JP2007327694A

JP2007327694A - 氷蓄熱装置とその水位制御方法

Info

Publication number: JP2007327694A
Application number: JP2006159211A
Authority: JP
Inventors: Chika Sasaki; 親佐々木; Junichi Matsuzawa; 潤一松澤
Original assignee: Toyox Co Ltd
Current assignee: Toyox Co Ltd
Priority date: 2006-06-08
Filing date: 2006-06-08
Publication date: 2007-12-20

Abstract

【課題】蓄熱槽内の水位を適切に安定化させることができるとともに、無駄なく氷蓄熱が可能であり蓄熱量も安定化し、負荷に応じて適切に追加運転時期を決めることができる氷蓄熱装置とその水位制御方法を提供する。
【解決手段】熱交換媒体が流通する熱交換パイプ３２を内部に縦方向に配置された蓄熱槽１２と、蓄熱槽１２の開口部上方に設置され熱交換パイプ３２に熱交換媒体を循環させる供給用メインパイプ２８と戻り用メインパイプ３０とを有する。蓄熱槽１２には制御弁４０を有した排水管４２が接続されているとともに、制御弁４４を有した給水管４６が給水可能に位置している。蓄熱槽１２内には、水温センサ４８と、蓄熱槽１２の基準水位を検知する水位センサ５０と、各制御弁４０，４４を開閉制御する制御装置５２とを備える。蓄熱槽１２内の解氷時の水面よりも下に整列板１８が位置している。
【選択図】図１

Description

この発明は、夜間電力を利用して冷却装置を運転し水を氷に変換してその潜熱による冷却エネルギーを蓄積し、この氷を冷却源として利用可能にする氷蓄熱装置とその水位制御方法に関する。

従来、氷蓄熱装置には、製氷部の熱交換パイプを完全に水没させ全て水中にて製氷するものと、熱交換パイプを蓄熱槽の上方から下方に延ばし、熱交換パイプの上部が一部水面から出ている構造のものがある。

熱交換パイプが上方から下方に延びたタイプの氷蓄熱装置は、例えば上方が開口した矩形の蓄熱槽が設けられ、蓄熱槽の上端開口部付近には、互いに平行な一対の辺の内側に沿って、供給側主配管と、戻り側主配管が設けられている。供給側主配管と戻り側主配管は、一端部が閉鎖され、他端部は蓄熱槽の側面を貫通して外側に挿通されている。そして、供給側主配管は、供給用の固定配管に接続され不凍液を冷却する熱交換器の不凍液出口に接続され、戻り側主配管は、戻り用の固定配管に接続され熱交換器の不凍液入口に接続されている。

供給側主配管には、接続用の透孔が所定間隔で設けられ、この透孔に供給側メインパイプが接続されている。供給側メインパイプには、細い熱交換パイプが一体に複数本接続され、この熱交換パイプの他端は戻り側メインパイプに接続されている。戻り側メインパイプは、さらに戻り側主配管に設けられた接続用の透孔に差し込まれている。

この氷蓄熱装置の蓄熱槽には、給水管と排水管が設けられ、製氷される水が槽内に入れられているとともに、熱交換パイプが、互いに平行に多数垂直方向に延び、底部でＵ字状に折り返した状態で水中に配管されている。この蓄熱槽に入れられる水は、吸水管から供給され、排水管に水があふれたことを検知して給水を止める制御が行われている。

また、槽内の水は製氷時に氷になり全体の体積を膨張させたり、空気中の水蒸気が凝縮し、水滴となって加わり水量が増えたりする。さらに、水や氷の過不足は冷却能力やエネルギー効率の低下を招くことから、特許文献１，２に開示されているように、槽内の水位を一定に保つために、水位計等を用いて水位を管理している。
特開平１１−１３２５７６号公報特開２００２−２５７３８４号公報

