JP3292502B2 - 氷蓄熱装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、空気調和機等に使用さ
れる氷蓄熱装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】氷蓄熱を有する空調システムは、昼間に
集中する冷房用電力需要を低減するために、安価な深夜
電力を利用でき、かつ熱源機器容量の低減や契約電力の
低減もきるので、ビル空調や、地域冷暖房システム等の
比較的大容量の空調システムへの適用が期待されてい
る。この氷蓄熱装置は、その氷の製造方法において、間
接熱交換方式と直接熱交換方式に大別される。

【０００３】間接熱交換方式は、水中に浸漬された製氷
用伝熱管（銅チューブ、ポリエチレンチューブ等）を用
いる方法であり、伝熱管の内側に低温の冷媒（フレオン
等）又は不凍液（エチレングリコール）を流し、伝熱管
の壁面に氷を生成、着氷する方法である。この伝熱管に
よる管壁面の氷生成方式は、氷の厚みを徐々に増して行
くと、氷自身の熱伝導率が小さい為、被冷却液である水
から冷却媒体への移動熱量が小さくなり氷の生長速度が
遅くなり、冷媒を冷却する冷凍機の効率が低下するとい
う欠点を基本的に持っている。

【０００４】また、氷の充填率（通称ＩＰＦ；ICE Pack
ing Factor) は、伝熱管のピッチの小さい方が良いけれ
ども、多数の伝熱管を配することになる。逆に、伝熱管
のピッチを大きくし、伝熱管の表面に着氷する氷の厚み
を増す事により高ＩＰＦ化をおこなう場合には冷凍機の
成績係数が下がるばかりではなく、解氷して冷水を取り
出す場合に、伝熱管群内及び１本の伝熱管の円周方向の
氷の厚さの減少度が不均一になり、水槽内に水道がで
き、氷があるにもかかわらず冷水の取り出しができなく
なってしまう。このような状況から再製氷を実施する
と、最悪の場合には、製氷・解氷時に隣接する伝熱管に
着氷した氷同士が接触合体（通称：ブリッジング）を起
こし、伝熱管に余計な力を与え、伝熱管を破損すること
もある。

【０００５】直接熱交換方式は、冷媒ガスを水中に直接
吹き込む方式であるが、この直接熱交換方式では、冷凍
機内の膨張弁を出た後の低温の冷媒を水槽の底部・側部
から水中に吹き込むので、間接熱交換方式に比較して冷
却液（冷媒）の温度を高くすることができるので、冷凍
機の成績係数は良好となる。水槽の中で冷媒と水の直接
接触による熱交換なので、熱交換性能も良好で、水槽中
に伝熱管等の構造物がない特徴を持つ。しかしながら、
冷媒中に含まれる圧縮機用の潤滑油を水槽中に混入させ
ることができないので、冷媒と潤滑油の分離が必要であ
り、逆に水槽中で蒸発する冷媒ガス中に含まれる水分が
圧縮機内で悪影響を引き起こすため冷媒ガス中の水分除
去も必要である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】間接熱交換方式では、
氷の生成速度が遅くなるため冷凍機の効率低下や着氷部
分の氷の不均一性による冷凍機の効率低下や伝熱管の破
損という問題がある。また、直接熱交換方式では、冷媒
液（ガス）を直接水中に吹き込むため、水と潤滑油の分
離や冷媒ガスと水蒸気の分離が必要となるため、長期に
わたる安定した運転が困難であるという問題がある。本
発明は、上記した点に鑑みてなされたもので、新規の製
氷手法により安定した連続製氷を実施し、かつ、冷凍機
の効率向上を図るようにした氷蓄熱装置を提供すること
を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の氷蓄熱装置は、
製氷槽と貯氷槽とを備えた氷蓄熱槽を有し、製氷槽に比
重量が水の１．５倍以上で凝固点が−２０℃以下の水に
不溶の冷却媒体を収容し、この冷却媒体を循環冷却装置
により０℃以下で製氷槽内を循環させて氷を析出するよ
うにし、製氷槽の冷却媒体より上方に開口する冷却媒体
噴出ノズルを内側管と外側管の二重管構造とし、内側管
に０℃以下の冷却媒体を流し、内側管と外側管の間に０
℃以上の冷却媒体を流すように循環冷却装置に接続して
構成される。

