JP4453467B2 - 蓄氷型冷水装置およびその運転制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、空調設備や食品冷却装置等に冷水を供給する蓄氷型冷水装置およびその運転制御方法に関するものである。

従来、蓄氷型冷水装置としては、蓄氷槽と熱交換器との間に循環路を形成するとともに、前記循環路の熱交換器入口側へ補給水路を接続したものが知られている。この種蓄氷型冷水装置を補給水型または外部給水型と称する。（例えば、特許文献１参照）。また、この蓄氷型冷水装置は、電力料金の安い深夜電力を利用して、蓄氷槽内に蓄熱媒体としての氷を蓄えておき、負荷の要求に応じて蓄氷槽の上方から解氷のための給水を行い、蓄氷槽下部より冷水を取り出して使用される。

この種外部給水型の装置においては、つぎのような課題がある。まず、補給水の温度が変化すると蓄氷槽内の氷と冷水との比（氷の重量／蓄氷槽の最大貯留可能水量の重量にて表現する、以下、氷充てん率という。）が変化する。この氷充てん率は、ＩＰＦともいう。この氷充てん率が大きい（氷の割合が多い）と、短時間の冷水負荷が大きい場合、蓄氷槽からの冷水供給が負荷要求に応えることができないという課題がある。逆に、氷充てん率が小さい（氷の割合が少ない）と、蓄氷槽の氷がすぐに溶けてしまい、冷水負荷の総量が大きい場合、これに答えることができないという課題がある。

ここで、補給水の温度の変化により、氷充てん率が変化する理由を説明する。この種外部給水型の装置では、蓄氷槽の０℃の水に常温の補給水を混合し、所定温度に調整して熱交換器に送る。混合した温度を温度センサで測定し、混合水温度が一定になるように、温調弁で補給水量を制御する。そして、混合水は熱交換器で過冷却され、蓄氷槽内へ戻る。蓄氷槽内へ戻る時に分散板にぶつかり、その衝撃で、過冷却が解除され、０℃の水と、過冷却分の熱量の氷になる。

ところで、補給水量は、補給水温度が低いほど、多くなるため、補給水温度が低いほど蓄氷槽が早く満水になる。この種装置では、補給水なしでは運転できないため、満水になると装置の運転を停止する。そのため、補給水温度が低いほど補給水量が多く、早く満水になり、比較的短時間で装置の運転を停止する。ところが、熱交換器での単位時間あたりの氷の製造量は一定のため、補給水温度が低いほど、氷の製造時間が短くなり、氷の割合が少なくなる。すなわち、単位時間の氷の製造量は同じでも、補給水温度が低いほど補給水量が多く、水の割合が多くなる。

特開平９−１５２１４９号公報

この発明が解決しようとする課題は、補給水温度の変化にかかわらず、冷水負荷の変化に対して好適に冷水を供給可能な蓄氷型冷水装置を提供することである。

この発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、過冷却水を生成する熱交換器と、氷および冷水を貯留する蓄氷槽と、前記熱交換器および前
記蓄氷槽との間の循環路と、弁を有する前記熱交換器の入口側への補給水路とを備え、前記蓄氷槽内の氷と冷水との比である氷充てん率を設定値に制御する制御手段を備えた蓄氷型冷水装置において、前記補給水温度を検出する第一温度検出器と前記熱交換器入口の混合水温度を検出する第二温度検出器とを備え、前記制御手段は、前記第二温度検出器の検出温度が設定値となるように前記弁の開度を制御するとともに、前記混合水温度の設定値を第一設定値とすることにより前記熱交換器の出口温度を零度以下とする過冷却運転を行い、前記混合水温度の設定値を第二設定値とすることにより前記熱交換器の出口温度を零度を越える温度とする非過冷却運転を行い、前記補給水温度に応じた決められた過冷却運転と前記非過冷却運転との時間的割合に基づき、前記第一温度検出器により検出した補給水温度に応じて、前記時間的割合の制御を行うことにより、前記氷充てん率を設定値に制御することを特徴としている。

この発明によれば、補給水温度の変化にかかわらず蓄氷槽内の氷の量と冷水の量との比率を制御して氷充てん率を設定値に制御するので、短時間の大きい冷水負荷および総量の大きい冷水負荷に対して、好適に対応することができる。

