JP2793765B2

JP2793765B2 - 内融式氷蓄熱装置

Info

Publication number: JP2793765B2
Application number: JP5314745A
Authority: JP
Inventors: 治薮本
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1993-12-15
Filing date: 1993-12-15
Publication date: 1998-09-03
Anticipated expiration: 2013-09-03
Also published as: JPH07167468A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば深夜と昼間の消
費電力を平準化する空調装置に適用する内融式氷蓄熱装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】空調装置において、ヒートポンプ(本明
細書では冷凍装置も含めてヒートポンプということとす
る)を利用した蓄熱装置は、深夜電力の有効利用による
省ランニングコストと消費電力の平準化のために用いら
れることが多い。そして、近年のビルの高層化、地価高
騰のあおりで、従来の水蓄熱から、高密度蓄熱が可能な
氷蓄熱を利用した氷蓄熱装置を備えた空調設備が普及拡
大しつつある。図４は、従来公知の空調装置の一つで、
ヒートポンプ１、および氷蓄熱装置２が設けてある。

【０００３】ヒートポンプ１は、圧縮機３、凝縮器４、
受液器５、膨張弁６、および蒸発器７を含む冷媒の閉ル
ープを形成している。また氷蓄熱装置２は、水槽８と、
この水槽８内の横方向の両端にてＵ字形の湾曲を繰返
し、蛇行形状をなす、例えば銅管を用いた蓄熱氷形成用
管路９と、この管路を支持する支持部１０とを備えてい
る。管路９は、紙面垂直方向に多数並設してあり、この
並設した各管路９は紙面垂直方向に延在する管路である
ヘッダー１１、１２に接続して、合流するとともに、各
ヘッダー１１、１２には蒸発器７に至る管路１３、１４
を接続して氷蓄熱用熱伝達媒体、例えばエチレングリコ
ール水溶液のようなブライン（０℃で凍結しないもの）
の閉ループを形成している。

【０００４】また、各管路９は、同じ方向、即ち図４に
おいて上から蛇行しながら下に向かう方向に熱伝達媒体
を流すようになっており、水槽８内の水面よりも下方に
配置してある。さらに、管路１３、１４に設けた切換弁
Ｘ、Ｙにより、管路９と蒸発器７との間の循環に代え
て、管路９から管路１３ａを経て、図示しない熱交換器
を介して管路１３ａに接続した管路１４ａを通り、管路
９に戻る循環に切換え可能となっている。

【０００５】一方、凝縮器４には、冷却水を凝縮器４の
内外に循環させるための冷却水用管路１７が接続してあ
る。そして、冷媒を圧縮機３により圧縮して、高圧、高
温ガス状態で吐出し、これを凝縮器４にて管路１７内の
水との間の熱交換により冷却して凝縮（液化）させる一
方、管路１７内の水を昇温させている。さらに、この凝
縮した高圧の冷媒液を受液器５に溜めた後、膨張弁６で
の絞り膨張により降圧させ、低温ガス、液状態で蒸発器
７に至らせ、ここで管路１３、１４を循環する水との間
の熱交換により気化させ、低圧、低温ガス状態にして圧
縮機３に戻し、以後上記同様に冷媒を循環させるように
なっている。

【０００６】また、蒸発器７での冷媒との間の熱交換に
より冷却した熱伝達媒体を管路１４、ヘッダー１２を経
て管路９に至らせ、ここで水槽８内の水１５と間で熱交
換させ、即ちこの水１５から奪熱させた後、ヘッダー１
１、管路１３を経て蒸発器７に戻し、以後上記同様にし
て熱伝達媒体を蒸発器７と管路９との間で循環させて、
管路９の外周部に氷を形成させている。

【０００７】さらに、切換弁Ｘ、Ｙを切換えることによ
って、この氷が融解する際に周囲から奪う大きな融解熱
を利用して管路９を流動するする熱伝達媒体を冷却し、
冷却された熱伝達媒体を管路１３ａから管路１４ａに流
動させることにより、上記熱交換器を介して装置外の所
望の空間の冷房が可能となっている。そして、電力消費
量の多い夏場において上記氷の形成を深夜に行い、即ち
深夜電力を使って氷の形成を行って、冷熱を蓄えてお
き、昼間はこの氷蓄熱を利用して冷房を行うことによ
り、従来夏場の昼間に集中していた電力消費量の昼夜間
での平準化が図れるようになっている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の氷蓄熱装置
２の管路９における熱伝達媒体は、管路９の入口側から
出口側に向かって温度勾配を有している。例えば、製氷
時には、熱伝達媒体は、入口側では温度が低く、出口側
では、温度が高くなる。また、各管路９共、熱伝達媒体
を同一方向に流すように形成してあり、各管路９の入口
側は、水槽８の一方の側、即ち上方部に集中し、出口側
は水槽８の他方の側に集中している。このため、製氷時
には、管路９の周囲にできる氷の厚みは、入口側で厚
く、出口側で薄くなり、氷蓄熱利用時（氷の融解時）に
は、入口側の氷が最後まで残り、次の製氷時には、入口
側の氷がさらに厚くなる。これを繰り返している内に、
入口側の隣り合う管路９の氷同志がつながってしまい、
製氷率の低下、及び氷の融解時の冷熱出力の低下が生じ
る。