【０００８】

【作用】本発明の氷蓄熱装置では、冷媒噴出ノズルの内
側管を流れる０℃以下の冷却媒体を製氷槽内に吐出散布
し、この吐出散布した冷却媒体に接する水を氷結させ、
内側管の中を流れる０℃以下の冷却媒体を製氷槽内に吐
出散布する際に、冷媒噴出ノズルの開口端に発生する氷
を、外側管を流れる０℃以上の冷却媒体により着氷させ
ないことで冷媒噴出ノズルの開口端付近における氷結を
防ぎ、氷粒の連続的な析出を可能にする。

【０００９】

【実施例】以下本発明の実施例を図面につき説明する。
第１図は本発明による氷蓄熱装置の全体構成を示す図で
あり、この氷蓄熱装置は、製氷槽１と貯氷槽２とを有
し、この製氷槽１の底部にフロリナート液のような冷媒
３を収容する冷媒貯蔵部４が形成されている。上記製氷
槽１の側壁１ａの冷媒貯蔵部４より上方の部位には、水
平方向に延びるように冷媒噴出ノズル５が配置されてい
る。この冷媒噴出ノズル５は、図１では１つであるが、
この数は２つ以上であってもよい。上記冷媒噴出ノズル
５は、図２に示すように、内側管６と外側管７の二重管
構造をなし、冷媒噴出ノズル５の内側管６は冷媒貯蔵部
４は冷媒配管８により連結されている。この冷媒配管８
には、冷媒流れ方向に順に冷媒ポンプ９および冷凍機１
０が配置されている。また、冷媒噴出ノズル５の外側管
７には、冷媒配管８の冷媒ポンプ９と冷凍機１０の間で
分岐した分岐配管１１が連結されている。

【００１０】一方、上記製氷槽１と貯氷槽２の上部は、
流路１２を形成する連結部１３により互いに連結され、
製氷槽１および貯氷槽２には、この流路１２より上方に
水面１４が位置するように水が収容されている。上記貯
氷槽２の側壁２ａの底部は、水ポンプ１５を備えた水配
管１６により製氷槽１の側壁１ａの冷媒貯蔵部４より上
方の部位に連結されている。

【００１１】上記冷媒３として適当なフロリナート液
は、無色・透明・無臭・不活性な液体で、完全にフッ素
化された構造をしており、炭素原子Ｃとフッ素原子Ｆの
みの結合である。その炭素原子Ｃとフッ素原子Ｆの結合
数に応じて、沸点と凝固点（流動点と同じ）は異なる
が、凝固点が−２０℃以下のものがほとんどである。そ
して、比重量も０℃付近では１．７〜１．８kg／ｌで氷
の２倍程度であり、また、水のフロリナートへの溶解性
は、温度１０℃で７．２ppm と少なく不溶と考えてよ
い。よって、水槽内に水とフロリナートを一緒に入れる
と、完全に分離し、フロリナートが底に沈殿し、水がそ
の上に浮く。

【００１２】つぎに作用を説明する。まず、水配管１６
に設けた水ポンプ１５を作動すると、貯氷槽２の底部に
近い部位の水が水配管１６に通って製氷槽１の冷媒貯蔵
部４より上方の部位に送り込まれる。

【００１３】つぎに、冷媒配管８に設けた冷媒ポンプ９
および冷凍機１０を作動すると、製氷槽１の冷媒貯蔵部
４に収容された冷媒３は冷媒配管８に送り込まれ、この
冷媒配管８に導かれた冷媒の一部は、冷媒配管８を通り
冷凍機１０に送られ、この冷凍機１０において０℃以下
の温度に冷却される。そして、この冷凍機１で冷却され
た冷却冷媒は、二重管構造の冷媒噴出ノズル５の内側管
６から符号１７で示すように製氷槽内１の水中に吐出散
布される。水中に吐出散布された冷却冷媒は、冷媒噴出
ノズル５の開口付近に位置する水に接することで、この
水と熱交換され、この冷却冷媒により熱交換された水は
氷粒１８を生成する。そして、生成された氷粒１８は、
水より軽いので水中を浮上して水面近くに溜まる。ま
た、水中に吐出散布された冷却冷媒は、水より重いので
水中を沈下し、冷媒貯蔵部４に収容される。

