JP2533913B2 - 蓄熱式冷凍装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、蓄熱式冷凍装置に係り、特に、冷凍装置と
蓄熱槽とを可動部を持たない熱流制御性熱伝達装置によ
って熱的に結合し、蓄熱の信頼性を向上するのに好適な
蓄熱式冷凍装置に関するものである。

［従来の技術］ 近年、空気調和装置においても、省エネルギ、経済性
の面から、夜間電力を利用して蓄冷し、昼間この冷熱を
冷房に利用することが行われており、例えば、特開昭51
−7747号公報、特開昭58−2541号公報、特開昭53−1481
45号公報記載のものなどが知られている。

特に、特開昭53−148145号公報には、一般的な冷凍サ
イクルの空気調和装置と、蓄熱材を満たした蓄熱槽とを
備え、蓄熱槽中に設けてある蒸発器と室外側熱交換器に
設けてある凝縮器とを、蒸気上昇管と液体下降管とによ
って密閉循環器を構成するように連結し、バブルポンプ
方式、タンク加熱方式、あるいはベーパーロツク方式等
によって、蓄熱槽から空気調和装置の室外側熱交換器
へ、あるいは室外側熱交換器から蓄熱槽へ熱を伝えたり
切ったりする技術が開示されていた。

［発明が解決しようとする課題］ 上記特開昭51−7747号公報記載の技術は、冷凍装置を
屋内、蓄熱槽を屋外に配設して、これを熱的に結合する
場合、複雑なサイクル構成になっている冷凍装置に、現
地で冷媒を封入して調整しなければならず、施工性およ
び保守性について配慮されていなかった。

また、上記特開昭58−2541号公報記載の技術は、熱媒
体を入れた配管によって冷凍装置と蓄熱槽を結合し、ポ
ンプによって熱媒体を循環するという間接熱交換方式に
よって、上記問題を解決しているが、反面機械的可動部
を有するポンプの信頼性とポンプ動力が大きいという点
について配慮されていなかった。

さらに、上記の特開昭53−148145号公報記載の技術
は、本発明にもっとも近い技術で、可動部分のない熱伝
達装置によって空気調和装置の室外側熱交換器から蓄熱
槽へ、あるいは蓄熱槽から室外側熱交換器へ熱を伝えた
り切ったりして、蓄熱槽内の蓄冷熱を有効に冷暖房に利
用できるものであるが、蓄熱槽内熱交換器（蒸発器）ま
わりに付着する蓄熱材結晶（例えば氷など）を適宜離脱
させて熱交換器の熱抵抗を低減することについては配慮
されていなかった。また、前記熱伝達装置部のサイクル
構成、運転方法の面で、本発明とは異なるものであっ
た。

本発明は、上記従来技術における課題を解決するため
になされたもので、蓄熱槽内の蓄熱材を凝固させながら
熱を取り出す際に、蓄熱槽内の熱交換器まわりに付着す
る蓄熱材結晶を適宜離脱させて熱の取得を容易にすると
ともに、保守性、施工性、信頼性が高く、かつ消費電力
の少ない蓄熱式冷凍装置を提供することを、その目的と
するものである。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明に係る蓄熱式冷凍
装置の構成は、圧縮機、凝縮器、減圧機構、および蒸発
器を配管接続して冷凍サイクルを構成する冷凍装置と、
蓄熱材を満たし、冷却器を有する蓄熱槽と、蒸発用熱交
換器、凝縮用熱交換器、これら熱交換器を結ぶ液戻り
管、逆Ｕ字形立上げ管、立上げ管根元部に設けたヒー
タ、および蒸気移動管によって蒸発性液体の密閉循環路
を構成する熱流制御性熱伝達装置とを備えた蓄熱式冷凍
装置において、上記熱流制御性熱伝達装置を少なくとも
２組設け、上記蒸発器に第１の熱流制御性熱伝達装置の
凝縮用熱交換器、蓄熱槽中の冷却器に前記第１の熱流制
御性熱伝達装置の蒸発用熱交換器を配設し、上記凝縮器
に第２の熱流制御性熱伝達装置の蒸発用熱交換器、蓄熱
槽中の冷却器に前記第２の熱流制御性熱伝達装置の凝縮
用熱交換器を配設し、前記第1,第２の熱流制御性熱伝達
装置のヒータに交互に入力しうる制御回路を設けたもの
である。