つぎに、この発明の実施の形態について説明する。この発明の実施の形態は、補給水型（外部給水型）の蓄氷型冷水装置において実施される。

まず、この実施の形態の概要を説明する。この実施の形態の蓄氷型冷水装置は、過冷却水を生成する熱交換器と、氷および冷水を貯留する蓄氷槽と、前記熱交換器および前記蓄氷槽との間に形成される循環路と、この循環路の前記熱交換器の入口側へ補給水を供給する補給水路とを備える蓄氷型冷水装置において、前記蓄氷槽内の氷と冷水の割合（氷充てん率）を制御する制御手段を備えたことを特徴としている。

この実施の形態においては、前記蓄氷槽内の水は、前記循環路を循環する間に、前記熱交換器にて過冷却される。この過冷却水は、その一部が過冷却を解除されて氷となり、前記蓄氷槽内に蓄えられる。そして、前記熱交換器の入口側へ補給水路を通して補給水が供給され、前記蓄氷槽からの冷水と補給水とが混合され、この混合水温度が所定温度となるように補給水の混合割合が制御される。そして、前記制御手段により、前記蓄氷槽内の氷と冷水の割合が所望の値に制御される。これにより、短時間の大きい冷水負荷および総量の大きい冷水負荷に対して、好適に冷水が供給される。

つぎに、この実施の形態の構成要素について説明する。前記熱交換器は、前記循環路を循環する水を過冷却する機能を有するもので、好ましくは、循環水を冷凍機などの冷却手段の冷媒により間接的に熱交換して冷却するものとする。この熱交換器は、二重管型構造
のものなどが採用される。

前記蓄氷槽は、冷水と氷とを蓄えるものである。前記熱交換器との間に前記循環路が形成され、前記蓄氷槽内の水を循環路にて循環させ、前記熱交換器にて過冷却することにより、冷水と氷とを貯留する。この循環路には、循環ポンプを備える。

前記補給水路は、前記熱交換器の入口側において、補給水が供給され、前記蓄氷槽からの冷水と混合される。この補給水の量は、前記熱交換器の入口側の入口温度が、設定値となるように調整される。

また、前記制御手段は、前記蓄氷槽内の氷と冷水の割合である氷充てん率を最適値（設定値）に制御する機能を有する。この最適値は、実験により求められ、たとえば約２０％とするが、これに限定されるものではない。この氷充てん率％は、（前記蓄氷槽内の氷の重量）／（前記蓄氷槽の最大貯留可能水量の重量）×１００で求められる。

前記の氷充てん率の制御は、好ましくは、前記熱交換器で過冷却する過冷却運転と前記熱交換器で過冷却しない非過冷却運転との時間的割合を調整することにより行われる。この前記過冷却運転と前記非過冷却運転との切り替えは、好ましくは、前記熱交換器に流入する混合水の温度（入口温度）を調整することにより行うが、前記熱交換器への供給流量（給水流量），すなわち混合水量を調整することによっても実現できる。単位時間当たりの前記熱交換器の冷却能力が一定の場合、前者の場合、混合水温度を低くすると、過冷却運転とし、逆に高くすると、非過冷却運転とすることができる。また、後者の場合、混合水量を多くすると非過冷却運転とし、少なくすると過冷却運転とすることができる。さらに、非過冷却運転と過冷却運転との切替は、前記冷凍機の能力を変化させることによっても実現できる。

また、前記氷充てん率の制御は、前記熱交換器による過冷却温度を変化させることによっても行うことができる。この場合の過冷却水温度の変化は、前記熱交換器に流入する混合水の温度を調整するか、前記熱交換器への供給流量を調整することによっても実現できる。さらに、この氷充てん率の制御は、前記冷凍機の能力を変化させることによっても実現できる。

この氷充てん率を最適値とするための制御は、補給水温度または外気温度に応じて行われる。氷充てん率の制御を補給水温度に応じて前記過冷却運転と前記非過冷却運転との時間的割合を変えることにより行う場合には、補給水温度が低ければ、氷充てん率が低くなるので、前記過冷却水運転時間を長くして前記非過冷却水運転時間を短くし、逆に、補給水温度が高くなると、氷充てん率が高くなるので、前記過冷却水運転時間を短くして前記非過冷却水運転時間を長くする。これらの補給水温度と前記時間的割合は、計算または実験により求めることができる。

以下、この発明の蓄氷型冷水装置の具体的実施例１を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、同実施例１の概略構成図である。

