JP2514696B2 - 氷蓄熱設備の蓄熱状態検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、冷房等のための冷熱源としてブラインを固
液混相のシャーベット状態で氷蓄熱槽に貯留する氷蓄熱
設備の蓄熱状態を検出する装置に関する。

〔従来の技術〕

蓄熱槽内において冷却コイルの周りに氷を成長堆積さ
せる型式の氷蓄熱においては、成長する氷の厚みを検出
することにより蓄熱状態（蓄熱量等）を判定することが
できるが、ブラインを固液混相のシャーベット状態で貯
留する型式の氷蓄熱においては、それができないことか
ら、従来では、冷水蓄熱と同様にブラインの温度検出に
基づき蓄熱状態を判定したり、あるいは、ブラインの冷
却に伴う水分凍結による体積膨張を利用して蓄熱槽の液
位検出に基づきブラインにおける氷粒子の存在比を求め
ることで蓄熱状態を判定するようにしていた（文献を示
すことができない）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、いわゆる氷蓄熱は本来、固化潜熱を利用して
蓄熱するものであるから、温度検出に基づいた顕熱上の
判定では蓄熱状態を正確に判定できず、又、液位検出に
基づく判定では、液位検出そのものに液面の波立ち等の
外乱要素が多く検出誤差も大きいことから、やはり蓄熱
状態を安定的かつ正確に判定することが難しい問題があ
った。

本発明の目的は、ブラインが固液混相のシャーベット
状態であることに適合させた合理的な手段により、氷蓄
熱槽の蓄熱状態を安定的かつ適確に判定できるようにす
る点にある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明による氷蓄熱設備における蓄熱状態検出装置の
特徴構成は、ブラインを固液混相のシャーベット状態で
貯留する氷蓄熱槽における蓄熱状態を判定するための情
報として、前記ブラインの溶液濃度を用い、そのブライ
ンの溶液濃度を検出する濃度検出手段を設けてある点に
ある。

前記濃度検出手段に加え、その濃度検出手段による検
出濃度に基づいて前記氷蓄熱槽における蓄熱状態を判定
する判定手段と、前記濃度検出手段による検出濃度に基
づいて前記ブラインの溶液濃度の適否を判定する濃度判
定手段とを設けることが好ましい。

〔作用〕

ブラインにおける水分が凍結して氷粒子の存在率が変
化すると、それに伴ってそのブラインの溶液濃度が変化
するから、ブラインの溶液濃度を見ることにより、ブラ
イン中の氷存在状態を把握して氷蓄熱槽における蓄熱状
態を判定することができる。

しかも、ブラインを固液混相のシャーベット状態で貯
留する氷蓄熱においては、ブラインの溶液濃度を適切に
設定するといった溶液濃度の管理が必要であるが、上記
の特徴構成によれば、蓄熱状態を知るための手段とし
て、ブラインの溶液濃度を検出する濃度検出手段を設け
てあるため、例えば、所定の溶液濃度のブラインを調合
する場合、濃度検出手段による検出濃度が前記の溶液濃
度となるように、その検出濃度を監視しつつブラインの
原液と水とを混合すれば良い等、濃度検出手段の検出濃
度を有効利用してブラインの溶液濃度管理を容易に行な
える。

特に、上記のように判定手段と濃度判定手段とを設け
る場合は、溶液濃度の検出からそれに基づく蓄氷状態の
判定までを一貫して行なえるとともに、溶液濃度管理を
便利に行なえる。

〔発明の効果〕

このように、氷粒子の存在率との相関で蓄熱状態を判
定するから潜熱を含めて全熱的に蓄熱状態を判定でき、
又、濃度の検出であれば、液位検出ほど種々の大きな外
乱を受けること無く安定的な検出を実施でき、それらの
ことから、固液混相シャーベット状態での氷蓄熱にうま
く適合させて氷蓄熱槽の蓄熱状態を安定的かつ適確に判
定できるようになり、しかも、ブラインの溶液濃度の管
理を有利にできるようになり、全体として、この種の氷
蓄熱を利用した空調システムにおける熱源機械および氷
蓄熱槽の運転制御等において極めて有用かつ実用的な蓄
熱状態検出装置にできた。