【００１４】一方、冷媒配管８に導かれた冷媒の残部
は、分岐配管１１を通り二重管構造の冷媒噴出ノズル５
の外側管７に送られる。この冷媒３は、冷媒貯蔵部４に
収容されたもので、冷凍機１０を通っていないので、０
℃以上の温度であり、この０℃以上の冷媒は、噴出ノズ
ル５の外側管７から製氷槽内１の水中に吐出散布される
際に、冷媒噴出ノズル５の開口端に付着しようとする氷
を溶かし、冷媒噴出ノズル５の氷結を防ぎ、冷媒噴出ノ
ズル５による氷粒１８の連続的な析出を可能にする。

【００１５】そして、製氷槽内１の水面近くに貯えられ
た氷粒１８は、流路１２を形成する連結部１３を通り貯
氷槽２に貯えられる。なお、冷媒として、フロリナート
液を用いた場合には、フロリナート液５は、Ｃｌ原子を
含まないのでオゾン層を破壊することもなく、沸点も高
いので（５０℃以上）で大気に拡散する量もわずかで、
不活性なので、環境への悪影響もない。また、水槽は大
気開放型で簡易な容器で十分である。

【００１６】図３は、本発明による氷蓄熱装置の変形例
を示し、この変形例で示す氷蓄熱装置は、図１に示す氷
蓄熱装置と製氷槽の構成が異なり、貯氷槽２の構成はほ
ぼ同じである。

【００１７】図３に示す氷蓄熱装置の製氷器２０は、内
側管２１と外側管２２の二重管構造とした本体部分２３
と、この本体部分２３の上側に配置された冷媒分離部分
２４とから構成されており、図４に示すように、内側管
２１と外側管２２の間に形成される空間２５は、垂直方
向下方の位置で水平方向に延びる仕切り板２６により仕
切られ、仕切り板２６より下側に接触区域２７、上側に
熱交換区域２８を画成している。外側管２２の接触区域
２７に対応した部位には供給ノズル２９ａが、外側管２
２の熱交換区域２８に対応した部位には供給ノズル２９
ｂがそれぞれ配設されている。内側管２１の周面には接
触区域２７から熱交換区域２８に至る長さに渡って複数
の孔３１が接線方向に延びて旋回流を形成するように配
置されている。

【００１８】上記冷媒分離部分２４は、内側管２１より
大径とした形状をなし、内側管２１を底面より上方に突
き出た位置で連結し、底部に３２に内側管２１の上端部
を囲む環状空間３３を形成し、この環状空間３３に分離
された冷媒３が収容される。この冷媒分離部分２４の氷
水吐出口３４は貯氷槽２の直上に位置している。一方、
冷媒分離部分２４の底部に形成した冷却媒体回収ノズル
３５と外側管２２の熱交換区域２８に対応した部位に設
けた供給ノズル２９ｂは、冷媒配管８により連結されて
いる。この冷媒配管８には、冷媒流れ方向に順に冷媒ポ
ンプ９および冷凍機１０が配置されている。冷媒配管８
の冷媒ポンプ９と冷凍機１０の間で分岐した分岐配管１
１は外側管２２の接触区域２７に対応した部位に設けた
供給ノズル２９ａに連結されている。また、本体部分２
３の内側管２１の下端に設けた水供給口３６は、貯氷槽
２の底部に水ポンプ１５を備えた水配管１６により接続
されている。

【００１９】しかして、水配管１６に設けた水ポンプ１
５を作動すると、貯氷槽２の水が水配管１６を通って製
氷器２０の本体部分２３の内側管２１の下端に設けた水
供給口３６に導かれ、この水供給口３６から内側管２１
の内部に供給される。

【００２０】一方、冷媒配管８に設けた冷媒ポンプ９お
よび冷凍機１０を作動すると、製氷器１の冷媒分離部分
２４の底部に収容された冷媒３は冷却媒体回収ノズル３
５を通って冷媒配管８に送り込まれ、この冷媒配管８に
導かれた冷媒の一部は、冷凍機１０に送られ、この冷凍
機１０において０℃以下の温度に冷却され、この冷凍機
１０で冷却された冷媒３は供給ノズル２９ｂを介して外
側管２２と内側管２１の間に形成される空間２５に供給
され、また、冷媒配管８に導かれた冷媒の残部は、分岐
配管１１を通り外側管２２に設けた供給ノズル２９ａか
ら外側管２２と内側管２１の間に形成される空間（接触
区域２７）に供給される。

