JPH11294983A

JPH11294983A - 蓄熱式冷却装置の蓄熱槽

Info

Publication number: JPH11294983A
Application number: JP10114316A
Authority: JP
Inventors: Yuuji Fujimoto; 裕地藤本; Mineo Oka; 峰夫岡
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1998-04-09
Filing date: 1998-04-09
Publication date: 1999-10-29

Abstract

(57)【要約】【課題】蓄熱槽における冷媒と蓄熱剤との熱交換を良好
にする。【解決手段】屈曲する冷媒パイプ１２に板体１９を接触
させた水平な板状の熱交換板１８を蓄熱剤タンク１３内
に上下に複数段配設して蓄熱槽１１を構成する。このよ
うな構成によれば、冷媒パイプ１２だけのものに比べて
伝熱面積が増大するとともに、蓄熱剤の融解時に凝固状
態の蓄熱剤が熱交換板１８から剥がれ、融解により生じ
た液相の蓄熱剤との密度差により浮上又は沈降した際
に、この蓄熱剤はその上あるいは下の段の熱交換板１８
に突き当たり、その表面の液相の蓄熱剤を排除して熱交
換板１８と直に接するので高い熱交換能力が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、空調や冷凍・冷
蔵システムに用いられる蓄熱式冷却装置に関し、特にそ
の蓄熱槽に関する。

【０００２】

【従来の技術】蓄熱式冷却装置は一般に、電力負荷の平
準化や冷却装置の機器効率の向上、電力ランニングコス
トの低減などの目的に用いられる。図１０はこのような
蓄熱式冷却装置の配管構成を示すもので、圧縮機１、凝
縮器２、膨張弁３、蒸発器４などからなる冷凍回路に、
切換弁５〜９及び膨張弁１０を介して蓄熱槽１１が配管
接続され、蓄熱槽１１は蛇行する冷媒パイプ１２が設置
された蓄熱剤タンク１３内に水などの蓄熱剤が満たされ
て構成されている。図１０において、通常冷却運転時に
は、切換弁５を開、切換弁６〜９を閉として矢印で示す
回路を形成し、圧縮機１を運転する。圧縮機１からの高
温高圧のガス冷媒は凝縮器２で外気などと熱交換して放
熱液化し、膨張弁３を経て低温低圧の液冷媒となり、空
調機や冷凍・冷蔵ショーケースなどの内部に設置された
蒸発器４内で蒸発して冷却作用を行う。

【０００３】一方、蓄熱時には、切換弁５，６，９を
閉、切換弁７，８を開として図１１に矢印で示す回路を
形成し、圧縮機１の動力に割安な夜間電力を用いて凝縮
器２からの液冷媒を膨張弁１０を介して蓄熱槽１１の冷
媒パイプ１２内で蒸発させ、その周りの蓄熱剤を凝固さ
せて蓄熱する。次ぎに放熱時には、切換弁５，７，８を
閉、切換弁６，９を開として図１２に矢印で示す回路を
形成し、圧縮機１を運転する。これにより、凝縮器２か
らの液冷媒は蓄熱槽１１を通過し、凝固した蓄熱剤との
熱交換により大きな過冷却度がつけられた液冷媒が蒸発
器４に入って蒸発し、通常冷却運転時よりも大きな冷凍
能力を発揮する。蓄熱剤は液冷媒との交換熱量に応じて
融解する。

【０００４】図１３はブラインを用いた蓄熱式冷却装置
の配管構成を示すものである。冷却用熱交換器１４に
は、蒸発器兼冷媒・ブライン熱交換器が用いられ、液冷
媒が蒸発する冷媒パイプ１４ａと、ブラインが通流する
冷媒パイプ（ブラインパイプ）１４ｂとが互いに熱交換
可能に隣接配置されている。また、蓄熱槽１１内には蛇
行する冷媒パイプ（ブラインパイプ）１２が設置され、
ブラインパイプ１４ｂ，１２はブラインポンプ１５を介
して互いに配管接続されるとともに、配管内にはブライ
ンが満たされている。図１３において、通常冷却運転時
には、ブラインポンプ１５を停止した状態で圧縮機１を
運転し、凝縮器２からの液冷媒を冷媒パイプ１４ａで蒸
発させて冷却を行う。

