JP5066875B2 - 壁面付着氷の伝播防止方法 - Google Patents

Description

本発明は、壁面付着氷の伝播防止方法に関するものである。

図４は本発明者等によって既に開発されている氷蓄熱システムの一例を示すものであって、図中、１は冷凍サイクルにより低温の冷媒を得る冷凍ユニットであり、蓄熱材に水もしくはアルコール系水溶液を用い、前記冷凍ユニット１の冷媒が流通される過冷却器２で過冷却状態に冷却された蓄熱材を過冷却解除装置３で過冷却解除することにより凝固点以下の氷水を製造し、氷水蓄熱槽４へ供給すると共に、該氷水蓄熱槽４の底部の蓄熱材を前記過冷却器２へ戻して循環させ、前記氷水蓄熱槽４に貯留された氷水を氷水取出口（図示せず）から取り出して冷熱源として利用するよう構成したものである。

又、前記過冷却解除装置３は、図５及び図６に示される如く、筒形の本体８を有し、該本体８の下端には端部に向かって縮径させた截頭円錐形部９を形成すると共に、本体８の上端にも截頭円錐形部９’を形成してその端部中心に氷水排出口１０を形成し、前記本体８の下端と截頭円錐形部９との繋ぎ部１１の近傍に、その接線方向に接続するようにした過冷却蓄熱材導入ノズル１２を設け、該過冷却蓄熱材導入ノズル１２に前記過冷却器２（図４参照）で過冷却された蓄熱材を導くようにし、前記截頭円錐形部９の端部（底面）には、該截頭円錐形部９の内部に過冷却状態解除用のトリガーを供給するトリガー供給口１３を設け、該トリガー供給口１３には、前記トリガーとして例えば空気１４を供給可能な気体供給装置１５を接続してある。

尚、前記過冷却蓄熱材導入ノズル１２は、その先端１２ａ外周面がテーパ状に尖った形状に形成されて前記本体８の内部に突設されている。

即ち、前述の如き氷蓄熱システムにおいては、蓄熱材は、冷凍ユニット１の冷媒が流通される過冷却器２で過冷却状態に冷却された後、過冷却解除装置３で過冷却解除されることにより凝固点以下のシャーベット状の氷水が製造され、氷水蓄熱槽４へ供給されて貯留されるわけであるが、ここで、前記過冷却解除装置３として、図５及び図６に示されるような旋回流式のものを採用した場合には、前記過冷却器２にて過冷却された過冷却蓄熱材は、過冷却蓄熱材導入ノズル１２により過冷却解除装置３の本体８の下端と截頭円錐形部９との繋ぎ部１１の近傍に接線方向から供給され、氷水排出口１０に向かう上向きの旋回流Ｓ１を形成すると同時に、截頭円錐形部９内に向かう強い旋回流Ｓ２を形成し、このとき、截頭円錐形部９の下端は閉塞されていて下方に流動できないために、強い旋回流Ｓ２によって上向きの力が高められ、よって接線方向の導入部に向かう引戻し流が消失して、安定した上昇流Ｙが形成されるようになり、気体供給装置１５によりトリガー供給口１３から供給された空気１４は、截頭円錐形部９内の強い旋回流Ｓ２によって微細化されて過冷却蓄熱材と混合することによりその過冷却状態を解除し、更に微細化した気泡は気柱を形成することなく、過冷却解除された蓄熱材の氷水と共に旋回しながら本体８内部を上昇流Ｙに沿って上昇し、過冷却解除された蓄熱材の氷水が氷水排出口１０から排出され、前記氷水蓄熱槽４へ供給される形となる。

尚、図５及び図６に示されるような旋回流式の過冷却解除装置３では、截頭円錐形部９の内部において氷の生成が最大に行われるようになるが、截頭円錐形部９の内部には強い旋回流Ｓ２が形成されているので、氷を剥ぎ取る効果が強く、よって截頭円錐形部９の内面に氷が付着して成長・進展する問題を防止することができ、且つ本体８の上端部にも截頭円錐形部９’を形成してあり、該截頭円錐形部９’の内部にも強い旋回流が形成されるので、截頭円錐形部９’の内面に氷が付着して成長・進展する問題を防止できる。又、本体８内部では、旋回流Ｓ１によって比重の小さい気泡と氷が本体８の軸中心側に徐々に集まるように作用するので、本体８の軸中心部では氷の生成が促進されて過冷却状態の解除が完了されるようになり、逆に本体８内面近傍では氷の生成が弱められるので、本体８の内面に氷が付着・成長する問題が低減されるようになる。

