JP3743889B2 - 氷蓄熱システムにおける氷水分岐方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は複数の蓄熱槽を有する氷蓄熱システムに関し、特に製氷機で作ったシャーベット状の氷を含む氷水を、主管から分岐部を介して１つ又は複数の枝管へと移送する際の氷水分岐方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明者等は先に過冷却水からシャーベット状の氷を生成することができる氷製造装置を開発し、特許第２８１１２７１号（特開平７−４８０１号）として発行された。この製造装置によって生成されるシャーベット状の氷の重量濃度は３％前後であり、流動性に優れており配管内を容易に搬送することができる。このような特性を活かし、１台の製氷機から複数の氷蓄熱槽へと配管を接続し、製氷機で生成された氷水をそれぞれの水槽へ同時に分配して氷を蓄えるといった運転方法も可能になった。
【０００３】
しかし、製氷機で生成された直後の氷は流動性があるが、添付図面の図８に示すように、その氷を配管２１で搬送すると、初期の氷の状態１１から氷の粒同士が結合して固体粒子群１６を形成し、見かけ上１つの固まりとして配管内を流れるようになる。このような氷の流れは「プラグ」流と呼ばれ、小さな氷粒子からなるシャーベット状の氷によく見られる現象である。さらに長い距離を搬送すると、図９に示すように、氷と水の比重差によって氷が上方に偏った状態で流れるようになる。
【０００４】
このようなシャーベット状の氷を分岐部２０で氷水搬送主管２１から枝管２２へと分岐させた場合、図１０に示すように、直進方向へプラグ流化した氷がそのまま流れていってしまい、主管から分岐した配管へ分配される氷の量が少なくなる傾向にある。このような特性をもったシャーベット状の氷を複数の水槽へ同時に分配して蓄氷を行う場合、分岐管へ流れる氷水の体積流量だけをバルブで調整したとしても、分岐される氷水濃度が小さいため、蓄熱槽へ蓄えられる氷の量が少なくなる。また、氷水濃度が小さくなる分、分岐管を流れる氷水の体積流量を増加させることで、氷蓄熱槽へ蓄えられる氷の量を増加させることはできるが、分岐管を流れる氷水濃度が不明なため、どの程度流量を増加させればよいのかわからず、加えて氷水濃度が異なるので複数の氷蓄熱槽での保有冷熱量が一定にならないという問題点があった。
【０００５】
特開平６−３００３２８号「氷蓄熱システムにおける複数槽への蓄氷方法」には、氷水を各水槽へ均等に分配するために、分岐管に流量調整用のオリフィス板を取り付けている。製氷機から蓄熱槽までの氷水搬送管長が短い場合はプラグ流が完全には形成されないので、このような調整方法である程度均等に氷水を分配することも可能である。しかしながら、氷水搬送管長が長く氷水がプラグ流となって流れる場合、分岐時の氷水濃度ムラが発生することから、各水槽の体積流量のみを調整しただけでは、体積流量に似合った氷を各水槽に蓄えることはできない。分岐管へ取り付けたオリフィス板のみで各水槽へ蓄えられる氷の量を調整しようとする場合、実際に蓄氷を行ってみて各蓄熱水槽へどの程度氷が貯まったかを確認し、ムラがあった場合は、それによって再度オリフィス板の抵抗値を変える必要がある。体積流量を調整するために分岐管にオリフィス板を取り付けることは各種流体の流量調整用に広く行われている周知のことである。
【０００６】
特許第３２７９１３１号「氷水配管装置」には、氷水分岐部にＹ字管を使用して、管内における氷が偏在するのを解消させる装置が記載されている。Ｙ字管を使用することで通常のＴ字管に比べて氷水濃度を均一にする効果はあるが、Ｙ字管を使用することで配管の取り回しに大きな制限があり、自由に配管を配置することができない。
