JP4328152B2 - 氷蓄熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍サイクルと蓄熱サイクルとを有する氷蓄熱装置に関し、特に蓄熱サイクル中において循環する水を、冷凍サイクルで生じる熱によって過冷却前に予熱する氷蓄熱装置に関する。

氷蓄熱装置としては、冷凍サイクルで生成した冷熱によって水を過冷却し、得られた過冷却水の過冷却状態を解除して氷水を生成し、これを氷蓄熱槽に蓄えることによって、冷凍サイクルで生成した冷熱を蓄熱する過冷却水方式の氷蓄熱装置が知られている。このような過冷却水方式の氷蓄熱装置では、過冷却器（過冷却水を製造する熱交換器）へ微細な氷粒子が流入しないように過冷却前の水を予熱することは、氷蓄熱装置の正常かつ円滑な運転を行う上で重要な操作である。

過冷却前の水を予熱する氷蓄熱装置としては、前記冷凍サイクルを循環する高温高圧の冷媒液を、前記過冷却前の水の予熱源として利用する装置が知られている（例えば、特許文献１及び２参照。）。これらの氷蓄熱装置は、冷凍サイクルにおいては高効率な冷媒過冷却サイクルを実現することができる点で優れている。また、これらの氷蓄熱装置は、予熱用の熱交換器をバイパス制御することが可能であるので、予熱量が過大になることを防止する上で優れている。

しかしながら、過冷却水方式の氷蓄熱装置において過冷却水を効率よく安定して製造するためには、予熱量の過大の防止のみならず、過冷却水の過剰な冷却を防止することや、予熱用の熱量を安定して確保することが重要である。

例えば、冷凍サイクルに対して過冷却器が複数設置されている氷蓄熱装置では、過冷却器が凍結した場合、速やかに凍結解除運転が行われるが、凍結解除運転時には一部の過冷却器しか製氷に用いられていないので、冷凍サイクルにおいて冷熱が過剰に生成されることになる。従来の過冷却水方式の氷蓄熱装置には、過冷却水の生成におけるこのような過剰な冷却を防止する点について、検討の余地が残されている。

また、冷凍サイクルにおいて、冷媒の凝縮には空冷による冷却水が通常用いられるが、外気温度が低い場合には、冷却水の温度が低くなることによって、冷媒に対する凝縮器の冷却能力が大きくなり、冷媒から多くの熱が奪われ、予熱に用いられる冷媒の熱量が不足することがある。このように、従来の過冷却水方式の氷蓄熱装置には、過冷却前の水の予熱に用いられる前記冷媒の熱量を確保する点について、検討の余地が残されている。
特許第３０９７１６１号公報 特開平１０−２８８３６１号公報

本発明は、過冷却水方式の氷蓄熱装置において、過冷却水の生成における過剰な冷却を防止することを第一の課題とする。

また本発明は、過冷却水方式の氷蓄熱装置において、外気温度が低い場合でも過冷却前の水の予熱に用いられる前記冷媒の熱量を確保することを第二の課題とする。

本発明は、過冷却水方式の氷蓄熱装置において、複数の蓄熱サイクルのうちの一部の蓄熱サイクルで水の凍結が生じた場合に、複数の蓄熱サイクルに対して運転していた圧縮機の出力から、水の凍結が生じた蓄熱サイクルに対する出力を差し引くことにより、少なくとも前記第一の課題を解決しようとするものである。

すなわち、本発明の氷蓄熱装置は、冷媒の圧縮、凝縮、膨張、及び蒸発によって冷熱を生成する冷凍サイクルと、冷凍サイクルで生成する冷熱を蓄える蓄熱サイクルとを有し、冷凍サイクルは、冷媒の蒸気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された冷媒を冷却水で冷却して凝縮させる凝縮器と、凝縮器で凝縮した冷媒を断熱膨張させる減圧手段と、減圧手段で断熱膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器とを有し、蓄熱サイクルは、冷凍サイクルの蒸発器で生成する冷熱によって水を０℃以下に過冷却して過冷却水を生成する過冷却器と、過冷却器で生成した過冷却水の過冷却状態を解除して氷水とする過冷却解除器と、過冷却解除器で生成した氷水を蓄える氷蓄熱槽とを有する氷蓄熱装置において、蓄熱サイクルを複数有するとともに、蓄熱サイクル中において水が凍結したことを検出する検出手段と、検出手段からの検出信号に応じて圧縮機の出力を制御する圧縮機制御手段とをさらに有し、圧縮機制御手段は、蓄熱サイクル中において水の凍結が発生したときに、全ての蓄熱サイクルに対する圧縮機の出力から水の凍結が生じた蓄熱サイクルに対する圧縮機の出力が引かれた値となるように、圧縮機の出力を制御する手段であることを特徴とする氷蓄熱装置（以下、この氷蓄熱装置を「第一の氷蓄熱装置」とも言う）である。

前記構成によれば、一部の蓄熱サイクルで水の凍結が発生したときに、残りの蓄熱サイクルへの過剰な冷熱の供給が抑制され、残りの蓄熱サイクルにおいて過冷却水を安定して生成し、かつ装置全体での省エネルギー運転を実現することが可能となる。

また、本発明は、過冷却水方式の氷蓄熱装置において、冷凍サイクルにおいて冷媒の温度を、その上限値である設定値に近づける方向に、冷媒の冷却用の動力源の出力を、冷却水の温度に応じて制御することにより、少なくとも前記第二の課題を解決しようとするものである。

すなわち、本発明の氷蓄熱装置は、冷媒の圧縮、凝縮、膨張、及び蒸発によって冷熱を生成する冷凍サイクルと、冷凍サイクルで生成する冷熱を蓄える蓄熱サイクルとを有し、冷凍サイクルは、冷媒の蒸気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された冷媒を冷却水で冷却して凝縮させる凝縮器と、凝縮器で凝縮した冷媒を断熱膨張させる減圧手段と、減圧手段で断熱膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器とを有し、蓄熱サイクルは、冷凍サイクルの蒸発器で生成する冷熱によって水を０℃以下に過冷却して過冷却水を生成する過冷却器と、過冷却器で生成した過冷却水の過冷却状態を解除して氷水とする過冷却解除器と、過冷却解除器で生成した氷水を蓄える氷蓄熱槽とを有する氷蓄熱装置において、凝縮器と減圧手段との間に設けられ、凝縮器で凝縮した冷媒と蓄熱サイクルの氷蓄熱槽から過冷却器に送られる水との間で熱交換を行う予熱器と、冷却水を冷却する冷却塔、及び凝縮器と冷却塔との間で冷却水を循環させる冷却水ポンプを有する冷却水サイクルと、冷媒を冷却する冷却水の温度を検出する温度検出手段と、冷却水サイクルにおける冷却用の動力源及び圧縮機の少なくともいずれか一方の出力を制御する出力制御手段とをさらに有し、出力制御手段は、温度検出手段によって検出される冷却水の温度に応じて、凝縮器における冷媒の温度が、所定の範囲内の温度となるように、冷却用の動力源及び圧縮機の少なくともいずれか一方の出力を制御する手段であり、所定の範囲は、冷却用の動力源の定格運転時に得られる冷却水が冷却水サイクル中において流れているときの凝縮器における冷媒の温度以上、凝縮器における冷媒の温度の設定値以下であることを特徴とする氷蓄熱装置（以下、この氷蓄熱装置を「第二の氷蓄熱装置」とも言う）である。

前記構成によれば、外気温度が低い場合に、定格条件よりも緩い条件で冷却用の動力源
を運転することにより、冷却塔で生成される冷却水の温度を高くしたり、凝縮器に送られる冷却水の流量を小さくし、冷却用の動力源を定格条件で運転した場合に比べて凝縮器における冷媒の温度を高くすることが可能である。したがって、凝縮後の冷媒は、冷却用の動力源を定格条件で運転した場合に比べて多くの熱を有するので、冷却水の温度が低い場合でも、過冷却水の予熱量を確保することが可能となる。

