JP2002130745A - 蓄熱ユニット及びこれを用いた水蒸気排気式氷蓄熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】適切な製氷効率及び排気効率及び解氷効率を実
現することのできる氷蓄熱ユニット及び運転効率の改善
された水蒸気排気式氷蓄熱装置を提供する。 【解決手段】吸水性ポリマーを含有した多数の蓄熱ユニ
ットを充填してなる蓄熱槽内の前記吸水性ポリマーに吸
水させた後、該蓄熱槽内を排気して製氷し、次いで前記
蓄熱槽と接続された水タンク内の水を蓄熱槽内に流入さ
せて冷水を得る水蒸気排気式氷蓄熱装置のための前記蓄
熱ユニット及びそれを用いた水蒸気排気式氷蓄熱装置。
該蓄熱ユニットは、立体形状保護部材及び該保護部材内
部に充填された吸水性高分子並びに熱伝導性炭素系材料
からなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、夜間の余剰電力等
を利用して冷凍機を運転することにより冷熱を氷蓄熱槽
中の氷中に蓄え、昼間に該冷熱を利用することのできる
氷蓄熱装置に適した蓄熱ユニットに関し、特に冷凍機と
して水蒸気排気式冷凍機を使用する氷蓄熱装置に適し
た、熱伝導性が改善された蓄熱ユニット、及びそれを用
いた水蒸気排気式氷蓄熱装置に関する。

【０００２】

【従来技術】我国においては、近年急速に夏期向けの冷
房設備が普及したため、電力需要の昼夜間格差や期間格
差が顕著になっている。このような電力需要のアンバラ
ンスを是正すべく、近年、夜間の余剰電力を活用するこ
とのできる氷蓄熱装置の開発が盛んに行われている。こ
の場合の製氷工程においては、従来フロンを使用した圧
縮式冷凍機を使用することが行われていたが、最近にお
いては、より環境に適合した、水蒸気を作動流体とする
冷凍方式を採用した氷蓄熱装置も積極的に開発されてい
る（例えば、特開平３−９１６２３号公報、特開平６−
７４４９７号公報、特開平７−１６７４６３号公報、特
開平７−１６７４６５号公報）。

【０００３】このような氷蓄熱装置における蓄熱槽内に
は、通常、吸水性高分子を含む蓄熱ユニットが多数充填
されている。この場合には、上記吸水性高分子に吸水さ
せてこれをゲル状とし、次いでこのゲル中の水を強制排
気によって１部蒸発させ、製氷することによって冷熱を
蓄積することができる。この場合蓄熱槽の蓄熱容量を増
大させるためには、蓄熱ユニットの充填密度を大きくす
る必要がある。また、製氷効率や効率良く冷水を取り出
すための解氷効率を大きくするためには、蓄熱ユニット
の表面積を増大させる必要がある。そこで小さい蓄熱ユ
ニットを多数充填すると解氷効率が良い上、同じ蓄熱容
量の場合には蓄熱槽を小型化することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、高い充
填率で蓄熱ユニットを充填すると、排気効率が悪くなる
ために製氷効率も悪くなる。そこで、蓄熱ユニットを大
きくして排気効率を維持しようとすると、蓄熱ユニット
の中心部の製氷効率のみならず、循環水による解氷効率
および冷熱取り出し効率が悪くなる。従って、蓄熱ユニ
ットをあまり大きくすることができないので、結局排気
効率を犠牲にしなければならないという欠点があった。

【０００５】そこで本発明者らは上記の欠点を解決する
ために鋭意研究した結果、蓄熱ユニット中に吸水性高分
子と共に熱伝導性炭素系材料を含有させた場合には、蓄
熱ユニット内部の熱伝導率が改善されるために製氷効率
および解氷効率を改善することができること、蓄熱槽へ
の注水管と冷却水を取り出す冷水供給管の間にバルブを
介してバイパス管を設けたり、冷却水の１部を蓄熱槽に
還流して更に低温の冷却水を得るために、還流管を設け
ることによって、或いは、複数の蓄熱槽を直列及び／又
は並列に連結することによって、需要の変動に対して適
切且つ迅速な対応が可能な水蒸気排気式氷蓄熱装置とす
ることができることを見出し、本発明に到達した。

