JP3808949B2

JP3808949B2 - 氷蓄熱装置

Info

Publication number: JP3808949B2
Application number: JP24732596A
Authority: JP
Inventors: 猛海老根
Original assignee: Techno Ryowa Ltd
Current assignee: Techno Ryowa Ltd
Priority date: 1996-09-19
Filing date: 1996-09-19
Publication date: 2006-08-16
Anticipated expiration: 2016-09-19
Also published as: JPH1089818A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷房機器等の冷熱源を氷の形態で蓄積する氷蓄熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、水の潜熱を利用して蓄熱密度を増加させ、限られた容量の中により多くの冷熱を蓄える氷蓄熱装置が開発されている。このような氷蓄熱装置では、氷蓄熱槽で槽内の水を氷結させることによって氷の状態で多量の冷熱を蓄え、冷房機器等の運転時にその氷の冷熱を冷水として取り出して冷房機器等に循環させる。
【０００３】
この種の氷蓄熱装置において、氷蓄熱槽での製氷方法としてスタティック型と呼ばれる方法が知られている。このスタティック型の氷蓄熱装置では、氷蓄熱槽の内部に多数の製氷管を配管すると共に、槽内に多量の冷水を貯留している。そして、夜間の氷蓄熱時には、冷凍機ユニットを介して冷媒を製氷管内に循環させ、製氷管の周囲に着氷させる一方、昼間の冷房機器の運転時には、解氷しながら冷却する氷蓄熱槽内の冷水を冷房機器等に循環させる。
【０００４】
しかしながら、このようなスタティック型の氷蓄熱装置では、上述したように、冷却に伴って製氷用熱交換器である製氷管上に円筒状に着氷・蓄熱を行う。そのため、氷自体の熱伝導が低いことから、氷の成長に伴って氷厚が増すに従い熱伝導抵抗が増加する。従って、熱交換の効率、及びＣＯＰ（成績係数）が悪化するという問題があった。また、外融型及び内融型共に、夜間に製氷した氷が溶け残ることなく使い切られ無ければならず、そのための制御が難しいという問題があった。
【０００５】
上記問題を解決する方法として、ダイナミック型と呼ばれる製氷方法を採用した氷蓄熱装置が知られている。ダイナミック型には、連続的にシャーベット状の氷を生成する方法であるスラリー型と、製氷装置表面の氷を刈り取り、製氷と脱氷とを繰り返し行う方法であるハーベスト型とがある。スラリー型を採用した氷蓄熱槽としては、例えば、ブラインが製氷管内を膜状に自然流下する間に、冷媒との熱交換によって冷却され、このブライン中の水分子のみ氷結して微細な氷粒となり、スラリー状の氷となって氷蓄熱槽に送られるものがある。
【０００６】
また、ハーベスト型を採用した氷蓄熱装置としては、氷蓄熱槽から汲み上げられた水を製氷板にスプレーし、この水が製氷板の表面を流下する間に冷却されることによって、板状の氷が生成されるものがある。そして、製氷板にある程度氷が付着すると、伝熱性能を回復させるために、一時的に製氷板内部にホットガスを流して氷を落下させる。
【０００７】
しかしながら、このようなダイナミック型の氷蓄熱装置のうちスラリー型のものにおいては、製氷が進むに従ってブライン中の溶媒の濃度が上昇し、凝固点が低下するため、氷充填率を上げるために装置のＣＯＰがかなり低下するという問題があった。また、ハーベスト型の氷蓄熱装置においては、製氷板上に氷を散布するためのポンプ動力が必要であり、熱交換器部分のスペースが大となるため、規模が大きくなって装置が高価となるという問題があった。更に、このようなダイナミック型の氷蓄熱装置では、動的な製氷方式を採用しているため、運転時の信頼性や耐久性等を維持することが困難であるという問題があった。
