JP5281673B2 - 氷蓄熱設備 - Google Patents

Description

本発明は、水とともに氷を蓄熱槽に貯留して冷熱を顕熱及び潜熱の形で蓄熱し、その蓄熱冷熱を空調用途等に供する氷蓄熱設備に関する。

従来、氷蓄熱設備においては、蓄熱槽に蓄氷するのに、過冷却解除方式で生成した氷と水とのスラリー（氷水スラリー）を蓄熱槽における貯留水の上方空間から貯留水上へ吐出供給する氷供給口や、氷水スラリーを貯留水の水面近傍で貯留水中へ吐出供給する氷供給口を設ける、また、貯留水に浮遊する氷集積層の形で蓄氷した後、その氷集積層を融解させて氷の保有潜熱（冷熱潜熱）を取り出す解氷を行うのに、蓄熱槽下部からの取出冷水を供給する空調器やファンコイルユニットなどの冷熱消費装置からの戻り水を氷集積層に対して上方から散水する散水ノズルや、戻り水を氷集積層の下面近傍で貯留水中に吐出する水中ノズルを設ける、さらにまた、この解氷に続いて冷熱消費装置からの戻り水を蓄熱槽上部に戻すのに、その戻り水を貯留水の水面近傍で貯留水中へ吐出させる還水口を設けるなどしていた（特許文献１参照）。

特開平６−３００３２７号公報

しかし、従来の氷蓄熱設備では、上記の如き氷供給口、散水ノズル、水中ノズル、還水口などを蓄熱槽に設けるために蓄熱槽の構造が複雑になり、その構造の複雑さの割りに蓄熱槽の機能が低い問題があった。

この実情に鑑み、本発明の主たる課題は、合理的な設備構成を採ることにより、蓄熱槽の機能を効果的に向上させる点にある。

蓄熱槽の下部から冷熱消費装置への供給冷水を取り出しながら、前記蓄熱槽の貯留水に浮遊する氷集積層を前記冷熱消費装置からの戻り水により融解させる解氷運転を実施し、
この解氷運転に続いて、前記蓄熱槽の下部から前記冷熱消費装置への供給冷水を取り出しながら、前記冷熱消費装置からの戻り水を前記蓄熱槽の上部に戻す水放熱運転を実施する氷蓄熱設備を構成するのに、第１参考構成として、
前記蓄熱槽の上部に上下移動可能な吐出口を配置し、
前記解氷運転では、前記吐出口を前記貯留水の上方空間で前記氷集積層よりも高く位置させて、この吐出口から前記戻り水を吐出させることで、前記氷集積層を融解させ、
前記水放熱運転では、前記吐出口を前記貯留水の水面近傍で水中に位置させて、この吐出口から前記戻り水を吐出させることで、前記戻り水を前記蓄熱槽の上部に戻す運転制御手段を設けてもよい。

つまり、この第１参考構成によれば、解氷運転において氷集積層を融解させるのに、上下移動可能な吐出口を貯留水の上方空間で氷集積層よりも高く位置させて、その吐出口から冷熱消費装置よりの戻り水を吐出させるから、その戻り水を氷集積層（すなわち、吐出口よりも低い位置に形成された氷集積層）に対し散水して氷集積層を融解させることができ、これにより、例えば、戻り水を貯留水の水中に吐出して氷集積層を融解させる方式などに比べ、蓄熱槽下部からの冷水取出に対し氷集積層の融解を平面視で全体的にムラなく進めて氷の保有潜熱（冷潜熱）を円滑に取り出すなど良好に氷集積層を融解させることが容易になる。

また、解氷運転に続く水放熱運転において冷熱消費装置からの戻り水を蓄熱槽上部に戻すのに、上下移動可能な吐出口を貯留水の上方空間から下降させて貯留水の水面近傍で水中に位置させた状態で、その吐出口から戻り水を吐出させるから、例えば、氷集積層の無い状態で戻り水を貯留水の上方空間に吐出させて蓄熱槽上部に戻すなどに比べ、蓄熱槽下部からの冷水取出に対し戻り水による貯留水の乱れを抑止して貯留水を温度成層状態に保つなど良好に戻り水を蓄熱槽に戻すことが容易になる。

そして、このように解氷運転及びそれに続く水放熱運転の夫々において蓄熱槽の機能を高く確保しながらも、吐出口を解氷運転における貯留水上方空間での戻り水吐出と水放熱運転における貯留水中での戻り水吐出とに兼用する構成であるから、その兼用化により蓄熱槽の槽構造を簡素にすることもでき、これにより、設備コストを安価にするとともに、運転上や保守上の管理も容易にすることができる。

また、この氷蓄熱設備を構成するのに、第２参考構成として、
前記運転制御手段は、前記解氷運転に先立ち、前記蓄熱槽に粒状氷を供給して前記貯留水に浮遊する前記氷集積層を形成する蓄氷運転を実施し、
この蓄氷運転では、前記吐出口を前記貯留水の上方空間に位置させて、この吐出口から粒状氷を吐出することで、その吐出口よりも低い位置に前記氷集積層を形成する構成にしてもよい。

つまり、この第２参考構成によれば、蓄氷運転において貯留水に浮遊する氷集積層を形成するのに、貯留水の上方空間に配置した吐出口から粒状氷を吐出させることで、その吐出口よりも低い位置に氷集積層を形成するから、例えば、粒状氷を貯留水の水面近傍で水中に吐出して氷集積層を形成する方式などに比べ、貯留水や成長する氷集積層自身が氷吐出の障害にならない状態で粒状氷を吐出口から円滑に吐出させることができ、これにより、蓄氷面や次工程の解氷面において良好な氷集積層を能率良く形成することが容易になる。

