
路を作るだけでも、図２に示す矢印（仮想線）のような
自然対流を発生させ、伝熱管に対する熱伝達率を向上で
きる。

【００３０】また本実施例では、図１に示すように、氷
蓄熱槽２内で伝熱管８の下方に散気管１８を設け、その
散気管１８に空気を送るブロア１９を設けた。前記散気
管１８は、空気を吐出するための細孔を有する管路であ
る。この散気装置により、水槽７の底部から空気を吐出
することで、水槽７内の水１５に強制的に対流を起こさ
せ、撹拌することができる。この強制対流は、図２に示
す円筒状の氷１５ａの内部に存する水１５ｂにも及び、
図２の矢印（仮想線）に示すような強制対流を起こさせ
ることができる。このため、伝熱管８近傍での温度境界
層が薄くなり熱伝達率が著しく向上する。また、水槽７
内の水１５を氷１５ａの解氷温度である０℃に近くでき
ることも冷熱取り出し温度の低下を促進する。

【００３１】なお、伝熱管８に対し支持部材９を設ける
間隔は、短いほど円筒状の氷の内側の水と外側の水との
流路が増加し対流を促進できるため、冷熱取り出し速度
等の向上を図ることができるが、伝熱管８の外径の３０
〜５０倍の距離間隔でも効果が有効に発揮できる。但
し、伝熱管８に対する支持部材９の間隔が短すぎると、
製氷時、支持部材９を包むように氷が形成されてしまう
事態が生じ、これでは逆に解氷時には氷の内部に密閉状
態の水の層が発生することになる。従って、伝熱管８に
対する支持部材９の間隔は、伝熱管８の外径の１０倍以
上にする必要がある。また、支持部材９は、鉄、銅、ア
ルミニュームが好ましい。さらに、散気装置を設け空気
を吐出することによる撹拌は、後述する水を循環させる
ことによる撹拌よりも単位エネルギー当たりの撹拌効果
が高い。

【００３２】（２）伝熱管の外周部に金属製のスタッド
を突設する実施例伝熱管８の外周部に金属製のスタッド２１を突設するこ
とも可能であり、この場合の伝熱管８周辺の解氷状態を
示す横断面図を図３（ａ）に、縦断面図を図３（ｂ）に
示す。このスタッド２１は金属製であり熱伝導が良好で
あるため、解氷時には伝熱管８の周囲から融解し円筒状
に残る氷１５ａに、スタッド２１周辺部で穴２２があけ
られる。この穴２２が円筒状の氷１５ａの外部の水１５
と内部の水１５ｂとの流路となり、上述の支持部材９の
周辺部での穴２０と同様の作用をもたらす。上述の支持
部材９を伝熱管８に対し増設するのは、材料費、加工費
等の上昇をもたらし経済性の面で好ましくないが、本実
施例のスタッド２２は比較的簡易な構造であるため、経
済性を考慮しつつ増設できる。本実施例のスタッド２２
は、上述の実施例（１）の支持部材９と同様に、鉄、
銅、アルミニューム等が好ましい。また、このスタッド
２２の長さは、蓄熱時の氷の厚さより長くする必要があ
る。

【００３３】（３）伝熱管の外周部に金属製のフィンを
突設する実施例伝熱管８の外周部に金属製のフィン２３を突設すること
も可能である。このフィン２３がリング状の場合の斜視
図を図４（ａ）に、スパイラル状の場合の斜視図を図４
（ｂ）に示す。かかるフィン２３も金属製であり熱伝導
が良好であるため、解氷時、円筒状に残る氷１５ａにフ
ィン２３に沿って裂け目が入る。図３に示す上記スタッ
ド２１による穴２２と同様に、この裂け目が円筒状の氷
１５ａの内部の水１５ｂと外部の水１５との流路とな
り、円筒状の氷１５ａの内部の水１５ｂの略密閉性が解
除され、上述の実施例（１）の支持部材９と同様の作用
がある。このフィン２３も前記スタッド２２と同様に比
較的簡易な構造であり経済性に優れる。また、フィン２
３は図４に示す形状に限定されず、例えば伝熱管８と平
行に付設する構造等も可能である。なお、材質は鉄、
銅、アルミニューム等が好適で、蓄熱時生成される氷の
厚さよりも高くしなければならない点は上述の実施例
（２）のスタッド２２と同様である。

