JP6432900B2 - 塊状氷を用いた熱交換システム - Google Patents

Description

本発明は、塊状氷を含む氷水から得られる水によって熱交換を行う塊状氷を用いた熱交換システムに関するものである。

ビルの冷房用熱源として夜間電力を利用した蓄熱式熱源システムが採用される傾向にある。なかでも、コンパクト性、夜間稼働率の高さ、低水温を利用した大温度差によるポンプやファン等の搬送動力の低減といった利点から氷蓄熱タイプの空調システムが有効な方法として考えられている。これと同時に空調システムにも高密度冷熱搬送が求められており、氷の潜熱を付加する氷水搬送システムの実現が望まれている。氷水搬送システムは、水の顕熱のみを利用する水搬送方式と比べて、主配管系の縮小と搬送熱量あたりの動力縮減を図ることが可能と考えられ、システム導入及び運用時のＣＯ_２排出量の削減が期待できる。

貯氷タンク内の氷水を取り出す方法が特許文献１に開示されている。特許文献１の方法は、氷水を熱交換器に向けて搬送している。すなわち、熱交換を行う配管内には氷が混ざった水が流れる。しかしながら、このような氷水の搬送のためには水のみを搬送するためのポンプは用いることはできず、例えばスラリーポンプ等、ある程度高出力のポンプを使用する必要がある。

特許第２８０４１２０号公報

本発明は、上記従来技術を考慮したものであり、塊状氷を含む氷水を搬送するに際して高出力のポンプを必要とせず、安定した温度の冷水を提供することができる塊状氷を用いた熱交換システムを提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明では、塊状氷を含む氷水が流れる主配管と、該主配管から分岐する分岐管路と、該分岐管路を介して前記主配管からの前記氷水が流入するタンクと、負荷側機器により昇温した冷却水が流れる熱交換器と前記タンクとを互いに連通して循環する循環経路と、該循環経路に配され、前記タンクから前記塊状氷が非包含の冷水のみを流出させるポンプと、該熱交換器の下流側にて前記循環経路から分岐して前記主配管に連通する戻し管路とを備えたことを特徴とする塊状氷を用いた熱交換システムを提供する。

好ましくは、前記循環経路は、前記熱交換器の上流側及び下流側に配されて前記タンクと前記熱交換器とを連通する往き管路及び還り管路とで形成され、前記往き管路は、前記タンクの下側に接続されている。

好ましくは、前記還り管路は、前記タンクの上側に接続されている。

好ましくは、前記タンクには、その内部の上側から鉛直下方に延びる棒形状の発光体及び該発光体を撮影するカメラが配設され、前記カメラによる撮影画像を視認できるモニタが前記タンクの外側に配設されている。

好ましくは、前記分岐管路及び前記循環経路が前記主配管に対して複数配設され、前記タンクの上側から延び、前記主配管と連通する補助管路が配設されている。

本発明によれば、熱交換に用いられる冷水が流れる循環経路に、塊状氷のみが含まれている氷水が蓄えられているタンクが配設されているので、タンク内の氷水によって熱交換による急激な冷水の温度変化を緩和させることができる。このため、熱交換器に対して安定した温度の冷水を提供することができる。また、塊状氷は水中で上昇する（浮く）という性質に着目し、このような塊状氷を用いることでタンク内で容易に塊状氷と水とを分離させることができるので、タンクから循環経路に対して冷水を流出させる際には水のみを搬送可能な比較的低出力のポンプで足りる。このため、塊状氷を用いているにもかかわらず冷水搬送のためには高出力のポンプが不要となり、エネルギーやコストを低減させることができる。これに伴い、熱交換に用いられる冷水は塊状氷を非包含の冷水であるため、熱交換器も一般的に用いられている熱交換器で足りる。したがって、氷水（シャーベット状の氷、塊状氷のいずれかが含まれている水）にも適用できる高価な熱交換器を用いる必要がない。

また、往き管路がタンクの下側に接続されていれば、塊状氷はタンクの上側に位置しているので、誤って循環経路内に塊状氷が流入することを防止できる。

また、還り管路がタンクの上側に接続されていれば、塊状氷はタンクの上側に位置しているので、熱交換器により昇温した冷水を塊状氷が溜まっている領域に流入させることができ、昇温した冷水の流入によるタンク内の急激な温度変化を防止できる。