そして、このように蓄氷運転においても蓄熱槽の機能を高く確保しながら、吐出口を蓄氷運転における粒状氷の吐出と、その後の解氷運転及び水放熱運転における戻り水の吐出とに兼用する構成であるから、その兼用化により蓄熱槽の槽構造を一層簡素にすることもでき、これにより、設備コストを一層安価にするとともに、運転上や保守上の管理も一層容易にすることができる。
ここで、
〔１〕本発明の第１特徴構成は氷蓄熱設備に係り、その特徴は、
蓄熱槽に粒状氷を供給して槽内の貯留水に浮遊する氷集積層を形成する蓄氷運転を実施し、この蓄氷運転の後に、前記蓄熱槽の下部から冷熱消費装置への供給冷水を取り出しながら、前記氷集積層を前記冷熱消費装置からの戻り水により融解させる解氷運転を実施し、
この解氷運転に続いて、前記蓄熱槽の下部から前記冷熱消費装置への供給冷水を取り出しながら、前記冷熱消費装置からの戻り水を前記蓄熱槽の上部に戻す水放熱運転を実施する氷蓄熱設備であって、
前記蓄熱槽の上部に配置した吐出口を上下移動させる駆動装置を設け、
前記蓄氷運転では、前記駆動装置により前記吐出口を前記貯留水の上方空間に位置させて、この吐出口から粒状氷を吐出することで、その吐出口よりも低い位置に前記氷集積層を形成し、
前記解氷運転では、前記駆動装置により前記吐出口を前記貯留水の上方空間で前記氷集積層よりも高く位置させて、この吐出口から前記戻り水を吐出させることで、前記氷集積層を融解させ、
前記水放熱運転では、前記駆動装置により前記吐出口を前記貯留水の水面近傍で水中に位置させて、この吐出口から前記戻り水を吐出させることで、前記戻り水を前記蓄熱槽の上部に戻す運転制御手段を設け、
前記吐出口は、多孔板の張設部を槽内に対する出口とする構造にして、
前記解氷運転及び前記水放熱運転では、前記戻り水を前記多孔板における多数の孔を通じて分散させた状態で吐出し、
前記蓄氷運転では、過冷却水を前記多孔板への衝突による過冷却解除により冷水とそれに含まれる粒状氷とに変化させた状態で前記多孔板における多数の孔を通じて吐出させる構成にしてある点にある。
この第１特徴構成によれば、実質的に前述の第１参考構成と第２参考構成とを組み合わせた構成であることから、第１参考構成による既述の作用効果と第２参考構成による既述の作用効果とを併せて得ることができる。
また、このように運転の切り換えに応じて上下移動させる吐出口の槽内に対する出口を上記の如く多孔板の張設部とする構成にすることで、解氷運転及び水放熱運転では、戻り水が吐出口から分散状態で吐出し、蓄氷運転では、多孔板への衝突による過冷却解除により生じた粒状氷が吐出口から冷水とともに分散状態で吐出する。
〔２〕また本発明の第２特徴構成は氷蓄熱設備に係り、その特徴は、
前記運転制御手段は、
前記蓄氷運転では、前記氷集積層の成長に伴い前記吐出口を前記駆動装置により上昇させて、前記氷集積層の上面と前記吐出口との離間距離を所定寸法に保ち、
前記解氷運転では、前記氷集積層の融解に伴い前記吐出口を前記駆動装置により下降させて、前記氷集積層の上面と前記吐出口との離間距離を所定寸法に保つ構成にしてある点にある。
この第２特徴構成によれば、蓄氷運転では、氷集積層の成長にかかわらず、氷集積層の上面と吐出口との離間距離が所定寸法に保たれた状態で吐出口から粒状氷が吐出され、解氷運転では、氷集積層の融解にかかわらず、氷集積層の上面と吐出口との離間距離が所定寸法に保たれた状態で吐出口から戻り水が吐出される。

〔３〕本発明の第３特徴構成は氷蓄熱設備に係り、その特徴は、
前記運転制御手段は、前記蓄氷運転に先立ち、
前記吐出口を前記貯留水の水面近傍で水中に位置させて、この吐出口を通じて取り出した前記貯留水を冷凍機により第１設定温度に冷却し、この第１設定温度の冷却冷水を前記蓄熱槽の下部に戻す前段水蓄熱運転と、
前記蓄熱槽の下部から取り出した貯留水を前記冷凍機により前記第１設定温度の冷却冷水よりも低温で比重が小さくなる第２設定温度の冷却冷水に冷却し、この第２設定温度の冷却冷水を、前記貯留水の水面近傍で水中に位置させた前記吐出口から前記蓄熱槽の上部に戻す後段水蓄熱運転とを、その順に実施する構成にしてある点にある。

つまり、この第３特徴構成によれば、前段水蓄熱運転において、吐出口を貯留水の水面近傍で水中に位置させた状態で、この吐出口を通じて取り出した蓄熱槽上部における高温の貯留水を冷凍機により第１設定温度に冷却し、この第１設定温度の冷却冷水を蓄熱槽の下部へ戻すことにより、蓄熱槽上部の貯留水温度が第１設定温度に低下するまでの間（すなわち、冷凍機により冷却した第１設定温度の冷水で蓄熱槽が満たされるまでの間）、冷凍機で第１設定温度に冷却した比重の大きな水を槽内の下側に存在させ、かつ、未だ第１設定温度に冷却していない比重の小さな水を槽内の上側に存在させる温度成層状態を保って、それら下側貯留水と上側貯留水との境界を漸次的に上昇させる槽内流動形態で、冷凍機により冷却した第１設定温度の冷水が保有する冷熱（顕熱）を蓄熱槽に蓄熱することができる。

そして、その後、後段水蓄熱運転において、蓄熱槽の下部から取り出した貯留水（第１設定温度の冷水）を冷凍機により第２設定温度に冷却し、この第２設定温度の冷却冷水を貯留水の水面近傍で水中に位置する吐出口から蓄熱槽の上部へ戻すことにより、蓄熱槽下部の貯留水温度が第２設定温度に低下するまでの間（すなわち、冷凍機により冷却した第２設定温度の冷水で蓄熱槽が満たされるまでの間）、冷凍機で第２設定温度に冷却した比重の小さな水を槽内の上側に存在させ、かつ、未だ第２設定温度に冷却していない比重の大きな水第１設定温度の水を槽内の下側に存在させる温度成層状態を保って、それら上側貯留水と下側貯留水との境界を漸次的に下降させる槽内流動形態で、冷凍機により冷却した第２設定温度の冷水が保有する冷熱（顕熱）を蓄熱槽に蓄熱することができる。