なお付記すると、上記目的は、蒸発用熱交換器、凝縮
用熱交換器、液戻り管、立上げ管、立上げ管根元部に設
けたヒータ、および蒸気移動管で構成されている熱流制
御性熱伝達装置を２組用い、第一の熱流制御性熱伝達装
置によって冷凍機の蒸発器と蓄熱槽内の冷却器とを熱的
に結合し、第２の熱流制御性熱伝達装置によって冷凍機
の凝縮器と蓄熱槽内の冷却器とを熱的に結合することに
よって、達成される。

［作用］ 上記の技術的手段による働きは、次のとおりである。

熱流制御性熱伝達装置は、蒸発性液体の沸騰作用と凝
縮作用とを用いており、従来のポンプのような可動部を
有しない熱伝達装置であるため、信頼性が著しく高いも
のとなる。また、熱流制御性熱伝達装置内には、蒸発性
液体を封入して動作させるため、保守点検時にその液体
が漏れても蒸発してしまい、従来の不凍液に比較して取
扱いが容易である。

冷凍装置は通常の冷凍サイクルの運転を行い、第１の
熱流制御性熱伝達装置を作動させ立上げ管根元のヒータ
に入力すると、蒸発器と熱的に接続する凝縮用熱交換器
で液化した蒸発性液体は、液戻り管を経て蒸発用熱交換
器に入り、ここで蓄熱材を冷却器に凝固させ、蒸発性液
体は気化して蒸気移動管を経て凝縮用熱交換器に戻るサ
イクルを構成する。

次に、第２の熱流制御性熱伝達装置を作動させ立上げ
管根元のヒータに入力すると、凝縮器と熱的に接続する
蒸発用熱交換器で気化した蒸発性液体は蒸気移動管を経
て凝縮用熱交換器に入り、ここで蓄熱材結晶を冷却器か
ら離脱させ、蒸発性液体は液化して液戻り管を経て蒸発
用熱交換器に戻るサイクルを構成する。

この動作を交互に繰り返し行うことにより、蓄熱槽内
に多量の蓄熱材結晶を蓄積する。

また、熱流制御性熱伝達装置内のヒータに加える入力
は、例えば凝縮用熱交換器から蒸発用熱交換器に輸送す
る熱量の約1/20と小さく、消費電力も小さくて済む。

［実施例］ 以下、本発明の各実施例を第１図ないし第６図を参照
して説明する。

まず、第１図は、本発明の一実施例に係る蓄熱式冷凍
装置の略示構成図である。

第１図に示す本実施例の蓄熱式冷凍装置は、冷凍装置
１、第１の熱流制御性熱伝達装置２、第２の熱流制御性
熱伝達装置３、蓄熱槽４から構成されている。

冷凍装置１は、蒸発器５、凝縮器６、圧縮機７、減圧
機構８が、図示のように配管９によって冷凍サイクルの
循環路を構成しており、この冷凍サイクル系にはフロン
等の蒸発性液体が入っている。

第１の熱流制御性熱伝達装置２は、蒸発用熱交換器2
1、凝縮用熱交換器22、蒸気移動管23、液戻り管24、そ
の途中に設けてあるタンク27および根元にヒータ28を設
けた逆Ｕ字形の立上げ管25によって、密閉循環路を構成
するように連結したもので、内部にはコロン等の蒸発性
液体が入っている。

第２の熱流制御性熱伝達装置３は、蒸発用熱交換器3
1、凝縮用熱交換器32、蒸気移動管33、液戻り管34、そ
の途中に設けてあるタンク37および根元にヒータ38を設
けた逆Ｕ字形の立上げ管35によって、密閉循環路を構成
するように連結したもので、内部にはフロン等の蒸発性
液体が入っている。