【００３４】（４）水循環装置を備える実施例図５に示すように、一端が水槽７の上方に開口した吸込
管２４と、一端が水槽７の下方に開口した吐出管２５
と、前記吸込管２４を介して水槽７内上部の水１５を吸
込み、この吸込んだ水１５を前記吐出管２５を介して水
槽７内下部に吐出する水ポンプ２６とからなる水循環装
置を備えることことも可能である。上述の実施例（１）
に装備した散気管１８及びブロア１９と同様に、前記支
持部材９、前記スタッド２１、及び前記フィン２３によ
り円筒状の氷１５ａにあけられた穴２０、２２と相俟っ
て、伝熱管８と円筒状の氷１５ａとの間に存する水１５
ｂまで強制的に対流させることができる（図２、図３参
照）。このため、伝熱管８の周囲の温度境界層を薄く
し、熱伝達を良好にすることができる。従って氷蓄熱取
り出し温度を低下させ、かつ氷蓄熱取り出し速度を向上
させることができる。

【００３５】（５）上述の実施例の詳細、効果検討、及
び運転方法本発明に係る内融式氷蓄熱槽２の詳細な実施例を図６に
示す。伝熱管８は、ＪＩＳ−２５Ａ鋼管で、伝熱管ブロ
ック２８を構成した。この伝熱管ブロック２８は、図６
に示すように、折り曲げる間隔Ａが３．５ｍ、ピッチＣ
が１２０ｍｍで、１５回折り曲げた蛇行状の管からな
り、２本の蛇行状管の一端をＵベント２７で接合し、他
端をブライン流入側のヘッダー１６及びブライン流出側
のヘッダー１７にそれぞれ連結した構造とした。また、
２本の蛇行状管の間隔Ｄは、１１０ｍｍとした。伝熱管
ブロック２８の支持部材９は、柱状の鋼材であり、伝熱
管８の直線部の間隔Ｂが１．２５ｍとなるように設置し
た。伝熱管８の湾曲部には、長さ６０ｍｍ、直径５ｍｍ
の鋼材のスタッド２１を突設した。また水槽７（図１参
照）は、深さ２．２ｍ、巾７．６ｍ、奥行き２．８ｍと
し、伝熱管ブロック２８を６ブロック浸漬させた。

【００３６】図７は、本実施例の熱伝達率と氷の融解度
との関係で、縦軸は対数目盛で熱伝達率（Ｋｃａｌ／ｍ
^２ｈ℃）を、横軸には氷の融解度を示す。ここで、●は
ブロア１９（図１参照）による空気吐出をしない場合で
あり、○は単位面積当たりの空気吐出量を０．６ｍ³／
ｍ²・ｈとした場合であり、▲は単位面積当たりの空気
吐出量を１．１ｍ³／ｍ²・ｈとした場合である。図から
明らかなように、空気の吐出量を増やし、水槽内の水の
強制的な対流を大きくすることにより、熱伝達率が著し
く向上している。これは氷の融解が進み円筒形にのこる
氷のうち、支持部材周辺で作られる穴を流路とし、円筒
形の氷の内部に存する水をも強制的に対流させ、撹拌で
きることからである。但し、本実験においてはスタッド
を設けない伝熱管で行った。

【００３７】図８は、本実施例において、ブラインの流
量と伝熱管出入り口のエンタルピー変化とから熱収支計
算し求めた氷量と水位の変化から求めた氷量との関係
で、縦軸に熱収支から求めた氷量、横軸に水位から求め
た氷量を示す。図から明らかなように、二つの方法で求
めた氷量はほとんど等しく、水位の変化から正確に氷量
が計測できることがわかる。ここで、図８の表の両軸に
示す氷量の単位は、伝熱管８の１ｍ当たりの重さであ
る。

【００３８】上述の氷蓄熱槽により冷熱を蓄える場合、
冷凍機の蒸発機で−１０℃に冷却されたブラインを伝熱
管に還流させ、伝熱管の外周部に平均厚さ４０ｍｍ、氷
充填率７５％（ＩＰＦ）の状態まで製氷する。この冷熱
を蓄える作業を、夜間電力料金適用時間の午後１０時か
ら午前８時までの１０時間で行うことにより、運転費用
の低減を図ることができる。また、このようにして蓄え
た冷熱を氷蓄熱槽から取り出す場合、伝熱管と熱交換器
との間でブラインを還流させ、熱交換器での冷房負荷に
より５〜１０℃になったブラインを、氷蓄熱槽で０〜５
℃に冷却することによる。また、冷熱の取り出し初期に
は、散気管により空気を吐出しない。冷熱の取り出し初
期においては、伝熱管の外周部に氷が接触しているた
め、伝熱管の外周部を撹拌する必要がないためである。
冷熱の取り出しが進み、伝熱管の外周部やスタッド等の
周辺部で氷の融解が開始され、伝熱管と円筒形に残る氷
との間に流路ができた段階で、散気管により空気を吐出
する。これにより前記流路に強制的に対流を生じさせ、
熱伝達率を向上させることができる。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したことから明らか名用に、本
発明に係る内融式氷蓄熱槽によれば、次のような効果が
ある。