しかしながら、前記過冷却解除装置３に接続される過冷却蓄熱材導入ノズル１２の部分は、過冷却水と氷水の境界となるため、該過冷却解除装置３の本体８内面に付着した氷が過冷却蓄熱材導入ノズル１２から上流の過冷却器２側の配管に成長・進展し、更に前記過冷却器２の伝熱管に到達すると、閉塞を引き起こし、連続運転を阻害する虞があった。

このため、従来においては、過冷却解除装置の上流側における配管外部を加熱し氷を融解させることにより、その成長・進展を防止するもの（例えば、特許文献１参照）や、過冷却解除装置の入口側に設けられた小口径管から０［℃］の氷水を管内流速が所定値以上となるように噴射させることにより、氷を流体力で剥離させ、過冷却水から氷への相変化が上流側へと伝播するのを防止するもの（例えば、特許文献２参照）等が提案されていた。
特許第２７２７７５４号 特許第３３３８６５７号

しかしながら、特許文献１に開示されているように、過冷却解除装置の上流側における配管外部を加熱し氷を融解させることにより、その成長・進展を防止するのでは、エネルギー的にロスがあり、あまり好ましいとは言えず、又、特許文献２に開示されているように、過冷却解除装置の入口側に設けられた小口径管から０［℃］の氷水を管内流速が所定値以上となるように噴射させることにより、氷を流体力で剥離させ、過冷却水から氷への相変化が上流側へと伝播するのを防止するのでは、構造が煩雑化するという不具合を有していた。

本発明は、斯かる実情に鑑み、効率を低下させたり構造を煩雑化させたりすることなく、過冷却解除装置の上流側配管に氷を付着させにくくすることができ、又、付着したとしてもその氷を剥離しやすくすることができ、過冷却解除装置の上流側配管への氷の成長・進展を防止し得、システムの連続運転の安定化を図り得る壁面付着氷の伝播防止方法を提供しようとするものである。

本発明は、過冷却器で過冷却状態に冷却された蓄熱材を過冷却解除装置で過冷却解除することにより凝固点以下の氷水を製造して氷水蓄熱槽に貯留し、該氷水蓄熱槽に貯留された氷水を取り出して冷熱源として利用するようにした壁面付着氷の伝播防止方法であって、
前記過冷却解除装置へ過冷却蓄熱材を導入する配管は、先端が過冷却解除装置の筒状本体内に突出するように、過冷却解除装置の筒状本体に対し、接線方向に接続され、且つ前記配管の先端外周面が、テーパ状に尖った形状に形成されており、
前記配管の少なくとも内面に、氷の付着を抑制してその成長・進展を防止する進展防止皮膜を形成し、該配管内を流れる過冷却蓄熱材の流速が予め設定した下限値未満とならないよう運転を行い、
前記進展防止皮膜は、フッ素樹脂の表面に無数の微細な突起が形成され且つ撥水性を有するメッキ皮膜の加工により形成されたことを特徴とする壁面付着氷の伝播防止方法にかかるものである。

上記手段によれば、以下のような作用が得られる。

前述の如く、過冷却解除装置へ過冷却蓄熱材を導入する配管の少なくとも内面に、氷の付着を抑制してその成長・進展を防止する進展防止皮膜を形成し、該配管内を流れる過冷却蓄熱材の流速が予め設定した下限値未満とならないよう運転を行うと、過冷却解除装置の上流側配管に氷が付着しにくくなると共に、仮に付着したとしてもその氷は剥離しやすくなり、過冷却解除装置の上流側配管への氷の成長・進展が確実に防止され、過冷却器が閉塞したりする心配がなく、システムの連続運転が阻害されなくなる。