また、発光体をタンク内部に備えることで塊状氷により発光が視認できない位置まで塊状氷がタンク内に溜まっていることをモニタにより確認できる。

また、主配管に対して熱交換器を含む循環経路が複数備わっている場合に、タンクの上側から塊状氷を主配管に戻す補助管路を設けることで、タンクをサブプラントとして利用でき、例えば建物間熱融通を行うことができる。

本発明に係る塊状氷を用いた熱交換システムの概略図である。 本発明に係る別の塊状氷を用いた熱交換システムの概略図である。 タンク内の塊状氷の量を確認するための構造の一例を示す概略図である。

図１に示すように、本発明に係る塊状氷を用いた熱交換システム１は、いわゆるシャーベット状の氷ではなく、固まった形状を有する塊状の氷のみが含まれている氷水を熱交換の冷水に用いるものである。したがって本発明では、シャーベット状の氷が含まれる氷水については適用外である。本発明は、塊状氷を用いた場合における特有の問題点を解決するためのものとして機能する。このため、本明細書では特に断わりがない場合、塊状氷のみが含まれている水を「氷水」と称する。

システム１は主配管２を備えている。この主配管２内を氷水が矢印Ａ方向に流れている。図示はしないが、主配管の上流端には氷水を蓄えているメインタンクが備わっていて、ここから主配管２に向けて氷水が供給される。主配管２はメインタンクに複数接続されている場合もある。主配管２から分岐して、分岐管路３が配設されている。分岐管路３はタンク４に接続されている。分岐管路３内は主配管２からの氷水が流れ、この氷水はタンク４内に流入する。したがって、タンク４内には塊状氷５が水６とともに蓄えられる。このタンク４内に蓄えられた水６が熱交換における冷水として用いられる。冷水（水６）はタンク４内の塊状氷５によって一定の温度とされるので、熱交換に供給する冷水の温度を安定させることができる。なお、分岐管路３には主配管２からの氷水の流入を制御するためのバルブ１６が配されている。また、主配管２内の氷水が低流速の場合、あるいは主配管２内の塊状氷５が低密度の場合は、塊状氷５の浮力で主配管２の上部に塊状氷５が偏在することになる。このため、分岐管路３は主配管２の上部に接続されている。

タンク４は冷水が循環する循環経路７の一部として形成されている。循環経路７には熱交換器８が配設されている。熱交換器８にはさらに冷却水管路９が通っている。循環経路７を通る冷水は冷却水管路９を通る冷却水と熱交換器８内で熱交換される。冷却水管路９には負荷側機器１０が配されている。冷却水は負荷側機器１０に使用されて昇温し、熱交換器８にて冷水により冷却される。そして再び負荷側機器１０に使用される。すなわち冷却水は冷却水管路９を矢印Ｄ方向に流れる。この冷却水の流れはポンプ１１で制御されている。

一方で循環経路７を換言すれば、タンク４と熱交換器８とを互いに連通する２本の管路とも言える。すなわち、循環経路７は、熱交換器８の上流側に配された熱交換器８とタンク４とを連通する往き管路１２と、熱交換器８の下流側に配された熱交換器８とタンク４とを連通する還り管路１３とを有していると言える。タンク４内の水６は冷水として往き管路１２内を熱交換器８に向けて矢印Ｂ方向に流れ、熱交換器８で熱交換された後、還り管路１３内をタンク４に向けて矢印Ｃ方向に流れていく。なお、水６はタンク４内に配されたフィルタ２７を通って往き管路１２に流出する。この循環経路７の冷水の流れは、循環経路７に配されたポンプ１５により実現されている。なお、主配管２内の氷水はポンプ１５の駆動及び後述する三方弁１７の働きにより分岐管路３内に流入する。また図の例では、往き管路１２に冷水の流量を計測するための流量計１８が配されている。

上述した構造を備えることで、熱交換に用いられる冷水が流れる循環経路７の一部として、塊状氷５を含む氷水が蓄えられているタンク４が配設されているので、タンク４内の氷水によって熱交換による急激な冷水の温度変化を緩和させることができる。このため、熱交換器８に対して安定した温度の冷水を提供することができる。また、塊状氷５は水中で上昇する（浮く）という性質を有するため、タンク４内では塊状氷５は上昇して上側に位置し、タンク４の下側には水６が位置することになる。このような塊状氷５の性質に着目することでタンク４内で容易に塊状氷５と水６とを分離させることができる。これにより、タンク４から循環経路７に対して冷水を流出させる際には水６のみを搬送可能な比較的低出力のポンプ１５で足りる。すなわち本システム１では塊状氷５を用いているにもかかわらず、冷水搬送のためには高出力のポンプが不要であり、エネルギーやコストを低減させることができている。熱交換に用いられる冷水は塊状氷５を非包含の水であるため、熱交換器８も一般的に用いられている熱交換器８で足りる。したがって、氷水（シャーベット状の氷、塊状氷のいずれかが含まれている水）にも適用できる高価な熱交換器を用いる必要がない。つまり、従来用いられている配管、バルブ、熱交換器にて塊状氷の搬送が可能となる構造を有しているので、コスト以外にも信頼性、施工性の観点からも有利である。氷水を搬送するために複雑で高価な構造、部品等を用いる必要がないからである。

