JP2002317978A

JP2002317978A - 氷蓄熱装置

Info

Publication number: JP2002317978A
Application number: JP2001122419A
Authority: JP
Inventors: Seiichi Yasuki; 誠一安木; Takeji Watanabe; 竹司渡辺; Yoshitsugu Nishiyama; 吉継西山
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-04-20
Filing date: 2001-04-20
Publication date: 2002-10-31

Abstract

(57)【要約】【課題】予熱熱交換器での熱交換量を出来るだけ小さ
くして、常に氷片の融解ができるようにすること。【解決手段】予熱熱交換器１０を放熱器２と減圧手段
３との間に設けると共に、水回路９における予熱熱交換
器１０の上流側にフィルター１２を設け、冷媒を熱源と
して蓄熱槽６から取り出した水７を加熱するようにして
いる。これによって、氷蓄熱装置としての熱損失なく常
に氷片を融解することができる。また、フィルターによ
って物理的に氷片を除去するため、予熱熱交換器に必要
な能力を抑えることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、蓄熱槽に氷を生成
させる氷蓄熱装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、電気料金が廉価である深夜の余剰
電力を利用して氷を生成し、昼間に生成した氷のもつ冷
熱を利用して冷房を行う氷蓄熱型空調装置が提案されて
いる。この装置は電力需要のピークをシフトさせること
ができ、さらにランニングコストを大幅に削減すること
ができる。そのなかでも水を過冷却状態まで冷却した
後、過冷却状態を解除して製氷して蓄熱する過冷却水を
用いた方式は氷の生成量に無関係に連続製氷が可能であ
るため、ヒートポンプの運転を効率よく行うことができ
る。しかし、過冷却状態は不安定な状態であり、核とな
る物質の存在や、振動などによって過冷却状態が解除さ
れ、氷へと相変化してしまう。製氷過程において、蓄熱
槽に水と氷が存在するため蓄熱槽から取り出した水に混
入することがある。そのため、製氷熱交換器において、
水に混入した氷片が核となって凍結が発生して水の流路
を閉塞するといった問題があった。この問題を解決する
ため、製氷熱交換器に入る前に氷片を除去することで安
定した製氷を行う方式が提案されている。

【０００３】例えば、図５に示すような特開平５−１１
８５８７号公報に記されている装置は、圧縮機１と放熱
器２と減圧手段３と製氷熱交換器４が冷媒回路５で順に
接続されたヒートポンプ回路と、蓄熱槽６と、蓄熱槽６
の水７をポンプ８の動力によって取り出し、製氷熱交換
器４で過冷却したあと、製氷熱交換器４外部で過冷却状
態を解除して製氷し、蓄熱槽６に戻す水回路９を備えた
氷蓄熱装置であり、蓄熱槽６から取り出した水７を製氷
熱交換器４で過冷却する前に予熱熱交換器１０に通し
て、冷房熱負荷１１と熱交換するものである。

【０００４】予熱熱交換器１０で蓄熱槽６から取り出し
た水７に含まれる氷片を冷房熱負荷１１と熱交換するこ
とにより融解して製氷熱交換器４への氷片の混入を防止
することができる。外部加熱手段を設けていないため、
水７の予熱による、氷蓄熱装置全体としての熱の損失を
伴うことなく氷片を融解することができ、製氷熱交換器
４内部へ氷片が入ることによって発生する凍結を防止
し、安定した製氷を行うことができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
構成では、冷房熱負荷を用いて蓄熱槽から取り出した水
に含まれている氷片の融解を行うため、深夜などの冷房
熱負荷がない時は蓄熱槽からの水に含まれる氷片の融解
を行うことができない。また、氷片が予熱熱交換器で完
全に融解されずに製氷熱交換器に入ることがあり、氷片
の融解の確実性を高めて、安定した製氷を行うために、
予熱熱交換器での熱交換量を多くとらなければならず、
そのため、予熱熱交換器が大きくなってしまうといった
課題があった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記従来の課題を解決す
るために、本発明の氷蓄熱装置は、蓄熱槽の水を製氷熱
交換器に通す前にヒートポンプ回路の冷媒で加熱する予
熱熱交換器を、ヒートポンプ回路の放熱器と減圧手段と
の間に設置し、また、水回路における予熱熱交換器の上
流にフィルターを設けたものである。

