JP5946670B2 - ダイナミック型氷蓄熱システム - Google Patents

Description

本発明は、夜間電力などを利用して蓄熱槽内に氷を蓄えて蓄熱するダイナミック型氷蓄熱システムに関する。

空調などの熱源に使用される冷熱を、氷の状態で蓄熱槽内に蓄える氷蓄熱方式が普及している。かかる氷蓄熱方式によれば、料金の安い夜間電力などを利用して冷熱を蓄熱槽に蓄熱することが可能となる。この氷蓄熱方式には，製氷法の相違によって、スタティック型氷蓄熱システムとダイナミック型氷蓄熱システムがある。蓄熱槽内の水を製氷装置に取水して氷層を連続的に作り出すダイナミック型氷蓄熱システムは、製氷装置と蓄熱槽を分離でき、配管も比較的自由に行えるので、システム設計上の自由度が高いといった利点がある。

従来、ダイナミック型氷蓄熱システムに関して、特許文献１に示されるように、製氷装置で作られた氷水を、蓄熱槽の内部に配置された氷水戻し配管を通し、蓄熱槽内の水面よりも上方に突出させた供給口から上向きに噴出させる方法が知られていた。このように、蓄熱槽内の水面上方において上向きに噴出することにより、氷水を蓄熱槽内に均一に供給することができ、蓄熱槽内に均一にかつ高密度に氷層を形成させることができた。

しかしながら、特許文献１のように、蓄熱槽内に配置された配管に送水して氷水を上向きに噴出させる場合、蓄熱槽の内部に配管の補強部材を配置することが困難である。そのため、配置の支持点が蓄熱槽底部の立ち上がり部と、蓄熱槽上方の天井部だけになり、その間（蓄熱槽の高さ分、おおよそ３〜４ｍ）は支持の無い状態となる。例えば、地震で水が動いたり解氷時に蓄熱槽内の氷層が動いた場合など配管が水平荷重を受けると、天井と床面の支持部分に過大なモーメントが作用することになる（モーメント＝水平荷重×作用点と支持点の距離）。また、解氷時（放熱時）に氷層の形状が変化すると、蓄熱槽の内部において底部から立ち上がって配置された配管に過大な力がかかる。このような大きなモーメントや力に耐える構造とするために、特許文献１のような構造では、蓄熱槽の底面などで、配管を鋼材などの鉄骨等で強固に補強する必要があった。

一方、特許文献２に示されるように、蓄熱槽の底部から取水した水を過冷却器で冷却し、蓄熱槽の外側に配置した配管を通じて蓄熱槽の水面の上方から過冷却水を落下させる蓄熱装置も知られている。かかる蓄熱装置によれば、蓄熱槽の外部において、配管を天吊にするか、他の直近の構造物で支持することができ、配管やその支持構造に過大なモーメントや力がかかることを回避できるようになる。

また、特許文献３には、蓄熱槽の底部から取水した水を冷凍機の蒸発器で氷結させ、ブレードで掻き取ったスラリー状の氷を蓄熱槽の水面下に戻す蓄熱式製氷装置が開示されている。この蓄熱式製氷装置では、蓄熱槽の底部から蒸発器に送水する配管の途中に弁を介在させて、送水停止時においても蒸発器や配管に水を充満させて空気を侵入を防ぐことにより、蒸発器や配管における発錆を防止する構成となっている。

特開２００５−１８８８９６号公報 実用新案登録第２５３２５７８号公報 特開平６−３４１７４３号公報

しかしながら、上述した通り、特許文献１のように蓄熱槽内に配置された配管から氷水を噴出させた場合、配管の支持構造や配管自体に過大なモーメントや力がかかってしまう。このため、特許文献１のような構造では、蓄熱槽の底面などで、配管を鉄骨などの鋼材等で強固に補強しなければならなくなる。

この点、特許文献２のように蓄熱槽の外部に配管を配置すれば、天吊や他の直近の構造物で配管を支持することができ、配管やその支持構造に過大なモーメントや力がかかることを回避できる。しかし、特許文献２のように蓄熱槽の水面の上方から過冷却水を落下させる方式では、送水を停止したときに、下向きに開口している供給口から自重で過冷却水が落下し、配管内部や製氷装置内に備えた熱交換器内部に空気が侵入し、配管内面の腐食や熱交換器の伝熱面にスケールが堆積する心配を生ずる。