特開２０００−７１５４号「固液二相流の管路分岐装置」では、管路の接線方向に二次管を接続し、分岐部の上流側にバイパス配管や圧力供給装置を設けて旋回流を生成させ、氷水スラリーでの固相と液相を均等に分布させるようにしている。二次管の内径と主管の内径との比率についての記載がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、複数の蓄熱槽を有する氷蓄熱システムにおいて、製氷機で作ったシャーベット状の氷を含む氷水を主管から分岐部を介して１つ又は複数の枝管へと移送する際に、分岐部における氷水濃度のムラの発生を防止し、均一な濃度の氷水を各蓄熱槽へと供給することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するため、本発明による氷水分岐方法では、分岐部の中心から主管の上流側に向かって主管の内径の約２〜１０倍の位置にオリフィス又はノズルを配置し、前記オリフィス又はノズルの穴径をそこでの圧力損失が約２０００Ｐａになるように設定し、シャーベット状の氷同士が付着して配管内に生じるプラグ流をオリフィス又はノズルを通過する際に破砕するようにした点に特徴を有する。
【０００９】
【作用】
かかる構成に基づき、分岐部上流の主管内で形成された氷水プラグ流は、分岐部から上流へ氷水主管の内径の約２〜１０倍の位置に設置されたオリフィス板を通過することによって破砕され、分岐流量や流速等に左右されることなく、ほぼ均一な濃度で各分岐管へ氷水を流すことができる。従って、複数の水槽へ氷水を分配する場合は、各水槽への分岐部上流へ氷水主管内径の２〜１０倍の位置にオリフィス板を設置することにより、分岐管へも均一な濃度の氷水を分配することができるので、バルブによって体積流量のみを調整すれば、各水槽へ流れる体積流量の比と等しい割合で蓄熱槽へ氷を蓄えることができる。氷水分配管の体積流量の計測には、例えば電磁流量計やオリフィス板前後の差圧から流量換算を行うような差圧式流量計を用いることができる。
【００１０】
また、製氷機によって生成される氷の重量濃度は３％前後と低濃度であるため、配管内を流れるときの圧力損失は、氷を含まない水とほぼ同じであることから、製氷機から各水槽までの圧力損失は容易に計算で求めることができる。そこで、バルブによる調節を行わなくても、各分岐管に必要な抵抗を加えることで、各水槽へ流れる氷水流量をねらった値に調整することも可能である。分岐管に抵抗を加える方法としては、各種流体の流量調整でも一般に使用されているオリフィス板が使用できる。
【００１１】
また、別の形状として、オリフィス板の代わりに、氷水の流れに対して上流から下流に向かってテーパ形状になっているノズル板を使用することができる。氷水配管口径が５０Ａ以上の場合、オリフィス板での氷による閉塞は発生しないが、５０Ａ以下の小口径管の場合、オリフィス部に氷が体積し、閉塞を起こす可能性がある。このような小口径管内を氷水搬送させる場合、テーパ状ノズルを使用することで閉塞を回避でき安定した氷水搬送を行うことができる。
以下、本発明による好適な実施形態を添付図面を参照しながら説明する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に基づき設置したオリフィス板でプラグ流が破砕される状態を表している。この実施態様では、分岐部２０の上流側主管２１内で形成された氷水プラグ流１６は、分岐部２０から上流側へ氷水主管２１の内径Ｄの５倍（５Ｄ）の位置に設置されたオリフィス３０を通過することによって破砕され、分岐流量や流速等に左右されることなく、ほぼ均一な濃度で分岐後の主管２１ａ及び分岐管２２へ氷水を流すことができ、それぞれ蓄熱槽１２，１３へと均等な氷水が供給される。
オリフィス３０はオリフィス板３２をフランジ３８で主管２１に固定したもので、オリフィス板３２の中央にはオリフィス穴３４が穿設されている。オリフィス穴３４の穴径は、例えば主管の径が５０ｍｍのとき５〜３０ｍｍ程度で、そこでの圧力損失が２０００Ｐａ程度になるように設定する。
【００１３】
