JP2005300043A - 氷蓄熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
蓄熱槽から導出され、冷却手段によって冷却された冷熱媒体を、従来の装置のように一旦蓄熱槽に貯留するのではなく、そのままの状態で負荷側に供給することにより、冷却手段における冷凍回路の成績係数が高くて高効率であり、かつ蓄熱槽内の攪拌動力が不要であってランニングコストの低減を期すことができ、しかも構造が簡単で低コストの氷蓄熱装置を提供する。
【解決手段】
流動性を有する冷熱媒体を貯留する蓄熱槽１と、同蓄熱槽から導出される冷熱媒体を所要の温度に冷却する冷却手段２と、同冷却手段から冷熱媒体が供給される負荷側の放熱用熱交換器３とを備え、上記冷却手段からの冷熱媒体の一部を、放熱用熱交換器３を流過させずに前記蓄熱槽に戻すバイパス管１１を備え、前記冷却手段からの冷熱媒体が前記蓄熱槽を経ることなく直接負荷側の放熱用熱交換器に送られるように構成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ブライン等の流動性を有する冷熱媒体を冷却して蓄熱槽に貯留するとともに、この蓄熱槽内の冷熱媒体を冷却して負荷側に送る氷蓄熱装置に関する。

予め冷却した水やブライン等の冷熱媒体を蓄熱槽に貯留し、同蓄熱槽内の冷熱媒体を負荷側に送って空調器用等の冷熱源として用いる氷蓄熱槽装置は従来からあり（例えば特許文献１、２参照）、その基本的な構成の一例を図３に示す。

同図３において、符号３１は蓄熱槽、３２は製氷機、３３は放熱用熱交換器をそれぞれ示し、放熱用熱交換器３３は低温室３４の空調器３５用のものとしてある。

しかして上述した従来の蓄熱装置は、蓄熱槽３１内の液相から導出した冷熱媒体たるブラインを製氷機３２において冷却して水に氷の細片が混合したシャーベット状の氷スラリを生成し、この氷スラリを蓄熱槽３１に供給するブライン１次循環回路と、この１次循環回路とは別に、蓄熱槽３１内の液相から導出したブラインを放熱用熱交換器３３に供給して放熱後のブラインを蓄熱槽に戻すブライン２次循環回路とを備える構成のものとしてある。
なお、同図３中の符号３６、３７はそれぞれ１次、２次循環回路用のブラインポンプを示している。

上述した従来の装置では、例えば放熱用熱交換器３３において−２℃の冷風を供給する場合、ブラインには凍結点が−７℃程度の低温であるものを使用しなければならず、このような凍結点のブラインを冷却して氷スラリを生成するには、製氷機３２における冷凍回路の冷媒蒸発温度を−１０℃程度に設定しなければならない。すなわち、負荷側で必要な温度−２℃に比して冷媒蒸発温度を−１０℃と格段に低い温度に設定しなければならない。

上述した冷媒蒸発温度を高く設定することができれば製氷機の成績係数ＣＯＰを向上させることができるのであるが、放熱用熱交換器へブラインの液相部分のみを供給してブラインの顕熱により冷却を行なうようにした構成の装置ではＣＯＰの向上は困難である。

そこで、蓄熱槽３１内のブラインを固体相と液体相が混合した状態の氷スラリの状態で放熱用熱交換器へ送るようにして、固体相のブラインの融解潜熱および顕熱により、凍結温度が−５℃程度のブラインを利用することができるようにして、製氷機の冷凍回路における冷媒蒸発温度を−８℃程度まで上昇せしめ、ＣＯＰの向上を図るようにする装置が開発された。

しかし、上述した装置においては蓄熱槽３１内におけるブラインの固体相と液体相を常に一定の割合すなわちＩＰＦを一定としなければ放熱用熱交換器への冷熱供給が不安定となり、しかも固体相と液体相を混合するための攪拌装置が必要となり、その動力コストも装置コストも嵩むという問題がある。

なお、上述のような問題はブラインを氷スラリの状態にして蓄熱槽に蓄える装置にだけ生じるものではなく、例えば水やブラインを凍結させずに冷却して蓄熱槽に貯留してその冷熱を利用するチラーシステムにおいても同様に生じる問題である。
特開平５−１８０４６７（第１〜５頁、図１〜４） 特開平５−２９６５０３（第１〜３頁、図１〜３）