また、前記構成によれば、定格条件よりも緩い条件で冷却用の動力源を運転しても、予熱器において冷媒からは熱が奪われることから、この冷媒から、冷却用の動力源を定格条件で運転したときに得られる冷媒による冷熱と同等かそれ以上の冷熱を、冷凍サイクルにおいて得ることができる。したがって、前記構成によれば、冷凍サイクルにおいて、冷却用の動力源の出力が小さくても、多くの冷熱の生成が可能であるので、少なくとも冷却用の動力源の運転におけるさらなる省エネルギー化を実現することが可能となる。

以下、本発明の氷蓄熱装置についてより詳細に説明する。まず、本発明の氷蓄熱装置における主要な構成について説明する。

本発明の氷蓄熱装置は、冷凍サイクルと蓄熱サイクルとを有する。前記冷凍サイクルは、冷媒の圧縮、凝縮、膨張、及び蒸発によって冷熱を生成するサイクルであり、冷媒の蒸気を圧縮する圧縮機と、この圧縮機で圧縮された冷媒を冷却水で冷却して凝縮させる凝縮器と、この凝縮器で凝縮した冷媒を断熱膨張させる減圧手段と、この減圧手段で断熱膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器とを有する。前記冷凍サイクルは、公知の器具や装置等を用いて構成することができる。

前記冷凍サイクルは、前述した構成要素のほかにも、他の構成要素を有していても良い。このような他の構成要素としては、例えば凝縮器と減圧手段との間等に設けられる冷媒のバイパス流路、分配器、弁、及びポンプ等の、冷媒の流量を調整する流量調整手段や、前記冷凍サイクル中における冷媒の温度や圧力等の状態を検出する冷媒検出手段等が挙げられる。また、前記冷媒には、公知の冷媒を用いることができる。

前記蓄熱サイクルは、前記冷凍サイクルで生成する冷熱を蓄えるサイクルであり、前記冷凍サイクルで生成する冷熱によって水を０℃以下に過冷却して過冷却水を生成する過冷却器と、この過冷却器で生成した過冷却水の過冷却状態を解除して氷水とする過冷却解除器と、この過冷却解除器で生成した氷水を蓄える氷蓄熱槽とを有する。前記蓄熱サイクルは、公知の器具や装置等を用いて構成することができる。

前記蓄熱サイクルは、前述した構成要素のほかにも、他の構成要素を有していても良い。このような他の構成要素としては、例えば循環水のバイパス流路、分配器、弁、及びポンプ等の、蓄熱サイクル中における水又は過冷却水の流量を調整する流量調整手段や、前記蓄熱サイクル中における水又は過冷却水の温度や圧力等の状態を検出する冷水検出手段等が挙げられる。

前記過冷却器には、伝熱性の複数のチューブと、このチューブの外周面を包むシェルとを有するシェルアンドチューブ式の熱交換器や、伝熱性の板を複数枚積層させた構造を有するプレート式の熱交換器等の公知の熱交換器を用いることができる。前記過冷却器は、プレート式の熱交換器であることが、前記蓄熱サイクルにおいて水の凍結が生じたときの凍結箇所の特定及びこの凍結の解除への対応を容易にし、また熱交換における圧力損失を抑制する上で好ましい。

なお、前記冷凍サイクルから前記蓄熱サイクルへの冷熱の伝達は、前記過冷却器において直接行われても良いし、例えば前記蒸発器と前記過冷却器との間でブラインを循環させ
る伝熱サイクル等を用いて間接的に行われても良い。

前記過冷却解除器には、公知の過冷却解除器を用いることができる。このような過冷却解除器としては、例えば過冷却水が供給される開放形の容器であって、容器の内壁や容器内の衝突板等に衝突するように過冷却水が供給される開放形の過冷却解除器や、例えば特開２００１−２４１７０５号公報に開示されているように、過冷却水が供給される密閉形の過冷却解除容器と、この過冷却解除容器内の過冷却水の過冷却状態の解除を誘発する解除誘発装置とを有する密閉形の過冷却解除器等が挙げられる。前記過冷却解除器は、設置に要する空間を小さくする上で、密閉形の過冷却解除器であることが好ましい。

前記密閉形の過冷却解除器における前記解除誘発装置は、過冷却解除器に供給された過冷却水の過冷却状態の解除を誘発ことができるものであれば特に限定されない。このような解除誘発装置としては、例えば過冷却状態の解除を誘発する衝撃を過冷却水に与える超音波振動子等が挙げられる。

前記密閉形の過冷却解除器を用いる場合では、前記過冷却器と前記過冷却解除器との間には、過冷却解除器から過冷却器への氷の伝播を防止する伝播防止器をさらに有することが、前記蓄熱サイクル中において水の凍結を防止する上で好ましい。前記伝播防止器には、公知の伝播防止器を用いることができる。

このような伝播防止器としては、例えば特開２００３−１０６７１６号公報に開示されているように、管と、この管の外周面側に密閉された空間を形成するように前記管の外周面を覆う外殻部とを有し、前記管は、前記外殻部に覆われた前記管の周壁に、全周にわたって管内と外殻部で覆われた空間とを連通する隙間が形成されている伝播防止器であり、前記外殻部は、前記蓄熱サイクルにおける水の流れ方向において前記過冷却器より上流側の循環水の流路と前記外殻部とを接続する循環水バイパス流路が接続され、過冷却器と過冷却解除器とを接続する管の内壁の表面に、０℃よりも高い温度の水の層を形成する伝播防止器等が挙げられる。

次に、本発明における前記第一の氷蓄熱装置について説明する。

前記第一の氷蓄熱装置は、前述した主要な構成に加えて、前記蓄熱サイクルを複数有する。前記複数の蓄熱サイクルは、少なくとも過冷却水が複数箇所で生成されるサイクルであれば良い。このような複数の蓄熱サイクルとしては、例えばそれぞれのサイクルが完全に独立している複数の蓄熱サイクルや、複数の過冷却器が並列に接続されており、他の構成要素が共有される蓄熱サイクルや、複数の過冷却器とこれらに対応する複数の過冷却解除器とを有し、他の構成要素が供給される蓄熱サイクル等が挙げられる。なお、前記複数の過冷却器は、同じ種類の過冷却器であっても良いし、異なる種類の過冷却器であっても良い。

前記第一の氷蓄熱装置は、前記蓄熱サイクルにおいて水が凍結したことを検出する検出手段と、前記検出手段からの検出信号に応じて前記圧縮機の出力を制御する圧縮機制御手段とをさらに有する。

前記検出手段は、前記蓄熱サイクル中において水が凍結したことを検出することができる手段であれば特に限定されない。このような検出手段としては、例えば前記蓄熱サイクル中を流れる水の流量を検出する流量計や、前記水の圧力を検出する圧力計等が挙げられる。前記検出手段には、これらのうちの一種類を用いても良いし、複数種類を併用しても良い。また、前記検出手段は、前記蓄熱サイクル中において水が凍結したことを検出することができるのであれば、その設置数や設置箇所についは特に限定されない。前記検出手段は、水の凍結を検出する際の検出精度等の観点から流量計であることが好ましい。

前記圧縮機制御手段は、前記蓄熱サイクル中において水の凍結が発生したときに、全ての蓄熱サイクルに対する圧縮機の出力から水の凍結が生じた蓄熱サイクルに対する圧縮機の出力が引かれた値となるように、前記圧縮機の出力を制御する手段である。

水の凍結が生じた蓄熱サイクルに対する圧縮機の出力を引いた値の求め方は、水の凍結が生じた蓄熱サイクルに対する圧縮機の出力が全ての蓄熱サイクルに対する圧縮機の出力から差し引かれた値が求められる方法であれば特に限定されない。このような値の求め方としては、例えば、全ての蓄熱サイクルに対する圧縮機の出力から水の凍結が生じた蓄熱サイクルの分の出力を引く方法や、水が凍結していない蓄熱サイクルの数の割合を、蓄熱サイクルの総数に対して乗じる方法等が挙げられる。また、前記水の凍結が生じた蓄熱サイクルに体する圧縮機の出力は、所定の条件で予め測定された実測値であっても良いし、シミュレーション等で得られる理論値であっても良い。