図２は複数の水槽へ氷水を分配する実施例を表している。製氷機１０で作られたシャーベット状の氷水は主管２１を移送され、分岐部２０ａ，２０ｂ，２０ｃを経て、枝管２２，２３，２４，２５へと移送され、それぞれの蓄熱槽４１，４２，４３，４４へと氷水が供給される。各蓄熱槽の入口側にはバルブ４６と流量計４７が配置されている。各蓄熱槽の間は水面が概ね等しくなるように連通管２６，２７，２８で連絡されている。蓄熱槽からの排水はポンプ１４で汲み出されて製氷機１０へと循環させられる。
本発明に基づき、各水槽への分岐部上流側へ氷水主管内径の２〜１０倍の位置にオリフィス３０ａ，３０ｂ，３０ｃが設置されており、各分岐管へ均一な濃度の氷水が分配される。各バルブ４６を調整し体積流量のみを調整することによって、各水槽へ流れる体積流量の比と等しい割合で蓄熱槽へ氷を蓄えることができる。氷水分配管の体積流量の計測には、例えば電磁流量計やオリフィス板前後の差圧から流量換算を行うような差圧式流量計を用いることができる。
【００１４】
図３は、図２の構造に加えて、さらに各分岐管に抵抗を加えることにより各蓄熱槽へと流れる氷水流量を調節するようにした実施例を表している。製氷機によって生成される氷の重量濃度は３％前後と低濃度であるため、配管内を流れるときの圧力損失は、氷を含まない水とほぼ同じであることから、製氷機から各水槽までの圧力損失は容易に計算で求めることができる。そこで、バルブによる調節を行わなくても、各分岐管に必要な抵抗を加えることで、各水槽へ流れる氷水流量をねらった値に調整することも可能である。図３の例では、各分岐管に抵抗を加える方法として、各蓄熱槽４１，４２，４３，４４の直前に一般的なオリフィス５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄを配置している。
【００１５】
図４は、オリフィスの代わりに、氷水の流れに対して上流から下流に向かってテーパ形状になっているノズルを使用した実施例を表している。
テーパノズル６０はノズル板６２をフランジ３８で主管２１に固定したもので、ノズル板６２の中央にはノズル穴６４が穿設されている。ノズル穴６４の穴径は、例えば主管の径が５０ｍｍのとき５〜３０ｍｍ程度で、そこでの圧力損失が２０００Ｐａ程度になるように設定する。
氷水配管口径が５０Ａ以上の場合、オリフィス板での氷による閉塞は発生しないが、５０Ａ以下の小口径管の場合、オリフィス部に氷が体積し、閉塞を起こす可能性があるので、このような小口径管内を氷水搬送させる場合、テーパ状ノズルを使用することで閉塞を回避でき安定した氷水搬送を行うことができる。
【００１６】
図５は、本発明に基づく氷蓄熱回路に解氷用熱交換器と熱負荷を組み込んだ試験装置のシステム図である。この試験装置は、シャーベット状の氷水を製造する製氷機１０、氷を蓄える２つの蓄熱槽４１，４２、蓄熱槽の水を取水し製氷機へその水を送って製氷機で生成された氷を蓄熱槽まで搬送するための循環ポンプ１４を包含し、それぞれの機器は配管で接続されている。また氷水が搬送される配管の分岐部２０ａより上流側５Ｄの位置にオリフィス３０ａが設置されている。各水槽へ接続される氷水管の枝管２２，２３には氷水流量調整用バルブ４６と氷水の体積流量を測定する流量計４７が設置されている。
また、蓄熱槽４１，４２へ蓄えられた氷を解氷するために、熱交換器１７が設置され、ポンプ出口に設置したバルブ７６を切り替えることによって、蓄熱槽から取水した冷水を熱交換器１７へ送ることができる。蓄熱槽４１，４２から取水された蓄熱槽冷水は熱交換器１７によって暖められて、蓄熱槽４１，４２へ戻り、氷を溶かす。解氷は１槽ずつ行い、１槽の水が完全に溶けたら、バルブによって切り替えて２槽目の水槽を解氷する。
【００１７】
熱交換器１７の入口には温度検出器７８が設置され、また解氷配管には流量計７７が設置されており、氷を完全解氷するために必要な熱量を演算し、蓄熱槽に蓄えられていた氷の量を推定できるようになっている。かくして、各水槽へ同時に分配する氷水の体積流量と各水槽へ蓄えられた氷の量を測定することによって、各水槽へ分配する枝管における氷水濃度を求めることができる。