【０００８】
以上のような各問題を解決する氷蓄熱装置として、特開昭５８−１１７９３７号公報記載のものが知られている。このような氷蓄熱装置では、氷蓄熱槽の底部に冷却板を設置し、この冷却板の表面に氷を生成するようになっている。そして、冷却板に生成された氷が所定の厚さに成長すると、冷却板から遊離させる。このとき、この板状の氷は、その比重差によって氷蓄熱槽の上部に浮上する。これを繰り返して氷層を形成することにより、氷蓄熱槽内部に氷を蓄える。このような氷蓄熱装置であれば、冷却板に付着する氷が順次離脱していくため、熱交換効率が良好な状態で製氷を繰り返すことができ、かつ、小規模で簡単な構造とすることが可能となる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来の氷蓄熱装置では、冷房機器等の運転時、すなわち蓄熱槽の放熱時には、氷蓄熱槽に水を循環させ、その水が氷蓄熱槽に蓄えられた氷層を溶解することで水を冷却させることにより、蓄熱冷熱を取り出すようになっている。しかしながら、上記特開昭５８−１１７９３７号公報記載の氷蓄熱装置では、生成される氷は板状であるため、氷蓄熱槽の上部に浮上して順次重なっていく。そして、氷同士が密着して、隙間のない厚い氷層となる。そのため、循環する水の氷層への接触面積が小さくなり、水を効率よく冷却することができず、蓄熱冷熱を効率よく取り出すことができないという問題があった。
【００１０】
また、上記特開昭５８−１１７９３７号公報には、冷却板の表面に多数の突起を設けた氷蓄熱装置についても開示されている。この突起によって氷に亀裂が生じることにより、小片の氷が生成される。また、特開平３−１８６１７２号公報においては、冷却板を揺動、変形させることによって氷に亀裂を生じさせ、氷片を生成する氷蓄熱装置が開示されている。しかしながら、このような小片の氷も、氷蓄熱層の上部において順次積層されていくため、結局は同様に厚い氷層となる。
【００１１】
本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、簡単な構成で、効率よく蓄熱及び放熱が可能な氷蓄熱装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達するため、請求項１記載の発明による氷蓄熱装置は、氷蓄熱槽の底面に冷却器を設置し、この冷却器の表面に順次氷を形成して遊離、浮上させ、前記氷蓄熱槽内に氷層を形成することにより、冷熱を蓄える氷蓄熱装置において、前記冷却器の表面に氷蓄熱槽の放熱時に水が流れる方向に平行に凹凸を形成することにより、前記冷却器の表面に形成される前記氷の下面に冷却器と同形状の凹凸が形成され、前記冷却器から遊離し浮上した前記氷同士が重なり合ったとき前記氷の下面の凹凸部分も氷蓄熱槽の放熱時に冷水が流れる方向に平行に形成され、重なり合った氷下面の凹部分を当該氷蓄熱槽内の水の流通路としたことを特徴とする。
【００１３】
請求項１の発明によれば、冷却器の表面に凹凸が形成されているため、この冷却器の表面に形成される氷の下面に凹凸が形成される。一方、氷の上面にはほとんど凹凸が形成されない。そして、この氷が順次冷却器から遊離して浮上し、氷層として重なっていく。このとき、各氷の下面に形成された凹凸の凹部分が氷蓄熱槽内の水の流通路となる。そのため、放熱時に、氷蓄熱槽に貯留している水を冷水として取り出し循環させる際、氷蓄熱槽内において水が上記流通路内を通過する。これにより、水の氷層に対する接触面積が大となり、熱交換率が上昇する。従って、蓄熱冷熱を効率よく取り出すことができる。
