JP4623995B2 - ブラインの過冷却による製氷方法および同製氷装置 - Google Patents

Description

本発明は、ブラインを過冷却することによってブラインと氷の細片が混合したシャーベット状の氷スラリを生成する製氷方法および同製氷装置に関する。

真水を過冷却して過冷却水とし、その後過冷却水に振動等の衝撃を与えて過冷却状態を解除することにより、水に氷の細片が混合したシャーベット状の氷スラリを生成する装置や方法は従来から実用に供されており、このような装置、方法によって生成された氷スラリは流動性があって搬送が容易であり、かつ氷の潜熱を利用できるので、エネルギー効率が良好であるという利点があり、ダイナミック式すなわち蓄熱槽（蓄氷槽）外部において生成した氷を蓄熱槽に供給するタイプの氷蓄熱装置用の冷熱源として広く実用に供されている（例えば特許文献１、２参照）。

ところで、上述のように製氷用水を真水とするのではなくブラインとすれば、真水を使用した場合と同様に顕熱、潜熱が大であるので、ブラインを冷熱の媒体とすれば氷点下温度のブラインを蓄熱槽へ送ることができ、この蓄熱槽に貯留された低温のブラインは、蓄熱槽から例えば低温の空調設備へ送られてその冷熱源として有効に利用できる。

しかしながら、従来の真水を製氷用水とする装置、方法では製氷量が大となってもその凍結温度に変化がないが、ブラインの場合はブライン回路内全体におけるブラインの総量に対する氷結部分（固体相）の割合が大になると、未氷結部分（液相）部分の濃度が大となり、ブライン濃度が大になると図３のグラフに示されるように凍結点が低下する。
なお同グラフに示されるデータは、プロピレン・グリコール系水溶液よりなるブラインのブライン濃度と凍結点（凍結温度）との関係を示したものである。

したがって、氷蓄熱装置のように蓄熱槽と製氷装置との間にブラインを循環せしめて使用する場合、蓄氷量が小である製氷初期段階のブライン凍結点と蓄氷量が大である製氷終期段階のブライン凍結点とでは顕著な温度差がある。すなわち、製氷初期段階においてはブラインを過冷却するために必要な冷熱に比して、製氷終期段階におけるブライン過冷却用として必要な冷熱は大であり、したがって液冷媒の蒸発温度は製氷終期段階においても充分な製氷を行なうことができるよう低い温度に設定する必要がある。

ところが、液冷媒の蒸発温度を製氷終期において安定した製氷ができるように低い温度に設定すると、製氷初期段階においては冷却能力が過剰な状態となって過冷却熱交換器内におけるブラインの温度が必要以上に低温となり、過冷却状態を維持できずに過冷却熱交換器、より詳しくは過冷却熱交換器の出口における管壁内面の最も温度が低くなる箇所で凍結し、このブラインの凍結によって過冷却用熱交換器のブライン流路が閉塞して製氷が停止するという問題が生じるおそれがある。

なお、上述のような問題は氷蓄熱装置に利用される製氷方法、装置にだけ生じるものではなく、例えば氷スラリを直接空調用の熱交換器等の負荷側熱交換器に送って冷熱を利用する場合にも同様に生じる問題である。
特開平５−１８０４６７（第１〜５頁、図１〜４） 特開平５−２９６５０３（第１〜３頁、図１〜３）

本発明の目的とするところは、過冷却用熱交換器に供給されるブラインの濃度が製氷量の変化に伴って変動しても、安定した製氷を行なうことができ、したがって過冷却用熱交換器内におけるブラインの凍結のような不具合が生じるおそれのない製氷装置を提供できるようにすることにある。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に係る方法は、冷凍機から供給される液冷媒の気化潜熱により負荷側からブライン送管にて送られる製氷用ブラインを過冷却用熱交換器で過冷却して、その後ブラインの過冷却状態を解除することによりブラインと氷の細片が混合した氷スラリを生成する製氷方法において、氷スラリ送管によって負荷側へ送られる前記過冷却解除直後の氷スラリの温度と、前記過冷却熱交換器における冷媒蒸発温度との差を一定の値に保つようにする構成としてある。

