JPS63243665A - 氷を利用する蓄冷熱方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は主として夏季の冷房負荷の平滑化を目的とし余
剰の夜間電力により発生させた冷熱を蓄え、　これを昼
間のピーク時に放出使用することにある。

［従来の技術］ 箭記の目的に対し従来より随単な手段として冷凍機を使
用して水槽に満たされた水を冷却して菩え、必要の時に
この冷水を循環利用して建物内の空気を冷やすことが行
われている。

このさい水温は冷熱の利用につれて上昇するために次第
に冷却効果は減少し、一定の水温に達すればその効果は
失われることとな　る。

実用上この温度幅は３〜５℃といわれ、したがってこの
ように水の顕熱を利用するときは蓄冷熱容ｆｃ（以下蓄
冷容量と称す）としては槽内に蓄えられた水１リットル
当り最高で３〜５　Ｋｃａｌ程度に過ぎない。

蓄冷容量を大幅に高めるために前記のごとく水の顕熱を
利用するのではなく水が０℃の下で氷との間に相変化を
起こしその凝固と融解の間に約８０にｃａ　ｌ／　ｋｇ
　Ｈ２Ｏの潜熱の出入りがあることを利用した潜熱利用
型の蓄冷熱方法も広く利用されている。

この方法によれば仮に貯水量の　１７２が潜熱として利
用されるとしても４０Ｋｃａｌ／Ｌ容積の蓄冷容量が可
能であり、前記顕熱利用型の３〜５　Ｋｃａｌ／Ｌ容積
に比較すれば約　１０倍上昇し、それだけ小型な蓄冷ｊ
ｌ！　（以下蓄冷槽と称す）が可能となり、冷房の付属
設備としての価値は大きい。

しかるにこの方式は０℃において水を氷に凝固するため
には熱交換器の伝熱面を介して水の間接冷却を行うのが
一般的であり、このさいには伝熱面の水相側に氷の生恋
附着にともなう伝熱抵抗の増加が起こるため、伝熱面の
低温側温度は実用上−１０〜−１５℃またはそれ以下と
しなければならず蓄冷のための動力消費が大となる欠点
があった。

［発明が解決しようとする問題点］ このように熱交換器を用いて水を間接冷却して氷を作る
さいにはその伝熱面における結氷現象は避けられず、そ
の伝熱抵抗は氷層の厚さの増加と共に増大する。　した
がって蓄熱槽のＶＩ熱速度を早めたり動力消費を軽減す
るには極めて大きな伝熱面積を設けなければならず、　
これは当然設＠費用の増加をともなう。

本発明は水の冷却・氷結を熱交換器による間接冷却によ
る従来の欠点を除く目的のために、水自体を減圧下で蒸
発させ、その烈発潜熱により液を自己冷却して氷点下に
保つことにより氷を生成させるものである。

したがって従来使用している熱交換器は不要となり、設
備資の大幅な削減が可能となる。

また伝熱面を介して熱移動を行うさいに必要な温度差を
１０〜２０℃を設けることも不要となり動力？Ｙ４費の
軽減に役立つことができる。

しかしながらこのような水蒸発による自己冷却により氷
の生成を行うためには、水の沸点を０℃以下にする必要
があり、系を４ｍｎＨｇ程度の減圧に保たなければなら
ない。

もしこの条件下で得られる水蒸気を全部真空ポンプなど
で大気に放出するものとすれば、その規模に応じてきわ
めて大容量の真空ポンプと大きな動力を要し、到底実用
性は期待できない。

このような蒸気を減圧下で凝縮し真空ポンプの負荷を激
減する有力な手段として熱交換器の伝熱面を冷却し蒸気
を液化、凝縮することが考えられる。　しかしながらこ
のときは少なくとも４ｍＨｇ程度で０℃以下で水分を伝
熱面に凝縮させねばならず、　これは凝結水の氷結につ
ながるおそれがある。

したがって減圧下の直接冷却法は蓄熱槽内に冷却伝熱面
を廃止することにより、その表面への氷結現象は避ける
ことはできても、発止した水蒸気の凝縮、液化のさいの
伝熱表面への氷結によるトラブル、　すなわち伝熱能力
の低下や閉塞による運転不能を避けられない。