そして、特許文献１に開示されているように、過冷却解除装置の上流側における配管外部を加熱し氷を融解させることにより、その成長・進展を防止するのではないため、エネルギー的にロスがなく、又、特許文献２に開示されているように、過冷却解除装置の入口側に設けられた小口径管から０［℃］の氷水を管内流速が所定値以上となるように噴射させることにより、氷を流体力で剥離させ、過冷却水から氷への相変化が上流側へと伝播するのを防止するのに比べ、構造が煩雑化する心配もない。

前記壁面付着氷の伝播防止方法においては、前記フッ素樹脂は、ポリテトラフルオロエチレンであると共に、無数の微細な突起は、ポリテトラフルオロエチレン粒子であることが好ましい。

又、前記壁面付着氷の伝播防止方法においては、前記配管内を流れる過冷却蓄熱材の流速の下限値を４［ｍ／ｓｅｃ］とすることができる

本発明の壁面付着氷の伝播防止方法によれば、効率を低下させたり構造を煩雑化させたりすることなく、過冷却解除装置の上流側配管に氷を付着させにくくすることができ、又、付着したとしてもその氷を剥離しやすくすることができ、過冷却解除装置の上流側配管への氷の成長・進展を防止し得、システムの連続運転の安定化を図り得るという優れた効果を奏し得る。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１は本発明を実施する形態の一例であって、図中、図４〜図６と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、過冷却解除装置３へ過冷却蓄熱材を導入する配管としての過冷却蓄熱材導入ノズル１２の少なくとも内面に、氷の付着を抑制してその成長・進展を防止する進展防止皮膜１６を形成し、該配管としての過冷却蓄熱材導入ノズル１２内を流れる過冷却蓄熱材の流速Ｖが予め設定した下限値未満とならないよう運転を行うものである。

ここで、本発明を実施する形態の一例における氷の成長・進展防止効果を実証するために条件を変えて行った試験結果を図２に示す。

Ｎｏ．１として内径Ｄ：５０Ａ、長さＬ：１００ｍｍの三フッ化塩化エチレン樹脂製の過冷却蓄熱材導入ノズル１２を用い、過冷却蓄熱材の流速Ｖを５．６［ｍ／ｓ］とし、過冷却度を−１．０［℃］（１．０ｄｅｇ）とした場合、過冷却蓄熱材導入ノズル１２に付着した氷がノズル全長に亘って成長・進展することが確認された。

Ｎｏ．２として内径Ｄ：４０Ａ、長さＬ：１００ｍｍの三フッ化塩化エチレン樹脂製の過冷却蓄熱材導入ノズル１２を用い、過冷却蓄熱材の流速Ｖを７．５［ｍ／ｓ］とし、過冷却度を−０．５［℃］（０．５ｄｅｇ）とした場合にも、過冷却蓄熱材導入ノズル１２に付着した氷がノズル全長に亘って成長・進展することが確認された。

Ｎｏ．３として内径Ｄ：５０Ａ、長さＬ：２００ｍｍの透明塩化ビニル製基材に、シリコーン変性フッ素系樹脂を塗布して進展防止皮膜１６を形成した過冷却蓄熱材導入ノズル１２を用い、過冷却蓄熱材の流速Ｖを５．６［ｍ／ｓ］とし、過冷却度を−１．９［℃］（１．９ｄｅｇ）とした場合、過冷却蓄熱材導入ノズル１２に氷は付着せずノズル全長に亘って成長・進展しないことが確認された。前記透明塩化ビニル製基材に、シリコーン変性フッ素系樹脂を塗布して進展防止皮膜１６を形成する際には、欠損領域がなく且つ気泡やゴミがまきこまれないようにシリコーン変性フッ素系樹脂を塗布し、進展防止皮膜１６に凹凸ができないように注意した。又、同じ条件で、過冷却度を−２．０［℃］（２．０ｄｅｇ）とした場合、過冷却蓄熱材導入ノズル１２に氷は付着するもののノズル先端から１２０ｍｍ上流で氷の成長・進展は停止し、この状態を３時間維持できることが確認された。更に、前記過冷却蓄熱材の流速Ｖは４．０［ｍ／ｓ］に下げても略同じ結果が得られることが確認された。