一方で、本発明に係る塊状氷を用いた熱交換システム１は、主配管２から抜き取られた氷水は再びすべて主配管２に戻るようになっていて、開放された箇所がないいわゆる密閉回路（管路）となっている。すなわち熱交換システム１は主配管２のみに接続されていて、他の配管等とは非接続である。換言すれば、熱交換システム１は氷水が流通する管路の開放端として分岐管路３と戻し管路１４を有し、これらが有する開放端はすべて主配管２に接続されている。これにより高圧力を得ることができ、塊状氷５の流通を効率よく行うことができる。なお、システム１に後述する補助管路２３のような開放端を有する管路が設けられたとしても、すべて主配管２に接続される。

還り管路１３からはさらに戻し管路１４が分岐している。戻し管路１４は主配管２に接続されている。すなわち戻し管路１４は、熱交換器８の下流側にて循環経路７から分岐し、主配管２に連通している。これにより、循環経路７内の冷水を主配管２に戻して新たな氷水をタンク４に供給することができる。還り管路１３と戻し管路１４との分岐点には三方弁１７が配されている。この三方弁１７を用いることで冷水をタンク４に戻すか、主配管２に戻すか、あるいは両方にどのくらいの割合で戻すかを制御できる。

ここで、往き管路１２は、タンク４の下側に接続されている。図の例では、タンク４の下端に往き管路１２が接続されている。これにより、塊状氷５はタンク４の上側に位置しているので、誤って循環経路７内に塊状氷５が流入することを防止できる。したがって、水６のみからなる冷水を確実に循環経路７に供給することができる。このため水のみを流通させるためのポンプ１５に対して過大な負荷を与えることが防止できる。

また、還り管路１３は、タンク４の上側に接続されている。これにより、塊状氷５はタンク４の上側に位置しているので、熱交換器８により昇温した冷水を塊状氷５が溜まっている領域に流入させることができ、昇温した冷水の流入によるタンク４内の急激な温度変化を防止できる。換言すれば、昇温した冷水を直接塊状氷５に当てるので、塊状氷５を用いて効率よく昇温した冷水を冷却することができる。

本システム１の使用方法を簡単に説明する。主配管２からの氷水を分岐管路３にて抜き取り、タンク４で塊状氷５と水６とに分離し、水６のみを冷水として熱交換器８に供給する。塊状氷５が蓄えられているタンク４はいわゆるバッファタンクとなり、冷水の温度を安定させることができるので、タンク４内に所定量の塊状氷５が蓄えられた場合にはバルブ１６を閉じてバッファタンク（タンク４）を用いた循環運転とできる。このときはタンク４内の塊状氷を解かしながらの運転となるので解氷運転とも称することができる。主配管２からの抜き取り量については、流量計１８等を参照してポンプ１５の送り出し量を負荷側機器１０に応じて三方弁１７にて制御する。なお循環経路７や戻し管路１４には、適宜冷水の流量を調整するためのバルブ１９〜２２が配設されている。また、主配管２にシャーベット状の氷を流して実験した結果、分岐管路３にシャーベット状の氷が入りにくいことが分かったため、上述したように本発明では主配管２内に流れる氷を塊状氷５に限定している。

上記のような熱交換器８を含む循環経路７を主配管２に対して複数備え、それぞれの循環経路７に分岐管路３を備えた場合、タンク４の上側と主配管２とを連通する補助管路２３を設けることが好ましい。この場合、負荷側機器１０を建物や需要家と捉えることができる。主配管２に対して熱交換器８を含む循環経路７が複数備わっている場合に、タンク４の上側から塊状氷５を主配管２に戻す補助管路２３を設けることで、タンク４をサブプラントとして利用でき、例えば建物間熱融通を行うことができる。なお、補助管路２３には適宜ポンプ２４と二方弁２５、バルブ２６を配してもよい。なお、図の例では補助管路２３はタンク４の上端に接続されていて、この補助管路２３に塊状氷５が導入されやすいようにタンク４の上側は逆テーパ状に形成されている。このテーパ面に沿って塊状氷５はタンク４の上端に集められる。