〔４〕本発明の第４特徴構成は氷蓄熱設備に係り、その特徴は、
前記運転制御手段は、前記蓄熱槽の下部から前記冷熱消費装置への供給冷水を取り出しながら前記冷熱消費装置からの戻り水を前記蓄熱槽の上部に戻す前記水放熱運転として、
前記解氷運転による前記氷集積層の消滅後、前記蓄熱槽の上部へ前記戻り水を戻すことに伴い、前記貯留水と前記戻り水との比重差による混合により前記蓄熱槽の下部から上部における前記貯留水の温度を第１設定温度まで上昇させる前段水放熱運転と、
この前段水放熱運転に続いて、前記蓄熱槽の上部へ前記戻り水を戻すことに伴い、前記第１設定温度の水よりも高温で比重が小さい戻り水からなる貯留水が前記蓄熱槽の上側に存在し、かつ、前記第１設定温度の貯留水が前記蓄熱槽の下側に位置する温度成層状態で、それら上側貯留水と下側貯留水との境界を漸次的に下降させる後段水放熱運転とを実施し、
これら前段水放熱運転、及び、後段水放熱運転の夫々において、前記吐出口を前記貯留水の水面近傍で水中に位置させて、この吐出口から前記戻り水を吐出させることで、前記戻り水を前記蓄熱槽の上部に戻す構成にしてある点にある。

つまり、先の解氷運転において氷集積層が融解により消滅すると、蓄熱槽の貯留水は冷熱消費装置からの戻り水のため水面近傍側から上昇するようになるが、この第４特徴構成によれば、前段水放熱運転において、氷集積層の融解による消滅後、蓄熱槽の下部から上部の貯留水温度が第１設定温度に上昇するまでの間、冷熱消費装置からの戻り水を貯留水の水面近傍で水中に位置させた吐出口から吐出させて蓄熱槽の上部に戻すことにより、戻り水と未だ低温の貯留水との比重差による混合で、蓄熱槽における貯留水の温度を第１第１設定温度まで均一かつ漸次的に上昇させ、これにより、蓄熱槽の下部から冷熱消費装置に供給する冷水の急激かつ大きな温度変化を防止することができる。

そして、その後、後段水放熱運転において、冷熱消費装置での冷熱消費により昇温した戻り水を貯留水の水面近傍で水中に位置させた吐出口から吐出させて蓄熱槽の上部へ戻すことにより、第１設定温度の水よりも高温で比重の小さな戻り水からなる貯留水を槽内の上側に存在させ、かつ、比重の大きな第１設定温度の貯留水を槽内の下側に存在させる温度成層状態を保って、それら下側貯留水と上側貯留水との境界Ｋを漸次的に下降させる槽内流動形態で、冷熱消費装置への供給冷水を蓄熱槽の下部から取り出すようにし、これにより、蓄熱層の下側における第１設定温度の貯留水を使い切る（逆言すれば、冷熱消費装置からの高温戻り水により蓄熱槽が満たされる）までの間、蓄熱槽の下部から冷熱消費装置に供給する冷水の温度をほぼ第１設定温度に安定的に保つことができる。

〔５〕本発明の第５特徴構成は氷蓄熱設備に係り、その特徴は、
前記運転制御手段は、前記蓄熱槽の下部から前記冷熱消費装置への供給冷水を取り出しながら前記冷熱消費装置からの戻り水を前記蓄熱槽の上部に戻す前記水放熱運転として、
前記解氷運転による前記氷集積層の消滅後、前記蓄熱槽の上部へ前記戻り水を戻すことに伴い、前記貯留水と前記戻り水との比重差による混合により前記蓄熱槽の下部から上部における前記貯留水の温度を第１設定温度まで上昇させる前段水放熱運転と、
この前段水放熱運転に続いて、前記蓄熱槽の上部へ前記戻り水を戻すことに伴い、前記第１設定温度の水よりも高温で比重が小さい戻り水からなる貯留水が前記蓄熱槽の上側に存在し、かつ、前記第１設定温度の貯留水が前記蓄熱槽の下側に位置する温度成層状態で、それら上側貯留水と下側貯留水との境界を漸次的に下降させる後段水放熱運転とを実施し、
前記前段水放熱運転では、前記吐出口を前記貯留水の上方空間に位置させて、この吐出口から前記戻り水を吐出させることで、前記戻り水を前記蓄熱槽の上部に戻し、
前記後段水放熱運転で、前記吐出口を前記貯留水の水面近傍で水中に位置させて、この吐出口から前記戻り水を吐出させることで、前記戻り水を前記蓄熱槽の上部に戻す構成にしてある点にある。

つまり、この第５特徴構成によれば、前記第４特徴構成と同様、前段水放熱運転では蓄熱槽の下部から冷熱消費装置に供給する冷水の急激かつ大きな温度変化を防止することができ、それに続く後段水放熱運転では蓄熱槽の下部から冷熱消費装置に供給する冷水の温度をほぼ第１設定温度に安定的に保つことができる。
そして、この第５特徴構成によれば、前段水放熱運転では吐出口を貯留水の上方空間に位置させて、この吐出口から戻り水を吐出させることで、戻り水を前記蓄熱槽の上部に戻すから、前段水放熱運転での蓄熱槽における貯留水の混合（即ち、戻り水と未だ低温の貯留水との比重差による混合）を一層促進することができ、蓄熱槽における貯留水の温度を第１設定温度まで一層均一に上昇させることができる。
なお、第１〜第５特徴構成のいずれかの実施において、吐出口は、粒状氷や冷熱消費装置からの戻り水を平面視で均等に分散させて水平向きに吐出する構造にするのが望ましい。

氷蓄熱設備の全体構成を示す図 出入器の斜視図 前段水蓄熱運転の運転形態を示す図 後段水蓄熱運転の運転形態を示す図 蓄氷運転の運転形態を示す図 蓄熱運転の完了状態を示す図 解氷運転の運転形態を示す図 前段水放熱運転の運転形態を示す図 後段水放熱運転の運転形態を示す図 放熱運転の完了状態を示す図