【０００５】これに対して、蓄熱時にはブラインポンプ
１５を運転してブラインを循環させながら液冷媒を冷媒
パイプ１４ａで蒸発させ、冷媒パイプ１４ａとブライン
パイプ１４ｂとの間の熱交換で冷却したブラインを蓄熱
槽１１のブラインパイプ１２に通流させて蓄熱剤を凝固
させる。その後、放熱時には圧縮機１を停止させた状態
でブラインポンプ１５を運転し、蓄熱槽１１内の凝固し
た蓄熱剤との熱交換で冷却されたブラインを熱交換器１
４に通流させて冷却を行う。

【０００６】図１４は従来の蓄熱槽１１を示すものであ
る。蓄熱剤タンク１３内には、水平面に沿って蛇行する
冷媒パイプ１２が上下に複数段（図示のものは４段）配
設され、各冷媒パイプ１２の一端は垂直な分岐管１６に
それぞれ接続され、他端は垂直な集合管１７にそれぞれ
接続されている。矢印で示すように分岐管１６から流入
した冷媒は、各冷媒パイプ１２を通過して蓄熱剤タンク
１３内に満たされた水などの蓄熱剤と熱交換し、集合管
１７から流出する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】図１４に示したような
従来の蓄熱槽には、次のような問題があった。 (1) 例えば、蓄熱剤が水の場合、放熱（融解）時には冷
媒パイプの周りに凝固している氷は、冷媒パイプの表面
側から融解するため、融解が進行すると生じた水が冷媒
パイプ内の冷媒と氷との間に介在して熱交換を阻害し
（ちなみに、０℃における熱伝導率は、氷が2.20Ｗ／ｍ
・Ｋであるのに対し、水は0.55Ｗ／ｍ・Ｋで、約４倍の
差がある。）、冷媒の過冷却度が低下する。また、更に
に融解が進行すると、冷媒パイプから氷が剥がれ、一部
は蓄熱剤タンクの上部に浮遊し、冷媒との熱交換能力が
ますます低下する。 (2) 一方、蓄熱（凝固）時には、液冷媒が冷媒パイプ内
で蒸発して蓄熱剤を凝固させる際、冷媒パイプの周りに
冷媒の入口から出口に向かって順次蓄熱剤が凝固するた
め、凝固した蓄熱剤自身が冷媒パイプ内の冷媒と液相の
蓄熱剤との熱交換を阻害し、液冷媒が冷媒パイプ内で蒸
発しきれず、残った液冷媒が圧縮機に戻ってこれを破損
する危険が生じる。これを回避するために、例えば冷媒
出口まで冷媒パイプの周りに蓄熱剤が凝固したことを検
知して冷媒の供給を停止させると、その時点では蓄熱槽
内の蓄熱剤の内で凝固した部分の割合がまだ小さいた
め、蓄熱量が不十分になる。また、所定の蓄熱量を確保
するためには、蒸発器内の蒸発温度を下げて熱交換量を
増やすという方法があるが、その場合には冷凍機の熱効
率が低下するという不都合が生じる。