〔実施例〕

次に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

《実施例１》 空調設備は、第１図に示すように、氷蓄熱設備（Ａ）
を備えており、この氷蓄熱設備（Ａ）は、圧縮機
（１）、凝縮器（２）、及び、蒸発器としての製氷器
（３）の順に冷媒を循環させる冷媒回路（４）から成る
製氷機を設け、氷蓄熱槽（５）内のブラインを前記製氷
器（３）に供給するポンプ（６）付きの蓄熱用のブライ
ン供給路（７）と、製氷器（３）で冷却されたブライン
を氷蓄熱槽（５）に戻す蓄熱用のブライン戻り路（８）
とを設けて構成されている。

かつ、空調設備は、前記氷蓄熱槽（５）内のブライン
を空調機（９）に供給するポンプ（10）付きの空調用の
ブライン供給路（11）と、空調機（９）で熱交換したブ
ラインを前記氷蓄熱槽（５）に戻す空調用のブライン戻
り路（12）とを備えている。

つまり、空調設備は、冷媒回路（４）を運転した状態
で蓄熱用のブライン供給路（７）とブライン戻り路
（８）とを介して氷蓄熱槽（５）と製氷器（３）との間
でのブラインを循環させることにより、製氷器（３）に
おいて循環ブラインを冷却してそのブライン中の水分を
凍結させることでブラインを固液混相のシャーベット状
態にするとともに、そのシャーベット状態のブラインを
氷蓄熱槽（５）で貯留して、冷熱蓄熱を行い、他方、空
調用のブライン供給路（11）とブライン戻り路（12）と
を介して氷蓄熱槽（５）と空調器（９）との間でブライ
ンを循環させることにより、氷蓄熱槽（５）の蓄熱冷熱
を取出して、空調を行うように構成されている。

前記蓄熱用のブライン供給路（７）の氷蓄熱槽（５）
からのブライン取出口（13）は、氷蓄熱槽（５）の底部
近くに配設されており、前記氷蓄熱槽（５）内のうち、
前記ブライン取出口（13）よりもやや上方のレベル位置
には、そのレベル位置よりも下方への氷粒子の侵入を防
止する氷吸込防止用のネット（14）が張設されている。
つまり、氷蓄熱槽（５）内のブラインのうち、溶液のみ
を製氷器（３）に供給するようになっている。

そして、ブライン中の水分凍結による氷生成量の増加
に伴ってブラインの溶液濃度が高くなり、例えば、温度
が一定の条件下では、氷生成量がゼロの場合の溶液濃度
と、現時点の溶液濃度とが判れば、現時点の氷生成量を
知ることができる点に着目して、前記ブラインの溶液濃
度を検出する濃度検出手段を、前記氷蓄熱槽（５）にお
ける蓄熱状態を検出する手段として設けてある。

前記濃度検出手段は、第２図に示すようにブラインの
水分凍結によるブラインの溶液濃度の変化に伴って溶液
の電気伝導度（導電率）が変化し、結果として、第３図
に示すように、氷生成量の増加に伴って電気伝導度が増
大するといった関係に着目して、溶液の電気伝導度をパ
ラメータとして、溶液濃度を検出する手段である。具体
的には、前記氷蓄熱槽（５）に測定室（15）を溶液のポ
ンプ（16）付きの循環路（17）を介して接続し、測定室
（15）内の溶液温度を設定値に維持する恒温装置（18）
を設け、前記測定室（15）内の溶液の電気伝導度を検出
する導電率計（19）を設けて構成してある。つまり、第
２図に示すように、溶液の電気伝導度が溶液の温度によ
っても変化するが、検出対象の溶液の温度を一定とする
ことにより、溶液濃度の変化に伴う溶液の電気伝導度の
変化のみを検出するようにしてある。また、検出対象と
なる溶液の設定温度としては、導電率計（19）として普
通一般の汎用品を用いる場合には、その汎用品が一般に
０℃以上を対象として設計、製作されている関係上、０
℃以上とする。この場合、恒温装置（18）は、加熱機能
を備えたものになる。もちろん。０℃以下でも作動する
導電率計（19）の場合には、設定温度を０℃以下にして
も良い。