【０００６】従って本発明の第１の目的は、適切な製氷
効率及び排気効率ならびに解氷効率を実現することので
きる氷蓄熱ユニットを提供することにある。本発明の第
２の目的は、需要側に適切且つ迅速に対応し得る、運転
効率の改善された水蒸気排気式氷蓄熱装置を提供するこ
とにある。更に本発明の第３の目的は、大口需要側に対
しても適切且つ迅速に対応し得る、複数の製氷効率及び
排気効率に優れた複数の蓄熱槽を配した、水蒸気排気式
氷蓄熱装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の上記の諸目的
は、吸水性ポリマーを含有した多数の蓄熱ユニットを充
填してなる蓄熱槽内の前記吸水性ポリマーに吸水させた
後、該蓄熱槽内を排気して製氷し、次いで前記蓄熱槽と
接続された水タンク内の水を蓄熱槽内に流入させて冷水
を得る水蒸気排気式氷蓄熱装置のための前記蓄熱ユニッ
トであって、該蓄熱ユニットが立体形状保護部材及び該
保護部材内部に充填された吸水性高分子並びに熱伝導性
炭素系材料からなることを特徴とする蓄熱ユニット、及
び、該蓄熱ユニットを用いた水蒸気排気式氷蓄熱装置に
よって達成された。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明で使用する蓄熱ユニット
は、内部の脱気を容易にさせる２以上の穴を有する多角
形状、球形状、又は楕円形状の立体形状保護部材内部
に、吸水性高分子及び熱伝導性炭素系材料を充填したも
のである。本発明で使用することのできる熱伝導性炭素
系材料は公知のものの中から適宜選択することができる
が、特に、グラファイト及び炭素繊維を使用することが
好ましい。また、充填物が立体形状保護部材内部からこ
ぼれないように、これらを、布等の水蒸気の透過が自由
な材質を用いた袋の中に入れて用いることが好ましい。

【０００９】熱伝導性炭素系材料の充填率は、全充填物
に対する体積率で３．０％以下であることが好ましい。
このようにすることにより蓄熱ユニット内の充填物の熱
伝導率が改善されるので、蓄熱容量を実質的に低下させ
ることなく、水蒸気排気効率が適度のものとなる大きさ
の蓄熱ユニットとすることができ、これによって製氷効
率及び解氷効率を高めることができる。熱伝導性炭素系
材料の好ましい充填量は蓄熱ユニットの大きさによって
も異なるが、特に好ましい範囲がある場合を除き、必要
最小限とすることが好ましい。これは、熱伝導性炭素系
材料を充填した分、吸収性ポリマーの使用量が減るの
で、その分蓄熱容量も減少するからである。

【００１０】上記のようにして吸水性高分子及びグラフ
ァイトを立体形状保護部材内部に充填した後該吸水性高
分子に吸水させると、吸水性高分子は立体形状保護部材
内部で膨潤し、大きく膨らむ。従って、大きくふくらん
だ状態で丁度立体形状保護部材内部いっぱいになる程度
に、吸水性高分子の使用量を使用することが好ましい。
また、立体形状保護部材の外形に凹凸を設ける等、適宜
設計変更することができる。立体形状保護部材の材料
は、蓄熱ユニットを蓄熱槽に充填したときに、下部の蓄
熱ユニットが上部の蓄熱ユニットの重量に耐えてその形
状を維持し得るものであれば良いが、熱伝導性が良く、
耐蝕性の材料という点で、特に銅又はその合金並びに機
能性プラスチック類を使用することが好ましい。