【００４０】（１）解氷時、従来技術では円筒状になる
氷に熱伝導のよい金属製の支持部材周辺で穴があき、伝
熱管と円筒状の氷との間に存する水と、円筒状の氷の外
周部に存する水との、自然対流による流動を促進するこ
とができる。このため、伝熱管周辺の温度境界層を薄く
することが促進でき、氷蓄熱取り出し速度の向上及び氷
蓄熱取り出し温度の降下を図ることができる。従って、
所定の場所を急速に冷房することが可能となる。

【００４１】また上述のように、伝熱管と円筒状の氷と
の間に存する水と、円筒状の氷の外周部に存する水との
流路ができ、円筒状の氷の内部に存する水の略密閉状態
が解除されているため、水位の変化を測定することによ
り正確に氷量が計測できる。氷蓄熱槽による冷房能力を
管理するためには、氷蓄熱槽の蓄熱量つまり氷量を把握
する必要があるが、本発明の氷蓄熱槽によれば水位の変
化を計測することで簡易にこれを達成することができ
る。

【００４２】（２）請求項２記載の内融式氷蓄熱槽によ
れば、上記（１）記載の効果が有効に発揮される。伝熱
管に対する支持部材の間隔が短いほど、氷蓄熱取り出し
速度等の向上を図ることができるが、材料費、加工費等
が増加し経済的に好ましくないことから、上記（１）記
載の効果が有効に発揮される支持部材の間隔として、伝
熱管の外径の５０倍を上限としている。また、支持部材
があまり接近しすぎると、製氷時、支持部材を包むよう
に氷が形成されるため、解氷時、逆に氷の内部に水が密
閉され、上記（１）記載の作用が発揮できないこととな
る。かかる観点から、伝熱管に対する支持部材の間隔と
して、伝熱管の外径の１０倍を下限としている。

【００４３】（３）請求項３記載の内融式氷蓄熱槽によ
れば、伝熱管の外周部に金属製のスタッドを突設するこ
とから、請求項１記載の内融式氷蓄熱槽の如く伝熱管に
対し金属製の前記支持部材を設ける構造よりも、簡易か
つ積極的に円筒状の氷に穴をあけることができる。この
ため、伝熱管と円筒状の氷との間に存する水と、円筒状
の氷の外周部に存する水との、自然対流による流動をよ
り一層促進することができ、氷蓄熱取り出し速度の向上
及び氷蓄熱取り出し温度の降下にさらに寄与する。ま
た、円筒状の氷の内部に存する水の略密閉状態の解除が
より完全になるため、水位の変化から氷量を計測するこ
との正確性が増す。

【００４４】（４）請求項４記載の内融式氷蓄熱槽によ
れば、伝熱管の外周部に金属製のフィンを突設すること
から、伝熱管の外周部の形成される円筒状の氷の側面に
前記フィンに沿った裂け目を作ることができる。この裂
け目が、上述の請求項２記載の氷蓄熱槽に突設されたス
タッドによる穴と同様の効果を有し、氷蓄熱取り出し速
度の向上、及び氷蓄熱取り出し温度の降下、又は水位の
変化から氷量を計測することの正確性にさらに寄与す
る。また、この金属製のフィンを伝熱管の側面にスパイ
ラル状又はリング状等に設けることで、円筒状の氷の側
面に線状の裂け目を作ることができ、伝熱管と円筒状の
氷との間に存する水と、円筒状の氷の外周部に存する水
との、流路を多くすることができる。さらに、金属製の
フィンを伝熱管に突設することから、伝熱管の表面積を
増加させる効果があり、このことも氷蓄熱取り出し速度
の向上等を図る要因となる。

【００４５】（５）請求項５記載の内融式氷蓄熱槽によ
れば、ブロアから空気が送られる散気管を伝熱管の下方
に設け、空気を吐出することにより、氷蓄熱槽内の水に
強制対流を起こすことができるのみならず、上述のよう
な円筒状の氷にあけられた穴及び裂け目を流路とし、伝
熱管と円筒状の氷との間に存する水にも強制的に対流を
生じさせる。このため、伝熱管の周囲の温度境界層が薄
くなり、熱伝達率が著しく向上する結果、氷蓄熱取り出
し速度の向上を著しく図ることができる。また氷蓄熱取
り出し温度も解氷温度である０℃近くまで降下させるこ
とができる。

