JP2002168483A - 氷蓄熱方法および氷蓄熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 氷蓄熱における熱交換効率を高め、装置を簡
単化する。 【解決手段】 気体循環配管５の空気は、圧縮装置７で
圧縮されてその温度が上昇し、第１熱交換器８、第２熱
交換器９で冷却され、断熱膨張して放気管３から細かい
バブル状になって放出されマイナス温度まで低下し、蓄
熱槽１内を上昇する。蓄熱槽１内の水（冷媒）は低温空
気で攪拌および冷却され、シャーベット状の氷を生成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は蓄熱槽内に収容され
た液状の冷媒を冷却して氷結させ、その氷結した冷媒を
冷却源として利用する氷蓄熱方法、およびその方法を実
施する氷蓄熱装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】安価な深夜電力を利用して水などの冷媒
を冷却し氷結させ、昼間にその氷結した冷媒を一般の冷
房装置用、食品業界などの製造プロセスの冷却用等とし
て利用する氷蓄熱方法が広く採用されている。従来から
知られている氷蓄熱方法としてはスタティック型、ダイ
ナミック型および蓄熱材型などがある。

【０００３】スタティック型は水などの冷媒を収容する
蓄熱槽内に冷却チューブを蛇行状に配設し、深夜におい
て冷凍装置を運転して冷却したアンモニアガスなどのブ
ラインを冷却チューブ内に循環し、冷却チューブの外側
に氷を生成させて氷蓄熱をし、昼間において蓄熱槽に冷
媒を循環して氷を溶解させ、その氷蓄熱を空調装置など
に利用する。しかしスタティック型はシステム構成が簡
単になるが、冷却チューブの外側にある程度氷が生成さ
れるとそれが断熱層となり、それ以上の氷の生成効率が
低下するという問題がある。また氷結により蛇腹状に配
設した冷却チューブやそのフィンなどの間に氷のブリッ
ジが形成されると、冷却チューブに無理な応力が加わ
り、場合によっては冷却チューブが損傷するという問題
もある。

【０００４】ダイナミック型は同様に蓄熱槽内に収容し
た水などの冷媒を例えばー２℃程度まで過冷却し、振動
や衝撃を与えて氷をシャーベット状にする方法である。
この方法は大容量の氷蓄熱システムを構成することが可
能であり、負荷変動への対応性もよいという利点があ
る。しかし、温度が高いと氷が生成せず、逆に低いと凍
結するので過冷却の温度制御が難しいという問題があ
る。

【０００５】蓄熱材型は多数の野球ボール大の球形容器
内にそれぞれ蓄熱体を封入し、それら蓄熱材を蓄熱槽内
に充填する。夜間において蓄熱材の隙間に冷凍装置で冷
却されたアンモニアガスなどのブラインを流通させて蓄
熱材を冷却し、昼間に蓄熱槽に冷媒を循環して氷を溶解
させて、その氷蓄熱を空調装置などに利用する。しかし
この方法は蓄熱材の製造コストおよび装置の運転コスト
が高いという問題がある。また冷媒切換に手間がかかる
という問題もある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこれら従来の
氷蓄熱方法における問題を解決することを課題とし、そ
のための新しい氷蓄熱方法およびそれを実施する氷蓄熱
装置を提供することを目的とする。本発明の氷蓄熱方法
は後述するように、冷却チューブを使用しない点では従
来のダイナミック型の氷蓄熱方法に似ているが、その技
術的思想は全く異なるものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明の第１の
発明は、蓄熱槽内に収容された液状の冷媒を冷却して氷
結させ、その氷結した冷媒を冷却源として利用する氷蓄
熱方法である。そしてこの方法は、蓄熱槽の下部から冷
媒中に冷却した気体をバブル状に噴出し、その噴出した
気体と冷媒を直接接触させて熱交換することにより、冷
媒を冷却して氷結させることを特徴とする（請求項
１）。

【０００８】上記方法において、気体を圧縮して昇温
し、その気体を冷却し、次いで断熱膨張させて蓄熱槽内
に噴出することができる（請求項２）。上記方法におい
て、気体を圧縮して昇温し、圧縮により発生する熱を吸
収式冷凍装置の熱源として利用すると共に、吸収式冷凍
装置で得られた冷水で気体を冷却することができる（請
求項３）。

【０００９】また本発明の第２の発明は、蓄熱槽と、そ
の蓄熱槽に収容される液状の冷媒を冷却して氷結させる
冷却手段と、蓄熱槽に冷媒を循環させる冷媒循環手段を
備えた氷蓄熱装置である。そしてこの装置における冷却
手段は、蓄熱槽の下部に設けた気体噴出用の放気管と、
蓄熱槽の上部に設けた気体排出部と、気体排出部から排
出する気体を圧縮して昇温する圧縮装置と、圧縮装置か
らの気体を冷却する冷却装置とを有し、その冷却装置で
冷却された気体を前記放気管により断熱膨張して蓄熱槽
内に供給することを特徴とする（請求項４）。さらに上
記いずれかの装置において、気体を空気とすると共に、
冷却装置を吸収式冷凍装置とすることができる（請求項
５）。

