JP5686639B2 - ダイナミック型製氷システムおよびダイナミック型製氷方法 - Google Patents

Description

本発明は、過冷却器で過冷却にした水を利用して連続的に氷を製造するダイナミック型製氷システムおよびダイナミック型製氷方法に関する。

過冷却器で水を過冷却状態にし、密閉配管内や蓄熱槽でその過冷却状態を解除させて、連続的にシャーベット状の氷を製造するダイナミック型製氷システムが知られている。このように過冷却水を利用したダイナミック型製氷システムでは、蓄熱槽から過冷却器にくみ出した水の中に僅かでも氷片が混入していると、水を過冷却状態まで冷却する過冷却器（熱交換器）内で相変化（凍結）が発生し、製氷運転を継続することができなくなる。このような事態を防止するために、次の特許文献１、２のように取水した水を加熱（予熱）する方法が提案されている。

即ち、特許文献１には、取水に含まれる氷粒子をフィルタで濾過し、フィルタ上流側に予熱回路を配置することでフィルタに補足された氷粒子を融解する技術が開示されている。また、特許文献２には、製氷運転と同時に躯体の予冷などを行い、躯体の予冷によって暖められた水を予熱の熱源に用いることで、予熱で失われる冷熱を有効利用し、システム全体の効率を改善する技術が開示されている。

更に、特許文献３には、蓄熱槽から過冷却器に水を供給する管路に設けられた送液ポンプの上流側に氷捕集用のフィルタを設置し、送液ポンプの下流側に設けられた主フィルタにおける氷の付着を防止する技術が開示されている。また、特許文献４には、蓄熱槽から過冷却器に水を供給する管路に設けられた送液ポンプの下流側に充填材を装填した通水容器を設置し、この通水容器で水の攪拌と滞在時間を確保することにより、氷を消去する技術が開示されている。

特許４５１４８０５号公報 特許第４３６９３３１号公報 実公平７−３４２６７号公報 実用新案登録第２５６９２９７号公報

しかし、これら従来のものはいずれも取水を予熱する必要があった。この取水の予熱は、省エネルギーの観点からは加熱量を必要最小限にする必要がある一方で、僅かでも必要な加熱量を下回った場合には即座に凍結に至ってしまうことから、非常に精密な温度制御を要するという問題があった。

なお、予熱の熱源として躯体の予冷を行う場合には、必要最小量よりも多めの加熱量にしてもエネルギーの無駄は生じないため精密な温度制御は必ずしも必要ではないが、躯体蓄熱のための埋設配管や冷水搬送ポンプが別途必要となるだけでなく、負荷側の需要変動による製氷運転への悪影響を減じる対策も必要である。躯体蓄熱を予熱用の熱源に用いる場合、製氷システムと躯体蓄熱は基本的に別システムのため、負荷側（躯体蓄熱側）の事情によって躯体蓄熱が入り切りされてしまう可能性がある。例えば、躯体蓄熱を行う時間帯に建物を使用している人間がいた場合、躯体蓄熱運転を寒いと感じて一部のフロアで躯体蓄熱運転を止めてしまうと、躯体蓄熱によって得られる熱量が、予熱に必要な熱量を下回ってしまうことがあり、この場合、製氷運転では氷粒子流入による凍結が頻発する可能性がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、ダイナミック型製氷システムの予熱を不要にして、システム全体の効率を大幅に改善するとともに、システム構成を簡略化する技術を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明によれば、過冷却器で水を過冷却状態にし、その過冷却状態を解除させて連続的にシャーベット状の氷を製造し、蓄熱槽に蓄熱するダイナミック型製氷システムであって、前記蓄熱槽から前記過冷却器に水を供給する管路に設けられた送液ポンプの下流側にストレーナを配置し、前記ストレーナは透過可能最大粒子径が既知のものを使用し、その透過可能最大粒子径と前記送液ポンプの出入口差圧に基づいて前記ストレーナから前記過冷却器までの水の滞在時間を設計され、前記送液ポンプの発熱の他に水を予熱しないことを特徴とする、ダイナミック型製氷システムが提供される。