本発明の目的とするところは、蓄熱槽から導出され、冷却手段によって冷却された冷熱媒体を、従来の装置のように一旦蓄熱槽に貯留するのではなく、そのままの状態で負荷側に供給することにより、冷却手段における冷凍回路の成績係数が高くて高効率であり、かつ蓄熱槽内の攪拌動力が不要であってランニングコストの低減を期すことができ、しかも構造が簡単で低コストの氷蓄熱装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る装置は、流動性を有する冷熱媒体を貯留する蓄熱槽と、同蓄熱槽から導出される冷熱媒体を所要の温度に冷却する冷却手段と、同冷却手段から冷熱媒体が供給される負荷側の放熱用熱交換器とを備え、上記冷却手段からの冷熱媒体の一部を、放熱用熱交換器を流過させずに前記蓄熱槽に戻すバイパス管を備え、前記冷却手段からの冷熱媒体が前記蓄熱槽を経ることなく直接負荷側の放熱用熱交換器に送られるようにした構成のものとしてある。

本発明の請求項２に係る装置は、前記冷熱媒体がブラインであり、また前記冷却手段が前記蓄熱槽に貯留されているブラインブラインを液相と固体相が混在するシャーベット状の氷スラリを生成する製氷機であり、この製氷機からの氷スラリが前記蓄熱槽に送られて貯留されるとともに、前記放熱用熱交換器にも直接供給されるようにした構成のものとしてある。

本発明の請求項３に係る装置は、前記製氷機が、前記氷蓄熱槽内の液相のブラインを過冷却した後、この過冷却状態を解除して氷スラリを生成する過冷却製氷機である構成のものとしてある。

また、本発明の請求項４に係る装置は、前記バイパス管を、前記冷却手段から前記放熱用熱交換器に冷熱媒体を送る搬送管の途中に設けられた分流手段に一端が接続され、他端が前記蓄熱槽内に臨むように接続されたものとしてあり、前記放熱用熱交換器の負荷変動に応じて前記冷却手段から放熱用熱交換器側に供給される冷熱媒体と前記蓄熱槽側へ供給される冷熱媒体の割合が調節されるようにした構成のものとしてある。

本発明の請求項５に係る装置は、前記冷熱媒体が水等の液体であり、かつ前記冷却手段が冷熱媒体の固体への相変化を伴わない冷却を行なう冷却機であって、前記蓄熱槽には冷熱媒体の固体が貯留されない構成のものとしてある。

本発明に係る装置によれば、冷却手段によって冷却したブラインや水等の冷熱媒体を一旦蓄熱槽貯留するのではなく、そのまま負荷側へ供給する構成としてあるので、冷却手段における冷却温度を従来のものに比して、冷却用の動力がより少なくて済む高い温度範囲に設定することができ、もって省エネルギ化を期すことができ、ランニングコストの低減を実現することができる。

また、本発明の装置は従来からある装置の機器をそのまま利用して配管構成や冷却手段に対するある程度の設定変更を行なうことにより、容易に実施が可能であり、したがって既設の装置の改良を容易に行なうことができ、また新設の装置であっても従来の装置に採用されている機器を利用できるので、装置の低コスト化を図ることができる。

以下、本発明に係る方法および装置の実施例を添付図面に示す具体例に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係る装置の第１実施例の構成を示している。
同図１において、符号１は冷熱媒体たるブラインを貯留する蓄熱槽、２は冷却手段たる製氷機、３は負荷側の放熱用熱交換器をそれぞれ示し、放熱用熱交換器３は例えば低温室４内の空調器５用の冷却コイルで構成されている。

前記蓄熱槽１の下部に接続されたブライン取水管６の他端はブラインポンプ７を介して前記製氷機２のブライン入口２ａに接続され、同出口２ｂに一端が接続された搬送管たるブライン供給管８の他端は、三方制御弁９の入口ポート９ａ、第１出口ポート９ｂ間を介して前記放熱用熱交換器３のブライン入口３ａに接続されている。

また、同熱交換器３のブライン出口３ｂに一端が接続されたブライン戻し管１０の他端は前記蓄熱槽１の底部から蓄熱槽内に臨むように接続されている。

しかして、前記ブライン供給管８の途中に設けられた三方制御弁９の第２出口ポート９ｃに一端を接続したバイパス管１１の他端が蓄熱槽１の上部に臨むよう開口させられていて、同バイパス管１の先端に設けたノズル１２から蓄熱槽内全体に上部から散布されるようになっている。

次に、上述のように構成された本発明の装置の作用について説明する。なお、以下の説明においては、冷熱媒体たるブラインを凍結温度が−５℃のプロピレングリコール水溶液とした場合の例に基づくものとする。

蓄熱槽１内には液体としてのブラインよりなる液体相１３と、固体としてのブラインよりなる固体相１４とが液体相が下方となるように貯留されていて、液ブラインがブラインポンプ７の駆動によってブライン取水管６から製氷機２に送られる。
なお、装置の運転開始初期段階では、云うまでもなく蓄熱槽内には固体相が存在せず、液体相のみとなっている。