Ｎｏ．４として内径Ｄ：５０Ａ、長さＬ：２００ｍｍの透明塩化ビニル製基材に、特殊変性シリコーンを塗布して進展防止皮膜１６を形成した過冷却蓄熱材導入ノズル１２を用い、過冷却蓄熱材の流速Ｖを５．６［ｍ／ｓ］とし、過冷却度を−１．３［℃］（１．３ｄｅｇ）とした場合、過冷却蓄熱材導入ノズル１２に付着した氷がノズル全長に亘って成長・進展することが確認された。前記透明塩化ビニル製基材に、特殊変性シリコーンを塗布して進展防止皮膜１６を形成する際には、欠損領域がなく且つ気泡やゴミがまきこまれないように特殊変性シリコーンを塗布し、進展防止皮膜１６に凹凸ができないように注意した。

Ｎｏ．５として内径Ｄ：５０Ａ、長さＬ：２００ｍｍのパイレックス（登録商標）ガラス製の過冷却蓄熱材導入ノズル１２を用い、過冷却蓄熱材の流速Ｖを５．６［ｍ／ｓ］とし、過冷却度を−０．５［℃］（０．５ｄｅｇ）とした場合、過冷却蓄熱材導入ノズル１２に付着した氷がノズル全長に亘って成長・進展することが確認された。

Ｎｏ．６として内径Ｄ：５０Ａ、長さＬ：２００ｍｍの透明塩化ビニル製基材に、フッ素樹脂の表面に無数の微細な突起が形成され且つ撥水性を有するメッキ皮膜（超撥水性電気メッキ皮膜）の加工により進展防止皮膜１６を形成した過冷却蓄熱材導入ノズル１２を用い、過冷却蓄熱材の流速Ｖを５．６［ｍ／ｓ］とし、過冷却度を−２．０［℃］（２．０ｄｅｇ）とした場合、過冷却蓄熱材導入ノズル１２に氷は付着せず、２時間４０分この状態を維持できることが確認された。更に、前記過冷却蓄熱材の流速Ｖは４．０［ｍ／ｓ］に下げても略同じ結果が得られることが確認された。

尚、前記過冷却蓄熱材導入ノズル１２の先端１２ａ外周面は、勾配αが１５°となるテーパ状に尖った形状に形成してある。

因みに、前記進展防止皮膜１６としての超撥水性電気メッキ皮膜とは、図３に示す如く、四フッ化エチレン（PTFE：ポリテトラフルオロエチレン）等のフッ素樹脂の表面に無数の微細な突起（PTFE粒子）を形成させた、いわゆるフラクタル構造で、撥水性をもたせたメッキ皮膜であり、その表面上に触れてできた水滴の接触部分がつくる角度である接触角θがおよそ１７０°となり、非常に高い撥水性が得られるものである。

今、氷の付着力に影響を及ぼす因子について考察した場合、該因子としては、配管内面における撥水性と表面粗さが挙げられるが、上記試験の結果より、撥水性を有するシリコーン（Ｎｏ．４参照）やフッ素樹脂（Ｎｏ．１及びＮｏ．２参照）単独では氷の成長・進展防止効果がなく、又、表面粗さが低い親水性のパイレックス（登録商標）ガラス（Ｎｏ．５参照）では、氷の成長・進展を防止できないことがわかった。

このことより、氷蓄熱システムにおいて、過冷却解除装置３と過冷却器２との間での氷の成長・進展防止に関しては、進展防止皮膜１６の表面粗さより撥水性が重要であるものの、撥水性素材だけでは氷の成長・進展を防止できないことが判明し、シリコーン変性フッ素系樹脂を塗布して進展防止皮膜１６を形成（Ｎｏ．３参照）したり、或いは、フッ素樹脂の表面に無数の微細な突起が形成され且つ撥水性を有するメッキ皮膜（超撥水性電気メッキ皮膜）の加工により進展防止皮膜１６を形成（Ｎｏ．６参照）することが有効となり、こうした点が上記試験結果より明らかとなった。