本発明の請求項２に係る方法は、前記氷スラリの温度と過冷却熱交換器における冷媒蒸発温度との差を、前記過冷却熱交換器における液冷媒の蒸発圧力を制御して一定の値に保つようにしたことを特徴としている。

本発明の請求項３に係る方法は、前記氷スラリの温度と過冷却熱交換器における冷媒蒸発温度との差を、前記過冷却熱交換器への製氷用ブラインの供給量を制御して一定の値に保つようにしたことを特徴としている。

また、本発明の請求項４に係る装置は、圧縮機とコンデンサを備える冷凍機から供給される液冷媒の気化潜熱により製氷用のブラインを過冷却する過冷却用熱交換器と、同熱交換器にて過冷却されたブラインの過冷却状態を解除してブラインと氷の細片が混合した氷スラリを生成する氷スラリ発生器とをこの順に備え、負荷側からの製氷用ブラインを上記過冷却用熱交換器に送るブライン送管と、上記氷スラリ発生器から負荷側へ氷スラリを送る氷スラリ送管とを備え、かつ、前記過冷却用熱交換器出口における過冷却解除直後の負荷側へ送られる前の氷スラリの温度と過冷却熱交換器における冷媒蒸発温度との差が一定の値に保たれるように、過冷却ブラインの温度を調節する制御回路を備える構成のものとしてある。

本発明の請求項５に係る装置は、前記製氷装置における前記過冷却熱交換器の冷媒出口と圧縮機の吸入口との間の冷媒復管の途中に、前記制御回路からの制御信号に基づいて開度が調節される制御弁を設け、この制御弁の開度調節により前記過冷却解除後の氷スラリの温度が調節されるようにした構成のものとしてある。

本発明の請求項６に係る装置は、前記ブライン送管の途中に、前記制御回路からの制御信号に基づいて送液量が調節されるブラインポンプを設け、このブラインポンプの送液量の調節により過冷却用熱交換器へのブライン供給量を制御して前記過冷却解除後の氷スラリの温度が調節されるようにした構成のものとしてある。

以上、本発明によれば、製氷量に応じてブラインの濃度が変化し、このブライン濃度の変化によりブラインの凍結点すなわち氷スラリの温度が変動しても、この氷スラリの温度と過冷却熱交換器における冷媒蒸発温度との差が一定に保たれるように、すなわちブラインの過冷却度が一定に維持されるので、ブラインが過剰に冷却されて過冷却用熱交換器内で氷結するような不具合が生じることがなく、安定した氷スラリの供給を行なうことができる。

以下、本発明に係る方法および装置の実施例を添付図面に示す具体例に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係る装置の第１実施例の構成を示している。
同図１において、符号１は過冷却用熱交換器、２は氷スラリ発生器をそれぞれ示し、氷蓄熱槽３の下部（液相側）に一端が接続されたブライン管４がブラインポンプ５を介して過冷却用熱交換器１のブライン入口１ａに接続され、同出口１ｂに一端が接続された氷スラリ送管６の他端が上記氷スラリ発生器２を介して、開口下端７ａが氷蓄熱槽内の上部に臨む氷スラリの吐出管７の上端部に接続されている。

また、圧縮機８の吐出口８ａに一端が接続された冷媒往管９の他端が、コンデンサ１０および膨張弁１１を介して過冷却用熱交換器１の冷媒入口１ｃに接続され、同出口１ｄに一端が接続された冷媒復管１２の他端が圧縮機の吸入口８ｂに接続されていて、冷媒回路を構成している。

前記ブラインポンプ５の駆動により氷蓄熱槽３からブライン管４を経て過冷却熱交換器１に送られたブラインは、ブラインの凍結温度よりも２℃程度低温の過冷却状態に冷却され、氷スラリ発生器２に送られる。

上記氷スラリ発生器２において、過冷却状態のブラインは振動、衝撃等の物理的作用を与えられてその過冷却状態が解除され、ブライン（液相）と氷の細片（固体相）とが混合したシャーベット状の氷スラリとなり、氷スラリ送管６によって氷蓄熱槽３へ送られ、同槽内に貯留される。