図１は空調用の氷蓄熱設備を示し、１は水Ｃとともに氷を貯留する蓄熱槽であり、この蓄熱槽１内の下部には、槽内貯留水Ｃの取り出し及び戻り水Ｃの槽内への戻しに用いる下部出入器２を設け、また、蓄熱槽１内の上部で下部出入器２のほぼ直上方には、同じく槽内貯留水Ｃの取り出し及び戻り水Ｃの槽内への戻しに用いるとともに、氷供給器として槽内への氷の供給に用いる上部出入器３を設けてある。

下部出入器２及び上部出入器３は、図２に示す如く、ほぼ同構造のものであり、平行に配置した上下二枚の円板状部材２ａ，３ａの間の隙部に対して、上部又は下部の出入管４，５を一方の円板状部材２ａ，３ａの中心部で開口させるとともに、それら二枚の円板状部材２ａ，３ａの外周縁どうしにわたる多孔板２ｂ，３ｂを円板状部材２ａ，３ａの全周にわたらせて張設し、この多孔板２ｂ，３ｂの張設部（厳密には多孔板２ｂ，３ｂにおける多数の孔）を槽内に対する出入口２ｃ，３ｃとする構造にしてある。

すなわち、戻り水Ｃの槽内への戻しについては、出入管４，５を通じて戻る戻り水Ｃを下部出入器２又は上部出入器３における出入口２ｃ，３ｃから平面視で放射状に分散させて水平向きに吐出し、一方、槽内貯留水Ｃの取り出しについては、槽内貯留水Ｃを下部出入器２又は上部出入器３における出入口２ｃ，３ｃから平面視で均等に吸入して出入管４，５に導くようにしてある。

下部出入器２及びそれに接続した下部出入管４は槽内において固設してあり、これに対し、上部出入器３に接続した上部出入管５の縦配管部５ａは、その長手方向（すなわち上下方向）に伸縮自在な管にし、この縦配管部５ａの伸縮により槽内上部での上部出入器３の上下移動を可能にしてある。

そして、上部出入器３には、蓄熱槽１の上方から垂下した棒状連動部材６の下端を連結し、蓄熱槽１の上方には、この棒状連動部材６をラックピニオン機構などを介して上下移動させる駆動装置７を設けてあり、この駆動装置７により棒状連動部材６を上下に駆動移動させることで上部出入器３を図中実線で示す状態と一点鎖線で示す状態とにわたり槽内上部において上下移動させるようにしてある。

８は冷凍機９の吸熱部と熱源熱交換器１０との間においてブラインＢをブラインポンプ１１により循環させるブライン循環路、１２は冷凍機９の放熱部と冷却塔１３との間において冷却水ＣＷを冷却水ポンプ１４により循環させる冷却水循環路、１５は蓄熱槽１の貯留水Ｃを蓄熱槽１と熱源熱交換器１０との間において熱源側冷水ポンプ１６により循環させる熱源側冷水循環路であり、下部出入器２に接続した下部出入管４は熱源側冷水循環路１５の往路１５ａを通じて熱源熱交換器１０の水入口１０ａに接続し、上部出入器３に接続した上部出入管５は熱源側冷水循環路１５の復路１５ｂを通じて熱源熱交換器１０の水出口１０ｂに接続してある。

また、この熱源側冷水循環路１５には、下部出入器２に接続した下部出入管４を熱源熱交換器１０の水入口１０ａに代えて水出口１０ｂに連通させ、かつ、上部出入器３に接続した上部出入管５を熱源熱交換器１０の水出口１０ｂに代えて水入口１０ａに連通させた状態で、蓄熱槽１の貯留水Ｃを蓄熱槽１と熱源熱交換器１０との間において同じく熱源側冷水ポンプ１６により循環させるための２本の切換用バイパス路１５ｃ，１５ｄ、及び、切換用開閉弁Ｖ１〜Ｖ５を装備してある。

つまり、この熱源側冷水循環路１５では、下部出入器２−往路１５ａ−熱源熱交換器１０−復路１５ｂ−上部出入器３の順に貯留水Ｃを循環させる正転循環（図４参照）と、上部出入器３−切換用バイパス路１５ｃ−熱源熱交換器１０−切換用バイパス路１５ｄ−下部出入器２の順に貯留水Ｃを循環させる逆転循環（図３参照）との選択的な実施を切換用開閉弁Ｖ１〜Ｖ５の開閉操作により可能にしてある。

一方、熱源側冷水循環路１５の往路１５ａには、２本のバイパス路１５ｃ，１５ｄの接続部よりも蓄熱槽１寄りの箇所において空調機やファンコイルユニットなどの負荷装置１９（冷熱消費装置）に対する負荷側冷水循環路２０の往路２０ａを接続し、熱源側冷水循環路１５の復路１５ｂには、２本のバイパス路１５ａ，１５ｂの接続部よりも蓄熱槽１寄りの箇所において負荷側冷水循環路２０の復路２０ｂを接続してあり、これら負荷側冷水循環路２０の往路２０ａ及び復路２０ｂには、それらを開閉する切換用開閉弁Ｖ６，Ｖ７を熱源側冷水循環路１５に対する接続部近傍において装備し、また、負荷側冷水循環路２０の往路２０ａには、蓄熱槽１の貯留水Ｃを負荷側冷水循環路２０を通じて負荷装置１９と蓄熱槽１との間で循環させる負荷側冷水ポンプ２１を装備してある。

２２ａ〜２２ｃは蓄熱槽１の下部、上下中間部、上部の夫々における貯留水Ｃの温度ｔａ，ｔｂ，ｔｃを検出する第１〜第３温度センサ、２３は熱源熱交換器１０の水出口１０ｂにおける水温度ｔｏを検出する第４温度センサ、２４は蓄熱槽１において貯留水Ｃに浮遊する氷集積層Ａの上面位置ｈを検出する氷センサ、２５は棒状連動部材６の下方への延出長Ｌを検出するストロークセンサ、２６はこれらセンサの検出情報に基づき切換用開閉弁Ｖ１〜Ｖ７の開閉操作や各装置の発停操作などを実行する運転制御器であり、具体的には、この運転制御器２６は次の（イ）〜（ヘ）の制御を実行する。