また、蓄熱槽４は、槽枠41内に、水，塩化カルシウム
６水塩などの蓄熱材42が満たされており、その内部に冷
却器43が浸漬されている。

本実施例の装置では、冷凍装置１の蒸発器５に、第１
の熱流制御性熱伝達装置２の凝縮用熱交換器22、蓄熱槽
４中の冷却器43に前記第１の熱流制御性熱伝達装置２の
蒸発用熱交換器21を配設しており、また、冷凍装置１の
凝縮器６に、第２の熱流制御性熱伝達装置３の蒸発用熱
交換器31、蓄熱槽４中の冷却器43に前記第２の熱流制御
性熱伝達装置３の凝縮用熱交換器32を配設している。

いま、冷凍装置１、第１の熱流制御性熱伝達装置２を
運転し、蓄熱槽４内の蓄熱材42を凝固させて蓄冷する場
合について説明する。

圧縮機７を運転すると、内部の蒸発性液体は断熱圧縮
されつつ配管９を通って凝縮器６に入る。

ここで蒸発性液体は凝縮潜熱を放出して液化し、その
後、減圧機構（例えば膨張弁）８に流入する。減圧機構
８にて蒸発性液体は断熱膨張して低温度となり、その後
蒸発器５に流入して圧縮機７に戻される。このように蒸
発性液体の断熱膨張によって、蒸発器５は冷却されるの
で、それに熱的に結合してある凝縮用熱交換器22も冷却
される。

冷凍装置１の運転にともない、第１の熱流制御性熱伝
達装置２を次のように作動させる。まず、ヒータ28に微
少な入力を加えると、逆Ｕ字形の立上げ管25の左側内部
で蒸発性液体が沸騰し、これによって生じた気泡のポン
プ作用によって、その周りにある液体はくみ上げられ
る。くみ上げられた液体は立上げ管25の頂部を越えて溢
れ出し、矢印に示すように液戻り管24を通って蒸発用熱
交換器21内に流入する。

ここで蒸発性液体は、蒸発用熱交換器21が配設されて
いる冷却器43の外部にある蓄熱材42から熱を吸収して蒸
発し、これによって発生した蒸気は、矢印に示すように
蒸気移動管23を通って蒸発器５部の凝縮用熱交換器22に
流入し、ここで凝縮熱を放出して液化する。

液化した蒸発性液体は、重力によって凝縮用熱交換器
22内を降下し、タンク27内に流入し、さらにヒータ28の
付いている立上げ管25の根元部に流入し、同じサイクル
を繰り返す。

均圧管26は、ヒータ28の加熱によって立上げ管25内に
発生した気泡を、くみ上げられた液体と分離して凝縮用
熱交換器22内に逃がし、気泡ポンプ作用を円滑にする機
能を有している。

このようにして、蓄熱槽４内の蓄熱材42の保有する熱
は、第１の熱流制御性熱伝達装置２を介して冷凍装置側
に輸送され、最終的には外部に熱放散される。このた
め、蓄熱材42の温度は、蒸発用熱交換器21に付いている
冷却器（蒸発用熱交換器21と一体でもよい）43によって
下げられ、凝固点以下となる。これにともない、冷却器
43の周りには、蓄熱材42の結晶が付着する。冷却器43に
結晶が厚く付着すると、その部分の熱抵抗が増大し、蓄
熱材42から冷却器43へ熱が入りにくくなり、結果として
蓄熱材42の結晶成長率が小さくなり、また冷凍装置の成
績係数も悪くなる。

このため、本実施例では、次のようにして、冷却器43
に付着した結晶を離脱させ、熱抵抗の減少化を図ってい
る。

まず、第１の熱流制御性熱伝達装置２のヒータ28の入
力を切る。これによって立上げ管25内における気泡ポン
プ作用はなくなり、蒸発性液体はすべてタンク27内に溜
められる。このため、蒸発用熱交換器21から凝縮用熱交
換器22への熱輸送は停止され、冷却器43の冷却能力は一
時的に停止される。