【０００７】これによって、水を予熱する熱源の有無な
どの条件に左右されず、いつでも蓄熱槽からの水に含ま
れる氷片を熱損失なく融解することができ、製氷熱交換
器へ氷片が入ることによって生じる凍結を防止すること
ができる。また、フィルターによって物理的に氷片を除
去した後に予熱熱交換器で加熱するため、確実に氷片を
融解するために予熱熱交換器で必要な熱交換能力を抑え
ることができ、予熱熱交換器をコンパクトにすることが
できる。

【０００８】

【発明の実施の形態】請求項１に記載の発明は、蓄熱槽
の水を製氷熱交換器に通す前にヒートポンプ回路の冷媒
で加熱する予熱熱交換器を、冷媒回路における放熱器と
減圧手段との間に設けて、冷媒を熱源として蓄熱槽から
取り出した水と熱交換するので、熱源として常に利用す
ることができ、かつ、冷媒をさらに冷却することで冷凍
能力を増加させることができるので、氷蓄熱装置として
の損失を伴うことなく氷片の融解を行うことができる。

【０００９】請求項２に記載の発明は、特に、請求項１
に記載の水回路において予熱熱交換器をバイパスするバ
イパス経路と水回路とバイパス経路の分岐点に経路切替
手段を設けたことによって、予熱熱交換器が必要ないと
きに経路切替手段でバイパス回路に水を流して、予熱熱
交換器に水を流さないようにすることによって、水回路
における予熱熱交換器での圧力損失をなくすことができ
る。

【００１０】請求項３に記載の発明は、特に、請求項１
に記載の蓄熱槽の出口を底面に設けたことによって、氷
片より密度が高いため底面にある水から優先的に蓄熱槽
外に放出することができるため、蓄熱槽から取り出した
水への氷片の混入を抑えることができ、氷片融解のため
に予熱熱交換器に必要とされる熱交換能力を小さくする
ことができる。

【００１１】請求項４に記載の発明は、特に、請求項１
に記載の水回路の予熱熱交換器上流にフィルターを設置
したことによって、蓄熱槽から取り出した水に含まれる
ある大きさ以上の氷片を、予熱熱交換器に通す前に物理
的に除去することができ、氷片融解のために予熱熱交換
器に必要とされる熱交換能力を小さくすることができ
る。

【００１２】請求項５に記載の発明は、特に、請求項４
に記載のフィルターにフィルターを加熱する加熱手段を
設けたことによって、フィルターで捕獲した氷片を融解
することができ、氷片の堆積による、フィルターの目詰
まりを防止することができる。

【００１３】請求項６に記載の発明は、特に、請求項５
に記載のフィルターを前記ヒートポンプ回路の冷媒によ
って加熱する構成としたことによって、装置全体として
の熱損失を伴うことなくフィルターで捕獲した氷片を融
解することができ、フィルターの目詰まりを防止するこ
とができる。

【００１４】請求項７に記載の発明は、特に、請求項６
に記載のフィルターを予熱熱交換器に組み込んだことに
よって、冷媒回路を簡単にし、かつ機器をコンパクトに
することができる。

【００１５】請求項８に記載の発明は、特に、請求項４
に記載のフィルターを蓄熱槽内の蓄熱槽出口上流に設け
たことによって、蓄熱槽の外への氷片の流出を抑えるこ
とができる。

【００１６】請求項９に記載の発明は、特に、請求項８
に記載のフィルターを蓄熱槽出口の面積より開口面積の
大きいものとしたことによって、フィルターでの圧力損
失を小さくすることができる。

【００１７】請求項１０に記載の発明は、特に、予熱熱
交換器を積層式熱交換器としたことによって、熱交換器
内部の水経路における温度分布の差を小さくすることが
できるため、水に含まれる氷片を確実に融解することが
できる。