一方、特許文献３のように配管の途中に落水防止弁を介在させることにより、蒸発器や配管における発錆などを防止することが可能となる。しかしながら、特に特許文献３のように氷水を送水する方式では配管内で氷が詰まりやすく、落水防止弁は内部の流路形状が複雑であり、氷で目詰まりを起こす可能性が高い。また、高価な落水防止弁を用いることは、コスト面でも不利である。

したがって本発明の目的は、水面の上方から氷水を供給して蓄熱槽内に安定かつ均一に氷層を形成させることができるダイナミック型氷蓄熱システムにおいて、蓄熱槽の外部で天吊や他の直近の構造物で配管を支持可能であり、また、送水を停止しても、製氷装置や配管における発錆を防止できるようにすることにある。

前記の目的を達成するため、本発明によれば、蓄熱槽内の水を水面高さよりも下の位置で取水して取水管を通じて製氷装置に送り、前記製氷装置で作られた氷水を供給管に通して、前記供給管の先端の供給口から前記蓄熱槽の水面の上方において下向きに吐出するダイナミック型氷蓄熱システムであって、前記供給口と水面との間に、前記供給口から下向きに吐出された氷水の流れを横方向に方向転換させる拡散部材を配置し、前記取水管と前記供給管を、前記蓄熱槽の外部に配置し、前記製氷装置と前記供給口との間において、前記供給管を、前記蓄熱槽の水面高さよりも上の位置から水面高さよりも下の位置を経由させて再び水面高さよりも上の位置に戻すトラップ部を設けたことを特徴とする、ダイナミック型氷蓄熱システムが提供される。

このダイナミック型氷蓄熱システムにおいて、前記拡散部材を支柱部材の下端に取り付け、前記支柱部材の上端を前記供給口の内部に位置させ、前記支柱部材の上端を、前記供給管の内部に放射状に配置した連結部材で固定しても良い。

本発明のダイナミック型氷蓄熱システムによれば、蓄熱槽の水面の上方において、供給管の先端の供給口から氷水を下向きに吐出することにより、蓄熱槽内に氷を連続的に供給して氷層を形成させることができる。また、供給口から下向きに吐出された氷水は、蓄熱槽の水面の上方において、拡散部材により流れを横方向に方向転換させられるので、供給口直下の位置に氷が集中することが無く、蓄熱槽内の全体に均一に氷層を形成させることができる。かつ、供給口の数が減るため、供給口につながる枝管を少なくでき、管系の重量を低減できる。しかも、取水管と供給管が蓄熱槽の外部に配置されているので、蓄熱槽の外部において取水管や供給管を天吊や他の直近の構造物で支持することが可能であり、取水管や供給管、その支持構造などに過大なモーメントや力がかかることを回避できる。加えて、供給管に、蓄熱槽の水面高さよりも上の位置から水面高さよりも下の位置を経由させて再び水面高さよりも上の位置に戻すトラップ部が設けられているので、送水を停止したときに、下向きに開口している供給口から自重で氷水が落下することが防止され、供給管の内部や製氷装置内に備えた熱交換器内部に空気が侵入することが無い。その結果、供給管の内面の腐食が防止され、熱交換器の伝熱面にスケールが堆積しなくなる。

本発明の実施の形態にかかるダイナミック型氷蓄熱システムの概略を示す説明図である。 図１におけるＸＸ拡大断面図である。 図２におけるＹＹ断面図である。 拡散部材の変形例を示す、ＹＹ断面図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１に示すように、本発明の実施の形態にかかるダイナミック型氷蓄熱システム１において、蓄熱槽１０の内部に水ａが溜められている。蓄熱槽１０の側面下部には、取水管１１が接続され、取水管１１には、送水ポンプ１２が設けられている。この送水ポンプ１２の稼動により、蓄熱槽１０内の水ａが取水管１１に取水され、取水管１１を通じて水ａが製氷装置１３に送られる。

製氷装置１３は、例えば特許第３８５５０６８号や特許第４３３０８３０号に開示されているような、冷凍機と過冷却器と過冷却解除器から主として構成される装置で、その出口部から氷スラリーが供給される。もっとも、特開２００５−１８８８９６号のような、ブラインとの熱交換により水ａを表面に凍結させる熱交換器を用い、その表面に凍結させた氷をブレードなどで掻き取る方式によっても良い。

製氷装置１３には、水ａ（氷水）を蓄熱槽に戻す供給管１５が接続されている。供給管１５の先端に形成された供給口１６は、蓄熱槽１０に溜められた水ａの水面ａ１よりも上方に配置され、供給口１６は下向きに開口している。この例では、水面ａ１の上方において３箇所に供給口１６が配置されており、製氷装置１３で氷水とされた水ａは、供給管１５に通されて、蓄熱槽１０の水面ａ１の上方において、横引き主管から枝管を介して各供給口１６から下向きに吐出される。