【００１４】
また、冷却器の凹凸部は水の流れる方向に沿って平行に形成されているため、冷却器の表面に形成される氷の下面は冷却器の凹凸部に沿った形状となる。そのため、氷の下面には氷蓄熱槽内の水の流れる方向に沿って凹部が形成される。これにより、氷が浮上して氷層を形成すると、放熱時に氷蓄熱槽内の水がこの凹部を流通路として流れることとなる。従って、水の氷層に対する接触面積が大となり、放熱時の熱交換率を上昇させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による氷蓄熱装置の実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。
【００１７】
（１）構成
図１は、本実施の形態による氷蓄熱装置の構成を示す図である。
＜冷水系統の構成＞
まず、冷房機器等を冷却する冷水系統の構成について説明する。図１において、１は氷蓄熱槽であり、２は冷房機器等の負荷であり、３は冷水ポンプである。氷蓄熱槽１は、槽内に水Ｗを貯留しており、この水Ｗが氷結して氷Ｉとなることによって冷熱を蓄えるようになっている。この氷蓄熱槽１内の水Ｗは、放熱時に冷水として、冷水供給管４を介して冷水ポンプ３により負荷２に供給されるようになっている。また、負荷２を冷却した冷水は、冷水戻り管５を介して氷蓄熱槽１に戻されるようになっている。氷蓄熱槽１内では、冷水が矢印Ａ方向に流れることによって冷却されるようになっている。
【００１８】
また、氷蓄熱槽１の底面には、断熱材６を介して板状の冷却器７が配置されている。この冷却器７は、後述する冷媒系統８から低温の冷媒が供給されると、その表面に氷Ｉが形成されるようになっている。また、冷却器７は、冷媒系統８から高温のホットガスが供給されると、温められることによって、その表面に形成された氷Ｉが遊離して浮上するようになっている。そして、冷媒系統８からの冷却器７に対する上記冷媒とホットガスの供給は、一定時間毎に交互に行われるため、氷Ｉ，Ｉ，…が順次浮上して氷層となる。
【００１９】
＜冷却器７の構成＞
次に、冷却器７の構成について説明する。図２は、冷却器７の構成を示す斜視図である。同図に示すように、冷却器７の表面全体には、氷蓄熱槽１における冷水の流れる方向（矢印Ａ方向）に沿って、断面略三角形状の複数の凸部Ｃ，Ｃ，…が平行に形成されている。このため、冷却器７の表面に形成される氷Ｉは、波型の形状となる。図３（ａ）に、冷却器７の表面に形成される氷Ｉを拡大した断面図を示す。この図に示すように、氷Ｉは、下面が冷却器７の表面の凸部Ｃに沿った形状となり、上面が緩やかな曲面形状となる。すなわち、氷Ｉは、上面が緩やかであるのに対し、下面が冷却器７の凸部Ｃの高さに応じて抉れた形状となっている。
【００２０】
従って、氷Ｉが浮上すると、図３（ｂ）に示すように、前に形成された氷Ｉとの間に間隙Ｓ，Ｓ，…が形成される。すなわち、氷Ｉの下面の抉れた部分が、次の氷Ｉの緩やかな上面との間に間隙Ｓ，Ｓ，…を形成することとなる。そして、次に形成された氷Ｉが浮上すると、同様にその間に間隙Ｓ，Ｓ，…が形成される。このような氷Ｉ，Ｉ，…が重なっていくことにより、図１に示すように、各氷Ｉ，Ｉ，…が密着することなくそれぞれの間に間隙Ｓ，Ｓ，…が形成される。そのため、氷蓄熱槽１内を矢印Ａ方向に流れる冷水が、この間隙Ｓ，Ｓ，…を流水路として通過することとなる。
【００２１】
＜冷媒系統８の構成＞