次に、第２の熱流制御性熱伝達装置３のヒータ38に入
力を加える。冷凍装置１の凝縮器６で発生する熱の一部
は、蒸発用熱交換器31から蓄熱槽１内の冷却器43に伝わ
る。すなわち、蒸発用熱交換器31で発生した蒸気は矢印
に示すように蒸気移動管33を通って蓄熱槽４内の冷却器
43に配設された凝縮用熱交換器32に流入し、蒸発性液体
は液化する。この熱によって、冷却器43に付着している
蓄熱材結晶（図示せず）の冷却器43界面の結晶の一部が
融解し、冷却器43から結晶が離脱する。

液化した蒸発性液体は、矢印に示すようにタンク37、
液戻り管34、ヒータ38を具備した立上げ管35を経て蒸発
用熱交換器31に戻り気化して同じサイクルを繰り返す。
なお、36は均圧管である。

結晶が冷却器43から離脱したのち、再び運転方法を元
に戻す。

すなわち、第２の熱流制御性熱伝達装置３のヒータ38
の入力を停止し、第１の熱流制御性熱伝達装置２のヒー
タ28に入力を加え、再び冷却器43の冷却作用を行わせ、
蓄熱材42内に蓄冷を行う。

この動作を交互に繰り返し行うことにより、蓄熱槽４
内に多量の蓄熱材結晶を蓄積する。

本実施例によれば次の効果がある。

（１）蓄熱材の結晶化と離脱とを円滑に行わせることが
でき、したがって、冷却器周りの熱抵抗が減少し、冷凍
装置の成績係数が向上する。

（２）従来のポンプを用いて不凍液を循環する場合に比
較して、消費電力を著しく小さくできる。

（３）蒸発性液体の沸騰と凝縮熱伝達を利用して熱交換
器の伝達性能を向上して、その伝熱面積を減少する。

（４）保守性、施工性、信頼性を向上でき実用に供して
便利である。

次に、第２図は、本発明の他の実施例に係る蓄熱式冷
凍装置の略示構成図である。図中、第１図と同一符号の
ものは、先の実施例と同等部分であるから、その説明を
省略する。

第２図に示す実施例では、第２の熱流制御性熱伝達装
置3Aの蒸発用熱交換器31Aを圧縮機7A部に設け、圧縮機7
Aから発生する熱を利用して蓄熱材結晶を離脱するもの
である。

第２図の実施例によれば、第１図の実施例と同様の効
果が期待されるほか、圧縮機7Aを冷却することができ、
圧縮機の効率と信頼性を向上するのに役立つ。

次に、第３図は、本発明のさらに他の実施例に係る蓄
熱式冷凍装置の略示構成図である。図中、第１図と同一
符号のものは、先の実施例と同等部分であるから、その
説明を省略する。

先の第１図および第２図の実施例は、冷凍装置１の蒸
発器５より凝縮器６が低位置に配置されている場合であ
ったが、第３図の実施例では、冷凍装置1Aの蒸発器５と
凝縮器６とが同一水平レベルに配置されている場合に、
本発明を適用したものである。

第３図の実施例によれば、先の実施例と同様の効果が
期待される。

なお、凝縮器６が冷却器43より高い位置における場合
にも、本発明が適用できることは言うまでもない。

次に、第４図は、本発明のさらに他の実施例に係る蓄
熱式冷凍装置の略示構成図である。図中、第１図と同一
符号のものは、先の実施例と同等部分であるから、その
説明を省略する。

先の第１図，第２図の実施例では、第２の熱流制御性
熱伝達装置3,3Aの蒸発器31,31Aは、凝縮器６または圧縮
機7A部に設けて、それから発生する熱の一部を利用して
いる。

第４図の実施例では、第２の熱流制御性熱伝達装置3B
の蒸発用熱交換器に係る蒸発器31Bは大気中に配設さ
れ、大気の熱を利用して蓄熱槽４内の蓄熱材結晶を離脱
させるようにしている。