なお、前記圧縮機はインバータを有し、前記圧縮機制御手段は前記インバータに制御信号を送信することが、第一の氷蓄熱装置の省エネルギー運転を実現する上で好ましい。

次に、本発明における前記第二の氷蓄熱装置について説明する。

前記第二の氷蓄熱装置は、前述した主要な構成に加えて、前記凝縮器と前記減圧手段との間に設けられ、前記凝縮器で凝縮した冷媒と前記氷蓄熱槽から前記過冷却器に送られる水との間で熱交換を行う予熱器をさらに有する。前記予熱器には、前述した公知の熱交換器を用いることができる。前記予熱器において熱交換に供される冷媒は、凝縮器から減圧手段に送られる冷媒の全量であっても良いし一部であっても良い。また、前記予熱器において熱交換に供される水は、氷蓄熱槽から過冷却器に送られる水の全量であっても良いし一部であっても良い。前記予熱器への冷媒や水の供給量は、前述したバイパス流路等の流量調整手段によって調整することが可能である。

前記第二の氷蓄熱装置は、前記冷凍サイクルで冷媒を凝縮させるための冷却水の冷熱を生成する冷却水サイクルをさらに有する。前記冷却水サイクルは、冷却水を冷却する冷却塔と、前記凝縮器と前記冷却塔との間で冷却水を循環させる冷却水ポンプとを有する。冷却水サイクルは、公知の器具や装置等を用いて構成することができる。

前記第二の氷蓄熱装置は、前記冷媒を冷却する冷却水の温度を検出する温度検出手段をさらに有する。前記温度検出手段は、検出結果を電気信号として送信可能な温度計であれば特に限定されない。このような温度検出手段には、公知の温度センサを用いることができる。前記冷媒を冷却する冷却水の温度は、冷却塔での冷却後であって凝縮器での冷媒の冷却に用いられる前の冷却水の温度であれば特に限定されないが、凝縮器入口における冷却水の温度であることが、制御における設定値と実際の値との差を小さくする上で好ましい。

前記第二の氷蓄熱装置は、前記冷却水サイクルにおける冷却用の動力源及び前記圧縮機の少なくともいずれか一方の出力を制御する出力制御手段をさらに有する。前記出力制御手段は、冷却用の動力源の出力のみを制御しても良いし、圧縮機の出力のみを制御しても良いし、これらの両方の出力を制御しても良い。なお、前記冷却用の動力源とは、冷却水サイクルにおいて冷却水の冷却に用いられる機器の一又は二以上を意味する。このような冷却用の動力源としては、例えば前記冷却塔において冷却水に接触させる外気を送風する冷却塔ファンや、前記冷却水ポンプ等が挙げられる。前記冷却用の動力源は、冷媒の冷却効果への寄与がより大きい冷却水ポンプであることが、前記出力制御を簡易に行う上で好ましい。

前記出力制御手段は、前記温度検出手段によって検出される冷却水の温度に応じて、前記凝縮器における冷媒の温度が、所定の範囲内の温度となるように、前記冷却用の動力源及び前記圧縮機の少なくともいずれか一方の出力を制御する。前記所定の範囲は、冷却用の動力源の定格運転時に得られる冷却水が流れているときの前記凝縮器における冷媒の温度以上であり、かつ凝縮器における冷媒の温度の設定値以下である範囲である。

前記冷却用の動力源の定格運転時に得られる冷却水が流れているときの前記凝縮器における冷媒の温度は、定格運転で冷却用の動力源を運転したときの冷却水の温度に対する凝縮器での冷媒の温度の実測値や、冷却用の動力源の運転条件を定格運転とし、冷却水の温度を変えたときの冷凍サイクルのシミュレーション等によって求めることが可能である。なお前記定格運転とは、指定された使用限度での運転を意味する。具体的には、冷却水ポンプの最大流量での運転や、冷却塔ファンの最大風速での運転が挙げられる。

前記凝縮器における冷媒の温度の設定値は、確保すべき予熱量を含みつつ、冷凍サイクルに求められる冷熱の生成を安定して実現するための値であり、圧縮機の性能や、冷凍サイクルに要求される冷熱の生成量、予熱器の伝熱面積やＫ値等の設計条件、蓄熱サイクルにおいて予熱器を流れる水の流量等に応じて任意に定められる。このような設定値としては、例えば圧縮機が正常に運転できる凝縮冷媒の温度の上限値や、前記蓄熱サイクルでの冷熱負荷を満足する冷熱の生成が可能な、凝縮器における冷媒の温度の上限値や、この上限値に、前記予熱器での水への予熱量を温度に換算した値をさらに加えた値等が挙げられる。

なお、本発明では、前記所定の範囲内の値であれば、制御の目的等の諸条件に応じて、適当な設定値を下限値及び上限値とする任意の範囲を設定することができる。このような任意の範囲としては、例えば、予熱量を確保するための凝縮器における冷媒の温度を下限とし、圧縮機が正常に運転できる、凝縮器における冷媒の温度を上限とする範囲等が挙げられる。

前記出力制御手段は、前記冷却用の動力源の消費電力と前記圧縮機の消費電力との和が最小になるように、冷却用の動力源及び圧縮機の少なくともいずれか一方の出力を制御することが、省エネルギー運転を実現し、かつ前記予熱器における水の予熱量を確保する上で好ましい。前記冷却用の動力源の消費電力と前記圧縮機の消費電力との和の最小値は、冷却水の水量と冷却水ポンプの出力との関係、凝縮器における冷媒の温度と圧縮機の出力との関係、冷却水と冷媒との凝縮器における伝熱特性等の諸条件から求めることが可能である。前記の諸条件は、冷却用の動力源の出力を変えて冷凍サイクルを実際に運転したときの実測値や、冷却用の動力源の出力を変えたときの冷凍サイクルのシミュレーション等によって求めることが可能である。

なお、前記冷却用の動力源及び圧縮機はインバータを有し、前記出力制御手段は前記インバータに制御信号を送信することが、第二の氷蓄熱装置の省エネルギー運転を実現する上で好ましい。

以上、本発明における第一の氷蓄熱装置と第二の氷蓄熱装置とを説明したが、本発明には、これらの氷蓄熱装置を合体させた氷蓄熱装置も含まれる。

本発明の氷蓄熱装置は、前記冷凍サイクルと前記蓄熱サイクルとを有する氷蓄熱装置において、蓄熱サイクルを複数有するとともに、蓄熱サイクル中において水が凍結したことを検出する検出手段と、検出手段からの検出信号に応じて圧縮機の出力を制御する圧縮機制御手段とをさらに有し、圧縮機制御手段は、蓄熱サイクル中において水の凍結が発生し
たときに、全ての蓄熱サイクルに対する圧縮機の出力から水の凍結が生じた蓄熱サイクルに対する圧縮機の出力が引かれた値となるように、圧縮機の出力を制御する手段であることから、過冷却水方式の氷蓄熱装置において、過冷却水の生成における過剰な冷却を防止することができる。

前記氷蓄熱装置は、前記検出手段が蓄熱サイクルにおける水の流量を検出する流量計であると、水の凍結を検出する際の検出精度を高める上でより一層効果的である。

また、本発明の氷蓄熱装置は、前記冷凍サイクルと前記蓄熱サイクルとを有する氷蓄熱装置において、凝縮器と減圧手段との間に設けられ、凝縮器で凝縮した冷媒と氷蓄熱槽から過冷却器に送られる水との間で熱交換を行う予熱器と、冷却水を冷却する冷却塔、及び凝縮器と冷却塔との間で冷却水を循環させる冷却水ポンプを有する冷却水サイクルと、冷媒を冷却する冷却水の温度を検出する温度検出手段と、冷却水サイクルにおける冷却用の動力源及び圧縮機の少なくともいずれか一方の出力を制御する出力制御手段とをさらに有し、出力制御手段は、温度検出手段によって検出される冷却水の温度に応じて、凝縮器における冷媒の温度が所定の範囲内の温度となるように、冷却用の動力源及び圧縮機の少なくともいずれか一方の出力を制御する手段であり、所定の範囲は、冷却用の動力源の定格運転時に得られる冷却水が前記冷却水サイクル中において流れているときの凝縮器における冷媒の温度以上、凝縮器における冷媒の温度の設定値以下であることから、過冷却水方式の氷蓄熱装置において、外気温度が低い場合でも過冷却前の水の予熱に用いられる前記冷媒の熱量を確保することができる。