次に、冷媒系統８の構成について説明する。図１に示すように、冷媒系統８は、上記冷却器７、圧縮機９、凝縮器１０、膨脹弁１１から構成されている。冷却器７では、膨脹弁１１を経て圧力が降下した冷媒が、周囲から熱を奪って冷媒ガスとなる。圧縮機９は、冷却器７から冷媒戻り管１２を介して供給される冷媒ガスを圧縮する。凝縮器１０は、圧縮機９から圧縮吐出される冷媒ガスを低温液化する。凝縮器１０には、外部から、水冷式の場合は冷却水が、また、空冷式の場合は低温の外気が供給されるようになっており、この冷却水または外気が凝縮器１０内部を流れることによって、上記冷媒ガスが液化して低温の冷媒となるように構成されている。そして、凝縮器１０において液化した冷媒は、冷媒供給管１３を介して冷却器７に供給されるようになっている。
【００２２】
また、圧縮機９の吐出側から膨脹弁１１より先の冷媒供給管１３に、ホットガスライン１４が形成されている。このホットガスライン１４には、手動弁１５及び電磁弁１６が設けられている。すなわち、冷却器７を温める場合は、電磁弁１６が開となり、圧縮機９からの冷媒ガスがホットガスとして冷却器７に供給されるようになっている。なお、上記手動弁１５は、通常時は開となっており、故障時等において手動で操作される。
【００２３】
（２）作用・効果
次に、本実施の形態による氷蓄熱装置の動作を、図１及び図４を参照して説明する。図４は、氷蓄熱槽１における蓄熱及び放熱の状態を説明する図である。
【００２４】
まず、蓄熱時の動作について説明する。この間、図１に示す冷水ポンプ３は停止しており、冷水は負荷２に供給されない。
【００２５】
まず、図４（ａ）は、製氷開始時、すなわち、氷蓄熱槽１内にはまだ氷が形成されていない状態を示す。製氷が開始すると、凝縮器１０において冷却液化された冷媒が、冷媒供給管１３を介して冷却器７に供給される。そして、冷却器７を通過して蒸発した冷媒ガスは、冷媒戻り管１２を経て圧縮機９に供給される。その後、再び凝縮器１０において冷却されて、冷却器７に供給される。これにより、図４（ｂ）に示すように、冷却器７の表面に氷Ｉが形成される。
【００２６】
次に、一定時間、すなわち、氷Ｉの厚みが所定の厚みとなるまでの時間が経過すると、電磁弁１６が開となり、圧縮機９から圧縮吐出される冷媒ガスが、ホットガスライン１４によりホットガスとして冷却器７に供給される。そして、上記冷媒ガスが冷却器７を通過することにより冷却器７が温められ、図４（ｃ）に示すように、氷Ｉが冷却器７から遊離して浮上する。
【００２７】
その後、再び電磁弁１６が閉となり、圧縮機９からの冷媒ガスが凝縮器１０において液化し、低温の冷媒として冷却器７に供給されるようになる。これにより、再び氷Ｉが形成された後、上述したようにホットガスによって冷却器７が温められることによって氷Ｉが冷却器７から遊離する。図４（ｄ）に示すように、この製氷と遊離とが繰り返され、順次氷Ｉ，Ｉ，…が形成されていく。そして、図４（ｅ）に示すように所定量の氷Ｉ，Ｉ，…が形成されると、蓄熱が終了する。
【００２８】
次に、放熱時の動作について説明する。まず、冷水ポンプ３が可動することにより、氷蓄熱槽１内の冷水が冷水供給管４によって負荷２へ供給される。その後、冷水は冷水戻り管５を通って氷蓄熱槽１に戻る。
【００２９】
氷蓄熱槽１内部では、冷水戻り管５によって戻された冷水が、氷Ｉ，Ｉ，…の間に形成された間隙Ｓ，Ｓ，…を通過して矢印Ａ方向に流れる。この間、冷水は氷Ｉ，Ｉ，…と接触することによって冷却され、冷水供給管４を介して再び負荷２へ供給される。このようにして、放熱時は冷水が循環することにより、負荷２が冷却される。
【００３０】
以上のように、本実施の形態では、氷蓄熱槽１内に蓄えられる氷Ｉ，Ｉ，…の間に間隙Ｓ，Ｓ，…が形成され、これらが冷水の流通路となるため、冷水の氷Ｉに対する接触面積が大きくなる。そのため、放熱時の熱交換率が上昇し、冷水が効率よく冷却される。また、氷Ｉが十分に溶解するため、溶け残るという問題もなくなる。
【００３１】
（３）他の実施の形態