図１において、この実施例１の概要を説明する。図１に示す補給水型蓄氷型冷水装置は、過冷却水を生成する熱交換器１と、氷および冷水を貯留する蓄氷槽２と、前記熱交換器１および前記蓄氷槽２の間に形成される循環路３と、この循環路３の前記熱交換器１の入口側へ補給水を供給する補給水路４と、この発明の特徴とする過冷却制御手段を主要部として備えている。この過冷却制御手段は、前記熱交換器１で過冷却する過冷却運転と前記熱交換器で過冷却しない非過冷却運転との時間的割合を調整する機能を有する。

つぎに、この実施例の各構成要素について説明する。前記熱交換器１は、前記循環路３を循環する水を冷媒により過冷却することが可能な二重管型構造の間接型熱交換器である。この熱交換器１の冷媒側は、冷凍機６の一部の蒸発器を構成している。この冷凍機６は、圧縮機７，凝縮器８，減圧器９および蒸発器としての前記熱交換器１を含み、これらを冷媒回路（符号省略）にて接続している。

前記蓄氷槽２は、冷水と氷とを蓄える槽であり、前記熱交換器１と前記循環路３により接続される。また、この蓄氷槽２には、低水位を検出する第一水位検出器１１および満水を検出する第二水位検出器１２を備えている。そして、この循環路３の一端１３は、前記蓄氷槽２の前記第一水位検出器１１の検出端よりも下方に開口し、他端１４は、この蓄氷槽２内上端部に開口している。そして、前記循環路３には、循環ポンプ１５を備え、前記蓄氷槽２−前記循環ポンプ１５−前記熱交換器１−前記蓄氷槽２なる冷水循環路を形成する。

前記補給水路４は、開度が調節可能な第一弁１６を備え、一端が水道などの給水源（図示省略）に接続され、他端が前記循環路３の前記蓄氷槽２および前記循環ポンプ１５間に接続されている。これにより、前記熱交換器１の入口側において、補給水が供給され、前記蓄氷槽からの冷水と混合されるように構成されている。

また、前記蓄氷槽２には、第二弁１７を有する解氷水路１８が接続されている。この解氷水路１８は、その一端が記補給水路４の前記第一弁１６の上流側から分岐され、他端がシャワー状に水を散水する散水口１９として構成されている。この散水口１９は、前記第二水位検出器１２の検出端よりも上方に開口している。

また、この蓄氷槽２には、解氷により生成された冷水を取り出して、冷水使用設備（図示省略）へ供給するための冷水供給路２１を備えている。この冷水供給路２１は、給水ポンプ２２を有し、その一端が前記蓄氷槽２内底部に開口している。

ここで、前記過冷却制御手段について説明する。この過冷却制御手段は、補給水温度に応じて前記熱交換器１に流入する混合水（給水）温度を調整することにより、過冷却運転と非過冷却運転との時間的割合を調整し、氷充てん率を制御する機能を有する。この過冷却制御手段は、氷充てん率を制御するという意味で、氷充てん率制御手段と称することもできる。

そして、前記過冷却制御手段は、前記補給水路４の補給水温度を検出する第一温度検出器２３と、前記熱交換器１への入口温度を検出する第二温度検出器２４と、これら温度検出器２３，２４から信号を入力して、前記第一弁１６の開度を制御する制御器２５を含む。

この制御器２５は、予め記憶している処理手順に従い、補給水温度に応じて前記熱交換器１に流入する混合水温度を制御して、過冷却運転と非過冷却運転との切り替えを行うとともに時間的割合を調整する氷充てん率制御を行う。この制御器２５は、蓄氷運転全体の制御や冷水取り出しの制御も行う。

この実施例においては、前記熱交換器１の冷却温度（入口と出口との温度差）をたとえば、１．５℃とした場合、混合水温度を第一設定温度Ｔ１である０．５℃として前記熱交換器１の出口温度を零度以下の−１．０℃とすることで、過冷却運転を行い、混合水温度を第二設定温度Ｔ２である２．０℃として前記熱交換器１の出口温度を零度を越える０．５℃とすることで、非過冷却運転を行うように構成している。ここで説明した数値は、一
例であり、種々変更可能である。

