JP2009198105A - 過冷却水を用いた製氷及び空調システム - Google Patents

Abstract

【課題】氷核の融解に汎用のヒートポンプを用いることで、過冷却水を製造する冷凍機に水冷式や予熱器内蔵などの制限を無くす。空調負荷に応じた各種の運転モードでの運転を可能とする応用範囲の広い製氷空調システムを提供する。
【解決手段】ブライン冷凍機と、蓄熱槽から過冷却熱交換器へと戻るリターン回路の途中に設けられた冷水バイパス回路と、第１の熱交換器と第２の熱交換器とを包含する氷核融解用ヒートポンプとを備える。ヒートポンプは過冷却熱交換器からのブラインの冷熱を第１の熱交換器を介して吸収し、第２の熱交換器を介して凝縮器からの温熱を前記冷水バイパス回路中の冷水に供給する。これにより、リターン回路中の冷水に含まれる氷核を融解させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、空調用の冷熱源となる蓄熱用氷、屋内・屋外スキー場用の散布用氷および一般冷却・保冷用氷等を蓄えるための氷製造装置に関し、特に過冷却水を用いた製氷及び空調システムに関する。

冷凍機で０℃以下の低温にまで冷却した過冷却状態の水に衝撃などを与えて過冷却状態を解除させ、シャーベット状の氷を製造して蓄熱槽内に蓄える製氷方法はすでに広く利用されているが、氷蓄熱槽から過冷却熱交換器へ戻る冷水中には微細な氷核が含まれており、氷核除去フィルタを通過させたとしても氷核が残存し、過冷却熱交換器の伝熱部が凍結して製氷システムが停止するおそれがある。そこで、この氷核を融解させるために各種の技術が提案されている。

特開平６−２５７９２５「過冷却水製造装置」では、蓄熱槽から過冷却熱交換器へと戻る水の回路中に予熱熱交換器を設置して全量の水を通過させ、冷水を予熱熱交換器で熱交換させることにより、氷核を融解して過冷却熱交換器内の伝熱管の凍結を防止するようになっている。この装置では、予熱熱交換器が水冷凝縮器の冷却水の一部を利用するため、過冷却水製造用の冷凍機の回路は水冷式でなければならない。

特開平３−２４１２５１「空調用氷蓄熱装置」では、蓄熱槽から過冷却熱交換器へと戻る水の回路中に液・液熱交換器を設置して、過冷却熱交換器へと戻る水と凝縮器を通過した冷媒と熱交換させることにより、伝熱管での水の凍結防止を図っている。この装置では、冷媒回路中に凝縮熱を回収するための熱交換器を内蔵した専用の冷凍機が必要となる。

特開平１０−１８５２４８「氷蓄熱装置」では、凝縮器から膨張弁へ流れる冷媒によって加熱する予熱器を設けて、この冷媒によって氷を加熱して融解することにより伝熱管での水の凍結防止を図っている。この装置でも、予熱器を含んだ専用の冷凍機が必要になる。

特開平１０−８９７２９「過冷却水による氷蓄熱装置および運転方法」では、蓄熱槽から過冷却熱交換器へと戻る水の回路中にサブクーラーを設置して、過冷却熱交換器へ戻る水とサブクーラーを通過した冷媒とを熱交換させることにより伝熱管での水の凍結防止を図っている。

本発明の第１の目的は、氷核の融解に汎用のヒートポンプを用いることで、過冷却水を製造する冷凍機に水冷式や予熱器内蔵などの制限を無くすことにある。
本発明の第２の目的は、空調負荷に応じた各種の運転モードでの運転を可能とする応用範囲の広い製氷及び空調システムを提供することにある。

前述した課題を解決するため、本発明はその基本的態様として、過冷却熱交換器で過冷却水を製造し過冷却水を用いて製氷した氷を蓄熱槽に蓄える製氷及び空調システムにおいて、０℃より低温のブラインを製造して過冷却熱交換器へと供給するブライン冷凍機と、蓄熱槽から過冷却熱交換器へと戻るリターン回路の途中に設けられた冷水バイパス回路と、圧縮機・凝縮器・膨張弁・蒸発器及び蒸発器に隣接する第１の熱交換器と凝縮器に隣接する第２の熱交換器とを包含する氷核融解用ヒートポンプとを備え、前記ヒートポンプは過冷却熱交換器からのブラインの冷熱を前記第１の熱交換器を介して吸収し、かつ前記第２の熱交換器を介して凝縮器からの温熱を前記冷水バイパス回路中の冷水に供給するようになっており、これにより、前記リターン回路中の冷水に含まれる氷核を融解させることを特徴とする過冷却水を用いた製氷及び空調システムを提供する。
また、あらかじめ電気ヒータにより温水タンクに温水を蓄えておき、過冷却熱交換器の伝熱部が凍結したときにその温水を利用して凍結を解除することを追加の特徴とする。