前記ストレーナから前記過冷却器に至る管路部分における水の滞在時間ｔは、例えば下記式（１）に設定される。
ｔ≧ａ×Ｄ^２／Ｐ （１）
但し、ａは前記ストレーナの構造などによって決まる定数、Ｄは前記ストレーナの透過可能最大粒子径、Ｐは前記送液ポンプの出入口差圧である。

また、前記ストレーナは、例えばパンチング板からなる濾材、ディスクフィルタを備えている。

また本発明によれば、過冷却器で水を過冷却状態にし、その過冷却状態を解除させて、連続的にシャーベット状の氷を製造し、蓄熱槽に蓄熱するダイナミック型製氷方法であって、前記蓄熱槽から前記過冷却器に水を供給する管路に設けられた送液ポンプの下流側にストレーナを配置し、前記ストレーナは透過可能最大粒子径が既知のものを使用し、その透過可能最大粒子径と前記送液ポンプの出入口差圧に基づいて、前記ストレーナから前記過冷却器までの水の滞在時間が、前記ストレーナから前記過冷却器に至る間に、予熱せずに、前記送液ポンプのモータ発熱のみで氷を融解させることができる時間以上に設計されたことを特徴とする、ダイナミック型製氷方法が提供される。

本発明によれば、ダイナミック型製氷システムにおいて、蓄熱槽から過冷却器に供給される水を予熱せずに、過冷却器への氷片の混入を防止できるようになる。このため、省エネルギー化を図ることができ、また、予熱機構を省略することにより、システム構成を簡略化できる。

本発明の実施の形態にかかるダイナミック型製氷システムの説明図である。 氷粒子の融解モデルの説明図である。 本発明のダイナミック型製氷システムの運転例を示すグラフである。 数値限定例（パラメータ（Ｄ、θ、ｔ）の組み合わせ例を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態にかかるダイナミック型製氷システム１の説明図である。このダイナミック型製氷システム１は、蓄熱槽１０内にシャーベット状の氷３を蓄えることによって大量の冷熱を蓄えるようにしたものであり、例えば夜間電力を利用して製氷運転を行い、蓄熱槽１０に蓄えられた０℃の水が図示しない建物内の空気調和器群等に循環供給される。このダイナミック型製氷システム１は、例えば冷房シーズンにおいて活用される。

蓄熱槽１０には水２が蓄えられている。蓄熱槽１０の底部には管路１１の一端１１ａが接続されている。管路１１の他端１１ｂは蓄熱槽１０の上方において開口している。管路１１には、送液ポンプ１２、ストレーナ１３、過冷却器１４、伝播防止器１５、過冷却の解除器１６が順に設けられており、送液ポンプ１２の稼動により、蓄熱槽１０の底部において一端１１ａから管路１１内に水２が引き込まれ、管路１１内を通ってストレーナ１３、過冷却器１４、伝播防止器１５、過冷却の解除器１６の順に水２が流れて、管路１１の他端１１ｂからシャーベット状の氷３が放出される。

過冷却器１４としては、例えばプレート式熱交換器が使用される。この過冷却器１４では、図示しない冷凍サイクルで冷却されたブラインなどと熱交換が行われ、水２が０℃以下の一定の温度で過冷却される。

そして、この過冷却器１４で０℃以下に過冷却された水２が解除器１６に送液され、解除器１６内で水２の過冷却状態が解除されてシャーベット状の氷３が製造される。解除器１６は、例えば密閉室内において水２に超音波を加える方式であり、水２の過冷却状態を超音波で確実に解除して安定製氷を行うことができる。こうして解除器１６で製氷されたシャーベット状の氷３が、蓄熱槽１０の上方に開口した管路１１の他端１１ｂから放出され、蓄熱槽１０内に蓄えられる。

なお、過冷却器１４と解除器１６の間には、超音波の伝播を妨げる伝播防止器１５が介在している。このため、解除器１６で加えられる超音波は伝播防止器１５で遮断され、過冷却器１４内における超音波に起因した凍結発生は防止される。