【００１８】請求項１１に記載の発明は、特に、製氷熱
交換器を積層式熱交換器としたことによって、冷媒と水
の温度差を小さくすることができるため、冷媒の温度を
下げることなく効率よく水を過冷却することができる。

【００１９】

【実施例】以下本発明の実施例について、図面を参照し
ながら説明する。

【００２０】（実施例１）図１は本発明の実施例１にお
ける氷蓄熱装置を模式的に示したものである。図１の氷
蓄熱装置は、圧縮機１、放熱器２、予熱熱交換器１０、
減圧手段３、製氷熱交換器４が冷媒を二酸化炭素とした
冷媒回路５で順に接続されているヒートポンプ回路と、
蓄熱槽６の水７をポンプ８の動力によって取り出し、フ
ィルター１２を通した後、予熱熱交換器１０で加熱し、
製氷熱交換器４で過冷却して蓄熱槽６に戻す水回路９か
らなる。フィルター１２は予熱熱交換器１０内の水回路
９上流に設けられ、予熱熱交換器１０の冷媒回路５上流
に組み込まれた加熱手段１３によって加熱される構成と
なっている。また、水回路９において、予熱熱交換器１
０をバイパスするバイパス経路１４を設けた。そして水
回路９とバイパス経路１４の分岐点に設けた経路切替手
段１５を、蓄熱槽出口１８直後に設けた水温度検知手段
１６が検知した温度によって制御する制御手段１７を設
けた。

【００２１】この構成における動作と作用について以下
に説明する。圧縮機１の動作によって高温高圧の気体と
なった冷媒は、放熱器２で放熱された後、蓄熱槽６から
ポンプ８の動力によって取り出される水７と予熱熱交換
器１０で熱交換される。これによって、水７に含まれる
氷片が融解され、冷媒はさらに冷却される。その後、冷
媒は、減圧手段３で減圧され、低温低圧の気液二相の状
態となり製氷熱交換器４によって、予熱熱交換器１０を
通った後の水７を過冷却した後、圧縮機１へと戻る。過
冷却された水７は、蓄熱槽６へと戻されて、蓄熱槽６内
で過冷却状態を解除され氷へと変化されて蓄熱が行われ
る。蓄熱槽６から取り出された水７に含まれる氷片を融
解するための熱負荷を冷媒としているため、図５に示
す、従来例における冷房熱負荷のように熱源の存在に関
係なく、常に氷片の融解を行うことができる。

【００２２】また、放熱器２と減圧手段３間に予熱熱交
換器１０を設けているため、図２のモリエル線図に示す
ように、放熱器２を通った後の冷媒を予熱熱交換器１０
でさらに冷却できるので、ＡからＢであった放熱過程が
ＡからＣまでとなり、予熱熱交換器１０を設けない場合
に比べて、冷凍サイクルの放熱量を大きくとることがで
きる。よって、ＥからＦであった蒸発過程もＤからＦま
でとなり、圧縮機１の圧縮仕事を増やすことなく、予熱
熱交換器１０で水７を加熱した熱量Ｑと同じだけ製氷熱
交換器で水７を冷却する熱量を増加させることができる
ため、一旦、予熱熱交換器１０で温度上昇した水７を予
熱熱交換器１０に通す前の温度まで冷却した後、十分に
過冷却する能力を確保でき、氷蓄熱装置全体としての損
失を伴うことなく、水７中に含まれる氷片を除去するこ
とができる。

【００２３】また、一旦、予熱熱交換器１０で水７を加
熱しているので、製氷熱交換器４に入る時の水７の温度
が予熱熱交換器１０を設けない場合に比べて高くなり、
製氷熱交換器４において水７によって加熱される冷媒の
加熱温度の限界を高くすることができる。また、蓄熱槽
出口１８から取り出した水７を予熱熱交換器１０で加熱
する前にフィルター１２を通すため、ある程度の大きさ
以上の氷片を物理的に除去することができ、予熱熱交換
器に必要とされる熱交換能力を小さくすることができ
る。

