JP3567251B2

JP3567251B2 - ダイナミック型氷蓄熱装置

Info

Publication number: JP3567251B2
Application number: JP2001069081A
Authority: JP
Inventors: 勲佐藤
Original assignee: 東京工業大学長
Priority date: 2001-03-12
Filing date: 2001-03-12
Publication date: 2004-09-22
Anticipated expiration: 2021-03-12
Also published as: KR20020072773A; US6553776B2; US20030061821A1; US6609384B2; KR100462033B1; JP2002267213A; US20020124583A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水溶液の凍結により生じる氷晶を、アイススラリーとしてダイナミック型氷蓄熱に用いるための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
夏期の電力需要の昼夜間格差を平準化するための手段として、夜間の余剰電力による氷蓄熱手段が有効とされているが、水溶液を凍結させ、氷晶をアイススラリーとして生成することのできるダイナミック型氷蓄熱装置は、純水を凍結させるため冷却面上に氷晶が付着するスタティック型氷蓄熱装置に比べて、氷晶生成時の冷却性能やシステムの小型化などの点で優れているものの、水溶液の凍結の進行に伴う濃度上昇によって凍結温度が徐々に低下するため、これに伴い冷凍機の成績係数が低下し、氷晶生成の所要電力が大きくなるという欠点が指摘されてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、水溶液の凍結の進行に伴う濃度上昇を、適切な水の補給により効率よく抑制して、冷凍機の成績係数の低下を防止し、ひいては氷晶生成のための所要動力の低減を図れるようにしたダイナミック型氷蓄熱装置を提供することを課題とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するため、本発明のダイナミック型氷蓄熱装置は、採冷熱用熱交換器に兼用しうる冷却用熱交換器と、同冷却用熱交換器を内包し融解器に兼用しうる凍結器と、同凍結器内の液温を計測する温度計と、上記凍結器内の液体を撹拌すべく同凍結器の底部内に設けられた撹拌器と、同撹拌器のやや上方で上記凍結器内に水平に張設されたメッシュと、上記凍結器の底部にバルブ付き配管および水溶液ポンプを介して接続された水溶液タンクと、上記凍結器の底部にバルブ付き配管および融解水ポンプを介して接続された融解水タンクとを備え、上記水溶液タンクから上記凍結器内へ水溶液を供給すべく上記水溶液ポンプを制御するとともに上記温度計からの検出信号に応じ上記凍結器内の水溶液の濃度を調整すべく上記融解水ポンプによる上記凍結器内への送水を自動制御する制御系が設けられたことを特徴としている。
【０００５】
上述の本発明のダイナミック型氷蓄熱装置では、氷蓄熱の際に、まず水溶液タンクから水溶液ポンプにより凍結器内に水溶液の供給が行われて、冷却用熱交換器による凍結作用と撹拌器による撹拌作用とにより氷晶を含むアイススラリーが凍結器内に生成されるようになるが、その際、温度計による上記凍結器内の液温の計測値に応じて、凍結温度の低下を招かないように、上記融解水タンクから、先の採冷熱時に貯溜しておいた融解水を、融解水ポンプによって凍結器内に補給し水溶液の濃度を標準状態に維持することができるので、上記アイススラリーの生成が効率よく行われるようになる。
【０００６】
そして、採冷熱時には、上記凍結器が融解器として用いられるとともに、上記冷却用熱交換器が採冷熱用熱交換器として用いられるが、その際、上記アイススラリーに含まれる水溶液は、予めメッシュにより濾過されて水溶液タンク内に貯溜され、このようにして残留した氷晶は採冷熱交換器により融解して融解水タンクに貯溜されるので、上記の水溶液および融解水は繰返し使用することができる。
【０００７】