【０００９】また、管路９の直線部が横方向となる配置
にしてあるため、この直線部に自重による撓みが生じな
いように、図４中、二点鎖線で示すように幾つかの中間
サポートを必要とし、管路９の支持部が複雑になるとい
う問題がある。さらに、管路９の直線部が横方向になっ
ていると、図５に示すように、最初は管路９の周囲に一
様に氷１８ができても（ａの状態）、氷蓄熱利用時に管
路９の周囲から氷１８が融解し始めると、外周部の氷１
８が水１９からの浮力で浮き上がり、管路９の上方に氷
１８が偏り（ｂの状態）、次の製氷時には、この偏った
状態から氷１８ができ始め（ｃの状態）、管路９の回り
の氷１８が益々いびつになり、製氷率が低下してゆくと
いう問題も生じる。本発明は、斯る従来の問題点を課題
としてなされたもので、管路の支持構造を簡略化でき、
かつ製氷率の向上を可能とした内融式氷蓄熱装置を提供
しようとするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、水槽と、この水槽内にてＵ字形の湾曲を
繰返し、蛇行形状をなす複数の蓄熱氷形成用管路とを備
え、ヒートポンプの蒸発器での熱交換により奪熱され、
温度降下した熱伝達媒体を上記蒸発器と上記管路との間
で循環させ、上記水槽内の水との熱交換により、この管
路の外周部に氷を形成する内融式氷蓄熱装置において、
上記Ｕ字形の湾曲部を上記水槽内の上下に位置させ、上
記各管路を、隣接する管路における熱伝達媒体の流れの
方向が互いに逆となる配置にし、上記管路の下方に多数
の吸込み孔を有する吸込み管と、一端が上記水槽の上部
に開口した吐出管と、上記吸込み管を介して上記水槽内
の水を吸込み、この吸込んだ水を上記吐出管に吐出する
水ポンプとからなる水循環装置を設けて形成した。

【００１１】

【作用】本発明のように構成することにより、管路の直
線部の自重による撓みはなくなり、各管路の周囲にでき
る氷は、入口側は厚く、出口側は薄くなるが、隣り合う
管路の周囲できる氷の表面間の距離は、一様になる。

【００１２】

【実施例】次に、本発明の一実施例を図面にしたがって
説明する。図１，２は、本発明に係る内融式氷蓄熱装置
２１を備えた空調装置を示し、図４に示す空調装置とは
氷蓄熱装置２に代えて氷蓄熱装置２１を採用した点を除
き、他は実質的に同一であり、互いに共通する箇所につ
いては同一番号を付して説明を省略する。本実施例で
は、管路９の下方に多数の吸込み孔を有する吸込み管２
２と、一端が上記水槽８の上部に開口した吐出管２３
と、上記吸込み管２２を介して水槽８内の水１５を吸込
み、この吸込んだ水を上記吐出管２３に吐出する水ポン
プ２４とからなる水循環装置２５が設けてある。

【００１３】また、多数の管路用貫通孔３２を複数列に
形成した、例えばステンレス材からなる上、下管板３
３、３４を枠体３５の上下部に取付け、この上、下管板
３３、３４をそれらの各貫通孔３２の上下方向の位置が
一致するように、上下に間隔をあけて平行配置して、複
数の蓄熱氷形成用管路９を支持する支持部３６が形成し
てある。管路９は、下管板３４から上管板３３に向け
て、両管板の貫通孔３２に貫通させた多数の、例えば銅
製のＵ字形下部湾曲管３７と、隣接するこの下部湾曲管
３７の上方に開口した二つ端部に嵌合させ、嵌合部を、
例えば銀ろう付けにより接合して隣接するこの下部湾曲
管３７同志を接続する多数の、例えば銅製のＵ字形上部
湾曲管３８とからなっている。また、この上部湾曲管３
８は水槽８内の水面よりも下方に位置させられる。

【００１４】さらに、本実施例では、各管路９を、隣接
する管路９における熱伝達媒体の流れの方向が互いに逆
となる配置にして形成してある。なお、図１では、一組
（２本）の隣り合う管路９のみを示してあるが、管路９
内の熱伝達媒体の流れ方向が逆になる管路９を、紙面垂
直方向に、３本以上設けてもよい。

【００１５】そして、上述した水循環装置２５を設ける
ことにより、水槽８内の水１５の上下方向の対流を促進
して、上下の水温を均一にして、上下均一な製氷を可能
とし、製氷性能を向上させるようにしてある。即ち、管
路１３ａ、１４ａを使用している解氷時、水循環装置２
５により水を循環させているため、管路９の回りの水の
流動により水と氷との間の熱交換が良好となり、水は解
氷温度である０℃近くになり、低温出力および解氷速度
が改善される。水槽８内は、水を循環させない場合で
も、自然対流により水温分布は０℃〜４℃という非常に
小さい範囲にあり、水ポンプ２４は非常に小容量のもの
でも、それによる強制対流によって水槽８内の水温の上
下均一化ができ、上記改善が可能となる。例えば、水槽
８が１５ｍ³の場合、０.４ＫＷの水ポンプ２４で十分な
温度均一作用を生じることが確認された。