【０００８】この発明は、上記問題点に対処し、蓄熱剤
と冷媒との熱交換を促進して蓄熱剤の融解・凝固効率を
向上させることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明は、屈曲する冷媒通路を有する水平な板状
の熱交換板を蓄熱剤タンク内に上下に複数段配設して蓄
熱槽を構成するものである。このような蓄熱槽によれ
ば、蓄熱剤の放熱時に、凝固状態の蓄熱剤が熱交換板か
ら剥がれ、融解により生じた液相の蓄熱剤との密度差に
より浮上（水などの蓄熱剤の場合）又は沈降（パラフィ
ンなどの蓄熱剤の場合）した際に、この蓄熱剤は蓄熱剤
タンクの最上部あるいは最下部に達する前にその上ある
いは下の段の熱交換板に突き当たり、その表面の液相の
蓄熱剤を排除して熱交換板と直に接するので、高い熱交
換能力が得られる。

【００１０】一方、平板状の熱交換板は伝熱面積が大き
く、従って冷媒通路内の冷媒と蓄熱剤との熱交換量が大
きいので、放熱時における蓄熱剤の融解が効率的に行わ
れるとともに、蓄熱時には液冷媒が冷媒通路内で速やか
に蒸発するため、液冷媒は冷媒通路の出口に達するまで
に蒸発を完了し、冷媒が液体のままで圧縮機に戻る恐れ
がなくなる。

【００１１】上記熱交換板は、水平面に沿って屈曲させ
た冷媒パイプの上面又は下面に板体を接触させたり、冷
媒通路の上半部及び下半部をそれぞれ一体形成した２枚
の板体を互いに突き合わせたりして形成することができ
る。また、この熱交換板を貫通する多数の小孔を設けれ
ば、固相の蓄熱剤の融解により生じた液相の蓄熱剤がこ
の小孔を通して熱交換板の表面から速やかに排除される
ようになる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図１〜図９に基づいてこの
発明の実施の形態を説明する。なお、従来例と対応する
部分には同一の符号を用いるものとする。図１はこの発
明の実施の形態を示す蓄熱槽の斜視図、図２は図１にお
ける熱交換板の１枚を示した斜視図である。図１及び図
２において、蓄熱槽１１は蓄熱剤タンク１３内に、屈曲
する冷媒通路を有する水平な方形板状の熱交換板１８が
上下に複数段（図示の場合は４段）配設されて構成され
ている。蓄熱剤タンク１３には水などの蓄熱剤が満たさ
れる。図２に示すように、冷媒通路は水平面に沿って蛇
行する、例えば銅の冷媒パイプ１２からなり、熱交換板
１８は冷媒パイプ１２の上面に接触するように、例えば
銅あるいはアルミの方形の板体１９が取り付けられて形
成されている。板体１９の取付は、取付金具を用いたね
じ止め、ろう付け、溶接などの手段で行われる。各熱交
換板１８における冷媒パイプ１２の両端は、図１に示す
ように、垂直配置された共通の分岐管１６及び集合管１
７に、それぞれろう付けなどの手段により接合支持され
ている。

【００１３】図１に矢印で示すように、分岐管１６に供
給された冷媒は、図２に矢印で示すように、各段の冷媒
パイプ１２の一端から入り、熱交換板１８の周りの蓄熱
剤と熱交換した後、他端から出て集合管１７に集められ
る。その場合、熱交換板１８は平板状であるため、冷媒
パイプ１２のみの従来構成（図１４）に比べて伝熱面積
が大きく、蓄熱剤の融解時には冷媒の十分な過冷却度が
得られる一方、蓄熱剤の凝固時には冷媒パイプ１２に入
った液冷媒の蒸発が活発に行われ、冷媒が液体のまま圧
縮機に吸引されるトラブルが生じない。

【００１４】図７〜図９は、水を蓄熱剤とした場合にお
ける図１の蓄熱槽１１の槽内の氷の状態を上下２段分の
熱交換板１８について模式的に示した横断面図で、図７
は融解開始前の状態、図８は氷がある程度融解した状
態、図９は氷の融解が更に進んだ状態である。図７にお
いて、熱交換板１８の上下に氷２０が生成し、その間に
若干の水２１が残っている（なお、この時点において、
上下の氷が接触して水が残っていない場合もある。）。
図８では氷２０が融解し、その厚さが減っているが、そ
の際、熱交換板１８の下側の氷２０は、熱交換板１８の
下面との接触部が融解してその部分が水になるものの、
氷２０は融解した水との密度差により融解した分だけ浮
き上がり、常に熱交換板１８に突き当たってその下面に
接触している。また、熱交換板１８の上側の氷２０は、
熱交換板１８の上面との接触部が融解して熱交換板１８
から剥がれ、浮き上がってその上の段の熱交換板１８の
下側の氷２０に突き当たっている。

