JP4189958B2 - 氷蓄熱空調システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、氷蓄熱槽内に蓄える蓄熱媒体として低濃度ブライン溶液を利用する氷蓄熱空調システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
氷蓄熱槽の氷充填率（Ice Packing Factor、以下ＩＰＦと称す）を高めることは、氷蓄熱空調システムを小型化するうえで有効な手段である。このため、蓄熱媒体に低濃度ブライン溶液を使用し、ｍｕｓｈ状（固―液共存の状態）の氷を製氷することにより高ＩＰＦ化を図ろうとする技術が進められている。高ＩＰＦ時に発生する氷のブリッジングによって蓄熱槽内の圧力が異常に上昇するが、氷をｍｕｓｈ状にすることにより機械的圧力の異常上昇が緩和されるためである。
【０００３】
そこで、蓄熱槽内に攪拌手段を設けてブライン溶液濃度を管理し、ｍｕｓｈ状の氷を製氷する例として、非特許文献１に示すような蓄熱槽が知られている。蓄熱槽、熱交換器、蓄熱槽外部の冷媒循環流路、循環ポンプなどを備え、製氷時、低圧のガス冷媒によって蓄熱槽内の蓄熱媒体より熱を奪うことによって、熱交換器の周囲にｍｕｓｈ状の氷を生成させるものである。
【０００４】
【非特許文献１】
熊本大学地域共同研究センター第１３回共同研究成果発表会概要集 「高性能氷蓄熱システムの開発（４）」
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
低濃度ブライン溶液を使用した場合、製氷・融解のサイクルが繰り返されるとブライン濃度に勾配が生じ、蓄熱槽内の上部が薄く、下部が濃くなる。したがって、ブライン溶液濃度が薄くなった部位ではｍｕｓｈ状の氷が生成されなくなるため氷のブリッジングが起き、圧力が異常に上昇する。圧力の異常上昇は熱交換器等へダメージを与え、高ＩＰＦが実現できなくなる。したがって、高ＩＰＦを実現できる期間が限られてしまう。
【０００６】
そこで、濃度勾配を解消するため水槽内の蓄熱媒体を循環ポンプによって攪拌することが必要となるが、氷蓄熱空調システムは消費電力の低減を目的とするものであり、循環ポンプが非効率的に使用されると余分な電力が消費される。
【０００７】
本発明の目的は、蓄熱槽内の上下のブライン濃度差を均一化して蓄熱槽内の熱交換器の破損防止と蓄熱容量の増大を図りつつ、循環ポンプの運転を効率的に行なえるよう循環ポンプの運転を制御して省電力を図ることができる氷蓄熱空調システムを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の氷蓄熱空調システムは、圧縮機及び室外熱交換器を有する室外ユニットと、室内熱交換器及び膨張開閉弁を有する室内ユニットと、氷蓄熱ユニットと、制御装置とを備え、該氷蓄熱ユニットは、蓄熱媒体を蓄える蓄熱槽と、該蓄熱槽に内蔵され前記蓄熱媒体と管内を流れる冷媒との間で熱交換させる蓄熱槽熱交換器と、前記蓄熱槽内の前記蓄熱媒体を攪拌する循環ポンプとを有し、前記圧縮機、前記室外熱交換器、前記室内熱交換器、前記膨張開閉弁及び前記蓄熱槽熱交換器でサイクルを構成してシステムの運転時に前記蓄熱槽に蓄えられた蓄熱媒体の蓄熱を利用して前記室内ユニットで冷房を行う氷蓄熱空調システムにおいて、該循環ポンプは、前記蓄熱槽の概ね最低部位置に設けられた吸込口と前記蓄熱槽の概ね最高部位置に設けられた吐出口とを連通する配管に介在して設けられ、前記蓄熱媒体は水にブライン溶液が混合されて構成されおり、前記制御装置は、前記蓄熱槽内の前記蓄熱媒体の上下方向のブライン溶液の濃度が０．２〜１０％の範囲にあるように、システムの運転時間が所定の積算時間になる度に前記循環ポンプを運転するものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係る氷蓄熱空調システムの実施例の系統図である。氷蓄熱空調システムは、基本的にそれぞれ破線で示される室外ユニット１、室内ユニット２及び氷蓄熱ユニット３から構成されている。