第４図の実施例によれば、先の実施例と同様の効果が
期待される。

なお、第４図に示す蒸発器部31Bに、排熱、太陽熱、
または地下水の保有熱を導入して利用してもよい。

次に、第５図は、本発明のさらに他の実施例に係る蓄
熱式冷凍装置の略示構成図である。図中、第１図と同一
符号のものは、先の実施例と同等部分であるから、その
説明を省略する。

第５図において、４は、蓄熱用の第１の蓄熱槽、11
は、第２の蓄熱槽、12は蓄熱材、13は、第３の蓄熱槽、
14は蓄熱材、15は、第１の蓄熱槽11に設けた熱交換器、
16は、第２の蓄熱槽13に設けた熱交換器である。

第５図の実施例では、冷却器43を有する第１の蓄熱槽
４のほかに、第2,第３の蓄熱槽11,13を設け、冷凍装置
１の蒸発器５と第１の熱流制御性熱伝達装置２の凝縮用
熱交換器22とを第２の蓄熱槽11の蓄熱材12中に配設し、
冷凍装置１の凝縮器６と第２の熱流制御性熱伝達装置３
の蒸発用熱交換器31とを第３の蓄熱槽13の蓄熱材14中に
配設したものである。

第２の蓄熱槽11には、熱交換器15を設け、外部からの
冷熱を蓄熱材12中に導入して利用できるようにしてあ
る。この熱交換器15は、蒸発器５および凝縮用熱交換器
22に接触させて設け、これらを直接冷却して熱除去して
もよい。

また、第３の蓄熱槽13には、熱交換器16を設け、外部
から冷水等を導入して蓄熱材14の保有する熱を除去する
ようにしている。この熱交換器16は、凝縮器６に接触さ
せて直接熱を取り出すようにしてもよい。

このように、冷凍装置１の蒸発器５および凝縮器６の
周りに蓄熱材12および蓄熱材14を介在させると、冷凍装
置１は多様性に応じた運転ができる。例えば、蓄熱槽４
内の蓄熱材42の温度に変動が生じても、冷凍装置１は、
蓄熱材12または蓄熱材14の温度のみを監視した運転を行
なえばよく、運転が円滑に余裕をもって行なえる。

第５図の実施例によれば、先の各実施例と同様の効果
が期待される。

次に、第６図は、本発明のさらに他の実施例に係る蓄
熱式冷凍装置の略示構成図である。図中、第５図と同一
符号のものは、先の実施例と同等部分であるから、その
説明を省略する。

なお、同一符号に′を付した符号のものは、複数の同
等部分を示す。

第６図に示す蓄熱式冷凍装置は、第１の蓄熱槽4A内に
２個の冷却器43,43′を設け、これに対応して２組の第
１の熱流制御性熱伝達装置2,2′、および２組の第２の
熱流制御性熱伝達装置3,3′を設けたものである。

すなわち、第２の蓄熱槽11Aに２組の第１の熱流制御
性熱伝達装置2,2′の各凝縮用熱交換器22,22′を配設
し、第３の蓄熱槽13Aに２組の第２の熱流制御性熱伝達
装置3,3′の各蒸発用熱交換器31,31′を配設し、前記２
組の第１の熱流制御性熱伝達装置2,2′の蒸発用熱交換
器21,21′、および前記２組の第２の熱流制御性熱伝達
装置3,3′の凝縮用熱交換器32,32′を、それぞれ蓄熱槽
4A中の各冷却器43,43′に配設している。

運転方法としては、第１の熱流制御性熱伝達装置２と
第２の熱流制御性熱伝達装置３′とを運転しているとき
は、第１の熱流制御性熱伝達装置２′と第２の熱流制御
性熱伝達装置３の運転を停止し、一定時間後これを逆転
して運転するものである。

このようにすると、冷却器43,43′の間で、一方で結
晶の付着、他方で結晶の離脱を交互に行なわせることが
でき、蓄熱槽４内に効率よく結晶を蓄積し、早期に蓄冷
を完了させることができる。