［問題点を解決するための手段］ 本発明はリチウムブロマイド（ＬｉＢｒ）等の水に可溶
性でかつ不揮発性な物質を含む水溶液の持つ物理化学的
な性質を利用するものである。

上記のごとき水溶液は溶解している物質（溶質）の濃度
に応じて氷点が下がることは氷点降下現象として知られ
ており、濃度の低い範囲ではその降“ド量は溶質に関係
なく濃度口ｍｏｌ／Ｌコのみに比例し １．８６°Ｃ／　［：　ｍｏｌ／Ｌ］である。

また上記水溶液の一定圧力下での沸点は同じく溶質の濃
度Ｃｍｏｌ／Ｌ］に応じて　上品することは沸点上昇と
して知られており、同様に濃度が低いときはその上昇度
は１′４質に関係なく濃度のみに比例し０℃付近では０
．２５℃／　　Ｃｍｏｌ／ｌコ　で　あ　る。

このような性質は水に可溶性の無機、有機物のすべてに
見られる。本発明は溶質の選定条件としてほかに水への
溶Ｓ度、引火性。

使用条件下での不揮発性、溶液の粘度２価格等のほか装
置材料に対する侵触性等も重要な因子となる。

ＬｉＢｒはそのような選定例の１つであるが、本発明に
おいてはこのような物質をｒ４ｓした不凍性水溶液を作
業液と称する。

本発明は蓄冷時において水〜氷の共存系を約４ｍｎＨｇ
の下で沸騰させ、得られる水蒸気をはゾ同じ圧力下にお
いて濃度に応１．じて冷却された前記作業液に吸収する
ことにより、蓄冷槽中の氷の生成を進行させることを基
本としている。

またその状態における作業液温度は沸点上昇により０℃
以上となるが、　たとえ伝熱面に接する液温が若干ｏ℃
を下回ることがあるとしても、氷点降下のために液より
の氷の発生とそれによる伝熱面への着氷が防止できるこ
とを問題解決のための手段としてい　る。

さらにこのような低温下の吸収時に発生する水蒸気の吸
収熱を伝熱面を介して冷媒の蒸発で奪い、これを圧縮機
により昇圧、昇温して加熱源として利用し、水吸収によ
り希釈された作業液の濃縮を行う、いオＪゆるヒートポ
ンプ式の吸収液のｉ！縮再再生方法省エネルギーの重要
手段としている。

［作　　用］ 本発明の作用について図面により説明する。

第１図は本発明の作用を示すフローシートである。

１は蓄冷槽であり内部には６０〜８０％容積程度の水が
存在している。

蓄冷時には１の内部を水蒸気ダクト２．水蒸気吸収器３
の凝縮側４を経て配管により真空ポンプ６に連結し、約
４ａｎ＋Ｈｇまで減圧する。水は減圧下で沸騰し蒸発す
る蒸気による蒸発潜熱により水温は低下し０℃に保持さ
れる。

その後も水は沸騰を続けるが蒸発潜熱はこの氷の生成熱
と相殺され、水温は０℃に保たれながら氷の生成が続き
ついには１の内部の水の４０〜７０％が氷によって占め
られるにいたる。

３の主体は熱交換器であり、　４にはその高温側の伝熱
面が設けられる。その伝熱面には前記作業液の濃縮液が
上部より清液しこれを覆いつつ流下する。液の呈する平
衡水蒸気圧は１よりの前記水蒸気圧力より低く、その差
が駆動力となって水蒸気は渡縮液に吸収され吸収液は次
第に希釈される。

そのさいに発生する吸収熱は３の冷却側５で行われる冷
媒の蒸発による冷却により除かれこれにより所要の水蒸
気吸収、　したがって氷生成速度を得ることができる。

生成した希釈作業液は希釈液ポンプ７により熱交換器８
を通り濃縮器９の蒸発側ＩＯへまた冷却に用いられて蒸
発した冷媒蒸気は冷媒圧縮機１３により昇圧、昇温を受
け９の加熱側１１に送られ、　そこでの凝縮熱が濃縮の
ための熱源となる。