かかる構成に基づき、本発明によれば、
（１）氷核融解に汎用のヒートポンプを用いることで、過冷却水を製造する冷凍機の種類を選ばない製氷及び空調システムが可能となる。
（２）汎用の機器のみで製氷及び空調システムを構築できるので、安価なシステムが構築されて設置工事を迅速に完了させることが可能になる。
（３）製氷用の過冷却熱交換器を温水加熱用熱交換器として兼用できるので、１台の冷凍機で、氷蓄熱運転、温水蓄熱運転、冷水追いかけ運転、温水追いかけ運転の４つのモードでの運転が可能になり、空調負荷に応じた応用範囲の広いシステムが実現できる。

本発明はさらに他の好適な態様として、過冷却熱交換器と並列に冷温水直送熱交換器を配置し、この冷温水直送熱交換器が吸収した冷熱または温熱を空調負荷へと供給することができる。以下、本発明の好適な態様について、添付図を参照しながら説明する。

図１は本発明の基本的な態様を表す製氷空調システムの実施例であり、ブライン冷凍機１で冷却したブラインをポンプ９で吸引して過冷却熱交換器４へと送り、過冷却熱交換器４内で熱交換させられて０℃よりも低温（例えばマイナス２℃）になった過冷却水を製氷装置５内で氷に変化させ、製造された氷を蓄熱槽３へと供給する。

蓄熱槽３の底部付近の熱負荷側出口３ａからは冷水ポンプ６によって冷水が汲み出され、ファンコイルユニットなどの空調負荷２２へと移送され、建物内の各室が冷房される。
一方、蓄熱槽３の底部付近のリターン側出口３ｂから蓄熱ポンプ１４によって汲み出された冷水は、氷核除去フィルタ８を通過してから過冷却熱交換器４へと送られ、製氷蓄熱冷水循環回路が出来上がっている。

前述したように、氷核除去フィルタ８だけでは氷核の除去が不充分で、残存した氷核が過冷却熱交換器４の伝熱部を凍結させるおそれがある。そこで、本発明の基本態様では、次の３つの特徴を用いて、氷核の除去と過冷却熱交換器が凍結時に凍結を解凍できる製氷空調システムを提供する。

Ａ 蓄熱槽から過冷却熱交換器へと戻るリターン回路の途中に冷水バイパス回路を設ける。図１では、蓄熱槽３から過冷却熱交換器４へと戻るリターン回路Ｗの途中に冷水バイパス回路Ｐを設けている。

Ｂ 従来の予熱熱交換器またはサブクーラに代えて、圧縮機・凝縮器・膨張弁・蒸発器及び蒸発器に隣接する第１の熱交換器と凝縮器に隣接する第２の熱交換器とを包含する氷核融解用ヒートポンプを設ける。図１では、氷核融解用ヒートポンプ２は、圧縮機５１・凝縮器５２・膨張弁５３・蒸発器５４及び蒸発器に隣接する第１の熱交換器５５と凝縮器に隣接する第２の熱交換器５６とを包含し、過冷却熱交換器４からのブラインの冷熱を第１の熱交換器５５を介して吸収し、かつ第２の熱交換器５６を介して凝縮器５２からの温熱を冷水バイパス回路Ｐ中の冷水に供給するようになっている。これにより、リターン回路Ｗ中の冷水に含まれる氷核を融解させることができる。この冷水バイパス回路Ｐには、熱回収用冷水ポンプ１１、氷核融解用ポンプ１２、氷核融解制御弁１５が設けられて、氷核の融解が最適に実行されるように、ポンプの起動・停止と弁の開閉が制御される。
リターン回路Ｗ中で氷核を融解する氷核融解用ヒートポンプ２の冷凍容量は、ブライン冷凍機１の冷凍容量１に対して概ね０．２５程度となる。

Ｃ あらかじめ電気ヒータ６１により温水タンク６０に温水を蓄えておき、過冷却熱交換器４の伝熱部が凍結したとき、その温水を利用して凍結を解除する。凍結解除運転時には、切換弁６６を閉、切換弁６７を開とし、蓄熱運転時には、切換弁６６を開、切換弁６７を閉とする。