第１と第２の熱流制御性熱伝達装置、および冷却器の
数を３倍以上に増加すれば、さらに早期に蓄冷を完了さ
せることが可能である。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明によれば、蓄熱槽内の蓄熱
材を凝固させながら熱を取り出す際に、蓄熱槽内の熱交
換器まわりに付着する蓄熱材結晶を適宜離脱させて熱の
取得を容易にするとともに、保守性、施工性、信頼性が
高く、かつ消費電力の少ない蓄熱式冷凍装置を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係る蓄熱式冷凍装置の略
示構成図、第２図は、本発明の他の実施例に係る蓄熱式
冷凍装置の略示構成図、第３図は、本発明のさらに他の
実施例に係る蓄熱式冷凍装置の略示構成図、第４図ない
し第６図は、いずれも本発明のさらに他の実施例に係る
蓄熱式冷凍装置の略示構成図である。 1,1A…冷凍装置、2,2′…第１の熱流制御性熱伝達装
置、3,3′,3A,3B…第２の熱流制御性熱伝達装置、4,4A
…蓄熱槽、５…蒸発器、６…凝縮器、7,7A…圧縮機、８
…減圧機構、11,11A…第２の蓄熱槽…13,13A…第３の蓄
熱槽、21,21′,31,31′…蒸発用熱交換器、22,22′,32,
32′…凝縮用熱交換器、23,23′,33,33′…蒸気移動
管、24,24′,34,34′…液戻り管、28,28′,38,38′…ヒ
ータ、25,25′,35,35′…立上げ管、43,43′…冷却器。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧縮機、凝縮器、減圧機構、および蒸発器
   を配管接続して冷凍サイクルを構成する冷凍装置と、 蓄熱材を満たし、冷却器を有する蓄熱槽と、 蒸発用熱交換器、凝縮用熱交換器、これら熱交換器を結
   ぶ液戻り管、逆Ｕ字形立上げ管、立上げ管根元部に設け
   たヒータ、および蒸気移動管によって蒸発性液体の密閉
   循環器を構成する熱流制御性熱伝達装置とを備えた蓄熱
   式冷凍装置において、 上記熱流制御性熱伝達装置を少なくとも２組設け、 上記蒸発器に第１の熱流制御性熱伝達装置の凝縮用熱交
   換器、蓄熱槽中の冷却器に前記第１の熱流制御性熱伝達
   装置の蒸発用熱交換器を配設し、 上記凝縮器に第２の熱流制御性熱伝達装置の蒸発用熱交
   換器、蓄熱槽中の冷却器に前記第２の熱流制御性熱伝達
   装置の凝縮用熱交換器を配設し、 前記第1,第２の熱流制御性熱伝達装置のヒータに交互に
   入力しうる制御回路を構成したことを特徴とする蓄熱式
   冷凍装置。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項記載のものにおい
   て、冷却器を有する蓄熱槽のほかに第2,第３の蓄熱槽を
   設け、蒸発器と第１の熱流制御性熱伝達装置の凝縮用熱
   交換器とを第２の蓄熱槽内に配設し、凝縮器と第２の熱
   流制御性熱伝達装置の蒸発用熱交換器とを第３の蓄熱槽
   内に配設したことを特徴とする蓄熱式冷凍装置。
3. 【請求項３】特許請求の範囲第２項記載のものにおい
   て、第２の蓄熱槽に複数組の第１の熱流制御性熱伝達装
   置の複数の凝縮用熱交換器を配設し、第３の蓄熱槽に複
   数組の第２の熱流制御性熱伝達装置の複数の蒸発用熱交
   換器を配設し、前記複数組の第１の熱流制御性熱伝達装
   置の複数の蒸発用熱交換器および前記複数組の第２の熱
   流制御性熱伝達装置の複数の凝縮用熱交換器を、それぞ
   れ蓄熱槽中の冷却器に配設したことを特徴とする蓄熱式
   冷凍装置。