そして、冷媒回路（４）の自動運転制御構成として、
前記導電率計（19）の出力が設定値まで至ったときに制
御装置（20）により圧縮機（１）の運転を自動停止する
ようにし、もって、氷蓄熱槽（５）における冷熱蓄熱量
が上限に達したときの冷媒回路（４）の運転停止を自動
的に行わせるようにしてある。

《実施例２》 第４図に示すように、上記実施例１と同様な氷蓄熱設
備（Ａ）を設け、空調用熱運搬流体をブラインとの熱交
換で冷却するための熱交換器（21）を設け、前記氷蓄熱
槽（５）内のブラインを前記熱交換器（21）に送るポン
プ（10′）付きのブライン送り路（11′）と、熱交換器
（21）から氷蓄熱槽（５）に熱交換後のブラインを戻す
ブライン戻り路（12′）と、前記空調用熱運搬流体を熱
交換器（21）から空調機（９）に送る送り路（22）と、
前記空調用熱運搬流体を空調機（９）から熱交換器（2
1）に戻す戻り路（23）と、タンク（Ｔ）内のブライン
原液を前記氷蓄熱槽（５）に供給するバルブ（V₁）付き
の原液供給路（28）と、水を前記氷蓄熱槽（５）に供給
するバルブ（V₂）付きの水供給路（29）と、運転制御手
段とを設けて空調設備を構成する。

前記氷蓄熱槽（５）内には、上記実施例１と同様に溶
液濃度を検出するための導電率計（19）と、ブライン用
の温度センサ（24）とが設置されている。

前記ブライン送り路（11′）とブライン戻り路（1
2′）との間には、ブラインを熱交換器（21）に対して
迂回させるためのバイパス路（25）が介装されており、
そのバイパス路（25）のブライン戻り路（12′）への合
流部には、熱交換器（21）とバイパス路（25）とのブラ
インの流量比を調節して、つまり、熱交換器（21）への
ブライン供給量を調節して熱交換器（21）での空調用熱
運搬流体の冷却温度を制御する電動式の調節弁（26）が
介装されている。

前記送り路（22）には、熱運搬流体の温度を検出する
ための温度検出器（27）が介装されている。

前記運転制御手段は、前記導電率計（19）による検出
値および温度センサ（24）による検出値に基づいて前記
氷蓄熱槽（５）における蓄熱状態、つまり、蓄氷量を判
定する判定手段（ａ）と、前記導電率計（19）による検
出値に基づいて前記ブラインの溶液濃度の適否を判定す
る濃度判定手段（ｂ）と、その濃度判定手段（ｂ）の判
定結果に基づいて前記原液供給路（28）および水供給路
（29）夫々のバルブ（V₁），（V₂）を制御する濃度制御
手段（ｃ）と、蓄熱時間設定用のタイマ（ｔ）からの出
力に基づいて前記製氷機およびブライン送り路（11′）
のポンプ（10′）の運転を発停する蓄熱運転制御手段
（ｄ）と、前記温度検出器（27）の検出値に基づいて前
記送り路（22）の空調用熱運搬流体の温度を設定温度と
なるように前記調節弁（26）を制御する温度制御器
（ｅ）とを備えている。

前記判定手段（ａ）は、第５図に示すように、前記温
度センサ（24）の検出値に基づいて導電率計（19）によ
る検出値を設定温度における電気伝導度（以下導電率と
称する。）に変更する温度補正手段（a₁）と、その温度
補正手段（a₁）からの補正値に基づいて蓄氷量を氷蓄熱
槽（５）の容量に対する割合として算定する算定手段
（a₂）と、その算定手段（a₂）による算定結果を表示す
る表示装置（a₃）とからなる。