製氷部の熱交換パイプが完全に水没したものは、水位センサにより氷の量を把握することは可能であるが、水面から熱交換パイプが一部出ている構造の場合、製氷とともに水面が上昇し、その水も凍ってしまうため、元の水面より上部も製氷される。タンクの形状が上から下まで比例に容積が増える場合、製氷による水面の上昇はタンクの高さと製氷率（IPF）によって決まり、元の水面より上に出来る氷の量も決まってくる。問題は融解時、元の水面より上にできる氷の融解速度より氷蓄熱槽全体で融解する氷の量が多い為、水面より上に氷が残った状態となり、熱を伝える水が無いため、解け残ってしまうことである。この状態は、解氷の終盤まで発生し、完全に融解できない状態で解氷が終了する。この状態では残った氷が使えない効率の悪さと、初期の水面より下の位置の水位となり、水位で氷の量を計測するシステムがうまく使えないという問題であった。

この状態で装置の制御を水位管理だけで行うと、解氷時に熱交換パイプ最上部の氷が、解氷による水位の低下に伴って水面より上に出て、製氷以前の元の水位より下がっても氷は残った状態となる。そのため、残った氷は解氷しにくく、蓄熱槽内の水温が完全に解氷できる温度になっても解氷されないという現象があった。従って、蓄熱槽内の温度が一定温度以下の場合は、水面は初期の位置から下がり、給水が必要となるものであった。また、湿度が高く結露が大量に蓄熱槽内に垂れると、その分だけ次第に水位が上昇し排水が必要となり、逆に湿度が低く水の蒸発が早いため水位が下がる場合は、給水が必要となり、運転時の気象条件によっても給排水の複雑な制御が必要であるという問題もあった。

このため、蓄熱槽内の水位は不安定なものであり、蓄熱量も安定しないものであった。また、熱交換パイプ上部の氷の残り具合によっても水位は安定せず、蓄熱量がどのくらい使用され、残りはどのくらいで有るのかも不明であり、追加運転の時期を決めるのも難しいものであった。

この発明は、上記従来の技術の問題点に鑑みてなされたものであり、蓄熱槽内の水位を適切に安定化させることができるとともに、無駄なく氷蓄熱が可能であり蓄熱量も安定化し、負荷に応じて適切に追加運転時期を決めることができる氷蓄熱装置とその水位制御方法を提供することを目的とする。

この発明は、熱交換媒体が流通する熱交換パイプを内部に縦方向に配置した蓄熱槽と、前記蓄熱槽の開口部上方に設置され前記熱交換パイプに熱交換媒体を循環させる供給用メインパイプと戻り用メインパイプと、前記蓄熱槽内の水中に位置し前記熱交換パイプの間隔を規制した整列板とを有し、前記蓄熱槽には制御弁を有した排水管が接続されているとともに、制御弁を有した給水管が給水可能に位置し、前記蓄熱槽内には、水温センサと、前記蓄熱槽の基準水位を検知する水位センサと、前記水温センサと水位センサからの信号により前記各制御弁を開閉制御する制御装置とを備え、前記制御装置の制御を参照して前記蓄熱槽の製氷運転制御が行われる氷蓄熱装置である。

またこの発明は、熱交換媒体が流通する熱交換パイプを内部に縦方向に配置した蓄熱槽と、前記蓄熱槽の開口部上方に設置され前記熱交換パイプに熱交換媒体を循環させる供給用メインパイプと戻り用メインパイプと、前記蓄熱槽内の水中に位置し前記熱交換パイプの間隔を規制した整列板とを有し、前記整列板は、前記蓄熱槽内の解氷時の水面よりも下に位置するとともに、解氷時に前記蓄熱槽内の熱交換パイプ上部に付着した氷の落下を阻害しない位置に取り付けられた氷蓄熱装置である。

またこの発明は、熱交換媒体が流通する熱交換パイプを内部に縦方向に配置した蓄熱槽と、前記蓄熱槽の開口部上方に設置され前記熱交換パイプに熱交換媒体を循環させる供給用メインパイプと戻り用メインパイプと、前記蓄熱槽内の水中に位置し前記熱交換パイプの間隔を規制した整列板とを有し、前記蓄熱槽内の最上部に位置した前記整列板は、前記蓄熱槽内の解氷時の水面よりも下に位置し、前記蓄熱槽内の熱交換パイプは、１本のメインパイプに多数の熱交換パイプが接続され、各熱交換パイプは、交互に斜めに下方の整列板向かって延び、前記蓄熱槽内の最上部に位置した前記整列板まで直線的に延びている氷蓄熱装置である。