この氷蓄熱槽３内においては、氷スラリ中の固体相１３が液相１４の上部に浮かんだ状態で堆積し、固体相１３の融解潜熱により液相１４のブラインが冷却され、この冷却されたブラインがブライン往管１５によって図示を省略した空調器等の負荷側熱交換器に送られ、同熱交換器にて昇温したブラインがブライン復管１６によって氷蓄熱槽３内に戻されるようになっており、図１中の符号１７は負荷側へブラインを送るためのブラインポンプ、１８は昇温したブラインを氷蓄熱槽内の固体相１３に散布するためのノズルを示している。

しかして本実施例の装置においては、ブライン回路の氷スラリ送管６における氷スラリ発生器２の直後に、氷スラリの温度すなわち過冷却用熱交換器に供給される製氷用ブラインの現在の濃度に対応するブラインの凍結温度を検出する温度センサ１９を設けるとともに、冷媒回路の冷媒復管１２における過冷却用熱交換器の冷媒出口近傍に、冷媒圧力を検出する圧力センサ２０と制御弁２１をこの順に設けてあって、これら温度センサ１９、圧力センサ２０および制御弁２１は、温度センサと圧力センサからの信号に基づいて制御弁２１の開度を調節する制御回路２２に接続されている。

具体的には、上記制御回路２２は演算部２３、圧力／温度変換部２４および温度制御部２５を備え、前記温度センサ１９からの氷スラリ温度信号が演算部２３に入力されるとともに、前記圧力センサ２０からの圧力信号が圧力／温度変換部２４にて温度信号に変換されて冷媒蒸発温度信号として演算部２３に入力され、この演算部２３においては氷スラリ温度信号と冷媒蒸発温度信号から氷スラリの温度と冷媒蒸発温度の差を演算して温度制御部２５に温度差信号を出力し、この温度制御部２５はこの温度差信号に基づいて氷スラリ温度と冷媒蒸発温度の差が、外部から入力された設定温度差と等しくなるよう、すなわち氷スラリと冷媒の温度差が一定の値を保つように前記制御弁２１に開度調節用の制御信号を出力し、かくすることによって過冷却用熱交換器１における液冷媒の蒸発圧力を調節し、この蒸発圧力に対応して蒸発温度がコントロールされる構成となっている。

より詳しくは、氷蓄熱槽における貯氷量が増大して製氷用として過冷却用冷却器に供給されるブラインの濃度が高くなると、ブラインの凍結温度すなわち氷スラリの温度が低下し、したがって氷スラリ温度と冷媒蒸発温度の差が小となるので、温度制御部は制御弁２１の開度を小ならしめて蒸発圧力を小すなわち冷媒の蒸発温度を降下せしめる。

また、氷蓄熱槽における貯氷量が減少して製氷用として過冷却用冷却器に供給されるブラインの濃度が低くなると、ブラインの凍結温度すなわち氷スラリの温度が上昇し、したがって氷スラリ温度と冷媒蒸発温度の差が大となるので、温度制御部は制御弁２１の開度を大ならしめて蒸発圧力を大すなわち冷媒の蒸発温度を上昇せしめる。

上述のように、氷スラリの温度変化に対応して冷媒蒸発温度が調節されることにより、過冷却用熱交換器１のブライン出口における過冷却ブラインの温度すなわちブラインの最低温度も冷媒蒸発温度に対応して変化し、この氷スラリの温度と過冷却熱交換器における冷媒蒸発温度との差が一定となるようにコントロールされる。

図２は本発明に係る装置の第２実施例の構成を示している。
この第２実施例の装置においては、第１実施例のものが前記制御弁２１の開度調節によって過冷却用熱交換器１の冷媒蒸発圧力を調節し、この蒸発圧力に対応して変化する冷媒蒸発温度を制御して過冷却ブラインの温度をコントロールする構成としてあるのに対し、過冷却用熱交換器１への製氷用ブラインの供給量を制御して上記過冷却ブラインの温度をコントロールする構成としてある。

すなわち、前記ブライン送管４の途中に設けたブラインポンプ５の送液量を、制御回路２２の温度制御部２５からの制御信号によって調節し、過冷却用熱交換器へのブライン供給量をコントロールするように構成してある。