前記算定手段（a₂）は、上記実施例１で説明したよう
に、ブライン中の水分を凍結させての蓄熱にあっては、
そのブラインの溶液濃度と蓄氷量との間に相関があり、
例えば使用するブラインの蓄氷量ゼロでの溶液濃度が判
っていれば、その溶液濃度を検出することにより蓄氷量
を知ることができる点に着目して成された手段である。
具体的には、使用するブラインの蓄氷量ゼロ（蓄氷率ゼ
ロ）での溶液の設定温度における導電率（δmin）と、
設定した最大蓄氷率（MAX）での溶液の設定温度におけ
る導電率（δmax）と、前記温度補正手段（a₁）からの
導電率（δ）とから、 を用いて、蓄氷率がゼロから設定された最大蓄氷率（MA
X）の間の範囲における検出時における溶液導電率相対
変化率を算定し、その算定された溶液導電率相対変化率
から蓄氷率（IPF）を求めるのである。

また、判定手段（ａ）は、その判定を正確に行う上
で、蓄熱設備の運転に先立って次のような事前調整が行
われる。

［１］氷蓄熱槽（５）内に氷が無いことを確認した上
で、検出蓄氷率（IPF）が設定範囲（０±α）（αの実
数値例を挙げると２％）以内かどうかチェックする。

［２］検出蓄氷率（IPF）が設定範囲外のときは、設定
範囲内とするゼロ調整を行う。

［３］ブラインをサンプリングし、そのブラインの温度
および導電率（δ）を計測し、溶液濃度（φ′）を算出
する。

［４］算出溶液濃度（φ′）と設定溶液濃度（φ）とを
比較する。

［５−１］｜φ−φ′｜≦α％のときは設定溶液濃度
（φ）をのまま設定溶液濃度（φ）とする。

［５−２］｜φ−φ′｜＞α％のときは設定溶液濃度
（φ）を算出溶液濃度（φ′）に変更するとともに、導
電率（δ）、溶液導電率相対変化率、蓄氷率（IPF）の
関係をφ′を基にしたものに改定する。

［６］蓄氷運転を行い、前述の［３］を行う。

［７］前記［６］の結果に基づき蓄氷率を算出する。

［８］検出蓄氷率（IPF）が算出蓄氷率（IPF′）に対し
て設定範囲（IPF′±β％）以内かどうかをチェック
し、 ［９−１］以内の場合と正常と判断し、 ［９−２］以外の場合は検出蓄氷率（IPF）が設定範囲
となるようにスパン調整を行う。

前記濃度判定手段（ｂ）は、濃度値設定器（b₁）と、
前記判定手段（ａ）における温度補正手段（a₁）からの
補正値を前記濃度値設定器（b₁）による設定値と比較す
る比較手段（b₂）と、その比較手段（b₂）からの出力に
応じて作動する判定結果表示装置（b₃）と、前記濃度値
設定器（b₁）による設定値を表示する設定値表示装置
（b₄）と、前記温度補正手段（a₁）からの補正値を表示
する濃度表示装置（b₅）とを備えている。

前記比較手段（b₂）は、（補正値＝設定値）の場合に
“良”信号を、（補正値＞設定値）の場合に“水不足”
信号を、（補正値＜設定値）の場合に“原液不足”信号
を夫々出力する手段である。

前記判定結果表示装置（b₃）は、比較手段（b₂）から
の出力が、 〈１〉“良”信号の場合に、溶液濃度が設定濃度である
ことを、 〈２〉“水不足”信号の場合に、溶液濃度が設定濃度よ
りも大で水が不足していること、 〈３〉“原液不足”信号の場合に、溶液濃度が設定濃度
よりも小でブラインの原液が不足していること を夫々、表示するものであって、その表示形態として
は、 〔Ａ〕第６図に示すように、〈１〉の場合に“○”や
“OK"等の信号を、〈２〉の場合に“＋”や“水不足”
等の記号を、〈３〉の場合に“−”や“原液不足”等の
信号を表示する等、記号をもって表示する記号表示形
態、 〔Ｂ〕第７図（イ）に示すように、表示盤（28）と指針
（29）とをもって表示したり、第７図（ロ）に示すよう
に、並置した複数のランプ（30）・・のうち点灯したラ
ンプ（30）を指針として表示したりする指針表示形態 等がある。

前記〔Ａ〕の記号表示形態の実施においては、第６図
（イ）に示すように１つの画面（31）で記号を選択表示
する構造や、第６図（ロ）に示すように記号毎に表示画
面（32A），（32B），（32C）を設ける構造等を採用で
きる。

