JPH0933073A - 真空蒸発式氷蓄熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 取扱不便、或いは自然環境に有害となる冷媒
を使用せずに氷を生成することができる氷蓄熱装置を
得、安全性の向上、環境破壊の防止を図る。 【解決手段】 蓄熱槽３内に水及び氷が蓄えられるトレ
イ５を設ける。トレイ５に製氷用水を供給するための水
入口ノズルを、蓄熱槽３に設ける。トレイ５から溢れた
水を蓄熱槽３から外部へ排出する排水ノズルを、蓄熱槽
３に設ける。蓄熱槽３内の圧力を減圧する減圧装置１９
を、蓄熱槽３に接続する。負荷側からの空気を蓄熱槽３
に流入させる冷風入口ノズルと、蓄熱槽３内の空気を負
荷側へ供給する冷風出口ノズルとを蓄熱槽３に接続す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、フロン系冷媒を使
用せず、蓄熱槽内を減圧することにより、蓄熱槽内に保
有する水の一部を蒸発させ、その蒸発熱により氷を生成
する真空蒸発式氷蓄熱装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、氷蓄熱槽の製氷方式は、スタティ
ック型とダイナミック型の二方式に大別される。更に、
スタティック型には、伝熱チューブ上に製氷するアイス
オンコイル方式、カプセル中の水を凍結させる方式など
があり、ダイナミック型には、過冷却水を利用してスラ
リー状の氷をつくる方式、ブラインを使用してシャーベ
ット状の氷を生成する方式などがある。

【０００３】このように氷蓄熱槽の製氷方式には種々の
ものがあるが、いずれの方式においても、その熱源とし
て蒸気圧縮式冷凍法による冷凍機が用いられている。蒸
気圧縮式冷凍法は、液化ガスのもつ蒸発作用を利用した
もので、蒸発の潜熱を被冷却物から吸収することによっ
て冷凍作用を行うものである。蒸気圧縮式冷凍法では、
蒸発気化したガスを再び液化して、蒸発と凝縮をくり返
すサイクルとして、連続的な冷凍作用を行わせるところ
に特徴がある。

【０００４】この冷凍サイクルで、蒸発圧力および凝縮
圧力は極力大気圧に近い圧力であることが好ましい。従
来、このような動作流体、即ち、冷媒には、もっぱらフ
ロンが使用されていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、フロン
は、近年、オゾン層を破壊する要因物質であることが認
められ、自然環境問題の観点から、早期の全廃が叫ばれ
ている。本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、取
扱不便、或いは自然環境に有害となる冷媒を使用せずに
氷を生成することができる氷蓄熱装置を提供し、安全性
の向上、環境破壊の防止を図ることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明に係る真空蒸発式氷蓄熱装置は、内部真空圧力
に耐える強度を有した蓄熱槽と、該蓄熱槽内に設けられ
水及び氷が蓄えられるトレイと、前記蓄熱槽に接続され
該トレイに製氷用水を供給する水入口ノズルと、前記蓄
熱槽の下部に接続され前記トレイから溢れた水を前記蓄
熱槽から外部へ排出する排水ノズルと、前記蓄熱槽に排
気ノズルを介して接続され前記蓄熱槽内の圧力を減圧す
る減圧装置と、前記蓄熱槽に接続され負荷側からの空気
を前記蓄熱槽に流入させる冷風入口ノズルと、前記蓄熱
槽に接続され蓄熱槽内の空気を負荷側へ供給する冷風出
口ノズルとを具備したことを特徴とするものである。そ
して、真空蒸発式氷蓄熱装置では、蓄熱槽が減圧手段に
よって減圧されると、トレイに貯留された水が蒸発、冷
却され、トレイ上に蓄えられた水が全て氷となる。放熱
過程では、冷風入口ノズルを介して蓄熱槽内に流入した
空気が氷の生成されたトレイに挟まれた風路を通過し、
氷との接触により直接的に熱交換され、冷風となって冷
風出口ノズルから負荷側に供給されることになる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る真空蒸発式氷
蓄熱装置の好適な実施の形態を図面を参照して説明す
る。図１は本発明による真空蒸発式氷蓄熱装置の概略構
成図、図２は本発明による真空蒸発式氷蓄熱装置に用い
られる蓄熱槽の拡大図、図３は蓄熱槽に備えられるトレ
イ開口部の位置を説明する図、図４はスチームエジェク
タの概略構成図、図５は真空ポンプの概略構成図であ
る。本発明による真空蒸発式氷蓄熱装置１は、例えば、
六面体形状（角形）に形成された蓄熱槽３を有する。蓄
熱槽３は、内部真空圧力に耐える強度を有して製作さ
れ、また、断熱構造により製作されることが好ましい。
なお、蓄熱槽３の形状は、角形に限られず、円筒形状な
どのものであっても勿論良い。