供給管１５には、製氷装置１３と供給口１６との間において、供給管１５の内部に水を溜めるトラップ部２０が設けられている。このトラップ部２０では、供給管１５は、蓄熱槽１０内に溜められている水ａの水面ａ１の高さよりも上の位置から、一旦、水面ａ１の高さよりも下の位置を経由し、再び水面ａ１の高さよりも上の位置に戻す経路となっている。このため、製氷装置１３を出て供給管１５を送水される水ａ（氷水）は、蓄熱槽１０内の水ａの水面ａ１の高さよりも上の位置を通った後、一旦、水面ａ１の高さよりも下の位置を通り、その後、再び水面ａ１の高さよりも上の位置を通過した後、供給管１５の先端に形成された供給口１６に至る。

取水管１１と製氷装置１３と供給管１５は、いずれも蓄熱槽１０の外部に配置されている。これら取水管１１、製氷装置１３および供給管１５は、天吊や他の直近の構造物などといった、いずれも蓄熱槽１０の外部に配置された支持構造によって固定されている。

供給管１５の先端に形成された供給口１６の下方には、供給口１６から適当な隙間を空けて、拡散部材２１が水平に配置されている。拡散部材２１は、蓄熱槽１０内に溜められている水ａの水面ａ１よりも上方に位置しており、供給口１６と水面ａ１との間において、供給口１６から下向きに吐出される水ａ（氷水）の流れが、拡散部材２１によって横方向に方向転換させられる。

図２、３に、拡散部材２１の一例を示す。この図２、３に示す例では、拡散部材２１として断面逆漏斗状の円盤が用いられている。この円盤からなる拡散部材２１の中央には、支柱部材２２の下端が取り付けられている。支柱部材２２の上端は、供給口１６（供給管１５）の内部（ここではその中央）に下から挿入されて位置している。また、支柱部材２２の上端は、供給口１６（供給管１５）の内部に放射状に配置された複数の連結部材２３で固定されている。このように、供給口１６（供給管１５）の内面に対して、連結部材２３および支柱部材２２を介して、拡散部材２１が取り付けられることにより、供給口１６から隙間を空けた下方に拡散部材２１が配置されている。なお、拡散部材２１は供給口１６の上方の横引主管の部位において拡散部材２１と対向する位置に吊元をとって吊ボルトで垂下しても良い。そうすれば、支持部材と連結部材が兼用できる。

以上のように構成されたダイナミック型氷蓄熱システム１において、送水ポンプ１２の稼動により、蓄熱槽１０内の水ａが取水管１１に取水され、水ａが製氷装置１３に送られる。そして、製氷装置１３では水ａの一部が凍結させられて、連続的に氷水が作られる。こうして氷水となった水ａは、供給管１５を通り、蓄熱槽１０の水面ａ１よりも上方において、各供給口１６から下向きに吐出される。こうして、蓄熱槽１０内に氷水が連続的に供給されて、蓄熱槽１０内に氷層ｂが形成させられる。

このダイナミック型氷蓄熱システム１によれば、供給口１６から下向きに吐出された水ａ（氷水）は、蓄熱槽１０の水面ａ１よりも上方において、拡散部材２１に衝突し、流れを横方向に方向転換させられる。これにより、供給口１６から供給された水ａ（氷水）は、供給口１６直下の位置に集中すること無く、拡散部材２１の周囲に広がって広い範囲に分布して供給されることとなる。こうして、供給口１６直下の位置から３６０°の周囲に均一に水ａ（氷水）が供給され、蓄熱槽１０内の全体に均一に氷層ｂが形成される。

一方、蓄熱を停止する場合、送水ポンプ１２の稼動が停止し、取水管１１、製氷装置１３および供給管１５における送水が停止する。この停止状態では、製氷装置１３と供給口１６との間において、供給管１５の内部に水を溜めるトラップ部２０が設けられているので、供給口１６からの水ａ（氷水）の落下が防止される。すなわち、トラップ部２０が設けられていることにより、製氷装置１３を出て供給管１５内を送水される水ａ（氷水）は、一旦、水面ａ１の高さよりも下の位置を通った後、水面ａ１の高さよりも上の位置にある供給口１６に到達している。このため、送水ポンプ１２の稼動が停止すると、供給管１５の内部に存在している水ａ（氷水）に対しては、自重により、トラップ部２０の最下部（水面ａ１の高さよりも下の位置）に向かう力が作用する。その結果、供給管１５内の供給口１６の近傍に存在している水ａ（氷水）は、供給管１５内に引き込まれることとなり、供給口１５から水ａ（氷水）が落下することが防止される。こうして、送水が停止されている間も、供給管１５の内部や製氷装置１３の内部に常に水ａが満たされる。その結果、供給管１５の内部や製氷装置１３内に備えた熱交換器内部に空気が侵入することが無く、供給管１５の内面の腐食や熱交換器の伝熱面でのスケールの堆積が防止される。