前記氷蓄熱装置は、出力制御手段が、冷却用の動力源の消費電力と圧縮機の消費電力との和が最小になるように、冷却用の動力源及び圧縮機の少なくともいずれか一方の出力を制御する手段であると、蓄熱サイクル中を流れる過冷却前の水を予熱するための熱量の確保と、圧縮機及び冷却水ポンプの高効率運転とを実現する上で、より一層効果的である。

前記氷蓄熱装置は、冷却用の動力源が冷却水ポンプであると、前記予熱するための熱量の確保する運転を高い精度で、かつ簡易な制御によって行う上で、より一層効果的である。

本発明の氷蓄熱装置は、過冷却器がプレート式の熱交換器であると、過冷却器における圧力損失を低減させ、氷蓄熱装置の安定した運転を行う上でより一層効果的である。また、プレート式の熱交換器では、通常、過冷却器における水の凍結箇所を特定する必要がないことから、水の凍結の検出やこの凍結の解除等に関する氷蓄熱装置の運転の制御を簡素化する上でより一層効果的である。

本発明の氷蓄熱装置は、過冷却解除器が、過冷却水が供給される密閉形の過冷却解除容器と、過冷却解除容器内の過冷却水の過冷却状態の解除を誘発する解除誘発装置とを有し、過冷却器と過冷却解除器との間には、過冷却解除器から過冷却器への氷の伝播を防止する伝播防止器をさらに有すると、より小型の氷蓄熱装置を構成し、また安定した氷蓄熱運転を行う上でより一層効果的である。

以下に、本発明の一実施の形態である氷蓄熱装置を図１に示す。なお、図１では、過冷却器周辺のバルブや熱交換器等の凍結解除運転を行うための構成は省略されている。

本実施の形態の氷蓄熱装置は、図１に示すように、冷熱を生成する冷凍サイクルと、冷熱を蓄熱する蓄熱サイクルと、冷凍サイクルで消費される冷熱を生成する冷却水サイクルと、冷凍サイクルから蓄熱サイクルへ冷熱を伝達する伝熱サイクルとを有する。

前記冷凍サイクルは、冷媒の蒸気を圧縮する圧縮機１と、圧縮機１で圧縮された冷媒を冷却水で冷却して凝縮させる凝縮器２と、凝縮器２で凝縮した冷媒を断熱膨張させる減圧手段である二つの膨張弁３、４と、膨張弁３、４で断熱膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器５とを有する。圧縮機１、凝縮器２、膨張弁４、蒸発器５は、冷媒循環流路６によって、これらに冷媒が循環するように接続されている。凝縮器２と膨張弁４との間の冷媒循環流路６には予熱器７が接続されている。凝縮器２と予熱器７とを接続する冷媒循環流路６と、膨張弁４と蒸発器５をと接続する冷媒循環流路６とは、冷媒バイパス流路８によって接続されている。膨張弁３は、冷媒バイパス流路８に設けられている。圧縮機１は、インバータ９を有している。

前記蓄熱サイクルは、過冷却水を生成するための二つの過冷却器１１、１２と、それぞれの過冷却器に対応して設けられ、過冷却水の過冷却状態を解除して氷水を生成するための二つの密閉形の過冷却解除器１３、１４と、過冷却解除器１３、１４で生成した氷水を一括して蓄える氷蓄熱槽１５と、これらに水が循環するようにこれらを接続する循環水流路１６と、氷蓄熱槽１５に蓄えられている水を循環させるための循環水ポンプ１７と、循環水ポンプ１７から予熱器７へ循環水流路１６中の水の一部を送り、予熱器７に送られた水を氷蓄熱槽１５と循環水ポンプ１７とを接続する循環水流路１６に送る予熱用循環流路１８とを有する。過冷却器１１、１２は、蓄熱サイクルにおいて並列に接続されている。

過冷却器１１、１２と過冷却解除器１３、１４との間には、過冷却解除器１３、１４から過冷却器１１、１２への氷の伝播を防止する伝播防止器１９、２０が設けられている。過冷却解除器１３、１４には、過冷却水の過冷却状態の解除を誘発するための超音波振動子２１、２２が設けられている。循環水ポンプ１７と過冷却器１１とを接続する循環水流路１６には、この流路を流れる水の流量を検出する流量計２４ｂが設けられている。この循環水流路１６と伝播防止器１９とは、循環水バイパス流路２３によって接続されており、循環水バイパス流路２３には、この流路を流れる水の流量を検出する流量計２４ａが設けられている。

同様に、循環水ポンプ１７と過冷却器１２とを接続する循環水流路１６には、この流路を流れる水の流量を検出する流量計２６ｂが設けられている。この循環水流路１６と伝播防止器２０とは、循環水バイパス流路２５によって接続されており、循環水バイパス流路２５には、この流路を流れる水の流量を検出する流量計２６ａが設けられている。

前記冷却水サイクルは、冷却水を冷却する冷却塔３１と、冷却塔３１と凝縮器２とを接続する冷却水循環流路３２と、冷却塔３１と凝縮器２との間で冷却水を循環させる冷却水ポンプ３３とを有する。冷却塔３１には、冷却水を空冷するための冷却塔ファンが設けられている。冷却水ポンプ３３にはインバータ３４が設けられている。

前記伝熱サイクルは、蒸発器５と過冷却器１１、１２とを接続してこれらにブラインを循環させるためのブライン循環流路４１と、蒸発器５と過冷却器１１、１２との間でブラインを循環させるブラインポンプ４２とを有する。過冷却器１１、１２は、ブライン循環流路において並列に接続されている。

また、本実施の形態の氷蓄熱装置は、運転制御部５０をさらに有する。運転制御部５０は、本発明における圧縮機制御手段と出力制御手段とを兼ね備えた制御手段であり、かつ流量計からの信号に基づき、蓄熱サイクルにおける過冷却器周辺の凍結判定を行う手段である。運転制御部５０には、圧縮機１のインバータ９、循環水バイパス流路２３及び循環水流路１６における流量計２４ａ及び２４ｂ、循環水バイパス流路２５及び循環水流路１６における流量計２６ａ及び２６ｂ、及び冷却水ポンプ３３のインバータ３４が、電気信
号の送受が可能なようにそれぞれ接続されている。

予熱器７及び過冷却器１１、１２は、プレート式の熱交換器である。プレート式の熱交換器は、伝熱性の板を、適当な間隔を有して複数枚水密に積層した構造によって複数の水路を構成している。複数の流路は一つおきに連結することで二つの流路群を構成しており、二つの流路群は互いに水密な構成を有している。一方の流路群に高温の流体を流し、他方の流路群に低温の流体を流すことで熱交換を行うが、どちらの流路群に低温あるいは高温の液体を流すかは任意である。

過冷却解除器１３（１４）は、図２及び図３に示されるように、密閉形の略円筒形状の過冷却解除容器１３ａ（１４ａ）と、過冷却解除容器１３ａ（１４ａ）に過冷却水を導入するための入口部１３ｂ（１４ｂ）と、過冷却解除容器１３ａ（１４ａ）から氷水を排出するための出口部１３ｃ（１４ｃ）とを有する。

過冷却解除容器１３ａ（１４ａ）は、その横断面の形状は略円形である。この略円形を円に見立てて四分割したときに、中心を挟んで対向する二つの部分のそれぞれは円周の四分の一の弧であり、中心を挟んで対向するもう二つの部分のそれぞれは、八角形の二辺である。入口部１３ｂ（１４ｂ）は、過冷却解除容器１３ａ（１４ａ）の上部であって、一方の前記弧の部分であって、この弧の接線方向に沿って過冷却水を導入する位置に設けられている。出口部１３ｃ（１４ｃ）は、過冷却解除容器１３ａ（１４ａ）の下部であって、他方の前記弧の部分であって、この弧の接線方向に沿って氷水を排出する位置に設けられている。