このように過冷却にした水２を利用したダイナミック型製氷システム１では、蓄熱槽１０から管路１１を通って過冷却器１４にくみ出した水２の中に僅かでも氷片が混入していると、過冷却器１４で水２を過冷却状態まで冷却する際に相変化（凍結）が発生し、製氷運転を継続することができなくなる。このような事態を防止するために、このダイナミック型製氷システム１にあっては、管路１１において送液ポンプ１２の下流側に配置されたストレーナ１３として透過可能最大粒子径Ｄが既知のものを使用し、ストレーナ１３の透過可能最大粒子径Ｄと送液ポンプ１２の出入口差圧Ｐに基づいてストレーナ１２から過冷却器１４までの水の滞在時間ｔを設計する。この実施の形態にかかるダイナミック型製氷システム１では、ストレーナ１３から過冷却器１４に至る管路部分１１ｃにおける水２の滞在時間ｔが、下記式（１）となるように設定されている。
ｔ≧ａ×Ｄ^２／Ｐ （１）

ストレーナ１３は、透過可能最大粒子径Ｄが既知のものとして、例えばパンチング板からなる濾材、フォトエッチングなどによって直径のそろった孔が開けられた濾材、ワイヤが等間隔に入ったメッシュからなる濾材、ディスクフィルタ（濾材）を備えている。デイスクフイルタとして、例えばドーナツ状の板に放射状に溝を彫ったものを多数積層させて濾材として使用する構成のArkal社ディスクフィルタが使用される。粒子径Ｄを超える氷粒子はストレーナ１３ですべて捕捉される。このため、ストレーナ１３から過冷却器１４に至る管路部分１１ｃには、粒子径Ｄを超える氷粒子は入り込むことがなく、管路部分１１ｃには、粒子径Ｄ以下の氷粒子しか流入しないこととなる。

なお、不織布、紙や綿のように、繊維が絡まったもの、焼結体のように、粒子同士を融着させたもの、カイメンやスポンジなど不規則な細孔が入くんだ多孔質体などは、透過可能最大粒子径Ｄが不定であるので、本発明のストレーナ１３には不適当である。

ストレーナ１３から過冷却器１４に至る管路部分１１ｃは、管路１１の内、ストレーナ１３と過冷却器１４の間に位置する部分である。送液ポンプ１２の稼動により、蓄熱槽１０から管路１１内を循環して再び蓄熱槽１０に戻される水２は、その途中で、ストレーナ１３を出た後、この管路部分１１ｃを通過して、過冷却器１４に供給される。管路部分１１ｃにおける水２の滞在時間ｔとは、ストレーナ１３を出た後から過冷却器１４に供給されるまでの間の時間であり、その間、水２は管路部分１１ｃに滞在している。

式（１）において、ａはストレーナ１３の構造などによって決まる定数であり、氷粒子形状などの不確定要因を補正するための定数である。この定数ａは、予め実験で求めておく。氷粒子形状などの不確定要因は、フィルタの開口形状が例えば四角形であったりするために、実際の氷粒子が完全な球からずれることが原因であるが、その値（定数ａ）は氷粒子の観察結果から決定するのではなく、製氷実験を通じたフィッティングにて求める。例えば、使用するストレーナ１３を確定した後にさまざまな運転条件で製氷実験を行い、安定運転ができた（Ｐ、Ｄ、ｔ）の組み合わせから式（１）を用いてaを求め、この値（定数ａの最小値）を設計に用いる。

式（１）において、Ｐは送液ポンプ１２の出入口差圧によって決まる定数である。本発明では、ストレーナ１３から過冷却器１４に至る管路部分１１ｃにおいて、送液ポンプ１２の発熱を利用して水２を昇温させ、管路部分１１ｃにおいて氷粒子を融解させる。送液ポンプ１２による発熱は、送液ポンプ１２の出入口差圧Ｐ（送液ポンプ１２が水２に与えた仕事）だけで決まる。なお、これ以外の要因で水温が上昇しても（例えば保温からの漏れ熱や、モーターの発熱）、氷粒子融解への悪影響は無く、製氷運転が不安定化することはない。

