JP2006292187A

JP2006292187A - 油・水の混合液を用いた氷蓄熱システム

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Publication number: JP2006292187A
Application number: JP2005109366A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Kawagoe; 哲男川越
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-04-06
Filing date: 2005-04-06
Publication date: 2006-10-26

Abstract

【課題】油・水の混合液を用いて、氷スラリーを造る連続製氷装置を提供する。
【解決手段】油・水の混合液５を熱交換器２経由して循環流動させ冷却する過程で、油・水ならびに熱交換器２は帯電する。この油・水の帯電極性は循環ポンプ７の材質の種類で変るので、帯電した油・水の極性に合わせて、熱交換器２の電位を調整する、或いは、熱交換器の帯電極性に合わせて循環ポンプを選んで、静電気で熱交換器２に油を吸着させ、氷結・管路閉塞の発生を防止する。
【選択図】図1

Description

本発明は、電力負荷平準化を図るために深夜の電力を用いて氷を造り、電気エネルギーを冷熱として貯蔵し、この冷熱を昼間の空調冷房負荷などに利用するための氷の製造・搬送並びに貯蔵の技術に関わる。

従来、油・水のエマルションからサスペンション（氷スラリー）を造る方法として、油・水の混合液にアミノ基を含む添加剤を加えて熱交換器内に循環させて冷却する方法がある。
特願平8-83341 特願2000-339702 特願2001-312004

油・水の混合液を管路内に循環流動させて造られるW/O型のエマルション又氷スラリーでは、溶け合わない2種類の液体の間で、水は（＋）、油は（−）に帯電した状態にある。同様に、油・水の混合液は循環路（熱交換器・ポンプ・配管を含む）との間で、液体（水・油）と固体（壁面・氷粒）の相互摩擦により帯電現象が起こり、壁面が銅やアルミニウムのような金属の場合、水が（＋）、油が（−）に帯電する。この帯電現象を利用して、熱交換器に油膜を形成せしめ、管路閉塞を防止したものがある（特許文献２）。また、アミノ基を含んだ添加剤を用いて、化学的に油膜を吸着させて、管路閉塞を防止したものがある（特許文献３）。

しかし、壁面が絶縁物の場合、帯電極性が変わって、水が（−）、油が（＋）に帯電する。このように、帯電現象は複雑である。ここで、熱交換器の壁面の電位が（＋）、水が（−）となるような帯電状態になると、水は、静電気で熱交換器の壁面に吸着し、冷やされて氷結する。更に、氷結は成長して管路閉塞に到るので、水と油ならびに熱交換器の帯電状態を制御して、熱交換器に油が吸着し、水が吸着しないようにコントロールする必要がある。また、化学的な油膜の吸着では不十分であることが判った。

これらの流動帯電現象は、管路の流体速度の約２乗に比例するといわれている（静電気ハンドブック、静電気学会、1998、ｐ1056）。循環路において、エマルションが最も激しく速く流動するのは循環ポンプの内部である。従って、エマルションの帯電状態を決定付けるのは、循環ポンプであり、ポンプのエマルションの流れに接する部分の材質であることに留意しなければならない。
また、循環流動する油・水の混合液（Ｗ/Ｏ型エマルション）の帯電状態に影響を与えるものとして、循環ポンプの材質の他に、熱交換器内を流動する1次側の冷媒の流動を挙げねばならない。例えば１次冷媒として、ブラインを用いる場合には、ブラインは油・水の混合液（Ｗ/Ｏ型エマルション）と同等の高い電気抵抗を有する液体であるので、ブラインの流動によって、静電気が発生する。その結果、ブラインが流動すると、金属製の熱交換器は（＋）に帯電する。この場合には、熱交換器の2次側では、水が（−）に帯電することのないように留意しなければならない。

本発明は,流動する油・水の混合液（Ｗ/Ｏ型エマルション）の帯電状態は、システムを構成する循環ポンプによって変動するので、その変動する帯電状態に合わせて、熱交換器の壁面の電位をコントロールする、或いは、熱交換器の壁面の電位をベースに、循環ポンプの種類を選んで、熱交換器の壁面に氷結が発生するのを、静電気を利用して防止するものである。

流動する油・水の混合液（Ｗ/Ｏ型エマルション）の流動状態は、その流速が管路中よりポンプ内部で速いので、その帯電状態は、使用する循環ポンプによって大きく左右され、特徴付けられる。
ポンプには大別して、流体が接する部分のケーシングやインペラが金属製（以下金属製ポンプと呼称）のものと、例えばマグネットポンプのようにケーシングやインペラが絶縁物製（以下絶縁物製ポンプと呼称）のものの２種があるので、それぞれについて解決を図る必要がある。