伝播防止器１９（２０）は、図４に示されるように、管１９ａ（２０ａ）と、管１９ａ（２０ａ）の外周面側に密閉された空間を形成するように管１９ａ（２０ａ）の外周面を覆う外殻部１９ｂ（２０ｂ）とを有する。外殻部１９ｂ（２０ｂ）に覆われた管１９ａ（２０ａ）の周壁には、全周にわたって管１９ａ（２０ａ）内と外殻部１９ｂ（２０ｂ）で覆われた空間とを連通する隙間１９ｃ（２０ｃ）が形成されている。外殻部１９ｂ（２０ｂ）には、循環水バイパス流路２３（２５）が接続されている。

次に、本実施の形態の氷蓄熱装置の氷蓄熱運転について説明する。まず本実施の形態の氷蓄熱装置による氷蓄熱運転の概要を説明する。

前記冷却水サイクルでは、凝縮器２と冷却塔３１との間で冷却水が循環する。これにより、凝縮器２で熱を吸収して温められた冷却水が冷却塔３１で冷却され、冷却塔３１で熱を放出して冷却された冷却水が凝縮器２に送られる。運転制御部５０による冷却水ポンプ３３の制御については、後に詳述する。

前記冷凍サイクルでは、圧縮機１で圧縮された冷媒が凝縮器２で冷却水によって冷却されて凝縮する。凝縮した冷媒は、予熱器７を通って膨張弁４に至る場合と、冷媒バイパス流路８を通って膨張弁３に至る場合とがあるが、ここでは冷媒が予熱器７を通って膨張弁４に至るものとして説明する。凝縮器２で凝縮した冷媒は、予熱器７において、後述する循環水に熱を放出し、膨張弁４で断熱膨張される。膨張弁４で断熱膨張した冷媒は、蒸発器５で蒸発し、ブラインから熱を奪う。冷媒の蒸気は圧縮機１に送られる。運転制御部５０による圧縮機１の制御については、後に詳述する。

前記伝熱サイクルでは、蒸発器５と過冷却器１１、１２のそれぞれとの間でブラインが循環する。これにより、蒸発器５で熱を放出して冷却されたブラインが過冷却器１１、１２のそれぞれで温められ、過冷却器１１、１２のそれぞれで熱を吸収して温められたブラインが蒸発器５に送られる。

前記蓄熱サイクルでは、氷蓄熱槽１５に収容されている水が、循環水ポンプ１７によって循環する。氷蓄熱槽１５から供給される水の一部は、予熱用循環流路１８に送られ、予熱器７で例えば１０℃程度に予熱され、氷蓄熱槽１５から供給される水に合流する。予熱された一部の循環水と氷蓄熱槽１５から送られる循環水とが混合されることにより、過冷却前の循環水の温度は、循環水中の氷の粒が融解する温度（例えば０．５℃）に調整される。このように温度調整された循環水は、過冷却器１１、１２のそれぞれに向けて送られる。

過冷却器１１、１２のそれぞれに向けて送られた循環水は、一部は過冷却器１１、１２のそれぞれに送られ、他の一部は循環水バイパス流路２３、２５にそれぞれ送られる。過冷却器１１、１２に送られた循環水は、過冷却器１１、１２においてブラインによって冷却され、例えば−２℃の過冷却水となる。過冷却器１１、１２のそれぞれで生成した過冷却水は、伝播防止器１９、２０の管１９ａ、２０ａに適度な流量でそれぞれ送られる。

一方で、伝播防止器１９、２０の管１９ａ、２０ａには、前記温度調整された循環水が、外殻部１９ｂ、２０ｂ及び隙間１９ｃ、２０ｃを介して循環水バイパス流路２３、２５からそれぞれ供給される。伝播防止器１９、２０における過冷却水の流れ方向において、隙間１９ｃ、２０ｃから下流側の管１９ａ、２０ａには、管１９ａ、２０ａの内周面側に前記温度調整された循環水の層が形成された過冷却水の流れが形成される。前記循環水の層とともに流れる過冷却水は、過冷却解除器１３、１４に適度な流量でそれぞれ送られる。

過冷却解除器１３、１４に送られた過冷却水は、過冷却解除容器１３ａ、１４ａの内周面に沿って、過冷却器解除容器１３ａ、１４ａの上部から下部に向けてらせん状に流れる。過冷却解除器１３、１４に送られた過冷却水は、過冷却解除容器１３ａ、１４ａの底部及び周壁部を伝わる超音波振動子２１、２２による振動や、過冷却解除容器１３ａ、１４ａの周壁部を流れる際の衝撃等によって、過冷却状態が解除され、氷水となる。

なお、前記適度な流量とは、伝播防止器１９、２０における隙間１９ｃ、２０ｃから下流側の管１９ａ、２０ａにおいて、温度調整された循環水の層を管１９ａ、２０ａの内周面上に形成でき、過冷却解除容器１３ａ、１４ａの周面に沿ってらせん状に過冷却水を流すことができる流量であり、過冷却器１１、１２による過冷却の効率や、過冷却解除容器１３ａ、１４ａの形状、径、大きさ等によって異なるが、例えば伝播防止器１９、２０内における隙間１９ｃ、２０ｃによって囲まれる配管断面内の平均流速が１ｍ／ｓ以上となる流量である。管１９ａ、２０ａや入口部１３ａ、１４ａの径は、前記適度な流量を実現するように、冷凍サイクルの冷凍能力や過冷却器１１、１２の能力や形態等に応じて適当な径にされている。

過冷却解除器１３、１４で生成した氷水は、氷蓄熱槽１５に送られ、シャーベット状の氷が氷蓄熱槽１５に蓄えられる。氷蓄熱槽１５に送られた氷水のうち、水は、循環水ポンプ１７によって予熱器７や過冷却器１１、１２に向けて再び送られる。

次に、本実施の形態の氷蓄熱装置において、前記氷蓄熱運転時に蓄熱サイクルで循環水の凍結が生じた場合の運転を説明する。このような場合では、運転制御部５０は、流量計２４ａ及び２４ｂ、２６ａ及び２６ｂの検出信号に応じて循環水の凍結を判定し、圧縮機１の出力を制御する。流量計２４ａ及び２４ｂ、２６ａ及び２６ｂの検出信号から循環水の凍結の発生を判断する基準については、特に限定されないが、本実施の形態では、循環水バイパス流路２３、２５での所定時間当たりの循環水の流量の増加減少量とする。

より詳しくは、運転制御部５０は、所定時間、例えば１０秒毎に流量計からの検出信号を受信し、所定量の流量の増減の有無によって流量の増減を判断する。流量の増減の有無を決める所定量とは、特に限定されないが、例えば分解能１％の流量計を用いる場合ではフルスケールの１／１００程度である。例えば、前記流量の増減の判断から、運転制御部５０は、流量計２４ａ（２６ａ）の流量が増加し、流量計２４ｂ（２６ｂ）の流量が減少したときは、凍結と判定する。

なお、流量計２４ａ（２６ａ）の流量が増加し、流量計２４ｂ（２６ｂ）の流量が増加したとき、及び流量計２４ａ（２６ａ）の流量が減少し、流量計２４ｂ（２６ｂ）の流量が減少したときは、運転制御部５０は、凍結以外の流量変動と判定する。また、流量計２４ａ（２６ａ）の流量が減少し、流量計２４ｂ（２６ｂ）の流量が増加したときは、運転制御部５０は、循環水バイパス流路２３（２５）の詰まりと判定する。

まず、運転制御部５０は、図８に示されるように、流量計２４ａ及び２４ｂ、２６ａ及び２６ｂの検出信号を受信して凍結の有無を判定する（ステップ１０１）。運転制御部５０は、循環水の凍結の判定数を調べる（ステップ１０２及び１０７）。

前記判定数が一の場合には、運転制御部５０は、全過冷却器数に対して運転していた圧縮機１の出力から、一つの過冷却器に対する圧縮機１の出力を差し引いた値の出力（５０％の出力）で圧縮機１が運転するように、圧縮機１のインバータ９に制御信号を送る（ステップ１０３）。

