JP2755775B2 - 過冷却器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、蓄熱用製氷装置等に用いられる過冷却器に
係り、特に過冷却水を生成する流路を例えば蛇管状に折
曲して小型化を可能にする化冷却器に関する。

（従来の技術） 氷蓄熱空調システムは、氷の製造に係る冷凍機につい
て安価な深夜電力を利用でき、かつこれによって冷熱を
消費する昼間の電力ピークを抑え、電力負荷の平準化を
可能にするものとして期待される。そして、氷蓄熱空調
システムにおいて、冷熱の蓄熱体（蓄熱水槽）に供給す
る氷を製造する方法としては、従来から間接熱交換方式
と直接熱交換方式が知られている。

間接熱交換方式とは、銅やポリエチレンでできた製氷
用伝熱関の管外または管内に、冷凍機を用いて低温の冷
媒（フロン等）または不凍液（ブライン）を流通させ、
伝熱管の管壁を冷却することによって伝熱管内（または
伝熱管外）を流通する被冷却液としての水から氷を精製
する方法であり、他方直接熱交換方式とは冷媒ガスを直
接水中に吹込んで製氷する方法である。

ところが間接熱交換方式においては、生成した氷は管
壁に付着して成長するが、氷の熱伝導率は低い。したが
って、氷が成長して厚みを増すにつれて、被冷却液から
冷媒への熱流束が小さくなって氷の成長速度が遅くな
り、製氷能力が劣化する。氷の成長を促進するには、管
壁に付着した氷が厚くなったときに冷媒の温度を下げれ
ばよいが、そうすると冷凍機の成績係数（COP;冷凍量と
そのために要する仕事量の熱当量の比）が下がる。

また蓄熱水槽内に伝熱管（通常複数本）を導入して製
氷する場合は、隣合う伝熱管のピッチが狭いほど、塊状
の氷はできにくくなり、蓄熱水槽内において氷を隙間な
く充填して蓄熱効率を高めることができる。しかし、一
方で多数の伝熱管が蓄熱水槽内に浸漬することになって
生成した氷を納める容積が奪われるという欠点がある。
これに対して、隣合う伝熱管のピッチを広げると、伝熱
管表面に付着する氷の厚みが増す。そうすると上述のよ
うに冷凍機の成績係数が下がるばかりでなく、塊状の氷
のため、解氷分布が不均一になって冷熱の取出しにムラ
が生じる。さらに塊状の氷は蓄熱水槽内において空間の
無駄なく充填することはできず、氷の充填率は20〜30％
程度である。したがって蓄熱効率は、冷水を用いる蓄熱
水槽と比べてあまりよくはならない。

このため、間接熱交換方式においても伝熱管の管壁に
着氷しないように、被冷却液としての水にエチレングリ
コールなどの不凍液を混合する方法が最近注目されてい
る。この方法によれば、被冷却液中の水分から氷が生成
しても不凍液によって搬送され、伝熱管壁に着氷するこ
とはない。かつ生成する氷はシャーベット状である。こ
のため、塊状の氷と違って水の充填率も50〜60％に高め
ることができる。

しかし、不凍液を混在させるだけでも被冷却液を冷却
する冷媒温度を下げなければならないが、氷の生成が進
むと被冷却液中の不凍液の濃度が高くなるため、さらに
冷媒温度を−10〜−20℃程度に下げなければならない。
このため、やはり冷凍機の成績係数は低いものになる。
さらに、伝熱管表面は、着氷を防ぐため例えば鏡面仕上
げを施すなどした滑らかなものを使用しなければなら
ず、熱交換に係る設備が高価なものになる。

一方、直接熱交換方式の場合は、冷媒の温度は０℃程
度（０℃以下）でも十分なため、冷凍機の成績係数は上
がる。また伝熱管は使用しないため、蓄熱水槽において
伝熱管に氷の収納スペースを奪われることはなく、かつ
伝熱管への着氷による氷塊も発生しない。したがって蓄
熱水槽内の氷の充填率は50〜60％程度になる。

しかし、冷媒ガスとして最もよく用いられるフロン
は、水と混合すると反応し、腐食性の塩素ガスを発生す
るという問題がある。また冷媒中に混合する冷凍機（圧
縮機）用の潤滑油を分離する必要がある上、冷媒の回収
時に混入する水分が圧縮機を腐食させるおそれもある。

この他、間接熱交換方式において、氷の充填率の低下
と冷凍機の成績係数の低下に鑑み、製氷部と蓄熱水槽を
分離したハーベストタイプと呼ばれる氷蓄熱システムも
提案されている。このシステムは蓄熱水槽上部の製氷部
にある伝熱管表面に一定（比較的薄い）の厚さの氷を生
成させた後、伝熱管の表面を暖め、生成した氷を下方の
蓄熱水槽に落下・蓄積させる方式である。