またこの発明は、熱交換媒体が流通する熱交換パイプを内部に縦方向に配置した蓄熱槽と、前記蓄熱槽の開口部上方に設置され前記熱交換パイプに熱交換媒体を循環させる供給用メインパイプと戻り用メインパイプとを有し、前記蓄熱槽には制御弁を有した排水管が接続されているとともに、制御弁を有した給水管が給水可能に位置し、前記蓄熱槽内には、水温センサと、前記蓄熱槽の基準水位を検知する水位センサと、前記各制御弁を開閉制御する制御装置とを備え、水温が解氷可能な所定の温度以上外気温以下であって、水位が基準水位以上の場合に前記制御装置により前記排水管の前記制御弁を開いて排水し、水温が解氷可能な所定の温度以上外気温以下であって、水位が基準水位以下の場合に前記制御装置により前記給水管の前記制御弁を開き、前記蓄熱槽内に給水する氷蓄熱装置の水位制御方法である。水位制御が行われたときは、次の水位制御までに一定間隔を設け、かつ製氷解氷運転時には水位制御を行わないものである。

さらに、前記蓄熱槽の熱交換パイプに前記熱交換媒体が流されて解氷運転を行っている場合、前記蓄熱槽内の水が基準水位以下に低下した状態で運転を停止した後、前記蓄熱槽の解氷運転を再開する場合、前記蓄熱槽の水位が基準水位以下の状態のまま解氷運転を続けるものである。

また、前記蓄熱槽の熱交換パイプに前記熱交換媒体が流されて解氷運転を行った後、蓄熱するための製氷運転を行う場合に、水位が基準水位より高く残氷量が一定以上ある残氷水位である場合、製氷運転時間を通常の製氷運転時間より短くして運転するものである。

本発明の氷蓄熱装置とその水位制御方法は、蓄熱槽内の水位と温度により蓄熱槽内の水位を制御し、運転中の水位を安定にすることができ、水面の上下変動の幅を抑え、解氷運転や蓄熱運転である製氷運転の動作を円滑に行うことができ、エネルギー効率も向上する。

さらに本発明の氷蓄熱装置は、解氷運転時に熱交換パイプ上部の氷の落下を阻害せず、無駄なく氷が解氷され効率的に氷蓄熱を利用することができ、少ない水量で多くの蓄熱が可能となる。

また、本発明の氷蓄熱装置の水位制御方法は、水位が安定しているので、氷残量や水量、負荷に応じて適切に追加運転時間等を決めることができ、無駄のない運転が可能となる。

以下、この発明の実施形態について図面に基づいて説明する。図１〜図４はこの発明の一実施形態を示すもので、この実施形態の氷蓄熱装置１０は、直方体状に形成され上方に開口した蓄熱槽１２が設けられている。蓄熱槽１２は、側面が断熱性を有する構造であり、蓄熱槽１２の一つの側面には、直角に隣接する他の側面近傍で蓄熱槽１２の上方開口部付近に、供給側主配管１４が挿通されて設けられている。供給側主配管１４の先端は対向する側面近傍で閉鎖されている。また、蓄熱槽１２の他の側面には、供給側主配管１４と平行に戻り側主配管１６が挿通されて設けられている。そして、戻り側主配管の先端も対向する側面近傍で閉鎖されている。供給側主配管１４と戻り側主配管１６は、蓄熱槽１２の上方に位置し、蓄熱槽１２内面に設けられた図示しない固定部材に支持されている。

供給側主配管１４には、供給側主配管１４の内外を連通させるコネクタ２０が設けられている。コネクタ２０は、供給側主配管１４の長手方向に沿って等間隔に複数個が取り付けられ、後述する供給用メインパイプ２８に接続される供給口連結管２２が着脱自在に連結されている。

戻り側主配管１６には、戻り側主配管１６の内外を連通させるコネクタ２４が設けられている。コネクタ２４は、供給側主配管１４のコネクタ２０と同数が同間隔で、戻り側主配管１６の長手方向に沿って取り付けられている。そして、コネクタ２４には、後述する戻り用メインパイプ３０に接続される戻り口連結管２６が着脱自在に連結されている。