タンク４をサブプラントとして用いる場合は図２に示すような構造としてもよい。すなわち、分岐管路３から分岐する連結管路３３を設け、この連結管路３３をタンク４の下部に接続する。この連結管路３３にはストレーナ３４、バルブ３５、ポンプ３６が配される。そして、補助管路２３にはバルブ２６のみが配される。図１の例では、タンク４から抜き出した塊状氷５を補助管路２３内に流通させるために、ポンプ２４はスラリーポンプが必要であったが、図２のような構造とすることで、ポンプ３６として水のみを搬送可能な通常の比較的低出力のポンプで足りることになる。タンク４をサブプラントとして用いる場合、通常は主配管２内は水のみが流れている状態であると思われるが、ストレーナ３４を配しておくことで塊状氷５が流れている状態でも利用することができる。

図３に示すように、タンク４には、その内部の上側から鉛直下方に延びる棒形状の発光体２８が配されている。この発光体２８は例えばＬＥＤライトである。タンク４内には、さらに発光体２８を撮影するためのカメラ２９が配設されている。カメラ２９はタンク４の外側に配設されているモニタ３０と接続されている。カメラ２９による撮影画像はモニタ３０により視認可能である。このような構成により、タンク４内の塊状氷５の量を目視により確認することができる。すなわち、発光体２８が発光していても、塊状氷５が蓄えられている部分ではその発光は塊状氷５に遮られるためカメラ２９ではその光を捉えることができない。したがって発光を確認できるレベルまで塊状氷５が蓄えられていることを画像検知することができる。図の例ではＥで示すレベルまで塊状氷５が蓄えられている。このように塊状氷５が蓄えられているレベルを視認するために、発光体２８としては棒形状が好ましいと言える。

ここで、発光体２８を制御リレー３１を介して電源接続部３２及びモニタ３０と接続してもよい。これにより、モニタ３０により画像認識する場合にのみ発光体２８を発光するように制御することができるので、発光体２８の発光時間を最小限に抑えることができ、節電に寄与することができる。

１：塊状氷を用いた熱交換システム、２：主配管、３：分岐管路、４：タンク、５：塊状氷、６：水、７：循環経路、８：熱交換器、９：冷却水管路、１０：負荷側機器、１１：ポンプ、１２：往き管路、１３：還り管路、１４：戻し管路、１５：ポンプ、１６：バルブ、１７：三方弁、１８：流量計、１９：バルブ、２０：バルブ、２１：バルブ、２２：バルブ、２３：補助管路、２４：ポンプ、２５：二方弁、２６：バルブ、２７：フィルタ、２８：発光体、２９：カメラ、３０：モニタ、３１：制御リレー、３２：電源接続部、３３：連結管路、３４：ストレーナ、３５：バルブ、３６：ポンプ

Claims (5)

1. 塊状氷を含む氷水が流れる主配管と、
   該主配管から分岐してポンプが非配置の分岐管路と、
   該分岐管路を介して前記主配管からの前記氷水が流入するタンクと、
   負荷側機器により昇温した冷却水が流れる熱交換器と前記タンクとを互いに連通して循環する循環経路と、
   該循環経路に配され、前記タンクから前記塊状氷が非包含の冷水のみを流出させるポンプと、
   該熱交換器の下流側にて前記循環経路から分岐して前記主配管に連通する戻し管路とを備えたことを特徴とする塊状氷を用いた熱交換システム。
2. 前記循環経路は、前記熱交換器の上流側及び下流側に配されて前記タンクと前記熱交換器とを連通する往き管路及び還り管路とで形成され、
   前記往き管路は、前記タンクの下側に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の塊状氷を用いた熱交換システム。
3. 前記還り管路は、前記タンクの上側に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の塊状氷を用いた熱交換システム。
4. 前記タンクには、その内部の上側から鉛直下方に延びる棒形状の発光体及び該発光体を撮影するカメラが配設され、
   前記カメラによる撮影画像を視認できるモニタが前記タンクの外側に配設されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の塊状氷を用いた熱交換システム。
5. 前記分岐管路及び前記循環経路が前記主配管に対して複数配設され、
   前記タンクの上側から延び、前記主配管と連通する補助管路が配設されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の塊状氷を用いた熱交換システム。

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