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、実施態様の変更は自由であるから、次に例示するような他の実施の形態をも包含するものである。例えば、氷蓄熱層１の構成として、図５の側断面図に示すようなものとしてもよい。すなわち、図５において、氷蓄熱層１の内部には、冷水の流れる方向である矢印Ａ方向に対して垂直に、２枚のパンチング板２０，２０が配置されている。このパンチング板２０，２０は、放熱時に矢印Ａ方向に流れる冷水が均一に流れ、かつ、氷Ｉが効率よく溶けるように設けられている。
【００３２】
また、冷却器７の表面に形成される凸部Ｃ，Ｃ，…の形状は、断面が略三角形状でなくてもよく、冷水の流通路となる間隙Ｓ，Ｓ，…が形成され得る形状であれば、先端が丸みを帯びている形状や、略四角形状であってもよい。
また、冷却器７自体の形状及び配置は上記実施の形態に示すものに限らず、例えば冷却器７を湾曲した形状としたり、傾斜して配置したりしてもよい。あるいは、冷却器７の表面に、氷Ｉが遊離し易いように、はっ水性の材料をコーティングしてもよい。
【００３３】
更に、冷却器７から氷Ｉを遊離させる方法として、ホットガスを用いた方法に限らず、冷却器７を変形させる等により氷Ｉが自然に遊離するような構成としてもよく、ホットガスを用いた方法と併用する構成としてよい。例えば、図６に示すように、冷却器７の４つの角のうち２つの角ＣＮ₁，ＣＮ₂を固定し、他の２つの角ＣＮ₃，ＣＮ₄の近傍にシリンダ２１ａ，２１ｂを配置する。そして、各シリンダ２１ａ，２１ｂをそれぞれ矢印Ｂ，Ｂ’方向に駆動し、冷却器７を捩じって変形させるようにする。なお、このとき、遊離する氷Ｉが割れない程度に冷却器７に捩じりを加えるようにする。
【００３４】
または、図７に示すように、冷却器７の側方にシリンダ２１を配置し、矢印Ｄ−Ｄ’方向に駆動する。これにより、冷却器７が矢印Ｄ−Ｄ’方向に伸縮するようにする。すなわち、シリンダ２１を矢印Ｄ方向に駆動することにより、冷却器７を矢印Ｄ方向に収縮させて、氷を遊離させるようにする。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、冷却器の表面に凹凸を形成することにより、簡単な構成で、効率よく蓄熱及び放熱が可能な氷蓄熱装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による氷蓄熱装置の構成を示す概略系統図
【図２】同実施の形態による冷却器７の構成を示す斜視図
【図３】同実施の形態において（ａ）冷却器７の表面に形成される氷Ｉを拡大した断面図、及び（ｂ）氷Ｉ同士の重なり合った状態を示す図
【図４】同実施の形態による氷蓄熱層１における蓄熱及び放熱の状態を説明する概略図
【図５】本発明の他の実施の形態による氷蓄熱槽１の構成を示す側断面図
【図６】本発明の他の実施の形態による冷却器７から氷Ｉを遊離させる方法を説明する図
【図７】本発明の他の実施の形態による冷却器７から氷Ｉを遊離させる方法を説明する図
【符号の説明】
１…氷蓄熱槽
２…冷水ポンプ
３…負荷
４…冷水供給管
５…冷水戻り管
６…断熱材
７…冷却器
８…冷媒系統
９…圧縮機
１０…凝縮器
１１…膨脹弁
１２…冷媒戻り管
１３…冷媒供給管
１４…ホットガスライン
１５…手動弁
１６…電磁弁
２０…パンチング板

Claims

氷蓄熱槽の底面に冷却器を設置し、この冷却器の表面に順次氷を形成して遊離、浮上させ、前記氷蓄熱槽内に氷層を形成することにより、冷熱を蓄える氷蓄熱装置において、
前記冷却器の表面に氷蓄熱槽の放熱時に水が流れる方向に平行に凹凸を形成することにより、前記冷却器の表面に形成される前記氷の下面に冷却器と同形状の凹凸が形成され、前記冷却器から遊離し浮上した前記氷同士が重なり合ったとき前記氷の下面の凹凸部分も氷蓄熱槽の放熱時に水が流れる方向に平行に形成され、重なり合った氷下面の凹部分を当該氷蓄熱槽内の水の流通路としたことを特徴とする氷蓄熱装置。