供給用メインパイプ２８には、使用状態で下側に面する部分に、長手方向に沿って等間隔に、細い熱交換パイ３２が、供給用メインパイプ２８に対してほぼ直角に下垂して設けられている。熱交換パイプ３２は、図２に示すように供給用メインパイプ２８近傍で交互に２方向に分かれて僅かに屈曲して下方に延び、蓄熱槽１２の底部近傍で折り返され、隣接する戻り用メインパイプ３０の近傍で再び僅かに屈曲して、戻り用メインパイプ３０の下側に面する部分に接続されている。

熱交換パイプ３２の配列は、効率良く氷形成及び熱交換が可能なように、図４に示すような整列板１８とスペーサ１９とにより、等間隔に設定されて位置決めされている。整列板１８は、平板状の部材から成り、熱交換パイプ３２の一方の列を位置決めする溝３４が形成され、熱交換パイプ３２を保持する保持凹部３８が形成されている。さらに、この溝３４間の中間位置にも熱交換パイプ３２を保持する浅い保持凹部３６が長手方向に沿って両側縁に設けられている。そして、各保持凹部３８と、反対側の側縁の保持凹部３６が互いに対向するように、互いに１ピッチずれて配置されている。この整列板１８により、２列の熱交換パイプ３２の配列が等間隔に保持され、且つ配列方向が、互い違いに千鳥足状に配置され、効率良い氷形成及び熱交換が可能となる。これにより、図２に示すように、一対の供給用メインパイプ２８と戻り用メインパイプ３０に対して、交互に熱交換パイプ３２が保持凹部３６，３８に振られて配置され、蓄熱槽１２の最上部の整列板１８までの熱交換パイプ３２ａは、交互に斜めに下方の整列板向かって直線的に延びている。

整列板１８は、一対の供給用メインパイプ２８と戻り用メインパイプ３０に対応して設けられ、各々１本の熱交換パイプ３２の両端側が整列板１８の両側縁に保持され、一対の供給用メインパイプ２８と戻り用メインパイプ３０に接続された熱交換パイプ３２が同じ整列板１８に保持されている。また、隣り合う熱交換パイプ３２同士の間隔は、図２，図４に示すようなスペーサ１９により、一定間隔に保持されている。スペーサ１９には、浅い保持凹部３７が一側縁に形成され、熱交換パイプの一方の列に保持され、互いに間隔を維持させる。

この実施形態の蓄熱槽１２には、制御弁４０を有した排水管４２が、所定の基準水位Ｌａの近傍に接続されている。さらに、制御弁４４を有した給水管４６が蓄熱槽１２の上方に接続されている。蓄熱槽１２内には、水４５中に常時位置する水温センサ４８と、蓄熱槽１２の基準水位Ｌａ等を検知する水位センサ５０と、各制御弁４０，４４を各々開閉制御する制御装置５２が取り付けられている。水位センサ５０は、基準水位Ｌａを検知するセンサ素子５０ａと、解氷運転時の所定の残氷量水位Ｌｂを検知するセンサ素子５０ｂと、満量水位Ｌｃを検知するセンサ素子５０ｃとを備える。

次に、この実施形態の氷蓄熱装置１０の水位制御方法について、以下に説明する。この実施形態では、蓄熱槽１２の熱交換パイプ３２の効率を上げる為に設けた整列板の位置と、熱交換パイプ３２の配置形状が重要であり、水面より上の氷が落下することが妨げられず、下の氷が溶けてしまうことにより自然に落下して解けるようにしたものである。この条件を作るため、熱交換パイプ３２は垂直もしくは氷の落下を妨げない角度で設置することと、熱交換パイプ３２の整列板１８についても氷の落下に影響しないように、常に水面下に位置するように設置する。蓄熱槽１２における水温は水中に残っている氷の量で決まり、ほぼ水温が７℃になれば水中の氷はなくなり、水面上部の氷は落下し、落下した氷は水の顕熱で製氷開始時までに全て無くなる。（水温７℃は水槽の水の顕熱が上部に残った氷の潜熱より多いため。）この実施形態では、以上の点に鑑みて、以下のように水位を制御している。