【００１６】また、水槽８内の氷は、上、下管板３３、
３４、および管路９との接触部から先に融解して、この
接触部に流路が形成され、水の強制流動によってこの流
路内に水流が起こされ、管路９の周囲に水が滞留するこ
とがなくなる。そして、この結果管路９の周囲への冷却
された水の供給が保たれ、良好な低温出力および解氷速
度を得ることが可能となる。内融式の氷蓄熱装置におい
ては、水循環装置２５を設けない場合、管路１３ａ、１
４ａによる冷房能力には限界があり、例えば急速冷房し
たい場合でもできないが、本実施例では、水ポンプ２４
に、例えば可変容量式のモータを用いることにより、ポ
ンプ容量を大きくして、水槽８内の水流を大きくするこ
とにより、上記冷房能力を向上させることが出来るよう
になる。

【００１７】なお、水循環装置２５の吸込み管２２は、
管路９の各列、或は各行の両側下方に、一様に設けるの
が好ましく、製氷時、水槽８内の上下部の水温が１℃以
下になると、温度均一化の必要がなくなるため、水ポン
プ２４を停止させてもよい。また、上記実施例では、各
管路９を、隣接する管路９における熱伝達媒体の流れの
方向が互いに逆となる配置にして形成してあるので、図
３に示すように、各管路９の周囲にできる氷は、入口側
は厚く、出口側は薄くなるが、隣り合う管路９の周囲で
きる氷の表面間の距離は、図３中、二点鎖線で示すよう
に、一様になり、この氷同志が接触するタイミングは、
入口側から出口側まで同じとなり、１００％に近い製氷
率が確保できる。また、管路９の直線部は縦方向に配置
してあるので、自重による撓みはなくなり、管路９の支
持部は、上管板３３，下管板３４だけで足り、中間サポ
ートは不要となり、支持部の構造が簡略化されている。

【００１８】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
によれば、水槽と、この水槽内にてＵ字形の湾曲を繰返
し、蛇行形状をなす複数の蓄熱氷形成用管路とを備え、
ヒートポンプの蒸発器での熱交換により奪熱され、温度
降下した熱伝達媒体を上記蒸発器と上記管路との間で循
環させ、上記水槽内の水との熱交換により、この管路の
外周部に氷を形成する内融式氷蓄熱装置において、上記
Ｕ字形の湾曲部を上記水槽内の上下に位置させ、上記各
管路を、隣接する管路における熱伝達媒体の流れの方向
が互いに逆となる配置にし、上記管路の下方に多数の吸
込み孔を有する吸込み管と、一端が上記水槽の上部に開
口した吐出管と、上記吸込み管を介して上記水槽内の水
を吸込み、この吸込んだ水を上記吐出管に吐出する水ポ
ンプとからなる水循環装置を設けて形成してある。

【００１９】このため、管路の直線部の自重による撓み
はなくなり、管路の支持構造を簡略化できるとともに、
各管路の周囲にできる氷は、入口側は厚く、出口側は薄
くなるが、隣り合う管路の周囲できる氷の表面間の距離
は、一様になるので、製氷率の向上が可能になるという
効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る氷蓄熱装置を適用した空調装置
の概略全体構成図である。

【図２】図１に示す氷蓄熱装置の、紙面に平行で、か
つ管路の軸を含む平面で切った管路部の断面図である。

【図３】製氷時における図１のIII−III線断面図であ
る。

【図４】従来の内融式氷蓄熱槽を使用した空調装置の
概略全体構成図である。

【図５】図４に示す氷蓄熱槽の管路の周囲の製氷，氷
の融解状態を示す断面図である。

【符号の説明】

１ヒートポンプ７蒸発器８水槽９管路２１氷蓄熱槽３７下部湾曲
管３８上部湾曲管

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】水槽と、この水槽内にてＵ字形の湾曲を
繰返し、蛇行形状をなす複数の蓄熱氷形成用管路とを備
え、ヒートポンプの蒸発器での熱交換により奪熱され、
温度降下した熱伝達媒体を上記蒸発器と上記管路との間
で循環させ、上記水槽内の水との熱交換により、この管
路の外周部に氷を形成する内融式氷蓄熱装置において、上記Ｕ字形の湾曲部を上記水槽内の上下に位置させ、上
記各管路を、隣接する管路における熱伝達媒体の流れの
方向が互いに逆となる配置にし、上記管路の下方に多数の吸込み孔を有する吸込み管と、
一端が上記水槽の上部に開口した吐出管と、上記吸込み
管を介して上記水槽内の水を吸込み、この吸込んだ水を
上記吐出管に吐出する水ポンプとからなる水循環装置を
設けたことを特徴とする内融式氷蓄熱装置。