図２は図１を変形した実施例を表しており、図１の温水タンク６０をバイパス回路Ｐ内に移して組み込んだ例である。図１のヒートポンプ２は内部の図示を省略してブロックＨＰで表示している。図２の温水タンク６０には電気ヒータ６１が内蔵されており、凍結解除運転時に温水タンクの温度が低下しすぎないよう概ね３０℃になるよう制御する氷核融解用ポンプ１２と氷核融解制御弁１５ａ，１５ｂの操作によって、温水をバイパス回路Ｐへと供給し過冷却熱交換器入口冷水温度を概ね０．５℃に制御する。符号１６，１７は制御弁である。
この態様では、温水タンクをバッファーとして利用できるので、氷核融解温度の制御性が向上する。氷核融解温度は、確実な氷核の融解とエネルギ効率を確保するためにはプラスマイナス０．０５℃以内の変動範囲内に制御することが要求され、特に低温側に大きく振れると凍結頻度の増加に直接結びつくからである。
凍結解除運転時は、切換弁６６を閉、６７を開として温水タンク６０、過冷却熱交換器４、製氷装置５を循環する回路とし、概ね３０℃の温水により過冷却熱交換器４の凍結を解除する。

図３は本発明の応用例を表しており、図４〜図１０はその運転モードを表している。図３の装置は図１のブライン冷凍機１をブラインヒートポンプチラー１’に変更し冷温水直送熱交換器２０と、放熱熱交換器２１とを追加したものであり、図１と同じ符号は同じ構成要素を表している。
図３で追加された冷温水直送却熱交換器２０は、過冷却熱交換器４と並列にブライン回路内に挿入され、熱交換によって冷熱または温熱を二次側空調負荷系統Ｓに供給するようになっており、後述する追いかけ運転（追加の冷却を必要とするときの運転）の際に起動されて追加の冷却または加熱効果を発揮するように設けられている。

図３で追加された放熱熱交換器２１は、氷放熱時は冷熱を、温水放熱時は温熱を空調負荷系統Ｓに供給する。蓄熱槽３の出入口は、氷放熱時、温水放熱時で異なっており、氷放熱時は冷水を下部から取水し、放熱熱交換器で熱交換した後、高温の冷水を蓄熱槽の上方へ戻す。温水放熱時は、蓄熱槽内の温度成層が維持されるよう水槽上部より温水を取水し、放熱熱交換器で熱交換した後、低温の温水を蓄熱槽の下部へ戻す。

図３で追加された残りの部分の符号は、追いかけ二次ポンプ２３、放熱二次ポンプ２４、放熱一次ポンプ２５、氷蓄熱−温水蓄熱切換弁２６ａ，２６ｂ、氷放熱−温水放熱切換弁（還）２７ａ，２７ｂ、氷放熱−温水放熱切換弁（往）２８ａ，２８ｂ、氷蓄熱−追いかけ運転切換弁２９ａ，２９ｂ、追いかけ熱交換器出口温度制御弁３０ａ，３０ｂ、放熱熱交換器出口温度制御弁３１ａ，３１ｂをそれぞれ表している。

図４〜図１０は各運転モードを表しており、各運転時に活性化されている回路を太線で表示し、細線の系統は停止している。図４は氷蓄熱運転モード、図５は凍結解除運転モード、図６は氷放熱運転モード、図７は氷放熱プラス冷水追いかけ運転モード、図８は温水蓄熱運転モード、図９は温水放熱運転モード、図１０は温水放熱プラス温水追いかけ運転モードをそれぞれ表している。

各モードでの各切換弁の動作は、
氷蓄熱−温水蓄熱切換弁２６（氷蓄熱時：２６ａ−閉，２６ｂ−開、温水蓄熱時：２６ａ−開，２６ｂ−閉）、
氷放熱−温水放熱切換弁（還）２７（氷放熱時：２７ａ−開，２７ｂ−閉、温水放熱時：２７ａ−閉，２７ｂ−開）、
氷放熱−温水放熱切換弁（往）２８（氷放熱時：２８ａ−開，２８ｂ−閉、温水放熱時：２８ａ−閉，２８ｂ−開）、
氷蓄熱−追いかけ運転切換弁２９（氷蓄熱時：２９ａ−開，２９ｂ−閉、追いかけ時：２９ａ−閉，２９ｂ−開）と設定されている。

図４の氷蓄熱運転モードでは、過冷却熱交換器４を含むブライン回路Ｂとリターン回路Ｗ・ヒートポンプ２を含むバイパス回路Ｐ・温水タンク６０が活性化された状態にあり、冷温水直送熱交換器２０・放熱熱交換器２１・空調負荷２２は停止している状態にある。

図５の凍結解除運転モードでは、温水タンク６０から製氷装置５を循環する回路だけが活性化され、その他の回路は停止している。

図６の氷放熱運転モードでは、放熱熱交換器２１を含む放熱系統Ｄ・二次側空調負荷系統Ｓ・空調負荷２２が活性化され、ファンコイルユニットなどから冷気が室内へと供給されている。

図７の氷放熱プラス冷水追いかけ運転モードでは、冷温水直送熱交換器２０の回路と、放熱熱交換器２１を含む放熱系統Ｄ・二次側空調負荷系統Ｓ・空調負荷２２が活性化され、ファンコイルユニットなどから冷気が室内へと供給されている。