詳しくは、室外ユニット１は冷媒ガスを圧縮する圧縮機４、外気と管内をながれる冷媒との間で熱交換させる室外熱交換器５、冷媒の流れを切替える四方弁６及び循環ポンプ１３（攪拌装置）の運転を制御する制御装置７（詳細後述）から構成されている。また室内ユニット４は、室内空気と管内をながれる冷媒との間で熱交換させる室内熱交換器８及び膨張開閉弁９から構成されている。
【００１３】
さらに氷蓄熱ユニット３は、蓄熱媒体を蓄える蓄熱槽１０、該蓄熱槽１０に内蔵され蓄熱媒体と管内を流れる冷媒との間で熱交換させる熱交換器１１、該蓄熱槽１０の液面の最上部もしくはその近傍（すなわち概ね最高部位置）の吸込口もしくは吐出口と、底部もしくはその近傍（すなわち概ね最低部位置）に吐出口もしくは吸込口とを連通させる配管１２、該配管１２に介在し蓄熱媒体を循環させる循環ポンプ１３、蓄熱冷媒のブライン濃度を検出するブライン濃度検出器１４、膨張開閉弁１５、電磁開閉弁１６，１７，１８などから構成されている。
【００１４】
蓄熱媒体は、ブライン溶液を０．２ないし１０．２％（重量）の範囲で混合して調整されることが好ましい。その理由は、ブライン溶液が０．２％以下になると、蓄熱容量が大きくなる反面、氷結時の蓄熱媒体の機械的応力が大きくなって熱交換器１１を破損させる恐れがある。またブライン溶液が１０．０以上になると、該機械的応力は小さくなるが氷結が起こり難く、蓄熱容量が小さくなる。
【００１５】
これら機器は配管２０，２１，２２，２４，２５，２６によって接続され、機器間に冷媒液もしくは冷媒ガス（または、これらの二相冷媒）が流れる。前記制御装置７と前記ブライン濃度検出器１４及び循環ポンプ１３とは、信号の授受が可能に接続されている。
【００１６】
上記構成のシステムにおいて、冷房運転時及び製氷運転時（蓄熱運転時）の作用を説明する。
まず製氷運転時について説明すると、膨張開閉弁９、電磁開閉弁１８は閉にされ、膨張開閉弁１５は開、電磁開閉弁１６，１７は開にされる。冷媒の流れは実線矢印で示されるように、圧縮機４の運転によって冷媒は四方弁６を通り、室外熱交換器５で外気と熱交換して温度が概ね外気温度まで低下した冷媒は膨張開閉弁１５で断熱膨張によってより低温となって蓄熱槽１０内に入る。蓄熱槽１０の熱交換器１１で、蓄熱媒体は冷媒と熱交換してより低温となり、冷媒自身は温度上昇して冷媒ガス（液―ガスの二相流）となって圧縮機４の吸入側に入るサイクルを行なう。このサイクルの繰り返しによって熱交換器１１の表面に氷が生成される。
【００１７】
冷房運転時は、電磁開閉弁１６，１７は閉にされ、電磁開閉弁１８、膨張開閉弁９，１５は開にされる。冷媒の流れは破線矢印で示されるが、製氷運転時と異なる流れについてのみ説明する。室外熱交換器５で外気と熱交換して低温となり、蓄熱槽１０内の蓄熱媒体と熱交換してさらに低温となって室内熱交換器８に流入し、室内空気と熱交換するサイクルを繰り返す。
【００１８】
しかし前述のように、ブライン溶液が混合された蓄熱媒体（一般に水）では、サイクルの繰り返しによって水とブライン溶液との比重差により、ブライン濃度は上部で薄く下部で濃い溶液となり、蓄熱媒体に濃度差が生じてしまう。蓄熱媒体に濃度差が生じると、濃度が薄い上部では応力が大きくなり、濃度の濃い下部では応力は少ないが氷が生成し難く、もしくは生成しなくなる、という好ましくない現象が起こる。
【００１９】
この現象は、次の手段によって回避できる。