【００１０】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態を図面に
より説明する。図１は本発明の氷蓄熱方法を実施する装
置のプロセスフロー図の１例である。図中、１は水など
の冷媒２を収容する蓄熱槽、３は蓄熱槽１の下部に配置
された放気管、４は蓄熱槽１の上部に設けられた気体排
出部、５は気体循環配管、６は気体中に混入しているミ
ストなどの液成分を除去するデミスター、７は圧縮装
置、８は一次熱交換器、９は二次熱交換器、１０は冷却
装置、１１は冷却塔，１２，１３、１４はポンプ、１
５，１６，１７は冷却水循環配管、１８は冷却塔１１の
冷却ファン、１９は蓄熱槽１の上部に配置された冷媒ノ
ズル、２０は冷媒循環配管、２１は蒸発器、２２は氷部
分、２３はバブル、３０は冷却手段、４０は冷媒循環手
段、５０は吸収式冷凍装置である。

【００１１】冷却装置１０として図示のような吸収式冷
凍装置５０を使用することが望ましい。吸収式冷凍装置
５０は一次熱交換器８からの熱源を利用して内部の冷媒
を蒸発させ、それによって冷却水循環配管１６の冷却水
を冷却するもので、余分の熱は冷却水循環配管１７の冷
却水と熱交換して除去する。蓄熱槽１に収容する冷媒と
してはコストや安定性から水が望ましい。しかし直接接
触して熱交換する気体に対する溶解度が低く、熱容量が
大きい液体であれば特に制限はない。また気体としては
コスト的な観点から空気を使用することが望ましいが、
選択された溶媒に対する溶解性が低く、熱伝導率が高い
気体であれば特に制限はなく、例えば冷媒として水を使
用する場合は、空気以外に弗素系ガス、または窒素ガス
などの不活性ガスを使用することもできる。

【００１２】放気管３は側壁上部に多数の微小な噴出孔
を均一に分散して設けた細長い管体を蛇行状に配置さ
れ、または複数の分岐管が水平に配置されて作られる。
この例では比較的高圧の気体が放気管３の各噴出孔から
蓄熱槽一内に噴出する際に断熱膨張し、その温度を低下
させるようになっている。したがって各噴出孔の直径は
絞り弁として機能し、且つできるだけ細かいバブルが形
成されるようにその寸法が設定され、通常５〜１０ｍｍ
程度の範囲とされる。また細かいバブルが蓄熱槽１内に
均一に分散して噴出するように、放気管３はその下部、
望ましくは底部に配置される。そして上記放気管３、気
体排出部４、気体循環配管５、圧縮装置７、一次熱交換
器８、二次熱交換器９および冷却装置１０により、冷媒
を冷却するための冷却手段３０が構成される。

【００１３】冷媒ノズル１９は側壁下部に多数の微小な
噴出孔を均一に分散して設けた細長い管体を水平方向に
蛇行状に形成して作られ、図示しない空調装置などの負
荷設備から冷媒循環配管２０を経て供給される冷媒を蓄
熱槽１の上方から均一に分散してシャワー状に噴出させ
る機能を有する。そして冷媒ノズル１９および冷媒循環
配管２０（さらには図示しない冷媒循環ポンプ）により
本発明の冷媒循環手段４０を構成する。一次熱交換器８
および二次熱交換器９は、槽本体と、その槽本体の内部
に配置された冷却配管を備え、冷却水循環配管１５（お
よびポンプ１２）または冷却水循環配管１６（及びポン
プ１３）によって循環する冷却水で圧縮装置７からの気
体を間接接触により熱交換して冷却するものである。冷
却塔１１は一般に空調装置などで使用される空冷式のク
ーリングタワーなどを採用することができ、冷却装置１
０で暖められた冷却水を冷却するものである。

【００１４】次に図１の装置を使用した氷蓄熱方法につ
いて説明する。 （蓄熱工程）冷媒循環配管２０の冷媒循環を停止し、蓄
熱槽一内の冷媒（水）を冷却して氷結させる。それには
安価な深夜電力を利用して圧縮装置７と冷却装置１０を
運転し、冷却された気体を蓄熱槽１内に循環させる。先
ず、圧縮装置７で圧縮された気体（空気）は高温高圧状
態となって一次熱交換器８に導入する。気体はそこで冷
却水循環配管１５の冷却水と熱交換して冷却される。す
なわち圧縮によって発生する熱は冷却装置１０を構成す
る吸収式冷凍装置５０の熱源として回収され、装置の熱
効率を向上させる。