１１で凝縮された冷媒液は膨張弁１４を経て再び５に戻
されて蒸発し前記の吸収熱の除去が行われる。

このように　５．１３．１１．１４は配管により接続さ
れ、　いオ〕ゆるヒートポンプを形成し。

系全体の冷却と加熱のためにきわめて有力な省エネルギ
ー効果を与える。

９は３と同様の構造で、ｌＯはその低温側の伝熱面を保
有する作業液の′ａａＩｉ部である。

４と同様にその表面には４から７を経て送られてきた希
釈作業液がその上部より温液されこれを覆いつつ流下す
る。

１０はまた配管により水凝縮器１５２回収水受器１６を
経て真空ポンプ１７に接続される。

１５は通常冷水塔等で得られる冷却水を利用するので凝
縮する水蒸気温度は夏季において、は３５〜４０℃附近
となり、　したがって１０の圧力もそれに見合って４２
〜５５ｍＨｇａ度を維持する。

ｌＯを流下する作業液の液温はｔ８質と１ａ度によって
定まるが、液温は濃縮と共に次第に上昇する。

このようにして所定の′ｌＡ縮度に達した液は濃縮液ポ
ンプ１２．液々熱交換器８を経て再び４に戻り循環使用
される。

このさい１１の凝縮温度は１０で達成すべき濃縮度に相
当する液温より高くとり必要の伝熱量を確保することは
当然である。

なは、　１６に回収された水は必要に応じ送水ポンプ１
８により１に戻される。

第１図は本発明を実施するさいに用いるフローシートの
１例であるが、そのほかに必要に応じて部分的な変更、
または追加を行うことにより一店発明の作用、効果を高
める可能性がある。

第１図においては３，９の構造　を各々その器内に熱交
換用の伝熱面を設けその一方の側に作業液を層液流下さ
せ、水吸収により生ずる発熱、あるいは濃縮に必要な吸
熱を直ちに伝熱面を通じて他の側において冷媒により除
去あるいはは供給することにより、流下する液はその間
のそれぞれの器内においてはなるべく等温に保つことを
主眼としている。

これに対して第２図は比較的大量の作業液を循環する場
合に有利な方法で３，９の　内部には特に熱交換のため
の伝熱面を設けず、これをスプレィ塔または気液接触を
さらに効果的に行うための充填塔等により構成する。

それぞれの塔頂へ供給する作業液をあらかじめ冷却また
は加熱するための熱交換器は塔と切離して設けている。

このようなプロセスによれば３，９の　内部は断熱的に
操作されそれぞれの入口において作業液が保有する負ま
たは正の顕熱により３．９の内部で必要とする潜熱を　
まかなうものである。

また１５のように外部冷却水を用いる間接熱交換方式の
代わりに、バロメトリックコンデシサーと称する公知の
方式により、冷却水と水蒸気とを減圧された槽内で直接
接触させて、その温度差を最小で稼働させることも可能
である。

次に１の機能を向上するための手段について述べる。

１の内部には氷が次第に生成蓄積するが氷の密度は０℃
において　０．９１５ｇ／ｃｅと　水に比較して小さい
ので水面に浮かび、やがてはその表面を氷層で覆う状況
になる。そのような状態では表面よりの水の蒸発がいち
じるしく低下するのでこれを防ぐ必要がある。

たとえば第３図は表面に生成する氷層を攪はん羽根２２
を用い機械的にたえず破砕する方法である。

第４図は１の底部の水層を循環ポンプ２３で汲出し、　
これを分液管２４より氷層の全面に温液し、たえず氷の
表面に水石を形成する方法である。

もちろん第３図と第４図の方法を併用して水の有効蒸発
面を確保することも可能である。

第５図はさらに水の有効蒸発面積を拡大する方法である
。

１の内部には懸吊枠芯２６が多数一定間隔で垂直に槽内
に配設されている。

２６は平面状の網目枠組構造のもので、　１の断面をほ
ぼ占めるごとき表面積を持ち、かつ十分の強度を持つよ
うに作られている。

１の内部に残存する水は、底部より循環ポンプ２３で汲
出され２４を経てスプレィノズル２５より並置されてい
る各々の２６の上端面に均一に１液され、壬直面を覆い
ながら下方液面に向かって流下する。