しかし、この方式は製氷部において、冷却（製氷）と
加熱（溶氷）という二段階の過程が必要でそのコントロ
ールが複雑である上に、製氷部は冷却と加熱のための装
置を備えることから蓄熱水槽とほぼ同じ大きさになって
しまう。このため、システムは全体として大きなものに
なってしまい、コストが嵩むという難点がある。

そこで、間接熱交換方式と直接熱交換方式のそれぞれ
に固有な欠点を回避するため、特開昭63−217171号公報
には、次のような製氷装置と製氷方式が提案されてい
る。すなわち、蓄熱水槽の上方に水の過冷却器を設置
し、この過冷却器内部に断熱して納めた給水管（伝熱
管）内で冷凍機を用いて水を０℃以下（−４℃程度）に
過冷却する。そしてこの水を蓄熱水槽内に送込む際、例
えばメッシュ状の衝突板に衝突させ、衝撃によって過冷
却水を結氷させ、蓄熱水槽に蓄えるというものである。

この方式は、伝熱管の表面で製氷することはなく、ま
た簡単な装置ですむ製氷方式でありながら、氷充填率の
よいシャーベット状の氷を生成することができる。そし
て水の過冷却時にもそれほど低温を必要としないため、
冷凍機の成績係数も良好である。

（発明が解決しようとする課題） ところがこの方式は、過冷却水が給水管内で結氷して
給水管を閉塞することがないように、給水管は真っ直ぐ
にして過冷却水が澱みなく流れるようにしなければなら
ない。これについて第３図を参照して説明する。

第３図は、湾曲し過冷却水１が流れる給水管２の断面
図である。このような給水管２においては、湾曲したＵ
字部３の曲り始めの部分3aにおいて過冷却水１に遠心力
が働き、壁面に対する圧力は、内壁４側では低く、外壁
５側では高くなる。そうするとこの圧力差によって内壁
側４では流れの遅い澱み（渦）が生じ、過冷却水は凍結
して、凍結層6aが内壁４に付着する。

一方、過冷却水１に対する遠心力は、Ｕ字部３の曲り
終りの部分3bにおいても働く。ただしここでは壁面に対
する圧力は、内壁４側で高く、外壁５側で低くなる。し
たがって過冷却水が凍結してできる凍結層6bは、外壁５
に付着する。

そして、これら凍結層6a,6bは過冷却水の流れが続く
につれて成長するため、やがて給水管２を閉塞してしま
う。

このような理由で給水管は直管とせざるを得ないが、
水を十分に過冷却するには、かなりの長さの給水管を必
要とする。したがって、給水管だけでなく、これを納め
る過冷却器もそれにつれて長くなり、設置スペースの確
保が困難であった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、上述の製
氷装置等で過冷却水の生成に用いられる過冷却器におい
て、過冷却水を生成する流路をコンパクトに納めて小型
化を可能にする過冷却器を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、
水を流路に通しながら冷媒またはブラインとの間で熱交
換し、０℃以下の過冷却水を生成する過冷却器におい
て、前記流路は、湾曲部と、この湾曲部の外面を加熱す
る不凍液を外気と熱交換可能に内蔵する加熱装置と、を
具備していることを特徴とする。

また、請求項２の発明は、水を流路に通しながら冷媒
またはブラインとの間で熱交換し、０℃以下の過冷却水
を生成する過冷却器において、前記流路は、湾曲部と、
この湾曲部をヒーターにより加熱する加熱装置と、を具
備したことを特徴とする。

（作用） 本発明の過冷却器は、内部に納める過冷却水の流路を
湾曲させるが、この際湾曲部は加熱装置の不凍液または
ヒータによって過冷却水が凍結しない程度に加熱するこ
とができるので、湾曲部において過冷却水の結氷による
閉塞が生じることはない。そして過冷却水の流路を湾曲
させることから、水を十分に過冷却するための直線状流
路を設置する場合でも、過冷却器自身を小型化すること
ができる。

そして、不凍液により冷却水を加温する請求項１の発
明では、不凍液の外気と熱交換可能であるので、寒冷地
での使用には若干困難性を伴うものの、温暖な地域では
十分に実用的効果を有し、その効果は短所を補って余り
あるものがある。つまり、構成が簡単であるので、小型
軽量化が可能であるうえに、コストも安価で済む。