水温が解氷可能な所定の温度以上外気温以下、例えば７〜１０℃以上であって外気温以下、水位が基準水位Ｌａ以上の場合は、制御装置５２により排水管４２の制御弁４０を開いて排水し、水位を基準水位Ｌａにする。また、上記と同じ温度条件で、水位が基準水位Ｌａよりも低い場合、給水管４６の制御弁４４を開いて、蓄熱槽１２内へ水を入れ、基準水位Ｌａに戻す。この動作は、制御装置５２により一度行われた後は、次の給水または排水まで、前の給水または排水にかかる時間より長い一定期間の間隔をあけ、かつ製氷解氷運転時には水位制御を行わないようにして、水面のハンチングを防止している。

これにより、水温が一定値、例えば７〜１０℃以上の場合は、常に蓄熱槽１２内の水はほぼ基準水位Ｌａに、安定的になるようにしている。蓄熱槽１２内の水量が安定することにより蓄熱量も安定し、制御が容易になり熱効率も高いものとすることができる。

さらに、水温の上昇により水が蒸発して蓄熱槽１２内の水位が、基準水位Ｌａよりも低い場合も、給水管４６の制御弁４４を開いて、蓄熱槽１２内へ水を入れ、基準水位Ｌａに戻す。他方、結露等により水位が基準水位Ｌａ以上となった場合は、制御装置５２により排水管４２の制御弁４０を開いて排水し、水位を基準水位Ｌａにする。

また、蓄熱槽１２の熱交換パイプ３２に熱交換媒体が流されて熱交換パイプ３２の周囲に形成された氷５４の解氷運転を行っている場合、蓄熱槽１２内の水位が基準水位Ｌａ以下に低下した状態で運転を停止した後、蓄熱槽１２の解氷運転を再開する場合、蓄熱槽１２の水位が基準水位Ｌａ以下の状態のまま解氷運転を行うように制御する。このような場合、氷は熱交換パイプ３２の上部に溶けずに残ったままとなっており、水位は基準水位Ｌａよりも下のＬｄ程度に下がる場合があるが、後の解氷運転により氷は解かされて水位は戻るので、給水は行わない。

蓄熱後の解氷運転により、水位は満量水位Ｌｃから徐々に下がるが、解氷運転による水位の低下が少ない場合、残氷５４ａがかなり残っている。この場合、所定の残氷水位Ｌｂを設定しておき、所定の残氷水位Ｌｂを満たす状態で、解氷運転を終了した後の製氷運転時には、残氷５４ａの量が一定以上あるので製氷運転時間を短くする。これにより、無駄な製氷運転を抑え、熱効率を上げることができる。さらに、残氷量水位Ｌｂは一定の幅を持たせても良く、残氷量水位Ｌｂが多い場合は製氷運転時間を短くし、残氷量水位Ｌｂが低くなくなるに従い、製氷運転時間を長くするように運転時間を制御しても良い。

この実施形態の氷蓄熱装置によれば、蓄熱槽１２内の水位と温度により蓄熱槽１２内の水位を制御するとともに、整列板１８の位置を残氷５４ａの落下を妨げない位置とすることにより、運転中の水位を安定にすることができ、熱交換パイプ３２に引っかかって冷熱量に寄与しない無駄な残氷をなくし、エネルギー効率も向上する。

また、この実施形態の氷蓄熱装置の水位制御方法は、蓄熱槽１２内の水位と温度により蓄熱槽１２内の水位を制御しているので、運転中の水位を安定にすることができ、水面の上下変動の幅を抑え、解氷運転や製氷運転の動作を円滑に行うことができ、エネルギー効率も向上する。さらに、氷残量や水量、水温、負荷に応じて適切に運転時間等を決めることができ、無駄のない運転が可能となる。

なお、この発明の氷蓄熱装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、蓄熱槽の構造や熱交換パイプ、メインパイプ等の配置は適宜選択可能なものである。更に、水センサ装置の水位の設定や、水温の設定は適宜選択可能なものである。

この発明の一実施形態の氷蓄熱装置の概略断面図である。この実施形態の氷蓄熱装置の縦断面図である。この実施形態の氷蓄熱装置の図２を右側面から見た縦断面図である。この実施形態の氷蓄熱装置の熱交換パイプの整列板を示す平面図である。