【００２４】また、加熱手段１３によってフィルター１
２を加熱する構成となっており、フィルター１２に堆積
する氷片を融解することができるので、フィルター１２
の目詰まりを防止することができる。さらに、その熱源
をヒートポンプ回路の冷媒としているため、氷蓄熱装置
全体としての熱損失を伴うことなくフィルター１２の目
詰まりを防止することができる。さらに、フィルター１
２、加熱手段１３が予熱熱交換器１０に組み込まれてい
るため、氷蓄熱装置をコンパクトに実現することができ
る。

【００２５】また、水温度検知手段１６によって、蓄熱
槽出口１８直後における水温度を検知し、その温度が氷
片の混入がないと保証できる設定温度よりも高い場合に
は、制御手段１７によって、経路切替手段１５をバイパ
ス経路１４側に切り替えて、水を予熱熱交換器１０に流
さないようにする。蓄熱槽出口１８直後での水温度が設
定温度以下の場合には、氷片の混入の可能性があるので
経路切替手段１５を予熱熱交換器１０側に切り替えて水
を予熱熱交換器１０に流すようにする。これによって氷
片の混入がない場合は水７を予熱熱交換器１０に通さな
いため、予熱熱交換器１０での圧力損失をなくすことが
できるので、ポンプへの負荷を減らすことできる。

【００２６】冷媒を、オゾン層破壊係数が０であり、フ
ロンや代替フロンに比べて地球温暖化係数が小さい二酸
化炭素としたので、装置からの冷媒の漏洩が生じても、
環境に及ぼす影響を小さくすることができる。さらに、
毒性や可燃性がないため、安全性の高い装置とすること
ができる。また、冷媒としての二酸化炭素を工場などか
ら排出されるガスから精製されるものを用いることによ
って、大気中への二酸化炭素の排出を抑えることができ
る。

【００２７】なお、本実施例の冷媒を二酸化炭素とした
が、冷媒の種類によらず同様の効果が得られる。また、
製氷熱交換器と予熱熱交換器での冷媒と水の流し方をど
ちらも並流となるようにしたが、それぞれ向流となる構
成としても基本的に同様の効果が得られる。しかし、向
流としたほうが水の出口温度を熱交換器での冷媒の入口
温度に近づけることができる。特に、冷媒を二酸化炭素
とした場合、放熱過程は相変化を伴わず、冷媒の入口温
度と出口温度の温度差が大きくなるので、予熱熱交換器
において、向流で流す効果が大きくなる。

【００２８】また、本実施例におけるそれぞれの構成は
単独でも実施が可能である。

【００２９】（実施例２）図３は本発明の実施例２にお
ける氷蓄熱装置を模式的に示したものである。図３の氷
蓄熱装置は、圧縮機１、放熱器２、予熱熱交換器１０、
減圧手段３、製氷熱交換器４が冷媒回路５で順に接続さ
れているヒートポンプ回路と、蓄熱槽６の水７をポンプ
８の動力によって取り出し、予熱熱交換器１０で加熱
し、製氷熱交換器４で過冷却して蓄熱槽６に戻す水回路
９からなる。蓄熱槽出口１８を蓄熱槽６の底面に設け、
蓄熱槽出口１８の直前に、蓄熱槽６の底面と同面積のフ
ィルター１２を設けた。また、予熱熱交換器１０と製氷
熱交換器４を図４に示す、積層式熱交換器１９とした。