このような状況の下で流下液は減圧下で沸騰しその蒸発
潜熱により０℃の下で氷結が行われる。

かくて２６の表面には次第に附着水２７が形成され、そ
れに応じて残存水２８の量は減少する。

２７の附着量は次第に増加し、隣接する水面同士の間隔
は狭まるので２６の表面積、相互間隔、２８の初期量等
をあらかじめ算出し、発生水蒸気はつねにその隙間を通
り系外に排出できるように、　また最終的に蓄積する生
成水の量が最大値になるように：Ａ！ＩＩｌされ以上は
冷蓄熱サイクルについての説明であるが、このようにし
て１の内部に替えられた冷蓄熱を放出するサイクルに関
しては従来の氷菩熱方法と本質的な差はない。

第１図において冷水ポンプ１９は１の下層に残留する０
℃の水を汲出し、　これを冷負荷２０に導き所定の冷熱
を与えたのち、昇温した水は再び還水ライン２１より１
に戻り、残存する氷を　融解し８０ｋｃａｌ／−氷の冷
蓄熱の払い出しを行い、再び１９．２０と循環する。

このようにして１の内部に氷が残存する間はこれと接す
る水温は０℃に保たれる。

［発明の効果コ 以上図面により説明したように本発明は氷を生成し蓄積
する氷谷冷方法に関して従来より行われている公知の方
式にくらべて多くの長所を持つ。

第１の長所は１の内部で水の蒸発を利用して自己冷却を
行うために熱交換面を設けて間接冷却し、伝熱面に氷を
生成させる従来の方式のもつ伝熱係数の劣下とこれを補
うための伝熱面を介しての大きな温度差の設定を下戻な
らしめることが可能となる。これは１３の動力消費の低
減にも役立つ。

第２の長所は適当な作業液を選定することにより３の内
部における水蒸気の氷結を防ぐことができ、　これによ
る操作の安定性はもちろん熱交換器の伝熱係数の低下と
それを補うための４．５間の温度差の増大を　防ぐこと
ができる。

これもまた１３の動力消費の低減をもたらす。

第３の長所は作用液の３における冷却と９における濃縮
とをヒートポンプによって連結して１つの熱サイクルと
した点である。

これによりエネルギー消費量はもちろん設備費の低減に
も大いに貢献する。

第４の長所は蓄冷槽の構造、材質に関するものである。

本発明によれば傍冷槽は水を蓄え、減圧下で運転される
のみであるので通常の鋼材製タンクで足り、加圧下で冷
媒を使用するさいの各種法律的規制を受けることもなく
て安価である。また設ｉｉ！場所に対する各種の制限も
ない。

また作業液を構成する添加物質も１月８ｒ等の特に腐食
に問題のない溶質を選ぶことにより装置材料も安価でか
つ長期の寿命を持つものを選択できる。

さらに第５の長所として水蒸発を吸収するさいの作業液
の冷却と希薄作業液の濃縮加熱とに用いるヒートポンプ
システムは多用される冷媒Ｒ−１２等を用いるもので、
このような標準冷凍システムを利用することは動力効率
や設備費の点からみてもきわめて有利である。また３、
９においては　冷媒系と作業液系とは互いに伝熱面にお
いて隔離されているために冷媒系への水分等の混入はま
ったくなく、　冷媒の損失や冷凍サイクル構成機器の腐
食等の恐れも皆無である。