なお、図３〜図１０において、各切換用開閉弁Ｖ１〜Ｖ７のうち白抜きのものは開弁状態を示し、黒塗りのものは閉弁状態を示す。

（イ）前段水蓄熱運転
設定蓄熱開始時刻Ｔ１になると、先の放熱運転の完了で例えば１６℃の貯留水Ｃが蓄熱槽１内に満たされた図１０に示す如き状態から、図３に示す如く、上部出入器３を蓄熱槽１における貯留水Ｃの水面近傍で水中に位置させた状態で、切換用開閉弁Ｖ１〜Ｖ７の開閉操作及び熱源側冷水ポンプ１６の運転により熱源側冷水循環路１５において前記の逆転循環を実施するとともに、冷凍機９、ブラインポンプ１１、冷却塔１３、冷却水ポンプ１４を運転する。

また、この熱源側冷水循環路１５での逆転循環において、熱源熱交換器１０の水出口１０ｂにおける水温度ｔｏが第１設定温度ｔ１（本例ではｔ１＝４℃）になるように、第４温度センサ２３により検出される出口水温度ｔｏに基づき冷凍機９の出力を調整する。

つまり、この前段水蓄熱運転では、上部出入器３を貯留水Ｃの水面近傍で水中に位置させた状態で、その上部出入器３の出入口３ｃを通じ蓄熱槽１における高温の貯留水Ｃ（１６℃冷水）を熱源熱交換器１０に供給して冷凍機９による冷却ブラインＢとの熱交換により第１設定温度ｔ１に冷却し、その冷却した第１設定温度ｔ１の水Ｃ（４℃冷水）を下部出入器２の出入口２ｃから平面視で放射状に分散させて蓄熱槽１における下部の貯留水Ｃ中へ水平向きに吐出し、これにより、第３温度センサ２２ｃにより検出される蓄熱槽上部の貯留水温度ｔｃが第１設定温度ｔ１に低下するまでの間（すなわち、熱源熱交換器１０で第１設定温度ｔ１に冷却した水Ｃ（４℃冷水）により蓄熱槽１が満たされるまでの間）、熱源熱交換器１０で第１設定温度ｔ１に冷却した比重の大きな水Ｃ（４℃冷水）を槽内の下側に存在させ、かつ、未だ第１設定温度ｔ１に冷却していない比重の小さな水Ｃ（１６℃冷水）を槽内の上側に存在させる温度成層状態を保って、それら下側貯留水Ｃ（４℃冷水）と上側貯留水Ｃ（１６℃冷水）との境界Ｋを漸次的に上昇させる槽内流動形態で、熱源熱交換器１０により冷却した第１設定温度ｔ１の水Ｃ（４℃冷水）が保有する冷熱（顕熱）を蓄熱槽１に蓄熱する。

（ロ）後段水蓄熱運転
上記の前段水蓄熱運転において第３温度センサ２２ｃにより検出される蓄熱槽上部の貯留水温度ｔｃが第１設定温度ｔ１に低下する（すなわち、熱源熱交換器１０で第１設定温度ｔ１に冷却した水Ｃ（４℃冷水）により蓄熱槽１が満たされた状態になる）と、図４に示す如く、上部出入器３を引き続き貯留水Ｃの水面近傍で水中に位置させた状態で、切換用開閉弁Ｖ１〜Ｖ７の開閉操作及び熱源側冷水ポンプ１６の運転により熱源側冷水循環路１５において前記の正転循環を実施するとともに、冷凍機９、ブラインポンプ１１、冷却塔１３、冷却水循環ポンプ１４を引き続き運転する。

また、この熱源側冷水循環路１５での正転循環において、熱源熱交換器１０の水出口１０ｂにおける水温度ｔｏが第２設定温度ｔ２（本例ではｔ２＝０℃）になるように、第４温度センサ２３により検出される出口水温度ｔｏに基づき冷凍機９の出力を調整する。

つまり、この後段水蓄熱運転では、下部出入器２の出入口２ｃを通じて蓄熱槽１の下部から取り出した貯留水Ｃ（４℃冷水）を熱源熱交換器１０に供給して冷凍機９による冷却ブラインＢとの熱交換により第２設定温度ｔ２に冷却し、その冷却した第２設定温度ｔ２の水Ｃ（０℃冷水）を貯留水Ｃの水面近傍で水中に位置する上部出入器３の出入口３ｃから平面視で放射状に分散させて蓄熱槽１における上部の貯留水Ｃ中へ水平向きに吐出し、これにより、第１温度センサ２２ａにより検出される蓄熱槽下部の貯留水温度ｔａが第２設定温度ｔ２に低下するまでの間（すなわち、熱源熱交換器１０で第２設定温度ｔ２に冷却した水Ｃ（０℃冷水）により蓄熱槽１が満たされるまでの間）、熱源熱交換器１０で第２設定温度ｔ２に冷却した比重の小さな水Ｃ（０℃冷水）を槽内の上側に存在させ、かつ、未だ第２設定温度ｔ２に冷却していない比重の大きな水Ｃ（４℃冷水）を槽内の下側に存在させる温度成層状態を保って、それら上側貯留水Ｃ（０℃冷水）と下側貯留水Ｃ（４℃冷水）との境界Ｋを漸次的に下降させる槽内流動形態で、熱源熱交換器１０により冷却した第２設定温度ｔ２の水Ｃ（０℃冷水）が保有する冷熱（顕熱）を蓄熱槽１に蓄熱する。

（ハ）蓄氷運転
上記の後段水蓄熱運転において第１温度センサ２２ａにより検出される蓄熱槽下部の貯留水温度ｔａが第２設定温度ｔ２に低下する（すなわち、熱源熱交換器１０で第２設定温度ｔ２に冷却した水Ｃ（０℃冷水）により蓄熱槽１が満たされた状態になる）と、図５に示す如く、上部出入器３を駆動装置７により上昇させて蓄熱槽１における貯留水Ｃの上方空間に位置させ、その状態で熱源側冷水循環路１５において正転循環を継続するとともに、冷凍機９、ブラインポンプ１１、冷却塔１３、冷却水ポンプ１４を引き続き運転する。

また、この熱源側冷水循環路１５での正転循環において、熱源熱交換器１０の水出口１０ｂにおける水温度ｔｏが氷点下の第３設定温度ｔ３（本例ではｔ３＝−２℃）になるように、第４温度センサ２３により検出される出口水温度ｔｏに基づき冷凍機９の出力を調整する。