【０００８】図２に示すように、蓄熱槽３の内部には複
数のトレイ５が鉛直方向に間隙を隔てて設けられる。奇
数段の第一トレイ５ａ、第三トレイ５ｃ、第五トレイ５
ｅは蓄熱槽３の一方の内壁面に接触して設けられる一
方、偶数段の第二トレイ５ｂ、第四トレイ５ｄは蓄熱槽
３の他方の内壁面に接触して設けられている（図３参
照）。従って、蓄熱槽３の内部には、トレイ５によって
仕切られた鉛直方向クランク形の風路７が形成されてい
る。トレイ５は、上部が開口した箱状に形成され、水又
は氷９が蓄えられるようになっている。

【０００９】蓄熱槽３の上部には水入口ノズル１１が設
けられる。水入口ノズル１１は、外部から蓄熱槽３を貫
通し、給水ポンプ１３によって最上段の第一トレイ５ａ
へ製氷用水を給水できるようになっている。また、蓄熱
槽３の下面には排水ノズル１５が設けられ、排水ノズル
１５は蓄熱槽３内の底部に溢れた水を外部へ排水するよ
うになっている。従って、水入口ノズル１１から給水さ
れた製氷用水は、最上段の第一トレイ５ａから順次、下
方のトレイ５へとオバーフローし、最終的に最下段の第
五トレイ５ｅから溢れて、排水ノズル１５から排水され
るようになっている。

【００１０】蓄熱槽３の上部には排気ノズル１７が設け
られ、排気ノズル１７は減圧装置であるスチームエジェ
クタ１９に接続されている。図４に示すように、スチー
ムエジェクタ１９は、水蒸気をノズル１９ａから吸入室
１９ｂに噴出させ、低圧になった吸入室１９ｂに随伴流
として排気ノズル１７からの空気を吸引させ、ディフュ
ーザー１９ｃから水蒸気と共に蓄熱槽３の空気を排気さ
せる構造となっている。つまり、蓄熱槽３は、スチーム
エジェクタ１９により、脱気できるようになっているの
である。

【００１１】なお、蓄熱槽３を脱気するには、上述のス
チームエジェクタ１９に代えて、真空ポンプが用いられ
てもよい。図５に示すように、真空ポンプ２１として
は、例えば、二つのまゆ型断面のロータ２１ａ、２１ｂ
を互いに逆方向へ等速度回転させ、ケーシング２１ｃの
両側に開口した吸入・排気口２１ｄ、２１ｅより吸入排
気を行うルーツポンプ構造のものなどが用いられる。

【００１２】蓄熱槽３の下部には冷風入口ノズル２３が
接続され、冷風入口ノズル２３は蓄熱槽３内の風路７の
下端に連通されている。また、蓄熱槽３の上部には冷風
出口ノズル２５が設けられ、冷風出口ノズル２５は蓄熱
槽３内の風路７の上端に連通されている。冷風入口ノズ
ル２３からは送風機２７により、温度の上昇した負荷側
からの空気が蓄熱槽３内に送気されるようになってい
る。従って、冷風入口ノズル２３から流入された空気
は、風路７を通過して冷風出口ノズル２５から負荷側へ
供給されることとなる。

【００１３】なお、図示は省略するが、蓄熱槽３に接続
される全てのノズル（水入口ノズル１１、排水ノズル１
５、排気ノズル１７、冷風入口ノズル２３、冷風出口ノ
ズル２５）には閉鎖弁が設けられている。

【００１４】次に、このように構成された蓄熱装置１の
作用を説明する。蓄熱装置１では、製氷開始前に、先
ず、給水ポンプ１３により、製氷用水を最上段の第一ト
レイ５ａに供給する。第一トレイ５ａが満水状態になる
と、製氷用水は、オバーフローして第二トレイ５ｂに供
給され、順次、下段のトレイ５が満水状態となり、最下
段の第五トレイ５ｅが満水になると、排水ノズル１５か
ら蓄熱槽３の外へ排水される。この時点で、給水ポンプ
１３は停止される。

【００１５】次に、排気ノズル１７以外の全てのノズル
の閉鎖弁を閉め、スチームエジェクタ１９に蒸気を通気
することにより、蓄熱槽３内の空気を排気ノズル１７か
ら脱気する。蓄熱槽３内の内部圧力が一定の値、即ち、
フラッシュポイントまで低下すると、そこでトレイ５に
貯留された水は急速に蒸発と冷却が始まる。内部圧力が
４．６ｍｍＨｇに達すると、トレイ５に貯留した水は０
°ｃで蒸発することとなる。１ｋｇの水が蒸発するには
約６００ｋｃａｌの蒸発潜熱が吸収される。一方、１ｋ
ｇの水は、約８０ｋｃａｌの凝固潜熱を放出して１ｋｇ
の氷となる。即ち、１ｋｇの水が蒸発することにより、
約７．５ｋｇの氷が生成されることになる。トレイ５上
に蓄えられた水が全て氷になった時点で、スチームエジ
ェクタ１９を停止し、蓄熱過程を終了する。蓄熱過程終
了後には、排気ノズル１７の閉鎖弁が閉められることと
なる。