【００２１】水供給口３６から内側管２１の内部に供給
された水は、図４で白枠矢印で示すような下側から上側
に向かう方向に流れるが、この水流に伴い、外側管２２
と内側管２１の間に供給された冷却冷媒３は、内側管２
１の孔３１を通って内側管２１の内部に導かれ、内側管
２１の内部において、冷却冷媒３と水は、図５に示すよ
うに渦巻き流を形成しながら下側から上側に流れる。こ
の渦巻き流を形成する段階において、冷却冷媒３は一部
の水と熱交換され、氷粒１８を生成する。この場合、内
側管２１の接触区域２７には、冷凍機１０を通っていな
い０℃以上の温度の冷媒３が供給されるので、接触区域
の下部での０℃以下の冷媒３と水との急激な接触を防止
できる。内側管２１に生成された氷粒１８および冷媒３
は、下側から上側に向かう水の流れに沿って、本体部分
２３の上側に配置された冷媒分離部分２４に導かれる。

【００２２】冷媒分離部分２４に導かれた氷粒１８は、
水より軽いので水中を浮上して水面近くに溜まり、ま
た、水中に混在する冷媒は、水より重いので水中を沈下
し、底部３２に設けた環状空間３３に収容される。そし
て、水面近くに溜まった氷粒１８は、氷水吐出口３４を
通って貯氷槽２に送り込まれ、また、底部３２の環状空
間３３に収容された冷媒３は、冷却媒体回収ノズル３５
から冷媒配管８に送られる。

【００２３】このように、内側管の内部に冷却媒体と水
と氷との安定した混相流を形成することで、安定した氷
の生成ができ、また、比重差と旋回流により冷却媒体の
水からの分離が確実になり、しかも、この旋回流により
比重の軽い水や氷は中心部付近を流れるので、内側管の
内面に氷の付着するのを防ぐことができる。

【００２４】図６は本発明の変形例を示し、この変形例
では、氷蓄熱水槽あるいは製氷槽４０を建物の地下室に
配設し、この製氷槽４０に蓄えられた冷熱を冷水として
循環給水系を介して建物や近隣の建物の空間に送り込む
ようにしている。

【００２５】すなわち、製氷槽４０の水面下に冷媒吹出
装置４１を配置し、この冷媒吹出装置４１を冷凍機１０
に配管８を介して接続し、冷凍機１０において０℃以下
の温度に冷却された冷媒３を冷媒吹出装置４１から水中
に吐出散布し、この冷却冷媒３に接触して生成される水
より軽い氷粒１８を製氷槽４０の水面付近に貯溜し、水
より重い冷却冷媒３は水中を沈下し、底部に形成された
冷媒貯蔵部４２に液面４３の位置まで収容される。この
冷媒貯蔵部４２には、配管８およびポンプ９を介して冷
凍機１０に接続されており、冷媒貯蔵部４２に収容され
た冷媒３はポンプ９の作動により冷凍機１０に送り込ま
れる。製氷槽４０の壁面４０ａの冷媒貯蔵部４２の液面
４３に対応した部位には、界面位置検出装置４４が配置
されていて、この界面位置検出装置４４の検出信号は製
氷槽４０の外部に配設された運転制御装置４５に送られ
る。この運転制御装置４５は、界面位置検出装置４４の
検出信号に応じて冷媒貯蔵部４２の冷媒３の不足警報お
よび付設した冷媒補給槽４６への冷媒供給信号を発し、
冷媒補給槽４６の冷媒を冷却循環系の配管８へ供給す
る。そして、空調運転時には、図示しない空調負荷に対
し、取水装置４７により冷水を取水し、循環系統４８に
て強制的に送水し、冷房後の暖まった還流水を戻すよう
にしている。