ここで、蓄熱槽内におけるブライン温度は液体相、固体相のいずれもブラインの凍結点と同じ−５℃であり、製氷機２には液体のブライン（−５℃）が送られる。

製氷機に送られたブラインは同製氷機内で例えば−７℃程度まで過冷却された後、この過冷却水（ブライン）に衝撃等を与えて過冷却状態を解除し、ブラインが凍結した氷の細片と液体のブラインが混合した状態のシャーベット状の氷スラリが生成される。ブラインを−７℃程度まで過冷却するには、製氷機を構成する冷媒回路の冷媒蒸発温度を−８℃とする。

なお、ブラインを過冷却によって凍結するタイプの製氷機を用いる場合、蓄熱槽からのブライン中に氷の微小な粒（氷核）が存在していると、製氷機内におけるブラインの凍結のような過冷却を安定して行なうことができなくなるような問題を生じるおそれがあるので、製氷機に供給するブライン中から氷核を除去するような手段をブライン取水管の途中に設けるのが好ましい。

上述した例では製氷機を過冷却により氷スラリを生成する構成のものとしたが、過冷却による製氷以外にも掻き取り式の製氷機も好適に使用することができ、掻き取り式のものとしては軸まわりに回転する円柱状の冷却ドラム外周にブラインを散布してドラム外周で凍結せしめ、ドラム外周に臨むスクレーパにより氷を掻き落とすタイプのものや、上下が開口する円筒状の冷却シリンダ内にブラインを散布してシリンダ内面で凍結せしめ、シリンダ内で同シリンダ内面に臨んだ状態で回転するスクレーパにより氷を掻き落とすタイプのものがあり、いずれのものにおいても、スクレーパにより掻き落とされた氷と、散布されたが未凍結のブラインとが混在する氷スラリが連続的に生成されるようになっている。

しかして、製氷機２からの氷スラリはブラインの凍結点温度である−５℃の状態でブライン供給管８により前記三方供給弁９を経て放熱用熱交換器３に送られ、ここで低温室４内の空気と熱交換、すなわち氷スラリの潜熱および顕熱と室内空気の顕熱との熱交換が行なわれて例えば−３℃まで上昇して液体のみの状態になり、ブライン戻し管１０によって蓄熱槽１に戻され、同蓄熱槽内の固体相１４の氷（凍結したブライン）の潜熱により−５℃まで冷却される。

また、前記ブライン供給管８によって製氷機２から放熱用熱交換器３に供給される氷スラリの量は低温室にて要求される冷熱量すなわち熱負荷に応じて調節される。

具体的には、負荷が大である場合にはブライン供給管８の途中に設けた三方制御弁９の第１出口ポート９ｂ側への氷スラリの供給量を大ならしめ、バイパス管１１による蓄熱槽への氷スラリの供給量を小ならしめるか停止し、負荷が減少するにつれて第１入口ポート側の開度を小ならしめるとともに第２出口ポート９ｃ側の開度を大ならしめることによってバイパス管１１による蓄熱槽側への氷スラリの供給量を大、すなわち蓄熱槽内における蓄氷量を増加させる。

上述した実施例の装置においては、ブラインの相変化すなわち液体から固体となるように冷却し、かつ液体と固体が混在する状態のブラインを直接負荷側に送ってブラインの顕熱だけでなく融解時の潜熱も利用することによって製氷機での冷却用エネルギを小ならしめるようにした構成のものであるが、本発明に係る装置はブラインの相変化を伴わない蓄熱をも行なうことができ、例えば食品製造工場等の１０℃程度の冷水を必要とするような各種プロセスに冷水を供給するための蓄熱装置の場合には冷熱媒体として水（水道水）を用い、これを凍結せしめることなく（相変化させることなく）利用する場合があり、その具体例について図２に基づいて以下に説明する。

蓄熱槽たる水タンク１５に一端が接続された取水管１６の他端が、ポンプ１７を介して冷却手段たるチラー１８の入口に接続され、同出口に一端が接続された給水管１９の他端が熱交換器２０の１次側コイル２０ａ入口に接続され、同出口に一端が接続された返水管２１の他端が前記水タンク内に臨んでいる。
また、前記給水管の途中からバイパス管２２を分岐せしめてあり、同バイパス管の他端を前記水タンク内に臨ませてある。

