JP4514805B2 - 過冷却水を用いた製氷システム - Google Patents

Description

本発明は、空調用の冷熱源となる蓄熱用氷、屋内・屋外スキー場用の散布用氷および一般冷却・保冷用氷等を蓄えるための氷製造装置に関し、特に過冷却水を用いた製氷システムに関する。

冷凍機で０℃以下の低温にまで冷却した過冷却状態の水に衝撃などを与えて過冷却状態を解除させ、シャーベット状の氷を製造して蓄熱槽内に蓄える製氷方法はすでに広く利用されているが、氷蓄熱槽から過冷却熱交換器へ戻る冷水中には微細な氷核が含まれており、氷核除去フィルタを通過させたとしても氷核が残存し、過冷却熱交換器の伝熱部が凍結して製氷システムが停止するおそれがある。そこで、この氷核を融解させるために各種の技術が提案されている。

特開平６−２５７９２５「過冷却水製造装置」では、蓄熱槽から過冷却熱交換器へと戻る水の回路中に予熱熱交換器を設置して全量の水を通過させ、冷水を予熱熱交換器で熱交換させることにより、氷核を融解して過冷却熱交換器内伝熱管の凍結を防止するようになっている。

特開平１０−１８５２４８「氷蓄熱装置」では、凝縮器から膨張弁へ流れる冷媒によって加熱する予熱器を設けて、この冷媒によって氷を加熱して融解することにより伝熱管での水の凍結防止を図っている。

一般に、過冷却水を用いた製氷システムでは、過冷却熱交換器の入口冷水に含まれる氷核を除去するために、入口冷水を０．５℃程度に加熱しなければならない。この加熱量がシステムの効率を低下させる大きな要因になっている。従来のシステムでは、蓄熱槽から取水される０℃の冷水をフィルタによって濾過し、０．５℃まで昇温させることで氷核を融解させるようになっているが、フィルタの目を細かくして氷核を小さくしても、氷核と冷水との間の熱伝達率が小さいため、０．４℃以下では融解せず、氷核融解温度を０．４℃以下にすることはできなかった。

本発明の目的は、氷核を融解させるための加熱を最小限に抑えることで製氷システムのＳＣＯＰを高めることが可能な製氷システムを提供することにある。ここで、ＳＣＯＰ（System Coefficient Of Performance ）とは、製氷システムを構成するすべての機器（冷凍機・ポンプ類）の製氷運転時の消費電力１ｋＷあたりの製氷能力を示す。

一般に、氷核の形状は、時間の経過と共に針状（２次元）から球状（３次元）へと変化するが、２次元の形状をしている方が熱伝達がよく、融解温度を下げることができる。そこで、本発明では、三方型氷水分離装置を設けて、製氷装置出口の相変化直後の氷水から針状（２次元）の氷核を保有する冷水を分離するように構成した。分離された冷水を氷核融解回路で作られた０．５℃の冷水と混合させることにより、従来よりも低温の０．１〜０．２℃で冷水中に残存する氷核を完全に融解させ、０．１〜０．２℃の冷水を過冷却熱交換器へと送ることができる。

前述した課題を解決するため、本発明はその基本的態様として、過冷却熱交換器で過冷却水を製造し過冷却水を用いて製氷した氷を蓄熱槽に蓄える製氷システムにおいて、圧縮機・凝縮器・膨張弁及び蒸発器を包含し０℃より低温のブラインを製造して過冷却熱交換器へと供給する冷凍機と、前記過冷却熱交換器からの冷水を氷に変える製氷装置と、前記製氷装置からの氷水を蓄熱槽へと移送する氷水回路と、蓄熱槽からの冷水を前記過冷却熱交換器へと移送するリターン回路と、前記リターン回路の途中に配置された製氷ポンプと、前記凝縮器と熱交換した冷却水を冷却塔で冷却する冷却回路と、前記冷却回路に設けられた氷核融解用熱交換器と、蓄熱槽からの冷水を前記氷核融解用熱交換器へと移送しかつ熱交換後の冷水を前記リターン回路へと導入し、導入後の混合冷水を概ね０．５℃に加熱して氷核を融解する氷核融解回路と、前記氷核融解回路の途中に配置された氷核融解ポンプとを備える。さらに、前記氷水回路の途中に三方型氷水分離装置を配置して製造された氷水の全量を通過させるように構成し、前記三方型氷水分離装置で分離された冷水を前記氷核融解回路よりも下流側で前記リターン回路へと導入し、前記リターン回路内での混合冷水の温度を概ね０．１〜０．２℃とし、これにより、前記過冷却熱交換器へと戻る冷水に含まれる氷核を最小限度の加熱で融解させることを特徴とする。