【００１６】ここで、トレイ５上の水が氷になったこと
を検知する手段について更に説明する。トレイ５上の水
が氷になったことは、例えば、間接的な手段として、蓄
熱槽３内の内部圧力が４．６ｍｍＨｇに到達した後のス
チームエジェクタ１９の運転時間により知ることができ
る。例えば、減圧前にトレイ５上に溜まっている全水量
を１０００ｋｇと仮定すると、上述のように、水１ｋｇ
の蒸発により７．５ｋｇの氷が生成されるので、最終的
には、 水の蒸発量＝１０００×１／（１＋７．５）＝１１７．
７ｋｇ 製氷量＝１０００×７．５／（１＋７．５）＝８８２．
３ｋｇ となる。ここで、蓄熱槽内圧力が約４．６ｍｍＨｇ時の
水蒸気の比容積は、２０６．３ｍ³ ／ｋｇであるから、 総蒸発容量＝１１７．７×２０６．３＝２４２７１ｍ³ となる。スチームエジェクタ１９の排気速度を３０００
ｍ³ ／ｈと仮定すると、 排気時間＝２４２７１／３０００＝８．０９（時間） と計算される。従って、この例では、蓄熱槽内圧力が約
４．６ｍｍＨｇに到達後、約８時間で全量氷になったも
のと判断することができる。

【００１７】なお、この他、トレイ上の水が氷になった
ことを判断する手段としては、水と氷の電気抵抗が異な
る原理などにより検出する直接的な手段を用いるものが
考えられる。

【００１８】次に、蓄熱槽３の放熱過程では、冷風入口
ノズル２３、冷風出口ノズル２５のみの閉鎖弁を開放
し、送風機２７を始動する。これにより、温度の上昇し
た負荷側の空気が冷風入口ノズル２３を介して蓄熱槽３
内に流入する。蓄熱槽３内に流入した空気は、氷の生成
されたトレイ５に挟まれた風路７を通過し、氷との接触
により直接的に熱交換され、冷風となって冷風出口ノズ
ル２５から負荷側に供給されることになる。

【００１９】上述の蓄熱装置１によれば、蒸発熱を利用
することにより氷を生成するので、従来の環境破壊の要
因となるフロンを使用した冷凍機を用いることなく、蓄
熱槽３に冷熱を蓄熱することができる。また、冷水と空
気との間に熱交換器を使用せず、直接接触による熱交換
となるため、熱交換効率が良好となり、より低温の冷風
が得られることになる。そして、氷と冷風とが直接熱交
換するため、熱抵抗が小さくなり、単位時間当たりの伝
熱量（氷の融解量）が増大するため、負荷変動に対する
追従性も向上させることができる。更に、直接スチーム
を利用する冷熱蓄熱としては、従来、大型の設備を必要
とする吸収式冷凍機による冷水蓄熱のみであったが、上
述の蓄熱装置１では、氷蓄熱が可能となるので、蓄熱槽
容量を大幅に削減することが可能となる。

【００２０】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明に係
る真空蒸発式氷蓄熱装置によれば、蒸発熱を利用するこ
とにより氷を生成するので、従来の環境破壊の要因とな
るフロンを使用した冷凍機を用いることなく、蓄熱槽に
冷熱を蓄熱することができる。この結果、取扱不便、或
いは自然環境に有害となる冷媒を使用せずにすみ、安全
性の向上、環境破壊の防止を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による真空蒸発式氷蓄熱装置の概略構成
図である。

【図２】本発明による真空蒸発式氷蓄熱装置に用いられ
る蓄熱槽の拡大図である。

【図３】蓄熱槽に備えられるトレイ開口部の位置を説明
する図である。

【図４】スチームエジェクタの概略構成図である。

【図５】真空ポンプの概略構成図である。

【符号の説明】

１ 真空蒸発式氷蓄熱装置 ３ 蓄熱槽 ５ トレイ ７ 風路 １１ 水入口ノズル １５ 排水ノズル １７ 排気ノズル １９ スチームエジェクタ（減圧装置） ２１ 真空ポンプ（減圧装置） ２３ 冷風入口ノズル ２５ 冷風出口ノズル

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部真空圧力に耐える強度を有した蓄熱
   槽と、 該蓄熱槽内に設けられ水及び氷が蓄えられるトレイと、 前記蓄熱槽に接続され該トレイに製氷用水を供給する水
   入口ノズルと、 前記蓄熱槽の下部に接続され前記トレイから溢れた水を
   前記蓄熱槽から外部へ排出する排水ノズルと、 前記蓄熱槽に排気ノズルを介して接続され前記蓄熱槽内
   の圧力を減圧する減圧装置と、 前記蓄熱槽に接続され負荷側からの空気を前記蓄熱槽に
   流入させる冷風入口ノズルと、 前記蓄熱槽に接続され蓄熱槽内の空気を負荷側へ供給す
   る冷風出口ノズルとを具備したことを特徴とする真空蒸
   発式氷蓄熱装置。
2. 【請求項２】 前記減圧装置は、スチームエジェクタ又
   は真空ポンプのいずれかであることを特徴とする請求項
   １記載の真空蒸発式氷蓄熱装置。
3. 【請求項３】 前記トレイは、間隙を隔てて鉛直方向に
   複数段設けられ、該間隙によって風路を形成することを
   特徴とする請求項１記載の真空蒸発式氷蓄熱装置。