次いで運転制御部５０は、凍結判定の基となった検出信号を送った流量計を特定し、いずれの過冷却器又はその周辺で循環水の凍結が生じたかを特定する（ステップ１０４）。例えば凍結を知らせる検出信号を送った流量計が流量計２４ａ及び２４ｂであれば、運転制御部５０は、過冷却器１１及びその周辺において、不図示の弁や熱交換器によって凍結解除運転を行う（ステップ１０５）。凍結を知らせる検出信号を送った流量計が流量計２４ａ及び２４ｂでなければ、運転制御部５０は、過冷却器１２及びその周辺において同様に凍結解除運転を行う（ステップ１０６）。そして運転制御部５０は、所定時間後に、流量計２４ａ及び２４ｂ、２６ａ及び２６ｂの検出信号を再び受信する。

前記判定数が二の場合には、運転制御部５０は、圧縮機１の運転を停止する制御信号をインバータ９に送り（ステップ１０８）、過冷却器１１、１２及びその周辺において前述したように凍結解除運転を行う（ステップ１０９）。凍結解除運転後、運転制御部５０は、圧縮機１の運転を再開する制御信号をインバータ９に送る（ステップ１１０）。そして運転制御部５０は、所定時間後に流量計２４ａ及び２４ｂ、２６ａ及び２６ｂの検出信号を再び受信する。

前記判定数が一でも二でもない場合は、運転制御部５０は、所定時間後に流量計２４ａ及び２４ｂ、２６ａ及び２６ｂの検出信号を再び受信する。

次に、本実施の形態の氷蓄熱装置において、前記氷蓄熱運転時に予熱器７での予熱量を確保するための運転を説明する。まず、前記氷蓄熱運転時に予熱器７での予熱量の確保を優先する運転について説明する。このような運転は、凝縮器における冷媒の温度が前記設定値未満となるように、冷却水ポンプ３３と圧縮機１との出力を運転制御部５０が制御することによって行われる。

まず、前記予熱量を確保するための運転における設定条件を説明する。

前記設定条件としては、圧縮機１と冷却用の動力源との消費電力の割合が挙げられる。本実施の形態では、冷却用の動力源を冷却水ポンプ３３とする。また、本実施の形態では、定格の圧縮機１の消費電力が５８０ｋＷであり、定格の冷却水ポンプ３３の消費電力が１０２ｋＷであり、定格の圧縮機１と定格の冷却水ポンプ３３との消費電力の割合は、圧縮機１が０．８５で冷却水ポンプ３３が０．１５とする。

また、凝縮器２での冷媒の温度や冷却水の温度の上限値を設定する。凝縮器２での冷媒の温度の設定値（上限値）は、圧縮機１の保護の観点から４０℃とする。冷却水ポンプ３
３の定格運転時に凝縮器２での冷媒の温度が前記設定値になるとして、定格時の冷却水ポンプ３３により得られる冷却水の凝縮器２の入口での温度の上限値は３２℃とする。冷却水ポンプ３３が定格条件で運転している場合では、凝縮器２での冷媒の温度は、冷却水の温度、すなわち凝縮器２入口での冷却水の温度に比例して変化する。これらの関係を図５に示す。

また、冷却水の消費電力と冷却水の流量との関係、及び凝縮器２における冷却水から冷媒の伝熱特性を設定する。冷却水ポンプ３３の消費電力は、冷却水の流量の３乗に比例して変化する。また、凝縮器２での伝熱特性（総括伝熱係数Ｋ）は、冷却水の流量に応じて変化する。したがって、凝縮器２での冷却水と冷媒との温度差（ΔＴ）は、冷却水の流量に応じて変化する。冷却水の流量に対する冷却水ポンプ３３の消費電力の割合（定格時を０．１５とする）、及び冷却水の流量に対するΔＴ（（冷媒の温度）−（冷却水の温度））を以下の表１に示す。

一方で、氷蓄熱運転では、前述したように、冷熱負荷が一定であることから、蒸発器５での冷媒の蒸発温度が一定であるので、圧縮機１の消費電力は、凝縮器２における冷媒の温度によって変化する。このような圧縮機１の消費電力と、凝縮器２における冷媒の温度との関係は、冷凍サイクルのシミュレーションや、用いる圧縮機１のカタログデータ等から求められる。凝縮器２における冷媒の温度と圧縮機１の消費電力の割合（定格時の圧縮機１の消費電力の割合を０．８５とする）を図６に示す。

前述したように設定された条件において、予熱器７での予熱量の確保を優先する氷蓄熱運転を行う場合について説明する。凝縮器での冷媒温度（下限値）は、予熱器の設計によるが、ここでは予熱量確保のために３２℃とする。運転制御部５０は、図９に示されるように、凝縮器２の入口の冷却水の温度（冷却水入口温度）を検出する不図示の温度センサからの検出信号を受信する（ステップ２０１）。温度センサからの検出信号を受信した運転制御部５０は、冷却水入口温度とそのときの冷却水の流量におけるΔＴとの和と、凝縮器２での冷媒の温度の設定値である４０℃との関係を、４０℃未満の場合、及び４０℃以
上の場合の順で調べる（ステップ２０２及び２０７）。

冷却水入口温度とΔＴとの和が４０℃未満である場合では、運転制御部５０は、冷却水入口温度とΔＴとの和が３２℃以上であるかを調べる（ステップ２０３）。運転制御部５０は、冷却水入口温度とΔＴとの和が３２℃以上であれば、冷却水の流量を所定の値（例えば１％）大きくする制御信号を冷却水ポンプ３３のインバータ３４に送信する（ステップ２０４）。運転制御部５０は、冷却水入口温度とΔＴとの和が３２℃未満であれば、冷却水の流量を所定の値（例えば１％）小さくする制御信号を冷却水ポンプ３３のインバータ３４に送信する（ステップ２０５）。インバータ３４への制御信号を送信した運転制御部５０は、新たに変わった冷却水の流量から、この冷却水の流量における新たにΔＴを求め、このΔＴと冷却水入口温度の和の温度における圧縮機１の消費電力の割合を求め、この割合に圧縮機１の出力を制御する信号を圧縮機１のインバータ９に送信する（ステップ２０６）。制御信号を送信した運転制御部５０は、前記温度センサからの検出信号を受信するステップに戻る。

冷却水入口温度とΔＴとの和が４０℃以上の場合では、運転制御部５０は、冷却水の流量が最大値であるか、すなわち冷却水ポンプ３３が定格条件で運転しているかを調べる（ステップ２０８）。冷却水の流量が最大値ではない場合では、冷却水の流量を所定の値（前述の値よりも大きな、例えば２％）大きくする制御信号をインバータ３４に送信し（ステップ２０９）、前記温度センサからの検出信号を受信するステップに戻る。

冷却水の流量が最大値である場合では、運転制御部５０は、前記冷却水の流量が最大値であることを調べるステップに連続して到達しているか、及びこのステップに到達する回数（ｎ）が所定の回数（例えば三回）以上であるかを調べる（ステップ２１０）。前記ステップへの到達回数が連続して三回以上である場合では、運転制御部５０は、冷媒バイパス流路８の閉鎖、予熱用バイパス流路１８における循環水の流量の増加、一方の過冷却器への循環水の供給停止等の他の制御の実行を、他の制御手段に指示するか、又は他の制御を行う（ステップ２１１）。

また、冷却水入口温度とΔＴとの和と４０℃との関係が、４０℃未満でなく、かつ４０℃以上でもないとの結論が得られる場合では、運転制御部５０は、４０℃以上であるかを調べるステップに連続して到達しているか、及びこのステップに到達する回数（ｎ）が所定の回数（例えば三回）以上であるかを調べる（ステップ２１２）。前記ステップへの到達回数が連続して三回以上である場合では、運転制御部５０は、圧縮機１の運転を停止し、圧縮機１の運転の停止を管理者に通報する（ステップ２１３）。

予熱量確保のための冷却水入口温度と冷却水の流量との組み合わせを表２に示す。前述したような制御では、凝縮器２での冷媒の温度については３２℃以上の温度が確保され、予熱量が確保される。

次に、前述したように設定された条件において、予熱器７での予熱量を確保するとともに省エネルギー運転を優先する氷蓄熱運転を行う場合を説明する。

運転制御部５０は、予熱量の確保を優先する運転と同様に、凝縮器２の入口の冷却水の温度（冷却水入口温度）を検出する不図示の温度センサからの検出信号を受信する。温度センサからの検出信号を受信した運転制御部５０は、冷却水入口温度とそのときの冷却水の流量におけるΔＴとの和と、凝縮器２での冷媒の温度の設定値である４０℃との関係を、４０℃未満の場合、及び４０℃以上の場合の順で調べる。