絶縁物製ポンプを用いた場合、流動する油・水の混合液（Ｗ/Ｏ型エマルション）の帯電状態は、水が（−）、油が（＋）に帯電した状態にあるので、熱交換器に接地をとって、水粒子が熱交換器の表面に付着するのを防止する。

金属製循環ポンプを用いた場合、水が（＋）、油が（−）に帯電した状態にあるので、外部電源から印加して、熱交換器を（＋）帯電状態にし、熱交換器の表面に（−）に帯電している油を吸着せしめ、（＋）に帯電している水粒子が熱交換器の表面に付着するのを防止する。

1次冷媒として、熱交換器の1次側に、ブラインを流動させる場合がある。ここでは、金属製の熱交換器は（＋）に帯電する。この熱交換器の（＋）帯電を活用して、熱交換器の2次側では、流動する油・水の混合液（Ｗ/Ｏ型エマルション）の帯電状態を、油が（−）に帯電するようにシステムを構成する。即ち、金属製の循環ポンプを使用して、熱交換器に油を吸着せしめ、水粒子が熱交換器の表面に付着するのを防止する。

その他、循環ポンプに、上記以外の特殊なポンプを使用するときには、循環路において、熱交換器の上流での油と水の混合液の帯電極性を調べ、その油の帯電極性にあわせて、熱交換器の電位を熱交換器に油が吸着するように調整する。

油・水の混合液を流動させる循環ポンプには、絶縁物製ポンプと金属製ポンプの2つのタイプがあるが、本発明により、ポンプの種類に関係なく、静電気を利用して、熱交換器の内壁に油膜を吸着させることができる。この吸着油膜が熱交換器内部での氷結の発生・管路閉塞を抑えて、連続して氷スラリーを造り、蓄熱できる。

氷蓄熱システムには、直膨方式とブライン方式があり、その1次冷媒には、直膨方式ではガス状のものが、ブライン方式では液状のものが使用されるが、本発明は、氷蓄熱システムの種類に関係なく適用できる。静電気を利用して、熱交換器の内壁に油膜を吸着させて、氷結の発生・管路閉塞を抑え、連続して氷スラリーを造り、蓄熱できる。

本発明は、油・水の混合液（Ｗ/Ｏ型エマルション）を循環させて静電気を発生させて、その静電気を利用して、熱交換器の内壁に油膜を造り、氷結の発生を抑えるものであるので、特別に、氷結防止のための複雑な装置・手段を必要としない。

氷スラリーが管路流動する際の圧力損失は、冷水の流動による圧力損失比べると数倍大きい〔稲葉英男：冷凍、８０(９２８)、８２（２００５）〕。圧力損失が大きくなる原因は、氷粒群が界面を摺動することに基づくものであるが、このために、氷スラリーの循環・搬送には、形状の複雑な熱交換器や配管の適用が困難である。本発明は、静電気の働きにより、熱交換器や配管の壁面並びに氷粒の界面に吸着油膜があるので、この流動圧力損失を低減できる。これにより湾曲部が多数ある形状複雑な熱交換器や曲がある配管を用いることができる。また、流動圧力損失が少ないので、循環ポンプ運転の動力を小さくできる。

また、氷スラリーの流動による圧力損失を小さくできるので、スラリーに占める氷粒の割合を高めることができる。氷粒の割合を90vol％程度まで高めることができる。これにより冷熱を蓄える蓄氷槽を小型にできる。