滞在時間ｔは、送液ポンプ１２の発熱を利用して管路部分１１ｃにおいて氷粒子を融解させ、過冷却器１４への氷粒子混入を回避できる時間であり、式（１）で求められる。本発明のダイナミック型製氷システム１の設計方法は以下の手順になる。
（手順１）ストレーナ１３の透過可能最大粒子径Ｄを決定する。（例えば透過可能最大粒子径Ｄ＝100μm）
（手順２）送液ポンプ１２の出入口差圧Ｐと透過可能最大粒子径Ｄから、管路部分１１ｃにおける水２の滞在時間ｔを決定する。

なお上述したように、式（１）の定数ａは、ストレーナ１３の構造などの不確定要因を補正するための定数であり、予め実験で求めておく。

滞在時間ｔを所定のものにするためには、管路部分１１ｃの全長はそのままで、管径を太くする、管路部分１１ｃの太さはそのままで、全長を長くする、管路部分１１ｃの途中にタンクを設ける、などの方法が考えられる。

ダイナミック型製氷システム１において、蓄熱槽１０から管路１１に取水された０℃の水２には大小さまざまな大きさの氷粒子が混入する。この水２は送液ポンプ１２を通過する際に、ポンプ発熱によって僅かに上昇する。水２の液相の温度上昇幅は、送液ポンプ１２の軸動力や、モータ発熱がどの程度水に伝わるかによって決まるが、概ね０．０５〜０．１℃である。

この０℃から僅かに昇温した水２（液相）と氷粒子との混合物は、次に、送液ポンプ１２下流に配置されたストレーナ１３に流入する。本発明で使用するストレーナ１３は濾材の透過可能最大粒子径Ｄが均一あるいは、透過可能最大粒子径Ｄが予めわかっているものを使用するため、透過可能最大粒子径Ｄ以下の氷粒子はストレーナ１３の濾材を透過するが、透過可能最大粒子径Ｄよりも大きな氷粒子はストレーナ１３の濾材に捕捉される。しかし、水２の液相温度は０℃よりも僅かに高いため、ストレーナ１３の濾材に補足された氷粒子は濾材表面で融解し、透過可能最大粒子径Ｄ以下になったところで濾材を透過する。

以上の結果、ストレーナ１３を通過した後の氷粒子の粒度分布は、透過可能最大粒子径Ｄを最大値とする分布となる。なお、ストレーナ１３の濾材に多孔質材など、開口径に分布があり透過可能最大粒子径Ｄが定まらないものを使った場合には、本発明のような作用は得られない。この理由は、たとえ1個でも想定を超える大きさの開口が存在すると、そこを通過した氷粒子は想定を超える大きさになる可能性があり、所定の滞在時間ｔ内で消滅せずに過冷却器１４に到達することがあるからである。

次に、最大粒子径がわかっている氷粒子（透過可能最大粒子径Ｄ）が、送液ポンプ１２の発熱によって僅かに温度上昇した水２の中で融解・消滅するまでの時間について、簡単なモデルを用いて説明する。

氷の粒子形状を球と仮定し、氷粒子への伝熱が熱伝導だけであるとすると氷粒子が消滅するまでの時間は下式で表される。

（D₀初期粒子直径、ρ_i：氷の密度、L：氷の融解線熱、λ：水の熱伝導率、θ：液相の温度）

実際には、フィルタを通過する氷粒子は完全な球ではないため、設計の際は下式のように定数ｂを用いてその影響を補正する必要がある。

上式からは、初期粒子直径が大きいほど消滅に要する時間は多く必要であることがわかるが、前述のように本発明ではストレーナ１３下流側での氷粒子の粒度分布はストレーナ１３の濾材の透過可能最大粒子径Ｄを最大値とする分布であるので、濾材の透過可能最大粒子径Ｄを使ってストレーナ１３から過冷却器１４までの管路部分１１ｃの滞在時間ｔを設計すれば、過冷却器１４に到達する前に濾材を透過する氷粒子を全て融解させて消滅させることができる。