しかして、給水管から熱交換器２０とバイパス管２２に送られる水量の割合は、これらの管路における水の流通抵抗に基づいて例えば熱交換器側への給水量とバイパス管によって水タンクに送る冷水の量を３：２程度となるように適宜設定する。なお、バイパス管の給水管からの分岐点に前述した第１実施例のものと同様に三方制御弁を設ける場合もあるし、バイパス管または給水管のバイパス管よりも下流側に適宜の制御弁を設けて冷水の供給割合を調節する構成とする場合もある。

ポンプ１７の駆動により、水タンク１５から取り出された例えば８℃の水はチラー１８にて５℃まで冷却され、給水管１９を経て熱交換器２０に送られ、同熱交換器２０内の１次側コイル２０ａを流過する際に２次側コイル２０ｂ内を流れる水等の被冷却流体と熱交換（顕熱交換）する。

ここで、２次側コイル２０ｂを流れる被冷却流体の熱交換器入口側温度を１５℃、同出口温度を１０℃とすると、１次側コイル２０ａ出口における水の温度は１０℃程度となる。

熱交換器２０において温度が上昇した水は、返水管２１によって水タンクに送られ、前記バイパス管２２を経て水タンクに送られるチラーからの５℃の水と混合されて例えば８℃の水となり、この温度で貯留される。

上述した第２実施例の装置においては、チラーにおける冷却後の水温を負荷側の熱交換器に送る水温とすれば事が足り、水タンクには低温の水を貯留する必要がなく、水タンクに低温の冷水を貯留する場合に比してチラーの冷却温度を高めに設定することが可能であり、したがってチラーは冷却能力の高い、比較的高めの温度範囲での冷却を行なうことができ、冷却動力の低減すなわち省エネルギ化を期すことができる。

本発明は氷蓄熱装置に係るものであるが、上述した第２実施例の装置の場合のように、本発明において氷蓄熱とは必ずしも冷熱媒体の相変化すなわち水から氷を生成して貯留することを必要条件とするものではなく、冷熱を冷熱媒体の顕熱として蓄える場合をも広義の氷蓄熱として含む構成としてある。

本発明に係る装置の第１実施例を示す構成図。 本発明に係る装置の第２実施例を示す構成図。 従来の氷蓄熱装置の一例を示す構成図。

符号の説明

１ 蓄熱槽
２ 製氷機
３ 放熱用熱交換器
４ 低温室
５ 空調器
６ ブライン取水管
７ ブラインポンプ
８ ブライン供給管
９ 三方制御弁
１０ ブライン戻し管
１１ バイパス管
１２ ノズル
１３ 液体相
１４ 固体相
１５ 水タンク
１６ 取水管
１７ ポンプ
１８ チラー
１９ 給水管
２０ 熱交換器
２１ 返水管
２２ バイパス管

Claims (5)

1. 流動性を有する冷熱媒体を貯留する蓄熱槽と、同蓄熱槽から導出される冷熱媒体を所要の温度に冷却する冷却手段と、同冷却手段から冷熱媒体が供給される負荷側の放熱用熱交換器とを備え、上記冷却手段からの冷熱媒体の一部を、放熱用熱交換器を流過させずに前記蓄熱槽に戻すバイパス管を備え、前記冷却手段からの冷熱媒体が前記蓄熱槽を経ることなく直接負荷側の放熱用熱交換器に送られるようにしたことを特徴とする氷蓄熱装置。
2. 前記冷熱媒体がブラインであり、また前記冷却手段が前記蓄熱槽に貯留されているブラインブラインを液相と固体相が混在するシャーベット状の氷スラリを生成する製氷機であり、この製氷機からの氷スラリが前記蓄熱槽に送られて貯留されるとともに、前記放熱用熱交換器にも直接供給されるようにした請求項１に記載の氷蓄熱装置。
3. 前記製氷機は、前記氷蓄熱槽内の液相のブラインを過冷却した後、この過冷却状態を解除して氷スラリを生成する過冷却製氷機である請求項２に記載の氷蓄熱装置。
4. 前記バイパス管は、前記冷却手段から前記放熱用熱交換器に冷熱媒体を送る搬送管の途中に設けられた分流手段に一端が接続され、他端が前記蓄熱槽内に臨み、前記放熱用熱交換器の負荷変動に応じて前記冷却手段から放熱用熱交換器側に供給される冷熱媒体と前記蓄熱槽側へ供給される冷熱媒体の割合が調節されるように構成してなる請求項１に記載の氷蓄熱装置。
5. 前記冷熱媒体が水等の液体であり、かつ前記冷却手段が冷熱媒体の固体への相変化を伴わない冷却を行なう冷却機であって、前記蓄熱槽には冷熱媒体の固体が貯留されない構成としてなる請求項１に記載の氷蓄熱装置。

Images