【００３０】この構成における動作と作用について以下
に説明する。基本的な動作として、放熱器２と減圧手段
の３間に設けられた予熱熱交換器１０で冷媒と蓄熱槽６
から取り出した水７を熱交換して、水７に含まれる氷片
を融解するのは実施例１と同じであるが、本実施例で
は、蓄熱槽出口１８を蓄熱槽６の底面に設けているた
め、氷片より密度が高い底面にある水７から優先的に蓄
熱槽６外に放出され、蓄熱槽６から取り出した水７へ氷
片の混入を抑えることができる。さらに、フィルター１
２を蓄熱槽出口１８の上流に設けているため、蓄熱槽６
の水７に含まれるある程度以上の大きさの氷片が蓄熱槽
６の外に流出することを防止できる。さらに、フィルタ
ー１２の開口面積を蓄熱槽出口１８の面積より大きくし
ているため、フィルター１２での圧力損失を小さくする
ことができ、さらに、蓄熱槽６のフィルター１２より上
部から下部にフィルター１２を通って流れ込む水の速度
が、蓄熱槽出口１８での水の速度より遅くなるため、フ
ィルター１２での氷片の吸引力が小さくなる。よって、
フィルター表面に氷片が堆積しにくくなる。

【００３１】また、予熱熱交換器１０と製氷熱交換器４
を図４に示す積層式熱交換器１９としている。積層式熱
交換器１９は図４に示すように、トッププレート２１か
ら始まり、冷媒プレート２２、隔壁プレート２３、水プ
レート２４、隔壁プレート２３、冷媒プレート２２……
…エンドプレート５５と繰り返して積層して形成され
る。

【００３２】トッププレート２１は、スリット状の穴で
ある冷媒入口スリット２１ａ、冷媒出口スリット２１
ｂ、水入口スリット２１ｃと水出口スリット２１ｄが形
成されている。冷媒プレート２２は、スリット状の穴で
ある冷媒流路スリット２２ａ、水通路入口側スリット２
２ｃと水通路出口側スリット２２ｄが形成されている。
水プレート２４は、スリット状の穴である冷媒通路入口
側スリット２４ａ、冷媒通路出口側スリット２４ｂ、水
流路スリット２４ｃが形成されている。隔壁プレート２
３は、スリット状の穴である冷媒通路入口側スリット２
３ａ、冷媒通路出口側スリット２３ｂ、水通路入口側ス
リット２３ｃと水通路出口側スリット２３ｄが形成され
ている。

【００３３】冷媒プレート２２の冷媒流路スリット２２
ａは、トッププレート２１と隔壁プレート２３と、ある
いは両面の隔壁プレート２３からはさまれることによっ
て冷媒流路を形成する。多層にわたるこの冷媒流路は、
トッププレート２１の冷媒通路入口スリット２１ａから
冷媒プレート２２の冷媒流路スリット２２ａ、隔壁プレ
ート２３の冷媒通路入口側スリット２３ａと水プレート
２４の冷媒通路入口側スリット２４ａと貫通しており、
また、トッププレート２１の冷媒通路出口スリット２１
ｂ、冷媒プレート２２の冷媒流路スリット２２ａ、隔壁
プレート２３の冷媒通路出口側スリット２３ｂと水プレ
ート２４の冷媒通路出口側スリット２４ｂと貫通してい
るので、トッププレート２１の冷媒通路入口スリット２
１ａを入口とし、各々の冷媒プレート２２における冷媒
流路スリット２２ａに分流して再び合流し、トッププレ
ート２１の冷媒通路出口スリット２１ｂを出口とする冷
媒流路を形成する。

【００３４】水流路も同様に、トッププレート２１の水
通路入口スリット２１ｃを入口とし、各々の水プレート
２４における水流路スリット２４ｃに分流して再び合流
し、トッププレート２１の水通路出口スリット２１ｄを
出口とする水流路を形成する。順に積層したプレートの
最上面にはトッププレート２１、最下面にはエンドプレ
ート２５を配し各々のスリットを密閉空間とする。

【００３５】積層式熱交換器１９の冷媒流路の高さ、お
よび水流路の高さは、冷媒プレート２２、および水プレ
ート２４の板厚であり、流路の幅は冷媒流路スリット２
２ａ、水流路スリット２４ｃの幅となる。本実施例で
は、水プレートの厚みを０．１〜２．０mmの範囲とし、
水流路の水の流れが層流となるようにした。一般的に、
層流の熱伝達率は低いとされているが、本発明のように
水流路の高さを０．１〜２．０mmとすると温度境界層が
薄膜化され、伝熱が促進される。つまり、水流路におけ
る伝熱面付近の温度と、水流路の主流の温度との温度差
が小さくなり、冷媒と水の温度差が小さくなる。