かかる構成に基づき、本発明によれば、
（１）三方型氷水分離装置を設けて、製氷装置の出口の相変化直後の氷水から針状（２次元）の氷核を保有する冷水を分離するように構成したので、分離された冷水を氷核融解回路で作られた０．５℃の冷水と混合させてその温度を０．１〜０．２℃にまで低下させることができる。針状の氷核は融解しやすいので、０．１〜０．２℃で冷水中に残存する氷核をほぼ完全に融解させ、０．１〜０．２℃の冷水を過冷却熱交換器へと送ることができる。このことは、氷核を融解させるための加熱が最小限に抑えられて、製氷システムの効率が高められるという利点がある。
（２）過冷却熱交換器の入口冷水温度を０．１〜０．２℃まで下げることが可能になり、従来のような０．５℃の時に比べ、氷核融解時の加熱ロスが２０％から５〜１０％に改善し、図１に示すシステムにおいては、ＳＣＯＰが２０％向上する。

本発明の好適な態様として、前記三方型氷水分離装置は氷水が通過する中心パイプとその外周を包囲するハウジングとで構成され、前記中心パイプの外側で前記ハウジング内部に隔室が形成され、前記中心パイプは内側に＃５０〜１００のステンレスメッシュが張られた多孔板で構成され、前記多孔板に設けられた多数の孔から冷水が前記隔室内へと流出し、流出した冷水は前記隔室から前記製氷ポンプで汲み上げられて前記過冷却熱交換器へと移送されるようになっている。以下、本発明の好適な態様について、添付図を参照しながら説明する。

図１は本発明の基本的な態様を表す製氷システムの実施例であり、ブライン冷凍機２で冷却したブラインをブラインポンプ１０で吸引して過冷却熱交換器４へと送り、過冷却熱交換器４内で熱交換させられて０℃よりも低温（例えばマイナス２．０℃）になった過冷却水を製氷装置５内で氷に変化させ、製造された氷を蓄熱槽８へと供給する。ブライン冷凍機２は、圧縮機４１・凝縮器４２・膨張弁４３及び蒸発器４４を包含し０℃より低温のブラインを製造して過冷却熱交換器４へと供給する。蓄熱槽８の底部付近の熱負荷側出口８ａからは冷水ポンプ２４によって冷水が汲み出され、ファンコイルユニットなどの空調負荷２６へと移送され、建物内の各室が冷房される。

図１の装置には、製氷装置５からの氷水を蓄熱槽８へと移送する氷水回路Ｃと、蓄熱槽８からの冷水を過冷却熱交換器４へと移送するリターン回路Ｗとが設けられている。リターン回路Ｗの途中には、製氷ポンプ１２と氷核除去フィルタ６が配置されている。冷凍機２の凝縮器４２と熱交換した冷却水を冷却塔１で冷却する冷却回路Ｐには、氷核融解用熱交換器３，冷却水ポンプ９，冷却水温度制御弁１４，氷核融解温度制御弁１５が設けられている。さらに、蓄熱槽８からの冷水を氷核融解用熱交換器３へと移送しかつ熱交換後の水をリターン回路Ｗへと導入する氷核融解回路Ｑが設けられ、氷核融解回路Ｑの途中には氷核融解ポンプ１１が設けられている。

本発明の特徴に従い、氷水回路Ｃの途中に三方型氷水分離装置７が配置され、製造された氷水の全量を通過させるように構成されている。三方型氷水分離装置７で分離された冷水はリターン回路Ｗに導入され、過冷却熱交換器４へと戻る冷水に含まれる氷核を最小限度の加熱で融解させるように構成されている。

次に、回路中の水温の変化について説明する。図１において、取水ポンプ１３で蓄熱槽８から汲み上げられる蓄熱冷水１６（０．０℃）には氷核が含まれている。蓄熱冷水１６の一部は氷核融解回路Ｑに導入され、氷核融解ポンプ１１により氷核融解熱交換器３に送られ加熱された後、蓄熱冷水１６と混合し、概ね０．５℃の氷核融解後冷水１７となる。氷核融解後冷水１７は、三方型氷水分離装置７で分離された分離冷水１８（０．０℃）と混合し、概ね０．１〜０．２℃の混合冷水１９となって、製氷ポンプ１２により氷核除去フィルタ６へと送られる。分離冷水１８にも氷核が含まれるが、蓄熱冷水１６に含まれる冷水と違い、結晶の形が針状（２次元）であり、０．１〜０．２℃でも氷核を充分融解できる。氷核除去フィルタ６を通過した混合冷水１９は過冷却熱交換器４へ送られ、マイナス３．０℃程度のブラインと熱交換して過冷却水となり、製氷装置５で氷水２０（ＩＰＦ：２．５重量％）に相変化する。氷水２０は三方型氷水分離装置７へ送られ、冷水の分離と氷の濃縮が行なわれる。分離冷水１８は再び氷核融解後冷水１７と混合し、濃縮された濃縮氷水２１（ＩＰＦ：７〜１０重量％）は蓄熱槽８に蓄氷される。ここで、ＩＰＦ（Ice Packing Factor）とは氷水重量中の氷の重量を表す指標である。