また、凍結器内の液温を検出する温度計からの検出信号に応じて、凍結器内の水溶液濃度を調整するため、同凍結器内への融解水ポンプによる送水が制御系により自動的に行われるようになっているので、このダイナミック型氷蓄熱装置の運転管理が効率よく的確に行われるようになる。
【０００８】
一般に、水溶液の凍結による濃度上昇とそれに伴う凍結温度の低下は、水溶液を用いるダイナミック型氷蓄熱装置固有の総合性能劣化要因として広く認識されており、これを回避する方策としては、(1) 使用する水溶液初期濃度を薄くする、(2) 生成させる氷晶量を低く制限するなどの消極的・対症療法的な手段が採られている。しかし、前者はダイナミック型氷蓄熱装置を実現するための鍵となるアイススラリー（溶液と氷晶の混合物：流動性のある氷晶）の生成を難しくし、氷晶生成のための新たな技術開発とエネルギーが必要になるという問題を抱えている。また後者は、冷熱蓄熱容器中の氷晶割合の低下、すなわち冷熱貯蔵量の低下を引き起こすため、ダイナミック型氷蓄熱装置のメリットを打ち消しかねない危険をはらんでいる。
【０００９】
現在、水溶液の凍結に伴う濃度上昇によって引き起こされる問題を解決する具体的な技術は確立されておらず、それゆえにダイナミック型氷蓄熱装置の普及が遅れている。上述のように、水溶液の凍結を用いるダイナミック型氷蓄熱装置の性能劣化要因は、水溶液の凍結に伴う溶質濃縮効果に基づいている。
【００１０】
本発明では、この現象を逆に利用してダイナミック型氷蓄熱装置の性能劣化を抑制している。すなわち、水溶液を凍結させると溶質濃縮効果によって水溶液の濃度が上昇する一方、ほとんど溶質を含まない氷晶が生成する。この氷晶を採冷熱時に融解するとほぼ純水が得られるので、これを保存しておき、蓄冷熱時に水溶液にこの純水を加えながら凍結させれば、水溶液濃度を一定に保つことができる。これが本発明の原理である。
本発明の最大の特徴は、水溶液を凍結させる際に自然に生じる溶質濃縮効果を利用して、特別な付加装置やエネルギーの投入なしに凍結温度の低下に伴うダイナミック型氷蓄熱装置の性能劣化を抑制できることにある。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面により本発明の実施形態としてのダイナミック型氷蓄熱装置について説明すると、図１は本発明の一実施形態としての装置を模式的に示す説明図、図２は本発明の装置を用いた場合の冷凍機の成績係数を示すグラフ、図３は従来技術による氷蓄熱装置の特性を示すグラフ、図４は本発明によるダイナミック型氷蓄熱装置の特性を示すグラフ、図５は本発明と従来技術とについて総合成績係数を比較して示すグラフである。
【００１２】
図１に示すように、採冷熱用熱交換器４に兼用しうる冷却用熱交換器２が、融解器３に兼用しうる凍結器１に内包されるようにして設けられている。そして、凍結器１の内部における一般的な塩類あるいはエチレングリコールなどの水溶液５の液温を計測する温度計14が設けられるほか、凍結器１の内部の液体を撹拌できるように、同凍結器１の底部内には撹拌器13が設けられ、さらに撹拌器13のやや上方で凍結器１の内部に水平に張設されたメッシュ（金網など）６が具備されている。
【００１３】
また、凍結器１の底部にバルブ９付き配管９Ａおよび水溶液ポンプ11を介して接続された水溶液タンク７が設けられるとともに、同凍結器１の底部にバルブ10付き配管10Ａおよび融解水ポンプ12を介して接続された融解水タンク８が設けられている。
【００１４】
さらに、温度計14からの検出信号に応じて凍結器１の内部の水溶液５の濃度を調整できるように、融解水ポンプ12による凍結器１内への送水を自動制御するための制御系17が設けられており、この制御系 17 は図１に示すごとく水溶液ポンプ 11 の制御も行えるように構成されている。
【００１５】
そして、本発明の装置では、冷却用熱交換器２を内包する凍結器１に水溶液５を入れて、冷却用熱交換器２により凍結器１内に氷晶を含むアイススラリーを生成してゆく際に、凍結器１内の凍結温度をほぼ一定に保持できるように、凍結器１の内部に、凍結温度の低下に応じて水の補給が行われるが、この水として先の採冷熱時に凍結器１内の氷晶を融解させて得た融解水が、融解水タンク８から融解水ポンプ12によって補給される。