その一つ上記実施例のように、蓄熱媒体の濃度差は空調システムの運転時間によって概ね比例するので、空調システムの運転時間を積算し、積算運転時間が所定の時間になったら制御装置７によって循環ポンプ１３を運転し、蓄熱媒体を攪拌して濃度差を均一化するものである。
【００２０】
あるいは、次の手段によっても回避できる。
蓄熱媒体の上部ブライン濃度が所定濃度未満になったことが検出されると制御装置によって循環ポンプが運転されように制御し、蓄熱槽内の蓄熱媒体を攪拌して濃度を均一化する。
【００２１】
さらに、次の手段によっても回避できる。
すなわち、予め決めてある製氷運転の直前もしくは製氷運転中（製氷運転中は伝熱管を流れる冷媒と管外の蓄熱媒体と温度差より大きく、より大きな伝熱効果が得られる）に循環ポンプが運転されるように制御する制御装置を設けることや、熱交換器の解氷運転後に循環ポンプが運転される制御装置を設けることによっても回避できる。
【００２２】
図２は、暖房運転時の冷媒の流れを示したものである。
暖房運転時では、四方弁４が切替えられて冷媒は矢印一点破線で示されるように流れる。氷蓄熱ユニット５は利用されないため電磁開閉弁１６は閉にして運転される。暖房運転時は、基本的には従来の氷蓄熱空調システムと作用が同じであるので、その説明は省略する。
【００２３】
本実施例によれば、循環ポンプの運転を効率的に行なう制御装置を設けて循環ポンプの運転を制御することにより、省電力化を図ることができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の氷蓄熱空調システムによれば、蓄熱槽内の上下のブライン濃度差を均一化して蓄熱槽内の熱交換器の破損防止と蓄熱容量の増大を図りつつ、循環ポンプの運転を効率的に行なえるよう循環ポンプの運転を制御して省電力を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の氷蓄熱空調システムに係る実施例の系統図で、製氷運転時及び冷房運転時の冷媒の流れを同時に示したものである。
【図２】図１の実施例における、暖房運転時の冷媒の流れを示したものである。
【符号の説明】
１…室外ユニット、２…室内ユニット、３…氷蓄熱ユニット、４…圧縮機、５…室外熱交換器、６…四方弁、７…制御装置、８…室内熱交換器、
９…膨張開閉弁、１０…蓄熱槽、１１…熱交換器、１２…配管、１３…循環ポンプ（攪拌装置）、１４…ブライン濃度検出器、１５…膨張開閉弁、１６…電磁開閉弁、１７…電磁開閉弁、１８…電磁開閉弁、２０，２１，２２，２３，２４，２５，２６…配管。

Claims (1)

1. 圧縮機及び室外熱交換器を有する室外ユニットと、室内熱交換器及び膨張開閉弁を有する室内ユニットと、氷蓄熱ユニットと、制御装置とを備え、
   該氷蓄熱ユニットは、蓄熱媒体を蓄える蓄熱槽と、該蓄熱槽に内蔵され前記蓄熱媒体と管内を流れる冷媒との間で熱交換させる蓄熱槽熱交換器と、前記蓄熱槽内の前記蓄熱媒体を攪拌する循環ポンプとを有し、
   前記圧縮機、前記室外熱交換器、前記室内熱交換器、前記膨張開閉弁及び前記蓄熱槽熱交換器でサイクルを構成してシステムの運転時に前記蓄熱槽に蓄えられた蓄熱媒体の蓄熱を利用して前記室内ユニットで冷房を行う氷蓄熱空調システムにおいて、
   該循環ポンプは、前記蓄熱槽の概ね最低部位置に設けられた吸込口と前記蓄熱槽の概ね最高部位置に設けられた吐出口とを連通する配管に介在して設けられ、
   前記蓄熱媒体は水にブライン溶液が混合されて構成されおり、
   前記制御装置は、前記蓄熱槽内の前記蓄熱媒体の上下方向のブライン溶液の濃度が０．２〜１０％の範囲にあるように、システムの運転時間が所定の積算時間になる度に前記循環ポンプを運転する
   ことを特徴とする氷蓄熱空調システム。

Images