JP2720546B2 - 蓄冷装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、リキッド状の氷、あるいは気体水和物を生
成して蓄冷を行う蓄冷装置に関する。

［従来の技術］ 近年、空調分野などでは、氷の大きな融解潜熱を利用
して蓄冷を行う氷蓄冷方式が採用されている。

この氷蓄冷方式では、伝熱面の外面、あるいは内面に
生成された氷がある程度成長すると、氷が断熱材の働き
をするため、冷凍機のCOP（成績係数）が低下する問題
を備えている。

そこで、現在では、流動性や取扱い性に優れ、且つ伝
熱性能の良いリキッド状の氷を使用したリキッドアイス
蓄冷装置（特開昭61−272539号公報参照）の研究や、流
動性に優れ、且つ蓄熱容量の多い気体水和物蓄冷装置
（特開昭63−271065号公報、特開昭63−271096号公報参
照）の研究が盛んに行われている。

リキッドアイスは、水に不凍液（例えばエチレングリ
コール）を加えた不凍液水を氷点（例えば−20℃〜−５
℃）以下に冷却した際に、析出した氷の粒が濃度の高い
エチレングリコール水溶液に包み込まれて生成される。

気体水和物は、不凍液水を気体水和物の分解温度（例
えば４℃〜20℃）以下に冷却した際に、疎水性の気体分
子（例えばフロン）が水との共存下で析出する化合物で
ある。

［発明が解決しようとする課題］ しかるに、上述のリキッドアイス蓄冷装置や気体水和
物蓄冷装置では、氷または気体水和物が生成されるにし
たがって、氷または気体水和物以外の不凍液水（不凍液
＋水）が徐々に濃縮され、不凍液濃度が大きくなる。こ
のため、不凍液による水の凝固点降下（氷の生成温度の
降下）、あるいは気体水和物の分解温度降下（気体水和
物の生成温度の降下）が大きくなることから、冷凍機の
COPが悪化し、蓄冷時間が長くなってしまう課題を有し
ていた。

本発明は上記事情に基づいてなされたもので、その目
的は、蓄冷時間を短縮した蓄冷装置を提供することにあ
る。

［課題を解決するための手段］ 本発明は上記目的を達成するために、水に不凍液を加
えた不凍液水を蓄える液槽を有し、前記不凍液を冷却し
てリキッドアイスまたは気体水和物を生成する生成装置
と、供給された不凍液水を、水と不凍液とに分離する分
離装置と、通電を受けることで、前記液槽内の不凍液水
を前記分離装置に供給するとともに、前記分離装置で分
離された水を前記液槽内に送るポンプと、前記液槽内の
不凍液濃度を検出する検出手段を有し、該検出手段の検
出値が予め設定された設定値以上に上昇した際に前記ポ
ンプを通電する制御装置とを備えたことを技術手段とす
る。

［作用］ 上記構成よりなる本発明の蓄冷装置は、以下の作用を
有する。

生成装置の作動により、不凍液水が生成温度以下に冷
却されて、リキッドアイスまたは気体水和物が生成され
始める。その後、検出手段の検出値が設定値以上に上昇
した際に、制御装置によってポンプが通電される。

ポンプが通電されると、液槽内の不凍液水が分離装置
に供給される。分離装置に供給された不凍液水は、水と
不凍液とに分離され、分離された水が液槽内に送り込ま
れることにより、液槽内に不凍液水が希釈される。この
ため、蓄冷中における液槽内の不凍液濃度の設定値以上
への上昇が抑制される。

［発明の効果］ 上記作用を有する本発明の蓄冷装置は、蓄冷中におけ
る液槽内の不凍液濃度が設定値以上に上昇することがな
くなるので、リキッドアイスまたは気体水和物の生成温
度の降下を防ぐことができる。この結果、冷凍機のCOP
の低下を防止して、蓄冷時間を短縮することができる。

［実施例］ 次に、本発明の蓄冷装置を図面に示す実施例に基づき
説明する。

第１図および第２図は本発明の第１実施例を示し、第
１図は蓄冷装置の全体構成図である。

本実施例の蓄冷装置１は、水に不凍液（例えばエチレ
ングリコール）を加えたブライン（本発明の不凍液水）
を、氷点（生成温度）以下に冷却してリキッドアイスを
生成するリキッドアイス生成装置２と、供給されたブラ
インを水と不凍液とに分離する分離装置３とを備える。