【００１８】
図６に、オリフィス板を設置せず、氷水分配を行った場合の分岐流量と分岐濃度の関係のグラフを示す。本グラフでは、分岐部の氷水濃度は、分岐前の氷濃度を１とした場合の値で表しており、分岐流量は分岐前の流量を１とした場合の値で表している。この図からわかるように、オリフィス板を設置しない場合、分岐流量が０．５、つまり１対１の流量で分岐を行った場合は、分岐管氷水濃度は１に近く、ほぼ製氷機から供給される氷濃度のまま分岐できているが、分岐流量が小さくなるほど分岐管の氷濃度が小さくなっており、主管に対する分岐流量の割合によって分岐される氷濃度が変化することがわかる。例えば、主管における氷水体積流量の２０％を分岐させようとした場合、主管の氷濃度に対し約７０％の氷濃度となる。
【００１９】
図７に、分岐部から上流側へ氷水配管主管径の３倍の位置にオリフィス板を設置した場合の結果を、分岐流量と氷水濃度の関係で示す。なおオリフィス板の穴径は圧力損失が２０００Ｐａ、５０００Ｐａの２種類の圧力損失をもたせたオリフィス板を使用し、それぞれ測定を行った。図７から、オリフィス板を設置することにより、２０％以上の濃度ムラの改善が図られたことがわかる。
【００２０】
【発明の効果】
以上詳細に説明した如く、本発明によれば、分岐部上流の主管内で形成された氷水プラグ流は、分岐部から上流側へ氷水主管の約２〜１０倍の位置に設置されたオリフィス板やノズル板を通過することによって破砕され、分岐部における氷水濃度のばらつきが防止され、均一な濃度の氷水が各蓄熱槽へと供給される。バルブを用いて体積流量だけを調整すれば、各水槽へ流れる体積流量の比と等しい割合で蓄熱槽へ氷を蓄えることができるなど、その技術的効果には極めて顕著なものがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるオリフィス板を設けた配管分岐部での概略断面図である。
【図２】複数水槽への氷水分岐を表す回路図である。
【図３】複数水槽への氷水分岐を表す回路図である。
【図４】本発明によるノズル板を設けた配管分岐部での概略断面図である。
【図５】複数水槽への氷水分岐を表す回路図である。
【図６】氷水分岐管での流量比と氷水濃度の関係を表すグラフである。
【図７】氷水分岐管での流量比と氷水濃度の関係を表すグラフである。
【図８】氷粒が配管内を搬送される場合の性状変化を表す概略断面図である。
【図９】氷粒が配管内を搬送される場合の性状変化を表す縦断面図である。
【図１０】配管分岐部でのプラグ流を表す概略断面図である。
【符号の説明】
１０ 製氷機
１２，１３，４１〜４４ 蓄熱槽
１４ ポンプ
１６ プラグ流
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ 分岐部
２１ 主管
２２〜２５ 分岐管
３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ オリフィス
３２ オリフィス板
３４ オリフィス穴
６０ ノズル
６２ ノズル板
６４ ノズル穴

Claims (1)

1. 製氷機で作ったシャーベット状の氷を含む氷水を主管から分岐部を介して１つ又は複数の枝管へと移送し、各枝管からそれぞれ氷蓄熱槽に氷水を供給する氷蓄熱システムにおいて、
   前記分岐部の中心から主管の上流側に向かって主管の内径の約２〜１０倍の位置にオリフィス又はノズルを配置し、前記オリフィス又はノズルの穴径をそこでの圧力損失が約２０００Ｐａになるように設定し、
   シャーベット状の氷同士が付着して配管内に生じるプラグ流をオリフィス又はノズルを通過する際に破砕するようにしたことを特徴とする氷蓄熱システムにおける氷水分岐方法。

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