冷却水入口温度とΔＴとの和が４０℃未満である場合では、運転制御部５０は、図１０に示されるように、許容される冷却水の流量の範囲を求める（ステップ３０１）。冷却水の流量の範囲が求められたら、運転制御部５０は、求められた冷却水の流量におけるΔＴを求め、これらのそれぞれのΔＴと冷却水入口温度との和（凝縮器における冷媒の温度）を求め、許容される冷却水の流量の範囲における圧縮機１の消費電力の割合を求める（ステップ３０２）。一方で、運転制御部５０は、求められた冷却水の流量の範囲に対応する冷却水ポンプ３３の消費電力の範囲を求める（ステップ３０３）。

冷却水の流量の値に対応して、圧縮機１の消費電力の割合と冷却水ポンプ３３の消費電力の割合とが求められたら、運転制御部５０は、冷却水の流量の値に対応する圧縮機１の消費電力の割合と冷却水ポンプ３３の消費電力の割合との和を求める（ステップ３０４）。そして運転制御部５０は、前記和が、前記求められた冷却水の流量の範囲において最も小さい値となる圧縮機１の消費電力の割合と冷却水ポンプ３３の消費電力の割合との組み合わせを選択し、選択された冷却水ポンプ３３の消費電力の割合に冷却水ポンプ３３の出力を制御する信号をインバータ３４に送信する（ステップ３０５）。この信号を送信した運転制御部５０は、選択された圧縮機１の消費電力の割合で圧縮機１が運転していることを確認する（ステップ３０６）。運転制御部５０は、前記温度センサからの検出信号を受信するステップに戻る。

冷却水入口温度とΔＴとの和が４０℃以上の場合以降のステップについては、予熱器７
での予熱量の確保を優先する運転と同じである。

このような省エネルギー運転を優先する制御を行った場合に得られる、冷却水入口温度と圧縮機１及び冷却水ポンプ３３の消費電力割合の和との関係を図７及び表３に示す。図７及び表３には、圧縮機１及び冷却水ポンプ３３の消費電力の割合の和の最小値は、冷却水の流量が所定の割合のときに決まるのではなく、冷却水入口温度と冷却水の流量との組み合わせによって決まることが示されている。

また、前記最小値が得られる冷却水入口温度と冷却水の流量との組み合わせと、凝縮器２における冷媒の温度との関係を図５に示す。図５に示されるように、前述した制御によれば、冷却水入口温度が２７℃以下では、凝縮器２における冷媒の温度が、定格条件での冷却水ポンプの運転時に比べて４℃以上高くなる。

前述した制御を行ったときに得られる数値を、冷却水入口温度が２８℃である場合を例に以下の表４に示す。表４から明らかなように、冷却水入口温度が２８℃の場合では、圧縮機１の消費電力の割合には０．８０１が選択され、冷却水ポンプ３３の消費電力の割合には０．０５１が選択される。

冷却水の温度は、外気温度の低下によって低くなる。もし、氷蓄熱運転のように冷凍能力が一定であり、かつ冷却水の流量が一定である場合には、凝縮器２における冷媒の温度及び予熱量は、図１１に示されるように、外気温度の低下によって低下する。

前記予熱器７での予熱量の確保を優先する運転では、許容範囲内において冷却水ポンプ３３の出力を小さくする方向に氷蓄熱装置の運転が制御されるので、この運転時における冷凍サイクルは、外気温度が低い場合でも、図１１中の「外気温度：高」か、又はこれに近い形で通常表される。

前記予熱器７での予熱量を確保するとともに省エネルギー運転を優先する運転では、許容範囲内において冷却水ポンプ３３の出力を小さくするが、これに伴う圧縮機１の出力の増加を考慮し、ある外気温度において圧縮機１と冷却水ポンプ３３との出力の和が最小になるように氷蓄熱装置の運転が制御されるので、この運転時における冷凍サイクルは、外気温度が低い場合でも、図１１中の「外気温度：中」か、又はこれに近い形で通常表される。

なお、本実施の形態における氷蓄熱装置は、膨張弁３、４及び冷媒バイパス流路８を有することから、膨張弁３、４の開度を調整することによって、予熱器７を通る冷媒の流量を調整することが可能である。これにより、前記蓄熱サイクルの循環水の温度や、凝縮後（断熱膨張前）の冷媒の温度等を調整することが可能となる。

また、本実施の形態における氷蓄熱装置には、本実施の形態における氷蓄熱運転に支障を来さない範囲で、種々の適当な改造を施すことが可能である。例えば、本実施の形態における氷蓄熱装置では、予熱用循環流路１８に循環水の流量を調整するための弁を設けると、前記蓄熱サイクルにおける過冷却前の循環水の温度を調整することが可能となり、外気温度が高く、冷却水の温度が高く、予熱器７において冷媒が有する予熱量が大き過ぎる場合に、予熱される循環水の流量を制御し、循環水の温度を適切に制御することが可能となる。

また、本実施の形態における氷蓄熱装置では、過冷却器１１、１２よりも上流側のそれぞれの循環水流路１６に流量計を設けると、これらの流量計で検出される流量に対する流量計２４、２６で検出される流量の変化量を検出することが可能となり、蓄熱サイクルにおける循環水の凍結の検出精度をより一層高めることが可能となる。

また、本実施の形態では、前記冷却用の動力源が冷却水ポンプ３３である場合を示したが、前記冷却用の動力源が冷却塔３１に設けられる冷却塔ファン場合や、前記冷却用の動力源が冷却水ポンプ３３と前記冷却塔ファンとである場合であっても良い。このような場合では、定格時における前記冷却塔ファンの出力の割合を設定し、冷却塔３１における冷却塔ファンの出力と、そのときの冷却水の温度との関係を実測によって、又はシミュレーションによって求め、この結果を冷却水入口温度に反映させれば良い。

また、本実施の形態では、運転制御部５０による制御については、前記圧縮機制御手段及び前記出力制御手段としての制御の形態しか示していないが、運転制御部５０はこの形態に限定されるものではなく、膨張弁３、４や循環水ポンプ１７等の本実施の形態で示された構成の制御をさらに行うものであっても良いし、また、前述した種々の適当な改造によって付加される他の構成の制御をさらに行うものであっても良い。このような場合、弁は自動弁であることが好ましく、また出力の制御にはインバータを用いることが好ましい。

また、本実施の形態では、過冷却器周辺での水の凍結を流量計で検出する形態を示したが、流量計に代えて、過冷却器１１、１２の入口側及び出口側のそれぞれの循環水流路１６に圧力計を設けても、過冷却器周辺での水の凍結を検出することが可能である。このような形態では、過冷却器の入口側の圧力計をＡ、出口側の圧力計をＢとしたときに、運転制御部５０は、圧力計Ａの圧力が上昇し、圧力計Ｂの圧力が低下したときに、凍結と判定する。

なお、圧力計Ａの圧力が上昇し、圧力計Ｂの圧力が上昇したとき、及び圧力計Ａの圧力が低下し、圧力計Ｂの圧力が低下したときは、運転制御部５０は、凍結以外の圧力変動と判定する。また、圧力計Ａの圧力が低下し、圧力計Ｂの圧力が上昇したときは、運転制御部５０は、圧力計の異常又は逆流と判定する。運転制御部５０が圧力計からの検出信号を受ける間隔や、圧力の増減の判断基準は、圧力計の種類等に応じて適宜設定すればよい。

本実施の形態の氷蓄熱装置によれば、複数の過冷却器１１、１２が並列に接続されてなる複数の蓄熱サイクルと、循環水バイパス流路２３、２５と、流量計２４ａ及び２４ｂ、２６ａ及び２４ｂと、運転制御部５０とを有することから、個々の蓄熱サイクル中を流れる水の凍結を検出することができ、また前記水の凍結が検出されたときに、水の凍結が生じた蓄熱サイクルに対する圧縮機１の出力が引かれた値で圧縮機１の出力が制御されるので、過冷却水の生成における過剰な冷却を防止することができる。