従って、この濃度判定手段（ｂ）によって、ブライン
の溶液濃度を知ることができる。

前記濃度制御手段（ｃ）は、氷蓄熱槽（５）内のブラ
インの溶液濃度が設定濃度となるように、ブラインの原
液と水との氷蓄熱槽（５）への供給量を自動制御する手
段であって、運転スイッチ（c₁）と、タイマ（c₂）と、
バルブ制御器（c₃）と、循環制御器（c₄）とから成る。

前記バルブ制御器（c₃）は、運転スイッチ（c₁）がON
の状態において前記タイマ（c₂）からの信号に基づいて
第１設定時間毎に、前記原液供給路（28）および水供給
路（29）のバルブ（V₁），（V₂）を開閉制御するもので
あって、詳しくは、前記の第１設定時間毎に、前記濃度
判定手段（ｂ）の比較手段（b₂）からの出力を取込み、
その取込んだ出力が 〈１〉“良”信号の場合に両バルブ（V₁），（V₂）を閉
じ、 〈２〉“水不足”信号の場合に水供給路（29）のバルブ
（V₂）をタイマ（c₂）からの信号に基づいて第２設定時
間にわたり開き、 〈３〉“原液不足”信号の場合に原液供給路（28）のバ
ルブ（V₂）をタイマ（c₂）からの信号に基づいて第２設
定時間にわたり開く ものである。従って、原液、水は定量供給されることに
なる。

前記循環制御器（c₄）は、前記運転スイッチ（c₁）の
ONに基づいて、前記ブライン供給路（７）のポンプ
（６）およびブライン送り路（11′）のポンプ（10′）
を作動させるように前記蓄熱運転制御手段（ｄ）を作動
させるものである。従って、運転スイッチ（c₁）をONに
しての濃度調整時には、氷蓄熱槽（５）と製氷機の製氷
器（３）との間で、製氷をしない状態でブラインが循環
するとともに、氷蓄熱槽（５）と熱交換器（21）との間
でブラインが循環し、そのブラインの循環によって氷蓄
熱槽（５）内のブラインが攪拌されることになる。

前記第１設定時間は、前記ブライン循環による攪拌に
よって氷蓄熱槽（５）内のブラインの全体が均質になる
までに要する見込み時間である。

前記設定濃度は、60％、40％といった一点であって
も、また、60％前後、40％前後といったように幅のある
ものでも良い。

前記濃度制御手段（ｃ）を用いての濃度調整は、氷蓄
熱設備の竣工時やシーズイン時、１ヵ月や２ヵ月ごとの
定期点検時等に行われるのであって、その濃度調整の必
要性は次の点にある。

つまり、竣工時や氷蓄熱槽（５）からブラインが抜か
れている状態でシーズインを迎えた時、定期点検で氷蓄
熱槽（５）からブラインを抜いた時等、氷蓄熱槽（５）
が空の状態から蓄熱運転を開始する場合には、その前
に、氷蓄熱槽（５）内に溶液濃度が設定濃度のブライン
を供給する必要があり、その場合、机上計算に基づく比
率で原液と水とを全体が設定量となるように氷蓄熱槽
（５）内に供給することにより、溶液濃度を設定濃度と
させる濃度調整が行われるが、そのような濃度調整で
は、原液濃度のバラツキや原液水の供給量の不可避的な
バラツキ等が原因で、実際の溶液濃度が設定濃度である
か否かが不明であるため、そのまま蓄熱運転を行った場
合には、溶液濃度に基づく製氷量の検出に信頼性を欠く
ことになる。また、ブライン中の水は蒸発して逸散する
ため、溶液濃度は長期間の経過により変化し、そのよう
に溶液濃度が変化したままで蓄熱運転を行った場合に
は、溶液濃度に基づく製氷量の検出が不正確となる。

〔別実施例〕

以下、本発明の別実施例を示す。

〔１〕上記実施例１では、溶液の電気伝導度をパラメー
タとして溶液濃度を検出するに、検出対象となる溶液の
温度を一定に維持して、溶液の温度変化に伴う溶液濃度
の変化に起因した誤検出を防止するようにしたが、実施
例２と同様に溶液の温度も同時に検出し、その検出温度
に基づいて導電率計（19）の出力を補正するようにして
も良い。