Ｗ/Ｏ型エマルションに,外部から電圧を印加すると、エマルション中の微小水滴が電場方向に移動し凝集する電場の効果がある（静電気学会誌第13巻第4号ｐ337）。実験では、熱交換器にＤＣ10ボルトの印加で、エマルションの過冷却解消温度が−３℃〜−4℃から−1.0℃程度に上昇した。この上昇は、電場の効果に拠るものである。本発明では、過冷却解消温度を高めた製氷運転ができる。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、循環ポンプに、絶縁物製ポンプを用いた場合の製氷システム構成を示す。図1において、貯氷槽１、熱交換器２の2次側管路２Ｂおよび配管３で循環路４を構成する。この循環路4には2次冷媒として、油・水の混合液５が流動する。他方、熱交換器２の1次側管路２Ａには1次冷媒６が流動する。また、循環路４には絶縁物製の循環ポンプ７Ａが装着されている。この循環ポンプ７Ａは、油・水の混合液５（2次冷媒）が接するケーシングやインペラは絶縁物で造られている。この循環ポンプ７Ａを駆動して油・水の混合液５（2次冷媒）を循環路４に沿って流動させる。矢印8は油・水の混合液５（2次冷媒）のフローを示す。このシステム構成で、1次冷媒６のもつ冷熱を、熱交換器２を介して、油・水の混合液（2次冷媒）５に伝達し、氷粒（氷スラリー）９を造り蓄氷槽１に蓄氷する。また、循環路4には熱交換器2と循環ポンプ7Ａとの間にフィルター10が設けてある。このフィルター10は、内部が網状のものに造られている。接続フランジ11Ａは熱交換器2と配管3を連結するものである。接地装置12は熱交換器の管路2Ａ，２Ｂに繋がり、熱交換器の電位を接地電位に保持するものである。
図2は、図1で説明した製氷システム構成において、絶縁物製循環ポンプ７Ａに替わり、金属製循環ポンプ７Ｂを取り付けたものを示す。このポンプは油・水の混合液の流動に接する部分（ケーシングやインペラ或いはギヤー）が金属で造られている。また、循環路４において、熱交換器２が配管３と接合する部分には絶縁パイプ11Ｂが、さらに、熱交換器2の1次側管路２Ａには、1次冷媒６の出入り口に、絶縁パイプ11Ｃが接合されている。これら絶縁パイプ11Ｂおよび11Ｃを用いることで、熱交換器２は、他の部分とは電気的に絶縁された状態で、システムに組み込まれている。他方、熱交換器2は外部電源1３につながる。ここで、熱交換器2は外部電源13から電圧を印加されると、他の部分と電気絶縁されているので、荷電状態を保持する。接地装置12は、熱交換器２と絶縁パイプ11Ｂで電気絶縁された配管３に取り付けてある。その位置は、フィルター10の近傍である。

熱交換器2の上流に設けてあるフィルター10は、省くこともできる。フィルター10は、網状のものに造られているので、氷粒群を細かく分割し、氷粒の凝集・氷塊化を防ぐよう働く。熱交換器2の内部で氷塊ができると、流動抵抗が上昇し、管路閉塞に到るようになる。

配管3ならびにフィルター10の油・水の混合液５の流れに接する部分の材質は、油・水の混合液５の帯電状態を水（‐）、油（＋）で安定させるために、循環ポンプ７Ａと同じく絶縁物とすることが望ましい。

図２において、配管３およびフィルター10の材質は、油・水の混合液５の流れに接する部分を、循環ポンプ７Ｂと同じく金属製のものにすることが望ましい。

図2において、1次冷媒６にブラインを用いる場合は、ブラインが油・水の混合液５と同等に電気抵抗の高い混合液であるので、ブラインの流動によって熱交換器２とブラインとの間の流動帯電で、ブラインが（−）に帯電する。
この（−）に帯電したブラインの電荷は、ブラインの電気抵抗が高いために、接地をとっても残留する。この結果、この残留した電荷に基づいて、ブラインに接する熱交換器2には、（＋）の帯電が残留する。この（＋）帯電の残留で、外部電源13からの荷電が不要になり、外部電源13を省略できることがある。関連して、絶縁パイプ11Ｂならびに11Ｃを省くことができることがある。

図2において、図示されていないが、熱交換器２の1次側管路２Ａにつながる1次冷媒供給装置（圧縮機、凝縮器など）が対地絶縁されている場合には、絶縁パイプ11Ｃを省くことができる。ここで、配管3にビニール管などの絶縁性の高いパイプを用いる際には、更に、絶縁パイプ11Ｂを省くことができる。

絶縁物製ポンプ（マグネットポンプ）を用いた連続製氷装置金属製ポンプを用いた連続製氷装置

符号の説明

１蓄氷槽
２熱交換器
２Ａ熱交換器の1次側管路
２Ｂ熱交換器の2次側管路
３配管
４循環路
５油・水の混合液（2次冷媒）
６ 1次冷媒
７循環ポンプ
７Ａ絶縁物製ポンプ（マグネットポンプ）
７Ｂ金属製のポンプ
８ 2次冷媒のフロー
９氷粒
10 フィルター
11Ａ接合フランジ
11Ｂ接合絶縁パイプ
11Ｃ接合絶縁パイプ
12 接地装置
13 外部電源

Claims

油と水の混合液のエマルションを熱交換器内に循環・冷却して、氷スラリーを造る製氷システムにおいて、循環ポンプに、エマルションの流動に接する部分が、絶縁物で造られたポンプを用いた場合、熱交換器を接地電位に保持したもの。
請求項1において、循環ポンプに、エマルションの流動に接する部分が、金属で造られたポンプを用いた場合、熱交換器に（＋）電圧を印加したもの。