【００１１】本発明で使用する氷蓄熱槽は、注水口と冷
水取り出し口を有し、蓄熱ユニットを充填することので
きる槽であれば良いが、必要に応じて着脱自在の網状の
支持板を水平に適宜配しても良い。これによって蓄熱ユ
ニットの充填により蓄熱ユニットおよび蓄熱槽が歪むこ
とを防止することができる。注水口と冷水取り出し口
は、通常、氷蓄熱槽の互いに対向する面に設けられる
が、実質的に、注水された水が蓄熱ユニットの間を十分
に循環した後冷水取り出し口に到達すれば良いので、外
観的には同一の面に設けることもできる。また、水の流
れ方向は、上から下であっても下から上であってもよ
い。

【００１２】本発明の水蒸気排気式氷蓄熱装置は、夜間
の安価な電力を使用して電動真空圧縮機または、低温
（１１０℃〜１４０℃）の排熱を利用するエジェクター
を稼動させ、製氷することにより氷蓄熱槽に冷熱を貯え
る一方、昼間の需要に対しては、蓄熱槽内に水を循環さ
せて冷水を得、熱交換器を介して冷熱を供給するもので
ある。供給する冷熱は通常７℃前後である。この程度の
冷熱を長時間安定して供給する上からは、蓄熱槽の注水
管と冷水取り出し管の間を、通水量を制御することの出
来るバルブを介して直結するバイパス管を設けることが
好ましい。これにより、蓄熱槽を通過して冷やされた冷
水と蓄熱槽を通過しない流通水を需要量に対して適宜調
整混合することができるので、要求される温度の冷水
を、長時間、安定して供給することが容易となる。

【００１３】また、実用時には、しばしば冷水需要量が
変化するが、特に需要の急増に対応できることが重要で
ある。この場合には、基本的に通常運転の場合より低温
の冷水を緊急に取り出すことが必要である。そのため
に、本発明においては、必要に応じて蓄熱槽を通過して
きた冷水の一部を再度蓄熱槽に還流し、更に低温の冷水
を取り出すことができるようにすることが好ましい。斯
かる観点から、本発明においては、氷蓄熱槽を通過して
来た冷水を取り出して該冷水を供給する冷水供給管部か
ら、バルブを介して、冷水の一部を前記氷蓄熱槽に注水
する水の一部として還流し得る冷水還流路を設けること
が好ましい（図１参照）。特に、氷蓄熱槽に注水する水
に混合することが好ましい。

【００１４】本発明の装置を大きな需要の変動に耐える
ようにするためには、複数の氷蓄熱槽をバルブを介して
連結し、需要に応じて直列的に流通水を流したり（図２
参照）、並列的に（図３参照）、或いは直列且つ並列
（例えば直列に連結した二つの蓄熱槽を２組並列に連結
する）に通水することが好ましい。このようにすれば、
バルブの操作のみで、広い範囲の需要変動に対応するこ
とができる。尚、図４は本発明の蓄熱ユニットを用いた
水蒸気排気式氷蓄熱装置の１例を示す図である。

【００１５】

【発明の効果】本発明の蓄熱ユニットは熱伝導性が良い
ので、製氷効率および解氷効率が改善される。従って、
蓄熱槽内の排気効率を阻害しない大きさの蓄熱ユニット
の大きさを適宜設定して製氷効率を最大化することが容
易となるので、水蒸気排気式氷蓄熱装置の実用化に対
し、本発明は極めて有意義である。

【００１６】以下、本発明を実施例によって更に詳述す
るが、本発明はこれによって限定されるものではない。 実施例１及び比較例 銅製で直径３５ｍｍの、多数の孔を有する中空で球状の
立体形状保護部材内に、合成繊維の袋に均一に内包され
た吸水性ポリマーとグラファイト（実施例１）又はステ
ンレス（比較例１）を充填した。蓄熱槽に、上記蓄熱ユ
ニットを、吸水後のゲルの総充填量が１３，０００ｃｍ
^３となるように多数充填し、蓄熱槽出口の冷水供給点に
おける通水量を４４０ｍｌ／分となるようにした。この
時蓄熱槽内のゲル蓄熱材の充填率は６２．７％であっ
た。また、３５ｍｍの直径を９０ｍｍとした他は実施例
１と全く同様にして、これを実施例２とした。