【００１５】圧縮気体は次いで二次熱交換器９に導入さ
れ、そこで冷却水配管１６の冷却水と間接接触により熱
交換して冷却され、放気管３より蓄熱槽１内に噴出して
断熱膨張する。気体は断熱膨張する際に熱を吸収して必
要な温度（冷媒が水の場合は0度以下）に冷却され、低
温気体となって冷媒中を細かい多数のバブルとして分散
上昇し、その間に冷媒と直接接触する。そしてシャーベ
ット状の氷を作ると共に、バブルの上昇により多数の空
気通路が形成される。次いで、熱交換により暖められた
気体は気体排出部４から排出し、気体循環配管５を経て
前記圧縮装置７に戻るが、気体中に混入して同伴する液
成分（水分）は気体循環配管５に設けたデミスター６で
除去される。

【００１６】気体として空気を使用する場合、圧縮装置
７から流出する液化物の温度は９０〜１００℃程度まで
上昇するが、一次熱交換器８で７０〜８０℃程度の冷却
水と熱交換して７５〜８５℃程度に冷却され、さらに二
次熱交換器９で３０〜３５℃程度の冷却水と熱交換して
３５〜４０℃程度に冷却され、放気管３から蓄熱槽１内
に噴出することよってー５℃程度まで冷却される。そし
て冷媒と熱交換して気体排出部３から排出するときには
略０℃まで温度上昇する。なお冷媒として水を使用する
場合、−５℃程度に冷却された空気によって冷媒は十分
にシャーベット状に氷結可能になる。

【００１７】蓄熱槽１内の冷媒は気体との熱交換によっ
て冷却されて氷を生成する。冷媒は上昇するバブルによ
って常に攪拌されるので、スタティック型のような硬い
氷結層は生成せず、多数の細かい氷粒がシャーベット状
に生成し、それが液との密度差により上昇して蓄熱槽１
の上部に蓄積する。さらに蓄熱槽１の下部に淀んだ状態
で浮遊する氷粒も気体の上昇力で上部に持ち上げられ
る。そして上昇するバブルはその蓄積した氷部分２２に
多数の気体通路を形成しながら気体排出部４から排出す
るので、蓄熱槽１内には多数の枝分かれした気体通路を
含む氷部分２２が蓄積し、それが次第に下方に向かって
成長する。

【００１８】氷部分２２の成長量を確認するために蓄熱
槽１に製氷計を設けることができる。例えばその製氷計
によって測定した氷蓄積量（氷部分２２の量）が予め設
定された値に到達したとき、その検出信号により制御装
置（図示せず）が圧縮装置７および冷却装置１０を停止
して蓄熱工程を終了させ、次の冷媒循環工程（冷媒使用
工程）に備えることができる。また冷媒循環工程におい
ても、氷部分２２の蓄積量が予め設定された値より少な
くなったとき、製氷計からの検出信号により、制御装置
は再び蓄熱工程に戻すこともできる。蓄熱槽一内の氷部
分２２が製氷計としては、例えばフロート型のレベル計
を使用することができる。この製氷計は、水面に氷が浮
上することによりその水面上のフロートを押し上げ、そ
の押し上げ量を検知することで氷量を測定するものであ
る。

【００１９】（冷媒循環工程）冷媒循環工程は、図示し
ない負荷設備から冷媒循環配管２０で蓄熱槽１に液状の
冷媒を循環させ、前記蓄熱工程で生成した氷部分２２と
接触させて熱交換することにより冷却する工程である。
すなわち冷媒は冷媒ノズル１９の多数の噴出孔から蓄熱
槽１の上方にシャワー状に噴出し、蓄熱槽１内を流下す
る間に氷部２２と直接接触して熱交換することにより冷
却され、蓄熱槽１の底部から冷媒循環配管２０で空調装
置などの負荷設備に戻る。その際、冷媒は前記蓄熱工程
で氷部分２２に形成された多数の気体通路を通って分散
状態で流下することができるので、氷部分との熱交換面
積が著しく大きくなり、高い熱交換効率で循環すること
ができる。また、このように熱交換面積が大きいと冷媒
による解氷性が高く、負荷設備の負荷変動に迅速に追従
することが可能になる。

【００２０】冷媒を循環させることにより氷部分２２は
次第に溶解されて縮小する。そこで前記のように製氷計
による氷蓄積量の検出値が予め設定された値より小さく
なったとき、その検出信号により冷媒循環工程から蓄熱
工程に切り換える。なおその時点で冷媒循環工程を継続
する必要があるときは、冷媒を蓄熱槽１に循環させなが
ら蓄熱工程を並行して実施することもできる。また冷媒
循環工程において負荷設備の負荷量が急激に増加した場
合（ピーク負荷）にも、蓄熱工程を並行して実施するこ
とができる。