【００１５】図９において、熱交換板１８の下側の氷２
０の融解が更に進むと、冷媒パイプ１２が露出し、その
下の段の熱交換板１８から剥がれて浮き上がった氷２０
がこの冷媒パイプ１２に接触している。この氷２０はや
がて板体１９に接触するようになる。このように、図１
の蓄熱槽１１においては、水との密度差により氷２０が
浮上すると、この氷２０は熱交換板１８との間の水を排
除して、融解が完了するまで浮力で熱交換板１８と接触
する。そのため、氷２０が融解して生じた水により、氷
２０と熱交換板１８との間の熱交換が低下することがな
く、すでに述べた伝熱面積が大きいことと相まって、効
率のよい蓄熱剤の放熱が実現する。なお、図１におい
て、板体１９は冷媒パイプ１２の上面に取り付けたが下
面でもよく、あるいは板体１９に冷媒パイプ１２の輪郭
に沿うスリットを設け、その部分に冷媒パイプ１２を嵌
め込んでろう付けなどの手段で接合してもよい。

【００１６】図３は、熱交換板１８に板体１９を貫通す
るように多数の小孔２２を設けた実施の形態を示すもの
である。このような実施の形態によれば、例えば図８に
おいて、熱交換板１８の下側に生成した氷２０が熱交換
板１８との接触部が融解した分だけ浮き上がる際に、熱
交換板１８の下面に生じた水が小穴２２を通して上面側
に速やかに排除され、浮き上がった氷２０と熱交換板１
８との接触が一層良好となる。

【００１７】図４は、冷媒通路２３の上半部及び下半部
をそれぞれ一体形成した２枚の板体２４及び２５を互い
に突き合わせて熱交換板１８を形成した実施の形態を示
すものである。銅あるいはアルミからなる板体２４，２
５には、断面半円状の複数列の条溝がプレス成形により
一体形成され、それらが突き合わされてろう付けや溶接
などの手段で互いに接合されることにより、その間に前
後が開放した円形断面の冷媒通路２３が直線的に形成さ
れている。各冷媒通路２３はＵ字管２６で互いに接続さ
れて蛇行通路を形成し、両端には分岐管１６及び集合管
１７（図１）に対する接続管２７がろう付けなどの手段
でそれぞれ取り付けられている。このような実施の形態
によれば、冷媒通路２３と板体２４，２５とが一体化さ
れるため、その間の熱伝導が速やかとなり、その分、冷
媒と蓄熱剤との熱交換が促進される。

【００１８】図５は、図４と類似の実施の形態を示すも
のであるが、冷媒通路２３が互いに隣接しないように、
図示の場合は冷媒通路２３間がＵ字管２６により２列置
きに接続されている点が図４と相違している。冷媒通路
２３を板体２４，２５と一体化するとその間の熱伝導が
良好となるため、図４の構成では蓄熱剤の凝固時におい
て、液冷媒が冷媒通路２３内を流れながら蒸発する際、
前段の冷媒通路２３での液冷媒の蒸発により隣接する後
段の冷媒通路２３の周りの蓄熱剤まで同時に冷却されて
しまい、後段の冷媒通路２３で液冷媒が蒸発する際の蒸
発温度とその周りの蓄熱剤の温度との温度差が縮小し、
後段になるほど液冷媒の蒸発が不完全になることが予想
される。そこで、図５におけるようにＵ字管２６で接続
する冷媒通路２３間の距離を拡げ、前段の冷媒通路２３
による冷却の影響が後段の冷却通路２３になるべく及ば
ないようにすれば、上記現象を抑えることができる。