しかも、このダイナミック型氷蓄熱システム１は、取水管１１と製氷装置１３と供給管１５が、いずれも蓄熱槽１０の外部に配置され、取水管１１、製氷装置１３および供給管１５は、天吊や他の直近の構造物などといった、いずれも蓄熱槽１０の外部に配置された支持構造によって固定されている。このため、従来のように配管やその支持構造などに支持に過大なモーメントや力が作用することを回避でき、従来の立ち上がり管のような強固な支持が不要となる。また、取水管１１、製氷装置１３および供給管１５やそれらの支持構造が蓄熱槽１０の外部にあるので、施工や保守管理も容易となる。しかも、蓄熱槽１０の内部には余計な支持構造や配管などを設けなくて良いので、蓄熱槽１０内の有効容積が増加する。

以上、本発明の好適な実施の形態の一例を説明したが、本発明はここに示した形態に限定されない。例えば、図２、３では、円盤からなる拡散部材２１を示したが、図４に示すような円錐形状の拡散部材２１’を用いても良い。蓄熱槽１０内になるべく均一に氷層を形成させるためには、供給口１６から出た水ａ（氷水）をできるだけ水平方向遠方まで到達させる方が好ましく、そのためには、図２、３に示したような円盤からなる拡散部材２１を用いることが有利である。一方、図４に示すような円錐形状の拡散部材２１’を用いれば、供給口１６の周囲に水ａ（氷水）を円滑に分散させやすいと考えられる。なお、拡散部材２１、２１’を支持するために供給口１６（供給管１５）の内部に配置される連結部材２３の上端面は、図２〜４に示したように、斜めに傾斜させておくと、氷の塊が流れてきたときに、連結部材２３の上端面で氷の塊を粉砕しやすく、閉塞しにくくなると考えられる。

なお、トラップ部２０の最下部では、供給管１５の内部が全断面に渡って蓄熱槽１０内の水面ａ１よりも下となっていることが、トラップとして機能するための要件である。例えば、供給管１５として内径１００ｍｍ（半径５０ｍｍ）の配管を用いた場合、トラップ部２０の最下部での中心レベルは、水面下３０ｍｍでは不足で、最低限水面下５０ｍｍ以上とする必要がある。実際には製氷による蓄熱槽１０の水位レベルの低下を考慮して、満蓄時水位の５０ｍｍ以上下方にトラップ部２０の最下部での中心レベルを設定する必要がある。なお、トラップ部２０の設置場所は、蓄熱槽１０の内外を問わない。

本発明は、氷蓄熱に有用である。

ａ 水
ａ１ 水面
ｂ 氷層
１ ダイナミック型氷蓄熱システム
１０ 蓄熱槽
１１ 取水管
１２ 送水ポンプ
１３ 製氷装置
１５ 供給管
１６ 供給口
２０ トラップ部
２１ 拡散部材
２２ 支柱部材
２３ 連結部材

Claims (2)

1. 蓄熱槽内の水を水面高さよりも下の位置で取水して取水管を通じて製氷装置に送り、前記製氷装置で作られた氷水を供給管に通して、前記供給管の先端の供給口から前記蓄熱槽の水面の上方において下向きに吐出するダイナミック型氷蓄熱システムであって、
   前記供給口と水面との間に、前記供給口から下向きに吐出された氷水の流れを横方向に方向転換させる拡散部材を配置し、
   前記取水管と前記供給管を、前記蓄熱槽の外部に配置し、
   前記製氷装置と前記供給口との間において、前記供給管を、前記蓄熱槽の水面高さよりも上の位置から水面高さよりも下の位置を経由させて再び水面高さよりも上の位置に戻すトラップ部を設けたことを特徴とする、ダイナミック型氷蓄熱システム。
2. 前記拡散部材を支柱部材の下端に取り付け、
   前記支柱部材の上端を前記供給口の内部に位置させ、
   前記支柱部材の上端を、前記供給管の内部に放射状に配置した連結部材で固定したことを特徴とする、請求項１に記載のダイナミック型氷蓄熱システム。

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