【００２１】

【発明の効果】以上のように本発明の氷蓄熱方法は、蓄
熱槽の下部から冷媒中に冷却した気体をバブル状に噴出
し、その噴出した気体と冷媒を直接接触させて熱交換す
ることにより、冷媒を冷却して氷結させることを特徴と
する。そのため冷媒は上昇する気体のバブルとの直接接
触により高い熱交換率で冷却され、且つバブルの攪拌作
用により細かい氷粒が分散したシャーベット状に氷結さ
れ、その氷粒が密度差で上昇して蓄熱槽上部に蓄積し次
第に下方に成長する。そして成長した氷部分には多数の
気体通路が形成されるので、冷媒循環工程において冷媒
との熱交換面積が著しく増加し、該工程における高い熱
交換効率を達成することができる。さらに冷媒を供給す
る負荷設備の急激な負荷変動にも十分追従することがで
きる。

【００２２】上記方法において、気体を圧縮して昇温
し、その気体を冷却し、次いで断熱膨張させて蓄熱槽内
に噴出することができる。このように構成すると、簡単
な装置で効率よく冷却用の気体を蓄熱装置に供給（また
は循環）させることができる。さらに上記方法におい
て、気体を圧縮して昇温し、圧縮によって発生する熱を
吸収式冷凍装置の熱源として利用すると共に、吸収式冷
凍装置で得られた冷水で気体を冷却することができる。
このように構成すると、熱エネルギーに変換した圧縮エ
ネルギーの一部を吸収冷凍装置で回収することができる
ので、システムの熱効率を高めることができる。

【００２３】また本発明の蓄熱装置は、その冷却手段
が、蓄熱槽の下部に設けた気体噴出用の放気管と、蓄熱
槽の上部に設けた気体排出部と、気体排出部から排出す
る気体を圧縮して昇温する圧縮装置と、圧縮装置からの
気体を冷却する冷却装置とを有し、その冷却装置で冷却
された気体を前記放気管により断熱膨張して蓄熱槽内に
供給することを特徴とする。そのためこの装置を使用す
ることにより、上記本発明の氷蓄熱方法を効率的に実施
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の氷蓄熱方法を実施する装置のプロセス
フロー図。

【符号の説明】

１ 蓄熱槽 ２ 冷媒 ３ 放気管 ４ 気体排出部 ５ 気体循環配管 ６ デミスター ７ 圧縮装置 ８ 一次熱交換器 ９ 二次熱交換器 １０ 冷却装置 １１ 冷却装置 １２ ポンプ １３ ポンプ １４ ポンプ １５ 冷却水循環配管 １６ 冷却水循環配管 １７ 冷却水循環配管 １８ 冷却ファン １９ 冷媒ノズル ２０ 冷媒循環配管 ２２ 氷部分 ２３ バブル ３０ 冷却手段 ４０ 冷媒循環手段 ５０ 吸収式冷凍装置

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 蓄熱槽１内に収容された液状の冷媒２を
   冷却して氷結させ、その氷結した冷媒２を冷却源として
   利用する氷蓄熱方法において、蓄熱槽１の下部から冷媒
   ２中に冷却された気体をバブル状に噴出し、その噴出し
   た気体と冷媒２を直接接触させて熱交換することによ
   り、冷媒２を冷却して氷結させることを特徴とする氷蓄
   熱方法。
2. 【請求項２】 気体を圧縮して昇温し、その気体を冷却
   し、次いで減圧により断熱膨張させて蓄熱槽１内に噴出
   する請求項１に記載の氷蓄熱方法。
3. 【請求項３】 気体を圧縮して昇温し、圧縮により発生
   する熱を吸収式冷凍装置５０の熱源として利用すると共
   に、吸収式冷凍装置５０で得られた冷水で気体を冷却す
   る請求項２に記載の氷蓄熱方法。
4. 【請求項４】 蓄熱槽１と、その蓄熱槽１内に収容され
   る液状の冷媒２を冷却して氷結させる冷却手段３０と、
   蓄熱槽１に冷媒２を循環させる冷媒循環手段４０を備え
   た氷蓄熱装置において、冷却手段３０が、蓄熱槽１の下
   部に設けた気体噴出用の放気管３と、蓄熱槽１の上部に
   設けた気体排出部４と、気体排出部４から排出する気体
   を圧縮して昇温する圧縮装置７と、圧縮装置７からの気
   体を冷却する冷却装置１０とを有し、その冷却装置１０
   で冷却された気体を前記放気管３により断熱膨張して蓄
   熱槽１内に供給することを特徴とする氷蓄熱装置。
5. 【請求項５】 気体が空気であり、冷却装置１０が吸収
   式冷凍装置である請求項４に記載の氷蓄熱装置。