また、本実施の形態の氷蓄熱装置によれば、圧縮機１及びインバータ９と、冷却水ポンプ３３及びインバータ３４と、運転制御部５０と、予熱器７とを有することから、外気温度に応じて冷却水の流量、及びこれに伴う圧縮機１の出力を制御することにより、凝縮器２における冷媒の温度を高い温度が維持され、かつ蓄熱サイクル中を流れる循環水の所定の予熱熱量が維持されるので、外気温度が低い場合でも過冷却前の水の予熱に用いられる冷媒の熱量を確保することができる。

また、本実施の形態の氷蓄熱装置は、インバータ９及びインバータ３４を有し、また予熱量を確保する条件での省エネルギー優先運転を行うことが可能であることから、過冷却水方式の氷蓄熱装置において、蓄熱サイクルにおける循環水の予熱量を確保できる最も小さな出力で、前記予熱量を確保する運転を行うことができる。

また、本実施の形態の氷蓄熱装置は、過冷却器解除器として密閉形の過冷却器解除器１３、１４を有することから、開放形の過冷却解除器を有する場合に比べて、過冷却解除器の設置に要する空間を小さくすることができるので、氷蓄熱装置を小型化することができ
る。

また、本実施の形態の氷蓄熱装置は、伝播防止器１９、２０を有することから、過冷却状態の解除の過冷却器への伝播が防止されるので、蓄熱サイクル中を流れる水の凍結を防止し、安定した氷蓄熱運転を行うことができる。

また、本実施の形態の氷蓄熱装置は、過冷却器としてプレート式の過冷却器１１、１２を有することから、シェルアンドチューブ型の過冷却器を有する場合に比べて、循環水又はブラインの通液による圧力損失を小さくすることができる。また、過冷却器１１、１２での部分的な水の凍結が生じないので、凍結の検出やその解除の制御を容易にすることができる。

本発明の一実施形態の氷蓄熱装置の構成を示す図である。 図１に示される氷蓄熱装置で用いられている過冷却解除器１３、１４の正面図である。 図２に示される過冷却解除器１３、１４の横断面図である。 図１に示される氷蓄熱装置で用いられている伝播防止器１９、２０の縦断面図である。 図１に示される氷蓄熱装置の冷却水ポンプ３３の定格運転時、及び蓄熱サイクルにおける循環水の予熱量を確保する省エネルギー運転時における、凝縮器２の入口における冷却水の温度と、凝縮器２における冷媒の温度との関係を示すグラフである。 凝縮器２における冷媒の温度と、圧縮機１の消費電力の割合との関係を示すグラフである。 図１に示される氷蓄熱装置の冷却水ポンプ３３の定格運転以下の運転条件における、凝縮器２の入口における冷却水の温度と、圧縮機１及び冷却水ポンプ３３の消費電力の割合の和との関係、及び凝縮器２の入口における冷却水の温度に対する前記消費電力の割合の和の最小値を示すグラフである。 図１に示される氷蓄熱装置の蓄熱サイクルにおいて水の凍結が生じたときの、前記氷蓄熱装置の運転の制御の一例を示すフローチャートである。 図１に示される氷蓄熱装置において、予熱器７における循環水の予熱用の熱の確保を優先する前記氷蓄熱装置の運転の制御の一例を示すフローチャートである。 図１に示される氷蓄熱装置において、予熱器７における循環水の予熱用の熱を確保し、かつ省エネルギー運転を優先する前記氷蓄熱装置の運転の制御の一例を示すフローチャートである。 通常の氷蓄熱装置の冷凍サイクルを示すモリエル線図である。

符号の説明

１ 圧縮機
２ 凝縮器
３、４ 膨張弁
５ 蒸発器
６ 冷媒循環流路
７ 予熱器
８ 冷媒バイパス流路
９、３４ インバータ
１１、１２ 過冷却器
１３、１４ 過冷却解除器
１３ａ、１４ａ 過冷却解除容器
１３ｂ、１４ｂ 入口部
１３ｃ、１４ｃ 出口部
１５ 氷蓄熱槽
１６ 循環水流路
１７ 循環水ポンプ
１８ 予熱用循環流路
１９、２０ 伝播防止器
１９ａ、２０ａ 管
１９ｂ、２０ｂ 外殻部
１９ｃ、２０ｃ 隙間
２１、２２ 超音波振動子
２３、２５ 循環水バイパス流路
２４ａ、２４ｂ、２６ａ、２６ｂ 流量計
３１ 冷却塔
３２ 冷却水循環流路
３３ 冷却水ポンプ
４１ ブライン循環流路
４２ ブラインポンプ
５０ 運転制御部

Claims (5)

1. 冷媒の圧縮、凝縮、膨張、及び蒸発によって冷熱を生成する冷凍サイクルと、前記冷凍サイクルで生成する冷熱を蓄える蓄熱サイクルとを有し、
   前記冷凍サイクルは、冷媒の蒸気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された冷媒を冷却水で冷却して凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器で凝縮した冷媒を断熱膨張させる減圧手段と、前記減圧手段で断熱膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器とを有し、
   前記蓄熱サイクルは、前記冷凍サイクルの前記蒸発器で生成する冷熱によって水を０℃以下に過冷却して過冷却水を生成する過冷却器と、前記過冷却器で生成した過冷却水の過冷却状態を解除して氷水とする過冷却解除器と、前記過冷却解除器で生成した氷水を蓄える氷蓄熱槽とを有する氷蓄熱装置において、
   前記凝縮器と前記減圧手段との間に設けられ、凝縮器で凝縮した冷媒と前記蓄熱サイクルの前記氷蓄熱槽から前記過冷却器に送られる水との間で熱交換を行う予熱器と、
   前記冷却水を冷却する冷却塔、及び前記凝縮器と前記冷却塔との間で前記冷却水を循環させる冷却水ポンプを有する冷却水サイクルと、
   前記冷媒を冷却する冷却水の温度を検出する温度検出手段と、
   前記冷却水サイクルにおける冷却用の動力源及び前記圧縮機の少なくともいずれか一方の出力を制御する出力制御手段とをさらに有し、
   前記出力制御手段は、前記温度検出手段によって検出される前記冷却水の温度に応じて、前記凝縮器における前記冷媒の温度が、所定の範囲内の温度となるように、前記冷却用の動力源及び前記圧縮機の少なくともいずれか一方の出力を制御する手段であり、
   前記所定の範囲は、前記冷却用の動力源の定格運転時に得られる冷却水が前記冷却水サイクル中において流れているときの前記凝縮器における冷媒の温度以上、凝縮器における冷媒の温度の設定値以下であることを特徴とする氷蓄熱装置。
2. 前記凝縮器における前記冷媒と前記冷却水との温度差を、予め設定された前記冷却水の流量と該温度差との関係から取得する温度差取得手段を更に有し、
   前記出力制御手段は、前記冷却水の流量に応じて前記温度差取得手段によって取得された温度差と、前記温度検出手段によって検出される前記冷却水の温度と、の合計が、前記凝縮器における冷媒の温度の設定値以下となるように、前記冷却用の動力源及び前記圧縮機の少なくともいずれか一方の出力を制御する、
   請求項１に記載の氷蓄熱装置。
3. 前記出力制御手段は、前記冷却水の流量に応じて前記温度差取得手段によって取得された温度差と、前記温度検出手段によって検出される前記冷却水の温度と、の合計が、前記冷却用の動力源の定格運転時に得られる冷却水が前記冷却水サイクル中において流れているときの前記凝縮器における冷媒の温度以上となるように、前記冷却用の動力源及び前記圧縮機の少なくともいずれか一方の出力を制御する、
   請求項２に記載の氷蓄熱装置。
4. 前記出力制御手段は、前記冷却用の動力源の消費電力と前記圧縮機の消費電力との和が最小になるように、前記冷却用の動力源及び前記圧縮機の少なくともいずれか一方の出力を制御する手段であることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の氷蓄熱装置。
5. 前記冷却用の動力源は前記冷却水ポンプであることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の氷蓄熱装置。

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