図８の温水蓄熱モードでは、過冷却熱交換器４を含むブライン回路とリターン回路Ｗとが活性化され、その他の回路は停止している。

図９の温水放熱モードでは、放熱熱交換器２１を含む放熱系統Ｄ・二次側空調負荷系統Ｓ・空調負荷２２が活性化され、ファンコイルユニットなどから暖気が室内へと供給されている。

図１０の温水放熱プラス温水追いかけモードでは、冷温水直送熱交換器２０の回路と、放熱熱交換器２１を含む放熱系統Ｄ・二次側空調負荷系統Ｓ・空調負荷２２が活性化され、ファンコイルユニットなどから暖気が室内へと供給されている。

上述したように、図３の製氷空調システムでは、活性化するユニットを選択することにより、１台のシステムで、氷蓄熱運転、温水蓄熱運転、冷水追いかけ運転、温水追いかけ運転の４つのモードでの運転が可能になり、伝熱面における氷結を効果的に防止できると共に、空調負荷に応じた最適な空調を提供できることになる。

以上、詳細に説明した如く、本発明の製氷空調システムによれば、氷核の融解に汎用のヒートポンプを用いることで、過冷却水を製造する冷凍機が水冷式や予熱器内蔵などに限定される必要性を無くして、製氷空調システムの構築を容易にし、設置工事を迅速に完了させることが可能になる。また、過冷却水を製造する冷凍機にブラインヒートポンプチラーを用いることができ、過冷却熱交換器を温水加熱用熱交換器と兼用することにより、１台の熱源で氷蓄熱・温水蓄熱・冷水追いかけ・温水追いかけの４つのモードでの運転が可能になるなど、その技術的価値には極めて顕著なものがある。

本発明による製氷及び空調システムの基本態様を表す回路図。 図１の例の変形例を表す回路図。 図１の例をさらに変形した実施例を表す回路図。 図３の例での氷蓄熱運転モードを表す回路図。 図３の例での凍結解除運転モードを表す回路図。 図３の例での氷放熱運転モードを表す回路図。 図３の例での氷放熱プラス冷水追いかけ運転モードを表す回路図。 図３の例での温水蓄熱運転モードを表す回路図。 図３の例での温水放熱運転モードを表す回路図。 図３の例での温水放熱プラス温水追いかけモードを表す回路図。

符号の説明

１ ブライン冷凍機 １’ ブラインヒートポンプ
２ 氷融解用ヒートポンプ ３ 蓄熱槽
４ 過冷却熱交換器 ５ 製氷装置
２０，２１ 熱交換器 ２２ 空調負荷
５１ 圧縮機 ５２ 凝縮器
５３ 膨張弁 ５４ 蒸発器
５５，５６ 熱交換器
６０ 温水タンク ６１ 電気ヒータ
Ｒ ブライン冷凍機 ＨＰ ヒートポンプ
Ｂ ブライン回路 Ｐ バイパス回路
Ｗ リターン回路 Ｄ 放熱系統
Ｓ 空調負荷系統

Claims (4)

1. 過冷却熱交換器で過冷却水を製造し過冷却水を用いて製氷した氷を蓄熱槽に蓄える製氷及び空調システムにおいて、
   ０℃より低温のブラインを製造して過冷却熱交換器へと供給するブライン冷凍機と、
   蓄熱槽から過冷却熱交換器へと戻るリターン回路の途中に設けられた冷水バイパス回路と、
   圧縮機・凝縮器・膨張弁・蒸発器及び蒸発器に隣接する第１の熱交換器と凝縮器に隣接する第２の熱交換器とを包含する氷核融解用ヒートポンプとを備え、
   前記ヒートポンプは過冷却熱交換器からのブラインの冷熱を前記第１の熱交換器を介して吸収し、かつ前記第２の熱交換器を介して凝縮器からの温熱を前記冷水バイパス回路中の冷水に供給するようになっており、
   これにより、前記リターン回路中の冷水に含まれる氷核を融解させることを特徴とする過冷却水を用いた製氷及び空調システム。
2. 電気ヒータを用いた温水タンクからの温水が前記リターン回路に供給されるようになっている請求項１記載の製氷及び空調システム。
3. 前記過冷却熱交換器と並列に冷温水直送熱交換器が配置され、この冷温水直送熱交換器が吸収した冷熱または温熱を空調負荷へと供給するようになっている請求項１又は２記載の製氷及び空調システム。
4. 空調負荷から蓄熱槽への戻り回路に放熱用熱交換器が配置され、この放熱用熱交換器で温水または冷水の放熱が行われる請求項３記載の製氷及び空調システム。

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