リキッドアイス生成装置２は、ブラインを蓄えるとと
も、生成したリキッドアイスを貯蔵する蓄冷槽４（本発
明の液槽）と、この蓄冷槽４を冷媒蒸発器として機能さ
せる冷凍サイクル５とから構成されている。

蓄冷槽４は、外部の熱を断熱して設けられた密閉容器
である。

冷凍サイクル５は、ブラインを氷点以下に冷却する冷
却装置である。この冷凍サイクル５は、冷媒蒸発器とし
て機能する蓄冷槽４以外に、冷媒圧縮機６、冷媒凝縮器
７、レシーバ８、および膨脹弁９から成り、上記各機能
部品６〜９、および４を、冷媒配管10によって環状に接
続したものである。

なお、蓄冷槽４に接続される冷媒配管10は、上流側の
蓄冷槽４の底壁面に接続され、下流側が蓄冷槽４の上壁
面に接続されている。

また、膨脹弁９で減圧された冷媒を、蓄冷槽４内に蓄
えられたブライン中に噴出させるため、蓄冷槽４の底壁
面に接続された冷媒配管10の先端には、ノズル11が取り
付けられている。

分離装置３は、内部に、水と不凍液とを分離する分離
膜3aを有する筒体で、供給されたブラインの流入口3b、
分離された水および不凍液の流出口3cおよび3dが形成さ
れている。

分離装置３の流入口3bは、ポンプ12を介在させた往路
配管13によって、蓄冷槽４の底部寄りに接続されてい
る。水の流出口3cは、岐路配管14を介して蓄冷槽４の底
部寄りに接続され、不凍液の流出口3dは、分離された不
凍液を一時的に貯蔵する貯蔵槽15に連絡されている。

ポンプ12は、後述する制御装置16によって通電制御さ
れ、通電を受けることで、蓄冷槽４内のブラインを分離
装置３へ供給するとともに、分離装置３で分離された水
および不凍液を、それぞれ蓄冷槽４および貯蔵槽15へ送
り込む。なお、通電が停止された際には、蓄冷槽４と分
離装置３との連通を遮断する。

貯蔵槽15は、貯蔵槽15内に蓄えられた不凍液を蓄冷槽
４に戻すためのリターン配管17によって、蓄冷槽４に接
続されている。リターン配管17には、貯蔵槽15内の不凍
液を汲み上げて蓄冷槽４内へ送り込むためのポンプ18が
介在されている。ポンプ18は、ポンプ12と同様に、制御
装置16によって通電制御される。

蓄冷槽４内には、蓄冷槽４内の不凍液濃度を検出する
濃度センサ（本発明の検出手段）19が、ブライン中に浸
漬された状態で配設されている。この濃度センサ19は、
ブライン中においてセンサ本体を振動させることによ
り、ブライン中の不凍液密度を求めて濃度に換算するも
のである。

貯蔵槽15内には、貯蔵槽15内に蓄えられた不凍液の液
面レベルを検出する液面レベルセンサ（フロート式や超
音波反射式など）20が設けられている。

この液面レベルセンサ20は、リキッドアイスの所要の
生成量を、貯蔵槽15内に蓄えられた不凍液の量に基づい
て量るために使用するものである。

従って、本実施例では、リキッドアイスの所要の生成
量を得るために、所要のリキッドアイス生成量に対する
不凍液の液面レベルが予め設定されている。

制御装置16は、濃度センサ19および液面レベルセンサ
20の検出値に応じて、ポンプ12、ポンプ18、および冷媒
圧縮機６の通電および通電の停止を制御する。

ここで制御装置16の作動について、第２図に示すフロ
ーチャートに基づいて説明する。

まず、ステップS1で、濃度センサ19による不凍液濃度
の検出値Ｃを入力し、ステップS2へ進む。

ステップS2で、入力された検出値Ｃが、予め設定され
た不凍液濃度に対する設定値C1以上に上昇しているか否
かを判断する。ステップS2の判断結果がNOの場合は、ス
テップS1へ戻る。ステップS2の判断結果がYESの場合
は、ステップS3へ進み、ポンプ12への通電を行う。

次にステップS4で、液面レベルセンサ20の検出値Ｈ
が、所定の液面レベルに対する設定値H0以上であるか否
かを判断する。ステップS4の判断結果がNOの場合は、ス
テップS5で、再び濃度センサ19の検出値Ｃを入力し、ス
テップS6へ進む。