（実施例） 以下第１図と第２図を参照して本発明の実施例を説明
する。

第１図は本発明の一実施例に係る過冷却器10の断面
図、また第２図は第１図のII−II線断面図である。過冷
却器10の断熱されたシェル11内には幾本からの伝熱管12
がそれぞれシェル11の外で180゜折り返されながら納め
られる。伝熱管12の一端は給水口13、また他端は排水口
14となる。伝熱管12の折り返し箇所はＵ字状の湾曲部15
となるが、一方この湾曲部15を囲んで凍結防止容器16が
設置され、湾曲部15は凍結防止容器16に納められた０℃
以上の不凍液17に浸漬される。不凍液17とは０℃以下で
も凍結しない液体のことであり、例えばエチレングリコ
ールなどがこれである。

またシェル11には冷却液入口18と冷却液出口19が設け
られ、シェル11の内部にはこの冷却液入口18から冷却液
出口19にかけて伝熱管12に触れさせながら０℃以下の冷
媒20を流す。なお冷媒の代りにブラインを流してもよ
い。

さて各伝熱管12の給水口13には水21が送り込まれる
が、この水21は伝熱管12内を流通する際、伝熱管12を介
して冷媒20との間で熱交換し、冷却される。そして、０
℃以下の過冷却水22となって排水口14から排出される。
過冷却水22は排出された後、例えば図示しない衝突板に
衝突し衝撃によって結氷して、図示しない蓄熱水槽に蓄
積する。したがって各伝熱管12は、水21を過冷却水22に
冷却しながら運ぶ流路となる。

ところで、過冷却水22が伝熱管12内を流通する際、湾
曲部15においては上述のように流れに澱みが生じる。し
かし本実施例においては、湾曲部15は０℃以上の不凍液
17に浸漬されているため、いくら過冷却水22の流れに澱
みが生じても凍結に至ることはない。すなわち０℃以上
の不凍液17とこれを納める凍結防止容器16は、過冷却水
22の加熱装置の役目を果たす。

しかし、伝熱管12の湾曲部15は、シェル11内部に納め
られて冷媒20に晒される直管部と比べ相対的に短い。し
たがって水21または過冷却水22は、湾曲部15で加熱され
ることがあって直管部で十分に冷却され、徐々に温度を
下げながら最終的には０℃以下に過冷却されて排水口14
から排出される。ここで、排水段階に近い湾曲部15で十
分に冷却された過冷却水22と熱交換する不凍液17は０℃
以下になることもあるが、凍結のおそれはない。よって
凝固によって伝熱管12を破損することはない。

なお加熱装置は本実施例のものに限られることはな
く、ヒータ等を用いてもよいが、凍結防止容器に納めた
不凍液を用いる本実施例の構成は、簡単でコストも安価
ですむ。

つまり、本発明は、過冷却水の流路に湾曲部を設け
て、その水路をいわば蛇管状に形成することにより、過
冷却水路の長大化と小型化とを共に図ることができる。

そして、過冷却水路の湾曲部では、一般に水流に澱み
が生じて凍結が発生し易くなるが、この湾曲部を不凍液
またはヒーターにより加熱するので、常時、過冷却水の
凍結ないし結氷の生成を防止し、水路の閉塞を防止する
ことができる。

また、不凍液は凍結しないので、その凝固により、過
冷却水路を形成する伝熱管を破損させるのを防止するこ
とができると共に、この伝熱管の外面に着霜や結氷が生
ずるのを常に防止して、伝熱効率が低下するのを防止す
ることができる。さらに、不凍液は安価であるので、過
冷却器のコストを低減できる。

さらにまた、湾曲部をヒーターにより加熱する場合に
は、そのヒーターの加熱温度を正確、迅速かつ細かく制
御することができるので、過冷却水の温度状態等に応じ
て常に最適温度で加熱し、過冷却水の凍結ないし結氷の
生成を防止することができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の過冷却器によれば、直
線状にしたとき長くなる流路を納める場合でも過冷却器
自身は小型化することができ、狭いスペースにおいても
設置が可能になる。しかも、湾曲部において結氷による
閉塞が生じることはない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る過冷却器の断面図、第
２図は第１図のII−II線断面図、第３図は過冷却水流路
の湾曲部の断面図である。 12……伝熱管、16……凍結防止容器、17……不凍液、20
……冷却液、21……水、22……過冷却水。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水を流路に通しながら冷媒またはブライン
   との間で熱交換し、０℃以下の過冷却水を生成する過冷
   却器において、前記流路は、湾曲部と、この湾曲部の外
   面を加熱する不凍液を外気と熱交換可能に内蔵する加熱
   装置と、を具備していることを特徴とする過冷却器。
2. 【請求項２】水を流路に通しながら冷媒またはブライン
   との間で熱交換し、０℃以下の過冷却水を生成する過冷
   却器において、前記流路は、湾曲部と、この湾曲部をヒ
   ーターにより加熱する加熱装置と、を具備したことを特
   徴とする過冷却器。