【００３６】予熱熱交換器１０に積層式熱交換器１９を
用いることによって、水流路で最も高温となる伝熱面付
近での温度と最も低温となる水の主流での温度の差を小
さくして、水流路の加熱ムラを小さくすることができる
ので、蓄熱槽６から取り出した水７に含まれる氷片を確
実に融解できる。

【００３７】また、製氷熱交換器４に積層式熱交換器１
９を用いることによって、水流路において、最も低温と
なるため凍結が起こりやすい伝熱面の温度と、水流路の
主流の温度との温度差を小さくすることができるため、
水流路の主流の温度を下げた時の凍結の危険性を大幅に
少なくすることができる。そして、流れが層流であるた
め、不安定である水の過冷却状態が流れの乱れによって
解除されることがなく、安定して過冷却水を生成する事
ができる。

【００３８】なお、本実施例におけるそれぞれの構成は
単独でも実施が可能である。

【００３９】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、放熱直
後の冷媒を予熱器の熱源とするので、熱源の存在によら
ず、常に、水に含まれる氷片を融解することができ、ま
た、この時、冷媒がさらに冷却されるため、水を加熱し
た分の熱量だけ冷凍能力を上げることが可能なので、氷
蓄熱装置としての損失を伴わずに水に含まれる氷片を融
解することができる。また、蓄熱槽から取り出した水に
含まれるある大きさ以上の氷片を予熱熱交換器に入る前
に物理的に除去するため、氷片融解のために予熱熱交換
器に必要とされる熱交換能力を小さくすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における氷蓄熱装置の構成図

【図２】同氷蓄熱装置における冷凍サイクルのモリエル
線図

【図３】本発明の実施例２における氷蓄熱装置の構成図

【図４】同氷蓄熱装置における積層式熱交換器の分解斜
視図

【図５】従来の氷蓄熱装置の構成図

【符号の説明】

１圧縮機２放熱器３減圧手段４製氷熱交換器５冷媒回路６蓄熱槽７水９水回路１０予熱熱交換器１２フィルター１３加熱手段１４バイパス経路１５経路切替手段１８蓄熱槽出口１９積層式熱交換器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者西山吉継大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧縮機、放熱器、減圧手段及び製氷熱交
換器が冷媒回路で順次接続されたヒートポンプ回路と、
蓄熱槽の水が製氷熱交換器を介して循環する水回路とを
備えた氷蓄熱装置において、予熱熱交換器を前記放熱器
と前記減圧手段との間に設け、蓄熱槽の水が前記製氷熱
交換器を通過する前に前記予熱熱交換器で冷媒と熱交換
することを特徴とする氷蓄熱装置。
【請求項２】予熱熱交換器をバイパスするバイパス経
路と、バイパス経路の分岐点に経路切替手段を設けた請
求項１記載の氷蓄熱装置。
【請求項３】蓄熱槽出口を底面に設けた請求項１また
は２記載の氷蓄熱装置。
【請求項４】フィルターを水回路の予熱熱交換器上流
側に設設した請求項１、２または３記載の氷蓄熱装置。
【請求項５】フィルターに加熱手段を設けた請求項４
記載の氷蓄熱装置。
【請求項６】フィルターをヒートポンプ回路の冷媒に
よって加熱する請求項５記載の氷蓄熱装置。
【請求項７】フィルターを予熱熱交換器に組み込んだ
請求項６記載の氷蓄熱装置。
【請求項８】フィルターを蓄熱槽内部の蓄熱槽出口上
流側に設けた請求項４記載の氷蓄熱装置。
【請求項９】フィルターを蓄熱槽出口の面積より開口
面積の大きいものとした請求項８記載の氷蓄熱装置。
【請求項１０】予熱熱交換器を積層式熱交換器とした
請求項１〜９のいずれか１項に記載の氷蓄熱装置。
【請求項１１】製氷熱交換器を積層式熱交換器とした
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の氷蓄熱装置。