ステップS6で、入力された検出値Ｃが、設定値C1より
低下しているか否かを判断する。ステップS6の判断結果
がNOの場合は、ステップS5へ戻る。ステップS6の判断結
果がYESの場合、ステップS7へ進み、ポンプ12への通電
を停止した後、ステップS1へ戻る。

ステップS4の判断結果がYESの場合は、ステップS8へ
進み、冷媒圧縮機６およびポンプ12への通電を停止す
る。

次にステップS9で、濃度センサ19の検出値Ｃを入力
し、ステップS10へ進む。ステップS10で、入力された検
出値Ｃが、生成されたリキッドアイスがほぼ全量融解し
た時の不凍液濃度に対する設定値C2以下に低下している
か否かを判断する。

ステップS10の判断結果がNOの場合は、ステップS9へ
戻る。ステップS10の判断結果がYESの場合は、ステップ
S11へ進み、ポンプ18への通電を行う。

次にステップS12で、濃度センサ19の検出値Ｃを入力
し、ステップS13へ進む。ステップS13で、入力された検
出値Ｃが、初期の不凍液濃度に対する設定値C0と等しい
か否かを判断する。ステップS13の判断結果がNOの場合
は、ステップS12へ戻る。ステップS13の判断結果がYES
の場合は、ステップS14へ進み、ポンプ18への通電を停
止して終了する。

次に、上記構成を有する蓄冷装置１の作動について説
明する。

冷凍サイクル５の作動により、膨脹弁９から供給され
た低温、低圧の冷媒が、ノズル11より蓄冷槽４内のブラ
イン中に噴出される。冷媒との熱交換によってブライン
が徐々に冷却され、初期の不凍液濃度における氷の凍結
温度に達することで、リキッドアイスが生成され始め
る。

リキッドアイスの生成にともなってブラインが濃縮さ
れるため、蓄冷槽４内の不凍液濃度が徐々に上昇する。

この過程において、濃度センサ19により検出される不
凍液濃度の検出値Ｃが、予め設定された不凍液濃度に対
する設定値C1以上に上昇すると、制御装置16によってポ
ンプ12が通電される。

この結果、ポンプ12が作動し、蓄冷槽４内のブライン
が、往路配管13を通って分離装置３に供給され、水と不
凍液とに分離される。分離された水は、岐路配管14を通
って蓄冷槽４内へ送られ、不凍液は貯蔵槽15に蓄えられ
る。このポンプ12および分離装置３の作動によって、分
離された水が蓄冷槽４内へ還流することにより、蓄冷槽
４内のブラインは希釈される。

その後、蓄冷槽４内のブラインが希釈されることで、
濃度センサ19の検出値Ｃが設定値C1より低下すると、制
御装置16によりポンプ12への通電が停止される。

以後、上記作動が繰り返されることにより、ブライン
の不凍液濃度が設定値C1に対する濃度においてほぼ一定
に保たれ、蓄冷が進む。

一方、液面レベルセンサ20の検出値Ｈが、所定の液面
レベルに対する設定値H0に達した際、つまり分離装置３
で分離されて貯蔵槽15内に蓄えられた不凍液の液面レベ
ルが、リキッドアイスの所要の生成量に対する不凍液の
液面レベルに達した際に、制御装置16により、冷媒圧縮
機６およびポンプ12への通電が停止されて、蓄冷が終了
する。

その後、生成されたリキッドアイスが、放冷によって
徐々に融解するにしたがい、蓄冷槽４内の不凍液濃度が
次第に低下する。そして、濃度センサ19の検出値Ｃが、
リキッドアイスがほぼ全量融解した時の不凍液濃度に対
する設定値C2以下に低下した際に、制御装置16によりポ
ンプ18への通電を行うことで、貯蔵槽15内に蓄えられて
いた不凍液が蓄冷槽４内に送り込まれる。

これにより、蓄冷槽４内の不凍液濃度が徐々に上昇
し、初期の不凍液濃度に達すると、つまり濃度センサ19
の検出値Ｃが、初期の不凍液濃度に対する設定値C0に達
すると、制御装置16によりポンプ18への通電が停止され
る。

以上のように、本実施例の蓄冷装置１は、蓄冷中にお
ける蓄冷槽４内の不凍液濃度をほぼ一定に保つことがで
きるため、リキッドアイスの生成温度の降下を防ぐこと
ができる。この結果、冷凍サイクル５のCOP（成績係
数）の低下を防止することができ、蓄冷時間を短縮する
ことができる。