【００１９】図６は図４における冷媒通路２３のＵ字管
２６部分も板体２４，２５と一体化した実施の形態を示
すもので、これにより冷媒通路２３と板体２４，２５と
の間の熱伝導が一層良好となるとともに、構成がコンパ
クトになる。接続管２７は省略し、冷媒通路２３の両端
を分岐管１６及び集合管１７に直接接合してもよい。な
お、上記実施の形態では冷媒を圧縮液化して蒸発させる
場合について示したが、冷媒としてブラインを循環させ
る場合についてもこの発明は適用可能であり、また冷媒
通路２３の屈曲形状や列数、更に熱交換板１８の段数も
上記実施の形態に限定されるものではない。また、分岐
管や集合管をなくして各段の冷媒通路を直列に接続し、
その入口端から出口端まで単一の冷媒通路を形成するよ
うにしてもよい。

【００２０】

【発明の効果】以上の通り、この発明によれば、冷媒と
蓄熱剤との間の熱交換に与かる伝熱面積が増大するとと
もに、融解により生じた液相の蓄熱剤が熱交換面から速
やかに排除されるため、蓄熱剤の凝固時及び融解時のい
ずれにおいても冷媒と蓄熱剤との間の熱交換が活発に行
われ、蓄熱式冷却装置の効率が著しく向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態を示す蓄熱槽の斜視図で
ある。

【図２】図１における熱交換板の１枚を示す斜視図であ
る。

【図３】熱交換板の異なる実施の形態を示す斜視図であ
る。

【図４】熱交換板の更に異なる実施の形態を示す斜視図
である。

【図５】熱交換板の更に異なる実施の形態を示す斜視図
である。

【図６】熱交換板の更に異なる実施の形態を示す斜視図
である。

【図７】図１の蓄熱槽における氷の融解開始前の状態を
示す一部横断面図である。

【図８】図７における氷の融解がある程度進んだ状態を
示す一部横断面図である。

【図９】図８における氷の融解が更に進んだ状態を示す
一部横断面図である。

【図10】蓄熱式冷却装置の一例の配管構成図で、矢印は
通常冷却運転時の回路を示す。

【図11】図１０の蓄熱式冷却装置の蓄熱運転時の回路を
矢印で示したものである。

【図12】図１０の蓄熱式冷却装置の放熱運転時の回路を
矢印で示したものである。

【図13】蓄熱式冷却装置の異なる例を示す配管構成図で
ある。

【図14】従来の蓄熱槽を示す斜視図である。

【符号の説明】

１圧縮機２凝縮器３膨張弁４蒸発器１０膨張弁１１蓄熱槽１２冷媒パイプ１３蓄熱剤タンク１６分岐管１７集合管１８熱交換板１９板体２０氷２１水２２小孔２３冷媒通路２４板体２５板体２６Ｕ字管２７接続管

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】屈曲する冷媒通路を有する水平な板状の熱
交換板を蓄熱剤タンク内に上下に複数段配設したことを
特徴とする蓄熱式冷媒装置の蓄熱槽。
【請求項２】水平面に沿って屈曲させた冷媒パイプの上
面又は下面に板体を接触させて前記熱交換板を形成した
ことを特徴とする請求項１記載の蓄熱式冷却装置の蓄熱
槽。
【請求項３】前記冷媒通路の上半部及び下半部をそれぞ
れ一体形成した２枚の板体を互いに突き合わせて前記熱
交換板を形成したことを特徴とする請求項１記載の蓄熱
式冷却装置の蓄熱槽。
【請求項４】前記熱交換板を貫通する多数の小孔を設け
たことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記
載の蓄熱式冷却装置の蓄熱槽。