このように過冷却用熱交換器へのブライン供給量をコントロールすると過冷却用熱交換器における熱負荷が変化し、したがって上述した第１実施例のもののように冷媒の吸入圧力を制御しなくても、氷スラリと過冷却熱交換器における冷媒蒸発温度との温度差が一定となるように制御することができる。

なお、この第２実施例のものは第１実施例における制御弁２１に相当する構成がないことと、ブラインポンプ５の送液量が制御回路２２からの制御信号によって調節される点以外は第１実施例のものと同様である。

上述した各実施例は、本発明の方法、装置を氷蓄熱装置用の製氷手段として用いる場合の構成についてのものであるが、本発明の方法、装置は、氷スラリを直接空調器等の負荷側熱交換器に送って冷熱源として利用するように構成する場合もある。

本発明に係る装置の第１実施例を示す構成図。 本発明に係る装置の第２実施例を示す構成図。 ブラインの濃度と凍結点との関係を示すグラフ。

１ 過冷却用熱交換器
２ 氷スラリ発生器
３ 氷蓄熱槽
４ ブライン管
５ ブラインポンプ
６ 氷スラリ送管
７ 氷スラリの吐出管
８ 圧縮機
９ 冷媒往管
１０ コンデンサ
１１ 膨張弁
１２ 冷媒復管
１３ ブラインの固体相
１４ ブラインの液相
１５ ブライン往管
１６ ブライン復管
１７ ブラインポンプ
１８ ブライン散布ノズル
１９ 温度センサ
２０ 圧力センサ
２１ 制御弁
２２ 制御回路
２３ 演算部
２４ 圧力／温度変換部
２５ 温度制御部

Claims (6)

1. 冷凍機から供給される液冷媒の気化潜熱により負荷側からブライン送管にて送られる製氷用ブラインを過冷却用熱交換器で過冷却して、その後ブラインの過冷却状態を解除することによりブラインと氷の細片が混合した氷スラリを生成する製氷方法において、氷スラリ送管によって負荷側へ送られる前記過冷却解除直後の氷スラリの温度と、前記過冷却熱交換器における冷媒蒸発温度との差を一定の値に保つようにすることを特徴とするブラインの過冷却による製氷方法。
2. 前記氷スラリの温度と過冷却熱交換器における冷媒蒸発温度との差を、前記過冷却熱交換器における液冷媒の蒸発圧力を制御して一定の値に保つようにしたことを特徴とする請求項１に記載のブラインの過冷却による製氷方法。
3. 前記氷スラリの温度と過冷却熱交換器における冷媒蒸発温度との差を、前記過冷却熱交換器への製氷用ブラインの供給量を制御して一定の値に保つようにしたことを特徴とする請求項１に記載のブラインの過冷却による製氷方法。
4. 圧縮機とコンデンサを備える冷凍機から供給される液冷媒の気化潜熱により製氷用のブラインを過冷却する過冷却用熱交換器と、同熱交換器にて過冷却されたブラインの過冷却状態を解除してブラインと氷の細片が混合した氷スラリを生成する氷スラリ発生器とをこの順に備え、負荷側からの製氷用ブラインを上記過冷却用熱交換器に送るブライン送管と、上記氷スラリ発生器から負荷側へ氷スラリを送る氷スラリ送管とを備え、かつ、前記過冷却用熱交換器出口における過冷却解除直後の負荷側へ送られる前の氷スラリの温度と過冷却熱交換器における冷媒蒸発温度との差が一定の値に保たれるように、過冷却ブラインの温度を調節する制御回路を備えてなるブラインの過冷却による製氷装置。
5. 前記製氷装置における前記過冷却熱交換器の冷媒出口と圧縮機の吸入口との間の冷媒復管の途中に、前記制御回路からの制御信号に基づいて開度が調節される制御弁を設け、この制御弁の開度調節により前記過冷却解除後の氷スラリの温度が調節されるようにした請求項４に記載のブラインの過冷却による製氷装置。
6. 前記ブライン送管の途中に、前記制御回路からの制御信号に基づいて送液量が調節されるブラインポンプを設け、このブラインポンプの送液量の調節により過冷却用熱交換器へのブライン供給量を制御して前記過冷却解除後の氷スラリの温度が調節されるようにした請求項４に記載のブラインの過冷却による製氷装置。

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