第３図は本発明の第２実施例を示すもので、蓄冷装置
の全体構成図である。

本実施例の蓄冷装置１は、ブラインを蓄える液槽41内
に、不凍液を冷媒により冷却してリキッドアイスを生成
するための熱交換器42を備えている。このように、液槽
41内で間接的に不凍液と冷媒とを熱交換させた場合でも
第１実施例と同様な効果を有する。

第４図は本発明の第３実施例を示すもので、蓄冷装置
の全体構成図である。

本実施例の蓄冷装置１は、気体水和物の分解温度（本
発明の生成温度）以下に冷却して、気体水和物を生成す
る気体水和物生成装置43を備えている。この気体水和物
生成装置43は、ブラインを蓄えるとともに生成した気体
水和物を貯蔵する液槽44と、この液槽44を蒸発器として
機能させる冷凍サイクル５とから構成されている。

なお、気体水和物は、疎水性の気体分子（例えば冷
媒：フロン）が水との共存下で析出する化合物で不凍液
（例えばエチレングリコール、エタノール）濃度が変化
することにより分解温度も変化する。

本実施例の蓄冷装置１においても、蓄冷中における液
槽44内の不凍液濃度をほぼ一定に保つことによって、気
体水和物の分解温度の降下を防げる。この結果、第１実
施例と同様に、冷凍サイクル５のCOPの低下を防止する
ことができ、蓄冷時間を短縮することができる。

第５図は本発明の第４実施例を示すもので、蓄冷装置
の全体構成図である。

本実施例の蓄冷装置１は、ブラインを蓄える液槽45内
に、不凍液を冷媒により分解温度以下に冷却して気体水
和物を生成するための熱交換器46を備えている。本実施
例では、水、気体水和物、液冷媒の順に比重が大きいた
め、液槽45の下方から順に、第１層（不凍液＋液冷
媒）、第２層（気体水和物）、第３層（不凍液＋水）が
形成される。このため、気体水和物を生成する際に、撹
拌機47などにより液冷媒と水とを撹拌して液冷媒と水と
を混合する必要がある。

本実施例も第３実施例と同様な効果を有する。

（変形例） 不凍液としては、エチレングリコールに限定すること
はなく、例えばポリプロピレングリコールを使用しても
よい。

疎水性分子としては、冷媒（フロン）に限定すること
はなく、メタン、エタン、プロパン等の炭化水素を使用
してもよい。

ポンプの配置位置は、本実施例に限定することはな
く、例えば分離装置の流出口と液槽との間に配置しても
良い。

不凍液水を冷却する冷却装置としては、冷凍サイクル
の限定することはなく、例えばペルチェ素子など電子冷
却装置や、空気圧縮による冷却装置などを使用しても良
い。

本実施例では、検出値（不凍液濃度）Ｃが予め設定さ
れた設定値C1より低下した際にポンプ12の通電を停止し
た。この他に、検出値Ｃが設定値C1より低下した際にポ
ンプ12の通電量を、設定値C1以上に上昇した際の通電量
より低下させて、ポンプ12の吸引能力を低下させてもよ
い。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の第１実施例を示すもの
で、第１図は蓄冷装置の全体構成図、第２図は制御装置
の作動を示すフローチャートである。 第３図は本発明の第２実施例を示すもので、蓄冷装置の
全体構成図である。第４図は本発明の第３実施例を示す
もので、蓄冷装置の全体構成図である。第５図は本発明
の第４実施例を示すもので、蓄冷装置の全体構成図であ
る。 図中 １……蓄冷装置、２……リキッドアイス生成装置 ３……分離装置、４……蓄冷槽（液槽）、12……ポンプ 16……制御装置、19……濃度センサ（検出手段）

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（ａ）水に不凍液を加えた不凍液水を蓄え
   る液槽を有し、前記不凍液を冷却してリキッドアイスま
   たは気体水和物を生成する生成装置と、 （ｂ）供給された不凍液水を、水と不凍液とに分離する
   分離装置と、 （ｃ）通電を受けることで、前記液槽内の不凍液水を前
   記分離装置に供給するとともに、前記分離装置で分離さ
   れた水を前記液槽内に送るポンプと、 （ｄ）前記液槽内の不凍液濃度を検出する検出手段を有
   し、該検出手段の検出値が予め設定された設定値以上に
   上昇した際に前記ポンプを通電する制御装置と を備えた蓄冷装置。