つまり、この蓄氷運転では、下部出入器２の出入口２ｃを通じて蓄熱槽１の下部から取り出した貯留水Ｃ（０℃冷水）を熱源熱交換器１０に供給して冷凍機９による冷却ブラインＢとの熱交換により氷点下の第３設定温度ｔ３に冷却し、その冷却した第３設定温度ｔ３の過冷却水Ｃ（−２℃）を貯留冷水Ｃの上方空間に位置させた上部出入器３の出入口３ｃから吐出させる。

そして、この際、上部出入器３に張設した多孔板３ｂへの過冷却水Ｃ（−２℃）の衝突により過冷却を解除して、その過冷却水Ｃ（−２℃）を０℃の冷水Ｃとそれに含まれる多数の粒状氷ａとに変化させた状態で上部出入器３の出入口３ｃ（すなわち吐出口）から吐出させ、これにより、貯留水Ｃ（０℃冷水）に浮かぶ氷集積層Ａを上部出入器３の出入口３ｃ（特許請求の範囲で言う吐出口）よりも低い位置で蓄熱槽１内に形成して、多数の粒状氷ａの保有冷熱（主に冷潜熱）を蓄熱槽１に蓄熱する。

また、この蓄氷運転では、氷センサ２４により検出される氷集積層Ａの上面位置ｈとストロークセンサ２５により検出される棒状連動部材６の下方延出長Ｌとに基づき、氷集積層Ａの上面と上部出入器３の出入口３ｃ（吐出口）との離間寸法を所定寸法に保つように、氷集積層Ａの成長に伴い駆動装置７により上部出入器３を貯留水Ｃの上方空間において漸次的に上昇させ、これにより、氷集積層Ａの上面に対する吐出粒状氷Ａの供給状態を氷集積層Ａの成長にかかわらず良好な状態に保つ。

そして、この氷集積層Ａが成長して、その下面が図６に示す如く蓄熱槽１の下部に達する状態になると蓄氷運転を終了し、前段水蓄熱運転、後段水蓄熱運転、及び、蓄氷運転からなる一連の蓄熱運転を完了する。

（ニ）解氷運転
設定空調開始時刻Ｔ２になると、先の蓄熱運転の完了で低温の貯留水Ｃ（０℃冷水）と所要厚さの氷集積層Ａとが蓄熱槽１内に存在する図６に示す状態から、図７に示す如く、上部出入器３を引き続き貯留水Ｃの上方空間に位置させた状態で、切換用開閉弁Ｖ１〜Ｖ７の開閉操作及び負荷側冷水ポンプ２１の運転により、蓄熱槽１の貯留水Ｃ（０℃冷水）を下部出入器２−負荷側冷水循環路２０の往路２０ａ−負荷装置１９−負荷側冷水循環路２０の復路２０ｂ−上部出入器３の順に循環させる。

つまり、この解氷運転では、氷集積層Ａとともに存在する蓄熱槽１の貯留水Ｃ（０℃冷水）を下部出入器２の出入口２ｃを通じ負荷装置１９に供給し、そして、負荷装置１９での冷熱消費により昇温した負荷装置１９からの戻り水Ｃ（例えば１６℃冷水）を上部出入器３の出入口３ｃ（吐出口）から吐出させることにより、その戻り水Ｃ（１６℃冷水）を先の蓄氷運転で上部出入器３よりも低い位置に形成した氷集積層Ａに対し散水して氷集積層Ａを効率的に融解させ、これにより、蓄熱槽１における貯留水Ｃの温度を均一かつ安定的に０℃に保って、負荷装置１９に供給する冷水Ｃの温度を安定的に０℃に保つ。

また、この解氷運転では、氷センサ２４により検出される氷集積層Ａの上面位置ｈとストロークセンサ２５により検出される棒状連動部材６の下方延出長Ｌとに基づき、氷集積層Ａの上面と上部出入器３の出入口３ｃ（吐出口）との離間寸法を所定寸法に保つように、氷集積層Ａの融解に伴い駆動装置７により上部出入器３を貯留水Ｃの上方空間において漸次的に下降させ、これにより、氷集積層Ａに対する戻り水Ｃ（１６℃冷水）の散水状態を氷集積層Ａの融解にかかわらず良好な状態に保つ。

（ホ）前段水放熱運転
上記の解氷運転において融解による氷集積層Ａの消滅が氷センサ２４により検出されると、図８に示す如く、駆動装置７により上部出入口３を下降させて蓄熱槽１における貯留水Ｃの水面近傍で水中に位置させ、この状態で、先の解氷運転に引き続き、蓄熱槽１の貯留水Ｃを下部出入器２−負荷側冷水循環路２０の往路２０ａ−負荷装置１９−負荷側冷水循環路２０の復路２０ｂ−上部出入器３の順に循環させる。

つまり、先の解氷運転において氷集積層Ａが融解により消滅すると、蓄熱槽１の貯留水Ｃは負荷装置１９からの戻り水Ｃのため水面近傍側から０℃を上回るようになるが、この前段水放熱運転では、氷集積層Ａの融解による消滅後、第１〜第３温度センサ２２ａ〜２２ｃにより検出される蓄熱槽下部の貯留水温度ｔａ，蓄熱槽上下中間部の貯留水温度ｔｂ，蓄熱槽上部の貯留水温度ｔｃの夫々がほぼ前記の第１設定温度ｔ１（本例ではｔ１＝４℃）に上昇するまでの間、負荷装置１９からの戻り水Ｃ（１６℃冷水）を貯留水Ｃの水面近傍で水中に位置させた上部出入器３の出入口３ｃ（吐出口）から吐出させて蓄熱槽１の上部に戻すことにより、負荷装置１９からの戻り水Ｃ（１６℃冷水）と蓄熱槽１における貯留水Ｃ（０℃冷水）との比重差による混合で、蓄熱槽１における貯留水Ｃの温度をほぼ０℃からほぼ４℃まで均一かつ漸次的に上昇させ、これにより、負荷装置１９に供給する冷水Ｃの急激かつ大きな温度変化を防止する。