【００１７】グラファイト又はステンレスを伝熱促進物
質として混合すると、その体積相当分の吸水性ゲルを使
用しないことになるので、蓄熱容量としては、伝熱促進
物質を全く含まない場合により小さくなる。従って、タ
ンク出口温度が、例えば７℃という一定温度に達するま
でに得られる冷熱量は、伝熱促進物質の使用量に依存す
る可能性がある。そこで、７℃に達する迄の蓄熱ユニッ
トからの冷熱取り出し量の伝熱促進物質の体積率に対す
る依存性を測定した。結果は図５に示した通りであり、
ステンレスよりもグラファイトを用いた場合の方が良好
であることが確認された。また、この結果からその効果
は蓄熱ユニットの径にも依存するものの、グラファイト
の使用量は３体積％以下で十分であることが判明した。

【図面の簡単な説明】

【図１】氷蓄熱槽回りの流通水の流れ方を表す図であ
る。

【図２】２つの氷蓄熱槽を直列に連結する場合の説明図
である。

【図３】２つの氷蓄熱槽を並列に直結する場合の説明図
である。

【図４】本発明の蓄熱ユニットを用いた水蒸気排気式氷
蓄熱装置の１例である。

【図５】球状蓄熱ユニットからの冷熱取り出し量の、伝
熱促進物質混合量依存性を表すグラフである。

フロントページの続き (71)出願人 000176763 三菱化学エンジニアリング株式会社 東京都港区芝五丁目34番６号 (72)発明者 亀山 秀雄 東京都三鷹市井の頭２−23−22 (72)発明者 山本 協子 東京都八王子市暁町３−５−14 (72)発明者 森 弘美 東京都港区芝５丁目34番６号三菱エンジニ アリング株式会社内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 吸水性ポリマーを含有した多数の蓄熱ユ
   ニットを充填してなる蓄熱槽内の前記吸水性ポリマーに
   吸水させた後、該蓄熱槽内を排気して製氷し、次いで前
   記蓄熱槽と接続された水タンク内の水を蓄熱槽内に流入
   させて冷水を得る水蒸気排気式氷蓄熱装置のための前記
   蓄熱ユニットであって、該蓄熱ユニットが立体形状保護
   部材及び該保護部材内部に充填された吸水性高分子並び
   に熱伝導性炭素系材料からなることを特徴とする蓄熱ユ
   ニット。
2. 【請求項２】 吸水性高分子及び熱伝導性炭素系材料が
   水蒸気透過性の袋に内包されている、請求項１に記載さ
   れた蓄熱ユニット。
3. 【請求項３】 熱伝導性炭素系材料の混合比率が、体積
   率で、吸水性高分子と熱伝導性炭素系材料総量の３．０
   ％以下である、請求項１又は２に記載された蓄熱ユニッ
   ト。
4. 【請求項４】 請求項１〜３の何れかに記載された蓄熱
   ユニットを充填してなる氷蓄熱槽、該氷蓄熱槽から水蒸
   気を排気するための水蒸気排気手段、及び前期氷蓄熱槽
   に注水する注水管、並びに、冷水を取り出して供給する
   冷水供給管を有すると共に、得られた冷水を冷熱利用部
   を介して前記蓄熱層への注水として循環流通させること
   を特徴とする水蒸気排気式氷蓄熱装置。
5. 【請求項５】 前記注水管と冷水供給管をバルブを介し
   て直結したバイパス管を有する、請求項４に記載された
   水蒸気排気式氷蓄熱装置。
6. 【請求項６】 前記バイパス管と冷水管の接続点より氷
   蓄熱槽側の冷水供給管部分から、バルブを介して、冷水
   の一部を前記氷蓄熱槽に注水する水の一部として還流し
   得る冷水還流路を有する、請求項４又は５に記載され
   た、水蒸気排気式氷蓄熱装置。
7. 【請求項７】 ２以上の氷蓄熱槽を、並列及び／又は直
   列に結合してなることを特徴とする、請求項４〜６の何
   れかに記載された水蒸気排気式氷蓄熱装置。