〔２〕前記導電率計（19）は、ブライン供給路（７）、
ブライン戻り路（８）内に設けても良く、氷蓄熱槽
（５）内に設ける場合の導電率計（19）としては、投込
型のものや氷蓄熱槽（５）に取付ける型式のもののいず
れでも良く、また、設置高さも自由である。

〔３〕上記実施例では、溶液の電気伝導度をパラメータ
として溶液濃度を検出するようにしたが、溶液濃度の変
化に伴って変化する光に対する溶液の屈折率をパラメー
タとして溶液濃度を検出するようにしても良い。

〔４〕上記実施例では、蓄熱冷熱を用いて空調を行うよ
うにしたが、つまり、空調設備の氷蓄熱設備を示した
が、本発明が対象とする氷蓄熱設備は、各種産業分野の
冷熱源として用いることができる。

〔５〕上記実施例２では、濃度調整を行うに、原液や水
を定量供給するようにしたが、導電率計（19）による検
出濃度と設定濃度との差に基づいて、溶液濃度を設定濃
度とさせる原液や水の供給量を算出し、その算出した供
給量をもって原液や水を供給するようにしても良い。

〔６〕上記実施例２では、濃度調整時、ポンプ（６），
（11′）を運転してのブライン循環により氷蓄熱槽
（５）内のブラインを攪拌したが、別途攪拌機を設けて
実施しても良い。この場合、攪拌によって氷蓄熱槽
（５）内のブラインを短時間で均質にできるため、バル
ブ制御器（c₃）の制御作動の間隔を短くできる。

〔７〕上記実施例２では、濃度制御手段（ｃ）を設けて
濃度調整を自動化したが、その濃度調整は人為操作で行
っても良い。つまり、シーズンイン等において使用ブラ
インの溶液濃度を設定値に調合する際、その濃度判定手
段（ｂ）の判定結果表示装置（b₃）による表示に基づい
てブラインの原液および水の投入量を加減するのであ
る。それにより、そのブラインの調合を容易に、かつ、
正確に行えるのである。

〔８〕尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を便利に
する為に符号を記すが、該記入により本発明は添付図面
の構造に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例１を示す空調設備の概略構成
図、第２図は溶液濃度と電気伝導度との関係を示すグラ
フ、第３図は氷生成量と電気導電度との関係を示すグラ
フであり、第４図は本発明の実施例２を示す空調設備の
概略構成図、第５図はブロック図、第６図（イ），
（ロ）および第７図（イ），（ロ）は要部の正面図であ
る。 （５）……氷蓄熱槽、（ａ）……判定手段、（ｂ）……
濃度判定手段。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 有吉 淳 愛知県名古屋市中区錦１丁目18番22号 株式会社竹中工務店名古屋支店内 (56)参考文献 特開 平１−219437（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−210787（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−134467（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ブラインを固液混相のシャーベット状態で
   氷蓄熱槽（５）に貯留する氷蓄熱設備において、前記ブ
   ラインの溶液濃度を、前記氷蓄熱槽（５）における蓄熱
   状態を判定するための情報として検出する濃度検出手段
   を設けてある氷蓄熱設備の蓄熱状態検出装置。
2. 【請求項２】ブラインを固液混相のシャーベット状態で
   氷蓄熱槽（５）に貯留する氷蓄熱設備において、前記ブ
   ラインの溶液濃度を検出する濃度検出手段と、その濃度
   検出手段による検出濃度に基づいて前記氷蓄熱槽（５）
   における蓄熱状態を判定する判定手段と、前記濃度検出
   手段による検出濃度に基づいて前記ブラインの溶液濃度
   の適否を判定する濃度判定手段とを設けてある氷蓄熱設
   備の蓄熱状態検出装置。
3. 【請求項３】前記濃度検出手段が、溶液濃度の変化に伴
   って変化する電気伝導度をパラメータとして前記溶液濃
   度を検出する手段である請求項１又は２に記載の氷蓄熱
   設備の蓄熱状態検出装置。