なお、上述の装置において、凍結器１や水溶液タンク７，融解水タンク８および配管類は、すべて外面に図示しない防熱層が施されている。
【００１６】
上述の本実施形態のダイナミック型氷蓄熱装置では、氷蓄熱の際に、凍結器１内の水溶液５が冷却用熱交換器２で凍結されて、氷晶を含むアイススラリーが生成されるのに伴い、同凍結器１内に順次水の補給が行われるので、同凍結器１内の水溶液５の濃度上昇を防止して、同凍結器１内の凍結温度をほぼ一定に保つことができるようになり、これにより冷凍機の成績係数の低下が抑制されて、上記氷晶の生成のための所要動力の低減がもたらされる。
【００１７】
また、上述のように、氷蓄熱の際に凍結器１内に補給される水として、先の採冷熱時における凍結器内の氷晶の融解水を融解水タンク８に保存しておいたものを利用することにより、この融解水は、溶質をほとんど含まないほぼ純水の状態のものであるから、繰返し適切に利用できるようになる。
【００１８】
氷蓄熱の際には、まず水溶液タンク７から、図１に示すごとく制御系 17 の制御を受ける水溶液ポンプ11により凍結器１内に水溶液の供給が行われて、冷却用熱交換器２による凍結作用と撹拌器13による撹拌作用とにより氷晶を含むアイススラリーが凍結器１内に生成されるようになるが、その際、温度計14による凍結器１内の水溶液５の液温の計測値に応じて、凍結温度の低下を招かないように、融解水タンク８から、先の採冷熱時に貯溜しておいた融解水を、融解水ポンプ12によって凍結器１内に補給し水溶液５の濃度を標準状態に維持することができるので、撹拌器13の作動と相まって、上記アイススラリーの生成が効率よく行われるようになる。
【００１９】
そして、採冷熱時には、凍結器１が融解器３として用いられるとともに、冷却用熱交換器２が採冷熱用熱交換器４として用いられるが、その際、上記アイススラリーに含まれる水溶液は、予めメッシュ６により濾過されて水溶液タンク７内に貯溜され、このようにして残留した氷晶は採冷熱交換器４により融解して、バルブ10付き配管10Ａおよび融解水ポンプ12を介し融解水タンク８に貯溜されるので、上記の水溶液および融解水は繰返し使用することができる。
【００２０】
また、凍結器１内の液温を検出する温度計14からの検出信号に応じて、凍結器１内の水溶液５の濃度を自動的に調整するため、同凍結器１内への融解水ポンプ12による送水が制御系17により自動的に行われるようになっているので、このダイナミック型氷蓄熱装置の運転管理が効率よく的確に行われるようになる。
【００２１】
このようにして、本実施形態のダイナミック型氷蓄熱装置では、熱交換器２（４）が冷却用と採冷熱用とに兼用されるとともに、同熱交換器２（４）を内包する凍結器１が融解器３に兼用されるという著しく簡素な構成で、凍結器１内への水溶液供給の制御を行うとともに凍結器１内の水溶液濃度を液温に応じ自動調整する制御系17を備えることにより、氷蓄熱および採冷熱を適切に行うことが可能になって、本装置の運転管理も効率よく的確に行われるようになる。
【００２２】
次に、実際の冷凍機の効率（成績係数：ＣＯＰ）と蒸発器温度（冷却温度）との関係（図２参照）を用いて、従来技術に基づくダイナミック型氷蓄熱装置と、本発明による氷蓄熱装置とを比較してみると、装置に蓄えられる冷熱量と冷凍機所要動力、ならびに溶液の濃度変化、凍結温度の変化を理論的に予測した結果は、図３，図４に示すとおりである。
【００２３】
図３および図４に見られるように、従来技術に基づくダイナミック型氷蓄熱装置では、蓄冷熱量の増加、すなわち溶液中の氷晶濃度の増加に伴って溶液濃度が上昇し、それによる凍結温度の低下が冷凍機の効率の低下を招く結果、冷凍機所要動力が極端に大きくなっていることがわかる。これに対して、本発明による氷蓄熱装置では、溶液濃度と凍結温度とが一定に保たれるため、冷凍機所要動力の極端な増加が無く、蓄冷熱量にほぼ比例した動力を冷凍機に投入することで蓄冷が行える。ただし本発明による氷蓄熱装置では、採冷熱時に水溶液の持つ冷熱を放散することになるため、採冷熱量は蓄冷熱量より若干減少するが、その差は図５に示すとおりごく僅かであり、実用上は問題にならない。
【００２４】