（ヘ）後段水放熱運転
上記の前段水放熱運転において第１〜第３温度センサ２２ａ〜２２ｃにより検出される蓄熱槽下部の貯留水温度ｔａ，蓄熱槽上下中間部の貯留水温度ｔｂ，蓄熱槽上部の貯留水温度ｔｃの夫々がほぼ前記の第１設定温度ｔ１（本例ではｔ１＝４℃）に上昇した後も、運転形態としては引き続き、図９に示す如く、上部出入器３を引き続き貯留水Ｃの水面近傍で水中に位置させた状態で、蓄熱槽１の貯留水Ｃを下部出入器２−負荷側冷水循環路２０の往路２０ａ−負荷装置１９−負荷側冷水循環路２０の復路２０ｂ−上部出入器３の順に循環させる。

つまり、この後段水放熱運転では、下部出入器２の出入口２ｃを通じて蓄熱槽１における下部の貯留水Ｃ（４℃冷水）を負荷装置１９に供給し、そして、負荷装置１９での冷熱消費により昇温した負荷装置１９からの戻り水Ｃ（１６℃冷水）を貯留水Ｃの水面近傍で水中に位置させた上部出入器３の出入口３ｃ（吐出口）から平面視で放射状に分散させて蓄熱槽上部の貯留冷水Ｃ中へ水平向きに吐出することにより、高温で比重の小さな負荷装置１９からの戻り水Ｃ（１６℃冷水）を槽内の上側に存在させ、かつ、比重の大きな４℃の貯留水Ｃを槽内の下側に存在させる温度成層状態を保って、それら下側貯留水Ｃ（４℃冷水）と上側貯留水Ｃ（１６℃冷水）との境界Ｋを漸次的に下降させる槽内流動形態で、負荷装置１９への供給冷水Ｃを蓄熱槽１の下部から取り出すようにし、これにより、図１０に示す如く蓄熱層１における下側の低温貯留水（４℃冷水）を使い切る（逆言すれば、負荷装置１９からの戻り水（１６℃冷水）により蓄熱槽１が満たされる）までの間、負荷装置１９に供給する冷水Ｃの温度をほぼ４℃に安定的に保つ。

以上要するに、本実施形態において上記（イ）〜（ヘ）の運転制御を実行する運転制御器２６は、蓄氷運転の際、吐出口Ｘ（上部出入器３の出入口３ｃ）を蓄熱槽１における貯留水Ｃの上方空間に位置させて、その吐出口Ｘから粒状氷ａを吐出させることで、貯留水Ｃに浮遊する氷集積層Ａを吐出口Ｘよりも低い位置に形成し、そして、この蓄氷運転の後の解氷運転では、同じく吐出口Ｘ（上部出入器３の出入口３ｃ）を蓄熱槽１における貯留水Ｃの上方空間に位置させて、その吐出口Ｘから粒状氷ａに代え冷熱消費装置１９よりの戻り水Ｃを吐出させることで上記氷集積層Ａを融解させ、さらに、この解氷運転に続く水放熱運転では、吐出口Ｘ（上部出入器３の出入口３ｃ）を蓄熱槽１における貯留水Ｃの水面近傍で水中に位置させる状態に下降させて、その吐出口Ｘから冷熱消費装置１９よりの戻し水Ｃを吐出させることで、その戻し水Ｃを蓄熱槽１の上部に戻す運転制御手段を構成する。

そしてまた、この運転制御器２６は、蓄氷運転の際、氷集積層Ａの上面と吐出口Ｘ（上部出入器３の出入口３ｃ）との離間寸法を所定寸法に保つように、氷集積層Ａの成長に伴い吐出口Ｘを上昇させ、かつ、解氷運転の際、氷集積層Ａの上面と吐出口Ｘ（上部出入器３の出入口３ｃ）との離間寸法を所定寸法に保つように、氷集積層Ａの融解に伴い吐出口Ｘを下降させる構成にしてある。

〔別の実施形態〕
次に本発明の別実施形態を列記する。
前述の実施形態では、前段水放熱運転及び後段水放熱運転の両方において上部出入器３の出入口３ｃ（吐出口Ｘ）を貯留水Ｃの水面近傍で水中に位置させる例を示したが、これに代え、前段水放熱運転では解氷運転時と同様、貯留水Ｃの上方空間に位置させた上部出入器３の出入口３ｃ（吐出口Ｘ）から戻し水Ｃを吐出させるようにして、蓄熱槽１における貯留水Ｃの混合を促進し、そして、その後の後段水放熱運転において上部出入器３の出入口３ｃ（吐出口Ｘ）を貯留水Ｃの水面近傍で水中に位置させるように下降させた状態で戻り水Ｃを吐出させることにより、貯留水Ｃの温度成層状態を保つようにしてもよい。

前述の実施形態では、蓄熱槽１内に１つの吐出口Ｘ（上部出入器３の出入口３ｃ）を設ける例を示したが、これに代え、吐出口Ｘを平面視で分散させて蓄熱槽１に複数設けるようにしてもよい。

また、前述の実施形態では、蓄熱槽１を一槽だけ設ける構成を示したが、これに代え、複数の蓄熱槽１を並列的に設け、これら蓄熱槽１の夫々に吐出口Ｘを装備する構成にしてもよい。

吐出口Ｘは、粒状氷ａや戻り水Ｃを平面視で放射状に分散させて水平向きに吐出させる構造に限らず、粒状氷ａや戻り水Ｃを水平一方向ないし互いに逆向きの水平二方向に向けて吐出させる構造などであってもよく、その具体的構造は種々の変更が可能である。

本発明の実施において、粒状氷ａの生成は過冷却解除方式に限られるものではなく、例えば、層状の氷を削って粒状氷を生成する方式や、塊状の氷を砕いて粒状氷を生成する方式などであってもよい。

前述の実施形態では、蓄熱槽１に蓄熱した冷熱を空調に用いる例を示したが、本発明の実施において、蓄熱槽１に蓄熱した冷熱の用途は空調に限られるものではなく、物品の冷却など、どのような用途であってもよい。

１ 蓄熱槽
ａ 粒状氷
Ｃ 水
Ａ 氷集積層
１９ 冷熱消費装置
Ｘ 吐出口
３ｂ 多孔板
２６ 運転制御手段
９ 冷凍機
ｔ１ 第１設定温度
ｔ２ 第２設定温度
Ｋ 上側貯留水と下側貯留水との境界