符号の説明

１０氷蓄熱装置
１２蓄熱槽
１４供給側主配管
１６戻り側主配管
１８整列板
２８供給用メインパイプ
３０戻り用メインパイプ
３２熱交換パイプ
４０，４４制御弁
４２排水管
４５水
４６給水管
４８水温センサ
５０水位センサ
５４氷

Claims

熱交換媒体が流通する熱交換パイプを内部に縦方向に配置した蓄熱槽と、前記蓄熱槽の開口部上方に設置され前記熱交換パイプに熱交換媒体を循環させる供給用メインパイプと戻り用メインパイプと、前記蓄熱槽内の水中に位置し前記熱交換パイプの間隔を規制した整列板とを有し、前記蓄熱槽には制御弁を有した排水管が接続されているとともに、制御弁を有した給水管が給水可能に位置し、前記蓄熱槽内には、水温センサと、前記蓄熱槽の基準水位を検知する水位センサと、前記水温センサと水位センサからの信号により前記各制御弁を開閉制御する制御装置とを備え、前記制御装置の制御を参照して前記蓄熱槽の製氷運転制御が行われることを特徴とする氷蓄熱装置。
熱交換媒体が流通する熱交換パイプを内部に縦方向に配置した蓄熱槽と、前記蓄熱槽の開口部上方に設置され前記熱交換パイプに熱交換媒体を循環させる供給用メインパイプと戻り用メインパイプと、前記蓄熱槽内の水中に位置し前記熱交換パイプの間隔を規制した整列板とを有し、前記整列板は、前記蓄熱槽内の解氷時の水面よりも下に位置するとともに、解氷時に前記蓄熱槽内の熱交換パイプ上部に付着した氷の落下を阻害しない位置に取り付けられたことを特徴とする氷蓄熱装置。
熱交換媒体が流通する熱交換パイプを内部に縦方向に配置した蓄熱槽と、前記蓄熱槽の開口部上方に設置され前記熱交換パイプに熱交換媒体を循環させる供給用メインパイプと戻り用メインパイプと、前記蓄熱槽内の水中に位置し前記熱交換パイプの間隔を規制した整列板とを有し、前記蓄熱槽内の熱交換パイプは、１本のメインパイプに多数の熱交換パイプが接続され、各熱交換パイプは、交互に斜めに下方の整列板向かって延び、前記蓄熱槽内の最上部に位置した前記整列板まで直線的に延びていることを特徴とする氷蓄熱装置。
熱交換媒体が流通する熱交換パイプを内部に縦方向に配置した蓄熱槽と、前記蓄熱槽の開口部上方に設置され前記熱交換パイプに熱交換媒体を循環させる供給用メインパイプと戻り用メインパイプとを有し、前記蓄熱槽には制御弁を有した排水管が接続されているとともに、制御弁を有した給水管が給水可能に位置し、前記蓄熱槽内には、水温センサと、前記蓄熱槽の基準水位を検知する水位センサと、前記各制御弁を開閉制御する制御装置とを備え、水温が解氷可能な所定の水温以上であって、水位が基準水位以上の場合に前記制御装置により前記排水管の前記制御弁を開いて排水し、水温が解氷可能な所定の水温以上であって、水位が基準水位以下の場合に前記制御装置により前記給水管の前記制御弁を開き、前記蓄熱槽内に給水することを特徴とする氷蓄熱装置の水位制御方法。
水位制御が行われたときは、次の水位制御までに一定間隔を設け、かつ製氷解氷運転時には水位制御を行わない請求項４記載の氷蓄熱装置の水位制御方法。
前記蓄熱槽の熱交換パイプに前記熱交換媒体が流されて解氷運転を行っている場合、前記蓄熱槽内の水が基準水位以下に低下した状態で運転を停止した後、前記蓄熱槽の解氷運転を再開する場合、前記蓄熱槽の水位が基準水位以下の状態のまま解氷運転を続ける請求項４記載の氷蓄熱装置の水位制御方法。
前記蓄熱槽の熱交換パイプに前記熱交換媒体が流されて解氷運転を行った後、蓄熱するための製氷運転を行う場合に、水位が基準水位より高く残氷量が一定以上ある残氷水位である場合、製氷運転時間を通常の製氷運転時間より短くして運転する請求項４記載の氷蓄熱装置の水位制御方法。