［実　　施　　例コ 作業液としてＬ　ｉ　Ｂ　ｒの水溶液を用いて図１に示
した方式により氷にょる谷冷を行った。

４に供給する水溶液のｂｉＢｒａ度を約　２０％（Ｍ量
比）とした。

蓄冷時にはまず１の内部を６により 約４ｍａＨＨに減圧し水の沸騰、蒸発を行いながら次第
にこれを冷却した。

蒸発した蒸気は２より３の凝縮側４に送り、内部に設け
られた伝熱面を上部より流下する約２０％濃度（Ｍ量比
）の作業液に吸収させた。

かくて若干の過冷却を経過したのち、水温は０％附近に
戻り氷の精品が生じ蒸発が続くにつれてその菩積量が増
大したが、　この時１の圧力は約４ｍ１（Ｈに保つこと
ができた。

また１の内部に第３図と第４図に示すような手段を併泪
することによりその表面が氷で全面的に覆われることを
防いだ。

氷の析出は仕込水量に対して約４０〜６０％程度で行っ
たが特に開運はなく、蒸発量の低下や氷の生成による配
管等の開基はみられなかった。

４を出る作業液は水分の吸収により 約１０．５％までに濃度が低下するが、冷却缶の冷媒蒸
発温度は一５℃附近に保たれ、前記作業液の冷却に必要
な温度差を与えた。

作業液よりの氷や溶解塩の析出は全く見られなかった。

回収された作業液は９の蒸発側１ｏに送り、内部に設け
られた伝熱面を流下する間に加熱側ＩＩで約５３℃で凝
縮されるＲ−１２の蒸気により加熱を受ける。

ＩＯは　１５．　ＩＧ、　＋７に接続し約５５ｍｍ１ｇ
の減圧下に保たれた。

このようにして前記約１０．５％の作業液は約４６℃で
沸騰をはじめ伝熱面を流下しなから液温約４８℃で約２
０％まで濃縮され再び４に戻される。

発生した水蒸気は１５において冷却水により冷却され、
約４０℃で凝縮し回収されたのち１８で１へ戻した。

作業液や回収水の循環には適宜液に熱交換器を設けて熱
効率の向上を計った。

前記Ｒ−１２の＠環系はスクリュー冷凍機により常法の
冷凍技術により行った。

その効率は全系の熱損失や機械効率を含めて製氷量１　
ｔｏｎ当り約４２ｋＷ、　ＣＯＰは約２．２であっ　た
・

【図面の簡単な説明】

第１図は氷を利用する舒冷熱方法を説明するためのフロ
ーシートの一例である。 第２図は第１図において３及び９の熱交換機能と水蒸気
の吸収、蒸発を行う物質移動機能が一体化しているのに
対し、　これを分離した方法を示すためのフローシート
の一部である。 第３図、第４図はそれぞれ水層表面に形成される水面を
＠砕したり、表面に散水したりすることにより、水面を
常に広く露出させる方法を示す図である。 第５図は１の内部に結氷面積を多く設けるための手段の
一例を示す図である。 各図の記号は共通で以下の通りである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、水を蓄冷槽１に蓄え蓄冷時にはこれを減圧下で沸騰
   させ、液を自己冷却し、０℃以下 で氷を生成させて蓄冷熱を行うさいに蒸発 する水蒸気を、水蒸気吸収器３の凝縮側４ に導き濃縮された不凍性水溶液（以下作業 液と称す）に吸収されて生ずる吸収熱を冷 却側５における冷媒の蒸発で奪い、得られ た冷媒蒸気は冷媒圧縮機１３により昇圧、昇温して濃縮
   器９の加熱側１１に送り凝縮させて加熱源として利用し
   、一方希釈された作 業液は９の蒸発側１０に送って減圧下で蒸発、濃縮し、
   得られた冷媒液と濃縮された作業 液はそれぞれ　５、４に適宜戻すことを特徴とする氷を
   利用する蓄冷熱方法 ２、特許請求範囲１において１の内部に複数の平面状の
   懸吊枠芯２６を吊し、これに内部の残存水を循環水ポン
   プ２３により汲出し分液管２４、スレーノズル群２５を
   経て２６の上端部に均一に潅水し、水が２６の表面を流
   下するさいに、その一部が蒸発することにより自 己冷却をし一部を流下面に氷結させること を特徴とする氷を利用する蓄冷熱方法。