そして、氷充てん率を最適とする時間的割合の制御は、つぎのようにして行う。補給水温度が低ければ氷充てん率が低くなるので、過冷却運転時間（蓄氷時間）を長くし、補給水温度が高ければ氷充てん率が高くなるので、過冷却運転時間を短く、非過冷却運転時間（冷水製造時間）を長くする。すなわち、過冷却運転時間と非過冷却運転時間の割合を補給水温度に応じて調整することにより、補給水温度の変化にかかわらず氷充てん率を設定値に制御する。この過冷却運転時間と非過冷却運転時間の割合制御は、補給水温度の変化に対して段階的に割合を変化させるか、連続的に変化させて行う。段階的に制御する場合は、補給水温度をたとえば３段階に分けて、各段階毎に前記割合を異ならせる。

以上の構成の実施例の作用を説明する。まず、深夜電力を利用して行われる蓄氷運転について説明する。蓄氷槽２内に前記第一水位検出器１１の検出端まで水を入れた後、冷凍機６を起動するとともに、循環ポンプ１５を起動して蓄氷槽２内の水を循環路３を介して前記熱交換器１へ供給する。そして、熱交換により生成された過冷却水は、蓄氷槽２に還流し、さらに分散板（図示省略）に衝突することにより過冷却状態が解除されてスラリー状の氷を生成する。

前記熱交換器１へ流入する冷水の温度が低下してくると、この温度低下を第二温度検出器２４にて検知し、第一弁１６の開度を調節し、前記補給水路４を通して常温の補給水を供給して、冷水と混合することにより所定温度の混合水とする。

この蓄氷運転において、前記第一温度検出器２３により補給水温度が検出されている。補給水温度が低下すると、混合水温度が前記第一設定温度Ｔ１となるように前記第一弁１６の開度を調整して過冷却運転を行うとともに、過冷却運転の時間的割合を大きくして、氷充てん率が高くなるように制御する。逆に、補給水温度が上昇すると、混合水温度が前記第二設定温度Ｔ２となるように前記第一弁１６の開度を調整して非過冷却運転を行うとともに、過冷却運転の時間的割合を小さくして、氷充てん率が小さくなるように制御する。こうした過冷却運転と非過冷却運転との運転時間割合を補給水温度に応じて調整することにより、氷充てん率を所望の設定値に制御する。この蓄氷運転は、前記第一水位検出器１２の検出端による満水検出まで行われる。

つぎに、冷水取り出し運転につき説明する。冷水供給の要求があると、前記給水ポンプ２２が駆動されるとともに、前記第二弁１７が開かれる。これにより、常温水が解氷水路１８を通して前記散水口１９から前記蓄氷槽２内へ供給され、解氷を行いながら、冷水を冷水供給路２１から取り出す。この解氷運転において、氷充てん率が適正な値に制御されているので、従来の課題を解消できる。すなわち、氷充てん率を制御しない従来装置においては、氷充てん率が大きいと、短時間の大きい冷水負荷に対して蓄氷槽からの冷水供給が追いつかないという課題があり、氷充てん率が小さいと、冷水負荷の総量が大きい場合にこれに答えることができないという課題があるが、この実施例によれば、こうした課題を解消または改善できる。

この発明の実施例の概略構成図である。

符号の説明

１ 熱交換器
２ 蓄氷槽
３ 循環路
４ 補給水路
２５ 制御器（氷充てん率制御手段）

Claims (1)

1. 過冷却水を生成する熱交換器１と、氷および冷水を貯留する蓄氷槽２と、前記熱交換器１および前記蓄氷槽２との間の循環路３と、弁１６を有する前記熱交換器１の入口側への補給水路４とを備え、前記蓄氷槽２内の氷と冷水との比である氷充てん率を設定値に制御する制御手段２５を備えた蓄氷型冷水装置において、
   前記補給水温度を検出する第一温度検出器２３と前記熱交換器１入口の混合水温度を検出する第二温度検出器２４とを備え、
   前記制御手段２５は、前記第二温度検出器２４の検出温度が設定値となるように前記弁１６の開度を制御するとともに、
   前記混合水温度の設定値を第一設定値とすることにより前記熱交換器１の出口温度を零度以下とする過冷却運転を行い、前記混合水温度の設定値を第二設定値とすることにより前記熱交換器１の出口温度を零度を越える温度とする非過冷却運転を行い、
   前記補給水温度に応じた決められた前記過冷却運転と前記非過冷却運転との時間的割合に基づき、前記第一温度検出器２３により検出した補給水温度に応じて、前記時間的割合の制御を行うことにより、前記氷充てん率を設定値に制御することを特徴とする蓄氷型冷水装置。

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