Claims (5)

1. 蓄熱槽に粒状氷を供給して槽内の貯留水に浮遊する氷集積層を形成する蓄氷運転を実施し、この蓄氷運転の後に、前記蓄熱槽の下部から冷熱消費装置への供給冷水を取り出しながら、前記氷集積層を前記冷熱消費装置からの戻り水により融解させる解氷運転を実施し、
   この解氷運転に続いて、前記蓄熱槽の下部から前記冷熱消費装置への供給冷水を取り出しながら、前記冷熱消費装置からの戻り水を前記蓄熱槽の上部に戻す水放熱運転を実施する氷蓄熱設備であって、
   前記蓄熱槽の上部に配置した吐出口を上下移動させる駆動装置を設け、
   前記蓄氷運転では、前記駆動装置により前記吐出口を前記貯留水の上方空間に位置させて、この吐出口から粒状氷を吐出することで、その吐出口よりも低い位置に前記氷集積層を形成し、
   前記解氷運転では、前記駆動装置により前記吐出口を前記貯留水の上方空間で前記氷集積層よりも高く位置させて、この吐出口から前記戻り水を吐出させることで、前記氷集積層を融解させ、
   前記水放熱運転では、前記駆動装置により前記吐出口を前記貯留水の水面近傍で水中に位置させて、この吐出口から前記戻り水を吐出させることで、前記戻り水を前記蓄熱槽の上部に戻す運転制御手段を設け、
   前記吐出口は、多孔板の張設部を槽内に対する出口とする構造にして、
   前記解氷運転及び前記水放熱運転では、前記戻り水を前記多孔板における多数の孔を通じて分散させた状態で吐出し、
   前記蓄氷運転では、過冷却水を前記多孔板への衝突による過冷却解除により冷水とそれに含まれる粒状氷とに変化させた状態で前記多孔板における多数の孔を通じて吐出させる構成にしてある氷蓄熱設備。
2. 前記運転制御手段は、
   前記蓄氷運転では、前記氷集積層の成長に伴い前記吐出口を前記駆動装置により上昇させて、前記氷集積層の上面と前記吐出口との離間距離を所定寸法に保ち、
   前記解氷運転では、前記氷集積層の融解に伴い前記吐出口を前記駆動装置により下降させて、前記氷集積層の上面と前記吐出口との離間距離を所定寸法に保つ構成にしてある請求項１記載の氷蓄熱設備。
3. 前記運転制御手段は、前記蓄氷運転に先立ち、
   前記吐出口を前記貯留水の水面近傍で水中に位置させて、この吐出口を通じて取り出した前記貯留水を冷凍機により第１設定温度に冷却し、この第１設定温度の冷却冷水を前記蓄熱槽の下部に戻す前段水蓄熱運転と、
   前記蓄熱槽の下部から取り出した貯留水を前記冷凍機により前記第１設定温度の冷却冷水よりも低温で比重が小さくなる第２設定温度の冷却冷水に冷却し、この第２設定温度の冷却冷水を、前記貯留水の水面近傍で水中に位置させた前記吐出口から前記蓄熱槽の上部に戻す後段水蓄熱運転とを、その順に実施する構成にしてある請求項１又は２記載の氷蓄熱設備。
4. 前記運転制御手段は、前記蓄熱槽の下部から前記冷熱消費装置への供給冷水を取り出しながら前記冷熱消費装置からの戻り水を前記蓄熱槽の上部に戻す前記水放熱運転として、
   前記解氷運転による前記氷集積層の消滅後、前記蓄熱槽の上部へ前記戻り水を戻すことに伴い、前記貯留水と前記戻り水との比重差による混合により前記蓄熱槽の下部から上部における前記貯留水の温度を第１設定温度まで上昇させる前段水放熱運転と、
   この前段水放熱運転に続いて、前記蓄熱槽の上部へ前記戻り水を戻すことに伴い、前記第１設定温度の水よりも高温で比重が小さい戻り水からなる貯留水が前記蓄熱槽の上側に存在し、かつ、前記第１設定温度の貯留水が前記蓄熱槽の下側に位置する温度成層状態で、それら上側貯留水と下側貯留水との境界を漸次的に下降させる後段水放熱運転とを実施し、
   これら前段水放熱運転、及び、後段水放熱運転の夫々において、前記吐出口を前記貯留水の水面近傍で水中に位置させて、この吐出口から前記戻り水を吐出させることで、前記戻り水を前記蓄熱槽の上部に戻す構成にしてある請求項１〜３のいずれか１項に記載の氷蓄熱設備。
5. 前記運転制御手段は、前記蓄熱槽の下部から前記冷熱消費装置への供給冷水を取り出しながら前記冷熱消費装置からの戻り水を前記蓄熱槽の上部に戻す前記水放熱運転として、
   前記解氷運転による前記氷集積層の消滅後、前記蓄熱槽の上部へ前記戻り水を戻すことに伴い、前記貯留水と前記戻り水との比重差による混合により前記蓄熱槽の下部から上部における前記貯留水の温度を第１設定温度まで上昇させる前段水放熱運転と、
   この前段水放熱運転に続いて、前記蓄熱槽の上部へ前記戻り水を戻すことに伴い、前記第１設定温度の水よりも高温で比重が小さい戻り水からなる貯留水が前記蓄熱槽の上側に存在し、かつ、前記第１設定温度の貯留水が前記蓄熱槽の下側に位置する温度成層状態で、それら上側貯留水と下側貯留水との境界を漸次的に下降させる後段水放熱運転とを実施し、
   前記前段水放熱運転では、前記吐出口を前記貯留水の上方空間に位置させて、この吐出口から前記戻り水を吐出させることで、前記戻り水を前記蓄熱槽の上部に戻し、
   前記後段水放熱運転で、前記吐出口を前記貯留水の水面近傍で水中に位置させて、この吐出口から前記戻り水を吐出させることで、前記戻り水を前記蓄熱槽の上部に戻す構成にしてある請求項１〜３のいずれか１項に記載の氷蓄熱設備。

Images