なお、液相の温度θと０℃の取水との温度差は、ポンプ軸動力Wが全て熱に変化したものによるとすると、以下の式で表される。

（Q:体積流量、P：ポンプ出入口差圧、ρ：水の密度、c：水の比熱）

以上の原理により、式（１）を使ってストレーナ１３から過冷却器１４に至る管路部分１１ｃの滞在時間ｔを設計すれば予熱を行うことなく安定的に製氷運転を行うことができる。本発明では従来システムのような予熱が不要であり、予熱に伴うエネルギーロスが生じない。また、これまで予熱に必要であったポンプや熱交換器、さらには、温度制御のための自動制御も不要にすることができる。なお、送液ポンプ１２のモータ発熱で昇温した水１２の温熱で氷粒子を全て融解させられるように、少なくとも送液ポンプ１２の吐出部から過冷却器１４に至るまでの間は管路１１を、例えば発泡性ポリスチレンフォームなどの断熱材で被覆することが望ましい。または、周囲温度がモータ発熱で昇温した水２の水温と同じもしくは高いときはあえて断熱せず管路１１を露出することができる。また、微細氷の融解は送液ポンプ１２で送液された水２の乱流により行われる。

なお、実際の設計を考えた場合、ストレーナ１３の透過可能最大粒子径Ｄは小さいほど管路部分１１ｃの滞在時間を小さくできる半面、ストレーナ１３の開口は水２中の異物によって詰まりやすくなる。透過可能最大粒子径Ｄを小さく設定しつつ、このような悪影響が出にくいストレーナ１３としては、例えばドーナツ状の板（以降ドーナツ板と表記）に放射状に溝を彫ったものを多数積層させて濾材として使用する、いわゆるディスクフィルタが挙げられる。ディスクフィルタは、ドーナツ板の表面に正確な寸法で彫られた溝がドーナツ板の積層面でネットワーク流路を形成する構造となっているため、流路が異物で塞がれてもその異物を避けるような流路が多数存在する。このためパンチング板のように、閉塞した穴の数に単純に比例して有効開口が減少することはない。以上の理由から、本発明で使用するストレーナ１３は、ディスクフィルタがより好適である。

この場合、ディスクフィルタの材質には、熱伝導率の大きな金属を使用することが望ましい。これにより、氷粒子がディスクフィルタの溝を通過する際に、液相によって暖められたディスクが氷粒子と接触することで融解促進する効果が得られる。また、ディスクフィルタ上に刻まれた溝が、ディスク内表面から外表面に向かってジグザクと折れ曲がった経路となっていることが望ましい。これにより、細長い氷粒子がディスクを透過することを防止することで、定数aを最小にする効果が得られる。また、送液ポンプとして、モータが配管内に配置された構造を有するポンプ（いわゆるバレルドポンプ）を使用することが望ましい。これにより、モータ発熱がほぼ全量水に伝わるため、氷粒子の融解を促進する効果が得られる。また、ストレーナ下流の配管経路を蛇行させることが望ましい。これにより、撹拌による氷粒子の融解促進効果が得られる。

ここで、氷粒子の融解モデルを説明する。以下の仮定１、２とする。
「仮定１」氷粒子の形状を球と仮定する
（体積あたりの表面積が最も小さいため融解しにくく、設計上安全側の仮定）
「仮定２」氷粒子まわりの流れを無視し、氷粒子への入熱は熱伝導のみ考慮する
（物質移動を伴う入熱を無視するため融解しにくく、設計上安全側の仮定）

「氷粒子まわりの温度分布」
図２に示すように、初期半径ｓ＝r₀（直径D₀=2r₀）の氷粒子が温度θ₀の水中にあるとする。この時氷粒子周りの半径ｒ_∝の空間を考え、ｒ＝ｒ_∝での温度をθ₀、氷粒子表面温度をT_fとすると、中空球（外面＝ｒ_∝、内面ｒ＝ｓ）での定常温度分布は（２）式で表される。