【００２６】図７は界面位置検出装置４４の一例を示
し、この界面位置検出装置４４は、壁面４０ａに上下方
向に回動自在に枢着されたアーム５０と、このアーム５
０の先端部に固着した浮き子５１と、アーム５０の角度
位置検出部５２とを有し、角度位置検出部５２に設けた
検出接点５３によりアーム５０の角度位置を検出する。
この検出接点５３は、たとえば冷媒貯蔵部４２に冷媒３
が所定量収容された第１設定位置、冷媒貯蔵部４２に冷
媒３が不足する第２設定位置、冷媒貯蔵部４２に冷媒３
を補給する第３設定位置である。アーム５０の角度位置
検出部５２としては電気抵抗変化計測用ボリュームが適
当である。このように、冷媒の槽内貯溜量を監視するこ
とで、冷水供給に伴って発生する問題点は解消し、しか
も、冷媒の槽内貯溜量を監視する作業は不必要となる。

【００２７】図８は、界面位置検出装置６０を製氷槽４
０の外側に配置した例を示すものであり、この界面位置
検出装置６０は、製氷槽４０の冷媒貯蔵部４２と製氷槽
４０の壁面４０ａの水中に対応した部位を結ぶ非磁性材
料で成形した連通管６１とこの連通管６１の冷媒貯蔵部
４２の冷媒液面４３に対応した位置に形成された大径部
６２とこの大径部６２に収容された永久磁石６３を備え
た浮き子６４とを有し、この浮き子６４に設けた永久磁
石６３の位置を磁場検出装置６５にて検出し、この磁場
検出装置６５の検出信号を製氷槽４０の外部に配設され
た運転制御装置４５に送るようにしている。なお、図示
しないが、運転制御装置４５に送られた境界面の検出デ
ータを運転員の判断で冷媒を補給する構成とすれば、補
給槽を省略することができる。

【００２８】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、冷媒
噴出ノズルを内側管と外側管の二重管構造とし、内側管
に０℃以下の冷却媒体を流し、内側管と外側管の間に０
℃以上の冷却媒体を流すことで、冷媒噴出ノズルの凍結
を防ぎ、連続運転が可能になり、しかも、冷凍機の効率
向上を図ることができる。また、冷媒を大気条件で使用
可能であるから、系統内を圧力容器等にする必要がな
く、取扱いが容易でかつ安全である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による氷蓄熱装置の全体構成図。

【図２】本発明による氷蓄熱装置の冷却媒体噴出ノズル
の一部を示す断面図。

【図３】本発明による氷蓄熱装置の他の実施例を示す
図。

【図４】図３の氷蓄熱装置の内側管と外側管の二重管構
造部分を示す図。

【図５】二重管構造部分の冷媒の流れを示す図。

【図６】本発明による氷蓄熱装置の他の実施例を示す
図。

【図７】図６の氷蓄熱装置の介面位置検出装置を示す
図。

【図８】本発明による氷蓄熱装置の他の実施例を示す
図。

【符号の説明】 １ 製氷槽 １ａ 製氷槽の壁面 ２ 貯氷槽 ３ 冷却媒体 ５ 冷却媒体噴出ノズル ６ 内側管 ７ 外側管 ８ 配管 ９ ポンプ １０ 冷凍機 １２ 連通路 １８ 氷粒

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡 邊 裕 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番 地 株式会社東芝 京浜事業所内 (56)参考文献 特開 昭64−57068（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−155135（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−98095（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F24F 5/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】製氷槽と貯氷槽とを備えた氷蓄熱槽を有
   し、製氷槽に比重量が水の１．５倍以上で凝固点が−２
   ０℃以下の水に不溶の冷却媒体を収容し、この冷却媒体
   を循環冷却装置により０℃以下で製氷槽内を循環させて
   氷を析出する氷蓄熱装置において、冷却媒体噴出ノズル
   を内側管と外側管の二重管構造とし、冷却媒体噴出ノズ
   ルを、製氷槽の冷却媒体より上方の位置に開口するよう
   に配設し、冷却媒体噴出ノズルを内側管に０℃以下の冷
   却媒体を流し、内側管と外側管の間に０℃以上の冷却媒
   体を流すように循環冷却装置に接続したことを特徴とす
   る氷蓄熱装置。
2. 【請求項２】、製氷槽と貯氷槽を結ぶ流路を水面下でか
   つ水面に近い位置に形成したことを特徴とする請求項１
   に記載の氷蓄熱装置。