氷蓄熱装置としての性能を直接比較するために、従来技術による氷蓄熱装置と本発明による氷蓄熱装置との蓄熱後における回収可能な冷熱量を、それに要する冷凍機駆動動力で除した総合成績係数を求め、蓄冷熱量（溶液内の氷晶濃度）に対してプロットした結果を図５に示す。このグラフに示されるように、本発明による氷蓄熱装置は、溶液単位質量あたりの冷熱貯蔵量が少ないうちは前述の冷熱損失の影響で従来技術によるものよりも性能が劣るが、蓄冷熱量が増加すると従来技術によるものの性能を凌ぎ、特に高蓄熱量領域において性能が低下しない点が特徴的である。
【００２５】
上述のように、本発明によれば、水溶液を用いるダイナミック型氷蓄熱装置に不可避と考えられてきた氷晶の生成に伴う水溶液の濃縮による凍結温度の低下とそれによる冷凍機効率の低下を、特別な装置の付加や新たなエネルギーの投入なしに回避することができ、氷蓄熱装置の高性能化と普及とを通して、夏期の電力需要のピークカットに資することができるものと期待される。
【００２６】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明のダイナミック型氷蓄熱装置によれば次のような効果が得られる。
(1) 氷蓄熱の際に、まず水溶液タンクから、制御系の制御を受ける水溶液ポンプにより凍結器内に水溶液の供給が適切に行われて、冷却用熱交換器による凍結作用と撹拌器による撹拌作用とにより氷晶を含むアイススラリーが凍結器内に生成されるようになるが、その際、温度計による上記凍結器内の液温の計測値に応じて、凍結温度の低下を招かないように、上記融解水タンクから、先の採冷熱時に貯溜しておいた融解水を、融解水ポンプによって凍結器内に補給し水溶液の濃度を標準状態に維持することができるので、上記アイススラリーの生成が効率よく行われるようになる。そして、採冷熱時には、上記凍結器が融解器として用いられるとともに、上記冷却用熱交換器が採冷熱用熱交換器として用いられるが、その際、上記アイススラリーに含まれる水溶液は、予めメッシュにより濾過されて水溶液タンク内に貯溜され、このようにして残留した氷晶は採冷熱交換器により融解して融解水タンクに貯溜されるので、上記の水溶液および融解水は繰返し使用することができる。このように、凍結器が融解器を兼ね、その内部の熱交換器が冷却用と採冷熱用とを兼ねるという簡素な構造で、氷蓄熱および採冷熱を適切に行うことが可能になる。
(2) 凍結器内の液温を検出する温度計からの検出信号に応じて、凍結器内の水溶液濃度を調整するため、同凍結器内への融解水ポンプによる送水が制御系により自動的に行われるようになっているので、このダイナミック型氷蓄熱装置の運転管理が効率よく的確に行われるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態としてのダイナミック型氷蓄熱装置を模式的に示す説明図である。
【図２】本発明の方法および装置の性能を従来技術に基づく装置の性能と比較する際に用いた冷凍機の成績係数を示すグラフである。
【図３】従来技術による氷蓄熱装置の特性を示すグラフである。
【図４】本発明によるダイナミック型氷蓄熱装置の特性を示すグラフである。
【図５】本発明と従来技術とについて総合成績係数を比較して示すグラフである。
【符号の説明】
１凍結器
２冷却用熱交換器
３融解器
４採冷熱用熱交換器
５水溶液
６メッシュ
７水溶液タンク
８融解水タンク
９バルブ
９Ａ配管
10 バルブ
10Ａ配管
11 水溶液ポンプ
12 融解水ポンプ
13 撹拌器
14 温度計
17 制御系

Claims

採冷熱用熱交換器に兼用しうる冷却用熱交換器と、同冷却用熱交換器を内包し融解器に兼用しうる凍結器と、同凍結器内の液温を計測する温度計と、上記凍結器内の液体を撹拌すべく同凍結器の底部内に設けられた撹拌器と、同撹拌器のやや上方で上記凍結器内に水平に張設されたメッシュと、上記凍結器の底部にバルブ付き配管および水溶液ポンプを介して接続された水溶液タンクと、上記凍結器の底部にバルブ付き配管および融解水ポンプを介して接続された融解水タンクとを備え、上記水溶液タンクから上記凍結器内へ水溶液を供給すべく上記水溶液ポンプを制御するとともに上記温度計からの検出信号に応じ上記凍結器内の水溶液の濃度を調整すべく上記融解水ポンプによる上記凍結器内への送水を自動制御する制御系が設けられたことを特徴とする、ダイナミック型氷蓄熱装置。