ここで、T_f=０℃（氷水界面温度）より、（２）式は

さらにｒ_∝→∝とすると、

よって氷粒子まわりの温度分布は式（５）となる。

「氷粒子粒子径の時間変化」
氷の融解と熱流入のバランスから

ここにλ:水の熱伝導率、ρ_i:氷の密度、L:氷の融解潜熱である。
式（５）より

から、氷粒子表面での温度勾配は

これを式（６）に代入して定積分（ｔ＝０でｒ=r₀）すると

「氷粒子融解時間」
式（８）でｓ＝０とおくと式（９）が得られる。

図３に、本発明のダイナミック型製氷システムの運転例を示す。用いたストレーナの透過可能最大粒子径Ｄは55μm、ストレーナから過冷却器までの滞在時間ｔは6sec（理論最小滞在時間＝4sec）である。過冷部入口温度は0.05℃まで低下した。なお、用いた温度計は氷水を用いて誤差±0.01℃以下に校正してある。予熱0、過冷度3K、連続10時間の運転データである。過冷却水温度が一部変動しているのは冷凍機のブライン温度制御による。

図４に、数値限定例（パラメータ（Ｄ、θ、ｔ）の組み合わせ例を示す。D=100μｍの濾材（ストレーナ）を使用した場合を示す。滞在時間ｔ＝15秒、5秒、3秒で製氷実験を行い、それぞれのｔの条件下で10時間以上凍結しないポンプ発熱の最小値を調べたものである。図中の波線は、補助線として、ｔ・θ＝1.1の曲線を示したものであるが、この曲線は実験結果の傾向と良く合っていることがわかる。このことから、ストレーナの構造が決まれば式（1）の定数aが定まることがわかる。なお、この図より、D＝100μmの場合は、この破線の上方または右側となるようにｔとθを選べば、予熱0の製氷運転が実現できる。

本発明は、例えば氷蓄熱を利用して冷房運転を行う空調分野に有用である。

１ ダイナミック型製氷システム
２ 水
３ 氷
１０ 蓄熱槽
１１ 管路
１１ａ 一端
１１ｂ 他端
１１ｃ 管路部分
１２ 送液ポンプ
１３ ストレーナ
１４ 過冷却器
１５ 解除器
１６ 伝播防止器

Claims (4)

1. 過冷却器で水を過冷却状態にし、その過冷却状態を解除させて、連続的にシャーベット状の氷を製造し、蓄熱槽に蓄熱するダイナミック型製氷システムであって、
   前記蓄熱槽から前記過冷却器に水を供給する管路に設けられた送液ポンプの下流側にストレーナを配置し、
   前記ストレーナは透過可能最大粒子径が既知のものを使用し、その透過可能最大粒子径と前記送液ポンプの出入口差圧に基づいて前記ストレーナから前記過冷却器までの水の滞在時間を設計され、前記送液ポンプの発熱の他に水を予熱しないことを特徴とする、ダイナミック型製氷システム。
2. 前記ストレーナから前記過冷却器に至る管路部分における水の滞在時間ｔが、下記式（１）に設定されたことを特徴とする、請求項１に記載のダイナミック型製氷システム。
   ｔ≧ａ×Ｄ^２／Ｐ （１）
   但し、ａは前記ストレーナの構造などによって決まる定数、Ｄは前記ストレーナは透過可能最大粒子径、Ｐは前記送液ポンプの出入口差圧である。
3. 前記ストレーナは、パンチング板からなる濾材またはディスクフィルタを備えることを特徴とする、請求項１または２に記載のダイナミック型製氷システム。
4. 過冷却器で水を過冷却状態にし、その過冷却状態を解除させて、連続的にシャーベット状の氷を製造し、蓄熱槽に蓄熱するダイナミック型製氷方法であって、
   前記蓄熱槽から前記過冷却器に水を供給する管路に設けられた送液ポンプの下流側にストレーナを配置し、
   前記ストレーナは透過可能最大粒子径が既知のものを使用し、
   その透過可能最大粒子径と前記送液ポンプの出入口差圧に基づいて、前記ストレーナから前記過冷却器までの水の滞在時間が、前記ストレーナから前記過冷却器に至る間に、予熱せずに、前記送液ポンプのモータ発熱のみで氷を融解させることができる時間以上に設計されたことを特徴とする、ダイナミック型製氷方法。

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