図２は三方型氷水分離装置７の好適な例を表しており、入口パイプ３１、出口パイプ３２、中心パイプ３３、ハウジング３４、隔室３５、ステンレスメッシュ３６、孔３７、ブランチパイプ３８で全体が構成されている。すなわち、二重管の一部である中心パイプ３３を多数の孔３７を有する多孔板（直径３ｍｍ、５ｍｍピッチの千鳥配列で孔が配置）とし、内部に＃５０〜１００のステンレスメッシュ３６を内側に張ることにより、概ね０．４ｍｍ以上の氷と冷水を分離する構造になっている。

図１に示すように、三方型氷水分離装置７の入口パイプ３１には製氷装置５からＩＰＦ：２．５重量％程度の氷水２０が送り込まれ、冷水の一部が孔３７を通って隔室３５へ流出することにより、出口パイプ３２からはＩＰＦ：７〜１０重量％にまで濃縮された氷水２１が蓄熱槽８へと送り出される。ブランチパイプ３８からは０．０℃の水が製氷ポンプ１２へと送り出される。ブランチパイプ３８から流出する分岐水量は主管水量の２／３〜３／４が好ましい。

以上、詳細に説明した如く、本発明の製氷システムによれば、従来０．５℃での加熱を必要としていたのが、０．１〜０．２℃の加熱で冷水中に残存する氷核をほぼ完全に融解させ、０．１〜０．２℃の冷水を過冷却熱交換器へと送ることができる。このことは、氷核を融解させるための加熱が最小限に抑えられて、従来のような０．５℃の時に比べ、氷核融解時の加熱ロスが２０％から５〜１０％に改善し、ＳＣＯＰが２０％向上するなど、その技術的価値には極めて顕著なものがある。

本発明による製氷システムの基本態様を表す回路図。 三方型氷水分離装置の縦断面図。

符号の説明

１ 冷却塔 ２ ブライン冷凍機
３ 氷核融解用熱交換器 ４ 過冷却熱交換器
５ 製氷装置 ７ 三方型氷水分離装置
８ 蓄熱槽 １２ 製氷ポンプ
１３ 取水ポンプ ３３ 中心パイプ
３４ ハウジング ３５ 隔室
３７ 孔
Ｐ 冷却回路 Ｑ 氷核融解回路
Ｗ リターン回路 Ｃ 氷水回路

Claims (2)

1. 過冷却熱交換器で過冷却水を製造し過冷却水を用いて製氷した氷を蓄熱槽に蓄える製氷システムにおいて、
   圧縮機・凝縮器・膨張弁及び蒸発器を包含し０℃より低温のブラインを製造して過冷却熱交換器へと供給する冷凍機と、
   前記過冷却熱交換器からの冷水を氷に変える製氷装置と、
   前記製氷装置からの氷水を蓄熱槽へと移送する氷水回路と、
   蓄熱槽からの冷水を前記過冷却熱交換器へと移送するリターン回路と、
   前記リターン回路の途中に配置された製氷ポンプと、
   前記凝縮器と熱交換した冷却水を冷却塔で冷却する冷却回路と、
   前記冷却回路に設けられた氷核融解用熱交換器と、
   蓄熱槽からの冷水を前記氷核融解用熱交換器へと移送しかつ熱交換後の冷水を前記リターン回路へと導入し、導入後の混合冷水を概ね０．５℃に加熱して氷核を融解する氷核融解回路と、
   前記氷核融解回路の途中に配置された氷核融解ポンプとを備え、
   前記氷水回路の途中に三方型氷水分離装置を配置して製造された氷水の全量を通過させるように構成し、
   前記三方型氷水分離装置で分離された冷水を前記氷核融解回路よりも下流側で前記リターン回路へと導入し、
   前記リターン回路内での混合冷水の温度を概ね０．１〜０．２℃とし、
   これにより、前記過冷却熱交換器へと戻る冷水に含まれる氷核を最小限度の加熱で融解させることを特徴とする過冷却水を用いた製氷システム。
2. 前記三方型氷水分離装置は氷水が通過する中心パイプとその外周を包囲するハウジングとで構成され、前記中心パイプの外側で前記ハウジング内部に隔室が形成され、前記中心パイプは内側に＃５０〜１００のステンレスメッシュが張られた多孔板で構成され、
   前記多孔板に設けられた多数の孔から冷水が前記隔室内へと流出し、
   流出した冷水は前記隔室から前記製氷ポンプで汲み上げられて前記過冷却熱交換器へと移送されるようになっている請求項１記載の製氷システム。

Images