【００４６】（６）請求項６記載の内融式氷蓄熱槽によ
れば、一端が水槽の上方に開口した吸込管と、一端が水
槽の下方に開口した吐出管と、前記吸込管を介して水槽
内上部の水を吸込み、この吸込んだ水を前記吐出管を介
して水槽内下部に吐出する水ポンプとからなる水循環装
置を備えることから、請求項４記載の内融式氷蓄熱槽に
装備する散気管及びブロアと同様に、氷蓄熱槽内はもと
より伝熱管と円筒状の氷との間に存する水まで強制的に
対流させることができる。従って、上記（４）記載の作
用と同様の作用が発揮できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例（所定間隔の支持部材と散気装
置とを備えた場合）に係る内融式氷蓄熱槽を備えた冷凍
機を示す概略構成図である。

【図２】図１の内融式氷蓄熱槽における伝熱管周辺の解
氷状態を示す断面図である。

【図３】本発明の実施例（スタッドを突設した場合）に
係る内融式氷蓄熱槽における伝熱管周辺の解氷状態を示
すもので、同図（ａ）は横断面図で、同図（ｂ）は縦断
面図である。

【図４】本発明の実施例（フィンを突設した場合）に係
る内融式氷蓄熱槽の伝熱管を示す側面図である。但し、
同図（ａ）はリング状のフィンを示し、同図（ｂ）はス
パイラル状のフィンを示す。

【図５】本発明の実施例（所定間隔の支持部材と水循環
装置とを備えた場合）に係る内融式氷蓄熱槽を示す概略
構成図である。

【図６】本発明の実施例（所定間隔の支持部材とスタッ
ドとを備えた場合）に係る内融式氷蓄熱槽における伝熱
管の製造過程を示すもので、同図（ａ）は正面図で、同
図（ｂ）は側面図である。

【図７】本発明の実施例（所定間隔の支持部材と散気装
置とを備えた場合）に係る内融式氷蓄熱槽における熱伝
達率と融解度との関係を示す図である。但し熱伝達率を
示す縦軸は対数目盛りである。

【図８】本発明の実施例（所定間隔の支持部材、スタッ
ド、及び散気装置を備えた場合）に係る内融式氷蓄熱槽
における、製氷管を還流する冷媒の熱収支計算から求め
た氷量と水位の変化から求めた氷量との関係を示す図で
ある。

【図９】従来の内融式氷蓄熱槽を備えた冷凍機を示す概
略構成図である。

【図１０】図９の内融式氷蓄熱槽における伝熱管周辺の
解氷状態を示すもので、同図（ａ）は横断面図で、同図
（ｂ）は縦断面図である。

【図１１】外融式氷蓄熱槽の伝熱管周辺の製氷状態を示
す縦断面図である。

【符号の説明】

１冷凍機２氷蓄熱槽３圧縮機４凝縮器５膨張弁６蒸発器７水槽８伝熱管９支持部材１２ポンプ１３切換弁１４熱交換器１５水１６・１７ヘッダー１８散気管１９ブロア２１スタッド２３フィン２４吸込管２５吐出管２６水ポンプ２７Ｕベント２８伝熱管ブロック

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水槽と、前記水槽内に浸漬した蓄熱氷形
成用の伝熱管と、前記伝熱管を前記水槽内に支持する支
持部材とを備え、熱伝達媒体を冷凍機又はヒートポンプ
の蒸発機と伝熱管との間で循環させ、冷凍機又はヒート
ポンプの蒸発機での熱交換により温度降下した熱伝達媒
体と、水槽内の水との熱交換により、伝熱管の外周部に
氷を形成する内融式氷蓄熱槽において、前記支持部材を金属製とし、前記伝熱管に対し所定の間
隔で設けたことを特徴とする内融式氷蓄熱槽。
【請求項２】前記支持部材の前記伝熱管に対する間隔
を、伝熱管の外径の１０倍から５０倍とした請求項１記
載の内融式氷蓄熱槽。
【請求項３】前記伝熱管の外周部に金属製のスタッド
を突設した請求項１又は２記載の内融式氷蓄熱槽。
【請求項４】前記伝熱管の外周部に金属製のフィンを
突設した請求項１、２又は３記載の内融式氷蓄熱槽。
【請求項５】前記伝熱管の下方に空気を吐出する散気
管と、散気管に空気を送るブロアを備えた請求項１〜４
のいずれかに記載の内融式氷蓄熱槽。
【請求項６】一端が前記水槽の上方に開口した吸込管
と、一端が前記水槽の下方に開口した吐出管と、前記吸
込管を介して水槽内上部の水を吸込み、この吸込んだ水
を前記吐出管を介して水槽内下部に吐出する水ポンプと
からなる水循環装置を備えた請求項１〜４のいずれかに
記載の内融式氷蓄熱槽。