即ち、前述の如く、過冷却解除装置３へ過冷却蓄熱材を導入する配管としての過冷却蓄熱材導入ノズル１２の少なくとも内面に、氷の付着を抑制してその成長・進展を防止する進展防止皮膜１６を形成し、該配管としての過冷却蓄熱材導入ノズル１２内を流れる過冷却蓄熱材の流速Ｖが予め設定した下限値未満とならないよう運転を行うと、過冷却解除装置３の上流側配管に氷が付着しにくくなると共に、仮に付着したとしてもその氷は剥離しやすくなり、過冷却解除装置３の上流側配管への氷の成長・進展が確実に防止され、過冷却器が閉塞したりする心配がなく、システムの連続運転が阻害されなくなる。

そして、特許文献１に開示されているように、過冷却解除装置の上流側における配管外部を加熱し氷を融解させることにより、その成長・進展を防止するのではないため、エネルギー的にロスがなく、又、特許文献２に開示されているように、過冷却解除装置の入口側に設けられた小口径管から０［℃］の氷水を管内流速が所定値以上となるように噴射させることにより、氷を流体力で剥離させ、過冷却水から氷への相変化が上流側へと伝播するのを防止するのに比べ、構造が煩雑化する心配もない。

こうして、効率を低下させたり構造を煩雑化させたりすることなく、過冷却解除装置３の上流側配管に氷を付着させにくくすることができ、又、付着したとしてもその氷を剥離しやすくすることができ、過冷却解除装置３の上流側配管への氷の成長・進展を防止し得、システムの連続運転の安定化を図り得る。

尚、本発明の壁面付着氷の伝播防止方法は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態の一例における過冷却蓄熱材導入ノズルを示す断面図である。 本発明を実施する形態の一例における氷の成長・進展防止効果を実証するために条件を変えて行った試験結果を示す図である。 本発明を実施する形態の一例において用いられる撥水性を有するメッキ皮膜上の水滴の接触角を示す概念図である。 既に開発されている氷蓄熱システムの一例を示す概要構成図である。 図４に示される氷蓄熱システムに用いられる過冷却解除装置の一例を示す断面図である。 図５のＶＩ−ＶＩ断面図である。

符号の説明

１ 冷凍ユニット
２ 過冷却器
３ 過冷却解除装置
４ 氷水蓄熱槽
１２ 過冷却蓄熱材導入ノズル
１２ａ 先端
１６ 進展防止皮膜
Ｄ 内径
Ｌ 長さ
α 勾配
Ｖ 流速
θ 接触角

Claims (3)

1. 過冷却器で過冷却状態に冷却された蓄熱材を過冷却解除装置で過冷却解除することにより凝固点以下の氷水を製造して氷水蓄熱槽に貯留し、該氷水蓄熱槽に貯留された氷水を取り出して冷熱源として利用するようにした壁面付着氷の伝播防止方法であって、
   前記過冷却解除装置へ過冷却蓄熱材を導入する配管は、先端が過冷却解除装置の筒状本体内に突出するように、過冷却解除装置の筒状本体に対し、接線方向に接続され、且つ前記配管の先端外周面が、テーパ状に尖った形状に形成されており、
   前記配管の少なくとも内面に、氷の付着を抑制してその成長・進展を防止する進展防止皮膜を形成し、該配管内を流れる過冷却蓄熱材の流速が予め設定した下限値未満とならないよう運転を行い、
   前記進展防止皮膜は、フッ素樹脂の表面に無数の微細な突起が形成され且つ撥水性を有するメッキ皮膜の加工により形成されたことを特徴とする壁面付着氷の伝播防止方法。
2. 前記フッ素樹脂は、ポリテトラフルオロエチレンであると共に、無数の微細な突起は、ポリテトラフルオロエチレン粒子である請求項１記載の壁面付着氷の伝播防止方法。
3. 前記配管内を流れる過冷却蓄熱材の流速の下限値を４［ｍ／ｓｅｃ］とした請求項１又は２に記載の壁面付着氷の伝播防止方法。

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